Ultrasound sonication을 이용한 미세조류 세포막 파쇄에 관한 연구

Abstract

ABSTRACT

A Study on the Cell disruption of Microalgae using Ultrasound sonication

Bae, Myeong Gwon Advisor : Prof. Jeong, Sang-Hwa, Ph.D. Department of Mechanical Engineering, Graduate School of Chosun University

최근 산업의 발달로 인해 주 에너지원인 석유나 석탄, 천연가스 등 화석에너지의 소비량이 기하급수적으로 증가하였고, 이에 따라 점차 에너지 고갈로 인해 에너지 부족현상 및 이산화탄소의 급증으로 인해 온실가스에 의한 환경오염 문제가 심각해지고 있다. 이런 심각한 문제들을 해결하고자 현재 대안으로 신재생 에너지 및 대체 바이오에너지에 대해 많은 연구가 진행되어지고 있으며, 그 중 최근 제 3세대 바이오 에너지인 미세조류(Microalgae)가 무한한 잠재력을 지니고 있는 자원으로 각광을 받고 있다. 미세조류는 광·독립 영양미생물로 빛을 통해 필요한 양분을 무기질로 합성하여 유용물질을 생산하기 때문에 환경오염이 없는 지속가능한 바이오 에너지원이다. 또한 미세조류의 유용물질에서 추출되는 바이오매스를 기반으로 한 바이오 디젤의 생산은 효율적인 접근법 중 하나이고, 이산화탄소저감 효과가 있어 온난화를 감소시킬 수 있다. 미세조류로부터 지질을 추출하기 위해서는 수확과정 중 세포막 파쇄 공정이 필수적이며, 효율적으로 지칠 추출을 위해 다양한 방법으로 연구가 진행되고 있다. 수확방법은 크게 기계적 방법과 비기계적 방법 두 가지 방법으로 나뉜다. 일반적으로 기계적 방법은 미세조류의 단백질 구조 상태를 잘 유지하는 이점이 있으나 처리과정이 복잡하고, 유지보수비용이 많이 소모된다. 비기계적 방법은 대량수확이 가능하여 경제적인 수확이 가능하나 화학적 처리로 인한 환경오염이 발생하여 치명적인 단점이 있다. 그러나 현재 미세조류로부터 지질을 추출하는 효율은 기존의 바이오에너지에 비해 생산성 및 경제성이 부족한 문제로 인해 아직 연구개발이 필요한 시점이다. 본 연구에서는, 미세조류의 경제적이며 효율적인 지질 추출을 위해 화학적 공정으로 인한 환경오염이나 후 처리 비용이 많이 발생하는 비기계적 방법이 아닌 기계적 방법 중 하나인 초음파 방법을 이용하여 연속적이며 생산성을 높인 세포막 파쇄 효율에 대해 연구하였다. 미세조류는 종류에 따라 초음파로 조사하여 세포막 파쇄 처리를 할 경우 세포의 크기 및 농도 그리고 세포벽의 두께에 따라 파쇄 효율이 매우 큰 차이를 나타낸다. 실험에 사용된 미세조류 Chlorella sp.에 알맞은 최적의 파쇄 효율 조건을 연구하기 위해 연구하였으며, 사용된 초음파 장치는 저주파, 고주파, 연속적인 초음파 장치로 구성하여 실험을 진행하였다. 또한 최적의 배양조건에서 배양된 Chlorella sp.의 실험을 위해 배양한 Chlorella sp.성장곡선을 분석하기 위해 여러 종류의 센서들을 이용해 필요한 데이터를 수집하였고, 수집된 데이터를 토대로 성장곡선을 측정하였다. 성장곡선의 결정계수를 측정하기 위해 수학적 근사모델인 Gompertz모델과 Logistic모델 두 종류의 모델식을 이용하여 성장 곡선을 근사화하였다. 회분 저주파 실험에서 균체의 광학밀도, 출력파워, 초기용량, pH 네 가지 종류를 변수로 지정하였고, 회분 고주파 실험에서는 프루브의 조사위치, 균체의 광학밀도, 파장의 종류, 초기 인가전압 네 가지 종류를 변수로 지정하였으며, 마지막으로 연속 저주파 실험에서는 균체의 광학밀도, 출력파워, 균체의 순환유량, Duty cycle, pH 다섯 가지 종류를 변수로 지정하여 각 변수들 간의 상호작용을 분석하며 실험을 진행하였다. 실험을 통하여 각 변수들 간의 상호작용으로 세포 파쇄 효율에 미치는 영향과 최적의 파쇄 조건을 연구하였다. 실험결과 세 가지 종류의 초음파 장치에서 공통적으로 출력파워에 따라 세포 파쇄 효율이 가장 큰 영향을 받았으며 더 나아가 pH를 조절하여 병행하였을 때 모든 조건에서 가장 높은 파쇄 효율 결과가 도출 되었다. |ABSTRACT

A Study on the Cell disruption of Microalgae using Ultrasound sonication

Bae, Myeong Gwon Advisor : Prof. Jeong, Sang-Hwa, Ph.D. Department of Mechanical Engineering, Graduate School of Chosun University

Recently, because of industry development, the consumption of fossil energy such as petroleum, coal, and natural gas has increased exponentially. Therefore, there is an issue with environmental pollution caused by greenhouse gases due to energy shortages. The increase in carbon dioxide emissions is getting serious. In order to solve these serious problems, many studies are being conducted on renewable energy sources and alternative bioenergy. Among them, the third generation bioenergy, microalgae, has recently emerged as a resource with infinite potential. Microalgae are photosynthetic and independent nutrient microorganisms, a sustainable source of bio-energy without environmental pollution because they produce useful substances by synthesizing the necessary nutrients using inorganic light. In addition, one efficient approach is the production of biodiesel based on biomass extracted from the useful materials from microalgae; this approach also has a carbon dioxide reduction effect that might reduce global warming. To extract lipids from microalgae, the cell membrane disruption process is essential during the harvesting process, and research is being conducted into various ways for efficient lipid extraction. Harvesting methods are largely divided into mechanical and non-mechanical methods. In general, the mechanical methods has the advantage of maintaining the protein structure of the microalgae well, but the processing is complicated, and the maintenance cost is high. Non-mechanical methods can harvest large quantities and are economical, but there are fatal disadvantages due to environmental pollution caused by chemical treatments. However, at present, the efficiency of extracting lipids from microalgae still requires research and development due to the lack of productivity and economy compared to existing bioenergy. In this study, the efficiency of continuous and highly productive cell membrane crushing using an ultrasonic mechanical method, which causes not environmental pollution or has a not post-treatment cost due to the chemical process, was used for economic and efficient lipid extraction of microalgae. When microalgae are irradiated with ultrasonic waves according to type , the crushing efficiency of the microalgae varies greatly depending on the size and concentration of the cell and the thickness of the cell wall. This study was conducted to investigate the optimum crushing efficiency condition for the microalgae Chlorella sp. In addition, the necessary data was collected using various sensors to analyze the growth curves of cultured Chlorella sp. In order to measure the crystal coefficient of the growth curve, the growth curve was approximated using two types of mathematical equations: the Gompertz model and the Logistic model. In the low frequency experiment, four kinds of cell density, output power, initial capacity, and pH were designated as variables. Finally, in the continuous ultrasonic experiment, five kinds of optical density, output power, cell cycle flow rate, duty cycle, and pH were designated as variables, and the relationship between the variables was analyzed. Through the experiments, the effects of the interactions between the variables on the cell disruption efficiency and the optimum disruption conditions were studied. Experimental results showed that cell crushing efficiency was most affected by output power in all three types of ultrasonic devices. Moreover, the highest crushing efficiency result was obtained under all conditions when the pH was adjusted in parallel.