KR102422678B1 - Method for producing bio oil from lignin derived from biomass using base catalyst - Google Patents

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Abstract

본 발명은 염기 촉매를 이용한 바이오매스 유래 리그닌으로부터 바이오 오일을 생산하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 바이오매스 원료로부터 추출된 리그닌을 아임계수 상에서 염기 촉매를 이용하여 가수분해함으로써 리그닌으로부터 높은 수율의 바이오 오일을 효율적으로 추출할 수 있고, 공정이 용이한 동시에 제조비용을 절감할 수 있는 염기 촉매를 이용한 바이오매스 유래 리그닌으로부터 바이오 오일을 생산하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing bio-oil from lignin derived from biomass using a base catalyst, and more particularly, hydrolyzing lignin extracted from a biomass raw material in subcritical water using a base catalyst to obtain a high yield from lignin. It relates to a method for producing bio-oil from biomass-derived lignin using a base catalyst capable of efficiently extracting bio-oil, facilitating a process, and reducing manufacturing cost at the same time.

Description

염기 촉매를 이용한 바이오매스 유래 리그닌으로부터 바이오 오일을 생산하는 방법{METHOD FOR PRODUCING BIO OIL FROM LIGNIN DERIVED FROM BIOMASS USING BASE CATALYST}Method for producing bio-oil from lignin derived from biomass using a base catalyst

본 발명은 염기 촉매를 이용한 바이오매스 유래 리그닌으로부터 바이오 오일을 생산하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing bio-oil from lignin derived from biomass using a base catalyst.

고유가와 지구 온난화에 대한 해결책으로 세계적인 흐름 중의 하나의 이슈가 바로 석유를 대체할 수 있는 에너지이다. 선도적인 여러 대체 에너지 중 하나가 바로 바이오 연료이다. 바이오 연료는 바이오매스(Biomass)를 원료로 하여 얻어지는 에너지를 통칭하는 것으로, 직접 연소, 알코올 발효, 메탄 발효 등을 통해 얻어진다. As a solution to high oil prices and global warming, one of the issues in the global trend is energy that can replace oil. One of the leading alternative energy sources is biofuels. Biofuel is a generic term for energy obtained by using biomass as a raw material, and is obtained through direct combustion, alcohol fermentation, methane fermentation, and the like.

바이오매스는 육상과 수상의 식물과 동물 및 미생물 등을 포함하는 지구상의 유기체 전부를 물질로 환산한 것을 가리키는 것으로, 목재, 곡물, 농업 임업 관련 부산물이나 하수처리장의 슬러지, 도시 고형폐기물 등의 유기성 물질 전체를 포함하는 개념이다. 이러한 바이오매스는 식물체를 근간으로 형성되며 식물체는 곧 화학결합 중에 태양에너지를 저장하는 탄소화합물로서, 결국 바이오매스는 화석연료와 같이 탄소화합물로 이루어진 에너지 저장 물질이라고 할 수 있다.Biomass refers to the conversion of all organisms on earth, including land and water plants, animals, and microorganisms, into substances. It is a concept that encompasses the whole. Such biomass is formed based on plants, and plants are carbon compounds that store solar energy during chemical bonding, and biomass can be said to be an energy storage material composed of carbon compounds like fossil fuels.

최근 이러한 바이오매스를 이용하여 바이오오일을 생산하는 방법이 많이 제시되고 있는데, 그 중 하나가 열분해 공정을 이용한 방법이다. 종래의바이오매스급속 열분해(flash pyrolysis) 공정을 이용하면 70 %의 액체 생성물을 산출할 수 있으나 이러한 급속 열분해 공정을 통해 생성된 액체 생성물은 추가적인 개량이나 정제 없이 사용하기에는 한계가 있다. Recently, many methods for producing bio-oil using such biomass have been proposed, and one of them is a method using a pyrolysis process. The conventional biomass rapid pyrolysis (flash pyrolysis) process can yield 70% of a liquid product, but the liquid product produced through such a rapid pyrolysis process has a limit to use without further improvement or purification.

이에 본 발명자는 바이오매스로부터 바이오 오일을 추출하는 기존 방법이 가진 문제들을 해결하고자 연구하던 중 바이오매스 원료로부터 고부가가치 화합물로 이용할 수 있는 리그닌을 추출하고, 아임계수 상에서 특정농도의 염기 촉매를 이용하여 리그닌을 가수분해함으로써 고수율의 바이오 오일을 수득할 수 있음을 알게되어 본 발명을 완성하였다. Accordingly, the present inventors extracted lignin that can be used as a high value-added compound from biomass raw materials while researching to solve the problems of the existing method of extracting bio-oil from biomass, and using a base catalyst of a specific concentration in subcritical water. The present invention was completed by finding that a high yield of bio-oil can be obtained by hydrolyzing lignin.

한국등록특허 제10-1725178호Korean Patent No. 10-1725178

상기와 같은 문제 해결을 위하여, 본 발명은 아임계수 상에서 특정농도의 염기 촉매 존재 하에 바이오매스 유래 리그닌으로부터 바이오 오일을 생산하는 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.In order to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a method for producing bio-oil from biomass-derived lignin in the presence of a base catalyst of a specific concentration in subcritical water.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않는다. 본 발명의 목적은 이하의 설명으로 보다 분명해 질 것이며, 특허청구범위에 기재된 수단 및 그 조합으로 실현될 것이다.The object of the present invention is not limited to the object mentioned above. The objects of the present invention will become more apparent from the following description, and will be realized by means and combinations thereof described in the claims.

본 발명은 바이오매스 원료로부터 리그닌을 추출하는 단계; 상기 바이오매스 원료로부터 추출된 리그닌을 아임계수(sub-critical water) 상에서 염기 촉매 존재 하에 가수분해하여 반응생성물을 수득하는 단계; 상기 반응생성물에 추출용매를 가하여 유기상 생성물을 추출하는 단계; 및 상기 유기상 생성물에 유기용매를 혼합한 후 여과하여 바이오 오일을 수득하는 단계;를 포함하는 염기 촉매를 이용한 바이오매스 유래 리그닌으로부터 바이오 오일을 생산하는 방법을 제공한다.The present invention comprises the steps of extracting lignin from a biomass raw material; hydrolyzing the lignin extracted from the biomass raw material in sub-critical water in the presence of a base catalyst to obtain a reaction product; extracting an organic phase product by adding an extraction solvent to the reaction product; And it provides a method for producing bio-oil from biomass-derived lignin using a base catalyst comprising a; and filtering after mixing the organic solvent with the organic product to obtain bio-oil.

상기 바이오매스 원료는 거대억새, 갈대, 수수대, 옥수수대, 볏짚, 케나프, 왕겨, 견과류 껍질 및 코코넛 껍질로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.The biomass raw material may be at least one selected from the group consisting of giant pampas grass, reeds, millet stalks, corn stalks, rice straw, kenaf, rice husks, nut shells and coconut shells.

상기 바이오매스 원료는 전체 중량대비 10~35 중량%의 리그닌을 포함할 수 있다.The biomass raw material may include lignin in an amount of 10 to 35% by weight based on the total weight.

상기 염기 촉매는 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화칼슘, 수산화마그네슘, 수산화알루미늄, 수산화바륨, 수산화소듐, 수산화철, 수산화리튬, 수산화아연, 수산화니켈, 수산화주석, 수산화바륨, 수산화코발트, 수산화크로뮴, 수산화암모늄, 수산화지르코늄, 수산화티타늄, 수산화탄탈륨, 수산화하프늄, 수산화니오븀, 수산화크롬, 수산화바나듐 및 나트륨메톡시드로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.The base catalyst is sodium hydroxide, potassium hydroxide, calcium hydroxide, magnesium hydroxide, aluminum hydroxide, barium hydroxide, sodium hydroxide, iron hydroxide, lithium hydroxide, zinc hydroxide, nickel hydroxide, tin hydroxide, barium hydroxide, cobalt hydroxide, chromium hydroxide, ammonium hydroxide, It may be at least one selected from the group consisting of zirconium hydroxide, titanium hydroxide, tantalum hydroxide, hafnium hydroxide, niobium hydroxide, chromium hydroxide, vanadium hydroxide and sodium methoxide.

상기 반응생성물을 수득하는 단계에서 염기 촉매는 농도가 0.1~2.5 M일 수 있다.In the step of obtaining the reaction product, the concentration of the base catalyst may be 0.1 to 2.5 M.

상기 반응생성물을 수득하는 단계는 250~350 ℃의 온도에서 20분~2시간 동안 80~110 bar의 압력 하에 가수분해할 수 있다.Obtaining the reaction product may be hydrolyzed under a pressure of 80 to 110 bar for 20 minutes to 2 hours at a temperature of 250 ~ 350 ℃.

상기 추출용매는 에틸아세테이트, 아세톤, 프로판올 및 에탄올로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.The extraction solvent may be at least one selected from the group consisting of ethyl acetate, acetone, propanol and ethanol.

상기 유기용매는 디에틸에테르, 디메틸에테르, 아세토나이트릴 및 사이클로헥산으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.The organic solvent may be at least one selected from the group consisting of diethyl ether, dimethyl ether, acetonitrile and cyclohexane.

상기 바이오 오일은 페놀(Phenol), 1,2-벤젠디올(1,2-Benzenediol), 3-에틸페놀(3-Ethyl phenol), 4-메틸-1,2-벤젠디올(4-Methyl-1,2-benzenediol) 및 2-메톡시-페놀(2-Methoxy-phenol)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.The bio-oil is phenol (Phenol), 1,2-benzenediol (1,2-Benzenediol), 3-ethylphenol (3-Ethyl phenol), 4-methyl-1,2-benzenediol (4-Methyl-1) ,2-benzenediol) and 2-methoxy-phenol (2-Methoxy-phenol) may be at least one selected from the group consisting of.

본 발명에 따른 바이오매스 유래 리그닌으로부터 바이오 오일을 생산하는 방법은 바이오매스 원료로부터 추출된 리그닌을 아임계수 상에서 특정농도의 염기 촉매를 이용하여 가수분해함으로써 리그닌으로부터 높은 수율의 바이오 오일을 효율적으로 추출할 수 있다.The method for producing bio-oil from biomass-derived lignin according to the present invention is capable of efficiently extracting high yield of bio-oil from lignin by hydrolyzing lignin extracted from biomass raw material in subcritical water using a base catalyst of a specific concentration. can

또한 본 발명에 따른 바이오매스 유래 리그닌으로부터 바이오 오일을 생산하는 방법은 염기 촉매의 농도와 가수분해 온도만을 조절하여 바이오 오일의 생산 효율을 높임으로써 공정이 용이한 동시에 제조비용을 절감할 수 있다.In addition, the method for producing bio-oil from biomass-derived lignin according to the present invention increases the production efficiency of bio-oil by controlling only the concentration of the base catalyst and the hydrolysis temperature, thereby facilitating the process and reducing the manufacturing cost.

본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 한정되지 않는다. 본 발명의 효과는 이하의 설명에서 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.The effects of the present invention are not limited to the above-mentioned effects. It should be understood that the effects of the present invention include all effects that can be inferred from the following description.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 염기 촉매의 농도를 0, 0.25, 0.77, 1.32, 1.88 M로 각각 다르게 할때 리그닌으로부터 얻어진 각 생성물들의 추출수율 결과를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예 2에 따른 가수분해 온도를 280, 290, 300, 310, 320 ℃로 각각 다르게 할때 리그닌으로부터 얻어진 각 생성물들의 추출수율 결과를 나타낸 그래프이다.
1 is a graph showing the extraction yield results of each product obtained from lignin when the concentration of the base catalyst according to Example 1 of the present invention is varied to 0, 0.25, 0.77, 1.32, and 1.88 M, respectively.
Figure 2 is a graph showing the extraction yield results of each product obtained from lignin when the hydrolysis temperature according to Example 2 of the present invention is varied to 280, 290, 300, 310, 320 ℃, respectively.

이하에서는 본 발명을 하나의 실시예로 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of an embodiment.

본 발명은 염기 촉매를 이용한 바이오매스 유래 리그닌으로부터 바이오 오일을 생산하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing bio-oil from lignin derived from biomass using a base catalyst.

구체적으로 본 발명은 바이오매스 원료로부터 리그닌을 추출하는 단계; 상기 바이오매스 원료로부터 추출된 리그닌을 아임계수(sub-critical water) 상에서 염기 촉매 존재 하에 가수분해하여 반응생성물을 수득하는 단계; 상기 반응생성물에 추출용매를 가하여 유기상 생성물을 추출하는 단계; 및 상기 유기상 생성물에 유기용매를 혼합한 후 여과하여 바이오 오일을 수득하는 단계;를 포함하는 염기 촉매를 이용한 바이오매스 유래 리그닌으로부터 바이오 오일을 생산하는 방법을 제공한다.Specifically, the present invention comprises the steps of extracting lignin from a biomass raw material; hydrolyzing the lignin extracted from the biomass raw material in sub-critical water in the presence of a base catalyst to obtain a reaction product; extracting an organic phase product by adding an extraction solvent to the reaction product; And it provides a method for producing bio-oil from biomass-derived lignin using a base catalyst comprising a; and filtering after mixing the organic solvent with the organic product to obtain bio-oil.

상기 바이오매스 원료로부터 리그닌을 추출하는 단계에서 바이오매스 원료는 거대억새, 갈대, 수수대, 옥수수대, 볏짚, 케나프, 왕겨, 견과류 껍질 및 코코넛 껍질로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 바이오매스 원료로 바람직하게는 거대억새, 케나프 또는 이들의 혼합물일 수 있고, 가장 바람직하게는 거대억새를 사용할 수 있다. 상기 바이오매스 원료는 전체 중량대비 10~35 중량%, 바람직하게는 15~30 중량%, 가장 바람직하게는 28 중량%의 리그닌을 포함할 수 있다.In the step of extracting lignin from the biomass raw material, the biomass raw material may be one or more selected from the group consisting of giant pampas grass, reed, sorghum, corn stalk, rice straw, kenaf, rice husk, nut shell, and coconut shell, but limited thereto it's not going to be The biomass raw material may be preferably giant pampas grass, kenaf or a mixture thereof, and most preferably giant pampas grass. The biomass raw material may contain 10 to 35% by weight, preferably 15 to 30% by weight, and most preferably 28% by weight of lignin based on the total weight.

상기 반응생성물을 수득하는 단계는 상기 리그닌을 아임계수(sub-critical water) 상에서 염기 촉매 존재 하에 가수분해하여 반응생성물을 수득할 수 있다. 상기 아임계수는 물이 100 ℃ 이상으로 가열되면, 유전상수는 감소하고 이온생성물이 증가하며, 200 ℃에서 물의 유전 상수는 실온에서의 메탄올의 유전상수와 동일해진다. 그리고 297 ℃에서 벤젠은 물과 완전히 혼화될 수 있고, H3O+ 및 OH- 이온 농도가 물보다 수십 배 더 높기 때문에 촉매로 작용할 수 있다. 이러한 상기 아임계수는 강력한 가수분해력과 유기물 용해력이 우수하여 원료로부터 유용성분의 추출수율을 높일 수 있고, 기존의 열분해법 또는 용매추출법에 비해 경제적인 이점이 있다. 또한 상기 염기 촉매는 상기 리그닌의 해중합이 잘 일어날 수 있도록 도와주는 역할을 하여 결과적으로 상기 리그닌으로부터 고수율의 바이오 오일을 추출할 수 있다.In the obtaining of the reaction product, the reaction product may be obtained by hydrolyzing the lignin in sub-critical water in the presence of a base catalyst. In the subcritical water, when water is heated to 100° C. or higher, the dielectric constant decreases and ion products increase, and the dielectric constant of water at 200° C. becomes the same as that of methanol at room temperature. And at 297 ° C, benzene is completely miscible with water, and can act as a catalyst because H 3 O + and OH ion concentrations are several orders of magnitude higher than that of water. The subcritical water has excellent hydrolysis power and organic substance dissolving power, so it is possible to increase the extraction yield of useful components from raw materials, and has an economical advantage compared to the conventional thermal decomposition method or solvent extraction method. In addition, the base catalyst serves to facilitate the depolymerization of the lignin, and as a result, it is possible to extract the bio-oil in a high yield from the lignin.

즉, 상기 반응생성물을 수득하는 단계는 아임계수 상과 염기 촉매 조건을 모두 만족할 때 비로소 상기 리그닌에 함유된 유용성분인 바이오 오일을 최대로 함유한 반응생성물을 수득할 수 있다. 특히 상기 반응생성물을 수득할 때 아임계수 상과 염기 촉매의 조건을 모두 충족하지 않으면 상기 리그닌의 해중합이 제대로 일어나지 않아 바이오 오일의 추출 수율이 현저하게 저하되고, 추출 시간이 오래 걸리는 문제가 있다.That is, in the obtaining of the reaction product, only when both the subcritical water phase and the base catalyst conditions are satisfied, the reaction product containing the bio-oil, an useful component contained in the lignin, can be obtained to the maximum. In particular, if both the conditions of the subcritical phase and the base catalyst are not satisfied when obtaining the reaction product, the depolymerization of the lignin does not occur properly, so that the extraction yield of the bio-oil is remarkably reduced, and there is a problem that the extraction time is long.

상기 염기 촉매는 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화칼슘, 수산화마그네슘, 수산화알루미늄, 수산화바륨, 수산화소듐, 수산화철, 수산화리튬, 수산화아연, 수산화니켈, 수산화주석, 수산화바륨, 수산화코발트, 수산화크로뮴, 수산화암모늄, 수산화지르코늄, 수산화티타늄, 수산화탄탈륨, 수산화하프늄, 수산화니오븀, 수산화크롬, 수산화바나듐 및 나트륨메톡시드로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 바람직하게는 상기 염기 촉매는 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화칼슘 및 수산화마그네슘으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있고, 가장 바람직하게는 수산화나트륨일 수 있다.The base catalyst is sodium hydroxide, potassium hydroxide, calcium hydroxide, magnesium hydroxide, aluminum hydroxide, barium hydroxide, sodium hydroxide, iron hydroxide, lithium hydroxide, zinc hydroxide, nickel hydroxide, tin hydroxide, barium hydroxide, cobalt hydroxide, chromium hydroxide, ammonium hydroxide, It may be at least one selected from the group consisting of zirconium hydroxide, titanium hydroxide, tantalum hydroxide, hafnium hydroxide, niobium hydroxide, chromium hydroxide, vanadium hydroxide and sodium methoxide. Preferably, the base catalyst may be at least one selected from the group consisting of sodium hydroxide, potassium hydroxide, calcium hydroxide and magnesium hydroxide, and most preferably sodium hydroxide.

상기 염기 촉매는 농도가 0.1~2.5 M, 바람직하게는 0.15~2.2 M, 보다 바람직하게는 0.25~2 M, 보다 더 바람직하게는 0.75~1.9 M, 가장 바람직하게는 1.3 M일 수 있다. 이때, 상기 염기 촉매의 농도가 0.1 M 미만이면 상기 리그닌으로부터 유용성분의 함량이 높은 반응생성물을 수득하는 것이 어렵고, 반대로 농도가 2.5 M 초과이면 더 이상 상기 리그닌으로부터 높은 함량의 유용성분을 함유한 반응생성물을 수득하는데 한계가 있다. The base catalyst may have a concentration of 0.1 to 2.5 M, preferably 0.15 to 2.2 M, more preferably 0.25 to 2 M, even more preferably 0.75 to 1.9 M, and most preferably 1.3 M. At this time, if the concentration of the base catalyst is less than 0.1 M, it is difficult to obtain a reaction product having a high content of useful components from the lignin, and on the contrary, if the concentration is more than 2.5 M, the reaction containing a high content of useful components from the lignin is no longer There is a limit to obtaining a product.

상기 반응생성물을 수득하는 단계 및 상기 유기상 생성물을 추출하는 단계 사이에 상기 반응생성물에 산 촉매를 첨가하여 반응생성물의 pH를 1~2로 낮추는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 반응생성물의 pH를 상기 범위로 낮출 경우 상기 반응생성물에 존재하는 자유라디칼을 효과적으로 제거할 수 있다. 상기 자유라디칼은 비공유 홀전자를 가진 독립적으로 존재하는 화학종으로 반응성이 매우 크기 때문에 상기 반응생성물의 안정성을 저하시켜 결과적으로 유기상 생성물의 추출을 방해할 수 있다. 상기 산 촉매는 황산, 말산, 염산, 질산, 인산, 탄산, 포름산, 아세트산, 플루오르화 수소산, 옥살산 및 시트르산으로 이루어진 군에서 선택된1종 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The method may further include lowering the pH of the reaction product to 1-2 by adding an acid catalyst to the reaction product between obtaining the reaction product and extracting the organic phase product. When the pH of the reaction product is lowered to the above range, free radicals present in the reaction product can be effectively removed. The free radical is an independently existing chemical species having unshared unpaired electrons, and since the reactivity is very high, the stability of the reaction product may be lowered, and as a result, the extraction of the organic phase product may be hindered. The acid catalyst may be at least one selected from the group consisting of sulfuric acid, malic acid, hydrochloric acid, nitric acid, phosphoric acid, carbonic acid, formic acid, acetic acid, hydrofluoric acid, oxalic acid and citric acid, but is not limited thereto.

상기 유기상 생성물을 추출하는 단계는 상기 반응생성물에 추출용매를 가하여 액액추출에 의해 유기상 생성물과 바이오차(biochar)를 분리하여 추출할 수 있다. 이때, 상기 바이오차(biochar)는 산소가 제한된 조건에서 바이오매스를 열분해했을 때 생산되는 탄소 함량이 높은 고체 물질을 말한다. In the step of extracting the organic phase product, an extraction solvent may be added to the reaction product and the organic phase product and biochar may be separated and extracted by liquid-liquid extraction. In this case, the biochar refers to a solid material having a high carbon content produced when biomass is pyrolyzed under oxygen-limited conditions.

상기 추출용매는 에틸아세테이트, 아세톤, 프로판올 및 에탄올로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있고, 바람직하게는 에틸아세테이트를 사용할 수 있다. The extraction solvent may be at least one selected from the group consisting of ethyl acetate, acetone, propanol and ethanol, and preferably ethyl acetate may be used.

상기 유기상 생성물을 추출하는 단계 후 상기 유기상 생성물은 생성물 내에 남아있을 수 있는 추출용매를 제거하기 위해 감압증류를 실시할 수 있다. After extracting the organic product, the organic product may be distilled under reduced pressure to remove an extraction solvent that may remain in the product.

상기 바이오 오일을 수득하는 단계는 상기 유기상 생성물을 유기용매에 혼합한 후 필터를 이용하여 여과함으로써 바이오 오일을 수득할 수 있다. 상기 유기용매는 디에틸에테르, 디메틸에테르, 아세토나이트릴 및 사이클로헥산으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 바람직하게는 상기 유기용매로 디에틸에테르, 디메틸에테르 또는 이들의 혼합물일 수 있고, 가장 바람직하게는 디에틸에테르일 수 있다.In the step of obtaining the bio-oil, the bio-oil may be obtained by mixing the organic product with an organic solvent and filtering using a filter. The organic solvent may be at least one selected from the group consisting of diethyl ether, dimethyl ether, acetonitrile and cyclohexane. Preferably, the organic solvent may be diethyl ether, dimethyl ether, or a mixture thereof, and most preferably diethyl ether.

상기 바이오 오일은 페놀(Phenol), 1,2-벤젠디올(1,2-Benzenediol), 3-에틸페놀(3-Ethyl phenol), 4-메틸-1,2-벤젠디올(4-Methyl-1,2-benzenediol) 및 2-메톡시-페놀(2-Methoxy-phenol)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것일 수 있다. 바람직하게는 상기 바이오 오일은 페놀, 1,2-벤젠디올, 3-에틸페놀, 4-메틸-1,2-벤젠디올 및 2-메톡시-페놀의 혼합물일 수 있다. The bio-oil is phenol (Phenol), 1,2-benzenediol (1,2-Benzenediol), 3-ethylphenol (3-Ethyl phenol), 4-methyl-1,2-benzenediol (4-Methyl-1) ,2-benzenediol) and 2-methoxy-phenol (2-Methoxy-phenol) may be at least one selected from the group consisting of. Preferably, the bio-oil may be a mixture of phenol, 1,2-benzenediol, 3-ethylphenol, 4-methyl-1,2-benzenediol, and 2-methoxy-phenol.

이상과 같이, 본 발명에 따른 바이오매스 유래 리그닌으로부터 바이오 오일을 생산하는 방법은 바이오매스 원료로부터 추출된 리그닌을 아임계수 상에서 염기 촉매를 이용하여 가수분해함으로써 리그닌으로부터 높은 수율의 바이오 오일을 효율적으로 추출할 수 있다. 또한 본 발명은 염기 촉매의 농도와 가수분해 온도만을 조절하여 바이오 오일의 생산 효율을 높임으로써 공정이 용이한 동시에 제조비용을 절감할 수 있다.As described above, in the method for producing bio-oil from biomass-derived lignin according to the present invention, high yield of bio-oil is efficiently extracted from lignin by hydrolyzing lignin extracted from biomass raw material in subcritical water using a base catalyst. can do. In addition, the present invention can facilitate the process and reduce the manufacturing cost by increasing the production efficiency of bio-oil by adjusting only the concentration of the base catalyst and the hydrolysis temperature.

이하 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 구체적으로 설명하겠는 바, 본 발명이 다음 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples, but the present invention is not limited by the following examples.

실시예 1: 염기 촉매의 농도변화에 따른 바이오 오일의 추출수율 평가Example 1: Evaluation of the extraction yield of bio-oil according to the change in the concentration of the base catalyst

바이오매스 원료인 거대억새를 이용하여 통상의 방법에 의해 리그닌을 추출하였다. 그 다음 추출한 리그닌 6 g과 염기 촉매인 NaOH 수용액을 200 ml 반응기(200ml Auto Clave Reactor System)에 넣고 아임계수 상에서 300 ℃의 온도에서 30분 동안 90 bar 압력 하에 가수분해하여 반응생성물을 수득하였다. 이때, NaOH 수용액의 농도를 0, 0.25, 0.77, 1.32, 1.88 M로 각각 다르게 하여 반응생성물을 수득하였다. 각각 수득된 반응생성물은 염산(HCl)을 첨가하여 pH가 1이 되도록 낮추었다. 그 다음 각 반응생성물에 추출용매로 에틸아세테이트를 가한 후 통상의 액액추출법을 이용하여 유기상 생성물과 바이오차인 Coke를 분리하였다. 상기 유기상 생성물은 감압증류하여 에틸아세테이트를 완전히 제거하였다. 이렇게 얻어진 유기상 생성물을 유기용매인 디에틸에테르에 녹인 후 필터를 사용하여 잔여 리그닌과 바이오 오일인 라이트 오일을 수득하였다. 상기 리그닌으로부터 얻어진 각 생성물들의 수율의 계산은 아래의 계산식을 이용하여 진행하였다. 그 결과는 하기 표 1 및 도 1에 나타내었다. 도 1은 상기 실시예 1에 따른 염기 촉매의 농도를 0, 0.25, 0.77, 1.32, 1.88 M 로 각각 다르게 할때 리그닌으로부터 얻어진 각 생성물들의 추출수율 결과를 나타낸 그래프이다. Lignin was extracted by a conventional method using giant pampas grass, a biomass raw material. Then, 6 g of the extracted lignin and an aqueous NaOH solution as a base catalyst were put into a 200 ml reactor (200 ml Auto Clave Reactor System) and hydrolyzed in subcritical water at a temperature of 300 ° C. for 30 minutes under a pressure of 90 bar to obtain a reaction product. At this time, the concentration of the NaOH aqueous solution was changed to 0, 0.25, 0.77, 1.32, 1.88 M, respectively, to obtain a reaction product. Each of the obtained reaction products was lowered to a pH of 1 by adding hydrochloric acid (HCl). Then, after adding ethyl acetate as an extraction solvent to each reaction product, the organic phase product and biochar, Coke, were separated using a conventional liquid-liquid extraction method. The organic product was distilled under reduced pressure to completely remove ethyl acetate. The organic product thus obtained was dissolved in diethyl ether as an organic solvent, and then residual lignin and light oil as bio-oil were obtained by using a filter. The yield of each product obtained from the lignin was calculated using the following formula. The results are shown in Table 1 and FIG. 1 below. 1 is a graph showing the extraction yield results of each product obtained from lignin when the concentration of the base catalyst according to Example 1 was changed to 0, 0.25, 0.77, 1.32, and 1.88 M, respectively.

[수율 계산식][Yield formula]

라이트 오일(Light oil)의 수율(%) = 라이트 오일 함량/ 리그닌 총함량 x 100Yield (%) of light oil = light oil content / total lignin content x 100

잔여 리그닌(Residual Lignin)의 수율(%) = 잔여 리그닌 함량/ 리그닌 총함량 x 100Yield (%) of residual lignin = residual lignin content / total lignin content x 100

바이오 차(Coke)의 수율(%) = 바이오 차 함량/ 리그닌 총함량 x 100Yield (%) of bio tea (Coke) = bio tea content / total lignin content x 100

Figure 112020028029287-pat00001
Figure 112020028029287-pat00001

상기 표 1 및 도 1을 참조하면, 염기 촉매인 NaOH 수용액의 농도가 1.32 M일 때 바이오 오일의 추출 수율이 약 43.19%로 가장 높은 것을 확인하였다. 이는 염기 촉매를 전혀 첨가하지 않고 추출하였을 때와 약 2배 이상 차이를 보였다. 이를 통해 상기 염기 촉매는 리그닌의 해중합이 잘 일어날 수 있도록 돕는 것을 알 수 있었다. 또한 바이오차(Coke)와 잔여 리그닌의 경우 상기 염기촉매의 농도가 높아질수록 수율이 낮아지는 것을 확인하였다.Referring to Table 1 and FIG. 1, it was confirmed that the extraction yield of bio-oil was the highest at about 43.19% when the concentration of the aqueous NaOH solution serving as the base catalyst was 1.32 M. This showed a difference of about 2 times or more compared to the case of extraction without the addition of a base catalyst at all. Through this, it was found that the base catalyst helps the depolymerization of lignin to occur well. In addition, in the case of biochar (Coke) and residual lignin, it was confirmed that the higher the concentration of the base catalyst, the lower the yield.

실시예 2: 가수분해 온도변화에 따른 바이오 오일의 추출수율 평가 Example 2: Evaluation of extraction yield of bio-oil according to hydrolysis temperature change

바이오매스 원료인 거대억새를 이용하여 통상의 방법에 의해 리그닌을 추출하였다. 그 다음 추출한 리그닌 6 g과 염기 촉매인 1.32 M NaOH 수용액을 200 ml 반응기(200ml Auto Clave Reactor System)에 넣고 아임계수 상에서 가수분해 온도를 각각 280, 290, 300, 310, 320 ℃로 다르게 하여 30분 동안 90 bar 압력 하에 가수분해 반응으로 반응생성물을 수득하였다. 이때, 수득된 상기 반응생성물은 염산(HCl)을 첨가하여 pH가 1이 되도록 낮추었다. 그 다음 상기 반응생성물에 추출용매로 에틸아세이트를 가한 후 통상의 액액추출법을 이용하여 유기상 생성물과 바이오차(Coke)를 분리하였다. 상기 유기상 생성물은 감압증류하여 에틸아세테이트를 완전히 제거하였다. 이렇게 얻어진 유기상 생성물을 유기용매인 디에틸에테르에 녹인 후 필터를 사용하여 잔여 리그닌과 바이오 오일인 라이트 오일을 수득하였다. 상기 리그닌으로부터 얻어진 각 생성물들의 수율의 계산은 상기 실시예 1과 동일한 방법의 계산식을 이용하여 진행하였다. 그 결과는 하기 표 2 및 도 2에 나타내었다. 도 2는 상기 실시예 2에 따른 가수분해 온도를 280, 290, 300, 310, 320 ℃로 각각 다르게 할때 리그닌으로부터 얻어진 각 생성물들의 추출수율 결과를 나타낸 그래프이다.Lignin was extracted by a conventional method using giant pampas grass, a biomass raw material. Then, 6 g of extracted lignin and 1.32 M aqueous NaOH solution as a base catalyst were put into a 200 ml reactor (200 ml Auto Clave Reactor System), and the hydrolysis temperature was changed to 280, 290, 300, 310, and 320 ° C in subcritical water for 30 minutes. During the hydrolysis reaction under a pressure of 90 bar, a reaction product was obtained. At this time, the obtained reaction product was lowered to pH 1 by adding hydrochloric acid (HCl). Then, ethyl acetate was added to the reaction product as an extraction solvent, and the organic phase product and biochar (Coke) were separated using a conventional liquid-liquid extraction method. The organic product was distilled under reduced pressure to completely remove ethyl acetate. The organic product thus obtained was dissolved in diethyl ether as an organic solvent, and then residual lignin and light oil as bio-oil were obtained by using a filter. The calculation of the yield of each product obtained from the lignin was carried out using the same formula as in Example 1. The results are shown in Table 2 and FIG. 2 below. 2 is a graph showing the extraction yield results of each product obtained from lignin when the hydrolysis temperature according to Example 2 was changed to 280, 290, 300, 310, and 320 °C, respectively.

Figure 112020028029287-pat00002
Figure 112020028029287-pat00002

상기 표 2 및 도 2를 참조하면, 가수분해 온도가 300 ℃일 때 바이오 오일의 추출수율이 가장 높은 것을 확인하였다. 아울러 잔여 리그닌 및 바이오차(Coke)의 수율은 가수분해 온도 및 바이오 오일의 수율이 증가하면서 점차 감소하는 경향을 보임을 알 수 있었다. 이를 통해, 염기 촉매인 NaOH 수용액의 농도가 1.32 M이고, 가수분해의 온도가 300 ℃일 때, 리그닌으로부터 바이오 오일을 최대로 추출할 수 있음을 알 수 있었다. Referring to Table 2 and Figure 2, it was confirmed that the extraction yield of the bio-oil is the highest when the hydrolysis temperature is 300 ℃. In addition, it was found that the yield of residual lignin and bio-char (Coke) showed a tendency to gradually decrease as the hydrolysis temperature and the yield of bio-oil increased. Through this, it was found that when the concentration of the aqueous solution of NaOH, which is the base catalyst, was 1.32 M and the temperature of hydrolysis was 300 ° C, the bio-oil could be extracted from lignin to the maximum.

특히 가수분해 온도가 300 ℃이고, NaOH의 농도가 1.32 M 조건에서 수득된 상기 바이오 오일의 조성을 분석한 결과, 주 성분으로 페놀(Phenol), 1,2-벤젠디올(1,2-Benzenediol), 3-에틸페놀(3-Ethyl phenol), 4-메틸-1,2-벤젠디올(4-Methyl-1,2-benzenediol) 및 2-메톡시-페놀(2-Methoxy-phenol)이 수득되었다.In particular, as a result of analyzing the composition of the bio-oil obtained at a hydrolysis temperature of 300 ° C and a NaOH concentration of 1.32 M, phenol (Phenol), 1,2-benzenediol (1,2-Benzenediol) as main components, 3-Ethyl phenol, 4-methyl-1,2-benzenediol, and 2-methoxy-phenol (2-Methoxy-phenol) were obtained.

Claims (9)

거대억새로 이루어진 바이오매스 원료로부터 리그닌을 추출하는 단계;
상기 바이오매스 원료로부터 추출된 리그닌을 아임계수(sub-critical water) 상에서 염기 촉매 존재 하에 가수분해하여 반응생성물을 수득하는 단계;
상기 반응생성물에 추출용매를 가하여 유기상 생성물을 추출하는 단계; 및
상기 유기상 생성물을 유기용매에 혼합한 후 여과하여 바이오 오일을 수득하는 단계;
를 포함하고,
상기 반응생성물을 수득하는 단계에서 염기 촉매는 농도가 1.32 M인 수산화나트륨이고,
상기 반응생성물을 수득하는 단계는 300 ℃의 온도에서 30분 동안 90 bar의 압력 하에 가수분해하는 것이고,
상기 추출용매는 에틸아세테이트이고,
상기 바이오 오일의 추출 수율은 43.19%인 것인 염기 촉매를 이용한 바이오매스 유래 리그닌으로부터 바이오 오일을 생산하는 방법.
extracting lignin from biomass raw material consisting of giant pampas grass;
hydrolyzing the lignin extracted from the biomass raw material in sub-critical water in the presence of a base catalyst to obtain a reaction product;
extracting an organic phase product by adding an extraction solvent to the reaction product; and
mixing the organic product with an organic solvent and filtering to obtain a bio-oil;
including,
In the step of obtaining the reaction product, the base catalyst is sodium hydroxide having a concentration of 1.32 M,
The step of obtaining the reaction product is hydrolysis under a pressure of 90 bar at a temperature of 300 ° C. for 30 minutes,
The extraction solvent is ethyl acetate,
A method for producing bio-oil from biomass-derived lignin using a base catalyst that the extraction yield of the bio-oil is 43.19%.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 바이오매스 원료는 전체 중량대비 10~35 중량%의 리그닌을 포함하는 것인 염기 촉매를 이용한 바이오매스 유래 리그닌으로부터 바이오 오일을 생산하는 방법.
According to claim 1,
The method for producing bio-oil from biomass-derived lignin using a base catalyst, wherein the biomass raw material contains lignin in an amount of 10 to 35% by weight based on the total weight.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 유기용매는 디에틸에테르, 디메틸에테르, 아세토나이트릴 및 사이클로헥산으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것인 염기 촉매를 이용한 바이오매스 유래 리그닌으로부터 바이오 오일을 생산하는 방법.
According to claim 1,
The organic solvent is at least one selected from the group consisting of diethyl ether, dimethyl ether, acetonitrile and cyclohexane. A method for producing bio-oil from biomass-derived lignin using a base catalyst.
제1항에 있어서,
상기 바이오 오일은 페놀(Phenol), 1,2-벤젠디올(1,2-Benzenediol), 3-에틸페놀(3-Ethyl phenol), 4-메틸-1,2-벤젠디올(4-Methyl-1,2-benzenediol) 및 2-메톡시-페놀(2-Methoxy-phenol)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것인 염기 촉매를 이용한 바이오매스 유래 리그닌으로부터 바이오 오일을 생산하는 방법.
According to claim 1,
The bio-oil is phenol (Phenol), 1,2-benzenediol (1,2-Benzenediol), 3-ethylphenol (3-Ethyl phenol), 4-methyl-1,2-benzenediol (4-Methyl-1) ,2-benzenediol) and 2-methoxy-phenol (2-Methoxy-phenol) A method for producing bio-oil from biomass-derived lignin using a base catalyst that is at least one selected from the group consisting of.
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