KR20170055815A

KR20170055815A - 조류로부터 추출된 당을 포함하는 효소연료전지용 조성물

Info

Publication number: KR20170055815A
Application number: KR1020150159070A
Authority: KR
Inventors: 김승욱; 박철환; 이자현; 김동섭; 유하영
Original assignee: 고려대학교 산학협력단
Priority date: 2015-11-12
Filing date: 2015-11-12
Publication date: 2017-05-22
Also published as: KR102529667B1

Abstract

본 발명은, 조류로부터 추출된 당을 포함하는 효소연료전지용 조성물에 대한 것이다.

Description

조류로부터 추출된 당을 포함하는 효소연료전지용 조성물 {The composition for electrodes for enzymatic fuel cells comprising sugar extracted from using algae}

본 발명은 조류의 당을 효과적으로 추출하고, 효소 연료 전지 시스템에 적용하여 전력을 생산하는 방법에 관한 것이다.

화석연료의 무분별한 사용에 의한 환경적인 피해와 피할 수 없는 화석연료의 고갈로 인해 전 세계적으로 신재생에너지 개발을 위한 연구가 시급한 실정이다. 바이오 에너지는 재생가능하고 대체에너지의 확보, 환경개선, 원료 재배 농가의 소득창출이라는 긍정적 효과를 지니고 있기 때문에 전 세계적으로 주목을 받고 있다. 특히, 최근 3세대인 해양 바이오매스를 이용하여 에너지를 생산하는 기술 개발이 활발하다. 그 중에서도 조류는 단세포부터 다세포까지 다양한 형태로 전 세계적으로 다양한 종이 존재하고, 최근에는 CO2 감축효과와 더불어 미래의 에너지 생산을 위한 차세대 바이오매스로 주목 받고 있다. 특히, 전 세계에 광범위하게 자생하는 녹조류인 클로렐라(Chlorella)는 생육속도가 빠르고, 높은 광합성 효율을 나타내며, 세포내 지질 성분 및 다당류의 함량이 많아 곡류 및 목재류와 같은 1,2세대 바이오매스보다 에너지 효율이 높은 이점을 바탕으로 하여, 3세대 바이오매스 (해양 바이오매스)로 주목받고 있다. 특히 미세조류의 세포벽구조는 세포벽 외층 (outer cell wall layer)과 세포벽 내층 (inner cell wall layer)의 두 층으로 구성되어있고, 그 중 세포벽 외층은 셀룰로오스를 포함하는 3중 구조 (trilaminar structure)로 구성되어있어 세포벽의 구조가 매우 단단하기 때문에 물리·화학적 전처리 과정을 거치지 않고서는 글루코오스로의 전환에 어려움이 따른다. 따라서, 셀룰로오스, 전분 등 다당류 성분을 단당류로 전환시키기 위해서는 단단하게 구성된 세포벽의 파쇄하기 위한 전처리 공정이 우선적으로 실시되어야 한다.

조류로부터 생산된 글루코오스는 최근 비약적으로 개선되고 있는 차세대형 클린 에너지 변환 디바이스로서 세계적으로 주목되는 글루코오스 바이오센서의 제작에 큰 부분을 차지할 수 있다. 세계 바이오센서의 총 시장규모는 2002년에 65.7억 달러 규모였으며, 이 규모는 연평균 11.6% 성장으로 2004년도에는 약 82억 달러 정도의 규모이다. 이 중 식품용 바이오센서 시장은 약 1억4천만 달러 정도로 전체 바이오센서시장의 약 12.7%를 차지했다. 현재 선진국에서는 환경 보호를 위한 다양한 검출 기술을 이용하여 신속한 오염 검출 및 보호/보전 대책 수행을 위한 다각적인 노력을 하고 있으며, 많은 기업들이 관련 센서 및 시약을 연구하여 세계 시장을 선도하려고 준비 하고 있다. 최근 폐기되거나 비식용성 바이오매스를 직접 전기에너지로 전환하려는 연구가 시도되고 있고, 그 중 대표적인 것이 효소연료전지이다. 효소연료전지와 같은 바이오 연료전지는 안전하고, 환경부하가 적으며, 재활용이 가능한 바이오매스를 에너지원으로 사용하는 장점을 가지고 있어 주목을 받고 있다. 그러나, 아직까지 이러한 바이오매스 에너지를 효소연료전지 시스템에 적용할 경우, 실용화에 충분한 전력을 수득하지 못하는 실정이다. 한편, 미국공개특허 2014/0004427호에는 연료전지에 사용될 수 있는 바이오매스 가공처리 방법이 개시되어 있으나, 효소연료전지 시스템에 적용할 경우 낮은 전력의 문제를 여전히 갖는다.

본 발명은 조류가 함유하고 있는 당을 추출하기 위해 최적의 산 추출 조건을 확립하고, 효소연료전지 시스템에 적용하여 전력 생산에 목적을 두고 있다. 이에 따라 본 발명자들은 조류 당을 이용하여 높은 전력을 생산하는 기술을 개발함으로써 본 발명을 완성하였다.

미국공개특허 2014/0004427

본 발명은, 조류에 함유한 당을 효과적으로 추출하고 효소연료전지 시스템에 적용하여 기존 낮은 전력의 문제를 해소하는 효소연료전지용 조성물 및 이를 이용한 효소연료전지와, 이와 관계된 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 조류에 함유한 당을 효과적으로 추출하고 효소연료전지 시스템에 적용하여 기존 낮은 전력의 문제를 해소하는 효소연료전지용 조성물 이를 이용한 효소연료 전지와, 이와 관계된 방법을 제공한다.

본 발명은 조류에 함유한 당을 효과적으로 추출하고, 이를 효소연료전지 시스템에 적용하여, 매우 높은 출력 밀도를 갖는 효소연료전지용 조성물 및 효소연료전지를 제공함으로, 환경 및 에너지 문제에 많은 기여를 할 수 있다.

도 1 은 표 2에서 선정된 산을 이용하여 추출 당의 최적 조건을 나타낸 그래프이다. 도 1a는 산 농도, 도 1b는 고/액비에 따른 결과를 나타낸다.
도 2 는 조류로부터 추출된 당을 효소연료전지 시스템에 적용하여 출력 밀도를 측정한 그래프이다. 도 2a는 추출 당을 이용한 출력 밀도 측정 결과이며, 도 2b는 염을 제거한 추출 당의 출력 밀도 측정결과이다.

본 발명은 조류에 함유된 당을 추출하고, 효소연료전지 시스템에 적용하여 전력을 생산기 위한 조성물 및 이와 관련된 방법에 대한 것이다.

구체적으로, 본 발명은 조류로부터 추출된 당을 포함하는 효소연료전지용 조성물, 조류로부터 효소연료전지의 기질로 사용하기 위한 당을 추출하는 방법 및 상기 조성물또는 상기 당을 기질로 포함하는 효소연료전지에 대한 것이다. 본 발명자는 조류로부터 추출된 당을 효소연료전지에 사용하는 경우, 기존 효소연료전지의 출력 밀도를 5배 이상 증가시켜, 종래 효소연료전지의 낮은 전력의 문제를 해결할 수 있음을 실험적으로 입증하여 본 발명을 완성하였다.

본 발명에서, 상기 조류는 글루코오스가 함유된 조류이면 특별히 한정되지 않으며, 녹조류, 홍조류 및 갈조류 중 하나 이상일 수 있다. 구체적으로, 상기 조류는 클로렐라 피레노이도사 (Chlorella pyrenoidosa), 클로렐라 불가리스 (Chlorella vulgaris) 및 난노클로롭시스 가디타나 (Nannochloropsis gaditana) 중 하나 이상일 수 있으며, 난노클로롭시스 가디타나 (Nannochloropsis gaditana)인 것이 바람직하다.

구체적으로, 상기 당은 글루코오스일 수 있다. 상기 당은 효소연료전지에서 효소에 대한 기질로 사용되는 것일 수 있으며, 상기 효소연료전지는 연료전지의 촉매로 효소를 사용하는 전지를 의미하며, 본 발명에서는 당을 기질로 하는 촉매를 사용하는 효소연료전지이면 특별히 제한되지 않고 적용 가능하다.

본 발명의 조류로부터 효소연료전지의 기질로 사용하기 위한 당을 추출하는 방법은, 상기 조류에 2 내지 4% 농도의 산을 상기 조류와 산의 고액비가 80~140 g/L이 되도록 처리하는 것을 특징으로 한다. 상기 범위의 산을 처리할 경우, 당 추출 효율이 극대화 됨을 실험적으로 확인하였다. 4% 이상의 농도의 산을 사용하면 오히려 당이 과분해되어 당 추출 농도가 감소한다.

상기 산은 황산, 염산, 인산, 과초산 및 질산 중 하나 이상일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 바람직하게는 염산을 사용 가능하다. 상기 염산을 처리할 경우, 당 추출 효율이 극대화 됨을 실험적으로 확인하였다. 염화수소의 수용액인 염산, 질산, 황산 등과 같이 수용액 속에서는 거의 완전하게 이온화되어 있어 수소이온을 내기 쉽기 때문에 가수분해 효율이 좋은 결과를 나타내며, 그 중 염산이 다른 산에 비해 이온화 상수가 가장 커 가수분해 산으로 바람직하다.

본 발명은, 상기 조성물 또는 상기의 방법으로 조류로부터 추출된 당을 기질로 포함하는 효소연료전지에 대한 것이다. 본 발명의 조성물 또는 당을 기질로 사용하는 효소연료전지는 매우 향상된 전력 밀도를 나타낸다.

본 발명의 효소연료전지는, 조류로부터 추출된 당 또는 이를 포함하는 조성물을 기질로 포함하는 점 이외에는, 종래 효소연료전지와 관련한 기술을 적용하여 제조될 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 효소연료전지는 상기 기질에 대한 산화반응용 효소 또는 환원반응용 효소를 포함하는 전극을 더 포함할 수 있다.

이하 본 발명을 다음의 실시예에 의하여 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이들은 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의하여 제한되는 것은 아니다.

참조예

(a) 조류 종류에 따른 구성 성분 분석 실험

표 1 은 3종의 조류인 클로렐라 피레노이도사 (Chlorella pyrenoidosa), 클로렐라 불가리스 (Chlorella vulgaris), 난노클로롭시스 가디타나 (Nannochloropsis gaditana)의 탄수화물 (Carbohydrate), 섬유 (Fiber), 단백질 (Protein), 지질 (Lipid), 재 (Ash) 등의 성분을 측정한 표이다.

	C. pyrenoidosa	C. vulgaris	N. gaditana
탄수화물 (%)	9.94	10.97	11.01
섬유 (%)	0.64	0.57	1.15
단백질 (%)	56.61	55.79	56.41
지질 (%)	4.55	6.34	5.13
재 등 (%)	7.86	7.84	5.74

표 1에 나타낸 바와 같이, 3종의 조류인 클로렐라 피레노이도사 (Chlorella pyrenoidosa), 클로렐라 불가리스 (Chlorella vulgaris), 난노클로롭시스 가디타나 (Nannochloropsis gaditana)를 선정하였고, 성분 분석을 위해 NREL, AOAC Method를 이용하여 탄수화물 (Carbohydrate), 섬유 (Fiber), 단백질 (Protein), 지질 (Lipid), 재 (Ash) 등의 성분을 측정 하였다. 그 결과 난노클로롭시스 가디타나가 약 10%의 당이 함유되어 있었으며, 그 중 글루코오스는 약 50% 정도 차지하고 있었다.

(b) 다양한 산을 이용한 조류 함유 당 추출

다양한 산을 이용하여 조류에 함유된 당을 추출하였다. 구체적으로, 표 2 는 본 발명의 5가지 산을 이용하여 조류에서 당을 추출하는 표이다.

산 농도 (%)	황산		과초산		인산		염산		질산
산 농도 (%)	당 농도(g/L)	효율 (%)	당 농도(g/L)	효율 (%)	당 농도(g/L)	효율 (%)	당 농도(g/L)	효율 (%)	당 농도(g/L)	효율 (%)
1	0.94±0.06	9.45	0.34±0.01	3.47	0.46±0.01	4.68	7.12±0.01	71.62	1.19±0.05	11.96
2	2.84±0.01	28.57	0.46±0.03	4.62	0.68±0.01	6.85	9.53±0.01	95.88	6.37±0.08	64.07
3	5.73±0.01	57.64	0.55±0.01	5.58	0.90±0.01	9.06	8.96±0.11	90.12	8.06±0.73	81.07
4	7.00±0.17	70.40	0.59±0.01	5.92	1.11±0.01	11.13	9.14±0.06	91.98	8.72±0.31	87.70

표 2를 참조하면, 1~4%의 5가지 산(황산, 염산, 인산, 과초산, 질산)을 이용하여 고/액비 100 g/L, 121, 15 min의 조건으로 추출한 산과 농도를 나타내었다. 그 결과 추출 효율은 5가지 산 모두 다른 결과를 보여주었다. 황산과 질산의 경우 산의 농도가 1%에서 4%로 증가할수록 추출 효율이 각각 9.45 ~ 70.40%, 11.96 ~ 87.70%의 경향을 나타내었다. 하지만 과초산과 인산은 가수분해 효율이 20% 미만으로 낮아 추출 산으로 적절하지 않는 결과를 보였다. 염산의 경우 2%의 농도에서 95.88%의 추출 효율을 나타내었다. 염화수소의 수용액인 염산, 질산, 황산 등과 같이 수용액 속에서는 거의 완전하게 이온화되어 있어 수소이온을 내기 쉽기 때문에 추출 효율이 좋은 결과를 나타내었다. 그 중 염산이 다른 산에 비해 이온화 상수가 가장 커 추출 효율이 높은 산으로 적절하였다.

실시예 1. 선정된 최적 산을 이용한 당 추출 최적화

상기에서 선정된 최적 산을 이용한 당 추출 최적화(산 농도, 고/액비)를 하였다. 구체적으로, 산 추출 최적조건을 설정하기 위해 20 mL vial에서 고/액비 20 ~ 140 g/L, 산 농도 범위는 0.5 ~ 10%로 설정하였다. 산 농도는 비중계를 사용하여 농도에 맞는 비중에 따라 제조하였다. 열처리 시간은 멸균기에서 121, 15분 동안 처리하였다. 산 가수분해 후, 50% NaOH를 사용하여 pH 7로 중화하였다. 중화된 시료를 12,000 rpm에서 10분 동안 원심분리하고, 분리된 상층액에서 액체크로마토그래피를 사용하여 글루코오스를 분석하였다. 산 추출의 효율 (%)은 다음 식으로 나타 낼 수 있다.

식: 산 추출 효율 (%)= 추출 당 농도/총 탄수화물 × 100

도 1a를 참조하면, 선정된 염산을 이용하여 다양한 농도에서 추출된 당의 양을 측정하기 위해 0.5 ~ 10% 농도에서 산 추출을 하였고, 2 ~ 10%까지 추출된 당의 양은 2%일 때 가장 효과적인 결과를 나타냈다. 2% 이후의 농도는 염산의 농도가 강해 당을 과분해시켜 오히려 효율을 절감시키는 효과를 나타내었다. 또한, 조류와 염산의 비율을 다르게 하여 20~140 g/L까지 산 추출을 한 결과인 도 1b를 참조하면, 과량의 조류를 사용한 만큼 추출된 당의 양은 증가하지만, 효율은 증가하지 않았다. 따라서 고/액비 100 g/L의 비율로 산 추출하였을 때를 최적 비율로 선정하였다.

실시예 2. 효소연료전지 시스템의 제조

추출된 당을 이용하여 효소연료전지 시스템에 적용하였다. 선행기술의 효소연료전지 시스템을 개량 (개량 내용: 산화, 환원 효소를 효과적으로 고정화하기 위해 그라파이트의 산화 처리 방법, 고정화에 들어가는 물질들의 농도 최적화, 조류 추출 당(글루코오스 0.5%)을 사용)하여 전력을 측정 하였다. 구체적으로, 효소 고정화를 위하여 그라파이트를 황산과 인산 부피 비 9:1의 200 ml, 그라파이트 4 g, 산화제인 과망간산칼륨 24 g을 4℃의 초자 쟈켓에 넣어 24시간 동안 산화시켰다. 기존 산화 공정보다 효과적으로 -OH기를 활성화시켜 효소 고정화에 필요한 작용기 개질에 도움이 되었다. 또한 종래에 기질로 사용되었던 1%의 글루코오스 용액 대신 상기 실시예 1에 따라 추출된 약 0.5%의 조류 추출 당을 사용하였다.

실험예 1. 효소연료전지 시스템을 이용한 출력 밀도 측정

상기 실시예 2에서 제조된 그라파이트 합성물 상에 글루코오스 산화효소가 고정화된 전극을 양극(anode), 라케이즈 환원효소가 고정화된 전극을 음극(cathode)으로 사용하여 서로 연결시키고, 0.05M 인산 버퍼(pH 7.0)에, 상기 실시예 1에 따라 추출된 0.5% 글루코오스을 포함하는 전해질(electrolyte)을 사용하여 기본적인 효소연료전지를 제작하였다. 그리고 효소연료전지를 VersaSTAT 3 device (AMETEK, Princeton Applied Research, USA)에 연결하고 25에서 출력 밀도(Power density)를 측정하였다.

상기 실험 결과, 본 발명에 따라 조류에서 추출된 글루코오스를 이용한 효소연료 전지는, 출력 밀도가 최대 2694 uW/cm2을 나타내었다. (도 2a를 참조)

이는, 하기 표 3에 나타낸 바와 같은 종래 기술의 당을 이용한 전력생산에서 수득한 최대 출력 밀도인 약 500 uW/cm2 보다도 약 5배 정도 증가한 것으로, 특히 기 선행문헌에서 기질로 사용되었던 1% 글루코오스의 절반의 농도로 약 5배의 출력 밀도가 증가한 점에 의의가 있다.

이와 같이 본 발명에서, 출력 밀도가 급격히 증가한 이유는 염산(HCL)으로 추출한 당을 수산화나트륨(NaOH)으로 중화 시키면서 염(NaCl)이 생성되며, 여기서 발생한 염이 전해질 역할을 하면서 극성용매에서 이온화되어 전기 전도를 하면서 효소연료전지 시스템의 시너지 효과를 나타낸 것으로 보인다.

도 2b는 중화하면서 생신 염을 이온교환수지 필터로 제거하여 출력 밀도를 측정한 결과이며, 1815 uW/cm2의 출력 밀도를 나타내었다. 도 2a와 비교해보면 전해질이 제거되어 출력 밀도가 감소하는 것을 볼 수 있으나, 이 경우에도 종래기술에 비해 3배 이상의 현저히 높은 출력 밀도를 나타낸다.

Claims

조류로부터 추출된 당을 포함하는, 효소연료전지용 조성물.
청구항 1에 있어서, 상기 조류는 글루코오스가 함유된 녹조류, 홍조류 및 갈조류 중 하나 이상인 조성물.
청구항 1에 있어서, 상기 당은 글루코오스인 조성물.
청구항 1에 있어서, 상기 당은 효소연료전지에서 효소에 대한 기질로 사용되는 것인 조성물.
조류로부터 효소연료전지의 기질로 사용하기 위한 당을 추출하는 방법으로, 상기 조류에 2 내지 4% 농도의 산을, 상기 조류와 산의 고액비가 80~140 g/L이 되도록 처리하는 것인, 방법.
청구항 5에 있어서, 상기 조류는 글루코오스가 함유된 녹조류, 홍조류 및 갈조류 중 하나 이상인 방법.
청구항 5에 있어서, 상기 당은 글루코오스인 방법.
청구항 1 내지 4 중 어느 한 항의 조성물을 기질로 포함하는 효소연료전지.
청구항 8에 있어서, 상기 기질에 대한 산화반응용 효소 또는 환원반응용 효소를 포함하는 전극을 더 포함하는 효소연료전지.