화력발전소 배기가스 내 이산화탄소 저감을 위한 미세조류 대량배양에 관한 연구
Massive cultivation of freshwater microalgae for carbon dioxide fixation
- 주제(키워드) 도움말 배기가스 , 이산화탄소 , 미세조류 , 바이오디젤 , 유용물질 , PBR , 대량배양
- 발행기관 강릉원주대학교 일반대학원
- 지도교수 도움말 최재영, 정진승
- 발행년도 2015
- 학위수여년월 2016. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 도움말 일반대학원 학연협동과정
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/kangnung/000000008058
- 본문언어 한국어
초록/요약 도움말
분별한 화석연료의 사용과 인간의 생산적 활동에 의해 에너지 고갈 및 지구 온난화 문제에 직면하고 있다. 많은 연구자들은 이 문제점들을 해결하기 위한 여러 가지 해결책을 제시했고, 그 중에서 바이오매스를 이용한 에너지 생산은 두 가지 문제점을 모두 보완하는 효과를 가질 수 있는 좋은 해결책으로 제시되었다. 바이오에너지의 원료는 어디서든 쉽게 구할 수 있는 작물이나 나무에서 처음 시작되었지만, 식량의 에너지 자원화로 인한 인간의 존엄성 문제와 재생산 시간, 생산에 필요한 면적, 에너지 화를 위한 기술력 등의 문제점을 나타냈고, 현재 이 모든 문제점을 해결 할 수 있을 것으로 예상되는 미세조류가 새로운 바이오 에너지원으로 평가받고, 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구는 10톤 pilot 규모의 photo bioreactor내에서 배기가스를 이용하여 미세조류를 대량 배양하여 배기가스 내 CO2의 최대 저감량을 확인하고, 바이오매스 생산성과 미세조류 성장 특징을 통해 최적의 배양조건을 파악하였다. 또한 최적의 배양조건을 파악한 후 Semi-continuous 형태의 배양 방법을 통해 최적의 희석 간격을 확인하여 연속 배양을 통한 지속적인 배양장치 운전 가능성을 평가하였다. 이 때 회수된 바이오매스는 바이오디젤 및 유용물질(DHA, β-carotene)의 생산 가능성을 평가하였다. 250 L min-1 로 15.5%의 CO2를 함유한 화력발전소 배기가스를 주입하였을 때, 총 12.5%의 저감을 보였고, 이를 무게단위로 환산하였을 때 연간 33ton의 CO2 저감량을 확인하였다. 이 때 바이오매스는 최대 OD680 1.446의 농도로 확인되었고, 조류가 성장하면서 pH가 6~6.5로 일정하게 유지되는 것을 확인 할 수 있었다. 배양장치를 semi-continuous 형태로 연속배양 운전을 하였을 때, Exponential growth phase를 확인하기 위하여 specific growth rate를 확인하였고, 최대 specific growth rate는 0.190 d-1 로 확인되었으며, 이 때 최대 바이오매스 생산도는 0.099g L-1 d-1로 확인되었다. 연속배양 운전 시 최적의 희석 배율은 20%(v/v)의 기존 문헌 결과를 참고하여 배양하였고, 이 때 희석 간격은 2일 간격으로 진행하였을 때 일정 성장도를 유지하면서 지속적인 배양장치 운용이 가능한 것으로 나타났다. 또한 연속배양을 위해 N, P 의 농도를 측정하였을 때, N은 초기농도 85mg L-1에서 매 회수 시 4mg L-1 의 저감량을 보이고, P는 초기농도 65mg L-1에서 매 회수 시 3mg L-1 의 저감량을 보이는 것으로 나타났다. 추가적으로 NOx 가스가 bioreactor로 유입 될 때 미세조류 성장 시 필요한 영양염류로의 이용 가능성도 확인하였다. 회수 된 바이오매스를 이용한 미세조류의 바이오디젤 및 유용물질 생산 가능성을 확인 한 결과, 지질함량은 39%(w/w)으로 나타났고, 지질을 이용한 지방산 추출 시 지방산 내 바이오디젤 전환율은 78%로 나타나 높은 전환율을 확인할 수 있었다. 또한 배양을 장시간 유지할 경우 지방산 내 DHA가 생성되는 것을 추가적으로 확인하였고, β-carotene 함량 또한 증가하는 것으로 나타났다. 결론적으로 영동화력발전처 배기가스 내 이산화탄소 저감을 통한 미세조류 대량 배양을 진행하였을 때, 효과적인 이산화탄소 저감이 가능하며, 상업적 이용 가능성 또한 확인 할 수 있었다. 추가적으로 새로운 형태의 미세조류 배양장치를 제안함으로써 배양장치 형태의 다양화에 기여 할 수 있을 것으로 판단된다.
more초록/요약 도움말
A using of fossil fuels from human makes various social and environmental problem such as depletion of resources and greenhouse effect. Many researchers have made an effort to solve this problem. Bioenergy is evaluated to the one of key, this energy is made of a materials that can be easily obtained such as crops and woods. Crops and woods are grown with using carbon dioxide, so there is no need to worry about greenhouse effect. Because of this materials is made by photosynthesis, it could be made infinitely. But this material has critical problem which is food, production site and production time, etc. Microalgae are the one of solution to solve this problem. Microalgae is not food and productivity comparison This study was investigated to biomass productivity in a 10 ton of pilot photobioreactor and removal efficiency of carbon dioxide in the exhaust fume by microalgae biofixation. A novel 10 ton of pilot photobioreactor was built, and microalgae were cultivated in this bioreactor during 42days. At the same time, exhaust fume was discharged in bioreator at a rate of 250L min-1.As a result, a mount of carbon dioxide in the exhaust gas was decreased from 15.5%(v/v) to 3%. Also maximum growth was observed to OD680 1.330. At this time, a change of various nutrients in solution was analyzed. Additionally, productivity of useful materials such as biodiesel and β-carotene was evaluated.
more목차 도움말
1. 서론 1
2. 문헌개요 3
2.1 연구 배경 3
2.1.1 CO2 문제 및 처리 기술 3
2.1.2 바이오 에너지 7
2.2 이론적 배경 7
2.2.1 미세조류 7
2.2.2 광생물 배양장치 10
2.2.3 영양염류 및 미네랄 11
2.2.4 화력발전소 배기가스 14
2.2.5 지질 및 지방산 18
2.2.6 유용물질 (DHA, β-carotene) 18
3. 재료 및 방법 21
3.1 재료 21
3.1.1 배기가스 21
3.1.2 microalgae strain 23
3.1.3 Photo bioreactor 26
3.1.4 media 29
3.2 실험 방법 31
3.2.1 Microalgae 선정 31
3.2.2 미세조류 배양 및 회수 31
3.3 분석 32
3.3.1 specific growth rate (μ) 32
3.3.2 Growth rate 32
3.3.3 영양염류 35
3.3.4 배기가스 모니터링 35
3.3.5 배지 내 이화학분석 (pH, EC, TOC) 35
3.3.6 바이오매스 회수 (원심분리 및 동결건조) 35
3.3.7 바이오연료 (지질, 지방산) 36
3.3.8 유용물질 (DHA, β-carotene) 36
4. 실험결과 및 토의 38
4.1 microalgae 선정 38
4.2 반응기 바이오매스 생산 최적화 42
4.2.1 미세조류 성장도 42
4.2.2 pH 44
4.2.3 배기가스 내 CO2 저감 46
4.3 연속 배양 (42일) 48
4.3.1 specific growth rate (μ) 48
4.3.2 성장도 평가 50
4.3.3 무기탄소 및 CO2 53
4.3.4 EC, T-N, T-P 56
4.3.5 미세조류의 바이오디젤 생산성 평가 61
4.3.6 유용물질 평가 (DHA, β-carotene) 65
5. 결론 67
6. 참고문헌 68
