KR101190647B1

KR101190647B1 - 셀룰로오스계 바이오매스로부터 에탄올 발효용 기질 생산을 위한 전처리 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101190647B1
Application number: KR1020100140142A
Authority: KR
Inventors: 차영록; 구본철; 문윤호; 안승현; 박선태; 최용환; 김중곤; 안기홍; 서세정
Original assignee: 대한민국
Priority date: 2010-12-31
Filing date: 2010-12-31
Publication date: 2012-10-17
Also published as: KR20120077991A

Abstract

본 발명은 내부에 분말화된 셀룰로오스계 바이오매스 시료와, 산 또는 알카리 용액 및 이산화탄소가 투입되어 고온 고압 하에서 반응이 이루어지는 반응조; 상기 반응조의 하단에 설치되고, 내부가 저온 저압 조건으로 유지되는 분리조; 상기 반응조와 분리조 사이에 설치되어, 반응조에서 생성된 고온 고압의 반응물을 분리조의 내부에 저온 저압으로 분출시켜 탄수화물를 분리할 수 있는 미세노즐;을 포함하는 것을 특징으로 하는 리그노셀룰로오스계 바이오매스로부터 에탄올 발효용 기질 생산을 위한 전처리 장치를 제공한다.

Description

셀룰로오스계 바이오매스로부터 에탄올 발효용 기질 생산을 위한 전처리 장치 및 방법{Pretreatment system and method for manufacturing substrate for ethanol fermentation from cellulose biomass}

본 발명은 셀룰로오스계 바이오매스로부터 에탄올 발효용 기질 생산을 위한 전처리 장치 및 방법에 관한 것으로서, 단단하게 결합된 리그노셀룰로오스 구조를 유연하게 만들어 탄수화물의 회수효율을 높이는 장치 및 방법에 관한 것이다.

원유 가격 폭등 및 교토의정서 발효로 인한 이산화탄소 배출량 감축의무 등의 에너지 환경변화에 따라 미국 등 선진국에서는 바이오에너지에 대한 집중투자가 이루어지고 있다.

현재 미국, 브라질은 각각 자국 우위 농산물인 옥수수, 사탕수수를 원료로 한 바이오에탄올을 이미 대량생산하여 자동차 연료로 사용하고 있다.

그러나 1세대 바이오에탄올은 식량 생산과의 경합, 곡물가 상승 및 제3세계의 식량부족 등의 문제를 야기하므로, 이에 대한 대안으로 볏짚, 억새, 옥수숫대, 스위치그래스 등 섬유질계 비식량자원 작물을 이용한 2세대 바이오에탄올에 대한 개발 및 연구가 세계 각국에서 활발하게 진행되고 있다.

셀룰로오스계 바이오매스는 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌 등으로 구성되어 있는데, 당화와 발효 공정을 효과적으로 수행하기 위해서는 리그닌을 제거하고, 6탄당이 주성분인 셀룰로오스와 5탄당이 주성분인 헤미셀룰로오스를 적은 비용 및 고효율로 추출하는 전처리 공정 개발이 반드시 필요하다.

현재 증기폭쇄법, 농황산법, 희황산법, 초임계수법, 암모니아 재순환 침출법, 암모니아 폭쇄법 등 다양한 전처리 방법들이 시도되고 있으나 저비용 및 고효율의 전처리 방법이 정립되지 않은 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 발명한 것으로서, 리그노셀룰로오스계 바이오매스를 산 또는 암모니아 용액과 이산화탄소과 함께 혼합하여 고온 고압하에서 반응시키고 저온 저압의 분리조로 분출시킴으로써, 에탄올 생산에 필요한 탄수화물을 셀룰로오스계 바이오매스로부터 효과적으로 분리할 수 있는 바이오에탄올 발효용 기질생산을 위한 전처리 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 내부에 분말화된 셀룰로오스계 바이오매스 시료에, 산 또는 알카리 용액, 및 이산화탄소가 투입되어 고온 고압 하에서 반응이 이루어지는 반응조; 상기 반응조의 하부에 설치되고, 내부가 저온 저압 조건으로 유지되는 분리조; 상기 반응조와 분리조 사이에 설치되어, 반응조에서 생성된 고온 고압의 반응물을 저온 저압의 분리조의 내부에 분출시켜 상기 셀룰로오스계 바이오매스로부터 탄수화물를 효율적으로 분리할 수 있는 미세노즐;을 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰로오스계 바이오매스로부터 에탄올 발효용 기질 생산을 위한 전처리 장치를 제공한다.

상기 반응조의 내부에 반응물을 골고루 혼합하기 위해 반응조의 상부커버의 상부에 설치되어 회전력을 제공하는 모터; 상기 모터와 연결되어 회전력을 교반날개에 전달하는 회전축; 및 상기 회전축의 하단에 결합되고, 상기 회전축을 중심으로 회전하여 반응물을 혼합하는 교반날개;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 반응조의 상부에는 이산화탄소 및 질소가스를 주입하기 위해 반응조의 상부커버에 설치된 가스밸브와, 상기 가스밸브를 통해 반응조의 내부에 가스를 공급하는 이산화탄소저장탱크 및 질소저장탱크를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 분리조는 분리조의 헤드부에 설치되는 감압밸브와, 상기 감압밸브와 연결되어 분리조의 내부를 진공상태로 유지하는 진공펌프를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 분리조의 외부에 냉각용 이중자켓을 설치하고, 상기 이중자켓의 내부에 형성된 냉각수 유로를 통해 냉각수를 순환시켜 분리조 내부의 온도를 냉각시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 반응조의 내부에 분말화된 셀룰로오스계 바이오매스 시료와, 산 또는 알카리 용액을 투입하는 단계; 교반기를 작동시켜 반응물을 혼합하는 단계; 히팅장치에 의해 반응조의 내부온도를 설정온도까지 가열하여 반응물을 가수분해시켜 바이오매스 시료의 각 성분의 결합력을 약화시키는 단계; 분리조의 내부압력을 진공펌프에 의해 감압시키고, 냉각수에 의해 분리조를 냉각시키는 단계; 상기 반응조의 반응이 완료되면 질소를 충진하여 승압시키는 단계; 및 상기 반응조에서 각 성분의 결합력이 약화된 반응물을 미세노즐을 통해 분리조로 분출시켜 상기 셀룰로오스 바이오매스 시료로부터 탄수화물을 회수하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰로오스계 바이오매스로부터 에탄올 발효용 기질 생산을 위한 전처리 방법을 제공한다.

특히, 상기 반응물을 혼합한 후 가수분해반응시키기 전, 반응물에 이산화탄소를 주입하여 반응을 촉진시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 셀룰로오스계 바이오매스로부터 에탄올 발효용 기질 생산을 위한 전처리 장치 및 방법의 효과를 설명하면 다음과 같다.

1. 리그노셀룰로오스계 바이오매스에 산 또는 암모니아수를 액체 용매로 사용하고 동시에 이산화탄소 가스를 혼합하여 고온 고압하에서 반응시키고 반응이 끝난 반응생성물을 고압팽창시킨 상태에서 저온 저압의 분리조로 압출시킴으로써, 탄수화물의 회수율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 리그노셀룰로오스계 바이오매스로부터 에탄올 발효용 기질 생산을 위한 전처리 장치를 보여주는 개략도
도 2는 본 발명에 따른 전처리 공정을 4단계로 구분하여 설명하기 위한 개략도
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 고온 압출 처리 시스템을 보여주는 사진

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 리그노셀룰로오스계 바이오매스로부터 에탄올 발효용 기질 생산을 위한 전처리 장치를 보여주는 개략도이고, 도 2는 본 발명에 따른 전처리 공정을 4단계로 구분하여 설명하기 위한 개략도이다.

본 발명은 에탄올 생산에 필요한 탄수화물을 셀룰로오스계 바이오매스로부터 고효율로 전처리하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 리그노셀룰로오스계 바이오매스로부터 에탄올 발효용 기질 생산을 위한 전처리 장치를 보여주는 개략도이다.

본 발명에 따른 고온 압출 전처리 장치는 크게 상부에 배치된 반응조(10)와, 하부에 배치된 분리조(11)로 구성되며, 상기 반응조(10)와 분리조(11) 사이를 연결하는 연결라인(18)에 내경 3-4mm 미세노즐(12)이 설치되고, 미세노즐(12)를 통해 고온 고압의 반응물(30)을 통과시켜 고온팽창시킨다.

이때, 상기 미세노즐(12)에 고압용 개폐밸브를 장착하여 미세노즐(12)을 개폐할 수 있다.

상기 반응조(10)의 내부에는 셀룰로오스계 바이오매스 시료와, 산 또는 알칼리 용액 기타 이산화탄소 등의 기체를 저장할 수 있는 저장공간이 형성되고, 반응조(10)의 상단부에 개구부가 형성되어 개구부를 통해 반응물(30)을 투입할 수 있다.

상기 반응조(10)의 상부에는 상부커버(13)가 착탈가능하게 장착되어, 반응조(10)의 상단부를 개폐할 수 있다.

상기 반응물(30)을 혼합시키기 위해 본 발명의 전처리 장치는 상부커버(13)의 상부에 배치되어 회전력을 제공하는 모터(15)와, 상기 모터(15)와 연결되어 회전력을 전달하는 회전축(16)과, 상기 회전축(16)과 연동하여 반응물(30)을 교반시키는 교반날개(17)를 포함한다.

상기 회전축(16)의 상단부는 모터(15)와 연결되고, 회전축(16)의 하단부는 상부커버(13)를 관통하여 반응조(10)의 내부에 수용되며, 모터(15)가 작동하면서 회전하여 교반날개(17)에 회전력을 전달한다.

상기 교반날개(17)는 회전축(16)의 하단부에 연결되어, 회전축(16)을 중심으로 방사형으로 연장되어, 반응조(10)의 내부에 저장된 반응물(30)을 골고루 혼합되도록 교반시킨다.

상기 반응조(10)의 외부에는 가열코일 등과 같은 히팅장치(25)가 설치되어, 반응조(10) 내부를 설정온도, 예를 들면 130~200℃로 가열시킬 수 있다.

또한, 상기 반응조(10) 내부의 압력을 가압하기 위해, 상부커버(13)에 가스주입밸브(19)와 가스배출밸브(20) 등과 같은 가스주입장치를 설치하여, 고압(예를 들면 1~10MPa)의 이산화탄소 또는 질소가스를 주입할 수 있다.

이때, 상기 가스주입밸브(19)는 이산화탄소저장탱크(23) 및 질소저장탱크(24)와 연결되고, 가스주입밸브(19)와 이산화탄소저장탱크(23), 그리고 가스밸브와 질소저장탱크(24) 사이에 압력조정밸브를 설치하여, 이산화탄소저장탱크(23) 및 질소저장탱크(24)로부터 공급되는 가스압력을 조절할 수 있다.

상기 반응조(10) 내부의 압력 및 온도를 제어하기 위해, 히팅장치(25) 및 가스밸브 등을 제어할 수 있는 컨트롤러를 별도로 구비하고, 상기 컨트롤러는 온도센서(22) 및 압력계(21)로부터 감지신호를 입력받아 히팅장치(25) 및 압력조정밸브를 제어하여 반응조(10) 내부의 온도 및 압력을 조절할 수 있다.

상기 반응조(10)는 내부에 반응물(30)을 저장하고, 교반장치에 의해 반응물(30)을 균일하게 혼합하고, 히팅장치(25) 및 가스밸브를 통해 반응조(10) 내부의 온도 및 압력을 고온 고압으로 유지하여 반응물(30)(시료)을 가수분해반응시킴으로써, 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌 등의 성분이 수소결합 및 공유결합으로 견고하게 결합된 볏짚 등 바이오매스의 성분의 결합력을 약화시킬 수 있다.

상기 분리조(11)는 반응조(10)에서 분출된 반응물(30)을 저장하기 위해 내부에 저장공간을 가지고, 분리조(11)의 상단부에 개구부가 형성되어, 이 개구부를 통해 분리조(11)의 반응물(30)을 외부로 쏟아낼 수 있다.

상기 분리조(11)의 상단부에 헤드부(14)가 착탈가능하게 장착되고, 상기 헤드부(14)는 스크류와 같은 체결수단에 의해 분리조(11)의 상단에 체결될 수 있다.

상기 분리조(11)의 내부의 압력을 저압(대기압보다 낮은 기압)으로 유지하기 위해 헤드부(14)에 감압밸브(27)가 설치되고, 상기 감압밸브(27)는 진공펌프(26)와 연결되어, 진공펌프(26)가 가동하면 감압밸브(27)를 통해 분리조(11) 내부의 압력이 대기압보다 낮은 진공상태로 된다.

또한, 상기 분리조(11)에 분출된 반응물(30)을 회수하기 위해 헤드부(14)에 가스배출밸브(28)를 설치하고, 분리조(11) 내부의 반응물(30)을 회수하기 전에 분리조(11) 내부의 가스를 외부로 배출시켜 대기압 상태로 유지할 수 있다.

상기 분리조(11)의 외부에는 이중자켓(29)이 형성되어, 이중자켓(29) 내부에 형성된 냉각수유로를 통해 냉각수를 순환시켜 분리조(11)를 설정온도(예를 들어 15~25℃)로 유지할 수 있다.

상기 분리조(11)는 감압펌프와 냉각수에 의해 분리조(11) 내부의 온도와 압력을 반응조(10)의 온도와 압력보다 현저하게 떨어뜨림으로써, 반응조(10)에서 가수분해반응으로 성분의 결합력이 약화된 고온 고압의 반응물(30)을 분리조(11)로 이송 및 분출시킬 수 있다.

상기 미세노즐(12)은 반응조(10)와 분리조(11) 사이의 연결라인(18)에 설치되어, 성분의 결합력이 약화된 반응물(30)을 분리조(11)로 분출시키는 역할을 한다.

상기 볏짚 등의 바이오매스로부터 탄수화물을 효율적으로 추출하기 위해 고체분말의 바이오매스 시료와 산 또는 알칼리 용매를 혼합하고, 고온 및 고압의 반응조(10)에 이산화탄소를 주입하여 반응을 촉진시켜, 반응물(30)의 각 성분의 결합력을 더욱 약하게 할 수 있다.

이는 이산화탄소가 고체상태의 바이오매스 시료와 액체상태의 산 또는 알칼리 용매가 고온 및 고압하에서 가수분해반응할 때 반응물(30)을 부풀림으로써 반응물(30) 각 성분의 결합력을 더욱 약화시킬 수 있는 것이다.

상기 반응조(10)는 시료 및 반응용매의 화학반응(가수분해반응)과, 이산화탄소의 부풀림 효과와, 가열코일을 이용한 반응조(10)의 가열과 밀폐된 반응조(10) 내부로 고압의 기체 주입에 의해 반응조(10)의 내부를 고온, 고압의 단열팽창 조건을 만들 수 있다.

그리고, 상기 미세노즐(12)은 반응이 종료된 후 각 성분의 결합력이 약화된 반응물(30)을 물리적으로 팽창시켜 반응물(30)의 각 성분의 결합력을 더욱 완화시킬 수 있다.

상기 분리조(11)는 반응조(10)와의 압력 및 온도차를 높게 유지하여, 반응이 완료된 각 성분의 결합력이 약화된 반응물(30)을 고온 고압의 반응조(10)에서 저온 저압의 분리조(11)로 분출시킬 수 있도록 한다.

도 2는 전처리 공정을 4단계로 구분하여 설명하기 위한 개략도이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 제1단계에서는 리그노셀룰로오스계 바이오매스를 건조시킨 후, 반응조(10)의 상부커버(13)를 열고 1mm이하로 분쇄한 고체분말의 바이오매스 시료와 산 또는 알칼리 용매를 반응조(10)에 투입한다.

제2단계에서는 반응조(10)에 상부커버(13)를 체결한 후, 바이오매스 시료와 용매가 혼합되도록 모터(15)를 작동시키고, 회전축(16)을 통해 전달된 회전력에 의해 교반날개(17)를 회전시켜 반응물(30)을 균일하게 혼합한다.

그 다음, 이산화탄소저장탱크(23)로부터 가스밸브를 통해 공급되는 고압(예, 3MPa)의 이산화탄소를 반응조(10)의 내부에 충진하여 반응물(30)을 촉진시킨다.

계속해서, 상기 히팅장치(25)에 의해 반응조(10)의 내부온도를 설정온도(예, 150℃)까지 가온시킨 후 일정시간동안 가수분해 시킨다.

이때, 상기 반응물(30)을 가수분해시킴으로써, 바이오매스의 각 성분, 즉 리그닌, 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스의 결합력이 약해지고, 이산화탄소 주입으로 반응물(30)을 부풀림으로써 반응물(30)을 부셔서 바이오매스의 성분의 결합력을 더욱 약화시킬 수 있다.

또한, 상기 이산화탄소는 다음 당화 공정에서 6탄당 및 5탄당의 탄수화물을 단당류로 분해시키는 데 이용되는데, 이어서 이루어지는 발효과정에서 발생되는 이산화탄소를 상기 가수분해반응시 재활용할 수 있다.

제3단계에서는 반응이 진행되는 동안 분리조(11)를 감압펌프에 의해 감압시키고 냉각수에 의해 저온(15~25℃)을 유지한다.

제4단계는 반응조(10)에서 반응물(30)의 반응이 완료되면 고압(6MPa)의 질소를 충진하여 반응기 내부를 고압상태로 유지하여 하부의 미세노즐(12)을 통해 반응물(30)을 물리적으로 팽창시켜 저온,저압의 분리조(11)로 분출시킨다.

이후 분리조(11)의 헤드부(14)에 장착된 배기밸브를 통해 분리조(11) 내부의 가스를 배출시킨 후 헤드부(14)를 해체하여 각 성분의 결합력이 약화된 반응물(30)로부터 리그닌과 탄수화물(셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 포함)을 회수한다.

상기 각 성분의 결합력이 약화된 반응물(30)은 고체와 액체가 혼합된 슬러리 상태로서, 탄수화물은 대부분 반응물(30)중에 고상으로 존재하고, 리그닌은 대부분 반응물(30)중 액상으로 존재한다.

상기 반응물(30)에서 탄수화물을 회수하기 위해 여과장치를 이용하여 반응물(30)의 고상과 액상을 분리함으로써, 바이오매스로부터 고상의 탄수화물을 회수할 수 있다.

본 발명에 따르면, 상기와 같은 전처리 방법을 통해 리그노 셀룰로오스계 바이오매스로부터 저비용 및 고효율로 탄수화물을 추출할 수 있다.

특히, 본 장치는 바이오매스 종류별 최적 가수분해를 위한 온도, 압력 및 반응시간 조건을 효과적으로 탐색할 수 있다.

이하, 본 발명을 다음 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는바, 본 발명이 다음 실시예에만 한정되는 것은 아니다.

실시예

실시예1:

첨부한 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 고온 압출 처리 시스템을 보여주는 사진이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 고온 압출식 전처리 시스템을 구축하였고, 반응조(10)의 작업용량은 0.5L 4개, 2L 1개로 구성하였다.

상기 고온 압출식 전처리 시스템은 온도를 최대 250℃로 제어할 수 있고, 압력은 10MPa로 제어할 수 있고, 교반속도는 최대 500RPM으로 제어할 수 있도록 하였다.

암모니아 전처리한 볏짚의 반응시간 및 압출유무에 따른 상태 변화를 파악하기 위해 시료조성은 15% 암모니아용액과 고체시료의 비율를 14:1로 하였으며, 전체부피는 300mL이다.

상기 고체시료를 1mm 이하로 분쇄한 후 고체분말의 시료와 암모니아용액을 반응조(10)에 채운다.

상기 반응조(10)의 상부커버(13)를 닫은 후, 모터(15)를 작동시켜 시료와 암모니아용액을 교반날개(17)에 의해 교반시킨다.

그 다음 단계로, 반응조(10)의 내부에 CO₂ 를 가스밸브를 통해 3MPa의 압력으로 충진한 후 히팅장치(25)에 의해 설정온도 150도에 도달할 때까지 가열하고, 이 설정온도에서 10분, 20분, 60분간 각각 반응시켰다.

그리고, 상기 분리조(11)는 감압펌프에 의해 진공상태를 유지하고, 분리조(11) 외부는 냉각수를 순환시켜 15~25℃로 유지시킨 후 반응조(10)의 내부에 가스밸브를 통해 N2 를 6MPa의 압력으로 충진시킨다.

그 이후, 반응물(30)을 미세노즐(12)을 통과시켜 고압 팽창하여 분리조(11)로 분출시켰다.

표 1은 볏짚(품종명: 호품)의 성분분석과 전처리방법별 각성분 회수율을 나타내는데 성분분석은 시료를 건조하여 NREL에서 제공한 분석법에 따라 분석한 결과를 식물체내 함량으로 제시하였으며, 두 번째로 본 발명의 효과를 비교하기 위해 CO₂ 충진 및 분리조(11)로 분출을 한 시료 A와 반응시간 및 온도를 동일한 조건에서 CO₂ 를 혼합하고 무압출한 전처리한 시료 B 및 CO₂ 를 혼합하지 않고 무압출한 전처리한 시료 C로 구분하여 화학적 조성을 비교하였다.

표 1에 도시한 바와 같이, 셀룰로오스의 경우 CO₂ 를 혼합하고 10분 반응시킨후 압출 전처리한 시료는 식물체내 함량 대비 약 88%를 회수하였으며, CO₂ 를 혼합하지 않고 무압출로 10분간 반응시켰을 경우 약 80%를 회수하였다. 본 발명에 따라 시료를 CO₂ 를 혼합하고 고온 압출처리한 경우가 CO₂ 를 혼합하지 않고 무압출한 경우보다 셀룰로오스 회수율이 8%나 증가되었고, 헤미셀룰로오스의 경우 회수율이 약 20%정도 증가되었다.

다시 말해서, 상기 탄수화물인 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스를 합치면 본 발명에 따라 고온 압출 처리하였을 경우에 CO₂ 를 혼합하지 않고 무압출 처리시보다 평균회수율이 약 14% 증가되었다.

10 : 반응조 11 : 분리조
12 : 노즐 13 : 상부커버
14 : 헤드부 15 : 모터
16 : 회전축 17 : 교반날개
18 : 연결라인 19 : 가스주입밸브
20 : 가스배출밸브 21 : 압력계
22 : 온도센서 23 : 이산화탄소저장탱크
24 : 질소저장탱크 25 : 히팅장치
26 : 진공펌프 27 : 감압밸브
28 : 가스배출밸브 29 : 이중자켓
30 : 반응물

Claims

내부에 분말화된 셀룰로오스계 바이오매스 시료에, 산 또는 알카리 용액, 및 이산화탄소가 투입되어 고온 고압 하에서 반응이 이루어지는 반응조(10);
상기 반응조(10)의 하부에 설치되고, 내부가 저온 저압 조건으로 유지되는 분리조(11);
상기 반응조(10)와 분리조(11) 사이에 설치되어, 반응조(10)에서 생성된 고온 고압의 반응물(30)을 저온 저압의 분리조(11)의 내부에 분출시켜 상기 셀룰로오스계 바이오매스로부터 탄수화물를 분리할 수 있는 미세노즐(12);을 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰로오스계 바이오매스로부터 에탄올 발효용 기질 생산을 위한 전처리 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 반응조(10)의 내부에는 반응물(30)을 골고루 혼합하기 위해 반응조(10)의 상부커버(13)의 상부에 설치되어 회전력을 제공하는 모터(15);
상기 모터(15)와 연결되어 회전력을 교반날개(17)에 전달하는 회전축(16);
상기 회전축(16)의 하단에 결합되고, 상기 회전축(16)을 중심으로 회전하여 반응물(30)을 혼합하는 교반날개(17);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰로오스계 바이오매스로부터 에탄올 발효용 기질 생산을 위한 전처리 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 반응조(10)의 상부에는 이산화탄소 및 질소가스를 주입하기 위해 반응조(10)의 상부커버(13)에 설치된 가스밸브와, 상기 가스밸브를 통해 반응조(10)의 내부에 가스를 공급하는 이산화탄소저장탱크(23) 및 질소저장탱크(24)를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰로오스계 바이오매스로부터 에탄올 발효용 기질 생산을 위한 전처리 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 분리조(11)는 분리조(11)의 헤드부(14)에 설치되는 감압밸브(27)와, 상기 감압밸브(27)와 연결되어 분리조(11)의 내부를 진공상태로 유지하는 진공펌프(26)를 포함하는 것을 특징으로하는 셀룰로오스계 바이오매스로부터 에탄올 발효용 기질 생산을 위한 전처리 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 분리조(11)의 외부에 냉각용 이중자켓(29)을 설치하고, 상기 이중자켓(29)의 내부에 형성된 냉각수 유로를 통해 냉각수를 순환시켜 분리조(11) 내부의 온도를 냉각시키는 것을 특징으로 하는 셀룰로오스계 바이오매스로부터 에탄올 발효용 기질 생산을 위한 전처리 장치.
반응조(10)의 내부에 분말화된 셀룰로오스계 바이오매스 시료와, 산 또는 알카리 용액을 투입하는 단계;
교반기를 작동시켜 반응물(30)을 혼합하는 단계;
히팅장치에 의해 반응조(10)의 내부온도를 설정온도까지 가열하여 반응물(30)을 가수분해반응시켜 바이오매스 시료의 각 성분의 결합력을 약화시키는 단계;
분리조(11)의 내부압력을 진공펌프(26)에 의해 감압시키고, 냉각수에 의해 분리조(11)를 냉각시키는 단계;
상기 반응조(10)의 반응이 완료되면 질소를 충진하여 승압시키는 단계; 및
상기 반응조(10)에서 각 성분의 결합력이 약화된 반응물(30)을 미세노즐(12)을 통해 분리조(11)로 분출시켜 상기 셀룰로오스 바이오매스 시료로부터 탄수화물을 회수하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰로오스계 바이오매스로부터 에탄올 발효용 기질 생산을 위한 전처리 방법.
청구항 6에 있어서,
상기 반응물(30)을 혼합한 후 가수분해반응시키기 전, 반응물(30)에 이산화탄소를 주입하여 반응을 촉진시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰로오스계 바이오매스로부터 에탄올 발효용 기질 생산을 위한 전처리 방법.