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Scenedesmus sp.로부터 Taguchi 법을 이용한 지방추출의 최적화

Optimization of Lipid Extraction from Scenedesmus sp. Using Taguchi Approach

한국생물공학회지 2010년 25권 4호 p.371 ~ 378
김나영 ( Kim Na-Young ) - 강원대학교 생물공학과

오성호 ( Oh Sung-Ho ) - 강원대학교 바이오산업공학부
최운용 ( Choi Woon-Yong ) - 강원대학교 바이오산업공학부
이현용 ( Lee Hyeon-Yong ) - 강원대학교 바이오산업공학부
이신영 ( Lee Shin-Young ) - 강원대학교 생물공학과

Abstract

최근 triglyceride oil과 monohydric alcohol의 전이에스 테르반응에 의해 얻어지는 바이오디젤 (지방산의 monoalkyl esters)은 비독성 및 생분해성의 친환경적 대체연료로서 널리 인식되었으며, 이에 대한 학술적 및 산업적 관심이 매우 고 조되고 있는 실정이다 [1-4]. 따라서 각종 농작물, 동물성 유지 및 조류의 지질로부터 바이오디젤 생산에 관한 연구가 널리 수행되고 있는데, 이중 미세조류는 바이오디젤 생산을 위한 가장 유망한 자원의 하나로 부각되고 있다 [5-8]. 미세조류로부터의 바이오디젤 생산을 위한 에너지 전환 공정은 크게 미세조류 biomass의 생산, biomass의 수확 및 오일 추출공정, 추출오일의 전이에스테르 반응에 의해 이루 어진다 [9]. 이 중 미세조류로부터의 지질추출공정은 비용이 많이 들며, 논쟁이 되고 있는 공정의 하나로 높은 지방생산성 과 함께 바이오디젤 생산의 bottleneck이라 할 수 있다 [10-12]. 그러므로 미세조류로 부터의 바이오디젤화를 위해서는 먼저 간편하면서도 효율적인 추출방법 및 이에 의한 수율향상의 선행연구는 반드시 이루어져야 한다. 한편, Chlorococcales목의 Scenedesmaceae과에 속하는 Scenedesmus sp.는 담수 및 해양에 널리 분포하는 녹조류 로서 지질함량이 높아 (16∼40%)나 되어 바이오디젤의 대 표적인 우수 공급원의 하나로 알려지고 있다 [13]. 하지만 Scenedesmus sp.에 대한 연구는 다른 미세조류에 비하여 매우 미흡하며, 특히, 높은 지방의 축적에도 불구하고 이들 지방의 추출관련 연구는 별로 보고된 바가 없다. 그동안 미세조류의 지질추출법으로는 Expeller/Press법, solvent oil 추출법, 초임계추출법 및 효소추출법, 삼투충 격, ultrasonic assisted extraction 등의 기타 방법이 사용되 었다 [9,10-12,14]. Expeller/Press법은 추출수율이 70∼75%에 불과하며, 용 매추출과의 조합으로 실시된다. CO2를 이용한 초임계유체 추출은 초임계 추출조건을 유지하기 위해 필요한 고압장치 의 비용이 현저하게 높아서 그 응용이 제한되며, 주로 고부 가가치 및 저용량 물질에 한정된다. 초음파의 사용은 몇몇 고-액 추출공정에서 추출수율 및 물질전달속도를 증가시키 나 그 효과는 국부적이고 대량용량에의 적용은 에너지적으 로 비효율적이다. 고압수증기처리와 같은 삼투충격 역시 느 린 공정이고, 대량의 수증기를 필요로 하며, 효소추출법은 용매로서 작용하는 물과 함께 세포벽을 분해하는 효소를 사용하며, 오일의 분획은 쉬우나 용매추출공정보다 훨씬 더 비경제적이다 [10-12,15]. 따라서 현실적으로 범용의 추출법은 안전성의 문제에도 불구하고 높은 추출수율 (95∼99%)을 얻을 수 있는 고-액 용매추출법이다 [11,16]. 주로 사용되는 용매추출법은 세포 벽이 없는 animal tissue에서의 지질추출에 널리 유효하게 사용되어 왔다 [17,18]. 하지만 식물세포나 Scenedesmus sp. 와 같은 microalgae는 세포벽이 존재하고 이들이 용매추출 의 율속단계로 작용하므로 효율적 추출이 어려운 것으로 알려지고 있다 [19]. 따라서 간편하면서도 효율적인 추출 용매와 전처리 방법 및 이에 의한 수율향상을 위한 추출관련 연구의 필요성이 매우 높은 실정이다. 그동안 추출 최적화에 있어서는 하나의 변수를 고정시켜 놓고, 다른 여러 변수들을 차례로 변화시키는 방법인 onefactor- at-a-time method [20]가 널리 사용되었다. 하지만 이 방법은 변수들의 상호작용 및 중요변수에 대한 해석이 불가능 하고 실험횟수가 매우 많아지는 단점이 있다. 따라서 최근에 는 이러한 단점을 극복하기 위한 최적화 방법으로서 Taguchi 법, 반응표면분석법 등의 통계적 실험법이 널리 이용되고 있 다. 이중 직교배열법의 원리를 이용한 Taguchi법은 실험적 오차와 실험횟수를 줄일 수 있으며 추출요인의 기여도 및 상 호관계를 쉽게 알 수 있고, 최적 추출조건을 확립할 수 있어, 지방의 추출 최적화에도 검토의 필요성이 높다 [21,22]. 본 연구에서는 해양 녹조류의 일종인 Scenedesmus sp. 균주를 바이오디젤의 원료로 사용하기 위한 자료를 구축하 기 위해 아직 표준방법이 확립되어 있지 않은 이 균주의 지질 추출에 미치는 효율적 추출용매와 전처리 방법을 탐색, 조사하였다. 아울러, 이에 근거하여 4요인 (온도, 시간, 용매 비, ultrasonication or homogenization) 및 3수준 (level 1, 2, 3)의 Orthogonal matrix L9(34)법을 이용한 Taguchi법에 의해 최대의 지질수율을 얻을 수 있는 추출최적화를 실시하였다.

For the biodiesel fuel production from microalgae, the lipid from wet and dry samples of green algae Scenedesmus sp. was extracted by using various solvents and pre-treatment methods. Extraction yield of the lyophilized sample was better than that of dry sample. Chloroform/methanol (2:1, v/v) and ultrasonication or homogenization method were also selected as the most effective solvent and pre-treatment methods for lipid extraction, respectively. Under these constraint conditions, optimization experiment of lipid extraction was investigated by Taguchi approach using orthogonal matrix L9 (34) method. The optimum extraction conditions of lipid extraction was obtained at pre-treatment of homogenization, extraction time of 5 hour, temperature of 35°C, and solvent ratio of 1:20 (w/v). Yield of extraction at optimized condition was 20.55% and it was 96% of total lipid content (21.38%) of Scenedesmus sp.

키워드

Scenedesmus sp. lipid extraction; optimization; Taguchi method
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