KR20160022585A

KR20160022585A - 3가 철 이온을 이용한 바이오디젤 제조방법

Info

Publication number: KR20160022585A
Application number: KR1020140108321A
Authority: KR
Inventors: 한종인; 김동연; 서영환
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2014-08-20
Filing date: 2014-08-20
Publication date: 2016-03-02
Also published as: KR101663037B1

Abstract

본 발명은 미세조류 배양액에 Fe³ ⁺ 이온을 첨가하여 미세조류를 농축하는 제1 단계, 상기 제1 단계에서 농축된 미세조류 농축액에 과산화수소를 첨가하여 미세조류 지질을 추출하는 제2 단계, 상기 제2 단계에서 추출된 미세조류 지질 추출액에 메탄올을 첨가하여 제1 에스테르화 반응을 유도하는 제3 단계 및 상기 제3 단계에서 제1 에스테르화 반응이 완료된 반응액에 염기 촉매를 첨가하여 제2 에스테르화 반응을 유도하는 제4 단계를 포함하는 바이오디젤의 제조방법에 관한 것이다.

Description

3가 철 이온을 이용한 바이오디젤 제조방법 {Preparation method of biodiesel using ferric ion}

바이오디젤은 높은 생분해도와 연료 효율, 그리고 재생성 및 친환경 특성 때문에 각광받는 연료이다. 바이오디젤을 생산하는 방법으로 미세조류 세포 내 지질을 이용한 방법이 주목받고 있는데, 이유는 다른 생물들과 달리 미세조류는 외부 양분을 필요로 하지 않고, 광합성에 기반하여 대표적 온난화 가스인 이산화탄소를 제거함과 동시에 스스로 성장하기 때문이다.

하지만 미세조류 기반 바이오디젤은 상용화가 아직 이루어져 있지 않은데, 고농도 배양이 힘든 점도 있지만 가장 큰 이유는 미세조류 선별(species selection)과 미세조류 배양(cultivation) 이후의 공정인, 미세조류 수확(harvesting), 미세조류 지질 추출(extraction) 및 에스테르화(esterificiation) 공정이 복잡하고 전체 바이오디젤 생산비용의 약 60%를 차지하기 때문이다(Biotechnology advances, 31(6), 862-876).

미세조류 배양 이후의 공정에 앞서, 배양된 미세조류를 건조시키는 과정이 필요한데, 건조 과정은 장기간 높은 온도와 압력을 가해야 하기 때문에 많은 양의 에너지를 요구한다. 결과적으로 이 과정은 미세조류 바이오디젤 생산 공정 동안 소모되는 에너지의 50%를 차지한다고 알려져 있다(Green Chemistry, 16(1), 312-319).

한편, 미세조류 배양 이후의 공정 각각에 있어서도 많은 비용과 많은 에너지가 소모되는데, 첫번 째 미세조류의 수확은 원심분리를 이용하거나 키토산 등 고비용 물질을 이용하여 농축시키기 때문에 대량 처리가 힘들고, 전체 생산 비용의 20 내지 30%를 차지하는 높은 가격을 야기한다(Journal of applied phycology, 23(5), 849-855). 미세조류를 사용한 바이오디젤 생산공정의 상용화를 위해서는 수확기술에 드는 비용절감이 절실한 실정이다.

두 번째 지질 추출 과정은 세포를 파괴하고 세포 내 지질을 얻어내는 과정인데, 세포벽/세포막 등은 여러 겹으로 이루어져 있어 많은 양의 산/염기 혹은 유기용매를 필수적으로 요구하기 때문에 경제성의 문제가 있을 뿐만 아니라 오토클레이브, 초음파(ultrasound) 등 물리적 전처리 또한 가해져야 한다.

세 번째 에스테르화 반응은 추출된 지질을 바이오디젤에 적합한 형태로 바꾸는 단계이다. 미세조류 내 지질은 크게 유리 지방산 (Free fatty acid), 트리글리세리드 (Triglyceride), 두 가지 형태로 존재하는데 이들은 메탄올과 반응하여 바이오디젤로 바뀐다. 하지만 이 반응은 매우 느려서 촉매인 산과 염기가 필요하다. 이때 소모되는 촉매 혹은 메탄올은 많은 양이 반응에 이용되기 때문에 전체 바이오디젤 생산 비용의 30-40%를 차지하게 된다(Bioresource technology, 108, 119-127).

에스터화 반응에 산을 촉매로 사용하는 경우 반응속도가 느려 반응이 완료될 때까지 수 시간 이상이 소요되고, 요구하는 촉매의 양이 많아 비용이 비싸다. 또한, 일반적으로 많이 사용되는 염산, 황산, 질산 등의 인체에 유해하고 부식을 일으킬 수 있는 문제점이 있다. 아울러, 염기를 촉매로 사용하는 경우는 미세조류 지질인 유리 지방산 내 수소 이온이 염기촉매의 이온 (Na⁺, K⁺ 등)로 바뀌는 비누화 반응을 일으켜 바이오디젤의 생산 수율이 낮고 생성된 비누에 의해 정제공정이 방해를 받아서 생산성이 떨어지는 문제점이 있다.

이러한 배경 하에, 본 발명자들은 미세조류의 건조과정 없이 미세조류 배양액에 응집제 및 촉매로 동시에 작용할 수 있는 3가 철 이온을 첨가하여 미세조류를 침전시키고, 이어 과산화수소를 첨가하는 간단한 공정으로 미세조류 지질을 추출하고, 3가 철 이온을 촉매로 하는 산 반응을 통하여 유리 지방산을 제거한 후, 염기촉매를 이용하여 효율적으로 에스터화 반응을 수행하고, 유기용매를 첨가하면 효율적이고 용이하게 바이오디젤을 회수할 수 있음을 확인하여 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 미세조류 배양액에 Fe³ ⁺ 이온을 첨가하여 미세조류를 농축하는 제1 단계, 상기 제1 단계에서 농축된 미세조류 농축액에 과산화수소를 첨가하여 미세조류 지질을 추출하는 제2 단계, 상기 제2 단계에서 추출된 미세조류 지질 추출액에 메탄올을 첨가하여 제1 에스테르화 반응을 유도하는 제3 단계 및 상기 제3 단계에서 제1 에스테르화 반응이 완료된 반응액에 염기 촉매를 첨가하여 제2 에스테르화 반응을 유도하는 제4 단계를 포함하는 바이오디젤의 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 구체적인 실시예에서는, 미세조류 배양액에 3가 철 이온의 농도와 pH를 다양하게 하여, 가장 좋은 수확 효율을 보이는 3가 철 이온의 농도 및 pH를 확인하였다.

그 결과, pH 3 조건에 대해서만 수확 효율을 보이는 것을 확인하였고, 최종 수확 효율이 90%정도 될 수 있는 3가 철 이온의 농도를 확인하였다(실시예 1).

또 다른 실시예에서는, 본 발명의 방법에 의하여 수확한 미세조류 농축액에 과산화수소의 농도와 온도에 따라 미세조류의 지질 추출률이 어떻게 달라지는지 확인함으로써, 미세조류 지질 추출의 최적의 반응 조건을 확립하였다(실시예 2).

또한, 본 발명의 방법에 의하여 추출한 미세조류 지질 추출액에 포함되어 있는 3가 철 이온을 촉매로 하는 산 반응을 통하여 유리 지방산을 제거한 후, 염기 촉매를 이용하여 에스터화 반응을 수행하였다.

산 반응을 통하여 유리 지방산을 제거하는 반응은 상온에서는 실험효과가 없었으며, 60℃ 이상인 경우 효과가 나타나고, 90℃ 이상에서 보다 효율적으로 진행되는 것을 확인하였다(실시예 3).

염기 촉매를 통한 에스터화 반응은 상온에서는 실험효과가 없었으며, 60℃ 이상의 온도를 가하는 경우 반응이 효과적으로 진행됨을 확인하였다(실시예 3).

또한, 본 발명에서 에스터화 반응을 수행한 후 가스 크로마토그래피(gas chromatography, GC)로 결과를 분석하였다. 그 결과 미세조류가 함유하고 있는 지질이 우수한 효율로 바이오디젤로 전환되는 것을 확인하였다(실시예 3).

본 발명의 또 다른 실시예에서는 철 3가 이온을 촉매로 하는 산 반응을 통하여 유리 지방산을 제거하고 염기촉매를 이용하여 에스터화 반응을 진행한 후 유기용매를 첨가하여 바이오디젤을 회수하였다(실시예 4).

이하 본 발명을 상세하게 설명한다.

하나의 양태로서, 본 발명은 미세조류 배양액에 Fe³ ⁺ 이온을 첨가하여 미세조류를 농축하는 제1 단계, 상기 제1 단계에서 농축된 미세조류 농축액에 과산화수소를 첨가하여 미세조류 지질을 추출하는 제2 단계, 상기 제2 단계에서 추출된 미세조류 지질 추출액에 메탄올을 첨가하여 제1 에스테르화 반응을 유도하는 제3 단계 및 상기 제3 단계에서 제1 에스테르화 반응이 완료된 반응액에 염기 촉매를 첨가하여 제2 에스테르화 반응을 유도하는 제4 단계를 포함하는 바이오디젤의 제조방법에 관한 것이다.

상기 미세조류란, 광합성 색소를 가지고 광합성을 하는 단세포생물을 의미한다. 본 발명에 적용될 수 있는 미세조류는 두날리엘라(Dunalliella), 클라미도모나스(Chlamydomonas), 쎄네데무스(Scenedesmus), 클로렐라(Chlorella), 유글레나(Euglena), 테트라셀미스(Tetraselmis), 보트리오코커스(Botryococcus), 난노클로롭시스(Nannochloropsis), 코코믹사(Coccomyxa), 패오닥티룸(Phaeodactylum), 시조키트리움(Schizochytrium), 아르스로피라(Arthrospira), 니츠시아(Nitzschia), 이소크리시스(Isochrysis), 마이크로시스티스(Microcystis), 나노클로리스 (Nannochloris), 시네코코스 (Synechococcus), 시네코시스티스 (Synechocystis), 또는 아우란티오크리트리움(Aurantiochytrium) 등 일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 본 발명의 구체적인 실시예에서는 클로렐라를 사용하였으나, 지질을 함유하고 있는 미세조류에 해당하는 한 본 발명의 미세조류에 포함될 수 있다.

상기 미세조류는 건조 균체 또는 습식 균체일 수 있다. 본 발명의 일구현예로 습식 균체로 바이오디젤의 제조를 하는 경우, 미세조류의 건조과정 없이 바이오디젤을 생산할 수 있어, 건조과정에 소모되는 막대한 에너지 및 시간을 절약하여 경제성을 도모할 수 있다.

본 발명의 일 구현예로, 상기 제1단계는 미세조류 배양액에 대하여 Fe³ ⁺ 이온을 100mg/L 내지 1,000mg/L로 첨가하는 것일 수 있다. 예를 들어, 미세조류 배양액에 대하여 Fe³ ⁺ 이온을 200mg/L 내지 1,000mg/L, 200mg/L 내지 300mg/mL를 첨가하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 Fe³ ⁺의 농도 범위는 사용되는 미세조류의 종에 따라 바뀔 수 있으며, 농도 범위를 벗어나는 경우 미세조류 수확 및 농축이 효율적으로 이루어지지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 미세조류 배양액에 대하여 Fe³ ⁺의 농도가 상기 범위 미만인 경우 응집제의 양이 부족함에 따라 상등액에 미세조류가 여전히 부유되어 완전하게 미세조류를 침전시킬 수 없고 상기 범위를 초과할 경우 응집제가 상등액에 존재함으로 비용 소모와 함께 미세조류 배양수를 재이용할 수 없을 수 있다.

미세조류의 경우 음전하를 띄고 있기 때문에 상기 제1단계에서 Fe³ ⁺ 이온은 미세조류 수확을 위한 응집제로서 작용할 수 있고, 그에 따라 미세조류가 골고루 퍼져있는 배양액에서 미세조류를 효과적으로 응집시켜 미세조류 배양기 바닥으로 침전시킬 수 있다.

본 발명의 일 구현예로, 제1단계에서 Fe³ ⁺ 이온을 사용하기 전의 미세조류 배양액의 농도가 약 1g/L 일 경우, Fe³ ⁺ 이온을 첨가함으로써 미세조류 배양액을 약 20g/L 이상의 고농도로 농축 및 수확할 수 있다.

또한, 상기 제1단계는 pH 1 내지 10에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1단계는 pH 1 내지 6, pH 1 내지 5, pH 1 내지 4, pH 1 내지 3, pH 2 내지 3, pH 3 내지 4 또는 pH 2.5 내지 pH 3.5 또는 pH 3일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 pH 범위는 사용되는 미세조류의 종에 따라 바뀔 수 있으며, 상기 pH 범위를 벗어나는 경우 미세조류 수확 및 농축이 효율적으로 이루어지지 않을 수 있다.

일예로, 상기 제1 단계에서 수득한 미세조류 농축액에 과산화수소를 첨가하여 미세조류 지질을 추출하는 제2 단계를 수행할 수 있다. 상기 제2단계에서 과산화수소가 첨가됨으로써 펜톤 반응이 일어날 수 있고 그에 따라 생성된 수산화라디칼에 의하여 미세조류의 세포벽이 분해되어 미세조류 지질을 추출할 수 있다.

펜톤 반응은 과산화수소 및 산화환원효소가 철과 반응하여 일어나는 반응으로, 하기 펜톤 반응식으로 설명될 수 있다. 철과 과산화수소 사이의 반응 결과 반응성이 매우 높은 자유라디칼(free radical)이 생성되고, 이는 유기물에 대한 강한 반응성으로 세포구성물질을 산화시킬 수 있다.

[펜톤 반응식]

Fe³ ⁺+ H₂O₂ → Fe² ⁺ + HO₂ ^ㆍ+ H⁺

Fe² ⁺ + H₂O₂ → Fe³ ⁺+ ^-OH + HO^ㆍ

HO₂ ^ㆍ↔ H⁺ + O₂ ^ㆍ-

Fe³ ⁺ + HO₂ → Fe² ⁺ + H⁺ + O₂

따라서, 본 발명의 제1단계에서 응집제로서 처리된 Fe³ ⁺는 철이온을 포함하므로, Fe³ ⁺가 제2단계에서 첨가된 과산화수소와 반응하여 펜톤반응을 일으킬 수 있고, 그에 따라 생성된 수산화라디칼에 의하여 미세조류의 세포벽이 분해되어 미세조류 지질을 추출할 수 있다.

일예로, 상기 제2 단계에서 과산화수소는 미세조류 농축액에 0.1 내지 3.0(v/v)% 첨가할 수 있다. 예를 들어, 제2 단계에서 과산화수소는 미세조류 농축액에 0.3 내지 3.0(v/v)%, 0.3 내지 1.0(v/v)%, 0.5 내지 1.0(v/v)% 첨가하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 미세조류 농축액에 첨가되는 과산화수소의 농도가 상기 범위 미만인 경우 미세조류 지질 추출이 효과적으로 이루어지지 않을 수 있고, 상기 범위를 초과하는 경우에는 비경제적일 뿐만 아니라, 폭발의 위험이 증가할 수 있다.

펜톤 반응의 최적화된 온도 조건이 30 내지 35℃로 알려져 있는 것과는 달리, 본 발명에서, 상기 제2단계의 펜톤 반응은 80 내지 120℃에서 수행될 수 있다. 일예로, 제2단계의 펜톤 반응은 80 내지 110℃, 80 내지 100℃, 80 내지 90℃, 90 내지 100℃, 90 내지 110℃, 90 내지 120℃, 85 내지 95℃에서 수행될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 온도 범위를 벗어나는 경우 미세조류의 추출이 효과적으로 이루어지지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 제2단계가 80℃ 미만에서 수행되는 경우 미세조류의 세포벽이 원활하게 깨지지 않아 낮은 지질추출율을 나타낼 수 있고, 120℃ 초과에서 수행되는 경우 발생되는 수산화라디컬 자체가 분해 되어 산화력을 잃고, 그에 따라 지질추출효율이 낮아질 수 있다.

본 발명에서 상기 제2 단계는 펜톤 반응을 통하여 미세조류 세포벽의 분해가 이루어지는데, 종래 알려진 펜톤 반응의 최적 온도인 30 내지 35℃와는 전혀 다른 온도에서 최적의 추출률을 나타낸다.

또한, 본 발명에서 제1단계와 제2단계는 하나의 반응기에서 수행됨으로써, 미세조류의 수확 및 지질 추출이 동시에 또는 연속적으로 일어날 수 있다. 이는 제1단계에서 사용되는 Fe³ ⁺ 이온이 미세조류의 응집제 및 제2단계에서 일어나는 펜톤 반응의 촉매로 동시에 작용하기 때문이다. 제1단계와 제2단계가 하나의 반응기에서 수행됨으로써 미세조류의 수확과정과 미세조류 지질의 추출과정을 통합하여 하나의 공정으로 수행할 수 있다. 그에 따라, 미세조류의 수확과정과 미세조류 지질의 추출과정이 효율적이고 경제적으로 수행될 수 있다.

미세조류 지질은 미세조류가 함유하고 있는 모든 종류의 지질을 의미한다. 예를 들어, 미세조류 지질은 유리지방산(Free fatty acid), 트리글리세라이드(Triglyceride), 디글리세라이드(diglyceride) 또는 인지질(Phospholipid) 등 일 수 있다. 바이오디젤의 제조와 관련하여 유리지방산은 염기촉매에 의한 비누화 반응에 의해 바이오디젤의 손실과 복잡한 부산물 분리, 세척 공정 등을 요구하므로 문제가 된다. 본 발명에서는 유리지방산을 제1 단계에서 첨가된 Fe³ ⁺ 촉매를 이용한 제1 에스테르화 반응을 통하여 효율적으로 제거함으로써 유리지방산으로 인하여 발생하는 문제점 및 후속 단계의 제2 에스테르화 반응을 우수하게 진행할 수 있다.

본 발명에서 제1 에스테르화 반응 시, 미세조류 지질 및 메탄올을 이용하는 데, 상기 제2단계에서 추출한 미세조류 지질 추출액 10mL 에 대하여 메탄올 10 mL 내지 30mL을 반응시키는 것 일 수 있다. 예들 들어, 미세조류 지질 추출액 10mL 에 대하여 메탄올 10 mL 내지 20mL을 반응시키는 것 일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 제1 에스테르화 반응에서 제2단계에서 추출한 미세조류 지질 추출액 10mL 에 대하여 메탄올을 10mL 미만 반응시키는 경우 에스터 교환 반응의 효율이 낮아질 수 있고 최종 바이오디젤의 수율까지 낮아질 수 있다. 또한, 제1 에스테르화 반응에서 제2단계에서 추출한 미세조류 지질 추출액 10mL 에 대하여 메탄올을 30mL 초과로 반응시키는 경우에는 초과로 투여되는 양에 비하여 에스터 교환 효율의 변화가 낮아 경제성이 낮아질 수 있다.

또한, 상기 제1 에스테르화 반응 시에는 제1 단계에서 첨가된 Fe³ ⁺ 이온이 촉매로 사용될 수 있다. 이러한 Fe³ ⁺ 촉매는 루이스 산으로서 미세조류 지질의 유리지방산을 효과적으로 바이오디젤로 전환할 수 있다.

산에 의한 에스터화 반응은 반응속도가 느리고 촉매의 회수가 불가능함으로 인하여 비용이 비싼 단점이 있으나, 단순한 구조로 이루어진 유리지방산의 경우 미량의 산으로 단시간에 바이오디젤로 바뀔 수 있다. 본 발명에서는 이러한 점을 이용하여 비누화 반응을 일으키는 유리 지방산을 Fe³ ⁺ 촉매를 이용한 산 반응을 통하여 우선 제거한 후 염기 촉매를 이용함으로써 산 촉매 및 염기 촉매의 문제점을 극복 것이다.

또한, 제3 단계 반응은 60 내지 100℃에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 제3 단계의 반응은 60 내지 90℃, 70 내지 100℃, 70 내지 90℃ 또는 80 내지 90℃ 등에서 수행될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 제1 에스터 교환 반응이 60℃ 미만에서 수행되는 경우 에스테르화 반응이 효율적으로 진행되지 못하여 반응을 추가로 시켜줘야 할 수 있고, 100℃를 초과하여 수행되는 경우 에스테르화 반응 효율의 증가에 비하여 온도를 올리기 위한 추가적인 에너지의 소모가 더 많을 수 있다. 나아가 100℃ 이상에서는 물 끓는 점 이상으로 압력을 가하거나 추가적인 기계가 필요하는 불편함이 있을 수 있다.

본 발명에서 제4 단계는 60 내지 100℃에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 제4단계는 60 내지 90℃, 90℃일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 제2 에스테르화 반응이 60℃ 미만에서 수행되는 경우 에스테르화 반응이 효율적으로 진행되지 못하고, 100℃를 초과하여 수행되는 경우 에스테르화 반응 효율의 증가에 비하여 온도를 올리기 위한 추가적인 에너지의 소모가 더 많을 수 있다. 나아가 100℃ 이상에서는 물 끓는 점 이상으로 추가적인 기계가 필요하는 불편함이 있을 수 있다.

일예로, 상기 제4 단계는 pH 10 내지 14에서 수행될 수 있다. 상기 제4단계는 pH 11 내지 14, pH 10 내지 13, pH 12 내지 14, pH 12 내지 13에서 수행될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 제4단계에서의 pH가 pH 10 미만인 경우 에스테르화 반응이 일어나지 않을 수 있고, pH 14 이상인 경우는 pH 12인 경우와 에스테르화 반응 효율이 비슷하기 때문에 비경제적일 수 있다.

또한, 본 발명의 제4 단계에서 사용되는 염기 촉매는 예를 들어, 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화칼슘, 수산화마그네슘, 수산화알루미늄, 수산화바륨, 수산화소듐, 수산화철, 수산화리튬, 수산화아연, 수산화니켈, 수산화주석, 수산화바륨, 수산화코발트, 수산화크로뮴, 수산화암모늄, 수산화지르코늄, 수산화티타늄, 수산화탄탈륨, 수산화하프늄, 수산화니오븀, 수산화크롬, 수산화바나듐 또는 나트륨메톡시드 등 일 수 있으나, 이에 제한되지 않고 에스터 교환 반응에 사용되는 염기 촉매에 해당하면 제한없이 본 발명의 범위에 포함된다.

본 발명의 일 구현예로 본 발명은, 상기 제4 단계가 완료된 후 반응액에 유기용매를 첨가하여 미세조류 지질을 회수하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 미세조류 지질을 회수하는 단계는 교반 없이 또는 교반을 하며 수행할 수 있고, 일예로, 교반을 수행하는 경우 50 내지 250 rpm에서 수행할 수 있다.

상기 미세조류 지질을 회수하는 단계에서 유기용매를 첨가하는 경우 지질층과 수용액층으로 층 분리가 일어날 수 있는데, 지질층에는 미세조류 지질이 포함되어 있고, 수용액층에는 미세조류 잔여물 및 Fe³ ⁺ 이온이 포함되어 있을 수 있다. 이러한 층 분리를 통하여 미세조류 지질을 용이하게 분리할 수 있을 뿐만 아니라, Fe³⁺ 이온 또한 쉽게 분리하여 재이용이 가능할 수 있다.

예를 들어, 미세조류 지질을 회수하는 단계에서 사용되는 유기용매는 클로로포름(chloroform), 헥산(hexane), 디메틸 에테르(dimethyl ether), 펜탄(pentane), 옥탄(octane), 헵탄(heptane), 데칸(decane), 도데칸(dodecane), 에틸 아세테이트(ethyl acetate), 아세토나이트릴(acetonilrile), 씨클로헥산(cyclohexane), 아세톤(acetone), 프로판올(propanol), 에탄올(ethanol) 또는 메탄올(methanol) 등 일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

본 발명의 제조방법을 통하여 제조되는 바이오디젤은 미세조류 지질을 원료로 하여 제조되는 지방산 메틸 에스터(Fatty Acid Methyl Ester, FAME)일 수 있다. 예를 들어, 상기 지방산 메틸 에스터는 C8 내지 C24의 화합물일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 바이오디젤의 제조 방법은 제1 단계에서 첨가된 Fe³ ⁺ 이온이 제1 단계의 미세조류 농축에서의 응집제, 제2 단계의 미세조류 지질 추출 시 펜톤반응을 일으키는 철 이온 및 제3단계에서는 루이스 산으로 유리 지방산을 단시간에 바이오디젤로 전환시켜주는 촉매로서 계속 작용을 함으로써 각 공정을 통합화하여 수행할 수 있고, 바이오디젤 제조에 경제성 및 효율이 극대화될 수 있다.

본 발명에 따른 바이오디젤 생산 방법으로 미세조류를 수확하고, 미세조류 지질을 추출하여 바이오디젤을 제조하는 경우, 미세조류의 수확과 미세조류 지질 추출을 하나의 반응기에서 수행할 수 있어, 비용 및 에너지 소모 측면에서 경제적이고, 미세조류의 수확에 사용된 Fe³ ⁺이온을 미세조류 지질 추출 및 유리지방산을 바이오디젤로 단시간에 전환시키는 루이스 산 촉매로도 활용함으로써 별도의 촉매를 사용할 필요가 없어 경제적일 뿐만 아니라, 습식상태로 진행이 가능하기 때문에 건조과정에 소모되는 막대한 양의 에너지를 절약할 수 있어 경제성을 극대화하여, 단시간에 저비용으로 바이오디젤의 제조가 가능하다.

도 1은 pH 3 또는 pH 6 조건에서, 미세조류 배양액에 FeCl₃ 200mg/L 첨가한 후, 시간 경과에 따른 미세조류 응집 정도를 나타낸 것이다.
도 2는 pH 3조건에서, 미세조류 배양액에 FeCl₃의 농도를 다양하게 하여 첨가(100, 200, 300mg/L)한 후, 미세조류의 응집 정도를 그래프로 나타낸 것이다.
도 3는 pH 6조건에서, 미세조류 배양액에 FeCl₃의 농도를 다양하게 하여 첨가(100, 200, 300mg/L)한 후, 미세조류의 응집 정도를 그래프로 나타낸 것이다.
도 4는 pH 9조건에서, 미세조류 배양액에 FeCl₃의 농도를 다양하게 하여 첨가(100, 200, 300mg/L)한 후, 미세조류의 응집 정도를 그래프로 나타낸 것이다.
도 5는 실시예 1에서 얻어진 미세조류 농축액(170 mg/10mL)에 90℃에서 0.5%의 과산화수소를 첨가하고, 시간에 따라 탈색되는 양상을 나타내는 그림으로 나타낸 것이다. 'A'는 0분, 'B'는 15분, 'C'는 30분, 'D'는 45분, 'E'는 60분인 경우를 나타낸다.
도 6은 실시예 1에서 얻어진 미세조류 농축액에 과산화수소 0.5%를 첨가하고 90℃에서 Fenton 반응을 수행하고 건조시킨 후, Fenton 반응 전 후의 세포 표면을 SEM (Scanning electron microscope) Imange로 나타낸 것이다. A-1, A-2는 Fenton 반응 전 원세포의 표면이고, B-1, B-2는 Fenton 반응 이후의 깨진 표면을 나타낸다.
도 7은 실시예 2에서 추출한 지질에 메탄올을 첨가하여 산 반응을 통해 에스터 교환 반응을 수행한 결과를 나타낸다. 'A'는 메탄올을 2mL 첨가, 'B'는 메탄올을 5mL 첨가, 'C'는 메탄올을 10mL 첨가, 'D'는 메탄올을 20mL 첨가한 결과를 나타낸다.
도 8은 실시예 3에서 유리 지방산 제거가 완료된 반응액에 NaOH pH 9 내지 12로 주입하여, 에스터 교환 반응을 수행하고 GC로 측정한 결과를 나타낸다. 도 8a의 GC 그래프는 pH 10의 NaOH를 주입하였을 경우의 결과, 도 8b의 GC 그래프는 pH 12의 NaOH를 주입하였을 경우의 결과를 나타낸다.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

본 실시예는 에너지 기술 연구원에서 분양 받은 Chlorella sp. KR-1 종 (1.7 g/L, 지질 함량 35%) 170mg/100mL을 이용하여 실시하였다.

실시예 1. 3가 철이온을 이용한 미세조류 수확

하기 표 1과 같이 각 농도에 따른 FeCl₃(100, 200, 300mg/L)를 미세조류 배양액에 넣고 pH를 다양화(pH 3, 6, 9)하여 시간에 따른 미세조류 응집 정도를 확인하였다.

구분	FeCl₃ 농도 (mg/L)	pH
실험군 1	100	3
실험군 2	200	3
실험군 3	300	3
실험군 4	100	6
실험군 5	200	6
실험군 6	300	6
실험군 7	100	9
실험군 8	200	9
실험군 9	300	9

응집 정도는 배양액 초기 흡광도와 응집 후 흡광도의 비로 확인하였고, 흡광도는 UV-VIS spectrophotometer로 680 nm에서 측정하였다.

Harvesting efficiency (%)= (응집 이후 흡광도 / 초기흡광도) × 100

그 결과, 도 2 내지 도 4에서 확인할 수 있는 바와 같이, pH 3 조건에 대해서만 효율을 보이는 것을 확인하였고, 200mg/L 이상의 FeCl₃ 조건에서 최종 효율은 90%정도가 얻어질 수 있음을 확인하였다(도 2).

구체적으로, pH 6 이나 pH 9 조건에서는 농축이 일어나지 않았으므로 초기 농도인 1.7g/L과 동일하였으나, pH 3에서 200mg/L 이상의 FeCl₃를 사용하는 경우 170mg/10mL로 초기 농도에 비하여 10배 농축할 수 있음을 확인하였다.

실시예 2. Fenton 반응을 이용한 지질 추출

2-1. H ₂ O ₂ 농도 및 온도에 따른 탈색 현상 확인

수확 공정에서 최적조건인 FeCl₃ 200 mg/L, pH 3에 대해 얻어진 미세조류 농축액(170 mg/10mL)을 이용하여 실험을 진행하였다. 수확 공정 이후 추가적 Fe 공급은 없었다.

지질 추출에 있어, 하기 표 2와 같이 온도와 H₂O₂ 농도를 다양화하였다.

구분	H₂O₂ 농도 (%)	온도(℃)
실시예 10	0.3	60
실시예 11	0.5	60
실시예 12	1.0	60
실시예 13	0.3	90
실시예 14	0.5	90
실시예 15	1.0	90

그 결과, 90℃에서 H₂O₂가 0.5% 이상의 농도일 때는 1시간여만에 탈색(bleaching) 현상(도 5의 E)이 일어났으며, 0.3% 이하의 농도일 때는 8시간이 지나도 미세조류 고유의 색인 녹색이 남아있음을 확인하였다. 60℃ 일 때는 두 농도 모두 시간이 지나도 녹색이 남아있음을 확인하였다.

탈색 현상은 세포 파괴 내지 엽록소 파괴의 지표가 될 수 있으므로, 흰색이 됨에 따라 지질추출율이 높다고 판단하였다. 정량적인 지질 추출율은 유기용매 (chloroform)을 주입하여 교반 (100 rpm, 1 시간)함으로써, 지질이 유기용매 층에 녹게 한 후, 증발기(evaporator)를 이용하여 유기용매를 날림으로써 남은 지질 무게를 측정하여, 40.5 mg 임을 확인하였다. 실시에 1에서 사용한 Chlorella sp. KR-1 종의 지질 함량은 35%이고, 실시예 1에서 농축한 세포는 170mg이므로, 총 지질은 170 mg(세포) × 35%(지질함량)=51 mg로 예상되나, 40.5mg의 지질이 추출되었으므로, 지질 추출율은 40.5/51 × 100 = 약 80% 정도 임을 확인하였다.

2-2. Fenton 반응 전 후 미세조류 세포 표면 확인

Fenton 반응으로 세포가 효과적으로 파괴되는지를 확인하기 위하여, 각 세포를 70℃ 오븐에서 이틀 건조시킨 후, SEM(Scanning electron microscope) Imange를 통하여 Fenton 반응 전 후 미세조류 세포 표면을 비교하였다.

도 6에서 알 수 있는 바와 같이, Fenton 반응 전 원세포 표면(도 6의 A-1, A-2)에 비하여, Fenton 반응(H₂O₂ 0.5%, 90℃) 후 세포 표면(도 6의 B-1, B-2)으로 볼 때, Fenton 반응에 의해 세포 표면이 효과적으로 파괴되었음을 확인하였다.

실시예 3. 에스테르화 반응

실시예 2에서 추출한 미세조류 지질 40.5mg에 메탄올 2mL 내지 20mL와 실시예 1에서 첨가된 100 내지 300 mg/L FeCl₃를 이용하여 에스테르화 반응을 실시하였다. 온도는 상온에서는 실험효과가 없었으며, 고온(60℃ 이상)에서는 효과가 나타나나 90℃ 이상에서 효과적으로 에스테르화 반응이 일어나는 것을 확인하였다. 메탄올은 10mL 이상일 경우 효과적으로 에스테르화 반응이 일어남을 확인하였고, 그 이하의 농도에 대해서는 비누화 반응이 일어나는 것을 확인하였다 (도 7의 A, B). 비누화 반응이 일어났다는 것은 유리지방산이 효과적으로 처리되지 않아 NaOH와 반응하여 비누화가 일어난 것으로 결론 내릴 수 있다.

NaOH는 pH 10과 12로 적정 하고 상온에서부터 90℃에 대해 10분 동안 반응을 진행하였다. 상온에서는 실험효과가 없었으며, 60℃ 이상의 온도에서 효과적으로 에스테르화 반응이 일어남을 확인하였다.

이후 상온에서 chloroform을 5 mL 주입하여 30분에서 3시간 가량 교반하고, chloroform층 1mL을 GC 분석에 이용하였다. Standard는 Heptanoic acid methyl ester (C17:0, 0.5 mg/mL)를 이용하였고, retention time에 해당하는 지방산(fatty acid) 종류와 면적에 따른 농도를 환산하여 농도를 계산하였다. 분석 결과, 미세조류 내 지질을 이용하여 생산된 바이오디젤의 양과 조성을 하기 표 3(pH 12인 경우)에 나타내었다.

Retention time ( min )	지방산 종류	얻어진 지방산 ( mg / mL )
Retention time ( min )	지방산 종류	pH 10	pH 12
10.187	C16:0	1.201±0.071	4.326±0.266
13.364	C18:1	0.343±0.041	1.235±0.034
13.703	C18:2	0.295±0.015	1.065±0.124
	Others	0.560±0.021	2.019±0.200
	Total	2.401±0.150	8.647±0.626

상기 표 3 및 도 8에서 알 수 있는 바와 같이, pH 10인 경우(도 8a)와 pH 12인 경우(도 8b)가 에스테르화 효율이 현저히 차이나는 것을 확인하였다. pH 10은 약 20-30%의 변환효율을 얻었고, pH 12는 90%이상의 변환효율을 확인하였다.

총 전환율 (%) = (공정 이후 얻어진 바이오디젤 획득량(8.647mg/mL) × 5(클로로포름 5mL 사용) / 미세조류가 함유하고 있는 지질 함량(35%) × 미세조류 dry weight (170mg) × Fenton 반응에 의한 지질 추출율(80%)) × 100

이러한 결과를 통하여 본 발명에 따른 바이오디젤 제조방법에 의해 미세조류 내 지질이 효과적으로 바이오디젤로 변환되었음을 입증하였다.

실시예 4. 유기용매/메탄올 회수 및 바이오디젤 회수

각각의 용매 (메탄올과 유기용매)의 경우 증발기로 회수하였고, 유기용매층을 증발시킨 후 바이오디젤이 남는 것을 확인하였다.

Claims

미세조류 배양액에 Fe³ ⁺ 이온을 첨가하여 미세조류를 농축하는 제1 단계;
상기 제1 단계에서 농축된 미세조류 농축액에 과산화수소를 첨가하여 미세조류 지질을 추출하는 제2 단계;
상기 제2 단계에서 추출된 미세조류 지질 추출액에 메탄올을 첨가하여 제1 에스테르화 반응을 유도하는 제3 단계; 및
상기 제3 단계에서 제1 에스테르화 반응이 완료된 반응액에 염기 촉매를 첨가하여 제2 에스테르화 반응을 유도하는 제4 단계를 포함하는
바이오디젤의 제조방법.
제1 항에 있어서, 상기 미세조류는 두날리엘라(Dunalliella), 클라미도모나스(Chlamydomonas), 쎄네데무스(Scenedesmus), 클로렐라(Chlorella), 유글레나(Euglena), 테트라셀미스(Tetraselmis), 보트리오코커스(Botryococcus), 난노클로롭시스(Nannochloropsis), 코코믹사(Coccomyxa), 패오닥티룸(Phaeodactylum), 시조키트리움(Schizochytrium) 및 아르스로피라(Arthrospira)로 구성된 군으로부터 선택되는 속 중 하나 이상인, 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 미세조류는 건조 균체 또는 습식 균체인, 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 제1 단계에서 Fe³ ⁺ 이온은 미세조류 배양액에 100mg/L 내지 1,000mg/L 첨가하는 것인, 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 제1 단계는 pH 1 내지 10에서 수행되는 것인, 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 제2 단계에서 과산화수소는 미세조류 농축액에 0.1 내지 3.0 (v/v)% 첨가하는 것인, 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 제2 단계는 80 내지 120℃에서 수행되는 것인, 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 제3 단계에서 메탄올을 미세조류 지질 추출액 10 mL에 10 내지 30mL 첨가하는 것인, 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 제3 단계는 60 내지 100℃에서 수행되는 것인, 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 제4 단계에서 염기 촉매는 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화칼슘, 수산화마그네슘, 수산화알루미늄, 수산화바륨, 수산화소듐, 수산화철, 수산화리튬, 수산화아연, 수산화니켈, 수산화주석, 수산화바륨, 수산화코발트, 수산화크로뮴, 수산화암모늄, 수산화지르코늄, 수산화티타늄, 수산화탄탈륨, 수산화하프늄, 수산화니오븀, 수산화크롬, 수산화바나듐 및 나트륨메톡시드로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인, 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 제4 단계는 pH 10 내지 14에서 수행되는 것인, 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 제4 단계는 60 내지 100℃에서 수행되는 것인, 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 제4 단계에서 제2 에스테르화 반응이 완료된 반응액에 유기용매를 첨가하여 미세조류 지질을 회수하는 단계를 포함하는, 제조방법.
제13항에 있어서, 상기 유기용매는 클로로포름(chloroform), 헥산(hexane), 디메틸 에테르(dimethyl ether), 펜탄(pentane), 옥탄(octane), 헵탄(heptane), 데칸(decane), 도데칸(dodecane), 에틸 아세테이트(ethyl acetate), 아세토나이트릴(acetonilrile), 씨클로헥산(cyclohexane), 아세톤(acetone), 프로판올(propanol), 에탄올(ethanol) 메탄올(methanol) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인, 제조방법.