Biodiesel production from microalgae grown in anaerobically digested food wastewater effluent

Abstract

As petroleum is being depleted gradually, a demand for alternative energy source is increasing to substitute petroleum-based energy production. Biodiesel produced by microalgae has many advantages compared to other biofuels but also has limitations such as low economic feasibility. Therefore, this study focused on reducing the cost of biodiesel production from microalgae in the cultivation process. Microalgal species was cultivated in anaerobically digested food wastewater effluent (FWE) to treat the wastewater and produce biodiesel simultaneously. 5 species (Scenedesmus bijuga, Chlorella vulgaris, Scenedesmus obliquus, Scenedesmus dimorphus, Synechocystis sp. PCC6803) were cultivated in FWE mixed with primary effluent of municipal wastewater and compared the lipid productivity to select the species for further experiment. As a result, S. bijuga showed the best lipid productivity (16.55mg/L/d) among the tested species. And with this species, three different mixing ratios of FWE were compared for finding out proper dilution ratio in biodiesel production. Of these, 1/20 diluted FWE showed the largest biomass production (1.50g/L). Lipid content was highest in 1/10 diluted FWE (35.06%), and the lipid productivity showed maximum value in 1/20 diluted FWE (15.59mg/L/d). Nutrient removal was also measured in the cultivation. FAME compositions were mainly composed of C16-C18 (Over 98.96%) in S. bijuga. In addition, quality of FAMEs was evaluated by Cetane Number (CN) and Bis-Allylic Position Equivalent (BAPE).

화석연료가 고갈되어감에 따라, 새로운 대체에너지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 바이오 에너지는 대체에너지 가운데 매우 유망한 분야이며 그 중에서도 바이오디젤 생산은 현재 사용되고 있는 디젤 엔진에 그대로 사용할 수 있다는 점에서 큰 장점을 가지고 있다. 하지만 2차 바이오매스의 경작지 문제와 리그닌과 헤미셀룰로오스와 같은 처리하기 힘든 성분을 포함하고 있다는 점에서 한계에 부딪혀 있는 상태이다. 따라서 3차 바이오매스인 미세조류를 이용한 바이오디젤 생산이 각광을 받고 있는 상태이다. 미세조류는 다른 광합성 식물들과 비교했을 때 더 높은 생산성을 나타내며 경작지가 따로 필요하지 않고, 대부분의 폐수에 들어있는 영양염류를 사용하여 성장할 수 있기 때문에 큰 장점이 있다. 바이오디젤 생산은 경제성이 낮다는 큰 문제점을 갖고 있는데, 바이오디젤 생산 단계 (배양, 수확, 건조, 추출, 트랜스에스테르화 반응) 에서 각각 비용절감 효과를 보아야 경제성을 맞출 수 있을 것이라 생각된다. 따라서 본 연구에서는 바이오디젤 생산 단계 중, 배양단계에서 폐수를 사용함으로써 영양염류와 물에 소모되는 비용을 줄이고자 하였다. 폐수를 이용한 미세조류의 배양은 다양한 연구가 진행되고 있는 상태지만 본 연구에서는 유기물질 등 영양염류를 많이 함유하고 있어 미세조류 배양에 가능성을 보이며 아직까지는 미세조류 배양에 사용된 적이 없는 혐기소화를 거친 음폐수 유출수를 사용하여 실험을 진행하였다. 음폐수는 2012년까지는 약 50% 이상이 따로 처리를 거치지 않고 해양에 투기되었는데, 2013년부터 이러한 해양투기가 전면 금지됨에 따라 혐기소화와 같은 다양한 처리방안이 모색되고 있는 상태이다. 하지만 혐기소화 처리를 거친 유출수에도 여전히 높은 농도의 영양염류를 포함하고 있기 때문에 추가적인 처리가 필요한 상태이며, 따라서 이런 처리에 본 연구에서는 미세조류를 사용하여 바이오매스의 생산과 폐수처리를 동시에 하는 장점을 가질 수 있다. 하지만 음폐수는 높은 암모늄 농도를 나타내고 있어, 미세조류의 성장에 저해를 주는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 본 연구에서는 상대적으로 영양염류의 농도가 낮은 1차 처리를 거친 하수를 사용함으로써 암모늄 농도를 희석하는 효과를 보고자 하였다. 우선적으로 혐기소화를 거친 음폐수 유출수에 적합한 종을 알아보기 위해 암모늄 농도에 의한 저해를 받지 않을 정도로 하수와 희석한 음폐수 유출수에 5가지 종의 배양을 통해 비교 실험을 진행하였다. 더 적합한 종을 판단할 수 있는 지표로는 지질 생산성이 사용되었고, 배양 기간 동안의 영양염류 제거도 측정되었다. 바이오매스 생산 결과는 Scenedesmus bijuga 종이 2.02g/L의 가장 높은 생산을 나타냈고, 지질 함량 역시 27.44%를 나타낸 S. bijuga 종이 가장 높은 결과를 보였다. 따라서 이 두 지표의 곱으로 나타내는 지질 생산성 역시 S. bijuga 종에서 가장 높은 것을 확인하여, 두 번째 실험으로 S. bijuga종을 통해 실험을 진행하였다. 두 번째 실험으로는 지질 생산성에 있어 가장 적합한 음폐수 유출수와 하수와의 혼합 배율을 찾기 위해 각각 10배, 20배, 30배로 희석한 음폐수 유출수에서 실험을 진행하였고, 실험결과 바이오매스 생산량은 20배로 희석한 음폐수 유출수에서 배양한 S. bijuga가 가장 높게 나타났다. 영양염류 제거율은 SCOD와 총인, 암모늄 농도 같은 경우 역시 20배로 희석한 음폐수 유출수에서 각각 66.4%, 90.5%, 100%로 가장 높은 것으로 나타났고, 총질소 같은 경우는 예외적으로 30배 희석한 음폐수 유출수에서 90.7%의 가장 높은 제거율을 나타냈다. 지질 함량 분석 결과는 10배 희석한 음폐수 유출수에서 배양한 S. bijuga에서 가장 높은 35%의 함량을 나타냈지만 바이오매스의 생산성이 가장 높았던 20배로 희석한 음폐수 유출수에서 가장 높은 지질 생산성인 15.59mg/L/d를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 생산된 지질의 구성성분을 알아보기 위해 FAME (Fatty acid methyl ester) 분석을 실시하였는데, 결과적으로 생산된 바이오디젤 모두 99% 이상이 C16-C18로 구성되어 있는 것을 확인하였다. 희석배수가 높을수록 Linoleic aicd (C18:2)와 Linolenic acid (C18:3) 등의 Polyunsaturated fatty acid의 비율은 감소하고, Monounsaturated fatty acid, saturated fatty acid의 비율은 증가하는 것도 확인할 수 있었다. 생산된 바이오디젤은 엔진에서 연소의 질을 나타내는Cetane Number (CN)와 산화에 대한 안정성을 나타내는 Bis-Allylic Position Equivalent (BAPE)의 두 가지 지표로 평가되었는데, 결과적으로 모든 생산된 디젤에서 CN은 ASTM기준을 만족하는 것으로 나타났고, BAPE는 10배 희석한 음폐수 유출수에서 배양한 S. bijuga에서 생산된 바이오디젤을 제외하고는 역시 ASTM 기준을 만족하는 것을 확인하였다. 결론적으로, 미세조류 배양을 목적으로 처음 사용되는 음폐수 유출수에서 미세조류 종을 배양하는 데 성공하였고, 다양한 종 간의 비교, 하수와의 희석배수의 비교를 통해 실험된 조건 중에서 지질 생산에 있어 가장 적합한 조건 (S. bijuga, 20배 희석한 음폐수 유출수)을 찾을 수 있었다.