지질에 코팅된 효소를 이용한 석유탈황

허정찬, 정회일*, 류근갑

울산대학교 화학공학부, SK 주식회사*

Desulfurization of Petroleum Oils by Lipid coated enzyme

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

Department of Chemical Engineering and Clean Technology,

University of Ulsan, SK Corporation*

서 론

산업체와 자동차등 운송기관의 연료로서 사용되는 석유 및 석탄 등의 화석연료는 향후에도 상당한 기간동안 에너지 자원으로서 사용되어질 전망이며 각종 화석연료의 사용으로 인하여 발생되어지는 도시 및 산업단지의 대기오염을 저감시키기 위해서 효과적인 탈황기술 개발이 매우 중요하다.[1]

석유의 유황은 크게 sulfide류, thiol류, thiophene류로 분류되어 지며, 석유의 유황 함량은 산지에 따라 다양한 형태를 보이고 있다. 화석연료 중에 포함된 황화물질 중 분자량이 작은 mercaptan, sulfide류 및 thiol류는 물리, 화학적인 방법으로 쉽게 제거가 가능하여 재래의 고온, 고압에서 무기물 촉매(니켈, 코발트, 몰리브덴, 알루미늄 등)와 수소를 이용하는 수소화탈황법으로 이들을 황화수소(H2S)로 변환시키고 있다. 그러나 수소화탈황법은 고온, 고압의 조건으로 인하여 비싼 장치비와 운전비용이 필요하며 황화합물의 농도가 낮아질수록 제거효율이 저하된다는 문제점을 가지고 있다. 특히 중질유에 많이 포함되어 있는 고리형 황화물질인 thiophene류의 제거효율이 낮고 이를 제거하기 위해서는 많은 양의 수소가 필요하다. 또한 기존의 수소화탈황법에 의해서 중유를 탈황시킬 경우 중유에 포함되어 있는 중금속에 의해서 사용하는 촉매의 활성이 저하되어 촉매의 수명이 짧아지는 문제점이 있다.[2]

따라서 기존의 수소화탈황법은 가솔린이나 등유 등의 탈황에는 효율과 경제성이 높으나 경유 및 중유의 탈황에는 경제성이 낮아 이를 보완할 수 있는 탈황공정의 개발이 필요하다.

이러한 문제점을 보완하고 경유 및 중유에 많이 함유되어 있는 thiophene의 제거를 위해 생촉매인 미생물 및 효소를 이용한 탈황방법이 연구되어 왔다. 석유탈황 미생물을 이용한 화석연료의 탈황기술은 1940년대부터 시작되었으며, 탈황균주인 Rhodococcus 박테리아에 의한 미국특허가 Daniel J. Monticello 박사에 의해서 취득되었고 이를 이용한 석유탈황기술을 개발하기 위한 회사인 Energy Biosystem사가 설립되었다. 또한 Desulfovibrio 균과 Pseudomonas 균에 의한 탈황 연구가 활발히 진행되어지고 있다.[3]

그러나 이러한 미생물 탈황기술이 환경 친화적이기는 하지만 미생물에 의한 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].

생물체인 미생물과는 달리 유기물질인 효소를 사용할 경우에는 사용할 수 있는 온도 및 압력의 범위가 미생물 보다 넓고 환경에 전혀 유해하지 않은 생분해성 촉매 그리고 최소량의 물을 사용할 수 있다는 장점을 가지고 있다.[4]

본 연구에서는 석유에 있는 난분해 황성분의 하나인 Dibenzothiophene(DBT)을 선택하고 이를 유기용매에서 지질에 코팅된 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  Hemoglobin, Cytochrome c, 그리고 AOT(Bis(2-ethylhexyl) sodium sulfosuccinate, or dioctyl sulfosuccinate)는 Aldrich로부터 구입하였다.

Model solution으로는 n-octane을 사용하였으며, 이 용액에 molecular sieve를 넣어 수분을 제거한 다음 150□M의 DBT용액을 만들어 실험을 수행하였다. 반응은 실온에서(30℃) 이루어졌고, 다양한 hydrogen peroxide와 cumene hydrogen peroxide를 1mM로 첨가한 후 지질에 코팅된 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 n-octane 용액에서 난분해성 황화합물인 DBT를 지질로 코팅된 효소와 다양한 hydrogen peroxide를 이용하여 상온에서의 산화반응에 대해 검토하였다.

먼저 model solution의 선정은 디젤유와 여러 비극성 유기용매의 끓는점과 포화수분 함유량을 Karl Fisher 적정기를 이용하여 디젤유와 비슷한 유기용매인 n-octane을 선정하였다.

지질로 코팅되어진 hemoglobin의 양을 달리하면서 n-octane에서 DBT를 산화시켰을 경우 대표적인 chromatogram은 Fig. 1과 같다.

Fig. 1 Typical chromatogram for           Fig. 2 Oxidation of DBT by

oxidation products of dibenzothiophene      Hb-AOT & cytochrome c - AOT

by Hb-AOT in n-octane.                   in n-octane.

Cytochrome c - AOT를 사용한 경우가 hemoglobin - AOT를 사용한 경우보다 DBT 제거 효율이 높았으며, cumene hydrogen peroxide를 이용한 경우 hydrogen peroside를 이용할 때보다 n-octane에서 DBT를 효과적으로 제거할 수 있었다.(Fig. 2) cumene hydrogen peroxide를 이용할 경우에는 수분이 없을 때 DBT 제거가 더 효과적임을 알 수 있었다.

Hemoglobin과 cytochrome c를 AOT로 코팅하여 DBT를 분해한 결과를 table. 1에 나타내었다.

Table 1. Oxidation of DBT by various hemoprotein-AOT with several                         peroxides(1mM) in n-octane.  (Data : % Removed DBT)

반 응 물 질	Hb-AOT 사용량 (mg/mL)	DBT제거율(%)	cytochrome c -AOT 사용량(mg/mL)	DBT제거율(%)
H2O2	5	0.6	5	3.3
H2O2 + 5□l buffer	5	1.0	5	-
cumene peroxide	5	32.8	5	47.4
cumene peroxide + 5□l buffer	5	12.7	5	23.5
cumene peroxide	10	46.8	10	58.7
cumene peroxide	20	55.1	17	61.0

이는 물을 사용하지 않고 50 ∼ 60%의 DBT를 제거할 수 있는 방법으로 향후 비극성 유기용매에서의 DBT 산화반응에 대해 실험을 수행하고 최종적으로 석유에 직접 적용함으로써 최소한의 물을 사용하는 탈황공정 개발에 기여할 수 있으리라 사료된다.

참고문헌

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

2. 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).

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

4. Ayelet Fishman, Sobhi Basheer, Shimon Shatzmiller and Uri Cogan,           Fatty-acid-modified enzymes as enantioselective catalysts in microaqueous     organic media, Biotechnology Letters., 20(6), 535-538(1998)