KR101766816B1 - 바이오매스 처리장치 및 이를 이용한 바이오매스 처리방법 - Google Patents

바이오매스 처리장치 및 이를 이용한 바이오매스 처리방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 바이오매스 처리장치 및 이를 이용한 바이오매스 처리방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 바이오매스를 효과적으로 분쇄하여 바이오매스의 생물전환을 향상시키기 위한 바이오매스 처리장치 및 이를 이용한 바이오매스 처리방법에 관한 것이다. 이를 위해 바이오매스 처리장치는 바이오매스를 절단 및 혼합하는 블렌딩 장치; 소정의 크기 이하로 절단 및 혼합된 바이오매스를 통과시키는 체(sieve); 및 체를 통과한 바이오매스를 분쇄하는 분쇄장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

바이오매스 처리장치 및 이를 이용한 바이오매스 처리방법{APPARATUS FOR TREATING BIOMASS AND TREATING METHOD OF BIOMASS USING THE SAME}
본 발명은 바이오매스 처리장치 및 이를 이용한 바이오매스 처리방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 바이오매스를 효과적으로 분쇄하여 바이오매스의 생물전환을 향상시키기 위한 바이오매스 처리장치 및 이를 이용한 바이오매스 처리방법에 관한 것이다.
바이오연료는 바이오매스(Biomass)라 하는 식물 생명체의 분해를 통해 최종적으로 에탄올이나 부탄올과 같은 연료를 생산하는 기술이다. 바이오매스는 전분계, 목질계, 조류 등이 사용될 수 있으며 전분계의 경우 세포벽이 두껍지 않기 때문에 별다른 전처리 공정없이 바로 당화 공정과 발효 공정을 통해 바이오연료를 얻을 수 있다. 하지만 목질계 바이오매스의 경우 셀룰로오즈를 둘러싼 리그닌을 깨뜨려야 비로소 셀룰로오즈를 통한 당화와 발효 공정이 가능하기 때문에 리그닌을 분해하는 전처리 공정이 중요한 요소 중의 하나이다.
효과적인 전처리 공정은 섬유소의 함량을 증가시키고 미세섬유의 결정성을 감소시켜 바이오매스의 단위면적당 효소의 흡착율을 높임으로써, 섬유소의 반응성을 증가시키고 효소 가수분해 능력을 증가시킨다. 전처리방법으로는 리그노셀룰로스계 바이오매스의 종류에 따라 다양한 물리적, 화학적 방법이 있으며, 예를 들어 증기 폭쇄법, 알칼리 처리법, 이산화황 처리법, 과산화수소 처리법, 초임계 암모니아 처리법, 약산 추출 처리법, 암모니아 동결 폭쇄법 등이 알려져 있다.
이중 가장 많이 사용되는 약산 추출 처리법은 고온고압의 반응기에 목재 등을 미분쇄하여 장입하고 그 틈새로 저농도의 산을 흘러 보내주어 헤미셀룰로스와 일부 리그닌을 추출하여 제거하는 방법이다. 이 방법은 반응기 내의 온도와 개개입자의 반응시간을 균등하게 하고 추출 분해물의 반응기 내 체류시간을 일정하게 유지할 수 있으므로 초기 분해물의 고온 상태에서의 장시간 반응에 의한 과도한 분해, 전환에 의한 부산물 생성을 줄이고 고형물(셀룰로스 및 리그닌)의 회수율을 높일 수 있으며 자일란의 회수율도 80~90% 이상으로 할 수 있다.
그러나, 상기 방법은 바이오매스 조직의 물리적 파쇄를 유발하기 어렵고 추출수에 미세입자가 동반하여 배관이 폐색되거나 처리 전 미분쇄에 과도한 동력이 소요되는 등의 문제점이 있다.
한편, 알칼리 처리에 의한 리그닌의 분해도 유망한 전처리 기술로 각광을 받고 있다. 알칼리 처리의 경우 알칼리성 용매인 암모니아수, 수산화나트륨, 수산화칼슘 및 황화나트륨을 1종 이상 처리하여 리그닌을 분해한다. 하지만 알칼리 처리 의 경우 높은 pH 값(≥ 10)에 의해서 이후에 따르는 셀룰로스 분해 효소 및 자일란분해 효소의 활성을 저해하게 되어 이후에 pH 저해 공정이 뒤따라야 한다. 이 공정에서는 다량의 물을 사용해야 하며 산 처리시는 불필요한 염류를 형성하여 여전히 해결해야 하는 문제로 남아있다.
무엇보다도 현재 가장 많이 사용되는 두 가지 전처리방법 모두 단당류만 생성되는 것이 아니라 약산, 퓨란 유도체, 페놀계 화합물 등이 발생하게 된다. 이런 화학물들은 이후 발효 공정에서 활용될 미생물에 치명적인 독성을 유발하게 되어 이후에 발생할 발효 공정의 효율을 저감시키는 영향을 미치게 된다. 이때 발생하는 주요한 화학물질들이 푸르푸랄 (Furfural), 바닐린 (Vanillin), 페룰산 (Ferulic acid), 쿠마릭산 (Coumaric acid) 등이다.
상기 화학물질 중 특히 푸르푸랄과 하이드록시메틸푸르푸랄의 경우는 높은 독성을 나타낸다는 것이 이미 보고되고 있다. 즉, 1 mg/L의 푸르푸랄에 대해서도 효모와 대장균에서 심각한 활성 저해 현상이 발생하는 것이 보고되었으며(Banerjee et al., 1981), 하이드록시메틸푸르푸랄에서도 대장균을 포함하여 17가지 균주를 가지고 독성 테스트를 수행했을 때 세포 활성 저해가 발견되었다.(Banerjee et al., 1981)
또한, 상기와 같은 독성물질이나 사용된 산, 염기 등을 제거하기 위해 다량의 물이 사용되는 경우가 많으며 이로 인한 이차 환경 오염 및 에너지 소비가 뒤따르게 된다. 또한 물을 사용한 세척시 원료로 사용되는 바이오매스가 유실되는 경우가 많아 실제 에너지 발생 효율이 떨어진다는 문제가 있다.
이런 문제를 해결하기 위해 화학적인 처리방법이 아닌 물리적인 처리방법을 이용한 목질계 바이오매스 처리방법들이 연구되고 있다.
대한민국 특허 10-1159290은 디스크 밀링 방법을 사용하여 바이오매스를 전처리하는 방법을 사용하고 있으나, 이는 비교적 겉 표면막이 약한 해조류 바이오매스를 사용하고 있고, 전처리 후에도 H2SO4, HCl, HBr, HNO3, CH3COOH, HCOOH, HClO4, H3PO4, PTSA(para-toluene sulfonic acid)와 같은 고체산 촉매 처리가 뒤따르는 2단계 전처리 공정이 필요하다.
대한민국 특허 10-0965851의 경우 팝핑(Popping method)에 의해서 옥수수대의 효소분해 공정 효율을 증대시키는 기술을 소개하였다. 팝핑법을 사용하면 옥수수대의 화학적인 조성에는 변화가 없지만 물리적으로 더 작게 분해가 된다. 하지만 리그닌의 결에 따른 분해는 되지 않으며 리그닌의 분해 정도가 그리 높지 않아 효율 향상 효과가 미미하다.
대한민국 특허 10-0994594나 10-1037125의 경우 목질계 바이오매스의 발효 저해물질을 중합시키는 방법을 기술하였는데, 이 경우는 전처리 과정에서 이미 발생한 발효 저해물질을 과산화효소나 중화제를 처리하여 중합시키는 것으로 역시 2단계 전처리 공정이 필요하다.
그러나, 상기 방법들 또한 오로지 물리적 분쇄만을 가지고 전처리를 시행하기는 에너지 소요가 너무 크고 효율이 낮아 오로지 물리적인 분쇄만을 이용한 전처리 공정은 아직 개발되지 못하였다.
이에, 본 발명에서는 종래의 화학적 전처리방법이 가지고 있는 독성 부산물의 생성, 바이오매스의 질량 손실, 환경 오염 등의 문제점을 해결함과 동시에 종래의 볼 분쇄 방법이 가지는 낮은 분쇄 효율의 문제를 해결할 수 있는 바이오매스 처리장치 및 이를 이용한 바이오매스 처리방법을 제공하고자 한다.
대한민국 등록특허공보 제10-1159290호 대한민국 등록특허공보 제10-0965851호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 종래의 화학적 전처리방법이 가지고 있는 독성 부산물의 생성, 바이오매스의 질량 손실, 환경 오염 등의 문제점을 해결함과 동시에 바이오매스의 블렌딩 및 분쇄 작업을 연속적으로 수행하여 일반적인 물리적 처리방법이 가지는 낮은 분쇄 효율 문제를 해결할 수 있는 바이오매스 처리장치 및 이를 이용한 바이오매스 처리방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 상기 및 다른 목적과 이점은 바람직한 실시예를 설명한 하기의 설명으로부터 분명해질 것이다.
상기 목적은, 바이오매스를 절단 및 혼합하는 블렌딩 장치; 소정의 크기 이하로 절단 및 혼합된 바이오매스를 통과시키는 체(sieve); 및 체를 통과한 바이오매스를 분쇄하는 분쇄장치;를 포함하는 바이오매스 처리장치에 의해 달성될 수 있다.
이때, 블렌딩 장치는 다수개의 칼날을 구비하는 회전축을 포함할 수 있고, 체(sieve)는 진동장치를 구비할 수 있으며, 분쇄장치는 3~10Φ의 세라믹 볼을 포함할 수 있다.
또한, 상기 목적은, 바이오매스를 블렌딩 장치로 투입하는 투입단계; 바이오매스를 절단 및 혼합하는 블렌딩 단계; 소정의 크기 이하로 절단 및 혼합된 바이오매스를 체(sieve)로 분리한 후, 분쇄장치로 이동하는 분리단계; 및 세라믹 볼을 이용하여 바이오매스를 마멸분쇄하는 분쇄단계;를 포함하는 바이오매스 처리방법에 의해 달성될 수 있다.
이때, 블렌딩단계는 0.1~10분 동안 150~450rpm의 속도로 수행될 수 있고, 체(sieve)는 진동장치를 구비하고, 체(sieve)를 진동시킴으로써 바이오매스를 분쇄장치로 이동시킬 수 있으며, 분쇄단계는 3~10Φ의 세라믹 볼을 이용하여 10~60분 동안 수행될 수 있다.
본 발명에 따르면, 종래의 화학적 전처리방법이 가지고 있는 독성 부산물의 생성, 바이오매스의 질량 손실, 환경 오염 등의 문제점을 해결하는 효과를 가진다.
또한, 분쇄 작업을 수행하기 전에 블렌딩 단계를 거침으로써 바이오매스 분쇄효율을 극대화 시킬 수 있고, 이를 연속적인 작업으로 처리함으로써 시간과 비용 및 노동력을 절감할 수 있는 효과를 가진다.
또한, 체(sieve)를 통해 소정의 크기를 가지는 바이오매스를 분쇄장치로 이동시켜 생산되는 바이오매스 분쇄물이 균일한 크기를 가지게 된다.
또한, 본 발명은 여러가지 식물체의 유용 물질을 추출할 수 있고, 효소를 이용하여 당화합물을 제조할 수도 있으며, 멸균 처리할 수 있는 효과도 가진다.
다만, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오매스 처리장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 체(sieve)와 블렌딩 장치 및 분쇄장치의 결합을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 마멸분쇄 방식의 원리를 설명하는 도면이다.
도 4는 실시예 및 비교예의 실험결과를 비교한 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시예와 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 예시적으로 제시한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가지는 자에 있어서 자명할 것이다.
또한, 달리 정의하지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련자에 의해 통상적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 가지며, 상충되는 경우에는, 정의를 포함하는 본 명세서의 기재가 우선할 것이다.
도면에서 제안된 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 그리고, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에서 기술한 "부"란, 특정 기능을 수행하는 하나의 단위 또는 블록을 의미한다.
각 단계들에 있어 식별부호는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 실시될 수도 있고 실질적으로 동시에 실시될 수도 있으며 반대의 순서대로 실시될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오매스 처리장치를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오매스 처리장치는 바이오매스를 절단 및 혼합하는 블렌딩 장치; 소정의 크기 이하로 절단 및 혼합된 바이오매스를 통과시키는 체(sieve); 및 체를 통과한 바이오매스를 분쇄하는 분쇄장치;를 포함한다. 본 발명은 블렌딩 장치와 분쇄장치를 연결하여 바이오매스를 연속적으로 처리하되, 원하는 크기로 블렌딩된 바이오매스만 통과하도록 블렌딩 장치와 분쇄장치 사이에 체(sieve)를 설치하고, 소정의 크기(여기에서 소정의 크기란 15~25 메쉬(mesh)의 체를 통과할 수 있는 크기를 의미한다) 이하의 바이오매스를 통과시킴으로써 바이오매스 분쇄효과를 극대화하는 한편, 생산하는 바이오매스 분쇄물이 균일한 크기를 갖는 효과를 가진다.
일 실시예에 있어서, 블렌딩 장치는 바이오매스를 절단 및 혼합하는 장치로서, 장치의 중앙부에는 다수개의 칼날을 구비하는 회전축을 포함할 수 있고, 회전축은 별도의 동력장치에 의해 회전함으로써 바이오매스를 절단 및 혼합한다. 회전축에 결합되는 칼날의 개수는 블렌딩 장치의 크기에 따라 다양하게 조절할 수 있고, 회전축의 회전 속도는 150~450rpm인 것이 바람직하다. 150rpm 미만에서는 바이오매스가 효과적으로 절단되지 못하고, 450rpm을 초과하는 경우, 동력장치의 성능을 지나치게 높이게 되어 비경제적이다. 또한, 블렌딩은 0.1~10분 수행되는 것이 바람직하고, 0.1분 미만의 경우, 절단 효과가 미흡하며, 10분 초과하는 경우, 바이오매스가 충분히 절단되어 추가적인 절단효과가 없으므로 비경제적이다.
또한, 블렌딩 장치의 상부 일측에는 바이오매스를 투입하는 바이오매스 주입구가 형성되어 있어 연속적으로 바이오매스를 주입할 수 있다. 즉, 블렌딩 장치와 분쇄장치 사이에 체(sieve)가 배치되어 소정의 크기 이하로 절단된 바이오매스를 계속적으로 통과시키므로 바이오매스 주입구를 통해 바이오매스를 연속 공급하는 것이 가능하다.
일 실시예에 있어서, 체(sieve)는 소정의 크기 이하로 절단 및 혼합된 바이오매스를 통과시키는 장치로서, 블렌딩 장치에 의해 절단 및 혼합된 바이오매스를 통과시켜 분쇄장치로 이동시킨다. 도 2는 체(sieve)와 블렌딩 장치 및 분쇄장치의 결합을 개략적으로 나타낸 도면으로, 이를 참조하여 설명하면, 체(sieve)는 그 폭이 블렌딩 장치 및 분쇄장치보다 넓어 오링(O-ring) 등을 이용하여 블렝딩 장치 및 분쇄장치를 연속적으로 결합한다.
또한, 체(sieve)는 진동장치를 구비하고 있어, 진동에 의해 소정의 크기 이하로 절단된 바이오매스를 효과적으로 통과시킬 수 있다. 즉, 충분한 크기로 절단된 바이오매스가 점성에 의해 통과하지 못하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 체(sieve)는 15~25 메쉬(mesh)의 체(sieve)인 것이 바람직하다. 메쉬(mesh)란, 가로와 세로 길이 1인치(inch) 안에 들어있는 구멍의 개수를 나타내는 단위로서, 20 메쉬(mesh)의 경우, 가로와 세로 길이 1인치(inch) 안에 20개의 구멍이 있는 것을 의미한다. 15 메쉬 미만인 경우, 절단 시간이 매우 길어지기 때문에 비효율적이고, 25 메쉬를 초과하는 경우, 이어지는 분쇄장치에서 효과적으로 분쇄되지 않을 수 있다.
일 실시예에 있어서, 분쇄장치는 체를 통과한 바이오매스를 분쇄하는 장치이다. 도 3은 마멸분쇄 방식의 원리를 설명하는 도면으로, 이를 참조하여 설명하면, 분쇄장치는 샤프트 핀(shaft pin)이 형성된 교반기(agitator)에 의해서 용기 내에 힘의 구배를 유도하고, 상기 힘의 구배가 형성된 용기 내에서 세라믹 볼 간의 마찰을 유도하여 내부에 있는 바이오매스를 분쇄하는 마멸분쇄(attrition mill) 방식을 이용하여 물리적 처리를 수행한다. 이때, 세라믹 볼은 3~10Φ인 것이 바람직하다. 3Φ 미만인 경우, 세라믹 볼에 의한 충분한 분쇄 효과를 가질 수 없고, 10Φ를 초과하는 경우, 바이오매스 분쇄 시 세라믹 볼 간의 충돌에 의해 세라믹 볼이 파손될 우려가 있다.
한편, 분쇄장치는 10~60분의 시간동안 150~450rpm의 속도로 수행되는 것이 바람직하다. 분쇄 속도가 150rpm 미만일 경우, 분쇄가 충분히 이루어지지 않아 분쇄 효율이 떨어지고, 450rpm을 초과하는 경우, 추가적인 분쇄 효과를 얻기 어려우므로 비경제적이다.
한편, 분쇄장치는 이어지는 추가공정에 따라 다양한 장치를 더 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 분쇄된 바이오매스를 멸균하기 위해서 히팅장치 및 압력차단장치를 포함할 수 있다. 분쇄된 바이오매스는 압력차단장치에 의해 분쇄장치 내부의 압력을 유지하고, 121℃에서 15~40분 동안 유지함으로써 멸균할 수 있다.
또한, 분쇄된 바이오매스를 열수 추출방식으로 필요성분을 추출하기 위해 히팅장치를 포함할 수 있다. 즉, 히팅장치를 이용하여 적절한 온도로 가열하여 필요한 물질을 추출할 수도 있다.
또한, 분쇄된 바이오매스를 통해 높은 효율로 당화합물을 얻기 위하여 효소 투입장치를 포함할 수 있다. 즉, 효소를 이용하여 바이오매스를 분해시킴으로써 높은 효율로 당화합물을 얻을 수 있고, 얻어진 당화합물을 미생물을 이용하여 발효시킴으로써 경제적이면서도 친환경적으로 바이오연료를 제조할 수도 있다. 이때, 효소 처리에 소요되는 시간 대비 단당류 생성 효율을 최대화하기 위하여 효소 처리는 24~96 시간 동안 진행되는 것이 바람직하며, 효소처리 시간이 너무 작으면 당화가 효율적으로 일어나기 어렵고, 효소처리 시간이 길어지면 전체적인 공정 시간이 늘어나 효율이 떨어지게 된다. 또한, 효소 사용량 대비 단당류 생성 효율을 최대화하기 위하여 효소 사용량은 3~50 FPU/g-biomass인 것이 바람직하며, 효소 사용량이 너무 작으면 당화가 효율적으로 일어나기 어렵고, 효소 사용량이 많으면 단당류 생성 효율 대비 처리 비용이 증가하게 된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 바이오매스 처리방법은 바이오매스를 블렌딩 장치로 투입하는 투입단계; 바이오매스를 절단 및 혼합하는 블렌딩 단계; 소정의 크기 이하로 절단 및 혼합된 바이오매스를 체(sieve)로 분리한 후, 분쇄장치로 이동하는 분리단계; 및 세라믹 볼을 이용하여 바이오매스를 마멸분쇄하는 분쇄단계;를 포함한다. 본 발명은 블렌딩단계와 분쇄단계를 연속적으로 수행하되, 원하는 크기로 블렌딩된 바이오매스만 통과하도록 블렌딩 장치와 분쇄장치 사이에 체(sieve)를 설치하고, 소정의 크기(여기에서 소정의 크기란 15~25 메쉬(mesh)의 체를 통과할 수 있는 크기를 의미한다) 이하의 바이오매스만을 통과시킴으로써 바이오매스 분쇄효과를 극대화하는 한편, 생산하는 바이오매스 분쇄물이 균일한 크기를 갖는 효과를 가진다. 이하, 도 1에 도시된 바이오매스 처리장치를 이용하여 바이오매스 처리방법을 설명하나, 이에 국한되는 것은 아니다.
일 실시예에 있어서, 투입단계는 바이오매스를 블렌딩 장치로 투입하는 단계로서, 블렌딩 장치와 분쇄장치 사이에 체(sieve)가 배치되어 소정의 크기 이하로 절단된 바이오매스를 계속적으로 통과시키므로 바이오매스 주입구를 통해 바이오매스를 연속 공급하는 것이 가능하다.
일 실시예에 있어서, 블렌딩 단계는 투입된 바이오매스를 혼합 및 절단하는 단계이다. 블렌딩 단계는 다수개의 칼날을 구비하는 회전축을 포함하는 블렌딩 장치를 사용하여 수행할 수 있다. 이때, 회전축의 회전 속도는 150~450rpm인 것이 바람직하다. 150rpm 미만에서는 바이오매스가 효과적으로 절단되지 못하고, 450rpm을 초과하는 경우, 동력장치의 성능을 지나치게 높이게 되어 비경제적이다. 또한, 블렌딩 단계는 0.1~10분 수행되는 것이 바람직하고, 0.1분 미만의 경우, 절단 효과가 미흡하며, 10분 초과하는 경우, 바이오매스가 충분히 절단되어 추가적인 절단효과가 없으므로 비경제적이다.
일 실시예에 있어서, 분리단계는 소정의 크기 이하로 절단 및 혼합된 바이오매스를 체(sieve)로 분리한 후, 분쇄장치로 이동시키는 단계이다. 즉, 체(sieve)는 소정의 크기 이하로 절단 및 혼합된 바이오매스를 통과시키는 장치로서, 블렌딩 장치에 의해 절단 및 혼합된 바이오매스를 통과시켜 분쇄장치로 이동시킨다. 이때, 체(sieve)는 진동장치를 구비하고 있어, 체를 진동시킴으로서 소정의 크기 이하로 절단된 바이오매스를 효과적으로 통과시킬 수 있다. 즉, 충분한 크기로 절단된 바이오매스가 점성에 의해 통과하지 못하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 체(sieve)는 15~25 메쉬(mesh)의 체(sieve)로서, 이를 통과할 수 있는 바이오매스를 분쇄장치로 이동시키는 것이 바람직하다. 메쉬(mesh)란, 가로와 세로 길이 1인치(inch) 안에 들어있는 구멍의 개수를 나타내는 단위로서, 20 메쉬(mesh)의 경우, 가로와 세로 길이 1인치(inch) 안에 20개의 구멍이 있는 것을 의미한다. 15 메쉬 미만인 경우, 절단 시간이 매우 길어지기 때문에 비효율적이고, 25 메쉬를 초과하는 경우, 이어지는 분쇄장치에서 효과적으로 분쇄되지 않을 수 있다.
일 실시예에 있어서, 분쇄단계는 세라믹 볼을 이용하여 바이오매스를 마멸분쇄하는 단계이다. 도 3은 마멸분쇄 방식의 원리를 설명하는 도면으로, 이를 참조하여 설명하면, 분쇄단계는 샤프트 핀(shaft pin)이 형성된 교반기(agitator)에 의해서 용기 내에 힘의 구배를 유도하고, 상기 힘의 구배가 형성된 용기 내에서 세라믹 볼 간의 마찰을 유도하여 내부에 있는 바이오매스를 분쇄하는 마멸분쇄(attrition mill) 방식을 이용하여 물리적 처리를 수행한다. 이때, 세라믹 볼은 3~10Φ인 것이 바람직하다. 3Φ 미만인 경우, 세라믹 볼에 의한 충분한 분쇄 효과를 가질 수 없고, 10Φ를 초과하는 경우, 바이오매스 분쇄 시 세라믹 볼 간의 충돌에 의해 세라믹 볼이 파손될 우려가 있다.
또한, 분쇄장치는 10~60분의 시간동안 150~450rpm의 속도로 수행되는 것이 바람직하다. 분쇄 속도가 150rpm 미만일 경우, 분쇄가 충분히 이루어지지 않아 분쇄 효율이 떨어지고, 450rpm을 초과하는 경우, 추가적인 분쇄 효과를 얻기 어려우므로 비경제적이다.
한편, 분쇄단계는 분쇄된 바이오매스 처리목적에 따라 다양한 단계를 더 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 분쇄된 바이오매스를 멸균하기 위한 멸균단계를 더 포함할 수 있다. 이때, 멸균은 분쇄된 바이오매스 121℃에서 15~40분 동안 유지함으로써 멸균할 수 있다.
또한, 분쇄된 바이오매스를 열수 추출방식으로 필요성분을 추출하기 위한 추출단계를 더 포함할 수 있다. 이때, 추출단계는 히팅장치를 이용하여 적절한 온도로 가열하여 필요한 물질을 추출할 수 있다.
또한, 분쇄된 바이오매스를 통해 높은 효율로 당화합물을 얻기 위한 당화단계를 더 포함할 수 있다. 즉, 효소를 이용하여 바이오매스를 분해시킴으로써 높은 효율로 당화합물을 얻을 수 있고, 얻어진 당화합물을 미생물을 이용하여 발효시킴으로써 경제적이면서도 친환경적으로 바이오연료를 제조할 수도 있다. 이때, 효소 처리에 소요되는 시간 대비 단당류 생성 효율을 최대화하기 위하여 효소 처리는 24~96 시간 동안 진행되는 것이 바람직하며, 효소처리 시간이 너무 작으면 당화가 효율적으로 일어나기 어렵고, 효소처리 시간이 길어지면 전체적인 공정 시간이 늘어나 효율이 떨어지게 된다. 또한, 효소 사용량 대비 단당류 생성 효율을 최대화하기 위하여 효소 사용량은 3~50 FPU/g-biomass인 것이 바람직하며, 효소 사용량이 너무 작으면 당화가 효율적으로 일어나기 어렵고, 효소 사용량이 많으면 단당류 생성 효율 대비 처리 비용이 증가하게 된다.
이하, 실시예와 비교예를 통하여 본 발명의 구성 및 그에 따른 효과를 보다 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 본 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
4개의 칼날을 구비하는 회전축을 가진 블렌딩 장치와 20 메쉬(mesh)의 체 및 10Φ의 세라믹 볼을 구비하는 분쇄장치를 포함하는 바이오매스 처리장치를 준비하였다.
[비교예]
실시예에서 블렌딩 장치와 체를 제외한 바이오매스 처리장치, 즉, 10Φ의 세라믹 볼을 구비하는 분쇄장치를 포함하는 바이오매스 처리장치를 준비하였다.
[실험예]
실시예 및 비교예의 바이오매스 처리장치에 옥수수대를 주입하고, 분쇄하여 샘플을 채취한 후, 바이오매스의 크기를 분석하였다. 이때, 블렌딩은 300rpm의 속도로 5분동안 진행하였고, 분쇄는 300rpm의 속도로 20분 동안 진행하였다.
도 4는 실시예 및 비교예의 실험결과를 비교한 그래프이다. 도 4를 통해 알 수 있듯이, 블렌딩 장치, 체 및 분쇄장치를 구비하는 실시예를 사용하여 바이오매스를 분쇄한 경우, 100㎛ 이하로 분쇄된 비율이 75%로, 비교예보다 훨씬 분쇄효율이 높다는 것을 알 수 있었다.
본 명세서에서는 본 발명자들이 수행한 다양한 실시예 가운데 몇 개의 예만을 들어 설명하는 것이나 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고, 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
100 : 바이오매스 처리장치 10 : 블렌딩 장치
11 : 주입구 12 : 칼날
20 : 체(sieve) 21 : 오링(O-ring)
30 : 분쇄장치 31 : 샤프트 핀

Claims (8)

  1. 다수개의 칼날을 구비하고, 150~450rpm의 속도로 회전하는 회전축을 이용하여 바이오매스를 절단 및 혼합하는 블렌딩 장치;
    소정의 크기 이하로 절단 및 혼합된 바이오매스를 통과시키는 체(sieve); 및
    샤프트 핀이 형성된 교반기 및 3~10Φ의 세라믹 볼을 이용하여 체를 통과한 바이오매스를 분쇄하는 분쇄장치;를 포함하되,
    분쇄장치는,
    분쇄된 바이오매스를 멸균하거나 특정 성분을 추출하기 위한 히팅장치와 압력차단장치를 포함하고,
    분쇄된 바이오매스로부터 당화합물을 얻기 위하여 효소를 공급하는 효소 투입장치를 포함하는 것을 특징으로 하는, 바이오매스 처리장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    체(sieve)는 진동장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는, 바이오매스 처리장치.
  4. 삭제
  5. 제1항의 바이오매스 처리장치를 이용한 바이오매스 처리방법에 있어서,
    바이오매스를 블렌딩 장치로 투입하는 투입단계;
    0.1~10분 동안 150~450rpm의 속도로 바이오매스를 절단 및 혼합하는 블렌딩 단계;
    소정의 크기 이하로 절단 및 혼합된 바이오매스를 체(sieve)로 분리한 후, 분쇄장치로 이동하는 분리단계; 및
    세라믹 볼을 이용하여 10~60분 동안 바이오매스를 마멸분쇄하는 분쇄단계;를 포함하되,
    분쇄단계 이후에,
    분쇄된 바이오매스를 멸균하기 위한 멸균단계;
    분쇄된 바이오매스로부터 특정 성분을 추출하기 위한 추출단계; 및
    효소를 투입하여 분쇄된 바이오매스로부터 당화합물을 얻기 위한 당화단계; 중 적어도 어느 하나의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 바이오매스 처리방법.
  6. 삭제
  7. 제5항에 있어서,
    체(sieve)는 진동장치를 구비하고, 체(sieve)를 진동시킴으로써 바이오매스를 분쇄장치로 이동시키는 것을 특징으로 하는, 바이오매스 처리방법.
  8. 삭제
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