도호쿠대학 대학원 공학연구과 연구팀과 츠쿠바대학 생명환경계 연구팀은 조류가 생산하는 탄화수소 스쿠알렌을 휘발류 및 제트연료로 변환하는 새로운 방법을 개발하였다. 본 연구는 하수처리에 오일생산 조류를 활용하는 ‘도호쿠 부흥 차세대 에너지 연구개발 프로젝트’의 일환으로 수행되어 조류로부터 얻어지는 오일의 이용확대의 핵심이 되는 성과이다.

석유 고갈과 이산화탄소 배출삭감의 관점에서 바이오연료의 개발이 활발하게 추진되고 있다. 조류 중에는 육상식물에 비해 훨씬 빠른 속도로 오일을 생산하는 주(株)가 존재하여 조류를 이용한 오일생산이 주목을 받고 있다. 최근 츠쿠바대학 연구팀에 의해 수중 유기물을 먹이로 한 스쿠알렌을 고효율로 생산하는 오란치오키토리움 18W-13a주가 개발되고, 그 후 동일본 대지진을 계기로 츠쿠바대학, 도호쿠대학, 센다이시가 협력하여 도시하수를 정화하는 스쿠알렌 등을 생산하는 프로젝트가 ‘도호쿠 부흥 차세대 에너지 연구개발 프로젝트’의 일환으로서 2012년부터 시작되었다.

스쿠알렌은 그 자체로는 중유정도의 탄화수소로, 현재는 심해 상어의 간유에서 생산되는 것이 화장품 등에 이용되고 있지만, 하수로부터 생산되는 스쿠알렌은 용도가 한정되어 있으며, 수요의 대부분이 휘발류 및 제트엔진 연료로 변환하기 위해서는 개질이 필요하다. 본 연구는 프로젝트의 일환으로서 하수로부터 생산되는 스쿠알렌에 적합한 개질법의 개발을 수행한 것이다.

이번에 개발한 반응계에서는 주로 활성금속인 루테늄을 산화세류에 담지시킨 촉매를 이용한다. 루테늄종이 전구체인 담체를 산화세륨에 담지시킨 후, 불활성 분위기의 300도에서 온화하게 분해함으로써 서브나노미터 크기의 루테늄 미립자가 담지된 촉매를 얻었다. 이 촉매를 이용하여 스쿠알렌(스쿠알렌의 수소화물)을 240도, 60기압 수소로 수화화분해하여 저급 탄화수소를 얻었다. 본 반응에서는 독성이 있는 방향족은 모두 생성되지 않고, 스쿠알렌 분자 중의 분기와 분기의 중간위치가 선택적으로 절단되어 분기를 남긴 포화탄화수소만 얻어졌다.

휘발유 및 제트연료의 경우 분기 탄화수소는 옥탄가, 저응고점 보존안정성의 관점에서 바람직한 성분이다. 다른 귀금속계 촉매는 저활성이거나, 분기의 위치가 절단되어 메탄과 직쇄 탄화수소가 생성되어 뒤떨어진 결과만 얻어졌다. 또한 고체산을 이용한 기존 석유 개질촉매는 산촉매에 의한 이성화반응이 진행되어 복잡한 조성의 생성물이 된다. 본 반응계에서는 기존 석유개질에서 문제가 되기 쉬웠던 촉매상의 탄소질 생성이 거의 없으며, 4회의 재사용으로 성능노화가 전혀 나타나지 않았다. 본 방법은 직쇄성분이 대부분을 차지하는 원유와 달리 분기가 많은 조류유래 탄화수소의 특징을 살린 개질방법이라고 할 수 있다.

그림 1. 오란치오키토리움 18W-13a주(좌)와 스쿠알렌(우)
그림 2. (A) 산화세륨 담지 루테튬 촉매에 의한 스쿠알렌 수소화 분해 생성물의 탄소수에 의한 분포, (B) 스쿠알렌 수소화 분해의 절단 위치 C-14~C16은 제트연료에 적합하다. C5~C10은 휘발유로서 이용 가능한 성분이다.

 

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 6월 18일]