미세조류를 이용한...

미세조류를 이용한 바이오디젤

이상필 한국과학기술정보연구원(KISTI)

김희식 한국생명공학연구원(KRIBB)

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2013년 10월 30일 인쇄

2013년 11월 1일 발행

발 행 인 | 박영서

지 은 이 | 이상필, 김희식

펴 낸 곳 | 한국과학기술정보연구원 정보분석연구소

주 소 | (분원)서울특별시 동대문구 회기로 66

주 소 | (본원)대전광역시 유성구 대학로 245

전 화 | 02-3299-6066

팩 스 | 02-3299-6117

ISBN | 978-89-294-0370-6 93570

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차 례


바이오에너지 개발동향 ● 05

미세조류 연구개발 동향 ● 13

계량정보분석 ● 43

결론 및 시사점 ● 57

참고문헌 ● 61

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바이오에너지 개발동향


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2 0 1 3

정 보 분 석

보 고 서

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@ 미세조류를 이용한 바이오디젤06 바이오에너지 개발동향

바이오매스와 바이오에너지

지금 인류는 에너지 고갈과 지구 온난화라는 범지구적 문제에 직면해 있다.

국제유가의 지속적인 상승으로 2012년 4월 기준 국내 주유소 휘발유 값은 사

상 최고치를 돌파하였으며, 지난 2월 기름 소비량 역시 사상 최대치를 기록하

였다. 또한, 지구온난화로 인한 기상이변은 전 세계 곳곳에서 한파, 이상고온,

가뭄, 홍수 등으로 나타나고 있으며, 이로 인해 인명피해와 농작물 피해, 기근

등이 잇따르고 있다.

최근 화석연료의 고갈과 지구온난화 같은 환경문제를 극복하고 급증하는

에너지 요구량을 만족시키면서 환경 친화적으로 지속가능한 성장을 도모하기

위한 대안으로 바이오매스에 대한 관심이 높아지고 있다. 에너지 고갈 및 환

경문제를 동시에 해결하기 위해서는 이산화탄소 발생량이 적은 무한한 에너

지원이 필요한데, 이를 만족시킬 수 있는 자원으로서 바이오매스가 독보적인

위치를 점하고 있기 때문이다.

바이오매스란 광합성에 의해 빛에너지가 화학에너지로 축적된 식물자원을

의미하는데, 크게 곡물자원을 활용한 1세대 바이오매스, 작물의 줄기나 폐목

재 등을 사용하는 2세대 바이오매스, 그리고 물속에서 성장하는 미세조류를

활용한 3세대 바이오매스로 구분한다.

바이오매스는 자연계 내에서 쉽게 구할 수 있는 태양에너지와 물, 이산화탄


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@ 미세조류를 이용한 바이오디젤 07바이오에너지 개발동향

소 등을 재료로 사용하여 광합성을 통해 지속적인 생산이 가능한 자원이기 때

문에 바이오매스로 만드는 바이오연료 역시 지속적인 생산이 가능하다. 현재

전세계 바이오매스 양은 1차 총에너지 소비량의 10배에 달한다. 그 중 일부만

바이오연료로 전환하더라도 인류는 에너지의 고갈 염려가 없는 풍부한 에너

지원을 확보하여, 석유자원을 상당 부분 대체할 수 있게 된다[1].

그림 1-1 | 바이오매스 테크놀로지(Biomass Technology)의 개념도

참고자료 : 2010년 글로벌프론티어개발 사업, 탄소순환형 차세대 바이오매스 생산 및 전환 기술

바이오에너지란 바이오매스를 전환시켜 얻을 수 있는 에너지의 통칭이다.

보통 식물성 유기물 및 동물성 유기물 등을 열분해하거나 발효시켜 메탄 또는

에탄올, 수소와 같은 액체·기체의 연료를 얻을 수 있다. 크게 바이오에탄올,

바이오디젤, 바이오메탄, 그리고 바이오수소 등으로 구성된다.

바이오에너지는 원료물질인 바이오매스의 부존량이 풍부하고 지속적인 생

산이 가능할 뿐만 아니라 온실가스 배출 문제를 해결할 수 있다는 장점이 있

으며, 타 재생가능 에너지원과 달리 생산할 수 있는 최종산물의 형태가 전력,

연료, 화학소재 등으로 다양하다. 하지만 식량작물을 원료로 사용할 경우에는

식량부족 문제를 심화시키고, 대규모 설비투자를 필요로 하며, 사용량이 과다

할 경우 환경파괴 유발의 위험성이 있다. 아직까지는 원료자원이 산재되어 있

어 수집 및 수송이 불편하고, 다양한 바이오매스 종으로 인해 필요한 해당 기

술이 너무 많아, 실제 개발에 여러 가지 어려운 문제점을 안고 있다.

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구 분 설 명

바이오에탄올

•화학적으로 생산 가능하나 대부분 생물학적 방법을 통해 생산

•바이오매스를 기질로 사용하여 효모나 박테리아 등의 미생물 발효로 에탄올 생산

•일본에서는 사탕수수, 옥수수 등을 원료로 하여 생산 중

바이오디젤

•미국의 국립에너지 재생연구소에서 해조류를 이용한 바이오디젤 생산 연구 시작

•경제성 문제로 1996년 연구 종료

•최근 유가 상승으로 연구 재개

바이오메탄

• 주로 나무와 풀, 유기성 고형 폐수 등을 이용하여 생산하며, 조류를 이용하여 생산

할 수 있으나 비용이 높음

• 가수분해 반응을 통해 CO2와 수소를 메탄으로 전환시킴

• 육상식물, 유기성 고형폐수 등이 주로 이용되며, 해조류의 경우는 생산 비용이

높음

바이오수소

•태양에너지와 미생물을 이용한 물, 유기성 폐기물, 바이오매스로부터 수소 생산

• 1970년대 석유파동 이후 화석연료를 대체할 수 있는 에너지로서 연구가

시작되었으며, 최근 조류를 활용한 수소 생산 연구 활발

표 1-1 | 바이오에너지의 종류

바이오연료의 개발동향

현재 바이오에탄올 생산을 위한 바이오매스 연구개발은 전분질계 저장뿌리

와 목질계인 포플러 및 억새에 국한되어 있으며, 최근 한계농지 재배용 고구

마 품종 개발 등이 이루어지고 있으나, 전반적으로 단편적인 연구 수준에 머

무르고 있다. 전분질계 바이오에탄올 생산을 위한 발효에 적합한 효모 균주개

발, 연속발효, 초임계, 막분리기술 등의 연구과제들이 수행되고 있으며, 생산

비용 절감의 핵심기술인 전처리 과정과 셀룰라아제(cellulase) 탐색 및 생산에

대한 연구개발도 진행되고 있다.

또한, 농업 부산물을 활용한 바이오에탄올 생산을 위한 미생물 유래 셀룰라

아제 복합체인 셀룰로좀(cellulosome)의 오믹스(omics) 연구가 진행 중이며,

식물체를 이용해서 셀룰로오스 당화효소의 개선 및 대량생산과 바이오매스를

이용할 수 있는 최적 효모 균주의 재설계 등이 연구 중이다.

KAIST 이상엽교수팀은 최근에 대장균 대사경로 재설계를 통해서 짧은사슬

알칸(short-chain alkane) 형태의 바이오가솔린을 생산하는 데 세계 최초로

성공하였다. 먼저 베타산화(ß-oxidation)을 차단(block)하기 위해서 fadE

유전자를 제거하였으며, 3-옥소아실-아실운반단백질 합성효소(3-oxoacyl-

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ACP synthase)를 코딩(coding)하는 FabH는 fadR 유전자 제거를 통해 향상

시켰다. 또한, fadR 유전자 제거는 불포화지방산(unsaturated fatty acids)

생합성을 담당하는 fabA와 fabB 유전자의 과발현(over-expression)을 저해

하였다. 최종적으로 580.8 mg/L의 농도로 짧은사슬 알칸(short-chain al-

kane)를 생산할 수 있었다[2].

바이오부탄올은 가소제 또는 산업용매로 사용되고 있는데, 전세계적으로

연간 3억 5천 gal의 생산량과 약 $84억에 달하는 시장을 형성하고 있으며, 수

요가 계속 증가할 전망이다. 하지만 지금까지 생산되고 있는 부탄올의 경우

대부분 화학합성법에 의해 생산되고 있고, 유가상승 및 환경문제 등을 야기하

고 있어 세계 각국에서는 바이오부탄올 연구에 대한 관심이 급속하게 증가하

고 있는 상황이다.

그리고 부탄올은 현재 가솔린 대체재로서 많이 연구되고 있는 바이오에탄

올에 비해 여러 가지 좋은 특성을 가지고 있어, 향후 막대한 시장을 형성할 것

으로 예측되고 있다. 특히, 2005년 미국에서는 자동차의 내연기관에 아무런

조작을 가하지 않고 100% 부탄올만으로 주행실험에 성공하여 가솔린을 대체

할 연료로서의 역할을 증명하였다. 하지만 현재 바이오부탄올에 대한 가시적

인 성과는 주로 발효공정 및 분리공정 분야를 통해서 나타나고 있으며, 유전

자조작을 통한 균주의 개량은 유전자조작의 어려움 때문에 연구성과가 많지

않은 실정이다.

미세조류를 통한 바이오디젤 연구도 활발히 이루어지고 있다. 대두유, 유채

유, 팜유 등 식물 기반의 바이오디젤 생산기술에 비해 미세조류를 통한 바이

오디젤 생산기술의 경제성은 떨어지지만, 식물 기반의 미세조류는 양적인 면

에서 한계성이 있고 일부 동남아지역에서는 삼림을 훼손한다는 지적이 있다.

따라서 미세조류 유래 바이오디젤의 경제성을 높이기 위한 연구의 일환으로

형질전환을 통한 우량 균주개발, 극지 미세조류의 신규종 분리 및 특성 연구

를 통한 저온성 균주개발, 폐수 등 저가 기질의 이용 및 배양수 재활용을 통한

배양공정 단가의 절감, 수확 및 추출공정의 효율향상 등 생산공정의 경제성을

증진시키기 위한 연구개발이 활발히 진행되고 있다.

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그림 1-2 | 바이오매스로부터 생산되고 있는 바이오연료(1~2세대)

출처 : 글로벌프론티어개발 사업, 탄소순환형 차세대 바이오매스 생산 및 전환 기술, 2010

지식경제부 신재생에너지기술개발사업('07-'10)에서 수행된 ‘미세조류에 의

한 바이오디젤 원료(biocrude) 양산기술 연구개발((주)바이오트론)’은 바이오

디젤 생산에 적합한 미세조류의 탐색, 광생물반응기(photobioreactor)의 개

발, 미세조류의 배양조건 최적화, 지질함량이 높은 미세조류의 개발 등의 기

초연구를 단기간에 수행하였다[3]. 전력산업연구개발사업(‘07-’10)에서 수행

하였던 '발전소 환경개선을 위한 미세조류 탄소고정화(MBCF) 기술개발((주)

이노비드)‘은 광합성 효율이 높고, 이산화탄소 및 질소산화물 고정효율이 좋은

미세조류를 이용하여 발전소에서 배출하는 이산화탄소를 처리하고자 하였다

(Chlorella 등 활용)[4].

농림수산식품부의 ‘미세조류 이산화탄소 고정기술 적용을 위한 대량배양 시

스템 개발 및 해양생물산업 관련 실용화 기반구축(부경대 등)’은 해양 미세조

류의 대량배양에 의한 대기 중 이산화탄소의 고정 및 수산양식용 어류의 식물

먹이 개발에 관한 기초연구에 치중하였다. 교육과학기술부의 21세기프론티어

연구개발사업의 ‘이산화탄소 저감 및 처리기술개발사업’(‘02-현재)에서 수행

된 ‘생물학적 전환에 의한 이산화탄소 고부가 생물제품 기술개발(한국생명공

학연구원, 성균관대)’ 과제에서 600여 종에 달하는 국내 토착 미세조류 균주

의 분리, 10톤 규모의 반응조에서 미세조류 대량배양기술 확립, 이산화탄소

고정능이 우수한 균주의 개량, 기능성 사료첨가제 개발 등, 미세조류 생명공

메탄가스전기

수소가스

유기성 폐기물(음식쓰레기,가축분뇨 등)

혐기반응

당화 알콜발효

에스테르화

특수 당화

직접연소

추출

바이오메탄바이오전기바이오수소

당분(포도당 등)

전분 작물(옥수수, 사탕수수 등)

바이오에탄올

보일러/발전기목질계 식물체(나무, 볏짚 등)

열/전기

기름(콩기름 등)

유지 작물(유채, 콩 등)

바이오디젤

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학(algal biotechnology)의 핵심기술을 확보하는 성과를 거두었다[5].

3세대 바이오매스인 조류는 다양한 활용가치와 장점을 가지고 있어 석유를

대체할 수 있는 유력한 에너지 원료로 관심을 모으고 있다. 거대조류인 김, 다

시마 등은 셀룰로오스 성분을 많이 함유하고 있어 바이오에탄올로 전환이 용

이할 뿐만 아니라 2세대 목질계 바이오매스와 달리 리그닌 성분이 없어 전처리

공정이 필요 없다는 장점이 있다. 미세조류는 생장속도가 빠르고 지질성분을

다량 함유하고 있어 바이오디젤을 생산할 수 있는 자원으로 평가받고 있다.

특히, 미세조류는 식물보다 태양에너지 이용효율이 약 25배, 이산화탄소 고

정능력도 15배 정도가 높다. 식물에 비하여 5-10배의 바이오매스 생산성이

높고, 배양조건에 따라 체내에 지질을 최대 70%까지 축적할 수 있어, 단위 면

적당 지질의 생산량은 식물에 비하여 50-100배 이상 높다. 최근 생명공학기

술의 발달로 미세조류를 유전공학적으로 개량하여 생장속도와 지질 함량을

증대시키기 위한 연구가 주목을 받고 있다. 또한 미세조류 배양과 수확공정을

최적화하고 바이오디젤 생산을 위한 경제적이고 친환경적인 추출·전환 공정

에 관한 연구개발도 활발히 진행되고 있다. 그러나 아직까지 미세조류를 이용

한 바이오디젤 생산공정의 단가가 석유 기반 디젤의 생산공정에 비해 높기 때

문에 경제성 확보를 통한 상용화에 어려움이 있는 실정이다.

본고에서는 미세조류의 균주개발, 개방형 및 폐쇄형 방식의 미세조류 배양,

미세조류 바이오매스의 수확, 오일추출 및 바이오디젤로의 전환을 중심으로

최근 동향을 살펴보고 미세조류 기반의 바이오디젤 생산에 대한 가능성을 소

개하고자 한다.

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미세조류 연구개발 동향


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정 보 분 석

보 고 서

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@ 미세조류를 이용한 바이오디젤14 미세조류 연구개발 동향

미세조류의 균주개발

최근, 미세조류 바이오매스를 활용한 연구 및 기술개발이 활발히 이루어지

고 있다. 미세조류 바이오연료의 연구동향을 보면, 2006년 이후부터 연구논

문 및 특허가 급증하고 있으나 대부분 공정 및 배양기술에 집중되어 있으며,

지질대사에 관련된 연구논문 및 특허의 출현빈도가 높아지고 있다.

유전자 변형기술을 이용한 지질의 생산성 증대에 관한 연구는 육상식물을

대상으로 많은 연구가 진행되어 왔다. 미세조류의 경우 유전자변형 작물 분

야의 거대기업인 몬산토사와 연계된 사파이어사에서 수천개의 새로운 계통의

미세조류를 개발하고 있으며, 최근에는 여러 기업과 연구그룹에서 많은 연구

성과를 발표하고 있다.

우수 미세조류 후보

미세조류는 단세포성(unicellular), 군집성(colonial) 또는 섬유성(filamen-

tous) 형태로 존재하며 광독립영양(photoautotrophic) 또는 종속영양(het-

erotrophic)으로 나누고 있다. 지금까지 수많은 미세조류를 대상으로 지질함

량을 조사한 결과, 미세조류의 종(species) 및 세포주에 따라서 건조중량(dry

weight) 대비 지질함량이 1%에서 85%까지로 다양하며, 지방산의 사슬길이


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@ 미세조류를 이용한 바이오디젤 15미세조류 연구개발 동향

(chain length)도 C10에서 C24까지 분포되어 있는 것으로 나타났다. 미국 국

립재생에너지연구소(NREL)에서는 8년 동안 3,000개 이상의 세포주를 수집

하여, 약 300종의 지질이 많은 미세조류를 분리하였다[6].

바이오디젤 생산을 위해서 미세조류의 생장속도, 지질함량, 지질 생산성을

고려하여야 한다. 지질함량은 배양환경에 따라 차이를 보이는데, Chlorella

protothecoides의 경우 독립영양상태로 증식할 때의 지질함량은 14.5%이지

만 종속영양상태로 증식할 때는 55%로 증가한다. 최근 최대 지질함량이 20%

이상이고, 지질 생산성이 40 mg/l/day를 상회하는 미세조류로 Chlorella

protothecoides, Chlorella sorokiniana, Dunaliella salina, Ellipsoidion

sp., Nannochloropsis sp., Nannochloropsis oculata, Neochloris oleo-

abundans, Pavlova salina, Phaeodactylum tricornutum, Scenedesmus

sp., Tetraselmis sp., Isochryis sp., Chlamydomonas BAFj5 등이 보고되

었다[7].

미세조류 지질대사

미세조류로부터 바이오디젤 생산성을 극대화하기 위해서 미세조류의 지질

대사기작을 이해하는 것이 중요하다. 미세조류의 지질대사 특히, 지방산 및

중성지방 TAG(triacylglycerol)의 생합성 경로는 고등식물에 비해 연구가 미

흡한 편이다. 그러나 유전체(genome) 분석 데이터에 의하면, 육상식물에서

지질대사에 관련된 많은 유전자들의 유사체(homolog)가 미세조류에 존재하

고, 지질대사 관련 유전자 및 효소 등의 특성을 살펴보면 미세조류 지방산 및

TAG 합성의 기본 대사과정은 고등식물과 동일하지만 다양한 차이점이 존재

한다.

고등식물의 경우 특정 세포와 조직 또는 기관(종자, 과일)에서 지질의 합성

및 축적이 일어나지만, 미세조류의 경우 이산화탄소 고정과정에서 TAG 합성

및 축적이 하나의 세포에서 일어난다. 또한 미세조류는 지방산을 합성하여 육

상식물보다 훨씬 다양한 종류의 지질을 생산한다. 육상식물과 유사하게 미세

조류에서 합성되는 대표적인 지방산은 탄소수가 16~18개이며, 주요 지방산은

팔미트산(palmitic acid)이며 올레산(oleic acid) 함량은 육상식물보다 적다[7].

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미세조류에서도 TAG 생합성은 케네디경로(Kennedy pathway)에 의해

일어나는데, 고등식물 및 효모처럼 케네디경로 이외에 다른 대사경로에 의

한 TAG 합성(acyl-CoA-independent synthesis) 경로가 존재할 것으로 추

정된다. TAG의 양은 미세조류 종 및 세포주에 따라 다르지만 생장환경에 따

라서 크게 차이가 난다. 최적 생장조건에서는 생산된 지방산이 주로 막지질

(membrane lipid) 합성에 사용되며, 이때 막지질의 양은 건조중량의 5~20%

에 달한다. 그러나 생장환경이 좋지 않거나 스트레스 조건에서는 합성된 지방

산이 주로 TAG 축적에 사용되고, 스트레스 조건이 계속되면 세포내 단백질도

TAG 합성에 사용된다[8]. 이때의 TAG 함량은 전체 지질의 80%에 달하기도

한다.

그림 2-1 | 미세조류 지질생합성 경로

출처 : Bioin 스페셜 웹진, 바이오에너지 생산성 향상을 위한 미세조류 생명공학 연구동향, 2012

지질대사경로 개량

최근 미세조류의 지질대사 경로의 변이체 및 형질전환 방법을 이용하여 지

질 생산성을 높이는 연구가 진행되고 있으나, 아직까지 주요한 성과가 없다.

그 이유는 육상식물에서와 같은 효율적인 핵형질 전환기술이 확립되지 않아

서 많은 연구가 이루어지지 않았다. 미세조류의 지질대사 관련 유전자 및 효

소 등의 일반적 특성 및 기본 경로가 다른 생물과 유사하므로, 다양한 생물의

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연구사례를 분석하여 미세조류에 적용하는 것이 필요할 것이다.

세포내 지질의 양에 영향을 주는 요인으로는 전분의 합성 및 축적, 지방

산 생합성, TAG 축적, 지질의 분해과정 등이다. C. reinhardtii 전분결핍

(starchless) 변이체인 sta6와 sta7의 연구결과 ADG-글루코스 피로포스포리

라제(ADG-glucose pyrophosphorylase) 또는 이소아밀라제(isoamylase) 효

소 유전자의 변이에 의해 전분합성이 억제되어 TAG 합성이 크게 증가하였다.

또한, Chlorella pyrenoidosa의 전분결핍 변이체에서는 다중불포화지방산

(PUFAs, Polyunsaturated Fatty acids) 양이 증가하였다. 세균 및 효모의 연

구들에서도 지질대사에 관련된 중요한 효소들의 발현조절에 대한 정보를 얻

을 수 있었다.

한편, 바이오디젤의 연료 특성은 지방산 조성과 직접 관계가 있다. 탄소사

슬의 길이(carbon chain length)나 이중결합의 수(number of double bonds)

등의 지방산 조성을 변형시키면 바이오디젤을 저렴하게 생산할 수 있다. 그러

나 지질함량을 증가시키기 위하여 지방산 생합성에 관련된 유전자 단독의 발

현양만 조절해서는 전체적인 지질합성을 효율이 크게 증가하지 않음을 알 수

있다. 즉, 지방산 생합성이 증가하여도 다음 단계(예, TAG 합성경로)의 영향

으로 지질함량이 증가하지 않는 것으로 보인다. 따라서 여러 가지 유전자의

발현을 동시에 조절하거나, 전체 지방산 합성을 조절하는 주요 조절인자를 활

성화시키는 시도가 이루어져야 하며, 지방산 생합성 경로를 변형시키기보다

는 TAG 합성경로를 변형시키는 것이 지질함량의 증가에 보다 효율적인 접근

법일 것으로 추측된다.

한국생명공학연구원(KRIBB) 김희식박사 연구팀은 지질함량이 크게 증가하

는 기작에 관하여 미세조류의 혼합영양(mixotrophic) 조건하에서 관련 유전

자 발현량을 분석하였다. 이러한 지질함량의 변화는 질소결핍 조건과 혼합영

양 조건(아세테이트 공급)에서 뚜렷한 변화를 보였고, 지방산 합성관련 유전

자(BCX1: Acetyl-CoA carboxylase, MCT1: S-malonyl transferase), TAG

합성 관련유전자(ACS2: Acetyl-CoA synthetase, DGTT4: diacylglycerol

O-acyltransferase) 등의 발현량 변화를 qRT-PCR을 통해 관찰하였다.

그 결과, 질소결핍 상태에서 BCX1 과 MCT1의 발현량이 감소되었으며, 질

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소결핍과 혼합영양 아래에서 ACS2와 DGAT4의 발현량이 증가하였다. 아세

틸 코엔자임 A 카복실라제(acetyl-CoA carboxylase, BCX1)는 식물 지방산

합성의 첫번째 단계에서 작용하는 효소로 널리 알려져 있는데, 아세틸 코엔자

임 A 카복실라제의 베타 서브유니트(ß-subunit)를 암호화(encoding)하는

유전자는 애기장대(arabidopsis)의 ACCD 유전자와 높은 상동성을 지니고 있

다. MCT1은 만노닐 전이효소(S-malonyltransferase)를 암호화하는데, 만노

닐 코엔자임 A(malonyl Co-A)에 아실운반 단백질(ACP, Acyl-carrier Pro-

tein)을 전달하여 만노닐 아실운반 단백질(malonyl-ACP)를 생산하고 지방산

합성효소들이 순차적으로 작용하여 유리 지방산(free fatty acid)를 생산한다.

그림 2-2 | 미세조류의 mixotrophic 조건에서의 지질대사경로

출처: Ramanan R. (2013) FEBS Lett. 587:370-377

질소결핍 조건에서 중성지질은 증가하지만 데노브 지방산 합성경로(de

novo fatty acid synthesis pathway)에 관여하는 BCX1과 MCT1의 발현량

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감소는 다른 경로에서부터 지방산이 생성됨을 나타낸다. 즉, 엽록체에서 생성

되는 지방산 합성경로 이외에도 막에서부터 분해되거나 세포질에서 생성되는

지방산이 TAG 합성에 관여하여 중성지방의 양을 증가시키는 것으로 추측되

는데, 이것은 지방산이 중성지방 생산에 제한요소가 아님을 나타낸다. 반면에

혼합영양 조건에서는 지질함량이 증가하였고 4개 유전자의 발현도 모두 증가

하였다.

특히, ACS2는 모든 조건(아세테이트 첨가, 질소 결핍/충분)에서 발현량 증

가, 그리고 DGTT4는 아세테이트 첨가 조건에서 발현량이 높게 증가하는 양

상을 보였는데, 이는 첨가 한 아세테이트가 TAG 합성의 제한요소로 생각된

다. ACS2에 의하여 세포질에서 아세테이트가 아세틸 코엔자임 A로 전환되

고, 이어서 유리 지방산과 결합하여 사슬이 긴 아세틸코에이가 생성되어 케네

디경로(Kennedy pathway)를 통해 TAG가 합성되는 것으로 추정된다[9].

미세조류 유전적 개량 기술

미세조류 중에서 C. reinhardtii 는 핵, 엽록체, 미토콘드리아의 형질전환

기술이 잘 개발되어 있다[10]. 따라서 C. reinhardtii 의 유전적 개량기술을 이

용하여 미세조류의 기초연구가 진행되어 왔다. 또한, 이를 이용한 유용물질과

단백질을 생산하는 세포주들이 이미 개발되어 상용화되고 있다. 그 예로서 미

국의 PhycoBiologics 사에서는 gM, IPNC, IHNV 등의 어류용 경구백신, 기

능성 펩타이드, 항체 등 20여 종류의 고부가가치 유용 단백질을 생산하는 C.

reinhardtii 를 개발하였다.

미세조류의 지질 생산성을 높이기 위하여 우수 세포주를 개발하는 직접적

인 방법으로 유전적 개량기술을 활용할 수 있다. 유전자의 발현을 변형시키

는 방법으로는 유전체 정보를 기반으로 유전자의 도입, 제거, 유전자 조절기

술(gene knock out, gene knock down) 등이 있다. 현재 많은 연구그룹에서

산업적 활용을 목표로 다양한 미세조류를 대상으로 효율적인 형질전환기술을

개발하고 있다.

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미세조류 유전체 연구

미세조류는 생태, 분류, 세포, 생리학 및 육상식물의 모델시스템으로서 많

은 관심을 가져왔고, 편모성 조류는 인간 질병에 관련된 섬모세포의 모델로서

사용되어 왔으며, 최근에는 대체에너지로서 미세조류 바이오매스를 활용한

바이오연료 분야에 대한 관심이 집중되고 있다. 이러한 필요성에 미국의 에너

지부(DOE) 산하의 JGI(Joint Genome Institutes)를 비롯한 유전체 연구의

선진그룹에서 다양한 미세조류의 유전체 분석 프로젝트(genome project)가

진행되고 있다[11].

2011년 기준으로 염기서열이 밝혀지거나 염기서열 분석이 진행 중인 미

세조류는 약 30 여종에 달하고, 새로운 미세조류들이 계속해서 발견되고 있

다[6]. 또한, 미세조류들의 전사체(transcriptom) 정보들이 상당히 규명되

어, 미세조류는 단세포이면서도 염색체의 수가 2~24개까지 존재하다는 것

을 알게 되었다. 지금까지 알려진 미세조류 유전체의 크기(genome size)는

11~138Mb이고, 유전자의 수는 약 5000~15000개를 상회하며, 분석된 대부

분의 미세조류는 인트론(intron)을 가지고 있는 것으로 조사되었다[12].

일반적으로 유전체내 GC 비율은 47~67%이고 암호영역(coding region)

의 GC 비율 또한 다양하다. 애기장대, 담배, 벼, 옥수수, 콩 등과 같은 육상

식물의 경우는 암호영역의 GC 비율이 44~55% 정도인데, 미세조류는 대략

53~68%로 상당히 높은 수준이다. 녹조류인 Chlamydomonas 속을 보면, C.

reinhardtii 의 경우 암호영역의 GC 비율이 67%이고 3번째 코돈(codon)의 경

우 86.21%이지만, Chlamydomonas sp. ICE - L의 경우는 암호영역의 GC

비율은 56.68%이고 3번째 코돈의 GC 비율은 70.96%로 조사되었다. 이와 같

이 미세조류 종 사이의 차이뿐만 아니라 육상식물에 비해 미세조류 유전체 및

암호영역의 GC 비율이 높고 코돈 사용빈도가 다른 것은, 서로 간에 유전자 발

현을 조절하는 유전자의 전사기작(transcription mechanism)뿐만 아니라 번

역기작(translation mechanism)에서도 차이가 있음을 시사한다[13].

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미세조류 형질전환

미세조류 중에서는 C. reinhardtii 의 분자유적학적 연구가 가장 많이 진행

되어, 외래유전자 발현과 유전자 조절기술 등이 개발되어 있다. 최근 산업적

응용을 위하여 규조류(diatom) 및 다른 미세조류에서도 이와같은 기술이 급

속히 개발되고 있다. 현재까지 녹조류(Chlorophyta), 홍조류(Rhodophyta),

규조류(diatoms), 유글레나(euglenids), 와편모조류(dinoflagellates) 등에서

30종 이상의 미세조류 세포주에 대한 형질전환 연구가 수행되었다. 형질전환

이 보고된 미세조류로는 Chlamydomonas reinhardtii, Chlorella ellipsoi-

dea, C. sorokiniana, C. vulgaris, Haematococcus pluvialis, Vovox cart-

eri, Dunaliella viridis, D. salina, Nannochloropsis oculata 등이 있다[10].

미세조류 형질전환에 관한 대부분의 연구는 핵 및 엽록체에서 외래유전자

의 안정적인 발현(stable expression)에 대한 것이지만, 일시적인 발현(tran-

sient expression)만 보고된 경우도 상당수이다. 미세조류 세포내로 유전자를

도입하는 방법에는 유리구슬(glass beads)과 함께 교반하는 방법, 전기천공법

(electroporation), 유전자총(gene gun) 방법, Agrobacterium 방법 등이 개

발되어 있으나, 유전자 총 방법이 일반적으로 사용되고 있다[14].

그림 2-3 | Glass beads를 이용한 미세조류 형질전환기술

출처 : 2012 Bioin 스페셜 웹진, 바이오에너지 생산성 향상을 위한 미세조류 생명공학연구동향

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한편, 최근 육상식물을 중심으로 비표지 유전자(marker free) 또는 선발마

커(selection marker)의 제거기술이 개발되었다. 비표지 유전자기술의 경우

는 열성인자(recessive gene) 선발마커 시스템이 가장 효율적이지만, 이 경우

에는 사전에 해당 변이체가 선발되어 있어야 하거나 선발마커 없이 형질전환

후, 대량의 고속분석기술을 이용하여 형질전환체를 선발해야 한다[15]. 그러

나 미세조류의 경우 형질전환 효율이 낮으므로 효율적으로 형질전환체를 분

리할 수 있는 방법이 필요하다.

또한, 미세조류 유전체에는 RNAi(RNA Interference) 기작에 관련된 유전

자들(AGO, DICER, miRNA, siRNA 등)의 유사체(homologs)가 존재하고 있

어서, 미세조류의 RNAi 기작은 육상 동식물의 기작과 기본적으로 동일한 것

으로 생각되고 있다[16-19]. 이와 같은 유전자 침묵(gene silencing) 기작을

활용한 RNAi는 유전자의 발현량을 줄일 수 있는 유용한 기술이다. 형질전환

기술이 가장 잘 발달된 C. reinhardtii 를 중심으로 RNAi 적용기술이 개발되

었다. C. reinhardtii 에서 해당 유전자의 발현을 억제시키는 RNAi 방법으로

역반복 염기서열(inverted repeat)을 전사(transcription)하는 방법과 인공 마

이크로 RNA(artificial miRNA)를 이용하는 방법 등이 개발되었다. 다양한 변

이체의 특성을 분석함으로써 유전자의 기능을 규명하고 우수 특성을 가지도

록 개량하기 위한 유용한 정보를 얻을 수 있다.

그러나 자연계에 존재하는 변이체를 발굴하고 특성을 분석하여 정보를 얻

기까지는 많은 시간과 노력이 필요하다. 또한, 이러한 자연변이체의 경우 관

련 특성을 가지는 유전자를 규명하는 것이 매우 어렵기 때문에 유전자 표적

(gene targeted) 기술 또는 유전자 표지(gene tagging) 기술을 이용하여 인위

적인 변이체를 생산하는 기술을 활용할 수 있다면 유용한 유전자 정보를 훨씬

용이하게 확보할 수 있을 것이다[17-19].

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미세조류 배양

광생물반응기(PBR, photobioreactor)

CO2와 O2의 교환기작으로 광합성 미생물의 중요성이 크게 인식되어지고

있으며, 광생물반응기 시스템의 제작 및 개발에 관한 연구도 활발한 진행 중

에 있다. 일본에서는 Watanabe 등이 코일 형태의 광생물반응기를 제작, 설치

하여 미세조류의 광합성 효율을 증진시킴으로써 단위 면적당 미세조류의 생

산성을 극대화하였으며, 독일의 B. Braun Inc. 에서는 기존의 광생물반응기

에 비해 약 3~4배 높은 생산성(130 g/m2/day)을 가진 판형 반응기를 개발하

였다.

또한, 이탈리아의 Tredici는 고리모양(annular type)의 광생물반응기를 개

발하여 미세조류의 빛의 이용효율을 최대화함으로써, 34 g/reactor/d의 높

은 생산성을 달성하였다. 그러나 국내 광생물반응기에 관한 연구는 주로 기초

실험에 머물고 있으며, 여러 종류의 미세조류에 대하여 광범위하게 적용할 수

있는 배양공정, 배양기의 개발에 관한 연구가 미흡한 실정이다. 이제까지의

결과도 설계요소 및 광생물 반응인자의 부분적 관점에 대한 연구성과가 대부분

이어서 광생물반응기 시스템에 관한 총체적인 연구가 절실히 요구되고 있다.

관형 광생물반응기 (tubular photobioreactor)

미세조류로부터 바이오연료 생산을 위해 적합한 방법으로 관형 광생물반응

기를 고려할 수 있다[20]. 관형 광생물반응기는 미세조류 배양용 배지 저장기

(medium reservoir)와 광수집기(solar collector, tubular array)로 구성된다.

비용절감을 위해 광원은 태양광을 이용하고 대규모 스케일업(scale-up) 배양

이 가능하도록 제작한다.

광수집기는 플라스틱 또는 유리재질의 투명관을 병렬로 연결하여 태양광을

잘 받도록 배열한다. 광의 투과를 높이기 위해 관의 직경은 0.1m 이내로 한

다. 배지 저장기에는 신선한 배양용 배지가 일정한 속도로 계속적으로 공급되

도록 하고, 동량의 배양된 배양액이 회수되도록 한다. 야간에는 배지의 공급

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의 중단하지만 미세조류의 침강을 막기 위하여 계속 교반해주어야 한다. 통상

적으로 주간에 생산된 미세조류 바이오매스의 25%는 야간의 세포활동을 유지

하는 데 사용된다.

그림 2-4 | 관형 광생물반응기

참고자료 : Chisti, Y. (2007) Biotechnol. Adv. 25, 294-306.

광합성은 유기물질의 합성과 함께 산소를 생산·방출하게 된다. 한 낮에 광

생물반응기 내의 산소농도는 크게 증가하여 광합성을 저해하고, 더욱이 강한

광선과 함께 세포에 광산화 저해(photooxidative damage)를 일으킨다. 일반

적으로 용존 산소농도는 대기 중 포화농도의 400%를 넘지 않도록 유지하여

야 한다. 따라서 배지 저장기에는 산소를 제거할 수 있는 탈기컬럼(degassing

column)이 부착되어 축적된 산소를 주기적으로 제거하여야 한다.

일반적으로, 관형 광생물반응기의 관의 길이는 80m를 넘지 않도록 한다.

대부분의 미세조류의 배양 최적온도는 20~30℃이다. 광생물반응기 내의 미

세조류 배양액은 한 낮의 태양광 아래에서 온도가 크게 증가하게 되므로 적절

한 냉각장치가 필요하게 된다. 이와 같은 배양액의 온도 증가는 배지 저장소

에 열교환장치(heat exchanger)를 부착하여 해결할 수 있다.

2000년 독일의 볼프스부르크(Wolfsburg)에서 온도조절이 가능하고, 총길

이 500km, 총부피 700m3의 규모로, 온실 내에 유리로 제조된 산업용 관형

광생물반응기가 대규모로 설치되었다. 이 시설의 연간 사료용 Chlorella 생산

Exhaust

Degassingcolumn

Freshmedium

Coolingwater

Air

Pump

Harvest

Solar array

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량은 130-150 톤/건조중량으로 추정되는데, 이와 같은 시설로 바이오디젤을

생산하기에는 경제성이 없는 것으로 판단된다[21].

Molina 등(2001)은 200-L 규모의 공기부양식(airlift) 순환형의 관형 광생

물반응기를 제작하여 Phaeodactylum tricornutum 의 옥외배양을 실시하였

다. 희석률을 0.04/h로 하였을 때, 바이오매스 생산성은 1.90 g/L/d(32 g/

m2/d)이었다. 배양액의 유속은 0.50~0.35 m/s 에서 바이오매스 생산성에 차

이를 보이지 않았다. 높은 산소농도와 마찬가지로 강한 광선은 광산화(pho-

tooxidation) 작용에 의해 미세조류 바이오매스의 생산성을 감소시켰다.

펀넬(funnel) 형태의 광생물반응기

미세조류의 고밀도 배양을 위해 필수적인 교반 및 수확의 효율성을 증진시

킬 수 있는 펀넬 형태의 반응기가 고안되었다. 펀넬 형태의 반응기는 상단에

서부터 하단에 이르기까지 지름이 좁아지는 형태인데, 미세조류 생장에 필수

적인 탄소원으로서 이산화탄소를 포함하는 공기 및 배가스를 반응기 하부로

부터 공급하여 배양액을 교반함으로써 별도의 교반장치를 사용하지 않았다.

고밀도 배양 후 자동응집(auto-flocculation)으로 바이오매스를 반응기 하단

에 모으고, 배출 밸브로부터 간단하고 편리하게 바이오매스를 수확할 수 있는

장점을 가지고 있다.

개발된 펀넬 형태의 광생물반응기의 효율을 확인하기 위해 Scenedesmus

sp. 를 대상으로 펀넬과 병 형태의 광생물반응기에서 12일 동안 배양하여 세

포농도를 측정하였다. 펀넬 형태의 광생물반응기에서 Scenedesmus sp. 의

건조중량은 배양 12일 동안 2.4 g/L이었는데, 이는 병 형태의 광생물반응기

1.28 g/L에 비해 생산량이 상당히 높았다. 하지만 펀넬 형태의 광생물반응기

는 아직까지 스케일업(scale-up) 배양에는 한계가 있다.

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그림 2-5 | Funnel 형태의 광생물반응기

참고자료 : 2012 21세기 프론티어 연구개발사업, 미세조류 개량에 의한 이산화탄소 대량 고정 및 바이오디젤 생산 실증화

컬럼(column) 형태의 광생물반응기

펀넬 형태의 광생물반응기의 문제점을 보완하기 위해 컬럼 형태의 광생물

반응기가 개발되었다. 설계된 45-L 규모의 컬럼 반응기는 기존의 컬럼 반응

기를 기본으로 하단에 기울임을 주어 펀넬 형태의 반응기의 장점을 접목하였

다. 뿐만 아니라, 공기 스퍼저(air sparger)와 반응기 본체가 분리 가능하도록

설계하여 대량배양 후, 세척 및 보관을 용이하게 하였다.

원통형 격막 광생물반응기는 탄소원이 포함된 가스원의 기포 크기를 미세

하게 만들어 가스 교환율을 높이고 탄소원의 용존율을 향상시킴과 동시에 배

양액 내에 탄소원이 고농도로 유지될 수 있도록 하였다. 공급되는 가스원을

교반에 이용하여 배양액 내의 미세조류가 균일하게 분산될 수 있도록 함으로

써, 광원의 이용률 및 배양기 내부에서의 투과거리를 높여 광합성 효율이 증

대시키고, 이로 인해 고밀도 대량배양이 가능하게 설계되었다.

Scenedesmus sp. 의 고밀도 순수 대량배양을 위해 폐쇄형·원통형 광생물

반응기를 제작되었다. 내경이 0.2m, 높이 1.5m의 크기로 작동부피(working

volume)는 45L이고 아크릴 소재를 사용하여 제작하였으며, 6개의 반응기 및

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순환조(300L)가 연결된 총 600L 규모의 광생물반응기 2대를 설계·제작·운

용하였다. 또한, 각각의 반응기 내부에 공기분산용 격막을 설치하여 배기가스

의 체류시간을 연장시키고, 미세기포 및 배양액 내에 와류의 형성을 유도함으

로써 CO2의 용존율 증가와 배양액의 교반효율을 향상시켰다. 격막 광생물반

응기에 공급탱크(feeding tank)와 수확조를 설치하고, pH와 수온을 자동적으

로 측정·저장함으로써 배양조건을 일정하게 유지하여 미세조류의 고밀도 배

양을 가능하게 하였다[22].

그림 2-6 | 45 L Column 타입의 광생물반응기

참고자료 : 특허출원 PCT/KR2010/008036

Scenedesmus sp. 의 배양에서 탄소원은 5.5% CO2가 함유된 연소 배가

스를 이용하였으며, 온도는 25℃로 유지하였다. 폐쇄형 광생물반응기에서

Scenedesmus sp. 의 최대 건조중량은 2.98 g/L 였으며, Scenedesmus sp.

이외의 다른 미세조류, 곰팡이, 원생동물 등은 거의 관찰되지 않았다. 따라서

폐쇄형 광생물반응기는 개방형 반응조에 비해 Scenedesmus sp. 의 고밀도

순수배양이 가능한 것을 확인되었다.

또한, 옥외에 광생물반응기를 설치하여 Scenedesmus sp. 를 대상으로 CO2

의 농도, 질소농도, pH 변화에 따른 생장 차이를 연구하였다[13]. Scenedes-

mus sp. 의 바이오매스 생산성은 공기를 주입한 조건에서 0.08 g/L/d 이었

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으나, 5% CO2에서 0.18 g/L/d 로 2배 이상 높았다. 따라서, 미세조류의 고밀

도 배양에는 다량의 CO2가 필요함을 알 수 있었다.

질소원으로 NaNO3의 농도를 17.6, 1.76, 0.176 mM 로 Scenedesmus sp.

를 배양하였을 때, 생산성은 바이오매스 0.18~0.16 g/L/d 로 유사하여 배양

액 내의 질소원이 고갈되지 않은 것으로 판단되었다. Scenedesmus sp. 의 바

이오매스 생산성은 pH 7~10 에서 큰 차이를 보이지 않았다. 본 연구에서 개

발된 광생물반응기를 이용하여 미세조류를 다양한 배양조건에서 옥외배양을

시도하여 2.98 g/L 의 고농도 배양에 성공하였다.

개방형 연못(open pond)

현재 미세조류 바이오디젤의 상용화에서 가장 큰 걸림돌이 낮은 경제성이

므로, 적은 비용으로 미세조류를 배양하는 최선의 방식으로 개방형 연못 시스

템이 가장 현실적인 대안으로 여겨지고 있다. 그러나 개방형 연못 시스템은

미생물 오염에 매우 취약한 방식으로 안정적인 장기간 배양이 어렵다는 단점

이 있다.

개방형 연못이란 폐쇄된 반응기가 아닌 외부로 노출된 공간에 연못 형태로

만든 미세조류 배양장치를 말한다. 공기 중으로 노출되어 있기 때문에 다른

미생물에 의한 오염에 취약하며, 온도와 광도의 조절이 어렵다는 단점이 있

다. 따라서 배양 가능한 기간이 지리적, 기후적 조건에 크게 좌우된다. Du-

naliella salina 같은 호염성 미세조류는 높은 염도로 인해 다른 미생물이나 미

세조류의 오염이 쉽게 일어나지 않아 개방형 연못 배양에 적합한 대표적인 종

이다[23].

배양 안전성

배양의 안정성 유지 측면에서 가장 우려되는 부분은 포식자(predator) 또는

병원성균에 의한 미세조류의 급격한 감소 또는 사멸이다[24-29]. 특히 원생

생물(protista)이나 동물성 플랑크톤은 몇 일만에 미세조류의 90% 이상을 포

식할 수 있으며[30, 31], 곰팡이도 짧은 시간에 치명적인 타격을 입힐 수 있다

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[32]. 문제는 이러한 포식자, 병원성균에 대해 확보된 정보가 매우 적어서 적

절한 대응이 아직까지는 어렵다는 점이다.

이외에도 미세조류 사이에서의 경쟁성이 약한 종을 선택적으로 단독배양,

유지하는 일도 쉽지 않은 일이다. 일반적인 조건에서 경쟁에 불리한 종의 우

점도(dominance value)를 꾸준히 유지시키는 방법은 수확한 미세조류 종을

선택적으로 재순환시키는 것이 효과적인 방법으로 알려져 있다[31, 33].

그리고 안정적인 배양을 위해 고려해야 할 사항은 개방형 연못에서는 증발

로 잃어버리는 물의 양이 매우 크다는 점이다. 특히, 사막지역에서 이러한 개

방형 연못을 운영할 경우에는 1 ha 면적에서 매일 약 13,000 갤런의 물이 증

발한다. 이는 단순히 물의 손실뿐만 아니라 배양액의 염도 상승이 안정성을

해치는 위험요인으로 작용한다. 또한, 미세조류를 수확한 이후에 물을 재사용

하게 되면 염도의 상승은 더욱 가속화될 수 있다. 배양 상태를 상시적으로 모

니터링하기 위해서는 민감하고도 선택적이며 저렴한 항목을 선정하여야 하는

데, 최근에는 DNA 염기서열의 분석[34-36]과 유세포분석법(flow cytom-

etry)을 이용한 분류학적 분석[37] 등도 제시되고 있다.

영양분 공급

미세조류의 배양에서는 영양분 공급이 부족한 것도 문제가 될 수 있지만 과

잉 공급되는 것도 문제가 된다. 일부 영양분은 고농도에서 독성을 나타낼 수

있으며, 흡수되지 않은 영양분은 부영양화의 원인으로 작용할 수도 있다. 가

장 저렴하게 구할 수 있는 영양 공급원은 하·폐수인데, 폐수처리장은 대부분

대도시 인근에 있어 높은 토지 가격과 제한된 토지 이용성이 어려움으로 작용

한다[38]. 또한, 하폐수를 사용하여 미세조류를 배양할 경우, 병원성 세균과

유해 화합물, 중금속 등이 미세조류 바이오매스에 포함될 수 있다는 점을 고

려하여야 한다[28, 29].

미세조류 세포 내의 지질 함유량을 결정하는 데에 질소가 중요한 역할을 한

다는 사실은 오래전부터 알려져 왔다[39, 40]. 그러나 질소제한 조건이 지질

의 축적을 유도하지만 미세조류의 생장을 감소시키기 때문에, 이를 동시에 만

족시키기 어렵다는 점이 앞으로 해결해야 할 중요한 과제이다. 이를 위해서

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미세조류 생장에는 영향을 미치지 않으며, 지질축적을 유도시킬 수 있는 방법

의 개발을 위하여 미세조류의 스트레스 관련 오믹스(omics) 정보분석에 많은

노력들을 기울이고 있다.

폐수처리와의 연계

상업적으로 미세조류 바이오매스를 얻기 위한 개방형 연못 배양과 폐수처

리 공정의 일환으로 개방형 연못 배양을 통한 미세조류 확보는 여러 가지 면

에서 비교된다. 폐수처리 공정을 통해 생산되는 미세조류 바이오매스는 부산

물로 주어지는 것이기 때문에 운영·관리 비용이 폐수처리 비용 안에 포함되

므로 사실상 생산비용이 들지 않는다는 점에서 매력적이다.

따라서 상업적 생산시설에 비해서 생산성이 조금 낮더라도 그 자체로는 추

가비용이 들지 않으므로, 큰 문제가 되지 않는다[41]. 폐수에 함유된 영양분의

조성과 농도에 의해 미세조류의 생산이 결정되므로 미세조류 배양용 개방형

연못에 유입되는 폐수의 성분분석을 지속적으로 모니터링하고 여기에 맞추어

배양조건을 조절하는 것이 최대 생산성을 유지하는데 중요한 요인으로 작용

한다.

표 2-1 | 바이오연료 생산용 상업적 HRAP1)와 폐수처리용 HRAP의 비교

FactorsCommercial

production HRAPWastewater treatment HRAP Reference

Capital costs

($US million/ha)

0.1 (unlined) –

0.25 (lined)Covered by wastewater treatment

Benemann (2008)

and Tampier (2009)

Operation and

maintenance

costs ($US k/ha)

Covered by wastewater treatment

van Harmelen

and Oonk (2006),

Tampier (2009) and

Craggs et al. (2011)

Land use High Covered by wastewater treatment

Commercial

availability

Already applied for

health products and

pigment production

Well established for wastewater

treatmentBenemann (2008)

1) HARP(High Rate Algal Pond)　

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FactorsCommercial

production HRAPWastewater treatment HRAP Reference

Most costly

parameters

Water, fertiliser,

harvesting, and

mixing

Covered by wastewater treatment Tampier (2009)

Limiting factors for

algal growth

Light, temperature,

nutrients,

CO2(externally

provided)

Light, temperature, nutrients (internally

provided by wastewater), CO2(partially

provided by bacterial oxidation of

wastewater organics and on site

exhaust gas)

Grobbelaar (2009)

and Craggs et al.

(2011)

Algal productivity

Could be >30

g/m2/d but not

reported in literature

High productivity may not be the main

driver as the algal biomass is a

by-product

Benemann (2008)

Water footprint

Significant

(freshwater use and

net evaporation loss)

Not applicable unless effluent is reusedCarvalho et al.

(2006)

Risk of

contamination

High (e.g. growth

medium re-use

increases risk of

contamination)

Contaminants in incoming wastewater

(algae, grazers and fungal parasites)

Schenk et al. (2008)

and Tampier (2009)

Biomass

harvesting

Expensive due to

small size (<20 μm)

Low-cost if gravity settling can be

reliably achieved by aggregation of

colonial algae with wastewater bacteria

Sheehan et al. (1998)

and Benemann

(2008a)

Algal species

control

Only limited success

in high pH and high

salinity

May be possible by selective biomass

recirculationSchenk et al. (2008)

참고자료 : Park, J. B et al., (2011) Bioresour. Technol. 102, 35-42.

생산성 관련 환경요인

앞서 설명한 영양분의 농도 이외에 광도와 수온이 전체적인 미세조류 생산

성을 크게 결정한다. 개방형 연못에서는 상층부에서만 광합성에 필요한 태양

광을 받아들이므로, 대체로 수심을 30cm 이상으로는 만들지 않는다. 이보다

깊어지면 미세조류 농도가 증가했을 때, 그늘효과(shading effect)에 의해 연

못의 바닥 층에 빛이 도달하지 않기 때문이다. 수온의 경우에는 미세조류 종

에 따라 생장에 최적인 수온은 다르다는 점뿐만 아니라, 수온이 pH, 산소와

이산화탄소의 용해도에도 영향을 주기 때문에 매우 복합적인 결과를 나타낸다.

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미세조류가 광합성을 수행함에 따라 pH가 상승하는데, 이를 조절하지 않고

pH가 지나치게 상승하게 되면, 암모니아 가스가 휘발되거나, 인산염이 철, 칼

슘 이온 등과 침전물을 이루어 영양분의 부족 현상을 초래할 수도 있다. 대부

분 담수 미세조류의 최적 pH는 8 부근이며, 이보다 높아지거나 낮아지면 대

체로 생산성은 감소한다[42].

일반적인 폐수 성상에서는 미세조류가 충분한 광합성을 수행하기에는 이산

화탄소의 양이 부족하기도 하지만 pH를 최적의 조건으로 유지시켜 주기 위

해 추가적으로 이산화탄소를 공급하는 것은 매우 중요하다. 상대적으로 관심

이 적고 연구가 부족한 부분이 개방형 연못 내에서 유속의 영향이다. Nan-

nochloropsis 속의 미세조류를 대상으로 수로형 연못(raceway pond)의 유속

을 50% 증가시켰을 때, 바이오매스 생산성과 지질의 생산성이 동시에 상승한

사례가 있어 이에 대한 후속 연구도 필요하다[43].

이산화탄소 공급

미세조류 배양액에 추가적으로 CO2를 공급하는 것은 미세조류 생장에 필요

한 탄소의 양을 늘려준다는 점 이외에도 광합성에 의한 pH의 과도한 상승을

억제시켜 최적의 pH로 조절한다는 면에서 매우 중요하다. 비록 높은 pH에서

물리화학적 반응으로 암모니아가 휘발되고 인산염이 침전되어 영양분이 제거

된다는 장점이 있지만, CO2 공급으로 인해 이러한 영양분 제거기작이 작동하

지 않더라도 미세조류의 생장에 의한 영양분의 바이오매스 전환으로 충분히

보상된다고 볼 수 있다[41].

실제로 개방형 연못에서 CO2를 추가 공급하여 pH를 8 수준으로 유지함으

로써 미세조류의 생산성을 30% 이상 증가시킬 수 있었으며, 암모니아를 휘발

로 잃어버리는 대신 바이오매스로 전환시킬 수 있었다[44]. CO2 공급에 따른

추가비용을 줄이기 위해서 화석연료를 사용하는 발전소의 배가스를 사용하거

나 하수처리장의 혐기 소화조에서 발생하는 메탄가스를 연소시켜 공급하는

것이 최선의 방법으로 제시되었다.

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그림 2-7 | CO2 첨가한 조류 성장 촉진용 HRAP의 측면도

참고자료 : Park, J. B et al., (2011) Water Sci. Technol. 62(8), 1758-1764

하·폐수를 이용한 배양시스템

하·폐수처리장에서의 미세조류 배양은 전통적으로 3가지 방향에서 추진되

어 왔다. 첫째, 하수처리 공정에서 영양염류 제거에 중점을 두는 3차 처리공

정의 한 대안으로 간주하여 미세조류를 활용하는 산화지(oxidation pond) 방

법과 둘째, 영양염류 제거는 물론 유기물 제거까지도 목표로 하여 하·폐수

처리장의 2차 처리공정을 대신하는 HRAP(High Rate Algal Pond) 방법, 그

리고 마지막으로 독특한 광생물반응기를 채용하여 미세조류를 대량으로 생산

하는 방법의 3가지로 구분할 수 있다.

최근 하·폐수 처리장에서의 미세조류 생산에 관심이 모아지면서 종래의

산화지 방법에서는 그동안 문제가 되어왔던 미세조류의 효율적인 회수기술에

대한 연구가 중점적으로 이루어지고 있으며, HRAP 방법에서는 보다 효율성

있는 미세조류 생산공정의 개발에 박차를 가하고 있다. 이와 함께 유럽에서는

네델란드 스키폴공항 부지에 대규모의 미세조류 생산용 호수를 설치하는 계

획이 가시화되고 있다.

뉴질랜드에서는 전통적으로 산화지가 많은 하수 처리장들에서 3차 처리시

설을 대신하였는데, 낮은 미세조류 농도 때문에 이를 회수하기가 어려워서 그

동안 문제가 되었으나 최근에 AQUAFLOW 사가 Blenheim 하수처리장 산화

지에서 미세조류를 효율적으로 회수할 수 있는 시설의 상업화에 성공하여서

각광을 받고 있다. 종래에는 미세조류의 회수에 상당한 에너지가 소요되어서

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하·폐수처리장에서 미세조류가 대량으로 생산된다고 해도 이를 활용하기가

상당히 어려웠으나, 새로운 미세조류 회수기(harvester)가 상업화되어 미세조

류로부터 바이오연료를 생산하는 연구가 다시 각광을 받게 되었다.

미국 메릴랜드주 Patuxent River에서는 Algal Turf Scrubber(ATS) 시설

의 운영으로 m2당 하루 250mg 질소와 45mg 인을 제거하고 있으며, 수확한

조류로부터 m2당 하루 23~54mg 지방산(fatty acid)을 생산하는 성공적인 사

례가 보고되었다.

도시에서 발생하는 유기성 폐수처리를 위해 미세조류를 이용한 옥외의 소

규모 수로형 연못(small-scale raceway pond)를 운전하였다. 미세조류로

는 폐수로부터 분리한 C. vulgaris 와 C. sorokiniana 를 사용하였다. 유

기성 폐수의 처리를 위한 미세조류의 배양결과, 총질소(2.36ppm), NH3-

N(0.58ppm), 총 인(0.88ppm), COD(27.72ppm) 등의 항목에서 우수한 수

질정화 능력을 보였다. 총질소, NH3-N, 총인, COD의 제거효율은 94.69%,

96.74%, 80.44%, 74.27%로 매우 좋은 결과를 얻었다. 옥외 소규모 수로형

연못에서 배양한 미세조류의 바이오매스도 1.26 g/L 로 매우 높은 성장을 보

였으며, 지질함량은 18.88~21.97%였다[45]. 이 결과를 통하여 미세조류의 성

장을 위해 사용되는 영양성분에 투입되는 비용을 감소시킬 수 있을 것으로 기

대되며, 옥외 소규모 수로형 연못 시스템은 유기성 폐수의 효율적 수질정화와

신재생 에너지 분야에 기여할 것을 판단된다.

그림 2-8 | 하폐수를 이용한 미세조류 배양 (소규모 수로형 연못)

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다양한 배양조건의 비교실험 결과, 체류시간을 증가시키고 CO2를 공급하여

중탄산염(bicarbonate)로 처리한 것보다 인(phosphate) 농도 0.3ppm으로 추

가 처리한 바이오매스 및 지질의 생산성이 가장 높았다. 질소와 인 제거율도

가장 높았는데, 질소와 인 농도의 비율을 최적화하는 것이 생산성에 가장 큰

영향을 주었다.

수온이 낮은 시기에 미세조류 바이오매스의 생산성을 높이기 위해, 메쉬

(mesh) 형태의 매질을 이용하여 부착성 미세조류를 배양하였다. 10℃ 이하의

조건에서 부착성 미세조류의 바이오매스 생산성은 부유성 미세조류에 비해

약 7배 향상되었으며, 질소와 인의 제거율 또한 더 높았다. 그리고 수확하기

간편하다는 부수적인 장점도 있었다.

융합형 배양시스템

광생물반응기(PBR, photobioreactor)는 높은 효율로 미세조류를 배양할

수 있으나 제작 및 운영비용이 높다는 단점이 있고, 반면에 개방형 연못(open

pond)는 저렴하게 미세조류 배양이 가능하나 생산효율이 광생물반응기에 비

해 낮다는 단점이 있다. 따라서 두 배양 시스템의 특징을 적절히 조합하여, 비

용은 낮추는 동시에 효율을 극대화하는 융합형 배양시스템(hybrid cultiva-

tion system)이 연구되고 있다.

광생물반응기-개방형 연못의 하이브리드 배양시스템은 먼저 폐쇄형(closed

system)인 광생물반응기를 이용하는데, 미세조류 세포성장에 최적인 운전조

건을 유지하고 안정적으로 제어하면서 바이오매스 농도를 최대로 증가시킨

다. 광생물반응기에서 생산된 바이오매스를 세포내 오일 축적으로 유도할 수

있는 대량의 개방형 연못으로 옮겨, 오일 생산성(g/m2/yr)이 최대가 되도록

개방식 배양을 수행한다. 이때에 발전소 배가스와 하폐수 처리를 연계함으로

써 온실가스 저감효과를 높이고, 하폐수 처리를 통해 부영양화를 억제하는 효

과를 얻을 수 있다.

최근 미국 매사추세츠주에 소재한 Greenfuel Technologies 사는 발전소의

배가스를 회수·농축한 후, 비닐로 제작된 관상 광생물반응기를 미세조류 배

양에 사용하여 바이오연료 생산을 추진하고 있다. 2007년 미국 샌디에고 소

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재 Green Star Products, Inc.(GSPI) 사는 이산화탄소 저감을 목표로 100 에

이커 규모의 반개방형인 HAPS(Hybrid Algal Production System)을 설치하

여 발전소의 배가스를 처리하고 바이오디젤 생산을 추진하였다.

그림 2-9 | 융합형 배양 시스템

바이오필름형 배양시스템

최근에 부착형 미세조류 군집을 이용한 바이오필름(biofilm) 시스템에 대한

관심이 증가하고 있다. 바이오필름 시스템은 부유 미세조류 배양법에 비해 배

양관리 및 수확에 필요한 경제적 비용이 낮다는 이점을 가지고 있다. 폐수처

리 및 미세조류 배양시스템 분야에서도 바이오필름 시스템은 배양과정에 투

입되는 에너지가 낮고 유지가 간편하며 수확이 매우 쉬워 경제적인 효과를 기

대할 수 있다.

바이오필름은 양이온, 단백질, 기타 다양한 유기물질과 미생물에 의해 만

들어지는데, 미생물들은 EPS(extracellular polymeric substance)를 분비하

여 겹겹이 바이오필름이 형성되고, 미세조류와 함께 세균이 군집을 형성한 것

이다. 형성된 바이오필름 시스템은 배양을 위한 교반에 사용되는 에너지가 개

방형 연못이나 생물반응기보다 적게 들고, 유출수의 문제가 적으며, 미세조류

균체의 수확에 드는 비용이 현저하게 낮다는 장점이 있다. 회전식 바이오필름

시스템의 경우는 명암 조건을 쉽게 조절할 수 있고 작은 크기로 제작할 수 있

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어 가스 교환이 용이하다는 장점이 있다. 그런데도 불구하고, 바이오필름 배

양 시스템은 CO2 확산의 제한과 광저해(photoinhibition) 등의 문제로 인하여

사용에 주의가 필요하다.

바이오매스 수확

미세조류의 대량배양을 통한 유용물질의 생산과정에서 해결되어야 할 중요

한 과제 중의 하나가 경제적인 수확방법의 개발이다. 대부분의 미세조류는 배

양액에서의 농도가 낮으며, 크기가 30㎛ 이하이고, 물의 밀도보다 약간 큰 정

도여서 분리하기가 쉽지 않다. 또한, 적합한 수확방법은 조류의 종 및 조류로

부터 얻어질 유용물질의 용도에 따라서도 달라진다.

배양된 조류의 수확은 일반적으로 여과(filtration), 침전(sedimentation),

부유(flotation), 원심분리(centrifugation), 응집(flocculation) 등과 같은 복

잡한 과정을 통해 이루어지며 많은 비용이 투입된다. 미세조류의 바이오연료

생산시 수확에 소요되는 비용은 20~30%를 차지하는 것으로 조사되었다.

따라서 경제성, 효율성, 환경친화성 등의 요소를 고려하여 미세조류의 배양

규모 및 배양 종에 따른 최적의 수확기술을 적용하여야 한다. 실제로 미세조

류의 자연적 응집을 유도하여 침강시키는 생물응집(bioflocculation)은 대규

모 배양시 적용될 수 있는 적절한 방법으로 인식되고 있다. 또한 근래에는 환

경 저에너지 소모형 바이오매스 수확기술들이 계속 개발되고 있다.

생물응집제를 이용한 수확기술

고효율의 저에너지형 바이오매스 수확을 위한 생물응집제 개발 및 바이오매

스 종류에 따라 특이성을 갖출 수 있는 맞춤형 바이오매스 수확기술을 개발하

고자 고효율의 생물응집제의 선별 및 생산, 생물응집제 구조분석 및 물성평가,

바이오매스의 종 특이적 수확을 위한 생물응집제 적용기술, 수확장치 설계, 생

물응집제를 이용한 바이오매스 수확공정 최적화 등이 주요 연구내용이다.

생물응집제의 구조, 표면전하의 종류, 밀도특성 등에 따라 선별적으로 응집

시킬 수 있는 특성을 규명하며, 대용량의 리사이클링이 가능한 응집수확에 이

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용되는 장치의 공간구조, 크기, 형태 등을 포함하는 최적 설계인자를 도출하

고, 선택적 응집수확을 위한 운전인자(교반조건, 응집보조제 종류 및 농도, 생

물응집제 적용조건 등)를 최적화한다.

EF(Electro-floatation)를 이용한 수확기술

광생물반응기로부터 연속적으로 배출되는 배양액으로부터 세포만 지속적

으로 수확하고, 수확 후 남은 배지는 다시 반응기로 순환시켜 재이용하는 것

이 기본원리이다. EF 수확기술은 물의 전기분해 시스템을 기반으로 하는 것

으로서, 물을 전기분해하여 수소 거품을 만들고 이 거품이 미세조류 바이오매

스를 물 위로 부양시키는 것이다.

배양액 표면에 부양, 농축된 미세조류 바이오매스는 단순한 포집방법으로

손쉽게 수확될 수 있으며, 이 때 사용된 수소가스는 포집하여 연료전지 등에

이용할 수 있다. 최적의 반응기 제작, 전기분해에 사용될 전극, 전류밀도, 배

지 유입 및 유출 속도에 따른 EF 수확기술의 최적조건을 도출하고, 미세조류

배양과 수확을 위한 통합 시스템을 구축하는 것이 주요 연구내용이다.

오일 추출 및 바이오디젤 생산

미세조류와 유지식물의 차이는 지질의 추출을 위해 서로 다른 처리과정들

을 이용한다는 것이다. 미세조류로부터 지질을 추출하기 위해 기계적 추출,

전기천공법, 초임계 이산화탄소 유체추출, 초음파 및 도데칸[46] 등을 이용한

물리적인 미세조류 짜기(microalgae milking) 방법들도 제안되었지만 재활용

이 가능한 화학물질로 직접 추출하는 방법이 현재 사용되고 있다.

건조된 미세조류 바이오매스의 처리과정들은 생산과 관련된 에너지 투입으

로 인해 경제성이 낮아 건조되지 않은 미세조류 현탁액이나 농축된 미세조류

(microalgal wet paste/cake)를 가지고 직접 처리하는 방법들을 선호하기도

한다[47]. 때때로 미세조류 개체군의 변화와 배양환경의 변동으로 발생될 수

있는 중성지질, 인지질 및 당지질 등 전체 지질함량의 변화로 생산량 산출 등

복잡한 문제들은 여전히 제기될 수 있지만, 미세조류 지질은 일단 추출하고

정제하면 바이오디젤이나 그린디젤로 분리하는 하류처리과정(downstream

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processing)에 대해서는 현재 상용화중인 처리과정을 도입한다면 충분히 이

해될 수 있을 것으로 본다[48].

유기용매를 사용한 오일 추출

유기용매를 통한 오일 추출방법은 “like dissolving like”라는 화학의 기본

개념을 적용한다. 소수성의 긴사슬을 가진 지방산들의 상호반응 때문에, 중성

지방은 반데르발스 힘으로 한쪽에서 다른 쪽으로 이끌리게 되고 세포질에서

구상체를 형성하게 된다.

이 메카니즘은 5단계로 구성되어 있다. 미세조류 세포가 헥산이나 클로로폼

과 같은 무극성의 유기용매에 노출이 되면, 이 유기용매가 세포막을 뚫고 세

포질로 들어가게 된다(1 단계). 그 후 반데르발스 힘을 이용하여 중성지방과

결합하게 되고(2 단계), 유기용매-지방의 복합체를 형성하게 된다(3 단계).

형성된 복합체는 농도 기울기에 의해 세포막을 통해 확산이 되고(4 단계), 셀

주변을 쌓고 있는 평형 유기용매로부터 외부 유기용매로 이동하게 된다. 결과

적으로 중성지방은 세포 밖으로 추출되고, 무극성 유기 용매에 용해된다. 세

포 주변을 둘러싸고 있는 평형 유기용매 필름은 유기용매와 세포벽의 상호작

용으로 인해 형성이 된다[49].

그림 2-10 | 유기용매 추출법 기본 개념

자료 : Kates M. (1986) Amsterdam: Elsevier Science Publisher

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초임계유체를 사용한 오일 추출

바이오매스로부터 오일을 추출하는 방법으로는 유기용매를 이용한 방법 이

외에도 압착법, 효소, 마이크로웨이브, 초음파 등의 추출방법이 사용되고 있

으나, 이러한 방법들은 대부분 에너지 소비형 공정으로 바이오매스내 오일의

잔류, 높은 추출온도, 긴 조업시간, 과량의 유기용매 사용 및 유기용매 잔류,

다량의 폐수 발생 등의 문제점을 가지고 있다.

바이오매스로 오일 추출공정의 단점을 보완·개선하기 위해 환경 친화적인

초임계 이산화탄소(supercritical carbon dioxide)를 이용한 초임계유체 추출

(SFE, supercritical fluid extraction) 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고

있다. 초임계유체 추출기술은 열 및 물질의 전달 속도가 빠르고, 낮은 점도,

높은 확산계수로 인한 시료 내부로의 신속한 침투성과 상압에서의 자발적 분

리성 등과 같은 초임계 유체의 특성을 이용한 기술로서 추출이외에도 화학반

응 및 분해, 증류, 결정화, 세정, 건조 등의 다양한 공정에서 이용되고 있다.

초임계유체 중 이산화탄소는 임계온도와 압력이 각각 31℃와 7.3MPa로 온

화한 조건에서 작업할 수 있어 천연물 유효성분의 추출에 적합하다. 그리고

무독성, 불연성, 저렴한 가격과 구입 용이성 등의 장점을 가지고 있으며, 온도

와 압력조건의 변화와 공용매(cosolvent)의 사용을 통해 초임계 이산화탄소에

다양한 용해력과 유효성분에 대한 선택성을 부여할 수 있다는 장점을 가진다

[50-54].

미세조류를 이용한 폐수처리부터 바이오매스 잔사의 다른 바이오에너지로

의 전환(연소, 가스화, 열분해 및 에탄올 발효 등), 고부가가치 동물사료 제조

및 동물용 영양·면역 보충제, 색소류 정제 등에 이르기까지 상당한 수준의

부산물 이익도 얻을 수 있다.

미세조류는 기본적으로 증류기로 건조시킨 옥수수 바이오에탄올 부산물보

다 더 높은 영양염을 함유하며, 지질을 제거한 바이오매스 잔사의 단백질 함

량이 높은 미세조류를 사용한다면 동물사료로서도 가치가 높으므로 시장에서

더 높은 가격을 받을 수 있는 조건이 된다.

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그림 2-11 | 미세조류 바이오매스의 제품군별 잠재적 시장규모

출처 : 2009 Peter van den Dorpel, Algaelink from IEA

바이오디젤의 생산

역사적으로 미세조류를 이용하여 바이오연료를 생산하는 데 있어서 주요

장점으로 강조해 왔던 점은 육상작물에 비해 자체적으로 많이 함유하고 있는

탄소수 14 이상(>C14)의 고에너지 구조의 지방산들이다. 물론 미세조류 지질

들은 유지식물과 마찬가지로 지방산과 트리글리세라이드(triglyceride) 화합

물들을 함유하고 있어 기존의 트랜스에테르화(transesterification) 기술을 이

용해 지방산 메틸 에스테르(FAME, fatty acid methyl ester) 형태로 전환시

킬 수 있다.

동, 식물성 오일과 알코올을 촉매 아래에서 반응시키면 지방산 메틸에스테

르와 글리세롤이 생성되며, 지방산 메틸에스테르를 정제하면 바이오디젤이

얻어진다. 부산물로 생성된 글리세롤은 제약, 식품 및 플라스틱 제품에 순도

에 맞게 정제되어 이용되고 있다. 트랜스에스테르화 반응의 촉매로는 염기 촉

매, 산 촉매, 효소 촉매가 이용되고 있는데, 이중에서 이중염기 촉매와 산 촉

매가 가장 많이 적용되고 있다.

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@ 미세조류를 이용한 바이오디젤42

계량정보분석


그림 2-12 | 트리글리세라이드의 트랜스에테르화 반응[56]

실제 산업현장에서는 산 촉매 반응보다 반응온도와 압력이 낮고 반응속도

가 빠른 염기촉매 공정이 주로 적용되고 있다. 바이오디젤은 반응조건에 따

라 생성물의 순도 및 품질이 다양하게 나타난다. 반응조건으로는 알코올·오

일의 비율, 알코올의 종류, 촉매의 종류 및 양, 반응시간, 반응온도, 교반속도,

수분 및 유리지방산 함량으로 대표되는 원료의 정제 등이 있다[55].

트랜스에테르화 반응에 대해선 잘 알려져 있으며, 바이오매스의 다양한 성

분들에 대한 반응과 하류처리 조건들을 최적화할 수 있는 많은 접근 방법들이

있다. 한 예로 국내의 바이오디젤 생산은 증류과정을 포함하고 있기 때문에

세계적으로도 그 품질을 인정받을 수 있는 구조이기도 하다. 한편 미세조류

지질들은 촉매 수소화 과정(catalytic hydroprocessing)을 통해 재생 가능 또

는 그린 디젤 제품을 생산하는 데 이용될 수도 있다.

식물 유지들과 폐기용 동물지방도 한정된 정유소들에서 재생연료 처리과정

을 거쳐 바이오디젤로 생산되고 있다. 가솔린, 항공기 연료, 디젤은 그 원재

료가 바이오매스 같이 생물학적 원천에서 나온 경우에 ‘재생가능(renewable)’

또는 ‘그린(green)’ 에너지로 기술되며, 근본적으로 모두 원유에서 나온 연료

들과 마찬가지로 산소 함유량이 거의 없다는 것이다.

전형적인 바이오연료들인 바이오에탄올과 바이오디젤 등은 원유에서 얻어

진 연료에 비해 산소 함유량이 매우 높다. 그러므로 바이오매스를 이용한 재

생 가능한 가솔린, 항공기 연료 및 디젤 연료 제조의 주된 목표는 최종 연료에

서 최종 에너지 함량은 극대화하면서 엔진의 부식을 최소화하기 위한 전략으

로 산소 함량을 최소화시키는 방법들이 제안되고 있다.

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@ 미세조류를 이용한 바이오디젤

계량정보분석


2 0 1 3

정 보 분 석

보 고 서

이상필-3교.indd 43 2013-11-28 오후 2:38:30

@ 미세조류를 이용한 바이오디젤44 계량정보분석

정보검색

바이오연료(바이오디젤, 바이오알콜, 바이오가스 등) 및 「미세조류를 이용

한 바이오디젤」에 대한 계량정보분석을 위하여 과학기술 분야의 대표적인 인

용색인(Citation Index) 데이터베이스인 Web of Science (WoS, Thomson

Reuters)의 SCIE(Science Citation Index Expended)2) 데이터베이스를 사용

하였다.

바이오연료(바이오디젤, 바이오알콜, 바이오가스 등)의 전체적인 추이를 파

악하기 위하여 먼저, SCIE 데이터베이스에서 논문의 제목, 주제어, 초록 등을

대상으로 정보검색을 실시하고, 정보분석시스템3)을 사용하여 데이터 정제·

분석을 수행하였다.

미세조류의 바이오디젤에 관한 심층분석에 사용한 데이터는 바이오연료 또

는 바이오디젤을 포함하고 있는 논문정보 중에서 조류 및 미세조류에 관한 데

이터만을 추출·정제하여 미세조류의 연구동향을 분석하였다(미세조류를 이

계량정보분석

2) SCIE(Science Citation Index Expanded)는 과학기술 분야 저널들의 학제간 연구의 지표로 사용되고 있다. SCIE

데이터베이스는 약 7,100 여종의 과학기술 저널과 약 150 여종의 과학기술 관련 저널로 구성되어 있고, 저널에 게

재되는 모든 논문의 인용횟수를 포함하고 있으며, 1899년부터 현재까지의 논문들이 수록되어 있음.

3) SCIE(Science Citation Index Expended) 데이터베이스에서 추출된 바이오연료(바이오디젤, 바이오알콜, 바이오가

스 등)에 관한 논문정보의 데이터를 정제하기 위하여 한국과학기술정보연구원(KISTI)에서 개발한 과학기술정보분

석시스템(KITAS, Knowledge Matrix)을 사용하였음.　

이상필-3교.indd 44 2013-11-28 오후 2:38:30

@ 미세조류를 이용한 바이오디젤 45계량정보분석

용한 바이오디젤의 생산을 위해서는 제2장에서 서술한 것과 같이 미세조류의

균주개발, 배양, 미세조류의 균체 수확, 오일 추출 및 바이오디젤의 생산 등과

같은 다양한 측면에서의 기초·응용·실용화 연구개발이 수행되고 있음).

순번 검색어

1 Topic=(biofuel* OR bio-fuel*)

2 Topic=(biodiesel* OR bio-diesel*)

3

Topic=(biodiesel* OR bio-diesel* OR alcohol* OR ethanol* OR methanol* OR

butanol* OR bioalcohol* OR bioethanol* OR biomethanol* OR biobutanol* OR

bio-alcohol* OR bio-ethanol* OR bio-methanol* OR bio-butanol*) OR biogas*

OR bio-gas* OR hydrogen* OR methane* OR biohydrogen* OR biomethane* OR

bio-hydrogen* OR bio-methane* OR biogasoline* OR bio-gasoline*)

3

#1 AND (#2 Or #3)

Databases=SCI-EXPANDED Timespan=2000-2013

Document Type=Article(Journal), language=English

4

#1 OR #2



5 Topic=(algae* OR algal* OR microalga* OR micro-alga*)

5

#4 AND #5



표 3-1 | 바이오연료 및 미세조류의 정보검색

바이오연료의 논문발표 동향

연도별 분석

검색연도는 최근 약 13년을 기준(2000-2012년)으로 설정하고, 검색조건에

서 제시한 질문식으로 검색하여 정제한 결과, 바이오연료 관련 논문이 18,139

건으로 나타났다.

분석 대상 기간의 연평균 증가율4)은 연도별 논문수 기준으로는 약 29%, 누

적 논문수 기준으로는 약 46%로 나타났다.

4) 연평균증가율 산출식 : r=e∧(InAn-lnA1)/ (n-1)

이상필-3교.indd 45 2013-11-28 오후 2:38:30


특히, 세계 각국이 기후변화 해결을 위한 저탄소·지속가능한 생산체제

구축을 위한 적극적인 정책을 시행하고, 국제 원유가격이 급등하기 시작한

2007년 이후부터, 바이오연료에 관한 논문수가 급격히 증가하고 있는 것으

로 나타났다.

그림 3-1 | 바이오연료의 연도별 논문수 현황

국가별 분석

국가별 분포

바이오연료 관련 논문의 교신저자 국적을 분석한 결과, 세계적으로 107개

국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다.

이들 국가 중 미국이 3,692건의 논문을 게재하여 전체 21,6685)건의 논문 중

약 17%를 점유하며, 가장 많은 논문을 게재한 것으로 나타났다.

국토면적이 넓고, 바이오연료의 원료물질인 바이오매스 자원이 풍부한 중

국이 2,408건(약 11%)으로 2위, 이어서 인도와 브라질, 스페인이 1,371건,

1,228건, 927건의 논문을 발표하여 상위 5위(약 55%)를 기록하였다.

이외에도 일본, 한국, 캐나다, 터키, 독일 등의 순으로 바이오연료 관련 논

문을 많이 발표하여, 상위 10위권(약 60%)을 이루고 있는 것으로 조사되었다.

193 174 206 265 357 452639

1011

1674

2207

2975

3744

4242

193 367 573 838838 11951195 1647164722862286

32973297

49714971

71787178

1015310153

1389713897

838 1195 16472286

3297

4971

7178

10153

13897

838 1195 16472286

3297

4971

7178

10153

13897

838 1195 16472286

3297

4971

7178

10153

13897

1813918139

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012

연도별논문수 누적논문수

5) 국가별 분포의 분석 대상기간은 2000~2013년(11월 기준)로 설정하였음.

이상필-3교.indd 46 2013-11-28 오후 2:38:30


그림 3-2 | 논문의 국가별 분포

연도별 논문수

2007년부터 2012년까지, 최근 6년간 바이오연료 관련 논문을 가장 많이 발

표한 미국의 연도별 논문발표 추이를 살펴보면, 2007년부터 바이오연료 관련

논문을 200건 이상 있으며, 2010년부터는 연간 약 500건을 상회하고 있다.

전체 논문수에서 2위를 차지하고 있는 중국은 미국과 마찬가지로 최근 2년

사이에 연간 약 500건의 바이오연료 관련 논문을 발표하고 있으며, 인도와 브

라질, 스페인도 연간 약 200건을 발표하고 있다.

한국는 2007년부터 2009년 사이에는 약 50~80건의 바이오연료 관련 논문

을 발표하고 있으며, 2010년부터는 논문 발표수가 연간 100건 이상인 것으로

조사되었다. 특히, 2013년도 11월 기준으로 집계한 발표 논문수가 작년 발표

논문수를 이미 상회하고 있는 것으로 나타났다.

그림 3-3 | 국가별 연도별 논문수 현황(바이오연료)

3692, 17%

2408, 11%

1371, 6%

1228, 6%

927, 4%849, 4%743, 3%718, 3%

717, 3%

713, 3%

684, 3%

665, 3%

525, 2%

483, 2%407, 2%391, 2%

361, 2%335, 2%

299, 1%279, 1%

3873, 18%

USAPEOPLES R CHINAINDIABRAZILSPAINJAPANSOUTH KOREACANADATURKEYGERMANYUKITALYTAIWANFRANCEMALAYSIASWEDENTHAILANDDENMARKNETHERLANDSGREECEOthers

0

100

200

300

400

500

600

700

2007 2008 2009 2010 2011 2012

미국 중국 인도 브라질 스페인 한국

이상필-3교.indd 47 2013-11-28 오후 2:38:31


분야별 분석

연도별 추이

2000년~2012년까지, 최근 13년을 기준으로 검색된 바이오연료에 관련 논

문 18,139건에 대하여 미세조류 바이오디젤, 바이오디젤, 바이오알코올, 바이

오가스, 바이오연료 전체 등으로 분류하여 연도별 추이를 분석하였다.

바이오연료 각 분야별로 2007년부터 대부분 상당한 증가추이를 보이고 있

으며, 특히 미세조류 바이오디젤은 2009년부터 다른 바이오연료 분야에 비해

논문수가 급격히 증가하고 있다.

그림 3-4 | 분야별/연도별 논문수 추이(바이오연료)

* 각 분야별 논문수에는 분야가 중복된 논문수가 포함되어 있음.

국가별 추이

바이오연료에 관련 논문6)에 대하여 바이오연료 분야별(미세조류 바이오디

젤, 바이오디젤, 바이오알콜, 바이오가스, 바이오연료 전체)로 분류하여 국가

별 추이를 분석하였다.

바이오연료 각 분야별로 미국과 중국이 1, 2위를 차지하고 있으며, 인도와

브라질, 브라질, 스페인, 독일, 일본, 영국 등이 상위 5위권을 구성하고 있는

것으로 나타났다.

0

100

200

300

400

500

600

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012

디젤 알코올 가스 바이오연료 미세조류

6) 국가별 추이분석의 대상기간은 2000~2013년(11월 기준), 전체 논문수는 21,668건임.

이상필-3교.indd 48 2013-11-28 오후 2:38:31


한국은 바이오디젤, 바이오알콜, 바이오연료 전체 분야에서 7위를 기록하였

으나, 바이오가스 분야에서는 10위권 안에 포함되지 않았다. 특히, 미세조류

바이오디젤 분야의 논문수에서는 미국, 중국에 이어 세계 3위인 것으로 분석

되었다.

표 3-2 | 분야별/국가별 논문수 발표 순위(바이오연료)

순위미세조류

바이오디젤(논문수)

바이오디젤(논문수)

바이오알콜(논문수)

바이오가스(논문수)

바이오연료(논문수)

1 미국(442) 미국(1,519) 미국(1,979) 미국(1,047) 미국(3,692)

2 중국(232) 중국(1,144) 중국(1,251) 중국(937) 중국(2,408)

3 한국(96) 브라질(858) 브라질(690) 독일(475) 인도(1,371)

4 인도(69) 인도(808) 일본(498) 인도(447) 브라질(1,228)

5 영국(61) 터키(438) 인도(491) 스페인(416) 스페인(927)

6 호주(58) 스페인(417) 스페인(424) 이태리(382) 일본(849)

7 스페인(50) 한국(318) 한국(371) 캐나다(360) 한국(743)

8 대만(45) 일본(304) 캐나다(307) 영국(316) 캐나다(718)

9 캐나다(44) 말레시아(297) 영국(284) 일본(313) 터키(717)

10 일본(37) 영국(265) 터키(264) 프랑스(288) 독일(713)

* 각 분야별 논문수에는 분야가 중복된 논문수가 포함되어 있음.

미세조류 바이오디젤의 논문발표 동향

연도별 분석

미세조류 바이오디젤 관련 논문의 교신저자 국적을 분석한 결과, 세계적으

로 56개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다.

검색 연도는 최근 약 13년을 기준(2000~2012년)으로 설정하고, 검색조건

에서 제시한 질문식으로 검색·정제한 결과, 미세조류 바이오디젤 관련 논문

이 1,086건으로 나타났다.

특히, 2008년 6월 ABO(Algal Biomass Organization) 국제기구 출범 이후

인 2009년부터 연간 84건, 2010년 135건, 2011년에는 전년 대비 약 2.5배 이

상의 미세조류 바이오디젤에 관련 논문이 발표되는 등, 최근 급격한 증가추세

를 나타내고 있다.

이상필-3교.indd 49 2013-11-28 오후 2:38:31


그림 3-5 | 미세조류 바이오디젤의 연도별 논문수 현황

국가별 분석

국가별 분포

미세조류 바이오디젤 관련 논문7)의 교신저자 국적을 분석한 결과, 세계적으

로 56개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다.

이들 국가 중 미국이 442건의 논문을 게재하여 전체 1,551건의 논문 중 약

28%를 점유하며, 가장 많은 논문을 발표한 것으로 나타났다.

이어서 중국이 232건으로 2위, 우리나라가 96건으로 3위, 인도 69건, 영국

이 61건의 논문을 발표하여 상위 5위(약 57%)를 기록하였다.

이외에도 호주, 스페인, 대만, 캐나다, 일본 등의 순으로 상위 10위권(약

73%)을 이루고 있는 것으로 조사되었다.

그림 3-6 | 논문수의 국가별 분포(미세조류 바이오디젤)

9 21

84

135

334

492

20 41125

260

125

260260

594

1086

594

10861086

0

100

200

300

400

500

0

200

400

600

800

1000

1200

2007 2008 2009 2010 2011 2012

연도별논문수 누적논문수

442, 28%

232, 15%

96, 6%69, 4%61, 4%

58, 4%

50, 3%

45, 3%

44, 3%

37, 2%

33, 2%

31, 2%31, 2%

30, 2%29, 2%

25, 2%

23, 1%22, 1%

16, 1%15, 1%

162, 10%

USA

PEOPLES R CHINA

SOUTH KOREA

INDIA

UK

AUSTRALIA

SPAIN

TAIWAN

CANADA

JAPAN

ITALY

FRANCE

GERMANY

BRAZIL

TURKEY

NETHERLANDS

PORTUGAL

NEW ZEALAND

SINGAPORE

MALAYSIA

Others

7) 국가별 분포의 분석 대상기간은 2000~2013년(11월 기준), 전체 논문수는 1,555건임.

이상필-3교.indd 50 2013-11-28 오후 2:38:31


연도별 논문수

2007년부터 2012년까지, 최근 6년간 미세조류 바이오디젤 관련 논문을 가

장 많이 발표한 미국의 연도별 논문발표 추이를 살펴보면, 2009년부터 연간

20건 이상의 논문을 발표하고 있으며, 2011년부터는 연간 약 100건을 상회하

고 있다.

전체 논문수에서 2위를 차지하고 있는 중국은 미국과 마찬가지로 2011년부

터 연간 약 50건 이상의 미세조류 바이오디젤 관련 논문을 발표하고 있으며,

인도와 브라질, 스페인도 연간 약 20건을 발표하고 있다.

우리나라는 2009년부터 미세조류 바이오디젤 관련 논문을 발표하기 시작

하여 2011년부터 발표 논문수가 급증하여 세계 3위를 차지하고 있는 것으로

조사되었다.

그림 3-7 | 국가별/연도별 논문수 현황(미세조류 바이오디젤)

연구기관 분석

미세조류 바이오디젤에 관련 논문8)에 대하여 연구기관별로 발표한 추이를

분석하였다.

중국의 CHINESE ACAD SCI이 62건, TSINGHUA UNIV가 33건의 논문을

발표하여 세계 1, 2위를, 미국 UNIV MINNESOTA, 대만의 NATL CHENG

KUNG UNIV, 미국의 UNIV TEXAS AUSTIN이 상위 5위권을 형성하고 있

8) 연구기관별 분석 대상기간은 2000~2013년(11월 기준), 전체 논문수는 1,555건임.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

2007 2008 2009 2010 2011 2012

미국 중국 한국 인도 영국

이상필-3교.indd 51 2013-11-28 오후 2:38:31


는 것으로 분석되었다.

우리나라의 한국과학기술원(KAIST), 한국생명공학연구원(KRIBB), 연세대

학교가 각각 8위, 12위, 20위인 것으로 나타났다.

표 3-3 | 연구기관별 논문수 현황(미세조류 바이오디젤)

순위 연구기관 논문수

1 CHINESE ACAD SCI 62

2 TSINGHUA UNIV 33

3 UNIV MINNESOTA 24

4 NATL CHENG KUNG UNIV 16

5 UNIV TEXAS AUSTIN 16

6 NEW MEXICO STATE UNIV 15

7 ARIZONA STATE UNIV 14

8 KOREA ADV INST SCI & TECHNOL KAIST 14

9 MONASH UNIV 14

10 SANDIA NATL LABS 14

11 UNIV GEORGIA 14

12 KOREA RES INST BIOSCI & BIOTECHNOL KRIBB 13

13 WAGENINGEN UNIV 12

14 NATL RENEWABLE ENERGY LAB NREL 11

15 UNIV MICHIGAN 11

16 IOWA STATE UNIV 10

17 TEXAS A&M UNIV 10

18 UNIV ALMERIA 10

19 USDA ARS 10

20 YONSEI UNIV 10

주요 연구자 분석

2000년~2013년까지, 최근 14년을 기준으로 검색된 미세조류 바이오디젤

에 관련 논문(1,551건)에 대하여 연구기관별로 발표한 추이를 분석하였다.

미국 UNIV MINNESOTA의 RUAN R이 15건의 논문을 발표하여 1위를 차

지하였으며, 이어서 대만 NATL CHENG KUNG UNIV의 CHANG JS와 중

이상필-3교.indd 52 2013-11-28 오후 2:38:31


국 TSINGHUA UNIV의 HU HY가 10건 이상의 논문을 발표하요 2, 3위를 기

록하였다.

우리나라의 한국생명공학연구원(KRIBB)의 OH HM과 연세대학교의 JEON

BH이 각각 8건의 논문을 발표하여 4, 5위인 것으로 조사되었다.

표 3-4 | 연구자별 논문수 현황(미세조류 바이오디젤)

순위 연구자 연구기관 논문수

1 RUAN R UNIV MINNESOTA 15

2 CHANG JS NATL CHENG KUNG UNIV 13

3 HU HY TSINGHUA UNIV 10

4 JEON BH YONSEI UNIV 8

5 OH HM KOREA RES INST BIOSCI & BIOTECHNOL KRIBB 8

6 DENG SG NEW MEXICO STATE UNIV 7

7 MOHAN SV INDIAN INST CHEM TECHNOL IICT 7

8 WU QY TSINGHUA UNIV 7

9 BUX F DURBAN UNIV TECHNOL 6

10 CHEN SL WASHINGTON STATE UNIV 6

연구분야 분석

주요 연구분야 분석


에 관련 논문(1,551건)에 표시된 저자 키워드(7,379건)를 대하여 미세조류 연

구에 적합성이 높은 키워드를 선별하여 키워드 출현빈도를 조사하였다.

미세조류 바이오디젤에 관련된 연구논문에서는 LIPIDS, CHLORELLA,

BIOMASS, FATTY ACIDS, WASTEWATER, PHOTOBIOREACTOR,

TRANSESTERIFICATION, HARVESTING 등의 키워드가 상위권인 것으로

분석되었다.

이상필-3교.indd 53 2013-11-28 오후 2:38:31


표 3-5 | 주요 키워드별 출현빈도 현황(미세조류 바이오디젤)

순위 저자키워드 논문수

1 LIPIDS 169

2 CHLORELLA 97

3 BIOMASS 83

4 FATTY ACIDS 72

5 WASTEWATER 66

6 PHOTOBIOREACTOR 65

7 TRANSESTERIFICATION 44

8 HARVESTING 28

9 NANNOCHLOROPSIS 28

10 CHLAMYDOMONAS REINHARDTII 26

학술지별 분석


에 관련 논문(1,551건)에 대하여 논문이 수록된 학술지 현황을 분석하였다.

BIORESOURCE TECHNOLOGY에 373건의 논문이 수록되어 미세조류에

관한 연구분야에서는 압도적인 영향력을 가지고 있는 것으로 확인되었다.

APPLIED ENERGY, JOURNAL OF APPLIED PHYCOLOGY, BIOMASS

& BIOENERGY, BIOTECHNOLOGY AND BIOENGINEERING 등의 학술

지가 미세조류에 관한 논문이 많이 발표되었다.

표 3-6 | 주요 학술지별 논문수 현황(미세조류 바이오디젤)

순위 저널명 논문수

1 BIORESOURCE TECHNOLOGY 373

2 APPLIED ENERGY 65

3 JOURNAL OF APPLIED PHYCOLOGY 63

4 BIOMASS & BIOENERGY 45

5 BIOTECHNOLOGY AND BIOENGINEERING 32

6 ENERGY & FUELS 27

7 APPLIED BIOCHEMISTRY AND BIOTECHNOLOGY 25

8 APPLIED MICROBIOLOGY AND BIOTECHNOLOGY 24

9 ENVIRONMENTAL SCIENCE & TECHNOLOGY 23

10 PLOS ONE 23

이상필-3교.indd 54 2013-11-28 오후 2:38:31


한국의 연구동향 분석

연구기관


관련 논문 중에서 우리나라의가 발표한 논문(96건)에 대하여 연구기관별로 분

석한 결과, 3건 이상의 논문을 발표한 연구기관이 12개 기관으로 조사되었다.

한국과학기술원(KAIST)이 14건으로 1위이고, 이어서 한국생명공학연구원

(KRIBB), 연세대학교가 각각 13건, 10건으로 2, 3위를 차지하고 있는 것으로

분석되었다.

이외에도 한국에너지기술연구원(KIER), 조선대학교, 부경대학교, 인하대

학교, 포항산업과학연구원(RIST), 전남대학교, 강원대학교, 경희대학교, 부산

대학교 등이 연간 3건 이상의 미세조류 바이오디젤에 관련 논문을 발표한 것

으로 나타났다.

표 3-7 | 한국의 연구기관별 논문수 현황((미세조류 바이오디젤)

순위 연구기관 논문수

1 KOREA ADV INST SCI & TECHNOL KAIST 14

2 KOREA RES INST BIOSCI & BIOTECHNOL KRIBB 13

3 YONSEI UNIV 10

4 KOREA INST ENERGY RES KIER 6

5 CHOSUN UNIV 5

6 PUKYONG NATL UNIV 5

7 INHA UNIV 4

8 RES INST IND SCI & TECHNOL RIST 4

9 CHONNAM NATL UNIV 3

10 KANGWON NATL UNIV 3

11 KYUNG HEE UNIV 3

12 PUSAN NATL UNIV 3

13 기타 23

계 96

이상필-3교.indd 55 2013-11-28 오후 2:38:32

@ 미세조류를 이용한 바이오디젤56

결론 및 시사점


연구자

연세대학교 JEON BH, 한국생명공학연구원(KRIBB) OH HM이 각각 6건

의 논문을 발표하여 1, 2위를 차지하였다.

한국과학기술원(KAIST) HAN JI이 4건, 부산대학교 LEE T, 전북대학교

CHOI YE, 서원대학교 LEE HY, 한국에너지기술연구원(KIER) PARK JY 등

이 각각 3건의 논문을 발표하여 3~7위를 기록하였다.

이외에도 부경대학교 JEONG GT, 조선대학교 JUNG WK, 경희대학교

LEE EY, 한국생명공학연구원(KRIBB) SEO JW, 인하대학교 TRAN HL, 한

국과학기술원(KAIST) YANG JW, 포항산업과학연구원(RIST) YI H, 경북대

학교 YOON HS 등이 각각 2건 이상의 논문을 발표한 것으로 조사되었다.

표 3-8 | 한국의 연구자별 논문수 현황(미세조류 바이오디젤)

순위 저자 소속기관 논문수

1 JEON BH YONSEI UNIV 8

2 OH HM KOREA RES INST BIOSCI & BIOTECHNOL KRIBB 8

3 HAN JI KOREA ADV INST SCI & TECHNOL KAIST 4

4 LEE T PUSAN NATL UNIV 3

5 CHOI YE CHONBUK NATL UNIV 3

6 LEE HY SEOWON UNIV 3

7 PARK JY KOREA INST ENERGY RES KIER 3

8 JEONG GT PUKYONG NATL UNIV 2

9 JUNG WK CHOSUN UNIV 2

10 LEE EY KYUNG HEE UNIV 2

11 SEO JW KOREA RES INST BIOSCI & BIOTECHNOL KRIBB 2

12 TRAN HL INHA UNIV 2

13 YANG JW KOREA ADV INST SCI & TECHNOL KAIST 2

14 YI H RES INST IND SCI & TECHNOL RIST 2

15 YOON HS KYUNGPOOK NATL UNIV 2

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@ 미세조류를 이용한 바이오디젤



2 0 1 3

정 보 분 석

보 고 서

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@ 미세조류를 이용한 바이오디젤58 결론 및 시사점

미세조류는 에너지 및 산업소재 생산, 온실가스 저감이 가능한 자원으로 큰

잠재력을 지니고 있다. 이러한 큰 잠재력은 향후 에너지 분야, 환경 분야, 화

학 분야 등, 총 3가지 분야를 중심으로 확대될 전망이다. 에너지 분야에서 특

히 각광 받고 있는 이유는 미세조류가 모든 바이오디젤 생산 작물 중 오일 생

산성이 가장 우수하고, 식량자원의 에너지화에 대한 비판으로부터 자유로운

생물자원이며, 석유계 디젤과 유사한 물성을 가진 바이오연료를 생산할 수 있

기 때문이다.

이와 연계되어 환경 분야에서 미세조류의 역할이 크게 부각되고 있다. 자기

무게의 2배 정도의 이산화탄소를 흡수할 수 있는 미세조류는 특정 토양이나

수질을 가리지 않고 배양이 가능하여 이산화탄소 저감 및 공장폐수의 정화사

업을 이용해 바이오연료를 생산할 수 있다. 또한, 미세조류의 대량배양을 통

하여 바이오매스로부터 의약용 물질, 기능성식품, 수산양식용 사료, 동물사료

등의 고부가가치 유용물질을 생산하여 경제적 가치를 창출할 수 있다.

우리나라와 같이 사계절의 변화가 뚜렷하고 토지비용이 높은 국가에서는

개방형 연못 형태의 배양하기에는 어려움이 있다. 이 때문에 광섬유, 형광램

프, 발광다이오드 등의 조명을 설치함으로써 단위 부피당 빛의 조사면적을 최

대화할 수 있는 구조를 가지고 있는 광생물반응기의 개발이 진행되고 있다.

그러나 옥외개방형이나 효율이 그다지 높지 않은 단순 형상의 원통형 반응기


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@ 미세조류를 이용한 바이오디젤 59결론 및 시사점

에 집중되고 있으며, 에너지대비 효율이 높은 평판형 고효율 광생물반응기 시

스템과 관련된 기술개발 사례가 매우 적다.

미세조류의 대량배양을 목적으로 하는 광생물반응기 시스템 기술은 2000

년 이후에 관심을 모으기 시작하여, 2011년에는 여러 가지 광생물반응기 시

스템의 모델 관련 특허가 출원되었으며, 이를 바탕으로 많은 연구가 진행되고

있다. 다양한 연구기관 및 관련 산업체에서 미세조류 배양을 목적으로 광생물

배양기 시스템의 연구개발이 진행되고 있지만, 아직은 선진국 대비 기술격차

가 5년 이상인 것으로 보고되고 있다. 생물공학적인 기술수준은 선진국에 근

접하고 있으나, 부품과 장치, 시스템 기술은 선진국에 비해 격차가 크다. 지금

까지 우리나라의 광생물배양기 시스템의 연구개발은 생명공학분야에서 주도

하고 왔으나, 향후에는 원천기술 확보를 위해선 기계-광시스템공학과 융합연

구가 시급한 실정이다.

미세조류를 이용한 바이오디젤 생산은 미래기술로서 단순히 대체 에너지와

고부가가치 제품을 생산한다는 것을 포함하여 환경문제의 해결이라는 커다란

과제를 떠안고 있다. 또한, 가까운 미래 석유자원의 고갈이라는 잠재적인 위

협과 식량자원의 고갈 등도 미세조류를 이용한 자원의 개발을 촉진하고 있다.

미세조류를 이용한 바이오디젤 생산기술은 공정의 경제성을 얻기 위하여 다

양한 기술들이 단일 시스템 내에서 조화롭게 운영되어야 하며, 하폐수 처리장

의 폐수를 이용하여 미세조류를 배양하는 것이 경제성 제고라는 측면에서 무

시할 수 없는 방식이다.

그러나 처리공정의 어느 단계의 폐수를 이용하느냐에 따라서 미세조류의

생산성, 운영의 편리성 등에 차이가 있으며, 처리장에 유입되는 폐수의 성상

(wastewater characteristics)이 항상 변화되기 때문에 안정적인 관리 등의

어려움이 있다. 또한, 폐수의 질소 및 인 농도 비율에 따라 우점 미세조류가

변화하고, 질소와 인의 제거율에도 영향을 미치기 때문에 이들을 상시적으로

측정하고 조절하는 것이 미세조류 생산성을 극대화시키기 위해서는 필수불

가결한 요소라고 볼 수 있다.

미국 에너지부(DOE)에서도 미세조류 유래 바이오디젤 생산을 하수처리와

연계하지 않고는 경제성을 맞추기가 극히 어렵다는 것을 인정하고 있다. 특

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참고문헌@ 미세조류를 이용한 바이오디젤60

히, 하수처리장에는 다양한 인프라가 갖추어져 있기 때문에 다른 장소를 사용

하는 것에 비해 초기 투자비용도 줄일 수 있는 장점이 있다. 하·폐수처리장

에서의 미세조류 대량생산 연구는 비단 미세조류를 대량으로 생산하는 데에

그치는 것이 아니라 하수의 고도처리라는 목적도 겸하고 있다. 여기에서 생산

되는 미세조류는 원칙적으로 고가의 부산물을 확보하기 어려운 조류-세균 복

합체(algae-bacteria complex) 형이기 때문에 목표 지향적 연구목표와 연구

경험이 요구될 것이다.

아직은 석유자원에 비해 경제성이 없고 대량생산에 대한 경험이 부족할 지

라도 혁신적인 원가절감 기술 및 추가 수익확보 여부에 따라 상업화 시점이

앞당겨 질 수 있는 가능성 매우 높다. 미세조류 생명공학은 생물산업의 활성

화와 함께 이산화탄소 저감 등 환경산업의 발전을 함께 도모할 수 있는 지속

가능한 미래 유망산업으로서 성장해 나갈 것으로 기대되고 있다. 따라서 이와

같은 선진기술을 선점하여 국가 경쟁력의 우위를 확보하기 위해서는 ‘미세조

류를 이용한 바이오디젤’ 연구개발 및 산업화에 대하여 정부 및 산업계의 지속

적인 관심과 투자가 요구된다.

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61참고문헌@ 미세조류를 이용한 바이오디젤

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