미세조류에 의한 이산화탄소의 생물학적 유기자원화 - CHERIC · 2014. 8. 13. ·...

KIC News, Volume 15, No. 2, 2012 11

미세조류에 의한 이산화탄소의 생물학적 유기자원화

최 승 필․심 상 준†

고려대학교 화공생명공학과

Microalgal Bioconversion to Organic Resources form CO2

Seung Phill Choi and Sang Jun Sim†

Department of Chemical and Biological Engineering, Korea University, Seoul 136-713, Korea

Abstract: 최근 미세조류를 이용하여 지속가능하고 재생가능한 고부가 가치의 바이오물질들을 생산하려는 연구가 활

발하다. 미세조류는 다른 광합성 생물에 비하여 이산화탄소를 포집하는 속도와 세포가 성장하는 속도가 빠르며 인공

적인 배양이 손쉽기 때문에 대규모 생물공정을 통하여 대량으로 생산될 수 있다. 미세조류는 바이오 연료의 자원뿐만

아니라 다른 유용한 물질들을 생산할 수 있는 바이오공장으로 여겨지기 때문에 그 상용화 가능성을 탐색할 가치가

있다. 본 논문에서 미세조류 유래의 잠재적 유용물질과 상업적 이용 현황을 알아보고, 미세조류 바이오매스와 유용물

질의 대량 생산 및 상용화를 위한 핵심기술에 관하여 살펴봄으로써 미세조류 생명공학기술이 21세기 핵심 산업기술

으로 발전하기를 기대해본다.

Keywords: microalgae, photoreactor, CO2 fixation, biomass

1. 서 론

1)

최근까지 광합성 미생물인 미세조류(microalgae)

로부터 바이오연료를 생산하는 기술은 세계적인

관심을 받아왔다. 그러나 지금은 미세조류 바이

오매스로부터 연료를 생산하는 약 50개 이상의

회사 중 어느 회사도 경쟁력 있는 가격으로 상업

적인 규모의 바이오연료를 생산하지 못하고 있는

실정이며 미세조류에 의한 바이오연료 생산 공정

은 현재로서는 비경제적인 것으로 보인다[1]. 현

재 미세조류 바이오연료는 다른 바이오연료와 경

쟁이 되지 못하는 실정이며 경제성을 갖추기 위

해서는 생산 비용을 현저하게 감소시킬 필요가

있다[2]. European Algae Biomass Association은

실험실에서 이루어지는 관련 연구들이 산업적 규

모의 미세조류 바이오연료 생산으로 전환되려면

10년에서 15년이 더 걸릴 것으로 예상하고 있다.

†주저자 (E-mail: [email protected])

이러한 미세조류 바이오연료의 상업적인 개발이

비록 얼마간의 휴지기를 거친다 하더라도 미세조

류는 식품, 의약, 그 외 용도를 가지는 다양한 생

화학물질들을 생산하며 아직 발견되지 못한 다른

중요한 유용물질들을 함유하고 있다는 측면에서

중요한 잠재성을 가지고 있다.

인류가 미세조류를 이용한 것은 이천년 전으로

거슬러 올라가는데 중국에서는 심각한 기근에 살

아남기 위해 Nostoc을 이용했으며 그 외에 blue

green algae종인 Arthrospira (Spirulina)와 Aphani-

zomenon도 이용되었다. Spirulina는 식품 원료로

서 아프리카나 멕시코의 고대 인간에 의해 이용

되었다[3]. 미세조류가 이처럼 오래 전부터 식품

으로 이용되어 왔지만 미세조류를 배양하는 기술

은 근대 생물공학의 발전에 의해 이루어졌다. 단

일 미세조류의 배양은 1890년에 Chlorella vulgaris

에 대해 처음 이루어졌으며 1900년대 초반에 식

물 생리학 분야의 연구에 사용되었다. 2004년에

는 미세조류 바이오매스에 대한 글로벌 시장이

기획특집: CO2 전환기술


12 공업화학 전망, 제15권 제2호, 2012

년간 5,000톤(dry matter)로 추정되었으며 1,250

백만 달러에 이르렀다[4]. 미세조류는 바이오매스

함량 중 50%가 탄소이며 대부분의 경우에 대기

중의 이산화탄소로부터 얻어진다. 따라서, 미세조

류는 산업적인 공정에서 배출되는 탄소에 대한

제거 수단으로서 관심을 끌고 있다. 실제로 이스

라엘의 Seambiotic社에서는 발전소의 이산화탄소

를 이용하는 race-way pond 형식의 미세조류 배

양 시설을 개발하였다. 치료적 목적을 위해서도

미세조류를 오랜 동안 사용해왔지만 생물학적 활

성 물질에 대한 연구 중 특히 항생제 활성에 대

한 연구는 1950년대에서야 조금씩 시작되었다. 반

면 대부분의 연구는 1980년대까지 거대조류(macro-

algae)에 초점을 두어 왔다. 지금까지 대략 15,000

개의 천연 해양산물들이 유용한 생물학적 활성을

보이는 것으로 탐색되어 왔으며 이 중 45개의 천

연물질들은 의약품으로서 사용되기 위해 전임상

과 임상 단계에서 시험되고 있으며 바다 생물로

부터 유래된 2개 품목은 등록된 의약품이지만 미

세조류로부터 유래된 품목은 아직 없다. 단지,

blue-green algae인 Lyngbya majuscula로부터 유

래된 Curacin이라는 항암 의약물질이 전임상 시

험 중인 것으로 보고되었다. 또한, 조류 유래의

산물들을 HIV 감염을 방지하기 위하여 사용하려

는 연구 보고가 있지만 상업화까지는 5년 정도

걸릴 것으로 보인다[5].

미세조류는 지구상의 주요 광합성 생산 과정의

절반을 담당하고 있는 생물이며 태양광을 이용하

여 잠재적인 유용물질을 다양하게 생산하는 생물

학적 공장으로 비유된다. 1950년대 초반 세계 인

구의 급증은 새로운 대체 식량의 개발을 모색하

게 하였으며 미세조류는 시대에 알맞은 식량 후

보로 여겨졌다. 미세조류가 세계적으로 여전히 어

느 정도는 식품으로 사용되고 있지만, 식량 문제

를 해결하기 위한 미세조류 대량 생산 기술은 아

직 구체화되어 있지 못하다. 미세조류의 대규모

배양과 유용물질을 생산하기 위한 미세조류 바이

오매스의 사용은 이차 세계대전 동안 독일에 의

해 처음으로 고려되었다. 미세조류의 상업적인

대규모 배양은 1960년대에 일본에서 Chlorella

배양으로부터 시작되었으며 1970년대에 멕시코

에서 Spirulina의 배양 및 회수가 시작되었다. 이

후, 호주에서 Dunaliella salina로부터 β-carotene

을 생산함으로써 본격적인 상업화가 진행되었다.

연이어 미국와 이스라엘에서도 Dunaliella 등의

미세조류 생산 공장이 지어졌으며, 인도에서는

식품 색소와 항산화제로서 유용한 아스타잔틴

(astaxanthin)의 생산을 위한 Haematococcus plu-

vialis 배양 공장이 지어졌다[6].

현재 상업적으로 생산되고 있는 미세조류들

(Chlorella, Spirulina, Dunaliella)의 대부분은 매

우 선택적인 환경에서 자라며 따라서 개방형 배

양에서도 타 생물종(algae, protozoa)에 의해 오염

되지 않는다는 특징을 가지고 있다. 즉, Chlorella

는 영양이 풍부한 배지에서 자라며 Spirulina는

pH와 bicarbonate 농도가 높은 환경에서 자라고

Dunaliella는 매우 높은 염도에서 자란다. 반면에

생육 환경에 대한 선택적 잇점이 없는 대부분의

다른 미세조류 종들은 폐쇄형 배양으로 생산해야

한다. 따라서 수산 양식 먹이로 이용되는 해양 미

세조류(Skeletonema, Chaetoceros, Thalassiosira,

Tetraselmis, Isochrysis)와 long-chain polyunsa-

turated fatty acids을 생산하는 Crypthecodinium

cohnii 등 대부분의 미세조류들에 대한 대량 배양

기술이 개체마다 환경에 맞게 특이적으로 개발되

어야 한다[7]. 지구온난화의 주범인 이산화탄소는

미세조류의 광합성 작용에 의해 다양한 유용물질

로 전환될 수 있다. 본 논문에서는 미세조류 유래

의 잠재적 유용물질과 상업적 이용 현황을 알아

보고, 미세조류 바이오매스와 유용물질의 대량 생

산 및 상용화를 위한 핵심기술 및 전망에 관하여

살펴보기로 한다.

2. 미세조류의 상업적 이용

2.1. 미세조류의 특성

미세조류 바이오매스의 이용 가능성에 기대를

거는 이유는 다른 생물자원과 구별되는 다음의 특



유용물질 유용성분 응용

바이오매스 바이오매스 식품, 수산양식 첨가물, 천연 건강식품,

기능성 식품

카로틴, 항산화제 Xantophils, vitamin C and E, lutein, β-carotene 식품 첨가물, 화장품 원료

지방산 Docosahexaenoic acid, arachidonic acid, eicosapentaenoic

acid, superoxide, linolenic acid, ϒ-linolenic acid

식품 첨가물

효소 Phosphoglycerate quinase, L dismutase, lucipherase and

lucipherin, restrictive enzymes

천연 식품, 연구용 의약 원료

폴리머 Starch, polysaccharides, polyhydroxybutyrate (PHB), peptides 천연 식품, 화장품 의약 원료

특이 물질 Istotopes, toxins, aminoacids, steroids 연구용 의약 원료

Table 1. 미세조류 바이오매스 유래의 유용물질들

성을 지녔기 때문이다. 바로, 유용물질에 대한 높

은 생산능력, 세포의 빠른 성장 속도, 풍부하게

얻을 수 있는 태양광과 이산화탄소에 의한 배양

성이다. 미세조류는 고농도 염에 대한 내성을 지

니므로 담수(fresh water), 기수(brackish water),

염수(highly saline water), 해수(marine water) 등

여러 가지 종류의 물을 이용하여 광배양기(photo-

bioreactor)에서 액상 배양이 가능하다. 게다가 미

세조류 생물은 다양성이 크기 때문에 세포내 생

화학적 성분의 변동성이 큰 바이오매스 자원이다

[8]. 예를 들면, 특정 조건에 의해 세포 내 오일

함량이 높을수록 미세조류에 의하여 생산되는 바

이오연료의 열량은 높아진다. 이러한 바이오매스

입자의 크기는 분말형태의 석탄이나 셀룰로오스

와 비슷한 정도의 수 µm (Chlorella의 경우 5∼

110 µm)부터 수백 µm까지 다양하다. 특히 cyano-

bacteria (‘blue algae’)와 같은 일부 미세조류는

탄소나 질소 영양분이 없어도 배양될 수 있으므

로 생산비용 측면에서 효율적이다.

2.2. 미세조류 유래의 유용물질

미세조류의 광합성 능력은 식물보다 우수하여

수많은 고가의 물질들을 생산할 수 있다(Table 1).

미세조류는 수소, 메탄 등의 바이오가스와 바이

오에탄올, 바이오메탄올, 바이오디젤 등의 액상연

료(liquid fuel from Botyrycoccus sp.)를 비롯한

여러 가지 바이오연료의 생산에도 사용되어 왔다.

또한, 미세조류는 산업적인 배가스(stack gas,

exhaust gas)에 함유된 이산화탄소를 생물학적으

로 고정하여 제거하거나 폐수를 처리하는 데에도

이용되어 왔다. 미세조류의 광합성 산물들(micro-

algal biomass)은 식품 첨가물이나 건강식품으로

식용이 가능하며 가축 사료나 패류 먹이로도 이

용될 수 있어서 사료작물로서도 의미가 있다. 젖

산이나 천연색소 성분은 식용 착색제나 화장품

원료로 사용될 수도 있다(Table 2). 아래에서 미

세조류 바이오매스의 더욱 구체적인 생산 현황을

살펴보기로 한다.

2.3. 건강보조 식품

Chlorella 바이오매스는 전 세계 70개 이상의

제조사에 의해 건강 다이어트 식품으로 생산되고

있는데 대만에서는 년간 400톤의 바이오매스를

생산하고 있다. Chlorella 바이오매스는 위궤양,

상처, 변비 치료, 동맥경화증 방지, 콜레스테롤

저하, 항암 효과와 같은 다양한 잠재적 치료효과

를 나타낸다고 보고된다. 미세조류 유래의 β-

1,3-glucan은 비록 학문적으로 규명되지는 않았지

만 active immuno-stimulator, free radical scaven-

ger, blood lipids reducer와 같은 활성을 나타낸

다. Spirulina (Arthrospira)는 높은 단백질 함량

때문에 영양제로서 사용되거나 인체가 만들지 못

하는 linolenic acid와 같은 필수 지방산의 공급원

이 되므로 식품보조제로서의 약효식품(nutraceu-


14 공업화학 전망, 제15권 제2호, 2012

품목 응용 방법

바이오 연료 Extraction of carbohydrate, Direct liquefaction

using coal liquefaction technology

퇴비 Compost

동물 사료 Fodder or feed for domestic animals or fish

cultivation

건축 재료 Plastic filler, Concrete additives for high

efficiency concrete

생분해성

플라스틱

Plastic forming processes, biodegradable

polymer products including biodegradable

composites

생리 활성

물질

Reformation of carbohydrates

Table 2. 미세조류 바이오매스의 효율적인 응용

(a)

(b)

Figure 1. (a) Spirulina의 race-way pond 배양 시설

(Cyanotech社, 하와이), (b) Dunaliella salina의 open pond

배양시설(Cognis社, 호주 Hutt Lagoon).

tical)으로 생산되고 있다. 일본의 DIC社는 중국

의 하이난에서 년간 300톤의 Spirulina를 생산하

고 있으며 미국 캘리포니아에서도 444,000 m2 부

지의 큰 공장에서 미세조류 Spirulina의 정제와

분말을 생산하여 전 세계 20여 국에 판매하고 있

다. 미국 하와이의 Cyanotech社는 Spirulina Paci-

fica라는 제품명으로 Spirulina 분말을 생산하고

있다. 현재 건조 형태의 Spirulina 시장은 4천만

달러 이상이다(Figure 1).

2.4. 카로테노이드(Carotenoid)

미세조류가 생산하는 귤색소 혹은 적색소인

carotenoid는 현재 400종 이상인 것으로 알려져

있으며 이 중 몇 종류만이 상업화되어 있다. 대표

적인 carotenoid로는 인체 내에서 Vitamin A로

전환되는 β-carotene와 astaxanthin이 있다. caro-

tenoid는 주로 식용 혹은 동물사료용 식품보조제

와 식품 착색제로 사용된다.

미세조류는 carotenoid를 평균적으로 0.1∼2%

만 함유하고 있지만, Dunaliella는 고염도와 고광

도 조건에서 세포 내에 14%까지 β-carotenoid를

축적할 수 있으므로 carotenoid의 상업적 생산에

가장 적합한 균주이다. 현재 전 세계적으로 호주,

이스라엘, 미국, 중국 등지에 carotenoid 생산 공

장이 세워져 있다. 가장 큰 β-carotenoid 생산 회

사는 800 헥타르 규모의 생산시설을 갖춘 호주의

Cognis社인데 Dunaliella 분말 및 β-carotenoid

추출물을 식용 및 사료용으로 kg당 300∼3000달

러로 판매하고 있다(Figure 1). 인공합성을 통해

생산된 β-carotenoid는 trans형태를 지니고 있는

반면에 미세조류 유래의 천연 β-carotenoid는 더

비싼 가격에도 불구하고 천연의 isomer형태와 조

성을 나타내므로 효능은 더 뛰어나다. 1994년 무

렵까지 β-carotenoid는 대부분 인공합성에 의존

하여 생산되었지만 이후 Dunaliella 생산 설비의

증가로 인해 천연 β-carotenoid의 생산이 경제성

측면에서 더 유망한 것으로 여겨지고 있다.

Astaxanthin는 양어, 식이보조제, 항산화제로

사용되는 carotenoid 물질이다. 양식산업에 쓰이



는 astaxanthin의 년간 세계시장 규모는 2004년도

에 2억 달러 정도이었으며 평균가격은 2500달러/

kg이었으며 아직까지 천연 astaxanthin보다는 비

용이 적게 드는 합성 astaxanthin가 시장을 지배

하고 있다. Astaxanthin는 담수에서 자라는 Haema-

tococcus에 의해 세포내에 평균 3%까지 축적되

어 생산되는데 Haematococcus의 배양은 이단배

양을 거쳐야 하므로 개방형 광배양 시스템은 적합

하지 않다. 이단배양은 우선 미세조류(green-thin

walled flagellated stage)의 성장과 바이오매스의

획득에 초점을 맞춰서 진행한 후 강한 광조건과

영양결핍 조건에서 세포(thick walled resting stage)

를 유도하여 astaxanthin을 생산하는 단계로 구성

된다[9]. 천연 astaxanthin의 생산비용이 높음에도

불구하고 잉어, 도미, 닭 양식 등 일부 분야에 대

해서는 엄격한 규제 사항과 색소 침착에 대한 높

은 요구 때문에 천연 astaxanthin가 사용되고 있

다. 현재, 제약분야에서 상용규모의 파쇄된 Haema-

tococcus 바이오매스의 생산은 하와이, 인도, 이

스라엘 등지에서 Algatech社에 의하여 이루어지

고 있다. 또한 하와이의 Cyanotech社는 미세조류

유래의 astaxanthin을 생산하여 동물용 영양사료

시장의 95% 이상을 장악하다가 2008년 이후에는

판매를 중단한 상태이다.

2.5. 피코빌리단백질(Phycobiliprotein)

미세조류 종들 중 red microalgae에 속하는

Porphyridium와 Rhodophyta와 같은 미세조류는

chlorophyll과 지용성 색소 이외에 phycocyanin과

Phycoerythrin와 같은 광합성 보조색소(Phycobi-

liprotein)를 추가적으로 생산한다. Phycobilipro-

tein은 색감(적색 혹은 청색)이 진하며, 수용성의

단백질성 물질이기 때문에 식품, 화장품, 의약 분

야에서 천연 착색제로 사용된다. Dainippon Ink

社는 Spirulina로부터 Lina blue라는 제품명의 청

색 착색제를 유제품, 껌, 감미료 등에 첨가하려는

용도로 생산하고 있다[10].

Phycobiliprotein는 민감도가 매우 높은 형광성

을 지니고 있어서 임상이나 면역 연구 분야에도 사

용될 수 있는데 현재 Spirulina와 red microalgae

인 Porphyridium과 Rhodella로부터 상업적으로

생산되어 25달러/mg의 가격으로 년간 5,000달러

이상 규모의 세계적인 시장을 형성하고 있다.

2.6. 지방산(Fatty acids)

인간을 비롯한 동물은 C18 이상의 필수 지방

산인 polyunsaturated fatty acids (PUFAs)를 합성

하는 효소를 지니고 있지 않으므로 식품으로부터

PUFAs를 섭취해야 한다. Methyl 혹은 omega말

단으로부터 세 번째 위치에 탄소 이중결합을 가

지는 불포화 지방산의 총칭으로 불리는 omega-3

는 현재 큰 주목을 받고 있다. 어유는 PUFAs의

자원으로 잘 알려져 있지만 물고기에 축적된 독

성 물질의 동시 섭취 때문에 문제가 되고 있다.

애초에 물고기는 diatom과 같은 해양 미세조류로

부터 PUFAs를 섭취하므로 보다 근본적으로 생

각하면 PUFAs의 상용 가능 자원은 미세조류인

셈이 된다.

Docosahexaenoic acid (DHA)는 현재 dinofla-

gellate에 속하는 rypthecodinium cohnii라는 미세

조류를 이용하여 종속 영양법에 의하여 생산되고

있으며 미세조류로부터 상업적으로 생산되는 유

일한 지방산이다. DHA (22:6)는 유아식이나 식

이보조제로 사용되며 성인이 되기까지 뇌기능을

원활하게 해주고 신경계의 발달을 도와주며 심장

질병을 예방하는 역할을 한다. 전 세계 이유식 시

장은 년간 100억 달러 규모인데 모유를 대신하려

면 DHA 첨가가 필수적 권고된다. Martek社는 경

쟁사인 OmegaTech社를 합병하여 유아식을 위한

DHA는 미세조류 Crypthecodinium cohnii로부터

생산하며(년간 240톤 이상), 성인의 식이보조제

를 위한 DHA (DHA gold)는 미세조류 Schizo-

chytrium로부터 생산하고 있다.

미세조류 Phaeodactylum tricornutum를 이용하

여 또 다른 omega-3 지방산(20 : 5)인 Eicosapen-

taenoic acid (EPA)를 고순도(96%) 저가(US$

4,602/kg)로 생산하는 공정이 스페인의 Almeria

대학 연구팀에 의하여 개발되었다. 전 세계 EPA


16 공업화학 전망, 제15권 제2호, 2012

조류 년간 생산량 생산 국가 응용분야

Spirulina 3,000 t dry wt 미국, 인도, 중국, 미안마, 일본 Human & animal nutrition,

Phycobiliproteins,cosmetics

Schizochytrium 10 t DHA oil 미국 DHA oil

Chlorella 2,000 t dry wt 대만, 독일, 일본 Human nutrition, aquaculture, cosmetics

Dunaliella 1,200 t dry wt 미국, 호주, 이스라엘, 중국 Human nutrition, cosmetics, β-carotene

Aphanizomenon 500 t dry wt 미국 Human nutrition

Haematococcus 300 t dry wt 미국, 인도, 이스라엘 Aquaculture, Astaxanthin

Crypthecodinium 240 t DHA oil 미국 DHA oil

Table 3. 미세조류와 상용화 제품

수요는 년간 300톤 규모인데 이때 생산비용의 60%

는 회수비용이며 40%는 미세조류 바이오매스 생

산 비용이다. 이외에도 Nannochloropsis와 Nitz-

schia로부터 EPA를 생산하는 연구와 Arthrospira

와 Porphyridium 등의 미세조류로부터 Linolenic

acid (18:3)와 Arachidonic acid (20:4)와 같은

omega-6 PUFAs를 생산하려는 연구도 진행되고

있다[11].

2.7. 안정성 있는 동위원소물질(Isotopic

Biochemicals)

미세조류는 무기물 분자의 안정한 동위원소를

고부가 가치의 유기 화합물에 부가할 수 있는 성

능 때문에 동위원소 표지 화합물의 자원으로서

활용가치가 높다. 이 물질의 시장규모는 년간

1,300만 달러 이상이며 Cambridge대학의 동위원

소 연구실에서 동위원소 표지 아미노산(US$

5,900/g)과 동위원소 표지 핵산(US$ 28/mg)을 판

매하고 있다.

2.8. 동물사료(Animal Feed)

미세조류는 많은 동물들의 상업적 양식을 위한

중요한 사료 혹은 첨가제이다. 현재 전 세계적으

로 생산되는 미세조류의 30% 이상(1,000톤 이상)

은 수생 동물 사료로 팔리고 있으며 특히 Spirulina

생산의 50% 이상이 그러한 용도로 사용되고 있

다. 많은 연구를 통해 미세조류 바이오매스는 대

두나 어분 등 기존의 단백질 자원을 대체할 수

있는 수생 동물 사료로서 적합하다고 밝혀졌다.

살아 있는 미세조류를 먹이로 사용하는 것은 생

산비용 문제 때문에 어렵지만 건조된 미세조류

바이오매스는 생산비용이 US$ 50∼800/kg 정도

라서 건조 효모 등 다른 바이오매스와 혼용한다

면 상업화에 적합하다. 또한 미세조류를 물고기

먹이로 사용될 동물성 플랑크톤의 먹이로 사용하

는 경우도 있다. 한 가지 난점은 Spirulina는 예외

이지만 다른 미세조류를 수생 동물 사료로 사용

할 때 미세조류의 세포벽에 고함량으로 내재된

셀룰로스 성분을 물고기가 소화해낼 수 없다는

점이다. 그러나 미세조류가 셀룰로스를 소화할

수 있는 반추동물의 사료로서 사용될 가능성은

상업적 이득이 낮아서 아직은 희박하다. 단지 미

세조류가 가금류의 먹이에 5∼10% 이하로 첨가

하여 사용될 경우에는 carotenoid에 의한 피부나

난황의 발색 향상 때문에 유용하다[12].

2.9. 식품(Human Food)

미세조류는 중국이나 아프리카에서 식품으로 먹

기도 하지만 세계 식량 부족 문제를 해결하기 위

한 해결책은 되지 못하며 건강식이나 식품 첨가

물로서만 사용되고 있는 실정이다(Table 3).

2.10. 건축 재료(Building Material)

더 나아가 미세조류는 부패하거나 분해되는 성

질이 있으므로 복합재료(composite material)로

개발되어 polypropylene, PVC, polystyrene, poly-



Figure 2. Chlorella vulgaris-PVC 복합체.

ethylene와 같은 다양한 폴리머에 중량의 절반까

지 혼입하여 신장성과 열가소성을 부여하는 충진

제로 활용된다[13]. 예를 들어, 5∼110 µm Chlo-

rella vulgaris-PVC composite의 경우에는 30∼41

MPa의 인장강도(tensile strength)와 1.86% elonga-

tion을 나타낸다(Figure 2). Chlorella vulgaris-PE

composite의 경우에는 Chlorella grains과 PE

matrix 사이에 화학결합이 형성되어 갭이 없어져

서 인장강도가 두 배 증가된다.

3. 미세조류 배양 조건의 최적화

미세조류는 태양 에너지를 화학에너지로 전환

시킬 수 있으며 이산화탄소를 고정하여 탄수화

물, 지질, 단백질 등의 바이오매스로 전환시킬 수

있다. 미세조류 세포에 대한 기초적인 연구의 초

점은 독특한 환경으로부터 미세조류의 동정과 특

성 규명, 고밀도 고성장이 가능한 새로운 균주 탐

색, 광합성 효율과 바이오매스 향상을 위한 유전

공학적 기술 개발, 광산화에 대한 민감성 감소,

특정 유용물질의 함량을 향상시킬 수 있는 생화

학적 요인 규명 등에 맞추어 진행되어 왔다. 미세

조류 공정의 상용화를 위해서는 특히 비용 효율

이 높은 대량 배양 기술의 적절한 개발이 반드시

요구된다. 최대 수율의 바이오매스 획득을 위해

미세조류 배양 시스템의 온도, pH, 광량, 영양분

(무기염)과 이산화탄소 농도를 엄격하게 조절하

고 최적화해야 한다.

3.1. 미세조류 균주의 선택

미세조류 세포는 식물과 달리 분화과정을 거치

지 않기 때문에 유전자 조작이 더 단순하다. 개방

형 시스템에서는 유전자 변형 미세조류가 환경에

대한 위협이 될 수도 있지만 유전자 조작을 통하

여 다양한 고부가 가치 유용물질을 저비용으로

생산할 수 있다는 점에서 미국 NREL (National

Renewable Energy Laboratory) 등에서는 다양한

미세조류 생물자원에 대한 연구를 선두적으로 진

행하고 있다. 현재 상업화에 사용되는 균주는

Spirulina, Chlorella, Dunaliella, Haematococcsu,

Nannochloropsis 등 소수에 불과하다. 따라서 보

다 최적인 상용화 가능 균주에 대한 스크리닝이

나 개량이 필요하다. 그러나 유전공학 기술로는

식용이나 의약용 미세조류 유래 물질을 천연 활

성 그 이상으로 제작할 수 없는 단계이므로 현

시점에서는 미세조류의 균종을 최적으로 선택하

여 사용하는 것이 더 중요하다. 이상적인 미세조

류가 갖추어야 할 요건은 여러 가지가 있지만 우

선 세포 내 대사산물의 생산성이 높아야 한다는

점이며 고 생산성은 흔히 세포 성장과 물질 생산

으로 구성되는 이단 공정을 거쳐서 달성될 수 있

다. 둘째, 태양광 에너지의 최대 이용효율은 이론

적으로 9%이지만 실제로는 훨씬 낮다. 이를 해결

하기 위해 높은 광도에서도 광합성 효율을 높이

기 위해 광합성에 관련된 광안테나 크기를 줄이

는 방법이 관심을 끌고 있다. 셋째, 상용화를 위

한 대규모 공정은 일반적으로 무균 유지와 공정

제어가 어려우므로 극한 pH, 고온, 고염 등의 극

한 환경에서도 안정되고 감염에 강한 균주를 선

택하는 것이 중요하다. 넷째, 미세조류의 광합성

에 의해 생산되는 산소가 고농도로 축적되면 미

세조류의 생산성을 감소시킬 수도 있지만 미세조

류 배양에는 이산화탄소 주입이 더욱 중요하고

필수적이다. 이를 위해 농도가 낮은 대기 가스보

다는 농도가 높은 산업 잔류 가스를 기포로 주입

하는 것이 더 적합하다. 주입에 드는 에너지 비용


18 공업화학 전망, 제15권 제2호, 2012

용도 미세조류 탄수화물 단백질 지질

식품

Anabaena cylindrica 25∼30 43∼56 4∼7

Chalmydomonas rheinhardii 17 48 21

Dunaliella salina 32 57 6

Chlorella vulgaris 12∼17 51∼58 14∼22

Spirulina maxima 13∼16 60∼71 6∼7

Porphyidium Cruentum 40∼579 28∼3 9∼14

연료

Chaetoceros calcitrans 10 58 30

Chlorella sp. 38∼40 12∼18 28∼32

Nannochloropsis sp. not available not detectable 31∼68

Schizochytrium sp. not available not detectable 50∼77

Quadricauda de Scenedesmus - 47 1.9

Chaetoceros muelleri 11∼19 44∼65 22∼44

Isochrysis galbana 7∼25 30∼45 23∼30

Chlorella protothecoides 11∼15 10∼53 15∼55

Neochloris oleoabundans not available not detectable 35∼54

Scenedesmus obliquus 10∼17 50∼56 12∼14

Table 4. 미세조류 바이오매스의 화학적 조성(% of dry mass)

을 줄이기 위해서는 가스의 물질 전달 효율을 높

일 수 있는 염기조건에서 생육 가능한 균주가 최

적이다. 다섯째, 미세조류는 타 식물종에 비해 비

교적 작고 단일 세포이기 때문에 세포를 회수하

는데 드는 비용이 높다. 원심분리를 고가의 공정

이므로 대신에 여과. 침잔, 부유와 같은 방법의

개발이 필요하며 혹은 생육의 어떤 단계에서 응

집성이 높은 균주를 선택하는 것이 낫다. 여섯째,

세포 회수 후 세포를 저 비용으로 파쇄하려면

Nannochloropsis와 같이 크기가 작고 세포벽이

두꺼운 균주보다는 크기가 크고 세포벽이 얇은

균주가 적합하다.

3.2. 미세조류 바이오매스의 조성

미세조류 세포는 특별한 성분으로 구성되어 있

지는 않으며 식물과 비슷한데, 광합성에 관여하

는 색소와 같은 물질 이외에도 소화성이 높은 탄

수화물, 식품으로 사용되기에 충분한 함량의 단

백질, 함량이 식품(1∼35%)이나 바이오연료(20∼

80%)용으로 적합한 지질 등의 기본 물질로 구성

되어 있다(Table 4). 따라서 식물 작물을 회수하

고 처리하는 방법이 그대로 적용될 수 있다. 미세

조류 바이오매스의 화학적 조성은 배지성분 뿐만

아니라 환경적 요인, 세포 회수 처리법, 세포 건

조법에 의해서도 좌우된다[62]. 더 나아가 필수

비타민(A, B1, B2, B6, C, E)을 비롯한 유용물질

의 함량도 달라짐으로써 미세조류 바이오매스의

용도는 식품, 화장품, 연료 등으로 다양화된다.

지질 성분은 바이오디젤, 단백질과 일부 지방산

성분은 건강 관리 제품으로 주로 사용된다.

3.3. 배양 배지의 조성

미세조류 세포의 고속 성장을 위해서는 필수

원소들(탄소, 질소, 인, 황)과 미량 원소들(철, 마

그네슘 등)이 배양배지에 반드시 포함되어야 한

다(Table 5). 질소 결핍 조건에서 Chlorella emer-

sonii (63%), Chlorella minutissima (56%), Chlore-

lla vulgaris (57.9%), Chlorella luteoviridis (28.8%),

Chlorella capsulata (11.4%), Chlorella pyrenoi-

dosa (29.2%), Neochloris oleoabundans (35∼

54%)와 같은 미세조류들의 지질 함량은 증가한

다[67]. 특히, Neochloris는 지질 중 triglyceride



배지 영양요소 주요 첨가물 기능 최적 농도 범위

Carbon source CO2, HCO3

−

, CO3

2−, etc. Provide C to the hole cell, etc. 1∼10 g/L

Nitrogen source NO3

−

, Urea, AA, N2, etc. Provide N to the hole cell, etc. 10∼2000 mg/L

Phosphorus Hydrophosphate, phosphate, etc. Provide P to every reaction in cells, etc. 10∼500 mg/L

Sulphur sulphate etc. Provide S to proteins and reactions, etc. 1∼200 mg/L

Inorganic salts K, Ca, Na, Mg, etc. Maintain cell structure and activity, etc. 0.1∼100 mg/L

Trace elements Fe, Zn, Mn, Pb, Cd, etc. Be coenzyme factors, etc. 0.01∼10 mg/L

Vitamin VitB, VitC, VitE, etc. Aid to cell division, etc. 0.01∼1000 µg/L

Table 5. 미세조류 배양 배지의 주요 성분

Figure 3. 태양광의 세기가 미세조류 세포의 비성장 속도에

미치는 영향.

가 차지하는 비율이 80%로서 2.2배나 증가한다

[14]. 어떤 미세조류는 오염물 농도가 높은 호수

나 산업 폐수에서도 잘 자랄 수 있으며 일반적으

로 미세조류를 배양하기 위한 배지의 조성은 균

종과 배양 조건에 따라 다르다. 특히, 해안 근처

미세조류 배양의 경우, 값싼 해수를 미세조류의

최적 배양에 사용하기 위해서 염분의 양(35 g/L)

은 충분하지만 질소나 인은 따로 더 공급해줄 필

요가 있다. 담수를 미세조류 배양에 이용할 경우

에는 더 많은 양의 물이 소용되며 이때에도 질소

나 인을 따로 더 공급해줄 필요가 있다.

3.4. 광 요구성

미세조류에 요구되는 광량은 고등 식물에 비하

여 작지만 400 mmol/m2s까지는 광량이 증가함에

따라 대사활성도 증가한다. 예를 들어, Chlorella

와 Scenedesmus의 포화 광세기는 200 mmol/m2s

정도이다. 호열성 Chlorogleopsis 종은 최적 광도

는 36.9 mmol/m2s이지만 높은 광도(246.1 mmol/

m2s)와 낮은 광도(36.9 mmol/m

2s)에서도 세포 적

응성이 뛰어나 잘 자란다. 그러나 최적 광도에서

광독립영양 성장을 하던 대부분의 미세조류는 낮

은 광도의 환경에 놓이게 되면 종속영양 성장으

로 바꾸며 일부 균주는 혼합영양 성장을 나타낸

다. 그러나, 일정 세기 이상의 광도에서는 오히려

광저해에 의하여 세포 성장이 낮아진다(Figure

3). 이러한 최적 광도의 조절은 실외 배양보다는

실내 배양에서 더 중요하며 세포에 따라 그 최적

값이 다른데 유전공학적으로 chlorophyll 안테나

크기를 줄임으로써 바꿀 수 있다.

3.5. 온도와 pH

온도는 미세조류 세포의 생리적 형태적 반응을

조절하는 주요 인자이다. 온도가 높을수록 더 높

은 세포성장속도가 나타나며 최적의 온도에서 미

세조류 효소들은 최대의 활성을 나타낸다. 최적

온도는 미세조류 종에 따라 다르지만 대부분 25

∼35 ℃의 범위이며 광조건과 같은 환경에 따라

서도 다르다. 대부분의 미세조류는 중성 pH가 최

적이지만 Spirulina platensis와 C. littorale와 같

은 일부 미세조류 종은 각각 알카리(pH 9)나 산

성(pH 4) 조건이 최적이다. bioreactor 내에서

CO2 혹은 CO3

2-의 농도 증가는 pH를 변화시켜

pH 조절에 큰 영향을 미칠 수 있다. 배지 내의


20 공업화학 전망, 제15권 제2호, 2012

ParameterOpen system

(raceway pond)

Closed system

(photobioreactor)

Area needed (m-2

) 7,828 5,681

Annual biomass

production (kg)

100,000 100,000

Volumetric Productivity

(kg/m3day)

0.117 1.535

Oil Yield

(m3/ha, based on 40%

of biomass)

56.8 78.2

Contamination control Difficult Easy

Operation regime Batch or

semi-continuous

Continuous

Area/volume ratio Low High

Light utilization efficiency Poor Excellent

Process control Difficult Easy

Scale up Difficult Easy

Table 6. 개방형과 폐쇄형 광배양 시스템의 공정변수 비교

(a)

(b)

Figure 4. (a) Raceway pond system과 (b) tubular photo-

bioreactor.

NH3와 NH4

+도 산화반응을 두고 물분자와 경쟁

하여 산소를 발생시킬 수 있다. 따라서, 어떤 경

우에는 광생물반응기의 pH 조절이 CO2와 NH4

+

농도 조절에 의해 이루어진다.

4. 미세조류 배양기술

4.1. 광배양기 디자인

식용 혹은 수산 양식을 위한 미세조류 배양의

전통적인 방식은 탱크나 연못을 이용하는 것이었

다. 이산화탄소 농도가 낮은 이러한 Raceway pond

나 channel 방식의 개방형 배양 시스템에서는 운

영 비용이 적은 만큼 이산화탄소를 더 많이 공급

하기 위해 더 넓은 면적이 필요했기 때문에 타

생물종에 의한 오염도가 더욱 높으며 광효율은

더 낮다(Table 6). 미세조류 생산은 대부분 개방

형 pond에서 연구가 30년 이상 진행되어 왔지만

생육 환경이 매우 선택적인(즉 오염도가 낮은) 3

가지 균종(Spirulina, Dunaliella, Chlorella) 이외

에는 적용하기 어려운 것으로 알려져 있다[15].

따라서, 궁극적으로는 오염도가 낮고 공정 제어

가 용이하고 광합성 효율이 높은 폐쇄형 광반응

기가 목적에 맞게 독립적으로 개발되어 사용되어

야 한다(Figure 4).

광 생물 반응기의 개발은 매우 주목받고 있는

연구 분야이며 다양한 형태의 반응기가 개발되었

다. 현재의 연구 추세는 vinyl을 이용한 재활용이

가능하고 제작이 용이한 photo-bioreactor의 개발

이며 나선형, 피라미드형, 관형, 튜브형 등이 개

발되었다. 생산성은 형태 및 구조에 따라 상이한

수준이나 경제성을 가질 정도로 우수한 생산성을

가진 반응기는 아직 개발되지 않았다. 미국이

NASA의 OMEGA 프로젝트, 엑손 모빌의 “Exxon

Mobil Algae Biofuels Research and Development

Program.” 등으로 전 세계의 기술은 선도하는 수

준이다. 개방형 배양 시스템에 비하여 비용이 더

드는 광반응기는 고부가 가치 유용물질의 생산에

국한되어 사용되지만 더 높은 농도로 바이오매스

를 생산하기 때문에 배양 이후 추출 공정의 비용



을 줄일 수 있다. 단일 미세조류 세포를 배양하기

위한 광배양기의 디자인과 조업에 관한 연구는

효율적인 물질 전달을 바탕으로 투입되는 에너지

비용을 줄일 수 있고 태양광과 고농도 이산화탄

소를 잘 이용할 수 있도록 실내외에서 진행되어

왔다[16]. 광배양기의 성능은 광배양 시스템의 특

성에 따라서 반응기 체적당 생산성(biomass/volume/

time) 또는 설비 면적당 생산성(biomass/occupied

area/time) 혹은 조명 표면 당 생산성(productivity/

illuminated biomass surface/time)을 기준으로 평

가될 수 있다.

4.2. 미세조류 고농도 배양기술

미세조류 배양 기술 중 종속영양 배양법은 이

산화탄소 포집과 바이오매스 획득의 효율 측면에

서 유리하지만 비용이 많이 든다. 반면에 자가영

양 배양법은 고농도 및 대량 배양기술의 확립을

통해 배양 효율을 높인다면 대규모 상용 공정으

로 이어질 수 있다. 또한 개방형 배양 장치는 만

들어서 조작하기 쉽지만 배양 조건을 유지하기

힘들고 오염되기 쉬우며 세포 수확 비용이 높다

는 단점이 있기 때문에 온도, pH 등의 선택적인

배양 환경을 조성하기에 알맞은 폐쇄형 배양기가

바이오매스의 대량 생산에 적합하다. 그러나 폐

쇄형 배양 시스템에는 목적에 맞는 특정 광배양

기 형태(vertical, flat plate, annular, plastic bags,

air lifted glass, plastic tubular reactor 등)의 디자

인, 에너지 소모적인 pumping, sparging과 같은

내부 공정의 최적화, 반응기 재질 비용의 최소화

등이 요구된다[17]. 이때, Chlorococum과 같은

균주에 대해서는 이산화탄소의 포집을 원활하게

하기 위하여 20% (v/v)의 희석률에 의한 반연속

식 배양 기술이 추가로 사용될 수 있다. 대체적으

로 폐쇄형 광반응기는 고부가 가치 유용물질의

생산을 위해 적합하고, 개방형 배양은 바이오연

료 생산을 위한 바이오매스 생산에 적합하다.

일반적으로 연속조업의 광배양기 생산성은 정

상 상태의 바이오매스 농도에 희석 속도를 곱하

여 얻어지는데 반응기 표면(혹은 내부)의 광 조

도, 유체역학적 조업 변수 등에 의존한다. 여러

가지 반응기 형태들(helical, vertical, horizontal

등등) 중에서 관형(tubular type) 반응기가 태양광

흡수와 그림자 효과 제거, 이산화탄소 분산, 온도

조절, 세포 침착 방지 측면에서 가장 낫다. 특히,

열전달이 최적화된 나선 관형 원뿔 광배양기

(conical helical tubular photobioreactor)를 이용한

다면, 일년 내내 다양한 장소에서 더 적은 조업

에너지를 투입하여 더 많은 바이오매스를 생산하

기 위해, 내부로 흘리는 유체의 최적 온도를 계절

과 시각에 따라 미리 예측할 수 있다. 현재 국내

에서 개발 중인 Photo-bioreactor의 경우 장기 옥

외배양을 통한 실증을 위한 다양한 data를 수집

하였고 v-neck, sparger, H/D ratio와 같은 반응기

설계에 관한 요인도 지속적으로 개선이 이루어지

고 있는 상황이다. 또한 Chlorella, Haematoco-

ccus pluvialis 등의 다양한 미세조류에 대해서도

반응기를 이용한 배양이 이루어졌고 평균 이상의

우수한 생산성을 나타내었다. 이러한 기술을 바

탕으로 미국 등 선진국과 같이 실제 발전소 등의

대규모 이산화탄소 배출원에 대한 실증 연구가

이루어진다면 한국형 생물학적 이산화탄소 고정

반응기를 개발하여 한국의 화력 발전소 및 기타

이산화탄소 배출원에 적용시킬 수 있을 것이다.

5. 유용물질 생산기술

5.1. 광합성에 의한 이산화탄소의 고정

미세조류의 엽록체 내부에서 rubisco (Calvin

Cycle)에 의해 이산화탄소가 고정되어 3-phospho-

glycerate 두 분자가 생성되며 이 C3 유기산은 전

분이나 지질로 합성된다. 그러나, 산소가 이산화

탄소와 경쟁하면 oxygenase에 의하여 3-phospho-

glycerate와 2-phosphoglycolate가 생성되며 이 2-

Phosphoglycolate는 glycine으로 전환되어 serine

을 생성시키는데 이때 이산화탄소가 소모됨으로

써 광합성 효율이 20∼30% 정도 감소하게 된다.

이러한 광호흡은 주로 빛이 존재할 때 발생한다.

따라서 이를 극복하기 위하여 미세조류는 대기와


22 공업화학 전망, 제15권 제2호, 2012

의 평행 농도 이상으로 이산화탄소를 세포 내부

에 충분히 저장하며 미세조류 종에 따라서는 gly-

colate형성 혹은 광호흡이 결핍된 균도 있다. 미

세조류는 대기 혹은 연소 배가스의 이산화탄소를

1.5∼2 : 1의 비율로 바이오매스로 포집할 수 있

다. 특히 Chlorococcum littorale는 40% (v/v)까지

고농도의 이산화탄소에 대해 높은 내성과 1 g

cell/L/day 이상의 이산화탄소 고정률을 보인다.

또한, Scenedesmus obliquus와 Spirulina도 온도

가 30 ℃로 조절된 3단 연속식 tubular photobio-

reactor에서 높은 수준의 이산화탄소 고정률을 나

타낸다. Spirulina은 6% 이산화탄소에서 최대 비

성장속도 0.44 /day와 6% 이산화탄소에서 최대

생산성 0.22 g/L/day를 보인다. Spirulina obliquus

SJTU-3, Chlorella pyrenoidosa SJTU-2, Botryo-

coccus braunii SI-30는 높은 농도(30∼50%)의

이산화탄소를 각각 total lipid, polyunsaturated

fatty acid, hydrocarbon의 고 축적을 위해 사용된

다. 배가스는 이산화탄소 농도가 높아서 광호흡

에 의한 광합성 저해가 발생할 우려가 있지만 황

이나 질소를 또 다른 영양분으로 내포하고 있어

서 바이오매스 생산성을 30% 정도 향상시킬 수

있는 장점을 지닌다.

5.2. 유용물질 분리를 위한 다운스트림 공정

미세조류 바이오매스를 분리하고 농축하는 과

정은 경제적이고 효율적인 공정으로 구성되어야

한다. 기존 화학공정에서 발전되어온 고열, 고압

과 같은 고에너지를 사용하는 추출 및 분리와 같

은 방법들은 화학공정이 아닌 생물 공정에 적용

하기에는 효율적이지 못한 측면이 있다. 바이오

매스 harvest는 일반적으로 하나 이상의 고-액 분

리 단계를 요구하며, 미세조류 바이오매스 생산

에서 중요한 공정중 하나이다. 일반적으로 총 생

산비용의 20∼30%를 차지한다. 이 포집 과정은

flocculation, filtration, flotation, centrifugal sedi-

mentation 등을 포함하며, 이중 어떤 공정들은 상

당히 에너지 소모적이다. 다양한 회수 방법의 장,

단점 조사 및 효능, 효율을 비교하여 배가스 이용

광배양 공정에 적합한 공정을 선택해야 한다.

일반적으로 미세조류는 광투과의 제한과 세포

의 작은 크기(2∼40 µm) 때문에 세포 밀도가 제

한되며(대개는 0.3∼5 g/L) 낮은 세포밀도는 경제

적인 미세조류 바이오매스의 수확을 더욱 어렵게

만든다. 따라서 세포 회수방법의 선택은 경제적

인 미세조류 바이오매스 생산을 위해 중요하며

미세조류의 특성(즉, 세포 크기, 세포 밀도, target

product의 가격)에 알맞게 개발해야 한다. 바이오

매스 회수공정은 2단계로 구성되는데 먼저 bulk

harvesting은 bulk suspension로부터 바이오매스

를 분리하는 공정이다. 이 공정은 일반적으로 100

∼800배의 concentration factor를 통하여 최종적

으로 2∼7% total solid matter를 얻을 수 있다.

이후에 진행되는 thickening은 centrifugation, fil-

tration, ultrasonic aggregation와 같은 기술을 통

하여 slurry를 농축하는 공정이므로 더욱 에너지

집약적인 단계이다. 바이오매스의 건조공정은 바

이오매스와 최종 생산물의 높은 농도를 위해 요

구되는 공정이다. 일반적으로 건조는 열을 필요

로 하기 때문에 methane drum dryer나 다른

oven-type dryer가 사용되고 있다. 그러나 온도와

시간이 증대됨에 따라 건조에 사용되는 비용이

급격히 증가한다. Air-drying은 건조한 기후에서

사용이 가능하나 많은 부지와 시간이 소모된다.

건조 후에는 생산물을 추출하기 위하여 미세조류

를 파쇄하는 과정을 거친다. 이때, 미세조류의 세

포벽과 생산물의 특성에 따라 여러 가지 세포파

쇄법이 있다.

상업적으로 가치가 있는 배양 규모를 가지는

생물공정의 경우 고부가 가치 유용물질을 미세조

류에서 회수하기 위하여 다양한 단계의 분리, 회

수, 전환 공정을 거쳐야 한다. 미세조류 유래의

카르테노이드 생산 비용의 대부분은 바이오매스

회수 및 건조, 바이오매스 파쇄, 용매 추출, 고순

도 정제 등 분리 정제를 위한 다운스트림 공정에

해당한다. 미세조류 바이오매스는 항상 유기용매

추출법을 통해 가공되어야만 첨가물로서의 제형

이나 혹은 지방산으로부터 카로테노이드 등의 분



리 및 최종적인 결정화 등과 연계되는 다단계 정

제에 직접 이용될 수 있다. 이외의 추출법으로서

초임계를 이용한 방법, lutein을 이용한 선택적

흡착법, 선택적 침전법 등도 있는데 아직 상용화

수준으로 사용하기에는 경제성 등에서 많은 어려

움을 가지고 있지만 시간이 걸리고 다단계 공정

을 요구하는 유기용매 추출법에 대한 대안이 될

수 있다.

5.3. 바이오리파이너리 통합공정

경제적으로 실현 가능한 미세조류 유래 바이오

연료의 생산은 bulk chemicals, food, feed ingre-

dients 등의 생산과 결합되었을 때 가능할 것이

다. 따라서 미세조류 바이오매스로부터 유용물질

을 분리하기 위한 여러 가지 공정 개발 분야에서

바이오리파이너리 기술의 개발은 매우 중요하다

[18]. w3-fatty acids, carbohydrates, pigments,

vitamins, protein과 같은 화합물은 다단계의 다운

스트림 공정을 거치면서 그 기능을 유지해야 하

며 동시에 스케일업 가능성, 저비용의 에너지 요

구성, 조작의 용이성 등이 고려되어야 한다. 지금

까지 개별적인 생산 단계들이 논의되고 연구되었

지만 어떤 단위 공정(upstream)의 불확실성은 하

부 공정(downstream)에 큰 영향을 주므로 서로

다른 공정들을 하나의 완전한 하나의 공정으로

통합하는 최적의 미세조류 바이오매스 생산 시스

템이 파일롯 또는 실증 규모로 개발되어야 한다.

6. 맺음말

생물학적 이산화탄소 고정화 연구는 선진국과

대등한 수준의 기술을 보유함으로써 지구 환경문

제 해결과 국가 위상제고의 효과가 있다. 또한 미

세조류의 분리, 배양, 유용물질 생산 등에 수반되

는 미세조류 생명공학기술의 핵심․요소기술의

발전은 21세기 핵심 산업기술로 주목을 받을 것

이다. 이산화탄소의 생물학적 고정화 시스템의

수요는 2008년 기후변화협약의 발효를 바탕으로

전 세계적으로 급증할 것으로 전망된다. 또한 미

세조류의 biomass는 사료 첨가제, 식품 착색제,

건강식품, 진단용 의약품, 항암․항생 물질 등의

고부가 유용물질로 전환되어 국내에서 500억원/

년 규모의 시장형성이 예측된다. 또한 향후 미세

조류 개량기술, 고밀도 대량 배양기술, 수확기술,

물질전환기술 등 핵심기술의 발전에 따라서 미세

조류 바이오매스의 생산가는 2 €/kg 이하가 될

것으로 예상되며 연료 및 화학물질의 대규모 시

장을 형성하게 될 것으로 보인다.

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Ibanez, J. Agric. Food Chem., 57, 7159 (2009).

12. E. W. Becker, Biotechnol. Adv., 25, 207

(2007).

13. M. Murakami and M. Ikenouchi, Energy


24 공업화학 전망, 제15권 제2호, 2012

최 승 필

1992 서울대학교 식품공학과 학사

1994 서울대학교 농업생물공학과

석사

2003∼2007 (주)에이피테크놀로지

연구부장

2008 KAIST 화학공학과 박사

2008∼2010 성균관대학교 생명화학공학과

Post-doc

2011∼현재 고려대학교 화공생명공학과

연구교수

심 상 준

1988 서울대학교 화학공학과 학사

1990 KAIST 화학공학과 석사

1994 KAIST 화학공학과 박사

1996 MIT Post-doc

1996∼2002 KIST 선임연구원

2002∼2011 성균관대학교 화학공학부

부교수

2011∼현재 고려대학교 화공생명공학과

교수

Conv. Manag., 38, 493 (1997).

14. M Kawata, M Nanba, and R Matsukawa,

Stud. Surf. Sci. Catal., 114, 637 (1998).

15. M. E. Huntley and D. J. Redalje, Mitig.

Adapt. Strat. Glob. Change, 12, 573 (2007).

16. O. Pulz, Appl. Microbiol. Biotechnol., 57, 287

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17. C. Y. Chen, K. L. Yeh, R. Aisyah, D. J.

Lee, and J. S. Chang, Bioresour. Technol.,

102, 71 (2010).

18. J. H. Mussgnug, V. Klassen, A. Schlüter,

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미세조류에 의한 이산화탄소의 생물학적 유기자원화 - CHERIC · 2014. 8. 13. ·...

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