KR20160053565A - Method for harvesting microalgae and subsequent extracting lipid using cationic surfactant-functionalized magnetic nanoparticle composite - Google Patents

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KR20160053565A
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Abstract

The present invention relates to a method for harvesting micro algae and extracting lipid using a cationic surfactant-magnetic nanoparticle complex comprising: a hydrophobic magnetic nanoparticle forming step (a) of forming a magnetic nanoparticle coated with a hydrophobic molecule by coating the surface of the magnetic nanoparticle with the hydrophobic molecule; a cationic surfactant-magnetic nanoparticle complex forming step (b) of forming a cationic surfactant-magnetic nanoparticle complex by adsorbing a cationic surfactant to a hydrophobic surface of the magnetic nanoparticle coated with the hydrophobic molecule; a microalgae aggregation inducing step (c) of inducing aggregation of microalgae by adding the cationic surfactant-magnetic nanoparticle complex to a microalgae culture medium; an agglomerates collecting step (d) of collecting agglomerates aggregated in step (c) with a magnetic force; and a lipid extracting step (e) of extracting lipid from the extracted agglomerates. According to the present invention, the method for harvesting micro algae and extracting lipid using a cationic surfactant-magnetic nanoparticle complex has an effects of being environmentally friendly by treating only with interaction between a cationic surfactant-magnetic nanoparticle complex and a microalgae cell wall without chemicals consumed in the extracting step and energy input separately.

Description

양이온 계면활성제-자성나노입자 복합체를 이용한 미세조류의 수확 및 지질의 추출방법{Method for harvesting microalgae and subsequent extracting lipid using cationic surfactant-functionalized magnetic nanoparticle composite}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for harvesting microalgae and a method for extracting lipids using the cationic surfactant-magnetic nanoparticle composite,

본 발명은 미세조류를 수확하고 지질을 추출하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 양이온 계면활성제-자성나노입자 복합체를 이용하여 음전하를 띠고 있는 미세조류를 정전기적 인력으로 응집 및 자기영동분리하고 세포벽을 파괴하여 미세조류에 포함된 지질을 효율적으로 추출하는 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for harvesting micro-algae and extracting lipids, and more particularly, to a method for collecting micro-algae by electrophoretically separating micro-algae using a cationic surfactant-magnetic nanoparticle complex, Thereby efficiently extracting the lipid contained in the microalgae.

지구 온난화와 화석연료에 대한 우려로 바이오매스를 이용한 연료 생산이 각광받고 있다. 그러나 한편으로 곡물계 자원을 이용하는 바이오디젤 생산은 환경적인 부담과 식량 자원과의 경쟁으로 우려가 높아지고 있는 실정이다.
Fuel production using biomass is attracting attention due to global warming and concerns about fossil fuels. On the other hand, production of bio - diesel using grain - based resources is increasingly concerned with environmental burden and competition with food resources.

따라서, 식량과의 경쟁이 없는 미세조류나 산림자원을 이용하는 바이오디젤 생산 방법이 주목받고 있다. 이중 미세조류는 육상 식물보다 광합성 효율이 우수하고, 화력발전소에서 배출되는 이산화탄소를 직접 이용할 수 있으며, 몸체 내의 상당 부분이 연료로의 전환이 가능한 지질로 구성되어 있다는 장점을 가지고 있다.
Therefore, the production method of biodiesel using microalgae and forest resources without competition with food is attracting attention. The micro-algae have the advantage that they have better photosynthetic efficiency than land-based plants, can directly use the carbon dioxide emitted from the thermal power plant, and a large part of the body is composed of lipids capable of conversion to fuel.

미세조류 바이오매스의 구성 성분 중 지질은 연료로의 전환이 용이한 성분으로서, 전이에스테르화 방법이나 탈산소 방법에 의하여 수송용 연료로 전환할 수 있다. 지질을 제외한 대표적인 구성 성분인 당류나 단백질 역시 에너지로 전환할 수는 있으나 복잡한 처리 과정이 필요하다.
Among the constituents of the microalgae biomass, lipid is a component which can be easily converted into fuel, and can be converted into a fuel for transportation by a transesterification method or a deoxidation method. Saccharides and proteins, which are representative components except lipids, can also be converted into energy, but complex processes are required.

일반적으로 미세조류로부터 바이오디젤을 생산하기 위한 주요 공정으로는, 미세조류의 배양, 지질 추출(세포파쇄) 및 전이에스테르화(transesterification)가 있다. 특히, 종래 지질 추출 방법으로 보편적으로 사용되는 방법은 헥산 등의 비극성 유기 용매를 사용하여 미세조류 내 지질을 추출하는 방법으로 화학적 용매 추출법을 들 수 있다(Bligh E.G, Dyer W.J, A rapid method of total lipid extraction and purification, Can. J. Biochem. Physiol., Vol. 37, 1959, pp. 911-917).
In general, the main processes for producing biodiesel from microalgae include microalgae culture, lipid extraction (cell disruption), and transesterification. Particularly, a method commonly used as a conventional lipid extraction method is a chemical solvent extraction method of extracting lipids in microalgae using a nonpolar organic solvent such as hexane (Bligh EG, Dyer WJ, A rapid method of total lipid extraction and purification, Can. J. Biochem. Physiol., Vol. 37, 1959, pp. 911-917).

이는 미세조류를 물리적 및 열적 처리를 통해 탈수(dewatering)하고, 건조하고, 세포벽을 파쇄하는 전처리 과정을 거쳐 헥산 등의 유기 용매로 추출을 진행하여 지질과 잔여 바이오매스를 회수하는 방법으로, 이때, 미세조류를 둘러싸는 단단한 세포벽으로 인해 추출 효율이 극도로 낮아지는 문제가 있으므로, 이를 해결하기 위해 세포벽 파쇄 기술이 매우 중요하다.
This is a method of recovering lipid and residual biomass by conducting extraction with an organic solvent such as hexane through a pretreatment process of dewatering, microbial algae through physical and thermal treatment, drying, and crushing cell walls. At this time, Because of the problem of extremely low extraction efficiency due to hard cell walls surrounding microalgae, cell wall disruption technology is very important to solve this problem.

따라서 미세조류 세포벽을 파쇄하기 위한 다양한 기술이 제안되었으며, 대표적으로 초음파를 이용한 캐비테이션(cavitation), 비드 비팅(beadbeating), 마이크로파(microwave) 등이 있다. 초음파 캐비테이션은 초음파에 의해 발생하는 마이크로 크기의 기포의 높은 온도와 압력을 이용하여 세포를 파쇄하는 방법이고, 비드 비팅(bead-beating)은 모래와 같은 입자와 미세조류를 섞어 강하게 흔들어 세포를 분쇄시키는 방법이다. 또한, 마이크로파(microwave)는 마이크로파를 미세조류에 조사하여 세포벽을 가수분해하는 방법이다.
Accordingly, various techniques for destroying microalgae cell walls have been proposed, and examples thereof include cavitation, beadbeating, and microwave using ultrasound. Ultrasonic cavitation is a method of disrupting cells using high temperature and pressure of micro-sized bubbles generated by ultrasonic waves, and bead-beating is a method of mixing particles such as sand and microalgae and shaking strongly Method. In addition, microwaves are methods of hydrolyzing cell walls by irradiating microwaves to microalgae.

그러나, 상기 종래의 지질 추출 방법들은 높은 분쇄 효율을 위해서 높은 에너지를 필요로 하거나, 세포에 많은 열을 가하게 되므로 지질의 성분이 변성되는 등의 문제점을 가지고 있다.
However, the conventional lipid extraction methods require high energy for high pulverization efficiency or have a problem that the components of lipids are denatured because a large amount of heat is applied to the cells.

미세조류로부터 지질을 추출하는 방법에 관한 종래 기술로는, 예를 들어, 캐나다특허 2115571호에서는 에탄올을 이용하여 속슬렛 추출법(Soxhlet apparatus)으로 갈조류 및 홍조류로부터 지질을 추출하였고, 대한민국 공개특허 제2011-0116945호에서는 유기용매를 사용하여 미세조류로부터 지질을 분획하여 바이오디젤을 생산하였다.In the prior art on the method for extracting lipids from microalgae, for example, in Canadian Patent No. 2115571, lipids were extracted from brown algae and red algae using ethanol in a Soxhlet apparatus, -0116945 produced biodiesel by fractionating lipids from microalgae using organic solvents.

그러나 상기와 같은 종래기술은 유기용매를 이용한 직접적 추출법으로, 미세조류가 건조되어 있지 않으면 물 상의 미세조류와 유기용매가 충분한 접촉을 할 수 없기 때문에 효율이 급격히 떨어지며, 유독성의 유기용매를 다량으로 사용하기 때문에 환경오염의 문제점이 있다.
However, in the conventional technology as described above, if the microalgae are not dried, the microalgae and the organic solvent can not sufficiently contact with each other. Therefore, the efficiency is drastically decreased and a toxic organic solvent is used in a large amount There is a problem of environmental pollution.

또한, 대한민국 등록특허 10-1363723호에서는 레이저를 이용하여 미세조류로부터 지질을 추출하였으나, 레이저를 조사하기 때문에 추출된 지질의 성분이 순수하지 못한 단점이 있다.
In Korean Patent No. 10-1363723, lipids are extracted from microalgae using a laser, but since the laser is irradiated, the extracted lipid components are not pure.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 양이온 계면활성제-자성나노입자 복합체와 미세조류 간의 정전기적 인력 및 자기영동법을 이용하여 단순한 방법으로 미세조류를 수확하고 지질 추출율을 향상시키는 미세조류로부터 지질을 추출하는 방법의 제공을 목적으로 한다.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve such problems, and it is an object of the present invention to provide a method for recovering microalgae from microalgae by using electrostatic attraction and magnetophoresis between a cationic surfactant and a magnetic nano- And a method for extracting lipids.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 양이온 계면활성제-자성나노입자 복합체를 이용한 미세조류의 수확 및 지질의 추출방법은, (a) 자성나노입자의 표면을 소수성 분자로 코팅하여 소수성 분자가 코팅된 자성나노입자를 형성하는 소수성 자성나노입자 형성단계, (b) 상기 소수성 분자가 코팅된 자성나노입자의 소수성 표면에 양이온 계면활성제를 흡착시켜 양이온 계면활성제-자성나노입자 복합체를 형성하는 양이온 계면활성제-자성나노입자 복합체 형성단계, (c) 상기 양이온 계면활성제-자성나노입자 복합체를 미세조류 배양액에 첨가하여 미세조류의 응집을 유도하는 미세조류 응집 유도 단계, (d) 상기 단계 (c)에서 응집된 응집물을 자력으로 회수하는 응집물 회수단계 및 (e) 상기 회수된 응집물에서 지질을 추출하는 지질 추출단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. In order to accomplish the above object, the present invention provides a method of harvesting and extracting lipids using a cationic surfactant-magnetic nanoparticle composite according to the present invention, comprising: (a) coating a surface of a magnetic nanoparticle with a hydrophobic molecule, (B) forming a cationic surfactant-magnetic nanoparticle complex by adsorbing a cationic surfactant on the hydrophobic surface of the hydrophobic molecule-coated magnetic nanoparticles, wherein the cationic surfactant-magnetic nanoparticle complex forms a hydrophobic magnetic nanoparticle (C) introducing the cationic surfactant-magnetic nanoparticle complex into a microalgae culture to induce microalgae aggregation; (d) inducing microalgae aggregation to induce aggregation of the microalgae; (d) (E) a step of extracting lipids from the recovered agglomerates; and And it characterized in that.

또한, 본 발명은 양이온 계면활성제-자성나노입자 복합체를 이용한 미세조류의 수확 및 지질의 추출방법에 의해 추출된 지질을 제안한다.Also, the present invention proposes a lipid extracted by a method of harvesting microalgae using a cationic surfactant-magnetic nanoparticle complex and extracting lipid.

아울러, 본 발명은 양이온 계면활성제-자성나노입자 복합체를 이용한 미세조류의 수확 및 지질의 추출방법에 의해 추출된 지질로 제조된 바이오디젤을 제안한다.In addition, the present invention proposes a biodiesel produced from a lipid extracted by a method of harvesting microalgae using a cationic surfactant-magnetic nanoparticle complex and extracting lipids.

본 발명에 따른 양이온 계면활성제-자성나노입자 복합체를 이용한 미세조류로부터 지질의 추출방법은 추출 과정에서 소모되는 화학물질이 없고, 별도로 투입되는 에너지 없이 양이온 계면활성제-자성나노입자 복합체와 미세조류 세포벽 사이의 상호작용만으로 처리가 이루어지므로 친환경적이다.The method of extracting lipids from microalgae using a cationic surfactant-magnetic nanoparticle complex according to the present invention is characterized in that there is no chemical substance consumed in the extraction process and that there is no additional energy between the cationic surfactant-magnetic nanoparticle complex and microalgae cell wall So that it is eco-friendly.

또한, 이에 따라 추출된 지질은 화학적 처리에 의한 변성없이 순수한 상태의 지질을 얻을 수 있으므로, 이를 이용하여 바이오 디젤을 제조할 경우, 에너지 및 생산단가의 절감 효과가 있다.
In addition, since the extracted lipid can obtain pure lipids without denaturation by chemical treatment, it is possible to reduce energy and production cost when biodiesel is manufactured using the lipid.

도 1은 본 발명에 따른 양이온 계면활성제-자성나노입자 복합체를 이용한 미세조류로부터 지질의 추출방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 응집된 미세조류로부터 지질을 추출하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3는 본 발명에 따른 양이온 계면활성제-자성나노입자 복합체의 형성 과정을 보여주는 설명도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 사삼산화철(Fe3O4) 자성나노입자를 촬영한 TEM 이미지를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 양이온 계면활성제로 코팅하기 전과 후의 OTES-Fe3O4 나노입자복합체를 물 층과 헥세인 층을 포함하는 용액에 첨가 및 교반하여 층분리된 것(각각 “(a)” 및 “(b)”)을 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 양이온 계면활성제-자성나노입자 복합체 A, B 및 C의 입자 크기(particle size) 및 표면 전하(Zeta potential)를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 미세조류(KR-1) 1 g당 투입된 양이온 계면활성제-자성나노입자 복합체(MNP)의 g 수에 따른 미세조류의 수확 효율(%)을 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 양이온 계면활성제-자성나노입자 복합체를 이용하여 수확한 미세조류 세포의 파쇄 정도를 각각 광학 현미경(DIC)과 형광 현미경(fluorescence)으로 관찰된 이미지를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따라 지질 추출 시 첨가한 양이온 계면활성제의 종류에 다른 지질 추출량을 무첨가(control) 시와 비교하여 나타낸 그래프이다.
1 is a flowchart showing a method of extracting lipids from microalgae using a cationic surfactant-magnetic nanoparticle complex according to the present invention.
2 is a flow chart showing a method for extracting lipids from agglomerated microalgae according to the present invention.
3 is an explanatory view showing the formation process of the cationic surfactant-magnetic nanoparticle complex according to the present invention.
4 is a TEM image of a magnetic nanoparticle of iron oxide (Fe 3 O 4 ) according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a graph showing the effect of the OTES-Fe 3 O 4 nanoparticle composite before and after coating with the cationic surfactant in a solution comprising a water layer and a hexane layer according to an embodiment of the present invention, (a) " and " (b) ").
FIG. 6 is a graph showing the results of measurement of particle size and surface charge (Zeta potential) of cationic surfactant-magnetic nano-particle composites A, B and C according to an embodiment of the present invention.
7 is a graph showing the harvesting efficiency (%) of microalgae according to the number of g of cationic surfactant-magnetic nanoparticle composite (MNP) added per gram of microalgae (KR-1) according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing images observed by optical microscopy (DIC) and fluorescence microscope (fluorescence microscope) of the degree of disruption of microalgae harvested using a cationic surfactant-magnetic nanoparticle complex according to an embodiment of the present invention .
FIG. 9 is a graph showing a comparison of lipid extraction amounts of different types of cationic surfactants added at the time of lipid extraction according to an embodiment of the present invention, in comparison with no control.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명은 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a detailed description of preferred embodiments of the present invention will be given with reference to the accompanying drawings. In the following description of the present invention, detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.

본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
Embodiments in accordance with the concepts of the present invention can make various changes and have various forms, so that specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in this specification or application. It is to be understood, however, that it is not intended to limit the embodiments according to the concepts of the present invention to the particular forms of disclosure, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the present invention.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 양이온 계면활성제-자성나노입자 복합체를 이용한 미세조류의 수확 및 지질의 추출방법을 나타내는 흐름도이고, 도 2는 응집된 미세조류로부터 지질을 추출하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
FIG. 1 is a flowchart showing a method of harvesting and extracting lipids using a cationic surfactant-magnetic nanoparticle composite according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a flowchart showing a method of extracting lipids from coagulated microalgae to be.

본 발명에 따른 양이온 계면활성제-자성나노입자 복합체를 이용한 미세조류의 수확 및 지질의 추출방법은 소수성 자성나노입자 형성단계(S110), 양이온 계면활성제-자성나노입자 복합체(S120), 미세조류 응집 유도 단계(S130), 미세조류 응집물 회수단계(S140) 및 지질 추출 단계(S150)를 포함한다.
The method of harvesting microalgae and extracting lipids using the cationic surfactant-magnetic nanoparticle complex according to the present invention comprises the steps of forming a hydrophobic magnetic nanoparticle (S110), a cationic surfactant-magnetic nanoparticle complex (S120) Step S130, a microalgae aggregate collection step S140, and a lipid extraction step S150.

구체적으로, 먼저, 상기 소수성 자성나노입자 형성단계(S110)는 자성나노입자의 표면을 소수성 분자로 흡착하여 소수성 분자가 코팅된 자성나노입자를 형성하는 단계로, 상기 소수성 자성나노입자 형성단계(S110)는 다음 단계(S120)에서 상기 자성나노입자 표면의 양이온화가 가능하도록, 즉 양이온 계면활성제의 소수성 부분이 자성나노입자의 표면에 흡착하도록, 자성나노입자 표면을 소수성 분자로 흡착하여 전처리하는 단계이며, 예를 들어, 상기 자성나노입자를 용매에 현탁시켜 현탁액을 형성한 후, 상기 현탁액에 소수성 분자를 첨가 및 교반하여 수행할 수 있다.
Specifically, the hydrophobic magnetic nanoparticles forming step S110 is a step of adsorbing the surface of the magnetic nanoparticles as a hydrophobic molecule to form magnetic nanoparticles coated with hydrophobic molecules. In the hydrophobic magnetic nanoparticle forming step S110 ) Is a step of adsorbing and pre-treating the surface of the magnetic nanoparticles with a hydrophobic molecule so that the surface of the magnetic nanoparticles can be cationized, that is, the hydrophobic portion of the cationic surfactant is adsorbed on the surface of the magnetic nanoparticles in the next step S120 , For example, by suspending the magnetic nanoparticles in a solvent to form a suspension, and then adding and stirring the hydrophobic molecules to the suspension.

여기서, 상기 자성나노입자는 자성을 띄는 나노미터 크기의 구조 또는 물질을 의미한다. 상기 자성 나노입자는 용액 합성, 공동 침전(co-precipitation), 졸-겔 방법, 고 에너지 분쇄, 수열 합성(hydrothermal synthesis), 마이크로에멀젼(microemulsion) 합성, 열분해(thermal decomposition)에 의한 합성 또는 음파화학적 합성에 의해 제조될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
Here, the magnetic nanoparticles mean a nanometer-sized structure or material having magnetic properties. The magnetic nanoparticles may be synthesized by solution synthesis, co-precipitation, sol-gel process, high energy pulverization, hydrothermal synthesis, microemulsion synthesis, thermal decomposition or sonochemical But is not limited thereto.

참고로, 자성 물질의 크기가 20 나노미터 이하로 작아지면 각각의 입자가 자기적 단일구역을 형성하게 되고, 이러한 입자들의 콜로이드 용액은 각 입자들의 열적 요동(thermal fluctuation)에 의해서 자기 쌍극자의 방향이 제각각 불특정한 방향으로 배향하게 되어 외형적으로 나타나는 순자기력(net magnetic force)은 "0"으로 나타나게 된다. 그러나, 외부로부터 내부의 열적 에너지보다 큰 자기장을 가해주면 입자들의 자기 쌍극자는 한 방향으로 정렬하게 되어 자성체로 변하게 된다.
For reference, when the size of the magnetic material is reduced to 20 nm or less, each particle forms a magnetic single zone, and the colloid solution of such particles is formed by the thermal fluctuation of each particle, The net magnetic force appearing as a result of being oriented in an unspecified direction is expressed as "0 ". However, if a magnetic field larger than the internal thermal energy is applied from the outside, the magnetic dipoles of the particles are aligned in one direction and become a magnetic body.

이러한 자성나노입자는 철족금속원소인 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn),비스무스(Bi), 아연(Zn), 가돌리늄(Gu), 스트론튬(Sr)에서 하나 이상 선택된 금속 또는 이들의 합금이거나 이들로부터 선택된 금속산화물 또는 합금 산화물로 이루어질 수 있다.
These magnetic nanoparticles are composed of iron (Fe), nickel (Ni), cobalt (Co), manganese (Mn), bismuth (Bi), zinc (Zn), gadolinium (Gu) and strontium Or a metal oxide or an alloy oxide selected from the above metals or alloys thereof.

또한, 상기 원소에 희토류 원소(La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb,Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu), 화폐금속 원소(Cu, Ag, Au), 아연족 원소(Zn, Cd, Hg), 알루미늄족원소(Al, Ga, In, Tl), 알칼리토금속 원소(Ca, Sr, Ba, Ra) 및 백금족원소(Pt, Pd)를 포함하는 합금이거나 이들로부터 선택된 합금 산화물도 이용될 수 있다.
The rare earth element (La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu) An alloy containing a zinc group element (Zn, Cd, Hg), an aluminum group element (Al, Ga, In, Tl), an alkaline earth metal element (Ca, Sr, Ba, Ra) and a platinum group element May also be used.

산화철 나노입자는 바륨(Ba), 망간(mn), 코발트(Co), 니켈(Ni), 아연(Zn), 가돌리늄(Gd) 및 스트론튬(Sr) 중에서 선택되는 적어도 어느 하나이상을 더 포함할 수 있다. 산화철(Fe2O3 또는 Fe3O4)에서 Fe 하나가 다른 자성관련 원자로 바뀐 형태(CoFe2O4, MnFe2O4) 합금 등 다양하다. 본 발명의 자성나노입자는 산화철(Fe2O3 또는 Fe3O4)의 나노입자 또는 산화철(Fe2O3 또는 Fe3O4)과 바륨(Ba), 망간(mn), 코발트(Co), 니켈(Ni), 아연(Zn), 가돌리늄(Gd) 및 스트론튬(Sr) 중에서 선택되는 적어도 어느 하나이상 합금의 나노입자인 것이 바람직하다.
The iron oxide nanoparticles may further include at least one selected from barium (Ba), manganese (Mn), cobalt (Co), nickel (Ni), zinc (Zn), gadolinium (Gd) and strontium have. (CoFe 2 O 4 , MnFe 2 O 4 ) alloy in which iron is converted to another magnetic-related atom in iron oxide (Fe 2 O 3 or Fe 3 O 4 ). The magnetic nanoparticles of the present invention, iron oxide nanoparticles or iron oxide (Fe2O3 or Fe3O4) (Fe 2 O 3 or Fe 3 O 4) and barium (Ba), manganese (mn), cobalt (Co), nickel (Ni), It is preferably a nanoparticle of at least one or more selected from among zinc (Zn), gadolinium (Gd) and strontium (Sr).

한편, 상기 자성나노입자를 현탁시키는 용매는 특별히 제한되지 않으나, 바람직하게는, 탈이온수(DI-water), 에탄올, 메탄올, 1,2-디클로로벤젠(1,2-dichlorobenzene), 이소프로필알코올(IPA) 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 용매를 들 수 있다.
On the other hand, the solvent for suspending the magnetic nanoparticles is not particularly limited, but is preferably selected from the group consisting of DI water, ethanol, methanol, 1,2-dichlorobenzene, isopropyl alcohol IPA), and mixtures thereof.

상기 소수성 분자를 자성나노입자의 표면에 코팅하는 것은 양이온 계면활성제의 소수성 부분을 자성나노입자의 표면에 흡착시키기 위한 것이며, 바람직하게는 자성나노입자의 외부로 SiO2 피막을 형성하여 상기 양이온 계면활성제의 소수성 부분과의 결합을 용이 및 견고하게 할 수 있다.
The coating of the hydrophobic molecules on the surface of the magnetic nanoparticles is for adsorbing the hydrophobic part of the cationic surfactant to the surface of the magnetic nanoparticles and preferably the SiO 2 coating is formed outside the magnetic nanoparticles to form the cationic surfactant Can be easily and firmly bonded to the hydrophobic portion of the substrate.

상기 소수성 분자로는, 예를 들어, 비스페놀 A형 등의 폴리카보네이트(polycarbonate)계 수지, 폴리테트라플루오로에틸렌 및 폴리비닐리덴플루오라이드 등의 불소(fluorine)계 수지 및 그 밖의 폴리프로필렌(polypropylene) 등이 있으며, 더욱 바람직하게는 옥타데실트리클로로실란(octadecyltrichlorosilane(OTS)), 옥타데실 트리메톡시실란(octadecyltrimethoxysilane(OTMS)), 옥타데실트리에톡시실란(octadecyltriethoxysilane(OTE)), 옥타데실디메틸클로로실란 (octadecyldimethylchlorosilane), 옥틸디메틸클로로실란 (octyldimethylchlorosilane), 디메틸디클로로실란 (dimethyldichlorosilane), 트라이메틸클로로실란 (trimethylchlorosilane), 부틸디메틸클로로실란 (butyldimethylchlorosilane), 트리스트라이메틸실록시실릴에틸디메틸클로로실란 (tris(trimethylsiloxy)silylethyldimethylchlorosilane) 및 옥타데칸싸이올(octadecanethiol(ODT))등의 소수성 실란계 분자 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 분자를 들수 있다.
Examples of the hydrophobic molecule include polycarbonate resins such as bisphenol A type, fluorine resins such as polytetrafluoroethylene and polyvinylidene fluoride, and other polypropylene resins such as polypropylene, More preferred are octadecyltrichlorosilane (OTS), octadecyltrimethoxysilane (OTMS), octadecyltriethoxysilane (OTE), octadecyldimethylchloro But are not limited to, octadecyldimethylchlorosilane, octyldimethylchlorosilane, dimethyldichlorosilane, trimethylchlorosilane, butyldimethylchlorosilane, tristrimethylsiloxysilylethyldimethylchlorosilane (tris (trimethylsiloxy) ) silylethyldimethylchlorosilane) and octadecanethiol (ODT) etc. There deulsu the molecule is selected from a hydrophobic silane-based molecules and mixtures thereof.

다음으로, 상기 양이온 계면활성제-자성나노입자 복합체 형성단계(S120)는 상기 소수성 분자가 코팅된 자성나노입자의 소수성 표면에 양이온 계면활성제를 흡착하여 양이온 계면활성제-자성나노입자 복합체를 형성하는 단계로, 상기 양이온 계면활성제-자성나노입자 복합체 형성단계(S120)는 음전하를 띠고 있는 미세조류와 정전기적 인력에 의해 응집함과 동시에 미세조류 세포벽의 지질이중층 구조와 전하를 교란시켜 미세조류의 세포벽을 파괴시킬 수 있는 양이온 계면활성제-자성나노입자 복합체를 형성할 수 있다.
Next, the cationic surfactant-magnetic nanoparticle complex forming step (S120) is a step of forming a cationic surfactant-magnetic nanoparticle complex by adsorbing a cationic surfactant on the hydrophobic surface of the hydrophobic molecule-coated magnetic nanoparticles , The cationic surfactant-magnetic nanoparticle complex forming step (S120) coagulates by negatively charged microalgae and electrostatic attraction, and at the same time destroys the lipid bilayer structure and charge of the microalgae cell wall, destroying the cell walls of the microalgae Can form cationic surfactant-magnetic nanoparticle complexes.

이때, 상기 양이온 계면활성제는 세틸트리메틸암모늄 브로마이드(cetyltrimethylammonium bromide(CTAB)), 세틸피리디늄 클로라이드(cetylpyridinium chloride(CPC)) 및 세틸피리디늄 브로마이드(cetylpyridinium bromide(CPB))로부터 선택되는 어느 1종 이상을 사용하는 것이 바람직하다.
At this time, the cationic surfactant may be at least one selected from cetyltrimethylammonium bromide (CTAB), cetylpyridinium chloride (CPC) and cetylpyridinium bromide (CPB) Is preferably used.

이러한 양이온성 계면활성제는 임계미셀농도 (critical micelle concentration) 이하의 양으로 사용되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 CTAB의 경우 0.6 mM 내지 1.0 mM, CPC의 경우 0.05 mM 내지 0.12 mM, CPB의 경우 0.10 mM 내지 0.45 mM의 농도로 사용할 수 있다.
Preferably, such a cationic surfactant is used in an amount of less than the critical micelle concentration, more preferably 0.6 mM to 1.0 mM for CTAB, 0.05 mM to 0.12 mM for CPC, 0.10 mM for CPB, mM to 0.45 mM.

따라서, 상기 양이온 계면활성제-자성나노입자 복합체의 표면을 양이온으로 기능화하며, 이는 음전하를 띠고 있는 미세조류와 접촉하여 세포벽에서 지질이중층 구조와 전하 분열을 발생시켜 세포벽이 파괴됨으로써, 지질 추출에 보다 용이한 상태를 만든다.
Therefore, the surface of the cationic surfactant-magnetic nanoparticle complex is functionalized with a cation, which contacts with a negatively charged microalgae to generate a lipid bilayer structure and charge fragmentation in the cell wall, thereby destroying the cell wall, Create a state.

한편, 상기 양이온 계면활성제-자성나노입자 복합체는 상술한 바와 같이 양이온 계면활성제에 의해 코팅됨으로써 전체 제타 전위(Zeta potential)는 20 mV 내지 60 mV 범위로, 입도 크기는 10 nm 내지 200 nm 범위로 제어되어, 다음 단계(S130)의 미세조류 배양액 내에서 나노입자 간의 엉김 현상이 발생하는 일 없이 효율적인 응집물의 회수 및 지질의 추출이 가능하다.
On the other hand, the cationic surfactant-magnetic nanoparticle composite is coated with a cationic surfactant as described above, whereby the total zeta potential is controlled in the range of 20 mV to 60 mV and the particle size is controlled in the range of 10 nm to 200 nm So that it is possible to efficiently recover the aggregates and extract the lipids without causing entanglement of the nanoparticles in the microalgae culture solution in the next step S130.

상기 제타 전위 및 입도 크기는 본 단계에서 사용되는 양이온성 계면활성제의 함량을 적절히 조절함으로써 이루어질 수 있으며, 이와 같이 양이온성 계면활성제의 함량 조절에 의한 양이온성 자성나노입자의 제타 전위 제어는 당업자가 과도한 시행착오 없이 용이하게 수행할 수 있다.
The zeta potential and particle size can be controlled by appropriately controlling the content of the cationic surfactant used in the present step. The control of the zeta potential of the cationic magnetic nanoparticles by controlling the content of the cationic surfactant can be performed by a person skilled in the art It can be easily performed without trial and error.

다음으로, 상기 미세조류 응집 유도 단계(S130)는 상기 양이온 계면활성제-자성나노입자 복합체를 미세조류 배양액에 첨가하여 미세조류의 응집을 유도하는 미세조류 응집 유도 단계이다.
Next, the microalgae coagulation induction step (S130) is a microalgae coagulation inducing step in which the cationic surfactant-magnetic nanoparticle complex is added to the microalgae culture fluid to induce coagulation of microalgae.

여기서, 상기 미세조류는 호수나 강가의 적조나 조를 포함하며, 바람직한 미세조류의 일례는 보트리오코커스 브라우니(Botryococcus braunii), 클라미도모나스 레인하티(Chlamydomonas reinhardtii), 클로렐라 속(Chlorella sp.), 클로렐라 엘립소이디아(Chlorella ellipsoidea), 클로렐라 에머소니(Chlorella emersonii), 클로렐라 프로토테코이데스(Chlorella protothecoides), 클로렐라 피레노이도사(Chlorella pyrenoidosa), 클로렐라 소로키니아나(Chlorella sorokiniana), 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris), 클로렐라 미누티시마(Chlorella minutissima),두나리엘라 바르다윌(Dunaliella bardawil), 두나리엘라 살리나(Dunaliella salina), 이소크리시스 갈바나(Isochrysis galbana), 이소크리시스(Isochrysis sp.), 미크로시스티스 애루기노사(Microcystis aeruginosa), 난노클로리스(Nannochloris sp.), 아나베나 속(Anabaena sp.), 및 시네코시스티스 속(Synechocystis sp.)이며, 이에 한정하지 않는다. 본 발명의 양이온 계면활성제-자성나노입자 복합체로 회수가 가능한 미세조류는 세포막에 음전하를 띠는 특성을 가진 미세조류로서 양이온 계면활성제-자성나노입자 복합체의 양이온과의 상호작용을 통한 결합을 하는 것이다.
Herein, the microalgae include red tide and roe of a lake or a river, and examples of preferable microalgae include Botryococcus braunii, Chlamydomonas reinhardtii, Chlorella sp. Chlorella ellipsoidea, Chlorella emersonii, Chlorella protothecoides, Chlorella pyrenoidosa, Chlorella sorokiniana, Chlorella vulgaris (Chlorella vulgaris) ), Chlorella minutissima, Dunaliella bardawil, Dunaliella salina, Isochrysis galbana, Isochrysis sp., Microcrystalline cellulose, Microcystis aeruginosa, Nannochloris sp., Anabaena sp., And Cinechocystis Synechocystis sp., But is not limited thereto. The microalgae that can be recovered by the cationic surfactant-magnetic nanoparticle complex of the present invention are microalgae having a negative charge characteristic to the cell membrane, and bind to the cationic surfactant-magnetic nanoparticle complex through interaction with cations .

상기 양이온 계면활성제-자성나노입자 복합체와 미세조류의 중량비는 0.2 : 1 내지 4.25 : 1로 하여 배합하는 것이 바람직하다. 상기 양이온 계면활성제-자성나노입자 복합체의 비율이 더 낮아질 경우, 미세조류와의 접촉률이 낮아지는 문제점이 있고, 초과할 경우, 미세조류와 응집하지 않고 낭비되는 양이온 계면활성제-자성나노입자 복합체의 수가 많아져 경제적이지 못하다.
The weight ratio of the cationic surfactant-magnetic nanoparticle complex to the microalgae is preferably 0.2: 1 to 4.25: 1. When the ratio of the cationic surfactant to the magnetic nanoparticle complex is lowered, the contact ratio with the microalgae is lowered. If the proportion is exceeded, the number of the cationic surfactant-magnetic nanoparticle complexes wasted without aggregation with the microalgae It is not economical.

또한, 상기에서 제시한 양이온 계면활성제-자성나노입자 복합체와 미세조류의 중량비가 0.2 : 1 내지 4.25 : 1의 범위에서 양이온 계면활성제-자성나노입자 복합체의 비율이 증가할수록 100 %에 가깝게 나타날 수 있다.
Also, as the ratio of the cationic surfactant-magnetic nanoparticle complex to the microalgae is in the range of 0.2: 1 to 4.25: 1, the ratio of the cationic surfactant-magnetic nanoparticle complex to the cationic surfactant-magnetic nanoparticle complex may be close to 100% .

다음으로, 상기 미세조류 응집물 회수단계(S140)는 이전 단계(S130)에서 응집된 응집물을 자력으로 회수하는 단계로서, 예를 들어, 상기 응집물을 포함하는 미세조류 배양액-양이온 계면활성제-자성나노입자 복합체의 혼합액 하부 또는 측면부에 자력을 가하여 침전을 유도할 수 있다.
Next, the microalgae aggregate collection step (S140) is a step of magnetically collecting the coagulated aggregates in the previous step (S130). For example, the microalgae culture solution-cationic surfactant-magnetic nanoparticles A magnetic force may be applied to the lower or the side of the mixed solution of the complex to induce precipitation.

다음으로, 상기 지질 추출단계(S150)는 상기 회수된 응집물에서 지질을 추출하는 단계로서, 그 구체적인 수행 조건은 특별히 한정되지 않으며, 아래와 같은 방법으로 수행되는 것을 일례로 들 수 있다.
Next, the lipid extraction step (S150) is a step of extracting lipids from the recovered agglomerates. The specific conditions for performing the lipid extraction are not particularly limited, and examples thereof may be performed by the following method.

즉, 상기 지질 추출단계(S150)는, 상기 응집물을 증류수에 현탁하여 현탁액을 형성하는 단계(S151)와, 상기 현탁액에 용출액을 첨가하고 혼합/교반하여 지질 함유층과 세포 잔해물 함유 층으로 상 분리하는 단계(S152) 및 상기 지질 함유층을 분리한 다음, 지질 함유층에 포함된 용출액을 제거하여 지질을 수득하는 단계(S153)를 포함하여 수행될 수 있다.
That is, the lipid extracting step (S150) comprises: suspending the aggregate in distilled water to form a suspension (S151); and separating the lipid-containing layer and the cell debris-containing layer by adding an eluent to the suspension and mixing / Step S152, and separating the lipid-containing layer, and then removing the eluate contained in the lipid-containing layer to obtain lipid (S153).

이때, 상기 용출액은 상분리를 위한 것으로, 노멀 헥산(n-hexane), 클로로포름(chloroform), 디메틸 에테르(dimethyl ether), 펜탄(pentane), 옥탄(octane), 헵탄(heptane), 데칸(decane), 도데칸(dodecane), 에틸 아세테이트(ethyl acetate), 아세토나이트릴(acetonilrile), 씨클로헥산(cyclohexane), 아세톤(acetone), 프로판올(propanol), 에탄올(ethanol) 및 메탄올(methanol)로부터 선택되는 어느 1종 이상을 사용할 수 있다.
At this time, the eluate is used for phase separation and may be n-hexane, chloroform, dimethyl ether, pentane, octane, heptane, decane, (1) selected from dodecane, ethyl acetate, acetonililile, cyclohexane, acetone, propanol, ethanol and methanol. More than species can be used.

한편, 본 단계(S150)는 상기 응집물에 양이온 계면활성제를 첨가하는 단계를 추가로 수행할 경우, 지질의 추출 효율이 증가하는 장점이 있으며, 상기 양이온 계면활성제는 앞서 설명한 것과 동일하다.
Meanwhile, if the step of adding the cationic surfactant to the aggregate is further performed, the extraction efficiency of the lipid is increased, and the cationic surfactant is the same as described above.

이에 따라 추출된 지질은 변성되지 않은 순수한 상태의 것으로 공지된 방법에 의해 바이오디젤로 전환하여 사용할 수 있다.
Accordingly, the extracted lipid is in an unmodified pure state and can be converted into biodiesel by a known method and used.

아래에서 본 발명에 대해 실시예를 기초로 하여 상세하게 설명한다. 제시된 실시예는 예시적인 것으로 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail on the basis of embodiments. The presented embodiments are illustrative and are not intended to limit the scope of the invention.

<< 실시예Example 1> 자성 나노입자 제조 1> Manufacture of magnetic nanoparticles

먼저, 26 mmol의 염화제이철(FeCl3)과 13 mmol의 염화제일철(FeCl2)을 각각 250 ㎖의 증류수와 혼합하여 염화제이철 수용액(FeCl3·6H2O,>98%, Sigma-Aldrich)과 염화제일철 수용액(FeCl2 4H2O,>99.0%, Sigma-Aldrich)을 제조하였으며, 두 수용액을 혼합하여 교반하였다.
First, 26 mmol of ferric chloride (FeCl 3 ) and 13 mmol of ferrous chloride (FeCl 2 ) were mixed with 250 ml of distilled water, and an aqueous ferric chloride solution (FeCl 3 .6H 2 O,> 98%, Sigma-Aldrich) An aqueous ferrous chloride solution (FeCl 2 4H 2 O,> 99.0%, Sigma-Aldrich) was prepared and the two aqueous solutions were mixed and stirred.

이어서, 혼합된 수용액을 질소 분위기 하에서 약 85 ℃ 정도로 30 분 동안 가열한 후에 수산화암모늄(NH4OH 28.8 %) 8.4 ㎖를 천천히 혼합하여 30 분 정도 정치하여 침전시켰다. 침전물들을 상온으로 냉각시키고, 증류수와 에탄올로 세척한 후에 자석을 이용하여 회수하여 자성나노입자인 사삼산화철(Fe3O4)을 얻었으며, 이를 TEM 촬영한 이미지를 도 4에 나타내었다.
Subsequently, the mixed aqueous solution was heated at about 85 ° C for 30 minutes under a nitrogen atmosphere, and 8.4 ml of ammonium hydroxide (NH 4 OH 28.8%) was slowly mixed and allowed to settle for 30 minutes. The precipitates were cooled to room temperature, washed with distilled water and ethanol, and recovered using a magnet to obtain magnetic nanoparticles of iron oxide (Fe 3 O 4 ). An image obtained by TEM observation is shown in FIG.

<< 실시예Example 2>  2> 사삼산화철Iron oxide 나노입자의 소수성 코팅  Hydrophobic coating of nanoparticles

실시예 1을 통해 제조된 자성 나노입자인 사삼산화철을 에탄올에 현탁시킨 현탁액에 7-옥테닐트리에톡시실란(OTES)(>96%, Sigma-Aldrich) 35 mmol을 첨가하였으며, 이를 초음파처리한 후, 12시간 동안 교반한 다음, 에탄올로 세척하여 OTES SiO2가 피막된 OTES-Fe3O4 나노복합체를 얻었다.
35 mmol of 7-octenyltriethoxysilane (OTES) (> 96%, Sigma-Aldrich) was added to a suspension of the magnetic nanoparticles prepared in Example 1 suspended in ethanol, and the suspension was sonicated The mixture was stirred for 12 hours, and then washed with ethanol to obtain an OTES-Fe 3 O 4 nanocomposite coated with OTES SiO 2 .

도 5의 (A)는 상기 OTES-Fe3O4 나노복합체(노란색)를 물 층과 헥세인(hexane) 층을 포함하는 용액에 첨가하여 흔들어주었을 때, OTES-Fe3O4 나노복합체가 헥세인 층에 분산된 것을 보여준다.
(A) of Figure 5 is in, OTES-Fe 3 O 4 The hexane layer nanocomposite when you give shake added to the OTES-Fe3O4 nanocomposite (yellow) to a solution comprising a water layer and a hexane (hexane) layer Show distributed.

따라서, OTES-Fe3O4 나노복합체의 표면은 소수성을 띠는 것을 확인하였다.
Therefore, it was confirmed that the surface of the OTES-Fe 3 O 4 nanocomposite was hydrophobic.

<< 실시예Example 3> 양이온 계면활성제의  3> of the cationic surfactant 기능기화Function vaporization

상기 실시예 2에서 제조된 OTES-Fe3O4 나노복합체를 양이온 계면활성제로써 각각 세틸트리메틸암모늄 브로마이드(CTAB; 0.8 mM; 291.5 mg/L), 세틸피리디늄 클로라이드(CPC; 0.09 mM; 30.5 mg/L) 또는 세틸피리디늄 브로마이드(CPB; 0.45 mM; 173 mg/L)를 포함하는 용액 100 mL에 분산시켰다. 이어서, 각각의 혼합 용액은 10/5 sec 펄스, 30 % 진동에서 10 분 동안 테이퍼 팁을 이용하여 초음파 처리하였다(VC 750; Vivra-cell, Sonics & Materials,Inc., USA).
The OTES-Fe 3 O 4 nanocomposite prepared in Example 2 was mixed with cetyltrimethylammonium bromide (CTAB; 291.5 mg / L), cetylpyridinium chloride (CPC; 0.09 mM; 30.5 mg / L) or cetylpyridinium bromide (CPB; 0.45 mM; 173 mg / L). Each mixed solution was then sonicated using a tapered tip (VC 750; Vivra-cell, Sonics & Materials, Inc., USA) for 10 minutes at 10/5 sec pulse and 30% vibration.

이에 따라 양이온 계면활성제(CTAB, CPC 및 CPB)는 OTES-Fe3O4 나노복합체의 소수성 표면에 흡착을 통해 기능기화 되어 각각에 대한 양이온성 자성나노복합체 A, B 및 C를 얻었다.
As a result, cationic surfactants (CTAB, CPC and CPB) were functionalized through adsorption on the hydrophobic surface of OTES-Fe 3 O 4 nanocomposite to obtain cationic magnetic nanocomposites A, B and C for each.

도 5의 (B)는 상기 양이온성 자성나노복합체 A(노란색)를 물 층과 헥세인(hexane) 층을 포함하는 용액에 첨가하여 흔들어주었을 때, 양이온성 자성나노복합체 A가 물 층에 분산된 것을 나타내고 있다.
FIG. 5 (B) is a graph showing the results when the cationic magnetic nanocomposite A (yellow) is added to a solution containing a water layer and a hexane layer and then the cationic magnetic nanocomposite A is dispersed .

따라서, 양이온성 자성나노복합체 A의 표면은 친수성을 띠는 것을 확인하였다.
Therefore, it was confirmed that the surface of the cationic magnetic nanocomposite A was hydrophilic.

한편, 상기한 바에 따른 양이온성 자성 나노복합체 A, B 및 C의 입자 크기(particle size) 및 표면 전하(Zeta potential)는 Zeta sizer-Nano series(Nano-ZS90; Malvern Instruments Ltd., UK)를 이용하여 측정하였으며, 그 결과를 도 6에 나타내었다.
On the other hand, the particle size and the surface charge (Zeta potential) of the cationic magnetic nanocomposites A, B and C were measured using a Zeta sizer-Nano series (Nano-ZS90; Malvern Instruments Ltd., UK) The results are shown in FIG.

그 결과, 양이온성 자성 나노복합체 A, B 및 C의 입자크기는 각각 150 nm, 175 nm 및 175 nm 로 측정되었으며, 표면 전하의 경우, 54 mV, 39 mV 및 44 mV로 측정된 것을 확인하였다.
As a result, the particle sizes of the cationic magnetic nanocomposites A, B and C were measured at 150 nm, 175 nm and 175 nm, respectively, and surface charges were measured at 54 mV, 39 mV and 44 mV.

<< 실시예Example 4> 클로렐라  4> Chlorella spsp . . KRKR -1의 -1 of 자기영동Magnetic migration 수확 harvesting

광생물 반응기에서 배양한 클로렐라 종(Chlorella sp. KR-1(KCTC0426BP))에 실시예 3에서 제조한 양이온성 자성나노복합체 A, B 및 C를 단위 g 미세조류 당 각각 0 ~ 4.25 g로 달리하여 첨가하고 vortex(IKAⓡ Lab dancer SA0, China)를 이용하여 격렬하게 혼합하였다.
The cationic magnetic nanocomposites A, B, and C prepared in Example 3 were changed to chlorella species (Chlorella sp. KR-1 (KCTC0426BP)) cultivated in a photobioreactor with 0 to 4.25 g per unit microalgae And vigorously mixed with vortex (IKAⓡ Lab dancer SA0, China).

각각에 대하여 혼합 후 미세조류 배양액-양이온성 자성나노복합체의 혼합액 하부 및 측면부에 강력한 영구자석인 네오디뮴 마그네트(external permanent NdFeB magnet)로 자력을 가하여 침전을 유도하였으며, 자력을 가한 후 1 분 안에 침전이 완료되었다.
After mixing, the mixture was subjected to magnetic force with a strong permanent magnet (external permanent NdFeB magnet) to induce precipitation in the bottom and side portions of the mixture of microalgae culture and cationic magnetic nanocomposite, and after 1 minute of magnetic force, It was completed.

수확 효율을 평가하기 위하여 미세조류가 제거된 상등액에 대하여 UV-Vis spectrophotometry(Optizen 2120 UV, Mecasys Co, Korea)를 이용하여 660 nm 파장에서 흡광도(OD,optical density)를 측정하였으며, 수확 효율은 하기의 식을 이용하여 계산하였다. 참고로, 상기 ODi와 ODh는 각각 초기 배양액의 흡광도 및 자력으로 수확한 상등액에 대한 흡광도를 나타낸다. The OD was measured at 660 nm using UV-Vis spectrophotometry (Optizen 2120 UV, Mecasys Co, Korea) in order to evaluate the harvesting efficiency. , Respectively. For reference, OD i and OD h represent the absorbance of the supernatant liquid obtained by the initial culture liquid and the magnetic force, respectively.

[식 1][Formula 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

도 7은 상기한 바에 따라 계산한 수확 효율을 그래프로 나타낸 것으로 x 축은 미세조류(KR-1) 1 g 당 투입된 양이온성 자성나노복합체(MNP)의 g 수를, y 축은 수확 효율(%)을 나타낸다.
FIG. 7 is a graph showing the harvesting efficiency calculated according to the above. The x-axis shows the number of cationic magnetic nanocomposite (MNP) added per 1 g of microalgae (KR-1) .

도 7에 도시된 바와 같이, 양이온성 자성나노복합체 A, B 및 C를 저농도로 첨가하였을 시에도 수확효율이 100 %에 근접하게 나타나는 것을 확인하였다.
As shown in FIG. 7, it was confirmed that even when the cationic magnetic nanocomposites A, B and C were added at a low concentration, the harvesting efficiency was close to 100%.

한편, 미세조류 세포 파쇄에 대한 양이온성 자성나노복합체의 효과를 시각적으로 확인하기 위해, 상기에서 얻은 미세조류-양이온 자성나노복합체 A의 응집물("(a)"), 미세조류-양이온 자성나노복합체 B의 응집물("(b)"), 미세조류-양이온 자성나노복합체 C의 응집물("(c)") 및 대조군으로써 아무것도 처리하지 않은 미세조류 배양액("Control")을 준비하였으며, 각각에 대하여 10분 동안 암조건 하에서 SYTOX® green(Life Technologies, Thermo Fisher Scientific Corp., USA)으로 염색하였다.
On the other hand, in order to visually confirm the effect of the cationic magnetic nanocomposite against microalgae cell disruption, the aggregate ("(a)") of microalgae-cationic magnetic nanocomposite A obtained above, microalgae- cationic magnetic nanocomposite ("Control"), which had not been subjected to any treatment as a control ("Control"), were prepared as the agglomerates of the agglomerates of agarose B ("b"), microalgae-cationic magnetic nanocomposite C And stained with SYTOX® green (Life Technologies, Thermo Fisher Scientific Corp., USA) under dark conditions for 10 minutes.

이후, 상기 응집물은 인큐베이션에서 0.01 M phospate buffed saline(pH-7.2)으로 2 회 세척하고, DIC opics를 구비한 Zeiss Imager A2 형광 현미경(Zeiss, Germany)으로 관찰하였다.
The aggregates were then washed twice with 0.01 M phospate buffed saline (pH-7.2) in the incubation and observed with a Zeiss Imager A2 fluorescence microscope equipped with DIC opics (Zeiss, Germany).

여기서, SYTOX®녹색 신호(세포파쇄 신호)와 클로로필 II의 붉은색 신호(미세조류의 자가형광 신호)는 롱 패스 필터 세트 09(Excitation filter : 450 ~490 nm band pass; BS FT :510 nm; EM LP : 515 nm)를 이용하여 관찰하고, 이를 AxioCam HRc CCD 카메라(Zeiss, Germany)로 촬영하였으며, 촬영한 이미지를 도 8에 나타내었다.
Here, the SYTOX® green signal (cell disruption signal) and the red signal of chlorophyll II (the autofluorescence signal of the microalgae) are set in the long pass filter set 09 (excitation filter: 450 to 490 nm band pass (BS FT: LP: 515 nm), which was photographed with an AxioCam HRc CCD camera (Zeiss, Germany), and the photographed image is shown in FIG.

그 결과, 아무것도 처리하지 않은 미세조류 배양액에서는 미세조류가 함유한 엽록소에서 나오는 자체발광(붉은색)만이 관찰된데 반해, 본 발명에 따른 양이온성 자성나노복합체를 처리한 배양액의 경우((a),(b) 및 (c)), 다량의 녹색이 관찰되어 세포가 파쇄된 것을 확인하였다.
As a result, only the self-emission (red color) from the chlorophyll contained in the microalgae was observed in the microalgae culture solution in which nothing was treated, whereas in the case of the culture solution in which the cationic magnetic nanocomposite according to the present invention was treated ((a) , (b) and (c)), a large amount of green was observed and the cells were confirmed to be disrupted.

<< 실시예Example 5> 지질 추출 5> lipid extraction

상기 실시예 4에서 수확한 미세조류 세포 800 mg은 각각 0.45 mM의 양이온 계면활성제 용액(CTAB / CPC / CPB)와 대조구로써 증류수를 35 mL(20 g cell/L)를 첨가하여 혼합하였으며, 각각의 혼합용액을 상온에서 15분 동안 500 rpm으로 교반하였다.
800 mg of microalgae harvested in Example 4 were mixed with 0.45 mM of a cationic surfactant solution (CTAB / CPC / CPB) and 35 mL (20 g cell / L) of distilled water as a control. The mixed solution was stirred at 500 rpm for 15 minutes at room temperature.

이후, 세포들은 5분 동안 4000 rpm에서 원심분리한 후, 증류수 35 mL를 첨가하여 재현탁시켰다. 여기에 hexane : methanol을 7 : 3 (v/v)비율로 혼합한 혼합용액 35 ml을 더 첨가하여, 상온에서 24시간 동안 1000 rpm으로 교반하였다.
Subsequently, the cells were centrifuged at 4000 rpm for 5 minutes and resuspended by adding 35 mL of distilled water. 35 ml of mixed solution of hexane: methanol at a ratio of 7: 3 (v / v) was further added thereto, and the mixture was stirred at 1000 rpm for 24 hours at room temperature.

이후, 10분 동안 4000 rpm으로 원심분리하여 세포 잔해물을 함유하는 methanol : 물 층과 지질을 함유하는 hexane 층으로 분리되었고, 이 중 hexane 층을 수득하였다. 이중 hexane은 진공 증발기(EZ2 PLUS, Genevac, UK)로 증발시키고 지질 성분만을 회수하여 정량하였으며, 그 결과를 도 9에 나타내었다.
Then, centrifugation was carried out at 4000 rpm for 10 minutes to separate the methanol: water layer containing cell debris and the hexane layer containing lipid, and a hexane layer was obtained. The hexane was evaporated with a vacuum evaporator (EZ2 PLUS, Genevac, UK), and only lipid components were recovered and quantified. The results are shown in FIG.

도 9에 나타난 바와 같이, 양이온 계면활성제를 첨가하였을 시에는 지질 추출량이 대조군에 비해 증가한 것을 확인하였다.As shown in FIG. 9, when the cationic surfactant was added, it was confirmed that the amount of lipid extracted was increased compared to the control.

Claims (15)

(a) 자성나노입자의 표면을 소수성 분자로 코팅하여 소수성 분자가 코팅된 자성나노입자를 형성하는 소수성 자성나노입자 형성단계;
(b) 상기 소수성 분자가 코팅된 자성나노입자의 소수성 표면에 양이온성 계면활성제를 흡착시켜 양이온 계면활성제-자성나노입자 복합체를 형성하는 양이온 계면활성제-자성나노입자 복합체 형성단계;
(c) 상기 양이온 계면활성제-자성나노입자 복합체를 미세조류 배양액에 첨가하여 미세조류의 응집을 유도하는 미세조류 응집 유도단계;
(d) 상기 단계 (c)에서 응집된 응집물을 자력으로 회수하는 응집물 회수단계; 및
(e) 상기 회수된 응집물에서 지질을 추출하는 지질 추출단계;를 포함하는 양이온 계면활성제-자성나노입자 복합체를 이용한 미세조류의 수확 및 지질의 추출방법.
(a) forming a hydrophobic magnetic nanoparticle in which a surface of the magnetic nanoparticle is coated with a hydrophobic molecule to form magnetic nanoparticles coated with the hydrophobic molecule;
(b) a step of forming a cationic surfactant-magnetic nanoparticle complex forming a cationic surfactant-magnetic nanoparticle complex by adsorbing a cationic surfactant on the hydrophobic surface of the hydrophobic molecule-coated magnetic nanoparticles;
(c) adding a cationic surfactant-magnetic nanoparticle complex to the microalgae culture medium to induce flocculation of microalgae;
(d) a step of collecting the aggregated aggregate in the step (c) by magnetic force; And
(e) a lipid extraction step of extracting lipids from the recovered agglomerates; and harvesting microalgae and extracting lipids using the cationic surfactant-magnetic nanoparticle complex.
제 1항에 있어서,
상기 단계 (a)에서, 상기 소수성 분자는
i) 폴리카보네이트(polycarbonate)계 수지, ii) 불소(fluorine)계 수지, iii) 폴리프로필렌(polypropylene)계 수지, 또는 iv) 옥타데실트리클로로실란(octadecyltrichlorosilane(OTS)), 옥타데실 트리메톡시실란(octadecyltrimethoxysilane(OTMS)), 옥타데실트리에톡시실란(octadecyltriethoxysilane(OTE)), 옥타데실디메틸클로로실란 (octadecyldimethylchlorosilane), 옥틸디메틸클로로실란 (octyldimethylchlorosilane), 디메틸디클로로실란 (dimethyldichlorosilane), 트라이메틸클로로실란 (trimethylchlorosilane), 부틸디메틸클로로실란 (butyldimethylchlorosilane), 트리스트라이메틸실록시실릴에틸디메틸클로로실란 (tris(trimethylsiloxy)silylethyldimethylchlorosilane) 및 옥타데칸싸이올(octadecanethiol(ODT))으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 양이온 계면활성제-자성나노입자 복합체를 이용한 미세조류의 수확 및 지질의 추출방법.
The method according to claim 1,
In the step (a), the hydrophobic molecule is
(i) polycarbonate resin, ii) fluorine resin, iii) polypropylene resin, or iv) octadecyltrichlorosilane (OTS), octadecyltrimethoxysilane octadecyltrimethoxysilane (OTMS), octadecyltriethoxysilane (OTE), octadecyldimethylchlorosilane, octyldimethylchlorosilane, dimethyldichlorosilane, trimethylchlorosilane, trimethylchlorosilane, ), Butyldimethylchlorosilane, tristrimethylsiloxysilylethylsilylethyldimethylchlorosilane, and octadecanethiol (ODT). In one embodiment of the present invention, at least one selected from the group consisting of butyldimethylchlorosilane, tristrimethylsiloxysilylethyldimethylchlorosilane and octadecanethiol Of microalgae using cationic surfactant-magnetic nanoparticle complex Methods of extraction.
제 1항에 있어서,
상기 단계 (b)에서, 상기 양이온성 계면활성제는 세틸트리메틸암모늄 브로마이드(cetyltrimethylammonium bromide(CTAB)), 세틸피리디늄 클로라이드(cetylpyridinium chloride(CPC)) 및 세틸피리디늄 브로마이드(cetylpyridinium bromide(CPB))로부터 선택되는 어느 1종 이상인 것을 특징으로 하는 양이온 계면활성제-자성나노입자 복합체를 이용한 미세조류의 수확 및 지질의 추출방법.
The method according to claim 1,
In step (b), the cationic surfactant is selected from cetyltrimethylammonium bromide (CTAB), cetylpyridinium chloride (CPC) and cetylpyridinium bromide (CPB). Wherein the cationic surfactant-magnetic nanoparticle complex is at least one selected from the group consisting of a cationic surfactant and a magnetic nanoparticle complex.
제 1항에 있어서,
상기 단계 (b)에서, 상기 양이온성 계면활성제는 임계미셀농도 (critical micelle concentration) 이하의 양으로 사용되는 것을 특징으로 하는 양이온 계면활성제-자성나노입자 복합체를 이용한 미세조류의 수확 및 지질의 추출방법.
The method according to claim 1,
Wherein the cationic surfactant is used in an amount of less than a critical micelle concentration in the step (b), wherein the cationic surfactant is used in an amount of less than a critical micelle concentration. .
제 1항에 있어서,
상기 단계 (b)에서, 상기 양이온성 자성나노입자의 표면 전하는 20 mV 내지 60 mV인 것을 특징으로 하는 양이온 계면활성제-자성나노입자 복합체를 이용한 미세조류의 수확 및 지질의 추출방법.
The method according to claim 1,
Wherein the surface charge of the cationic magnetic nanoparticles is in the range of 20 mV to 60 mV in step (b), wherein the cationic surfactant-magnetic nanoparticle complex is used for harvesting microalgae and extracting lipids.
제 1항에 있어서,
상기 단계 (a)에서, 상기 자성나노입자는 산화철(Fe2O3 또는 Fe3O4)의 나노입자; 또는 산화철(Fe2O3 또는 Fe3O4)과 바륨(Ba), 망간(Mn), 코발트(Co), 니켈(Ni), 아연(Zn), 가돌리늄(Gd) 및 스트론튬(Sr)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상과의 합금 나노입자인 것을 특징으로 하는 양이온 계면활성제-자성나노입자 복합체를 이용한 미세조류의 수확 및 지질의 추출방법.
The method according to claim 1,
In the step (a), the magnetic nanoparticles may be nanoparticles of iron oxide (Fe 2 O 3 or Fe 3 O 4 ); (Fe 2 O 3 or Fe 3 O 4 ) and barium (Ba), manganese (Mn), cobalt (Co), nickel (Ni), zinc (Zn), gadolinium (Gd) and strontium Wherein the alloy nanoparticles are at least one selected from the group consisting of nanoparticles of at least one selected from the group consisting of nanoparticles and nanoparticles.
제 1항에 있어서,
상기 단계 (b)에서, 상기 양이온 계면활성제-자성나노입자 복합체의 입도 크기는 10 nm 내지 200 nm인 것을 특징으로 하는 양이온 계면활성제-자성나노입자 복합체를 이용한 미세조류의 수확 및 지질의 추출방법.
The method according to claim 1,
Wherein the particle size of the cationic surfactant-magnetic nanoparticle complex is in the range of 10 nm to 200 nm in the step (b), wherein the cationic surfactant-magnetic nanoparticle complex is used for harvesting and extracting lipids using the cationic surfactant-magnetic nanoparticle complex.
제 1항에 있어서,
상기 단계 (c)에서, 상기 미세조류는 보트리오코커스 브라우니(Botryococcus braunii), 클라미도모나스 레인하티(Chlamydomonas reinhardtii), 클로렐라 속(Chlorella sp.), 클로렐라 엘립소이디아(Chlorella ellipsoidea), 클로렐라 에머소니(Chlorella emersonii), 클로렐라 프로토테코이데스(Chlorella protothecoides), 클로렐라 피레노이도사(Chlorella pyrenoidosa), 클로렐라 소로키니아나(Chlorella sorokiniana), 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris), 클로렐라 미누티시마(Chlorella minutissima),두나리엘라 바르다윌(Dunaliella bardawil), 두나리엘라 살리나(Dunaliella salina), 이소크리시스 갈바나(Isochrysis galbana), 이소크리시스(Isochrysis sp.), 미크로시스티스 애루기노사(Microcystis aeruginosa), 난노클로리스(Nannochloris sp.), 아나베나 속(Anabaena sp.), 및 시네코시스티스 속(Synechocystis sp.) 중에서 하나 이상 선택된 것을 특징으로 하는 양이온 계면활성제-자성나노입자 복합체를 이용한 미세조류의 수확 및 지질의 추출방법.
The method according to claim 1,
In step (c), the microalgae are selected from the group consisting of Botryococcus braunii, Chlamydomonas reinhardtii, Chlorella sp., Chlorella ellipsoidea, , Chlorella emersonii, Chlorella protothecoides, Chlorella pyrenoidosa, Chlorella sorokiniana, Chlorella vulgaris, Chlorella minutissima, Such as Dunaliella bardawil, Dunaliella salina, Isochrysis galbana, Isochrysis sp., Microcystis aeruginosa, Nanocholor, (Nannochloris sp.), Anabaena sp., And Synechocystis sp. A method of harvesting microalgae and extracting lipids using cationic surfactant - magnetic nanoparticle complex.
제 1항에 있어서,
상기 단계 (c)에서, 상기 양이온성 자성나노입자와 미세조류의 중량비는 0.2 : 1 내지 4.25 : 1인 것을 특징으로 하는 양이온 계면활성제-자성나노입자 복합체를 이용한 미세조류의 수확 및 지질의 추출방법.

The method according to claim 1,
Wherein the weight ratio of the cationic magnetic nanoparticles to the microalgae in the step (c) is 0.2: 1 to 4.25: 1. 2. The method according to claim 1, wherein the weight ratio of the cationic magnetic nanoparticles to the microalgae is in the range of 0.2: .

제 1항에 있어서,
상기 단계 (e)에서, 상기 지질을 추출하는 방법은
(e-1) 상기 응집물을 증류수에 현탁하여 현탁액을 형성하는 단계;
(e-2) 상기 현탁액에 용출액을 첨가하고 혼합/교반하여 지질 함유층과 세포 잔해물 함유층으로 상 분리하는 단계; 및
(e-3) 상기 지질 함유층을 분리한 다음, 지질 함유층에 포함된 용출액을 제거하여 지질을 수득하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 양이온 계면활성제-자성나노입자 복합체를 이용한 미세조류의 수확 및 지질의 추출방법.
The method according to claim 1,
In the step (e), the method for extracting the lipid
(e-1) suspending the aggregate in distilled water to form a suspension;
(e-2) adding an eluent to the suspension and mixing / stirring to separate the lipid-containing layer into a cell debris-containing layer; And
(e-3) separating the lipid-containing layer, and then removing the eluate contained in the lipid-containing layer to obtain a lipid; harvesting the microalgae using the cationic surfactant-magnetic nanoparticle complex; and Lipid extraction method.
제 10항에 있어서,
상기 단계 (e-2)에서,
상기 용출액은 노멀 헥산(n-hexane), 클로로포름(chloroform), 디메틸 에테르(dimethyl ether), 펜탄(pentane), 옥탄(octane), 헵탄(heptane), 데칸(decane), 도데칸(dodecane), 에틸 아세테이트(ethyl acetate), 아세토나이트릴(acetonilrile), 씨클로헥산(cyclohexane), 아세톤(acetone), 프로판올(propanol), 에탄올(ethanol) 및 메탄올(methanol)로부터 선택되는 어느 1종 이상인 것을 특징으로 하는 양이온 계면활성제-자성나노입자 복합체를 이용한 미세조류의 수확 및 지질의 추출방법.
11. The method of claim 10,
In the above step (e-2)
The eluent may be selected from the group consisting of n-hexane, chloroform, dimethyl ether, pentane, octane, heptane, decane, dodecane, ethyl Wherein the cation is at least one selected from the group consisting of ethyl acetate, acetonililile, cyclohexane, acetone, propanol, ethanol and methanol. Harvesting and Lipid Extraction of Microalgae Using Surfactant - Magnetic Nanoparticle Composites.
제 1항에 있어서,
상기 단계 (e)에서, 응집된 응집물에 양이온 계면활성제를 더 혼합하는 것을 특징으로 하는 양이온 계면활성제-자성나노입자 복합체를 이용한 미세조류의 수확 및 지질의 추출방법.
The method according to claim 1,
A method for harvesting microalgae and extracting lipids using the cationic surfactant-magnetic nanoparticle complex, wherein the cationic surfactant is further mixed with the aggregated aggregate in the step (e).
제 12항에 있어서,
상기 양이온 계면활성제는 세틸트리메틸암모늄 브로마이드(cetyltrimethylammonium bromide(CTAB)), 세틸피리디늄 클로라이드(cetylpyridinium chloride(CPC)) 및 세틸피리디늄 브로마이드(cetylpyridinium bromide(CPB))로부터 선택되는 어느 1종 이상인 것을 특징으로 하는 양이온 계면활성제-자성나노입자 복합체를 이용한 미세조류의 수확 및 지질의 추출방법.
13. The method of claim 12,
The cationic surfactant is at least one selected from cetyltrimethylammonium bromide (CTAB), cetylpyridinium chloride (CPC), and cetylpyridinium bromide (CPB) A method of harvesting microalgae and extracting lipids using cationic surfactant - magnetic nanoparticle complex.
제 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항의 양이온 계면활성제-자성나노입자 복합체를 이용한 미세조류의 수확 및 지질의 추출방법에 의해 추출된 지질.
A lipid extracted by a method of harvesting and extracting microalgae using the cationic surfactant-magnetic nanoparticle complex of any one of claims 1 to 13.
제 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항의 양이온 계면활성제-자성나노입자 복합체를 이용한 미세조류의 수확 및 지질의 추출방법에 의해 추출된 지질로 제조된 바이오디젤.  14. A biodiesel prepared from lipids extracted by a method of harvesting and extracting microalgae using the cationic surfactant-magnetic nanoparticle complex according to any one of claims 1 to 13.
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