미국 에너지부 국립 재생 에너지 연구소(NREL; National Renewable Energy Laboratory)에서 개발한 독특한 생물반응기(bioreactor)는 농가가 재생 디젤, 셀룰로오스성 에탄올 및 다른 수송 원료의 석유 대체 물질 등과 경쟁할 수 있는 조류(algae)를 생성할 수 있는 이상적인 위치를 찾는 데 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다.

이 반응기는 조류가 미국 내 다양한 지역에서 성장할 때 겪는 복잡한 생화학적 재배열(biochemical rearrangement)을 규명함으로써 이상적인 위치를 규명한다. 또 생물반응기는 조류가 성장하는 데 이상적인 기후와 지질뿐 아니라 디젤, 부탄올, 에탄올 및 다른 산업에 유용한 연료로 전환될 수 있는 탄수화물과 단백질을 생성할 수 있는 주어진 최적의 영양분에 대한 정보를 증명했다.

연구진이 이러한 부가적인 구성 원소를 이용하여, 동일한 바이오매스 양으로부터 거의 2배의 연료를 얻을 수 있었다고 NREL 소속의 선임 과학자인 Lieve Laurens는 밝혔다. SAGE(Simulated Algal Growth Environment) 반응기는 콜로라도 주 Golden에 위치한 NREL 캠퍼스 내 현장 테스트 실험실 건물에 설치되어 있다.

또 반응기는 일광, 온도 및 어느 장소의 조건도 모방할 수 있는 이산화탄소의 전달 등을 정밀하게 제어할 수 있다. 만약 과학자들이 조류가 주로 햇볕이 비추는 조건을 가지는 미국 서남 지역 염수(brackish water)에서 어떻게 성장할 것인지에 대하여 알고자 한다면, 기상에 따라 정밀하게 계기판이 설정될 수 있다. NREL의 생물반응기는 거대한 크기와 상당히 증가된 용량에도 불구하고, 이 장치가 전체 위치를 복제할 수 있고 주간, 야간, 일광 강도 및 기온 프로파일 등을 복제할 수 있기 때문에 매우 독특한 특징을 가진다. 이산화탄소가 전달 및 흡수될 때, 일광 강도는 프로그램을 통하여 설정된다.

연구진이 바이오매스의 일반적인 생화학적 조성뿐 아니라 특별한 가계가 미국 전역의 다른 장소에서 어떻게 성장할 수 있는지, 이러한 조건이 오일 생산성(oil productivity)에 어떻게 영향을 끼치는지 등을 모형화할 수 있다고 Laurens는 밝혔다.

조류는 광합성을 통하여 일광을 에너지로 전환하기 위하여 세포에서 엽록소(chlorophyll)를 사용한다. 영양분과 이산화탄소가 첨가되고, 조류는 당을 생산하는 한편 급속하게 복제된다.

NREL 반응기에서 성장한 세 가지 챔피언 조류 가계는 다른 유사한 상업적으로 이용 가능한 제어 환경 반응기(controlled-environment reactor)가 배양할 수 있는 배양 부피의 약 5배를 허용한다. 이러한 거대한 크기와 실제 조건을 재현하는 능력을 이용하여 NREL 반응기는 과학자들이 훨씬 더 적은 시간 내에 밀집된 배양을 구현할 수 있게 해준다. 영양분, 이산화탄소 및 일광 등에 대한 최적의 조건은 조류 생산성을 배가시킬 수 있는 여분의 에너지로 이어진다.

또 NREL은 조류 전환 공정에서 구성 요인을 분석 및 특성화하는 방안을 보다 더 신속하고 우수하게 추적할 수 있다. 연구진은 격일로 수확하여, 하루에 2번 크기를 2배로 증가시킬 수 있는 조류 개체수의 변화에 대한 최대 정보를 산출했다.

조류 세포는 일광을 이산화탄소와 함께 흡수하여 군집으로 성장한다. 평가될 가계에 대하여, 더 많은 습한 공기와 애리조나 주의 더 온난한 야간은 매우 건조한 기후와 뉴멕시코 주의 매우 추운 야간 조건보다 최적의 성장에 더 기여하는 것으로 관찰됐다. 이것은 이러한 가계가 애리조나 주의 광범위한 외부에서 재배됐기 때문이다. 뉴멕시코 주의 기후에 적응한 조류 가계는 애리조나 주만큼 잘 자라지 못할 것이다.

Laurens와 NREL 소속의 생물학적 변환 공학자인 Nick Nagle은 수에서 단순하게 증식하는 것보다 더 유용한 방법을 수행함으로써 조류를 혼란에 빠뜨리게 할 수 있었다. 예를 들면, 만약 연구진이 이용할 수 있는 질소의 양을 줄인다면, 조류는 증식 모드 대신에 저장 모드로 돌입한다. 일부 조류는 충분한 영양분을 이용할 수 있을 때, 하루에 여러 번 크기를 2배로 증가시킨다. 영양분이 다 소모될 때, 조류는 신속한 성장을 중단한다. 그러나 이산화탄소와 일광이 아직까지 존재한다면, 자기 보호(self-preservation)에 관심을 갖게 되고, 조류는 높은 에너지 유기 분자로 이산화탄소를 저장한다. 며칠의 공정에 걸쳐 이러한 변화가 관찰된다.

일단 조류가 질소를 다 소비하면, 질소는 카우치 포테이토(couch potatoes, 소파에 앉아 TV만 보며 많은 시간을 보내는)로 돌입한다고 Nagle은 밝혔다. 세포는 다량의 탄소를 섭취하고 정착하여 무게를 늘린다. 이러한 무게는 이러한 작은 동물로부터 바이오연료 산업이 필요로 하는 탄수화물과 오일의 형태이다.

영양 공급과 차단(feed and starve)의 회전은 조류에서 더 많은 오일을 얻기 위한 유용한 한 가지 경로이다.

NREL은 챔피언 조류 가계가 어떻게 일광을 바이오매스로 전환하는지, 어떻게 영양분을 유지하는지 및 일광 에너지에 어떻게 반응하는지를 조사하기 위하여 애리조나 주립 대학과 협력 연구를 진행 중이다. 초기에는 단백질 함량이 높았다. 이후 탄수화물과 지질의 순으로 함량이 높았다.

원료로부터 연구진은 지질, 단백질 및 탄수화물 같은 다른 물질을 얻을 수 있다고 Nagle은 밝혔다. 몇 년 전, 산업은 조류를 이용하여 어떻게 디젤 오일을 얻는지를 규명하기 위하여 실험실 연구로 접근했다. 현재 모든 목적을 달성하여, 단백질은 부탄올 또는 메탄으로, 지질은 디젤로, 탄수화물은 제 3 연료로 전환할 수 있다.

1978년부터 1996년까지 NREL은 조류의 검색 및 목록 작성에 착수했다. 연구진이 현재 산업 파트너 및 다른 대학과 협력을 통하여 다음 단계의 연구를 진행 중이라고 Nagle은 밝혔다. NREL의 기여는 다른 바이오매스 구성 원소의 포괄적인 분석과 함께 성장을 촉진하기 위하여 일광을 이용하고, 이산화탄소를 유기분자로 전환함으로써 태양 에너지를 화학 에너지로 전환시키는 세포의 재배를 이용하는 등이 포함된다.

연구진이 챔피언 가계를 미국 내 특정 위치의 실제적인 환경에 배치하여 우수한 조류 경작을 수행할 수 있게 유도했다고 Laurens는 밝혔다. NREL은 수확된 바이오매스의 대부분으로부터 어떻게 바이오연료를 얻는지를 분석 중이다. 희산(dilute acid)을 이용한 전처리는 에탄올로 발효될 수 있는 탄수화물과 디젤과 같은 바이오연료에 이용될 수 있고 지방산(fatty acid)을 생산한다. 아직까지 남아 있는 단백질은 다른 연료로 사용될 수 있다. 조류로부터 얻은 단백질은 부탄올과 같은 짧은 고리 알코올의 생산을 촉진하기 위한 발효 공정에 대체될 수 있다.

연구진은 미세한 변수를 조사하여, 바이오매스의 화학적 조성을 고려한 바이오매스 생산에서 최적의 트레이드오프에 대한 권고를 제공할 수 있다. 이러한 시나리오는 많은 바이오매스를 생산할 수 없지만, 당신은 더 높은 오일 함량(oil content)을 얻을 수 있을 것이라고 Laurens는 밝혔다. 궁극적으로 연간 1에이커의 조류 연못당 얼마나 많은 갤런의 바이오연료를 생산할 수 있는지 설명할 수 있을 것이다. 연구진은 기술-경제 분석(techno-economic analysis)을 통하여 공정의 경제적 실용성(economic viability)에 대한 조언을 제공할 수 있다.

 

 

 

 

 

A unique bioreactor at the Energy Department's National Renewable Energy Laboratory (NREL) can help find the ideal locations for farms to produce algae that could someday compete with renewable diesel, cellulosic ethanol, and other petroleum alternatives as transportation fuel.

 

It does so by revealing the intricate biochemical rearrangements that algae undergo when grown in different locations in the United States. The bioreactor has also demonstrated that algae grown in ideal climates and given the optimal amount of nutrients can produce not just lipids, but proteins and carbohydrates that can be turned into diesel, butanol, ethanol, and other fuels useful to industry.

 

"We've almost doubled the fuel we can get out of the same amount of biomass by using these additional components," said NREL Senior Scientist Lieve Laurens.

 

The Simulated Algal Growth Environment (SAGE) reactor resides in the Field Test Laboratory Building on NREL's campus in Golden, Colorado.

 

The reactor so precisely controls light, temperature, and delivery of carbon dioxide that it can mimic conditions anywhere. If scientists want to know how algae will grow in brackish water in the southwestern United States under mostly sunny skies, the dials can be set for that precise meteorology. NREL's bioreactor is unique because despite its large size and greatly increased capacity, it can replicate entire locations and climates—day, night, sunlight intensity, and temperature profiles. Light intensity is programmed, as is carbon dioxide delivery and uptake.

 

"We can model how a particular strain would grow in different locations around the United States, and how this impacts the oil productivity," as well as the general biochemical composition of the biomass, Laurens said.

 

"Feed and Starve" Approach Yields More Potential Fuel

 

Algae use the chlorophyll in their cells to turn sunlight into energy through photosynthesis. Add in nutrients and carbon dioxide, and the algae can produce sugars while rapidly reproducing.

 

Three "champion" strains of algae grow in the NREL reactor, which allows about five times the culture volume of other similar commercially available controlled-environment reactors. With its large size and ability to recreate real-world conditions, NREL's reactor allows researchers to grow dense cultures in far less time.

 

Optimal conditions—nutrients, carbon dioxide, and sunlight—lead to the extra energy capable of doubling the algae's productivity.

 

NREL has also come up with better and faster ways to analyze and characterize the components in the algae conversion process. "We harvest every other day," yielding maximum information about the changes in an algae population that can double in size twice a day, Laurens said.

 

Algal cells absorb the sunlight, which, together with carbon dioxide, grows the colony. For the strains being evaluated, the more humid air and warmer nights of Arizona look more conducive to optimal growth than the high desert climate and very cold nights of New Mexico. This makes sense because these strains have been cultivated extensively outdoors in Arizona. Algal strains adapted to New Mexico's climate may not grow as well in Arizona.

 

 

Laurens and NREL Bioconversion Engineer Nick Nagle can also trick the algae into doing more useful things than simply multiplying in number. For example, if they stint on the amount of nitrogen available, the algae go into storage mode, rather than multiplying mode. Some algae double in size a couple times a day when enough nutrients are available. When the nutrients run out, the algae stop growing so fast. But carbon dioxide and sunlight are still present, so in the interest of self-preservation, the algae store that carbon dioxide as high-energy organic molecules. It's a change that can be seen over the course of a few days.

 

"Once the algae run out of nitrogen, they turn into couch potatoes," Nagle said. "The cells start eating a lot of carbon and sitting around, putting on weight. That weight is literally in the form of carbohydrates and oils"—just what the biofuels industry needs from the little critters.

 

The "feed and starve" rotation is one useful pathway to getting more oils out of the algae.

 

Industry Wants All Parts of the Algae Now

 

NREL is working with Arizona State University to examine how champion strains of algae convert sunlight into biomass, keep nutrients viable, and respond to light energy. Early on, the protein content is high; then carbohydrates have their day in the sun, followed later by lipids.

 

"From the feedstock, we get these different products—lipids, proteins, carbohydrates," Nagle said. A few years back, industry would approach research labs with a specific request—how to use algae to get diesel oil. Now, they want it all: protein to turn into butanol or methane; lipids to turn into diesel; carbohydrates to turn into a third fuel.

 

From 1978 to 1996, NREL embarked on a great search and cataloging of algae. "It's fun to think it's all coming back," said Nagle. "We're now working with industry partners and other universities, collaborating and really moving this forward."

 

NREL's contributions include using sunlight to drive growth, and using growing cells to convert solar energy to chemical energy by converting carbon dioxide to organic molecules, along with a comprehensive analysis of the different biomass components.

 

"We take these champion strains and put them into virtual environments, particular locations in the United States that lend themselves really well to algae cultivation," Laurens said. "We're working with partners in Florida, California, Arizona, Ohio, and Hawaii to quantify how the rain and temperature mix affect growth and composition of the biomass produced."

 

NREL is analyzing how to get the most out of the harvested biomass. A pretreatment with dilute acid yields fatty acids that can be used for diesel-like biofuels and carbohydrates that can be fermented to ethanol. That still leaves proteins that can be used for other kinds of fuel. Working with Sandia National Laboratories, NREL researchers are subjecting proteins from algae to a fermentation process to boost the production of short-chain alcohols such as butanol.

 

 

"We've been able to examine the fine variables and recommend the best tradeoffs in production of biomass, taking the biomass chemical composition into account. Like, 'this scenario won't yield as much biomass, but you would get much higher oil content,'" Laurens said. "Ultimately, it will come down to how many total gallons of biofuel we can make per acre of algal ponds per year. This is no different than our measure of corn productivity in terms of bushels per acre per year." Researchers ultimately place all the pieces together and advise on the process' economic viability through a techno-economic analysis.

In large-scale outdoor cultivation—for example, in large open ponds such as those in Columbus, New Mexico, or Phoenix, Arizona—a tweak here, an extra boost of nitrate there, more sunlight here, a little less nitrogen or a little higher temperature there, and a champion strain can produce oils and carbohydrates in a familiar setting. Wastewater facilities can be a prime setting for closing the loop—from the anaerobic digestion of the non-fuel components of the biomass, which generates the energy and the methane, to the nutrients that can be recycled to feed another generation of algae.

 

Industry Is Intrigued, and Wiser, About Algae

 

Nagle remembers the heady times in the 1980s when oil companies invested a lot of money in algae research. "It's like we put a message in a bottle and sent it out to sea," he said. "Now it's coming back, and that's pretty exciting."

 

After the first romance with algae, irrational exuberance ebbed, and oil companies became wiser and smarter, say Laurens and Nagle. These companies are investing dollars in algae research again, and funding from the Energy Department's Bioenergy Technologies Office has become more consistent.

Companies such as Exxon are looking for proof that algae can be important players in the biofuels landscape of the future. "They're investigating all the pathways," Laurens said.

 

Cost is falling steadily, and "you're not going to run out of algae" as production increases, Nagle said.

 

NREL will remain a key player, "a good neutral third party in the game, doing our own great research but also keeping our finger on the pulse of industry," Laurens said. "It allows us to gauge who is where. And we see that that there's a lot going on, that they're starting to take this very seriously. We're seeing companies that are serious, that have significant plans for the commercialization of algae."

 

[원문출처 : http://phys.org/news/2014-02-unique-bioreactor-ideal-algae-production.html]