KR20020093456A

KR20020093456A - 미세조류 배양시 유기용매를 이용한 탄화수소의 동시 추출법

Info

Publication number: KR20020093456A
Application number: KR1020010032228A
Authority: KR
Inventors: 심상준
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2001-06-09
Filing date: 2001-06-09
Publication date: 2002-12-16
Also published as: KR100405316B1

Abstract

본 발명은 미세조류 배양시 유기용매를 이용한 탄화수소의 동시 추출법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이단 재순환 동시 추출장치를 개발하여 탄화수소를 생산하는 미세조류 배양에 다양한 유기용매를 적용하고, 또한 유기용매와 배양액과의 접촉을 개선시켜 보다 높은 탄화수소 회수율을 얻는 미세조류 배양시 탄화수소를 동시에 추출하는 방법에 관한 것이다.

Description

미세조류 배양시 유기용매를 이용한 탄화수소의 동시 추출법{In situ extraction of hydrocarbon from the culture of microalgae}

미세조류들은 단백질와 지질을 많이 함유하기 때문에 연체동물이나 갑각류 등의 수산양식의 사료로 이용된다.

미세조류로부터 탄화수소의 실험실 규모의 일반적인 추출법은 미세조류의 배양 후 탄화수소의 정제를 위해 미세조류에 저해를 주는 과정인 원심분리, 여과 및 건조공정을 통해 최대한 수분을 제거한 다음 탄화수소에 대해 선택성이 높은 유기용매를 이용하여 추출한다. 국내에서도 미세조류의 배양액을 pH 11로 조정하여 미세조류의 균체를 침전시킨 다음, 원심분리하여 회수한 미세조류를 클로로포름과 메탄올의 혼합용매에 분산시켜 탄화수소를 회수하는 방법이 개발되었다[대한민국 특허출원 제 1998-020707호]. 그러나, 이러한 추출법은 세포의 조직이 파괴되어 탄화수소 뿐만 아니라 세포내 단백질 등의 성분이 유출되고 소실되게 되며, 대규모 배양시 높은 운전비용을 야기시키는 문제점을 가지고 있다. 또한, 탈수과정에서 균주에 심한 저해를 주어서 재배양을 하거나 바이오매스를 이용하는데 어려움이 있다.

또한, 보트리오코커스 브라우니이(Botryococcus braunii)의 경우 생산된 탄화수소가 균주 외벽에 강하게 부착되어 있기 때문에, 이상 추출법에 적용시 가장 일반적인 반응기인 기포탑 반응기 내에서 두 상사이의 좁은 경계면에서의 단지 폭기에 의한 교반만으로는 배양액과 유기용매와의 충분한 접촉이 가능하지 않기 때문에 높은 탄화수소의 회수율을 얻을 수가 없었다.

이에, 본 발명자들은 기존의 복잡하고 비용이 많이 드는 추출법과는 달리, 이단 재순환 동시 추출장치를 개발하여 배양액과 유기용매의 접촉을 개선시켜 운전비용이 저렴하고, 높은 탄화수소의 회수율을 얻을 수 있고, 세포 배양시 동시에 탄화수소의 추출이 가능한 추출법을 개발함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명은 미세조류 배양시 여러 가지 유기용매들을 적용하여 보다 높은 탄화수소 회수율을 얻을 수 있는 탄화수소의 동시 추출법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래 기술인 이상 추출장치를 나타낸 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 이단 재순환 동시 추출장치를 나타낸 것이다.

도 3은 옥탄과 디헥실 에테르에 대한 엽록소 농도를 나타낸 그래프이다.

도 4는 이상 추출장치를 이용한 추출법과 이단 재순환 동시 추출장치를 이용한 추출법의 탄화수소 회수율을 비교한 그래프이다.

[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명]

1 : 기포탑 반응기(bubble column) 2 : 이상 분리조(two-phase separator)

3 : 연동식 펌프(peristaltic pump) 4 : 필터(filter)

5 : 가스 혼합실(gas mixing chamber)

6 : 이산화탄소통(pure CO₂) 7 : 공기 펌프(air pump)

본 발명은 기포탑 반응기와 이상 분리조로 이루어진 이단 재순환 동시 추출장치 및 이 장치를 사용하여 미세조류 배양시 탄화수소를 동시에 추출하는 방법을 그 특징으로 한다.

또한, 상기 탄화수소 추출 후 얻어지는 조류 바이오매스를 광반응기에서 재이용하는 방법도 포함한다.

이와 같은 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

이상 추출장치에 여러 유기용매를 적용하여 최적의 용매로 옥탄을 선정한 후 이단 재순환 추출장치에 이용한다. 여러 유기용매를 이상 추출법에 적용한 결과, 디헥실에테르(dihexyl ether)의 경우 알칸계 비극성 용매(10 ∼ 20%) 보다 비교적 높은 회수율(20 ∼ 30%)을 가지지만, 상대적으로 고가($230/500 ㎖)인 단점이 있고, 높은 비점(228 ℃)으로 인해 탄화수소 정제시 분리공정이 복잡하고 많은 비용을 초래하게 된다. 또한, 균체의 활성도를 엽록소 농도에 의해 비교해보면, 옥탄(octane)의 경우 미세조류의 광합성 활성도는 유기용매를 첨가하지 않은 경우(대조구)의 90%로 디헥실 에테르의 62% 보다 저해성이 적은 것으로 나타난다 [도 3 참조]. 따라서, 회수율이 개선된 이단 재순환 추출장치의 경우 비점이 낮아(120 ℃) 분리가 용이하고 미세조류에 대한 저해성이 비교적 낮아 장기운전시 알칸계 비극성 용매, 바람직하게는 옥탄을 이용하여 이상 재순환 동시 추출법을 수행한다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 이단 재순환 동시 추출장치는 균주의 배양을 위한 기포탑 반응기(1)와 탄화수소의 추출을 위한 이상 분리조(2)로 구성되어 있다. 먼저, 기포탑 반응기(1)에서 배양액을 연동식 펌프(3)를 통해 일정한 유량으로 이상 분리조(2)로 공급하고, 이상 분리조(2)의 배양액은 같은 유량으로 기포탑 반응기(1)로 재순환된다. 이상 분리조(2)의 탄화수소에 대해 분배계수가 높은 유기용매층을 배양액이 통과하면서 탄화수소가 추출되고, 다시 기포탑 반응기(1)로 재순환된 미세조류는 성장을 통해 탄화수소를 생산하게 된다. 이 장치는 기존의이상 추출장치 보다 유기용매와 배양액과의 접촉을 더욱 향상시켜 추출능력을 개선시킨 장치이다.

탈수과정이 필요한 종래 기술의 추출법과는 달리, 본 발명에 따른 추출장치는 연동식 펌프(3)를 이용하여 배양액을 기포탑 반응기(1)와 이상 분리조(2) 사이를 순환시키기 때문에, 운전비용이 저렴하고, 비교적 높은 탄화수소의 회수율을 얻을 수 있고, 큰 손상을 받지 않은 바이오매스를 이용할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 상기 추출법을 회분식 배양 후 탄화수소 추출을 위한 후속공정으로 이용시 균체에 대한 저해는 고려치 않고 재순환 속도를 높일시 짧은 시간에 더 높은 회수율을 얻을 수가 있다.

그리고, 상기 추출법은 세포를 파괴시키지 않는 비극성 용매를 이용하여, 미세조류와 유기용매와의 접촉 개선에 의해 추출능력을 향상시켰기 때문에 세포내 다른 성분의 유실을 막아 미세조류의 사료화에 하자가 없다. 추출 후 재배양의 경우, 일반적인 미세조류 배양조건 하에서 추출공정을 거친 미세조류를 기포탑 반응기(1)에서 재배양한다.

한편, 본 발명은 세포의 배양과 동시에 추출이 이루어져 별도의 분리 전처리가 필요없으며 바이오매스의 재활용이 가능하여 성장속도가 낮은 미세조류의 단점을 보완할 수 있다. 본 발명은 또한 미세조류를 이용하여 탄화수소 생산성을 극대화할 수 있어 온실가스 저감 및 대체에너지원의 개발이 가속화되리라 예상된다.

이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는 바, 본 발명이 다음 실시예에 한정되는 것은 아니다.

<실험예> 이상 추출장치에 다양한 유기용매의 적용

이상 추출장치에서 유기용매에 따른 영향을 살펴보기 위해 파이렉스 유리재질의 500 ㎖ 기포탑 반응기(1) (내경 3 cm ×60 cm)에서 400 ㎖ 배양액에 다양한 유기용매 80 ㎖를 투여하였다. 빛은 형광등으로 공급하였으며 기포탑 반응기(1)에 공급된 빛 에너지의 양은 100 μmol/m²·s, 배양온도는 25 ℃로 고정하였고, 1% CO₂혼합공기를 100 ㎖/min으로 공급하였다. 보트리오코커스 브라우니이(Botryococcus braunii) 접종하고 3일 후 다음 표 1과 같은 유기용매들을 투여하였다. 옥탄, 도데칸, 테트라데칸, 헥사데칸을 포함한 알칸계 비극성 용매와 디헥실 에테르를 투여하여 유기용매가 균체의 성장과 탄화수소 회수율 및 탄화수소 생산량 증가에 미치는 영향을 살펴보았다. 이상 추출공정에서 유기용매에 따라 18 ∼ 32 %의 탄화수소 회수율을 보였으며, 9 ∼ 19 %의 탄화수소 생산량 증가를 나타내었다[표 1 참조].

용매	배양 후 탄화수소의 양(㎎)	탄화수소 회수율(%)	생산량 증가(%)	성장 억제(%)
용매	세포배양액	탄화수소 회수율(%)	생산량 증가(%)	성장 억제(%)	용매층	총합
n-옥탄	18	49	247	20.2	9	10
n-도데칸	204	53	257	21	13	27
n-테트라데칸	201	45	245	18	9	18
n-헥사데칸	211	56	267	21	18	21
디헥실에테르	185	84	269	32	19	45

여러 유기용매를 이상 추출장치에 적용한 결과, 디헥실 에테르의 경우 알칸계 비극성 용매(10 ∼ 20%) 보다 비교적 높은 회수율(20 ∼ 30%)을 가지지만, 상대적으로 고가($230/500 ㎖)인 단점이 있고, 높은 비점(228 ℃)으로 인해 탄화수소 정제시 분리공정이 복잡하고 많은 비용을 초래하였다. 또한, 균체의 활성도를 엽록소 농도에 의해 비교해보면, 옥탄(octane)의 경우 미세조류의 광합성 활성도는 유기용매를 첨가하지 않은 경우(대조구)의 90%로 디헥실 에테르의 62% 보다 저해성이 적은 것으로 나타남을 알 수 있었다[도 3 참조].

<실시예 1> 알칸계 비극성 용매를 이용한 이상 추출장치와 이단 재순환 동시 추출장치의 비교

회수율이 개선된 이단 재순환 추출 장치의 경우, 비점이 낮아(120 ℃) 분리가 용이하고 미세조류에 대한 저해성이 비교적 낮아 장기운전시 알칸계 비극성 용매, 바람직하게는 옥탄을 이용하여 이상 재순환 동시 추출장치를 수행하였다.

상기 실험예에서 언급된 기포탑 반응기(1)와 동일한 용량의 이상 분리조)(2)에 탄화수소를 추출하기 위해 옥탄을 150 ㎖ 투여하였다[도 2 참조]. 미세조류의 배양을 위한 기포탑 반응기(1)의 배양조건은 상기 실험예와 동일하다. 동시추출용 용매로 옥탄을 이용하였을 경우에, 탄화수소 추출을 위한 이상 분리조(2)와 미세조류 성장을 위한 기포탑 반응기(1) 사이의 배양액 재순환 속도가 10 ∼ 12 ㎖/min일때 이단 재순환 동시 추출공정에서의 탄화수소 회수율은 57 %로 나타났다. 본 발명에 따른 이단 재순환 동시 추출장치를 이용할 경우, 옥탄을 이용한이상 추출장치에 의한 20.2%의 탄화수소 회수율과 비교하면 2.9배의 회수율이 증가되었음을 보여주었다[도 4 참조].

또한, 이단 재순환 동시 추출장치에서 회분식 배양 후 배양액의 재순환 속도를 150 ㎖/min로 하였을 경우, 추출 6시간 후 70% 이상의 탄화수소 회수율을 얻을 수가 있었다.

<실시예 2> 추출 후 미세조류의 재배양

동시 추출공정 혹은 미세조류의 회분식 배양 후 탄화수소 추출을 위한 후속공정으로 이단 재순환 추출법을 이용할 경우, 추출 후 미세조류의 재이용 가능성을 알아보기 위하여 미세조류의 재배양 실험을 수행하였다. 상기 실시예 1에서 추출 후 유기용매에 의해 저해를 받은 미세조류 배양액 10% (v/v)를 기포탑 반응기(1)에 접종하여 재배양한 결과, 비성장 속도가 0.028 h^-1로 나타났다. 기포탑 반응기(1)에서 일반적인 회분식 배양의 경우 비성장 속도가 약 0.033 h^-1인 것과 비교하면 동시 추출 후 균주의 재배양하는데 큰 문제가 없다는 결과를 얻었다.

이상에서 설명하였듯이, 본 발명에 따른 미세조류 배양시 유기용매를 이용한 탄화수소의 동시 추출법은 기존의 탈수과정이 필요한 추출법과는 달리, 펌프를 이용하여 배양액을 기포탑 반응기와 이상 분리조 사이를 순환시키기 때문에, 운전비용이 저렴하고, 비교적 높은 탄화수소의 회수율을 얻을 수 있고, 큰 손상을 받지 않은 바이오매스를 재이용할 수 있는 장점이 있다.

한편, 종래에는 바이오매스를 배양액을 동결건조, 원심분리, 여과 및 건조공정을 통해 최대한 수분을 제거한 다음 탄화수소에 대해 선택성이 높은 유기용매를 이용하여 추출하였지만, 본 발명에 따른 추출법은 세포의 배양과 동시에 추출이 이루어져 별도의 분리 전처리가 필요없으며, 바이오매스의 재활용이 가능하여 성장속도가 낮은 미세조류의 단점을 보완할 수 있다. 또한, 본 발명은 미세조류를 이용하여 탄화수소 생산성을 극대화할 수 있어 온실가스 저감 및 대체에너지원의 개발이 가속화되리라 예상된다.

Claims

기포탑 반응기와 이상 분리조로 이루어진 이단 재순환 동시 추출장치.
청구항 1의 장치를 이용한 것을 특징으로 하는 미세조류 배양시 유기용매를 이용한 탄화수소의 동시 추출법.
제 2 항에 있어서, 상기 유기용매는 알칸계 비극성 용매인 것을 특징으로 하는 미세조류 배양시 유기용매를 이용한 탄화수소의 동시 추출법.
제 3 항에 있어서, 상기 알칸계 비극성 용매는 옥탄인 것을 특징으로 하는 미세조류 배양시 유기용매를 이용한 탄화수소의 동시 추출법.
제 2 항에 있어서, 상기 탄화수소의 추출을 위해 배양액을 재순환시키는 것을 특징으로 하는 미세조류 배양시 유기용매를 이용한 탄화수소의 동시 추출법.
청구항 2의 추출법으로 동시 추출 후 얻어지는 조류 바이오매스를 광반응기에서 재이용하는 방법.