탄화수소를 생산하는 B. braunii의 동시추출공정 적용연구

안 진영1,2, 최 정규1, 심 상준1, 김 병우2

한국과학기술연구원 청정기술연구센터1, 성균관대학교 화학공학과2

Application study of in situ extraction culture of B. braunii

producing hydrocarbon

J. Y. An1,2, J. G. Choi1, S. J. Sim1. and B. W. Kim2

Clean Technology Research Center, Korea Institute of Science and Technology1

Department of Chemical Engineering, Sungkyunkwan University2

서 론

건조질량의 15∼75 %의 탄화수소를 생산한다고 알려진 green colonial algae인 B. braunii는 화석연료를 대체할 재생 생물연료(renewable biofuels)로 제시되고 있다. 생산된 탄화수소의 대부분은 균주 외벽의 다당류에 의해 형성된 matrix인 external pool에 존재한다 [Metzger et al., 1985 and Casadevall et al., 1985].

본 연구에서는 균주의 배양과 동시에 생산물을 회수할 수 있는 동시추출공정을 B. braunii 배양에 적용하고자 한다. 생물공정에서 가장 일반적인 동시추출공정인 two phase bioreactor의 경우 가장 중요한 인자는 생산물의 추출을 위한 적절한 유기용매의 선정에 있다. 동시추출을 위한 유기용매가 갖추어야 할 요소들은 상분리를 위한 물과의 불용성, 원하는 생산물에 대한 높은 분배계수, 균주에 대한 낮은 독성, 그밖에 생산물과 분리의 용이성, 그리고 조작의 용이성 등이 있다. 그리고 극성인 유기용매의 경우 극성인 물이 대부분인 배양액과의 접촉이 용이해서 높은 생산물의 회수율을 보이나, 균주내 다른 성분까지 추출하여 균주 성장에 많은 저해를 주는 단점이 있다. 비극성 유기용매의 경우 배양액과의 접촉이 어려워 균주 성장에는 장점이 있으나, 생산물의 회수율이 낮은 단점이 있다[Frenz et al, 1989]]. 본 연구에서는 two phase 동시추출공정에서 유기용매의 투여 용량, 투여시간에 따른 균체의 성장, 탄화수소의 회수율을 비교하여 최적조건을 찾고자 하였다.

본연구에 이용된 B. braunii의 경우 생산된 탄화수소가 균주 외벽의 matrix에 강하게 부착되어 있기 때문에, two phase 추출공정 적용시 bubble column내에서 단지 폭기에 의한 교반만으로는 충분한 탄화수소의 회수율을 얻을 수가 없었다.

이와 같은 문제점을 극복하기 위해, 본 연구에서는 재순환 동시추출 공정을 개발하여, 유기용매와 배양액과의 접촉을 개선시켜 보다 높은 탄화수소 회수율을 얻고자 하였다.

실험 방법

사용된 균주는 green colonical algae인 B. braunii UTEX 572이며, 배지는 modified CHU13을 이용하였다.  250ml flask내에서 7일 마다 계대배양을 실시하여 bubble column에 10 v/v %로 접종하였다. 본 연구에 사용된 동시추출을 위한 500ml 용량의 bubble column (Fig. 1)에서의 배양조건은 외부광도는 100 □E/m2·s, 배양온도는 25℃로 고정하였고, 1% CO2 혼합공기를 100 ml/min으로 공급하였다.

균체의 농도는 680nm에서 흡광도를 측정하여 건조중량을 추정하였다 (Dry biomass (g/L) = 0.515 × OD680). 탄화수소는 10 ml 배양액을 80℃, 24h 건조시킨 후 aceton과 초음파균질기(VC 100, Materials & Sonics Inc., USA)를 이용하여 추출한 다음, silica gel로 충진된 chromatograph column(2×7cm)에서  탄화수소만을 정제한 다음, GC(FID)로 분석하였다. 정량을 위한 internal standard로 squalene을 사용하였다.

결과 및 토론

탄화수소의 생산능력을 가진 B. braunii UTEX 균주를 bubble column 형태의 반응기 내에서 배양하였을 경우 건조중량의 약 22∼55%의 탄화수소를 생산하였다.

Fig. 2은 two phase 추출공정에서 잠정적으로 최적용매로 선정된 dihexyl ether의 최적 투여용량을 선정하기 위해, 400ml 배양액에 각각 80 ml, 60 ml, 40 ml의 dihexyl ether를 투여하였을 경우 성장곡선과 유기용매층의 탄화수소의 농도를 나타낸다. 80ml를 투여한 경우 성장저해를 심하게 받았으나, 나머지 경우는 거의 비슷한 성장속도를 보였다. 따라서, 용매와 배양액의 접촉시간을 보다 길게하여, 보다 높은 탄화수소 회수율을 얻기위해 최적투여용량을 60 ml로 선정하였다. 탄화수소의 회수율은 80ml를 투여한 경우는 25.2%, 60ml를 투여한 경우는 18.4%, 40ml를 투여한 경우는 12.3%로 나타났다..

Fig. 3은 최적투여시간을 결정하기 위해, 균체의 지수성장기의 초기인 62h, 균체의 지수성장기의 중기인 86h에 최적투여용량으로 선정한 60ml dihexyl ether를 투여하였을 경우, 유기용매층의 탄화수소의 농도를 나타낸다. 62h에 투여한 경우의 탄화수소의 회수율은 26.0%, 86h에 투여한 경우는 15.5% 이었다. 균체의 농도가 높아짐에 따라 소수성인 유기용매층과 접촉을 피하기위해 배약액 층에서 많은 clump를 형성하게 된다. 이때 생성된 clump가 유기용매층 위로 밀려올라가 cell이 손실되어, 성장과 탄화수소 회수에 단점으로 작용하였다. 따라서, 최적 투여시간은 지수성장기의 초기인 64 h 부근으로 선정하였다.

유기용매와 배양액 두 상 사이에 단지 폭기(aeration)에 의한  교반만으로 인한 불충분한 균체와 유기용매와의 접촉기회로 인해 비교적 낮은 회수율을 가져오는 문제를 해결하기 위해, 용매층과 배양액층의 접촉기회를 증대시켜 탄화수소 회수율을 개선하기 위한  재순환 동시추출공정을 개발하여 이용하였다. Dihexyl ether의 경우 알칸계 비극성 유기용매(10∼20%) 보다 비교적 높은 회수율(20∼30%)을 가지지만, 상대적으로 고가($230/500ml)인 단점이 있고, 높은 비점(228℃)으로 인해 분리공정이 복잡하고 많은 분리비용을 초래한다. 또한 균체성장에 있어 비극성 용매인 알칸계 유기용매보다 균주에 대한 저해성이 다소 높아서 장기운전시 단점으로 작용한다. 따라서 회수율이 개선된 재순환 동시추출공정의 경우 분리가 용이하고 균체성장측면에서 유리한 octane(bp=120℃)을 최적용매로 선정하였다.

Fig. 4는 동시추출용 용매로 octane을 이용하였을 경우에 two phase 동시추출공정과 배양액의 재순환 속도가 10∼12ml/min인 재순환 동시추출공정에서 유기용매층의 탄화수소의 농도변화를 보여준다.  two phase 동시추출공정의 경우 20.2%의 탄화수소 회수율을 보인 반면, 재순환 동시추출공정에서는 56.2%로 2배 이상의 회수율이 증가되었다. Table 1에 두가지 유형의 동시추출공정과 다양한 유기용매에 따른 비성장속도와 탄화수소 회수율에 대해 정리하였다.

본 연구에서는 two phase 동시추출공정에서 다양한 유기용매에 따른 균체성장과 탄화수소 회수율, 그리고 유기용매의 최적 투여용량과 투여시간을 선정하였다 그리고 본연구에서 개발된 재순환 동시추출 공정을 이용하여 기존의 two phase동시추출 공정보다 2배 이상의 탄화수소 회수율을 얻을 수가 있었다. 또한 배양액의 재순환 속도의 변화를 통한 균체성장과 탄화수소 회수율에 미치는 영향 및 단속적 재순환 추출공정에 대한 연구를 계속 수행하고 있다.

참고 문헌

E. Casadevall, D. Dif, and C. Largeau, "Studies on batch and continuous culture of Botryococcus braunii", Biotech. Bioeng., vol. 27, pp 286-295 (1985)

J. Frenz, C. Largeau, and E. Casadevall, "Hydrocarbon recovery and biocompatibility of solvents for extraction from cultures of Botryococcus braunii", Biotech. Bioeng., vol. 34, pp 755-762 (1989)

J. Frenz, C. Largeau, and E. Casadevall, "Hydrocarbon recovery by extraction with a biocompatible solvent from free and immobilized cultures of Botryococcus braunii", Enzyme Microb. Technol., vol. 11, pp 717-724 (1989)

P. Metzger, C. Berkaloff, E. Casadevall and A. Coute, "Alkadiene- and botryococcene- producing races of wild strains of Botryococcus braunii", Phytochemistry, vol. 24, pp 2305-2312 (1985)

(a)               (b)

Fig. 1. Schematics of two phase extraction

culture (a) and recycle extraction culture (b).

(b)

(a)

Fig. 2. Time couses of the cell growth (a) and

hydrocarbon contents in the solvent (b) under

various addition volume of dihexyl ether for

two phase extraction in the bubble column.

Table 1. Specific growth rate and recovery of hydrocarbon

in different extraction culture systems