KR20100073307A

KR20100073307A - 바이오디젤 생산을 위한 식물성 플랑크톤 전처리장치 및 방법

Info

Publication number: KR20100073307A
Application number: KR1020080131939A
Authority: KR
Inventors: 황보준권; 서재건
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2008-12-23
Filing date: 2008-12-23
Publication date: 2010-07-01

Abstract

본 발명은 바이오디젤 생산을 위한 식물성 플랑크톤 전처리장치 및 방법에 관한 것으로, 수체로부터 수거된 식물성 플랑크톤을 수납하고 고속회전에 의해 원심분리하는 원심분리기와; 상기 원심분리기와 거리를 두고 설치되며, 상단 일측에는 헥산을 투입할 수 있는 투입구가 구비된 처리조와; 상기 처리조의 내부에 설치된 초음파발생기와; 상기 원심분리기와 상기 처리조를 연결배관하여 원심분리된 식물성 플랑크톤을 압출 이동시키는 연결관을 포함하여 구성되는 바이오디젤 생산을 위한 식물성 플랑크톤 전처리장치를 제공한다.

본 발명에 따르면, 식물성플랑크톤에서 지질을 효율적으로 분리, 추출해내는 전처리 기술을 통해 바이오디젤생산에 있어 전체적인 생산수율을 향상시킬 수 있고, 또한 초음파기술과 분리 및 회수가 가능한 헥산을 이용하여 지질을 추출하기 때문에 2차 오염 또는 추출된 원료물질의 성상변화가 최소화되어 후속공정의 원료전환에 있어 별다른 영향을 끼치지 않는다는 장점이 있으며, 이러한 원료성상 및 공정의 안정화는 바이오디젤 생산에 있어 필수적인 경제성 확보에 기여하는 효과를 얻을 수 있다.

바이오디젤, 식물성, 플랑크톤, 전처리, 초음파, 분리, 헥산, 지질, 추출

Description

바이오디젤 생산을 위한 식물성 플랑크톤 전처리장치 및 방법{PRETREATMENT APPARATUS AND METHOD FOR PRETREATMENT PHYTOPLANKTON IN ORDER TO PRODUCE BIODIESEL FUEL}

본 발명은 바이오디젤 생산을 위한 식물성플랑크톤 전처리장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 국내의 농업용 저수지, 댐 등에서 대량으로 발생하여 녹조현상을 일으키는 식물성 플랑크톤을 바이오디젤로 전환하기 위해 수체로부터 수거된 식물성 플랑크톤을 원심분리하여 케익으로 분리/농축한 다음 초음파를 처리하여 세포벽을 파괴하고 이후에 헥산(hexane)으로 식물성 플랑크톤의 지질(lipid)을 추출해 후속공정인 바이오디젤 제조와 연계시킬 수 있도록 한 바이오디젤 생산을 위한 식물성 플랑크톤 전처리장치 및 방법에 관한 것이다.

기존의 디젤 기관용 대체연료에 대한 연구는 보다 나은 환경오염물질의 억제방법 및 기관효율성 그리고, 화석연료의 고갈에 따른 연료체계의 다원화 및 대체연료의 필요성에 따라 크게 대두되고 있는 실정이다.

이에 대하여, 선진 구미 각국에서는 끊임없는 투자와 연구가 이루어지고 있으며, 현재 그 실용화에 있어서도 많은 진보적 기술이 발명되어 지고 있으며, 국가 적 지원도 활성화되어지고 있다.

그러나, 그러한 선행기술 및 연구실적에도 불구하고 국내 현실은 아직도 그 제조에 있어서도 기반기술확립이 되어있지 않은 실정이며, 구미 각국에 비해 대체연료에 대한 관심도 및 연구·기술인력의 다양한 공정연구에 대한 국가적 지원에 있어서도 많은 제약과 한계가 있는 실정이다.

최근에는 이러한 제약과 한계를 보완하기 위한 수단으로, 매년 지속적으로 재배되거나 폐기되는 식물성 오일을 이용한 연료로의 변환연료체계(일명 바이오 디젤연료)에 대한 연구가 현재 가장 활발하게 연구되어지고 있다.

이와 관련하여, 식물성 기름을 얻기 위한 목질구조 파괴기술로 기름압착법, 이소프로판올/클로로포름 혼합액을 이용한 전처리, 에탄올을 이용한 전처리 기술 등이 있다.

기름압착법의 경우는 종자처럼 식물성 플랑크톤이 크지 않기 때문에 그 효율이 매우 떨어져 거의 사용되지 않고 있지만 가장 경제적이며 단순하기 때문에 일부 아프리카 국가에서는 이러한 방법을 사용하기도 한다.

그리고, 이소프로판올/클로로포름 혼합액을 이용한 전처리의 경우에는 추가로 클로로포름/메탄올 혼합액을 이용한 처리장치가 추가로 요구되며 때때로 세척과정이 필요하여 그 추출공정이 복잡하다.

또한, 에탄올을 이용한 지질추출 전처리 방법도 역시 헥산추출과정이 필수적이며 무엇보다도 동결건조된 시료에 적용되었던 기술로서, 실험실 또는 소규모 공정에서만 가능하다.

따라서, 경제적이면서도 효과적인 기법을 이용한 식물성플랑크톤 전처리방법, 즉 식물성플랑크톤 지질추출방법에 대한 요구가 점차 대두되고 있다.

이와 같은 식물성 플랑크톤 세포지질 추출에 관한 종래 외국기술로는 Bligh and Dyer Method (Can. J. Biochem. Physiol. 1959), Farjardo Method (Eur. J. Lipid. Technol., 2007), Two stage process for producing oil from algae (US patent, 20080160593), Methods, apparatus and system for biodiesel production from algae (US patent, 20070048848) 등이 있으며, 국내 특허의 경우는 식물성오일, 폐식용류, 바이오디젤 전환용 촉매 장치 등에 관한 기술은 개시된 바 있으나 바이오디젤 생산을 위한 식물성 플랑크톤 전처리 관련 기술은 전무한 실정이다.

아울러, 위에서 언급된 Bligh and Dyer Method, Farjardo Method는 대학에서 개발되어 실용화와는 거리가 있는 전처리기술이며, 미국 특허공개 제2008-0160593호의 경우는 미생물을 이용하여 식물성플랑크톤의 세포벽을 파괴하는 기술로서 비용은 매우 적게 들지만 시간이 많이 소요되며 미생물관리가 매우 까다로운 단점이 있고, 또다른 예로 미국 특허공개 제2007-0048848호의 경우에는 식물성 플랑크톤을 형질전환하여 지질함량을 높였으며 그에 따라 적용된 기술은 단순압착기술로서 지질함량이 낮은 경우 또는 세포사이즈가 매우 작은 경우에는 적합하지 않은 기술인 바, 이 분야에 대한 대체 기술이 시급히 요청되고 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점들을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 식물성플랑크톤의 세포벽 구조를 파괴하고, 지질추출효율을 향상시키기 위하여 원심분리, 초음파 및 헥산처리를 실시함으로써 보다 경제적이고 효과적인 바이오디델 생산을 위한 식물성플랑크톤 전처리장치 및 방법을 제공함에 그 주된 해결 과제가 있다.

본 발명은 상기한 해결 과제를 달성하기 위한 수단으로, 수체로부터 수거된 식물성 플랑크톤을 수납하고 고속회전에 의해 원심분리하는 원심분리기와; 상기 원심분리기와 거리를 두고 설치되며, 상단 일측에는 헥산을 투입할 수 있는 투입구가 구비된 처리조와; 상기 처리조의 내부에 설치된 초음파발생기와; 상기 원심분리기와 상기 처리조를 연결배관하여 원심분리된 식물성 플랑크톤을 압출 이동시키는 연결관을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 바이오디젤 생산을 위한 식물성 플랑크톤 전처리장치를 제공한다.

이때, 상기 초음파발생기는 상기 처리조의 바닥면 중앙에 설치되는 것에도 그 특징이 있다.

또한, 상기 초음파발생기는 발진용량은 1~1.5 Kw인 것에도 그 특징이 있다.

뿐만 아니라, 상기 투입구를 통해 투입되는 헥산은 시료(식물성 플랑크톤 케익):헥산이 1:0.7의 부피비로 투입되는 것에도 그 특징이 있다.

아울러, 상기 연결관은 상기 원심분리기의 하단과 상기 처리조의 중단을 연결배관하는 것에도 그 특징이 있다.

본 발명은 상기한 해결 과제를 달성하기 위한 다른 수단으로, 수체로부터 식물성 플랑크톤을 수거하여 원심분리기에 투입하는 수거단계와; 상기 수거단계를 통해 투입된 식물성 플랑크톤을 원심분리하여 성분별로 분리한 후 식물성 플랑크톤 케익으로 변화시키는 원심분리단계와; 상기 원심분리단계를 거쳐 케익화된 식물성 플랑크톤 케익을 연결관을 통해 압출 이송하여 처리조 바닥으로 배출하는 이송단계와; 상기 이송단계를 통해 처리조로 배출된 식물성 플랑크톤 케익에 초음파발생기를 통해 1-1.5Kw의 초음파를 발진시켜 세포벽을 파괴하거나 핵산을 투입하여 지질을 추출하도록 하는 세포벽 파괴 및 지질추출단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 바이오디젤 생산을 위한 식물성 플랑크톤 전처리방법을 제공한다.

이 경우, 상기 세포벽 파괴 및 지질추출단계에서, 상기 초음파발생기를 통한 초음파 발진과 핵산 투입은 초음파처리후 핵산이 투입되도록 순차 처리하는 것에도 그 특징이 있다.

뿐만 아니라, 상기 세포벽 파괴 및 지질추출단계에서, 상기 초음파발생기를 통한 초음파 발진과 핵산 투입은 초음파처리와 핵산 투입을 동시에 처리하는 것에도 그 특징이 있다.

본 발명에 따르면, 식물성플랑크톤에서 지질을 효율적으로 분리, 추출해내는 전처리 기술을 통해 바이오디젤생산에 있어 전체적인 생산수율을 향상시킬 수 있 고, 또한 초음파 기술과 분리 및 회수가 가능한 헥산을 이용하여 지질을 추출하기 때문에 2차 오염 또는 추출된 원료물질의 성상변화가 최소화되어 후속공정의 원료전환에 있어 별다른 영향을 끼치지 않는다는 장점이 있으며, 이러한 원료성상 및 공정의 안정화는 바이오디젤 생산에 있어 필수적인 경제성 확보에 기여하는 효과를 얻을 수 있다.

이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 식물성 플랑크톤의 전처리과정을 모식화한 예시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 식물성 플랑크톤의 전처리방법을 보인 예시적인 플로우챠트이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전처리장치는 원심분리기(100)를 포함한다.

이때, 상기 원심분리기(Centrifugal Separator)(100)는 원심력을 이용하여 성분이나 비중이 다른 물질들을 분리·정제·농축하는 기계로서, 균질액을 시험관에 넣고 고속 회전시켜 입자의 크기와 밀도에 따라 물질을 분리하는데 사용된다.

이러한 원심분리기는 회전속도에 따라 저속원심분리기, 고속원심분리기, 초원심분리기로 구분된다.

이 경우, 저속원심분리기는 대략 6,000rpm 이하의 속도를 낼 수 있고 주로 세포나 핵 등과 같이 쉽게 침전되는 시료의 원심분리에 이용된다.

그리고, 고속원심분리기는 최고속도가 20,000~25,000rpm으로 냉각장치를 갖추고 있고, 주로 세포, 핵, 세포내 소기관 등의 분리에 이용된다.

마지막으로, 초원심분리기는 최대속도가 40,000~80,000rpm으로 냉각기와 진공장치를 갖추고 있으며, 세포내 소기관, 세포막 구성성분, 거대분자 등의 분리에 이용된다.

본 발명에서는 이들 모두를 사용할 수 있으나, 고속원심분리가가 적당할 것이다.

이때, 상기 원심분리기(100)에는 농업용 저수지, 댐 등의 수체에서 대량으로 발생하여 녹조현상을 일으키는 식물성 플랑크톤이 수거된 후 투입된다.

그리고, 상기 원심분리기(100)의 고속회전을 통해 원심분리된 식물성 플랑크톤은 성분별로 분리되고, 농축되어 케익(Cake)화 되게 되는데, 이를 이송하기 위해 상기 원심분리기(100)의 하단에는 연결관(110)이 배관되며, 상기 연결관(110)은 처리조(120)로 연결된다.

특히, 상기 연결관(110)은 도시와 같이, 일단이 원심분리기(100)의 하단에 연결배관되도록 하고, 타단은 처리조(120)의 중단에 연결배관되도록 하여 원심분리된 식물성 플랑크톤 케익(200)의 압출 이송시 처리조(120)내 바닥면과의 낙차에 의한 낙하 적재를 유도하고, 이는 후술되는 초음파처리시 보다 성글게 적재된 식물성 플랑크톤 케익(200)의 적재(치) 모양 때문에 세포벽 파괴를 위한 활성이 더욱 높아지도록 함이 바람직하다.

아울러, 상기 처리조(120)는 원심분리 및 농축된 식물성 플랑크톤 케익(200) 을 수납한 상태에서 초음파발생기(300)를 통해 세포벽을 파괴하기 위한 용기이다.

이 경우, 처리효율을 극대화시키기 위해 상기 초음파발생기(300)는 상기 처리조(120)의 바닥 중앙에 설치됨이 특히 바람직하다.

뿐만 아니라, 상기 초음파발생기(300)를 통해 초음파를 발진할 때 발진되는 초음파는 시간당 100L의 식물성 플랑크톤 케익(200)에 대해 초음파발생기의 발진용량은 1~1.5 Kw 가 특히 바람직하다.

이는 이때 발진되는 초음파가 수체로부터 수거된 녹조, 즉 식물성 플랑크톤의 세포벽 파괴에 주효하기 때문이며, 그 이하나 이상일 경우에는 효과가 크지 않으므로 상기 범위로 한정함이 바람직하다.

또한, 상기 처리조(120)의 상단 일측에는 투입구(130)가 형성되고, 상기 투입구(130)를 통해 헥산이 투입된다.

상기 헥산은 상기 식물성 플랑크톤 케익(200)으로부터 지질을 추출하기 위한 것이다.

이때, 헥산은 1: 0.7(시료:헥산)의 비율(부피비)로 처리함이 바람직한데, 이또한 녹조의 지질 추출에 가장 효율적인 범위이기 때문이다.

여기에서, 상기 초음파발생기(300)를 통한 초음파 처리와, 헥산 투입을 통한 지질 추출은 순차적으로 수행될 수도 있고, 필요한 경우 동시에 수행될 수도 있다.

이는 처리효율 측면을 고려하여 그 처리방법이 결정될 수 있는 바, 바람직하기로는 동시에 처리함이 좋다.

이러한 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 전처리 방법은 다음과 같다.

도 2에 도시된 바와 같이, 먼저 수거단계(S100)수행된다.

상기 수거단계(S100)는 수체로부터 식물성 플랑크톤을 수거(채집)하여 모으는 것으로, 수거된 식물성 플랑크톤은 원심분리기(100)로 장입된다.

이어, 원심분리단계(S110)가 수행된다.

상기 원심분리단계(S110)는 상기 원심분리기(100)를 고속회전시켜 수거된 식물성 플랑크톤을 성분별로 분리하는 단계이다.

이 단계(S110)를 통해 상기 식물성 플랑크톤은 케익(cake)으로 분리/농축되게 되는데, 이를 식물성 플랑크톤 케익(200)이라 한다.

이렇게 하여, 수체로부터 수거된 식물성 플랑크톤이 식물성 플랑크톤 케익(200)으로 변화되면, 이 식물성 플랑크톤 케익(200)은 압출되는 방식으로 연결관(110)을 통해 처리조(120)로 이동되는 이송단계(S120)가 수행된다.

상기 이송단계(S120)를 거쳐 식물성 플랑크톤 케익(200)이 처리조(120)의 바닥에 쌓이게 되면, 이어 초음파발생기(300)에 1~1.5 Kw가 인가되면서 초음파 발진이 일어나고 이때 발생된 초음파는 식물성 플랑크톤 케익(200)에 조사되어 그들의 세포벽을 집중적으로 분리시키게 된다.

뿐만 아니라, 순차 혹은 동시에 처리조(120)의 투입구(130)를 통해 투입되는 헥산은 식물성 플랑크톤 케익(200)의 지질(Lipid)을 추출하게 되는데, 이를 세포벽 파괴 및 지지추출 단계(S130)라 한다.

정리하자면, 수거된 식물성 플랑크톤은 원심분리기를 통해 탈수/농축된 후 초음파발생기를 통하여 식물성 플랑크톤의 세포벽을 파괴함으로써 지질추출을 용이 하게 하고, 이후 헥산을 투입하여 지질을 쉽게 추출함으로써 바이오디젤 제조가 용이하도록 한 전처리 공정이 종료되게 된다.

이와 같이, 본 발명에 의하면 식물성 플랑크톤은 원심분리기(100)를 거쳐 탈수된 후 초음파발생기(300)에서 세포벽이 대부분 파괴처리되어 지질추출이 용이하게 되며, 높은 지질추출율을 달성하기 위하여 헥산으로 다시 처리되어 식물성 플랑크톤으로부터 지질을 효율적으로 추출할 수 있게 되는 것이다.

따라서, 바이오디젤 생산에 있어 전체적인 생산수율을 향상시킬 수 있고, 또한 초음파기술과 분리 및 회수가 가능한 헥산을 이용하여 지질을 추출하기 때문에 2차 오염 또는 추출된 원료물질의 성상변화가 최소화 되어 후속공정의 원료전환에 있어 별다른 영향을 끼치지 않아 매우 유용하다.

도 1은 본 발명에 따른 식물성 플랑크톤의 전처리과정을 모식화한 예시도,

도 2는 본 발명에 따른 식물성 플랑크톤의 전처리방법을 보인 예시적인 플로우챠트.

♧ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ♧

100....원심분리기 110....연결관

120....처리조 130....투입구

200....식물성 플랑크톤 케익 300....초음파발생기

Claims

수체로부터 수거된 식물성 플랑크톤을 수납하고 고속회전에 의해 원심분리하는 원심분리기와;

상기 원심분리기와 거리를 두고 설치되며, 상단 일측에는 헥산을 투입할 수 있는 투입구가 구비된 처리조와;

상기 처리조의 내부에 설치된 초음파발생기와;

상기 원심분리기와 상기 처리조를 연결배관하여 원심분리된 식물성 플랑크톤을 압출 이동시키는 연결관을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 바이오디젤 생산을 위한 식물성 플랑크톤 전처리장치.
제1항에 있어서;

상기 초음파발생기는 상기 처리조의 바닥면 중앙에 설치되는 것을 특징으로 하는 바이오디젤 생산을 위한 식물성 플랑크톤 전처리장치.
제1항 또는 제2항에 있어서;

상기 초음파발생기는 발진용량은 1~1.5 Kw인 것을 특징으로 하는 바이오디젤 생산을 위한 식물성 플랑크톤 전처리장치.
제1항에 있어서;

상기 투입구를 통해 투입되는 헥산은 시료(식물성 플랑크톤 케익):헥산이 1:0.7의 부피비로 투입되는 것을 특징으로 하는 바이오디젤 생산을 위한 식물성 플랑크톤 전처리장치.
제1항에 있어서;

상기 연결관은 상기 원심분리기의 하단과 상기 처리조의 중단을 연결배관하는 것을 특징으로 하는 바이오디젤 생산을 위한 식물성 플랑크톤 전처리장치.
수체로부터 식물성 플랑크톤을 수거하여 원심분리기에 투입하는 수거단계와;

상기 수거단계를 통해 투입된 식물성 플랑크톤을 원심분리하여 성분별로 분리한 후 식물성 플랑크톤 케익으로 변화시키는 원심분리단계와;

상기 원심분리단계를 거쳐 케익화된 식물성 플랑크톤 케익을 연결관을 통해 압출 이송하여 처리조 바닥으로 배출하는 이송단계와;

상기 이송단계를 통해 처리조로 배출된 식물성 플랑크톤 케익에 초음파발생기를 통해 1-1.5Kw의 초음파를 발진시켜 세포벽을 파괴하거나 핵산을 투입하여 지질을 추출하도록 하는 세포벽 파괴 및 지질추출단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 바이오디젤 생산을 위한 식물성 플랑크톤 전처리방법.
제6항에 있어서;

상기 세포벽 파괴 및 지질추출단계에서, 상기 초음파발생기를 통한 초음파 발진과 핵산 투입은 초음파처리후 핵산이 투입되도록 순차 처리하는 것을 특징으로 하는 바이오디젤 생산을 위한 식물성 플랑크톤 전처리방법.
제6항에 있어서;

상기 세포벽 파괴 및 지질추출단계에서, 상기 초음파발생기를 통한 초음파 발진과 핵산 투입은 초음파처리와 핵산 투입을 동시에 처리하는 것을 특징으로 하는 바이오디젤 생산을 위한 식물성 플랑크톤 전처리방법.