KR100376203B1 - A method of decomposing cellulose with sulfuric acid and various sulfate additives under sub- and supercritical water - Google Patents

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Abstract

본 발명은 셀룰로오스 슬러리를 연속적으로 가수분해반응시키는 것에 관한 것으로서, 특히 황산 또는 황산염 첨가물을 사용하여 셀룰로오스 슬러리에 대한 가수분해반응의 수율을 향상시키는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to continuous hydrolysis of cellulose slurry, and more particularly, to an apparatus and method for improving the yield of hydrolysis reaction to cellulose slurry using sulfuric acid or sulfate additives.

본 발명은 소량의 황산 또는 황산염을 포함하고 있는 원료수를 가열부에서 아임계수 또는 초임계수 영역으로 가열 및 가압한 후, 상기의 슬러리 펌프에 의해 공급된 셀룰로오스 슬러리와 함께 반응기에 공급하여 가수분해반응을 진행시키고, 상기의 반응기를 나온 반응물을 냉각수 탱크에서 공급된 냉각수에 의해 1차 냉각시켜 반응을 종료시키고, 이어서 열교환기에 의하여 2차 냉각시켜 반응을 완전 종결시키며, 반응이 종결된 반응생성물을 여과수단에 통과시켜 미반응의 셀룰로오스를 여과하고, 그 여액을 생성물 회수탱크로부터 얻는 일련의 장치 및 방법을 제공한다.The present invention heats and pressurizes raw material water containing a small amount of sulfuric acid or sulfate to a subcritical water or supercritical water region in a heating unit, and then supplies the cellulose slurry supplied by the slurry pump to a reactor to hydrolyze the reaction. The reaction product exiting the reactor was first cooled by the cooling water supplied from the cooling water tank to terminate the reaction, followed by secondary cooling by a heat exchanger to completely terminate the reaction, and the reaction product was terminated by filtration. A series of devices and methods are provided that pass through a means to filter unreacted cellulose and obtain the filtrate from the product recovery tank.

Description

황산 및 황산염 첨가물을 이용한 아임계 및 초임계수 내에서의 셀룰로오스의 연속분해방법{A method of decomposing cellulose with sulfuric acid and various sulfate additives under sub- and supercritical water}A method of decomposing cellulose with sulfuric acid and various sulfate additives under sub- and supercritical water}

본 발명은 셀룰로오스 슬러리를 연속적으로 가수분해반응시키는 것에 관한 것으로서, 특히 황산 또는 황산염 첨가물을 사용하여 셀룰로오스 슬러리에 대한 가수분해반응의 수율을 향상시키는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to continuous hydrolysis of cellulose slurry, and more particularly, to an apparatus and method for improving the yield of hydrolysis reaction to cellulose slurry using sulfuric acid or sulfate additives.

현재 대량으로 배출되는 폐기물 중에는 화학원료와 에너지원으로써 유용한 성분이 많이 포함되어 있으며 그 활용방법을 개발하기 위하여 많은 연구가 진행되고 있다. 이 중에서도 농업과 임업 및 산업체와 도시로부터 배출되어지는 목재, 나무껍질 및 폐지 등과 같은 바이오매스 폐기물의 처리와 효율적인 이용이 중요한 문제로 대두되고 있다. 화석연료를 대체할 자원으로 주목받고 있는 바이오매스는 대량으로 폐기되고 있으며, 화석연료와 비교했을 때 그 활용도는 매우 낮은 편이다.Currently, a large amount of wastes contain many useful ingredients as chemical raw materials and energy sources, and a lot of research is being conducted to develop methods for using them. Among them, the treatment and efficient use of biomass wastes such as wood, bark and waste paper, which are emitted from agriculture, forestry, industry, and cities, have emerged as important issues. Biomass, which is drawing attention as a substitute for fossil fuels, is being disposed of in large quantities, and its utilization is very low compared to fossil fuels.

셀룰로오스가 주성분인 바이오매스는 지구상에 가장 풍부한 물질로서, 액상 에너지원이나 석유화학공업에서 제조하고 있는 고부가가치의 합성고분자의 원료로 활용이 가능하다. 국내에서도 1996년 톱밥의 발생량이 8,370만 톤, 왕겨의 발생량이 6,500만 톤으로, 이 중에서 절반을 회수하여 이 물질 내에 있는 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스의 10%만 글루코오스로 변환시킨다고 해도 연간 약 15만 톤 이상의 에탄올을 얻는 효과를 거둘 수 있다.Biomass, the main ingredient of cellulose, is the most abundant substance on earth, and can be used as a raw material of high value-added synthetic polymer manufactured by liquid energy source or petrochemical industry. Even in Korea, the amount of sawdust generated in 1996 was 86.7 million tons and rice husks were 65 million tons. The effect can be obtained.

바이오매스 자원을 액상 에너지원이나 고부가가치의 물질로 전환하는 과정은 우선 바이오매스의 주성분인 셀룰로오스를 글루코오스나 올리고머 등으로 가수분해한 후에, 이를 정제 또는 발효시키는 2가지 공정으로 이루어진다. 이들 공정 중에는 글루코오스를 발효시켜 에탄올로 이용하거나 식품 및 공급원료로 이용하는 공정은 이미 개발되어 보편화된 공정이므로, 바이오매스 물질을 가수분해하여 글루코오스로 전환하는 공정이 핵심기술이라 할 수 있다.The conversion of biomass resources into liquid energy sources or high value-added materials consists of two processes: first hydrolysis of cellulose, a major component of biomass, into glucose or oligomer, followed by purification or fermentation. Among these processes, fermentation of glucose to be used as ethanol or as a food and feedstock is already developed and popularized. Therefore, a process of hydrolyzing biomass material and converting it into glucose is a core technology.

일반적으로, 셀룰로오스를 분해하여 글루코오스나 올리고머를 회수하는 공정으로는 다음과 같은 3가지 방법이 있다.In general, there are three methods of recovering glucose or oligomer by decomposing cellulose.

(1) 산촉매 가수분해법 : 산촉매 가수분해 공정은 오랜 역사를 가진 재래식 공정으로 알려져 있으며, 반응속도가 느리고 고온에서 조업할 경우 산에 의한 장치의 부식, 폐수처리 등이 문제점으로 제기되고 있어 최근에는 거의 사용되지 않고 있다.(1) Acid catalyst hydrolysis method: The acid catalyst hydrolysis process is known as a conventional process with a long history. The reaction rate is slow and when operating at high temperature, corrosion of the device by acid and waste water treatment have been raised recently. It is not used.

(2) 효소 가수분해법 : 본격적인 연구가 이루어지고 있는 효소 가수분해공정 역시 반응속도가 매우 느리고, 장기간 운전시 효소의 활성이 저하되고, 고효율의 균주 개발이 요구되는 등의 공정효율 및 경제성에 문제점들이 있어 아직 상업화가 되지 못하고 있는 실정이다.(2) Enzymatic hydrolysis: Enzymatic hydrolysis process, which is being studied in earnest, also has problems in process efficiency and economic efficiency such as slow reaction rate, low activity of enzyme during long-term operation, and development of highly efficient strains There is no commercialization yet.

(3) 초임계수 가수분해법 : 가장 손쉽게 접할 수 있는 용매인 물을 초임계수영역으로 변환시키는 물리적 처리만으로 가수분해 반응속도를 획기적으로 향상시키고, 환경문제가 전혀 없는 초임계수 반응공정을 개발하는 연구들이 선진국을 중심으로 활발히 진행되고 있다. 그러나, 초임계수를 이용한 가수분해의 경우에도 반응속도는 매우 빠르지만, 생성물 중의 글루코오스 수율이 20% 정도로 낮은 것이 단점이다.(3) Supercritical water hydrolysis method: Researches to develop the supercritical water reaction process by dramatically improving the hydrolysis reaction rate by physical treatment of converting water, which is the solvent which is most easily encountered, into the supercritical water area, It is actively progressing in developed countries. However, even in the case of hydrolysis using supercritical water, the reaction rate is very fast, but the disadvantage is that the yield of glucose in the product is as low as 20%.

따라서, 본 발명은 초임계수를 이용한 가수분해법에 있어서 반응속도를 크게 향상시키고 가수분해반응의 수율을 향상시키는 일련의 장치 및 그 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.It is therefore an object of the present invention to provide a series of apparatuses and methods for greatly improving the reaction rate in the hydrolysis method using supercritical water and improving the yield of the hydrolysis reaction.

본 발명자들은 상기의 목적을 달성하기 위하여 다양한 실험을 거듭한 결과, 초임계수에 소량의 황산 또는 황산염을 첨가하여 반응시킬 경우에 셀룰로오스의 분해속도가 빨라지게 되고 또한 가수분해의 생성물의 수율이 크게 향상됨을 확인함으로써, 본 발명을 완성하게 되었다.The inventors of the present invention have repeatedly conducted various experiments to achieve the above object, and when a small amount of sulfuric acid or sulfate is added to the supercritical water, the decomposition rate of cellulose is increased and the yield of the product of hydrolysis is greatly improved. By confirming that, this invention was completed.

도 1은 본 발명에 의한 반응장치의 개략적인 구성도,1 is a schematic configuration diagram of a reaction apparatus according to the present invention,

도 2는 초임계수 조건(400℃,30MPa)에서 황산 0.03wt%를 첨가한 경우, 체류시간에 따른 글루코오스의 수율을 나타낸 도면,2 is a graph showing the yield of glucose according to residence time when 0.03 wt% of sulfuric acid is added under supercritical water conditions (400 ° C. and 30 MPa).

도 3은 초임계수 조건(400℃,30MPa)에서 황산구리 0.03wt%를 첨가한 경우, 체류시간에 따른 글루코오스의 수율을 나타낸 도면,3 is a graph showing the yield of glucose according to residence time when 0.03 wt% of copper sulfate is added under supercritical water conditions (400 ° C., 30 MPa).

도 4는 초임계수 조건(400℃,30MPa)에서 체류시간이 0.08초일 경우, 황산의 농도변화에 따른 글루코오스의 수율을 나타낸 도면,4 is a diagram showing the yield of glucose according to the concentration change of sulfuric acid when the residence time is 0.08 seconds in supercritical water conditions (400 ℃, 30MPa),

도 5는 아임계수 조건(360℃, 3030MPa)에서 0.03wt%를 첨가한 경우, 체류시간에 따른 글루코오스의 수율을 나타낸 도면이다.5 is a graph showing the yield of glucose according to residence time when 0.03 wt% is added under subcritical water conditions (360 ° C., 3030 MPa).

* 도면의 주요부호에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols for major symbols in the drawings

1 : 원료수 탱크, 2 : 고압 펌프,1: raw material water tank, 2: high pressure pump,

3, 15 : 압력계, 4 : 가열부,3, 15: pressure gauge, 4: heating part,

8 : 반응기, 9 : 셀룰로오스 슬러리,8: reactor, 9: cellulose slurry,

10 : 슬러리 펌프, 11 : 냉각수 펌프10: slurry pump, 11: coolant pump

12 : 냉각수 탱크, 13 : 열교환기,12: coolant tank, 13: heat exchanger,

14 : 여과수단, 16 : 압력조절기14: filtration means, 16: pressure regulator

본 발명은 셀룰로오스의 연속적인 가수분해반응에 관한 것으로서, 특히 황산 또는 황산염 첨가물을 사용하여 셀룰로오스 슬러리에 대한 가수분해반응의 수율을 향상시키는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a continuous hydrolysis reaction of cellulose, and more particularly, to an apparatus and a method for improving the yield of hydrolysis reaction to a cellulose slurry using sulfuric acid or sulfate additives.

본 발명은 황산 또는 황산염이 소량 첨가된 원료수를 담고 있는 원료수탱크(1)와, 상기의 원료수를 이송시키는 고압펌프(2)와, 상기의 원료수를 필요한 온도 및 압력만큼 상승시키는 가열부(4)를 포함하는 원료수 공급부와; 셀룰로오스 슬러리(9)를 내장하고 이것을 상기의 원료수에 공급하는 슬러리 펌프(10)로 구성된 셀룰로오스 슬러리 공급부와; 상기의 원료수와 상기의 셀룰로오스가 가수분해반응을 일으키는 반응기(8)를 포함하는 가수분해 반응부와; 상기의 가수분해반응을 종결시키기 위하여 냉각수를 공급하는 냉각수 탱크(12)와, 상기 냉각수를 이송시키는 냉각수 펌프(11)와, 상기 냉각수에 의해 가수분해반응이 종료된 반응생성물을 다시 열교환에 의하여 냉각시키는 열교환기(13)를 포함하는 가수분해 반응종료부와; 상기의 열교환기(13)를 거쳐 나온 반응생성물로부터 미반응 셀룰로오스를 여과하는 여과수단(14)과, 상기 여과수단(14)을 통과하여 나온 글루코오스 성분을 회수하는 생성물 회수탱크(17)를 포함하는 일련의 장치를 제공한다. 이때, 미설명 부호 3 및 15는 압력계이고, 5,6,7 은 열전대이다.The present invention provides a raw material water tank (1) containing raw water with a small amount of sulfuric acid or sulfate added thereto, a high pressure pump (2) for transferring the raw material water, and heating for raising the raw water to the required temperature and pressure. A raw material water supply part including a part 4; A cellulose slurry supply section including a slurry pump 10 for embedding the cellulose slurry 9 and supplying it to the raw material water; A hydrolysis reaction unit including a reactor (8) in which the raw material water and the cellulose cause a hydrolysis reaction; In order to terminate the hydrolysis reaction, the cooling water tank 12 for supplying the cooling water, the cooling water pump 11 for transferring the cooling water, and the reaction product in which the hydrolysis reaction is completed by the cooling water are again cooled by heat exchange. A hydrolysis reaction terminating unit including a heat exchanger 13 to be used; Filtration means (14) for filtering the unreacted cellulose from the reaction product from the heat exchanger (13), and a product recovery tank (17) for recovering the glucose component passed through the filtering means (14) Provide a series of devices. In this case, reference numerals 3 and 15 are pressure gauges, and 5, 6, and 7 are thermocouples.

또한, 본 발명은 소량의 황산 또는 황산염을 포함하고 있는 원료수를 가열부(4)에서 아임계수 또는 초임계수 영역으로 가열 및 가압한 후, 상기의 슬러리 펌프(10)에 의해 공급된 셀룰로오스 슬러리(9)와 함께 반응기(8)에 공급하여 가수분해반응을 진행시키고, 상기의 반응기(8)를 나온 반응물을 냉각수 탱크(12)에서 공급된 냉각수에 의해 1차 냉각시켜 반응을 종료시키고, 이어서 열교환기(13)에 의하여 2차 냉각시켜 반응을 완전 종결시키며, 반응이 종결된 반응생성물을 여과수단(14)에 통과시켜 미반응의 셀룰로오스를 여과하고, 그 여액을 생성물 회수탱크(17)로부터 얻는 방법을 제공한다.In addition, the present invention, after heating and pressing the raw material water containing a small amount of sulfuric acid or sulfate in the subcritical water or supercritical water region in the heating section 4, the cellulose slurry (supplied by the slurry pump (10) ( 9) together with the reactor 8 to proceed with the hydrolysis reaction, the reaction product exiting the reactor 8 is first cooled by the cooling water supplied from the cooling water tank 12 to terminate the reaction, and then heat exchange Secondary cooling by means of a gas (13) to completely terminate the reaction, passing the reaction product after completion of the reaction through the filtration means (14) to filter out unreacted cellulose, and to obtain the filtrate from the product recovery tank (17). Provide a method.

본 발명에 있어서는, 황산 또는 황산염을 원료수에 0.01 ∼ 0.1wt% 첨가한다. 상기의 황산염은 황산구리, 황산철, 황산마그네슘 등을 포함하며, 황산과 함께 사용하거나 이를 단독으로 사용할 수 있다. 본 발명에 있어서 상기의 황산성분은 촉매로서의 기능을 수행하며, 원료수에 대하여 0.01wt% 이하로 첨가할 경우엔 반응속도 및 반응수율이 떨어지는 반면에, 0.1wt% 이상 첨가할 경우엔 부식의 문제가 있을 뿐만 아니라 더 이상의 반응수율 향상이 이루어지지 아니하므로 바람직스럽지 못하다.In this invention, 0.01-0.1 wt% of sulfuric acid or sulfate is added to raw material water. The sulfate includes copper sulfate, iron sulfate, magnesium sulfate, and the like, and may be used together with sulfuric acid or alone. In the present invention, the sulfuric acid component performs a function as a catalyst, and when it is added at 0.01wt% or less with respect to the raw water, the reaction rate and reaction yield are lower, whereas when added at 0.1wt% or more, there is a problem of corrosion. Not only is not preferable because no further improvement in reaction yield is achieved.

본 발명에 있어서, 가열부(4)에서는 상기의 원료수를 330℃∼374℃에서 22∼45MPa 정도의 아임계수 영역으로 가열 및 가압할 수 있다. 이 경우엔, 330℃ 보다 낮은 온도조건의 아임계수 영역에서는 전환율 및 반응수율이 낮아지기 때문에 바람직하지 못하다. 또 한편, 가열부(4)에서 상기의 원료수를 374℃ ∼ 450℃에서 22∼45MPa 정도의 초임계수 영역으로 가열 및 가압할 수 있으며, 이 경우 450℃ 보다 높은 온도에서는 급격한 분해반응이 진행되어 가수분해생성물의 반응수율이 낮아지므로 바람직하지 못하다.In the present invention, the heating section 4 can heat and pressurize the raw material water to a subcritical water region of about 22 to 45 MPa at 330 ° C to 374 ° C. In this case, in the subcritical water region at a temperature lower than 330 ° C, the conversion rate and the reaction yield decrease, which is not preferable. On the other hand, in the heating section 4, the raw material water can be heated and pressurized from 374 ° C to 450 ° C to a supercritical water region of about 22 to 45 MPa. In this case, a rapid decomposition reaction proceeds at a temperature higher than 450 ° C. It is not preferable because the reaction yield of the hydrolyzate is lowered.

본 발명에 있어서, 상기의 가열 및 가압된 원료수는 슬러리 펌프(10)로부터 공급된 셀룰로오스 슬러리(9)와 혼합되어 반응기(8)로 들어간다. 상기의 셀룰로오스 술러리(9)는 반응물로서 슬러리 펌프(10)에 의해 연속적으로 공급되며, 일정한 농도의 슬러리가 공급될 수 있도록 슬러리 펌프(10) 내에 교반자가 설치되어 충분히 교반된 균일한 농도의 슬러리가 반응기(8)에 공급된다. 이때, 상기의 슬러리는 일정한 유량비로 반응기(8)의 입구에서 초임계수와 정면으로 부딪혀 혼합된 후 반응기로 유입되어진다. 초임계수와 슬러리의 공급비율은 2 ∼4 : 1 정도가 바람직하다.In the present invention, the heated and pressurized raw water is mixed with the cellulose slurry 9 supplied from the slurry pump 10 to enter the reactor 8. The cellulose slurry 9 is continuously supplied by the slurry pump 10 as a reactant, and a slurry having a uniform concentration with a stirrer is installed in the slurry pump 10 so that a constant concentration of slurry can be supplied. Is fed to the reactor (8). At this time, the slurry is mixed with the front of the supercritical water at the inlet of the reactor 8 at a constant flow rate ratio and then introduced into the reactor. As for the feed ratio of supercritical water and a slurry, about 2-4: 1 are preferable.

본 발명에 있어서, 반응기(8) 내로 들어온 혼합물은 다음과 같은 식으로 가수분해반응이 진행되어진다. ;In the present invention, the mixture introduced into the reactor 8 undergoes a hydrolysis reaction in the following manner. ;

셀룰로오스 + H2O ⇒ 글루코오스 + 후락토오스 + 올리고머Cellulose + H 2 O ⇒ glucose + fructose + oligomer

한편, 초임계수와 셀룰로오스 슬러리는 반응기(8) 내에서 0.04초 내지 2.5초 간 체류하면서 가수분해반응을 수행한다. 이때, 반응기(8) 내에서의 체류시간(τ)은 다음과 같은 식을 이용하여 계산할 수 있다. ;On the other hand, the supercritical water and the cellulose slurry perform hydrolysis while staying in the reactor 8 for 0.04 seconds to 2.5 seconds. At this time, the residence time (τ) in the reactor 8 can be calculated using the following equation. ;

여기서 ρ는 반응기 내의 혼합물의 밀도이며, V는 반응기의 부피, F는 혼합물의 유속을 의미한다. 따라서, 반응기(8) 내에서의 체류시간(τ)은 혼합물의 밀도와 반응기의 부피가 일정할 경우, 혼합물의 유속에 좌우되므로, 그 유속을 조절함으로써 반응시간(τ)을 조절할 수 있다.Where ρ is the density of the mixture in the reactor, V is the volume of the reactor and F is the flow rate of the mixture. Therefore, since the residence time τ in the reactor 8 depends on the flow rate of the mixture when the density of the mixture and the volume of the reactor are constant, the reaction time τ can be adjusted by adjusting the flow rate.

본 발명에 있어서, 반응기(8) 내에서 가수분해반응을 마치고 그 출구로 나온 반응물은 냉각수 펌프(11)에 의해 공급된 냉각수에 의해 냉각되어 가수분해반응이 종료되어지며, 냉각수의 공급량은 원료수와 셀룰로오스 슬러리의 유량을 합한 정도 이상의 유량이 적합하다. 이 단계에서 가수분해반응이 일단 종료되어지고, 다시 반응생성물은 열교환기(13)를 통하여 충분히 냉각되어진다.In the present invention, after completion of the hydrolysis reaction in the reactor (8), the reactant coming out of the outlet is cooled by the cooling water supplied by the cooling water pump (11) to terminate the hydrolysis reaction, the supply amount of the cooling water is the raw water A flow rate of at least about the sum of the flow rates of the and cellulose slurry is suitable. In this step, the hydrolysis reaction is completed once, and the reaction product is sufficiently cooled through the heat exchanger (13).

본 발명에 있어서, 가수분해반응이 종결된 반응생성물은 여과수단(14)을 통과하면서 미반응 셀룰로오스가 제거되어진다. 여과수단(14)에 의해 미반응 셀룰로오스가 제거되어진 여액은 생성물 회수탱크(17)에 의하여 회수되어지며, 전체 시스템의 내부압력은 압력조절기(3)(16)를 이용하여 조절된다. 이때, 반응생성물은 용액상태이고, 생성물의 분석에는 고성능의 액체크로마토그래피(HPLC)가 사용되며, 가수분해반응시의 셀룰로오스의 전환율은 상기의 여과수단(14)내에 존재하는 미반응 셀룰로오스의 질량을 측정함으로써 손쉽게 계산할 수 있다.In the present invention, the unreacted cellulose is removed while passing through the filtration means 14 in the reaction product in which the hydrolysis reaction is terminated. The filtrate from which the unreacted cellulose is removed by the filtration means 14 is recovered by the product recovery tank 17, and the internal pressure of the entire system is controlled by using the pressure regulators 3 and 16. At this time, the reaction product is in a solution state, and high performance liquid chromatography (HPLC) is used for analysis of the product, and the conversion rate of cellulose during the hydrolysis reaction is determined by the mass of unreacted cellulose present in the filtration means 14. It is easy to calculate by measuring.

이하, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 구체적인 수치를 들어 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예는 본 발명을 실시하기 위하여 제시된 하나의 예시일 뿐이며, 본 발명이 여기에 제시된 실시예에 의하여 그 범위가 한정되는 것이 아님은 자명하다.Hereinafter, the most preferred embodiment of the present invention will be described in detail with specific numerical values. However, the preferred embodiment of the present invention is only one example presented to practice the present invention, it is obvious that the scope of the present invention is not limited by the embodiments presented herein.

《실시예 1》<< Example 1 >>

원료수에 0.03wt%의 황산 및 황산구리를 첨가한 원료수를 고압펌프(2)를 이용하여 가열부(4)로 보내어, 그곳에서 400℃, 30MPa의 초임계수 상태로 하였다. 한편, 셀룰로오스 슬러리는 슬러리 장치내의 교반자를 이용하여 30분 이상 충분히 교반한 후, 반응기(8)에 공급하였다. 이때, 상기의 반응기(8)에는 초임계수를 19.6㎖/min 의 유속과 셀룰로오스 슬러리를 8.4㎖/min 의 유속으로 각각 공급하였으며, 이들은 반응기(8) 내에서 직접 혼합되어 가수분해반응을 거친다. 반응기(8) 내에서 초임계수와 혼합된 후의 셀룰로오스 슬러리의 농도는 3wt%가 되도록 하는것이 바람직하다. 반응기(8)는 0.115cm3의 부피를 가지도록 스테인레스 관으로 제작되었으며, 반응기(8) 내의 온도를 미세조정하기 위하여 반응기 외부에 히팅 테이프(heating tape)를 설치하였다.The raw material water which added 0.03 wt% sulfuric acid and copper sulfate to raw material water was sent to the heating part 4 using the high pressure pump 2, and it was made into the supercritical water state of 400 degreeC and 30 MPa there. On the other hand, after fully stirring for 30 minutes or more using the stirrer in a slurry apparatus, the cellulose slurry was supplied to the reactor 8. At this time, the reactor 8 was supplied with supercritical water at a flow rate of 19.6 ml / min and a cellulose slurry at a flow rate of 8.4 ml / min, respectively, which were directly mixed in the reactor 8 to undergo a hydrolysis reaction. It is preferable that the concentration of the cellulose slurry after mixing with the supercritical water in the reactor 8 is 3 wt%. The reactor (8) was made of a stainless tube to have a volume of 0.115 cm 3 , and a heating tape was installed outside the reactor to fine tune the temperature in the reactor (8).

반응기(8)로부터 나오는 유출물의 반응을 급속히 정지키시키기 위하여, 반응기 말단에서 상온의 냉각수를 공급하였다. 상기의 냉각수는 냉각수 펌프(11)를 이용하여 13.05㎖/min 의 유속으로 공급하였고, 이어서 2차적으로 이중관식의 열교환기(13)를 거쳐 반응물의 온도를 실온으로 낮추었다. 반응기를 통과한 유출물 중 미반응 셀룰로오스는 0.5㎛의 기공을 가진 금속필터(14)에서 회수하였으며, 필터를 통과한 반응생성물은 압력조절용 밸브(16)를 통과한 후 채취하였다. 회수된 미반응 셀룰로오스의 무게를 측정하여 전환율을 계산하였으며, 생성물의 분석에는 액체크로마토그래피 분석법을 이용하였다. 반응 결과, 그 전환율은 99% 이상인 것으로 확인되었다.In order to stop the reaction of the effluent from the reactor 8 rapidly, a cooling water at room temperature was supplied at the end of the reactor. The cooling water was supplied at a flow rate of 13.05 ml / min using the cooling water pump 11, and then secondly, the temperature of the reactant was lowered to room temperature through the double tube heat exchanger 13. The unreacted cellulose in the effluent passed through the reactor was recovered from the metal filter 14 having pores of 0.5 μm, and the reaction product passed through the filter was collected after passing through the pressure regulating valve 16. The conversion rate was calculated by measuring the weight of the recovered unreacted cellulose, and liquid chromatography was used to analyze the product. As a result of the reaction, the conversion was found to be 99% or more.

《실시예 2》<< Example 2 >>

상기 실시예 1에 있어서, 가열부(4)의 조건을 360℃, 30MPa의 아임계수 상태로 수행한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다. 반응 결과, 그 전환율은 90% 인 것으로 확인되었다.In Example 1, it was carried out in the same manner as in Example 1 except that the condition of the heating unit 4 was carried out in a subcritical water state of 360 ℃, 30MPa. As a result of the reaction, the conversion was found to be 90%.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 기존의 순수한 아임계수 또는 초임계수만을 이용한 방법 대신에, 반응매체인 초임계수에 미량의 황산 및 황산염류의 촉매를 첨가함으로써 극히 짧은 시간 내에 셀룰로오스를 신속히 분해시켰을 뿐만 아니라, 글루코오스의 수율을 최고 50wt% 이상 크게 향상시킴으로써 석유화학원료로도 유용하게 사용할 수 있게 되었다.As described above, in the present invention, instead of the conventional method using pure subcritical water or supercritical water only, a small amount of sulfuric acid and sulfate catalysts were added to the supercritical water as a reaction medium to rapidly decompose cellulose in a very short time. In addition, by significantly improving the yield of glucose up to 50wt% or more it can be usefully used as a petrochemical raw material.

따라서, 본 발명은 바이오매스 폐기물의 처리에 있어서도 큰 기여를 할 것으로 판단된다.Therefore, the present invention is expected to make a great contribution in the treatment of biomass waste.

이상에서 본 발명에 의한 셀룰로오스의 연속분해방법을 실시예에 의하여 설명하였으나, 이는 본 발명의 가장 바람직한 실시양태를 기재한 것일 뿐, 본 발명이 이에 한정되지 아니함은 당연하다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 명세서의 기재내용에 의하여 다양한 변형 및 모방을 행할 수 있을 것이나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어난 것이 아님은 자명하다고 할 것이다.In the above description of the continuous decomposition method of the cellulose according to the present invention by way of examples, which is described only the most preferred embodiment of the present invention, of course, the present invention is not limited thereto. In addition, anyone of ordinary skill in the art will be able to make various modifications and imitations according to the description of the present specification, but it will be apparent that this is also outside the scope of the present invention.

Claims (6)

황산 또는 황산염이 소량 첨가된 원료수를 담고 있는 원료수 탱크(1)와, 상기의 원료수를 이송시키는 고압펌프(2)와, 상기의 원료수를 필요한 온도 및 압력만큼 상승시키는 가열부(4)를 포함하는 원료수 공급부와; 셀룰로오스 슬러리(9)를 내장하고 이것을 상기의 원료수에 공급하는 슬러리 펌프(10)로 구성된 셀룰로오스 슬러리 공급부와; 상기의 원료수와 상기의 셀룰로오스가 가수분해반응을 일으키는 반응기(8)를 포함하는 가수분해 반응부와; 상기의 가수분해반응을 종결시키기 위하여 냉각수를 공급하는 냉각수 탱크(12)와, 상기 냉각수를 이송시키는 냉각수 펌프(11)와, 상기 냉각수에 의해 가수분해반응이 종료된 반응생성물을 다시 열교환에 의하여 냉각시키는 열교환기(13)를 포함하는 가수분해 반응종료부와; 상기의 열교환기(13)를 거쳐 나온 반응생성물로부터 미반응 셀룰로오스를 여과하는 여과수단(14)과, 상기 여과수단(14)을 통과하여 나온 글루코오스 성분을 회수하는 생성물 회수탱크(17)로 구성된 반응생성물 회수부를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀로룰로오스의 연속분해장치.Raw material tank (1) containing raw material water to which sulfuric acid or sulfate is added in small amounts, a high pressure pump (2) for transferring the raw material water, and a heating unit (4) for raising the raw material water to the required temperature and pressure. Raw water supply unit including; A cellulose slurry supply section including a slurry pump 10 for embedding the cellulose slurry 9 and supplying it to the raw material water; A hydrolysis reaction unit including a reactor (8) in which the raw material water and the cellulose cause a hydrolysis reaction; In order to terminate the hydrolysis reaction, the cooling water tank 12 for supplying the cooling water, the cooling water pump 11 for transferring the cooling water, and the reaction product in which the hydrolysis reaction is completed by the cooling water are again cooled by heat exchange. A hydrolysis reaction terminating unit including a heat exchanger 13 to be used; Reaction consisting of a filtration means 14 for filtering unreacted cellulose from the reaction product from the heat exchanger 13 and a product recovery tank 17 for recovering the glucose component passed through the filtration means 14. A continuous decomposition device of cellulose comprising a product recovery unit. 소량의 황산 또는 황산염을 포함하고 있는 원료수를 가열부(4)에서 아임계수 또는 초임계수 영역으로 가열 및 가압한 후, 상기의 슬러리 펌프(10)에 의해 공급된 셀룰로오스 슬러리(9)와 함께 반응기(8)에 공급하여 가수분해반응을 진행시키고, 상기의 반응기(8)를 나온 반응물을 냉각수 탱크(12)에서 공급된 냉각수에 의해 1차 냉각시켜 반응을 종료시키고, 이어서 열교환기(13)에 의하여 2차 냉각시켜 반응을 완전 종결시키며, 반응이 종결된 반응생성물을 여과수단(14)에 통과시켜 미반응의 셀룰로오스를 여과하고, 그 여액을 생성물 회수탱크(17)로부터 얻는 것을 특징으로 하는 셀룰로오스의 연속 가수분해방법.The raw material water containing a small amount of sulfuric acid or sulfate is heated and pressurized in the subcritical water or supercritical water region in the heating section 4, and then the reactor together with the cellulose slurry 9 supplied by the slurry pump 10 described above. (8) was supplied to advance the hydrolysis reaction, and the reaction product exiting the reactor (8) was first cooled by the cooling water supplied from the cooling water tank (12) to terminate the reaction, and then to the heat exchanger (13). Cellulose, characterized in that the reaction is completed by secondary cooling to complete the reaction, the reaction product is terminated through the filtering means 14 to filter the unreacted cellulose, the filtrate is obtained from the product recovery tank 17 Continuous hydrolysis method. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 상기의 황 또는 황산염은 단독으로 또는 혼합하여 사용할 수 있고, 이들은 0.01 ∼ 0.1wt% 만큼 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.The sulfur or sulfates may be used alone or in combination, and they are used by 0.01 to 0.1wt%. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 상기의 아임계수 영역은 330℃∼374℃의 온도와 22∼45MPa 의 압력인 것을 특징으로 하는 방법.Said subcritical water region is a temperature of 330 degreeC-374 degreeC, and the pressure of 22-45 Mpa. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 상기의 초임계수 영역은 374℃∼450℃의 온도와 22∼45MPa 의 압력인 것을 특징으로 하는 방법.The supercritical water region is characterized in that the temperature of 374 ℃ to 450 ℃ and 22-45 MPa pressure. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 반응기(8) 내의 반응물의 체류시간은 0.04초 내지 2.5초 인 것을 특징으로 하는 방법.The residence time of the reactants in the reactor (8) is characterized in that from 0.04 seconds to 2.5 seconds.
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