KR20110116945A - 미세조류 배양에 의한 바이오디젤 및 발효산물 생산 방법 및 장치 - Google Patents

미세조류 배양에 의한 바이오디젤 및 발효산물 생산 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배양된 미세조류에 지질추출용매를 접촉하여 미세조류로부터 지질을 분획하여 바이오디젤을 생산하고, 또한 분획된 미세조류를 재배양하거나 에탄올, 부탄올 및 유기산과 같은 각종 유용 발효산물의 생산에 사용함으로써, 바이오디젤과 발효산물을 동시에 생산하고 이산화탄소를 저감할 수 있는 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 미세조류 배양에 의한 바이오디젤 및 발효산물 생산 방법은, 미세조류를 배양하는 과정; 상기 미세조류 배양액과 지질추출용매를 혼합하여 상기 지질추출용매를 상기 배양액에 접촉시킴으로써 상기 미세조류 배양액의 지질을 상기 지지추출용매에 용해시키고, 상기 지질이 상기 지질추출용매에 용해된 지질-용매와 미세조류를 분획하는 과정; 분획된 상기 미세조류의 일부를 재배양하는 과정; 분획된 상기 미세조류의 나머지를 에탄올, 부탄올 및 유기산 중 어느 하나로 발효하는 과정; 분획된 상기 지질-용매로부터 지질을 추출하는 과정; 추출된 상기 지질에서 바이오디젤을 추출하는 과정; 및 상기 발효과정의 발효산물로부터 에탄올, 부탄올 및 유기산 중에 어느 하나를 수득하는 과정; 을 포함한다.

Description

미세조류 배양에 의한 바이오디젤 및 발효산물 생산 방법 및 장치{Method and Device for Producing Bio-Diesel and Fermentation Material by Culturing Microalgae}
본 발명은 미세조류의 배양에 의한 바이오디젤 및 발효산물의 생산 방법 및 장치에 관한 것이며, 보다 상세하게는 배양된 미세조류에 지질추출용매를 접촉하여 미세조류로부터 지질을 분획하여 바이오디젤을 생산하고, 또한 분획된 미세조류를 재배양하거나 에탄올, 부탄올 및 유기산과 같은 발효산물의 생산에 사용함으로써, 바이오디젤과 발효산물을 동시에 생산하고 이산화탄소를 저감할 수 있는 방법 및 장치에 관한 것이다.
20세기의 급격한 인구증가와 산업발전으로 인해 화석연료의 사용이 급속도로 증가함으로써, 에너지의 수급에 균형이 무너지는 에너지 부족문제가 점차 현실화되고 있고, 세계적으로 석탄 및 석유자원이 점차 고갈되어감에 따라 대체에너지의 개발에 대한 관심이 증가하고 있으며, 그 중에 재배를 통하여 대량으로 얻을 수 있는 천연자원 및 폐기름을 재활용하여 에너지원으로 이용하고자 하는 연구가 최근 새로운 관심을 끌고 있다.
고유가와 환경규제 위협에 가장 직접적인 영향을 받고 있는 화학산업은 화석원료에 대한 의존도를 줄이고 에너지효율 개선 및 환경친화형 산업구조로 변화하는 것이 21세기 화학산업으로서 거스를 수 없는 새로운 방향이라는데 이견이 없다.
화학산업의 세계적인 흐름의 하나로서 최근에 괄목할만한 움직임은 식물, 해조류, 유기성폐기물 등 바이오매스 자원을 이용한 바이오화학 산업의 성장이다. 바이오매스를 이용한 바이오화학 기술은 바이오매스를 효소나 미생물 등 생촉매를 이용한 생물공학적 전환기술이나 화학촉매나 열분해 등의 물리 화학적 전환을 이용한 전환기술을 통해 바이오연료나 바이오기반 화학제품을 생산하는 기술을 의미한다.
바이오매스는 이산화탄소 배출에 중립적이고 재생가능한 유일한 탄소자원이기 때문에 바이오화학 기술은 화석원료에 기반을 둔 화학산업의 원유 의존도를 줄일 수 있고 이산화탄소 배출을 감축시킬 수 있는 친환경 화학기술로 부각되고 있다.
식물 원료를 이용한 바이오화학 기술과 이로부터 형성된 산업은 최근에 미국, 유럽, 일본, 브라질 등의 국가와 기업들을 중심으로 많은 투자와 산업화로 화학산업의 새로운 축으로 자리 잡기 시작하였다.
매년 지구상에서 생산되는 2,000억 톤의 광합성량의 90%가 해양에서 이루어지므로, 수중식물의 바이오매스는 전체 석유 매장량과 비슷한 규모인 것으로 추정되고 있다. 이런 바이오매스는 열화학적 · 생화학적 기술들이 적용된 가공공정(Bio refinery)을 적용함으로써 바이오 에너지 및 젖산과 같은 유기산으로 전환될 수 있고, 바이오 에너지는 공정에 따라 바이오에탄올과 바이오부탄올과 바이오디젤 등의 액체연료, 수소와 메탄 등의 기체연료 등으로 생산될 수 있으며, 경유를 대체할 수 있는 바이오디젤과 휘발유를 대체하는 바이오에탄올이 대표적이라 할 수 있다.
바이오디젤은 식물성 기름을 원료로 하여 제조한 무공해 연료인 지방산 메틸에스테르(fatty acid methyl ester)로서 순도가 95% 이상인 것이며, 경유와 비슷한 물성을 가지고 있기 때문에 경유를 주로 사용하는 디젤자동차의 경유 첨가제 또는 그 자체로 차량 연료로 사용된다.
바이오디젤은 고유가 시대에 대응하고, 기존 화석에너지 사용에서 오는 대기오염 및 온실가스를 감축시키는 환경개선 효과를 가지고 있다. 또한 바이오디젤은 재생 가능한 바이오매스에서 생산되므로 에너지자원의 고갈 문제가 없으며, 연료 사용에 의한 온난화의 문제가 되고 있는 이산화탄소는 바이오매스의 생산과정에서 회수되므로 이산화탄소의 순배출량이 매우 적다. 아울러 바이오디젤은 산소함유량이 높으므로(산소 10% 이상) 완전연소 비율이 높고, 발암물질인 입자상물질 등을 저감할 수 있으며, 특히 독성이 적고, 생분해도가 높아서 유출시 환경오염이 적다는 장점이 있다.
반면 바이오디젤은, 성분의 안정성이 떨어진다는 점, 장기 보관시 산소, 수분, 열 및 불순물 등의 노화현상이 나타난다는 점, 원료생산을 위해 사용되는 비료 및 살충제에 의한 장기적인 환경영향이 일어날 가능성, 원료수급이 원활하지 않을 가능성이 매우 높아 경제성이 낮아질 수 있다는 것이 단점으로 지적되고 있다.
에탄올은 화학적으로 합성 가능하지만 대부분 생물학적 방법을 통해 생산되고 있다. 생물학적방법은 바이오매스를 기질로 이용하여 효모(S. cerevisiae, S. uvarum 등)나 박테리아(bacteria)등의 미생물로 발효시켜 바이오에탄올을 생산한다. 전분을 원료로 하는 경우에는 산이나 전분분해효소인 아밀라아제(amylase)를 이용하여 먼저 전분을 포도당으로 전환하여 에탄올을 생성하게 된다.
바이오매스로부터 얻어진 바이오에탄올은 휘발유나 혼합연료(gasohol)의 형태, 산화물(ETBE, Ethyl Tertiary Buthyl Ether)의 혼합연료 혹은 수화에탄올(에탄올95% + 물 5%)로 기존의 내연기관에 거의 완벽하게 사용될 수 있고, 공연비(Air/Fuel ratio)를 낮게 유지할 수 있고, 증발잠열과 옥탄가가 높으며, 화염온도는 낮다는 등의 수송용 대체연로로서 아주 우수한 특성을 가지고 있다.
부탄올 발효는 에탄올과는 다르게 효모가 아닌 박테리아에 의해 이루어지며 바이오부탄올을 고농도로 생산하는 미생물은 Clostridium 속 미생물로서 특히 Clostridium acetobutylicum과 같은 미생물이 탄수화물을 혐기조건하에서 바이오부탄올로 전환시켜 생산한다.
대부분의 Clostridium 속 미생물의 경우 부탄올을 포함하여 유기용매 화합물의 농도가 20g/l를 상회하면 주요한 세포 대사활동이 정지된다고 알려져 있다. 이러한 저해현상에 대해 알려진 부탄올 내성 균주는 Clostridium beijerinckii NCIMB 8052가 있다. 부탄올 내성 균주 개발 외에 발효공정을 통하여 이를 해결하려는 시도도 꾸준히 진행되고 있다. 일반적으로 회분식(batch) 반응기를 이용한 공정은 오염 현상을 막을 수 있으며, 그 운전조작이 용이하여 주로 이용되고 있다.
바이오부탄올은 바이오에탄올과 같이 가솔린을 대체할 수 있는 연료물질로서 기존 가솔린과 매우 유사하여 최근 많은 각광을 받고 있다. 특히 에탄올연료에 비하여 탄소수가 2개 더 많기 때문에 더 높은 에너지밀도를 가지고 있으며, 특히 물과의 상호 용해되지 않아 에탄올에 비해 송유관과 같은 여러 가지 석유 화학 인프라에 대한 부식을 야기하지 않고 그대로 이용할 수 있다는 장점이 최근 크게 부각되고 있다. 또한 부탄올의 낮은 증기압으로 인해 연료의 RVP(Reid vapor pressure)를 증가시키지 않아 옥탄 향상제로서 정유공장의 높은 증기압을 가지는 값싼 부산물(예, butane)을 따듯한 여름철에도 사용이 가능하게 하여 연료의 경제성을 높여 준다.
수소를 에너지원으로 이용할 경우 물과 유기물질의 구성성분으로부터 제조될 수 있으므로 원료물질의 고갈 위험이 적고, 단위 중량당 에너지 밀도가 높은 고밀도 에너지(가솔린의 3배)이다.
수소생산 공정은 크게 화학적 생산, 및 생물학적 생산이 가능하며, 현재 상용화되어있는 수소 제조 기술이 주로 석유나 천연가스 등의 화석연료 수증기 개질 반응으로 제조되거나, 원유 정제공정 및 제철소 부생가스에서 분리하거나, 물을 전기분해 하는 등이다.
그러나 이러한 방법들은 주로 천연가스나 원유를 원료로 하는 것으로 대체에너지로서의 개발 목적에 부합하지 않는 기술 들이다. 따라서, 대체에너지로서의 수소생산은 궁극적으로는 미생물 등을 이용한 청정기술로서 물이나 유기성 폐자원을 이용한 환경친화적인 기술로 수소를 제조해야 한다.
미생물을 이용하여 수소를 생산하는 데는 녹조류가 광합성을 통해 물로부터 수소를 직접 생산하는 물분해 수소생산, 광합성에 의해 바이오매스를 기질로 혐기적 환경에서 수소생산하는 과정, Clostridium 및 Enterobacter와 E. coli 등이 참여하는 암조건에서 바이오매스를 발효하는 과정에서 수소 및 유기산을 생산하는 과정 등 크게 나눌 수 있다.
혐기발효는 절대 및 통성 혐기성 미생물에 의해 혐기성 환경에서 바이오매스를 수소와 유기산으로 전환시켜준다. 이 과정은 빛에 의존하지 않고, 광합성기작의 속도(0.04~0.21 L-H2·L-1·day-1)에 비해 수소 생산속도(1.6~26.9 L-H2·L-1·day-1)가 빠른 장점이 있다. 단점으로는, 유기물로부터 전환효율이 낮으나, 수소 생산속도가 빨라서 상용화에 가장 근접할 수 있는 기술로 평가된다. 생물학적 수소생산은 에너지를 생산하는 기술이며 동시에 환경 처리 기술이 될 수 있다. 미생물 배양에서 혐기발효를 통해 이론적으로 1 mol의 포도당으로부터 2~4 mol의 수소가 발생되지만 발효 중에 생성되는 유기산의 생산율, pH의 변화, 배지내의 유해 물질, 탄소원의 종류, 질소원의 종류 등은 수소 생산에 영향을 준다.
목재의 경우와 같이 셀룰로오스 이외에 헤미셀룰로오스나 리그닌이 많이 포함된 천연자원은 이들을 제거하는 공정이 필요하기 때문에 경제성에서 문제가 될 수 있으며, 이러한 문제점들을 해결하기 위한 다양한 연구와 새로운 천연자원을 찾기 위한 노력이 꾸준하게 진행되고 있는 가운데 최근 미세조류에 관심이 집중되고 있다.
바이오화학 산업에서 바이오화학제품 제조에 광범위하게 사용되거나 사용될 수 있는 기본화합물을 플랫폼 화학제품으로 분류할 수 있다. 비록 경제성이 관건이기는 하지만 기본적으로 모든 화학제품은 바이오매스의 생물/화학적 전환 기술을 이용하여 생산할 수 있다.
미래의 대체 화학물질 후보군 중에 이들 물질과 유도체들의 시장성과 합성방법의 기술적인 복잡성에 대해 검토한 후 생물학적이나 화학적인 변형을 통해 단당류 원료로부터 생산되어질 수 있는 기초 화합물이 12개의 최상 부가가치 화합물로 불리며, 바이오매스 유래 대체화학 원료로서 유기산이나 알콜류 화합물이다. 현재 바이오기술을 이용하여 생산되는 대체 화학원료는 아직까지 그 수가 많이 제한되어 있다.
12개 화합물 이외에도 에탄올과 2-Hydroxypropionic acid로 표시되는 젖산(Lactic acid)과 부탄올도 중요한 플랫폼 화학제품으로 활용될 수 있다. 에탄올과 부탄올은 바이오연료로서의 활용뿐만 아니라 화학제품 원료로서의 활용성을 갖고 있다. 대표적인 발효제품 중에 하나인 젖산의 경우에도 석유화학의 대표적인 기초화학제품인 프로필렌과의 가격 경쟁력을 확보할 수 있으면 화학제품 원료로서 활용이 가능하다.
젖산은 비록 미국 DOE의 12개 기초 화합물에는 포함되어 있지 않지만 바이오매스 유래 화합물중 가장 중요한 화합물 중에 하나이다. 젖산은 에스테르화, 탈수, 산화, 수소화 등에 의해 Lactide, Lactates, Acrylic acid, Pyruvic acid, 1,2-Propanediol 등의 다양한 화합물의 원료가 될 수 있다. 특히 락티드(Lactide)는 대표적인 바이오매스 유래 바이오플라스틱인 PLA(polylactic acid)의 단량체로서 매우 중요한 화합물이다. PLA는 화석원료 기반 PET(polyethylene terephthalate)와 비교할 때 이산화탄소 배출량은 44%, 에너지 소비량은 36% 감소한다고 알려져 있다. 생분해성 고분자 PLA는 2002년에 옥수수 전분으로부터 얻어진 젖산(lactic acid)을 사용하여 연산 14만톤 공장을 건설 후 가동 중이다. PLA 제품은 NatureWorks PLA 및 Ingeo fiber 상표명으로 패키징, 섬유 분야 등에 사용되고 있으며, 특히 세계 6대 주요 자동차 회사들이 2020년까지 모든 자동차용 플라스틱에 대한 환경친화적 플라스틱(sustainable plastic) 사용전략을 수립하여 자동차 소재의 메가트렌드로 PLA 수요가 급증할 것으로 예상된다. 그러나 PLA 제조공정이 까다롭고 가격 경쟁력 때문에 아직까지 NatureWorks의 PLA 제품 이외에 상업적인 제품이 나오지 않고 있고 수요에 비해 공급이 부족한 상황으로 알려져 있다. 2010년 젖산 및 PLA의 예상 시장은 3조원 이상으로 예상되고 있어 앞으로 생산 공장의 신증설이 이어질 것으로 전망된다.
수중식물의 대부분을 차지하는 미세조류는 오래 동안 의약품 및 건강식품 생산 목적으로 배양되어 왔으나 대단위 규모의 기타 상업적인 목적으로는 배양되지 않았다.
미세조류는 종에 따라 차이는 있지만 일반적으로 섬유질을 많이 포함하고 있는 세포벽과 다양한 당류를 포함하는 물질로 채워진 내부 추출물로 나눌 수 있다. 일부 종에 함유되어 있는 지질은 식물유와 매우 유사하여 이를 생물연료로 만드는데 아주 적합하다. 미세조류는 그 바이오매스에 대해 20~65% 지질, 10~40% 탄수화물 20~40%, 단백질 30-70%를 함유하고 있으며, 지질의 함량이 건조물의 80%까지 이르는 종도 있다.
미세조류의 섬유는 주로 셀룰로스로서 식물계 셀룰로스 섬유보다 상대적으로 일정한 지름을 가지기 때문에 식물성 셀룰로스의 단점으로 지적되고 있는, 하나의 섬유 내에서의 크기 불균형에 의한 복합재료 물성 변화에 대한 영향은 상대적으로 줄일 수 있다.
일반적으로 미세조류는 크기가 30 마이크론 이하이며, 조류의 특성상 배양시설 등과 같은 폐쇄된 생산 체계에서 자동으로 대량 배양이 가능하다. 최대의 생산을 위하여서는 적정 배양조건을 만들 수 있는 배양 체계가 매우 중요하다.
조류는 다른 작물과 토지나 공간에서 경쟁하지 않는 특성을 지니고 있으며(육상식물 생산 토지의 1-3%이면 충분), 성장률이 매우 빠르고(24시간에 2배 성장), 극한환경에서도 성장 가능한 것이 장점이다. 더욱더 미세조류에서 생산하는 생물연료 생산효율은 농업작물보다 훨씬 높다. 예를 들어 동일 토지면적인 경우 미세조류에 의한 생산성은 유체보다는 40배 그리고 콩보다는 100배나 더 크다.
미세조류는, 담수 또는 기수에서도 대량으로 배양될 수 있기 때문에 비옥한 토지 및 관계용수가 필요 없거나 최소화 할 수 있어 매우 희망적인 바이오매스이다. 또한, 미세조류는 온도와 번식에 이상적인 조건들을 인위적으로 조절하여 최대의 생산성을 달성할 수 있는 배양시설(bio-reactor)에서도 대량으로 번식시킬 수 있다.
발전소에서는 오염원이 되는 이산화탄소와 이산화질소는 미세조류의 번식에 필요한 영양물질이 된다. 따라서 발전소 등에서 배출되는 이산화탄소와 이산화질소를 조류 배양에 활용하면 이산화탄소와 이산화질소에 의한 오염을 아울러 방지할 수도 있다.
미세조류로부터 바이오디젤, 바이오에탄올, 바이오부탄올 및 유기산의 실험실 규모의 일반적인 추출법은, 미세조류의 배양 후 바이오디젤, 바이오에탄올 및 유기산의 정제를 위해 미세조류의 생장에 저해를 주는 과정인 원심분리, 여과 및 건조공정을 통해 최대한 수분을 제거한 다음 지질에 대해 선택성이 높은 용매로 추출하여 바이오디젤로 사용하거나, 적절한 효소 및 미생물을 이용하여 발효시켜 바이오에탄올이나 유기산(예, 젖산)을 생성한다.
그러나 이러한 지질 추출법은 탈수과정 및 추출과정에서 미세조류가 파괴되어 유용한 바이연료인 탄수화물, 세포내 단백질 등의 성분이 유출 및 소실되어 재배양을 하거나 바이오매스를 재사용하는데 어려움이 있으며, 대규모 배양시 복잡한 공정단계로 높은 운전비용 등의 문제점을 가지고 있다.
본 발명의 목적은, 미세조류를 배양하여 바이오디젤과 함께 에탄올, 부탄올, 과 유기산과 같은 유용 발효산물을 생산하는 방법과 장치를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 목적은, 배양한 미세조류에 지질추출용매를 효과적으로 적용하여 효과적으로 지질을 분획하여 바이오디젤을 생산하고, 또한 분획된 미세조류를 재배양하거나 에탄올, 부탄올 및 유기산을 포함한 각종 유용 발효산물의 생산에 사용함으로써, 바이오디젤 및 각종 발효산물을 동시에 생산하는 방법 및 장치를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 목적은, 기존의 복잡하고 비용이 많이 드는 생산(추출) 방법과는 달리, 미세조류의 연속배양 및 미세조류 배양액과 지질추출용매의 접촉을 개선(증가)하여 지질과 미세조류를 높은 회수율로 획득할 수 있고, 운전비용이 저렴하며, 분획된 지질로부터 바이오디젤을 생산하고 분획된 미세조류는 재배양하거나 에탄올, 부탄올 및 유기산과 같은 유용 발효산물의 생산에 사용함으로써, 미세조류의 배양을 통해 바이오디젤과 발효산물을 동시에 생산함과 아울러 이산화탄소를 저감할 수 있는 방법과 장치를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명에 따라 미세조류 배양에 의한 바이오디젤 및 발효산물 생산 방법이 제공된다.
본 발명에 따른 미세조류 배양에 의한 바이오디젤 및 발효산물 생산 방법은, 미세조류를 배양하는 과정; 상기 미세조류 배양액과 지질추출용매를 혼합하여 상기 지질추출용매를 상기 배양액에 접촉시킴으로써 상기 미세조류 배양액의 지질을 상기 지지추출용매에 용해시키고, 상기 지질이 상기 지질추출용매에 용해된 지질-용매와 미세조류를 분획하는 과정; 분획된 상기 미세조류의 일부를 재배양하는 과정; 분획된 상기 미세조류의 나머지를 에탄올, 부탄올 및 유기산 중 어느 하나로 발효하는 과정; 분획된 상기 지질-용매로부터 지질을 추출하는 과정; 추출된 상기 지질에서 바이오디젤을 추출하는 과정; 및 상기 발효과정의 발효산물로부터 에탄올, 부탄올 및 유기산 중에 어느 하나를 수득하는 과정; 을 포함한다.
선택적으로, 본 발명에 따른 미세조류 배양에 의한 바이오디젤 및 발효산물 생산 방법은, 미세조류를 배양하는 과정; 배양된 상기 미세조류 배양액과 지질추출용매를 혼합하여 상기 지질추출용매를 상기 배양액에 접촉시킴으로써 상기 배양액의 지질을 상기 지질추출용매에 용해시키고, 상기 지질이 상기 지질추출용매에 용해된 지질-용매와 미세조류를 분획하는 과정; 분획된 상기 미세조류의 일부를 재배양하는 과정; 분획된 상기 미세조류의 나머지를 에탄올, 부탄올 및 유기산 중 어느 하나로 발효하는 과정; 및 상기 발효과정의 발효산물로부터 에탄올, 부탄올 및 유기산 중 어느 하나를 수득하는 과정; 을 포함한다.
바람직하게, 본 발명의 방법에서, 상기 미세조류 배양액과 상기 지질추출용매를 혼합할 때, 상기 미세조류 배양액을 진동 분쇄하는 과정 및 혼합물을 교반하는 과정 중 적어도 하나의 과정을 더 실행하여, 상기 미세조류 배양액과 상기 지질추출용매의 접촉을 증가시킨다.
바람직하게, 상기 지질추출용매는 탄화수소 용매이다.
바람직하게, 본 발명에 따른 방법은, 상기 에탄올 발효과정에서 발생하는 수소를 수득하여 수소도 함께 생산할 수 있다.
본 발명에 따라 미세조류 배양에 의한 바이오디젤 및 발효산물 생산 장치가 제공된다.
본 발명에 따른 미세조류 배양에 의한 바이오디젤 및 발효산물 생산 장치는, 미세조류를 배양하는 배양조; 지질추출용매를 저장하는 용매조; 상기 배양조로부터의 미세조류 배양액과 상기 용매조로부터의 상기 지질추출용매를 혼합하는 혼합조; 상기 혼합조로부터의 혼합물을, 상기 미세조류 배양액의 지질이 상기 지질추출용매에 용해된 지질-용매와 상기 미세조류로 분획하는 분획조; 상기 분획조로부터의 분획된 상기 미세조류의 일부를 에탄올로 발효하는 발효조; 상기 분획조로부터의 분획된 상기 미세조류의 나머지를 상기 배양조로 순환하는 순환라인; 상기 분획조로부터의 분획된 상기 지질-용매로부터 지질을 추출하고, 상기 발효조의 발효산물로부터 에탄올을 추출하는 증류조; 및 상기 증류조로부터 추출된 지질로부터 바이오디젤을 생산하는 디젤생산조; 를 포함한다.
선택적으로, 본 발명의 장치는, 미세조류를 배양하는 배양조; 지질추출용매를 저장하는 용매조; 상기 배양조로부터의 미세조류 배양액과 상기 용매조로부터의 상기 지질추출용매를 혼합하는 혼합조; 상기 혼합조로부터의 혼합물을, 상기 미세조류 배양액의 지질이 상기 지질추출용매에 용해된 지질-용매와 상기 미세조류로 분획하는 분획조; 상기 분획조로부터의 분획된 상기 미세조류의 일부를 부탄올로 발효하는 발효조; 상기 분획조로부터의 분획된 상기 미세조류의 나머지를 상기 배양조로 순환하는 순환라인; 상기 분획조로부터의 분획된 상기 지질-용매로부터 지질을 추출하는 증류조; 상기 증류조로부터 추출된 지질로부터 바이오디젤을 생산하는 디젤생산조; 및 상기 발효조의 발효산물로부터 부탄올을 추출하는 부탄올생산조: 를 포함한다.
선택적으로, 본 발명의 장치는, 미세조류를 배양하는 배양조; 지질추출용매를 저장하는 용매조; 상기 배양조로부터의 미세조류 배양액과 상기 용매조로부터의 상기 지질추출용매를 혼합하는 혼합조; 상기 혼합조로부터의 혼합물을, 상기 미세조류 배양액의 지질이 상기 지질추출용매에 용해된 지질-용매와 상기 미세조류로 분획하는 분획조; 상기 분획조로부터의 분획된 상기 미세조류의 일부를 유기산으로 발효하는 발효조; 상기 분획조로부터의 분획된 상기 미세조류의 나머지를 상기 배양조로 순환하는 순환라인; 상기 분획조로부터의 분획된 상기 지질-용매로부터 지질을 추출하는 증류조; 상기 증류조로부터 추출된 지질로부터 바이오디젤을 생산하는 디젤생산조; 및 상기 발효조의 발효산물로부터 유기산을 침전시켜 유기산을 수득하는 침전조; 를 포함한다.
바람직하게, 본 발명의 장치는, 상기 배양조의 상기 미세조류 배양액과 상기 용매조의 지질추출용매를 상기 혼합조로 일정 유량 공급하는 제1 연동펌프; 및 상기 분획조에서 분획된 상기 미세조류의 일부는 상기 발효조로 이송하고, 상기 분획조로부터의 분획된 상기 미세조류의 나머지는 상기 순환라인을 통해 상기 배양조로 이송하는 제2 연동펌프를 포함한다.
바람직하게, 본 발명의 장치는, 상기 분획조에서 분획된 상기 지질-용매와 상기 발효조의 상기 발효산물을 상기 증류조로 이송하거나, 상기 분획조에서 분획된 상기 지질-용매를 상기 증류조로 이송하고 상기 발효조의 상기 발효산물을 상기 부탄올생산조로 이송하거나, 상기 분획조에서 분획된 상기 지질-용매를 상기 증류조로 이송하고 상기 발효조의 상기 발효산물을 상기 침전조로 이송하는 제3 연동펌프를 포함한다.
바람직하게, 상기 혼합조에는, 상기 미세조류 배양액과 상기 지질추출용매의 접촉을 증가시키도록, 상기 미세조류 배양액을 진동 분쇄하는 진동분쇄장치 및 상기 혼합물을 교반하는 교반장치 중 적어도 하나의 장치를 더 포함한다.
바람직하게, 상기 혼합조와 상기 분획조는 하나의 반응조로 통합할 수 있다.
본 발명에 따른 미세조류 배양에 의한 바이오디젤 및 발효산물 생산 방법 및 장치는, 미세조류를 배양하면서 지질과 미세조류를 분획하여 바이오디젤과 발효산물(에탄올, 부탄올, 유기산)을 수확함으로, 바이오디젤과 발효산물의 수확에 별도의 분리 전처리가 필요가 없어 경제성이 매우 높으며, 또한 미세조류를 이용하여 바이오디젤과 발효산물을 동시에 생산할 수 있어, 이들의 생산성을 극대화할 수 있으므로, 이산화탄소의 사용에 따른 온실가스 저감 및 대체에너지원의 개발이 가속화되리라 예상된다.
본 발명에 따른 방법 및 장치는, 미세조류 배양액과 지질추출용매의 효과적인 접촉을 통해 지질의 추출(생산)능력이 개선되고, 미세조류로부터 수확될 수 있는 풍부한 지질 에너지와 바이오매스의 수율을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 방법 및 장치는, 탈수과정이 필요한 종래 기술의 추출법과는 달리, 연동 펌프들을 이용하여 미세조류 배양액을 배양조와 분획조 사이에서 순환시키기 때문에, 운전비용이 저렴하고, 비교적 높은 지질 및 바이오매스의 회수율을 얻을 수 있고, 큰 손상을 받지 않은 상기 바이오매스로부터 에탄올과 유기산 등 각종 유용 발효산물을 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 방법 및 장치는, 세포를 파괴시키지 않는 상태로 바이오디젤 및 발효산물을 추출하므로, 세포내 다른 성분의 유실을 방지하여, 지질이 추출된 미세조류의 유용성을 향상시킬 수 있다.
도1은 본 발명에 따른 바이오디젤 및 발효산물 생산 방법이 적용되는 예시적인 장치의 블록도,
도2는 지질추출용매가 미세조류의 생존에 미치는 영향을 보여주는 그래프,
도3은 미세조류로부터 지질추출에 미치는 지질추출용매(알칸)와 진동분쇄의 효과를 보여주는 그래프,
도4는 본 발명에 의해 추출한 바이오디젤에 대한 GC-TOF-MS 분석 결과 그래프.
이하, 본 발명에 따른 미세조류 배양에 의한 바이오디젤 및 발효산물 생산 방법 및 장치를 보다 상세히 설명한다. 이하의 구체예는 본 발명을 예시적으로 설명하는 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 아니한다.
먼저, 도1을 참조하여 본 발명에 따른 바이오디젤 및 발효산물 생산 장치를 설명한다. 도1에 예시된 바와 같이, 본 발명에 따른 바이오디젤 및 발효산물 생산 장치(1)는, 배양조(10), 용매조(20), 혼합조(30), 분획조(40), 발효조(50), 순환라인(60), 증류조(70), 디젤생산조(80), 부탄올생산조(90) 및 침전조(100)를 포함한다.
상기 배양조(10)는 미세조류를 배양하는 장치이다. 배양조(10)는 미세조류를 포함한 미생물을 배양시키기에 적당한 시스템을 폭넓게 사용할 수 있다. 배양조(10)에는, 연못, 인공적인 노지 배양시설물, 바이오리액터(bioreactors), 플라스틱 백(plastic bags), 튜브(tubes), 발효조(fermentors), 쉐이크 플라스크(shake flasks), 공기압 리프트 칼럼(air lift columns) 등이 포함되며, 미생물을 발효할 수 있는 것이라면 그 형식에 제한이 없다.
상기 용매조(20)는 미세조류 배양액으로부터 지질을 추출하기 위한 지질추출용매를 저장 및 공급하는 장치이다.
상기 혼합조(30)는, 배양조(10)로부터의 미세조류 배양액과 용매조(20)로부터의 지질추출용매를 균일하게 혼합하는 장치이다. 혼합조(30)는 미세조류 배양액과 지질추출용매를 바람직하게 5:1비율로 혼합한다.
바람직하게, 혼합조(30)에 진동분쇄장치(31)를 장착하여 미세조류 배양액을 진동 분쇄할 수 있다. 진동분쇄장치(31)는, 초음파의 고에너지 공명 또는 음향 방사(acoustical radiation)로 배양액을 처리하는 것이다. 진동분쇄는 분자 집합체를 분리하거나 투과시키기 위해 분자집합체를 분쇄한다. 진동분쇄는 미세조류 배양액을 작은 입자로 만들어 미세조류가 더 많은 지질추출용매에 노출(접촉)되도록 하여 지질추출효율을 향상시킨다. 진동분쇄장치(31)와 함께 또는 진동분쇄장치(31)를 대신하여 미세조류 배양액과 지질추출용매의 혼합물을 교반하여 주는 교반장치(32)를 설치할 수 있으며, 교반장치(32)도 미세조류 배양액과 지질추출용매의 접촉을 증가시켜 지질추출효율을 향상시킨다.
상기 분획조(40)는, 혼합조(30)로부터의 혼합물을, 지질-용매(미세조류 배양액의 지질이 지질추출용매에 용해된 용액)와 미세조류로 분획하기 위한 장치이다.
도1에 도시된 구체예에 있어서는, 혼합조(30)와 분획조(40)를 별도의 분리된 장치로 구축한 예를 도시하였지만, 점선으로 표시된 바와 같이 혼합조(30)와 분획조(40)를 그 기능이 통합된 하나의 반응조(110)로 통합 구성하는 것도 가능하다.
상기 발효조(50)는, 분획조(40)로부터의 분획된 미세조류 일부를 에탄올, 부탄올 또는 유기산(젖산)으로 발효하는 장치이다.
상기 발효조(50)는, 본 발명의 장치(1)가 에탄올 생산을 위해 구축된 경우 에탄올 발효조이고, 부탄올 생산을 위해 구축된 경우 부탄올 발효조이며, 유기산 생산을 위해 구축된 경우 유기산 발효조이다.
상기 순환라인(60)은, 분획조(40)로부터의 분획된 미세조류 중에 발효조(50)로 투입되지 않은 나머지의 미세조류를 배양조(10)로 다시 순환하는 라인이다.
상기 증류조(70)는, 분획조(40)로부터의 분획된 지질-용매로부터 지질을 추출하고, 발효조(50)로부터의 에탄올 발효산물에서 에탄올을 추출하는 장치이다.
상기 디젤생산조(80)는, 증류조(70)로부터 추출된 지질로부터 바이오디젤을 생산하는 장치이다.
상기 부탄올생산조(90)는 상기 발효조(50)로부터의 부탄올 발효산물에서 부탄올을 추출하는 장치이다.
상기 침전조(100)는 상기 발효조(50)로부터의 유기산(젖산) 발효산물에서 유기산(젖산)을 침전시켜 수득하는 장치이다.
본 발명에 따른 장치(1)에서, 바람직하게 배양조(10)의 미세조류 배양액과 용매조(20)의 지질추출용매는 제1 연동펌프(2)를 통해 일정한 유량으로 혼합조(30)로 이송된다.
이를 위해, 배양조(10)로부터의 라인과 용매조(20)로부터의 라인은 각각 제1 연동펌프(2)에 연결되고, 제1 연동펌프(2)로부터의 라인은 혼합조(30)에 연결되며, 혼합조(30)로부터의 라인은 분획조(40)에 연결된다.
상기 분획조(40)에서는 혼합조(30)로부터의 혼합물이 상층의 지질-용매(층), 중간의 물(층), 및 하층의 미세조류(층)로 분획되고, 하층의 미세조류(층)는 제2 연동펌프(3)를 통해 일부는 발효조(50)로 이송되어 발효 미생물에 의해 에탄올, 부탄올 또는 젖산과 같은 유기산으로 발효되고, 분획된 나머지의 미세조류는 순환라인(60)을 통해 배양조(10)로 재순환하여 배양됨으로써 다시 지질이 축적되도록 한다.
이를 위해, 분획조(40)로부터의 라인은 제2 연동펌프(3)에 연결되고, 제2 연동펌프(3)로부터의 라인은 발효조(50)로 연결되는 한편, 순환라인(60)은 제2 연동펌프(3)와 배양조(10) 사이에 연결된다.
바람직하게, 분획조(40)에서 분획된 지질-용매(층)는 제3 연동펌프(4)에 의해 증류조(70)로 이송되어 지질이 추출되고, 아울러 발효조(50)의 발효산물도 제3 연동펌프(4)에 의해 증류조(70)로 이송되어 에탄올을 생산하게 된다.
이를 위해, 분획조(40)의 지질-용매(층)로부터의 라인은 제3 연동펌프(4)에 연결되고, 발효조(50)로부터의 라인도 제3 연동펌프(4)에 연결되며, 제3 연동펌프(4)로부터의 라인은 증류조(70)에 연결된다.
선택적으로, 분획조(40)에서 분획된 지질-용매(층)는 제3 연동펌프(4)에 의해 증류조(70)로 이송되어 지질이 추출되고, 아울러 발효조(50)의 발효산물은 제3 연동펌프(4)에 의해 부탄올생산조(90)로 이송되어 부탄올을 생산하거나 침전조(100)로 이송되어 젖산을 생산하게 된다.
이를 위해, 분획조(40)의 지질-용매(층)로부터의 라인과 증류조(70)로부터의 라인이 제3 연동펌프(4)에 연결되고, 발효조(50)로부터의 라인과 에탄올생산조(90) 또는 침전조(100)로부터의 라인도 제3 연동펌프(4)에 연결된다.
상기 증류조(70)로부터의 라인은 디젤생산조(80)에 연결되어, 증류조(70)에서 추출된 지질을 디젤생산조(80)로 이송한다.
이하, 도1 내지 도4를 참조하여 본 발명에 따른 바이오디젤 및 발효산물 생산 방법을 설명한다.
1. 미세조류 배양
배양조(10)에서 배양하는 미세조류로는, 규조류 스트레인, 클로로피케아, 남조류, Xanthophyceaei, 황색 편모 조강, 클로렐라, 크립테코디늄, Schizocytrium, 난노클로롭시스, 울케니아, 두날리엘라, 싸이클로텔라, 나비큘라, 니쯔키라, 싸이클로텔라, 페오닥틸륨속과 Thaustochytrids 등을 포함한다.
본 발명에서 Chlorella protothecoides를 이용할 수 있다. C. protothecoides는 대부분의 미세조류보다 10배 이상의 세포 밀도로 배양이 가능하여 바이오매스 확보 차원에 매우 적절하다. C. protothecoides는 종속영양상태인 이상적인 조건에서 최대 35 gfw/L의 수율로 바이오매스를 수확할 수 있으며, 바이오매스의 55%를 지질로 저장할 수 있다.
C. protothecoides는 글루코오스 또는 옥수수 감미료 가수분해물(CSH)에 종속 영양적으로 성장할 수 있다. 종속영양 성장은 지질 함량을 증가시키고, 태양 에너지에 대한 직접적 의존성을 감소시킬 수 있다. C. protothecoides로부터 생산된 바이오디젤의 에너지 밀도는 석유 기반 디젤과 실질적으로 동등하다. C. protothecoides로부터 생산된 바이오디젤의 냉각필터 플러그 온도(cold filter plugging temperature)는 디젤 연료보다 낮다. Chorella는 분자생물적인 방법으로 엔지니어링하기 용이하고 강화된 CO2로 대규모 포토바이오렉터에서 배양이 가능하다.
2. 미세조류로부터 지질추출에 사용하는 용매 및 초음파 조사
바이오디젤 생산에 관련된 주요 비용은 큰 부피의 배양액으로부터 바이오디젤를 수확하는 과정이다. 배양액으로부터 미세조류를 수확하고 건조한 후 파괴하여 지질을 추출하고 배양액을 다시 보충하는 과정을 포함하는 종래의 바이오디젤 생산 방법에서 이런 과정에 소요되는 비용이 전체 비용의 40-60%를 차지한다. 또한 종래의 방법은 지질을 추출한 후 바이오매스가 파괴되어 지질을 제외한 다른 생체분자를 수확하기 어려운바, 본 발명은 비파괴적이고 저비용의 기술로서 이런 종래의 문제점을 완화 및 극복할 수 있도록 한다.
미세조류는 지질, 탄수화물 및 단백질가 주요한 성분이며, 지질 생산에 대해 높은 잠재력이 있으며, 다른 생체분자 또한 주요한 바이오에너지의 원료로 사용가능하다. 종속영양 상태로 배양할 경우 미세조류의 15-55%는 지질이다. 그리고 미세조류를 파괴하지 않고 지질을 수확할 수 있다면, 미세조류 바이오매스의 45-85%인 비지질 바이오매스(탄수화물 및 단백질)를 용이하게 수확하여 에탄올 또는 젖산 발효원료나 유용한 대사산물 추출재료 등으로 사용할 수 있다.
이런 이유로, 본 발명에 따른 바이오디젤 생산 방법은, 지질이 추출된 후 분획된 미세조류의 일부만을 에탄올, 부탄올 또는 유기산(젖산)의 발효에 사용하고, 나머지 미세조류는 순환하여 재배양한다.
본 발명에 사용하는 지질추출용매는, 지질에 대해 선택성이 높고, 생물학적으로 적합하여 세포 활성에 커다란 손실 없이 세포와 접촉할 수 있는 용매로서, 일반적으로 옥탄올 개수(log Poct, 옥탄올 물 분할 계수의 로그)가 5이상이다(Dodecmone은 이 규칙에서 예외이다). 옥탄올 개수 4-5인 용매 중에 헥산(hexane), 헵탄(heptane)은 세포에 유독하고, 칸올(decanol), 다이펜틸 에테르(dipentyl ether)는 세포에 무해하다.
본 발명에 적용할 수 있는 예시적인 지질추출용매로서는, 1,12-도데칸디오익 산 디에틸 에테르(1,12-dodecanedioic acid diethyl ether), n-헥산(n-hexane), n-헵탄(n-heptane), n-옥탄(n-0ctane), n-도데칸(n-dodecane), 초산 도데실(dodecyl acetate), 데칸(decane), 다이헥실 에테르(dihexyl ether), 이소파(isopar), 1-도데칸올(1-dodecanol), 1-옥탄올(1-octanol), butyoxyethoxyehteane, 3-옥타논(3-octanone), 고리형 파라핀(cyclic paraffins), 바솔(varsol), 이소파라핀(isoparaffins), 분지형의 알칸(branched alkane), 올레일 알코올(oleyl alcohol), dihecylether, 2-도데칸(2-dodecane) 등이 포함된다.
본 발명에 사용되는 지질추출용매는, C4-C16 탄화수소 1개 이상을 포함할 수 있고, C10, C11, C12, C13, C14, C15 또는 C16 개의 탄화수소를 포함할 수 있다.
진동분쇄장치(31)에 의한 세포 손상 없는 미생물에의 초음파조사는, 저주파에서 양-의존적(dose-dependent)이다. 주파수가 증가하면, 긴 조사시간에도 미생물이 생존한다. 세포 활성에 영향이 없고 지질의 추출을 최적화할 수 있는 주파수 법위(20 kHz ~ 1 MHz)에서 적절하게 세분된 주파수범위 및 다른 노출시간에 따른 강도를 결정하는 연구를 수행하여 다양한 다른 주파수, 강도와 노출되는 시간 등이 추출 효율에 영향을 줌을 알았다.
적정주파수 범위(20 kHz ~ 60 kHz)에서 다른 노출시간에 따른 이상적인 강도로 미세조류에 손상 없이 지질의 추출을 최적화하기 위해 이용될 수 있다. 즉, 주파수, 강도와 노출시간 등이 지질추출효율에 영향을 미친다. 세포 크기, 세포 형상, 세포벽 조성물 그리고 생리학적 상태가 세포와 초음파의 상호작용에 복합적으로 영향을 주기 때문에 이상적인 지질추출을 위해 20 kHz와 1 MHz, 20-100 kHz, 20-60 kHz, 30-50 kHz, 또는 40 kHz 등의 다양한 주파수 중 이상적인 주파수를 결정하여 사용할 수 있다. 지질추출용매와 진동분쇄의 적절한 조합으로, 거의 100% 지질(세포 총 지방산의 10%) 추출 효율을 달성할 수 있다.
진동분쇄 대신에 미세조류 배양액과 지질추출용액 혼합물을 교반할 경우에도 미세조류 배양액과 지질추출용매의 접촉을 증가(개선)시킴으로써, 진동분쇄와 같이 지질 추출효율을 향상시킬 수 있다. 물론 진동분쇄와 교반을 함께 실행하는 것도 가능하다.
3. 바이오디젤 생산
바이오디젤의 생산 방법은 크게 직접이용법, 초임계유체법, 전이에스테르화법으로 나뉜다. 직접이용법은 경유와 동식물성 기름을 직접 혼합한 것으로 시간이 지날수록 디젤의 점도가 높아져 운행에 방해가 된다. 초임계유체법은 반응속도가 빠르며 지방산, 글리세린 등은 모두 열분해 되어 부생물이 발생하지 않는다.
현재까지 보편적으로 사용되고 있는 방법인 전이에스테르화법은 촉매 존재 하에 트리글리세리드(triglyceride)와 알코올을 혼합하여 기름을 지방산에스테르와 글리세린으로 분해하는 방법으로서, 이때 분리된 지방산에스테르가 바이오디젤이 된다. 전이에스테르화법은 화학 촉매를 사용하는 화학법과 생촉매를 사용하는 효소법으로 나뉜다.
화학법은 촉매 비용이 싸고 단시간에 높은 전환율을 얻기 때문에 대부분의 공정에서 사용되어지고 있다. 일반적으로 산촉매(HCl, H2SO4 등) 또는 염기촉매(NaOH, KOH 등)를 사용하며, 산촉매는 유리지방산이 높은 폐유에 적합하나 공정의 부식, 고온·고압에 따른 에너지 소모가 크다는 단점을 가지고 있다. 염기촉매는 산촉매보다 반응속도가 빨라 많은 상용 공정에서 사용되고 있다. 효소법은 리파아제를 촉매로 사용하여 에스테르화를 하는 방법으로, 화학법에 비해 알코올 사용량이 적고 글리세린의 분리 정제 과정은 생략이 가능하다. 또한 기름에 포함된 지방산이 모두 에스테르화가 가능하며 생성물의 순도도 높은 편이다. 이러한 효소법의 단점을 보완하기 위해 다공성 중공사막에 방사선 그라프트 중합법을 이용하여 그라프트 체인을 형성하고 친수기의 음이온 교환기를 도입하여 효소의 활성도를 유지한다.
디젤생산조(80)에 적용되는 디젤반응기의 종류로는 공정에 따라 배치, 연속식 등이 있으며 형태에 따라 일반 촉매반응기, 환상반응기, 관상반응기 등이 있다. 식물지질을 이용한 비아오디젤 제조에서는 식물지질의 산도, 점도, 및 불포화지방산 함유량에 따른 공정의 최적화 및 통합화도 앞으로 연구 수행을 통해 개발의 필요성이 있다. 바람직하게, 본 발명의 구체예에서는 분획된 지질에서부터 화학적인 전이에스테르화법으로 바이오디젤을 추출한다.
4. 에탄올의 생산
일반적으로, 에탄올의 원료는 당질계(사탕수수, 사탕무 등), 전분질계(옥수수, 감자, 고구마 등), 목질계(나무, 볏짚, 폐지 등)가 있으며, 당질계의 경우 원료를 비교적 간단한 전처리 과정 후 이어지는 발효 공정을 통해 곧바로 에탄올로 전환이 가능하지만, 전분질계와 목질계의 경우에는 적절한 전처리 과정과 당화 공정을 거친 당화액을 이용한 발효 공정을 통해 에탄올을 제조할 수 있다.
본 발명에서는 혐기성 셀룰로오스 분해 세균인 클로스트리듐 파이토퍼멘탄스(Clostridium phytofermentans) 세포(아메리칸 타입 컬쳐 콜렉션 700394T)를 이용하여 분획된 미세조류를 직접 발효시켜(시료전처리, 당화과정 및 에탄올발효과정이 없이) 에탄올과 수소를 생산할 수 있다.
혐기성 셀룰로오스 분해 세균은 다양한 서식지(예, 토양, 침전물, 습지, 포유류의 장 등)에서 분리된다(Madden, et al., (1982) Int J Syst Bacteriol 32, 87-91; Madden;Murray et al., (1986) Syst Appl Microbiol 8, 181-184; He et al., (1991) Int J Syst Bacteriol 41, 306-309; Monserrate et al., (2001) Int J Syst Evol Microbiol 51, 123-132.).
대표적인 혐기성 셀룰로오스 분해세균인 클로스트리듐 파이토퍼멘탄스(Clostridium phytofermentans) 세포(아메리칸 타입 컬쳐 콜렉션 700394T)는 메사추세츠주(USA)에 있는 콰빈 저수지 근처 수목 지구의 간헐하천 바닥의 젖은 침니(slit)로부터 분리된 것이다.
일반적으로, 클로스트리듐 파이토퍼멘탄스 세포는 둥근 말단포자(직경이 0.9~1.5㎛)를 형성하는 길고, 얇고, 곧은 운동성 막대세포이다. 클로스트리듐 파이토퍼멘탄스 세포의 부가적인 특징은 Warnick et al., Int. J. Systematic and Evol. Microbiology, 52, 1155-1160 (2002)에 기재되어 있다.
클로스트리듐 파이토퍼멘탄스는 고효율로 넓은 스펙트럼의 물질을 연료로 발효시킬 수 있다. 유용하게, 폐기물, 예를 들면, 락토스, 폐휴지, 잎, 목초 베어낸 것, 및/또는 톱밥을 이용하여 연료를 제조할 수 있다(대한민국 공개특허 10-2008-0091257).
클로스트리듐 파이토퍼멘탄스는 단독으로 또는 효모 또는 진균(fungi)(예, 사카로마이세스 세레비시에(Saccharomyces cerevisiae), 피키아 스티피티스(Pichia stipitis), 트리코데르마 종(Trichoderma species), 아스페르질러스 종(Aspergillus species)) 또는 기타 박테리아(예, 자이모모모나스 모빌리스 (Zymommonas moblis), 클렙시엘라 옥시토카(Klebsiella oxytoca), 에스케리치아 콜리(Escherichia coli), 클로스트리듐 아세토부틸리쿰(Clostridium acetobutylicum), 클로스트리듐 베이제린크키이(Clostridium beijerinckii), 클로스트리듐 파피로솔벤스(Clostridium papyrosolvens), 클로스트리듐 셀룰로라이티쿰 (Clostridium cellulolyticum), 클로스트리듐 조수이(Clostridium josui), 클로스트리듐 테르미티디스(Clostridium termitidis), 클로스트리듐 셀룰로시(Clostridium cellulosi), 클로스트리듐 셀레레크레센스(Clostridium celerecrescens), 클로스트리듐 포풀레티(Clostridium populeti), 클로스트리듐 셀룰로보란스(Clostridium cellulovorans)) 등의 하나 이상의 다른 미생물과 조합하여 사용할 수 있다.
예를 들면, 셀룰로오스 분해 클로스트리듐(균주 C7)은 성장 기질로서 셀룰로오스를 함유하는 배지 중에서 자이모모나스 모빌리스와 공배양하여 성장시켰을 때, 에탄올 수율이 상기 클로스트리듐 단독 배양보다 2.5배 높다(Leschine and Canale-Parola, Current Microbiology, 11:129-136, 1984).
미생물 혼합물은 고체 혼합물(에, 동결건조 혼합물)로 또는 미생물의 액체 분산액으로 제공할 수 있으며, 클로스트리듐 파이토퍼멘탄스와 공배양하여 성장시키거나, 또는 클로스트리듐 파이토퍼멘탄스 첨가 전 또는 후에 또 다른 미생물을 첨가함으로써, 미생물들을 배양 배지에 순차적으로 첨가할 수도 있다.
5. 부탄올의 생산
셀룰로스성 바이오매스의 생물학적 전처리 및 당화는 산 또는 염기처리 등의 화학적 처리 또는 고압/고온의 물리적 처리 없이, 순수한 생물학적 처리에 의해 셀룰로스성 바이오매스를 당화시킴으로써 높은 공정효율 및 수율로 바이오 부탄올을 생산할 수 있다.
바이오부탄올 생산 공정은, (당화)전처리공정, 당화공정, 발효공정 및 정제공정으로 분류할 수 있다.
본 발명에서의 부탄올 발효는 당화공정 및 발효공정을 발효조(50)에서 동시에 수행하고 각 공정을 최적화함으로써 당화공정을 통해 얻어지는 글루코스 등의 당산물의 수율을 향상시킬 수 있다. 본 발명에서 셀룰로스성 바이오매스는 미세조류 같은 섬유소 작물에서 유래한 비 목질계 바이오매스이다.
통상적으로 당화공정은 산당화 공정과 생물학적인 당화 공정으로 나눌 수 있는바, 산당화의 경우에는 묽은 산 또는 농축된 산을 이용하여 셀룰로스와 헤미셀룰로스 구조를 파괴시켜 당의 형태로 전환시킬 수 있다.
생물학적인 당화 중 가장 보편적으로 사용하는 효소당화는 셀룰라제가 상기 셀룰로오스의 반응표면에 흡착하여 이를 분해함으로써 셀로바이오스(cellobiose)를 생성한다. 셀로바이오스는 환원성 이당류의 하나로, 화학식 C12H22O11인 무색 결정이며, 베타-글루코시다제(β-glucosidase)에 의해 가수분해되어 글루코스 2분자를 생성한다.
본 발명에서 효소당화는 담체에 고정한 베타-글루코시다제를 분획 및 이송된 미세조류 배양액에 적용함으로써 배양액의 바이오매스를 분해하여 글루코스를 생성되도록 할 수 있다.
바람직하게, 본 발명에서의 당화과정은 생물학적인 효소방법이 아닌 Clostridium thermocellum을 사용하여 미세조류의 헤미셀룰로오스 및 셀룰로오스를 당화시키는 방법을 적용할 수 있다(Biotechnology Letters Vol 7 No 7 509-514 (1985)).
부탄올 발효는 혐기성 미생물인 클로스트리듐 아세토부틸리쿰(Clostridium acetobutylicum), 클로스트리듐 사카로퍼부틸아세토니쿰(Clostridium saccharoperbutylacetonicum), 또는 클로스트리듐 베이제른키(Clostridium beijernckii)로 실행할 수 있다.
본 발명에서 부탄올발효는 Clostridium acetobutylicum을 사용하여 부탄올 발효할 수 있는 바, 이에 제한되는 것은 아니다.
생산된 부탄올을 배양액으로부터 분리하는 기술로서는, 투과증발(pervaporation), 추출(extraction), 증류(distillation), 탈기(gas stripping) 또는 흡착(adsorption) 등의 방법이 있다. 본 발명에서 부탄올의 분리는 소수성 이온성 액체를 이용하여 분리할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
6. 유기산(젖산)의 생산
젖산(2-hydroxypropanoic acid)은 미생물을 이용한 발효나 화학적인 합성에 의해서 생산된다. 젖산 발효균은 Carnobacterium, Enterococcus, Lactobacillus, Lactococcus, Leuconostoc, Oenococcus, Pediococcus, Streptococcus, Tetragenococcus, Vagococcus 및 Weissella 등을 있는바, 본 발명에서 단일균주(Lactobacillus brevis subsp. brevis)를 사용하여 혐기발효로 할 수 있다.
젖산은 식료품 첨가제나 다른 산업적 적용분야가 넓어서 연간 50,000 톤 가량 사용되고 있다. 젖산은 생분해성 고분자, 환경친화적인 용매, 식물생장조절제, 특수 화학물질의 중간체로써 사용가능성이 무한하다. 석유로부터 생산되는 합성 젖산은 생산단가가 낮지만, D(-)와 L(+)형이 함께 존재하기 때문에 PLA(polylactate)와 같은 생분해성 고분자를 만들기에는 부적합하다. PLA는 석유화학공업에 의해 유도되는 난분해성 플라스틱인 polyethylene, polystyrene, polypropylene의 대체물질로써 환경친화적인 생분해성 플라스틱일 뿐만 아니라 생체적합성을 지니고 있어 그 수요가 증가할 것으로 예상된다.
PLA와 같은 생분해성 고분자를 생산하기 위해서는 석유 화학적 합성공정에 의한 DL-젖산의 생산보다는 생물 공학적 발효에 의해 특이적으로 L(+)형 젖산만을 생합성할 수 있는 공정이 더 유효하다. 그러나, 발효공정으로 생산된 젖산은 발효액 내의 여러 가지 불순물들과 함께 존재하기 때문에 이들을 제거하기 위한 회수공정이 필요하게 된다. 또한, 젖산 생산공정 중 분리정제과정이 전체 생산비용의 50% 이상 차지하기 때문에 발효액으로부터 효율적인 회수공정이 젖산의 경제적 생산에 필수적이다. 분리 및 정제 방법으로는, 용매추출, 전기투석, 이온교환수지, 나노여과, 역삼투법 등이 있다.
본 발명에서 유기산 발효과정을 통하여 생성된 젖산염과 단백질 등의 불순물을 포함한 발효액에서 원심분리에 의해 미생물을 제거한 후, 침전조(100)에서 석회(Ca(OH)2)를 첨가하여 발효액에서 젖산을 칼슘염(Ca(LA)2) 형태로 침전시킨 후 회수하는 방법을 적용할 수 있다.
이하, 구체적인 실시예에 의해 본 발명에 따른 바이오디젤 및 발효산물 생산 방법의 예를 설명한다.
실시예 1. 미세조류의 배양
Chlorella protothecoides를 프로테오스 사면한천(proteose agar slant)에 유지하면서 본 발명에 사용하였다.
기본배지의 성분은 1 리터당 KH2P04(0.7g), K2HPO4(0.3g), MgSO4·7H2O( 0.3g), FeSO4·7H2O(3mg). 우레아(1g), Arnon's A Solution(1 ml), thiamine hvdrochloride(l0μg), pH 6.3.이었다. 배양은 5 % CO2, 20도, 15,000 lux 형광등에서 실행하였다.
Arnon's A5 용액의 조성은 리터당 H3BOS3(2.9 g), MnCl2·4H2O(1.8 g), ZnSO4·7H2O(0.22 g), CuSO4·5H2O(0.08 g), MoO3(0.018 g)이다.
Chlorella protothecoides의 종속영양 배양은 기본배지에서 0.1% 우레아 대신에 0.01% 우레아를 및 1.0% 포도당을 첨가하여 수행한다.
실시예 2. 미세조류에 미치는 지질추출용매의 효과
C. protothecoides 배양액에 C10 내지 C16 알칸(alkanes)의 지질추출용매를 5:1비율로 5분간 처리한 후, 분획된 C. protothecoides 용액 1 ml을 1/100,000배 희석하여 1.5% 아가 플레이트에 도말하여 형성된 콜로니를 계수하여 지질추출용매가 C. protothecoides의 생존에 미치는 영향을 평가하였으며, 그 결과는 도2와 같으며, 지질추출용매가 세포의 생존에 아무런 영향이 없었다.
실시예 3. 미세조류의 지질추출에 미치는 지질추출용매 및 초음파의 효과
C. protothecoides의 생장율이 로그구간에 있는 배양액과 헥산(hexane)과 데칸(decane) 용매(지질추출용매)를 5:1비율로 5분간 처리한 후, 수조에서 2초간 40 kHz로 진동 분쇄하였다.
지질추출용매로 추출된 지질은 비누화되었으며 유리 지방산을 C17를 표준으로 하여 LC-MS 분석하여 측정하였다. 그 결과는 도3과 같으며, 10%의 총세포 지방산이 5분간의 지질추출용매 혼합과 추가적인 2초간의 진동 분쇄로 추출되었다. 짧은 진동 분쇄가 지질추출 정도를 75% 정도 증가시켰다.
실시예 4. 미세조류 배양액-지질추출용매 혼합물의 분획
5L의 배양조(10)에서 교반속도, 150 rpm, 조도 15,000 lux 하에서 C. protothecoides를 로그구간까지 배양하였다. 배양한 미세조류 원액 혹은 농축한 배양액을 원료로 사용하였다. 미세조류 농축은 원심분리법이나 여과방법을 사용하였다. 배양조(10)의 미세조류 배양액과 용매조(20)의 데칸(decane) 용매(지질추출용매)를 혼합조(30)로 이송하되 5:1비율로 이송하고, 이들을 혼합하여 5분간 방치한 후 진동분쇄장치(31)로 2초간 40 kHz로 진동 분쇄하였다.
미세조류 배양액과 지질추출용매의 혼합물을 분획조(40)로 이송하여 60분간 분획하여, 지질-용매층, 물층 및 미세조류 바이오매스 층이 분획됨을 확인하였다.
이후 지질-용매층은 증류조(70)로, 미세조류층의 일부는 발효조(50)로 그리고 나머지는 순환라인(60)을 통해 배양조(10)로 이송하였다.
실시예 5. 분획된 미제조류 지질-용매층에서 미세조류 지질의 추출
증류조(70)로서 둥근 바닥형 플라스크가 부착된 Buchi 210/215 회전식 증발기(rotovapor)(스위스, Buchi사)를 사용하였다. 분획된 지질-용매층을 증류조(70)로 이송하여 둥근 바닥형 플라스크 안에 위치하게 하였다. 차가운 원수는 응축 장치로 유입되고 증류 플라스크의 오일 배스는 174℃에 세팅하였다.
증류가 시작했을 때, 가스 데칸(decane)이 기구를 통과하여 콘덴서에 유입되고 액체 상태로 수용 플라스크에 모였다. 증류가 종결될 때, 수용 플라스크에 회수된 데칸(decane)의 부피 및 증류 플라스크 내에 남겨진 미세조류 지질은 부피를 측정하고 C17를 표준으로 하여 LC-MS 분석하여 측정하였다. 회수된 데칸용매는 용매조(20)로 이송하여 재사용하였다.
실시예 6. 미세조류 지질에서 바이오디젤 추출
추출된 미세조류 지질을 디젤생산조(80: 교반기)에 이송하였다. 메탄올과 가성소다를 교반하여 메톡시드(methoxide)를 제조하고, 제조된 메톡시드를 교반기에 투입하고 교반하여, 추출된 미세조류 지질과 메톡시드를 반응시켜 바이오디젤과 글리세린 및 비누 고형성분을 형성하였다. 이들 생성물들을 원심분리기에 공급하여 원심 분리시키고, 각각의 비중 차이에 의해 상부에는 바이오디젤이 위치되고 하부에는 비중이 무거운 글리세린 및 비누 성분이 위치되게 상하 분리시켰다.
이와 같이 분리되어 하부에 위치된 글리세린과 비누 성분은 별도의 글리세린 저장탱크로 배출하였고, 상부에 위치된 바이오디젤과 바이오디젤 량의 2배 정도의 물을 교반기에 투입하여 교반시킴으로써, 바이오디젤 안에 포함되어 있는 글리세린과 비누성분 및 메탄올 성분이 물에 용해시키고, 이와 같이 교반된 용액을 다시 원심분리기에 투입하여 분리시킴으로써 물에 용해된 글리세린 등의 잡성분이 분리하였고, 이들 잡성분을 포함한 폐수용액은 별도의 배출라인을 통하여 글리세린 저장탱크로 배출하였으며, 최종적으로 히터장치인 증류기를 작동시켜 바이오디젤 속에 잔류하는 1~2% 정도의 물을 증발시켜 날려 보내는 증류공정을 실시하여 최종적으로 바이오디젤을 수확하였다.
수확한 바이오디젤에 대한 GC-TOF-MS(Gas Chromatography/Time of flight/Mass spectrometry; GC-6890N,. Agilent Technologies, USA) 분석을 한 결과는 도4와 같다.
실시예 7. 분획된 미세조류에서 에탄올 발효
도1의 장치(1)에서 발효조(50)로는 미생물발효기(INNO 200603, 이노바이오사, 한국)를 이용하여 구성하였다. 분획된 미세조류를 각각 제시된 양을 함유하는 GS-2 배지를 포함하는 배양관에서, 클로스트리듐 파이토퍼멘탄스를 증식시켰다.
GS-2 배지는 효모 추출물 6.0, 우레아 2.1, K2HPO4 2.9, KH2PO4 1.5, MOPS 10.0, 트리소디움 시트레이트 디하이드레이트 3.0, 시스테인 하이드로클로라이드 2.0(각각 g/L로 표시됨)을 포함한 것이었다. 배지의 초기 pH는 7.5 이고, 초기 클로스트리듐 파이토퍼멘탄스 농도는 0.8 ~ 1.1×107 세포/mL이고, 30℃의 N2 분위기 하에서 배양하였다.
분획된 미세조류의 발효 완료시 에탄올 농도를 결정하였다. 클로스트리듐 파이토퍼멘탄스는 에탄올 발효와 동시에 수소를 발생시켰다. 에탄올 농도는 RI 검출기가 장착된 HPLC (Breeze HPLC system, Waters Co., USA)를 사용하여 분석하였으며, 칼럼은 Aminex HPX-87H(3007.8㎜, Bio-rad)를 사용하였다. 초기 분획된 미세조류 농도가 10 g/L일 때, 에탄올의 농도는 0.23 ~ 0.26%(v/v) 이었다. 초기 분획된 미세조류 농도가 20g/L일 때, 에탄올의 농도는 0.42 ~ 0.54%(v/v)이었다. 초기 분획된 미세조류 농도가 40 g/L일 때, 에탄올의 농도는 0.92 ~ 1.20%(v/v)이었다. 에탄올 증류는 증류조(70)를 이용하여 수행하였다.
이런 결과는, 분획된 미세조류의 초기 농도가 증가함에 따라 에탄올의 농도가 증가하기 때문에, 더 높은 농도의 분획된 미세조류가 클로스트리듐 파이토퍼멘탄스의 작용을 저해하지 않음을 나타낸다. 결국, 클로스트리듐 파이토퍼멘탄스가 분획된 미세조류 공급 원료의 화학적 전처리 및 셀룰라제 또는 다른 효소의 첨가 없이, 이들 셀룰로스 공급원료를 에탄올로 발효시킴을 알 수 있다.
실시예 8. 에탄올의 추출
에탄올 발효로 생성된 발효산물을 증류조(70)로 이송하여 에탄올 증류하였다. 이때 에탄올의 증발이 이루어지도록 오일배스를 작동시켜 에탄올의 증발온도 이상으로 가열시킨다. 가열시 물의 증발온도보다 높을 경우 수분이 증발되어 에탄올과 섞여 에탄올의 농도가 저하될 수 있으므로, 기화온도는 섭씨 78.3∼85℃ 사이에서 형성시켜 일정시간동안 가열하며, 고농도의 에탄올을 기화시킨 후 별도의 에탄올저장탱크에서 응축하여 저장하였다.
실시예 9. 분획된 미세조류에서 부탄올 발효
도1의 장치(1)에서 발효조(50)로는 미생물발효기(INNO 200603, 이노바이오사, 한국)를 이용하여 구성하였다.
Clostridium thermocellum을 DSM 배지에서 온도 60℃, 혐기성조건, 150 rpm으로 교반하며 혐기배양하였다. 분획된 미세조류를 5L의 발효조(50)로 이송하고 상기 C. thermocellum 배양액(5%, v/v)을 접종한 후, 온도 60℃, 혐기성조건, 150 rpm으로 교반하며 3일간 배양하여 당화시켰다[Biotechnology Letters Vol 7 No 7 509-514 (1985)]. 접종한 후에, 상기 배양액에는 질소 기체를 주입하여 혐기성 조건을 유지하였다.
부탄올 발효를 위해 포자상태의 현탁액으로 있는 Clostridium acetobutylicum에 섭씨 80도에서 10분 동안 열을 가하였다. 그 후 배지 내에서 온도 37℃의 온도에서 혐기배양 하였다.
상기 발효조(50)에 상기 C. acetobutylicum 배양액(5%, v/v)을 접종한 후, 온도 37℃, 혐기성조건, 180 rpm 교반하면서 혐기성 부탄올 발효를 하였다. 발효 과정 중에, 주기적으로 시료를 채취하여 미생물의 생장 및 부탄올 농도 분석을 수행하였다.
사용한 DSM 배지는 리터당 1.3 g의 (NH4)2SO4, 2.6 g의 MgCl2·6H2O, 1.43 g의 KH2PO4, 7.2 g의 K2HPO4·3H2O, 0.13 g의 CaCl2·6H2O, 1.1 mg의 FeSO4·7H2O, 6.0g의 sodium β-glycerophosphate, 4.5g의 이스트 추출물(yeast extract), 10g의 필터 페이퍼, 볼밀된 셀룰로스 또는 셀로바이오스, 0.25 g의 환원된 글루타티온 및 1 mg의 레사주린(resazurin)을 포함하였다. pH는 1 M HCl 혹은 1 M NaOH으로 5.0에서 8.0까지 조정하였다.
C. acetobutylicum 배양 배지는 0.75 g의 KH2PO4, 0.75 g의 K2HPO4, 0.4 g의 MgSO4·H2O, 0.01 g의 MnSO4·H2O, 0.01 g의 FeSO4·7H2O, 0.5 g의 시스테인, 5 g의 이스트 추출물, 2 g의 아스파라긴·H2O, 2 g의 (NH4)2SO4을 포함했다. 상기 연속 공정 후 미생물이 생산한 아세톤, 부탄올 및 에탄올은 FID(Flame Ionization Detector)가 장착된 가스크로마토그래피 (Agilent technology 6890N Network GC system)를 이용하여 정량하였으며, 컬럼은 HP-INNOWAX (30 cm 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. 발효액에는 부탄올 13 g/L, 아세톤 8 g/L, 에탄올 0.5g/L 이 함유되었다.
실시예 10. 부탄올의 추출
상기 부탄올, 아세톤 및 에탄올을 함유한 배양액을 부탄올생산조(90)로 이송하여, 이온성 액체인 BMIM-TFSI[1-부틸-3-메틸 이미다졸리움 비스(트리플루오로메틸설포닐) 이미드[1-butyl-3-methyl imidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl) imide, 및 BMIM-PF6[1-부틸-3-메틸 이미다졸리움 헥사플루오로포스페이트[1-butyl-3-methyl imidazolium hexafluorophosphate]를 이용하여 부탄올을 추출하였다. 상기 발효조(50)에 있는 발효액을 부탄올생산조(90)로 이송하여 발효액에 BMIM-TFSI(시그마 알드리치, 미국) 동량으로 혼합한 혼합액, 및 상기 발효액 동량으로 BMIM-PF6(시그마 알드리치, 미국)을 혼합한 혼합액을 각각 볼텍싱하여 부탄올을 추출하였다. 이때 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.
실시예 11. 분획된 미세조류에서 유기산 발효
도1의 장치(1)에서 발효조(50)로는 미생물발효기(INNO 200603, 이노바이오 사, 한국)를 이용하여 구성하였다. 젖산발효균주인 Lactobacillus brevis subsp. brevis)는 PYG 배양액(배지조성은 1 리터당 펩톤 20.0g, 포도당 5.0g, 이스트파우터 10.0g, NaCl 0.08g, Cysteine hydrochloride 0.5g, Calcium chloride 0.008g, MgSO4 0.008g, K2HPO4 0.04g, KH2PO4 0.04g, Sodium bicarbonate 0.4g, pH 7.1-7.3)을 포함하는 배양기에서 증식시킨 후, 원심분리방법으로 수확하여 0.085% 식염수로 세척하였다. 이를 이송된 미세조류가 있는 발효조(50)에 접종하였다. 배지의 초기 pH는 7.2 이고, 초기 젖산발효균주 0.8 ~ 1.1×108 세포/mL이고, 30℃의 N2 가스를 주입하면서 배양하였다. 분획된 미세조류의 발효 완료시 유기산인 말산(malate), 젖산(lactate), 초산(acetate), 구산(citrate) 및 낙산(butyrate) 농도를 결정하였다.
유기산인 말산, 젖산, 초산 및 구산의 농도는 Platinum EPS C18 유기산 분석 컬럼 (250mm X 4.6mm, 5μm)이 있는 HPLC (HP placard, Japan)로 측정하였으며 pH 2.4에서 0.05 M KH2PO4로 하였다. 낙산은 CP 58 Wax (FFAP) (30cm X 0.25mm ID, 0.25μm) 컬럼을 사용하여 가스 크로마토크래프 (HP placard, Japan)로 분석하였다.
그 결과는 말산, 젖산, 초산, 구산 및 낙산이 각각 870.30+13.15, 746.16+8.91, 4,233.23+76.06, 318.04+47.75 및 1.99+1.99 mM의 농도로 있었다.
이런 결과는, 젖산발효균주가 분획된 미세조류 공급 원료의 화학적 전처리 및 셀룰라제 또는 다른 효소의 첨가없이, 이들 셀룰로스 공급원료를 젖산으로 발효시킴을 알 수 있다.
실시예 12. 젖산의 추출
상기 발효조(50)로부터의 발효액을 침전조(100)로 이송한 후에, 발효액에 Ca(OH)2를 첨가하여 pH10로 조정한 후 가열함으로써, 젖산칼슘(Ca-lactate)의 용해도를 증가시키고, 젖산균을 사멸시키고, 단백질을 응고시켰다. 이를 고온에서 여과하여 젖산칼슘으로 회수하고 냉각하여 젖산칼슘을 침전시켰다. 고온에서 젖산칼슘을 용해시킨 후, 황산을 처리하여 CaSO4가 침전되어 젖산을 회수하였다.
실시예 13. 분획된 미세조류의 재배양
미세조류 지질추출 후에 미세조류의 재배양을 수행하였다. 상기 실시예3에서 지질추출로 지질추출용매에 의해 저해를 받은 미세조류 배양액 10% (v/v)을 배양조로 이송하여 재배양한 결과, 비성장 속도가 0.028 h -1 로 나타났다. 배양조에서 일반적인 발효조 배양의 경우 비성장 속도가 약 0.033 h-1 인 것과 비교하면 동시 추출 후 균주의 재배양하는 것에는 문제가 없다는 결과를 얻었다.
1: 본 발명의 바이오디젤 생산 장치 2: 제1 연동펌프
3: 제2 연동펌프 4: 제3 연동펌프
10: 배양조 20: 용매조
30: 혼합조 31: 진동분쇄장치
32: 교반장치 40: 분획조
50: 발효조 60: 순환라인
70: 증류조 80: 디젤생산조
90: 부탄올생산조 100: 침전조
110: 반응조

Claims (13)

  1. 미세조류를 배양하는 과정;
    상기 미세조류 배양액과 지질추출용매를 혼합하여 상기 지질추출용매를 상기 배양액에 접촉시킴으로써 상기 미세조류 배양액의 지질을 상기 지지추출용매에 용해시키고, 상기 지질이 상기 지질추출용매에 용해된 지질-용매와 미세조류를 분획하는 과정;
    분획된 상기 미세조류의 일부를 재배양하는 과정;
    분획된 상기 미세조류의 나머지를 에탄올, 부탄올 및 유기산 중 어느 하나로 발효하는 과정;
    분획된 상기 지질-용매로부터 지질을 추출하는 과정;
    추출된 상기 지질에서 바이오디젤을 추출하는 과정; 및
    상기 발효과정의 발효산물로부터 에탄올, 부탄올 및 유기산 중에 어느 하나를 수득하는 과정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는, 미세조류 배양에 의한 바이오디젤 및 발효산물 생산 방법.
  2. 미세조류를 배양하는 과정;
    배양된 상기 미세조류 배양액과 지질추출용매를 혼합하여 상기 지질추출용매를 상기 배양액에 접촉시킴으로써 상기 배양액의 지질을 상기 지질추출용매에 용해시키고, 상기 지질이 상기 지질추출용매에 용해된 지질-용매와 미세조류를 분획하는 과정;
    분획된 상기 미세조류의 일부를 재배양하는 과정;
    분획된 상기 미세조류의 나머지를 에탄올, 부탄올 및 유기산 중 어느 하나로 발효하는 과정; 및
    상기 발효과정의 발효산물로부터 에탄올, 부탄올 및 유기산 중 어느 하나를 수득하는 과정;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는, 미세조류 배양에 의한 발효산물 생산 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 미세조류 배양액과 상기 지질추출용매를 혼합할 때, 상기 미세조류 배양액을 진동 분쇄하는 과정 및 혼합물을 교반하는 과정 중 적어도 하나의 과정을 더 실행하여, 상기 미세조류 배양액과 상기 지질추출용매의 접촉을 증가시키는 것을 특징으로 하는, 미세조류 배양에 의한 바이오디젤 및 발효산물 생산 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 지질추출용매는 탄화수소 용매인 것을 특징으로 하는, 미세조류 배양에 의한 바이오디젤 및 발효산물 생산 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 에탄올 발효과정에서 발생하는 수소를 수득하여 수소도 함께 생산하는 것을 특징으로 하는, 미세조류 배양에 의한 바이오디젤 및 발효산물 생산 방법.
  6. 미세조류를 배양하는 배양조(10);
    지질추출용매를 저장하는 용매조(20);
    상기 배양조(10)로부터의 미세조류 배양액과 상기 용매조(20)로부터의 상기 지질추출용매를 혼합하는 혼합조(30);
    상기 혼합조(30)로부터의 혼합물을, 상기 미세조류 배양액의 지질이 상기 지질추출용매에 용해된 지질-용매와 상기 미세조류로 분획하는 분획조(40);
    상기 분획조(40)로부터의 분획된 상기 미세조류의 일부를 에탄올로 발효하는 발효조(50);
    상기 분획조(40)로부터의 분획된 상기 미세조류의 나머지를 상기 배양조(10)로 순환하는 순환라인(60);
    상기 분획조(40)로부터의 분획된 상기 지질-용매로부터 지질을 추출하고, 상기 발효조(50)의 발효산물로부터 에탄올을 추출하는 증류조(70); 및
    상기 증류조(70)로부터 추출된 지질로부터 바이오디젤을 생산하는 디젤생산조(80);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는, 미세조류 배양에 의한 바이오디젤 및 발효산물 생산 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 배양조(10)의 상기 미세조류 배양액과 상기 용매조(20)의 지질추출용매를 상기 혼합조(30)로 일정 유량 공급하는 제1 연동펌프(2);
    상기 분획조(40)에서 분획된 상기 미세조류의 일부는 상기 발효조(50)로 이송하고, 상기 분획조(40)로부터의 분획된 상기 미세조류의 나머지는 상기 순환라인(60)을 통해 상기 배양조(10)로 이송하는 제2 연동펌프(3); 및
    상기 분획조(40)에서 분획된 상기 지질-용매와 상기 발효조(50)의 상기 발효산물을 상기 증류조(70)로 이송하는 제3 연동펌프(4);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는, 미세조류 배양에 의한 바이오디젤 및 발효산물 생산 장치.
  8. 미세조류를 배양하는 배양조(10);
    지질추출용매를 저장하는 용매조(20);
    상기 배양조(10)로부터의 미세조류 배양액과 상기 용매조(20)로부터의 상기 지질추출용매를 혼합하는 혼합조(30);
    상기 혼합조(30)로부터의 혼합물을, 상기 미세조류 배양액의 지질이 상기 지질추출용매에 용해된 지질-용매와 상기 미세조류로 분획하는 분획조(40);
    상기 분획조(40)로부터의 분획된 상기 미세조류의 일부를 부탄올로 발효하는 발효조(50);
    상기 분획조(40)로부터의 분획된 상기 미세조류의 나머지를 상기 배양조(10)로 순환하는 순환라인(60);
    상기 분획조(40)로부터의 분획된 상기 지질-용매로부터 지질을 추출하는 증류조(70);
    상기 증류조(70)로부터 추출된 지질로부터 바이오디젤을 생산하는 디젤생산조(80); 및
    상기 발효조(50)의 발효산물로부터 부탄올을 추출하는 부탄올생산조(90);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는, 미세조류 배양에 의한 바이오디젤 및 발효산물 생산 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 배양조(10)의 상기 미세조류 배양액과 상기 용매조(20)의 지질추출용매를 상기 혼합조(30)로 일정 유량 공급하는 제1 연동펌프(2);
    상기 분획조(40)에서 분획된 상기 미세조류의 일부는 상기 발효조(50)로 이송하고, 상기 분획조(40)로부터의 분획된 상기 미세조류의 나머지는 상기 순환라인(60)을 통해 상기 배양조(10)로 이송하는 제2 연동펌프(3); 및
    상기 분획조(40)에서 분획된 상기 지질-용매를 상기 증류조(70)로 이송하고, 상기 발효조(50)의 상기 발효산물을 상기 부탄올생산조(90)로 이송하는 제3 연동펌프(4);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는, 미세조류 배양에 의한 바이오디젤 및 발효산물 생산 장치.
  10. 미세조류를 배양하는 배양조(10);
    지질추출용매를 저장하는 용매조(20);
    상기 배양조(10)로부터의 미세조류 배양액과 상기 용매조(20)로부터의 상기 지질추출용매를 혼합하는 혼합조(30);
    상기 혼합조(30)로부터의 혼합물을, 상기 미세조류 배양액의 지질이 상기 지질추출용매에 용해된 지질-용매와 상기 미세조류로 분획하는 분획조(40);
    상기 분획조(40)로부터의 분획된 상기 미세조류의 일부를 유기산으로 발효하는 발효조(50);
    상기 분획조(40)로부터의 분획된 상기 미세조류의 나머지를 상기 배양조(10)로 순환하는 순환라인(60);
    상기 분획조(40)로부터의 분획된 상기 지질-용매로부터 지질을 추출하는 증류조(70);
    상기 증류조(70)로부터 추출된 지질로부터 바이오디젤을 생산하는 디젤생산조(80); 및
    상기 발효조(50)의 발효산물로부터 유기산을 침전시켜 유기산을 수득하는 침전조(100);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는, 미세조류 배양에 의한 바이오디젤 및 발효산물 생산 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 배양조(10)의 상기 미세조류 배양액과 상기 용매조(20)의 지질추출용매를 상기 혼합조(30)로 일정 유량 공급하는 제1 연동펌프(2);
    상기 분획조(40)에서 분획된 상기 미세조류의 일부는 상기 발효조(50)로 이송하고, 상기 분획조(40)로부터의 분획된 상기 미세조류의 나머지는 상기 순환라인(60)을 통해 상기 배양조(10)로 이송하는 제2 연동펌프(3); 및
    상기 분획조(40)에서 분획된 상기 지질-용매를 상기 증류조(70)로 이송하고, 상기 발효조(50)의 상기 발효산물을 상기 침전조(100)로 이송하는 제3 연동펌프(4);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는, 미세조류 배양에 의한 바이오디젤 및 발효산물 생산 장치.
  12. 제6항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합조(30)에는, 상기 미세조류 배양액과 상기 지질추출용매의 접촉을 증가시키도록, 상기 미세조류 배양액을 진동 분쇄하는 진동분쇄장치(31) 및 상기 혼합물을 교반하는 교반장치(32) 중 적어도 하나의 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 미세조류 배양에 의한 바이오디젤 및 발효산물 생산 장치.
  13. 제6항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합조(30)와 상기 분획조(40)는 하나의 반응조(110)로 통합된 것을 특징으로 하는, 미세조류 배양에 의한 바이오디젤 및 발효산물 생산 장치.
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