KR101502355B1 - 초임계 이산화탄소 추출법에 의한 미세조류로부터 바이오디젤 전환용 지질의 추출 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초임계 이산화탄소 (supercritical carbon dioxide)를 이용하여 미세조류 (microalgae)로부터 바이오디젤용 지질을 추출하는 방법 및 상기 방법으로부터 추출된 바이오디젤용 지질에 관한 것이다. 본 발명의 지질 추출 방법은 기존의 초임계 이산화탄소 추출법보다 추출 시간을 현저히 단축시킬 수 있고, 기존의 Bligh-Dyer 추출법 및 속슬렛 추출법과 같은 유독성 유기 용매의 사용이 없으면서도 우수한 지질 수율과 지방산메틸에스테르 수율을 나타내는 경제적이고 친환경적인 기술이다.

Description

초임계 이산화탄소 추출법에 의한 미세조류로부터 바이오디젤 전환용 지질의 추출 방법{EXTRACTION METHOD OF BIODISEL CONVERTIBLE LIPID FROM MICROALGAE USING SUPERCRITICAL CARBON DIOXIDE}

본 발명은 초임계 이산화탄소 (supercritical carbon dioxide)를 이용하여 미세조류 (microalgae)로부터 바이오디젤용 지질을 추출하는 방법 및 상기 방법으로부터 추출된 바이오디젤용 지질에 관한 것이다.

전 세계적으로 사용되는 에너지는 화석연료 (석유, 석탄, 천연가스 등)가 대부분을 차지하고 있다. 그러나, 최근 원유가격의 급등은 물론 화석연료 고갈 및 온실가스 배출에 따른 기후변화 문제가 심각한 환경문제로 대두되고 있어 이를 대체할만한 신재생에너지 개발은 필수적이다^[1,2].

미세조류는 대기나 수중의 이산화탄소 (CO₂) 와 물을 원료로 광에너지를 이용하여 유기물을 합성하는 단세포의 광합성 미생물이며, 높은 광합성 효율로 인하여 대기 중의 이산화탄소를 회수하고, 세포 내 생화학적인 합성을 통해 고유의 물질들을 생성한다. 특히, 지질 함량이 높아서 육상 농작물의 10배 이상의 뛰어난 지질 생산성을 갖는다^[3-6]. 1세대 바이오 연료가 가장 논란을 일으킨 부분은 농경지 사용으로 인한 곡물 가격 상승이었다. 이에 반해 미세조류는 비식용 자원일 뿐만 아니라, 농경지가 아닌 물과 햇빛이 있는 어느 곳에서나 배양이 가능하기 때문에 차세대 바이오 연료의 원료로서 많은 관심을 받고 있다^[7,8].

바이오디젤은 기존의 디젤 엔진을 개조하지 않고 직접 사용할 수 있는 대체 연료로서 지질의 일종인 트리글리세라이드 (triglyceride)와 알코올의 전이에스테르화 반응을 통하여 만들어지는 차세대 바이오연료이다. 바이오디젤로 전환 가능한 지질은 미세조류의 세포벽 안에 포함되어 있으며, 조류 종에 따라 지질의 함량 및 종류가 매우 다양하다. 미세조류로부터 지질을 추출하기 위한 일반적인 방법으로는 속슬렛(soxhlet) 추출법과 Bligh & Dyer 추출법이 있다^[9-11]. 유기용매는 고체 바이오매스로부터 오일을 추출하는데 유용하지만 대부분 중성지방인 트리글리세라이드에 대한 선택도가 낮으며, 클로로포름과 같이 독성이 강한 유기용매를 사용함으로써 추출된 지질에 유기용매가 잔류하게 된다. 미세조류로부터 추출하여 응용 가능한 지질에는 바이오연료 뿐만 아니라 항산화물, 천연색소, DHA, EPA 등의 식이 보조제 등과 같은 추출물에도 응용이 가능한데, 이러한 고부가 추출물을 생산하기 위해서는 유기용매가 잔류하지 않는 추출공정이 필요하다^[12,13].

초임계유체 (supercritical fluid)란 임계압력 및 임계온도 이상의 조건을 갖는 상태에 있는 물질로 정의되며, 일반적인 액체나 기체와는 다른 고유의 특성을 가진다. 일반적으로 어떤 물질을 녹일 수 있는 능력인 용해력은 용매가 갖는 밀도에 비례하게 되는데, 초임계유체는 압력이 충분히 높으면 상당한 용해력을 갖게 된다. 그러나, 초임계 상태에서의 분자간의 거리는 액체처럼 가깝지 않아서 점도, 확산계수, 열전도도 및 표면장력이 기체와 비슷한 값을 갖게 된다. 즉, 초임계 유체는 높은 용해력, 빠른 확산속도, 낮은 표면장력으로 인한 미세공간 안으로의 빠른 침투성 등을 갖게 된다. 또한, 상온에서 기체 상태인 물질을 초임계유체로 선정하는 경우에는 잔존 용매의 문제를 해결할 수 있으며, 이산화탄소와 같이 인체에 무해하고 환경오염이 적은 용매를 사용하게 되면 무독성, 환경친화성 공정개발이 가능하여 안전도가 요구되는 의약품, 천연물질, 식품소재, 화장품소재의 고순도 추출에 주로 활용되고 있다^[14-17].

위와 같은 초임계 유체의 장점들로 인하여, 초임계 이산화탄소를 이용한 미세조류로부터의 지질 추출 연구가 외국의 몇몇 연구자들^[12-17]에 의하여 수행되어졌지만, 바이오디젤 전환 가능한 지질의 추출을 위하여 공용매의 이용 및 추출된 지질의 특성에 대한 연구는 보고되고 있지 않은 실정이다.

KR 10-2003-0079276 A KR 10-2011-0002738 A KR 10-2011-0122640 A KR 10-1227303 B KR 10-0983023 B

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본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 종래의 초임계 이산화탄소에 의한 미세조류로부터 지질을 추출하는 방법을 지질 수율, 지방산메틸에스테르 수율 및 추출 공정 단축의 측면에서 개선된 신규한 지질 추출 방법과 이로부터 추출된 바이오디젤용 지질을 제공하고자 하는 것이다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 초임계 상태의 이산화탄소와 공용매로서 메탄올을 사용하는 초임계 이산화탄소 추출법에 의한 미세조류로부터 바이오디젤 전환용 지질의 추출 방법을 제공한다.

상기 추출법의 추출 온도는 35~65 ℃인 것이 바람직하다.

상기 추출법의 추출 압력은 250~350 bar인 것이 바람직하다.

상기 추출법의 추출 시간은 30~60 분인 것이 바람직하다.

상기 메탄올은 상기 초임계 이산화탄소 주입량의 5~15 부피%인 것이 바람직하다.

상기 미세조류는 난노클로롭시스 속 (Nannochloropsis sp.), 클로렐라 속 (Chlorella sp.) 및 세네데스무스 속 (Scendesmus sp.)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것이 바람직하다.

상기 추출 방법은 난노클로롭시스 속 미세조류로부터 50 ℃의 온도 및 300 bar의 압력으로 30 분 동안 추출하고, 초임계 이산화탄소와 공용매인 메탄올의 주입량은 1:0.1의 유량비인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 상기 본 발명의 지질의 추출 방법에 의한 바이오디젤 전환용 지질을 제공한다.

본 발명의 지질 추출 방법은 기존의 초임계 이산화탄소 추출법보다 추출 시간을 현저히 단축시킬 수 있고, 기존의 Bligh-Dyer 추출법 및 속슬렛 추출법과 같은 유독성 유기 용매의 사용이 없으면서도 우수한 지질 수율과 지방산메틸에스테르 수율을 나타내는 경제적이고 친환경적인 기술이다.

도 1은 본 발명의 초임계 이산화탄소 추출법에 사용되는 장치에 관한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 메탄올을 공용매로 사용한 초임계 이산화탄소 추출법에 의하여 난노클로롭시스 속 미세조류로부터 추출된 지질의 성분을 GC 크로마토그래피로 확인한 결과를 나타낸다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명의 발명자들은 초임계 이산화탄소 추출법을 이용하여 난노클로롭시스 속 미세조류로부터 바이오디젤로 전환 가능한 지질을 추출하였다. 추출 방법에 따른 효율을 평가하기 위하여 추출된 조지방 (crude lipid)의 수율과 지방산메틸에스테르 (fatty acid methyl ester, FAME) 수율을 측정하였으며 그 결과를 유기용매추출법인 hexane을 용매로 한 속슬렛 및 클로로포름, 메탄올, 증류수를 용매로 사용한 Bligh-Dyer 추출법에 의해 추출된 지질과 비교하였다. 초임계 이산화탄소 추출 공정의 극성을 변화시키고 추출 효율을 증가시키기 위하여 메탄올을 공용매로 사용하였으며 바이오디젤 생산용 지질 추출 방법으로서의 가능성을 평가하였다.

본 발명의 일 측면은, 미세조류로부터 바이오디젤용 지질을 추출하는 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 예에 따른 추출 방법은 건조 미세조류 파우더를 관형추출기에 넣고 초임계 이산화탄소와 메탄올을 동시에 주입하여 추출하는 방식이며 이의 효율을 증명하기 위하여 클로로포름, 메탄올, 증류수를 이용하여 상온 상압에서 교반하는 Bligh-Dyer 추출 방식, 노르말 헥산을 80℃의 조건에서 24시간 동안 428 회의 용매 회전수를 이용하는 속슬렛 추출 방식으로 지질을 추출하여 수율을 비교하는 방법을 포함한다.

본 발명의 일 예에 의하면, 바이오디젤용 지질을 추출하기 위한 원료물질로는 건조된 파우더 형태의 미세조류가 사용된다. 미세조류 지질은 크게 중성 지방과 극성 지방으로 나뉠 수 있으며 세포벽 안의 세포질과 함께 포함되어 있다. 중성 지방의 추출을 위해선 무극성의 유기 용매를 사용하는데 이의 추출 메카니즘은 다음과 같다. 미세조류가 유기용매에 충분히 녹아져 있을 때 (1) 클로로포름 또는 노르말 헥산과 같은 무극성 용매가 미세조류의 세포벽을 통과하여 세포질을 함유하는 단계, (2) 반데르발스 인력에 의하여 중성지방이 용매에 녹아지는 단계, (3) 용매-지질 물질이 세포벽 밖으로 확산되는 단계, (4) 미세조류 주위의 무극성 용매로 지질이 추출되는 단계이다. 따라서 미세조류로부터 중성 지질을 추출하기 위해선, 무극성 용매의 사용이 필수적이다.

하지만 세포질이 함유하는 몇몇의 중성 지방은 세포벽에 붙어있는 단백질과 강한 수소결합을 이루고 있다. 즉, 세포벽에 극성-무극성 지질 복합체가 붙어 있는 상태를 말하며, 이의 추출을 위해서 지질-단백질의 강한 수소 결합을 끊을 수 있는 극성 용매의 사용이 필수적이다. 이때 사용되는 극성 용매로는 메탄올 또는 프로판올이 대표적이며 이를 이용한 추출 메카니즘은 다음과 같다. (1) 극성-무극성 용매가 세포벽을 통과하여 세포질을 함유하는 단계, (2) 무극성 용매가 반데르발스 인력에 의하여 지질-단백질 복합체에서 중성 지방을 함유하는 단계, (3) 극성 용매가 지질-단백질 복합체와 수소결합을 이루어 세포벽에서 지질을 분리하고 극성 지질을 함유하는 단계, (4) 복합 지질을 함유한 극성-무극성 용매가 세포벽을 통과하여 추출하는 단계이다. 따라서 미세조류로부터 효율적으로 지질을 추출하기 위해선 극성-무극성 용매 혼합액을 사용하여야만 한다.

본 발명의 다른 측면은, 미세조류로부터 추출된 지질의 바이오디젤로서의 적합성 평가이며, 이를 위하여 상기 세 가지 추출방법으로 추출된 지질을 지방산메틸에스테르로 전환하여 이의 함량 및 지방산 조성을 확인함에 있다. 이의 결과를 토대로 본 발명에 의한 추출 방법인 초임계 이산화탄소와 메탄올을 동시에 주입하는 방식이 바이오디젤 전환용 지질을 추출하는데 효과적이며 경제적임을 평가한다.

본 발명에서 바이오디젤로서의 적합성 평가 방법은 추출된 지질을 BF₃-메탄올을 이용하여 에스테르화 및 전이에스테르화하여 지방산메틸에스테르 함량 및 지방산 조성을 확인하는 방식이다. 바이오디젤은 트리글리세라이드와 메탄올의 전이에스테르화반응으로 형성된 지방산메틸에스테르로 구성되어 있으며, 96.5% 이상을 함유해야만 한다. 또한 이때 사용되는 유지의 종류에 따라 바이오디젤의 지방산 조성이 변하게 되며, 이에 따라 연료품질 특성이 영향을 받는다. 예를 들어 원료물질이 불포화지방산을 많이 함유한다면 낮은 산화안정성을 야기하며, 이와는 반대로 포화지방산은 저온 유동성에 악영향을 미친다. 그러므로 사용되는 원료물질의 지방산 조성 확인은 향후 바이오디젤로 전환하는데 있어서 중요한 정보이다. 따라서 미세조류로부터 추출된 지질의 바이오디젤로의 적합성 평가는 지방산메틸에스테르로 전환하여 이의 함량 및 지방산 조성을 확인함이 필수적이다.

따라서, 본 발명은 초임계 상태의 이산화탄소와 공용매로서 메탄올을 사용하는 초임계 이산화탄소 추출법에 의한 미세조류로부터 바이오디젤 전환용 지질의 추출 방법을 제공한다.

상기 추출법의 추출 온도는 35~65 ℃, 추출 압력은 250~350 bar, 추출 시간은 30~60 분인 것이 바람직하다. 또한, 상기 메탄올은 상기 초임계 이산화탄소 주입량의 5~15 부피%인 것이 바람직하다.

상기 미세조류는 난노클로롭시스 속 (Nannochloropsis sp.), 클로렐라 속 (Chlorella sp.) 및 세네데스무스 속 (Scendesmus sp.)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것이 바람직하다.

바람직한 일 구체예로서, 상기 추출 방법은 난노클로롭시스 속 미세조류로부터 50 ℃의 온도 및 300 bar의 압력으로 30분 동안 추출하고, 초임계 이산화탄소와 공용매인 메탄올의 주입량은 1:0.1의 유량비로 조절할 수 있다.

상기 설명된 추출 방법에 의하여, 본 발명은 바이오디젤 전환용 지질을 제공한다.

이하에서는 구체적인 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

[ 실시예 ]

실험예 1

1. 방 법

1-1. 시 료

본 연구에 사용된 미세조류는 광생물반응기 (Photobioreactor)에서 배양된 배양액을 원심분리한 후 동결건조하여 얻어진 파우더 형태의 Nannochloropsis sp. (PROVIRON INDUSTRIES NV, ProvifeedTM Nannochloropsis FD, Belgium)이며, 동결건조 시료는 밀봉하여 4 ℃의 냉장실에 보관하면서 실험에 사용하였다. PROVIRON 사에서 구입한 Nannochloropsis sp.의 성분을 표 1에 나타내었다.

1-2. Bligh - Dyer 추출법

Nannochloropsis 건조 파우더 5 g을 정량하여 flask에 담은 후 클로로포름 50 mL, 메탄올 50 mL, 증류수 45 mL(1:1:0.9, v/v/v)를 넣고 150 rpm으로 2 시간 동안 교반하였다. 교반된 시료를 glass microfiber filter(Whatman^TM, 0.45 μm, UK)를 통해 고상과 액상을 분리하고, 추출된 액상 생성물과 물을 분리하기 위해 분액깔때기에 넣은 후 10 분간 분리시켰다. 생성된 분리층에서 지방을 포함하고 있는 클로로포름층을 취하여 회전식 감압 증발기 (EYELA, N-1110V, Japan)를 이용하여 용매를 증발시킨 후 수율을 측정하였으며, 지질 성분의 FAME 함량을 분석하였다.

1-3. 속슬렛 추출법

Nannochloropsis 건조 파우더 5 g을 정량하여 thimble filter (ADVANTEC, ID25mm OD28mm L100mm, Japan)에 담은 후 속슬렛 추출기 안에 설치하였으며, n-hexane 300 mL로 24 시간 (용매 회전수 : 428 회) 동안 추출하였다. 추출이 종료된 후 용매를 증발시켰으며, 추출된 지질을 정량하였다.

1-4. 초임계 이산화탄소 추출법

초임계 이산화탄소 추출실험에 사용된 반응장치의 개략도를 도 1에 나타내었다. 반응기는 sus316 재질의 내부용량 20 mL (1.5 cm I.D., 12 cm Height)의 관형반응기를 사용하였으며, Nannochloropsis 건조 시료 5 g 정량하여 반응기 내부에 넣고 CO₂ 추출시 시료가 반응기 외부로 빠져나가는 것을 방지할 수 있도록 반응기 전후의 양쪽 끝을 유리섬유 (glass wool) 로 막았다. CO₂를 액화하기 위하여 액화 컨덴서를 -10 ℃로 유지하였으며, 원하는 추출 압력까지 가압하는데 syringe pump (ISCO, 260D, U.S.A.)를 사용하였다. 목표 압력에 도달한 후에 back pressure regulator (TESCOM, 26-1762-24-161, U.S.A.)로 반응기 내부 압력을 일정하게 유지(400 bar)하였으며, 액화된 CO₂의 유량은 4 mL/min으로 일정하게 유지하였다. 반응기의 온도는 heating band를 감아 PID controller에 연결하여 제어(50 ℃)하였다. 공용매 효과를 알아보기 위해 CO₂ 주입과 동시에 공용매인 메탄올을 반응기 내로 주입하였으며, HPLC pump (Chrom Tech, Inc., P-1010, U.S.A.)를 사용하여 0.4 mL/min의 유량으로 일정하게 주입하였다. 반응은 30 분 동안 수행되었으며, 초임계 이산화탄소에 추출되어 나온 추출물은 separator에서 기체 CO₂와 분리된 액상 생성물로 회전식 감압증발기를 통하여 메탄올을 증발시킨 후 수율을 측정하였으며, FAME 함량을 분석하였다.

1-5. 지방산 분석

추출된 지질의 FAME 함량과 지방산 조성을 분석하기 위하여 추출된 지질 400 mg에 BF₃/메탄올 4 mL를 넣고 80 ℃에서 2 시간 동안 전이에스테르화 반응을 수행하였다. 반응액을 상온까지 냉각하고 hexane 5 mL와 증류수 2 mL를 첨가한 다음 원심분리기를 사용하여 유기상과 수상으로 분리하였다. 상층액인 유기상을 취하여 회전식 감압 증발기로 용매를 제거한 후 반응물 75 mg에 내부표준물질 3 mL를 첨가하여 flame ionization detector (FID)가 장착된 GC (Agilent, HP-6890, U.S.A.)로 분석하였다. 내부표준물질은 methyl heptadecanoate를 hexane에 녹인 5 mg/mL의 용액을 사용하였고, GC column은 HP-88 capillary column (Agilent, 100m × 0.25mm × 0.2μm, U.S.A.)을 사용하였다. 분석조건은 초기 컬럼 온도 50 ℃에서 1 μl의 시료를 주입 한 후 170 ℃까지 10 ℃/min으로, 170 ℃에서 210 ℃까지는 5 ℃/min으로 승온하여 10 분간 유지하였으며, 230 ℃까지 5 ℃/min으로 승온하여 6 분간 유지하였다. 이때 carrier gas (He) 의 유량은 1 mL/min, injector와 detector의 온도는 260 ℃로 유지하였다. FAME의 성분을 확인하기 위해서 GC/MS (Agilent, HP-5973, USA)를 사용하였다. Ion source의 온도는 280 ℃, interface의 온도는 260 ℃로 유지하였다. 측정된 샘플과 standard 샘플 peak의 retention time을 비교하여 정성분석 하였으며, EI mass spectra (70 eV, 50~500 m/z)로 확인하였다.

2. 결 과

중성지질 (total neutral fat) 함량이 15~25 %인 Nannochloropsis sp. 미세조류에 대하여 초임계 이산화탄소 추출법 (50 ℃, 400 bar)과 공용매로 메탄올을 사용한 초임계 추출법, 그리고 Bligh-Dyer 및 속슬렛 추출법을 수행하여 결과를 비교하였다. 초임계 이산화탄소 추출에서는 극성을 변화시키기 위하여 일반적으로 메탄올, 에탄올, 톨루엔, 메탄올-물 혼합액을 사용한다. 본 연구에서는 추출효율을 증가시키기 위하여 극성이 높고 불포화지방산 추출에 효율이 좋은 메탄올을 선택하여 사용하였다. 추출 후 얻어진 모든 조지방의 수율은 다음과 같이 계산하였다.

표 2에 각각의 추출방법에 대해 추출된 조지방 수율의 평균값 및 표준편차를 나타내었다.

Bligh-Dyer 추출법이 18.0 wt.%로 상대적으로 높은 수율을 보였으며, 속슬렛 추출법은 24 시간의 긴 시간 동안 추출했음에도 불구하고 조지방의 수율이 8.8 wt.%에 불과하였다. 초임계 이산화탄소 추출법으로는 6.9 wt.%의 수율을 얻었으나, 공용매로 메탄올을 첨가하였을 경우에는 추출시간이 30 분으로 줄었음에도 12.5 wt.%의 비교적 높은 수율을 얻었다. 지질은 물에 쉽게 용해되지 않는 유기화합물로서, 대부분의 지질은 분자 구조에 따라 중성지질 (acylglycerols, free fatty acids (FFA), hydrocarbons, sterols, ketones, pigments)과 극성지질 (인지질, 당지질) 두 가지로 분류할 수 있다. Bligh-Dyer 추출법은 비극성용매인 클로로포름과 극성용매인 메탄올 및 증류수를 사용하여 미세조류 내의 중성지질과 극성지질을 모두 추출해 내기 때문에 가장 높은 지질 추출 수율을 얻을 수 있었다. 속슬렛 및 SC-CO₂ 추출법에 의하여 추출된 지질의 수율은 상당히 큰 추출시간의 차이에도 불구하고 다소 적은 1.9 wt.%의 차이를 나타내었다. 이는 초임계 상태의 고압 유체에 의한 세포벽 파괴 효과 때문일 것이다. 하지만 비극성 용매를 사용한 속슬렛 추출법과 SC-CO₂ 추출법에 의해 추출된 지질의 수율은 상대적으로 적은 것을 알 수 있었다. 초임계 이산화탄소 추출과 동시에 공용매로 메탄올을 첨가하였을 경우에는 추출된 전체 조지방의 수율이 12.5 wt.%로 상대적으로 높은 수율을 얻었는데, 이것은 공용매로 첨가한 메탄올이 초임계 이산화탄소의 polarity를 증가시켜 미세조류의 세포벽 안으로의 빠른 침투 및 극성을 띤 지질에 대한 유체의 친화력 증가 때문이라 사료된다.

추출된 조지방 중에서 바이오디젤의 주성분인 FAME로 전환이 가능한 acylglycerols, FFA, 지방산 등의 함량이 중요하다. 따라서 각각의 추출법으로 얻어진 조지방을 전이에스테르화 반응시킨 후 GC 분석을 통해 FAME 함량을 계산하였다. 도 2에는 초임계 이산화탄소에 메탄올을 공용매로 사용하여 추출한 지질의 GC chromatogram을 대표적으로 나타내었다. 각각의 추출 방법에 따른 FAME 성분을 분석하였고, FAME 함량 (%) 및 FAME 수율 (wt.%) 을 계산하여 표 3에 나타내었다. FAME 함량 (content)과 FAME 수율 (yield) 은 아래의 식으로 계산하였다.

표 3을 보면 여러 가지 방법으로 추출한 지질을 분석한 결과 추출 방법이 FAME의 성분에 미치는 영향은 미미한 것을 알 수 있었다. 추출된 지방의 주된 FAME는 palmitic acid (C16:0), palmitoleic acid (C16:1), oleic acid (C18:1c), tricosanoic acid (C20:5), eicosapentaenoic acid (C20:5) 의 methyl ester이며, 불포화도 (degree of unsaturation)는 SC-CO₂ 추출법이 131.17로 가장 작은 값을 보였고, Bligh-Dyer 법이 213.63으로 가장 큰 값으로 계산되었으며, SC-CO₂ w/MeOH 추출법은 불포화도가 200.78이었다. Kinney 등^[18]은 바이오디젤의 물리화학적 특성이 원료 내 지방산의 조성 및 그로부터 유래되는 methyl ester의 조성에 따라 달라진다고 보고하였다. 예를 들어 palmitic acid나 stearic acid와 같은 포화지방산이 많이 함유된 원료물질로부터 생성된 바이오디젤의 경우 저온 유동성이 나빠지며, linoleic acid 또는 linolenic acid와 같은 불포화 지방산으로부터 생성된 바이오디젤은 포화지방산에 비해 산화 안정성이 저하된다고 보고한 바 있다. 따라서 SC-CO₂ 추출법에 의해 생성된 바이오디젤은 산화 안정성이 좋으나, SC-CO₂ w/MeOH 추출법에 의해 생성된 바이오디젤은 불포화지방산을 많이 함유하고 있어 산화 안정성이 다소 낮을 것으로 생각된다.

FAME 선택도는 일반적인 유기용매 추출법과 비교하여 초임계 추출법이 상대적으로 높은 것으로 나타났으며, 특히 SC-CO₂ 추출은 58.31%로 네 가지 추출 방법 중에 가장 높은 선택도를 나타내었다. 미세조류로부터 추출된 지질을 바이오디젤의 원료로 사용하기 위해선 중성지방의 함량이 높아야 하는데, 초임계 이산화탄소는 non-polar한 중성지방에 대한 추출 선택도가 높기 때문에 FAME의 함량이 높은 것으로 사료된다.

FAME 수율은 Bligh-Dyer 추출법이 9.66 wt.%로 가장 높았고, 그 다음이 공용매로 메탄올을 사용한 SC-CO₂ 추출법이 7.04 wt.%이었으며, 속슬렛 추출법과 SC-CO₂ 추출법이 각각 4.67, 4.02 wt.%의 수율을 얻었다. Bligh-Dyer 법으로 추출했을 때 가장 많은 FAME 수율을 얻었으나 클로로포름과 같은 독성이 강한 유기용매를 사용하게 되고, 추출 시간이 다소 길다는 단점이 있다. 따라서 추출 시간이 30 분으로 가장 짧고, FAME 수율이 7.04 wt.%로 비교적 높았던 SC-CO₂ w/MeOH 추출법이 미세조류로부터 바이오디젤 생산용 지질을 추출하기 위한 친환경적이며, 효율적인 추출 방법이라 생각된다.

실험예 2

미세조류를 Nannochlopsis sp. (Yantai Hairong Biology Technology, 중국)을 사용하고, SC-CO₂ 추출법에서 압력을 300 bar로 조절한 것을 제외하고는 실험예 1과 동일한 방법으로 지질을 추출하였다. 추출된 지질 수율과 FAME 함량을 다음 표 4에 나타내었다.

실험예 3

미세조류를 Chlorella sp. (Yantai Hairong Biology Technology, 중국)를 사용한 것을 제외하고는 실험예 1과 동일한 방법으로 지질을 추출하였다. 추출된 지질 수율과 FAME 함량을 다음 표 5에 나타내었다.

실험예 4

미세조류를 Scenedesmus sp. (USA)를 사용한 것을 제외하고는 실험예 1과 동일한 방법으로 지질을 추출하였다. 추출된 지질 수율과 FAME 함량을 다음 표 6에 나타내었다.

실험예 5

아래 표 7에 기재된 온도, 압력, 시간, CO₂, MeOH, 미세조류, 추출 방법별로 지질을 추출하고, 수율을 확인하였다.

본 발명의 실시예에 기재된 사항들은 본 발명의 바람직한 구체예일 뿐이며, 본 발명의 권리범위가 상기 실시예에 기재된 미세조류의 종류, 반응 조건 등의 구체적인 범위로 한정되는 것은 아니다.

1: 이산화탄소 실린더
2: 냉 액체 순환기(cold liquid circulator)
3: 열 교환기
4: 실린지 펌프
5: 메탄올 주입 뷰렛(MeOH feed burette)
6: HPLC 펌프
7: 추출기
8: 일렉트릭 밴드 히터(electric band heater)
9: 열전대(thermocouple)
10: 압력 전송기(pressure transmitter)
11: 컨트롤러
12: 배압 조절기(back pressure regulator)
13: 분리기(separator)
14: 이산화탄소 배출구(CO₂ vent)

Claims (8)

1. 초임계 상태의 이산화탄소와 공용매로서 메탄올을 사용하되, 초임계 상태의 이산화탄소와 공용매로서의 메탄올을 반응기에 동시에 주입하며,
   난노클로롭시스 속 미세조류로부터 50 ℃의 온도 및 300 bar의 압력으로 30 분 동안 추출하고,
   초임계 이산화탄소와 공용매인 메탄올의 주입량은 1:0.1의 유량비인 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 추출법에 의한 미세조류로부터 바이오디젤 전환용 지질의 추출 방법.
   
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8. 제 1항의 추출 방법에 의한 바이오디젤 전환용 지질.

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