Methane production from lipid extracted Microalgal biomass: process and microbial community analysis

Abstract

미세조류 바이오디젤 생산 중 지질추출을 하고난 후 생산되는 폐미세조류를 이용해 추가적인 에너지 생산과 폐미세조류처리를 동시에 할 수 있는 혐기소화를 하여 바이오디젤의 단가를 낮출 수 있다. 지질추출한 폐미세조류가 그렇지 않은 미세조류를 혐기소화 했을때보다 더 나은 메탄생산률을 보임을 입증하고 또 추가적인 전처리를 해줬을 때 메탄생산률의 변화를 확인하기 위한 실험을 진행하고자 하였다. 추가적으로 미생물분석을 통해, 각각의 미세조류 상태에 따라 혐기소화에 관여하는 미생물들의 변화를 관측 및 분석하여 더 깊은 이해와 발전가능성을 제시하고자 하였다. 본 연구에서 민물종 미세조류인 Nannochloropsis salina를 이용하여 각각 다른 세 종류의 바이오매스를 제조하였다. 먼저 아무런 처리를 하지 않은 바이오매스 RA와 지질 추출법을 이용해 지질을 추출한 후 얻어진 바이오매스 LEA와 LEA를 다시한번 추가적으로 알칼리 처리를 해준 PLEA를 준비하였다. 이 세가지 바이오매스와 대조군을 F/M 비율과 온도 각각 0.1, 1, 10과 15, 35, 55°C에서 혐기소화 하였다. 혐기소화중 생산되는 바이오가스양과 메탄함량을 측정하였으며, Gom-pertz model 을 적용하여 메탄생산률을 포함하여 메탄생산속도와 정체기간을 수적으로 계산 한 후 반응표면분석법을 통하여 결과를 3차원그래프로 표현하였다. 또 혐기소화가 끝나고 슬러지의 미생물변화를 측정하기 위해 qPCR과 NGS를 통해 분석하였다. 반응표면분석 결과 지질추출이나 알칼리 처리와 같은 전처리 효과로 인한 가수분해가 가장 큰 요인으로 분석되었으며,그 결과 높은 기질농도, 즉 높은 F/M 비율에서 가수분해가 많이 된 바이오매스 일수록 메탄생성저해요소인 유기산이 초기생산량이 높아 쉽게 저해되는 것을 발견하였다. 또한 가수분해가 덜 된 바이오매스 일수록, 온도의 영향을 많이 받았는데, 그 이유는 온도 자체의 전처리 효과때문으로 사료되었다. 미생물 군집 분석을 통하여 역시 온도 및 F/M 비율과의 상관관계를 살펴보았다. 가장 큰 특징은 초기성상에 영향을 많이 받음을 알 수 있었고, 특히 가수분해가 많이된 바이오매스일수록 탄수화물이나 단백질 파생물을 이용에 관여하는 박테리아들이 발견되었다. 초기슬러지에서 우점하는 종의 성질에 따라 그 종의 유리한 환경일수록 메탄생산률이 높아짐을 확인 할 수 있었으며, 메탄균과의 관계에서도 비슷한 결과를 얻을 수 있었다. LEA와 PLEA가 RA보다 높은 메탄생산률을 보이면서 지질추출이 전처리효과를 보인다는 것이 입증되었고, 더 나아가 경제적인 전처리법을 통해 추가적인 가수분해가 이루어진다면 LEA의 메탄생산률은 크게 증가할 수 있을것으로 사료된다. 미생물 분석을 통하여, 가수분해가 많이 된 바이오매스일수록 더 적은 종의 박테리아가 관여하고있음을 알았고, 이를 통해 특정 박테리아들을 관찰하여 이들의 우점도를 높여 박테리아활동을 더 극대화 시킬수 있을 것이라고 사료된다. 또한 단백질함량이 높은 미세조류종의 암모니아 생산으로 인한 고세균활동의 억제가 관찰되었고, 전처리를 통해 단백질을 줄이거나 MBT같은 암모니아에 저항성이 강한 종을 이용해 혐기소화 생산률을 극대화시킬 수 있음을 기대한다.