KR101395795B1 - Direct non-catalytic biodiesel production without oil extraction - Google Patents

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Abstract

본 발명은 바이오매스를 에스테르 교환 반응(Transesterification)을 통해 바이오 디젤(Biodiesel, FAMEs: Fatty Acid Methyl Esters)로 전환하는 방법에 관한 것으로, 특히, 동식물성 유지를 함유한 바이오매스와 탄소수 1 내지 12의 지방족 알코올류를 에스테르 교환 반응시켜 지방산 알킬 에스테르와 글리세롤을 생성시키는 단계를 포함하는 바이오 디젤의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면 동식물성 유지를 함유한 바이오매스를 착유 및 추출 공정 없이 직접 사용하여 고순도의 지방산 알킬 에스테르와 글리세롤을 생산할 수 있으며, 산 촉매 및 염기성 촉매 사용으로부터 기인하는 폐수 처리 등이 필요 없어 바이오 디젤 제조 공정의 전체 시간 및 비용을 절감할 수 있고 보다 친환경적인 공정으로 재생 연료 생산이 가능하다.
The present invention relates to a method for converting biomass into biodiesel (FAMEs: Fatty Acid Methyl Esters) through transesterification, and more particularly to a biomass containing biomass containing the same vegetable oil and a biomass having 1 to 12 carbon atoms And a step of transesterifying aliphatic alcohols to produce fatty acid alkyl esters and glycerol.
According to the present invention, high-purity fatty acid alkyl esters and glycerol can be produced directly using the biomass containing the vegetable oil without milking and extracting processes, and there is no need for wastewater treatment due to the use of an acid catalyst and a basic catalyst, The overall time and cost of the manufacturing process can be reduced and renewable fuels can be produced in a more environmentally friendly process.

Description

착유/추출과정을 생략한 통합형 무촉매 연속식 바이오디젤 전환 공정 {DIRECT NON-CATALYTIC BIODIESEL PRODUCTION WITHOUT OIL EXTRACTION}[0001] The present invention relates to an integrated non-catalytic continuous biodiesel conversion process for omitting the milking /

본 발명은 동식물성 유지를 함유한 바이오매스를 에스테르 교환 반응(Transesterification)을 통해 바이오 디젤(Biodiesel, FAMEs: Fatty Acid Methyl Esters)로 전환하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 바이오매스를 착유 및 추출 공정 없이 직접 사용하여 지방족 알코올류와 반응시켜 지방산 알킬 에스테르와 글리세롤을 생성시키는 단계를 포함하는 바이오 디젤의 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for converting biomass containing vegetable oil into transesterification to convert biodiesel (FAMEs) into fatty acid methyl esters And directly reacting with aliphatic alcohols to produce fatty acid alkyl esters and glycerol.

바이오디젤의 세대 구분은 편의상 다음과 같이 한다. 식용식물성 유지 유래 FAME은 1세대 바이오디젤이라고 한다. 같은 식물성 유지지만 비식용 유지를 FAME 전환에 이용한 경우는 2세대 바이오디젤이라 칭하는 것이 일반적이다. 미세조류 기름 유래 FAME은 편의상 3세대 바이오디젤이라 칭한다. 동물성 유지는 세대 구별이 없지만 1세대 바이오디젤이라 칭해도 무방하다. Biodiesel generation is classified as follows for convenience. FAME derived from edible vegetable oil is called first generation biodiesel. When the same vegetable oil is used but the non-edible oil is used for FAME conversion, it is generally called second generation biodiesel. FAME derived from microalgae oil is called 3rd generation biodiesel for convenience. There is no distinction between generations, but it can be called first generation biodiesel.

1-2세대 바이오디젤 생산을 위하여 압착에 의한 물리적 방법과 용매추출을 이용한 화학적 추출방법이 일반적이다. 따라서, 상당량의 기름 잔유물이 착유부산물에 존재한다. 압착을 하는 동안 열을 가해 기름의 압착을 돕기도 한다. 하지만, 1-2세대 바이오매스의 물리적 착유 방법과 달리 3세대 바이오매스의 경우에는 전적으로 용매를 이용한 화학적 추출 방법이 일반적으로 사용되고 있다. 3세대 바이오매스로부터 용매 추출을 용이하게 하기 위해 바이오매스를 물리적으로 분쇄, 산처리, 열처리의 추출 전처리가 병행되기도 한다. 이 추출 과정은 에너지 다소비 프로세스이며 용매의 회수 및 소모로 인해 바이오디젤 생산 비용의 큰 부분을 차지하고 있다. 현재, 미국의 Origin 오일, SRC와 같은 회사에서 시험용 수준(Pilot급)으로 미세조류로부터 기름을 추출하고 있지만 가능한 전체 기름 함량의 약 80%만 추출 가능한 상태이다.For 1-2 generation biodiesel production, physical extraction by compression and chemical extraction using solvent extraction are common. Thus, a significant amount of oil residue is present in the milking byproduct. It also helps to squeeze oil by applying heat during squeezing. However, unlike the physical milking method of the first and second generation biomass, a chemical extraction method using solvent is generally used for the third generation biomass. In order to facilitate solvent extraction from the third generation biomass, physical pretreatment of pulverization, acid treatment, and heat treatment of biomass may be performed in parallel. This extraction process is an energy consuming process and is a large part of biodiesel production costs due to the recovery and consumption of solvents. Currently, companies such as Origin Oil and SRC in the US are extracting oil from microalgae at a pilot level (Pilot grade), but only about 80% of the total oil content is available.

이와 같이, 기존의 바이오디젤 (Fatty Acid Methyl Esters: FAMEs) 생산은 동식물성 유지(식용/비식용 식물성 기름, 동물성 기름, 미세조류 기름)로부터 착유 혹은 추출된 기름을 에스테르 교환 반응(Transesterification)을 통하여 생산되었다. 비식용/식용 식물성 기름의 경우 압착 방식에 의한 착유를 하기 때문에 착유부산물에 상당한 양의 기름을 함유하고 있다. 또한, 미세조류 기름의 착유는 압착에 의한 것이 아닌 용매 추출이 일반적이기 때문에 에너지 및 비용이 더욱 많이 드는 것이 문제점이다.Thus, conventional production of FAMEs (Fatty Acid Methyl Esters: FAMEs) can be carried out by transesterification of milk obtained from the vegetable oil (edible / non-edible vegetable oil, animal oil, microalgae oil) Was produced. In the case of non-edible / edible vegetable oil, milking by press method involves a considerable amount of oil in milking byproducts. In addition, milking of microalgae oil is a problem in that energy and cost are increased because solvent extraction is not performed by squeezing.

또한, 현재 바이오 디젤 생산 공정 중 에스테르 교환 반응 공정만이 유일하게 상용화되어 있는데, 이렇게 에스테르 교환 반응(Transesterification)을 통하여 바이오 디젤 (Fatty Acid Methyl Esters: FAMEs)로 전환하는 방법에 있어서, 트리글리세라이드(Triglyceride)의 구조를 갖는 모든 식용/비식용 동식물성 유지는 FAMEs 생산을 할 수 있는 원료(반응 기질물)이 된다. 다만, 현재까지 대부분의 에스테르 교환 반응을 통한 상용화 바이오 디젤 전환 공정은 트리글리세라이드(Triglyceride)로부터 분리된 유리 지방산(Free Fatty Acids: FFAs)의 양에 따라 산 촉매(H2SO4)를 이용한 전처리 및 염기 촉매(KOH, NaOH)를 이용한 본처리로 구분되어 수행된다. In the process of converting biodiesel to FAMEs through the transesterification process, only transesterification reaction processes in the biodiesel production process are currently commercialized. In the process of converting biodiesel into FAMEs, a triglyceride ) All edible / non-edible vegetable fats are the raw materials (reaction substrate) capable of producing FAMEs. However, until now, most of the transesterification biodiesel conversion process through transesterification has been carried out by pretreatment with acid catalyst (H 2 SO 4 ) according to the amount of free fatty acids (FFAs) isolated from triglyceride (KOH, NaOH). ≪ / RTI >

특히, 상기 전처리 및 본처리는 각각 최소 30 시간 이상 또는 2 시간 이상의 장시간 동안의 반응 시간을 필요로 하며, 이러한 전처리 및 본처리 공정은 회분식 (Batch) 반응이기 때문에 FAMEs의 대량 생산에 적용하기 어려운 단점이 있다. 또한, 상기 전처리 및 본처리에 사용되는 산 촉매 및 염기 촉매는 온수를 이용한 수세(Washing) 공정을 통한 제거 공정이 필수적으로 포함된다. 그러나, 이러한 수세 공정은 다량의 폐수를 발생시키는 문제가 있을 뿐만 아니라, 반응 기질물인 동식물성 유지의 손실을 초래하여 전체 공정 수율이 현저히 저하되는 단점이 있다. Particularly, the pretreatment and the present treatment each require a reaction time of at least 30 hours or more than 2 hours, respectively, and the pretreatment and the present treatment process are batch reactions, which are difficult to apply to mass production of FAMEs . In addition, the acid catalyst and the base catalyst used in the pretreatment and the present treatment essentially include a removal process through a washing process using hot water. However, such a water washing process not only causes a problem of generating a large amount of wastewater, but also causes a loss of the vegetable oil as a reaction substrate, which leads to a disadvantage that the overall process yield is significantly lowered.

한편, 전술한 바와 같이 상용화 바이오 디젤 반응 공정에서 동일상(Homogeneous) 촉매의 사용은 수세 및 정치 분리 과정 때문에 바이오 디젤 대량 생산 시 많은 시간 및 폐수가 발생하게 된다. 원심분리기를 사용하지 않는 자연 정치의 경우에는 최소 1 시간 통상적으로 2 시간 이상이 소요된다. 하지만, 물에 씻겨나가는 바이오 디젤 기질물의 손실을 전혀 배제할 수 없다. 이러한 단점을 해결하기 위하여 메탄올 혹은 에탄올과 유지 성분을 120 ℃ 내지 250 ℃ 및 50 bar 내지 200 bar의 고압 조건 하에서 반응하여 직접 지방산 알킬 에스테르(FAMEs)을 얻는 초임계 에스테르 교환 반응(Supercritical Transesterification) 공정이 알려져 있다. 그러나, 상기 초임계 에스테르 교환 반응 공정에서는 생성된 지방산 알킬 에스테르를 회수할 수는 있지만, 메탄올 혹은 에탄올 등의 알코올류와 유지의 비가 약 20:1 내지 40:1로 많은 양이 사용되며 회분식으로 반응하는 것일 뿐이다. 이로써, 상기 초임계 에스테르 교환 반응 공정은 현재까지는 단지 연구 R&D 수준의 기술일 뿐이며, 과잉의 에탄올을 투입하기 때문에 에너지가 효율이 적은 것이 단점이 있기 때문에 디젤 생산을 위한 상용화 공정은 아직까지는 요원하다. On the other hand, as described above, the use of homogeneous catalyst in the commercialized biodiesel reaction process causes a lot of time and wastewater in the mass production of biodiesel due to washing and decantation processes. In the case of a natural state without a centrifuge, it takes at least one hour and usually two hours or more. However, the loss of the biodiesel substrate washed out in water can not be excluded at all. In order to solve such disadvantages, a supercritical transesterification process in which fatty acid alkyl esters (FAMEs) are obtained by reacting methanol or ethanol and a fat component under a high pressure condition of 120 to 250 ° C and 50 to 200 bar It is known. However, in the supercritical transesterification process, the produced fatty acid alkyl esters can be recovered. However, a large amount of alcohols such as methanol or ethanol and the oil are used in a ratio of about 20: 1 to 40: 1, It is only to do. As a result, the supercritical transesterification process is only a research R & D level technology until now, and the commercialization process for diesel production is not yet available because of the disadvantage that energy is inefficient because excess ethanol is added.

따라서, 바이오매스에 대한 착유 및 추출 과정 없이 동식물성 유지를 함유하고 있는 기질물 전체를 에스테르 교환 반응에 이용하여 고순도 바이오디젤을 생산할 수 있을 뿐만 아니라 기존의 회분식 방식(batch type)이 아닌 연속식 방식으로 대량 생산 공정에 효과적으로 적용할 수 있어, 환경친화적이고 현저한 에너지 절감 효과를 달성할 수 있는 바이오 디젤의 제조 공정 개발에 대한 연구가 필요하다.Therefore, it is possible not only to produce high purity biodiesel by using the entire substrate material containing the vegetable oil in the transesterification reaction without milking and extracting the biomass, but also by using the continuous type method It is necessary to study the development of a biodiesel manufacturing process that can achieve environmentally friendly and remarkable energy saving effects.

본 발명은 회분식 방식(batch type)이 아닌 연속식 방식으로 대량 생산 공정에 효과적으로 적용할 수 있으며, 바이오매스를 별도의 착유 및 추출 공정 없이 환경친화적이며 에너지 절감 형태로 고순도의 지방산 알킬 에스테르와 글리세롤을 얻을 수 있는 바이오 디젤의 제조 방법을 제공하고자 한다.The present invention can be effectively applied to a mass production process in a continuous manner rather than a batch type, and the biomass is environmentally friendly, without separate milking and extraction processes, And to provide a method for producing biodiesel.

본 발명은 동식물성 유지를 함유한 바이오매스와 탄소수 1 내지 12의 지방족 알코올류를 에스테르 교환 반응시켜 지방산 알킬 에스테르와 글리세롤을 생성시키는 단계를 포함하고, 상기 바이오매스는 200 ℃ 이상의 열처리 공정을 통해 다공성 물질로 전환되는 것인 바이오 디젤의 제조 방법을 제공한다. The present invention includes a step of transesterifying a biomass containing the vegetable oil and an aliphatic alcohol having 1 to 12 carbon atoms to produce a fatty acid alkyl ester and glycerol. The biomass is subjected to a heat treatment process at a temperature of 200 < Wherein the biodiesel is converted into a substance.

이하, 발명의 구체적인 구현예에 따라 동식물성 유지를 함유한 바이오매스에 열을 가하여 다공성 물질로 전환되는 바이오매스를 착유 및 추출 공정 없이 직접 사용하여 에스테르 교환 반응을 통해 지방산 알킬 에스테르로 전환하는 바이오 디젤의 제조 방법에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 발명의 하나의 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니며, 발명의 권리범위 내에서 구현예에 대한 다양한 변형이 가능함은 당업자에게 자명하다. Hereinafter, according to a specific embodiment of the present invention, a biomass which is converted into a porous material by applying heat to the biomass containing the vegetable oil is directly converted into a fatty acid alkyl ester through an ester exchange reaction without using milking and extraction processes, Will be described in more detail. It will be apparent to those skilled in the art, however, that this is not intended to limit the scope of the invention, which is set forth as an example of the invention, and that various modifications may be made to the embodiments within the scope of the invention.

추가적으로, 본 명세서 전체에서 특별한 언급이 없는 한 "포함" 또는 "함유"라 함은 어떤 구성 요소(또는 구성 성분)를 별다른 제한 없이 포함함을 지칭하며, 다른 구성 요소(또는 구성 성분)의 부가를 제외하는 것으로 해석될 수 없다.In addition, throughout this specification, "comprising" or "containing ", unless specifically stated, refers to including any and all components (or components) Can not be interpreted as excluding.

본 발명자들은 바이오매스를 사용한 바이오 디젤 제조 등에 대한 연구를 거듭하는 과정에서, 다공성 물질로 전환되는 동식물성 유지 함유 바이오매스를 사용할 경우에 별도의 착유 및 추출 공정 없이 기질물 전체를 에스테르 교환 반응을 통해 고순도의 지방산 알킬 에스테르와 글리세롤을 회분식 방식이 아닌 연속식 방식으로 생산할 수 있음을 확인하여 본 발명을 완성하였다. The present inventors have repeatedly conducted studies on the production of biodiesel using biomass, and in the course of repeated research on the production of biomass, when the biomass containing the vegetable oil which is converted into a porous material is used, the entire substrate is subjected to transesterification It has been confirmed that a high purity fatty acid alkyl ester and glycerol can be produced in a continuous system instead of a batch system, thereby completing the present invention.

특히, 본 발명은 동식물성 유지를 함유한 바이오매스 원료(raw material)가 일정 온도 조건 하에서, 예컨대, 200 ℃ 이상 또는 200 내지 550 ℃에서 다공성 물질로 변화하는 물성을 이용하는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명은 별도의 착유 및 추출 공정 없이 동식물성 유지 함유 바이오매스 기질물 전체를 직접 사용하여 환경적, 공학적, 경제적 측면 등을 고려할 때 바람직한 특징이 있다. 또한, 본 발명은 기존의 에스테르 교환 반응에 적용되는 산 촉매 및 염기 촉매 등을 필요로 하지 않음으로써, 이러한 촉매의 수세 공정으로 인한 폐수 처리 등이 수반되지 않아 바이오 디젤을 제조하는 전체 공정 시간 및 비용을 절감할 수 있고 보다 친환경적인 공정으로 재생 연료 생산이 가능한 장점이 있다. Particularly, the present invention is characterized in that a biomass raw material containing the vegetable oil fat is used as a porous material under a certain temperature condition, for example, at 200 ° C or higher or at 200 to 550 ° C. In addition, the present invention is advantageous in terms of environmental, engineering, and economical aspects by directly using the entire vegetable oil-containing biomass substrate without separate milking and extraction processes. Further, the present invention does not require an acid catalyst and a base catalyst, which are applied to the conventional transesterification reaction, and thus does not involve wastewater treatment due to the washing process of the catalyst, And the production of regenerated fuel is possible with a more environmentally friendly process.

이에 발명의 일 구현예에 따르면, 동식물성 유지를 함유한 바이오매스를 열을 가하여 다공성화 된 바이오매스로 전환 후 별도의 착유 및 추출 공정 없이 직접 에스테르 교환 반응에 적용하는 것을 특징으로 하는 바이오 디젤의 제조 방법이 제공된다. 상기 바이오 디젤의 제조 방법은 동식물성 유지를 함유한 바이오매스와 탄소수 1 내지 12의 지방족 알코올류를 에스테르 교환 반응시켜 지방산 알킬 에스테르와 글리세롤을 생성시키는 단계를 포함할 수 있고, 상기 바이오매스는 200 ℃ 이상의 열처리 공정을 통해 다공성 물질로 전환되는 것일 수 있다. 여기서, 상기 바이오매스가 다공성 물질로 전환되는 "열처리 공정"이라 함은 바이오디젤 전환 중에 다공성 물질로 전환함을 의미한다. According to one embodiment of the present invention, the biomass containing the vegetable oil is converted into a porous biomass by heating and then directly subjected to an ester exchange reaction without a separate milking and extraction process. A manufacturing method is provided. The method of producing biodiesel may include a step of transesterifying a biomass containing the vegetable oil and an aliphatic alcohol having 1 to 12 carbon atoms to produce a fatty acid alkyl ester and glycerol, Or may be converted to a porous material through the above-described heat treatment process. Here, the "heat treatment process" in which the biomass is converted into a porous material means that it is converted into a porous material during biodiesel conversion.

특히, 본 발명은 열화학적 전환 방법으로 에스테르 교환 반응을 유도한다. 즉, 본 발명은 기존의 촉매를 이용한 에스테르 교환 반응과 다르게, 열원을 공급하여 반응기질물의 에너지 준위를 높여 에스테르 교환 반응을 유도한다. 따라서, 본 발명은 촉매를 사용하지 않으며, 반응기질물은 알코올류(MeOH, EtOH 등)와 함께 동식물성 유지를 함유한 바이오매스만을 이용하는 것을 특징으로 한다. In particular, the present invention induces an ester exchange reaction by a thermochemical conversion method. That is, unlike the transesterification reaction using the existing catalyst, the present invention induces transesterification reaction by increasing the energy level of the reactor material by supplying a heat source. Therefore, the present invention does not use a catalyst, and the reactor is characterized by using only biomass containing the same vegetable oil together with alcohols (MeOH, EtOH, etc.).

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명은 상기 동식물성 유지 함유 바이오매스로부터 무촉매 연속식 에스테르 교환 반응을 통해 별도의 착유 및 추출 과정 없이 바이오디젤을 생산할 수 있다. 특히, 기름을 다량 함유하고 있는 1-2세대 바이오매스, 동물성유지, 혹은 건조된 3세대 바이오매스의 경우에는 도 1의 Case I과 같은 방법으로 무촉매 연속식으로 바이오디젤 (FAME)을 제조할 수 있다. 다만, 3세대 바이오디젤의 기질물인 미세조류 및 하수 슬러지(waste water sludge)는 1-2세대 바이오매스와 달리 수분함량이 높다(건중량 바이오매스의 80%가 수분). 물의 비열이 크기 때문에 과량의 수분을 함유한 바이오매스를 사용할 경우 무촉매 연속식 에스테르 교환 반응 공정의 반응 온도를 유지하는 것이 어려울 수 있다. 따라서, 도 1의 Case II의 경우에는 기질물 투입이전에 건조기를 거쳐 수분을 낮추는 것을 특징으로 하고 있다. 도 1의 Case III의 경우에는 건조된 바이오매스를 이용하여 고온에서 기름성분을 증발시킨 후에, 본 발명의 에스테르 교환 반응을 포함한 나머지 공정과 결합함을 의미한다.As shown in FIG. 1, the present invention can produce biodiesel from the vegetable oil-containing biomass without a separate milking and extraction process through a non-catalytic continuous ester exchange reaction. In particular, in the case of a first generation biomass, an animal oil, or a dried third generation biomass, which contains a large amount of oil, biodiesel (FAME) is produced continuously in the same manner as Case I in FIG. 1 . However, micro-algae and waste water sludge, which are substrates of 3rd generation biodiesel, have high water content (80% moisture of dry weight biomass), unlike 1-2 generation biomass. Because of the high specific heat of water, it can be difficult to maintain the reaction temperature of the transesterified, transesterification process when biomass containing excess water is used. Thus, Case II of FIG. 1 is characterized in that the moisture is lowered through the dryer before the introduction of the substrate. In case of Case III in FIG. 1, it means that the dried biomass is used to evaporate oil components at a high temperature and then combined with the remaining processes including the transesterification reaction of the present invention.

특히, 도 2에 도식화된 것처럼 본 발명은 바이오매스로부터 형성된 다공성 물질(Porous materials)을 사용하는 것을 특징으로 한다. 또한, 도 3에 도식화된 것처럼 기공(Pore)나 벌크상(Bulk Phase)에 존재하는 기상화된 MeOH는 고온으로 인하여 운동에너지가 증가하게 된다. 따라서, 기공(Pore)에 흡착되어 존재하는 동식물성유지의 트리글리세라이드(Triglyceride)와 충돌로 인하여 에스테르 교환 반응(Transesterification)을 유발한다. 반응 생산물인 FAMEs과 글리세린은 반응 온도로 인하여 대부분 기상으로 반응기 밖으로 나온다. 응축(Condensation)시키는 것만으로 고순도의 FAMEs 및 글리세린을 얻을 수 있다. In particular, as illustrated in FIG. 2, the present invention is characterized by the use of porous materials formed from biomass. Also, as shown in FIG. 3, the vaporized MeOH existing in the pores or the bulk phase increases kinetic energy due to the high temperature. Therefore, transesterification reaction occurs due to collision with the triglyceride of the vegetable oil which is adsorbed on the pore. The reaction products, FAMEs and glycerine, are mostly out of the reactor due to the reaction temperature. High concentration of FAMEs and glycerin can be obtained simply by condensation.

한편, 본 발명에서 다공성 바이오매스(Porous Biomass)는 동식물성 유지를 함유한 바이오매스 중에서 상기 열화학적 전환 방법으로서 고온의 에스테르 교환 반응에서 공극이나 기공, 세공, 포어, 에어갭(void, pore, air gap, opening, cavity, hole, hollow) 등을 형성하는 모든 다공성 물질을 칭하는 것이다. 특히, 본 발명의 다공성 바이오매스(Porous Biomass)는 200 ℃ 이상에서 미세 기공체 (micropore, 기공 직경: 2nm 이하), 메조 기공체 (mesopore, 기공직경: 2~50 nm), 또한 매크로 기공체 (Macropore, 기공직경: 50 mm 이상)등의 기공이 발생하게 된다. 기공의 형태는 일정하지 않지만 메조 기공체, 마크로 기공체가 많이 발생하게 된다. 무작위한 분포를 보이기 때문에 특정화 시키기는 어렵다. 하지만, 마이크로 기공체는 많이 생기지 않는다. 따라서, 이렇게 발생된 기공체가 다공성화됨으로써, 기존의 에스테르 교환 반응에 적용되는 산 촉매 및 염기 촉매 등을 필요로 하지 않으며, 단지 반응기질물의 에너지 준위를 높여 에스테르 교환 반응을 유도하는 열화학적 전환 방법으로 고순도의 지방산 알킬 에스테르와 글리세롤을 제조할 수 있는 것이다. 또한, 본 발명은 상압에서도 충분히 효과적인 에스테르 교환 반응 수행이 가능한 것으로서, 기존의 초임계 (250~400 ℃, 200 Bar)의 바이오디젤 전환 반응과는 명확한 차이를 보인다.Porous biomass in the present invention is a thermochemical conversion method of a biomass containing the same vegetable oil as a porous biomass. In the transesterification reaction of a high temperature, porosity, pore, pore, air gap (void, pore, air gap, opening, cavity, hole, hollow), and the like. Particularly, the porous biomass of the present invention can be produced by using a microporous (pore diameter: 2 nm or less), a mesopore (pore diameter: 2 to 50 nm) and a macroporous body Macropore, pore diameter: 50 mm or more). The shape of pores is not constant but many mesopores and macropores are generated. Because it has a random distribution, it is difficult to specify it. However, there are not many micropores. Therefore, since the generated porous body becomes porous, it does not require an acid catalyst and a base catalyst applied to the conventional transesterification reaction, and merely raises the energy level of the reactor to increase the transesterification reaction. High-purity fatty acid alkyl ester and glycerol can be produced. In addition, the present invention is capable of performing a sufficiently effective transesterification reaction even at normal pressure, and shows a clear difference from the conventional supercritical (250 to 400 ° C, 200 Bar) biodiesel conversion reaction.

또한, 상기 다공성 바이오매스는 본 발명에 따른 고온의 에스테르 교환 반응에서 상기 바이오매스에 함유된 동식물성 유지와 알코올류의 에너지 준위를 효과적으로 증가시킬 수 있는 기공(Pore) 또는 벌크상(Bulk Phase)이 형성되는 모든 다공성 물질이 될 수 있다. 특히, 기상화된 알코올류가 고온으로 인하여 운동에너지가 증가하게 되며, 바이오매스로부터 제공되어 기공(Pore)에 흡착된 형태로 존재하게 되는 동식물성 유지 성분과 충돌로 인하여 에스테르 교환 반응(Transesterification)을 진행할 수 있게 된다. 따라서, 본 발명의 다공성 바이오매스는 상기 에스테르 교환 반응에서 반응기질물의 기상화 및 흡착 등이 가능한 기공(pore)를 형성하는 정도에서 다양한 기공 크기 및 기공 분포를 형성시키는 것이 될 수 있다. In addition, the porous biomass may have a pore or bulk phase which can effectively increase the energy level of the same vegetable oil and alcohol contained in the biomass in the transesterification reaction at a high temperature according to the present invention May be any porous material formed. Especially, the vaporized alcohols increase in kinetic energy due to high temperature, and transesterification reaction occurs due to collision with the vegetable oil retaining component which is provided from biomass and adsorbed on the pore. You can proceed. Accordingly, the porous biomass of the present invention can form various pore sizes and pore distributions to the extent that the pore forms pores capable of vaporization and adsorption of the reactor material in the transesterification reaction.

예컨대, 상기 다공성 바이오매스로는 미세 기공체(micropore, 기공 직경: 2 nm 이하), 메조 기공체(mesopore, 기공 직경: 2~50 nm), 또는 매크로 기공체(macropore, 기공 직경: 50 nm 이상) 등이 모두 사용될 수 있다. 다만, 반응기 크기의 최적화 및 공정 효율 개선 측면에서, 상기 다공성 바이오매스는 1 nm 이상 또는 1 nm 이상 내지 500 ㎛ 이하, 바람직하게는 1.5 nm 이상, 좀더 바람직하게는 2 nm 이상의 평균 직경을 갖는 기공을 포함하는 것이 될 수 있다. For example, the porous biomass may be a micropore (pore diameter: 2 nm or less), a mesopore (pore diameter: 2 to 50 nm), or a macropore (pore diameter: ) May be used. However, in terms of optimizing the reactor size and improving the process efficiency, the porous biomass has pores having an average diameter of 1 nm or more or 1 nm or more and 500 占 퐉 or less, preferably 1.5 nm or more, more preferably 2 nm or more May be included.

도 4에 나타낸 바와 같이, 동식물성 유지를 포함하고 있는 바이오매스의 경우 막으로 구성되어져 있기 때문에 기존의 기공이 파괴되거나 혹은 포어(Pore)가 발생할 수 있게 된다. 이에 따라, 본 발명에서는 현재까지 알려진 모든 동식물성 유지를 함유한 바이오매스를 사용할 수 있다. 이러한 바이오매스의 일례로는 챠콜(Charcoal), 아몬드(Almond), 참깨(Sesame Seed), 들깨(Perilla Seed), 해바라기씨(Sunflower Seed), 커피(Coffee Bean), 평지씨(Rape Seed), 규조류(Diatom), 미세조류(Microalgae), 및 하수 슬러지(sludge)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상 등을 들 수 있다. As shown in FIG. 4, since the biomass containing the vegetable oil is composed of a membrane, existing pores may be destroyed or pores may be generated. Accordingly, in the present invention, biomass containing all the vegetable oils known so far can be used. Examples of such biomass include Charcoal, Almond, Sesame Seed, Perilla Seed, Sunflower Seed, Coffee Bean, Rape Seed, Diatoms At least one selected from the group consisting of diatom, microalgae, and sewage sludge.

또한, 상기 바이오매스에 함유된 동식물성 유지는 비식용 기름을 모두 포함하며 미세조류 오일까지도 포함한다. 동식물성 기름이라 함은 트리클리세라이드(Triglyceride)을 포함한 모든 유지를 뜻하며, 그의 자유지방산(FFAs)까지도 포함한다. 특히, 상기 동식물성 유지는 하기 화학식 1로 표시되는 트리글리세라이드(Triglyceride)를 포함할 수 있다. In addition, the same vegetable oil contained in the biomass includes all non-edible oils and even micro-algae oil. The term vegetable oil refers to all oils, including triglycerides, including their free fatty acids (FFAs). In particular, the vegetable oil may include a triglyceride represented by the following formula (1).

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Figure 112011078122062-pat00001
Figure 112011078122062-pat00001

식 중, Wherein,

R1, R2, 및 R3는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 탄소수 4 내지 38의 지방족 탄화수소기이며, 바람직하게는 탄소수 4 내지 24, 좀더 바람직하게는 탄소수 12 내지 20의 지방족 탄화수소기가 될 수 있다. 상기 트리글리세라이드(Triglyceride)의 지방산 치환기의 탄소수는 통상의 경유, 디젤와 비슷한 정도에서 최적화될 수 있다. R 1 , R 2 and R 3 are the same or different and each is an aliphatic hydrocarbon group having 4 to 38 carbon atoms, preferably an aliphatic hydrocarbon group having 4 to 24 carbon atoms, more preferably 12 to 20 carbon atoms . The carbon number of the fatty acid substituent of the above-mentioned triglyceride can be optimized to a level similar to that of ordinary diesel, diesel.

상기 동식물성 유지의 물리화학적 성질(점도, 분자량, 끓는점 등)은 트리글리세라이드에 존재하고 있는 지방산(Fatty Acids: FAs)의 종류, 즉, 상기 화학식 1에서 치환기 R1, R2, R3 등의 종류에 따라 달라질 수 있다. Physical and chemical properties of the animal or vegetable oil (viscosity, molecular weight, boiling point, etc.) are triglycerides that are present fatty acids: such kind of (Fatty Acids FAs), i.e., the substituents in the formula 1 R 1, R 2, R 3 of the It depends on the kind.

또한, 상기 동식물성 유지의 구체적인 일례로 하기 화학식 2로 표시되는 트리글리세라이드를 포함하는 것을 들 수 있다. As specific examples of the vegetable oil, there may be mentioned those containing triglyceride represented by the following formula (2).

[화학식 2](2)

Figure 112011078122062-pat00002
Figure 112011078122062-pat00002

상기 동식물성 유지에서 트리글리세라이드에 존재하고 있는 지방산은 외부의 자극(열, 태양광, 산화 등)에 의해 상기 트리글리세라이드로부터 분리되며 이를 유리 지방산(Free Fatty Acids: FFAs)이라 칭한다. 상기 유리 지방산(FFAs)은 분자 구조적으로 반드시 카르복실기(Carboxyl group)을 포함하며 산성을 나타내게 된다. 이에 따라 기존의 에스테르 교환 반응에서는 상기 동식물성 유지에 포함된 유리 지방산의 함량, 즉, 이로부터 비롯된 산가 등에 따라 산 촉매 및 염기 촉매를 사용하였다. 그러나, 본 발명은 상기 유리 지방산의 함량 등에 상관 없이 동식물성 유지를 함유한 바이오매스를 직접 에스테르 교환 반응을 수행하여 지방산 알킬 에스테르를 생성시킬 수 있다. 따라서, 상기 바이오매스로부터 공급되는 동식물성 유지 성분 중에 FFA가 많은 경우에도 우수한 공정 효율로 바이오 디젤을 효과적으로 생성할 수 있으며, 특히, 바이오매스를 착유 및 추출 공정 없이 직접 사용할 수 있어, 본 발명은 바이오 디젤 전환 기질물에 관한 제약을 해결하는 장점을 갖는 것이다. The fatty acid present in the triglyceride in the vegetable oil is separated from the triglyceride by external stimulation (heat, sunlight, oxidation, etc.) and is called free fatty acids (FFAs). The free fatty acids (FFAs) contain a carboxyl group in a molecular structure and exhibit acidity. Accordingly, in the conventional transesterification reaction, an acid catalyst and a base catalyst were used depending on the content of the free fatty acid contained in the vegetable oil, that is, the acid value derived therefrom. However, in the present invention, the fatty acid alkyl ester can be produced by directly transesterifying the biomass containing the vegetable oil regardless of the content of the free fatty acid. Therefore, even when the amount of FFA is large among the vegetable oil retaining ingredients supplied from the biomass, the biodiesel can be effectively produced with excellent process efficiency. In particular, the biomass can be directly used without the milking and extraction process, It has the advantage of solving the restrictions on the diesel conversion substrate.

본 발명에서는 상기 바이오매스로서 상기 화학식 1로 표시되는 트리글리세라이드(Triglyceride) 등으로 이뤄진 동식물성 유지 이외에 소량의 기타 불순물을 포함하거나 물 등이 포함된 것을 사용할 수도 있다. 특히, 본 발명에서는 이와 같이 반응기질물에 물이 포함되어 있어도 에스테르 교환 반응을 효과적으로 진행할 수 있는 장점이 있다. 예컨대, 미세조류 및 하수 슬러지의 경우 다량의 물을 함유하고 있거나 건조 후에도 건중량 대비 10%의 물이 존재하기도 한다. 이 때, 본 발명에 적용 가능한 물의 함량은 바이오매스 총량 대비 80 중량% 이하, 바람직하게는 40 중량% 이하, 좀더 바람직하게는 10 중량% 이하가 될 수 있다. In the present invention, the biomass may contain other small amounts of impurities, water, or the like in addition to the vegetable oil, such as triglyceride, represented by the formula (1). Particularly, in the present invention, even when water is contained in the reactor, the transesterification reaction can be effectively performed. For example, microalgae and sewage sludge may contain large amounts of water, or even 10% of the dry weight of water may be present after drying. At this time, the water content applicable to the present invention may be 80 wt% or less, preferably 40 wt% or less, more preferably 10 wt% or less, based on the total amount of biomass.

한편, 본 발명에서 상기 바이오매스의 원료 성분으로서 하수 슬러지(waste water sludge)는 생활 폐수나 산업용 처리수 등을 취수하여, 침전 공정 등을 거쳐 하수 처리장에서 건져낸 침전물 등에 해당하는 것이다. 상기 하수 슬러지는 일종의 박테리아 군집체 정도라 할 수 있으며, 탈수한 경우에는 함수율이 약 80 중량% 정도가 될 수 있고, 기름 함량의 경우에는 건중량 대비로 약 15 중량% 내지 25 중량% 정도 될 수 있다. 이때, 기름은 트리글리세라이드(Triglyceride)를 기본으로 하는 동식물성 기름과 유사하다. Meanwhile, in the present invention, a waste water sludge as a raw material component of the biomass corresponds to a sediment collected from a sewage treatment plant through a precipitation process or the like, taking in domestic wastewater or industrial treatment water. The sewage sludge may be a kind of bacterial grouping, and when dehydrated, the water content may be about 80 wt%, and in case of oil content, about 15 wt% to 25 wt% . At this time, the oil is similar to the same vegetable oil based on triglyceride.

이에 따라, 본 발명은 상기 바이오매스를 250 ℃ 이하의 온도 조건 하에서 건조시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다(CASE II에 해당). 이러한 건조 단계는 바이오매스 총량 대비 20 중량% 이상의 수분을 함유하고 있는 모든 바이오매스에 적용할 수 있다. 이러한 건조 단계를 통해 수분을 현저하게 저감할 수 있으며 바이오매스 내에 존재하고 있는 오일성분의 열분해를 막을 수 있다. 이러한 건조 단계를 통해 바이오매스의 수분 함량을 바이오매스 총량 대비 45 중량% 이하, 바람직하게는 40 중량% 이하, 좀더 바람직하게는 10 중량% 이하로 낮출 수 있다. Accordingly, the present invention may further include a step of drying the biomass under a temperature condition of 250 DEG C or less (corresponding to CASE II). This drying step can be applied to all biomass containing more than 20% by weight of water based on the total amount of biomass. This drying step can significantly reduce water content and prevent pyrolysis of the oil component present in the biomass. Through this drying step, the moisture content of the biomass can be lowered to 45 wt% or less, preferably 40 wt% or less, more preferably 10 wt% or less, based on the total amount of biomass.

또한, 상기 바이오매스를 온도 480 ℃ 조건 하에서 오일 성분을 증발시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다(CASE III에 해당). 이러한 오일 성분 증발 단계는 기름을 함유하고 있는 바이오디젤 생산의 기질물로 사용되는 바이오매스에 적용할 수 있다. 이러한 오일 성분 증발 단계를 통해 바이오매스와 기름을 분리할 수 있다. 또한 수분도 함께 나오지만 수분과 오일은 비중차에 의하여 쉽게 분리할 수 있다. 이러한 오일 성분 증발 단계를 통해 바이오매스에 함유된 오일 함량을 바이오매스 총량 대비 45 중량% 이하, 바람직하게는 40 중량% 이하, 좀더 바람직하게는 10 중량% 이하로 낮출 수 있다.  Further, the biomass may further include a step of evaporating the oil component at a temperature of 480 DEG C (corresponding to CASE III). Such an oil component evaporation step can be applied to biomass used as a substrate for the production of oil-containing biodiesel. Such an oil component evaporation step can separate biomass and oil. In addition, moisture is also present, but moisture and oil can be easily separated by the specific gravity difference. Through this oil component evaporation step, the oil content contained in the biomass can be lowered to 45 wt% or less, preferably 40 wt% or less, more preferably 10 wt% or less, based on the total amount of biomass.

상기 동식물성 유지로는 팜유, 대두유, 유채유, 옥수수유, 평지유, 해바라기유, 홍화유, 면실유, 참기름, 미강유, 팜핵유, 동백유, 피마자유, 올리브유, 야자유, 우지, 돈지, 양지, 어유, 고래기름, 다랑어 기름, 및 이들의 폐유로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 들 수 있다. 다만, 동물성 기름의 경우에는 대부분 기름으로 이루어져 있기 때문에 별도의 다공성 물질, 예컨대, 활성 알루미나(Activated Alumina) 등과 함께 혼합하여 넣어 주던가 본 발명에 사용 가능한 기타 바이오매스와 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다. Examples of the vegetable oil include soybean oil, palm oil, corn oil, rapeseed oil, sunflower oil, safflower oil, cottonseed oil, sesame oil, rice bran oil, palm kernel oil, camellia oil, castor oil, olive oil, palm oil, Oil, tuna oil, and waste oils thereof. However, in the case of animal oil, since it is mostly composed of oil, it is preferable to mix it with another porous material such as activated alumina, or mix it with other biomass usable in the present invention.

한편, 본 발명에서 상기 동식물성 유지 함유 바이오매스와 함께 반응기질물로 사용되는 알코올류로는 탄소수 1 내지 12의 지방족 알코올류를 들 수 있다. 특히, 상기 알코올류는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 및 펜탄올로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이 될 수 있다. 이 중에서, 메탄올 및 에탄올 등이 가격적인 측면에서 선호될 수 있으며, 반응성을 고려할 경우에 메탄올이 에탄올보다 적합하다고 할 수 있다. 메탄올(MeOH)의 경우에는 반응성 및 화합물 구조적(steric) 인자들에 의해서 반응성이 좋아질 수 있다. 또한, 탄소수가 많은 알코올을 사용하여 생성되는 지방산 알킬 에스테르(Fatty Acid Methyl Esters, FAME)의 탄소 분자수를 증가시킬 수 있다. 예컨대, 경유의 경우에 탄소수 31개까지 존재하기는 하지만 대부분 24개 이내이기 때문에, 이러한 정도에서 물성의 변화를 부여할 수 있다. 특히, 다양한 종류의 알코올을 사용함으로써, 생성되는 FAME에 다양한 물성 변화를 시도할 수 있다.Meanwhile, in the present invention, the alcohols used as the reactor material together with the vegetable-containing biomass include aliphatic alcohols having 1 to 12 carbon atoms. In particular, the alcohols may be at least one selected from the group consisting of methanol, ethanol, propanol, butanol, and pentanol. Of these, methanol and ethanol can be preferred in terms of price, and methanol is more suitable than ethanol in consideration of reactivity. In the case of methanol (MeOH), reactivity can be improved by reactivity and compound steric factors. Also, it is possible to increase the carbon number of Fatty Acid Methyl Esters (FAME) produced by using a carbon-rich alcohol. For example, in the case of light oil, although there are up to 31 carbon atoms, the number of carbon atoms is usually within 24, so that a change in physical properties can be imparted to this degree. Especially, by using various kinds of alcohols, it is possible to try various property changes to the FAME produced.

상기 동식물성 유지 함유 바이오매스와 상기 알코올류를 반응시킴에 있어서, 상기 바이오매스 100 중량부에 대하여 상기 알코올류는 5 중량부 이상, 10 중량부 이상 또는 10 내지 30 중량부, 또는 50 중량부 이상을 사용할 수 있다. 상기 알코올류는 화학양론적 측면에서 바이오매스에 존해하는 오일 5 중량부 이상이 바람직하고, 다량으로 반응시킬 수도 있으나 에너지 효율 측면에서 그의 사용량을 최소화하여 동식물성 유지와의 반응을 수행할 수 있다. 기존의 산촉매 또는 알칼리 촉매를 사용하는 방법이나 초임계적 에스테르 교환 방법을 적용하는 경우에는, 동식물성 유지 100 중량부에 대하여 알코올 20 내지 40 중량부를 반응시키면, 바이오 디젤를 생성시키는 전환 반응이 아예 일어나지 않거나 최소한 2 시간 이상의 반응 시간이 필요했다. 하지만, 본 발명은 상술한 바와 같은 소량의 알코올류를 적용시에도, 10분 이하의 단시간 동안 약 90% 이상, 바람직하게는 95% 이상, 좀더 바람직하게는 98% 이상의 전환율을 보이며, 기존의 바이오 디젤 전환 공정에 비하여 현저히 적은 양의 알코올이 사용됨이 특징이라 할 수 있다. In the reaction of the vegetable oil-containing biomass with the alcohols, the alcohol may be used in an amount of 5 parts by weight or more, 10 parts by weight or more, or 10 parts by weight to 30 parts by weight, or 50 parts by weight or more with respect to 100 parts by weight of the biomass Can be used. The alcohols are preferably at least 5 parts by weight of the oil which is biomass-dependent in terms of stoichiometry and can be reacted in a large amount, but the reaction with the vegetable oil can be performed by minimizing the amount of energy consumption. When a conventional method using an acid catalyst or an alkali catalyst or a superchemic ester exchange method is used, when 20 to 40 parts by weight of alcohol is reacted with 100 parts by weight of the vegetable oil, no conversion reaction for generating biodiesel occurs at all or at least A reaction time of 2 hours or more was required. However, the present invention exhibits a conversion of at least 90%, preferably at least 95%, more preferably at least 98% in a short time of 10 minutes or less even when a small amount of alcohol as described above is applied, This feature is characterized by the use of a significantly smaller amount of alcohol compared to the diesel conversion process.

본 발명에 따른 에스테르 교환 반응은 무촉매로도 실현이 가능하나 Na2CO3, 백금, 구리, 지르코늄 등의촉매를 혼합하여 수행할 수도 있다. 이와 같이 촉매를 함께 사용하는 경우에, 바이오매스로부터 공급되는 동식물성 유지의 크래킹(Cracking)이 많이 일어나기 때문에 디젤 범위에 있는 탄소수 12 내지 20의 탄화소수 화합물, 방향족 화합물 등의 양이 증가할 수 있다. The transesterification reaction according to the present invention can be carried out by a non-catalytic reaction, but can also be carried out by mixing catalysts such as Na 2 CO 3 , platinum, copper, and zirconium. In the case of using the catalyst together, the amount of carbonated water, aromatic compound, etc. of 12 to 20 carbon atoms in the diesel range can be increased because cracking of the vegetable oil supplied from the biomass occurs in a large amount .

한편, 본 발명에 따른 에스테르 교환 반응은 반응기질물이 되는 바이오매스의 동식물성 유지에 대한 열적 크래킹(Thermal cracking)이 거의 일어나지 않으며, 단지 열에 의한 에너지 준위를 높이는 정도로만 최소한의 열을 가하는 것이 특징이다. 이러한 측면에서, 본 발명의 에스테르 교환 반응은 반응 온도 250 내지 550 ℃, 바람직하게는 300 내지 500 ℃, 바람직하게는 350 내지 450 ℃에서 수행할 수 있으며, 반응 압력 10 mmHg 내지 10 atm, 바람직하게는 0.5 내지 7 atm, 좀더 바람직하게는 1 내지 5 atm에서 수행할 수 있다. 상술한 바와 같이, 본 발명의 무촉매 연속식 에스테르 교환 반응을 통해 바이오매스의 동식물성 유지로부터 FAMEs의 전환이 효과적으로 이뤄질 수 있도록 250 ℃ 이상에서 수행할 수 있다. 또한, 열적 크래킹에 의하여 방향족 화합물(aromatic compounds) 생성 등을 방지하는 측면에서 550 ℃ 이하에서 수행할 수 있다. 특히, 본 발명의 에스테르 교환 반응은 상압에서도 가능하지만 고압에서도 수행할 수 있다. On the other hand, the transesterification reaction according to the present invention is characterized in that thermal cracking of the vegetable oil of the biomass as the reactor is hardly occurred and only the heat is applied only to the extent of raising the energy level by heat. In this respect, the transesterification reaction of the present invention can be carried out at a reaction temperature of 250 to 550 ° C, preferably 300 to 500 ° C, preferably 350 to 450 ° C, and a reaction pressure of 10 mmHg to 10 atm, 0.5 to 7 atm, and more preferably 1 to 5 atm. As described above, the reaction can be carried out at 250 ° C or higher so that the FAMEs can be effectively converted from the same vegetable oil of the biomass through the non-catalytic continuous transesterification reaction of the present invention. In addition, it may be carried out at 550 DEG C or less in terms of preventing the generation of aromatic compounds by thermal cracking. In particular, the transesterification reaction of the present invention can be carried out at atmospheric pressure but also at high pressure.

상기 에스테르 교환 반응은 상술한 바와 같은 온도 및 압력 조건 하에서, 체류 시간이 0.1 내지 10 분, 바람직하게는 0.2 내지 5분, 좀더 바람직하게는 0.2 내지 3분으로 수행할 수 있다. 이러한 반응 시간은 기존의 산 촉매 및 염기 촉매를 사용할 경우에 전처리 및 본처리 공정에서 최소한 2 시간 이상인 것에 비해 현저히 향상된 정도이며, 연구 단계에서 개발중인 초임계 에스테르 교환 반응의 5분 내지 20분 정도의 반응 시간에 비해서도 매우 우수한 공정 효율을 나타내는 것이다. The transesterification reaction can be carried out under the temperature and pressure conditions as described above at a retention time of 0.1 to 10 minutes, preferably 0.2 to 5 minutes, more preferably 0.2 to 3 minutes. This reaction time is remarkably improved compared with the case of using the existing acid catalyst and base catalyst for at least 2 hours in the pretreatment and the present treatment step, and the reaction time of 5 to 20 minutes And exhibits excellent process efficiency as compared with the reaction time.

본 발명의 에스테르 교환 반응은 액상의 동물성 유지와 기상의 지방족 알코올류와의 이종상(Heterogeneous) 반응으로 수행할 수 있다. 이는 에너지 절감 측면과 반응 수율의 극대화라는 이점이 있다. The transesterification reaction of the present invention can be carried out by a heterogeneous reaction between a liquid animal fat and a gaseous aliphatic alcohol. This has advantages in terms of energy saving and maximization of reaction yield.

한편, 본 발명의 무촉매 연속식 반응은 충전 가스(Purge gas)가 없이도 FAMEs을 생산할 수 있으나 반응의 체류 시간(Retention time) 조절을 위하여 충전 가스(Purge gas)를 사용하는 것도 무방하다. 상기 충전 가스(Purge gas)로는 질소, 아르곤, 및 이산화탄소로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다. 다만, 상기 에스테르 교환 반응을 이산화탄소를 포함하는 가스 분위기 하에서 수행하였을 때, 열분해 반응(Thermal decomposition)을 최소한으로 막을 수 있다, 본 발명이 무촉매 연속식 에스테르 교환 반응에서 지방산 알킬 에스테르(FAMEs)의 전환율을 현저히 향상시킬 수 있다. Meanwhile, the noncatalytic continuous reaction of the present invention can produce FAMEs without purge gas, but it is also possible to use purge gas for controlling the retention time of the reaction. The purge gas may include at least one selected from the group consisting of nitrogen, argon, and carbon dioxide. However, when the transesterification reaction is carried out in a gas atmosphere containing carbon dioxide, thermal decomposition can be minimized. In the present invention, conversion of fatty acid alkyl esters (FAMEs) Can be significantly improved.

본 발명에 따른 바이오 디젤의 제조 방법에서, 상기 에스테르 교환 반응은 연속식 공정으로 수행될 수 있다. In the method for producing biodiesel according to the present invention, the transesterification reaction can be carried out in a continuous process.

한편, 본 발명은 상술한 바와 산 촉매 및 염기 촉매 등을 사용하지 않고 동식물성 유지와 지방족 알코올류만을 반응시켜 바이오 디젤을 제조하기 때문에, 얻어진 바이오 디젤에 불순물을 최소화하고 순도가 높은 특징을 갖는다. 이때, 전환율 또한 기존의 공정보다 현저히 향상되는 정도로 얻을 수 있다. In the meantime, since biodiesel is produced by reacting only the aliphatic alcohol with the vegetable oil, without using an acid catalyst and a base catalyst, the present invention minimizes impurities and has high purity. At this time, the conversion rate can also be obtained to the extent that it significantly improves the existing process.

이러한 본 발명의 에스테르 교환 반응을 통해 생성되는 지방산 알킬 에스테르는 탄소수 10 내지 24, 바람직하게는 탄소수 12 내지 22, 좀더 바람직하게는 탄소수 14 내지 20인 지방족 부분을 포함하는 것이 될 수 있다. The fatty acid alkyl ester produced through the transesterification reaction of the present invention may contain an aliphatic moiety having 10 to 24 carbon atoms, preferably 12 to 22 carbon atoms, and more preferably 14 to 20 carbon atoms.

한편, 본 발명에 따른 에스테르 교환 반응은 바이오매스로부터 생성된 다공성 물질 존재 하에서 바이오매스에 함유된 동식물성 유지와 지방족 알코올류는 하기 반응식 1에 나타낸 바와 같이 이뤄진다. Meanwhile, in the transesterification reaction according to the present invention, the same vegetable oil and aliphatic alcohols contained in the biomass in the presence of the porous material produced from the biomass are as shown in the following reaction formula (1).

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

Figure 112011078122062-pat00003
Figure 112011078122062-pat00003

식 중, Wherein,

R1, R2, R3, R1', R2', 및 R3'는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 탄소수 4 내지 38의 지방족 탄화수소기이며, 바람직하게는 탄소수 4 내지 24, 좀더 바람직하게는 탄소수 12 내지 20의 지방족 탄화수소기가 될 수 있다. R 1 , R 2 , R 3 , R 1 ' , R 2' and R 3 ' are the same or different and each is an aliphatic hydrocarbon group having 4 to 38 carbon atoms, preferably 4 to 24 carbon atoms, May be an aliphatic hydrocarbon group having 12 to 20 carbon atoms.

상술한 바와 같은 본 발명의 바이오 디젤의 제조 방법은 기존의 바이오 디젤 생산을 위한 에스테르 교환반응 공정의 단점들을 극복하였으며 현재 R&D로 활발히 진행 중인 에스테르 교환반응의 단점을 모두 극복한 것으로 보인다. 바이오 디젤 전환에 있어 회분식(Batch) 방식이 아닌 연속형으로 바이오 디젤 전환공정이 개선되었다. 동식물성 기름에 존재하는 자유지방산(FFAs)에 따라 공정프로세스 및 공정 작동(Operation)이 달라지던 기존의 공정과 달리 본 발명은 자유지방산의 양과는 무관하게 효과적으로 수행할 수 있다. The above-described process for producing biodiesel of the present invention overcomes the disadvantages of the transesterification process for the conventional biodiesel production and overcomes all of the disadvantages of the transesterification reaction which is currently under active R & D. In biodiesel conversion, the biodiesel conversion process has been improved on a continuous basis, not in a batch mode. The present invention can be effectively carried out regardless of the amount of the free fatty acid, unlike the conventional process in which the process and the operation are changed according to the free fatty acids (FFAs) present in the vegetable oil.

본 발명은 에스테르 교환 반응 공정에서 사용되었던 촉매를 사용하지 않음으로써 전처리 및 본처리를 통합한 형태로 바이오 디젤 전환 공정을 새롭게 구축할 수 있다. 촉매와 통합형 전처리/본처리 공정을 통하여 기존이 폐수 발생 및 바이오 디젤 (FAMEs)의 손실을 원천적으로 봉쇄하는 효과도 있다. 또한, 현재의 연구개발(R&D) 단계에 있는 고온/고압의 초임계적(Supercritical) 반응에 의한 에스테르 교환 반응 공정과는 달리 본 발명은 상압에서 반응하는 것도 주요 특징이라 할 수 있다. 한편, 공정에서 이산화탄소를 사용한다는 점에서 기존 상용화 에스테르 교환반응 공정 및 R&D 단계의 에스테르 교환반응 공정과 뚜렷한 대비를 보인다. 이는 곧 환경친화적인 공정이기 때문에 본 발명의 효과라 할 수 있을 것이다. The present invention does not use the catalyst used in the transesterification process, so that the biodiesel conversion process can be newly constructed by combining the pretreatment and the present treatment. Through the integrated pretreatment / treatment process with catalyst, there is also an effect of blocking the existing wastewater generation and loss of biodiesel (FAMEs) originally. Also, unlike the ester exchange reaction process by the supercritical reaction at high temperature / high pressure in the current research and development (R & D) stage, the main characteristic of the present invention is to react at normal pressure. On the other hand, since carbon dioxide is used in the process, it shows a clear contrast with the conventional transesterification process and the transesterification process in the R & D stage. This is an effect of the present invention because it is an environmentally friendly process.

또한, 본 발명은 바이오 디젤은 기존의 상용공정보다 빨리 생산할 수 있기 때문에 에너지 절감 측면에서 뚜렷한 효과를 보인다. 특히, 반응물질인 메탄올과 동식물성 기름만 가지고 바이오 디젤 (FAMEs)을 제조하기 때문에 증류 정제 비용에 있어 현저한 비용 절감을 기대할 수 있다.In addition, since the present invention can produce biodiesel faster than conventional commercial processes, it shows a remarkable effect in terms of energy saving. Particularly, since bamboo diesel (FAMEs) are produced only by using methanol and the same vegetable oil as the reaction materials, a considerable cost reduction in the distillation purification cost can be expected.

이와 더불어, 본 발명은 1, 2, 3 세대 바이오 디젤에 있어서, 동일한 프로세스를 공유할 수 있으며 고순도의 FAMEs 및 글리세린을 얻을 수 있는 것이 특징이라 할 수 있다. In addition, the present invention is characterized in that the first, second, and third generation biodiesel can share the same process and can obtain high purity FAMEs and glycerin.

본 발명에 따라 동식물성 유지를 함유한 바이오매스를 사용한 에스테르 교환 반응으로부터 생성되는 지방산 알킬 에스테르의 전환율은 90% 이상, 바람직하게는 95% 이상, 좀더 바람직하게는 98% 이상이 될 수 있다. According to the present invention, the conversion rate of the fatty acid alkyl ester resulting from the transesterification reaction using the biomass containing the vegetable oil fat can be 90% or more, preferably 95% or more, more preferably 98% or more.

본 발명에 있어서 상기 기재된 내용 이외의 사항은 필요에 따라 가감이 가능한 것이므로, 본 발명에서는 특별히 한정하지 아니한다.In the present invention, matters other than those described above can be added or subtracted as required, and therefore, the present invention is not particularly limited thereto.

본 발명에 따르면, 바이오매스를 별도의 착유 및 추출 공정 없이 직접 사용하며 기존의 산 촉매 또는 염기 촉매를 사용하지 않고 에스테르 교환 반응을 수행함으로써, 회분식 방식(batch type)이 아닌 연속식 방식으로 바이오 디젤의 대량 생산 공정에 효과적으로 적용할 수 있으며, 별도의 수세 공정 없이 환경친화적이며 에너지 절감 형태로 고순도의 지방산 알킬 에스테르와 글리세롤을 얻을 수 있는 우수한 효과를 얻을 수 있다. According to the present invention, the biomass is directly used without any separate milking and extraction process, and the transesterification reaction is carried out without using the existing acid catalyst or base catalyst, whereby the biodiesel It is possible to obtain an excellent effect of obtaining a high purity fatty acid alkyl ester and glycerol in an environmentally friendly and energy saving manner without a separate washing process.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따라 동식물성 유지 함유 다공성 바이오매스로부터 무촉매 연속식 에스테르 교환 반응을 통해 별도의 착유 및 추출 과정 없이 바이오디젤을 생산하는 공정도이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 에스테르 교환 반응의 메커니즘을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 MeOH를 사용시 에스테르 교환 반응의 메커니즘을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 에스테르 교환 반응에 적용 가능한 동식물성 유지 함유 다공성 바이오매스의 일례를 나타낸 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 구현예에 따라 들깨를 사용하여 400 ℃의 온도 조절에 의한 FAME 전환율(Conversion)을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 구현예에 따라 챠콜을 사용하고, 기름 중량부 대비 수분중량비(0-100%)의 수분 함량 조절에 의한 FAME 전환율(Conversion)을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예 1에 따라 들깨를 사용하여 에스테르 교환 반응을 수행한 후 생성물에 대한 질량 분석 크로마토그램을 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 실시예 15에 따라 하수슬러지를 사용하여 에스테르 교환 반응을 수행한 후 생성물에 대한 질량 분석 크로마토그램을 나타낸 것이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a process diagram for producing biodiesel from a plant biomass containing vegetable oil according to an embodiment of the present invention without a separate milking and extraction process through a non-catalytic continuous ester exchange reaction.
2 is a schematic diagram schematically showing the mechanism of the transesterification reaction according to one embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram schematically showing the mechanism of transesterification reaction using MeOH according to one embodiment of the present invention.
4 is a photograph showing an example of the porous vegetable-containing porous biomass applicable to an ester exchange reaction according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a graph showing conversion of FAME by temperature control at 400 ° C. using perilla seed according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a graph showing conversion of FAME by controlling moisture content of a water weight ratio (0-100%) relative to oil by weight using charcoal according to an embodiment of the present invention.
7 is a mass spectrometry chromatogram of the product after transesterification using perilla according to Example 1 of the present invention.
8 is a mass spectrometry chromatogram of a product after transesterification using sewage sludge according to Example 15 of the present invention.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the scope of the present invention is not limited to the following examples.

실시예Example 1 One

하기 표 1에 나타낸 바와 같은 조건으로, 수분 함량 약 10 중량%의 들깨를 바이오매스로 사용하여 탄소수 1 내지 12의 지방족 알코올류와 에스테르 교환 반응을 연속식 공정으로 수행하고, 생성된 지방산 알킬 에스테르와 글리세롤을 회수하여 바이오 디젤을 제조하였다. The ester exchange reaction with an aliphatic alcohol having 1 to 12 carbon atoms was carried out in a continuous process using perilla as a biomass with a water content of about 10% by weight under the conditions shown in the following Table 1, and the resultant fatty acid alkyl ester Glycerol was recovered to prepare biodiesel.

이때, 생성된 지방산 메틸 에스테르(FAME)의 전환율은 다음과 같은 방법으로 측정하였다. The conversion of the resulting fatty acid methyl ester (FAME) was measured by the following method.

<FAME 전환율><FAME conversion rate>

FAME 전환율은 GC/MS를 통한 분석값을 이용한다. 바이오디젤의 분석법으로 ASTM D6751 혹은 EN14214 표준규격을 정하고 있다. 특히, EN14103 (Ester와 Linoleic AcidMethyl ester 함량분석)을 이용하여 FAME의 수율을 구했다. 그 외에도 EN14106/ASTM D6584는 글리세린과 Mono-, Di-, Triglyceride의 함량을 구할 때 사용했다.
FAME conversion rates are based on analytical values through GC / MS. ASTM D6751 or EN14214 standard specification for biodiesel analysis. In particular, the yield of FAME was determined using EN14103 (content of ester and linoleic acid methyl ester). In addition, EN14106 / ASTM D6584 was used to determine the content of glycerin, mono-, di- and triglycerides.

실시예Example 2~9 2 to 9

하기 표 1에 나타낸 바와 같은 조건을 달리한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 에스테르 교환 반응을 수행하고, 생성된 지방산 알킬 에스테르와 글리세롤을 회수하여 바이오 디젤을 제조하고, 생성된 지방산 메틸 에스테르(FAME)의 전환율을 측정하였다. The ester exchange reaction was carried out in the same manner as in Example 1 except for the conditions as shown in Table 1 below. The resulting fatty acid alkyl ester and glycerol were recovered to prepare biodiesel, and the resulting fatty acid methyl ester (FAME) were measured.

실시예Example 10~12 10-12

하기 표 1에 나타낸 바와 같은 조건으로, 바이오매스로서 수분 함량 10 중량%의 대두, 수분 함량 10 중량%의 유채씨, 및 수분 함량 30 중량%의 남조류을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 에스테르 교환 반응을 수행하고, 생성된 지방산 알킬 에스테르와 글리세롤을 회수하여 바이오 디젤을 제조하고, 생성된 지방산 메틸 에스테르(FAME)의 전환율을 측정하였다.The same procedures as in Example 1 were carried out except that 10% by weight of soybean, 10% by weight of rapeseed, and 30% by weight of water content of cyanobacteria were used as the biomass under the conditions shown in the following Table 1 Ester exchange reaction was carried out, and the produced fatty acid alkyl ester and glycerol were recovered to prepare biodiesel, and the conversion of the resulting fatty acid methyl ester (FAME) was measured.

실시예Example 13 13

하기 표 1에 나타낸 바와 같은 조건으로, 바이오매스로서 수분 함량 10 중량%의 돈지를 사용하며, 내화성 다공성 물질로서 숯(평균 기공지름:45nm) 성분을 바이오매스 100 중량부에 대하여 10 중량부로 추가로 혼합하여 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 에스테르 교환 반응을 수행하고, 생성된 지방산 알킬 에스테르와 글리세롤을 회수하여 바이오 디젤을 제조하고, 생성된 지방산 메틸 에스테르(FAME)의 전환율을 측정하였다.10 weight% of lard was used as biomass and 10 weight parts of charcoal (average pore diameter: 45 nm) as 100 parts by weight of biomass was added as a refractory porous material under the conditions shown in Table 1 below. Ester exchange reaction was carried out in the same manner as in Example 1, except that the fatty acid alkyl ester and glycerol were recovered to prepare biodiesel and the conversion of the resulting fatty acid methyl ester (FAME) was measured .

실시예Example 14~15 14-15

하기 표 1에 나타낸 바와 같은 조건으로, 바이오매스로서 미세조류(Chlorella Vugaris)에 해당하는 수분 함량 30 중량%의 클로렐라(Chlorella Vulgaris) 및 하수 슬러지를 각각 사용하며, 250 ℃ 조건으로 건조 단계를 추가로 수행하여 상기 바이오매스의 수분 함량을 5 중량% 이하로 감소시킨 후에, 에스테르 교환 반응을 수행한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 에스테르 교환 반응을 수행하고, 생성된 지방산 알킬 에스테르와 글리세롤을 회수하여 바이오 디젤을 제조하고, 생성된 지방산 메틸 에스테르(FAME)의 전환율을 측정하였다.Chlorella Vulgaris and sewage sludge having a water content of 30% by weight corresponding to microalgae (Chlorella vugaris) were used as biomass under the conditions shown in the following Table 1, respectively. , The ester exchange reaction was carried out in the same manner as in Example 1, except that the water content of the biomass was reduced to 5% by weight or less, and then the ester exchange reaction was carried out. The resultant fatty acid alkyl ester and glycerol The biodiesel was recovered and the conversion of the resulting fatty acid methyl ester (FAME) was measured.

실시예Example 16 16

하기 표 1에 나타낸 바와 같은 조건으로, 바이오매스로서 수분 함량 10 중량%으로 건조된 들깨를 사용하며, 490 ℃ 조건으로 고온에서 오일 성분을 증발시켜 얻어진 바이오매스의 오일 함량이 80 중량% 이하로 감소시킨 후에, 에스테르 교환 반응을 수행한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 에스테르 교환 반응을 수행하고, 생성된 지방산 알킬 에스테르와 글리세롤을 회수하여 바이오 디젤을 제조하고, 생성된 지방산 메틸 에스테르(FAME)의 전환율을 측정하였다.
Perilla dried at a moisture content of 10% by weight was used as the biomass under the conditions shown in the following Table 1, and the oil content of the biomass obtained by heating the oil component at 490 ° C at high temperature was reduced to 80% , The ester exchange reaction was carried out in the same manner as in Example 1 except that the ester exchange reaction was carried out, and the resulting fatty acid alkyl ester and glycerol were recovered to prepare biodiesel, and the resulting fatty acid methyl ester (FAME ) Was measured.

실시예 1~16에 따른 에스테르 교환 반응의 공정 조건 및 생성된 지방산 메틸 에스테르(FAME)의 전환율은 하기 표 1에 나타낸 바와 같다.
The process conditions of the transesterification reaction according to Examples 1 to 16 and the conversion rates of the resulting fatty acid methyl esters (FAME) are shown in Table 1 below.

구분division 바이오
매스
성분
Bio
mass
ingredient
바이오
매스
수분함량
(wt%)
Bio
mass
Moisture content
(wt%)
알코올류
성분
Alcohol
ingredient
바이오매스:
알코올류
중량비
Biomass:
Alcohol
Weight ratio
충전
가스
성분
charge
gas
ingredient
반응
온도
(℃)
reaction
Temperature
(° C)
반응
압력
(mmHg)
reaction
pressure
(mmHg)
체류
시간
(min)
visit
time
(min)
FAME
전환율
(%)
FAME
Conversion Rate
(%)
실시예1Example 1 들깨Perilla 55 MeOHMeOH 10:110: 1 CO2 CO 2 400400 760760 1One 9999 실시예2Example 2 들깨Perilla 1010 MeOHMeOH 10:1.510: 1.5 CO2 CO 2 300300 760760 0.70.7 8282 실시예3Example 3 들깨Perilla 1010 MeOHMeOH 10:1.510: 1.5 CO2 CO 2 320320 760760 1One 8484 실시예4Example 4 들깨Perilla 1010 MeOHMeOH 10:1.510: 1.5 CO2 CO 2 400400 1,5001,500 1One 98.598.5 실시예5Example 5 들깨Perilla 1010 MeOHMeOH 10:0.810: 0.8 CO2 CO 2 450450 1,5001,500 1One 98.198.1 실시예6Example 6 들깨Perilla 1010 MeOHMeOH 10:0.610: 0.6 CO2 CO 2 400400 760760 1One 98.4198.41 실시예7Example 7 들깨Perilla 1515 MeOHMeOH 10:410: 4 CO2 CO 2 400400 760760 1One 97.4897.48 실시예8Example 8 들깨Perilla 1515 EtOHEtOH 10:210: 2 CO2 CO 2 400400 760760 1One 98.598.5 실시예9Example 9 들깨Perilla 2020 MeOHMeOH 10:0.810: 0.8 N2 N 2 400400 760760 1One 97.9597.95 실시예10Example 10 대두Big head 1010 MeOHMeOH 10:210: 2 CO2 CO 2 400400 760760 1One 97.1297.12 실시예11Example 11 유채씨Rapeseed 1010 MeOHMeOH 10:1.510: 1.5 CO2 CO 2 400400 760760 1One 99.199.1 실시예12Example 12 남조류Green algae 3030 MeOHMeOH 10:210: 2 CO2 CO 2 400400 760760 1One 98.7498.74 실시예13Example 13 돈지Lard 1010 MeOHMeOH 10:210: 2 CO2 CO 2 400400 760760 1One 98.698.6 실시예14Example 14 클로렐라Chlorella 3030 MeOHMeOH 10:110: 1 CO2 CO 2 400400 760760 1One 98.898.8 실시예15Example 15 하수
슬러지
sewer
Sludge
3030 MeOHMeOH 10:110: 1 CO2 CO 2 400400 760760 1One 98.798.7
실시예16Example 16 들깨Perilla 1010 MeOHMeOH 10:110: 1 CO2 CO 2 400400 760760 1One 97.797.7

비교예Comparative Example 1 One

수분 함량 10 중량%의 대두유를 사용하여 기존의 방식대로 NaOH를 염기 촉매로 사용하여 반응 온도 60 ℃에서 에스테르 교환 반응을 2 시간 동안 수행하여 바이오디젤을 제조하였다. 이때, 대두유:메탄올의 중량비는 100:20이었으며, 최종적으로 생성된 지방산 메틸 에스테르(FAME)의 전환율은 92%이였다. Biodiesel was prepared using soybean oil having a moisture content of 10% by weight by performing transesterification reaction for 2 hours at a reaction temperature of 60 占 폚 using NaOH as a base catalyst in a conventional manner. At this time, the weight ratio of soybean oil: methanol was 100: 20, and the conversion rate of the resulting fatty acid methyl ester (FAME) was 92%.

비교예Comparative Example 2 2

수분 함량 20 중량%의 대두유를 사용하여 기존의 방식대로 NaOH를 염기 촉매로 사용하여 반응 온도 60 ℃에서 에스테르 교환 반응을 2 시간 동안 수행하여 바이오디젤을 제조하였다. 이때, 대두유:메탄올의 중량비는 100:20이었으며, 최종적으로 생성된 지방산 메틸 에스테르(FAME)의 전환율은 88%이였다. Biodiesel was prepared using soybean oil having a moisture content of 20% by weight by performing transesterification reaction for 2 hours at a reaction temperature of 60 占 폚 using NaOH as a base catalyst in a conventional manner. At this time, the weight ratio of soybean oil to methanol was 100:20, and the conversion rate of the resulting fatty acid methyl ester (FAME) was 88%.

비교예Comparative Example 3 3

수분 함량 10 중량%의 대두유를 사용하여 기존의 방식대로 NaOH를 염기 촉매로 사용하여 반응 온도 60 ℃에서 에스테르 교환 반응을 2시간 동안 수행하여 바이오디젤을 제조하였다. 이때, 대두유:메탄올의 중량비는 100:40이었으며, 최종적으로 생성된 지방산 메틸 에스테르(FAME)의 전환율은 94%이였다.
Biodiesel was prepared using soybean oil having a moisture content of 10% by weight by performing transesterification reaction for 2 hours at a reaction temperature of 60 占 폚 using NaOH as a base catalyst in a conventional manner. At this time, the weight ratio of soybean oil to methanol was 100:40, and the conversion rate of the resulting fatty acid methyl ester (FAME) was 94%.

상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따라 산 촉매 및 염기 촉매 등을 사용하지 않으면서, 동식물성 유지를 함유하고 200 ℃ 이상의 열처리 공정을 통해 다공성 물질로 전환되는 바이오매스 원료(raw material) 자체를 별도의 착유 및 추출 공정 없이 에스테르 교환 반응을 수행한 실시예 1 및 4~16의 경우에는 반응시간이 모두 1분 내외로 이루어 졌으며 전환율 또한 모두 95% 이상으로 빠른 시간안에 높은 전환율을 달성 할 수 있음을 알 수 있다. 반면에, 기존의 방식대로 염기 촉매를 사용한 비교예 1~3의 경우에는 전환율이 88% 내지 94%에 불과하여 좋지 않음을 알 수 있었다. As shown in Table 1, according to the present invention, a biomass raw material itself containing vegetable fat and converted into a porous material through a heat treatment process at 200 ° C or higher without using an acid catalyst, a base catalyst, In Examples 1 and 4 to 16 in which the transesterification reaction was carried out without separate milking and extraction processes, the reaction time was all within about 1 minute and the conversion rate was more than 95% . On the other hand, in the case of Comparative Examples 1 to 3 using the base catalyst in the conventional manner, it was found that the conversion rate was only 88% to 94%, which is not good.

한편, 실시예 1 및 실시예 15에 따라 각각 들깨 및 하수슬러지를 사용하여 에스테르 교환 반응을 수행하여 얻어진 생성물에 대하여 질량 분석(GC-MS: Gas Chromatography Mass Spectroscopy)을 수행하여 얻어진 크로마토그램을 각각 도 7 및 도 8에 나타내었다. 도 7 및 도 8에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따라 별도의 산 촉매 및 염기 촉매 등을 사용하지 않으면서, 들깨 및 하수슬러지를 자체를 별도의 착유 및 추출 공정 없이 에스테르 교환 반응을 수행한 실시예 1 및 실시예 15의 경우 모두에서, 초기 성분에 해당하는 지방산이 검출되지 않고 바이오디젤 (Fatty Acid Methyl Esters: FAMEs)로 전환이 효과적으로 이루어졌음을 확인할 수 있다.
On the other hand, the chromatograms obtained by carrying out the transesterification reaction using perilla and sewage sludge according to Examples 1 and 15, respectively, were subjected to GC-MS (Gas Chromatography Mass Spectroscopy) 7 and Fig. As shown in FIGS. 7 and 8, the perilla seed and the sewage sludge per se can be subjected to an ester exchange reaction without separate milking and extraction processes without using any acid catalyst, base catalyst or the like according to the present invention 1 and Example 15, it was confirmed that the fatty acid corresponding to the initial component was not detected and the conversion to bacteriocin (Fatty Acid Methyl Esters: FAMEs) was effectively performed.

Claims (18)

동식물성 유지를 함유한 바이오매스와 탄소수 1 내지 12의 지방족 알코올류를 에스테르 교환 반응시켜 지방산 알킬 에스테르와 글리세롤을 생성시키는 단계를 포함하고,
상기 바이오매스는 200 ℃ 이상의 열처리 공정을 통해 다공성 물질로 전환되는 것이며, 상기 에스테르 교환 반응은 온도 250 내지 550 ℃, 압력 760 mmHg 내지 1,500 mmHg, 체류 시간 0.1 내지 10 분의 조건 하에서 수행하는 것인 바이오 디젤의 제조 방법.
Comprising the step of transesterifying a biomass containing the vegetable oil and an aliphatic alcohol having 1 to 12 carbon atoms to produce a fatty acid alkyl ester and glycerol,
Wherein the biomass is converted into a porous material through a heat treatment process at a temperature of 200 ° C or higher and the transesterification reaction is carried out at a temperature of 250 to 550 ° C, a pressure of 760 mmHg to 1,500 mmHg, and a retention time of 0.1 to 10 minutes. Method of manufacturing diesel.
제1항에 있어서,
상기 에스테르 교환 반응의 온도는 300 내지 500 ℃인 바이오 디젤의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the temperature of the transesterification reaction is 300 to 500 占 폚.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 에스테르 교환 반응의 체류 시간은 0.2 내지 5 분인 바이오 디젤의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the residence time of the transesterification reaction is 0.2 to 5 minutes.
제1항에 있어서,
상기 바이오매스는 챠콜(Charcoal), 아몬드(Almond), 참깨(Sesame Seed), 들깨(Perilla Seed), 해바라기씨(Sunflower Seed), 커피(Coffee Bean), 평지씨(Rape Seed), 규조류(Diatom), 하수슬러지(Sludge), 및 미세조류 (Microalgae)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 바이오 디젤의 제조 방법.
The method according to claim 1,
The biomass may be selected from the group consisting of Charcoal, Almond, Sesame Seed, Perilla Seed, Sunflower Seed, Coffee Bean, Rape Seed, Diatom, , Sewage sludge (Sludge), and microalgae (Microalgae).
제1항에 있어서,
상기 바이오매스의 동식물성 유지는 하기 화학식 1로 표시되는 트리글리세라이드(Triglyceride)를 포함하는 것인 바이오 디젤의 제조 방법:
[화학식 1]
Figure 112013079656663-pat00013

식 중,
R1, R2, 및 R3는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 탄소수 4 내지 38의 지방족 탄화수소기임.
The method according to claim 1,
Wherein the vegetable oil of the biomass comprises a triglyceride represented by the following formula (1): &lt; EMI ID =
[Chemical Formula 1]
Figure 112013079656663-pat00013

Wherein,
R 1 , R 2 , and R 3 are the same or different and each is an aliphatic hydrocarbon group having 4 to 38 carbon atoms.
제1항에 있어서,
상기 바이오매스의 동식물성 유지는 팜유, 대두유, 유채유, 옥수수유, 평지유, 해바라기유, 홍화유, 면실유, 참기름, 미강유, 팜핵유, 동백유, 피마자유, 올리브유, 야자유, 우지, 돈지, 양지, 어유, 고래기름, 다랑어 기름, 및 이들의 폐유로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 바이오 디젤의 제조 방법.
The method according to claim 1,
The vegetable oil of the biomass may be selected from the group consisting of palm oil, soybean oil, rape oil, corn oil, rapeseed oil, sunflower oil, safflower oil, cottonseed oil, sesame oil, rice bran oil, palm kernel oil, camellia oil, castor oil, olive oil, palm oil, , Whale oil, tuna oil, and waste oils thereof.
제1항에 있어서,
상기 바이오매스의 수분 함량은 80 중량% 이하인 바이오 디젤의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the water content of the biomass is 80 wt% or less.
제1항에 있어서,
상기 알코올류는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 및 펜탄올로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 바이오 디젤의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the alcohols are at least one selected from the group consisting of methanol, ethanol, propanol, butanol, and pentanol.
제1항에 있어서,
상기 바이오매스 100 중량부에 대하여, 상기 알코올류를 6 내지 40 중량부로 반응시키는 바이오 디젤의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the alcohols are reacted in an amount of 6 to 40 parts by weight based on 100 parts by weight of the biomass.
제1항에 있어서,
상기 바이오매스를 250 ℃ 이하에서 건조시키는 단계를 추가로 포함하는 바이오 디젤의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Further comprising the step of drying the biomass at 250 DEG C or less.
제1항에 있어서,
상기 바이오매스를 400 내지 540 ℃에서 오일 성분을 증발시키는 단계를 추가로 포함하는 바이오 디젤의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Further comprising the step of evaporating the oil component at 400 to 540 占 폚 in the biomass.
제1항에 있어서,
상기 에스테르 교환 반응은 액상의 동물성 유지와 기상의 지방족 알코올류와의 이종상 반응으로 수행하는 바이오 디젤의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the transesterification reaction is carried out by dissociation of an animal fat in liquid phase with aliphatic alcohols in gaseous phase.
제1항에 있어서,
상기 에스테르 교환 반응은 질소, 아르곤, 및 이산화탄소로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 가스 분위기 하에서 수행하는 바이오 디젤의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the transesterification reaction is carried out in at least one gas atmosphere selected from the group consisting of nitrogen, argon, and carbon dioxide.
제1항에 있어서,
상기 에스테르 교환 반응은 연속식 공정으로 수행하는 바이오 디젤의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the transesterification reaction is carried out in a continuous process.
제1항에 있어서,
상기 지방산 알킬 에스테르는 탄소수 4 내지 38인 지방족 부분을 포함하는 것인 바이오 디젤의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the fatty acid alkyl ester comprises an aliphatic moiety having 4 to 38 carbon atoms.
삭제delete 삭제delete
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20150035678A (en) * 2013-09-25 2015-04-07 재단법인 탄소순환형 차세대 바이오매스 생산전환 기술연구단 Process for direct production of high energy biodiesel from wet biomass
CN106008770B (en) * 2016-07-28 2018-05-08 中国石油大学(华东) A kind of preparation method of environment-friendly type expanded polystyrene material

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000109883A (en) 1998-10-06 2000-04-18 Ronfoodo:Kk Production of fatty acid alkyl ester from oil or fat
JP2000143586A (en) 1998-09-09 2000-05-23 Sumitomo Chem Co Ltd Production of fatty acid ester and fuel comprising the same
KR20080062636A (en) * 2006-12-29 2008-07-03 주식회사 엘지생활건강 Production method of biodiesel using supercritical alcohol
JP2010503703A (en) * 2006-09-14 2010-02-04 バイオフューエルボックス コーポレイション A strong and efficient method for the conversion of cellular lipids into biofuels

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000143586A (en) 1998-09-09 2000-05-23 Sumitomo Chem Co Ltd Production of fatty acid ester and fuel comprising the same
JP2000109883A (en) 1998-10-06 2000-04-18 Ronfoodo:Kk Production of fatty acid alkyl ester from oil or fat
JP2010503703A (en) * 2006-09-14 2010-02-04 バイオフューエルボックス コーポレイション A strong and efficient method for the conversion of cellular lipids into biofuels
KR20080062636A (en) * 2006-12-29 2008-07-03 주식회사 엘지생활건강 Production method of biodiesel using supercritical alcohol

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101831607B1 (en) * 2016-11-21 2018-02-23 주식회사 포이엔 Manufacturing method of pellets for solid fuel containing coffee grounds

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