바이오디젤이 아닌 재생 디젤의 생산에 대한 가금류 가공 공장으로부터 유래한 폐기용 닭 지방(chicken fat)에서 유리 지방산(FFA; free fatty acid)과 물(water)의 함량과 관련된 효과를 규명한 연구에서, 태국 연구진은 보다 더 높은 FFA 함량과 물 함량이 바이오하이드로겐 디젤(BHD; biohydrogenated diesel)의 수율을 개선한다는 것을 발견했다.
ACS의 Energy & Fuels 저널에 발표된 논문에서, 연구진은 물의 존재가 트리글리세리드(triglyceride) 분자를 FFAs로 분해를 가속시키는 한편, 높은 정도의 FFAs와 물을 함유하고 있는 식품 산업으로부터 유래한 폐기용 닭의 지방이 전처리 공정을 필요로 하지 않고 재생 가능한 디젤 생산을 위한 저비용 원료로 사용될 수 있다고 보고했다.
태국에서, 식품 산업으로부터 유래한 닭의 지방/오일 및 기타 폐기물 등은 바이오디젤 생산을 위한 중요한 원료로 사용되어 왔다. 그러나 닭 지방/오일에 포함된 높은 함량의 FFAs와 물은 원하지 않는 반응으로 이어졌다. 즉 메탄올과 지방/오일의 비누화 반응으로부터 비누를 생산하는 반응으로 이어졌다. 따라서 전처리 공정이 고순도 바이오디젤을 얻는 데 필수적이다. 게다가, 산도(acidity), 불포화 탄소-탄소 결합 및 지방산 메틸 에스테르(FAME; fatty acid methyl ester, 즉 바이오디젤) 분자에서 산소를 함유하고 있는 구성 성분(oxygenated components) 등과 같은 바이오디젤의 특성 중 일부는 높은 점도와 낮은 발열량(heating value) 등과 관련이 있는 낮을 열 및 산화 안정성(oxidation stability) 등을 초래한다.
이러한 단점 때문에, 수소를 이용한 지방과 오일의 탈산소화 반응(deoxygenation)이 유리지방산 또는 트리글리세리드를 석유 디젤의 분자 구조와 유사한 분자 구조를 가지는 합성 디젤 또는 소위 녹색 디젤 또는 직쇄 알칸을 함유하는 BHD 등으로 전환시키는 매력적인 대체 방안으로 제안되어 왔다.
일반적으로, 탈산소화 반응을 통한 BHD 생산은 HDO(hydrodeoxygenation), DCO(decarbonylation) 및 DCO2(decarboxylation) 등을 포함한 세 가지 주요 반응 경로를 경험한다. 알칸 생성물은 부산물로 H2O를 가지는 탄소 원자의 동일한 수를 보유하는 지방산의 HDO로부터 얻었다. 그러나 탄소 원자는 CO/CO2 생성과 함께 DCO/DCO2에 의해 소실된다. 따라서 촉매의 선택은 BHD 생성물 분포에 분명히 중요하다.
이 연구를 위하여, 연구팀은 0~4wt%의 물 함량과 6~12wt%의 유리 지방산 함량에 액 공간 속도(LHSV; liquid hourly space velocity) 0.5−2.0 h−1의 조건 하에서 Ni/γ-Al2O3 촉매를 사용했다. 닭 지방은 다수의 불포화된 C18을 가지는 C8−C20의 지방산으로 구성됐다. 연구진은 몰 평형 방법(molar balance method)을 이용하여 HDO, DCO 및 DCO2 등의 다른 기여를 결정했다.
연구 결과는 물의 추가가 HDO에 상당한 영향을 끼치지는 않지만, DCO/DCO2로부터의 기여가 생성물 수율과 유사하게 증가됐다는 것을 보여주었다. DCO/DCO2의 기여는 70% 이상인 한편, HDO 반응의 기여는 2% 미만이었다.
주요 생성물은 80~90% 조성을 가지는 n-C17 알칸이었다. 매우 소량의 비율에서만 n-C18 알칸을 나타냈다. n-C8에서 n-C14까지의 가벼운 탄화수소는 1% 미만이었다.
또 연구진은 주요 경로에 다시 부가적인 FFAs(12 wt %)를 다시 추가하는 것이 보다 더 높은 FFA 함량을 가지는 경로로부터 더 높은 기여를 하는 DCO/DCO2를 구현할 수 있었다고 밝혔다.
닭의 지방으로부터 BHD 생성은 330 °C의 반응 온도에서 Ni/γ-Al2O3 촉매를 적용한 탈산소화 반응을 이용하는 것이 우호적이었다. 닭 지방 공급원에 물(4 wt %)의 존재는 트리글리세리드의 탈수소화 반응 및 가수소 분해(hydrogenolysis) 반응을 개선하기 때문에, ca. 20wt%까지 BHD 생성물 수율을 증가시켰다. 반면 주요 탈산소화 반응 경로는 촉매를 적용한 DCO/DCO2를 거쳐서 진행됐다. 그 외에, 원료에서 높은 유리 지방산 함량은 DCO/DCO2의 선택성을 개선한 반면, 전체적인 BHD 수율을 강화했다.
LHSV에서 증가는 공급원과 촉매 사이에 보다 더 짧은 접촉 시간을 가지기 때문에, BHD 수율을 감소시켰다. 높은 수준의 FFAs와 물 함량을 보유하는 식품 산업 폐기물(food industrial waste)로부터 얻어지는 닭 지방은 전처리 공정을 필요로 하지 않고 녹색 디젤 생산을 위한 원료로 사용될 수 있다고 연구진은 제안했다.
