KR101404213B1

KR101404213B1 - 탄산나트륨 수용액을 이용한 섬유소계 바이오매스의 전처리 방법 및 장치

Info

Publication number: KR101404213B1
Application number: KR1020120058546A
Authority: KR
Inventors: 김준석; 박용철; 이진석; 박지연; 이준표
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2012-05-31
Filing date: 2012-05-31
Publication date: 2014-06-09
Also published as: KR20130134788A

Abstract

본 발명은 탄산나트륨(Na₂CO₃) 수용액을 이용한 섬유소계 바이오매스의 전처리 방법 및 장치에 관한 것으로, 그 목적은 탄산나트륨 수용액을 사용하여 목질계 바이오매스를 구성하는 성분 중 셀룰로오스 성분을 제외한 헤미셀룰로오스 및 리그닌을 침출시켜 셀룰로오스의 잔류율이 높은 고형 성분을 얻도록 한 목질계 바이오매스의 전처리 방법 및 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 구성은 침출반응기에 목질계 바이오매스를 공급하는 단계(S100)와; 침출반응기에 후압을 제공하면서 알칼리 용매인 탄산나트륨 수용액을 공급하는 단계(S200)와; 설정된 반응 온도와 압력하의 침출반응기에서 탄산나트륨 수용액과 목질계 바이오매스를 반응시켜 셀룰로오스를 제외한 리그닌 및 헤미셀룰로오스를 추출하는 단계(S300)와; 침출반응기 내의 고형 성분인 목질계 바이오매스로부터 잔류한 셀룰로오스를 추출하는 단계(S400)와; 침출반응기에서 추출된 리그닌, 헤미셀룰로오스 및 탄산나트륨 수용액으로 이루어진 용액을 저장조에 포집후, 기액분리 또는 화학적분리를 통해 탄산나트륨 수용액을 회수하는 단계(S500);로 이루어진 탄산나트륨(Na₂CO₃) 수용액을 이용한 섬유소계 바이오매스의 전처리 방법 및 그 장치를 발명의 특징으로 한다.

Description

탄산나트륨 수용액을 이용한 섬유소계 바이오매스의 전처리 방법 및 장치{Cellulosic biomass pretreatment method by sodium carbonate solution and apparatus thereof}

본 발명은 탄산나트륨(Na₂CO₃) 수용액을 이용한 섬유소계 바이오매스의 전처리 방법 및 장치에 관한 것으로, 자세하게는 알칼리 용매인 탄산나트륨(Na₂CO₃) 수용액을 이용해 섬유소계 바이오매스를 구성하는 셀룰로오스 성분을 제외한 헤미셀룰로오스와 리그닌만을 제거함으로써, 셀룰로오스 성분의 효율적인 가수분해를 유도할 수 있는 전처리 방법 및 장치에 관한 것이다.

지구상에서 가장 풍부한 재생 가능한 자원인 목질계 바이오매스는 오랫동안 연료와 화학물질을 생산하고 있다. 바이오에너지 생산을 위한 재생 생물자원인 목질계 바이오매스는 도 4에 도시된 바와 같이 주로 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 그리고 리그닌으로 구성되어 있다. 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스는 각각 6탄당과 다양한 5탄당으로 분해가 되는데 이것을 바이오 에탄올 생산에 이용할 수 있다.

그러나 비정질 헤미셀룰로오스와 리그닌 가교구조와 결합된 단단한 셀룰로오스 구조는 화학적으로 복잡하며 분해가 힘들다. 따라서, 물리, 화학 그리고 생물학적 방법으로 목질계 바이오매스의 복잡한 구조를 변환할 필요가 있다.

이하 보다 상세히 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌에 대해 살펴본다.

먼저, 셀룰로오스는 글루코오스가 -1,4 결합으로 연결된 안정된 형태의 직선 구조의 다당류로서, 글루코오스가 -1,4 결합으로 연결된 나선형 구조의 아밀로오스(amylose)보다 자연상태에서 물리적, 화학적으로 훨씬 튼튼한 구조를 이루고 있다.

또한 리그노셀룰로오스를 구성하는 또 다른 주요 다당류인 헤미셀룰로오스는 셀룰로오스보다 당의 중합도(degree of polymerization)가 낮은 다당류로서 주로 5탄당인 자일로오스(Xylose)의 중합체로 구성되고 그 외에도 5탄당인 아라비노오스와 6탄당인 만노스, 갈락토오스, 글루코오스 등의 중합체로 구성되어 있다. 셀룰로오스에 비해서 중합도가 낮고 구조의 규칙성이 낮아서 물리화학적 처리에 의해 분해가 비교적 쉽게 이루어지는 특징이 있다.

또한 리그닌(lignin)은 소수성을 띠고 있는 거대한 분자량의 복잡한 구조를 지닌 중합체이다. 리그닌은 식물체가 외부로부터의 다양한 종류의 생화학적 공격 및 접근 즉, 곰팡이와 같은 미생물 및 곤충 등으로부터 보호하기 위한 목적으로 생성되는 것으로 추측되고 있다. 이러한 리그닌은 자연적으로나 화학적으로 강한 내구성을 가지고 있어 자연계에 존재하는 천연 화합물 중에서 가장 분해가 어려운 물질로 간주되고 있다.

한편, 섬유소계 바이오매스를 이용하여 바이오 연료 생산을 위한 전처리 방법은 크게 물리적, 화학적, 생물학적 방법으로 크게 나눌 수 있다.

물리적 방법으로 대표적인 방법은 밀링(milling)이나 증기 폭쇄법(steam explosion)을 들 수 있다. 밀링은 리그노셀룰로오스 입자를 밀링 기계를 이용하여 매우 가는 입자로 파쇄하면서 구조적 변화를 유도하는 방법으로서, 현재는 실효성이 낮아 쓰이지 않는 방법이다. 증기 폭쇄법은 고온의 증기가 들어 있는 고압용기에서 리그노셀룰로오스를 일정시간 동안 찐 후 순식간에 용기의 밸브를 열어 팝콘과 같이 순간적으로 리그노셀룰로오스의 구조가 열리도록 유도하여 효소가 쉽게 접근할 수 있는 형태의 기질이 되도록 하는 방법이다.

또한, 상기 물리적 분별 방법을 좀더 효과적으로 하기 위해 화학적 방법을 조합한 물리화학적 방법이 많이 연구되어 왔다. 알칼리를 쓰는 바이오매스 분별 방법의 대표적인 것으로는 미시간주립대학교(Michigan State University)의 Bruce Dale 등이 개발한 AFEX(ammonia fiber explosion)라는 방법이 있다. 이 방법은 암모니아를 바이오매스와 1 : 1 ~ 1 : 3 정도의 비율로 혼합 후 고온(70 ~ 180℃)에서 5 ~ 30분 동안 처리하고 순식간에 상압으로 압력을 떨어뜨려 기체 상태의 암모니아를 회수하고 바이오매스 구조의 물리적, 화학적 변화를 유도하여 효소에 의한 당화율을 향상시키는 것으로서 약산 가수분해법과는 달리 헤미셀룰로오스는 거의 가수분해되지 않고 주로 리그닌을 용해시켜 내어 리그닌을 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스로부터 분리할 수 있게 되어 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스를 후속 효소당화공정에서 당화시켜 글루코오스와 자일로오스 등을 얻을 수 있다.

알칼리법은 산처리법보다 낮은 온도에서 혹은 실온에서도 수행되기도 하는데 수시간에서 수일에 걸치는 반응시간이 필요하다. 여러 종류의 알칼리들이 사용되었으며 이중 sodium hydroxide가 가장 많이 사용되었다. 알칼리의 경우는 우선 리그닌을 제거하는 데 효과적이고 헤미셀룰로스의 아세틸기나 uronic과 같은 잔기도 제거함으로써 남은 헤미셀룰로스나 셀룰로스의 효소분해가 쉽다는 장점이 있으나 산처리법에 비해 높은 농도의 약품을 요구하고 처리 비용도 비싼 단점이 있다. 암모니아의 경우, 다량의 액체암모니아를 바이오매스와 섞어 상대적으로 낮은온도(80 ~ 120℃)에서 고압으로 반응시킨 후 대기압으로 폭발시키는 방법과 액체암모니아를 순환시키며 바이오매스에 반응시키는 방법도 있다. 암모니아방법은 리그닌과 반응하여 리그닌을 분해하고 리그닌과 탄수화물 결합부위를 절단함으로써 효소가 식물구조내에서 반응하기 쉽게 만드는 장점이 있지만 사용되는 암모니아의 공급가격이 너무 높아 높은 재활용이 담보되지 않을 경우 경제성이 낮은 단점이 있다.

한편, 생물학적 방법은 나무와 같은 리그노셀룰로오스를 분해하여 생산 된 당을 이용하여 생장하는 곰팡이(백색부후균류)을 주로 이용하여 온화한 조건에서 전처리하는 것으로서, 아직 실용화되지 않고 연구실 규모에서 연구가 시작된 정도에 불과하다.

국내 특허등록공보 등록번호 10-1037708(2011.05.23) 국내 특허등록공보 등록번호 10-1055623(2011.08.03) 국내 특허공개공보 공개번호 10-2011-0037530(2011.04.13) 국내 특허등록공보 등록번호 10-0325975(2002.02.14)

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 탄산나트륨 수용액을 사용하여 목질계 바이오매스를 구성하는 성분 중 셀룰로오스 성분을 제외한 헤미셀룰로오스 및 리그닌을 침출시켜 셀룰로오스의 잔류율이 높은 고형 성분을 얻도록 한 목질계 바이오매스의 전처리 방법 및 장치를 제공하는 데 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 목질계 바이오매스의 전처리 방법에 있어서,

침출반응기에 목질계 바이오매스를 공급하는 단계와;

침출반응기에 후압을 제공하면서 탄산나트륨 수용액을 공급하는 단계와;

설정된 반응 온도와 압력하의 침출반응기에서 탄산나트륨 수용액과 목질계 바이오매스를 반응시켜 셀룰로오스를 제외한 리그닌 및 헤미셀룰로오스를 추출하는 단계와;

상기 리그닌 및 헤미셀룰로오스를 추출하는 단계가 끝난후 침출반응기 내 잔류한 고형 성분의 목질계 바이오매스를 세척 및 여과하여 셀룰로오스를 추출하는 단계와;

침출반응기에서 추출된 리그닌, 헤미셀룰로오스 및 탄산나트륨 수용액으로 이루어진 용액을 저장조에 포집후, 기액분리 또는 화학적분리를 통해 탄산나트륨 수용액을 회수하는 단계;로 이루어진 것을 특징으로 하는 탄산나트륨 수용액을 이용한 섬유소계 바이오매스의 전처리 방법을 제공함으로써 달성된다.

본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 탄산나트륨 수용액은 농도 5 ∼ 30wt%인 것을 사용할 수 있다.

본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 목질계 바이오매스는 볏짚, 보리짚, 리기다 소나무, 유칼립투스 잔여물, 억새 중에서 선택된 어느 하나 이상을 사용하되, 30 ~ 50 mesh 사이의 크기를 가지는 고정상을 사용할 수 있다.

본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 탄산나트륨 수용액은 150 ∼ 190℃로 예열후 침출반응기에 공급할 수 있다.

본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 탄산나트륨 수용액은 유속 5 ~ 10 ml/min로 침출 반응기에 공급하여 20 ∼ 40 분 체류시킬 수 있다.

본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 침출반응기의 반응온도를 150 ∼ 190℃로 유지할 수 있다.

본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 침출반응기에 제공되는 후압은 300 ~ 400psi일 수 있다.

또한 본 발명은 다른 실시양태로, 목질계 바이오매스의 전처리 장치에 있어서,

반응온도를 조절하는 재킷을 이용 반응온도를 조절하면서 공급된 목질계 바이오매스와 탄산나트륨 수용액을 반응시켜 셀룰로오스와 결합된 리그닌 및 헤미셀룰로오스를 추출하는 침출반응기와;

상기 탄산나트륨 수용액을 저장하는 용매 탱크와;

용매탱크에 저장된 탄산나트륨 수용액을 일정한 유속으로 침출반응기로 흘려 보내는 용매 펌프와;

용매펌프로부터 침출반응기로 공급되는 탄산나트륨 수용액을 예열시키는 예비 예열코일과;

상기 침출반응기의 내부에 후압을 제공하는 압력 공급장치와;

상기 침출반응기를 통해 침출된 리그닌, 헤미셀룰로오스 및 탄산나트륨 혼합 용액을 저장하는 저장조;로 구성된 것을 특징으로 하는 탄산나트륨 수용액을 이용한 섬유소계 바이오매스의 전처리 장치를 제공함으로써 달성된다.

본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 침출반응기에 투입되는 목질계 바이오매스는 볏짚, 보리짚, 리기다 소나무, 유칼립투스 잔여물, 억새 중에서 선택된 어느 하나 이상을 사용하되, 30 ~ 50 mesh 사이의 크기를 가지는 고정상일 수 있다.

본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 예비 예열코일은 공급되는 알칼리 용매를 150 ∼ 190℃로 예열할 수 있다.

본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 용매 펌프는 탄산나트륨 수용액을 유속 5 ~ 10 ml/min로 침출 반응기에 공급할 수 있다.

본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 침출반응기는 공급된 탄산나트륨 수용액을 20 ∼ 40분 체류시켜 목질계 바이오매스와 반응시키도록 구성할 수 있다.

본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 침출반응기는 반응온도를 150 ∼ 190℃로 유지할 수 있다.

본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 압력 공급장치는 침출반응기에 300 ~ 400psi의 후압을 제공할 수 있다.

상기와 같이 본 발명은 목질계 바이오매스를 구성하는 헤미셀룰로오스 그리고 리그닌을 알칼리용매인 탄산나트륨 수용액을 사용하여 셀룰로오스로부터 분리시킴으로써 셀룰로오스의 잔류율이 높은 고형 성분에 대해 후속공정에서 소량의 효소를 이용한 당화 과정에 사용시 높은 수율로 당화가 가능하다는 장점과,

또한 바이오 알콜 생산을 위한 원료로 섬유소계 바이오매스를 활용함으로써 생산단가의 많은 부분을 차지하고 있는 원료비를 낮춤으로써 생산 단가를 절감시킬 수 있다는 장점을 가진 유용한 발명으로 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명인 것이다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 목질계 바이오매스의 전처리 방법을 보인 순서도이고,
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 목질계 바이오매스의 전처리 장치를 보인 예시도이고,
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 전처리에 따른 목질계 바이오매스의 구조 변화를 보인 예시도이고,
도 4는 일반적인 목질계 바이오매스 구조를 보인 예시도이다.

이하 본 발명의 실시 예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 목질계 바이오매스의 전처리 방법을 보인 순서도이고, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 목질계 바이오매스의 전처리 장치를 보인 예시도이다.

도시된 바와 같이 본 발명의 목질계 바이오매스의 전처리 방법은,

침출반응기에 목질계 바이오매스를 공급하는 단계(S100)와;

침출반응기에 후압을 제공하면서 탄산나트륨 수용액을 공급하는 단계(S200)와;

설정된 반응 온도와 압력하의 침출반응기에서 탄산나트륨 수용액과 목질계 바이오매스를 반응시켜 셀룰로오스를 제외한 리그닌 및 헤미셀룰로오스를 추출하는 단계(S300)와;

상기 리그닌 및 헤미셀룰로오스를 추출하는 단계가 끝난후 침출반응기 내 잔류한 고형 성분의 목질계 바이오매스를 세척 및 여과하여 셀룰로오스를 추출하는 단계(S400)와;

침출반응기에서 추출된 리그닌, 헤미셀룰로오스 및 탄산나트륨 수용액으로 이루어진 용액을 저장조에 포집후, 기액분리 또는 화학적분리를 통해 탄산나트륨 수용액을 회수하는 단계(S500);로 이루어진다.

상기 목질계 바이오매스로부터 잔류한 셀룰로오스를 추출하는 단계(S400)는 침출반응기에서 탄산나트륨 수용액과 리그닌 및 헤미셀룰로오스가 제거된 후 셀룰로오스를 포함한 잔류물을 세척과 여과를 통해 추출한다.

또한 상기와 같은 단계를 수행하기 위한 본 발명의 다른 실시 양태에 따른 목질계 바이오매스의 전처리 장치는,

반응온도 조절용 재킷을 구비하여 반응온도를 조절하면서 공급된 목질계 바이오매스와 탄산나트륨 수용액을 반응시켜 바이오매스를 구성하는 셀룰로오스와 결합된 리그닌 및 헤미셀룰로오스를 추출하는 침출반응기(1)와;

상기 탄산나트륨 수용액을 저장하는 용매 탱크(2)와;

용매탱크에 저장된 탄산나트륨 수용액을 일정한 유속으로 침출반응기(1)로 흘려 보내는 용매 펌프(3)와;

용매펌프(3)로부터 침출반응기(1)로 공급되는 탄산나트륨 수용액을 예열시키는 예비 예열코일(4)과;

상기 침출반응기의 내부에 후압을 제공하는 압력 공급장치(5)와;

상기 침출반응기를 통해 얻어진 가수분해 물질(리그닌, 헤미셀룰로오스 및 탄산나트륨 수용액의 혼합 용액)을 저장하는 저장조(6); 로 구성된다.

상기 반응온도 조절용 재킷은 침출반응기를 둘러싸게 설치된 것으로, 침출반응기의 온도 유지와 조절을 위해 같은 온도의 물 또는 증기를 공급하게 구성 된다.

본 발명은 상기와 같은 한 실시예에 따른 전처리 장치를 통해 전처리가 이루어지게 된다. 즉, 목질계 바이오매스를 온도 조절 가능한 침출 반응기(1)에 투입하고 압력 공급장치(5)로 부터 후압(back pressure)을 일정하게 유지시킨 후 탄산나트륨(Na₂CO₃) 수용액을 용매 펌프(3)를 통하여 일정한 유속으로 흘려 보내면 바이오매스로를 구성하는 리그닌 및 헤미셀룰로오스가 셀룰로오스로부터 분별이 일어나게 된다. 분별된 리그닌, 헤미셀룰로오스 및 탄산나트륨(Na₂CO₃) 수용액은 저장조(6)로 보내어 기액 분리 또는 화학적 분리를 통해 탄산나트륨을 추출하여 재활용하게 된다.

또한 상기 탄산나트륨(Na₂CO₃) 수용액을 이용해 섬유소계 바이오매스의 셀룰로오스(섬유소) 성분을 제외한 헤미셀룰로오스와 리그닌을 제거 후, 남겨진 셀룰로오스(섬유소) 성분은 소량의 효소를 첨가하는 후속 공정을 통해 효율적인 가수분해를 유도할 수 있게 된다. 즉, 후속공정에서 추출된 셀룰로오스를 효소 당화시켜 발효에 사용되는 글루코오스를 생산하게 되는데, 이 공정은 잔류물인 고형 성분을 당화 발효조에 옮겨 당화효소를 이용 효소 당화시켜 글루코오스를 생산하게 된다. 여기에 사용되는 당화효소로는 한 실시예로 셀룰라제, β-글루코시다제의 혼합물을 사용할 수 있다.

이하 보다 구체적으로 본 발명의 전처리 단계 또는 장치에 대해 살펴본다.

상기 침출반응기에 공급되는 목질계 바이오매스는 바람직한 실시예로 볏짚, 보리짚, 리기다 소나무, 유칼립투스 잔여물, 억새 중에서 선택된 어느 하나 이상을 사용한다.

상기 목질계 바이오매스는 고정상을 사용하는데 그 크기는 30 ~ 50 mesh 사이의 크기를 사용하였다. 즉, 그 크기는 상대적으로 덜 촘촘한 망으로 된 30mesh는 통과하고, 상대적으로 촘촘한 50mesh는 통과하지 못하는 대략 1 ~ 2 mm²의 구간 크기를 통과 할 수 있는 크기이다. 이와 같은 구간 크기의 바이오매스를 사용하면 균일한 크기 때문에 침출반응기에 공급하기가 용이하고, 반응시 균일한 반응이 일어날 수 있고, 세척 작업 등이 편리하기 때문이다. 이러한 목질계 바이오매스는 분쇄 공정을 거쳐 공급한다.

침출반응기에 공급되는 알칼리 용매는 알칼리 성분이면 충분하나 본 발명에서는 바람직하게는 탄산나트륨 수용액을 사용하였다. 그 이유는 탄산나트륨을 사용시 리그닌 및 헤미셀룰로오스의 추출 효율이 가장 좋고, 회수 공정도 용이하기 때문이다. 참고로 암모니아수는 탄산나트륨 수용액을 사용할 때에 비해 그 효과가 미비하였다.

상기 탄산나트륨(Na₂CO₃) 수용액을 예비 예열코일(4)을 통해 가열하여 승온시키면서 침출 반응기(1)에 일정 유속으로 공급하였다. 이때 바람직한 유속은 5 ~ 10 ml/min가 되도록 공급한다. 이와 같은 용매의 공급 유속은 본 발명에서 침출반응기에 공급되는 바이오매스가 후술되는 한정 시간동안 반응이 일어나도록 하기 위함이다. 본 발명의 수치 한정에서 기준이 되는 침출반응기에 공급된 바이오매스의 투입량은 대략 200g로, 이를 기준으로 유속 및 체류시간이 정해진다. 보통 본 발명에 따른 효과들을 얻을려면, 바이오매스 투입량 1을 기준으로 투입되는 탄산나트륨 수용액(용매)의 공급량은 1에서 2 정도가 투입된다.

상기와 같은 유속을 가진 탄산나트륨(Na₂CO₃) 수용액은 침출반응기(1) 내부에서 유체의 체류시간이 20 ∼ 40 min가 되도록 하였다. 이와 같은 체류시간일때 공급된 바이오매스로부터 헤미셀룰로오스와 리그닌이 충분히 셀룰로오스와의 결합이 끊어지기에 충분한 시간이다.

또한 침출반응기(1)로 공급되는 탄산나트륨(Na₂CO₃) 수용액의 온도는 150 ∼ 190℃로 예열코일을 통해 예열시킨 후 공급하였다. 이는 침출반응기와의 온도차를 줄이기 위함입니다.

또한 상기 침출반응기의 반응온도는 150 ∼ 190℃를 유지하였다. 이와 같은 온도조건일 때 공급된 바이오매스로부터 헤미셀룰로오스와 리그닌이 충분히 셀룰로오스와의 결합이 끊어지기에 충분한 온도이기 때문이다. 침출반응기의 온도는 온도 조절이 침출반응기에 설치된 고온의 유체 열교환기인 재킷을 통해 조절한다.

또한 침출반응기에 공급되는 탄산나트륨(Na₂CO₃) 수용액의 농도는 바람직하게는 5 ∼ 30wt%인 것을 사용하였다. 이와 같은 농도 구간일 때 본 발명에 따른 바이오매스로부터 헤미셀룰로오스와 리그닌을 셀룰로오스로부터 분리시키는 반응효율이 좋았다. 즉, 이보다 낮으면 반응이 잘 일어나지 않고, 이보다 높으면 더 이상의 반응효율 증대가 없기 때문이다.

상기 침출반응기에서 공급되는 후압은 압력 공급장치(5)로부터 제공되는 것으로 바람직한 후압은 300 ~ 400psi가 되도록 공급 하였다. 후압(back pressure)을 제공하는 이유는 고온의 침출반응기(1)에서 탄산나트륨(Na₂CO₃) 수용액의 증기화(vaporization)가 일어나는 것을 방지하기 위함으로 이와 같은 압력 조건일때 탄산나트륨(Na₂CO₃) 수용액의 증기화(vaporization) 방지 효율이 가장 좋았다. 상기 상한 수치보다 높은 후압이 작용할 경우 침출반응기에 공급되는 탄산나트륨(Na₂CO₃) 수용액이 압력에 밀려 적절한 유속으로 유입되지 못해 일정한 양의 용매를 사용하여 반응을 진행할 수 없게 된다.

후압은 압력 공급장치(5)로부터 공급된 질소 가스의 공급압력에 의해 조절하였다. 질소가스를 사용한 이유는 질소가 반응에 관여하지 않는 안정적인 불활성가스이기 때문이다.

도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 전처리에 따른 목질계 바이오매스의 구조 변화를 보인 예시도이다. 도시된 바와 같이 반응전 강하게 셀룰로오스와 결합하고 있던 리그닌과 헤미셀루로오스가 반응후에는 셀룰로오스와 결합이 끊어져 분리된 상태임을 알 수 있어, 본 발명의 한 실시예인 탄산나트륨 용매에 의한 분리효과가 좋음을 알 수 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예이다.

[실시예 1]

침출반응기의 온도를 150℃로 유지하고 침출반응기 내에 목질계 바이오매스 중 하나인 30 ~ 50 mesh의 크기에 해당하는 유칼립투스 부산물을 투입하고, 유입되는 탄산나트륨(Na₂CO₃) 수용액의 농도를 10 wt%, 흐름속도를 4 ml/min으로 하여 40분 동안 반응 시킨 후의 결과는 표 1과 같다.

[비교예 1]

실시예 1과 다른 조건은 동일하게 실시하고 침출반응기에 유입되는 탄산나트륨(Na₂CO₃) 수용액 대신 열수(Hot water)만 공급하여 처리한 결과는 표 1과 같다.

[표 1] 침출 반응기를 통한 목질계 바이오매스의 처리 결과

상기 표 1에서, 처리 전 조성은 상기 표 1의 조성 성분과 표시되지 않은 9.4wt%의 기타 물질이 포함되어 100wt%를 나타내는 것이고, 처리 후 조성은 상기 표 1에 나타난 조성 외에 기타 물질과 손실된 물질의 조성이 나머지를 이루어 100wt%를 나타낸 것이다. 따라서 처리 전과 후의 각 물질의 조성으로 손실율을 비교할 수 있다. 상기한 표 1과 같이 탄산나트륨(Na₂CO₃) 수용액을 공급하여 처리한 것이 가장 좋은 효율을 가짐을 알 수 있다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
(1) : 침출반응기 (2) : 용매 탱크
(3) : 용매 펌프 (4) : 예비 예열코일
(5) : 압력공급장치 (6) : 저장조

Claims

목질계 바이오매스의 전처리 방법에 있어서,
침출반응기에 목질계 바이오매스를 공급하는 단계(S100)와;
침출반응기에 후압을 제공하면서 탄산나트륨 수용액을 공급하는 단계(S200)와;
설정된 반응 온도와 압력하의 침출반응기에서 탄산나트륨 수용액과 목질계 바이오매스를 반응시켜 셀룰로오스를 제외한 리그닌 및 헤미셀룰로오스를 추출하는 단계(S300)와;
상기 리그닌 및 헤미셀룰로오스를 추출하는 단계가 끝난후 침출반응기 내 잔류한 고형 성분의 목질계 바이오매스를 세척 및 여과하여 셀룰로오스를 추출하는 단계(S400)와;
침출반응기에서 추출된 리그닌, 헤미셀룰로오스 및 탄산나트륨 수용액으로 이루어진 용액을 저장조에 포집후, 기액분리 또는 화학적분리를 통해 탄산나트륨 수용액을 회수하는 단계(S500);로 이루어진 것을 특징으로 하는 탄산나트륨 수용액을 이용한 섬유소계 바이오매스의 전처리 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 탄산나트륨 수용액은 농도 5 ∼ 30wt%인 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 탄산나트륨 수용액을 이용한 섬유소계 바이오매스의 전처리 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 목질계 바이오매스는 볏짚, 보리짚, 리기다 소나무, 유칼립투스 잔여물, 억새 중에서 선택된 어느 하나 이상을 사용하되, 30 ~ 50 mesh 사이의 크기를 가지는 고정상을 사용하는 것을 특징으로 하는 탄산나트륨 수용액을 이용한 섬유소계 바이오매스의 전처리 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 탄산나트륨 수용액은 150 ∼ 190℃로 예열 후, 침출반응기에 공급하는 것을 특징으로 하는 탄산나트륨 수용액을 이용한 섬유소계 바이오매스의 전처리 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 탄산나트륨 수용액은 유속 5 ~ 10 ml/min로 침출 반응기에 공급하여 20 ∼ 40 분 체류시키는 것을 특징으로 하는 탄산나트륨 수용액을 이용한 섬유소계 바이오매스의 전처리 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 침출반응기의 반응온도를 150 ∼ 190℃로 유지시키는 것을 특징으로 하는 탄산나트륨 수용액을 이용한 섬유소계 바이오매스의 전처리 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 침출반응기에 제공되는 후압은 300 ~ 400psi인 것을 특징으로 하는 탄산나트륨 수용액을 이용한 섬유소계 바이오매스의 전처리 방법.
목질계 바이오매스의 전처리 장치에 있어서,
반응온도를 조절하는 재킷을 이용 반응온도를 조절하면서 공급된 목질계 바이오매스와 탄산나트륨 수용액을 반응시켜 셀룰로오스와 결합된 리그닌 및 헤미셀룰로오스를 추출하는 침출반응기(1)와;
상기 탄산나트륨 수용액을 저장하는 용매 탱크(2)와;
용매탱크에 저장된 탄산나트륨 수용액을 일정한 유속으로 침출반응기(1)로 흘려 보내는 용매 펌프(3)와;
용매펌프(3)로부터 침출반응기(1)로 공급되는 탄산나트륨 수용액을 예열시키는 예비 예열코일(4)과;
상기 침출반응기의 내부에 후압을 제공하는 압력 공급장치(5)와;
상기 침출반응기를 통해 침출된 리그닌, 헤미셀룰로오스 및 탄산나트륨 혼합 용액을 저장하는 저장조(6);로 구성된 것을 특징으로 하는 탄산나트륨 수용액을 이용한 섬유소계 바이오매스의 전처리 장치.
청구항 8에 있어서,
상기 탄산나트륨 수용액은 농도 5 ∼ 30wt%인 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 탄산나트륨 수용액을 이용한 섬유소계 바이오매스의 전처리 장치.
청구항 8에 있어서,
상기 침출반응기에 투입되는 목질계 바이오매스는 볏짚, 보리짚, 리기다 소나무, 유칼립투스 잔여물, 억새 중에서 선택된 어느 하나 이상을 사용하되, 30 ~ 50 mesh 사이의 크기를 가지는 고정상인 것을 특징으로 하는 탄산나트륨 수용액을 이용한 섬유소계 바이오매스의 전처리 장치.
청구항 8에 있어서,
상기 예비 예열코일(4)은 공급되는 탄산나트륨 수용액을 150 ∼ 190℃로 예열하는 것을 특징으로 하는 탄산나트륨 수용액을 이용한 섬유소계 바이오매스의 전처리 장치.
청구항 8에 있어서,
상기 용매 펌프(3)는 탄산나트륨 수용액을 유속 5 ~ 10 ml/min로 침출 반응기에 공급하는 것을 특징으로 하는 탄산나트륨 수용액을 이용한 섬유소계 바이오매스의 전처리 장치.
청구항 8에 있어서,
상기 침출반응기(1)는 공급된 탄산나트륨 수용액을 20 ∼ 40분 체류시켜 목질계 바이오매스와 반응시키도록 구성한 것을 특징으로 하는 탄산나트륨 수용액을 이용한 섬유소계 바이오매스의 전처리 장치.
청구항 8에 있어서,
상기 침출반응기는 반응온도를 150 ∼ 190℃로 유지하는 것을 특징으로 하는 탄산나트륨 수용액을 이용한 섬유소계 바이오매스의 전처리 장치.
청구항 8에 있어서,
상기 압력 공급장치(5)는 침출반응기에 300 ~ 400psi의 후압을 제공하는 것을 특징으로 하는 탄산나트륨 수용액을 이용한 섬유소계 바이오매스의 전처리 장치.