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문제 정의
- 본 연구에서는 녹색 미세조류인 Chlorella vulgaris (C. vulgaris)로부터 유기용매 추출과 초임계 이산화탄소 추출 방법을 이용하여 오일 추출에 대한 연구를 수행하였다. 유기용매 추출은 유기 용매 종류와 시간에 따른 영향에 대해 조사하였으며, 초임계 이산화탄소 추출에 있어서는 온도, 압력, 이산화탄소 유속 및 공용매 (cosolvent) 첨가 등의 공정변수에 따른 영향을 조사하였다.
- 본 연구에서는 미세조류에 대한 유기용매 추출과 초임계 이산화탄소 추출 실험을 수행하였다. 유기 용매의 추출 결과 C.
- 앞서 여러 연구자들이 초임계 이산화탄소의 추출 효율을 개선하기 위한 방법으로 초임계 유체에 공용매를 첨가한 실험을 수행하였다 [19,20]. 이에 본 실험에서는 초임계 이산화탄소 추출에 있어 공용매의 첨가가 오일 추출에 미치는 영향에 대한 실험을 수행하였다. 공용매가 첨가된 초임계 이산화탄소 추출은 80℃, 50 MPa의 온도와 압력 그리고 2 mL/min의 이산화탄소 유속에서 수행하였다.
제안 방법
- C. vulgaris 추출물 중의 지방산 조성을 확인하기 위해 내부 표준물질로 methyl nonadecanoate를 1 mg/mL 농도로 heptane에 용해시켜 stock solution을 제조한 후 추출물 50 mg에 stock solution 5 mL을 넣어 용해시킨 후 2 N 농도의 KOH-MeOH 용액 0.05 mL를 첨가하여 추출물내 오일을 FAME으로 전환한 후 GC/FID (Gas Chromatography/Flamed Ionized Detector, 5890 Series II, Hewlett Packard, USA)를 이용하여 지방산 함량을 측정하였다. 분석 칼럼으로는 DB-1 (60 m × 0.
- C. vulgaris로부터 유기용 추출 실험은 MeOH, ethanol (EtOH), dichloromethane (DCM), chloroform, acetone, hexane 등의 용매를 단일 및 혼합하여 상온에서 5시간 동안 수행하였으며, 그 결과를 Fig. 2에 나타내었다. Acetone과 hexane의 경우 지질과 오일 추출 수율이 낮았으며, DCM/MeOH (2：1, v/v)의 경우 4.
- 1에 나타내었다. SFX 3560 실험 장치는 초임계 유체와 보조용매의 공급에 필요한 2대의 주사형 고압 정량펌프 (syringe pump, 260D, 100DX, ISCO, USA)와 펌프를 제어하는 조절기 (controller), 유속 조절을 위한 restrictor, 고압 chamber 및 추출물의 수집을 위한 수집부로 이루어진 본체로 구성되어 있으며, 초임계 이산화탄소를 이용한 C. vulgaris에 추출 실험은 다음과 같은 방법으로 수행되었다.
- 이에 본 실험에서는 초임계 이산화탄소 추출에 있어 공용매의 첨가가 오일 추출에 미치는 영향에 대한 실험을 수행하였다. 공용매가 첨가된 초임계 이산화탄소 추출은 80℃, 50 MPa의 온도와 압력 그리고 2 mL/min의 이산화탄소 유속에서 수행하였다. 이때 공용매는 앞서 유기 용매 추출에 사용된 용매를 10% (v/v)로 첨가하였다.
- 오일의 용해도는 초임계 이산화탄소의 밀도에 큰 영향을 받으며, 초임계 이산화탄소의 밀도는 온도와 압력 변화를 통해 다양하게 조절된다. 공정 온도와 압력 변화가 추출에 미치는 영향을 알아보기 위해 40, 60 및 80℃의 온도와 15, 30 및 50 MPa의 압력 조건에 1 mL/min의 초임계 이산화탄소 유속과 4시간의 추출시간을 고정하고 실험을 수행하였다.
- 막자 사발을 이용하여 갈은 C. vulgaris 시료 1 g을 10 mL 용량의 cartridge에 넣고, 일정한 추출 온도로 유지되는 고압 챔버 (chamber)에 장착한 후 주사형 고압정량펌프에 의해 가압되어 일정한 압력과 온도로 조절된 초임계 이산화탄소를 고압 챔버 내의 cartridge 내부로 흐르게 하여 추출 실험을 수행하였다. 추출물을 포함하는 초임계 이산화탄소는 유량 조절기 (restrictor)를 지나 대기압 상태로 배출되고, 이후 가스 상태의 이산화탄소는 대기 중으로 방출되고 추출물은 수집 용기 내 유기용매에 용해되어 포집되었다.
- 앞서 여러 연구자들이 초임계 이산화탄소의 추출 효율을 개선하기 위한 방법으로 초임계 유체에 공용매를 첨가한 실험을 수행하였다 [19,20]. 이에 본 실험에서는 초임계 이산화탄소 추출에 있어 공용매의 첨가가 오일 추출에 미치는 영향에 대한 실험을 수행하였다.
- 용매 추출, 순수한 초임계 이산화탄소 추출 및 10% DCM/ MeOH (2：1, v/v)의 공용매가 첨가된 초임계 이산화탄소 추출법을 통해 얻어진 C. vulgaris 오일의 지방산 조성을 비교하여 Table 1에 나타내었다. 세 가지 추출법 모두 α-Linolenic acid가 가장 높은 함량을 가지고 있었으며, 추출 방법에 따라 지방산 조성의 큰 차이가 없음을 확인할 수 있다.
- 유기용매 추출 실험 결과 가장 높은 오일 수율을 가지는 DCM/MeOH (2：1, v/v)를 용매로 사용하여 C. vulgaris에 포함된 총 오일의 함량을 알아보기 위하여 72시간 동안 추출 실험을 수행하였으며, 추출 시간에 따른 오일 수율 변화를 Fig. 3에 나타내었다. 18시간 이후 추출된 오일 양은 큰 차이가 나타나지 않았으며, C.
- vulgaris)로부터 유기용매 추출과 초임계 이산화탄소 추출 방법을 이용하여 오일 추출에 대한 연구를 수행하였다. 유기용매 추출은 유기 용매 종류와 시간에 따른 영향에 대해 조사하였으며, 초임계 이산화탄소 추출에 있어서는 온도, 압력, 이산화탄소 유속 및 공용매 (cosolvent) 첨가 등의 공정변수에 따른 영향을 조사하였다.
- 25 μm, Agilent J&W Scientific, USA)를 사용하였다. 이 때 오븐의 온도는 150℃에서 2분간 유지시킨 후 200℃까지 5℃/min의 속도로 승온 시키고, 250℃까지는 2℃/min의 속도로 승온 시킨 후 20분간 온도를 유지하여 분석하였다. 이동상으로는 수소 기체를 사용하였고 시료는 1 μL를 주입하였으며, split ratio는 50：1로 하였다.
- 추출 실험은 시료 약 1 g을 100 mL의 둥근 바닥 플라스크 (round bottom flask)에 넣고 100 mL의 추출용매를 넣은 후 상온에서 1-72시간 동안 수행하였다. 일정시간 추출실험 후 추출액은 감압 여과하여 C. vulgaris로부터 추출액을 분리하였으며, 필터 위 C. vulgaris에 잔류하는 추출액은 각 추출 용매로 세척하여 회수하였다. 회수된 추출액은 회전식 증발기를 이용하여 농축한 후 농축된 추출액을 60℃에서 진공 건조하여 추출물을 회수하였다.
- 초임계 이산화탄소 추출 실험은 analytical-scale의 초임계 유체 추출기 (SFX 3560, ISCO, Lincoln, USA)를 사용하였으며, 40~80℃, 1.5~50 MPa의 온도, 압력 및 공용매에 대한 영향에 대해 고찰하였다. 본 실험에서 사용된 analytical-scale 초임계 유체 추출장치의 개략도를 Fig.
- 각 추출 방법에 의한 미세조류의 지질 함량은 무게법을 이용하여 측정하였다. 추출 공정을 통해 얻어진 추출물은 회전식 증발기를 이용하여 농축한 후 60℃에서 진공 건조하여 추출물의 무게 변화가 없을 때까지 반복적으로 무게를 측정하여 지질함량을 확인하였다.
- 유기용매 추출과 초임계 이산화탄소 추출에 공용매로 사용된 용매들은 HPLC급으로 Fisher사로부터 구입하여 더 이상 정제과정 없이 사용하였다. 추출물에 포함된 오일 함량 분석은 지질 표준물질 (fatty acid methyl ester (FAME) mixtures; C4：0-C24：1, 99.9%, Supelco, USA)을 heptane에 용해시켜 사용하였으며, 추출된 오일의 함량은 2 N 농도의 KOH-methanol (MeOH) 용액을 이용하여 FAME으로 전환 후 측정하였다.
- 추출물을 포함하는 초임계 이산화탄소는 유량 조절기 (restrictor)를 지나 대기압 상태로 배출되고, 이후 가스 상태의 이산화탄소는 대기 중으로 방출되고 추출물은 수집 용기 내 유기용매에 용해되어 포집되었다. 포집된 추출액을 건조하여 추출물의 양을 측정하였으며 각 공정 조건마다 4시간 동안 추출 실험을 수행하였다.
대상 데이터
- Chlorella vulgaris (C. vulgaris)는 (주)대상에서 공급받아 사용하였으며, 초임계 유체로는 99.5%의 순도를 가지는 이산화탄소 ((주) 동민특수가스, 대한민국)를 구입하여 사용하였다. 유기용매 추출과 초임계 이산화탄소 추출에 공용매로 사용된 용매들은 HPLC급으로 Fisher사로부터 구입하여 더 이상 정제과정 없이 사용하였다.
- 이러한 바이오연료에 대한 관심이 증가함에 따라 바이오연료 생산을 위해 사용되는 원료의 수요 또한 지속적으로 증가하고 있으며, 그로인해 원료 가격이 지속적으로 상승하고 있는 추세이다. 바이오디젤 생산을 위한 바이오매스로 1세대는 유채유, 해바라기씨유, 대두유 등과 같은 식용작물을, 2세대는 볏짚이나 폐목재와 같은 비식용작물을 이용하였다 [4]. 그러나 작물의 경우 거대한 경작지를 필요로 하며, 성장속도가 느린 문제점이 있다.
- 분석 칼럼으로는 DB-1 (60 m × 0.25 mm × 0.25 μm, Agilent J&W Scientific, USA)를 사용하였다.
- 5%의 순도를 가지는 이산화탄소 ((주) 동민특수가스, 대한민국)를 구입하여 사용하였다. 유기용매 추출과 초임계 이산화탄소 추출에 공용매로 사용된 용매들은 HPLC급으로 Fisher사로부터 구입하여 더 이상 정제과정 없이 사용하였다. 추출물에 포함된 오일 함량 분석은 지질 표준물질 (fatty acid methyl ester (FAME) mixtures; C4：0-C24：1, 99.
- 이동상으로는 수소 기체를 사용하였고 시료는 1 μL를 주입하였으며, split ratio는 50：1로 하였다.
이론/모형
- 각 추출 방법에 의한 미세조류의 지질 함량은 무게법을 이용하여 측정하였다. 추출 공정을 통해 얻어진 추출물은 회전식 증발기를 이용하여 농축한 후 60℃에서 진공 건조하여 추출물의 무게 변화가 없을 때까지 반복적으로 무게를 측정하여 지질함량을 확인하였다.
성능/효과
- 3에 나타내었다. 18시간 이후 추출된 오일 양은 큰 차이가 나타나지 않았으며, C. vulgaris에는 약 4.64%의 오일이 함유되어 있음을 확인하였다. Gouveia and Oliveira [15]의 연구 결과에서 C.
- 64%의 오일이 함유되어 있었으며, 유기용매 추출에 비해 순수 초임계 이산화탄소 추출의 경우 매우 낮은 오일 추출 수율을 가지는 것을 확인 하였다. 공용매가 첨가된 초임계 유체 추출의 경우 초임계 이산화탄소 추출에 비해 오일 추출 수율이 향상되는 것을 확인할 수 있었으나 유기용매 추출 대비 18.5%로 추출 효율이 낮은 것을 확인할 수 있었다. 또한, 3가지 추출 방법 중 오일 순도는 초임계 유체 추출 방법이 유기용매 추출 방법에 비해 더 높은 값을 가짐을 확인하였다.
- 친수성 용매인 MeOH과 소수성 용매인 DCM 및 chloroform을 혼합한 용매를 공용매로 사용한 경우 오일 추출 수율은 증가하였다. 그 중에서 DCM/MeOH (1：2, v/v)로 혼합한 용매를 공용매로 사용한 경우 가장 높은 추출 수율을 얻을 수 있었으며, 초임계 이산화탄소 추출 대비 약 60% 더 증가한 값을 보였다. 이는 미세조류의 세포벽에 보호된 내부의 오일을 추출하는데 있어 소수성 용매의 첨가는 미세조류 세포벽 침투를 오히려 방해하여 추출 수율이 감소한 반면, 친수성 용매인 MeOH을 비극성 용매와 혼합하여 공용매로 사용한 경우 친수성 용매의 경우 세포벽 내부로 침투를 더 용이하게 할 수 있도록 도와주고 소수성 용매의 경우 오일에 대한 용해도를 증가시키는 상호 보완적 결과를 통해 더 높은 오일 추출 수율을 가지게 된다.
- 또한, 3가지 추출 방법 중 오일 순도는 초임계 유체 추출 방법이 유기용매 추출 방법에 비해 더 높은 값을 가짐을 확인하였다. 그러나 실험 결과 미세조류로부터 오일을 추출하는데 있어 지질내 오일의 순도는 24% 내외로 추가적인 오일의 정제 과정이 필요할 것으로 생각되어진다. 또한, 본 실험에서 사용한 C.
- 5%로 추출 효율이 낮은 것을 확인할 수 있었다. 또한, 3가지 추출 방법 중 오일 순도는 초임계 유체 추출 방법이 유기용매 추출 방법에 비해 더 높은 값을 가짐을 확인하였다. 그러나 실험 결과 미세조류로부터 오일을 추출하는데 있어 지질내 오일의 순도는 24% 내외로 추가적인 오일의 정제 과정이 필요할 것으로 생각되어진다.
- 상대적으로 초임계 유체 추출법은 유기용매 추출법에 비해 매우 낮은 추출 효율을 가지는 것을 확인할 수 있다. 또한, 초임계 유체 추출에 있어 공용매가 첨가된 경우 약 60% 더 높은 추출 수율을 얻을 수 있었다. 추출물내 오일의 순도는 유기용매 추출에 비해 초임계 유체 추출의 경우 더 높은 것을 확인할 수 있었다.
- 86 wt%의 오일이 추출되었다. 상대적으로 초임계 유체 추출법은 유기용매 추출법에 비해 매우 낮은 추출 효율을 가지는 것을 확인할 수 있다. 또한, 초임계 유체 추출에 있어 공용매가 첨가된 경우 약 60% 더 높은 추출 수율을 얻을 수 있었다.
- 세 가지 추출법 모두 α-Linolenic acid가 가장 높은 함량을 가지고 있었으며, 추출 방법에 따라 지방산 조성의 큰 차이가 없음을 확인할 수 있다.
- 온도 증가에 따른 오일 수율은 22 MPa의 압력 근처에서 서로 상반된 결과를 보여주고 있다. 약 22 MPa 부근의 압력을 기준으로 낮은 압력 범위에서는 온도가 감소할수록 오일의 수율은 증가하였으며, 높은 압력 범위에서는 온도가 증가할수록 오일 수율이 증가하였다. 이는 오일의 용해도가 밀도와 증기압에 영향을 받기 때문에 특정 압력을 기준으로 더 낮은 압력 조건에서는 오일 용해도가 밀도에 의존하고 더 높은 압력 조건에서는 오일의 용해도가 오일의 증기압 증가에 의존하기 때문이다 [17,18].
- 본 연구에서는 미세조류에 대한 유기용매 추출과 초임계 이산화탄소 추출 실험을 수행하였다. 유기 용매의 추출 결과 C. vulgaris에는 약 4.64%의 오일이 함유되어 있었으며, 유기용매 추출에 비해 순수 초임계 이산화탄소 추출의 경우 매우 낮은 오일 추출 수율을 가지는 것을 확인 하였다. 공용매가 첨가된 초임계 유체 추출의 경우 초임계 이산화탄소 추출에 비해 오일 추출 수율이 향상되는 것을 확인할 수 있었으나 유기용매 추출 대비 18.
- 추출방법에 따른 추출 수율과 추출물내 오일 순도를 비교하여 Table 2에 나타내었다. 유기용매 추출법은 DCM/MeOH (2：1, v/v)를 이용하여 18시간 동안 추출하였을 경우 약 4.64 wt%, 순수한 초임계 이산화탄소를 이용하여 추출 하였을 경우 약 0.53 wt%, 10% DCM/MeOH (1：2, v/v)가 공용매가 첨가된 초임계 이산화탄소 추출에서는 약 0.86 wt%의 오일이 추출되었다. 상대적으로 초임계 유체 추출법은 유기용매 추출법에 비해 매우 낮은 추출 효율을 가지는 것을 확인할 수 있다.
- 추출 실험은 80℃, 50 MPa의 온도 압력 조건에서 4시간 동안 수행되어졌다. 이산화탄소의 유속이 증가함에 따라 추출 수율은 증가하였으나, 1 mL/min 이상의 이산화탄소 유속에서 추출 수율은 큰 차이를 보이지 않았다. 이산화탄소의 유속 증가에 따라 더 많은 양의 이산화탄소가 사용되기 때문에 동일 추출시간 동안 더 많은 양의 오일을 추출될 수 있다.
- 7에 나타내었다. 추출 실험 결과 MeOH, DCM, chloroform이 단독으로 사용된 경우 오일 추출 수율은 감소하였다. 그러나 MeOH의 경우 총 지질수율은 증가하였다.
- 또한, 초임계 유체 추출에 있어 공용매가 첨가된 경우 약 60% 더 높은 추출 수율을 얻을 수 있었다. 추출물내 오일의 순도는 유기용매 추출에 비해 초임계 유체 추출의 경우 더 높은 것을 확인할 수 있었다.
- 추출물내 오일의 순도를 비교한 결과 MeOH의 경우 높은 추출물 수율을 보이나 오일 순도는 23% 이었다. 반면 DCM의 경우 추출물 수율은 8%로 낮았으나 오일 순도는 약 88%로 가장 높은 값을 나타내었다.
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