KR102028273B1 - 동물성 폐유를 이용한 바이오디젤 원료유, 중유 및 절삭유의 분리 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 설렁탕, 족발, 보쌈육, 닭요리 등의 식품조리 과정이나 그 잔여물 처리과정에서 발생한 불순물 함량이 높은 동물성 유지를 정제하여 바이오디젤과 중유 그리고 절삭유를 일괄 추출할 수 있는 동물성 폐유를 이용한 바이오디젤, 중유 및 절삭유의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 동물성 폐유를 이용한 바이오디젤, 중유 및 절삭유의 제조방법은 식품조리 과정 중 발생한 동물성 폐유를 수집하여 비닐 포장재와 같은 1차 이물질을 제거한 후 가열부스에 투입하는 단계와, 투입된 원료를 스팀보일러를 이용하여 40분 내지 1시간 및 60℃~70℃ 온도로 가열하여 고체상태의 폐유를 액체상태로 변환하는 단계와, 액체상태로 변한 동물성 폐유를 1차 침전 탱크로 이송하는 단계와, 이송된 폐유를 침전탱크 내부에 교반기로 믹싱한 후 80~90℃에서 5시간 동안 가열하는 단계와, 가열 이후 12시간~14시간 동안 침전방식에 의해 수분 및 이물질 층을 분리하는 단계와, 이후 각 층별로 장치된 배관을 이용하여 순차적으로 바이오디젤, 중유, 절삭유를 추출하는 단계와, 추출된 각각의 바이오디젤, 중유, 절삭유를 고속원심분리기를 통과시켜 2차 정제한 후 해당 제품의 저장탱크로 이송 저장하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

동물성 폐유를 이용한 바이오디젤 원료유, 중유 및 절삭유의 분리 제조방법 {Method for Separating Biodiesel Raw Oil, Heavy Oil and Cutting Oil Using Animal Waste Oil}

본 발명은 설렁탕, 족발, 보쌈육, 닭요리 등의 식품조리 과정이나 그 잔여물 처리과정에서 발생한 불순물 함량이 높은 동물성 유지를 정제하여 바이오디젤 원료유와 중유 그리고 절삭유를 일괄 추출할 수 있는 동물성 폐유를 이용한 바이오디젤 원료유, 중유 및 절삭유의 분리 제조방법에 관한 것이다.

석유 에너지 자원의 고갈에 따른 대체에너지 자원개발 및 화석 연료의 과다 사용에 따른 이산화탄소의 발생을 억제하기 위해 재생 가능한 에너지원의 하나로 바이오디젤의 생산 및 보급을 적극 늘려가는 추세에 있다.

바이오디젤은 동물성 유지나 식물성 기름에 메탄올과 같은 지방족 알코올을 반응시켜서 만드는데, 이때 바이오디젤 원료로 사용하는 동물성 유지나 식물성 기름의 성상에 따라 바이오디젤의 수율과 품질이 결정된다. 정제되지 않은 동물성 유지와 식물성 기름을 원료로 하여 생산된 바이오디젤은 합성과정에서의 수율저하와 품질문제 등 많은 문제점을 가지고 있다.

수율과 품질문제를 개선하기 위하여 대다수 바이오디젤 업체들이 식용으로 사용되고 있는 정제된 대두유, 유채유와 같은 원료를 바이오디젤의 원료로 사용하고 있으나 식량자원을 에너지 자원으로 사용하는 것이 대체에너지의 원래 취지와 무관하게 많은 문제를 야기할 뿐 아니라, 식용대두유나 유채유등은 가격이 높아 경제성도 떨어진다.

전 세계적으로 그 양이 풍부한 사용 후 또는 부산물로 발생하는 동식물성 유지는 현재 대부분이 사료첨가용이나 비누원료로 사용하고 있으며, 불순물중 특히 FFA(free fatty acid) 함량이 원료상태에서 2.0%이하인 일부 동식물성 유지를 단순분리, 화학적 정제 처리하여 부분적으로 바이오디젤 원료로 사용하고 있다.

바이오디젤 제조 방법은 가장 보편적인 방법으로 동물성 유지 및 식물성 기름을 알칼리 촉매 하에서 지방족 알코올과 반응시켜 에스테르화하는 방법이다. 여러 바이오디젤 제조 방법 중 알칼리 촉매 방법이 가장 많이 사용되며, 알칼리 촉매로는 현재 소디움메톡사이드(NaOCH3)가 널리 사용되고 있으며 가성소다(NaOH), 포타시움 하이드록사이드(KOCH3), 가성칼리(KOH) 등도 사용된다.

상대적으로 고가인 소디움 메톡사이드(NaOCH3)가 널리 사용되는 이유는 원료 물질 중에 수분이 존재하는 경우에도 높은 수율을 얻을 수 있기 때문이다.

NaOCH3 + H2O → NaOH + CH3OH

위와 다른 바이오디젤 제조방법으로서, 동물성 유지 및 식물성 기름을 황산과 같은 산을 촉매로 하여 고온, 고압 하에서 지방족 알코올과 반응시키는 방법이 있고, 또 다른 방법으로 동물성 유지 및 식물성 기름을 일차 가수 분해하여 지방산을 만든 후, 이 지방산을 다시 산 촉매 하에서 지방족 알코올과 반응시키는 방법이 있고, 또 다른 방법으로 동물성 유지 및 식물성 기름을 산화 바리움과 같은 불용성 촉매를 사용하여 지방족 알코올과 반응시키는 방법이 있다.

그러나 폐식용유나 정제되지 않은 불순물 함량이 높은 동식물성 유지에 다량 함유된 입자성물질, 검질, 지방산, 비누, 수분 등은 지방산 메칠 에스테르화 과정에서 수율 및 품질을 저하시킨다.

폐식용유나 정제되지 않은 불순물 함량이 높은 동식물성 유지에 함유된 입자성 물질은 바이오디젤 제조시 장치의 장애와 수율 저하 및 바이오디젤 합성 후 글리세린과의 분리불량 및 증류공정의 전열면 오염을 일으켜 부산물인 글리세린의 품질저하를 야기한다.

검질(인지질 포함) 및 금속분 또한 바이오디젤 생산 시 장치의 장애와 수율 저하, 바이오디젤 합성 후 TAG(triAcylGlyceride), DAG(di-Acyl Glyceride), MAG(Mono- Acyl Glyceride)와 FAME(Fatty Acid Methyl Ester) 및 Soap과 Emulsion화 되어 분리 불량 및 증류 공정의 전열면 오염을 일으켜 생산성 저하와 잦은 크리닝이 필요하며 부산물인 글리세린의 품질저하를 야기한다.

일례로 바이오디젤 합성 시 인(P) 함량이 100ppm의 경우 인지질은 약 0.3%에 해당되며 수율이 약 1.5% 저하된다.

수분이 존재하면 동식물성 유지의 가수분해를 일으켜 FFA(유리지방산)과 DAG(di-Acyl Glyceride), MAG(MonoAcyl Glyceride) 및 글리세린을 생성하여 수율 저하를 초래한다.

특히 고온에서 장기간 저장 시 가수분해가 심하게 발생하며 일례로 바이오디젤 합성 시 수분 0.1%는 약 1~2%의 수율 저하를 가져온다.

C3H5O3(OCR)3 + H2O → RCOOH +C3H5O3H(OCR)2 <DAG>

C3H5O3(OCR)3 + 2H2O → 2RCOOH +C3H5O3H(OCR) <MAG>

C3H5O3(OCR)3 + 3H2O → 3RCOOH +C3H8O3 <Glycerol>

특히 FFA(유리지방산)은 바이오디젤 합성 시 촉매인 알칼리와 반응, 비누가 되어 촉매의 손실과 생성된 비누와 유분이 유화되어 분리가 불량하여 수율저하 및 품질 불량을 가져오며 반응 시 생성된 수분은 전술한 수분과 같이 유지의 가수분해를 일으켜 유리지방산과 DAG, MAG 및 글리세린을 생성한다.

상기 반응은 아래와 같이 연쇄적으로 반복되어 수율 저하가 일어나며 일례로 바이오디젤 합성 시 유리지방산 0.1%는 약 1~2%의 수율 저하를 가져온다.

RCOOH +NaOH → RCOONa + H2O

C3H5O3(OCR)3 + 3H2O → 3RCOOH +C3H8O3

원료 중의 비누 또는 바이오디젤 합성시 생성된 비누 성분은 유분과 유화되어 분리가 불량하여 바이오디젤의 수율 저하와 품질 불량 및 부산물인 글리세린의 품질저하가 발생하며 부산물의 후처리 공정을 복잡하게 한다.

또한 지방산이 2% 이하일 경우에는 통상적인 처리방법인 알칼리 반응을 통해 비누로 만들어 제거가 가능하나 2% 이상일 경우에는 알칼리와 반응하여 생성된 다량의 비누와 동식물유가 유화되어 분리 불량으로 인한 수율손실이 다량 발생한다.

현재 전 세계적으로 사용 후 또는 부산물 형태로 다량 발생되는 불순물 함유 동식물성 유지는 대부분 사료첨가제나 비누원료로 사용되며 바이오디젤이나 중유로 정제되어 사용되는 비율은 높지 않다.

그 이유는 동물성 폐유와 식물성 폐유지가 갖는 기본적인 액상화 조건이나 폐유를 정제시키기 위한 마그네슘 및 가성소다를 적정 비율이 다르기 때문인데, 이러한 동물성 폐유와 식물성 폐유지에서 요구되는 최적값을 일반화시키는 것은 기술적으로 매우 곤란하다.

따라서 바이오디젤 원료유을 폐유지에서 추출함에 있어 동물성유지와 식물성유지를 분리하여 정제처리해야 수율향상에 유리하다.

한편, 폐유로부터 바이오디젤을 만들고 나서 그 부산물을 처리하여 중유를 만들고 이후 절삭유를 제조하게 되는 데, 이 경우 각가의 추가 처리공정이 요구됨에 따른 경제성 저하문제가 나타나고 있다.

본 발명은 위와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 동물성 폐유 만을 이용하여 효율적으로 바이오디젤 등을 제조할 수 있는 동물성 폐유를 이용한 바이오디젤 원료유, 중유 및 절삭유의 분리 제조방법을 제공하는 것에 본 발명의 목적을 두고 있다.

본 발명의 다른 목적은 일련의 동물성 폐유 정제 처리과정에서 하나의 챔버에서 바이오디젤 원료유과 중유와 절삭유를 일괄 추출할 수 있는 동물성 폐유를 이용한 바이오디젤 원료유, 중유 및 절삭유의 분리 제조방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 동물성 폐유를 이용한 바이오디젤 원료유, 중유 및 절삭유의 분리 제조방법은 식품조리 과정 중 발생한 동물성 폐유를 수집하여 비닐 포장재와 같은 1차 이물질을 제거한 후 가열부스에 투입하는 단계와, 투입된 원료를 스팀보일러를 이용하여 40분 내지 1시간 및 60℃~70℃ 온도로 가열하여 고체상태의 폐유를 액체상태로 변환하는 단계와, 액체상태로 변한 동물성 폐유를 1차 침전 탱크로 이송하는 단계와, 이송된 폐유를 침전탱크 내부에 교반기로 믹싱한 후 80~90℃에서 5시간 동안 가열하는 단계와, 가열 이후 12시간~14시간 동안 침전방식에 의해 수분 및 이물질 층을 분리하는 단계와, 이후 각 층별로 장치된 배관을 이용하여 순차적으로 바이오디젤 원료유, 중유, 절삭유를 추출하는 단계와, 추출된 각각의 바이오디젤 원료유, 중유, 절삭유를 고속원심분리기를 통과시켜 2차 정제한 후 해당 제품의 저장탱크로 이송 저장하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 동물성 폐유를 이용한 바이오디젤 원료유, 중유 및 절삭유의 분리 제조방법은 동물성 폐유 만을 이용하게 되므로 폐유의 액상화 조건이나 폐유를 정제시키기 위한 마그네슘 및 가성소다 비율을 특정할 수 있어 효율적으로 바이오디젤 등을 제조할 수 있게 된다.

또한 본 발명은 폐유로부터 바이오디젤 원료유을 만들고 나서 그 부산물을 처리하여 중유를 만들고 이후 절삭유를 제조하는 별도의 공정 없이 단일 공정을 통하여 하나의 챔버에서 바이오디젤 원료유과 중유와 절삭유를 일괄 추출할 수 있게 되므로 바이오디젤 원료유과 중유와 절삭유의 제조원가를 획기적으로 절감 시킬 수 있다.

또한 본 발명은 동물성폐유를 이용한 바이오디젤 등의 기름을 제조하는 과정에서 생성되는 고형의 이물질은 고단백질 성분을 가지게 되므로 이를 건조하여 가축의 사료로 활용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 바이오디젤 원료유, 중유, 절삭유 일괄 제조공정을 설명하기 위한 흐름도이다.

첨부한 도면을 참고로하여 본 발명을 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서 바이오디젤 원료유 및 중유의 원료로 사용될 동물성 폐유는 값싸게 수집할 수 있는 음식물성 기름으로 설렁탕, 족발, 보쌈고기 등 식품조리 과정 도중이나 식품 잔여물 처리과정에서 발생되는 폐기 식재료를 원료로 하여 획득한다. 그러나 본 발명의 적용에 있어 동물성 폐유는 단지 위에서 열거한 음식폐기물이나 잔여 식자재 만으로 한정하는 것은 아니다.

제조과정을 보면, 먼저 식품조리 과정 중에 발생하거나 또는 식자재 잔여물 등에서 발생한 동물성 폐유가 바이오디젤 원료유 생산을 위한 처리시설에 입고되면 이를 100-200리터 용기에 담아 가열부스에 투입한다.

이때 원료 수집단계에서 포함된 포장비닐이나 기타 이물질을 크레인집게를 이용하여 수작업으로 제거하는 1차 이물질 제거단계를 실시한다.

가열부스에 투입된 원료는 40분~1시간 동안 60℃~70℃의 온도조건으로 스팀보일러를 이용하여 고체상태의 폐유를 액체상태로 변환시키는 1차 가열 단계를 실시한다. 위 시간은 동물성 폐유 200 리터 단위에서 완전 액상화에 이르는데 요구되는 최대 시간값이며 이를 초과할 경우 전력낭비만 발생할 뿐 실익은 없다. 또 상기 온도조건 범위를 벗어날 경우 완전 액상화에 이르지 못하거나 액상화를 넘어 불필요한 전력소모를 일으키게 된다. 단지 위 온도조건과 가열시간 값을 초과한다고 하여도 100℃ 이상을 넘지 않는 한 바이오디젤 원료유이나 중유 그리고 절삭유의 생산 수율에 미치는 영향은 없다.

이후, 액상화된 동물성 폐유를 바이킹 펌프 등을 이용하여 1차 침전탱크로 이송하는 단계를 실시한다.

1차 침전탱크에 폐유가 이송되면 상기 1차 침전탱크 내부에 장착된 교반기를 작동시켜 투입된 액상폐유 원료를 골고루 믹싱하는 단계를 실시한다.

5분 이상 교반하여 액상화 원료가 충분히 믹싱된 상태에 도달시킨 다음, 80~90℃ 온도조건에서 5시간 동안 가열하는 2차 가열 단계를 실시한다.

여기서 위 온도조건과 가열시간 값은 최소한 값이며, 이를 초과한다고 하여도 100℃ 이상을 넘지 않는 한 바이오디젤 원료유이나 중유 그리고 절삭유의 생산 수율에 미치는 영향은 없다. 다만 불필요한 전력소모를 야기하여 제품원가 상승을 초래한다.

80-90℃ 온도조건의 2차 가열 후 12시간~14시간 동안 침전방식에 의해 수분 및 이물질 층이 분리되게 하는 과정을 실시한다.

이 이물질 분리는 80℃~90℃가 되면 기름이 팽창하게 되어 이물질 무게에 따라 자연 분리되게 되며, 이때 이물질 성분은 폐유 원료에 잔존하던 뼈가루나 조리 과정에서 발생되는 고기 덩어리 등이다.

또한 위의 12시간~14시간에 해당하는 방치 침전 요구시간은 최소한 값이며, 이를 초과하여도 바이오디젤 원료유 등의 제품생산 수율 등에는 전혀 문제가 없으나 이를 초과할 경우 제조시간의 증가에 따른 제품생산 단가가 증가하게 된다.

위의 이물질 분리 후, 침전탱크의 각 층별로 장치된 배관을 이용하여 추출하여 고속원심분리시킨 다음 제품 저장탱크로 이송하는 단계를 실시한다.

여기서 각 층별로 분리된 배관은 상기 침전탱크의 제일 하단부에서부터 수직방향으로 일정간격 이격 배치된 4개의 배출 배관을 통해 이루어지게 되며, 일예로 침전탱크의 사이즈가 직경 3m, 높이 3m인 경우라면 침전탱크 바닥면으로부터 50cm 마다 4개의 배출 배관이 수직방향을 따라 나란히 배치되게 되는 것을 말한다.

이때 최상단의 배출 배관에서는 바이오디젤 원료유을 추출하고 두 번째 상단의 배출 배관에서는 중유를 추출하고 세번째 배출 배관에서는 절삭유를 추출하고 마지막 네번째 배출 배관에서는 이물질을 추출하게 되는 데, 이들 바이오디젤 원료유, 중유, 절삭유, 이물질은 배출배관의 순서에 따라 차례대로 대로 추출하는 단계를 실시한다.

여기서 바이오디젤 원료유, 중유, 절삭유은 기름 제품으로 생산되고 이물질은 가축의 사료 등으로 사용된다. 이 이물질에는 보통 단백질 성분이 약 40% 함유 되어 있으므로 훌륭한 가축의 사료의 원료가 된다.

또한 여기서 발생된 물 성분은 폐수탱크로 이송 처리된다.

위에서 침전탱크에서 각각의 배관을 통해 추출된 바이오디젤 원료유, 중유, 절삭유은 각각 고속원심분리기(델칸타)를 통과시켜 잔존하고 있는 이물질을 2차로 걸러내는 단계를 실시하게 되며,이러한 2차 이물질 필터링 공정을 거쳐 최종제품 저장탱크에 저장하는 단계를 실시한다.

도 1은 본 발명의 바이오디젤 원료유, 중유, 절삭유 일괄 제조공정을 간명하게 설명하기 위한 흐름도이다.

여기에서 참고되는 바와 같이, 제1단계에서는 식품조리 과정 중 발생한 동물성 폐유를 수집하여 비닐 포장재와 같은 1차 이물질을 제거한 후 가열부스에 투입하는 단계를 실시한다.

제2단계에서는 투입된 원료를 스팀보일러를 이용하여 40분 내지 1시간 및 60℃~70℃ 온도로 가열하여 고체상태의 폐유를 액체상태로 변환하는 단계를 실시한다.

제3단계에서는 액체상태로 변한 동물성 폐유를 1차 침전 탱크로 이송하는 단계를 실시한다.

제4단계에서는 이송된 폐유를 침전탱크 내부에 교반기로 믹싱한 후 80~90℃에서 5시간 동안 가열하는 단계를 실시한다.

제5단계에서는 제4단계에서의 가열 이후 12시간~14시간 동안 침전방식에 의해 수분 및 이물질 층을 분리하는 단계를 실시한다.

제6단계에서는 각 층별로 장치된 배관을 이용하여 순차적으로 바이오디젤 원료유, 중유, 절삭유를 추출하는 단계를 실시한다.

제7단계에서는 추출된 각각의 바이오디젤 원료유, 중유, 절삭유를 고속원심분리기를 통과시켜 2차 정제한 후 해당 제품의 저장탱크로 이송 저장하는 단계를 실시한다.

제 8단계에서는 침전탱크에서 마지막으로 이물질을 추출하여 건조과정을 거쳐 동물의 사료 원료로 공급한다

Claims (4)

1. 식품조리 과정 중 발생한 동물성 폐유를 수집하여 비닐 포장재를 제거한 후 가열부스에 투입하는 단계와, 투입된 원료를 스팀보일러를 이용하여 40분 내지 1시간 및 60℃~70℃ 온도로 가열하여 고체상태의 폐유를 액체상태로 변환하는 단계와, 액체상태로 변한 동물성 폐유를 1차 침전 탱크로 이송하는 단계와, 이송된 폐유를 침전탱크 내부에 교반기로 믹싱한 후 80~90℃에서 5시간 동안 가열하는 단계와, 가열 이후 12시간~14시간 동안 침전방식에 의해 수분 및 이물질 층을 분리하는 단계와, 이후 각 층별로 배치된 배관을 이용하여 순차적으로 바이오디젤 원료유, 중유, 절삭유를 추출하는 단계와, 추출된 각각의 바이오디젤 원료유, 중유, 절삭유를 고속원심분리기를 통과시켜 2차 정제한 후 해당 제품의 저장탱크로 이송 저장하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 동물성 폐유를 이용한 바이오디젤 원료유, 중유 및 절삭유의 분리 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 침전탱크에서의 각 층별 분리 추출은 상기 침전탱크의 제일 하단부에서부터 수직방향으로 일정간격 이격 배치된 4개의 배출 배관을 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 동물성 폐유를 이용한 바이오디젤 원료유, 중유 및 절삭유의 분리 제조방법.
3. 제 2항에 있어서, 상기 침전탱크의 층별로 배치된 4개의 배출 배관은 상기 침전탱크의 크기가 직경 3m, 높이 3m일 경우 50cm 간격으로 배치하는 것을 특징으로 하는 동물성 폐유를 이용한 바이오디젤 원료유, 중유 및 절삭유의 분리 제조방법.
4. 제 2항에 있어서, 상기 4개의 배관중 4번째의 마지막 배관에서 추출되는 이물질을 추가 건조하여 고단백의 가축 사료 원료로 공급하는 것을 특징으로 하는 동물성 폐유를 이용한 바이오디젤 원료유, 중유 및 절삭유의 분리 제조방법.
   

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