KR20150117599A - 바이오매스의 연속당화 반응기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고농도의 고체를 함유하는 바이오매스를 당화시키는 반응기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 당화효소를 포함하는 첨가제를 공급하는 노즐 및 센서가 홀(hole)의 내측 단면에 구비된 다공판 및 교반 수단을 포함하는 바이오매스의 연속당화 반응기에 관한 것이다.

Description

바이오매스의 연속당화 반응기{Reactor for Continuous Saccharification of High-Solid Biomass}
본 발명은 고농도의 고체를 함유하는 바이오매스를 연속당화시키는 반응기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 당화효소를 포함하는 첨가제를 공급하는 노즐 및 센서가 홀(hole)의 내측 단면에 구비된 다공판 및 교반 수단을 포함하는 바이오매스의 연속당화 반응기에 관한 것이다.
셀룰로오즈를 원료로 바이오 에탄올을 제조하는 바이오연료 생산공정은 크게 원료획득, 전처리, 당화, 발효, 그리고 정제 등의 공정으로 이루어져 있다. 특히 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌이 복잡하고도 단단한 형태로 결합된 구조를 가지고 있어 분해되기 어려운 목질계 바이오매스를 사용할 경우에는 복잡하고 단단한 구조를 가진 리그닌으로부터 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스를 효과적으로 분리하는 것을 목적으로 하는 전처리 공정이 필수적이다. 이 과정을 통해 분리된 셀룰로오스는 당화 과정에서 엔도-β-1,4-글루칸아제 (endo-β-1,4-glucanase) [EC 3.2.1.4], 엑소-β-1,4-글루칸아제(exo-β-1,4-glucanase) [EC 3.2.1.91], 베타-글루코시다아제 (β-glucosidase) (EC 3.2.1.21) 등 세 종류의 효소에 의하여 대표적인 단당류인 글루코오스로 가수분해되고, 글루코오스가 발효되면 에탄올이 생산된다.
셀룰로오즈 및 헤미셀룰로오즈의 효소적 가수분해 기술은 오래전부터 알려져 있었으나, 높은 촉매비용과 느린 반응, 대형 반응기의 필요에 의한 높은 설비 투자를 야기한다. 게다가 효소 사용이 높을 경우 당화 속도를 증가시킬 수 있지만, 비용문제뿐만 아니라, 반응 기질 및 생성물질의 억제 작용으로 효율향상에 한계가 있으나, 고온 고압의 극한 반응 조건이 필요하지 않고, 유해 부산물이 없으며, 에너지 절약효과가 있기 때문에, 이를 이용한 당화기술 개발에 대한 요구가 높다.
셀룰로오즈 에탄올의 상업적 경제성을 달성하기 위해서는 5%(w/w)의 농도로 에탄올을 생산해야, 정제(distillation)시 적은 에너지로 에탄올 분리가 가능해지며, 이를 위해서는 에탄올 기준(이론 수율:0.51, 실제 발효 효율 90%)으로 11%(w/w) 이상의 당이 포함된 당화액이 만들어져야 한다. 전처리 이후 바이오매스 기준(당 함량 50~70%)으로는 고체함량 약 15~20% 수준에서 효소 당화가 시작되어야 한다.
그러나, 고체 함량 15~20%의 농도는 반죽된 찰흙 또는 된장과 유사한 성상으로 기질 내 유체의 이동이 발생하기 힘든 상태이기 때문에, 이러한 성상을 갖는 기질에 당화효소를 고르게 분포시키거나, 당화에 적합한 반응온도를 유지하는 것이 쉽지 않으며, 또한 당화 공정 중에 바이오매스에 존재하는 아세틸기(acetyl group)의 해리로 인하여 당화액의 pH가 감소되기 때문에, 반응 중에 계속해서 염기성 물질(예, NaOH)를 주입하여야 하지만, 이 또한 혼합이 어려워 효과적인 당화 반응을 유지하기 어려운 문제가 있다.
바이오매스 효율적인 혼합을 위하여 다공판에 의한 세절과 교반 수단에 의한 혼합기술이 채용된 다양한 교반조가 개발되어 왔다.
EP 0011870A1에서는 고정된 다공판과 교반 수단을 포함하는 고형물과 액상물을 혼합하는 교반조에 대해 개시하고 있으나, 액상물질의 분사구가 교반조 상부 또는 하부에 하나 구비되어 있어, 고른 혼합을 위해서는 교반 시간이 오래 걸린다는 단점이 있다.
US 8617480B2는 고정된 다공판 및 교반 수단을 구비하고 있으며, 이와 더불어 다공판에 의하여 구획화된 공간에 분사노즐을 포함하는 교반조에 대해 기재하고 있으나, 노즐이 교반조 내벽면에 장착되어 있어, 중공부에 정체된 바이오매스에는 투입 물질의 혼합이 용이하지 않다는 문제가 있다.
US 4409329A에서는 다공판에 의하여 바이오매스를 혼합하는 특징이 있으나, 고농도의 고체성분의 바이오매스 혼합을 위해 다공판 간격이 5 cm 이하로 매우 좁다는 특징이 있으며, 첨가물 투입은 교반조 상부에 구비된 투입구를 통해서 이루어진다는 특징이 있다.
종합하면, 종래의 기술은 다공판과 교반 수단을 포함하는 교반기에 대한 기재가 다수 있으나, 첨가물을 투입하는 노즐이 교반조 벽면 또는 상/하부에 집중에서 구비되어 있기 때문에, 투입 초기부터 바이오매스 상에 효소 및 pH 조절을 위한 산/염기성 물질과 같은 첨가물을 고르게 분산시키지 못하여 교반시간이 길어질 수 있으므로, 따라서 소모되는 에너지가 많다는 점에 있어서 개선되어야 할 필요가 있다.
이에 본 발명자들은 고점도 바이오매스의 당화효율을 높이는데 필요한 효소 혼합 효율을 높일 수 있는 반응기를 개발하기 위해 예의 노력한 결과, 개량된 다공판 및 교반 수단을 포함하는 연속당화 반응조를 제작하였으며, 보다 상세하게는 다공판의 홀(hole) 내측 단면에 구비된 유도에 당화효소, pH 조절을 위한 산 또는 염기성 물질, 버퍼, 계면활성제 등의 첨가물을 공급할 수 있도록 노즐을 장착하여 다공판을 통과하면서 세절되는 바이오매스에 첨가물을 고르게 분산시킬 수 있도록 하였으며, 당화 효율 증가와 운전 편의성이 증대됨을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 다공판 홀(hole)의 내측 단면에 당화효소를 포함하는 첨가제를 공급하는 노즐과 센서가 구비되어 당화효소의 효율적인 혼합을 통해 높은 고체함량의 바이오매스를 효율적으로 당화시킬 수 있는 연속당화 반응기를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 연속당화 반응기를 이용한 고점도 바이오매스의 당화방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 별도의 동력에 의해 회전 가능한 회전축; (b) 회전축에 설치되는 복수개의 교반수단; 및 (c) 중앙부에는 상기 (a)의 회전축이 관통하고, 상기 회전축에 결합된 복수 개의 교반수단이 일정 간격으로 설치된 실린더형 당화부로 구성되는 고점도 바이오매스에 대한 연속당화 반응기에 있어서; (A) 상기 실린더형 당화부 내부에 위치하며, 상기 교반수단 사이에 복수 개가 설치되어 각 교반수단이 포함된 공간을 구획화하고, 상기 다공판의 외주면에서 홀(hole)의 내측 단면까지 관통하는 하나 이상의 유로가 형성되며, 상기 유로와 연통되고 상기 홀(hole)의 내측 단면과 연통되어 첨가물을 공급하는 노즐을 구비하는 다공판을 포함하는 연속 당화반응기를 제공한다.
본 발명은 또한, (a) 상부에 형성된 유입부에서 유입된 바이오매스가 교반 수단의 회전에 의하여 다공판에 도달하면 상기 다공판의 홀(hole)의 내측 단면에 구비된 노즐을 통해 공급되는 첨가물이 상기 바이오매스에 유입되고, 상기 홀(hole)을 통과하면서 상기 다공판 하부에 구비된 교반 수단의 회전에 의하여 상기 첨가물과 바이오매스를 혼합시키는 단계; 및 (b) 상기 당화부 내 순차적으로 설치된 다공판과 교반수단에 의하여 (a) 단계를 반복하면서 바이오매스를 하부로 이송하면서 당화시키는 단계에 있어서, 상기 노즐로 공급되는 첨가물은 효소, pH 조절을 위한 산/염기성 물질 및 계면활성제가 서로 다른 노즐을 통해 공급되는 것을 특징으로 하는 연속당화방법을 제공한다.
본 발명에 따른 연속당화 반응기는 다공판 홀(hole)의 내측 단면에 형성된 유도와 연통하는 효소 공급용 노즐과 센서가 구비된 다공판이 일정 간격을 두고 다수 내부에 장착되어 있기 때문에, 바이오매스가 상기 다공판에 의해 세절되면서 상기 노즐로부터 공급되는 첨가물을 고르고 신속하게 분산시킬 수 있으며, 센서에 의한 효소 활성조건 유지가 매우 용이하므로, 그로 인한 당화 효율이 증가함으로써, 바이오에탄올 생산에 유용하다.
도 1은 고점도 바이오매스에 대한 연속당화 반응기에 장착되는 다공판 및 이에 구비된 홀(hole)의 구조를 나타내는 모식도이다.
도 2는 고점도 바이오매스에 대한 연속당화 반응기 및 이에 구비된 첨가물의 공급부와 저점도 당화기로 구성되는 당화 반응기의 개념도이다.
에탄올 발효의 전단계에 필수적인 고체 함량 10~30%의 고점도 바이오매스에 대한 효소당화반응에 있어서는 바이오매스 내로 유체의 이동이 발생하기 힘들어 단순 교반으로 효소 혼합, 당화 온도 및 pH 유지가 어렵기 때문에, 당화 효율에 문제가 있다.
본 발명자들은 고점도 바이오매스의 당화효율을 높이는데 필요한 효소 혼합 효율을 향상시키기 위한 방안으로, 고점도의 바이오매스를 세절하는 다공판의 홀(hole)의 내측 단면을 통해 당화효소, pH 조절을 위한 산 또는 염기성 물질, 버퍼, 계면활성제를 포함하는 첨가제를 분사하는 연속당화 반응조 착안하였다. 즉, 고점도 바이오매스가 상기 다공판과 교반 수단을 순차적으로 통과하면서 당화효소가 고르고 신속하게 분산되는 동시에 다공판의 홀(hole)과 교반 수단에 의하여 바이오매스의 세절 및 효소와 첨가제의 혼합을 반복하면서 효율적인 효소 혼합에 의해 당화효율이 향상되도록 하였다.
따라서, 본 발명은 일 관점에서, (a) 별도의 동력에 의해 회전 가능한 회전축; (b) 회전축에 설치되는 복수개의 교반수단; 및 (c) 중앙부에는 상기 (a)의 회전축이 관통하고, 상기 회전축에 결합된 복수 개의 교반수단이 일정 간격으로 설치된 실린더형 당화부로 구성되는 고점도 바이오매스에 대한 연속당화 반응기에 있어서; (A) 상기 실린더형 당화부 내부에 위치하며, 상기 교반수단 사이에 복수 개가 설치되어 각 교반수단이 포함된 공간을 구획화하고, 상기 다공판의 외주면에서 홀(hole)의 내측 단면까지 관통하는 하나 이상의 유로가 형성되며, 상기 유로와 연통되고 상기 홀(hole)의 내측 단면과 연통되어 첨가물을 공급하는 노즐을 구비하는 다공판을 포함하는 연속 당화반응기에 관한 것이다.
본 발명의 연속당화 반응기의 회전축은 그 구체예로 상기 당화부의 상부부터 하부까지 일체형으로 장치의 중앙부를 관통하도록 장착되며, 당화부의 교반 수단이 부착되어 동축 회전에 의하여 바이오매스를 교반하는 것일 수 있다.
본 발명의 연속당화 반응기의 당화부에 구비된 교반수단의 개수는 하나 이상일 수 있으며, 상기 개수는 당업자에 의하여 용이하게 조절할 수 있다.
본 발명의 연속당화 반응기의 당화부에 구비된 상기 다공판은 상기 당화부 내벽에 고정되어 설치되거나, 회전축에 부착될 수 있으며, 상하이동이 가능하거나 회전하도록 장착할 수 있다. 상기 다공판은 원료를 혼합하는 역할을 하는 것으로, 상부와 하부의 다공판 홀이 수직으로 정렬되는 경우 혼합의 효과가 떨어질 수 있다. 또한, 다공판이 고정되어 있는 경우 다공판의 홀 주변에 혼합되지 않은 원료가 정체되거나, 부 반응물이 침작될 수 있다. 따라서, 다공판을 회전시키는 것으로 정체된 원료나 부 반응물을 침착을 최소화 하는 것이 바람직하다. 아울러, 원료의 점도가 높은 경우, 혼합과 하부로의 이동이 느려지게 되므로, 다공판을 상하로 이동시켜 원료의 혼합과 하부로의 이동을 촉진하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 다공판의 홀(hole)의 크기 개수 및/또는 모양을 조절함으로써, 혼합 효과를 극대화할 수 있다. 예를 들면 다공판의 홀(hole)의 크기가 크거나, 개수가 작으면 혼합 효율은 낮으며, 크기가 작거나 개수가 많으면 혼합효율이 커지므로, 당업자의 선택에 의하여 조절할 수 있다.
본 발명의 연속당화 반응기에 있어서, 구체예로 상기 홀(hole)의 개수는 다공판 면적의 10~90%, 바람직하게는 50~80%인 것을 특징으로 할 수 있고, 상기 홀(hole)의 지름은 0.1~100cm인 것을 특징으로 할 수 있으며, 상측면 지름에 비하여 하측면의 지름이 0.01~2cm 작은 것일 수 있다.
하나의 다공판에 형성된 홀(hole)의 크기는 동일하거나, 서로 다를 수 있으며, 지름은 크기는 당업자에 의하여 용이하게 조절할 수 있다.
또한, 각 다공판에 형성된 홀(hole)의 크기는 동일하거나, 서로 다를 수 있으며, 지름은 크기는 당업자에 의하여 용이하게 조절할 수 있다.
따라서, 각 다공판의 홀(hole)의 지름은 상기 당화부 하부에 설치된 것보다 상부에 설치된 다공판의 홀(hole)이 더 크도록 제작할 수 있다. 원료는 상부에서 투입되며 하부로 갈수록 혼합되어 반응이 일어나게 된다. 이때 상부원료의 점도는 높지만, 하부에서는 반응물과 혼합되어 점도가 낮아지게 된다, 따라서 점도가 높은 상부는 홀의 크기가 큰 다공판을 설치하며, 점도가 낮은 하부는 홀의 크기가 작은 다공판을 설치하여, 원료의 이동속도가 일정하도록 하는 것이 바람직하다. 또한 이러한 홀의 크기 차이는 하부로 내려올수록 크기가 작고 많은 양의 홀을 가지게 되므로 원료의 혼합이 더욱 잘 일어나게 할 수 있는 장점을 가진다.
상기 다공판에 형성된 홀(hole)의 모양은 원형, 사각형, 삼각형, 오각형, 육각형, 24각형 및 다각형일 수 있으며, 하나의 다공판에는 동일 모양의 홀(hole) 또는 서로 다른 모양의 홀(hole)이 함께 형성될 수 있다.
본 발명의 연속당화 반응기에 있어서, 상기 당화부는 실린더형으로, 바이오매스가 이송되는데 있어서 중력을 이용한다는 점과 다공판에 의한 혼합 효과에 의하여, 통상적으로 설치되어야 하는 교반수단의 개수를 줄일 수 있으므로, 회전에 필요한 전략 사용량을 획기적으로 줄일 수 있다.
상기 다공판은 그 구체예로 이의 외주면에서 홀(hole)의 내측 단면까지 관통하는 유로가 하나 이상 형성되어 있으며, 각 유로에 연통되어 첨가물을 공급하는 노즐이 구비되거나, 노즐이 구비되지 않은 유로에는 pH 센서, 온도 센서 등의 추가 구성이 연통되어 바이오매스의 상태를 확인할 수 있다. 노즐이 반응기 벽면에 부착된 경우, 효소는 첨가물을 원료의 측면부에 공급되므로 원료와 완전히 혼합되려면 원료가 일정거리를 하부로 이동하면서 혼합되어야 한다. 이러한 단점을 해결하기 위하여 반응기 내부에 구조물을 설치한 다음, 이 구조물에서 첨가물을 공급하는 장치가 많이 사용된다. 하지만 이러한 첨가물 공급 장치는 원료의 점도가 높을수록 원료의 이동을 방해하는 요소로 작용하게 되며, 이에 따라 파손의 위험도 커진다. 따라서, 다공판에 설치된 홀의 내측면에 노즐을 설치하는 것이 바람직하며, 상기 노즐은 원료의 흐름에 방해를 주지 않으면서 원료에 균일하게 첨가물을 공급 가능하다. 또한 노즐이 설치되지 않은 유로에는 센서를 설치하여 원료의 상태를 측정하는 것이 바람직하다.
상기 다공판의 외주면측 유로의 말단은 첨가물 공급장치, pH 리더, 온도 계기판 등과 연결할 수 있으며, 이에 한정된 것은 아니다.
본 발명의 연속당화 반응기에서, 상기 노즐 및 추가 구성은 동일 다공판 내에 함께 구비되거나, 첨가물의 원액이 서로 직접 접촉하지 않도록 하기 위해 서로 다른 다공판에 장착될 수 있다.
본 발명의 연속당화 반응기에서 상기 다공판은 당화부에 일정 간격으로 두고 설치되며, 그 사이에 교반 수단이 장착되어 각 교반 수단을 포함하는 공간을 구획화할 수 있으며, 상기 다공판의 홀(hole)을 통해 유입되는 첨가물의 종류, 농도, 조합 등에 차이를 둠으로써, 각 다공판 사이의 효소 반응환경을 서로 다르도록 조절할 수 있다.
본 발명의 연속당화 반응기에서, 상기 당화부의 교반수단은 그 구체예로 바(bar), 디스크(disc), 패들 및 스크랩퍼(scrapper)로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상인 것일 수 있으며, 바람직하게는 스크랩퍼(scrapper)를 각 구획 내에 추가 교반수단과 함께 설치할 수 있으며, 보다 바람직하게는 상기 교반수단을 다공판 상부에 근접하도록 장착하여, 구획 내의 바이오매스의 교반 뿐만 아니라 다공판 상부에 체류하는 바이오매스를 하부로 강제 이송할 수 있도록 할 수 있다.
본 발명의 연속당화 반응기는 고점도 바이오매스를 지속적으로 처리할 수 있는 연속형(continuous type) 당화반응기이기 때문에, 통상적으로 바이오 공정의 경우 목적하는 물질의 농도가 낮아 초기 투자비가 많이 들고, 설비 용량 대비 생산성이 떨어지는데 반하여, 초기 투자비용 절감 및 생산성 증대와 운전 편이성이 향상된 특징이 있다.
본 발명은 다른 관점에서, (a) 상부에 형성된 유입부에서 유입된 바이오매스가 교반 수단의 회전에 의하여 다공판에 도달하면 상기 다공판의 홀(hole)의 내측 단면에 구비된 노즐을 통해 공급되는 첨가물이 상기 바이오매스에 유입되고, 상기 홀(hole)을 통과하면서 상기 다공판 하부에 구비된 교반 수단의 회전에 의하여 상기 첨가물과 바이오매스를 혼합시키는 단계; 및 (b) 상기 당화부 내 순차적으로 설치된 다공판과 교반수단에 의하여 (a) 단계를 반복하면서 바이오매스를 하부로 이송하면서 당화시키는 단계에 있어서, 상기 노즐로 공급되는 첨가물은 효소, pH 조절을 위한 산/염기성 물질 및 계면활성제가 서로 다른 노즐을 통해 공급되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 다공판은 그 구체예로 노즐이 구비되어 있지 않은 상기 다공판의 홀(hole)에 추가로 pH 센서 및 온도센서가 장착되어, 바이오매스의 물리화학적 상태를 확인하는 것일 수 있다.
본 발명에서 있어서, 그 구체예로 상기 노즐로 공급되는 효소 및 염기성 물질은 효소 변성을 막기 위해서 서로 다른 홀(hole)의 내측 단면에 형성된 유도와 연통된 노즐에 의해 공급되는 것일 수 있다.
본 발명에서, 상기 염기성 물질은 수산화나트륨(NaOH)일 수 있으나, 이에 국한되는 것은 아니다.
본 발명에 있어서, 바이오매스가 하부로 이송되는 과정에서 상기 다공판을 통과하면 바이오매스가 분배됨과 동시에 노즐을 통해 공급된 당화효소를 포함한 첨가제를 바이오매스 전체에 고르게 분산시킬 수 있고, 다음 다공판에 도달하기 전까지 교반 수단에 의해서 지속적으로 혼합되며, 이러한 혼합-교반 작용이 당화부 하부까지 이송될 때까지 반복되기 때문에, 첨가물의 혼합 효과를 극대화시킬 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 효소는 엑소글루카나제(exo-glucanase), 엔도그루카나제(endo-glucanase), 및 베타-글루코시다아제(β-glucosidase)로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 효소인 것을 특징으로 할 수 있으나, 이에 국한되는 것은 아니다. 예컨대, 베타글루카나아제(endo-1,3(4)-beta-glucanase), 라미나리나제(laminarinase); 엑소-알파-만노시다아제(exo-1,2-1,6-alpha-mannosidase), 알파-아라비노푸라노시다아제(alpha-N-arabinofuranosidase), 페루로일 에스터라제(feruloyl esterase), 엔도-알파-아라비나나아제(endo-1,5-alpha-arabinanase), 펙티나아제(pectinase), 폴리갈락투로나아제( polygalacturonase), 펙틴 에스터라아제(pectin esterase), 아스팔틱 프로테아제( aspartic protease), 메탈로 프로테아제(metallo protease), 엔도 만나나아제(endo-(1,4)-mannanase), 피타아제(phytase), 굴루쿠로니다아제(alpha-glucuronidase, beta-glucuronidase), 헥세누로니다아제(hexenuronidase), 알칼라인 포스파타아제(alkaline phosphatase), 애시드 포스파타제(acid phosphatase), 알파 갈락토시다아제(alpha-galactosidase), 베타-갈락토시다아제(beta-galactosidase), 베타-만노시다아제(beta-mannosidase), 또는 알파-푸코시다아제( alpha-fucosidase)와 간은 효소를 사용할 수도 있다.
본 발명에 있어서, 그 구체예로 상부 다공판의 홀을 통해서는 엑소글루카나제(exo-glucanase) 및/또는 엔도글루카나제(endo-glucanase)를 공급하고, 하부 다공판의 홀을 통해서는 베타-글루코시다아제(β-glucosidase)를 공급하는 것일 수 있다.
본 발명의 연속당화방법에 있어서, 당화 반응이 일어나면서 바이오매스의 점도가 감소하게 되면, 저점도 바이오매스는 다공판을 통해 신속하게 하부로 이송되는 반면, 점도가 상대적으로 높은 바이오매스는 다공판에 의해 이송이 느려지고 따라서 당화부 상부에 머무르면서 효소가 지속적으로 혼합되어 당화가 계속 일어나므로, 당화 효율이 향상될 수 있다. 따라서 원활한 바이오매스 이송을 위하여, 반응조 상부에 설치된 다공판의 홀(hole)의 크기는 크게, 하부에 설치된 다공판 홀(hole)의 크기는 작게 조절할 수 있으며, 또는 각 다공판 간의 홀(hole)의 크기에 차이를 두어, 체류시간을 인위적으로 조절함으로써, 당화 효율의 극대화가 가능하다.
본 발명에 따른 고점도 바이오매스에 대한 연속당화 반응기 및 이의 방법에 의해 처리 가능한 바이오매스는 고체함량이 10~30wt%인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고점도 바이오매스에 대한 연속당화 반응기에 의해서는 높은 고체함량의 바이오매스에 대해 당화효소의 고른 주입, 당화 중 온도 유지 및 pH가 원활하게 조절 가능하다는 특징이 있다.
목본계 바이오매스는 주요성분은 침엽수와 활엽수, 수종, 수령 등에 따라서 목재를 구성하는 화학성분의 조성과 함량이 다르지만, 일반적으로는 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌으로 구성되어 있으므로, 일반적으로 리그노셀룰로오즈(lignocellulose)로 통칭하기도 하며, 목질 또는 초본계 바이오매스의 세포벽 주성분인 다당류 셀룰로오스(cellulose)를 포함하기 때문에, 셀룰로오스(cellulose)계 바이오매스라고 부른다.
따라서, 본 발명의 '바이오매스'는 셀룰로오스(cellulose)계 바이오매스, 목본계 바이오매스, 리그노셀룰로스계 바이오매스, 목질계 바이오매스와 혼용하여 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 바이오매스는 예를 들어, 알곡 및 정제된 전분을 함유하는 전분과 같은 농작물; 예를 들어, 쌀, 밀, 호밀, 귀리, 보리, 유채, 사탕 수수로부터의 대, 버개스(bagasse), 지푸라기; 예를 들어, Pinus sylvestris, Pinus radiate의 침엽수; 예를 들어, Alix spp. Eucalyptus spp의 활엽수; 예를 들어, 비트 (beet), 감자와 같은 구근(tuber); 예를 들어, 쌀, 밀, 호밀, 귀리, 보리, 유채, 사탕수수, 옥수수로부터 온 씨리얼 또는 그와 유사한 것으로부터 유도된 바이오매스를 포함할 수 있다.
본 발명에서의 '당화'는 셀룰로스 성분이 효소의 작용에 의해 글루코스로 전환되는 과정이며, 셀룰라아제(cellulase)가 셀룰로오스의 반응표면에 흡착하여 셀룰로오스를 셀로바이오스(cellobiose)로 바꾸는 과정과 이렇게 생성된 셀로바이오스가 β-글루코시다제(β-glucosidase)의 효소반응에 의해 글루코스로 전환되는 과정으로 나눌 수 있다.
본 발명에서 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
100 : 고점도 연속 당화기
110 : 교반수단
120 : 상측 다공판
121 : 홀
122 : 회전축
123 : 유로
124 : 하측 다공판
130 : 고점도 연속 당화기 혼합모터
140 : 벨브
150 : 첨가물 펌프

Claims (13)

  1. (a) 별도의 동력에 의해 회전 가능한 회전축;
    (b) 회전축에 설치되는 복수개의 교반수단; 및
    (c) 중앙부에는 상기 (a)의 회전축이 관통하고, 상기 회전축에 결합된 복수 개의 교반수단이 일정 간격으로 설치된 실린더형 당화부로 구성되는 고점도 바이오매스에 대한 연속당화 반응기에 있어서;
    (A) 상기 실린더형 당화부 내부에 위치하며, 상기 교반수단 사이에 복수 개가 설치되어 각 교반수단이 포함된 공간을 구획화하고, 상기 다공판의 외주면에서 홀(hole)의 내측 단면까지 관통하는 하나 이상의 유로가 형성되며, 상기 유로와 연통되고 상기 홀(hole)의 내측 단면과 연통되어 첨가물을 공급하는 노즐을 구비하는 다공판을 포함하는 연속 당화반응기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 다공판은 상기 회전축에 하나 이상 고정되어 동축 회전 또는 상하이동이 가능한 것을 특징으로 하는 연속당화 반응기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 다공판은 상기 당화부 내벽에 하나 이상 고정되어 설치된 것을 특징으로 하는 연속당화 반응기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 다공판에 구비된 홀(hole)의 지름은 0.1~100cm인 것을 특징으로 하는 연속당화 반응기.
  5. 제4항에 있어서, 상기 다공판에 구비된 홀(hole)은 상측면 지름에 비하여 하측면의 지름이 0.01~2cm 차이가 있는 것을 특징으로 하는 연속당화기.

  6. 제5항에 있어서, 상기 다공판의 홀(hole)의 지름은 상기 당화부 하부보다 상부에 설치된 다공판의 홀(hole)이 더 큰 것을 특징으로 하는 연속당화 반응기.
  7. 제1항에 있어서, 상기 교반 수단은 바(bar), 디스크(disc), 패들 및 스크랩퍼(scrapper)로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 연속당화 반응기.
  8. 제7항에 있어서, 상기 스크랩퍼는 상기 당화부의 다공판 상부에 근접하거나 또는 접촉하여 설치되는 것을 특징으로 하는 연속당화 반응기.
  9. 제1항에 있어서, 상기 유로에 추가로 pH 및 온도를 측정하는 센서가 구비된 것을 특징으로 하는 연속당화 반응기.
  10. 다음의 단계를 포함하는 제1항의 연속당화 반응기를 이용한 고점도 바이오매스에 대한 연속당화방법:
    (a) 상부에 형성된 유입부에서 유입된 바이오매스가 교반 수단의 회전에 의하여 다공판에 도달하면 상기 다공판의 홀(hole)의 내측 단면에 구비된 노즐을 통해 공급되는 첨가물이 상기 바이오매스에 유입되고, 상기 홀(hole)을 통과하면서 상기 다공판 하부에 구비된 교반 수단의 회전에 의하여 상기 첨가물과 바이오매스를 혼합시키는 단계; 및
    (b) 상기 당화부 내 순차적으로 설치된 다공판과 교반수단에 의하여 (a) 단계를 반복하면서 바이오매스를 하부로 이송하면서 당화시키는 단계에 있어서,
    상기 노즐로 공급되는 첨가물은 효소, pH 조절을 위한 산/염기성 물질 및 계면활성제가 서로 다른 노즐을 통해 공급되는 것을 특징으로 하는 연속당화방법.
  11. 제10항에 있어서, 노즐이 구비되어 있지 않은 상기 다공판의 홀(hole)에는 추가로 pH 센서 및 온도센서가 장착되어, 바이오매스의 물리화학적 상태를 확인하는 것을 특징으로 하는 연속당화방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 효소는 엑소글루카나제(exo-glucanase), 엔도그루카나제(endo-glucanase), 및 베타-글루코시다아제(β-glucosidase)로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 효소인 것을 특징으로 하는 연속당화방법.
  13. 제12항에 있어서, 상부 다공판의 홀을 통해서는 엑소글루카나제(exo-glucanase) 및/또는 엔도글루카나제(endo-glucanase)를 공급하고, 하부 다공판의 홀을 통해서는 베타-글루코시다아제(β-glucosidase)를 공급하는 것을 특징으로 하는 연속당화방법.
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