KR101814492B1 - simultaneous producting system and method of various bio fuel using biomass - Google Patents

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KR101814492B1 KR1020160159229A KR20160159229A KR101814492B1 KR 101814492 B1 KR101814492 B1 KR 101814492B1 KR 1020160159229 A KR1020160159229 A KR 1020160159229A KR 20160159229 A KR20160159229 A KR 20160159229A KR 101814492 B1 KR101814492 B1 KR 101814492B1
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구자옥
최창수
조경민
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대호산업 주식회사
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Abstract

The present invention relates to a method and system for simultaneously producing various kinds of biofuels by using biomass, wherein the system comprises: a storage tank in which biomass is stored; an acid fermenter which is connected to the storage tank to disintegrate the biomass supplied from the storage tank into composite organic acids via acid fermentation, and generate hydrogen at the same time; a solid-liquid separator which is connected to the acid fermenter to separate a fermentation liquid supplied from the acid fermenter into a solid component and a liquid component, and treat the components to have high purity; an alcohol fermenter which is connected to one side of the solid-liquid separator to produce alcohols by using volatile organic acids supplied from the solid-liquid separator; and a biogas generation unit which is connected to the other side of the solid-liquid separator to generate biogas by using organic residues supplied from the solid-liquid separator. Accordingly, the method and system of the present invention can simultaneously produce various kinds of energy that include not only the conventional biogas composed of a methane gas, but also liquids including alcohols, and hydrogen.

Description

바이오매스를 활용한 다양한 종류의 바이오 연료 동시 생산 시스템 및 그 생산방법 {simultaneous producting system and method of various bio fuel using biomass}[0001] The present invention relates to a system for simultaneously producing various types of biofuels using biomass,

본 발명은 바이오매스를 활용한 다양한 종류의 바이오 연료 동시 생산 시스템 및 그 생산방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유기성 폐 바이오 매스를 활용하여 바이오 가스 이외에도 알콜과 수소를 동시에 생산하는 바이오매스를 활용한 다양한 종류의 바이오 연료 동시 생산 시스템 및 그 생산방법에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a system for simultaneously producing various kinds of biofuels using biomass and a method for producing the same, and more particularly, to a system and method for producing biofuels using biomass, The present invention relates to a system for simultaneously producing various kinds of biofuels and a production method thereof.

현재 국내에서 발생되는 유기성 폐기물(하수슬러지, 축산분뇨, 음식물쓰레기, 유기성 도시 고형 폐기물)은 연간 1억톤 이상으로 매립 및 해양투기와 같은 원시적인 처리 방법과 호기성 공정을 통한 퇴비화, 액비화, 사료화 등에 의해 처리되고 있는 실정이다. Organic wastes (sewage sludge, livestock manure, food waste, organic municipal solid waste) that are generated in Korea now have a capacity of more than 100 million tons per year and can be produced by composting, liquefaction, feed conversion through primitive treatment methods such as landing and ocean dumping, It is being processed.

그러나, 매립부지 부족 및 2차 오염원의 수계 유입 가능성 등으로 인해 유기성 폐기물의 매립에 대한 부정적인 인식이 이미 팽배한 실정이며, 경제적, 기술적 장점으로 인해 가장 대표적인 처리방법이었던 해양투기 역시 런던협약에 의해 금지되었다.However, the negative recognition of the landfill of organic wastes has already been prevailed due to the shortage of landfill sites and the possibility of secondary sources of water pollution. The marine dumping, which was the most typical treatment method due to economic and technological advantages, .

또한, 호기성 공정을 이용한 처리방법은 공기주입으로 인해 소모되는 과도한 에너지 소모 및 생산된 최종산물의 낮은 질로 인한 판매처 확보의 어려움 등으로 인해 혐기성 소화 공정이 가장 친환경적인 처리 방안으로 인식되고 있다.In addition, the anaerobic digestion process is regarded as the most environmentally friendly treatment method due to the excessive energy consumption consumed by the air injection and the difficulty of securing the sales place due to the low quality of the final product produced.

그러나, 기존의 혐기성 소화 공정을 통한 바이오가스화 기술은 높은 초기 시설 투자비, 낮은 바이오 가스 생산율, 긴 체류시간 등으로 인해 문제가 되고 있으며, 국내 유기성 폐기물의 특성과 맞지 않는 외국기술의 도입으로 인해 성공적인 운전사례가 극히 드문 것으로 알려져 있다. 또한, 바이오가스는 전력으로 이용시에는 전환 효율이 낮고, 차량용 연료 및 도시가스로의 활용시에는 고비용의 정제 비용이 추가로 발생되는 문제점이 있다. However, the existing anaerobic digestion process biogasification technology is problematic due to high initial facility investment cost, low biogas production rate, long stay time, etc., and due to the introduction of foreign technology that does not match the characteristics of domestic organic waste, The case is known to be extremely rare. In addition, biogas has a low conversion efficiency when used as electric power, and a high-cost refining cost is further generated when it is used as fuel for vehicles and city gas.

한편, 종래기술에 따른 바이오매스 처리 방법의 일 예가 대한민국 특허공개번호 제10-2016-0132165호(2016년11월17일자 공개, 이하 '특허문헌 1'이라 함) 등에 개시되어 있다. On the other hand, an example of a conventional biomass processing method is disclosed in Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2016-0132165 (published on Nov. 17, 2016, hereinafter referred to as "Patent Document 1").

그러나, 이러한 바이오매스 처리 방법은 소규모의 목질계 바이오매스만을 처리할 수 있기 때문에 그 활용성이 떨어질 수 있다는 문제점이 있다. However, such a biomass treatment method has a problem in that it can be used only because it can treat only a small amount of woody biomass.

대한민국 특허공개번호 제10-2016-0132165호(2016년11월17일자 공개)Korean Patent Publication No. 10-2016-0132165 (published on Nov. 17, 2016)

본 발명의 목적은, 기존의 메탄가스로 구성된 바이오가스뿐만 아니라 알콜과 같은 액체류와 수소 등을 포함한 다양한 종류의 에너지를 동시에 생산할 수 있는 바이오매스를 활용한 다양한 종류의 바이오 연료 동시 생산 시스템 및 그 생산방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a system for simultaneous production of various kinds of biofuels utilizing a biomass capable of simultaneously producing various kinds of energy including liquids such as alcohol and hydrogen as well as biogas composed of conventional methane gas, Thereby providing a production method.

또한, 기존의 습식소화가 아닌 건식소화 기술을 적용하여 바이오가스 생산 속도를 극대화하고, 원료 물질의 온도 상승에 필요한 열원, 펌핑 시 요구되는 전력량, 슬러지 발생량을 최소화할 수 있는 바이오매스를 활용한 다양한 종류의 바이오 연료 동시 생산 시스템 및 그 생산방법을 제공하는 것이다. In addition, it is possible to maximize biogas production rate by applying dry fire extinguishing technology instead of conventional wet digestion, and to utilize biomass to minimize the heat source required for the temperature rise of raw materials, the amount of power required for pumping, and the amount of sludge generated Type biofuel producing system and a production method thereof.

아울러, 폐 바이오매스의 처리비 및 생산된 바이오가스 판매만을 통해 경제성을 확보하였던 기존의 공정에 비해 에너지 전환 효율이 향상되고 활용도가 확대되도록 할 수 있는 바이오매스를 활용한 다양한 종류의 바이오 연료 동시 생산 시스템 및 그 생산방법을 제공하는 것이다. In addition, a variety of biofuel simultaneous production systems utilizing biomass, which can improve energy conversion efficiency and increase utilization compared to existing processes that have secured economical efficiency through the processing cost of pulmonary biomass and sales of produced biogas And a production method thereof.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 바이오매스를 활용한 다양한 종류의 바이오 연료 동시 생산 시스템은: 바이오매스가 내부에 저장되는 저장탱크; 상기 저장탱크에 연결되어 상기 저장탱크에서 공급되는 바이오매스를 산 발효시켜 복합 유기산으로 분해함과 동시에 수소를 생산하는 산발효조; 상기 산발효조에 연결되어 상기 산발효조에서 공급되는 발효액을 고체 성분과 액체 성분으로 분리하여 고순도 처리하는 고액분리기; 상기 고액분리기의 일측에 연결되어 상기 고액분리기에서 공급되는 휘발성 유기산으로 알콜을 생산하는 알콜발효조; 및, 상기 고액분리기의 타측에 연결되어 상기 고액분리기에서 공급되는 유기 잔사로 바이오 가스를 생산하는 바이오 가스 생성부;를 포함하는 것을 특징으로 한다. To achieve the above object, the present invention provides a simultaneous production system for various types of biofuels utilizing biomass, comprising: a storage tank in which biomass is stored; An acid fermentation tank connected to the storage tank for fermenting biomass supplied from the storage tank to decompose the biomass into a complex organic acid and producing hydrogen; A solid-liquid separator connected to the acid fermentation tank and separating the fermentation liquid supplied from the acid fermentation tank into a solid component and a liquid component and performing a high purity treatment; An alcohol fermenter connected to one side of the solid-liquid separator to produce alcohol with the volatile organic acid supplied from the solid-liquid separator; And a biogas generator connected to the other side of the solid-liquid separator to produce biogas from the organic residue supplied from the solid-liquid separator.

여기서, 상기 바이오 가스 생성부는 상기 고액분리기에서 공급되는 유기 잔사를 고압 건식 혐기성 소화 방식으로 처리하여 메탄을 생산하는 메탄발효조인 것이 바람직하다. The biogas production unit may be a methane fermentation tank for producing methane by treating the organic residue supplied from the solid-liquid separator with a high pressure dry anaerobic digestion system.

그리고, 상기 저장탱크와 상기 산발효조의 사이에 구비되어 상기 저장탱크에서 상기 산발효조로 공급되기 전의 바이오매스를 잘게 부수는 분쇄기를 더 포함하는 것이 바람직하다. The apparatus may further include a crusher disposed between the storage tank and the acid fermentation tank and capable of crushing the biomass before being supplied to the acid fermentation tank in the storage tank.

한편, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 바이오매스를 활용한 다양한 종류의 바이오 연료 동시 생산방법은: 바이오매스를 저장탱크의 내부에 저장하는 바이오매스 저장단계; 상기 저장탱크에서 공급되는 바이오매스를 산발효조에서 산 발효시켜 복합 유기산으로 분해함과 동시에 수소를 생산하는 산발효단계; 상기 산발효조에서 공급되는 발효액을 고액분리기에서 고체 성분과 액체 성분으로 분리하여 고순도 처리하는 고액분리단계; 상기 고액분리기에서 공급되는 휘발성 유기산으로 상기 고액분리기의 일측에 연결된 알콜발효조에서 알콜을 생산하는 알콜발효단계; 및, 상기 고액분리기에서 공급되는 유기 잔사로 상기 고액분리기의 타측에 연결된 바이오 가스 생성부에서 바이오 가스를 생산하는 바이오 가스 생성단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. In order to accomplish the above object, there is provided a method for simultaneously producing various kinds of biofuels using biomass according to the present invention, comprising: storing a biomass in a storage tank; An acid fermentation step of fermenting the biomass supplied from the storage tank in an acid fermentation tank to decompose the biomass into a complex organic acid and producing hydrogen; A solid-liquid separation step in which the fermentation liquid supplied from the acid fermentation tank is separated into a solid component and a liquid component by a solid-liquid separator and subjected to a high purity treatment; An alcohol fermentation step for producing alcohol in an alcohol fermentation tank connected to one side of the solid-liquid separator with the volatile organic acid supplied from the solid-liquid separator; And a biogas production step of producing biogas in a biogas production unit connected to the other side of the solid-liquid separator as an organic residue supplied from the solid-liquid separator.

본 발명에 따르면, 기존의 메탄가스로 구성된 바이오가스뿐만 아니라 알콜과 같은 액체류와 수소 등을 포함한 다양한 종류의 에너지를 동시에 생산할 수 있는 바이오매스를 활용한 다양한 종류의 바이오 연료 동시 생산 시스템 및 그 생산방법을 제공할 수 있다. According to the present invention, various types of simultaneous biofuel production systems utilizing biomass capable of simultaneously producing various types of energy including liquid such as alcohol and hydrogen as well as biogas composed of conventional methane gas, and production thereof Method can be provided.

또한, 기존의 습식소화가 아닌 건식소화 기술을 적용함으로써, 바이오가스 생산 속도를 극대화하고, 원료 물질의 온도 상승에 필요한 열원, 펌핑 시 요구되는 전력량, 슬러지 발생량을 최소화할 수 있는 바이오매스를 활용한 다양한 종류의 바이오 연료 동시 생산 시스템 및 그 생산방법을 제공할 수 있다. By applying dry fire extinguishing technology instead of conventional wet digestion, biomass can be used to maximize biogas production rate, minimize the heat source required for the temperature rise of raw materials, the amount of electricity required for pumping, and the amount of sludge generated. It is possible to provide various kinds of simultaneous biofuel production systems and production methods thereof.

아울러, 폐 바이오매스의 처리비 및 생산된 바이오가스 판매만을 통해 경제성을 확보하였던 기존의 공정에 비해 에너지 전환 효율이 향상되고 활용도가 확대되도록 할 수 있는 바이오매스를 활용한 다양한 종류의 바이오 연료 동시 생산 시스템 및 그 생산방법을 제공할 수 있다. In addition, a variety of biofuel simultaneous production systems utilizing biomass, which can improve energy conversion efficiency and increase utilization compared to existing processes that have secured economical efficiency through the processing cost of pulmonary biomass and sales of produced biogas And a production method thereof.

도 1은 본 발명에 따른 바이오매스를 활용한 다양한 종류의 바이오 연료 동시 생산 시스템을 도시한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 바이오매스를 활용한 다양한 종류의 바이오 연료 동시 생산방법을 설명하기 위한 공정 흐름도이다. 1 is a view showing various types of simultaneous biofuel production systems utilizing biomass according to the present invention,
FIG. 2 is a process flow chart for explaining a method for simultaneously producing various types of biofuels using the biomass according to the present invention.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명에 따른 바이오매스를 활용한 다양한 종류의 바이오 연료 동시 생산 시스템은, 도 1에 도시된 바와 같이, 유기성 폐 바이오매스가 내부에 저장되는 저장탱크(100)와, 저장탱크(100)에 연결되어 저장탱크(100)에서 공급되는 폐 바이오매스를 산 발효시켜 복합 유기산으로 분해함과 동시에 수소를 생산하는 산발효조(300)와, 산발효조(300)에 연결되어 산발효조(300)에서 공급되는 발효액을 고체 성분과 액체 성분으로 분리하여 고순도 처리하는 고액분리기(400)와, 고액분리기(400)의 일측에 연결되어 고액분리기(400)에서 공급되는 휘발성 유기산으로 알콜을 생산하는 알콜발효조(600)와, 고액분리기(400)의 타측에 연결되어 고액분리기(400)에서 공급되는 유기 잔사로 바이오 가스를 생산하는 바이오 가스 생성부(700)를 포함한다. As shown in FIG. 1, the system for simultaneously producing various kinds of biofuels utilizing the biomass according to the present invention includes a storage tank 100 in which organic pulmonary biomass is stored, a storage tank 100 connected to the storage tank 100, An acid fermentation tank 300 for decomposing the pulmonary biomass supplied from the storage tank 100 into acidic organic acids to produce hydrogen and producing hydrogen; an acid fermentation tank 300 connected to the acid fermentation tank 300 and supplied from the acid fermentation tank 300; A solid-liquid separator 400 separating the fermentation broth into a solid component and a liquid component and performing a high purity treatment; an alcohol fermentation tank 600 connected to one side of the solid-liquid separator 400 to produce alcohol from the volatile organic acid supplied from the solid- And a biogas generator 700 connected to the other side of the solid-liquid separator 400 to produce biogas from the organic residue supplied from the solid-liquid separator 400.

이에 따라, 저장탱크(100)에서 산발효조(300)로 유입된 기질은 1 단계로 산 발효 과정을 거친 후 고/액 분리를 통해 액상 성분은 추가적인 후처리(정제, 발효, 고질화)를 통해 알콜로 회수되고 고상 성분은 혐기성 소화를 통해 추가적인 에너지원이 될 수 있는 바이오 가스를 얻음으로써, 기존의 메탄가스로 구성된 바이오가스뿐만 아니라 알콜과 같은 액체류와 수소 등을 포함한 다양한 종류의 에너지를 동시에 생산할 수 있는 바이오매스를 활용한 다양한 종류의 바이오 연료 동시 생산 시스템 및 그 생산방법을 제공할 수 있다. Accordingly, the substrate introduced into the acid fermentation tank 300 from the storage tank 100 is subjected to an acid fermentation process in a single step, and the liquid component is further subjected to post-treatment (purification, fermentation, and solidification) By recovering biogas, which can be an additional source of energy through anaerobic digestion, the solid phase component can be used to produce various types of energy, including liquids such as alcohol and hydrogen, as well as biogas composed of conventional methane gas It is possible to provide a simultaneous production system of various kinds of biofuels utilizing the biomass that can be produced and a production method thereof.

저장탱크(100)에 저장되는 유기성 폐 바이오매스의 물질 수지는 음식물 쓰레기의 양을 1톤으로 했을 때, 다음의 <표 1>에 도시된 바와 같다.The mass balance of organic waste biomass stored in the storage tank 100 is as shown in Table 1 when the amount of food waste is 1 ton.

ItemItem Conc.(kg/㎥)Conc. (Kg / m3) Mass (kg)Mass (kg) CODCOD 200200 200200 VSVS 150150 150150

COD: 화학적 산소 요구량, VS: 휘발성 물질COD: chemical oxygen demand, VS: volatile substance

산발효조(300)는 유기성 폐 바이오매스를 교반하여 C2-C4의 복합 유기산으로 분해함과 동시에 청정에너지원인 수소(H2)를 생산한다. 즉, 산발효조(300)는, 유기성 폐 바이오매스를 교반하기 위한 교반 회전축과, 교반 블레이드와, 회전 구동부를 포함한다. 이때, 산발효조(300)로 추가적인 식종균을 주입하지 않은 상태에서 유기성 폐기물 내의 아세트산/뷰틸산 생성균을 이용하고, 아세트산/뷰틸산의 알콜 전환율이 타 유기산에 비해 높아지는 것을 이용하여 산발효조(300)에서는 물리 화학적 전처리를 통해 유산과 프로피온산의 발생을 최소화한다. Acid fermenter 300 produces a clean energy source, hydrogen (H 2) at the same time as the decomposition of the organic acid compound C2-C4 and stirred the organic waste biomass. That is, the acid fermentation tank 300 includes a stirring rotation shaft for stirring the organic pulmonary biomass, a stirring blade, and a rotation driving unit. In this case, the acid fermentation tank 300 is formed by using acetic acid / butyric acid-producing bacteria in the organic waste in the acid fermentation tank 300 without additionally feeding the seeds, and by using an alcohol conversion ratio of acetic acid / Minimizes the production of lactic acid and propionic acid through physicochemical pretreatment.

본 발명에 따른 산발효조(300)에서 산 발효 과정이 수행된 후의 물질 수지는 2 ㎥의 체적을 기준으로 다음의 <표 2>에 도시된 바와 같다.The mass balance after the acid fermentation process in the acid fermentation tank 300 according to the present invention is as shown in the following Table 2 based on the volume of 2 m 3.

ItemItem Conc.(kg/㎥)Conc. (Kg / m3) Mass (kg)Mass (kg) CODCOD 9090 180180 VSVS 4545 9090 VFAsVFAs 3030 6060 H2H2 60(%)60 (%) 24(㎥)24 (m3)

VFAs: 휘발성 지방산, H2: 수소VFAs: volatile fatty acids, H2: hydrogen

상기 <표 2>를 참조하여 보면, 본 발명에 따른 산발효조(300)에서는 음식물 쓰레기 1톤당 수소 24 ㎥가 생성됨을 알 수 있다. Referring to Table 2, it can be seen that in the acid fermentation tank 300 according to the present invention, hydrogen 24 m 3 is produced per 1 ton of food waste.

한편, 산발효조(300)에서 산 발효되어 고액분리기(400)로 공급되는 산발효액에 대한 성상을 실험 분석해 본 결과는 다음의 <표 3>에 도시된 바와 같다. Meanwhile, the results of an experiment on the acid fermentation broth fermented in the acid fermentation tank 300 and supplied to the solid-liquid separator 400 were as shown in Table 3 below.

실험에 사용된 산발효액은 음식물 쓰레기를 후술할 분쇄기(200)에서 파쇄한 후, 중온 30 ℃, 유입농도 탄수화물 기준 약 60 g/L, 운전 시간 28~32 hr의 조건 하에서 발효시켜 얻어진 것이다. The acid fermentation broth used in the experiment was obtained by fermenting food waste at a temperature of 30 ° C, about 60 g / L based on the influent concentration carbohydrate, and an operation time of 28 to 32 hours after the food waste was crushed in a crusher 200 to be described later.

산발효액Acid fermentation broth TCOD
(mg/L)TCOD
(mg / L) SCOD
(mg/L)SCOD
(mg / L) TS
(mg/L)TS
(mg / L) VS
(mg/L)VS
(mg / L) TSS
(mg/L)TSS
(mg / L) VSS
(mg/L)VSS
(mg / L) 단백질
(mg/L)protein
(mg / L) VFA
(mg/L)VFA
(mg / L) 점도
(mPas)Viscosity
(mPas) 제타전위(mV)Zeta potential (mV) pHpH #1#One 165,410165,410 76,77876,778 105,000105,000 95,62595,625 62,81562,815 59,67559,675 30,82930,829 38,51038,510 -- -10.485-10.485 5.665.66 #2#2 137,413137,413 62,92062,920 80,00080,000 48,00048,000 44,65044,650 30,64030,640 28,57028,570 32,89032,890 373.68373.68 -23.115-23.115 5.875.87 #3# 3 117,895117,895 71,84271,842 108,500108,500 65,25065,250 54,25054,250 44,55044,550 30,64630,646 38,26038,260 313.6313.6 -3.66-3.66 5.635.63 #4#4 86,37686,376 57,98757,987 129,000129,000 50,00050,000 64,53064,530 59,36059,360 32,77032,770 35,63035,630 383.7383.7 -8.615-8.615 5.795.79 #5# 5 126,780126,780 82,87882,878 136,600136,600 77,00077,000 66,78066,780 53,55053,550 38,43038,430 30,86030,860 478.3478.3 -13.035-13.035 5.895.89

TCOD: 총 화학적 산소 요구량, SCOD: 용해성 화학적 산소 요구량, TS: 농축잉여슬러지, TSS: 총 부유물질, VSS : 휘발성 부유물질TCOD: total chemical oxygen demand, SCOD: solubility chemical oxygen demand, TS: concentrated excess sludge, TSS: total suspended solids, VSS: volatile suspended solids

본 발명의 일실시예로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 산발효조(300)의 내부에는 조효소(coenzyme)를 측정하는 바이오 센서(310)가 구비되고, 바이오 연료 동시 생산 시스템은 바이오 센서(310)에서 감지된 결과에 기초하여 산발효조(300)의 운전을 제어하고 평가하는 제어부(800)를 더 포함하는 것이 바람직하다. 1, a biosensor 310 for measuring a coenzyme is provided in an acid fermentation tank 300, and a simultaneous biofuel production system includes a biosensor 310 The control unit 800 controls and evaluates the operation of the acid fermentation tank 300 based on the result detected by the acid fermentation tank 300.

이에 따라, 바이오 센서(310)에서 감지된 결과에 터잡아 제어부(800)는 산발효조(300)로 유입되는 유기성 폐 바이오매스의 유입농도 편차 등을 분석하여 산발효조(300)에서 적정한 교반 효율이 유지되도록 하며 자동 교반에 의해 산 발효가 수행되도록 할 수 있다. The control unit 800 analyzes the concentration fluctuation of the organic pulmonary biomass flowing into the acid fermentation tank 300 and determines the proper stirring efficiency in the acid fermentation tank 300 And acid fermentation can be performed by automatic stirring.

본 발명에 따른 바이오매스를 활용한 다양한 종류의 바이오 연료 동시 생산 시스템은 저장탱크(100)와 산발효조(300)의 사이에 구비되어 저장탱크(100)에서 산발효조(300)로 공급되기 전의 바이오매스를 잘게 부수는 분쇄기(200)를 더 포함하는 것이 바람직하다. Various types of simultaneous biofuel production systems utilizing the biomass according to the present invention are provided between the storage tank 100 and the acid fermentation tank 300 and are provided between the storage tank 100 and the acid fermentation tank 300, It is preferable to further include a crusher 200 for crushing the mass.

분쇄기(200)는 저장탱크(100)에서 공급되는 유기성 폐 바이오매스를 분쇄하도록 내부에서 회전되는 분쇄 칼날이 구비된 복수의 회전 분쇄 스크류(210)를 포함한다. The crusher 200 includes a plurality of rotating pulverization screws 210 having a crushing blade rotated internally to crush organic pulmonary biomass supplied from the storage tank 100.

이에 따라, 저장탱크(100)에서 공급되는 유기성 폐 바이오매스를 분쇄기(200)에서 잘게 분쇄하도록 함으로써, 산발효조(300)에서 산 발효 과정이 효과적으로 수행되도록 할 수 있다. Accordingly, the organic pulverized biomass supplied from the storage tank 100 is finely pulverized in the pulverizer 200, so that the acid fermentation process can be effectively performed in the acid fermentation tank 300.

고액분리기(400)는 산발효조(300)에서 공급되는 발효액에서 유기산을 추출하고 알콜의 고순도화를 이루기 위해 원심 분리를 통해 발효액을 고체 성분과 액체 성분으로 분리하여 고순도 처리 과정을 수행한다. 이때, 고액분리기(400)는 산 발효액이 직접 알콜 발효되는 데에 있어서 저해하는 물질들을 미리 제거하도록 전처리가 최적화되어 이뤄지도록 마련되고, 분리된 액체 성분은 알콜발효조(600)로 공급되며 고체 성분은 바이오 가스 생성부(700)로 공급되도록 연결된다. The solid-liquid separator 400 separates the fermentation broth into a solid component and a liquid component through centrifugation in order to extract the organic acid from the fermentation broth supplied from the acid fermentation tank 300 and to purify the alcohol. At this time, the solid-liquid separator 400 is provided so that pretreatment is optimized so as to remove substances inhibiting direct fermentation of the fermentation broth by alcohol, the separated liquid component is supplied to the alcohol fermentation tank 600, And is supplied to the biogas generator 700.

이에 따라, 고액분리기(400)에 기존의 습식소화가 아닌 건식소화 기술을 적용함으로써, 바이오가스 생산 속도를 극대화하고, 원료 물질의 온도 상승에 필요한 열원, 펌핑 시 요구되는 전력량, 슬러지 발생량을 최소화할 수 있는 바이오매스를 활용한 다양한 종류의 바이오 연료 동시 생산 시스템 및 그 생산방법을 제공할 수 있다. Accordingly, by applying the dry digestion technique to the solid-liquid separator 400 instead of the conventional wet digestion, it is possible to maximize the production rate of the biogas, minimize the heat source required for raising the temperature of the raw material, the amount of power required for pumping, It is possible to provide a simultaneous production system of various kinds of biofuels utilizing the biomass and a production method thereof.

알콜발효조(600)는 산발효조(300)에서 수행된 바이오매스 산 발효 과정을 통해 얻어진 휘발성 유기산(acetate, propionate, butyrate 등)을 효율적으로 활용할 수 있는 균주(예컨대, clostridium, yeast 등)를 스크리닝하고, 균주 자체의 알콜을 생합성할 수 있는 경로를 통해 알콜(C2H5OH)을 생산하도록 마련된다(음식물 쓰레기 1톤당 대략 20 kg 정도 생산됨). 이때, 균주의 생산성 조절을 위한 대사공학적 기법을 적용하여 생산 경로 조절 및 배양공정 최적화를 통해 알콜의 생산성을 향상시킬 수 있다. The alcohol fermentation tank 600 is used for screening strains (for example, clostridium, yeast, etc.) capable of efficiently utilizing the volatile organic acids (acetate, propionate, butyrate, etc.) obtained through the biomass acid fermentation process performed in the acid fermentation tank 300 (C 2 H 5 OH) is produced through the pathway through which the strain itself can biosynthesize (produced about 20 kg per ton of food waste). At this time, the productivity of alcohol can be improved by controlling the production route and optimizing the culture process by applying the metabolic engineering technique for controlling the productivity of the strain.

본 발명에 따른 바이오매스를 활용한 다양한 종류의 바이오 연료 동시 생산 시스템은 고액분리기(400)와 알콜발효조(600)의 사이에 구비되어 고액분리기(400)에서 공급되는 액체 성분의 발효액에서 정제 과정을 통해 억제제(inhibitor)를 걸러내어 제거하는 억제제 제거부(500)를 더 포함하는 것이 바람직하다. The simultaneous production system of various kinds of biofuels utilizing the biomass according to the present invention is provided between the solid-liquid separator 400 and the alcohol fermentation tank 600 and performs a purification process in the fermentation liquid of the liquid component supplied from the solid- And an inhibitor remover 500 that filters and removes an inhibitor.

이에 따라, 억제제 제거부(500)에 의해 알콜발효조(600)에서 알콜 발효시 알콜 발효가 저해되는 것을 사전에 방지하도록 할 수 있다. Accordingly, inhibition of alcohol fermentation during alcohol fermentation in the alcohol fermentation tank 600 by the inhibitor removal unit 500 can be prevented in advance.

본 발명에 따른 억제제 제거부(500)에서 정제된 후의 액상 성분의 물질 수지는 1.5 ㎥의 체적을 기준으로 다음의 <표 4>에 도시된 바와 같다.The mass balance of the liquid component after being purified in the inhibitor removers 500 according to the present invention is as shown in the following Table 4 based on a volume of 1.5 m 3.

ItemItem Conc.(kg/㎥)Conc. (Kg / m3) Mass (kg)Mass (kg) CODCOD 3535 5252 VFAsVFAs 3232 4848

바이오 가스 생성부(700)는 산발효조(300)에서 수행된 바이오매스 산 발효 과정을 통해 얻어진 발효액 중 고액분리기(400)에서 고액분리 후 남은 유기 잔사의 혐기성 소화를 통해 바이오 가스를 생산하도록 마련된다. 이때, 바이오 가스 생성부(700)는 원료의 희석을 하지 않는(TS: Total Solids > 20%) 건식 혐기성 소화 방식으로 바이오 가스를 생산한다. 즉, 바이오 가스 생성부(700)는 혐기성 소화를 고압 조건에서 진행하여 생산되는 바이오 가스 내 이산화탄소 분압을 낮추어 후단의 정제/고질화 공정에서 경제성과 이용의 편리성이 높아지도록 할 수 있다. The biogas generator 700 is provided to produce biogas through anaerobic digestion of organic residues remaining after solid-liquid separation in the solid-liquid separator 400 among the fermentation liquid obtained through the biomass acid fermentation process performed in the acid fermentation tank 300 . At this time, the biogas generator 700 produces biogas by dry anaerobic digestion without diluting the raw material (TS: Total Solids> 20%). That is, the biogas generator 700 can lower the partial pressure of carbon dioxide in the biogas produced by advancing the anaerobic digestion under the high pressure condition, thereby improving the economical efficiency and ease of use in the downstream purification / solidification process.

본 발명에 따른 바이오 가스 생성부(700)는 고액분리기(400)에서 공급되는 유기 잔사를 고압 건식 혐기성 소화 방식으로 처리하여 메탄(CH4)을 생산하는 메탄발효조인 것이 바람직하다. The biogas generator 700 according to the present invention is preferably a methane fermenter that produces methane (CH 4 ) by treating the organic residue supplied from the solid-liquid separator 400 with a high pressure dry anaerobic digestion system.

이에 따라, 산발효조(300)에서 산 발효 과정을 통해 얻은 수소 가스와 바이오 가스 생성부(700)에서 혐기성 소화 과정을 통해 얻은 메탄과의 결합을 통하여 하이탄(hythane)으로 활용되도록 할 수도 있다. Accordingly, the hydrogen gas obtained through the acid fermentation process in the acid fermentation tank 300 can be utilized as a hygane through the combination of methane obtained through the anaerobic digestion process in the biogas generator 700.

본 발명에 따른 바이오 가스 생성부(700)에서 메탄 발효 후의 물질 수지는 0.3 ㎥의 체적을 기준으로 다음의 <표 5>에 도시된 바와 같다.The mass balance after methane fermentation in the biogas generator 700 according to the present invention is as shown in the following Table 5 based on a volume of 0.3 m 3.

ItemItem Conc.(kg/㎥)Conc. (Kg / m3) Mass (kg)Mass (kg) CODCOD 100100 3030 VSVS 9090 2727

상기 <표 5>을 참조하여 보면, 본 발명에 따른 바이오 가스 생성부(700)에서는 음식물 쓰레기 1톤당 메탄 30 ㎥가 생성됨을 알 수 있다. Referring to Table 5, it can be seen that in the biogas generator 700 according to the present invention, 30 m 3 of methane per 1 ton of food waste is generated.

본 발명에 따른 바이오매스를 활용한 다양한 종류의 바이오 연료 동시 생산 시스템에 의하면, 음식물 쓰레기의 성상이 200 kg COD/㎥ 일 때, 바이오 가스 전환율은 0.5 ㎥/kg COD, 수소가스 전환율은 0.12 ㎥/kg COD 인 것으로 나타났고, 기존 공정에서의 메탄 분압은 50%임에 반해, 본 발명에 의하면 메탄 분압이 85%으로 나타나 메탄 열량은 35.85 MJ/㎥, 알콜 열량은 25 MJ/kg, 수소 열량은 5.36 MJ/㎥의 성능을 나타내었다. According to the simultaneous production system of various kinds of biofuels utilizing the biomass according to the present invention, when the characteristic of the food waste is 200 kg COD / m 3, the biogas conversion rate is 0.5 m 3 / kg COD, the hydrogen gas conversion rate is 0.12 m 3 / kg COD, and the methane partial pressure in the conventional process was 50%. According to the present invention, the partial pressure of methane was 85%, the methane heat amount was 35.85 MJ / m3, the alcohol heat amount was 25 MJ / kg, 5.36 MJ / m &lt; 3 &gt;.

이러한 구성에 의해, 본 발명에 따른 바이오매스를 활용한 다양한 종류의 바이오 연료 동시 생산 시스템에 의해 다양한 종류의 바이오 연료가 생산되는 과정을 도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다. With reference to FIG. 1 and FIG. 2, a process of producing various types of biofuels by various types of simultaneous biofuel production systems utilizing the biomass according to the present invention will be described below.

우선, 유기성 폐 바이오매스를 저장탱크(100)의 내부에 저장한다(S10).First, the organic waste biomass is stored in the storage tank 100 (S10).

다음에, 저장탱크(100)에서 공급되는 유기성 폐 바이오매스를 분쇄기(200)에서 분쇄하고(S20), 분쇄기(200)를 거쳐 저장탱크(100)에서 공급되는 유기성 폐 바이오매스를 산발효조(300)에서 산 발효시켜 복합 유기산으로 분해함과 동시에 수소를 생산한다(S30). Next, organic pulmonary biomass supplied from the storage tank 100 is pulverized in the pulverizer 200 (S20), organic pulmonary biomass supplied from the storage tank 100 through the pulverizer 200 is supplied to the acid fermenter 300 ) To decompose the acid into a complex organic acid and produce hydrogen (S30).

그리고, 산발효조(300)에서 공급되는 발효액을 고액분리기(400)에서 고체 성분과 액체 성분으로 분리하여 고순도 처리한다(S40). Then, the fermentation liquid supplied from the acid fermentation tank 300 is separated into a solid component and a liquid component by the solid-liquid separator 400 and subjected to a high purity treatment (S40).

단계 40 이후에, 고액분리기(400)에서 공급되는 휘발성 유기산으로 고액분리기(400)의 일측에 연결된 알콜발효조(600)에서 알콜 발효를 통해 알콜을 생산하고(S50), 단계 50과 병행하여 고액분리기(400)에서 공급되는 유기 잔사로 고액분리기(400)의 타측에 연결된 바이오 가스 생성부(700)에서 바이오 가스를 생산한다(S60). After step 40, an alcohol is produced through alcohol fermentation in an alcohol fermentation tank 600 connected to one side of the solid-liquid separator 400 as volatile organic acid supplied from the solid-liquid separator 400 (S50) Liquid separator 400 as an organic residue supplied from the bio-gas generator 400 in operation S60.

이에, 본 발명에 따르면, 폐 바이오매스의 처리비 및 생산된 바이오가스 판매만을 통해 경제성을 확보하였던 기존의 공정에 비해 에너지 전환 효율이 향상되고 활용도가 확대되도록 할 수 있는 바이오매스를 활용한 다양한 종류의 바이오 연료 동시 생산 시스템 및 그 생산방법을 제공할 수 있다. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide various kinds of biomass using biomass that can improve the energy conversion efficiency and the utilization efficiency compared with the existing processes that have secured the economical efficiency through the processing cost of the pulmonary biomass and the biogas sales only A simultaneous biofuel production system and a production method thereof can be provided.

상기에 의해 설명되고 첨부된 도면에서 그 기술적인 면이 기술되었으나, 본 발명의 기술적인 사상은 그 설명을 위한 것이고, 그 제한을 두는 것은 아니며 본 발명의 기술분야에서 통상의 기술적인 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적인 사상을 이하 후술 될 특허청구범위에 기재된 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. While the invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims.

100 : 저장탱크 200 : 분쇄기
300 : 산발효조 400 : 고액분리기
600 : 알콜발효조 700 : 바이오 가스 생성부 100: storage tank 200: crusher
300: acid fermentation tank 400: solid-liquid separator
600: Alcohol fermentation tank 700: Biogas production unit

Claims (4)

바이오매스가 내부에 저장되는 저장탱크;
상기 저장탱크에 연결되어 상기 저장탱크에서 공급되는 바이오매스를 산 발효시켜 복합 유기산으로 분해함과 동시에 수소를 생산하는 산발효조;
상기 산발효조에 연결되어 상기 산발효조에서 공급되는 발효액을 고체 성분과 액체 성분으로 분리하여 고순도 처리하는 고액분리기;
상기 고액분리기의 일측에 연결되어 상기 고액분리기에서 공급되는 휘발성 유기산으로 알콜을 생산하는 알콜발효조; 및
상기 고액분리기의 타측에 연결되어 상기 고액분리기에서 공급되는 유기 잔사로 바이오 가스를 생산하는 바이오 가스 생성부;
를 포함하고,
상기 바이오 가스 생성부는 상기 고액분리기에서 공급되는 유기 잔사를 고압 건식 혐기성 소화 방식으로 처리하여 메탄을 생산하는 메탄발효조이며,
상기 산발효조의 내부에는 조효소(coenzyme)를 측정하는 바이오 센서가 구비되고, 상기 바이오 센서에서 감지된 결과에 기초하여 상기 산발효조의 운전을 제어하고 평가하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오매스를 활용한 다양한 종류의 바이오 연료 동시 생산 시스템.

A storage tank in which biomass is stored;
An acid fermentation tank connected to the storage tank for fermenting biomass supplied from the storage tank to decompose the biomass into a complex organic acid and producing hydrogen;
A solid-liquid separator connected to the acid fermentation tank and separating the fermentation liquid supplied from the acid fermentation tank into a solid component and a liquid component and performing a high purity treatment;
An alcohol fermenter connected to one side of the solid-liquid separator to produce alcohol with the volatile organic acid supplied from the solid-liquid separator; And
A biogas generator connected to the other side of the solid-liquid separator to produce biogas from the organic residue supplied from the solid-liquid separator;
Lt; / RTI &gt;
The biogas production unit is a methane fermentation tank for producing methane by treating the organic residue supplied from the solid-liquid separator with a high pressure dry anaerobic digestion system,
Wherein the acid fermenter further comprises a biosensor for measuring coenzyme and a control unit for controlling and evaluating the operation of the acid fermenter based on the result detected by the biosensor. To produce various types of biofuels simultaneously.

삭제delete 삭제delete 바이오매스를 저장탱크의 내부에 저장하는 바이오매스 저장단계;
상기 저장탱크에서 공급되는 바이오매스를 산발효조에서 산 발효시켜 복합 유기산으로 분해함과 동시에 수소를 생산하는 산발효단계;
상기 산발효조에서 공급되는 발효액을 고액분리기에서 고체 성분과 액체 성분으로 분리하여 고순도 처리하는 고액분리단계;
상기 고액분리기에서 공급되는 휘발성 유기산으로 상기 고액분리기의 일측에 연결된 알콜발효조에서 알콜을 생산하는 알콜발효단계; 및
상기 고액분리기에서 공급되는 유기 잔사로 상기 고액분리기의 타측에 연결된 바이오 가스 생성부에서 바이오 가스를 생산하는 바이오 가스 생성단계;
를 포함하고,
상기 산발효조의 내부에 구비되어 조효소(coenzyme)를 측정하는 바이오 센서에서 감지된 결과에 기초하여 제어부에서 상기 산발효조의 운전을 제어하고 평가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오매스를 활용한 다양한 종류의 바이오 연료 동시 생산방법. A biomass storage step of storing the biomass in a storage tank;
An acid fermentation step of fermenting the biomass supplied from the storage tank in an acid fermentation tank to decompose the biomass into a complex organic acid and producing hydrogen;
A solid-liquid separation step in which the fermentation liquid supplied from the acid fermentation tank is separated into a solid component and a liquid component by a solid-liquid separator and subjected to a high purity treatment;
An alcohol fermentation step for producing alcohol in an alcohol fermentation tank connected to one side of the solid-liquid separator with the volatile organic acid supplied from the solid-liquid separator; And
A biogas generating step of producing biogas in a biogas generating unit connected to the other side of the solid-liquid separator as an organic residue supplied from the solid-liquid separator;
Lt; / RTI &gt;
Further comprising the step of controlling and evaluating the operation of the acid fermenter in a control unit based on a result detected by a biosensor provided inside the acid fermenter to measure a coenzyme, Simultaneous production of various types of biofuels.
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