에탄올을 이용한 석유생물탈황 공정의 상분리에 관한 연구

Abstract

Biological removal of organic sulfur from petroleum feedstocks offers an attractive alternative to conventional thermochemical treatment, because of the mild operating conditions affored by the biocatalyst. But, in biodesulfurization, creating good oil-cell-water contract and mixing is vital for good mass transfer. Unfortunately, this leads to the formation of a tight emulsion that must be broken in order to recover the desulfurized oil, recycle the cells and separate the byproducts. This separation process need to utilize biodesulfurization. We studied separation process in biodesulfurization technique with CYKS1, a dibenzothiophene(DBT)-desulfurizing bacterial strain. Firstly, we collected de-emulsifer to break down emulsion composed of oil-biocatalyst-water for developing separation process and studied desulfurizing activity of biocatalyst recoverd from addition of de-emulsifier. This paper studied that desulfurizing bacterial strain, CYKS1 secrete biosurfactant to degrade hydrocarbon with low water-solubility. In result, CYKS1 increased hydrophobicity of cell surface to utilize DBT, rather than secreted biosurfactant. We selected alcohol (methanol, ethanol), salt (sodium chloride) as annex to break emulsion with oil-biocatalyst-water and studied activity of breaking emulsion. Ethanol was good de-emulsifier in range of low concentration 2~3%(v/v), which didn't prevent activity of biocatalyst. Decreased separation capacity with increase of biocatalyst concentration, increased with ethanol concentration, centrifuge speed. We knew that ethanol addition decreased viscosity of oil-biocatalyst-water emulsion and increased separation capacity by centrifuge. Also, studied ethanol concentration of water phase after separating phase with ethanol was 69~89% of total added ethanol. The desulfurizing activity of recovered biocatalyst with ethanol increased desulfurizing rate with repeating and DBT-desulfurizing rate of 5 times reused biocatalyst was 17μmol·L^-1·h^-1. This paper reported separation process using centrifuge after treatment with ethanol, in biodesulfurization process using DBT-desulfurizing bacterial strain Gordona sp. CYKS1, didn't affect biodesulfurizing activity and economically separate oil-biocatalyst-water emulsion.;석유 연소시 대기오염을 일으키는 황을 제거하기 위해 최근 비용 저감의 이익을 줄 뿐 아니라, 저품위 석유의 황도 제거 할 수 있는 생물학적처리 방법이 활발히 연구되고 있다. 그동안 석유 탈황을 위한 호기성 균주 스크리닝 및 생촉매 개발, 생촉매 대량 제조 기술 개발하여, DBT를 이용한 탈황 특성 조사, 분해 기작 규명, 탈황 균주를 이용한 생촉매 제작들을 통해 디젤 탈황 가능성을 확인하는 연구가 활발히 진행되어왔다. 그런데, 미생물을 이용한 석유탈황 공정이 상용화되기 위해서는 유상과 수용상 및 생촉매(균주)의 분리 회수 기술의 개발이 매우 중요하다. 왜냐하면, 생촉매가 유상과 수용상의 계면에 존재하기 때문에 상분리가 잘 되지 않는 어려움이 있기 때문이다. 따라서, 본 연구에서는 상분리 공정 개발을 위해 오일-생촉매-물 에멀젼 용액을 쉽게 깰 수 있는 첨가제를 선정하였으며, 첨가제 첨가방법에 의해 회수한 생촉매의 탈황 활성과 안정성을 조사하였다. 본 연구에서는 석유 탈황용 균주 Gordona sp. CYKS1가 물에 잘 녹지 않는 탄화수소를 분해하기 위해 계면활성제를 분비하는지 여부를 pH2에서 조사하였다. 그 결과 CYKS1은 유류에 있는 유기황화합물을 분해하기 위해 계면활성제를 분비하는 것보다 세포 표면의 소수성을 높여, DBT를 이용하는 것으로 밝혀져 계면활성제의 영향은 상대적으로 적은 것으로 사료되었다. 오일-생촉매-물 에멀젼 용액을 깰 수 있는 첨가제로 알코올(MeOH, EtOH)과 염(NaCl)을 선택하여 de-emulsifier로서의 능력을 검증한 결과 MeOH과 EtOH은 생촉매의 활성이 저해를 받지 않는 저농도 범위(2~3%)에서 상분리 효율을 높이는 우수한 de-emulsifier임을 확인할 수 있었다. 에탄올을 이용한 상분리 특성을 연구한 결과 생촉매 농도가 높을수록 유상/수상/생촉매의 분리효율이 낮고, 에탄올의 농도가 높을수록, 원심분리 속도가 높을수록 분리효율이 높았다. 이러한 에탄올 첨가는 오일-생촉매-물 에멀젼 용액의 점도를 저하시켜 원심분리에 의한 상분리 효율을 증대시켜 오일 회수 효율의 향상을 가져오는 것을 알 수 있었다. 한편, 에탄올을 첨가한 후 상분리한 수층 중의 에탄올 농도를 분석한 결과 첨가한 에탄올의 69~89%가 수층 중에 함유되어 있었다. 반응이 끝난 생촉매를 반복 사용할수록 생촉매의 탈황 속도는 증가하였으며 5회 반복 사용한 생촉매의 DBT탈황속도는 17μmol·L^-1·h^-1이었다. 이상의 결과 석유 탈황용 균주 Gordona sp. CYKS1를 이용한 생물학적 석유탈황공정에서 에탄올로 전처리 한 후 원심분리하는 상분리 공정은 미생물의 탈황능력에 영향을 미치지 않고 경제적으로 상을 분리 할 수 있음을 알 수 있었다.