KR101486259B1 - 바이오연료 원료물질 추출방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화학적 방법을 이용하지 않고, 높은 투과성과 에너지 효율을 갖는 방사선을 이용하여 미세조류로부터 바이오연료를 추출하는 방법은 제안한다. 본 발명에서 제안하는 바이오연료 원료물질 추출방법은, 미세조류와 물을 혼합하여 혼합물을 생성하는 단계, 상기 미세조류의 세포벽을 제거하도록 상기 혼합물에 기설정된 선량의 방사선을 조사하는 단계, 및 세포벽이 제거된 미세조류가 서로 뭉쳐 중성지방 추출이 방해되는 것을 방지하도록 상기 방사선이 조사된 혼합물을 메카니컬 스터러로 분쇄하는 단계를 포함한다.

Description

바이오연료 원료물질 추출방법{METHOD FOR BIOFUEL EXTRACTION}

본 발명은 방사성을 이용하여 미세조류로부터 바이오연료 원료물질을 추출하는 방법에 관한 것이다.

최근 전 세계적으로 신재생 에너지의 수요가 급격하게 증가하고 있는 추세이며, 이 중 바이오매스는 신재생 에너지 중 하나로서 급부상하였다. 그러나 아직까지도 대기 중으로 방출되는 온실가스의 양이 증가하고 있을 뿐만 아니라, 신재생 에너지의 생산을 위해 필요한 바이오매스는 대규모 경작지가 필요하다는 문제가 있다. 또한, 소모되는 바이오매스의 양에 따른 원자재 가격의 증가와 같은 부가적인 문제점이 존재한다. 따라서 경제적 및 환경적으로 우수한 바이오매스 개발의 필요성이 점차 증가하고 있다.

최근까지 바이오연료 생산에 가장 널리 사용되었던 바이오매스 중 목질계 바이오매스는 숲, 농경지와 같이 우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 물질을 원료로 한다. 그러나 목질계 바이오매스는 리그닌(lignin), 헤미셀룰로오스(hemicellulose) 그리고 셀룰로오스(cellulose)가 물리·화학적으로 복잡하게 결합되어 바이오매스의 표면 기공을 감소시키고 미생물 또는 효소의 침투를 어렵게 하며 원료물질 추출공정에 의한 원료물질의 생성율을 현저하게 감소시키는 원인이 된다. 바이오연료 생산을 위한 셀룰로오스 추출을 위해서는 셀룰로오스를 보호하고 있는 리그닌 제거가 필요하며, 수소결합으로 이루어져 있는 셀룰로오스의 결정성 구조 역시 제거하여야 한다. 목질계 바이오매스로 바이오연료의 생산을 위해서는 복잡한 처리 공정이 필수적이기 때문에 경제적, 환경적인 측면에서 단점을 가지고 있다.

최근 높은 광합성율, 빠른 성장률, 극한의 환경에 대한 내성을 가지고 있는 조류(algae)를 이용한 신재생 에너지 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 미세조류는 광합성을 하는 단세포생물로 클로렐라가 대표적이며, 광합성을 통해 이산화탄소를 에너지원인 포도당(글루코스)과 산소로 전환한다. 미세조류는 여기서 생성된 글루코스로 생장과 생활에 필요한 에너지를 얻어 살아가며, 남은 에너지는 중성지방 형태로 저장된다. 미세조류로부터 이 중성지방을 짜 내어 바이오디젤 원료로 사용을 할 수 있는데, 에너지 밀도가 높은 바이오디젤은 물론이고 그린 항공기 연료나 그린 가솔린까지 폭넓게 사용할 수 있어 기대를 모으고 있는 원료 소재이다.

조류는 곡물계(cellulosic crop), 목질계(lignocellulose) 바이오매스에 비해 300배 이상의 바이오연료 생산이 가능할 뿐만 아니라, 10일 이내의 재배기간을 가지고 있어 기존의 바이오매스 보다 경제적 효과가 뛰어나다. 게다가 부가적으로 온실가스 감축과 폐수 중 질소, 인을 처리하여 수질을 개선해주는 등, 여러 가지 장점이 있어 발전 가능성이 높다.

이와같은 미세조류로부터 중성지방을 추출하기 위해서는 세포벽을 제거해야하는 문제가 있는데, 현재 세포벽을 제거하기 위해서는 화학물질을 이용하는 방법이 사용되고 있다. 예를 들어, 조류를 이용한 바이오연료 원료 물질 추출기술은 산과 효소를 이용한 방법이 대부분이다. 산을 이용한 조류 내 세포의 단분자화는 필요성분을 얻기 위한 운전조건을 정립하기가 까다롭고, 산성용액의 중화를 위한 부가물 첨가 공정이 필연적으로 따라오기 때문에 경제적, 환경적으로 적절하지 못하다는 단점이 있다. 그리고 효소 처리법 또한 별도의 효소 구입으로 경제적 손실이 발생 하며, 처리 시간이 길어 주변 환경의 변화에 민감하여 최적조건 선정이 까다롭다. 그리고 이와같은 화학물질을 이용한 세포벽 제거공정은 중성지방 수율면에서 높지 않기 때문에 세포벽을 효율적으로 제거할 수 있는 방법이 모색되고 있다.

이에 따라 친환경적으로 미세조류에서 바이오연료 원료물질을 효과적으로 추출할 수 있는 기술의 개발이 요구되고 있다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 아래의 선행특허문헌을 참조한다.
선행특허문헌1. 일본 공표특허공보 제2012-517346호 (2012.8.2 공표)
선행특허문헌2. 한국 공개특허공보 제2010-0125104호 (2010.11.30. 공개)
선행특허문헌3. 일본 공표특허공보 제2013-523161호 (2013.6.17. 공표)

본 발명의 일 목적은 경제적 및 친환경적으로 미세조류로부터 바이오연료 원료물질을 추출할 수 있는 방법을 제안하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 일 목적은 화학적 처리 없이 미세조류의 세포벽을 효율적으로 제거하여 중성지방을 추출할 수 있는 바이오연료 원료물질 추출방법을 제공하기 위한 것이다.

이와 같은 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따르는 바이오연료 원료물질 추출방법은, 미세조류와 물을 혼합하여 혼합물을 생성하는 단계, 상기 미세조류의 세포벽을 제거하도록 상기 혼합물에 기설정된 선량의 방사선을 조사하는 단계, 및 세포벽이 제거된 미세조류가 서로 뭉쳐 중성지방 추출이 방해되는 것을 방지하도록 상기 방사선이 조사된 혼합물을 메카니컬 스터러로 분쇄하는 단계를 포함한다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 미세조류는 수상환경에서 서식하는 유기체를 포함한다.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 미세조류는 클로렐라(Chlorella), 아파니조메논(Aphanizomenon), 스피루리나(Spirulina), 듀나리엘라(Dunaliella), 유글레나(Euglena), 하슬레아오스트레아리아(Haslea ostrearia)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함한다.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 생성하는 단계는 미세조류 0.1~20 중량%와 물 80~99.9 중량%를 혼합한다.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 방사선은 전자선, 감마선으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함한다.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 방사선의 선량은 50~100,000kGy이다.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 분쇄하는 단계는 50~3,000rpm의 속도로 10~60분 동안 교반한다.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 바이오연료 원료물질 추출방법은 상기 분쇄하는 단계 이후에, 분쇄된 상기 혼합물로부터 중성지방을 추출하는 단계를 더 포함한다.

상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 투과성과 에너지 효율이 높은 방사선을 이용하여 미세조류의 세포벽을 효율적으로 제거함으로써 미세조류로부터 중성지방을 효과적으로 추출할 수 있다.

또한 본 발명은, 미세조류로부터 추출되는 바이오연료의 생산성을 대폭 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 이산화탄소의 저감 및 비화학적 처리에 의한 친환경적 방법이므로 환경적인 측면에서도 크게 기여할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 관련된 바이오연료 원료물질 추출방법의 흐름도.
도 2는 본 발명에서 제안하는 바이오연료 원료물질 추출방법의 추출율을 방사선의 조사 없이 진행한 비교예와 비교하기 위한 그래프.

이하, 본 발명에 관련된 에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 관련된 바이오연료 원료물질 추출방법의 흐름도이다.

바이오연료 원료물질 추출방법은 미세조류와 물의 혼합물을 생성하는 단계(S100), 방사선을 조사하는 단계(S200), 메카니컬 스터러로 분쇄하는 단계(S300) 및 중성지방을 추출하는 단계(S400)를 포함한다.

먼저, 혼합물을 생성하는 단계(S100)는 수상환경에서 서식하는 미세조류의 건조를 방지하기 위한 것이다. 미세조류는 수상환경에서 서식하는 유기체로서, 본 발명에서의 미세조류는 클로렐라(Chlorella), 아파니조메논(Aphanizomenon), 스피루리나(Spirulina), 듀나리엘라(Dunaliella), 유글레나(Euglena), 하슬레아오스트레아리아(Haslea ostrearia)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함한다.

미세조류는 몸 전체의 50%가 지방과 탄수화물로 구성되어 있어 높은 밀도도로 배양하면 바이오연료를 효율적으로 생산할 수 있다. 이는 육상작물에 비해 단위면적 당 낮게는 3~8배, 높게는 250배까지 높은 중성지방 생산성을 나타내고 있는 것이다.

따라서, 수상환경에서 서식하는 유기체인 미세조류로부터 중성지방을 추출과정에서 미세조류를 대기중에 방치시킬 경우 미세조류가 건조되어 중성지방의 추출에 불리하므로 미세조류의 건조를 방지하기 위하여, 미세조류 0.1~20중량%와 물 80~99.9%를 혼합하여 혼합물을 생성한다. 미세조류는 20중량%를 초과하는 경우에는 혼합물의 밀도가 지나치게 높아 다음 단계에서 방사선의 조사 효과가 급격히 저하되므로, 미세조류는 20중량%를 초과하지 않는 것이 바람직하다.

다음으로, 방사선을 조사하는 단계(S200)는 혼합물을 밀봉된 용기에 투입하고 방사선을 조사하여 미세조류의 세포벽을 제거하는 단계이다.

본 발명은 화학물질을 이용하지 않고, 투과성과 에너지 효율이 높은 방사선을 이용하여 폴리사카라이드로 구성된 세포벽을 제거한다. 방사선은 전자선 및 감마선으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함한다.

방사선의 조사선량이 50kGy 미만이면 조사량이 낮아 생산성이 현저하게 감소한다. 반대로 방사선의 조사선량이 100,000kGy를 초과하는 경우에는 조사량이 너무 높아 에너지 효율이 감소하게 되며, 미세조류 내 중성지방의 단분자화에 의해 생산성이 감소하게 된다. 따라서, 방사선의 조사선량은 50 내지 100,000kGy인 것이 바람직하다.

물과 미세조류의 혼합물에 방사선이 조사되면, 미세조류의 세포벽이 제거되어 중성지방을 추출할 수 있는 상태가 된다.

이어서, 메카니컬 스터러로 방사선이 조사된 혼합물을 분쇄하는 단계(S300)는 혼합물 내에 뭉쳐진 미세조류를 분쇄함으로써, 세포벽이 제거된 미세조류의 표면적을 증가시키고 이를 통해 중성지방의 추출율을 향상시키기 위한 것이다.

메카니컬 스터러로 혼합물을 분쇄하면 혼합물 내의 세포벽이 제거된 미세조류가 뭉쳐 중성지방의 추출이 방해되는 것을 방지할 수 있다. 메카니컬 스터러의 분쇄과정은 미세조류의 종류에 따라 50 내지 3,000rpm 의 속도로 10 내지 60분, 바람직하게는 1,000rpm에서 30분 동안 실시할 수 있다.

중성지방을 추출하는 단계(S400)는 미세조류의 세포에서 바이오연료 원료물질인 중성지방을 추출한다. 방사선 조사에 의한 미세조류의 효과적인 세포벽 제거로 인하여 미세조류의 세포 내에 존재하는 약 20~40%의 지방질, 유성물질과 같은 부산물을 효과적으로 추출할 수 있다. 따라서, 바이오매스로부터 바이오디젤 뿐만 아니라, 에탄올, 메탄 등 다양한 신에너지의 생산에 유용하게 이용될 수 있다.

이하에서는 본 발명에서 제안하는 바이오연료 원료물질 추출방법을 이용하여 미세조류로부터 바이오연료를 추출한 추출율과, 방사선의 조사 없이 바이오연료를 추출한 비교예의 추출율을 비교한다.

[비교예]

미세조류 5중량%(v/v)와 물 95중량%(v/v)을 바이알에 넣고 방사선 조사 없이 상온에서 메카니컬 스터러를 이용하여 1,000rpm의 속도로 30분 동안 교반하여 추출되는 중성지방의 조성을 분석하였고, 이를 하기의 표 1에 나타내었다.

구분	유리지방산 (free fatty acid)	모노글리세리드 (mono-glyceride)	디글리세리드 (di-glyceride)	트리글리세리드 (tri-glyceride)
미세조류	4.36%	2.72%	2.73%	10.36%

[실시예]

상기 비교예를 대조군으로 하고 나머지는 비교예와 같은 조건을 유지하되, 200, 500 kGy의 조사선량으로 방사선 조사를 실시한 것을 실시예로 선택하였다. 실시예는 방사선 조사 처리를 마친후 모두 메카니컬 스터러를 이용하여 교반하였다.

도 2는 본 발명에서 제안하는 바이오연료 원료물질 추출방법의 추출율을 방사선의 조사 없이 진행한 비교예와 비교하기 위한 그래프이다.

그리고, 상기 비교예와 비교하여 상기 실시예의 방사선 조사 처리에 따른 중성지방의 상대수율을 비교하여 하기의 표 2에 나타내었다.

	비교예	실시예
방사선 조사선량	0	200kGy	500kGy
상대수율	1	3.36	4.52

상기 도 2 및 표 2에서 비교할 수 있듯이, 방사선 조사 처리를 하는 본 발명에서는 방사선 조사 처리를 하지 않는 비교예보다 중성지방의 분리 수율이 높은 것을 확인할 수 있다. 방사선 조사선량에 따라 비교예보다 약 4.5배 이상의 획득 수율이 향샹되었다.

따라서, 본 발명은 방사선에 의해 미세조류의 세포벽이 효율적으로 제거되고, 바이오연료 원료물질 추출을 위한 방사선 처리 기술의 적용 가능성을 보여 준다.

또한, 일년에 한 번 내지 두 번만 수확하는 육상식물과 달리 미세조류는 성장속도가 빨라, 약 10일에 한번 씩 생산할 수 있으므로, 대량생산이 가능할 뿐만 아니라 삼면이 바다인 우리나라에 특히 효과적으로 활용될 수 있다.

이상에서 설명된 바이오연료 원료물질 추출방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (8)

1. 미세조류의 건조를 방지하도록 미세조류 0.1~20 중량%와 물 80~99.9 중량%를 혼합하여 혼합물을 생성하는 단계;
   상기 미세조류의 세포벽을 제거하도록 상기 혼합물에 50~100,000kGy의 방사선을 조사하는 단계; 및
   세포벽이 제거된 미세조류가 서로 뭉쳐 중성지방 추출이 방해되는 것을 방지하도록 상기 방사선이 조사된 혼합물을 메카니컬 스터러로 분쇄하는 단계를 포함하고,
   상기 분쇄하는 단계는 50~3,000rpm의 속도로 10~60분 동안 교반하는 것을 특징으로 하는 바이오연료 원료물질 추출방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 미세조류는 수상환경에서 서식하는 유기체를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오연료 원료물질 추출방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 미세조류는 클로렐라(Chlorella), 아파니조메논(Aphanizomenon), 스피루리나(Spirulina), 듀나리엘라(Dunaliella), 유글레나(Euglena), 하슬레아오스트레아리아(Haslea ostrearia)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 바이오연료 원료물질 추출방법.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 방사선은 전자선, 감마선으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오연료 원료물질 추출방법.
6. 삭제
7. 삭제
8. 제1항에 있어서,
   상기 분쇄하는 단계 이후에, 분쇄된 상기 혼합물로부터 중성지방을 추출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오연료 원료물질 추출방법.

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