KR101778257B1

KR101778257B1 - 미세조류로부터 바이오디젤, 바이오디젤 첨가제, 알킬포메이트의 동시 제조방법

Info

Publication number: KR101778257B1
Application number: KR1020150033853A
Authority: KR
Inventors: 이재우; 임한진
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2015-03-11
Filing date: 2015-03-11
Publication date: 2017-09-13
Also published as: WO2016143988A1; KR20160109453A

Abstract

본 발명은 미세조류에서 미세조류에서 알킬 레불리네이트(alkyl levulinate), 알킬 포메이트(alkyl formate) 및 다이알킬 에테르(dialkyl ether)로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상의 화합물과 바이오디젤을 동시에 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 종래 미세조류를 이용한 바이오디젤 생산시에 버려졌던, 미세조류의 셀룰로오스 부분을 이용하여 고부가가치의 화합물인 알킬 레불리네이트(alkyl levulinate), 알킬 포메이트(alkyl formate), 다이알킬 에테르(dialkyl ether)를 생산할 수 있다.

Description

미세조류로부터 바이오디젤, 바이오디젤 첨가제, 알킬포메이트의 동시 제조방법 {Method for concurrent production of biodiesel, its additives, and alkyl formate using Microalgae}

본 발명은 미세조류에서 미세조류에서 알킬 레불리네이트(alkyl levulinate), 알킬 포메이트(alkyl formate) 및 다이알킬 에테르(dialkyl ether)로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상의 화합물과 바이오디젤을 동시에 제조하는 방법에 관한 것이다.

현재 쓰이고 있는 에너지는 주로 화석 연료로부터 생산되는 에너지이며 최근 화석연료가 지구기후에 부정적인 영향을 줄 수 있다는 사실이 밝혀지면서 세계적으로 그에 대한 대체 에너지를 갈구하고 있다. 그 후보 중 하나인 바이오에너지는 재 순환성, 친환경성으로 인해 화석 연료를 대체할 에너지로 각광받고 있다(J.Y. Lee et al., Bioresource Technol., 101:S75-S77, 2010).

이들 바이오에너지 중 바이오디젤은 메탄올과 동식물의 지방, 미세조류를 이용하여 제조될 수 있다. 미세조류로부터 바이오디젤을 생산하기 위해서는 미세조류배양액에서 수확한 미세조류에서 지질을 추출하는 작업이 필요하다(L. Brennan and P. Owende, Renew. Sust. Energy Rev., 14:557-577, 2010). 지질을 추출한 뒤에는 지질과 메탄올을 첨가하면 지질에 포함된 트리글리세리드와 메탄올이 촉매 하에 트랜스 에스터화 반응하여 지방산 메틸에스터가 생성되며, 이 물질이 바로 바이오디젤이다(Y. Chisti, Biotechnol. Adv., 3:294-306, 2007). 바이오디젤 생산공정 중 미세조류를 건조시키지 않은 채로 추출공정을 진행할 경우 미세조류에 남아있는 수분으로 인하여, 지질추출 효율이 현저하게 떨어지며, 이를 방지하기 위하여, 지질추출 과정을 전에 건조공정을 수행하는 경우도 있다. 하지만 건조공정은 에너지가 많이 소모되는 공정으로 바이오디젤 생산단가에 막대한 영향을 끼치는 실정이다(L. Xu et al., Bioresource Technol., 102, 5113-5122, 2011). 따라서 그에 대한 대안으로 건조공정을 거치지 않고 추가적인 용매투입, 마이크로웨이브를 이용한 가열(J. Cheng et al., Bioresource Technol., 131:531-535, 2013), 초임계 메탄올(S. Lim and K. Lee, Bioresource Tehchnol., 142:121-130, 2013) 또는 물(Y.A. Tsigie et al., Chem. Eng. Journal, 213:104-108, 2012) 그 외에 고온 고압(Z. Shuping et al., Energy, 35:5406-5411, 2010)을 사용하여 지질추출 및 바이오디젤 전환 공정을 수행하는 연구가 활발히 이루어지고 있다.

한편, 미세조류 세포자체를 산 촉매하에서 처리하면 세포의 셀룰로오즈 부분이 가수분해가 되어 Hydroxymethylfurfural(HMF)으로부터 레불린산(levulinic acid)과 포름산(formic acid)이 생성된다(Weingarten et al., Energy Environment Science, 5:7559-7574, 2012). 바이오디젤 생산시 사용되는 반응물인 알코올이 레불린산 및 포름산과 에스터화 반응하면 알킬 레불리네이트 (alkyl levulinate) 및 알킬 포메이트 (alkyl formate) 생성된다. 알킬 레불리네이트는 향미료로 쓰일 수 있고(R.H. Leonard., Eng. Chem., 48:1330-1341, 1956), 바이오디젤 연료와 혼합하면 연료의 저온특성이 향상된다고 보고된 바 있다 (H. Joshi et al., Biomass and Bioenergy, 34:14-20, 2010). 또한 알킬 포메이트는 포름아마이드(formamide)와 다이메틸포름아마이드(dimethylformamide) 등 다른 화합물을 만드는데 이용될 수 있다.

또한 알코올은 산 촉매하에서 높은 온도에 가해지면 탈수반응이 일어나 연료로서 이용될 수 있는 다이알킬 에터(dialkyl ether)를 생성한다고 알려있다.(Xu et al., Applied Catalysis A, 149:289-301, 1997; Semelsberger et al., Journal of Power Sources, 156:497-511, 2006).

레불린산과 포름산은 세포의 셀룰로오즈가 가수분해 되면서 생기는 글루코즈를 통해 형성되며 기존의 바이오디젤 생산공정에서는 셀룰로오즈가 가수분해 되기에 적합하지 않은 조건이라 거의 생성되지 않았다.

이에, 본 발명자들은 미세조류로부터 바이오디젤과 알킬 레불리네이트와 알킬 포메이트 및 다이알킬 에테르를 동시에 생산하는 방법을 개발하기위하여, 예의 노력한 결과, 미세조류에 알코올과 황산을 처리하는 경우, 미세조류로부터 바이오디젤을 생산하는 동시에 알킬 레불리네이트와 알킬 포메이트 및 다이알킬 에테르를 생산할 수 있다는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 목적은 미세조류로부터 바이오디젤과 알킬 레불리네이트와 알킬 포메이트 및 다이알킬 에테르를 동시에 생산하는 방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 배양된 미세조류에 알코올, 유기용매 및 산을 첨가하고, 95~200℃로 가열하여, 알킬 레불리네이트(alkyl levulinate), 알킬 포메이트(alkyl formate) 및 다이알킬 에테르(dialkyl ether)로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상의 화합물과 바이오디젤을 동시에 생성시키는 단계; 및 (b)상기 생성된 화합물과 바이오디젤을 회수하는 단계를 포함하는 미세조류에서 바이오디젤 및 화합물의 동시 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 종래 미세조류를 이용한 바이오디젤 생산시에 버려졌던, 미세조류의 셀룰로오스 부분을 이용하여 고부가가치의 화합물인 알킬 레불리네이트(alkyl levulinate), 알킬 포메이트(alkyl formate), 다이알킬 에테르(dialkyl ether)를 생산할 수 있다.

도 1 온도변화에 따른 바이오디젤 및 에틸 레불리네이트 수율 변화를 나타낸 것이다.
도 2는 클로로폼에 따른 바이오디젤 및 에틸 레불리네이트 수율 변화를 나타낸 것이다.
도 3은 황산 량에 따른 바이오디젤 및 에틸 레불리네이트 수율 변화를 나타낸 것이다.
도 4는 에탄올 량에 따른 바이오디젤 및 에틸 레불리네이트 수율 변화를 나타낸 것이다.
도 5는 수분함량 변화에 따른 바이오디젤 및 에틸 레불리네이트 수율 변화를 나타낸 것이다.
도 6은 미세조류와 셀룰로오즈의 비율 변화에 따른 바이오디젤 및 에틸 레불리네이트 수율을 나타낸 것이다.

본 발명자들은 바이오디젤 생산시에 미세조류에 알코올과 산촉매를 첨가하는 경우, 세포의 셀룰로오즈가 가수분해되면서, 레불린산과 포름산이 생성되는 것을 이용하여, 상기 레불린산과 포름산을 이용한 알킬 레불리네이트(alkyl levulinate), 알킬 포메이트(alkyl formate) 및 다이알킬 에테르(dialkyl ether)의 생산방법을 개발하였다.

따라서, 본 발명은 (a) 배양된 미세조류에 알코올, 유기용매 및 산을 첨가하고, 95~200℃로 가열하여, 알킬 레불리네이트(alkyl levulinate), 알킬 포메이트(alkyl formate) 및 다이알킬 에테르(dialkyl ether)로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상의 화합물과 바이오디젤을 동시에 생성시키는 단계; 및 (b)상기 생성된 화합물과 바이오디젤을 회수하는 단계를 포함하는 미세조류에서 미세조류에서 알킬 레불리네이트(alkyl levulinate), 알킬 포메이트(alkyl formate) 및 다이알킬 에테르(dialkyl ether)로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상의 화합물과 바이오디젤의 동시 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 있어서, 상기 알코올은 탄소수 1~15인 알코올로 구성된 군에서 선택되는 알코올을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 펜탄올, 헥산올, 헵탄올, 옥탄올, 노난올 또는 데칸올을 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 메탄올, 에탄올, 부탄올을 사용할 수 있다.

본 발명의 바이오디젤 수율과 알킬 레불리네이트의 수율은 각 알코올이 가진 탄소수가 증가할 수록 상승하는 경향을 보이며 다른 알코올 군으로 실험하여도 알킬 레불리네이트가 정상적으로 생성될 수 있다.

본 발명에 있어서, 바이오디젤과 화합물의 동시생산에 사용되는 미세조류의 수분 함량은 0~95%인 것을 특징으로 할 수 있다.

온도가 증가함에 따라 바이오디젤의 양이 증가하였고, 건조상태에서 실험했을 경우 FAEE 수율이 97%까지 도달하였다.

본 발명의 일양태에서, 습식 미세조류를 사용하였을 경우는 95℃ 일 때 바이오디젤 수율이 61.4%로 상대적으로 낮았다. 에틸 레불리네이트 수율의 경우, 95℃ 일 때는 거의 생성되지 않다가 110℃부터 점점 많이 생성되어, 125℃부터는 지질 중량의 20%이상을 넘는 정도로 많은 양이 생성되었다.

본 발명의 (a) 단계에 있어서, 미세조류와 함께 셀룰로오즈의 공급원으서, 셀룰로오즈 (Cellulose) 또는 리그노 셀룰로오즈 (lignocellulose)를 가지는 생물, 톱밥, 활성오니, 박테리아, 식물세포 및 동물세포로 구성된 군에서 선택되는 유기물을 추가로 첨가할 수 있다.

본 발명에서 사용되는 유기용매는 클로로포름, 톨루엔, 자일렌, 사이클로헥세인 및 벤젠으로 이루어진 군에서 선택되는 유기용매 또는 이들의 혼합용매인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에서, 클로로포름은 미세조류 세포벽의 셀룰로오스의 가수분해를 촉진시키고 세포벽 파괴로 지질들이 추출되어 바이오디젤로 전환되는 반응을 촉진하는 것으로 판단된다.

본 발명의 일양태에서는 클로로포름 첨가에 따라 바이오디젤 수율과 에틸 레불리네이트 수율이 높아지는 것으로 확인되었다. 에틸 레불리네이트와 바이오디젤의 경우 모두 클로로포름의 양이 늘어날수록 많이 생성되는 경향이 나타났다.

본 발명에서 촉매로 사용되는 산은 황산, 염산, 질산, 아세틸클로라이드 또는 고체촉매인 엠버리스트(amberlyst)를 사용할 수 있다.

본 발명에서 상기 산은 트랜스에스터화 반응의 촉매로 쓰이므로 사용되는 산량이 증가할수록 바이오디젤 수율은 증가한다.

본 발명에 있어서, 바이오디젤 및 화합물 동시생산에 사용되는 미세조류는 클로렐라(Chlorella), 클라미도모나스(Chlamydomonas), 나노클로랍시스(Nannochloropsis), 클루코크스(Chroococcus), 채토세로스(Chaetoceros), 안칸테스(Achnanthes), 엠포라(Amphora) 등을 사용할 수 있으나, 이에 국한되는 것은 아니다.

본 발명의 일양태에서는 미세조류로서 나노클로롭시스 가디타나(N.gaditana)와 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris)를 사용하였을 때, 모두 높은 바이오디젤과 에틸 레불리네이트 생산 수율을 나타내는 것을 확인하였다.

본 발명에 있어서, 상기 (a)단계의 미세조류 100 중량부에 대하여 유기용매 100 ~ 2000 중량부, 알코올 25~ 1200 중량부 및 산 50~ 1000 중량부를 첨가하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 알킬 레불리네이트는 메틸 레불리네이트, 에틸 레불리네이트, 프로필 레불리네이트, 부틸 레불리네이트, 펜틸 레불리네이트, 헥실 레불리네이트, 헵틸 레불리네이트, 옥틸 레불리네이트, 노닐 레불리네이트 또는 데킬 레불리네이트일 수 있고, 상기 알킬 포메이트는 메틸 포메이트, 에틸 포메이트, 프로필 포메이트, 부딜 포메이트, 펜틸 포메이트, 헥실 포메이트, 헵틸 포메이트, 옥틸 포메이트, 노닐 포메이트 또는 데킬 포메이트일 수 있으며, 상기 다이알킬 에테르는 다이메틸에테르, 다이에틸에테르, 다이프로필에테르, 다이부틸에테르, 다이펜틸에테르, 다이헥실에테르, 다이헵틸에테르, 다이옥틸에테르, 다이노닐에테르 또는 다이데킬에테르일 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예만 국한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.

본 발명의 이후 실시예에서는 미세조류로써 나노클로롭시스 가디타나(Nannochloropsis gaditana, AlgaSpring, 네덜란드)를 사용하였으며, 나노클로롭시스 가디타나(Nannochloropsis gaditana) 세포에서 바이오디젤로 전환가능한 지질 함량은 각각 12.05%였다. 에틸 레불리네이트 전환은 전체 나노클로롭시스 가디타나(Nannochloropsis gaditana) 세포를 질량대비 65% 수분함량을 가지도록 만든 후에 진행하였다. 젖은 미세조류에 에탄올과 클로로포름과 황산을 넣고 일정 온도로 가열한 후 황산을 중화 시키면 층 분리가 일어나는데 그 중 아래층을 분석하여 총 12.05% 지질 대비 전환된 바이오디젤의 양을 계산하여 수율로 나타내었다. 또한 생성 된 에틸 레불리네이트(EL)의 양 또한 전체 지질에 대해 비교하기 위해 같은 방법으로 계산하여 나타내었다.

실시예 1:온도 변화에 따른 바이오디젤 및 에틸 레불리네이트 수율확인

바이오디젤과 에틸 레불리네이트를 생성에 있어서, 온도 변화에 따른 바이오디젤 및 에틸 레불리네이트의 수율변화를 확인하기 위하여, 수분 65%를 함유하는 젖은 미세조류 (나노클로롭시스 가디타나(N.gaditana)) 0.857 g에 에탄올 1 ml, 클로로포름 2 ml과 황산 0.3 ml 를 첨가하고, 95℃, 110℃, 125℃ 및 140℃ 온도 조건에서 가각 2시간 동안 가열한 후, 에텔 레불리네이트와 바이오디젤의 생성량을 확인하였다.

또한, 상기 조건에서 수분함량을 제외한 후 에틸 레블리네이트와 바이오디젤 량을 구하였다.

그 결과, 도 1에 나타난 바와 같이, 온도가 증가함에 따라 바이오디젤의 양이 증가하였고, 건조상태에서 실험했을 경우 바이오디젤(FAEE) 수율이 97%까지 도달하였다.

습식 미세조류를 사용하였을 경우는 95℃ 일 때 바이오디젤 수율이 61.4%로 상대적으로 낮았다. 에틸 레불리네이트 수율의 경우, 95℃ 일 때는 거의 생성되지 않다가 110℃부터 점점 많이 생성되어, 125℃부터는 지질 중량의 20%이상을 넘는 정도로 많은 양이 생성되었다.

실시예 2: 클로로포름 유무에 따른 바이오디젤 및 에틸 레불리네이트 수율확인

바이오디젤과 에틸 레불리네이트를 생성에 있어서, 클로로포름의 역할을 확인하기 위하여, 실시예 1의 조건에서 클로로포름의 양을 제외한 다른 변수는 동일한 조건으로 바이오디젤과 에틸 레불리네이트를 생성시켰으며, 온도는 125℃로 실험하였다.

그 결과, 도 2에 나타난 바와 같이, 클로로포름을 첨가하지 않았을 때 바이오디젤 수율과 에틸 레불리네이트 수율이 각각 66%와 11.3%로 낮게 나타났으며, 0.5 ml의 클로로포름을 추가하는 경우, 바이오디젤 수율과 에틸 레불리네이트 수율은 각각 86.3%와 17.6% 로 확인되어, 클로로포름 첨가에 따라 바이오디젤 수율과 에틸 레불리네이트 수율이 높아지는 것으로 확인되었다. 에틸 레불리네이트와 바이오디젤의 경우 모두 클로로포름의 양이 늘어날수록 많이 생성되는 경향을 나타내며 클로로포름이 세포벽의 셀룰로오스의 가수분해를 촉진시키고 세포벽 파괴로 지질들이 추출되어 바이오디젤로 전환되는 반응을 촉진하는 것으로 판단된다.

실시예 3: 황산량에 따른 바이오디젤 및 에틸 레불리네이트 수율확인

바이오디젤과 에틸 레불리네이트를 생성에 있어서, 황산의 역할을 확인하기 위하여, 첨가하는 황산 량을 제외한 다른 변수는 실시예 1과 동일하게 하여, 125℃에서 바이오디젤과 에틸 레불리네이트를 생성시켰다. 황산은 트랜스에스터화 반응의 촉매로 쓰이므로 황산량이 증가할수록 바이오디젤 수율은 증가한다고 예상할 수 있다.

그 결과, 도 3에 나타난 바와 같이, 첨가되는 황산의 양이 늘어날수록 바이오디젤(FAEE)수율과 에틸 레불리네이트(EL)수율이 급격하게 늘어나는 것을 알수있다. 황산이 0.03ml/ml 에탄올로 적은 양이 쓰였을 때는 에틸 레불리네이트(EL)수율이 1.63%로 매우 낮게 나왔는데 이는 산의 세기가 약하면 셀룰로오스의 가수분해가 진행이 안 된다는 것으로 볼 수 있다. 이때의 바이오디젤(FAEE)수율 역시 32.1%로 낮은 편이며 세포벽이 제대로 파괴되지 않아 지질 추출이 제대로 이루어지지 않았다고 볼 수 있다.

실시예 4: 에탄올양의 변화에 따른 바이오디젤 및 에틸 레불리네이트 수율확인

에틸 레불리네이트는 세포의 가수분해 연속반응의 결과물인 레불린산이 에탄올과 산촉매 하에서 에스터화 반응에 의해 생성되는 화합물이다. 또한 바이오디젤 (지방산 에틸 에스터) 역시 세포의 지질이 에탄올과 산촉매하에 트랜스 에스터화 반응에 의해 생성되는 결과물이다. 따라서 에탄올의 양을 증가시키면 에틸 레불리네이트와 바이오디젤의 수율이 변할 것이므로 이를 확인하기 위하여 에탄올양을 변화시키면서 바이오디젤과 에틸 레불리네이트의 수율을 확인하였다.

에탄올량과 황산량을 제외한 실험조건은 실시예 1과 동일하다. 촉매의 양이 고정된(Fixed catalyst amount)조건에서는 황산질량을 고정시키고 에탄올량을 변화시켰으며 촉매의 농도가 고정된(fixed catalyst concentration)조건에서는 에탄올량에 대비하여 황산 농도를 일정하게 유지시키면서 에탄올량을 변화시켰다.

그 결과, 도 4에 나타난 바와 같이, 황산 농도가 고정되지 않은 조건에서는 에탄올의 양이 증가함에 따라 산의 세기가 약해지기 때문에 에틸 레불리네이트의 수율이 감소하였고 황산농도를 유지시키는 조건에서는 에탄올의 양이 증가함에 에틸 레불리네이트의 수율이 증가하였다. 바이오디젤의 경우는 황산의 농도에 관계없이 에탄올량이 증가함에 따라 수율이 상승하는 경향을 보여주었다.

실시예 5: 에탄올 이외 알코올 사용에 따른 바이오디젤 및 알킬 레불리네이트 수율확인

에탄올 외에 다른 알코올을 사용하였을 때, 알킬 레불리네이트가 생산되는 지 확인하기 위하여, 에탄올을 대신하여, 메탄올과 부탄올을 이용하여 실시예 1과 동일한 조건에서, 온도는 125℃로 2시간 동안 가열하여 실험하였다.

그 결과, 메탄올을 이용한 실험에서는 바이오디젤 수율이 약 90%가 나왔으며 메틸 레불리네이트가 100%의 미세조류가 포함한 지질 질량을 기준으로 할 때 18.4%의 질량만큼 생성되었다. 또한 부탄올을 이용한 실험에서는 바이오디젤 수율이 114%가 나왔고 부틸 레불리네이트의 수율이 36%로 나왔다. 바이오디젤 수율과 알킬 레불리네이트의 수율은 각 알코올이 가진 탄소수가 증가할 수록 상승하는 경향을 보이며 다른 알코올 군으로 실험하여도 알킬 레불리네이트가 정상적으로 생성될 수 있다는 사실을 알 수 있다.

실시예 6: 수분함량 변화에 따른 바이오디젤 및 에틸 레불리네이트 수율 변화확인

에틸 레불리네이트는 세포의 가수분해에 의해 생성되는 레불린 산이 에탄올과의 에스터화 반응하여 생성되는 화합물이기 때문에 미세조류의 초기 수분함량에 따라서 그 수율이 결정되게 된다.

실험에 사용한 미세조류는 나노클로롭시스 가디타나(N.gaditana)를 사용하였으며 수분함량을 제외한 실험 조건은 실시예 1과 동일하게 수행하였다.

그 결과, 도 5에 나타난 바와 같이, 수분 함량이 감소함에 따라 에틸 레불리네이트와 바이오디젤 수율이 감소하는 것을 알 수 있다. 수분함량이 감소하면 생산물의 수율이 모두 증가하기 때문에 더욱 많은 생산물을 얻을 수 있지만 그로 인해 추가적으로 소모되는 에너지가 증가하므로 이를 고려한다면 최적화된 조건을 찾을 수 있을 것이다.

실시예 7: 클로로포름 이외의 유기용매 사용에 따른 바이오디젤 및 에틸 레불리네이트 수율 변화확인

에틸 레불리네이트 화합물은 분자구조상 비극성 성격을 가진 물질이다. 황산과 에탄올은 극성물질로 물에 잘 녹는 성질을 지니고 있는데 황산과 에탄올을 넣은 뒤 유기용매를 넣어주면 생성물 중 에틸 레불리네이트가 유기용매 층에 용해되고 극성 물질들이 존재하는 층에는 주로 에탄올, 황산, 물, 에틸 레불리네이트가 극소량 존재하게되므로 유기용매가 존재하지 않을 때 보다 반응이 가속화되는 것이다. 따라서 다른 유기용매를 사용하였을 때도, 에틸 레불리네이트 수율이 향상되는지 검증하기 위하여 클로로포름을 대신하여 헥산(hexane)과 벤젠(benzene)을 사용하였다. 실험에 사용한 미세조류는 나노클로롭시스 가디타나(N.gaditana)이고 실험조건은 실시예 1과 동일하며 실험 온도는 125℃로 하였다.

그 결과, 헥산을 사용한 경우는 헥산 층을 분석한 결과 에틸 레불리네이트가 발견되지 않았다. 그 이유는 상온에서 헥산의 밀도는 0.655g/ml이고 에틸 레불리네이트의 밀도는 1.02g/ml인데, 다량의 에틸 레불리네이트이 생성되기 위해서는 유기상이 에틸 레불리네이트을 녹여야하는데 에틸 레불리네이트와 헥산의 밀도차가 크기 때문에 서로 섞이지 않았기 때문인 것으로 판단된다.

헥산보다 밀도가 약간 높은 벤젠(0.877g/ml)으로 실험한 경우, 벤젠 층을 분석한 결과 100%의 미세조류가 포함한 지질 질량을 기준으로 17.0%의 질량만큼 에틸 레불리네이트가 생성되었다. 이는 클로로포름으로 실험하였을 때의 수율 22.3%보다는 작은 값이지만 어느 정도 밀도 이상을 지닌 유기용매 군으로 실험한다면 에틸 레불리네이트가 일정량 생성될 수 있다는 것을 보여준다.

실시예 8: 황산 외의 촉매사용에 따른 바이오디젤과 에틸 레불리네이트 생산 수율 확인

알킬 레불리네이트와 바이오디젤은 산촉매를 이용하여 에스터화, 트랜스에스터화 반응을 통해 생산할 수 있는 화합물이다. 산 촉매는 앞의 실시예에서는 액체 산인 황산을 이용하였지만 다른 산 촉매에서도 실효성을 검증하기 위하여 염산과 고체촉매를 사용하여, 실험을 수행하였다.

고체촉매로는 사용온도 범위, 촉매의 세기 등을 고려하여 엠버리스트(amberlyst) 36(Sigma-aldirch, 미국)를 선택하였다. 염산은 35% 염산 수용액을 황산과 동일한 질량으로 사용하였고 그 외의 조건은 실시예 1과 동일하게 진행하고 125℃에서 2시간동안 가열하였다.

그 결과, 염산 사용에 따른 바이오디젤 수율은 84.1%이었고, 에틸 레불리네이트의 수율은 18.9%로 두 가지 수율 모두 황산을 사용했을 때와 크게 차이 나지 않은 수준으로 관찰되었다.

고체촉매 실험의 경우, 동일한 방법으로 세포량과 황산을 제외한 다른 반응 물질의 양들은 실시예1과 동일하게 하였으며 엠버리스트(amberlyst) 36의 양은 이전의 실험들의 황산의 질량의 2배인 1.1g으로 넣어주었고 125℃에서 2시간동안 가열하였다.

그 결과, 고체촉매 사용에 따른 바이오디젤 수율은 50.0%로 나왔고 에틸 레불리네이트 수율은 5.4%로 나왔다. 고체산을 사용할 경우 바이오디젤과 에틸 레불리네이트의 수율이 액체산을 사용하는 경우에 비해 낮게 나오는 편이지만 촉매를 분리해내는 과정에서의 편의성을 생각한다면 비록 수율이 낮더라고 고체 촉매를 사용하여 바이오디젤과 에틸 레불리네이트가 일정수준으로 동시 생성가능하다는 점에서 의미 있는 결과이다.

실시예 9: 나노클로롭시스 가디타나(N.gaditana) 외의 다른 종의 미세조류를 사용하였을 때의 바이오디젤과 에틸 레불리네이트 생산

나노클로롭시스 가디타나(N.gaditana)외의 다른 미세조류를 사용하였을 때의 바이오디젤과 에틸 레불리네이트 생산경향을 살펴보기 위하여 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris, 대상웰라이프, 한국)를 사용하였으며, 그외 실험조건은 실시예 1과 동일하게 하였으며, 125℃에서 2시간동안 가열하였다.

클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris)의 지질 함량은 7.0%였고 실험결과 바이오디젤 수율은 104%이었으며, 에틸 레불리네이트의 수율은 지질 100% 중량 대비 59%로 높게 나타났다.

클로렐라 불가리스(C.vulgaris)를 사용하였을 때가, 나노클로롭시스 가디타나(N.gaditana)에 비하여 에틸 레불리네이트(EL) 수율이 높은 이유는 클로렐라 불가리스(C. vulgaris)는 지질 함량은 낮지만 그만큼 세포에서 가수분해 될 수 있는 셀룰로오스 양이 많기 때문에, 에틸 레불리네이트 수율이 높은 것으로 예상된다.

따라서 나노클로롭시스 가디타나(N.gaditana)종 뿐만 아니라 다른 미세조류 종을 사용하여도 바이오디젤과 에틸 레불리네이트는 동시 생산할 수 있다는 것을 확인하였다.

실시예 10: 미세조류와 셀룰로오즈를 동시에 사용하였을 때의 바이오디젤과 에틸 레불리네이트 생산 수율 확인

미세조류와 함께 다른 종류의 셀룰로오즈를 가지는 생물을 추가로 첨가하였을 때 바이오디젤과 에틸레불리네이트 생산이 가속되는지 확인하이 위하여, 다음과 같이 실험을 수행하였다. 실험을 간소화하기 위하여 미세조류와 셀룰로오즈를 혼합하여 실험하였으며 총 질량은 0.3g을 유지하면서 미세조류:셀룰로오즈의 질량비를 각각 0:10, 3:7, 5:5, 7:3, 10:0으로 바꾸면서 실험하였다.

미세조류와 셀룰로오즈 혼합물의 수분함량은 65%로 유지하였으며 클로로폼, 에탄올 및 황산의 양은 실시예 1과 동일한 각각 2ml, 1ml 및 0.3ml으로 사용하였고, 125℃에서 2시간동안 가열하였다. 실시예1~9의 경우, 에틸 레불리네이트가 생산되는 경로가 미세조류뿐이기 때문에 미세조류의 지질 질량에 대비하여 수율을 구하였으나, 본 실시예에서는 추가로 첨가한 셀룰로오즈에서도 에틸 레불리네이트(EL)이 생산될 수 있기 때문에 에틸 레불리네이트(EL)의 질량을 구하여 각각의 실험을 비교하였다. 미세조류 대비 셀룰로오즈의 비가 상승할수록 바이오디젤 수율이 증가하는 것을 알 수 있는데 이는 용액의 양은 고정되어 있지만 미세조류의 양이 줄어들기 때문에 바이오디젤 수율이 증가하는 것이다.

그 결과, 미세조류 대비 셀룰로오즈의 비가 0:10일 경우 셀룰로오즈만 0.3g 존재 하기 때문에 바이오디젤(FAEE)수율이 존재하지 않게 된다. 미세조류 대비 셀룰로오즈 비가 10:0일때는 에틸 레불리네이트(EL)질량이 8mg 이지만 그래프가 오른쪽으로 갈수록 (셀룰로오즈의 비율이 상승할수록) 에틸 레불리네이트(EL) 질량이 증가하는 것을 알 수 있는데 이는 미세조류와 셀룰로오즈를 동시에 넣어주어도 에틸 레불리네이트(EL) 생산이 정상적으로 될 수 있다는 것을 의미한다. 따라서 셀룰로오즈 대신 리그노 셀룰로오즈, 활성오니, 유기물을 함유된 동물 및 식물세포를 넣어주어도 바이오디젤과 에틸 레불리네이트 동시생산에 문제가 없다고 볼 수 있다.

실시예 11:미세조류로부터 바이오디젤 및 알킬 포메이트와 다이알킬 에테르 생산

미세조류를 산촉매하에서 처리하면 세포의 셀룰로오즈 부분이 가수분해가 되어 하이드록시메틸풀푸랄(Hydroxymethylfurfural,HMF)로부터 레불린산(levulinic acid)과 포름산(formic acid)이 생성된다. 생성된 포름산은 알코올과 에스터화반응을 거쳐 알킬 포메이트로 전환될 수 있다. 또한, 알코올은 트랜스에스터화 반응을 위하여 산촉매 하에 고온 환경에 처하기 때문에 알코올 탈수 반응을 거쳐 알코올이 다이알킬 에테르로 전환될 수 있는 환경에 놓여 있다.

따라서, 본 실시예에서는 알킬 포메이트와 다이알킬 에테르의 생성을 확인하였다.

먼저, 0.3g의 나노클로롭시스 가디타나(N.gaditana)나노클로롭시스 가디타나(N.gaditana) 실시예 1과 같은 실험 조건에서 125℃로 2시간동안 가열하였다.

그 결과, 실시예 1과 비슷한 수율인 94%의 바이오디젤 수율과 2.5mg의 에틸 포메이트가 생성 되는 것을 확인하였고, 에틸 레불리네이트는 0.034mmol이 생성되었고 에틸 포메이트는 0.036mmol이 생성되었다. 이는 몰수 비로 1:1에 근접하는데 화학양론적으로도 하이드록시베틸풀푸랄(HMF)로부터 1:1의 레불린산과 포름산이 생성되므로 에틸 레불리네이트와 에틸 포메이트도 1:1만큼 생성된다고 예상할 수 있기 때문에 유효한 값으로 볼 수 있다. 다이에틸 에테르의 경우에도 27mg이 생성 되었으며 에틸 포메이트와 다이에틸 에테르 모두 유기상에서 검출하였다. 다이에틸 에테르 (diethyl ether, DEE)는 산 촉매하에서 에탄올분자가 탈수반응을 일으키면서 생성되는 것으로 예상된다.

이상으로 본 발명의 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태을 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims

다음 단계를 포함하는 미세조류에서 알킬 레불리네이트(alkyl levulinate), 알킬 포메이트(alkyl formate) 및 다이알킬에테르(dialkyl ether)로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상의 화합물과 바이오디젤의 동시 제조방법:
(a) 배양된 미세조류 100 중량부에 탄소수 1 ~ 15인 알코올로 구성된 군에서 선택되는 230 ~ 700 중량부의 알코올, 클로로포름, 톨루엔, 자일렌, 사이클로헥세인 및 벤젠으로 구성된 군에서 선택되는 250 ~ 1500 중량부의 유기용매 및 180 ~ 430 중량부의 산을 첨가하고, 110 ~ 140℃로 가열하여, 알킬 레불리네이트(alkyl levulinate), 알킬 포메이트(alkyl formate) 및 다이알킬 에테르(dialkyl ether)로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상의 화합물과 바이오디젤을 동시에 생성시키는 단계; 및
(b) 상기 생성된 화합물과 바이오디젤을 회수하는 단계.
제1항에 있어서, 미세조류의 수분 함량은 0~95%인 것을 특징으로 하는 방법.
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제1항에 있어서, (a) 단계에 있어서, 셀룰로오즈 (Cellulose) 또는 리그노 셀룰로오즈 (lignocellulose)를 가지는 생물, 톱밥, 활성오니, 박테리아 및 식물 및 동물세포로 구성된 군에서 선택되는 유기물을 추가로 첨가하는 것을 특징으로 하는 방법.
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제1항에 있어서, 산은 황산, 염산, 질산, 아세틸클로라이드 및 엠버리스트(amberlyst)로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 미세조류는 클로렐라(Chlorella), 클라미도모나스(Chlamydomonas), 나노클로랍시스(Nannochloropsis), 클루코크스(Chroococcus), 채토세로스(Chaetoceros), 안칸테스(Achnanthes) 및 엠포라(Amphora)로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
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제1항에 있어서, 상기 알킬 레불리네이트는 메틸 레불리네이트, 에틸 레불리네이트, 프로필 레불리네이트, 부틸 레불리네이트, 펜틸 레불리네이트, 헥실 레불리네이트, 헵틸 레불리네이트, 옥틸 레불리네이트, 노닐 레불리네이트 및 데킬 레불리네이트로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서 상기 알킬 포메이트는 메틸 포메이트, 에틸 포메이트, 프로필 포메이트, 부딜 포메이트, 펜틸 포메이트, 헥실 포메이트, 헵틸 포메이트, 옥틸 포메이트, 노닐 포메이트 및 데킬 포메이트로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 다이알킬 에테르는 다이메틸에테르, 다이에틸에테르, 다이프로필에테르, 다이부틸에테르, 다이펜틸에테르, 다이헥실에테르, 다이헵틸에테르, 다이옥틸에테르, 다이노닐에테르, 다이데킬에테르로 구성된군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.