KR20110096377A - 미세조류로부터 오일 추출 및 바이오디젤 전환 방법 - Google Patents

미세조류로부터 오일 추출 및 바이오디젤 전환 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 미세조류로부터 오일 추출 및 바이오디젤 전환 방법에 관한 것으로, 그 목적은 미세조류로부터 오일을 추출하여 바이오디젤을 생산시, 추출된 오일에 존재하여 바이오디젤 전환 반응을 저해하는 현상을 가지는 엽록소를 바이오디젤 전환 반응 전에 미리 제거함으로써 바이오디젤 전환율을 증가시키는 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 구성은 a) 미세조류로부터 오일을 추출하는 단계; b) 추출된 오일을 흡착제와 접촉시켜 오일에 포함된 엽록소를 제거하는 단계; 및 c) 엽록소가 제거된 오일을 바이오디젤로 전환하는 단계;를 포함하여 구성된 미세조류로부터 오일 추출 및 바이오디젤 전환 방법을 발명의 요지로 한다.

Description

미세조류로부터 오일 추출 및 바이오디젤 전환 방법{Oil extraction and biodiesel production from microalgae}
본원발명은 미세조류로부터 오일 추출 및 바이오디젤 전환 방법에 관한 것으로, 자세하게는 기존 바이오디젤의 원료가 되는 대두유, 유채유, 팜유 등의 오일 생산량에 비해 오일 생산량이 10배, 많게는 100배 이상인 미세조류로부터 오일을 추출하여 바이오디젤을 생산시, 추출된 오일에 존재하여 바이오디젤 전환 반응을 저해하는 현상을 가지는 엽록소를 오일로부터 제거하는 방법에 관한 것이다.
석유자원의 과다 사용에 의한 환경오염이 심각해지고 자원의 고갈 가능성이 제기됨에 따라 재생성을 갖는 동, 식물성 기름으로부터 생산 가능한 청정 대체 연료인 바이오디젤에 대한 관심이 높아지고 있는 실정이다.
바이오디젤은 2010년 현재 경유에 2% 포함되어 공급되고 있으며, 대부분 대두유나 팜유로부터 생산되고 있다. 바이오디젤의 원료인 대두유나 팜유는 현재 수입에 의존하고 있는 실정이며 식량과 연계된 자원으로 국제적인 환경변화에 크게 영향을 받아 가격이 높고, 불안정하다는 문제점이 존재한다.
이에 대한 대응방안으로 식량자원이 아닌 비식용작물을 이용하여 바이오디젤을 생산하려는 시도와 저가의 폐유지를 이용하여 바이오디젤을 생산하려는 시도가 전 세계적으로 이루어지고 있다.
이러한 상황에서 국내의 에너지 안보는 석유뿐만 아니라 석유대체연료에서도 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.
이러한 시점에서 단위 면적당 오일 생산량이 육상식물에 비해 매우 우수한 미세조류에 기반한 바이오디젤 생산기술에 대한 관심이 높아지고 있다 (표 1참조).
미세조류 및 기존 에너지 작물의 오일 생산량(출처: 제3차 신·재생에너지 기술개발 및 이용 · 보급 기본계획)
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
상기 표 1과 같이 미세조류는 기존의 바이오디젤의 원료가 되는 대두유, 유채유, 팜유 등의 오일 생산량에 비해 오일 생산량이 10배, 많게는 100배 이상이다.
미세조류는 단일세포의 광합성 생물로 3~30μm의 크기에 담수나 해수에서 서식한다. 이산화탄소를 흡수하고 산소를 배출하며, 오일 및 유용물질을 함유하고 있다.
또한 미세조류는 육상식물에 비해 성장률이 매우 빠르고, 대량으로 고농도 배양이 가능하며, 극한 환경에서도 성장이 가능하다는 장점을 가진다.
또한 미세조류는 사용 가능한 오일 성분이 바이오매스의 30~70%에 달하므로, 기존 작물에 비해 높은 연료 생산성을 나타낸다.
또한 미세조류는 다른 작물과 토지나 공간 측면에서 상호 경쟁하지 않으므로, 현재 식량 자원의 가격 상승 및 산림 파괴 등 2차적인 환경 문제를 일으키지 않는다는 장점을 가진다.
따라서 미세조류 이용 바이오디젤 생산기술은 단위면적 당 높은 생산성을 나타내어 자원 확보가 용이하고 식량 자원과의 경쟁이 없으므로 국내 실정에 적합하다고 할 수 있다.
이와 같은 미세조류로부터 바이오디젤을 생산하는 과정은, 미세조류를 대량생산하고 수분을 일부 또는 완전히 제거한 미세조류를 수확하고 오일을 추출한 후에 바이오디젤을 생산하는 단계를 가진다 (도 10 참조).
상기 단계에서 추출된 오일 성분 중 트리글리세리드(triglyceride) 및 유리지방산(free fatty acid)은 육상식물로부터 추출된 오일과 마찬가지로 전이에스테르화 또는 에스테르화 반응에 의해 바이오디젤로 전환이 가능하다.
오일의 주성분인 트리글리세리드는 알콜과 염기촉매 하에서 반응하여 바이오디젤과 글리세롤을 생성한다.
또한 오일에 존재하는 유리지방산의 경우는 산촉매 하에서 알콜과 반응하여 바이오디젤과 물을 생성하게 된다 (도 11 참조).
오일의 바이오디젤 전환시 보통 염기촉매 반응을 이용하지만, 유리지방산이 다량으로 존재할 경우에는 비누화 반응이 일어나지 않도록 산촉매 반응을 이용한다.
산촉매 반응은 염기촉매 반응에 비하여 반응시간이 길지만, 염기촉매는 오일에 유리지방산, 물 등의 불순물이 존재할 경우 반응이 저해되므로 오일에 불순물이 많은 경우에는 산촉매의 사용이 더 바람직하다.
최근 미세조류로부터 바이오디젤을 생산하는 연구가 많이 진행되고 있으며, 미세조류 추출 오일의 바이오디젤 전환 가능성을 제시하고 있다. 오일의 바이오디젤 전환시 중요한 물성 중의 하나는 생산된 바이오디젤의 지방산메틸에스테르(fatty acid methyl ester, FAME) 함량이다. 지방산메틸에스테르는 바이오디젤의 주성분으로 이 외에 불순물로서 수분, 메탄올, 유리지방산 뿐만 아니라 미반응한 트리글리세리드, 반응중간체인 디글리세리드, 모노글리세리드 및 부생성물인 글리세린 등이 생산된 바이오디젤에 포함될 수 있다. 따라서 불순물 함량은 가능한 낮게, 그리고 지방산메틸에스테르 함량은 가능한 높게 유지하는 것이 바람직하다. 육상식물에서 추출한 오일로부터 생산된 바이오디젤의 경우, 차량연료로서 사용하기 위해서는 바이오디젤 품질규격에서 정한 지방산메틸에스테르 함량 96.5% 이상을 만족시켜야 한다. 여기서 지방산메틸에스테르 함량은 주로 가스 크로마토그래프를 이용하여 분석한다. 지방산메틸에스테르 함량이 낮으면 정제과정을 거쳐 지방산메틸에스테르 부분을 따로 모을 수 있지만, 이로 인해 수율이 감소하므로 생산 공정 중에 지방산메틸에스테르 함량을 높이는 것이 중요하다.
따라서 미세조류에서 추출한 오일로부터 생산된 바이오디젤의 경우도 지방산메틸에스테르 함량을 분석할 필요가 있다. 이제까지는 미세조류로부터 바이오디젤의 전환 가능성을 확인하는 정도의 연구가 대부분이므로, 미세조류 바이오디젤의 지방산메틸에스테르 함량이 불분명하였다.
본 연구실에서 테스트한 결과 미세조류에서 오일 추출시 엽록소가 같이 추출되는 현상이 나타났고, 이로 인해 바이오디젤 전환에 어려움이 있다는 것이 관찰되었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 미세조류로부터 오일을 추출하여 바이오디젤을 생산시, 추출된 오일에 존재하여 바이오디젤 전환 반응을 저해하는 현상을 가지는 엽록소를 바이오디젤 전환 반응 전에 미리 제거함으로써 바이오디젤 전환율을 증가시키는 방법을 제공하는 데 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 a) 미세조류로부터 오일을 추출하는 단계; b) 추출된 오일을 흡착제와 접촉시켜 오일에 포함된 엽록소를 제거하는 단계; 및 c) 엽록소가 제거된 오일을 바이오디젤로 전환하는 단계;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 미세조류로부터 오일 추출 및 바이오디젤 전환 방법을 제공함으로써 달성된다.
또한 본 발명은 상기 a) 단계에서 오일의 추출은 용매추출법, 마이크로파 이용법, 열수처리법, 효소처리법, 압착법 중 적어도 하나의 방법을 이용하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 상기 용매추출법에서 사용하는 용매는 헥산, 석유에테르, 메탄올, 클로로포름 중 적어도 하나를 선택하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 상기 용매추출법은 속슬렛(soxhlet) 및 교반 중 적어도 하나를 이용하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 상기 b) 단계에서 사용하는 흡착제는 활성탄, 활성백토, 카올리나이트, 제올라이트, 벤토나이트 중 적어도 하나를 선택하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 본 발명은 기존 바이오디젤의 원료가 되는 대두유, 유채유, 팜유 등의 오일 생산량에 비해 오일 생산량이 10배, 많게는 100배 이상인 미세조류로부터 추출된 오일을 생산시 엽록소를 제거한 후 바이오디젤 전환 반응 단계를 가짐으로써 엽록소를 제거하지 않은 경우보다 현저하게 증가된 바이오디젤 전환율을 가짐으로써 양질의 바이오디젤을 대량으로 생산한다는 장점과, 이로 인해 생산단가가 낮아져 바이오디젤의 대중화를 빨리 이룰 수 있다는 장점을 가진 유용한 발명으로 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명인 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 바이오디젤 생산공정도이고,
도 2는 본 발명에 따른 속슬렛 추출기를 보인 예시도이고,
도 3a는 본 발명에 따른 속슬렛추출에 의한 미세조류 오일의 용매추출법도이고,
도 3b는 본 발명에 따른 교반추출에 의한 미세조류 오일의 용매추출법도이고,
도 4는 본 발명의 한 실시예에 다른 속슬렛 추출 장치도이고,
도 5a는 본 발명의 한 실시예에 따른 미세조류-용매 혼합액의 교반에 의한 오일 추출사진이고,
도 5b는 도 5a에 따라 오일추출 후 여과 과정을 거친 오일 사진이고,
도 6a는 본 발명의 속슬렛 추출에 의한 미세조류 추출 오일이고,
도 6b는 본 발명의 교반 추출에 의한 미세조류 추출 오일이고,
도 7은 본 발명에 사용된 트리글리세라이드의 구조식이고,
도 8은 본 발명에 사용된 엽록소의 구조식이고,
도 9는 본 발명에 따른 바이오디젤 전환 반응기이고,
도 10은 종래 미세조류로부터 바이오디젤 생산 경로도이고,
도 11은 종래 오일의 바이오디젤 전환 반응도이다.
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.
도 1은 본 발명에 따른 바이오디젤 생산공정도이다. 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 미세조류로부터 오일 추출 및 바이오디젤 전환 방법은, a) 미세조류로부터 오일을 추출하는 단계; b) 추출된 오일을 흡착제와 접촉시켜 오일에 포함된 엽록소를 제거하는 단계; 및 c) 엽록소가 제거된 오일을 바이오디젤로 전환하는 단계;를 포함하여 구성된다. 이러한 공정에 따라 엽록소 제거에 의해 바이오디젤 전환율이 향상된다.
상기 미세조류는 건조되었거나 젖은 상태에서, 형태를 그대로 유지하거나 분쇄되어 세포 내용물이 배출된 상태에서 오일 추출에 이용한다.
이후 미세조류로부터 추출된 엽록소가 제거된 오일과 알콜을 산촉매 또는 염기촉매 하에서 반응시켜 에스테르화 또는 전이에스테르화 반응을 통해 바이오디젤을 얻게 된다.
상기 미세조류로부터 오일을 추출하는 단계에서 오일의 추출은 용매추출법, 마이크로파 이용법, 열수처리법, 효소처리법, 압착법 중 적어도 하나의 방법을 이용한다.
미세조류로부터 오일을 추출하기 위한 상기 용매추출법은 미세조류의 성분 중에서 오일을 잘 용해할 수 있는 추출 용매를 사용하여 미세조류로부터 오일을 용매상으로 분리하는 방법이고,
상기 마이크로파 이용법은 마이크로파가 미세조류의 세포벽을 파괴함으로써 세포 내용물을 밖으로 배출시켜, 이중에서 오일 성분을 분리하는 방법이고,
상기 열수처리법은 미세조류가 분사되어 있는 수용액의 온도를 물의 끓는점 이상으로 올려 고온, 고압 상태가 되어 세포벽이 깨지고 세포 내용물이 밖으로 나오게 함으로써 오일 성분을 분리하는 방법이고,
상기 효소처리법은 효소를 사용하여 미세조류의 세포벽을 분해함으로써 오일을 얻는 방법이고,
상기 압착법은 미세조류를 압착하여 오일을 짜내는 방법이다.
또한 상기 용매추출법에서 사용하는 용매는 헥산, 석유에테르, 메탄올, 클로로포름 중 적어도 하나를 선택한다. 이와 같이 용매추출법에 사용되는 용매는 오일을 용해시키는 성질을 가진 유기용매로써, 헥산(C6H14), 메탄올 (CH3OH), 클로로포름(CHCl3), 석유에테르(원유를 분류할 때 끓는점 범위가 가장 낮은 40~70℃에서 유출되는 액체, 주성분은 C5H12와 C6H14) 등을 이용할 수 있다.
또한 상기 용매추출법은 속슬렛(soxhlet) 및 교반 중 적어도 하나를 이용한다.
먼저 속슬렛은 용매 플라스크 위에 추출관, 그 위에 환류냉각기가 연결된 장치이다(도 2 참조). 추출관 속의 원통형 여과지 또는 여과관에 시료를 넣고 플라스크 속에 있는 용매를 가열하면, 용매의 증기는 왼쪽관을 지나 환류냉각기에서 응축되어 추출관에 괴어 시료 속의 가용성분을 녹이고, 괸 액체는 오른쪽 사이펀에 의해 그 꼭지점에 이르면 전부 용매 플라스크로 돌아오고, 새로운 용매는 또 추출관에 괸다. 이렇게 새로운 용매로 추출이 반복되고, 추출물은 용매 플라스크 속에 괸다. 추출이 끝나면 플라스크를 떼어 속에 있는 액체를 증발시키면 비휘발성 성분이 증발 플라스크 속에 남는다.
또한 교반에 의한 방법은 시료를 용매와 혼합하여 일정시간 동안 교반시킨 후 여과하여 여과지를 통과한 액체를 증발시켜 비휘발성 성분을 얻는다.
상기 추출된 오일을 흡착제와 접촉시켜 오일에 포함된 엽록소를 제거하는 단계에서 엽록소를 제거하기 위해서 사용하는 흡착제는 활성탄, 활성백토(점토를 황산이나 염산으로 산처리하여 천연점토의 흡착력을 더욱 증가시킨 흡착제), 카올리나이트, 제올라이트, 벤토나이트 중 적어도 하나를 선택한다.
이러한 흡착제들은 다공성 물질로 주로 불순물을 제거하기 위한 목적으로 사용되며, 탈색, 습기 제거, 냄새 제거, 중금속 등의 오염물질 제거에 사용될 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예이다.
[실시예1] 용매추출법을 이용한 미세조류 오일 추출
용매추출법을 이용하여 미세조류 Chlorella vulgaris sp.로부터 오일을 추출하였다. 추출 온도 및 방법이 오일 추출 효율에 미치는 영향을 살펴보고자, 속슬렛(soxhlet)추출법과 교반 추출법을 실시하였다. 추출 순서는 도 3a 및 도 3b와 같다. 도 3a는 본 발명에 따른 속슬렛추출에 의한 미세조류 오일의 용매추출법도이고, 도 3b는 본 발명에 따른 교반추출에 의한 미세조류 오일의 용매추출법도이다.
먼저 도 3a는 본 발명에 따른 속슬렛추출에 의한 미세조류 오일의 용매추출법도를 설명한다. 도 4는 속슬렛을 이용하여 오일을 추출하는 장치를 나타낸 것이다. 원통형 여과지에 미세조류 샘플을 넣고, 추출관에 원통형 여과지를 넣는다. 둥근 플라스크에 용매를 담아 추출관 아래쪽에 연결하고 위쪽은 컨덴서를 연결한다. 비커에 용매를 물중탕하면 용매가 기화되었다. 다시 액화되도록 하면서 추출을 진행하였다. 추출 후 증발기(evaporator)에서 용매를 제거하면 도 6a와 같이 미세조류로부터 속슬렛 추출에 의해 추출된 오일을 얻을 수 있다. 이때 사용된 미세조류는 30g이었고, 용매양은 120g이었다. 사용된 용매는 석유에테르 또는 헥산을 각각 또는 혼합하여 실험하였다. 추출시 온도는 석유에테르는 60℃ 헥산은 85℃였다. 추출시간은 3시간으로 하였다.
또한 도 3b은 본 발명에 따른 교반추출에 의한 미세조류 오일의 용매추출법도인데, 또한 가열 공정을 거치지 않고 교반을 통해서도 미세조류로부터 오일 추출이 가능한지 여부를 검토하였다. 도 5a와 같이 미세조류-용매 혼합액을 3시간 동안 교반하였다. 교반 후 도 5b와 같은 여과 과정을 거치고, 마지막으로 증발기에서 용매를 제거하면 도 6b와 같이 미세조류로부터 교반에 의해 추출된 오일을 얻을 수 있다. 이때 사용된 미세조류는 50g이었고, 용매양은 300g이었다. 사용된 용매는 석유에테르 또는 헥산을 각각 또는 혼합하여 실험하였다. 교반(agitation) 시간 및 속도는 3시간 동안 900rpm이었고, 교반 후 여과 시간은 30분이었다.
상기 용매추출법의 공정별, 추출 용매별 오일 추출율을 <표 2>에 정리하였다.
추출 용매(석유에테르와 헥산)에 따른 오일 추출율에서 헥산이 석유에테르보다 약간 높게 나타나긴 했으나 큰 차이는 없는 것으로 나타났다.
또한 공정(속슬렛과 교반)에 따른 오일 추출율도 속슬렛이 교반보다 약간 높게 나타나긴 했지만 큰 차이는 없는 것으로 나타났다.
그러나 속슬렛 추출 시에는 가열에너지가 필요하고, 교반 시에는 여과 공정이 중간에 있어 여과를 위한 시간을 더 필요로 한다는 점이 서로 다른 점이라 할 수 있다.
추출 조건에 대한 영향을 보다 자세히 살펴보기 위하여 속슬렛 추출법을 선택하여 추가 실험을 진행하였다.
미세조류로부터 오일을 추출하기 위하여 단일 용매 및 혼합 용매 사용 시의 오일 추출율을 비교하였다.
극성 용매인 메탄올과 비극성 용매인 헥산과 클로로포름이 이용되었다. 헥산-메탄올을 7 : 3(부피비)으로 혼합한 용매를 사용한 경우의 오일 추출율을 헥산만 사용하였을 경우의 결과와 비교하였다. 3시간 추출 시 헥산만 사용한 경우 1.80%였던 추출율이 헥산-메탄올 사용시 3.27%로 증가하는 것으로 나타났다 (표 3). 따라서 메탄올과 혼합한 혼합 용매를 사용하였을 경우 오일 추출율이 증가하는 것을 알 수 있었다.
<표 4>를 보면 추출 시간을 3시간에서 12시간으로 증가시켰을 경우, 헥산은 1.80%에서 1.93%로 0.13%만 추출율이 증가한 반면, 헥산-메탄올은 3.27%에서 12.1%로 증가하는 것으로 나타났다.
즉, 헥산-메탄올의 경우 시간에 비례하여 추출율이 증가하는 것으로 나타났지만, 헥산의 경우는 시간이 경과된다 하더라도 최대 추출율이 2.0% 미만이 될 것으로 예상된다.
클로로포름:메탄올을 2:1(부피비)로 사용한 경우에는 추출율이 25.9%까지 증가하였다. 이는 헥산의 경우 비극성 물질만 용해시키는 반면, 메탄올이 혼합되었을 경우 극성 물질도 용해시켜 추출율이 현저히 증가하는 것으로 생각된다.
또한 메탄올만을 용매로 하였을 경우에도 23.5%의 높은 추출율을 보이고 있다.
헥산이 추출용매로 포함되었을 경우에는 메탄올 단독이나 클로로포름-메탄올보다 추출 효율이 상대적으로 낮은 것으로 나타났는데 이는 헥산이 비극성 용매로 극성 물질이 용해되는 것을 저해했을 것으로 보인다.
미세조류 오일 추출율 (건조중량 대비 오일량)
석유에테르 헥산
Soxhlet 1.73% 1.80%
교반 1.60% 1.77%
미세조류 오일 추출율 (속슬렛으로 3시간 추출)
용매 추출율 (미세조류 건조중량 대비 오일량)
헥산 1.80%
헥산:메탄올(7:3) 3.27%
미세조류 오일 추출율 (속슬렛으로 12시간 추출)
용매 추출율 (미세조류 건조중량 대비 오일량)
헥산 1.93%
메탄올 23.5%
헥산:메탄올(7:3) 12.1%
클로로포름:메탄올(2:1) 25.9%
[실시예 2] 흡착제를 이용한 추출 오일 내 엽록소 제거
엽록소를 제거하기 위하여 흡착제로 활성탄 및 활성백토의 사용하여 실험하였다. 헥산, 메탄올, 헥산-메탄올, 클로로포름-메탄올의 네 가지 유기용매로부터 추출한 오일에 대하여 흡착 실험을 진행하였다.
도 7과 같은 구조식을 가지는 트리글리세라이드의 경우 헥산에는 잘 녹지만 메탄올에는 녹지 않는 특성을 가지고 있는 반면, 도 8에 도시된 구조식을 가지는 엽록소는 메탄올에도 잘 녹는 특징을 가지고 있다.
엽록소를 제거하기 위하여 흡착제로 활성탄 및 활성백토를 사용하고, 헥산, 메탄올, 헥산-메탄올, 클로로포름-메탄올의 네 가지 유기용매로부터 추출한 오일에 대하여 흡착 실험을 진행하였다. 10mL의 오일 추출액에 1.2g의 흡착제를 넣고 12시간 정치시킨 후에 흡광광도계 (Optizenview 4.1, MECASYS)를 이용하여 파장 660 nm에서 흡광도를 측정하였다.
실험 결과는 <표 5>에서 보는 바와 같이 활성탄을 사용하였을 경우 헥산 추출 오일과 헥산-메탄올 추출 오일에서 엽록소 제거가 잘 되는 것으로 나타났다.
또한 활성백토를 사용하였을 경우에는 헥산 추출 오일에서만 엽록소가 잘 제거되는 것으로 나타났다.
오일 추출액의 흡광도
용매 활성탄 활성백토
헥산 0.005 0.011
메탄올 0.271 24.2
헥산:메탄올(7:3) 0.014 45.3
클로로포름:메탄올(2:1) 17.2 157.5

[실시예 3] 추출 오일의 바이오디젤 전환
헥산 추출 오일과 헥산-메탄올 추출 오일을 이용하여 황산 촉매 하에서 바이오디젤 전환 반응을 수행하였다.
또한 엽록소 제거 유무에 따른 바이오디젤 전환율을 확인하기 위하여 헥산 추출 후 활성백토를 사용하여 엽록소를 제거한 오일과 클로로포름-메탄올 추출 오일의 바이오디젤 전환 반응을 수행하였다. 실험장치 개념도와 실험조건을 도 9와 <표 6>에 도시하였다.
도 9에서 보는 바와 같이 둥근 플라스크 반응기에서 실험이 진행되었다. 둥근 플라스크에 컨덴서를 설치하여 메탄올 증발을 방지하였고, 마그네틱 바를 이용하여 반응물을 충분히 교반하였으며 기름중탕으로 반응온도를 유지하였다.
바이오디젤 전환율은 지방산메틸에스테르 표준분석조건 EN 14103에 따라 Agilent 6890 capillary gas chromatography(Agilent Technologies)로 분석하였다. 컬럼은 HP-INNOWAX capillary column(30m × 0.32mm × 0.5μm)을 사용하였다. 지방산메틸에스테르의 정량화를 위하여 내부 표준시료로 Fluka사의 methyl heptadecanoate를 이용하여 분석하였다.
지방산메틸에스테르 농도는 다음과 같은 식으로부터 계산된다.
Figure pat00001
(식 1)
∑A : C14:0에서 C24:1 사이에 존재하는 메틸에스테르의 총 피크 면적
AEI : 내부 표준물질(methyl heptadecanoate)의 피크면적
CEI : 사용된 내부 표준물질의 농도 (mg/ml)
VEI : 사용된 내부 표준물질의 부피 (ml)
m : 시료의 질량 (mg)
미세조류 오일 이용 전이에스테르화 반응 조건
Run 1
(용매별 효과 비교실험)		 Run 2
(엽록소 제거 효과 비교실험)
메탄올 투입량 (몰비) 오일 대비 60배 오일 대비 90배
황산 투입량 (부피비) 오일 대비 3% 오일 대비 7%
반응온도 60 ℃ 90 ℃
반응시간 6시간 3시간
헥산으로 추출할 경우 오일 추출율은 낮지만 오일의 상태가 가장 양호한 반면, 클로로포름-메탄올로 추출하였을 경우 오일 추출율은 높지만 오일의 점도가 증가하는 결과를 나타내었다. 헥산 추출 오일과 헥산-메탄올 추출 오일을 이용하여 [Run 1]의 조건에서 황산 촉매 하에서 바이오디젤 전환 반응을 수행하였다. 미세조류 추출 오일에 다른 불순물이 함께 포함되어 있으므로 황산을 촉매로 하는 산촉매 반응으로 바이오디젤 전환 반응을 수행하였다. 반응을 촉진하기 위하여 메탄올을 과량으로 사용하였다.
각각의 조건에서 바이오디젤 전환율은 헥산 추출 오일의 경우 6.9%, 헥산-메탄올 추출 오일의 경우 5.2%로 매우 낮은 것으로 나타났다. 바이오디젤 전환이 잘 이루어지지 않는 이유가 추출된 오일에 포함되어 있는 엽록소 성분으로 판단되어 엽록소를 제거하기 위한 추가 실험을 진행하였다.
엽록소 제거 유무에 따른 바이오디젤 전환율을 확인하기 위하여 헥산 추출 후 활성백토를 사용하여 엽록소를 제거한 오일과 클로로포름-메탄올 추출 오일의 바이오디젤 전환 반응을 [Run 2]의 조건에서 수행하였다. 각각의 조건에서 바이오디젤 전환율은 헥산 추출 후 엽록소를 제거한 오일의 경우 94.4%, 클로로포름-메탄올 추출 오일의 경우 18.1%로 엽록소를 제거한 경우의 바이오디젤 전환율이 현저히 높은 것으로 나타났다. 따라서 미세조류 추출 오일의 바이오디젤 전환에 저해 작용을 일으키는 엽록소를 제거하는 것이 미세조류로부터 오일을 추출하는 공정에 있어서 중요한 요소라 할 수 있다. 클로로포름-메탄올 추출 오일의 디젤 전환율이 떨어지는 이유는 바이오디젤 전환이 가능한 오일 이외에 다른 성분들이 클로로포름에 의해 추출됐기 때문이다.
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 (5)

  1. a) 미세조류로부터 오일을 추출하는 단계;
    b) 추출된 오일을 흡착제와 접촉시켜 오일에 포함된 엽록소를 제거하는 단계; 및
    c) 엽록소가 제거된 오일을 바이오디젤로 전환하는 단계;
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 미세조류로부터 오일 추출 및 바이오디젤 전환 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 a) 단계에서 오일의 추출은 용매추출법, 마이크로파 이용법, 열수처리법, 효소처리법, 압착법 중 적어도 하나의 방법을 이용하는 것을 특징으로 하는 미세조류로부터 오일 추출 및 바이오디젤 전환 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 용매추출법에서 사용하는 용매는 헥산, 석유에테르, 메탄올, 클로로포름 중 적어도 하나를 선택하는 것을 특징으로 하는 미세조류로부터 오일 추출 및 바이오디젤 전환 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 용매추출법은 속슬렛(soxhlet) 및 교반 중 적어도 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 미세조류로부터 오일 추출 및 바이오디젤 전환 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 b) 단계에서 사용하는 흡착제는 활성탄, 활성백토, 카올리나이트, 제올라이트, 벤토나이트 중 적어도 하나를 선택하는 것을 특징으로 하는 미세조류로부터 오일 추출 및 바이오디젤 전환 방법.









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