KR101072907B1

KR101072907B1 - 에탄올과 물의 혼합물 제조 방법 및 장치

Info

Publication number: KR101072907B1
Application number: KR1020077029854A
Authority: KR
Inventors: 안티 파사넨
Original assignee: 에스티원 바이오푸엘스 오와이
Priority date: 2005-05-25
Filing date: 2006-05-24
Publication date: 2011-10-17
Also published as: RU2391407C2; FI20050554A0; RU2007146073A; NO20076590L; CN101184849B; EP1888759A1; FI20050554A; AU2006251123A1; CR9592A; FI118301B; BRPI0611207A2; CA2609501A1; WO2006125854A1; CN101184849A; US20090293347A1; AU2006251123B2; JP2008545403A; EP1888759A4; NZ564583A; UA89409C2

Abstract

본 발명은 에탄올과 물 혼합물을 제조하는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 발효당으로 가수분해될 수 있는 원료 및 당으로부터 선택된 발효가능한 원료들 (1), 및 소정의 보조 물질 (2,3)이 반응기 (4)로 공급되고; 상기 원료들은 상기 반응기 (4)로 공급되고, 증발기 (13)에서 에탄올과 물의 혼합물은 상기 반응기 발효 용액으로부터 분리되며; 비발효 물질 (6)은 상기 반응기로부터 제거된다.

본 발명에 의하면, 반응기 (4)의 발효용액은 발효가 진행되는 동안 연속적으로 제 1 강하경막 증발기 (13)에 주입되고; 에탄올과 물의 혼합물은 제 1 강하경막증발기 (13)에서 증발되고, 상기 제 1 강하경막증발기 (13)에서 획득된 증기 (14)는 응축되고, 응축된 상기 에탄올과 물의 혼합물은 상기 제 1 강하경막 증발기 (13)와 직렬로 배치된 제 2 강하경막 증발기 (18)에서 농축되며; 상기 제 2 강하경막 증발기로 (18)부터 물이 저류 (20)로서 제거되며; 상기 제 1 강하경막 증발기 (13)로부터 비휘발성 물질 (15)이 제거되어 상기 반응기 (4)로 재순환된다.

Description

에탄올과 물의 혼합물 제조 방법 및 장치 {METHOD AND APPARATUS FOR PREPARING AN ETHANOL/WATER MIXTURE}

본 발명은 청구항 제1항의 전제부에서 정의된 에탄올과 물 혼합물의 제조방법에 관한 것으로서, 발효당 또는 발효당으로 가수분해될 수 있는 원료가 에탄올로 발효되고, 이와 같은 방식으로 형성된 에탄올과 물의 혼합물이 농축되는 에탄올과 물 혼합물의 제조 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 청구항 제 11항의 전제부에서 정의된 장치에 관한 것이다.

현대 사회에서는, 폐기물 및 폐수가 발생되는 작업에서 폐기물 및 폐수를 효과적으로 처리하는 방법이 더욱 요구된다. 산업체 및 공동체에서 발생되는 것으로서 다양한 발효당 또는 발효당으로 변환될 수 있는 화합물을 함유하는 폐기물 및 폐수는 폐기물 및 폐수를 에탄올로 발효시킴으로써 처리될 수 있으며, 이러한 처리에 의해 산업체 및 공동체에서 발생된 폐수에 함유된 BOD 및 COD 양과 폐기물 내의 탄수화물의 양을 저감시킨다. 폐기물 및 폐수로부터 제조된 에탄올은 다양한 용도에 적합하도록 정제될 수 있다. 에탄올 제조에 적합한 부흐름 (minor flow) 및 폐기물은 종종 분산되어 있어, 그들의 수송 및 수송에 관련된 비용은 경제적인 운영에 장애를 발생시키는 문제점이 있다. 더욱이, 매년 200 ~ 2,000톤의 에탄올의 생산율을 갖는 분산된 부흐름으로부터 에탄올을 제조할 수 있는 공지의 프로세스에 투자하기에는 너무 막대한 비용이 들 것으로 평가되어 왔다.

산업상 이용가능한 프로세스로서 발효에 기초하는 공지의 에탄올 제조 프로세스는 생산능력 면에서 상대적으로 매우 커서 매년 약 10,000 ~ 150,000 톤을 제조할 수 있다. 일부 설비들은 일괄 발효 (batch fermentation)에 기초하며, 더욱 많은 설비들은 연속 발효 (continuous fermentation)에 기초하고 있다. 발효된 에탄올은 증류장치를 사용하여 예를 들어, 95 wt% (percent by weight) 또는 더욱 묽은 에탄올과 물의 혼합물을 제공하도록 증류될 수 있다. 통상적으로, 증류 설비는 에탄올과 물의 혼합물로부터 매시(mash)를 분리하는데 이용되는 스트리핑 (stripping)을 포함한다. 보통 증류는 일단계 또는 다단계로 이루어지는 일괄 또는 연속 증류이다. 증발된 증류액은 응축기를 사용해서 액화시킬 수 있다.

상술한 타입의 큰 설비에서는 스트리핑 이후 에탄올 성분이 없는 매시 또는 시럽뿐만 아니라 비발효 단백질, 당 및 효모 함유 고체 물질이 분리되어 동물의 사료로서 사용될 수 있다. 현재의 산업용 바이오에탄올 생산 설비에서는, 발효의 결과로서, 예를 들어, 가스 미터를 사용하여 발효기로부터 배출된 가스 상태로부터 분리될 수 있는 이산화탄소가 형성된다. 그러나, 현재의 에탄올 생산 설비의 문제점은 당을 함유하며, 비활용성이어서 상대적으로 높은 COD값을 갖는 폐기물 및 폐수가 생성되는 것이다. 이러한 매시는 예를 들어, 사료 공급자들이 설정한 품질 요건을 항상 충족시키는 것은 아니며, 이로 인해 매시는 소각 또는 폐기와 같은 몇몇 다른 방식으로 처리되어야 한다.

현재의 공지된 에탄올 제조 방법을 소규모 산업용 생산(연간 10,000톤 이하) 에 적용하는데 발생 되는 문제점은,

a) 상기 제조 방법들을 구현하는데 필요한 장비의 사용 방식 및 구조의 복잡성;

b) 상대적으로 높은 상기 장비의 투자 비용 및 상기 장비의 사용과 관련된 상대적으로 높은 운영 비용;

c) 생성되는 부흐름 및 폐기물의 양과 품질;

d) 상기 장비를 사용하는데 필요한 많은 양의 노동력; 및

e) 부피 80% 이상의 에탄올과 물의 혼합물을 처리하는 경우와 같이, 인화성 액체와 관련된 법제화 중 하나이다.

가장 최근의 종래 기술로서, 농축된 에탄올과 물의 혼합물이 제조되는 에탄올의 연속 제조 프로세스에 관한 미국특허 제4822737호가 개시되어 있다. 발효기로부터 고체 물질 분리기를 거쳐 증발기로 물질이 연속적으로 이동되며, 증발기에서 에탄올이 분리되고 비휘발성 물질이 역삼투압 유닛으로 도입되며, 역삼투압 유닛으로부터 물이 분리 배출되고 발효당을 함유하는 부분은 발효기로 재순환된다. 또한, 상기 프로세스는 두 개의 증발 유닛에 의해 구현될 수 있어, 역삼투압 유닛으로부터 획득된 농축물은 추가적인 에탄올 제거를 위하여 다른 증발 유닛으로 도입된다.

발명의 목적

본 발명의 목적은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것이다. 구체적으로, 본 발명의 목적은 연료 또는 솔벤트로 사용하는 것과 같은 실용적 용도를 위해 폐기물로부터 에탄올을 제조하는 신규의 장치 및 방법을 개시하는 것이다.

과제 해결 수단

본 발명에 따른 방법 및 장치는 특허청구범위에 기재된 내용을 특징으로 한다.

본 발명은 에탄올과 물의 혼합물을 제조하는 방법에 기초하고 있으며, 발효당으로 가수분해될 수 있는 원료 및 당으로부터 선택된 발효가능한 원료, 및 임의의 필수 보조물질이 반응기로 공급된다. 보조 물질은, 예를 들어, 공기를 포함한다. 원료는 반응기에서 발효되고, 이와 같이 형성된 발효 용액으로부터 에탄올과 물의 혼합물은 증발기에서 분리되고, 비발효 물질은 반응기로부터 제거된다. 본 발명에 따른 방법에서는, 발효가 진행되는 동안 반응기 발효 용액이 연속적으로 제 1 강하경막 증발기 (falling-film evaporator)로 공급된다. 에탄올과 물의 혼합물은 제 1 강하경막 증발기에서 증발되고, 제 1 강화경막 증발기에서 획득된 증기는 응축되고 응축된 에탄올과 물의 혼합물은 제 1 강하경막 증발기와 직렬로 배열된 제 2 강하경막 증발기에서 농축된다. 제 2 강하경막 증발기로부터 물이 저류 (underflow)로서 제거되고, 비휘발성 물질은 제 1 강하경막 증발기로부터 제거되어 반응기로 재순환된다.

구체적으로, 본 발명의 방법은 a) 발효 용액으로부터 에탄올/물 증기 (제 2 증발기의 증기) 및 비교적 순수한 물 (pure water: 제 2 증발기의 저류)를 분리할 수 있는 수단으로서 연속적으로 연결된 2 이상의 강하경막 증발기들을 사용하는 것; b) 비휘발성 물질 내의 비발효 당이 더욱 농축된 형태로서 반응기로 재순환되어 발효를 가속시키도록, 제 1 증발기로부터 반응기로 비휘발성 물질을 재순환시키는 것; 및 c) 강하경막 증발기들을 사용함으로써 제공되는 가능성으로서, 예를 들어, 건조물 (dry matter) 및 에탄올의 농도와 같은 비발효 물질의 양 및 농도에 영향을 미칠 수 있는 가능성에 기초를 두고 있다.

바람직하게, 발효가 진행되는 동안, 발효당 또는 발효당으로 가수분해될 수 있는 탄수화물은 프로세스로부터 전혀 배출되지 않는다.

바람직한 실시형태에서, 반응기는 발효용기이다.

본 발명의 일 실시형태에서, 바람직하게 제 2 강하경막 증발기에서 분리된 물은 증발기로부터 물을 배출하기 전에 물의 에탄올 농도를 최소화하기 위하여 제 2 강하경막 증발기에서 한번 이상 재사용된다.

본 발명의 일 실시형태에서, 발효 용액은 반응기로부터 고체 물질 분리기로 공급되며, 고체 물질 분리기에서 고체 물질 함유 슬러지 (sludge)는 발효 용액으로부터 분리되고, 발효 용액은 고체 물질 분리기로부터 제 1 강하경막 증발기로 공급된다. 본 발명의 일 실시형태에서, 고체 물질 분리기에서 분리된 고체 물질 함유 슬러지는 반응기로 재순환된다. 본 발명의 일 실시형태에서, 고체 물질 분리기에서 분리된, 고체 물질 함유 슬러지는 프로세스에서 제거된다.

본 발명의 일 실시형태에서, 본 발명의 방법은 에탄올과 물의 혼합물을 분리하고 농축하기 위하여 직렬 연결된 2 이상의 강하경막 증발기들을 사용한다.

본 발명의 일 실시형태에서, 에탄올과 물의 혼합물은 35 내지 65 wt% 에탄올 함량으로 농축되고, 바람직하게는 약 40 내지 50 wt% 에탄올 함량으로 농축된다.

본 발명의 방법에서, 응축 단계는 증발기들 사이에서 수행되거나, 각 증발기를 거친 이후 수행되며, 또는 증발기들 사이에서 수행되고 그리고 각 증발기를 거친 이후에 수행될 수 있다.

발효당 및 발효당으로 가수분해될 수 있는 당의 농도뿐만 아니라, 물, 물이 제거된 건조물의 함량, 에탄올의 제조와 관련하여 생성되는 소위 잔여 물질 (residual matter)의 에탄올 함량은 그 잔여 물질의 제거 전에 (a) 에탄올을 회수하기 위하여 고체 물질 분리기로부터 획득된 용액을 제 1강하경막 증발기로 공급하는 발효 단계; (b) 고체 물질 분리기로부터 제 1 강하경막 증발기로 공급되는 용액의 에탄올 함량이 감소될 때, 고체 물질 분리기로부터 획득된 고체 물질을 본 프로세로의 외부로 공급하는 배출 단계; 및 (c) 발효 및 배출하는 단계에서는, 제 2 강하경막 증발기로부터 나온 물의 에탄올 함량이 감소될 때까지 그 물을 제 2 강하경막 증발기로 재공급하는 발효 및 배출단계로 이루어진 프로세스로부터 영향을 받을 수 있다.

또한, 본 발명은 에탄올과 물의 혼합물을 제조하는 장치에 기초하는 것이며, 본 장치는 원료 및 임의의 필수 보조 물질이 공급되어 원료가 발효 용액으로 발효되는, 예를 들어, 발효용기와 같은 반응기; 발효 용액으로부터 에탄올과 물의 혼합물을 분리하는 증발기; 반응기로부터 발효 용액을 배출하고, 발효 용액을 증발기에 공급하는 도관; 및 반응기로부터 비발효 물질을 배출하는 배출관을 포함한다. 본 발명에 따르면, 본 장치는 발효 용액으로부터 에탄올과 물의 혼합물을 분리하기 위한 제 1 강하경막 증발기 및 상기 제 1 강하경막 증발기와 직렬로 연결되어 있으며, 상기 에탄올과 물의 혼합물을 농축시키는 제 2 강하경막 증발기; 상기 제 1 강하경막 증발기로부터 획득된 에탄올과 물의 혼합물을 상기 제 2 강하경막 증발기로 공급하기 전에 에탄올과 물의 혼합물을 응축시키는 응축기; 상기 제 2 강하경막 증발기로부터 물을 저류로서 배출시키는 배출관; 및 상기 제 1 강하경막 증발기로부터 비휘발성 물질을 제거하여 반응기로 재순환시키는 도관을 포함한다.

본 발명의 일 실시형태에서, 본 장치는 반응기와 제 1 강하경막 증발기 사이에 배치되는 고체 물질 분리기를 포함하며, 고체 물질 분리기에서는 발효 용액을 제 1 강하경막 증발기로 공급하기 전에 고체 물질 함유 슬러지가 발효 용액으로부터 분리된다.

본 발명의 일 실시형태에서, 본 장치는 고체 물질 분리기로부터 반응기로 고체 물질 함유 슬러지를 재순환시키는 재순환관을 포함한다.

본 발명의 일 실시형태에서, 본 장치는 에탄올과 물의 혼합물을 분리하고 농축시키기 위하여 직렬로 연결된 2 이상의 강하경막 증발기들을 포함한다.

바람직하게, 본 장치의 디바이스들은 일체형으로 구성된다.

상술한 방법을 사용하여 제조된 에탄올과 물의 혼합물은 소망하는 에탄올 함량으로 농축되어, 농축된 에탄올 혼합물이 다른 연료 성분과 혼합되어 소정의 연료 혼합물을 형성할 수 있도록, 가솔린 또는 디젤과 같은 연료의 성분으로 사용될 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 에탄올과 물의 혼합물은 에탄올 함량이 85 wt% 이상, 핀란드에서는 바람직하게 99.7wt%이상이 되도록 농축함으로써 더 정제된다.

에탄올 혼합물은 소망하는 양 또는 법규 및 생산 사양에 의해 허용되는 양으로 다른 연료 성분과 혼합될 수 있다.

본 발명에 따른 에탄올과 물의 혼합물은 판매점으로부터의 유기성 폐기물 및 제과점, 유가공 제품 또는 감자 가공 제품으로부터의 폐기물 덩어리를 포함하는 식품산업의 폐기물로부터 제조될 수 있다.

본 발명에 따르면, 발효부피당 에탄올 생산율은 종래의 에탄올 제조 프로세스에 비해 두드러지게 증가될 수 있다. 에탄올과 물의 혼합물은 발효와 함께 발효 용기로부터 연속적으로 추출된다. 따라서, 종래 방법에 비하여 더욱 큰 발효 속도가 달성된다.

발효 용기에서의 배출 단계뿐만 아니라 원활한 연속 발효단계에서, 에탄올과 물의 혼합물은 농축되어 에탄올의 추가 프로세스, 이용 및 품질 조절의 관점에서 충분한 농도인 35 ~ 65 wt% 에탄올과 물의 혼합물을 형성할 수 있다. 발효 용기에서의 배출 단계뿐만 아니라 원활한 연속 발효단계에서, 매시, 이산화탄소 및 순수와 같은 에탄올 제조시의 부흐름은 분리된 흐름으로서 프로세스 외부로 추출될 수 있다. 매시와 같은 발효 폐기물의 부피당 양은 종래 기술에 비하여 더욱 적다. 종래 발명에 비하여, 본 발명은 생성되는 부흐름의 품질 및 부산물로서 획득된 물의 양과 품질에 더 좋은 영향을 끼칠 수 있다. 예를 들어, 이산화탄소 배출량은 종래 방법에 비해 현저히 감소된다.

본 발명에 따른 방법을 다른 원료 및 예를 들어, 매년 10,000톤 미만의 에탄올과 같은 비교적 적은 양의 원료에 적용하면, 종래 방법에 비해 투자 비용 및 운영 비용이 더욱 저렴하게 소요된다. 본 발명의 방법에서 사용되는 원료는 다른 산업으로부터 발생되는 폐기물로 이루어져 있기 때문에, 원료의 획득이 용이하고 가격도 합리적이다. 또한, 지속가능한 발전 (sustainable development)의 원리에 따라, 본 발명은 다른 산업으로부터 발생되는 폐기물을 활용하고 그 페기물로부터 다른 용도의 소망하는 제품을 제조함으로써 작동한다.

에탄올 제조의 향상과 관련된 종래 기술의 방법에 비하여, 본 발명에 따른 방법은 더욱 간단하여 사용시에 그 제어가 덜 요구되며, 특히 매년 10,000톤 미만의 에탄올 범위에서 더욱 그러하다. 본 발명에 의한 장치는 간단하여, 폐기물이 이용될 수 있는 장소에 설치될 수 있다.

한편, 에탄올과 물의 혼합물은, 예를 들어, 가솔린 트럭의 회차시에 오일 및 가솔린 터미널로 운송될 수 있기 때문에, 본 발명은 운송 업무의 향상에 기여한다.

도 1 은 본 발명에 따른 제 1 장치를 도시한다.

도 2 는 본 발명에 따른 제 2 장치를 도시한다.

도 3 은 본 발명에 따른 제 3 장치를 도시한다.

실시예 1

본 발명에 따른 방법에 의하면, 발효 부피당 에탄올의 생산율은 종래 기술의 에탄올 제조 프로세스에 비하여 증가될 수 있다. 본 발명에서, 에탄올과 물의 혼합물은 약 50wt%의 에탄올 함량으로 농축된다. 또한, 다른 에탄올/물 함량도 가능하다. 에탄올 제조시 생성되는 부흐름은 분리된 흐름이므로 활용될 수 있고, 동시에 이러한 부흐름의 양과 속성이 제어될 수 있다. 본 방법에서, 폐기물 및 폐수의 양은 적다. 또한, 부산물로서 순수가 획득된다.

본 방법에서, 강하경막 증발은 저압 및 저온에서 수행될 수 있어, 증발기로 공급되는 발효 용액에 존재하는 에탄올-생성 미생물은 이러한 증발기의 조건에서 죽지 않는다. 예를 들어, 0.93bar와 같은 저압에서 강하경막 증발기를 이용하면 38℃ 미만의 증발 온도에서 증발이 가능하다. 이러한 경우, 예를 들어, 효모는 발효용기로 재공급되기 전에 상기 증발기의 조건에서는 죽지 않는다. 에탄올-생성 미생물이 증발 전에 분리되는 경우, 또는 에탄올-생성 미생물 기능들이 발효 용기 내에서 케리어에 부착되는 경우, 즉, 발효 용기 내에서 움직일 수 없는 경우에, 대기압에서 증발이 수행될 수 있으며, 이는 프로세스를 더욱 간단하게 한다. 또한, 발효 용액이 상당한 양의 고체 물질을 함유하고 있는 경우에는 증발 단계에 들어가기 전에 분리기를 사용하는 것이 필요할 수도 있다. 에너지 경제를 희생하면, 재순환, 즉, 증발기의 응축된 증기를 강하경막 증발기로 회귀시켜 증발기에 공급함으로써, 물과 에탄올 혼합물을 80wt% 까지 농축시킬 수 있도록 강화경막 증발기를 사용할 수 있다.

실시예 2

본 실시예는 본 발명에 따른 일 방법 및 그 방법을 구현하기 위한 장치를 설명한다. 본 실시예의 장치와 관련하여 도 1을 참조한다.

원료는 도관 1을 이용하여 발효용기 (4)로 공급된다. 임의의 필수 보조물질 및 공기는 도관 (2) 및 도관(3) 통하여 발효용기 (4)로 공급될 수 있다. 필요한 경우, 발효용기 (4)의 내용물, 특히 비발효 물질은 도관 (6)을 통해서 본 프로세스에서 제거될 수 있다. 에탄올 발효의 결과로 생성되며 주로 CO₂를 포함하는 가스는 발효용기 (4)로부터 도관 (5)을 통해 제거된다. 건조물 함량 및 에탄올-생성 미생물의 양뿐만 아니라 발효 용액의 조성에 따라, 발효 용액은 도관 (7)을 이용하여, 예를 들어, 디켄터 원심분리기와 같은 고체 물질 분리기 (8)를 거쳐서 도관 (12)를 이용하여 제 1 강하경막 증발기 (13)에 공급되거나, 또는, 도관 (9)를 이용하여 발효용기 (4)로부터 직접 제 1 강하경막 증발기 (13)로 공급된다. 고체 물질 분리기 (8)로부터, 고체 물질이 풍부한 슬러지는 도관 (10)을 이용하여 발효용기 (4)로 재공급된다. 필요한 경우, 고체 물질 분리기 (8) 내의 고체 물질이 풍부한 슬러지는 도관 (11)을 통하여 본 프로세스 외부로 추출될 수 있다. 제 1 강하경막 증발기 (13)로부터, 증기는 도관 (14)을 통하여 응축기 (16)로 공급되며, 응축기 (16)로부터, 액화된 흐름이 도관 (17)을 통해 제 2 강하경막 증발기 (18)로 도입된다. 제 1 강하경막 증발기 (13)로부터, 비휘발성 물질은 도관 (15)을 통하여 발효 용기로 공급된다. 대부분이 물인 제 2 강하경막 증발기 (18)의 저류(underflow)는 도관 (20)을 이용하여 제거된다. 제 2 강하경막 증발기 (18)의 증기는 도관 (19)을 통하여 응측기 (21)로 공급되고, 응축기 (21)로부터 도관 (22)을 통하여 최종 응측기 (23)에 공급되며, 최종 응축기 (23)로부터 완전히 응축된 에탄올과 물의 혼합물이 도관 (24)을 통하여 에탄올과 물의 혼합물용 저장탱크 (25)로 공급된다. 최종 응축기의 오프가스(off-gas)는 도관 (26)을 통하여 본 프로세스로부터 제거된다. 또한, 본 프로세스에서는 흐름 12와 14 사이 및 17과 19 사이에서 열교환기를 사용할 수 있다. 최종 응축기 (23)는 비교적 작은 흐름이고, 물을 약 20℃ 까지 응축시키기 위해 냉매 순환을 구비한 열교환기를 최종 응축기에 사용하는 것이 가능하다. 도 1의 실시형태에서는 하나의 발효용기가 존재하나, 직렬 또는 병렬로 배치되는 2 이상의 발효용기들이 존재할 수 있다. 상기 도면의 실시형태에서는, 2 개의 강하경막 증발기 (13 및 18)가 직렬로 구성되어 있으나, 2 이상의 강하경막 증발기가 직렬로 구성될 수 있다.

발효용기 (4)는 3가지의 다른 실행 단계: 1) 충진 단계 (filling), 2) 발효용기 (4)의 레벨의 한도 내에서 추가 공급 및 발효단계, 및 3) 발효용기의 배출단계를 가진다.

충진 단계는 원료 및 임의의 필수 보조 물질을 도관 (1 및 2)을 통하여 발효용기 (4)로 공급하는 것으로부터 시작된다. 필요한 경우, 에탄올-생성 미생물의 매시를 증가시키기 위해, 도 관 (3)을 통해 멸균 공기 또는 산소가 발효용기로 공급될 수 있다. 충진 단계에서, 도관 (7, 9 및 6)은 차단된다.

발효 단계에서는, 발효당으로 가수분해될 수 있는 원료의 탄수화물 함량의 한도 내에서 뿐만 아니라 발효용기의 레벨, 도관 (22)의 에탄올 함량 및 발효용기의 발효가능한 원료의 당 함량의 한도 내에서 도관 (1)을 통해서 발효용기 (4)로 공급이 추가된다. 발효 용액의 고체 물질이 강하경막 증발기를 오염시킬 우려가 있는 경우에, 발효 용액이 도관 (7)을 통하여 고체 물질 분리기 (8)로 공급된다. 발효 용액의 고체 물질에 의한 오염이 허용되는 경우에, 발효용액은 도관 (9)을 통하여 직접 강하경막 증발기 (13)로 공급된다. 이러한 경우, 에탄올은 발효 용액으로부터 저장탱크 (25)로 획득되고, 물은 발효 용액으로부터 도관 (20)을 통해 배출된다. 강하경막 증발기에서 이루어지는 증발은 정상 압력 (normal pressure)에서 수행될 수 있어, 이때 배출되는 용액의 온도는 약 80~85℃이며, 또는 예를 들어, 0.93bar과 같은 저압에서 증발이 수행될 수 있으며, 이때 배출되는 용액의 온도는 약 36℃이다. 충분히 낮은 압력에서의 증발, 예를 들어 0.93bar의 낮은 압력과 36℃의 온도에서, 에탄올-생성 미생물은 증발되는 용액으로부터 반드시 분리될 필요는 없으나, 발효용기 (4)의 용액은 미생물이 죽지 않은 상태로 도관 (9)을 통하여 강하경막 증발기 (13)로 공급될 수 있다. 또한, 에탄올을 생성하는 예를 들어, 효모와 같은 미생물이 고정되어 있다면, 분리는 필요하지 않다. 강하경막 증발기 (13 및 18)에서 낮은 압력을 이용하면 필요한 증발 에너지가 저감되나, 응축기 (16, 21 및 23)의 부피를 증가시키고 응축기의 열전달이 약화된다.

강하경막 증발기 (13)에 연결된 도관 (12)은 발효용기 (4)의 레벨 한도 내에서 그리고 도관 (1)의 유량의 한도 내에서, 발효 단계 중 일시적으로 차단될 수 있다. 평균적으로, 약 40wt%의 에탄올과 물의 혼합물이 제품 저장탱크 (25)로 생성되고, 이는 추가 프로세스를 고려할 때 충분한 함량이다.

배출 단계에서는, 생성된 비발효 물질 및/또는 물은 원활하고 연속적인 동작을 방해하기 때문에 발효용기 (4)로부터 배출된다. 배출 단계는 비발효 물질이 발효 작용을 저해할 때, 그리고 발효당 및 발효당으로 가수분해될 수 있는 탄수화물이 발효용기에서 가능한 남김없이 발효되었을 때에 수행된다. 배출단계에서는, 발효 용기의 레벨 한도 내에서 더 이상의 원료가 발효용기로 공급될 수 없다. 이러한 경우, 발효 용액은 도관 (7)을 통하여 고체 물질 분리기 (8)로 공급되고, 고체 물질 분리기 (8)로부터 도관 (12)을 통하여 강하경막 증발기 (13)로 공급되거나, 또는 직접 강하경막 증발기 (13)로 공급된다. 발효 용액의 에탄올 함량이 예를 들어, 0.5wt% 만큼 충분히 낮은 경우, 도관 (9) 및 도관 (12)은 차단될 것이고, 슬러지는 도관 (11)을 통하여 본 프로세스로부터 제거되며, 발효용기에 있는 비발효 물질은 도관 (6)을 통해 본 프로세스로부터 제거된다.

응축기 (16 및 21)에서는 외부 냉각을 사용하는 것이 가능하다. 응축기 (23)에서는, 도관 (26)을 통해 에탄올이 가능한 적게 배출되도록 하기 위하여 증기에 충분히 낮은 온도가 제공되어야 한다. 또한, 공급, 발효 및 배출 단계에서, 발효용기의 온도는 조절될 수 있으며, 일반적으로 냉각에 의해 조절될 수 있다.

실시예 3

도 2를 참조하여, 본 실시예는 치즈 제조 프로세스의 부산물인 유장 (whey)을 본 발명에 따른 프로세스의 원료로서 사용하는 것을 나타낸다.

치즈 제조 프로세스의 부산물로서 형성되는 통상의 유장은 4.8wt%의 유당 (lactose)을 포함하며, 이러한 유당은 에탄올을 만드는 미생물용 기질로서 작용하 고, 예를 들어 유전자 조작된 효모가 에탄올을 만드는 미생물로서 작용할 수 있다. 통상적으로, 유장은 3wt% 미만의 고체 물질을 포함한다. 본 실시예에서, 에탄올-생성 미생물은 종래 기술을 이용하여 발효용기에 고정되며, 강하경막 증발기 (13 및 18) 및 응축기 (16, 21 및 23)는 대기압 및 80~90℃ 범위의 온도에서 동작한다. 비발효 물질은 액체 사료로서 사용될 수 있으며, 액체 사료의 탄수화물 함량은 종전보다 더 낮지만, 단백질 함량은 종전보다 상당히 높다. 발효 단계에서, 공급 흐름 (1)은 0.9 kg/s이고, 배출 흐름 (24)은 0.054kg/s이며, 배출 흐름의 에탄올 함량은 40wt%이다. 이와 같은 경우, 흐름 (20)은 0.306kg/s이며, 거의 순수로 이루어진다. 흐름 (9)의 양은 1.44kg/s 이며, 흐름 (9)의 에탄올 함량은 1.5wt%이고, 당 함량은 1.8wt%이다. 비휘발성 물질의 역류 (15)는 1.08kg/s이고 에탄올은 포함하지 않으며, 당 함량은 2.4wt%이다. 즉, 본 실시예에서, 발효 용액은 발효용기 내에서 0.54kg/s의 비율로 축적되어, 낮은 당 함량의 유장은 결과적으로 본 발명에 따른 방법의 반연속 프로세스를 가능하게 하고, 발효용기 (4)의 레벨 한도 내에서 프로세스에 유장을 공급하는 것도 가능하다.

실시예 4

도 3을 참조하여, 본 실시예는 폐기물 반죽을 본 발명에 따른 장치의 원료로서 사용하는 것을 나타낸다.

통상적으로, 폐기물 반죽은 약 50~60%의 건조물질을 포함하며, 이러한 건조물질의 60~80wt%는 곡물에서 얻어진 전분이고, 약 5wt%는 다른 종류의 당으로 이루어진다. 폐기물 반죽은 물로 희석되고, 폐기물 반죽에 함유된 전분은 본 발명에 따른 프로세스에 공급되기 전에 당으로 가수분해된다. 본 실시예에서, 건조 물질 및 효모와 같은 에탄올-생성 미생물은 강하경막 증발기 (13 및 18)로 공급되기 전에 발효 용액으로부터 분리되며, 강하경막 증발기 (13 및 18) 및 응축기 (16, 21 및 23)는 정상 기압 및 80 내지 90 ℃ 범위의 온도에서 동작한다. 비발효 물질은 사료로써 사용될 수 있다. 발효단계에서, 공급흐름 (1)이 0.1kg/s일때, 배출 흐름 (24)은 0.0125kg/s이고, 배출흐름 (24)의 에탄올 함량은 40wt%이다. 이러한 경우, 흐름 (20)은 0.0708kg/s이고 흐름 (20)은 거의 순수이다. 흐름 (12)의 양은 0.166kg/s이고 에탄올 함량은 3.0wt%이고 당함량은 4.0wt%이다. 비휘발성 물질의 역류 (15)는 0.083kg/s이고 에탄올은 포함하지 않으며, 이것의 당함량은 9.0wt%이다. 비발효 물질은 0.0166kg/s의 비율로 생성되는데, 이 비발효 물질은 배출 단계 동안 제거된다. 본 실시예서, 발효 용액은 발효 용기에 축적되지 않으며, 본 발명에 따른 본 실시형태는 연속적으로 동작을 진행한다.

본 발명에 따른 방법을 적용함에 있어서, 식품가공 산업, 농업 및 기타 산업에서 발생하는 다양한 부흐름 및 폐기물 흐름으로부터 35 ~ 65wt%, 바람직하게는 40 ~ 50wt%의 에탄올과 물의 혼합물을 제조하여 추가 처리를 함으로써, 예를 들어, 차량 연료, 에탄올 혼합물을 이용하는 다양한 산업용 프로세스를 위한 솔벤트, 또는 다른 용도의 에탄올 또는 에탄올 혼합물로서 사용될 수 있는 에탄올 함량을 가지는 것이 가능하다. 본 발명에 따른 방법에 의해 반응기 또는 발효용기에서 생성된 비발효 물질/폐기물은 동물 사료나 토질 개량제로 활용될 수 있다.

본 발명은 단순히 상술한 실시형태의 예들에 한정되지 않으며, 대신 청구항에 의해 정의된 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다.

Claims

발효당으로 가수분해될 수 있는 원료 및 당으로부터 선택된 발효 가능한 원료, 및 임의의 필수 보조 물질이 반응기 (4)로 공급되는 단계; 상기 반응기 (4)에서 상기 원료가 발효되는 단계; 증발기 (13)에서 에탄올과 물의 혼합물이 상기 반응기 (4)의 발효 용액으로부터 분리되는 단계; 및 비발효 물질 (6)이 상기 반응기로부터 제거되는 단계를 포함하는 에탄올과 물의 혼합물을 제조하는 방법에 있어서,

상기 반응기 (4)의 발효 용액은 발효 중에 제 1 강하경막 증발기 (13)로 공급되는 단계;

상기 제 1 강하경막 증발기 (13)에서 상기 에탄올과 물의 혼합물은 증발되고, 상기 제 1 강화경막 증발기에서 획득된 증기 (14)는 응축되고, 응축된 상기 에탄올과 물의 혼합물은 상기 제 1 강하경막 증발기 (13)와 직렬로 배치된 제 2 강하경막 증발기 (18)에서 농축되는 단계;

상기 제 2 강하경막 증발기로 (18)부터 물이 저류 (20)로서 제거되는 단계; 및

상기 제 1 강하경막 증발기 (13)로부터 비휘발성 물질 (15)이 제거되어 상기 반응기 (4)로 재순환되는 단계를 포함하는, 에탄올과 물의 혼합물을 제조하는 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 반응기는 발효 용기 (4)인, 에탄올과 물의 혼합물을 제조하는 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 제 2 강하경막 증발기 (18)에서 분리되는 물 (20)은 상기 제 2 강하경막 증발기 (18)에서 제거되기 전에 상기 물의 에탄올 농도를 최소화하기 위하여 상기 제 2 강하경막 증발기 (18)에서 재사용되는, 에탄올과 물의 혼합물을 제조하는 방법.
제 1항에 있어서,

상기 발효 용액은 상기 반응기 (4)로부터 고체 물질 분리기 (8)로 공급되고, 상기 고체 물질 분리기 (8)에서 고체 물질 함유 슬러지 (10, 11)가 상기 발효 용액으로부터 분리되며, 상기 발효 용액 (12)은 상기 고체물질 분리기 (8)로부터 상기 제 1 강하경막 증발기 (13)로 공급되는, 에탄올과 물의 혼합물을 제조하는 방법.
제 4항에 있어서,

상기 고체 물질 분리기 (8)에서 분리된 상기 고체 물질 함유 슬러지 (10)는 상기 반응기(4)로 재순환되는, 에탄올과 물의 혼합물을 제조하는 방법.
제 4항에 있어서,

상기 고체 물질 분리기 (8)에서 분리된 고체 물질 함유 슬러지 (11)는 프로세스에서 제거되는, 에탄올과 물의 혼합물을 제조하는 방법.
제 1항에 있어서,

상기 방법은 상기 에탄올과 물의 혼합물을 분리하고 농축하기 위하여 직렬로 연결된 2 이상의 강하경막 증발기 (13, 18)를 사용하는, 에탄올과 물의 혼합물을 제조하는 방법.
제 1항에 있어서,

상기 에탄올과 물의 혼합물은 35 내지 65 wt% 에탄올의 농도로 농축되는, 에탄올과 물의 혼합물을 제조하는 방법.
제 1항에 있어서,

상기 에탄올과 물의 혼합물은 40 내지 50 wt% 에탄올의 농도로 농축되는, 에탄올과 물의 혼합물을 제조하는 방법.
제 1항에 있어서,

상기 원료가 도관을 통해 상기 발효용기 (4)로 공급되는 단계;

임의의 필수 보조 물질이 도관을 통해 상기 발효용기 (4)로 공급되는 단계;

상기 발효용기 (4)를 비울 때, 상기 비발효 물질이 도관 (6)을 통해 제거되는 단계;

에탄올 발효의 결과로서 상기 발효용기 (4)에서 생성되는 가스들이 도관 (5)을 이용하여 상기 발효용기 (4)로부터 제거되는 단계;

상기 발효 용액의 성분에 따라, 상기 발효 용액은 도관 (7)을 통해 상기 고체 물질 분리기 (8)를 거쳐서 상기 제 1 강하경막 증발기 (13)로 공급되거나, 또는 상기 발효용기 (4)로부터 도관 (9)을 통해 직접 상기 제 1 강하경막 증발기 (13)로 공급되는 단계;

상기 고체 물질 분리기 (8)로부터, 상기 고체 물질이 풍부한 슬러지는 도관 (10)을 이용하여 상기 발효용기 (4)로 재순환되거나, 또는 상기 고체 물질 분리기 (8)에 존재하는 고체 물질이 풍부한 슬러지는 도관 (11)을 이용하여 프로세스로부터 제거되는 단계;

제 1 강하경막 증발기 (13)로부터, 상기 증기가 도관 (14)을 통해 응축기 (16)로 공급되고, 상기 응축기 (16)으로부터 액화된 흐름이 도관 (17)을 통해 직렬로 연결된 제 2 강하경막 증발기 (18)로 공급되는 단계;

제 1 강하경막 증발기 (13)로부터, 상기 비휘발성 물질이 도관 (15)을 통해 상기 발효용기 (4)로 공급되는 단계;

주로 물로 이루어진 상기 제 2 강하경막 증발기의 저류가 도관 (20)을 통해 제거되는 단계; 및

상기 제 2 강하경막 증발기 (18)의 증기는 도관 (19)을 통해 응축기 (21)로 공급되고, 상기 응축기 (21)로부터 도관 (22)을 통해 최종 응축기 (23)으로 공급되고, 상기 최종 응축기 (23)로부터 응축된 상기 에탄올과 물의 혼합물이 도관 (24)을 통해 에탄올과 물의 혼합물 저장탱크 (25)로 공급되고, 상기 최종 응축기 (23)의 오프가스가 도관 (26)을 통해 프로세스로부터 배출되는 단계를 포함하는, 에탄올과 물의 혼합물을 제조하는 방법.
원료 및 임의의 필수 보조 물질이 공급되어 상기 원료가 발효용액으로 발효되는 반응기 (4); 상기 발효 용액으로부터 에탄올과 물의 혼합물이 분리되는 증발기 (13); 상기 반응기 (4)로부터 상기 발효 용액을 배출시키고, 상기 증발기 (13)로 상기 발효용액을 공급하는 도관 (7,9 및 12); 및 상기 반응기 (4)로부터 비발효 물질을 배출시키는 배출관 (6)을 포함하는 에탄올과 물의 혼합물 제조 장치에 있어서,

상기 발효 용액으로부터 상기 에탄올과 물의 혼합물을 분리시키는 제 1 강하경막 증발기 (13) 및 상기 제 1 강하경막 증발기 (13)와 직렬로 배치되어 상기 에탄올과 물의 혼합물을 농축시키는 제 2 강하경막증발기;

상기 제 2 강하경막 증발기 (18)로 공급하기 전에 상기 제 1 강하경막 증발기 (13)로부터 획득되는 상기 에탄올과 물의 혼합물을 응축시키는 응축기;

상기 제 2 강하경막 증발기 (18)로부터 물을 저류로서 배출시키는 배출관 (20); 및

상기 제 1 강하경막 증발기 (13)로부터 비휘발성 물질을 배출시켜 상기 반응기 (4)로 재순환시키는 도관 (15)을 포함하는, 에탄올과 물의 혼합물 제조 장치.
제 11항에 있어서,

상기 반응기는 발효용기 (4)인, 에탄올과 물의 혼합물 제조 장치.
제 11항 또는 12항에 있어서,

상기 반응기 (4)와 제 1 강하경막 증발기 (13)사이에 위치하는 고체 물질 분리기 (8)을 포함하며, 상기 고체 물질 분리기 (8)에서 고체 물질 함유 슬러지 (10, 11)가 상기 발효 용액으로부터 분리되는, 에탄올과 물의 혼합물 제조 장치.
제 11항에 있어서,

상기 고체 물질 함유 슬러지를 상기 고체 물질 분리기 (8)로부터 상기 반응기 (4)로 재순환시키는 재순환관 (10)을 포함하는, 에탄올과 물의 혼합물 제조 장치.
제 11항에 있어서,

상기 에탄올과 물의 혼합물을 분리하고 농축하기 위하여 2 이상의 강하경막 증발기 (13, 18)를 포함하는, 에탄올과 물의 혼합물 제조 장치.
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