KR101996934B1 - 화학적 방법과 물리적 방법을 동시에 수행할 수 있는 연속식 바이오매스 융합처리장치 및 이를 이용한 바이오매스 처리방법 - Google Patents

화학적 방법과 물리적 방법을 동시에 수행할 수 있는 연속식 바이오매스 융합처리장치 및 이를 이용한 바이오매스 처리방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연속식 바이오매스 융합처리장치 및 이를 이용한 바이오매스 처리방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 화학적 처리와 물리적 처리를 동시에 수행할 수 있는 연속식 바이오매스 융합처리장치 및 이를 이용한 바이오매스 처리방법에 관한 것이다. 이를 위해 바이오매스 융합처리장치는 바이오매스 분쇄부로 바이오매스를 공급하는 바이오매스 공급부; 바이오매스 공급부와 연결되고, 바이오매스 공급부로 촉매를 공급하는 촉매 공급부; 내부로 공급되는 바이오매스와 촉매를 교반하고, 바이오매스를 분쇄하는 바이오매스 분쇄부; 바이오매스 분쇄부와 연결되고, 바이오매스 분쇄부에서 분쇄된 바이오매스를 외부로 배출하는 바이오매스 배출부; 및 바이오매스 분쇄부 내부의 온도를 조절하고, 내부의 온도에 따라 공급되는 바이오매스의 양과 촉매의 농도를 조절하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

화학적 방법과 물리적 방법을 동시에 수행할 수 있는 연속식 바이오매스 융합처리장치 및 이를 이용한 바이오매스 처리방법{FUSION APPARATUS FOR TREATING BIOMASS CONTINUEOUSLY USING CHEMICAL METHOD AND PHYSICAL METHOD SIMULTANEOUSLY AND TREATING METHOD OF BIOMASS USING THE SAME}
본 발명은 연속식 바이오매스 융합처리장치 및 이를 이용한 바이오매스 처리방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 화학적 처리와 물리적 처리를 동시에 수행할 수 있는 연속식 바이오매스 융합처리장치 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, 특히, 물리적인 처리방법을 이용한 목질계 바이오매스 처리방법들이 연구되고 있다.
대한민국 등록특허 제10-1159290호는 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 등록특허 제10-0965851호의 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 등록특허 제10-0994594호나 제10-1037125호의 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 방법들은 오로지 물리적 분쇄만을 가지고 바이오매스 전처리를 수행하므로 에너지 소요가 너무 크고 효율이 낮으며, 바이오매스의 연속적인 처리가 힘들다는 단점이 있다.
이에, 화학적 처리방법과 물리적 처리방법을 동시에 적용하여 바이오매스의 연속 처리가 가능할 뿐만 아니라 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 바이오매스 처리장치 및 방법에 대한 요구가 이어지고 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1159290호 대한민국 등록특허공보 제10-0965851호 대한민국 등록특허공보 제10-1493227호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 화학적 처리와 물리적 처리를 동시에 수행함으로써 바이오매스의 연속 처리가 가능하고, 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 연속식 바이오매스 융합처리장치 및 이를 이용한 바이오매스 처리방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 상기 및 다른 목적과 이점은 바람직한 실시예를 설명한 하기의 설명으로부터 분명해질 것이다.
상기 목적은, 바이오매스 분쇄부로 바이오매스를 공급하는 바이오매스 공급부; 바이오매스 공급부와 연결되고, 바이오매스 공급부로 촉매를 공급하는 촉매 공급부; 내부로 공급되는 바이오매스와 촉매를 교반하고, 바이오매스를 분쇄하는 바이오매스 분쇄부; 바이오매스 분쇄부와 연결되고, 바이오매스 분쇄부에서 분쇄된 바이오매스를 외부로 배출하는 바이오매스 배출부; 및 바이오매스 분쇄부 내부의 온도를 조절하고, 내부의 온도에 따라 공급되는 바이오매스의 양과 촉매의 농도를 조절하는 제어부;를 포함하는 바이오매스 융합처리장치에 의해 달성될 수 있다.
이때, 바이오매스 공급부는, 스크루를 포함하고, 스크루를 이용하여 바이오매스를 바이오매스 분쇄부로 이송할 수 있으며, 스크루는 일측의 직경이 타측의 직경보다 작은 것을 사용할 수 있다.
또한, 사용되는 촉매는 유기용매, 약산, 강산 및 약염기로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있다.
또한, 바이오매스 분쇄부는, 샤프트 핀(shaft pin)을 구비하는 교반기; 및 세라믹 볼;을 포함할 수 있고, 샤프트 핀은 50~450rpm의 속도로 회전하는 것이 바람직하며, 세라믹 볼의 직경은 3~10mm인 것이 바람직하다.
또한, 바이오매스 분쇄부는 내부에 열을 공급하는 히터;를 포함할 수 있다.
또한, 바이오매스 배출부는, 스크루;를 포함하고, 스크루를 이용하여 바이오매스를 외부로 배출할 수 있다.
또한, 바이오매스 공급부 및 바이오매스 분쇄부 사이에 역류방지부재;를 포함할 수 있고, 바이오매스 분쇄부 및 바이오매스 배출부 사이에 역류방지부재;를 포함할 수 있다. 이때, 역류방지부재는 중앙에 홀이 형성된 원형 부재; 및 일방향으로만 개방될 수 있는 게이트;를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 목적은, 바이오매스를 공급하는 바이오매스 공급단계; 촉매를 공급하는 촉매 공급단계; 바이오매스와 촉매를 혼합하여 교반하고, 바이오매스를 분쇄하는 바이오매스 분쇄단계; 및 분쇄된 바이오매스를 외부로 배출하는 바이오매스 배출단계;를 포함하되, 바이오매스 분쇄단계에서 바이오매스 분쇄 온도를 조절하고, 분쇄 온도에 따라 투입되는 바이오매스의 양과 촉매의 농도를 조절하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 처리방법에 의해 달성될 수 있다.
이때, 바이오매스 공급단계에서, 바이오매스는 스크루에 의해 이송될 수 있고, 스크루는 일측의 직경이 타측의 직경보다 작은 것을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 촉매는 유기용매, 약산, 강산 및 암모니아로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 바이오매스 분쇄단계는, 마멸분쇄방식에 의해 수행되는 것이 바람직하고, 60~200℃에서 수행되는 것이 바람직하다.
또한, 바이오매스 배출단계는, 분쇄된 바이오매스를 스크루를 이용하여 배출하는 것이 바람직하고, 이때, 스크루는, 일측의 직경이 타측의 직경보다 작은 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 화학적 방법과 물리적 방법을 동시에 사용하여 바이오매스를 전처리함으로써 처리효율을 향상시킬 수 있고, 처리되는 바이오매스 양만큼 미처리된 바이오매스를 재투입하여 연속적인 처리가 가능하다.
또한, 바이오매스 분쇄부 내부의 온도를 제어하고, 온도에 따라 공급되는 바이오매스와 촉매의 혼합 비율을 제어함으로써 효과적으로 바이오매스를 분쇄할 수 있으며, 결과적으로 바이오연료를 얻을 수 있는 효과를 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 융합처리장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 마멸분쇄 방식의 원리를 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오매스 융합처리장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 온도에 따른 바이오매스 처리효율을 나타낸 그래프이다.
도 5는 실험예 5에서 전처리하지 않은 옥수수대를 나타낸 SEM 사진이다.
도 6은 도 5의 저배율 SEM 사진이다.
도 7은 실험예 5에서 물을 넣지 않고(0%), 80℃에서 전처리한 옥수수대를 나타낸 SEM 사진이다.
도 8은 도 7의 저배율 SEM 사진이다.
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 식별부호(제1, 제2, 등)는 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 융합처리장치(100)를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오매스 융합처리장치(100)는 바이오매스 분쇄부(30)로 바이오매스를 공급하는 바이오매스 공급부(10); 바이오매스 공급부(10)와 연결되고, 바이오매스 공급부(10)로 촉매를 공급하는 촉매 공급부(20); 내부로 공급되는 바이오매스와 촉매를 교반하고, 바이오매스를 분쇄하는 바이오매스 분쇄부(30); 바이오매스 분쇄부(30)와 연결되고, 바이오매스 분쇄부(30)에서 분쇄된 바이오매스를 외부로 배출하는 바이오매스 배출부(40); 및 바이오매스 분쇄부(30) 내부의 온도를 조절하고, 내부의 온도에 따라 공급되는 바이오매스의 양과 촉매의 농도를 조절하는 제어부(50);를 포함한다. 본 발명은 물리적인 방법뿐만 아니라 화학적 방법(촉매)을 동시에 적용하여 바이오매스를 분쇄함으로써 바이오매스의 처리효율을 향상시킬 수 있다. 이때, 처리란, 바이오매스로부터 당화 공정과 발효 공정을 통해 바이오연료를 얻기 위하여 그에 앞서 바이오매스를 분쇄하는 전처리를 의미한다. 또한, 바이오매스 분쇄 온도에 따라 바이오매스의 공급량과 촉매의 농도를 조절하여 처리 효율을 극대화 시킬 수 있다.
바이오매스 공급부(10)는 바이오매스 분쇄부(30)로 바이오매스를 공급하는 것으로서, 바이오매스 분쇄부(30)와 연결되어 있고, 바람직하게, 바이오매스 분쇄부(30)의 하단 일측에 연결될 수 있다. 바이오매스 공급부(10)의 일측에는 바이오매스 투입구가 형성되어 있고, 바이오매스 투입구를 통해 1차 가공된 바이오매스 또는 슬러리 형태의 바이오매스(액체와 혼합된 바이오매스)가 투입될 수 있다.
바이오매스 공급부(10)는 내부에 스크루(60)를 구비할 수 있고, 스크루(60)를 통해서 바이오매스를 분쇄한 후, 바이오매스 분쇄부(30)로 이송할 수 있다. 스크루(60)는 다양한 형태의 스크루(60)를 사용할 수 있다. 스크루(60)의 회전축을 중심으로 스크루(60)의 직경이 균일한 것을 사용할 수 있고, 스크루(60) 중간 부분의 직경이 가장 작은 것을 사용할 수도 있으며, 스크루(60)의 직경이 불규칙한 것을 사용할 수도 있다.
바람직하게, 스크루(60)는 회전축을 중심으로 일측의 직경이 타측의 직경보다 작은 것을 사용할 수 있다. 구체적으로, 도 1에 도시된 것처럼, 바이오매스 분쇄부(30)와 인접한 일측의 직경이 작고, 바이오매스 투입구와 인접한 타측의 직경이 상대적으로 클 수 있다. 즉, 바이오매스는 특성상 가볍기 때문에 스크루(60)에 밀리지 않고, 경우에 따라서는 스크루(60) 위에 걸쳐져서 막히기도 하는데, 바이오매스 분쇄부(30)와 인접한 스크루(60)의 일측의 직경이 타측의 직경보다 작게 형성함으로써 바이오매스 분쇄부(30) 쪽으로 갈수록 힘의 구동력이 더 좋게 디자인되어 위와 같은 막힘 현상 등을 방지할 수 있다.
촉매 공급부(20)는 바이오매스를 화학적 방법으로 처리하기 위한 촉매를 공급하는 것으로서, 촉매 공급부(20)는 바이오매스 공급부(10)와 연결되어 촉매를 바이오매스 공급부(10)로 공급할 수 있다. 또는, 촉매 공급부(20)는 바이오매스 분쇄부(30)와 연결되어 바이오매스 공급부(10)가 바이오매스 분쇄부(30)로 바이오매스를 공급하는 속도에 맞춰 바이오매스 분쇄부(30)로 직접 촉매를 공급할 수도 있다. 촉매를 공급함으로써 셀룰로오즈를 둘러싼 리그닌을 효과적으로 분해할 수 있다.
이때, 촉매는 유기용매(오르가노솔브), 약산, 강산 및 약염기로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있다. 유기용매는 메탄올, 에탄올, 아세톤, 에틸렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 테트라하이드로푸르푸릴알코올, 글리세롤, 페놀 및 부탄올로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있다. 약산은 묽은 황산, 묽은 염산, 초산 및 인산으로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있다. 강산은 황산 및 염산에서 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있다. 약염기는 암모니아, 수산화나트륨, 수산화칼슘, 수산화칼륨, 수산화인 및 황화나트륨으로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있다.
바이오매스 분쇄부(30)는 바이오매스 공급부(10) 및 촉매 공급부(20)로부터 공급되는 바이오매스 및/또는 촉매를 혼합하여 교반하고, 바이오매스를 분쇄하는 것으로서, 원기둥 형상일 수 있고, 일측은 바이오매스 배출부(40)와 연결된다. 바이오매스를 효과적으로 교반 및 분쇄하기 위하여 바이오매스 분쇄부(30)는 내부에 샤프트 핀(31)(shaft pin)을 구비하는 교반기 및 세라믹 볼(32)을 포함할 수 있다. 도 2는 마멸분쇄 방식의 원리를 설명하는 도면으로, 이를 참조하여 구체적으로 설명하면, 바이오매스 분쇄부(30)는 샤프트 핀(31)(shaft pin)이 형성된 교반기(agitator)에 의해서 분쇄부 내에 힘의 구배를 유도하고, 힘의 구배가 형성된 분쇄부 내에서 세라믹 볼(32) 간의 마찰을 유도하여 공급되는 바이오매스를 분쇄하는 마멸분쇄(attrition mill) 방식을 이용하여 물리적 처리를 수행함과 동시에 바이오매스와 촉매를 혼합하여 화학적 처리를 수행할 수 있다. 이때, 샤프트 핀(31)은 50~450rpm의 속도로 회전하는 것이 바람직하다. 회전 속도가 50rpm 미만일 경우, 분쇄가 충분히 이루어지지 않아 분쇄 효율이 떨어지고, 450rpm을 초과하는 경우, 고성능의 모터가 필요하고, 추가적인 분쇄 효과를 얻기 어려우므로 비경제적이다. 또한, 세라믹 볼(32)의 직경은 3~10mm인 것이 바람직하다. 3mm 미만인 경우, 세라믹 볼(32)에 의한 충분한 분쇄 효과를 가질 수 없고, 10mm를 초과하는 경우, 바이오매스 분쇄시 세라믹 볼(32) 간의 충돌에 의해 세라믹 볼(32)이 파손될 우려가 있다.
또한, 바이오매스 분쇄부(30)는 내부에 열을 공급할 수 있는 히터(33)를 포함할 수 있다. 바이오매스의 물리적 처리방법과 달리 화학적 처리방법의 경우, 적절한 온도로 유지하는 것이 중요한데, 이에 대해서는 후술하는 제어부(50)에서 구체적으로 설명하기로 한다.
바이오매스 배출부(40)는 바이오매스 분쇄부(30)에서 분쇄된 바이오매스를 외부로 배출하는 것으로서, 일 예로, 도 1과 같이, 바이오매스 분쇄부(30)의 상부 일측에 연결되어 분쇄된 바이오매스를 배출할 수 있다. 즉, 바이오매스 분쇄부(30)는 내부가 막힌 시스템으로서, 분쇄된 바이오매스는 비중이 가벼워져서 상층부로 올라가게 되고, 분쇄되는 바이오매스에 의해 내부가 가득 차게 되면 상부 일측에 형성된 바이오매스 배출구를 통해 배출될 수 있다.
또한, 바이오매스 배출부(40)는 도 3과 같이, 바이오매스 분쇄부(30)의 하부 일측에 연결될 수 있고, 내부에 스크루(60)를 구비할 수 있다. 이때, 스크루(60)는 공지의 다양한 형태의 스크루(60)를 사용할 수 있는데, 바이오매스 공급부(10) 내부에 구비될 수 있는 스크루(60)와 동일한 것을 사용하는 것이 바람직하다. 즉, 스크루(60)는 일측의 직경이 타측의 직경보다 작은 것을 사용할 수 있다. 구체적으로, 도 3에 도시된 것처럼, 바이오매스 분쇄부(30)와 인접한 일측의 직경이 크고, 바이오매스 분쇄부(30)와 먼 타측의 직경이 상대적으로 작을 수 있다. 즉, 바이오매스 분쇄부(30)와 인접한 스크루(60)의 직경을 반대편의 직경보다 크게 형성함으로써 바이오매스 분쇄부(30)에서 멀어질수록 힘의 구동력이 더 좋게 디자인되어 바이오매스가 스크루(60)에 의해 밀리지 않아 발생할 수 있는 막힘 현상을 방지할 수 있다.
제어부(50)는 바이오매스 분쇄부(30) 내부의 온도를 조절하고, 내부의 온도에 따라 공급되는 바이오매스의 양과 촉매의 농도를 조절하는 것으로서, 바이오매스 처리효율을 극대화시킬 수 있다. 즉, 바이오매스는 물리적 처리 단독 또는 화학적 처리 단독으로 실시하거나 물리적 처리와 화학적 처리를 동시에 수행함에 있어서 온도에 따라 처리 효율이 달라지는데, 제어부(50)는 바이오매스 분쇄부(30)에 설치된 히터(33)를 이용하여 분쇄부 내부의 온도를 조절하고, 온도에 따라 바이오매스의 공급량 및 촉매의 공급량, 농도 등을 조절할 수 있다. 물리적 처리와 화학적 처리를 동시에 수행할 경우, 바이오매스 분쇄부(30)의 내부 온도는 60~200℃인 것이 바람직하고, 80~100℃로 유지되는 것이 더욱 바람직하다. 또한, 상기 온도범위에서 상대적으로 낮은 온도일 경우, 고농도의 촉매를 적게 사용하는 것이 바람직하고, 상대적으로 높은 온도일 경우, 저농도의 촉매를 많이 사용하는 것이 바람직하다.
구체적으로, 바이오매스 분쇄부(30) 내부의 온도가 100℃ 미만인 경우, 공급되는 바이오매스 100 중량부에 대해서 100 중량부 미만의 촉매를 고농도로 사용할 수 있고, 내부의 온도가 100℃ 이상인 경우, 공급되는 바이오매스 100 중량부에 대해서 100 중량부 이상의 촉매를 고농도로 사용할 수 있다.
또한, 바이오매스 공급부(10)와 바이오매스 분쇄부(30) 사이 및/또는 바이오매스 분쇄부(30)와 바이오매스 배출부(40) 사이에는 역류방지부재(70)가 구비될 수 있다. 역류방지부재(70)는 바이오매스 분쇄부(30)에서 바이오매스 공급부(10)로 바이오매스가 역류하는 것을 방지하거나 바이오매스 배출부(40)에서 바이오매스 분쇄부(30)로 바이오매스가 역류하는 것을 방지하기 위한 것으로서, 공지의 다양한 역류방지부재(70)를 사용할 수 있다. 바람직하게, 역류방지부재(70)는 중앙에 홀이 형성된 원형 부재 및 일방향으로만 개방될 수 있는 게이트를 구비할 수 있다. 게이트는 바이오매스가 바이오매스 공급부(10)로부터 바이오매스 분쇄부(30)로 이동할 때 또는 바이오매스 분쇄부(30)로부터 바이오매스 배출부(40)로 이동할 때는 개방될 수 있고, 바이오매스가 바이오매스 분쇄부(30)로부터 바이오매스 공급부(10)로 역류 또는 바이오매스 배출부(40)로부터 바이오매스 분쇄부(30)로 역류할 때는 폐쇄될 수 있다.
다음으로, 화학적 방법 및/또는 물리적 방법을 수행하여 바이오매스를 처리하는 방법에 대해 설명한다. 본 발명을 설명하는데 있어 설명의 편의를 위하여 상술한 바이오매스 융합처리장치(100)를 예로 들어 설명하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따른 바이오매스 처리방법은 바이오매스를 공급하는 바이오매스 공급단계; 촉매를 공급하는 촉매 공급단계; 바이오매스와 촉매를 혼합하여 교반하고, 바이오매스를 분쇄하는 바이오매스 분쇄단계; 및 분쇄된 바이오매스를 외부로 배출하는 바이오매스 배출단계;를 포함하되, 바이오매스 분쇄단계에서 바이오매스 분쇄 온도를 조절하고, 분쇄 온도에 따라 투입되는 바이오매스의 양과 촉매의 농도를 조절하는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 바이오매스를 물리적으로 분쇄할 뿐만 아니라 촉매를 이용하여 화학적으로 처리함으로써 바이오매스 처리효율을 향상시킬 수 있는 효과를 가질 수 있다. 본 발명은 물리적인 방법뿐만 아니라 화학적 방법(촉매)을 동시에 적용하여 바이오매스를 분쇄함으로써 바이오매스의 처리효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 바이오매스 분쇄 온도에 따라 바이오매스의 공급량과 촉매의 농도를 조절하여 처리 효율을 극대화 시킬 수 있다.
바이오매스 공급단계는 바이오연료를 생산하기 위한 바이오매스를 공급하는 단계로서, 바이오매스는 1차 분쇄된 상태 또는 슬러리 상태일 수 있다. 바이오매스는 다양한 방법으로 공급할 수 있지만, 바람직하게는 스크루(60)에 의해 이송되어 공급되는 것이 바람직하다. 이때, 스크루(60)는 다양한 형태의 스크루(60)를 사용할 수 있다. 스크루(60)의 회전축을 중심으로 스크루(60)의 직경이 균일한 것을 사용할 수 있고, 스크루(60) 중간 부분의 직경이 가장 작은 것을 사용할 수도 있으며, 스크루(60)의 직경이 불규칙한 것을 사용할 수도 있다.
바람직하게는, 스크루(60)는 회전축을 중심으로 일측의 직경이 타측의 직경보다 작은 것을 사용할 수 있다. 구체적으로, 바이오매스가 분쇄되기 위하여 투입되는 영역(예를 들어, 바이오매스 분쇄부(30)와 인접한 일측의 직경이 작고, 바이오매스가 분쇄되기 위하여 투입되는 영역과 멀리 떨어진 타측의 직경이 상대적으로 클 수 있다. 즉, 바이오매스는 특성상 가볍기 때문에 스크루(60)에 밀리지 않고, 경우에 따라서는 스크루(60) 위에 걸쳐져서 막히기도 하는데, 바이오매스가 분쇄되는 영역과 인접한 스크루(60)의 일측의 직경이 타측의 직경보다 작게 형성함으로써 바이오매스가 분쇄되는 영역 쪽으로 갈수록 힘의 구동력이 더 좋게 디자인되어 위와 같은 막힘 현상 등을 방지할 수 있다.
촉매 공급단계는 바이오매스를 화학적으로 처리하기 위한 촉매를 공급하는 단계로서, 바이오매스 공급단계에 앞서 수행될 수도 있고, 바이오매스 공급단계 이후에 수행될 수도 있으며, 동시에 진행될 수도 있다. 촉매는 유기용매(오르가노솔브), 약산, 강산 및 약염기로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있다. 유기용매는 메탄올, 에탄올, 아세톤, 에틸렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 테트라하이드로푸르푸릴알코올, 글리세롤, 페놀 및 부탄올로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있다. 약산은 묽은 황산, 묽은 염산, 초산 및 인산으로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있다. 강산은 황산 및 염산에서 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있다. 약염기는 암모니아, 수산화나트륨, 수산화칼슘, 수산화칼륨, 수산화인 및 황화나트륨으로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있다.
바이오매스 분쇄단계는 공급되는 바이오매스와 촉매를 혼합하여 교반하고, 바이오매스를 분쇄하는 단계로서, 바이오매스를 효과적으로 교반 및 분쇄하기 위하여 마멸분쇄방식에 의해 수행될 수 있다. 도 2는 마멸분쇄 방식의 원리를 설명하는 도면으로, 이를 참조하여 구체적으로 설명하면, 바이오매스 분쇄단계는 샤프트 핀(31)이 형성된 교반기와 세라믹 볼(32)을 포함하는 분쇄부에 의해 수행될 수 있는데, 샤프트 핀(31)이 형성된 교반기(agitator)에 의해서 분쇄부 내에 힘의 구배를 유도하고, 힘의 구배가 형성된 분쇄부 내에서 세라믹 볼(32) 간의 마찰을 유도하여 공급되는 바이오매스를 물리적으로 분쇄할 수 있다. 또한, 그와 동시에 바이오매스는 공급된 촉매와 혼합 및 교반됨으로써 화학적 처리가 병행될 수 있다.
바이오매스 분쇄단계는 물리적 처리 단독 또는 화학적 처리 단독으로 진행할 수 있으나, 물리적 처리와 화학적 처리를 동시에 수행할 경우에, 바이오매스 분쇄부(30)의 내부 온도는 60~200℃인 것이 바람직하고, 80~100℃로 유지되는 것이 더욱 바람직하다. 또한, 상기 온도범위에서 상대적으로 낮은 온도일 경우, 고농도의 촉매를 적게 사용하는 것이 바람직하고, 상대적으로 높은 온도일 경우, 저농도의 촉매를 많이 사용하는 것이 바람직하다.
바이오매스 배출단계는 전처리된 바이오매스를 외부로 배출하는 단계로서, 배출을 용이하게 하기 위하여 스크루(60)를 사용하는 것이 바람직하다. 이때, 스크루(60)는 스크루(60)의 회전력에 의해 전처리된 바이오매스를 외부로 배출할 수 있다면, 공지의 다양한 형태의 것을 사용할 수 있으나, 상술한 바이오매스 공급단계에서 사용될 수 있는 스크루(60)와 동일한 것을 사용하는 것이 바람직하다.
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 1]
도 3과 같은 바이오매스 융합처리장치를 준비하고, 화학적 처리 및 물리적 처리를 동시에 수행하여 바이오매스를 분쇄(전처리)하였다. 이때, 바이오매스는 옥수수대를 사용하였고, 촉매는 에탄올을 사용하였다. 옥수수대에 에탄올을 60wt% 넣고(화학적 처리) 150℃에서 30분 동안 세라믹 볼(물리적 처리)을 이용하여 바이오매스를 분쇄하였다.
[비교예 1]
실시예 1과 동일한 조건에서 바이오매스를 분쇄하되, 에탄올를 이용하여 바이오매스를 분쇄하는 화학적 처리 공정만 제외하였다(물리적 처리만 실시).
[비교예 2]
실시예 1과 동일한 조건에서 바이오매스를 분쇄하되, 세라믹 볼을 이용하여 바이오매스를 분쇄하는 물리적 처리 공정만 제외하였다(화학적 처리만 실시).
[실험예 1]
실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2에 의해 전처리(분쇄)된 바이오매스에 각각 발효당을 생성시키는 셀룰레이즈 효소를 1%(w/v) 투입하여 효소당화를 실시하였고, 수용액 상에서 생성된 두 가지 발효당(글루코오즈, 자일로오즈)을 측정하여 최종적으로 셀룰로오즈의 전환효율을 계산하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
[표 1]
Figure 112018050743811-pat00001
글루코오즈의 경우 세라믹 볼을 이용한 물리적 처리(비교예 1)만 실시하였을 때는 39.29%의 전환효율을 보였고, 에탄올을 이용한 화학적 처리(비교예 2)만 실시하였을 때는 43.74%의 전화효율을 보였다. 그러나, 이 두 공정을 융합한 융합 전처리 공정(실시예 1)을 실시하였을 때는 64.7%의 높은 전환 효율을 보였다.
자일로오즈의 경우도 물리적 처리(비교예 1)만 실시하였을 때는 14.81%의 전환효율을 보였고, 화학적 전처리(비교예 2)만 실시하였을 때는 22.64%의 효율을 보였다. 그러나, 이 두 공정을 융합한 융합 전처리 공정(실시예 1)을 실시하였을 때는 27.4%의 전환효율을 보였다.
즉, 실시예 1과 같은 높은 전환효율을 얻기 위해서 비교예 1 및 비교예 2는 훨씬 많은 시간이 필요함을 알 수 있었고, 융합공정을 통해 바이오매스 처리시간을 줄일 수 있다는 것을 알 수 있었다.
[실시예 2]
도 3과 같은 바이오매스 융합처리장치를 준비하고, 화학적 처리 및 물리적 처리를 동시에 수행하여 바이오매스를 분쇄(전처리)하였다. 이때, 바이오매스는 옥수수대를 사용하였고, 촉매는 암모니아를 사용하였다. 1 중량부의 옥수수대에 0.25 중량부의 암모니아와 0.75 중량부의 물을 넣어 옥수수대와 암모니아수의 중량비를 1:1로 조절(화학적 처리)하였고, 90℃의 온도에서 1.25시간 동안 세라믹 볼을 이용(물리적 처리)하여 바이오매스를 습식 분쇄하였다.
[비교예 3]
실시예 2와 동일한 조건에서 바이오매스를 전처리하되, 세라믹 볼을 이용하여 바이오매스를 분쇄하는 물리적 처리 공정을 제외하고(화학적 처리만 실시), 촉매 반응 온도를 90℃, 120℃, 150℃, 180℃로 각각 세팅한 조건에서 동일하게 1.25시간 동안 촉매 반응을 실시하였다.
[비교예 4]
실시예 2와 동일한 조건에서 바이오매스를 전처리하되, 세라믹 볼을 이용하여 바이오매스를 분쇄하는 물리적 처리 공정을 제외하고(화학적 처리만 실시), 촉매 반응 시간을 3, 6, 12, 24시간으로 각각 세팅한 조건에서 동일하게 90℃ 온도에서 촉매 반응을 실시하였다.
[실험예 2]
실시예 2, 비교예 3 및 4에 의해 전처리(분쇄)된 바이오매스에 각각 발효당을 생성시키는 셀룰레이즈 효소를 1%(w/v) 투입하여 효소당화를 실시하였고, 수용액 상에서 생성된 두 가지 발효당(글루코오즈, 자일로오즈)을 측정하여 최종적으로 셀룰로오즈의 전환효율을 계산하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
[표 2]
Figure 112018050743811-pat00002
상기 표 2에서 확인할 수 있는 것처럼, 실시예 2의 효율만큼의 당화효율을 얻기 위하여 비교예 3의 경우 온도를 150~180℃ 사이까지 올려야 한다는 것을 알 수 있었다(정확하게는 약 150℃보다 조금 높은 온도까지 높여야 함). 하지만 실시예 2와 같이 물리적 전처리와 화학적 전처리를 병행하면 90℃에서 우수한 효과를 나타낼 수 있었고, 결론적으로, 반응온도를 약 60℃이상 낮출 수 있었다. 또한 비교예 4의 경우, 실시예 2와 유사한 수준의 당화효율을 얻기 위하여 12시간 이상 반응을 해야 한다는 것을 알 수 있었다. 하지만 실시예 2와 같이 물리적 전처리와 화학적 전처리를 병행하면 반응시간을 최소 11시간이상 절약할 수 있다는 것을 알 수 있었다.
[실시예 3]
도 3과 같은 바이오매스 융합처리장치를 준비하고, 화학적 처리 및 물리적 처리를 동시에 수행하여 바이오매스를 분쇄(전처리)하였다. 이때, 바이오매스는 옥수수대를 사용하였고, 볼은 지르코니아, 알루미나, 스틸 재질의 세가지 볼을 사용하였고, 이들은 모두 10mm 지름을 가지고 있으며, 에탄올을 60wt% 넣고(화학적 처리) 150℃에서 20분동안 바이오매스를 습식 분쇄하였다
[실험예 3]
실시예 3에 의해 전처리(분쇄)된 바이오매스는 체(sieve)를 이용하여 분쇄된 크기를 분석하였고 발효당 생성시키는 셀룰레이즈 효소를 1%(w/v) 투입하여 효소당화를 실시하였고, 수용액 상에서 생성된 두 가지 발효당(글루코오즈, 자일로오즈)을 측정하여 최종적으로 셀룰로오즈의 전환효율을 계산하였으며, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
[표 3]
Figure 112018050743811-pat00003
상기 표 3에서 확인할 수 있는 것처럼, 세가지 볼 중 스틸 재질을 사용했을 때 100 ㅅm 이하의 바이오매스가 전체의 73%를 차지하는데 비해서 알루미나나 지르코니아를 사용할 경우 52% 밖에 되지 않아서 스틸 볼을 사용하였을 때 더 효과적으로 분쇄할 수 있다는 것을 알 수 있었다.
당화효율은 하기 표 4에 나타내었다.
[표 4]
Figure 112018050743811-pat00004
상기 표 4에서 확인할 수 있는 것처럼 바이오매스의 분쇄효율과 비례하여 스틸에서 가장 당화효율이 높게 나타났고, 알루미나와 지르코니아에서는 유사한 당화효율이 나타나는 것을 알 수 있었다.
[실시예 4]
도 3과 같은 바이오매스 융합처리장치를 준비하고, 화학적 처리 및 물리적 처리를 동시에 수행하여 바이오매스를 분쇄(전처리)하였다. 이때, 바이오매스는 옥수수대를 사용하였고, 볼은 알루미나 재질의 볼을 사용하였고, 볼의 크기는 1, 3, 5, 10, 15mm 지름을 가지고 있으며, 에탄올을 60wt% 넣고(화학적 처리) 150℃에서 20분 동안 바이오매스를 습식 분쇄하였다
[실험예 4]
실시예 4에 의해 전처리(분쇄)된 바이오매스는 체(sieve)를 이용하여 분쇄된 크기를 분석하였고, 하기 표 5에 나타내었다.
[표 5]
Figure 112018050743811-pat00005
상기 표 5에서 확인할 수 있는 것처럼, 3~10mm 크기의 볼에서 대체적으로 분쇄 효과가 좋았으며 특히 10mm 볼을 사용할 때 가장 잘 분쇄되는 것을 볼 수 있지만 1mm나 15mm의 경우 오히려 분쇄효과가 낮아지는 것을 볼 수 있었다.
[실시예 5]
도 3과 같은 바이오매스 융합처리장치를 준비하고, 온도를 달리하여 바이오매스를 분쇄(전처리)하였다. 바이오매스는 커터를 이용하여 분쇄한 5mm 이하 크기의 옥수수대를 사용하였고, 옥수수대는 융합처리장치 내부의 1/3 부피만큼 들어갈 양을 사용하였다. 온도는 80℃와 100℃에서 각각 분쇄하였고, 각 온도에서 처리할 바이오매스의 양의 0%, 25%, 100%, 400%의 물을 넣은 후, 300rpm 속도로 전처리 하였다.
[실험예 5]
실시예 5에 의해 전처리(분쇄)된 바이오매스에 전처리 효능을 평가하기 위해 효소 당화를 실시하였다. 효소 당화는 셀룰라아제를 옥수수대 기준으로 15FPU/g-옥수수대 넣고 50mM sodium acetate를 2%(고액비) 비율로 넣어서 200rpm 속도로 50℃에서 72시간 효소반응시켰다. 이후 상층액만 샘플링하여 글루코오즈 농도를 하기 수학식 1을 이용하여 측정하였고, 그 결과는 도 4에 나타내었다.
[수학식 1]
Glucose yield = [(생성된 글루코오즈의 양) / (옥수수대의 글루칸 양 X 1.11)] X 100
도 4를 통해 알 수 있듯이, 물의 양이 적을 때(0%, 25%)는 80℃에서 당 생성량이 더 높게 나타났고 물 양이 많을 때(100%, 400%)는 100℃에서 더 당 생성량이 많았으며, 물을 넣지 않고 전처리를 할 때 제일 당 생성량이 높았다. 옥수수대와 같은 바이오매스를 전처리해서 분쇄하게 되면 효소가 침투할 수 있는 미세구조들이 많이 생기는데 이때 물에 젖었던 바이오매스가 건조되면 미세구조가 붕괴되어서 효소가 침투할 수 있는 공간이 줄어들게 된다. 그렇기 때문에 물 양이 적을 때는 100℃에서 물이 금방 증발되어 바이오매스가 건조하게 됨으로써 당 생성량이 떨어지게 되고, 물 양이 많을 때는 분쇄과정 중에도 완전 건조되지 않기 때문에 줄어들지 않고 도리어 열에 의해서 팽창효과가 발생하게 된다.
결과적으로, 물리적 처리방법과 화학적 처리방법을 동시에 적용할 경우, 80℃ 정도의 저온에서 이루어질 때는 물을 적게 넣은 후, 촉매를 고농도로 하여 처리하고, 100℃ 정도의 고온에서 이루어질 때는 물을 많이 넣은 후, 촉매를 저농도로 하여 처리하는 것이 효율적이라는 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 융합처리장치
10 : 바이오매스 공급부
20 : 촉매 공급부
30 : 바이오매스 분쇄부
31 : 샤프트 핀
32 : 세라믹 볼
33 : 히터
40 : 바이오매스 배출부
50 : 제어부
60 : 스크루
70 : 역류방지부재

Claims (20)

  1. 바이오매스 분쇄부로 바이오매스를 공급하는 바이오매스 공급부;
    바이오매스 공급부와 연결되고, 바이오매스 공급부로 촉매를 공급하는 촉매 공급부;
    내부로 공급되는 바이오매스와 촉매를 교반하고, 바이오매스를 분쇄하는 바이오매스 분쇄부;
    바이오매스 분쇄부와 연결되고, 바이오매스 분쇄부에서 분쇄된 바이오매스를 외부로 배출하는 바이오매스 배출부; 및
    바이오매스 분쇄부 내부의 온도를 조절하고, 내부의 온도에 따라 공급되는 바이오매스의 양과 촉매의 농도를 조절하는 제어부;를 포함하되,
    바이오매스 공급부는,
    바이오매스 분쇄부와 인접한 일측의 직경이 작고, 바이오매스 투입구와 인접한 타측의 직경이 큰 스크루를 포함하고,
    스크루를 이용하여 바이오매스를 바이오매스 분쇄부로 이송하며,
    바이오매스 배출부는,
    바이오매스 분쇄부와 인접한 일측의 직경이 크고, 바이오매스 분쇄부와 먼 타측의 직경이 작은 스크루를 포함하고,
    스크루를 이용하여 바이오매스를 외부로 배출하며,
    바이오매스 공급부 및 바이오매스 분쇄부 사이와, 바이오매스 분쇄부 및 바이오매스 배출부 사이에 역류방지부재를 포함하고,
    역류방지부재는,
    중앙에 홀이 형성된 원형 부재 및
    일방향으로만 개방될 수 있는 게이트를 포함하는 것을 특징으로 하는, 바이오매스 융합처리장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    촉매는 유기용매, 약산, 강산 및 약염기로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 바이오매스 융합처리장치.
  5. 제1항에 있어서, 바이오매스 분쇄부는,
    샤프트 핀(shaft pin)을 구비하는 교반기; 및
    세라믹 볼;을 포함하는 것을 특징으로 하는, 바이오매스 융합처리장치.
  6. 제5항에 있어서,
    샤프트 핀은 50~450rpm의 속도로 회전하는 것을 특징으로 하는, 바이오매스 융합처리장치.
  7. 제5항에 있어서,
    세라믹 볼의 직경은 3~10mm인 것을 특징으로 하는, 바이오매스 융합처리장치.
  8. 제1항에 있어서, 바이오매스 분쇄부는,
    내부에 열을 공급하는 히터;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 바이오매스 융합처리장치.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제1항의 바이오매스 융합처리장치를 이용한 바이오매스 처리방법으로서,
    바이오매스를 공급하는 바이오매스 공급단계;
    촉매를 공급하는 촉매 공급단계;
    바이오매스와 촉매를 혼합하여 교반하고, 바이오매스를 분쇄하는 바이오매스 분쇄단계; 및
    분쇄된 바이오매스를 외부로 배출하는 바이오매스 배출단계;를 포함하되,
    바이오매스 분쇄단계에서 바이오매스 분쇄 온도를 조절하고, 분쇄 온도에 따라 투입되는 바이오매스의 양과 촉매의 농도를 조절하는 것을 특징으로 하는, 바이오매스 처리방법.
  14. 제13항에 있어서, 바이오매스 공급단계에서,
    바이오매스는 스크루에 의해 이송되는 것을 특징으로 하는, 바이오매스 처리방법.
  15. 삭제
  16. 제13항에 있어서,
    촉매는 유기용매, 약산, 강산 및 암모니아로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 바이오매스 처리방법.
  17. 제13항에 있어서, 바이오매스 분쇄단계는,
    마멸분쇄방식에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는, 바이오매스 처리방법.
  18. 제13항에 있어서, 바이오매스 분쇄단계는,
    60~200℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는, 바이오매스 처리방법.
  19. 제13항에 있어서, 바이오매스 배출단계는,
    분쇄된 바이오매스를 스크루를 이용하여 배출하는 것을 특징으로 하는, 바이오매스 처리방법.
  20. 삭제
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