KR101073726B1 - Economical manufacturing process of xylose from biomass hydrolysate using electrodialysis and direct recovery method - Google Patents

Economical manufacturing process of xylose from biomass hydrolysate using electrodialysis and direct recovery method Download PDF

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Abstract

본 발명은 환경 친화적이고 공정이 단순하여 경제적인 자일로스 제조공정에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 본 발명은 a) 열대과일 바이오매스를 황산 가수분해 반응으로 향류추출(countercurrent extraction)하여 고농도 자일로스 추출액을 얻기위한 단계; b) 상기 추출액의 pH를 1.5-2.5으로 조정하고, 탈색 및 여과하는 단계; c) 상기 탈색 및 여과액을 전기투석장치에 투입하여 탈염하는 단계; d) 상기 c) 단계에서 회수된 황산폐액은 상기 a) 단계로 재순환시키고, 상기 탈염된 유기물은 농축하고 직접회수(direct recovery)하여 자일로스 결정으로 수득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자일로스의 제조공정에 관한 것이다.The present invention relates to an xylose manufacturing process that is environmentally friendly and simple in process, and more particularly, the present invention relates to a high concentration xylose extract by countercurrent extraction of tropical fruit biomass by sulfuric acid hydrolysis. Steps for getting it; b) adjusting the pH of the extract to 1.5-2.5, bleaching and filtration; c) desalting the decolorizing and filtrate by introducing the electrodialysis apparatus; d) the sulphate waste recovered in step c) is recycled to step a), and the desalted organics are concentrated and directly recovered to obtain xylose crystals. It relates to a manufacturing process of.

열대과일 바이오매스 부산물, 자일로스, 전기투석, 황산회수, 직접 결정법 Tropical fruit biomass by-product, xylose, electrodialysis, sulfate recovery, direct determination

Description

전기투석 및 직접회수방법을 이용한 당화액으로부터의 경제적인 자일로스의 제조공정{ECONOMICAL MANUFACTURING PROCESS OF XYLOSE FROM BIOMASS HYDROLYSATE USING ELECTRODIALYSIS AND DIRECT RECOVERY METHOD}ECONOMICAL MANUFACTURING PROCESS OF XYLOSE FROM BIOMASS HYDROLYSATE USING ELECTRODIALYSIS AND DIRECT RECOVERY METHOD}

본 발명은 기존의 자일로스 제조공정에 있어서 중화 및 이온정제 공정과 같은 다량의 폐수가 발생하는 공정을 제거하여, 환경 친화적일 뿐만 아니라 공정의 단순화로 인하여 생산비가 절감된 경제적인 자일로스의 제조공정에 관한 것이다.The present invention eliminates the process of generating a large amount of waste water, such as the neutralization and ion purification process in the existing xylose manufacturing process, not only environmentally friendly, but also economical xylose manufacturing process reduced production cost due to the simplified process It is about.

종래의 황산 가수분해액으로부터 자일로스를 포함하는 유용 당(sugar)성분을 정제하는 방법은 침전법과 이온교환수지법이 가장 많이 이용되고 있다. 그 중에서 이온교환수지법은 시설비가 낮고 전통적으로 사용되어온 공정이라는 장점 때문에 상업적으로 많이 이용되고 있다. 그러나, 이온교환수지의 재생과정에서 고농도의 염을 함유한 폐수가 대량 발생되어 폐수처리 부담이 크게 가중되고 있으므로 화학물질의 사용량과 폐수의 발생량을 줄일 수 있는 대체기술이 요구되고 있다.As a method of purifying a useful sugar component including xylose from a conventional sulfuric acid hydrolysis solution, a precipitation method and an ion exchange resin method are most used. Among them, the ion exchange resin method is widely used because of its low cost and traditionally used process. However, since a large amount of wastewater containing a high concentration of salt is generated during the regeneration of the ion exchange resin, the burden of wastewater treatment is greatly increased, and thus, an alternative technique for reducing the amount of chemicals and the amount of wastewater generated is required.

최근에는 새로운 분리 기술로서 전기투석에 의해 당밀 및 발효액 등을 탈염하고, 자원을 유효하게 이용하려는 방법이 잘 알려져 있다. 국내특허공개 제2008-0074687호에는 열대과일 바이오매스로부터 가수분해, 중화, 침전, 여과, 전기투석 및 이온교환수지의 단계를 거쳐 자일로스를 제조하는 방법이 개시되어 있다. 그러나, 이러한 전기투석장치의 문제점은 이온교환막의 오염에 있으며, 이러한 오염 현상은 장치의 효율을 저하시킬 뿐 아니라 막의 수명을 단축시킨다는 것이 잘 알려져 있다.Recently, as a new separation technique, a method of desalting molasses and fermentation broth by electrodialysis and effectively utilizing resources is well known. Korean Patent Publication No. 2008-0074687 discloses a method for preparing xylose from the step of hydrolysis, neutralization, precipitation, filtration, electrodialysis and ion exchange resin from tropical fruit biomass. However, it is well known that the problem of such an electrodialysis apparatus is the contamination of the ion exchange membrane, and this contamination phenomenon not only reduces the efficiency of the apparatus but also shortens the life of the membrane.

이러한 문제점을 피하기 위해서 경수 연화장치 또는 음이온 교환수지에 의한 처리 등의 전처리를 시도하였으나(일본국 특개소 제54-67093), 여러 단계의 전처리를 거치고 부재료를 사용할 필요가 있기 때문에 비용이 높아진다는 결점이 있어 산업적으로 적용의 한계가 있다. 국내공개특허 제2001-0107331호는 전기투석공정에 의한 젖산 회수 방법에 대한 것으로, 분리된 일부 물질(황산암모늄)의 재순환 공정과, 전기투석공정에 의한 장점(효율성, 환경친화적)이 기재되어 있다. 그러나, 여전히 전기투석은 산업적인 적용에 있어서 막의 비용, 막의 오염 및 장기운전의 안정성 등에 대한 문제점을 가지고 있다.In order to avoid this problem, pretreatment such as treatment with a hard water softening device or an anion exchange resin has been attempted (Japanese Patent Application Laid-Open No. 54-67093), but the disadvantage is that the cost is high because it is necessary to go through various stages of pretreatment and use a subsidiary material. There is a limit of industrial application. Korean Laid-Open Patent No. 2001-0107331 relates to a method for recovering lactic acid by an electrodialysis process, and describes the recycling process of some of the separated substances (ammonium sulfate) and the advantages (efficiency and environmental friendliness) by the electrodialysis process. . However, electrodialysis still has problems with membrane cost, membrane fouling and long term stability in industrial applications.

이에 본 발명자들은 여기에 착안하여 많은 연구를 거듭한 끝에, 전기투석시 이온교환막의 오염 원인인 스케일을 방지할 수 있는 pH의 범위를 제공하여 막 오염으로 인한 생산성의 저하를 방지함으로써, 막대한 초기 투자비 및 운전 비용 등의 부담을 제거하여 전기투석의 산업적인 적용의 한계를 극복할 수 있었다. 또한, 고순도 추출의 장점을 극대화한 직접회수 공정을 통해 이온교환수지 공정을 제거함으로써, 고농도 염의 폐수처리에 대한 부담을 제거하여 단순한 자일로스의 제조공정을 완성하게 되었다.Accordingly, the inventors of the present invention have made a lot of research, and provide a range of pH that can prevent scale, which is the cause of contamination of the ion exchange membrane during electrodialysis, thereby preventing a decrease in productivity due to membrane contamination. And it was possible to overcome the limitations of the industrial application of electrodialysis by removing the burden such as and operating costs. In addition, by removing the ion exchange resin process through a direct recovery process that maximizes the advantages of high-purity extraction, to remove the burden on the waste water treatment of high concentration salt to complete the simple xylose manufacturing process.

따라서, 본 발명의 목적은 향류추출(countercurrent extraction)을 통하여 열대과일 바이오매스로부터 가용성 성분을 가능한 완전히 추출하는 동시에 고농도의 추출액으로부터 황산이온을 선택적으로 분리하고 회수하여 추출 공정에 반복적으로 재사용 하고, 전기투석장치의 이온교환막 오염을 방지함으로써 화학적 세정없이 장시간 운전할 수 있으며, 황산이 분리된 유기물은 농축하여 직접 결정으로 회수하는 공정을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to completely extract soluble components from tropical fruit biomass through countercurrent extraction, while selectively separating and recovering sulfate ions from high concentration extracts, and reusing them repeatedly in the extraction process. By preventing the ion exchange membrane contamination of the dialysis device can be operated for a long time without chemical cleaning, the organic matter separated sulfuric acid is concentrated to provide a process to recover directly to crystals.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 열대과일 바이오매스를 황산 가수분해 반응으로 향류추출(countercurrent extraction)하여 고농도 자일로스 추출액을 얻기위한 단계; b) 상기 추출액의 pH를 1.5-2.5으로 조정하고, 탈색 및 여과하는 단계; c) 상기 여과액을 전기투석장치에 투입하여 탈염하는 단계; d) 상 기 c) 단계에서 회수된 황산폐액은 상기 a) 단계로 재순환시키고, 상기 탈염된 유기물은 농축하고 직접 회수하여 자일로스 결정으로 수득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자일로스의 제조공정을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention comprises the steps of countercurrent extraction of tropical fruit biomass by sulfuric acid hydrolysis reaction to obtain a high concentration xylose extract; b) adjusting the pH of the extract to 1.5-2.5, bleaching and filtration; c) desalting the filtrate by introducing it into an electrodialysis apparatus; d) the process for producing xylose, comprising the step of recycling the sulphate waste recovered in step c) to the step a) and concentrating and directly recovering the desalted organics to obtain xylose crystals. To provide.

본 발명의 자일로스 생산방법에 따른 전기투석장치 및 직접회수공정을 이용하여 자일로스를 생산 할 경우, 폐수처리에 대한 환경부담을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 공정의 단순화로 인한 생산비 절감 효과도 기대할 수가 있다. 따라서, 본 발명은 원료비 절감 및 환경오염 방지에 능동적으로 대체할 수 있는 저오염 무공해 자일로스 제조공정을 제공할 수 있다.When xylose is produced using an electrodialysis apparatus and a direct recovery process according to the xylose production method of the present invention, not only the environmental burden for wastewater treatment can be reduced, but also the production cost reduction effect due to the simplification of the process can be expected. . Therefore, the present invention can provide a low pollution pollution-free xylose manufacturing process that can be actively substituted for reducing raw material costs and environmental pollution.

본 발명은 a)열대과일 바이오매스를 황산 가수분해 반응으로 향류추출(countercurrent extraction)하여 고농도 자일로스 추출액을 얻기위한 단계; b) 상기 추출액의 pH를 1.5-2.5으로 조정하고, 탈색 및 여과하는 단계; c) 상기 여과액을 전기투석장치에 투입하여 탈염하는 단계; d) 상기 c) 단계에서 회수된 황산폐액은 상기 a) 단계로 재순환시키고, 상기 탈염된 유기물은 농축하고 추가적인 이온정제 및 탈색등의 공정 없이 직접 회수하여 자일로스 결정으로 수득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자일로스의 제조공정을 제공하는 것을 특징으로 한다.The present invention comprises the steps of: a) countercurrent extraction of tropical fruit biomass by sulfuric acid hydrolysis to obtain a high concentration xylose extract; b) adjusting the pH of the extract to 1.5-2.5, bleaching and filtration; c) desalting the filtrate by introducing it into an electrodialysis apparatus; d) the sulphate waste recovered in step c) is recycled to step a), and the desalted organics are concentrated and directly recovered without further ionic refining and decolorizing to obtain xylose crystals. It is characterized by providing a process for producing xylose.

상기 본 발명의 자일로스 제조공정을 도 2에 나타내었으며, 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명하고자 한다.The xylose manufacturing process of the present invention is shown in Figure 2, it will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

상기 열대과일 바이오매스(9)는 건조되어진 코코넛 껍질, 팜 껍질 또는 팜 나무의 속이 빈 열매 뭉치(Oil Palm Empty Fruit Bunch; OPEFB)일수 있다.The tropical fruit biomass 9 may be a dried coconut shell, palm bark or oil palm empty fruit bundle (OPEFB).

상기 가수분해는 상기 열대과일 바이오매스(9)에 2,000-50,000ppm의 황산용액(10)을 첨가하여, 반응온도 100-200 ℃, 반응압력 0-10 kgf/cm2로, 0.5 내지 10 시간 반응시킴으로써 수행될 수 있다.The hydrolysis was performed by adding 2,000-50,000 ppm of sulfuric acid solution 10 to the tropical fruit biomass 9, and reacting at a reaction temperature of 100-200 ° C. and a reaction pressure of 0-10 kgf / cm 2 for 0.5 to 10 hours. Can be carried out.

상기 가수분해 반응 조건으로 추출이 이루어지며, 도 2에 나타낸 추출기(1)을 이용하여 향류 추출이 수행될 수 있다.Extraction is performed under the hydrolysis reaction conditions, and countercurrent extraction may be performed using the extractor 1 shown in FIG. 2.

상기 향류 추출 공정에 의해 수득된 추출액(11)의 당조성비는 분리 혼합당액의 60 내지 90%, 바람직하게는 80 내지 90%인 것이 바람직하다.The sugar composition ratio of the extract 11 obtained by the countercurrent extraction process is preferably 60 to 90%, preferably 80 to 90% of the separated mixed sugar solution.

상기 추출액(11)은 활성탄을 이용하여 탈색하고, 필터프레스(filter press)(2) 또는 한외여과장치(2)로 여과시켜 부유물질을 제거한다. 본 발명의 구체적인 일례로, 0.5μm 공극을 가지는 여과포를 사용하여 필터프레스로 여과하거나 한외여과장치로 여과한다.The extract 11 is decolorized using activated carbon and filtered by a filter press 2 or an ultrafiltration device 2 to remove suspended matter. As a specific example of the present invention, a filter cloth having a 0.5 μm pore is used to filter by a filter press or an ultrafiltration device.

상기 부유물질이 제거된 여과액(12)의 pH를 1.5-2.5로 조정한다. 이것은 단백질, 색소 및 휴민질 등의 전기투석막을 오염시키는 물질이 포함된 가수분해액에서 스케일이 형성되는 것을 방지함으로써 이온교환막이 오염되는 것을 방지하기 위한 것이다.The pH of the filtrate 12 from which the suspended solids is removed is adjusted to 1.5-2.5. This is to prevent contamination of the ion exchange membrane by preventing scale from forming in a hydrolysis solution containing a substance that contaminates an electrodialysis membrane such as a protein, a pigment, and a humus.

상기 c) 단계에서, 회수된 황산폐액은(13) 상기 a) 단계인 추출공정으로 재순환시켜서 다음 추출에 재사용할 수 있다. 상기 회수된 황산은 연속해서 반복적으로 재사용할 수 있으며, 바람직하게는 회수된 황산폐액에 2,000 내지 4,000ppm의 황산을 더 첨가하고, 더욱 바람직하게는 최종 추출 황산농도가 25,000ppm이 되도록 첨가하여 재사용할 수 있다.In step c), the recovered sulfuric acid waste solution (13) may be recycled to the extraction process of step a) and reused for the next extraction. The recovered sulfuric acid can be reused continuously and repeatedly. Preferably, 2,000 to 4,000 ppm of sulfuric acid is further added to the recovered sulfuric acid waste solution, and more preferably, the final extracted sulfuric acid concentration is added to be 25,000 ppm. Can be.

상기 b) 단계에서, pH가 조정된 상기 탈색 및 여과액(12)은 전기투석장치(3)의 희석조에 투입하고, 유기물(14)의 전기전도도(Conductivity)가 1,500 uS/cm이하, 바람직하게는 1,000 uS/cm 이하가 될 때까지 탈염한다.In step b), the pH-adjusted decolorizing and filtrate 12 is introduced into the dilution tank of the electrodialysis apparatus 3, and the electrical conductivity of the organic material 14 is 1,500 uS / cm or less, preferably Desalting until less than 1,000 uS / cm.

상기 탈염된 유기물(14)은 농축기(4)로 보내어 당농도 50-70 브릭스(Bx)로 농축한 후 직접회수공정을 통하여 상기 농축되어진 농축액(15)을 진공결정 또는 냉각 결정하여 자일로스를 회수하였다. 상기 직접회수공정은 바람직하게는 3단계(5, 6, 7)로 수행할 수 있다.The desalted organics 14 are sent to a concentrator 4, concentrated to a sugar concentration of 50-70 brix (Bx), and then recovered directly by vacuum crystallization or cooling of the concentrated concentrate 15 through a recovery process to recover xylose. It was. The direct recovery process may be preferably performed in three steps (5, 6, 7).

다음의 실시예는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위한 것으로서 이들 실시예가 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다.The following examples are intended to illustrate the present invention in more detail, and these examples do not limit the technical scope of the present invention.

실시예Example 1 : 황산 가수분해액의 제조 1: Preparation of sulfuric acid hydrolysis solution

열대과일 바이오매스 부산물인 코코넛 껍질, 팜 껍질 및 팜 나무의 속이 빈 열매 뭉치(OPEFB)를 평균 면적 0.5-5.0 cm2 또는 평균 길이 0.1-5.0cm 로 분쇄한 뒤, 40-80℃ 에서 12-24 시간 건조하였다.Tropical fruit by-products of coconut shells, palm husks and palm trees (OPEFB) are ground to an average area of 0.5-5.0 cm 2 or an average length of 0.1-5.0 cm and then 12-24 at 40-80 ° C. Dried over time.

산 가수분해는 건조되어진 코코넛 껍질, 팜 껍질 또는 팜 나무의 속이 빈 열매 뭉치(OPEFB) 100 g에 2,000 - 50,000 ppm 황산용액을 첨가하여 산가수분해 용매와 바이오매스의 혼합비율이 1:1 - 1:20 이 되도록 만든 후, 반응온도 100-200 ℃, 반응압력 0-10 kgf/cm2 에서, 0.5-10 시간 반응시켜 수행하였다.Acid hydrolysis is performed by adding 2,000-50,000 ppm sulfuric acid solution to 100 g of dried coconut shell, palm bark or palm tree hollow fruit bunch (OPEFB), and the ratio of acid hydrolysis solvent and biomass is 1: 1-1 It was made to be: 20, the reaction temperature 100-200 ℃, the reaction pressure 0-10 kgf / cm 2 , it was carried out by reacting for 0.5-10 hours.

가수분해액의 자일리로스 당 농도 및 전기전도도 측정결과Xylose Sugar Concentration and Electrical Conductivity of Hydrolyzate 항 목Item 코코넛 껍질Coconut shell 팜 껍질Palm shell OPEFBOPEFB 자일로스 당조성 비율 (%)Xylose Sugar Composition Rate (%) 95.295.2 94.894.8 96.196.1 전기 전도도 (uS/cm)Electrical conductivity (uS / cm) 45,00045,000 48,00048,000 43,00043,000

실시예Example 2 :  2 : 향류추출에In countercurrent extraction 의한 고농도  High concentration 자일로스Xylose 생산 production

추출 방법 중 가장 간단한 추출 방법은 순수한 용매로 반복하여 추출하는 것이지만, 본 발명에서는 원료로부터 가용성 성분을 가능한 완전히 추출하는 동시에 고농도의 추출액을 얻기 위하여 향류추출(countercurrent extraction)을 행하였다.The simplest method of extraction is to extract repeatedly with a pure solvent, but in the present invention, countercurrent extraction was performed in order to extract soluble components from raw materials as completely as possible and to obtain a high concentration of extract.

열대과일 바이오매스와 황산 용액을 추출기에서 일정시간 반응시키면, 상층의 용액과 하층의 슬러리로 분리 되어 순차적으로 반대 방향으로 이동된다. 즉, 용매와 용질로 구성된 용액 1차 추출액(b) 및 2차 추출액(c)는 고체상과 반대방향으로 각 단을 순서대로 이동하며, 각 단을 이동하는 동안에 용질을 용해하여 추출한다. 향류다단 추출의 공정흐름도는 도 3에 나타내었다.When the tropical fruit biomass and sulfuric acid solution is reacted in the extractor for a predetermined time, the solution is separated into the upper layer and the slurry in the lower layer and sequentially moved in the opposite direction. That is, the solution primary extract (b) and the secondary extract (c) composed of a solvent and a solute move each stage in the opposite direction to the solid phase, and dissolve and extract the solute during the movement of each stage. The flow chart of countercurrent multistage extraction is shown in FIG. 3.

세부적으로 추출기는 단계(stage) 1 추출 반응기와 단계(stage) 2 추출 반응기로 구성되어지며, 연속식 향류 다단 추출공법의 방법은 다음과 같다: 단계 1 추출 반응기로부터 얻어진 Brix 3-7 인 저농도의 1차 추출액(b)을 단계 2 추출 반응기로 이송하는 단계; 이송되어진 저농도의 1차 추출액(b)을 단계 2 추출 반응기를 통하여 Brix 10-20인 고농도 및 고순도의 자일로스 2차 추출액(c)을 수득하는 단계로 구성된다.Specifically, the extractor consists of a stage 1 extraction reactor and a stage 2 extraction reactor, and the method of the continuous countercurrent multistage extraction process is as follows: Low concentration of Brix 3-7 obtained from the stage 1 extraction reactor. Transferring the primary extract (b) to a stage 2 extraction reactor; The transferred low concentration primary extract (b) consists of obtaining a high concentration and high purity xylose secondary extract (c) of Brix 10-20 through a stage 2 extraction reactor.

실시예 1과 같은 조건으로, 순수한 용매로 반복하여 추출하는 단순 회분식 추출법과 다단 향류 추출에 의한 추출 수율을 비교하였다. 다단 향류추출에 의해 90-80 %의 높은 추출수율을 얻었다.Under the same conditions as in Example 1, the extraction yield by a simple batch extraction method repeatedly extracted with a pure solvent and multistage countercurrent extraction were compared. By multi-stage countercurrent extraction, high extraction yield of 90-80% was obtained.

향류 추출에 의한 추출 수율 비교Comparison of Extraction Yields by Countercurrent Extraction 구 분division 추출수율 (%)Extraction yield (%) 바이오매스 헤미셀룰로오스 함량(%)Biomass Hemicellulose Content (%) 회분식 추출Batch Extraction 60 ~ 7060 to 70 15~3015-30 다단 향류추출    Multistage countercurrent extraction 90 ~ 8090 to 80

상기 향류 추출에 의해 얻어진 pH 0.8-1.2인 산 가수분해액(c)를 가성소다로 pH 1.5-2.5로 조정한 뒤, 활성탄과 함께 0.5 um 공극을 가지는 여과포를 사용하여 필터프레스로 여과시켜 탈색하고 부유물질을 제거시켰다.The acid hydrolyzate (c) having a pH of 0.8-1.2 obtained by countercurrent extraction was adjusted to pH 1.5-2.5 with caustic soda, and then decolorized by filtration with a filter press using a filter cloth having 0.5 um pores with activated carbon. Suspended matter was removed.

실시예Example 3 :  3: 탈염Desalination 전기투석 ( Electrodialysis ( ElectrodialysisElectrodialysis ))

향류추출 공정을 통하여 생산된 산 가수분해액을 탈염 전기투석 장치를 통하여 정제하였을 경우, 황산 이온의 탈염율 및 유기물(sugar)의 손실율 등 본 발명에 의한 탈염전기투석 공정을 이용한 유기물(sugar)과 황산의 분리 가능성과 경제성을 알아보기 위하여 전류효율, 에너지 소모량을 조사하였다.When the acid hydrolysis liquid produced through the countercurrent extraction process was purified through the desalination electrodialysis apparatus, the organic matter (sugar) using the desalination electrodialysis process according to the present invention, such as the desalination rate of sulfate ions and the loss rate of organic matter (sugar) and Current efficiency and energy consumption were investigated to investigate the possibility of sulfuric acid separation and economic feasibility.

탈염 및 여과되어진 반응액의 당(sugar)농도는 Brix 10-15, pH 1.5-2.5였다. 전압은 DC power supply (120V, 30A)를 사용하여 40-70V의 정전압 조건으로, 용액의 온도는 열 교환 코일을 이용하여 약 40-70℃로 일정하게 유지하였다. 유속 6-8L/min에서, 100-150분 수행하여 전기 전도도(Conductivity)가 1,500 uS/cm 이하가 될 때까지 탈염하였다.The sugar concentration of the desalted and filtered reaction solution was Brix 10-15, pH 1.5-2.5. The voltage was maintained at a constant voltage condition of 40-70V using a DC power supply (120V, 30A) and the temperature of the solution was kept constant at about 40-70 ° C using a heat exchange coil. At a flow rate of 6-8 L / min, desalination was performed for 100-150 minutes until the electrical conductivity became less than 1,500 uS / cm.

이때, 전기투석기는 3-콤파트먼트 (3-compartment) 형태의 장치를 사용하였으며, 이온막은 강산성 양이온 교환막과 강염기성 음이온 교환막으로 구성되어진 총 유효 막 면적 0.6m2로 구성되었다. 전기투석의 실시결과를 표 3에 나타내었다.At this time, the electrodialysis machine used a 3-compartment type device, and the ion membrane was composed of a total effective membrane area of 0.6 m 2 composed of a strong acid cation exchange membrane and a strong base anion exchange membrane. Table 3 shows the results of electrodialysis.

탈염 전기투석Desalting Electrodialysis 탈염시간
(min)
Desalination Time
(min)
전기전도도 (uS/cm)Conductivity (uS / cm) 당농도 (Brix)Sugar Concentration (Brix) 전류효율
(%)
Current efficiency
(%)
에너지 소모량
(kWh/kg sugar)
Energy consumption
(kWh / kg sugar)
희석조Dilution tank 농축조Thickener 희석조Dilution tank 농축조Thickener 00 50,00050,000 200200 15.015.0 00 -- -- 120120 1,000 1,000 48,00048,000 14.514.5 0.50.5 9595 0.20.2

황산 탈염율은 희석조의 전기전도도 값으로 구할 수 있고, 유기물의 손실율은 희석조의 Brix 값 변화로 확인할 수 있다.Sulfuric acid desalination rate can be determined by the electrical conductivity value of the dilution tank, and the loss rate of organic matter can be confirmed by the change of Brix value of the dilution tank.

황산 탈염율 = 100-{(전기 전도도의 종료값/전기 전도도의 초기값)*100}Sulfuric acid desalination rate = 100-{(end value of electrical conductivity / initial value of electrical conductivity) * 100}

유기물의 손실율 = 100-{(최종 Brix값/최초 Brix값)*100}Loss of organics = 100-{(final brix value / initial brix value) * 100}

실시 결과 황산의 탈염율은 98% 였으며, 유기물(sugar)의 손실율은 3.4% 였다.As a result, the desalination rate of sulfuric acid was 98%, and the loss rate of organic matter (sugar) was 3.4%.

실시예Example 4 : 이온교환막의 오염지표 측정 4: Measurement of contamination indicators of ion exchange membrane

실시예 3과 같은 조건으로, 산 가수분해액의 pH 조절에 따른 이온 교환 용량 및 성능을 측정하였다. pH 1.5-2.5의 경우는 막의 이온 교환 용량 및 성능의 저하가 현저히 적었으며, 이는 막 오염이 거의 발생하지 않음을 알 수 있었다. 결과를 표 4에 나타내었다.Under the same conditions as in Example 3, ion exchange capacity and performance according to pH adjustment of the acid hydrolysis solution were measured. In the case of pH 1.5-2.5, the deterioration of the ion exchange capacity and the performance of the membrane was remarkably small, indicating that the membrane contamination hardly occurred. The results are shown in Table 4.

막 오염지표Membrane Pollution Indicators 막 이온교환 용량
(L)
Membrane ion exchange capacity
(L)
막 이온교환 성능
(L/m2-hr)
Membrane ion exchange performance
(L / m 2 -hr)
pH 0.8~1.2 (추출원액)pH 0.8 ~ 1.2 (Source Extract) 6060 88 pH 1.5~2.5pH 1.5 ~ 2.5 300이상300 or more 3030

실시예Example 5 : 회수된 황산의 재사용 5: reuse of recovered sulfuric acid

전기투석 공정으로부터 회수된 황산의 재사용 가능성과 경제성을 알아보기 위하여, 회수된 황산을 다음 추출 공정에 재사용 하였을 경우의 자일로스 추출 수율을 측정하였다.In order to evaluate the reusability and economic feasibility of sulfuric acid recovered from the electrodialysis process, the yield of xylose extraction when the recovered sulfuric acid was reused in the next extraction process was measured.

실시 결과, 표 5와 같이 회수된 황산만을 사용한 경우의 추출 수율은 10.61%로, 황산과 회수 황산을 혼합하여 농도를 증가시킨 경우 추출 수율은 12.80%로 대조구와 비슷한 실시 결과를 나타내었다. 또한, 표 4에 회수된 황산에 최소한의 황산을 첨가하여 반복적으로 재사용하였을 때의 추출 수율을 나타내었다. 총 6번의 반복 재사용한 황산을 이용한 추출 실험에서 평균 수율은 12.57%이었으며, 이를 표 6에 나타내었다. 회수된 황산을 연속해서 반복적으로 재사용할 수 있음을 알 수 있었다.As a result, as shown in Table 5, the extraction yield using only the recovered sulfuric acid was 10.61%, and when the concentration was increased by mixing sulfuric acid and recovered sulfuric acid, the extraction yield was 12.80%, similar to the control. Table 4 also shows the extraction yield when the sulfuric acid recovered was reused repeatedly by adding minimal sulfuric acid. The average yield was 12.57% for the extraction experiments with sulfuric acid 6 times. The results are shown in Table 6. It was found that the recovered sulfuric acid could be reused continuously and repeatedly.

회수 황산과 황산 첨가 시 추출 수율 영향 실시 결과Effect of Extraction Yield on Recovery and Addition of Sulfuric Acid 구 분division 황산농도 구성Sulfuric acid concentration composition 추출수율
(%)
Extraction yield
(%)
황산회수율
(%)
Sulfuric acid recovery rate
(%)
회수황산(ppm)Recovered sulfuric acid (ppm) 황산(ppm)Sulfuric acid (ppm) 대조구Control 00 25,00025,000 12.0412.04 00 실시예 1Example 1 22,00022,000 00 10.6110.61 8888 실시예 2Example 2 22,00022,000 3,0003,000 12.8012.80 8888

회수 황산을 반복적으로 가수분해에 이용한 실시 결과Result of using recovered sulfuric acid repeatedly for hydrolysis 구 분division 황산농도 구성Sulfuric acid concentration composition 추출수율
(%)
Extraction yield
(%)
황산회수율
(%)
Sulfuric acid recovery rate
(%)
회수황산(ppm)Recovered sulfuric acid (ppm) 황산(ppm)Sulfuric acid (ppm) 재사용1Reuse1 22,00022,000 3,0003,000 12.8012.80 8888 재사용2Reuse 2 21,75021,750 3,2503,250 12.8012.80 8787 재사용3Reuse 3 21,75021,750 3,2503,250 12.7112.71 8787 재사용4Reuse 4 22,25022,250 2,7502,750 12.3212.32 8989 재사용5Reuse 5 21,50021,500 3,5003,500 12.7912.79 8686 재사용6Reuse 6 21,75021,750 3,2503,250 12.0412.04 8787

실시예Example 6 : 직접회수공정을 통한  6: through a direct recovery process 자일로스의Xylose 회수 collection

전기투석 공정으로부터 탈염된 유기물의 직접 결정 회수율을 알아보기 위하여, 회수된 유기물의 당농도를 10-15 Brix에서 50-70 Brix로 농축하여 3단계 직접 회수공정을 통해 자일로스의 회수 수율을 측정하였다.In order to determine the direct crystal recovery rate of the desalted organic matter from the electrodialysis process, the recovery yield of xylose was measured by concentrating the recovered sugar concentration from 10-15 Brix to 50-70 Brix through a three-step direct recovery process. .

실시 결과, 표 6에 나타낸 바와 같이 회수된 자일로스의 회수율(도2의 5,6,7)은 33.5%, 2~3차 결정 모액(도2의 16,17)을 재회수 결정 하였을 경우의 자일로스 총 회수율은 87%로 기존의 이온정제 공정을 거친 공정과 유사한 자일로스 회수율을 보였다.As a result, as shown in Table 6, the recoveries of recovered xylose (5, 6, and 7 in Fig. 2) were 33.5%, when the second and third crystal mother liquors (16 and 17 in Fig. 2) were recovered. The total recovery of xylose was 87%, which was similar to that of the conventional ion purification process.

직접회수공법Direct recovery method 자일로스
회수율 (%)
Xylose
Recovery rate (%)
자일로스
순도 (%)
Xylose
Purity (%)
분리 혼합당액의 당조성 비율 (%)Sugar composition ratio of separated mixed sugar solution (%)
자일로스Xylose 글루코스Glucose 갈락토스Galactose 아라비노스Arabinos DR _ 1 StepDR _ 1 Step 8787 9595 7070 77 66 1717 DR _ 2 StepDR _ 2 Step 7070 9898 9292 -- -- 88 DR _ 3 StepDR _ 3 Step 5555 9999 9999 -- -- --

도 1은 종래의 중화 및 이온교환법, 전기투석 공정을 이용한 자일로스 제조 공정 계통도 및 본 발명에 따른 전기투석 및 직접 회수법을 이용한 단순화 공정을 통한 자일로스 제조 공정 계통도의 비교 도면을 나타낸 것이다.1 shows a comparative diagram of a conventional xylose manufacturing process schematic diagram using a neutralization and ion exchange method, an electrodialysis process, and a xylose manufacturing process schematic diagram using a simplified process using an electrodialysis and direct recovery method according to the present invention.

도 2는 본 발명에 따른 전기투석 공정을 통하여 유기물과 황산을 분리하고 이때 회수된 황산을 반복 재사용하면서 동시에 유기물은 직접 결정을 통하여 자일로스를 제조하는 공정 상세도를 나타낸 것이다.Figure 2 shows a detailed process of separating the organic matter and sulfuric acid through the electrodialysis process according to the present invention and at the same time to reuse the recovered sulfuric acid while producing the xylose through the organic crystals directly.

도 3은 본 발명에 사용된 향류다단 추출의 공정흐름 상세도를 나타낸 것이다.Figure 3 shows the process flow details of the countercurrent multi-stage extraction used in the present invention.

도 4는 본 발명에 사용된 전기투석장치에서 처리시간에 따른 전기전도도의 변화를 보이는 그래프를 나타낸 것이다.Figure 4 shows a graph showing the change in electrical conductivity with treatment time in the electrodialysis apparatus used in the present invention.

Claims (4)

열대과일 바이오매스를 황산 가수분해하여 자일로스를 제조함에 있어서, In producing xylose by hydrolysis of tropical fruit biomass, a) 열대과일 바이오매스를 황산 가수분해한 후 수득된 가수분해액을 향류추출(countercurrent extraction)하는 단계;a) countercurrent extraction of the hydrolyzate obtained after sulfuric acid hydrolysis of the tropical fruit biomass; b) 상기 추출액의 pH를 1.5-2.5으로 조정하고, 탈색 및 여과하는 단계;b) adjusting the pH of the extract to 1.5-2.5, bleaching and filtration; c) 상기 여과액을 전기투석장치에 투입하여 탈염하는 단계; 및c) desalting the filtrate by introducing it into an electrodialysis apparatus; And d) 상기 c) 단계에서 회수된 황산폐액은 상기 a) 단계로 재순환시키고, 상기 탈염된 유기물은 농축하고 결정화하여 자일로스 결정으로 수득하는 단계d) the sulphate recovered in step c) is recycled to step a), and the desalted organics are concentrated and crystallized to obtain xylose crystals. 를 포함하는 것을 특징으로 하는 자일로스의 제조방법.Xylose manufacturing method comprising a. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 c) 단계에서 회수된 황산폐액에 2,000 내지 4,000ppm의 황산을 더 첨가하여 상기 a) 단계로 재순환시키는 것을 특징으로 하는 자일로스의 제조방법.The method for producing xylose, characterized in that the addition of 2,000 to 4,000ppm sulfuric acid to the sulfuric acid waste liquid recovered in step c) to recycle to step a). 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 b) 단계에서 상기 여과액의 자일로스 당조성 비율은 분리된 혼합당액을 기준으로 80 wt% 이상인 것을 특징으로 하는 자일로스의 제조방법.The xylose sugar composition ratio of the filtrate in step b) is a method for producing xylose, characterized in that more than 80 wt% based on the separated mixed sugar solution. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 c) 단계에서 상기 여과액의 전기전도도가 1,000 uS/cm 이하가 될때까지 탈염하는 것을 특징으로 하는 자일로스의 제조방법.In the step c) desalination until the electrical conductivity of the filtrate is 1,000 uS / cm or less, characterized in that the manufacturing method of xylose.
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