[논문]이성분 용매 추출에 의한 미세조류로 부터의 바이오디젤용 지질 분리

홍연기; 김정배; 잉사이먼

doi:10.7836/kses.2011.31.6.066

이성분 용매 추출에 의한 미세조류로 부터의 바이오디젤용 지질 분리
Extraction of Lipids from Microalgae Using Polar and Nonpolar Bi-solvent Systems 원문보기

한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, v.31 no.6, 2011년, pp.66 - 71

홍연기 (충주대학교 화공생물공학과) , 김정배 (충주대학교 에너지시스템공학과) , 잉사이먼 (웨인주립대학교 화학공학과 미국 국립 바이오 에너지 연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

Various single solvents were tested to find the effective solvent for the extraction of algae oil from wet-form Chlorella minutissima. In the case of single solvents, their extractabilities for algae oil were increased with their polarity because the water in wet algae cell is to form a solvent shell around the lipids. Based on these results, the wet-form algae samples were treated with a polar alcohol solvent and then a nonpolar solvent was added in algae residue. In the algae oil extraction by ethanol/n-hexane, total lipid contents were 40-50% and composition of triglyceride in extracted oil was 46.50%. Considering solvent toxicity of conventional solvent mixture such as chloroform and methanol for algae oil extraction, the ethanol/n-hexane system was identified as the effective one for the oil extraction from wet-form Chlorella minutissima.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 젖은 형태의 조류로부터 조류 오일을 추출하기 위해 여러 용매에 대한 조류 오일 추출 특성을 알아보고 최종적으로는 극성과 비극성 용매를 적절히 조합하여 바이오디젤 생산에 적합한 오일을 추출할 수 있는 친환경 용매계를 개발하고자 한다.

제안 방법

따라서 극성비극성으로 이어지는 용매 추출 단계가 중요해진다. 본 연구에서는 용매가 조류 세포로의 침투를 용이하게 하기 위해 젖은 형태의 조류를 극성 용매로 우선 처리하게 된다. 이때 극성 지질이 추출이 되고 추출 후 남아 있는 잔류 조류에 대해서는 비극성 용매를 반복적으로 가하여 비극성 지질을 추출하게 된다.
1M로 용해시킨 CH₃ONa 을 이용하여 메틸에스터로 전환시킨 다음 이를 n-헵탄으로 추출한다. 실온에서 용매를 증발시키고 난 후 얻어진 메틸에스터를 GC-MS (PerkinElmer Clarus 500)를 이용하여 상세 조성을 분석하였다. 전체 메틸에스터 함량은 건조 미세조류 질량 대비 질량비로 계산하였다.
실온에서 용매를 증발시키고 난 후 얻어진 메틸에스터를 GC-MS (PerkinElmer Clarus 500)를 이용하여 상세 조성을 분석하였다. 전체 메틸에스터 함량은 건조 미세조류 질량 대비 질량비로 계산하였다.
추출된 미세조류 오일내의 자유지방산,트리글리세라이드,디글리세라이드,그리고 모노글리세라이드의 함량을 결정하기 위해서 HPLC(High performance liquid chromatography, PerkinElmer Series 200)를 사용하였다.

대상 데이터

Chlorella minutissima (UTEX 2219)는 미국의 텍사스대학에서 제공받았으며 세포의 크기는 2-5μm이다.
극성/비극성 용매 조합에 의한 조류오일의 추출에는 4가지의 조합이 사용되었다. 극성 용매로서는 메탄올, 에탄올(Sigma),부탄올 (Sigma)을 사용하였으며 비극성용매로서는 n-헥산을 사용하였다. 단일 용매에 의한 추출과 마찬가지로 7g의 젖은 형태의 미세조류 샘플을 취하고 이를 8mL의 극성용매와 혼합한다.
파쇄된 조류에 추출용 용매를 가하여 2시간 동안 접촉을 시킨다. 본 실험에서 사용된 용매는 메탄올 (Sigma), 이소프로판올(Mallinckrodt Baker), 톨루엔 (Sigma), 그리고 n-헥산 (Fisher Scientific)이다. 추출 후 얻어진 유기용매를 증발시키면 미세조류 오일을 얻게 된다.
표 3은 에탄올/n-헥산에 의한 조류 오일의 추출 과정에서의 지방산의 조성을 보여주고 있다. 추출 대상이 되는 조류는 조류내 오일 함량을 높이기 위해 흰색 및 적색 LED광원을 사용하였다. 광원에 따른 지방산메틸에스터의 조성에는 큰 차이가 없었다.

성능/효과

(1)기존의 건조 미세조류와는 달리 젖은 형태의 미세조류는 조류 세포내에 다량의 물이 함유되어 있으므로 조류 오일 추출을 위해서는 용매의 극성이 높을수록 추출능이 높았다.
(2)젖은 형태의 미세조류에 대한 오일 추출 효율을 높이기 위해서 극성용매 추출 후 비극성용매 추출로 이어지는 추출단계를 수립하였으며 기존 클로로폼/메탄올계와 비교했을 때 에탄올/n-헥산은 이와 유사한 추출능을 보였다.
(3)에탄올/n-헥산은 바이오디젤 생산에 효과적인 트리글리세라이드에 대한 선택도가 높았으며 클로로폼/메탄올에 비해 용매 독성이 현저하게 낮으므로 이를 대체할 수 있는 용매계가 될 수 있다.
태양에너지를 화학적인 에너지로 변환하기 위한 에너지 효율은 약 5%로서 타 식물에 비해 높은 것으로 알려져 있다.⁵⁾ 생산공정은 크게 광생물반응기에서의 반응단계와 이후 바이오디젤 원료용 오일을 얻기 위한 분리공정으로 나눌 수 있다.
지질 추출양 만을 보면 극성 용매가 건조 조류 질량 대비 20-30%의 오일을 추출하는 것으로 나타나 효율적임을 알 수 있다.또한 극성용매의 경우 단 한 번의 추출만으로도 조류 오일의 상당부분을 추출하는 것으로 나타났다. 그러나 톨루엔이나 n-헥산과 같은 비극성 용매에 의한 추출에서는 추출능이 낮은 것으로 나타났다.
반면 C18:1과 C18:3의 높은 함량은 산화 안정성을 강화시켜 바이오디젤의 장기 보관을 가능하게 한다. 이는 본 연구에서 사용된 Chlorellaminutissima로부터 유래된 바이오디젤이 상용 내연기관에도 적합함을 보여준다.
트리글리세라이드 이외 성분의 존재 유무는 조류의 배양 조건 뿐 아니라 조류오일 추출에 사용되는 용매의 특성에 따라 달라지게 된다. 전통적으로 사용되어온 클로로폼/메탄올 계의 경우 다른 용매계에 비해 추출능이 높음에도 불구하고 모노글리세라이드의 추출이 상대적으로 높은 것으로 나타났다.1-부탄올/n-헥산계는 조류 지질 추출에 있어 낮은 효율을 보였다.
그림 3에서는 용매 극성에 따른 지질 추출양의 변화를 나타내었다. 지질 추출양 만을 보면 극성 용매가 건조 조류 질량 대비 20-30%의 오일을 추출하는 것으로 나타나 효율적임을 알 수 있다.또한 극성용매의 경우 단 한 번의 추출만으로도 조류 오일의 상당부분을 추출하는 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	바이오디젤이란?	바이오디젤은 연소기관으로의 적용을 목적으로 식물성,동물성 유지의 화학적 전환을 통해 얻어지는 긴 사슬 지방산의 모노알킬에스터로서 기존의 디젤 연료를 대체하기 위한 연료를 말한다.1)
	바이오디젤 생산에 사용되는 원료는?	바이오디젤 생산에 사용되는 원료는 동식물에서 추출되는 오일이지만 현재까지는 대두유와 팜유를 포함한 식물성 오일이 사용되고 있다.그러나 식물유는 최근 애그플레이션에 따른 곡물가의 상승 등으로 인해 경제성이 악화되고 있는 실정이다.
	바이오디젤 생산에 사용되는 원료 중 식물유의 현황은?	바이오디젤 생산에 사용되는 원료는 동식물에서 추출되는 오일이지만 현재까지는 대두유와 팜유를 포함한 식물성 오일이 사용되고 있다.그러나 식물유는 최근 애그플레이션에 따른 곡물가의 상승 등으로 인해 경제성이 악화되고 있는 실정이다.

참고문헌 (9)

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