KR101843956B1 - 연속 고압 전처리용 섬유질 바이오매스 제조 방법 및 이를 이용한 연속식 고압 전처리 방법 - Google Patents

연속 고압 전처리용 섬유질 바이오매스 제조 방법 및 이를 이용한 연속식 고압 전처리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 섬유질 바이오매스의 연속적인 가수분해를 위한 고압반응기 및 이를 이용한 연속식 고압 전처리 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연속적으로 공급되는 목질계 바이오매스의 신속한 수화와 마찰식 분쇄를 통하여 바이오매스 수화물을 형성하여 공급하는 바이오매스 수화물 제조 및 공급부; 상기 바이오매스 수화물 공급부에 연결되어 공급되는 바이오매스 수화물을 스크루로 압축하여 바이오매스 수화압축물을 형성하고 이를 고압반응부로 공급하는 바이오매스 수화압축물 공급부; 및 상기 바이오매스 수화압축물 공급부와 연결되어 공급되는 바이오매스 수화압축물을 이용하여 전처리가 이루어지는 고압반응부를 포함하는 것을 특징으로 하는 목질계 바이오매스 전처리용 연속고압반응기 및 이를 이용한 목질계 바이오매스의 연속식 고압 전처리 방법에 관한 것으로 목질계 바이오매스를 신속하게 수화시키는 동시에 마찰시켜 표면적을 증가시키고 종횡비(섬유폭/섬유길이)를 낮출 수 있어 서로 다른 성질을 가진 다양한 목질계 바이오매스 파쇄물을 종류에 관계없이 용이하게 고압반응기에 연속적으로 주입할 수 있으므로 바이오매스의 연속적인 고온 고압 증해 및 가수분해에 매우 유용하다.

Description

연속 고압 전처리용 섬유질 바이오매스 제조 방법 및 이를 이용한 연속식 고압 전처리 방법{Preparation method of fibrous biomass for high pressure pretreatment and method using the same}
본 발명은 고압 전처리용 섬유질 바이오매스의 연속적인 제조 방법 및 이를 이용한 연속식 고온 고압 전처리 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연속적으로 공급되는 목질계 바이오매스의 신속한 수화와 마찰식 분쇄를 통하여 섬유질의 바이오매스 수화물을 형성하여 공급하는 바이오매스 수화물 제조 및 공급부; 상기 바이오매스 수화물 제조 및 공급부에 연결되어 공급되는 바이오매스 수화물을 스크루로 압축하여 바이오매스 수화압축물를 형성하고 이를 고압반응부로 공급하는 바이오매스 수화압축물 공급부; 및 상기 바이오매스 수화압축물 공급부와 연결되어 공급되는 바이오매스 수화압축물을 이용하여 전처리가 이루어지는 고압반응부를 포함하는 것을 특징으로 하는 목질계 바이오매스 전처리용 연속고압반응기 및 이를 이용한 목질계 바이오매스의 연속식 고압 전처리 방법에 관한 것이다.
목질계 바이오매스(lignocellulosic biomass)는 보통 지상의 식물체를 지칭하며, 그 구조적 성분으로 셀룰로오스, 헤미세룰로오스 및 리그닌을 함유하며, 이외에도 단백질, 무기염류 등을 추출성 물질로 포함하고 있다. 이중 30 내지 55%는 셀룰로오스, 15 내지 25%는 헤미세룰로오스로서 발효당으로 전환될 수 있는 탄수화물이며, 나머지 15 내지 35%가 방향족 화학물질의 고분자체인 리그닌이다. 현재 산업용 원료로서 주목받고 있는 목질계 바이오매스는 옥수수 줄기, 볏짚, 밀짚, 팜 공과방(empty fruit bunchof oil palm) 등의 농업 부산물, 억새, 갈대, 스위치 그라스, 자작나무, 버드나무 등의 에너지 작물 및 식품 공업 부산물과 폐목재 등 산업용 폐기물이며, 산지에 따라서 그 종류와 공급 가능량이 매우 다르다.
이러한 목질계 바이오매스(lignocellulosic biomass)로부터 발효성 당 혹은 바이오알콜 등 산업용 미생물 대사산물을 얻기 위해서는 바이오매스의 전처리, 산당화 혹은 효소 가수분해 등 일련의 이화학적 변환 공정이 요구된다. 특히, 당 제조 공정 중 비용과 당수율에 가장 큰 영향을 미치는 공정이 바이오매스 전처리 공정(pretreatment process)이며, 이 공정은 필수적이라 할 수 있다. 현재까지 바이오매스의 전처리 기술에 대해서 다양한 방법이 연구되었으며, 예를 들면 사용하는 용매와 촉매에 따라 증기폭쇄법, 산처리법, 알카리법, 유기용매법, 산화제법, 초임계 암모니아 전처리 등 다양한 방식의 전처리 방법이 있다.
이러한 전처리 방법 중 산 혹은 알칼리 촉매 전처리는 화학약품을 전혀 사용하지 않거나 적은 양으로도 높은 효율을 얻기 위해서 100℃ 이상의 높은 온도에서 수행되는 것이 일반적이다. 하지만, 이때 반응물로 함께 첨가되는 물의 온도를 100℃ 이상으로 가온시키기 위해서는 물의 증기압 곡선상의 해당 압력을 견딜 수 있는 고압반응 장치가 필요하며, 예를 들어 200℃에서는 물의 수증기압이 15기압 이상이 되므로 이러한 전처리 공정에는 특수한 장치를 가진 고압반응기를 사용하여야만 한다.
현재 연구를 위해서 사용되는 고압반응기는 흔히 용기가 모두 밀폐된 회분식반응기이며, 그 예로 파 인스트루먼트(Parr Instrument, Moline, IL)의 연구실 규모 교반식 파 반응기(laboratory-scale stirred Parr reactor)를 들 수 있다. 이 회분식 고압반응기는 300℃의 수증기압에도 견딜 수 있지만, 대량의 바이오매스를 연속적으로 처리하는 것은 불가능하다. 목질계 바이오매스의 연속적인 고압반응에 사용할 수 있는 연속고압반응기로는 바이오개솔(Biogasol, 덴마크)의 카보프랙 시리즈(Carbofrac series)와 어드밴스바이오(AdvanceBio, 미국)의 쉐프르투쥐(SuPR2G) 등을 들 수 있다. 이 중 카보프랙은 바이오매스의 단속적인 주입을 위해 고압반응부 전후의 밸브를 열고 닫아 반응기를 회분식처럼 밀폐하므로 반 연속식이라 볼 수 있으며, 여러 가지 밸브 기술을 사용하므로 기계 가격이 매우 비싸다. 반면에 쉐프르투쥐는 일축 스크루(single screw)를 이용하여 바이오매스 압축물을 형성함으로써 고압 실린더 내부의 수증기가 외부로 새어 나오는 것을 차단하면서 해당 실린더에 시료를 연속적으로 주입하므로 진정한 의미의 연속고압반응기라 볼 수 있다. 또한, 기계가 비교적 단순하며 가격이 상대적으로 저렴한 장점이 있다.
하지만, 쉐프르투쥐처럼 일축 스크루로 고압 실린더에 바이오매스를 연속적으로 주입하기 위해서는 매우 숙련된 기술이 요구되며, 숙련된 기술자라도 목재 칩 등 서로 다른 성질을 가진 목질계 바이오매스를 고압 실린더 내부로 연속적으로 주입할 때 고압 실린더 내부의 수증기가 외부로 새어 나오거나 수화물이 터지는 문제, 주입된 원료의 고압 실린더 내부로의 투입이 원활하지 않을 경우 일축 스크루 구동 모터의 허용치 이상의 토크가 발생되어 일축 스크루가 멈추는 문제 등이 발생하여 아카시아 나무 칩(chip)이나 자작나무 칩 등 대부분의 바이오매스를 주입할 수 없게 되어 연속적인 전처리가 불가능해진다.
본 발명의 발명자들은 이러한 일축 스크루를 고압 실린더에 시료를 주입하는 용도로 사용하는 연속 고압반응기에 팜 공과방, 거대억새, 갈대, 아카시아 목재 및 자작나무 등 여러 가지 목질계 바이오매스를 연속적이며 효과적으로 주입하기 위해 많은 연구를 거듭한 결과 고압반응기 주입 전에 목질계 바이오매스를 수화와 마찰식 분쇄를 통하여 바이오매스 내부 공극을 물로 채우고, 분쇄된 바이오매스의 표면적을 증가시키며, 종횡비(aspect ratio, 섬유폭/섬유길이)가 감소된 바이오매스 수화물을 제조하고, 이를 스크루로 압축하여 바이오매스 수화압축물의 형태로 공급하면 고압반응기 내로 연속적으로 바이오매스를 안정적으로 공급할 수 있게 되어 목질계 바이오매스의 연속식 고압 전처리가 가능함을 알게 되어 본 발명을 완성하였다.
미국 공개특허 US2012-0208059A
Process Biochemistry 2013, 48, 775-781. Bioresource Technology 2011, 102, 7583-7590.
본 발명의 목적은 종래의 매우 숙련된 기술이 필요할 뿐만 아니라 다양한 종류의 바이오매스를 적용할 수는 없는 일축 스크루 타입의 바이오매스 주입기를 가지는 연속식 고압반응기의 단점을 개선하기 위하여, 서로 다른 성질을 가진 다양한 목질계 바이오매스를 고압반응기 내로 연속적이며 안정적으로 공급할 수 있는 고압반응기 원료공급부의 형태를 개선한 목질계 바이오매스 전처리용 연속고압반응기 및 이를 이용한 연속식 고압 전처리 방법을 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 목질계 바이오매스 파쇄물에 물을 가하여 적신 상태에서 기계적으로 마찰을 부여하여 바이오매스 내부의 공극을 물로 포화시키는 동시에 분쇄된 바이오매스의 표면적을 증가시키고 종횡비(섬유폭/섬유길이)를 낮출 수 있는 바이오매스 수화물 제조 및 공급부와, 공급되는 바이오매스 수화물을 스크루로 압축하여 바이오매스 수화압축물을 형성하고 이를 고압 실린더(반응부)로 공급하는 바이오매스 수화압축물 공급부를 목질계 바이오매스를 가수분해하는 연속고압반응기의 전방에 추가 장착함으로써 목질계 바이오매스 종류에 관계없이 연속적으로 시료 주입이 가능한 목질계 바이오매스 연속고압반응기 및 목질계 바이오매스의 연속식 고압 전처리 방법을 제공한다.
보다 구체적으로 본 발명은 연속적으로 공급되는 목질계 바이오매스의 신속한 수화와 마찰식 분쇄를 통하여 표면적은 증가되고 종횡비는 감소된 바이오매스 수화물을 제조하여 공급하는 바이오매스 수화물 제조 및 공급부; 상기 바이오매스 수화물 공급부에 연결되어 공급되는 바이오매스 수화물을 스크루로 압축하여 바이오매스 수화압축물을 형성하고 이를 고압반응부로 공급하는 바이오매스 수화압축물 공급부; 및 상기 바이오매스 수화압축물 공급부와 연결되어 공급되는 바이오매스 수화압축물을 이용하여 전처리가 이루어지는 고압반응부를 포함하는 목질계 바이오매스 전처리용 연속고압반응기를 제공한다.
상기 바이오매스 수화압축물 공급부는 일축 스크루로 압축되는 바이오매스 수화물인 바이오매스 수화압축물에 의하여 고압반응부의 고압이 유지되면서 바이오매스 수화압축물이 연속적으로 공급될 수 있다.
상기 바이오매스 수화물 공급부는 이축 스크루 압출기(twin screw extruder) 또는 디스크 타입 분쇄기일 수 있고, 상기 이축 스크루 압출기는 전방 이송 스크루 엘리먼트(forward conveying screw element), 전방 니딩 블록(forward kneading block) 및 후방 니딩 블록(reverse kneading block)으로 구성되는 한 쌍의 믹싱 스크루를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 목질계 바이오매스의 연속식 고압 전처리 방법은 연속적으로 목질계 바이오매스를 공급하는 바이오매스 공급단계; 공급되는 바이오매스를 신속한 수화와 마찰식 분쇄를 통하여 표면적이 증가하고 종횡비가 감소된 섬유질의 바이오매스 수화물을 제조 및 공급하는 바이오매스 수화물 제조 및 공급단계; 상기 바이오매스 수화물을 스크루로 압축하여 바이오매스 수화압축물을 형성 및 공급하는 바이오매스 수화압축물 공급단계; 및 공급되는 바이오매스 수화압축물을 고압반응기를 이용하여 전처리하는 바이오매스 전처리단계를 포함할 수 있다.
상기 바이오매스 수화압축물 공급단계는 일축 스크루로 압축되는 바이오매스 수화물인 바이오매스 수화압축물에 의하여 고압반응부의 압력이 12 내지 15.6 bar의 압력을 유지하면서 바이오매스 수화압축물이 연속적으로 공급될 수 있다.
상기 바이오매스 수화물 공급단계는 이축 스크루 압출기 또는 디스크 타입 분쇄기를 사용하여 바이오매스의 수화와 마찰식 분쇄가 이루어질 수 있다.
상기 바이오매스 수화물 공급단계에서 공급되는 바이오매스 수화물은 수분함량이 35 내지 75 중량%이고, 더 바람직하게는 45 내지 65 중량%이다. 바이오매스 수화물의 종횡비(섬유폭/섬유길이)는 0.4 이하이고, 더 바람직하게는 0.25 이하이며, 이때 바이오매스 수화물을 구성하고 있는 섬유의 폭은 20 내지 50 ㎛이고, 더욱 바람직하게는 26 내지 40 ㎛이며, 섬유의 길이는 5 에서 10 mm 이내가 바람직하다. 또한, 수화와 마찰식 분쇄가 이루어져 여수도가 508 내지 588 ml인 섬유질의 수화물의 경우 고압반응기의 내부압력이 12 내지 15.6 bar의 압력을 유지하면서 바이오매스 수화압축물의 연속적 공급이 가능하다.
본 발명의 고압반응기 원료공급부의 형태를 개선한 고압 전처리용 섬유질 바이오매스 연속 제조 방법 및 이를 이용한 연속식 고압 전처리 방법은 목질계 바이오매스를 신속하게 수화시키는 동시에 마찰시켜 표면적을 증가시키고 종횡비(섬유폭/섬유길이)를 감소시킬 수 있으며, 또한 바이오매스 종류와 상관없이 특정 범위 내의 섬유 폭을 갖는 바이오매스 수화물의 제조가 가능하기 때문에, 서로 다른 성질을 가진 다양한 목질계 바이오매스 파쇄물을 종류에 관계없이 용이하게 고압반응기에 연속적으로 주입할 수 있으므로 바이오매스의 연속적인 고압 가수분해에 매우 유용하다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 목질계 바이오매스 전처리용 연속고압반응기의 개념도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 바이오매스 수화물 제조 및 공급부인 이축 스크루 압출기의 단면도를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 바이오매스 수화압축물 공급부의 단면도를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 바이오매스 수화물 제조 및 공급부인 이축 스크루 압출기와 바이오매스 수화압축물 공급부의 결합 단면도를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 구현예에 따른 바이오매스 수화물 제조 및 공급부인 디스크 타입 분쇄기의 단면도를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 구현예에 따른 바이오매스 수화물 제조 및 공급부인 디스크 타입 분쇄기와 바이오매스 수화압축물 공급부의 결합 단면도를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 구현예에 따른 목질계 바이오매스의 연속식 전처리방법의 공정도를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일 구현예에 따른 고압반응기의 운전시간에 따른 고압 반응기의 내부압력과 수화물 압축 스크루의 상대적인 토크비를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
먼저, 본 발명에서 연속고압반응기에 연속적으로 주입하고자 하는 목질계 바이오매스는 그 구조적 성분으로 셀룰로오스, 헤미세룰로오스 및 리그닌을 함유하는 육상 식물 대부분을 지칭하며, 현재 산업용 원료로서 주목 받고 있는 옥수수 줄기, 볏짚, 밀짚, 팜 공과방 등의 농업 부산물과, 억새, 갈대, 스위치 그라스, 자작나무, 버드나무 등의 에너지 작물 및 폐목재 등을 주로 들 수 있다. 본 발명에서는 이러한 목질계 바이오매스로서 건조된 것이나 물을 함유하고 있는 것 모두 원료로 사용할 수 있다.
본 발명에서 목질계 바이오매스의 연속적인 고압가수분해에 사용하는 연속고압반응기는 상온 상압에서의 분쇄된 원료를 일축 스크루로 이송 압축하여 고압에 견디는 수화압축물을 형성하여 이를 연속적으로 고압 반응부에 주입하는 기계를 지칭하는 것으로, 예를 들면 어드밴스바이오 사(미국)의 쉐프르투쥐 등을 들 수 있다.
본 발명에서 상기 연속고압반응기의 원료 주입구 전방에 추가로 장착하여 바이오매스의 종류에 관계없이 용이하게 주입할 수 있게 하는 장치는 목질계 바이오매스 파쇄물에 물을 가하여 적신 상태에서 신속한 수화 및 마찰식 분쇄를 통하여 바이오매스 내부의 공극을 물로 포화시키는 동시에 종횡비(섬유폭/섬유길이)를 낮추고 표면적을 향상시키며, 또한 바이오매스 종류와 상관없이 특정 범위 내의 섬유 폭을 갖는 바이오매스 수화물을 제조할 수 있는 장치로서, 기존 제품으로 그 예를 들면 믹싱 스크루로 구성된 이축 스크루 압출기와 리파이닝 용도로 고안된 디스크 타입의 분쇄기 등을 들 수 있다. 본 발명의 연속고압반응기의 원료 공급을 용이하게 하는 장치로서 고압반응기의 전면에 부착될 수 있는 이축 스크루 압출기나 디스크 타입 분쇄기는 목질계 바이오매스의 신속한 수화와 마찰식 분쇄를 통한 표면적 증가 및 종횡비(섬유폭/섬유길이) 감소에 효과적인 것이면 종류에 관계없이 모두 장착 가능하며, 그러한 기능을 발휘하기 위해 부가장치의 추가도 무방하다. 예컨대, 이축 스크루 압출기 혹은 디스크 타입 분쇄기를 연속고압반응기의 전면에 배치할 때 잉여의 수분을 제거하거나 추출성 성분을 회수할 목적으로 연속식 스크루 프레스 혹은 연속원심분리기 기능을 연속고압반응기와의 사이에 추가할 수 있다.
본 발명에서 제공하는 원료 공급 기능이 강화된 연속고압반응기를 완성하기 위해 장치하는 이축 스크루 압출기는 원료의 주입 즉시 물을 공급하면서 기계적으로 마찰시킬 수 있도록 정량적인 수분 공급기가 부가되어 있어야 하며, 격렬한 마찰과 함께 내용물이 이송될 수 있도록 충분한 수의 믹싱 스크루를 넣어야 한다. 이 때 믹싱 스크루는 고분자 사출 시 흔히 이용되는 전방 혹은 후방 니딩 블록(kneading block)을 사용하는 것이 권장되며, 시료에 따라 니딩 블록 수를 달리 하여 분쇄된 바이오매스 수화물의 종횡비(섬유폭/섬유길이)와 표면적을 조절할 수 있다. 이 때 니딩 블록 수가 적을 경우 분쇄된 바이오매스 수화물의 종횡비(섬유폭/섬유길이) 감소와 표면적 증가 효과가 미미하게 되며, 위 조건에서 지속적인 기기 운전은 덜 분쇄된 바이오매스로 인해 이축 스크루 압출기 배럴 내부와 스크루 사이에서 과도한 마찰력이 발생되어 마모로 의한 기기 내구성 저하 문제가 발생될 수 있다. 반대로 니딩 블록 수가 과할 경우 단위시간 당 분쇄할 수 있는 처리량 및 처리효율이 감소되며, 물이 시료 공급부로 역류하여 지속적인 시료 공급이 어려워져 이 또한 분쇄 처리효율에 역효과를 가져올 수 있다. 따라서 바람직하게는 억새, 갈대, 목재칩 등과 같은 바이오매스는 총 스크루의 10 내지 30% 정도의 니딩 블록을 전방 이송 스크루와 적절히 배치하여 바이오매스를 분쇄하는 것이 권장되며, 팜 공과방, 해바라기, 옥수수대 등과 같은 시료는 20 내지 40% 사용이 권장된다.
또한, 본 발명에서 제공하는 원료 공급 기능이 강화된 연속고압반응기를 완성하기 위해 장치하는 디스크 타입 분쇄기에도 원료의 주입 전에 파쇄된 바이오매스를 물에 균일하게 적셔줄 수 있는 혼합기를 추가로 배치하거나, 원료의 주입 즉시 물을 공급하면서 기계적으로 마찰시킬 수 있도록 정량적인 수분 공급기가 부가되어 있어야 하며, 디스크 타입과 간격을 선택함에 있어서 격렬한 마찰이 주로 일어나되, 섬유 길이가 200 ㎛ 이하인 미세분 생성을 최소화시키는 반면 분쇄된 바이오매스의 종횡비(섬유폭/섬유길이) 감소와 표면적을 증가시킬 수 있도록 해야 한다.
본 발명의 원료 공급 기능이 강화된 연속고압반응기는 이축 스크루 압출기 혹은 디스크 타입 분쇄기를 통하여 바이오매스의 분쇄도, 종횡비, 표면적 및 수분함량을 미리 조절함으로써 일축 스크루로 압축되는 바이오매스 수화물이 견고하면서도 유동성이 적당히 부여된 수화압축물을 형성하여 안전하게 고압반응부로 이송될 수 있는 것이다. 이때 바이오매스는 장치 내로 도입되고 가공되어 수화압축물 형성을 위해 일축 스크루로 이송되기 전에 분쇄된 바이오매스 수화물의 수분함량이 중량비로 35 내지 75%이고, 더 바람직하게는 45 내지 65%이다. 여기서 가장 중요한 변화로서 공급되는 바이오매스 수화물의 종횡비(섬유폭/섬유길이)는 0.4 이하이고, 더 바람직하게는 0.25 이하이며, 이때 바이오매스 수화물을 구성하고 있는 섬유의 폭은 20 내지 50 ㎛이고, 더욱 바람직하게는 26 내지 40 ㎛이며, 섬유의 길이는 5 에서 10 mm 이내가 바람직하다. 이러한 조건을 만족하는 바이오매스 수화물이 제조됨에 따라 일축 스크루에서 바이오매스 수화압축물물 형성에 유리하다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 제한되지 않는다.
장치 1: 이축 스크루 익스트루젼 기능이 부가된 연속고압반응기
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 바이오매스 수화물 제조 및 공급부인 이축 스크루 압출기(10)의 단면도를 나타낸 것이다.
상기 이축 스크루 압출기(10)는 전방 니딩 블록(forward kneading block, 11), 피치가 서로 다른 전방 이송 스크루 엘리먼트(forward conveying screw element, 12), 후방 니딩 블록(reverse kneading block, 13)으로 구성되는 스크루 프로파일을 가지는 한 쌍의 믹싱 스크루(14)를 포함하여 구성되고, 목질계 바이오매스는 바이오매스 공급부(15)를 통하여 공급되고 별도의 수분공급기(미도시)에 의하여 적절한 양의 수분이 공급되며 한 쌍의 믹싱 스크루(14)에 의하여 신속한 수화와 마찰식 분쇄를 통하여 섬유질의 바이오매스 수화물이 제조되어 바이오매스 수화물 토출구(16)를 통하여 도 3의 바이오매스 수화압축물 공급부(20)로 공급되게 된다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 바이오매스 수화압축물 공급부(20)의 단면도를 나타낸 것이다.
바이오매스 수화압축물 공급부(20)는 앞선 도 2의 이축 스크루 압출기(10)의 바이오매스 수화물 토출구(16)를 통하여 표면적이 증가하고 종횡비가 감소된 섬유질의 바이오매스 수화물이 상부의 바이오매스 수화물 공급부(21)로부터 공급되어 일축 스크루(22)로 이송 압축하여 고압에 견디는 수화압축물을 형성하여 이를 연속적으로 고압반응부(30)에 이송할 수 있고, 이송된 수화압축물은 고압반응부(30)에서 다양한 형태의 전처리 공정 등이 행해질 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 바이오매스 수화물 공급부인 이축 스크루 압출기와 바이오매스 수화압축물 공급부의 결합 단면도를 나타낸 것이다.
장치 2: 기계적 리파이닝 기능이 부가된 연속고압반응기
도 5는 본 발명의 일 구현예에 따른 바이오매스 수화물 제조 및 공급부인 디스크 타입 분쇄기(40)의 단면도를 나타낸 것이다.
디스크 타입 분쇄기는 로터(41), 구동모터(42), 바이오매스 공급부(43), 분쇄부(44), 바이오매스 수화물 토출구(45)로 구성되고, 목질계 바이오매스는 바이오매스 공급부(43)를 통하여 공급되고 별도의 수분공급기(미도시)에 의하여 적절한 양의 수분이 공급되며 서로 반대방향으로 회전하는 한 쌍의 분쇄부(44)에 의하여 신속한 수화와 마찰식 분쇄를 통하여 섬유질의 바이오매스 수화물이 제조되어 바이오매스 수화물 토출구(46)를 통하여 도 6의 바이오매스 수화압축물 공급부(20)로 공급되게 된다.
바이오매스 수화압축물 공급부는 도 4에서 설명한 바와 동일하고, 도 6은 본 발명의 일 구현예에 따른 바이오매스 수화물 공급부인 디스크 타입 분쇄기와 바이오매스 수화압축물 공급부의 결합 단면도를 나타낸 것이다.
실시예 1: 장치 1을 이용한 연속식 고압반응기의 운전
플라스틱 분쇄기(한국분체기계 제품, 인천, 한국)에 10mm 스크린을 장착하고 시험용 목질계 바이오매스로서 팜 공과방(인도네시아 산, 품종 다미), 거대억새(국산), 아카시아 칩(베트남 산) 및 옥수수대(국산)를 파쇄하여 시료를 준비하였다.
장치 1의 고압반응기의 원료 주입구에 파쇄된 팜 공과방과 비이온수를 각각 시간 당 4 kg과 6 리터의 양으로 연속적으로 공급하면서 총 스크루의 10 내지 40% 정도의 전방 니딩 블록이 전방 이송 스크루 엘리먼트와 적절히 배치된 이축 스크루 압출기를 100 rpm으로 가동하여 바이오매스 수화물을 형성함과 동시에 일축 스크루 형태의 수화압축물 공급부를 통하여 원료를 고압반응기로 주입하면서 섭씨 200도, 15.55바 에서 연속적으로 고온 고압반응을 수행하여 압력이 정상적으로 유지되는지 조사하였다. 이 조사 결과는 표 1과 도 8에 나타내었다. 이 과정에서 바이오매스 수화물의 일부를 취하여 1% 미만의 수용액 상태에서 분쇄 섬유의 입도별 평균 종횡비(섬유폭/섬유길이)를 섬유장 분석기(L&W fiber tester plus+, Lorentzen & Wettre, 스웨덴)를 이용하여 측정하였다. 또한, 바이오매스 수화물 중 섬유의 고해특성을 나타내는 여수도와 섬유내강 및 섬유 간에 존재하는 자유수를 나타내는 보수도를 TAPPI T-227 과 J.TAPPI No. 26 에 준거하여 각각 측정하였다.
거대억새, 팜 공과방, 아카시아 및 옥수수대를 시료로 하여 상기 작업을 반복적으로 수행한 후 그 결과를 표 1, 표 2 및 도 8에 표시하였다.
비교예 1: 여러 가지 바이오매스의 연속고압반응 시험
플라스틱 분쇄기(한국분체기계 제품, 인천, 한국)와 식품분쇄기(잘만성 분쇄기, 대화정밀 제품, 대구)의 커팅밀을 이용하여 상기 실시예 1에서 각 바이오매스 수화물의 입도로 조사된 결과를 반영하여 유사한 입도를 가지도록 분쇄하였다. 이 분쇄물 4 kg을 100리터용 고무통에 넣고 물 6 리터를 가한 다음 30분 간격으로 3분간 저어주기를 6시간 동안 반복함으로써 물을 흡수시켰다. 이 과정에서 바이오매스 수화물의 일부를 취하여 1% 미만의 수용액 상태에서 분쇄 섬유의 입도별 평균 종횡비(섬유폭/섬유길이)를 섬유장 분석기(L&W fiber tester plus+, Lorentzen & Wettre, 스웨덴)를 이용하여 측정하였다. 또한, 바이오매스 수화물 중 섬유의 고해특성을 나타내는 여수도(CSF) 와 섬유내강 및 섬유간에 존재하는 자유수를 나타내는 보수도(water retention)를 TAPPI T-227 과 J.TAPPI No. 26 에 준거하여 각각 측정하였다.
이 시료를 직접 일축 스크루로 가동되는 연속고압반응기 쉐프르투쥐에 공급하여 고압반응을 수행하면서 압력을 유지하며 정상적으로 고압반응이 이루어지는지 조사하였다. 각 조사결과는 표 1, 표 2 및 도 8에 나타내었다.
바이오매스 종류 여수도
(ml)		 보수도
(%)		 섬유의 평균 폭
(㎛)		 적용 가능한
고압반응기 내부압력(bar)
실시예 1 트윈분쇄 거대억새 548 109 32.7±14.7 ~15.6
트윈분쇄 팜 공과방 588 148 26.8±12.2 ~15.6
트윈분쇄 아카시아 528 107 28.3±12.1 ~15.6
트윈분쇄 옥수수대 508 212 35.0±16.6 ~15.6
비교예 1 커팅분쇄 거대억새 660 107 36.0±15.7 ~4
커팅분쇄 팜 공과방 568 120 37.0±17.0 ~10
커팅분쇄 아카시아 619 87 31.9±14.1 ~2
커팅분쇄 옥수수대 670 213 42.3±16.3 ~10
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 바이오매스 수화물들의 여수도(CSF, ml)와 보수도(water retention, %)는 바이오매스 분쇄물을 구성하고 있는 섬유의 고해특성과 섬유내강 및 섬유간에 존재하는 자유수(free water)를 각각 나타내는 지표로, 여수도 측정값이 작을수록 고해특성이 향상됨을 의미하고, 보수도 측정값이 클수록 섬유내강 및 섬유간에 존재하는 자유수가 많아짐을 의미한다.
실시예 1에 나타낸 트윈분쇄(이축 스크루 압출기 분쇄) 바이오매스 수화물의 결과를 비교예 1에 의한 커팅분쇄 바이오매스 수화물의 결과와 비교해보면 트윈분쇄 바이오매스 수화물의 여수도와 보수도가 각각 최대 20% 이상 개선되었다. 이는 본 발명의 이축 스크루 압출기를 이용한 연속적인 바이오매스 수화물 제조는 바이오매스 수화물의 섬유에 고해 특성을 개선시킬 뿐만 아니라 섬유내강까지 충분하게 수화를 가능케 할 수 있는 유용한 기술임을 알 수 있다.
또한, 표 1의 섬유의 평균폭 측정결과를 보면, 트윈분쇄 바이오매스 수화물의 평균 폭은 커팅분쇄 바이오매스 수화물에 비해 최대 27% 감소되어 20 내지 40 ㎛이내가 된다.
실시예 1과 비교예 1에 해당하는 바이오매스 수화물을 원료로 쉐프르투쥐를 이용하여 고압반응을 실시한 결과 트윈분쇄 바이오매스 수화물이 원료로 사용된 경우 바이오매스 종류와 상관없이 고압 반응기 내부압력을 15.6바까지 가압하여도 무리 없이 바이오매스 수화압축물이 연속적으로 반응기 내부로 이송되었으며, 이때 내부 온도는 섭씨 200도를 나타내었다. 하지만, 커팅분쇄 바이오매스 수화물을 원료로 사용한 경우에는 특정시료에 국한되어 10바까지 가압이 가능하였지만, 수화압축물을 공급하는 일축 스크루의 과부하로 인해 시료공급이 중단되거나 고압 반응기 내부의 수증기가 외부로 새어 나오거나 터지는 문제가 발생하여 연속적인 고압 전처리가 불가능하였다.
따라서 커팅분쇄 바이오매스 수화물보다 트윈분쇄 수화물의 여수도와 보수도가 개선되고, 종횡비가 감소되는 효과는 수화압축물을 공급하는 일축 스크루에서 바이오매스 수화압축물이 더욱 견고하고 기밀한 형성에 유리하게 작용하여 고압 반응기 내부의 가압 범위가 확대되었음을 확인할 수 있다.
특히, 표 1의 수화와 마찰식 분쇄가 이루어져 여수도가 508 내지 588 ml인 실시예 1의 바이오매스 섬유질의 수화물의 경우 고압반응기의 내부압력이 15.6 bar까지 바이오매스 수화압축물이 연속적으로 공급이 가능하였다.
상기 표 2는 분쇄된 바이오매스 수화물의 입도별 평균 종횡비(섬유폭/섬유길이)를 나타낸 것으로, 1에 가까울수록 구형 혹은 정사각형의 형상을 갖는 반면 0에 가까울수록 가늘고 긴 바늘과 같은 형상을 갖는다.
바이오매스 종류 입도별 평균 종횡비
[a,b) [b,c) [c,d) [d,e) [e,f) [f,g) [g,h)
실시예 1 트윈분쇄
거대억새		 0.23
(±0.11)		 0.14
(±0.07)		 0.10
(±0.04)		 0.07
(±0.03)		 0.06
(±0.02)		 0.06
(±0.02)		 0.05
(±0.02)
트윈분쇄
팜 공과방		 0.19
(±0.09)		 0.11
(±0.05)		 0.07
(±0.03)		 0.06
(±0.02)		 0.05
(±0.02)		 0.04
(±0.02)		 0.04
(±0.02)
트윈분쇄
아카시아		 0.19
(±0.08)		 0.13
(±0.05)		 0.10
(±0.04)		 0.08
(±0.03)		 0.07
(±0.03)		 0.07
(±0.02)		 0.05
(±0.02)
트윈분쇄
옥수수대		 0.24
(±0.11)		 0.16
(±0.08)		 0.12
(±0.06)		 0.08
(±0.04)		 0.07
(±0.03)		 0.06
(±0.03)		 0.05
(±0.02)
비교예 1 커팅분쇄
거대억새		 0.25
(±0.11)		 0.17
(±0.07)		 0.12
(±0.05)		 0.09
(±0.04)		 0.07
(±0.03)		 0.07
(±0.03)		 0.06
(±0.03)
커팅분쇄
팜 공과방		 0.26
(±0.12)		 0.16
(±0.08)		 0.11
(±0.05)		 0.08
(±0.04)		 0.07
(±0.03)		 0.06
(±0.03)		 0.05
(±0.02)
커팅분쇄
아카시아		 0.21
(±0.09)		 0.15
(±0.06)		 0.12
(±0.05)		 0.10
(±0.03)		 0.08
(±0.03)		 0.07
(±0.03)		 0.07
(±0.02)
커팅분쇄
옥수수대		 0.29
(±0.11)		 0.19
(±0.08)		 0.13
(±0.05)		 0.11
(±0.04)		 0.09
(±0.03)		 0.08
(±0.03)		 0.06
(±0.02)
입도가 작은 구간에서의 트윈분쇄 바이오매스 수화물의 평균 종횡비를 살펴보면 바이오매스의 종류와 상관없이 커팅분쇄 바이오매스 수화물 대비 최대 25% 감소되었다. 이는 트윈분쇄 바이오매스 수화물은 가늘고 긴 바늘과 같은 형상을 갖는 섬유로 구성되어 있다는 것을 나타낸다. 커팅분쇄 수화물과 유사한 섬유 길이를 갖는 트윈분쇄 바이오매스 수화물의 섬유 폭은 더 얇아졌기 때문에 평균 종횡비가 감소되었고, 이로 인한 긴 바늘과 같은 형상의 바이오매스 수화물 형성은 섬유의 유연성(flexibility)에 큰 영향을 미쳐 결과적으로 견고하고 기밀한 수화압축물 형성에 유리하다는 표 1의 결과와 상응된다.
도 8은 본 발명의 일 구현예에 따른 고압반응기의 운전시간에 따른 고압 반응기의 내부압력과 수화물 압축 스크루의 상대적인 토크비를 나타낸 그래프이다. 실시예 1의 장치 1로부터 제조한 바이오매스 수화물을 원료로 쉐프르투쥐를 이용하여 고압반응을 실시한 결과 고압 반응기 내부압력이 15.6 bar까지 상승하는 동안 수화압축물을 공급하는 일축 스크루로부터 고압 반응기 내부로 연속적인 바이오매스 수화압축물의 이송이 가능하였으며, 이는 기밀한 수화압축물이 고압 반응기 내부의 수증기가 외부로 새어 나오지 않게 차단하는 밸브역할을 하는 동시에 연속적으로 반응기 내부로 공급되고 있다는 것을 의미한다.
특히, 실시예 1의 트윈분쇄 옥수수대의 경우는 여수도가 가장 낮은 508 ml의 상태로 공급시 운전시간 약 12분까지는 12 bar의 압력까지 연속적으로 공급이 가능하였고, 운전시간 15분 경과 후에는 15.6 bar까지 안정적인 상태로 연속공급이 가능하였다. 또한, 여수도가 528 내지 588 ml의 범위에 해당하는 다른 트윈분쇄 바이오매스의 경우도 15.6 bar의 압력까지 연속적으로 공급을 시작할 수 있는 운전시간의 차이는 있었지만 모두 15.6 bar의 압력까지 안정적인 상태로 연속공급이 가능함을 알 수 있다. 즉, 수화와 마찰식 분쇄가 이루어져 여수도가 508 내지 588 ml인 실시예 1의 바이오매스 섬유질의 수화물의 경우 고압반응기의 내부압력이 15.6 bar까지 바이오매스 수화압축물이 연속적으로 공급이 가능하였다.
10: 이축 스크루 압출기 11: 전방 니딩 블록
12: 전방 이송 스크루 엘리먼트 13: 후방 니딩 블록
14: 믹싱 스크루 15: 바이오매스 공급부
16: 바이오매스 수화물 토출구 20: 바이오매스 수화압축물 공급부
21: 바이오매스 수화물 공급부 22: 일축 스크루
30: 고압반응부 40: 디스크 타입 분쇄기
41: 로터 42: 구동모터
43: 바이오매스 공급부 44: 분쇄부
45: 바이오매스 수화물 토출구

Claims (3)

  1. 연속적으로 목질계 바이오매스를 공급하는 바이오매스 공급단계;
    공급되는 바이오매스를 신속한 수화와 마찰식 분쇄를 통하여 표면적이 증가하고 종횡비가 감소되어, 수분함량이 35 내지 75 중량%이고, 섬유폭이 20 내지 50 ㎛, 섬유길이는 5 내지 10 mm로 섬유폭/섬유길이의 종횡비가 0.4 이하이며, 여수도가 508 내지 588 ml인 섬유질의 바이오매스 수화물을 제조 및 공급하는 바이오매스 수화물 공급단계;
    상기 바이오매스 수화물을 일축 스크루로 압축하여 바이오매스 수화압축물을 형성 및 공급하는 바이오매스 수화압축물 공급단계; 및
    공급되는 바이오매스 수화압축물을 고압반응기를 이용하여 전처리하는 바이오매스 전처리단계를 포함하되,
    상기 바이오매스 수화압축물 공급단계는 일축 스크루로 압축되는 바이오매스 수화물인 바이오매스 수화압축물에 의하여 고압반응부의 압력이 12 내지 15.6 bar의 범위로 유지되면서 바이오매스 수화압축물이 연속적으로 공급되는 것을 특징으로 하는 목질계 바이오매스의 연속식 고압 전처리 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 바이오매스 수화물 공급단계는 이축 스크루 압출기 또는 디스크 타입 분쇄기를 사용하여 바이오매스의 신속한 수화와 마찰식 분쇄가 이루어지며 공급되는 것을 특징으로 하는 목질계 바이오매스의 연속식 고압 전처리 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 이축 스크루 압출기는 전방 이송 스크루 엘리먼트(forward conveying screw element), 전방 니딩 블록(forward kneading block) 및 후방 니딩 블록(reverse kneading block)으로 구성되는 스크루 프로파일을 가지는 한 쌍의 믹싱 스크루를 포함하여 구성되는 것을 이용하는 목질계 바이오매스의 연속식 고압 전처리 방법.
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