| [미국] 녹조를 이용한 바이오연료 및 비료 생산
농장에서 유출되는 비료로 인해 발생하는 녹조(Algal Blooms)는 수중 생물을 파괴하고 강이나 호수의 흐름을 막는 요인이었다. 이에 웨스턴 미시건 대학(Western Michigan University)의 연구진은 이러한 환경 문제 물질을 활용하여 가치 있는 제품으로 변환할 수 있는 방안을 모색하고 있다. 이들은 조류(Algae)를 바이오연료(Biofuel) 제조의 공급원료로 활용하고 있으며, 연료 생산 공정 중 남는 부분은 토양에 영양분을 공급하는 비료로 사용할 수 있다.
연구팀은 249회 미 화학학회 학술회의(National Meeting & Exposition of the American Chemical Society)에서 관련 내용을 발표할 예정이다. 이들의 최종 목표는 생물학적 환경처리 시스템(Bio-remediation System)을 개발하는 것이다. 웨스턴 미시건 대학의 John B. Miller 박사는 "나는 농장에서 자랐으며, 소규모 농장에서 해결이 필요한 사항들을 몸소 체험하였다. 여기에는 녹조와 같은 문제가 포함되어 있으며 이제 화학자로서 이러한 조류를 활용하는 것이 가능하다고 본다"고 밝혔다.
조류는 단일 세포부터 거대 해조까지 크기가 다양하다. 이들이 성장하기 위해서는 물, 태양광 및 영양분이 필요하다. 그러나 질소나 인과 같이 농장에서 발생하는 고영양분이 조류와 만나게 되면 조절이 어려울 정도로 성장하게 된다. 그리고 녹조라고 불리는 거대한 무리를 형성하게 되고, 물고기 및 다른 수중 생물에게 직접적으로 영향을 준다. 또한 녹조는 물에 있는 산소를 끌어내기 때문에 대부분의 생물이 살아갈 수 없는 데드존(Dead Zone)을 형성한다.
Miller와 연구진은 문제가 되는 녹조를 해결할 수 있는 방안을 제시하고 있다. 이미 조류를 활용하여 바이오연료를 생산하는 일은 지속적으로 증가하고 있으며, 여기에는 에탄올(Ethanol) 생산도 포함되어 있다. 특히 조류는 옥수수, 대두 또는 셀룰로오스 바이오매스(Cellulosic Biomass)와 같은 토지 기반 에탄올 공급원료와 비교했을 때 2~8배나 빠르게 성장한다는 장점이 있다. 플로리다 주에서는 대규모 중앙식 ATS(Algal Turf Scrubber) 설비가 운영되고 있다. 그리고 다른 지역에서는 바이오연료 생산을 위한 자연적 지역공동체가 증가하고 있다. Miller는 이러한 접근 방법을 활용하고 있으나 미국의 소규모 농장 인근에 있는 물 저장 공간(Water Bodies) 정도로 크기를 줄일 예정이다.
그는 “소규모 농장에 활용하기 위해 시스템은 가동이 용이해야만 한다. 따라서 연구진은 대규모 전기 그리드 기반시설, 대형 펑핌용 설비 등을 필요로 하지 않으면서 중앙화된 운영을 할 수 있는 기술을 적용하는 것에 중점을 두었다. 농부들은 조류 수집과 시스템 처리를 확인할 시간적 여유가 없기 때문에 원거리에서 이들을 가동할 수 있어야 한다”고 설명하였다.
현재 연구진은 물 저장 공간에서 조류 성장을 최적화하기 위해 다양한 기질(Substrates)을 탐색하고 있다. 연구진은 3D 프린팅 기술을 사용하여 녹조의 성장을 가속화할 수 있는 다양한 기하학적 특징을 확보하기 위해 기질을 조작하였다. 이들은 현장 분석에 앞서 실험실에서 테스트를 수행하고 있다. 또한 원거리에 위치한 작은 지역에 더욱 적합할 수 있는 수집 기술을 위해 다양한 옵션을 조사하는 중이기도 하다.
Miller 박사는 바이오연료 공급원료에 조류가 활용될 수 있으며, 이는 농장 소유주들에게 추가적 이익을 가져다 준다고 강조하였다. 그리고 바이오연료의 발효 및 증류 과정에서 남은 폐기물은 영양분이 높은 탄수화물이기 때문에 유기 비료와 같은 분야에 재활용이 가능할 것으로 보인다. Miller 박사는 시스템을 준비하고 농장에서 운영하기까지는 다소 시간이 걸릴 수 있지만 농장 소유주들에게 엄청난 경제적 혜택을 제공할 것이라고 말한다. Miller 박사의 이번 연구는 미 에너지부(Department of Energy), 스미스소니언 협회(Smithsonian Institution), 웨스턴 미시건 대학 및 스타토일히이드로(StatoilHydro)의 지원을 받고 있다.
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 3월 30일]
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Algae from clogged waterways could serve as biofuels and fertilizer
Water-borne algal blooms from farm fertilizer runoff can destroy aquatic life and clog rivers and lakes, but scientists will report today that they are working on a way to clean up these environmental scourges and turn them into useful products. The algae could serve as a feedstock for biofuels, and the feedstock leftovers could be recycled back into farm soil nutrients.
A multi-pronged nutrient bio-remediation system is the goal of a team of scientists who will present their research at the 249th National Meeting & Exposition of the American Chemical Society (ACS).
"I grew up on a farm, and I know firsthand the needs of small-scale farmers, as well as the problems posed by algal blooms," says John B. Miller, Ph.D. "But I am also a chemist, so I see an upside with algae."
Algae can range in size from a single cell to large seaweeds. They only need water, sunlight and a source of nutrients to grow. But with a boost from high levels of human-made nutrients -- particularly nitrogen and phosphorus from farm runoff -- the growth springs out of control. They form clumps called algal blooms that can be directly toxic to fish and other aquatic life. The blooms also can draw oxygen from the water, creating dead zones, where most life cannot exist.
But Miller and his team at Western Michigan University envision a solution to problematic algal blooms, which can benefit small-scale farmers. Already, algae are gradually but increasingly being used as a feedstock for different classes of biofuels, including ethanol. It grows very quickly -- some two to eight times faster than similar land-based ethanol feedstocks, such as corn, soybeans or cellulosic biomass -- which is an advantage. Large-scale, centralized "algal turf scrubber" operations in Florida and elsewhere are getting underway and are growing natural communities of periphytic or attached algae for biofuel production. Miller is building on this approach but will downsize it to water bodies near small farms throughout the U.S.
"For small farm applications, the system must be easy to operate, nearly automatic and be suitable for diffuse installations," he says. "So, my focus has been to apply this technology without requiring the large infrastructure of the electric grid, large pumping installations and all the rest that is needed for centralized operations. A farmer won't have time to check an algae collection and processing system, so it has to also be able to operate remotely."
Currently, the team is exploring different substrates to optimize algae growth in water bodies. By using 3-D printing technologies, the researchers engineer substrates to provide different geometric features that foster growth of algal blooms. They are testing these first in the laboratory before analyzing them out in the field. Also, they are investigating different options for collection techniques that will be more appropriate for small, remote locations.
Miller points out that the algae can be used for biofuel feedstock, making a profit for the farmers. And the waste left over after the biofuel's fermentation and distillation steps is high in nutrients and carbohydrates, which is a material that can be recycled back to farm fields for use as an organic fertilizer.
It may take a while to get the system up and running at farms, but Miller says that there is a powerful economic incentive for farmers to sign on. That's because it has the potential to shift problematic algae into biofuels, taking a farm-based ecological problem and turning it into a revenue stream for small-scale farmers, he says.
Miller acknowledges funding from the Department of Energy, the Smithsonian Institution, Western Michigan University and StatoilHydro.
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