곤충 유래 바이오디젤의

합성 및 연료 특성

나용규 석유기술연구소 연구처 연구개발팀 대리
현재 바이오디젤 원료로서 곤충을 이용하려는 많은 연구가 진행되고 있다. 곤충은 높은 지질 함량, 짧은 생애 주기, 높은 재생산율을 갖기 때문이다. 특히 동애등에(BSF, black solid fly, Hermetia illucens)의 유충은 가장 가능성이 있는 바이오디젤 원료로 보고되고 있다. 이러한 곤충들은 동·식물성로부터 유래한 다양한 유기성 폐기물을 먹고 자라기 때문에 바이오디젤 원료로서 생산비용 및 공정 설비를 저감할 수 있고 폐기물을 에너지화 할 수 있는 방법이다.
본 논문에서는 새로운 바이오디젤 원료로서 곤충(동애등에) 지질의 가능성을 알아보기 위해 동애등에 사육에서부터 지질 추출, 바이오디젤 합성까지 알아보았다. 동애등에 지질과 바이오디젤의 연료 특성을 기존 식물성 원료와 비교하였다. 또한 곤충 유래 바이오디젤의 생산성을 존의 원료와 비교하여 국내 생산 가능성을 알아보았다.
바이오디젤은 곤충으로부터 추출된 지질과 메탄올을 촉매 존재 하에 반응시켜 합성한다. 적용되는 촉매는 곤충 지질의 자유지방산 함량에 의해 결정된다. Leung 등은 염기촉매를 사용할 수 있는 지질의 자유지방산 함량을 2.5wt% 이하로 제시하였다. 그 이상에서는 자유지방산의 비누화에 의해 바이오디젤의 전환 수율이 떨어지기 때문이다. 지질에 포함된 자유지방산 함량이 2.5wt% 이상인 경우에는 산촉매를 사용하여 에스테르화 반응을 시키거나 염기촉매를 사용하려면 전처리 공정을 필요로 한다.

<그림 1> Process diagram for biodiesel production.

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지질에 포함된 자유지방산, 트리글리세라이드(TG, triglyceride)에 따른 반응공정을 <그림 1>에 나타내었다. 염기촉매를 사용하는 전이 에스테르화 반응은 반응 시간이 짧지만 지질에 포함된 자유지방산을 비누화시켜 바이오디젤 회수공정에서 층분리를 어렵게 한다. 반면에 산촉매는 주로 자유지방산을 전환시키며 장시간, 고온에서 트리글리세라이드도 FAME(fatty acid methyl ester)로 전환시킬 수 있다. 동애등에 지질은 자유지방산 함량이 낮아 전이에스테르화 반응을 시키며 일반적으로 알칼리 촉매(=염기촉매)인 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH)를 주로 사용한다.
동애등에 지질 유래 바이오디젤은 C12:0 FAME(lauric acid methyl ester)의 함량이 가장 높고 C18:1, C16:0 FAME 순이다. 또한 C12:0 FAME 이하의 중간 길이를 갖는 FAME 함량이 대두유, 팜유 유래 바이오디젤보다 높다.
바이오디젤의 포화, 불포화 지방산 비율은 연료의 산화안정도와 저온 유동성과 관련이 있다. 곤충 유래 바이오디젤의 포화지방산은 약 57~70% 정도로 불포화지방산에 비해 높고 대두유, 팜유의 포화지방산 함량인 15.5%, 43.4%에 비해 높다. 탄소수가 많은 포화지방산으로부터 생산된 바이오디젤은 저온 유동성이 좋지 않다. 반면에 다불포화지방산(PUFA, polyunsaturated fatty acids)으로부터 생산된 바이오디젤은 산화안정도가 좋지 않아 낮은 저장안정성을 나타낸다.
바이오디젤의 연료 특성은 정제 능력에 따라 크게 영향을 받는다. 메탄올, 수분, 전산가 등은 직접적으로 연관이 있으며 밀도, 동점도, 인화점 등은 간접적으로 영향을 받는다. 메탄올 함량이 높으면 밀도, 동점도, 인화점 등이 낮아질 수 있다. 수분, 전산가, 메탄올 등은 정제를 통해 쉽게 함량을 낮출 수 있다. 동애등에 유래 바이오디젤의 연료 특성은 유채유 유래 바이오디젤과 유사하다. <표 1>에서 동애등에 유래 바이오디젤의 밀도, 수분 함량, 동점도, 인화점 등의 연료 품질은 거의 유사한 특성을 보인다. 그러나 황 함량은 품질기준에 비해 높은 경향을 나타내었다. 이는 촉매로 사용한 황산에 의한 것으로 수세를 통해 낮출 수 있다. 또한 수세를 통해 제거되지 않고 남아있는 황분은 고비점의 화합물이기 때문에 증류를 통해 제거가 가능하다.

<표 1> Analysis data of the quality of biodiesel from the BSF gerase.

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곤충(동애등에)으로부터 생산된 바이오디젤의 생산성은 국내 곤충 사육 조건을 적용하여 계산하였다. 동애등에는 음식물쓰레기를 먹이로 하여 m2당 25,000마리를 14일 동안 사육하였다. 14일이 지난 후에 유충의 무게는 m2당 약 5kg까지 증가하였고, 지질은 기계식 방법으로 압착하여 40% 정도까지 추출된다. 이를 연간 단위면적당 생산되는 지질의 양으로 계산하면 약 162,000L oil/ha/year에 해당한다.
<표 2>에서 바이오디젤 원료에 따른 지질 함량을 건조 중량으로 나타냈으며 동애등에는 약 40%의 지질을 포함하고 있다. 동애등에는 지질 함량이 높고 성장 기간도 매우 짧아 지질수율이 기존의 팜유에 비해 30배 이상 높고 미세조류에 비해 1.5배 높다. 이렇게 다른 원료에 비해 높은 바이오디젤 생산성은 곤충 지질이 바이오디젤 원료로서 가능성을 갖고 있다고 하겠다. 또한 음식물쓰레기를 먹이원으로 하기 때문에 환경문제를 해결할 수 있고 국내 생산이 가능한 장점을 갖고 있다.

<표 2> Composition of BSF with other biodiesel feedstocks

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국내의 바이오디젤 원료는 팜유 계열을 위주로 약 60%를 수입에 의존하고 있다. 일반적인 바이오디젤 합성 방법에서 산촉매는 자유지방산 함량이 높은 고산가 원료에 사용된다. 염기촉매는 반응이 빠르지만 자유지방산과 반응하여 비누(soap)를 형성하기 때문에 산가가 낮은 원료에 사용된다. 동애등에 지질은 자유지방산 함량이 낮아 염기촉매를 사용한다. 동애등에 지질은 라우릭산(C12:0) 함량과 포화지방산 함량이 높고 다불포화지방산 함량이 낮아 대두유, 팜유에 비해 인화점이 낮고 산화안정도가 높아 저장안정성이 우수하다. 곤충유래 바이오디젤은 대부분의 품질기준을 만족하였다. 곤충은 지질 함량이 약 40%로 기존의 동·식물성 원료에 비해 높다. 또한 생육 기간이 짧고 사육면적이 작아 단위면적당 지질수율이 팜유에 비해 30배 높고 미세조류보다 1.5배 높아 바이오디젤의 국산 원료로서 가능성이 높다.

참조

1. Atabani, A.E., Silitonga, A.S., Badruddin, I.A., Mahlia, T.M.I., Masjuki, H.H., Mekhilef. S., 2012, Acomprehensive review on biodiesel as an alternative energy resource and its characteristics. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16, 2070–2093.

2. Leung, D.Y.C., Wu, X., Leung, M.K.H.. 2010, A Review on Biodiesel Production Using Catalyzed Transesterification, Applied Energy, 87, 1083-1095.

3. Park, J.Y., 2019, Prospects of Insect Biodiesel Production in Korea: A review, Journal of the Korean applied Science and Technology, 36, 4, 1339-1409.

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