[논문]미세조류 유래 바이오연료 생산 기술에 관한 고찰

박조용; 김재곤; 박천규

doi:10.7316/khnes.2016.27.4.386

미세조류 유래 바이오연료 생산 기술에 관한 고찰
A Review of Biofuels Production Technologies from Microalgae 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.27 no.4, 2016년, pp.386 - 403

박조용 (한국석유관리원 석유기술연구소) , 김재곤 (한국석유관리원 석유기술연구소) , 박천규 (한국석유관리원 석유기술연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

Biofuels produced from biomass can be substituted for petroleum fuels due to GHG reduction, sustainability and environmental friendly. The process technologies that convert biomass into biofuels are varied and depend on the feedstocks. Microalgae are considered to be one of the most promising alternative source to the conventional feedstocks for biofuel. Microalgae can be converted to biodiesel, bioethanol, biogas and biojet fuel via thermolchemical and biochemical production technologies. This reviews discusses recent advance in understanding the effects of the characteristics of various processes on the production of biofuels using microalgae. The performances of microalgae based biofuel are compared.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

바이오디젤은 에스테르화반응과 초음파, 마이크로파 등을 병행하여 생산성을 높이고 있으며 바이오 항공유는 HDCJ 공정이 가장 생산비용이 낮은 것으로 알려져 있다. 또한, 바이오에탄올은 암발효 및 광발효를 통해 생산을 하고 있으며 바이오가스는 경제성이 낮지만 전처리 공정 개선을 통해 생산성을 높이고자 하고 있다.
본 논문에서는 미세조류를 활용하여 생산 가능한 바이오디젤, 바이오에탄올, 바이오항공유, 바이오가스 생산 공정에 대해 알아보고 미세조류 종에 따른 다양한 추출법과 미세조류로부터 생산된 바이오디젤과 바이오항공유의 연료 특성에 대해 기술하겠다.

제안 방법

또한, 지질 추출을 위한 마이크로파를 조사한 다음, 90°C에서 5분 동안 가열하여 지질 추출량을 증가시키기도 하였다.
이 때 용매와 열을 가하여 효율을 높였으며 추출된 지질은 GC를 이용하여 분석하였다¹²⁾. 미세조류에서 원심분리를 이용하여 수분을 제거하고 증류수와 클로로포름(chloroform)을 혼합하여 슬러리로 준비한 다음, 1000 W의 에너지에서 1분 동안 마이크로파를 조사하여 추출을 진행하였다. 또한, 지질 추출을 위한 마이크로파를 조사한 다음, 90°C에서 5분 동안 가열하여 지질 추출량을 증가시키기도 하였다.
Wang 등은 미세조류를 통해 바이오항공유 (jet B)를 생산하는 공정을 모델링하였으며 미세조류를 열분해하여 바이오오일을 얻고 이를 수소첨가반응을 통해 업그레이딩하는 방법으로 항공유를 생산하였다⁵⁾. 생산비용을 낮추기 위해 수소화처리에 필요한 수소를 개질반응(reforming)을 통해 생산하여 공급했으며 개질반응의 열원으로는 미세조류로부터 열분해를 통해 얻어지는 바이오오일의 저분자 탄화 수소를 이용하였다. 업그레이딩을 통해 얻어진 연료는 C₁-C₅, C₆-C₁₅, C₁₆-C₂₆의 탄화수소로 증류하여 분리하였다.
Lohman 등은 마이크로파를 이용하여 다양한 미세조류 종에 대한 추출을 진행하였다. 이 때 용매와 열을 가하여 효율을 높였으며 추출된 지질은 GC를 이용하여 분석하였다¹²⁾. 미세조류에서 원심분리를 이용하여 수분을 제거하고 증류수와 클로로포름(chloroform)을 혼합하여 슬러리로 준비한 다음, 1000 W의 에너지에서 1분 동안 마이크로파를 조사하여 추출을 진행하였다.
샘플은 90°C에서 30분 동안 가열하고 2 ml의 boron fluoride을 첨가하여 다시 30분 동안 가열한다. 핵산, NaCl 수용액을 첨가하고 원심분리하여 유기층으로 분리하고 함량분석을 위한 내부표준물질로 C 23:0 FAME 추가로 첨가하여 이를 GC-MS로 분석하게 된다(Fig. 4)¹⁶⁾.

이론/모형

FAME로 전환하여 지질의 함량을 분석하는 방법은 Griffiths 등에 의해 시도되었다. 45 ml의 원료를 4800 rpm으로 4°C에서 10분 동안 원심분리를 시키고 이를 3 ml의 증류수로 분산시켜 1200 rpm에서 원심분리를 통해 수분을 제거하였다.

성능/효과

포화 FAME가 많은 Chlamydomonas sp., Scenedesmus obliquus는 높은 산화 안정도와 63-64의 세탄가, 27-35의 요오드가를 나타내었다. Table 10은 다양한 미세조류에서 유래한 바이오디젤의 품질 특성을 나타내었다.
Nascimento 등은 12종의 미세조류에 대해 바이오디젤을 합성하여 특성을 분석하였다⁴²⁾. Chlorella 가 204.91mg/L･day로 가장 높은 생산성을 보였고 불포화 FAME가 많은 Kirchneriella lunaris, Ankistrodes-mus fusiformis, Chlamydocapsa bacillus, Ankistrodesmus falcatus 종들은 42-50의 세탄가와 101-136의 요오드가를 나타내었다. 포화 FAME가 많은 Chlamydomonas sp.
tricornutum에서 가장 많이 지질이 추출되었고 FAME 전환율도 가장 높은 결과를 보였다. P. tricornutum에서 FAME로 전환되면 C_16:1과 C_16:0의 FAME가 각각 24.8%와 14.7%로 나타났다.
마이크로파를 이용하여 추출된 지질의 양을 Table 3에 나타내었다. P. tricornutum에서 가장 많이 지질이 추출되었고 FAME 전환율도 가장 높은 결과를 보였다. P.
하지만, Cho 등은 열분해, 수열분해, 초음파 등을 활용하여 다양한 조건에서 실험하였으며 수열분해를 통해 120°C에서 30분 동안 처리한 경우에서 가장 높은 메탄 수율을 나타내었다³⁷⁾. 그리고, 초음파와 열분해를 비교해보면 초음파로 처리한 경우에 더 높은 메탄 수율을 나타내었다.
열처리, 초음파, 가압열분해, 지질추출 등의 방법이 이용되고 있으며 가장 효과적인 방법으로 GonzalezFernandez 등의 연구에서 Scenedesmus를 원료로 하여 초음파와 열처리를 통해 전처리한 경우에 생산성을 향상시킬 수 있다고 보고하고 있다. 또한, 두 가지 이상의 전처리 방법을 이용한 경우에도 높은 향상을 나타내었다(Table 8).

후속연구

미세조류를 이용하여 바이오에탄올을 경제적으로 생산가능 하다면 기존의 바이오에탄올이 곡물에서 유래한다는 단점을 극복할 수 있고 기존의 인프라를 그대로 사용가능한 장점이 있다. 또한, 국내에서도 RFS 제도 하에서 바이오에탄올의 의무혼합 도입 가능성이 커지고 있는 상태로 바이오에탄올 수요는 앞으로 증가할 것으로 보인다.
미세조류 유래 바이오연료가 상용화되기 위해서는 원료 배양기술, 지질 추출 및 전처리 기술 등의 개선과 바이오항공유, 바이오에탄올 등의 바이오연료에 대한 품질 규명 및 품질향상 방안 개발이 필요하며 이를 기반으로 미세조류 유래 바이오연료를 사용하는 설비에 대한 성능, 배출가스 등의 적용성 평가를 통해 상용화 기반연구가 진행되어야 한다.
현재 대부분은 팜유, 폐식용유, 동물성 유지 등으로부터 생산되며 점차 팜유의 수입이 증가하고 있는 상태이다. 앞으로 미세조류의 생산이 경제성을 갖는다면 국내 현실을 고려할 때 바이오매스 국산화가 이루어질 수 있을 것이며 바이오디젤 공급도 안정화가 될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	1 세대 바이오연료는 콩이나 유채 등의 식용작물에서 추출한 식물성 원료를 이용하여 생산하는데 이에 따른 문제점은?	이러한 바이오연료는 주로 콩, 유채 등의 식용작물에서 추출한 식물성 원료를 이용해 생산되고 있으며 1 세대 바이오연료 기술로 분류되고 있다. 이는 곡물가격 상승을 유발해 저소득층과 아프리카와 같은 빈곤 국가의 식량난을 가중시킨다는 비판을 받고 있어 곡물 기반 바이오연료의 위험성에 대해 경고하고 있다. 또한, 늘어나는 바이오디젤의 수요에 맞추어 팜유와 같은 원료 생산을 위해 광범위한 열대우림 또는 산림이 훼손되고 있으며, 이는 오히려 지구온난화를 부추긴다는 지적도 있다. 더욱이 우리나라는 바이오디젤의 원료(특히, 팜유) 대부분을 수입하고 있으므로 수급 및 가격이 석유자원의 경우와 유사하게 대외적인 환경 변화에 크게 의존할 가능성이 있다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 바이오연료의 원료로 기존 식용작물 대신에 미세조류(microalgae)를 활용하는 기술이 차세대 바이오연료 기술로 큰 관심을 받고 있다(Fig.
	미세 조류는 어떤 조건이 만족되면 황무지, 해안가, 바다 등 어디서든 배양할 수 있는가?	다세포성 거대조류에는 녹조류(green algae), 홍조류(red algae), 갈조류(brown algae) 등이 있으며, 이들은 얕은 바다의 서식지에 대량으로 존재하고 있으며, 해조류(seaweed)로도 부른다. 미세 조류는 광합성만 가능하다면(즉, 햇빛, 물, 이산화탄소만 있다면) 황무지, 해안가, 바다 등 어디서든 배양할 수 있어 기존 식용작물과 토지나 공간 측면에서 상호 경쟁하지 않는다. 미세조류는 광합성을 통해 양질의 식물성 오일을 생체 내에 축적하며 단위 면적당 오일 생산량이 기존 식용작물과 비교하면 50-100배 이상 높은 것이 특징이다.
	전세계적으로 생산 가능한 바이오연료는 어떤 것이 있는가?	화석연료를 바탕으로 한 산업부문의 발달이 급속도로 진행되면서 이산화탄소 배출량이 증가하여 지구온난화가 가속화되었고 대기오염에 따른 환경에 대한 문제가 대두되면서 친환경 연료에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 주로 이산화탄소 저감을 위해 바이오매스를 이용하여 바이오연료를 생산하는 기술이 대부분을 차지하고 있으며 현재 전세계적으로 생산 가능한 바이오연료로는 바이오디젤, 바이오에탄올, 바이오가스 등이 상용 플랜트로 가동되고 있다. 이러한 바이오연료는 주로 콩, 유채 등의 식용작물에서 추출한 식물성 원료를 이용해 생산되고 있으며 1 세대 바이오연료 기술로 분류되고 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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