KR101699610B1 - 바이오매스 처리 방법 - Google Patents

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Abstract

바이오매스 처리 방법이 제공된다. 상기 바이오매스 처리 방법은 하부 플레이트와 상부 플레이트를 포함하는 바이오매스 처리 장치를 이용하여 바이오매스를 처리하는 방법에 있어서, 상기 하부 플레이트 위에 상기 바이오매스를 제공하는 단계, 및 상기 상부 플레이트를 상기 하부 플레이트에 접촉시켜 상기 바이오매스를 가압하는 단계를 포함하고, 상기 하부 플레이트 및 상기 상부 플레이트는 그 내부에 가열 장치를 포함하며, 상기 바이오매스는 상기 가압 중에 가열되는 것을 특징으로 한다.

Description

바이오매스 처리 방법{METHOD FOR BIOMASS TREATMENT}
본 발명은 바이오매스 처리 방법에 관한 것이다.
석유자원이 고갈됨에 따라 전 세계적으로 대체에너지의 수요가 증대되고 있으며, 특히 기후 변화에 대응하기 위한 저탄소 에너지 정책의 일환으로 바이오매스를 이용한 바이오에너지 변환 공정에 대한 관심이 증가하고 있다.
바이오에너지 생산에는 식량계 농업 작물이 원료로 이용되어 환경적, 사회적, 및 경제적인 문제가 발생해왔다. 이에 따라, 식량과 관련이 적으면서도 지속적인 생산이 가능한 목질계 바이오매스를 원료로 이용한 바이오에너지 생산 방법이 주목받고 있다. 목질계 바이오매스를 바이오에너지 원료로 사용하기 위해서는 헤미셀룰로오스와 리그닌 성분이 분리 및 제거되어야 한다. 그러나 목질계 바이오매스에 포함된 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 및 리그닌 등은 화학적으로 복잡하게 결합하고 있어 분해하기 어렵다.
따라서, 목질계 바이오매스의 활용을 위해서는 전처리 공정이 필요하다. 전처리 공정은 목질계 바이오매스의 효소가수분해 반응 속도와 수율을 향상시킬 수 있으며, 전처리 공정의 효율에 따라 바이오 연료의 생산비용이 결정될 수 있다. 전처리 공정 중에서, 바이오매스를 분쇄하는 작업은 디스크 형태의 밀링기가 많이 이용되어 왔다. 그러나 디스크 형태의 밀링기로 고함수율의 목재칩을 분쇄하면, 잔존 수분에 의해 뭉쳐진 시료가 디스크 날 사이에 끼이게 되어 원활한 분쇄가 이루어지지 않는다. 따라서, 분쇄 전 건조 공정을 통하여 목재칩의 수분을 일정 함수율 이하로 떨어뜨리는 작업이 필요하다. 그러나 건조 공정을 별로도 운영하면, 에너지가 많이 투입된다는 문제점이 존재한다. 또한, 전처리 공정을 위하여 사용되는 화학적 물질로 인해 환경이 오염되고 비용이 증가하는 문제점이 존재한다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 별도의 건조 공정이 필요 없는 바이오매스 처리 방법을 제공한다.
본 발명은 화학적 물질을 사용하지 않는 바이오매스 처리 방법을 제공한다.
본 발명의 다른 목적들은 다음의 상세한 설명과 첨부한 도면으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 실시예들에 따른 바이오매스 처리 방법은 하부 플레이트와 상부 플레이트를 포함하는 바이오매스 처리 장치를 이용하여 바이오매스를 처리하는 방법에 있어서, 상기 하부 플레이트 위에 상기 바이오매스를 제공하는 단계, 및 상기 상부 플레이트를 상기 하부 플레이트에 접촉시켜 상기 바이오매스를 가압하는 단계를 포함하고, 상기 하부 플레이트 및 상기 상부 플레이트는 그 내부에 가열 장치를 포함하며, 상기 바이오매스는 상기 가압 중에 가열되는 것을 특징으로 한다.
상기 상부 플레이트는 상기 가압 시 및 상기 가압 후 해압 시 회전할 수 있다.
상기 회전은 상기 압력의 방향과 동일한 방향의 축을 중심으로 수행될 수 있다.
상기 가열은 150 내지 300℃에서 수행될 수 있다.
상기 압력은 5 내지 25 kgf/cm2 일 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 바이오매스 처리 방법은 산림에서 벌채한 원목을 파쇄하여 얻어진 고함수율 상태의 목재칩을 건조 공정 없이 바로 세편화할 수 있다. 또한, 상기 바이오매스 처리 방법은 별도의 건조 공정 없이도 상기 고함수율 상태의 목재칩을 시료로 이용할 수 있으며, 이에 따라 바이오매스를 건조시키기 위해 투입되는 에너지 및 비용을 절약할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 바이오매스 처리 방법을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 바이오매스 처리 장치를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 바이오매스를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 바이오매스의 미세 구조 변화를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 바이오매스를 분쇄하였을 때 입자 변화를 나타낸다.
이하, 실시예들을 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 본 발명의 목적, 특징, 장점은 이하의 실시예들을 통해 쉽게 이해될 것이다. 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고, 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 따라서, 이하의 실시예들에 의하여 본 발명이 제한되어서는 안 된다.
도면들에서 요소의 크기, 또는 요소들 사이의 상대적인 크기는 본 발명에 대한 더욱 명확한 이해를 위해서 다소 과장되게 도시될 수 있다. 또, 도면들에 도시된 요소의 형상이 제조 공정상의 변이 등에 의해서 다소 변경될 수 있을 것이다. 따라서, 본 명세서에서 개시된 실시예들은 특별한 언급이 없는 한 도면에 도시된 형상으로 한정되어서는 안 되며, 어느 정도의 변형을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 바이오매스 처리 방법을 나타내고, 도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 바이오매스 처리 장치를 나타낸다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 바이오매스 처리 장치(1)는 하부 플레이트(11) 및 상부 플레이트(12)를 포함한다. 하부 플레이트(11) 및 상부 플레이트(12)는 그 내부에 가열 장치를 포함한다. 상기 가열 장치는 스팀 또는 열선을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 하부 플레이트(11) 및 상부 플레이트(12)는 상기 바이오매스에 150 내지 300℃의 온도를 가할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
하부 플레이트(11)는 바이오매스를 수용할 수 있는 공간을 포함할 수 있다. 하부 플레이트(11)는 회전하지 않고 고정될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
상부 플레이트(12)는 하부 플레이트(11)와 접촉하면서 상기 바이오매스를 5 내지 25 kgf/cm2 으로 가압할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 상부 플레이트(12)는 상기 가압 시 및 상기 가압 후 해압 시 회전할 수 있다. 상부 플레이트(12)가 하부 플레이트(11)에 접촉하며 가압할 때, 상부 플레이트(12)가 회전하여 상기 바이오매스를 압착 및 분쇄할 수 있다. 상부 플레이트(12)는 상기 해압 시 회전하며 상기 하부 플레이트(11)와 분리될 수 있으며, 이로 인해 상기 바이오매스가 상부 플레이트(12)에 부착되는 것을 방지할 수 있다.
상부 플레이트(12)의 표면에는 요철이 형성될 수 있다. 상기 요철의 상부 플레이트(12)와 평형한 방향의 단면은 원형 또는 다각형일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 상기 요철은 상부 플레이트(12)의 마찰력을 증가시킬 수 있다. 상기 회전 시, 상기 요철로 인해 상기 바이오매스가 더 세밀하게 분쇄될 수 있다.
상기 압력 및/또는 상기 회전으로 인해, 상기 바이오매스에 포함된 셀룰로오스의 결정화도가 낮아질 수 있다. 상기 결정화도는 상기 셀룰로오스의 전 질량에 대한 결정영역 양의 비를 의미할 수 있다. 상기 결정화도가 낮아지면, 상기 바이오매스의 비표면적이 증가되어, 효소의 접근성이 높아질 수 있으며, 이로 인하여 바이오에너지 생산의 효율이 증가할 수 있다.
예를 들어, 목질계 바이오매스 목재칩을 바이오매스 처리 장치(1)의 하부 플레이트(11)에 제공한다. 상부 플레이트(12)는 하부 플레이트(11)와 접촉하며 상기 바이오매스를 가압할 수 있다. 상기 바이오매스는 상기 가압 중에 가열될 수 있다. 상기 가열의 온도는 150 내지 300℃일 수 있다. 상기 가압의 압력은 5 내지 25 kgf/cm2 일 수 있다. 상기 바이오매스는 밀폐된 상태일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 상기 가압 및 상기 가열은 5 내지 10초 동안 수행될 수 있다. 상기 가압 시 상부 플레이트(12)가 회전되며, 상기 바이오매스가 압착 및 분쇄될 수 있다. 상기 가압 후 상기 해압 시 상부 플레이트(12)가 상승하면서 회전할 수 있다. 상기 회전은 상기 압력의 방향과 동일한 방향의 축을 중심으로 수행될 수 있다. 이후 바이오매스 처리 장치(1) 밖으로 수증기 및 처리된 상기 목재칩이 배출될 수 있다.
하부 플레이트(11)와 상부 플레이트(12)를 포함하는 바이오매스 처리 장치(1)를 이용하여 바이오매스를 처리하는 방법에 있어서, 하부 플레이트(11) 위에 상기 바이오매스를 제공하는 단계(S01), 및 상부 플레이트(12)를 하부 플레이트(11)에 접촉시켜 상기 바이오매스를 가압 및 가열하는 단계(S02), 상기 가압 중에 상부 플레이트(12)를 회전시키는 단계(S03), 및 해압 시 상부 플레이트(12)를 회전시키는 단계(S04)를 포함할 수 있다.
하부 플레이트(11) 위에 상기 바이오매스를 제공한다(S01). 상기 바이오매스는 당질계, 전분계, 셀룰로오스계, 탄수화물계, 유지계, 담수계, 해양계, 미생물계, 농업폐기물, 축산폐기물, 임업폐기물, 산업계 자원, 식품산업계, 생활계 중에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 당질계 바이오매스는 사탕수수 및 사탕무 등의 원료 중에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 전분계 바이오매스는 옥수수, 카사바, 및 고구마 등의 원료 중에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 셀룰로오스계 바이오매스는 수목, 초본, 및 목본 등의 원료 중에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 탄수화물계 바이오매스는 유칼리 및 청산호 등의 원료 중에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 유지계 바이오매스는 야자, 채종, 및 해바라기 등의 원료 중에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 담수계 바이오매스는 수생식물, 흑옥잠, 및 수초 등의 원료 중에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 해양계 바이오매스는 해조, 참다시마, 파래, 및 해초 등의 원료 중에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 미생물계 바이오매스는 클로렐라 및 합성균 등의 원료 중에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 농업폐기물 바이오매스는 왕겨, 볏짚, 및 보리짚 등의 원료 중에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 축산폐기물 바이오매스는 분뇨 및 계분 등의 원료 중에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 임업폐기물 바이오매스는 임지잔재, 간벌재, 및 소경목 등의 원료 중에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 산업계 자원 바이오매스는 펄프슬러지, 흑액, 및 나무부스러기 등의 원료 중에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 식품산업계 바이오매스는 식품가공잔유물 및 식품판매폐기물 등의 원료 중에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 생활계 바이오매스는 가정쓰레기 및 폐식용유 등의 원료 중에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 기술된 바이오매스의 종류는 예시적인 것이며, 이에 한정되지 않는다.
상부 플레이트(12)를 하부 플레이트(11)에 접촉시켜 상기 바이오매스를 가압한다(S02). 상기 압력은 5 내지 25 kgf/cm2 일 수 있다. 예를 들어, 상기 압력은 10 내지 20 kgf/cm2 일 수 있다. 상기 가압은 밀폐된 공간에서 수행될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 상기 가압은 2 내지 10 초 정도 수행될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
하부 플레이트(11) 및 상부 플레이트(12)는 그 내부에 가열 장치를 포함하며, 상기 바이오매스는 상기 가압 중에 가열된다(S02). 상기 가열은 150 내지 300℃에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 가열은 200 내지 250℃에서 수행될 수 있다. 상기 가열을 통하여, 상기 바이오매스의 함수율을 낮출 수 있다. 수분을 제거하여 상기 함수율을 낮추면 상기 바이오매스를 분쇄할 때 뭉침 현상이 발생하지 않는다. 상기 가열 온도가 150℃보다 낮으면, 수분이 충분히 제거되지 않을 수 있다. 상기 가열 온도가 300℃보다 높으면, 상기 바이오매스에 변형이 일어날 수 있다.
상부 플레이트(12)는 상기 가압 시 회전할 수 있다(S03). 상기 회전은 상기 압력의 방향과 동일한 방향의 축을 중심으로 수행될 수 있다. 상기 가압 시에, 상부 플레이트(12)는 하부 플레이트(11)에 접촉되면서 회전할 수 있다. 하부 플레이트(11)에 제공된 상기 바이오매스는 상기 가압 및 상기 회전을 통하여 압착되고 분쇄될 수 있다.
상부 플레이트(12)는 상기 가압 후 해압 시 회전할 수 있다(S04). 상부 플레이트(12)는 상기 해압 시 회전하며 상기 하부 플레이트(11)와 분리될 수 있으며, 이로 인해 상기 바이오매스가 상부 플레이트(12)에 부착되는 것을 방지할 수 있다.
상기 압력 및/또는 상기 회전으로 인해, 상기 바이오매스에 포함된 셀룰로오스의 결정화도가 낮아질 수 있다. 상기 결정화도는 상기 셀룰로오스의 전 질량에 대한 결정영역 양의 비를 의미할 수 있다. 상기 결정화도가 낮아지면, 상기 바이오매스의 비표면적이 증가되어, 효소의 접근성이 높아질 수 있으며, 이로 인하여 바이오에너지 생산의 효율이 증가할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 바이오매스 처리 방법은 바이오에너지 생산 및 바이오 리파이너리 공정을 위해 투입되는 에너지 및 비용을 절감할 수 있고, 화학물질 처리가 없어 환경오염을 방지할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 바이오매스를 나타낸다.
도 3을 참조하면, 상기 비교예는 (a) 및 (b)로, (a)는 아무런 처리가 되지 않은 무처리 바이오매스, (b)는 (a)를 분쇄한 것을 나타내고, 상기 실시예는 (c) 및 (d)로, (c)는 본 발명의 실시예들에 따른 바이오매스, (d)는 (c)를 분쇄한 것을 나타낸다.
상기 실시예에 따른 바이오매스는 함수율 50%를 갖는 목질계 바이오매스를 5 내지 10초간 210℃ 온도 및 10 kgf/cm2의 압력으로 처리하였으며, 상세한 방법은 상기 기술된 본 발명의 실시예들에 따른 바이오매스 처리 방법과 동일하다.
(a)의 함수율은 50%였고, (b)의 함수율은 12%였다. 또한, (a)의 두께는 10mm였고, (b)의 두께는 1mm였다. 따라서 본 발명의 실시예들에 따른 바이오매스 처리 방법은 상기 바이오매스의 수분을 제거하여 무게를 감소시키고, 두께를 감소시켜 상기 바이오매스의 운송 및 저장을 용이하게 할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 바이오매스의 미세 구조 변화를 나타낸다.
도 4를 참조하면, (a)는 무처리 바이오매스, (b)는 고열기로 처리된 바이오매스, 및 (c)는 본 발명의 실시예들에 따른 바이오매스를 나타낸다. (b)는 처리온도 210℃, 처리시간 2시간 조건에서 고열기로 처리되었고, (c)는 처리온도 210℃, 처리시간 10초 조건에서 본 발명의 실시예들에 따른 방법으로 처리되었다.
(c)는 (b)에 비해, 세포벽의 주요 구성 성분인 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 및 리그닌 등의 함량에 있어서 큰 차이는 없었으나, 미세구조에 있어서 큰 차이가 있는 것으로 나타났다.
상기 미세구조를 살펴보면, (b)는 (a)에 비해 벽공이 폐색된 것으로 나타났고(붉은 색 표시), (c)는 가해진 열 및 압력에 의해 섬유배향각을 따라 벽공이 파괴된 것으로 나타났다.
도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 바이오매스를 분쇄하였을 때 입자 변화를 나타낸다.
도 5를 참조하면, (a)는 무처리된 바이오매스를 볼 밀링으로 분쇄한 입자, (b)는 고열기로 처리된 바이오매스를 볼 밀링으로 분쇄한 입자, 및 (c)는 본 발명의 실시예들에 따른 바이오매스를 볼 밀링으로 분쇄한 입자를 나타낸다.
상기 입자들의 분포를 살펴보면, (c)가 가장 균일하고 입자크기가 작은 것으로 나타났다. 상기 입자크기가 작으면 상기 바이오매스의 비표면적이 증가하고, 이로 인해 바이오에너지 생산 및 바이오 리파이너리 공정에서 투입되는 화학물질 및 생물학적 시료와의 반응성을 높일 수 있다.
일반 바이오매스 건조재 고열기처리 실시예
건조 및 열처리
소요에너지(kWh)		 - 0.5 0.6 0.54
분쇄 공정
소요에너지(kWh)		 1.2 0.3 0.2 0.18
표 1은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 바이오매스의 처리 공정별 소요에너지를 나타낸다. 상기 처리 공정별 소요에너지는 건조 및 열처리 소요에너지, 및 분쇄 공정 소요에너지로 나누어 측정되었다.
표 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 바이오매스가 가장 적은 에너지를 소모하는 것으로 나타났다. 함수율이 높은 일반 바이오매스를 그대로 분쇄할 경우 건조에너지는 많이 소모되지 않았으나, 분쇄 공정에 소요되는 에너지는 1.2kWh가 소모되어, 타 공정에 비해 많은 에너지를 소모하는 것으로 나타났다. 건조재와 고열기처리된 바이오매스는 총 0.8kWh의 에너지가 소모되었다. 본 발명의 실시예에 따른 바이오매스는 0.72kWh로 타 공정에 비해 적은 에너지를 소모하여 에너지 및 비용에 있어 효율적인 것으로 나타났다.
이제까지 본 발명에 대한 구체적인 실시예들을 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 바이오매스 처리 장치 11: 하부 플레이트
12: 상부 플레이트

Claims (5)

  1. 하부 플레이트와 상부 플레이트를 포함하는 바이오매스 처리 장치를 이용하여 바이오매스를 처리하는 방법에 있어서,
    상기 하부 플레이트 및 상기 상부 플레이트는 그 내부에 가열 장치를 포함하고,
    상기 하부 플레이트 위에 상기 바이오매스를 제공하는 단계; 및
    상기 상부 플레이트를 상기 하부 플레이트에 접촉시켜 상기 바이오매스를 가압하면서 가열하는 단계를 포함하는 바이오매스 처리 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 플레이트는 상기 가압 시 및 상기 가압 후 해압 시 회전하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 처리 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 회전은 상기 압력의 방향과 동일한 방향의 축을 중심으로 수행되는 것을 특징으로 하는 바이오매스 처리 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열은 150 내지 300℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 바이오매스 처리 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 가압에서의 압력은 5 내지 25 kgf/cm2 인 것을 특징으로 하는 바이오매스 처리 방법.
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