KR101354176B1 - 미세조류를 활용한 바이오연료 제조방법 - Google Patents

미세조류를 활용한 바이오연료 제조방법

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Abstract

미세조류가 함유한 수분 성분을 재활용하여 연속적인 바이오연료 제조공정을 가능케 한 미세조류를 활용한 바이오연료 제조방법이 소개된다.
이를 위해 본 발명은, 미세조류에 함유된 수분이 수증기로 상 변화할 때까지 상기 미세조류를 가열하는 제1가열과정(S10); 상기 제1가열과정(S10)에 의해 상기 미세조류로부터 분리된 수증기를 탄화수소와 반응시켜 수소를 생산하는 제1바이오연료 생산과정(S20); 상기 제1가열과정(S10)이후 상기 미세조류에 함유된 기름이 기화될 때까지 상기 미세조류를 가열하는 제2가열과정(S30);상기 제2가열과정(S30)에 의해 상기 미세조류로부터 분리되어 기화된 기름을 알코올과 반응시켜 바이오디젤을 생산하는 제2바이오연료 생산과정(S40); 을 포함하되, 상기 제2가열과정(S30)에 의해 기름이 분리된 미세조류를 열분해시켜 바이오디젤 및 수소를 생산하는 제3바이오연료 생산과정(S50)시 상기 제1가열과정(S10)에 의해 분리된 수증기의 열을 이용하는 것을 특징으로 한다.

Description

미세조류를 활용한 바이오연료 제조방법{METHOD FOR PRODUCING BIOFUEL USING MICROALGAE}
본 발명은 미세조류를 활용한 바이오연료 제조방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 연속적인 공정을 통하여 미세조류에 함유된 수분 및 기름을 활용, 바이오연료를 제조하는 미세조류를 활용한 바이오연료 제조방법에 관한 것이다.
현재 전세계적으로 사용되고 있는 주된 에너지원은 석유, 석탄, 천연가스와 같이 고대로부터 축적된 화석연료에 의존하고 있는데, 각국의 경제성장 위주의 개발정책으로 인해 그 사용량이 급속도로 증가하는 추세를 보이고 있다.
그러나 이러한 화석연료의 대량소비로 인하여 한정된 에너지 자원의 고갈 위기에 직면하게 되면서 원유의 수급차질에 따른 고유가 문제가 계속되고 있고, 화석연료의 소비량에 비례하여 지구온난화 및 환경오염의 문제가 지속적으로 대두되고 있다. 이로 인해 세계 각국에서는 화석연료를 대체할 수 있는 다양한 형태의 에너지원에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있으며, 막대한 에너지 자원의 대부분을 수입에 의존하고 있는 우리나라에서 또한 대체에너지 개발에 관계된 많은 연구와 노력이 기울여지고 있다.
현재 대체 에너지원 탐색의 일환으로 재생 가능 에너지라 불리는 바이오 에너지의 개발 상당히 진척되고 있는데, 그 중 바이오디젤은 환경친화적 특성으로 인해 많은 관심이 고조되고 있다. 바이오디젤은 식물성 유지나 동물성 지방을 다양한 촉매와 반응조건에서 알코올과 화학적으로 트랜스에스테르화 반응시켜 제조하는 것으로, 기존의 석유디젤과 물성이 유사하여 디젤자동차에 직접 또는 일정비율로 혼합하여 사용이 가능한 에너지원일 뿐만 아니라 분자 내 산소를 포함하고 있는 친환경적인 제품이다. 이러한 바이오디젤은 석유디젤에 비해 비용이 높지만 독성이 낮고, 생분해성을 가지며, 연소시 미세먼지 및 황성분의 배출이 대폭 줄어드는 장점을 가진다. 또한 재생 가능한 식물자원에서 생산되므로 자원의 고갈문제가 없고, 석유디젤에 비하여 국내 자급이 가능하며, 연소시 발생한 이산화탄소는 바이오매스의 생산과정을 통해서 흡수할 수 있으므로 이산화탄소의 배출량을 대폭 줄일 수 있다는 점에서 지구 온난화 및 환경문제에 직접적으로 대응이 가능한 청정 연료라고 할 수 있다.
이러한 바이오디젤과 관련하여, 해바라기유, 폰가미아 핀나타, 마드후카 인디카, 카놀라유 등 여러 종류의 시료들을 대상으로 바이오디젤 추출연구가 진행되고 있다. 그러나, 육상작물을 이용하여 바이오디젤을 생산할 경우 곡물가격상승 및 식량공급 부족 문제가 발생하는 단점이 있다.
한편, 미세조류는 해양에서의 기초생산, 즉 태양에너지를 이용하여 무기물로부터 유기물을 생산하며, 그 종류도 일반 미생물과 비교될 수 있을 정도로 다양한 바, 이러한 미세조류는 1차 생산자로서 그것 자체가 가지고 있는 중요성이 매우 크다. 또한 단백질, 탄수화물, 지방과 같은 1차 대사산물의 영양학적 가치뿐만 아니라 2차 대사산물들의 다양한 기능성이 밝혀짐에 따라 식품, 의약품산업, 화장품산업 및 어패류 양식분야에 이용되는 등 그 응용분야가 날로 확대되고 있는 자원이다.
이러한 미세조류로부터 획득할 수 있는 가장 풍부한 물질은 단백질이지만 단백질은 미세조류 자체를 이용할 때 상대적으로 많은 함량을 보이는 성분으로 분류할 수 있고, 생산물질 측면에서 본다면 가장 풍부한 성분중의 하나가 지방이다. 미세조류에서의 지방의 축적은 대게 질소원의 결핍에 의해 유도되고, 종류에 따라 함량이 많이 차이가 나기도 하는데 일부의 미세조류에서는 약 70%의 지방을 함유하고 있는 종들도 보고되고 있다.
바이오디젤의 생산은 바로 이러한 미세조류로부터 오일성분을 추출해 내고 촉매화 및 트랜스에스테르반응을 거친 후에 생산해 낼 수 있다.
이러한 종래의 바이오디젤 생산 과정을 더 상세히 살펴보면, 먼저, 미세조류를 건조하는 과정이 선행되고, 건조된 미세조류에 유기용매를 첨가한 후에, 원심분리 등을 이용하여, 지방성분을 추출하는 과정이 진행되는 바, 유기용매로는 헥산, 디에틸에테르, 디클로로메탄, 클로로포름, 메탄올, 에탄올 및 이들의 혼합물 등으로 이루어진 어느 하나를 선택할 수 있다. 이러한 과정을 통하여 추출된 지방성분을 트랜스에스테르 반응시켜 바이오디젤을 생산하게 되는 바, 트랜스에스테르 반응은 추출된 지방 성분에 알코올 및 염기촉매 등을 첨가함으로써 진행된다. 또한, 기름 추출 후에 발생되는 잔여물을 열화학적 처리하기 위해서는 고온까지 온도를 높여주어야 하는 바, 열화학적 처리 방법을 이용한 방법에서 수소의 수율을 향상시키기 위해서는 수증기가 필요하게 된다.
그러나, 이러한 종래의 바이오디젤 생산 과정은 다양한 문제점을 가지고 있었다. 먼저, 건조 과정시 많은 시간 및 에너지가 필요하며, 이 과정에서 발생되는 수증기도 활용되지 못하므로, 전체적으로 에너지 효율이 떨어진다는 문제점이 있었다.
또한, 기름 추출을 위하여 사용되는 유기용매 때문에, 환경오염의 문제가 발생되는 것은 물론, 비용이 상승되는 문제점이 있었다. 나아가, 트랜스에스테르반응을 진행시 투입되는 고가의 알코올로 인해 비용이 상승되며, 이 반응시 글리세린과 같은 불필요한 부산물이 생산되는 문제점이 있었다.
본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위해 별도의 건조과정이 필요없고, 미세조류에 함유된 수분과 기름을 별도의 유기용매 없이 분리 가능하며, 수증기화된 수분을 재활용 가능한 미세조류를 활용한 바이오연료 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
미세조류를 활용한 바이오연료 제조방법이 소개된다.
이를 위해 본 발명은, 미세조류에 함유된 수분이 수증기로 상 변화할 때까지 상기 미세조류를 가열하는 제1가열과정(S10); 상기 제1가열과정(S10)에 의해 상기 미세조류로부터 분리된 수증기를 탄화수소와 반응시켜 수소를 생산하는 제1바이오연료 생산과정(S20); 상기 제1가열과정(S10)이후 상기 미세조류에 함유된 기름이 기화될 때까지 상기 미세조류를 가열하는 제2가열과정(S30);상기 제2가열과정(S30)에 의해 상기 미세조류로부터 분리되어 기화된 기름을 알코올과 반응시켜 바이오디젤을 생산하는 제2바이오연료 생산과정(S40); 을 포함하되, 상기 제2가열과정(S30)에 의해 기름이 분리된 미세조류를 열분해시켜 바이오디젤 및 수소를 생산하는 제3바이오연료 생산과정(S50)시 상기 제1가열과정(S10)에 의해 분리된 수증기의 열을 이용하는 것을 특징으로 한다.
제1가열과정(S10)은 마이크로웨이브를 이용하여 진행되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기한 기술적 구성으로 인해 아래와 같은 효과를 얻을 수 있다.
첫째, 별도의 건조과정이 거치지 않더라도 미세조류로부터 기름을 추출해낼 수 있는 바, 건조과정시 소요되는 에너지를 절감할 수 있다.
둘째, 기름추출을 위하여 별도로 유기용매를 사용할 필요가 없으므로, 원가가 절감되고, 용기용매 사용에 따른 환경오염을 방지할 수 있다.
셋째, 미세조류가 함유하고 있는 수증기를 활용함으로써, 에너지 효율이 증가된다.
넷째, 트랜스에스테르반응 진행시 투입되는 고가의 알코올이 필요없으므로, 원가가 절감되고, 이 반응시 생성되는 글리세린과 같은 불필요한 부산물이 생산되지 않는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 미세조류를 활용한 바이오연료 제조방법의 개략적인 프로세스를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 미세조류를 활용한 바이오연료 제조방법의 구체화된 프로세스를 나타낸 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 미세조류를 활용한 바이오연료 제조방법에 대하여 설명한다.
본 발명에 따른 미세조류를 활용한 바이오연료 제조방법은 미세조류에 함유된 수분 및 기름을 분리하여 이를 활용, 수소 및 바이오디젤을 제조하는 것을 기술적 특징으로 한다.
미세조류(microalgae)는 크기가 매우 작아 현미경으로 관찰 가능한 것으로, 대형조류(macroalgae)와는 구분되며, 지구상에 약 20만종 이상이 분포하고 있는 것으로 추정된다. 이러한 미세조류는 식물과 마찬가지로 광합성에 의해 이산화탄소, 물, 태양에너지를 이용하여 유기물을 합성하지만, 식물에 비해 증식속도가 빠르고 유전자조작에 의한 기능 향상이 비교적 용이하며, 다양한 종류의 유용 물질을 생산할 수 있는 장점을 갖는다. 또한, 기존의 식용 작물이 아니라는 점에서 재생 에너지원으로서의 장점을 갖는다.
실제로, 미세조류의 단위 면적당 바이오디젤 생산량이 식용 작물이 대두에 비하여 약 130배에 달하는 바, 미세조류를 대량 배양하여 이산화탄소를 소비하면서, 바이오매스(biomass)를 생산하고, 이를 바이오연료로 전환하는 것은 다양한 이점을 갖는다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 이러한 미세조류는 수분 및 기름을 포함하는데, 미세조류에 포함된 수분과 기름을 분리하여, 분리된 수분을 포집, 수소를 제조하는데 재활용하고, 분리된 기름을 이용하여 수소 및 바이오디젤을 제조하게 되면 바이오연료 생산을 위한 공정이 연속적으로 이루어지고, 에너지 효율이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.
미세조류가 함유하는 수분 및 기름은 제1가열과정(S10)을 통하여 분리될 수 있다. 미세조류에 함유된 수분이 수증기로 상 변화할 때까지 열을 가한다. 일반적으로 수분은 수증기로 상 변화하면서 약 1200 ~ 1500배 정도 부피가 팽창하는데, 이로 인하여 미세조류의 용적도 팽창, 그 세포벽이 파괴된다.
미세조류로부터 분리된 수증기는 포집되어 제1바이오연료 생산과정(S20)에 활용된다. 미세조류가 함유하고 있는 수분이 모두 완전히 수증기화 되도록 제1가열과정(S10)에서는 충분한 열이 가해지는 바, 수증기의 온도가 대략 150℃ 정도에 이르면 제1바이오연료 생산과정(S20)에 투입된다.
이러한 수증기 및 그 수증기의 잠열은 제1바이오연료 생산과정(S20)에서 수소를 생산하는데 이용된다. 즉, 수증기 자체가 탄화된 바이오메스인 탄화수소와 반응하여 개질 과정인 가스화 과정이 진행되는 바, 이러한 개질 반응시 필요한 온도 형성을 위해서 수증기의 잠열이 이용된다. 또한, 개질 반응시 필요한 적절 온도는 양질의 촉매가 사용될수록 낮아지는데, 촉매의 종류를 적절히 선택하여 수증기의 잠열을 이용하면서도 충분한 개질 반응을 진행할 수 있다.
또한, 이러한 수증기는 고온, 고압에서 진행되는 Liquefaction 프로세스(도 2참조)에도 투입되어, 바이오디젤을 생산하는데 이용될 수도 있다.
이러한 제1바이오연료 생산과정(S20)은 현재 널리 알려진 공지의 과정이므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
에너지 효율을 고려할 때, 짧은 시간 내에 미세조류가 함유한 수분이 수증기화되는 것이 바람직한 바, 제1가열과정(S10)에서 미세조류에 가해지는 열은 마이크로 웨이브에 의하 제공하되는 것이 바람직하다.
한편, 미세조류에서 수증기가 추출된 후에, 나머지 성분에서 기름 성분을 추출해내는 과정이 진행된다. 이 과정 역시 수증기 추출 과정에서와 마찬가지로, 나머지 성분에 열을 가하여 기름 성분을 기체 상태로 변형시키는 방법을 사용하는 것이 바람직한 바, 이러한 과정이 제2가열과정(S30)이다. 제2가열과정(S30)에서 기름 성분을 완전히 기화시키기 위해서 약 350℃ 정도까지 가열한다. 이러한 과정을 통하여 기화된 상태의 기름을 추출되면, 이러한 기름 성분 및 그것이 함유하고 있는 잠열을 이용하여 바이오디젤을 제조할 수 있는 바, 별도의 가열과정 내지 트랜스에스테르 반응이 필요 없으므로, 공정이 간편해지고, 원가가 절감된다.
제2가열과정(S30)을 통하여, 기화된 상태의 기름 성분이 추출되면, 이 기름 성분 및 잠열을 바이오디젤 생산과정에서 이용한다. 이러한 과정이 제2바이오연료 생산과정(S40)이다.
수증기 및 기름 성분을 추출해내고 남은 미세조류 잔여물은 별도의 제3바이오연료 생산과정(S50)을 통하여 필요한 가스 내지 바이오연료를 생산해낼 수도 있다.
본 발명의 미세조류를 활용한 바이오연료 제조방법에 의하면, 별도의 건조과정이 거치지 않더라도 미세조류로부터 기름을 추출해낼 수 있는 바, 건조과정시 소요되는 에너지를 절감할 수 있고, 기름추출을 위하여 별도로 유기용매를 사용할 필요가 없으므로, 원가가 절감되고, 용기용매 사용에 따른 환경오염을 방지할 수 있다. 또한, 미세조류가 함유하고 있는 수증기를 활용함으로써, 에너지 효율이 증가되는 것은 물론, 트랜스에스테르반응 진행시 투입되는 고가의 알코올이 필요없으므로, 원가가 절감되고, 이 반응시 생성되는 글리세린과 같은 불필요한 부산물이 생산되지 않는 장점이 있다. 나아가, 미세조류 종에 따른 성상의 차이점에서 기인하는 프로세스의 가변성에 대한 대응이 필요 없으며, 목질계 바이오메스와 혼용으로 후처리가 가능한 장점이 있다.
본 발명은 특정한 실시 예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
S10 : 제1가열과정 S20 : 제1바이오연료 생산과정
S30 : 제2가열과정 S40 : 제2바이오연료 생산과정
S50 : 제3바이오연료 생산과정

Claims (4)

  1. 미세조류에 함유된 수분이 수증기로 상 변화할 때까지 상기 미세조류를 가열하는 제1가열과정(S10);
    상기 제1가열과정(S10)에 의해 상기 미세조류로부터 분리된 수증기를 탄화수소와 반응시켜 수소를 생산하는 제1바이오연료 생산과정(S20);
    상기 제1가열과정(S10)이후 상기 미세조류에 함유된 기름이 기화될 때까지 상기 미세조류를 가열하는 제2가열과정(S30);
    상기 제2가열과정(S30)에 의해 상기 미세조류로부터 분리되어 기화된 기름을 알코올과 반응시켜 바이오디젤을 생산하는 제2바이오연료 생산과정(S40); 을 포함하되,
    상기 제2가열과정(S30)에 의해 기름이 분리된 미세조류를 열분해시켜 바이오디젤 및 수소를 생산하는 제3바이오연료 생산과정(S50)시 상기 제1가열과정(S10)에 의해 분리된 수증기의 열을 이용하는 것을 특징으로 하는 미세조류를 활용한 바이오연료 제조방법.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서, 제1가열과정(S10)은 마이크로웨이브를 이용하여 진행되는 것을 특징으로 하는 미세조류를 활용한 바이오연료 제조방법.

  4. 삭제
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