이산화탄소를 포획하는 조류

지구 온난화(global warming)의 효과가 전 세계적으로 나타나고 있고, 많은 전문가들은 이산화탄소 배출 증가가 지속됨에 따라 지구 온난화의 효과가 악화될 것으로 전망하고 있다. 지구 온난화는 온실가스 배출로 유발된다. 전체적으로 배출된 온실가스의 72%는 이산화탄소(carbon dioxide), 18%는 메탄, 9%는 질소산화물로 분류된다. 따라서 이산화탄소 배출은 지구 온난화를 유발하는 가장 중요한 요인이다. 이산화탄소는 오일, 천연가스, 디젤 및 유기 디젤, 석유, 유기 석유 및 에탄올 등과 같은 연료 연소로 불가피하게 발생한다. 희망적인 소식은 과학자들이 조류를 자연적인 바이오 에너지의 대체 공급원으로 이용할 뿐 아니라 이산화탄소를 포획할 수 있다는 사실이다.

미세조류(microalgae)는 일반적으로 ① 바이오연료 생산과 ② 배출된 이산화탄소의 산업용 포획 등 두 가지 목적을 달성하는 가장 유망한 해결 방안으로 인식되고 있다. 이러한 광합성 미생물이 이산화탄소를 탄소가 풍부한 지질(carbon-rich lipid)로 전환시키는 능력은 곡식을 경작하는 농경지와 경쟁하지 않으면서, 농업용 오일이 함유되어 있는 농작물의 능력을 크게 초과하고 있다.

미세조류의 가능성은 이산화탄소 및 다른 온실가스 배출을 감축하기 위하여 헌신한 다양한 유럽연합 프로그램에 의해 조사되어 왔다. 1992년 기후변화에 관한 유엔 기본 협약(UNFCCC; UN Framework Convention on Climate Change)이 체결된 후, 다수의 유럽 및 전 세계 이니셔티브는 이 분야에서 꾸준하게 증가했다.

미세조류가 제공할 수 있는 가능성에 초점을 맞추어, 다양한 산업용 방법이 개발됐다. 그러나 이러한 방법들 대부분은 현재 경제적으로, 특히 대규모로 이용할 수 없다. 미세조류를 이용하는 시스템이 갖는 한계는 차선의 생산성, 고가의 설치, 넓은 표면적, 높은 물 수요 및 숙련된 최종 사용자 필요 등이다. EU가 지원하는 ALDADISK 프로젝트(ALDADISK project)는 이산화탄소 배출은 줄이는 한편, 고부가가치의 조류를 기반으로 하는 제품을 공급할 수 있는 규모 확대가 가능한 생산 단위를 창출함으로써 상기에 언급한 도전 과제를 충족하기 위하여 착수됐다.

현재 상업적인 조류 기술은 거대한 연못을 갖춘 조류 농장 또는 수직 생물반응기(Vertical Bioreactor) 수용액에서 플랑크톤 조류(plantonic algae)를 이용한다. 그러나 이러한 방법에는 몇 가지 단점이 있다. 이 공정은 생산이 이루어지는 동안 많은 물을 필요로 하고, 이산화탄소가 액체상에서 거품을 통하여 배출될 뿐 아니라 수확이 어렵다. 또한 이 공정은 시간이 많이 소요되고 비효율적이다. 부가적으로 운영 방법이 규모를 확대하기 어렵다.

ALDADISK 프로젝트에서 제안된 공정은 생물학적 산업 어느 곳에서나 이용되는 최신 회전하는 반응기와 유사한 회전 원판 반응기 시스템(Rotating Disk reactor system)을 이용한 생물막 기술을 근간으로 한다. 이 시스템에서, 조류는 특색이 없는 생체에 적합한 표면에서 성장할 수 있으며, 따라서 이산화탄소는 기체 상에서 직접적으로 포획되거나 거품이 발생한 후 액체 상에서 포획될 수 있다. 이 방법은 효율성을 비약적으로 증가시키고, 공정에 필요한 물의 양을 감소시킨다. 자동적이며 연속적인 수확 역시 고안 및 수행될 수 있다. 규모 확대가 용이하며, 탄소 배출은 현재 이용되고 있는 방법보다 훨씬 더 적다. ALDADISK 프로젝트는 상당한 양의 이산화탄소를 포획할 수 있는 저비용 운영 및 설치가 가능한 작은 자동의 생물막 반응기(biofilm reactor) 개발을 목표로 하고 있다. 이렇게 의도된 결과는 매우 높은 수율의 유기 물질을 얻을 수 있다.

프로젝트의 목표는 조류 바이오매스 제품의 생산을 달성하기 위하여 기술을 얻는데 어려움에 직면해 있지만, 조류 바이오매스 제품의 생산을 바라는 사람에게 필요한 작은 규모의 생산성 단위의 수요를 충족시키는데 있다.

이러한 시장에서 프로젝트 컨소시엄에 의해 수행된 연구는 일반적인 반응기의 효율성이 결여되어 있으며, 조류 생산의 지속 가능성과 실현 가능성에 관한 정보가 불충분하다는 사실을 보여주었다. 또 수행된 연구는 규모 확대가 필요하며, 바이오매스(바이오디젤 전구체)뿐 아니라 고부가가치의 조류를 기반으로 하는 제품(동물과 인간 영양분, 바이오-비료)을 공급할 수 있는 경제적으로 이용할 수 있는 조류 생산 단위가 필요하다는 것을 규명했다.

게다가, 프로젝트 컨소시엄에 참여하는 중소기업들은 최소의 공간을 차지하고, 작은 규모의 설치에 수익성이 있는 시스템에 주로 관심을 가지고 있다. 생산 기술과 더불어, 조직적이며, 통합된 지식 기반을 필요로 한다. 프로젝트에 참여한 많은 참가자들은 조류 생산에 관심을 가지고 있지만, 수요를 가장 잘 충족시키는 시스템을 결정하고 경제적인 실현 가능성을 산출하는데 필요한 도구를 확보하지 못하고 있다. 따라서 프로젝트의 한 가지 목표는 연구 활동과 최종 사용자의 니즈 사이의 지식 격차에 있어서 가교 역할을 하는 것이다.

디자인 소프트웨어는 설치 변수로 제안될 사용자 기반의 투입을 근거로 한 경제적인 실현 가능성을 산출하기 위한 수행비용/이득 분석을 제공할 것이며, 시스템의 환경적인 지속 가능성을 고려한 예측을 생성시킬 것이다. 제안된 시스템은 중소기업의 니즈를 충족시키기 위하여 특별하게 제작될 것이다.

시범 규모의 시스템에 대한 실험실 테스트와 기계 및 전기적인 디자인이 현재 수행 중이다. 이것은 최종 사용자 시설에서 설치될 시제품 반응기 시스템으로 이어질 계획이다. 이러한 목적은 2014년 여름에 운영 및 테스트되기 위한 최초의 ALGADISK 반응기를 위한 것이다.

[출처 : KISTI 미리안(http://mirian.kisti.re.kr) 『글로벌동향브리핑(GTB)』2013. 03. 26]

 

 

Algae to capture CO2

Global warming's effects can be seen worldwide, and many experts believe it's only going to get worse as CO2 emissions continue to rise. Global warming is caused by the emission of greenhouse gases. 72% of the totally emitted greenhouse gases is carbon dioxide (CO2), 18% Methane and 9% Nitrous oxide (NOx). Carbon dioxide emissions therefore are the most important cause of global warming. CO2 is inevitably created by burning fuels like e.g. oil, natural gas, diesel, organic-diesel, petrol, organic-petrol, ethanol. That's the bad news. The good news is that researchers have found that algae is not only a great source of alternative of natural bio energy but it also has the ability to capture CO2.

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Microalgae are generally recognized as the most promising solution for both bio-fuel production and industrial capture of emitted CO2. The ability of these photosynthetic microorganisms to convert carbon dioxide into carbon-rich lipids (only a step or two away from bio-diesel) greatly exceeds that of agricultural oleaginous crops, without competing for arable land.

The potential of microalgae has been investigated by various EU programmes dedicated to reducing CO2 and other greenhouse gas emissions. The number of European and global initiatives has steadily increased in this field since the UN Framework Convention on Climate Change (UNFCCC) was signed in 1992.

With such a focus on the possibilities that microalgae can offer, various industrial methods have been developed for its production. However, most are currently not economically viable, especially on a large scale. Limitations to these systems include: sub-optimal productivity, expensive installation, large footprint (surface area), high water demand and the requirement for a highly trained end-user. The EU-funded ALDADISK project has been set up to meet these challenges by creating a scalable production unit, capable of delivering high value alga-based products and biomass while reducing CO2 emissions.

Current commercial alga technologies use plantonic algae in water solution in Vertical Bioreactors (VB) or algae farms with large ponds. However, there are several disadvantages. The processes need a lot of water during production, CO2 is released through bubbling in the liquid phase and harvesting is difficult, time consuming and inefficient. In addition, the operation is difficult to scale up and leaves a large foot print.

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ALDADISK's proposed process is based on biofilm technology using a Rotating Disk reactor system similar to the state of art rotating reactors used elsewhere in the biological industry. In this system, algae can be grown on indifferent biocompatible surfaces and thus CO2 would be captured either from the gas phase directly or from the liquid phase after bubbling. This method dramatically increases the efficiency and decreases the amount of water necessary for the process. Automatic and continuous harvesting could also be designed and implemented. Scale-up is easy and the foot print would be much smaller than used currently. The ALDADISK project aims to develop a small automatic, biofilm reactor, with low operation and installation costs, which is capable of capturing a considerable amount of CO2, The intended result would be organic products with a sufficiently high yield.

The project aim is to satisfy the need of small scale production units who want to produce algae biomass products but face difficulties in obtaining the technology to achieve this. In this market, studies undertaken by the project consortium have shown that there is a lack of efficient, universal reactors, and insufficient information about sustainability and feasibility of algae production. They also identified the need for a scalable, economically feasible algae production unit, capable of delivering high value alga-based products (animal and human nutrients, bio-fertilizer) as well as biomass (biodiesel precursors).

Furthermore, those SMEs that are participating in the project consortium are particularly interested in a system that remains profitable with small-scale installations and occupies a minimal amount of space. In addition to the production technology, there is also a need for an organized and integrated knowledge base. Many of the participants in the project are interested in algae production, but lack the tools necessary to calculate economic feasibility and to determine which system best suits their needs. One aim of the project, therefore, is to bridge the knowledge gap between research activities and end-user needs.

Design software will be provided which, based on user input, will suggest installation parameters, perform cost/benefit analysis to calculate economic feasibility, and make predictions concerning the environmental sustainability of the system. The proposed system will be specifically crafted to meet the needs of SMEs. Laboratory tests, a pilot scale system, and mechanical and electronic designs are currently being carried out. These will be followed by a prototype reactor system which will be installed at one end-user facility. The intention is for the first ALGADISK reactor to be operated and tested in the summer of 2014.

[원문출처 = http://phys.org/news/2013-03-algae-capture-co2.html]