Bio는 우리 손으로…

오유관 한국생물공학회 2004 BT NEWS Vol.11 No.4

하수슬러지로부터 분리된 혐기세균에 의한 수소생산 최적화

오유관,김미선 한국수소및신에너지학회 2008 한국수소 및 신에너지학회논문집 Vol.19 No.1

Fermentative H2 production was studied using microbial consortia isolated from heat-treated (90℃, 20 min) sewage sludge. Important parameters investigated were carbon(C) and nitrogen(N)-sources, C/N ratio, phosphate concentration, pH and temperature during anaerobic cultivation in serum bottles. Starch, ribose, sucrose and glucose were good C-sources for the culture growth and H2 production. Yeast extract was better N-source than (NH4)2SO4 or peptone when individually added to the synthetic media, however the combination of above three N-sources exhibited the additional effect for cell growth and H2 evolution. Addition of 100 mM phosphate as a buffering agent prevented the rapid pH drop during the cultivation. The optimum initial pH for the cell growth was at 7.0, whereas H2 production was observed at pH 5.5. Optimum temperature for the cell growth and H2 production was 37℃. Initial C/N ratio of 1.22 in the media using glucose and yeast extract as the C- and N-sources, respectively, showed the H2 yield 1.0 mol H2/mol glucose.

농축 하수오니 유래 열처리 혐기세균 복합체를 이용한 두부제조 폐수로부터 수소 생산

오유관,김미선 한국수소및신에너지학회 2008 한국수소 및 신에너지학회논문집 Vol.19 No.5

합성 및 두부 제조 폐수로부터 혐기 세균 복합체를 이용하여 수소를 생산하였다. 수소생산 혐기 세균 복합체는 하수처리장 농축 소화조에서 발생하는 슬러지를 90oC에서 20분간 열처리하여 얻었다. 혐기 세균 복합체는 37oC 회분식 운전조건에서 1% (w/v) 포도당 함유 PYG (peptone-yeast extract-glucose) 배지로부터 1.15 L-H2/g-균체건조량의 수소를 생산할 수 있었고, 이때 주요 유기산으로 15 mM acetate와 32 mM butyrate가 생성되었다. 같은 발효조건에서 1.4% 전분과 0.07% 환원당을 포함하는 두부 제조 폐수로부터 1.76 L H2/L-두부제조폐수의 수소를 발생하였다. 이와 같은 결과로부터 포도당과 두부 제조 폐수로부터 혐기세균 복합체에 의한 수소생산 효율은 각각 1.9과 0.9 mol H2/mol 포도당을 나타내었다. 반연속운전(HRT, 12 시간)시 합성폐수를 이용하여 60일 이상 안정적으로 수소를 생산할 수 있었고, 이 때 혐기 세균 복합체는 1.3-2.0 L H2/L-배양액을 발생하였다. PCR-DGGE(polymer chain reaction-denaturing gradient gel electrophoresis) 분석결과, 반응기 내 세균 복합체의 주요 미생물은 Clostridium 종이었다. 본 연구는 적절한 열처리를 통해 혐기 소화조 슬러지로부터 고활성 수소생산 세균 복합체를 얻을 수 있으며, 이들 세균 복합체를 이용하여 합성 및 두부제조 폐수로부터 효율적인 수소생산이 가능하다는 것을 나타내고 있다.

이단계 바이오 수소/메탄 생산공정의 경제성 평가

오유관,박성훈,김유진,김미선 한국수소및신에너지학회 2006 한국수소 및 신에너지학회논문집 Vol.17 No.1

본 연구에서는 이 단계 연속 바이오 수소/메탄 생산공정의 경제성을 조사하였다. 경제적 관점에서 다양한 수소 및 메탄 발효용 생물반응기를 비교평가하였다. 이를 바탕으로 포도당으로부터 일 단계 수소발효를 위해 고온 trickling biofilter 반응기 (TBR, 100 m3 규모)를, 일 단계 반응의 부산물로 생성된 유기산과 알콜류의 이 단계 메탄전환을 위해 고온 upflow anaerobic sludge 반응기 (UASB; 700 m3 규모)를 선정하였다. 본 이 단계 공정의 수소생산 비용은 $ 0.26/Nm3으로 계산되었고, 이는 고온 TBR 반응기만을 이용한 경우보다 약 30 % 낮았다. 이 단계 공정의 낮은 수소생산 비용은 높은 에너지 회수율과 낮은 슬러지 처리비용에 의한 것이었다. 생물학적 수소 생산공정의 경제성은 탄소원의 종류, 생물반응기의 형태 등 여러 인자에 의해 변경될 수 있으나, 본 연구결과는 향후 연구를 위한 유용한 기준으로 고려될 수 있다.

Si vales bene valeo ‘당신이 잘 있으면, 나도 잘 있습니다

오유관 한국생물공학회 2018 BT NEWS Vol.25 No.1

The current status and future perspective of microalgal biodiesel production technology

오유관,이규복,박지연 한국공업화학회 2014 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2014 No.0

미세조류 바이오에너지 현황 및 이슈

오유관 한국에너지학회 2016 한국에너지공학회 학술발표회 Vol.2016 No.4

Biofuels and chemicals productions from single microalgal species

오유관 한국공업화학회 2018 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2018 No.0

Microalgal oil has been extensively converted into fatty acid methyl ester (FAME) via transesterification reactions for transportation fuel purpose. However, notwithstanding the intensive research of the last decade, the cost-reduction of microalgal biodiesel production remain as a critical obstacle to its large-scale commercialization. One of important economic issues is the effective utilization of residual microalgal biomass after lipid extraction for biodiesel. The microalgal biomass contains also many other valuable components, including carbohydrate, protein, and pigment, which are worth developing into refined products for various industrial applications. In this talk, based on our research group’s recent achievements, I summarize co-productions of valuable products (hydrogen, methane, ethanol, anode materials for lithium-ion battery, levulinate, antioxidant pigment, heat, power, etc.) from lipid-extracted microalgal biomass, along with crude oil and biodiesel productions.

Energy-efficient cell harvest and disruption for microalgal biorefinery process

오유관,이규복 한국공업화학회 2015 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2015 No.1

Several energy-efficient magnetophoretic harvesting methods of oleaginous Chlorella sp. (lipid content, ~41%) cultivated from actual coalfired flue gas were investigated. Bare magnetic particles (MPs) and their composites coated with cationic functional groups such as chitosan and (3-aminopropyl) triethoxysilane (APTES) were synthesized and evaluated for their performances and recoveries for repeated uses. Algal cells were attached with the MPs by electrostatic interaction and then easily separated from the culture medium by external magnetic field. Chitosan-Fe₃O₄ composite showed over 99% harvesting efficiency without changing the pH of the culture medium. After harvesting, the reused medium showed no adverse effect on microalgal growth. In the case of APTES-coated BaFe₁₂O₁₉ particles, higher separation efficiencies (~99%) were observed regardless of the size of MPs. However, larger APTES-MPs were more efficient for detachment of APTES-MPs from algae-particle flocs. The bare MPs could be recycled up to 10 times for ~99% and ~97% harvesting and detaching efficiencies, respectively. This magnetic harvesting showed any adverse effect on the algal cell growth or the co-existing bacterial species during repeated cultivations by pH controls below and above isoelectric points. An energy-efficient and environment-friendly process for the extraction of high-value astaxanthin from Haematococcus pluvialis aplanospores (cysts) was developed using the physiological artifice of environmental- and nutritional condition alteration to effect conditions more favorable for dormancy breaking using room-temperature ionic liquid (IL). This process consisted of the natural germination of aplanospores, which allows them to lose their cell-wall rigidity, followed by IL-mediated astaxanthin extraction from the germinating cells.

미세조류 이용 바이오연료 생산 현황과 전망

오유관 한국환경농학회 2012 한국환경농학회 워크샵자료 Vol.2012 No.1

친환경 경유 대체연료로 바이오디젤(Biodiesel)이 많은 관심을 받고 있다. 현재 바이오디젤은 주로 콩, 유채 등의 식용작물에서 추출한 식물성 기름을 이용해 생산하고 있으며(1세대 바이오연료기술), 이는 곡물가격 상승을 유발해 아프리카와 같은 빈곤 국가와 저소득층의 식량난을 가중시킨다는 비판을 받고 있다. 또한 늘어나는 바이오디젤의 수요에 맞추어 팜유와 같은 원료 생산을 위해 광범위한 열대우림 또는 산림이 개발되고 있으며, 이는 오히려 지구온난화를 부추긴다는 지적도 있다. 더욱이 우리나라는 바이오디젤의 원료(대두유) 대부분을 해외에서 수입하고 있으므로 수급 및 가격이 석유자원과 유사하게 대외적인 상황 변화에 크게 의존할 가능성이 높다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 기존 식용유 또는 팜유 대신에 미세조류(Microalgae)를 원료로 활용하는 기술이 ‘차세대 바이오디젤 기술’로 많은 관심을 받고 있다. 미세조류는 물, 이산화탄소와 햇빛을 이용하여 성장이 가능하며, 황무지, 해안가, 바다 등 어디서든 배양할 수 있어 기존 육상작물과 토지나 공간 측면에서 상호 경쟁하지 않는다. 또한 미세조류는 배양조건에 따라 생체 내에 많은 양의 지질(최대 70%)을 축적하며, 단위 면적당 오일(지질) 생산량이 콩과 같은 기존 식용작물에 비해 50-100배 이상 높아 대체 생물원유로서의 가능성이 매우 높다. 미세조류 바이오디젤 생산기술은 이산화탄소 저감, 친환경 연료 개발, 새로운 녹색산업 창출 등 여러 장점을 지니고 있지만 기존 1세대 바이오연료 기술보다 아직 상대적으로 경제성이 떨어진다. 대두유, 유채유, 팜유 등을 이용한 바이오디젤의 생산비용은 리터당 0.5-1.0달러 수준인 반면 미세조류 바이오디젤의 생산단가는 최소 리터당 2달러 이상으로 추정되고 있다. 미세조류 바이오디젤 생산기술은 크게 1)미세조류 배양, 2)수확/건조, 3)오일 추출, 4)바이오디젤 전환 등 4개 공정으로 구성된다. 미국 아리조나 주립대 연구팀(2009)은 바이오디젤의 생산단가중 각 공정이 차지하는 비용이 각각 42%, 22%, 20%, 16%로 발표한 바 있다. 이는 미세조류 배양에 상대적으로 많은 비용이 소용되며, 또한 배양 후 바이오디젤 전환과 관련된 후속공정기술의 개발도 경제성 측면에서 중요하다는 것을 나타낸다. 미세조류 바이오디젤 기술의 경제성을 확보하기 위해서 다양한 기술들이 시도되고 있다. 미세조류 배양과 관련하여 자연계 탐색 또는 유전자 조작을 통해 오일 생산능력이 높은 미세조류 확보, 효율이 높고 비용이 저렴한 조류 배양시스템 개발(광생물반응기, 개방형 연못, 해양 배양시스템등), 화력발전소, 주정공장 등 이산화탄소 대량 배출산업의 배기가스 이용, 폐열과 냉각수의 활용, 이산화탄소 외에 필요한 영양원(질소, 인)으로 생활폐수 또는 하수의 이용기술 등이 연구되고 있다. 수확/건조 기술로 기존 미세조류 건강식품 제조용으로 활용되었던 여과 및 원심분리 기술과 함께 하수처리장에서 녹조 제거용으로 사용되고 있는 침전, 부유 및 응집 기술 등도 응용되고 있다. 미세조류 오일 추출의 경우 곡물계나 목질계 바이오매스와 특성이 상이하므로 압착, 용매추출, 효소 분해, 삼투압 처리, 초임계 추출, 초음파 추출 등 다양한 접근 방식이 시도되고 있다. 미세조류 바이오디젤 전환기술은 기존 식용유에 적용되었던, 즉 정제된 식용유와 메탄올을 산 또는 염기 촉매하에 반응시키는 에스테르화 화학촉매 전환기술이 일반적으로 사용되고 있다. 최근에는 바이오디젤의 산화안정성 및 저온유동성 문제를 해결하기 위해 경유와 유사하게 탄화수소로만 구성된 그린디젤(Green diesel)을 개발하기 위한 노력도 진행되고 있다. 한국에너지기술연구원에서는 미세조류를 이용한 바이오정유 (Biorefinery) 기술을 개발하고 있다. 미세조류 바이오정유 기술은 기존 석유가 담당하던 역할을 재생가능한 자원인 조류 바이오매스로 대체하려는 개념이다. 즉 오일정유 (Oil refinery) 기술을 통해 휘발유, 경유와 같은 연료와 수많은 화학제품을 생산했듯이, 조류 바이오매스를 원료로 바이오정유 기술을 통해 바이오디젤, 바이오가솔린과 같은 수송용 연료를 생산하고, 부산물로부터 바이오차르(Biochar), 수소, 전기, 열등을 생산하는 집적;복합화 공정기술을 개발하는 것이다. 미세조류 바이오디젤 기술은 현재 연구개발 단계에 있다. 많은 연구자들은 미세조류 바이오디젤의 실용화를 향후 5∼15년으로 전망하고 있다. 현재 경유 및 식용유 바이오디젤에 비해 생산단가가 비싸지만, 앞서 언급한 여러 요소기술의 최적화 및 연계기술 개발로 경제성이 지속적으로 향상될 것으로 전망된다. 분명한 것은 지구온난화와 에너지 위기는 계속될 것으로 예상되며, 이는 값싼 석유 시대가 끝나가고 있다는 것을 의미한다. 수송용 연료로 사용되는 석유 전부를 수입하는 우리나라이기에, 또한 깨끗한 환경을 다음 세대에 물려주기 위해 본 기술에 대한 지속적인 관심과 지원이 필요하다.