Valorization of crude glycerol from heterotrophic microalgae cultivation: optimization and characterization of bioproducts

세계는 산업이 만들어낸 문제를 해결하기 위해 점점 더 자연에 주목하고 있습니다. 가장 지속적인 과제 중 하나는 바이오 연료를 만드는 과정에서 발생하는 폐기물을 어떻게 처리하느냐 하는 것입니다. 구체적으로는 식물성 기름을 바이오디젤로 전환한 후 남는 걸쭉하고 끈적한 부산물을 어떻게 다룰 것인가의 문제입니다. '조 글리세롤(crude glycerol)'이라 불리는 이 물질은 흔히 버려지거나 태워지는데, 이는 놓쳐버린 기회를 의미합니다. 동시에 과학자들은 미세조류라고 불리는 미세한 식물을 지속 가능한 방식으로 재배하는 방법을 찾고 있습니다. 이 작은 유기체들은 강력한 공장입니다. 이들은 단순한 영양분을 연료용 기름, 식품용 단백질, 그리고 액체를 걸쭉하게 만드는 끈적한 물질으로 바꿀 수 있습니다. 연구자들의 큰 의문은 이 두 세계가 만날 수 있을 것인가 하는 점이었습니다. 즉, 한 산업의 폐기물이 다른 산업의 먹이가 되어, 아무것도 낭비되지 않고 가치 있는 새로운 제품들이 탄생하는 순환 구조를 만들 수 있을 것인가 하는 점입니다.

브라질의 한 연구팀은 어두운 탱크 기반 환경에서 특정 종류의 미세조류인 *클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris)*를 테스트함으로써 이 질문에 답하고자 했습니다. 햇빛이 있어야 자라는 일반적인 식물과 달리, 이 미세조류는 유기 탄소원을 섭취하며 생존하고 번식할 수 있는데, 이를 '종속영양 배양(heterotrophic cultivation)'이라고 합니다. 과학자들은 이 미세조류에게 조 글리세롤을 먹여서 세포 질량(cell mass), 연료에 적합한 기름, 그리고 액체처럼 흐르지만 고체처럼 형태를 유지하는 미끄러운 겔 형태의 물질이라는 세 가지 유용한 재료를 생산하도록 유도할 수 있는지 확인하고 싶었습니다. 완벽한 레시피를 찾기 위해 그들은 단순히 추측하지 않았습니다. 대신, 그들은 배양 탱크를 하나의 실험실 퍼즐처럼 취급하여 액체를 젓는 속도, 첨가된 글리세롤의 양, 그리고 제공된 질소 비료의 양이라는 세 가지 주요 성분을 정밀하게 조정했습니다. 그들은 어떤 조합이 미세조류를 가장 빠르게 성장시키고 가장 가치 있는 제품을 많이 만들어내는지 확인하기 위해, 변수들을 정밀한 패턴에 따라 변화시키며 수십 번의 실험을 수행했습니다.

이러한 세심한 조율의 결과는 놀라웠습니다. 연구진은 특정 양의 글리세롤과 질소를 혼합하고 탱크를 적당한 속도로 저어줌으로써, 미세조류의 급격한 성장을 촉발할 수 있다는 것을 발견했습니다. 단 24시간 만에 미세조류는 글리세롤을 완전히 소비하고 조밀한 세포 질량을 만들어냈습니다. 이는 단순히 적은 양의 성장이 아니었습니다. 미세조류는 단 하루 만에 리터당 1.18그램의 농도에 도달했는데, 이 속도는 이 방식이 산업적 규모로 확대 적용될 수 있음을 시사합니다. 더 중요한 것은, 세포가 단순히 성장만 한 것이 아니라 내부 화학 구조를 변화시켰다는 점입니다. 세포 내부에 저장된 기름은 바이오디젤을 만들기 위한 훌륭한 후보로 밝혀졌습니다. 분석 결과, 조류 내부의 지방 분자들은 엔진에서 깨끗하고 효율적으로 연소될 수 있는 적절한 화학적 구조의 균형을 갖추고 있었으며, 브라질, 유럽, 미국의 엄격한 품질 기준을 충족했습니다. 이 기름은 시간이 지남에 따라 연료를 망가뜨리는 산화 현상에 저항하는 안정성을 보여주어, 폐 글리세롤이 실제로 고품질 에너지로 변모할 수 있음을 증명했습니다.

하지만 이야기는 기름에서 끝나지 않았습니다. 조류를 탱크에서 제거한 후 남은 액체에는 놀라운 사실이 숨겨져 있었습니다. 이 투명한 액체에는 조류가 성장하면서 분비한 당 분자의 긴 사슬인 천연 폴리머가 포함되어 있었습니다. 연구진이 이 물질을 테스트했을 때, 그것은 매우 흥미로운 방식으로 작동한다는 것을 발견했습니다. 가만히 있을 때는 걸쭉하고 끈적였지만, 저어주거나 짜주면 더 묽어지고 쉽게 흘러갔습니다. '의 pseudoplastic(의사소성/가소성)' 거동이라고 알려진 이 특성은 치약부터 페인트에 이르기까지 모든 것을 만드는 산업에서 매우 귀하게 여겨지는데, 왜냐하면 제품이 필요할 때까지 제자리에 머물러 있다가 적용할 때 매끄럽게 흐르게 할 수 있기 때문입니다. 조류가 생산한 이 물질은 박테리아를 이용해 만드는 흔한 상업용 증점제인 잔탄검과 매우 유사했지만, 값비싼 합성 먹이 대신 폐기물을 사용하여 생산되었습니다. 더욱이, 이 액체 자체는 강력한 유화제 역할을 하여 기름과 물을 분리되지 않고 안정적으로 섞이게 할 수 있었습니다. 대두유나 올리브유와 같은 다양한 기름을 대상으로 테스트했을 때, 조류 액체는 24시간 이상 혼합 상태를 유지하였으며, 이는 화장품이나 산업용 세정제에 천연 성분으로 사용될 수 있음을 시사합니다.

연구는 또한 조건이 적절하지 않을 때 어떤 일이 일어나는지도 밝혀냈습니다. 연구진이 조류에게 너무 많은 글리세롤을 공급하려 했을 때, 세포들은 아마도 너무 달고 걸쭉해진 환경을 감당하지 못해 성장을 멈추었습니다. 마찬가지로 질소의 균형도 결정적이었습니다. 질소가 충분하지 않으면 조류는 몸체를 구성할 수 없었지만, 적절한 양이 있으면 번창했습니다. 이 연구는 이 과정이 단순히 세포를 키우는 것이 아니라, 그들의 대사를 조절하는 것임을 확인해주었습니다. 환경을 통제함으로써 과학자들은 조류가 기름과 폴리머를 만드는 데 우선순위를 두도록 유도할 수 있었습니다. 이 작업은 바이오디젤 공장의 폐기물이 반드시 짐이 될 필요는 없다는 점을 시사합니다. 대신, 그것은 연료, 산업용 증점제, 그리고 유화제를 모두 생산하면서 동시에 환경적 폐기물 흐름을 정화하는 새로운 종류의 바이오 리파이너리(biorefinery)의 토대가 될 수 있습니다. 이 연구 결과는 한 과정의 출력이 다른 과정의 입력물이 되어, 과거의 부산물을 미래의 자원으로 바꾸는 순환 경제를 향한 구체적인 경로를 제시합니다.