KR20210072420A - Method for producing bio oil from microalgae using base catalyst - Google Patents

Method for producing bio oil from microalgae using base catalyst Download PDF

Info

Publication number
KR20210072420A
KR20210072420A KR1020190162724A KR20190162724A KR20210072420A KR 20210072420 A KR20210072420 A KR 20210072420A KR 1020190162724 A KR1020190162724 A KR 1020190162724A KR 20190162724 A KR20190162724 A KR 20190162724A KR 20210072420 A KR20210072420 A KR 20210072420A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
oil
bio
microalgae
catalyst
organic solvent
Prior art date
Application number
KR1020190162724A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR102348521B1 (en
Inventor
박지연
김민철
김덕근
황경란
Original Assignee
한국에너지기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국에너지기술연구원 filed Critical 한국에너지기술연구원
Priority to KR1020190162724A priority Critical patent/KR102348521B1/en
Publication of KR20210072420A publication Critical patent/KR20210072420A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102348521B1 publication Critical patent/KR102348521B1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C11ANIMAL OR VEGETABLE OILS, FATS, FATTY SUBSTANCES OR WAXES; FATTY ACIDS THEREFROM; DETERGENTS; CANDLES
    • C11BPRODUCING, e.g. BY PRESSING RAW MATERIALS OR BY EXTRACTION FROM WASTE MATERIALS, REFINING OR PRESERVING FATS, FATTY SUBSTANCES, e.g. LANOLIN, FATTY OILS OR WAXES; ESSENTIAL OILS; PERFUMES
    • C11B1/00Production of fats or fatty oils from raw materials
    • C11B1/10Production of fats or fatty oils from raw materials by extracting
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C10PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10GCRACKING HYDROCARBON OILS; PRODUCTION OF LIQUID HYDROCARBON MIXTURES, e.g. BY DESTRUCTIVE HYDROGENATION, OLIGOMERISATION, POLYMERISATION; RECOVERY OF HYDROCARBON OILS FROM OIL-SHALE, OIL-SAND, OR GASES; REFINING MIXTURES MAINLY CONSISTING OF HYDROCARBONS; REFORMING OF NAPHTHA; MINERAL WAXES
    • C10G3/00Production of liquid hydrocarbon mixtures from oxygen-containing organic materials, e.g. fatty oils, fatty acids
    • C10G3/42Catalytic treatment
    • C10G3/44Catalytic treatment characterised by the catalyst used
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C10PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10LFUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L1/00Liquid carbonaceous fuels
    • C10L1/02Liquid carbonaceous fuels essentially based on components consisting of carbon, hydrogen, and oxygen only
    • C10L1/026Liquid carbonaceous fuels essentially based on components consisting of carbon, hydrogen, and oxygen only for compression ignition
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C11ANIMAL OR VEGETABLE OILS, FATS, FATTY SUBSTANCES OR WAXES; FATTY ACIDS THEREFROM; DETERGENTS; CANDLES
    • C11BPRODUCING, e.g. BY PRESSING RAW MATERIALS OR BY EXTRACTION FROM WASTE MATERIALS, REFINING OR PRESERVING FATS, FATTY SUBSTANCES, e.g. LANOLIN, FATTY OILS OR WAXES; ESSENTIAL OILS; PERFUMES
    • C11B3/00Refining fats or fatty oils
    • C11B3/006Refining fats or fatty oils by extraction
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C11ANIMAL OR VEGETABLE OILS, FATS, FATTY SUBSTANCES OR WAXES; FATTY ACIDS THEREFROM; DETERGENTS; CANDLES
    • C11CFATTY ACIDS FROM FATS, OILS OR WAXES; CANDLES; FATS, OILS OR FATTY ACIDS BY CHEMICAL MODIFICATION OF FATS, OILS, OR FATTY ACIDS OBTAINED THEREFROM
    • C11C3/00Fats, oils, or fatty acids by chemical modification of fats, oils, or fatty acids obtained therefrom
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C10PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10GCRACKING HYDROCARBON OILS; PRODUCTION OF LIQUID HYDROCARBON MIXTURES, e.g. BY DESTRUCTIVE HYDROGENATION, OLIGOMERISATION, POLYMERISATION; RECOVERY OF HYDROCARBON OILS FROM OIL-SHALE, OIL-SAND, OR GASES; REFINING MIXTURES MAINLY CONSISTING OF HYDROCARBONS; REFORMING OF NAPHTHA; MINERAL WAXES
    • C10G2300/00Aspects relating to hydrocarbon processing covered by groups C10G1/00 - C10G99/00
    • C10G2300/10Feedstock materials
    • C10G2300/1011Biomass
    • C10G2300/1014Biomass of vegetal origin
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/10Biofuels, e.g. bio-diesel

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Fats And Perfumes (AREA)

Abstract

The present invention relates to a method of manufacturing a bio-oil, a bio-oil manufactured thereby with improved purity, and a method of manufacturing a bio-diesel, in which the method of manufacturing the bio-oil includes: a first step of preparing a mixture by adding a hydrophobic organic solvent and a base catalyst dissolved in alcohol to microalgae, and stirring the mixture; a second step of separating a hydrophobic organic solvent layer including the bio-oil from the stirred mixture; and a third step of removing the organic solvent from the hydrophobic organic solvent layer including the bio-oil, and the method of manufacturing the bio-diesel includes adding a bio-diesel conversion catalyst to the bio-oil manufactured by the method of manufacturing the bio-oil. Accordingly, a high-purity bio-oil is extracted while reducing inhibition of moisture without a separate drying process, so that simple and economical properties are obtained.

Description

염기촉매를 이용한 미세조류로부터 바이오 오일의 제조방법{Method for producing bio oil from microalgae using base catalyst}Method for producing bio oil from microalgae using base catalyst

본 발명은 염기촉매를 이용하여 미세조류로부터 바이오 오일을 제조하는 방법과 상기 방법으로 제조된 바이오 오일, 및 상기 바이오 오일을 이용하여 바이오 디젤을 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing bio-oil from microalgae using a base catalyst, the bio-oil produced by the method, and a method for producing biodiesel using the bio-oil.

바이오 디젤은 식물성 기름 또는 동물성 유지로부터 생산된 지방산의 메틸 또는 에틸 에스테르 화합물로, 기존 경유에 비해 일산화탄소, 미세먼지, 탄화수소, 독성물질 등 대기 오염물질 배출을 크게 줄일 수 있어 친환경 자동차 연료로 적합하다. 또한, 바이오 디젤의 연소에서 나오는 이산화탄소는 다시 식물의 광합성 기작에 의해 흡수, 고정되므로 이산화탄소의 순 배출이 거의 없어, 전 세계적으로 이산화탄소 중립 연료 (CO2-neutral fuel)로 큰 주목을 받고 있다. Biodiesel is a methyl or ethyl ester compound of fatty acids produced from vegetable oil or animal fat. Compared to conventional diesel, biodiesel can significantly reduce the emission of air pollutants such as carbon monoxide, fine dust, hydrocarbons, and toxic substances, making it suitable as an eco-friendly vehicle fuel. In addition, carbon dioxide emitted from the combustion of biodiesel is absorbed and fixed again by the photosynthetic mechanism of plants, so there is little net emission of carbon dioxide, and thus it is receiving great attention worldwide as a carbon dioxide neutral fuel (CO 2 -neutral fuel).

그러나, 현재 바이오 디젤은 주로 콩, 유채 등의 식용작물에서 추출한 식물성 기름을 이용해 생산하고 있으며, 이는 곡물가격 상승을 유발해 아프리카와 같은 빈곤 국가와 저소득층의 식량난을 가중시킨다는 비판을 받고 있다. 또한, 늘어나는 바이오디젤의 수요에 맞추어 팜유와 같은 원료 생산을 위해 광범위한 열대우림 또는 산림이 개발되고 있으며, 이는 오히려 지구온난화를 부추긴다는 지적도 있다. 더욱이, 우리나라는 바이오 디젤의 원료 (대두유 또는 팜유) 대부분을 해외에서 수입하고 있어 수급 및 가격이 석유자원과 유사하게 대외적인 상황 변화에 크게 의존할 가능성이 높다. However, currently biodiesel is mainly produced using vegetable oil extracted from edible crops such as soybeans and rapeseed, which has been criticized for aggravating food shortages in poor countries such as Africa and low-income groups as it causes grain prices to rise. In addition, it is pointed out that extensive rainforests or forests are being developed for the production of raw materials such as palm oil in response to the increasing demand for biodiesel, which rather promotes global warming. Moreover, as Korea imports most of the raw materials for biodiesel (soybean oil or palm oil) from abroad, it is highly likely that the supply and demand and price will depend heavily on external changes similar to petroleum resources.

이와 같은 문제점을 해결하기 위해, 기존 대두유 또는 팜유 대신에 미세조류를 원료로 활용하는 기술이 ‘차세대 바이오디젤 기술’로 많은 관심을 받고 있다. 미세조류는 물, 이산화탄소와 햇빛을 이용하여 성장이 가능하며, 황무지, 해안가, 바다 등 어디서든 배양할 수 있어 기존 육상작물과 토지나 공간 측면에서 상호 경쟁하지 않는다. 또한, 미세조류는 배양조건에 따라 생체 내에 많은 양의 오일 (최대 70%)을 축적하며, 단위 면적당 오일 생산량이 콩과 같은 기존 식용작물에 비해 50 내지 100배 이상 높아 대체 생물원유로서의 가능성이 매우 높다. 이로부터 단위 면적당 오일 생산량이 육상식물에 비해 매우 우수한 미세조류에 기반한 바이오 디젤 생산기술에 대한 관심이 높아지고 있다. In order to solve this problem, a technology that uses microalgae as a raw material instead of the existing soybean oil or palm oil is attracting a lot of attention as 'next-generation biodiesel technology'. Microalgae can be grown using water, carbon dioxide and sunlight, and can be cultivated anywhere, including wasteland, coastal areas, and the sea, so they do not compete with existing land crops in terms of land or space. In addition, microalgae accumulate a large amount of oil (up to 70%) in the living body according to the culture conditions, and the oil production per unit area is 50 to 100 times higher than that of conventional edible crops such as soybeans, so it has a very high potential as an alternative biological oil. high. From this, interest in biodiesel production technology based on microalgae, which has very good oil production per unit area compared to terrestrial plants, is growing.

한편, 미세조류로부터 오일을 추출하기 위하여 용매추출법, 마이크로파 이용법, 열수처리법, 효소처리법, 압착법 등의 다양한 방법을 이용할 수 있다. 이들 오일추출법의 대부분이 미세조류의 세포벽을 일부 붕괴시킴으로서 세포벽 내부에 있는 오일을 밖으로 내보내는 기작을 포함하며, 붕괴된 세포벽의 내부나 외부에 존재하는 오일의 회수를 위해서는 일반적으로 유기용매를 이용한다. 건조된 시료에 대한 용매추출법의 적용은 가장 흔히 이용되는 방법으로 효율은 높으나 수분에 의해 오일 추출률이 저해를 받으므로 시료를 건조하기 위한 에너지 비용이 높은 단점을 가진다. 또한 마이크로파 장치는 추출시간을 단축시킬 수 있는 장점은 있으나, 초기 시설 투자비를 필요로 한다. 산업적 오일 생산을 위해 열수추출법의 적용을 고려할 수 있으나 세포벽의 두께가 얇은 미세조류의 처리에는 적당하지만, 클로렐라와 같이 세포벽이 두꺼운 종의 처리에는 세포벽이 쉽게 깨지지 않아 효율이 낮은 단점이 있다. 효소는 아직 비용이 높아 처리 후 재사용을 필요로 하며, 압착법은 미세조류의 크기에 따라 효율이 좌우된다. 따라서 산업적 이용을 위한 오일 추출을 위해서는 시료를 건조하지 않고 수분이 있는 상태에서 적용가능하며, 설치비나 재료비를 최소화함으로써 많은 공정이나 높은 비용 없이 높은 효율로 세포벽을 붕괴하고 오일을 회수할 수 있는 공정을 개발할 필요가 있다. On the other hand, in order to extract the oil from the microalgae, various methods such as a solvent extraction method, a microwave method, a hydrothermal treatment method, an enzyme treatment method, and a compression method can be used. Most of these oil extraction methods involve a mechanism of releasing the oil inside the cell wall by partially disrupting the cell wall of the microalgae, and an organic solvent is generally used to recover the oil existing inside or outside the collapsed cell wall. The application of the solvent extraction method to the dried sample is the most commonly used method and has high efficiency, but has a disadvantage in that the oil extraction rate is inhibited by moisture, so the energy cost for drying the sample is high. In addition, the microwave device has the advantage of shortening the extraction time, but requires initial facility investment. Although the application of hot water extraction for industrial oil production can be considered, it is suitable for the treatment of microalgae with a thin cell wall, but the cell wall is not easily broken for the treatment of species with thick cell walls such as chlorella, so the efficiency is low. Enzymes are still expensive and require reuse after treatment, and the efficiency of the compression method depends on the size of the microalgae. Therefore, for oil extraction for industrial use, it can be applied in the presence of moisture without drying the sample, and by minimizing the installation cost or material cost, a process that can collapse the cell wall and recover the oil with high efficiency without much process or high cost need to develop

국내공개특허공보 제10-2008-0070988호Domestic Patent Publication No. 10-2008-0070988 국내공개특허공보 제10-2008-0015758호Domestic Patent Publication No. 10-2008-0015758

본 발명의 하나의 목적은 미세조류에 소수성 유기용매 및 알코올에 용해된 염기촉매를 첨가하여 혼합물을 제조하고 교반하는 제1단계; 상기 교반된 혼합물에서 바이오 오일이 포함된 소수성 유기용매층을 층분리하는 제2단계; 및 상기 바이오 오일이 포함된 소수성 유기용매층에서 유기용매를 제거하는 제3단계를 포함하는, 바이오 오일 제조방법을 제공하는 것이다.One object of the present invention is to prepare a mixture by adding a hydrophobic organic solvent and a base catalyst dissolved in alcohol to microalgae, a first step of stirring; a second step of layer-separating the hydrophobic organic solvent layer containing bio-oil in the stirred mixture; and a third step of removing the organic solvent from the hydrophobic organic solvent layer containing the bio-oil.

본 발명의 또 하나의 목적은 상기의 바이오 오일 제조방법으로 제조되고, 순도가 향상된 것이 특징인, 바이오 오일을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a bio-oil produced by the above-described bio-oil manufacturing method, characterized in that the purity is improved.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 바이오 오일에 바이오 디젤 전환 촉매를 첨가하는 단계를 포함하는, 바이오 디젤 제조방법을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a biodiesel production method comprising the step of adding a biodiesel conversion catalyst to the bio-oil.

이를 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 한편, 본 발명에서 개시된 각각의 설명 및 실시형태는 각각의 다른 설명 및 실시 형태에도 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에서 개시된 다양한 요소들의 모든 조합이 본 발명의 범주에 속한다. 또한, 하기 기술된 구체적인 서술에 의하여 본 발명의 범주가 제한된다고 볼 수 없다.This will be described in detail as follows. Meanwhile, each description and embodiment disclosed in the present invention may be applied to each other description and embodiment. That is, all combinations of the various elements disclosed herein fall within the scope of the present invention. In addition, it cannot be considered that the scope of the present invention is limited by the specific descriptions described below.

본 발명의 제1양태는 미세조류에 소수성 유기용매 및 알코올에 용해된 염기촉매를 첨가하여 혼합물을 제조하고 교반하는 제1단계; 상기 교반된 혼합물에서 바이오 오일이 포함된 소수성 유기용매층을 층분리하는 제2단계; 및 상기 바이오 오일이 포함된 소수성 유기용매층에서 유기용매를 제거하는 제3단계를 포함하는, 바이오 오일 제조방법을 제공하는 것이다.A first aspect of the present invention is a first step of preparing a mixture by adding a hydrophobic organic solvent and a base catalyst dissolved in alcohol to microalgae and stirring; a second step of layer-separating the hydrophobic organic solvent layer containing bio-oil in the stirred mixture; and a third step of removing the organic solvent from the hydrophobic organic solvent layer containing the bio-oil.

본 발명의 용어 "미세조류"는 세포 분열로 아주 쉽게 분열하면서 개체수가 폭발적으로 증가할 수 있다. 바이오 연료의 주요 원료인 옥수수나 사탕수수가 단 기간에 생산량이 2배씩 증가할 수는 없지만, 단세포인 미세조류는 수온과 영양분 등 주변 환경이 맞기만 하면 빠르게 분열하면서 하루에도 몇 배씩 개체수를 늘릴 수 있다. 미세조류는 물, 이산화탄소와 햇빛을 이용하여 성장이 가능하며, 황무지, 해안가, 바다 등 어디서든 배양할 수 있어 기존 육상작물과 토지나 공간 측면에서 상호 경쟁하지 않는다. 또한, 미세조류의 경우 일반 식물처럼 줄기나 뿌리 등의 조직이 필요 없기 때문에, 모든 세포가 광합성에 참여할 수 있다. 모든 세포가 광합성을 한다는 말은 바이오 연료 생산에 더 유리함을 의미할 수 있다. 즉 같은 면적에서 재배를 할 때 미세조류에서 얻어지는 바이오 연료의 양은 옥수수나 콩과 같은 식물에서 확보하는 바이오 연료보다 현저히 많은 양을 획득할 수 있다. 보다 구체적으로, 미세조류는 배양조건에 따라 생체 내에 많은 양의 오일 (최대 70%)을 축적하며, 단위 면적당 오일 생산량이 콩과 같은 기존 식용작물에 비해 50-100배 이상 높아 대체 생물원유로서의 가능성이 매우 높다. 이로부터 단위 면적당 오일 생산량이 육상식물에 비해 매우 우수함을 알 수 있다.As used herein, the term "microalgae" can be used to rapidly increase in number while dividing very easily through cell division. Although corn or sugarcane, the main raw materials for biofuel, cannot double in production in a short period of time, single-celled microalgae can rapidly divide and multiply several times a day as long as the surrounding environment, such as water temperature and nutrients, is right. have. Microalgae can be grown using water, carbon dioxide and sunlight, and can be cultivated anywhere, including wasteland, coastal areas, and the sea, so they do not compete with existing land crops in terms of land or space. In addition, since microalgae do not require tissues such as stems or roots like general plants, all cells can participate in photosynthesis. Saying that all cells photosynthesize could mean more favorable for biofuel production. That is, when cultivated in the same area, the amount of biofuel obtained from microalgae can be obtained significantly more than biofuel obtained from plants such as corn or soybeans. More specifically, microalgae accumulate a large amount of oil (up to 70%) in the living body depending on the culture conditions, and the oil production per unit area is 50-100 times higher than that of conventional edible crops such as soybeans, so it has potential as an alternative biological oil. This is very high. From this, it can be seen that the oil production per unit area is very superior to that of land plants.

본 발명의 상기"바이오 오일"은 용매추출법에 의해 미세조류로부터 획득하는 것으로, 미세조류의 세포벽 일부를 붕괴시킴으로서 세포벽 내부에 있는 오일을 밖으로 내보내는 기작을 포함하는 것이다. 이때 붕괴된 세포벽의 내부나 외부에 존재하는 오일의 회수를 위해서는 소수성 유기용매를 이용한다. 상기 추출된 바이오 오일은 바이오 디젤뿐만 아니라, 기능성 화장품의 원료로 미세조류로부터 추출한 오일 중 일부 성분을 사용하거나, 의약품의 원료 성분으로도 사용할 수 있다(도 1). 구체적으로 항산화 효과가 있는 아스타잔틴 (Astaxanthin)은 화장품, 식품, 의약품, 영양제 및 사료의 원료로 적용이 가능하다. DHA (docosa hexaenoic acid), EPA (eicosapentaenoic acid)를 포함하는 오메가-3 지방산 또한 미세조류로부터 추출할 있는 대표적인 오일의 예이다. The "bio-oil" of the present invention is obtained from microalgae by solvent extraction, and includes a mechanism for discharging the oil inside the cell wall by disintegrating a part of the cell wall of the microalgae. At this time, a hydrophobic organic solvent is used to recover the oil existing inside or outside the collapsed cell wall. The extracted bio-oil may use some components of oil extracted from microalgae as raw materials for functional cosmetics as well as biodiesel, or may be used as raw materials for pharmaceuticals (FIG. 1). Specifically, astaxanthin, which has an antioxidant effect, can be applied as a raw material for cosmetics, food, pharmaceuticals, nutritional supplements and feed. Omega-3 fatty acids including DHA (docosa hexaenoic acid) and EPA (eicosapentaenoic acid) are also examples of typical oils that can be extracted from microalgae.

본 발명의 상기 "염기촉매"는 바이오 오일의 성상을 개선하기 위한 용도로 사용될 수 있다. 미세조류 오일은 대부분 진한 녹색을 띠는 점성이 있고 유동성이 적은 액체 형태를 하고 있으며, 바이오 디젤 전환시 지방산메틸에스테르 함량이 높지 않다. 따라서 미세조류 바이오 디젤의 지방산메틸에스테르 함량을 높이기 위해서는 오일의 성상을 개선시킬 필요가 있다. The "base catalyst" of the present invention may be used for improving the properties of bio-oil. Most of the microalgal oil has a dark green viscous and low fluidity liquid form, and the content of fatty acid methyl ester is not high during biodiesel conversion. Therefore, in order to increase the fatty acid methyl ester content of microalgal biodiesel, it is necessary to improve the properties of the oil.

본 발명의 상기 '제2단계'및 '제3단계'는 소수성 유기용매 사용시 성상이 개선된 바이오 오일은 소수성 유기용매층으로 이동하고 염기촉매는 알코올 층으로 이동하며 미세조류 잔해는 중간층을 형성함으로서 서로 층분리되므로 유기용매층을 분리, 회수할 수 있다. 층분리 속도를 증가시키기 위해서 중력침강 외에 원심분리를 수행할 수 있다. 오일을 포함하는 용매층의 증발공정을 통하여 용매를 제거하면 최종적으로 바이오 오일만 얻을 수 있다.In the 'second step' and 'third step' of the present invention, when a hydrophobic organic solvent is used, the bio-oil with improved properties moves to the hydrophobic organic solvent layer, the base catalyst moves to the alcohol layer, and the microalgal debris forms an intermediate layer. Since the layers are separated from each other, the organic solvent layer can be separated and recovered. Centrifugation may be performed in addition to gravity sedimentation to increase the rate of layer separation. When the solvent is removed through the evaporation process of the solvent layer containing the oil, only bio-oil can be finally obtained.

본 발명의 상기 제1단계 이후 교반된 혼합물에 산촉매를 추가로 첨가할 수 있다. 이는 오일 성상 개선을 위하여 염기촉매만을 사용할 수 있으나, 염기촉매와의 1차 교반 후 산촉매로 2차 교반을 수행할 수도 있다. 이 과정에서 바이오 오일의 초록색 엽록소가 제거되는 효과도 같이 가진다. 오일의 성상은 염기촉매만 사용시와 염기촉매 사용 후 산촉매 사용시 비슷하지만 오일의 색에서 차이를 나타낸다. 바이오 디젤 적용 시 탈색을 필요로 하는 경우가 있어 산촉매를 이용하여 용매추출 과정에서 녹색을 제거하는 것도 가능하다. 또한 오일의 엽록소가 바이오 디젤 전환을 방해하기 때문에 엽록소가 감소된 오일의 바이오디젤 전환시 지방산메틸에스테르 함량이 증가할 수 있다. An acid catalyst may be further added to the stirred mixture after the first step of the present invention. In order to improve oil properties, only a base catalyst can be used, but secondary stirring can also be performed with an acid catalyst after the first stirring with the base catalyst. In this process, the green chlorophyll of bio-oil is also removed. The properties of the oil are similar when only the base catalyst is used and when the acid catalyst is used after the base catalyst is used, but the color of the oil is different. In some cases, decolorization is required when biodiesel is applied, so it is possible to remove green color in the solvent extraction process using an acid catalyst. In addition, since chlorophyll in oil interferes with biodiesel conversion, the content of fatty acid methyl esters may increase during biodiesel conversion of oil with reduced chlorophyll.

구체적으로 상기 미세조류는 아나시스티스 니둘란스(Anacystis nidulans), 안키스트로데스무스(Ankistrodesmus sp.), 비둘리파아 우리타(Biddulpha aurita), 체토세로스(Chaetoceros sp.), 치라미도모나스 애플라나타(Chlamydomonas applanata), 치라미도모나스 레인하드티(Chlamydomonas reinhardtii), 크로렐라(Chlorella sp.), 크로렐라 엘립소디아(Chlorella ellipsoidea), 크로렐라 에멀소니(Chlorella emersonii), 크로렐라 프로토더코이데스(Chlorella protothecoides), 크로렐라 프레노이도사(Chlorella pyrenoidosa), 크로렐라 소로키니아나(Chlorella sorokiniana), 크로렐라 뷸가리스(Chlorella vulgaris), 크로렐라 미누티시마(Chlorella minutissima), 클로로코쿠 리토레일(Chlorococculittorale), 클로텔라 크립티카(Cyclotella cryptica), 두날리엘라 바르다윌(Dunaliella bardawil), 두날리엘라 살리나(Dunaliella salina), 두날리엘라 테르티오렉타(Dunaliella tertiolecta), 두날리엘라 프리모렉타(Dunaliella primolecta), 짐노디움(Gymnodinum sp.), 헤머노모나스 카테라에(Hymenomonas carterae), 이소크리시스 갈베나(Isochrysis galbana), 이소크리시스(Isochrysis sp.), 마이크로시스티스 아에루기노사(Microcystis aeruginosa), 마이크로모나스 푸실라(Micromonas pusilla), 모노두스 서브테라네우스(Monodussubterraneous), 나노클로리스(Nannochloris sp.), 나노클로롭시스(Nannochloropsis sp.), 나노클로롭시스 아토무스(Nannochloropsis atomus), 나노클로롭시스 살리나(Nannochloropsis salina), 나노클로롭시스 오셔니카(Nanochloropsis oceanica), 나비쿨라 필리쿨로사(Navicula pelliculosa), 니츠시아(Nitzschia sp.), 니츠시아 클로스테리움(Nitzscia closterium), 니츠시아 팔레아(Nitzscia palea), 오시스티스 폴리모피아(Oocystis polymorpha), 아우로코커스(Ourococcus sp.), 오실라토리아 루베스켄스(Oscillatoria rubescens), 파브로바 루테리(Pavlova lutheri), 패오닥트리움 트리코누툼(Phaeodactylum tricornutum), 피크노코커스 프로바솔리(Pycnococcus provasolii), 피라미노나스 코르다타(Pyramimonas cordata), 스피눌라 플라텐시스(Spirulina platensis), 스테파노디스커스 미누투루스(Stephanodiscus minutulus), 스티코커스(Stichococcus sp.), 시네드라우르나(Synedra ulna), 스케네데스무스 오브리쿼스(Scenedesmus obliquus), 스켈레나스트럼 그라시레(Selenastrum gracile), 스켈레토노마 코스타럼(Skeletonoma costalum), 테트라셀미스 출리(Tetraselmis chui), 테트라셀미스 마쿠라타(Tetraselmis maculata), 테트라셀미스(Tetraselmis sp.), 테트라셀미스 수에시카(Tetraselmis suecica), 탈라시오스트라 프세우도모나(Thalassiostra pseudomona), 아나배나(Anabaena sp.), 칼로드릭스(Calothrix sp.), 카마에시폰(Chaemisiphon sp.), 코로코시디옵시스(Chroococcidiopsis sp.), 차노데세(Cyanothece sp.), 실린더로스페멈(Cylindrospermum sp.), 데모카펠라(Dermocarpella sp.), 피셔렐라(Fischerella sp.), 글로에오캅사(Gloeocapsa sp.), 믹소사시나(Myxosarcina sp.), 노스톡(Nostoc sp.), 오스실라토리아(Oscillatoria sp.), 포르미디움 코리움(Phormidium corium), 플레우로캅사(Pleurocapsa sp.), 프로콜로코코스(Prochlorococcus sp.), 페세우다나바에나(Pseudanabaena sp.), 시네코코스(Synechococcus), 시네코시스티스(Synechocystis sp.), 톨리 포트릭스(Tolypothrix sp.), 제노코코스(Xenococcus sp.) 등의 종 일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. Specifically, the microalgae are Anacystis nidulans (Anacystis nidulans), Ankistrodesmus (Ankistrodesmus sp.), Biddulpha aurita (Biddulpha aurita), Chetoceros (Chaetoceros sp.), Chiramidomonas apple Chlamydomonas applanata, Chlamydomonas reinhardtii, Chlorella sp., Chlorella ellipsoidea, Chlorella emersonides, Chlorella protothecoides (Chlorella protothecoides) ), Chlorella pyrenoidosa, Chlorella sorokiniana, Chlorella vulgaris, Chlorella minutissima, Chlorella minutissima, Chlorococculittorale, Clotella (Cyclotella cryptica), Dunaliella bardawil, Dunaliella salina, Dunaliella tertiolecta, Dunaliella primolecta, Gymnodinum sp. .), Hamenomonas carterae (Hymenomonas carterae), Isochrysis galbana (Isochrysis galbana), Isochrysis (Isochrysis sp.), Microcystis aeruginosa (Microcystis aeruginosa), Micromonas fusillae ( Micromonas pusilla), Monodus subterraneous, Nanochloris (Nannochloris sp.), Nanochloropsis sp., Nanochloropsis atomus (Nannochloropsis atomus), Nanochloropsis salina, Nanochloropsis oceanica, Navicula pelliculosa, Nitzschia sp., Nitzscia closterium, Nitz Nitzscia palea, Oocystis polymorpha, Ourococcus sp., Oscillatoria rubescens, Pavlova lutheri, Paodactrium triconutum (Phaeodactylum tricornutum), Pycnococcus provasolii, Pyramimonas cordata, Spirulina platensis, Stephanodiscus minutulus, Stichocococcus sp.), Synedra ulna, Scenedesmus obliquus, Skeletonstrum Gracire (Selenastrum gracile), Skeletonoma costalum (Skeletonoma costalum), Tetraselmis chuli (Tetraselmis) chui), Tetraselmis maculata (Tetraselmis maculata), Tetraselmis (Tetraselmis sp.), Tetraselmis suecica (Tetraselmis suecica), Thalassiostra pseudomona (Thalassiostra pseudomona), anabaena (Anabaena sp.). ), Calothrix sp., Chaemisiphon sp., Chroococcidiopsis sp., Cyanothece sp., Cylindrospermum sp., Demo Capella (Dermocarpella sp.), Fisherella (Fischerella sp.), Gloeocapsa (Gloeocapsa sp.), Myxosarcina (Myxosarcina sp.), Nostoc (Nostoc sp.), Oscillatoria (Oscillatoria sp.), Formidium corium (Phormidium) corium), Pleurocapsa sp., Prochlorococcus sp., Pseudanabaena sp., Synechococcus, Synechococcus, Synechococcus (Synechocystis sp.), Toly Potrix ( Tolypothrix sp.), Xenococcus (Xenococcus sp.), but may be a species, but is not limited thereto.

본 발명의 상기 '미세조류'의 수분함량은 미세조류 중량 대비 0.5 내지 99 wt% 인 것일 수 있다. 상기 수치범위는 습식 미세조류 및 건식 미세조류를 모두 포함하는 수분함량을 의미할 수 있다. 미세조류로부터 수분을 제거하기 위해서는 추가적인 건조 비용으로 인하여 바이오 오일의 생산비용을 증가시킨다. 따라서 수분이 있는 상태의 미세조류로부터 오일을 추출하는 것이 바람직하다. 본 발명은 염기 촉매와 알코올 및 소수성 유기용매를 혼합하여 사용함으로서 건식 미세조류 뿐만 아니라 습식 미세조류로부터 바이오 오일 추출시에도 높은 오일 추출율 및 오일 순도를 확인할 수 있었다.The moisture content of the 'microalgae' of the present invention may be 0.5 to 99 wt% based on the weight of the microalgae. The numerical range may mean a moisture content including both wet microalgae and dry microalgae. In order to remove moisture from the microalgae, the production cost of bio-oil increases due to the additional drying cost. Therefore, it is preferable to extract oil from microalgae in a moist state. In the present invention, by using a mixture of a base catalyst, alcohol, and a hydrophobic organic solvent, high oil extraction rate and oil purity were confirmed not only in dry microalgae but also in bio-oil extraction from wet microalgae.

본 발명의 상기 "소수성 유기용매"는 펜탄, 헥산, 클로로헥산, 헵탄, 벤젠, 톨루엔, 클로로포름, 디메틸에테르 일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. The "hydrophobic organic solvent" of the present invention may be pentane, hexane, chlorohexane, heptane, benzene, toluene, chloroform, or dimethyl ether, but is not limited thereto.

본 발명의 상기 "알코올"은 C1 내지 C4의 알코올인 것 일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 구체적으로 메탄올, 에탄올, 프로판올 및 부탄올 일 수 있다.The "alcohol" of the present invention may be a C1 to C4 alcohol, but is not limited thereto. Specifically, it may be methanol, ethanol, propanol and butanol.

본 발명의 상기 제1단계의 소수성 유기용매 : 알코올의 혼합비는 1:1 (v/v) 내지 4:1 (v/v)인 것일 수 있다. 구체적으로 5:5, 6:4, 7:3, 8:2 (v/v)의 비율일 수 있다. 보다 구체적으로 7:3 (v/v)의 비율일 수 있다. The mixing ratio of the hydrophobic organic solvent: alcohol in the first step of the present invention may be 1:1 (v/v) to 4:1 (v/v). Specifically, the ratio may be 5:5, 6:4, 7:3, 8:2 (v/v). More specifically, it may be a ratio of 7:3 (v/v).

용매추출법에 사용되는 용매 중에서 소수성 유기용매는 건조 미세조류에서는 적당한 추출율을 나타내지만, 수분을 포함하는 습식 미세조류에서는 물의 저해 작용으로 낮은 추출율을 나타내는 문제가 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 소수성 유기용매뿐만 아니라, 알코올 혼합 용매 사용시 수분의 저해작용이 감소하여 소수성 유기용매만 사용한 경우보다 높은 오일 추출율을 나타냄을 확인할 수 있었다. Among the solvents used in the solvent extraction method, the hydrophobic organic solvent shows an appropriate extraction rate in dry microalgae, but in wet microalgae containing water, there is a problem in that it exhibits a low extraction rate due to the inhibitory action of water. In one embodiment of the present invention, it was confirmed that the inhibitory action of moisture was reduced when using not only the hydrophobic organic solvent but also the alcohol mixed solvent, indicating a higher oil extraction rate than when only the hydrophobic organic solvent was used.

본 발명의 상기 "염기촉매"에는 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 수산화리튬(LiOH), 수산화칼슘(Ca(OH)2), 수산화바륨(Ba(OH)2) 일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 구체적으로 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH)일 수 있다. The "base catalyst" of the present invention may include sodium hydroxide (NaOH), potassium hydroxide (KOH), lithium hydroxide (LiOH), calcium hydroxide (Ca(OH) 2 ), and barium hydroxide (Ba(OH) 2 ). not limited Specifically, it may be sodium hydroxide (NaOH) or potassium hydroxide (KOH).

또한 염기촉매의 농도는 미세조류 중량 대비 4 내지 100 wt% 인 것일 수 있다. 농도가 미세조류 중량 대비 4 wt% 미만일 경우 낮은 염기 촉매 농도로 인하여 성상이 개선된 오일을 얻기가 힘든 문제가 있다. 다른 저해 작용이 없다면 미세조류 내 오일 함량 대비 15 내지 20%의 염기촉매가 적합하나, 실제로는 이보다 과량으로 염기촉매를 사용하는 것이 반응에 도움이 된다. 염기촉매가 100 wt% 보다 높을 경우 미세조류부터 많은 양의 촉매 사용으로 폐액에 포함되는 촉매의 양이 많아진다는 문제가 있다.In addition, the concentration of the base catalyst may be 4 to 100 wt% based on the weight of the microalgae. When the concentration is less than 4 wt% based on the weight of microalgae, there is a problem in that it is difficult to obtain an oil with improved properties due to the low base catalyst concentration. If there is no other inhibitory action, 15 to 20% of the base catalyst compared to the oil content in the microalgae is suitable, but in fact, using the base catalyst in an excess of this is helpful for the reaction. When the base catalyst is higher than 100 wt%, there is a problem that the amount of catalyst contained in the waste liquid increases due to the use of a large amount of catalyst from microalgae.

본 발명의 상기 "산촉매"는 염기촉매 이외에 추가로 첨가할 수 있는 것으로 구체적으로 황산, 염산, 질산, 과염소산, 브롬산일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. The "acid catalyst" of the present invention may be added in addition to the base catalyst and may be specifically sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, perchloric acid, or hydrobromic acid, but is not limited thereto.

본 발명의 제2양태는 제1양태의 바이오 오일 제조방법으로 제조되고, 순도가 향상된 것이 특징인, 바이오 오일을 제공하는 것이다.A second aspect of the present invention is to provide a bio-oil produced by the bio-oil manufacturing method of the first aspect, characterized in that the purity is improved.

본 발명의 용어 "순도" 는 추출된 오일의 총 지방산 함량을 가스 크로마토그래피로 측정하여 %로 나타낸 것을 의미할 수 있다. 추출된 오일 중 트리글리세리드, 디글리세리드, 모노글리세리드, 유리지방산 등이 오일 성분에 속하고 나머지는 원치않는 불순물이기 때문에, 오일 추출율이 높더라도 순도가 낮으면, 오일에 잡다한 불순물이 많이 포함되어 오일 양만 많아졌을 뿐이므로 오일의 물성이 좋지 않아 효과적인 제조방법이라 할 수 없다. 반대로 오일 추출율은 낮은데 순도가 아주 높으면, 회수된 오일의 양이 적어지는 문제점이 있다. 따라서, 가스 크로마토그래피로 지방산 함량을 분석하면 추출된 오일 내 이러한 성분들의 퍼센트를 측정하여 오일추출율 대비 오일 순도를 비교할 수 있다. 상기 '오일 추출율'은 건조된 미세조류가 가지고 있는 오일의 총 무게 중에서 오일 추출 공정 후 회수된 오일의 질량 퍼센트를 의미할 수 있다. The term "purity" in the present invention may mean that the total fatty acid content of the extracted oil is measured by gas chromatography and expressed in %. Among the extracted oils, triglycerides, diglycerides, monoglycerides, and free fatty acids belong to the oil component and the rest are unwanted impurities. It cannot be said to be an effective manufacturing method because the physical properties of the oil are not good. Conversely, if the oil extraction rate is low but the purity is very high, there is a problem in that the amount of recovered oil decreases. Therefore, if the fatty acid content is analyzed by gas chromatography, the percentage of these components in the extracted oil can be measured to compare the oil purity compared to the oil extraction rate. The 'oil extraction rate' may refer to a mass percentage of oil recovered after the oil extraction process among the total weight of the oil of the dried microalgae.

본 발명의 일 실시예에서는, 소수성 유기용매, 알코올 및 염기촉매를 모두 첨가하여 반응을 수행한 경우, 바이오 오일의 순도가 약 95% 이상으로 향상됨을 확인할 수 있었다. In one embodiment of the present invention, when the reaction was performed by adding all of the hydrophobic organic solvent, alcohol and base catalyst, it was confirmed that the purity of the bio-oil was improved to about 95% or more.

본 발명의 제3양태는 제2양태의 바이오 오일에 바이오 디젤 전환 촉매를 첨가하는 단계를 포함하는, 바이오 디젤 제조방법을 제공하는 것이다. A third aspect of the present invention is to provide a method for producing biodiesel, comprising adding a biodiesel conversion catalyst to the biooil of the second aspect.

본 발명의 바이오 오일 제조방법으로부터 제조된 바이오 오일은 오일 순도가 향상되어 효율적으로 바이오 디젤을 생산할 수 있다. 구체적으로 바이오 오일로부터 바이오 디젤 전환 촉매를 첨가한 후 전이에스테르화/에스테르화 반응을 통해 바이오 디젤을 제조할 수 있다. The bio-oil produced by the bio-oil manufacturing method of the present invention has improved oil purity, so that biodiesel can be efficiently produced. Specifically, after adding a biodiesel conversion catalyst from biooil, biodiesel can be produced through a transesterification/esterification reaction.

기존의 용매추출법에 의해 추출된 오일에 비하여 성상이 개선된 오일을 간단한 방법으로 추출함으로서 성상이 개선된 바이오 오일을 획득하여 바이오 디젤 전환율이 증가할 수 있다. 또한, 바이오 디젤 생산 수율을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 다량으로 추출된 미세조류 오일을 바이오 디젤로 전환하여 국내 바이오디젤의 보급에 기여할 수 있어 경제적이다.By extracting the oil with improved properties compared to the oil extracted by the conventional solvent extraction method in a simple way, bio-oil with improved properties can be obtained, thereby increasing the biodiesel conversion rate. In addition, it is economical because it can increase the biodiesel production yield and contribute to the dissemination of domestic biodiesel by converting a large amount of extracted microalgal oil into biodiesel.

본 발명의 상기 '바이오 디젤 전환 촉매'는 균일계 촉매인 KOH와 황산, FeCl3, 또는 비균일계 고체촉매로 HZSM-5일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 바이오 오일 순도가 좋지 않은 경우 미세조류 오일의 불순물들이 고체촉매의 활성을 감소시켜 매우 낮은 바이오 디젤 전환율을 나타내는 문제가 있다. 따라서, 본 발명의 염기촉매를 이용해 제조된 바이오 오일로부터 생성된 바이오 디젤의 현저히 향상된 전환율을 나타낼 수 있다. The 'biodiesel conversion catalyst' of the present invention may be HZSM-5 as a homogeneous catalyst KOH and sulfuric acid, FeCl 3 , or a heterogeneous solid catalyst, but is not limited thereto. When the purity of the bio-oil is not good, impurities in the microalgal oil reduce the activity of the solid catalyst, thereby exhibiting a very low biodiesel conversion rate. Therefore, it is possible to exhibit a significantly improved conversion rate of biodiesel produced from the bio-oil produced using the base catalyst of the present invention.

부가적으로, 본 발명의 제2양태의 바이오 오일 유래 유용물질에는 바이오 디젤뿐만 아니라, 그외 수송용 연료, 의약품, 화장품, 기능성식품, 사료 등 일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 도 1은 미세조류로부터 유용물질을 생산하는 경로의 개략도를 나타낸 것이다.In addition, the bio-oil-derived useful material of the second aspect of the present invention may include, but is not limited to, not only biodiesel, but also fuel for transportation, pharmaceuticals, cosmetics, functional foods, feeds, and the like. 1 shows a schematic diagram of a pathway for producing useful substances from microalgae.

본 발명은 종래 용매추출법에 의해 미세조류로부터 추출된 바이오 오일은 대부분 진한 녹색을 띠는 점성이 있고 유동성이 적은 액체 형태를 하고 있으며, 바이오디젤 전환시 지방산메틸에스테르 함량이 높지 않은 문제점에 대해 염기촉매 및 알코올을 첨가함으로써 바이오 오일 내의 불순물 함유량을 낮추는 바이오 오일 제조방법을 완성하였다. 본 발명은 별도의 건조공정 없이 수분의 저해를 감소시키면서 높은 순도의 바이오 오일을 추출할 수 있어 간단하면서도 경제적인바 바이오 디젤 생산뿐만 아니라 다양한 분야에 유용하게 이용될 수 있다. According to the present invention, most of the bio-oil extracted from microalgae by the conventional solvent extraction method has a dark green viscous liquid form with little fluidity, and a base catalyst for the problem that the fatty acid methyl ester content is not high during biodiesel conversion. And by adding alcohol, the bio-oil manufacturing method for lowering the impurity content in the bio-oil was completed. The present invention can extract high-purity bio-oil while reducing moisture inhibition without a separate drying process, and thus can be usefully used in various fields as well as simple and economical biodiesel production.

도 1은 미세조류부터 유용물질 생산 경로를 나타낸 모식도이다.
도 2는 (좌)건조 미세조류 및 (우) 습식 미세조류의 헥산에 용해되어 있는 촉매 이용한 용매추출법으로 미세조류로부터 추출된 바이오 오일의 색을 나타낸 사진이다.
도 3은 헥산에 용해되어 있는 미세조류 오일 및 알코올 종류의 영향을 비교하기 위해 미세조류를 촉매이용 용매추출법으로 미세조류로부터 추출된 오일의 색을 나타낸 사진이다.
도 4는 미세조류로부터 추출된 바이오 오일의 바이오디젤 전환 반응식을 나타낸 것이다.
1 is a schematic diagram showing a useful substance production path from microalgae.
2 is a photograph showing the color of bio-oil extracted from microalgae by a solvent extraction method using a catalyst dissolved in hexane of (left) dry microalgae and (right) wet microalgae.
Figure 3 is a photograph showing the color of the oil extracted from the microalgae by the solvent extraction method using the catalyst using the microalgae in order to compare the effect of the type of alcohol and the microalgae oil dissolved in hexane.
4 shows a biodiesel conversion reaction scheme of bio-oil extracted from microalgae.

이하, 하기 실시예에 의하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위가 이들로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of Examples. However, the following examples are only for illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.

비교예 1. 나노클로롭시스 오셔니카 (Nannochloropsis oceanica)로부터 용매추출법에 의한 오일 추출 (오일 함량 약 19.5 wt%)Comparative Example 1. Oil extraction by solvent extraction from Nanochloropsis oceanica (oil content about 19.5 wt%)

미세조류의 건조 중량 대비 오일 함량이 약 19.5%이고, 오일 내 오메가-3 지방산 (EPA, eicosapentaenoic acid)이 약 35% 이상 함유된 건조 미세조류 및 약 200 g/L 습식 미세조류를 이용하여 헥산, 헥산 : 메탄올= 7:3(v/v), 클로로포름 : 메탄올= 7:3 (v/v)의 세 가지 용매를 사용하여 오일 추출율을 비교하였다. 1000 rpm에서 6시간 동안 충분히 교반한 뒤 오일을 포함하는 용매층을 회수하고 감압증발을 통하여 용매를 휘발시키고 남아있는 오일을 회수하였다. 미세조류 및 추출된 미세조류 오일의 총 지방산 함량을 측정하기 위해 다이렉트 트랜스에스터화 (Direct Transesterification)법 (논문: The Journal of Lipid Research, 25, 1391-1396, 1984)을 사용하였다.The oil content relative to the dry weight of the microalgae is about 19.5%, and hexane, using about 200 g/L wet microalgae and dry microalgae containing more than about 35% of omega-3 fatty acids (EPA, eicosapentaenoic acid) in oil, The oil extraction rates were compared using three solvents: hexane: methanol = 7:3 (v/v), chloroform: methanol = 7:3 (v/v). After sufficiently stirring at 1000 rpm for 6 hours, the solvent layer containing oil was recovered, the solvent was evaporated through vacuum evaporation, and the remaining oil was recovered. In order to measure the total fatty acid content of microalgae and extracted microalgal oil, a direct transesterification method (paper: The Journal of Lipid Research, 25, 1391-1396, 1984) was used.

오일 추출율(%)Oil extraction rate (%) 오일 순도(%)Oil purity (%) 오일 수율(%)Oil yield (%) 용매menstruum 건조
미세조류
dry
microalgae
습식
미세조류
wet
microalgae
건조
미세조류
dry
microalgae
습식
미세조류
wet
microalgae
건조
미세조류
dry
microalgae
습식
미세조류
wet
microalgae
헥산hexane 26.326.3 27.527.5 88.488.4 87.787.7 23.223.2 24.124.1 헥산-메탄올 (7:3(v/v))Hexane-Methanol (7:3 (v/v)) 92.692.6 79.779.7 83.783.7 72.672.6 77.577.5 57.957.9 클로로포름-메탄올 (7:3(v/v))Chloroform-methanol (7:3 (v/v)) 114.3114.3 101.7101.7 66.266.2 67.667.6 75.775.7 68.768.7

오일 추출율의 계산식은 하기와 같다. The formula for calculating the oil extraction rate is as follows.

(식 1)(Equation 1)

오일 추출율(%) = 회수된 오일의 질량(g) / 미세조류가 가지고 있는 오일의 총 질량(g) X 100Oil extraction rate (%) = mass of recovered oil (g) / total mass of oil in microalgae (g) X 100

오일 순도 계산 방법은 지방산 함량 (탄소수 14개~탄소수 24개 사이의 지방산 정량 분석)을 가스 크로마토그래피로 측정하여 %로 나타내는 것이다.The oil purity calculation method is to measure the fatty acid content (quantitative analysis of fatty acids between 14 and 24 carbon atoms) by gas chromatography and express it as a percentage.

상기 가스 크로마토그래피 측정 방법은 미세조류 및 추출 오일 각각 10 mg을 시험관에 넣고 클로로포름-메탄올 (2:1, v/v) 2 mL을 넣은 뒤 볼텍스 믹서(vortex mixer)로 10분간 섞어주고 내부 표준물질인 헵타데카노익 애시드-클로로폼 용액(heptadecanoic acid-chloroform solution) (Sigma-Aldrich, 500 μg/L) 1 mL을 넣고 메탄올 1 mL와 황산 0.3 mL을 넣어주었다. 볼텍스 믹서로 10분간 섞어준 뒤 100℃항온조에서 10분간 반응시킨 후 상온에서 충분히 식혀주었다. 식힌 시험관에 증류수 1 mL을 첨가한 뒤 볼텍스 믹서로 5분간 섞은 후 원심분리기(4,000RPM, 10분)에서 원심분리하고 층분리된 용액 중 아래층을 주사기로 뽑고 필터로 여과 후 바이알에 1 mL을 넣고 가스 크로마토그래피(Agilent 7890)로 분석한다. 외부 표준물질로 Mix RM3, Mix RM5, GLC50, GLC70 (Supelco)을 사용하여 지방산의 정량 분석을 수행하였다.For the gas chromatography measurement method, 10 mg of each of microalgae and extracted oil is put in a test tube, 2 mL of chloroform-methanol (2:1, v/v) is added, and then mixed with a vortex mixer for 10 minutes and internal standard material Phosphorus heptadecanoic acid-chloroform solution (heptadecanoic acid-chloroform solution) (Sigma-Aldrich, 500 μg/L) 1 mL was added, and methanol 1 mL and sulfuric acid 0.3 mL were added. After mixing for 10 minutes with a vortex mixer, the mixture was reacted for 10 minutes in a 100 ℃ thermostat, and then cooled sufficiently at room temperature. Add 1 mL of distilled water to the cooled test tube, mix with a vortex mixer for 5 minutes, centrifuge in a centrifuge (4,000 RPM, 10 minutes), and extract the lower layer from the layer-separated solution with a syringe, filter through a filter, and add 1 mL to the vial Analyzed by gas chromatography (Agilent 7890). Quantitative analysis of fatty acids was performed using Mix RM3, Mix RM5, GLC50, and GLC70 (Supelco) as external standards.

오일 수율은 하기와 같이 계산하였다.The oil yield was calculated as follows.

(식 2)(Equation 2)

오일 수율(%) = 오일 추출율(%) X 오일 순도(%) / 100Oil yield (%) = Oil extraction rate (%) X Oil purity (%) / 100

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 헥산(소수성 유기용매) 용매에 대해서는 둘 다 약 26% 및 약 28%의 낮은 오일 추출율을 나타냈으며, 메탄올을 추가한 헥산 또는 클로로포름 용매의 경우 건조 미세조류 및 습식 미세조류에서 약 93% 및 약 80%, 그리고 약 114% 및 약 102%의 높은 추출율을 보였다. 오일 순도는 헥산 추출 오일도 메탄올 적용한 추출 오일과 비교해 유사한 순도를 나타내었으나, 최종적으로 계산된 오일 수율을 비교하면 헥산은 오일 수율이 대략 23% 내지 25% 범위 내로 매우 낮았으며, 메탄올이 첨가된 경우(헥산-메탄올 및 클로로포름-메탄올)에는 습식 조건에서도 헥산만을 이용한 용매 추출법에 의한 오일 순도보다 현저히 높은 오일 수율을 나타냄을 확인하였다As shown in Table 1 above, for the hexane (hydrophobic organic solvent) solvent, both showed low oil extraction rates of about 26% and about 28%, and in the case of hexane or chloroform solvent with methanol added, dry microalgae and wet microalgae Algae showed high extraction rates of about 93% and about 80%, and about 114% and about 102%. The oil purity was similar to that of the hexane-extracted oil compared to the methanol-applied extraction oil, but when comparing the finally calculated oil yield, the hexane oil yield was very low within the range of about 23% to 25%, and when methanol was added It was confirmed that (hexane-methanol and chloroform-methanol) exhibited a significantly higher oil yield than the oil purity by the solvent extraction method using only hexane even in wet conditions.

실시예 1. 나노클로롭시스 오셔니카(Nannochloropsis oceanica)로부터 촉매 이용 용매추출법에 의한 오일 추출 (오일 함량 약 19.5 wt%, 헥산-메탄올 용매)Example 1. Oil extraction by solvent extraction using catalyst from Nanochloropsis oceanica (oil content about 19.5 wt%, hexane-methanol solvent)

미세조류의 건조 중량 대비 오일 함량이 약 19.5 wt%이고, 오일 내 오메가-3 지방산 (EPA, eicosapentaenoic acid)이 35 wt% 이상 함유된 약 200 g/L 건조 미세조류 및 약 200 g/L 습식 미세조류를 이용하여 헥산:메탄올=7:3(v/v) 용매에 대하여 염기촉매 KOH를 미세조류 대비 약 10 wt% 첨가한 경우와 염기촉매 KOH를 미세조류 대비 약 50 wt%, 약 100 wt% 첨가하여 반응시킨 후 산촉매 황산을 추가적으로 첨가한 경우의 오일 추출율을 비교하였다. 1000 rpm에서 6시간 동안 충분히 교반한 뒤 오일을 포함하는 용매층을 회수하고 감압증발을 통하여 용매를 휘발시키고 남아있는 오일을 회수하였다. 미세조류 및 추출된 미세조류 오일의 총 지방산 함량을 측정하기 위해 다이렉트 트랜스에스터화법 을 사용하였다. About 200 g/L dry microalgae and about 200 g/L wet microalgae with an oil content of about 19.5 wt% relative to the dry weight of the microalgae, and 35 wt% or more of omega-3 fatty acids (EPA, eicosapentaenoic acid) in oil In the case of adding about 10 wt% of the base catalyst KOH compared to the microalgae in hexane:methanol=7:3 (v/v) solvent using algae, and the base catalyst KOH at about 50 wt%, about 100 wt% compared to the microalgae After the reaction was added, the oil extraction rate when the acid catalyst sulfuric acid was additionally added was compared. After sufficiently stirring at 1000 rpm for 6 hours, the solvent layer containing oil was recovered, the solvent was evaporated through vacuum evaporation, and the remaining oil was recovered. A direct transesterification method was used to measure the total fatty acid content of microalgae and extracted microalgal oil.

오일 순도는 단순 용매추출법으로 추출한 경우에 비해서 촉매를 사용한 경우 10% 이상 오일 순도가 증가한 것을 알 수 있다. 촉매를 사용함으로써 오일 추출율은 감소하지 않으면서 오일 순도가 증가하는 결과를 얻었다. 오일 추출율과 오일 순도를 모두 고려한 오일 수율 측면에서도, 건조 미세조류 및 습식 미세조류 둘 다에서 염기촉매 또는 염기/산촉매를 사용한 경우가 무촉매에서 보다 오일 수율이 높다는 것을 알 수 있었다. 추출된 오일의 산가는 단순 용매추출법에서 약 38 mg KOH/g 내지 41 mg KOH/g인데 비하여 촉매를 사용하였을 경우 현저히 감소하는 경향이 건조 및 습식 미세조류 모두에서 관찰되어서 촉매 반응 후 산가가 감소하는 물성 개선 효과 또한 확인할 수 있었다. 첨가된 KOH의 양이 미세조류 대비 10 wt%, 50 wt%, 100 wt%로 증가한 경우에 대해서는 오일 성상이나 추출율에 큰 차이를 나타내지 않았다.It can be seen that the purity of the oil increased by 10% or more when a catalyst was used compared to the case of extraction by a simple solvent extraction method. The use of a catalyst resulted in an increase in oil purity without a decrease in oil extraction rate. In terms of oil yield considering both oil extraction rate and oil purity, it was found that the case of using a base catalyst or a base/acid catalyst in both dry microalgae and wet microalgae had higher oil yield than in the case of no catalyst. The acid value of the extracted oil is about 38 mg KOH / g to 41 mg KOH / g in the simple solvent extraction method, but a tendency to significantly decrease when a catalyst is used is observed in both dry and wet microalgae. The effect of improving physical properties was also confirmed. When the amount of added KOH was increased to 10 wt%, 50 wt%, or 100 wt% compared to microalgae, there was no significant difference in oil properties or extraction rate.

건조 미세조류dry microalgae 무촉매 catalyst free KOH
(10 wt%)
KOH
(10 wt%)
KOH
(50 wt%)
/황산
KOH
(50 wt%)
/sulfuric acid
KOH
(100 wt%)
/황산
KOH
(100 wt%)
/sulfuric acid
오일 추출율 (%)Oil extraction rate (%) 92.692.6 86.886.8 87.287.2 89.689.6 오일 순도 (%)Oil Purity (%) 83.783.7 100100 98.198.1 95.995.9 오일 수율 (%)Oil Yield (%) 77.577.5 86.886.8 85.585.5 85.985.9 산가 (mg KOH/g)Acid number (mg KOH/g) 38.138.1 13.613.6 18.718.7 20.020.0

습식 미세조류wet microalgae 무촉매 catalyst free KOH
(10 wt%)
KOH
(10 wt%)
KOH
(50 wt%)
/황산
KOH
(50 wt%)
/sulfuric acid
KOH
(100 wt%)
/황산
KOH
(100 wt%)
/sulfuric acid
오일 추출율 (%)Oil extraction rate (%) 79.779.7 80.080.0 81.381.3 79.679.6 오일 순도 (%)Oil Purity (%) 72.672.6 96.896.8 98.898.8 100100 오일 수율 (%)Oil Yield (%) 57.957.9 77.477.4 80.380.3 79.679.6 산가 (mg KOH/g)Acid number (mg KOH/g) 41.441.4 16.316.3 21.721.7 20.920.9

산가란 시료 1 g 중에 함유하고 있는 유리지방산(free fatty acid)을 중화하는데 요하는 수산화칼륨의 mg수를 의미할 수 있다. 즉 산가는 지방산이 글리세롤(glycerol)과 결합되고 있지 않은 유리지방산의 양을 계측하는 것이다. 정제된 식물유는 트리글리세리드 형태를 하고 있으며 산가는 약 0.5 mg KOH/g 이하이고, 폐식용유는 트리글리세리드가 열이나 공기와 반응하여 산패되어 일부가 유리지방산 형태로 떨어져 나온 것으로 산가는 약 2 내지 약 10 mg KOH/g 정도이다. 무촉매일 때와 비교하여 염기촉매 또는 염기/산촉매를 첨가하였을 때 산가가 낮게 나타나는 것은 트리글리세리드 형태의 오일 함량이 높다는 것으로 반응기의 부식 위험이 감소한다는 것을 의미할 수 있으며, 시간이 지남에 따라 자연적으로 발생하는 추가적인 유리지방산 생성 속도가 상대적으로 높지 않다는 것을 의미할 수 있으며, 또한 염기촉매와 비누화 반응을 일으켜 오일 수율 또는 바이오디젤 수율을 감소시킬 확률이 낮아진다는 것을 의미할 수 있다. The acid value may mean the number of mg of potassium hydroxide required to neutralize free fatty acids contained in 1 g of the sample. That is, the acid value measures the amount of free fatty acids in which fatty acids are not bound to glycerol. Refined vegetable oil is in the form of triglycerides and has an acid value of about 0.5 mg KOH/g or less. In waste cooking oil, triglycerides react with heat or air to become rancid and some of them come off in the form of free fatty acids, and the acid value is about 2 to about 10 mg. It is about KOH/g. The low acid value when a base catalyst or base/acid catalyst is added compared to the case without a catalyst may mean that the risk of corrosion of the reactor is reduced due to the high content of triglyceride type oil, which naturally over time It may mean that the generated additional free fatty acid production rate is not relatively high, and it may also mean that the probability of reducing the oil yield or biodiesel yield by causing a saponification reaction with a base catalyst is lowered.

도 2에 나타내는 것과 같이 무촉매의 헥산-메탄올 용매에 의해 추출된 미세조류 오일은 진녹색을 띠었다. KOH 염기촉매 반응시 엽록소의 일부가 제거되어 건조 미세조류는 연두색, 습식 미세조류는 녹색을 띠었다. 황산 산촉매가 첨가되면 엽록소가 추가적으로 제거되어 노란색이나 갈색 사이의 색을 띠었다. 헥산-메탄올 용매로 추출된 미세조류는 헥산이 제거된 상태에서는 유동성이 거의 없지만, 염기촉매 또는 염기/산촉매 반응한 오일은 헥산 제거 후에도 유동성이 있는 액상 형태를 띠었다. As shown in FIG. 2 , the microalgal oil extracted with a non-catalyst hexane-methanol solvent had a dark green color. During the KOH base catalysis, some of the chlorophyll was removed, giving the dry microalgae a yellow-green color and the wet microalgae green. When the sulfuric acid catalyst was added, the chlorophyll was additionally removed, giving it a color between yellow and brown. The microalgae extracted with the hexane-methanol solvent had little fluidity in the state from which the hexane was removed, but the base-catalyzed or base/acid-catalyzed oil had a fluid liquid form even after the hexane was removed.

실시예 2. 나노클로롭시스 오셔니카(Nannochloropsis oceanica)로부터 촉매 이용 헥산-알콜 용매 및 헥산-메탄올 혼합비에 따른 용매추출법에 의한 오일 추출 (오일 함량 약 19.5 wt%)Example 2. Oil extraction by a solvent extraction method according to a hexane-alcohol solvent and hexane-methanol mixing ratio using a catalyst from Nanochloropsis oceanica (oil content about 19.5 wt%)

미세조류의 건조 중량 대비 오일 함량이 약 19.5 wt%이고, 오일 내 오메가-3 지방산 (EPA, eicosapentaenoic acid)이 35% 이상 함유된 약 200 g/L 습식 미세조류를 이용하여 헥산 : 메탄올 = 7:3 (v/v)의 메탄올 용매를 에탄올, 프로판올, 부탄올로 변경하여 염기촉매 KOH를 미세조류 대비 약 10 wt% 첨가한 경우의 오일 추출율을 비교하였다. 그 결과는 표 4에 나타내었다.The oil content is about 19.5 wt% relative to the dry weight of the microalgae, and about 200 g/L wet microalgae containing more than 35% of omega-3 fatty acids (EPA, eicosapentaenoic acid) in the oil is used. Hexane: methanol = 7: 3 (v/v) of the methanol solvent was changed to ethanol, propanol, and butanol, and the oil extraction rate when about 10 wt% of the base catalyst KOH was added compared to the microalgae was compared. The results are shown in Table 4.

습식 미세조류wet microalgae 메탄올methanol 에탄올ethanol 프로판올propanol 부탄올butanol 오일 추출율 (%)Oil extraction rate (%) 81.581.5 50.750.7 42.242.2 36.436.4

친수성 용매로 메탄올을 사용했을 경우가 에탄올, 프로판올, 부탄올을 사용한 경우보다 오일 추출율이 높게 나왔다. 에탄올, 프로판올, 부탄올로 갈수록 탄소수가 많아지면서 물에 대한 저해를 감소시키는 역할이 점점 줄어들었기 때문임을 알 수 있었다. When methanol was used as the hydrophilic solvent, the oil extraction rate was higher than when ethanol, propanol, and butanol were used. It can be seen that this is because the role of reducing the inhibition of water gradually decreased as the number of carbons increased with ethanol, propanol, and butanol.

도 3에서 나타내는 것과 같이 메탄올로 추출된 경우 연한 녹색을 나타냈고, 에탄올로 추출된 경우 연두색을 나타냈으며, 프로판올 및 부탄올로 추출된 오일의 경우 녹색을 나타내어, 알코올 종류에 따라 엽록소의 제거 정도가 다르다는 것을 알 수 있다. As shown in FIG. 3 , when extracted with methanol, it appeared light green, when extracted with ethanol, it appeared light green, and when the oil was extracted with propanol and butanol, it was green, indicating that the degree of chlorophyll removal was different depending on the type of alcohol. it can be seen that

또한 약 200 g/L 습식 미세조류를 이용하여 헥산 : 메탄올 비율을 5:5, 6:4, 7:3, 8:2 (v/v)로 변경하여 염기촉매 KOH를 미세조류 대비 약 10 wt% 첨가하여 반응시킨 후 산촉매 황산을 추가적으로 첨가한 경우의 오일 추출율을 비교하였다. 1000 rpm에서 6시간 동안 충분히 교반한 뒤 오일을 포함하는 용매층을 회수하고 감압증발을 통하여 용매를 휘발시키고 남아있는 오일을 회수하였다. 그 결과를 표 5에 나타내었다. In addition, using about 200 g/L wet microalgae, the hexane:methanol ratio was changed to 5:5, 6:4, 7:3, 8:2 (v/v) to give the base catalyst KOH about 10 wt compared to the microalgae % was added to the reaction, and then the oil extraction rate was compared when the acid catalyst sulfuric acid was additionally added. After sufficiently stirring at 1000 rpm for 6 hours, the solvent layer containing oil was recovered, the solvent was evaporated through vacuum evaporation, and the remaining oil was recovered. The results are shown in Table 5.

습식 미세조류wet microalgae 5:55:5 6:46:4 7:37:3 8:28:2 오일 추출율 (%)Oil extraction rate (%) 77.977.9 76.576.5 81.581.5 52.052.0

상기 표 5를 통해 헥산 : 메탄올 혼합비율에 따른 오일 추출율 비교에서는 5:5, 6:4, 7:3(v/v)에서는 비슷한 오일 추출율을 보였으며, 메탄올이 현저히 감소한 8:2(v/v)에서는 약 52%의 낮은 오일 추출율을 보였다. 습식 미세조류에서 물의 저해작용을 감소시키면서 오일을 추출하기 위해서 헥산과 혼합과는 친수성 용매 메탄올의 비율을 20% 초과로 사용하는 것이 오일 추출율 측면에서 현저히 유리한 것을 확인할 수 있었다.In the comparison of oil extraction rates according to the hexane: methanol mixing ratio through Table 5, a similar oil extraction rate was shown at 5:5, 6:4, and 7:3 (v/v), and methanol was significantly reduced at 8:2 (v/v). v) showed a low oil extraction rate of about 52%. In order to extract oil while reducing the inhibitory action of water in wet microalgae, it was confirmed that it was significantly advantageous in terms of oil extraction rate to use a hydrophilic solvent methanol in a ratio of more than 20% with hexane and mixing.

실시예 3. 나노클로롭시스 오셔니카 (Nannochloropsis oceanica)로부터 촉매 이용 용매추출법으로 추출한 오일의 바이오디젤 전환Example 3. Biodiesel conversion of oil extracted from Nanochloropsis oceanica by solvent extraction using catalyst

도 4의 전환 반응식과 같이 건조 미세조류를 헥산-메탄올 용매추출법으로 추출한 미세조류 오일에 대하여 바이오 오일 : 메탄올 = 1:1(w/w) 조건에서 바이오디젤 전환 촉매로 균일계 촉매인 KOH와 황산, FeCl3, 그리고 비균일계 고체촉매로 HZSM-5를 이용하여 전이에스테르화/에스테르화 반응을 진행하였다. 회분식(Batch) 반응기에서 120℃에서 2시간 충분히 반응시켰다. As shown in the conversion reaction scheme of FIG. 4, with respect to the microalgal oil extracted by the hexane-methanol solvent extraction method, as a biodiesel conversion catalyst, KOH and sulfuric acid as a homogeneous catalyst are bio-oil: methanol = 1:1 (w/w). , FeCl 3 , and HZSM-5 as a heterogeneous solid catalyst was used to carry out the transesterification/esterification reaction. The reaction was sufficiently carried out at 120° C. for 2 hours in a batch reactor.

오일 추출법oil extraction 건조 무촉매dry catalyst free 건조 KOH-황산dry KOH-sulfuric acid 바이오 디젤 전환 촉매biodiesel conversion catalyst KOHKOH H2SO4 H 2 SO 4 FeCl3 FeCl 3 HZSM-5HZSM-5 H2SO4 H 2 SO 4 FAME 함량 (%)FAME content (%) 73.073.0 61.161.1 6.06.0 3.23.2 82.582.5 회수율 (%)Recovery (%) 25.225.2 94.794.7 98.498.4 47.947.9 91.691.6 바이오 디젤 수율 (%)Biodiesel Yield (%) 18.418.4 57.957.9 5.95.9 1.51.5 75.675.6

(식 3)(Equation 3)

회수율(%) = 반응 후 회수된 바이오디젤의 질량(g) / 오일로부터 생산될 수 있는 바이오디젤의 총 질량(g) X 100 Recovery (%) = mass of biodiesel recovered after reaction (g) / total mass of biodiesel that can be produced from oil (g) X 100

(식 4)(Equation 4)

바이오 디젤 수율(%) = FAME 함량(%) X 회수율(%) / 100Biodiesel yield (%) = FAME content (%) X recovery (%) / 100

상기 표 6은 건조 무촉매 대비 건조 KOH-황산 촉매 이용한 오일 추출법의 바이오 디젤 회수율 및 수율을 비교한 표이다. 반응 후 지방산메틸에스테르(fatty acid methyl ester, FAME) 함량은 KOH, H2SO4에서 약 73%과 61%가 나왔으며, FeCl3와 HZSM-5에서는 10% 이하의 매우 낮은 FAME 함량을 나타내었다. 용매추출법으로 추출한 미세조류 오일의 불순물들이 고체촉매의 활성을 감소시켜 HZSM-5에 대하여 매우 낮은 바이오 디젤 수율을 나타내었다. Table 6 is a table comparing the biodiesel recovery rate and yield of the oil extraction method using the dry KOH-sulfuric acid catalyst compared to the dry non-catalyst. After the reaction, fatty acid methyl ester (FAME) content was about 73% and 61% in KOH and H 2 SO 4 , and FeCl 3 and HZSM-5 showed a very low FAME content of less than 10%. . The impurities of the microalgal oil extracted by the solvent extraction method decreased the activity of the solid catalyst, and thus showed a very low biodiesel yield for HZSM-5.

바이오 디젤 촉매중 KOH 촉매의 경우 미세조류 오일이 함유하고 있는 지방산 성분과 비누화 반응을 일으켜 바이오 디젤 층의 분리가 어려워 25%의 낮은 회수율을 나타내었다. Among the biodiesel catalysts, the KOH catalyst caused a saponification reaction with the fatty acid component contained in the microalgal oil, making it difficult to separate the biodiesel layer, resulting in a low recovery rate of 25%.

상기 결과에 따라 건조 무촉매로 추출된 바이오 오일의 바이오 디젤 전환 촉매 중 가장 수율이 좋은 황산(H2SO4)을 선택하였고, KOH-황산 촉매를 적용한 용매추출법으로 추출된 바이오 오일의 바이오 디젤 수율을 분석하였다. 그 결과, 전이에스테르화 촉매로 황산을 사용했을 때 FAME 함량은 약 83%를 나타내었으며, 회수율도 약 91.6%로 높게 나타났다. 이를 통해 염기촉매 및 산촉매를 적용한 용매추출법으로 인하여 미세조류 오일의 물성이 개선되어 FAME 함량 향상에 기여한 것을 확인할 수 있었다. According to the above results, sulfuric acid (H 2 SO 4 ) with the highest yield was selected among the biodiesel conversion catalysts of bio-oil extracted without a dry catalyst, and biodiesel yield of bio-oil extracted by solvent extraction using a KOH-sulfuric acid catalyst was analyzed. As a result, when sulfuric acid was used as the transition esterification catalyst, the FAME content was about 83%, and the recovery rate was also high as about 91.6%. Through this, it was confirmed that the physical properties of the microalgal oil were improved due to the solvent extraction method applying the base catalyst and the acid catalyst, contributing to the improvement of the FAME content.

따라서, 무촉매의 경우에서보다 염기촉매-산촉매 용매추출법에서 월등히 높은 바이오 디젤 수율을 얻을 수 있음을 알 수 있었다. Therefore, it was found that a significantly higher biodiesel yield could be obtained in the base catalyst-acid catalyst solvent extraction method than in the case of no catalyst.

오일 추출법oil extraction 습식 무촉매Wet Catalyst 습식 KOHWet KOH 습식 KOH-황산Wet KOH-sulfuric acid 습식 KOH-황산Wet KOH-sulfuric acid 건조 KOH-황산dry KOH-sulfuric acid 바이오 디젤
전환 촉매
biodiesel
conversion catalyst
H2SO4 H 2 SO 4 H2SO4 H 2 SO 4 H2SO4 H 2 SO 4 HZSM-5HZSM-5 H2SO4 H 2 SO 4
FAME 함량 (%)FAME content (%) 78.178.1 85.585.5 84.884.8 79.179.1 82.582.5 회수율 (%)Recovery (%) 71.071.0 94.494.4 89.589.5 92.692.6 91.691.6 바이오 디젤
수율 (%)
biodiesel
Yield (%)
55.555.5 80.780.7 75.975.9 73.373.3 75.675.6

상기 표 7은 습식 미세조류를 헥산-메탄올 용매추출법으로 추출한 미세조류 오일 및 염기촉매, 산촉매를 적용하여 용매추출법으로 추출한 오일에 대한 바이오 디젤 회수율 및 수율을 비교한 표이다. 바이오 오일 : 메탄올 = 1:1 (v/v) 조건에서 바이오 디젤 전환 촉매로 균일계 촉매인 황산과 비균일계 고체촉매인 HZSM-5를 이용하여 전이에스테르화/에스테르화 반응을 진행하였다. 회분식 반응기에서 120℃에서 2시간 충분히 반응시켰다. HZSM-5에 사용되는 미세조류 오일은 염기/산촉매를 충분히 반응시켜 준비하였다. Table 7 is a table comparing biodiesel recovery and yields for microalgal oil extracted from wet microalgae by a hexane-methanol solvent extraction method, and oil extracted by a solvent extraction method by applying a base catalyst and an acid catalyst. Transesterification/esterification reaction was carried out using sulfuric acid, a homogeneous catalyst, and HZSM-5, a heterogeneous solid catalyst, as a biodiesel conversion catalyst under the condition of bio-oil: methanol = 1:1 (v/v). It was fully reacted for 2 hours at 120 degreeC in a batch reactor. The microalgal oil used in HZSM-5 was prepared by sufficiently reacting the base/acid catalyst.

상기 표 7에 나타낸 바와 같이 반응 후 지방산메틸에스테르(FAME) 함량은 바이오 디젤 전환 촉매로 황산 이용시 무촉매의 용매 추출법으로 추출된 바이오 오일을 바이오 디젤로 전환한 경우 FAME 함량이 약 78% 에 불과하나, 염기촉매가 적용된 용매 추출법에 의한 경우 약 86% 및 85%로 증가하였다. 용매추출법으로만 추출한 경우 회수율은 약 71%로 염기/산촉매 이용시보다 15% 이상 낮게 나타났다. As shown in Table 7, the fatty acid methyl ester (FAME) content after the reaction is only about 78% when the bio-oil extracted by the solvent extraction method without a catalyst is converted to biodiesel when sulfuric acid is used as a biodiesel conversion catalyst. , increased to about 86% and 85% by the solvent extraction method to which the base catalyst was applied. In the case of extraction using only the solvent extraction method, the recovery rate was about 71%, which was 15% or more lower than when using a base/acid catalyst.

바이오 디젤 전환 촉매로 고체촉매 HZSM-5를 사용한 경우 FAME 함량이 약 79%로 표 6의 건조 미세조류를 용매추출법만으로 추출한 오일에서 HZSM-5 적용시 FAME 함량이 약 3.2% 를 나타낸 것과 비교하여 표 7의 습식 미세조류에 염기/산촉매 적용한 용매추출법 적용한 경우 FAME 함량이 약 79.1%로 크게 증가한 것을 알 수 있었다.In the case of using the solid catalyst HZSM-5 as a biodiesel conversion catalyst, the FAME content was about 79%, and the FAME content was about 3.2% when HZSM-5 was applied to the oil extracted from the dry microalgae in Table 6 only by solvent extraction. When the solvent extraction method applied with a base/acid catalyst was applied to the wet microalgae of No. 7, it was found that the FAME content was significantly increased to about 79.1%.

또한, 건조 미세조류와 비교하여 습식 미세조류에 염기/산촉매 적용 용매추출법으로 추출된 바이오 오일을 바이오 디젤로 전환시 FAME 함량이 조금 더 높았고, 회수율 또한 약간 높은 값을 나타내며, 최종적으로 바이오 디젤 수율 또한 더 우수한 값을 나타낸바, 습식 미세조류를 별도의 건조공정 없이도 우수한 수율로 바이오 디젤을 전환할 수 있음을 확인하였다. In addition, compared with dry microalgae, when bio-oil extracted by solvent extraction method applying a base/acid catalyst to wet microalgae was converted to biodiesel, the FAME content was slightly higher, and the recovery rate was also slightly higher, and finally the biodiesel yield As a result of showing better values, it was confirmed that wet microalgae could be converted into biodiesel in excellent yield without a separate drying process.

따라서 건조 또는 습식 미세조류를 용매추출법으로만 추출한 경우에 비해 염기촉매 또는 염기/산촉매 적용 용매추출법에서 월등히 높은 바이오 디젤 수율을 얻을 수 있음을 알 수 있었다. 또한 촉매 이용 용매추출법으로 개선된 물성을 가지는 미세조류 오일은 환경친화적이고 재사용이 가능한 고체촉매의 적용이 수월한 장점을 가진다. Therefore, it was found that a significantly higher biodiesel yield could be obtained in the solvent extraction method applying a base catalyst or a base/acid catalyst compared to the case where dry or wet microalgae were extracted only by the solvent extraction method. In addition, microalgal oil having improved physical properties by solvent extraction using a catalyst has the advantage of being environmentally friendly and easy to apply a reusable solid catalyst.

Claims (13)

미세조류에 소수성 유기용매 및 알코올에 용해된 염기촉매를 첨가하여 혼합물을 제조하고 교반하는 제1단계; 상기 교반된 혼합물에서 바이오 오일이 포함된 소수성 유기용매층을 층분리하는 제2단계; 및 상기 바이오 오일이 포함된 소수성 유기용매층에서 유기용매를 제거하는 제3단계를 포함하는, 바이오 오일 제조방법.A first step of preparing a mixture by adding a hydrophobic organic solvent and a base catalyst dissolved in alcohol to the microalgae and stirring; a second step of layer-separating the hydrophobic organic solvent layer containing bio-oil in the stirred mixture; and a third step of removing the organic solvent from the hydrophobic organic solvent layer containing the bio-oil. 제1항에 있어서,
상기 소수성 유기용매는 펜탄, 헥산, 클로로헥산, 헵탄, 벤젠, 톨루엔, 클로로포름, 디메틸에테르로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는, 바이오 오일 제조방법.
According to claim 1,
The hydrophobic organic solvent comprises at least one selected from the group consisting of pentane, hexane, chlorohexane, heptane, benzene, toluene, chloroform, and dimethyl ether.
제1항에 있어서,
상기 알코올은 C1 내지 C4의 알코올인 것인, 바이오 오일 제조방법.
According to claim 1,
The alcohol is a C1 to C4 alcohol, the bio-oil manufacturing method.
제1항에 있어서,
상기 제1단계의 소수성 유기용매 : 알코올의 혼합비는 1:1 내지 4:1 (v/v)인 것인, 바이오 오일 제조방법.
According to claim 1,
The mixing ratio of the hydrophobic organic solvent: alcohol of the first step is 1:1 to 4:1 (v/v), the bio-oil manufacturing method.
제1항에 있어서,
상기 염기촉매는 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화리튬, 수산화칼슘, 수산화바륨으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는, 바이오 오일 제조방법.
According to claim 1,
The base catalyst comprises at least one selected from the group consisting of sodium hydroxide, potassium hydroxide, lithium hydroxide, calcium hydroxide, barium hydroxide, bio-oil manufacturing method.
제1항에 있어서,
상기 염기촉매의 농도는 미세조류 중량 대비 4 wt% 내지 100 wt% 인 것인, 바이오 오일 제조방법.
According to claim 1,
The concentration of the base catalyst is 4 wt% to 100 wt% based on the weight of the microalgae, the bio-oil manufacturing method.
제1항에 있어서,
상기 제1단계 이후 교반된 혼합물에 산촉매를 추가로 첨가할 수 있는 것인, 바이오 오일 제조방법.
According to claim 1,
The method for producing bio-oil, which can further add an acid catalyst to the stirred mixture after the first step.
제7항에 있어서,
상기 산촉매는 황산, 염산, 질산, 과염소산, 브롬산으로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는, 바이오 오일 제조방법.
8. The method of claim 7,
The acid catalyst comprises at least one selected from the group consisting of sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, perchloric acid, and hydrobromic acid.
제1항에 있어서,
상기 미세조류의 수분함량은 미세조류 중량 대비 0.5 wt% 내지 99 wt% 인 것인, 바이오 오일 제조방법.
According to claim 1,
The water content of the microalgae is 0.5 wt% to 99 wt% based on the weight of the microalgae, the bio-oil manufacturing method.
제1항에 있어서,
상기 미세조류 농도는 배양액 1 L 대비 100 g/L 내지 400 g/L 인 것인, 바이오 오일 제조방법.
According to claim 1,
The microalgae concentration is 100 g / L to 400 g / L compared to 1 L of the culture medium, the bio-oil manufacturing method.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된, 바이오 오일.According to any one of claims 1 to 10, prepared by the method of any one of claims, bio-oil. 제11항에 있어서,
상기 바이오 오일은 순도가 95% 이상인 것인, 바이오 오일.
12. The method of claim 11,
The bio-oil will have a purity of 95% or more.
제11항의 바이오 오일에 바이오 디젤 전환 촉매를 첨가하는 단계를 포함하는, 바이오 디젤 제조방법.

A method for producing biodiesel comprising the step of adding a biodiesel conversion catalyst to the biooil of claim 11 .

KR1020190162724A 2019-12-09 2019-12-09 Method for producing bio oil from microalgae using base catalyst KR102348521B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190162724A KR102348521B1 (en) 2019-12-09 2019-12-09 Method for producing bio oil from microalgae using base catalyst

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190162724A KR102348521B1 (en) 2019-12-09 2019-12-09 Method for producing bio oil from microalgae using base catalyst

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20210072420A true KR20210072420A (en) 2021-06-17
KR102348521B1 KR102348521B1 (en) 2022-01-07

Family

ID=76603729

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190162724A KR102348521B1 (en) 2019-12-09 2019-12-09 Method for producing bio oil from microalgae using base catalyst

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102348521B1 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20080015758A (en) 2006-08-15 2008-02-20 노바 바이오소스 테크놀로지스, 엘엘씨 Production of biodeisel and glycerin from high free fatty acid feedstocks
KR20080070988A (en) 2007-01-29 2008-08-01 에스케이에너지 주식회사 Method of making biodiesel with good low-temperature performance from palm oil
KR101264543B1 (en) * 2011-07-29 2013-05-14 한국에너지기술연구원 Extraction method of raw oil for biodiesel from microalgae and manufacturing method of biodiesel using extract oil of microalgae
KR20140046424A (en) * 2011-05-26 2014-04-18 카운실 오브 사이언티픽 엔드 인더스트리얼 리서치 Engine worthy fatty acid methyl ester(biodiesel) from naturally occurring marine microalgal mats and marine microalgae cultured in open salt pans together with value addition of co-products
KR101531842B1 (en) * 2014-04-15 2015-06-29 한국에너지기술연구원 High-yield extraction of free fatty acid using acid catalyst and surfactant from microorganism
KR20150113289A (en) * 2014-03-27 2015-10-08 한국과학기술원 Preparation method of biodiesel using ferric ion and alkaline catalyst

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20080015758A (en) 2006-08-15 2008-02-20 노바 바이오소스 테크놀로지스, 엘엘씨 Production of biodeisel and glycerin from high free fatty acid feedstocks
KR20080070988A (en) 2007-01-29 2008-08-01 에스케이에너지 주식회사 Method of making biodiesel with good low-temperature performance from palm oil
KR20140046424A (en) * 2011-05-26 2014-04-18 카운실 오브 사이언티픽 엔드 인더스트리얼 리서치 Engine worthy fatty acid methyl ester(biodiesel) from naturally occurring marine microalgal mats and marine microalgae cultured in open salt pans together with value addition of co-products
KR101264543B1 (en) * 2011-07-29 2013-05-14 한국에너지기술연구원 Extraction method of raw oil for biodiesel from microalgae and manufacturing method of biodiesel using extract oil of microalgae
KR20150113289A (en) * 2014-03-27 2015-10-08 한국과학기술원 Preparation method of biodiesel using ferric ion and alkaline catalyst
KR101531842B1 (en) * 2014-04-15 2015-06-29 한국에너지기술연구원 High-yield extraction of free fatty acid using acid catalyst and surfactant from microorganism

Also Published As

Publication number Publication date
KR102348521B1 (en) 2022-01-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Bhattacharya et al. Microalgae–A green multi-product biorefinery for future industrial prospects
Keneni et al. Oil extraction from plant seeds for biodiesel production
Wahlen et al. Biodiesel production by simultaneous extraction and conversion of total lipids from microalgae, cyanobacteria, and wild mixed-cultures
Borugadda et al. Biodiesel production from renewable feedstocks: Status and opportunities
Bondioli et al. Oil production by the marine microalgae Nannochloropsis sp. F&M-M24 and Tetraselmis suecica F&M-M33
Zullaikah et al. Ecofuel conversion technology of inedible lipid feedstocks to renewable fuel
Velasquez-Orta et al. Evaluation of FAME production from wet marine and freshwater microalgae by in situ transesterification
Thiru et al. Process for biodiesel production from Cryptococcus curvatus
Ashokkumar et al. Optimization and characterization of biodiesel production from microalgae Botryococcus grown at semi-continuous system
KR101264543B1 (en) Extraction method of raw oil for biodiesel from microalgae and manufacturing method of biodiesel using extract oil of microalgae
US20100267122A1 (en) Microalgae cultivation in a wastewater dominated by carpet mill effluents for biofuel applications
CN102858185A (en) Selective extraction of proteins from freshwater or saltwater algae
US9187713B1 (en) Direct transesterification of algal biomass for synthesis of fatty acid ethyl esters (FAEE)
Afzal et al. Microalgae: A promising feedstock for energy and high-value products
Perez et al. Trends in biodiesel production: present status and future directions
KR20220076801A (en) Solid acid catalyst for biodiesel production, solid base catalyst for biodiesel production, methods for preparing the same, and methods for producing biodiesel using the same
KR102348521B1 (en) Method for producing bio oil from microalgae using base catalyst
KR101494649B1 (en) Bio-oil extraction method using hypochlorous acid from microorganism
KR101531842B1 (en) High-yield extraction of free fatty acid using acid catalyst and surfactant from microorganism
KR101448344B1 (en) Bio-oil production using Fenton-like reaction from microorganisms
Sarma et al. Statistical optimization of microalgal biodiesel production and protein extraction from Chlorella sorokiniana cultivated in dairy effluent
KR101375385B1 (en) Oil extraction using clay and oil production from microorganisms
KR101413368B1 (en) Oil extraction using clay and biodiesel production from microorganisms
KR20150035678A (en) Process for direct production of high energy biodiesel from wet biomass
Amin et al. Biodiesel production from Microalgae

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant