KR101462411B1 - 바이오 연료 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
탄소원인 이산화탄소를 광합성 미생물의 광합성에 의해서 바이오매스로 변환한 후, 한층 더 바이오 연료를 제조하는 기술을 포함한 일련의 바이오 연료 제조 방법을 제공한다. 본 발명에 관련되는 바이오 연료 제조 방법은, 세포 내에 유지 및 탄수화물을 축적하는 광합성 미생물을 배양액으로 배양하는 배양 공정(S1)과, 상기 배양액으로 배양한 광합성 미생물의 세포 내에 축적된 탄수화물을 유지화 시키는 유지화 공정(S2)과, 상기 광합성 미생물의 세포 내에서 유지를 추출하는 추출 공정(S3)과, 상기 추출한 유지를 개질하는 개질 공정(S4)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은, 바이오 연료를 제조하는 바이오 연료 제조 방법에 관한 것이다.
바이오 연료는, 바이오매스 유래의 원료로부터 생산된 연료이다. 바이오매스가, 예를 들면 식물과 같이 광합성 능력을 가지는 경우, 빛 에너지와 이산화탄소로부터 생산되는 유지나 탄수화물이 바이오 연료의 원료가 되므로 환경 부하가 낮은 연료를 생산할 수 있다. 바이오 연료에는, 탄수화물을 당화하여 알코올 발효를 거쳐 생산되는 바이오 에탄올이나, 식물유의 주성분인 트리글리세리드나 왁스 에스테르 등의 중성 지방질로부터 생산되는 바이오 디젤이나 바이오 제트 연료 등이 있다.
바이오 연료의 원료 식물로서는, 대두, 옥수수, 팜 등이 알려져 있지만, 먹을 수 있는 작물을 원료로 하는 경우, 식량부족의 염려로 문제가 되고 있다. 한편, 쟈트로파, 카멜리나 등의 먹을 수 없는 식물로부터의 생산도 진행되고 있지만, 단위면적 당의 생산량이 낮은 것이 문제가 되고 있다.
한편, 연못이나 늪에 넓게 생식하는 광합성 미생물이나 원생동물은, 식물과 같은 광합성 능력을 가지고, 물과 이산화탄소로부터 유지나 탄수화물을 생합성 해, 세포내에 수십 질량% 축적한다. 그 생산량은, 식물에 비해 높고, 단위면적당, 이러한 생산량이 많다고 알려진 팜의 10배 이상인 것이 알려져 있다.
특허 문헌 1에는, 조사 광 파장이나 강도를 제어한 인공 빛을 조사해 광합성 미생물인 해초류를 배양해, 이산화탄소를 고정화하는 것이 기재되어 있다. 또 이 특허 문헌 1에는, 이산화탄소를 고정화하는 것에 의해서 목적물질을 생산, 분리, 정제하는 수단, 방법 및 배양 장치가 기재되어 있다. 그리고, 이 특허 문헌 1에는, 광합성 미생물을 이용한 이산화탄소의 고정화와 고정화한 이산화탄소의 이용 형태의 일례로서 바이오 연료의 원 연료로 하는 것이 제안되어 있다.
그렇지만, 특허 문헌 1에는, 고정화한 이산화탄소로부터 어떻게 하여 바이오 연료로 하는가에 대하여는 개시하고 있지 않다. 광합성 미생물이 가지는 광합성 능력을 이용한 이산화탄소 가스의 삭감으로는, 광합성에 의해서 고정한 이산화탄소량에 비례해 바이오매스 중량이 증가하지만, 이것들을 유효하게 이용할 수 없으면 공업적 이용은 어렵다.
따라서 본 발명은, 탄소원인 이산화탄소를 광합성 미생물의 광합성에 의해서 바이오 매스로 변환한 후, 한층 더 바이오 연료의 제조를 행하는 기술을 포함한 일련의 바이오 연료 제조 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명과 관련되는 바이오 연료 제조 방법은, 세포 내에 유지 및 탄수화물을 축적하는 광합성 미생물을 배양액으로 배양하는 배양 공정과, 상기 배양액으로 배양한 광합성 미생물의 세포 내에 축적된 탄수화물을 유지화 시키는 유지화 공정과, 상기 광합성 미생물의 세포 내로부터 유지를 추출하는 추출 공정과, 상기 추출한 유지를 개질하는 개질 공정을 포함하는 것을 특징으로 하고 있다.
이와 같이, 본 발명과 관련되는 바이오 연료 제조 방법은, 배양 공정으로 광합성 미생물을 배양하고, 탄소원인 이산화탄소를 광합성 미생물의 광합성에 의해서 유지 및 탄수화물이라고 하는 바이오매스로 변환시켜 세포 내에 축적시킨 후, 유지 화공정으로 광합성 미생물의 세포 내에 축적한 탄수화물을 유지화 시키는 것으로, 보다 많은 유지를 얻도록 하고 있다. 그리고, 본 발명과 관련되는 바이오 연료 제조 방법에서는, 그 다음에 실시하는 추출 공정으로 유지를 추출한 후, 개질 공정으로 유지를 개질하는 것으로, 바이오 연료를 제조한다.
본 발명에 의하면, 탄소원인 이산화탄소를 광합성 미생물의 광합성에 의해서 바이오매스로 변환시킨 후, 한층 더 바이오 연료의 제조를 행하는 기술을 포함한 일련의 바이오 연료 제조 방법을 제공할 수 있다.
또, 본 발명에 의하면, 제조 공정에 유지화 공정을 포함하고 있으므로 종래의 바이오 연료의 제조 방법에 비해 더 많은 바이오 연료를 제조하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명과 관련되는 바이오 연료 제조 방법의 일실시 형태를 설명하는 플로우 차트(flow chart)이다.
도 2는 바이오 연료 제조 장치의 일실시 형태에 대해 설명하는 블럭도이다.
도 2는 바이오 연료 제조 장치의 일실시 형태에 대해 설명하는 블럭도이다.
이하, 도 1의 플로우 차트를 참조해 본 발명과 관련되는 바이오 연료 제조 방법의 일실시 형태에 대해 설명한다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 관한 바이오 연료 제조 방법은, 배양 공정 S1, 유지화 공정 S2, 추출 공정 S3와 개질 공정 S4를 포함하고 있다.
처음에 실시하는 배양 공정 S1은, 세포 내에 유지 및 탄수화물을 축적하는 광합성 미생물을 배양액으로 배양하는 공정이다.
본 발명으로 이용할 수 있는 광합성 미생물로서는, 유글레나(Euglena)를 들 수 있다. 유글레나는 편모충의 한 무리로, 운동성이 있는 조류로 유명한 연두벌레를 포함한다. 대부분의 유글레나는, 엽록체를 가지고 있어 광합성을 실시해 독립영양 생활을 하지만, 포식성의 것이나 흡수 영양성의 것도 있다.
유글레나는, 동물학과 식물학의 쌍방으로 분류되는 속이다.
동물학에서는, 원생동물문(Protozoa)의 편모충강(Mastigophorea), 식물 편모충 아강(Phytomastigophorea)에 속하는 목 중에 연두벌레목(Euglenida)이 있고, 이것은 세 개의 아목, Euglenoidina, Peranemoidina, Petalomonadoidina로 된다.
Euglenoidina에는, 속으로서 Euglena, Trachelemonas, Strombonas, Phacus, Lepocinelis, Astasia, Colacium가 포함된다.
식물학에서는, 연두벌레 식물문(Euglenophyta)이 있고, 그 아래에 연두벌레 조류강(Euglenophyceae), 연두벌레목(Euglenales)이 있고, 이 목에 포함되는 속으로서는 Euglena 외에, 동물 분류표와 같다.
이외에도, 남조세균, 녹조 및 트레복시아, 프라시노조(녹색 조류), 원시홍조류, 규조, 원석조, 와편모조(渦鞭毛藻), 진안점조, 황금색조 등에서 1종 또는 2종 이상을 선택해 이용할 수 있다.
또, 남조세균으로는, 예를 들면, Chroococcacae, Stigonematacae, Mastigocladacae 및 Oscillatroriacae를 들 수 있다. 또, 그 외에도, Synechococcus lividus 및 Synechococcus elongatus 등의 Synechococcus나, Synechocystis minervae 등의 Synechocystis나, Mastigocladus laminosus 등의 Mastigocladus나, Phormidium laminosus 등의 Phormidium나, Symploca thermalis 등의 Symploca나, Aphanocapsa thermalis 등의 Aphanocapsa나, Fisherella 등을 들 수 있다.
또, 아나베나(Anabaena) 속에 속하는 아나베나·바리아빌리스(Anabanena variabilis) ATCC 29413, 시아노테세(Cyanothece) 속의 Cyanothece sp. ATCC 51142, 시네코콕카스(Synechococcus) 속에 속하는 Synechococcus sp. PCC 7942 및 아나시스티스(Anacystis) 속에 속하는 아나시스티스·니듈란스(Anacystis nidulans) 및 호열성 남조세균 등을 이용할 수 있다.
녹조 및 트레복시아로는, 예를 들면, 클로렐라(계통학으로 나눌 수 있는 파라클로레라를 포함한다), 클라미도모나스, 두날리엘라, 세네데스무스, 보트리오콕카스, 스티코콕카스, 난노클로리스, 및 데스모데스무스 등의 기생조를 들 수 있다.구체적으로는, Chlorella vulgaris 및 Chlorella saccharophila 등의 클로렐라(Chlorella), Dunaliella salina, Dunaliella tertiolecta 등의 Dunaliella, 및 광합성 등의 기본적인 성질은 같지만, 분자 계통 해석에 의해 트레복시아조 강으로서 분류되는 Parachlorella kessleri(Chlorella kessleri)를 들 수 있다. 또, 클라미도모나스(Chlamydomonas) 속에 속하는 클라미도모나스·라인하드티(Chlamydomonas reinhardtii), 클라미도모나스·모에브시(Chlamydomonas moewusii), 클라미도모나스·유가메토스(Chlamydomonas eugametos), 클라미도모나스·세그니스(Chlamydomonas segnis), 세네데스무스(Senedesmus) 속에 속하는 세네데스무스·오브리크스(Senedesmus obliquus), 스티코콕카스(Stichococcus) 속에 속하는 스티코콕카스·암플리포르미스(Stichococcus ampliformis), 난노클로리스(Nannochloris) 속에 속하는 난노클로리스·바실라리스(Nannochloris bacillaris), 및 데스모데스무스(Desmodesmus) 속에 속하는 데스모데스무스·스브스피카투스(Desmodesmus subspicatus) 등을 들 수 있다.
또, 프라시노조(녹색 조류)로는, 예를 들면, 테트라셀미스 등을 들 수 있고 원시홍조류로는, 예를 들면, 시아니디오시존, 시아니디움, 갈디에리어, 포르필디움 등을 들 수 있다.
또, 본 발명에 이용할 수 있는 광합성 미생물은, 광합성에 의해 유지 및 탄수화물을 생성하여, 세포 내에 축적할 수 있고, 후기하는 유지화 공정 S2에서 세포 내에 축적한 탄수화물을 유지화할 수 있는 것이면 이용할 수 있고, 상기한 것에 한정되는 것은 아니다.
배양 공정 S1에서 광합성 미생물의 배양은, 대기 분위기하에서 실시할 수도 있지만, 광합성에 의한 유지와 탄수화물의 생성량을 더 많게 하기 위해서, 이산화탄소 가스를 적극적으로 공급해, 배양액 중에 공기 폭기보다 높은 용존 이산화탄소 농도에서 행하는 것이 바람직하다. 이산화탄소 가스의 적극적인 공급은, 예를 들면, 공장이나 연소 시설 등에서 배출되는 연소 배기가스를 이용하는 것으로 할 수 있다. 이 때, 집진기, 탈초설비, 탈유 설비 등에 의해 연소 배기가스 중의 먼지, NOx 및 SOx를 없애 두는 것이 바람직하다.
이 배양 공정 S1에 있어서의 배양액의 액 깊이는 50 cm이하로 하는 것이 바람직하고, 30 cm이하로 하는 것이 보다 바람직하다. 이렇게 하면, 배양이 진행되어 광합성 미생물이 증식해도, 교반에 의해 배양액이 상하 교반(상하 바꿔 넣을 수 있다)되므로, 효율적으로 광합성을 실시하게 할 수 있다.
광합성 미생물로서 유글레나를 이용하는 경우, 질소원, 인원, 미네랄 등의 영양 염류를 첨가한 배양액, 예를 들면, 개질 Cramer-Myers 배지((NH4)2HPO4 1.0g/L, KH2PO4 1.0g/L, MgSO4·7H2O 0.2g/L, CaCl2·2H2O 0.02g/L, Fe2(SO2)3·7 H2O 3mg/L, MnCl2·4H2O 1.8mg/L, CoSO4·7H2O 1.5mg/L, ZnSO4·7H2O 0.4mg/L, Na2MoO4·2H2O 0.2mg/L, CuSO4·5H2O 0.02g/L, 티아민 염산염(비타민 B1) 0.1mg/L, 시아노코발라민(비타민 B12), (pH3.5))를 이용할 수 있다. 또, (NH4)2HPO4는, (NH4)2SO4나 NH3aq로 변환하는 것도 가능하다.
배양액은, 이용하는 광합성 미생물에 적절한 배양지를 이용하면 자주(잘), 이것으로 한정되는 것 나오지 않는 것은 말할 필요도 없다.
또, 배양 공정 S1에서 배양액의 pH는 2~6으로 하는 것이 바람직하고, 2~4.5로 하는 것이 보다 바람직하다. 이와 같이, pH를 산성으로 하면, 광합성 미생물은 다른 미생물보다 우세하게 생육할 수 있기 때문에, 오염을 억제할 수 있다. 그 결과, 회분 배양법의 외, 연속 배양법을 적용하는 것이 가능해진다.
배양액의 pH의 조정은, 분말 시약이나 시약 수용액을 적당하게 이용해 실시할 수 있다. 분말 시약으로는, 중탄산나트륨 등을 들 수 있고 시약 수용액으로는, 황산, 초산 등의 산성액이나 수산화 나트륨 수용액 등의 알칼리성 용액을 들 수 있다.
그 다음에 실시하는 유지화 공정 S2는, 배양액으로 배양한 광합성 미생물의 세포 내에 축적된 탄수화물을 유지화하는 공정이다.
광합성 미생물은, 혐기 상태가 되면 방어 반응으로서 세포 내에 유지를 축적한다. 그 때문에, 유지화를 위한 수법으로 예를 들면, 광합성 미생물을 배양한 배양액을 혐기 상태하에서 유지하는 것을 들 수 있다. 또, 본 발명에 있어서 혐기 상태란, 산소가 존재하지 않는(적은) 상태를 의미한다. 혐기 상태를 만드는 방법으로는, 농축 공정 S12(침강 농축, 원심분리)로 고밀도화한 광합성 미생물을, 광합성으로 산소를 생산할 수 없게 빛과 공기의 유입을 차단한 밀폐 용기 내나 배관 내에서 보관 유지하면, 광합성 미생물의 호흡으로 산소가 소비되어 이것에 의해 혐기 상태를 만드는 것이 가능하다. 혐기 상태를 만드는 방법은 상기한 것으로 한정되는 것은 아니다. 혐기 상태는, 질소나 아르곤 등의 불활성 가스로 산소를 밀어내는 것 등에 의해서도 만들 수 있다.
유지화 공정 S2 전, 즉, 배양 공정 S1과 유지화 공정 S2 사이에, 배양한 배양액을 농축하는 농축 공정 S12를 포함하고 있는 것이 바람직하다. 세포 내에 유지와 탄수화물을 축적한 광합성 미생물을 농축 공정 S12에 의해서 농축해, 불필요한 배양액을 없애는 것으로 그 후의 조작이 쉬워지고, 예를 들면, 농축 공정 S12로 농축한 배양액을 혐기 상태하에 두었을 때에, 없앤 배양액 중의 용존 산소가 없는 만큼, 농축한 배양액에 용존하는 산소가 광합성 미생물의 호흡(광합성)에 의해서 조기에 소비되므로, 더 빨리 혐기 상태로 하는 것이 가능하다. 따라서, 유지화도 조기에 실시할 수 있게 된다.
농축 공정 S12에 있어서 농축은, 침강 농축에 의해서 실시할 수 있지만, 이것에 이어 원심분리를 실시하는 것이 보다 바람직하다.
침강 농축이란, 자연 침강을 이용해 광합성 미생물을 농축하는 것을 말한다.침강 농축은, 예를 들면, 6~36시간 정도 정치하면 좋다.
또, 원심분리에 의한 농축이란, 원심분리기의 원심력에 의해서 광합성 미생물을 농축하는 것을 말한다. 원심분리를 행하면, 광합성 미생물을 포함한, 비중이 무거운 액체(중액)와 광합성 미생물을 포함하지 않는, 비중이 가벼운 액체(상등액(경액))을 얻을 수 있다. 경액을 없애는 것으로, 중액에 포함되는 광합성 미생물을 매우 적합하게 농축할 수 있다. 경액은 가능한 한 없애는 것이 바람직하다. 원심분리는, 예를 들면 5,000~20,000×g의 조건으로 실시할 수 있다.
침전 농축에 의해서 얻을 수 있는 상등액 및 원심분리에 의해서 얻을 수 있는 경액은, 상기 배양 공정 S1에 이용하는 배양조로 반송해, 배양액에 혼합하면 좋다. 이와 같이 하면, 배양액을 유효하게 이용할 수 있다. 또, 상등액이나 경액에 포함되어 있는 농축하지 않았던 광합성 미생물을 다시 배양할 수 있다.
유지화 공정 S2는, 차광한 조건 하에, 25~40℃의 온도로 실시하는 것이 바람직하다. 이러한 조건으로 광합성 미생물을 포함한 배양액을 유지하면, 세포 내에 축적한 탄수화물을 유지화 시킬 수 있다.
그 다음에 실시하는 추출 공정 S3는, 광합성 미생물의 세포 내에서 유지를 추출하는 공정이다.
세포 내로부터의 유지의 추출은, 예를 들면, 유기용매를 이용한 용매 유출법이나 초임계 CO2 추출법 등에 의해 실시할 수 있다. 용매 유출법으로 이용하는 유기용매로는, 예를 들면, 헥산을 들 수 있다. 유지를 추출한 후의 헥산은, 증류하는 것으로 재차 용매 추출에 사용할 수 있으므로 환경 및 비용 면에서 장점이 크다.
이렇게 추출되는 유지로는, 예를 들면, 트리글리세리드, 고급 지방산과 1가 또는 2가의 고급 알코올과의 에스테르 화합물(왁스 에스테르) 등을 들 수 있다.
추출 공정 S3 전, 즉, 유지 화공정 S2와 추출 공정 S3 사이에, 배양한 광합성 미생물을 포함하는 배양액을 건조하는 건조 공정 S22를 포함하는 것이 바람직하다. 이렇게 하면, 용매 유출법이나 초임계 CO2 추출법을 실시할 때에, 추출에 방해가 되는 수분이 제거되므로, 매우 적합하게 유지를 추출할 수 있게 된다.
건조 공정 S22에서 건조는, 자연 건조나 열풍 건조, 동결 건조 등에 의해서 실시할 수도 있지만, 공장이나 소각 시설 등에서 배출되는 배기가스나 배기증기가 가지는 폐열을 이용하면 좋다. 신속, 확실하고 별도의 에너지를 필요로 하는 일 없이, 매우 적합하게 건조할 수 있기 때문이다.
추출 공정 S3 후에, 추출 공정 S3로 유지를 추출해 탈지된 광합성 미생물을 회수하는 회수 공정 S32를 포함하는 것이 바람직하다. 유지를 추출해 탈지된 광합성 미생물에는, 세포 구성 성분인 단백질이나 색소 성분이 잔존하고 있어, 그대로, 혹은, 생물적 및/또는 화학적으로 유기물을 가용화하거나 건조하거나 하는 것으로 사료, 비료, 고형 연료, 화학제품의 원료 등, 바이오매스 원료로서 이용할 수 있다.
그 다음에 실시하는 개질 공정 S4는, 추출한 유지를 개질하는 공정이다.
유지의 개질은, 예를 들면, 수소 첨가 반응과 같은 환원 처리 등을 들 수 있다. 예를 들면, 왁스 에스테르 중의 산소를 수소 첨가 반응에 의해서 없애는 것으로, 경유나 제트 연료와 같은 하는 바이오 연료를 제조할 수 있다.
다음으로, 도 2를 참조해 본 발명과 관련되는 바이오 연료 제조 방법을 실시하는 바이오 연료 제조 장치의 일실시 형태에 대해 설명한다. 도 2에 나타낸 바이오 연료 제조 장치 A는, 본 발명과 관련되는 바이오 연료 제조 방법의 바람직한 실시 형태의 일례를 구현한 것이다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 바이오 연료 제조 장치 A는, 배양 수단 1과 배양액을 침강 농축 및 원심분리에 의해서 농축하는 농축 수단 12와 유지화 수단 2와 건조 수단 22와 추출 수단 3과 개질 수단 4를 갖추고 있다.
이러한 수단은, 상기한 같은 명칭을 가지는 각 공정과 대응하는 것이다. 따라서, 이러한 수단에 대한 의의나 작용, 효과 등에 대한 설명은, 대응하는 각 공정의 항목에 대해 이미 설명하고 있으므로 생략한다.
배양 수단 1로는, 예를 들면, 배양조를 들 수 있다. 배양조에는, 광합성 미생물을 배양하기 위해서 조제된 배양액이 들어가 있다. 이 실시 형태에 대해서는, 탄소원인 이산화탄소 가스를 적극적으로 공급하는 이산화탄소 가스 공급 수단(도시하지 않음)과 배양조 내의 배양액의 pH를 약 2~6의 산성으로 유지하기 위한 pH유지 수단 14와 배양액에 영양염을 공급하는 영양염 공급 수단(도시하지 않음)을 갖추고 있다.
또, 배양조는, 배양조 본체 위에 덮개 등을 마련하지 않는 오픈 에어 조건으로 배양하는 것도 좋지만, 배양조 본체 위에 덮개 등을 마련하는 경우는, 배양조 또는 덮개의 적어도 일부에, 태양 광이나 조명 빛을 투과시키기 위한 광 투과 수단(도시하지 않음)을 갖추는 것이 좋다. 또, 조명 장치를 갖추는 것으로 광합성시키는 것도 가능하다. 광투과 수단 및/또는 조명 장치를 갖추는 것으로, 광합성 미생물의 광합성이 가능해진다.
이산화탄소 가스 공급 수단(도시하지 않음)을 갖추는 경우에는, 이산화탄소 가스가 빠져나오지 않도록, 기밀성이 있는 배양조를 이용하는 것이 바람직하다.
배양조에는, 배양액이나 배양조 내의 온도를 계측하는 온도계, 광도계, 산소 농도나 이산화탄소의 농도를 측정하는 가스 농도계, 배양액을 일정한 온도로 유지하는 항온 장치, 배양액을 교반하는 교반장치 등을 갖추어도 좋다(모두 도시하지 않음).
농축 수단 12에서의 침강 농축은, 예를 들면, 침강조를 이용해 실시할 수 있다. 침강조의 상부 액면을 배양액의 액면보다 높은 위치에 설치하면, 수두(水頭) 차이를 이용해 상등액을 배양조로 반송할 수 있다. 반송한 이 상등액에는 영양 성분이 포함되어 있기 때문에, 배양조로 반송하는 것으로 영양 성분을 낭비하는 일 없이 이용할 수 있다.
농축 수단 12에서의 원심분리는, 예를 들면, 분리판형 원심분리기를 이용해 실시할 수 있다. 원심분리로 얻을 수 있는 경액은, 배양조로 되돌리는 것으로 물의 소비량을 줄일 수 있다. 한편, 원심분리로 농축되어 얻을 수 있는 중액은, 다음의 유지화 수단 2에 제공된다.
유지화 수단 2로는, 예를 들면, 차광할 수 있는 기밀 용기를 들 수 있다. 이러한 기밀 용기에는, 농축한 배양액의 온도를 일정하게 유지하는 항온 장치, 산소 농도나 이산화탄소의 농도를 측정하는 가스 농도계, 질소나 아르곤 등의 불활성 가스로 기밀 용기로부터 산소를 밀어 내 혐기 상태로 하는 경우는, 제어 밸브 등을 이용해 형성된 가스 도입 수단 및 가스 도출 수단(모두 도시하지 않음)등을 갖추어도 좋다.
건조 수단 22로는, 예를 들면, 공장이나 소각 시설로부터 배출되는 배기가스나 배기증기가 가지는 폐열을 이용한 건조기를 들 수 있다. 건조기는 이것으로 한정되는 것은 아니고, 시판되고 있는 열풍 건조기, 동결 건조기 등을 이용할 수도 있다. 건조 공정 S22로 설명했던 대로, 자연 건조에 의해서도 건조할 수 있다. 건조 수단 22에 의해서 배양액의 수분은 수증기가 되어 증발해, 배양액으로부터 제거된다.
추출 수단 3으로는, 예를 들면, 유기용매를 이용하여 추출하는 용매 추출 장치나 CO2를 초임계 상태로 하여 추출하는 초임계 CO2 추출 장치 등을 들 수 있다. 유기용매로는, 상기한 바와 같이, 헥산 등을 이용할 수 있다.
추출 공정 S3에서 설명한 것처럼, 유지를 추출해 탈지된 광합성 미생물은 회수된 후, 그대로, 혹은, 생물적 및/또는 화학적으로 유기물을 가용화하거나 건조 등을 하거나 하는 것으로 사료, 비료, 고형 연료, 화학제품의 원료 등, 바이오매스 원료로서 이용할 수 있다.
개질 수단 4로는, 예를 들면, 등경유 수소화 탈황 장치, 감압 경유 수소화 탈유황 장치, 나프타 수소화 정제 장치, 중유 수소화 탈황 장치 등의, 수소 첨가 반응을 하는 수소화 탈황 장치를 들 수 있다. 그 중에서도, 등경유 수소화 탈황 장치를 이용하면, 경유나 제트 연료 등의 바이오 연료를 매우 적합하게 제조할 수 있다.
실시예
이하에, 본 발명과 관련되는 바이오 연료 제조 방법으로 대해서, 하나의 실시예를 나타내 구체적으로 설명한다.
이 실시예에서는, 광합성 미생물로서 유글레나를 이용했다.
우선, 배양조 내에 물을 저장해, 질소원, 인원, 미네랄 등의 영양 염류를 첨가한 개질 Cramer-Myers 배지((NH4)2HPO4 1.0g/L, KH2PO4 1.0g/L, MgSO4·7H2O 0.2g/L, CaCl2·2H2O 0.02g/L, Fe2(SO2)3·7 H2O 3mg/L, MnCl2·4H2O 1.8mg/L, CoSO4·7H2O 1.5mg/L, ZnSO4·7H2O 0.4mg/L, Na2MoO4·2H2O 0.2mg/L, CuSO4·5H2O 0.02g/L, 티아민 염산염(비타민 B1) 0.1mg/L, 시아노코발라민(비타민 B12), (pH3.5))를 조제했다.
조제한 배양액에 유글레나를 접종하고, 태양 광을 이용해 7일간 배양했다. 배양 기간 중의 배양액의 수온은, 29℃±3℃이었다. 배양조에는, 탄소원으로 이산화탄소 가스를 공급했다. 이산화탄소 가스를 공급하는 것으로 배양액의 pH는 산성이 되지만, pH유지 장치를 이용해 약 2~6의 산성으로 유지했다. 유글레나의 경우, pH는 2~4.5로 하는 것으로 다른 미생물이 증식하기 어려워져, 오염을 방지할 수 있었다.
배양액의 액 깊이는 50 cm이하로 했지만, 30 cm이하에 유지하는 것이 배양액 중의 교반에 의해 배양액의 상하의 교체가 일어나, 보다 효율적으로 광합성을 실시할 수 있었다. 배양조에서 증식한 유글레나를 포함한 배양액을 일정량 뽑아 내, 침강조로 보냈다. 유글레나는 물보다 비중이 무겁기 때문에, 침강조에서 자연 침강 해, 바닥에 침전했다. 침전 한 광합성 미생물을 일정량 원심분리기로 보내는 것과 동시에, 상등액을 배양조로 반송해, 다시 배양에 이용했다.
원심분리기로 보낸 유글레나를 포함한 농축 배양액을 원심분리했다. 보다 유글레나의 농도가 높은, 농축한 중액을 얻었다. 그 다음에, 농축한 중액은, 유지화단계에 보냈다. 원심분리기로 분리할 수 없었던 유그레나를 포함한 경액은, 배양조로 되돌려, 다시 배양에 이용했다.
유지화에서는, 중액을 혐기 조건하에서 유지하는 것으로 대사를 재촉해, 유지 함유율을 향상시켰다. 이 경우, 혐기 처리 온도는 25~40℃의 범위에서 행하고, 광합성하지 않도록 차광 한 조건하에서 행했다. 유지화에서는, 배양 후에 유지화를 실시했을 경우, 처리량이 많아지는 것과 동시에, 유글레나의 광합성으로 배출되는 산소에 의해 배양액 중의 용존 산소량이 많아지고, 게다가, 유글레나의 농도가 낮으므로, 호흡을 억제하기 위한 용존 산소 농도를 저하시키기까지 시간, 및 불활성 가스를 많이 필요로 했다. 이에 대해, 배양 후에 농축 처리를 더하는 것으로 유지화하는 처리량을 줄여, 배양액 중의 용존 산소량을 줄이는 것과 동시에, 배양액중의 유글레나의 농도를 높였기 때문에, 혐기 처리에 걸리는 시간, 및 불활성 가스량을 저감할 수 있었다.
그 다음에, 혐기 처리에 의해서 유지 함유율이 향상한 유글레나를, 폐열을 이용해 110℃, 120분간 건조했다.
헥산을 이용한 용매 유출법에 의해서, 건조한 유글레나의 건조물로부터 유지를 추출해, 유지와 탈지한 유글레나의 건조물을 분리하였다.
유지는, 등경유 수소화 탈황 장치에서 정제하여, 석유 대체 연료(바이오 연료)를 제조했다. 이러한 석유 대체 연료는, 탄소길이 14를 중심으로 하는 유지 조성인 것으로부터, 경유나 제트 연료로서 이용 가능한 것이 시사되었다.
한편, 탈지한 유글레나를 회수해, 바이오매스 원료로 사료나 비료나 화학원료로 이용할 수 있었다.
S1; 배양 공정
S12; 농축 공정
S2; 유지화 공정
S22; 건조 공정
S3; 추출 공정
S32; 회수 공정
S4; 개질 공정
A; 바이오 연료 제조 장치
1; 배양 수단
12; 농축 수단
14; pH유지 수단
2; 유지화 수단
22; 건조 수단
3; 추출 수단
4; 개질 수단
S12; 농축 공정
S2; 유지화 공정
S22; 건조 공정
S3; 추출 공정
S32; 회수 공정
S4; 개질 공정
A; 바이오 연료 제조 장치
1; 배양 수단
12; 농축 수단
14; pH유지 수단
2; 유지화 수단
22; 건조 수단
3; 추출 수단
4; 개질 수단
Claims (12)
- 세포 내에 유지 및 탄수화물을 축적하는 광합성 미생물을 배양액으로 배양하는 배양 공정,
배양한 상기 배양액을 농축하는 농축 공정,
상기 농축 공정 후, 상기 배양액 중에서 배양한 광합성 미생물의 세포 내에 축적된 탄수화물을 혐기성 조건 하에서 유지화시키는 유지화 공정,
상기 광합성 미생물의 세포 내에서 유지를 추출하는 추출 공정, 및
상기 추출한 유지를 개질하는 개질 공정을 포함하고,
상기 광합성 미생물은 유글레나인 것을 특징으로 하는 바이오 연료 제조 방법.
- 삭제
- 제 1항에 있어서, 상기 농축 공정에 있어서 농축이, 침강 농축인 것을 특징으로 하는 바이오 연료 제조 방법.
- 제 1에 있어서, 상기 농축 공정에 있어서 농축이, 침강 농축과 이것에 이어 행해지는 원심분리에 의한 농축인 것을 특징으로 하는 바이오 연료 제조 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 유지화 공정과 상기 추출 공정의 사이에, 배양한 상기 광합성 미생물을 포함한 상기 배양액을 건조하는 건조 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 연료 제조 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 추출 공정 후, 유지를 추출해 탈지된 상기 광합성 미생물을 회수하는 회수공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 연료 제조 방법.
- 제 3항에 있어서, 상기 침강 농축에서 얻어진 상등액을 상기 배양 공정에 이용하는 배양조로 반송하는 것을 특징으로 하는 바이오 연료 제조 방법.
- 제 4항에 있어서, 상기 원심분리에서 얻어진 경액을 상기 배양 공정에 이용하는 배양조로 반송하는 것을 특징으로 하는 바이오 연료 제조 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 배양 공정은, 배양액 중의 공기 폭기보다 높은 용존이산화탄소 농도로 상기 광합성 미생물의 배양을 실시하는 것을 특징으로 하는 바이오 연료 제조 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 배양 공정에서 상기 배양액의 액 깊이를 50 cm이하로 하는 것을 특징으로 하는 바이오 연료 제조 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 배양 공정에서 상기 배양액의 pH를 2~6으로 하는 것을 특징으로 하는 바이오 연료 제조 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 유지화 공정을, 차광한 조건하에서, 25~40℃의 온도로 실시하는 것을 특징으로 하는 바이오 연료 제조 방법.
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