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Background
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최근 자원고갈과 환경오염에 대한 심각성이 대두
되면서 바이오디젤의 생산에 관심이 높아지고 있다.
바이오디젤은 기존의 디젤 엔진에 사용했을 때
석유디젤과 동일한 동력 및 토크를 제공할 뿐 아니라
생분해성이 있고, 석유 자원을 사용하지 않는 다는
점에서 환경친화적인 획기적인 신연료이다.
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미세조류는 어떤 환경에서도 잘 자라고, 증식 속도가 빠르기 때문에 바이오연료 공급원으로
주목받고 있다. 미세조류 파쇄 후 오일 정제법으로 가장 일반적인 방법은 헥산(hexane) 증류법이
사용되고 있으나 상당한 양의 헥산이 대기로 방출되어 대기오염 및 생산비용이에 한계가 있다.
In-situ transesterification 은 헥산 증류법 다음으로 사용되는 방법이다.
시료를 가열, 교반하여 계면에서의 화학반응 (트랜스에스테르화 반응)을 촉진시킨 후 상분리하여
얻은 오일층을 다시 정제하는 방식이다. 그러나 화학반응 및 상분리에 약 15시간이 소요되고
오일로부터 글리세롤을 분리해내기가 까다롭기 때문에 헥산 증류법과 마찬가지로 생산비용이
많이 드는 단점이 있다.
Ultrasound Extraction and Transesterification
미세조류를 활용한 바이오디젤의 생산 방법 중 In-situ transesterification 에
고출력 (high intensity) probe 초음파 장비를 사용한 공정은 다음과 같다.
| 1. |
세포 파쇄 : |
고출력 초음파 장비로 미세조류의 세포를 파쇄한다. |
| |
| 2. |
에멀전화 : |
미세조류 파쇄액 (바이오디젤 포함)을 알코올, 촉매제, 상전이제를 넣고 고출력
초음파 장비로 nanoemulsion을 만든다. 기존에 일반 교반기를 통한 교반 에너지는
시료를 에멀전화를 하기에 불충분하여 상대적으로 오일과 알코올의 접촉 면적이
적고 그에 따른 화학반응 속도도 매우 느리다. 고출력 초음파 장비를 사용하면
예열할 필요도 없고, 기존 1~4시간 소요되던 에멀전화 시간이 수분으로 단축된다.
[Reference: Singh, A.K., et al., Base-catalyzed fast transesterification of soybean oil
using ultrasonication, Energy & Fuels, 2007. 21: p. 1161]
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| 3. |
상분리 : |
기존 방법에 비해 droplet의 입도가 훨씬 작은 nanoemulsion이 된 시료에서 오일과 상호작용하는 알코올양이
증가한다. 오일과 상호작용한 후 잔여 알코올은 글리세롤을 오일에 용해시키는 작용을 하는데, 상대적으로
그 양이 감소하기 때문에 상분리에 소요되는 시간이 5~10시간 소요되던 것에서 약 30분으로 감소한다.
[Reference: Singh, A.K., et al., Base-catalyzed fast transesterification of soybean oil using ultrasonication, Energy & Fuels, 2007. 21: p. 1161]
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| 4. |
3번과 같은 이유로 분리 정제 공정이 간단해지고, 기존 바이오디젤 순도가 85~87% 에서 95~99%로 증가한다.
더욱이 기존 배치식 공정 (일반 교반기)에서 연속식 공정 (고출력 초음파 장비)이 가능해짐에 따라
생산 속도가 증가하여 생산 효율이 매우 높다. |
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| ※ |
일반 초음파 장비를 사용하면, 배치식 소용량을 처리할 때 일반 초음파 장비를 사용하여 비슷한
수준의 결과물을 얻을 수 있으나, 연속식 대용량을 처리할 때 probe 처리 면적의 증가에 따라
amplitude 가 감소하는 문제로 인해 동일한 결과물을 얻을 수 없다. 따라서 probe 처리 면적의 증가에 따른
amplitude 감소가 없는 고출력 초음파 장비를 사용해야 한다. |
실험 방법
이 실험에서는 건조 미세조류에서 오일 (바이오디젤)을 추출하는 방법으로 초음파 추출법, 교반기 추출법, 속실렛 추출법을 사용하였고, 각 추출법에 의한 바이오디젤의 생산량을 비교하였다.
| 1. |
초음파 추출법
실험에 사용한 장비는 고출력 (high intensity) probe 초음파 장비이며 조건은 다음과 같다.
| 규모 |
모델명 |
Probe 직경 |
| 실험실 |
LSP-500 |
15.7 mm |
| 파일럿 |
BSP-1200 |
35 mm |
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| 1) |
Amplitude : 70 ㎛ |
| 2) |
처리 시간 : 3분 |
| 3) |
처리 용량 : 직경 차이가 약 2.23배 이므로 처리 용량은 파일럿 규모에서 약 5배 많다. |
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| 2. |
교반기 추출법
1. 가열 : 건조 미세조류에 촉매제, 알코올, 상전이제를 넣고 65 ℃ 로 가열한다.
2. 교반: 3분 동안 교반한다 (트랜스에스테르화 반응 촉진).
3. 상분리한 후 상층부 (오일)을 분리한다. |
| 3. |
속실렛 추출법
속실렛 추출법은 긴 처리 시간이 소요되지만 가장 전통적인 방법이기 때문에 위 초음파
추출법과 교반기 추출법의 생산 효율 비교에 용이하다. 속실렛 추출법을 통해 얻은 생산량을 100%로 설정하였다 |
실험 결과
다음은 속실렛 추출 방법을 통해 얻은 오일의 생산량을 비교한 그래프이다. 속실렛 추출 방법에
따라 얻은 오일을 기준 (100%)으로 하여 다른 방식에 의한 추출 효율을 확인하였다.
| 1) |
1 pass 추출에서 실험실 규모 초음파 추출 방법은 속실렛 추출 방법에 비해 생산량이
1.24 배 더 많았고, 파일럿 규모 초음파 추출 방법은 6.78 배 더 많았다 |
| 2) |
2 pass 추출에서 실험실 규모 초음파 추출 방법은 속실렛 추출 방법에 비해 생산량이
1.91 배, 파일럿 규모 초음파 추출 방법은 13.57 배 더 많았다. |
| 3) |
실험실에서 파일럿 규모로의 scale up 계수는 계산된 값과 실제 값이 약 5로 일치하였다. |
다음은 속실렛 추출 방법을 통해 얻은 오일 내 바이오 디젤의 순도를 확인한 그래프이다.
속실렛 추출 방법에 따라 얻은 바이오디젤을 기준 (100%)으로 하여 다른 방식에 의한 추출 효율을
확인하였다.
| 1) |
실험실 규모 초음파 추출 방법은 속실렛 추출 방법에 비해 생산량이 1.38 배 더 많았고
파일럿 규모 초음파 추출 방법은 6.38 배 더 많았다. |
| 2) |
실험실에서 파일럿 규모로의 scale up 계수는 계산된 값과 실제 값이 약 5로 일치하였다. |
CONCLUSIONS
| 1. |
전통 시험법인 속실렛 추출법보다 초음파 추출법의 바이오디젤 생산량이 6.38 배 더 많았다. |
| 2. |
일반적인 교반기 추출법보다 초음파 추출법의 바이오디젤 생산량이 19.33 배 더 많았다. |
| 3. |
Scale up 계수는 계산 값과 실제 값이 일치하여 실 공정에서 scale up 이 용이할 것으로 예상. |
| 4. |
오일을 추출할 때 산업용 고출력 초음파 장비인 ISP-3000를 사용한다면, 최적의 유속은
약 10 L/min 으로 예상되며, 정제 과정을 거쳐서 얻은 최종 바이오디젤 양을 고려한 생산 속도는
약 1 L/min 으로 예상된다. |
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