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pp.17-34
본 연구는 2050 탄소중립 실현을 위한 핵심 수단으로서 미세조류 기반 CCU(탄소 포집·활 용) 기술을 고찰하고, 역순환식 광생물반응기(PBR) 설계의 타당성을 제시하였다. 대기 중 CO₂ 농도가 421 ppm을 상회하는 현 상황에서 생물학적 전환은 상온·상압 조건에서 운전 가능하고 에너지 소비가 낮아 화학적 전환 및 광물탄산화와 함께 CCU 3대 방법 중 가장 유망한 중단기 전략으로 평가된다. 미세조류는 육상 식물 대비 CO₂ 고정 효율이 최대 10~50배 높고 건조중량 기준 30~70%의 지질 축적이 가능하여 바이오디젤 생산과의 연계 잠재력이 크다. 배양 시스템 비교 결과, 밀폐형 PBR은 개방형 연못 대비 광합성 효율과 CO₂ 고정 효율에서 현저히 우수하며, 역순환 구조는 상승류·하강류의 분리를 통 해 물질 전달 계수(kLa) 향상, 용존산소 제거, 광 균일성 확보를 동시에 실현하는 핵심 설계 요소임을 확인하였다. 연구 결과 기존 개방형 시스템 대비 CO₂ 고정 효율을 향상시 켰으며, 향후 대규모 생물학적 CCU 시스템 구축의 기술적 토대가 될 것으로 기대한다. 신기술 개발(역방향 순환 PBR)을 통해 국내 NDC 및 탄소중립 목표 달성을 위한 실질적 인 공정 모델로 활용될 수 있다.
This study reviews microalgae-based carbon capture and utilization (CCU) technology as a key approach for achieving carbon neutrality by 2050 and proposes the feasibility of a reverse-circulation photobioreactor (PBR) design. With atmospheric CO₂ concentrations exceeding 421 ppm, biological conversion is recognized as one of the most promising medium-term CCU pathways among the three major approaches—biological conversion, mineral carbonation, and chemical conversion—due to its ability to operate under ambient conditions and its relatively low energy requirements. Microalgae exhibit CO₂ fixation efficiencies up to 10–50 times higher than those of terrestrial plants and can accumulate lipids accounting for 30–70% of their dry weight, demonstrating strong potential for integration with biodiesel production. Comparative analyses of cultivation systems indicate that closed photobioreactors significantly outperform open raceway ponds in terms of both photosynthetic efficiency and CO₂ fixation efficiency. In particular, the reverse-circulation configuration, which separates riser and downcomer flows, is identified as a key design feature that enhances the volumetric mass transfer co efficient (kLa), facilitates dissolved oxygen removal, and ensures more uniform light distribution within the culture medium. Consequently, this study provides a scientific and technological foundation for advancing biological CCU systems and supports the achievement of South Korea’s Nationally Determined Contribution (NDC) targets and long-term carbon neutrality goals.
Abstract
1. 서 론
2. CO2 포집·활용(CCU) 기술 동향
2.1. CCU 기술 개요
2.2. 생물학적 전환
2.3. 광물탄산화
2.4. 화학적 전환
3. 미세조류 배양 시스템 종류와 중요성
3.1. 미세조류 배양시스템의 개요
3.2. 개방형 배양 시스템(Open Cultivation Systems)
3.3. 밀폐형 광생물반응기(Closed Photobioreactors)
3.4. 배양 시스템별 성능 비교 및 CCU 적용 적합성 평가
3.5. 광생물반응기의 핵심 반응 조건과 CO₂ 전달 최적화
3.6. 배양 방법 선택의 중요성과 연구 방향
4. 역방향 순환 방식의 아크릴 관형 광생물반응기 설계 및 제작
4.1. 장치의 전체 구성 및 주요 부품
4.2. 역방향 순환 메커니즘의 작동 원리
4.3. 배양챔버 및 순환부재 세부 설계
4.4. 기체공급 시스템 및 운전 조건
4.5. 광원부재 설계 및 자연광 연동 에너지 절감 시스템
4.6. 스마트 센서 모니터링 및LED 시각화 시스템
4.7. 실증 제작 결과
4.8. 본 장치를 이용한 미세조류 배양 방법
5. 분석 결과
6. 결 론
참 고 문 헌
