KR101754465B1 - Bio-oil from macroalgae and method for producing thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 거대조류 유래의 바이오오일 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 거대조류를 건조하는 건조 단계; 상기 건조된 거대조류를 초임계 상태의 알코올을 이용하여 바이오오일을 제조하는 바이오오일 제조 단계; 및 상기 제조 단계 후 생성된 생성물질을 분리하고 회수하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 초임계 상태의 알코올을 용매로 이용함으로써 거대조류로부터 액화 및 탈산소 반응으로, 고수율, 고에너지 및 경제성이 높은 바이오오일과 그의 제조방법을 제공할 수 있다.
The present invention relates to a bio-oil derived from a large algae and a process for producing the bio-oil, comprising: a drying step of drying a macro alga; A bio-oil production step of producing a bio-oil by using the dried macro-algae in supercritical alcohol; And separating and recovering the product material produced after the production step.
According to the present invention, by using a supercritical alcohol as a solvent, liquefaction and deoxygenation from a large algae can provide a bio oil with high yield, high energy and economy, and a method for producing the same.

Description

거대조류 유래의 바이오오일 및 그의 제조방법 {BIO-OIL FROM MACROALGAE AND METHOD FOR PRODUCING THEREOF}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a bio-oil derived from giant algae and a method for producing the bio-

본 발명은 거대조류 유래의 바이오오일 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a bio-oil derived from giant algae and a process for producing the same.

최근 화석 연료의 과다 사용에 따른 에너지 자원 고갈 및 환경오염에 대한 우려가 증가함에 따라 비화석연료 기반의 재생가능하고 지속가능하며 환경친화성이 높은 연료 및 화학소재 제조에 대한 관심이 급증하고 있다. 바이오매스는 재생가능한 에너지원으로 화석원료와는 달리 사용 후 발생하는 이산화탄소를 다시 흡수하는 탄소중립(carbon-nutral)의 특성을 갖고 있어 전 세계적으로 많은 주목을 받고 있다. Recent interest in the production of renewable, sustainable and environmentally friendly fuels and chemical materials based on non-fossil fuels is increasing as concerns over exhaustion of energy resources and environmental pollution due to overuse of fossil fuels increase. Unlike fossil raw materials, biomass is a renewable energy source and has attracted worldwide attention because it has carbon-nutral characteristics that re-absorb carbon dioxide generated after use.

바이오연료 중 당질계원료를 이용하는 바이오에탄올 및 식물성유지를 이용하는 바이오디젤은 상업적인 생산이 이루어지고 있으나, 이들 1세대 바이오연료는 식량자원과의 경쟁이라는 원천적인 한계를 가지고 있고, 분자구조식에 산소를 포함하고 있기 때문에 기존 화석원료에서 출발하는 가솔린, 항공유 및 디젤과 비교하였을 때 에너지함량이 낮은 단점이 있다. 따라서 기존 1세대 바이오연료에서 탈피하여, 식량자원과 경쟁이 없으며, 또한 분자구조식에 산소를 적게 포함하거나 아예 포함하지 않는 바이오연료(“drop-in”바이오연료) 생산에 많은 관심이 집중되고 있다.
Among biofuels, bioethanol using sugar-based raw materials and biodiesel using vegetable oils are commercially produced. However, these first-generation biofuels have a fundamental limitation in competition with food resources, The energy content is low when compared with gasoline, jet fuel and diesel starting from the existing fossil raw materials. As a result, much attention has been focused on the production of biofuels ("drop-in" biofuels), which do not compete with food resources and which contain little or no oxygen in the molecular structure.

다양한 비식량계 바이오매스 중 해양에서 발생하는 거대조류(macroalgae)는 성장속도가 매우 빠르고, 이산화탄소를 흡수하여 고정하는 능력이 뛰어나며, 광합성수율이 높고, 1세대 바이오연료와는 달리 식량자원의 에너지화에서 발생하는 사회적 갈등에서 자유롭다는 장점이 있다(Ross et al., Bioresource Tech. 2008, 99, 6494-6504; Singh et al., Applied Energy, 2011, 88, 3548-3555; Milledge et al., Energies, 2014, 7, 7194-7222; Maceirea et al., Applied Energy, 2011, 88, 3318-3323).Among various non-food biomass, macroalgae that occur in the ocean are very fast, have excellent ability to absorb and fix carbon dioxide, have high photosynthetic yield, (Bioresource Tech. 2008, 99, 6494-6504; Singh et al., Applied Energy, 2011, 88, 3548-3555), Milledge et al. Energies, 2014, 7, 7194-7222; Maceira et al., Applied Energy, 2011, 88, 3318-3323).

종래 거대조류로부터 액상연료를 생산하는 방법은 크게 생물학적 전환방법 및 열화학적 전환방법으로 나뉠 수 있다. Conventional methods for producing liquid fuels from large algae can be divided into biological conversion methods and thermochemical conversion methods.

생물학적 전환방법은 주로 미생물이나 효소를 이용하여 거대조류에 존재하는 유기물을 전환하는 방법으로, 반응시간이 매우 길고, 반응수율이 매우 낮다는 단점이 있어 경제적인 바이오연료 제조가 어렵다는 단점이 있어 왔다. The biological conversion method is a method of converting organic matter present in a large algae mainly by using microorganisms or enzymes, and has a disadvantage that the reaction time is very long and the reaction yield is very low, making economical production of biofuels difficult.

열화학적 전환방법은 다시 급속열분해(fast pyrolysis) 및 수열액화(hydrothermal liquefaction)로 나뉠 수 있다. 급속열분해는 바이오매스를 500-600도의 온도로 급속으로 가열하여 바이오매스의 크랭킹 반응으로 휘발성이 높은 유기물질을 생성하고, 생성된 유기물질을 응축하여 바이오오일을 제조하는 방법이다. 목질계 바이오매스의 급속열분해와는 달리 거대조류의 급속열분해의 경우 제조되는 바이오오일의 수율이 낮고 (15-50 중량%), 거대조류에 존재하는 산소를 제거하는데 한계가 있으며 (O/C 비 = 0.8-1.2), 제조된 바이오오일의 에너지함량이 낮은 (higher heating value (HHV) = 18-26 MJ/kg) 단점이 있어, 제조된 바이오오일의 직접적인 수송연료화가 어렵고 이를 개선하기 위해 후단 업그래이딩 공정에 과량의 수소 및 긴 반응시간, 촉매개발 등 비용이 상승하는 단점이 있어 왔다.The thermochemical conversion method can be divided into fast pyrolysis and hydrothermal liquefaction. The rapid pyrolysis is a method of rapidly heating the biomass to a temperature of 500-600 ° C to generate highly volatile organic material by cranking reaction of the biomass, and condensing the generated organic material to produce a bio-oil. Unlike the rapid pyrolysis of woody biomass, in the case of rapid pyrolysis of giant algae, the yield of bio-oil produced is low (15-50 wt%), there is a limit to the removal of oxygen present in large algae (O / C ratio (HHV) = 18-26 MJ / kg), it is difficult to directly produce the bio-oil, and in order to improve the bio-oil, There has been a disadvantage in that an excessive amount of hydrogen and a long reaction time are added to the graining process, and costs such as catalyst development are increased.

반면, 아임계수(subcritical water) 또는 초임계수(supercritical water) 등 고온·고압상태의 물을 용매로 활용하는 수열액화의 경우 급속열분해 공정과 비교하였을 때 바이오오일의 수율이 비슷하거나 다소 높지만, 산소제거율이 높으며 (O/C 비 = 0.10-0.15), 제조된 바이오오일의 에너지함량이 높은 (고위발열량, Higher Heating Value, HHV = 25-36 MJ/kg) 장점이 있어 왔다. 하지만, 초임계수 및 아임계수는 다른 용매에 비해 공정장치의 부식성이 높아 공정구성에 어려움이 있으며, 액상물질을 제조하는 바이오매스의 분해(decomposition) 반응 이외에도 촤/타르 등 고체상태의 물질을 생산하는 응축(condensation) 또는 고분자화(repolymerization)반응이 동시에 수반되기 때문에 바이오오일의 수율이 낮아 바이오연료 제조공정의 경제성이 낮고 거대조류 액화 공정의 에너지효율성이 확보되기 어려운 문제점이 있어 왔다.
On the other hand, in case of hydrothermal liquefaction using water of high temperature and high pressure such as subcritical water or supercritical water, the yield of bio oil is comparable or slightly higher than that of the rapid thermal decomposition process, (O / C ratio = 0.10-0.15), and the energy content of the produced bio-oil is high (high calorific value, high heating value, HHV = 25-36 MJ / kg). However, the supercritical and asymptotic coefficients are higher than those of other solvents due to the high corrosiveness of the process equipment. In addition to the decomposition reaction of the biomass to produce the liquid material, the production of solid materials such as 촤 / tar Condensation or repolymerization reactions are simultaneously accompanied by a low yield of bio-oil, resulting in low economical efficiency of the bio-fuel production process and difficulty in securing energy efficiency of a large-scale liquefaction process.

한편 고온·고압상태의 물을 기반으로 하는 바이오매스 액화공정의 원천적인 한계로 고온·고압상태의 물 대신 유기용매를 이용하는 공정이 제시되어 왔으나, 아직 바이오오일의 수율, 산소제거율 및 에너지함량에 한계가 있다. 따라서 재생가능하고 지속가능한 거대조류를 원료로 이용하여 바이오오일의 수율이 높고, 거대조류 내 포함된 산소를 제거하는 능력이 높으며, 제조된 바이오오일의 에너지함량이 높아서 경제적이고 효율적인 거대조류 전환공정을 개발하는 것이 필요하다.
Meanwhile, a process using an organic solvent instead of water at a high temperature and a high pressure has been proposed as a limit of the source of the biomass liquefaction process based on water at a high temperature and a high pressure. However, the yield, oxygen removal rate and energy content . Therefore, bio-oil yield is high by using renewable and sustainable giant algae as a raw material, the ability to remove oxygen contained in giant algae is high, and the energy content of bio-oil produced is high, so that an economical and efficient giant algae conversion process It is necessary to develop.

따라서 본 발명은 초임계 상태의 알코올을 용매로 이용하여 거대조류로부터 고수율로 산소함량이 낮고 에너지함량이 높은 바이오오일을 제공하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a bio-oil having a low oxygen content and a high energy content from a large algae at a high yield using a supercritical alcohol as a solvent.

또한, 거대조류로부터 초임계 상태의 알코올을 이용한 액화 및 탈산소 반응으로 바이오오일을 제조함으로써, 거대조류의 전환공정의 에너지효율 및 경제성이 높은 바이오오일 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.It is another object of the present invention to provide a bio-oil production method in which bio-oil is produced from macro-algae by liquefaction and deoxygenation using supercritical alcohols.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 바이오오일 제조방법은, 거대조류를 건조하는 건조 단계; 및 상기 건조된 거대조류를 초임계 상태의 알코올을 이용하여 바이오오일을 제조하는 바이오오일 제조 단계를 포함할 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided a bio-oil production method comprising: drying a large algae; And a bio-oil production step of producing the bio-oil by using the dried macro-algae in a supercritical alcohol.

상기 거대조류는 갈조류, 홍조류 또는 녹조류 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The giant algae may comprise at least one of brown algae, red algae or green algae.

또한, 상기 갈조류는 아스코필름 노도솜(Ascophyllum nodosum), 딕티오타 디코토마(Dictyota dichotoma), 푸쿠스 세라투스(Fucus serratus), 라미나리아 디지타타(Laminaria digitata), 라미나리아 하이퍼보리아(Laminaria hyperborea), 사카리나 야포니카(Saccharina japonica(사카리나 라티시마(Saccharina latissima)), 스트라굴라리아 클라바타(Stragularia clavata), 마크로시스티스 피리페라(Macrocystis pyrifera) 또는 운다리아 피난티피다(Undaria pinantifida) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The brown algae may be selected from the group consisting of Ascophyllum nodosum , Dictyota dichotoma , Fucus serratus , Laminaria digitata , Laminaria hyperborea , At least one of Saccharina japonica ( Saccharina latissima ), Stragularia clavata , Macrocystis pyrifera or Undaria pinantifida , at least one of which is at least one of Saccharina japonica ( Saccharina latissima ), Undaria pinantifida One can be included.

상기 건조 단계 후 거대조류의 수분함량은 2 내지 60 중량%일 수 있다.After the drying step, the moisture content of the macro algae may be 2 to 60 wt%.

상기 바이오오일 제조 단계는, 반응기에 상기 건조된 거대조류와 알코올 용매를 혼합한 후 온도와 압력을 조절하여 생성된 초임계 상태의 알코올로 바이오오일을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.The bio-oil production step may include a step of mixing the dried large algae with an alcohol solvent in a reactor, and then adjusting the temperature and pressure to produce a bio-oil from the supercritical alcohol.

상기 반응기는 배치형 또는 연속형 반응기를 포함할 수 있다.The reactor may comprise a batch or continuous reactor.

상기 알코올 용매는, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로필알코올, 부탄올, 이소부탄올, 2-부탄올, tert-부탄올, n-펜탄올, 이소펜틸 알코올, 2-메틸-1-부탄올, 네오펜틸 알코올, 디에틸 케비놀, 메틸 프로필 케비놀, 메틸 이소프로필 케비놀, 디메틸 에틸 케비놀, 1-헥산올, 2-헥산올, 3-헥산올, 2-메틸-1-펜탄올, 3-메틸-1-펜탄올, 4-메틸-1-펜탄올, 2-메틸-2-펜탄올, 3-메틸-2-펜탄올, 4-메틸-2-펜탄올, 2-메틸-3-펜탄올, 3-메틸-3-펜탄올, 2,2-디메틸-1-부탄올, 2,3-디메틸-1-부탄올, 2,3-디메틸-2-부탄올, 3,3-디메틸-1-부탄올, 2-에틸-1-부탄올, 1-헵탄올, 2-헵탄올, 3-헵탄올 또는 4-헵탄올 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The alcohol solvent may be at least one selected from the group consisting of methanol, ethanol, propanol, isopropyl alcohol, butanol, isobutanol, 2-butanol, tert-butanol, n- pentanol, isopentyl alcohol, Methyl-1-pentanol, 3-methyl-1-pentanol, 2-methyl-1-pentanol, Methyl-2-pentanol, 4-methyl-2-pentanol, 2-methyl-3-pentanol, 3- Dimethyl-1-butanol, 2,3-dimethyl-1-butanol, 2-ethyl 1-butanol, 1-heptanol, 2-heptanol, 3-heptanol or 4-heptanol.

또한, 상기 건조된 거대조류와 알코올 용매의 혼합비는 거대조류:알코올 비가 0.1 내지 60 : 40 내지 99.9일 수 있다.In addition, the mixing ratio of the dried algae and the alcohol solvent may be in the range of the large algae: alcohol ratio of 0.1 to 60:40 to 99.9.

상기 알코올 용매의 반응온도는 300 내지 600℃, 반응압력은 30 내지 600 bar일 수 있다.The reaction temperature of the alcohol solvent may be 300 to 600 ° C, and the reaction pressure may be 30 to 600 bar.

상기 초임계 상태의 알코올은, 메탄올 (임계 온도 = 239 ℃; 임계 압력 = 81 bar), 에탄올 (임계 온도 = 241 ℃; 임계 압력 = 63 bar), 프로판올 (임계 온도 = 264 ℃; 임계 압력 = 52 bar), 이소프로필알코올(임계 온도 = 307 ℃; 임계 압력 = 41 bar), 부탄올 (임계 온도 = 289 ℃; 임계 압력 = 45 bar), 이소부탄올 (임계 온도 = 275 ℃; 임계 압력 = 45 bar), 2-부탄올 (임계 온도 = 263 ℃; 임계 압력 = 42 bar), tert-부탄올 (임계 온도 = 233 ℃; 임계 압력 = 40 bar), n-펜탄올 (임계 온도 = 307 ℃; 임계 압력 = 39 bar), 이소펜틸 알코올 (임계 온도 = 306 ℃; 임계 압력 = 39 bar), 2-메틸-1-부탄올 (임계 온도 = 302 ℃; 임계 압력 = 39 bar), 네오펜틸 알코올 (임계 온도 = 276 ℃; 임계 압력 = 40 bar), 디에틸 케비놀 (임계 온도 = 286 ℃; 임계 압력 = 39 bar), 메틸 프로필 케비놀 (임계 온도 = 287 ℃; 임계 압력 = 37 bar), 메틸 이소프로필 케비놀 (임계 온도 = 283 ℃; 임계 압력 = 39 bar), 디메틸 에틸 케비놀 (임계 온도 = 271 ℃; 임계 압력 = 37 bar), 1-헥산올 (임계 온도 = 337 ℃; 임계 압력 = 34 bar), 2-헥산올 (임계 온도 = 310 ℃; 임계 압력 = 33 bar), 3-헥산올 (임계 온도 = 309 ℃; 임계 압력 = 34 bar), 2-메틸-1-펜탄올 (임계 온도 = 331 ℃; 임계 압력 = 35 bar), 3-메틸-1-펜탄올 (임계 온도 = 387 ℃; 임계 압력 = 30 bar), 4-메틸-1-펜탄올 (임계 온도 = 330 ℃; 임계 압력 = 30 bar), 2-메틸-2-펜탄올(임계 온도 = 286 ℃; 임계 압력 = 36 bar), 3-메틸-2-펜탄올 (임계 온도 = 333 ℃; 임계 압력 = 36 bar), 4-메틸-2-펜탄올(임계 온도 = 301 ℃; 임계 압력 = 35 bar), 2-메틸-3-펜탄올 (임계 온도 = 303 ℃; 임계 압력 = 35 bar), 3-메틸-3-펜탄올 (임계 온도 = 302 ℃; 임계 압력 = 35 bar), 2,2-디메틸-1-부탄올 (임계 온도 = 301 ℃; 임계 압력 = 35 bar), 2,3-디메틸-1-부탄올 (임계 온도 = 331 ℃; 임계 압력 = 35 bar), 2,3-디메틸-2-부탄올 (임계 온도 = 331 ℃; 임계 압력 = 35 bar), 3,3-디메틸-1-부탄올 (임계 온도 = 331 ℃; 임계 압력 = 35 bar), 2-에틸-1-부탄올 (임계 온도 = 307 ℃; 임계 압력 = 34 bar), 1-헵탄올 (임계 온도 = 360 ℃; 임계 압력 = 31 bar), 2-헵탄올 (임계 온도 = 335 ℃; 임계 압력 = 30 bar), 3-헵탄올 (임계 온도 = 332 ℃; 임계 압력 = 30 bar) 또는 4-헵탄올 (임계 온도 = 329 ℃; 임계 압력 = 30 bar)로 이루어진 알코올 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 상기 알코올의 임계 온도 및 임계 압력 이상이다.The supercritical alcohol may be methanol (critical temperature = 239 DEG C, critical pressure = 81 bar), ethanol (critical temperature = 241 DEG C, critical pressure = 63 bar), propanol (critical temperature = (critical pressure = 45 bar), isobutanol (critical temperature = 275 ° C, critical pressure = 45 bar), isopropyl alcohol (critical temperature = Butanol (critical temperature = 233 DEG C, critical pressure = 40 bar), n-pentanol (critical temperature = 307 DEG C, critical pressure = 39 DEG C), 2-butanol (critical temperature = 263 DEG C, critical pressure = 42 bar) (critical pressure = 39 bar), 2-methyl-1-butanol (critical temperature = 302 캜, critical pressure = 39 bar), neopentyl alcohol (critical temperature = 276 캜 (Critical pressure = 40 bar), diethylquinol (critical temperature = 286 占 폚, critical pressure = 39 bar), methyl propylenol (critical temperature = 287 占 폚, critical pressure = 37 bar) (Critical temperature = 337 [deg.] C, Critical pressure = 40 bar), dimethylethylquinol (critical temperature = 271 [deg.] C; critical pressure = 37 bar), 1-hexanol 34 bar), 2-hexanol (critical temperature = 310 캜, critical pressure = 33 bar), 3-hexanol (critical temperature = 309 캜, critical pressure = 34 bar) Temperature = 331 DEG C, critical pressure = 35 bar), 3-methyl-1-pentanol (critical temperature = 387 DEG C, critical pressure = 30 bar) (Critical pressure = 36 bar), 3-methyl-2-pentanol (critical temperature = 333 占 폚, critical pressure = 36 bar) 4-methyl-2-pentanol (critical temperature = 301 DEG C; (Critical pressure = 35 bar), 2-methyl-3-pentanol (critical temperature = 303 캜, critical pressure = 35 bar) (Critical pressure = 35 bar), 2,3-dimethyl-1-butanol (critical temperature = 331 캜, critical pressure = 35 bar), 2,3-dimethyl- (Critical pressure = 35 bar), 3-dimethyl-1-butanol (critical temperature = 331 캜, (Critical temperature = 307 DEG C, critical pressure = 34 bar), 1-heptanol (critical temperature = 360 DEG C, critical pressure = 31 bar), 2-heptanol (critical temperature = 335 DEG C, (Critical pressure = 30 bar) or 4-heptanol (critical temperature = 329 ° C; critical pressure = 30 bar), and the alcohol Critical temperature and critical pressure.

본 발명의 상기 바이오오일 제조방법으로 생성된 바이오오일의 수율은 하기 수학식 2에 따라 60 내지 90 중량%일 수 있다.The yield of the bio-oil produced by the bio-oil production method of the present invention may be 60 to 90% by weight according to the following formula (2).

[수학식 2]&Quot; (2) "

Figure 112015029775886-pat00001

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또한, 상기 바이오오일 제조방법으로 생성된 바이오오일은, 산소함량이 5 내지 20 중량%이며, O/C(산소/탄소) 비는 0.05 내지 0.16일 수 있다.In addition, the bio-oil produced by the bio-oil production method may have an oxygen content of 5 to 20% by weight and an O / C (oxygen / carbon) ratio of 0.05 to 0.16.

상기 바이오오일의 고위발열량(HHV)은 하기 수학식 4에 따라 30 내지 45 MJ/kg일 수 있다.The high calorific value (HHV) of the bio-oil may be 30 to 45 MJ / kg according to the following equation (4).

[수학식 4]&Quot; (4) "

Figure 112015029775886-pat00002
Figure 112015029775886-pat00002

상기 수학식 4에서, C, H, N, S 및 O는 바이오오일에 존재하는 탄소, 수소, 질소, 황 및 산소의 무게비이다.
In Equation (4), C, H, N, S and O are weight ratios of carbon, hydrogen, nitrogen, sulfur and oxygen present in bio oil.

상기 바이오오일의 탄소회수율은 하기 수학식 6에 따라 50 내지 200%일 수 있다.The carbon recovery rate of the bio-oil may be 50 to 200% according to Equation (6).

[수학식 6]&Quot; (6) "

Figure 112015029775886-pat00003

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또한, 상기 바이오오일의 에너지 효율은 하기 수학식 7에 따라 50 내지 150%일 수 있다.The energy efficiency of the bio-oil may be 50 to 150% according to Equation (7).

[수학식 7]&Quot; (7) "

Figure 112015029775886-pat00004
Figure 112015029775886-pat00004

(상기 수학식 7에서, m1은 거대조류의 무게, m2는 알코올의 무게, Cps는 건조된 거대조류의 평균 비열(1.25 kJ/kg·K), Cpalc는 알코올의 비열, Y는 바이오오일의 수율, OCraw는 거대조류에 포함된 유기물의 함량(82 중량%), OCoil은 바이오오일에 포함된 유기물의 함량(약 95 중량%), HHVraw는 거대조류의 고위발열량, HHVoil은 바이오오일의 고위발열량임)
(Where m 1 is the weight of the large algae, m 2 is the weight of the alcohol, C ps is the average specific heat of dried giant algae (1.25 kJ / kg · K), C palc is the specific heat of the alcohol, the yield of bio-oil, OC raw is the content of the organic matter contained in the large bird (82 wt%), OC oil is the content of the organic material contained in the bio-oil (about 95 wt%), HHV raw is a large bird senior heating value, HHV oil is the high calorific value of bio-oil)

본 발명에 따른 바이오오일은 거대조류로부터 초임계알코올을 이용하여 제조함으로써 산소함량이 낮고 에너지함량이 높은 장점이 있다.The bio-oil according to the present invention has advantages of low oxygen content and high energy content by preparing supercritical alcohol from macro algae.

또한, 초임계알코올 내에서의 거대조류의 액화 및 탈산소 반응을 거친 바이오오일은, 기존 중유발전의 혼소용 연료로 사용가능하며, 비교적 온화한 조건의 업그래이딩 공정을 적용할 경우 가솔린, 디젤 및 항공유로 사용가능한 장점이 있다.In addition, bio-oils that have undergone liquefaction and deoxygenation of macro algae in supercritical alcohols can be used as fuels for conventional heavy oil power generation, and when applied in relatively mild conditions, gasoline, diesel, There are advantages that can be used as aviation oil.

또한, 고수율 및 고에너지를 함유한 바이오오일의 제조방법을 통해, 거대조류 전환공정의 에너지효율을 증대시켜 전환공정의 경제성을 확보할 수 있는 장점이 있다.
In addition, there is an advantage in that the economical efficiency of the conversion process can be secured by increasing the energy efficiency of the macro algae conversion process through the production method of bio oil containing high yield and high energy.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Advantages and features of the present invention and methods of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described in detail below. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. To fully disclose the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
Unless defined otherwise, all terms (including technical and scientific terms) used herein may be used in a sense commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. In addition, commonly used predefined terms are not ideally or excessively interpreted unless explicitly defined otherwise.

본 발명은 거대조류로부터의 바이오오일 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 해양에서 수거하는 거대조류로부터 고수율 및 고에너지를 함유한 바이오오일 및 그의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a bio-oil from a large algae and a method for producing the same, and more particularly, to a bio-oil containing a high yield and a high energy from a large alga recovered from the ocean and a process for producing the same.

본 발명의 거대조류 유래의 바이오오일 제조방법은, 거대조류를 건조하는 건조 단계(S10); 상기 건조된 거대조류를 초임계 상태의 알코올을 이용하여 바이오오일을 제조하는 바이오오일 제조 단계(S20); 및 상기 제조 단계 후 생성된 생성물질을 분리하고 회수하는 단계(S30)를 포함할 수 있다.A method for producing a bio-oil derived from a giant algae according to the present invention comprises: a step (S10) of drying a giant algae; (S20) a bio-oil production step of producing a bio-oil using the supercritical alcohol in the dried large algae; And a step (S30) of separating and recovering the product material produced after the manufacturing step.

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 거대조류 유래 바이오오일 제조방법의 각 단계에 대하여 구체적으로 설명한다.
Each step of the method for producing a large-scale algae-derived bio oil according to an embodiment of the present invention will be described in detail.

먼저, 본 발명의 바이오오일 제조에 사용되는 거대조류는, 해양에서 성장하는 조류로 갈조류, 홍조류 또는 녹조류가 제한 없이 사용될 수 있다. 갈조류는 다세포체이고, 조류 중에서 가장 잘 분화되어 있다. 상기 갈조류로는 아스코필름 노도솜(Ascophyllum nodosum), 딕티오타 디코토마(Dictyota dichotoma), 푸쿠스 세라투스(Fucus serratus), 라미나리아 디지타타(Laminaria digitata), 라미나리아 하이퍼보리아(Laminaria hyperborea), 사카리나 야포니카(Saccharina japonica(사카리나 라티시마(Saccharina latissima)), 스트라굴라리아 클라바타(Stragularia clavata), 마크로시스티스 피리페라(Macrocystis pyrifera), 운다리아 피난티피다(Undaria pinantifida) 등이 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 바람직하게는, 사카리나 야포니카를 사용할 수 있다. 상기 사카리나 야포니카는 회분 함량이 18 중량%이며, 유기물은 탄수화물 66 중량%, 단백질 10.6 중량%, 지질 1.6 중량%로 구성되어 있다. First, the giant alga used in the production of the bio-oil of the present invention is an alga growing in the ocean, and any of brown algae, red algae or algae can be used without limitation. Brown algae are multi-cellular bodies and are best differentiated among algae. Examples of the brown algae include Ascophyllum nodosum , Dictyota dichotoma , Fucus serratus , Laminaria digitata , Laminaria hyperborea , Saccharina japonica ( Saccharina latissima ), Stragularia clavata , Macrocystis pyrifera , Undaria pinantifida and the like are used. The saccharine or yaffonica has a by-product content of 18% by weight, and the organic substance includes 66% by weight of carbohydrate, 10.6% by weight of protein, 1.6% by weight of lipid %.

홍조류는 조류 중 가장 깊은 곳에서 사는 가장 큰 무리의 하나로, 몇 속의 단세포인 것을 제외하면 거의 다세포로 이루어져 있다. 상기 홍조류는 안펠티아 플리카타(Ahnfeltia plicata), 코랄리나 오피시날라스(Corallina officinalis), 애기가시덤불(Caulacanthus ustulatus), 콘드러스 크리스푸스(Chondrus crispus), 팔마리아 팔마타(Palmaria palmata) 등이 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 녹조류는 단세포·다세포·비세포성 다핵체 등 여러 종류가 있으며, 엽록소를 갖고 있어 광합성에 의해 전분류를 생성한다. 상기 녹조류는 클라도포라 루페스트리스(Cladophora rupestris), 모노스트로마 그레빌레(Monostroma grevillei), 울바 콤프레싸(Ulva compressa), 울바 락투카(Ulva lactuca), 울바 리기다 C. 아가드(Ulva rigida C. Agardh) 등이 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.Red algae is one of the largest flocks in the deepest algae, and is almost multicellular, except for some single-celled species. The red algae may be selected from the group consisting of Ahnfeltia plicata , Corallina officinalis , Caulacanthus ustulatus , Chondrus crispus , Palmaria palmata , and the like may be used, but the present invention is not limited thereto. There are many kinds of green algae such as unicellular, multicellular, noncellular, and chlorophyll. The green algae may be selected from the group consisting of Cladophora rupestris , Monostroma grevillei , Ulva compressa , Ulva lactuca , Ulva rigida C Agardh) may be used, but the present invention is not limited thereto.

다음으로, 본 발명의 상기 거대조류를 건조하는 건조 단계(S10)는, 거대조류를 해양에서 회수 후 존재하는 수분을 제거하는 단계로 자연건조 등의 방법이 이용될 수 있다. 건조 후 거대조류에 존재하는 수분의 함량은 2-60 중량%일 수 있다. 바람직하게는 10-40 중량%일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 15-30 중량%일 수 있다. 수분 함량이 2 중량% 미만일 경우 건조에 소요되는 에너지가 과량으로 소모되는 문제가 발생하고, 수분 함량이 60 중량% 초과할 경우 효과적인 액화 및 탈산소화 반응이 진행되지 못하는 문제가 있다.
Next, the drying step (S10) for drying the large algae of the present invention is a step of removing water present in the large algae after recovering from the ocean, and natural drying or the like may be used. The content of water present in the giant algae after drying may be 2-60% by weight. Preferably from 10 to 40% by weight, and more preferably from 15 to 30% by weight. When the moisture content is less than 2% by weight, energy required for drying is excessively consumed. When the moisture content exceeds 60% by weight, an effective liquefaction and deoxygenation reaction can not proceed.

또한, 상기 건조된 거대조류를 초임계 상태의 알코올을 이용하여 바이오오일을 제조하는 바이오오일 제조 단계(S20)는, 반응기에 상기 건조된 거대조류와 알코올 용매를 도입하여 온도와 압력을 높여 초임계 상태의 알코올로 바이오오일을 제조하는 단계이다. 상기 초임계 상태의 알코올 내에서의 액화 및 탈산소화 반응으로 거대조류로부터 제조된 바이오오일은 그 수율이 매우 높고 산소제거반응이 효과적으로 진행되어 바이오오일의 양 및 품질이 매우 뛰어나다.
In addition, the bio-oil production step (S20) of producing the bio-oil using the supercritical alcohol in the dried large algae may include introducing the dried large algae and the alcohol solvent into the reactor to increase the temperature and pressure, It is the step of producing the bio-oil with the alcohol of the state. The liquefaction and deoxygenation reaction in supercritical alcohols leads to a very high yield of bio-oil produced from macro-algae and an effective oxygen-elimination reaction, thereby providing excellent quantity and quality of bio-oil.

거대조류로부터 급속열분해 및 수열액화를 이용한 종래의 바이오오일 제조공정은 수율 및 산소제거 능력이 낮은 문제점이 있어왔다. 그러나 본 발명에 따른 초임계 상태의 알코올을 이용한 공정은 외부에서 수소를 제공하지 않아도 자체적으로 발생하는 수소로 인해 거대조류의 액화 시 반응성이 높은 반응중간체를 안정화할 수 있는 능력이 뛰어나기 때문에 촤/타르 등 고체상태의 잔류물을 생산하는 응축(condensation) 또는 고분자화(repolymerization)반응을 억제할 수 있고, 또한 탈카르복실화(decarboxylation), 탈카르보닐화(decarbonylation) 및 수첨탈산소화(hydrodeoxygenation) 반응으로 거대조류에 존재하는 산소를 제거할 수 있는 능력이 뛰어나므로, 제조된 바이오오일의 O/C(산소/탄소) 비를 낮출 수 있어, 바이오오일의 에너지함량을 증가시킬 수 있다. 이 이외에도 초임계 상태의 알코올이 지니는 독특한 화학반응성인 에스테르화 반응(esterification), 알킬레이션 반응(alkylation), 알콕실레이션 반응(alkoxylation) 등으로 거대조류 내 존재하는 유기물의 분해 시 발생하는 불안정안 중간체를 안정화시켜서 바이오오일의 수율을 증가시킬 수 있다. Conventional bio oil production processes using rapid pyrolysis and hydrothermal liquefaction from large alga have been problematic in that yield and oxygen removal ability are low. However, since the process using the supercritical alcohol according to the present invention is capable of stabilizing the reaction intermediate having high reactivity in the liquefaction of a large alga due to the hydrogen generated by itself without providing hydrogen from the outside, It is possible to inhibit condensation or repolymerization reactions which produce solid residues such as tar and also to reduce decarboxylation, decarbonylation and hydrodeoxygenation, Since the reaction is excellent in the ability to remove oxygen present in the large algae, the O / C (oxygen / carbon) ratio of the bio-oil produced can be lowered, and the energy content of the bio-oil can be increased. In addition, unstable anion intermediates that occur when decomposing organic substances in large algae, such as esterification, alkylation, and alkoxylation, which are unique chemical reactions of supercritical alcohols, Can be stabilized and the yield of the bio-oil can be increased.

또한, 상기 바이오오일 제조 단계(S20)에서 반응기 내에 도입되는 알코올 용매는, 탄소수가 1 내지 10인 주쇄에 1개 이상의 하이드록실기를 포함하는 알코올 용매일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 바람직하게는, 탄소수가 1 내지 7개의 주쇄에 1 개 이상의 하이드록실기가 결합되어 있는 알코올을 이용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 알코올 용매는, 메탄올 (임계 온도 = 239 ℃; 임계 압력 = 81 bar), 에탄올 (임계 온도 = 241 ℃; 임계 압력 = 63 bar), 프로판올 (임계 온도 = 264 ℃; 임계 압력 = 52 bar), 이소프로필알코올(임계 온도 = 307 ℃; 임계 압력 = 41 bar), 부탄올 (임계 온도 = 289 ℃; 임계 압력 = 45 bar), 이소부탄올 (임계 온도 = 275 ℃; 임계 압력 = 45 bar), 2-부탄올 (임계 온도 = 263 ℃; 임계 압력 = 42 bar), tert-부탄올 (임계 온도 = 233 ℃; 임계 압력 = 40 bar), n-펜탄올 (임계 온도 = 307 ℃; 임계 압력 = 39 bar), 이소펜틸 알코올 (임계 온도 = 306 ℃; 임계 압력 = 39 bar), 2-메틸-1-부탄올 (임계 온도 = 302 ℃; 임계 압력 = 39 bar), 네오펜틸 알코올 (임계 온도 = 276 ℃; 임계 압력 = 40 bar), 디에틸 케비놀 (임계 온도 = 286 ℃; 임계 압력 = 39 bar), 메틸 프로필 케비놀 (임계 온도 = 287 ℃; 임계 압력 = 37 bar), 메틸 이소프로필 케비놀 (임계 온도 = 283 ℃; 임계 압력 = 39 bar), 디메틸 에틸 케비놀 (임계 온도 = 271 ℃; 임계 압력 = 37 bar), 1-헥산올 (임계 온도 = 337 ℃; 임계 압력 = 34 bar), 2-헥산올 (임계 온도 = 310 ℃; 임계 압력 = 33 bar), 3-헥산올 (임계 온도 = 309 ℃; 임계 압력 = 34 bar), 2-메틸-1-펜탄올 (임계 온도 = 331 ℃; 임계 압력 = 35 bar), 3-메틸-1-펜탄올 (임계 온도 = 387 ℃; 임계 압력 = 30 bar), 4-메틸-1-펜탄올 (임계 온도 = 330 ℃; 임계 압력 = 30 bar), 2-메틸-2-펜탄올(임계 온도 = 286 ℃; 임계 압력 = 36 bar), 3-메틸-2-펜탄올 (임계 온도 = 333 ℃; 임계 압력 = 36 bar), 4-메틸-2-펜탄올(임계 온도 = 301 ℃; 임계 압력 = 35 bar), 2-메틸-3-펜탄올 (임계 온도 = 303 ℃; 임계 압력 = 35 bar), 3-메틸-3-펜탄올 (임계 온도 = 302 ℃; 임계 압력 = 35 bar), 2,2-디메틸-1-부탄올 (임계 온도 = 301 ℃; 임계 압력 = 35 bar), 2,3-디메틸-1-부탄올 (임계 온도 = 331 ℃; 임계 압력 = 35 bar), 2,3-디메틸-2-부탄올 (임계 온도 = 331 ℃; 임계 압력 = 35 bar), 3,3-디메틸-1-부탄올 (임계 온도 = 331 ℃; 임계 압력 = 35 bar), 2-에틸-1-부탄올 (임계 온도 = 307 ℃; 임계 압력 = 34 bar), 1-헵탄올 (임계 온도 = 360 ℃; 임계 압력 = 31 bar), 2-헵탄올 (임계 온도 = 335 ℃; 임계 압력 = 30 bar), 3-헵탄올 (임계 온도 = 332 ℃; 임계 압력 = 30 bar) 또는 4-헵탄올 (임계 온도 = 329 ℃; 임계 압력 = 30 bar)로 이루어진 용매 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 더욱 바람직하게는, 메탄올, 에탄올 또는 부탄올 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 알코올의 초임계 조건은 상기 알코올의 임계 온도 및 임계 압력 이상이다.
The alcohol solvent to be introduced into the reactor in the bio-oil production step (S20) may be any alcohol for alcohol containing at least one hydroxyl group in the main chain having 1 to 10 carbon atoms, but is not limited thereto. Preferably, an alcohol having at least one hydroxyl group bonded to the main chain having 1 to 7 carbon atoms may be used, but is not limited thereto. For example, the alcohol solvent may be methanol (critical temperature = 239 DEG C, critical pressure = 81 bar), ethanol (critical temperature = 241 DEG C; critical pressure = 63 bar), propanol (critical temperature = 52 bar), isopropyl alcohol (critical temperature = 307 캜, critical pressure = 41 bar), butanol (critical temperature = 289 캜, critical pressure = 45 bar), isobutanol (Critical pressure = 42 bar), tert-butanol (critical temperature = 233 占 폚, critical pressure = 40 bar), n-pentanol (critical temperature = 307 占 폚, critical pressure = 39 bar), isopentyl alcohol (critical temperature = 306 캜, critical pressure = 39 bar), 2-methyl-1-butanol (critical temperature = 302 캜, critical pressure = 39 bar), neopentyl alcohol (Critical pressure = 40 bar), diethylquinol (critical temperature = 286 캜, critical pressure = 39 bar), methylpropylenevanol (critical temperature = 287 캜, critical pressure = 37 bar), methyl (Critical pressure = 39 bar), dimethylethyl ketone (critical temperature = 271 占 폚, critical pressure = 37 bar), 1-hexanol (critical temperature = 337 占 폚, critical pressure = 34 bar), 2-hexanol (critical temperature = 310 캜, critical pressure = 33 bar), 3-hexanol (critical temperature = 309 캜, critical pressure = 34 bar) Temperature = 331 DEG C, critical pressure = 35 bar), 3-methyl-1-pentanol (critical temperature = 387 DEG C, critical pressure = 30 bar) (Critical pressure = 36 bar), 3-methyl-2-pentanol (critical temperature = 333 占 폚, critical pressure = 36 bar) 4-methyl-2-pentanol (critical temperature = 301 DEG C; (Critical pressure = 35 bar), 2-methyl-3-pentanol (critical temperature = 303 캜, critical pressure = 35 bar) (Critical pressure = 35 bar), 2,3-dimethyl-1-butanol (critical temperature = 331 캜, critical pressure = 35 bar), 2,3-dimethyl- (Critical pressure = 35 bar), 3-dimethyl-1-butanol (critical temperature = 331 캜, (Critical temperature = 307 DEG C, critical pressure = 34 bar), 1-heptanol (critical temperature = 360 DEG C, critical pressure = 31 bar), 2-heptanol (critical temperature = 335 DEG C, A solvent composed of 3-heptanol (critical temperature = 332 ° C; critical pressure = 30 bar) or 4-heptanol (critical temperature = 329 ° C; critical pressure = 30 bar). More preferably, it may contain at least one of methanol, ethanol or butanol. The supercritical condition of the alcohol is not less than the critical temperature and the critical pressure of the alcohol.

아울러, 본 발명의 상기 바이오오일 제조 단계(S20)에 사용되는 반응기는 반응기 구성에 특별한 제한은 없으나 배치형 또는 연속형 반응기가 사용될 수 있다. In addition, the reactor used in the bio-oil production step (S20) of the present invention is not particularly limited to the reactor configuration, but a batch type or continuous type reactor may be used.

또한, 상기 바이오오일 제조 단계(S20)에서, 상기 반응기에 도입되는 상기 건조된 거대조류와 알코올 용매의 혼합비는 거대조류:알코올 비가 0.1 내지 60 : 40 내지 99.9일 수 있다. 즉, 거대조류의 농도는 0.1 내지 60 중량% 일 수 있으며, 바람직하게는 1 내지 40 중량% 일 수 있다. 알코올 중 거대조류의 농도가 0.1 중량% 미만이면 농도가 너무 희박하여 단위 시간에 제조되는 바이오오일의 양이 너무 적어 경제성이 떨어지고, 거대조류의 양이 60 중량%를 초과하면 농도가 너무 진하여 제조 시 거대조류로부터 효과적인 액화 및 탈산소화 반응이 이루어질 수 없을 가능성이 있으며 균일도가 악화되어 품질이 저하되는 문제가 있다.
In the bio-oil production step (S20), the mixture ratio of the dried macro alga introduced into the reactor and the alcohol solvent may be in the range of macro algae: alcohol ratio of 0.1 to 60:40 to 99.9. That is, the concentration of the macro alga can be 0.1 to 60 wt%, preferably 1 to 40 wt%. When the concentration of the macro algae in the alcohol is less than 0.1 wt%, the concentration is too lean and the amount of the bio oil produced in a unit time is too small to be economical. When the amount of the macro algae exceeds 60 wt% There is a possibility that an effective liquefaction and deoxygenation reaction can not be carried out from the seaweed algae, and the uniformity is deteriorated and the quality is deteriorated.

또한, 상기 바이오오일 제조 단계(S20)에서, 거대조류와 알코올의 반응온도는 300 내지 600℃일 수 있다. 바람직하게는 350 내지 550℃일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 380 내지 520℃일 수 있다. 상기 반응온도가 300℃ 미만일 경우, 효과적인 액화 및 탈산소 반응이 일어나지 못하여 바이오오일의 수율이 낮아질 수 있고 산소함량이 높아질 수 있으며, 반응온도가 600℃ 초과일 경우, 크래킹 반응이 활발하게 일어나 원료인 거대조류가 가스화될 가능성이 있어 바이오오일의 수율이 낮아져 거대조류의 바이오오일 전환공정의 경제성이 감소되는 문제가 있다.In the bio-oil production step (S20), the reaction temperature of the macro algae and the alcohol may be 300 to 600 ° C. Preferably 350 to 550 ° C, and more preferably 380 to 520 ° C. When the reaction temperature is less than 300 ° C, effective liquefaction and deoxygenation do not occur, and the yield of the bio-oil may be lowered and the oxygen content may be increased. When the reaction temperature is higher than 600 ° C, cracking reaction occurs vigorously, There is a problem that the yield of the bio oil is lowered due to the possibility of gasification of the large algae and the economical efficiency of the conversion process of the bio oil of the large algae is decreased.

게다가, 상기 바이오오일 제조 단계(S20)에서, 거대조류와 알코올의 반응압력은 30 내지 600 bar일 수 있다. 바람직하게는 100 내지 550 bar일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 350 내지 500 bar일 수 있다. 상기 반응압력이 30 bar 미만일 경우 초임계 알코올의 액화 및 탈산소화 능력이 저하되어 바이오오일의 수율이 낮아지고 산소함량이 높아질 수 있으며, 반응 압력이 600 bar 초과일 경우 고압을 유지하기 위한 공정 비용이 상승하는 문제가 있다.In addition, in the bio oil production step (S20), the reaction pressure between the macro alga and the alcohol may be 30 to 600 bar. Preferably 100 to 550 bar, and more preferably 350 to 500 bar. If the reaction pressure is less than 30 bar, the liquefaction and deoxygenation ability of the supercritical alcohol may be lowered, thereby lowering the yield of the bio-oil and increasing the oxygen content. If the reaction pressure exceeds 600 bar, There is a problem of rising.

아울러, 상기 바이오오일 제조 단계(S20)에서, 거대조류와 알코올의 반응시간은 특별한 제한은 없으나, 30초 내지 120분일 수 있다. 바람직하게는 10분 내지 100분일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 30분 내지 90분일 수 있다. 상기 반응시간이 30초 미만일 경우 초임계알코올의 액화 및 탈산소화 능력이 저하되어 바이오오일의 수율이 낮아지고 산소함량이 높아질 가능성이 있고, 반응시간이 120분 초과할 경우 고온·고압을 장시간 유지시켜야 하기 때문에 공정 비용이 상승하는 문제가 있다.
In addition, in the bio-oil production step (S20), the reaction time of the macro alga and the alcohol is not particularly limited, but may be 30 seconds to 120 minutes. Preferably from 10 minutes to 100 minutes, and more preferably from 30 minutes to 90 minutes. If the reaction time is less than 30 seconds, the liquefaction and deoxygenation ability of the supercritical alcohol may be lowered, thereby lowering the yield of the bio oil and increasing the oxygen content. If the reaction time exceeds 120 minutes, the high temperature and high pressure should be maintained for a long time There is a problem that the process cost is increased.

다음으로, 상기 바이오오일 제조 단계 후 생성된 생성물질을 분리하고 회수하는 단계(S30)는, 상기 오일 제조 단계 후 온도와 압력을 낮추어 생성물질을 분리하고 회수하는 단계이다. 즉, 반응기의 배출구에 위치한 감압장치를 통하여 탈산소 반응의 부산물을 비롯한 기체 상태의 생성물인 이산화탄소, 일산화탄소, 메탄, 에탄, 에틸렌 등이 배출되고, 액체 상태의 물질인 바이오오일 및 사용된 용매인 알코올, 그리고 고체 상태의 잔류물인 촤/타르/무기물질을 얻는다. 이때 기체 상태의 생성물의 분리는 온도와 압력을 낮추어서 기체 및 액체 분리를 통해 분리할 수 있고, 고상의 분리는 필터, 사이클론 등을 이용한 고체 및 액체 분리를 통해 분리할 수 있다. 바이오오일 및 알코올의 혼합물은 분별증류를 통해 서로 분리할 수 있다.
Next, a step S30 of separating and recovering the product material produced after the bio-oil production step is a step of separating and recovering the product material by lowering the temperature and pressure after the oil production step. That is, the gaseous products such as carbon dioxide, carbon monoxide, methane, ethane, and ethylene are discharged through the decompression device located at the outlet of the reactor and the by-products of the deoxygenation reaction. , And solid / residue / inorganic material. At this time, the separation of gaseous products can be performed by separating gas and liquid by lowering the temperature and pressure, and the solid phase separation can be separated by solid and liquid separation using a filter, a cyclone, or the like. A mixture of bio-oils and alcohols can be separated from each other by fractional distillation.

다음으로, 상기 바이오오일 제조방법에 따른 거대조류로부터 바이오오일로의 전환율은 하기 수학식 1에 따라 60 내지 90%일 수 있으며, 바람직하게는 70 내지 85%일 수 있다.Next, the conversion rate of the macro algae to bio-oil according to the bio-oil production method may be 60 to 90%, preferably 70 to 85%, according to the following equation (1).

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112015029775886-pat00005

Figure 112015029775886-pat00005

상기 바이오오일 전환율은 고체상태의 거대조류가 액상 및 기상으로 전환할 때 반응물과 생성물(액상 및 기상)간의 무게 비율을 의미한다.
The bio-oil conversion rate refers to the weight ratio between the reactants and the products (liquid and vapor) when the solid algae are converted into liquid and vapor phases.

또한, 상기 제조방법으로 생성된 바이오오일의 수율은 하기 수학식 2에 따라 60 내지 90 중량%일 수 있으며, 바람직하게는 70 내지 85 중량%일 수 있다.In addition, the yield of the bio-oil produced by the above production method may be 60 to 90 wt%, preferably 70 to 85 wt%, according to the following formula (2).

[수학식 2]&Quot; (2) "

Figure 112015029775886-pat00006

Figure 112015029775886-pat00006

상기 바이오오일 수율은 고체상태의 거대조류가 액상으로 전환할 때 반응물과 생성물(액상)의 무게 비율을 의미한다.
The bio-oil yield refers to the weight ratio of the reactant to the product (liquid phase) when the solid algae convert to the liquid phase.

또한, 상기 바이오오일 제조방법에 따라 생성된 고상잔류물의 수율은 하기 수학식 3에 따라 15 내지 30 중량%일 수 있으며, 바람직하게는 20 내지 25 중량%일 수 있다.The yield of the solid residue produced according to the bio oil production process may be 15 to 30% by weight, preferably 20 to 25% by weight, according to the following formula (3).

[수학식 3]&Quot; (3) "

Figure 112015029775886-pat00007

Figure 112015029775886-pat00007

다음으로, 상기 바이오오일 제조방법에 따라 제조된 바이오오일의 산소함량은 5 내지 20 중량%일 수 있으며, 바람직하게는 8 내지 15 중량%일 수 있다.Next, the oxygen content of the bio-oil produced according to the bio-oil production method may be 5 to 20% by weight, and preferably 8 to 15% by weight.

또한, 상기 바이오오일의 O/C(산소/탄소) 몰비는 0.05 내지 0.16일 수 있으며, 바람직하게는 0.05 내지 0.14일 수 있다.In addition, the O / C (oxygen / carbon) molar ratio of the bio oil may be 0.05 to 0.16, preferably 0.05 to 0.14.

상기 바이오오일의 고위발열량(HHV)은 하기 수학식 4에 따라 30 내지 45 MJ/kg일 수 있으며, 바람직하게는 35 내지 40 MJ/kg일 수 있다.The high calorific value (HHV) of the bio-oil may be 30 to 45 MJ / kg, preferably 35 to 40 MJ / kg according to the following equation (4).

[수학식 4]&Quot; (4) "

Figure 112015029775886-pat00008
Figure 112015029775886-pat00008

상기 수학식 4에서 C, H, N, S 및 O는 바이오오일에 존재하는 탄소, 수소, 질소, 황 및 산소의 무게비이다.
In Equation (4), C, H, N, S and O are weight ratios of carbon, hydrogen, nitrogen, sulfur and oxygen present in the bio-oil.

아울러, 상기 제조방법으로 제조된 총 생성물질 즉, 기상, 액상, 고상 생성물에 존재하는 총 탄소회수율은 하기 수학식 5에 따라 100 내지 200%일 수 있으며, 바람직하게는 130 내지 180%일 수 있다.In addition, the total carbon recovery rate in the gaseous, liquid, and solid products produced by the above production method may be 100 to 200%, preferably 130 to 180% according to the following equation (5) .

[수학식 5]&Quot; (5) "

Figure 112015029775886-pat00009

Figure 112015029775886-pat00009

또한, 상기 제조방법으로 제조된 바이오오일의 탄소회수율은 하기 수학식 6에 따라 50 내지 200%일 수 있으며, 바람직하게는 100 내지 180%일 수 있다.In addition, the carbon recovery rate of the bio oil produced by the above production method may be 50 to 200%, preferably 100 to 180%, according to the following equation (6).

[수학식 6]&Quot; (6) "

Figure 112015029775886-pat00010

Figure 112015029775886-pat00010

또한, 상기 제조방법으로 제조된 바이오오일의 에너지 효율은 하기 수학식 7에 따라 50 내지 150%일 수 있으며, 바람직하게는 90 내지 130%일 수 있다.In addition, the energy efficiency of the bio-oil produced by the above-described method may be 50 to 150%, preferably 90 to 130%, according to Equation (7).

[수학식 7]&Quot; (7) "

Figure 112015029775886-pat00011

Figure 112015029775886-pat00011

상기 수학식 7에서 m1은 거대조류의 무게, m2는 알코올의 무게, Cps는 건조된 거대조류의 평균 비열 (1.25 kJ/kg·K), Cpalc는 알코올의 비열(에탄올일 경우 2.44 kJ/kg·K), Y는 바이오오일의 수율, OCraw는 거대조류에 포함된 유기물의 함량(82 중량%), OCoil은 바이오오일에 포함된 유기물의 함량(약 95 중량%), HHVraw는 거대조류의 고위발열량, HHVoil은 바이오오일의 고위발열량이다.
In the above equation (7), m 1 represents the weight of the large algae, m 2 represents the weight of alcohol, C ps represents the average specific heat of dried large algae (1.25 kJ / kg · K), C palc represents the specific heat of alcohol kJ / kg · K), Y is the yield of bio-oil, OC raw is the content of the organic matter contained in the large bird (82 wt%), OC oil is the content of the organic material contained in the bio-oil (about 95%), HHV raw is the high calorific value of large algae, and HHV oil is the high calorific value of bio oil.

이하, 본 발명의 구체적인 내용을 하기 실시예 및 비교예를 통하여 상세히 설명하고자하나 이는 본 발명의 예시목적을 위한 것으로, 첨부된 특허청구범위에 의하여 한정되는 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the following examples and comparative examples. However, the present invention is not intended to limit the scope of protection defined by the appended claims.

실시예Example - 초임계유체 내 수소화 및  - hydrogenation in supercritical fluids and 탈산소Deoxygenation 반응 reaction

실시예Example 1 One

대한민국 전라남도 해양에서 회수한 거대조류 사카리나 야포니카(Saccharina japonica)와 초임계유체로 에탄올을 이용하여 바이오오일을 제조하였다.Biofuels were prepared using Saccharina japonica , a large alga recovered from Jeollanamdo, Korea, and ethanol as a supercritical fluid.

본 발명에서 사용된 사카리나 야포니카는 회분 함량이 18 중량%이며, 유기물은 탄수화물 66 중량%, 단백질 10.6 중량%, 지질 1.6 중량%로 이루어져 있다.The saccharin or yoponica used in the present invention has an ash content of 18% by weight and an organic substance of 66% by weight of carbohydrate, 10.6% by weight of protein and 1.6% by weight of lipid.

거대조류는 반응 전 70℃로 유지되는 진공오븐에서 건조되었다. 140 ㎖ 부피의 배치형 반응기에 10 중량%의 농도로 거대조류 및 에탄올을 도입한 후 400℃에서 45분간 바이오오일을 제조하였다. 이때 반응 압력은 400 bar로 유지하였다. 기상 생성물은 테드라백(Tedlar bag)을 이용하여 포집한 후 분석하였고, 고상 및 액상 생성물은 필터를 이용하여 분리하였다. 액상 중 바이오오일 및 알코올의 분리는 분별증류로 분리하여 제조된 바이오오일의 특성을 평가하여 그 결과를 표 1 및 표 2에 나타내었다. The giant algae were dried in a vacuum oven maintained at 70 ° C prior to the reaction. A large algae and ethanol were introduced at a concentration of 10% by weight in a batch type reactor having a volume of 140 ml, and then a bio oil was prepared at 400 캜 for 45 minutes. The reaction pressure was maintained at 400 bar. The gaseous products were collected by using a Tedlar bag, and the solid and liquid products were separated using a filter. The separation of bio-oil and alcohol in the liquid phase was evaluated by evaluating the characteristics of the bio-oil prepared by fractional distillation, and the results are shown in Tables 1 and 2.

실시예Example 2  2

초임계유체로 초임계메탄올을 사용한 점을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 거대조류로부터 바이오오일을 제조하였으며, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 바이오오일을 평가하여 그 결과를 표 1 및 표 2에 나타내었다.
The bio-oil was prepared from macro algae in the same manner as in Example 1, except that supercritical methanol was used as the supercritical fluid. The bio-oil was evaluated in the same manner as in Example 1, Table 2 shows the results.

실시예Example 3 3

초임계유체로 초임계부탄올을 사용한 점을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 거대조류로부터 바이오오일을 제조하였으며, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 바이오오일을 평가하여 그 결과를 표 1 및 표 2에 나타내었다.
The bio-oil was prepared from macro algae in the same manner as in Example 1 except that supercritical butanol was used as the supercritical fluid. The bio-oil was evaluated in the same manner as in Example 1, Table 2 shows the results.

실시예Example 4 4

배치형 반응기에서 반응시간 1시간인 점을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 거대조류로부터 바이오오일을 제조하였으며, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 바이오오일을 평가하여 그 결과를 표 1 및 표 2에 나타내었다.
The bio-oil was prepared from macro algae in the same manner as in Example 1, except that the reaction time was 1 hour in the batch reactor. The bio-oil was evaluated in the same manner as in Example 1, Table 2 shows the results.

실시예Example 5 5

거대조류의 농도를 20 중량%로 조절한 점을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 거대조류로부터 바이오오일을 제조하였으며, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 바이오오일을 평가하여 그 결과를 표 1 및 표 2에 나타내었다.
The bio-oil was prepared from macro algae in the same manner as in Example 1, except that the concentration of the large algae was adjusted to 20 wt%. The bio-oil was evaluated in the same manner as in Example 1, 1 and Table 2, respectively.

비교예Comparative Example 1 - 초임계수를 이용한 바이오오일 제조 1 - Bio-oil production using supercritical water

초임계유체로 초임계 상태의 에탄올 대신 400℃, 400 bar의 초임계 상태의 물을 이용한 점을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 거대조류로부터 바이오오일을 제조하였으며, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 바이오오일을 평가하여 그 결과를 표 1 및 표 2에 나타내었다.
A bio-oil was prepared from macro algae in the same manner as in Example 1 except that supercritical fluid was used in supercritical state at 400 ° C and 400 bar instead of supercritical ethanol. The bio-oils were evaluated in the same manner and the results are shown in Tables 1 and 2.

비교예Comparative Example 2 -  2 - 아임계수를Weighing factor 이용한 바이오오일 제조  Bio-oil production using

열화학 액화 유체로 초임계 상태의 물 대신 300℃, 100 bar의 아임계 상태의 물을 이용한 점을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 거대조류로부터 바이오오일을 제조하였으며, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 바이오오일을 평가하여 그 결과를 표 1 및 표 2에 나타내었다.
A bio-oil was prepared from macro algae in the same manner as in Comparative Example 1, except that water having a subcritical state of 300 DEG C and 100 bar was used instead of supercritical water as a thermochemical liquefying fluid. The bio-oils were evaluated in the same manner and the results are shown in Tables 1 and 2.

<바이오오일의 특성 분석><Characteristic analysis of bio-oil>

상기 실시예 및 비교예에 있어서 거대조류의 전환율 및 최종적으로 얻어지는 바이오오일의 수율은 각 성분의 중량으로부터 하기 수학식 1 내지 7에 따라 계산되었다.In the above Examples and Comparative Examples, the conversion rates of the great algae and the final yield of bio oil were calculated from the weights of the respective components in accordance with the following equations (1) to (7).

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112015029775886-pat00012
Figure 112015029775886-pat00012

[수학식 2]&Quot; (2) &quot;

Figure 112015029775886-pat00013
Figure 112015029775886-pat00013

[수학식 3]&Quot; (3) &quot;

Figure 112015029775886-pat00014
Figure 112015029775886-pat00014

[수학식 4]&Quot; (4) &quot;

Figure 112015029775886-pat00015
Figure 112015029775886-pat00015

(상기 수학식 4에서 C, H, N, S 및 O는 바이오오일에 존재하는 탄소, 수소, 질소, 황 및 산소의 무게비임)(C, H, N, S, and O in Equation (4) are the weight ratio of carbon, hydrogen, nitrogen, sulfur and oxygen present in bio oil)

[수학식 5]&Quot; (5) &quot;

Figure 112015029775886-pat00016
Figure 112015029775886-pat00016

[수학식 6]&Quot; (6) &quot;

Figure 112015029775886-pat00017
Figure 112015029775886-pat00017

[수학식 7]&Quot; (7) &quot;

Figure 112015029775886-pat00018
Figure 112015029775886-pat00018

(상기 수학식 7에서, m1은 거대조류의 무게, m2는 알코올의 무게, Cps는 건조된 거대조류의 평균 비열(1.25 kJ/kg·K), Cpalc는 알코올의 비열(에탄올일 경우 2.44 kJ/kg·K), Y는 바이오오일의 수율, OCraw는 거대조류에 포함된 유기물의 함량 (82 중량%), OCoil은 바이오오일에 포함된 유기물의 함량(약 95 중량%), HHVraw는 거대조류의 고위발열량, HHVoil은 바이오오일의 고위발열량임)
(Where m 1 is the weight of the large algae, m 2 is the weight of the alcohol, C ps is the average specific heat of dried giant algae (1.25 kJ / kg · K), C palc is the specific heat of the alcohol , Y is the yield of bio-oil, OC raw is the amount of organic matter contained in the giant algae (82 wt%), OC oil is the amount of organic matter contained in the bio-oil (about 95 wt% , HHV raw is the high calorific value of large algae, and HHV oil is the high calorific value of bio oil)

상기 수학식에 따라 계산한 거대조류로부터 바이오오일로의 전환율 및 기상, 액상, 고상물질 수율을 하기 표 1에 나타내었다.
The conversion rates of giant algae to bio-oils and the yields of gaseous, liquid and solid materials calculated according to the above equations are shown in Table 1 below.

초임계
유체
Supercritical
Fluid
반응
온도
(℃)
reaction
Temperature
(° C)
반응
압력
(bar)
reaction
pressure
(bar)
반응
시간
(분)
reaction
time
(minute)
전환율
(%)
Conversion Rate
(%)
바이오오일 수율 (wt%)Bio oil yield (wt%) 고상잔류물 수율
(wt%)
Solid residue yield
(wt%)
기상물질 수율
(wt%)
Meteorological material yield
(wt%)
실시예 1Example 1 초임계
에탄올
Supercritical
ethanol
400400 400400 4545 77.477.4 78.178.1 22.622.6 11.111.1
실시예 2Example 2 초임계
메탄올
Supercritical
Methanol
400400 400400 4545 76.276.2 76.276.2 23.823.8 10.710.7
실시예 3Example 3 초임계
부탄올
Supercritical
Butanol
400400 400400 45
45
74.774.7 70.870.8 25.325.3 9.59.5
실시예 4Example 4 초임계
에탄올
Supercritical
ethanol
400400 400400 6060 79.079.0 79.679.6 21.021.0 42.842.8
실시예 5Example 5 초임계
에탄올
Supercritical
ethanol
400400 400400 4545 77.577.5 78.578.5 22.522.5 12.712.7
비교예 1Comparative Example 1 초임계수Supercritical water factor 400400 400400 4545 91.591.5 47.247.2 8.58.5 1.131.13 비교예 2Comparative Example 2 아임계수Subcounter 300300 100100 4545 87.087.0 74.174.1 13.013.0 0.170.17

상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 실시예 1 내지 실시예 3에서 초임계에탄올, 초임계메탄올, 초임계부탄올을 초임계유체로써 이용하고 거대조류를 원료로 하여 바이오오일을 제조하기 위한 반응을 진행하였을 경우, 400℃의 반응온도 및 400 bar의 반응압력에서 거대조류의 전환율이 각각 75-78%로 매우 높았다. As shown in Table 1 above, supercritical ethanol, supercritical methanol, and supercritical butanol were used as supercritical fluid in Examples 1 to 3, and a reaction was performed to prepare bio oil using macro algae as a raw material , The conversion rates of giant algae were very high at 75-78% at 400 ℃ and 400 bar, respectively.

한편 고상잔류물의 수율은 23-25 중량%로 거대조류 내 포함된 무기물의 함량이 18 중량%를 고려하였을 때 거대조류 내 포함된 거의 대부분의 유기물이 기상 및 액상으로 전환되었음을 알 수 있다. 한편, 기상물질은 주로 이산화탄소, 일산화탄소, 메탄, 에탄, 에틸렌 등이 주요기상물질로 검출되었는데 이들 기상물질의 수율은 10-11 중량%로 적은 양이 검출되었고, 바이오오일의 수율은 70-78 중량%로 매우 높았다.On the other hand, the yield of the solid residue was 23-25% by weight, and almost all of the organic matter contained in the giant algae was converted into vapor and liquid when the content of inorganic matter contained in the giant algae was considered to be 18% by weight. On the other hand, a major amount of vapor phase material was mainly CO2, carbon monoxide, methane, ethane, ethylene and the like. The yield of these vapor phase materials was detected as 10-11% by weight and the yield of bio oil was 70-78 weight %.

따라서 실시예 1 내지 실시예 3에서 초임계 상태의 알코올이 거대조류 내 존재하는 유기물을 주로 액상물질인 바이오오일로 전환하는 것이 매우 효과적인 것을 알 수 있었다. 이는 초임계알코올이 수소를 효과적으로 제공할 수 있어 고체상태의 잔류물을 생산하는 응축(condensation) 또는 고분자화(repolymerization)반응을 억제할 수 있고, 촉매를 활용하지 않고도 에스테르 반응(esterification), 알킬레이션 반응(alkylation), 알콕실레이션 반응(alkoxylation) 등이 효과적으로 진행되어 거대조류 내 존재하는 유기물의 분해 시 발생하는 불안정안 중간체를 안정화시켜서 바이오오일의 수율을 증가시켰기 때문이라고 사료된다.
Therefore, it was found that, in Examples 1 to 3, it is very effective to convert an organic matter in which supercritical alcohols exist in a giant algae to bio-oil as a liquid substance. This is because supercritical alcohols can effectively provide hydrogen, thereby suppressing condensation or repolymerization reaction that produces solid residue, and can be used for esterification, alkylation, It is considered that alkylation, alkoxylation, etc. effectively proceeded, stabilizing the unstable intermediate which occurs upon decomposition of the organic matter present in the giant algae, and thus increasing the yield of bio-oil.

실시예 4에서 반응시간을 60분으로 증가시켰을 경우, 거대조류의 전환율은 79.0%이고 고상잔류물은 21.0 중량%으로 거대조류 내 존재하는 거의 대부분의 유기물이 기상 및 액상으로 전환되었다는 것을 알 수 있었다. 한편, 기상물질의 수율은 42.8 중량%이며 바이오오일의 수율은 79.6 중량%로 각각 높았다. 실시예 1과 비교하였을 때 기상물질의 수율이 증가하는 것으로 고온에서 반응시간을 길게 진행함에 따라 생성된 바이오오일의 가스화 반응이 활발하게 진행되었다는 것을 알 수 있었다.
When the reaction time was increased to 60 minutes in Example 4, it was found that the conversion rate of the great algae was 79.0% and that of the solid residue was 21.0% by weight, indicating that most of the organic matter present in the great algae was converted into vapor and liquid phase . On the other hand, the yield of the vapor phase material was 42.8 wt%, and the yield of bio oil was 79.6 wt%. As compared with Example 1, it was found that the gasification reaction of bio-oil was actively progressed as the reaction time was prolonged at a high temperature because the yield of the gaseous material increased.

또한, 실시예 5에서와 같이 거대조류의 농도를 20 중량%로 증가시켰을 경우, 실시예 1과 유사하게 거대조류에 존재하는 거의 대부분의 유기물이 바이오오일로 전환되었다는 것을 알 수 있었다. In addition, when the concentration of the large algae was increased to 20% by weight as in Example 5, it was found that most of the organic matter present in the large algae was converted to bio oil, similar to Example 1.

하기 표 2는 본 발명의 실시예 및 비교예를 통해 얻은 바이오오일의 특성을 나타내고 있다.Table 2 below shows the characteristics of the bio-oil obtained through Examples and Comparative Examples of the present invention.

C
(wt%)
C
(wt%)
O
(wt%)
O
(wt%)
H
(wt%)
H
(wt%)
N
(wt%)
N
(wt%)
S
(wt%)
S
(wt%)
O/C 비O / C ratio HHV
(MJ/kg)
HHV
(MJ / kg)
바이오오일의 탄소회수율(%)Carbon recovery rate of bio-oil (%) 총 탄소
회수율
(%)
Total carbon
Recovery rate
(%)
에너지효율
(%)
Energy efficiency
(%)
거대조류Giant algae 33.633.6 36.536.5 55 1One 0.50.5 0.81 0.81 14.6 14.6 -- -- 실시예 1Example 1 74.574.5 12.012.0 9.89.8 1.71.7 0.30.3 0.12 0.12 36.6 36.6 140140 156156 106106 실시예 2Example 2 74.474.4 11.011.0 9.29.2 1.51.5 0.30.3 0.11 0.11 35.9 35.9 122122 145145 104104 실시예 3Example 3 75.275.2 13.213.2 10.610.6 1.21.2 0.20.2 0.13 0.13 37.7 37.7 141141 152152 9999 실시예 4Example 4 71.271.2 9.09.0 10.410.4 1.21.2 0.80.8 0.09 0.09 36.6 36.6 135135 166166 109109 실시예 5Example 5 75.575.5 11.211.2 9.59.5 1.21.2 0.20.2 0.110.11 37.037.0 137137 150150 114114 비교예 1Comparative Example 1 60.260.2 13.1 13.1 8.2 8.2 2.5 2.5 0.5 0.5 0.16 0.16 29.2 29.2 7171 74 74 6565 비교예 2Comparative Example 2 45.345.3 28.5 28.5 7.1 7.1 1.5 1.5 0.5 0.5 0.48 0.48 19.8 19.8 80 80 93 93 8080

상기 표 2에 나타낸 바와 같이 실시예 1 내지 실시예 4에서 제조된 바이오오일의 산소함량이 9-13 중량%이고 O/C 몰비가 0.11-0.13으로 거대조류와 비교하였을 때 큰 폭으로 낮아진 것을 알 수 있었다. 이로써 초임계 상태의 알코올이 자체적으로 발생하는 수소로 인해 거대조류에 포함된 산소를 효과적으로 제거할 수 있음을 알 수 있었다. 실시예 1 내지 3에서 제조된 바이오오일의 HHV는 36-38 MJ/kg으로 거대조류의 HHV인 14.6 MJ/kg보다 큰 폭으로 상승한 것으로, 바이오오일의 에너지함량이 큰 폭으로 높아진 것을 알 수 있었다. 한편, 바이오오일의 탄소회수율은 120-140%이고, 총 생성물(기상, 액상 및 고상물질)의 탄소회수율은 140-170%인 것으로, 거대조류에 존재하는 탄소의 양보다 더 많은 탄소가 생성되는 것을 알 수 있었다. 이는 초임계 상태의 알코올이 지니는 독특한 화학반응성인 에스테르 반응(esterification), 알킬레이션 반응(alkylation), 알콕실레이션 반응(alkoxylation) 등이 효과적으로 진행되어 알코올 중 일부가 바이오오일 중간체와 효과적으로 결합되어 탄소회수율이 높아진 것으로 사료된다. 한편, 실시예 1내지 3에서 거대조류 액화공정의 에너지 효율은 99% 이상으로 매우 뛰어난 것을 알 수 있었다.
As shown in Table 2, the bio-oil prepared in Examples 1 to 4 had an oxygen content of 9-13% by weight and an O / C molar ratio of 0.11-0.13, which was significantly lowered I could. It can be seen that the supercritical alcohol can effectively remove the oxygen contained in the giant algae due to the hydrogen generated by itself. The HHV of the bio-oil prepared in Examples 1 to 3 was 36-38 MJ / kg, which was higher than the HHV of 14.6 MJ / kg of the large algae, indicating that the energy content of the bio-oil was greatly increased . On the other hand, the bio-oil has a carbon recovery rate of 120-140% and the carbon recovery rate of the total product (gaseous, liquid and solid) is 140-170%, which means that more carbon is produced than the amount of carbon present in the giant algae . This is because the esterification, alkylation and alkoxylation, which are the unique chemical reactivity of supercritical alcohols, effectively proceed and some of the alcohols are effectively combined with the bio-oil intermediates, . On the other hand, in Examples 1 to 3, it was found that the energy efficiency of the giant algal liquefaction process was 99% or more.

또한, 실시예 5에서 거대조류의 농도를 20 중량%로 증가시켰을 경우, 실시예 1과 유사하게, 제조된 바이오오일의 에너지함량이 높고, 탄소회수율 및 에너지효율이 높은 것을 알 수 있었다.
Further, it was found that when the concentration of the macro algae was increased to 20 wt% in Example 5, the energy content of the produced bio oil was high, and the carbon recovery and energy efficiency were high, similarly to Example 1.

한편, 비교예 1에서 초임계알코올 대신 400℃ 및 400 bar의 초임계수 조건에서 거대조류 액화를 진행하였을 경우 바이오오일의 수율이 47.2 중량%로 낮았고, O/C 몰비가 0.16으로 높았으며, 결과적으로 HHV가 29.2 MJ/kg 으로 비교적 낮았다. 또한, 제조된 바이오오일의 탄소회수율이 71%로 낮았고, 에너지효율이 65%로 효과적인 거대조류의 탈산소 반응이 진행되지 않음을 알 수 있었다. On the other hand, in Comparative Example 1, when the giant tidal liquefaction was carried out at supercritical water conditions of 400 ° C and 400 bar instead of the supercritical alcohol, the yield of the bio-oil was as low as 47.2% by weight, the O / C molar ratio was as high as 0.16, HHV was 29.2 MJ / kg, which was relatively low. In addition, it was found that the carbon recovery rate of the produced bio-oil was as low as 71%, and the energy efficiency was 65%, indicating that the deoxidation reaction of the large algae did not proceed.

또한, 비교예 2에서는 초임계수 대신 300℃ 및 100 bar의 아임계수를 이용하여 거대조류 액화를 진행하였을 경우, 비록 바이오오일의 수율이 74.1 중량%로 높았으나, O/C 몰비가 0.48로 매우 높았고, HHV가 19.8 MJ/kg으로 매우 낮았다. 따라서 아임계수에서 거대조류를 액화할 경우 효과적인 탈산소 반응이 진행되지 못함을 알 수 있었다.
Also, in Comparative Example 2, when macrophage liquefaction was carried out using an ash factor of 300 ° C and 100 bar instead of supercritical water, the yield of bio-oil was as high as 74.1% by weight, but the O / C molar ratio was very high as 0.48 , And HHV was as low as 19.8 MJ / kg. Therefore, it was found that the effective deoxygenation did not proceed when liquefying the large algae in the subcycle.

본 발명의 구성은 상기의 실시예를 통해 그 우수성이 입증되었지만 상기의 구성에 의해서만 반드시 한정되는 것은 아니고 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변경 및 변형이 가능하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.
The configuration of the present invention has been proved to be superior through the above-described embodiments, but is not necessarily limited to the above configuration, and various permutations, modifications and variations are possible without departing from the technical idea of the present invention. Therefore, the above description does not limit the scope of the present invention, which is defined by the limitations of the following claims.

Claims (16)

거대조류를 건조하는 건조 단계; 및
반응기에 상기 건조된 거대조류와 알코올 용매를 혼합한 후, 반응온도를 400℃, 반응압력을 400bar로 조절하여 생성된 초임계 상태의 알코올을 이용하여 바이오오일을 제조하는 바이오오일 제조 단계를 포함하는 바이오오일 제조방법.
A drying step to dry giant algae; And
Preparing a bio-oil by mixing the dried macro-algae and an alcohol solvent in a reactor, and then preparing a bio-oil using supercritical alcohols produced by controlling the reaction temperature to 400 ° C and the reaction pressure to 400 bar; Method for manufacturing bio oil.
제1항에 있어서, 상기 거대조류는 갈조류, 홍조류 또는 녹조류 중 적어도 하나를 포함하는 바이오오일 제조방법.The method according to claim 1, wherein the large algae comprises at least one of brown algae, red algae or green algae. 제2항에 있어서, 상기 갈조류는 아스코필름 노도솜(Ascophyllum nodosum), 딕티오타 디코토마(Dictyota dichotoma), 푸쿠스 세라투스(Fucus serratus), 라미나리아 디지타타(Laminaria digitata), 라미나리아 하이퍼보리아(Laminaria hyperborea), 사카리나 야포니카(Saccharina japonica(사카리나 라티시마(Saccharina latissima)), 스트라굴라리아 클라바타(Stragularia clavata), 마크로시스티스 피리페라(Macrocystis pyrifera) 또는 운다리아 피난티피다(Undaria pinantifida) 중 적어도 하나를 포함하는 바이오오일 제조방법.The method of claim 2, wherein the brown algae is selected from the group consisting of Ascophyllum nodosum , Dictyota dichotoma , Fucus serratus , Laminaria digitata , ( Laminaria hyperborea ), Saccharina japonica ( Saccharina latissima ), Stragularia clavata , Macrocystis pyrifera , or Undaria pinantifida ). &lt; / RTI &gt; 제1항에 있어서, 상기 건조 단계 후 거대조류의 수분함량은 2 내지 60 중량%인 바이오오일 제조방법.The method for producing a bio-oil according to claim 1, wherein the moisture content of the macro algae is 2 to 60 wt% after the drying step. 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 반응기는 배치형 또는 연속형 반응기를 포함하는 바이오오일 제조방법.2. The method of claim 1, wherein the reactor comprises a batch or continuous reactor. 제1항에 있어서, 상기 알코올 용매는, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로필알코올, 부탄올, 이소부탄올, 2-부탄올, tert-부탄올, n-펜탄올, 이소펜틸 알코올, 2-메틸-1-부탄올, 네오펜틸 알코올, 디에틸 케비놀, 메틸 프로필 케비놀, 메틸 이소프로필 케비놀, 디메틸 에틸 케비놀, 1-헥산올, 2-헥산올, 3-헥산올, 2-메틸-1-펜탄올, 3-메틸-1-펜탄올, 4-메틸-1-펜탄올, 2-메틸-2-펜탄올, 3-메틸-2-펜탄올, 4-메틸-2-펜탄올, 2-메틸-3-펜탄올, 3-메틸-3-펜탄올, 2,2-디메틸-1-부탄올, 2,3-디메틸-1-부탄올, 2,3-디메틸-2-부탄올, 3,3-디메틸-1-부탄올, 2-에틸-1-부탄올, 1-헵탄올, 2-헵탄올, 3-헵탄올 또는 4-헵탄올 중 적어도 하나를 포함하는 바이오오일 제조방법.The method according to claim 1, wherein the alcohol solvent is at least one selected from the group consisting of methanol, ethanol, propanol, isopropyl alcohol, butanol, isobutanol, 2-butanol, tert-butanol, n-pentanol, isopentyl alcohol, , Neopentyl alcohol, diethyl ketone, methyl propyl ketone, methyl isopropyl ketone, dimethyl ethyl ketone, 1-hexanol, 2-hexanol, Methyl-2-pentanol, 4-methyl-2-pentanol, 4-methyl-1-pentanol, Butanol, 2,3-dimethyl-1-butanol, 2,3-dimethyl-2-butanol and 3,3-dimethyl- -Butanol, 2-ethyl-1-butanol, 1-heptanol, 2-heptanol, 3-heptanol or 4-heptanol. 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 건조된 거대조류와 알코올 용매의 혼합비는 거대조류:알코올 비가 0.1 내지 60 : 40 내지 99.9인 바이오오일 제조방법.[2] The method of claim 1, wherein the mixing ratio of the dried algae to the alcohol solvent is in the range of 0.1 to 60:40 to 99.9. 제1항에 있어서, 상기 초임계 상태의 알코올은, 메탄올(임계 온도 = 239 ℃; 임계 압력 = 81 bar), 에탄올(임계 온도 = 241 ℃; 임계 압력 = 63 bar), 프로판올(임계 온도 = 264 ℃; 임계 압력 = 52 bar), 이소프로필알코올(임계 온도 = 307 ℃; 임계 압력 = 41 bar), 부탄올(임계 온도 = 289 ℃; 임계 압력 = 45 bar), 이소부탄올(임계 온도 = 275 ℃; 임계 압력 = 45 bar), 2-부탄올(임계 온도 = 263 ℃; 임계 압력 = 42 bar), tert-부탄올(임계 온도 = 233 ℃; 임계 압력 = 40 bar), n-펜탄올(임계 온도 = 307 ℃; 임계 압력 = 39 bar), 이소펜틸 알코올(임계 온도 = 306 ℃; 임계 압력 = 39 bar), 2-메틸-1-부탄올(임계 온도 = 302 ℃; 임계 압력 = 39 bar), 네오펜틸 알코올(임계 온도 = 276 ℃; 임계 압력 = 40 bar), 디에틸 케비놀(임계 온도 = 286 ℃; 임계 압력 = 39 bar), 메틸 프로필 케비놀(임계 온도 = 287 ℃; 임계 압력 = 37 bar), 메틸 이소프로필 케비놀(임계 온도 = 283 ℃; 임계 압력 = 39 bar), 디메틸 에틸 케비놀(임계 온도 = 271 ℃; 임계 압력 = 37 bar), 1-헥산올(임계 온도 = 337 ℃; 임계 압력 = 34 bar), 2-헥산올(임계 온도 = 310 ℃; 임계 압력 = 33 bar), 3-헥산올(임계 온도 = 309 ℃; 임계 압력 = 34 bar), 2-메틸-1-펜탄올(임계 온도 = 331 ℃; 임계 압력 = 35 bar), 3-메틸-1-펜탄올(임계 온도 = 387 ℃; 임계 압력 = 30 bar), 4-메틸-1-펜탄올(임계 온도 = 330 ℃; 임계 압력 = 30 bar), 2-메틸-2-펜탄올(임계 온도 = 286 ℃; 임계 압력 = 36 bar), 3-메틸-2-펜탄올(임계 온도 = 333 ℃; 임계 압력 = 36 bar), 4-메틸-2-펜탄올(임계 온도 = 301 ℃; 임계 압력 = 35 bar), 2-메틸-3-펜탄올(임계 온도 = 303 ℃; 임계 압력 = 35 bar), 3-메틸-3-펜탄올(임계 온도 = 302 ℃; 임계 압력 = 35 bar), 2,2-디메틸-1-부탄올(임계 온도 = 301 ℃; 임계 압력 = 35 bar), 2,3-디메틸-1-부탄올(임계 온도 = 331 ℃; 임계 압력 = 35 bar), 2,3-디메틸-2-부탄올(임계 온도 = 331 ℃; 임계 압력 = 35 bar), 3,3-디메틸-1-부탄올(임계 온도 = 331 ℃; 임계 압력 = 35 bar), 2-에틸-1-부탄올(임계 온도 = 307 ℃; 임계 압력 = 34 bar), 1-헵탄올(임계 온도 = 360 ℃; 임계 압력 = 31 bar), 2-헵탄올(임계 온도 = 335 ℃; 임계 압력 = 30 bar), 3-헵탄올(임계 온도 = 332 ℃; 임계 압력 = 30 bar) 또는 4-헵탄올(임계 온도 = 329 ℃; 임계 압력 = 30 bar)로 이루어진 알코올 중 적어도 하나를 포함하며, 상기 알코올의 임계 온도 및 임계 압력 이상인 바이오오일 제조방법.The method of claim 1, wherein the supercritical alcohol is selected from the group consisting of methanol (critical temperature = 239 ° C., critical pressure = 81 bar), ethanol (critical temperature = 241 ° C., critical pressure = 63 bar), propanol (Critical pressure = 45 bar), isobutanol (critical temperature = 275 DEG C, critical pressure = 52 bar), isopropyl alcohol (critical temperature = 307 DEG C; critical pressure = 41 bar) (Critical pressure = 45 bar), 2-butanol (critical temperature = 263 캜, critical pressure = 42 bar), tert-butanol (critical temperature = 233 캜, critical pressure = 40 bar), n-pentanol (Critical pressure = 39 bar), isopentyl alcohol (critical temperature = 306 캜, critical pressure = 39 bar), 2-methyl-1-butanol (Critical pressure = 40 bar), diethylquinol (critical temperature = 286 캜, critical pressure = 39 bar), methyl propyl cinnol (critical temperature = 287 캜, critical pressure = 37 bar)(Critical pressure = 397 bar), dimethylethylquinol (critical temperature = 271 캜, critical pressure = 37 bar), 1-hexanol (critical temperature = 337 캜, critical pressure = Critical pressure = 33 bar), 3-hexanol (critical temperature = 309 캜, critical pressure = 34 bar), 2-methyl-1-pentanol Critical temperature = 331 占 폚, Critical pressure = 35 bar), 3-methyl-1-pentanol (critical temperature = 387 占 폚, critical pressure = 30 bar), 4-methyl-1-pentanol (critical temperature = 330 占 폚; (Critical pressure = 30 bar), 2-methyl-2-pentanol (critical temperature = 286 캜, critical pressure = 36 bar) , 4-methyl-2-pentanol (critical temperature = 301 DEG C; (Critical pressure = 35 bar), 2-methyl-3-pentanol (critical temperature = 303 캜, critical pressure = 35 bar) (Critical pressure = 35 bar), 2,3-dimethyl-1-butanol (critical temperature = 331 캜, critical pressure = 35 bar), 2,3-dimethyl- (Critical pressure = 35 bar), 3-dimethyl-1-butanol (critical temperature = 331 캜, (Critical temperature = 307 DEG C, critical pressure = 34 bar), 1-heptanol (critical temperature = 360 DEG C, critical pressure = 31 bar), 2-heptanol (critical temperature = 335 DEG C, Wherein the alcohol comprises at least one alcohol selected from the group consisting of 3-heptanol (critical temperature = 332 DEG C, critical pressure = 30 bar) or 4-heptanol (critical temperature = 329 DEG C; critical pressure = 30 bar) And a method for producing a biofuel having a critical pressure or more. 제1항에 있어서, 상기 바이오오일 제조방법으로 생성된 바이오오일의 수율은 하기 수학식 2에 따라 60 내지 90 중량%인 바이오오일 제조방법.
[수학식 2]
Figure 112015029775886-pat00019
The method of claim 1, wherein the yield of the bio-oil produced by the bio-oil production method is 60 to 90% by weight according to the following formula (2).
&Quot; (2) &quot;
Figure 112015029775886-pat00019
제1항 내지 제4항, 제6항, 제7항 및 제9항 내지 제11항 중 어느 하나의 제조방법으로 제조된 바이오오일.A bio oil produced by the method of any one of claims 1 to 4, 6, 7, and 9 to 11. 제12항에 있어서, 상기 바이오오일은, 산소함량이 5 내지 20 중량%이며, O/C(산소/탄소) 몰비는 0.05 내지 0.16인 바이오오일.13. The bio oil according to claim 12, wherein the bio oil has an oxygen content of 5 to 20% by weight and an O / C (oxygen / carbon) molar ratio of 0.05 to 0.16. 제12항에 있어서, 상기 바이오오일의 고위발열량(HHV)은 하기 수학식 4에 따라 30 내지 45 MJ/kg인 바이오오일.
[수학식 4]
Figure 112015029775886-pat00020

(상기 수학식 4에서, C, H, N, S 및 O는 바이오오일에 존재하는 탄소, 수소, 질소, 황 및 산소의 무게비임)
13. The bio oil according to claim 12, wherein the high heating value (HHV) of the bio oil is 30 to 45 MJ / kg according to the following formula (4).
&Quot; (4) &quot;
Figure 112015029775886-pat00020

(Wherein C, H, N, S, and O are the weight ratio of carbon, hydrogen, nitrogen, sulfur, and oxygen present in bio oil)
제12항에 있어서, 상기 바이오오일의 탄소회수율은 하기 수학식 6에 따라 50 내지 200%인 바이오오일.
[수학식 6]
Figure 112015029775886-pat00021
13. The bio-oil according to claim 12, wherein the bio-oil has a carbon recovery rate of 50 to 200% according to the following formula (6).
&Quot; (6) &quot;
Figure 112015029775886-pat00021
제12항에 있어서, 상기 바이오오일의 에너지 효율은 하기 수학식 7에 따라 50 내지 150%인 바이오오일.
[수학식 7]
Figure 112015029775886-pat00022

(상기 수학식 7에서, m1은 거대조류의 무게, m2는 알코올의 무게, Cps는 건조된 거대조류의 평균 비열(1.25 kJ/kg·K), Cpalc는 알코올의 비열, Y는 바이오오일의 수율, OCraw는 거대조류에 포함된 유기물의 함량(82 중량%), OCoil은 바이오오일에 포함된 유기물의 함량(95 중량%), HHVraw는 거대조류의 고위발열량, HHVoil은 바이오오일의 고위발열량임)




13. The bio-oil according to claim 12, wherein the energy efficiency of the bio-oil is 50 to 150% according to the following formula (7).
&Quot; (7) &quot;
Figure 112015029775886-pat00022

(Where m 1 is the weight of the large algae, m 2 is the weight of the alcohol, C ps is the average specific heat of dried giant algae (1.25 kJ / kg · K), C palc is the specific heat of the alcohol, the yield of bio-oil, OC raw is the content of the organic matter contained in the large bird (82 wt%), OC oil is the content of the organic material contained in the bio-oil (95 wt%), HHV raw is a large bird senior heating value, HHV oil Is the high calorific value of bio-oil)




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