KR20090003967A - 이온성 액체를 이용한 바이오부탄올 분리방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 바이오부탄올 분리방법은 부탄올을 생산하는 혐기성 미생물인 클로스트리듐(Clostridium)속 박테리아를 배양하여 그 배양액으로부터 소수성 이온성 액체를 추출용매로 하여 부탄올을 추출하여 분리하는 방법이다. 특히 상기 소수성 이온성 액체로는 1-부틸-3-메틸 이미다졸리움 비스(트리플루오로메틸설포닐) 이미드[1-butyl-3-methyl imidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl) imide, BMIM-TFSI] 또는 1-부틸-3-메틸 이미다졸리움 헥사플루오로포스페이트[1-butyl-3-methyl imidazolium hexafluorophosphate, BMIM-PF6]를 이용한다. 본 발명의 바이오부탄올 분리방법을 이용하면 종래의 분리방법에 비하여, 에너지를 적게 소비하고 간단하며 환경친화적인 방법으로 바이오부탄올을 생산할 수 있을 것이다.
바이오부탄올, 클로스트리듐, 이온성 액체, BMIM-TFSI, BMIM-PF6

Description

이온성 액체를 이용한 바이오부탄올 분리방법 {Method for extracting biobutanol using ionic liquid}
본 발명은 부탄올이 함유된 클로스트리듐(Clostridium)속 박테리아 배양액으로부터 소수성 이온성 액체를 추출용매로 하여 부탄올을 추출하여 분리하는 방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로는, 부탄올을 생산하는 혐기성 미생물인 클로스트리듐속 박테리아를 배양하여 그 배양액으로부터 청정 용매인 소수성 이온성 액체를 추출용매로 하여 부탄올을 분리하는 방법에 관한 것이다.
현재는 대부분 석유화학공정에서 부탄올을 생산하고 있으나, 석유화학산업이 개발되기 전인 20세기 초에는 부탄올을 생산하는 혐기성 미생물인 클로스트리듐 아세토부틸리쿰(Clostridium acetobutylicum)을 배양하여 부탄올을 생산하였으며, 부탄올 생산 발효 공정은 에탄올 발효 공정과 같이 오래되고 전통적인 생물공정 중 하나이다.
최근 화석연료의 과다 사용에 따른 자원 고갈 및 환경 오염에 대한 우려가 증가함에 따라 선진국 중심으로 바이오디젤, 바이오에탄올과 같은 바이오연료에 대한 관심이 고조되고 있으며, 특히 바이오부탄올은 부식성, 휘발성, 에너지 밀도, 분리의 용이성 등의 잠재적 특성을 가지고 있어 바이오연료로서 최근 주목받고 있다. 바이오부탄올은 가솔린과 혼합시 증기압을 낮추기 때문에 에탄올-가솔린 블렌드보다 안전하며, 에탄올에 비하여 가솔린과 혼합시 더 높은 비율로 블렌드될 수 있고, 또한 바이오부탄올-가솔린 블렌드가 기존 연료 공급 인프라를 통하여 보급될 수 있다는 장점을 가진다. 국외에서는 듀폰(DuPont)사와 BP가 합작하여 가솔린-바이오연료 블렌드의 이용을 확대하기 위하여, 바이오디젤 및 바이오에탄올 외에 진보된 바이오연료를 개발하고 있으며, 특히 바이오부탄올을 차세대 연료로 선정하고 상업화를 목표로 개발을 진행하는 등 전세계적으로 바이오부탄올에 대한 관심이 증가하고 있다.
클로스트리듐 아세토부틸리쿰은 글루코스와 같은 당분을 섭취한 후 부탄올, 아세톤, 에탄올 등의 용매를 대사산물로 생산하는 혐기성 미생물이다. 그러나, 클로스트리듐 아세토부틸리쿰은 배양액 내의 부탄올 농도가 13 g/L 이상이 되면 활성에 저해를 받기 때문에, 부탄올 생산 수율 향상을 위해서는 인시추(in-situ) 부탄올 제거 공정이 연계되어 배양액 내의 부탄올 농도를 낮게 유지시켜야 한다.
생산된 바이오부탄올을 배양액으로부터 분리하는 종래 기술로서는, 투과증발(pervaporation), 추출(extraction), 증류(distillation), 탈기(gas stripping) 또는 흡착(adsorption) 등의 방법이 있다. 그러나, 종래의 기술로는 에너지소비가 많고, 분리막에서의 막힘 현상, 낮은 제거 속도, 낮은 선택성 등의 단점이 있으며, 특히 추출 방법을 사용하는 경우 용매의 독성 및 환경오염이 문제가 되기 때문에, 저에너지 소비형, 환경친화적 바이오부탄올 분리기술 개발이 요구된다.
이온성 액체(Ionic liquid)란 이온만으로 구성된 액체를 말한다. 소금(NaCl)과 같이 양이온과 음이온이 결합된 화합물은 일반적으로 180℃ 이상에서 녹지만, 이온성 액체는 100℃ 이하에서 액체로 존재하며, 특히 상온에서 액체로 존재하는 이온성 액체를 상온 이온성 액체(Room Temperature Ionic Liquids)라고 한다. 이온성 액체는 낮은 휘발성, 비가연성, 유기물과 무기물에 대한 높은 용매화 능력, 높은 전기 전도성 등 독특한 화학적, 물리적, 전기적 특성을 갖고 있으며, 특히 이온성 액체를 휘발성 유기화합물(VOCs)을 대신할 수 있는 청정 대체용매 (Green media)로 이용하기 위한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 그러나 이러한 이온성 액체를 바이오부탄올 분리에 사용하려는 시도는 전혀 없었다.
이에 본 발명자들은 종래의 부탄올 분리방법의 문제점을 해결하기 위하여 연구한 결과, 환경오염의 문제가 있는 휘발성 유기화합물 용매 대신 소수성 이온성 액체를 이용하여 바이오부탄올을 분리할 수 있음을 확인하였다. 따라서, 본 발명은 부탄올이 함유된 미생물 배양액으로부터 부탄올을 분리하는데 있어서 소수성 이온성 액체를 추출용매로 이용하는 환경친화적 분리방법을 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 클로스트리듐(Clostridium)속 박테리아를 배양액에서 혐기 배양하여 부탄올이 함유된 배양액을 얻는 단계; 및 상기 부탄올이 함유된 배양액으로부터 소수성 이온성 액체를 추출용매로 하여 부탄올을 추출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오부탄올 분리방법을 제공한다.
본 발명의 바이오부탄올 분리방법에 있어서, 상기 부탄올이 함유된 배양액은 부탄올을 5 내지 13g/L 농도로 함유하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바이오부탄올 분리방법에 있어서 상기 클로스트리듐 속 박테리아는 클로스트리듐 아세토부틸리쿰(Clostridium acetobutylicum), 클로스트리듐 사카로퍼부틸아세토니쿰(Clostridium saccharoperbutylacetonicum), 또는 클로스트리듐 베이제른키(Clostridium beijernckii) 인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바이오부탄올 분리방법에 있어서 상기 소수성 이온성 액체는 양이온이 이미다졸(imidazole) 기반인 것을 특징으로 하고, 상기 소수성 이온성 액체는 하기 화학식 1의 1-부틸-3-메틸 이미다졸리움 비스(트리플루오로메틸설포닐) 이미드[1-butyl-3-methyl imidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl) imide, BMIM-TFSI] 또는 하기 화학식 2의 1-부틸-3-메틸 이미다졸리움 헥사플루오로포스페이트[1-butyl-3-methyl imidazolium hexafluorophosphate, BMIM-PF6]인 것을 특징으로 한다.
Figure 112007049315496-PAT00001
Figure 112007049315496-PAT00002
본 발명의 바이오부탄올 분리방법에 있어서, 상기 화학식 1의 1-부틸-3-메틸 이미다졸리움 비스(트리플루오로메틸설포닐) 이미드 또는 상기 화학식 2의 1-부틸-3-메틸 이미다졸리움 헥사플루오로포스페이트는 순도 95%이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 부탄올을 함유한 미생물 배양액으로부터 부탄올을 효과적으로 분리하는데 소수성 이온성 액체를 이용할 수 있다. 청정용매인 소수성 이온성 액체를 이용하는 본 발명의 바이오부탄올 분리방법은 종래의 분리방법에 비하여 에너지를 적게 소비하고 간단하며 환경친화적인 방법이므로, 최근 차세대 바이오연료로서 각광을 받고 있는 바이오부탄올의 생산기술 개발에 크게 기여할 수 있을 것이다.
이하 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명은 이온성 액체 중 소수성 특성을 가지는 상기 화학식 1의 1-부틸-3-메틸 이미다졸리움 비스(트리플루오로메틸설포닐) 이미드[1-butyl-3-methyl imidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl) imide, 이하 BMIM-TFSI] 또는 상기 화학식 2의 1-부틸-3-메틸 이미다졸리움 헥사플루오로포스페이트[1-butyl-3-methyl imidazolium hexafluorophosphate, 이하 BMIM-PF6]를 추출용매로 이용하여 부탄올 생산 미생물의 배양액으로부터 부탄올을 분리하기 위한 것이다.
본 발명에서 사용되는 소수성 이온성 액체인 BMIM-TFSI 및 BMIM-PF6는 상업적으로 판매되는 제품을 구입하여 사용하거나, 통상적인 이온성 액체 제조방법을 이용하여 제조된 순도 95 % 이상의 것을 사용할 수 있다.
먼저, 부탄올을 생산하는 혐기성 미생물인 클로스트리듐속 박테리아를 배양한다. 배양은 일반적인 ABE 발효방법으로 혐기배양한다. 배양시 주탄소원으로는 글 루코스 또는 그 밖의 다른 5탄당 내지 6탄당을 사용하고, 보조탄소원으로는 소디움 부티레이트(sodium butyrate)를 사용한다. 주탄소원 및 보조탄소원의 양이 너무 적으면 미생물이 잘 자라지 못하고, 너무 많으면 미생물의 활성을 저해하므로 주탄소원은 10 내지 50 g/L, 바람직하게는 30 g/L 농도로 함유하고 보조탄소원은 0 내지 4 g/L, 바람직하게는 2 g/L 농도로 함유한다. 상기 배양액에 박테리아를 접종하여 주탄소원 및 보조탄소원이 거의 다 소모될 때까지 세럼 보틀(serum bottle)에서 혐기성 조건으로 배양한다.
상기 배양으로 생산된 부탄올, 아세톤 및 에탄올의 농도는 FID (Flame Ionization Detector)가 장착된 가스 크로마토그래피를 이용하여 측정한 후, 소수성 이온성 액체를 이용하여 추출된 부탄올의 양을 계산하기 위한 참고로 사용한다.
상기 측정한 부탄올, 아세톤 및 에탄올의 농도는, 부탄올이 5 내지 13 g/L. 아세톤이 3 내지 8 g/L, 및 에탄올 0.2 내지 1 g/L 인 것이 일반적이며, 본 발명의 소수성 이온성 액체를 이용하여 추출을 수행한 후 잔류하는 부탄올 농도를 다시 가스 크로마토그래피로 분석하면 이온성 액체로 추출된 부탄올의 양을 계산할 수 있다.
이하 본 발명을 하기 실시예를 통하여 더욱 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것이고 본 발명의 범위를 한정하기 위한 것이 아니다.
[실시예 1] 클로스트리듐속 박테리아 배양 및 배양액 내 부탄올 농도 분석
부탄올 생산 균주로는 혐기성 미생물인 클로스트리듐 아세토부틸리쿰(ATCC 824)을 미국 ATCC (American Type Culture Collection)로부터 구입하여 이용하였고, 배양액은 이차증류수 1 L를 기본으로 하여 다음과 같은 조성으로 M-CAB 배지를 만들었다: 4 g 효모 추출물; 1 g 트립톤(tryptone); 1.5 g K2HPO4; 1.5 g KH2PO4; 0.5 g 아스파라긴(asparagines); 0.1 g MgSO4 ·7H2O; 0.1 g MnSO4 ·H2O; 15 mg FeSO4 ·7H2O; 0.1 g NaCl; 30 g 글루코스; 0.25 g 시스테인-HCl·H2O.
우선, 배치 실험으로서, 상기 미생물을 혐기 배양하기 위해 250 mL 세럼 보틀(serum bottle)에 M-CAB배지를 100 mL 첨가하고, 소디움 부티레이트를 첨가하였다. 이 때 소디움 부티레이트를 0, 1, 2, 4 g/L으로 첨가하여 부탄올 생산에 가장 효율적인 농도를 측정하였다. 질소가스를 불어넣어 산소를 제거한 후 부틸고무마개와 알루미늄 캡으로 세럼 보틀을 밀봉하고, 멸균시킨 후 오버나이트로 키운 클로스트리듐 아세토부틸리쿰을 10% (v/v)로 접종하고 37℃의 교반 배양기(shaking incubator)에서 배양하였다. 상기 배치 실험결과, 부탄올 생산에 가장 효율적인 소디움 부티레이트 농도는 2 g/L라는 결론을 얻었다.
그 다음 부탄올 연속 생산 공정에서는 5 L의 생물반응기에 2 L의 M-CAB 배지를 첨가하였으며, 상기 배치 실험결과에 근거하여 2 g/L의 소디움 부티레이트를 첨가하였다. 고농도 미생물 배양을 하기 위해 다공성 고정화 담체 (폴리비닐알코올 재질)를 이용하였으며, 사용된 총 담체의 건조 무게는 16 g, 담체의 크기는 2.5 x 2.5 x 2.5 mm 였다. 연속 공정시 담체가 유출되는 것을 막기 위하여 배양액이 금속망을 통해 나가도록 설계하였다. 배양은 반응기와 배지를 멸균한 후 세럼 보틀에서 오버나이트로 키운 클로스트리듐 아세토부틸리쿰을 20 % (v/v)로 접종하고 37℃에서 125 rpm으로 배양하였다. 처음 25시간은 균주 성장 및 고정화를 위해 배치 시스템으로 배양하였으며, 25시간 후 HRT (hydraulic retention time) 24시간으로 연속공정을 수행하였다. 필요한 경우 소포제를 첨가하였으며, 5N HCl 및 5N NaOH로 pH 값을 5로 유지하였다.
상기 연속 공정 후 미생물이 생산한 아세톤, 부탄올 및 에탄올은 FID가 장착된 가스크로마토그래피 (Agilent technology 6890N Network GC system)를 이용하여 정량하였으며, 컬럼은 HP-INNOWAX (30 m x 250㎛ x 0.25㎛, Agilent technology)를 사용하였다. 시료 주입부 및 검출부의 온도는 250℃로, 오븐은 50℃에서 10℃/분의 속도로 170℃까지 상승하도록 설정하였다.
소비되는 글루코스의 농도는 반사 정량 스트립(reflect quant strip, 글루코스 테스트 스트립, Merck co., Ltd)를 이용하여 측정하였다.
도 1은 부탄올 연속 생산시 배양시간에 따른 (a)부탄올, 아세톤 및 에탄올의 생산량, (b)글루코스의 소비량 및 반응기 내 부유하는 세포 농도를 흡광도(Optical density at 600 nm, OD600)로 나타낸 값을 표시하고 있고, 상기 도 1로부터 미생물 배양액에는 부탄올 13 g/L, 아세톤 8 g/L, 에탄올 0.5g/L 이 함유되어있음을 알 수 있었다.
[실시예 2] 배양액으로부터 소수성 이온성 액체를 이용한 부탄올의 추출
상기 부탄올, 아세톤 및 에탄올을 함유한 배양액으로부터 이온성 액체인 BMIM-TFSI 및 BMIM-PF6를 이용하여 부탄올을 추출하였다. 13 g/L의 부탄올을 함유한 상기 배양액 0.8ml에 BMIM-TFSI 0.8ml를 혼합한 혼합액, 및 상기 배양액 0.8ml에 BMIM-PF6 0.8ml를 혼합한 혼합액을 각각 볼텍싱(vortex)하여 부탄올을 추출하였다. 상기 이온성 액체는 미국의 시그마 알드리치(Sigma-Aldrich)사 제품을 사용하였지만, 일반적인 이온성 액체 제조 방법을 사용하여 제조한 것을 이용하는 것도 가능하다. 실험 결과 BMIM-TFSI를 사용한 경우에는 60±1 % 의 부탄올이 추출되었고, BMIM-PF6를 이용한 경우에는 64±1 % 의 부탄올이 추출되었음을 확인하였다.
도 1은 본 발명의 실시예로서 부탄올을 연속 생산할 경우 배양시간에 따른 a)부탄올, 아세톤 및 에탄올의 생산량, b)글루코스의 소비량 및 반응기 내 부유하는 세포 농도를 흡광도(Optical density at 600 nm, OD600)로 나타낸 값을 표시하고 있는 그래프이다.

Claims (6)

  1. 클로스트리듐(Clostridium)속 박테리아를 배양액에서 혐기 배양하여 부탄올이 함유된 배양액을 얻는 단계; 및
    상기 부탄올이 함유된 배양액으로부터 소수성 이온성 액체를 추출용매로 하여 부탄올을 추출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오부탄올 분리방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 부탄올이 함유된 배양액은 부탄올을 5 내지 13g/L 농도로 함유하는 것을 특징으로 하는 바이오부탄올 분리방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 클로스트리듐 속 박테리아는 클로스트리듐 아세토부틸리쿰(Clostridium acetobutylicum), 클로스트리듐 사카로퍼부틸아세토니쿰(Clostridium saccharoperbutylacetonicum), 또는 클로스트리듐 베이제른키(Clostridium beijernckii) 인 것을 특징으로 하는 바이오부탄올 분리방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 소수성 이온성 액체는 양이온이 이미다졸(imidazole) 기반인 것을 특징으로 하는 바이오부탄올 분리 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 소수성 이온성 액체는 하기 화학식 1의 1-부틸-3-메틸 이미다졸리움 비스(트리플루오로메틸설포닐) 이미드[1-butyl-3-methyl imidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl) imide, BMIM-TFSI] 또는 하기 화학식 2의 1-부틸-3-메틸 이미다졸리움 헥사플루오로포스페이트[1-butyl-3-methyl imidazolium hexafluorophosphate, BMIM-PF6]인 것을 특징으로 하는 바이오부탄올 분리 방법.
    [화학식 1]
    Figure 112007049315496-PAT00003
    [화학식 2]
    Figure 112007049315496-PAT00004
  6. 제5항에 있어서, 상기 1-부틸-3-메틸 이미다졸리움 비스(트리플루오로메틸설포닐) 이미드 또는 상기 1-부틸-3-메틸 이미다졸리움 헥사플루오로포스페이트는 순도 95%이상인 것을 특징으로 하는 바이오부탄올 분리 방법.
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