Chlorella sp. KR-1을 이용한 이산화탄소의 회수

진환준,  김진욱, 이상묵, 강동일, 김장규*, 김남기

성균관대학교 화학공학과, 현대중공업 마북리연구소*

Removal Of Carbon Dioxide by Chlorella sp. KR-1.

HwanJun Jin, JinUook Kim, SangMuk Lee, DongIl Kang, JangKyu Kim*, NamKi Kim

Department of  Chemical Engineering, SungKyunKwan University.

Mabookri Research Institute, Hyundai Heavy Industries Co., Ltd.*

서론

이산화탄소는 온실효과가스 중 55%를 차지하고 있고, 이산화탄소는 배출량의 80%이상이 화석연료의 연소에 의하여 배출되고 있다. 따라서 화석연료 연소 배가스중의 이산화탄소의 회수는 중요한 의미를 가진다1).

현재 발전소나 제철소에서 발생되고 있는 이산화탄소의 회수제거 방법에는 흡수법과 흡착법, 막분리법 및 심냉분리법, 그리고 생물학적 이산화탄소 회수방법 등이 있다.

생물학적 처리기술은 광합성 미생물에 의한 광에너지 전환효율에 대해 많은 연구가 잇따르고 있다. Pirt2) 등은 관형반응기를 고안하여 maximum algae biomass 농도가 20 g dry weight/L를 능가하는 배양기술을 이룩하였으며, 광반응기의 성능은 광양자(photon) 요구량을 측정하여 열역학적으로 고찰하였고, 일본에서는 태양광 집광기술의 발달과 더불어 광섬유를 이용하여 내부조명을 하는 광생물반응기가 개발되고 있다.

Negoro3) 등은 실제 화력발전소에 깊이 0.3m에 1m×2m 면적에 open raceway를 두 개 설치하여, 배기가스를 직접 이용하는 연구가 진행 중이며, 이 경우 배양기는 상업적으로 널리 쓰이는 raceway 형태를 이용하였다. 실험결과는 배기가스의 다른 유독불순물(SOx,NOx 등)에 의한 생산성 감소는 무시할 만한 정도였으나, 일교차와 불충분한 교반 등의 문제로 인해 생산성이 실험실의 반으로 감소하여 배양기 효율면에서 개선의 여지가 있다.

미세조류를 이용해 이산화탄소를 회수하는 공정은 에너지원이 태양광이므로 운전과 유지에 상당한 비용이 절감되며, 아울러 장치 가동에 요구되는 에너지원을 얻기 위한 화석연료의 사용이 최소화되므로 2차적인 환경문제를 유발하지 않는다. 또한 물리화학적인 방법에 비해 반응조건이 상온, 상압이어서 장치의 건설에 필요한 초기 투자비가 낮고 이산화탄소 회수 과정에서 생산되는 미세조류를 적절하게 가공할 경우 유용 물질을 얻을 수 있다는 장점이 있다.4]

본 연구에서는 Chlorella sp. KR-15) 을 이용해 기존 배양기의 사용과 Chlorella sp. KR-1의 고농도 배양을 위한 조건을 연구하였다. Chlorella는 온실효과가스의 회수뿐 아니라 사료원으로서 이용 가능할 뿐 아니라 중금속의 흡착능력이 있어 고가의 흡착제의 대체사용이 가능하다.

실험 방법

1. 실험 미생물

본 연구에 사용된 미세조류는 한국에너지 기술연구소에서 분양받은 Chlorella sp. KR-1이고 이 조류는 SOx, NOx에 대해 내성을 가지는 조류를 선별한 것이다.

따라서 본 미세조류는 산업체 가스에 직접이용이 가능하리라 사료된다.

2. 배지 제조

미세조류의 배양을 위해 다음과 같은 조성을 갖는 modified M4N 배지를 사용하였다.

KNO3 5g/L, MgSO4·7H2O 2.5g/L, K2HPO4 1.25g/L,

NaFeEDTA 14□/L, H3BO3 2.86□/L, MnSO4·7H2O 2.5□/L,

ZnSO4·7H2O 0.222□/L, CuSO4·5H2O 0.079□/L, Na2MoO4 0.021□/L

3. 배양방법

반응기는 6.5L 발효기에 5L의 조업부피를 가지고 빛이 외부로부터 수직원통형 중심으로 조사되는 형태이다(Fig. 1). 모든 실험은 25℃, 100rpm의 교반속도로 진행되었고, 이산화탄소는 공기와 일정 비율 혼합하여 1vvm의 속도로 공급하였다.

4. 분석방법

배지중의 미세조류의 농도는 UV-VIS Spectrophotometer로 660nm에서 흡광도를 측정하여 계산하였고, 회수된 이산화탄소의 양은 미세조류의 원소분석을 통해 양론적으로 계산하였다.

5. 광합성 미생물의 색소 측정

광합성 미생물을 구성하는 주요 성분인 chlorophyll을 추출하여 흡광 파장에 대한 scanning을 함으로써 보유하고 있는 색소의 종류를 확인할 수 있으며, 주요 이용파장에 대하여 검토함으로써 효율적인 광의 이용을 도모할 수 있을 것이다. 흡광 파장의 scanning은 UV/Vis spectrophotometer를 사용하여 350∼750nm의 영역에 대하여 실시하였다.(Fig. 2)

결과 및 토론

1. 최적 이산화탄소 농도

순수공기를 공급했을때의 단위시간당 균체 생산량은 0.271g/L/day 이었는데 비해 10%의 이산화탄소 가스를 혼합해서 1vvm의 속도로 공급하면 단위시간당 균체생산량이 0.342g/L/day(0.565g CO2/L/day)로 높게 나타났다.

동일조건에서 순수공기를 공급하였을 때보다 이산화탄소를 혼합하여 공급하였을 때 성장이 빨리 진행되었는데 이는 탄소원의 공급이 원활하였기 때문이지만, 혼합농도를 20%로 하였을 때는 오히려 성장에 저해요인으로 작용하였다(Fig. 3).

2. 초기 pH의 영향

초기 pH를 4.5, 6, 7, 8로 변화시키며 25℃, 100rpm의 조건으로 5L반응기에서 실험한 결과를 Fig. 4에 나타내었다.

초기 pH의 영향을 살펴보면 pH 7일때가 가장 빠른 성장률을 보이고, pH 8, 6, 4.5 순의 성장률을 보였다. 이는 미세조류가 환경에 적응하는 시간의 차이를 보이는 것이라고 표현할수 있는데, Chlorella sp. KR-1은 중성에 가까운 배지일수록 짧은 적응기간을 가지고, 산성보다는 알카리성에서 빨리 적응한다.

3. 최적성장 조건

이산화탄소 혼합농도를 10%로 하였을 때가 가장 빠른 성장을 보이므로, pH조절없이 10%의 이산화탄소를 공급하였다. 성장에 따른 pH의 변화를 살펴 보면 미생물이 성장함에 따라 따른 조류에서와 같이 알카리성화 된다.

비성장속도는 중성영역에서 가장 크게 나타나는데 초기 pH 실험에서와 같이 중성영역이 미세조류 생육에 있어 최적으로 나타났다.

Fig. 5에서 보는 바와 같이 미생물의 생장은 6.59g/L까지 이르렀으며, 미생물의 생산량도 0.359g/L·d 로 높은 값을 나타내었다. 초기 적응기를 줄여줄 수 있다면 더욱 좋은 결과가 가능하리라 사료된다.

참고 문헌

1. IPCC,: □Climate Change□, Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, WMO/UNEP. (1995)

2. Pirt, S. J., Lee, Y. K., Walach, M. R., Pirt, M. W., Balyuzi, H. H. M. and Bazin, M. J.:  J. Chem. Tech. Biotechnol., 33B, 35-58 (1983)

3. Negoro, M., Hamasaki, A., Ikuta, Y., Makita, T. Hirayama, K. and Suzuki, S.: Appl. Biochem. Biotechnol., 39, 643 (1993)

4. Kim, J. K. and Kim, N. K.: Kor. J. Biotech. Bioeneg., 13, 101-107 (1995)

5. Sung, K. D.,  Lee, J. S., Shin, C. S. and Park, S. C.: Kor. J. Ch. E., In press. (1998)

Fig. . Schematic diagram of  CO2 removal.

Fig. 2. The absorption spectra of intact cell from Chlorella sp. KR-1.	Fig. 3. Growth of Chlorella sp. KR-1 under different concentrations of CO2.

Fig 4. Effect of initial pH on the growth of Chlorella sp. KR-1. The culture were bubbled at 25℃ with 10% CO2.	Fig. 5. The typical growth curve of Chlorella sp. KR-1. The culture were bubbled at 25℃ with 10% CO2.