KR20130124220A

KR20130124220A - 미생물을 이용한 건조과정이 없는 바이오디젤 제조방법

Info

Publication number: KR20130124220A
Application number: KR1020130049934A
Authority: KR
Inventors: 오희목; 나현준; 이재연; 김희식; 안치용
Original assignee: 한국생명공학연구원
Priority date: 2012-05-04
Filing date: 2013-05-03
Publication date: 2013-11-13
Also published as: US20140323755A1; CN103946343A; CN103946343B; KR101548043B1

Abstract

본 발명은 알코올이 지배적인 환경에서 건조 과정 및 지질 성분 추출 과정 없이 바이오디젤을 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 에스터교환(trasesterification)의 최적 조건을 수립하여 촉매가 없이도 효과적으로 바이오디젤을 제조할 수 있어, 공정의 축소로 제조 비용 및 시간이 절감되고 바이오디젤의 수득량은 증대시킨 바이오디젤 제조 방법을 제공한다.

Description

미생물을 이용한 건조과정이 없는 바이오디젤 제조방법{Preparation method of biodiesel using microorganism}

본 발명은 건조과정 및 지질 추출 과정 없이 지질성분의 추출 및 에스터교환(trasesterification) 반응을 동시에 일으켜 바이오디젤을 제조하는 방법에 관한 것이다.

바이오디젤은 식물성 기름을 원료로 하여 제조한 무공해 연료인 지방산 메틸에스테르(fatty acid methyl ester, FAME)로서 순도가 95% 이상인 것이며, 경유와 비슷한 물성을 가지고 있기 때문에 경유를 주로 사용하는 디젤 자동차의 경유 첨가제 또는 그 자체로 차량 연료로 사용된다.

바이오디젤은 기존 화석에너지 사용에서 오는 대기오염 및 온실가스를 감축시키는 환경개선 효과를 가지고 있다. 또한 바이오디젤은 재생 가능한 바이오매스에서 생산되므로 에너지자원의 고갈 문제가 없다. 지구 온난화를 야기하는 이산화탄소는 바이오매스의 생산과정에서 회수되므로 이산화탄소의 순배출량이 매우 적다. 아울러 바이오디젤은 산소함유량이 높으므로(산소 10% 이상) 완전 연소 비율이 높고, 발암 물질인 입자상 물질 등을 저감할 수 있으며, 특히 독성이 적고, 생분해도가 높아서 유출시 환경오염이 적다는 장점이 있다.

미세조류는 종에 따라 차이는 있지만 일반적으로 섬유질을 많이 포함하고 있는 세포벽과 다양한 내부 물질로 나눌 수 있다. 일부 종에 있는 지질은 식물유와 매우 유사하여 이를 생물연료로 만드는데 아주 적합하다. 미세조류는 그 바이오매스에 대해 지질 80% 이하, 탄수화물 20~40%, 단백질 30-70%를 함유하고 있으며, 지질의 함량이 건조물의 80%까지 이르는 종도 있다 ("미세조류 해양 바이오매스를 이용한 바이오디젤 생산 기술" KSBB journal 2010. 25: 109~115).

미세조류의 섬유는 주로 셀룰로스로서 식물계 셀룰로스 섬유보다 상대적으로 일정한 지름을 가지고 있다. 따라서 식물성 셀룰로오스의 단점으로 지적되고 있는, 하나의 섬유 내에서 셀룰오오스 크기 불균형에 의해 복합 재료의 물성에 변화를 주는 단점을 극복할 수 있다. 미세조류로부터 바이오디젤, 바이오에탄올, 바이오부탄올 및 유기산 등을 실험실 규모로 생산하는 일반적인 제조 방법은 다음과 같다. 먼저 미세조류를 배양한 후, 바이오디젤, 바이오에탄올 및 유기산의 정제를 위해, 원심분리, 여과 및 건조공정을 통해 미세조류 내 수분을 최대한 제거한 다음, 지질에 대한 선택성이 높은 용매로 지질을 추출하여 바이오디젤로 전환한다. 또는 미세조류를 적절한 효소 및 미생물을 이용하여 발효시켜 바이오에탄올이나 유기산(예, 젖산)을 생성한다.

바이오디젤 생산하는 공정에서는, 배양된 미세조류를 수확하여 건조 공정을 통해 미세조류 파우더를 획득한 뒤, 용매를 이용하여 상기 건조 파우더로부터 지질을 추출하고, 추출된 지질을 이용하여 알칼리 혹은 산촉매 전이에스테르화를 통하여 바이오디젤 (FAME, fatty acid methyl ether)을 생산하게 된다. 기존의 바이오디젤 전환 공정은 미세조류 수확 후 건조 공정과 지질추출 공정이 필수적으로존재하여 공정이 복잡하고 비용이 상승하는 문제점이 있다.

미세조류 이외에 식물성 기름이나 동물성 유지로부터 바이오디젤을 상업적 규모로 생산하는 방법이 있다. 이 방법 중 널리 보급된 방법은 가열한 지질 성분에 methoxide를 첨가한 후, 20 내지 60분 정도 반응시켜 FAME를 얻는 방법이다. 이 방법도 식물이나 동물로부터 일단 지질 성분을 분리해야 하기 때문에, FAME를 얻기 위해 두 단계 이상의 반응이 필요하다.

본 발명자들은 기존의 미생물을 건조하고 지질을 추출하여 에스터 교환 반응을 수행하는 공정을 수행할 때, 건조 및 지질 추출 단계를 제거하고도 상온 및 상압에서 바이오디젤의 생성이 증가하는 방법을 개발하였다. 또한 촉매가 없이도 효과적으로 에스터 교환 반응이 이루어질 수 있는 바이오디젤 제조방법을 개발함으로써, 바이오디젤 제조 공정을 단순화하였으며 비용을 크게 감소시켰다.

본 발명의 목적은 바이오디젤의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 촉매를 사용하지 않고 바이오디젤을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 다음 단계를 포함하는 바이오디젤의 제조방법을 제공한다:

1) 미생물을 배양한 뒤 배양물을 원심분리하여 펠릿(pellet)을 만드는 단계;

2) 상기 단계 1)의 펠릿에 알킬알콜을 첨가하여 에스터 교환(transesterification) 반응을 수행하는 단계; 및

3) 상기 단계 2)의 반응물로부터 FAME(fatty acid methyl ether)를 추출하는 단계를 포함하는 바이오디젤의 제조방법.

상기 단계 1)의 미생물은 미세조류(microalgae), 효모(yeast), 박테리아(bacteria) 및 진균류로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.

상기 단계 1)의 펠릿은 함수율이 80 중량% 내지 98 중량%일 수 있다.

상기 단계 2)의 알킬알콜은 펠릿의 건조중량 1 g에 대하여 10 내지 10000 ml로 첨가될 수 있다.

상기 단계 2)의 펠릿을 알킬알콜에 첨가한 뒤 혼합하여 분산시키는 단계를 추가적으로 포함할 수 있다.

상기 알킬알콜은 에탄올 또는 메탄올일 수 있다.

상기 단계 2)의 에스터 교환 반응을 수행하는 단계에 촉매를 추가로 첨가하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 촉매는 고체상 촉매일 수 있다.

상기 고체상 촉매는 알칼리 촉매, 금속산화물 또는 합금촉매일 수 있다.

상기 알칼리 촉매는 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화칼슘, 수산화마그네슘, 수산화알루미늄, 수산화바륨, 수산화소듐, 수산화철, 수산화리튬, 수산화아연, 수산화니켈, 수산화주석, 수산화바륨, 수산화코발트, 수산화크로뮴, 수산화암모늄, 수산화지르코늄, 수산화티타늄, 수산화탄탈륨, 수산화하프늄, 수산화니오븀, 수산화크롬 및 수산화바나듐중에서 선택된 하나 이상일 수 있으나 반드시 이로 제한되는 것은 아니다.

상기 금속산화물은 산화칼슘, 산화마그네슘, 산화스튜론튬, 산화바륨, 산화철 (2, 3), 산화알루미늄, 산화구리, 산화나트륨, 이산화규소, 산화티타늄, 산화주석, 산화아연, 산화지르코늄, 산화세륨, 산화리튬, 산화은 및 산화안티몬 중에서 선택된 하나 이상일 수 있으나, 반드시 이로 제한되는 것은 아니다.

상기 합금촉매는 메탄올 기반 fuel cell에서 촉매로 사용되는 합금촉매일 수 있으나, 반드시 이로 제한되는 것은 아니다.

상기 촉매는 펠릿 건조 중량 1 g에 대하여 0.01 내지 10 g으로 첨가될 수 있으나 반드시 이로 제한되는 것은 아니다.

상기 단계 2)의 에스터 교환(transesterification) 반응은 3 내지 85℃ 및 50 내지 350rpm에서 수행될 수 있으며, 폐쇄 반응 시스템(closed reaction system) 내에서의 압력값은 0.5 내지 1.5 bar일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다.

상기 단계 2)의 에스터 교환 반응 후에 전기자석을 이용하여 자성 금속 산화물을 회수하고 열처리하여 재생된 금속 촉매를 연속적으로 재사용하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.

본 발명의 바이오디젤 제조방법은 건조 및 지질 추출 과정이 제거되어 공정이 간소화되고도 높을 바이오디젤 수득률을 나타내었으며, 높은 바이오디젤 생산량을 나타내는 최적 반응 조건으로 무촉매로도 효과적인 바이오디젤 생산이 가능하므로 소요되는 비용을 크게 감소시킬 수 있다.

도 1은 자체 제작한 반응기를 나타낸 사진이다.
도 2는 바이오매스 상태, 촉매량 및 촉매 상태에 따른 바이오디젤 생성량 (mg/g) 및 (% of DCW)을 나타낸 그래프이다.
도 3은 촉매 종류에 따른 바이오디젤 생성량 (mg/g) 및 (% of DCW)을 나타낸 그래프이다.
도 4는 RSM을 이용하여 에스터 교환 반응에 영향을 주는 조건에 대해 최적 조건 분석을 수행한 그래프이다;
A: 촉매량 및 바이오매스양에 따른 바이오디젤(FAME)의 생성량;
B: 촉매량 및 온도에 따른 바이오디젤의 생성량;
C: 바이오매스-촉매 비율 및 온도에 따른 바이오디젤의 생성량;
D: 온도 및 바이오매스양에 따른 바이오디젤의 생성량; 및
E: 바이오매스-촉매 비율 및 바이오디젤의 생성량에 따른 비누화계수량.
도 5는 촉매량에 따른 바이오디젤 생성량 및 바이오디젤의 성분을 분석한 도이다.
도 6은 RSM(Response Surface Methodology)으로 도출한 최적 반응 조건을 효모 바이오매스에 적용하여 생성된 바이오디젤을 나타낸 그래프이다.

본 발명에서 사용되는 용어 "바이오매스(biomass)"는 에너지원으로 이용되는 생물을 의미한다.

본 발명에서 사용되는 용어 "FAME(지방산 메틸에스테르, fatty acid methyl ether)"은 바이오디젤의 주성분이며, 바이오디젤과 혼용하여 지칭된다.

본 발명에서 사용되는 용어 "웨트 바이오매스(wet biomass)"는 미생물을 배양한 후 건조 단계 없이 원심분리만을 수행하여 생성된 펠릿을 의미한다.

본 발명에서 사용되는 용어 "드라이 바이오매스(dry biomass)"는 미생물을 배양한 후 건조 단계를 거쳐 수분이 제거된 펠릿을 의미한다.

본 발명에서 사용되는 용어 "에스터 교환(transesterification)"은 미생물의 지질을 지방산 메틸에스터로 변환시키는 반응을 의미한다.

본 발명은

1) 미생물을 배양한 뒤 원심분리하여 펠릿(pellet)을 만드는 단계;

3) 상기 단계 2)의 반응물로부터 FAME(fatty acid methyl ether)를 추출하는 단계를 포함하는 바이오디젤의 제조방법을 제공한다.

상기 미생물은 광합성 미생물 또는 유지성 미생물(oleaginous microorganism)일 수 있으며, 지질 성분 및 구성이 상이한 조류(algae), 효모(yeast), 박테리아(bacteria) 및 진균류 등에 적용이 가능하여 다양한 생체내의 지질성분을 바이오디젤로 효과적으로 전환시킬 수 있다.

상기 조류는 미세조류(microalgae), 효모는 야로이야속(Yarrowia). 균류는 Aureobasidium pullulans 중에서 선택되는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.

상기 단계 1)의 펠릿은 함수율이 80 중량% 내지 98 중량%인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.

상기 원심분리는 3000 내지 5000 rpm에서 1 내지 10 분 동안 수행하는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.

상기 단계 2)의 알킬알콜은 펠릿(웨트 바이오매스)의 건조중량 1 g에 대하여 10 내지 10000ml로 첨가되는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 상기 웨트 바이오매스의 건조중량은 웨트 바이오매스를 DCW (dry cell weight)로 환산한 값이다.

상기 알킬알콜은 메탄올 또는 에탄올인 것이 바람직하며, 메탄올이 더욱 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.

상기 알킬알콜과 고체 촉매가 반응하여 methoxide, ethoxide 등과 같은 강한 염기를 형성하여 친핵성 교환(nucleophilic substitution)의 하나인 에스터 교환(transesterification)을 유도한다. 따라서 알코올이 지배적인 환경에서 알코올에서 proton을 제거하는 능력이 탁월한 고체촉매를 미생물과 in situ에서 반응시켜 고온에 의한 지질 성분의 추출과, 고체 촉매의 강한 염기 생성에 의한 에스터 교환을 동시에 수행할 수 있다.

상기 단계 2)의 펠릿을 알킬알콜에 첨가한 뒤 혼합하여 분산시키는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.

상기 촉매는 고체상 촉매인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.

고체 촉매를 사용하면, 액상 촉매 사용시 사용해야 하는 물이 첨가되지 않기 때문에, 미생물의 웨트 바이오매스 시료가 어느 정도의 수분함량을 가지더라도 비누화로 가는 지질이 적어진다. 따라서 종래의 액상 촉매를 이용하는 방법보다 높은 에스터 교환 수율을 나타낼 수 있다.

알킬알콜의 양이 바이오매스 또는 지질의 양보다 충분히 많을 때 에스터 교환의 경쟁 반응인 비누화(saponification)가 억제되므로, 알킬알콜 지배적인 환경으로 인해 비누화 반응을 최소화할 수 있다.

상기 촉매는 알칼리 촉매, 금속산화물 또는 합금촉매인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.

상기 알칼리 촉매는 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화칼슘, 수산화마그네슘, 수산화알루미늄, 수산화바륨, 수산화소듐, 수산화철, 수산화리튬, 수산화아연, 수산화니켈, 수산화주석, 수산화바륨, 수산화코발트, 수산화크로뮴, 수산화암모늄, 수산화지르코늄, 수산화티타늄, 수산화탄탈륨, 수산화하프늄, 수산화니오븀, 수산화크롬 및 수산화바나듐중에서 선택된 하나 이상인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.

수산화나트륨 및 수산화칼륨의 경우에는 알킬알콜 환경에서 methoxide (methanol)나 ethoxide (ethanol)를 잘 만들고, 산화칼슘의 경우는 다른 고체상 촉매보다 ethoxide를 잘 형성할 수 있다.

상기 금속산화물은 산화칼슘, 산화마그네슘, 산화스튜론튬, 산화바륨, 산화철 (2, 3), 산화알루미늄, 산화구리, 산화나트륨, 이산화규소, 산화티타늄, 산화주석, 산화아연, 산화지르코늄, 산화세륨, 산화리튬, 산화은 및 산화안티몬 중에서 선택된 하나 이상인 것이 바람직하다.

상기 합금촉매는 메탄올 기반 fuel cell에서 촉매로 사용되는 합금촉매인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.

상기 촉매는 펠릿의 건조중량 1 g에 대하여 0.01 내지 10 g으로 첨가되는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.

상기 단계 2)의 에스터 교환(transesterification) 반응은 4 내지 60℃ 및 50 내지 350rpm에서 수행하는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.

본 발명에 따른 바이오디젤 제조방법은, 촉매로 자성 금속 산화물을 첨가하였을 때, 에스터 교환 반응 후에 전기자석을 이용하여 금속 촉매를 회수하고 열처리하여 재생된 금속 촉매를 연속적으로 재사용하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 자성 금속산화물은 산화철(Fe₂O₃), Nb-Ti 합금 등일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

상기 단계 3)의 FAME(fatty acid methyl ether) 추출 단계는 이 기술분야에 공지된 다양한 추출방법을 이용할 수 있으며, 바람직하게는 유기 추출용매로 추출하고 FAME-용매를 분리하여 유기용매 필터로 FAME을 여과하는 과정을 거쳐 얻을 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 다만 하기의 실시예는 본 발명의 내용을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 이 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.

< 실시예 1> 건조 및 지질추출 공정이 없는 바이오디젤 제조방법

<1-1> 미세조류의 배양

본 발명자들은 바이오디젤로 이용되는 FAME(fatty acid methyl ether)을 제조하기 위한 미세조류 Chlorella vulgaris AG10032 (Biological Resource Center (BRC), Korea)를 BG11 배지 (Rippka, R., DeReuelles, J., Waterbury, J. B., Herdman, M. & Stanier, R. Y. (1979). Generic assignments, strain histories and properties of pure cultures of cyanobacteria. J Gen Microbiol 111, 1-61.)를 이용하여 7 L 발효기(jar fermentor)에서 0.1 v/v/m의 에어 공급과 120 μmol m^-2 s^-l의 광 조사 하에서 14일 동안 배양하였다. 배양된 미세조류의 건조중량(Dry cell weight)을 측정하였으며, 50 ml 코니칼 튜브를 이용하여 상기 배양된 미세조류 50 ml을 25℃에서 4000 rpm으로 5분 동안 원심분리하여 상등액을 제거한 펠릿 (건조중량 약 0.1 g) (웨트 바이오매스)을 얻었다.

<1-2> 에스터 교환( transesterification ) 반응

본 발명자들은 상기 실시예 <1-1>에서 얻은 0.1 g의 펠릿을 (웨트 바이오매스)를 건조 및 지질추출 과정 없이, 자체 주문 제작한 500 ml 이중자켓 반응조 (도 1)에 넣은 뒤 메탄올 100 ml와 표 1에 기재된 조건으로 촉매 (NaOH; sigma 제품)를 넣어 각각 상온 25℃에서 300 rpm으로 교반하여 60분 동안 반응하였다. 상기 주문 제작한 이중자켓 반응조는, 이중자켓 반응조 덮개에 콘덴서를 설치하여 물을 순환시켜줌으로써 내부 및 외부열 발생으로 인한 반응액의 손실을 막았다.

또한, 상기 웨트 바이오매스(wet biomass)의 대조군으로 상기 실시예 <1-1>에서 얻은 펠릿을 동결건조하여 수분을 완전히 제거하여 건조 공정을 추가한 건조상태의 드라이 바이오매스(dry biomass) 0.1 g을 500 ml 이중자켓 반응조에 넣은 뒤, 메탄올 100 ml와 표 1에 기재된 조건으로 상기 웨트 바이오매스와 같이 실험하였다.

바이오매스 상태	촉매형태	촉매 사용량 (g)	반응온도 (℃)	반응시간 (min)	교반속도 (rpm)
Dry	Solid pellet type NaOH	0.1	25	60	300
Wet	-	-	25	60	300
Wet	Solid, bead type NaOH	0.01	25	60	300
Wet	Solid, bead type NaOH	0.02	25	60	300
Wet	Solid, bead type NaOH	0.05	25	60	300
Wet	Solid, pellet type NaOH	0.1	25	60	300
Wet	Solid, pellet type NaOH	0.2	25	60	300
Wet	Solid, pellet type NaOH	0.5	25	60	300
Wet	Solid, pellet type NaOH	1	25	60	300
Wet	20N NaOH solution	0.1	25	60	300
Wet	22N NaOH solution	0.2	25	60	300
Wet	24N NaOH solution	0.5	25	60	300

^*wet: 함수율 82 내지 85 중량%.

<1-3> FAME 의 분석

본 발명자들은 상기 실시예 <1-2>에서 에스터 교환 반응이 끝난 반응액 25 ml를 취하여 코니칼튜브로 옮긴 뒤 Hexane 및 tert-butyl methyl ether를 1:1 부피비로 혼합한 추출 용매 10 ml를 첨가하여 반응액 내에 존재하는 FAME을 추출하였다. 추출한 FAME에 4N sodium hydroxide 용액 5 ml을 추가로 첨가하여 FAME-용매층과 층 분리를 유도하였다. 분리된 상등의 FAME-용매층으로부터 1 ml 취하여 PTFE(Polytetrafluoroethylene) 유기용매 필터를 이용하여 GC 바이알(vial)로 필터링하여 옮긴 뒤 C17 내부표준물질 (internal standard, Fluka 제품) 50 ㎕를 첨가하여 분석용 샘플을 만들었다. 바이오디젤 분석은 가스크로마토그래피 (Shimadzu GC-2010, Japan)를 이용하였으며, Rt-wax column (maximum temperature: 250℃) 과 FID detector(flame ionization detector, 최대온도: 300℃)을 사용하여 바이오디젤(FAME)을 검출하였다. 검출에 사용된 injection volume은 1 ㎕ 였고, 총 검출시간은 30 분으로 한정하였다. 바이오디젤 분석을 위한 표준 물질로서 Supelco의 FAME mix 18918(c8~c24)를 사용하였다. 각 샘플의의 피크 지점과 표준 물질의 피크지점을 상대 비교한 뒤, 반응조건에 따른 바이오디젤 값을 정량하였다.

그 결과, 표 1의 각 반응조건 (바이오매스의 상태(dry, wet), 촉매의 형태(solid, solution) 및 반응 온도)에 따른 바이오디젤 양은 드라이 바이오매스를 이용하여 반응시켰을 경우 30 mg/g ₍ _DCW ₎이하로 전체 반응조건 중에서 가장 낮았으며, 웨트 바이오매스를 이용하여 반응시켜 얻은 최대 바이오디젤 양(Solid, pellet type NaOH 0.1g 조건에서 180mg/g 검출)에 비해 1/6 수준으로 나타났다 (도 2). 이는 건조된 바이오매스 입자들이 서로 응집됨으로써 메탄올의 세포 내 침투를 저해하여 세포 내 지질 성분의 추출 효율이 급격하게 줄어들고, 메탄올과 수산화나트륨(sodium hydroxide)의 결합에 의해 생성된 반응 촉매인 메톡사이드나트륨 (sodium methoxide)과 지질 성분과의 반응 비율이 감소함으로써 바이오디젤 생성량이 줄어든 것으로 판단된다.

또한, 액체상의 수산화나트륨을 이용하였을 때 평균 79 mg/g₍ _DCW ₎의 바이오디젤 생성량을 나타내 고체상의 촉매를 이용하였을 때 평균 146 mg/g₍ _DCW ₎의 바이오디젤 생성량보다 약 2배 가량 낮게 나타나 고체상 촉매가 효율이 높았으며, 고체상 촉매의 양이 0.1 g일 때 바이오디젤 생성률이 가장 높았다 (도 2).

아울러, 촉매의 양이 일정 수준 (0.1 g) 이상이 되면 오히려 FAME의 생성량이 감소함을 확인할 수 있었다.

<1-4> 고체촉매의 종류에 따른 바이오디젤 생성량 비교

본 발명자들은 고체촉매의 종류에 따라 생성되는 바이오디젤의 생성량을 비교하였다.

구체적으로, 실시예 <1-1>에서 얻은 0.1 g의 펠릿을 (웨트 바이오매스)를 자체 주문 제작한 500 ml 이중자켓 반응조에 넣은 뒤 메탄올 100 ml와 표 2에 기재된 조건으로 NaOH 및 NaOH 몰비(NaOH 0.2g 당 바이오매스 0.5g)에 따른 금속산화물 (CaO, MgO, SrO 및 Fe₂O₃; sigma 제품)들을 각각 넣어 상온에서 1시간 동안 에스터 교환 반응을 수행한 뒤, 상기 실시예 <1-3>과 같은 방법으로 바이오디젤을 추출하여 그 생성량을 확인하였다.

그 결과, 고체촉매로 수산화나트륨 또는 칼슘을 사용하여 반응시켰을 경우 바이오디젤 양이 140mg/g ₍ _DCW ₎ 이상으로 가장 높았으며, 마그네슘, 스트론튬 또는 철을 이용하여 반응시켰을 경우 100mg/g ₍ _DCW ₎이하로 낮은 효율을 보였다 (도 3).

Sample상태	촉매종류	촉매 사용량 (g)	반응온도 (℃)	반응시간 (min)	교반속도 (rpm)
Wet	Solid, pellet type NaOH	0.1	25	60	300
Wet	Solid, pellet type CaO	0.14	25	60	300
Wet	Solid, pellet type MgO	0.1	25	60	300
Wet	Solid, pellet type SrO	0.26	25	60	300
Wet	Solid, pellet type Fe₂O₃	0.58	25	60	300

참고로, 실시예 <1-3>에 사용된 시료와 실시예 <1-4>에 사용된 시료는 서로 다른 시기에 배양된 것을 사용하였다. 바이오매스의 배양 상태에 따라 지질 함량이 달라질 수 있기 때문에 전환된 바이오디젤 값의 차이가 다소 존재하나 전환 효율에는 차이가 없었다.

< 실시예 2> 에스터 교환 최적화를 위한 RSM ( Response Surface Methodology ) 분석

본 발명자들은 펠릿을 미리 일정량의 메탄올에 넣은 뒤 교반하여 잘 분산시킨 다음 촉매량에 따른 in situ 에스터 교환 효율을 Minitab 14를 이용하여 반응표면분석(Response Surface Methodology, RSM) (G. Vicente et al. : Industrial Crops and Products 8 (1998) 29_35)을 수행하였다 (도 4).

그 결과, 촉매량, 바이오매스양 및 반응 온도에 따른 바이오디젤(fatty acid methyl ether, FAME)의 양을 추론할 수 있었으며, 4℃ 내지 70℃의 온도 범위에서 바이오디젤 생성량이 큰 차이가 없는 것을 확인하여 상온인 25℃에서도 반응이 잘 일어날 수 있음을 확인하였다. 또한 바이오매스양의 증가가 FAME 생성량에 유의한 영향을 주지 않음을 알 수 있었다 (도 4B 및 D). 그러나 촉매량에 따른 바이오디젤의 양은, 촉매량이 줄어들수록 FAME 수율이 증가하는 패턴을 보였다. 이는 촉매 사용 최적 조건을 확인하기 위한 RSM에 사용된 모델의 회귀분석 결과, 모델이 에스터 교환을 위한 최적 조건을 찾는데 적합하지 않았다. 이를 통해 바이오디젤 생성을 위한 최적 조건이 RSM 수행을 위해 만들어진 조건들 범위 밖에 존재함을 알 수 있었다. 상기의 두 가지 결과를 통해 무촉매 조건에서도 in-situ 에스터 교환이 일어날 수 있다는 가능성을 추론할 수 있었다.

< 실시예 3> RSM ( Response Surface Methodology ) 분석에 따른 촉매량에 따른 에스터 교환 확인

반응표면분석(Response Surface Methodology, RSM) 결과에 따라 메탄올에 분산시킨 바이오매스를 이용하여 촉매량에 따른 in situ 에스터 교환 효율을 확인하였다.

구체적으로, 상기 실시예 <1-1>에서 얻어진 펠릿 (웨트 바이오매스) 0.1g을 100 ml의 메탄올에 첨가하여 한 시간 동안 교반하여 미리 분산시켰다. 메탄올에 잘 분산된 바이오매스를 500 ml 이중자켓 반응기에 넣고 NaOH 0.00 g, 0.01 g, 0.02 g, 0.05 g, 0.10 g, 0.20 g, 0.50 g, 1.00 g, 2.00 g 및 3.00 g의 촉매를 각각 넣은 뒤 25℃ (상온)에서 300 rpm으로 교반하여 에스터 교환 반응을 수행하였다. 또한 에스터 반응 후에 FAME 생성량 및 종류를 확인하였다.

그 결과, RSM 분석 결과에서와 마찬가지로, 촉매량과 FAME의 생성량이 반비례하였으며, 촉매량 0.20 g 이하에서는 유사한 생성량을 나타내었고, 특히, 촉매량이 0 g인 무촉매에서도 높은 효율로 FAME이 생성됨을 확인하였다 (도 5).

참고로, 상기 실시예 <1-2>에서는 웨트 바이오매스와 메탄올 및 촉매를 첨가하여 반응시켰고 펠릿(웨트 바이오매스)을 메탄올에 분산시키는 반응은 수행하지 않았다. 본 실시예 <3-1>은 먼저 펠릿을 메탄올에 잘 분산시킨 다음 반응을 시킨 것이다. 일반적으로 wet biomass의 in-situ transesterification 반응에서 메탄올과 같은 용매 (동시에 반응물임)의 biomass 내로의 확산이 반응속도 및 효율을 결정하는 rate limiting 단계로 알려져 있다. 따라서, 본 실시예의 과정을 통해 펠릿에 메탄올이 잘 분산하면, 무촉매 하에서도 FAME이 높은 효율로 또한 빠르게 생성되는 것이라고 판단된다.

앞서 설명한 바와 같이, 건조된 바이오매스 입자들은 서로 응집되어 있기 때문에 메탄올의 세포 내 침투를 저해하여 세포 내 지질 성분의 추출 효율이 급격하게 줄어든다. 그러나 본 발명의 경우 wet biomass 대비 메탄올의 상대적 양이 높기 때문에, 세포 내 침투가 잘 이루어진다. 또한 웨트 바이오매스에 메탄올을 분산시키는 반응을 먼저 수행함으로써 세포 내 지질 성분의 추출이 더 잘 이루어지도록 한다.

< 실시예 4> RSM 분석을 통해 결정한 최적 반응 조건에서의 바이오디젤 생성 확인

본 발명의 바이오디젤 생산 공정의 다양한 미생물에서의 적용성을 확인하기 위하여, RSM 분석을 통해 얻은 반응조건으로 효모 바이오매스를 이용하여 에스터 교환 반응을 수행하였다.

구체적으로, 효모인 Yarrowia lipolytica (생물자원센터 (Biological Resource Center, BRC), Korea)를 YM 배지를 이용하여 2 L bottle에서 0.1 v/v/m의 에어 공급과 120 μmol m^-2 s^-l의 광 조사 하에서 14일 동안 배양하였다. 배양된 효모의 건조중량(Dry cell weight)을 측정하였으며, 50 ml 코니칼 튜브를 이용하여 상기 배양된 효모 배양액을 4000 rpm으로 5분 동안 원심분리한 후, 상등액을 제거한 펠릿 (함수율 82 내지 85 중량%)을 얻었으며, 상기 펠릿의 일부분(건조 중량 약 0.5 g)을 상온 (25℃)에서 300 rpm으로 60분 동안 에테르 교환 반응을 수행하였다. 그 후, 상기 실시예 <1-3>의 방법으로 바이오디젤 생성량을 확인하였다.

그 결과, 효모 바이오매스 0.5 g은 224. 82 mg/g의 FAME 생성량으로 단위 바이오매스의 22% 이상의 전환 효율을 나타내었다 (도 7).

따라서, 본 발명의 건조 및 지지 추출 단계가 생략된 공정이 미세조류 이외의 다양한 미생물 바이오매스에도 적용될 수 있음을 알 수 있었다.

Claims

1) 미생물을 배양한 뒤 원심분리하여 펠릿(pellet)을 만드는 단계;
2) 상기 단계 1)의 펠릿에 알킬알콜을 첨가하여 에스터 교환(transesterification) 반응을 수행하는 단계; 및
3) 상기 단계 2)의 반응물로부터 FAME(fatty acid methyl ether)를 추출하는 단계를 포함하는 바이오디젤의 제조방법.

제 1항에 있어서, 상기 단계 1)의 미생물은 미세조류(microalgae), 효모(yeast), 박테리아(bacteria) 및 진균류로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 바이오디젤의 제조방법.

제 1항에 있어서, 상기 단계 1)의 펠릿은 함수율이 80 중량% 내지 98 중량%인 것을 특징으로 하는 바이오디젤의 제조방법.

제1항에 있어서, 상기 단계 2)의 알킬알콜은 펠릿의 건조중량 1 g에 대하여 10 내지 10000ml로 첨가되는 것을 특징으로 하는 바이오디젤의 제조방법.

제1항에 있어서, 상기 단계 2)의 알킬알콜은 메탄올 또는 에탄올인 것을 특징으로 하는 바이오디젤의 제조방법.

제 1항에 있어서, 상기 단계 2)의 펠릿을 알킬알콜에 첨가한 뒤 혼합하여 분산시키는 단계를 추가적으로 포함하는 바이오디젤의 제조방법.

제 1항에 있어서, 상기 단계 2)의 에스터 교환 반응을 수행하는 단계에 촉매를 추가로 첨가하는 단계를 포함하는 바이오디젤의 제조방법.

제 7항에 있어서, 상기 촉매는 고체상 촉매인 것을 특징으로 하는 바이오디젤의 제조방법.

제 8항에 있어서, 상기 고체상 촉매는 알칼리 촉매, 금속산화물 또는 합금촉매인 것을 특징으로 하는 바이오디젤의 제조방법.

제 9항에 있어서, 상기 알칼리 촉매는 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화칼슘, 수산화마그네슘, 수산화알루미늄, 수산화바륨, 수산화소듐, 수산화철, 수산화리튬, 수산화아연, 수산화니켈, 수산화주석, 수산화바륨, 수산화코발트, 수산화크로뮴, 수산화암모늄, 수산화지르코늄, 수산화티타늄, 수산화탄탈륨, 수산화하프늄, 수산화니오븀, 수산화크롬 및 수산화바나듐중에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 바이오디젤의 제조방법.

제 9항에 있어서, 상기 금속산화물은 산화칼슘, 산화마그네슘, 산화스튜론튬, 산화바륨, 산화철 (2, 3), 산화알루미늄, 산화구리, 산화나트륨, 이산화규소, 산화티타늄, 산화주석, 산화아연, 산화지르코늄, 산화세륨, 산화리튬, 산화은 및 산화안티몬 중에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 바이오디젤의 제조방법.

제 7항에 있어서, 상기 촉매는 펠릿의 건조중량 1 g에 대하여 0.01 내지 10 g으로 첨가되는 것을 특징으로 하는 바이오디젤의 제조방법.

제 1항에 있어서, 상기 단계 2)의 에스터 교환(transesterification) 반응은 4 내지 60℃ 및 50 내지 350rpm에서 수행하는 것을 특징으로 하는 바이오디젤의 제조방법.

제 1항에 있어서, 상기 단계 2)의 에스터 교환 반응 후에 전기자석을 이용하여 자성 금속 산화물을 회수하고 열처리하여 재생된 금속 산화물을 연속적으로 재사용하는 단계를 추가로 포함하는 바이오디젤의 제조방법.