[미국] 워싱턴대, “하·폐수 이용 바이오매스 생산, 몇가지 단점이 있다”

세인트루이스 워싱턴대 연구팀, 하·폐수 외부서 조류 성장시키는 방법 연구

젠헤(Zhen He) 교수, “하·폐수에서 자란 녹조가 오염되는 경향 있어” 

하·폐수에서 자라는 조류(algae)는 수년 동안 연구에서 뜨거운 주제였다. 수십 년 동안의 뉴스 보고서는 최신 연구를 통해 새로운 비료 공급원이나 환경 친화적인 바이오 연료(biofuel)에 접근할 수 있다고 선전해 왔다.

그러나 지금까지 이러한 약속들은 이행되지 않았다. 한 가지 이유는 하·폐수에서 자라는 녹조(조류)가 오염되는 경향이 있기 때문이다. 하지만, 그렇지 않다 하더라도 실험실에서 꿈꿔왔던 조류에 대한 응용이 실험실 밖에서 가장 현실적인 응용이 될 것인지는 미지수다.

그러나 세인트루이스 워싱턴대학교(Washington University in St. Louis ; WUSTL)의 맥켈비 공학대학원(McKelvey School of Engineering)의 한 연구실에서 연구자들은 하·폐수에서 회수한 영양소를 이용해 기존 하·폐수에서 직접 재배한 조류보다 2배 이상 순수한 조류를 재배하는 새로운 방법을 개발했을 때 응용 분야를 염두에 두고 있었다. 

 

                      이번 연구를 주도한 세인트루이스 워싱턴대학교(WUSTL)의 맥켈비 공학대학원 에너지·환경·화학공학부 

                     젠헤(Zhen He) 교수(왼쪽) 및  푸중 장(Fuzhong Zhang) 교수(오른쪽).  [사진출처(photo source) =세인트

                      루이스 워싱턴대학교(WUSTL)]

 

이 연구는 올해 초 워터리서치(Water Research) 저널에 온라인으로 게재되었다.

WUSTL(세인트루이스 워싱턴대학교)의 젠헤(Zhen He) 에너지·환경·화학공학 교수는 “이 문제가 현재 하·폐수에서 나오는 조류의 품질에서 시작된다”고 말했다.

젠헤(Zhen He) 교수는 “가스 가격이 비싸 보일 수 있지만 미국에서는 여전히 상대적으로 저렴하다”라면서 “가격면에서 하·폐수에서 자란 조류의 바이오 연료는 단순히 경쟁할 수 없다”라고 덧붙였다.

이러한 방식으로 조류를 기르는 데 비용이 많이 드는 이유 중 하나는 품질관리이다.

조류는 하·폐수에서 발견되는 영양소 때문에 자랄 수 있다. 한 사람의 쓰레기는 다른 조류의 먹이이다. 질소(N), 인(P), 용존유기탄소(dissolved organic carbon)와 같은 폐기물의 부산물은 조류가 성장하는 데 필요한 영양소이다.

그러나 당연히 하·폐수에서 조류를 키우려고 할 때, “당신이 얻는 것은 지저분하다”라면서 “폐수야. 그래 해조류도 있고 박테리아도 있어. 거기서는 뭐든지 자랄거야. 따라서 하·폐수에서 자라는 조류 바이오매스(biomass)는 가치가 낮아 전반적인 경제적 이익이 감소한다”라고 젠헤(Zhen He) 교수는 강조했다. 

프로세스 전환(Turning the process on its head)

그와 그의 팀은 하·폐수에 녹조를 넣는 대신 폐수의 영양분을 녹조로 가져오는 과정을 머리 위에서 뒤집는 방법을 개발했다. 그 과정은 젠헤(Zhen He) 교수의 연구실에서 개발한 미생물 전기화학 시스템에 달려 있다.

이 시스템을 사용하여 젠헤(Zhen He) 교수와 그의 연구팀은 영양소를 추출하기 위해 생체 전기를 사용한 다음 녹조로 가져가서, 영양소를 더 효율적으로 먹이고 더 깨끗한 녹조 생물량으로 이어질 수 있었다.

 

세인트루이스 워싱턴대학교 맥켈비 공학대학원의 젠헤(Zhen He) 교수는 대학 식품 폐수를 사용하여 전통적인 조류 재배 방법을 영양분을 먼저 추출한 다음 물 밖에서 조류를 재배하는 새로운 방법과 비교했다.  [사진출처(photo source) =세인트루이스 워싱턴대학교(WUSTL)]

그것의 순도를 시험하기 위해, 젠헤(Zhen He) 연구팀은 워싱턴대학의 식품 서비스(Dining Services)로부터 하·폐수를 채취했고, 표본의 절반에 녹조를 첨가했다. 나머지 절반에서는 젠헤(Zhen He) 교수의 하·폐수처리 시스템을 이용해 하·폐수에서 영양분을 추출해 해조류를 먹이는 데 사용했다. 그런 다음 생성된 녹조 바이오매스(biomass ; 의 순도를 측정했다.

추출된 영양소를 섭취한 조류는 90% 이상이 조류였다. 하·폐수에서 녹조가 자라났을 때, 그 결과 나온 바이오매스는 겨우 32%의 녹조였다. “그것은 거의 70%의 박테리아였다”라고 그는 말했다.

그러한 순수한 조류를 생산할 수 있다는 것은 그가 이미 수요가 있다는 것을 알고 있는 응용 분야의 문을 열어준다. 예를 들어, 특정 조류는 2차 화학물질을 합성할 수 있는데, 이들 중 일부는 항산화제와 같은 건강 보조제나 특정 색소, 심지어 의약품에 사용되는 생체 활성 화합물에 사용된다.

연구팀의 일원이었던에너지·환경·화학공학 교수인 푸중 장(Fuzhong Zhang)은 특정 화합물을 생산하는 유전공학 미생물을 전문으로 한다.

궁극적으로 이러한 조류는 석유(원유)가 휘발유와 다른 유용한 제품으로 변환되는 정유공장과 같은 생물정제소에서 특정 화합물을 합성하는 데 사용될 수 있지만, 동일한 환경적으로 유해한 영향은 없다.

그러나, 푸중 장(Fuzhong Zhang) 교수는 먼저 자신이 생산할 수 있는 조류 바이오매스의 순도를 높이는 데 착수했다. 그는 “나는 95% 또는 98%의 녹조를 원한다”고 말했다. 그런 다음 그는 “생산하기에 가장 경제적으로 실행 가능한 화합물이 무엇인지 결정하기 위해 특정 조류에 가장 도움이 되는 조건을 계속 조사할 것”이라고 덧붙였다.

중요한 것은, 개발된 모든 기술은 워싱턴 대학교 하·폐수뿐만 아니라 전 세계 거의 모든 도시의 하·폐수에도 적용될 수 있다는 것이다.

푸중 장(Fuzhong Zhang) 교수는 “도시 하·폐수는 어디에서나 비슷하다”라면서 “유럽의 하·폐수는 로스앤젤레스의 하·폐수와 같다. 그리고 당신은 다른 곳에 있는 사람들이 ‘그것이 여기서 통할 수 있다’고 말할 수 있는 것을 개발하기를 원한다”고 강조했다.

■ 세인트루이스 워싱턴대학교 맥켈비 공학대학원 소개

세인트루이스 워싱턴대학교(Washington University in St. Louis ; WUSTL)의 맥켈비 공학대학원(McKelvey School of Engineering)은 과학적 우수성, 혁신성, 경계 없는 협업에 중점을 두고 독립적인 연구와 교육을 장려한다.

맥켈비 공학대학원(McKelvey Engineering)은 특히 생명공학, 환경공학, 컴퓨팅 분야에서 최고의 연구 및 대학원 프로그램을 보유하고 있으며, 미국에서 가장 선별적인 학부 과정 중 하나이다.

140명의 전임 교수진, 1천387명의 학부생, 1천448명의 대학원생 및 2만1천 명의 동문들과 함께, 우리는 사회의 가장 큰 과제들 중 일부를 해결하기 위해 노력하고 있다. 학생들이 리더가 되고 그들의 커리어를 혁신할 수 있도록 준비시키고, 세인트루이스 대학교 경제 발전의 촉매제가 되기 위해 노력하고 있다. 

[원문보기]

Growing algae outside of wastewater

Using wastewater to produce biomass has some drawbacks, namely, ‘what you get is messy’

Growing algae in wastewater has been a hot topic in research for years. News reports for decades have touted the latest research as bringing us within reach of new sources of fertilizer or environmentally friendlier biofuel. 

So far, however, these promises have not been fulfilled. One reason is that the algae grown in wastewater tends to be contaminated. But even if it wasn’t, it’s not clear that the applications for the algae that have been dreamed up in the lab would be the most realistic applications outside the lab.

Inside one lab, however, at the McKelvey School of Engineering at Washington University in St. Louis, researchers had applications in mind when they developed a new method to use nutrients recovered from wastewater to grow algae that is more than twice as pure as algae grown directly in conventional wastewater.

The research was published online earlier this year in the journal Water Research.

Zhen (Jason) He, professor of energy, environmental and chemical engineering, said the problem starts with the quality of algae we currently get from wastewater.

“Gas prices may seem expensive, but it’s still relatively inexpensive in the United States,” He said. Pricewise, biofuels from algae grown in wastewater simply can’t compete.

One of the reasons growing algae this way is so expensive is quality control.

Algae can grow in wastewater because of the nutrients found therein; one person’s waste is another algae’s food. Nitrogen, phosphorus, dissolved organic carbon ? these byproducts of our waste are the nutrients algae need to grow.

Unsurprisingly, however, when you are trying to grow algae in wastewater, “what you get is messy,” He said. “It’s wastewater. Yes, you get algae. You get bacteria also. Anything will grow there. So, algae biomass grown in wastewater has low value, which reduces the overall economic profit.”

Turning the process on its head

 

He and his team developed a way to turn the process on its head, bringing the nutrients from the wastewater to the algae, rather than putting algae into the wastewater. The process hinges on a microbial electrochemical system developed in He’s lab. 

Using this system, He and his team were able to use bioelectricity to extract nutrients and then take them to the algae, feeding them more efficiently and leading to purer algal biomass.

To test its purity, He’s team took wastewater from Washington University’s food services; in half of the sample, they added algae. In the other half, they used He’s wastewater treatment system to extract the nutrients from the wastewater, which they then used to feed algae.

Then they measured the purity of the resulting algal biomass.

The algae fed on extracted nutrients was more than 90% algae. When the algae were grown in the wastewater, the resulting biomass was just 32% algae. “It was almost 70% bacteria,” He said.

Being able to produce such pure algae opens the door for applications that He already knows are in demand. For instance, certain algae can synthesize secondary chemicals, some of which are used in dietary supplements - such as antioxidants - or certain pigments, or even bioactive compounds used in pharmaceuticals. 

Fuzhong Zhang, also a professor of energy, environmental and chemical engineering, who was a part of the research team, specializes in genetically engineering microorganisms that produce certain compounds.

Ultimately, these algae could be used to synthesize certain compounds in a biorefinery - like an oil refinery where petroleum (crude oil) is transformed into gasoline and other useful products ? but without the same environmentally hazardous repercussions.

First, however, He is set on increasing the purity of the algal biomass he can produce. “I want 95% or 98% algae,” he said. Then he will go on to investigate what conditions are most conducive to particular algae to determine what might be the most economically viable compound to produce.

Importantly, any technology developed will be applicable not just to Washington University wastewater, but to municipal wastewater nearly anywhere in the world.

“Municipal wastewater is similar everywhere,” He said. “Wastewater in Europe is the same as wastewater in Los Angeles. And you want to develop something where people in other places can say, ‘That can work here.’”

 Washington University in St. Louis McKelvey School of Engineering

The McKelvey School of Engineering at Washington University in St. Louis promotes independent inquiry and education with an emphasis on scientific excellence, innovation and collaboration without boundaries. 

McKelvey Engineering has top-ranked research and graduate programs across departments, particularly in biomedical engineering, environmental engineering and computing, and has one of the most selective undergraduate programs in the country. 

With 140 full-time faculty, 1,387 undergraduate students, 1,448 graduate students and 21,000 living alumni, we are working to solve some of society’s greatest challenges; to prepare students to become leaders and innovate throughout their careers; and to be a catalyst of economic development for the St. Louis region and beyond.

[출처=세인트루이스 워싱턴대학교(Growing algae outside of wastewater | McKelvey School of Engineering at Washington University in St. Louis (wustl.edu)) / 2022년 1월 5일자 보고서]