KR100883397B1 - Method for producing bio-diesel in supercritical fluid condition using lipase - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유지와 알코올을 기질로 하고 리파아제를 이용하여 바이오디젤을 생산하는 효소공정에 초임계 유체를 동시에 적용시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오디젤 생산 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a biodiesel production method comprising the step of simultaneously applying a supercritical fluid to an enzyme process for producing biodiesel using lipase as a substrate with fats and alcohols.

본 발명에 따르면, 성질이 다른 두 종류의 리파아제인 1.3-위치특이성 리파아제와 무위치 특이성 리파아제를 사용하는 효소공정에 초임계 이산화탄소를 동시에 적용시키는 바이오디젤 생산방법으로 바이오디젤의 생산시간을 최소화 시키며 생산효율을 극대화 시킬 수 있다.According to the present invention, a biodiesel production method for simultaneously applying supercritical carbon dioxide to an enzymatic process using two kinds of lipases, 1.3-position specific lipase and non-position specific lipase, minimizes the production time of biodiesel and produces The efficiency can be maximized.

유지, 알코올, 리파아제, 바이오디젤, 1.3-위치특이성 리파아제, 무위치 특이성 리파아제, 초임계 이산화탄소 Fat, alcohol, lipase, biodiesel, 1.3-position specific lipase, positionless specific lipase, supercritical carbon dioxide

Description

초임계 상태에서 리파아제를 이용하여 바이오디젤을 생산하는 방법 {Method for producing bio-diesel in supercritical fluid condition using lipase}Method for producing biodiesel using lipase in supercritical state {Method for producing bio-diesel in supercritical fluid condition using lipase}

도 1은 상압에서 고정화 켄디다 안타티카 리파아제를 이용하여 lab scale과 bench scale에서 바이오디젤의 시간에 따른 전환율을 나타낸 그래프이다. 1 is a graph showing the conversion of biodiesel with time at lab scale and bench scale using immobilized Candida anthica lipase at atmospheric pressure.

도 2는 초임계 상태에서 고정화 켄디다 안타티카 리파아제를 이용하여 콩기름으로부터 바이오디젤을 생산할 때, 온도를 변화시키면서 시간에 따른 전환율을 나타내는 그래프이다.Figure 2 is a graph showing the conversion with time while changing the temperature when producing biodiesel from soybean oil using immobilized candida antarica lipase in a supercritical state.

도 3은 초임계 상태에서 고정화 켄디다 안타티카 리파아제를 이용하여 콩기름으로부터 바이오디젤을 생산할 때, 압력을 변화시키면서 시간에 따른 전환율을 나타내는 그래프이다.FIG. 3 is a graph showing the conversion rate over time when biodiesel is produced from soybean oil using immobilized candida antarica lipase in a supercritical state.

도 4는 초임계 상태에서 고정화한 리조포스 오라이제 리파아제 (R. oryzae), 켄디다 안타티카 리파아제 (C. antartica), 켄디다 루고사 리파아제 (C. rugosa), 슈도모나스 플루오레신 리파아제 (P. fluorescenes)를 이용한 바이오디젤의 생산성을 나타낸다.FIG. 4 shows lipose oralase lipase ( R. oryzae ), candida antarica lipase ( C. antartica ), candida lugosa lipase ( C. rugosa ), Pseudomonas fluorescein lipase ( P. fluorescenes ) immobilized in a supercritical state. The productivity of biodiesel using

도 5는 초임계 상태에서 기질(soybean oil)대비 효소의 양에 따라 콩기름으로부터 바이오디젤을 생산할 때, 켄디다 안타티카 리파아제와 혼합된 리파아제 (리 조포스 오라이제 리파아제: 켄디다 루고사 리파아제=1:1)의 생산성을 비교한 그래프이다.FIG. 5 shows lipases mixed with candida antartica lipase (lizofoss orisase lipase: candida lugosa lipase = 1 when producing biodiesel from soybean oil according to the amount of enzyme relative to soybean oil in the supercritical state. It is a graph comparing the productivity of 1).

도 6는 초임계 상태에서 켄디다 루고사와 리조포스 오라이제의 비율을 1:3 ~3:1로 변화시켜가면서 콩기름으로부터 바이오디젤을 생산할 때, 전환율을 비교한 그래프이다. 6 is a graph comparing the conversion rate when biodiesel is produced from soybean oil while changing the ratio of Candida lugosa and lyphos oriase from 1: 3 to 3: 1 in the supercritical state.

도 7은 고정화 리조포스 오라이제 리파아제와 고정화 켄디다 루고사 리파아제를 1:1(w:w)로 혼합한 것과 초임계 이산화탄소를 동시에 이용하여 콩기름으로부터 바이오디젤을 생산할 때 시간에 다른 전환율을 나타내는 그래프이다.FIG. 7 is a graph showing different conversions in time when biodiesel is produced from soybean oil using a mixture of immobilized lyphos lipase lipase and immobilized candida lugosa lipase in a 1: 1 (w: w) and supercritical carbon dioxide. to be.

발명은 초임계 상태 (supercritical fluid condition)에서 리파아제를 이용하여 바이오디젤을 생산하는 방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 유지와 알코올을 기질로 하고 리파아제를 이용하여 바이오디젤을 생산하는 효소공정에 초임계 유체를 동시에 적용시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 디젤 생산 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for producing biodiesel using lipase in a supercritical fluid condition. More particularly, the present invention relates to a supercritical fluid in an enzymatic process for producing biodiesel using lipase as a substrate with fat or alcohol. It relates to a biodiesel production method comprising the step of applying simultaneously.

전 세계적으로 자동차의 이용량의 급증으로 석유의 수요가 증가하고 있다. 그러나 석유매장량은 한정되어 있고 1997년 교토에서 발의된 협약 이후 공해물질의 규제와 2002년 요하네스버그의 선언에서 대체에너지 중 바이오에너지의 사용의무화 를 강력하게 권고하는 정책이 포함되어 석유를 대체할 수 있는 새로운 에너지 자원의 개발이 절실히 요구되고 있다. 많은 대체에너지들이 개발되고 있지만 대부분의 경우 그러한 에너지를 이용 할 수 없어 실용화에 어려움이 많다. 그러나 바이오디젤은 기존의 석유계 경유와 성질이 매우 유사하고 기존의 경유자동차에 엔진의 변형 없이도 직접 연료로 쓸 수 있으며, 공해가 거의 발생하지 않아 대체에너지로 각광을 받고 있다. 또한, 동?식물성 기름을 원료로 하여 생산되어 고갈될 문제점이 없으며, 폐유로도 생산이 가능하기 때문에 새로운 재생에너지로 평가되고 있다. 바이오디젤은 기존의 석유계 경유보다 매연의 배출량을 20%이상 저감시킬 수 있으며 생분해가 가능하며 독성이 적어 청정에너지원으로 평가받고 있다. 또한, 바이오디젤은 경유대체 에너지뿐만 아니라 윤활유의 원료, 윤활유 첨가제 등으로 이용될 수 있으며 다양한 무공해 용제 및 생물농약으로 사용이 가능하다. 또한, 원유로 인해 오염된 해변정화를 위한 생물환경정화 (bioremediation)를 위한 촉매제로서 이용이 가능하여 다양한 분야에서 사용이 가능한 청정에너지으로 각광받고 있다. 선진국에서는 바이오디젤을 국가에너지 전략사업화로 중점 연구하고 있다. 유럽의 경우 ERMA (Eropean Renewable Raw material Association)을 신설하여 투자를 확대하고 있고, 이미 경유자동차에 바이오디젤을 사용하기 시작하였다. 미국에서는 경유에 바이오디젤을 혼합한 방식으로 관공서 경유자동차, 대형트럭, 공공버스의 연료로 사용하고 있으며 2020년까지 20%의 경유를 바이오디젤로 대체하기로 결정, 국가적 차원의 연구투자가 이루어지고 있다. Global demand for oil is increasing due to the rapid increase in the use of automobiles. However, petroleum reserves are limited, and since 1997 the agreement in Kyoto has included a policy that strongly recommends mandatory use of bioenergy as an alternative to the regulation of pollution and the declaration of Johannesburg in 2002. The development of new energy resources is urgently needed. Many alternative energies are being developed, but in most cases they are difficult to use because they cannot be used. However, biodiesel is very similar to the existing petroleum diesel, and can be used as a direct fuel without changing the engine in the existing diesel vehicle, and it is spotlighted as an alternative energy because little pollution occurs. In addition, there is no problem to be exhausted by producing animal and vegetable oil as a raw material, and it is evaluated as a new renewable energy because it can be produced as waste oil. Biodiesel is regarded as a clean energy source because it can reduce the emission of soot by more than 20% and is biodegradable and less toxic than conventional petroleum diesel. In addition, biodiesel may be used as a raw material of lubricating oil, lubricating oil additives, etc. as well as alternative fuel oil, and may be used as various pollution-free solvents and biopesticides. In addition, since it can be used as a catalyst for bioremediation for beach purification contaminated by crude oil, it has been spotlighted as a clean energy that can be used in various fields. Developed countries are focusing on biodiesel as a national energy strategy commercialization. In Europe, the company is expanding investment by establishing the ERMA (Eropean Renewable Raw Material Association) and has already started using biodiesel in diesel vehicles. In the US, biodiesel is mixed with diesel, and is used as fuel for public vehicles, large trucks, and public buses. By 2020, 20% of diesel is replaced with biodiesel. have.

바이오디젤은 지방산 메틸에스테르 (fatty acid methyl ester)로 동?식물성 기름을 알코올과 트랜스에스테르화 (transesterification)시켜 생산되어진다. 현재 바이오디젤은 국내외에서 산?염기 촉매를 이용한 합성방법에 의해 생산되어지고 있다. 그러나 산?염기 촉매를 사용한 공정은 다단계 반응공정이 필요하며 촉매에 의한 엔진부식을 발생시켜 생산공정에서 반드시 중화 세척되어야한다. 부산물로 얻어지는 글리세롤에도 촉매가 함유되어 제품화를 실시하기 위해서는 분리공정을 거쳐야한다. 또한 부산물 회수의 어려움과 다량의 폐수발생에 의한 환경문제가 야기되며, 처리비용 또한 발생하게 된다. 그러므로 향후 대규모 바이오디젤의 수요를 충족할 수 있는 저에너지 요구성의 친환경적 신공정의 필요성이 대두되고 있다. 이러한 이유로 바이오디젤을 생산하기 위한 생산 공정 중 효소인 리파아제 (lipase)를 촉매를 이용하는 효소공정이 각광을 받고 있다. 효소공정에는 엔진을 부식시키는 화학촉매가 존재하지 않아 분리정제 공정을 단순화 시킬 수 있으며, 부산물로 얻어지는 글리세롤을 제품화하여 바이오디젤의 생산단가를 낮출 수 있다. 즉 효소공정을 이용하면 바이오디젤의 상업화가 가능할 뿐만 아니라, 환경오염문제도 야기하지 않아 친환경적인 공정을 개발 할 수 있다. 그러나 효소를 이용한 바이오디젤 생산공정은 화학촉매를 이용한 공정에 비해 반응시간이 오래 걸리는 단점을 갖고 있다.Biodiesel is a fatty acid methyl ester produced by transesterification of animal and vegetable oils with alcohol. Currently biodiesel is produced by synthesis method using acid-base catalyst at home and abroad. However, the process using acid-base catalyst requires a multi-stage reaction process and must be neutralized and washed in the production process by generating engine corrosion by the catalyst. Glycerol obtained as a by-product also contains a catalyst and must be separated in order to be commercialized. In addition, it is difficult to recover by-products and environmental problems due to the generation of large amounts of wastewater, which also causes treatment costs. Therefore, there is a need for a new environment-friendly process with low energy requirements that can meet the demand of large-scale biodiesel. For this reason, an enzyme process using a lipase, an enzyme, in the production process for producing biodiesel has been in the spotlight. In the enzymatic process, there is no chemical catalyst to corrode the engine, which simplifies the separation and purification process, and lowers the production cost of biodiesel by commercializing glycerol obtained as a by-product. In other words, the enzymatic process enables not only commercialization of biodiesel but also environmentally friendly processes without causing environmental pollution. However, the biodiesel production process using enzymes has a drawback in that the reaction time is longer than that of chemical catalysts.

이에, 본 발명자들은 상기 종래기술들의 문제점들을 극복하기 위하여 예의 연구노력한 결과, 리파아제를 이용하여 바이오디젤을 생산하는 효소공정에 초임계 유체를 동시에 적용시킬 경우, 화학공정의 반응시간에 경쟁할 수 있는 단축된 반응시간뿐만 아니라 높은 수율의 바이오디젤을 생산할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.Accordingly, the present inventors have made diligent efforts to overcome the problems of the prior arts, and when the supercritical fluid is simultaneously applied to the enzyme process for producing biodiesel using lipase, it is possible to compete in the reaction time of the chemical process. The present invention was completed, confirming that not only the shortened reaction time but also a high yield of biodiesel can be produced.

따라서, 본 발명의 주된 목적은 바이오디젤을 생산하기 위한 효소공정에서 반응시간 단축과 고수율을 얻을 수 있도록 초임계 상태에서 리파아제를 이용하여 바이오디젤을 생산하는 방법을 제공하는 데 있다.Accordingly, a main object of the present invention is to provide a method for producing biodiesel using lipase in a supercritical state so as to shorten the reaction time and obtain a high yield in an enzyme process for producing biodiesel.

본 발명의 한 양태에 따르면, 본 발명은 유지와 알코올을 기질로 하고 리파아제를 이용하여 바이오디젤을 생산하는 효소공정에 있어서, 상기 효소공정을 초임계 상태에서 진행하는 것을 특징으로 하는 바이오디젤 생산 방법을 제공한다.According to one aspect of the invention, the present invention is a biodiesel production method characterized in that the enzyme process in the production of biodiesel using a lipase as a substrate with an oil and alcohol, the enzyme process in a supercritical state To provide.

본 발명에서, 바이오디젤 (bio-diesel)은 동·식물성 유지를 원료로 하여 만든 연료를 의미한다. 3가의 지방산 (fatty acid)에 글리세롤 (glycerol)이 결합한 트리글리세라이드와 알코올로부터 글리세롤과 지방산 메틸에스테르를 만들어 내는 트랜스에스테르화 (transesterification) 반응 시 제조되는 지방산 메틸에스테르 (FAME)가 바이오디젤이다. 바이오디젤은 생분해가능하고 (biodegradable), 무해하며 (nontoxic), 발암성 공해물질인 황 (sulfur)이나 방향족 (aromatic)을 포함하지 않는다는 장점이 있다. 또한, 바이오디젤인 지방산 메틸에스테르는 분자내에 10% 이상의 산소를 포함할 수 있으므로 값비싼 산소첨가제를 첨가하지 않아도, 완전 연소를 도와서 분진 또는 일산화탄소의 방출이 감소시킨다는 장점이 있다. 본 발명은 효소공정에 초임계 이산화탄소를 적용하여 바이오디젤을 생산하는 것에 관한 것으 로, 바이오디젤 제조시 생산시간을 최소화하며 생산 효율을 최대화하기 위하여 초임계 이산화탄소를 사용하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, biodiesel (bio-diesel) means a fuel made from animal and vegetable fats and oils. Biodiesel is a fatty acid methyl ester (FAME) produced during the transesterification reaction that produces glycerol and fatty acid methyl esters from triglycerides and alcohols in which glycerol is bound to trivalent fatty acids. Biodiesel has the advantage of being biodegradable, nontoxic, and free of carcinogenic pollutants such as sulfur or aromatics. In addition, since the fatty acid methyl ester of biodiesel may contain 10% or more of oxygen in the molecule, even if an expensive oxygen additive is not added, the fatty acid methyl ester assists in the complete combustion to reduce the emission of dust or carbon monoxide. The present invention relates to the production of biodiesel by applying supercritical carbon dioxide to an enzymatic process, characterized in that the use of supercritical carbon dioxide to minimize production time and maximize production efficiency in biodiesel manufacturing.

본 발명에서, 초임계 상태란 초임계유체의 상태 즉, “물질이 임계온도와 압력이상에서 있는 상태”로 정의되며 분자간의 거리가 거의 변화지 않아 커다란 물성변화를 보이지 않는 비압축성 용매에 비해 초임계유체는 압력변화에 따라 밀도, 점도, 확산계수와 극성 등 많은 물성 큰 변화를 가져온다. 그러므로 초임계유체는 높은 용해력, 물질전달과 열전달이 빠르고, 낮은 점도, 높은 확산계수 그리고 낮은 표면장력으로 인하여 기존의 반응의 기술적 어려움을 해결할 수 있는 새로운 혁신기술로 각광을 받고 있어 효소공정의 단점을 보완하여 바이오디젤의 상업화를 가능하게 할 수 있다.In the present invention, the supercritical state is defined as the state of the supercritical fluid, that is, the state in which the substance is above the critical temperature and the pressure, and the supercritical state is inferior to the incompressible solvent which does not show a large change in physical properties because the distance between molecules is hardly changed. The fluid brings about a great change in physical properties such as density, viscosity, diffusion coefficient and polarity. Therefore, supercritical fluids are attracting attention as new innovations that can solve the technical difficulties of existing reactions due to high dissolving power, fast mass transfer and heat transfer, low viscosity, high diffusion coefficient and low surface tension. Complementary can enable the commercialization of biodiesel.

본 발명의 바이오디젤 생산 방법에서, 상기 초임계 상태에서의 효소공정은 압력 100 ~ 150 bar, 온도 40 ~ 60 ℃ 및 교반속도 100 ~ 300 rpm에서 반응시키는 것이 좋으며, 바람직하게는 압력 120 bar, 온도 50 ℃ 및 교반속도 200 rpm인 것을 특징으로 한다. In the biodiesel production method of the present invention, the enzyme process in the supercritical state is preferably reacted at a pressure of 100 to 150 bar, a temperature of 40 to 60 ℃ and a stirring speed of 100 to 300 rpm, preferably a pressure of 120 bar, temperature It is characterized in that the 50 ℃ and the stirring speed 200 rpm.

본 발명의 실시예에서와 같이, 바이오디젤의 전환율은 압력이 증가함에 따라 증가하였으며 100 bar이후 급격히 증가하여 130 bar에서 가장 높은 전환율을 보였고 그 이상의 압력에서는 전환율이 약간 감소하는 현상을 보였다. 또한, 온도가 증가함에 따라 전환율은 증가하였으나 50 ℃에서 가장 높은 전환율을 보였고 그 이상의 온도에서는 전환율이 급격히 떨어지는 현상을 보였다.As in the embodiment of the present invention, the conversion rate of the biodiesel was increased with increasing pressure and rapidly increased after 100 bar, showing the highest conversion rate at 130 bar, and at a higher pressure, the conversion rate was slightly decreased. In addition, the conversion rate increased with increasing temperature, but the highest conversion rate was shown at 50 ° C., and the conversion rate dropped sharply at higher temperatures.

본 발명의 바이오디젤 생산 방법에서, 상기 초임계 상태를 만들기 위한 유체 는 초임계 상태로 효소공정에 투입할 수 있는 어떠한 물질도 가능하나 바람직하게는 초임계 이산화탄소인 것을 특징으로 한다.In the biodiesel production method of the present invention, the fluid for making the supercritical state may be any substance that can be introduced into the enzymatic process in the supercritical state, but is preferably supercritical carbon dioxide.

본 발명에서와 같이, 초임계 이산화탄소를 이용하면 높은 용해력, 빠른 물질전달과 열전달, 낮은 점도, 높은 확산계수 그리고 낮은 표면장력으로 인해 반응속도를 빠르게 증가시킬 수 있어 효소공정을 이용한 바이오디젤 생성의 단점인 느린 반응속도의 단점을 보완할 수 있다.As in the present invention, the use of supercritical carbon dioxide can rapidly increase the reaction rate due to high dissolving power, fast material transfer and heat transfer, low viscosity, high diffusion coefficient and low surface tension, and thus disadvantages of biodiesel production using an enzymatic process. This can compensate for the disadvantages of slow reaction rates.

실제로, 효소공정을 이용한 본 발명자의 등록특허 10-0673837-0000호에서 보면 반응시간이 21시간으로 화학촉매를 이용한 생산공정에 비해 반응시간이 오래 걸려 이를 보완할 부가적인 공정을 필요로 한다. 그러므로 효소공정에 초임계 유체를 이용하면 반응시간을 줄여 효소공정의 단점을 보완할 수 있다.In fact, in the present inventors patent registration No. 10-0673837-0000 using the enzyme process, the reaction time is 21 hours, compared to the production process using the chemical catalyst requires a further process to compensate for this takes longer. Therefore, the use of supercritical fluid in the enzymatic process can reduce the reaction time to compensate for the disadvantages of the enzymatic process.

본 발명의 바이오디젤 생산 방법에서, 상기 리파아제는 1.3-위치특이성 리파아제와 무위치 특이성 리파아제를 동시에 사용하는 것을 특징으로 한다.In the biodiesel production method of the present invention, the lipase is characterized by using 1.3-position specific lipase and positionless specific lipase at the same time.

본 발명의 바이오디젤에 사용되는 1,3-위치 선택성 리파아제와 무위치 선택성 리파아제의 기원은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 리파아제는 취장, 우유 등에서 유래한 리파아제, 식물성 리파아제 (소맥, 대두, 면화 등의 씨앗 내부에서 유래한 리파아제), 미생물 리파아제 (사상균, 세균, 효모)일 수 있다. 구체적으로는, 1,3-위치 선택성 리파아제는 리조포스 (Rhizopus), 아스퍼질러스 (Aspergillus) 또는 무코르 (Mucor) 속에서 유래하거나, 췌장의 리파아제 (pancreatic lipase) 또는 쌀겨 (rice bran)의 리파아제일 수 있다. 또한, 무위치 선택성 리파아제는 스타필로코커스 오리우스 (Staphylococcus aureus), 페니실린 사이클로피움 (Penicillium cyclopium), 코리네박테라움 아크네스 (Corynebacterium acnes), 켄디다 루고사 (Candida rugosa) 등에서 유래할 수 있다.The origin of the 1,3-position-selective lipase and non-selective lipase used in the biodiesel of the present invention is not particularly limited. For example, lipases may be lipases derived from intestine, milk, and the like, vegetable lipases (lipases derived from the inside of seeds such as wheat, soybeans, cotton, etc.), and microbial lipases (like bacteria, bacteria, yeast). Specifically, the 1,3-position-selective lipase is derived from Rhizopus , Aspergillus or Mucor , or lipase of pancreatic lipase or rice bran of the pancreas. Can be. Non-selective lipases may also be derived from Staphylococcus aureus , Penicillium cyclopium , Corynebacterium acnes , Candida rugosa , and the like.

본 발명의 실시예에서는 1,3-위치 선택성 리파아제는 리조포스 오라이제 (Rhizopus oryzae) 리파아제를, 무위치 선택성 리파아제는 켄디다 루고사 (Candida rugosa) 리파아제를 사용하였다.In an embodiment of the present invention, 1,3-position-selective lipase was used as Rhizopus oryzae lipase, and positionless-selective lipase was used as Candida rugosa lipase.

리파아제는 위치 특이성에 따라 1,3-위치 선택성 리파아제와 무위치 선택성 리파아제로 분류할 수 있다. 본 발명의 “1,3-위치 선택성 리파아제 (1,3-specific lipase))”란 트리글리세라이드의 1-,3- 위치에서의 지방 아실기 (fatty acyl group)에만 반응 특이성을 보이는 리파아제를 의미한다. 본 발명의 “무위치 선택성 리파아제 (non-specific lipase)”란 모든 트리글리세라이드의 모든 세 가지의 지방 아실기와 반응하는 리파아제를 의미한다.Lipases can be classified into 1,3-position-selective lipases and positionless-selective lipases according to site specificity. The term “1,3-specific lipase” of the present invention refers to a lipase which exhibits reaction specificity only with a fatty acyl group at the 1-, 3-position of triglyceride. . By “non-specific lipase” in the present invention is meant a lipase that reacts with all three fatty acyl groups of all triglycerides.

고정화된 일반적 리파아제를 단독 이용하여 바이오디젤 제조시 90%의 전환율에 도달하기 까지는 걸리는 시간은 50시간 이상이며, 고정화된 리조포스 오라이제 리파아제의 경우에는 60시간 이상 걸리는 것으로 알려졌다. (M. Kaieda et al., J. Bioscience and Bioengineering, 88, 6, 627-631, 1999). 또한, 1,3-위치특이성 리파아제(1,3-specific lipase)와 무위치 특이성 (non-specific lipase)를 이용한 효소공정에서도 90%이상의 전환율에 도달하기 까지 걸리는 시간은 18시간이상이 걸리는 것으로 알려졌다 (DH Lee et al., "1,3-위치 선택성 리파아제와 무위치 선택성 리파아제를 이용하여 바이오디젤을 제조하는 방법", 국내특허, 1006738370000).It has been known that the time to reach 90% conversion in biodiesel production using immobilized general lipase alone is over 50 hours, and over 60 hours in the case of immobilized lyphosose lipase lipase. (M. Kaieda et al., J. Bioscience and Bioengineering, 88, 6, 627-631, 1999). In addition, the enzyme process using 1,3-specific lipase and non-specific lipase is known to take more than 18 hours to reach a conversion rate of more than 90%. (DH Lee et al., "Method for preparing biodiesel using 1,3-position-selective lipase and non-position-selective lipase", domestic patent, 1006738370000).

실제, 본 발명의 초임계 이산화탄소를 적용시킨 바이오디젤의 생성시, 반응시작 후 3시간 만에 약 99%의 전환율에 도달하고 4시간 만에 99.8%의 전환율에 도달하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 상기 기존의 2가지 리파아제를 이용한 효소공정의 반응시간을 4배 이상 줄여서 생산한 것이며, 단독 효소를 사용한 공정보다는 15배 이상 반응시간을 줄여서 생산한 것이다. 따라서, 1,3-위치특이성 리파아제와 무위치 특이성 리파아제를 사용하는 공정에 초임계 이산화탄소를 동시에 사용하는 본 발명의 방법으로 반응시간을 단축시켜 높은 전환율의 바이오디젤 생산효율을 극대화시킬 수 있다.In fact, when producing the biodiesel to which the supercritical carbon dioxide of the present invention is applied, it was confirmed that the conversion rate of about 99% was reached in 3 hours after the start of the reaction and 99.8% in 4 hours. This is produced by reducing the reaction time of the enzyme process using the two existing lipases more than four times, and produced by reducing the reaction time by more than 15 times than the process using a single enzyme. Therefore, the method of the present invention using supercritical carbon dioxide simultaneously in a process using 1,3-position-specific lipase and non-position-specific lipase can shorten the reaction time to maximize biodiesel production efficiency of high conversion rate.

본 발명에 있어서, 상기 1.3-위치특이성 리파아제와 무위치 특이성 리파아제의 첨가되는 비율은 다양하게 조절가능하나, 1:3 내지 3:1 중량비로 사용되는 것이 좋으며, 바람직하게는 1:1 중량비로 사용되는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 도 6에서 나타난 것과 같이, 바이오디젤의 생산에 있어 효소의 혼합비율에 따른 바이오디젤의 생산성을 비교한 그래프에서 켄디다 루고사와 리조포스오라이제의 혼합비율을 1:1, 2:1, 3:1, 1:2, 1:3으로 변화시키면서 바이오디젤의 생산성을 비교하였으며, 그 결과 생산성에는 많은 차이를 보이지 않았지만 그중에 켄디다 루고사와 리조포스오라이제의 비율이 1:1을 나타낼 때 전환율이 가장 높음을 나타내어 본 발명의 바이오디젤의 생산시 초임계 유체를 이용하는 공정에서는 1:1의 효소비율이 가장 적합한 것을 확인하였다.In the present invention, the addition ratio of the 1.3-position specific lipase and the positionless specific lipase may be variously controlled, but may be used in a weight ratio of 1: 3 to 3: 1, preferably in a 1: 1 weight ratio. It is characterized by. As shown in FIG. 6 of the present invention, in the graph comparing the productivity of biodiesel according to the mixing ratio of enzymes in the production of biodiesel, the mixing ratio of candida lugosa and lysophosphorase was 1: 1, 2: 1, 3: 1, 1: 2, 1: 3 and compared with biodiesel productivity. As a result, the productivity of the biodiesel did not show much difference, but the ratio of candida lugosa and lysophosphorase was 1: 1. When the present invention shows the highest conversion rate in the production of the biodiesel of the present invention was confirmed that the enzyme ratio of 1: 1 is most suitable in the process using a supercritical fluid.

본 발명의 바이오디젤 생산 방법에서, 상기 리파아제는 기질인 유지 100 중량부에 대하여 15 ~ 30 중량부인 것이 좋으며, 바람직하게는 기질인 유지 100 중량 부에 대하여 20 중량부인 것이 바람직하다. 본 발명의 도 5에서 나타난 것과 같이, 켄디다 안타티카와 Mixed enzyme (켄디다 루고사, 리조포스오라이제)의 양을 오일의 투입량의 5%~30%(w/w)까지 5%의 간격으로 실험하였을 때, 20%이상에서는 전환율이 크게 증가하지 않았으며, 가장 적절한 효소의 양은 오일의 질량대비 20%(w/w)일 때로 확인하였다.In the biodiesel production method of the present invention, the lipase is preferably 15 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the fat or oil, and preferably 20 parts by weight based on 100 parts by weight of the oil or fat. As shown in FIG. 5 of the present invention, the amount of Candida antarctica and Mixed enzyme (Kendida Lugosa, Rizofossuraize) is 5% to 30% (w / w) of the amount of oil at 5% intervals. In the experiment, the conversion rate did not increase significantly above 20%, and the most appropriate amount of enzyme was confirmed as 20% (w / w) of the oil mass.

본 발명의 바이오디젤 생산 방법에서, 상기 리파아제는 자유로운 (free) 형태 또는 고정화된 형태로 사용될 수 있으나, 바람직하게는 고정화된 리파아제인 것을 특징으로 한다.In the biodiesel production method of the present invention, the lipase may be used in a free form or an immobilized form, but is preferably an immobilized lipase.

본 발명에서 리파아제 고정화 시키는 방법은 특별히 제한되지 않으며 다양한 응용이 가능하다. 예를 들어, 흡착법, 포괄법 등의 물리적인 방법, 공유결합법, 가교연결방법 등의 화학적인 방법을 사용할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 아미노기를 가지고 있는 담체에 리파아제 용액과 글루타르알데히드를 반응시켜 리파아제와 담체 사이에 가교반응을 일으켜 효소를 막 위에 고정화시켰다.The method of immobilizing lipase in the present invention is not particularly limited and various applications are possible. For example, physical methods such as adsorption method, enclosing method, chemical methods such as covalent bonding method and crosslinking method can be used. In an embodiment of the present invention, a lipase solution and glutaraldehyde react with a carrier having an amino group to cause a crosslinking reaction between the lipase and the carrier to immobilize the enzyme on the membrane.

본 발명의 바이오디젤 생산 방법에서, 상기 유지는 바이오디젤의 생산에 사용될 수 있는 식물성 유지 또는 동물성 유지가 사용될 수 있으나, 식물성 유지가 바람직하다. 또한, 천연유지, 가공유지 또는 폐유지 중에서 선택될 수 있으며, 구체적으로는 대두유, 채종유, 팜유 등에서 선택될 수 있다.In the biodiesel production method of the present invention, the vegetable fat or oil may be used for the production of biodiesel, but vegetable fat is preferable. In addition, it may be selected from natural oils, processed oils or waste oils, specifically may be selected from soybean oil, rapeseed oil, palm oil and the like.

본 발명의 바이오디젤 생산 방법에서, 상기 알코올은 탄소수 2개 내지 8개인 알코올을 사용할 수 있으나, 바람직하게는 탄소수 2개 내지 4개인 알코올이 좋으며, 더욱 바람직하게는 메탄올, 에탄올 또는 부탄올인 것을 특징으로 한다. 예컨 대, 에탄올, 메탄올, 1-프로판올, 이소-프로판올, 1-부탄올, 2-부탄올, 이소-부탄올 또는 테르-부탄올 등이 있다.In the biodiesel production method of the present invention, the alcohol may be an alcohol having 2 to 8 carbon atoms, preferably an alcohol having 2 to 4 carbon atoms is preferable, and more preferably methanol, ethanol or butanol. do. For example, ethanol, methanol, 1-propanol, iso-propanol, 1-butanol, 2-butanol, iso-butanol or ter-butanol.

본 발명에 있어서, 유지와 알코올을 기재로 하고 리파아제를 이용하여 바이오디젤을 생산하는 효소공정에 초임계 유체를 적용시킨 본 발명의 방법으로 생산된 바이오디젤(메틸에스테르)은 대체연료, 윤활유의 원료, 윤활유 첨가제 뿐만 아니라 무공해 용제, 페인트 및 농약 등에 사용가능하다. 또한 바이오디젤은 섬유, 세제, 화장품 산업에서 다량 사용하는 독성 계면활성제를 대체하는 환경 친화성 에톡시드 메틸에스테로, 황산염화 메틸에스테로, 알콜아민계 메틸에스테로의 중간체로 사용할 수 있다.In the present invention, the biodiesel (methyl ester) produced by the method of the present invention in which the supercritical fluid is applied to an enzyme process for producing biodiesel using lipase based on fats and oils is a raw material of alternative fuel and lubricating oil. It can be used for oil-free solvents, paints and pesticides as well as lubricant additives. Biodiesel can also be used as an intermediate for environmentally friendly ethoxide methyl esters, sulfate methyl esters, and alcoholamine methyl esters to replace toxic surfactants used in the textile, detergent and cosmetic industries.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이므로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. Since these examples are only for illustrating the present invention, the scope of the present invention is not to be construed as being limited by these examples.

참조예 1. 리파아제의 준비Reference Example 1. Preparation of Lipase

무위치 특이성 리파아제인 켄디다 루고사 (Candida rugosa) 리파아제는 미국의 시그마 (Sigma Co., USA)사에서 구입하였으며, 켄디다 안타티카 (Candida antartica) 리파아제는 고정화된 형태의 제품인 Novozyme 435를 사용하였으며 덴마크의 노보 (Novo Nordisk)사에서 구입하였다. 1,3-위치특이성 리파아제인 리조포스 오라이제 (Rhizopus oryzae) 리파아제는 독일의 플루카 (Fluka Co., Germany)에서 구입하였다.Candida rugosa lipase, an in situ specific lipase, was purchased from Sigma Co., USA. It was purchased from Novo Nordisk. Rhizopus oryzae lipase, a 1,3-position specific lipase, was purchased from Fluka Co., Germany.

참조예 2. 리파아제의 고정화Reference Example 2 Immobilization of Lipase

참조예 1에서 준비된 두 종류의 리파아제 용액을 30분간 콩기름(soybean oil)과 1:1 (v/v)로 37℃, 200 rpm에서 반응시켜 효소의 활성을 유지할 수 있는 전처리과정을 수행한 후 각각 다음의 가교연결방법 (cross-linking method)을 이용하여 실리카 겔 (silica gel)에 고정화 시켰다. 고정화 담체인 실리카겔을 35% (v/v)의 H2O2로 전처리하여 실리카겔 표면의 불순물을 제거하였다. 전처리된 담체를 아세톤을 용매로 15% (w/v)의 3-APTES를 이용하여 50 ℃, 150 rpm에서 120분간 실라니화 (silanization)하여 담체 표면에 아미노기 (amino group)를 도입하였다. 가교제인 글루탈알데하이드 (glutaraldehyde)를 64 ℃의 0.1M phosphate buffer (pH 8.0)에서 20분간 전처리하여, 아미노기가 도입된 실리카겔과 2% (v/v)의 농도로 0.1M 인산염 완충용액 (pH 7.0)에서 20℃, 150 rpm의 조건으로 2시간 동안 반응시켰다. 이후에 실리카겔을 증류수로 세척한 후 건조시켜 0.1M 인산염 완충용액 (pH 7.0)에 넣고 준비한 리파아제를 20℃에서 150분간 반응시켜 고정화 하였다.Two kinds of lipase solutions prepared in Reference Example 1 were reacted with soybean oil and 1: 1 (v / v) at 37 ° C. and 200 rpm for 30 minutes, respectively. It was immobilized on silica gel using the following cross-linking method. The immobilized carrier silica gel was pretreated with 35% (v / v) H 2 O 2 to remove impurities from the silica gel surface. The pretreated carrier was silanized with acetone as a solvent in 15% (w / v) of 3-APTES at 50 ° C. and 150 rpm for 120 minutes to introduce an amino group onto the surface of the carrier. Glutaraldehyde, a crosslinking agent, was pretreated in 0.1M phosphate buffer (pH 8.0) at 64 ° C. for 20 minutes, and silica gel with amino groups was introduced and 0.1M phosphate buffer solution (pH 7.0) at a concentration of 2% (v / v). ) Was reacted at 20 ° C. and 150 rpm for 2 hours. Thereafter, the silica gel was washed with distilled water, dried, and placed in 0.1 M phosphate buffer (pH 7.0). The prepared lipase was immobilized by reacting at 20 ° C. for 150 minutes.

실시예 1. 상압에서 켄디다 안타티카 리파아제를 이용하여 콩기름으로부터 바이오디젤의 생산Example 1 Production of Biodiesel from Soybean Oil Using Candida Antarctica Lipase at Normal Pressure

상압조건에서 바이오디젤을 생산하는 가장 대표적인 상업적 효소인 고정화 켄디다 안타티카 리파아제 (Novozyme 435)를 이용하여 콩기름으로부터 lab scale과 bench scale에서 바이오디젤을 생산하였다. lab scale에서 반응기질로는 식물성 기름인 콩기름 (soybean oil) 1.8g (2 mmol)과 4.3mL (10 mmol)의 메탄올을 사용하였다. 증류수를 콩기름 무게의 10% (0.18g)로 반응기질에 투입하였으며 45℃, 200 rpm에서 24시간동안 반응하였다. 또한, 고정화 켄디다 안타티카 리파아제의 양은 콩기름의 20% (w/w)에 해당하는 0.36g으로 하였다. bench scale에서 식물성 기름인 콩기름 (soybean oil) 50g (57.25 mmol)과 98mL (229 mmol)의 메탄올을 사용하였다. 증류수를 콩기름 무게의 10% (5.0g)로 반응기질에 투입하였으며 50℃, 200 rpm에서 24시간동안 반응하였다. 또한, 고정화 켄디다 안타티카 리파아제의 양은 콩기름의 20% (w/w)에 해당하는 10g으로 하였다. 그 결과를 도 1에 도시하였다.Biodiesel was produced on a lab scale and bench scale from soybean oil using immobilized candida anthica lipase (Novozyme 435), the most representative commercial enzyme that produces biodiesel under atmospheric pressure. In the lab scale, 1.8 g (2 mmol) of vegetable oil and 4.3 mL (10 mmol) of methanol were used as the reactor materials. Distilled water was added to the reactor at 10% (0.18 g) of the weight of soybean oil and reacted at 45 ° C. and 200 rpm for 24 hours. In addition, the amount of immobilized candida anthica lipase was 0.36 g corresponding to 20% (w / w) of soybean oil. On a bench scale, 50 g (57.25 mmol) and 98 mL (229 mmol) methanol of vegetable oil, soybean oil, was used. Distilled water was added to the reactor at 10% (5.0 g) of the weight of soybean oil and reacted for 24 hours at 50 ℃, 200 rpm. In addition, the amount of immobilized candida anthica lipase was 10 g corresponding to 20% (w / w) of soybean oil. The results are shown in FIG.

도 1은 상압에서의 일반적으로 사용되는 리파아제를 이용하여 lab scale과 bench scale에서 바이오디젤의 생산성을 도시화한 것이다. 반응이 진행됨에 따라 바이오디젤의 생산성은 증가하지만 최대 전환율 23%로 낮은 생산성을 나타내어 상압조건에서의 바이오디젤의 생산은 적합하지 않음을 나타내었다.Figure 1 illustrates the productivity of biodiesel on a lab scale and bench scale using lipase commonly used at atmospheric pressure. As the reaction proceeded, the productivity of biodiesel increased but showed low productivity with a maximum conversion rate of 23%, indicating that the production of biodiesel under normal pressure was not suitable.

실시예 2. 초임계 상태에서 켄디다 안타티카 리파아제를 이용하여 콩기름으로부터 바이오디젤의 생산Example 2 Production of Biodiesel from Soybean Oil Using Candida Antarctica Lipase in Supercritical State

초임계 상태에서 무위치 특이성 리파아제인 고정화 켄디다 안타티카 리파아제 (Novozyme 435)를 이용하여 콩기름으로부터 바이오디젤을 생산하였다. 반응기질로는 식물성 기름인 콩기름 (soybean oil) 50g (57.25 mmol)과 98mL (229 mmol)의 메탄올을 사용하였다. 증류수를 콩기름 무게의 10% (5.0g)로 반응기질에 투입하였 으며 온도와 압력을 변화시키면서 200 rpm에서 8시간동안 반응하였다. 또한, 고정화 켄디다 안타티카 리파아제의 양은 콩기름의 20% (w/w)에 해당하는 10g으로 하였다. 각각의 결과를 도 2, 3에 도시하였다.Biodiesel was produced from soybean oil using immobilized candida antarica lipase (Novozyme 435), a positionless specific lipase in the supercritical state. 50 g (57.25 mmol) of vegetable oil and 98 mL (229 mmol) of methanol were used as a reactor oil. Distilled water was added to the reactor at 10% (5.0 g) of the weight of soybean oil and reacted for 8 hours at 200 rpm while changing the temperature and pressure. In addition, the amount of immobilized candida anthica lipase was 10 g corresponding to 20% (w / w) of soybean oil. Each result is shown in FIGS. 2 and 3.

도 2는 온도의 변화에 따른 바이오디젤의 생산성을 도시화한 것이다. 온도가 증가함에 따라 바이오디젤의 전환율은 증가하였으나 50℃에서 가장 높은 전환율 (53.21%)을 보였고 그 이상의 온도에서는 전환율이 급격히 떨어지는 현상을 보였다. 반응시작 후 2시간 까지는 바이오디젤의 전환율이 빠르게 증가하지만 일정한 전환율 이상으로는 전환율이 더 이상 증가하지 않았다. Figure 2 shows the productivity of the biodiesel with the change of temperature. As the temperature increased, the conversion rate of biodiesel increased, but the highest conversion rate (53.21%) was shown at 50 ° C, and the conversion rate rapidly dropped at higher temperatures. Up to 2 hours after the start of the reaction, the conversion rate of biodiesel increased rapidly, but the conversion rate no longer increased above a certain conversion rate.

도 3은 압력의 변화에 따른 바이오디젤의 생산성을 도시화한 것으로서 압력이 증가함에 따라 바이오디젤의 전환율은 조금씩 증가하였으며 100 bar이후에 급격히 증가하여 130 bar에서 가장 높은 전환율 (52.30%)을 보였고 그 이상의 압력에서는 전환율이 약간 감소하는 현상을 보였다. 도 1에서와 마찬가지로 반응시작 후 2시간까지는 바이오디젤의 전환율이 빠르게 증가하지만 일정한 전환율 이상으로는 전환율이 더 이상 증가하지 않았다.3 shows the productivity of biodiesel according to the pressure change. As the pressure is increased, the conversion rate of the biodiesel is increased little by little, and it is rapidly increased after 100 bar, and shows the highest conversion rate (52.30%) at 130 bar. The pressure showed a slight decrease in conversion. As in FIG. 1, the conversion rate of biodiesel increased rapidly up to 2 hours after the start of the reaction, but the conversion rate did not increase any more than a certain conversion rate.

이처럼 도 2와 3에서 보면, 실시예 1의 상압에서 최대전환율 23% (도 1 참조)와 비교할 때 초임계 상태에서는 반응이 빠르게 진행되어 최대전환율이 50%정도로 초임계 상태를 적용하는 것으로 탁월한 효과를 나타내어 초임계 상태로 효소공정을 진행시키는 것으로 종래기술보다 3배 가까운 전환율을 나타내었다. 그러나 전환율이 60%가 넘지 않아 초임계 상태의 조건에서 켄디다 안타티카 리파아제를 이용한 바이오디젤의 생산보다 더욱 효과적인 다른 효소를 이용한 공정을 필요로 함을 나타내었다.As described above in FIGS. 2 and 3, the reaction proceeds rapidly in the supercritical state when compared to the maximum conversion rate of 23% (see FIG. 1) at atmospheric pressure in Example 1, and the superconversion state is applied at a maximum conversion rate of about 50%. By performing the enzymatic process in a supercritical state showed a conversion rate three times closer than the prior art. However, the conversion rate is less than 60%, suggesting that a process using a different enzyme is more effective than biodiesel production using candida anthica lipase under supercritical conditions.

실시예 3. 초임계 상태에서 여러 균주 속의 리파아제를 이용하여 콩기름으로부터 바이오디젤의 생산성 비교Example 3 Comparison of Biodiesel Productivity from Soybean Oil Using Lipase in Various Strains in Supercritical State

실시예 2와 같은 방법으로, 초임계 상태에서 여러 균주 속의 리파아제를 이용하여 콩기름으로부터 바이오디젤을 생산하였다.In the same manner as in Example 2, biodiesel was produced from soybean oil using lipase in various strains in a supercritical state.

그 결과, 도 4에서 여러 가지 균주 속의 리파아제를 이용하여 초임계 상태에서 바이오디젤의 생산성을 도시화하였으며, 켄디다 안타티카 리파아제보다 리조포스 오라이제 리파아제가 바이오디젤의 생산에 더 적합한 것으로 나타났다. 그러나 리조포스오라이제 리파아제를 이용한 바이오디젤 생산에서 초임계 상태에서도 전환율이 80%를 넘지 않아 추가적인 공정이 필요함을 나타내었다. 그리하여 바이오디젤의 생산에 효율성을 높이기 위해 무위치 특이성 리파아제인 켄디다 루고사 리파아제를 추가적으로 첨가하여 반응의 효율성을 높여 반응을 진행하도록 하였다.As a result, the productivity of the biodiesel was illustrated in the supercritical state using lipases of various strains in FIG. 4, and it was shown that lysophos oliase lipase was more suitable for the production of biodiesel than candida anthica lipase. However, in biodiesel production using lysophosphorase lipase, the conversion rate does not exceed 80% even in the supercritical state, indicating that an additional process is required. Thus, in order to increase the efficiency of biodiesel production, Kendida Lugosa lipase, a positionless specific lipase, was added to enhance the reaction efficiency.

생성된 바이오디젤은 GC (gas chromatography)를 사용하여 바이오디젤의 양을 분석하였다. GC는 영린 M600D 모델을 이용하였고, column은 HP-INNOWAX (19091N-133, 30m × 0.25㎛)를 사용하였다. 분석은 다음과 같은 조건에서 수행하였다. 인젝터 (Injector)는 260℃ 이고, 오븐 (oven)은 150℃부터 180℃까지는 15℃/min으로 승온, 240℃까지는 5℃/min으로 승온하여 240℃에서는 1분동안 retention 하였다. 디텍터 (Detector)로는 FID를 260℃ 조건에서 사용하였다. 인젝션 볼륨 (Injection volume)은 1㎕ 로 하였고, 스플릿 비율 (split ratio)은 20:1 로 하였다. 운반 가스 (Carrier gas)는 헬륨 (He)을 사용하였으며, 유속은 1 ㎖/min, 공기 (air)는 280 ㎖/min 그리고 수소 (H2)는 40 ㎖/min 으로 주입하였다. Make up flow는 헬륨을 사용하였으며, 유속은 30 ㎖/min으로 하였다. 메틸 팔미테이트 (Methyl palmitate), 메틸 스테아레이트 (methyl stearate), 메틸 올레이트 (methyl oleate), 메틸 리놀리 에이트 (methyl linoleate), 메틸 리놀레네이트 (methyl linolenate)가 오일 (oil)을 메탄올 (methanol)과 트랜스에스테르화 (transesterification) 하였을 때 주 생성물이므로 생산물을 GC로 분석하여 위의 5가지 FAME의 몰수를 계산하였다. 바이오디젤의 전환율은 다음의 식으로 계산하였다.The resulting biodiesel was analyzed for the amount of biodiesel using gas chromatography (GC). GC used a Younglin M600D model and the column was HP-INNOWAX (19091N-133, 30m × 0.25㎛). The analysis was performed under the following conditions. The injector was 260 ° C, the oven was heated to 15 ° C / min from 150 ° C to 180 ° C and 5 ° C / min to 240 ° C and retained for 1 minute at 240 ° C. As a detector, FID was used at 260 ° C. Injection volume was 1 μl and the split ratio was 20: 1. Carrier gas was used as helium (He), the flow rate was 1 mL / min, the air (air) 280 mL / min and hydrogen (H 2 ) was injected at 40 mL / min. Helium was used for make up flow, and the flow rate was 30 ml / min. Methyl palmitate, methyl stearate, methyl oleate, methyl linoleate, methyl linolenate, and methanol The product was analyzed by GC, and the number of moles of the above five FAMEs was calculated. The conversion rate of biodiesel was calculated by the following equation.

[수학식 1][Equation 1]

전환율 = (moles of FAMEs) / (moles of oil × 3) × 100Conversion rate = (moles of FAMEs) / (moles of oil × 3) × 100

실시예 4. 고정화 리조포스 오라이제 리파아제와 고정화 켄디다 루고사 리파아제의 혼합물과 초임계 이산화탄소를 동시에 이용한 조건에서 바이오디젤의 생산Example 4 Production of Biodiesel under Conditions Concurrently Using a Mixture of Immobilized Liposomal Lipase and Immobilized Candida Lugosa Lipase and Supercritical Carbon Dioxide

본 발명에서는 바이오디젤의 생산량을 증가시키기 위해서 가수분해 반응을 빠른 속도로 진행시킬 수 있는 위치특이성이 없는 리파아제인 켄디다 루고사 리파아제 (Candida rugosa lipase)를 도입하였으며 에스테르화 반응을 빠르게 진행시킬 수 있는 1,3-위치특이성을 갖는 리조포스 오라이제 리파아제 (Rhizopus oryzae lipase)를 도입하여 초임계 상태에서 반응을 진행시켰다. In the present invention, candida rugosa lipase (Candida rugosa lipase), which is a lipase without positional specificity that can accelerate the hydrolysis reaction in order to increase the production of biodiesel, has been introduced. The reaction was performed in a supercritical state by introducing Rhizopus oryzae lipase having 1,3-position specificity.

몇몇의 연구에서는 켄디다 안타티카 리파아제가 가지를 갖는 알코올을 기질로 사용할 때 바이오디젤을 생산을 위한 트랜스에스테르화 반응이 잘 일어날 수 있다고 보고하였다. 또한 켄디다 루고사 리파아제는 가수분해 반응은 일으키지만 트랜스에스테르화는 전혀 일으키지 못한다고 보고하였다.Several studies have reported that transesterification reactions for biodiesel production can occur when candida anthica lipase is used as an alcohol with eggplant as a substrate. It also reported that candida lugosa lipase causes a hydrolysis reaction but no transesterification.

따라서 본 발명에서는 도 4에서 켄디다 안타티카 리파아제의 전환율이 켄디다 루고사 리파아제 보다 높았음에도 불구하고 켄디다 루고사 리파아제가 가수분해 반응을 일으킬 수 있음을 이용하여 바이오디젤 전환속도를 증기시키기 위해 무이치 리파아제를 켄디다 루고사로 선택하였다.Therefore, in the present invention, even though the conversion rate of candida anthica lipase in FIG. 4 was higher than that of candida lugosa lipase, candida lugosa lipase can cause a hydrolysis reaction so as to steam the biodiesel conversion rate. Lipase was chosen as Candida lugosa.

본 발명에서는 켄디다 루고사 리파아제를 고정화시켜 60 U/g의 활성을 갖는 고정화 켄디다 루고사 리파아제와 같은 방법으로 제조한 68 U/g의 활성을 갖는 고정화 리조포스 오라이제 리파아제를 제조하였다. In the present invention, immobilized lyphos lipase lipase having an activity of 68 U / g prepared by the same method as immobilized candida lugosa lipase having an activity of 60 U / g by immobilization of candida lugosa lipase.

도 5는 바이오디젤의 생산에 있어 효소의 투입량에 따른 바이오디젤의 생산성을 비교한 도면으로 켄디다 안타티카와 Mixed enzyme(켄디다 루고사, 리조포스오라이제)의 양을 오일의 투입량의 5%~30%(w/w)까지 5%의 간격으로 실험하였을 때, 20%이상에서는 전환율이 크게 증가하지 않아 가장 적절한 효소의 양은 오일의 질량대비 20%(w/w)일 때로 나타내었다. 5 is a diagram comparing the productivity of biodiesel according to the dosage of enzyme in the production of biodiesel, the amount of Kendida Antarctica and Mixed enzyme (Kendida Lugosa, lysophosphorase) 5% ~ When the test was performed at 5% intervals up to 30% (w / w), the conversion rate did not increase significantly at 20% or more.

도 6는 바이오디젤의 생산에 있어 효소의 혼합비율에 따른 바이오디젤의 생산성을 비교한 그래프로 켄디다 루고사 리파아제(CRL)와 리조포스오라이제 리파아제(ROL)의 혼합비율을 1:1, 2:1, 3:1, 1:2, 1:3으로 변화시키면서 바이오디젤의 생 산성을 비교하였다. 생산성에는 많은 차이를 보이지 않았지만 그중에 켄디다 루고사 리파아제(CRL)와 리조포스오라이제 리파아제(ROL)의 비율이 1:1을 나타낼 때 전환율이 가장 높음을 나타내어 본 발명의 바이오디젤의 생산시 초임계 유체를 이용하는 공정에서는 1:1의 효소비율이 가장 적합함을 나타내었다.Figure 6 is a graph comparing the productivity of biodiesel according to the mixing ratio of the enzyme in the production of biodiesel, the mixing ratio of the Kendida Lugosa lipase (CRL) and lysophosphorase lipase (ROL) 1: 1, 2 The biodiesel productivity was compared by changing from 1: 1 to 3: 1 to 1: 2 to 1: 3. Productivity did not show much difference, but among them, the ratio of candida lugosa lipase (CRL) and lysophosphorase lipase (ROL) was 1: 1, indicating the highest conversion rate. In the process using a fluid, the enzyme ratio of 1: 1 was shown to be most suitable.

전체 고정화 리파아제의 양은 10g (20%,w/w)으로 고정시키고, 고정화 리조포스 오라이제 리파아제와 고정화 켄디다 루고사 리파아제의 비를 1:1 (w:w)로 고정하여 바이오디젤 생산성을 조사하였다. 반응기질로는 식물성 기름인 콩기름(soybean oil) 50g (57.25 mmol)과 98mL (229 mmol)의 메탄올을 사용하였다. 증류수를 콩기름 무게의 10% (5.0g)로 반응기질에 투입하였으며 50 ℃조건에서 130 bar, 200 rpm의 교반속도로 5시간동안 반응하였다. 그 결과를 도 7에 도시하였다.The amount of total immobilized lipase was fixed at 10 g (20%, w / w), and the ratio of immobilized lyphos lipase lipase and immobilized candida lugosa lipase was fixed at 1: 1 (w: w) to investigate biodiesel productivity. It was. 50 g (57.25 mmol) of vegetable oil and 98 mL (229 mmol) of methanol were used as the reactor oil. Distilled water was added to the reactor at 10% (5.0 g) of the weight of soybean oil and reacted for 5 hours at a stirring speed of 130 bar and 200 rpm at 50 ° C. The results are shown in FIG.

이와 같이 본 발명의 초임계 상태에서의 바이오디젤을 생산하였을 때 반응시작 후 3시간 만에 99%이상의 전환율을 얻을 수 있었으며, 도 5에서 보듯이 바이오디젤의 생산에 가장 많이 사용되는 켄디다 안타티카 리파아제를 사용한 생산 방법과 고정화 리조포스 오라이제 리파아제와 고정화 켄디다 루고사 리파아제를 사용한 방법을 비교하였을 때 생산성은 88.12%가 증가하였으며 생산시간은 약 6시간에서 4시간으로 줄어 바이오디젤을 효율적으로 생산할 수 있음을 확인하였다.As described above, when biodiesel was produced in the supercritical state of the present invention, a conversion rate of 99% or more was obtained within 3 hours after the start of the reaction. As shown in FIG. 5, Kendida antartica lipase is most frequently used for the production of biodiesel. In comparison with the production method using the method and the method using the immobilized lyphos lipase lipase and immobilized Kendida Lugosa lipase, the productivity was increased by 88.12% and the production time was reduced from about 6 hours to 4 hours to produce biodiesel efficiently. It was confirmed that there is.

본 발명의 초임계 상태에서 진행한 각 균주의 리파아제를 이용한 효소공정을 다음 표에서 정리하였다.Enzyme processes using lipase of each strain in the supercritical state of the present invention are summarized in the following table.

Figure 112007026752014-pat00001
Figure 112007026752014-pat00001

바이오디젤은 트랜스에스테르화 반응이 가수분해 반응과 에스테르화 반응의 두 단계라고 할 때 가수분해 반응이 속도결정단계여서 일단 가수분해 반응만 일어나면 에스테르화 반응은 빠르게 진행된다는 것이다. 여기에 초임계 이산화탄소를 이용하면 속도 결정단계의 시간을 단축하여 1,2-디글리세라이드를 가수분해 시킴으로써 1,2-디글리세라이드의 1, 3-디글리세라이드로서의 아실 이동에 시간이 걸리지 않도록 하여 전체 반응속도가 증가되는 것을 확인할 수 있었다. 반응시작 후 3시간 만에 99%이상의 전환율에 도달하였다.Biodiesel is said to be a two-step hydrolysis reaction and esterification reaction, so that the hydrolysis reaction is a rate determining step, so that once the hydrolysis reaction occurs, the esterification reaction proceeds rapidly. The use of supercritical carbon dioxide here shortens the time of the rate determination step to hydrolyze 1,2-diglycerides so that it does not take time for acyl transfer of 1,2-diglycerides as 1,3-diglycerides. It was confirmed that the overall reaction rate is increased. More than 99% conversion was reached within 3 hours after the start of the reaction.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 기존의 리파아제를 이용한 바이오디젤 생산 공정에 초임계 이산화탄소를 동시에 적용하여 짧은 시간에 높은 전환율을 얻을 수 있어 반응 효율을 극대화할 수 있으며 기존에 사용하던 효소공정의 단점을 보완하여 친환경적인 방법으로 바이오디젤을 생산에 적합한 매우 유용한 발명인 것이다.As described above, according to the present invention, by simultaneously applying supercritical carbon dioxide to a biodiesel production process using a lipase, a high conversion rate can be obtained in a short time, thereby maximizing the reaction efficiency and a disadvantage of the previously used enzyme process. It is a very useful invention suitable for producing biodiesel in an environmentally friendly way.

Claims (9)

유지와 알코올을 기질로 하고 리조포스 (Rhizopus), 아스퍼질러스 (Aspergillus), 무코르 (Mucor) 속에서 유래한 리파아제, 췌장의 리파아제 (pancreatic lipase) 및 쌀겨 (rice bran)의 리파아제로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 1,3-위치특이성 리파아제와 스타필로코커스 오리우스 (Staphylococcus aureus), 페니실린 사이클로피움 (Penicillium cyclopium), 코리네박테라움 아크네스 (Corynebacterium acnes) 및 켄디다 루고사 (Candida rugosa)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 무위치 특이성 리파아제를 이용하는 효소공정을 포함하여 바이오디젤을 생산하는 방법에 있어서, 상기 효소공정을 초임계 이산화탄소로 유체로 사용하여 압력 115 ~ 150 bar, 온도 40 ~ 60 ℃, 및 교반속도 100 ~ 300 rpm의 초임계 상태에서 3 ~ 5 시간 동안 진행하는 것을 특징으로 하는 바이오디젤 생산 방법.The holding and alcohol as substrates and separation tank Force (Rhizopus), Aspergillus (Aspergillus), non-cor (Mucor) a lipase, pancreatic lipase derived from the genus from the group consisting of lipase of (pancreatic lipase) and rice (rice bran) Consisting of one or more selected 1,3-position-specific lipases, Staphylococcus aureus , Penicillium cyclopium , Corynebacterium acnes , and Candida rugosa In the method for producing biodiesel comprising an enzymatic process using at least one position-specific lipase selected from the group, using the enzymatic process as a supercritical carbon dioxide as a fluid pressure 115 ~ 150 bar, temperature 40 ~ 60 ℃, and Biodiesel production method characterized in that for 3 to 5 hours in a supercritical state of stirring speed 100 ~ 300 rpm . 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 1항에 있어서, 상기 1.3-위치특이성 리파아제와 무위치 특이성 리파아제는 1:3 ~ 3:1 중량비로 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the 1.3-position specific lipase and the positionless specific lipase are used in a weight ratio of 1: 3 to 3: 1. 제 1항에 있어서, 상기 리파아제는 기질인 유지 100 중량부에 대하여 15 ~ 30 중량부인 것을 특징으로 하는 방법.The method according to claim 1, wherein the lipase is 15 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight of a fat or oil as a substrate. 제 1항에 있어서, 상기 리파아제는 고정화된 리파아제인 것을 특징으로 하는 방법. The method of claim 1 wherein the lipase is an immobilized lipase. 제 1항에 있어서, 상기 유지는 천연유지, 가공유지 또는 폐유지인 것을 특징으로 하는 방법.The method according to claim 1, wherein the fat or oil is natural fat, processed fat or waste fat. 제 1항에 있어서, 상기 알코올은 메탄올, 에탄올 또는 부탄올인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1 wherein the alcohol is methanol, ethanol or butanol.
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