KR20190061728A

KR20190061728A - 에너지 저소비형 당과 산의 분리방법

Info

Publication number: KR20190061728A
Application number: KR1020170160396A
Authority: KR
Inventors: 엄영순; 이경민; 이선미; 김홍곤; 공경택
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2017-11-28
Filing date: 2017-11-28
Publication date: 2019-06-05
Also published as: US10435426B2; KR102003918B1; US20190161511A1

Abstract

본 발명은 에너지 저소비형 당과 산의 분리방법에 관한 것으로 바이오매스를 산 용액으로 당화시킨 제1 산 당화액을 확산투석시켜 산 당화액에 함유된 산 용액의 농도가 낮아진 제2 산 당화액을 제조하는 단계; 및 제2 산 당화액을 전기분해시켜 당과 산 용액을 분리하는 단계;를 포함함으로써, 에너지 소모가 적고 분리된 산 용액의 농도가 높아 다른 처리 없이 바로 재사용할 수 있으며 당의 손실을 최소화할 수 있다.

Description

에너지 저소비형 당과 산의 분리방법{Method for separation of acid and sugars to reduce energy consumption}

본 발명은 에너지 소모가 적고 분리된 산 용액의 농도가 높아 다른 처리 없이 바로 재사용할 수 있으며 당의 손실을 최소화할 수 있는 에너지 저소비형 당/산 분리방법에 관한 것이다.

석유자원 고갈 및 지구온난화 문제를 해결하기 위해 석유를 대체할 수 있는 바이오연료 생산이 증가함에 따라 바이오매스의 활용이 점차 증가하고 있다. 대체 에너지로 사용되는 바이오 연료는 바이오매스를 화학적 또는 생물학적으로 처리하여 얻어진 당화액을 발효시켜 제조한다.

사용할 수 있는 바이오매스로는 식용 및 비식용 전분질계, 초본계, 목질계, 해조류, 유기성 폐자원(폐목재, 농림부산물, 식품부산물 등) 등이 있으며, 모든 바이오매스에 포함된 당은 다당류인 셀룰로오스(cellulose)와 헤미셀룰로오스(hemicellulose)로 존재하기 때문에 미생물을 이용하여 발효시키기 위해서 발효 가능한 단당류인 글루코오스(glucose), 자일로오스(xylose), 아라비노스(arabinose) 등 육탄당 혹은 오탄당으로 분해하여야 한다. 이를 위해 바이오매스의 전처리(pretreatment) 및 당화(saccharification) 과정이 필요하다.

상기 전처리는 바이오매스를 작게 분쇄한 후 산(acid)이나 알카리(alkali)로 처리하여 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스와 리그닌(lignin)이 단단하게 결합되어 있는 조직을 풀어서 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스가 분자단위로 분리되어 나올 수 있게 하는 과정이다.

상기 당화는 전처리 과정에서 분자단위로 풀어진 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스, 즉 다당류 구조를 농산(high-concentration acid)이나 희산(low-concentration acid)과 효소(enzyme)를 사용하여 당화반응(또는 가수분해반응)시켜 단당류의 당화액을 만드는 과정이다.

가성소다, 암모니아 등의 알카리를 사용한 전처리 방법을 사용하면 리그닌을 액상으로 녹여내고 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스를 고체상태인 케이크(cake)로 얻게 된다. 따라서 통상적으로 당 성분의 케이크를 분리한 후 효소를 사용하여 당화하거나 산을 이용하여 당화를 수행하는 과정을 거쳐 단당류 성분을 얻는다. 하지만, 알칼리를 이용한 전처리 방법은 일반적으로 고온 고압조건에서 회분식으로 운전하며 많은 양의 알칼리 액상 폐기물이 발생하는 문제점과 연속공정에서 고체 케이크를 다루는 데 따른 장치상의 문제점이 발생한다.

바이오매스의 전처리와 당화과정에서 황산이 사용되는 경우에는 다음 단계를 위해 중화과정이 필요하다. 예로, 희황산을 이용해 전처리를 수행하고 이어서 효소를 이용하여 당화를 진행하기 위해서는 전처리된 용액의 pH를 효소반응에 적합한 pH로 만드는 중화과정이 필요하다. 농황산을 이용해 전처리를 수행하고 이어서 역시 농황산을 이용해 당화를 수행하는 경우에는 다음 단계인 당화된 액에서 미생물 발효에 적합하도록 황산을 분리(혹은 제거)하고 중화하는 과정이 필요하다. 즉, 효소당화반응이나 미생물 발효를 위해 각 과정 전에 산을 제거하거나 산과 당의 혼합액을 중화시켜야 한다.

황산을 사용하여 만들어진 당과 산의 혼합액에서 황산을 제거하는 방법으로는 수산화칼슘(calcium hydroxide)과 같은 알카리로 중화시키는 방법(Martinez et al., 2001)이 주로 사용된다. 이때 폐기물인 석고(gypsum)가 많이 발생되며, 당 용액에서 석고를 분리할 때 상당량의 당(sugar)이 유실된다. 농황산으로 전처리 및 당화시켜 얻어진 당과 산의 혼합액에서 당과 산을 분리하는 또 다른 방법으로 Simulated moving bed(SMB)를 이용한 연속흡착분리 방법이 알려져 있다. 이 방법에서는 당 혹은 산을 선택적으로 흡착시켜 분리하는 크로마토그래피(흡착) 칼럼을 다수 설치하고 각각의 칼럼에 밸브와 펌프를 연결하여 연속 시료주입과 연속 제품배출이 가능하도록 시스템을 구성하여 당화액으로부터 당과 산을 연속적으로 분리한다(). 그러나 고가의 크로마토그래피(흡착) 컬럼을 사용하고 장치 구성이 복잡하여 운전이 매우 까다로우며, 특히 물을 이송매체로 사용함에 따라 산(acid) 용액이 수% 정도로 희석되어 산을 재활용하기 어려운 문제점이 있다. 이와 더불어 산을 흡착함에 따라 흡착제의 팽윤(swelling)이 심하게 일어나므로 흡착-탈착 싸이클(cycle)이 반복됨에 따라 흡착제의 내구성이 떨어지는 문제점도 있어서 실용화되지 못하고 있다.

이 외에도 최근 연구에 따르면, 전기투석 방법을 통해 전처리에 사용한 산을 회수하는 방법이 보고되고 있다. 전기투석 방법은 용액중의 이온성 물질의 전기영동과 이온교환막이 양이온과 음이온을 선택적으로 투과시키는 성질을 이용하여 분리하는 기술로 양이온 교환막과 음이온 교환막을 서로 교차하며 다수 배열하여 직류 전류를 통하여 용액 내의 이온성 물질을 분리할 수 있다. 충남대(대한민국) 이재원 교수팀은 전기투석 방법을 통해 전처리 시 사용한 옥살산(oxalic acid)을 당화액으로 회수하였고(), Argonne National Laboratory(미국) Snyder 교수 팀은 전기투석 장치의 다이루에이트 컴파트먼트(dialuate compartment)에 이온성 레진(resin)을 충진하여 당화액으로부터 황산을 회수하였다(). 상기 전기투석 방법으로 전처리시 사용한 산을 당화액으로부터 분리하였지만, 고농도 황산 농도 범위에서는 적용하지 못하였다.

또한, 전기투석을 이용하는 방법은 음이온 및 양이온 교환막을 교차로 다수 배열하여 이용하는 복잡한 시스템이며, 이온이 제거됨에 따라 점차 전기가 통할 수 없는 부도체 성격을 띠게 되어 고압의 전기사용이 필요하게 되는 단점이 있다.

따라서, 농황산 및 희황산에 의한 바이오매스 전처리 및 당화 방법을 실용화하기 위해서는 당과 산의 혼합액에서 당의 손실 없이 황산을 효율적으로 분리하고 회수하여 재사용할 수 있는, 경제성을 갖춘 방법이 요구되고 있다.

미국 등록특허 제5,820,687호

본 발명의 목적은 에너지 소모가 적고 분리된 산 용액의 농도가 높아 다른 처리 없이 바로 재사용할 수 있으며 당의 손실을 최소화할 수 있는 에너지 저소비형 당/산 분리방법을 제공하는데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 에너지 저소비형 당/산 분리방법은 바이오매스를 산 용액으로 당화시킨 제1 산 당화액을 확산투석시켜 상기 산 당화액에 함유된 산 용액의 농도가 낮아진 제2 산 당화액을 제조하는 단계; 및 상기 제2 산 당화액을 전기분해시켜 당과 산 용액을 분리하는 단계;를 포함할 수 있다.

상기 확산투석은 음이온 교환막에 의해 산 당화액유입조와 물용액조로 분리된 확산투석조를 이용하여 수행되며, 상기 산 당화액유입조에는 제1 산 당화액이 첨가되고 상기 물용액조에는 물이 첨가되어 연속적으로 반응을 수행할 수 있다.

상기 전기분해는 음이온 교환막에 의해 음극수조와 양극수조로 분리된 전기분해조를 이용하여 수행되며, 상기 음극수조에는 확산투석으로 산 용액의 농도가 낮아진 제2 산 당화액이 첨가되고 상기 양극수조에는 물 또는 산 용액이 첨가될 수 있다.

상기 확산투석에 의해 제2 산 당화액 내의 산 용액 농도는 제1 산 당화액 내의 산 용액 농도에 비하여 50 내지 80% 감소된 것일 수 있다.

상기 전기분해로 분리된 당의 농도는 0.1 내지 200 g/L일 수 있다.

상기 전기분해로 분리된 당에 존재하는 최종 산 용액의 함량은 1 중량% 이하일 수 있다.

상기 전기분해로 분리된 산 용액은 바로 바이오매스를 당화시키는 공정에 이용될 수 있다.

상기 전기분해로 분리된 당을 발효시켜 바이오연료를 생산하는 것일 수 있다.

상기 전기분해시 수소가스 및 산소가스가 생성될 수 있다.

상기 바이오매스는 초본류 바이오매스, 목재류 바이오매스, 전분질계 바이오매스, 해조류 바이오매스 또는 유기성 폐자원일 수 있다.

상기 산 용액은 황산일 수 있다.

상기 산 용액은 산 농도가 1 내지 80%인 강산 수용액일 수 있다.

상기 분리된 당은 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 키틴, 키토산 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택된 1종인 다당류; 글루코오스, 자일로오스, 갈락토스, 프룩토스 및 아라비노즈로 이루어진 군에서 선택된 1종인 단당류로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.

또한, 상기한 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 에너지 저소비형 당/산 분리방법은 바이오매스를 산 용액으로 당화시킨 제1 산 당화액을, 이온교환막이 구비된 확산투석조를 이용하여 23 내지 25 ℃에서 확산투석시켜 상기 산 당화액에 함유된 산 용액의 농도가 낮아진 제2 산 당화액을 제조하는 단계; 및

상기 제2 산 당화액 내의 산 용액의 농도가 7 내지 8%일 때 상기 제2 산 당화액을, 전기분해조를 이용하여 4 내지 6 V의 전압을 가하여 38 내지 42 ℃에서 전기분해시켜 당과 산 용액을 분리하는 단계;를 포함할 수 있다. 상기 제2 산 당화액을 제조하는 단계에서 이온교환막의 개수는 산이 50 내지 80% 제거되는 개수면 한정되지 않는다.

본 발명의 에너지 저소비형 당과 산의 분리방법은 에너지를 획기적으로 줄일 수 있으며 당 손실의 최소화시킬 수 있고 선택적으로 분리된 황산을 회수하여 다른 처리 없이 바로 재사용할 수 있으므로 바이오매스 전처리 및 당화공정의 생산성을 획기적으로 높일 수 있다.

또한, 알카리를 사용하여 황산을 중화하거나 제거하는 방법을 사용하지 않으므로 폐기물이 발생하지 않으며, 당의 손실을 최소화하여 발효 공정으로의 이용이 가능하다.

또한, 발생하는 고순도 수소 및 산소를 포집하여 각각 용도에 맞춰 사용하거나 연료전지(fuel cell)의 에너지원 또는 연소의 연료로 활용하면 전기에너지 사용에 따른 에너지 소비를 일부 상충할 수 있어 매우 경제적이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따라 사용된 확산투석도를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전기분해조를 나타낸 그래프이다.
도 3은 DSV 이온교환막을 이용하여 이온교환막 장수 별 정상 상태로 들어가는 시간에 대한 그래프이다.
도 4는 확산투석조에서 이온교환막 종류에 따른 황산의 제거량(a)과 당의 손실량(b)을 측정한 그래프이다.
도 5는 확산투석조에서 온도에 따른 황산의 제거량(a)과 당의 손실량(b)을 측정한 그래프이다.
도 6은 확산투석조에서 대조군 1의 모델 당화액으로부터 당(a)과 산(b)의 이동 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7은 확산투석조에서 실시예 1의 실제 당화액으로부터 당(a)과 산(b)의 이동 변화를 나타낸 그래프이다.
도 8은 확산투석 후 전기분해조에서 전류, 전압(a) 및 전력(b)에 따른 대조군 1 모델 당화액의 산/당 전해 분리(c, d) 결과를 나타낸 그래프이다.

본 발명은 확산투석 후 전기분해시키는 방법으로서, 확산투석, 전기분해 또는 전기분해 후 확산투석을 수행하는 경우보다 에너지가 50 내지 80% 감소된다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명의 에너지 저소비형 당/산 분리방법은 (A) 바이오매스를 산 용액으로 당화시킨 제1 산 당화액을 확산투석시켜 상기 산 당화액에 함유된 산 용액의 농도가 낮아진 제2 산 당화액을 제조하는 단계; 및 (B) 상기 제2 산 당화액을 전기분해시켜 당과 산 용액을 분리하는 단계;를 포함한다.

먼저, 상기 (A)단계에서는 바이오매스를 산 용액으로 당화시킨 제1 산 당화액을 확산투석시켜 상기 산 당화액에 함유된 산 용액의 농도가 낮아진 제2 산 당화액을 제조한다.

본 발명은 일차적으로 확산투석을 통하여 에너지 소모를 거의 하지 않고, 산 용액의 농도 구배에 따라 선택적으로 산 용액을 음이온 교환막을 통해 회수하고자 한다. 이때 사용하는 확산투석은 에너지 소모가 거의 없고, 장치가 간단하며, 운전이 연속적이고 안정하며, 시스템 유지가 용이하고, 설치와 유지비용이 저렴하다는 장점이 있다. 따라서 전기분해 전 단계로 확산투석을 이용하면 에너지 저감형 산과 당의 분리가 가능하다.

상기 제1 산 당화액을 확산투석시키기 위한 확산투석조는 도 1에 도시된 바와 같이 산 당화액 유입조(12), 물용액조(13) 및 상기 각 수조로 분리하는 제1 음이온 교환막(11)이 교차로 다수개가 구비된다. 또한, 산 당화액 유입조(12)의 중간, 바람직하게는 양쪽에 각각의 제1 음이온 교환막(11)이 구비된 산 당화액 유입조(12)의 중간에 상기 제1 음이온 교환막(11)과 같은 방향으로 그물망(14)이 형성된다. 상기 그물망(14)은 상기 제1 음이온 교환막(11)과 제1 음이온 교환막(11) 사이의 용액이 바이패스(by-pass)로 흘러가게 하는 것이 아니라 혼합이 일어나게 하고 교류(turbulence)를 발생하게 함으로써, 상기 제1 음이온 교환막(11)에 형성되는 산 농도의 경계층(boundary layer)이 최소화되어 확산이 보다 효과적으로 일어나게 한다. 상기 그물망(14)을 구비하지 않는 경우에는 확산이 미미하게 발생된다. 상기 그물망(14)의 각 기공의 크기는 0.2-1 cm X 0.2-1 cm 인데, 기공의 크기가 상기 하한치 미만인 경우에는 용액의 이동이 느려질 수 있으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 확산의 효과가 발생하지 않을 수 있다.

상기 산 당화액 유입조(12)에는 제1 산 당화액이 투입되고, 상기 물용액조(13)에는 전해질(물)이 투입되어 확산투석이 진행되는 동안 상기 산 당화액에 포함된 산 용액이 상기 산 당화액 유입조(12)에서 물용액조(13)로 이동되어 상기 산 당화액 유입조(12) 내의 산 용액의 농도를 50 내지 80% 감소시킨다. 이때, 산 당화액 유입조(12) 내 산이 물용액조(13)로 이동되는 만큼 용액부피가 5~10% 가량 줄어들게 되어서 결과적으로 당의 농도(%)를 높이는 효과를 가져온다. 이렇게 증가된 당 농도는 발효를 수행시 발효산물(바이오연료 및 원료)의 농도 증가를 가져오는 부가적 효과도 발생하게 된다.

구체적으로, 산 당화액 유입조(12)에 투입된 제1 산 당화액은 산 용액의 농도가 약 25 내지 30%인데, 1차로 확산투석을 통하여 산 용액만이 농도 구배에 의하여 선택적으로 음이온 교환막을 통해 이동되어 당화액 내의 산 용액 농도를 7 내지 15%까지 낮출 수 있으며, 물용액조(13)에 투입된 물은 산 용액을 유입받아 10 내지 15%의 산 용액이 된다. 이후 상기 확산투석된 제2 당화액은 다음 단계인 전기분해조로 이송된다.

상기 제1 산 당화액은 바이오매스를 산 용액으로 전처리하고 상기 전처리된 물질을 당화시켜 제조된 것이다.

또한, 본 발명의 제1 산 당화액, 제2 산 당화액은 산 용액과 당화된 당이 혼합된 용액을 의미한다.

상기 사용되는 산 용액은 산 농도가 1 내지 80%인 강산 수용액으로서, 산 농도에 따라 상기 산 당화액을 제조하는 방법은 두 가지가 있다.

하나는 바이오매스를 산 농도가 70 내지 80%인 산 용액으로 23 내지 26 ℃에서 전처리한 후 물을 첨가하여 산 농도를 25 내지 30%로 낮춰 60 내지 80 ℃에서 당화시키는 농황산법을 이용하는 방법이고; 다른 하나는 산 농도가 1 내지 5%인 산 용액으로 150 내지 250 ℃, 1 내지 2 MPa 압력에서 전처리한 후 효소를 이용하여 당화시키는 희황산법을 이용하는 방법이다. 상기 희황산법을 이용 시 효소로 처리하기전 셀룰로오스 등 다당류와 포도당 등 단당류 등의 혼합당이 존재하는 전처리액을 이용하더라도 혼합당과 산을 분리할 수 있다.

상기 바이오매스로는 초본류 바이오매스, 목재류 바이오매스, 전분질계 바이오매스, 해조류 바이오매스 또는 유기성 폐자원을 들 수 있으며, 상기 유기성 폐자원으로는 폐목재, 농림부산물, 식품부산물 등을 들 수 있다.

또한, 상기 산 용액으로는 황산, 설파민산, 구연산, 호박산, 말레산, 및 프탈산으로 이루어진 군에서 선택된 1종을 들 수 있으나, 상기 다른 산 용액과 달리 황산은 가격이 저렴하고 높은 농도의 황산을 사용하면 매우 견고한 목질계 바이오매스를 포함한 대부분의 바이오매스를 빠른 시간 안에 전처리와 당화반응을 시킬 수 있고 당화효율이 높으므로 황산을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 당화된 당으로는 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 키틴, 키토산 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택된 1종인 다당류; 글루코오스, 자일로오스, 갈락토스, 프룩토스 및 아라비노즈로 이루어진 군에서 선택된 1종인 단당류로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 들 수 있다.

다음으로, 상기 (B)단계에서는 상기 제2 산 당화액을 전기분해시켜 당과 산 용액을 분리하며, 수소가스 및 산소가스도 생산한다.

본 발명은 이차적으로 전기화학적 물분해에 의해 발생한 전자를 이용하여 산 용액을 수소가스와 산 용액 염으로 분리하여, 분리된 산 용액 염은 음이온 교환막을 통해 회수함과 동시에 추가적으로 수소가스를 생산함으로써 바이오 에너지와 수소에너지를 동시에 생산할 수 있는 경제성 있는 방법을 제공하고자 한다.

상기 제2 산 당화액을 전기분해하기 위한 전기분해조는 도 2에 도시된 바와 같이 음극수조(23), 양극수조(22) 및 상기 각 수조로 분리하는 제2 음이온 교환막(21)을 포함한다. 상기 각 수조로 분리하는 제2 음이온 교환막(21)은 한 개 또는 다수개로 이루어질 수 있으며, 다수개로 이루어진 경우에는 도 1과 같이 음극수조(23), 양극수조(22)도 다수개로 구비된다.

상기 음극수조(23)에는 제2 산 당화액이 투입되고, 상기 양극수조(22)에는 전해질(물 또는 산 용액)이 투입되어 전기분해가 진행되는 동안 상기 제2 산 당화액에 포함된 산 용액이 상기 음극수조(23)에서 양극수조(22)로 거의 이동되어 상기 음극수조(23) 내에는 산 용액이 거의 존재하지 않고 당만 존재한다. 또한, 전기분해시 음극수조(23)에서 수소가스가 생산된다. 구체적으로, 산 용액으로 황산을 이용한 경우에 음극수조에 충진된 제2 산 당화액의 황산은 이온화되어 수소이온(H⁺)과 황산염이온(SO₄ ^2-)으로 존재하는데 전기를 공급하면 음극수조에 담긴 음극(또는 캐소드(cathode)) 표면에서는 수소이온(H+)이 전자를 받아서 수소(H₂)가스가 발생되고, 황산염이온(SO₄ ^2-)은 음이온 교환막을 통해 양극수조로 이동하는 것이다.

이때, 상기 음극수조(23) 내 당에 존재하는 최종 산 용액의 함량은 전기분해 전 제2 산 당화액에 존재하는 산 용액 함량의 90 중량% 이상, 바람직하게는 90 내지 99 중량%가 제거되므로 이후 발효를 위하여 당을 중화하여도 폐기물인 석고(gypsum)가 거의 생성되지 않는다. 상기와 같이 생성된 석고의 양이 적으면 이에 흡착되어 손실되는 당의 함량도 줄어든다. 만약, 본 발명의 전기분해가 아닌 중화 방법을 통해 산을 중화하고 당을 분리하면 상기 당에 존재하는 산 용액의 함량이 높을수록 석고가 다량으로 발생되어 당 손실이 커지므로 바람직하지 않다.

또한, 양극수조(22)에 담긴 양극(또는 아노드(anode)) 표면에서는 물이 분해되고 양극 측에 전자를 뺏기면서 산소(O₂)가스가 발생하고, 물 분해로 생성된 수소이온(H⁺)은 음극수조로부터 이동된 산 용액 이온을 만나 산 용액으로 전환된다(산 용액이 황산인 경우에는 황산염이온(SO₄ ^2-)과 만나 황산으로 전환되는 것이다). 구체적으로, 산 용액으로 황산을 이용한 경우를 들어 설명하면, 양극수조인 전기분해조에서 물의 전기분해가 일어나며 동시에 음극수조 내의 황산염이온(SO₄ ^2-)은 양극수조로 이동하게 된다. 결국, 황산이 음극수조에서 분리되고 양극수조로 이동하여 농축되는 현상이 발현된다. 이에 따라 음극수조에는 황산이 제거된 당화액을 만들 수 있으며, 양극수조에서는 황산을 회수함으로써 전처리 및 당화에 재사용할 수 있게 된다. 이 과정에서 전기분해에 의해 물이 소비되므로 음극수조에서는 당이, 양극수조에서는 산이 더욱 농축되는 현상이 일어난다.

상기 전기분해조에 인가되는 전류는 음이온교환막을 통해 음이온이 이동가능한 전류세기를 만족하면 제한이 없으나, 음이온교환막 단위면적당의 전류밀도로 10 내지 40 ASD 범위, 바람직하게는 20 내지 30 ASD 범위가 되는 전류 중에서 선택된 전류로 유지한다. 전류밀도가 상기 바람직한 범위의 하한치 미만인 경우에는, 상기 수치 범위 내에 있는 경우에 비하여 산-당 분리가 매우 더디게 진행되므로 바람직하지 않다. 또한, 전류가 상기 바람직한 범위의 상한치 초과인 경우에는, 상기 수치 범위 내에 있는 경우와 달리 음이온교환막이 쉽게 손상될 수 있거나 열이 발생하는 등 에너지효율이 낮아지므로, 역시 바람직하지 않다.

상기 전류밀도를 같은 값으로 유지할 필요는 없으며, 필요에 따라 정전압 또는 정전류로 운전이 가능하다.

또한, 상기 전기분해조에 인가되는 전압은 1.23 V이상, 바람직하게는 2 내지 33 V인 전압 중에서 선택된 전압으로 유지한다. 전압이 상기 바람직한 범위의 하한치 미만인 경우에는, 상기 수치 범위 내에 있는 경우와 달리 전기분해에 오랜 시간이 소요되어 당화액이 변질될 수 있거나 전기분해가 일어나지 않을 수 있어 바람직하지 않다. 또한, 전압이 상기 바람직한 범위의 상한치 초과인 경우에는, 상기 수치 범위 내에 있는 경우와 달리 음이온교환막이 쉽게 손상될 수 있거나 열이 발생하는 등 에너지효율이 낮아지므로, 역시 바람직하지 않다.

상기 양극수조(22) 및 음극수조(23)에 이용되는 양극(24) 및 음극(25)으로는 각각 금속, 귀금속 또는 탄소전극 중에서 동일하거나 상이하게 선택될 수 있지만, 상기 두 전극 모두 백금인 것이 바람직하다.

본 발명의 상기 제1 및 제2 음이온 교환막(11, 21)은 염이온이 음이온 교환막(11, 21)을 통해 이동되도록 하는 것으로서, 구체적으로 DSV, AFN, ACM 또는 AFX 음이온 교환막을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 DSV 음이온 교환막을 사용한다. 상기 음이온 교환막(11, 21)을 사용하지 않고 양이온 교환막을 사용하는 경우 산과 당이 분리되지 않고, 양이온 교환막 및 음이온 교환막을 교차로 배열하여 함께 사용하는 경우에는 전극막에서 유래하는 저항이 커지게 되고 양이온과 음이온이 동시에 이동하게 되므로 분리시간이 길어지고 전기에너지 효율이 감소하게 된다.

다음으로, 상기 분리된 당을 발효시켜 바이오연료 등 유용물질을 생산한다.

상기 분리된 당을 미생물로 발효하여 바이오연료인 바이오 알코올로 전환시킨다.

상기 분리된 당은 당에 존재하는 최종 산 용액의 함량이 전기분해 전 제2 산 당화액에 존재하는 산 용액 함량의 90 중량% 이상, 바람직하게는 90 내지 99 중량%가 제거되므로 알칼리로 중화시키지 않고 바로 발효에 이용할 수 있으며, 중화를 하더라도 산의 함량이 많지 않아 폐기물이 거의 발생하지 않으므로 당의 손실이 거의 발생하지 않는다. 더욱이, 상기 분리된 당은 발효됨으로써, 바이오에너지원인 바이오연료 등 유용물질을 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 이외에 젖산, 숙신산, MSG 등의 대사물질도 생산할 수 있다.

상기 미생물로는 바이오연료 등의 유용물질을 생산하는데 사용되는 통상의 미생물이라면 특별히 한정되지 않는다.

본 발명은 분리된 당의 농도가 0.1 내지 200 g/L, 바람직하게는 1 내지 200 g/L, 더욱 바람직하게는 10 내지 200 g/L, 보다 바람직하게는 100 내지 200 g/L가 되도록 조건을 조절한다. 당의 농도가 상기 바람직한 범위의 하한치 미만인 경우에는, 상기 수치 범위 내에 있는 경우와 달리 당의 농도가 낮아서 미생물이 생장할 수 없고 따라서 발효가 진행될 수 없어서 바람직하지 않다. 또한, 당의 농도가 상기 바람직한 범위의 상한치 초과인 경우에는 발효시 혼합에 어려움이 있으므로 역시 바람직하지 않다.

더욱이, 바이오매스를 산 용액으로 당화시킨 제1 산 당화액을, 이온교환막이 구비된 확산투석조를 이용하여 23 내지 25 ℃에서 확산투석시켜 상기 산 당화액에 함유된 산 용액의 농도가 낮아진 제2 산 당화액을 제조하는 단계; 및 상기 제2 산 당화액 내의 산 용액의 농도가 7 내지 8%일 때 상기 제2 산 당화액을, 전기분해조를 이용하여 4 내지 6 V의 전압을 가하여 38 내지 42 ℃에서 전기분해시켜 당과 산 용액을 분리하는 단계;를 수행하면 상기 범위를 벗어난 조건으로 수행한 경우와 달리, 분리된 당을 미생물로 발효하면 바이오에탄올 뿐만 아니라 유용한 공업적 중간체인 푸르푸랄이 동시에 생성된다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.

제조예 1. 확산투석조의 음이온 교환막의 수

확산투석조는 단위 부피당 넓은 유효막 면적과 막 표면위의 유입수의 속도막을 사이로 둔 용액의 농도차에 의해 크게 영향을 미치기 때문에 다량 이용하여 막 면적을 증가시켰으며, 용액간의 농도차를 최대화하기 위해 각각의 용액은 이온교환막으로 나뉘어진 각 채널을 counter flow로 흐를 수 있도록 구성하였다. 확산투석조의 전체 면적은 10.5 cmX10.5 cm이고 실제 이온교환막이 반응하는 면적은 5 cmX5 cm이다. 유로판과 가스켓으로 나뉘어진 이온교환막간의 거리는 0.23 cm (0.1 cm+0.03 cm+0.1 cm 유로판)으로 고정하였다.

실제 산 당화액으로부터 산과 당을 분리하기 전, 확산투석 연속조에서 각각의 이온교환막을 테스트하여 회분 반응기와 유사한 결과를 얻을 수 있는지 확인하였다. 상기에서 언급한 바와 같이, 이온교환막의 면적은 당화액으로부터 산을 회수하는데 중요한 역할을 한다. 면적이 넓을수록 반응기내의 면적이 넓어지기 때문에 일정한 결과를 얻기 위해 음이온 교환막을 3, 6, 9, 13장 이용하여 정상 상태(steady state)로 돌입되는 시간을 확인하였다.

도 3은 DSV 이온교환막을 이용하여 이온교환막 장수(갯수) 별 정상 상태로 들어가는 시간에 대한 결과이다. 산 당화액유입조의 모델 당화액(250 g/L의 황산, 40 g/L의 글루코스, 20 g/L의 자일로스)과 물용액조의 증류수를 1 ml/min의 속도로 동일하게 운전하여 각각의 방출되는 용액을 회수함으로써 황산의 이동량을 측정한 결과, 정상 상태로 들어가는 시간은 각각 다르지만 240분 이후부터 황산의 제거량이 일정하게 유지되는 것을 확인하였다.

제조예 2. 확산투석조의 음이온 교환막 종류에 따른 산과 당의 이동

확산연속투석조의 산 당화액으로부터 당과 산을 분리하는데 최적 이온교환막을 찾기 위해 이온교환막으로 사용된 Asahi glass 사의 DSV 막과 Astom 사의 AFN 및 AFX를 이용하였다. 산 당화액유입 탱크에는 모델 당화액(250 g/L의 황산, 40 g/L의 글루코스, 20 g/L의 자일로스)을 충진하고 물용액 탱크조에는 증류수를 충진하여 각각 1 ml/min으로 흘려주며 황산의 제거량과 당의 손실을 확인하였다.

도 4는 확산투석조에서 이온교환막 종류에 따른 황산의 제거량(a)과 당의 손실량(b)을 측정한 그래프이다.

도 4a 및 4b에서 보는 바와 같이, 확산투석연속조에서 황산의 제거량은 이온교환막 13장을 기준으로 AFN 141.20 g/L, AFX 109.40 g/L, 및 DSV 82.71 g/L로 제거되었다.

또한, 당 역시 AFN 2.80 g/L, AFX 2.32 g/L, 및 DSV 0.92 g/L로 손실된 것을 확인하였다.

이를 통해 DSV 이온교환막이 당 손실이 가장 적은 것을 확인하였다.

산 당화액의 황산의 농도는 약 240 g/L이기 때문에 각각의 이온교환막으로 240 g/L의 황산을 제거하는데 필요한 이온교환막 장수를 알아보기 위해 실험결과에서 얻은 수치를 이용하여 검량선을 그려보았고 그로 얻은 수학식은 아래와 같다.

[수학식 1]

DSV: y = 5.7917x + 7.6916 (Rㅂ = 0.9981)

AFN: y = 11.587x - 7.9688 (Rㅂ = 0.9937)

AFX: y = 9.4364x - 13.337 (Rㅂ = 0.9828)

상기에서 얻은 방정식을 토대로 240 g/L의 황산을 제거하기 위해 AFN의 경우 21장, AFX의 경우 26장, 및 DSV의 경우 40장이 필요하지만, 모든 황산을 제거하는 장수에서 DSV의 당손실이 2.6 g/L로 AFN(4.7 g/L)와 AFX(4.9 g/L)보다 약 2배 정도 낮은 것을 알 수 있다. 그러므로 이후 실험은 DSV 이온교환막을 이용하여 실험을 진행하였다.

제조예 3. 확산투석조의 온도에 따른 산과 당의 이동

확산투석 효율에 있어 온도는 중요한 요소이므로 산 당화액으로부터 산을 제거하는 효율을 온도에 따라 측정하였다. 최적 이온교환막으로 선정한 DSV가 안정적으로 운전될 수 있는 온도는 ~40 ℃이므로 상온인 25 ℃와 40 ℃에서 황산 이동 효율을 비교해 보았다.

산 당화액유입 탱크에 모델 당화액(250 g/L의 황산, 40 g/L의 글루코스, 20 g/L의 자일로스)을 충진시키고 물용액 탱크조에 증류수를 충진시킨 상태에서 각각을 1 ml/min으로 확산투석조의 산 당화액유입 및 물용액조에 유입시켰다. 이온교환막은 DSV를 이용하였고 실험당 각각 9, 18, 27, 및 36장의 이온교환막을 이용하여 황산의 제거량과 당 손실량을 측정하였다. 모든 실험을 2회 반복으로 진행하여 결과를 측정하였다.

도 5는 확산투석조에서 온도에 따른 황산의 제거량(a)과 당의 손실량(b)을 측정한 그래프이다.

도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 이온교환막이 9장인 경우에는 황산의 제거량이 40 ℃에서 102.55 g/L로 25 ℃의 70.91 g/L보다 1.45배 높았지만, 18장과 27장에서 그 차이가 1.17배(136.31 g/L와 115.89 g/L)와 1.16배(173.27 g/L와 148.77 g/L)로 줄어들었으며 36장에서는 그 제거량의 거의 유사(181.15 g/L와 169.43 g/L)한 것을 확인하였다.

반면, 당 손실은 36장에서 40 ℃인 경우에 3.76 g/L, 25 ℃인 경우에 3.10 g/L로 40 ℃에서 1.21배 높은 것을 확인하였다.

상기에서 언급한 바와 같이, 산 당화액으로부터 황산을 제거하는데 당손실을 최소화하는 것은 중요한 문제이므로 추후 실험에서는 상온인 25 ℃에서 실험을 진행하였다.

대조군 1. 모델 당화액_확산투석 후 전기분해

확산투석조의 산 당화액유입 탱크에 모델 당화액(229.65 g/L의 황산, 61.35 g/L의 글루코스, 및 31.02 g/L의 자일로스; 실시예 1의 실제 당화액과 농도가 유사한 모델 당화액)을 충진시키고 물용액 탱크조에 증류수를 충진시킨 상태에서 각각을 1 ml/min으로 확산투석조의 산 당화액유입 및 물용액조에 유입시켰다. 이온교환막은 36장의 DSV를 이용하였고 상온에서 수행하였다.

상기 확산투석된 당화액(제2 당화액) 내에 7%로 남아있는 산은 전기분해를 통해 추가로 제거하는 실험을 진행하였다. 확산투석 후의 당화액은 음극액으로 사용되며 산이 회수된 증류수는 양극액으로 사용된다. 사용된 전극은 Ir-Pt가 도금된 MMO 전극을 이용하였으며, 음이온교환막으로는 ACM을 이용하였고, 2장의 음이온교환막간의 거리는 0.7 cm이다. 반응기의 전체 면적은 10.5 cmX10.5 cm이고 실제 음이온교환막과 전극의 면적은 5 cmX5 cm 이다.

전기분해는 25ASD로 전류, 5 V의 전압을 흘려주었으며 이온교환막의 손상을 막기 위해 40 ℃ 이하의 온도에서 운전을 진행하였고 cathode와 anode로 유입되는 각각의 용액은 200 ml을 저장소에서 65.0 ml/min의 속도로 순환시키며 실험을 진행하였다.

실시예 1. 실제 당화액_확산투석 후 전기분해

확산투석조의 산 당화액유입 탱크에 실제 당화액(pine biomass, 226.59 g/L의 황산과 56.21 g/L의 글루코스 그리고 27.84 g/L의 자일로스)을 충진시키고 물용액 탱크조에 증류수를 충진시킨 상태에서 각각을 1 ml/min으로 확산투석조의 산 당화액유입 및 물용액조에 유입시켰다. 이온교환막은 36장의 DSV를 이용하였고 상온에서 수행하였다.

전기분해는 25ASD의 전류밀도, 5 V의 전압을 흘려주었으며 이온교환막의 손상을 막기 위해 40 ℃ 이하의 온도에서 운전을 진행하였고 cathode와 anode로 유입되는 각각의 용액은 200 ml을 저장소에서 65.0 ml/min의 속도로 순환시키며 실험을 진행하였다.

<시험예>

시험예 1. 대조군 1과 실시예 1의 확산투석조의 산과 당 분리

도 6은 확산투석조에서 대조군 1의 모델 당화액으로부터 당(a)과 산(b)의 이동 변화를 나타낸 그래프이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 확산투석조에 각각의 용액을 유입시킨 300분 후 정상 상태에 들어가는 것을 알 수 있다. 모델 당화액 내 황산의 농도는 산 당화액유입조에서 229.65 g/L에서 66.84 g/L로 제거되었고, 물용액조에서 157.14 g/L로 회수되는 것을 확인하였다. 또한, 글루코스와 자일로스는 산 당화액유입조에서 초기 61.35 g/L와 31.02 g/L에서 61.43 g/L와 30.31 g/L로 큰 변화가 없는 것을 확인하였고, 물용액조로 글루코스 2.1 g/L, 자일로스 1.83 g/L가 이동되는 것을 관찰하였다.

정확한 물질수지를 구하기 위해 정상 상태에 들어간 300분부터 720분까지 반응이 완료된 용액을 이용하여 무게를 측정한 결과, 모델 당화액 내 황산은 반응 전 101.0 g에서 반응 후 28.3 g으로 줄었으며, 회수된 황산(물용액조)은 69.7 g으로 오차가 5% 미만으로 나왔고; 당의 경우 당화액에서 글루코스와 자일로스가 각각 27.0 g과 13.6 g에서 26.0 g과 12.8 g으로 줄었으며, 물용액조로 손실된 글루코스와 자일로스는 각각 0.9 g과 0.8 g으로 당 손실 역시 5% 미만의 오차를 보이는 것으로 보아 신뢰할 수 있는 범위임을 알 수 있다.

도 7은 확산투석조에서 실시예 1의 실제 당화액으로부터 당(a)과 산(b)의 이동 변화를 나타낸 그래프이다. 실제 당화액의 확산을 통한 당/산 분리는 상기 모델 당화액과 동일한 방법으로 실험을 진행하였다.

도 7에서 도시된 바와 같이, 각각의 용액을 유입시킨 300분 후 정상 상태에 들어가는 것을 알 수 있다. 실제 당화액 내 황산의 농도는 산 당화액유입조에서 226.59 g/L에서 62.22 g/L로 제거 되었고, 물용액조에서 152.16 g/L로 회수되는 것을 확인하였다. 또한, 글루코스와 자일로스는 산 당화액유입조에서 초기 56.21 g/L와 27.84 g/L에서 56.33 g/L와 27.33 g/L로 큰 변화가 없는 것을 확인하였고, 물용액조로 글루코스 1.77 g/L, 자일로스 1.08 g/L가 이동되는 것을 관찰하였다.

정확한 물질수지를 구하기 위해 정상 상태에 들어간 300분부터 720분까지 반응이 완료된 용액을 이용하여 무게를 측정한 결과, 실제 당화액 내 황산은 반응 전 96.3 g에서 반응 후 25.6 g으로 줄었으며, 회수된 황산(물용액조)은 66.1 g으로 오차가 5% 미만으로 계산되었고; 당의 경우 당화액에서 글루코스와 자일로스가 각각 23.9 g과 11.8 g에서 23.1 g과 11.2 g으로 줄었으며, 물용액조로 손실된 글루코스와 자일로스는 각각 0.8 g과 0.5 g으로 당손실 역시 5% 미만의 오차를 보이는 것으로 보아 신뢰할 수 있는 범위임을 알 수 있다.

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이, 확산투석을 통한 당/산 분리 효율은 모델 당화액과 실제 당화액간에 차이가 없음을 알 수 있다.

시험예 2. 대조군 1과 실시예 1의 확산투석조의 산과 당 분리

도 8은 확산투석 후 전기분해조에서 전류, 전압(a) 및 전력(b)에 따른 대조군 1 모델 당화액의 산/당 전해 분리(c, d) 결과를 나타낸 그래프이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 모델 당화액을 전류밀도 25 ASD의 조건으로 당/산 분리한 결과, 반응을 종료한 2.25시간에 제거된 황산의 무게는 11.33 g이고 이때 사용된 전기에너지는 119.22 Wh이므로 황산 g당 분리에너지는 10.52 Wh/g 임을 알 수 있다. 반응 종료시까지 사용된 전기량(coulomb)은 46683.59 coulomb이고 황산염을 이동시키는데 상기 전기량이 이용되었다고 가정하면 이론적으로 0.24 gmol의 황산염이 이동해야 한다. 실제 이동량을 감안하였을 때, 전류 효율은 47.8%이다.

도 9는 확산투석 후 전기분해조에서 전류, 전압(a) 및 전력(b)에 따른 실시예 1 실제 당화액의 산/당 전해 분리(c, d) 결과를 나타낸 그래프이다.

실제 당화액을 전기분해한 실험은 모델 당화액과 동일한 조건으로 수행하였으며, 반응을 종료한 2.25 시간에 제거된 황산의 무게는 11.18 g이고 이때 사용된 전기에너지는 116.81 Wh이므로 황산 g당 분리에너지는 10.45 Wh/g 임을 알 수 있다. 반응 종료시까지 사용된 전기량(coulomb)은 49101.00 coulomb이고 황산염을 이동시키는데 상기 전기량이 이용되었다고 가정하면 이론적으로 0.25 gmol의 황산염이 이동해야 한다. 실제 이동량을 감안하였을 때, 전류 효율은 44.8%이다.

이는 당화액 내에 전자를 받을 수 있는 다른 이온의 관여 및 분리 실험시 발생하는 거품 등으로 인해 생기는 문제로 사료되어지나 효율의 차이가 크지 않은 것으로 보아 모델당화액과 실제당화액 간에 차이가 미미함을 알 수 있다.

상기 결과로 미루어 보아, 확산투석과 전기분해를 융합하여 당화액의 당과 산을 분리하였을 때, 동일한 무게의 황산이 제거된 것을 기준으로 전기분해만을 이용한 결과(전기량: 178813.82 coulomb)와 비교하여 사용되는 전기 에너지를 약 70% 이상, 감소시킬 수 있는 것을 확인하였고, 이를 통해 경제적으로 당화액으로부터 당과 산을 분리할 수 있는 기술임을 알 수 있다.

또한, 전기분해 후 확산투석을 수행하는 경우에는 최종 공정인 확산투석에서 산이 50%만 분리되므로 바람직하지 않다.

또한, 반응이 종료된 시점에서 실제 당화액에 포함된 당을 농도 기준으로 전량 회수하였으며 황산 역시 90 %의 회수율을 보였다.

10: 확산투석조 11: 제1 음이온 교환막
12: 산 당화액 유입조 13: 물용액조
14: 그물망
20: 전기분해조 21: 제2 음이온 교환막
22: 양극수조 23: 음극수조
24: 양극 25: 음극

Claims

바이오매스를 산 용액으로 당화시킨 제1 산 당화액을 확산투석시켜 상기 산 당화액에 함유된 산 용액의 농도가 낮아진 제2 산 당화액을 제조하는 단계; 및
상기 제2 산 당화액을 전기분해시켜 당과 산 용액을 분리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저소비형 당과 산의 분리방법.
제1항에 있어서, 상기 확산투석은 음이온 교환막에 의해 산 당화액유입조와 물용액조로 분리된 확산투석조를 이용하여 수행되며, 상기 산 당화액유입조에는 제1 산 당화액이 첨가되고 상기 물용액조에는 물이 첨가되어 연속적으로 반응을 수행하는 것을 특징으로 하는 에너지 저소비형 당과 산의 분리방법.
제1항에 있어서, 상기 산 당화액유입조의 중간에 그물망이 구비되는 것을 특징으로 하는 에너지 저소비형 당과 산의 분리방법.
제1항에 있어서, 상기 전기분해는 음이온 교환막에 의해 음극수조와 양극수조로 분리된 전기분해조를 이용하여 수행되며, 상기 음극수조에는 확산투석으로 산 용액의 농도가 낮아진 제2 산 당화액가 첨가되고 상기 양극수조에는 물 또는 산 용액이 첨가된 것을 특징으로 하는 에너지 저소비형 당과 산의 분리방법.
제1항에 있어서, 상기 확산투석에 의해 제2 산 당화액 내의 산 용액 농도는 제1 산 당화액 내의 산 용액 농도에 비하여 50 내지 80% 감소된 것을 특징으로 하는 에너지 저소비형 당과 산의 분리방법.
제1항에 있어서, 상기 전기분해로 분리된 당의 농도는 0.1 내지 200 g/L인 것을 특징으로 하는 에너지 저소비형 당과 산의 분리방법.
제1항에 있어서, 상기 전기분해로 분리된 당에 존재하는 최종 산 용액의 함량은 1 중량% 이하인 것을 특징으로 하는 에너지 저소비형 당과 산의 분리방법.
제1항에 있어서, 상기 전기분해로 분리된 산 용액은 바로 바이오매스를 당화시키는 공정에 이용되는 것을 특징으로 하는 에너지 저소비형 당과 산의 분리방법.
제1항에 있어서, 상기 전기분해로 분리된 당을 발효시켜 바이오연료를 생산하는 것을 특징으로 하는 에너지 저소비형 당과 산의 분리방법.
제1항에 있어서, 상기 전기분해시 수소가스 및 산소가스가 생성되는 것을 특징으로 하는 에너지 저소비형 당과 산의 분리방법.
제1항에 있어서, 상기 바이오매스는 초본류 바이오매스, 목재류 바이오매스, 전분질계 바이오매스, 해조류 바이오매스 또는 유기성 폐자원인 것을 특징으로 하는 에너지 저소비형 당과 산의 분리방법.
제1항에 있어서, 상기 산 용액은 황산인 것을 특징으로 하는 에너지 저소비형 당과 산의 분리방법.
제1항에 있어서, 상기 산 용액은 산 농도가 1 내지 80%인 강산 수용액인 것을 특징으로 하는 에너지 저소비형 당과 산의 분리방법.
제1항에 있어서, 상기 분리된 당은 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 키틴, 키토산 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택된 1종인 다당류; 글루코오스, 자일로오스, 갈락토스, 프룩토스 및 아라비노즈로 이루어진 군에서 선택된 1종인 단당류로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 에너지 저소비형 당과 산의 분리방법.
바이오매스를 산 용액으로 당화시킨 제1 산 당화액을, 이온교환막이 구비된 확산투석조를 이용하여 23 내지 25 ℃에서 확산투석시켜 상기 산 당화액에 함유된 산 용액의 농도가 낮아진 제2 산 당화액을 제조하는 단계; 및
상기 제2 산 당화액 내의 산 용액의 농도가 7 내지 8%일 때 상기 제2 산 당화액을, 전기분해조를 이용하여 4 내지 6 V의 전압을 가하여 38 내지 42 ℃에서 전기분해시켜 당과 산 용액을 분리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저소비형 당과 산의 분리방법.