| [미국] 단일 조류에서 2종의 바이오연료 생산
Energy & Fuels 저널에 발표된 새로운 연구에 따르면 물고기 사료로 사용하기 위해 상업적으로 재배하는 일반 조류(Algae)가 바이오디젤(Biodiesel) 및 제트연료(Jet Fuel) 생산을 위한 유용한 원료로 활용가능한 것으로 나타났다. 웨스턴워싱턴대학(Western Washington University)의 Greg O`Neil과 우주홀해양학연구소(Woods Hole Oceanographic Institution)의 Chris Reddy가 담당한 이번 연구는 조류 내에서 조사되지 않은 특이한 화합물을 이용하여 두 개의 서로 다른 연료 제품을 합성하는 것이 목표이다. 이번 논문의 주 저자인O`Neil는 "이번 연구는 새로운 일이라 할 수 있다. 지금의 연구 상태에서 가격 경쟁력을 가진 제품을 생산하기는 어려운 일이지만 조류에서 재생가능 연료를 제조하는 것과 관련하여 흥미롭고 새로운 전략이라 말할 수 있다"고 밝혔다.
조류에는 바이오디젤을 구성하는 분자인 FAME(Fatty Acid Methyl Esters)로 전환될 수 있는 지방산이 포함되어 있다. 연구진은 두 가지 이유에서 이소크리시스(Isochrysis)라고 불리는 특정한 조류를 연구 대상으로 삼았다. 첫 번째 이유는 물고기의 식량을 만들기 위해 이들을 대규모 배치에서 재배할 수 있기 때문이다. 그리고 또 다른 이유는 알케논(Alkenone)이라고 불리는 지방을 생산할 수 있는 수많은 조류 중 하나이기 때문이다. 이들 화합물은 37~39개의 탄소원자로 이루어졌으며, 연구진은 이러한 구성이 연료원으로 활용하는데 높은 잠재력을 갖고 있다고 판단하였다.
바이오연료를 연구하는 사람들에게 이소크리시스는 좋은 원료는 아니었다. 이들이 생산하는 오일은 상온에서 식용유처럼 깨끗한 액상이 아니라 어두운 색상의 슬러지 같은 고형물이다. 이 슬러지는 아소크리시스의 알케논으로 생성된다. 알케논은 수온에 따라 구조를 바꾸는 독특한 특성으로 인해 해양학자들에게 잘 알려져 왔으며, 과거 바다 표면의 온도를 추정하는 생체지표를 제공해왔다. 그러나 바이오연료의 적절한 원료를 찾고자 하는 사람들은 대부분 알케논을 알지 못한다. Reddy는 "이들이 해양학자가 아니기 때문에 이소크리시스가 독특한 화합물을 만들 수 있다는 사실을 알지 못했다"고 말한다.
Reddy와 O`Neil는 아소크리시스내의 FAME로부터 바이오디젤을 제조하는 협력연구를 시작하였다. 이들은 자유롭게 흐르는 연료를 확보하기 위해 FAME과 알케논을 분리할 수 있는 방안을 고안해야만 했다. 전체 바이오디젤 공정에 추가 공정을 도입하여야 하나 이를 도입함으로써 알케논이 풍부한 고품질의 바이오디젤을 공급할 수 있다고 논문 저자는 밝혔다. O`Neil는 "알케논은 37~39개의 긴 탄소 사슬을 갖고 있는데 이는 제트연료로 사용하기에 너무 크다"라고 설명하였다. 이에 연구진은 지난 2005년 노벨상을 수상한 바 있는 올레핀 복분해 반응(Olefin Metathesis)을 활용하였다.
이 공정은 알케논내의 탄소-탄소 이중결합을 분해하여 긴 탄소사슬을 탄소수가 8~13개의 사슬로 만든다. O`Neil은 "이와 같은 탄소수는 제트연료로 사용하기에 충분히 작다"고 설명하였다. 연구진은 단일 조류로부터 바이오디젤과 제트연료의 바이오연료를 생산함으로써 이들의 연구결과가 미래 상업화에 어느 정도 유망할 것으로 보고 있다. 연구진은 이번 연구가 향후에 수행해야 할 부분 중 첫 번째 단계이지만 초기결과를 통해 자신감을 얻었다고 밝혔다.
Reddy는 "이 조류는 막대한 가능성을 갖고 있지만 연구는 이제 초기 단계일 뿐"이라고 말한다. 이들의 다음 연구단계는 이소크리시스로부터 대량의 연료를 생산하고자 노력하는 것이지만 조류에서 추가적인 제품을 동시에 생산하는 방안도 연구 중이다. 연구진은 알케논으로 다양한 제품을 만들 수 있다고 보고 있다. O`Neil은 "석유 제품은 다양한 곳에 있다. 이들을 대체하고자 한다면 다양한 원료물질이 필요하다. 알케논은 다른 목적으로의 활용도가 높기 때문에 매우 흥미로운 대상"이라고 말했다.
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 2월 2일]
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Researchers produce two bio-fuels from a single algae
A common algae commercially grown to make fish food holds promise as a source for both biodiesel and jet fuel, according to a new study published in the journal Energy & Fuels.
The researchers, led by Greg O'Neil of Western Washington University and Chris Reddy of Woods Hole Oceanographic Institution, exploited an unusual and untapped class of chemical compounds in the algae to synthesize two different fuel products, in parallel, a from a single algae.
"It's novel," says O'Neil, the study's lead author. "It's far from a cost-competitive product at this stage, but it's an interesting new strategy for making renewable fuel from algae."
Algae contain fatty acids that can be converted into fatty acid methyl esters, or FAMEs, the molecules in biodiesel. For their study, O'Neil, Reddy, and colleagues targeted a specific algal species called Isochrysis for two reasons: First, because growers have already demonstrated they can produce it in large batches to make fish food. Second, because it is among only a handful of algal species around the globe that produce fats called alkenones. These compounds are composed of long chains with 37 to 39 carbon atoms, which the researchers believed held potential as a fuel source.
Biofuel prospectors may have dismissed Isochrysis because its oil is a dark, sludgy solid at room temperature, rather than a clear liquid that looks like cooking oil. The sludge is a result of the alkenones in Isochrysis -- precisely what makes it a unique source of two distinct fuels.
Alkenones are well known to oceanographers because they have a unique ability to change their structure in response to water temperature, providing oceanographers with a biomarker to extrapolate past sea surface temperatures. But biofuel prospectors were largely unaware of alkenones. "They didn't know that Isochrysis makes these unusual compounds because they're not oceanographers," says Reddy, a marine chemist at WHOI.
Reddy and O'Neil began their collaboration first by making biodiesel from the FAMEs in Isochrysis. Then they had to devise a method to separate the FAMEs and alkenones in order to achieve a free-flowing fuel.The method added steps to the overall biodiesel process, but it supplied a superior quality biodiesel, as well as "an alkenone-rich . . . fraction as a potential secondary product stream," the authors write.
"The alkenones themselves, with long chains of 37 to 39 carbons, are much too big to be used for jet fuel," says O'Neil. But the researchers used a chemical reaction called olefin metathesis (which earned its developers the Nobel Prize in 2005). The process cleaved carbon-carbon double bonds in the alkenones, breaking the long chains into pieces with only 8 to 13 carbons. "Those are small enough to use for jet fuel," O'Neil says.
The scientists believe that by producing two fuels--biodiesel and jet fuel--from a single algae, their findings hold some promise for future commercialization. They stress that this is a first step with many steps to come, but they are encouraged by the initial result.
"It's scientifically fascinating and really cool," Reddy says. "This algae has got much greater potential, but we are in the nascent stages."
Among their next steps is to try to produce larger quantities of the fuels from Isochrysis, but they are also exploring additional co-products from the algae. The team believes there are a lot of other potential products that could be made from alkenones.
"Petroleum products are everywhere--we need a lot of different raw materials if we hope to replace them," says O'Neil. "Alkenones have a lot of potential for different purposes, so it's exciting."
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