KR100901296B1 - Separator for treatment device of saccharificating wood bio-masses by supercritical water with double-filter - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 초임계수를 이용한 목질 바이오매스 당화 반응 장치에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 목질 바이오매스를 초임계수로 분해하여 단당류를 제조하는 과정에서 발생하는 목질 잔사(殘渣)를 분리기를 통해 분리할 수 있도록 하는 이중 필터를 가지는 초임계수를 이용한 목질 바이오매스 당화 반응 장치용 분리기에 관한 것이다. The present invention relates to a wood biomass saccharification reaction apparatus using supercritical water, and more particularly, wood residues generated in the process of preparing monosaccharides by decomposing wood biomass into supercritical water can be separated through a separator. And a separator for a wood biomass saccharification reaction apparatus using a supercritical water having a double filter.
주지된 바와 같이, 바이오매스(Bio-mass)는 태양에너지를 받은 식물과 미생물의 광합성에 의해 생성되는 식물체, 균체와 이를 먹고 살아가는 동물체를 포함하는 생물유기체를 의미한다.As is well known, bio-mass refers to a bioorganism including plants, cells, and animals that eat and live by photosynthesis of plants and microorganisms that receive solar energy.
바이오매스 자원은 곡물, 감자류를 포함한 전분질계의 자원과 초본, 임목과 볏짚, 왕겨와 같은 농수산물을 포함하는 셀룰로오스계의 자원과 사탕수수, 사탕무 와 같은 당질계의 자원은 물론 가축의 분뇨, 사체와 미생물의 균사체를 포함하는 단백질계의 자원까지를 포함하는 다양한 성상을 지닌다.Biomass resources include starch-based resources, including grains and potatoes, cellulose-based resources, including agricultural, aquatic products such as herbs, wood and rice straw, chaff, and sugar-based resources such as sugarcane and sugar beets, as well as livestock manure, carcasses and It has a variety of properties, including protein-based resources, including microbial mycelium.
이때 전분작물 또는 섬유소 식물체를 당화시켜 얻은 당분을 알코올 발효시켜 바이오 알코올을 제조함에 있어서 전분작물로는 보리나 옥수수 등을 사용할 수 있고 섬유소 식물체로는 목질(wood)과 볏짚 등을 사용할 수 있다.At this time, in producing bio-alcohol by fermenting the sugar obtained by saccharifying the starch crop or fiber plant, barley or corn may be used as the starch crop, and wood and rice straw may be used as the fiber plant.
목질 바이오매스의 당화 공정에는 산가수분해법과 생물학적인 효소당화법이 있다. The saccharification process of woody biomass includes acid hydrolysis and biological enzyme saccharification.
목질 바이오매스의 산가수분해법은 주로 황산을 이용하여 섬유소간의 에테르 결합을 분해하여 글루코오스(Glucose), 만노오스(Mannose), 갈락토오스(Galactose), 크실로오스(Xylose), 아라비노오스(Arabinose) 등의 단당류를 생산하는 방법으로서 목질 바이오매스의 단당류 전환 비율은 높지만 비교적 고농도의 황산을 이용해야 하는 점에서 공정설비의 부식(Corrosion)이 문제점으로 제기된다. 또한 최종산물이 산(酸)조건 아래에 존재하므로 에탄올 발효를 위해서는 중화과정을 거쳐야 하는 단점이 있다.Acid hydrolysis of wood biomass mainly uses sulfuric acid to break down the ether bonds between fibrin, such as glucose, mannose, galactose, xylose, arabinose, etc. As a method of producing monosaccharides, corrosion of the process equipment is a problem because the conversion rate of monosaccharides of wood biomass is high but a relatively high concentration of sulfuric acid should be used. In addition, the final product is present under the acid (중) conditions, there is a disadvantage that the neutralization process for the ethanol fermentation.
또한, 목질 바이오매스의 효소당화법은 전분질로 구성된 바이오매스를 아밀라아제(Amylase) 또는 글루코-아밀라아제(Glucoamylase) 등에 의해 글루코스로 전환하는 전분계 당화공정과 셀룰라아제(Cellulase)를 이용하여 목질 셀룰로오스를 분해하여 글루코오스를 생산하는 목질 당화공정으로 나눌 수 있다. In addition, the enzyme glycosylation method of wood biomass is a starch-based glycosylation process that converts biomass composed of starch into glucose by amylase or glucoamylase and cellulase by degrading wood cellulose. It can be divided into the wood saccharification process that produces glucose.
그런데, 현재 전분계 당화 공정은 비교적 일반화되어 있지만 목질 바이오매스의 효소당화는 목질(木質)의 구조특성 때문에 아직 연구단계에 머물러 있으며 셀 룰라아제 또한 그 가격이 비싼데다가 당화반응을 시키는 시간이 매우 길어서 경제성이 낮다고 평가받고 있다.However, starch-based saccharification process is relatively generalized, but enzymatic saccharification of wood biomass is still in the research stage due to the structural properties of wood. Cellulase is also expensive and the time for the saccharification reaction is very long. Economic feasibility is evaluated.
따라서 상기한 문제점을 해결하기 위하여 초임계수를 이용한 목질 바이오매스 당화법의 연구가 필요하다. Therefore, in order to solve the above problems, it is necessary to study the wood biomass saccharification method using supercritical water.
여기서, 초임계 유체란 각각의 유체가 고유하게 지니고 있는 임계온도(Critical Temperature)와 임계압력(Critical Pressure)을 넘어선 상태로 존재하는 유체를 말한다. 이러한 상태에서는 각 유체가 상온 상압에서 나타나는 일반적인 특성과는 달리 새로운 특성이 나타난다. Here, the supercritical fluid refers to a fluid that exists in a state in which each fluid has its own critical temperature and critical pressure. In this state, new fluids appear, unlike the general properties of each fluid at room temperature and normal pressure.
따라서, 초임계 상태에 도달한 초임계수(Water)는 물의 중성적인 특성이 사라지고 산(Acid)의 특성을 보이며, 상온 상압 상태로 되돌아오면 초임계 상태에서 보였던 산의 특성은 사라진다.Therefore, the supercritical water reaching the supercritical state (Water) disappears the neutral characteristics of the water and shows the characteristic of the acid (Acid), and when returned to the normal temperature and normal pressure state, the acid properties seen in the supercritical state disappear.
여기서, 초임계수(Super-critical Water)의 물성에 착안하여 목질 바이오매스를 당화시킴으로써 당화에 소요되는 시간을 짧게 단축시킬 수 있으며, 물을 분해매체로 이용하기 때문에 종래의 황산 가수분해법의 사용으로 인해 야기되던 공정설비의 부식 문제를 상당부분 해결할 수 있다.Here, the time required for saccharification can be shortened by saccharifying the wood biomass by focusing on the properties of super-critical water, and since water is used as a decomposition medium, it is possible to use the conventional sulfuric acid hydrolysis method. It can solve a lot of problems of corrosion of process equipment.
한편, 목질 바이오매스의 주요 구성성분은 일반적으로 재료의 상당부분이 셀룰로스(Cellulose), 헤미셀룰로스(Hemicellulose), 그리고 리그닌(Lignin)의 세 가지 성분으로 이루어져 있다. 따라서 이들 목질 바이오매스를 가리켜 리그노셀룰로스(Lignocellulose)라고도 한다.On the other hand, the major constituents of woody biomass are generally made up of three components: cellulose, hemicellulose, and lignin. Therefore, these woody biomass is also referred to as Lignocellulose.
아밀로스(Amylose)와 같은 녹말이 포도당들의 α-1,4 결합으로 연결되어 체 내에서 분해 흡수가 가능한 것과 달리 리그노셀룰로스에서 가장 많은 부분을 차지하는 성분인 셀룰로스는 포도당들이 직선 구조의 안정된 β-1,4 결합으로 연결된 형태를 이루기 때문에 물리적, 화학적으로 분해하기 어려운 비교적 튼튼한 구조를 이루고 있다.Unlike starch, such as Amylose, which is linked to the α-1,4 bonds of glucose, which can be broken down and absorbed in the body, cellulose, which is the most abundant component of lignocellulosic, has a stable β-1 structure of glucose. In addition, since it is connected by 4 bonds, it has a relatively strong structure that is difficult to decompose physically and chemically.
따라서 초임계수를 이용한 산화분해 장치에서 리그노셀룰로스의 당화액을 생산하기 위해서는 당의 손실을 최소화하면서 이러한 안정된 구조를 깨는 것이 매우 중요하며 분해 이후에 남는 일정한 양의 찌꺼기를 장치 내에서 적시(適時)에 걸러주는 것이 해결해야 할 과제로 남는다.Therefore, it is very important to break down this stable structure while minimizing sugar loss in order to produce lignocellulosic saccharification liquid in the supercritical water oxidative decomposition device, and timely debris remaining after decomposition in the device in a timely manner. Filtering remains a challenge.
한편, 리그닌(Lignin)은 다량의 방향족 화합물을 포함하고 있으며 거대한 분자량의 복잡한 구조를 지닌 소수성 중합체이다. 리그닌은 식물체가 외부로부터의 다양한 종류의 생화학적 공격 및 접근 즉, 곰팡이와 같은 미생물 및 곤충 등의 침입을 거부하기 위한 목적으로 생성되는 것으로 추측되는데, 자연적으로나 화학적으로 큰 내구성을 가지고 있어 자연계에 존재하는 천연화합물 중에서도 가장 분해하기 어려운 물질로 알려져 있다. Lignin, on the other hand, is a hydrophobic polymer containing a large amount of aromatic compounds and having a complex structure of a large molecular weight. Lignin is thought to be produced by plants for the purpose of rejecting various types of biochemical attacks and approaches from the outside, that is, microorganisms such as fungi and invasion of insects. It is known to be the most difficult to decompose among the natural compounds.
또한, 리그닌은 헤미세룰로스와 공유결합을 형성하고 헤미셀룰로스는 셀룰로스와 수소결합을 통해 연결되어, 전체적으로 보면 직선 모양의 셀룰로스 마이크로피브릴(Microfibril)을 중심으로 헤미셀룰로스가 수소결합을 통해 이를 감싸는 모습으로 붙어있어, 헤미셀룰로스를 리그닌이 공유결합을 통해 둘러싸는 형태를 보인다.In addition, lignin forms a covalent bond with hemicellulose, and hemicellulose is linked with cellulose through hydrogen bonding, and as a whole, hemicellulose is surrounded by hydrogen bonding around a linear cellulose microfibril. It is attached, and hemicellulose is surrounded by lignin through covalent bonds.
리그닌은 그 전체 구조가 불규칙하여 아직까지 그 조성과 결합형태가 완전히 밝혀지지 못하고 있는 물질로서 초임계수를 이용한 산화분해 장치에서 셀룰로스를 분해하여 당화액을 생산할 때에 장치의 내부를 폐색시키는 주요한 원인 물질이 된다. 따라서 셀룰로스 분해 산물과 마찬가지로 리그닌의 분해 산물 역시 당화액 생산에 있어서 장치 내부에서 반드시 제거해 주어야 하는 문제점을 갖는다. Lignin is a substance whose overall structure is irregular and its composition and binding form are not yet fully understood. It is a major cause of blocking the inside of the device when decomposing cellulose in the oxidative decomposition device using supercritical water to produce saccharified liquid. do. Therefore, like cellulose degradation products, degradation products of lignin also have a problem that must be removed from the inside of the device in the saccharification liquid production.
상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 분리기 내부에서 물리적으로 목질 잔사를 제거하여, 목질 잔사에 의해 장치 내부가 패색되는 것을 방지하여 보다 안정적으로 목질 바이오매스로부터 바이오에탄올의 원료인 단당류를 생산할 수 있도록 하는 초임계수를 이용한 목질 바이오매스 당화 반응 장치를 제공하는 것이다. An object of the present invention for solving the above problems is to physically remove the wood residue in the separator, to prevent the inside of the device from being discolored by the wood residue to more stably to the monosaccharide which is a raw material of bioethanol from the wood biomass It is to provide a wood biomass saccharification reaction apparatus using supercritical water to produce.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이중 필터를 가지는 초임계수를 이용한 목질 바이오매스 당화 반응 장치용 분리기는, 분말상의 목질 바이오매스를 저장 공급하는 시료 탱크; 증류수를 저장 공급하는 증류수 탱크; 증류수 탱크에 연결되어, 공급되는 증류수를 초임계수로 가열하는 예열기; 시료 탱크와 예열기에 각각 연결되어 시료 탱크로부터 공급된 분말상의 목질 바이오매스와 예열기를 통해 공급되는 초임계수를 혼합 및 가열하는 라인 히터; 라인 히터로부터 공급되는 분말상의 목질 바이오매스와 초임계수가 혼합된 초임계 상태의 목분액을 기설정된 속도로 통과시켜 당화시키는 반응기; 반응기에서 빠져 나온 당화 목분액으로부터 열을 회수하는 열교환기; 열교환기로부터 유입된 당화 목분액으로부터 당화액과 목질 잔사를 분리하는 분리기; 및 분리기에서 분리된 당화액을 담아 저장하는 저장조를 포함하고, 분리기는 내부 수용 공간을 가지는 분리 탱크; 분리 탱크 내부에 설치되어 분 리 탱크 내부를 제1 공간부 및 제2 공간부로 구획하는 제1 거름판; 제1 거름판을 관통하며 제1 공간부를 통해 제2 공간부와 열교환기를 연결하며, 열교환기로부터 제2 공간부로 당화 목분액을 공급하는 인입 배관; 제1 공간부와 저장조를 연결하며, 제1 거름판을 통해 목질 잔사가 걸러진 당화액을 저장조로 배출하는 인출 배관; 및 분리기의 제1 공간부 내에서 인출 배관의 출구측 단부에 설치되는 거름망을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. A separator for a wood biomass saccharification reaction apparatus using a supercritical water having a double filter of the present invention for achieving the above object includes a sample tank for storing and supplying powdery wood biomass; A distilled water tank for storing and supplying distilled water; A preheater connected to the distilled water tank for heating the supplied distilled water with supercritical water; A line heater connected to the sample tank and the preheater, respectively, for mixing and heating the powdery woody biomass supplied from the sample tank and the supercritical water supplied through the preheater; A reactor for saccharifying the wood liquor in a supercritical state in which powdery woody biomass and supercritical water are supplied from a line heater at a predetermined rate; A heat exchanger for recovering heat from the saccharified wood liquor released from the reactor; A separator for separating saccharified liquid and wood residue from the saccharified wood powder introduced from the heat exchanger; And a storage tank for storing the saccharified liquid separated from the separator, wherein the separator comprises: a separation tank having an inner accommodation space; A first filtering plate installed inside the separation tank to partition the separation tank inside into a first space part and a second space part; An inlet pipe passing through the first filtering plate and connecting the second space part and the heat exchanger through the first space part, and supplying saccharified wood powder from the heat exchanger to the second space part; A drawing pipe connecting the first space part and the storage tank and discharging the saccharified liquid from which the wood residue is filtered through the first filtering plate to the storage tank; And a strainer provided at the outlet side end of the lead-out pipe in the first space of the separator.
여기서, 거름망의 메시가 제1 거름판의 메시보다 다 크게 형성되는 것이 바람직하다. Here, it is preferable that the mesh of the sieve is made larger than the mesh of the first sieve plate.
제1 거름판은 제1 공간부와 제2 공간부가 상측과 하측에 위치하도록 구획하고, 제2 공간부는 제1 공간부의 하측에 구획되는 것이 바람직하다. It is preferable that a 1st filtering board partitions so that a 1st space part and a 2nd space part may be located in upper side and lower side, and a 2nd space part is partitioned below a 1st space part.
분리 탱크의 하부에서 제2 공간부에 연통되는 배출구가 형성되고, 제2 공간부 내부에서 제1 거름판과 배출구 사이를 구획하며 설치되는 제2 거름판을 포함할 수 있다. A discharge port communicating with the second space portion is formed in the lower portion of the separation tank, and may include a second filter plate installed between the first filter plate and the discharge port in the second space portion.
제2 거름판의 메시가 제1 거름판의 메시보다 더 크게 형성되는 것이 바람직하다. 배출구에는 개폐 밸브가 더 구비되는 것이 바람직하다. Preferably, the mesh of the second filtering plate is formed larger than the mesh of the first filtering plate. It is preferable that the outlet is further provided with an on-off valve.
상기한 본 발명의 초임계수를 이용한 목질 바이오매스 당화 반응 장치는 분 리기 내부에 거름판을 설치하여, 이 거름판을 이용해 당화액에 혼합된 목질 잔사를 걸러줌으로써, 초임계수를 이용한 목질 바이오매스의 당화 장치의 운전 안전성을 높일 수 있도록 하는 효과를 갖는다.The wood biomass saccharification reaction apparatus using the supercritical water of the present invention has a filtering plate installed inside the separator, and filters the wood residue mixed in the saccharified solution using the filtering plate, thereby to remove the wood biomass using the supercritical water. It has the effect of improving the operation safety of the saccharification device.
또한, 본 발명의 초임계수를 이용한 목질 바이오매스 당화 반응 장치는 분리기의 분리 탱크 내부에 거름판을 이중으로 설치하여 이들 사이에 목질 잔사가 수집되도록 하고, 거름판 하측에 배출구를 형성하여 분리 탱크 내에 채워진 당화액을 목질 잔사가 걸러진 상태로 인출하여 사용할 수 있도록 하는 효과를 갖는다. In addition, the wood-based biomass saccharification reaction apparatus using the supercritical water of the present invention is installed in the separation tank of the separator in a double so that the wood residue is collected therebetween, forming a discharge port under the filter plate in the separation tank The filled saccharified liquid has an effect of being used by drawing out the woody residue in a filtered state.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted in order to clearly describe the present invention, and like reference numerals designate like elements throughout the specification.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 본 발명의 초임계수를 이용한 목질 바이오매스 당화 반응 장치를 도시한 개략도이다. 1 is a schematic diagram showing a wood biomass saccharification reaction apparatus using the supercritical water of the present invention according to the first embodiment of the present invention.
도 1을 참조하여 설명하면, 본 실시예의 초임계수를 이용한 목질 바이오매스 당화 반응 장치는 시료 탱크(10), 증류수 탱크(20), 예열기(30), 라인 히터(40), 반응기(50), 촉매 탱크(60), 열교환기(70), 분리기(80) 및 저장조(90)를 포함하여 구성된다. Referring to FIG. 1, the wood biomass saccharification reaction apparatus using the supercritical water of this embodiment includes a
먼저, 시료 탱크(10)는 목질 바이오매스를 담아 저장함과 아울러 라인 히 터(40)와 연결되는 배관(15)을 통해 분말상의 목질 바이오매스를 공급한다. First, the
본 실시예에서 사용되는 목질 바이오매스는 생재(生財)를 채취한 후에 목부(木部)를 칩(Chip)으로 분쇄하여 상온에서 건조시킨 후 분쇄기(Planetary mono mill)를 사용하여 분말 형태로 가공한 후 140 메시(Mesh)의 표준 거름망으로 걸러 통과한 목분을 사용하는 것을 예시한다. The wood biomass used in the present embodiment was collected from raw materials, pulverized wood with a chip, dried at room temperature, and processed into a powder form using a planetary mono mill. It then illustrates using the wood powder passed through a standard mesh of 140 mesh.
증류수 탱크(20)는 목질 바이오매스를 당화시키기 위한 초임계수를 만들기 위한 증류수를 담아 저장하고, 이를 예열기(30)를 통해 라인 히터(40)와 연결하는 배관(25)을 통해 공급한다.The distilled
예열기(30)는 증류수 탱크(20)와 연결되어, 증류수 탱크(20)로부터 공급되는 증류수를 가열하여, 증류수가 고온 고압의 초임계수의 상태로 라인 히터에 유입되도록 한다.The
한편, 증류수 탱크(20)와 예열기(30)를 연결하는 배관(25) 상에는 예열기(30)에서 가열된 고온 고압의 초임계수가 증류수 탱크(20)쪽으로 역류하는 것을 방지하기 위한 제1 체크 밸브(21)가 설치된다. Meanwhile, on the
그리고, 제1 체크 밸브(21)와 예열기(30) 사이에는 기설정된 압력 이상에서 개방되는 제1 안전 밸브(26)가 설치된다. A
라인 히터(40)는 시료 탱크(10)와 예열기(30)에 각각 연결되어, 시료 탱크(10)로부터 공급된 분말상의 목질 바이오매스와 예열기(30)를 통해 가열 공급되는 초임계수가 혼합된 초임계 목분액을 가열한다.The
따라서, 라인 히터(40)는 시료 탱크(10)를 연결하는 배관(15)을 통해 공급되 는 분말상의 목질 바이오매스와 예열기(30)를 통해 가열 공급되는 초임계수를 초임계 목분액으로 혼합하는 일종의 믹서 역할도 수행한다.Therefore, the
그리고, 라인 히터(40)와 시료 탱크(10)를 연결하는 배관(15) 상에는 혼합된 초임계 목분액이 시료 탱크(10)쪽으로 역류하는 것을 방지하기 위한 제2 체크 밸브(11)가 설치된다.Then, on the
한편, 제2 체크 밸브(11)와 라인 히터(40) 사이의 배관상에는 촉매 탱크(60)를 연결하는 배관(65)이 연결될 수 있고, 이 촉매 탱크(60)를 연결하는 배관(65)상에도 역시 역류를 방지하기 위한 제3 체크 밸브(61)가 설치된다.Meanwhile, a
반응기(50)는 기설정된 길이를 가지는 중공형의 관 형상으로 이루어지며, 라인 히터(40)로부터 공급되는 초임계 목분액(목분+초임계수)을 통과시켜 초임계수에 의한 당화 반응을 통해 단당류 상태의 당화액을 포함한 당화 목분액(당화액+목질 잔사)을 얻을 수 있게 된다.The
열교환기(70)는 반응기(50)로부터 유입되는 당화 목분액으로부터 열을 회수하고, 회수한 열은 예열기(30) 또는 라인 히터(40)에 재사용되도록 한다.The heat exchanger 70 recovers heat from the saccharified wood powder flowing from the
그리고, 분리기(80)는 열교환기(70)로부터 유입되는 당화 목분액으로부터 목질 잔사를 분리하여 당화액을 분리하도록 구성된다. Then, the
도 2는 도 1의 분리기를 확대 도시한 측단면도이고, 도 3은 도 2의 제1 거름판을 도시한 평면도이며, 도 4는 도 2의 거름망을 도시한 측면도이다.2 is an enlarged side cross-sectional view of the separator of FIG. 1, FIG. 3 is a plan view of the first filter plate of FIG. 2, and FIG. 4 is a side view of the strainer of FIG. 2.
도 2 내지 도 4를 참조하여 설명하면, 분리기(80)는 분리 탱크(86), 제1 거름판(88) 및 거름망(87)을 포함하여 구성된다. 2 to 4, the
분리 탱크(86)는 내부 수용공간을 가지는 대략 원통 형상으로 이루어지고, 열교환기(70)로부터 유입된 당화 목분액으로부터 당화액 추출을 위해 목질 잔사를 분리하기 위한 충분한 내부 수용 공간을 갖도록 형성된다.
제1 거름판(88)은 기설정된 메시를 가지는 격자형 원판으로 이루어지며, 분리 탱크(86) 내부에 설치되어 내부 수용 공간을 제1 공간부(83) 및 제2 공간부(84)로 구획한다.The
본 실시예에서 제1 공간부(83)와 제2 공간부(84)는 제1 거름판(88)에 의해 상하 방향으로 구획되고, 제2 공간부(84)가 제1 공간부(83)의 하측에 구획되는 것이 바람직하다.In the present embodiment, the
한편, 열교환기(70)와 분리기(80)를 연결하는 인입 배관(75)의 단부는 제1 공간부(83)를 지나 제1 거름판(88)의 중심부에 형성되는 관통공(88a)을 통해 제2 공간부(84)로 연결되어, 열교환기(70)로부터 제2 공간부(84)로 당화 목분액이 공급되도록 한다.Meanwhile, an end portion of the
인출 배관(85)은 인입 배관(84) 일측에서 분리 탱크(86)를 관통하며 제1 공간부(83)와 저장조(90)를 연결하도록 설치되어, 제1 거름판(88)을 통해 목질 잔사가 걸러진 당화액을 저장조(90)로 배출시켜 저장한다.The drawing
따라서, 인입 배관(84)을 통해 분리 탱크(86)의 제2 공간부(84)로 유입된 당화 목분액은 제1 거름판(88)에 의해 목질 잔사가 걸러진 상태로 제1 공간부(83)로 유입된 당화액이 인출 배관(85)을 통해 저장조(90)로 배출되도록 한다.Accordingly, the saccharified wood powder introduced into the
그리고, 거름망(87)은 분리 탱크(86)의 제1 공간부(83) 내부에서 인출 배 관(85)의 입구측에 손가락 망 형태(Mesh Thumb)로 돌출되게 끼워져 설치된다. In addition, the
여기서, 거름망(87)의 메시는 제1 거름판(88)의 메시보다 더 크게 형성되어, 제1 거름판(88)을 통과한 목질 잔사를 2차로 걸러주는 역할을 한다.Here, the mesh of the sieve (87) is formed larger than the mesh of the
다시 도 1을 참조하여 설명하면, 열교환기(70)와 분리기(80)를 연결하는 인입배관(75)상에는 제2 안전 밸브(71)가 설치되고, 분리기(80)와 저장조(90)를 연결하는 인출 배관(85) 상에는 당화액 인출시 장치 내부의 압력이 저하되지 않고 일정하게 유지될 수 있도록 음압 조절기(81)가 설치된다.Referring back to FIG. 1, a
따라서, 본 실시예의 초임계수를 이용한 목질 바이오매스 당화 반응 장치는, 반응기(80)를 거치며 당화된 당화 목분액으로부터 분리기(80)를 통해 목질 잔사를 걸러 줌으로써, 목질 잔사에 의해 장치 내부가 폐색되는 것을 방지하여 목질 바이오매스로부터 바이오에탄올의 원료인 단당류를 안정적으로 생산할 수 있도록 한다. Therefore, the wood biomass saccharification reaction apparatus using the supercritical water of the present embodiment, by filtering the wood residue through the
이하, 본 발명의 제2 실시예에 따른 초임계수를 이용한 목질 바이오매스 당화 반응 장치의 분리기를 첨부한 도 5 및 도 6을 참조하여 설명하고, 전술한 제1 실시예와 동일 및 유사한 부분에 대해서는 동일 참조부호를 사용하고 반복적인 설명은 생략한다.Hereinafter, a part of the wood biomass saccharification reaction apparatus using the supercritical water according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 5 and 6 attached thereto, and the same and similar parts as those of the first embodiment will be described. The same reference numerals are used and repeated descriptions are omitted.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 초임계수를 이용한 목질 바이오매스 당화 반응 장치의 분리기를 도시한 측단면도이고, 도 6은 도 5의 제2 거름판을 도시한 평면도다.5 is a side cross-sectional view illustrating a separator of a wood biomass saccharification reaction apparatus using a supercritical water according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a plan view of the second filter plate of FIG. 5.
도 5 및 도 6을 참조하여 설명하면, 본 실시예의 분리기(180)는 제1 실시예 의 분리기(80)와 비교하여, 배출구(82) 및 제2 거름판(89)을 더 포함하여 구성된다. Referring to FIGS. 5 and 6, the
배출구(82)는 상기한 분리 탱크(86)의 하부에서 제2 공간부(84)와 연통되게 형성되어, 인출 배관(85)을 통해 배출되지 못하고 분리 탱크(86) 내부에 채워진 당화액을 인출할 수 있도록 한다. The
한편, 배출구(82) 상에는 당화액의 인출량을 조절할 수 있도록 함과 아울러 당화액 인출시 장치 내부의 압력이 저하되는 것을 방지하기 위한 개폐 밸브(미도시)가 더 구비될 수 있다.On the other hand, the
그리고, 제2 거름판(89)은 상기한 제1 거름판(88)과 마찬가지로 기설정된 메시를 가지는 원판형으로 이루어지고, 제2 공간부(84) 내부에서 제1 거름판(88)과 배출구(82) 사이의 공간을 구획하도록 설치된다.In addition, the
제2 거름판(89)은 제1 거름판(88)과 달리 중심부에 통공(88a)이 형성되지 않기 때문에, 제1 거름판(88)에 의해 걸러진 목질 잔사가 제1 거름판(88)과 제2 거름판(89) 사이에 쌓이게 된다. Unlike the
한편, 제2 거름판(89)의 메시는 제1 거름판(88)의 메시보다 더 크거나 같게 형성되고, 상기한 거름망(87)의 메시보다 더 작게 형성되는 것이 바람직하다.On the other hand, the mesh of the
제1 거름판(88), 제2 거름판(89) 및 거름망(87)에 적용되는 메시는 대한민국 ‘계량에관한법률’및 동법 시행령과 시행규칙에 따른 대한민국공업규격 KS A 5101, 그리고 관용적으로 사용되어온 영국의 인치(Inch)계의 규격(BS 40)과 미합중국의 (ASTM·E11-61) 규격의 메시의 단위에 따라 목질 잔사 즉, 리그노바이오매스 잔사가 통과하거나 통과하지 못하고 걸러지도록 하는 입도(粒度)의 정도는 다음 표 1에 따른다.The mesh applied to the
상기한 표 1에서 메시의 숫자가 큰 것일수록 단위 눈금수가 증가하여 걸러지는 목질 잔사의 입도의 크기가 더 작아지는 것을 의미한다. In Table 1, the larger the number of meshes, the larger the unit scale number, and the smaller the grain size of the wood residues to be filtered.
따라서, 제1 거름판(88), 제2 거름판(89) 및 거름망(87)의 메시는 단위 눈금수에 따라 표 1에서 적절히 선택하여 그 순서에 따라 정할 수 있다. .Therefore, the mesh of the
한편, 제2 거름판(89)는 제1 거름판(88)과의 사이에 걸러진 목질 잔사를 받쳐주는 역할 이외에, 배출구(82)를 통해 분리 탱크(86) 내부에 남은 당화액을 인출할 때 목질 잔사를 걸러 주는 역할을 수행한다. On the other hand, the second filter plate (89) in addition to supporting the wood residue filtered between the
이처럼, 인입 배관(75)을 통해 분리기(180)의 제2 공간부(84)로 인입된 당화 목분액 중에서 제1 거름판(88)에 의해 비교적 입도가 큰 목질 잔사가 1차 걸러진 당화액은 분리 탱크(86)의 제1 공간부(83)로 유입된다. As such, the saccharified solution in which the wood residue having a relatively large particle size is first filtered out of the saccharified wood powder drawn into the
그리고, 분리 탱크(86)의 제1 공간부(83)로 유입된 당화액과 함께 유입된 비교적 입도가 작은 목질 잔사는 거름망(87)에 의해 2차 걸러진 후 인출 배관(85)을 통해 저장조(90)로 배출된다. In addition, the wood residue having a relatively small particle size introduced together with the saccharified solution introduced into the
한편, 제1 거름판(88)에 의해 걸러진 비교적 입도가 큰 목질 잔사는 제2 공간부(84)의 제1 거름판(88)과 제2 거름판(89) 사이에 축적되고, 거름망(87)에 의해 걸러진 비교적 입도가 작은 목질 잔사는 제1 공간부(83) 내부에 축적된다. On the other hand, the relatively large particle size wood residue filtered by the
이때, 제2 거름판(89)은 제1 거름판(88)과의 사이에 걸러진 목질 잔사를 받쳐주는 역할 이외에, 배출구(82)를 통해 분리 탱크(86) 내부에 남은 당화액을 인출할 때 목질 잔사를 걸러 준다. In this case, the
이하, 실험예를 통해 상기한 제2 실시예의 거름판이 설치된 분리기와 종래 거름판이 미설치된 분리기를 각각 적용한 초임계수를 이용한 목질 바이오매스 당화 반응 장치의 비교 실험 결과를 설명한다.Hereinafter, the comparative experiment results of the wood biomass saccharification reaction apparatus using the supercritical water to which the separator of the second embodiment is installed and the separator without the conventional filter plate, respectively, will be described.
<실험예>Experimental Example
본 실험예에서 사용되는 시료는 목분 즉, 리그노셀룰로스 파우더(Powder)를 사용하였다. As a sample used in this experimental example, wood powder, that is, lignocellulosic powder (Powder) was used.
통상의 실험에 있어서 시료의 주입량은 1분당 100ML가 사용되는데, 이는 증류수 탱크(20)로부터 공급된 증류수 1000ML에 리그노셀룰로스 파우더가 50g씩 섞이도록 교반하여 팽윤시킨 목분액 50ML와, 예열을 거쳐 초임계 상태에 도달한 초임계수 50ML가 각각 라인 히터를 통해 혼합된 초임계 목분액(목분+초임계수) 상태로 반응기(50)를 통과하도록 한다. In a typical experiment, the injection amount of the sample is 100 ml per minute, which is 50 ml of liquor cellulose powder mixed with 50 ml of lignocellulosic powder in 1000 ml of distilled water supplied from the distilled
즉, 시료 탱크(10)와 증류수 탱크(20)에 동시에 유량계 혹은 저울(Scale)을 설치하고, 시료 탱크(10)와 증류수 탱크(20)로부터 반응기(50)로 주입되는 목분액의 유량이 분당 50ML씩 도합 100ML가 되도록 하여 정상 운전시간을 40분간 실시하였다. That is, a flow meter or scale is installed in the
그리고, 반응기(Reactor; 50)는 보통의 활강형 반응기를 사용하였고, 순수한 목질 잔사량을 측정하기 위하여 무촉매 반응을 실시하였다.Reactor (50) used a normal sliding type reactor and performed a catalyst-free reaction to measure pure wood residue.
따라서, 목분 즉, 리그노셀룰로스 파우더가 분해되어 분리기(80) 내부를 통과한 다음, 음압 조절기(81)를 운전상의 문제 없이 통과하여 나오는 시간이 40분에 근접한다면 목질 잔사 즉, 리그노셀룰로스 잔사가 분리기(80) 내부에서 정상적으로 분리되는 것으로 간주한다. Therefore, wood flour, that is, lignocellulosic powder decomposes and passes through the
이때, 시료 탱크(10)와 증류수 탱크(20)에서 공급되는 유체의 유량은 피스톤식 압축 펌프(미도시)의 눈금(Dial Gauge)을 고정하여 목적한 일정 유량이 주입되도록 하였다.At this time, the flow rate of the fluid supplied from the
반응기(50)를 통과한 초임계 목분액이 거름판이 설치된 분리기(180)와 거름판 미설치된 분리기로 각각 유입되도록 한 후, 음압 조절기(81)를 통과하여 저장조(90)에 저장된 당화액이 4L가 될 때까지 걸린 시간을 비교 실험하여 측정하였다.The supercritical wood powder passed through the
한편, 거름판이 미설치된 분리기에도 200메시의 눈금이 가지는 거름망을 동일하게 적용하여, 음압 조절기(81)에서 목질 잔사 즉, 리그노셀룰로스 잔사가 직접 유입되어 장치를 폐색시키는 위험을 회피할 수 있도록 하였다. On the other hand, the separator with no filter plate is applied to the sieve of the 200 mesh scale in the same way, so that the wooden residue, that is, lignocellulosic residue, directly enters the
그리고, 거름판이 적용된 분리기(180)에서 제1 거름판(88)과 제2 거름판(89)은 동일하게 180메시가 적용되도록 하였다.In addition, in the
다음 표 2는 거름판이 미설치된 종래 분리기와 거름판이 설치된 분리기(180)를 각각 적용하여 얻은 당화액 4L을 생산하는데 걸리는 생산 소요 시간, 투입된 목분 바이오매스량, 및 분리기 내의 잔사량을 나타낸다. The following Table 2 shows the production time, the amount of wood biomass input, and the residue in the separator, which take 4 L of saccharified liquid obtained by applying the conventional separator without the filter plate and the
표 2에서 거름판이 미설치된 종래 분리기의 경우 4L의 당화액을 생산하기 위한 소요 시간이 평균 41.7분으로 나타나고, 제1 거름판(88)과 제2 거름판(89)을 설치한 분리기(180)의 경우 평균 39.3분이 소요되었다. In Table 2, in the case of the conventional separator without the filter plate, the time required to produce 4L of saccharified solution was 41.7 minutes on average, and the
상기한 거름판이 미설치된 분리기와 거름판이 설치된 분리기(180) 모두 투입된 목분 즉, 리그노바이오매스의 중량에 대한 분해 잔사의 분산값은 유의수준에서 큰 차이는 없었으나, 거름판이 설치된 분리기의 경우 정량의 당화액을 생산하기 위한 소요 시간의 분산값이 좀 더 작음을 알 수 있었다. The dispersion value of decomposed residues of wood flour, ie, the weight of lignobiomass, into which both the separator without the filter plate and the
한편, 200Mesh 규격의 거름망(87) 하나만 설치된 분리기의 경우, 거름망(87)의 단위 눈금보다 작은 크기의 목질 잔사가 당화액과 함께 그대로 음압 조절기(81)로 유입되거나 혹은 이보다 큰 입도 분포를 가진 목질 잔사가 거름망(87)의 주위를 폐색시키면 정상적인 당화액의 흐름이 방해를 받는다.On the other hand, in the case of a separator installed with only one
그리고, 통상의 음압 조절기(81)는 조절기 내부에 폴리테트라플루오르에틸렌(Polytetrafluoroethylene; PTFE) 소재의 백업-링(Backup-Ring)과 BUNA-N 소재의 오-링(O-Ring), 그리고 클로로트리플루오로에틸렌(Chlorotrifluoroethylene; CTFE) 소재의 시트(Seat)를 사용하여 순서대로 밀착시켜서 매체의 경로에 따르도록 하는 한편, 반응의 매체(媒體)인 물이 초임계 상태에 도달한 압력조건 235±5ATM, 온도조건 380±5℃을 견디도록 하였다. In addition, the conventional
따라서, 순수한 당화액만이 음압 조절기(81)의 백업-링과 오-링 그리고 시트를 차례로 통과한 후, 최종 말단부로 유출될 때에는 운전상 큰 문제가 발생하지 않으나 표 2에서와 같이 분리기(150) 내부의 목질 잔사 일부가 음압 조절기(81) 내부로 유입되면 장시간 운전시 이들이 충진, 고착하여 음압 조절기(81) 내부의 정상적인 당화액의 흐름을 방해하게 된다.Therefore, when only pure saccharified liquid passes through the backup-ring, the O-ring, and the sheet of the
초임계수를 이용한 당화 반응 장치 내에서 당화액의 흐름이 방해를 받기 시작하면 압력이 235±5ATM에서 순간적으로 상승하는 문제가 발생하고, 압력 상승에 따라 380±5℃의 온도에서 추가로 반응기(50) 내부의 온도가 상승하는 효과가 발생하여 리그노셀룰로스의 분해와 함께 탄화(炭火)가 일어나 반응 장치 내부의 도관을 폐색시키는 문제를 가속시킬 수 있다.When the flow of saccharified liquid in the supercritical water saccharification reaction unit starts to be disturbed, a problem arises in that the pressure rises instantaneously at 235 ± 5 ATM, and an additional reactor (50 The internal temperature rises and the carbonization occurs with lignocellulosic decomposition, accelerating the problem of clogging the conduit inside the reactor.
따라서, 본 실시예에서와 같이, 분리기(80, 18) 내부에 거름망(87)과 함께 거름판(88, 89)을 추가 설치하여, 유입된 당화 목분액으로부터 목질 잔사 즉, 리그노셀룰로스 잔사를 걸러줌으로써, 당화액과 함께 음압 조절기(81)로 유입되는 리그노셀룰로스 잔사의 양을 줄여 초임계수를 이용한 목질 바이오매스의 당화 반응 장치의 운전 안전성을 높일 수 있도록 한다.Therefore, as in the present embodiment, the separation plate (88, 89) is installed in addition to the sieve (87) inside the separator (80, 18) to remove the wood residue, that is, lignocellulosic residue from the saccharified wood powder By filtering, the amount of lignocellulosic residues introduced into the
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형 또는 변경하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다. Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and various modifications or changes can be made within the scope of the claims and the detailed description of the invention and the accompanying drawings. In addition, it is natural that it belongs to the scope of the present invention.
도 1은 본 발명의 초임계수를 이용한 목질 바이오매스 당화 반응 장치를 도시한 개략도이다. 1 is a schematic diagram showing a wood biomass saccharification reaction apparatus using the supercritical water of the present invention.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 초임계수를 이용한 목질 바이오매스 당화 반응 장치의 분리기를 확대 도시한 측단면도이다.2 is an enlarged side cross-sectional view of a separator of a wood biomass saccharification reaction apparatus using a supercritical water according to a first embodiment of the present invention.
도 3은 도 2의 제1 거름판을 도시한 평면도이다.FIG. 3 is a plan view illustrating the first filter plate of FIG. 2.
도 4는 도 2의 거름망을 도시한 측면도이다.4 is a side view illustrating the strainer of FIG. 2.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 초임계수를 이용한 목질 바이오매스 당화 반응 장치의 분리기를 도시한 측단면도이다.Figure 5 is a side cross-sectional view showing a separator of the wood biomass saccharification reaction apparatus using a supercritical water according to a second embodiment of the present invention.
도 6은 도 5의 제2 거름판을 도시한 평면도다.FIG. 6 is a plan view illustrating the second filter plate of FIG. 5.
<주요 도면 부호의 설명><Description of Main Reference Signs>
10: 시료 탱크 20: 증류수 탱크10: sample tank 20: distilled water tank
30: 예열기 40: 라인 히터30: preheater 40: line heater
50, 150: 반응기 55, 155: 강선50, 150: reactor 55, 155: steel wire
60: 촉매 탱크 70: 열교환기60: catalyst tank 70: heat exchanger
75: 인입 배관 80: 분리기75: incoming piping 80: separator
81: 음압 조절기 82: 배출구81: sound pressure regulator 82: outlet
85: 인출 배관 86: 분리 탱크85: withdrawal piping 86: separation tank
87: 거름망 88: 제1 거름판87: sieve 88: first sieve plate
88a: 통공 89: 제2 거름판88a: through hole 89: second filter plate
90: 저장조90: reservoir
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