KR101413368B1 - 점토를 이용한 미생물로부터 오일 추출 및 바이오디젤 생산 방법 - Google Patents

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Abstract

미생물을 건조하지 않고 수분이 있는 상태에서 용매추출법을 이용하여 미생물로부터 오일을 추출하는 경우, 미생물을 건조하여 수분이 거의 없는 상태에서 용매추출법을 시행하는 경우보다 오일 추출 효율이 현저히 떨어진다. 그러나 미생물로부터 수분을 제거하기 위해서는 추가적인 공정비용으로 인하여 바이오디젤 생산비용을 증가시킨다. 따라서 수분이 있는 상태의 미생물로부터 용매추출법을 이용하여 효율적으로 오일을 추출하기 위하여, 미생물-유기용매 혼합용액에 점토를 첨가하여 오일 추출을 진행한다. 일정시간 교반 후 정치시키면 미생물 잔해가 포함된 층과 오일이 포함된 용매층으로 나뉘며, 오일이 포함된 층을 회수하여 유기용매를 제거하고 오일을 얻을 수 있다. 점토를 함유한 유기용매를 이용하여 미생물로부터 추출된 오일은 트리글리세리드 (triglyceride), 디글리세리드 (diglyceride), 모노글리세리드 (monoglyceride), 유리지방산 (free fatty acid)의 형태를 하고 있다. 이러한 오일 성분은 통상적인 바이오디젤 전환 방법인 산촉매 하에서 알콜 (일반적으로 메탄올)을 사용하여 에스테르화/전이에스테르화 반응을 통하여 바이오디젤로 전환이 가능하다.

Description

점토를 이용한 미생물로부터 오일 추출 및 바이오디젤 생산 방법 {Oil extraction using clay and biodiesel production from microorganisms}
기존의 바이오디젤의 원료가 되는 대두유, 유채유, 팜유 등의 오일 생산량에 비해 오일 생산량이 월등한 오일 함유 미생물로부터 오일을 추출하여 바이오디젤을 생산하기 위한 제조방법에 관한 것이다.
바이오디젤은 식물성 기름 또는 동물성 유지로부터 생산된 지방산의 메틸 또는 에틸 에스테르 화합물로 정의된다. 바이오디젤은 기존 경유에 비해 일산화탄소, 미세먼지, 탄화수소, 독성물질 등 대기 오염물질 배출을 크게 줄일 수 있어 친환경 자동차 연료로 적합하다. 또한 바이오디젤의 연소에서 나오는 이산화탄소는 다시 식물의 광합성 기작에 의해 흡수, 고정되므로 이산화탄소의 순 배출이 거의 없어, 전 세계적으로 이산화탄소 중립 연료(CO2-neutral fuel)로 큰 주목을 받고 있다.
국내에서도 바이오디젤의 보급 확대가 국제사회에서 도입하려는 이산화탄소 배출 규제에 대한 가장 현실적 대응 방안이라는 판단 하에 2002년부터 2006년까지 수도권과 전라북도 등에서 바이오디젤 시범 보급 사업을 시행한 후 2006년 7월부터 바이오디젤 보급을 전국으로 확대하였다. 또한 정유사가 구입하는 바이오디젤의 물량을 매년 높여 바이오디젤이 널리 보급되도록 하였다. 2010년부터 바이오디젤 2%를 경유에 혼합한 BD5 (바이오디젤 5% 이하 혼합 경유)가 연간 40만kL 규모로 기존 인프라와 주유소를 통해 보급되고 있다. 이러한 국내 바이오디젤 시장규모를 금액으로 평가하면 2010년 현재 6,000억원 규모이고, 2012년에는 약 8,000억원 시장으로 성장할 것으로 전망된다.
바이오디젤은 연료로서 뿐만 아니라 공해성 석유제품을 이미 상당수 대체하는 화학물질의 중간체로 사용하고 있고 응용성이 급격하게 확장되고 있는 산업이다. 바이오디젤은 친환경 제품인 생분해성 계면활성제, 합성 윤활유 그리고 저독성 용제의 제조 원료로 사용되고 있으므로 EU 등 선진국에서 법적/제도적으로 장려 정책을 강도 높게 시행하고 있어 성장성이 기대된다. 또한 바이오디젤 플랜트 산업은 결합형 지식산업이자 벤처기업형 산업, 차세대 전략산업 및 국제산업이라는 산업적 특징이 있으며, 기술적으로는 기술집약적 첨단사업이자 정부의 정책적 의지가 강하게 작용하는 유망 산업으로 평가받고 있다.
그러나 현재 바이오디젤은 주로 콩, 유채 등의 식용작물에서 추출한 식물성 기름을 이용해 생산하고 있으며(1세대 바이오연료 기술), 이는 곡물가격 상승을 유발해 아프리카와 같은 빈곤 국가와 저소득층의 식량난을 가중시킨다는 비판을 받고 있다. 또한 늘어나는 바이오디젤의 수요에 맞추어 팜유와 같은 원료 생산을 위해 광범위한 열대우림 또는 산림이 개발되고 있으며, 이는 오히려 지구온난화를 부추긴다는 지적도 있다. 더욱이 우리나라는 바이오디젤의 원료(대두유) 대부분을 해외에서 수입하고 있으므로 수급 및 가격이 석유자원과 유사하게 대외적인 상황 변화에 크게 의존할 가능성이 높다.
또한, 석유자원의 과다 사용으로 의한 환경오염이 심각해지고 자원의 고갈 가능성이 제기됨에 따라 재생성을 갖는 동, 식물성 기름으로부터 생산 가능한 청정 대체 연료인 바이오디젤에 대한 관심이 높아지고 있는 실정이다. 바이오디젤은 2012년 현재 경유에 2% 포함되어 공급되고 있으며, 대부분 대두유나 팜유로부터 생산되고 있다. 바이오디젤의 원료인 대두유나 팜유는 현재 수입에 의존하고 있는 실정이며 식량과 연계된 자원으로 국제적인 환경변화에 크게 영향을 받아 가격이 높고, 불안정하다는 문제점이 존재한다. 이에 대한 대응방안으로 식량자원이 아닌 비식용작물을 이용하여 바이오디젤을 생산하려는 시도와 저가의 폐유지를 이용하여 바이오디젤을 생산하려는 시도가 전 세계적으로 이루어지고 있다.
이러한 상황에서 국내의 에너지 안보는 석유뿐만 아니라 석유대체연료에서도 위협을 받고 있는 실정으로 저가의 원료 또는 국내 자원을 이용할 수 있는 방안을 마련하는 것이 절실하다. 일부 국내 업체에서는 국내에서 생산되는 폐식용유를 이용하여 바이오디젤을 생산하고 있지만, 해마다 증가하는 바이오디젤 목표량을 채우기 위해서는 더 많은 양의 원료유를 필요로 한다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위해 기존 대두유 또는 팜유 대신에 미세조류(Microalgae)를 원료로 활용하는 기술이 '차세대 바이오디젤 기술'로 많은 관심을 받고 있다. 미세조류는 물, 이산화탄소와 햇빛을 이용하여 성장이 가능하며, 황무지, 해안가, 바다 등 어디서든 배양할 수 있어 기존 육상작물과 토지나 공간 측면에서 상호 경쟁하지 않는다. 또한 미세조류는 배양조건에 따라 생체 내에 많은 양의 지질(최대 70%)을 축적하며, 단위 면적당 오일(지질) 생산량이 콩과 같은 기존 식용작물에 비해 50-100배 이상 높아 대체 생물원유로서의 가능성이 매우 높다. 이로부터 단위 면적당 오일 생산량이 육상식물에 비해 매우 우수한 미세조류에 기반한 바이오디젤 생산기술에 대한 관심이 높아지고 있다 (표 1).
미세조류 및 기존 에너지 작물의 오일 생산량
에너지 작물 오일 생산량 (L/ha)
옥수수 172
대두 446
카놀라 1,190
자트로파 1,892
코코넛 2,689
팜 5,950
미세조류 58,700
출처: 제3차 신재생에너지 기술개발 및 이용 보급 기본계획
미세조류는 단일세포의 광합성 생물로 3~30μm의 크기에 담수나 해수에서 서식한다. 이산화탄소를 흡수하고 산소를 배출하며, 오일 및 유용물질을 함유하고 있다. 미세조류는 육상식물에 비해 성장률이 매우 빠르고, 대량으로 고농도 배양이 가능하며, 극한 환경에서도 성장이 가능하다는 장점을 가진다. 미세조류는 사용 가능한 오일 성분이 바이오매스의 30~70%에 달하므로, 기존 작물에 비해 높은 연료 생산성을 나타낸다. 미세조류는 다른 작물과 토지나 공간 측면에서 상호 경쟁하지 않으므로, 현재 식량 자원의 가격 상승 및 산림 파괴 등 2차적인 환경 문제를 일으키지 않는다. 따라서 미세조류 이용 바이오디젤 생산기술은 단위면적 당 높은 생산성을 나타내어 자원 확보가 용이하고 식량 자원과의 경쟁이 없으므로 국내 실정에 적합하다고 할 수 있다.
따라서 미세조류 바이오디젤 생산기술은 이산화탄소 저감, 친환경 연료 개발, 새로운 녹색산업 창출 등 여러 장점을 지니고 있지만 기존 1세대 바이오연료 기술보다 아직 상대적으로 경제성이 떨어진다. 대두유, 유채유, 팜유 등을 이용한 바이오디젤의 생산비용은 리터당 0.5-1.0 달러 수준인 반면 미세조류 바이오디젤의 생산단가는 최소 리터당 2달러 이상으로 추정되고 있다. 따라서 미세조류 바이오디젤의 경제성을 향상시킬 수 있는 기술개발이 필요하다.
국내 공개특허공보 제10-2008-0070988호에는 팜오일로부터 제조된 팜바이오디젤 (또는 팜지방산)을 증류하여 C16 팜바이오디젤(또는 C16팜지방산)과 C18 팜바이오디젤(또는 C18팜지방산)로 분리하여, 저온유동성이 열악한 C16 팜바이오디젤(또는 C16팜지방산)을 수첨반응시켜 C15/C16 파라핀 혼합물로 전환시켜, 경유 배합재로 활용하는 팜오일로부터 저온유동성이 양호한 바이오디젤을 생산하는 방법을 개시하고 있다. 국내 공개특허공보 제10-2008-0015758호에는 고급 유리 지방산 공급원료로부터 바이오디젤과 글리세린의 제조방법으로 유리 지방산의 글리세라이드로의 전환 및 글리세라이드의 글리세린 및 바이오디젤로의 후속적 전환을 위한 시스템 및 방법은 알콜을 사용하는 글리세라이드 스트림의 에스테르교환반응을 포함하는 구성을 개시하고 있다. 지방산 알킬 에스테르는 글리세린으로부터 분리되어 지방산 알킬 에스테르가 풍부한 스트림을 함유하는 제1액상 및 글리세린이 풍부한 스트림을 함유하는 제 2 액상을 생성한다. 지방산 알킬 에스테르가 풍부한 스트림은 이후 증류, 바람직하게는 반응성 증류를 거치고, 스트림은 물리적 분리 및 화학적 반응 모두를 겪는다. 지방산 알킬 에스테르가 풍부한 스트림은 이후 정제되어, 정제된 바이오디젤 산물과 글리세라이드가 풍부한 스트림을 생성한다. 바이오디젤은 글리세라이드가 풍부한 잔여 스트림에 함유된 글리세라이드/유리 지방산의 또다른 분리 및/또는 가공에 의해 글리세라이드가 풍부한 잔여 스트림으로부터 더욱 회수될 수 있다. 글리세린이 풍부한 제 2 액상 스트림은 더욱 정제되어, 정제된 글리세린 산물 및 습윤 알콜 스트림(wet alcohol stream)을 생성할 수 있다. 알칼리-촉매된 에스테르교환반응 공정 동안 형성된 알칼리성 스트림의 중성화는 미네랄 또는 유기산의 첨가에 의하여 진행될 수 있도록 한 구성이 개시되어있다. 또한, 국내 공개특허공보 제10-2011-0096377호에는 미세조류로부터 오일 추출 및 바이오디젤 전환 방법에 관한 것으로, 미세조류로부터 오일을 추출하여 바이오디젤을 생산시, 추출된 오일에 존재하여 바이오디젤 전환 반응을 저해하는 현상을 가지는 엽록소를 바이오디젤 전환 반응 전에 미리 제거함으로써 바이오디젤 전환율을 증가시키는 방법을 개시하고 있다. 상세하게는 미세조류로부터 오일을 추출하는 단계; b) 추출된 오일을 흡착제와 접촉시켜 오일에 포함된 엽록소를 제거하는 단계; 및 c) 엽록소가 제거된 오일을 바이오디젤로 전환하는 단계;를 포함하여 구성된 미세조류로부터 오일 추출 및 바이오디젤 전환 방법을 제공한다. 그러나 상기 발명들은 본 발명의 기술적 특징으로 하고 있는 오일 함유 미생물을 유기용매와 혼합하는 단계; 수득된 혼합용액에 점토를 첨가하고 교반하여 오일을 미생물 밖으로 추출하는 단계; 수득된 추출용액을 오일이 포함된 층과 미생물 잔해가 포함된 층으로 상분리하는 단계; 미생물 잔해가 포함된 층으로부터 오일이 포함된 층을 별도로 분리한 후 상기 유기용매를 제거하는 단계; 를 포함하는 점토를 이용한 오일 제조 방법과는 다른 구성을 갖고 또한, 상기 과정에서 수득된 오일을 원료로 산 또는 염기촉매 하에서 알콜과 반응시키는 단계를 포함하는 바이오디젤의 제조방법과는 상이한 기술적 특징을 갖는다.
기존의 바이오디젤의 원료가 되는 대두유, 유채유, 팜유 등의 오일 생산량에 비해 오일 생산량이 10배, 많게는 100배 이상인 오일 함유 미생물로부터 오일을 추출하여 바이오디젤을 생산하고자 한다. 기존의 원료들이 대부분 수입에 의존하고 있는 바, 국내 생산이 가능한 오일 함유 미생물을 활용하여 바이오디젤을 생산하고자 한다. 바이오디젤 생산에 이용할 수 있는 원료로서의 오일을 효율적으로 추출하기 위해서 가장 일반적으로 사용되는 방법으로는 용매추출법 (미생물의 여러 가지 성분 중에서 오일을 잘 용해할 수 있는 추출 용매를 사용하여 미생물로부터 오일을 용매상으로 분리하는 방법), 마이크로파 이용법 (마이크로파가 미생물의 세포벽을 파괴함으로써 세포 내용물을 밖으로 배출시키면, 이 중에서 오일 성분을 분리하는 방법), 열수처리법 (미생물이 분사되어 있는 수용액의 온도를 물의 끓는점 이상으로 올리면 고온, 고압 상태가 되어 세포벽이 깨지고 세포 내용물이 밖으로 나오게 함으로써 오일 성분을 분리하는 방법), 효소처리법 (효소를 사용하여 미생물의 세포벽을 분해함으로써 오일을 얻는 방법), 압착법 (미생물을 압착하여 오일을 짜내는 방법) 등의 다양한 방법을 이용할 수 있다.
이들 오일 추출법의 대부분이 미생물의 세포벽을 일부 붕괴시킴으로서 세포벽 내부에 있는 오일을 밖으로 내보내는 기작을 포함한다. 세포벽 밖으로 빠져나온 오일의 회수를 위해서는 유기용매를 추가적으로 사용하여야 한다. 마이크로파나 열수를 이용하기 위해서는 추가적인 장치를 필요로 하며, 고가의 효소를 사용하기에는 공정비용이 상승하는 문제점이 있다. 또한 용매추출법의 경우 수분이 적을수록 오일 추출 효율이 증가하지만, 오일 함유 미생물로부터 수분을 제거하기 위해서는 추가적인 공정비용이 소요된다. 따라서 수분이 있는 상태에서 적용가능하면서 세포벽 붕괴와 유기용매를 이용한 오일 회수를 동시에 할 수 있으면서 공정비용을 최대한 낮추고 오일 추출 효율이 높은 새로운 오일 추출 방법을 개발할 필요가 있다.
본 발명에서는
a) 오일 함유 미생물을 유기용매와 혼합하는 단계; b) a)단계에서 수득된 혼합용액에 점토를 첨가하고 교반하여 오일을 미생물 밖으로 추출하는 단계; c) b)단계에서 수득된 추출용액을 오일이 포함된 층과 미생물 잔해가 포함된 층으로 상분리하는 단계; d) 미생물 잔해가 포함된 층으로부터 오일이 포함된 층을 별도로 분리한 후 상기 유기용매를 제거하는 단계; e) d)에서 수득된 오일을 원료로 산 또는 염기촉매 하에서 알콜과 반응시키는 단계를 포함하는 바이오디젤의 제조방법을 제공한다.
더욱 상세하게는 오일 함유 미생물로는 미세조류, 박테리아, 효모 또는 진균 중에서 선택되는 어느 하나 이상이 될 수 있으며, 오일 함유 미생물의 종류로서 미세조류 (Chlorella sp ., Botryococcus braunii , Cylindrotheca sp ., Nitzschia sp., Schizochytrium sp. 등), 박테리아 (Arthrobacter sp ., Acinetobacter calcoaceticus, Rhodococcus opacus , Bacillus alcalophilus 등), 효모 (Candida curvata, Cryptococcus albidus , Lipomyces starkeyi , Rhodotorula glutinis 등), 진균 (Aspergillus oryzae , Mortierella isabellina , Humicola lanuginosa , Mortierella vinacea 등)의 미생물이 사용될 수 있다.
유기용매로는 메탄올 등의 극성 유기용매와 헥산 등의 비극성 유기용매를 혼합한 것이 사용될 수 있고, 극성유기용매이면서 비극성 유기용매인 헥산과 비슷한 역할을 하는 클로로포름을 메탄올 등의 유기용매와 혼합하여 사용할 수도 있다. 상분리는 중력침강 또는 원심분리로 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 점토는 물에 분산된 상태에서 표면에 양의 전하를 띠고 있는 것을 특징으로 하며, 점토는 카올린 (음의 전하), 아미노프로필 마그네슘 필로실리케이트 점토 (aminopropyl functionalized magnesium phyllosilicate clay, Mg-APTES), 아미노프로필 알루미늄 필로실리케이트 점토 (aminopropyl functionalized aluminum phyllosilicate clay, Al-APTES), 또는 아미노프로필 칼슘 필로실리케이트 점토 (aminopropyl functionalized calcium phyllosilicate clay, Ca-APTES)에서 선택된 하나 이상이 혼합된 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
또한 본 발명에서는 점토를 이용한 미생물로부터 오일 제조방법으로 추출된 다양한 종류의 오일로부터 산 또는 염기촉매 하에서 알콜과 에스테르화 및 전이에스테르화 반응시키는 단계를 포함하는 과정을 거쳐 산업상 필요로 하는 최종산물인바이오디젤의 제조 방법을 제공한다.
점토를 이용한 미생물로부터 오일 제조방법으로 추출된 다양한 종류의 오일로부터 산 또는 염기촉매 하에서 알콜과 에스테르화 및 전이에스테르화 반응시키는 단계를 포함하는 바이오디젤의 제조방법에 따라 미생물로부터 오일 및 바이오디젤의 생산이 가능하고 또한, 오일 함유 미생물로부터 오일을 추출하기 위하여 필요로 하는 공정비용 상승 문제를 개선함으로서 경제성 있는 오일 및 바이오디젤의 생산이 가능하다.
도 1은 오일 함유 미생물로부터 바이오디젤 생산 경로를 나타낸 모식도이다.
도 2는 추출 오일의 바이오디젤 전환 반응을 나타낸다.
도 3은 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris sp.)에 대한 미세조류의 오일 추출 효율 결과를 나타낸다.
도 4는 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris sp.)에 대한 추출된 오일의 지방산 함량 결과를 나타낸다.
도 5는 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris sp.)에 대한 미세조류의 오일 생산성 결과를 나타낸다.
도 6은 Chlorella KR-1에 대한 미세조류의 오일 추출 효율 결과를 나타낸다.
도 7은 Chlorella KR-1에 대한 추출된 오일의 지방산 함량 결과를 나타낸다.
도 8은 Chlorella KR-1에 대한 미세조류의 오일 생산성 결과를 나타낸다.
도 9는 점토의 종류에 따른 미세조류의 오일 추출 효율 결과를 나타낸다.
도 10은 점토의 종류에 따른 추출된 오일의 지방산 함량 결과를 나타낸다.
도 11은 점토의 종류에 따른 미세조류의 오일 생산성 결과를 나타낸다.
도 12는 미세조류 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris sp.)로부터 추출된 오일로부터 생산된 바이오디젤을 나타낸다.
이하 본 발명의 실시 예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 오일 함유 미생물로부터 바이오디젤 생산 경로를 나타낸 모식도이다. 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 오일 함유 미생물로부터 바이오디젤을 생산하는 과정은, 오일 함유 미생물을 대량생산하고 수분을 일부 또는 완전히 제거한 미생물을 수확하고 오일을 추출한 후에 바이오디젤을 생산하는 것이다.
미생물을 건조하지 않고 수분이 있는 상태에서 용매추출법을 이용하여 미생물로부터 오일을 추출하는 경우, 미생물을 건조하여 수분이 거의 없는 상태에서 용매추출법을 시행하는 경우보다 오일 추출 효율이 현저히 떨어진다. 그러나 미생물로부터 수분을 제거하기 위해서는 추가적인 공정비용으로 인하여 바이오디젤 생산비용을 증가시킨다. 따라서 수분이 있는 상태의 미생물로부터 용매추출법을 이용하여 효율적으로 오일을 추출하기 위하여, 미생물-유기용매 혼합용액에 점토를 첨가하여 오일 추출을 진행한다. 일정시간 교반 후 정치시키면 미생물 잔해가 포함된 층과 오일이 포함된 용매층으로 나뉘며, 오일이 포함된 층을 회수하여 유기용매를 제거하고 오일을 얻을 수 있다.
오일 함유 미생물로는 미세조류 외에도 박테리아, 효모, 진균 등의 미생물도 오일을 함유하고 있으므로, 이들 미생물로부터 추출한 오일을 바이오디젤 생산 원료로 이용하는 것도 가능하다. 오일을 함유하는 대표적인 미생물과 각각의 오일 함량을 표 2에 나타내었다.
오일 함유 미생물의 오일 함량
미생물 오일 함량 (wt%, dry)
Microalgae
(미세조류)		 Botryococcus braunii
Cylindrotheca sp.
Nitzschia sp.
Schizochytrium sp. 		25-72
16-37
45-47
50-77
Bacterium
(박테리아)		 Arthrobacter sp .
Acinetobacter calcoaceticus
Rhodococcus opacus
Bacillus alcalophilus 		>40
27-38
24-25
18-24
Yeast
(효모)		 Candida curvata
Cryptococcus albidus
Lipomyces starkeyi
Rhodotorula glutinis 		58
65
64
72
Fungi
(진균)		 Aspergillus oryzae
Mortierella isabellina
Humicola lanuginosa
Mortierella vinacea 		57
86
75
66
상기 표 2에 나타낸 오일 함유 미생물 이외에도 미세조류로서 아나시스티스 니둘란스(Anacystis nidulans), 안키스트로데스무스(Ankistrodesmus sp.), 비둘리파아 우리타(Biddulpha aurita), 체토세로스(Chaetoceros sp.), 치라미도모나스 애플라나타(Chlamydomonas applanata), 치라미도모나스 레인하드티(Chlamydomonas reinhardtii), 클로렐라(Chlorella sp.), 클로렐라 엘립소디아(Chlorella ellipsoidea), 클로렐라 에멀소니(Chlorella emersonii), 클로렐라 프로토더코이데스(Chlorella protothecoides), 클로렐라 프레노이도사(Chlorella pyrenoidosa), 클로렐라 소로키니아나(Chlorella sorokiniana), 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris), 클로렐라 미누티시마(Chlorella minutissima), 클로로코쿠 리토레일(Chlorococcu littorale), 클로텔라 크립티카(Cyclotella cryptica), 두날리엘라 바르다윌(Dunaliella bardawil), 두날리엘라 살리나(Dunaliella salina), 두날리엘라 테르티오렉타(Dunaliella tertiolecta), 두날리엘라 프리모렉타(Dunaliella primolecta), 짐노디움(Gymnodinum sp.), 헤머노모나스 카테라에(Hymenomonas carterae), 이소크리시스 갈베나(Isochrysis galbana), 이소크리시스(Isochrysis sp.), 마이크로시스티스 아에루기노사(Microcystis aeruginosa), 마이크로모나스 푸실라(Micromonas pusilla), 모노두스 서브테라네우스(Monodus subterraneous), 나노클로리스(Nannochloris sp.), 나노클로롭시스(Nannochloropsis sp.), 나노클로롭시스 아토무스(Nannochloropsis atomus), 나노클로롭시스 살리나(Nannochloropsis salina), 나비쿨라 필리쿨로사(Navicula pelliculosa), 니츠시아(Nitzschia sp.), 니츠시아 클로스테리움(Nitzscia closterium), 니츠시아 팔레아(Nitzscia palea), 오시스티스 폴리모피아(Oocystis polymorpha), 아우로코커스(Ourococcus sp.), 오실라토리아 루베스켄스(Oscillatoria rubescens), 파브로바 루테리(Pavlova lutheri), 패오닥트리움 트리코누툼(Phaeodactylum tricornutum), 피크노코커스 프로바솔리(Pycnococcus provasolii), 피라미노나스 코르다타(Pyramimonas cordata), 스피눌라 플라텐시스(Spirulina platensis), 스테파노디스커스 미누투루스(Stephanodiscus minutulus), 스티코커스(Stichococcus sp.), 시네드라우르나(Synedra ulna), 스케네데스무스 오브리쿼스(Scenedesmus obliquus), 스켈레나스트럼 그라시레(Selenastrum gracile), 스켈레토노마 코스타럼(Skeletonoma costalum), 테트라셀미스 출리(Tetraselmis chui), 테트라셀미스 마쿠라타(Tetraselmis maculata), 테트라셀미스(Tetraselmis sp.), 테트라셀미스 수에시카(Tetraselmis suecica), 탈라시오스트라 프세우도모나(Thalassiostra pseudomona), 아나배나(Anabaena sp.), 칼로드릭스(Calothrix sp.), 카마에시폰(Chaemisiphon sp.), 코로코시디옵시스(Chroococcidiopsis sp.), 차노데세(Cyanothece sp.),실린더로스페멈(Cylindrospermum sp.), 데모카펠라(Dermocarpella sp.), 피셔렐라(Fischerella sp.), 글로에오캅사(Gloeocapsa sp.), 믹소사시나(Myxosarcina sp.), 노스톡(Nostoc sp.), 오스실라토리아(Oscillatoria sp.), 포르미디움 코리움(Phormidium corium), 플레우로캅사(Pleurocapsa sp.), 프로콜로코코스(Prochlorococcus sp.), 페세우다나바에나(Pseudanabaena sp.), 시네코코스(Synechococcus), 시네코시스티스(Synechocystis sp.), 톨리포트릭스(Tolypothrix sp.), 제노코코스(Xenococcus sp.) 등의 미세조류 종을 대량 배양하여 유기용매와 혼합하고, 점토를 첨가하는 본 발명의 과정을 통하여 오일을 추출할 수 있다.
또한 박테리아 종으로는 상기 표 2에 나타낸 것 이외에도 대장균(E. coli), 로도시스타센테나리아(Rhodocista centenaria), 로도스피라 트루페리(Rhodospira trueperi), 로도스피리럼 프루붐(Rhodospirillum fulvum), 로도스피리럼 모리스키라넘(Rhodospirillum molischianum), 로도스피리럼 포토메트리쿰(Rhodospirillum photometricum), 로도스피리럼 러브럼(Rhodospirillum rubrum), 로도스피리럼 살렉시젠(Rhodospirillum salexigens), 로도스피리럼 살리나루튼(Rhodospirillum salinarutn), 로도스피리럼 소도멘세(Rhodospirillum sodomense), 로도스피리럼 메디오살리넘(Rhodospirillum mediosalinum), 로돕세우도모나스(Rhodopseudomonas sp.), 로돕세우도모나스 아시도피라(Rhodopseudomonas acidophila), 로돕세우도모나스 캅술라투스(Rhodopseudomonas capsulatus), 로돕세우도모나스 파루스트리스(Rhodopseudomonas palustris), 로돕세우도모나스 스페로이데스(Rhodopseudomonas sphaeroides), 로도박터 캅술라투스(Rhodobacter capsulatus), 로도박터 세페로이데스(Rhodobacter sphaeroides) 등의 종으로 부터도 본 발명의 오일추출 과정을 통하여 오일을 추출할 수 있다.
점토를 함유한 유기용매를 이용하여 미생물로부터 추출된 오일은 트리글리세리드 (triglyceride), 디글리세리드 (diglyceride), 모노글리세리드 (monoglyceride), 유리지방산 (free fatty acid)의 형태를 하고 있다. 이러한 오일 성분은 통상적인 바이오디젤 전환 방법인 산 또는 염기촉매 하에서 알콜 (일반적으로 메탄올)을 사용하여 에스테르화/전이에스테르화 반응을 통하여 바이오디젤로 전환이 가능하다.
즉 추출된 오일에 포함된 유리지방산 함량에 따라 산촉매 또는 염기촉매 하에서 오일과 알콜의 반응을 통해 오일이 바이오디젤로 전환된다. 오일의 주성분인 트리글리세리드 (triglyceride)는 알콜과 염기촉매 하에서 반응하여 바이오디젤과 글리세롤을 생성한다. 오일에 존재하는 유리지방산 (free fatty acid)의 경우는 산촉매 하에서 알콜과 반응하여 바이오디젤과 물을 생성하게 된다 (도 2).
오일의 바이오디젤 전환시 보통 염기촉매 반응을 이용하지만, 유리지방산이 다량으로 존재할 경우에는 비누화 반응이 일어나지 않도록 산촉매 반응을 이용한다. 산촉매 반응은 염기촉매 반응에 비하여 반응시간이 길지만, 오일에 불순물이 많은 경우에도 바이오디젤 전환이 가능한 장점이 있어, 미생물로부터 추출된 오일처럼 일부 불순물을 포함한 경우에는 산촉매 반응이 유리하다.
미생물의 세포벽 내에 존재하는 오일을 용매추출법을 이용하여 추출하기 위해서는, 미생물의 세포벽을 일부 붕괴하고 용매가 안으로 침투할 필요가 있다. 유기용매는 극성과 비극성 유기용매로 나뉘는데, 극성 유기용매와 비극성 유기용매를 혼합하여 사용할 경우, 극성 용매나 비극성 용매만 사용할 경우보다 장점을 지닌다. 헥산과 같은 비극성 용매만 사용할 경우에는 유기용매의 새포벽 침투율이 낮아 오일 추출 효율이 매우 낮으며, 메탄올과 같은 극성 유기용매만 사용할 경우에는 너무 많은 양의 오일이 추출되면서 오일 성분이지만 바이오디젤로 전환되지 않는 불순물도 많이 포함되어 있다. 따라서 바이오디젤 전환에 적합한 오일의 효율적인 추출을 위해서는 극성과 비극성 용매의 혼합이 가장 바람직하다.
극성 유기용매로는 메탄올이 가장 대표적이고, 비극성 유기용매로는 헥산이 가장 대표적이다. 헥산-메탄올 혼합용매로 오일을 추출하였을 경우 오일을 포함한 유기용매 층은 헥산의 비중에 따라 상층에 존재하는 특징을 가진다. 또한, 극성유기용매이면서 비극성 유기용매인 헥산과 비슷한 역할을 하는 클로로포름을 유기용매로 사용할 수 있으며, 클로로포름-메탄올 혼합용매로 오일을 추출하는 경우는 클로로포름의 비중에 따라 오일을 포함한 유기용매 층이 하층에 존재하는 특징을 가진다.
유기용매 층과 미생물 잔해층은 두 층간의 밀도차에 의하여 분리되는 특성이 있으므로, 중력침강에 의해 상분리하거나, 시간을 줄이기 위해서는 원심분리를 수행할 수 있다.
카올린과 같은 무기점토의 경우 수용액 상에서 표면에 음전하를 띠고 있다. 하지만 이러한 천연점토에도 Al3+ 금속 이온들이 존재하기 때문에 미생물과 응집 현상을 일으킬 수 있다. 또한 아미노프로필 마그네슘 필로실리케이트 점토 (aminopropyl functionalized magnesium phyllosilicate clay, Mg-APTES)와 같은 유기점토의 경우에는 점토의 -NH2기가 수용액 상에서 -NH3 +로 되면서 점토 표면에 양전하를 띠며 pH는 9 이상으로 상승한다. 음전하를 띠고 있는 미생물의 세포벽이 양이온성의 점토에 의해 불안정해지면서 세포벽의 붕괴가 일어나고, 유기용매의 세포벽 내로의 침투를 용이하게 하는 것으로 생각된다.
미생물로부터 오일을 추출하기 위하여 카올린과 같은 무기점토 또는 아미노프로필 마그네슘 필로실리케이트 점토 (aminopropyl functionalized magnesium phyllosilicate clay, Mg-APTES), 아미노프로필 알루미늄 필로실리케이트 점토 (aminopropyl functionalized aluminum phyllosilicate clay, Al-APTES), 아미노프로필 칼슘 필로실리케이트 점토 (aminopropyl functionalized calcium phyllosilicate clay, Ca-APTES)와 같은 유기점토를 이용할 수 있다. 유기점토에는 마그네슘, 알루미늄, 칼슘 등의 금속이 함유되어 있다.
이하, 본 발명에 의한 점토를 이용한 미생물로부터 오일 추출 및 바이오디젤 생산방법을 실시예와 함께 상세히 설명하면 다음과 같다.
[실시예 1]
- 점토의 제조
아미노프로필 마그네슘 필로실리케이트 점토 (aminopropyl functionalized magnesium phyllosilicate clay, Mg-APTES)는 졸-겔 합성법에 의하여 제조되었다. 에탄올 40mL에 교반을 통하여 염화마그네슘 6수하물 (magnesium chloride hexahydrate) 1.68g을 완전히 녹인다. 에탄올-염화마그네슘 용액에 2.6mL의 3-아미노프로필트리에톡시실란 (3-aminopropyltriethoxysilane, APTES)을 첨가하고, 12시간 동안 상온에서 교반한 뒤 침전물을 원심분리로 분리한다. 50mL 에탄올로 세정한 후, 40℃에서 건조시키고 막사사발을 이용하여 가루로 만든다.
[실시예 2]
- 점토의 농도에 따른 클로렐라 불가리스( Chlorella vulgaris sp. ) 로부터 점토를 이용한 오일 추출
미세조류 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris sp.)에 대하여, 점토를 이용한 오일 추출시 점토의 영향에 대하여 살펴보았다. 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris sp.)는 건조중량 기준 총 87.6 mg/g cell의 지방산 함량을 나타내며, 8.76%의 지방산을 함유하고 있다 (표 3).
미세조류의 지방산 분포
Fatty acids Fatty acids content
(mg/g cell) (%)
Myristic acid C14:0 1.8 2.0
Palmitic acid C16:0 19.4 22.2
Stearic acid C18:0 1.4 1.6
Oleic acid C18:1 2.0 2.2
Linoleic acid C18:2 29.8 34.0
Linolenic acid C18:3 3.2 3.7
Docosahexaenoic acid C22:6 7.2 8.2
Others 22.8 26.1
Total 87.6 100
10g/L 농도의 미세조류 용액 100g에 대하여 헥산:메탄올=7:3(v/v) 60mL를 넣고, 아미노프로필 마그네슘 필로실리케이트 점토 (aminopropyl functionalized magnesium phyllosilicate clay, Mg-APTES)를 미세조류 건조중량 대비 20, 10, 5, 1wt%의 농도로 첨가한다. 상온에서 6시간 동안 교반한 후, 원심분리하여 상층 (헥산-오일층)과 하층 (메탄올-물-미세조류 잔해층)으로 분리한다. 상층을 회수하여 헥산을 증발시키고 오일의 무게를 측정하여 오일 추출 효율을 계산한다. 이때 대조구로 수분이 없는 동결건조된 미세조류를 사용하고 점토를 첨가하지 않은 경우 (Dry)와 10g/L 농도의 미세조류 용액에 점토를 첨가하지 않은 경우 (Wet)의 오일 추출 효율을 비교하였다.
동결 건조된 미세조류의 경우 (Dry) 가장 높은 오일 추출 효율을 나타내었으며, 점토를 첨가하였을 경우는 점토를 첨가하지 않은 경우 (Wet)보다 점토가 1wt%만 첨가되었을 경우를 제외하고는 향상된 오일 추출 효율을 나타내었다 (도면 3). 1~20wt%로 점토의 농도가 증가했을 때, 오일 추출 효율도 점차 증가하였다.
각각 추출된 오일은 바이오디젤 성분으로 전환가능한 지방산 뿐만 아니라 다른 오일도 일부 함유할 수 있으므로, 추출된 오일의 지방산 함량을 측정하였다. 추출된 오일 10mg에 클로로포름-메탄올 (2:1, v/v) 2mL, 내부 표준물질인 헵타데칸산 (heptadecanoic acid) 용액 1mL, 메탄올 1mL, 황산 0.3mL을 차례로 넣어준다. 이 혼합용액을 100℃에서 10분간 반응시킨 후 증류수 1mL을 첨가한다. 원심분리하고 층분리된 용액 중 아래층을 가스 크로마토그래피로 분석하여 지방산 메틸 에스테르 (fatty acid methyl ester, FAME)로 전환되는 지방산 함량을 측정한다. 오일 추출 효율이 낮은 1wt% 점토를 첨가한 경우와 점토를 첨가하지 않은 경우 (Wet)는 지방산 함량 측정에서 제외되었다.
지방산 함량을 비교해보면, 동결 건조된 미세조류의 경우 (Dry) 가장 높은 오일 추출 효율을 나타낸 반면, 추출된 오일에 포함되어 있는 지방산 함량은 700 mg/g lipid를 나타내었다 (도 4). 반면 점토가 5~20wt% 포함된 경우는 첨가된 점토의 농도가 증가했을 때, 지방산 함량은 감소하는 것으로 나타났다. 즉 점토의 농도가 증가할수록, 오일 추출 효율은 증가하고, 추출된 오일에 포함된 지방산 함량은 낮아졌다.
미세조류의 지방산 메틸 에스테르 생산성을 미세조류로부터의 오일 추출 효율과 추출된 오일의 지방산 함량의 곱으로써 계산하였으며, 미세조류로부터 생산 가능한 최대 지방산 메틸 에스테르 함량을 나타낸다.
동결건조된 미세조류의 경우 (Dry)와 점토 농도가 20wt% 및 10wt%일 때 동일한 수준의 지방산 메틸 에스테르 생산성을 나타내었으며, 점토 농도가 5wt%일 경우에는 낮은 생산성을 나타내었다 (도 5).
[실시예 3]
- 점토의 농도에 따른 Chlorella KR-1으로부터 점토를 이용한 오일 추출
미세조류 Chlorella KR-1에 대하여, 점토를 이용한 오일 추출시 점토의 영향에 대하여 살펴보았다. Chlorella KR-1은 건조중량 기준 총 330.1 mg/g cell의 지방산 함량을 나타내며, 33.0%의 지방산을 함유하고 있다 (표 4).
10g/L 농도의 미세조류 용액 100g에 대하여 헥산:메탄올=7:3(v/v) 60mL를 넣고, 아미노프로필 마그네슘 필로실리케이트 점토 (aminopropyl functionalized magnesium phyllosilicate clay, Mg-APTES)를 미세조류 건조중량 대비 20, 10, 5, 1wt%의 농도로 첨가한다. 상온에서 6시간 동안 교반한 후, 원심분리하여 상층 (헥산-오일층)과 하층 (메탄올-물-미세조류 잔해층)으로 분리한다. 상층을 회수하여 헥산을 증발시키고 오일의 무게를 측정하여 오일 추출 효율을 계산한다. 이때 대조구로 수분이 없는 동결건조된 미세조류를 사용하고 점토를 첨가하지 않은 경우 (Dry)와 10g/L 농도의 미세조류 용액에 점토를 첨가하지 않은 경우 (Wet)의 오일 추출 효율을 비교하였다.
미세조류의 지방산 분포
Fatty acid Fatty acid content
(mg/g cell) (%)
Myristic acid C14:0 0.9 0.3
Palmitic acid C16:0 92.4 28.0
Stearic acid C18:0 23.9 7.2
Oleic acid C18:1 67.7 20.5
Linoleic acid C18:2 85.8 26.0
Linolenic acid C18:3 26.3 8.0
Others 33.2 10.0
Total 330.1 100.0
동결 건조된 미세조류의 경우 (Dry) 가장 높은 오일 추출 효율을 나타내었으며, 점토를 첨가하였을 경우는 점토를 첨가하지 않은 경우 (Wet) 보다 향상된 오일 추출 효율을 나타내었다 (도 6). 1~20wt%로 점토의 농도가 증가했을 때, 오일 추출 효율도 점차 증가하였다.
각각 추출된 오일은 바이오디젤 성분으로 전환가능한 지방산 뿐만 아니라 다른 오일도 일부 포함될 수 있으므로, 추출된 오일의 지방산 함량을 측정하였다. 추출된 오일 10mg에 클로로포름-메탄올 (2:1, v/v) 2mL, 내부 표준물질인 헵타데칸산 (heptadecanoic acid) 용액 1mL, 메탄올 1mL, 황산 0.3mL을 차례로 넣어준다. 이 혼합용액을 100℃에서 10분간 반응시킨 후 증류수 1mL을 첨가한다. 원심분리하고 층분리된 용액 중 아래층을 가스 크로마토그래피로 분석하여 지방산 메틸 에스테르 (fatty acid methyl ester, FAME)로 전환되는 지방산 함량을 측정한다. 오일 추출 효율이 낮은 1wt% 점토를 첨가한 경우와 점토를 첨가하지 않은 경우 (Wet)는 지방산 함량 측정에서 제외되었다.
지방산 함량을 비교해보면, 동결건조된 미세조류의 경우 (Dry) 가장 높은 오일 추출 효율을 나타낸 반면, 추출된 오일에 포함되어 있는 지방산 함량은 800 mg/g lipid를 나타내었다 (도 7). 반면 점토가 5~20wt% 포함된 경우에는 세 경우 모두 높은 지방산 함량을 나타내었다.
미세조류의 지방산 메틸 에스테르 생산성을 미세조류로부터의 오일 추출 효율과 추출된 오일의 지방산 함량의 곱으로써 계산하였으며, 미세조류로부터 생산 가능한 최대 지방산 메틸 에스테르 함량을 나타낸다.
동결 건조된 미세조류의 경우 (Dry)에 가장 높은 지방산 메틸 에스테르 생산성을 나타냈으며, 점토 농도가 5~20wt%로 증가했을 때, 지방산 메틸 에스테르 생산성도 증가했지만, 점토를 첨가한 세 경우에 대해서 지방산 메틸 에스테르 생산성은 비슷하게 관찰되었다 (도 8).
[실시예 4]
- 점토의 종류에 따른 Chlorella KR-1으로부터 점토를 이용한 오일 추출
미세조류 Chlorella KR-1에 대하여, 점토의 종류에 따른 오일 추출시 점토의 영향에 대하여 살펴보았다. Chlorella KR-1은 건조중량 기준 총 330.1 mg/g cell의 지방산 함량을 나타내며, 33.0%의 지방산을 함유하고 있다 (표 5).
미세조류의 지방산 분포
Fatty acid Fatty acid content
(mg/g cell) (%)
Myristic acid C14:0 0.9 0.3
Palmitic acid C16:0 92.4 28.0
Stearic acid C18:0 23.9 7.2
Oleic acid C18:1 67.7 20.5
Linoleic acid C18:2 85.8 26.0
Linolenic acid C18:3 26.3 8.0
Others 33.2 10.0
Total 330.1 100.0
10g/L 농도의 미세조류 용액 100g에 대하여 헥산:메탄올=7:3(v/v) 60mL를 넣고, 점토로 카올린, 아미노프로필 마그네슘 필로실리케이트 점토 (aminopropyl functionalized magnesium phyllosilicate clay, Mg-APTES), 아미노프로필 알루미늄 필로실리케이트 점토 (aminopropyl functionalized aluminum phyllosilicate clay, Al-APTES), 아미노프로필 칼슘 필로실리케이트 점토 (aminopropyl functionalized calcium phyllosilicate clay, Ca-APTES)를 미세조류 건조중량 대비 20wt%의 농도로 첨가한다. 상온에서 6시간 동안 교반한 후, 원심분리하여 상층 (헥산-오일층)과 하층 (메탄올-물-미세조류 잔해층)으로 분리한다. 상층을 회수하여 헥산을 증발시키고 오일의 무게를 측정하여 오일 추출 효율을 계산한다.
4가지 점토 중에서 Al-APTES가 가장 높은 오일 추출 효율을 나타내었으며, Al-APTES > Mg-APTES > 카올린 > Ca-APTES 순으로 오일 추출 효율이 높게 나타났다 (도 9).
각각 추출된 오일은 바이오디젤 성분으로 전환가능한 지방산 뿐만 아니라 다른 오일도 일부 포함될 수 있으므로, 추출된 오일의 지방산 함량을 측정하였다. 추출된 오일 10mg에 클로로포름-메탄올 (2:1, v/v) 2mL, 내부 표준물질인 헵타데칸산 (heptadecanoic acid) 용액 1mL, 메탄올 1mL, 황산 0.3mL을 차례로 넣어준다. 이 혼합용액을 100℃에서 10분간 반응시킨 후 증류수 1mL을 첨가한다. 원심분리하고 층분리된 용액 중 아래층을 가스 크로마토그래피로 분석하여 지방산 메틸 에스테르 (fatty acid methyl ester, FAME)로 전환되는 지방산 함량을 측정한다.
지방산 함량을 비교해보면, 4가지 모든 경우에서 매우 높은 지방산 함량을 나타내었다 (도 10).
미세조류의 지방산 메틸 에스테르 생산성을 미세조류로부터의 오일 추출 효율과 추출된 오일의 지방산 함량의 곱으로써 계산하였으며, 미세조류로부터 생산 가능한 최대 지방산 메틸 에스테르를 나타낸다.
4가지 점토에 대하여 Al-APTES > Mg-APTES > 카올린 > Ca-APTES 순으로 지방산 메틸 에스테르 생산성이 높은 것으로 나타났다 (도 11).
[실시예 5]
- 점토를 이용하여 추출된 오일로부터 바이오디젤의 생산
점토를 이용한 미생물로부터 오일 제조방법으로 추출된 다양한 종류의 오일로부터 산 또는 염기촉매 하에서 알콜과 에스테르화 및 전이에스테르화 반응시키는 단계를 포함하는 바이오디젤의 제조방법에 따라 미생물로부터 추출된 오일을 바이오디젤로 생산이 가능하다. 도 12는 미세조류 Chlorella vulgaris sp.로부터 추출된 오일로부터 생산된 바이오디젤을 나타낸다.
오일로부터 산 또는 염기촉매 하에서 알콜과 에스테르화 및 전이에스테르화 반응은 다음과 같이 진행된다.
점토를 함유한 유기용매를 이용하여 미생물로부터 추출된 오일은 트리글리세리드 (triglyceride), 디글리세리드 (diglyceride), 모노글리세리드 (monoglyceride), 유리지방산 (free fatty acid)의 형태를 하고 있다. 이러한 오일 성분은 통상적인 바이오디젤 전환 방법인 산 또는 염기촉매 하에서 알콜 (일반적으로 메탄올)을 사용하여 에스테르화/전이에스테르화 반응을 통하여 바이오디젤로 전환이 가능하다.
즉 추출된 오일에 포함된 유리지방산 함량에 따라 산촉매 또는 염기촉매 하에서 오일과 알콜의 반응을 통해 오일이 바이오디젤로 전환된다. 오일의 주성분인 트리글리세리드 (triglyceride)는 알콜과 염기촉매 하에서 반응하여 바이오디젤과 글리세롤을 생성한다. 오일에 존재하는 유리지방산 (free fatty acid)의 경우는 산촉매 하에서 알콜과 반응하여 바이오디젤과 물을 생성하게 된다 (도 2).
오일의 바이오디젤 전환시 보통 염기촉매 반응을 이용하지만, 유리지방산이 다량으로 존재할 경우에는 비누화 반응이 일어나지 않도록 산촉매 반응을 이용한다. 산촉매 반응은 염기촉매 반응에 비하여 반응시간이 길지만, 오일에 불순물이 많은 경우에도 바이오디젤 전환이 가능한 장점이 있어, 미생물로부터 추출된 오일처럼 일부 불순물을 포함한 경우에는 산촉매 반응이 유리하다. 산 또는 염기촉매 반응에서, 산촉매로는 Amberlyst-15, Amberlyst BD20, 또는 황산이 사용될 수 있으며, 염기촉매로는 NaOH, KOH, NaOCH3, 또는 KOCH3 등이 사용될 수 있다.
본 발명의 점토를 이용한 미생물로부터의 오일분리 및 추출된 오일의 바이오디젤화 과정을 프로세스를 통해 기존의 오일 함유 미생물로부터 오일을 추출하기 위하여 필요로 하는 공정비용 상승 문제를 개선함으로서 경제성 있는 오일 및 바이오디젤의 생산이 가능하다.
본 발명은 기존 바이오디젤의 원료가 되는 대두유, 유채유, 팜유 등의 오일 생산량에 비해 오일 생산량이 10배, 많게는 100배 이상인 미세조류로부터 점토를 이용한 오일 제조방법으로 추출된 다양한 종류의 오일로부터 산 또는 염기촉매 하에서 알콜과 에스테르화 및 전이에스테르화 반응시키는 단계를 포함하는 바이오디젤의 제조방법에 따라 미생물로부터 오일 및 바이오디젤의 생산이 가능하고 또한, 오일 함유 미생물로부터 오일을 추출하기 위하여 필요로 하는 공정비용 상승 문제를 개선함으로서 경제성 있는 오일 및 바이오디젤의 생산이 가능하여 바이오디젤의 대중화를 빨리 이룰 수 있다는 장점을 가진 유용한 발명으로 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명이다.

Claims (13)

  1. a) 미세조류, 박테리아, 효모 및 진균 중에서 선택되는 하나 이상의 오일 함유 미생물을 유기용매와 혼합하는 단계;
    b) a)단계에서 수득된 혼합용액에 아미노프로필 알루미늄 필로실리케이트 점토(aminopropyl functionalized aluminum phyllosilicate clay, Al-APTES)를 첨가하고 교반하여 오일을 미생물 세포 밖으로 추출하는 단계;
    c) b)단계에서 수득된 추출용액을 오일이 포함된 층과 미생물 잔해가 포함된 층으로 상분리하는 단계;
    d) 미생물 잔해가 포함된 층으로부터 오일이 포함된 층을 별도로 분리한 후 상기 유기용매를 제거하는 단계;
    e) d)에서 수득된 오일을 원료로 Amberlyst-15, Amberlyst BD20, 황산, NaOH, KOH, NaOCH3, 또는 KOCH3 중에서 선택되는 어느 하나의 촉매 하에서 알콜과 반응시키는 단계를 포함하는 바이오디젤의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유기용매는 극성 유기용매와 비극성 유기용매를 혼합한 것을 특징으로 하는 바이오디젤의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서, 극성 유기용매는 메탄올이고, 비극성 유기용매는 헥산인 것을 특징으로 하는 바이오디젤의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 유기용매는 메탄올과 클로로포름을 혼합한 것을 특징으로 하는 바이오디젤의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, c)단계의 상분리는 중력침강 또는 원심분리로 수행되는 것을 특징으로 하는 바이오디젤의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서, 점토는 물에 분산된 상태에서 표면에 양 또는 음의 전하를 띠고 있는 것을 특징으로 하는 바이오디젤의 제조방법.
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Citations (4)

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20100031527A (ko) * 2007-06-01 2010-03-22 솔라짐, 인코포레이티드 미생물에서 오일의 생성
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Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20100031527A (ko) * 2007-06-01 2010-03-22 솔라짐, 인코포레이티드 미생물에서 오일의 생성
KR20110096377A (ko) * 2010-02-22 2011-08-30 한국에너지기술연구원 미세조류로부터 오일 추출 및 바이오디젤 전환 방법
US20110312063A1 (en) * 2010-06-17 2011-12-22 Neste Oil Oyj Method for Harvesting Algae
KR20120025252A (ko) * 2010-09-07 2012-03-15 조선대학교산학협력단 수용성 유기점토를 이용한 유해조류 제어방법

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