KR100968439B1 - 바이오매스의 분별 당화장치 및 그의 공정 - Google Patents

Abstract

본 발명은 바이오매스를 당화하는 장치에 관한 것으로, 좀 더 자세하게는 일방향으로 연장되어 내부에 공간이 형성되고, 상기 공간에 유입구로부터 공급되는 바이오매스가 단계별로 처리되는 적어도 하나 이상의 반응조와 각각의 단계별로 상기 반응조에서 처리되어 반응물이 고체와 액체로 분리되고 상기 반응물 중 액체가 집합되기 위한 집합관이 형성되어 있고, 상기 반응조 내부에 반응조와 동일한 방향으로 형성되어 상기 바이오매스를 일정방향으로 이동시키고 반응조 내부에 압력을 형성하여 반응속도를 증가시키는 스크류와 상기 스크류의 끝단과 연결되어 상기 스크류에 동력을 공급하여 반응속도를 조절하는 구동부를 포함하고 있는 섬유소계 바이오매스를 효과적으로 자일로스 및 글루코오스로 전환시키는 공정 및 장치에 관한 발명이다.

또한, 본 발명은 바이오매스의 효율적 당화와 구성 성분들을 효과적으로 분별 및 회수하여 생산성이 높고, 낮은 생산가로 바이오 에탄올을 생산할 수 있어, 화석연료 고갈에 대비한 대체 에너지원을 얻는 공정 및 장치에 관한 발명이다.

바이오매스, 당화공정, 압출공정, 대체에너지, 에탄올연료, 분별당화

Description

바이오매스의 분별 당화장치 및 그의 공정{Development of a novel process and equipment of the fractionation and saccharification of biomass}

본 발명은 바이오매스를 당화하는 장치에 관한 것으로, 좀 더 자세하게는 일방향으로 연장되어 내부에 공간이 형성되고, 상기 공간에 유입구로부터 공급되는 바이오매스가 단계별로 처리되는 적어도 하나 이상의 반응조와 각각의 단계별로 상기 반응조에서 처리되어 고체와 액체로 분리되고 상기 반응물 중 액체가 집합되기 위한 집합관이 형성되어 있고, 상기 반응조 내부에 반응조와 동일한 방향으로 형성되어 상기 바이오매스를 일정방향으로 이동시키고 반응조 내부에 압력을 형성하여 반응속도를 증가시키는 스크류와 상기 스크류의 끝단과 연결되어 상기 스크류에 동력을 공급하여 반응속도를 조절하는 구동부를 포함하고 있는 섬유소계 바이오매스를 효과적으로 자일로스 및 글루코오스로 전환시키는 공정 및 장치에 관한 것이다.

에너지 자원은 동력 공급의 원료가 되는 물질로서 석유, 석탄, 천연가스, 태양열, 수력 등이 있다. 상기 에너지 자원 중에서도 우리가 주로 사용하는 에너지 자원은 석유와 석탄 같은 화석연료에 편중되어 있어서 화석에너지 고갈로 인한 에너지 부족문제와 화석에너지 사용으로 발생하는 환경문제 등이 있었다. 상기와 같 은 문제점으로 인하여 화석에너지를 대체 할 수 있는 대체 에너지 자원의 개발이 절실히 요구되고 있었다.

상기 대체 에너지의 자원으로서 바이오매스(biomass)가 주목되었는데, 바이오매스(biomass)는 식물이나 미생물 등 생물체로부터 유래되는 비균일하고 복잡한 유기체이다. 상기 바이오매스(biomass)의 한 계통인 섬유소계 바이오매스(biomass)는 일반적으로 세 가지 주요성분 즉 셀룰로오스(cellulose), 헤미셀룰로오스(hemicellulose), 그리고 리그닌(lignin)으로 구성되어 있으며 상기 이러한 주요성분들은 서로 복합적으로 결합 되어 있다. 상기 헤미셀룰로오스(hemicellulose)는 쉽게 분해되는 부분(약 70%)과 어렵게 분해되는 부분으로 나누어져 있다. 상기 잘 분해되지 않는 부분은 셀룰로오스(cellulose) 또는 리그닌(lignin)과의 복합체를 형성하는 부분이며, 이 부분은 가혹한 조건에서 분해될 수 있다. 상기 결합 된 주요성분을 분리하여 글루코오스(glucose)와 자일로스(xylose) 등으로 분리하여야 에너지 자원으로 사용할 수 있다. 상기 바이오매스(biomass)를 글루코오스(glucose), 메탄(methane), 에탄올(ethanol) 등으로 분리하기 위하여 열분해 시키거나 발효하였다.

상기 공정으로 글루코오스(glucose), 메탄(methane), 에탄올(ethanol)을 얻을 수 있다면, 바이오매스(biomass)는 무한한 태양에너지에 의해 매년 방대한 양으로 공급되고 있어 고갈의 염려가 없으며, 화학 공업의 원료물질 공급원(chemical feedstocks)의 역할까지 수행할 수 있는 자원이다.

그러나, 상기 바이오매스(biomass)를 이용하여 대체 에너지원으로 산업화되 지 못하는 이유는, 바이오매스(biomass)를 이용하여 대체 에너지를 생산하는 경우에 전체 에탄올(ethanol) 생산 공정에 있어서 섬유소의 당화가 차지하는 공정비용이 너무 높다는데 있었다. 또한, 바이오매스(biomass)의 당화수율이 낮아 바이오매스(biomass) 자원을 효과적으로 이용하지 못하고 있었으며, 부생되는 불순물들이 에탄올 발효에 독성으로 작용하여 아직도 비경제적 요소로 남아있기 때문이다.

상기와 같은 문제를 해결하고 당화수율을 높여 대체 에너지로 개발하고자 바이오매스(biomass) 당화 공정과 장치에 관한 연구가 시작되었다.

종래 기술로서 효소에 의한 당화 공정은 1970년대 말에 시작되었으며, 이는 효소가 바이오매스(biomass)를 분해하여 고분자 물질을 단량체로 만드는 것이다. 상기 방법은 효소가 분해하기 어려운 헤미셀룰로오스만을 분리해 내고, 섬유소는 당화 효소를 이용하여 당화 반응을 시키는 것이다. 상기 효소에 의한 공정은 효소의 뛰어난 선택성과 섬유소 분해능력, 온화한 공정조건과 자연친화적인 방법이라는 점에서 장점이 있었다. 그러나, 효소를 이용한 공정은 바이오매스(biomass)에 불순물이 있는 경우에는 효소에 의하여 독성물질이 생길 수 있으므로 바이오매스(biomass)의 전처리가 필요하다는 문제점이 있었다. 또한 상기 방법은 공정을 하기 위한 효소를 생산을 해야 하는데, 상기 효소의 생산시에 고비용이 투입된다는 문제점이 있었다. 게다가 효소에 의한 가수분해 반응은 상당히 느린 반응에 해당하여 당화하는데 72시간정도의 긴 당화시간이 걸린다는 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 극복하고자 종래기술인 미국특허 US PATENT 4,390,375(1983.6.28)는 황산 또는 carbonic acid 등과 같은 산촉매(acid catalyst)을 물과 함께 넣어 바이오매스(biomass)를 당화시키는 것이다.

도 1을 참고하면, 상기 발명은 한 쌍의 스크류(screw)를 가지고 있는 압출기(20)가 형성되고, 상기 압출기(20)는 바이오매스(11)가 유입되는 유입구(10)가 형성되어 있다. 게다가 상기 압출기(20)는 상기 스크류를 구동시키기 위한 구동장치(21)가 형성되어 있다. 또한, 상기 압출기(20)에는 산촉매(acid catalyst)가 공급되어지는 산촉매유입구(34), 증기가 공급이 이루어지는 증기공급관(40), 압력이 가해지는 압력공급관(51), 및 반응물이 저장되는 저장용기(70)가 형성되어 있다. 상기 산촉매유입구(34)에는 산촉매(acid catalyst)가 저장되어 있는 산촉매저장탱크(31)와 산촉매(acid catalyst)의 유입을 조절할 수 있는 산촉매유입조절기(32)가 형성되어 있다. 그리고, 증기공급관(40)에는 증기가 이동하는 증기이동관(42)이 형성되어 있다. 상기 압력공급관(51)에는 압력의 정도를 조절하기 위하여 압력계(50)가 형성되어 있다. 또한, 상기 저장용기(70)에는 반응물이 배출될 수 있는 배출구(72)와 반응물 중 기체가 빠져나갈 수 있게 하는 가스배출구(71)가 형성되어 있다.

상기 바이오매스(11)는 유입구(10)를 통하여 들어가고 한 쌍의 스크류(screw)가 있는 압출기(20) 내부로 이동된다. 상기 산촉매저장탱크(31)로부터 산촉매(acid catalyst)가 공급되고 산촉매공급파이프(33)와 산촉매유입구(34)를 통하여 압출기(20) 내부로 공급된다. 상기 바이오매스(11)와 공급된 산촉매(acid catalyst)는 서로 혼합되어 스크류(screw)를 타고 이동된다. 상기 산촉매가 처리된 바이오매스는 증기공급관(40)을 통하여 증기가 공급되면서 가수분해 반응을 일으킨 다. 여기서 산촉매(acid catalyst)는 헤미셀룰로오스(hemicellulose)나 섬유소의 단당류 사이의 결합을 끊어주는 작용을 한다. 여기에 압력공급관(51)에 의해 압력이 가해지면서 가수분해반응이 가속화된다. 상기 가수분해 반응에 의하여 바이오매스(biomass)는 셀룰로오스(cellulose), 자일로스(xylose), 글루코오스(glucose), 리그닌(lignin) 등의 반응물이 생겨나고 상기 반응물들은 저장용기(70)에 저장된게 된다.

그러나, 상기 방법은 산에 의하여 장비가 부식된다는 점과 시장성 없는 부산물을 생성하는 점에서 문제였다. 또한, 헤미셀룰로오스(hemicellulose)나 섬유소를 가수분해하기 위해서는 먼저 생성된 당의 분해가 수반되기 때문에 당화 수율이 낮다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 일방향으로 연장되어 내부에 공간이 형성되고 상기 공간에 유입구로부터 공급되는 바이오매스가 단계별로 처리되는 적어도 하나 이상의 반응조; 각각의 단계별로 상기 반응조에서 처리되어 반응물이 고체와 액체로 분리되고 상기 반응물 중 액체가 집합되기 위한 집합관; 상기 반응조 내부에 반응조와 동일한 방향으로 형성되어 상기 바이오매스를 일정방향으로 이동시키고 반응조 내부에 압력을 형성하여 반응속도를 증가시키는 스크류; 및 상기 스크류의 끝단과 연결되어 상기 스크류에 동력을 공급하여 반응속도를 조절하는 구동부를 포함하여 분별공정으로 당화수율을 높여서 화석에너지의 대체 에너지를 마련할 수 있는 바이오매스를 효율적으로 당화하는 장치를 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 바이오매스를 당화하는 장치는 일방향으로 연장되어 내부에 공간이 형성되고, 상기 공간에 유입구로부터 공급되는 바이오매스가 단계별로 처리되는 적어도 하나 이상의 반응조; 각각의 단계별로 상기 반응조에서 처리되어 생성된 반응물이 고체와 액체로 분리되고 상기 반응물 중 액체가 집합되기 위한 집합관; 상기 반응조 내부에 반응조와 동일한 방향으로 형성되어 상기 바이오매스를 일정방향으로 이동시키고 반응조 내부에 압력을 형성하여 반응속도를 증가시키는 스크류; 및 상기 스크류의 끝단과 연결되어 상 기 스크류에 동력을 공급하여 반응속도를 조절하는 구동부를 포함하고 있는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 스크류는 바이오매스의 이동속도와 이동량을 조절하기 위하여 반응단계별로 스크류의 피치가 다르게 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 스크류는 이동되는 바이오매스를 가압하기 위하여 정방향의 스크류와 역방향의 스크류가 결합 형성된 것을 특징으로 한다. 또한, 더 바람직하게는, 상기 스크류는 한 쌍으로 형성되고 구동되는 방향이 서로 역방향인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 집합관은 각각의 반응조의 연결부 또는 결합부에 형성되고, 상기 집합관에는 반응물저장고가 형성되어 있어 수집된 반응물을 저장하는 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 반응단계의 처음 단계에서 얻어지는 반응물은 자일로스이고, 마지막 단계에서 얻어지는 반응물은 글루코오스와 리그닌으로 상기 반응물들은 각각 분리되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 반응조 내부에 촉매 저장고로부터 촉매의 농도와 양이 조절되어 공급되어지는 적어도 하나 이상의 공급관을 형성하고 있는 것을 특징한다.

바람직하게는, 상기 촉매는 산 또는 염기 중에서 선택되어지고, 상기 촉매는 반응조 내부에서 일정방향으로 진행되어 바이오매스와 반응하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 반응조는 지면에 높이를 두고 형성되어 있어 반응물이 중력의 영향을 받아 상기 집합관으로 수집되는 것이 용이한 것을 특징으로 한다.

더 바람직하게는, 상기 바이오매스는 식물체로서 섬유소계에 속하는 것을 특징으로 한다.

이상에서 상술한 바와 같이 본 발명에 따른 바이오매스를 당화하는 장치는 촉매을 일정 방향으로 흐르게 하고, 바이오매스를 일정 방향으로 이동시키고 반응조 내부에 압력을 형성하여 반응속도를 증가시키는 스크류가 있는 촉매 압출 당화 공정을 이용함으로써, 불과 1-2 시간 내에 80% 이상의 당수율을 얻을 수 있으므로 당의 생산성이 획기적으로 증대되는 효과가 있다. 또한, 본 발명의 바이오매스 당화 장치는 에너지 소비공정이지만 바이오매스의 전처리와 효소생산이 요구되지 않으므로, 당화공정에 소비되는 비용을 크게 절감할 수 있는 효과가 있다.

그리고, 본 발명에서는 바이오매스가 단계별로 처리되는 적어도 하나 이상의 반응조와 각각의 단계별로 상기 반응조에서 처리되어 반응물이 고체와 액체로 분리되고 상기 반응물 중 액체가 집합되기 위한 집합관을 두어 구성 성분들의 효과적 분별 및 회수를 하여, 생성된 당의 과분해를 막아 당의 수득율을 높였을 뿐만 아니라 불순물을 최소화할 수 있어, 독성 물질 제거공정이 별도로 필요하지 않으므로 경제적이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 고안의 실시 예를 상세히 설명하고자 한다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 바이오매스 당화 장치의 측면도이고, 도 3은 본 발명의 실시예 따른 스크류의 형상과 피치를 나타내는 평면도이다. 또한, 도 4는 본 발명의 실시예에 따라 당화하여 얻은 반응물 중 하나인 당으로서 자일로스(xylose)와 글루코오스(glucose)이다.

상기 도면에 도시된 바에 의하면 본 고안의 실시 예에 따른 바이오매스(biomass) 분별당화 장치는 일방향으로 연장되어 내부에 공간이 형성되고, 상기 공간에 유입구로부터 공급되는 바이오매스(biomass)가 단계별로 처리되는 적어도 하나 이상의 반응조가 결합되어 있다. 상기 바이오매스(biomass)는 식물체이며, 섬유소계에 속하는 것으로서, 예컨데 목재, 농축산 과정에서 발생되는 사탕수수·밀·옥수수·감자·보리·고구마 등의 녹말 작물과 카사바·볏짚 등 다양한 식물 등을 말한다.

상기 섬유소의 주요성분으로는 셀룰로오스(cellulose), 헤미셀룰로오스(hemicellulose), 및 리그닌(lignin)이 있다. 상기 셀룰로오스(cellulose)는 식물의 세포벽의 주성분으로 목질부의 대부분을 차지하는 다당류로서 화학식은 (C₆H₁₀O₅)n이다. 상기 셀룰로오스(cellulose)는 냄새가 없는 백색 고체이며 물에 녹지 않는다. 또한, 상기 셀룰로오스(cellulose)는 다당류 중에서 분자량이 가장 큰 물질로 분자량은 천연 상태에서 수만∼수십만에 이른다. 상기 셀룰로오 스(cellulose)는 상업적으로 종이나 방직용 섬유로 대량 사용되고 있으며 셀룰로오스유도체를 이용하여 플라스틱, 폭발물, 접착제, 필름, 소포제(消泡劑), 셀룰로이드, 셀로팜 등의 다양한 용도로 사용된다.

상기 셀룰로오스(cellulose)는 물이나 에탄올(ethanol), 에테르(ether) 등에는 녹지 않고 알칼리에도 상당히 강하여 잘 녹지 않는다. 그러나, 상기 셀룰로오스(cellulose)는 산이나 구리암모니아용액 내에서는 가수분해되어 글루코오스(glucose)가 된다.

상기 헤미셀룰로오스(hemicellulose)는 식물 세포벽을 이루는 셀룰로오스(cellulose) 섬유의 다당류 중 펙틴질을 뺀 것으로 주로 뿌리·뿌리줄기·씨·열매의 세포를 이룬다. 상기 헤미셀룰로오스(hemicellulose)는 펙틴질을 없앤 세포벽에서 알칼리용액으로 추출하며 주성분은 자일란(xylan)이다. 상기 자일란(xylan)은 5탄당인 자일로스(xylose)의 많은 분자들이 결합되어 있다.

상기 리그닌(lignin)은 화학구조는 명확하지 않으나 C₁₈H₂₄O₁₁과 C₄₀H₄₅O₁₈ 사이라고 추정하고 있다. 상기 리그닌(lignin)은 침엽수에 25∼30 %, 활엽수에 20∼25 % 정도 함유되어 있다. 리그닌(lignin)의 함량은 목재의 채취 부위가 상부로 갈수록 적어지고 심재부(心材部)가 변재부(邊材部)보다 많으며, 추재부(秋材部)가 춘재부(春材部)보다 많다.

상기 셀룰로오스(cellulose)와 상기 자일로스(xylose)는 발효 과정을 거치면 에탄올(ethanol)된다. 상기 에탄올(ethanol)은 차량 등의 연료 첨가제로 사용할 수 있다. 상기 에탄올(ethanol)을 차량 연료 첨가제로 사용할 경우, 휘발유만 사용할 때보다 일산화탄소 배출량이 줄어든다. 또한, 상기 알코올(alcohol)은 독성이 적으며, 유독 공해물질의 배출량이 적으며, 엔진 효율이 높다. 게다가 상기 에탄올(ethanol)은 황, 질소 성분을 함유하고 있지 않으며, 독성이 적다는 장점이 있다.

도 2를 참고하면, 상기 바이오매스(biomass)를 유입구(101)에 반응조(100)에 있는 스크류(300)의 구동속도를 고려하여 유입시킨다. 상기 유입구(101)는 반응조(100)의 내부와 통하도록 결합 되어 있으며, 반응조(100)의 보다 위쪽에 형성되어 반응조(100) 내부로 바이오매스(biomass)가 보다 잘 유입되도록 한다.

상기 반응조(100)는 일방향으로 되어 있으며, 적어도 하나 이상으로 다수의 반응조(100)가 서로 결합되어 형성되거나 연결되어 형성될 수 있다. 그리고, 상기 반응조(100)는 내부에 공간을 형성하고 있으며, 상기 내부에는 스크류(300)가 있다. 또한, 각각의 반응조(100)마다 반응조(100)의 상부에 촉매(catalyst)가 공급되는 공급관(701)이 형성되어 있다. 상기 반응조(100)의 하부에는 촉매(catalyst)와 반응한 반응물이 고체와 액체로 분리되고 바이오매스의 반응물 중 액체가 집합될 수 있도록 하는 집합관(102)이 형성되어 있다. 상기 집합관(102)은 각각의 반응조(100)의 연결부 또는 결합부에 형성되어 있으며 반응조(100)와 집합관(102)의 결합부위에 메쉬나 고체와 액체의 분리막이 존재한다. 상기 메쉬나 분리막으로 인하여 반응물 중 액체인 자일로스(xylose)와 글루코오스(glucose)는 집합관(102)을 타고 빠져나간다. 그리고, 상기 메쉬나 분리막을 빠져나가지 못하는 미반응 반응물은 다음 단계의 상기 반응조(100)로 이동한다. 상기 집합관(102)은 반응물저장고(200,201,202,203)가 형성되어 있어서 반응물의 종류별로 분리하여 이용할 수 있다.

본 발명의 반응조(100)는 상기와 같은 구조로 인하여, 각각의 반응조(100)에서 생성되는 반응물별로 회수할 수 있는 것이다. 또한, 하나의 공정에 의하여 필요한 반응물을 수득할 수 있으므로 장치비 뿐만 아니라, 장치 운용 등에서도 본 발명은 경제적으로 많은 장점이 있다.

상기 반응조(100)의 일정공간에는 바이오매스(biomass)와 촉매(catalyst)가 서로 혼합되어 이동될 수 있게 한다. 반응조(100)는 산이나 염기에 부식이 잘 되지 않는 금속 또는 고분자물질로 성형할 수 있으며, 무기물질로 제조하여 일정의 공간을 가지게 할 수 있다. 그러나, 반응조(100)는 일정공간을 가지고 촉매(catalyst)와 바이오매스(biomass)를 혼합하여 반응시킬 수 있는 것이라면 이에 한정하지 않는다.

우선 본 발명의 바람직한 제 1 실시예인 반응물의 분별회수가 가능한 반응조에 대해서 도면을 참고하여 더 자세히 살펴보고, 제 2 실시예로서 반응조 내부에 있는 스크류(300)에 대하여 설명하겠다.

-제 1 실시예-

도 2를 참고하면, 본 발명의 제 1 실시예에 의한 바이오매스 당화 장치의 반응조(100)는 반응단계별로 구분되어 있다. 상기 반응조(100)는 내부에 바이오매스(biomass)와 촉매(catalyst)가 반응이 잘 일어나도록 내부에 열이 공급된다. 또한, 상기 반응조(100)마다 반응조건이 모두 다르게 설계되어 있는데, 반응조(100)의 내부에 공급되는 열과 촉매(catalyst)의 양 및 스크류(300)가 모두 다르게 형성되어 있다. 유입구(101)를 통하여 유입되는 바이오매스(biomass)는 처음부터 강한 촉매(catalyst)와 강한 열로 가혹한 조건에서 가수분해를 시키는 것이 아니라 처음에는 마일드(mild)한 조건에서도 가수분해되어 산출되는 자일로스(xylose)를 얻어낸다. 상기 자일로스(xylose)는 액체로서 그 다음 단계의 반응조(100)로 이동될 때 집합관(102)을 통하여 반응물저장고(200)로 이동된다. 이는 맨 처음부터 가혹한 조건에서 가수분해를 시키게 되면 쉽게 가수분해되어 산출되는 자일로스(xylose)가 과분해되어 독성물질로 전환되기 때문이다.

그리고 유입구(101)에서 멀어지는 반응조(100)일수록 반응조건은 촉매(catalyst)의 농도를 증가시키고, 반응조(100)의 온도를 높이면서 점점 가혹한 조건을 형성한다. 이는 미반응 물질인 자일란(xylan)이나 헤미셀룰로스(hemicellulose) 그리고, 가수분해가 잘 되지 않는 셀룰로오스(cellulose)와 리그닌(lignin)이 결합되어 있는 부분이 순차적으로 분해시켜 글루코오스(glucose)를 얻어내기 위함이다.

또한, 각각의 단계별로 바이오매스(biomass)가 이동할 때마다 고체와 액체로 분리되고 바이오매스의 반응물 중 액체는 반응물저장고(200,201,202,203)에 저장된다. 상기와 같이 분리하여 회수하는 이유는 이미 셀룰로오스(cellulose)나 헤미셀룰로오스(hemicellulose), 리그닌(lignin)이 가수분해되어 자일로스(xylose)나 글루코오스(glucose)가 생성된 경우 여기서 가수분해 반응을 계속 진행시키면 자일로스(xylose)나 글루코오스(glucose)의 분해가 수반되기 때문이다. 상기와 같이 자일로스(xylose)나 글루코오스(glucose)가 분해되는 경우 전체 에너지원 수율이 떨어지게 된다.

상기 유입구(101)를 통하여 바이오매스(biomass)가 촉매(catalyst)와 반응하여 가수분해를 거친 처음 단계에서 얻어지는 반응물이 자일로스(xylose)이고, 마지막 단계에서 얻어지는 반응물은 글루코오스(glucose)와 리그닌(lignin)이다.

도 4를 참고하면, 자일로스(xylose)는 알데히드기를 가진 오탄당(五炭糖:펜토오스)으로, 목당(木糖)이라고도 한다. 상기 자일로스(xylose)는 천연으로는 배당체(配糖體)의 일부, 또는 목재·짚 등에 함유되는 자일란(xylan)의 구성단위로서 널리 분포하며, 보통 유리된 단당(單糖)으로는 존재하지 않는다.

상기 자일로스(xylose)는 자일란(xylan)을 함유하는 물질을 가수분해하여 얻을 수 있다. 상기 자일로스(xylose)는 페스트균 등의 한정된 세균에 의해서만 이용되며 크실로오스로부터 크실롤로 되고, 그 후 인산화되어서 대사된다.

상기 글루코오스(glucose)는 분자식은 C₆H₁₂O₆으로 탄소가 6개인 6탄당이다. 상기 글루코오스(glucose)는 D형·L형 2종의 광학이성질체가 있는데, 천연으로는 D형만이 존재하며 이것을 D-글루코오스를 포도당이라 한다. 상기 글루코오스(glucose)는 달콤한 과즙, 동물의 혈액·림프액 등에 유리상태로 존재하는 외에, 글리코겐·녹말·셀룰로오스 등의 다당류, 설탕 등의 소당류 및 여러 배당체의 구 성성분으로서, 또한 세포벽의 구성성분으로서 자연계에 널리 존재한다. 상기 글루코오스(glucose)는 공업적으로 녹말의 가수분해에 의해 얻을 수 있다. 상기 글루코오스(glucose)는 영양제·강장제·해독제 외에, 감미제로도 사용된다.

본 발명의 바람직한 실시예인 제 1 실시예는 상기와 같이 반응물들이 순차적으로 분리하여 회수될 수 있고, 회수된 반응물을 필요에 따라 사용할 수 있다. 에탄올(ethanol)을 얻기 위해서는 상기 자일로스(xylose)와 글루코오스(glucose)를 발효시켜야 하는데, 자일로스(xylose)와 글루코오스(glucose)가 혼합된 혼합물을 발효시켜 에탄올(ethanol)을 얻고자 한다면 5탄당과 6탄당을 동시에 발효시킬 수 있는 발효미생물의 개발이 요구된다. 왜냐하면, 상기 자일로스(xylose)와 글루코오스(glucose)를 단일 미생물을 이용하여 혼합발효를 시키는 경우 발효 억제영향이 야기될 수 있어 결과적으로 글루코오스(glucose)와 자일로스(xylose)의 발효 효율을 높이는 것은 용이하지 않기 때문이다.

상기 분리된 글루코오스(glucose)과 자일로스(xylose)는 에탄올(ethanol)생산 이외에도 젖산(lactic acid), 아세트산(acetic acid) 또는 자일리톨(xylitol) 등으로 다양하게 식품 의약부문에서 활용될 수 있다. 또한, 상기 글루코오스(glucose)와 자일로스(xylose)는 동물사료 등에도 사용될 수 있다. 상기 본 발명의 마지막 단계의 반응조(100)의 반응물으로 고체 잔류물인 리그닌(lignin)은 sodium을 포함하지 않는 순수 리그닌(lignin)으로서 리그닌(lignin)의 이용가치를 증대시킬 수 있다.

그리고, 상기 반응조(100)는 지면에 높이를 두고 형성되어 있다. 상기 반응 조(100)와 지면 사이에 높이를 두기 위하여 공정대(600)를 형성하여 둔다. 상기 공정대(600)에는 단계별의 각각의 반응조(100)가 결합된 일체 또는 각각의 반응조(100) 마다 형성될 수 있다. 상기 공정대(600)의 높이는 반응물저장고(200,201,202,203)의 부피를 고려하여 정한다. 상기 공정대(600)는 반응물이 중력의 영향을 받아 상기 집합관(102)으로 수집되는 것이 용이하게 한 것이다.

상기 반응조(100)는 내부에 촉매저장고(700)로부터 촉매의 농도와 양이 조절되어 공급되어지는 적어도 하나 이상의 공급관(701)을 형성하고 있다. 촉매는 강산 또는 약산을 사용할 수 있는데 강산을 사용하면 장비의 부식이 일어나며, 바이오매스(biomass)의 당화된 반응물이 다시 가수분해되어 수율이 떨어질 수 있으므로 약산을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 촉매(catalyst)는 각각의 반응조(100)마다 촉매저장고(700)로부터 촉매의 농도와 양이 조절되어 공급되어지는 공급(701)관이 형성되어 있다. 상기 촉매저장고(700)는 각각의 반응조(100)별로 형성시켜 촉매(catalyst)를 공급시킬 수 있으며, 하나의 촉매저장고(700)로부터 촉매(catalyst)의 양이나 농도가 조절되어 촉매(catalyst)를 공급시킬 수 있다. 상기 촉매(catalyst)는 공급관(701)으로 부터 공급된다. 상기 촉매(catalyst)는 반응조(100)의 내부에서 일정방향으로 진행되고, 상기 촉매(catalyst)는 바이오매스(biomass)와 반응한다.

상기 촉매(catalyst)는 산 또는 염기 중에서 선택되어지고, 상기 촉매(catalyst)는 반응조(100) 내부에서 일정방향으로 진행되어 바이오매스(biomass)와 반응한다. 상기 촉매(catalyst)는 반응조(100) 내부의 바이오매스(biomass)가 헤미셀룰로오스(hemicellulose) 또는 셀룰로오스(cellulose)인지의 여부에 따라 농도가 조절된다. 왜냐하면, 셀룰로오스(cellulose)는 헤미셀룰로오스(hemicellulose)보다 더 가혹한 환경에서 가수분해가 되기 때문이다. 또한, 반응조(100)에서는 촉매(catalyst)의 농도나 양뿐만 아니라 헤미셀룰로오스(hemicellulose), 셀룰로오스(cellulose) 및 리그닌(lignin)의 양에 따라 가열온도, 스크류(screw) 회전 모터의 속도를 조절한다.

-제 2 실시예-

도 3을 참고하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 바이오매스 당화 장치의 스크류(300)는 상기 반응조(100)의 내부에 형성되어 있으며, 반응조(100)와 동일한 방향인 일방향으로 형성되어 있다. 상기 스크류(300)의 끝단에는 구동부(400)가 연결되어 있다. 상기 스크류(300)는 단계별로 구성되어 있는 반응조(100)의 내에 반응의 성격과 바이오매스(biomass)의 체류시간, 효용압력, 컷팅 등을 고려하여 형상과 길이가 다른 스크류(300)를 조합한다. 또한, 상기 스크류(300)는 피치, 모양, 방향 등을 조절하여 분쇄, 혼합, 이송, 반응, 가압, 탈수 등의 필요에 따라 변형할 수 있다.

상기 스크류(300)는 상기 바이오매스(biomass)를 일정방향으로 이동시켜서 반응의 단계별로 형성되어 있는 각각의 반응조(100)를 거치게 하여 상기 바이오매스(biomass)의 반응을 진행시킨다. 또한, 상기 스크류(300)는 상기 반응조(100) 내부에 압력을 형성하여 반응속도를 증가시킨다.

상기 스크류(300)는 압력 형성 방법에 따라 직선적 압축형(direct or positive displacement type)과 점성 이끌림형(indirect or viscous drag)이 있다. 상기 직선적 압축형(direct or positive displacement type)은 피스톤 압축에 의하여 앞으로 밀어내는 방식에 의한 것이다. 그리고, 상기 점성 이끌림(indirect or viscous drag)형은 회전하는 구조물 속의 점성적 이끌림으로 밀어내는 방식에 의한 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예로서 한 쌍의 스크류(screw)를 예시한 것일 뿐 본 발명의 보호범위를 한정하는 것은 아니다.

상기와 같이 두 개의 맞물린 스크류(300)를 사용하는 이축스크류압출기(twin screw extruder)는 일축스크류(single screw)에 비하여 여러 가지 장점이 있다. 상기 이축스크류압출기(twin screw extruder)에 있어서 가장 큰 장점은 조합가능한 여러 형태의 스크류(screw)를 사용하여 생산목적에 맞는 스크류 조합(screw configuration)을 설계하여 최종적으로 요구되는 다양한 품질의 제품을 생산할 수 있다는 것이다. 또한, 상기 이축스크류압출기(twin screw extruder)는 효율을 높이기 위하여 유성형 스크류(planetary screw)를 사용할 수도 있다. 따라서, 반응조(100)를 설계하기 위해서는 원활한 운반과 가압에 제일 중요한 스크류(300)의 형태부터 결정하여야 한다.

상기 스크류(300)의 형태를 결정한 후에는 screw flight 단면 형상, screw 및 밑바닥(root)의 직경 및 간극, 리드(lead), 비틀림각(helix angle), 채널폭(channel width), 수직날개폭(axial flight width) 등의 형상 요소를 결정하여야 한다. 이 값들은 반응조(100)의 반응의 종류에 따라서 결정되므로 가공속도, 압축 비, 가압력 등에 의하여 결정된다. 상기 스크류(300)는 기계요소의 기하학적 모델링을 통하여 기본적인 stress-strain 분석을 하고 예비실험을 통하여 최적값을 얻는다. 최종적으로 handbook의 표준값, 경험치 등을 참조하여 형상을 결정한다.

도 3을 참고하면, 상기 스크류(300)는 바이오매스의 이동속도와 이동량을 조절하기 위하여 반응단계별로 스크류(300)의 피치가 다르게 형성되어 있다. 유입구(101)에서 들어온 바이오매스(biomass)는 천천히 그리고 많은 양의 바이오매스(biomass)를 이동시키기 위하여 스크류(300)의 피치가 넓어야 한다. 상기 피치는 유입구에서 멀어질수록 좁아지고 이에 따라 바이오매스(biomass)는 적은 양으로 빠르게 이동된다. 상기 바이오매스(biomass)는 연속적인 입력포트를 통하여 스크류(300)에 전달되고 반응조(100) 내에서 물과 촉매(catalyst)에 의하여 가수분해 반응이 일어난다.

또한, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 바이오매스 당화 장치는 정방향의 스크류(301,302)와 역방향의 스크류(303)가 결합 형성되어 있다. 상기 결합형성되는 부분은 반응물의 체류시간, 압력, 환류모드를 참고하여 정한다. 상기 스크류(300)는 한 쌍으로 형성되고 구동되는 방향이 서로 역방향인 것이 바람직하다. 상기 스크류(300)가 같은 방향으로 구동되는 것보다 역방향으로 구동되는 것이 바이오매스의 충돌이 많이 일어나므로 가압되기가 용이하기 때문이다.

상기와 같은 형상으로 바이오매스(biomass)는 일정방향으로 진행하다가 역방향의 스크류(303)가 시작되는 지점에서 속도가 감속하게 된다. 왜냐하면, 역방향의 스크류(303)로 인하여 일정방향으로 진행하던 바이오매스(biomass)가 반대방향 으로 이동하려고 하나 일정 입력포트로 새로운 바이오매스가 유입되기 때문이다. 상기와 같은 이유 때문에 바이오매스(biomass)의 속도는 감속하지만 정지되지는 않는다. 이 과정에서 바이오매스(biomass)의 밀도는 일정지점에서 증가하게 되며, 반응조(100) 자체에서 형성된 고압이 유지된다. 상기와 같은 역방향의 스크류(303)의 결합으로 인하여 연속적으로 바이오매스(biomass)는 스크류(300)를 따라 상기 스크류(300)의 형상에 의하여 이동되는 바이오매스(biomass)가 가압되어 촉매( catalyst)에서만 반응이 일어나는 것보다 빠르게 반응된다.

상기 역방향 스크류(303)로 인하여 미반응 바이오매스(biomass)와 정방향 스크류(301,302)를 따라 진행하는 바이오매스가 충돌이 일어나서 전체적이 바이오매스의 속도가 감속하나 촉매는 일정방향으로 진행하고 있으므로 촉매(catalyst)의 흐름은 환류흐름 모드로 조성된다. 결과적으로 바이오매스(biomass)와 촉매(catalyst)의 충돌비율이 높아져 당생산을 촉진시킬 수 있으며, 새로 유입되는 촉매(catalyst)과 바이오매스(biomass)의 가수분해 반응이 연속적으로 수행될 수 있다.

상기 스크류(300)의 역할로 인하여 반응조(100)에서는 집합관(102)을 통하여 이미 가수분해된 단당류인 자일로스(xylose)나 글루코오스(glucose)는 반응조(100)에서 빠져 나오게 되고 미반응 바이오매스(biomass)는 plug-flow type으로 출력포트까지 전달된다.

한편, 본 발명의 바이오매스 당화 장치에 의하여 바이오매스(biomass)는 반 응조(100)에서 물과 촉매에 의하여 가수분해 반응이 일어난다. 상기 반응조(100) 내부에는 스크류(300)가 형성되어 있어 바이오매스(biomass)를 이동시킨다. 게다가 상기 스크류(300)는 이축으로 되어 있으며 역방향으로 구동되어 바이오매스(biomass)와 촉매(catalyst)의 충돌을 증가시키는 역할을 한다. 또한, 상기 스크류(300)는 정방향의 스크류(301,302)와 역방향의 스크류(303)가 결합되어 있어 바이오매스(biomass)의 진행방향을 변화시켜 진행속도를 감속시킨다. 그리고, 상기 바이오매스(biomass)가 일정지점에서 밀도가 증가되므로 반응조(100) 내부는 가압상태가 되어 촉매(catalyst)만 존재하여 반응시키는 경우보다 반응속도를 증가시키게 한다.

또한, 상기 촉매(catalyst)는 일정 방향으로만 흐르므로 상기 바이오매스(biomass)의 속도변화로 인하여 환류흐름을 갖게 되므로 바이오매스(biomass)와 촉매(catalyst)의 충돌이 많아져 당수득율이 향상된다. 상기 반응조(100)에는 미반응 바이오매스(biomass)인 셀룰로오스(cellulose), 헤미셀룰로오스(hemicellulose), 리그닌(lignin)이 있으며 촉매(catalyst), 물, 자일로스(xylose), 글루코오스(glucose), 기체 등이 존재한다. 본 발명의 반응조(100)는 반응물이 고체 또는 액체인지 여부에 따라 고체는 스크류를 따라 이동하여 다음 단계의 반응을 거치게 하고, 액체는 집합관(102)을 따라 빠져 나간다. 상기 집합관(102)은 반응조건이 다른 각각의 반응조(100)의 결합부 또는 연결부에 위치하게 함으로써 반응물의 밀도차에 의하여 반응물 중 액체만을 빠져나가게 하는 것이다. 상기 반응물 중 액체인 자일로스(xylose)와 글루코오스(glucose)는 단계별로 집합 관(102)을 통하여 반응물저장고(200,201,202,203)에 저장된다. 상기 반응조(100)의 분별적인 반응물의 회수를 통하여 당화된 당이 다시 가수분해 되어 당수득율이 떨어지는 것을 방지하게 된다. 또한, 상기 반응물은 불순물이 적어지게 된다.

상기 반응물은 화학 공업의 원료물질로 사용할 수 있고 발효 단계를 거쳐서 에탄올(ethanol)로 하여 대체 에너지로 사용할 수 있으므로 본 발명은 화석에너지의 고갈을 방지하고 화석에너지의 연소에 의한 환경문제까지 해결할 수 있으므로 경제적이고 친환경적인 발명이다.

도 1은 종래기술에 따른 바이오매스 분별당화 장치의 사시도;

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 바이오매스 분별당화 장치의 측면도;

도 3은 본 발명의 실시예 따른 스크류의 형상과 피치를 나타내는 평면도;

도 4는 본 발명의 실시예에 따라 당화하여 얻은 반응물 중 하나인 당으로서 자일로스(xylose)와 글루코오스(glucose)이다.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

100 : 반응조 101 : 유입구

102 : 집합관 200,201,202,203 : 반응물저장고

300 : 스크류 301, 302 : 정방향의 스크류

303 : 역방향의 스크류 600 : 공정대

700 : 촉매저장고 701 : 공급관

Claims (10)

1. 식물체의 섬유소계 바이오매스를 당화하는 장치에 있어서,

   1) 일방향으로 연장되어 내부에 공간이 형성되고, 상기 공간에 유입구로부터 공급되는 바이오매스가 단계별로 처리되는 하나 이상의 반응조;

   2) 상기 단계별 반응조에서 처리되어 생성된 반응물이 고체와 액체로 분리되고, 상기 액체만이 집합되기 위해 형성된 집합관;

   3) 상기 반응조 내부에 반응조와 동일한 방향으로 형성되어 상기 바이오매스를 일정방향으로 이동시키고, 이동속도와 이동량을 조절하기 위하여 반응단계별로 스크류의 피치가 다르게 형성되어 있으며, 상기 스크류는 한 쌍으로 형성되고 구동되는 방향이 서로 역방향으로 형성되어 반응조 내부에 압력을 형성하여 반응속도를 증가시키는 스크류; 및

   4) 상기 스크류의 끝단과 연결되어 상기 스크류에 동력을 공급하여 반응속도를 조절하는 구동부;

   를 포함하고 있는 바이오매스 분별당화 장치.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 스크류는 이동되는 바이오매스를 가압하기 위하여 정방향의 스크류와 역방향의 스크류가 결합 형성된 것을 특징으로 하는 바이오매스 분별당화 장치.
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 집합관은 각각의 반응조의 연결부 또는 결합부에 형성되고, 상기 집합관에는 반응물저장고가 형성되어 있어 수집된 반응물을 저장하는 특징으로 하는 바이오매스 분별당화 장치.
6. 삭제
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 반응조 내부에 촉매 저장고로부터 촉매의 농도와 양이 조절되어 공급되어지는 하나 이상의 공급관을 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 바이오매스 분별당화 장치.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 촉매는 산 또는 염기 중에서 선택되어지고, 상기 촉매는 반응조 내부에서 일정방향으로 진행되어 바이오매스와 반응하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 분별당화 장치.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 반응조는 지면에 높이를 두고 형성되어 있어 반응물이 중력의 영향을 받아 상기 집합관으로 수집되는 것이 용이한 것을 특징으로 하는 바이오매스 분별당화 장치.
10. 제 1 항에 있어서,

    상기 바이오매스는 식물체로서 섬유소계에 속하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 분별당화 장치.

Images