효소를 이용한 석유탈황

허정찬, 최민정, 정회일*, 류근갑

울산대학교 화학공학부, SK 주식회사*

Enzymatic Desulfurization of Petroleum Oils

Jung-Chan Hur, Min-Jung Choi, Hoe-Il Chung*, Keun-Garp Ryu

School of Chemical Engineering, University of Ulsan, SK Corporation*

서 론

석유를 비롯한 각종 화석연료의 사용으로 인하여 많은 양의 아황산가스(SO2)가 대기 중으로 배출되어지고 있으며 배출되어진 물질들은 직접적으로 대기오염을 야기 시킬 뿐만 아니라 산성비의 형태로 토양과 물을 산성화시키는 등 환경문제를 만들어내고 있다. 환경문제가 대두되면서 공장이나 자동차에서 연소되어 대기 중으로 배출되어지는 황성분을 포집하거나, 제거하는 방법이 대부분 사용되어지고 있으나 이러한 방법보다는 연료가 연소하기 전에 황성분을 제거하여 연소 후 발생되어지는 황의 함량을 줄이는 연구가 필요하다[1].

석유의 유황 함량은 산지에 따라 다양한 형태를 보이고 있으며, 석유의 유황은 크게 sulfide류, thiol류, thiophene류로 분류되어 진다. sulfide류, thiol류는 물리, 화학적인 방법으로 쉽게 제거가 가능하나 thiophene류의 경우에는 끓는점이 높아 제거가 어렵고 제거 효율도 낮다[2].

황 성분을 제거하는 방법으로 가장 많이 사용되어진 재래의 방법은 수소화탈황법으로 니켈, 코발트, 몰리브덴, 알루미늄과 같은 inorganic catalyst를 사용하고 있다. 수소화탈황 공정은 250℃이상의 온도와 30atm 이상의 고온, 고압의 조건에서 운전되어 많은 비용이 소요된다는 문제점을 가지고 있으며, 경유에 있는 mercaptane이나, sulfide를 효과적으로 제거하는 반면 중유에 함유되어진 thiophene을 제거하는데는 효율이 높지 않다[3].

수소탈황법 이외에 석유탈황 미생물을 이용한 화석연료의 탈황기술이 1940년대부터 시작되었으며, 탈황균주인 Rhodococcus 박테리아에 의한 미국특허가 Daniel J. Monticello 박사에 의해서 취득되었고 이를 이용한 석유탈황기술을 개발하기 위한 회사인 Energy Biosystem사가 설립되었다[4]. 이러한 미생물 탈황기술이 환경 친화적이기는 하지만 미생물에의한 연료성분 자체의 분해 가능성과 탈황반응 후 많은 양의 물을 분리해야하는 문제, 최종생산물인 sulfuric acid에 의해 미생물의 활성 저하, 수소탈황법에 비해 탈황속도가 매우 느린 점과 온도 압력의 제한이 많다는 단점을 가지고 있다[5].

최근에는 최소량의 물을 사용하면서 반응 조건의 범위가 넓은 효소를 이용하여 탈황에 대한 연구가 많이 진행되어지고 있으며, 미생물 공정에 비해 반응속도 조절과 반응 후 효소를 재사용 할 수 있다는 점, 그리고 반응물에 대한 선택성이 크고 최소한의 부반응을 일으킬 수 있는 장점을 가지고 있다[6].

본 연구에서는 석유에 있는 난분해 황성분의 하나인 Dibenzothiophene(DBT)을 선택하여 이를 유기용매에서 여러 효소를 이용하여 산화시키는 연구를 수행하였다.

이 론

Hemoglobin과 같은 Hemoprotein과 hydrogen peroxide에 의한 DBT의 산화반응에 대한 메카니즘이 Natalia L. Klyachko와 공동연구자들에 의해 제시되어졌으며 Fig. 1에 나타나있다. Hydrogen peroxide에 의해 생성되어진 compound I은 DBT와 hydrogen peroxide 사이의 경쟁적인 반응에 의해 진행됨으로써 이러한 산화반응은 DBT, hydrogen peroxide, hemoglobin의 농도에 의존한다[6].

Fig.1 Schematic representation of mechanism of hemoglobin catalased                oxidation of dibenzothiophene by hydrogen peroxide.

실 험

본 연구에서 thiophene의 model compound로 사용되어 진 dibenzo -thiophene(99%)과 HPLC calibration에 사용되어진 DBT sulfone(97%) 및 효소인 Horsheradish perosidase(HRP, Type Ⅱ), Soybean peroxidase, Hemoglobin, Myoglobin, Cytochrome c는 Aldrich로부터 구입하였다.

Model solution으로는 25% acetonitrile과 75%의 sodium acetate buffer(pH5)의 혼합용액을 사용하였으며, 이 용액에서 DBT의 용해도를 측정하여 stock solution으로 15mM의 DBT를 N,N-dimethylformamide(DMF)에 준비한 다음 model solution에 희석하여 150□M의 DBT를 이용하여 실험을 수행하였다. 반응은 실온에서 (30℃) 이루어졌고, 다양한 hydrogen peroxide를 1mM로 첨가한 다음 여러 가지의 효소를 첨가하여 실험을 진행하였다.

분석은  □ BondapakTM C18 column (3.9×300mm, Waters)이 부착된 HPLC(영인과학, M930)를 이용하여 실시하였는데, 이동상으로는 acetonitrile과 distilled water를 6:4의 비율(1ml/min)로 하였으며 column의 온도를 상온으로 하고 검출기로는 UV/VIS detector (M720)가 사용되었다.

결과 및 토론

본 연구에서는 25%의 ACN 용액에서 난분해성 황화합물인 DBT를 여러 가지의 효소와 다양한 hydrogen peroxide를 이용하여 상온에서의 산화반응에 대해 검토하였다. DBT의 분해반응으로 생성되어지는 DBT sulfone을 확인할 수 있었으며 HPLC를 통하여 반응물과 생성물의 농도를 확인하였고 대표적인 chromatogram은 Fig. 2와 같다.

T = 0hr

T = 4hr

Fig. 2 Typical chromatogram for oxidation products of dibenzothiophene.

(1mM hydrogen peroxide, 5mg cytochrome c/10ml solution)

각 효소마다 control test를 수행한 결과 효소와 hydrogen peroxide가 모두 존재할 때 만 DBT의 분해가 일어남을 알 수 있었으며 1mM의 hydrogen peroxide를 첨가한 여러 가지 효소들과의 반응에서 DBT 분해와 DBT sulfone의 생성된 농도를 Fig. 3에 나타내었다. Cytochrome c, Myoglobin, Hemoglobin의 경우 대부분의 DBT가 분해되고, Horseradish peroxidase와 soybean peroxidase를 이용한 산화반응에서는 DBT의 분해능력이 다소 낮음을 알 수 있었다.(Fig. 3)

같은 효소들을 이용하여 hydrogen peroxide, cumene hydrogen peroxide, t-butyl hydrogen peroxide를 같은 농도로 첨가하여 실험을 수행한 결과 세 가지 물질 모두 DBT를 분해시켰으며 25% ACN 용액에서는 hydrogen peroxide가 효율이 가장 높게 나타났다.(Table 1)

향후 비극성 유기용매에서의 DBT 산화반응에 대해 실험을 수행하고 최종적으로 석유에 직접 적용함으로써 최소한의 물을 사용하는 탈황공정 개발에 기여할 수 있으리라 사료된다.

Fig. 3 Degree of oxidation of dibenzothiophene

(1mM hydrogen peroxide, 4hr reaction)

	Hydrogen peroxide	Cumene hydrogen peroxide	t-butyl hydrogen peroxide
HRP	30.45	25.45	26.37
Soybean peroxidase	3.89	0.01	8.88
Hemoglobin	92.85	40.50	46.00
Myoglobin	88.04	47.66	51.84
Cytochrome c	100	61.64	40.61

Table 1. Oxidation of DBT by various hemoproteins with several                         peroxides(1mM) in 25% acetonitrile.  (Data : % Removed DBT)

참고문헌

1. Andrews. G. F. and J. Maceuga, Bacterial Coal Desulfurization, Proc.          Biotech. Bioeng. Symp., 337-348(1982).

2. Hartdegen. F. J., J. M. Coburn, and R. L. Roberts, Michrobial                 Desulfurization of Petrolum, Chem. Eng. Prog., 80, 63-67(1984).

3. Moon. S. J. and S. K. Ihm, Characteristics of Bimetallic Cobalt and            Molybdeneum Catalysts Supported on Activated Carbone or Alumina in       Hydrodesulfurization, Kor. J. Chem. Eng., 11(2), 111-118(1994).

4. Monticello. D. J, Process for the Desulfurization and the Desalting of Fossil     Fuel, United States Patent 5,496,729, (1994).

5. L. Setti, G. Lanzarini, and P. G. Pifferi, Whole cell biocatalysis for an oil      desulfurization process, Fuel Processing Technology 52, 145-153.(1997).

6. Natalia L. Klyachko and Alexander M. Klibanov, Oxidation of                 Dibenzothiophene Catalyzed by Hemoglobin and Other Hemoproteins in        Various Aqueous-Organic Media, Appl. Biochemical and Biotechnol, 37,        (1992)