KR20110105838A - 에탄올 및 기름의 회수·제조 방법 - Google Patents
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Abstract
식품 폐기물 중에 포함되는 열에너지의 회수율을 향상시키는 동시에, 처리시에 발생하는 잔사인 고형분의 처리가 용이한 에탄올 제조 방법을 제공한다. 식품 폐기물을 당화, 발효 및 증류하여 에탄올을 제조하는 방법으로서, 당화액, 발효액, 또는 증류 폐액 중 어느 하나의 고액 분리 공정에 있어서, 유분, 수용액분 및 고형분의 3상 (相)으로 분리하는 3상식 원심 분리 장치를 사용하는 것을 특징으로 하는 에탄올 및 기름의 회수·제조 방법.
Description
본 발명은 식품 폐기물을 당화, 발효 및 증류하여 에탄올을 제조하는 에탄올 및 기름을 회수하여 제조하는 방법에 관한 것이다.
여기서 말하는 식품 폐기물에는, 가정에서 나오는 생쓰레기, 식품 공장에서 나오는 식품계 산업 폐기, 유통 단계에서 폐기되는 폐기 식품 (폐기하는 과자, 편의점 등으로부터 회수된 유효 기한이 지난 식재, 식당 등으로부터 배출되는 잔반), 급식이나 병원 등에서의 폐기 식재, 수급 조정이나 생산 단계에서 당도를 높이기 위하여 제거된 과실 등, 인간이 식용으로 제조·가공·조리·식음하는 단계에서 발생한 모든 폐기물을 포함하는 것이다.
구체적으로는,식품 폐기물로부터 에탄올 및 기름을 회수하여 제조하는 방법에 관한 것이다.
생쓰레기 등의 식품 폐기물 중에는 밥, 빵, 면류 등의 탄수화물, 6단당, 5단당 등이 존재하는데, 이것을 에탄올 발효시켜 액체 연료인 에탄올을 제조하는 재활용 시스템을 구축할 수 있는 것이 알려져 있다.
그 방법은 전분 등의 당원 (糖源)을 포함하는 유기 폐기물을 회수하여, 당화함으로써 단당화하고, 에탄올 발효 효모를 첨가하여, 수시간에서부터 수개월 정도가 지나서 당이 모두 소비된 후, 에탄올 발효액을 증류하여 에탄올을 분리 정제한다. 에탄올 순도를 99% 이상으로 하려면 공비나 무수화막을 이용한다.
식품 폐기물로부터 에탄올을 제조하는 방법에 대하여는 종래부터 여러 가지 제안이 이루어져 있다.
예를 들면, 일본 공개 특허 공보 2007-111590호 (하기 특허 문헌 1)에는 생쓰레기를 분쇄하여 분쇄물을 생성하는 단계와, 분쇄물의 전분 농도를 조정하고 당화 효소를 가하여 당화 처리수을 생성하는 단계와, 당화 처리수에 미리 배양한 지모모나스 모빌리스 (Zymomonasmobilis) 종균을 접종하여 알코올 발효시켜 거르지 않은 술을 생성하는 단계와, 거르지 않은 술을 증류해 에탄올을 회수하는 단계를 포함한다. 45%를 초과하는 대 (對) 포도당 전환율을 얻을 수 있고, 생쓰레기로부터 효율적으로 에탄올을 제조할 수 있어서 일본에 있어서의 가솔린 첨가용 에탄올을 제조하는 데 사용함으로써, 생쓰레기를 원료로 하고, 또한 높은 효율로 에탄올을 회수할 수 있는 방법이 기재되어 있다.
또한, 일본 공개 특허 공보 2005-65695호 (하기 특허 문헌 2)에는 전분질을 포함하는 원료를 사용하여, 발효에 의하여 에탄올을 제조하는 방법에 있어서, 상기 원료로부터 펠릿을 형성하는 펠릿 형성 공정과 상기 펠릿에 누룩 곰팡이를 접종하여 당화 펠릿을 얻는 당화 공정과, 상기 당화 펠릿과 효모와 물로 구성되는 발효 누룩의 발효 개시시의 수분 함량을 30 내지 60 중량%로 조정하고 고체 발효를 실시하는 고체 발효 공정을 구비함으로써, 고체 발효법에 따른 신규 알코올 생성 방법 및 시스템을 개발하고, 알코올 생성 과정에 있어서 폐액을 배출하지 않는 에탄올의 제조 방법 및 에탄올 제조 시스템이 기재되어 있다.
또한, 일본 공개 특허 공보 2006-325577호 (하기 특허 문헌 3)에는 알코올 생산부 및 폐수 처리·이용부를 구비하고, 알코올 제조부, 당화부, 농축부, 제1 발효부, 증류부 및 탈수부가 있고, 바이오매스 원료 (생쓰레기)로부터 알코올 (연료용 알코올)을 생성한다. 당화부에서는 생쓰레기 중에 서식하는 미생물에 의하여 젖산이 생성되어 당화액의 pH가 낮아진다. 농축부에서는 농축 당화액의 전체 당농도가 100 g/ℓ 이상 300 g/ℓ 이하의 범위로 농축되는 동시에, 농축 당화액의 pH가 젖산의 농축에 의하여 4.0 부근이 되기 때문에, 생쓰레기를 유효 이용하는 동시에, 술 제조에 사용되고 있는 사카로미세스 세레비시아 (Saccharomyces cerevisiae)에 속하는 효모를 사용하여도 살균, pH 조정 및 효모에 대한 영양원의 첨가 등이 불필요하고, 또한 효율 좋게 알코올을 생성할 수 있는 시스템이 기재되어 있다.
그러나, 상기 특허 문헌 1 내지 3에 기재된 종래의 에탄올 제조 방법에서는 당화액 중에 포함되는 유분에 의하여 배관이 막히는 경우가 있고, 생쓰레기에 포함되는 전분의 열회수율이 저하되는 문제점이 있었다.
또한, 종래의 에탄올화 리사이클에서는 유기 폐기물 중의 당분을 에탄올의 원료로 하기 때문에, 당분 이외의 물질은 모두 잔사로서 배출되는 문제점이 있었다.
본 발명은 전술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고, 식품 폐기물 중에 포함되는 열에너지의 회수율을 향상시키는 동시에, 처리시에 발생하는 잔사인 고형분의 처리가 용이한 에탄올 제조 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명은 전술한 과제를 해결하기 위하여 예의 검토를 한 결과, 당화액, 발효액, 또는 증류 폐액 중 어느 하나의 고액 분리 공정에 있어서, 유분, 수용액분 및 고형분의 3상으로 분리하는 3상식 원심 분리 장치를 사용함으로써 식품 폐기물 중에 포함되는 열에너지의 회수율을 향상시키는 동시에, 처리시에 발생하는 잔사인 고형분의 처리가 용이한 에탄올 제조 방법을 제공하는 것으로, 그 요지로 하는 것은 특허 청구의 범위에 기재되어 있는 대로인 아래의 내용이다.
(1) 식품 폐기물을 당화, 발효 및 증류하여 에탄올 및 기름을 회수·제조하는 방법으로서, 당화액, 발효액, 또는 증류 폐액 중에서 어느 하나의 고액 분리 공정에 있어서, 유분, 수용액분 및 고형분의 3상 (相)으로 분리하는 3상식 원심 분리 장치를 사용하는 것을 특징으로 하는 에탄올 및 기름의 회수·제조 방법.
(2) 상기 수용액분으로부터 3상 분리에 의하여 유분 및 고형분을 분리 회수하고, 액분을 발효부에 보내는 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 에탄올 및 기름의 회수·제조 방법.
(3) 원료로서 식품 폐기물에 폐유를 한천 형태로 굳힌 것이나 신문지에 흡수시킨 것을 첨가하여 사용하고, 당화부에서 60℃ 이상의 온도에서 12 시간 이상 유지·교반함으로써, 폐유를 당화액 중에 회수하는 것을 특징으로 하는 (1) 또는 (2)에 기재된 에탄올 및 기름의 회수·제조 방법.
(4) 당화부에, 효소로서 리파아제를 첨가함으로써 고형물 중에 잔류한 유분을 분해하고, 상기 3상 분리에서의 회수 유량을 증가시키는 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 에탄올 및 기름의 회수·제조 방법.
(5) 상기 고액 분리 공정에서 분리하지 않은 수용액 중에 포함되는 고형물을 메쉬가 0.1 mm 내지 10mm인 스크린을 사용하여 제거하는 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 기재된 에탄올 및 기름의 회수·제조 방법.
(6) 상기 고액 분리 공정의 전단 (前段)에서, 필터식 압착기, 진동체 장치, 펀칭 메탈 및 그물을 사용하여 플라스틱, 종이, 봉투, 나무 젓가락, 금속, 갑각류 등의 협잡물 (挾雜物)을 분리하는 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (5)의 어느 하나에 기재된 에탄올 및 기름의 회수·제조 방법.
(7) 복수 종류의 당분, 염분, SS분 (현탁 고형물분)을 포함하는 상기 당화액의 농도를, Brix계 (굴절계)를 사용하여 측정하고, 이 농도를 규정 값의 범위로 제어하는 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (6)의 어느 하나에 기재된 에탄올 및 기름의 회수·제조 방법.
(8) 상기 고액 분리 공정 등에서 고형분으로서 분리한 잔사를 식품 폐기물 이외의 폐기물을 소각 또는 용융하는 폐기물 처리 설비에서 처리하고, 그 때 발생하는 폐열을 회수한 증기를 상기 식품 폐기물의 농축 공정, 증류 공정에 사용하는 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (7)의 어느 하나에 기재된 에탄올 및 기름의 회수·제조 방법.
(9) 상기 고액 분리 공정 등에서 고형분으로서 분리한 잔사 중의 수분을 온풍 통기 건조, 호기 발효 열을 이용한 건조 장치에서 건조 처리한 후, 상기 폐기물 처리 장치에서 소각 또는 용융 처리하는 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (8)의 어느 하나에 기재된 에탄올 및 기름의 회수·제조 방법.
(10) 상기 고액 분리 공정 등에서 고형분으로서 분리한 잔사를, 혐기 발효하고, 회수한 가연 가스를 상기 폐기물 처리 장치의 소각 또는 용융 열원, 또는 에탄올 플랜트의 가열 증기원으로서 사용하는 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (9)의 어느 하나에 기재된 에탄올 및 기름의 회수·제조 방법.
(11) 상기 증류 공정에서 에탄올과 분리된 수용액을, 상기 당화 공정에 사용하는 가수액으로서 재이용하고, 나머지 수용액을 상기 폐기물 처리 장치의 소각 또는 용융 공정에서 분무 처리하는 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (1O)의 어느 하나에 기재된 에탄올 및 기름의 회수·제조 방법.
(12) 상기 3상식 원심 분리 장치로 분리하여 얻은 유분을 유수 분리, 여과의 어느 하나 또는 이 두 가지 공정 전부에 의하여 처리한 후에 재생유 연료로서 이용하는 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (11)의 어느 하나에 에탄올 및 기름의 회수·제조 방법.
(13) 상기 재생유 연료를 인접한 폐기물을 소각 또는 용융하는 폐기물 처리 설비의 연료로서 이용하고, 상기 폐기물 처리 설비에 사용하는 화석 연료를 삭감하는 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (12)의 어느 하나에 기재된 에탄올 및 기름의 회수·제조 방법.
(14) 상기 3상식 원심 분리 장치로 분리하여 얻은 유분을 에스테르 교환 반응, 아임계 (亞臨界) 처리, 열처리 등에 의하여 바이오 디젤 연료의 원료로서 사용하는 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (12)의 어느 하나에 기재된 에탄올 및 기름의 회수·제조 방법.
(15) 상기 유분에 혼입되어 있는 유리 지방산을, 촉매로서 진한 황산을 첨가하여 알코올과 반응시킴으로써 에스테르화하거나, 또는 이온 교환 수지를 촉매로 하여 알코올과 반응시킴으로써 에스테르화하고, 유리 지방산 농도를 저감하는 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (14)의 어느 하나에 기재된 에탄올 및 기름의 회수·제조 방법.
(16) 상기 에스테르 교환 및/또는 상기 에스테르화 공정에 사용하는 알코올로서 상기 프로세스로 정제한 에탄올을 사용하는 것을 특징으로 하는 (14) 또는 (15)에 기재된 에탄올 및 기름의 회수·제조 방법.
<작용>
(1)의 발명에 의하면, 식품 폐기물은 일반적으로 수%의 유분을 포함하고,배관 폐색이나 발효 저해 등의 원인이 되지만, 이를 회피할 수 있다. 회수한 유분은 식물유를 주성분으로 하는 고발열량의 연료이고, 연료 등에 유효 이용할 수 있다.
(2)의 발명에 의하면, 예를 들면 당화 공정과 발효 공정의 사이에 수용액분부터 3조 분리에 의하여 유분 및 고형분을 분리 회수하여, 액분 (液分)을 발효부로 보냄으로써, 당화조는 일반적으로 60℃ 이상의 고온으로 유지되기 때문에, 기름의 점도가 낮고, 회수가 용이하며, 후속 공정인 발효 공정에서 유분이 에탄올 발효를 저해하기 때문에, 그 저해 요인을 사전에 제거할 수 있고, 이후의 공정에서의 배관 폐색을 방지할 수 있기 때문에 이점이 더 커지게 된다.
또한, 일반 가정에서는 튀김이나 볶음에 사용한 식물유는 신문지·키친 페이퍼로 흡수한 후에 또는 지방산을 주성분으로 하는 고화재 (固化材)를 첨가하여 한천 형태로 굳힌 후, 가연 쓰레기로서 버려지고 있는 것이 대부분이어서, 가정에서 회수하는 것은 일부 스테이션에서의 회수에 그치고 있기 때문에 폐유로서의 회수율은 낮다.
(3)의 발명에 의하면, 그와 같은 종래 회수할 수 없었던 폐유를 식품 폐기물과 동일한 회수 루트에 실을 수 있어서, 회수에 드는 수고를 큰 폭으로 생략할 수 있고, 회수율이 큰 폭으로 향상된다. 또한, 당화부에서 60℃ 이상의 온도에서 12 시간 이상 교반·유지함으로써, 신문지에 흡수된 식물유는 그 대부분이 당화액 중에 녹아나오고, 또한 한천 형태로 굳힌 기름은 60℃ 정도에서 액상으로 변환할 수 있으므로, 이후의 공정에서 간단하게 기름으로서 회수하는 것이 가능하게 된다.
(4)의 발명에 의하면, 고형물에 부착된 유분이나, 고체 형태의 유분을 효소로서 리파아제를 첨가함으로써 분해할 수 있으므로, 기름의 회수율을 더욱 높이는 것이 가능해진다.
(5)의 발명에 의하면, 액 분리 공정에서 분리하지 않은 고형물을, 메쉬가 0.1 mm 내지 10 mm인 스크린을 사용하여 제거하기 때문에, 후속 공정의 농축, 발효, 증류 공정 등의 운전 저해 요인이 되지 않는다.
(6)의 발명에 의하면, 고액 분리 공정의 전단에서, 필터식 압착기, 진동체 장치, 펀칭 메탈 및 그물을 이용하여 플라스틱, 종이, 봉투, 나무 젓가락,금속, 갑각류 등의 협잡물을 분리하므로 파쇄 선별기에서는 완전하게 제거할 수 없는 협잡물을 분리할 수 있다.
(7)의 발명에 의하면, 복수의 종류의 당분, 염분, SS분 (현탁 고형물분) 등을 포함하는 상기 당화액의 농도를, Brix계 (굴절계)를 사용하여 측정·관리하므로, 복수 원료의 혼합 비율의 조정이나, 당화액의 농축 공정을 두는 경우에는 그 농축도를 변화시킴으로써, 농도 관리를 정확하게 할 수 있다. 그에 따라,발효 상황을 안정적으로 계속하는 것이 가능해진다.
(8)의 발명에 의하면, 상기 고액 분리 공정이나 각부에 설치한 스크린, 탈수기 등으로 고형분으로서 분리한 잔사를, 식품 폐기물 이외의 폐기물을 소각 또는 용융하는 폐기물 처리 설비에서 함께 처리하고, 그 때 발생하는 폐열을 회수한 증기를, 상기 식품 폐기물의 농축 공정, 증류 공정에 사용할 수 있다. 폐기물 발전에 있어서는 증기가 가진 열에너지를 이용하여, 전기로 변환하고 있지만 그 발전 효율은 높다고 하여도 35% 정도로 낮고, 그 대부분은 증기를 물로 응축할 때에 응축수로서 열손실된다. 그러나, 본 발명에서 농축이나 증류 공정에서 필요한 열수준은 100℃ 정도이며, 종래 열손실될 수 밖에 없던 폐열을 사용하여, 취급이 용이하고 보존하기 쉬운 액체 연료로서 취할 수 있기 때문에 에너지 효율적으로 매우 우수하다.
또한, 상기 잔사는, 예를 들면 탈수기를 사용하여 기계적으로 짰다고 하더라도 함수율은 70% 이상이어서, 그대로는 소각·용융하는 경우에 별도 외부 연료가 필요하게 되고, 폐열 회수하는 증기 비율은 낮은 수준에 그친다.
(9)의 발명에 의하면, 60℃ 이상의 로우 레벨 폐열을 사용한 통기 건조나,식품 폐기물 중에 포함되는 미생물 (새로 종균을 첨가하여도 당연히 좋지만)의 발효열을 이용한 호기 건조를 조합함으로써, 외부 연료를 새로 추가하지 않고, 수분을 큰 폭으로 저감할 수 있다. 따라서, 인접한 소각 또는 용융 설비에서 새로운 외부 연료를 사용할 필요가 없고, 또한 폐열 회수하는 증기 비율을 높게 할 수 있다.
(10)의 발명에 의하면, 상기 잔사를 혐기 상태로 유지한 상태로, 식품 폐기물에 포함되는 미생물 (새로 종균을 첨가하여도 당연히 좋지만)의 기능으로, 메탄을 주성분으로 하는 가연성 가스를 회수할 수 있다. 이 기술은 가용화된 원료를 고형분 농도 10% 정도에서 35℃ 이상의 온도로 유지하고, 탱크 내에서 교반함으로써 미생물의 활동이 활발하게 되지만, 본 발명의 잔사는 이미 가용화되어 있고, 증류 폐액 등을 첨가함으로써 새로운 물·연료를 추가하지 않고 용이하게 발효를 할 수 있다. 또한, 회수한 메탄 등의 가연성 가스는 인접한 소각 또는 용융 설비의 외부 연료 대체로서 사용할 수 있다. 또한, 가연 가스를 사용한 독립적인 가스 엔진 발전기나 가스 터빈 발전기, 증기 발생기에 의한 폐열 증기의 수퍼히트 등을 사용함으로써 소 (所) 내의 전력이나 증기의 일부를 조달하는 것이 가능해진다.
(11)의 발명에 의하면, 증류 폐액의 일부를 당화 공정에 가수액으로서 재이용함으로써, 폐액을 줄일 수 있고, 또한 당화 공정에 필요한 열 (60℃)을 조달할 수 있다. 또한, 폐수는 유기분을 포함하여 처리하지 않고 그대로 폐수로서 흘려버릴 수 없지만, 인접한 소각로나 융융로의 고온 부분에 분무함으로써, 유기분은 연소 무해화하는 것이 가능해진다.
(12)의 발명에 의하면, 상기 3상식 원심 분리 장치로 분리하여 얻은 유분을 유수 분리, 여과 중 어느 하나 또는 이 두 가지 공정 전부에 의하여 처리한 후에 재생유 연료로서 이용할 수 있다.
(13)의 발명에 의하면, 상기 재생유 연료를 인접한 폐기물을 소각 또는 용융하는 폐기물 처리 설비의 연료로서 이용하고, 상기 폐기물 처리 설비로 사용하는 화석 연료를 삭감한다. 또한, 소각 처리하고, 연소에 의하여 발생하는 폐열을 증기로서 회수한 후에, 증기 터빈을 사용하여 발전할 때의, 예를 들면 추기 증기를 사용하여, 상기 식품 폐기물의 농축 공정, 증류 공정에 이용할 수 있다.
(14)의 발명에 의하면, 상기 3상식 원심 분리 장치로 분리하여 얻은 유분은 식물유를 주성분으로 하는 기름이며, 이하의 처리를 실시함으로써 디젤유 상당으로써 사용하는 것이 가능하게 되는 것을 알 수 있었다. (a) 한 가지 방법은 알칼리 추출법이며, KOH, NaOH를 촉매로 하여, 알코올을 본 발명에서 얻은 원료인 유분에 첨가함으로써, 지방산과 글리세린으로 분해할 수 있다. (에스테르 교환 반응). 얻은 지방산은 글리세린과 알칼리 촉매를 제거한 후에, 디젤유 상당으로서 사용이 가능하다. (b) 또 하나의 방법으로서 아임계법이 있다. 아임계법은 원료의 유분을 아임계 상태로 함으로써, 유분은 분해되어 글리세린과 지방산으로 분해된다. 이 방법에 의하면 원료가 비교적 더러운 경우에도 특단의 전처리 없이 분해 가능하다.
(15)의 발명에 의하면, 본 발명에서 얻은 유분에는 유리 지방산이 혼입되어 있어서, 그대로는 알칼리 촉매에 의하여 비누를 생성하기 때문에, 에스테르 교환 반응을 실시하기 전에 사전에 제거할 필요가 있다. 진한 황산을 촉매로 하여 알코올과 반응시킴으로써, 유리 지방산은 에스테르화할 수 있다. 또한, (14)에 기재한 바와 같이 알칼리 촉매로 알코올과 반응시킴으로써, 비누 성분을 생성시키지 않고 디젤유를 만들 수 있다. 마찬가지로 이온 교환 수지를 사용하여 유리 지방산을 에스테르화하는 것도 가능하다. 또한, 이온 교환 수지의 조합에 의하여, 에스테르 교환까지 실시하는 것도 기술적으로는 가능하다.
에스테르화 반응 및/또는 에스테르 교환 반응에 사용하는 알코올에 대하여는 일반적으로 메탄올이 알려져 있다. 메탄올은 석유로부터 합성하는 것이 일반적이고, 바이오매스로부터 작성하는 (바이오매스를 가스화하여 합성 가스로부터 촉매에 의하여 메탄올을 합성한다) 것은 기술적으로는 가능하지만, 고압 조건화로 기술적 곤란성도 높다.
(16)의 발명에 의하면, 식품 폐기물로부터 제조된 에탄올을 바이오 디젤 정제의 부원료로서 사용하는 것이 가능하게 되어, 바이오매스 유래의 원료로 모두 디젤유를 제조하는 것이 가능하게 된다.
상기 반응은 일반적으로 수분의 혼입에 의하여 효율이 저하되지만, 증류 후에 무수화한 (막분리, PSA, 또는 공비 증류에 의한) 무수 에탄올을 사용하는 것이 가능하다.
본 발명에 의하면, 당화액, 발효액, 또는 증류 폐액 중 어느 하나의 고액 분리 공정에 있어서, 유분, 수용액분 및 고형분의 3상으로 분리하는 3상식 원심 분리 장치를 사용함으로써 식품 폐기물 중에 포함되는 열에너지의 회수율을 향상시키는 동시에, 처리시에 발생하는 잔사인 고형분의 처리가 용이한 에탄올 및 기름을 회수하여 제조하는 방법을 제공할 수 있다.
또한, 소각 (용융)로의 회수 증기를 유효하게 이용함으로써, 에탄올 제조 비용을 줄일 수 있다.
또한, 잔사의 소각열을 에탄올 제조에 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 재생유 연료로서 이용할 수 있는 등, 산업상 유용한 현저한 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 에탄올 및 기름의 회수·제조 방법의 제1 실시 형태를 예시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 에탄올 및 기름의 회수·제조 방법의 제2 실시 형태를 예시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 에탄올 및 기름의 회수·제조 방법의 제3 실시 형태를 예시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 에탄올 및 기름의 회수·제조 방법의 실시예를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 에탄올 및 기름의 회수·제조 방법의 실시예를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 에탄올 및 기름의 회수·제조 방법의 실시예를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 에탄올 및 기름의 회수·제조 방법의 제2 실시 형태를 예시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 에탄올 및 기름의 회수·제조 방법의 제3 실시 형태를 예시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 에탄올 및 기름의 회수·제조 방법의 실시예를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 에탄올 및 기름의 회수·제조 방법의 실시예를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 에탄올 및 기름의 회수·제조 방법의 실시예를 나타내는 도면이다.
본 발명을 실시하기 위한 최선의 상태 및 실시예에 대하여 도 1 내지 도 6을 이용하여 상세하게 설명한다.
도 1 내지 도 4에 있어서, 1은 생쓰레기, 2는 파쇄 선별기, 3은 당화기, 4는 스크린, 5는 3상 원심 분리 장치, 6은 스크린, 7은 농축기, 8은 발효기, 9는 증류기, 10은 막분리기, 11은 에탄올, 12는 잔사 (고형분), 13은 유분, 14는 증기, 15는 가스화 융융로, 16은 폐액, 17은 재생 유화 처리, 18은 연료화 처리를 나타내고, 동일한 요소에 대하여는 동일한 기호를 사용함으로써 설명의 중복을 피한다.
<제1 실시 형태>
도 1은 본 발명의 에탄올 제조 방법의 제1 실시 형태를 예시하는 도면이다.
먼저, 생쓰레기 (1)을 파쇄 선별기 (2)를 사용하여 파쇄하고, 고형분을 잔사 (12)로서 제거한 후, 당화기 (3)에서 글리콜 아밀라제 등의 효소를 첨가하여 약 60℃로 유지함으로써, 전분을 포도당으로 하여 물에 녹는 상태로 만든다.
다음으로, 스크린 (4)으로, 필터 식의 압착기, 진동체 장치, 펀칭 메탈 및 그물을 사용하여 플라스틱, 종이, 봉투, 나무 젓가락, 금속, 갑각류 등의 협잡물을 분리하여 잔사 (12)로서 제거한 후, 3상식 원심 분리 장치 (5)에서, 유분, 수용액분 및 고형분의 3상으로 분리하고, 고형분을 잔사 (12)로서 제거한다. 분리된 유분 (13)은 가스화 융융로 (15)의 연료로서 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 수용액분에는 유분이 포함되지 않기 때문에, 배관에 유분이 부착하여 수용액의 배관이 막힐 걱정이 없고, 에탄올 제조 설비의 열효율의 저하를 방지할 수 있다. 또한, 당화기 (3)의 직후에 있어서의 당화액의 온도는 28℃ 이상이므로, 유분의 유동성을 높여 분리 회수를 용이하게 할 수 있다.
다음으로, 스크린 (6)으로, 고액 분리 공정에서 분리하지 않은 고형물을 메쉬 (구멍 크기)가 0.1 mm 내지 10mm인 스크린을 사용하여 제거하고, 잔사 (12)로서 제거한 후, 농축기 (7)에서 약 160℃로 가열하여 농도 약 15 WT%의 포도당 수용액을 생성한 후, 발효기 (8)에서 효모균이 포도당을 먹어 농도 약 7.5 WT%의 에탄올을 생성할 수 있다.
본 발명에 있어서는 농축기 (7)의 유무·열원은 묻지 않지만, 가스화 융융로 (15)의 발전 설비에 사용하는 약 200℃의 중저온의 추기 증기 (14)를 사용함으로써 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 예를 들면 당화 공정과 발효 공정의 사이에 수용액분으로부터 3조 (槽) 분리에 의하여 유분 및 고형분을 분리 회수하고, 액분을 발효부에 보냄으로써, 당화층은 일반적으로 60℃ 이상의 고온으로 유지되기 때문에, 기름의 점도가 낮고, 회수가 용이하며, 후속 공정의 발효의 저해 요인을 사전에 제거할 수 있고, 이후의 공정에서의 배관 폐색을 방지할 수 있기 때문에, 이점이 더 커지게 된다.
또한, 묵은 쌀이나 목질계 당화물 등의 당원을 부가하여, 에탄올 발효를 이용하는 것이 가능하다. 이것은 일반적인 에탄올 발효에 있어서 원재료비의 반을 차지하는 것으로 알려진 질소원을 염가로 확보할 수 있다. 예를 들면, 원료로서 식품 폐기물에 폐유를 한천 형태로 굳힌 것이나 신문지에 흡수한 것을 첨가하여 사용하고, 당화부에서 60℃ 이상의 온도에서 12 시간 이상 유지·교반함으로써, 종래 회수할 수 없었던 폐유를 식품 폐기물과 동일한 회수 루트에 실을 수 있어, 회수에 드는 수고를 큰 폭으로 생략할 수 있어서, 회수율이 큰 폭으로 향상된다. 또한, 당화부에서 60℃ 이상의 온도에서 12시간 이상 교반·유지함으로써, 신문지에 흡수된 식물유는 당화액 중에 대부분이 녹아나오고, 또한 한천 형태로 굳힌 기름은 60℃ 정도에서 액상으로 변환할 수 있으므로, 이후의 공정에서 간단하게 기름으로서 회수하는 것이 가능해진다.
또한, 고형물에 부착된 유분을 리파아제를 첨가함으로써 분해할 수 있으므로, 기름의 회수율을 더욱 높이는 것이 가능하게 된다.
또한, 상기 고액 분리 공정 등에서 고형분으로서 분리한 잔사 중의 수분을 온풍 통기 건조, 호기 발효 열을 이용한 건조 장치에서 건조 처리한 후, 상기 폐기물 처리 장치에서 소각 또는 용융 처리하고, 60℃ 이상의 로우 레벨 폐열을 이용한 통기 건조나, 식품 폐기물 중에 포함되는 미생물 (새로 종균을 첨가하여도 당연히 좋지만)의 발효열을 이용한 호기 건조를 조합함으로써, 외부 연료를 새로 추가하지 않고, 수분을 큰 폭으로 저감할 수 있다. 따라서, 인접한 소각 또는 용융 설비에서 새로운 외부 연료를 설치할 필요가 없이, 폐열 회수하는 증기 비율을 높일 수 있다.
또한, 상기 고액 분리 공정 등에서 고형분으로서 분리한 잔사를, 혐기 발효하여, 회수한 가연 가스를 상기 폐기물 처리 장치의 소각 또는 용융 열원, 또는 에탄올 플랜트의 가열 증기원으로서 사용함으로써, 상기 잔사를 혐기 상태에 유지한 상태로, 식품 폐기물에 포함되는 미생물 (새로 종균을 가하여도 당연히 좋지만)의 작용으로, 메탄을 주성분으로 하는 가연성 가스를 회수할 수 있다. 이 기술은 가용화된 원료를 고형분 농도가 10% 정도에서, 35℃ 이상의 온도로 유지하고,탱크 내에서 교반함으로써 미생물의 활동을 활발하게 하지만, 본 발명의 잔사는 미리 가용화되어 있어서, 증류 폐수 등을 첨가함으로써 새로운 물·연료를 첨가하지 않고 용이하게 발효를 실시할 수 있다. 또한, 회수한 메탄 등의 가연성 가스는 인접한 소각 또는 용융 설비의 외부 연료 대체로서 사용할 수 있다. 나아가 가연 가스를 사용한 독립적인 가스 엔진 발전기나, 증기 발생기 등을 사용함으로써, 소내의 전력이나 증기의 일부를 조달하는 것이 가능하게 된다.
또한, 상기 증류 공정에서 농축한 회수한 에탄올과 분리된 수용액을, 상기 당화 공정에 사용하는 가수액으로서 재이용하고, 나머지 상기 폐기물 처리 장치의 소각 또는 용융 공정에서 분무 처리함으로써, 폐액을 줄일 수 있고, 또한 당화 공정에 필요한 열 (60℃)을 조달할 수 있다. 또한, 폐액은 유기분을 포함하여 처리하지 않고 그대로 폐수로서 흘려보낼 수 없지만, 인접한 소각로나 융융로의 고온 부분에 분무함으로써, 유기분은 연소 무해화하는 것이 가능하게 된다.
또한, 에탄올 발효에 있어서는 식품 폐기물로부터의 당화액으로부터 효율적으로 에탄올 발효를 실시하기 위하여, 농축기 (7)의 출측에, 도시되어 있지 않은 Brix계 (굴절계)를 설치하여 복수 종류의 당분, 염분, SS분 (현탁 고형물분)을 포함하는 상기 당화액의 농도를 측정하고, 이 농도가 규정 범위에 들어가도록 원료의 혼합 비율을 변화시키거나, 농축도를 조정함으로써 당화액의 농도 관리를 실시하여 효율적인 발효를 유지할 수 있다.
에탄올 발효에 의하여 당을 에탄올로 변환시킨 다음, 그 에탄올 발효액으로부터 증류기 (8)에 의하여 에탄올을 분리한 후, 막분리 장치 (10)에 의하여 약 99.5% 이상의 무수 에탄올을 정제할 수 있다.
또한, 생쓰레기를 이용하는데, 이 때 유기계 폐기물은 당원뿐만이 아니라,질소원이나 비타민, 미네랄 등의 영양원도 포함하고 있어서 에탄올 발효시에 새로운 영양원을 첨가할 필요는 없다. 또한, 제조한 에탄올은 소독액, 액체 연료, 자동차 연료로서 사용할 수 있다.
또한, 가스화 융융로 (15) 대신에 소각로를 사용할 수 있고, 또한 소각로나 융융로는 이미 설치되어 있는 노를 이용하는 것도 가능하다.
<제2 실시 형태>
도 2는 본 발명의 에탄올 제조 방법의 제2 실시 형태를 예시하는 도면이다.
제2 실시 형태는 제1 실시 형태에 있어서의 스크린 (4), 3상 원심 분리 장치 (5) 및 스크린 (6)을, 발효기 (8)과 증류기 (9)의 사이에 설치한 것으로, 고형분의 일부를 발효기 (8)에 공급함으로써 발효 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 당화기 (3)의 직후에 있어서의 당화액의 온도는 28℃ 이상이므로, 유분의 유동성을 높여 분리 회수를 용이하게 할 수 있다.
또한, 스크린 (4), 스크린 (6) 및 Brix계 (굴절계)의 특징에 대하여는 제1 실시 형태와 같다.
<제3 실시 형태>
도 3은 본 발명의 에탄올 제조 방법의 제3 실시 형태를 예시하는 도면이다.
제3 실시 형태는 제1 실시 형태에 있어서의 스크린 (4)를 발효기 (8)과 증류기 (9)의 사이에 설치하고, 3상 원심 분리 장치 (5) 및 스크린 (6)을 막분리기 (10)의 후단에 설치함으로써, 고형분의 일부를 발효기 (8), 증류기 (9) 및 막분리기 (10)에 공급하여 에탄올 생성 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 증류기 (9)의 직후에 있어서의 당화액의 온도는 40℃ 이상이므로, 유분의 유동성을 높여 분리 회수를 용이하게 할 수 있다.
또한, 스크린 (4), 스크린 (6) 및 Brix계 (굴절계)의 특징에 대하여는 제1 실시 형태와 같다.
[실시예]
본 발명의 에탄올 제조 방법을 도 4 내지 도 6에 나타내는 가스화 융융로에 인접한 에탄올 제조 설비에 적용하는 시험을 실시하였다.
에탄올 제조 설비로부터 발생하는 잔사 (12)를 가스화 융융로 (15)에서 처리 하는 한편, 가스화 융융로 (15)에서 발생하는 약 200℃의 중저온의 추기 (抽氣) 증기를, 에탄올 제조 설비의 농축기 (4) 및 증류기 (9)의 열원으로서 사용함으로써, 열효율을 향상시킬 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
10 t/일의 생쓰레기를 사용하여 에탄올 400 리터/일을 제조하였는데, 생쓰레기 중에 포함되는 열에너지의 90%를 에탄올로서 회수할 수 있고, 본 발명의 효과를 확인할 수 있었다.
도 5 및 도 6은 3상 원심 분리 장치를 사용하여 분리한 유분을 재생 처리하는 실시예를 나타내는 도면이다.
도 5 및 도 6에 나타내는 바와 같이, 3상식 원심 분리 장치 (5)에서 분리하여 얻은 유분을 유수 분리, 여과의 어느 하나 또는 이 두 가지 공정 전부로 이루어지는 재생 유화 처리 (17)에 의하여 처리함으로써, 재생유 연료로서 이용할 수 있는 것이 판명되었다.
또한, 상기 재생유 연료를 인접한 폐기물을 소각 또는 용융하는 폐기물 처리 설비의 연료로서 이용하고, 상기 폐기물 처리 설비에서 사용하는 화석 연료를 삭감하거나, 또는 소각 처리하고, 연소에 의하여 발생하는 폐열을 이용하여 발전할 때의 추기 증기를, 상기 식품 폐기물의 농축 공정, 증류 공정에 이용할 수 있는 것이 판명되었다.
또한, 3상식 원심 분리 장치 (5)에서 분리하여 얻은 유분을 에스테르 교환 반응, 아임계 처리 등으로 이루어지는 연료화 처리 (18)에 의하여 지방산 메틸에스테르를 함유하는 바이오 디젤 연료의 원료로서 이용할 수 있는 것이 판명되었다.
1 생쓰레기
2 파쇄 선별기
3 당화기
4 스크린
5 3상 원심 분리 장치
6 스크린
7 농축기
8 발효기
9 증류기
10 막분리기
11 에탄올
12 잔사 (고형분)
13 유분
14 증기
15 가스화 융융로
16 폐액
17 재생 유화 처리
18 연료화 처리
2 파쇄 선별기
3 당화기
4 스크린
5 3상 원심 분리 장치
6 스크린
7 농축기
8 발효기
9 증류기
10 막분리기
11 에탄올
12 잔사 (고형분)
13 유분
14 증기
15 가스화 융융로
16 폐액
17 재생 유화 처리
18 연료화 처리
Claims (16)
- 식품 폐기물을 당화, 발효 및 증류하여 에탄올 및 기름을 회수·제조하는 방법으로서, 당화액, 발효액, 또는 증류 폐액 중에서 어느 하나의 고액 분리 공정에 있어서, 유분, 수용액분 및 고형분의 3상 (相)으로 분리하는 3상식 원심 분리 장치를 사용하는 것을 특징으로 하는 에탄올 및 기름의 회수·제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 수용액분으로부터 3상 분리에 의하여 유분 및 고형분을 분리 회수하고, 액분을 발효부에 보내는 것을 특징으로 하는 에탄올 및 기름의 회수·제조 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 원료로서 식품 폐기물에 폐유를 한천 형태로 굳힌 것이나 신문지에 흡수시킨 것을 첨가하여 사용하고, 당화부에서 60℃ 이상의 온도에서 12 시간 이상 유지·교반함으로써, 폐유를 당화액 중에 회수하는 것을 특징으로 하는 에탄올 및 기름의 회수·제조 방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 당화부에, 효소로서 리파아제를 첨가함으로써 고형물 중에 잔류한 유분을 분해하고, 상기 3상 분리에서의 회수 유량을 증가시키는 것을 특징으로 하는 에탄올 및 기름의 회수·제조 방법.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 고액 분리 공정에서 분리하지 않은 수용액 중에 포함되는 고형물을 메쉬가 0.1 mm 내지 10mm인 스크린을 사용하여 제거하는 것을 특징으로 하는 에탄올 및 기름의 회수·제조 방법.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 고액 분리 공정의 전단 (前段)에서, 필터식 압착기, 진동체 장치, 펀칭 메탈 및 그물을 사용하여 플라스틱, 종이, 봉투, 나무 젓가락, 금속, 갑각류 등의 협잡물 (挾雜物)을 분리하는 것을 특징으로 하는 에탄올 및 기름의 회수·제조 방법.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 하나의 항에 있어서, 복수 종류의 당분, 염분, SS분 (현탁 고형물분)을 포함하는 상기 당화액의 농도를, Brix계 (굴절계)를 사용하여 측정하고, 이 농도를 규정 값의 범위로 제어하는 것을 특징으로 하는 에탄올 및 기름의 회수·제조 방법.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 고액 분리 공정 등에서 고형분으로서 분리한 잔사를 식품 폐기물 이외의 폐기물을 소각 또는 용융하는 폐기물 처리 설비에서 처리하고, 그 때 발생하는 폐열을 회수한 증기를 상기 식품 폐기물의 농축 공정, 증류 공정에 사용하는 것을 특징으로 하는 에탄올 및 기름의 회수·제조 방법.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 고액 분리 공정 등에서 고형분으로서 분리한 잔사 중의 수분을 온풍 통기 건조, 호기 발효열을 이용한 건조 장치에서 건조 처리한 후, 상기 폐기물 처리 장치에서 소각 또는 용융 처리하는 것을 특징으로 하는 에탄올 및 기름의 회수·제조 방법.
- 제1항 내지 제9항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 고액 분리 공정 등에서 고형분으로서 분리한 잔사를, 혐기 발효하고, 회수한 가연 가스를 상기 폐기물 처리 장치의 소각 또는 용융 열원, 또는 에탄올 플랜트의 가열 증기원으로서 사용하는 것을 특징으로 하는 에탄올 및 기름의 회수·제조 방법.
- 제1항 내지 제10항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 증류 공정에서 에탄올과 분리된 수용액을, 상기 당화 공정에 사용하는 가수액으로서 재이용하고, 나머지 수용액을 상기 폐기물 처리 장치의 소각 또는 용융 공정에서 분무 처리하는 것을 특징으로 하는 에탄올 및 기름의 회수·제조 방법.
- 제1항 내지 제11항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 3상식 원심 분리 장치로 분리하여 얻은 유분을 유수 분리, 여과의 어느 하나 또는 이 두 가지 공정 ㅈ전부에 의하여 처리한 후에 재생유 연료로서 이용하는 것을 특징으로 하는 에탄올 및 기름의 회수·제조 방법.
- 제1항 내지 제12항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 재생유 연료를 인접한 폐기물을 소각 또는 용융하는 폐기물 처리 설비의 연료로서 이용하고, 상기 폐기물 처리 설비에 사용하는 화석 연료를 삭감하는 것을 특징으로 하는 에탄올 및 기름의 회수·제조 방법.
- 제1항 내지 제12항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 3상식 원심 분리 장치로 분리하여 얻은 유분을 에스테르 교환 반응, 아임계 (亞臨界) 처리, 열처리 등에 의하여 바이오 디젤 연료의 원료로서 사용하는 것을 특징으로 하는 에탄올 및 기름의 회수·제조 방법.
- 제1항 내지 제14항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 유분에 혼입되어 있는 유리 지방산을, 촉매로서 진한 황산을 첨가하여 알코올과 반응시킴으로써 에스테르화하거나, 또는 이온 교환 수지를 촉매로 하여 알코올과 반응시킴으로써 에스테르화하고, 유리 지방산 농도를 저감하는 것을 특징으로 하는 에탄올 및 기름의 회수·제조 방법.
- 제14항 또는 제15항에 있어서, 상기 에스테르 교환 및/또는 상기 에스테르화 공정에 사용하는 알코올로서 상기 프로세스로 정제한 에탄올을 사용하는 것을 특징으로 하는 에탄올 및 기름의 회수·제조 방법.
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