KR20240032225A - 이산화탄소를 이용한 친환경 제설제의 제조방법 - Google Patents

이산화탄소를 이용한 친환경 제설제의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이산화탄소의 포집 및 전환 기술에 의해서 생산된 유기산을 포함하는 친환경 제설제에 관한 것으로, 본 발명의 친환경 제설제는 효과적인 융빙 성능을 가지고 금속 부식을 방지할 뿐만 아니라 유기산을 원재료로 사용함으로써, 기존의 환경오염이나 자동차 부식 등의 부작용을 해결하는 효과가 있다.

Description

이산화탄소를 이용한 친환경 제설제의 제조방법{Mamufacturing method of Eco-friendly Deicer using Carbon dioxide}
본 발명은 이산화탄소로부터 생산된 유기산을 이용한 친환경 제설제의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 친환경 제설제에 관한 것이다.
에너지, 산업 공정 등에서 배출되는 이산화탄소(CO2)를 직접 또는 전환하여 잠재적 시장가치가 있는 제품으로 활용하는 기술을 탄소 포집 및 활용 기술(Carbon Capture and Utilization, CCU)이라고 한다.
현재 가장 활발하게 진행되는 방법 중 하나가 이산화탄소를 반응원료로 활용하는 화학 전환이다. 이를 통해 각종 연료나 기초화학제품 등에 사용되는 다양한 탄소화합물을 만드는 것인데, 현재 미국, 일본 등에서 폴리우레탄, 에틸렌카보네이트와 같은 일부 화학소재 전환에 성공해 상용화 작업에 들어간 상태이다.
최근에는 대사공학, 합성생물학, 유전자가위 등 다양한 생명공학 기술도 CCU에 적극 도입하고 있다. 광합성작용을 하는 미세조류(Microalgae)를 활용해 탄소를 고정하는 한편, 이를 대량으로 증식시켜 이렇게 늘어난 미세조류를 바탕으로 각종 바이오 연료는 물론이고, 지방산, 동물사료, 색소, 의약물질 등을 만들고 있다.
이렇게 포집된 탄소의 활용도가 높아지면서 CCU 기술은 탄소제로 사회를 실현하기 위한 핵심 기술 중 하나로 주목받고 있다.
그러나, 종래의 CCU 기술은 이산화탄소의 고부가가치 물질로의 변환에 집중되며, 제품 생산 과정에서의 탄소저감 효과가 낮고 제품 생산 단가가 기존 제품 대비 높아 시장경쟁력이 낮다는 문제가 있다.
한편, 일반도로 및 고속도로에서 사용하는 제설제에는 가격 대비 효과적인 염화칼슘(CaCl2), 염화나트륨(NaCl)과 같은 무기염류를 주로 사용하고 있다. 그러나 이러한 무기염류에 포함되어 있는 염소 이온은 차량의 금속 및 플라스틱에 강한 부식성을 가지며, 도로포장면(아스팔트, 콘크리트)과 구조물의 내구성 저하를 발생시켜 사용 수명을 감소시킬 뿐 아니라 부근 토양 및 하천으로 유입되어 환경에 악영향을 미치고 있다.
한국공개특허 10-2013-0131022호
본 발명자들은 탄소 포집 및 전환 효율이 우수하고 탄소저감 효과가 우수한 유기산 생산방법을 확립하고 이의 활용 방법을 개발하고자 예의 연구 노력하였다. 그 결과, 미생물(Actinobacillus succinogenes) 발효를 통해 생산된 유기산을 포함하는 친환경 제설제의 기능성(융빙 성능 향상 및 부식 방지)을 확인함으로써, 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 친환경 제설제 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 유기산을 포함하는 친환경 제설제를 제공하는 것이다.
본 발명자들은 탄소 포집 및 전환 효율이 우수하고 탄소저감 효과가 우수한 유기산 생산방법을 확립하고 이의 활용 방법을 개발하고자 예의 연구 노력하였다. 그 결과, 미생물(Actinobacillus succinogenes) 발효를 통해 생산된 유기산을 포함하는 친환경 제설제의 기능성(융빙 성능 향상 및 부식 방지)을 확인하였다.
본 발명은 이산화탄소 포집 및 이용에 관한 것으로, 친환경 제설제 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 친환경 제설제에 관한 것이다.
이하, 본 발명을 더욱 자세히 설명하고자 한다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 본 발명은 악티노바실루스 숙시노젠(Actinobacillus succinogenes)(ATCC 55618)에 의한 발효 단계를 포함하는, 친환경 제설제 제조방법을 제공한다.
본 발명에서 용어 "발효(fermentation)"는 미생물이 혐기성 환경(anaerobic)에서 유기 영양물(포도당 등)을 분해하여 에너지를 얻는 과정을 의미한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 미생물(Actinobacillus succinogenes)에 의한 발효 단계는 생물반응기(Bioreactor)에서 수행되며, 생물반응기 내부에는 유기산 발효를 수행하기 위한 미생물 및 배양액이 수용된다.
본 발명에 따른 방법은 다양한 유기산을 생산하기에 적합하며, 이에 제한되는 것은 아니지만, 숙신산(Succinic acid), 포믹산(Formic acid), 초산(Acetic acid), 젖산(lactic acid), 발레르산(valeric acid), 말산(malic acid), 시트르산(citric acid) 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 유기산을 생산할 수 있다.
본 발명에 따른 방법에 사용되는 발효 미생물로는 유기산을 생산하는 단독 미생물(악티노바실루스 숙시노젠) 또는 혼합균을 예로 들 수 있다.
상기 악티노바실루스 숙시노젠 균주(ATCC 55618)는 서열번호 1의 16s rRNA 염기서열을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 미생물은 배양액 100 중량부에 대하여 0.001 내지 0.2 중량부로 투입될 수 있다.
상기의 미생물의 투입량이 0.001 중량부 미만이면 발효시간이 지나치게 길어지며, 상기 미생물의 투입량이 0.2 중량부를 초과하면 성숙된 발효산물을 얻기 어렵다.
상기 유기산 생산을 위한 생물반응기 중에는 발효를 수행하는 미생물과 배양액이 혼합되어 있다.
본 발명의 배양액은 유효성분인 상기 미생물(균주), 이의 배양물, 상기 균주를 단리 및/또는 정제한 균체 외에 균체를 포함하는 배양물, 균체의 추출물, 배양물 상층액, 이들의 농축액, 농축물, 건조물, 또한 필요에 따라서 희석액, 희석물 등, 배양액, 배양물을 처리하여 얻어지는 모든 상태의 것을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 방법에 사용되는 배양액은 탄소원, 알칼리성 염기 및 미생물(균주)의 성장에 필수적인 성분(균주 성장 성분)을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명에서 상기 탄소원은 당류로서 단당류, 이당류, 다당류, 또는 이들의 혼합물을 포함하며, 예를 들면 글루코오스, 프럭토오스, 슈크로오스, 갈락토오스, 만노오스, 자일로오스, 아라비노오스, 사탕수수, 당밀(Molasses), 전분 가수분해물 등을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에서 상기 알칼리성 염기는 탄소원의 발효를 위한 미생물의 성장에 적합한 pH를 유지하도록 하는 주기율표 1족의 알칼리 금속을 포함하는 약염기로서, 예를 들면 KOH 등을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
발효 시 공급되는 배양액 내 탄소원과 알칼리성 염기의 함량비는 염기의 용해도, 유기산 생성 속도 등을 고려하여 사용자가 발효 특성에 맞게 임의로 조절할 수 있다. 탄소원과 알칼리성 염기의 함량비는 공급되는 탄소원과 알칼리성 염기의 멸균상태가 유지된다는 전제 하에서 발효 공정 수행 중에도 임의로 변경이 가능하다.
본 발명에서 상기 균주의 성장에 필수적인 성분(균주 성장 성분)으로는 탄소원 기질 이외에 질소원, 비타민, 무기염류, 및/또는 인버타아제(invertase)와 같은 탄소원 분해 효소 등을 예로 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 통상의 기술자는 공지 기술을 기초로 균주에 따라 성장에 필수적인 성분을 용이하게 결정할 수 있다.
구체적으로, 본 발명에서 상기 질소원은 효모 추출물(Yeast extract), 옥수수 침지액(CSL), 펩톤, 육즙, 맥아 추출물, 및 대두밀과 같은 유기 질소원; 및 요소, 황산암모늄, 염화암모늄, 인산암모늄, 탄산암모늄 및 질산암모늄과 같은 무기 질소원; 또는 이들의 조합 등을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 방법은 이산화탄소(CO2) 및/또는 탄산염(carbonate)을 주입하는 단계를 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명에서 상기 탄산염은 탄산칼슘(CaCO3), 탄산칼륨(K2CO3) 및 탄산수소 나트륨(NaHCO3) 등을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에서는 정량 펌프(Peristaltic pump)를 이용하여 이산화탄소 기체 및/또는 탄산염을 생물반응기 내에 주입하면서, 또한 이산화탄소 기체의 배양액 내로의 용해를 더욱 용이하게 하기 위해서 별도의 교반 수단(Motor)을 더 제공한다.
본 발명에서는 생물반응기 중에서 이산화탄소 용해도의 증가를 용이하게 하기 위해서, 생물반응기 내부의 혼합 용액을 교반해주는 것도 가능하며, 이 경우 교반 속도는 200 내지 500 rpm일 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 방법에서는 먼저 정량 펌프 등을 사용하여 이산화탄소 기체를 배양액이 수용된 생물반응기에 주입하게 되며, 주입된 이산화탄소 기체는 생물반응기 내에서 배양액과 혼합된다.
상기 이산화탄소 기체는 일반적인 화력발전소 등과 같은 이산화탄소 배출원 또는 바이오매스로부터 생성된 이산화탄소 기체일 수 있다. 따라서, 본 발명을 이용하는 경우 바이오매스 처리 과정에서 생성된 이산화탄소를 발효액의 pH를 낮추는 용도로 효과적으로 재활용하는 것이 가능하다.
본 발명에서 상기 발효 단계는 미생물이 접종된 배양액을 30 내지 45℃, 바람직하게는 37℃의 온도에서 100 내지 1,000rpm, 바람직하게는 200rpm의 속도로 12 내지 48시간, 바람직하게는 36시간 동안 발효하여 이루어지는 것일 수 있다.
상기 발효 단계의 온도가 30℃ 미만이거나, 교반 속도가 100 미만이거나 및/또는 발효 시간이 12시간 미만이면 유기산의 생산수율이 매우 낮고, 상기 발효 단계의 온도가 45℃를 초과하거나, 교반 속도가 1,000rpm을 초과하거나 및/또는 발효 시간이 48시간을 초과하면 유기산의 조성 및 생산량이 감소할 수 있다.
상기 방법은 산화칼슘(CaO) 처리 단계를 더 포함하는 것일 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 방법에서는 상기 발효 과정에 의해 생산된 유기산이 포함되어 있는 배양액이 역삼투압 멤브레인(Reverse Osmosis Membrane, RO membrane) 필터를 통해 농축되며, 여과된 배양액은 칼슘 반응기(Calcium reactor) 내에서 산화칼슘(CaO)과 반응한다.
추가적으로, 상기 산화칼슘 처리 과정에 의해 생산된 유기산 칼슘(Calcium organic acids, COAs)이 포함되어 있는 배양액이 건조(Dry oven) 단계를 거치면 융빙 성능이 향상될 뿐만 아니라 부식을 방지할 수 있는 친환경 제설제(고체 분말)가 제공된다.
본 발명에서 용어 "유기산 칼슘(COAs)"은 칼슘과 유기산이 결합한 물질을 의미한다. 유기산 칼슘은 제설 시 발열하면서 녹아 이온형태로 존재하여 융빙된 눈이 다시 결빙되는 현상을 억제할 수 있다.
따라서, 본 발명의 친환경 제설제는 유기산 칼슘을 사용함으로써 제설이 끝난 후에도 유기산과 칼슘은 토양 미생물의 영양분 등으로 사용될 수 있으므로, 눈과 반응하여 다량의 염소가 방출됨으로써 환경파괴를 일으킬 수 있는 종래의 제설제(CaCl2, NaCl 등 포함)와는 달리 매우 친환경적이다.
본 발명의 다른 일 양태에 따르면, 본 발명은 숙신산(Succinic acid), 포믹산(Formic acid), 초산(Acetic acid), 젖산(lactic acid), 발레르산(valeric acid), 말산(malic acid) 및 시트르산(citric acid)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 그 이상의 유기산을 포함하는 친환경 제설제를 제공한다.
상기 유기산은 악티노바실루스 숙시노젠(Actinobacillus succinogenes)(ATCC 55618) 발효에 의해 생산된 것일 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 친환경 제설제는 상술한 친환경 제설제 제조방법에 의해 생산된 COAs(calcium organic acids)을 포함하는 배양액을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 친환경 제설제는 융빙 성능 향상 및 부식 방지 등의 효과를 갖는다.
본 발명의 조성물은 첨가제로서 생석회(Quicklime), 헥사메타인산나트륨(Sodium Hexametaphosphate), 마그네슘(Magnesium) 화합물 등을 추가적으로 포함할 수 있다.
본 발명의 친환경 제설제에 포함된 유기산에 대한 설명은 본 발명의 친환경 제설제 제조용 유기산 생산방법에 대하여 상술한 설명과 동일 또는 유사하므로 생략하기로 한다.
본 발명은 이산화탄소의 포집 및 전환 기술에 의해서 생산된 유기산을 포함하는 친환경 제설제에 관한 것으로, 본 발명의 친환경 제설제는 효과적인 융빙 성능을 가지고 금속 부식을 방지할 뿐만 아니라 유기산을 원재료로 사용함으로써, 기존의 환경오염이나 자동차 부식 등의 부작용을 해결하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 제설제 제조방법을 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 친환경 제설제에 의한 부식 방지 효과(대조군(좌), 실험군(우))를 확인한 결과이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시 예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시 예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
실시예. 유기산 생산(친환경 제설제 제조)
1) 균주 배양
악티노바실루스 숙시노젠(Actinobacillus succinogenes, ATCC 55618)을 BHI(Brain Heart Infusion) 배지(기산바이오텍, 한국)를 사용하여 삼각 플라스크에서 37℃, 16시간 동안 배양(shaking incubator)하였다.
2) 발효(유기산 생산)
배양된 악티노바실루스 숙시노젠은 3리터 생물반응기(Applikon Schiedam, Netherlands)에서 발효시켰다.
구체적으로, 배지(배양액)[KH2PO4(3g/L)에 탄소원으로 3% 정제당(백설탕) 또는 당밀(Molasses)을 사용하였으며, 질소원으로 4% CSL(옥수수 침지액) 또는 2% Yeast extract(효모 추출물)을 사용] 1L에 악티노바실루스 숙시노젠 배양액 10mL를 주입하고, 200rpm의 속도로 37℃에서 36시간 동안 교반하면서 발효시켰다. 이때, 이산화탄소는 튜빙 펌프(tubing pump)를 이용하여 주입(500ml/hr)하였으며, pH 조절을 위해 8M KOH를 사용하여 pH 6.8을 유지하였다.
3) 친환경 제설제 생산
발효된 배양액을 역삼투압 멤브레인(Reverse Osmosis Membrane, RO membrane) 필터를 이용하여 여과하고, 배양액 1,000ml와 산화칼슘(CaO) 10g을 반응시킨 후 건조(Dry oven)시켜 COAs(calcium organic acids)를 포함하는 친환경 제설제를 제조하였다.
실험예 1. 유기산 분석
상기 실시예에서 생산된 유기산(발효액)에 대하여, HPLC(Shimadzu, Japan)와 Aminex HPX-87H 컬럼(Bio-Rad, USA) 및 UV 측정기(Shimadzu)를 이용하여 210 nm에서 유기산의 농도(생산량)를 측정하였다. HPLC 이동상은 0.005N 황산을 사용하였으며, 이동상의 속도는 0.6ml/min로 설정하였다. 측정 결과는 하기 표 1에 나타내었다.
이산화탄소 포집량 및 유기산 생산량 (24시간 기준)
g/L·day
이산화탄소(CO2) 포집량 0.67
숙신산(Succinic acid) 생산량 0.58
포믹산(Formic acid) 생산량 0.30
초산(Acetic acid) 생산량 0.24
실험예 2. 제설제의 융빙 성능 향상 효과 확인
얼음시료 20g에 상기 실시예에서 제조한 COAs 0.1g 및 염화나트륨(NaCl) 0.9g을 투입하고, 4℃에서 시간별(15분, 30분, 60분, 180분) 융빙량을 측정하였다. 대조군으로는 염화나트륨 1g을 사용하였으며, 그 결과는 하기 표 2에 나타내었다.
융빙량 (ml)
NaCl(1g) NaCl(0.9g)+COAs(0.1g)
15 min 1.2 1.0
30 min 5.7 5.4
60 min 7.8 7.7
180 min 10.5 15.2
그 결과, 표 2에서 확인할 수 있듯이, 본 발명의 친환경 제설제를 사용한 경우 염화나트륨을 사용하는 경우에 비하여 융빙 성능이 우수함을 알 수 있었다.
실험예 3. 제설제의 부식 방지 효과 확인
1%의 염화나트륨(NaCl) 용액, 또는 0.1%의 COAs(calcium organic acids)가 첨가된 1%의 염화나트륨 용액에 금속 시편(알루미늄 커터칼 심)을 침지시키고, 상온에서 2주 동안 보관하여 부식 방지 효과를 확인하였다.
그 결과, 도 2에서 확인할 수 있듯이, 본 발명의 친환경 제설제를 사용한 경우(도 2 오른쪽) 염화나트륨을 사용하는 경우에 비하여 부식 방지 효과가 우수함을 알 수 있었다.

Claims (7)

  1. 악티노바실루스 숙시노젠(Actinobacillus succinogenes)(ATCC 55618)에 의한 발효 단계를 포함하는, 친환경 제설제 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 방법은 이산화탄소(CO2) 및/또는 탄산염(carbonate)을 주입하는 단계를 더 포함하는 것인, 친환경 제설제 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 방법은 산화칼슘(CaO) 처리 단계를 더 포함하는 것인, 친환경 제설제 제조방법.
  4. 숙신산(Succinic acid), 포믹산(Formic acid), 초산(Acetic acid), 젖산(lactic acid), 발레르산(valeric acid), 말산(malic acid) 및 시트르산(citric acid)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 유기산을 포함하는 친환경 제설제.
  5. 제4항에 있어서, 상기 유기산은 악티노바실루스 숙시노젠(Actinobacillus succinogenes)(ATCC 55618) 발효에 의해 생산된 것인, 친환경 제설제.
  6. 제4항에 있어서, 상기 친환경 제설제는 유기산 칼슘(Calcium organic acid)을 포함하는 것인, 친환경 제설제.
  7. 제4항에 있어서, 상기 친환경 제설제는 융빙 성능 향상 및 부식 방지 효과를 갖는 것인, 친환경 제설제.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20130131022A (ko) 2012-05-23 2013-12-03 에스케이이노베이션 주식회사 탄소원 기질과 염기의 유가식 공급에 의한 유기산 제조 방법

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20130131022A (ko) 2012-05-23 2013-12-03 에스케이이노베이션 주식회사 탄소원 기질과 염기의 유가식 공급에 의한 유기산 제조 방법

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