KR20150035678A

KR20150035678A - 습식 바이오매스로부터 고에너지 바이오디젤의 직접적인 생산 방법

Info

Publication number: KR20150035678A
Application number: KR20140097862A
Authority: KR
Inventors: 양지원; 박민성; 산쥬 미슈라; 서인상; 와싶 파루크
Original assignee: 재단법인 탄소순환형 차세대 바이오매스 생산전환 기술연구단
Priority date: 2013-09-25
Filing date: 2014-07-31
Publication date: 2015-04-07
Also published as: WO2015046736A1

Abstract

본 발명은 습식 바이오매스를 이용하여 별도의 지질 추출 과정 없이, 알코올 전처리 및 상기 전처리된 바이오매스에 알코올, 촉매 및 열을 가하여 바이오디젤을 직접적으로 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법은 지질 추출 공정이 없기 때문에 기존의 방법보다 비용 효율적이며, 지질을 분리하기 위한 용매 등이 사용되지 않고, 공정과정 중에 발생한 폐기물을 재사용할 수 있는 개선된 공정이므로 친환경적인 효과를 기대할 수 있다.

Description

습식 바이오매스로부터 고에너지 바이오디젤의 직접적인 생산 방법{Process for direct production of high energy biodiesel from wet biomass}

본 발명은 습식 바이오매스로부터 고에너지 바이오디젤의 직접적인 생산 방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 습식 바이오매스에 알코올을 첨가하여 전처리하는 단계; 및 상기 전처리된 바이오매스에 알코올 및 촉매를 가한 후, 가열하여 에스테르 교환 반응(transesterification)을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 지질을 추출하지 않고 습식 바이오매스로부터 바이오디젤을 직접적으로 제조하는 방법에 관한 것이다.

세계 평균 에너지 소비율보다 2~3배 높은 에너지 소비율을 가진 개발 도상국의 에너지 소비 때문에, 전 세계적으로 에너지 수요가 지속적으로 빠른 속도로 증가하고 있다. 에너지 정보청(EIA)의 2007년 보고서에 따르면, 2030년까지 현재와 비교해서 60% 더 높은 에너지 수요가 예측된다.

에너지의 주요 자원으로서 화석연료의 지속적인 소비는 한정된 자원의 고갈을 야기하고, 소비량에 비례하여 대기 중 이산화탄소의 양을 증가시켜 지구온난화 및 환경오염에 기여하기 때문에, 지속 불가능한 에너지 자원으로 널리 인식되고 있다. 따라서 에너지 자원으로서 화석연료들은 다음과 같은 요구 사항을 충족시키는 이상적인 대체 에너지원으로 교체되어야 한다: 탄소 중립적인 것, 에너지 중립적인 것, 지속가능한 것 및 경제적인 것.

지난 10년 동안, 대체 에너지의 주요 형태 중 하나인 바이오디젤(biodiesel)의 생산에 대해서 과학계가 많은 관심을 가졌다. 오늘날의 거의 모든 바이오디젤은 밀과 옥수수 같은 식용작물, 폐식용유 및 동물성 지방 등을 원료로 생산된다. 그러나, 이러한 것들은 궁극적인 지속 가능성 문제로 인해 화석연료에 대한 대체 에너지 역할을 할 수 없을 것으로 인식되고 있다. Daemon의 연구 논문(Deamon, 2007, Nature, 449:652-655) 및 Laurent의 연구 논문(Laurent et al., 2009, Environ. Sci. Technol. 43:6475-6481)에서 다루어졌듯이, '식량 대 연료'에 대한 논쟁이 제기되었고 식량 생산을 방해하지 않는 바이오매스 기반의 필요성이 강조되었다. 또한, 2011년 연구 논문(D.H.Lee et al., 2011, Biores. Technol. 102:43-49)에서는 연료 생산을 위해 재배되는 바이오매스의 경작지 부족 및 대체 장소의 필요성 문제가 제기되었다.

미세조류(Microalgae)는 물, 이산화탄소와 햇빛을 이용하여 광합성 성장이 가능한 단세포성 광합성 생물로서 식물플랑크톤으로도 불리우며 전 세계적으로 약 20만 내지 80만 종이 존재하는 것으로 추정되고 있다. 미세조류는 광합성만 가능하다면 황무지나 해안가, 바다 등 어디서든 배양할 수 있으며, 약 3~30㎛ 크기에 담수나 해수에서 서식하고 이산화탄소를 흡수하고 산소를 배출하며, 오일 등 유용물질을 함유하고 있다. 특히 미세조류는 광합성을 통해 양질의 식물성 오일을 생체 내에 축적하며, 단위면적당 오일 생산량이 종래의 바이오디젤 원료유를 얻기 위한 콩, 옥수수 등의 기존 식용작물에 비해 적게는 10배, 많게는 100배, 평균 약 50-100배 이상 높은 것이 특징이다. 또한, 미세조류는 육상식물에 비해 성장률이 빠르고, 대량으로 고농도 배양이 가능하며, 극한 환경에서도 성장이 가능한 장점을 가지고있다. 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.

하지만 미세조류 바이오디젤은 높은 가능성에도 불구하고, 바이오디젤 생산을 위해 미세조류를 사용할 경우, 탈수, 건조, 추출 및 가공의 엄청나게 높은 공정 비용이 문제가 된다. 또한, 미세조류는 모노글리세라이드(MAGs, monoglycerides), 다이글리세라이드(DAGs, diglycerides) 및 트리글리세라이드(TAGs, triglycerides)와 같은 중성 저장 지질, 인지질(phospholipids) 및 당지질(glycolipids)과 같은 극성 구조의 지질을 가지는데, 이러한 지질의 생화학적 조성 및 양이 수확 후, 건조 및 저장 기술에 의해 변경될 수 있다. 대부분의 미세조류는 수확 후 장기간 보관 시에 세포 호흡을 통해 저장된 지방을 소모하는 것으로 알려져 있고, 지질을 유리 지방산으로 분해시킬 수 있는 리파제(lipase)를 포함하고 있어, 실온에서 보관되는 동안 지질의 상당한 양이 손실되고 품질의 감소되는 문제가 있다. 따라서, 상기와 같은 이유 때문에, 미세조류의 습식 바이오매스는 이용가능 하자마자 처리되어야 하는 것이 필수적이다.

전통적으로 습식 바이오매스는 수확 후 건조되고, 연료로 변환되기 전에 지질을 먼저 추출한다. 지질 추출을 위해, 거친 셀룰로오스로 구성된 미세조류의 세포벽은 반드시 파괴해야 한다. 그 후에 물리적(냉압착, 프렌치 프레스, 균질화 및 캐비티 방법) 및 화학적(용매 추출) 방법들에 의해서 미세조류로부터 지질을 회수할 수 있다. 지질에 대한 용매 추출 공정은 일반적으로 클로로포름, 메탄올 및 물과 같은 염소 또는 중성 용제의 다른 조합을 사용하는 것으로 수행되며, 추출 이후에, 중성 지질은 헥산(hexane) 분획을 통해 얻을 수 있다. 대부분의 개별 방법은 지질의 높은 회수에 충분하지 않기 때문에, 효과적인 추출을 위해 이러한 방법들의 조합이 필요하다. 하지만, 건조 및 추출 단계들의 모든 것들은 에너지 집약적이고, 비용이 비싸며, 많은 용매를 사용하고, 여러 단계를 필요로 하는 과정이다.

아직까지 미세조류, 효모 또는 박테리아의 습식 바이오매스로부터 지방산 에스테르의 생산을 위해 공개된 비용 효율적인 공정이 없다. 본 발명은 이러한 기본적인 한계들을 모두 극복하고, 습식 바이오매스에서 지방산 에스테르를 생산하는 새롭고 단순화된, 비용 효율적인 공정을 개발하고자 하였다. 또한 소비된 폐기물, 특히 미생물 발효의 유기 영양분 또는 에탄올 생산을 위한 비료로서 활용될 수 있는 가수분해된 바이오매스와 같은 폐기물의 활용과 같은, 공정에 있어서 여러 다른 관련된 개선점들 또한 본 발명의 일부를 구성한다.

한편, 한국공개특허 제2013-0037516호에는 '착유 및 추출과정을 생략한 통합형 무촉매 연속식 바이오디젤 전환 공정'이 개시되어 있고, 한국등록특허 제1264543호에는 '미세조류로부터 바이오디젤용 원료유를 추출하는 방법 및 이를 이용한 바이오디젤 생산방법'이 개시되어 있으나, 본 발명의 습식 바이오매스로부터 고에너지 바이오디젤의 직접적인 생산공정에 대해서는 기재된 바가 없다.

본 발명은 상기와 같은 요구에 의해 도출된 것으로서, 본 발명자는 별도의 지질 추출 과정 없이, 수분 함량이 높은 미세조류에 알코올로 전처리를 하고, 상기 전처리된 미세조류에 다시 알코올 및 촉매를 처리하고 열을 가해 에스테르 교환 반응을 수행하여, 고에너지 바이오디젤인 지방산 에틸 에스테르를 생산하는 방법을 개발함으로써, 본 발명을 완성하였다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은

습식 바이오매스에 알코올을 첨가하여 전처리하는 단계; 및

상기 전처리된 바이오매스에 알코올 및 촉매를 가한 후, 가열하여 에스테르 교환 반응을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 지질을 추출하지 않고 습식 바이오매스로부터 바이오디젤을 직접적으로 생산하는 제조 방법을 제공한다.

본 발명은 수분 함량이 높은 바이오매스로부터 바이오디젤을 직접적으로 생산하는 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 방법은 미세조류를 사용하여 별도의 착유 및 추출 공정 없이 고에너지 바이오디젤을 만들어 내는데 효과적으로 적용할 수 있다. 또한, 본 발명의 방법은 지질 추출 공정이 없기 때문에 기존의 방법보다 비용 효율적이며, 지질을 분리하기 위한 클로로포름, 디클로로메탄 및 사염화탄소 등의 용매 등이 사용되지 않고, 공정과정 중에 발생한 폐기물을 재사용할 수 있는 개선된 공정이므로 친환경적인 효과를 기대할 수 있다.

도 1은 본 발명의 미세조류로부터 바이오디젤을 직접적으로 생산하는 제조방법의 공정도이다.
도 2는 알코올 전처리 조건 중 처리시간에 따른 바이오디젤(FAEE)의 생산량을 비교한 결과이다. FAEE; fatty acid ethyl ester
도 3은 알코올 전처리 처리 횟수별 바이오디젤의 생산량을 비교한 결과이다.
도 4는 알코올 전처리 조건 중 바이오매스에 대한 알코올 부피비에 따른 바이오디젤의 생산량을 비교한 결과이다.
도 5는 에스테르 교환 반응의 반응시간에 따른 바이오디젤의 생산량을 비교한 결과이다.
도 6은 에스테르 교환 반응시 온도별 바이오디젤의 생산량을 비교한 결과이다.
도 7은 에스테르 교환 반응에 사용된 촉매인 황산의 사용량에 따른 바이오디젤의 생산량을 비교한 결과이다.
도 8은 에스테르 교환 반응에 사용된 촉매인 앰벌리스트(amberlyst)의 사용량에 따른 바이오디젤의 생산량을 비교한 결과이다.
도 9는 앰벌리스트 촉매를 사용한 에스테르 교환 반응의 반응시간에 따른 바이오디젤의 생산량을 비교한 결과이다.
도 10은 본 발명의 공정 과정 중 조류내 지질의 분포를 세 종류의 미세조류 에틀리아, 난노클로롭시스 및 오란티오키트리움에서 확인한 결과이다. Lipid in residual biomass; 전환 후 남아있는 바이오매스, Alcohol fraction(pretreatment); 습식 바이오매스의 전처리 후 회수된 알코올, Alcohol fraction(conversion); 바이오매스, 산 및 열을 이용하여 에스테르 교환 반응을 수행한 알코올 분획.
도 11은 저급 알코올인 메탄올, 에탄올 및 부탄올을 이용하여 생성된 바이오디젤의 지방산 조성을 분석한 결과이다. MeOH, 메탄올; EtOH, 에탄올; BuOH, 부탄올; C16:0, 팔미트산(Palmitic acid); C16:1, 팔미톨레산(Palmitoleic acid); C18, 스테아르산(Stearic acid); C18:1, 올레산(Oleic acid); C18:2, 리놀레산(Linoleic acid); C18:3, 리놀렌산(Linolenic acid).
도 12는 본 발명의 재사용 에탄올의 바이오디젤 생산 효율을 분석한 결과로, 재사용 에탄올과 신선한 에탄올을 사용하여 바이오디젤을 생산하는 경우를 비교한 것이다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은

습식 바이오매스에 알코올을 첨가하여 전처리하는 단계; 및

상기 전처리된 바이오매스에 알코올 및 촉매를 가한 후, 가열하여 에스테르 교환 반응을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 지질을 추출하지 않고 습식 바이오매스로부터 직접 바이오디젤을 제조하는 방법을 제공한다.

본 발명의 일 구현 예에 따른 방법에서, 상기 습식 바이오매스는 지질을 함유하는 살아있는 미생물로 바이오디젤을 생산할 수 있는 원료이며, 미세조류, 효모, 곰팡이, 박테리아 또는 미생물 슬러리 등의 어떠한 유형일 수 있으며 담수나 해수의 생물 종일 수 있고, 바람직하게는 미세조류일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 미생물은 종속영양, 독립영양 또는 혼합영양의 방법으로 배양된 것일 수 있다.

상기 미세조류는 원심분리(centrifugation), 응집(flocculation), 바이오응집(bio-flocculation), 여과(filtration) 방법 등에 의해 수확할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

본 발명의 상기 미세조류는 에틀리아(Ettlia), 두날리엘라(Dunaliella), 클로렐라(Chlorella), 난노클로롭시스(Nannochloropsis), 고렌키니아(Golenkinia), 스피룰리나(Spirulina), 클라미도모나스(Chlamydomonas), 크루코커스(Chroococcus), 채토세로스(Chaetoceros), 아크난테스(Achnanthes), 엠포라(Amphora) 종 등일 수 있으며, 바람직하게는 에틀리아 올레오아분단스(Ettlia oleoabundans), 난노클로롭시스 살리나(Nannochloropsis salina), 난노클로롭시스 가디타나(Nannochloropsis gaditana), 두날리엘라 바르다윌(Dunaliella bardawil), 두날리엘라 살리나(Dunaliella salina), 두날리엘라 프리모렉타(Dunaliella primolecta), 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris), 클로렐라 에모르소니(Chlorella emorsonii), 클로렐라 미누티시마(Chlorella minutissima), 클로렐라 소로키니아나(Chlorella sorokiniana), 스피룰리나 플라텐시스(Spirulina platensis), 사이클로텔라 크립티카(Cyclotella cryptica), 테트라셀미스 수에시카(Tetraselmis suecica), 모노라피디엄(Monoraphidium), 보트리오코커스 브라우니(Botryococcus braunii), 스티코쿠스(Stichococcus), 해마토코커스 플루비알리스(Haematococcus pluvialis), 패오닥틸룸 트리코뮤텀(Phaeodactylum tricomutum), 이소크리시스 갈바나(Isochrysis galbana), 니츠쉬아 클로스테리움(Nitzschia closterium), 오란티오키트리움(Aurantiochytrium), 클라미도모나스 페리그라눌라타(Chlamydomonas perigranulata) 등일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 에틀리아 종(Ettlia sp) 또는 난노클로롭시스 종(Nannochloropsis sp) 일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 박테리아는 시네코시스티스(Synechocystis) 등일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 효모는 크립토코커스 커바투스(Cryptococcus curvatus), 크립토코커스 종(Cryptococcus sp.) 등일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

배양된 미세조류는 수확 후 본 발명의 상기 제조방법을 통해 바이오디젤 생산의 원료로 사용될 때 수분함량이 10~99 중량%, 바람직하게는 60~90 중량%, 더욱 바람직하게는 80~90 중량%일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

본 발명의 일 구현 예에 따른 방법에서, 전처리 단계에 사용되는 알코올은 바이오매스:알코올의 부피비가 1:0.1~100일 수 있고, 바람직하게는 1:1~100일 수 있고, 더욱 바람직하게는 1:1~10일 수 있고, 가장 바람직하게는 1:10일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

본 발명의 일 구현 예에 따른 방법에서, 상기 전처리 횟수는 1회 이상, 바람직하게는 1회 내지 10회일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

본 발명의 일 구현 예에 따른 방법에서, 상기 (1)단계의 알코올은 매우 흡습성(hygroscopic)이며 탈수(dehydration)를 일으킬 수 있는 것이면 제한되지 않으나, 바람직하게는 메탄올, 에탄올, 프로판올 또는 부탄올 등의 저급 알코올일 수 있으며, 가장 바람직하게는 에탄올일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 알코올은 바이오매스 내의 과량의 물을 제거하거나 바이오디젤의 수율을 낮추는 리파아제(lipase)를 저해하거나 에스테르 교환 반응의 저해제의 활성을 저해시킬 수 있다.

또한, 전처리에 사용된 알코올은 바람직하게는 본 발명의 바이오디젤을 생산하기 위한 공정 과정 중에 재순환되어 사용될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

본 발명의 일 구현 예에 따른 방법에서, 상기 전처리 된 습식 바이오매스로부터 지방산 에스테르의 바이오디젤을 생산하기 위해 에스테르 교환 반응의 촉매를 첨가하여 사용하는데, 상기 촉매는 산 촉매, 염기 촉매, 균일(homogeneous) 촉매, 불균일(heterogeneous) 촉매, 효소 촉매 또는 임의의 다른 촉매 등일 수 있으며, 바람직하게는 제올라이트, 헤테로폴리산 등의 고체산촉매, 불산, 황산, 인산 등의 무기산촉매, 수산화나트륨, 수산화칼륨 등의 염기 촉매, 앰벌리스트(amberlyst) 등의 이온교환수지촉매일 수 있고, 더욱 바람직하게는 황산, 염산, 질산, 아세틸크로라이드 등의 산 촉매이며, 더더욱 바람직하게는 황산일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

본 발명의 바이오디젤 생산 공정 과정에서는 알코올과 촉매를 1회 이상 재사용하여 반응 혼합물 내에 있는 바이오디젤 함량을 증가시킬 수 있다.

또한 본 발명의 일 구현 예에 따른 방법에서, 에스테르 교환 반응의 단계는 60~150℃, 바람직하게는 80~120℃의 열을 가하고, 10~300rpm의 교반 속도로 5~300분 동안 반응시킬 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

따라서, 본원 발명은 바람직하게는

(1) 습식 미세조류에 알코올을 첨가하여 전처리하는 단계; 및

(2) 상기 전처리된 미세조류에 알코올 및 산 촉매를 가한 후, 60~150℃에서 가열하여 10~300분 동안 에스테르 교환 반응을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 지질을 추출하지 않고 습식 미세조류로부터 지방산 알킬 에스테르의 직접 제조 방법을 제공한다.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1. 미세조류 습식 바이오매스의 준비

미세조류 에틀리아 종(Ettlia sp), 클로렐라 프로토테코이데스(Chlorella protothecoides) 또는 난노클로롭시스 종(Nannochloropsis sp)을 500㎖ 플라스크, 20ℓ 반응기 및 담수 혹은 해수를 사용하는 1000ℓ 야외 대량 배양 수로 형 연못에서 독립 영양, 혼합 영양 또는 종속 영양 방법으로 배양하였다.

배양 배지의 건조 세포 농도는 0.1%에서 1.4%(w/v)까지 다양하였다. 세포 농도는 종속 영양 상태에서 높고, 독립 영양 상태에서 낮게 확인되었다. 배양된 세포들은 세포 내 및 세포 밖에 높은 수준의 수분 함량을 나타내었다. 세포 외 물은 막 여과, 원심 분리, 침전 혹은 부유(부상법)를 포함하지만 이에 국한되지 않는 미생물 생산에서 알려진 방법들 중 하나를 사용하여 탈수시켰다. 효모 세포 크립토코커스 커바투스(Cryptococcus curvatus) 및 크립토코커스 종(Cryptococcus sp.)을 질소 및 탄소원으로 보충된 유기 한정 배지에서 25℃에서 16시간 동안 키웠다. 수확한 바이오매스는 물과 지질의 세포 내 함량에서 다양한 변화를 나타내므로, 수확 후, -80℃에서 공정에 사용되기 전까지 보관하였다.

세포들의 0.3g은 세포 내 수분의 정확한 양을 알기 위해서, 동결 건조 방법을 이용해서 건조시키고, 건조된 세포들은 기존의 지방산 메틸 에스테르(FAME) 함량 분석 방법 및 가스 크로마토그래피(GC, gas chromatography)로 분석하였다. 또한, 건조 바이오매스의 지질량을 다음과 같은 단계들을 통해 분석하였다 : 건조한 조류 세포들의 약 10㎎은 2:1의 클로로포름:메탄올 용액 2㎖과 혼합하고, 테프론으로 봉인된 나사로 뚜껑을 덮은 파이렉스 튜브에서 10분 동안 교반하여 지질을 추출하였다. 그 후, 헵타데칸산(C17:0) 0.5㎎을 포함하는 1㎖의 클로로포름을 내부 표준 물질로 튜브에 첨가하고, 메탄올 1㎖ 및 황산 300㎕을 와이즈 썸 HB 96-D 가열 블록을 사용하여 100℃ 온도 하에서 에스테르 교환 반응을 위해 첨가하였다. 반응 후 샘플 튜브들을 물에서 상온으로 냉각시켰고, 증류수 1㎖을 잔류 메탄올 및 황산을 씻어 주기 위해 첨가하여 상 분리를 위해서 원심 분리하였고, 하층의 클로로포름 층을 0.2μm PVDF 주사기 필터(Whatman, 영국)를 통해서 여과한 후, 가스 크로마토그래피 분석에 사용하였다. 모든 샘플에 대한 가스 크로마토그래피 분석은 불꽃 이온화 검출기(flame ionization detector) 및 HP19091N-213 HP-INNOWax 폴리에틸렌 글리콜 컬럼(Agilent)을 장착한 애질런트 6890 가스 크로마토그래피(Agilent, 미국)를 사용하여 수행하였다. 각 지방산 메틸 에스테르(FAME) 피크는 37 component FAME 표준 혼합(Supelco, 미국)을 참조하여 식별하고 정량화하였다. 총 지질량은 용매와 내부 표준 물질의 피크를 제외한 모든 피크를 합산하여 계산하였다.

수확 후, 미생물 바이오매스는 자연스럽게 약 60~90% 사이의 수분을 포함한다. 미세 조류의 습식 바이오매스는 바이오 디젤 제조 동안 에스테르 교환 반응 과정을 억제하는 많은 억제제를 가지고있다. 따라서 이 과정에서, 우리는 물 혹은 효소와 같은 억제제를 비활성화하기 위해 미생물학적으로 합성된 용매를 사용해서, 습식 바이오매스를 세척하였다. 습식 바이오매스를 진동 기기에서 300rpm의 속도로 1:1~10의 비율로 미생물학적으로 합성된 용매와 혼합하였다. 용매는 지질을 분해하고, 바이오 디젤 제조의 공정을 저해하는 과량의 물을 제거할 수 있는 효소의 활동을 중지하기 위해서 역할을 한다. 그 후, 용매는 원심 분리, 여과 및 침전과 같은 알려진 분리 방법을 통해서 바이오매스로부터 분리된다.

실시예 2. 전처리 조건 최적화 : 처리시간

미세조류 세포는 두꺼운 셀룰로오스 구조들 뒤에 세포 내 지질이 격리되어 있는 사실 때문에 전처리를 수행하였다. 비교적 두꺼운 세포벽을 가진 미세조류 계통 에틀리아 종을 배양하고, 원심 분리를 이용하여 미세조류를 수확하였다. 수확된 미세조류 샘플의 수분 함량은 80~90%의 범위에 있었다.

먼저, 전처리 공정의 알코올, 본 발명의 경우 에탄올, 처리시간의 효과를 조사하였다. 10~60분까지 다른 처리시간을 주고 바이오디젤 생산량을 비교하였다. 이론적으로 에탄올은 거의 순간적으로 세포들을 탈수시키기 때문에, 에탄올 처리시간의 증가 효과는 무시할 수 있는 것으로 예측되었다. 생산된 지방산 에틸 에스테르(FAEE)의 양을 측정한 결과, 처리시간에 따른 바이오디젤 생산량 변화는 관찰되지 않았고, 생산된 지방산 에틸 에스테르의 양은 모든 처리시간에 일정한 수준으로 확인되었다(도 2). 이는 본 발명의 에탄올 전처리 과정이 빠른 탈수와 함께 세포 구조의 파괴를 동시에 이룬다는 것을 보여 준다.

실시예 3. 전처리 조건 최적화 : 처리 횟수

에탄올 처리시간에 따른 영향을 확인한 후에, 에탄올 전처리의 처리 횟수가 바이오디젤의 생산량에 미치는 영향을 조사하였다. 습식 바이오매스 샘플을 직접적인 에스테르 교환 단계 전에, 에탄올 전처리를 0, 1 및 2회 반복 처리하였다. 그 결과, 전처리의 횟수가 0회(무처리)에서 2회로 증가할 때, 지방산 에틸 에스테르(FAEE)의 생산량이 4배 이상 증가되는 것을 관찰하였다(도 3). 이는, 에탄올 전처리 공정의 반복이 습식 바이오매스 샘플의 완전한 탈수를 야기하고, 이의 영향으로 바이오디젤의 수율이 증가되는 것으로 예상되었다.

실시예 4. 전처리 조건 최적화 : 에탄올 양

전처리 과정 및 에스테르 교환 단계 동안에 습식 바이오매스에 대한 에탄올의 비율 증가는 지방산 에틸 에스테르(FAEE)의 수율을 증가시킬 것으로 예상되었다. 우선, 전처리 과정에서 습식 바이오매스에 대한 에탄올의 비율이 1:1에서 최대 1:10까지 되는 조건의 바이오디젤 생산량을 비교하였다. 그 결과, 에탄올의 습식 바이오매스에 대한 비율이 증가하는 것과 비례하여 지방산 에틸 에스테르(FAEE)의 생산량이 6배 증가되는 것이 관찰되었다(도 4).

실시예 5. 에스테르 교환 반응(전환) 조건 최적화 : 시간

상기 전처리 조건의 최적화 후에, 트리글리세라이드(TAG)로부터 지방산 에틸 에스테르(FAEE)로의 직접적인 인 시츄(in situ) 에스테르 교환 반응(전환)에 대한 조건을 최적화하였다. 전환 최적화 조건 연구를 위해, 야외 대량 배양 시설인 200m³ 크기의 개방형 연못에서 배양된 습식 바이오매스 샘플을 얻었다. 사용한 미세조류는 해수 서식 계통의 난노클로롭시스 오세아니카(Nannochloropsis oceanica)이고, 이 계통은 상대적으로 높은 지질 함량을 가지고 있다. 습식 바이오매스 샘플의 수분 함량은 65~70%의 범위임을 확인하였다.

에스테르 교환 반응의 지속 시간의 증가는 바이오디젤 생산 수율을 향상시킬 것으로 예상되었고, 이에 전환 지속 시간을 10, 30, 60 및 120분으로 증가시키면서 수율의 변화를 확인해보았다. 그 결과, 인 시츄 에스테르 교환 반응의 수율이 전환 지속 시간이 증가함에 따라 점진적으로 증가되는 것을 확인하였다(도 5).

지질을 상층으로 배출할 때, 우리가 달성할 수 있는 공정의 최대 총 효율은 브리 건조 방법의 114% 였다.

실시예 6. 에스테르 교환 반응(전환) 조건 최적화 : 온도 조건

에스테르 교환 반응의 최적화 조건을 찾기 위해 전환시 반응 온도의 영향을 확인하였다. 더 높은 반응 온도가 더 높은 전환 수율을 가지고 올 것이라고 가설을 세웠고, 특히 100℃ 이상에서는 훨씬 더 에너지 집적화될 것으로 예상하였다. 이에 60~120℃ 사이의 온도 구간에서 2시간 동안 습식 바이오매스를 이용하여 에스테르 교환 반응을 수행하였다. 그 결과, 60℃의 온도 조건에서는 8.14mg의 지방산 에틸 에스테르가 생산되었고, 120℃의 온도 조건에서는 10.76mg의 바이오디젤이 생산되어, 약 32%의 증가율을 확인하였다(도 6). 그러나, 특별히 반응 온도가 100℃ 이상으로 증가된 이후에는 실시예 5에서 수행한 전환 기간 실험만큼의 큰 증가율은 관찰되지 않았다. 이것은 다른 조건들이 최적화되는 동안에, 낮은 전환 온도에서 높은 수율을 달성할 수 있는 가능성이 있음을 암시하였다.

실시예 7. 에스테르 교환 반응(전환) 조건 최적화 : 촉매의 양

전환 시간과 반응 온도에 대한 최적화 조건 실험 이후에, 에스테르 교환 반응에서 촉매의 양을 변화시켜 그 영향에 초점을 맞추었다. 이를 위해서 98% 황산(H₂SO₄)을 에스테르 교환 반응을 위한 산 촉매로 사용하였다. 우리는 100, 300 및 500㎕의 촉매를 전체 반응 볼륨 3㎖에 첨가하고, 80℃의 온도 조건에서 2시간의 전환을 통해 지방산 에틸 에스테르(FAEE)의 수율을 확인하였다. 그 결과, 전체적으로, 촉매의 양이 증가함에 따라, 전환 수율이 증가하지 않는 것으로 관찰되었고(도 7), 이는 본 발명의 공정에서 적은 양의 촉매로도 효과적으로 바이오디젤을 생산할 수 있다는 것을 나타냈다.

또한, 불균일(heterogeneous) 촉매인 앰벌리스트(amberlyst)-15 (표면 면적 50m²/g)를 황산 대신 에틀리아 종(Ettlia sp.) 바이오매스의 직접적인 에스테르 교환 반응을 위한 촉매로 사용하였다. 전환 시간은 2시간으로 하였고, 황산 촉매를 통한 반응의 지방산 에틸 에스테르 양과 비교하였다. 그 결과, 앰벌리스트의 경우, 황산 촉매의 전환 수율에는 미치지 못했지만, 그 사용량이 증가됨에 따라 전환 수율이 증가되는 것으로 확인되었다(도 8). 또한, 앰벌리스트 500mg을 촉매로 사용하고 에스테르 교환 반응의 지속 시간을 증가시킨 결과, 전술한 실시예 5의 경우와 같이 바이오디젤 생산 수율이 향상되는 것을 확인하였다(도 9).

실시예 8. 공정 중 지질 분포의 변화

본 발명의 공정 중 지질 분포를 살펴본 결과, 전환되지 않은 지질은 잔류 바이오매스에 미량이 남아 있는 반면, 대부분의 지방산 에스테르는 알코올 분획에 발견되었다(도 10).

난노클로롭시스의 경우에, 일부 바이오매스는 전처리 동안 이들 지질의 많은 양을 추출한다. 전처리 알코올 분획에서 이러한 추출된 지질은 모아서 이후에 에스테르 교환 반응을 수행한다.

실시예 9. 미세조류 균주 간 비교

전처리 및 전환 조건들의 최적화 이후에, 다른 종류의 미세조류 네 종, 에틀리아 종(Ettlia sp.), 난노클로롭시스 오세아니카(Nannochloropsis oceanica), 오란티오키트리움(Aurantiochytrium), 고렌키니아 종(Golenkinia sp.), 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris) 및 난노클로롭시스 살리나(Nannochloropsis salina)를 이용하여 본 발명의 공정의 전체 효율을 측정하였다. 방법은 전체 지방산 에틸 에스테르(FAEE)의 함량을 측정하여 계산하였고, 다른 추출 공정을 벤치마킹하기 위한 분석적인 공정으로 기존의 건조 브리 방법(dry Bligh Dyer)과의 효율을 비교하였다. 그 결과 본 발명의 공정을 통한 바이오디젤의 생산 효율이 균주 특성에 따라 차이는 있지만, 기존의 건조 브리 방법의 효율보다 우수하거나 유사하다는 것을 발견하였다(표 1).

실시예 10. 저급 알코올을 이용한 바이오디젤의 생산

에탄올 외 저급 알코올인 메탄올 및 부탄올을 사용하여 바이오디젤을 생산하였다. 생산 방법은 수분 함량이 약 75%인 에틀리아 종(Ettlia sp.)의 미세조류를 바이오매스로 사용하여, 바이오매스:알코올 부피비를 1:10으로 하고 10분 동안 1회 전처리를 수행한 후, 100㎕의 황산을 촉매로 사용하여 120℃에서 2시간 동안 에스테르 교환 반응을 실시하였다. 생성된 바이오디젤은 가스 크로마토그래피를 이용하여 지방산 조성을 분석하였다.

그 결과, 메탄올, 에탄올 및 부탄올을 이용한 모든 경우에서 바이오디젤을 생산할 수 있었으며, 그 생성량은 비슷한 수준으로 확인되었다. 또한, 에탄올을 사용하여 생산한 지방산 에틸 에스테르(FAEE)의 경우, 총 생산량은 10.6mg이었고, 가스 크로마토그래피를 통해 지방산 조성을 분석한 결과, 팔미트산(Palmitic acid, C16:0) 및 팔미톨레산(Palmitoleic acid, C16:1)이 각각 2.0과 0.3mg, 스테아르산(Stearic acid, C18), 올레산(Oleic acid, C18:1), 리놀레산(Linoleic acid, C18:2) 및 리놀렌산(Linolenic acid, C18:3)이 각각 0.4, 2.7, 1.6, 1.3mg을 이루고 있었다. 에탄올 외 메탄올 및 부탄올을 이용하여 바이오디젤을 생산한 경우에도 지방산 메틸 에스테르(FAME) 및 지방산 부틸 에스테르(FABE)의 전체 생성량 및 지방산 조성비율이 에탄올을 이용하여 바이오디젤을 생산한 경우와 비슷한 결과를 나타내었다(도 11). 또한 상기 바이오디젤의 생산량 및 효율은 기존의 건조 브리 방법의 생산 효율과 유사하거나 우수한 수준으로 확인되었다.

실시예 11. 재사용 에탄올의 바이오디젤 전환 효율

본 발명의 바이오디젤 생성공정에 따른 완료된 반응으로부터 생성된 지방산 에틸 에스테르(FAEE)가 혼합된 에탄올 혼합물을 미세조류 바이오매스의 다음 배치의 바이오디젤 생산을 위한 전환 반응에 사용하였다. 고렌키니아 종 습식 바이오매스(74.9% 수분량) 200mg에 탈수를 위한 전처리로 신선한 에탄올 2㎖을 처리하고, 재사용된 에탄올과 황산 또는 신선한 에탄올과 황산으로 에스테르 교환 반응을 실시하였다. 황산은 0 내지 200㎕의 다양한 농도로 처리하여, 산 촉매의 재사용성도 확인해보았다.

그 결과, 재사용 에탄올로부터 수득되는 바이오디젤의 양에는 큰 변화가 없었지만, 바이오매스로부터 생산되는 바이오디젤의 양은 신선한 에탄올을 사용한 반응보다 재사용 에탄올을 사용한 반응에서 더 많이 생산되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 상기 실시예 7의 결과에서와 같이 황산 촉매의 양은 그 사용량을 증가시켜도 바이오디젤의 생산량에는 큰 영향을 미치지 않음을 확인할 수 있었다(도 12). 상기의 결과를 통해, 본 발명의 바이오디젤의 직접적인 제조 방법에 있어서, 알코올과 촉매를 여러번 재사용하여 반응 혼합물 안에 바이오디젤 함량(v/v%)을 증가시킬 수도 있음을 알 수 있었다.

Claims

(1) 습식 바이오매스에 알코올을 첨가하여 전처리하는 단계; 및
(2) 상기 전처리된 바이오매스에 알코올 및 촉매를 가한 후, 가열하여 에스테르 교환 반응을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 지질을 추출하지 않고 습식 바이오매스로부터 바이오디젤의 직접 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 습식 바이오매스는 지질 함유 미생물인 것을 특징으로 하는 습식 바이오매스로부터 바이오디젤의 직접 제조 방법.
제2항에 있어서, 상기 지질 함유 미생물은 미세조류, 효모, 곰팡이 또는 박테리아인 것을 특징으로 하는 습식 바이오매스로부터 바이오디젤의 직접 제조 방법.
제3항에 있어서, 상기 미생물은 종속영양, 독립영양 또는 혼합영양의 방법으로 배양된 것을 특징으로 하는 습식 바이오매스로부터 바이오디젤의 직접 제조 방법.
제3항에 있어서, 상기 미세조류는 에틀리아(Ettlia), 두날리엘라(Dunaliella), 클로렐라(Chlorella), 난노클로롭시스(Nannochloropsis), 고렌키니아(Golenkinia), 스피룰리나(Spirulina), 클라미도모나스(Chlamydomonas), 사이클로텔라(Cyclotella), 테트라셀미스(Tetraselmis), 모노라피디엄(Monoraphidium), 보트리오코커스(Botryococcus), 스티코쿠스(Stichococcus), 해마토코커스(Haematococcus), 패오닥틸룸(Phaeodactylum), 이소크리시스(Isochrysis), 니츠쉬아(Nitzschia), 오란티오키트리움(Aurantiochytrium), 크루코커스(Chroococcus), 채토세로스(Chaetoceros), 아크난테스(Achnanthes) 및 엠포라(Amphora) 종으로부터 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 습식 바이오매스로부터 바이오디젤의 직접 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 습식 바이오매스의 수분 함량은 10~99 중량%인 것을 특징으로 하는 습식 바이오매스로부터 바이오디젤의 직접 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 (1)단계의 습식 바이오매스:알코올의 부피 비율은 1:0.1~100인 것을 특징으로 하는 습식 바이오매스로부터 바이오디젤의 직접 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 (1)단계의 전처리 횟수는 1회 이상인 것을 특징으로 하는 습식 바이오매스로부터 바이오디젤의 직접 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 알코올은 C1~C4의 저급 알코올인 것을 특징으로 하는 습식 바이오매스로부터 바이오디젤의 직접 제조 방법.
제9항에 있어서, 상기 저급 알코올은 재순환(recycle)되는 것을 특징으로 하는 습식 바이오매스로부터 바이오디젤의 직접 제조 방법.
제10항에 있어서, 상기 저급 알코올과 촉매는 1회 이상 재사용하는 것을 특징으로 하는 습식 바이오매스로부터 바이오디젤의 직접 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 가열은 60~150℃에서 수행하는 것을 특징으로 하는 습식 바이오매스로부터 바이오디젤의 직접 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 에스테르 교환 반응은 5~300분 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 습식 바이오매스로부터 바이오디젤의 직접 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 촉매는 산 촉매, 염기 촉매, 균일(homogeneous) 촉매, 불균일(heterogeneous) 촉매 또는 효소 촉매인 것을 특징으로 하는 습식 바이오매스로부터 바이오디젤의 직접 제조 방법.
제14항에 있어서, 상기 산 촉매는 황산, 염산, 질산 및 아세틸클로라이드로 구성된 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 습식 바이오매스로부터 바이오디젤의 직접 제조 방법.
(1) 습식 미세조류에 알코올을 첨가하여 전처리하는 단계; 및
(2) 상기 전처리된 미세조류에 알코올 및 산 촉매를 가한 후, 60~150℃에서 가열하여 10~300분 동안 에스테르 교환 반응을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 지질을 추출하지 않고 습식 미세조류로부터 지방산 알킬 에스테르의 직접 제조 방법.