KR20060051442A

KR20060051442A - 연료 제조 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20060051442A
Application number: KR1020050087477A
Authority: KR
Inventors: 치-청 초우
Original assignee: 선호 바이오디젤 코포레이션
Priority date: 2004-09-20
Filing date: 2005-09-20
Publication date: 2006-05-19
Also published as: ATE448293T1; AU2010200863A1; CA2493628A1; ES2324534T3; TW200610814A; US20090075350A1; TWI360574B; EP2067852A2; ZA200504258B; CA2493628C; RU2005109764A; EP1637610B1; NZ555899A; NO20050333L; TW200626717A; BRPI0500630A; US7473539B2; US7666666B2; EP1637610A1; AU2005200356A1

Abstract

제1 반응기 및 반송 기구를 포함하는 장치. 제1 반응기는 제1 반응물, 제2 반응물, 반응 생성물, 및 상기 제1 반응물과 상기 제2 반응물 중 적어도 일부를 용해하는 불활성 용매를 포함하는 혼합물을 받아들이는 입구, 보다 많은 반응 생성물을 생성하도록 상기 제1 반응물과 상기 제2 반응물간의 반응을 촉진시키는 효소, 및 상기 입구에서 수용된 반응 생성물 및 상기 제1 반응물과 상기 제2 반응물간의 반응으로부터 생성된 반응 생성물을 포함하는 상기 반응 생성물을 배출시키는 출구를 구비한다. 상기 반송 기구는 상기 반응 생성물 중 적어도 일부를 상기 출구로부터 상기 입구로 반송시킨다.

바이오디젤 연료, 알킬에스테르, 효소, 불활성 용매, 반송 기구, 글리세롤

Description

연료 제조 방법 및 장치 {FUEL PRODUCTION}

도 1은 연료 제조 시스템을 도시한 블록 다이어그램.

도 2A 내지 도 2D는 각각 다른 형태의 연료 제조 플랜트를 도시한 블록 다이어그램(block diagram)으로서, 도 2A는 조 바이오디젤의 피드백을 이용한 1단계 플랜트이고, 도 2B는 제1 단계로부터 얻은 조 바이오디젤의 피드백을 이용한 2단계 플랜트이고, 도 2C는 1단계 플랜트이며, 도 2D는 2단계 플랜트임.

도 3은 조 바이오디젤의 피드백을 이용한 1단계 플랜트를 도시한 블록 다이어그램.

도 4는 조 바이오디젤의 피드백을 이용한 1단계 플랜트를 도시한 개략적 다이어그램으로서, 도 4A 내지 도 4C는 도 4의 부분을 확대한 도면.

도 5는 조 바이오디젤의 피드백을 이용한 1단계 플랜트를 도시한 개략적 다이어그램으로서, 도 5A 내지 도 5D는 도 5의 부분을 확대한 도면.

도 6은 조 바이오디젤의 피드백을 이용한 2단계 플랜트를 도시한 개략적 다이어그램으로서, 도 6A 내지 도 6C는 도 6의 부분을 확대한 도면.

도 7은 연료 제조 시스템을 도시한 블록 다이어그램.

도 8은 전기 생성기에 커플링된 연료 제조 시스템을 도시한 블록 다이어그램.

도 9는 연료 제조 시스템을 갖는 비히클(vehicle)을 도시한 블록 다이어그램.

도 10은 연료 처리 유닛에 커플링된 연료 제조 시스템을 도시한 블록 다이어그램.

본 발명은 식물성 오일 및 동물성 지방으로부터 바이오디젤 연료의 제조를 포함하는 연료 제조 방법에 관한 것이다.

본 출원은 출원인 Chih-Chung Chou가 2004년 9월 20일자로 "알킬에스테르의 제조 방법"이라는 발명의 명칭으로 출원한 미국 특허출원 제10/945,339호의 부분 계속출원이며, 상기 출원은 참고로서 본원에 포함된다.

식물성 오일과 동물성 지방의 알코올분해의 오일 소스는, 디젤 연료로서 사용할 수 있고, 본원에서는 일반적으로 "바이오디젤(bio-diesel)" 연료라 칭하는 지방산 알킬에스테르를 제조하는 데 이용할 수 있다. 제조 방법의 일례에서는, 알코올분해를 촉진하기 위해 알칼리 수산화물 및 알코올 화합물과 같은 비효소 촉매가 사용된다. 알코올분해의 부산물은 글리세롤이다. 비효소 촉매는 글리세롤로 제거되며 재사용할 수 없다. 글리세롤은 다량의 촉매를 함유하기 때문에 글리세롤의 정제는 어려워진다. 또 다른 제조 방법의 예에서는, 알코올분해 반응에서 천연 오일로부터 알킬에스테르의 제조를 촉진하기 위해 리파아제와 같은 효소 촉매가 사용 된다. 트리글리세라이드 및 알코올을 가진 오일 소스는 유기 용매 중에 용해된다. 촉매로서 리파아제의 사용으로, 트리글리세라이드와 알코올이 반응하여 알킬에스테르를 생성하고 부산물로서 글리세롤이 생성된다.

일반적 측면에서, 바이오디젤 연료 제조를 위한 효소방식의 에스테르교환(transesterification) 방법은, 폐기물이 적고 부반응이 감소되면서 비용 효율적인 방식으로 알킬에테르(일부 예에서는 부산물 글리세롤 포함)과 같은 고순도 연료를 제공한다. 효소방식의 에스테르교환 반응을 위한 처리 플랜트는 소요 자본 투자가 감축되는 간단한 구성을 이용하여 이루어질 수 있다.

일 태양에 있어서 본 발명은, 제1 반응물, 제2 반응물, 반응 생성물, 및 상기 제1 반응물과 상기 제2 반응물 중 적어도 일부를 용해하는 불활성 용매를 포함하는 혼합물을 받아들이는 입구, 보다 많은 반응 생성물을 생성하도록 상기 제1 반응물과 상기 제2 반응물간의 반응을 촉진시키는 효소, 및 상기 입구에 유입되는 반응 생성물 및 상기 제1 반응물과 상기 제2 반응물간의 반응으로부터 생성된 반응 생성물을 포함하는 반응 생성물을 배출시키는 출구를 구비한 제1 반응기를 포함하는 장치를 제공한다.

일반적으로, 일 태양에 있어서 본 발명은, 제1 반응물, 제2 반응물, 반응 생성물, 및 상기 제1 반응물과 상기 제2 반응물 중 적어도 일부를 용해하는 불활성 용매를 포함하는 혼합물을 받아들이는 입구, 보다 많은 반응 생성물을 생성하도록 상기 제1 반응물과 상기 제2 반응물간의 반응을 촉진시키는 효소, 및 상기 입구에 유입되는 반응 생성물 및 상기 제1 반응물과 상기 제2 반응물간의 반응으로부터 생성된 반응 생성물을 포함하는 반응 생성물을 배출시키는 출구를 구비한 제1 반응기를 포함하는 장치를 특징으로 한다. 상기 장치는 상기 반응 생성물 중 적어도 일부를 상기 출구로부터 상기 입구로 반송시키는 반송 기구(return mechanism)를 포함한다.

본 발명의 구현예는 하기 특징들 중 하나 이상이 포함될 수 있다.

상기 반응 생성물은 알킬에스테르를 포함한다. 상기 반송 기구는 알킬에스테르 중 적어도 일부를 입구로 반송한다. 상기 혼합물은 상기 제1 반응물, 상기 제2 반응물, 및 상기 반응 생성물 중 적어도 일부를 용해하는 용매를 포함한다. 상기 출구는 적어도 상기 알킬에스테르, 상기 용매, 및 미반응의 제1 반응물을 배출시킨다.

상기 장치는 또한 상기 용매를 증발시켜 알킬에스테르 및 미반응의 제1 반응물을 포함하는 혼합물을 생성하기 위한 증발기를 포함한다. 상기 출구는 또한 글리세롤을 배출시킨다. 상기 장치는 또한 상기 용매를 증발시켜 알킬에스테르, 글리세롤 및 미반응의 제1 반응물을 포함하는 혼합물을 생성하기 위한 증발기를 포함한다. 상기 장치는 또한 액-액 상분리에 기초하여 글리세롤로부터 알킬에스테르를 분리하기 위한 상분리기(phase separator)를 포함한다.

상기 제1 반응물은 트리글리세라이드를 포함한다. 상기 제1 반응물은 카르복시산을 포함한다. 상기 제2 반응물은 1차 알코올과 2차 알코올 중 하나 이상을 포함한다. 상기 제1 반응물은 식물성 오일과 동물성 지방 중 하나 이상을 포함한다. 상기 반응 생성물은 연료용으로 적합한 조성을 가진다. 상기 반응 생성물은 디젤 엔진용 연료로 사용하기에 적합한 조성을 가진다. 상기 반응 생성물은 내연 디젤엔진 및 가스터빈 디젤엔진 중 적어도 하나의 연료로서 사용하기에 적합한 조성을 가진다.

상기 장치는 또한, 상기 제1 반응물을 받아들이는 제1 입구, 상기 제2 반응물을 받아들이는 제2 입구, 상기 반응기의 출구로부터 상기 반응 생성물의 일부을 받아들이는 제3 입구, 상기 불활성 용매을 받아들이는 제4 입구, 및 상기 제1 반응물, 상기 제2 반응물, 상기 불활성 용매 및 상기 반응 생성물을 포함하는 혼합물을 배출시키는 출구를 구비한 혼합기(mixer)를 포함한다. 상기 출구는 또한 다른 성분을 배출시키며, 상기 반송 기구는 또한 상기 다른 성분 중 적어도 일부를 상기 입구로 반송한다. 상기 효소는 보다 많은 반응 생성물을 생성시키도록 상기 다른 성분과 상기 제2 반응물간의 반응을 촉진시킨다. 상기 다른 성분은 모노글리세라이드, 디글리세라이드, 트리글리세라이드 및 카르복시산 중 적어도 하나를 포함한다.

상기 장치는 또한, 부가적 제2 반응물 및 상기 제1 반응기의 출구로부터의 반응 생성물을 포함하는 혼합물을 받아들이는 입구, 보다 많은 반응 생성물을 생성시키도록 상기 제2 반응물과 상기 다른 성분간의 반응을 촉진시키는 효소, 및 상기 제2 반응기의 입구에서 수용된 반응 생성물 및 상기 제2 반응물과 상기 다른 성분간의 반응으로부터 생성된 반응 생성물을 포함하는 상기 반응 생성물을 배출시키기 위한 출구를 구비한 제2 반응기를 포함한다.

상기 장치는 또한, 상기 불활성 용매 및 미반응의 제1 반응물과 미반응의 제2 반응물 중 적어도 하나를 증발시키기 위한 증발기를 포함한다. 상기 장치는 또한 잔류하는 미반응 반응물로부터 반응 생성물을 분리하기 위한 짧은 경로(short-path) 증발기를 포함한다. 상기 반응 생성물은 알킬에스테르를 포함한다. 상기 반응 생성물은 99% 이상의 알킬에스테르를 포함한다. 상기 장치는 또한, 상기 알킬에스테르 중 적어도 일부를 상기 제2 반응기의 출구로부터 상기 제1 반응기의 입구로 반송하기 위한 반송 기구를 포함한다. 상기 제1 반응물은 트리글리세라이드 또는 카르복시산을 포함하고, 상기 제2 반응물은 1차 알코올 또는 2차 알코올을 포함한다.

일반적으로, 또 다른 태양에 있어서 본 발명은 반응물을 포함하는 혼합물을 받아들이는 입구, 상기 반응물들간의 반응을 촉진시키는 효소, 및 상기 반응의 생성물 중 적어도 일부를 상기 입구로 반송시키는 피드백 기구를 포함하는 장치를 특징으로 한다.

상기 반응의 생성물은 알킬에스테르를 포함하고, 상기 피드백 기구는 상기 알킬에스테르 중 적어도 일부를 상기 입구로 반송한다. 상기 반응물은 (1) 트리글리세라이드 및 카르복시산 중 적어도 하나, 및 (2) 1차 알코올 및 2차 알코올 중 적어도 하나를 포함한다. 상기 효소는 리파아제를 포함한다.

일반적으로, 또 다른 태양에 있어서 본 발명은, 제1 서브시스템 및 제2 서브 시스템을 포함하는 알킬에스테르를 생성하기 위한 시스템을 특징으로 한다. 상기 제1 서브시스템은, 제1 반응물, 제2 반응물, 및 상기 제1 반응물과 제2 반응물을 용해하는 불활성 용매를 포함하는 제1 혼합물을 받아들이는 제1 입구, 반응 생성물을 생성하도록 상기 제1 반응물과 상기 제2 반응물간의 반응을 촉진시키는 제1 효소, 상기 반응 생성물, 상기 불활성 용매 및 다른 성분을 배출시키는 제1 출구를 구비한 제1 반응기를 포함한다. 상기 제2 서브시스템은, 상기 제1 출구로부터 부가적 제2 반응물, 불활성 용매, 상기 반응 생성물 중 적어도 일부, 및 다른 성분을 포함하는 제2 혼합물을 받아들이는 제2 입구, 보다 많은 반응 생성물을 생성하도록 상기 제2 반응물과 상기 다른 성분간의 반응을 촉진시키는 제2 효소, 및 상기 제2 입구의 입구에서 수용된 상기 반응 생성물 및 상기 제2 반응물과 상기 다른 성분간의 반응으로부터 생성된 상기 반응 생성물을 포함하는 반응 생성물을 배출시키는 제2 출구를 구비한 제2 반응기를 포함한다.

상기 반응 생성물은 알킬에스테르를 포함한다. 상기 시스템은 또한 상기 알킬에스테르 중 적어도 일부를 상기 제1 출구로부터 상기 제1 입구로 반송하는 반송 기구를 포함한다. 상기 시스템은 또한 상기 알킬에스테르 중 적어도 일부를 상기 제2 출구로부터 상기 제1 입구로 반송하는 반송 기구를 포함한다. 상기 제2 반응기의 출구에서의 상기 반응 생성물 중 알킬에스테르의 퍼센트는 상기 제1 반응기의 출구에서의 상기 반응 생성물 중 알킬에스테르의 퍼센트보다 높다.

상기 제2 서브시스템은, 상기 제2 출구로부터 배출된 제1 용액으로부터 알킬 에스테르를 제외한 성분 중 적어도 일부를 제거하여 90중량% 이상의 알킬에스테르를 함유하는 제2 용액을 얻기 위한 분리기를 포함한다. 상기 분리기는 증발기를 포함한다. 상기 분리기는 액-액 분리기를 포함한다.

상기 제1 서브시스템은, 상기 제1 출구로부터 배출된 제1 용액으로부터 알킬에스테르를 제외한 성분 중 적어도 일부를 제거하여 상기 제1 용액보다 높은 농도의 알킬에스테르를 함유하는 제2 용액을 얻기 위한 분리기를 포함한다. 상기 분리기는 증발기를 포함한다. 상기 분리기는 액-액 분리기를 포함한다.

일부 실시예에서, 제1 반응물은 트리글리세라이드를 포함한다. 다른 실시예에서, 상기 제1 반응물은 카르복시산을 포함한다. 상기 제2 반응물은 1차 알코올 및 2차 알코올 중 적어도 하나를 포함한다. 상기 제1 서브시스템은, 상기 제1 반응물을 받아들이는 제1 입구, 상기 제2 반응물을 받아즐이는 제2 입구, 상기 불활성 용매를 받아들이는 제3 입구, 상기 제1 반응물, 상기 제2 반응물 및 상기 불활성 용매를 혼합하는 구조체, 및 상기 제1 반응물, 상기 제2 반응물 및 상기 불활성 용매를 포함하는 제1 혼합물을 배출시키는 출구를 가진 혼합기를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 제1 효소는 상기 제2 효소와 동일하다. 다른 실시예에서, 상기 제1 효소는 상기 제2 효소와 상이하다. 상기 제1 효소와 상기 제2 효소 중 적어도 하나는 리파아제를 포함한다.

일반적으로, 또 다른 태양에서 본 발명은, 반응기, 분리 유닛(separation unit) 및 반송 기구를 포함하는 장치를 특징으로 한다. 상기 반응기는, 제1 반응물, 제2 반응물, 불활성 용매 및 반응 생성물을 균질한 상태로 포함하는 혼합물을 이송하기 위한 배관(pipeline), 및 상기 배관으로부터 상기 혼합물을 받아들이는 입구, 보다 많은 반응 생성물을 생성하도록 상기 제1 반응물과 상기 제2 반응물간의 반응을 촉진시키는 효소, 및 상기 입구에서 수용된 반응 생성물 및 상기 제1 반응물과 상기 제2 반응물간의 반응으로부터 생성된 반응 생성물을 포함하는 반응 생성물을 배출시기는 출구를 구비한 카트리지를 수용하는 커플러(coupler)를 구비한다. 상기 분리 유닛은 보다 높은 퍼센트의 상기 반응 생성물을 함유하는 용액을 제조하도록 상기 출구의 배출물을 처리한다. 상기 반송 기구는 상기 용액 중 적어도 일부를 상기 배관에 반송한다.

일반적으로, 또 다른 태양에 있어서 본 발명은, 제1 서브시스템 및 제2 서브시스템을 포함하는, 알킬에스테르를 생성하기 위한 시스템을 특징으로 한다. 상기 제1 서브시스템은, 제1 반응물, 제2 반응물, 불활성 용매 및 알킬에스테르를 균질한 상태로 포함하는 제1 혼합물을 이송하기 위한 제1 배관, 및 상기 제1 배관으로부터 상기 혼합물을 받아들이는 제1 입구, 알킬에스테르를 생성하도록 상기 제1 반응물과 상기 제2 반응물간의 반응을 촉진시키는 제1 효소 및 상기 알킬에스테르, 상기 용매 및 다른 성분들을 배출시키는 제1 출구를 가진 제1 카트리지를 수용하기 위한 제1 커플러를 구비한 제1 반응기를 포함한다. 상기 제2 서브시스템은, 부가적 제2 반응물, 불활성 용매 및 상기 제1 출구로부터의 상기 알킬에스테르 및 상기 다른 성분 중 적어도 일부를 포함하는 제2 혼합물을 이송하기 위한 제2 배관, 및 상기 제2 배관으로부터 상기 혼합물을 받아들이는 제2 입구, 더 많은 알킬에스테르를 생성하도록 상기 제2 반응물과 상기 다른 반응물간의 반응을 촉진시키는 제2 효 소, 및 상기 알킬에스테르를 배출시키는 제2 출구를 가진 제2 카트리지를 수용하기 위한 제2 커플러를 구비한 제2 반응기를 포함한다.

일반적으로, 또 다른 태양에 있어서 본 발명은, 제1 반응물 및 제2 반응물을 포함하는 혼합물을 받아들이기 위한 카트리지로서, 반응 생성물을 생성하도록 상기 제1 반응물과 상기 제2 반응물간의 반응을 촉진시키는 효소를 포함하고 식별기(identifier)를 구비한 카트리지, 및 상기 카트리지에 설치된 식별기에 기초하여 상기 시스템의 가동 조건을 제어하는 컨트롤러를 포함하는, 알킬에스테르를 생성하기 위한 시스템을 특징으로 한다.

상기 반응 생성물은 알킬에스테르를 포함한다. 상기 효소는 리파아제를 포함한다. 상기 컨트롤러는 상기 식별기에 기초하여 펌프의 속도를 제어하는데, 상기 펌프의 속도는 상기 용매가 캐트리지를 통과하는 속도를 좌우한다. 상기 컨트롤러는 상기 식별기에 기초하여 히터를 제어하는데, 상기 히터는 상기 용액의 온도를 좌우한다. 상기 컨트롤러는 상기 식별기에 기초하여 상기 카트리지를 교체할 필요가 있음을 나타내는 신호를 언제 전송할 것인가를 결정한다.

일반적으로, 또 다른 태양에 있어서 본 발명은, 오일 소스와 반응물을 받아들이는 입구 및 원하는 제품 및 다른 성분을 생성하도록 상기 오일 소스와 상기 반응물간의 반응을 촉진시키는 효소를 구비한 제1 반응기; 원하는 조제품(crude product)을 생성하도록 상기 원하는 제품을 상기 다른 성분으로부터분리하는 제1 분리기; 및 상기 원하는 조제품 중 적어도 일부를 상기 제1 반응기의 상기 입구로 반송하는 반송 기구를 포함하는 장치를 특징으로 한다.

상기 원하는 제품은 연료를 포함한다. 상기 원하는 제품은 알킬에스테르를 포함한다.

상기 장치는 또한, 부가적 반응물 및 상기 원하는 조제품 중 적어도 일부를 포함하는 혼합물을 받아들이는 입구, 및 원하는 제품을 추가로 생성하도록 상기 반응물과 상기 원하는 조제품에 있는 성분간의 반응을 촉진시키는 효소를 구비한 제2 반응기; 및 고순도의 원하는 제품을 생성하도록 상기 원하는 제품을 다른 성분으로부터 분리하는 제2 분리기를 포함한다.

상기 오일 소스는 트리글리세라이드과 카르복시산 중 적어도 하나를 포함한다. 상기 조연료(crude fuel)는 알킬에스테르를 포함한다. 상기 반응물은 1차 알코올과 2차 알코올 중 적어도 하나를 포함한다. 상기 효소는 리파아제를 포함한다.

일반적으로, 또 다른 태양에 있어서 본 발명은, 효소를 포함하고 알킬에스테르 발생기에 결합될 수 있도록 구성된 카트리지를 포함하는 장치를 특징으로 한다. 상기 알킬에스테르 발생기는, 상기 카트리지를 통과하는 용액을 생성하도록 제1 반응물, 제2 반응물, 불활성 용매 및 알킬에스테르를 혼합하는 혼합기(여기서, 상기 카트리지 내의 효소는 더 많은 알킬에스테르를 생성하도록 상기 제1 반응물과 상기 제2 반응물간의 반응을 촉진시킴), 및 상기 제1 반응물과 상기 제2 반응물간의 반응으로부터 유도된 알킬에스테르 중 적어도 일부를 상기 혼합기로 반송하는 반송 기구를 포함한다.

상기 효소는 리파아제를 포함한다. 상기 카트리지는 알킬에스테르 발생기의 가동에 관련된 카트리지에 대한 정보를 포함한다.

일반적으로, 또 다른 태양에 있어서 본 발명은, 효소를 포함하는 카트리지를 포함하는 장치로서, 상기 카트리지는 알킬에스테르를 생성하는 2단계 시스템의 제1 서브시스템에 결합될 수 있도록 구성된 장치를 특징으로 한다. 제1 서브 시스템은 제1 반응물, 제2 반응물 및 불활성 용매를 받아들이고, 상기 제1 반응물, 제2 반응물 및 불활성 용매를 포함하는 혼합물을 카트리지를 통과시키고, 효소는 제1 생성물을 생성하도록 상기 제1 및 제2 반응물 사이의 반응을 촉진시키고, 제1 분리기에 의해 상기 제1 생성물을 처리하여 제1 퍼센트의 알킬에스테르를 함유한 조제품을 생성한다. 제2 서브시스템은 상기 조제품 및 부가적 제2 반응물을 받아들여 제2 생성물을 생성하고, 제2 분리기에 의해 상기 제2 생성물을 처리하여 상기 제1 퍼센트보다 높은 제2 퍼센트의 알킬에스테르를 함유한 정제된 제품을 생성한다.

일반적으로, 또 다른 태양에 있어서 본 발명은, 효소를 포함하는 카트리지를 포함하는 장치로서, 상기 카트리지는 알킬에스테르를 생성하는 2단계 시스템의 제2 서브시스템에 결합될 수 있도록 구성된 장치를 특징으로 한다. 제1 서브 시스템은 제1 반응물, 제2 반응물을 받아들이고, 제1 퍼센트의 알킬에스테르를 함유한 조제품을 생성한다. 제2 서브시스템은 상기 조제품 및 부가적 제2 반응물을 받아들이고, 상기 조제품 및 상기 부가정 제2 반응물을 포함하는 혼합물을 카트리지를 통과 시키고, 효소는 배출물을 생성하도록 상기 조제품 내의 성분과 상기 제2 반응물 사이의 반응을 촉진시키고, 분리 유닛에 의해 상기 배출물을 처리하여 상기 제1 퍼센트보다 높은 제2 퍼센트의 알킬에스테르를 함유한 정제된 제품을 생성한다.

일반적으로, 또 다른 태양에 있어서 본 발명은, 리파아제를 포함하고, 알킬에스테르 발생기에 결합될 수 있도록 구성된 카트리지를 포함하는 장치를 특징으로 한다. 상기 알킬에스테르 발생기는 유기 용매 중에서 오일 소스 및 제1 알코올 또는 제2 알코올을 혼합하여 카트리지를 통과하는 용액을 형성하는 혼합기를 포함하고, 상기 오일 소스는 트리글리세라이드를 포함하고, 상기 리파아제는 알킬에스테르를 생성하도록 상기 트리글리세라이드와 상기 1차 알코올 또는 2차 알코올 사이의 반응을 촉진시키고, 상기 용액은 상기 반응 전반에 걸쳐 상분리를 일으키지 않으며, 글리세롤이 부산물로서 생성된다. 상기 알킬에스테르 발생기는 또한, 유기 용매 및 미반응 1차 알코올 또는 2차 알코올을 제거하기 위한 증발기, 글리세롤로부터 알킬에스테르를 분리하기 위한 상 분리기, 및 미반응 오일 소스로부터 알킬에스테르를 분리하기 위한 제2 분리기를 포함한다.

본 발명의 구현예는 하기 특징들 중 하나 이상이 포함될 수 있다. 상기 제2 분리기는 짧은 경로 증발기를 포함한다.

일반적으로, 또 다른 태양에 있어서 본 발명은, 리파아제를 포함하고, 알킬에스테르 발생기에 결합될 수 있도록 구성된 카트리지를 포함하는 장치를 특징으로 한다. 상기 알킬에스테르 발생기는 유기 용매 중에서 오일 소스 및 제1 알코올 또는 제2 알코올을 혼합하여 카트리지를 통과하는 용액을 형성하는 혼합기를 포함하 고, 상기 오일 소스는 카르복시산을 포함하고, 상기 리파아제는 알킬에스테르를 생성하도록 상기 카르복시산과 상기 1차 알코올 또는 2차 알코올 사이의 반응을 촉진시키고, 상기 용액은 상기 반응 전반에 걸쳐 상분리를 일으키지 않으며, 물이 부산물로서 생성된다. 상기 알킬에스테르 발생기는 또한, 유기 용매 및 미반응 1차 알코올 또는 2차 알코올을 제거하기 위한 증발기, 및 미반응 오일 소스로부터 알킬에스테르를 분리하기 위한 분리기를 포함한다.

본 발명의 구현예는 하기 특징들 중 하나 이상이 포함될 수 있다. 상기 분리기는 짧은 경로 증발기를 포함한다.

일반적으로, 또 다른 태양에 있어서 본 발명은, 알킬에스테르, 알코올, 불활성 용매 및 글리세롤을 포함하는 혼합물을 받아들이는 입구를 구비하고, 상기 불활성 용매 및 알코올을 증발시켜 알킬에스테르 및 글리세롤을 포함하는 용액을 생성하기 위한 증발기, 및 상기 용액을 받아들이는 입구를 구비하고, 액-액 상분리에 기초하여 글리세롤로부터 알킬에스테르를 분리하기 위한 분리기를 포함하는 장치를 특징으로 한다.

일반적으로, 또 다른 태양에 있어서 본 발명은, 효소를 기반으로 한 알킬에스테르 발생기 및 전기 발생기를 포함하는 발전기를 특징으로 한다. 상기 알킬에스테르 발생기는 반응물들을 포함하는 혼합물을 받아들이는 입구, 알킬에스테르를 발생하도록 상기 반응물들 사이의 반응을 촉진시키는 효소, 및 상기 알킬에스테르 중 적어도 일부를 출구로부터 입구로 반송하는 피드백 기구를 포함한다. 상기 전기 발생기는 상기 알킬에스테르 발생기에 의해 생성된 알킬에스테르를 받아들이는 입구, 상기 알킬에스테르 내의 에너지를 전기로 변환시키는 변환기(converter), 및 상기 변환기에 의해 발생된 전기를 출력하는 출구를 포함한다.

상기 알킬에스테르 발생기 중 적어도 일부는 상기 전기 발생기에 의해 발생된 전기에 의해 동력이 공급된다.

일반적으로, 또 다른 태양에 있어서 본 발명은, 반응물을 저장하기 위한 저장조, 효소를 기반으로 하는 알킬에스테르 발생기, 및 엔진을 포함하는 운반체(vehicle)를 특징으로 한다. 상기 알킬에스테르 발생기는 반응물들을 포함하는 혼합물을 받아들이는 입구, 알킬에스테르를 생성하도록 상기 반응물들 사이의 반응을 촉진시키는 효소, 및 상기 알킬에스테르 중 적어도 일부를 출구로부터 입구로 반송하는 피드백 기구를 포함한다. 상기 엔진은 상기 알킬에스테르 발생기에 의해 생성된 알킬에스테르를 받아들이는 입구, 상기 알킬에스테르 내의 에너지를 운동 에너지로 변환시키는 변환기를 포함한다.

상기 알킬에스테르 발생기 중 적어도 일부는 상기 엔진에 의해 발생된 운동 에너지에 의해 동력 공급된다. 일부 실시예에서는, 상기 운반체는 또한 운동 에너지를 바퀴에 전달하는 전동 기구(transmission mechanism)을 포함한다. 일부 실시예에서는, 상기 운반체는 또한 운동 에너지를 프로펠러에 전달하는 전동 기구를 포함한다.

일반적으로, 또 다른 태양에 있어서 본 발명은, 반응물을 저장하기 위한 저 장조, 효소를 기반으로 하는 알킬에스테르 발생기, 및 전기 발생기를 포함하는 운반체를 특징으로 한다. 상기 알킬에스테르 발생기는 반응물들을 포함하는 혼합물을 받아들이는 입구, 알킬에스테르를 생성하도록 상기 반응물들 사이의 반응을 촉진시키는 효소, 및 상기 알킬에스테르 중 적어도 일부를 출구로부터 입구로 반송하는 피드백 기구를 포함한다. 상기 전기 발생기는 상기 알킬에스테르 발생기에 의해 생성된 알킬에스테르를 받아들이는 입구, 상기 알킬에스테르 내의 에너지를 전기로 변환시키는 변환기, 및 상기 변환기에 의해 발생된 전기를 출력하는 출구를 포함한다. 상기 운반체는 또한 전자 구성요소 및 상기 전기 발생기에 의해 발생된 전기 중 적어도 일부를 전자 구성요소에 전달하는 파워 라인을 포함한다.

본 발명의 구현예는 하기 특징들 중 하나 이상이 포함될 수 있다. 일부 실시예에서는, 상기 운반체가 항공기를 포함한다. 일부 실시예에서는, 상기 운반체가 자동차를 포함한다. 일부 실시예에서는, 상기 운반체가 선박을 포함한다.

일반적으로, 또 다른 태양에 있어서 본 발명은, 음식을 조리하기 위한 주방; 음식 조리에 사용된 재순환 오일을 저장하기 위한 저장조; 및 효소를 기반으로 한 알킬에스테르 발생기를 포함하는 건물을 특징으로 한다. 상기 알킬에스테르 발생기는 상기 재순환 오일 및 상기 반응물을 포함하는 혼합물을 받아들이는 입구, 알킬에스테르를 생성하도록 상기 재순환 오일과 상기 반응물간의 반응을 촉진시키는 효소, 및 상기 알킬에스테르 중 적어도 일부를 상기 출구로부터 상기 입구로 반송하는 피드백 기구를 포함한다.

상기 건물은 또한 상기 알킬에스테르 발생기에 의해 생성된 알킬에스테르를 받아들이는 입구, 상기 알킬에스테르 내의 에너지를 전기로 변환하는 변환기, 및 상기 변환기에 의해 발생된 전기를 출력하는 출구를 포함하는 전기 발생기; 및 상기 전기 중 적어도 일부를 상기 건물에 전송하는 파워 라인을 포함한다.

일반적으로, 또 다른 태양에 있어서 본 발명은, 알킬에스테르를 제조하기 위한 장치로서, 상기 장치는 트리글리세라이드를 포함하는 오일 소스 및 1차 알코올 또는 2차 알코올을 유기 용매 중에 혼합하여 용액을 형성하는 혼합기, 알킬에스테르를 생성하도록 트리글리세라이드와 1차 알코올 또는 2차 알코올 사이의 반응(이 때 글리세롤이 부산물로서 생성됨)을 촉진시키는 리파아제를 포함하고, 상기 용액을 받아들이는 반응기, 상기 유기 용매 및 미반응 1차 알코올 또는 2차 알코올을 제거하기 위한 증발기, 및 알킬에스테르를 글리세롤로부터 분리하기 위한 상 분리기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 반응기가 받아들이는 용액에서는 상기 반응 전반에 걸쳐 상 분리가 일어나지 않는다. 상기 유기 용매의 분자는 각각 소정 수의 탄소원자 및 헤테로원자를 포함하며, 그 수는 4 내지 8 범위이다. 상기 유기 용매는 C4 내지 C8 3차 알코올을 포함한다. 상기 유기 용매는 t-부탄올, 2-메틸-2-부탄올, 2,3-디메틸-2-부탄올, 2-메틸-2-펜탄올, 3-메틸-3-펜탄올, 3-에틸-3-펜탄올, 2,3-디메틸-2-펜탄올, 2,3-디메틸-3-펜탄올, 2,2,3-트리메틸-3-펜탄올, 2-메틸-2-헥산올, 및 3-메틸-3-헥산올 중 적어도 하나를 포함한다. 상기 유기 용매는 피리딘을 포함한다. 상기 1 차 알코올 및 상기 2차 알코올 중 적어도 하나는 1개 내지 18개의 탄소원자로 이루어진다. 상기 오일 소스는 식물유, 동물유 및 폐 그리스 중 적어도 하나를 포함한다.

상기 장치는 또한 캐리어를 포함하고, 상기 캐리어 상에서 리파아제가 고정된다. 리파아제는 칸디다 앤타르크티카(candida antarctica) 리파아제, 서모마이세스 라누지노사(thermomyces lanuginosa) 리파아제, 슈도모나스 플루오레센스(pseudomonas fluorescens) 리파아제, 슈도모나스 세파시아(pseudomonas cepacia) 리파아제 및 크로모박테리움 비스코숨(chromobacterium viscosum) 리파아제 중 적어도 하나를 포함한다. 반응기의 일부는 트리글리세라이드와 1차 알코올 또는 2차 알코올 사이의 반응이 촉진되도록 0∼95℃의 반응 온도로 유지된다. 상기 장치는 또한 상기 용액을 1 내지 180분 내에 상기 반응기에서 유동시키도록 구성된 펌프를 포함한다.

상기 장치는 또한 오일 소스를 150∼215℃의 범위로 가열하기 위한 히터를 포함한다. 가열된 오일 소스는 혼합기로 이송되기 전에 반응 온도로 냉각된다. 상기 장치는 또한 상기 용액을 반응기에 이송하기 전에 상기 용액에 알킬에스테르를 첨가하기 위한 입구를 포함한다. 상기 장치는 또한 상 분리기에 의해 분리된 알킬에스테르 중 적어도 일부가 상기 입구로 유입되어 상기 용액에 첨가되도록 하는 반송 기구를 포함한다.

일반적으로, 또 다른 태양에 있어서 본 발명은, 입구, 출구 및 상기 입구와 출구 사이에 위치한 효소를 가진 카트리지를 알킬에스테르 발생기에 삽입하는 단 계; 상기 카트리지 상에 부호화된 정보를 판독하는 단계; 및 상기 정보에 기초하여 상기 알킬에스테르 발생기의 가동을 제어하는 단계를 포함하는 방법을 특징으로 한다.

본 발명의 구현예는 하기 특징들 중 하나 이상이 포함될 수 있다. 상기 알킬에스테르 발생기의 가동을 제어하는 단계는 상기 카트리지의 입구에 유입되는 용액의 온도 및 유량 중 적어도 하나를 제어하는 단계를 포함한다.

일반적으로, 또 다른 태양에 있어서 본 발명은, 음식을 조리하는 방법에 있어서, 상기 방법은, 오일을 사용하여 음식을 조리하는 단계; 음식을 조리하는 데 사용된 상기 오일을 재순환하는 단계; 재순환 오일, 반응물 및 불활성 용매를 포함하는 혼합물을 받아들이는 단계; 알킬에스테르를 생성하도록 상기 재순환 오일과 상기 반응물간의 반응을 촉진시키기 위해 효소를 사용하는 단계; 상기 재순환 오일과 상기 반응물의 용해를 보조하는 상기 알킬에스테르 중 적어도 일부를 상기 혼합물과 혼합함으로써 상기 알킬에스테르 중 적어도 일부를 재순환하는 단계; 상기 알킬에스테르로부터 전기 에너지 또는 운동 에너지를 생성하는 단계; 및 상기 전기 에너지 또는 운동 에너지를 이용하여 상기 음식의 조리에 사용되는 기기에 동력을 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

일반적으로, 또 다른 태양에 있어서 본 발명은, 운반체를 가동하는 방법에 있어서, 상기 방법은 반응물과 불활성 용매를 포함하는 혼합물을 받아들이고, 상기 혼합물을 효소가 수용된 카트리지를 통과시켜 알킬에스테르를 생성하도록 상기 반응물들 사이의 반응을 촉진시키는 단계; 상기 반응물의 용해를 보조하는 상기 알킬 에스테르 중 적어도 일부를 상기 혼합물과 혼합함으로써 상기 알킬에스테르 중 적어도 일부를 재순환하는 단계; 상기 알킬에스테르로부터 전기 에너지 또는 운동 에너지를 생성하는 단계; 및 상기 전기 에너지 또는 운동 에너지를 이용하여 상기 음식의 조리에 사용되는 기기에 동력을 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 특징 및 이점은 이하의 상세한 설명 및 청구의 범위로부터 명백하다.

언급한 모든 출판물, 특허출원, 특허 또는 그 밖의 참고문헌은 참고로서 인용된다. 참고로서 인용된 참고문헌과 상충되는 경우에는, 정의를 포함하여 본 명세서가 지배력을 갖는다.

개요

도 1을 참조하여 볼 때, 연료 제조 시스템은, 대두유와 같은 오일 소스(110)를 취하여, 알킬 에스테르와 같은 바이오디젤 연료(15), 또는 윤활유나 화학 반응에 의한 중간 생성물와 같은 관련 생성물을 제조하기 위한 프로세싱 플랜트(100)를 포함한다. 상기 프로세싱 플랜트(100)에서는, 각각 효소적 촉매(enzymatic catalyst)(142)를 사용하는 하나 이상의 반응기(140)가 사용된다. 또한, 상기 프로세싱 플랜트에는 무수 3차 알코올 또는 무수 피리딘 무수물과 같은 불활성 용매(120); 및 무수 메탄올과 같은 1차 또는 2차 알코올이 이용된다. 처리 도중에, 프로세싱 플랜트(100)에 의해 불활성 용매(120) 및 반응물(130)이 회수되고, 회수된 물질은 공급부에 다시 공급된다. 아울러, 상기 프로세싱 플랜트에 의해 폐수 또는 글리세롤과 같은 공동 생성물(160)이 생성된다.

이하, 서로 다른 타입의 다양한 프로세싱 플랜트에 대해 설명한다. 이러한 프로세싱 플랜트는 예를 들면, 반응기 프로세싱 단계의 수(예컨대, 1개의 반응기를 이용한 1단계, 2개의 반응기를 이용한 2단계), 조 바이오디젤 중간 생성물을 이전 단계의 반응기로 피드백 배열, 특히, 오일 소스, 불활성 용매, 반응물, 생촉매(bio-catalyst), 및 이들을 이용한 조작 조건과 같은 특징이 서로 다르다. 예를 들면, 상기 프로세싱 플랜트는 연속식으로 조작될 수 있으며, 다른 구현예로서, 배치식(batch mode)으로 조작될 수도 있다.

서로 다른 타입의 프로세싱 플랜트는 그 각각이 상이한 물리적 사이즈를 갖는다. 일례로서, 상기 플랜트는 비교적 충진된 형태로서, 예를 들면, 냉장기 사이즈이며, 상기 바이오디젤 연료가 소비되는 지점, 이를테면, 전기를 생성하기 위해 이용되는 디젤 모터가 위치한 지점에 배치되도록 해야 한다. 그 밖의 타입의 프로세싱 플랜트는 보다 대량 제조 용량을 갖는 것으로서, 더 큰 사이즈를 가질 수 있다. 일 구현예로서, 상기 프로세싱 플랜트는 가정용으로 고안될 수 있고, 상기 플랜트의 사이즈가 대형 냉장기와 유사한 사이즈일 수 있으며, 제조 용량이 200 리터/일(day) 이하일 수 있다. 다른 구현예로서, 상기 플랜트는 농업용, 상업용, 또는 군부대용으로 고안된 것으로서, 길이가 20 내지 40 피트인 용기와 유사한 크기를 가질 수 있다. 또 다른 구현예로서, 상기 플랜트(100)는 상업용 플랜트로서 고안된 것으로서, 연간 제조 용량이 40,000 톤 내지 250,000 이상일 수 있다.

1.1 플랜트의 구성

도 2A 내지 도 2D를 참조해 볼 때, 각각의 도면에 도시된 4개의 장치는 서로 다른 단계수, 및 서로 다른 타입의 피드백을 이용한다. 도 2A에 도시된 바와 같이, 1단계 플랜트에는 1개의 반응기(140)가 이용된다. 도 2A에서, 반응기(R-1)(140)에서 생성된 생성물은 분리기(S-1)(220)로 공급되며, 상기 분리기는 조 바이오디젤 생성물(225)을 생성하기 위해, 상기 반응기 생성물로부터 불활성 용매(120), 미반응한 반응물(130), 및 부생성물(160)을 분리하는 장치를 포함하며, 예를 들면, 증발기 및 액-액 증발기를 병용하여 상기 물질들을 분리할 수 있다. 상기 반응기(R-1)(140)의 공급물은, 오일 소스(110), 불활성 용매(120), 및 반응물(130)을 수용하는 혼합기(210)에서 유출된 유출물로부터 공급된다. 도 2A에 도시된 형태의 플랜트에서, 혼합기(210)에는, 분리기(S-1)에서 유출된 유출물로부터 입수된 약간의 조 바이오디젤(225)이 수용된다. 이 같은, 상기 조 바이오디젤의 피드백을 수행함으로써, (1) 상기 반응물의 반응 완료도를 증대시킬 수 있고, (2) 혼합기(210)에서 이용되어야 하는 불활성 용매의 양을 줄일 수 있다. 분리기(220)에서 유출된 유출물은 얻어진 생성물을 "순수한" 바이오디젤(150)으로 더 정제시키기 위하여, 최종 분리기(230), 예를 들면, 짧은 경로 증발기(short path evaporator) 또는 짧은 경로 증류기(short path distillation)에 공급된다. 예를 들면, 상기 조 바이오디젤(225)은 순도가 90∼99 중량%일 수 있고, 순수한 바이오디젤(150)은 순도가 99 중량%보다 높을 수 있다. 이러한 타입의 플랜트는 구성 요소가 비교적 적기 때문에, 대형은 물론 소형, 및 휴대용으로도 적절하다.

도 2B에 도시한 바와 같이, 2단계 플랜트(100B)에는 각각의 단계마다 반응기 (140)을 이용하는 2단계(101, 105)로 이루어진다. 제1 반응기(R-1)(140) 및 제1 분리기 S-1(220)은 도 2A에 도시된 것과 유사하며, 제1 반응기(140)에 있어서 제1 분리기(220)로부터 혼합기(210)로의 유출물로부터 얻은 조 바이오디젤(225)의 피드백 공정이 이용된다. 도 2B에 따른 플랜트에서, 제1 분리기(220)의 유출물은 추가적으로 불활성 용매(120) 및 반응물(130)을 상기 조 바이오디젤(225)과 병용하는 제2 혼합기(210)로 공급된다. 그리고, 상기 제2 혼합기(210)의 유출물은 제2 반응기(R-2)(140)로 공급된다. 그런 다음, 제2 반응기(140)에서 유출된 유출물은 제2 분리기(S-2)(220)를 통과한다. 제2 분리기(220)에서 유출된 유출물은 바이오디젤 연료(150)로서 직접 이용될 수 있으며, 바람직하게는 이를 이용하기 전에 최종 분리기(230)에 통과시킨다. 예를 들면, 2단계 플랜트에 있어서, 제1 분리기(220)로부터 유출된 조 바이오디젤(225)의 순도는 90 중량%인 반면, 제2 분리기에서 유출된 유출물은 순도가 95 중량% 이상이다.

도 2C 및 도 2D에 도시된 바와 같이, 이들 플랜트는 조 바이오디젤의 피드백을 이용하지 않으며, 그 각각이 도 2 A 및 도 2B에 도시한 플랜트와 다른 점에서 유사한 형태를 갖는다. 예를 들면, 도 2C 및 도 2D에 따른 플랜트에서 제1 분리기(220)의 유출물은 순도가 80 중량% 이상이고, 도 2D에 도시한 제2 단계에서, 제2 분리기에서 유출된 유출물의 순도는 95 중량% 이상이다.

상기 1단계 플랜트(100C)는 예를 들면, 촉매(특정 형태의 리파아제)가 고가이고, 최종 생성물이 의학용 또는 의약용과 같은 부가 가치가 높은 것인 경우, 유용하다. 상기 1단계 플랜트(100C)에 이용하는 데 필요한 리파아제의 양은 2단계 플랜트(100B, 100D)에서보다 적기 때문에, 최종 생성물을 보다 효율적인 가격으로 제조할 수 있다.

각각의 플랜트(100A 내지 100D)는 각각의 형태를 가질 수 있다. 상기 플랜트는 용액의 온도를 증가 또는 감소시키기 위한 열 교환기, 및 상기 용액의 흐름을 제어하기 위한 펌프와 같은 추가적인 구성 요소를 더 포함할 수 있다. 또한, 원치 않는 수분, 글리세롤, 또는 기타 바람직하지 않은 불순물을 상기 생성물을 제거할 수 있도록, 상기 플랜트는 제거상(removal bed)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 1단계 플랜트(100C)에서 분리기(220)를 이용하여, 반응이 완료되지 않은 원료(예: 반응물, 및 오일 소스)를 상기 생성물로부터 분리시킴으로써, 이처럼 반응이 완료되지 않은 원료를 회수할 수 있다. 아울러, 상기 플랜트가 제거상을 포함하는 경우, 이온 교환 수지로 충전된 글리세롤 제거상을 이용하여, 재생된 원료로부터 미소량의 글리세롤을 제거할 수 있다.

일 구현예로서, 특정 타입의 효소적 촉매를 이용하는 경우, 예컨대, 서모마이세스 라누지노사 리파아제(thermomyces lanuginosa lipase) 촉매는, 반응기(140)로 유입되는 용액 중에 포함된 수분의 양을 한정하는 데 유용할 수 있다. 상기 효소적 촉매를 이용하는 경우, 소형 플랜트의 상기 오일 원료 주입 스트림에서 피드백 시에, 수분 흡착(또는 흡수) 수지가 충전된 카트리지 유형의 수분 제거상(water removal bed)을 이용할 수 있다. 대형 플랜트의 경우에는 증발기 또는 고온 건조형 공기 제거 장치(hot dry air stripping apparatus)와 같은 기타 방법을 이용하여, 수분량을 제어할 수 있다.

상기 2단계 플랜트(예를 들면, 100B 및 100D)의 예에서, 최종 증발기(230)는 사용되지 않을 수 있다.

각각의 플랜트 100A 내지 100D에서, 반응기(140)에서의 반응 평형 상태는 열역학에 의해 결정될 수 있는 것으로서, 사용된 효소적 촉매와는 무관하다. 따라서, 평형 상태에서의 바이오디젤의 농도는 온도, 불활성 용매 온도, 반응물 농도, 및 생성물 농도의 함수이다. 전술한 것 이외의 조건을 서로 동일하게 유지시키는 경우에도 온도가 서로 다르면, 바이오디젤의 평형 농도가 다를 수 있다.

1.2 화학적 구성

연료 제조 플랜트의 타입에 적절한, 오일 소스, 불활성 용매, 반응물, 및 촉매, 및 이들과 관련된 온도, 반응 시간을 포함하는 조작 조건의 다양한 조합은 발명의 명칭이 "Methods for Producing Alkyl Esters"인 Chih-Chung Chou의 미국특허출원 제10/945,339호(출원일: 2004년 9월 20일)에 기재되어 있으며, 상기 출원은 본 발명의 참조 문헌으로서 본 발명에 병합되어 있다.

프로세스 상의 접근법은, 리파아제의 비활성화도가 최소인, 리파아제의 촉매 작용에 의한 반응을 이용함으로써, 오일 원료(예를 들면, 야채 오일, 또는 동물성 지방)로부터 고순도의 알킬 에스테르를 쉽게 얻을 수 있다는 발견에 기초한 것이다. 특히, 알킬 에스테르는, 예를 들면, 에스테르 교환 반응(transesterification) 또는 에스테르화 반응(esterification)에 의해 제조될 수 있다. 이러한 알킬 에스테르의 제조 방법은, (1) 제1 유기 용매 중에서 트리글리세라이드(triglyceride) 또는 카르복시산을 함유하는 오일 소스를 제1 일차 알코올 (primary alcohol) 또는 제1 이차 알코올(secondary alcohol)과 혼합하여, 제1 용액을 형성하고(여기에서 상기 제1 유기 용매의 각 분자는 4∼8개의 탄소 원자 및 헤테로 원자(heteroatom)를 가짐); (2) 제1 리파아제의 존재 하에 상기 트리글리세라이드 또는 카르복시산을 상기 제1 일차 알코올 또는 제1 이차 알코올과 반응시켜, 제1 알킬 에스테르를 제조하고(여기에서 상기 제1 용액은 전체 반응을 통해서 상 분리가 일어나지 않음); (3) 상기 제1 용액으로부터 상기 제1 알킬 에스테르를 분리하는 단계를 포함한다.

상기 방법에서 적절하게 이용되는 오일 소스를 예시하면, 식물성 오일(예컨대, 미세조류 오일(microalgae oil), 동물성 오일(예컨대, 생선 오일, 라드, 정제된 지방(rendered fat), 또는 탈로우(tallow)), 이들의 가수분해 반응 분획물(예컨대, 카르복시산)을 들 수 있다. 전술한 알킬 에스테르의 제조 방법에 따른 혼합 단계를 수행하기 전에, 상기 오일 소스를 150∼215℃의 온도로 가열한 다음, 상기 반응 온도로 냉각시킬 수 있다.

상기 반응을 수행하기 전에, 상기 오일 소스를 제1 유기 용매 중에서 제1 일차 알코올 또는 제1 이차 알코올과 혼합함으로써, 1상 용액(one-phase solution)을 형성할 수 있다. 상기 제1 일차 알코올 및 제1 이차 알코올을 예시하면, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 이소부탄올, 3-메틸-1-부탄올, 헥산올, 옥탄올, 데칸올, 또는 라우릴 알코올과 같은, 1 내지 18개의 탄소 원자를 갖는 알코올을 들 수 있다. 그리고, 상기 제1 유기 용매를 예시하면, 피리딘, 또는 C₄-C₈의 3차 알코올(예컨대, t-부탄올, 2-메틸-2-부탄올, 2,3-디메틸-2-부탄올, 2-메틸-2-펜탄올, 3-메틸-3-펜탄올, 3-에틸-3-펜탄올, 2,3-디메틸-2-펜탄올, 2,3-디메틸-3-펜탄올, 2,2,3-트리메틸-3-펜탄올, 2-메틸-2-헥산올, 또는 3-메틸-3-헥산올)을 들 수 있다. 또한, 상기 제1 유기 용매를 기타 적절한 용매와 혼합하여 이용할 수도 있다. 바람직하게는, 본 발명의 방법에 따라 얻어진 알킬 에스테르, 또는 기타 소스(예컨대, 상업적으로 구입한 소스)로부터 얻은 알킬 에스테르와 상기 제1 유기 용매를 혼합하여 이용할 수 있다. 상기 제1 유기 용매를 다른 용매와 병용하는 경우, 첨가되는 용매는 반응 중에 상기 제1 용액의 균일성을 유지하기에 충분한 양으로 첨가됨으로써, 제1 리파아제의 비활성화를 최소화할 수 있다. 본 명세서에서 "리파아제"란, 에스테르 교환 반응 또는 에스테르화 반응의 촉매로서 작용할 수 있는 임의의 효소를 칭한다. 상기 리파아제를 예시하면, 칸디다 앤타르크티카 리파아제(candida antarctica lipase), 서모마이세스 라누지노사 리파아제, 슈도모나스 플루오레센스 리파아제(pseudomonas fluorescens lipase), 슈도모나스 세파시아 리파아제(pseudomonas cepacia lipase), 및 크로모박테리움 비스코숨 리파아제(chromobacterium viscosum lipase)를 들 수 있다. 상기 제1 리파아제는 하나의 리파아제, 또는 2종 이상의 리파아제를 포함할 수 있다. 상기 리파아제는 상기 제1 반응기 내에 담체 상에 고정되어 있는 것이 바람직하다. 상기 제1 알킬 에스테르를 얻기 위한 에스테르 교환 반응 또는 에스테르화 반응은 0∼95℃의 온도(예컨대, 20∼95℃)에서 1∼180분 동안(예컨대, 10∼90분 또는 20∼60분) 수행될 수 있다.

트리글리세라이드를 함유한 오일 소스와 제1 일차 알코올 또는 제1 이차 알코올 사이의 에스테르 교환 반응중에 글리세롤이 부생성물로 생성된다. 제1 알킬 에스테르는, 제1 유기 용매와 미반응의 상기 제1 일차 알코올 또는 제1 이차 알코올을 증발시켜 제거한 후 제1 알킬 에스테르와 글리세롤 사이의 상분리에 의해서 예상밖으로 쉽게 얻어질 수 있다. 앞서 언급한 오일 소스에는 모노글리세라이드, 디글리세라이드 또는 카르복시산도 함유될 수 있다. 모노글리세라이드 및 디글리세라이드는 트리글리세라이드와 유사한 방식으로 제1 일차 알코올 또는 제1 이차 알코올과 반응한다. 카르복시산은 에스테르화 반응을 통해서 제1 일차 알코올 또는 제1 이차 알코올과 반응하며, 에스테르화 반응에서는 부생성물로 물이 생성되며, 이 물은 증발 조작으로 쉽게 제거할 수 있다.

카르복시산을 함유한 오일 소스와 제1 일차 알코올 또는 제1 이차 알코올 사이의 에스테르 교환 반응중에 물(글리세롤은 없음)이 부생성물로 생성된다. 제1 알킬 에스테르는, 제1 유기 용매와 미반응의 상기 제1 일차 알코올 또는 제1 이차 알코올 및 물을 증발시켜 제거하면 예상밖으로 쉽게 얻어질 수 있다. 직전에 언급된 오일 소스가 상당한 양의 트리글리세라이드, 디글리세라이드 또는 모노클리세라이드를 함유하면, 전술한 바와 같은 방식으로 제1 알킬 에스테르를 얻을 수 있다.

만약 이렇게 하여 얻어진 제1 알킬 에스테르가 모노글리세라이드, 디글리세라이드, 트리글리세라이드 또는 카르복시산으로 오염되었다면, 알코올과 반응시키는 추가적인 에스테르 교환 반응 또는 에스테르화 반응으로 오염 물질을 제거할 수 있다. 구체적으로는, 제2 용액을 형성하기 위해서, 제2 유기 용매의 선택적인 존 재 하에 제1 알킬 에스테르는 제2 일차 알코올 또는 제2 이차 알코올과 혼합될 수 있다. 제2 유기 용매의 각 분자는 4∼8 개의 탄소 원자 및 헤테로 원자를 가진다. 제2 유기 용매는 제1 유기 용매와 동일할 수도 있고, 다를 수도 있다. 제2 일차 알코올 또는 제2 이차 알코올은 제1 일차 알코올 또는 제1 이차 알코올과 동일한 것이 바람직하다. 제2 알킬 에스테르를 제조하기 위해 제2 리파아제의 존재 하에 모노글리세라이드, 디글리세라이드, 트리글리세라이드 또는 카르복시산은 제2 용액에서 제2 일차 알코올 또는 제2 이차 알코올과 반응할 수 있다. 이 반응에서, 상기 제2 용액은 상 분리되지 않는다. 제2 리파아제는 제1 리파아제와 동일할 수도 있고, 다를 수도 있다. 이렇게 얻어진 제1 알킬 아세테르 및 제2 알킬 에스테르는 제2 용액에서 분리될 수 있다. 제2 알킬 에스테르는 제1 알킬 에스테르와 동일한 것이 바람직하다.

이하, 다양한 방법에 따른 실시예를 통해, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

1.2.1 실시예 1

알킬 에스테르를 제조하기 위한 오일 소스로서 대두유를 사용했다. 구체적으로는, 단일 상 용액을 형성하기 위하여, 제1 믹서 내에서, 정제된 대두유 55.4중량%를 무수 메탄올 8.6중량% 및 무수 t-부탄올 36.0중량%와 혼합했다. 혼합된 용액을 NOVOZYM 435(칸디다 앤타르크티카 리파아제; Novozymes A/S, Bagsvaerd, 덴마크)로 채워진 반응기로 보냈다. 구체적으로는, NOVOZYM 435를 담체(큰 세공성(macroporous) 수지)에 고정시킨 후 반응기에 위치시켰다. 반응기의 온도는 45℃ 로 했다. 반응 시간은 62분으로 했다. 반응이 종료된 후, 생성물을 얻기 위해 용액을 갑압 증발기 및 액-액 분리기로 보냈다. 제조된 생성물의 조성은 HPLC(칼럼: Luna Su C18(2) 250 × 4.6mm, phenomenex; 이동 상(mobile phase): 메탄올, 헥산 및 이소프로판올; UV 검출기: UV-2075, JASCO, 일본)로 분석했다. 기대 이상으로, 알킬 에스테르 96.19 중량%, 모노글리세라이드 및 디글리세라이드 3.59 중량% 및 트리글리세라이드 0.22 중량%를 함유하는 생성물을 얻었다.

알킬 에스테르를 공동 용매로 사용하여 다른 실험을 진행했다. 구체적으로는, 단일 상 용액을 형성하기 위하여, 제1 믹서 내에서, 정제된 대두유 49.1 중량%를 무수 메탄올 7.6 중량%, 무수 t-부탄올 20.5 중량% 및 알킬 에스테르 22.8 중량%와 혼합했다. 반응 시간을 58분으로 한 것 이외에는 상기와 동일한 조건으로 행했다. 기대 이상으로, 알킬 에스테르 96.10 중량%, 모노글리세라이드와 디글리세라이드 3.23 중량%, 및 트리글리세라이드 0.67 중량%를 함유하는 생성물을 얻었다.

t-아밀 알코올 및 알킬 에스테르를 용매로 사용하여 또 다른 실험을 진행했다. 구체적으로는, 단일 상 용액을 형성하기 위하여, 제1 믹서 내에서, 정제된 대두유 40.8 중량%를 무수 메탄올 6.3 중량%, 무수 t-아밀 알코올 37.3 중량% 및 알킬 에스테르 15.6 중량%와 혼합했다. 반응 시간을 53분으로 한 것 이외에는 상기와 동일한 조건으로 행했다. 기대 이상으로, 알킬 에스테르 96.96 중량%, 모노글리세라이드와 디글리세라이드 2.64 중량%, 및 트리글리세라이드 0.40 중량%를 함유하는 생성물을 얻었다.

1.2.2 실시예 2

단일 상 용액을 형성하기 위하여, 실시예 1과 다른 믹서 내에서, 실시예 1에서 얻어진 알킬 에스테르를 무수 메탄올 및 무수 t-부탄올과 혼합했다. 이렇게 형성된 용액은 알킬 에스테르 70.00 중량%, 오염 물질 2.8 중량% (즉, 모노글리세라이드 및 디글리세라이드 2.47 중량% 및 트리글리세라이드 0.31 중량%), 메탄올 7.28 중량% 및 t-부탄올 19.94 중량%를 함유하고 있었다. 이어서, 혼합된 용액을 NOVOZYM 435로 채워진 또 다른 반응기로 보냈다. 구체적으로는, NOVOZYM 435를 담체에 고정시킨 후 반응기에 위치시켰다. 제2 반응기의 온도는 45℃로 했다. 반응 시간은 17.5분으로 했다. 반응이 종료된 후, 생성물을 얻기 위해 용액을 또 다른 갑압 증발기 및 액-액 분리기로 보냈다. 제조된 생성물의 조성을 HPLC로 분석했다.

기대 이상으로, 알킬 에스테르 99.24 중량%, 모노글리세라이드와 디글리세라이드 0.65 중량%, 및 트리글리세라이드 0.11 중량%를 함유하는 생성물을 얻었다.

1.2.3. 실시예 3

대두유가 아닌 오일 소스를 출발 물질로 하여, 실시예 1에 기재된 것과 유사한 방식으로 알킬 에스테르를 제조했다. 사용된 오일 소스에는 고급 유리 지방산(high free fatty acid)을 함유한 식당용 폐 그리스(grease), 저급 유리 지방산을 함유한 식당용 폐 그리스, 탈로우, 라드, 생선 오일, 야자유(palm oil) 및 피마자유(castor oil)이 포함되어 있었다. 고도의 유리 지방산을 함유한 식당용 폐 그리스를 사용하여 실험을 수행하였다. NOVOZYM 435로 채워진 반응기에 상기 식당용 폐 그리스 49.1 중량%, 무수 메탄올 7.6 중량%, t-부탄올 20.5 중량% 및 알킬 에스 테르 22.8 중량%를 함유한 용액을 공급하였다. 구체적으로는, NOVOZYM 435를 담체에 고정시킨 후 반응기에 위치시켰다. 반응기의 온도는 45℃로 했다. 반응 시간은 24.0분으로 했다. 반응기에서 제조된 생성물을 분리한 다음, 그 조성을 HPLC로 분석했다. 기대 이상으로, 알킬 에스테르 96.63 중량%, 모노글리세라이드와 디글리세라이드 3.17 중량%, 및 트리글리세라이드 0.20 중량%를 함유하는 생성물을 얻었다.

생선 오일(동물성 오일)을 오일 소스로 사용하여 다른 실험을 진행했다. 구체적으로는, 단일 상 용액을 형성하기 위하여, 제1 믹서 내에서, 생선 오일 52.4중량%를 무수 메탄올 7.8 중량% 및 무수 피리딘 39.8 중량%와 혼합했다. 반응 시간을 25분으로 한 것 이외에는 상기와 동일한 조건으로 행했다. 기대 이상으로, 알킬 에스테르 95.63 중량%, 모노글리세라이드와 디글리세라이드 3.03 중량%, 및 트리글리세라이드 1.34 중량%를 함유하는 생성물을 얻었다.

야자유(식물성 오일)을 오일 소스로 사용하여 또 다른 실험을 진행했다. 구체적으로는, 단일 상 용액을 형성하기 위하여, 제1 믹서 내에서, 야자유 46.5 중량%를 무수 메탄올 7.5 중량% 및 무수 t-아밀 알코올 46.0 중량%와 혼합했다. 반응 시간을 41분으로 한 것 이외에는 상기와 동일한 조건으로 행했다. 기대 이상으로, 알킬 에스테르 96.97 중량%, 모노글리세라이드와 디글리세라이드 1.95 중량%, 및 트리글리세라이드 1.08 중량%를 함유하는 생성물을 얻었다.

1.2.4 실시예 4

일차 알코올을 출발 물질로 하여, 실시예 1에 기재된 것과 유사한 방식으로 알킬 에스테르를 제조했다. 사용된 알코올은 메탄올, 에탄올, 이소부탄올, 3-메틸-1-부탄올, 헥산올, 옥탄올, 데칸올 및 라우릴 알코올이었다. NOVOZYM 435로 채워진 반응기에 생선 오일 52.0 중량%, 에탄올 11.2 중량% 및 무수 t-부탄올 36.8 중량%를 함유한 용액을 공급했다. 구체적으로는, NOVOZYM 435를 담체에 고정시킨 후 반응기에 위치시켰다. 반응기의 온도는 45℃로 했다. 반응 시간은 39.0분으로 했다. 반응기에서 제조된 생성물을 분리한 후 조성을 HPLC로 분석했다. 기대 이상으로, 알킬 에스테르 97.44 중량%, 모노글리세라이드와 디글리세라이드 1.44 중량% 및 트리글리세라이드 1.11 중량%를 함유하는 생성물을 얻었다.

헥산올(탄소수 6의 알코올)을 출발 물질로 사용하여 다른 실험을 수행했다. 구체적으로는, 단일 상 용액을 형성하기 위하여, 제1 믹서 내에서, 대두유 53.7중량%를 무수 헥산올 26.6 중량% 및 무수 t-부탄올 19.7 중량%와 혼합했다. 반응 시간을 46.0분으로 한 것 이외에는 상기와 동일한 조건으로 행했다. 기대 이상으로, 알킬 에스테르 95.06 중량%, 모노글리세라이드와 디글리세라이드 4.11 중량%, 및 트리글리세라이드 0.88 중량%를 함유하는 생성물을 얻었다.

라우릴 알코올(탄소수 12의 알코올)을 출발 물질로 사용하여 또 다른 실험을 수행하였다. 이를 구체적으로 설명하면, 단일 상 용액을 형성하기 위하여, 제1 믹서 내에서, 대두유 37.2 중량%를 무수 라우릴 알코올 33.6 중량% 및 무수 t-부탄올 29.2 중량%와 혼합했다. 반응 시간을 66.0분으로 한 것 이외에는 상기와 동일한 조건으로 수행했다. 기대 이상으로, 알킬 에스테르 95.03 중량%, 모노글리세라이드와 디글리세라이드 4.07 중량%, 및 트리글리세라이드 0.90 중량%를 함유하는 생 성물을 얻었다.

1.2.5 실시예 5

이차 알코올을 출발 물질로 하여, 실시예 1에 기재된 것과 유사한 방식으로 알킬 에스테르를 제조했다. 사용된 알코올은 이소프로판올(탄소수 3의 알코올), 2-부탄올(탄소수 4의 알코올), 이차 n-옥틸 알코올(탄소수 8의 알코올)이었다. NOVOZYM 435로 채워진 반응기에 평지씨 기름(rapeseed oil) 52.9 중량%, 이소프로판올 14.1 중량% 및 무수 t-아밀 알코올 33.0 중량%를 함유한 용액을 공급했다. 구체적으로는, NOVOZYM 435를 담체에 고정시킨 후 반응기에 위치시켰다. 반응기의 온도는 45℃로 했다. 반응 시간은 39.0분으로 했다. 반응기에서 제조된 생성물을 분리한 후 조성을 HPLC로 분석했다. 기대 이상으로, 알킬 에스테르 93.92 중량%, 모노글리세라이드 및 디글리세라이드 4.86 중량% 및 트리글리세라이드 1.22 중량%를 함유하는 생성물을 얻었다.

2-부탄올을 출발 물질로 사용하여 다른 실험을 진행했다. 구체적으로는, 단일 상 용액을 형성하기 위하여, 제1 믹서 내에서, 대두유 52.5 중량%를 무수 2-부탄올 18.9 중량% 및 무수 t-아밀 알코올 28.6 중량%와 혼합했다. 반응 시간을 46.0분으로 한 것 이외에는 상기와 동일한 조건으로 행했다. 기대 이상으로, 알킬 에스테르 92.84 중량%, 모노글리세라이드와 디글리세라이드 5.08 중량%, 및 트리글리세라이드 2.09 중량%를 함유하는 생성물을 얻었다.

이차 n-옥틸 알올을 출발 물질로 사용하여 또 다른 실험을 진행했다. 구체적으로는, 단일 상 용액을 형성하기 위하여, 제1 믹서 내에서, 대두유 46.4중량%를 이차 n-옥틸 알코올 29.3중량% 및 무수 t-부탄올 24.3중량%와 혼합했다. 반응 시간을 42.0분으로 한 것 이외에는 상기와 동일한 조건으로 행했다. 기대 이상으로, 알킬 에스테르 94.69중량%, 모노글리세라이드 및 디글리세라이드 2.45중량% 및 트리글리세라이드 2.86중량%를 함유하는 생성물을 얻었다.

1.2.6 실시예 6

라우르산(lauric acid) 및 메탄올을 출발 물질로 하여, 실시예 1에 기재된 것과 유사한 방식으로 에스테르화 반응을 통하여 알킬 에스테르를 제조했다. 구체적으로, NOVOZYM 435로 채워진 반응기에 무수 라우르산 77.7 중량%, 무수 메탄올 17.6 중량% 및 무수 t-부탄올 4.7 중량%를 함유한 용액을 공급했다. NOVOZYM 435를 담체에 고정시킨 후 반응기에 위치시켰다. 반응기의 온도는 45℃로 했다. 반응 시간은 37.0분으로 했다. 반응기에서 생성물을 분리한 후 조성을 GC(8610C, SRI, 미국; 칼럼: MXT-65TG, 길이: 30m, I.D.: 0.25㎛, 캐리어 가스: He, 유속: 1ml/min, 인젝터: 스플릿(split), 비: 20 대 1, 온도: 300℃; 검출기: FID, 온도: 370℃)로 분석했다.

기대 이상으로, 메틸 라우레이트(methyl laurate) 96.0 중량%, 및 라우르산 4.0 중량%를 함유하는 생성물을 얻었다.

1.2.7 실시예 7

대두유 및 메탄올을 출발 물질로 하고, 대두유를 사용하기 전에 일정 시간 동안 가열한 것을 제외하고는 실시예 1에 기재된 것과 유사한 방식으로 알킬 에스테르를 제조했다. 구체적으로, 대두유를 200℃에서 5분 동안 가열하거나, 210℃에 서 1시간 동안 가열한 후 반응 온도로 냉각시켰다. 이어서, 단일 상 용액을 형성하기 위하여, 믹서 내에서, 대두유 49.1중량%를 무수 메탄올 7.6 중량%, 무수 t-부탄올 20.5 중량% 및 알킬 에스테르 22.8 중량%와 혼합했다. 혼합된 용액을 NOVOZYM 435로 채워진 반응기로 보냈다. 구체적으로는, 사전에 NOVOZYM 435를 담체에 고정시킨 후 반응기에 위치시켰다. 반응기의 온도는 45℃로 했다. 반응기로부터 제조된 각 생성물을 분리한 후 조성을 HLPC로 분석했다.

기대 이상으로, 1.5 중량% 미만의 트리글리세라이드를 함유하는 생성물을 얻는 데 소요되는 시간이, 대두유를 200℃에서 5분 동안 가열했을 경우에는 50.3분이었으며, 210℃에서 1시간 동안 가열했을 경우에는 47.3분이었다. 이와 비교적으로, 대두유를 미리 가열 처리하지 않고, 상기와 유사한 반응 조건으로 생성물을 얻는 데 소요되는 시간은 53.8분이었다.

1.2.8 실시예 8

LIPOZYME TL IM(서모마이세스 라누지노사 리파아제, Novozymes A/S, Bagsvaerd, 덴마크)을 촉매로 하여 실시예 1에 기재된 것과 유사한 방식으로 알킬 에스테르를 제조했다. 구체적으로는, LIPOZYME TL IM을 입상 실리카 담체(granulated silica carrier)에 고정시킨 후 반응기에 위치시켰다. 반응기에 대두유 49.1 중량%, 무수 메탄올 7.6 중량%, 무수 t-부탄올 20.5 중량% 및 알킬 에스테르 22.8 중량%를 함유한 용액을 공급했다. 반응기의 온도는 45℃로 했다. 반응 시간은 51.0분으로 했다. 반응기에서 제조된 생성물을 분리한 후 조성을 HPLC로 분석했다.

기대 이상으로, 알킬 에스테르 94.04 중량%, 모노글리세라이드 및 디글리세라이드 3.65 중량% 및 트리글리세라이드 2.31 중량%를 함유하는 생성물을 얻었다.

2. 1단계 바이오디젤 연료 제조 방법

도 3에에 도시된 플랜트는 도2 A에 도시한 구성을 갖는 처리 플랜트(100A)의 일례로서, 분리기(220, 230)를 사용하는 데 이용되는 복수의 구성 요소, 및 회수된 유출물 및 상기 분리기에 의해 생성된 폐생성물을 처리하는 데 이용되는 것으로서, 도 2A에는 도시되지 않은 추가의 구성 요소를 포함한다. 본 실시예에서는 반응물(130)이 알코올을 포함한다.

반응기(140)는 예를 들면, 효소적 촉매(142)를 포함하는 플러그 흐름 반응기(plug flow reactor)일 수 있다. 오일 소스(110)와 반응물인 알코올(130) 간의 반응은 앞서 설명한 섹션 1.2 부분, 및 미국특허출원 제10/945,339호에 기재된 바와 같다. 반응기(140)를 통과하는 플러그 흐름의 속도를 제어함으로써, 반응기(140)에 적절한 체류 시간 동안 상기 반응 물질들을 체류시킴으로써, 반응이 충분한 시간 동안 수행되어 완료될 수 있다. 상기 체류 시간은 예를 들면, 20분 미만 내지 3시간일 수 있다. 또한, 상기 반응기(140)의 온도는 특히, 오일 소스, 반응물, 및 촉매이 종류에 따라 좌우되며, 사전에 설정한 온도, 예를 들면, 20℃∼95℃의 범위에서 유지될 수 있다.

반응기(140)에서 유출된 조생성물(103)은 알킬 에스테르, 글리세롤, 및 오일 소스(110)와 반응물(130) 간의 반응에서 생성된 것으로서 미반응 오일과 같은 불순물을 포함한다. 또한, 상기 미반응 오일을 예시하면, 모노글리세라이드 및 디글리 세라이드를 들 수 있다.

처리 플랜트(100A)는 상기 조생성물(103) 중의 성분들을 예를 들면, 조 글리세롤(168)과, 미반응 오일(110), 불활성 용매(120), 및 미반응된 반응물(130)을 포함하는 조 바이오디젤(150)로 분리시키는 분리 모듈(220)을 포함한다. 그리고, 분리 모듈(220)은 와이핑된 박막 증발기(wiped thin film evaporator)(324) (독일 Deggendorf 소재의 Verfahrens Technische Aulagen GMBH에서 제조, 모델 VD 타입), 또는 충전상 증발기(packed bed evaporator)과 통합된 단순한 플래쉬 드럼과 같은 진공 증발기를 포함한다. 상기 박막 증발기(324)를 이용하여 박막 증발 공정을 수행함으로써, 조생성물(103) 중에 포함된 각종 성분들을 분리시킬 수 있다. 또한, 상기 박막 증발기(324)는 대면적을 갖는 박막을 포함함으로써, 불활성 용매(120), 미반응 알코올(130), 및 물을 신속한 속도로 증발시킬 수 있다. 상기 증발기를 이용하여, 비점이 낮은 성분들, 예를 들면, 미반응 알코올(130), 수증기, 불활성 용매, 및 기타 불순물들을 빠른 속도로 증발시킨 다음, 응축시켜, 용매 회수 유닛(328)에서 수집한 후, 불활성 용매(120), 미반응 알코올(130), 수증기, 및 기타 불순물을 분리시킨다. 그리고, 불활성 용매(120) 및 미반응 알코올(130)을 재생한 다음, 반응기(140) 공급물의 일부로서, 새로운 용매(120), 새로운 오일 소스(110), 및 새로운 알코올 반응물(130)과 혼합하여 이용할 수 있다. 상기 수증기 및 기타 불순물은 촉매 컨버터(362)로 보내어, 상기 불순물을 예를 들면, 이산화탄소로 전환시킨다. 이렇게 하여 수집된 수증기와 이산화탄소는 배기구(도시되지 않음)를 통해 유출된다.

상기 박막 증발기(324)의 잔류물은 글리세롤, 알킬 에스테르, 미반응 오일, 및 반응이 완료되지 않은 오일을 포함하며, 이들 잔류물은 제1 유착기(coalescer) 및 분리기(336)로 보내진다. 그리고, 상기 유착기에 의해 글리세롤 액적이 거대한 액상 형태로 유착된다. 상기 용액을 상기 분리기 내에서 일정 시간 동안 둔 다음, 바이오디젤과 글리세롤을 분리함으로써, 상층에 바이오디젤, 하층에 글리세롤을 얻을 수 있다.

하층의 글리세롤은 조 글리세롤(168)이라 칭하며, 물, 불활성 용매, 및 미반응 알코올과 같은 불순물을 포함한다. 이러한 조 글리세롤(168)은 조 글리세롤 증발기(338)로 보내진다. 상기 증발기(338)의 예로서는, VTA GMBH에서 제조한 짧은 경로 증발기를(모델 VK 타입), 또는 충전상 증발기가 결합된 단순한 플래쉬 드럼을 들 수 있다. 증발기(338)에 의해 증발 조작을 수행함으로써, 상기 글리세롤과 상기 불순물을 분리할 수 있고, 이렇게 하여 생성물로서 "순수한" 글리세롤(114)가 얻어진다. 예를 들어, 순수한 글리세롤(114)은 순도가 99 중량% 이상이다.

상층의 바이오디젤은 반응이 완료되지 않은 오일, 미반응 오일, 및 미소량의 글리세롤과 같은 불순물을 포함하기 때문에, 조 바이오디젤(225)이라 칭한다. 이러한 조 바이오디젤(225) 분획물은 재생된 후에, 반응기(140)에 다시 공급된다. 전술한 바와 같이, 조 바이오디젤(225)을 재순환시킴으로써, 상기 오일 소스 및 반응물 알코올을 용해하는 데 필요한 불활성 용매의 사용량을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 상기 반응물의 반응 완료를 촉진시킬 수 있다.

재순환되지 않은 조 바이오디젤(225)은, 짧은 경로 증발기(344)를 포함하는 최종 분리기(230)로 보내지고, 상기 증발기에 의해 상기 바이오디젤과 불순물을 분리함으로써, 순수한 바이오디젤(150)이 생성될 수 있다.

짧은 경로 증발기(344)는 반응이 완료되지 않은 오일, 미반응 오일, 및 글리세롤을 제2 유착기 및 분리기(354), 또는 재생 가능한 이온 교환 수지상(플러그 흐름상)으로 유출함으로써, 상기 글리세롤로부터 기타 성분들을 분리 또는 제거할 수 있다. 그리고, 상기 유착기 및 분리기(354)는 조 글리세롤(156)을 조 글리세롤 증발기(338)로 유출하여 조 글리세롤(156)을 처리함으로써, 순수한 글리세롤(114)이 생성된다. 상기 유착기 및 분리기(354)는 반응이 완료되지 않은 오일 및 미반응 오일을 유출하되, 이 때, 유출된 물질들은 선택적으로, 재생된 다음, 반응기(140)로 다시 공급될 수 있다.

3. 1단계 시스템의 형태에 대한 설명

도 4는 도 2A에 도시된 플랜트(110A)의 다른 일례를 도시한 것이다.

도 4에서, 플랜트(110A)는 오일 소스(110)를 저장하는 오일 드럼(D-1)을 포함한다. 그리고, 불활성 용매(120)는 사용하지 않은 불활성 용매, 상기 장치에 포함된 용매 회수 유닛으로부터 재생된 불활성 용매, 및 질소 가스가 수용되는 용매 드럼에 저장된다. 상기 질소 가스는 상기 용매로부터 수분 및 산소를 차단한다. 한편, 반응물 알코올(130)은 사용하지 않은 반응물 알코올, 재생된 반응물 알코올, 및 질소 가스가 수용된 반응물 알코올 드럼 중에 저장된다.

오일 소스(110), 불활성 용매(120), 및 반응물 알코올(130)의 혼합 공정은 복수의 구성 요소를 이용하여 수행된다. 상기 혼합 공정에서는 먼저, 트윈 헤드가 장착된 미터링 펌프(twin headed metering pump)(P-1)(430)를 이용하여, 오일 소스(110)는 일정한 속도로 경로(432)를 따라서 수분 제거상(RB-1)(436)을 향해 펌핑시키고, 여기서, 수분 제거상(RB-1)(436)은 예를 들면, 초흡착성 폴리머로 충전된 충전상으로서, 상기 오일 소스로부터 미소량의 직접 수분을 제거할 수 있다. 전술한 바와 같이 수분을 제거한 다음에는, 상기 오일 소스를 파이프(440)를 통해, 고정형 혼합기(SM-1)(438)을 포함하는 혼합기(210)로 보낸다. 이와 동시에, 트윈 헤드가 장착된 미터링 펌프(P-2)(424)에 의해, 상기 반응물과 불활성 용매는 상기 오일 소스 대 상기 반응물 알코올과 불활성 용매의 비값이 정해진 값으로 유지될 수 있도록 하는 속도로, 고정형 혼합기(438)로 펌핑된다. 또한, 펌프(430)를 이용하여, 재순환된 조 바이오디젤(225)를 상기 재순환된 조 바이오디젤 대 상기 오일 소스의 비값이 정해진 값으로 유지될 수 있도록 하는 속도로, 파이프(476)를 통해 고정형 혼합기(438)로 펌핑시킨다.

고정형 혼합기(438)의 예로서는, 미국특허 제3,286,992호에 기재된 바와 같은 다성분 고정형 혼합기, 또는 Sulzer Compact Static Mixer(스위스 소재의 Sulzer Chemtech로부터 입수 가능함)와 같은 충전형 혼합기(compact mixer)를 들 수 있다. 고정형 혼합기는 이동부를 갖지 않으며, 외부 전원을 이용하지 않은 채로 상기 용액을 혼합시킨다. 상기 고정형 혼합기(438)에 의해, 상기 반응물, 상기 불용성 용매, 상기 오일 소스, 및 재순환된 조 바이오디젤을 완전히 혼합함으로써, 균일한 용액이 얻어진다.

열 교환기(HE-1)(448) 및 카트리지 유형의 반응기(R-1)(404)를 포함하는 반 응기(140)에는 반응기(210)에서 유출된 유출물이 수용된다. 특히, 고정형 반응기(438)의 유출물을 열 교환기(HE-1)(448)로 전달한 다음에는, 예를 들면, 냉각수, 고온의 오일, 증기, 또는 전기 히터나 전기 냉각기 등을 이용하여 상기 혼합 용액의 온도를 조절한다. 열 교환기(448)는 예를 들면, 이중 파이프 형태일 수 있다. 온도를 조절한 다음, 상기 용액은 효소적 촉매(142), 이 경우에는 리파아제가 충전된 반응기의 연장된 카트리지(404)에 도입된다. 이 때, 반응 온도는 0∼95℃의 범위, 바람직하게는 실온(예컨대, 25℃)일 수 있다.

본 발명에서는 다양한 형태의 복수의 카트리지(404)가 사용될 수 있다. 예를 들면, 카트리지(404)는 바닥에 그리드 지지체(grid support)를 갖는 칼럼일 수 있다. 상기 카트리지 내의 효소적 촉매(142)를 유지시키기 위해, 상기 카트리지의 바닥에는 스크린이 제공되며, 상기 카트리지 내의 용액의 흐름을 레벨링(leveling)하기 위해 상기 카트리지의 상부에도 스크린이 제공된다. 이로써, 바닥과 상부의 스크린 사이에서, 상기 카트리지는 상기 촉매로 충전되어 있다. 그리고, 상기 온도 제어된 혼합 용액은 상기 카트리지(404)의 정상부에서 개방부를 통해 상기 카트리지(404)로 도입된 다음, 효소적 촉매(142)를 통과하여 하부로 유동된다. 상기 효소적 촉매는 상기 반응물 알코올과 상기 트리글리세라이드를 포함하는 오일 소스 간의 반응을 촉진하여, 알킬 에스테르, 글리세롤, 및 물(및/또는 기타 불순물)을 생성한다.

전술한 바와 같이 함으로써, 반응기(140)로부터, 알킬 에스테르, 글리세롤, 미반응 오일(트리글리세라이드), 반응이 완료되지 않은 오일(모노글리세라이드, 및 디글리세라이드), 미반응 알코올, 불활성 용매, 및 기타 불순물을 포함하는 조생성물이 얻어진다. 위에서 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이, 반응기(140)에서 유출된 조생성물은 증발기(324), 및 유착기 및 분리기(336)을 포함하는 분리기(220)를 통과한다. 도 4에서, 특정 디자인을 갖는 유착기 및 분리기(336)는 참조 번호 336A로 표시된 것으로서, 상기 유착기 및 분리기에는 글리세롤 액적을 유착시키기 위해, 기공 크기가 1∼5 ㎛인 막 여과기가 이용된다.

도 4에 도시된 플랜트(110A)에서, 증발기(324)는 압력 조절기(PR)(452), 프리히터(preheater)(HE-2)(448), 및 충전상 디자인으로 통합된 단순한 플래쉬 드럼의 증발기(E-1)(451)를 포함한다. 상기 프리히터(448)에는 예를 들면, 고온의 오일, 고온의 스팀을 이용하여, 상기 조생성물을 사전 가열할 수 있다. 또한, 증발기(451)에는 재킷 영역 내의 가열 애체로서 고온의 오일 또는 고온의 스팀이 사용될 수 있다. 상기 불활성 용매, 물, 및 미반응 알코올은 증발기(451) 내에서 증발된 다음, 상부의 개방부를 통해 증발기(451)로부터 유출된다. 유출된 불용성 용매, 물, 및 미반응 알코올을 냉각시킨 다음, 용매 회수 유닛(328)(도 4에는 도시되지 않음) 내에 수집함으로써, 재생될 수 있다.

상기 용매 회수 유닛 내 응축액 중에는 미반응 알코올, 불활성 용매, 물, 및 미소량의 바이오디젤이 포함되어 있을 수 있다. 2개의 간단한 칼럼을 이용하여, 상기 미반응 알코올, 불활성 용매, 및 수분을 제거할 수 있다. 일 구현예로서, 제1 칼럼을 통해서 상기 미반응 알코올 및 수분으로부터 상기 불활성 용매를 분리시킨다. 임의의 경우, 미소량의 바이오디젤을 포함하는 상기 불활성 용매는 상기 제 1 칼럼으로부터 유출되어, 상기 불활성 용매 드럼에서 재생된다.

상기 용매 회수 유닛에서, 상기 미반응 알코올 및 물은 상기 제1 칼럼의 정상부로부터 유출되어, 제2 칼럼으로 보내지고, 여기서, 미반응 알코올이 상부 환류 드럼에서 수집되어, 반응물 알코올 드럼에서 재생된다. 상기 제2 칼럼 바닥의 잔류물은 그 대부분이 물, 그리고 소량의 미반응 알코올 및 불활성 용매로 이루어진다. 상기 소량의 미반응 알코올 및 불활성 용매는 S매 컨버터를 통해 증발되어, 완전 연소될 수 있다. 이 같은 2개의 칼럼은 주위 압력에서 자동으로 조작될 수 있다. 통상적으로, 용매 회수 디자인은 사용된 알코올 및 불활성 용매의 종류에 따라 좌우되며, 각각 다른 회수 스킴(scheme)을 이용할 수 있다.

도 4를 계속 참조하여, 보다 높은 비등점을 가진 증발기(451) 내 성분이 기어 펌프(p-6)에 의해 유착기(CL-1)(454)로 펌핑되어, 글리세롤 액적이 조(crude) 바이오디젤로부터 쉽게 분리될 수 있는 거대 액적으로 유착된다. 두 개의 액체가 액-액 상 분리기(S-2)(456) 내에서 형성된다. 조 바이오디젤이 냉각기(HE-3)(458) 및 재생 가능한 이온 교환 수지로 충전된 트레이스(trace) 글리세롤 제거상(RB-3)(461)를 통해 이송된다. 트레이스 글리세롤 제거상(461)의 아웃풋을 두 개의 흐름(476) 및 (478)으로 나눈다. 한 흐름(476)은 고정형 혼합기(static mixer)(438)로 재생되고, 다른 흐름(478)은 단(short)-경로 증발기(E-2)(424)로 보내어진다.

조 바이오디젤은 적어도 95 중량%의 알킬 에스테르를 포함할 수 있으며, 분리기(456)로부터 유동하며, 냉각기(HE-3)(458)에 의해 냉각된다. 냉각수를 사용하여 조 바이오디젤을 냉각기 내에서 냉각시킨다.

조 바이오디젤의 일부를 피드백 파이프(476)를 통하여 재순환시킨다. 재순환된 조 바이오디젤은 조 바이오디젤과 순수 바이오디젤 사이에서 스위칭할 수 있는 3-방향(3-way) 솔레노이드 밸브(478)를 통과한다. 상기한 바와 같이, 펌프(430)는 재생된 바이오디젤을 고정형 혼합기(438)를 향하여 펌핑한다.

재순환되지 않은 조 바이오디젤의 일부는 짧은 경로 증발기(344)(도 3에 도시한 바와 같은 최종 분리기(230)의 일부)로 보내어진다. 짧은 경로 증발기(344)는 열 교환기(HE-4)(486), 압력 조정기(452), 및 짧은 경로 증발기(E-2)(424)를 포함한다. 짧은 경로 증발기(424)는 바이오디젤을 글리세롤, 미반응 오일 및 기타 불순물로부터 분리한다. 고순도 바이오디젤이 증발기(424)로부터 경로(426)를 통하여 흐른다.

증발기(424)는 미소량의 글리세롤로 오염된 미반응 오일을 경로(433)를 통하여 드럼(S-4)(472)으로 산출한다. 미반응 오일은 기어 펌프(P-8)(473)에 의하여 냉각기(HE-6)(475)를 통하여 펌핑된다. 미반응 오일의 품질 및/또는 오일 내 불순물의 양에 따라, 미반응 오일이 폐 오일 폐기 드럼으로 보내어지거나, 글리세롤 제거상(RB-2)(444)를 통과하여 임의의 잔류 글리세롤을 제거하고 오일 드럼 D-1으로 재순환될 수 있다. 글리세롤 제거상(444)는 예컨대 미소량의 글리세롤을 용액으로부터 제거할 수 있는 수지로 충전된 패킹 베드일 수 있다.

이중 중력 드레인 트랩(DN-1)(457)을 액-액 상 분리기(S-2)(456)와 드럼(474) 사이에 배치하여 글리세롤을 자동적으로 배출시킨다. 트랩(457)의 예는 Armstrong, MI, U.S.A.로부터 구입가능하다. 대안적으로, 글리세롤의 양이 너무 적어서 드레인 트랩을 사용할 수 없을 경우, 글리세롤을 배출시키기 위한 드럼 바닥 내 솔레노이드 밸브에 모두 커플링된 높은 레벨 스위치 및 낮은 레벨 스위치를 가진 작은 드럼을 사용할 수 있다.

드럼(474) 내 조 글리세롤은 진공 증발기(도 4에 도시되지 않음)를 통하여 정제되어 물, 미반응 알코올 및 불활성 용매를 제거할 수 있다. 증발된 증기는 응축되고 상기한 증발기 E-1(및 E-2)의 응축물 액상 드럼과 통합된다. 조 글리세롤 증발기를 떠나는 잔류물은 상업적 용도에 적합한 순수 글리세롤 생성물이다.

짧은 경로 증발기(424)로부터의 고순도 바이오디젤은 냉각수가 고순도 바이오디젤을 냉각시키는 열 교환기(HE-5)(408)를 통하여 펌핑된다. 최종 순수 바이오디젤 생성물은 적어도 99 중량%의 알킬 에스테르를 포함할 것이다. 순수 바이오디젤 생성물은 순수 바이오디젤 생성물 드럼(D-5) 내에 저장된다. 프로세싱 플랜트의 개시 동안, 조 바이오디젤이 유용하지 않을 경우, 순수 바이오디젤이 피드백 경로를 통하여 반응기(140)의 혼합기(210)로 재순환될 수 있다. 피드백 경로는 솔레노이드 밸브(478)와 연결되어, 조 바이오디젤을 사용하는 경우 재순환된 순수 바이오디젤이 스위칭 오프될 수 있다.

4. 단일 단계 시스템의 대안적 디자인

도 5는 바닥 생성물 배출 디자인을 사용하는 단일 단계 반응기의 대안적 디자인을 도시한다. 진공과 대기 사이에서 스위칭되는 두 개의 액체 드럼(S-1)(556) 및 (S-2)(566)을 사용하여 증발기에 커플링된 드럼(455)으로부터 액체가 배출된다. 액체 배출을 위한 스위칭 작동의 자동 조절을 위하여 드럼(556) 및 (566) 내에 액 체 검출기(도시하지 않음)를 사용한다. 2-방향 솔레노이드 밸브(558) 및 (560), 및 3-방향 솔레노이드 밸브(568)가 드럼(454)으로부터 드럼(556) 및 (566)으로의 용액의 흐름을 조정한다. 밸브(560)는 드럼(556)의 바닥으로부터 액체의 흐름을 조정한다. 제1 시간 주기에서, 밸브(560)가 폐쇄되고, 밸브(558)가 개방된다. 3-방향 솔레노이드 밸브(568)는 드럼(556)의 상부 오프닝이 진공 펌프(도시하지 않음)에 커플링되도록 배치된다. 용액은 드럼(454)으로부터 드럼(556)으로 중력에 의하여 유동한다.

소정량의 용액이 드럼(556) 내에 존재하면, 밸브(558)가 폐쇄된다. 밸브(560)가 개방되고, 실(room) 공기가 실리카겔(또는 수지)(570)을 통과하여 드럼(556)의 상부 오프닝에 진입하도록 3-방향 솔레노이드 밸브(568)를 선택한다. 실리카 겔 또는 수지(570)는 드럼(556)에 진입하는 공기로부터 수분을 제거한다.

중력으로 인하여, 드럼(556) 내 용액이 드럼(566) 내로 흐른다. 용액이 드럼(556) 밖으로 소정 레벨로 흐른 후, 밸브(56)가 폐쇄되고, 밸브(568)가 스위칭되고 밸브(558)가 재개방된다.

펌프(562)는, 글리세롤 액적이 거대 액적으로 유착되고 조(crude) 바이오디젤로부터 분리되는 유착기(CL-1)(454)를 통하여 연속적으로 용액을 펌핑한다. 펌프(562)는 도 4의 기어 펌프(467)의 역할과 유사한 기능을 한다. 차이점은, 펌프(562)의 경우 흡인 압력이 기어 펌프(467)의 경우에서와 같이 고진공 상황 대신 주변 압력으로부터라는 점이다. 이는 펌프의 선별에 있어 보다 유연성을 제공하여 적절한 펌프를 찾기가 보다 용이하도록 한다.

다운스트림 작동은 도 4에 주어진 것과 유사하다. 단(short)-경로 증발기(E-S)(424)의 바닥 흐름을 위한 유사한 디자인을 사용할 수 있다.

5. 2단계 플랜트

도 6을 참조하여, 도 2B에 도시된 구조의 2단계 프로세싱 플랜트(110B)의 예를 상세히 기술한다. 도 2B의 최종 분리기(230)는 도 6에서 생략된다.

도 6의 프로세싱 플랜트(110B)의 제1 부분은 제1 반응기(140), 제1 증발기(324), 및 제1 유착기 및 분리기(336B)를 포함하며, 이는 도 5의 상응 요소와 유사하게 작동한다. 도 5에서와 같이 단(short)-경로 증발기(344)를 사용하는 대신, 도 6의 프로세싱 플랜트(110B)는 제2 반응기(140), 제2 증발기(324) 및 제2 유착기 및 분리기(336B)를 사용한다. 제2 반응기(140)는 제1 반응기(140)와 유사할 수 있으며, 리파아제와 같은 효소적 촉매를 포함한다. 제1 및 제2 반응기(140)는 동일하거나 다른 효소적 촉매를 사용할 수 있다.

조(crude) 바이오디젤로부터 글리세롤을 제거하는 글리세롤 제거상 RB-2를 떠나는 조(crude) 바이오디젤은 파이프(288)를 따라 제1 반응기(140)에 대한 제1 고정형 혼합기(210)와 유사한 제2 고정형 혼합기(SM-2)(210)로 향하여 이동한다. 동시에, 2중 헤드 펌프(P-4)(292)는 반응물 알코올(130) 및 불활성 용매(120)를 제2 고정형 혼합기(SM-2)(210)를 향하여, 소정 비율의 반응물 알코올(130) 및 불활성 용매(120)가 고정형 혼합기 SM-2(210)로 진입하기 전에 위치(290)에서 조 바이오디젤과 혼합되도록 하는 속도로 펌핑한다. 고정형 혼합기 SM-2(210)의 아웃풋은 제2 반응기(140)로 이송된다.

제2 반응기(140) 내에서, 반응물 알코올, 미반응 오일, 및 불완전 오일이 반응하여 보다 많은 알킬 에스테르를 생성하여, 제2 반응기(140)의 아웃풋 내에 보다 적은 미반응 오일 및 불완전 오일이 남도록 한다.

제2 유착기 및 분리기(336B)의 아웃풋은 보다 높은 순도의 바이오디젤을 포함하며, 이는 보다 높은 백분율(예컨대, 99 중량% 이상)의 알킬 에스테르를 포함한다. 보다 높은 순도의 바이오디젤은 미소량의 글리세롤을 포함할 수 있으며, 냉각기(HE-5)(488) 내에서 먼저 냉각된 다음, 수지상(RB-3)(489)를 통과한다. 수지상(RB-3)는 수지로 충전되어 미소량의 글리세롤을 제거한다.

최종 생성물 - 고순도 바이오디젤(150)은 예컨대 99 중량%의 알킬 에스테르를 포함할 수 있으며, 고순도 생성물 드럼(D-5)으로 보내어진다. 드럼(D-5) 내 고순도 바이오디젤은 착수 동안 재순환되거나 사용자에게 제공될 수 있다.

일부 실시예에서, 프로세싱 플랜트(100A)(도 4 및 5) 및 (100B)(도 6)의 작동 조건은 다음과 같을 수 있다. 제1 반응기(404)는 0 내지 95℃의 온도 범위에서 작동하며, 체류 시간은 1 내지 180 분이다. 제1 증발기(451)는 120℃ 미만의 온도 및 100 mmHg 미만의 압력에서 작동한다. 제거상(436)(444) 및 (461)는 20 내지 80℃의 온도, 바람직하게는 실온 근처(예컨대, 25℃)에서 작동한다. 유착기(454) 및 (456)는 20 내지 80℃의 온도에서 작동한다.

6. 예시적 작동 조건

6.1 실시예 1

다음은 조 바이오디젤이 제1 반응기 유입구로 재순환되는 상기한 2단계 프로 세싱 플랜트의 작동 조건의 예이다. 박막 증발기를 사용하고, 짧은 경로 증발기를 사용하지 않았다. 지방 수퍼마켓에서 구입한 정제된 대두유를 프로세싱 플랜트의 원료로 사용하였다. 정제된 대두유 내의 물의 양은 약 200~300 ppm이었다. 순수한 무수 메탄올을 반응물 알코올로서 사용하였다. 순수한 무수물 t-아밀 알코올을 불활성 용매로서 사용하였다. 제1 반응기(R-1)는 리파아제로 충전된 패킹 베드를 포함하였으며, 여기서 리파아제는 Novozymes으로부터의 TL IM이었다. 제1 반응기 내 용액의 체류 시간은 50 분이고, 반응 온도는 25℃였다. 제2 반응기(R-2)는 리파아제로 충전된 패킹 베드였으며, 여기서 리파아제는 Novozyms으로부터의 Novo 435이었다. 제2 반응기 내 용액의 체류 시간은 115 분이고, 반응 온도는 25℃였다. 증발기는 닦여진 박막 증발기로 110℃의 온도 및 1.0 mmHg abs.의 압력, 및 250 회전/분의 회전속도로 작동하였다. 최종 생성물은 99.10 중량%의 바이오디젤, 0.62 중량%의 모노글리세라이드, 0.22 중량%의 디글리세라이드, 0.066 중량%의 트리글리세라이드를 포함하였으며, 산가는 0.630mg KOH/g이었다.

6.2 실시예 2

다음은 조 바이오디젤이 반응기 유입구로 재순환되는 상기한 단일 단계 프로세싱 플랜트의 작동 조건의 예이다.

두 가지 대안적인 증발기 디자인을 사용하였다: (1) 패킹 베드 증발기와 통합된 단순 플래쉬 드럼, 및 (2) 박막 증발기. 최종 생성물을 짧은 경로 증발기에 의해 처리하였다. 원료는 수분 200-300 ppm의 정제된 대두유였다. 반응기(R-1)는 리파아제로 충전된 패킹 베드였다. 피라아제는 TL IM(Novozymes)였으며, 체류 시간 은 53분이고, 반응 온도는 25℃였다. 증발기(E-1)가 패킹 베드와 통합된 단순 플래쉬 드럼을 사용할 때, 작동 온도는 120℃였으며, 압력은 5 torr abs였다. 증발기가 플래쉬 드럼 없이 박막 증발기를 사용할 때, 작동 온도는 120℃ 였으며, 압력은 1 torr abs이고, 최전 속도는 250 회전/분이었다. 최종 분리기는 짧은 경로 증발기(E-2)를 사용하였으며, 여기서 작동 온도는 120℃, 압력은 0.05 torr abs, 회전 속도는 400 RPM이었다. 얻어진 최종 생성물은 99.81 중량% 바이오디젤, 0.13 중량%의 모노글리세라이드, 0.06 중량%의 디글리세라이드, 및 미검출량의 트리글리세라이드를 포함하였으며, 산가는 0.770 mg KOH/g였다.

6.3 실시예 3

다음은 조 바이오디젤이 재순환되지 않는 상기 단일 단계 프로세싱 플랜트의 작동 조건의 예이다. 원료는 수분 200-300 ppm의 정제된 신선한 대두유였다. 반응기(R-1)는 리파아제로 충전된 패킹 베드였다. 리파아제는 TL IM(Novozymes), 체류 시간은 66.6분, 반응 온도는 25℃였다. 증발기(E-1)는 패킹 베드와 통합된 단순 플래쉬 드럼이었으며, 120℃ 온도, 5 torr abs 압력에서 작동하였다. 얻어진 최종 생성물은 86.55 중량%의 바이오디젤, 6.52 중량%의 모노글리세라이드, 5.24 중량%의 디글리세라이드, 및 1.69 중량%의 트리글리세라이드를 포함하였다.

6.4 실시예 4

전형적인 막 형 유착기(기공 크기 1-5㎛)로부터의 아웃풋인 조 바이오디젤 생성물은 액-액 분리 후에 1,000-1,500 ppm의 글리세롤 함량을 가질 수 있다. 조 바이오디젤은 90cm 깊이의 수지상을 통과하며, 여기서 상(bed) 내 유체의 체류 시 간은 약 25 분이다. 유출물 내 최종 글리세롤 농도는 15ppm 미만일 수 있다. 사용되는 수지는 이온 교환 수지의 형태 (MonoPlus SP112, Bayer 사, 독일)일 수 있다. 포화된 상은 메탄올, 에탄올 또는 동등 물질에 의해 재생될 수 있다.

7. 촉매 카트리지

제1 및 제2 반응기(140)는 효소적 촉매로 충전된 제거 가능한 카트리지를 사용하여, 촉매가 장기 실행 후 비효율적으로 되면 구(old) 카트리지를 새 것으로 대체할 수 있다. 제1 및 2 반응기(140)는 상이한 벤더(vendor)로부터 또는 상이한 유형의 촉매를 가지는 것과 같은 다양한 제거 가능한 카트리지를 수용하도록 구성될 수 있다. 프로세싱 플랜트(100A) 내지 (100D)는 카트리지와 짝지어지는 커플링 메커니즘을 가지도록 고안될 수 있다. 상이한 유형의 효소적 촉매를 사용할 수 있으며, 각각의 촉매는 유동 속도 및 작동 온도와 같은 상이한 세트의 작동 조건과 관련될 수 있다. 바이오디젤 연료 제조 시스템은 사용되는 특정 유형의 효소적 촉매에 근거하여 작동 조건을 조정할 수 있다.

도 7을 참조로 하여, 바이오디젤 연료 제조 시스템(702)은 반응기(704)를 포함하며, 각각의 반응기는 효소적 촉매로 충전된 카트리지(706)를 포함한다. 카트리지(706)는 바코드 또는 라디오 주파수 식별(RFID) 태그와 같이 카트리지(706) 내 효소적 촉매를 식별하는 식별기(708)를 포함한다. 판독기(710)(예컨대, 바코드 또는 RFID 판독기)는 식별기(708)를 판독하고, 식별 정보를 데이터 프로세서(712)로 보낸다. 식별 정보에 근거하여, 데이터 프로세서(712)는 데이터베이스(714)로부터 미리 저장된 작동 정보를 가져와, 작동정보를 사용하여 흐름 제어 서브-시스템 (716) 및 온도 제어 서브-시스템(718)을 조절한다.

흐름 제어 서브-시스템(716)은 예컨대, 반응기를 통과하여 유동하는 오일 소스 및 반응물 알코올의 유동 속도를 결정하는 펌프를 포함한다. 일부 실시예에서, 식별기(708)는 짧은 체류 시간을 필요로 하는 효소적 촉매와 연결되어, 데이터 프로세서(712)가 흐름 제어 서브-시스템(716)을 조절하여 반응기(704)를 통하여 용액을 보다 빠르게 펌핑할 수 있다. 일부 실시예에서, 식별기(708)는 보다 긴 체류 시간을 요하는 효소적 촉매와 연결되어, 데이터 프로세서(712)가 흐름 제어 서브-시스템을 조절하여 반응기(704)를 통하여 용액을 보다 느리게 펌핑할 수 있다. 일부 실시예에서, 식별기(708)는 보다 높은 반응 온도를 요하는 효소적 촉매와 연결되어, 데이터 프로세서(712)가 온도 제어 서브-시스템(718)을 조절하여 반응기 또는 열 교환기의 온도를 보다 높은 값으로 설정할 수 있다. 일부 실시예에서, 식별기(708)는 보다 낮은 반응 온도를 요하는 효소적 촉매와 연결되어, 데이터 프로세서(712)가 온도 제어 서브-시스템(718)을 조절하여 반응기 또는 열 교환기의 온도를 보다 낮은 값으로 설정할 수 있다.

일부 실시예에서, 식별기(708)는 카트리지(706)가 대체될 필요가 있을 때를 어림잡는 미리 저장된 정보와 연결될 수 있다. 미리-저장된 정보는 일부 부피의 용액이 카트리지(706)를 통과한 후에 카트리지(706)가 대체될 필요가 있음을 나타낼 수 있다. 시스템 내 유동 미터(도시하지 않음)에 근거하여, 데이터 프로세서(712)는 카트리지(706)를 통과한 용액의 부피를 결정한다. 부피가 일정 한계를 초과하면, 데이터 프로세서(712)는 사용자에게 카트리지가 대체될 필요가 있음을 나타내 는 메시지를 보인다.

8. 적용

도 8을 참조로 하여, 전력 발생기(800)는 오일 소스(804) 및 반응물 알코올(805)을 수용하여 바이오디젤(806)을 생성하는 프로세싱 플랜트(802)를 포함한다. 바이오디젤(806)은 바이오디젤 전력 발생기(808)로 보내어지며, 이는 바이오디젤(806)로부터 전기를 생성한다. 전기의 일부는 경로(812)를 통하여 프로세싱 플랜트(802)로 보내어지며, 프로세싱 플랜트의 다양한 전기 성분을 제공하는데에 사용된다.

시스템(802)은 상기한 프로세싱 플랜트 중 임의의 것일 수 있다.

전력 발생기(800)의 이점은, 석유-기재 디젤 연료를 사용하는 전력 발생기 보다 낮은 오염도로 시스템이 전기를 생성할 수 있다는 점이다. 오일 소스가 트리글리세라이드를 포함하면, 발생기(800)는 글리세롤, 물, 및 이산화탄소를 부산물로 생산한다. 오일 소스가 카르복시산을 포함하면, 발생기(800)는 물과 이산화탄소만을 부산물로 생산한다.

도 9를 참조로 하여, 비히클(820)은 오일 소스(804) 및 반응물 알코올(805)을 수용하여 바이오디젤(806)을 생성하는 프로세싱 플랜트(802)를 포함한다. 바이오디젤(806)은 디젤 엔진(814)으로 보내어지며, 이는 바이오디젤을 역학적 에너지로 변환시키고, 이는 역학적 에너지를 비히클(820)을 가동시키기 위한 바퀴 또는 프로펠러로 전송하는 전송 시스템(816)으로 보내어진다. 비히클(820)은 디젤 엔진으로부터의 역학적 에너지를 전기로 변환시키는 전력 발생기(도시하지 않음)를 포 함할 수 있다. 전기를 사용하여 비히클(820)의 다양한 전기 성분을 가동시킬 수 있다.

프로세싱 플랜트(802)는 상기한 프로세싱 플랜트 중 임의의 것일 수 있다. 비히클(820)은 예컨대 자동차, 트럭, 기차, 배 또는 비행기일 수 있다.

도 10을 참조로 하여, 레스토랑과 같은 빌딩(830)은 음식물 프로세싱을 위한 요리용 오일(832)을 수용하는 음식물 프로세싱 장치(834)(부엌과 같은)를 포함한다. 음식물 프로세싱 장치(834)에 의해 생성된 재순환 오일(836)은 프로세싱 플랜트(802)로 보내어지며, 이는 또한 반응물 알코올(805) 및 아웃풋 바이오디젤(806)을 수용한다. 디젤 전력 생성기(808)는 바이오디젤을 수용하며 전기를 생성하고, 이를 사용하여 음식물 프로세싱 장치(834) 및 프로세싱 플랜트(802)의 다양한 전기 성분을 가동시킨다.

9. 대안적 구체예

전술한 바는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 첨부하는 특허청구범위에 의하여 정하여지는 것으로 이해되어야 한다. 기타 구체예들 또한 특허청구범위 내이다. 예컨대, 2중 헤드 펌프를 두 개의 독립적인 펌프로 대체할 수 있다. 고정형 혼합기를 교반 혼합 드럼 또는 투여형 고정형 혼합기로 대체할 수 있다. 소규모 바이오디젤 생산을 위해서는, 투여형 컴팩트 고정형 혼합기를 각각의 혼합 지점에서 사용할 수 있다. 오일 소스가 높은 백분율의 물, 예컨대 2,000ppm 이상의 물을 포함하면, 수분 제거상을 고온 공기 스트리핑 장치로 대체할 수 있다. 물을 스트리핑에 의해 제거할 수 있으며, 오일을 반응기로 보내기 전에 냉각시킨다. 일부 실시예에서는, 동물성 지방 또는 고융점 식물성유를 원료로서 사용할 경우, 지방 또는 오일을 불활성 용매 내에 먼저 용해시킨다.

오일 소스가 카르복시산을 포함할 경우, 카르복시산과 반응물 알코올 사이의 반응은 알킬 에스테르를 생성하며 부산물로서 물을 생성한다. 글리세롤이 주위에서 생성되지 않는다. 글리세롤이 없기 때문에, 알킬 에스테르의 정제를 용매, 미반응 알코올 및 물을 증발시킴에 의해 달성할 수 있다. 오일 소스가 카르복시산을 포함할 경우, 글리세롤로부터 바이오디젤을 분리하기 위해 분리기를 사용하거나 글리세롤의 제거를 위해 제거상을 사용할 필요가 없다.

일부 실시예에서, 바이오디젤을 내부 연소 디젤 엔진 또는 가스 터빈 디젤 엔진을 위한 연료로서 사용할 수 있다.

일부 실시예에서, 효소적 촉매로 충전된 카트리지를 작은 프로세싱 플랜트의 반응기 내에 사용한다. 보다 큰 상업적 장치의 경우, 리파아제의 온라인 로딩 및 다운로딩을 시스템 디자인 내에 포함시킬 수 있다.

일부 실시예에서, 증발기 E-1(도 4-6)은 패킹 베드 디자인을 통합하거나 통합하지 않은 단순한 플래쉬 드럼일 수 있다. 다른 실시예에서, 보다 고급 알코올(반응 알코올 또는 불활성 용매)을 사용할 경우, 박막 증발기를 사용할 수 있다.

일부 실시예에서, 동일한 프로세싱 플랜트 내 냉각기(HE-1, HE-3, HE-5 및 HE-6)를 소규모 시스템을 위한 하나의 장치 내로 통합할 수 있다. 일부 실시예에서, 냉각기는 분리되나, 박스 내에 평행하게 배치되며, 냉각 매질, 예컨대 냉각수 에 대한 공통의 유입구 및 공통의 유출구를 가진다. 일부 실시예에서, 냉각기는 하나의 팬을 사용하여 모든 스트림을 동시에 냉각시키는 공기 냉각기로서 디자인될 수 있다.

일부 실시예에서, 짧은 경로 증발기는 증발기 E-1의 것과 유사한 유입구 내 플래쉬 드럼을 사용할 수 있다. 이러한 유형의 디자인은 짧은 경로 장치 내부에 응축기 로드를 감소시킬 수 있으며, 이는 보다 높은 비율의 유입구가 얻어짐을 의미한다. 플래쉬 드럼을 떠나는 증발된 증기를 응축시키기 위한 외부 응축기를 사용할 수 있다. 응축물이 짧은 경로 장치의 증류 생성물로 통합된다.

글리세롤 제거상의 재생은 온라인 프로세싱(예컨대, 대규모 시스템을 위하여 평행 디자인을 사용하는 경우) 또는 오프라인 프로세싱(예컨대, 소규모 장치를 위하여 카트리지 유형의 디자인을 사용하는 경우)일 수 있다.

셧-다운 동안, 질소에 의해 전체 연료 제조 시스템을 덮어 수분 및 공기를 블로킹할 수 있다(바이오디젤 또는 오일 소스의 산성화를 감소).

일부 실시예에서, 글리세롤 제거 수지는 이온 교환 수지, 예컨대, Bayer Chemical, Leverkusen, Germany로부터 구입가능한 Lewatit MonoPlus SP112일 수 있다.

고정형 혼합기를 아웃풋 속도가 레벨 조절에 의해 조정되는 교반 혼합기(드럼)로 대체할 수 있다.

본 발명에 따른 바이오디젤 연료의 제조 방법은, 폐기물이 적고 부반응이 감 소되면서 비용 효율적인 방식으로 알킬에테르과 같은 고순도 연료를 제공할 수 있다.

Claims

제1 반응기 및 반송 기구(return mechanism)을 포함하며,

상기 제1 반응기는,

제1 반응물, 제2 반응물, 반응 생성물, 및 상기 제1 반응물과 상기 제2 반응물 중 적어도 일부를 용해하는 불활성 용매(inert solvent)를 포함하는 혼합물을 받아들이는 입구,

보다 많은 반응 생성물을 생성하도록 상기 제1 반응물과 상기 제2 반응물간의 반응을 촉진시키는 효소, 및

상기 입구에서 수용된 반응 생성물 및 상기 제1 반응물과 상기 제2 반응물간의 반응으로부터 생성된 반응 생성물을 포함하는 상기 반응 생성물을 배출시키는 출구

를 구비하고,

상기 반송 기구는, 상기 반응 생성물 중 적어도 일부를 상기 출구로부터 상기 입구로 반송시키는

장치.
제1항에 있어서,

상기 반응 생성물이 알킬에스테르를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제2항에 있어서,

상기 반송 기구가 상기 알킬에스테르 중 적어도 일부를 상기 입구에 반송하는 것을 특징으로 하는 장치.
제2항에 있어서,

상기 혼합물이, 상기 제1 반응물, 상기 제2 반응물 및 상기 반응 생성물 중 적어도 일부를 용해하는 용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제4항에 있어서,

상기 출구에서 상기 알킬에스테르, 상기 용매 및 미반응 제1 반응물 중 적어도 일부가 배출되는 것을 특징으로 하는 장치.
제5항에 있어서,

상기 알킬에스테르 및 상기 미반응 제1 반응물을 포함하는 혼합물을 생성하도록 상기 용매를 증발시키는 증발기(evaporator)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제5항에 있어서,

상기 출구에서 글리세롤도 배출되는 것을 특징으로 하는 장치.
제7항에 있어서,

상기 알킬에스테르, 상기 글리세롤 및 상기 미반응 제1 반응물을 포함하는 혼합물을 생성하도록 상기 용매를 증발시키는 증발기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제8항에 있어서,

액-액 상 분리(liquid-liquid phase separation)에 기초하여 상기 글리세롤로부터 상기 알킬에스테르를 분리하는 상 분리기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서,

상기 제1 반응물이 트리글리세라이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서,

상기 제1 반응물이 카르복시산을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서,

상기 제2 반응물이 1차 알코올 및 2차 알코올 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서,

상기 제1 반응물이 식물성 오일 및 동물성 지방 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제13항에 있어서,

상기 반응 생성물이 연료로 사용되기에 적합한 조성을 가진 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서,

부가적 제2 반응물 및 상기 제1 반응기의 출구로부터 배출된 상기 반응 생성물을 포함하는 혼합물을 받아들이는 입구,

보다 많은 반응 생성물을 생성하도록 상기 제2 반응물과 다른 성분 사이의 반응을 촉진시키는 효소, 및

상기 제2 반응기의 입구에서 수용된 반응 생성물 및 상기 제2 반응물과 다른 성분 사이의 반응으로부터 생성된 반응 생성물을 포함하는 상기 반응 생성물을 배출시키는 출구

를 구비한 제2 반응기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제15항에 있어서,

상기 불활성 용매 및 미반응 제1 반응물과 미반응 제2 반응물 중 적어도 하 나를 증발시키는 증발기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제16항에 있어서,

잔류하는 미반응 반응물로부터 상기 반응 생성물을 분리하는 짧은 경로(short-path) 증발기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제17항에 있어서,

상기 반응 생성물이 알킬에스테르를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제18항에 있어서,

상기 알킬에스테르를 상기 제2 반응기의 출구로부터 상기 제1 반응기의 입구로 반송하는 반송 기구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
반응물들을 포함하는 혼합물을 받아들이는 입구를 구비한 반응기,

상기 반응물들간의 반응을 촉진시키는 효소, 및

상기 반응의 생성물 중 적어도 일부를 상기 입구에 반송하는 피드백 기구

를 포함하는 장치.
제20항에 있어서,

상기 반응의 생성물은 알킬에스테르를 포함하고, 상기 피드백 기구는 상기 알킬에스테르 중 적어도 일부를 상기 입구에 반송하는 것을 특징으로 하는 장치.
제20항에 있어서,

상기 반응물들은 (1) 트리글리세라이드 및 카르복시산 중 적어도 하나, 및 (2) 1차 알코올 및 2차 알코올 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제20항에 있어서,

상기 효소가 리파아제를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
알킬에스테르를 생성하기 위한 시스템으로서,

제1 서브시스템 및 제2 서브시스템을 포함하고,

상기 제1 서브시스템은,

제1 반응물, 제2 반응물, 및 상기 제1 반응물과 제2 반응물을 용해하는 불활성 용매를 포함하는 제1 혼합물을 받아들이는 제1 입구,

반응 생성물을 생성하도록 상기 제1 반응물과 상기 제2 반응물간의 반응을 촉진시키는 제1 효소,

상기 반응 생성물, 상기 불활성 용매 및 다른 성분을 배출시키는 제1 출구

를 구비한 제1 반응기를 포함하고,

상기 제2 서브시스템은,

상기 제1 출구로부터 부가적 제2 반응물, 불활성 용매, 상기 반응 생성물 중 적어도 일부, 및 다른 성분을 포함하는 제2 혼합물을 받아들이는 제2 입구,

보다 많은 반응 생성물을 생성하도록 상기 제2 반응물과 상기 다른 성분간의 반응을 촉진시키는 제2 효소, 및

상기 제2 입구의 입구에서 수용된 반응 생성물 및 상기 제2 반응물과 상기 다른 성분간의 반응으로부터 생성된 반응 생성물을 포함하는, 상기 반응 생성물을 배출시키는 제2 출구

를 구비한 제2 반응기를 포함하는

시스템.
제24항에 있어서,

상기 반응 생성물이 알킬에스테르를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제25항에 있어서,

상기 알킬에스테르 중 적어도 일부를 상기 제1 출구로부터 상기 제1 입구에 반송하는 반송 기구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제25항에 있어서,

상기 알킬에스테르 중 적어도 일부를 상기 제2 출구로부터 상기 제1 입구에 반송하는 반송 기구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제25항에 있어서,

상기 제2 서브시스템은, 상기 제2 출구로부터 배출된 제1 용액으로부터 알킬에스테르를 제외한 성분 중 적어도 일부를 제거하여 90중량% 이상의 알킬에스테르를 함유하는 제2 용액을 얻기 위한 분리기를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제28항에 있어서,

상기 분리기가 증발기를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제28항에 있어서,

상기 분리기가 액-액 분리기를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제25항에 있어서,

상기 제1 서브시스템은, 상기 제1 출구로부터 배출된 제1 용액으로부터 알킬에스테르를 제외한 성분 중 적어도 일부를 제거하여 상기 제1 용액보다 높은 농도의 알킬에스테르를 함유하는 제2 용액을 얻기 위한 분리기를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제31항에 있어서,

상기 분리기가 증발기를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제32항에 있어서,

상기 분리기가 액-액 분리기를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
반응기, 분리 유닛 및 반송 기구를 포함하며,

상기 반응기는,

제1 반응물, 제2 반응물, 불활성 용매 및 반응 생성물이 균질한 상태로 포함되어 있는 혼합물을 이송하기 위한 배관(pipeline), 및

상기 배관으로부터 상기 혼합물을 받아들이는 입구, 보다 많은 반응 생성물을 생성하도록 상기 제1 반응물과 상기 제2 반응물간의 반응을 촉진시키는 효소, 및 상기 입구에서 수용된 반응 생성물 및 상기 제1 반응물과 상기 제2 반응물간의 반응으로부터 생성된 반응 생성물을 포함하는 상기 반응 생성물을 배출시기는 출구를 가진 카트리지를 수용하는 커플러(coupler)

를 구비하고,

상기 분리 유닛은 보다 높은 퍼센트의 상기 반응 생성물을 함유하는 용액을 생성하도록 상기 출구의 배출물을 처리하고,

상기 반송 기구는 상기 용액 중 적어도 일부를 상기 배관에 반송하는

장치.
제1 서브시스템 및 제2 서브시스템을 포함하는, 알킬에스테르를 생성하기 위 한 시스템으로서,

상기 제1 서브시스템은,

제1 반응물, 제2 반응물, 불활성 용매 및 알킬에스테르가 균질한 상태로 포함되어 있는 제1 혼합물을 이송하기 위한 제1 배관, 및

상기 제1 배관으로부터 상기 혼합물을 받아들이는 제1 입구, 알킬에스테르를 생성하도록 상기 제1 반응물과 상기 제2 반응물간의 반응을 촉진시키는 제1 효소, 및 상기 알킬에스테르, 상기 용매 및 다른 성분들을 배출시키는 제1 출구를 가진 제1 카트리지를 수용하기 위한 제1 커플러

를 구비한 제1 반응기를 포함하고,

상기 제2 서브시스템은,

부가적 제2 반응물, 불활성 용매 및 상기 제1 출구로부터의 상기 알킬에스테르 및 상기 다른 성분 중 적어도 일부를 포함하는 제2 혼합물을 이송하기 위한 제2 배관, 및 상기 제2 배관으로부터 상기 혼합물을 받아들이는 제2 입구, 더 많은 알킬에스테르를 생성하도록 상기 제2 반응물과 상기 다른 반응물간의 반응을 촉진시키는 제2 효소, 및 상기 알킬에스테르를 배출시키는 제2 출구를 가진 제2 카트리지를 수용하기 위한 제2 커플러

를 구비한 제2 반응기를 포함하는

시스템.
알킬에스테르를 생성하기 위한 시스템으로서,

제1 반응물 및 제2 반응물을 포함하는 혼합물을 받아들이기 위한 카트리지로서, 반응 생성물을 생성하도록 상기 제1 반응물과 상기 제2 반응물간의 반응을 촉진시키는 효소를 포함하고 식별기(identifier)를 구비한 카트리지, 및

상기 카트리지에 설치된 식별기에 기초하여 상기 시스템의 가동 조건을 제어하는 컨트롤러

를 포함하는 시스템.
제36항에 있어서,

상기 반응 생성물이 알킬에스테르를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제36항에 있어서,

상기 효소가 리파아제를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제36항에 있어서,

상기 컨트롤러는 상기 식별기에 기초하여, 상기 카트리지를 통과하는 상기 용매의 속도를 좌우하는 펌프의 속도를 제어하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제36항에 있어서,

상기 컨트롤러는 상기 식별기에 기초하여, 상기 용액의 온도를 좌우하는 히터를 제어하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제36항에 있어서,

상기 컨트롤러는 상기 식별기에 기초하여 상기 카트리지를 교체할 필요가 있음을 나타내는 신호를 전송할 시점을 결정하는 것을 특징으로 하는 시스템.
리파아제를 포함하고, 알킬에스테르 발생기에 결합될 수 있도록 구성된 카트리지를 포함하며,

상기 알킬에스테르 발생기는,

유기 용매 중에서 오일 소스 및 제1 알코올 또는 제2 알코올을 혼합하여 상기 카트리지를 통과하는 용액을 형성하기 위한 혼합기,

상기 유기 용매 및 미반응 1차 알코올 또는 2차 알코올을 제거하기 위한 증발기,

글리세롤로부터 상기 알킬에스테르를 분리하기 위한 상 분리기, 및

미반응 오일 소스로부터 상기 알킬에스테르를 분리하기 위한 제2 분리기

를 포함하고,

상기 오일 소스는 트리글리세라이드를 포함하고, 상기 리파아제는 알킬에스테르를 생성하도록 상기 트리글리세라이드와 상기 1차 알코올 또는 상기 2차 알코올 사이의 반응을 촉진시키고, 상기 용액은 상기 반응 전반에 걸쳐 상분리를 일으키지 않으며, 부산물로서 글리세롤이 생성되는 것을 특징으로 하는

장치.
리파아제를 포함하고, 알킬에스테르 발생기에 결합될 수 있도록 구성된 카트리지를 포함하며,

상기 알킬에스테르 발생기는,

유기 용매 중에서 오일 소스 및 제1 알코올 또는 제2 알코올을 혼합하여 상기 카트리지를 통과하는 용액을 형성하기 위한 혼합기,

상기 유기 용매 및 미반응 1차 알코올 또는 2차 알코올을 제거하기 위한 증발기, 및

미반응 오일 소스로부터 상기 알킬에스테르를 분리하기 위한 분리기

를 포함하고,

상기 오일 소스는 카르복시산을 포함하고, 상기 리파아제는 알킬에스테르를 생성하도록 상기 카르복시산과 상기 1차 알코올 또는 상기 2차 알코올 사이의 반응을 촉진시키고, 상기 용액은 상기 반응 전반에 걸쳐 상분리를 일으키지 않으며, 부산물로서 물이 생성되는 것을 특징으로 하는

장치.
제43항에 있어서,

상기 분리기가 짧은 경로 증발기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
알킬에스테르, 알코올, 불활성 용매 및 글리세롤을 포함하는 혼합물을 받아 들이는 입구를 구비하고, 상기 불활성 용매 및 상기 알코올을 증발시켜 알킬에스테르 및 글리세롤을 포함하는 용액을 생성하기 위한 증발기, 및

상기 용액을 받아들이는 입구를 구비하고, 액-액 상분리에 기초하여 상기 글리세롤로부터 상기 알킬에스테르를 분리하기 위한 분리기

를 포함하는 장치.
알킬에스테르를 제조하기 위한 장치로서,

유기 용매 중에서 트리글리세라이드를 포함하는 오일 소스 및 1차 알코올 또는 2차 알코올을 혼합하여 용액을 형성하기 위한 혼합기;

상기 용액을 수용하는 반응기;

상기 유기 용매 및 미반응 1차 알코올 또는 2차 알코올을 제거하기 위한 증발기; 및

상기 알킬에스테르를 글리세롤로부터 분리하기 위한 상 분리기

를 포함하고,

상기 반응기는, 알킬에스테르를 생성하도록 상기 트리글리세라이드와 상기 1차 알코올 또는 상기 2차 알코올 사이의 반응을 촉진시키는 리파아제를 포함하고, 부산물로서 글리세롤이 생성되는 것을 특징으로 하는

장치.
제46항에 있어서,

캐리어를 더 포함하고, 상기 리파이제가 상기 캐리어 상에 고정되는 것을 특징으로 하는 장치.
제46항에 있어서,

상기 상 분리기에 의해 분리된 상기 알킬에스테르 중 적어도 일부가 상기 입구에 유입되어 상기 용액에 첨가될 수 있도록 하는 반송 기구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
입구, 출구 및 상기 입구와 출구 사이에 위치한 효소를 가진 카트리지를 알킬에스테르 발생기에 삽입하는 단계;

상기 카트리지 상에 부호화된 정보를 판독하는 단계; 및

상기 정보에 기초하여 상기 알킬에스테르 발생기의 가동을 제어하는 단계

를 포함하는 방법.
제49항에 있어서,

상기 알킬에스테르 발생기의 가동을 제어하는 단계는, 상기 카트리지의 입구에 유입되는 용액의 온도 및 유량 중 적어도 하나를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.