KR101090361B1

KR101090361B1 - 미세조류를 이용한 탄화수소의 제조방법

Info

Publication number: KR101090361B1
Application number: KR1020090008118A
Authority: KR
Inventors: 심상준
Original assignee: 디브이에스 코리아 주식회사
Priority date: 2009-02-02
Filing date: 2009-02-02
Publication date: 2011-12-07
Also published as: KR20100088958A

Abstract

본 발명은 탄화수소의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 미세조류를 배양하고, 상기 배양액에 소수성 레진을 첨가하여 탄화수소를 흡착한 뒤, 상기 레진을 회수하여 탄화수소를 탈착하는 단계를 포함하는, 미세조류를 이용한 탄화수소 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 미세조류를 이용한 탄화수소의 제조방법은 신재생 에너지원 개발 및 친환경적 바이오에너지 생산에 적용할 수 있고, 연속배양공정으로 응용하면 탄화수소 생산성을 극대화할 수 있기 때문에, 탄화수소를 대체 에너지 자원으로 이용할 수 있어, 에너지 산업에 매우 유용하다.

미세조류, 소수성 레진, 탄화수소, 흡착추출

Description

미세조류를 이용한 탄화수소의 제조방법 {Method for Preparing Hydrocarbon Using Micro-algae}

본 발명은 미세조류를 이용하여 탄화수소를 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 미세조류를 배양하고, 상기 배양액에 소수성 레진을 첨가하여 탄화수소를 흡착한 뒤, 상기 레진을 회수하여 탄화수소를 탈착하는 단계를 포함하는 탄화수소 제조방법에 관한 것이다.

미세조류는 CO₂(무기 탄소)와 광에너지와 물이 있으면, 광합성을 하여 CO₂로부터 탄화수소를 함유하는 유기물을 생산할 수 있다. 보트리오코커스속 미세조류는 군체를 이루어 성장하는 녹조류로 온대와 열대지방에 걸쳐 광범위하게 분포한다. 보트리오코커스속 미세조류는 올레인산(oleic acid)으로부터 탄소수 34의 불포화 테르펜계 탄화수소(hydrocarbon)인 보트리오코커센(botryococcene)과 이소보트리오코커센(isobotryococcene)을 축적하는데, 생장기의 녹색세포는 탄소수 27, 29, 31 의 디엔(diene)류를 생산한다. 이들 탄화수소류들의 화학적 조성은 자동차 연료인 디젤유의 조성과 비슷하여, 수송연료로 사용할 석유자원을 대체하는 에너지원으로 많은 연구가 진행되고 있다 (Hillen L.W. et al., Biotech. Bioeng., 24, 193-205 1982; Knight B.A. et al., Phytochem., 9, 1317-1324, 1970).

미세조류를 이용한 탄화수소의 제조 방법은, 일반적으로, 미세조류 배양액을 수확하여, 여과 및 건조공정으로 수분을 제거하고, 유기용매로 추출하는 방법을 주로 사용한다. 국내의 경우, 미세조류의 배양액을 침전시키고 원심 분리하여 회수한 미세조류를 클로로포름과 메탄올의 혼합용매에 분산시켜 탄화수소를 회수하는 방법이 개발되었다 (대한민국 등록특허 제10-0320786호). 그리고 재순환과 동시에 추출장치를 이용하여, 유기용매와 배양액의 접촉을 개선시킨 탄화수소의 동시추출법도 개발되었다 (대한민국 등록특허 제10-0405316호). 그러나 보트리오코커스 브라우니이 (Botryococcus braunii)의 경우 생산된 대부분의 탄화수소가 균주 외벽에 강하게 부착되어 있고, 기존의 추출법은 기본적으로 균체와 용매와의 지속적인 접촉을 통하여 탄화수소를 추출하기 때문에, 균주 성장을 저해할 뿐 아니라 재배양하거나 바이오매스를 이용하는데 어려움을 야기한다.

이에, 본 발명자들은, 탄화수소를 생산하는 미세조류를 이용하여 탄화수소를 제조하는 방법에 있어서, 균체 성장을 저해하지 않는 방법을 개발하고자, 예의 노력한 결과, 용매로 전처리한 소수성 레진을 이용하여 미세조류 배양액에서 탄화수소를 흡착시킨 후, 회수하여 추출하면, 세포생장에 저해가 없기 때문에, 회수하여 계대 배양하는데 시간이 단축되고, 연속공정으로 응용이 편리하다는 것을 확인하 고, 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 주된 목적은 탄화수소 생산능이 있는 미세조류를 이용하여 탄화수소를 제조하는 방법에 있어서 균체에 손상을 주지 않고, 균체의 재배양이 가능한 방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 광반응기에서 탄화수소를 생성능을 가지는 미세조류를 배양하되, 상기 배양과정에 소수성 레진을 첨가하여 미세조류에 의해 생성된 탄화수소를 흡착시키는 단계; 및 (b) 상기 소수성 레진을 분리하고, 이로부터 탄화수소를 추출하는 단계를 포함하는 미세조류를 이용한 탄화수소의 제조방법을 제공한다.

본 발명은 또한, (a) 광반응기에서 탄화수소를 생성능을 가지는 미세조류를 배양하되, 상기 배양과정에 소수성 레진을 첨가하여 미세조류에 의해 생성된 탄화수소를 흡착시키는 단계; (b) 상기 광반응기의 미세조류 배양액을 별도의 다른 광반응기로 이송시키고 탄화수소가 흡착된 소수성 레진을 회수하는 단계; (c) 상기 회수된 소수성 레진으로부터 탄화수소를 추출하는 단계를 포함하는, 미세조류를 이용한 탄화수소의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따른 미세조류를 이용한 탄화수소 제조방법은 신재생 에너지원 개발 및 친환경적 바이오에너지 생산에 적용할 수 있고, 연속배양공정으로 응용하면 탄화수소 생산성을 극대화할 수 있기 때문에, 탄화수소를 대체 에너지 자원으로 이용할 수 있는 효과가 있다.

일 관점에서, 본 발명은 미세조류를 이용하여 탄화수소를 제조하는 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 탄화수소 제조방법은 하기의 단계를 포함한다: (a) 광반응기에서 탄화수소를 생성능을 가지는 미세조류를 배양하되, 상기 배양과정에 소수성 레진을 첨가하여 미세조류에 의해 생성된 탄화수소를 흡착시키는 단계; 및 (b) 상기 소수성 레진을 분리하고, 이로부터 탄화수소를 추출하는 단계.

본 발명은 용매로 전처리된 입자상의 소수성 레진을 미세조류와 같이 배양시켜, 미세조류의 성장저해 없이 조류의 외벽과 레진간의 물리적 마찰 및 화학적 결합에 의해 탄화수소 성분을 흡착하여 분리해내는 것을 특징으로 할 수 있다 (도 1).

또한, 본 발명에 따른 탄화수소 제조방법은 하기의 단계를 포함한다: (a) 광반응기에서 탄화수소를 생성능을 가지는 미세조류를 배양하되, 상기 배양과정에 소수성 레진을 첨가하여 미세조류에 의해 생성된 탄화수소를 흡착시키는 단계; b) 상기 광반응기의 미세조류 배양액을 별도의 다른 광반응기로 이송시키고 탄화수소가 흡착된 소수성 레진을 회수하는 단계; (c) 상기 회수된 소수성 레진으로부터 탄화수소를 추출하는 단계.

본 발명의 일 양태에서는 (b)단계에 있어서, 상기 미세조류 배양액은 광반응기를 연결하고 있는 연동식 펌프에 의해 새로운 소수성 레진이 포함된 별도의 다른 광반응기로 옮겨지면서, 세포분리기를 통과하여 영양분이 고갈된 배지를 제거하거나 미세조류의 밀도를 높여주어 재배양할 수도 있고, 미세조류 배양액 그대로를 다른 광반응기로 옮겨서 재배양에 사용할 수도 있다.

본 발명에서, 상기 배지의 제거는 세포분리기에서는 원심분리, 필터 또는 메쉬를 이용한 여과장치, 또는 원추형 탱크안에서 침강을 통해, 상기 배양액 속의 미세조류를 걸러서 영양분이 고갈된 잔여 배지를 일부 혹은 전체를 제거할 수 있다.

본 발명의 일 양태에서, 브트리오코커스 브라우니이의 경우, 세포분리기를 통해 상기 배양액의 부피를 1/2 내지 1/10로 줄여 미세조류의 밀도를 높여주면, 새로운 소수성 레진과 영양배지가 포함된 광반응기에서의 탄화수소 제조를 위한 배양시간을 단축시켜 줄 수 있다.

상기와 같이 미세조류 배양액만 이송시켜 소수성 레진을 회수하고, 미세조류를 새로운 소수성 레진이 포함된 별도의 다른 광반응기에서 재배양함으로서 탄화수소의 제조효율을 높일 수 있다.

미세조류가 생성한 탄화수소를 회수하는데 있어서, XAD-2, XAD-4, XAD-16 및 XAD-200 등의 소수성 레진을 이용할 수 있으나 XAD-16을 사용하는 것이 바람직하다.

입자상의 소수성 레진을 전처리하는 용매로 메탄올, 아세톤 및 노르말헥세인 등을 사용하는 것이 바람직하며, 아세톤을 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 또한, 소수성 레진으로부터 탄화수소를 탈착하는데 있어서, 노르말헥세인 또는 메틸렌클로라이드를 사용하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 메틸렌클로라이드를 사용할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

실시예 1: 미세조류 배양 및 소수성 레진의 전처리 과정

UTEX Culture Collection of Algae 에서 분양받은 보트리오코커스 브라우니 (Botryococcus braunii) Utex-572를 Chu13배지 (KNO₃ 371mg, K₂HPO₄ 80mg, MgSO₄· 7H₂O 200mg, CaCl₂· 2H₂O 107mg, ferric citrate 20mg, citric acid 100mg, H₃BO₄ 5.72mg, MnCl₂· 4H₂O 3.62mg, ZnSO₄· 7H₂O 0.44mg, CuSO₄· 5H₂O 0.16mg, CoCl₂ 0.2mg, Na₂MoO₄ 0.084mg/L, pH 7.5)에서 25℃, 150rpm, 150u E/m²/s 및 12:12 광· 암주기하에서 2주 배양한 후 10%를 계대 배양하여 1주일 동안 반응기에 반응시켰 다.

XAD-2, XAD-4, XAD-16 및 XAD-200 등과 같은 소수성레진을 고온고압에 멸균하여 망사에 포장한 다음 유기용매를 이용하여 3시간 정도 교반한 다음 씻어낸 후 건조시켰다. 이후 배양시간이 10일 정도 지난 또는 흡광도가 O.D₆₈₀ ≥ 1.5 인 미세조류 반응기의 배양액에 풀어서 함께 이틀간 배양하였다.

실시예 2: 레진의 회수 후 전처리한 용매에 따른 탄화수소 추출량 비교

이틀간 배양한 소수성레진을 포함된 광반응기에 연결된 연동식 펌프를 이용하여 남은 미세조류 배양액을 새로운 레진이 포함된 광반응기로 이동시킨 후 소수성레진을 회수하여 아세톤과 메탄올, 메틸렌클로라이드의 세 가지 용매에 넣은 뒤 교반하여 노르말헥세인(n-hexane)으로 치환시켜 가스크로마토그래피로 분석하였다.

크게 전처리 용매와 추출용매를 나눠서 실험한 결과, 아세톤을 이용하여 전처리하고 추출용매로는 메틸렌클로라이드로 하였을 때, 143±20.8mg/L로 가장 높은 탄화수소 추출량을 보였다 (표 1, 도 3, 도 4).

전처리 용매에 따른 탄화수소 추출량

전처리용매	레진양(g/L)	추출용매	탄화수소 추출량(mg/L)
무	30g	노르말헥세인	0 ± 3
메탄올	30g	노르말헥세인	19.24 ± 1.1
아세톤	30g	노르말헥세인	23.46 ± 2.5
노르말헥세인	30g	노르말헥세인	12.56 ± 0.73
무	30g	메틸렌클로라이드	0.13 ± 2.1
메탄올	30g	메틸렌클로라이드	50.24 ± 25.7
아세톤	30g	메틸렌클로라이드	143.46 ± 20.8
노르말헥세인	30g	메틸렌클로라이드	22.56 ± 13.9

실시예 3: 레진의 종류에 따른 탄화수소 추출량 측정

소수성 레진의 종류를 다양하게 하여 XAD-2, XAD-4, XAD-16 또는 XAD-200을 똑같은 방법으로 전처리하여 1주일간 배양시킨 세포배양액에 혼합한 다음 이틀 동안 반응시킨 후 동일한 방법으로 측정하였다. 효율을 생각하여 아세톤으로 전처리한 다음 메틸렌클로라이드로 회수 실험을 적용한 결과, 시험한 소수성 레진 중 XAD-16이 145.7 ± 15.8mg/L로 가장 높은 탄화수소 추출량을 나타내었다 (표 2, 도 5).

레진의 종류에 따른 탄화수소 추출량

레진의 종류	레진양(g/L)	회수량(mg/L)
XAD-2	30	64.2 ± 19.4
XAD-4	30	107.59 ± 3.7
XAD-16	30	145.7 ± 15.8
XAD-200	30	89.5 ± 8.1

실시예 4: 성장 저해 비교

계대배양 후 일주일 지난 광반응기에 소수성 레진을 여러 가지 용매로 전처리한 후 넣고, 3일마다 샘플링 하여 얻어지는 바이오매스의 함량을 측정하여 성장저해정도를 비교하였다.

그 결과, 소수성 레진에 노르말헥세인으로 전처리를 한 경우, 광효율을 차단하여 실제 실험이 진행되는 144시간에서는 14.5% 저해율을 보였고, 360시간 이후 48.9%의 성장저해율을 보였다. 특히 미세조류의 경우, 비우호적 환경일 경우 벽면에 달라붙어 성장하는 현상이 발생하는데, 아세톤이나 메탄올로 전처리한 소수성 레진과 함께 배양할 경우, 레진과 반응기 벽면사이의 물리적 작용에 의하여 이 문제가 해결되었으며, 동시에 더 높은 바이오매스를 얻을 수 있었다 (표 3, 도 6).

전처리 용매에 따른 바이오매스 함량

＼반응시간(h) 전처리용매	0	72	144	216	288	360
없음	1.117	1.477	2.16	2.51	2.865	3.045
메탄올	1.062	1.475	2.11	2.53	2.732	2.819
아세톤	1.048	1.427	2.115	2.56	2.86	2.946
노르말헥세인	1.192	1.38	2.085	2.11	2.055	2.085

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

도 1은 본 발명에 이용된 광반응 흡착장치를 나타낸 것이다.

도 2는 전처리 과정에서 사용된 소수성 레진에 따른 용매별 탄화수소의 추출률을 비교한 그래프이다.

도 3은 전처리 과정에서 사용된 소수성 레진에 따른 용매별 탄화수소의 추출률을 비교한 그래프이다.

도 4는 소수성 레진의 종류에 따른 탄화수소 추출률을 비교한 그래프이다.

도 5는 소수성 레진의 전처리 과정에 사용된 용매에 따른 성장저해 그래프이다.

Claims

다음 단계를 포함하는 미세조류를 이용한 탄화수소의 제조방법:

(a) 광반응기에서 보트리오코커스 속 미세조류를 배양하되, 상기 배양과정에 아세톤으로 전처리된 소수성 레진인 XAD-16을 첨가하여 보트리오코커스 속 미세조류에 의해 생성된 탄화수소를 흡착시키는 단계; 및

(b) 상기 탄화수소가 흡착된 소수성 레진인 XAD-16을 분리하고, 분리된 소수성 레진인 XAD-16으로부터 메틸렌클로라이드(methylene chloride)를 사용하여 탄화수소를 추출하는 단계.
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다음 단계를 포함하는 미세조류를 이용한 탄화수소의 제조방법:

(a) 광반응기에서 보트리오코커스 속 미세조류를 배양하되, 상기 배양과정에 아세톤으로 전처리된 소수성 레진인 XAD-16을 첨가하여 보트리오코커스 속 미세조류에 의해 생성된 탄화수소를 흡착시키는 단계;

(b) 상기 광반응기의 보트리오코커스 속 미세조류 배양액을 별도의 다른 광반응기로 이송시키고 탄화수소가 흡착된 소수성 레진인 XAD-16을 회수하는 단계; 및

(c) 상기 회수된 소수성 레진인 XAD-16으로부터 탄화수소를 추출하는 단계.
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제7항에 있어서, (b)단계는 원심분리, 여과 및 침강으로 구성된 군에서 선택되는 방법에 의하여 보트리오코커스 속 미세조류를 걸러내어 잔여 배지를 제거하는 공정을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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