[중국] 원가가 저렴하고 회수 비율이 높은 미세 조류 자석 수확 방법 연구
바이오 디젤은 발전 전망이 밝은 바이오 에너지에 속한다. 미세 조류(microalgae)는 바이오 디젤을 개발하는 중요한 소스 중 하나에 속한다. 미세 조류는 성장이 신속하고, 그리스(Grease) 함유량이 높고, 경작지를 차지하지 않는 등 강점을 보유하고 있기 때문에 현재 화석 연료를 대체하는 면에서 잠재력이 제일 큰 바이오 디젤 원료 중 하나로 평가 받고 있다.
현 단계에서 비교적 높은 생산 원가 때문에 미세 조류 에너지 양산은 여전히 비교적 큰 제한을 받고 있는 상황이다. 그 중, 미세 조류 세포의 수확은 비교적 관건적인 프로세스 중 하나이며 관련 원가는 미세 조류 총 생산 원가의 20%~30% 수준을 차지하고 있는 상황이다.
하지만 미세 조류 수확 과정에서 지금까지 아직 낮은 에너지 소모 및 효율적인 경제적 방법이 여전히 존재하지 않고 있는 상황이다. 때문에 일종 원가가 저렴하고 회수 비율이 높은 미세 조류 수확 방법을 탐색하는 과제에 대한 해결은 미세 조류 생산 원가를 낮추고 미세 조류 에너지 산업의 경쟁력을 향상시키는 면에서 중요한 의미를 보유하고 있다.
중국과학원 과정 공정(過程工程) 연구소 류춘차오(劉春朝) 연구원 연구팀은 최근 관련 연구를 통해 전통적인 ‘양이온 형태의 폴리 아크릴 아미드(Polyacrylamide) 응집제(Flocculant)’를 기반으로 하고, ‘자기 Fe3O4 나노 입자’를 이용하여 일종 새로운 ‘자기 응집제’를 합성하는데 성공하였다. 연구팀은 이번에 개발한 새로운 ‘자기 응집제’를 미세 조류에 대한 고효율 수확을 실행할 수 있는 과정에 성공적으로 응용하여 이슈가 되고 있다.
연구팀은 관련 실험을 통해 이번에 새롭게 개발한 `자기 응집제`는 다양한 미세 조류에 대해 비교적 넓은 pH 범위 내(pH 4-~10)에서 이상적인 수확 효과를 실현할 수 있다는 점을 입증하였다. 연구팀은 관련 분석을 통해 갈조류 포도(Brown algae grapes)와 클로렐라(Chlorella)의 사용량이 각각 25mg/L과 120mg/L 수준에 달할 때 그 어떤 pH 하에서도 수확 비율이 95% 이상 수준에 달한다는 점을 발견하였다.
연구팀은 이번 연구를 통해 응집제와 미세 조류 세포 사이의 정전기 흡착 역할과 ‘양이온 형태의 폴리 아크릴 아미드(Polyacrylamide) 응집제(Flocculant)’의 가교 역할(Bridging role)이 주요 분리 메커니즘에 속한다는 점을 입증하였다.
전통적인 ‘양이온 형태의 폴리 아크릴 아미드(Polyacrylamide) 응집제(Flocculant)’에 비해 연구팀이 새롭게 개발한 `자기 응집제`는 사용량이 적고, 분리 과정이 신속한 등 강점을 보유하고 있는 동시에 전통 응집제가 쉽게 잔류되는 단점을 극복함으로써 수질에 대한 2차 오염을 발생시키는 문제점을 효과적으로 해결하였다. 연구팀은 이번 연구개발 성과 달성을 통해 미세 조류에 대한 효과적이고 경제적인 수확 과정을 실현하는데 필요한 기술 기반을 구축하였다.
이번 연구는 국가과학기술부의 `중대 기초과학 연구 프로젝트(973 계획)`(Nos.2011CB200905) 비용, 국가자연과학기금위원회의 `기초과학 연구 프로젝트`(No. 21106165) 비용 및 중국과학원의 `외국 국적 청년 과학자 프로젝트`(No. 2011Y1GA01) 비용 지원을 받아 추진되었다.
연구팀의 관련 연구개발 성과는 ACS Applied Materials & Interfaces 학술지에 발표되었다(2014, 6 (1): 109?115).
그림 1. `자기 응집제`와 미세 조류 세포 흡착 과정(A : 갈조류 포도(Brown algae grapes); B : 클로렐라(Chlorella))
그림 2. `자기 응집제`와 ‘양이온 형태의 폴리 아크릴 아미드(Polyacrylamide) 응집제(Flocculant)’ 분리 과정 비교(A : 갈조류 포도(Brown algae grapes)의 ‘양이온 형태의 폴리 아크릴 아미드(Polyacrylamide) 응집제(Flocculant)’로 응집한 후 정착(Settlement) 30min 상황; B : 갈조류 포도(Brown algae grapes)가 `자기 응집제`로 응집된 후의 자기 철 흡착 1min 상황)
[원문보기]
过程工程所发明低成本高回收率的微藻磁性采收方法
生物柴油是一种具有较好发展前景的生物能源，微藻作为生物柴油的来源之一，由于其具有生长速度快、油脂含量高、不占用耕地等优势，被认为是当前替代化石燃料的最具潜力的生物柴油原料之一。现阶段，由于其较高的生产成本，微藻能源的大规模工业化生产仍受到较大限制，其中微藻细胞的采收是较为关键的流程之一，其成本可以占到微藻总生产成本的20%~30%。但是对于微藻采收过程，当前仍没有一种低能高效经济的方法。因此，寻求一种低成本高回收率的微藻采收方法，对于降低微藻的生产成本，提高微藻能源的竞争力具有重要意义。
近日，中国科学院过程工程研究所研究员刘春朝的研究团队在传统的阳离子型聚丙烯酰胺(CPAM)絮凝剂的基础上，利用磁性Fe3O4纳米颗粒，合成了一种新型的磁性絮凝剂，应用于微藻的采收过程中。实验结果表明，该磁性絮凝剂对于不同的微藻在较宽的pH范围内(pH 4-10)均有较好的采收效果，对于布朗葡萄藻和小球藻，用量分别在25 mg/L和120 mg/L时，在任一pH下的采收率均在95%以上。分析表明絮凝剂与微藻细胞之间的静电吸附作用和CPAM的桥接作用是主要的分离机制。与传统的CPAM絮凝剂相比，该磁性絮凝剂具有用量少，分离过程快等优点，同时克服了传统絮凝剂易残留的缺点，有效避免了水体的二次污染。该方法为微藻高效经济的采收过程奠定了基础。
上述相关研究得到了国家重点基础研究计划(“973”计划，Nos.2011CB200905，2011CB200903)、国家自然科学基金(No. 21106165)以及中国科学院外籍青年科学家计划(No. 2011Y1GA01)的资助，相关研究成果发表在学术期刊ACS Applied Materials & Interfaces上 (2014, 6 (1): 109–115)。
（A)  （B) 
磁性絮凝剂与微藻细胞吸附过程。(A:布朗葡萄藻；B：小球藻)
（A)  （B) 
磁性絮凝剂与CPAM絮凝剂分离过程对比。(A: 布朗葡萄藻CPAM絮凝后沉降30 min；B：布朗葡萄藻磁性絮凝剂絮凝后磁铁吸附1 min)
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