관형 광생물반응기에서 이산화탄소의 고정화와 광에너지 전환

박 장 혁, 김 장 규*, 김 남 기

성균관대학교 화학공학과, 현대중공업 중앙연구소*

Light Energy Conversion and Fixaton of Carbon Dioxide in the Tubular Photobioreactor

Jang-Hyuk Park, Jang-Kyu Kim*, Nam-Ki Kim

Department of Chemical Engineering, Sung Kyun Kwan University

Central Research Institute, Hyundai Heavy Industries Co., LTD

서  론

지구온난화를 가져오는 온실가스에는 H2O, CO2, CH4, N2O 및 CFC 등이 있으며, 지구온난화에 대한 각종 온실가스의 영향을 정량화한 결과 이산화탄소가 55% 정도를 차지하고 있는 것으로 나타났다.

현재 발전소나 제철소에서 발생되고 있는 이산화탄소의 분리방법에는 흡수법과 흡착법, 막분리법 및 심냉분리법 등이 있다. 이러한 분리공정들은 이산화탄소의 분리만을 목적으로 하고 있으므로 이산화탄소의 적절한 지구순환을 고려한 이산화탄소의 장기 고정화가 요구되고 있다. 또한 물리화학적 분리기술은 이산화탄소를 처리하기 위해 많은 에너지를 투입하여야 하고 재이용처나 고정화 공정을 다시 거쳐야 하는 1차적 처리공정이라고 할 수 있다. 따라서 이러한 물리화학적 처리가 이산화탄소 분리제거기술로서 확립되기 위해서는 고정화 공정의 추가와 저 에너지 소비형 공정이어야 한다는 문제점을 가지고 있다.

이에 비하여 광합성 미생물에 의한 처리방법은 에너지원이 태양광이므로 운전과 유지에 상당한 비용이 절감되며, 아울러 장치 가동에 요구되는 에너지원을 얻기 위한 화석연료의 사용이 최소화되므로 이차적인 환경문제를 유발하지 않는다.

광생물반응기를 통한 이산화탄소의 고정화에 있어서 중요한 요소는 광 이용의 극대화를 도모하는 것이다. 광을 반응기의 전체에 미치도록 하는데는 특성상 한계가 있기 때문에 반응기 부피에 대한 표면적 비(surface to volume ratio)가 반응기의 성능을 좌우하게 된다. 광반응기의 개발은 자연광에 의존한 상태에서 광 사용의 연속성과 넓은 면적의 부지를 요구하는 문제점을 극복하기 위한 필요성에 따라 광합성 미생물의 이용을 위하여는 반드시 해결되어야 할 부분이다.

본 실험에서는 최적 배양조건을 바탕으로 광에너지 전환과 이산화탄소 고정을 평가하기 위하여 closed culture reactor 가운데 시설 투자비가 적고 주어진 조건하에서 최대의 광 접촉면적을 제공할 수 있는 관형 반응기 시스템을 사용하여 이를 실용화 할 수 있는 기초자료를 갖고자 하였다.

이  론

Cyanobacteria, purple bacteria 그리고 다세포 green bacteria는 Calvin cycle을 통하여 이산화탄소를 유기물로 합성한다[1, 2].

Calvin cycle에서는 세 단계의 이산화탄소 고정화 과정이 있는데, 첫 단계는 3-Phosphoglycerate로 이산화탄소의 고정이며, 두번째 단계는 Glyceraldehyde -3-phosphate 전환이며, 세번째 단계는 Ribulose-1,5-phosphate의 재생단계가 주요 과정이 된다.

18 ATP + 12 NADPH + 6 CO2 →

Fructose 6-phosphate + 18 ADP + 17 Pi + 12 NADP+        (1)

광에너지에 의한 미생물의 성장은 광의 흡수와 반응기에서 분포, pigment의 양 등으로 관련지어지는 수식들에 의해 평가된다. 미생물 성장에 관련된 광의 이용성을 보면, 광강도와 광의 흡수에 대한 평가는 Lambert-Beer의 법칙을 이용하여 평가되고 있다. 흡수계수를 Ka라 할때 Lambert-Beer의 법칙에 의한 관계식은 다음과 같다.[2∼4]

[eqn: rm I`(z)~=~ I_0 ```exp `(-z`K_a ``x)]                      (2)

여기서 z는 광의 통과 길이, x는 균체농도, I0는 입사 광강도, I(z)는 길이 z에서 투과광의 광도를 나타낸다.

실험 방법

실험에 사용된 균주는 Synechocystis PCC 6803(ATCC 27184)으로 생명공학연구소에서 분양받아 배양되었으며, 배지는 BG-11을 사용하였다.

균체량 측정은 UV/Vis spectrophotometer를 사용하여 OD730에서 미생물량을 측정하였다. 원소성분분석을 통하여 고정화된 이산화탄소의 양을 계산하였으며, Synechocystis PCC 6803이 갖는 열량의 측정에는 AUTO-CALCULATOR BOMB CALORIMETER(SHIMADZU, CA4T)를 사용하여 측정되었다.

PAR(Photosynthetically Active Radiation)과 일치하는 광측정의 수단으로 반응기에 조사된 quantum의 양이 측정되었으며, 사용된 계측기는 Quantum- Radiometer-Photometer(LI-COR, LI-189) 이다.

관형 광생물 반응기에 의한 이산화탄소 고정화 시스템은 Fig. 1과 같다. 관형 반응기는 지름 2 cm, 길이 150 cm의 pyrex tube 10 개를 사용하였으며, 부피는 4.7 □ 이다. 이산화탄소 용해조는 지름 5 cm, 높이 70 cm로써 용해조와 배관부분이 차지하는 부피는 1.8 □ 이다. 배지의 순환유속은 3.2 □/min로 배양중에 균체의 관내 침적과 부착을 방지하기 위하여 난류상태가 유지(NRe:4,300)되도록 하였고, 사용된 광원은 fluorescent lamp(SYLVANIA Gro-Lux Lamp, F20W/GRO) 이다. 배양온도는 31±1℃로 제어하였으며, 배양액의 pH는 최적 pH인 7.1±0.1로 조정하였다.

결과 및 고찰

0.23 g/□, 0.45 g/□, 0.7 g/□, 1.1 g/□, 1.8 g/□로 초기 균체농도를 변화시켜 배양을 하였다. 초기 균체 농도의 증가에 따라 단위 시간당 균체 생성량이 지속적으로 증가하는 것은 아니었으며, 0.45 g/□일 때 단위 시간당 균체 생성량이 0.278 g/□·day로 가장 많은 것으로 나타났다.

반응기 내의 균체 농도 2.03 g/□에서 성장이 정지상태를 유지하였으며, 이때의 광강도는 45.5 □E/m2·s 이다.

Table 1. Growth of Synechocystis PCC 6803 with initial cell

concentration (at 5% carbon dioxide-air mixture).

	Initial cell concentration (g/□)	Cultured cell concentration (g/□)	Cultured time (hr)	□ (h-1)	Cell productivity (g/□·day)
Ⅰ	0.23	0.38	38	0.01716	0.095
Ⅱ	0.45	0.74	25	0.02578	0.278
Ⅲ	0.7	1.86	122	0.01358	0.228
Ⅳ	1.1	1.957	120	0.00649	0.171
Ⅴ	1.8	2.03	40	0.00319	0.138

광강도를 7.5 □E/m2·s, 18.5 □E/m2·s, 25.5 □E/m2·s, 32.5 □E/m2·s, 45.5, 60 □E/m2·s로 바꾸면서 조사하여 배양하였다. 배양조건이 5% 이산화탄소 혼합공기 공급과 31±1℃의 배양온도, pH 7.1±1로 주어졌을 때, 조사 광강도별 성장은 Fig. 2와 같다. 광강도 45.5 □E/m2·s 이하의 □ 값에 대하여 Fig. 3에 선형화시킨 결과를 나타내었다. 선형화의 결과는 Lee 등[5]이 광저해를 갖는 광강도 이하(약 3∼30 W/m2)에 대하여 비성장속도값을 선형화하여 비교적 실험값과 유사한 결과를 얻고 있는데, 본 연구의 결과에서도 성장 관련식의 적용보다는 광저해가 일어났던 광강도(60 □E/m2·s)를 제외한 7.5∼45.5 □E/m2·s 범위의 □ 값에 대해 선형화하였을 때, 실험 결과값과의 오차는 r2=0.9664로 비교적 잘 맞고 있음을 알 수 있었다.

[eqn: rm mu```=```5.45```I_0` -`6.595]                              (3)

반응기에 조사된 광에너지를 열량으로 환산하면, PAR의 □=575nm로 하였을 때, 반응기에 조사된 광에너지의 양은 32,467 cal/g cell 이며, 균체의 열량은 4,900 cal/g cell 이므로 광에너지의 화학적에너지 전환효율은 15.1%가 된다.

Elemental Analyzer에서 분석된 C, H, N, O, S의 비율은 Table 2와 같다.

Table 2. Elemental analysis of Synechocystis PCC 6803.

Element	C (%)	H (%)	N (%)	O (%)	S (%)
Mean	47.243	7.960	10.717	27.887	0.24

구해진 조성에 의하여 Synechocystis PCC 6803의 분자식은 C1.0H2.022N0.194O0.443S0.002로 계산되었으며, 분자량은 23.89 g/mol이 되었다.

1 g의 cell에 대하여 yield coefficient, Yx/Carbon는 2.116 g cell/g Carbon이 되며, 이산화탄소에 대하여 Yx/CO2는 0.577 g cell/g CO2가 된다.

성분분석에 따른 균체에 대한 광합성 양론식을 나타내면 다음과 같다.

[eqn: rm CO_2`+` 1.011`H_2 O `+` 0.194`NO_3^-`+` 0.002`SO_4^2-]

[eqn: rm->~ C`H_2.022 `N_0.194 `O_0.443 `S_0.002 `+` 1.8005``O_2]           (4)

5% 이산화탄소 혼합공기 조성과 45.5 □E/m2·s의 광에너지에서 주어진 성장 결과로 부터 산출된 이산화탄소의 고정화 속도는 0.482 g CO2/□·day가 된다. 배양 조건에서 반응기에 주입된 이산화탄소의 양은 72 □/day 인데 반해 245.4 □ CO2/□·day 만이 균체성장에 사용되었다.

References

[1] 김병홍, □미생물생리학□, 아카데미서적, pp. 323-342, 1988.

[2] Lehninger, A. L., D. L. Nelson and M. M. Cox, □Principles of Biochemistry□, 2nd. Ed., Worth Publishers,  1993.

[3] Hipkin, M. F. and N. R. Baker, □Photosynthesis energy transduction: a practical approach, IRL Press Ltd., pp. 6, 1986.

[4] Molina Grima, E. et al., □A Mathematical Model of Microalgal Growth in Light-Limited Chemostat Culture□, J. Chem. Tech. Biotechnol., vol. 61, pp. 167-173, 1994.

[5] Lee, H. Y. et al., □Kinetics and Bioenergetics of Light-Limited Photoautotrophic Growth of Spirulina platensis□, Biotech. & Bioeng., vol. 29, pp. 832-843, 1987.

Fig. 1. Schematic diagram of tubular photobioreactor system.

1. Pyrex tube  2. Fluorescent lamp  3. CO2 contactor  4. Temp. controller  5. pH controller

6. Recorder  7. Thermocouple  8. pH probe  9. DO probe  10. ORP probe  11. Condenser

12. Heating cable  13. Peristaltic pump  14. Fresh medium  15. Reservoir

16. Compressor/Air tank  17. Air dryer  18. Pressure regulator  19. CO2 gas  20. Flow meter

21. Filter  22. Mixer  23. Humidifier  24. Magnetic pump  25. Shielding  26. Dark room

27. 0.5N NaOH  28. 0.5N HCl

Fig. 2. Effect of various light intensities    Fig. 3. Specific growth rate

on the growth of Synechocystis PCC 6803.       with light intensities.