JP2010506961A - 電子ビームを利用したバイオ燃料製造方法 - Google Patents

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Abstract

效率的にバイオ燃料を製造する方法において、電子ビームを利用して植物性高分子を分解する前処理段階を遂行する。次に、分解された植物性高分子を発酵処理して燃料を抽出する。すなわち、電子ビームを利用して木材、草のようなバイオマス(biomass)の細胞壁をなすセルロース(cellulose)、リグニン(lignin)の造成を短時間内に糖分(sucrose)または澱粉(starch)に転換させることができる。したがって、バイオ燃料を製造する工程時間が大きく短縮されて大量生産を容易にすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、バイオ燃料製造方法に関するものであり、より詳細には、電子ビームを利用したバイオ燃料製造方法に関するものである。
バイオ燃料は、自然界に存在するバイオマス(biomass)から作られる持続可能なエネルギー源を示す。前記バイオマスは生物体の有機物を総網羅することで、各種動植物を含めて農林業で発生する副産物、廃棄物、生ごみ、生物体に基礎した産業廃棄物、バイオ燃料生産を目的で栽培された作物(エネルギー作物)などその種類が非常に多様である。
前記バイオマスは物理、化学、生物学的技術が適用されて固体、液体、気体状態のバイオ燃料に転換されることができる。前記バイオ燃料の代表的な例としては、バイオエタノール(bio-ethanol)、バイオディーゼル(bio-diesel)、バイオガス(bio-gas)、その他の固形燃料を挙げることができる。これらすべては電力生産や輸送手段の燃料として使用されることができるが、移動が可能であるという長所と環境特性を考慮して輸送用燃料を中心に商業化が活発な状態である。
前記バイオエタノールは、とうもろこし、砂糖黍などの澱粉を発酵して製造する方法が主種をなしているし、前記バイオディーゼルは主に豆と菜の花の種子油から抽出する方法が使用されている。これらバイオ燃料は、既存の化石燃料に比べて效率が大きく落ちないで環境親和的な特性を有しているし、既存燃料インフラをほとんどそのまま使うことができて、代替エネルギー源として理想的なものとして評価される。
バイオ燃料は化石燃料に比べて微細粉じん、黄化合物などの汚染物質排出を大きく減少させることができる。前記バイオ燃料から排出される二酸化炭素は再び植物などに吸収、固定されるので二酸化炭素の純排出はほとんど発生しない。また、黄化合物や炭化水素の排出が既存の化石燃料に比べて顕著に減少されるから、スモッグ及びオゾンの発生を大きく減らすことができて都心用自動車燃料としても非常に適している。
このように穀物類の酒精種菌による発酵でアルコールを生産する代替エネルギー技術は、ブラジルを頂点に北米のアメリカ、ヨーロッパ、デンマーク、インドネシアなどが国家的事業で経済性ある工程を開発していて、半世紀後の石油減少に備えた代替エネルギー開発は国際的な課題として浮上された。
第１世代のバイオ燃料は、動物の飼料を使うか、またはとうもろこしのような穀物を基盤にしたエタノール(corn-based ethanol)を中心に研究された。しかし、急増するエタノール需要に対応することができる穀物の生産量には限界があるので、持続的な生産が難しいという問題点がある。アメリカの場合にはとうもろこし生産量の約１５％だけがエタノール生産に利用されて食糧資源との戦争が誘発される可能性が大きい。さらにアメリカ国内生産のとうもろこし全量を利用してもガソリンの２０％程度のみが代替が可能な程度である。
これによって、第２世代バイオ燃料の研究は、食糧資源を消耗しない木質係から抽出されるセルロースを基盤にしたエタノール(cellulose-based ethanol)を中心に開発されている。具体的に、アメリカは各種農業副産物から年間約５００億ガロン(gallon)のエタノールを生産することができるし、技術向上可能性が高くて製造原価面でとうもろこし基盤エタノールに比べて大きく有利であるから次世代バイオ燃料として脚光を浴びている。
しかし、木質係バイオマスは大部分結合エネルギーが大きい共有結合を有している。具体的に、結晶性セルロースは加水分解が容易ではなくて、リグニン及びヘミセルロースは接近性が悪いから、製造工程に過度に長い時間が所要されるので、大量生産に容易な製造工程の開発が切実である。
前記のような問題点らを解決するための本発明の目的は、持続可能なエネルギー源である木質類を利用するセルロース基盤のバイオ燃料を效率的に生産することができるバイオ燃料製造方法を提供することにある。
前記目的を達成するための本発明の一側面による電子ビームを利用したバイオ燃料製造方法は、先ず電子ビームを利用して植物性高分子を分解する前処理段階を遂行する。次に、前記分解された植物性高分子を発酵処理して燃料を抽出する。
本発明の実施例らによると、前記植物性高分子はセルロース(cellulose)及びリグニン(lignin)を含んで、前記電子ビームはガンマ線(gamma-ray)、エックスせん(x-ray)、イオンビーム(ion-beam)を含むことができる。
前記したところによると、植物性高分子を電子ビームで処理することで前記植物性高分子をなすセルロースとリグニンなどの幾何学的な構造を変化させることで、従来に比べてバイオ燃料に変換させるのに所要される工程時間を大きく短縮させることができる。このような方法を利用すると化石燃料を代替することができるバイオエネルギーの大量生産が可能になる。
前記のような本発明による電子ビームを利用したバイオ燃料製造方法は、植物体を電子ビームで処理することで、滅菌效果と共に分解されにくいセルロースとリグニンの糖化を促進させることができる。また、これらは酵素を交ぜて酸素のような気体の圧力下に温度と湿度を合わせてくれれば、スクロース(sucrose)に変化されてバイオマス化して変化されたものは燃料として転換させることができる。
それで、バイオ燃料製造工程に所要される時間を縮めることができて、地球温暖化を減らす第２世代の代替エネルギーを效率的に生産することができる。すなわち、植物素材を使って石油類を代替する第２世代燃料を開発することで動力源の多変化をなして、国際的に問題になっている地球温暖化問題を減少させて、石油類の輸入を減らすことで経済的波及效果が大きいことが予想される。
以下、本発明による望ましい実施例による電子ビームを利用したバイオ燃料製造方法に対して添付された図面を参照して詳細に説明するが、本発明が下記の実施例らに制限されるものではなくて、該当分野で通常の知識を有した者なら本発明の技術的思想を脱しない範囲内で本発明を多様な他の形態で具現することができるであろう。添付された図面において、各構成要素らの寸法は本発明の明確性を期するために実際より拡大して図示したものである。本発明において、一つの構成要素が異なる構成要素“上に”、“上部に”または“下部”に形成されるものとして言及される場合には前記一つの構成要素は前記他の構成要素の上に形成されるか、または下に位置することを意味するか、また他の構成要素らが前記他の構成要素上にさらに形成されることができる。また、各構成要素らが“第１”、“第２”及び/または“第３”に言及されることは限定するためではなく、単に各構成要素らを区分するためのものである。よって“第１”、“第２”及び/または“第３”は各構成要素に対してそれぞれ選択的にまたは交換的に使用されることができる。
＜電子ビームを利用したバイオ燃料製造方法＞
図１は、本発明の一実施例による電子ビームを利用したバイオ燃料製造方法を説明するための概略的な流れ図である。
図１を参照すると、先ず、電子ビームを利用して植物性高分子を分解する前処理段階を遂行する。例えば、先ず植物性高分子を粉碎する(Ｓ１１０)。前記植物性高分子は、セルロース(cellulose)及びリグニン(lignin)が含まれた木材、草本植物及びこれらから派生された製品や廃木材、紙などを含む。前記植物性高分子の粉砕形態の例として、破砕機を利用して細かく切削した木材の切れであるウッドチップ(wood chip)と、木材加工過程で発生する大鋸屑を圧縮して生産する円筒模様のウッドペレット(wood pellet)などがある。
ところが、木材や草みたいな植物性高分子からバイオ燃料を抽出するためにはバイオマスに改質する工程が必須である。しかし、植物性高分子の構造は大部分強い共有結合をなしているからバイオマスへの改質が容易ではない。
具体的に、木材は化学的造成が樹種によって非常に異なるから、化学的造成を体系化するために抽出物を副成分、細胞壁物質を主成分に大きく区分する。前記細胞壁物質を構成している成分は、セルロース、ヘミセルロース、リグニンである。前記成分らを簡略に説明すると、セルロースは纎維素とも言って、化学構造はＤ-グルコースがβ-１、４結合で多数重合されているし、真っ直ぐな鎖をなしている。化学式は(C６H１０O５)nでアルカリにはよほど強いが、酸では加水分解されてグルコース(glucose)になる。
ヘミセルロースは、植物細胞壁をなすセルロース纎維の多糖類のうちでペクチン質を抜いたものであり、主に根、根茎、種、実の細胞をなす。ペクチン質をなくした細胞壁からアルカリ溶液で抽出して、主な成分はキシラン(ペントース（五炭糖）であるキシロースの多くの分子らがお互いに結合されているもの)、グルカン、キシログルカン、グルコマンナンなどである。リグニンはセルロース及びヘミセルロースと共に木材の実質をなしている成分で木質素とも呼ばれる。これの化学構造は明確ではないが、C１８H２４O１１とC４０H４５O１８との間であると推定している。
このような成分らを含む前記粉砕された植物性高分子に電子ビームを照射することで、前記植物性高分子を分解して殺菌する(Ｓ１２０)。前記電子ビームはガンマ線(gamma-ray)、エックスせん(x-ray)、イオンビーム(ion-beam)を含む。前記電子ビーム照射によって前記植物性高分子の一部が糖分(スクロース、sucrose)または澱粉(starch)で短時間に転換されることができる。
具体的に、すべての物質は原子または分子の間の結合で構成されているし、この結合部位に速く加速された電子を衝突させれば分子間の結合が切れる。このような原理を応用して物質に高エネルギー電子ビームを照射すると、そのエネルギーで物質の構造を変化させることで付加価置を高めるか、または有害な細菌を死滅または除去することができる。
すなわち、前記電子ビームによってセルロース、ヘミセルロース及びリグニンの分子が切れて植物性高分子が速く分解されることができる。例えば、前記粉砕された植物性高分子に２MeVないし１０MeV範囲のエネルギーを有する電子ビームを数十ないし数百kGyの線量で数秒ないし数分の間に照射する。前記電子ビームエネルギーが高いほど分解及び殺菌效果が増加されるが、産業用電子ビームアクセレレーターの場合ヨーロッパ規格(ＥＮ５５２)によって、その強さが１０MeVで制限されているので、前記電子ビームの強さは１０MeV以下で使うのが望ましい。
参照で、電子ビームは密度によって処理厚さが変わる特性があり(密図１基準、０．３５cm/MeV)、物質と相互作用時にエックスせん(x-ray)が発生されるが、これは物質透過力が大きいガンマ線(gamma-ray)の特性(密図１基準、２４cm)と同じである。また、電子ビームはエックスせんまたはガンマ線対比照射断面積が非常に大きいので、処理工程に所要される時間を数千倍以上短縮させることができるし、エネルギーを可変させることができるという長所がある。ガンマ線の場合主に使用されるCo６０核種の放出エネルギーは１．１７MeVと１．３３MeVであり(平均１．２５MeV)、Cs１３７核種の放出エネルギーは０．６６７MeVで一定エネルギーのみを放出する。
上述したところのように電子ビームを使うことで電子ビーム特性だけではなく、付加的に発生するエックスせん（Ｘ線）またはガンマ線も反応に寄与することで、上述した処理厚さに対する短所を補うことができる。したがって、処理時間を大きく短縮させることができる。
これと同時に植物性高分子でなされた原料表面に存在する細菌らを殺菌することができる。それで、バイオ燃料生産に投入される酵素及び菌株の作用を円滑にさせることで、アルコールなどのバイオ燃料生産性を向上させることができる。なぜなら、穀物の場合約２５％が酵母成長を邪魔するマイコトキシン(mycotoxin)に汚染していて、酵母成長が抑制されることでアルコールのようなバイオ燃料生産が阻害される要因として作用しているからである。
一方、前記電子ビーム照射は電子ビームアクセレレーターを利用して遂行することができる。電子ビームアクセレレーターは陰極(cathode)から放出された熱電子を強い磁場で集束させて加速管を通じて低いエネルギーの電子を高いエネルギーを有する電子ビームで生成させる。次に、前記集束された電子ビームをスキャニングホーン(scanning horn)を通過させて処理物質に均一に照射する装置を言う。前記処理物質に要求される照射量はコンベヤー(conveyor)を利用して照射時間を調節することができる。また、核種から連続放出されるガンマ線と比べてアクセレレーター電源をオン/オフ(on/off)させることで、必要な時のみに電子ビームを発生させることができるので、維持及び運営が容易であって、照射線量を易しくて正確に調節することができる。
このように前記電子ビームを利用すると従来の熱分解などの分解工程を利用した前処理工程に比べて工程時間が大きく短縮されて、また付加的に滅菌效果をもたらす。すなわち、従来に要求された滅菌のための別途の工程を要しなくなる。
次は、前記分解された植物性高分子を発酵処理して燃料を抽出する段階である。先ず、前記分解された植物性高分子と酵素を混合する(Ｓ１３０)。例えば、前記分解された植物性高分子と酵母菌(S. cerevisiae IFO、S. formosensis nov、S. robustus nov. spなど)、ザイモモナスモビリス(zymomonas mobilis)、リゾザイム(rhizozyme)のような糖化酵素を含む酵素及び菌株を混合する。
引き継いで、前記植物性高分子と酵素の混合物を発酵させる(Ｓ１４０)。前記混合物の発酵を促進するためには適正温度、圧力及び電磁波(光)を提供するのが望ましい。例えば、酸素(O２)、水素(H２)及びアミノ窒素(amino nitrogen)雰囲気で１５゜ないし４５゜の範囲の温度と、適正湿度及び圧力下で発酵させる。ここで、前記混合物の発酵を促進するための種菌及び無菌数をさらに投入することができる。
最後に、前記発酵した混合物から燃料を抽出する(Ｓ１５０)。前記混合物から燃料を抽出する工程は、公知の方法らを利用することができる。前記抽出可能な燃料はガス(gas)、バイオエタノール(ethanol)、バイオブタノール(butanol)などがある。
前記本発明の望ましい実施例を参照して説明したが、該当技術分野の熟練された当業者は下記の特許請求範囲に記載した本発明の思想及び領域から脱しない範囲内で本発明を多様に修正及び変更させることができることを理解することができるであろう。
本発明の一実施例による電子ビームを利用したバイオ燃料製造方法を説明するための概略的な流れ図である。

Claims (3)

  1. 電子ビームを利用して植物性高分子を分解して殺菌する前処理段階と、
    前記分解された植物性高分子を発酵処理して燃料を抽出する段階と、を含む、
    電子ビームを利用したバイオ燃料製造方法。
  2. 前記植物性高分子は、セルロース(cellulose)及びリグニン(lignin)を含むことを特徴とする、請求項１に記載の電子ビームを利用したバイオ燃料製造方法。
  3. 前記電子ビームはガンマ線(gamma-ray)、エックス線(x-ray)、イオンビーム(ion-beam)を含むことを特徴とする、請求項１に記載の電子ビームを利用したバイオ燃料製造方法。
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