KR20160052873A - 축산 폐유지로부터 바이오디젤용 원료유 추출방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 (a) 축산 폐유지를 절단하여 원료를 준비하는 단계; (b) 상기 원료를 추출탱크에 투입 후 110 내지 130℃ 의 온도 및 0.01 내지 0.10 MPa에서 열처리하는 단계; (c) 상기 추출탱크의 내부 압력을 -0.01 내지 -0.09 MPa의 압력으로 감압하여 상기 열처리한 원료를 볶음추출하여 원료유를 수득하는 단계; 및 (d) 상기 수득한 원료유로부터 육분 잔사를 분리하는 단계; 를 포함하는 바이오디젤용 원료유 추출방법에 관한 것이다.

Description

축산 폐유지로부터 바이오디젤용 원료유 추출방법{Extraction method of raw oil from waste animal fat for biodiesel}

본 발명은 축산 폐유지로부터 바이오디젤용 원료유를 추출하는 방법에 관한 것이다.

최근 수년 간에 걸쳐 유가가 급변할 뿐만 아니라 화석연료의 대량소비로 인하여 한정된 에너지 자원의 고갈 위기에 직면하게 되면서 원유의 수급차질에 따른 고유가 문제가 계속되고 있고, 화석연료의 소비량에 비례하여 지구온난화 및 환경오염의 문제가 지속적으로 대두되고 있다. 이로 인해 세계 각국에서는 화석연료를 대체할 수 있는 다양한 형태의 에너지원에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있으며, 막대한 에너지 자원의 대부분을 수입에 의존하고 있는 우리나라에서 또한 대체에너지 개발에 관계된 많은 연구와 노력이 기울여지고 있다. 현재 대체 에너지원 탐색의 일환으로 재생 가능 에너지라 불리는 바이오 에너지의 개발이 상당히 진척되고 있는데, 그 중 재생성을 갖는 동, 식물성 기름으로부터 생산 가능한 청정 대체 연료인 바이오디젤에 대한 관심이 높아지고 있는 실정이다.

우리나라에서 바이오디젤은 2010년부터 경유에 2% 포함되어 공급되고 있으며, 대부분 팜유나 대두유 등 식물성 유지로부터 생산되고 있다. 그러나 바이오디젤의 원료로 쓰이고 있는 식물성 유지는 전적으로 수입에 의존하고 있다. 또한 식물성 유지는 국제적인 환경변화에 크게 영향을 받아 가격이 높고 불안정하다는 문제점을 가지고 있다. 이러한 상황에서 국내의 에너지 안보는 석유뿐만 아니라 석유 대체연료에서도 위협을 받고 있는 실정으로 저가의 원료 또는 국내자원을 이용할 수 있는 방안을 마련하는 것이 절실하다.

이에 대한 대응방안으로 식물성 작물의 유지가 아닌 동물성 유지를 이용하여 바이오디젤을 생산하려는 시도와 저가의 폐유지를 이용하여 바이오디젤을 생산하려는 시도가 전 세계적으로 이루어지고 있다. 이 중 동물성 유지는 식물성 유지에 비해 일반적으로 산가(유리 지방산 함량), 수분 함량, 고형물 함량, 인 함량 등의 불순물 함량이 높게 나타나므로, 이를 적정 요구 수준으로 만족시키면서 동시에 고 수율 및 에너지 사용의 최소화가 가능한 새로운 바이오디젤용 원료유의 추출 방법이 필요한 실정이다.

KR 등록 제10-1022133호

본 발명은 축산 폐유지로부터 바이오디젤용 원료유를 추출하는 방법으로서, 바이오디젤용 원료유의 추출 수율을 높이고, 상기 원료유의 추출과 동시에 상기 축산 폐유지 내에 함유된 수분을 제거할 수 있는 바이오디젤용 원료유의 추출방법을 제공하고자 한다.

또한, 추출단계에서 육분 잔사를 고형화시켜 수득한 원료유로부터 잔사를 용이하게 분리할 수 있는 고효율의 바이오디젤용 원료유의 추출방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 (a) 축산 폐유지를 절단하여 원료를 준비하는 단계; (b) 상기 원료를 추출탱크에 투입 후 110 내지 130℃ 의 온도 및 0.01 내지 0.10 MPa에서 열처리하는 단계; (c) 상기 추출탱크의 내부 압력을 -0.01 내지 -0.09 MPa의 압력으로 감압하여 상기 열처리한 원료를 볶음추출하여 원료유를 수득하는 단계; 및 (d) 상기 수득한 원료유로부터 육분 잔사를 분리하는 단계; 를 포함하는 바이오디젤용 원료유 추출방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 축산 폐유지로부터 고수율의 바이오디젤용 원료유를 추출할 수 있으며, 추출과 동시에 원료에 함유되어 있는 수분 제거 및 육분 잔사를 고형화시킴으로써, 원료유로부터 상기 육분 잔사를 용이하게 분리할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 축산 폐유지로부터 바이오디젤용 원료유 추출방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 바이오디젤용 원료유 추출과정에 있어서, 원료유 수득단계 후에 온도별 고형화된 육분 잔사를 비교한 사진이다.
도 3은 잔사 분리 및 정제 후에 원료유를 비교한 사진이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 축산 폐유지로부터 바이오디젤용 원료유 추출방법을 나타낸 흐름도, 도 2는 본 발명에 따른 바이오디젤용 원료유 추출과정에 있어서, 원료유 수득단계 후에 온도별 고형화된 육분 잔사를 비교한 사진, 도 3은 잔사 분리 및 정제 후에 원료유를 비교한 사진이다.

이하, 도 1 내지 도 3과 실시예를 통해 본 발명인 바이오디젤용 원료유 추출방법을 상세히 설명한다.

본 발명은 폐유지로부터 바이오디젤용 원료유를 추출하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 축산 폐유지에 열을 가하여 원료유를 추출하는 방법에 관한 것이다.

보다 구체적으로, 본 발명에 따른 바이오디젤용 원료유 추출방법은 (a) 축산 폐유지를 절단하여 원료를 준비하는 단계 (S100); (b) 상기 원료를 추출탱크에 투입 후 110 내지 130℃ 의 온도 및 0.01 내지 0.10 MPa에서 열처리하는 단계 (S200); (c) 상기 추출탱크의 내부 압력을 -0.01 내지 -0.09 MPa의 압력으로 감압하여 상기 열처리한 원료를 볶음추출하여 원료유를 수득하는 단계 (S300); 및 (d) 상기 수득한 원료유로부터 육분 잔사를 분리하는 단계 (S400); 를 포함한다.

여기서, 축산 폐유지라 함은 도축한 동물로부터 사용할 수 없어 버려지는 기름을 의미하는 것으로, 본 발명에서의 축산 폐유지는 동물의 지방을 포함하는 부위 또는 동물의 지방일 수 있다.

이때, 동물은 포유류를 의미하는 것으로, 소, 양 또는 돼지일 수 있다. 또한, 동물의 지방을 포함하는 부위는 지방을 포함하기만 하면 동물의 구체적인 부위는 크게 제한되지 않으며, 예를 들어 동물의 피하, 장간막, 장기 주위, 근육 사이의 부위 등이 있으며, 비계 부위일 수 있다. 또한, 동물의 지방을 포함하는 부위 대신 동물의 지방이 바이오디젤용 원료유를 추출하기 위한 원료로 사용될 수 있는데, 본 발명에서 동물의 지방이란 동물의 지방조직을 가열 용해하여 제조한 것, 예를 들어 비계를 정제하여 하얗게 굳힌 것을 의미하며, 상온에서 고형일 수 있다.

또한, 본 발명에서 육분 잔사라 함은 포유동물의 도축과정에서 나오는 조직의 찌꺼기를 의미한다.

특히, 상기 축산 폐유지는 두께 1 내지 2cm, 길이 1 내지 20cm 의 크기로 절단하는 것이 바람직하다. 이때, 원료를 상기와 같은 크기로 절단하는 것은 하기의 원료유를 수득하는 수득단계에서 상기 원료에 함유되어 있는 원료유를 용이하게 추출하기 위함이다. 원료의 크기의 두께 및 길이가 1cm 미만의 크기로 절단될 경우 원료유를 용이하게 추출하기에 필요 이상의 분쇄를 하게 되어 비경제적이고, 입자가 작아서 제조에 불편을 줄 수 있으며, 원료를 두께 2cm, 길이 20cm 를 초과한 크기로 절단할 경우에는 상기 원료에 함유되어 있는 원료유를 용이하게 추출하기 어려울 수 있다.

이에 더하여, 본 발명의 일 예에 따른 축산 폐유지로부터 바이오디젤용 원료유 추출방법에 있어 열처리하는 단계는 고온용융 방식을 채택하는 것을 특징으로 하는데, 보다 구체적으로, 상기 원료를 110 내지 130℃ 의 온도 및 0.01 내지 0.10 MPa의 압력에서 2 내지 3시간 열처리할 수 있다.

또한, 원료를 수득하는 단계는 110 내지 130℃ 의 온도에서 추출탱크의 내부 압력을 -0.01 내지 -0.09 MPa의 압력으로 감압하여 30 내지 60분 동안 상기 열처리한 원료를 볶음추출 할 수 있다.

특히, 열처리 단계와 원료를 수득하는 단계에서 원료를 110℃ 미만으로 볶을 경우에는 절단된 원료에 충분히 열이 가해지지 않음으로써, 비계의 용융이 충분히 이루어지지 않아 원료에 함유되어 있는 원료유를 추출하기 어려울 수 있으며, 130℃를 초과하여 볶을 경우에는 에너지 소비가 많고, 육분 잔사가 높은 열에 의해 탈 수 있다.

이때, 상기 열처리 단계 및 원료유를 수득하는 단계는 40 내지 70rpm의 교반 하에 이루어질 수 있다.

이에 더하여, 본 발명의 축산폐유지로부터 원료유를 수득하는 단계에서 볶음 추출하는 단계는 추출물의 수분 제거를 동시에 병행하면서 슬러지 형태의 육분 잔사가 단단한 덩어리로 고형화될 수 있으며, 이로써 상기 원료유로부터 잔사를 용이하게 분리할 수 있다. 즉, 상기 볶음추출하는 단계는 수분제거 및 잔사의 고형화가 동시에 이루어져 축산폐유지로부터 수분을 신속히 제거함과 동시에 원료유로부터 잔사를 용이하게 분리할 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 볶음추출하는 단계에서 온도를 110 내지 130℃를 유지하되, 추출탱크의 압력을 -0.01 내지 -0.09 MPa으로 감압함으로써, 원료에 함유되어 있는 수분이 응축될 수 있으며, 이때, 응축된 수분은 회수탱크로 제거될 수 있다. 또한, 이와 동시에, 축산 폐유지의 잔사(육분 잔사)를 고형화시킬 수 있으며, 고형화된 잔사는 0.60 내지 1.25mm 메쉬 여과망을 통과하여 수득한 원료유로부터 용이하게 분리할 수 있다. 특정 양태로서, 원료유와 잔사를 방법으로는 그 종류가 크게 제한되지 않으며, 일 예로 여과 철망 부착 분리기를 이용하여 분리할 수 있다.

이에 더하여, 본 발명의 바이오디젤용 원료유 추출방법은 (e) 잔사가 제거된 원료유에 규조토를 혼합하여 상기 원료유를 정제하는 단계를 더 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 기름을 압력 여과기(filter press) 를 이용하여 원료유를 정제할 수 있으며, 보다 구체적으로, 잔사가 제거된 원료유에 규조토분말을 2 내지 2.5%(w/w) 를 첨가하고, 고르게 분산시켜 압력 여과기(filter press) 에 통과시켜 미세 혼입입자를 정제할 수 있다.

상기와 같이, 본 발명의 바이오디젤용 원료유 추출방법으로 추출한 원료유는 65% 이상의 기름 수율을 얻을 수 있다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 다만 하기의 실시예는 본 발명의 내용을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.

< 실시예 >

실시예 1. 원료준비

축산 폐유지로부터 바이오디젤용 원료유를 추출하기 위하여 원료로 대략 소 비계 80%와 돼지 비계 20%가 혼합된 축산폐유지 (2014년 5 내지 7월에 입고되어 약 1 내지 2일간 냉장 보관된 것)을 사용하였다. 상기 축산폐유지를 두께 1 내지 2cm, 길이 1 내지 20cm의 크기로 절단하여 원료를 준비하였다.

실시예 2. 열처리 단계

본 발명의 실시예에서 원료유 수득단계(열처리 단계)는 준비된 원료를 추출탱크에 투입하고 열처리하여 축산 폐유지를 고온용융 시키는 단계이다.

먼저, 준비된 원료인 축산 폐유지를 추출탱크에 투입하였고, 상기 추출탱크의 온도가 100 내지 140℃가 되도록 열을 가하여 2 내지 3시간 동안 고온용융 추출을 하였다. 이때, 상기 축산 폐유지는 40kg 이였으며, 교반 속도는 65rpm 하였다. 또한, 이때의 압력은 0.01 내지 0.10 MPa 이었다.

실시예 3. 원료유 수득 (볶음 추출 단계) 및 수분 제거

본 발명의 실시예에서 원료유 수득(볶음추출 단계)는 원료가 추출탱크의 내부에서 -0.01 내지 -0.09 MPa의 압력으로 감압되어 교반되면서 볶음추출 및 원료내에 존재하는 수분 제거를 동시에 수행할 수 있는 단계이다.

추출탱크와 연결된 수분 회수탱크를 감압하에 수분 제거와 볶음추출은 잔사(육분 잔사)를 비교적 단단한 입자형태로 변화시키고, 최종적으로 기름의 추출 수율을 높일 수 있다.

보다 구체적으로 볶음 추출 단계는 상기 열처리 단계와 동일한 온도인 100 내지 140℃에서 진행되었으며, 추출탱크의 압력을 -0.01 내지 -0.09 MPa으로 감압하였다. 이와 동시에, 열교환기를 10 내지 24℃으로 냉각시켰고, 원료 내에 있던 수분은 응축되어 액체상태로 회수탱크로 회수함으로써, 수분을 제거하였다. 이와 같은 공정은 30 내지 60분 동안 진행하였다. 특히, 원료 내에 함유된 수분 10 내지 20%를 분리할 수 있었다. 이와 동시에 추출탱크의 원료유의 온도가 60 내지 70℃ 정도로 서서히 낮추어 주면, 다음 단계인 육분 잔사 분리 및 기름 정제에 적당한 기름 온도를 제공할 수 있다.

도 2는 볶음 추출 단계후에 온도별로 잔사를 비교한 것으로, 원료를 110℃ 이하로 열처리 및 볶음추출을 할 경우에는 비계의 용융이 충분히 이루어지지 않은 상태에서 육분 잔사가 고형화되어 그 크기가 더 큼을 확인할 수 있었다. 원료를 120 내지 130℃로 열처리 및 볶음추출을 할 경우에는 비계의 용융이 충분히 이루어진 상태에서 육분 잔사가 고형화되어 그 크기가 더 작음을 확인할 수 있었다.

실시예 4. 잔사 분리 및 기름 정제

본 실시예에서는 수득한 원료유로부터 잔사(육분 잔사)를 제거하고, 상기 잔사가 제거된 기름을 회수하여 미세 혼입입자를 정제하였다.

보다 구체적으로, 볶음추출하여 수득한 원료유를 상기 추출탱크의 배출구를 통하여 기름·유박 분리기로 배출하였다.

이때, 상기 기름·유박 분리기의 여과 철망(1.25 ~ 0.60 mm 메쉬)을 이용하여, 원료유에 존재하는 잔사를 여과하도록 함으로써, 원료유로부터 잔사를 제거하였다. 상기와 같이 잔사가 제거된 기름을 압력 여과기(filter press)를 이용하여, 기름의 미세 혼입입자를 정제하였다. 상기 육분 잔사가 제거된 기름에 규조토 분말 2 내지 2.5%(w/w)을 첨가하고 균일하게 분산 시킨 후 압력 여과기(filter press)를 통과하도록 함으로서 미세 혼입물질을 정제하였다.

특히 추출한 원료유로부터 잔사 분리 및 기름 정제는 수분제게 후 기름온도가 60 내지 70℃ 정도에서 수행하여야 한다. 기름의 온도가 떨어지져 굳어지기 시작한면 육분 잔사 제거 및 압력 여과기(filter press)를 이용한 미세 혼입입자를 제거하기가 어려울 수 있기 때문이다.

또한, 도 3은 잔사 분리 후에 원료유 및 정제 후에 원료유를 비교한 사진으로 정제 전보다 정제 후에 미세 혼입입자가 제거된 것을 육안으로도 확인할 수 있다.

실시예 5. 수득한 원료유의 추출수율

상기 실시예 1 내지 3에 의해 축산폐유지로부터 원료유를 추출하였을 때, 온도에 따른 추출 수율을 표 1에 나타내었다. 이때의 온도는 원료유 수득 단계 (열처리 및 볶음추출 단계)에서의 추출탱크의 온도를 의미한다.

추출탱크 온도 (℃)	기름 추출수율 (㎏)	잔사 발생량 (㎏)	수분 회수 (㎏)	산가 (mgKOH/g)
100	51.25 (20.5)	28.5 (11.4)	20.25 (8.1)	2.9±0.75
110	65.75 (26.3)	23 (9.2)	11.25 (4.5)	2.1±0.35
120	65.37 (27.75)	17.63 (7.05)	13 (5.2)	2.7±0.29
130	67.38 (26.95)	17.38 (6.95)	15.25 (6.1)	1.7±0.22
140	68.78 (27.51)	11.25 (4.5)	19.98 (7.99)	2.4±0.65

보다 구체적으로, 표 1에 나타난 바와 같이 추출탱크의 온도가 110 내지 140℃ 에서 기름 추출수율이 65% 이상으로 높게 나타났고, 육분 잔사의 발생량은 추출탱크의 온도가 높아질수록 감소하는 경향을 보였다. 반면, 추출탱크의 온도 100℃ 에서는 기름 추출수율이 50% 정도로 낮고 비교적 높은 수준으로 육분 잔사가 나온 것을 확인할 수 있었다. 추출탱크의 온도 140℃에서는 기름 추출 수율이 110 내지 130℃ 과 유사하게 나타났으나, 원료유를 추출하기 위하여 열처리단계에서 공급하는 에너지 효율과 대비하였을 때에는 열처리 온도가 110 내지 130℃ 가 적합한 것을 확인할 수 있었다. 또한, 기름의 산가도 1.7 내지 2.7로 바이오디젤 원료유에 적합함을 확인할 수 있었다.

Claims (9)

1. (a) 축산 폐유지를 절단하여 원료를 준비하는 단계;
   (b) 상기 원료를 추출탱크에 투입 후 110 내지 130℃ 의 온도 및 0.01 내지 0.10 MPa에서 열처리하는 단계;
   (c) 상기 추출탱크의 내부 압력을 -0.01 내지 -0.09 MPa의 압력으로 감압하여 상기 열처리한 원료를 볶음추출하여 원료유를 수득하는 단계; 및
   (d) 상기 수득한 원료유로부터 육분 잔사를 분리하는 단계; 를 포함하는 바이오디젤용 원료유 추출방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 축산 폐유지는 두께 1 내지 2cm, 길이 1 내지 20cm 의 크기로 절단하는 것을 특징으로 하는 바이오디젤용 원료유 추출방법.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 열처리하는 단계는
   2 내지 3시간 열처리하는 것을 특징으로 하는 바이오디젤용 원료유 추출방법.
   
4. 제1항에 있어서,
   원료유를 수득하는 단계는
   30 내지 60분 동안 상기 열처리한 원료를 볶아 볶음추출하는 것을 특징으로 하는 바이오디젤용 원료유 추출방법.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 원료유를 수득하는 단계는
   상기 원료에 함유되어 있는 수분이 응축되어 응축된 수분을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오디젤용 원료유 추출방법.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 원료유를 수득하는 단계는
   상기 육분 잔사가 고형화되는 것을 특징으로 하는 바이오디젤용 원료유 추출방법.
   
7. 제1항에 있어서,
   열처리하는 단계 및 원료유를 수득하는 단계는
   40 내지 70rpm 의 교반하에 이루어지는 것을 특징으로 하는 바이오디젤용 원료유 추출방법.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 수득한 원료유로부터 잔사를 분리하는 단계는
   상기 수득한 원료유를 0.60 내지 1.25mm 메쉬 여과망을 통과하여 상기 잔사를 분리하는 것을 특징으로 하는 바이오디젤용 원료유 추출방법.
   
9. 제1항에 있어서,
   (e) 잔사가 제거된 상기 원료유에 규조토를 혼합하여 상기 원료유를 정제하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오디젤용 원료유 추출방법.

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