KR101391435B1 - 고농도 발효성 당의 제조 장치, 이를 이용한 고농도 발효성 당의 제조 방법, 및 이를 이용하여 제조된 바이오 연료 및 바이오 화학물질 - Google Patents

고농도 발효성 당의 제조 장치, 이를 이용한 고농도 발효성 당의 제조 방법, 및 이를 이용하여 제조된 바이오 연료 및 바이오 화학물질 Download PDF

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Abstract

바이오매스 및 용매를 투입하여 상기 바이오매스를 전처리하는 이축 스크류 반응기; 상기 전처리된 바이오매스로부터 상기 용매를 제거하는 제1 탈수부, 상기 용매가 제거된 바이오매스를 물로 세척하는 세척부, 상기 세척된 바이오매스로부터 물을 제거하는 제2 탈수부, 그리고 상기 물이 제거된 바이오매스를 공급하는 당화기 연결 공급부를 포함하는 당화기 원료 공급기; 및 상기 공급된 바이오매스를 당화시키는 당화기를 포함하는 고농도 발효성 당의 제조 장치, 이를 이용한 고농도 발효성 당의 제조 방법, 그리고, 이를 이용하여 제조된 바이오 연료 및 바이오 화학물질이 제공된다.

Description

고농도 발효성 당의 제조 장치, 이를 이용한 고농도 발효성 당의 제조 방법, 및 이를 이용하여 제조된 바이오 연료 및 바이오 화학물질{DEVICE FOR PRDUCING FERMENTABLE SUGAR HAVING HIGH CONCENTRATION, METHOD OF PRODUCING FERMENTABLE SUGAR HAVING HIGH CONCENTRATION USING THE SAME, AND BIO FUEL AND BIO CHEMICAL MATERIAL PRODUCED USING THE SAME}
본 기재는 고농도 발효성 당의 제조 장치, 이를 이용한 고농도 발효성 당의 제조 방법, 그리고 이를 이용하여 제조된 바이오 연료 및 바이오 화학물질에 관한 것이다.
지구 온난화, 이상기후 등의 환경문제를 일으키고 매장량이 한정된 화석연료를 대체할 수 있는 물질이 절실히 필요하다. 바이오매스는 이러한 대체물질로서 지구상에 가장 풍부한 자원 중 하나이며 재생 가능한 자원이다. 또한 바이오매스는 1세대 바이오에탄올의 생산 원료인 옥수수 및 사탕수수가 직면하고 있는 식량자원이라는 문제점을 해결할 수 있다.
하지만 리그노셀룰로오스계 바이오매스(lignocellulosic biomass)는 셀룰로오스(cellulose), 헤미셀룰로오스(hemicellulose), 리그닌(lignin) 등의 결정화 구조로 구성되어 있어, 효소가 기질인 셀룰로오스를 분해하여 발효가 가능한 단당류의 형태로 전환하기가 어렵다. 이에 리그노셀룰로오스계 바이오매스로부터 바이오 에탄올 및 바이오 화학연료의 생산을 위해서는 당화 및 발효 공정 이전에 전처리 공정이 요구된다.
이러한 전처리 공정에 관한 연구가 많은 나라에서 국가적으로 진행되고 있다. 대표적인 전처리 공정으로는 물리적 공정, 화학적 공정, 생물학적 공정 등으로 나눌 수 있지만, 최근에는 이러한 공정을 복합한 복합공정들이 많이 개발되고 있다. 특히, 다양한 전처리 방법 중에서 효소가 기질을 보다 쉽게 분해할 수 있도록 기질의 표면적을 증가시키기 위한 첫 번째 과정으로 분쇄기를 이용한 입자 크기 감소의 방법이 세계적으로 이용되고 있다.
하지만 대부분의 기존 전처리 방식은 실증 규모의 설비에서 연속식으로 적용시키기가 어렵고, 낮은 처리율 및 낮은 경제성으로 인해 상업화하기가 어렵다. 또한 대부분의 기존 물리·화학적 복합 전처리 공정은 많은 양의 화학 물질을 사용하기 때문에 대량의 폐수가 발생되고 이는 경제성뿐만 아니라 환경적 측면에서 불리하게 적용되고 있다.
본 발명의 일 구현예는 연속식 전처리 공정의 운전이 가능함에 따라 고농도의 발효성 당을 효율적으로 얻을 수 있고, 고농도의 당화액 제조를 위한 설비 규모를 줄일 수 있고, 폐수 발생량을 감소시킬 수 있는 고농도 발효성 당의 제조 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 일 구현예는 상기 고농도 발효성 당의 제조 장치를 이용한 고농도 발효성 당의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 구현예는 바이오매스 및 용매를 투입하여 상기 바이오매스를 전처리하는 이축 스크류 반응기; 상기 전처리된 바이오매스로부터 상기 용매를 제거하는 제1 탈수부, 상기 용매가 제거된 바이오매스를 물로 세척하는 세척부, 상기 세척된 바이오매스로부터 물을 제거하는 제2 탈수부, 그리고 상기 물이 제거된 바이오매스를 공급하는 당화기 연결 공급부를 포함하는 당화기 원료 공급기; 및 상기 공급된 바이오매스를 당화시키는 당화기를 포함하는 고농도 발효성 당의 제조 장치를 제공한다.
상기 이축 스크류 반응기는 상기 바이오매스를 전처리하는 이축 스크류를 포함할 수 있다.
상기 이축 스크류 반응기는 30 내지 180 ℃의 온도 및 50 내지 250 rpm의 속도에서 작동될 수 있다.
상기 이축 스크류 반응기는 상기 바이오매스를 이송하는 이송부; 상기 바이오매스가 체류하는 씰링부; 상기 바이오매스를 분해하는 분산부; 상기 분해된 바이오매스에 압력을 가하는 가압부; 및 상기 분해된 바이오매스를 배출하는 배출부로부터 선택되는 적어도 하나의 스크류를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 구현예는 이축 스크류 반응기에서 바이오매스 및 용매를 투입하여 상기 바이오매스를 전처리하는 단계; 당화기 원료 공급기의 제1 탈수부에서 상기 전처리된 바이오매스로부터 상기 용매를 제거하고, 세척부에서 상기 용매가 제거된 바이오매스를 물로 세척하고, 제2 탈수부에서 상기 세척된 바이오매스로부터 물을 제거하고, 당화기 연결 공급부에서 상기 물이 제거된 바이오매스를 공급하는 단계; 및 당화기에서 상기 공급된 바이오매스를 당화시키는 단계를 포함하는 고농도 발효성 당의 제조 방법을 제공한다.
상기 바이오매스를 전처리하는 단계는 30 내지 180 ℃의 온도 및 50 내지 250 rpm의 속도에서 수행될 수 있다.
상기 바이오매스를 전처리하는 단계는 상기 이축 스크류 반응기의 이송부에서 상기 바이오매스를 이송하는 단계; 씰링부에서 상기 바이오매스가 체류하는 단계; 분산부에서 상기 바이오매스를 분해하는 단계; 가압부에서 상기 분해된 바이오매스에 압력을 가하는 단계; 및 배출부에서 상기 분해된 바이오매스를 배출하는 단계로부터 선택되는 적어도 하나의 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 구현예는 상기 고농도 발효성 당의 제조 장치를 이용하여 제조된 바이오 연료를 제공한다.
본 발명의 또 다른 일 구현예는 상기 고농도 발효성 당의 제조 장치를 이용하여 제조된 바이오 화학물질을 제공한다.
기타 본 발명의 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
상기 고농도 발효성 당의 제조 장치를 이용하여 고농도 발효성 당의 제조 시, 연속식 전처리 공정의 운전이 가능하여 셀룰로오스 등을 효율적 및 상업적으로 고농도의 발효성 당으로 전환시킬 수 있고, 고농도의 당화액 제조를 위한 설비 규모를 줄일 수 있으며, 후속 공정인 정제 공정의 설비 및 운전 비용 절감으로 경제성을 확보할 수 있으며, 폐수 발생량을 감소시켜 환경오염을 줄일 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 이축 스크류 반응기 및 당화기 원료 공급기를 포함하는 고농도 발효성 당의 제조 장치를 나타낸 개략도이다.
도 2는 일 구현예에 따른 이축 스크류 반응기를 나타낸 개략도이다.
도 3은 일 구현예에 따른 당화기 원료 공급기를 나타낸 개략도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 구현예를 상세하게 설명한다. 본 발명은 여러 가지 다른 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.
일 구현예에 따른 고농도 발효성 당의 제조 장치의 일부를 개략적으로 나타낸 도 1 내지 3을 참고하여 고농도 발효성 당의 제조 방법을 설명한다.
도 1은 일 구현예에 따른 이축 스크류 반응기 및 당화기 원료 공급기를 포함하는 고농도 발효성 당의 제조 장치를 나타낸 개략도이다.
도 1을 참고하면, 일 구현예에 따른 고농도 발효성 당의 제조 장치(10)는 이축 스크류 반응기(100), 당화기 원료 공급기(200) 및 당화기(300)를 포함한다.
일 구현예에 따르면, 상기 이축 스크류 반응기(100), 상기 당화기 원료 공급기(200) 및 상기 당화기(300)가 순차적으로 연결될 수 있으며, 이로부터 연속적인 공정이 가능하다.
또한 상기 이축 스크류 반응기(100)와 상기 당화기(300) 사이에 상기 당화기 원료 공급기(200)가 위치함으로써 하나의 장치 및 공정에서 고농도의 당화액 제조가 가능하며, 또한 동시당화발효 공정에 적용시 고농도의 바이오연료 및 바이오 화학물질 제조가 가능하다. 이에 따라 고농도의 발효성 당과 고농도 바이오연료 및 바이오 화학물질을 효율적으로 얻을 수 있다.
일 구현예에 따르면 바이오매스를 이용하여 고농도 발효성 당을 생산하는 것으로, 상기 이축 스크류 반응기(100)에서 상기 바이오매스의 조직을 분해시키는 전처리 공정이 수행되고, 상기 당화기 원료 공급기(200)에서 상기 전처리된 바이오매스의 당화액 제조 공정이 수행되며, 상기 당화기(300)에서 발효성 당을 얻기 위한 당화 공정이 수행될 수 있다.
상기 바이오매스는 볏짚, 보릿짚, 고구마 줄기, 유채줄기, 카사바 줄기 등의 농업 부산물; 폐지, 플러프 등의 고체 쓰레기; 간벌목, 폐목재, 가공 부산물 등의 목재; 담조류, 해조류 등의 수상 식물 등이 사용될 수 있으며, 이들을 서로 혼합하여 사용할 수도 있다.
이러한 바이오매스는 셀룰로오스(cellulose), 헤미셀룰로오스 (hemicellulose), 리그닌(lignin) 등의 결정화 구조로 구성된다. 상기 이축 스크류 반응기(100)에서 상기 전처리 공정이 수행됨으로써 상기 바이오매스의 구성 성분들이 발효가 가능한 단당류의 형태로 전환될 수 있도록 조직을 분해시킬 수 있다.
상기 이축 스크류 반응기(100)는 도 2를 통하여 구체적으로 설명될 수 있다.
도 2는 일 구현예에 따른 이축 스크류 반응기를 나타낸 개략도이다.
도 2를 참고하면, 상기 이축 스크류 반응기(100)는 구동 모터(111)와 이축 스크류(112)를 포함할 수 있다. 상기 이축 스크류 반응기(100)는 바이오매스의 전처리 공정이 수행되는 곳으로, 바이오매스 및 용매가 투입되어 상기 이축 스크류(112)의 분쇄 및 혼합에 의해 상기 바이오매스는 전처리가 수행된다.
상기 이축 스크류(112)는 대규모의 생산 설비나 연속식 공정에 적용될 수 있고 온도 조절이 용이하다. 또한 높은 전단력(high-shearing force)에 의해 효율적으로 분해하여 압출에 의한 표면적을 증가시킬 수 있고, 대량을 처리할 수 있으며, 다양한 다른 종류의 공정에도 용이하게 적용시킬 수 있다.
구체적으로, 상기 이축 스크류 반응기(100)는 이송부(113), 씰링부(114), 분산부(115), 가압부(116) 및 배출부(117)로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있다. 상기 이송부(113)에서 바이오매스가 투입되어 이송될 수 있고, 상기 씰링부(114)에서 상기 이송된 바이오매스가 체류함으로써 반응시간을 증가시키고 입자 크기를 미립화시키며 입자들 사이의 공극을 최소화시켜 용매가 역류하는 것을 방지할 수 있다. 상기 분산부(115)에서 상기 이송된 바이오매스를 분해하여 표면적을 증가시킬 수 있고, 상기 가압부(116)에서 압력을 가하여 상기 분해된 바이오매스가 쉽게 배출되도록 도울 수 있으며, 상기 배출부(117)에서 상기 분해된 바이오매스를 배출할 수 있다.
상기 이축 스크류 반응기(100)의 온도는 오일 또는 증기로 조절할 수 있으며, 바이오매스의 종류에 따라 스크류의 조합을 변경할 수도 있다. 구체적으로, 이송부, 씰링부 및 분산부의 수와 위치를 바이오매스의 성질에 따라 변경할 수 있다.
상기 이축 스크류 반응기(100)에서 상기 바이오매스의 전처리 시 투입되는 상기 용매는 연속식 전처리 운전이 가능함에 따라 상기 당화기 원료 공급기(200)로부터 회수 및 재사용되며, 이축 스크류 반응기에 의한 표면적 증가로 낮은 온도 및 농도로 사용될 수 있다. 이에 따라 회분식 전처리 공정에 비해 바이오매스 세척시 사용되는 물의 양을 줄일 수 있어 폐수량을 감소시킬 수 있고, 짧은 시간 동안 전처리 공정이 수행될 수 있다.
상기 이축 스크류 반응기(100)는 30 내지 180 ℃의 온도, 구체적으로는 70 내지 150 ℃의 온도에서, 더욱 구체적으로는 80 내지 120℃의 온도에서 작동될 수 있고, 또한 50 내지 250 rpm의 속도, 구체적으로는 80 내지 150 rpm의 속도, 더욱 구체적으로는 90 내지 120 rpm의 속도에서 작동될 수 있다. 이와 같이 상기 바이오매스는 상기 온도 및 속도 범위에서 분해될 수 있다. 상기 온도 및 속도 범위에서 분해됨으로써 효소가 바이오매스에 용이하게 접근하여 쉽게 발효가 가능한 당으로 전환시킬 수 있다.
상기 당화기 원료 공급기(200)에서는 전처리된 상기 바이오매스를 당화시키기 전 고농도의 당화액 제조를 위해 탈수 및 세척 공정이 수행될 수 있다.
상기 당화기 원료 공급기(200)는 도 3을 통하여 구체적으로 설명될 수 있다.
도 3은 일 구현예에 따른 당화기 원료 공급기를 나타낸 개략도이다.
도 3을 참고하면, 상기 당화기 원료 공급기(200)는 구동 모터(211)를 포함하며, 제1 탈수부(221), 세척부(222), 제2 탈수부(223) 및 당화기 공급부(224)를 포함할 수 있다.
상기 제1 탈수부(221)에서 상기 이축 스크류 반응기(100)에서 전처리되어 분해된 바이오매스로부터 상기 용매를 제거한 후, 상기 세척부(222)에서 상기 용매가 제거된 바이오매스를 물로 세척할 수 있다. 이후, 상기 제2 탈수부(223)에서 상기 세척된 바이오매스로부터 물을 제거한 후, 상기 물이 제거된 바이오매스를 상기 당화기 공급부(224)로 공급할 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 탈수부(221)에 위치하는 제1 여과 스크린(212) 및 제1 탈수 스크류(213)를 통하여 상기 전처리된 바이오매스로부터 상기 용매를 제거할 수 있고, 상기 제거된 용매는 제1 여과액(202)이 되어 걸러질 수 있다. 이때 상기 제1 여과액(202)은 회수하여 전처리 공정에 재사용될 수 있다. 이후, 상기 세척부(222)에 위치하는 분사 노즐(214) 및 임펠러(215)를 통하여 상기 용매가 제거된 바이오매스에 물을 뿌리면서 교반함으로써 세척할 수 있다. 이후, 상기 제2 탈수부(223)에 위치하는 제2 여과 스크린(216) 및 제2 탈수 스크류(217)를 통하여 상기 세척된 바이오매스로부터 물을 제거할 수 있고, 상기 제거된 물은 제2 여과액(203)이 되어 걸러질 수 있다. 이어서, 상기 당화기 공급부(224)에 위치하는 가압 토출 스크류(218)를 통하여 상기 물이 제거된 바이오매스, 즉, 당화용 바이오매스를 이송하여 상기 당화기로 공급할 수 있다. 이때 상기 가압 토출 스크류(218)를 포함하는 상기 당화기 원료 공급기(200)와 당화기(300)의 하단에 위치한 원료 투입구가 연결될 수 있고, 상기 가압 토출 스크류(218) 부분에 씰링이 형성되어 당화액의 역류를 방지하는 역할을 할 수 있다. 이와 같이 당화기(300)에서 원료 투입구가 하단에 위치할 경우 고농도의 바이오매스를 효율적으로 당화할 수 있다.
이어서, 상기 당화기(300)에서 고농도의 발효성 당을 얻을 수 있거나 동시당화발효 공정(simultaneous saccharification and fermentation, SSF)을 통해 고농도의 바이오 연료 및 바이오 화학물질을 얻을 수 있다.
이와 같이 구성된 상기 당화기 원료 공급기(200)를 전처리 공정을 위한 상기 이축 스크류 반응기(100)와 당화 공정을 위한 당화기(300) 사이에 위치시킴으로써, 용매의 탈수 공정, 세척 공정, 여과 공정 등을 위한 각각의 설비 규모를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 고농도의 발효성 당을 효율적으로 얻을 수 있다.
상기 전처리 공정, 상기 당화액 제조 공정 및 상기 당화 공정을 거쳐 얻어진 발효성 당을 가수분해액으로 이용하여 균주를 배양하여 바이오 연료를 제조할 수 있다.
상기 균주로는 사카로마이세스 세레비제(Saccharomyces cerevisiae), 피치아 스티피티스(Pichia stipitis), 캔디다 브라시케(Candida brassicae), 자이모모나스 모빌리스(Zymomonas mobilis), 클로스트리듐 아세토뷰틸리쿰 (Clostridium acetobutylicum) 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다.
상기 바이오 연료의 예로는 알칸류, 알켄류, 알코올류 또는 이들의 조합을 들 수 있다. 이때 상기 알칸류는 C1 내지 C10의 알칸류, 상기 알켄류는 C1 내지 C10의 알켄류, 상기 알코올류는 C1 내지 C10의 알코올류를 나타낸다.
상기 전처리 공정, 상기 당화액 제조 공정 및 상기 당화 공정을 거쳐 얻어진 발효성 당을 가수분해액으로 이용하여 균주를 배양하여 바이오 화학물질을 제조할 수 있다.
상기 균주로는 클로스트리디움 타이로부티리컴(Clostridium tyroburyricum), 락토바실러스 아시도필러스(Lactobacillus acidophilus) 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다.
상기 바이오 화학물질의 예로는 아미노산계 물질, 유기산계 물질, 효소계 물질, 생분해성 고분자계 물질 또는 이들의 조합을 들 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
바이오매스로, 셀룰로오스 36.4 중량%, 헤미셀룰로오스 23.4 중량%, 리그닌 20.1 중량% 및 재(ash) 1.4 중량%를 포함하는 보릿짚을 이용하였다.
이송부, 씰링부, 분산부, 가압부 및 배출부의 배열로 이루어진 이축 스크류 반응기에 상기 보릿짚 12 g/min와 0.6M NaOH를 투입하여 반응시켜, 전처리된 보릿짚을 얻었다.
상기 이축 스크류 반응기 내의 반응은 86℃의 온도, 100 rpm의 속도 및 85 mL/min의 흐름 속도에서 수행되었다.
상기 전처리된 보릿짚은 셀룰로오스 49.91 중량%, 헤미셀룰로오스 19.75 중량%, 리그닌 16.25 중량% 및 재(ash) 0.34 중량%를 포함한다.
상기 전처리된 보릿짚은 당화기 원료 공급기의 제1 탈수부로 투입되어 함유된 용매를 제거하였다. 이때 제거된 용매를 회수하여 상기 이축 스크류 반응기로 보내져 전처리 공정에서 재사용될 수 있다. 상기 제1 탈수부에서 나온 보릿짚의 수분 함유량은 74 중량% 이었다. 이후, 세척부에서 보릿짚 건조 중량의 10 배의 물을 첨가하여 임펠러를 이용하여 상기 보릿짚을 세척하였다. 세척된 보릿짚은 제2 탈수부에서 물이 제거되어 수분 함유량 62 중량%가 되었다. 이어서 당화기와 연결된 당화기 연결 공급부에서 가압 토출 스크류를 이용하여 상기 보릿짚을 당화기에 연속적으로 공급할 수 있다. 당화기에 공급되는 보릿짚은 64 중량%의 수분을 함유하고 있다. 상기 당화기 원료 공급기를 이용하여 당화기에 연속적으로 원료를 공급하여 당화시켰다.
당화기에 셀룰라아제 30 FPU/g 글루코오스 및 β-글루코시다아제(β-glucosidase) 15 중량%(상기 셀룰라아제 100 중량부 기준)를 투입하여, 상기 공급된 바이오매스를 50℃에서 150rpm으로 당화시켰다. 이 경우 글루코오스 150g/L 및 자일로오스 40g/L를 함유하는 당화액을 얻었다. 글루코오스를 기질로 이용하는 S. cerevisiae CHY1011을 사용하여 동시당화발효 공정으로 70.0 g/L의 에탄올을 얻었고, 잔당 조성은 글루코오스 0 g/L 및 자일로오스 41 g/L 이였다.
실시예 2
바이오매스로, 셀룰로오스 43.2 중량%, 헤미셀룰로오스 20.3 중량%, 리그닌 22.3 중량% 및 재(ash) 4.4 중량%를 포함하는 억새를 이용하였다.
이송부, 씰링부, 분산부, 가압부 및 배출부의 배열로 이루어진 이축 스크류 반응기에 상기 바이오매스 20 g/min와 0.8M NaOH를 투입하여 반응시켜, 전처리된 억새를 얻었다.
상기 이축 스크류 반응기 내의 반응은 78℃의 온도, 112 rpm의 속도 및 97 mL/min의 흐름 속도에서 수행되었다.
상기 전처리된 억새는 셀룰로오스 57.0 중량%, 헤미셀룰로오스 24.0 중량%, 리그닌 14.8 중량% 및 재(ash) 0.1 중량%를 포함한다.
상기 전처리된 억새는 당화기 원료 공급기의 제1 탈수부로 투입되어 함유된 용매를 제거하였다. 이때 제거된 용매를 회수하여 상기 이축 스크류 반응기로 보내져 전처리 공정에서 재사용될 수 있다. 상기 제1 탈수부에서 나온 억새의 수분 함유량은 72 중량% 이었다. 이후, 세척부에서 억새 건조 중량의 7 배의 물을 첨가하여 임펠러를 이용하여 상기 억새를 세척하였다. 세척된 억새는 제2 탈수부에서 물이 제거되어 수분 함유량 60 중량%가 되었다. 이어서 당화기와 연결된 당화기 연결 공급부에서 가압 토출 스크류를 이용하여 상기 억새를 당화기에 연속적으로 공급할 수 있다. 당화기에 공급되는 억새는 60 중량%의 수분을 함유하고 있다. 상기 당화기 원료 공급 장치를 이용하여 당화기에 연속적으로 원료를 공급하여 당화시켰다.
당화기에 셀룰라아제 30 FPU/g 글루코오스 및 β-글루코시다아제(β-glucosidase) 15 중량% (상기 셀룰라아제 100 중량부 기준)를 투입하여, 상기 공급된 바이오매스를 50℃에서 150rpm으로 당화시켰다. 이 경우 글루코오스 176 g/L 및 자일로오스 53 g/L를 함유하는 당화액을 얻었다. 글루코오스를 기질로 이용하는 S. cerevisiae CHY1011을 사용하여 동시당화발효 공정으로 81.0 g/L의 에탄올을 얻었고 잔당 조성은 글루코오스 0 g/L 및 자일로오스 54 g/L 이였다.
실시예 3
바이오매스로, 셀룰로오스 32.7 중량%, 헤미셀룰로오스 21.4 중량%, 리그닌 26.8 중량% 및 재(ash) 3.1 중량%를 포함하는 오일 팜(oil palm) EFB(empty fruit bunch)를 이용하였다.
이송부, 씰링부, 분산부, 가압부 및 배출부의 배열로 이루어진 이축 스크류 반응기에 상기 바이오매스 20 g/min와 1.0M NaOH를 투입하여 반응시켜, 전처리된 EFB를 얻었다.
상기 이축 스크류 반응기 내의 반응은 93℃의 온도, 100 rpm의 속도 및 100 mL/min의 흐름 속도에서 수행되었다.
상기 고형물은 EFB건조물로서, 셀룰로오스 54.7 중량%, 헤미셀룰로오스 20.2 중량%, 리그닌 20.2 중량% 및 재(ash) 0.6 중량%를 포함한다.
상기 전처리된 EFB는 당화기 원료 공급기의 제1 탈수부로 투입되어 함유된 용매를 제거하였다. 이때 제거된 용매를 회수하여 상기 이축 스크류 반응기로 보내져 전처리 공정에서 재사용될 수 있다. 상기 제1 탈수부에서 나온 EFB의 수분 함유량은 70 중량% 이었다. 이후, 세척부에서 EFB 건조 중량의 6 배의 물을 첨가하여 임펠러를 이용하여 상기 EFB를 세척하였다. 세척된 EFB는 제2 탈수부에서 물이 제거되어 수분 함유량 59 중량%가 되었다. 이어서 당화기와 연결된 당화기 연결 공급부에서 가압 토출 스크류를 이용하여 상기 EFB를 당화기에 연속적으로 공급할 수 있다. 당화기에 공급되는 EFB는 59 중량%의 수분을 함유하고 있다. 상기 당화기 원료 공급 장치를 이용하여 당화기에 연속적으로 원료를 공급하여 당화시켰다.
당화기에 셀룰라아제 30 FPU/g 글루코오스 및 β-글루코시다아제(β-glucosidase) 15 중량% (상기 셀룰라아제 100 중량부 기준)를 투입하여, 상기 공급된 바이오매스를 50℃에서 150rpm으로 당화시켰다. 이 경우 글루코오스 163 g/L 및 자일로오스 41 g/L를 함유하는 당화액을 얻었으며 글루코오스를 기질로 이용하는 S. cerevisiae CHY1011을 사용하여 동시당화발효 공정으로 76.0 g/L의 에탄올을 얻었고 잔당 조성은 글루코오스 0 g/L 및 자일로오스 43 g/L 이였다.
비교예 1
실시예 1에서 전처리된 보릿짚을 당화기 원료 공급기를 거치지 않고 압착기를 이용하여 바이오매스로부터 용매를 제거하였다. 이때 용매가 제거된 바이오매스의 수분 함유량은 80중량%이었다. 상기 바이오매스 건조중량의 10배의 물을 넣어 교반을 시켜 1차 세척을 수행하였다. 1차 세척을 거친 바이오매스를 다시 압착기를 이용하여 수분을 제거해주어 당화 및 동시당화발효 공정에 이용하였다.
상기 바이오매스를 회분식 당화기에 셀룰라아제 30 FPU/g 글루코오스 및 β-글루코시다아제(β-glucosidase) 15 중량% (상기 셀룰라아제 100 중량부 기준)를 투입하여, 상기 전처리된 바이오매스 20 중량/부피% 회분식으로 50℃에서 150rpm으로 48시간 동안 당화시켰다.
상기 당화액은 글루코오스(glucose) 89.3 g/L 및 자일로오스(xylose) 23.6 g/L를 함유하고 있었다. 상기 당화 공정에서 사용한 같은 양의 효소와 S. cerevisiae CHY1011 배양액 7 부피%를 이용하여 32℃ 진탕배양기에서 150rpm으로 동시당화발효를 시켰다.
동시당화발효 종료 후 41.9 g/L의 에탄올을 생산하였고, 잔당 조성은 글루코오스 0 g/L 및 자일로오스 24.9 g/L 이였다.
평가 1: 에탄올 농도 평가
상기 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 에탄올의 농도를 하기 표 1에 나타내었다.
이때 비교예 1 및 실시예 1의 에탄올 농도는 각각 바이오매스의 농도가 20 중량% 및 40 중량%인 경우의 수치이다.
비교예 1 실시예 1 실시예 2 실시예 3
처리할 수 있는 바이오매스 농도 20 중량% 이하 20 내지 38 중량% 20 내지 40 중량% 20 내지 41 중량%
72시간 후
에탄올 농도		 41.9 g/L 70.0 g/L 81.0 g/L 76.0 g/L
상기 표 1을 참조하면, 실시예 1 내지 3에 따라 당화기 원료 공급기를 이용하여 연속식 공정으로 에탄올을 생산한 경우, 최대 38 내지 40 중량% 바이오매스의 농도를 처리할 수 있으며, 각각의 최대 중량%의 바이오매스를 72시간 동시당화발효를 한 경우 각각 70.0 g/L, 81.0 g/L 및 76.0 g/L 의 에탄올을 생산할 수 있다. 반면, 비교예 1에 따라 당화기 원료 공급기를 이용하지 않고 압착기를 이용하여 탈수 및 세척 공정을 거친 후 회분식 공정으로 에탄올을 생산한 경우, 최대 20 중량%의 바이오매스의 농도를 처리할 수 있으며, 최대 20 중량%의 바이오매스를 72시간 동시당화발효를 한 경우 41.9 g/L의 에탄올을 생산할 수 있음을 확인하였다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 구현예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위 속하는 것은 당연하다.
10: 고농도 발효성 당의 제조 장치
100: 이축 스크류 반응기
200: 당화기 원료 공급기
300: 당화기
111, 211: 구동 모터
112: 이축 스크류
113: 이송부
114: 씰링부
115: 분산부
116: 가압부
117: 배출부
212: 제1 여과 스크린
213: 제1 탈수 스크류
214: 분사 노즐
215: 임펠러
216: 제2 여과 스크린
217: 2차 탈수 스크류
218: 가압 토출 스크류
202: 제1 여과액
203: 제2 여과액
221: 제1 탈수부
222: 세척부
223: 제2 탈수부
224: 당화기 공급부

Claims (9)

  1. 바이오매스 및 용매를 투입하여 상기 바이오매스를 전처리하는 이축 스크류 반응기;
    상기 전처리된 바이오매스로부터 상기 용매를 제거하는 제1 탈수부, 상기 용매가 제거된 바이오매스를 물로 세척하는 세척부, 상기 세척된 바이오매스로부터 물을 제거하는 제2 탈수부, 그리고 상기 물이 제거된 바이오매스를 공급하는 당화기 연결 공급부를 포함하는 당화기 원료 공급기; 및
    상기 공급된 바이오매스를 당화시키는 당화기
    를 포함하는 고농도 발효성 당의 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이축 스크류 반응기는 상기 바이오매스를 전처리하는 이축 스크류를 포함하는 고농도 발효성 당의 제조 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 이축 스크류 반응기는 30 내지 180 ℃의 온도 및 50 내지 250 rpm의 속도에서 작동되는 고농도 발효성 당의 제조 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 이축 스크류 반응기는
    상기 바이오매스를 이송하는 이송부;
    상기 바이오매스가 체류하는 씰링부;
    상기 바이오매스를 분해하는 분산부;
    상기 분해된 바이오매스에 압력을 가하는 가압부; 및
    상기 분해된 바이오매스를 배출하는 배출부
    로부터 선택되는 적어도 하나의 스크류를 포함하는 고농도 발효성 당의 제조 장치.
  5. 이축 스크류 반응기에서 바이오매스 및 용매를 투입하여 상기 바이오매스를 전처리하는 단계;
    당화기 원료 공급기의 제1 탈수부에서 상기 전처리된 바이오매스로부터 상기 용매를 제거하고, 세척부에서 상기 용매가 제거된 바이오매스를 물로 세척하고, 제2 탈수부에서 상기 세척된 바이오매스로부터 물을 제거하고, 당화기 연결 공급부에서 상기 물이 제거된 바이오매스를 공급하는 단계; 및
    당화기에서 상기 공급된 바이오매스를 당화시키는 단계
    를 포함하는 고농도 발효성 당의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 바이오매스를 전처리하는 단계는 30 내지 180 ℃의 온도 및 50 내지 250 rpm의 속도에서 수행되는 고농도 발효성 당의 제조 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 바이오매스를 전처리하는 단계는
    상기 이축 스크류 반응기의 이송부에서 상기 바이오매스를 이송하는 단계;
    씰링부에서 상기 바이오매스가 체류하는 단계;
    분산부에서 상기 바이오매스를 분해하는 단계;
    가압부에서 상기 분해된 바이오매스에 압력을 가하는 단계; 및
    배출부에서 상기 분해된 바이오매스를 배출하는 단계
    로부터 선택되는 적어도 하나의 단계를 포함하는 고농도 발효성 당의 제조 방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
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