KR101494649B1 - 미생물로부터 차아염소산을 이용한 바이오오일 추출 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 미생물로부터 차아염소산을 이용한 바이오오일 추출 방법에 관한 것으로, 그 목적은 오일 함유 미생물로부터 바이오연료 및 유용물질 생산을 위해 오일 추출시 차아염소산염이나 염소이온을 함유한 이온결합 화합물을 사용하여 수분이 있는 상태에서도 효율적으로 바이오 오일을 추출할 수 있는 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 구성은 a) 오일 함유 미생물을 포함한 배양액에 차아염소산염을 첨가하여 상기 오일 함유 미생물로부터 오일을 배출시키는 단계; b) 상기 a)단계에서 오일이 배출된 배양액에 유기용매를 첨가하여 오일이 포함된 유기용매층과 미생물 잔해가 포함된 물층으로 상분리하는 단계; c) 상기 미생물 잔해가 포함된 물층으로부터 상기 오일이 포함된 유기용매층을 별도로 분리한 후 상기 유기용매를 제거하는 단계;를 포함하는 미생물로부터 바이오오일을 추출하는 방법을 발명의 특징으로 한다.
본 발명의 구성은 a) 오일 함유 미생물을 포함한 배양액에 차아염소산염을 첨가하여 상기 오일 함유 미생물로부터 오일을 배출시키는 단계; b) 상기 a)단계에서 오일이 배출된 배양액에 유기용매를 첨가하여 오일이 포함된 유기용매층과 미생물 잔해가 포함된 물층으로 상분리하는 단계; c) 상기 미생물 잔해가 포함된 물층으로부터 상기 오일이 포함된 유기용매층을 별도로 분리한 후 상기 유기용매를 제거하는 단계;를 포함하는 미생물로부터 바이오오일을 추출하는 방법을 발명의 특징으로 한다.
Description
본 발명은 미생물로부터 차아염소산을 이용한 바이오오일 추출 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 미생물로부터 오일 추출시 수분이 있는 상태에서 적용가능하고, 미세조류 오일에 포함된 엽록소를 오일 추출 단계에서 제거할 수 있는 기술에 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.
바이오디젤은 연료로서 뿐만 아니라 공해성 석유제품을 대체하는 화학물질의 중간체로 사용함으로써 그 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, 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 또는 팜유) 대부분을 해외에서 수입하고 있으므로 수급 및 가격이 석유자원과 유사하게 대외적인 상황 변화에 크게 의존할 가능성이 높다.
이러한 상황에서 국내의 에너지 안보는 석유 뿐만 아니라 석유 대체연료에서도 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.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 기존 대두유 또는 팜유 대신에 미세조류(Microalgae)를 원료로 활용하는 기술이 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 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 참조).
| 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 |
미세조류 및 기존 에너지 작물의 오일 생산량
출처: 제3차 신재생에너지 기술개발 및 이용 보급 기본계획
또한 기능성 화장품의 원료로 미세조류로부터 추출한 오일 중 일부 성분을 사용하거나, 의약품의 원료 성분을 추출할 수 있다.
한 예로 항산화 효과가 있는 아스타잔틴(Astaxanthin)은 화장품, 식품, 의약품, 영양제 및 사료의 원료로 적용이 가능하다. DHA(docosa hexaenoic acid), EPA(eicosapentaenoic acid)를 포함하는 오메가-3 지방산 또한 미세조류로부터 추출할 있는 대표적인 오일의 예이다.
한편 미세조류 외에도 박테리아, 효모, 진균 등의 미생물도 오일을 함유하고 있으므로, 이들 미생물로부터 추출한 오일을 바이오디젤 생산 원료나 유용물질 추출 원료로 이용하는 것도 가능하다.
도 11은 오일 함유 미생물로부터 유용물질 생산 경로를 보인 예시도이다. 도시된 바와 같이 오일 함유 미생물로부터 바이오연료를 포함하는 유용물질을 생산하는 과정은, 오일 함유 미생물을 대량 생산하고, 수분을 일부 제거한 미생물을 수확하며, 오일 추출법을 적용하여 오일을 추출한 후에 바이오디젤, 화장품, 의약품 등의 원료로 사용하는 것이다.
상기 바이오 오일을 추출하기 위해 일반적으로 사용되는 용매추출법은 수분이 적을수록 오일 추출율이 증가하게 된다. 다만 오일 함유 미생물로부터 수분을 제거하기 위해서는 추가적인 에너지 비용이 소요되는 단점이 있어 이에 대한 대책이 필요한 실정이다.
이하 보다 구체적으로 다양한 종래 바이오 오일의 추출방법을 살펴본다.
오일 함유 미생물로부터 오일을 추출하는 방법으로 대표적인 것으로, 용매추출법, 마이크로파 이용법, 열수처리법, 효소처리법, 압착법 등이 있다.
상기 용매추출법은 미생물의 여러 가지 성분 중에서 오일을 잘 용해할 수 있는 추출 용매를 사용하여 미생물로부터 오일을 용매상으로 분리하는 방법이다.
또한 상기 마이크로파 이용법은 마이크로파가 미생물의 세포벽을 파괴함으로써 세포 내용물을 밖으로 배출시키면, 이 중에서 오일 성분을 분리하는 방법이다.
또한 상기 열수처리법은 미생물이 분사되어 있는 수용액의 온도를 물의 끓는점 이상으로 올리면 고온, 고압 상태가 되어 세포벽이 깨지고 세포 내용물이 밖으로 나오게 함으로써 오일 성분을 분리하는 방법이다.
또한 상기 효소처리법은 효소를 사용하여 미생물의 세포벽을 분해함으로써 오일을 얻는 방법이다.
마지막으로 상기 압착법은 미생물을 압착하여 오일을 짜내는 방법이다.
상기한 용매추출법은 오일 추출법중에서 가장 많이 사용되는 방법으로 미생물의 세포벽을 일부 붕괴시킴으로서 세포벽 내부에 있는 오일을 밖으로 내보내는 기작을 포함하며, 붕괴된 세포벽의 내부나 외부에 존재하는 오일의 회수를 위해서는 일반적으로 유기용매를 이용한다. 건조된 시료에 대한 용매추출법의 적용은 가장 흔히 이용되는 방법으로 효율은 높으나 수분에 의해 추출율의 저해를 받으므로 시료를 건조하기 위한 에너지 비용이 높다는 단점이 있다.
또한 마이크로파 장치는 추출시간을 단축시킬 수 있는 장점은 있으나, 초기 시설 투자비를 필요로 한다는 단점이 있다.
또한 산업적 오일 생산을 위해 열수추출법의 적용을 고려할 수 있으나 세포벽의 두께가 얇은 미생물의 처리에는 적당하지만, 클로렐라와 같이 세포벽이 두꺼운 종의 처리에는 세포벽이 쉽게 깨지지 않아 효율이 낮은 단점이 있다.
또한 효소처리법는 아직 비용이 높아 처리 후 재사용을 필요로 한다는 단점이 있다.
또한 압착법은 미세조류의 크기에 따라 효율이 좌우된다는 단점이 있다.
따라서 산업적 이용을 위한 오일 추출을 위해서는 시료를 건조하지 않고 수분이 있는 상태에서 적용가능한 공정의 개발이 필요하다.
또한 추출된 미세조류 오일에 포함된 엽록소는 바이오디젤, 그린디젤, 바이오항공유 등의 바이오연료 생산 공정에서 촉매에 피독 현상을 일으켜 전환반응을 저해하므로 오일 추출 단계에서 제거되어야 한다.
한편, 본 출원인이 선 출원하여 등록받은 바 있는 대한민국 특허등록 제 10-1134294호 "미세조류로부터 오일 추출 및 바이오디젤 전환 방법"에서는 건조 상태의 미세조류에 포함된 오일의 추출을 최대화하기 위하여 유기용매를 달리하여 용매추출법을 적용한 기술이 개시되어 있다. 주된 기술은 a) 미세조류로부터 헥산과 메탄올을 부피비 7:3으로 혼합한 용매로 오일을 추출하는 단계; b) 추출된 오일을 활성탄과 접촉시켜 오일에 포함된 엽록소를 제거하는 단계; 및 c) 엽록소가 제거된 오일을 바이오디젤로 전환하는 단계;를 포함하여 구성된 것으로 헥산, 메탄올, 클로로포름의 단독 또는 혼합용매를 사용하여 오일 추출율을 증가시킨 기술이다.
그러나 여전히 건조공정에 따른 에너지 비용이 필요하여 산업적 바이오오일 제조에 장애요소가 있다.
이에 습식 조건에서 미생물의 오일을 효율적으로 추출하고 추출 오일의 물성을 향상시킬 수 있는 오일 추출 방법의 개발이 요구되고 있는 실정이다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 오일 함유 미생물로부터 바이오연료 및 유용물질 생산을 위해 오일 추출시 차아염소산염이나 염소이온을 함유한 이온결합 화합물을 사용하여 수분이 있는 상태에서도 효율적으로 바이오 오일을 추출할 수 있는 방법을 제공하는 데 있다.
또한 본 발명의 다른 목적은 오일 함유 미생물 중에 포함된 엽록소를 오일 추출 단계에서 제거하여 바이오연료 전환반응 시 촉매에 피독 현상을 일으켜 반응을 저해하지 못하도록 하는 방법을 제공하는 데 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은
a) 오일 함유 미생물을 포함한 배양액에 차아염소산염을 첨가하여 상기 오일 함유 미생물로부터 오일을 배출시키는 단계;
b) 상기 a)단계에서 오일이 배출된 배양액에 유기용매를 첨가하여 오일이 포함된 유기용매층과 미생물 잔해가 포함된 물층으로 상분리하는 단계;
c) 상기 미생물 잔해가 포함된 물층으로부터 상기 오일이 포함된 유기용매층을 별도로 분리한 후 상기 유기용매를 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물로부터 바이오오일을 추출하는 방법을 제공함으로써 달성된다.
또한 본 발명은 다른 실시양태로,
a-1) 오일 함유 미생물을 포함한 배양액에 염소이온(Cl-)을 함유한 이온결합 화합물을 첨가하는 단계;
a-2) 상기 배양액에 전극을 통해 전류를 인가하여 상기 오일 함유 미생물로부터 오일을 배출시키는 단계;
b) 상기 a-2)단계에서 오일이 배출된 배양액에 유기용매를 첨가하여 오일이 포함된 유기용매층과 미생물 잔해가 포함된 물층으로 상분리하는 단계;
c) 상기 미생물 잔해가 포함된 물층으로부터 상기 오일이 포함된 유기용매층을 별도로 분리한 후 상기 유기용매를 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물로부터 바이오오일을 추출하는 방법을 제공함으로써 달성된다.
바람직한 실시예로, 상기 오일 함유 미생물은 미세조류, 박테리아, 효모, 진균중에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
바람직한 실시예로, 상기 차아염소산염은 NaClO 또는 Ca(ClO)2 중에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
바람직한 실시예로, 상기 배양액 중 오일 함유 미생물의 농도는 1 ~ 300g/L이고, 상기 배양액 중 차아염소산염의 농도는 0.1 ~ 10% (w/w)일 수 있다.
바람직한 실시예로, 상기 염소이온(Cl-)을 함유한 이온결합 화합물은 NaCl, KCl, CaCl2 및 MgCl2 중에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
바람직한 실시예로, 상기 배양액 중 오일 함유 미생물의 농도는 1 ~ 300g/L이고, 상기 배양액 중 염소이온(Cl-)을 함유한 이온결합 화합물의 농도는 0.1 ~ 10% (w/w)일 수 있다.
바람직한 실시예로, 상기 유기용매는 헥산, 메탄올 및 클로로포름 중에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
바람직한 실시예로, 상기 b)단계의 상분리는 중력침강 또는 원심분리로 수행될 수 있다.
바람직한 실시예로, 상기 a)단계 전에 오일 함유 미생물을 포함한 배양액을 농축 또는 희석하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
바람직한 실시예로, 상기 미세조류는 Botryococcus braunii, Cylindrotheca sp., Nitzschia sp., Schizochytrium sp., Anacystis nidulans, Ankistrodesmus sp., Biddulpha aurita, Chaetoceros sp., Chlamydomonas applanata, Chlamydomonas reinhardtii, Chlorella sp., Chlorella ellipsoidea, Chlorella emersonii, Chlorella protothecoides, Chlorella pyrenoidosa, Chlorella sorokiniana, Chlorella vulgaris, Chlorella minutissima, Chlorococcu littorale, Cyclotella cryptica, Dunaliella bardawil, Dunaliella salina, Dunaliella tertiolecta, Dunaliella primolecta, Gymnodinum sp., Hymenomonas carterae, Isochrysis galbana, Isochrysis sp., Microcystis aeruginosa, Micromonas pusilla, Monodus subterraneous, Nannochloris sp., Nannochloropsis sp., Nannochloropsis atomus, Nannochloropsis salina, Navicula pelliculosa, Nitzschia sp., Nitzscia closterium, Nitzscia palea, Oocystis polymorpha, Ourococcus sp., Oscillatoria rubescens, Pavlova lutheri, Phaeodactylum tricornutum,Pycnococcus provasolii, Pyramimonas cordata, Spirulina platensis, Stephanodiscus minutulus, Stichococcus sp., Synedra ulna, Scenedesmus obliquus, Selenastrum gracile, Skeletonoma costalum, Tetraselmis chui, Tetraselmis maculata, Tetraselmis sp., Tetraselmis suecica, Thalassiostra pseudomona, Anabaena sp., Calothrix sp., Chaemisiphon sp., Chroococcidiopsis sp., Cyanothece sp., Cylindrospermum sp., Dermocarpella sp., Fischerella sp., Gloeocapsa sp., Myxosarcina sp., Nostoc sp., Oscillatoria sp., Phormidium corium, Pleurocapsa sp., Prochlorococcus sp., Pseudanabaena sp., Synechococcus sp., Synechocystis sp., Tolypothrix sp., Xenococcus sp. Aurantiochytrium sp., Haematococcus pluvialis 중에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
바람직한 실시예로, 상기 박테리아는 Arthrobacter sp., Acinetobacter calcoaceticus, Rhodococcus opacus, Bacillus alcalophilus, 대장균(E. coli), Rhodocista centenaria, Rhodospira trueperi, Rhodospirillum fulvum, Rhodospirillum molischianum, Rhodospirillum photometricum, Rhodospirillum rubrum, Rhodospirillum salexigens, Rhodospirillum salinarutn, Rhodospirillum sodomense, Rhodospirillum mediosalinum, Rhodopseudomonas sp., Rhodopseudomonas acidophila, Rhodopseudomonas capsulatus, Rhodopseudomonas palustris, Rhodopseudomonas sphaeroides, Rhodobacter capsulatus, Rhodobacter sphaeroides 중에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
바람직한 실시예로, 상기 효모는 Candida curvata, Cryptococcus albidus, Lipomyces starkeyi, Rhodotorula glutinis 중에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
바람직한 실시예로, 상기 진균은 Aspergillus oryzae, Mortierella isabellina, Humicola lanuginosa, Mortierella vinacea 중에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
상기와 같이 본 발명은 바이오디젤, 그린디젤, 바이오항공유와 같은 바이오연료나 오일 유래 유용물질의 생산을 위하여, 기존의 원료(대두, 유채, 팜 등)에 비해 오일 생산량이 매우 높은 오일 함유 미생물로부터 바이오오일 추출 방법에 관한 것으로,
수분이 있는 상태에서 오일 추출이 가능한 상기 바이오 오일 추출방법에 의하여, 원하는 물질의 추출을 위하여 선택되는 특정 미생물로부터 오일 성분의 다량 추출이 가능한 장점과,
또한 바이오 오일 추출 공정 중에 엽록소가 제거되어 물성이 좋은 오일을 추출할 수 있으며, 바이오 연료로의 전환반응에서 촉매의 피독현상을 없앰으로써 바이오연료 전환 수율을 높일 수 있다는 장점과,
또한 오일 함유 미생물로부터 바이오디젤의 원료가 되는 바이오오일을 고효율로 추출할 수 있고 이를 바이오디젤로 전환하여 국내 원료를 이용한 바이오디젤의 보급이 가능해진다는 장점과,
또한 DHA(docosa hexaenoic acid), EPA(eicosapentaenoic acid)를 포함하는 오메가-3 지방산과 같은 유용 지방산 생산 공정 및 아스타잔틴(Astaxanthin) 추출 공정 등의 식품 산업, 화장품, 의약품, 영양제 산업에도 활용이 가능한 장점과,
또한 오일 함유 미생물로부터 오일을 추출하기 위하여 필요로 하는 공정비용 상승 문제를 개선함으로서 경제성 있는 오일 및 유용물질의 생산이 가능한 장점을 가진 유용한 발명으로 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명이다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 오일 추출 방법을 보인 공정 순서도이고,
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 오일 추출방법을 보인 공정 순서도이고,
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 차아염소산나트륨 농도에 따른 Chlorella vulgaris KR-1의 오일 추출율을 보인 그래프이고,
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 차아염소산나트륨 농도에 따른 Chlorella vulgaris KR-1의 오일 추출시 헥산층의 변화를 보인 실시예 사진(좌 차아염소산나트륨 농도 2, 1.3, 1, 0.8, 0.4, 0.2, 0% 우)이고,
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따른 차아염소산나트륨 농도에 따른 Chlorella vulgaris KR-1로부터 추출된 오일(좌 차아염소산나트륨 농도 2, 1.3, 1, 0.8, 0.4, 0.2, 0% 우)을 보인 실시예 사진이고,
도 6은 본 발명의 실시예 2에 따른 미세조류 농도에 따른 Chlorella vulgaris KR-1의 전기분해 반응 후 오일 추출율을 보인 그래프이고,
도 7은 본 발명의 실시예 2에 다른 미세조류 농도에 따른 Chlorella vulgaris KR-1의 전기분해 반응 전후 색깔 변화를 보인 실시예 사진(위: 반응전, 아래: 반응후)이고,
도 8은 본 발명의 실시예 2에 따른 미세조류 농도에 따른 Chlorella vulgaris KR-1의 전기분해 반응 후 추출된 오일을 보인 실시예 사진이고,
도 9는 비교예 2에 따른 Nannochloropsis oceanica로부터 헥산용매을 이용한 오일 추출 후 활성탄 및 활성백토로 엽록소를 제거한 상태를 보인 실시예 사진(좌:헥산, 중간:활성탄 첨가 후, 우:활성백토 첨가 후)이고,
도 10은 비교예 2에 따른 활성탄 첨가 엽록소 흡착 후 헥산 증발(evaporation) 후에 회수된 오일을 보인 실시예 사진이고,
도 11은 종래 오일 함유 미생물로부터 유용물질 생산 경로를 보인 예시도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 오일 추출방법을 보인 공정 순서도이고,
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 차아염소산나트륨 농도에 따른 Chlorella vulgaris KR-1의 오일 추출율을 보인 그래프이고,
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 차아염소산나트륨 농도에 따른 Chlorella vulgaris KR-1의 오일 추출시 헥산층의 변화를 보인 실시예 사진(좌 차아염소산나트륨 농도 2, 1.3, 1, 0.8, 0.4, 0.2, 0% 우)이고,
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따른 차아염소산나트륨 농도에 따른 Chlorella vulgaris KR-1로부터 추출된 오일(좌 차아염소산나트륨 농도 2, 1.3, 1, 0.8, 0.4, 0.2, 0% 우)을 보인 실시예 사진이고,
도 6은 본 발명의 실시예 2에 따른 미세조류 농도에 따른 Chlorella vulgaris KR-1의 전기분해 반응 후 오일 추출율을 보인 그래프이고,
도 7은 본 발명의 실시예 2에 다른 미세조류 농도에 따른 Chlorella vulgaris KR-1의 전기분해 반응 전후 색깔 변화를 보인 실시예 사진(위: 반응전, 아래: 반응후)이고,
도 8은 본 발명의 실시예 2에 따른 미세조류 농도에 따른 Chlorella vulgaris KR-1의 전기분해 반응 후 추출된 오일을 보인 실시예 사진이고,
도 9는 비교예 2에 따른 Nannochloropsis oceanica로부터 헥산용매을 이용한 오일 추출 후 활성탄 및 활성백토로 엽록소를 제거한 상태를 보인 실시예 사진(좌:헥산, 중간:활성탄 첨가 후, 우:활성백토 첨가 후)이고,
도 10은 비교예 2에 따른 활성탄 첨가 엽록소 흡착 후 헥산 증발(evaporation) 후에 회수된 오일을 보인 실시예 사진이고,
도 11은 종래 오일 함유 미생물로부터 유용물질 생산 경로를 보인 예시도이다.
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.
본 발명은 바이오연료나 오일 유래 유용물질의 생산을 위하여, 식량과 경쟁 관계에 있는 기존의 원료(대두, 유채, 팜 등)를 대체할 수 있는 원료로 오일 생산량이 육상식물에 비해 매우 높은 오일 함유 미생물로부터 오일 추출시 일반적인 용매추출법에서 수분을 제거하기 위한 추가적인 에너지 비용을 필요로 하는 문제점을 해결하여 수분이 있는 상태에서 차아염소산염이나 염소이온을 함유한 이온결합 화합물을 사용하여 추출하는 방법이다.
또한 본 발명은 미생물 중 미세조류 오일에 포함된 엽록소가 바이오디젤, 그린디젤, 바이오항공유 등의 바이오연료 전환반응 시 촉매에 피독 현상을 일으켜 반응을 저해하므로 이를 오일 추출 단계에서 제거시킨 방법이다.
본 발명에서 사용되는 오일 함유 미생물은 미세조류, 박테리아, 효모 또는 진균이다. 즉, 종래 잘 알려진 미세조류 뿐만 아니라 박테리아, 효모, 진균 등의 미생물도 오일을 함유하고 있으며, 이들 미생물로부터 바이오오일을 추출할 수 있다. 오일을 함유하는 대표적인 미생물과 각각의 오일 함량을 표 2에 나타내었다.
| 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 |
오일 함유 미생물의 오일 함량
출처: Xin Meng et al., Renewable Energy 34 (2009) 1-5
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 뷸가리스(Chlorella vulgaris), 클로렐라 미누티시마(Chlorella minutissima), 클로로코쿠 리토레일(Chlorococcu littorale), 시클로텔라 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 sp.), 시네코시스티스(Synechocystis sp.), 톨리포트릭스(Tolypothrix sp.), 제노코코스(Xenococcus sp.) 등의 미세조류로부터 오일을 추출할 수 있다.
특히 Aurantiochytrium sp.는 지방산 중에서도 오메가-3 지방산을 고함량으로 포함하고 있으며, Haematococcus pluvialis는 상업적으로 아스타잔틴을 추출할 때 이용된다.
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 종으로부터 오일을 추출할 수 있다.
이하 구체적으로 본 발명에 따른 오일 추출방법을 살펴본다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 오일 추출 방법을 보인 공정 순서도이다. 도시된 바와 같이 본 발명의 한 실시예에 따른 미생물로부터 바이오오일을 추출하는 방법은,
a) 오일 함유 미생물을 포함한 배양액에 차아염소산염을 첨가하여 상기 오일 함유 미생물로부터 오일을 배출시키는 단계(S100);
b) 상기 a)단계에서 오일이 배출된 배양액에 유기용매를 첨가하여 오일이 포함된 유기용매층과 미생물 잔해가 포함된 물층으로 상분리하는 단계(S200);
c) 상기 미생물 잔해가 포함된 물층으로부터 상기 오일이 포함된 유기용매층을 별도로 분리한 후 상기 유기용매를 제거하는 단계(S300);를 포함하여 이루어진다.
전술한 바와 같이 미생물을 건조하지 않고 수분이 있는 상태에서 일반적인 용매추출법을 이용하여 미생물로부터 오일을 추출하는 경우, 미생물을 건조하여 수분이 거의 없는 상태에서 용매추출법을 시행하는 경우보다 오일 추출율이 현저히 떨어진다. 그러나 미생물로부터 수분을 제거하기 위해서는 추가적인 건조공정으로 인하여 바이오오일의 생산비용을 증가시킨다.
하지만 본 발명은 수분이 있는 상태의 미생물로부터 용매추출법을 이용하여 효율적으로 오일을 추출하기 위하여, 미생물을 포함한 배양액에 차아염소산염을 첨가하고 교반하여 미생물의 세포벽을 약화시키거나 붕괴시킨다.
차아염소산염(hypochlorite)은 물에 녹아 차아염소산(HClO, hypochlorous acid)를 생성하며 차아염소산이 미생물과 접촉하면 활성산소가 생성되면서 미생물의 세포벽을 공격한다.
또한 활성산소는 미세조류 내의 엽록소를 공격하여 엽록소를 제거하는 역할도 수행한다.
차아염소산염 처리 후 유기용매와 일정시간 교반 후 정치시키면 미생물 잔해가 포함된 물층과 오일이 포함된 유기용매층으로 나뉘며, 오일이 포함된 층을 회수하여 유기용매를 제거하고 바이오오일을 얻을 수 있다.
차아염소산염(hypochlorite)을 첨가한 배양액의 반응은 반응식 1과 같다.
(반응식 1)
NaClO + H2O ⇔ HClO + Na+ + OH-
HClO → HCl + [O]
본 발명의 도 1에 따른 실시예에서 사용되는 차아염소산염은 미생물의 세포벽을 약화시켜 용매추출시 용매가 세포 내로 침투하여 오일을 추출하는 기능을 향상시키고 추출된 오일의 바이오디젤 전환시 전환반응에 저해를 일으키는 엽록소 성분을 제거하게 된다. 이러한 차아염소산염으로는 차아염소산나트륨(NaClO) 및 차아염소산칼슘(Ca(ClO)2)을 사용할 수 있다.
상기 배양액 중 오일 함유 미생물의 농도는 1 ~ 300g/L이고, 상기 배양액 중 차아염소산염의 농도는 0.1 ~ 10% (w/w)이다.
즉, 배양액 1L 기준, 이에 포함된 미생물의 양은 1 ~ 300g의 범위이며, 미생물의 농도가 1g/L 미만일 경우 미생물 양 대비 수분 함량이 매우 높아 생성된 차아염소산이 희석되어 오일 추출율이 낮으며, 미생물 농도가 300g/L 초과일 경우 미생물 성상이 유동성이 적은 필터 케이크 형태로 되어 생성된 차아염소산과의 균질한 반응이 어려워 오일 추출율이 낮다.
또한 차아염소산염은 배양액 기준 100g당 0.1 ~ 10g의 범위로 사용된다. 농도가 0.1% (w/w) 미만일 경우 생성된 낮은 차아염소산 농도로 인하여 오일 추출율이 낮으며, 농도가 10% (w/w) 초과일 경우 이미 충분한 양의 차아염소산이 생성되어 오일 추출율의 증가가 거의 없게 된다.
상기 유기용매는 헥산, 메탄올 및 클로로포름 중에서 선택되는 하나 이상을 사용한다. 미생물의 세포벽 내에 존재하는 오일을 용매추출법을 이용하여 추출하기 위해서는, 미생물의 세포벽을 붕괴하고 용매가 안으로 침투할 필요가 있는데 생성된 차아염소산에 의해 세포벽이 약화되거나 붕괴되므로 유기용매를 이용한 오일 추출이 매우 용이해진다.
유기용매는 극성과 비극성 유기용매로 나뉘며, 메탄올은 극성 유기용매이며 헥산과 클로로포름은 비극성 유기용매이다. 단독의 용매를 사용하거나, 용매를 혼합하여 사용하는 것이 가능하다.
용매의 밀도 및 물과의 친화도의 차이에 의해 헥산층은 상층에 존재하며, 클로로포름 층은 하층에 존재한다. 메탄올은 물과 혼합되어 상분리가 일어나지 않으므로, 헥산-메탄올 또는 클로로포름-메탄올의 혼합 용매가 바람직하다.
또한 본 발명은 상기 b)단계에서의 상분리는 중력침강 또는 원심분리로 수행될 수 있다. 즉, 유기용매층과 미생물 잔해가 포함된 물층은 두 층간의 밀도차에 의하여 분리되는 특성이 있으므로, 중력침강에 의해 상분리하거나, 시간을 줄이기 위해서는 원심분리를 수행할 수 있다.
또한 본 발명은 상기 a)단계 전에 오일 함유 미생물을 포함한 배양액을 농축 또는 희석하는 단계;를 더 포함할 수 있다. 즉, 배양액 중 오일 함유 미생물의 농도가 오일 추출 공정에 필요한 미생물의 농도와 다를 경우, 차아염소산염이나 염소이온을 함유한 이온결합 화합물의 첨가에 앞서 미생물 농도가 1-300g/L 내에서 원하는 농도가 되도록 수분을 제거하거가 첨가하여 배양액을 농축 또는 희석할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 오일 추출방법을 보인 공정 순서도이다. 도시된 바와 같이 본 발명의 다른 실시예에 따른 미생물로부터 바이오오일을 추출하는 방법은,
a-1) 오일 함유 미생물을 포함한 배양액에 염소이온(Cl-)을 함유한 이온결합 화합물을 첨가하는 단계(S101);
a-2) 상기 배양액에 전극을 통해 전류를 인가하여 상기 오일 함유 미생물로부터 오일을 배출시키는 단계(S102);
b) 상기 a-2)단계에서 오일이 배출된 배양액에 유기용매를 첨가하여 오일이 포함된 유기용매층과 미생물 잔해가 포함된 물층으로 상분리하는 단계(S200);
c) 상기 미생물 잔해가 포함된 물층으로부터 상기 오일이 포함된 유기용매층을 별도로 분리한 후 상기 유기용매를 제거하는 단계(s300);를 포함하여 이루어진다.
도 2는 도 1과 같이 수분이 있는 상태의 미생물로부터 용매추출법을 이용하여 효율적으로 오일을 추출하기 위한 방법으로, 미생물을 포함한 배양액에 염소이온을 함유한 이온결합 화합물을 첨가하고 전극을 통해 전류를 인가하여 미생물의 세포벽을 약화시키거나 붕괴시킨다.
염화나트륨(NaCl)의 전기분해에 의해 차아염소산(HClO, hypochlorous acid)이 생성되며 차아염소산이 미생물과 접촉하면 활성산소가 생성되면서 미생물의 세포벽을 공격한다.
또한 활성산소는 미세조류 내의 엽록소를 공격하여 엽록소를 제거하는 역할도 수행한다.
염소이온을 함유한 이온결합 화합물의 전기분해 처리 후 유기용매와 일정시간 교반 후 정치시키면 미생물 잔해가 포함된 물층과 오일이 포함된 유기용매층으로 나뉘며, 오일이 포함된 층을 회수하여 유기용매를 제거하고 바이오오일을 얻을 수 있다. 염화나트륨을 첨가한 배양액의 양극 및 음극에서의 전기분해 반응은 아래 반응식 2, 3과 같다.
(양극)-------- (반응식 2)
2Cl- → Cl2 + 2e-
Cl2 + H2O ⇔ HCl + HClO
H2O → 1/2O2 + 2H+ + 2e-
(음극)---------(반응식 3)
2H2O + 2e- → H2 + 2OH-
Na+ + e- → Na
Na + H2O → NaOH + 1/2H2
또한 본 발명의 도 2에 따른 실시예에서 사용되는 상기 염소이온(Cl-)을 함유한 이온결합 화합물은 NaCl, KCl, CaCl2 및 MgCl2 중에서 선택되는 하나 이상을 사용한다. 이러한 염소이온을 함유한 이온결합 화합물의 전기분해를 이용하여 미생물의 세포벽을 약화시켜 용매추출 시 용매가 세포 내로 침투하여 오일을 추출하는 기능을 향상시키고 추출된 오일의 바이오디젤 전환시 전환반응에 저해를 일으키는 엽록소 성분을 제거하고자 하였다. 염소이온을 함유한 이온결합 화합물로는 염화나트륨(NaCl), 염화칼륨(KCl), 염화칼슘(CaCl2) 및 염화마그네슘(MgCl2)을 사용할 수 있다.
상기 배양액 중 오일 함유 미생물의 농도는 1 ~ 300g/L이고, 상기 배양액 중 염소이온(Cl-)을 함유한 이온결합 화합물의 농도는 0.1 ~ 10% (w/w)이다.
즉, 배양액 1L 기준, 이에 포함된 미생물의 양은 1 ~ 300g의 범위이며, 미생물의 농도가 1g/L 미만일 경우 미생물 양 대비 수분 함량이 매우 높아, 생성된 차아염소산이 희석되어 오일 추출율이 낮으며, 미생물 농도가 300g/L 초과일 경우 미생물 성상이 유동성이 적은 필터 케이크 형태로 되어 생성된 차아염소산과의 균질한 반응이 어려워 오일 추출율이 낮다.
또한 염소이온을 함유한 이온결합 화합물은 배양액 기준 100g당 0.1 ~ 10g의 범위로 사용되며, 농도가 0.1% (w/w) 미만일 경우 생성된 낮은 차아염소산 농도로 인하여 오일 추출율이 낮으며, 농도가 10% (w/w) 초과일 경우 높은 전해질 농도로 과전류가 발생할 수 있다.
상기 유기용매는 헥산, 메탄올 및 클로로포름 중에서 선택되는 하나 이상인 것을 사용한다. 미생물의 세포벽 내에 존재하는 오일을 용매추출법을 이용하여 추출하기 위해서는, 미생물의 세포벽을 붕괴하고 용매가 안으로 침투할 필요가 있다.
생성된 차아염소산에 의해 세포벽이 약화되거나 붕괴되므로 유기용매를 이용한 오일 추출이 매우 용이해진다. 유기용매는 극성과 비극성 유기용매로 나뉘며, 메탄올은 극성 유기용매이며 헥산과 클로로포름은 비극성 유기용매이다.
단독의 용매를 사용하거나, 용매를 혼합하여 사용하는 것이 가능하다. 용매의 밀도 및 물과의 친화도의 차이에 의해 헥산층은 상층에 존재하며, 클로로포름 층은 하층에 존재한다. 메탄올은 물과 혼합되어 상분리가 일어나지 않으므로, 헥산-메탄올 또는 클로로포름-메탄올의 혼합 용매가 바람직하다.
또한 본 발명은 상기 b)단계에서의 상분리는 중력침강 또는 원심분리로 수행될 수 있다. 즉, 유기용매층과 미생물 잔해가 포함된 물층은 두 층간의 밀도차에 의하여 분리되는 특성이 있으므로, 중력침강에 의해 상분리하거나, 시간을 줄이기 위해서는 원심분리를 수행할 수 있다.
또한 본 발명은 상기 a)단계 전에 오일 함유 미생물을 포함한 배양액을 농축 또는 희석하는 단계;를 더 포함할 수 있다. 즉, 배양액 중 오일 함유 미생물의 농도가 오일 추출 공정에 필요한 미생물의 농도와 다를 경우, 차아염소산염이나 염소이온을 함유한 이온결합 화합물의 첨가에 앞서 미생물 농도가 1-300g/L 내에서 원하는 농도가 되도록 수분을 제거하거가 첨가하여 배양액을 농축 또는 희석할 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예이다.
[실시예 1] 차아염소산나트륨 이용 습식 오일 추출법
배양된 Chlorella vulgaris KR-1을 원심분리를 통하여 수분을 일부 제거한 후, 200g/L의 습식 미세조류 용액을 준비한다. 200g/L Chlorella vulgaris KR-1 5ml에 차아염소산나트륨 용액을 농도별로 준비하여 5ml씩 첨가함으로써, 미세조류 배양액의 농도는 100g/L가 되도록 하였으며, 포함하는 차아염소산나트륨의 농도는 배양액 기준 0.2, 0.4, 0.8, 1.0, 1.3, 2%가 되도록 하였다.
300rpm에서 30분 교반 후, 오일 층을 회수하기 위하여 헥산 20ml을 첨가하여 교반속도 1000rpm에서 6시간 동안 교반한다. 상층의 헥산층을 분리하고 증발(evaporation)을 수행한 후, 회수된 오일의 양을 정량한다. 오일추출율은 초기 미세조류 건조중량 대비 추출된 오일량(g/100g cell)으로 나타내었다.
습식 조건에서 차아염소산나트륨을 이용한 오일추출법에 의한 오일추출율을 도 3에 나타내었다. 차아염소산나트륨 농도에 관계없이 오일추출율은 9 ~ 10g/100g cell 범위에 있었다.
도 4에서 차아염소산나트륨 농도가 높을수록 헥산층에 녹색이 옅어지는 것을 알 수 있다. 오른쪽은 차아염소산을 넣지 않은 대조구로 헥산층이 녹색인 것을 알 수 있다. 증발(Evaporation) 후 오일의 성상을 도 5에 나타내었다. 차아염소산나트륨 농도가 0.4 ~ 2% 사이일 경우에는 엷은 노란색의 오일이 얻어졌으며, 농도가 0.2%로 낮을 경우에는 대조구와 같은 녹색의 오일이 얻어졌다.
[실시예 2] 염화나트륨의 전기분해 이용 습식 오일 추출법
배양된 Chlorella vulgaris KR-1을 원심분리를 통하여 수분을 일부 제거한 후, 1, 2, 5, 10, 20g/L의 습식 미세조류 용액을 준비한다. 각각의 용액 1L에 미세조류 양의 5배에 해당하는 염화나트륨을 넣고 5분간 전기분해장치에서 전기분해반응을 진행하였다. 반응 후 오일 층을 회수하기 위하여 헥산을 400ml을 첨가하여 교반속도 1000rpm에서 6시간 동안 교반한다. 상층의 헥산층을 분리하고 증발(evaporation)을 수행한 후, 회수된 오일의 양을 정량한다.
오일추출율은 초기 미세조류 건조중량 대비 추출된 오일량(g/100g cell)으로 나타내었다. 습식 조건에서 염화나트륨의 전기분해를 이용한 오일추출법에 의한 오일추출율을 도 6에 나타내었다. 미세조류 농도에 관계없이 오일추출율은 9 ~ 10g/100g cell 범위에 있었다.
도 7의 (위)는 반응전 미세조류 용액의 농도별 색깔로 농도가 높을수록 진한 녹색을 띠는 것을 알 수 있다. 전기분해 반응 후 녹색은 사라지는 현상이 나타났으며 20g/L에서는 녹색이 풀색으로 변하였다.
도 8에서 오른쪽의 전기분해를 하지 않은 녹색 오일의 대조구와 비교할 때 노락색, 갈색 계열의 엽록소가 제거된 오일이 염화나트륨의 전기분해 반응 후 얻어지는 것을 확인하였다.
이하 본 발명과 대비되는 비교예이다.
[비교예 1] 헥산 이용 습식 오일 추출법
배양된 Chlorella vulgaris KR-1을 원심분리를 통하여 수분을 일부 제거한 후, 100g/L의 습식 미세조류 용액을 준비한다. 100g/L Chlorella vulgaris KR-1 10ml에 헥산 20ml을 첨가하여 교반속도 1000rpm에서 6시간 동안 교반한다. 상층의 헥산층을 분리하고 증발(evaporation)을 수행한 후, 회수된 오일의 양을 정량한다.
오일추출율은 초기 미세조류 건조중량 대비 추출된 오일량(g/100g cell)으로 나타내었다. 습식 조건에서 헥산을 이용한 용매추출법에 의한 오일추출율은 12.03g/100g cell이었다.
[비교예 2] 활성탄 이용 추출 오일의 엽록소 제거
배양된 Nannochloropsis oceanica를 원심분리를 통하여 수분을 일부 제거한 후, 300g/L의 습식 미세조류 용액을 준비한다. 300g/L Nannochloropsis oceanica 33ml에 헥산 500ml을 첨가하여 교반속도 1000rpm에서 6시간 동안 교반한다.
상층의 헥산층을 분리하고 엽록소의 흡착을 위하여 활성탄 및 활성백토를 넣고 30분간 방치한 후 활성탄과 활성백토를 제거한다. 도 9의 좌는 추출 오일을 함유한 헥산용매이고, 도 9의 중간과 우는 각각 활성탄 및 활성백토 첨가 후의 헥산용매이다. 헥산용매의 녹색이 제거되어 투명한 색깔을 나타내며, 활성탄과 활성백토의 엽록소 흡착을 통한 엽록소 제거를 확인할 수 있다.
엽록소를 활성탄 흡착으로 제거한 헥산용매의 증발(evaporation)을 수행한 후, 회수된 오일의 양을 정량한다. 오일추출율은 초기 미세조류 건조중량 대비 추출된 오일량 (g/100g cell)으로 나타내었다.
엽록소의 활성탄 흡착 시 추출된 오일의 일부도 활성탄에 흡착되어 오일추출율은 2.01g/100g cell로 매우 낮은 값을 나타내었지만, 엽록소가 제거된 엷은 노란색의 오일 회수가 가능하다 (도 10 참조).
따라서 오일 물성을 개선하기 위하여 활성탄을 사용하여 엽록소를 제거하는 것은 오일 추출율을 현저히 떨어뜨린다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
Claims (14)
- a) 오일 함유 미생물을 포함한 배양액에 차아염소산염을 첨가하여 상기 오일 함유 미생물로부터 오일을 배출시키는 단계;
b) 상기 a)단계에서 오일이 배출된 배양액에 유기용매를 첨가하여 오일이 포함된 유기용매층과 미생물 잔해가 포함된 물층으로 상분리하는 단계;
c) 상기 미생물 잔해가 포함된 물층으로부터 상기 오일이 포함된 유기용매층을 별도로 분리한 후 상기 유기용매를 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물로부터 바이오오일을 추출하는 방법.
- a-1) 오일 함유 미생물을 포함한 배양액에 염소이온(Cl-)을 함유한 이온결합 화합물을 첨가하는 단계;
a-2) 상기 배양액에 전극을 통해 전류를 인가하여 상기 오일 함유 미생물로부터 오일을 배출시키는 단계;
b) 상기 a-2)단계에서 오일이 배출된 배양액에 유기용매를 첨가하여 오일이 포함된 유기용매층과 미생물 잔해가 포함된 물층으로 상분리하는 단계;
c) 상기 미생물 잔해가 포함된 물층으로부터 상기 오일이 포함된 유기용매층을 별도로 분리한 후 상기 유기용매를 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물로부터 바이오오일을 추출하는 방법.
- 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 오일 함유 미생물은 미세조류, 박테리아, 효모, 진균 중에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 미생물로부터 바이오오일을 추출하는 방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 차아염소산염은 NaClO 또는 Ca(ClO)2 중에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 미생물로부터 바이오오일을 추출하는 방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 배양액 중 오일 함유 미생물의 농도는 1 ~ 300g/L이고, 상기 배양액 중 차아염소산염의 농도는 0.1 ~ 10% (w/w)인 것을 특징으로 하는 미생물로부터 바이오오일을 추출하는 방법.
- 청구항 2에 있어서,
상기 염소이온(Cl-)을 함유한 이온결합 화합물은 NaCl, KCl, CaCl2 및 MgCl2 중에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 미생물로부터 바이오오일을 추출하는 방법.
- 청구항 2에 있어서,
상기 배양액 중 오일 함유 미생물의 농도는 1 ~ 300g/L이고, 상기 배양액 중 염소이온(Cl-)을 함유한 이온결합 화합물의 농도는 0.1 ~ 10% (w/w)인 것을 특징으로 하는 미생물로부터 바이오오일을 추출하는 방법.
- 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 유기용매는 헥산, 메탄올 및 클로로포름 중에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 미생물로부터 바이오오일을 추출하는 방법.
- 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 b)단계의 상분리는 중력침강 또는 원심분리로 수행되는 것을 특징으로 하는 미생물로부터 바이오오일을 추출하는 방법.
- 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 a)단계 전에 오일 함유 미생물을 포함한 배양액을 농축 또는 희석하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물로부터 바이오오일을 추출하는 방법.
- 청구항 3에 있어서,
상기 미세조류는 Botryococcus braunii, Cylindrotheca sp., Nitzschia sp., Schizochytrium sp., Anacystis nidulans, Ankistrodesmus sp., Biddulpha aurita, Chaetoceros sp., Chlamydomonas applanata, Chlamydomonas reinhardtii, Chlorella sp., Chlorella ellipsoidea, Chlorella emersonii, Chlorella protothecoides, Chlorella pyrenoidosa, Chlorella sorokiniana, Chlorella vulgaris, Chlorella minutissima, Chlorococcu littorale, Cyclotella cryptica, Dunaliella bardawil, Dunaliella salina, Dunaliella tertiolecta, Dunaliella primolecta, Gymnodinum sp., Hymenomonas carterae, Isochrysis galbana, Isochrysis sp., Microcystis aeruginosa, Micromonas pusilla, Monodus subterraneous, Nannochloris sp., Nannochloropsis sp., Nannochloropsis atomus, Nannochloropsis salina, Navicula pelliculosa, Nitzschia sp., Nitzscia closterium, Nitzscia palea, Oocystis polymorpha, Ourococcus sp., Oscillatoria rubescens, Pavlova lutheri, Phaeodactylum tricornutum,Pycnococcus provasolii, Pyramimonas cordata, Spirulina platensis, Stephanodiscus minutulus, Stichococcus sp., Synedra ulna, Scenedesmus obliquus, Selenastrum gracile, Skeletonoma costalum, Tetraselmis chui, Tetraselmis maculata, Tetraselmis sp., Tetraselmis suecica, Thalassiostra pseudomona, Anabaena sp., Calothrix sp., Chaemisiphon sp., Chroococcidiopsis sp., Cyanothece sp., Cylindrospermum sp., Dermocarpella sp., Fischerella sp., Gloeocapsa sp., Myxosarcina sp., Nostoc sp., Oscillatoria sp., Phormidium corium, Pleurocapsa sp., Prochlorococcus sp., Pseudanabaena sp., Synechococcus sp., Synechocystis sp., Tolypothrix sp., Xenococcus sp. Aurantiochytrium sp., Haematococcus pluvialis 중에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 미생물로부터 바이오오일을 추출하는 방법.
- 청구항 3에 있어서,
상기 박테리아는 Arthrobacter sp., Acinetobacter calcoaceticus, Rhodococcus opacus, Bacillus alcalophilus, 대장균(E. coli), Rhodocista centenaria, Rhodospira trueperi, Rhodospirillum fulvum, Rhodospirillum molischianum, Rhodospirillum photometricum, Rhodospirillum rubrum, Rhodospirillum salexigens, Rhodospirillum salinarutn, Rhodospirillum sodomense, Rhodospirillum mediosalinum, Rhodopseudomonas sp., Rhodopseudomonas acidophila, Rhodopseudomonas capsulatus, Rhodopseudomonas palustris, Rhodopseudomonas sphaeroides, Rhodobacter capsulatus, Rhodobacter sphaeroides 중에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 미생물로부터 바이오오일을 추출하는 방법.
- 청구항 3에 있어서,
상기 효모는 Candida curvata, Cryptococcus albidus, Lipomyces starkeyi, Rhodotorula glutinis 중에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 미생물로부터 바이오오일을 추출하는 방법.
- 청구항 3에 있어서,
상기 진균은 Aspergillus oryzae, Mortierella isabellina, Humicola lanuginosa, Mortierella vinacea 중에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 미생물로부터 바이오오일을 추출하는 방법.
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| KR20060097009A (ko) * | 2003-10-02 | 2006-09-13 | 마르텍 바이오사이언시스 코포레이션 | 변형량의 염소 및 칼륨을 사용하는 미세조류 중에 고농도디에치에이의 생산 |
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