A study on mass production of bioenergy and high value products from Korean domestic microalgae : 토착 미세조류로부터 바이오 에너지 및 고부가 가치 물질의 대량 생산 연구

국문 초록 (Abstract)

1960년 산업화 이후 급격한 인구 증가와 화석연료의 사용으로 대기 중의 이산화탄소 농도가 증가하고 있고 지구 온난화가 가속화되고 있다. 이러한 대기 중의 이산화탄소 축적과 폐수의 생물학적 처리를 위해서 대체자원의 개발이 시급하다. 이러한 대체 에너지원 중에서 3세대 바이오 에너지원인 미세조류는 높은 지질함량과 빠른 증식속도를 가지며, 바이오디젤을 생산할 수 있는 장점을 가지고 있다. 그러나 바이오디젤은 화석연료에 비해 생산 단가가 높아 경쟁력이 떨어지는 편이다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 본 연구에선 미세조류의 바이오디젤 생산 이외의 활용가능한 다양한 고부가 가치 물질을 탐색하였다.
제1장에선 독도에서 순수분리한 Scenedesmus rubescens KNUA042에 스트레스를 처리하여 지질 및 카로티노이드 생산량을 증대시키는 배양방법을 확인하였다. Scenedesmus rubescens KNUA042는 낮은 질산염 0.25 g/L에서 최적으로 성장하였고, 스트레스 타입과 무관하게 바이오매스 생산성과 중성지질 함량이 증대되었다. 또한 카로티노이드 계열에 속하는 칸타잔틴 및 아스타잔틴 함량은 강광과 염 복합 처리군에서 대조군에 비해 10배 이상 증가하였다. 본 연구에선 Scenedesmus rubescens 균주가 바이오연료 뿐만 아니라 고부가 가치 물질을 생산할 수 있는 균주임을 확인하였고 이를 통해 미세조류를 이용한 연료 생산의 경제성을 높여줄 수 있을 것이라 기대된다. 제2장에서는 미세조류를 야외에서 효율적으로 대량배양하기 위해 시기별 우점종을 MiSeq 분석을 통해 모니터링 하였다. 그 결과 연중 내내 Desmodesmus sp.가 우점하는 것을 확인하였다. 매 시기별 수확한 바이오매스에서 추출한 바이오디젤은 우수한 연료점도, 높은 세탄가 및 산화 안정성, 그리고 저온에서의 우수한 성능을 보였다. 또한 수확 후 남은 배양액은 식물체인 대두의 환경적응성을 향상시켰으며, 대조군에 비해 종자의 수확량이 증가하였다. 결과적으로 MiSeq 분석을 통해 대량배양시 우점하는 종을 정확하고 빠르게 정량화하였고, 환경적인 변화가 바이오디젤 생산에 영향을 주는 것을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• CHAPTER Ⅰ 1
• 1. ABSTRACT. 2
• 2. INTRODUCTION. 5
• 3. MATERIALS AND METHODS. 9
• 3.1. Isolation and identification of S. rubescens KNUA042 from freshwater. 9
• 3.2. Microalgal cultivation conditions. 10
• 3.3. Algal growth kinetics, biomass productivity, and nitrogen consumption. 10
• 3.4. Characteriazation of the microalgal biomass. 11
• 3.5. Thin layer chromatography and BODIPY staining. 12
• 3.6. Pigment analysis. 13
• 3.7. Fatty acid analysis. 14
• 3.8. Assessment of biodiesel quality. 15
• 3.9. Statistical analysis. 16
• 4. RESULTS. 18
• 4.1. Identification of Scenedesmus rubescens KNUA042. 18
• 4.2. The effect of nitrate on S. rubescens KNUA042. 24
• 4.3. Productivity of the lipids and biomass under abiotic stress plus nitrogen limitation. 28
• 4.4. BODIPY staining, cell size and triacylglycerol accumulation at different environmental levels. 32
• 4.5. Proximate analysis. 36
• 4.6. Ultimate analysis. 36
• 4.7. Analysis of the fatty acid composition to abiotic stress. 39
• 4.8. Biodiesel quality assessment. 42
• 4.9. Pigment analysis. 45
• 5. DISCUSSION. 54
• 5.1. Morphological and molecular characteristics of S. rubescens KNUA042. 54
• 5.2. Nutrient consumption of S. rubescens KNUA042 strain. 55
• 5.3. Lipid and biomass productivity under abiotic stress in the presence of nitrogen limitation. 57
• 5.4. Lipid accumulation as a biofuel feedstock. 60
• 5.5. Proximate and ultimate anaylsis. 62
• 5.6. Fatty acid profiling. 64
• 5.7. Biodiesel quality estimation as a biofuel feedstock. 66
• 5.8. Pigment analysis. 67
• 6. CONCLUSIONS. 74
• CHAPTER Ⅱ 75
• 1. ABSTRACT. 76
• 2. INTRODUCTION. 78
• 3. MATERIALS AND METHODS. 83
• 3.1. Operation of an OPRs system. 83
• 3.2. Microalgae mass cultivation. 83
• 3.3. MiSeq-based microalgal diversity. 84
• 3.4. Microalgal biomass characterization. 88
• 3.5. Gas chromatography-mass spectrometry analysis. 88
• 3.6. Biodiesel quality assessment. 89
• 3.7. Biological enhancer assay in soybean plants. 90
• 3.8. Statistical analysis. 91
• 4. RESULTS. 92
• 4.1. Establishment of MiSeq-based qualitative verification. 92
• 4.2. Changes in environmental factors and growth parameter during open-pond mass cultivation. 96
• 4.3. Overview of MiSeq-based microalgal community during mass cultivation. 100
• 4.4. Microalgal succession during mass cultivation. 102
• 4.5. The cyanobacterial community during mass cultivation. 108
• 4.6. Proximate and ultimate analyses. 112
• 4.7. Fatty acid profiles. 114
• 4.8. Biodiesel quality evaluation. 116
• 4.9. Possibility of microalgae as biological enhancers. 118
• 5. DISCUSSION. 123
• 5.1. Overview of the MiSeq-based microalgal community during mass cultivation. 123
• 5.2. Changes in nutrient parameters during mass cultivation in open pond raceways. 123
• 5.3. Algal biomass productivity. 124
• 5.4. Microalgal and cyanobacterial communities. 125
• 5.5. Characteristics of algal biomass, and fatty acids in mass cultivation. 128
• 5.6. Properties of algal biomass-based biodiesel quality parameters in mass cultivation. 130
• 5.7. Application of microalgae as biological enhancers. 131
• 6. CONCLUSIONS. 133
• 7. REFERENCES. 134