There is an increasing interest in the development of processes that can convert biomass into fuels and valuable chemicals because of global need for finding sustainable energy sources and mitigating anthropogenic CO$_2$ emission. Among the various biomass feedstocks, triglycerides (e.g., vegetable oil, microalgae oil, and animal fat) have been widely used for the production of bio-fuels. Significant advantages in using triglycerides are not only their low oxygen and sulfur contents but also highly paraffinic backbone in their fatty acid units already quite similar to those of petroleum-derived hydrocarbons. In this thesis, catalytic processes for producing biojet jet fuel and lube base oil from triglycerides were investigated. Generally, single-step hydroconversion of triglyceride into biojet fuel is difficult to operate because metal catalyst is poisoned by CO. In order to overcome this limitation, it is required to design a CO-tolerant metal-acid bifunctional catalyst. It was achieved by introducing Pt and Re supported USY catalyst. Indeed, Pt-Re alloy catalyst itself was not efficient for jet fuel production due to its too strong hydrogenolysis (a side reaction during hydrocracking) activity, but it showed remarkable performance in jet fuel production in the reaction media containing CO and H$_2$O due to suppressed hydrogenolysis activity. Effects of chain length and unsaturation degree of fatty acids on ketonization were also investigated using a TiO$_2$ catalyst. It was observed the desired fatty ketone yield was much lower and catalyst deactivation was much faster in ketonization of long chain unsaturated fatty acid due to a side reaction, ‘McLafferty rearrangement’. From these results, it was possible to design a sustainable process by pre-hydrogenating the double bond of the fatty acid before the ketonization when producing a lube base oil from a natural triglyceride.
지속가능한 에너지원의 발굴과 온실가스인 이산화탄소의 발생을 줄이기 위하여 바이오매스의 연료 및 고부가가치 물질로의 전환이 각광을 받고 있다. 바이오매스 중 트리글리세라이드 (예, 식물성 오일, 미세조류 오일, 동물성 지방)은 바이오 연료 생산에 광범위하게 이용되고 있다. 트리글리세라이드는 산소 및 황의 함유량이 적을 뿐만 아니라 그 구조가 현재 원유로부터 얻을 수 있는 탄화수소와 비슷한 파라핀 형태의 골격 구조를 가지고 있기 때문에 반응물로의 이용에 큰 장점이 있다. 본 논문에서는 이러한 트리글리세라이드로부터 바이오항공유와 및 고부가가치 물질 중 하나인 윤활기유 생산을 위한 촉매 공정에 대해 다루었다. 일반적으로 단일단계 바이오항공유 직접 생산은 일산화탄소에 의해 금속 촉매가 피독되기 때문에 빠른 비활성화를 보여 운전이 어렵다. 이러한 한계를 극복하기 위해 일산화탄소에 내성을 가지는 금속-산 이중기능성 촉매를 설계하는 것이 필요하다. 이러한 촉매는 백금 및 레늄이 담지된 USY 촉매를 도입하여 달성할 수 있었다. 본래 백금과 레늄이 동시에 담지된 촉매는 그 자체로는 부반응인 수첨분해 활성이 높기 때문에 항공유 생산에 적합하지 않으나, 일산화탄소와 물이 동시에 존재하는 반응 조건에서는 부반응의 활성이 억제되어 뛰어난 항공유 생산성을 보였다. 또한, 이산화티타늄 촉매를 이용하여 지방산의 사슬 길이와 불포화도에 따른 케톤화 반응에 대한 연구를 수행하였다. 그 결과 사슬 길이가 길고 불포화도가 높은 지방산에서는 과반응인 ‘맥래퍼티 재배치’반응에 의해. 기대생성물인 지방케톤의 수율이 낮으며 빠른 비활성화가 관찰됨을 알 수 있었다. 이러한 결과로부터, 천연 트리글리세라이드로부터 윤활기유를 생산할 때 케톤화 반응 이전에 지방산의 이중결합이 수소화하여, 지속가능한 공정을 설계할 수 있었다.
