KR20050109272A - 셀룰로즈 성형품을 제조하는 방법, 식물 성분 추출장치, 및셀룰로즈 아세테이트를 생산하는 방법 - Google Patents

셀룰로즈 성형품을 제조하는 방법, 식물 성분 추출장치, 및셀룰로즈 아세테이트를 생산하는 방법 Download PDF

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가부시키가이샤 셀장
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Abstract

본 발명은 150 내지 250 ℃의 온도 및 20 내지 29 MPa의 압력에서 옥수수속대 밀을 스팀 처리하는 단계; 상기 스팀 처리된 옥수수속대 밀을 여과 장치로 여과하여 고체를 얻는 단계; 및 상기 고체를 성형하는 단계를 포함하는, 셀룰로즈 성형품을 제조하는 방법;
식물 원료를 제공하기 위한 원료 공급부와 상기 공급된 식물 원료를 150 내지 350 ℃ 및 5 내지 30 MPa로 가열하고 압력을 가하기 위한 원료 가압부를 각각 포함하는 원료 처리수단; 가압기 및 히터를 포함하고, 28 내지 30 MPa의 압력으로 가압된 300 내지 350 ℃의 온도를 갖는 서브 임계수를 공급하는 열수 공급수단; 및 상기 가열되고 가압된 식물 원료를 상기 열수 공급 수단으로부터 공급된 상기 서브 임계수와 혼합함으로써 스팀 처리를 수행하기 위한 열수 반응 수단을 포함하는 식물 성분 추출 장치 및
바가스, 케나프, 갈대 및 볏짚으로부터 선택되는 물질을 150 내지 350 ℃의 온도 및 15 내지 29 MPa의 압력으로 압력 용기에서 스팀 처리하는 단계; 상기 스팀 처리된 물질을 여과 장치로 여과하여 고체를 얻는 단계; 및 아세트산 무수물 및 황산을 상기 고체에 첨가함으로써 탈수 및 아세틸화하는 단계를 포함하는 셀룰로즈 아세테이트를 제조하는 방법을 제공한다.

Description

셀룰로즈 성형품을 제조하는 방법, 식물 성분 추출장치, 및 셀룰로즈 아세테이트를 생산하는 방법{Process for manufacturing cellulose molding, plant component extracting apparatus, and process for producing cellulose acetate}
본 발명은 생분해성이며 옥수수속대 밀로부터 제조되는 셀룰로즈 성형품을 제조하는 방법; 식물로부터 셀룰로즈와 같은 유용한 성분을 추출하는 식물 성분 추출장치, 특히 약제로 리그닌을 분해하는 공정을 필요로 하지 않는 유용한 성분을 간단하게 추출하고 분리할 수 있는 식물 성분 추출장치; 생분해성 플라스틱으로서 유용하며, 바가스, 케나프, 갈대 또는 볏짚으로부터 제조되는 셀룰로즈 아세테이트를 제조하는 방법에 관한 것이다.
생분해성 플라스틱은 통상의 플라스틱과 같이, 사용시에는 훌륭한 기능을 나타내나, 사용후에는 천연환경 (예를 들면, 토양)에서 미생물에 의하여 빠르게 분해되어 결국에는 토양의 유기물 성분, 물 및 이산화탄소가 되는 것으로써, 현재의 폐기물 등의 문제와 관련하여 많은 관심을 끌고 있다.
다양한 종류의 생분해성 플라스틱 산물이 공개된 바 있다. 그러한 산물의 예에는 옥수수, 감자 등의 전분을 락토바실러스로 발효하여 얻어지는 젖산으로부터 탈수 (dehydration) 및 중합에 의하여 생산되는 폴리락틱산을 포함한다. 그러한 산물은 농용 멀티-필름, 퇴비 백 등에 사용된다. 그러나, 상기 산물을 위한 원료비 및 가공 비용이 높고, 이들 산물은 미래의 식품 환경을 고려하면 반드시 합리적인 것은 아니다.
생분해성 플라스틱의 또다른 예인 폴리카프로락톤은 플라스틱 및 생분해성으로서 물리적 특성은 만족스러운 것일 수 있으나, 폴리카프로락톤도 또한 너무 비싸 농업용 재료로 사용하기 어렵고 그 용도는 의료 재료 등에 한정되어 있다.
더욱이, 옥수수 전분을 폴리에틸렌과 단순히 반죽함으로써 얻어지는 플라스틱이 생분해성 플라스틱으로 판매되고 있다. 그러나, 이 플라스틱은 성분 중 전분과 같은 천연물로부터 유래한 성분은 생분해성이나, 폴리에틸렌은 변화 (분해)되지 않는 것이 명확하기 때문에, 진정한 의미의 생분해성 플라스틱은 아니다. 따라서, 그러한 산물은 저가임에도 불구하고 시장에서 사라지고 있다.
따라서, 지금까지 알려진 생분해성 플라스틱은 만족 스럽지 못한 품질 (performace) 또는 제조에 복잡한 공정을 필요로 하거나 가격이 비싸기 때문에 보급 속도가 느렸다. 그러나, 미래의 생분해성 플라스틱 산물에 대한 수요는 전지구적 환경 보호를 위하여 점점 더 증가할 것으로 예상되며, 그에 따라서 더 좋은 품질이면서 더 낮은 비용이 드는 산물의 개발이 요구되고 있다.
이러한 상황하에서, 식물에 많은 양으로 포함되어 있는 셀룰로즈 또는 그의 유도체로 주로 구성되는 생분해성 플라스틱에 대한 연구가 수행되었다. 그러나, 다른 생분해성 플라스틱의 경우와 마찬가지로, 이 생분해성 플라스틱의 높은 제조 비용이 문제이다.
옥수수속대를 건조하고 압착하여 얻어지는 옥수수속대 밀 (corncob meal)은 버섯 재배용 곰팡이 베드, 펄스용 연마제, 동물용 둥지 재료 등으로 사용되었으나, 산업용 재료로 사용된 바는 거의 없다. 생산된 옥수수속대의 대부분은 폐기물로서 버려진다. 소각이 폐기물 처리의 주요 방법이며, 그에 따라 환경의 파괴를 포함한 폐기물 처리와 관련된 많은 문제점이 있다. 그러므로, 옥수수속대의 효과적인 이용을 위한 연구가 진행되고 있다.
상기한 바와 같이, 옥수수속대는 폐기물로써 버려진다. 그러나, 대부분의 옥수수속대는 셀룰로즈 (리그노셀룰로즈 및 헤미셀룰로즈)로 구성되어 있다. 옥수수속대가 셀룰로즈 또는 그의 유도체가 주성분인 생분해성 플라스틱을 제조하기 위한 재료로서 사용되는 경우, 상기 원료를 수집하는데 노동이 거의 들지 않기 때문에 원료 비용은 0이며, 폐기물 처리를 위하여 농업 생산자들에 의하여 야기되는 비용은 더 이상이 발생하지 않는다. 따라서, 옥수수속대로부터 제조되는 생분해성 플라스틱은 다른 생분해성 플라스틱에 비하면 비용 경쟁력이 아주 높은 것으로 여겨진다.
그러나, 상기한 특성을 가지고 있음에도 불구하고, 옥수수속대로부터 제조되는 셀룰로즈 또는 그의 유도체를 주성분으로 하는 생분해성 플라스틱이 개발된 바 없다. 이에 대한 가능한 이유는 옥수수속대의 주성분인 리그노셀룰로즈로부터 리그닌을 분리하기 어렵기 때문에 에스테르화 등에 고비용이 드는 점이다.
셀룰로즈 또는 그의 유도체가 주성분인 생분해성 플라스틱을 제조하기 위하여, "Overall Use and Economical Efficiency of Wood Component Obtained by Steaming Treatment and Blasting and Crushing Treatment" (온라인), Forestry and Forest Products Research Institute, Wood Chemical Engineering Section (2003년 3월 13일자 접속), 인터넷 <URL:http://cs.ffpri.affrc.go.jp/fbd/kenmori/mori-26.html 및 http://cs.ffpri/affrc.go.jp/fdb/kenori/mori/mori-26.html>에 개시된 바와 같이, 셀룰로즈 (고품질의 펄프)를 얻기 위하여 리그노셀룰로즈로부터 리그닌을 분리하는 것이 요구된다. 그러나, 리그노셀룰로즈로부터 리그닌의 분리는 많은 단계, 즉 스톤 밀 (stone mill)에서 갈고, 알칼리로 끓이고 아황산 처리를 적용하는 단계를 필요로 한다.
옥수수속대 외에 해바리기 씨와 같은 식물 씨앗, 사탕수수의 당분을 짜고 남은 깍지인 바가스, 케나프, 갈대 및 볏짚이 또한 고품질의 셀룰로즈 제조를 위한 유망한 식물 원료이다.
즉, 볏짚 및 사탕수수를 압착하고 그로부터 쥬스를 얻은 후에 얻어지는 사탕수수 깍지인 바가스와 같은, 농업 산업 폐기물은 산업용 재료로서 거의 사용되고 있지 않으며 그러한 폐기물의 대부분은 버려진다. 폐기물 처리의 주요한 방법은 소각이며, 그에 따라 환경의 파괴를 포함한 폐기물 처리와 관련된 많은 문제점이 있다. 그러므로, 그러한 폐기물의 용도를 위한 연구가 진행되고 있다.
바가스, 볏짚 등의 대부분은 셀룰로즈 (리그노셀룰로즈 및 헤미셀룰로즈)로 구성되어 있다. 따라서, 상기한 경우와 같이, 셀룰로즈 또는 그의 유도체가 주성분인 생분해성 플라스틱을 제조하기 위한 원료로서 이들이 사용되는 경우, 상기 원료를 수집하는데 노동이 거의 들지 않기 때문에 원료 비용은 0이며, 폐기물 처리를 위하여 농업 생산자들에 의하여 야기되는 비용은 더 이상이 발생하지 않는다. 따라서, 바가스, 볏짚 등으로부터 제조되는 생분해성 플라스틱은 다른 생분해성 플라스틱에 비하면 비용 경쟁력이 아주 높은 것으로 여겨진다.
더욱이, 물가의 땅에서 생육하는 갈대 및 섬유성 식물인 케나프의 대부분은 또한 셀룰로즈로 구성되어 있다. 그러므로, 셀룰로즈 또는 그의 유도체가 주성분인 생분해성 플라스틱을 제조하기 위한 원료로서 이들이 사용되는 경우, 비용 경쟁력이 아주 높을 것으로 예상되는 생분해성 플라스틱을 제공하는 것이 가능하다.
그러나, 상기한 특성을 가지고 있음에도 불구하고, 상기한 바가스, 케나프, 갈대 또는 볏짚 (이하 "바가스 등"으로 통칭하여 나타내기도 한다)으로부터 제조되는 셀룰로즈 또는 그의 유도체가 주성분인 생분해성 플라스틱이 개발된 바 없다. 이에 대한 가능한 이유는 바가스 등의 주성분인 리그노셀룰로즈로부터 리그닌을 분리하기 어렵기 때문에 에스테르화 등에 고비용이 드는 점이다.
바가스 등으로부터 셀룰로즈 또는 그의 유도체가 주성분인 생분해성 플라스틱을 제조하기 위하여, 셀룰로즈 (고품질의 펄프)를 얻기 위하여 리그노셀룰로즈로부터 리그닌을 분리하는 것이 요구된다. 그러나, 리그노셀룰로즈로부터 리그닌의 분리는 많은 단계, 즉 스톤 밀 (stone mill)에서 갈고, 알칼리로 끓이고 아황산 처리를 적용하는 단계를 필요로 한다.
더욱이, 상기한 바와 같이, 스팀 처리 방법 및 용매 추출법은 식물로부터 셀룰로즈와 같은 유용한 성분을 추출하기 위한 방법으로서 통상적으로 사용되어 왔다. 그러나, 상기한 바와 같이, 많은 단계와 소듐 설파이드와 같은 약제의 사용으로 인하여 리그닌의 분리에 소요되는 시간 및 노동 및 분리를 위하여 소용되는 비용의 관점에서, 이들 방법은 셀룰로즈를 분리하고 정제하기 위하여 사용되는 추출 방법으로 부적합하다.
본 발명의 제1 목적은 지금까지 버려졌던 옥수수속대를 재료로서 사용함으로써, 간단하고 비용이 적게 드는 방식으로 생분해성 셀룰로즈 성형품을 얻을 수 있는, 셀룰로즈 성형품을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제2 목적은 약제를 사용하거나 많은 단계를 사용하지 않고서, 생분해성 플라스틱의 주성분인 셀룰로즈와 같은 식물 성분을 간단하고, 연속적이고 빠른 방식으로 분리하고 추출할 수 있는 식물 성분 추출 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 제3 목적은 바가스, 케나프, 갈대 또는 볏짚을 원료로서 사용함으로써 저비용으로 생분해성 플라스틱을 생산하는데 유용한 셀룰로즈 아세테이트를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 양상은 셀룰로즈 성형품을 제조하는 방법으로서,
150 내지 250 ℃의 온도 및 20 내지 29 MPa의 압력에서 옥수수속대 밀을 스팀 처리하는 단계;
상기 스팀 처리된 옥수수속대 밀을 여과 장치로 여과하여 고체를 얻는 단계; 및
상기 고체를 성형하는 단계를 포함한다.
본 발명의 제2 양상은 식물 성분 추출 장치로서,
식물 원료를 제공하기 위한 원료 공급부와 상기 공급된 식물 원료를 150 내지 350 ℃ 및 5 내지 30 MPa로 가열하고 압력을 가하기 위한 원료 가압부를 각각 포함하는 원료 처리수단;
가압기 및 히터를 포함하고, 28 내지 30 MPa의 압력으로 가압되고 300 내지 350 ℃의 온도를 갖는 서브 임계수를 공급하는 열수 공급수단; 및
상기 가열되고 가압된 식물 원료를 상기 열수 공급 수단으로부터 공급된 상기 서브 임계수와 혼합함으로써 스팀 처리를 수행하기 위한 열수 반응 수단을 포함한다.
본 발명의 제3 양상은 셀룰로즈 아세테이트를 제조하는 방법로서,
바가스, 케나프, 갈대 및 볏짚으로부터 선택되는 물질을 150 내지 350 ℃의 온도 및 15 내지 29 MPa의 압력으로 압력 용기에서 스팀 처리하는 단계;
상기 스팀 처리된 물질을 여과 장치로 여과하여 고체를 얻는 단계; 및
아세트산 무수물 및 황산을 상기 고체에 첨가함으로써 탈수 및 아세틸화하는 단계를 포함한다.
셀룰로즈 성형품을 제조하는 방법
본 발명의 제1 구체예에 따른 셀룰로즈 성형품을 제조하는 방법은 150 내지 250 ℃의 온도 및 20 내지 29 MPa의 압력에서 옥수수속대 밀을 스팀 처리하고 (이하 "제1 구체예에 따른 스팀 처리"라고도 한다), 상기 스팀 처리된 옥수수속대 밀을 여과 장치로 여과하여 고체를 얻고, 상기 고체를 성형하는 단계를 포함한다.
이하 상기 제1 구체예에 따른 상기 스팀 처리를 먼저 기술한다.
상기 제1 구체예에 따른 스팀 처리는 옥수수속대 밀 (옥수수속대를 건조하고 압착하여 얻어지는 분말)에 물을 첨가하고 서브 임계 상태 (초임계 상태 직전의 상태)에 대한 조건을 정의하는, 150 내지 250 ℃의 온도 및 20 내지 29 MPa의 압력에서 상기 혼합물을 스팀 처리하는 공정이다. 본 발명에서, 상기 스팀 처리는 지금까지 많은 단계를 필요로 했던, 리그노셀룰로즈로부터 리그닌이 분리될 수 있도록 한다.
상기 제1 구체예에 따른 상기 스팀 처리는 150 내지 250 ℃의 온도 및 20 내지 29 MPa의 압력, 바람직하게는 180 내지 200 ℃의 온도 및 25 내지 28 MPa의 압력을 필요로 한다.
첨가된 물의 양은 옥수수속대 밀 100 중량부에 대하여, 바람직하게는 10 내지 1,000 중량부, 더욱 바람직하게는 50 내지 100 중량부이다.
상기 제1 구체예에 따른 상기 스팀 처리는 바람직하게는 10 내지 30 분, 더욱 바람직하게는 15 내지 20 분 동안 수행되는 것이다.
더욱이, 상기 제1 구체예에 따른 상기 스팀 처리에서, 아황산 화합물 및 물이 상기 옥수수속대 밀에 첨가될 수 있다. 상기 옥수수속대 밀에 아황산 화합물을 첨가함으로써 상기 스팀 처리 시간을 단축시킬 수 있도록 한다. 상기 아황산 화합물의 예에는 소듐 또는 칼슘 설파이트가 포함된다.
첨가되는 상기 아황산 화합물의 양은 옥수수속대 밀 100 중량부에 대하여, 바람직하게는 1 내지 10 중량부, 더욱 바람직하게는 2 내지 5 중량부이다.
상기 제1 구체예에 따른 상기 스팀 처리는 바람직하게는 도 1에 나타낸 바와 같이 압력-밀봉된 실린더를 갖는 압출기에 의하여 수행된다. 도 1은 제1 구체예에 따른 스팀 처리를 수행하기 위한 압력 용기의 예인 압력-밀봉된 실린더를 갖는 압출기의 부분 단면도이다. 상기 압출기는 기저에 물질 도입부 (2)를 갖는 실린더 (1); 상기 물질 도입부 (2)를 통하여 도입된 상기 옥수수속대 밀 및 물 (이하 단순히 "물질"이라고도 한다)을 반죽 (스팀 처리)하고 그 먼쪽 말단을 향하여 압출하기 위한 나선 플라이트 (4)를 갖는 스크류 (3); 실린더 (1)를 가열하기 위한 히터 (5); 상기 스크류 (3)를 회전시키기 위한 전원 (나타내지 않음)에 연결된 모터 (7) 및 프라임 기어 (9) 및 드리븐 기어 (10)를 갖는 감속 기어 (8)를 포함하는 구동 수단 (6); 스팀 처리되고 압출된 산물을 배출하기 위한 배출 포트 (11) 및 실린더 (1) 및 히터 (5)를 덮는 단열재료 (12)로 구성된다. 펌프 (나타내지 않음)가 상기 물질 도입 포트 (2)를 통하여 상기 실린더 (1) 내에 상기 물질을 도입하기 위한 물질 도입 포트 (2)와 연결되어 있다. 상기 스크류 (3)의 나선 플라이트 (4)의 피치는 상기 나선 플라이트 (4)가 상기 배출 포트 (11)에 접근함에 따라 짧아진다. 더욱이, 상기 실린더 (1)는 온도 센서 (13) 및 상기 스크류 (3)의 먼쪽 말단 근처에 설치된 압력 센서 (14)를 갖는다.
상기 제1 구체예에 따른 상기 스팀 처리는 하기 순서에 따라, 도 1에 나타낸 바와 같은 압출기에 의하여 수행된다. 상기 물질은 물질 도입 포트 (2)를 통하여 상기 실린더 (1) 내로 도시되지 않은 펌프에 의하여 도입되고, 상기 실린더 (1)의 내부 온도는 히터 (5)에 의하여 표적 온도로 조절된다. 모터 (7)로부터 보았을 때, 모터 (7)의 회전 샤프트는 시계 방향으로 회전하여 상기 프라임 기어 (9)를 시계 방향으로, 상기 드리븐 기어 (10)를 반시계 방향으로 및 상기 스크류 (3)를 반시계 방향으로 회전시켜, 상기 옥수수속대 밀을 상기 배출 포트 (11)를 향하여 배출하면서 상기 옥수수속대 밀을 끓인다. 상기 스크류 (3)의 나선 플라이트 (4)의 피치는 상기 배출 포트 (11)를 향하여 단축되기 때문에, 상기 옥수수속대 밀은 압축되고 상기 배출 포트 (11)에 접근함에 따라 특이적 압력을 받는다. 상기 스팀 처리가 완료된 상기 옥수수속대 밀은 상기 배출 포트 (11)를 통하여 압출된다.
본 구체예에서, 상기 온도 센서 (13) 및 압력 센서 (14)는 상기 스크류 (3)의 먼쪽 말단 근처의 실린더 (1) 내에 설치되어 있으나, 실린더 (1)의 축 방향에 대하여, 중간 부분 보다는 스크류 (3)의 먼쪽 말단 쪽으로 상기 온도 센서 (13)의 설치 위치가 더 향하여 있도록 하기에 충분하다. 상기 압력 센서 (14)는 상기 실린더 (1)의 스크류 (3)의 먼쪽 말단으로부터 상기 스크류 (3)의 총 길이의 1/4인 공간에 설치될 수 있다.
상기 제1 구체예에 따른 상기 스팀 처리가 도 1에 나타낸 압출기에 의하여 수행되는 경우, 상기 온도 센서 (13) 및 압력 센서 (14)에 의하여 결정되는 온도 및 압력이 150 내지 250 ℃ 및 20 내지 29 MPa의 범위에 각각 들어갈 필요가 있다.
더욱이, 도 1에 나타낸 압출기의 2 이상의 단위가 스팀 처리를 위하여 직렬로 연결되는 공정, 즉 제1 압출기에서 스팀 처리되고 그의 배출 포트 (11)를 통하여 압출된 옥수수속대 밀과 물의 혼합물이 추가의 스팀 처리를 위하여 제2 압출기의 물질 도입 포트 (2)로 직접적으로 도입되는 방법을 이용하는 것이 또한 적합하다.
도 1에 나타낸 압출기의 2 이상의 단위가 상기 제1 구체예에 따른 스팀 처리를 위하여 직렬로 연결되는 경우, 마지막에 연결된 압출기에 대한 스팀 처리 조건이 150 내지 250 ℃의 온도 및 20 내지 29 MPa의 압력의 조건을 만족시키는 한 상기 압출기 내의 상기 스팀 처리 조건은 서로 같거나 다를 수 있다. 상기 스팀 처리 조건이 압출기에 따라 서로 다를 경우, 상기 온도 및 압력은 상기 제1 압출기로부터 상기 마지막 연결된 압출기를 향하여 증가하는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같이 제1 구체예에 따른 상기 옥수수속대 밀의 상기 스팀 처리는 리그노셀룰로즈의 분해에 의하여 형성된 폴리페놀 (리그닌으로부터의 변화에 의하여 형성된) 및 셀룰로즈의 혼합물 및 용해성 헤미셀룰로즈 (이하 "용해성 자일란 (soluble xylan)이라고도 한다)를 얻는다. 상기 혼합물의 여과처리는 고체로서의 셀룰로즈 (고품질의 펄프) 및 상기 용해성 자일란을 포함하는 여과물로 분리되도록 한다. 상기 여과물은 자일올리고사카라이드를 위한 원료로서 효율적으로 사용될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 고체로부터 분순물을 제거하는 관점에서, 상기 고체는 물 등으로 세척하는 것과 같은 처리를 거친 후에, 하기하는 바와 같은 성형 단계로 진행되는 것이 바람직하다. 더욱이, 하기하는 바와 같은 제1 고체는 그로부터 알칼리를 제거하기 위하여 탈수 및 아세틸화 처리를 하기 전에 물로 세척된다.
상기한 바와 같은 제1 구체예에 따른 스팀 처리에 의하여 얻어진 상기 고체는 셀룰로즈 성형품을 얻기 위하여, 하기하는 성형하는 단계를 거친다.
본 발명의 상기 성형하는 단계는 바람직하게는 상기 고체를 제1 고체와 제2 고체로 분리하는 단계;
상기 제1 고체에 아세트산 무수물과 황산을 첨가하여 탈수 및 아세틸화시키는 단계;
상기 탈수 및 아세틸화된 고체를 여과 장치로 여과하여 고체를 제거하고 여과액을 얻는 단계; 및
상기 여과액 및 제2 고체를 교반하고 혼합하여 액체 산물을 얻는 단계를 포함한다.
상기 제1 고체 (셀룰로즈)를 탈수 및 아세틸화하여 형성된 액체 셀룰로즈 아세테이트와 상기 제2 고체 (셀룰로즈)를 교반하고 혼합함으로써 상기 교반 및 혼합 단계에서 얻어진 액체 산물은 상기한 서브단계를 포함한 본 발명의 상기 성형 단계에서 성형된다. 상기 액체 산물이 성형되는 경우, 셀룰로즈 아세테이트는 결합제로서 역할을 하고 상기 셀룰로즈의 고화를 촉진하며, 따라서 성형품이 화학 아교 등을 사용하지 않고 얻어질 수 있다. 더욱이, 본 발명에 의하여 얻어진 셀룰로즈 성형은 나무 접시 또는 점심 용기로서 사용되는 경우, 방수 특성을 얻을 목적으로 폴리에틸렌과 같은 수지로 상기 성형품을 코팅할 필요는 없다.
상기 성형 단계에 바람직하게 포함될 서브단계의 각각을 아래에 설명한다.
상기 분리 단계는 상기 제1 구체예에 따른 스팀 처리에 의하여 얻어진 상기 고체를 제1 고체 및 제2 고체로 분리하기 위한 것이다. 상기 제1 고체는 하기 설명할 탈수 및 아세틸화 서브단계를 거쳐 셀룰로즈 아세테이트를 얻는다.
상기 제1 및 제2 고체의 합에 대한 상기 제1 고체의 비는 바람직하게는 5 내지 30 중량%, 더욱 바람직하게는 8 내지 20 중량%, 특히 바람직하게는 10 내지 15 중량%이다. 상기 비가 5 내지 30 중량%인 경우, 화학적 아교 등을 사용하지 않고서 성형품을 얻는 현저한 효과를 얻을 수 있고, 다른 수지로 성형품을 코팅하는 서브단계를 제거할 수 있다.
상기 탈수 및 아세틸화 서브단계는 셀룰로즈로 구성된 상기 제1 고체를 탈수 및 아세틸화 처리하는 것이다.
상기 제1 고체 (셀룰로즈)는 히드록실기에 의하여 수소 결합이 형성되어 결정화되고 물과 모든 용매에서 불용성이다. 그러므로, 상기 탈수 및 아세틸화 처리는 상기 분자 내의 히드록실기 부분을 아세테이트 기로 전환하여 물과 용매에 용해성인, 가소화된 셀룰로즈 아세테이트를 얻기 위하여 하기하는 바와 같이 수행된다.
본 발명에 있어서, 상기 셀룰로즈 아세테이트의 아세틸화 정도는 바람직하게는 50 내지 70%이고, 더욱 바람직하게는 55 내지 60%이다. 상기 셀룰로즈 아세테이트의 아세틸화 정도가 50 내지 70%인 경우, 화학적 아교 등을 사용하지 않고서 성형품을 얻는 현저한 효과를 얻을 수 있고, 다른 수지로 성형품을 코팅하는 서브단계를 제거할 수 있다.
상기 탈수 및 아세틸화 처리는 셀룰로즈를 교반기가 구비된 압력 용기 내에서 아세트산 무수물과 황산을 반응시켜 상기 셀룰로즈 내의 수소 결합의 형성을 야기시키는 히드록실기를 아세테이트 기로 전환시키고자 하는 것으로, n이 중합도이고 m이 치환도인 하기 반응식 (1) 및 (2)에 의하여 나타내어진다.
반응식 (1)
{C6H7O2 (OH3)}n + 3n (CH3CO)2O → {C6H7O2 (OCOCH3)3}n + 3nCH3COOH
반응식 (2)
{C6H7O2 (OCOCH3)3}n + n (3-m)H2O → {C6H7O2 (OCOCH3)m (OH)3-m}n + n (3-m)CH3COOH
반응식 (1)은 셀룰로즈와 아세트산 무수물의 반응에 의하여 아세테이트 기로 완전히 치환된 셀룰로즈 아세테이트와 아세트산을 생성하는 것을 나타낸다. 반면, 반응식 (2)는 반응식 (1)에 따라 생성된 셀룰로즈 아세테이트와 물의 반응이 치환도 m인 셀룰로즈 아세테이트와 아세트산을 생성한다는 것을 나타낸다. 반응식 (1) 및 (2)에 따라 생성된 아세트산은 재사용될 수 있다.
상기 탈수 및 아세틸화 처리는 다음 순서에 따라 수행될 수 있다.
황산과 아세트산 무수물이 상기 여과 처리에 의하여 얻어진 상기 제1 고체 (셀룰로즈)에 첨가되어 반응되고, 아세트산은 탈수기에 의하여 얻어진 반응 산물로부터 제거 (수집)되며 건조된다. 상기 과정에 의하여 셀룰로즈 아세테이트를 얻는다.
첨가되는 황산의 양은 건조 셀룰로즈 100 중량부에 대하여 바람직하게는 1 내지 10 중량부 및 더욱 바람직하게는 3 내지 5 중량부이다. 첨가되는 아세트산 무수물의 양은 건조 셀룰로즈 100 중량부에 대하여 바람직하게는 1 내지 20 중량부 및 더욱 바람직하게는 5 내지 10 중량부이다.
더욱이, 아세트산이 바람직하게는 첨가될 수 있으며, 첨가되는 양은 건조 셀룰로즈 100 중량부에 대하여 바람직하게는 1 내지 10 중량부 및 더욱 바람직하게는 3 내지 5 중량부이다.
상기 탈수 및 아세틸화 처리는 바람직하게는 5 내지 15 MPa의 압력, 더욱 바람직하게는 8 내지 10 MPa의 압력하에서 수행된다. 상기 탈수 및 아세틸화 처리를 위한 온도는 바람직하게는 60 내지 100 ℃, 더욱 바람직하게는 70 내지 90 ℃이다. 상기 탈수 및 아세틸화 처리를 위한 교반 속도는 바람직하게는 30 내지 100 rpm, 더욱 바람직하게는 40 내지 60 rpm이다. 상기 탈수 및 아세틸화 처리 기간은 바람직하게는 15 내지 30 시간, 더욱 바람직하게는 20 내지 24 시간이다.
상기 탈수 및 아세틸화 처리에 의하여 얻어지는 상기 셀룰로즈 아세테이트는 (여과 처리를 거쳐) 여과되어 고체 셀룰로즈 아세테이트로부터 액체 셀룰로즈 아세테이트로 분리된다. 상기 액체 셀룰로즈 아세테이트는 하기하는 바와 같이, 교반 및 혼합 서브단계에서 제2 고체와 교반 및 혼합되어 액체 산물을 얻는다. 반면, 상기 고체 셀룰로즈 아세테이트는 생분해성 플라스틱으로 효율적으로 사용될 수 있다.
상기 교반 및 혼합 서브단계는 상기 탈수 및 아세틸화 처리에 의하여 얻어진 상기 액체 셀룰로즈 및 상기 제2 고체를 교반하고 혼합함으로써 액체 산물을 얻기 위한 것이다. 이 시점에서, 상기 제2 고체는 바람직하게는 탈수된 후에 상기 액체 셀룰로즈 아세테이트와 교반되고 혼합된다.
바람직하게는 상기 교반 및 혼합 서브단계는 하기의 순서로 수행된다:
(i) 상기 액체 셀룰로즈 아세테이트 및 상기 제2 고체를 적당한 양의 물을 첨가하면서 펄퍼 (고체 펄프를 느슨하게 하고 분산시키는 장치) 등으로 반죽하여 펄프 액체를 준비하고,
(ii) 상기 펄프 액체의 농도를 검사하고, 상기 펄프 액체에 물을 첨가하여 그 농도가 적당한 범위내에 들도록 한다. 상기 펄프 액체의 농도는 바람직하게는 10 내지 50 중량%, 더욱 바람직하게는 20 내지 30 중량%이다.
(iii) 상기 펄프 액체 중의 물의 양은 진공 펌프 등을 사용하여 조정된다.
상기 성형 단계에서 성형 공정은 특정하게 한정되는 것은 아니나, 하기하게 될 직접 압력 성형이 바람직하다.
상기 직접 압력 성형 공정의 예를 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한다. 도 2 및 도 3은 상기 직접 성형 공정의 예를 설명하기 위한 모식적 도면이다. 도 2는 금속 주형이 개방되어 있는 상태를 나타내고, 도 3는 금속 주형이 체결되어 있는 상태를 나타낸다.
도 2에 나타낸 직접 압력 성형 장치는 코아 금속 주형 탑재 플레이트 (32)에 탑재된 코아 금속 주형 (20)과 공동 금속 주형 탑재 플레이트 (34)에 탑재된 공동 금속 주형 (22)에 의하여 형성된다. 녹아웃 핀 (30)은 상기 코아 금속 주형 (20)에 배치되고, 철사망 (wire mesh) 필터 (24)는 상기 공동 금속 주형에 배치되어 설정된 거리 간격으로 떨어져 있도록 한다. 더욱이, 히터 (28)가 상기 코아 금속 주형 (20) 및 상기 공동 금속 주형 (22)에 제공된다.
도 2에 나타낸 상기 직접 압력 성형 장치에 의한 성형에 있어서, 첫째, 상기 코아 금속 주형 (20) 및 공동 금속 주형 (22)의 온도는 70 내지 150 ℃, 바람직하게는 90 내지 120 ℃로 조정되고, 본 발명의 액체 산물 (26)은 도시되지 않은 액체 산물 공급 수단에 의하여 상기 철사망 필터 (24)의 오목한 부분에 공급된다. 상기 철사망 필터 (24)를 통하여 통과된 상기 공급된 액체 산물 (26)의 일 부분은 도시되지 않은 수집 수단에 의하여 수집된다. 수집 후, 상기 공동 금속 주형 (22)은 이동되어 상기 코아 금속 주형 (20)에 체결된다.
상기 액체 산물 (26)의 상기 수집된 부분은 재사용을 위하여 상기 탈수 및 아세틸화 처리에서 상기 액체 셀룰로즈와 혼합되어질 수 있다.
도 3은 상기 금속 주형이 함께 체결되어 있는 상태를 나타낸다. 상기 액체 산물 (26)은 도 3에 나타낸 상기 체결된 상태에서 고화된다. 형 체결력 (clamping force)은 성형품의 배치 (configuration)와 구조 (structure)에 따라 달라지나, 일반적인 체결력은 바람직하게는 약 10 t이다. 체결 시간은 바람직하게는 1 내지 10 분, 더욱 바람직하게는 3 내지 5 분이다.
도 2에 나타낸 것과 유사한 도 3의 요소는 동일한 참조 번호로 표시하였고, 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
상기 액체 산물 (26)이 고화된 후, 상기 공동 금속 주형 (22)은 이동되어 상기 금속 주형을 개방한다. 이 때, 상기 고화된 액체 산물 (26)은 상기 코아 금속 주형 (20)에 부착되어 있다. 그러므로, 상기 고화된 액체 산물 (26)은 상기 녹아웃 핀 (30)을 아래로 밀어냄으로써 상기 코아 금속 주형 (20)로부터 분리된다. 이렇게 얻어진 상기 액체 산물 (26)은 가열되고 건조되고, 프레스 금속 주형 등으로 트리밍 마감 (trimming finish), 내부 코팅, 버 제거 (deburring) 처리되어 셀룰로즈 성형품을 얻는다. 상기 공정은 반복될 수 있다.
상기 직접 압력 성형은 상기 액체 산물 (26)이 상기 철사망 필터 (24)의 상기 오목한 부분으로 공급되고 상기 코아 금속 주형 (20)에 의하여 가압되는 상기 여과 및 탈수 단계 및, 상기 액체 산물 (26)이 경화 온도에 이른 상기 코아 금속 주형 (20) 및 상기 공동 금속 주형 (22)에 의하여 성형되고 경화되는 성형 및 열경화 단계가 동시에 수행될 수 있기 때문에 성형 시간을 단축할 수 있다. 따라서, 셀룰로즈 성형품은 간단하게 얻어질 수 있다.
상기 얻어진 셀룰로즈 성형품은 생분해성이며, 바람직하게는 식품 접시, 점심 용기 등으로 사용될 수 있다.
하기하는 본 발명의 제2 구체예에 따른 식물 성분 추출 장치는 바람직하게는본 발명의 셀룰로즈 아세테이트를 제조하기 위한 방법의 스팀 및 여과 처리에 사용될 수 있다.
본 발명의 제1 구체예의 셀룰로즈 성형품을 제조하는 방법에 따르면, 생분해성이며, 원료로서 지금까지 버려졌던 옥수수속대 밀을 포함하는 셀룰로즈 성형품을 간단하고 저비용으로 생산할 수 있다.
식물 성분 추출 장치
다음으로, 본 발명의 제2 구체예에 따른 식물 성분 추출 장치를 설명한다. 본 발명의 상기 식물 성분 추출 장치는 바람직하게는 본 발명의 제1 구체예에 따른 셀룰로즈 성형품을 제조하기 위한 전기한 방법에 사용될 수 있다. 더욱이, 본 발명의 상기 식물 성분 추출 장치는 또한 하기하게 될 본 발명의 제3 구체예에 따른 셀룰로즈 아세테이트를 제조하는 방법에 사용될 수 있다.
용매를 사용한 스팀 처리법 및 추출법이 식물로부터 셀룰로즈와 같은, 유용한 성분을 추출하기 위한 방법으로서 통상적으로 사용되어 왔다. 그러나, 상기한 바와 같이, 이들 방법은 많은 단계를 필요로 하는 리그닌의 분리에 필요한 상당한 시간과 노동 및 소듐 설파이트와 같은 약제의 사용 및 분리에 필요한 고비용의 관점에서, 이들 방법은 셀룰로즈를 분리하고 정제하기 위하여 사용되는 추출방법으로서 부적절하다.
본 발명의 상기 식물 성분 추출 장치는 간단하고, 연속적이고 신속한 방식으로, 약제 또는 많은 단계를 사용하지 않고서 생분해성 플라스틱의 주요 성분인, 셀룰로즈와 같은 식물 성분을 분리하고 추출할 수 있다.
본 발명의 제2 구체예에 따른 상기 식물 성분 추출 장치는 고온 및 고압 조건하에서 열수를 사용함으로써 식물 원료를 스팀 처리하기 위하여 사용된다. 구체적으로, 상기 식물 성분 추출 장치는 식물 원료를 제공하기 위한 원료 공급부와 상기 공급된 식물 원료를 150 내지 350 ℃ 및 5 내지 30 MPa로 가열하고 압력을 가하기 위한 원료 가압부를 각각 포함하는 원료 처리수단; 가압기 및 히터를 포함하고, 28 내지 30 MPa의 압력으로 가압된 300 내지 350 ℃의 온도를 갖는 서브 임계수를 공급하는 열수 공급수단; 및 상기 가열되고 가압된 식물 원료를 상기 열수 공급 수단으로부터 공급된 상기 서브 임계수와 혼합함으로써 스팀 처리를 수행하기 위한 열수 반응 수단에 의하여 형성된다.
본 발명의 상기 식물 성분 추출 장치에 있어서, 스팀 처리는 150 내지 350 ℃로 가열되고 5 내지 30 MPa로 가압된 상기 식물 원료에, 300 내지 350 ℃의 온도를 갖는 물 (열수)를 첨가하고, 온도와 압력 조건을 유지하면서 상기 얻어진 혼합물을 반죽함으로서 수행된다. 이러 방식으로, 지금까지 약제의 사용과 많은 단계를 필요로 하였던 리그노셀룰로즈로부터 리그닌의 분해와 제거가 단일 단계로 간단하고 빠르게 이루어질 수 있다. 즉, 상기 원료 처리 수단을 형성하는, 상기 원료 공급부를 통하여 공급된 상기 식물 원료는 상기 원료 가압부에서 상기한 온도 범위로 가열되면서 상기한 압력 범위로 가압되고 (바람직하게는 압착되고 (compressed)), 동일한 압력 조건하에서 상기 원료 처리 수단으로부터 상기 열수 반응 수단으로 가압되어진다. 다음으로, 뜨거운 서브 임계수 (열수)가 상기 원료에 첨가되고, 얻어지는 혼합물은 반죽된다. 그러므로, 상기 스팀 처리는 복수의 단계가 일정한 규모로 반복되는 통상적인 스팀 처리 공정과는 달리, 연속 공정이 되도록 하는 일련의 처리 시스템에서 연속적으로 수행될 수 있다.
리그노셀룰로즈의 분해에 의하여 형성된 폴리페놀 (분해되고 제거된 리그닌으로부터의 변형에 의하여 형성됨) 및 셀룰로즈의 혼합물, 및 용해성 헤미셀룰로즈 (용해성 자일란)가 상기 스팀 처리에 의한 산물 (이하 "분해 산물 (decomposition products)이라고도 한다)로서 얻어진다. 더욱이, 여과 장치가 제공되는 경우, 상기 혼합물은 여과되어 폴리페놀 및 용해성 자일란을 포함하는 여과액과 잔류물로서 셀룰로즈 (고품질의 펄프)가 별도로 수집될 수 있다.
상기 원료 처리 수단을 형성하는 상기 원료 가압부는 상기 원료 공급부를 통하여 공급되는 상기 식물 원료를, 150 내지 350 ℃ (바람직하게는 180 내지 300 ℃)의 온도 및 5 내지 30 MPa (바람직하게는 15 내지 28 MPa)의 압력에서 가압하는 역할을 한다. 상기 온도와 압력은 상기 식물 원료의 형태에 따라 상기 범위로부터 적절하게 선택될 수 있다. 상기 원료 가압부에 있어서, 상기 열수 반응부 내에서의 스팀 처리에 필요한 압력의 적용과 예비가열은 동시에 수행된다. 더욱이, 상기 원료 중에 포함된 기체는 제거된다. 더욱이, 이 시점에서, 상기 식물 원료의 일 부분 이상이 상기 원료 중에 포함된 물에 의하여 분해될 수 있다.
예를 들면, 식물 원료로 사용된 옥수수속대, 즉 옥수수의 속대 (core)로부터 셀룰로즈 및 자일란 (헤미셀룰로즈)를 얻는 공정에 있어서, 열수는 28 내지 30 MPa의 압력의 조건 하에서 첨가된다. 식물 원료로 사용된 해바라기 씨로부터 지방과 기름을 추출하여 경유 (light oil)를 추출하는 공정에 있어서, 상기 원료는 15 내지 20 MPa로 가압된다. 상기 스팀 처리는 이 압력 범위에서 열수를 작동시키는 상기 열수 반응 수단에 의하여 연속적으로 수행될 수 있다.
상기 열수 공급 수단은 고온 및 고압을 갖는 서브 임계수를 생성하고 공급하기 위한 가압기 (pressurizer) 및 히터를 포함하며, 필요한 경우, 물 탱크, 여과 장치, 이온 교환 장비 등을 포함한 물 정제 기구를 더 포함할 수 있다. 상기 물 정제 기구는 원료수에 포함된 불순물과 이온을 제거하여, 예를 들면 히터, 파이프 등의 막힘을 예방한다. 상기 가압기는 바람직하게는 플런저 형 펌프, 특히 바람직하게는 30 MPa의 방출 압력에서 10 l/min의 유속을 갖는 플런저 형 펌프이다. 상기 히터는 바람직하게는 니켈 합금 코일을 사용하는, 용융염 조(bath) 가열 형의 열교환기이다.
상기 서브 임계수는 물의 임계점 (즉, 375 ℃의 압력 및 22 MPa의 압력) 보다 더 낮은 온도와 압력을 갖는 열수이다. 본 발명의 상기 서브 임계수는 300 내지 350 ℃의 온도 및 28 내지 30 MPa의 압력을 갖는 물이다.
상기 스팀 처리를 수행하기 위한 상기 열수 반응 수단은 상기 식물 원료 및 물이 통과하는 중공체, 및 상기 중공체 내에 제공되고 서로 이웃하게 배치되어 상기 식물 원료 및 열수가 회전 축인 상기 중공체를 통과하는 방향으로 회전되도록 하는 복수의 이동 베인 (vane)에 의하여 형성될 수 있다. 상기 이동 베인이 서로 이웃하게 배치되어 상기 식물 원료 및 열수가 회전 축인 상기 중공체를 통과하는 방향의 역방향으로 교대로 회전하도록 하는 경우에는 효과적이다. 상기 스팀 처리는 상기 식물 원료와 물을 사용하여 고온과 고압에서 수행된다. 상기 구조에서, 상기 스팀 처리는 상기 원료 처리 수단에 의하여 적용되는 열과 압력, 및 공급되는 상기 서브 임계수의 열을 사용하여 수행될 수 있기 때문에, 상기 열수 반응 수단에 가열 수단을 공급하는 것이 반드시 필요한 것은 아니다. 그러나, 열수 반응 수단은 필요한 경우, 중공체가 외부로부터 가열되는 구조와 같이 가열가능하게 형성될 수 있다.
열수 반응 수단의 이동 베인은 바람직하게는 상기 중공체를 통과하는 유체의 흐름, 즉 열수와 상기 원료 처리 수단 (예를 들면, 흐름의 방향으로 힘에 의하여 회전될 수 있도록 꼬여진 베인-형상 스테이터 등)에 의하여 가열되고 가압된 식물 원료의 흐름에 의하여 생성된 유체 압력에 의하여 회전되도록 하는 구조를 갖는다. 이 구조는 구동부를 연결함이 없이 연속적으로 교반되도록 한다. 상기 이동 베인은 서로 이웃하게 되어 회전의 축인 상기 유체가 통과하는 방향과 반대 방향으로 교대로 회전할 수 있기 때문에, 상기 식물 원료 및 열수는 효율적으로 반죽되고, 상기 스팀 처리는 충분하게 수행된다. 결과적으로, 짧고 간결한 열수 반응 수단이 스팀 처리의 효율을 낮추지 않으면서 형성될 수 있다. 또는, 상기 열수 반응 수단은 전원에 연결된 모터 또는 자기력에 의하여 회전되도록 되어 있다. 상기 중공체는 그를 통하여 상기 식물 원료 및 열수를 통과하도록 되어 있으며, 원형, 난형 (oval), 정사각 또는 직사각형 모양과 같은, 임의의 단편을 가질 수 있다. 원형 단면을 갖는 중공체가 특히 바람직하다.
더욱이, 적어도 상기 이동 베인과 중공체의 내벽은 바람직하게는 니켈 합금으로 되어 있다. 상기 식물 원료 공급을 위한 공급 파이프, 열수 공급을 위한 공급 파이프 및 스팀 처리에 의하여 생성되는 분해 산물을 방출하기 위한 방출 파이프가 상기 열수 반응 수단에 연결된다. 노리타케 사 (Noritake Co., Ltd.)에 의하여 제조된 것과 같은, 상업적으로 이용가능한 정적 혼합기 등이 적합하게 이용될 수 있다.
상기 스팀 처리 중의 상기 열수 반응 수단 내의 온도와 압력은 상기 식물 원료의 형태 또는 의도하는 용도에 따라 달라진다. 예를 들면, 옥수수속대가 원료로 사용되는 경우, 온도를 150 내지 250 ℃ (바람직하게는 180 내지 200 ℃) 및 압력을 28 내지 30 MPa로 설정하는 것이 바람직하다. 해바라기 씨가 원료로 사용되는 경우, 온도를 130 내지 220 ℃ (바람직하게는 180 내지 200 ℃) 및 압력을 15 내지 20 MPa로 설정하는 것이 바람직하다. 스팀 처리의 기간은 바람직하게는 10 내지 30 분, 더욱 바람직하게는 15 내지 20 분이다.
상기 원료 처리 수단의 상기 원료 가압부는 상기 원료 공급부가 제공되는 중공 기저체, 상기 중공 기저체 내에 배치되고 폭이 상기 원료 공급부가 제공되는 한쪽 말단으로부터 다른 말단을 향하여 좁아지는 나선 그루브를 갖는 막대형상 회전체, 및 상기 기저체의 내부를 가열하기 위한 히터에 의하여 이루어질 수 있다. 방출 포트는 상기 원료 공급부가 제공되지 않는 상기 중공 기저체의 다른 말단에서 제공된다. 이 구조로, 상기 막대형상 회전체가 회전되는 경우, 상기 식물 원료는 상기 원료 공급부가 제공되는 말단으로부터 다른 말단의 상기 방출 포트를 향하여 상기 나선 그루브를 따라 가열되는 동안, 가압되고 원하는 압력으로 압착될 수 있다.
상기 중공 기저체는 원, 난형, 정사각 또는 직사각형과 같은 임의의 형상의 단편을 갖는 구조로 될 수 있지만, 상기 기저 (substrate) 내부에서 회전된 상기 막대형상 회전체에 의하여 상기 식물 원료에 적용된 압력이 균등하게 되기 때문에 상기 중공 기저체는 바람직하게는 원형 단면을 갖는다. 더욱이, 상기 나선 그루브는 한쪽 말단으로부터 그의 다른 쪽 말단으로 상기 막대형상 회전체에서 제공되어 상기 회전체가 상기 기저체 내에 배치되는 경우 상기 그루브의 피치 (폭)는 상기 원료 공급부 측으로부터 상기 방출 포트 측을 향하여 점점 좁아진다. 이러한 구조에 의하여, 상기 식물 원료가 가압되면서 이송된다. 상기 회전체는 바람직하게는 효율적이고 균일하게 압착되도록 한다는 관점에서 실질적으로 원형 단면을 갖는 막대 형상으로 형성되어 있다.
더욱이, 상기 원료 처리 수단은 식물 원료의 형태 또는 원하는 용도에 따라 직렬로 연결될 수 있는, 복수 단위의 원료 가압부를 가질 수 있다. 예를 들면, 옥수수속대, 즉 옥수수의 속대 (core)가 원료로서 사용되는 경우, 4 단위의 상기 원료 가압부가 바람직하게는 직렬로 연결되어 28 내지 30 MPa의 압력에서 상기 원료를 스팀 처리한다. 해바라기 씨가 원료로서 사용되는 경우, 3 단위의 상기 원료 가압부가 바람직하게는 직렬로 연결되어 15 내지 20 MPa의 압력에서 상기 원료를 스팀 처리한다.
물이 상기 원료 처리 수단에 첨가될 수 있다. 그러나, 상기한 바와 같이 상기 열수 반응기 내에 열수를 첨가함으로써, 상기 스팀 처리는 물의 양을 용이하게 조정하면서 원하는 조건하에서 수행될 수 있다.
더욱이, 본 발명의 상기 식물 성분 추출 장치는 분해 산물을 냉수와 혼합함으로써 또는 상기 분해 산물을 냉수와 혼합하는 대신에 외부에서 열 교환 (예를 들면, 물 순환을 위한 순환 시스템을 사용하는 열 교환기 등에 의하여)을 수행함으로써, 상기 스팀 처리에서 분해에 의하여 생산된 분해 산물을 냉각하기 위한 냉각 수단을 더 포함할 수 있다. 전자는 냉수를 첨가함으로써 직접적으로 냉각되는 것이기 때문에 상기 분해 산물이 신속하게 냉각될 수 있다는 점에서 유리하다. 더욱이, 냉각 후 여과 처리가 간단화되고, 냉각 중 압력이 감소하지 않는 경우 필요한 고압 열교환기가 불필요하고, 그에 따라 비용을 더 줄일 수 있다.
상기 분해 산물이 그와 냉수를 혼합함으로써 냉각되는 경우, 상기 냉각 수단은 상기한 열수 반응 수단의 경우와 같이, 상기 냉각 수단은 식물 원료와 열수가 통과하는 중공체, 상기 중공체 내에 제공되는 복수의 이동 베인에 의하여 형성되며, 복수의 이동 베인은 서로 이웃하게 배치되어 회전의 축인 상기 분해 산물 및 물이 통과하는 방향으로 회전되어진다. 상기 이동 베인이 서로 이웃하게 배치되고 회전의 축인 상기 분해 산물 및 물이 통과하는 방향과 역방향으로 교대로 회전되는 경우 효과적이다. 상기 이동 베인 및 중공체의 구조와 재료는 상기 열수 반응 수단의 구조 및 재료와 유사할 수 있으며, 상기 이동 베인은 바람직하게는 스팀 처리 후 냉수 및 분해 산물의 흐름 (예를 들면, 흐름 방향으로 힘에 의하여 회전되도록 꼬여 있는 베인-형상 스테이터)에 의하여 생성된 유체 압력에 의하여 회전되도록 구성되어 있다. 그러나, 상기 이동 베인은 전원에 연결된 모터 또는 전자기력에 의하여 회전되도록 구성될 수 있다.
바람직하게는 니켈 합금이 상기 이동 베인 및 상기 냉각 수단의 중공체의 내벽을 위한 재료로서 사용된다. 구체적으로, 노리타케 사 (Noritake Co., Ltd.)에 의하여 제조된 것과 같은, 정적 혼합기 등이 바람직하다. 상기 분해 산물을 공급하기 위한 공급 파이프, 냉수를 공급하기 위한 공급 파이프 및 냉각된 산물을 방출하기 위한 방출 파이프가 냉각 수단에 연결된다. 결과로서, 짧고 간결한 냉각 수단이 냉각 효율을 낮추지 않으면서 형성될 수 있다.
냉각수의 생성 및 공급을 위한 냉각수 공급 수단이 상기 냉각 수단에 연결될 수 있다. 상기 냉각수 공급 수단은 가압기 (pressurizer), 냉각 기구, 및 필요한 경우, 물 탱크, 여과 장치, 이온 교환 장비 등을 포함한 정제 기구에 의하여 형성될 수 있다. 상기 정제 기구는 원료수 중에 포함된 불순물 및 이온을 제거하기 위하여 사용되어 예를 들면, 상기 히터, 파이프 등의 막힘을 방지한다. 상기 가압기는 바람직하게는 플런저 형 펌프, 특히 바람직하게는 30 MPa의 방출 압력에서 10 l/min의 유속을 갖는 플런저 형 펌프이다. 통상적으로 사용되는 냉각 장치가 상기 냉각 기구로서 사용될 수 있다.
상기 스팀 처리에서 생산된 분해 산물은 폴리페놀과 셀룰로즈의 혼합물, 및 용해성 자일란이기 때문에, 상기 열수 반응 수단에 의한 스팀 처리 후에 상기 분해 산물을 폴리페놀 및 용해성 자일란을 포함하는 여과액과 잔류물로서 셀룰로즈 (고품질 펄프)로 여과하여 분리하기 위하여 여과 장치가 제공될 수 있다. 여과는 상기 생산된 분해 산물이 저장 탱크에 일시적으로 저장된 후에 수행되거나, 저장 없이 수행될 수 있다. 상기 여과 장치는 여과 후에 여과액과 잔류물을 저장하기 위하여 저장 기능을 가질 수 있다. 더욱이, 상기 여과액과 잔류물을 별개로 저장하기 위한 저장 탱크가 상기 여과 장치와는 별개로 제공될 수 있다.
본 발명에 있어서, 임의의 식물이 목재 또는 비목재이든 상관 없이 원료로서 사용될 수 있다. 예를 들면, 얻어지는 셀룰로즈가 최종적으로 좋은 품질의 생분해성 플라스틱을 제조하는데 사용될 수 있다는 관점으로부터, 옥수수속대, 해바라기 씨와 같은 식물 씨앗, 사탕수수로부터 당을 추출하고 남은 깍지인 바가스, 케나프, 갈대 및 볏짚으로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상을 사용하는 것이 특히 바람직하다.
본 발명의 상기 식물 성분 추출 장치의 일 구체예를 도면을 참조하여 아래에 설명한다. 아래에 있어서, 식물 원료로서 옥수수속대가 사용되는 경우가 주로 설명될 것이다. 그러나, 본 발명은 이 구체예에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 상기 식물 성분 추출 장치의 상기 구체예를 도 4 내지 도 12를 참조하여 설명한다. 본 구체예에서, 옥수수속대는 원료로 사용되고, 전체 시스템은 5 내지 30 MPa의 고압으로 유지된다. 스팀 처리는 상기 시스템에 300 내지 350 ℃의 온도를 갖는 서브 임계수를 제공함으로써 수행된다. 상기 스팀 처리에 의하여 야기되는 리그노셀룰로즈의 분해 반응으로 인하여, 폴리페놀 및 셀룰로즈 (고품질의 펄프)의 혼합물, 및 용해성 헤미셀룰로즈 (용해성 자일란)가 얻어진다. 상기 혼합물은 저장되고 여과되어 상기 셀룰로즈가 상기 용해성 자일란 및 폴리페놀로부터 분리된다. 더욱이, 얻어지는 분해 산물은 상기 산물에 냉수를 첨가함으로써 상기 스팀 처리 후에 냉각된다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 본 구체예는 원료 처리 장치 (원료 처리 수단) (110), 서브 임계수 공급 장치 (열수 공급 수단) (120), 열수 반응기 (열수 반응 수단) (130), 냉각기 (냉각 수단) (140), 냉각수 공급 장치 (냉각 수단) (150), 및 여과 및 저장 장치 (160)를 포함한다. 상기 원료 처리 장치 (110)는 옥수수속대를 공급하기 위한 원료 공급부 및 상기 공급된 옥수수속대에 열과 압력을 가하기 위한 원료 가압부를 포함한다. 상기 서브 임계수 공급 장치 (120)는 부스터 펌프 및 용융염 가열 장치를 포함하고 서브 임계수를 외부에 공급한다. 상기 열수 반응기 (130)는 상기 가열되고 가압된 옥수수속대를 서브 임계수와 혼합하여 스팀 처리를 수행한다. 상기 냉각기 (140)는 냉수를 상기 스팀 처리에서 생산된 산물 (분해 산물)과 혼합하여 상기 산물을 냉각한다. 상기 냉각수 공급 장치 (150)는 부스터 펌프 및 냉각 기구를 포함하고, 냉수를 공급한다. 상기 여과 및 저장 장치 (160)는 상기 냉각된 분해산물을 저장하기 위한 정장 탱크 및 상기 분해 산물을 여과하기 위한 여과 장치를 포함한다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 상기 원료 처리 장치 (110)는 옥수수속대 (119)를 공급하기 위한 원료 공급부 (111) 및 상기 원료 공급부 (111)를 통하여 공급된 상기 옥수수속대 (119)를 가열하고 가압하여 상기 옥수수속대 (119)를 압착하기 위한 원료 가압부 (113)에 의하여 형성된다. 도 5는 상기 원료 처리 장치의 예를 보여주는 확대된 모식적 단편도이다.
상기 원료 공급부 (111)는 원료 도입 포트 (111a) 및 도입 포트 셔터 (112)를 포함하고 있어, 상기 원료 도입 포트 (111a)를 통하여 공급된 옥수수속대 (119)는 상기 도입 포트 셔터 (112)를 닫거나 개방함으로써 일시적으로 보유되거나 상기 원료 가압부 (113)로 공급된다. 이런 구조에 의하여, 상기 원료, 즉 옥수수속대 (119)는 연속적으로 공급될 수 있다.
더욱이, 도시되지 않은 피드 (feed) 펌프가 상기 원료 도입 포트 (111a)에 부착되어 옥수수속대가 상기 원료 도입 포트 (111a)를 통하여 실린더 (114)로 상기 피드 펌프에 의하여 공급되도록 한다. 옥수수속대는 필요로 하는 양에 따라 상기 피드 펌프를 조절함으로써 자동적으로 공급될 수 있다.
도입되는 옥수수속대의 모양은 특별하게 한정되는 것은 아니나, 옥수수속대는 바람직하게는 약 2 내지 3 mm의 직경을 갖는 칩으로 되어 있다.
상기 원료 가압부 (113)는 스크류 (막대형상 회전체) (115)가 상기 원료 공급부 (111)가 제공되는 실린더 (중공 기저) (114) 내에 배치되도록 되어 있다. 상기 스크류 (115)는 나선 그루브를 가지며, 그 피치는 상기 원료 공급부 (111)가 제공되는 스크류의 말단으로부터, 다른 말단 (즉, 상기 스크류의 먼쪽 말단)을 향하여 짧아 진다. 방출 포트 (114a)는 상기 원료 공급부 (111)가 제공되지 않는 상기 실린더 (114)의 다른 말단 (즉, 상기 스크류의 먼쪽 말단)에 제공된다. 상기 스크류 (115)가 회전되는 경우, 상기 옥수수속대는 가열되고 가압되며, 압착된 상태로 상기 방출 포트 (114a)로부터 방출된다. 모터 (구동 수단) (118)가 상기 원료 공급부 (111)가 제공되는 상기 스크류 (115)의 측면에 제공된다. 상기 스크류 (115)는 프라임 기어 및 드리븐 기어를 포함한 도시되지 않은 감속 기어를 통하여 모터 (118)에 연결되어 있고, 전원 (나타내지 않음)으로부터 공급되는 전력에 의하여 회전된다.
상기 실린터 내부의 상기 스크류 (115)의 회전에 의하여, 공급된 상기 옥수수속대는 150 내지 350 ℃의 온도로 가열되고 28 내지 30 MPa의 압력으로 가압되어 압착되어 진다. 상기 온도는 바람직하게는 150 내지 250 ℃, 더욱 바람직하게는 180 내지 200 ℃이다. 이 상태의 옥수수속대를 이하 "압착된 옥수수속대 (compressed corncob)"라고 한다.
실린더의 벽을 통하여 실린더의 내부를 가열하기 위한 전기 히터 (116) 및 상기 전기 히터 (116)를 덮음으로써 열을 보유하기 위한 열 보유 자켓 (117)이 상기 실린더 (114)의 외부에 제공되어 실린더를 둘러싸도록 하여, 상기 실린더의 내부가 균일하게 가열될 수 있다. 더욱이, 온도 센서 (108) 및 압력 센서 (109)가 상기 실린더 (114)의 방출 포트 (114a) 근처에 제공된다.
2 이상의 단위의 상기 원료 처리 장치 (110)가 직렬로 연결될 수 있다. 이 경우, 각 단위 장치의 온도 및 압력은 상기 열수 반응기 (130)에 연결된 상기 장치가 온도 150 내지 350 ℃ 및 압력 5 내지 30 MPa의 조건을 만족시키는 한 서로 같거나 다를 수 있다. 상기 조건이 장치 사이에 서로 다른 경우, 상기 온도와 압력이 제1 장치로부터, 제2 장치, 제3 장치, ..., 및 마지막 "n" 장치 (n ≥ 2)까지 상승하는 것이 바람직하다.
더욱이, 상기 원료 처리 장치는 상기 열수 반응 수단에 의하여 스팀 처리를 위하여 미리 가압되고 가열된다. 더욱이, 상기 원료에 포함된 기체는 제거된다.
상기 서브 임계수 공급 장치 (120)는 임시적으로 물을 저장하기 위한 물 탱크 (121), 용융염 가열장치 (123), 및 플런저 형 부스터 펌프 P1을 포함한다. 상기 물 탱크 (121)는 상기 플런저 형 부스터 펌프 P1이 제공되어 있는 공급 파이프 (124)를 통하여 상기 용융염 가열장치 (123)에 연결되어 있다. 상기 물은 상기 플런저 형 부스터 펌프 P1에 의하여 원하는 압력까지 가압되고, 이 상태에서 상기 물은 가열되어 뜨거운 서브 임계수가 생성된다. 28 내지 30 MPa의 압력이 상기 물에 가하여지고, 이 가압된 상태에서, 상기 물은 300 내지 350 ℃의 온도를 갖는 서브 임계수 (열수)를 생성시키기 위하여 더 가열된다.
더욱이, 서브 임계수를 공급하기 위한 공급 파이프 (125)의 말단은 상기 용융염 가열장치 (123)에 연결되어 있다. 상기 용융염 가열장치 (123)는 상기 서브 임계수가 연속적으로 상기 열수 반응기 (130)에 공급될 수 있도록 상기 공급 파이프 (125)를 통하여 상기 열수 반응기 (130)에 연결되어 있다. 상기 열수 반응기 (130)에 공급된 서브 임계수의 양은 옥수수속대 밀 100 중량부에 대하여, 바람직하게는 10 내지 1,000 중량부, 더욱 바람직하게는 50 내지 100 중량부이다.
더욱이, 도 6에 나타낸 바와 같이, 활성탄 필터 (126) 및 이온 교환 장치 (127)가 상기 물 탱크 (121)와 상기 부스터 펌프 P1 사이에 상기 공급 파이프 (124)에 배치되어 있어, 물에 포함된 불순물과 이온이 미리 제거된다. 상기 용융염 가열장치 (123)는 용융염 조, 상기 조 내에서 제공된 열교환 챔버, 니켈 합금 코일, 및 물의 온도를 측정하기 위한 온도 센서 (128)에 의하여 형성된 열 교환기이다. 불순물 등이 제거되고 상기 부스터 펌프 P1에 의하여 가압되고 상기 용융염 가열장치 (123)에 공급된, 상기 물은 상기 열교환 챔버 내에서 가열된 다음 상기 공급 파이프 (125)로 도입된다. 이 때, 상기 서브 임계수의 온도는 상기 용융염 조의 온도를 제어함으로서 간접적으로 제어될 수 있다.
상기 열수 반응기 (130)는, 다른 쪽 말단이 상기 원료 처리 장치 (110)의 방출 포트 (114a)에 연결되어 있는, 공급 파이프 (165)의 말단에 연결되어 있다. 즉, 상기 열수 반응기 (130)는 상기 공급 파이프 (165)를 통하여 상기 원료 처리 장치 (110)에 연결되어 있다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 상기 열수 반응기 (130)는 실린더 몸체 (131) 및 상기 실린더 몸체 (131) 내에 배치되어 있는 3개의 스테이터 (꼬여진 베인) (132a, 132b, 및 132c)에 의하여 형성된다. 상기 실린더 몸체 (131)는 원형 단면을 가지며, 한쪽 말단에 압착된 원료 공급 포트 (134) 및 열수 공급 포트 (135), 다른 쪽 말단에 산물 방출 포트 (136)를 포함한다. 상기 스테이터들 (132a, 132b, 및 132c)은 서로 이웃하게 배치되어 있으며, 회전의 축인, 압착된 옥수수속대 및 서브 임계수가 통과하는 (즉, 도 7에서 화살표 A의 방향) 방향에 평행한 축을 가지고 역방향으로 교대로 회전되어 있다. 상기 스팀 처리는 각각 상기 압착된 원료 공급 포트 (134) 및 열수 공급 포트 (135)를 통하여 공급된 상기 압착된 옥수수속대 및 서브 임계수가 상기 실린더형 몸체 (131)를 통하여 통과하는 동안 반죽되도록 상기 스테이터가 역방향으로 연속적으로 회전되도록 함으로써 수행된다. 더욱이, 상기 산물 방출 포트 (136)는 차례로 상기 냉각기 (140)에 연결되어 있는 공급 파이프 (166)의 한 쪽 말단에 연결된다.
스테이터들 (132a, 132b 및 132c) 각각은 예를 들면, 도 8에 나타낸 바와 같이, 니켈 합금 플레이트를 좌측 또는 우측 (예를 들면, 90 ˚각도로)으로 꼬이게 함으로써 형성된다. 상기 스테이터들 (132a, 132b 및 132c)은 상기 압착된 옥수수속대 및 상기 서브 임계수가 상기 실린더형 몸체 (131)를 통하여 통과할 때 화살표 A의 방향으로 유체 압력을 받게 되어, 상기 꼬임의 방향에 따라서 회전된다.
본 구체예에서 상기 열수 반응기의 온도와 압력은 각각 150 내지 250 ℃ (바람직하게는 180 내지 200 ℃) 및 28 내지 30 MPa이며, 상기 원료 처리 장치 (110)의 온도 및 압력의 조건, 상기 서브 임계수의 온도 및 공급된 서브 임계수의 양에 따라 조정될 수 있다. 이런 식으로, 스팀 처리는 상기 원료 처리 장치 및 열수 반응기의 조건하에서 수행될 수 있어서, 반응이 연속적으로 진행될 수 있다.
상기 스팀 처리에 있어서, 소듐 설파이트 또는 칼슘 설파이트와 같은 아황산 화합물이 또한 상기 서브 임계수와 함께 첨가될 수 있다. 아황산 화합물의 첨가는 상기 스팀 처리에 필요한 시간을 단축시킬 수 있다. 상기 아황산 화합물은 상기 원료 처리 장치 (110)의 압착 공정에 첨가되거나, 상기 서브 임계수와 함께 상기 열수 반응기 (130)에 첨가될 수 있다. 첨가되는 아황산 화합물의 양은 상기 옥수수속대 밀 100 중량부에 대하여, 바람직하게는 1 내지 10 중량부, 더욱 바람직하게는 2 내지 5 중량부이다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 상기 파이프 (166)의 다른 쪽 및 플런저형 부스터 펌프 P2를 포함한 공급 펌프 (153)의 한쪽 말단은 상기 냉각기 (140)에 연결되어 있다. 이 구조로 인하여, 상기 열수 반응기 (130)에 의한 스팀 처리에서 생산된 산물 (분해 산물)은 냉수와 함께 혼합됨으로써 냉각된다. 이런 식으로, 상기 산물의 온도는 빠르게 강하될 수 있다.
상기한 상기 열수 반응기 (130)와 비슷하게, 도 9에 나타낸 바와 같이, 상기 냉각기 (140)는 실린더형 몸체 (141) 및 상기 실린더형 몸체 (141) 내에서 배치된 3개의 스테이터들 (꼬여진 베인들) (142a, 142b 및 142c)에 의하여 형성된다. 상기 실린더형 몸체 (141)는 원형 단면을 가지며, 한쪽 말단에 분해 산물 공급 포트 (144)와 냉수 공급 포트 (145)를, 다른 쪽 말단에서는 냉각된 산물 방출 포트 (146)를 포함한다. 상기 스테이터들 (142a, 142b 및 142c)은 서로 이웃하게 배치되며 회전의 축인, 상기 분해 산물과 냉수가 통과하는 (즉, 도 9에서 화살표 B의 방향) 방향에 평행한 축을 가지고 역 방향으로 교대로 회전되어 있다. 더욱이, 상기 분해 산물 공급 포트 (144)가 상기 열수 반응기 (130)에 연결하는 상기 파이프 (166)의 다른 쪽 말단을 향하여 연결되어 있고, 상기 냉수 공급 포트 (145)는 상기 냉각수 공급 장치 (150)에 연결하는 공급 파이프 (153)의 말단에 연결되어 있다. 상기 냉각기 (140)는 상기 실린더형 몸체 (141)를 통하여 상기 분해 산물 및 냉수가 통과하는 동안, 상기 스테이터가 역방향으로 연속적으로 회전되도록 함으로써, 상기 분해 산물 공급 포트 (144) 및 상기 냉수 공급 포트 (145)를 통하여 각각 공급된 상기 분해 산물 및 냉수를 반죽하고 혼합하도록 하는 구조로 되어 있다.
상기 냉각수 공급 장치 (150)는 물을 임시적으로 저장하기 위한 물 탱크 (151) 및 냉각 장치 (152)를 포함하며, 상기 물을 설정된 온도로 냉각하기 위하여 상기 냉각 장치 (152) 및 상기 물 탱크 (151)를 통하여 상기 저장된 물을 순환시키도록 되어 있다. 더욱이, 상기 냉수 공급 포트 (145)에 연결되어 있고 상기 플런저형 부스트 펌프 P2를 포함하는 상기 공급 파이프 (153)는 다른 쪽 말단에서 상기 물 탱크 (151)의 측면 벽에 연결되어 있고 냉수가 상기 부스터 펌프 P2에 의하여 가압되는 동안 상기 냉각기 (140)에 냉수를 연속적으로 공급할 수 있다. 상기 물의 온도는 냉각 효율에 따라 적절하게 선택될 수 있지만, 바람직하게는 상기 온도는 2 내지 5 ℃이다.
더욱이, 도 10에 나타낸 바와 같이, 활성탄 필터 (154) 및 이온 교환 장치 (155)가 상기 물 탱크 (151) 및 부스터 펌프 (155) 사이에 배치되어 물에 포함된 불순물과 이온을 미리 제거시키도록 한다. 냉각 장치 (152)는 수조, 상기 수조 내에 제공되는 열교환 챔버, 칠러 (냉각 기구), 및 물의 온도를 측정하기 위한 온도 센서 (156)에 의하여 형성된 열 교환기이다. 불순물 등이 제거되고 상기 부스터 펌프 P2에 의하여 가압되고 상기 냉각 장치 (152)에 공급된 상기 물은 상기 열교환 챔버에서 냉각된 다음, 상기 물 탱크 (151)에 도입된다. 이 때 상기 냉각수의 온도는 상기 수조의 온도를 제어함으로써 간접적으로 제어된다.
파이프 (167)는 한 쪽 말단에서 상기 냉각기 (140)의 상기 냉각된 산물 방출 포트 (146)에 연결되어 있다. 즉, 상기 냉각기 (140)는 상기 파이프 (167)를 통하여 여과 및 저장 장치 (160)에 연결되어 있다. 도 11에 나타낸 바와 같이, 상기 여과 및 저장 장치 (160)는 상기 냉각기 (140)에서 냉각된 상기 분해 산물 (냉각된 산물)을 저장하기 위한 저장 탱크 (161) 및 상기 분해 산물을 여과하기 위한 여과 장치 (162)를 포함한다. 상기 냉각된 분해 산물은 상기 저장 탱크 (161)에 임시적으로 저장되고, 뒤이어 상기 여과 장치 (162)에 의하여 여과됨으로써 리그닌이 제거된 후의 잔류물인 셀룰로즈 (163)로부터 용해성 자일란 및 폴리페놀을 포함하는 여과물 (164)로 분리된다. 더욱이, 방출 파이프 (169)는 상기 여과 장치 (162)에 한 쪽 말단에서 연결되어 여과물 (용해성 자일란 등)이 방출되고 수집되도록 한다. 또한, 여과 후에 얻어지는 상기 여과물 및 상기 잔류물은 상기 여과 장치 (162)에 저장될 수 있다.
이렇게 얻어진 셀룰로즈는 생분해성 플라스틱의 주성분인 원료로서 적합하다. 더욱이, 자일올리고사카라이드 (xyloligosaccharide)가 용해성 자일란을 자일라나제 (xylanase)와 반응시킴으로써 얻어질 수 있다. 폴리페놀은 식품의 성분 또는 의약품 원료로서 사용될 수 있다.
도 12에 나타낸 바와 같이, 전기한 상기 도입 포트 셔터 (112), 상기 전기 히터 (116), 상기 모터 (118), 상기 온도 센서 (108, 128 및 156), 상기 압력 센서 (109), 상기 부스터 펌프 P1 및 P2 및 상기 피드 펌프, 상기 용융염 가열 장치 (123), 상기 냉각 장치 (152) 등은 제어기 (ECU) (170)에 전기적으로 연결되어 그에 의하여 제어되어질 수 있다.
본 구체예에 있어서, 상기 원료 도입 포트 (111a)에 탑재된 도시되지 않은 피드 펌프는 상기 실린더 (114)에 옥수수속대 밀 칩 (옥수수속대를 건조하고 압착함으로써 얻어지는 약 2 내지 3 mm의 길이를 갖는 칩)을 연속적으로 공급하기 위하여 구동된다. 상기 실린더 (114)의 온도는 상기 옥수수속대 밀이 상기 실린더 (114)에 공급될 수 있도록 상기 도입 포트 셔터 (112)가 개방되어 있는 동안 상기 전기 히터 (116)에 의하여 원하는 온도 (150 내지 250 ℃)로 조정된다. 상기 모터 (118)로부터 관찰한 바와 같이, 상기 모터 (118)의 회전 샤프트는 도시되지 않은 프라임 기어를 시계방향으로, 도시되지 않은 드리븐 기어를 반시계 방향으로, 및 상기 스크류 (115)를 반시계 방향으로 회전시키기 위하여 시계방향으로 회전되어 상기 방출 포트 (114a)를 향하여 압출되는 상기 옥수수속대 밀을 가열한다. 상기 스크류 (115)의 나선 그루브의 피치는 상기 방출 포트 (114a)를 향하여 좁아지기 때문에, 상기 옥수수속대 밀은 상기 방출 포트 (114a)에 접근함에 따라 압착되고 28 내지 30 MPa의 특정 압력을 받는다. 이 때 원료로서 작용하는 상기 옥수수속대 밀에 포함된 공기는 상기 스크류의 작동에 의하여 상기 원료로부터 밀려나오고 상기 방출 포트 (114a)에 탑재된 도시되지 않은 기체 분리기를 통하여 외부로 방출된다. 상기 압착된 옥수수속대 밀은 상기 방출 포트 (114a)로부터 압출되고 상기 파이프 (165)를 통하여 상기 열수 반응기 (130)로 공급된다. 동시에, 서브 임계수는 상기 서브 임계수 공급 장치 (120)로부터 연속적으로 공급된다.
이 때 상기 열수 반응기 (130)의 내부는 상기 옥수수속대 밀이 상기 원료 처리 장치 내에서 압착되고 그로부터 압출되는 압력과 실질적으로 같은 압력으로 유지된다. 상기 스팀 처리는 공급된 옥수수속대 밀 및 서브 임계수의 열을 사용함으로써 (15 내지 25 분 동안) 수행된다. 이 구조에 의하여, 상기 열수 반응기 (130)는 상기 옥수수속대 밀이 상기 원료 처리 장치 (110)로부터 공급되는 때로부터 고온 및 고압의 반응 조건을 확보할 수 있고, 결과적으로 균일하고 연속적으로 스팀 처리를 수행할 수 있다. 상기 스팀 처리에 의하여 생산된 분해 산물은 상기 냉각수 공급 장치 (150)로부터 공급된 (2 내지 5 ℃의 온도를 갖는) 냉수와 함께 상기 냉각기 (140)에 공급되어 냉각된다. 그 후, 상기 냉각된 분해 산물은 압력을 감소시키면서 상기 저장 탱크 (161)에 임시적으로 저장된 다음, 상기 여과 장치 (162)에서 여과 처리된다.
전기한 본 발명의 상기 식물 성분 추출 장치를 사용한 상기 옥수수속대 밀의 스팀 처리에 의하여 (리그닌으로부터의 변화에 의하여 형성된) 폴리페놀 및 상기 리그노셀룰로즈의 분해에 의하여 형성된 셀룰로즈의 혼합물, 및 용해성 자일란 (용해성 헤미셀룰로즈)를 간단하고 연속적 방식으로 얻는다. 더욱이, 상기 혼합물의 여과 처리에 의하여 고체로서 셀룰로즈 (고품질 펄프)를 얻는다.
본 구체예에 있어서, 상기 온도 센서 (108) 및 압력 센서 (109)가 상기 스크류 (115)의 먼 쪽 말단 근처의 실린더 (114) 내에 설치되어 있으나, 상기 온도 센서 (108)의 설치 위치가 상기 실린더 (114)의 축 방향에 대하여, 중간 부분이라기 보다는 상기 스크류 (115)의 먼쪽 말단 측면으로 더 향하여 위치하기에 충분하다. 상기 압력 센서 (109)는 상기 실린더 (114)의 상기 스크류 (115)의 먼쪽 말단으로부터 상기 스크류 (115)의 총 길의 1/4인 공간에 설치될 수 있다.
상기 구체예에서 원료로서 옥수수속대가 사용되는 경우를 주로 설명하였으나, 동일한 내용이 상기 옥수수속대 외의 다른 식물이 원료로서 사용되는 경우에 적용된다.
여과 처리로 리그린을 분리함으로써 얻어지는 상기 셀룰로즈는 히드록실 기에 의하여 형성된 수소결합으로 인하여 결정화되고, 물과 용매 모두에 불용성으로 된다. 그러므로, 물과 용매 모두에 용해성인 가소화된 셀룰로즈 아세테이트를 얻기 위하여 상기 분자 중의 히드록실 기 부분을 아세테이트 기로 전환시키기 위하여 탈수 및 아세틸화 처리가 하기하는 바와 같이 수행된다. 상기 탈수 및 아세틸화 처리는 교반기가 구비된 압력 용기 내에서 셀룰로즈를 아세트산 무수물과 황산과 반응시켜 셀룰로즈 내의 수소결합을 야기시키는 히드록실 기 대신에 아세테이트 기로 치환하고자 하는 것으로, n이 중합도이고 m이 치환도인 하기 반응식 (1) 및 (2)에 의하여 표시된다.
반응식 (1)
{C6H7O2 (OH3)}n + 3n (CH3CO)2O → {C6H7O2 (OCOCH3)3}n + 3nCH3COOH
반응식 (2)
{C6H7O2 (OCOCH3)3}n + n (3-m)H2O → {C6H7O2 (OCOCH3)m (OH)3-m}n + n (3-m)CH3COOH
반응식 (1)은 셀룰로즈와 아세트산 무수물의 반응은 아세테이트 기로 완전히 치환된 셀룰로즈 아세테이트와 아세트산을 생성하는 것을 나타낸다. 반면, 반응식 (2)는 반응식 (1)에 따라 생성된 셀룰로즈 아세테이트와 물의 반응이 치환도 m인 셀룰로즈 아세테이트와 아세트산을 생성한다는 것을 나타낸다. 반응식 (1) 및 (2)에 따라 생성된 아세트산은 재사용될 수 있다.
예를 들면, 상기 탈수 및 아세틸화 처리는 하기 순서에 따라 수행될 수 있다. 상기 여과 처리에 의하여 얻어진 고체 (셀룰로즈)가 물로 세척되어 그로부터 알칼리가 제거된 후에, 아세트산 무수물이 첨가되어 상기 얻어진 고체에 황산과 반응하여, 아세트산이 탈수기 (dehydrator)에 의하여 최종 반응 산물로부터 제거 (수집)되고 건조된다. 상기 과정에 의하여 아세틸화도가 51 내지 61인 셀룰로즈 아세테이트를 얻는다. 첨가되는 황산의 양은 건조 셀룰로즈 100 중량부에 대하여 바람직하게는 1 내지 10 중량부, 더욱 바람직하게는 3 내지 5 중량부이다. 첨가되는 아세트산 무수물의 양은 건조 셀룰로즈 100 중량부에 대하여 바람직하게는 1 내지 20 중량부, 더욱 바람직하게는 5 내지 10 중량부이다. 더욱이, 바람직하게는 아세트산이 첨가될 수 있으며, 그 양은 건조 셀룰로즈 100 중량부에 대하여 바람직하게는 1 내지 10 중량부, 더욱 바람직하게는 3 내지 5 중량부이다.
상기 탈수 및 아세틸화 처리는 바람직하게는 5 내지 15 MPa, 더욱 바람직하게는 8 내지 10 MPa의 압력하에서 수행된다. 상기 탈수 및 아세틸화를 위한 온도는 바람직하게는 60 ℃ 내지 100 ℃, 더욱 바람직하게는 70 ℃ 내지 90 ℃이다. 상기 탈수 및 아세틸화를 위한 교반 속도는 바람직하게는 30 내지 100 rpm, 더욱 바람직하게는 40 내지 60 rpm이다. 상기 탈수 및 아세틸화의 기간은 바람직하게는 15 내지 30 시간, 더욱 바람직하게는 20 내지 24 시간이다.
셀룰로즈 아세테이트 그 자체는 생분해성 플라스틱이나, 다른 물성을 갖는 생분해성 플라스틱을 만들기 위하여 셀룰로즈 아세테이트를 기저로서 사용하고 그 안에 다양한 종류의 물질 (예를 들면, 옥수수 전분 및 폴리락틱산)을 반죽할 수도 있다.
본 발명의 제2 구체예의 상기 식물 성분 추출 장치에 따르면, 생분해성 플라스틱의 주성분인 셀룰로즈와 같은 식물 성분이 간단하고, 연속적이고 빠르게 약제나 많은 단계를 사용하지 않고서 분리되고 추출될 수 있다.
셀룰로즈 아세테이트 제조 공정
본 발명의 제3 구체예에 따른 셀룰로즈 아세테이트 제조 공정에 있어서, 먼저, 바가스, 케나프, 갈대 및 볏짚으로부터 선택되는 하나 이상이 150 내지 350 ℃ 및 15 내지 29 MPa에서 압력 용기에서 스팀 처리된다. (이 처리는 이하 "제3 구체예에 따른 상기 스팀 처리"라고 한다.)
본 발명에서 사용된 "바가스 (bagasse)"란 사탕수수를 압착하여 그로부터 즙을 추출한 후에 얻어지는 사탕수수 찌꺼기이다. 더욱이, "케나프 (kenaf)"는 당아욱과 (hibiscus)의 일년생 식물이고 작물체로서 경작되어진다. "갈대 (reeds)"란 그라미네아 (Gramineae) 과의 다년생 식물이고, 물가의 땅 (waterfront)에서 주로 자란다. "볏짚 (rice straw)"이란 이삭이 제거된 수확되어 건조된 벼 줄기를 의미한다.
제3 구체예에 따른 상기 스팀 처리를 이하 설명한다.
제3 구체예에 따른 상기 스팀 처리는 건조하고 압착함으로써 얻어지는 분말화된 바가스 등에 물을 첨가하고, 서브 임계 상태 (초임계 직전 상태)를 위한 조건을 정의하는, 150 내지 350 ℃ 및 15 내지 29 MPa에서 압력 용기에서 상기 혼합물을 스팀 처리하는 공정이다. 제3 구체예에 따른 상기 스팀 처리는 지금까지 많은 단계를 필요로 하던, 리그노셀룰로즈로부터 리그닌을 분리할 수 있도록 한다.
제3 구체예에 따른 상기 스팀 처리는 150 내지 350 ℃의 온도 및 15 내지 29 MPa의 압력, 바람직하게는 150 내지 250 ℃의 온도 및 15 내지 25 MPa의 압력, 더욱 바람직하게는 180 내지 200 ℃의 온도 및 25 내지 28 MPa의 압력을 필요로 한다.
첨가된 물의 양은 바가스 등의 100 중량부에 대하여, 바람직하게는 10 내지 1,000 중량부, 더욱 바람직하게는 50 내지 100 중량부이다.
상기 스팀 처리는 바람직하게는 10 내지 30 분, 더욱 바람직하게는 15 내지 20 분 동안 수행된다.
더욱이, 제3 구체예에 따른 상기 스팀 처리에 있어서, 아황산 화합물이 물과 함께, 상기 바가스 등에 첨가될 수 있다. 상기 바가스 등에 아황산 화합물을 첨가함으로써 상기 스팀 처리를 위한 시간이 단축될 수 있다. 상기 아황산 화합물의 예에는 소듐 또는 칼슘 설파이트가 포함된다.
첨가되는 상기 아황산 화합물의 양은 바가스 등의 100 중량부에 대하여, 바람직하게는 1 내지 10 중량부, 더욱 바람직하게는 2 내지 5 중량부이다.
제3 구체예에 따른 상기 스팀 처리는 특히 바람직하게는 도 13에 나타낸 바와 같은 압력-밀봉된 실린더를 갖는 압출기에 의하여 수행되는 것이다. 도 13은 상기 제3 구체예에 따른 상기 스팀 처리를 수행하기 위한 압력 용기의 일 예인 압력-밀봉된 실린더를 갖는 압출기의 부분 단면도이다. 이하 바가스가 원료로서 사용되는 경우를 설명한다. 상기 압출기는, 그 기저에 재료 도입 포트 (202)를 갖는 실린더 (201); 상기 재료 도입 포트 (202)를 통하여 도입된 바가스 및 물 (이하 간단하게 "재료 (materials)"라고도 한다)을 반죽 (스팀 처리)하고 그의 먼쪽 말단을 향하여 압축하기 위한 나선 플라이트 (204)를 갖는 스크류 (203); 상기 실린더 (201)를 가열하기 위한 히터 (205); 상기 스크류 (203)를 회전시키기 위하여 전원 (도시되지 않음)에 연결된 모터 (207)를 포함하는 구동 수단 (206) 및 프라임 기어 (209) 및 드리븐 기어 (210)를 갖는 감속 기어 (208); 스팀 처리되고 압출된 산물을 방출하기 위한 방출 포트 (211); 상기 실린더 (201) 및 상기 히터 (205)를 덮는 단열재료 (212) 등으로 구성된다. 펌프 (도시되지 않음)는 상기 재료 도입 포트 (202)를 통하여 상기 실린더 (201) 내에 상기 재료를 도입하기 위한 상기 재료 도입 포트 (202)와 연결되어 있다. 상기 스크류 (203)의 상기 나선 플라이트 (204)의 피치는 상기 나선 플라이트 (204)가 상기 방출 포트 (211)에 접근함에 따라 짧아진다. 더욱이, 상기 실린더 (201)는 상기 스크류 (203)의 먼쪽 말단 근처에 설치된 온도 센서 (213) 및 압력 센서 (214)를 갖는다.
상기 스팀 처리는 하기 순서에 따라서, 도 13에 나타낸 상기 압출기에 의하여 수행된다. 상기 재료는 도시되지 않은 펌프에 의하여 재료 도입 포트 (202)를 통하여 상기 실린더 (201) 내로 도입되고, 상기 실린더 (201)의 내부 온도는 상기 히터 (205)에 의하여 표적 온도로 조절된다. 상기 모터 (207)로부터 관찰된 바와 같이, 상기 모터 (207)의 샤프트는 상기 프라임 기어 (209)를 시계 방향으로, 상기 드리븐 기어 (210)를 반시계 방향으로, 및 상기 스크류 (203)를 반시계 방향으로 회전하기 위하여 시계 방향으로 회전되어, 상기 바가스를 상기 방출 포트 (211)를 향하여 압출하면서 상기 바가스를 끓인다. 상기 스크류 (203)의 상기 나선 플라이트 (204)의 피치는 상기 방출 포트 (211)를 향하여 짧아지기 때문에, 상기 바가스는 상기 방출 포트 (211)에 접근함에 따라 압착되고 특정한 압력을 받는다. 상기 스팀 처리가 완료된 상기 바가스는 상기 방출 포트 (211)를 통하여 압출되어 진다. 도시되지 않은 열수 공급 장치에 의하여 생산된 열수는 상기 재료 도입 포트 (202)를 통하여 공급된 물로서 사용될 수 있다.
본 구체예에 있어서, 상기 온도 센서 (213) 및 압력 센서 (214)가 상기 스크류 (203)의 먼 쪽 말단 근처의 상기 실린더 (201) 내에 설치되어 있으나, 상기 온도 센서 (213)의 설치 위치는 상기 실린더 (201)의 축 방향에 대하여, 중간 부분이라기 보다는 상기 스크류 (203)의 먼쪽 말단 측면을 더 향하여 있기에 충분하다. 상기 압력 센서 (214)는 상기 실린더 (201)의 상기 스크류 (203)의 먼쪽 말단으로부터 상기 스크류 (203)의 총 길의 1/4인 공간에 설치될 수 있다.
제3 구체예에 따른 상기 스팀 처리가 도 13에 나타낸 상기 압출기에 의하여 수행되는 경우, 상기 온도 센서 (213) 및 상기 압력 센서 (214)에 의하여 결정된 온도와 압력이 각각 150 내지 350 ℃ 및 15 내지 29 MPa의 범위 내에 들게 할 필요가 있다.
더욱이, 도 13에 나타낸 상기 압출기의 2 이상의 단위가 스팀 처리를 위하여 직렬로 연결되는 있는 공정, 즉 제1 압출기에서 스팀 처리되고 그의 방출 포트 (211)를 통하여 압출된 바가스 등과 물의 혼합물이 추가의 스팀 처리를 위하여 제2 압출기의 상기 재료 도입 포트 (202) 내로 직접적으로 도입되는 공정을 채용하기에도 또한 적합하다. 바가스 등이 사용되는 본 발명에 있어서, 상기 스팀 처리는 2 단위의 압출기가 직렬로 연결되어 있는 경우 적합하게 수행될 수 있다.
도 13에 나타낸 압출기의 2 단위 이상이 제3 구체예에 따른 상기 스팀 처리를 위하여 직렬로 연결되어 있는 경우, 상기 압출기 내의 스팀 처리 조건은 마지막 연결된 압출기에 대한 스팀 처리 조건이 150 내지 350 ℃의 온도 및 15 내지 29 MPa의 압력의 조건을 만족시키는 한 서로 같거나 다를 수 있다. 상기 스팀 처리 조건이 압출기 사이에 서로 다를 경우, 상기 온도와 압력이 제1 압출기로부터 마지막 연결된 압출기에 까지 상승하는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같은 바가스 등의 상기 스팀 처리에 의하여 리그노셀룰로즈의 분해 반응에 의하여 형성된 (리그닌으로부터 변화에 의하여 형성된) 폴리페놀 및 셀룰로즈의 혼합물, 및 용해성 헤미셀룰로즈 (이하 "용해성 자일란"이라 한다)가 얻어진다. 셀룰로즈 (고품질 펄프)는 상기 혼합물의 여과 (여과 처리)에 의하여 고체로서 얻어질 수 있다.
여과 처리로 리그린을 분리함으로써 얻어지는 상기 셀룰로즈는 히드록실 기에 의하여 형성된 수소결합으로 인하여 결정화되고, 물과 용매 모두에 불용성으로 된다. 그러므로, 물과 용매 모두에 용해성인 가소화된 셀룰로즈 아세테이트를 얻기 위하여 상기 분자 중의 히드록실 기 부분을 아세테이트 기로 전환시키기 위하여 탈수 및 아세틸화 처리가 하기하는 바와 같이 수행된다. 상기 탈수 및 아세틸화 처리는 교반기가 구비된 압력 용기 내에서 셀룰로즈를 아세트산 무수물과 황산과 반응시켜 셀룰로즈 내의 수소결합을 야기시키는 히드록실 기 대신에 아세테이트 기로 치환하고자 하는 것으로, n이 중합도이고 m이 치환도인 하기 반응식 (1) 및 (2)에 의하여 표시된다.
반응식 (1)
{C6H7O2 (OH3)}n + 3n (CH3CO)2O → {C6H7O2 (OCOCH3)3}n + 3nCH3COOH
반응식 (2)
{C6H7O2 (OCOCH3)3}n + n (3-m)H2O → {C6H7O2 (OCOCH3)m (OH)3-m}n + n (3-m)CH3COOH
반응식 (1)은 셀룰로즈와 아세트산 무수물의 반응은 아세테이트 기로 완전히 치환된 셀룰로즈 아세테이트와 아세트산을 생성하는 것을 나타낸다. 반면, 반응식 (2)는 반응식 (1)에 따라 생성된 셀룰로즈 아세테이트와 물의 반응이 치환도 m인 셀룰로즈 아세테이트와 아세트산을 생성한다는 것을 나타낸다. 반응식 (1) 및 (2)에 따라 생성된 아세트산은 재사용될 수 있다.
상기 탈수 및 아세틸화 처리는 하기 순서에 따라 수행될 수 있다.
상기 여과 처리에 의하여 얻어진 고체 (셀룰로즈)가 물로 세척되어 그로부터 알칼리가 제거된 후에, 아세트산 무수물이 첨가되어 상기 얻어진 고체에 황산과 반응하여, 아세트산이 탈수기 (dehydrator)에 의하여 최종 반응 산물로부터 제거 (수집)되고 건조된다. 상기 과정에 의하여 아세틸화도가 51 내지 61인 셀룰로즈 아세테이트를 얻는다.
첨가되는 황산의 양은 건조 셀룰로즈 100 중량부에 대하여 바람직하게는 1 내지 10 중량부, 더욱 바람직하게는 3 내지 5 중량부이다. 첨가되는 아세트산 무수물의 양은 건조 셀룰로즈 100 중량부에 대하여 바람직하게는 1 내지 20 중량부, 더욱 바람직하게는 5 내지 10 중량부이다.
더욱이, 바람직하게는 아세트산이 첨가될 수 있으며, 그 양은 건조 셀룰로즈 100 중량부에 대하여 바람직하게는 1 내지 10 중량부, 더욱 바람직하게는 3 내지 5 중량부이다.
상기 탈수 및 아세틸화 처리는 바람직하게는 5 내지 15 MPa, 더욱 바람직하게는 8 내지 10 MPa의 압력하에서 수행된다. 상기 탈수 및 아세틸화를 위한 온도는 바람직하게는 60 ℃ 내지 100 ℃, 더욱 바람직하게는 70 ℃ 내지 90 ℃이다. 상기 탈수 및 아세틸화를 위한 교반 속도는 바람직하게는 30 내지 100 rpm, 더욱 바람직하게는 40 내지 60 rpm이다. 상기 탈수 및 아세틸화의 기간은 바람직하게는 15 내지 30 시간, 더욱 바람직하게는 20 내지 24 시간이다.
셀룰로즈 아세테이트 그 자체는 생분해성 플라스틱이나, 다른 물성을 갖는 생분해성 플라스틱을 만들기 위하여 셀룰로즈 아세테이트를 기저로서 사용하고 그 안에 다양한 종류의 물질 (예를 들면, 옥수수 전분 및 폴리락틱산)을 반죽할 수도 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 제2 구체예에 따른 상기 식물 성분 추출 장치는 제3 구체예에 따른 셀룰로즈 아세테이트를 제조하기 위한 공정에 적합하게 사용될 수 있다.
본 발명의 제3 구체예의 셀룰로즈 아세테이트 제조 방법에 따르면, 저비용으로 생분해성 플라스틱을 생산하는데 유용한 셀룰로즈 아세테이트는 원료로서 바가스, 케나프, 갈대 또는 볏짚을 사용함으로써 제조될 수 있다.
실시예
본 발명의 제3 구체예를 이하 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명하나, 본 발명이 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
바가스의 스팀 처리는 도 13에 나타낸 바와 같은 압력-밀봉된 압출기 2 개가 직렬로 연결된 단위에 의하여 수행되었다. 상기 2개의 직렬로 연결된 압출기는 제2 압출기의 재료 도입 포트 (202)가 연결되어 있는 방출 포트 (211)를 갖는 제1 압출기를 포함하고 있어서, 상기 제1 압출기에서 스팀 처리된 반죽된 혼합물은 상기 재료 도입 포트 (202)를 통하여 직접적으로 상기 제2 압출기의 상기 실린더 (201) 내로 도입될 수 있었다.
약 5 mm의 사각형이고 바가스를 압착함으로써 형성된 바가스 칩 100 중량부에 칼슘 설파이트 5 중량부와 물 50 중량부를 첨가하였다. 상기 혼합물을 도 13에 나타낸 바와 같은 상기 압력-밀봉된 압출기의 상기 재료 도입 포트 (202)를 통하여 상기 실린더 (201) 내로 도입시켰다. 다음으로, 상기 제1 압출기의 상기 온도 및 압력은 표 1에 나타낸 값으로 설정하였고, 상기 모터를 구동하여 상기 스크류 (203)를 구동하였고, 5 분 동안의 반죽 (스팀 처리) 후에, 반죽된 산물을 상기 방출 포트 (211)를 통하여 압출하였다. 상기 방출 포트 (211)를 통하여 압출된 상기 반죽된 산물은 재료 도입 포트 (202)를 통하여 상기 제2 압출기의 상기 실린더 (201)로 직접적으로 도입시키고, 반죽 (스팀 처리)를 수행하였다. 각 압출기에 대한 조건 설명 및 반죽 (스팀 처리) 시간은 표 1에 나타낸 바와 같다. 표 1에 나타낸 온도와 압력은 각각 상기 온도 센서 (213) 및 상기 압력 센서 (214)에 의하여 결정된 바와 같은 값이다. 더욱이, 각 압출기는 도시되지 않은 열수 공급 장치에 의하여 생성되고 200 ℃의 온도와 15 MPa의 압력을 갖는 열수가 20 l/min의 유속으로 상기 압출기에 공급되도록 되어 있다.
표 1.
제1 압출기 제2 압출기
온도 (℃) 180 195
압력 (MPa) 7 15
처리시간 (분) 7 8
상기 2개의 직렬로 연결된 압출기에 의하여 스팀 처리된 상기 바가스는 도시되지 않은 냉각 장치에 의하여 냉각되고 여과 장치에 의하여 여과되었다. 얻어지는 고체 (셀룰로즈)를 교반기가 구비된 압력 용기에 도입하고, 상기 고체 100 중량부에 대하여 5 중량부의 아세트산, 10 중량부의 아세트산 무수물 및 5 중량부의 황산을 상기 압력 용기에 더 도입시키고, 상기 혼합물을 10 MPa의 압력 및 60 rpm의 교반 속도로 24 시간 동안 반응시켜 셀룰로즈 아세테이트를 생성시켰다. 상기 여과에 의하여 얻어지는 상기 고체를 도시되지 않은 냉수 공급 장치에 의하여 생성되고 40 l/min의 유속으로 상기 냉각 장치에 공급된, 15 MPa의 압력과 0 ℃의 온도를 갖는 물로 세척하였다. 얻어진 셀룰로즈 아세테이트의 물리적 특성은 표 2에 나타낸 바와 같다.
표 2.
원료 바가스
외관 흰 편상 분말
비중 1.32 (25℃), 1.35 (4℃)
가비중 (kg/l) 0.25-0.5
유리전이온도 (℃) 160-180
녹는점 (℃) 230-300
본 발명에 따른 바가스의 상기 스팀 처리는 지금까지 많은 단계를 필요로 하였던 리그노셀룰로즈로부터 리그닌의 제거를 단일 단계로 수행하고, 리그노셀룰로즈를 아세트산에 담그는 것과 같은, 리그닌의 제거 후에 어떠한 전처리도 수행하지 않고서 셀룰로즈를 아세틸화할 수 있도록 하여, 지금까지 필요로 하던 단계를 현저히 줄이면서 셀룰로즈 아세테이트를 얻을 수 있도록 하였다.
실시예 2 내지 4
상기 바가스 칩이 5 mm 사각 칩으로 압착된 케나프, 갈대 및 볏짚으로 대체된 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 셀룰로즈 아세테이트를 얻었다. 얻어진 셀룰로즈 아세테이트의 물리적 특성은 아래 표 3에 나타낸 바와 같다. 아세틸화도는 51 내지 62 %이었고, 4 번 측정하였다.
표 3.
실시예2 실시예3 실시예4
원료 케나프 갈대 볏짚
외관 흰 분말 흰 (연노랑) 분말 흰 분말
비중 1.32 (25℃)1.35 (4℃) 1.33 (25℃)1.36 (4℃) 1.32 (25℃)1.36 (4℃)
가비중 (kg/l) 0.25-0.5 0.25-0.48 0.25-0.5
유리전이온도 (℃) 165-180 160-180 160-180
녹는점 (℃) 230-285 225-290 230-300
본 발명의 셀룰로즈 아세테이트 제조 방법에 따르면, 옥수수속대, 바가스, 케나프, 갈대 또는 볏짚을 원료로서 사용함으로써 생분해성 플라스틱을 생산하는데 유용한 셀룰로즈 아세테이트를 간단하고 저비용으로 제조할 수 있다.
본 발명의 식물 성분 추출 장치에 따르면, 생분해성 플라스틱의 주성분인 셀룰로즈와 같은 식물 성분을 간단하고, 연속적이고 빠르게 약제나 많은 단계를 사용하지 않고서 분리하고 추출할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 구체예에 따른 스침 처리를 수행하기 위한 압력 용기의 예로서 압력-밀봉된 실린더를 갖는 압출기의 부분 단면도이다.
도 2는 금속 주형이 개방되어 있는 상태를 보여주는, 직접 압력 성형 방법의 예를 설명하기 위한 모식도이다.
도 3은 금속 주형이 함께 체결되어 있는 상태를 보여주는, 직접 압력 성형 방법의 예를 설명하기 위한 모식도이다.
도 4는 본 발명의 제2 구체예에 따른 장치의 모식적 구조 도면이다.
도 5는 원료 처리 장치의 일 예의 확대된 모식적 단면도이다.
도 6은 서브 임계수 공급장치의 예시적인 구조를 설명하기 위한 모식도이다.
도 7은 열수 반응기의 예시적인 구조의 모식적 단면도이다.
도 8은 상기 열수 반응기 및 냉각기 내의 스테이터 (이동 베인)의 예시적인 구조를 나타내는 사시도이다.
도 9는 냉각기의 예시적인 구조를 보여주는 모식적 단면도이다.
도 10은 냉각수 공급 장치의 예시적인 구조를 설명하기 위한 모식도이다.
도 11은 여과 및 저장 장치의 예시적인 구조를 설명하기 위한 모식도이다.
도 12는 본 발명의 제2 구체예에 따른 제어기 (controller)의 블록도이다.
도 13은 본 발명의 제3의 구체예에 따른 스팀 처리를 수행하기 위한 압력 용기의 예로서 압력-밀봉된 실린더를 갖는 압출기의 부분 단면도이다.

Claims (7)

  1. 식물 원료를 제공하기 위한 원료 공급부와 상기 공급된 식물 원료를 150 내지 350 ℃ 및 5 내지 30 MPa로 가열하고 압력을 가하기 위한 원료 가압부를 각각 포함하는 원료 처리수단;
    가압기 및 히터를 포함하고, 28 내지 30 MPa의 압력으로 가압된 300 내지 350 ℃의 온도를 갖는 서브 임계수를 공급하는 열수 공급수단; 및
    상기 가열되고 가압된 식물 원료를 상기 열수 공급 수단으로부터 공급된 상기 서브 임계수와 혼합함으로써 스팀 처리를 수행하기 위한 열수 반응 수단을 포함하는 식물 성분 추출 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 열수 반응 수단은 상기 식물 원료가 통과하는 중공체, 및 상기 중공체 내에 제공되고 서로 이웃하게 배치되어 상기 식물 원료가 회전 축인 상기 중공체를 통과하는 방향과 역방향으로 교대로 회전하는 복수의 이동 베인 (vane)에 의하여 형성되어 있는 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 원료 가압부는 상기 원료 공급부가 제공되는 중공 기저체, 상기 중공 기저체 내에 배치되고 나선 그루브를 갖는 막대형상 회전체, 상기 기저체의 내부를 가열하기 위한 히터를 포함하고, 상기 나선 그루브의 폭은 상기 원료 공급부가 제공되는 한쪽 말단으로부터 다른 말단을 향하여 좁아지고,
    상기 원료 가압부는 상기 공급된 식물 원료를 막대형상 회전체를 회전시킴으로써 압축하여 상기 원료를 가열 및 가압하면서 상기 원료를 한쪽 말단으로부터 다른 말단으로 운반하는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 산물을 공급된 냉수와 혼합함으로써 스팀 처리로 생성된 산물을 냉각하기 위한 냉각 수단을 더 포함하는 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 스팀 처리로 생성된 상기 산물을 여과하기 위한 여과장치를 더 포함하는 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 식물 원료는 옥수수속대, 식물 씨앗, 바가스, 케나프, 갈대 및 볏짚으로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상인 장치.
  7. 바가스, 케나프, 갈대 및 볏짚으로부터 선택되는 물질을 150 내지 350 ℃의 온도 및 15 내지 29 MPa의 압력으로 압력 용기에서 스팀 처리하는 단계;
    상기 스팀 처리된 물질을 여과 장치로 여과하여 고체를 얻는 단계; 및
    아세트산 무수물 및 황산을 상기 고체에 첨가함으로써 탈수 및 아세틸화하는 단계를 포함하는 셀룰로즈 아세테이트를 제조하는 방법.
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