△Precoating diatomite_Scheme

고려대학교 세종캠퍼스(부총장 양지운) 생명정보공학과 백승필 교수(교신저자)와 자연과학연구소 윤효직 박사(제1저자) 연구팀이 규조토(diatomite)를 프리코팅(pre-coating)한 판형 여과 공정(plate and frame filter press)을 적용하여 미세조류 바이오매스를 에너지 효율적으로 대량 수확하는 데 성공했다.

 

연구팀은 최대 5톤 규모의 수확에서도 안정적인 성능을 확인하며, 산업화 가능성을 입증했다. 이번 연구 결과는 세계적 권위지인 Bioresource Technology (I.F. 9.0, Agriculture Engineering 분야 1위 저널)에 「Diatomite coated plate and frame filter press as novel harvest method of microalgae biomass: Design and pilot-scale study」라는 제목으로 2025년 10월 최종 출판되었다.

 

미세조류는 단위 면적당 높은 생산성과 이산화탄소 저감 효과를 동시에 제공하는 차세대 바이오매스 자원이다. 그러나 전체 생산비의 상당 부분을 차지하는 수확 단계는 상용화의 가장 큰 걸림돌로 지적되어 왔다. 이번 연구는 판형 여과 장치에 규조토를 프리코팅하여 미세조류 세포의 포획성과 탈수 성능을 동시에 향상시키는 방법을 제시하였다.

 

연구팀은 실험실 규모와 실증 규모에서 동일한 조건으로 성능을 검증하였다. 최적 프리코팅 범위는 약 250–500 mg/L로 확인되었으며, 이 구간에서 수확 효율이 15–20%p 향상되었다. 여과 케이크는 안정적으로 형성되어 오염 저감과 투과유속 유지에 유리한 것으로 나타났다. 에너지 사용량은 2.5–3.0 kWh/m³ 수준으로 측정되어, 기존 원심분리 공정 대비 에너지 비용을 크게 낮출 수 있음을 보였다.

백승필 교수 연구팀은 총 여과면적 1.44 m²의 플레이트와 폴리프로필렌·폴리에틸렌·폴리비닐알코올 복합 여과천(두께 약 200 μm, 공극 5 μm)을 사용하였다. 한 사이클은 배양액 주입과 케이크 압착 단계로 구성되며, 여과천 표면에는 평균 0.85–1.76 mm 두께의 규조토층이 형성되어 미세조류 세포(약 5–20 μm)를 효과적으로 포집했다. 표면 전하 및 미세구조에 기반한 물리·화학적 상호작용으로 코팅층의 안정성도 확보되었다.

 

연구팀은 경제성 평가에서도 장비비와 에너지 비용 측면에서 우수성을 확인했다. 규조토 프리코팅 여과는 원심분리와 막여과 대비 연간 장치비를 약 30% 내외로 절감할 수 있는 잠재력이 있으며, 에너지 비용은 보수적으로 평가해도 약 80% 수준까지 낮출 수 있는 것으로 분석되었다. 또한 프리코팅 1회로 2–3일 연속 운전이 가능하고, 재코팅만으로 성능을 유지할 수 있어 유지관리 측면에서도 이점이 확인되었다.

 

백승필 교수는 “규조토는 천연 기원 재료로서 다공성 구조와 넓은 비표면적을 가져 미세입자 포획에 유리하다. 여과 장치에 규조토를 프리코팅하면 세포가 여과천 공극을 직접 막지 않고 규조토층에서 포집되어 장시간 안정적인 유속을 유지할 수 있다. 이 공정은 합성 화학첨가제 의존도를 낮추면서도 수확과 탈수를 동시에 달성하여 미세조류 기반 바이오매스의 상용화에 필요한 핵심 병목을 해소한다.”라고 밝혔다.

 

이번 연구는 한국연구재단의 유용물질 생산을 위한 Carbon to X(CtX) 기술개발사업과 집단과제인 지역혁신 선도연구센터(RLRC) 사업의 지원을 받아 수행되었다.