KR101629882B1 - 마그네슘-세리사이트(Mg-Sericite) 응집제를 이용한 미세조류 수확방법 - Google Patents

마그네슘-세리사이트(Mg-Sericite) 응집제를 이용한 미세조류 수확방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 이를 해소하기 위한 것으로서, 본 발명은 마그네슘-세리사이트(Mg-Sericite) 응집제를 이용하여 미세조류를 수확함으로써, 응집 효율 및 분리효율이 뛰어난 마그네슘-세리사이트(Mg-Sericite) 응집제를 이용한 미세조류 수확방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따르면, 마그네슘-세리사이트(Mg-Sericite) 응집제를 이용함으로써 응집효율 및 분리효율이 뛰어난 미세조류 수확방법을 제공할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면 응집효율 및 분리효율이 뛰어난 마그네슘-세리사이트(Mg-Sericite) 응집제를 이용하여 미세조류를 수확함으로써 경제적이면서도 환경친화적인 마그네슘-세리사이트(Mg-Sericite) 응집제를 이용한 미세조류 수확방법을 제공할 수 있다.

Description

마그네슘-세리사이트(Mg-Sericite) 응집제를 이용한 미세조류 수확방법{Method of havesting of microalgae species using Mg-Sericite flocculant}
본 발명은 마그네슘-세리사이트(Mg-Sericite) 응집제를 이용한 미세조류 수확방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 응집효율이 높고 경제성이 우수한 마그네슘-세리사이트(Mg-Sericite) 응집제를 이용한 미세조류 수확방법에 관한 것이다.
최근 세계의 에너지 수요는 지속적으로 증가하고 있으며, 이에 따라 대체에너지인 바이오에너지에 대한 수요 또한 증가하고 있는 추세이다. 미세조류는 자연에 흔히 존재하며 높은 생산성으로 인하여 재생오일을 생산해내기 위한 매력적인 바이오에너지 원료이다. 미세조류는 하수를 포함한 수계 시스템(aqueous system)에서 다양한 종류로 성장할 수 있기 때문에 농지 또는 산림보호구역을 차지하지 않으며, 건강식품, 바이오 수소, 이산화탄소 고정 및 어류의 먹이 등 다양한 분야에서 사용 가능하여 미세조류를 바이오에너지의 원료로 사용하기 위한 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 재생오일을 생산하는데 적합한 미세조류는 미세조류의 종류, 희석 용액으로부터 제조된 바이오매스의 수확, 바이오매스로부터 원하는 생성물의 분리 및 다양한 정제공정을 포함하여 엄선된 고지질을 이용한 대규모 성장공정을 필요로 한다.
하지만 미세조류는 작은 크기, 단일세포로 성장하는 기질, 배양배지에서의 낮은 밀도로 인하여 미세조류에서 바이오매스를 수확하는 것은 매우 어려운 일이다. 미세조류로부터 바이오매스를 수확하는 과정은 처리되는 용액의 용량이 많고, 필요로 하는 공정의 양과 에너지가 높기 때문에 순수한 미세조류 바이오매스를 분리하는 것은 어렵고 비용이 많이 드는 과정이다. 미세조류의 바이오매스 수확은 전체 생산비용 중 20~30%를 차지하며, 수확과정에서 배수되는 물의 양이 많고, 원심분리 또는 건조하는 방법을 이용하여 분리하지만 이 방법은 비용이 많이 드는 단점이 있다. 또한 일반적으로 사용되는 미세조류의 수확방법으로는 작은 크기(약 20?이하 크기인 미세조류 또는 10? 이하의 배양된 미세조류)의 미세조류를 수확하기가 매우 어렵다.
또한, 미세조류로부터 바이오매스를 수확하는 방법으로 응집 및 응고방법이 사용될 수 있다. 하지만 응집방법의 문제점은 바이오매스 회수율이 약 80%로 낮다는 것이며, 게다가 분리공정은 물을 제거하고 낮은 수분함량을 가진 이용 가능한 바이오매스를 회수하는데 많은 시간이 걸리는 문제점이 있다. 최근에는 자성 입자를 미세조류에 투입하여 자성을 이용하여 미세조류를 분리하는 방법, 개량 전분을 이용하여 미세조류를 수확하는 방법 등 다양한 방법들이 미세조류의 수확률을 향상시키기 위해 사용되고 있지만, 이러한 방법들 또한 대량생산에 적합하지 않으며 비용이 많이 드는 단점이 있다.
미세조류를 바이오에너지의 원료로 사용하기 위해서는 환경친화적이고 저렴하면서도 높은 수확률을 얻을 수 있는 미세조류 수확 기술이 필요하다. 하지만 원심분리, 응집 및 응고 등 현재 사용되고 있는 미세조류 수확방법은 고비용이거나 바이오매스 회수 효율이 떨어져 바이오에너지의 원료로 사용하기에 적절하지 않은 실정이다. 따라서, 비용이 저렴하면서도 고효율로 미세조류를 수확할 수 있는 미세조류 수확방법의 개발이 필요하다.
[선행기술문헌] 한국공개특허 제10-2014-0121568호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 이를 해소하기 위한 것으로서, 본 발명은 마그네슘-세리사이트(Mg-Sericite) 응집제를 이용하여 미세조류를 수확함으로써, 응집 효율 및 분리효율이 뛰어난 마그네슘-세리사이트(Mg-Sericite) 응집제를 이용한 미세조류 수확방법을 제공하기 위한 것이다.
또한 본 발명은 뛰어난 응집효율 및 분리효율로 인하여 경제적이며 환경친화적인 마그네슘-세리사이트(Mg-Sericite) 응집제를 이용한 미세조류 수확방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 실시예는 미세조류에 세리사이트(Sericite)를 추가하여 혼합하는 혼합단계, 상기 혼합한 미세조류 및 세리사이트(Sericite)에 MgCl2 ·H2O를 추가하여 마그네슘 세리사이트(Mg-Sericite)와 미세조류를 혼합하는 단계, 상기 제조된 마그네슘 세리사이트(Mg-Sericite) 및 미세조류를 교반하는 교반단계, 상기 교반한 마그네슘 세리사이트(Mg-Sericite) 및 미세조류를 중력 및/또는 원심분리하여 플록(floc)을 침전시켜 침전물을 얻는 침전단계 및 상기 침전물을 압밀화(compaction)하여 미세조류-톤 금속이온착물(algae-tone metal ion complex)을 분리하는 분리단계를 포함한다.
상기 미세조류는 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris)를 사용할 수 있다.
상기 세리사이트(Sericite)의 성분은 SiO2 59.9~72.1wt%, Al2O3 17.0~18.5wt%, Fe2O3 0.5~1.2wt%, K2O 5.8~7.1wt%, MgO 1.1~1.6wt%, Na2O 0.1~0.2wt%, TiO2 0.5~0.8wt%, CaO 0.2~0.3wt%, P2O5 0.09~0.15wt%, 기타 5.9~7.5 wt%일 수 있다.
상기 MgCl2·H2O는 순도 98.0% 이상의 범위를 갖는 것이 바람직하다.
상기 마그네슘 세리사이트(Mg-Sericite)와 미세조류를 혼합하는 단계 세리사이트(Sericite)/Mg의 비율(S/M 비율)은 5~80의 범위를 갖는 것이 바람직하다.
상기 마그네슘 세리사이트(Mg-Sericite)와 미세조류를 혼합하는 단계 세리사이트(Sericite)/Mg의 비율(S/M 비율)이 10~60의 범위를 갖는 것이 바람직하다.
상기 마그네슘 세리사이트(Mg-Sericite)와 미세조류를 혼합하는 단계 세리사이트(Sericite)/Mg의 비율(S/M 비율)이 15~45의 범위를 갖는 것이 바람직하다.
상기 마그네슘 세리사이트(Mg-Sericite)의 투입량은 5~10mg/L의 범위인 것이 바람직하다.
상기 마그네슘 세리사이트(Mg-Sericite)와 미세조류의 농도비는 4.5~5:1인 것이 바람직하다.
상기 마그네슘-세리사이트(Mg-Sericite) 응집제를 이용한 미세조류 수확은 pH가 9~11인 범위에서 실시하는 것이 바람직하다.
상기 마그네슘-세리사이트(Mg-Sericite) 응집제를 이용하여 처리한 미세조류는 제타전위가 +1.12±0.4mV의 범위를 갖는 것이 바람직하다.
상기 교반단계에서 교반속도는 100~150rpm의 범위를 갖는 것이 바람직하다.
상기 교반단계에서 교반시간은 2~5분의 범위인 것이 바람직하다.
상기 교반단계에서 침전시간은 2~5분의 범위인 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 마그네슘-세리사이트(Mg-Sericite) 응집제를 이용함으로써 응집효율 및 분리효율이 뛰어난 미세조류 수확방법을 제공할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면 응집효율 및 분리효율이 뛰어난 마그네슘-세리사이트(Mg-Sericite) 응집제를 이용하여 미세조류를 수확함으로써 경제적이면서도 환경친화적인 마그네슘-세리사이트(Mg-Sericite) 응집제를 이용한 미세조류 수확방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에서 마그네슘-세리사이트(Mg-Sericite)의 투입량 및 S/M 비율에 따른 분리효율 변화를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예에서 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris)의 농도에 따른 마그네슘-세리사이트(Mg-Sericite)의 농도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에서 pH에 따른 미세조류의 분리효율을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에서 S/M 비율에 따른 제타전위의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에서 교반속도에 따른 미세조류 분리 효율을 나타내는 그래프이다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 이하의 설명에서 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 매체를 사이에 두고 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 도면에서 본 발명과 관계없는 부분은 본 발명의 설명을 명확하게 하기 위하여 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
이하, 첨부된 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.
[미세조류 배양 및 배지]
클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris)(KMMCC-138)의 종균배양은 Jaworski 배지(Jaworski? medium, JM)에서 실온상태로 LED 램프 하에서 재배한다. JM 배지의 구성성분은 4.0 Ca(NO3)2·H2O, 2.48 g KH2PO4, 10.0 g MgSO4 ·H2O, 3.18 g NaHCO3, 0.45g EDTAFeNa, 0.45 g EDTANa2, 0.496g H3BO3, 0.278 g MnCl2 ·H2O, 0.20g (NH4)6Mo7O24·H2O, 0.008g 시아노코발라민(cyanocobalamin), 0.008 g 티아민(thiamine) HCl, 0.008 g 비오틴(biotin), 16.0 g NaNO3 and 7.2 g Na2HPO4 ·2H2O in 200 mL 탈이온수이다. 미세조류는 pH가 7.2±0.3인 JM 배지 100mL를 포함한 200mL 삼각플라스크에서 배양되며, 10mL 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris)가 추가된다. 배양은 10일동안 각각 8시간, 16시간의 명암싸이클을 유지하였다. 온도는 LED를 이용하여 23±1℃로 유지하였다. 또한 광원은 효율적이면서도 미세조류 성장을 위하여 필요한 430~670nm의 파장 빛을 선택적으로 제공할 수 있는 LED 광원을 사용하였다. 광합성에 사용되는 빛의 양을 나타내는 광량은 200~250μmol photons/m2/s였다.
본 발명에서는 미세조류로서 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris)를 선별하였으나 미세조류의 종류는 이에 한정되지 않으며 하기 기술한 모든 미세조류를 전부 사용할 수 있다.
즉 예를들어 녹조강(Chlorophyceae), 디노피시스강(Dinophyceae), 프레네시움강(Prymnesiophyceae), 파블로바강(Pavlovophyceae), 황조강(Chrysophyceae), 규조류(Diatomphyceae), 진안점조강(Eustigmatophyceae), 황색편모말(Rhapidophyceae), 유글레나강(Euglenophyceae), 페디노모나스강(Pedinophyceae), 담녹조강(Prasinophyceae), 두날리엘라속(Dunaliella), 클로렐라(Chlorella), 보트리오 코커스(Botryococcus), 해마토코쿠스(Haematococcus), 클라미도마스(Chlamydomas), 이소크리시스속(Isochrysis), 플레우로크리시스속(Pleurochrysis), 파블로바속(Pavlova), 파이오덱틸룸(Phaeodactylum), 스켈레토네마(Skeletonema), 센털돌말(Chaetoceros), 니치아(Nitzschia), 나노클로롭시스(Nannochloropsis), 테이라셀미스(Teyraselmis), 시네코시스티스(Synechocystis)를 포함하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 미세조류 두날리엘라속(Dunalilla), 클로렐라(Chlorella), 보트리오 코커스(Botryococcus), 해마토코쿠스(Haematococcus), 나노클로리스(Nannochloris), 클라미도마스(Chlamydomas), 이소크리시스속 (Isochrysis), 플레우로크리시스속 (Pleurochrysis), 파블로바속 (Pavlova), 파이오덱틸룸(Phaedactylum), 스켈레토네마(Skeletonema), 센털돌말(Chaetoceros), 니치아(Nitzschia), 나노클로롭시스(Nannochloropsis), 트리트라셀미스(Tretraselmis), 시네코시스티스(Synechocystis)를 포함한다.
[세리사이트(Sericite)]
본 발명에서 점토광물은 세리사이트(Sericite)를 사용한다. 세리사이트(Sericite)는 한국 삼척시 금남 광상(Keumnam deposit)에서 입수했다. 세리사이트(Sericite)는 메쉬 사이즈(mesh size)인 200~300 BBS(British Standard sieve, 즉 0.075~0.053mm)를 얻기 위하여 분쇄하고 체에 거른다. 체에 걸러진 세리사이트(Sericite)는 정제수에 세척 및 건조하고, 향후 사용을 위하여 분쇄한다. 세리사이트(Sericite)의 양이온치환용량(CEC)은 US EPA method 9080(http://www.epa.gov/osw/ hazard/testmethods/sw846/pdfs/9080.pdf)을 이용하여 입수하였으며, 세리사이트(Sericite)의 양이온치환용량(CEC)은 8.85 meq/100g이다. 세리사이트(Sericite)는 다양한 금속산화물을 포함하고 있다. 본 발명에서 사용한 세리사이트(Sericite)의 구체적인 성분 함유량은 하기 표 1과 같다.
성분 Natural(weight%)
SiO2 59.9~72.1
Al2O3 17.0~18.5
Fe2O3 0.5~1.2
K2O 5.8~7.1
MgO 1.1~1.6
Na2O 0.1~0.2
TiO2 0.5~0.8
CaO 0.2~0.3
P2O5 0.09~0.15
기타 5.9~7.5
[염화마그네슘]
본 발명에서는 금속염으로 순도 98.0% 이상인 염화마그네슘(MgCl2·H2O)를 사용한다. 양이온의 수가 높을수록 미세조류의 분리가 더 잘 이루어진다. 특히 2가 혹은 3가의 양이온이 첨가되면 최소한 하나의 점토광물과 적어도 하나의 다가의 양이온이 결합하거나 또는 점토광물과 혼합하여 혼합물이 생성된다. 다가의 양이온은 Fe2 +, Ca2 +, Mg2+, Fe3 +, Al3 + 이루어진 그룹에서 선택할 수 있다. 다가의 양이온이 첨가되면 미세조류와 점토광물의 침전 및 응집속도가 향상된다(Lee 외. 2013b; Singh 외. 2011). 다가의 양이온은 염화염 그리고/또는 황산염, 특히 MgCl2 및 MgSO4일 수 있다.
세리사이트(Sericite)와 염화마그네슘(MgCl2 ·H2O)을 이용하면 각각 45%, 65%의 미세조류 분리효율 얻을 수 있다. 하지만 본 발명에서는 세리사이트(Sericite)와 염화마그네슘(MgCl2 ·H2O)을 모두 이용하여 제조된 응집제를 사용하여 미세조류를 수확하는 방법을 제공한다.
본 발명은 미세조류에 세리사이트(Sericite)를 추가하여 혼합하는 혼합단계, 상기 혼합한 미세조류 및 세리사이트(Sericite)에 MgCl2 ·H2O를 추가하여 마그네슘 세리사이트(Mg-Sericite)와 미세조류를 혼합하는 단계, 상기 제조된 마그네슘 세리사이트(Mg-Sericite) 및 미세조류를 교반하는 교반단계, 상기 교반한 마그네슘 세리사이트(Mg-Sericite) 및 미세조류를 원심분리하여 플록(floc)을 침전시켜 침전물을 얻는 침전단계 및 상기 침전물을 압밀화(compaction)하여 미세조류-톤 금속이온착물(algae-tone metal ion complex)을 분리하는 분리단계를 포함한다.
한편, 상기 미세조류-톤 금속이온착물(algae-tone metal ion complex)은 고압균질기 또는 고출력 초음파장을 사용하여 미세조류-톤 금속이온착물(algae-tone metal ion complex) 내의 미세조류를 소화시키는 소화단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 상기 마그네슘 세리사이트(Mg-Sericite)와 미세조류를 혼합하는 단계에서 세리사이트(Sericite)와 Mg의 비율은 5~80의 범위를 가질 때 미세조류의 분리효율이 95%로 높게 나타나는 것을 도출하였다. 또한, 상기 마그네슘 세리사이트(Mg-Sericite)와 미세조류의 혼합단계에서 세리사이트(Sericite)/Mg의 비율이 10~60일 경우 미세조류의 분리효율이 97% 높게 나타난다.
가장 바람직하기로는 세리사이트(Sericite)와 Mg의 비율이 15~45일 때 미세조류의 분리효율이 99%로 가장 바람직한 미세조류의 분리효율을 나타내는 것을 알 수 있었다.
미세조류에 투입하는 마그네슘-세리사이트(Mg-Sericite)의 투입량은 5~10mg/L의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 마그네슘-세리사이트(Mg-Sericite)의 투입량이 5mg/L 미만일 경우 미세조류의 분리가 적절하게 이루어지지 않아 바람직하지 않으며, 10mg/L를 초과할 경우 미세조류 분리효율이 더 이상 증가하지 않아 비경제적이므로 바람직하지 않다.
마그네슘-세리사이트(Mg-Sericite)와 미세조류의 농도비는 4.5~5:1의 범위를 가질 때 미세조류의 분리효율이 98% 이상으로 높게 나타나는 것을 도출하였다. 미세조류 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris)의 농도가 증가할수록 마그네슘-세리사이트(Mg-Sericite)의 농도도 선형으로 증가한다.
마그네슘-세리사이트(Mg-Sericite) 응집제를 이용한 미세조류 수확은 pH가 9~11의 범위를 가질 때 미세조류 분리효율이 99% 이상으로 높게 나타나는 것을 도출하였다. pH가 9 미만일 경우 또는 11을 초과했을 경우에는 미세조류 분리효율이 감소하는 것으로 나타나 바람직하지 않다.
마그네슘-세리사이트(Mg-Sericite) 응집제를 이용하여 처리한 미세조류는 제타전위가 세리사이트(Sericite)/Mg의 비율을 100:1로 처리하여 제타전위를 측정하였을 때 +1.12±0.4mV의 범위를 가지는 것으로 나타났다. 제타 전위(zeta potential)란 입자 사이의 반발력이나 인력의 크기에 대한 단위로, 제타전위 측정은 분산 메커니즘을 자세히 이해할 수 있도록 해주며 정전기 분산을 제어하는데 중요한 요소이다.
마그네슘-세리사이트(Mg-Sericite)와 미세조류를 교반하는 교반단계에서 교반속도는 100~150rpm의 범위를 가질 때 미세조류의 분리효율이 100±0.5%로 나타나는 것을 도출하였다. 교반속도가 100rpm 미만일 경우 미세조류와 마그네슘-세리사이트(Mg-Sericite)의 교반이 충분히 이루어지지 않아 미세조류 분리효율이 감소하여 바람직하지 않으며, 교반속도가 150rpm을 초과할경우 또한 미세조류 분리효율이 오히려 감소하여 바람직하지 않다. 이처럼, 빠른 교반속도는 플록(floc)을 파괴하는 경향이 있으며, 이것은 응고된 미세조류 세포가 재분산되고 배지 내로 다시 들어가도록 한다.
또한 교반단계에서의 교반시간은 2~5분의 범위를 가질 때 미세조류의 분리효율이 100±1%로 나타나는 것을 도출하였다. 교반시간이 2분 미만일 경우 미세조류와 마그네슘-세리사이트(Mg-Sericite)의 교반이 충분히 진행되지 않아 미세조류의 분리효율이 감소하여 바람직하지 않으며, 교반시간이 5분을 초과할 경우 미세조류 분리효율에 변화가 없으므로 비효율적이기 때문에 바람직하지 않다. 이처럼 교반시간이 지연될 경우에는 강한 교반으로 인하여 명반 및 폴리염화알루미늄에 의해 형성된 플록(floc)이 쉽게 분산된다. 강한 교반은 응집을 분해하고 현탁액을 재분산시킨다.
또한 교반단계에서의 침전시간은 2~5분의 범위를 가질 때 미세조류의 분리효율이 100±0.3%로 나타나는 것을 도출하였다. 침전시간이 2분 미만일 경우 미세조류와 마그네슘-세리사이트(Mg-Sericite)의 침전이 충분히 진행되지 않아 미세조류의 분리효율이 감소하여 바람직하지 않으며, 침전시간이 5분을 초과할 경우 미세조류 분리효율에 변화가 없으므로 비효율적이기 때문에 바람직하지 않다. 일반적으로 침전시간은 플록(floc) 크기에 따라 결정된다. 증가된 플록(floc) 크기는 플록(floc)을 형성하지 않은 각각의 입자들과 비교하였을 때 자유침강속도가 증가하는 것으로 관찰되었다. 게다가, 플록(floc)이 빠르게 침전할 때 분산효율은 더 좋아진다. 마그네슘-세리사이트(Mg-Sericite)는 분산된 세포들 사이에서 가교를 형성하여 세포의 응집을 더 빠르게 촉진하며, 이것은 더 빠르게 침전하는 충분한 크기의 입자를 형성하도록 한다. 이러한 현상은 분산 공정동안 일어나는 가교 기전(bridging mechanism)에 의해 발생될 수 있으며, 가교된 입자 및 플록(floc)의 침전시간은 주로 중력에 의해 이루어진다.
이하 본 발명은 실시예를 통하여 더욱 상세히 설명한다.
(실시예 1)
본 발명의 실시예에서 마그네슘-세리사이트(Mg-Sericite) 용액은 설계된농도를 첨가한 후, 미니 회전교반기(VWP Advanced Orbital Shakers, Model 15000)를 사용하여 0~300rpm으로 교반하였다. 교반 후에 미세조류세포는 침전과정을 거친다. 침전 후 상등액은 광학밀도(OD) 측정을 위하여 미세조류 현탁액의 중앙에서 시간경과에 따라 채취했다. 광학밀도(OD)는 캐러셀 세포 홀더(carousel cell holder)가 장착된 분광광도계(Beckman Coulter, model DU 730)로 600nm(OD600)에서 측정되었다. 광학밀도 600nm는 세포 건조 중량(cell dry weight)을 토대로 하여 계산되었다. 분리효율(%)은 하기 식 (1)과 같이 계산되었다.
분리효율(%) = {(ODto - Odt) / Odto} x 100 ----------------(1)
식 (1)에서 ODto는 응집전샘플의 광학밀도이며, Odt는 응집 후의 정해진 침전 시간에 따른 광학밀도이다. 모든 실험은 5번 반복하였으며 평균데이터를 사용하였다.
실험 1. 마그네슘- 세리사이트 ( Mg - Sericite ) 투입량 및 다양한 S/M 비율에 따른 분리효율
실험 1에서는 마그네슘-세리사이트(Mg-Sericite)의 투입량과 세리사이트(Sericite)/Mg의 비율(S/M 비율)을 다양하게 실험하여 나타나는 분리효율 변화를 측정하였다. 도 1은 마그네슘-세리사이트(Mg-Sericite)의 투입량 및 S/M 비율에 따른 분리효율 변화를 나타낸 그래프이다.
[마그네슘-세리사이트(Mg-Sericite) 투입량에 따른 분리효율]
도 1을 참조하면, 본 실시예에서는 S/M비율을 40으로 설정하여 마그네슘-세리사이트(Mg-Sericite)를 10mg/L 투입했을 경우(실시예 1-1) 분리효율이 100%로 측정되었다. 마그네슘-세리사이트(Mg-Sericite)를 20mg/L 투입했을 경우(비교예 1-1)에는 분리 효율에 변화가 없었다. 따라서, 높은 분리효율을 얻기 위한 마그네슘-세리사이트(Mg-Sericite)의 투입량은 5~10mg/L가 바람직하며, 마그네슘-세리사이트(Mg-Sericite)를 5mg/L 미만으로 투입할 경우 미세조류 분리효율이 90% 이하로 떨어져 바람직하지 않으며 10mg/L를 초과하여 투입할 경우 마그네슘-세리사이트(Mg-Sericite)의 투입량에 따른 분리효율의 변화가 나타나지 않아 비경제적이므로 바람직하지 않다.
[S/M 비율에 따른 분리효율]
본 실시예에서는 미세조류의 수확효율을 광학밀도의 감소로 나타냈으며, 이러한 광학밀도의 급격한 감소는 원심분리 후 침전시간 5분 직후일 때 발견되었다. 또한 본 실시예에서 클로렐라 불가리스(C.vulgaris)는 2.13±0.21g/L를 투입하여 S/M 비율에 따른 미세조류 분리효율을 측정하였다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에서는 S/M 비율을 80으로 설정하였을 경우(실시예 1-2) 분리효율이 95% 이상으로 측정되었으며, S/M 비율을 60으로 설정하였을 경우(실시예 1-3)에는 분리효율이 97% 이상, S/M 비율을 45로 설정하였을 경우(실시예 1-4) 분리효율이 99% 이상인 것으로 측정되었다.
광학밀도는 S/M 비율이 5~100 사이일때 감소하는 것으로 나타났으며, S/M 비율이 15~45일 때 광학밀도가 최대로 감소하는 것을 알 수 있었다. 도 1을 참조하면, S/M 비율이 5~80일때의 분리효율은 약 95%로 나타났으며, 바람직하게는 S/M 비율이 10~60일때의 분리효율은 97% 이상, 더욱 바람직하게는 S/M 비율이 15~45일때의 분리효율은 99% 이상으로 나타났다.
실험 2. 클로렐라 불가리스( Chlorella vulgaris )의 농도에 따른 마그네슘-세리사이트( Mg-Sericite)의 효과
실험 2에서는 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris)를 다양한 농도로 투입하여 이에 따른 마그네슘-세리사이트(Mg-Sericite)의 농도 변화를 측정한 것이다. 도 2는 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris)의 농도에 따른 마그네슘-세리사이트(Mg-Sericite)의 농도 변화를 나타낸 그래프이다. 실험 2에서는 S/M 비율을 40으로 하여 미세조류 농도에 따른 마그네슘-세리사이트(Mg-Sericite)의 농도변화를 측정하였다.
도 2를 참조하면, 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris)와 마그네슘-세리사이트(Mg-Sericite)는 선형관계를 보이는 것으로 나타났다. 결정 계수(R2)는 회귀분석(regression analysis)에서 변수의 선형상관관계도를 결정하는 중요한 요소이다. 마그네슘-세리사이트(Mg-Sericite) 농도는 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris) 농도가 증가함에 따라 선형으로 증가하며, 여기서의 상관 계수(R2)는 0.9991이다. 98% 이상의 분리효율을 나타내기 위해서는 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris) 농도의 4.5~5배의 마그네슘-세리사이트(Mg-Sericite) 농도가 필요하다.
실험 3. pH , 제타전위 , 교반속도 , 교반시간 , 침전시간에 따른 미세조류 분리효율
실험 3에서는 pH, 제타전위, 교반속도, 교반시간, 침전시간에 따른 미세조류의 분리효율 변화를 각각 측정하였다.
[pH에 따른 미세조류 분리효율]
본 실시예에서는 pH가 4인경우, pH가 9인 경우, pH가 12인 경우에 미세조류의 분리효율을 각각 살펴보았다. 도 3은 pH에 따른 미세조류의 분리효율을 나타낸 그래프이다. 본 실험에서 S/M 비율은 40, 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris)는 2.13±0.21g/L인 조건에서 실험하였다.
도 3을 참조하면, pH가 9 이상일 경우(실시예 3-1) 미세조류의 분리효율이 99% 이상으로 가장 높은 것으로 나타났다. 하지만 pH를 계속 증가시켜 pH가 12일 경우(비교예 3-1)에는 미세조류의 분리효율이 오히려 감소하여 약 92%로 나타났으며, pH가 4인 경우(비교예 3-2)의 미세조류 분리효율은 20% 미만인 것으로 측정되었다. 따라서, 높은 미세조류 분리효율을 얻기 위한 pH는 9~11의 범위를 갖는 것이 바람직하며, pH가 9 미만일 경우 분리효율이 감소하여 바람직하지 않으며, 11을 초과할 경우 역시 미세조류의 분리효율이 감소하므로 바람직하지 않다.
[제타전위]
도 4는 S/M 비율에 따른 제타전위의 변화를 나타내는 그래프이다. 본 실험에서 S/M 비율은 40, 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris)는 2.13±0.21g/L인 조건에서 실험하였다. 도 4를 참조하면, S/M 비율이 0인 경우(비교예 3-3)의 제타전위는 초기 -22.4±2.4mV에서 점차 상승하여 S/M 비율이 100인 경우(실시예 3-2)의 제타전위는 +1.12±0.4mV를 나타냈다. 제타전위의 증가는 미세조류 세포 표면전하의 감소를 나타낸다. 따라서, 본 실시예에서 제타전위는 마그네슘-세리사이트(Mg-Sericite) 응집제 투여량과 긍정적인 상호관계를 나타내는 것을 알 수 있으며, 이러한 결과는 미세조류 세포에서의 음전하가 마그네슘-세리사이트(Mg-Sericite)의 양전하에 의해 중화된다는 것을 입증해준다.
[교반속도]
도 5는 교반속도에 따른 미세조류 분리 효율을 나타내는 그래프이다. 본실험은 S/M 비율은 40, 교반시간은 5분으로 설정하여 실험하였다. 도 5를 참조하면, 본 실시예에서는 교반속도를 100rpm으로 했을 때(실시예 3-3) 미세조류 분리효율이 100%로 측정되었다. 교반속도가 150rpm까지 높아졌을 때(실시예 3-4)에도 미세조류 분리효율은 100%로 유지되는 것으로 나타났다. 하지만, 교반속도를 300rpm까지 높였을 때(비교예 3-4)의 미세조류 분리효율은 81%대로 감소하였다. 따라서, 교반속도가 100~150rpm일 때 미세조류는 마그네슘-세리사이트(Mg-Sericite)에 의해 충분히 응집되는 것을 알 수 있다. 교반속도가 100rpm 미만일 경우 미세조류와 마그네슘-세리사이트(Mg-Sericite)의 교반이 충분히 이루어지지 않아 미세조류 분리효율이 감소하여 바람직하지 않으며, 교반속도가 150rpm을 초과할경우 또한 미세조류 분리효율이 오히려 감소하여 바람직하지 않다. 이처럼, 빠른 교반속도는 플록(floc)을 파괴하는 경향이 있으며, 이것은 응고된 세포가 재분산되고 배지 내로 다시 들어가도록 한다.
[교반시간]
표 2는 교반시간에 따른 미세조류의 분리 효율을 나타내는 표이다. 표 2를 참조하면, 본 실시예에서는 S/M 비율이 40인 조건에서 2분(실시예 3-5) 동안 교반했을 때 미세조류 분리효율이 100%로 측정되었다. 교반시간을 5분(실시예 3-6)으로 증가시켰을 때에도 미세조류의 분리효율은 100%로 유지되는 것으로 나타났으나, 10분동안 교반했을 때(비교예 3-5) 미세조류의 분리효율은 변화가 없었다. 따라서, S/M 비율이 40인 조건에서 교반시간이 2~5분일 때 미세조류 분리효율이 가장 높은 것으로 나타났다. 교반시간이 2분 미만일 경우 미세조류와 마그네슘-세리사이트(Mg-Sericite)의 교반이 충분히 진행되지 않아 미세조류의 분리효율이 감소하여 바람직하지 않으며, 교반시간이 5분을 초과할 경우 미세조류 분리효율에 변화가 없으므로 비효율적이기 때문에 바람직하지 않다.
참고로, 하기 표 4는 다양한 S/M 비율에서 교반시간에 따른 미세조류 분리효율을 도시한 표이다.
구분 교반시간(분) 분리효율(%)
실시예 3-5 2 100
실시예 3-6 5 100
비교예 3-5 10 100
[침전시간]
표 3은 침전시간에 따른 미세조류의 분리효율을 나타내는 표이다. 표 3을 참조하면, 본 실시예는 S/M 비율이 40인 조건에서 2분(실시예 3-7)동안 침전시켰을 때 미세조류의 분리효율이 100%로 측정되었다. 침전시간을 5분(실시예 3-8)으로 증가시켰을 때에도 미세조류의 분리효율은 100%로 유지되는 것으로 나타났으며, 10분 동안 침전하였을 때(비교예 3-6)에도 미세조류의 분리효율은 변화가 없었다. 따라서, S/M 비율이 40인 조건에서 침전시간이 2~5분일 때 미세조류의 분리효율이 가장 높은 것으로 나타났다. 침전시간이 2분 미만일 경우 미세조류와 마그네슘-세리사이트(Mg-Sericite)의 침전이 충분히 진행되지 않아 미세조류의 분리효율이 감소하여 바람직하지 않으며, 침전시간이 5분을 초과할 경우 미세조류 분리효율에 변화가 없으므로 비효율적이기 때문에 바람직하지 않다.
참고로, 하기 표 4는 다양한 S/M 비율에서 침전시간에 따른 미세조류 분리효율을 도시한 표이다.
구분 침전시간(분) 분리효율(%)
실시예 3-7 2 100
실시예 3-8 5 100
비교예 3-6 10 100
구분 분리효율(%)
시간
(분)		 0 1 2 5 10 30 60
교반
시간		 S/M 10 0 86 90 95 100 100 100
S/M 20 0 92 96 100 100 100 100
S/M 40 0 95 100 100 100 100 100
S/M 60 0 96 99 100 100 100 100
S/M 80 0 95 97 100 100 100 100
S/M 100 0 92 95 100 100 100 100
침전
시간		 S/M 10 0 90 95 97 100 100 100
S/M 20 0 95 97 99 100 100 100
S/M 40 0 96 100 100 100 100 100
S/M 60 0 97 99 100 100 100 100
S/M 80 0 96 98 100 100 100 100
S/M 100 0 96 97 100 100 100 100
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (15)

  1. 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris)에 0.075~0.053mm 크기의 세리사이트(Sericite)를 추가하여 혼합하는 혼합단계;
    상기 혼합한 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris) 및 세리사이트(Sericite)에 MgCl2·H2O를 추가하고, 상기 세리사이트(Sericite)와 MgCl2·H2O(S/M)의 혼합비율이 5~80이 되도록 혼합한 마그네슘 세리사이트(Mg-Sericite) 5~10mg/L와 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris)를 혼합하는 단계;
    상기 제조된 마그네슘 세리사이트(Mg-Sericite) 및 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris)의 농도비를 4.5~5:1로 하여 100~150rpm의 속도로 2~5분 동안 교반하는 교반단계;
    상기 교반한 마그네슘 세리사이트(Mg-Sericite) 및 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris)를 원심분리하여 플록(floc)을 2~5분 동안 침전시켜 침전물을 얻는 침전단계; 및
    상기 침전물을 압밀화(compaction)하여 미세조류-톤 금속이온착물(algae-tone metal ion complex)을 분리하는 분리단계를 포함하고, 상기 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris)의 수확은 pH 9~11의 범위에서 실시하고,
    상기 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris)는 JM 배지에서 pH 7.2±0.3, 23±1℃에서 광량이 200~250μmol photons/m2/s인 조건 하에서 배양하며, 상기 마그네슘-세리사이트(Mg-Sericite) 응집제를 이용하여 처리한 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris)는 제타전위가 +1.12±0.4mV의 범위를 갖는 마그네슘-세리사이트(Mg-Sericite) 응집제를 이용한 미세조류 수확방법.
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  6. 제 1항에 있어서,
    상기 마그네슘 세리사이트(Mg-Sericite)와 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris)의 혼합단계에서 세리사이트(Sericite)와 MgCl2·H2O를(S/M)의 혼합비율이 10~60인 마그네슘-세리사이트(Mg-Sericite) 응집제를 이용한 미세조류 수확방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 마그네슘 세리사이트(Mg-Sericite)와 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris)의 혼합단계에서 세리사이트(Sericite)와 MgCl2·H2O를(S/M)의 혼합비율이 15~45인 마그네슘-세리사이트(Mg-Sericite) 응집제를 이용한 미세조류 수확방법.
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