KR101363723B1 - Method for extracting and recovering lipids from microalgae - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 미세조류로부터 지질을 추출 및 회수하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 미세조류 슬러리에 레이저를 조사함으로써 단일공정으로 미세조류로부터 지질을 추출하고 이를 회수하는 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for extracting and recovering lipids from microalgae, and more particularly, to a method of extracting and recovering lipids from microalgae in a single step by irradiating a laser to the microalgae slurry.
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. 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.Concerns about global warming and fossil fuels are driving the production of fuels using biomass. On the other hand, biodiesel production using grain-based resources is a growing concern due to environmental burdens and competition with food resources. Therefore, biodiesel production methods using microalgae or forest resources without competition with food are attracting attention. The microalgae have the advantage of better photosynthetic efficiency than land plants, direct use of carbon dioxide emitted from thermal power plants, and a substantial portion of the body consists of lipids that can be converted into 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 필요한 문제점이 있다.Among the components of the microalgal biomass, lipids are easily converted into fuels, and can be converted into transport fuels by a transition esterification method or a deoxygenation method. Representative components other than lipids, sugars or proteins can also be converted to energy, but there is a problem that requires a complicated process.
통상적으로 미세조류로부터 바이오디젤을 생산하기 위한 주요 프로세스로는, 미세조류의 배양, 지질 추출(세포 파쇄) 및 전이에스테르화(transesterification)가 있다. Typically the main processes for producing biodiesel from microalgae are cultivation of microalgae, lipid extraction (cell disruption) and transesterification.
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). 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 방법이다. 특히 미세조류는 이를 둘러싸는 단단한 세포벽으로 인해 추출 효율이 극도로 낮아지는 문제가 있으므로, 이를 해결하기 위해 세포벽 파쇄 기술이 매우 중요하다. 따라서 미세조류 세포벽을 파쇄하기 위한 다양한 기술이 제안되었으며, 대표적으로 고압 처리법(autoclaving), 비드-비팅법(bead-beating), 마이크로파 처리(microwave), 음파 처리(sonication), 침투압 충격법(osmotic shock) 및 기타 물리 화학적 처리방법이 있다(J.-Y. Lee et al., Bioresource Technology 101 (2010) S75-S77). 상기와 같이 현재 사용되고 있는 미세조류 수확의 방법 및 특징을 정리하여 하기 표 1에 나타내었다(최병윤, 미세조류로부터 지질의 추출과 전처리 에스테르화 반응, 2011).In particular, a method commonly used as a conventional lipid extraction method is a chemical solvent extraction method to extract lipids in microalgae using a non-polar 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). This is a method of recovering lipids and residual biomass by extracting with an organic solvent such as hexane after dewatering the microalgae through physical and thermal treatment, drying and pretreating the cell wall. In particular, the microalgae has a problem that the extraction efficiency is extremely low due to the rigid cell wall surrounding the microalgae, and cell wall disruption technology is very important to solve this problem. Therefore, various techniques for crushing microalgal cell walls have been proposed, typically autoclaving, bead-beating, microwave, sonication, and osmotic shock. ) And other physicochemical treatments (J.-Y. Lee et al., Bioresource Technology 101 (2010) S75-S77). The present method and characteristics of the current microalgae harvest as described above are summarized in Table 1 (Byung Yoon Choi, extraction of lipids from microalgae and pretreatment esterification reaction, 2011).
그러나, 상기 종래의 지질 추출 방법은 탈수(dewatering)공정을 위해 상당히 많은 에너지가 소모되며, 세포벽 파쇄 및 용매 추출과 같은 여러 단계의 공정을 거쳐야 하기 때문에 복잡하고 비용이 많이 들고, 화학적 용매 처리로 인하여 지질이 순수하지 못하다는 문제가 있다. 특히, 종래 지질 추출을 위한 탈수(dewatering) 공정(전처리 공정)의 경우, 미세조류 슬러리에서 물리적으로 물을 제거한 뒤, 추가적으로 미세조류 자체의 수분 함량이 10% 이하가 되도록 열처리 건조 또는 동결 건조 등을 수행해야 하며, 이 과정에서 상당히 많은 에너지, 비용 및 시간이 소요되는 문제가 있다. 대표적으로 대한민국특허 등록번호 제10-1205780호에서는 별도의 세포벽 파쇄 없이 미세조류에 열처리를 통한 지질 회수 방법에 대해 개시하고 있으나, 이 역시 탈수(dewatering) 공정이 필연적으로 필요하다는 점에서, 과다한 에너지가 소모되고 여러 단계의 공정을 거쳐야 하는 문제점을 해결하지 못하고 있다.However, the conventional lipid extraction method consumes a considerable amount of energy for the dewatering process, and is complicated and expensive because it requires several steps such as cell wall crushing and solvent extraction. The problem is that lipids are not pure. In particular, in the case of a dewatering process (pretreatment process) for extracting lipids, after physically removing water from the microalgae slurry, additionally, heat treatment drying or freeze drying is performed such that the water content of the microalgae itself is 10% or less. This has to be done and there is a significant amount of energy, cost and time spent in the process. Representatively, the Republic of Korea Patent Registration No. 10-1205780 discloses a method for recovering lipids by heat treatment in microalgae without additional cell wall breakage, but this also requires a dewatering process, excessive energy It does not solve the problem of being consumed and going through a multi-step process.
최근 미국의 Originoil사는 탈수(dewatering) 공정 없이 바로 단일공정 추출(single step extraction)이라는 새로운 개념의 공정으로 미세조류로부터 지질을 추출하는 방법을 선보인바 있다(미국특허 공개번호 제2013-0137154호). 이는 미세조류 슬러리를 탈수공정 없이 바로 추출조로 이송하면서, 슬러리에 전자기장 및 CO2 마이크로 버블을 가하여 미세조류로부터 바로 지질을 분리하고 회수하는 공정에 관한 것이다. 상기 Originoil사의 단일공정 추출 방법은 탈수, 세포벽 분쇄, 용매추출과 같은 종래의 다단계 공정을 하나의 공정을 통해 해결한다는 점에서 많은 주목을 받았지만, 이 역시 미세조류로부터 지질 분리를 위해 과다한 에너지를 필요로 하고, 특히 전자기파가 미세조류뿐만 아니라 슬러리에 포함된 다량의 물도 함께 가열하여 효율이 낮아지고 더 많은 에너지가 소모된다는 문제가 있다.Recently, Originoil of the United States has introduced a method of extracting lipids from microalgae in a new concept of single step extraction without dewatering (US Patent Publication No. 2013-0137154). This relates to a process for separating and recovering lipids directly from the microalgae by applying an electromagnetic field and CO 2 microbubbles to the slurry while transferring the microalgae slurry directly to the extraction tank without dehydration. Originoil's single process extraction method has received a lot of attention in that it solves the conventional multi-step process such as dehydration, cell wall grinding, solvent extraction through a single process, but this also requires excessive energy for lipid separation from microalgae In particular, the electromagnetic wave has a problem that the efficiency is lowered and more energy is consumed by heating not only the microalgae but also a large amount of water contained in the slurry.
이러한 배경 하에서, 본 발명자들은 미세조류 슬러리에 전자기파 대신 레이저를 조사하는 경우, 미세조류로부터 지질이 분리될 수 있고, 나아가 물을 제외한 미세조류에게 선택적으로 에너지를 전달할 수 있음을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.
Under this background, the present inventors have completed the present invention by confirming that when the microalgae slurry is irradiated with a laser instead of electromagnetic waves, lipids can be separated from the microalgae and further, energy can be selectively transferred to the microalgae except water. It was.
본 발명의 목적은 단일공정으로 미세조류로부터 지질을 추출 및 회수하는 방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a method for extracting and recovering lipids from microalgae in a single process.
본 발명의 다른 목적은 상기 방법으로부터 회수된 지질을 이용하여 바이오디젤을 생산하는 방법을 제공하는 것이다.
Another object of the present invention is to provide a method for producing biodiesel using the lipid recovered from the method.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 하기의 단계를 포함하는 미세조류로부터 지질을 추출 및 회수하는 방법을 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention provides a method for extracting and recovering lipids from microalgae comprising the following steps.
미세조류 슬러리(slurry)에 레이저를 조사하여 지질(lipid)을 분리하는 제1단계; 및A first step of separating the lipid (lipid) by irradiating the laser to the microalgae slurry (slurry); And
상기 제1단계의 레이저 조사 후, 분리된 지질을 함유하는 슬러리 상층액을 회수하는 제2단계.
After the laser irradiation of the first step, the second step of recovering the slurry supernatant containing the separated lipids.
도 1에 나타난 바와 같이, 본 발명은 미세조류 배양액(미세조류 슬러리)에 레이저를 조사하여 미세조류로부터 지질을 분리하고, 슬러리 상층액을 회수함으로써 지질을 회수하는 단일 공정이다. 본 발명은 도 1의 종래 화학적 유기 용매 추출법과 비교하여 탈수, 건조, 세포벽 분쇄, 용매추출과 같은 전처리 및 다단계 공정에서 탈피할 수 있으며, 따라서 단순하고 경제적이다. 나아가 미세조류 슬러리에 레이저를 조사함으로써 선택적으로 미세조류에게만 에너지를 전달할 수 있고, 결과적으로 에너지 소비가 적다는 특징이 있다. 또한 본 발명에 따라 회수된 지질은 화학적 용매 처리가 없어 화학적 용매 추출법으로 회수된 지질에 비해 더 순수하다.
As shown in FIG. 1, the present invention is a single step of recovering lipids by irradiating a microalgae culture (microalgae slurry) to separate lipids from the microalgae and recovering the slurry supernatant. Compared with the conventional chemical organic solvent extraction method of FIG. 1, the present invention can be avoided in pretreatment and multi-step processes such as dehydration, drying, cell wall grinding, solvent extraction, and thus simple and economical. Furthermore, by irradiating a laser on the microalgae slurry, energy can be selectively transferred only to the microalgae, resulting in low energy consumption. In addition, lipids recovered according to the present invention are more pure than lipids recovered by chemical solvent extraction due to no chemical solvent treatment.
본 발명에 따른 상기 제1단계는 미세조류 슬러리에 레이저를 조사하여 지질(lipid)을 분리하는 단계로서, 레이저를 통해 미세조류에 선택적으로 에너지를 조사함으로써, 미세조류 세포 내의 지질을 세포 밖으로 방출시키는 단계이다.
The first step according to the invention is a step of separating the lipid (lipid) by irradiating a laser to the microalgae slurry, by selectively irradiating energy to the microalgae through a laser, to release the lipid in the microalgal cells out of the cell Step.
본 발명에 있어서, 상기 미세조류 슬러리는 미세한 미세조류가 물속에 현탁된 상태의 현탁액을 의미한다. 일반적으로 미세조류 배양 시, 미세조류 바이오매스(배양액)의 1L 당 미세조류 세포의 건조체 중량은 1g이다(즉, 농도는 1g/L)(강도형, '미세조류 바이오연료 상용화를 위한 주요 인자 연구', 2012.12 pp 377). 보다 구체적으로, 본 발명에 있어서 상기 미세조류 슬러리는 슬러리 1L 당 미세조류 건조중량이 0.5g 내지 2g인 것(즉, 0.5g/L 내지 2g/L)일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In the present invention, the microalgae slurry refers to a suspension of fine microalgae suspended in water. In general, in microalgae culture, the dry weight of microalgae cells per 1L of microalgal biomass (culture medium) is 1g (ie, the concentration is 1g / L) (Strength type, 'Study factor study for commercializing microalgal biofuels ', 2012.12 pp 377). More specifically, in the present invention, the microalgae slurry may be 0.5 g to 2 g of microalgae dry weight per 1 L of slurry (that is, 0.5 g / L to 2 g / L), but is not limited thereto.
상기 미세조류 슬러리는 미세조류를 배양한 배양액을 그대로 이용하여 준비하거나, 상기 배양액을 보다 농축시켜 미세조류의 함량을 높인 상태로 준비할 수 있다. 다만, 보다 높은 지질 추출 및 공정 효율을 감안하면 미세조류 배양액을 농축시켜 사용함이 바람직할 수 있다. 미세조류 슬러리를 준비하기 위해 미세조류 배양액을 농축시키는 방법으로, 종래에 공지된 전기적 또는 화학적 방법을 이용하여 미세조류를 응집시키는 방법이 있다. 이와 관련하여 미국특허 공개번호 제2013-0192130호는 미세조류 배양액에 전기장을 가하여 물을 분해시켜 수소 및 산소 버블을 발생시킴으로써, 배양액 상층부에 미세조류 응집을 형성시키고 이를 슬러리로서 취출하는 방법이 개시되어 있다. 상기 미국특허 공개번호 제2013-0192130호는 본 발명의 미세조류 슬러리 준비를 위한 참조로 본 발명에 포함될 수 있다. 나아가, 태양광 등을 이용하여 배양액의 수분을 증발시키거나, 물리적인 여과를 이용하여 배양액을 농축시킬 수 있다. 다만, 상기 미세조류 슬러리의 준비 방법은 미세조류가 배양된 배양액을 농축시키는 것이고, 종래와 같이 미세조류를 완전히 탈수(dewatering)하여 미세조류의 수분함량이 10%이하로 될 때까지 건조하는 전처리 과정과는 다른 공정임을 유의해야 한다.The microalgae slurry may be prepared using the culture medium in which the microalgae are cultured as it is, or the culture medium may be further concentrated to prepare the microalgae in a state where the content of the microalgae is increased. However, in consideration of higher lipid extraction and process efficiency, it may be preferable to use the microalgal culture concentrated. As a method of concentrating the microalgal culture in order to prepare the microalgal slurry, there is a method of aggregating the microalgae using a conventionally known electrical or chemical method. In this regard, U.S. Patent Publication No. 2013-0192130 discloses a method of forming microalgal flocculation in an upper layer of culture medium and extracting it as a slurry by applying an electric field to the microalgal culture solution to decompose water to generate hydrogen and oxygen bubbles. have. The US Patent Publication No. 2013-0192130 may be included in the present invention as a reference for preparing the microalgal slurry of the present invention. Further, the culture medium may be evaporated using sunlight or the like, or the culture medium may be concentrated using physical filtration. However, the preparation method of the microalgae slurry is to concentrate the culture medium in which the microalgae are cultured, and pretreatment process of drying the microalgae until the water content of the microalgae is less than 10% by completely dewatering the algae as in the prior art. Note that this is a different process than.
나아가 상기 미세조류 슬러리는 미세조류 입자에 흡착되는 물질을 추가로 포함할 수 있다. 본 발명은 미세조류에 레이저를 조사하여 미세조류로부터 지질을 추출하는 것으로, 이때 미세조류에 흡착되는 물질들을 슬러리 내에 첨가하면 상기 물질들이 미세조류에 흡착함으로써, 레이저 조사시 상기 물질들로 인해 미세조류에 에너지가 보다 선택적으로 전달될 수 있다. 결과적으로 더 효율적인 지질 추출이 가능하다. 나아가, 상기 물질이 미세조류에 흡착되는 경우 미세조류의 밀도가 더 증가하게 되고, 따라서 지질 분리 후 사멸한 미세조류가 슬러리 하부로 더 효과적으로 침전될 수 있다. 이로써 지질 회수시, 분리된 지질을 함유하는 슬러리 상층액을 용이하게 회수하여 지질만을 분리할 수 있다. Furthermore, the microalgal slurry may further include a material adsorbed to the microalgal particles. The present invention is to extract the lipid from the microalgae by irradiating the laser to the microalgae, when the substances adsorbed to the microalgae in the slurry is adsorbed to the microalgae, the microalgae due to the materials during laser irradiation Energy may be more selectively delivered. As a result, more efficient lipid extraction is possible. Furthermore, when the material is adsorbed to the microalgae, the density of the microalgae is further increased, and thus, the microalgae killed after the lipid separation can be more effectively precipitated to the bottom of the slurry. Thus, during lipid recovery, the slurry supernatant containing the separated lipids can be easily recovered to separate only the lipids.
앞서 설명한 바와 같이, 상기 미세조류 입자에 흡착되는 물질(label)은 동시에 레이저 광을 잘 흡수할 수 있는 물질임이 바람직하며, 구체적으로, 상기 미세조류 입자에 흡착되는 물질은 점토, 황토, 규조토, 석회 및 은(Ag) 입자로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.As described above, the label adsorbed to the microalgae particles is preferably a material capable of absorbing laser light at the same time. Specifically, the material adsorbed to the microalgal particles is clay, loess, diatomaceous earth, lime. And it may be one or more selected from the group consisting of silver (Ag) particles.
본 발명에 있어서, 상기 미세조류는 바이오매스로서 지질을 추출할 수 있는 통상적인 미세조류라면 특별히 제한되는 것은 아니나, 구체적으로 Ankistrodesmus 속, Scenedesmus 속, Chlorella 속, Anabaena 속, Oscillatoria 속, Botryococcus 속, Neochloris 속, Tetraselmis 속, Porphyridium 속, Phaeodactylum 속, Nannochloropsis 속, Ellipsoidion 속, Isochrysis 속, Pavlova 속, Thalassiosira 속, Skeletonema 속, Chlorococcum 속, Dunaliella 속, Aphanizomenon 속, Haematococcus 속, Crypthecodinium 속, Shizochytrium 속, Hormidium 속, Chlamydomonas 속, Monallanthus 속, Nannochloris 속, Cylindrotheca 속, Nitzschia 속, Pleurochrysis 속, Prymnesium 속, Spirulina 속, Euglena 속 및 Schizochytrium 속으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 속의 조류일 수 있다.
In the present invention, the microalgae is not particularly limited as long as it is a conventional microalgae that can extract lipids as biomass, specifically, Ankistrodesmus , Scenedesmus , Chlorella , Anabaena , Oscillatoria , Botryococcus , Neochloris genus, genus Tetraselmis, in Porphyridium, Phaeodactylum genus, genus Nannochloropsis, Ellipsoidion genus, genus Isochrysis, Pavlova in, Thalassiosira genus, genus Skeletonema, in Chlorococcum, Dunaliella in, Aphanizomenon genus, genus Haematococcus, Crypthecodinium genus, genus Shizochytrium, Hormidium Genus, Chlamydomonas Genus, Monallanthus Genus, Nannochloris Genus, Cylindrotheca Genus, Nitzschia Genus, Pleurochrysis Genus, Prymnesium Genus, Spirulina Genus, Euglena It may be a bird of any one or more genus selected from the group consisting of the genus and the Schizochytrium .
상기 제1단계에 있어서 미세조류로부터 지질을 분리하는 수단으로 레이저를 사용할 수 있다. 레이저는 보통의 빛과는 전혀 다른 몇 가지 물리적 특성을 가지고 있기 때문에, 여러 가지 산업에 많이 응용되어 사용되고 있다. 레이저광은 간섭성의 전자기파로서의 성질을 갖추고 있고, 단색성이 좋으며, 전파로 되는 것은 모두 레이저로 처리할 수 있다. 또한 레이저는 지향성이 뛰어나 퍼지지 않고 가느다란 빛으로도 평행하게 직진하여 나아갈 수 있다. 그리고 레이저광은 렌즈로 집광하면 파장 정도의 미소한 초점에 에너지를 집중시킬 수 있다. 집광점의 전자기장은 극히 강해 100억V/m 정도의 필드가 실현될 수 있다. 레이저의 이와 같은 특징은 원자·분자 내의 전자의 궤도 준위간의 전이라는 양자효과를 이용함으로써 실현되는 것이다.In the first step, a laser may be used as a means for separating lipids from microalgae. Since lasers have some physical properties that are completely different from ordinary light, they are widely used in various industries. The laser light has a property as an electromagnetic wave of coherence, has good monochromaticity, and any laser beam can be processed. The laser is also highly directional and can go straight in parallel with thin light without spreading. When the laser beam is focused with a lens, energy can be concentrated at a minute focus of wavelength. The electromagnetic field of the light collecting point is extremely strong, and a field of about 10 billion V / m can be realized. This characteristic of a laser is realized by utilizing the quantum effect of transfer between the orbital levels of electrons in atoms and molecules.
레이저의 광에너지로서의 응용과 관련하여, 중요한 장점 중 하나는 단색성이 뛰어나 특정 주파수로 에너지가 집중되어 있으므로 원하는 특정한 물체에만 선택적으로 반응하도록 할 수 있다. 이러한 성질을 이용한 대표적인 응용분야로는 의료용 레이저 및 화학반응을 위한 레이저 등이 있다.With regard to the application of lasers as light energy, one of the important advantages is that the monochromaticity is excellent and the energy is concentrated at a specific frequency so that it selectively reacts only with a specific object of interest. Typical applications using these properties include medical lasers and lasers for chemical reactions.
상기 의료용 레이저로의 응용분야에 있어서, 생체 내 지방분해를 위한 용도로 의료용 레이저가 많이 사용되고 있다. 현재까지 레이저 광을 이용한 지방분해 방법들이 다양하게 보고되고 있는데, 미국특허 공개번호 제2005-0203594호에서는 635nm, 10 내지 20 mW의 저출력 레이저를 허리 주위에 1.2-3.6 J/cm2 정도로 조사하는 경우, 지방세포(adipocyte)내의 지질(lipid)의 상당량이 세포 사이 공간(interstitial space)으로 방출될 수 있다고 개시하고 있다. 또한, 다른 연구 실험결과에 의하면 635nm의 미약한 레이저 광을 시술부위에 4-6분 동안 조사하는 경우, 지방세포의 세포막에 일과성 공간(transitory pore)이 생겨서 세포내의 지질이 최대 99%까지의 세포 밖으로 방출(released)되어 나온 것으로 보고되어 있다.In the field of application to the medical laser, medical lasers are widely used for the purpose of lipolysis in vivo. To date, various lipolysis methods using laser light have been reported. US Patent Publication No. 2005-0203594 discloses a low-power laser of 635 nm, 10 to 20 mW, about 1.2-3.6 J / cm 2 around the waist. It is disclosed that a significant amount of lipids in adipocytes can be released into the interstitial space. In addition, according to the results of other research experiments, when a weak laser light of 635 nm is irradiated to the treatment site for 4-6 minutes, a transient space is formed in the cell membrane of adipocytes, resulting in up to 99% of the lipids in the cells. It has been reported to have been released.
상기 레이저의 지방 분해 응용분야는 동물세포에 관한 것이나, 본 발명자들은 이를 응용하여 식물세포인 미세조류에 레이저를 조사하는 경우에도 지질이 세포 밖으로 방출되는 것을 확인하였다. 이에 대한 구체적인 메커니즘은 동물세포와는 약간 차이가 있을 수 있으나, 기본적으로 레이저의 단색성으로 인하여 미세조류에 선택적으로 에너지를 전달할 수 있고, 이로써 도 2a에 나타낸 바와 같이 세포 내 온도상승 및 세포벽 파괴로 미세조류 내 지질이 세포 밖으로 방출될 수 있는 것으로 판단된다.The application of lipolysis of the laser is related to animal cells, but the present inventors confirmed that lipids are released out of cells even when the laser is irradiated to microalgae which are plant cells by applying the same. The specific mechanism for this may be slightly different from animal cells, but basically, due to the monochromaticity of the laser, it can selectively transfer energy to the microalgae, thereby increasing the intracellular temperature and breaking the cell wall as shown in FIG. It is believed that lipids in microalgae may be released out of cells.
본 발명에 있어서, 상기 제1단계의 레이저의 파장은 상기 미세조류의 광합성 흡수 파장 범위 내에서 선택된 것일 수 있다. 레이저의 단색성은 앞서 언급한 바와 같다. 따라서 이를 응용하여 미세조류로의 에너지 전달 선택성 및 효율성을 높이기 위해서는 레이저의 파장이 미세조류가 흡수할 수 있는 광파장, 즉 미세조류의 광합성 흡수 파장임이 바람직하다. 일반적으로 미세조류는 엽록소 a 및/또는 엽록소 b를 가지고 있다. 상기 엽록소 a 및/또는 엽록소 b는 특정 파장의 빛을 흡수하여 특정 주파수를 발생시키는데, 이때 각각의 엽록소가 흡수를 잘하는 파장은 400~500nm(엽록소 a) 및 600~700nm(엽록소 b)이다. 따라서, 구체적으로 상기 제1단계의 레이저의 파장은 400 nm 내지 700 nm일 수 있다. 그러나, 상기 구체적으로 언급한 레이저의 파장 선택 범위는 보편적인 미세조류의 광합성 흡수 파장에 관한 것으로, 구체적인 미세조류의 종류에 따라 흡수 파장이 조금씩 달라질 수 있으므로 특별히 제한되는 것은 아니다. 본 발명에 따른 레이저의 파장은 당업자가 미세조류의 종류에 따라 이에 적합한 흡수 파장을 적절히 결정하여 선택할 수 있으며, 이 역시 본 발명의 범위에 포함된다.In the present invention, the wavelength of the laser of the first step may be selected in the photosynthetic absorption wavelength range of the microalgae. The monochromaticity of the laser is as mentioned above. Therefore, in order to increase the energy transfer selectivity and efficiency to the microalgae by applying this, it is preferable that the wavelength of the laser is an optical wavelength that can be absorbed by the microalgae, that is, the photosynthetic absorption wavelength of the microalgae. Microalgae generally have chlorophyll a and / or chlorophyll b. The chlorophyll a and / or chlorophyll b absorbs light of a specific wavelength to generate a specific frequency, wherein each of the chlorophyll is a good absorption of 400 ~ 500nm (chlorophyll a) and 600 ~ 700nm (chlorophyll b). Therefore, specifically, the wavelength of the laser of the first step may be 400 nm to 700 nm. However, the wavelength selection range of the above-mentioned laser is related to the photosynthetic absorption wavelength of the general microalgae, the absorption wavelength may vary slightly depending on the type of the microalgae is not particularly limited. The wavelength of the laser according to the present invention can be selected by those skilled in the art according to the type of microalgae by appropriately determining the absorption wavelength, which is also included in the scope of the present invention.
나아가 앞서 설명한 바와 같이, 레이저의 선택적 에너지 전달 효율을 증가시키기 위하여, 상기 미세조류 슬러리에 미세조류 입자에 흡착되는 물질이 추가로 포함될 수 있다. 레이저를 조사하여 지질을 분리하는 과정에서, 에너지 감쇄가 발생할 수 있다. 이는 슬러리의 수온 증가에 소모되는 에너지, 추출조 용기의 흡수 및 반사로 소모되는 에너지 등으로 인해 에너지 감쇄가 발생할 수 있으며, 감쇄가 클수록 추출조 내 미세조류에 전달되어 지질을 추출하는데 필요한 에너지가 줄어들게 된다. 따라서, 상기 불필요한 에너지 감쇄를 줄이기 위해 미세조류의 농도를 높이거나, 추출조 용기의 깊이를 깊게 할 수 있다. 또한, 입자의 크기가 작은(예를 들어, 수십 마이크로미터 이하) 흡착제를 첨가하여(labeling) 레이저의 분산효과를 이용하여 불필요한 에너지 감쇄를 줄일 수 있다.Furthermore, as described above, in order to increase the selective energy transfer efficiency of the laser, the microalgae slurry may further include a material adsorbed to the microalgal particles. In the process of irradiating the laser to separate lipids, energy decay may occur. This may cause energy attenuation due to energy consumed to increase the water temperature of the slurry, energy consumed by absorption and reflection of the extraction vessel vessel, and the larger the attenuation, the less energy required to extract lipids is transferred to the microalgae in the extraction vessel. do. Therefore, in order to reduce the unnecessary energy decay, it is possible to increase the concentration of the microalgae or deepen the depth of the extraction tank container. In addition, an adsorbent with a small particle size (eg, several tens of micrometers or less) may be added to reduce unnecessary energy attenuation by utilizing the dispersion effect of the laser.
본 발명의 일 실시예에 있어서 점토 내지 황토의 경우에 대해 설명한다. 점토 내지 황토는 적조현상 발생시, 조류의 과다 번식을 막기 위한 천연 살조제로 널리 사용되고 있다. 이러한 살조제의 원리 중 하나로는 점토 내지 황토가 미세조류에 잘 흡착하는 성질을 들 수 있으며, 이러한 성질을 이용하여 상기 점토 내지 황토를 미세조류 입자에 흡착되는 물질로 이용할 수 있다. 나아가 상기 점토 내지 황토는 미세조류에 흡착되어 레이저 조사 시 난반사로 에너지를 분산시킬 수 있으며, 이로써 레이저 조사 반경이 넓혀지는 효과를 발생시킬 수 있다. 또한, 미세조류에 흡착된 점토 내지 황토가 추가적으로 레이저를 통한 에너지를 전달받을 수 있다. 이로써 도 2b에 나타낸 바와 같이, 흡착된 점토 내지 황토에서 발생된 열이 추가적으로 미세조류로 전달되어 더 높은 지질 분리 효율을 나타낼 수 있다.In the embodiment of the present invention will be described in the case of clay to ocher. Clay to ocher is widely used as a natural algae to prevent excessive reproduction of algae when red tide occurs. One of the principles of such an algae may include clay or loess adsorbing well to microalgae, and the clay or loess may be used as a material adsorbed to microalgae particles using such properties. Furthermore, the clay to ocher may be adsorbed into the microalgae to disperse the energy to diffuse reflection during laser irradiation, thereby generating an effect of widening the laser irradiation radius. In addition, clay to ocher adsorbed to the microalgae may additionally receive energy through the laser. As a result, as shown in Figure 2b, the heat generated from the adsorbed clay to loess may be additionally transferred to the microalgae to exhibit higher lipid separation efficiency.
미세조류 입자에 흡착되는 물질로 금속 입자, 예를 들어 나노사이즈의 은 입자를 사용하는 경우, 이온결합으로 미세조류에 잘 부착될 수 있으며, 나아가 레이저 조사 시 나노 금속에 열이 발생되어 미세조류 세포파괴의 효과를 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.When the metal particles, for example, nano-sized silver particles, are used as the material adsorbed to the microalgae particles, the microalgae cells may be attached to the microalgae by ion bonding. There is an effect that can maximize the effect of destruction.
또한, 상기 제1단계의 레이저 조사 시, 추출 용기에 담겨있는 미세조류 슬러리 상에 레이저를 조사할 수 있는데, 이때 구체적인 추출 용기의 모양(예를 들어, 높이)을 적절히 선택함으로써 레이저 에너지 감쇄를 최소화하고, 지질 추출 효율을 높일 수 있다. 즉, 레이저를 통해 전달되는 에너지가 모두 슬러리 내로 전달되기 위하여 충분한 깊이의 추출 용기를 사용할 수 있으며, 이는 당업자가 적절히 선택 및 변경하여 사용할 수 있다.
In addition, during the laser irradiation of the first step, it is possible to irradiate the laser on the microalgal slurry contained in the extraction vessel, in this case by minimizing the laser energy attenuation by appropriately selecting the shape (for example, the height) of the specific extraction vessel. And the lipid extraction efficiency can be improved. That is, an extraction vessel of sufficient depth may be used so that all of the energy delivered through the laser is transferred into the slurry, which can be appropriately selected and modified by those skilled in the art.
본 발명에 있어서, 상기 지질(lipids)은 미세조류 세포 내에 포함된 지질을 의미하며, 구체적으로 유리 지방산, 순수 탄화수소 등으로 구성된 지질을 의미한다. In the present invention, the lipids (lipids) means a lipid contained in the microalgal cells, and specifically means a lipid composed of free fatty acids, pure hydrocarbons and the like.
또한, 상기 지질이란 유기 용매에 용해되는 모든 생물학적 분자를 의미할 수 있다. 대부분의 지질은 지방산을 포함하며, 일반적으로 분자 헤드 그룹 극성에 따라 두가지 범주인 아실글리세롤(acylglycerols), 자유지방산(FFA: free fatty acids) 등을 포함하는 중성지방질 및 인지질(PL: Phospholipids), 당지질(GL: Glycolipids) 등으로 세분되는 극성지방질로 분류될 수 있다. 일반적으로 광합성을 하는 미세조류는 건조중량 당 20 중량% 내지 70 중량%의 지질을 함유하고 있으며(보통은 20 중량% 내지 30 중량%), 일반 식물에 비해 상당히 높은 비율로 지질을 함유하고 있다. 상기 지질 중 가장 많은 양을 차지하는 성분으로는 트리글리세리드가 있으며, 지질의 약 80 중량% 가량을 이루고 있고, 최적 조건에서는 지질의 약 90 중량%를 차지할 수 있다. 미세조류의 종류에 따라 지질의 함량 및 구체적인 지질의 구성은 달라질 수 있다. 예를 들어, Nannochloropsis sp .의 경우에는 건조중량 당 31 중량% 내지 68 중량%의 지질을 함유하고 있으며, 이는 티리글리세리드 79%, 극성 지질 9%, 탄화수소 2.5% 및 유리지방산 등으로 구성되어 있다. 특히 본 발명을 통해 분리 및 회수되는 상기 지질은 종래의 화학적 용매 추출법과 비교하여, 별도의 화학적 용매 처리가 없어 친환경적이고, 순수한 지질을 얻을 수 있다. 보다 구체적으로, 다양한 미세조류의 종에 따른 지질 함량을 하기 표 2에 정리하여 나타내었다(Singh, et al., 2011, Renewable fuels from algae: An answer to debatable land based fuels. Bioresource Technology. 102: 10-16).In addition, the lipid may mean all biological molecules dissolved in an organic solvent. Most lipids include fatty acids, and are generally triglycerides and phospholipids (PLs), glycolipids, which include two categories, acylglycerols, free fatty acids (FFA), etc., depending on the molecular head group polarity. (GL: Glycolipids) and the like can be classified as polar lipids. In general, photosynthetic microalgae contain from 20% to 70% by weight of lipid per dry weight (usually from 20% to 30% by weight) and contain lipids at a significantly higher rate than normal plants. Triglycerides account for the largest amount of the lipids, which comprise about 80% by weight of the lipids, and may optimally occupy about 90% by weight of the lipids. Depending on the type of microalgae, the content of lipids and the composition of specific lipids may vary. For example, Nannochloropsis sp . It contains from 31% to 68% by weight of lipid per dry weight, which consists of 79% of thylyglycerides, 9% of polar lipids, 2.5% of hydrocarbons and free fatty acids. In particular, the lipid is separated and recovered through the present invention, compared to the conventional chemical solvent extraction method, there is no separate chemical solvent treatment can be obtained environmentally friendly, pure lipid. More specifically, the lipid content of various microalgal species is summarized in Table 2 below (Singh, et al., 2011, Renewable fuels from algae: An answer to debatable land based fuels.Bioresource Technology. 102: 10 -16).
본 발명에 따른 상기 제2단계는 상기 제1단계의 레이저 조사 후, 분리된 지질을 함유하는 슬러리 상층액을 회수하는 단계로서, 미세조류로부터 추출된 지질을 회수하는 단계이다.The second step according to the present invention is a step of recovering the slurry supernatant containing the separated lipids after the laser irradiation of the first step, recovering the lipid extracted from the microalgae.
상기 제1단계에서 미세조류로부터 분리된 지질은 오일의 특성상 물에 용해되거나 섞이지 않고, 슬러리액의 상부에 따로 분리되어 지질층을 형성할 수 있다. 따라서, 상기 제1단계에서 레이저가 조사된 미세조류 슬러리는 중력에 의해 자연스럽게 지질층과 수상층이 분리되어 형성되고, 지질이 추출되어 사멸한 미세조류는 침강되어 모인다. 이렇게 자연히 분리된 지질층은 결국 분리된 지질을 함유하는 슬러리 상층액으로써, 상기 슬러리 상층액을 회수함으로써 지질을 회수할 수 있다. 나아가 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 회수된 상층액에 석유 에테르 및 무수황산을 적용하여 원심분리 및 상분리를 수행함으로써 순수한 지질을 수득할 수 있으나, 이에 특별히 제한되는 것은 아니고 당업자가 공지된 방법에 따라 적절히 정제를 수행하여 미세조류로부터 지질만을 회수할 수 있다.In the first step, the lipid separated from the microalgae may not be dissolved or mixed in water due to the characteristics of the oil, and may be separated from the upper portion of the slurry liquid to form a lipid layer. Therefore, the microalgae slurry irradiated with the laser in the first step is formed by naturally separating the lipid layer and the aqueous phase by gravity, and the microalgae which are extracted and killed by lipids are settled and collected. The naturally separated lipid layer is eventually a slurry supernatant containing the separated lipids, and the lipid supernatant can be recovered by recovering the slurry supernatant. Furthermore, in one embodiment of the present invention, pure lipids can be obtained by applying petroleum ether and sulfuric anhydride to the recovered supernatant to perform centrifugation and phase separation, but are not particularly limited thereto. As appropriate, purification may be performed to recover only lipids from the microalgae.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2단계는 청징기(Clarifier)와 같은 침강용기를 사용하여 슬러리 상층액을 회수함으로써 지질을 회수할 수 있다. 나아가, 지질층 아래의 수상층 역시 따로 회수하여 물을 재활용할 수 있고, 용기 아래에 침강되어 응집된 미세조류는 용기 하부에서 취출하여 바이오매스로 재활용할 수 있다. 구체적으로 고체 연료나 토지 개량제 등으로 활용 가능하다.In one embodiment of the present invention, the second step may recover the lipid by recovering the slurry supernatant using a sedimentation vessel, such as a clarifier. Furthermore, the aqueous phase below the geological layer may be recovered separately to recycle water, and the microalgae precipitated and aggregated under the container may be taken out from the bottom of the container and recycled into the biomass. Specifically, it can be used as a solid fuel or land improver.
본 발명에 있어서, 상기 제2단계에서 회수된 슬러리 상층액은 대부분 미세조류로부터 분리된 지질로 이루어져 있으나 약간의 수분이 포함되어 있을 수 있다. 따라서, 원심분리, 건조 및 상분리를 이용하여 회수된 상층액으로부터 수분을 제거하고 순수한 지질만을 수득할 수 있다.
In the present invention, the slurry supernatant recovered in the second step is composed mostly of lipids separated from microalgae, but may contain some moisture. Thus, centrifugation, drying and phase separation can be used to remove water from the recovered supernatant and to obtain only pure lipids.
본 발명은 상기 방법으로부터 회수된 지질을 이용하여 바이오디젤을 생산하는 방법을 제공한다.The present invention provides a method for producing biodiesel using the lipid recovered from the method.
본 발명에 있어서, 상기 바이오디젤의 생산은 상기 방법으로 회수된 지질을 공지의 전이에스테르화 공정을 이용하여 수행할 수 있다. 상기 전이에스테르화 공정은 바이오매스(미세조류)로부터 분리된 지질의 크고 복잡한 분자 구조를, 정규 디젤 엔진이 요구하는 작은 직선 사슬의 분자로 변형시키는 방법을 의미한다. 보다 구체적으로, 미세조류로부터 회수된 지질은 대부분 트리글리세리드로 이루어져 있음은 앞서 설명한 바와 같다. 전이에스테르화는 상기 트리글리세리드를 전이에스테르화시켜, 지방산 에스테르와 글리세롤을 분리함으로써 바이오디젤을 제공한다. 상기 지방산 에스테르는 바람직하게는, 지방산 메틸 에스테르 또는 지방산 에틸 에스테르일 수 있고, 따라서 본 발명에 따른 바이오디젤은 메틸 에스테르 또는 에틸 에스테르 형태로 생산될 수 있다.In the present invention, the production of the biodiesel can be carried out using a known transesterification process of the lipid recovered by the above method. The transesterification process refers to a method of transforming a large and complex molecular structure of lipids separated from biomass (microalgae) into small linear chain molecules required by a regular diesel engine. More specifically, it is as described above that the lipid recovered from the microalgae is mainly composed of triglycerides. Transesterification transesterifies the triglycerides to provide biodiesel by separating fatty acid esters and glycerol. The fatty acid esters may preferably be fatty acid methyl esters or fatty acid ethyl esters, and thus the biodiesel according to the invention may be produced in the form of methyl esters or ethyl esters.
상기 전이에스테르화 공정은 유화제로서 Triton X-100 또는 Tween 60 등을 첨가할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 유화제는 지질의 계면 안정을 도모하고 잘 혼합되도록 하여 반응 수율을 높여서 바이오디젤의 회수 비용을 절약할 수 있게 한다. 또한, 상기 전이에스테르화 공정은 반응 촉매제로서 수산화나트륨 또는 수산화칼륨을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
The transesterification process may include Triton X-100 or Tween 60 as an emulsifier, but is not limited thereto. The emulsifier promotes interfacial stability of the lipids and mixes well to increase the reaction yield, thereby reducing the cost of biodiesel recovery. In addition, the transition esterification process may use sodium hydroxide or potassium hydroxide as a reaction catalyst, but is not limited thereto.
본 발명의 미세조류로부터 지질을 추출 및 회수하는 방법은 미세조류 슬러리에 레이저를 조사함으로써 종래의 다단계 공정 대신 단일공정으로 지질을 분리 및 회수할 수 있으며, 선택적으로 미세조류에게 에너지를 전달시킬 수 있다. 이로써 적은 에너지, 적은 비용 및 단순한 공정으로 지질을 효과적으로 분리 및 회수할 수 있으며, 화학적 용매 처리가 없어 순수한 지질을 얻을 수 있으며 용매 회수 단계가 별도로 필요치 않다. 따라서 본 발명에 따라 회수된 지질을 이용하여 효율적으로 바이오디젤을 생산할 수 있다.
In the method of extracting and recovering lipids from the microalgae of the present invention, by irradiating a laser to the microalgae slurry, the lipids can be separated and recovered in a single step instead of the conventional multi-step process, and can selectively transfer energy to the microalgae. . This allows for the efficient separation and recovery of lipids with low energy, low cost and simple processes, pure lipids without chemical solvent treatment and no need for solvent recovery steps. Therefore, biodiesel can be produced efficiently using the lipid recovered according to the present invention.
도 1은 종래의 화학적 용매 추출 다단계 공정과 본 발명에 따른 단일공정을 비교한 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 레이저 조사를 통한 미세조류로부터의 지질 추출 원리에 대한 모식도이다. 도 2a는 미세조류 입자에 레이저를 조사한 경우를 나타낸 것이고, 도 2b는 점토가 흡착된 미세조류 입자에 레이저를 조사한 경우를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 단일공정의 장치 모식도이다.
도 4는 본 발명에 따른 레이저 조사를 통한 미세조류로부터의 지질 추출 수행 전/후에 대한 미세조류를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 조사를 통한 미세조류로부터의 지질 추출 및 회수 과정을 나타낸 사진이다.
도 6은 실시예 3 내지 4 및 비교예 1 내지 3에 따른 방법으로 미세조류로부터 지질을 각각 추출 및 회수하고, 이들 각각의 방법에 대한 추출 수율을 비교한 그래프이다.1 is a schematic diagram comparing a conventional chemical solvent extraction multi-step process and a single process according to the present invention.
Figure 2 is a schematic diagram of the principle of lipid extraction from microalgae through laser irradiation according to the present invention. Figure 2a shows a case of irradiating the laser to the microalgae particles, Figure 2b shows a case of irradiating the laser to the microalgae particles adsorbed clay.
3 is a schematic diagram of a device of a single process according to the present invention.
Figure 4 shows the microalgae before and after the lipid extraction from the microalgae through laser irradiation in accordance with the present invention.
5 is a photograph showing a lipid extraction and recovery from microalgae through laser irradiation according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 is a graph comparing the extraction and recovery of lipids from microalgae by the method according to Examples 3 to 4 and Comparative Examples 1 to 3, respectively, and the extraction yield for each of these methods.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. These embodiments are only for illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not construed as being limited by these embodiments.
실시예Example 1: 레이저 조사를 통한 지질의 추출 및 회수 단일 공정 1: Extraction and Recovery of Lipids by Laser Irradiation
본 발명에 따른 단일공정으로 미세조류로부터 지질을 추출 및 회수하는 공정을 구체적으로 설명한다. 본 발명에 따른 공정은 회분식의 비연속적인 방법으로 단순히 미세조류 슬러리가 담긴 용기 내에서 레이저의 조사 및 지질의 회수를 통해 수행될 수 있으나, 상업적인 이용을 위해 연속적인 공정으로 수행될 수 있으며 구체적으로 도 3을 통해 설명한다.The process of extracting and recovering lipids from microalgae in a single process according to the present invention will be described in detail. The process according to the invention can be carried out by irradiating laser and recovering lipids in a container containing microalgal slurry in a batch discontinuous method, but can be carried out in a continuous process for commercial use. It demonstrates through FIG.
도 3은 본 발명에 따른 공정의 장치 모식도이다.3 is an apparatus schematic diagram of a process according to the present invention.
먼저, 미세조류 슬러리가 담긴 슬러리 용기로부터 슬러리를 추출조(Extraction tank)로 이송한다. 추출조에는 레이저 조사 장치가 부착되어 있으며, 이를 이용하여 레이저(short pulse laser)를 추출조 내 미세조류 슬러리에 조사한다. 슬러리 내 미세조류는 레이저로부터 선택적으로 에너지를 전달받아 내부에 열이 발생하면서 지질이 외부로 방출된다. 따라서 추출조 내의 슬러리는 미세조류로부터 분리된 지질이 포함되기 시작하며, 이러한 추출조 내 슬러리 중 일부를 청징기(Clarifier)로 이송한다. 이때, 청징기로 이송되는 슬러리에는 지질이 많이 함유되어 있는 것이 유리하므로, 추출조의 상층액을 청징기로 이송함이 바람직하다. 상기 추출조에는 아직 지질이 분리되지 않은 미세조류가 포함되어 있으므로, 추출조의 하층액은 다시 슬러리 용기 또는 슬러리 용기 배출구로 재순환한다. 한편, 청징기로 이송된 슬러리는 중력에 의해 자동적으로 지질층, 수상층 및 사멸한 미세조류가 각각 따로 분리된다. 상기 지질층은 청징기 내 슬러리 상층액을 회수함으로써 회수될 수 있고, 이로써 지질을 회수할 수 있다. 수상층은 중층액을 회수함으로써 회수하여 재활용할 수 있다. 침강된 사멸한 미세조류는 청징기 하부에서 취출하여 바이오매스로 재활용할 수 있다.
First, the slurry is transferred to an extraction tank from the slurry container containing the microalgal slurry. The extraction tank is attached to the laser irradiation apparatus, by using the laser (short pulse laser) to irradiate the microalgal slurry in the extraction tank. The microalgae in the slurry selectively receive energy from the laser to generate heat and release lipids to the outside. Therefore, the slurry in the extraction tank begins to contain lipids separated from the microalgae, and transfers some of the slurry in the extraction tank to a clarifier. At this time, it is advantageous that the slurry to be sent to the clarifier contains a lot of lipids, it is preferable to transfer the supernatant of the extraction tank to the clarifier. Since the extraction tank contains microalgae that have not yet been separated from lipids, the lower layer liquid of the extraction tank is recycled back to the slurry container or the slurry container outlet. On the other hand, the slurry transferred to the clarifier is automatically separated by the lipid layer, the aqueous phase and the killed microalgae by gravity. The lipid layer can be recovered by recovering the slurry supernatant in the clarifier, thereby recovering the lipid. The aqueous phase can be recovered and recycled by recovering the stratified liquid. The settled dead algae can be taken out from the lower part of the clarifier and recycled to biomass.
실시예Example 2: 지질의 추출 및 회수를 위한 미세조류의 배양 2: Cultivation of Microalgae for Extraction and Recovery of Lipids
본 발명에 따른 레이저를 이용하여 지질을 추출 및 회수하기 위한 미세조류를 다음과 같이 배양하였다.Microalgae for extracting and recovering lipids were incubated as follows using the laser according to the present invention.
배양 대상 조류로는 Scenedesmus sp .(담수성 녹조류)를 선택하였다. 상기 Scenedesmus sp .는 매립장 침출수에서 잘 배양되는 조류로써, 상기 조류를 사용하는 경우 매립장의 침출수 내 영양소(질소, 인)를 제거할 수 있는 부가적인 효과가 있다. 즉, 상기 조류 배양 후의 침출수 및 본 발명에 따른 공정 후에 회수되는 물은 내부에 영양소(질소, 인)가 제거됨으로써, 부영양화와 같은 환경오염을 방지할 수 있다.As algae to be cultured Scenedesmus sp . (Freshwater algae) was selected. Scenedesmus sp . The algae are well cultured in landfill leachate, there is an additional effect that can remove nutrients (nitrogen, phosphorus) in the landfill leachate when used. That is, the leachate after the algae culture and the water recovered after the process according to the present invention can be eliminated nutrients (nitrogen, phosphorus) therein, thereby preventing environmental pollution such as eutrophication.
상기 Scenedesmus sp .를 BBM (Bold's Basal Medium)배지를 사용하여 다음과 같은 조건에서 배양하였다. 광주기는 주황색 형광램프 광주기 24시간으로 하고 배양 온도는 25±3℃를 유지하였다. 그리고 배양액을 200 rpm으로 교반시키며 상기 미세조류를 배양하였다.
Scenedesmus sp . Was cultured using BBM (Bold's Basal Medium) medium under the following conditions. Photoperiod was orange fluorescent lamp photoperiod 24 hours and the culture temperature was maintained at 25 ± 3 ℃. And the microalgae were cultured while stirring the culture solution at 200 rpm.
실시예Example 3: 레이저를 조사하여 미세조류로부터 지질의 추출 및 회수 3: Extraction and Recovery of Lipids from Microalgae by Laser Irradiation
상기 실시예 2에 따라 Scenedesmus sp .를 충분히 배양하여 미세조류 슬러리를 준비하였다. 구체적으로, 미세조류 함량을 보다 늘리기 위하여 태양광에 수일동안 방치하여 물을 증발시켰으며, 나아가 배양액을 원심분리(3000 rpm, 10 min)하여 균체를 수확함으로써 미세조류 슬러리(1g/L; 슬러리 1L 당 미세조류 세포의 건조중량 1g)를 준비하였다. 이후, 종래의 방법으로 미세조류로부터 지질을 추출하기 위해서는 세포벽 파괴를 위한 전처리(Microwaves, Sonication)를 수행하여야 하나, 본 발명에 따른 실시예는 이러한 전처리 과정을 생략하였다. Scenedesmus according to Example 2 above sp . Incubated sufficiently to prepare a microalgal slurry. Specifically, in order to further increase the microalgal content, the water was allowed to evaporate by standing in sunlight for several days, and further, the microalgae slurry (1 g / L; slurry 1L) by centrifugation (3000 rpm, 10 min) to harvest the cells. 1 g dry weight of sugar microalgae cells) was prepared. Then, in order to extract lipids from the microalgae by the conventional method, pretreatment (Microwaves, Sonication) for cell wall destruction should be performed, but the embodiment according to the present invention omits such pretreatment.
위와 같이 준비된 미세조류 슬러리 250mL를 용기(플라스크)에 넣고, 레이저 조사 장치를 이용하여 용기 내 슬러리에 레이저를 수직으로 조사하였다. 본 실시예에 사용된 레이저 조사 장치 및 조사된 레이저의 사용전압은 7.4V, 파장은 445 nm였다(구체적으로, 파장: 445nm, Working Voltage: DC 7.4V, Beam Divergence: <1.2 mRad, Beam Diameter: <1.2mm @ aperture). 레이저는 4시간 동안 계속하여 조사하였다.250 mL of the microalgae slurry prepared as above was placed in a container (flask), and the laser was irradiated vertically to the slurry in the container using a laser irradiation device. The laser irradiation device used in this embodiment and the irradiated laser had a voltage of 7.4 V and a wavelength of 445 nm (specifically, wavelength: 445 nm, Working Voltage: DC 7.4 V, Beam Divergence: <1.2 mRad, Beam Diameter: <1.2 mm @ aperture). The laser was continuously irradiated for 4 hours.
레이저 조사 결과, 용기 내 슬러리의 상층부에는 수상층과 구별되는 지질층이 형성됨을 확인하였으며, 이는 레이저 조사로 인해 미세조류로부터 분리되어 형성된 것임을 확인하였다. 나아가 레이저 조사를 통한 지질 추출 전/후의 슬러리 내 미세조류를 현미경을 통해 관찰하였으며, 그 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4에 나타난 바와 같이, 레이저 조사 후 세포벽이 파괴되어 지질이 분리되어 나간 미세조류의 모습을 확인할 수 있었다.As a result of laser irradiation, it was confirmed that a lipid layer distinguished from the aqueous layer was formed in the upper layer of the slurry in the container, which was formed separately from the microalgae due to the laser irradiation. Furthermore, microalgae in the slurry before and after lipid extraction through laser irradiation were observed through a microscope, and the results are shown in FIG. 4. As shown in FIG. 4, after the laser irradiation, the cell wall was destroyed, and thus the microalgae were separated from the lipids.
이어서 상기 슬러리의 상층부를 분리하고, 석유 에테르를 사용하여 지질층을 분획 및 회수함으로써, 미세조류로부터 추출된 지질을 회수하였다. 본 실시예에 따른 레이저를 이용한 지질의 추출 및 회수 과정을 도 5에 간략히 나타내었다.
The upper portion of the slurry was then separated and the lipid extracted from the microalgae was recovered by fractionating and recovering the lipid layer using petroleum ether. The extraction and recovery of lipids using a laser according to the present embodiment is briefly shown in FIG. 5.
실시예Example 4: 레이저를 조사하여 황토가 흡착된 미세조류로부터 지질의 추출 및 회수 4: Extraction and Recovery of Lipids from Microalgae Adsorbed by Loess by Laser Irradiation
미세조류 슬러리에 미세조류 세포의 건조체 중량 1g당 흡착 물질인 황토 1g을 투입하여 미세조류 입자에 황토를 흡착시킴을 제외하고는, 상기 실시예 3과 동일하게 실시하여 미세조류로부터 지질을 추출 및 회수하였다.
Extracting and recovering lipids from the microalgae in the same manner as in Example 3, except that 1 g of loess, an adsorbent material per 1 g of the dry matter of the microalgae cells, was adsorbed to the microalgal particles, thereby adsorbing the loess to the microalgal particles. It was.
비교예Comparative Example 1: One: 속실렛Soxhlet (( soxhletsoxhlet ) 추출법을 이용하여 미세조류로부터 지질의 추출 및 회수Extraction and Recovery of Lipids from Microalgae Using Extraction Method
종래의 속실렛 추출법을 이용하여 미세조류로부터 지질을 추출 및 회수하였다. 구체적으로, 상기 실시예 2에 따라 Scenedesmus sp .를 충분히 배양하여 미세조류 슬러리를 준비하고, 미세조류의 세포벽을 파괴하기 위해 음파(sonication) 전처리를 수행하였다. 이후, 미세조류에 대하여 용매로 메탄올 및 클로로폼 혼합물(1:2 v/v)과 석유 에테르를 사용하여 4시간 동안 속실렛으로 추출을 수행하고, 최종적으로 미세조류로부터 추출된 지질을 함유하는 용매를 얻었다. 이후 용매를 제거하고 석유 에테르를 사용하여 지질층을 분획 및 회수함으로써, 미세조류로부터 추출된 지질을 회수하였다.
Lipids were extracted and recovered from microalgae using conventional Soxhlet extraction. Specifically, Scenedesmus according to the second embodiment sp . The microalgae slurry was prepared by sufficiently incubating the cells, and sonication pretreatment was performed to destroy the cell walls of the microalgae. The microalgae were then extracted with Soxhlet for 4 hours using methanol and chloroform mixtures (1: 2 v / v) and petroleum ether as solvents, and finally the solvent containing lipids extracted from the microalgae. Got. The solvent was then removed and the lipid layer extracted and recovered from the microalgae by fractionation and recovery of the lipid layer using petroleum ether.
비교예Comparative Example 2: 2: 속실렛Soxhlet (( soxhletsoxhlet ) 추출법을 이용하여 미세조류로부터 지질의 추출 및 회수Extraction and Recovery of Lipids from Microalgae Using Extraction Method
미세조류의 세포벽을 파괴하기 위한 전처리로서 음파 처리(sonication) 대신 마이크로파(microwave) 전처리를 수행한 것을 제외하고는, 상기 비교예 1과 동일하게 실시하여 미세조류로부터 지질을 추출 및 회수하였다.
Lipids were extracted and recovered from the microalgae in the same manner as in Comparative Example 1 except that microwave pretreatment was performed instead of sonication as a pretreatment for destroying the cell wall of the microalgae.
비교예Comparative Example 3: 화학적 용매 추출법을 이용하여 미세조류로부터 지질의 추출 및 회수 3: Extraction and Recovery of Lipids from Microalgae Using Chemical Solvent Extraction
종래의 화학적 용매 추출법을 이용하여 미세조류로부터 지질을 추출 및 회수하였다. 구체적으로, 상기 실시예 2에 따라 Scenedesmus sp .를 충분히 배양하여 미세조류 슬러리를 준비하고, 미세조류의 세포벽을 파괴하기 위해 그라인딩(grinding) 전처리를 수행하였다.Lipids were extracted and recovered from microalgae using conventional chemical solvent extraction methods. Specifically, Scenedesmus according to the second embodiment sp . The microalgae slurry was prepared by sufficiently incubating, and grinding pretreatment was performed to destroy the cell walls of the microalgae.
이후, 미세조류에 대하여 용매로 메탄올 및 클로로폼 혼합물(1:2 v/v)을 사용하여 추출을 수행하고, 추출물의 상층액을 분리하였다. 상기 추출물의 상층액에 대하여 용매를 가열하여 제거하고 석유 에테르를 사용하여 지질층을 분획 및 회수함으로써, 미세조류로부터 추출된 지질을 회수하였다.
Thereafter, extraction was performed using a mixture of methanol and chloroform (1: 2 v / v) as a solvent to the microalgae, and the supernatant of the extract was separated. The lipid extracted from the microalgae was recovered by removing the supernatant of the extract by heating the solvent and fractionating and recovering the lipid layer using petroleum ether.
실시예Example 5: 레이저를 조사하여 미세조류로부터 회수된 지질에 대하여 5: irradiating the laser to the lipid recovered from the microalgae 에스테르화Esterification 반응 수행 Reaction
상기 실시예 3으로부터 얻어진 미세조류로부터 회수된 지질에 대하여, 에스테르화 반응을 수행하였다. 구체적으로, 상기 지질에 지질 중량 대비 0.8wt%의 황산을 투입하고, 65℃에서 240분 동안 반응시켰다. 반응과 함께 300rpm으로 교반을 수행하였다.
For the lipid recovered from the microalgae obtained in Example 3, an esterification reaction was performed. Specifically, 0.8 wt% sulfuric acid was added to the lipid, and the reaction was performed at 65 ° C. for 240 minutes. Stirring was performed at 300 rpm with reaction.
실시예Example 6: 레이저를 조사하여 미세조류로부터 회수된 지질에 대하여 6: irradiating the laser to the lipid recovered from the microalgae 전이에스테르화Transesterification 반응 수행 Reaction
상기 실시예 3으로부터 얻어진 미세조류로부터 회수된 지질에 대하여, 전이에스테르화 반응을 수행하였다. 구체적으로, 상기 지질에 염기촉매 KOH를 지질 중량 대비 1wt%의 양으로 투입하고, 메탄올을 지질 중량 대비 30wt%로 투입하고, 60℃에서 60분 동안 반응시켰다. 반응과 함께 300rpm으로 교반을 수행하였다.
For the lipid recovered from the microalgae obtained in Example 3, a transesterification reaction was performed. Specifically, the base catalyst KOH was added to the lipid in an amount of 1 wt% based on the weight of lipid, methanol was added in an amount of 30 wt% based on the weight of lipid and reacted at 60 ° C. for 60 minutes. Stirring was performed at 300 rpm with reaction.
실시예Example 7: 레이저를 조사하여 미세조류로부터 회수된 지질에 대하여 7: irradiating the laser to the lipid recovered from the microalgae 전이에스테르화Transesterification 반응 수행 Reaction
상기 실시예 3에 따른 미세조류로부터 지질의 추출 및 회수함에 이어, 이에 대한 전이에스테르화 공정을 상기 실시예 6과는 다른 방법으로 아래와 같이 수행하였다.Following extraction and recovery of lipids from the microalgae according to Example 3, the transesterification process was carried out in a manner different from that of Example 6 as follows.
상기 실시예 3에 따라 레이저 조사를 통해 추출된 상층부에 있는 지질에, 석유 에테르를 첨가하여 물과 지질층을 분리하였다. 분리된 지질에 H2SO4-methanol 용액을 가한 후 환류냉각기를 부착하여 1시간 가열하여 끓였다. 가열 후 분액깔때기에 옮겨 물을 가한 다음 석유 에테르를 사용하여 지방산 메틸 에스테르를 추출하였다. 추출 후 증류수로 3회 세정하고, 석유 에테르 용액을 무수황산나트륨으로 탈수하였다. 남은 용액을 항온수조(60~65℃) 내에서 용매를 적당량 증산 및 제거하여 지방산 메틸 에스테르(fatty acid methyl esters, FAME)을 생산하였다.
Petroleum ether was added to the lipid in the upper layer extracted by laser irradiation according to Example 3 to separate the water and the lipid layer. H 2 SO 4 -methanol solution was added to the separated lipids, and a reflux condenser was attached and heated and boiled for 1 hour. After heating, the mixture was transferred to a separatory funnel, water was added, and fatty acid methyl ester was extracted using petroleum ether. After extraction, the mixture was washed three times with distilled water, and the petroleum ether solution was dehydrated with anhydrous sodium sulfate. The remaining solution was added and removed by an appropriate amount of solvent in a constant temperature water bath (60 ~ 65 ℃) to produce fatty acid methyl esters (FAME).
실험예Experimental Example 1: 미세조류( 1: microalgae ( ScenedesmusScenedesmus spsp .. ) 지질 함량의 분석Analysis of Lipid Content
본 실시예 및 실험예에서 사용된 미세조류의 총 지질 함량은 13.9%로, 총 지질 함량 분석은 다음과 같이 실시하였다. 시료의 전처리는 동결건조 시료를 증류수에 현탁한 후 (12h) 고압균질기(High pressure homogenizer-mini200, micronox Inc, Korea)를 이용하여 1000~1200psi의 압력으로 1회 처리하여 균질화한 후 원심분리(5000×g, 30분)하고 동결건조한 다음 분쇄(80 mesh)하였으며, CHCl3:methanol(2:1, v/v)을 추출 용매로 하여 분쇄시료 적당량(1g)을 취하고, 여기에 적정비 (30:1, v/v)의 용매를 넣고 35℃에서 300분 동안 교반한 후, 원심분리하였다. 상징액을 취하여 여기에 0.2배 용량의 0.9% NaCl 용액을 넣고 수 초간 voltexing한 후, 원심분리하여 상부층을 버렸으며, 하층의 추출분획을 건조하였고 데시케티터(desiccator)에서 45분간 방치시킨 후 건조중량을 측정하여 항량을 구하였다. 미세조류의 지질 함량은 하기의 식으로 계산하였다. 실험결과, 본 실시예 및 실험예에서 사용한 미세조류 (Scenedesmus sp .)의 총지질 함량은 13.9% 이었다.The total lipid content of the microalgae used in this example and the experimental example was 13.9%, and the total lipid content analysis was performed as follows. Pretreatment of the sample is suspended in lyophilized sample in distilled water (12h) and homogenized by one-time treatment at a pressure of 1000 ~ 1200psi using a high pressure homogenizer-mini200 (micronox Inc, Korea). 5000 × g, 30 minutes), lyophilized and ground (80 mesh), CHCl 3 : methanol (2: 1, v / v) as an extraction solvent to take the appropriate amount of the ground sample (1g), and the appropriate ratio ( 30: 1, v / v) was added to the solvent and stirred at 35 ° C. for 300 minutes, followed by centrifugation. Take supernatant, add 0.2 times 0.9% NaCl solution, voltexing for several seconds, discard the upper layer by centrifugation, dry the lower fraction, dry for 45 minutes in desiccator and dry weight Was measured to obtain the dose. The lipid content of the microalgae was calculated by the following formula. Experimental results, microalgae used in this example and experimental example ( Scenedesmus sp . ), The total lipid content was 13.9%.
A : Tube lipid weight (g)A: Tube lipid weight (g)
B : Tube weight (g)B: Tube weight (g)
C : Dilution rateC: Dilution rate
D : Biomass weight (g)
D: Biomass weight (g)
실험예Experimental Example 2: 미세조류로부터 회수된 지질의 추출 수율 비교 2: Comparison of Extraction Yields of Lipids Recovered from Microalgae
상기 실시예 3 내지 4 및 비교예 1 내지 3에 따른 방법으로 미세조류로부터 지질을 각각 추출 및 회수하고, 이들 각각의 방법에 대한 추출 수율을 비교하였다. 그 결과를 하기 표 3 및 도 6에 나타내었다.Lipids were extracted and recovered from the microalgae by the methods according to Examples 3 to 4 and Comparative Examples 1 to 3, respectively, and the extraction yields of the respective methods were compared. The results are shown in Table 3 and FIG.
(비교예 3)Chemical solvent extraction
(Comparative Example 3)
(실시예 3)Laser irradiation
(Example 3)
(실시예 4)Laser irradiation after ocher adsorption
(Example 4)
(비교예 1)Sonic pretreatment
(Comparative Example 1)
(비교예 2)Microwave pretreatment
(Comparative Example 2)
Yield (%)Extraction
Yield (%)
본 실시예 및 실험예에 사용된 미세조류 Scenedesmus sp .의 지질함량은 13.9%로, 황토 흡착 후 레이저를 조사한 경우(실시예 4) 12.8%의 지질을 추출하여, 약 90% 이상의 높은 추출수율을 보여주었다. 또한, 흡착 없이 레이저를 조사한 경우(실시예 3) 역시 12.3%의 지질 추출 효율을 보여주었다. 따라서, 본 발명에 따른 레이저 조사를 이용한 지질 추출법은 종래 추출법(비교예 1 내지 3)에 비해 추출 효율이 우수함을 확인할 수 있었다.
Microalgae Scenedesmus Used in Examples and Experimental Examples sp . The lipid content of 13.9%, when irradiated with a laser after adsorbing ocher (Example 4) 12.8% of the lipid was extracted, showing a high extraction yield of more than about 90%. In addition, laser irradiation without adsorption (Example 3) also showed a lipid extraction efficiency of 12.3%. Therefore, the lipid extraction method using the laser irradiation according to the present invention was confirmed that the extraction efficiency is superior to the conventional extraction method (Comparative Examples 1 to 3).
실험예Experimental Example 3: 미세조류로부터 회수된 지질의 지방산 분석 3: Fatty Acid Analysis of Lipids Recovered from Microalgae
상기 실시예 3 및 4에 따른 방법으로 미세조류로부터 지질을 각각 추출 및 회수하고, 이들 각각의 방법에 대한 지방산을 가스크로마토그래피(GC)를 이용하여 분석하였다. 구체적으로, GC(HP 6890 Series/Hewlett Packard, U.S.A)로 분석을 수행하였으며, 컬럼은 무극성 컬럼인 MIDI법을 이용하여 Flame ionization detecor(FID)를 사용하였다. 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.Lipids were extracted and recovered from the microalgae by the method according to Examples 3 and 4, respectively, and the fatty acids for each of these methods were analyzed using gas chromatography (GC). Specifically, the analysis was performed by GC (HP 6890 Series / Hewlett Packard, U.S.A), and the column was a flame ionization detecor (FID) using a nonpolar column MIDI method. The results are shown in Table 4 below.
((
AreaArea
%) %)
((
AreaArea
%) %)
본 발명에 따른 레이저 조사 추출법으로부터 지질을 추출하여 지방산 함량을 분석한 결과, 디젤화에 필요한 중성지질을 함유하고 있음을 확인할 수 있다. 나아가 구체적인 지방산 조성에 있어서, C18:3 (Linolenic acid methyl ester; 불포화 지방산으로 바이오 디젤화 시 포화지방산에 비해 산화 안정성이 떨어짐)의 함량이 낮음과 동시에 C16 및 C18이 주요 조성을 이루고 있어, 바이오디젤의 소재원으로의 잠재력을 갖는 것으로 판단되었다.
As a result of analyzing the fatty acid content by extracting the lipid from the laser irradiation extraction method according to the present invention, it can be seen that it contains the neutral lipid required for the diesel. Furthermore, in the specific fatty acid composition, the content of C18: 3 (Linolenic acid methyl ester; oxidative stability is lower than that of saturated fatty acid when biodieselized with unsaturated fatty acid) is low, and C16 and C18 constitute the main composition. It was judged to have potential as a material source.
Claims (6)
상기 제1단계의 레이저 조사 후, 분리된 지질을 함유하는 슬러리 상층액을 회수하는 제2단계를 포함하는,
미세조류로부터 지질을 추출 및 회수하는 방법.
Irradiating a laser on the microalgae slurry to separate lipids; And
After the laser irradiation of the first step, comprising a second step of recovering the slurry supernatant containing the separated lipids,
A method of extracting and recovering lipids from microalgae.
According to claim 1, wherein the microalgal slurry of the first step is a microalgal dry weight of 0.5g to 2g per 1L of slurry, the method of extracting and recovering lipids from the microalgae.
The method of claim 1, wherein the wavelength of the laser of the first step is selected within the photosynthetic absorption wavelength range of the microalgae.
The method of claim 3, wherein the wavelength of the laser of the first step is 400 nm to 700 nm.
The method of claim 1, wherein the microalgaeAnkistrodesmus genus,Scenedesmus genus,Chlorella genus,Anabaena genus,Oscillatoria genus,Botryococcus genus,Neochloris genus,Tetraselmis genus,Porphyridium genus,Phaeodactylum genus,Nannochloropsis genus,Ellipsoidion genus,Isochrysis genus,Pavlova genus,Thalassiosira genus,Skeletonema genus,Chlororococcum genus,Dunaliella genus,Aphanizomenon genus,Haematococcus genus,Crypthecodinium genus,Shizochytrium genus,Hormidium genus,Chlamydomonas genus,Monallanthusgenus,Nannochloris genus,Cylindrotheca genus,Nitzschia genus,Pleurochrysisgenus,Prymnesium genus,Spirulina genus,Euglena Genus andSchizochytrium Will be algae of any one or more of the genus selected from the group consisting of a method for extracting and recovering lipids from microalgae.
A method of producing biodiesel using lipids recovered from the method of any one of claims 1 to 5.
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|---|---|---|---|
| KR1020130143282A KR101363723B1 (en) | 2013-11-22 | 2013-11-22 | Method for extracting and recovering lipids from microalgae |
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|---|---|
| KR (1) | KR101363723B1 (en) |
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| KR20150139673A (en) | 2014-06-03 | 2015-12-14 | 가톨릭관동대학교산학협력단 | Method of and Apparatus for Enriching TAG Contents in Biomass with Glycerol |
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- 2013-11-22 KR KR1020130143282A patent/KR101363723B1/en active IP Right Grant
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