초록 ▼

1. 최종목표
• 초임계 유체 추출 기술을 이용한 미세조류로부터 고효율 기름 추출 장치 개발
• 초임계 유체 공정 설계 인자 최적화 및 scale-up
• 초임계 분획 시스템을 이용한 미세조류 추출물의 유효성분 분리/정제 공정 개발
2. 개발내용 및 결과
• 미세조류에 포함된 오일 함량과 초임계 이산화탄소 추출공정에 사용할 공용매 선정을 위해 유기용매 추출 연구를 병행하여 수행한 결과 DCM/MeOH(1:2, v/v)의 경우 가장 높은 수율을 나타냈으며, 총 지질은 약 22%, 오일(바이오디젤로 전환 가능

1. 최종목표
• 초임계 유체 추출 기술을 이용한 미세조류로부터 고효율 기름 추출 장치 개발
• 초임계 유체 공정 설계 인자 최적화 및 scale-up
• 초임계 분획 시스템을 이용한 미세조류 추출물의 유효성분 분리/정제 공정 개발
2. 개발내용 및 결과
• 미세조류에 포함된 오일 함량과 초임계 이산화탄소 추출공정에 사용할 공용매 선정을 위해 유기용매 추출 연구를 병행하여 수행한 결과 DCM/MeOH(1:2, v/v)의 경우 가장 높은 수율을 나타냈으며, 총 지질은 약 22%, 오일(바이오디젤로 전환 가능한 지질)은 약 4.5%가 추출됨.
• 미세조류 세포벽 파괴를 위한 전처리 연구 결과 NaOH로 화학적 처리를 한 경우 가장 좋은 추출효율을 보였으나 후속 공정이 요구되어 비교적 효과가 좋고 후처리 공정이 필요 없는 기계적 분쇄법인 grinding을 시료 전처리 방법으로 선정함.
• 미세조류의 선정을 위해 C. vulgaris를 포함한 3 종류의 미세조류를 대상으로 초임계 이산화탄소 추출 최적 공정조건인 500 bar, 80oC에서 실험을 수행한 결과 가장 오일의 추출수율이 높게 나온 C. vulgaris를 연구과제의 대상 미세조류로 선정함.
• Analytical-scale 초임계 이산화탄소 추출 연구
‑ 최적 온도/압력 조건을 선정하기 위해 다양한 실험을 수행한 결과 온도와 압력이 높을수록 추출되는 미세조류 오일의 양이 증가한다는 것을 확인함.
‑ 초임계 이산화탄소 추출공정의 효율을 개선하기 위해 공용매로 변형된 균일상 초임계 이산화탄소 추출에 관한 연구를 수행한 결과 DCM/MeOH(1:2,v/v)을 공용매로 사용한 경우 순수 초임계 이산화탄소 오일 추출 대비 약 60% 증가한 오일 추출수율을 얻을 수 있었으나, 유기용매 추출 결과에 비해 상당히 낮은 결과가 나타남.
• Lab-scale 초임계 이산화탄소 추출 연구
‑ 다양한 실험을 통해 80oC의 온도, 400 bar의 압력, 9 L/min의 초임계 이산화탄소 유속, 3시간의 추출시간이 최적 공정조건으로 선정되어, 이 조건에서 초임계 이산화탄소 추출 연구를 수행함.
‑ 공용매로 변형된 균일상 초임계 이산화탄소 추출에 초음파의 적용연구를 수행한 결과 총 지질의 추출 수율은 증가하였으나, 오일의 추출 수율에 대한 영향은 거의 나타나지 않음.
‑ Glass bead 첨가의 영향에 관한 연구를 수행한 결과 미세조류 시료와 glass bead를 혼합함으로써 종횡비의 변화에 따른 편류현상을 현저히 억제할 수 있는 것으로 확인됨.
‑ 공용매로 변형된 균일상 초임계 이산화탄소 추출공정의 효율을 보다 더 향상시키기 위해 유기용매가 혼합된 불균일상 초임계 이산화탄소 추출에 관한 연구를 수행한 결과 DCM:MeOH(1:2, v/v)을 사용한 경우 오일의 추출 수율이 훨씬 더 증가하는 결과를 얻었으나, 여전히 유기용매 추출 대비 약 50% 정도인 2.1%의 오일이 추출되는 결과가 나타남.
‑ 초임계 이산화탄소 분획 실험 결과 온도와 압력의 변화만으로는 추출된 지질중 오일의 순도를 향상시키기에는 불충분하다는 사실을 확인함.
• Mini-pilot 초임계 이산화탄소 추출 장치 설계/제작 및 운전 연구
‑ Analytical-scale 초임계 유체 추출장치의 실험 결과와 이 장치를 10배 이상 scale-up한 lab-scale 장치
의 실험 결과를 비교분석하여 scale-up을 위한 engineering data를 구축하고, 이를 바탕으로 1.2 L 용량의 mini-pilot 추출장치를 설계/제작함. 1.2 L 용량의 mini-pilot 추출장치의 경우 3시간당 약 600 g 의 미세조류를 추출할 수 있어 1일당 약 4.8 kg의 미세조류를 처리할 수 있음.
‑ Mini-pilot 장치를 사용해 추출 실험을 수행한 결과 lab-scale의 결과와 유사한 추출 경향을 나타냄.
• 초임계 메탄올을 이용한 미세조류 오일의 추출/전환 단일 공정연구
‑ 초임계 이산화탄소를 기반으로 한 추출의 한계를 극복하기 위해 극성용매인 메탄올을 초임계 유체로 사용하여 미세조류 오일의 추출/바이오디젤전환 단일공정에 관한 연구를 추가로 수행한 결과 공정시간 20 분 내에 약 90%의 오일 추출/전환 수율을 얻을 수 있었음.
‑ 젖은 상태의 미세조류를 대상으로 한 실험에서도 거의 동일한 오일 추출/전환 수율을 얻음.
3. 사업성과
• 기술적 성과
‑ 초임계 메탄올을 이용한 미세조류 오일의 추출/전환 단일 공정기술을 개발하였으며, 이 공정의 경우 기존 공정에서 요구되는 건조, 전처리, 추출 및 바이오디젤 전환 등의 복잡한 다단계 공정을 단일 공정으로 단순화시킬 수 있는 매우 효율적인 공정기술임.
‑ 초임계 메탄올 추출/전환 단일 공정기술의 경우 기존 공정에서는 적용하기 어려운 젖은 상태의 미세조류를 건조과정 없이 바로 원료로 사용할 수 있음.
• 경제적 성과
‑ 젖은 상태의 C. vulgaris로부터 바이오디젤을 직접 생산할 수 있기 때문에 건조, 전처리, 추출 및 바이오디젤 전환 등의 다단계 공정을 단일공정으로 대체함으로써 공정 단계별로 소요되는 비용을 줄일 수 있음.
‑ 초임계 메탄올 추출/전환 공정의 경우 추출/전환 시간이 매우 짧아 운영비를 절감할 수 있음.
4. 기술개발결과 활용계획
• 본 연구 과제에서 개발한 초임계 유체 공정 기술을 천연물의 유효성분 생산에 적용하는 경우 의약품, 화장품 및 식품 산업에서 요구하는 고부가가치 원료 제품을 생산할 수 있을 것으로 기대됨.
• 초임계 메탄올 추출/전환 공정의 구축에 필수적인 고압/고온 장치 산업이나 고압 자재 관련업종의 발전을 가속화 시킬 수 있을 것으로 기대됨.
5. 기술개발자료의 보안관리
• 초임계 메탄올 추출/전환 단일 공정의 경우 기대이상의 결과를 도출하였으나, 이에 관한 연구는 연구 계획에 없던 추가적인 연구로 과제 종료 후에도 약 2~3개월의 추가 실험이 필요하여 추가 실험이 종료되고 특허를 제출할 수 있는 기간까지는(대략 9월 말)까지는 보안관리가 필요할 것으로 사료됨.
• 연구개발의 기술임치 및 특허 출원
등록 실적
‑ 초임계 메탄올을 이용한 미세조류 오일의 추출/바이오디젤 전환 단일공정 기술(출원 예정, 8월)
‑ 초임계 혼합유체를 이용한 미세조류 오일의 추출/바이오디젤 전환 단일 공정 기술(출원 예정, 9월)

목차 Contents

• 과제별 사업비사용실적보고서 ... 1
• 개발결과의견서 ... 11
• 최종보고요약서 ... 12
• 목차 ... 15
• 그림 목차 ... 18
• 표목차 ... 21
• 제 1 장 서 론 ... 22
• 제 1 절 개발 대상기술의 개요 ... 22
• 제 2 절 기술개발의 필요성 및 중요성 ... 28
• 제 3 절 국내외 관련 기술의 현황 ... 32
• 제 4 절 국내외 시장 규모 ... 33
• 제 2 장 과제개발 내용 및 방법 ... 38
• 제 1 절 개발 내용 및 개발 범위 ... 38
• 가. 개발 목표 ... 38
• 나. 개발내용 및 범위 ... 38
• 다. 기술개발의 평가방법 및 평가항목 ... 38
• 제 2 절 개발 방법 ... 40
• 가. 기업연구인력 활용방안 ... 40
• 나. 주관기관 활용방안 ... 40
• 1) 주관기관 연구인력 활용방안 ... 40
• 2) 주관기관 기자재 활용방안 ... 40
• 다. 기대효과 및 활용방안 ... 42
• 1) 기술적 측면 ... 42
• 2) 경제산업적 측면 ... 42
• 3) 활용방안 ... 42
• 라. 단계 연구개발 추진 일정(계획 대비 달성도) ... 43
• 제 3 장 사업성과 ... 46
• 제 1 절 연구사업 관련 문헌 조사 ... 46
• 가. 미세조류 ... 46
• 나. 미세조류 추출 기술 현황 ... 47
• 1) 유기용매 추출법 ... 47
• 2) 압착법 ... 48
• 3) 수증기 증류법 ... 48
• 4) 마이크로웨이브 추출 ... 48
• 5) 초임계 유체 추출 ... 49
• 6) 미세조류 단일 추출/분획 공정 시스템 ... 54
• 7) 미세조류 오일 추출/전환 단일 공정 기술 ... 54
• 제 2 절 연구 방법 ... 54
• 가. 실험 재료 ... 57
• 나. 실험 방법 ... 57
• 1) 시료의 전처리 ... 57
• 2) 유기용매 추출 ... 58
• 3) 초임계 이산화탄소 추출 ... 58
• 3-1. Analytical-scale 초임계 유체 추출 ... 58
• 3-2. Lab-scale 초임계 유체 추출 ... 60
• 3-3. Mini-pilot 초임계 유체 추출 장치 ... 60
• 3-4. 공용매로 변형된 단일상 초임계 이산화탄소 추출 ... 62
• 3-5. 유기용매가 혼합된 불균일상 초임계 이산화탄소 추출 ... 62
• 3-6. 초임계 이산화탄소 분획 ... 62
• 3-7. 초임계 메탄올 추출/반응 단일 공정 ... 65
• 4) 분석방법 ... 65
• 4-1. 지질 함량 분석 ... 65
• 4-2. 지방산 조성 분석 ... 67
• 4-3. 색소 분석 ... 67
• 제 3 절 연구 결과 ... 68
• 가. 유기용매 추출 ... 68
• 나. 초임계 이산화탄소 추출 ... 70
• 1) Analytical-scale 추출 ... 70
• 1-1. 미세조류 종류의 영향 ... 75
• 1-2. 온도압력의 영향 ... 75
• 1-3. 유속의 영향 ... 78
• 1-4. 미세조류 추출방법에 따른 효율 분석 ... 78
• 2) Lab-scale 추출 ... 82
• 2-1. 전처리 방법의 영향 ... 82
• 2-2. 유속의 영향 ... 84
• 2-3. Glass bead의 영향 ... 89
• 2-4. 추출 시간의 영향 ... 93
• 2-5. 초임계 이산화탄소 흐름방향의 영향 ... 93
• 다. 공용매로 변형된 균일상 초임계 이산화탄소 추출 ... 93
• 1) Analytical-scale 추출 ... 93
• 2) Lab-scale 추출 ... 96
• 2-1. 공용매 유속의 영향 ... 96
• 2-2. 초음파/초임계 유체 통합 시스템을 이용한 추출 ... 99
• 라. 유기용매가 혼합된 불균일상 초임계 이산화탄소 추출 ... 99
• 1) Analytical-scale 추출 ... 99
• 1-1. 공용매의 영향 ... 99
• 2) Lab-scale 추출 ... 101
• 2-1. 공용매 정적 추출시간의 영향 ... 101
• 2-2. 초음파와 공용매를 이용한 전처리 영향 ... 105
• 마. 여러 가지 추출 방법의 추출 효율 비교 ... 110
• 바. 초임계 이산화탄소 추출장치의 scale-up 분석 ... 115
• 사. 초임계 유체 분획 ... 115
• 1) 온도구배를 이용한 초임계 이산화탄소 분획 ... 115
• 2) 압력구배를 이용한 초임계 이산화탄소 분획 ... 117
• 아. 초임계 메탄올 연구 ... 123
• 1) 반응 온도와 시간에 따른 FAME의 전환량 변화에 대한 영향 ... 124
• 2) 미세조류와 카놀라 씨(Canola seed)의 추출/전환 효율 비교 ... 124
• 3) 초임계 메탄올 추출/반응 공정에서 수분의 영향 ... 124
• 자. 추출/반응 시스템 교반장치 및 바이오디젤의 분리/정제 장치 ... 129
• 제 4 장 결론 ... 132
• 제 1 절 연구과제 결론 ... 132
• 제 2 절 향후 계획 ... 134
• 제 5 장 참고문헌 ... 135