Membrane-based harvesting of Chlorella sp. KR-1 and fouling mitigation method

Abstract

최근 미세조류는 높은 이산화탄소 저감능력과 지질생산성을 가지고 있어 바이오연료의 공급원료로 주목받고 있다. 하지만 배양된 미세조류의 낮은 농도로 인해 농축하는 수확과정이 반드시 필요하며 다양한 기술 중 본 연구에서는 막여과 기술을 선택하였다. 하지만 막여과 기술에서 막의 표면이나 공극에 미세조류 셀이나 조류유래유기물질이 쌓이는 막오염 현상이 가장 큰 문제이며 이를 해결하기 위해 다양한 연구를 진행하였다. 첫번째 연구에선, 2가지의 상업막 위에 polyvinyl alcohol (PVA) 용액을 코팅하여 막오염을 저감하고자 하였다. PVA로 인해 코팅을 실시한 막에서 막표면의 친수성이 증가하였음을 확인하였고 이로 인해 소수성의 막오염물질에 의한 막오염이 저감되는 결과를 보였고 미세조류 (Chlorella sp. KR-1)의 수확 효율이 향상되었음을 확인하였다. 하지만 사람의 손으로 코팅을 하였기 때문에 코팅막의 불균일성의 문제가 있어서 좀 더 균일한 막을 제작하는 연구를 진행하였다. 균일한 막 제작을 위해 막제작 기법인 상분리현상을 이용하였다. 열화학적 안정성이 뛰어난 polyvinylidene fluoride (PVDF)와 친수성의 polyethylene glycol (PEG) 첨가제를 혼합하여 친수성의 좀 더 균일한 막을 제작하였다. 이와 더불어 다른 막오염 저감 기술인 유체의 수리동역학적 흐름 변화를 이용하는 연구를 동시에 진행하였다. Cavitation 효과를 가지는 오리피스를 제작하여 막여과 시스템 내에 설치하고 유체의 흐름을 통해 오리피스에서 기포가 발생되도록 하였다. 이때 발생되는 기포가 난류를 일으키고 막표면에 강력한 전단력을 발생시켜 막표면에 생성된 막오염물질을 저감하는 효과를 보였다. 상분리막과 오리피스의 상승효과로 인해 미세조류 수확효율이 확연하게 증가되었음을 확인하였다. 본 연구를 통해 간단한 기포발생장치의 결합만으로도 추가적인 에너지 소모없이 경제적이고 효율적인 미세조류 수확인 가능한 것으로 여겨진다. 다음 연구에서는 PEGylation 된 polyethyleneimine (PEI) 입자를 이용하여 새로운 막오염 내성 PVDF 한외여과막을 제작하는 연구를 진행하였다. 또한, 3종류의 친수성 첨가제를 이용하여 미세조류 수확에 적합한 최적화된 막을 제작하고자 하였다. 실험결과 PEI의 양이 많아질수록 높은 친수성과 flux 회복률을 보였고 Pluronic F-127를 첨가한 막에서 가장 높은 수확효율을 보였다. 따라서 막오염 내성막을 이용한다면 미세조류 수확에 장시간 운전이 가능할 것으로 기대되고 간단한 세척과정을 통해 막의 기능을 다시 쉽게 회복할 수 있다고 여겨진다.