KR20100054046A - 해조류로부터 바이오 에탄올 생산을 위한 전처리 방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 해조류부터의 바이오에탄올을 생산하기 위한 전처리 방법과 장치에 관한 것으로, 해양조류를 산, 열처리 또는 효소처리를 용이하게 수행하도록 안출하므로서 스케일 업 할 수 있을 뿐 아니라, 폐기물의 처리를 용이하게 하며 재생이 가능하고, 광역분산형의 해양자원인 해조류를 에너지로 전환하는 뛰어난 효과가 있다.

해조류, 전처리장치, 바이오에탄올, 스케일 업(Scale up), 산과 열처리, 효소처리, 재생, 해양자원

Description

해조류로부터 바이오 에탄올 생산을 위한 전처리 방법 및 그 장치{A pre-treatment method and its apparatus for the production of bio-ethanol from algae}

본 발명은 해조류로부터 산과 열 및 효소를 사용하여 바이오에탄올을 생산하기에 적합한 전처리 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 해양자원의 하나인 해조류를 전처리 장치에 넣고 산 및 효소 등을 주입한 후 교반시켜 반응시킨 다음 분해산물을 수거하고 분해가 덜 되거나 필요가 없는 폐기물은 필터링장치 내에 잔류시키도록하는 기술을 개시한다.

바이오매스(Biomass)는 에너지 전용의 식물과 산림수목, 농산물과 사료작물, 농산 폐기물과 찌꺼기, 임산 폐기물과 부스러기, 수초, 동물의 배설물, 도시 쓰레기,등 산업폐기물, 기타 상기 폐기물에서 추출된 재생 가능한 유기물로 현재 에너지원으로 사용되고 있는 유기성물질을 총칭한다.

이러한, 바이오매스는 태양에너지를 저장하고 있는 거대한 에너지 창고이며 이를 효과적으로 사용할 수만 있다면 현재 화석연료의 과다한 사용이 가져 오는 에 너지난을 손쉽게 해결할 수 있을 것이며 이러한 바이오매스는 필요한 에너지량만큼을 배양해서 사용하기 때문에 대기 중에 이산화탄소의 과다한 축적을 방지할 수 있으므로 오늘날 극히 심각한 문제로 제기되고 있는 지구 온난화 문제를 해결할 수 있는 것이다.

바이오매스는 일반적으로 연소(combustion), 건조 화학 공정(dry chemical process), 수성 공정(aqueous process)의 3가지 방법을 통하여 에너지로 전환된다.

연소는 바이오매스를 고압의 증기를 통하여 전기에너지로 전환시키는 과정고, 건조 화학 공정은 바이오매스의 성격에 따라서 다시 열분해(pyrolysis), 가스화법(gasification), 수성 가스화법(hydrogasification)의 3가지 과정으로 나눠서 에너지로 전환한다. 이 중에서 열분해는 바이오매스를 기름(oil), 가스(gas), 숯(char)들로 전환시켜 주며, 가스화법은 바이오매스를 메탄(methane), 메탄올(methanol), 암모니아(ammonia) 그리고 전기로 전환시켜준다. 그리고 수성 가스화법은 바이오매스를 메탄(methane), 에탄(ethane), 숯(char)으로 전환시켜 준다. 마지막으로, 수성공정은 화학적 환원(chemical reduction), 알콜 발효(alcoholic fermentation), 혐기적 소화(anaerobic digestion)의 3가지 방법을 통하여 에너지로 전환시킨다. 여기서 화학적 환원은 바이오매스를 기름(oil)로 전환시켜주며, 알콜 발효는 바이오매스를 에탄올(ethanol)로, 혐기적 소화(anaerobic digestion)는 바이오매스를 메탄(methane)으로 전환시킨다.(Slesser and Lewis, 1979).

한편, 에너지로 전환될 수 있는 바이오매스의 종류는 많지만 그러한 바이오 매스들 중에서 배양이 용이하며, 식생활에 영향을 미치지 않으며, 에너지 수요를 충당할 수 있을 만큼의 대량생산이 가능한 자원을 찾는 것이 급선무이다. 실제로 위의 여러 가지 조건들을 만족하는 바이오매스로 현재 각광받고 있는 것 중 하나가 바로 곡물(corn stock)이다.

곡물과 같은 목질계 바이오매스들을 에너지로 전환하기 위해서 최근 몇 십 년 동안 화학적(chemical) 방법과 물리적인 방법 그리고 효소(enzyme)를 이용해서 셀룰로즈를 글루코즈로 전환하는 기술이 활발히 연구되어왔다. 더 나아가서는 셀룰로즈 물질(cellulose material)의 전처리를 통해 얻은 글루코즈를 원료로 미생물(microorganism)을 이용한 발효를 통한 에탄올(ethanol) 생성에 대한 연구도 상당히 활발하게 진행되어 왔다.

이렇게 수십년 동안 발전해온 전처리 기술은 현재까지 모두 셀룰로즈 물질(cellulose material)로 식물을 이용해 왔다. 식물 속의 셀룰로즈를 분해하는 방법으로 가장 널리 이용하는 방법은 효소(enzyme)를 이용한 전처리 방법이다. 그러나 식물 속의 셀룰로즈는 리그닌(ligin)과 헤미셀룰로즈(hemicellulose)로 보호되어 있다는 것을 발견하고 부터는 산 처리와 열처리와 같은 화학적 및 물리적 방법들을 이용하여 효소가 셀룰로즈에 접근하기 용이하게 하는 방법들이 함께 사용되어왔다.

화학적, 가수분해(Chemical hydrolysis)법은 H₂SO₄ 또는 HCl과 같은 산들을 이용하여 그의 약산처리를 하는 방법이다. 산 처리 후에는 대부분 고온에서 몇 시 간 동안 끓여주는 열처리를 하여 셀룰로즈의 글루코즈 전환율을 극대화 시킨다.

반면, 효소를 이용하는 방법은 셀룰로즈를 효소의 활성이 가장 좋은 최적의 온도와 pH로 맞춘 후, β-글루코시다제(β-glucosidase), 크실라나아제(xylanase), β-크실로시다제(β-xylosidse),α-L-아라비노-프라노시다제(α-L-arabino-franosidase)와 같이 셀룰로즈 가수분해(hydrolysis)에 관여하는 효소들을 넣어주는 방법이다. 이렇게 효소를 이용하는 방법은 셀룰로즈의 글루코즈 전환율을 높이기 위해서 산 처리나 열처리와 함께 병행되기도 하였다.

그러나, 상기 목질계 바이오매스를 얻는데는 넓은 면적의 토지가 필요하다는데 그 한계점이 있다. 또한 이러한 목질계 바이오매스 중에는 에너지화했을 경우 식량 값의 상승을 가져오는 것들도 많다. 이러한 목질계의 단점을 극복하기 위하여 최근에는 해양 속의 바이오매스들을 에너지로 전환 시키는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 해양 속의 바이오매스 중 조류(algae)는 생장속도가 빨라 대량 생산이 가능하며, 별도의 비료나 농업용수를 필요로 하지 않으며, 여러 가지 당 성분과 알긴산을 다량 함유하고 있어서 에너지로 전환하기에 적합하며, 탄수화물의 함량이 목질계 원료에 비해 1.5-2배 정도 높은 데다 목질계 원료에서 반드시 제거해야 하는 리그닌 성분이 없어 제조공정이 간편 해양 속의 바이오매스들을 전처리하기 위한 방법들은 주로 기존의 목질계 바이오매스들을 에너지화하기 위해서 사용하던 전처리 기술들을 응용한 것들이며, 아직 해조류를 에너지로 전환하는 기술이 아직 명확하게 확립되어있지 않다.

본 발명자들은 상기와 같은 종래의 목질계 바이오매스의 이용에 있어, 넓은 면적의 토지의 필요성, 식량 값 상승의 문제 및 자원부존량의 지역차가 크다는 문제점을 해소하기 위하여 해양 속의 바이오매스 조류를 전처리하기 위한 기술 및 장치에 대하여 예의 연구를 거듭하였고 그 중 해조류를 이용한 전처리장치인 본 발명을 하기에 이르게 되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 광역분산형의 바이오매스인 해조류를 이용하여 효소처리가 용이하고, 재생이 가능하며, 폐기물 처리를 용이하게 하는 해조류의 전처리 방법 및 그 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 해조류를 이용하여 스케일-업(Scale-up)이 용이한 전처리 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 상기 목적은, 해조류를 산 또는 효소 처리하는데 적합한 전처리 방법 및 그 장치를 개시하고, 기공의 크기가 다른 필터링 장치를 개시함으로써 얻고자하는 바이오물질의 크기에 따라 전처리가 용이하도록 함으로써 달성된다.

또, 본 발명의 상기 목적은 상판에 처리물질의 주입구와 pH 및 온도 측정 부분을 마련함으로써 바이오메스의 처리 조건에 맞게 전처리가 용이하도록 하고, 교반기 부분을 내외 두개 부분으로 분리하여 제작하여 필터링 장치를 자유롭게 교체 할 수 있도록 함으로써 달성하였다.

본 발명은 산과 열처리 또는 효소 처리를 이용한 조류로부터 생물자원의 생산방법을 보다 효율적으로 수행하기 위한 전처리 방법과 장치를 제공하는 뛰어난 효과가 있으며, 재생이 가능하며 폐기물처리가 용이한 전처리 방법과 장치를 제공하는 뛰어난 효과가 있다.

이하, 본 발명의 구체적인 내용을 도면을 통하여 상세히 설명한다.

도 1에는 본 발명을 실시하기에 가장 바람직한 장치가 도시되어 있다.

본 발명의 장치는 내부와 외부가 일정한 거리로 이격시킨 외통(1)내에 내통(2)이 설치되며, 상부와 하부도 이중교반익(4)(40)이 모터(M)로 연결된 교반축(3) 축설된 내통(2)하부에 안치된 상부교반기와 동일한 상기 모터(M)로 상기 교반축(3)에 나사끼움하여 연설된 외통(1)하부에 안치된 하부 교반기 사이를 일정거리 이격시켜 구성된다.

상기 본 발명 이중 구조로된 내통과 외통 그리고 이중구로로된 상부와 하부 교반기의 착설구조는 지금까지 개시된 바 없으며, 해조류에 대하여 산 또는 효소처리하기에 가장 바람직하도록 탈부착이 가능한 구조이다.

본 발명의 필터링장치 즉 내통(2)구조는 도 2 및 도 4에 도시한 바와 같이 바닥판(5)(50)은 일정크기의 다수의 가공(7)(70)이 천공되고 중앙에 교반축수(3)가 통과되는 구멍(6)(60)이 천공되어 있으며, 측면판(2)(20)에도 일정크기의 다수의 기공(21)(201)이 천공되어 있어 전체가 기공으로 천공되어 있으므로 전처리물인 해조류 소재는 필터링장치내통에 덮개상판(7)의 투입구(71)를 열어 투입하고(도 5참조) 산 또는 효소는 상기상판(7) 주입구(72)를 통하여주입한 다음 온도계 삽입구(73)에 온도계를 삽입하고 상기 덮개상판(7)은 손잡이(9)를 사용하여 고정시키면 된다.

한편, 본 발명 필터링장치 내통(2) 바닥판(5)(50)과 측면판(2)(20)에 천공하는 기공(7)(70)(21)(201)의 크기는 피처리물인 해조류의 종류 및 크기에 따라 적절하게 천공된 것을 선택하면 된다.(도 3a,도 4)

본 발명 장치는 산으로서 HCL, H₂SO₄를, 효소로는 β-글루코시다, 크실라나아제, β-크실로시다제, α-L-아라비노-프라노시다제와 같은 셀룰로즈 가수분해에 관여하는 효소를 PH를 맞추어 작업하기 때문에 내산성과 내열성이 있는 소재의 재질로 제작됨이 바람직하다. 바람직하기로는 스텐레스스틸소재 또는 부분적으로 FRP가 사용될 수 있다.

본 발명 실시를 위한 바람직한 실시태양으로서 도 6에 도시한 바와 같이 상하 2중으로 나사끼움(31)(32)된 교반날개가 부착된 교반기가 사용되지만, 이밖에도 내통(2)에 2개이상의 교반날개 외통에 2개이상의 교반날개가 부탁된 교반기가 사용될수 있으며 이와 반대로 해조류의 종류와 소재의 특성에 따라 내통(2)에 2개, 외 통에 2개인 교반기도 사용될수 있음은 물론이다.

또, 본 발명의 도 7에서 보인 바와같이 바닥판(5)에 기공(7)(70)이 없는 필터링장치 내통(5)이 사용 될수 있음은 물론이다.

본 발명은 해조류로부터 바이오에탄올을 생산하는 뛰어난 효과가 있을 뿐 아니라 여기서 남은 피처리물의 잔사를 제거할 수 있으며 나아가 scale-up된 시설을 제공할 수 있는 뛰어난 효과가 있으므로 해양자원 산업상 매우 유용한 발명인 것이다.

도 1은 전처리 장치의 전체적인 형태를 나타낸 사시도이다.

도 2는 전처리 장치 내부에 설치하는 필터링 장치를 나타낸 것이다.

도 3a 및 3b는 기공의 크기가 다른 필터링 장치의 바닥면을 나타낸 것이다.

도 4는 기공의 크기가 다른 필터링 장치의 측면을 나타낸 것이다.

도 5는 전처리 장치 상판의 모습을 구체적으로 나타낸 사시도이다.

도 6은 전처리 장치 내부의 교반기의 결합상태 모습을 나타낸 사시도이다.

도 7은 교반기의 상하축(3)(30)의 분리가 가능하며 그 사이로 필터링장치(내통)를 끼워 넣을 수 있도록 하고 이음새 부분은 함께 탈부착되며 교반시킬 때 무리없이 회전이 가능하도록 고안된 것을 나타내는 분리사시도이다.

Claims (5)

1. 해조류의 시료가 다수의 기공이 있는 필터링 장치 내부에서 전처리 물질과 교반을 통하여 상기 필터링 장치에 천공된 기공크기 이하로 피처리된 물질만 기공을 통과하도록 함을 특징으로 하는 해조류 전처리 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 전처리물질은 산 또는 효소임을 특징으로 하는 해조류 전처리 방법.
3. 스텐레스소재의 외통(1)과 통공이 형성된 필터링 장치 내통(2),모터(M)와 상하 교반날개(4)(40)가 나사끼움(31)(32)된 교반기(3), 해조류 투입구(7)와 전처리물 주입구(72)와, 온도계 삽입구(73), 손잡이(9)가 형성된 덮개상판(7)으로 구성된 해조류 전처리장치.
4. 제 3항에 있어서, 상기 필터링 장치는 내통(2)는 바닥판과 측면판의 기공의 크기는 조류의 종류 및 크기에 따라 제작되는것이 특징인 해조류 전처리장치.
5. 제 3항 또는 제 4항에 있어서, 상기 교반기는 필터링 장치 내통(2)에 맞게 탈부착이 가능하며 나사끼움된 부위가 고정되어 회전이 가능한 해조류 전처리장치.

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