KR101416747B1 - 증기 직접분사에 의한 바이오매스 당화용 반응기 - Google Patents

Abstract

본원은 증기 직접분사에 의한 바이오매스 당화용 반응기 및 이를 이용한 바이오연료의 제조방법에 관한 것이다.

Description

증기 직접분사에 의한 바이오매스 당화용 반응기{BIOREACTOR FOR SACCHARIFICATION OF BIOMASS WITH DIRECT STEAM INJECTION}

본원은 증기 직접분사에 의한 바이오매스 당화용 반응기 및 이를 이용한 바이오연료의 제조방법에 관한 것이다.

바이오 매스(Biomass)는 에너지 전용의 식물과 산림수목, 농산물과 사료작물, 농산 폐기물과 찌꺼기, 임산 폐기물과 부스러기, 수초, 동물의 배설물, 도시 쓰레기 등 산업폐기물, 기타 상기 폐기물 등에서 추출된 재생 가능한 유기물로서, 현재 에너지원으로 사용되고 있는 유기성 물질을 총칭한다. 이러한, 바이오 매스는 태양에너지를 저장하고 있는 거대한 에너지 창고이며 이를 효과적으로 사용할 수만 있다면 현재 화석연료의 과다한 사용이 가져 오는 에너지난을 손쉽게 해결할 수 있을 것이며 이러한 바이오 매스는 필요한 에너지량만큼을 배양해서 사용하기 때문에 대기 중에 이산화탄소의 과다한 축적을 방지할 수 있으므로 오늘날 극히 심각한 문제로 제기되고 있는 지구 온난화 문제를 해결할 수 있다.

바이오매스를 원료로 하여 바이오연료를 제조하려는 많은 연구가 진행되고 있다. 바이오매스를 바이오연료로 이용하기 위해서는 바이오매스의 고분자 폴리머를 당으로 전환하는 당화공정이 필수적이다. 당화공정은 일반적으로 바이오매스를 당류로 전환한 다음, 당류를 미생물을 이용한 발효과정을 거쳐 바이오연료로 전환시킨다. 그러나, 상기 바이오매스를 당류로 전환시, 푸란(furan), 약산(weak acids) 및 다양한 페놀계 화합물 등과 같은 미생물의 생장 및 발효를 저해하는 독성물질들이 동시에 생성되므로, 이로 인하여 바이오연료의 제조 수율이 떨어지며, 당화 반응이 저해되어 시간이 지연되는 문제점이 있다. 이에, 당화공정시 바이오연료의 제조 수율을 높이기 위해 당화액을 생물학적으로 처리하고 카르복실산을 이용하여 발효시는 단계에 의해 발효 저하물질을 저하시키는 당화 방법(대한민국 공개특허 10-2010-0039258)과 같은 개선된 당화방법 및 당화기의 개발이 연구되고 있다.

본원은, 증기 직접분사에 의한 바이오매스 당화용 반응기 및 이를 이용한 바이오연료의 제조방법을 제공하고자 한다.

그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 기술한 과제로 제한되지 않으며, 기술되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본원의 제 1 측면은 당화반응부 내에 고온 및 고압의 증기 직접분사부(130) 및 임펠러를 포함하는, 바이오매스 당화용 반응기를 제공한다.

본원의 제 2 측면은 본원의 제 1 측면의 바이오매스 당화용 반응기 수행되는 당화반응에 의해 바이오연료를 제조하는 방법을 제공한다.

본원의 바이오연료 제조 방법은, 고온 및 고압의 증기를 반응기 내에 직접분사함으로써 다양한 바이오매스의 구성성분인 고분자 폴리머를 빠른 시간에 가온시키는 한편, 상기 고온 및 고압의 증기가 바이오매스와 직접 접촉하여 바이오매스의 세포벽 등 구성물질을 분해시킴과 동시에 조직을 무르게하여 와해시켜 단당으로의 전환을 가속화시킴으로써 당화 시간을 단축시킬 수 있는바, 공정비용을 절감할 수 있는 경제적인 효과가 있다.

도 1은 본원의 일 구현예에 따른 바이오매스 당화용 반응기의 개략도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다.

그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예 및 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 또한, 본원 명세서 전체에서, “~ 하는 단계” 또는 “~의 단계”는 “~를 위한 단계”를 의미하지 않는다.

본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 “이들의 조합들”의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.

본원의 바이오매스 당화용 반응기를 도 1를 참조하여 설명한다.

본원의 제 1 측면에 따른 바이오매스 당화용 반응기는 당화반응부(100) 내에 고온 및 고압의 증기 직접분사부(130) 및 임펠러(120)를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 바이오매스 당화용 반응기는 고온 및 고압의 증기를 당화반응부(100) 내로 직접분사하여, 다양한 바이오매스의 구성성분인 고분자 폴리머를 빠른 시간에 가온시키는 한편, 상기 당화반응부(100) 내에서 상기 고온 및 고압의 증기가 바이오매스와 직접 접촉하여 바이오매스의 세포벽 등 구성물질을 분해시킴과 동시에 조직을 무르게하여 와해시켜 단당으로의 전환을 가속화시킴으로써 당화 시간을 단축시킬 수 있는바, 공정비용을 절감할 수 있는 경제적인 효과가 있다.

상기 고온 및 고압의 증기를 상기 고온 및 고압의 증기 직접분사부(130)를 통해 당화용 반응기 내로 직접 분사함으로써, 상기 당화용 반응기 내부의 당화반응부(100)의 온도 및 압력을 일정 수준으로 유지할 수 있다. 상기 고온 및 고압의 증기는, 예를 들어, 약 50℃ 내지 약 250℃, 약 60℃ 내지 약 250℃, 약 70℃ 내지 약 250℃, 약 80℃ 내지 약 250℃, 약 50℃ 내지 약 240℃, 약 50℃ 내지 약 230℃, 약 50℃ 내지 약 220℃, 또는 약 80℃ 내지 약 220℃ 의 온도일 수 있고, 약 0.5 bar 내지 약 15 bar, 약 0.5 bar 내지 약 15 bar, 약 0.6 bar 내지 약 15 bar, 약 0.7 bar 내지 약 15 bar, 약 0.8 bar 내지 약 15 bar, 약 0.9 bar 내지 약 15 bar, 약 1 bar 내지 약 15 bar, 약 0.5 bar 내지 약 14 bar, 약 0.5 bar 내지 약 13 bar, 약 0.5 bar 내지 약 12 bar, 약 0.5 bar 내지 약 11 bar, 약 0.5 bar 내지 약 10 bar, 또는 약 1 bar 내지 약 10 bar 의 압력일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 당화반응부(100)의 내부 온도는 약 80℃ 내지 약 220℃일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 약 90℃ 내지 약 210℃, 약 100℃ 내지 약 200℃, 약 110℃ 내지 약 190℃, 약 120℃ 내지 약 180℃, 약 120℃ 내지 약 170℃, 약 130℃ 내지 약 160℃, 약 140℃ 내지 약 220℃, 또는 약 140℃ 내지 약 160℃ 의 온도일 수 있다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 당화반응부(100)의 내부 압력은 약 1 bar 내지 액 10 bar 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 약 1 bar 내지 약 10 bar, 약 2 bar 내지 약 10 bar, 약 3 bar 내지 약 10 bar, 약 4 bar 내지 약 10 bar, 약 5 bar 내지 약 10 bar, 약 1 bar 내지 약 9 bar, 약 1 bar 내지 약 8 bar, 약 1 bar 내지 약 7 bar, 약 1 bar 내지 약 6 bar, 약 1 bar 내지 약 5 bar, 약 2 bar 내지 약 8 bar, 약 3 bar 내지 약 7 bar, 또는 약 4 bar 내지 약 6 bar 의 압력일 수 있다. 상기 당화반응부(100)의 내부 압력은 상기 고온 및 고압의 증기의 유입량뿐만 아니라, 압력 조절부(180)에 의해서도 조절 가능하다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 바이오매스 당화용 반응기는 상기 당화반응부(100)에 바이오매스를 공급하기 위한 유입부(110)를 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 유입부(110)를 통해 상기 바이오매스 당화용 반응기로 공급되는 상기 바이오매스는, 예를 들어, 해조류 또는 섬유소류를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 해조류는, 예를 들어, 거대조류 또는 미세조류를 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 해조류는, 예를 들어, 홍조류, 녹조류, 또는 갈조류일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 홍조류는, 예를 들어, 마디털목, 보라털목 등의 원생홍조아강(Bangiophycidae), 또는 국수나물목, 우뭇가사리목, 지누아리목, 돌가사리목, 로디메니아목, 비단풀목 등의 진정홍조아강(Florideophycidae)일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 녹조류는, 예를 들어, 가시파래, 격자파래, 납작파래, 잎파래, 창자파래, 홑파래, 갈파래, 구멍갈파래, 클로렐라, 청각, 누운청각, 뭉우리청각, 넓청각, 매생이, 염주말, 반달말, 붓뚜껑말, 또는 해캄 등일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 갈조류는, 예를 들어, 미역, 다시마, 녹미채, 또는 대황 등일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 섬유소류는, 예를 들어, 셀룰로오스(cellulose), 헤미셀룰로오스(hemicellulose), 또는 리그닌(lignin)을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 바이오매스와 함께 당화반응을 위해 필요한 추가의 성분이 다용도 투입부(170)를 통해 유입될 수 있으며, 예를 들어, 물 또는 산성 용액 등이 상기 다용도 투입부(170)를 통해 상기 당화반응부(100)에 공급될 수 있다. 상기 산성 용액은, 예를 들어, 황산, 염산, 질산 또는 아세트산일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 바이오매스는 당화반응에 의해 단당류로 전환될 수 있다. 상기 당화반응은, 예를 들어, 바이오매스 내의 에테르 결합을 분해시키는 형태로 진행될 수 있으며, 상기 당화반응에 의해 상기 바이오매스는, 예를 들어, 글루코오스(Glucose), 만노오스(Mannose), 갈락토오스(Galactose), 크실로오스(Xylose), 아라비노오스(Arabinose) 등의 단당류로 전환될 수 있다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 임펠러(120)는 상기 당화반응부(100) 내에서 고온 및 고압의 증기가 바이오매스와 반응할 수 있도록 하는 것이나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 임펠러(120)는 작동 조건에 따라 다양한 각도로 회전할 수 있다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 바이오매스 당화용 반응기는 상기 임펠러(120)를 구동시켜 고온 및 고압 증기가 바이오매스와 반응할 수 있도록 하기 위한 교반축(150)을 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 교반축(150)에 상기 임펠러(120)가 연결되어 있을 수 있으며, 상기 교반축(150)이 회전함에 따라 상기 임펠러(120)에 의해 상기 고온 및 고압 증기가 상기 바이오매스와 반응할 수 있다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 당화반응부(100) 내에서 당화반응에 의해 생성된 생성물을 회수하기 위한 회수부(140)를 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 당화반응부(100) 내에서 상기 고온 및 고압 증기와 상기 바이오매스와 당화반응에 의해 고분자의 바이오매스가 단당으로 분해되어 생성되며, 생성된 상기 단당이 상기 회수부(140)를 통해 회수될 수 있다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 당화반응부(100) 내에서 당화반응에 의해 생성된 부산물을 배출하기 위한 배출하기 위한 배출부(160)를 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 당화반응부(100) 내에서 상기 고온 및 고압 증기와 상기 바이오매스와 당화반응에 의해 고분자의 바이오매스가 단당으로 분해되어 생성되며, 이와 함께 반응의 부산물(byproduct)이 발생할 수 있으며, 상기 부산물은 상기 배출부(160)를 통해 배출될 수 있다.

본원의 제 2 측면에 따른 바이오연료를 제조하는 방법에 의하면, 상기 바이오매스 당화용 반응기 내에서 수행되는 당화반응에 의해 바이오연료를 제조할 수 있다.

상기 바이오매스 당화용 반응기 내에서 상기 고온 및 고압 증기와 상기 바이오매스와 당화반응에 의해 고분자의 바이오매스가 단당으로 분해되어 생성되며, 상기 단당은 바이오연료로서 사용될 수 있다.

전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 당화반응부 110: 유입부
120: 임펠러 130: 고온 및 고압의 증기 직접분사부
140: 회수부 150: 교반축
160: 배출부 170: 다용도 투입부
180: 압력조절부

Claims (10)

1. 당화반응부 내에 일정 수준의 고온 및 고압의 증기 직접분사부 및 임펠러를 포함하며, 상기 당화반응부가 산성 용액을 투입하기 위한 다용도 투입부 및 상기 당화반응부 내의 압력을 조절하기 위한 압력 조절부를 포함하는 것인, 바이오매스 당화용 반응기.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 당화반응부에 바이오매스를 공급하기 위한 유입부를 추가 포함하는, 바이오매스 당화용 반응기.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 바이오매스는 해조류 또는 섬유소류를 포함하는 것인, 바이오매스 당화용 반응기.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 임펠러는 상기 당화반응부 내에서 고온 및 고압의 증기가 바이오매스와 반응할 수 있도록 하는 것인, 바이오매스 당화용 반응기.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 임펠러를 구동시켜 고온 및 고압 증기가 바이오매스와 반응할 수 있도록 하기 위한 교반축을 추가 포함하는, 바이오매스 당화용 반응기.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 당화반응부 내에서 당화반응에 의해 생성된 생성물을 회수하기 위한 회수부를 추가 포함하는, 바이오매스 당화용 반응기.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 당화반응부 내에서 당화반응에 의해 생성된 부산물을 배출하기 위한 배출하기 위한 배출부를 추가 포함하는, 바이오매스 당화용 반응기.
   
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 당화반응부의 내부 온도는 80℃ 내지 220℃ 인, 바이오매스 당화용 반응기.
   
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 당화반응부의 내부 압력은 1 bar 내지 10 bar 인, 바이오매스 당화용 반응기.
   
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 바이오매스 당화용 반응기 내에서 수행되는 당화반응에 의해 바이오연료를 제조하는 방법.

Images