KR20220170545A - Oil extraction and biodiesel conversion process from microalgae - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 미세조류에서 바이오디젤 원료가 되는 오일을 높은 수율로 추출하는 가운데 추출된 미세조류 오일을 이용하여 고효율의 바이오디젤로 생산하는 미세조류로부터 오일 추출 및 바이오디젤 전환 공정에 관한 것이다.The present invention relates to a process for extracting oil from microalgae and converting biodiesel to high-efficiency biodiesel using microalgal oil extracted while extracting oil as a raw material for biodiesel from microalgae with high yield.
디젤유는 원유로부터 얻어지는 여러 가지의 연료 중, 연비가 우수하고, 가격이 저렴하며 이산화탄소 발생량이 적은 장점을 가지고 있으나, 한편으로는 연소 후 대기오염 물질이 다량 발생하는 단점이 있다.Among various fuels obtained from crude oil, diesel oil has the advantages of excellent fuel efficiency, low price, and low carbon dioxide emissions, but on the other hand, it has the disadvantage of generating a large amount of air pollutants after combustion.
따라서, 디젤유의 단점을 극복하기 위한 방안이 다양하게 제시되고 있는 실정이다. 그리고, 디젤유와 물성이 유사하며, 경제적인 측면에서도 우수하고, 대기오염을 방지하거나 감소시킬 수 있는 대체 연료로, 바이오디젤에 대한 연구도 활발히 이루어지고 있다.Therefore, various methods for overcoming the disadvantages of diesel oil have been proposed. In addition, biodiesel is actively researched as an alternative fuel that has properties similar to those of diesel oil, is excellent in terms of economy, and can prevent or reduce air pollution.
위 바이오디젤은 자연 순환형 에너지로서, 통상 산(acid) 또는 알칼리(alkali) 촉매 하에서 유채유, 대두유, 해바라기유, 팜유와 같은 식물성 오일의 주성분인 트리아실글리세롤(Triacylglycerol)과, 알코올의 에스테르 교환 반응(Transesterification)으로 제조되고 있다.The above biodiesel is a natural circulating energy, and it usually undergoes a transesterification reaction between triacylglycerol, which is the main component of vegetable oils such as rapeseed oil, soybean oil, sunflower oil, and palm oil, and alcohol under an acid or alkali catalyst. (transesterification).
그러나, 전세계적으로 바이오디젤의 사용량이 급증하면서 지금까지 사용되어 왔던 식물성 오일의 가격이 폭등함과 동시에 식량 부족과 토지 자원의 심각한 파괴를 초래하였고, 이리하여 비식용 원료를 이용한 바이오디젤의 제조 필요성이 부각되기에 이르렀다.However, as the use of biodiesel soared worldwide, the price of vegetable oil that had been used so far skyrocketed, causing food shortages and serious destruction of land resources. Thus, the need to manufacture biodiesel using non-edible raw materials this has come to light.
비식용 원료 중 하나인 미세조류(Microalgae)는 물, 이산화탄소, 태양에너지를 이용하여 광합성 작용으로 성장이 가능한 단세포성 생물로서, 식물플랑크톤으로도 알려져 있다. 육상계 식물 대비 높은 효율로 이산화탄소를 고정하는 미세조류는 성장 속도가 여타 다른 육상계 식물이 비해 상대적으로 빠르고, 단위 면적당 오일 생산성이 대두(446L/ha 내지 635L/ha)나 오일팜(5,366L/ha 내지 5,950L/ha)에 비하여 현저히 높아(미세조류: 58,700L/ha 내지 97,790L/ha), 바이오디젤의 생산을 위한 제 3-세대 비식용 원료로 각광받고 있다.Microalgae, one of the non-edible raw materials, is a unicellular organism capable of growing through photosynthesis using water, carbon dioxide, and solar energy, and is also known as phytoplankton. Microalgae, which fix carbon dioxide with higher efficiency than terrestrial plants, grow relatively faster than other terrestrial plants, and their oil productivity per unit area is soybean (446L/ha to 635L/ha) or oil palm (5,366L/ha to 5,366L/ha). 5,950 L / ha) (microalgae: 58,700 L / ha to 97,790 L / ha), it is in the spotlight as a third-generation non-edible raw material for the production of biodiesel.
하지만, 미세조류는 광합성 산물이 이동하여 종자에 저장되는 식물들과는 달리, 광합성 기관 및 지질 저장 기관이 공존하는 단일 세포 시스템으로 이루어져 있으며, 이로부터 추출된 오일은 바이오디젤의 원료로 사용되기 어려운 문제가 크게 3가지 존재한다.However, unlike plants in which photosynthetic products are transported and stored in seeds, microalgae consist of a single cell system in which photosynthetic organs and lipid storage organs coexist, and oil extracted therefrom is difficult to use as a raw material for biodiesel. There are three major ones.
우선 첫 번째 문제로는 중성지질이 대부분을 차지하는 식물 종자와 달리, 미세조류는 중성지질(Neutral Lipids: NLs) 이외에 다량의 탄수화물, 단백질, 극성지질(Polar Lipids: PLs) 및 색소가 함께 존재한다는 점이다.First of all, the first problem is that, unlike plant seeds, which are mostly neutral lipids, microalgae contain a large amount of carbohydrates, proteins, polar lipids (PLs) and pigments in addition to neutral lipids (NLs). to be.
따라서, 미세조류로부터 오일을 추출할 경우, 바이오디젤의 원료가 되는 중성지질 이외에 소량의 탄수화물, 단백질, 극성지질 및 색소 등의 불순물이 함께 추출되며, 이들은 바이오디젤 전환 공정에서 수율을 저하시키는 요인으로 작용한다.Therefore, when oil is extracted from microalgae, a small amount of impurities such as carbohydrates, proteins, polar lipids, and pigments are extracted together in addition to neutral lipids, which are raw materials for biodiesel, and these are factors that lower the yield in the biodiesel conversion process. It works.
두 번째 문제로는 핵산(Nucleic acid)과 같은 비극성 용매로 추출된 미세조류 오일(중성지질)에는 기존 바이오디젤 생산의 주원료가 되는 트리아실글리세롤 이외에도 많은 양의 유리 지방산을 포함하고 있다는 점이다.The second problem is that microalgae oil (neutral lipid) extracted with a non-polar solvent such as nucleic acid contains a large amount of free fatty acids in addition to triacylglycerol, which is the main raw material for conventional biodiesel production.
기존 바이오디젤 생산 공정의 대부분을 차지하는 것은 트리아실글리세롤 및 메탄올과 같은 알코올의 에스테르 교환 반응인데, 교환 반응의 속도를 높이기 위해서 산 또는 염기 촉매가 사용된다. 통상, 산 촉매의 경우 30시간 이상의 반응시간, 그리고 염기 촉매의 경우에는 2시간 이상의 반응시간이 소요되어 염기 촉매에 의한 전환이 선호되고 있으나, 염기 촉매의 경우 원료 오일에 유리 지방산의 함량이 높을 시(산가 1 이상), 비누화 반응이 이루어지면서 촉매 손실에 따른 전환율이 감소하는 문제점을 지닌다.Most of the existing biodiesel production processes are transesterification of alcohols such as triacylglycerol and methanol, and acid or base catalysts are used to speed up the exchange reaction. In general, the reaction time of 30 hours or more in the case of an acid catalyst and 2 hours or more in the case of a base catalyst is required, so conversion by a base catalyst is preferred. (acid value 1 or more), while the saponification reaction is performed, the conversion rate due to the loss of the catalyst decreases.
또한, 산 또는 염기 촉매를 이용한 바이오디젤 전환 공정은 온수를 이용한 수세(washing) 공정을 필수적으로 행해야 하는 바, 다량의 폐수 발생 및 유지 손실 등의 문제점이 있다.In addition, since the biodiesel conversion process using an acid or base catalyst necessarily requires a washing process using hot water, there are problems such as generation of a large amount of wastewater and maintenance loss.
따라서, 미세조류 오일과 같이 유리 지방산을 다량으로 함유하는 원료의 바이오디젤 전환에는 기존의 공정을 적용하는데 한계가 있으므로, 새로운 전환 방법에 관한 연구가 진행되고 있다. 예를 들어, 유럽 등록특허공보 제3026096호에는 오일 중의 유리 지방산을 먼저 에스테르화 반응시킨 다음, 오일을 에스테르 교환 반응시키는 2단계 방법이 제시되어 있으며, 황산 또는 술폰산 촉매 하에서 대략 65℃ 정도의 온도에서 지방산 및 지방산 트리아실글리세롤의 혼합물과 메탄올을 반응시켜 에스테르화 반응을 수행한다.Therefore, since there are limitations in applying the existing process to biodiesel conversion of raw materials containing a large amount of free fatty acids, such as microalgal oil, research on new conversion methods is being conducted. For example, European Patent Publication No. 3026096 proposes a two-step process in which free fatty acids in oil are first esterified and then the oil is transesterified at a temperature of about 65° C. under a sulfuric acid or sulfonic acid catalyst. An esterification reaction is performed by reacting a mixture of fatty acids and fatty acid triacylglycerols with methanol.
또한, 미국 공개특허공보 제2011/0144375호에는 세라믹의 존재 하에서 유리 지방산, 지방 및 오일의 혼합물을 알코올과 반응시켜 에스테르화 및 에스테르 교환 반응을 동시에 수행함으로서, 지방산 알킬에스테르의 수율을 증가시키는 방법이 제시되어 있다.In addition, US Patent Publication No. 2011/0144375 discloses a method for increasing the yield of fatty acid alkyl esters by simultaneously performing esterification and transesterification by reacting a mixture of free fatty acids, fats and oils with alcohol in the presence of ceramics. It is presented.
그러나, 상기한 방법에 있어서는 촉매의 투입량이 과다하고, 또 에스테르화 반응에서 생성되는 물 및 에스테르 교환 반응에서 생성되는 글리세린이 반응계 외부로 효과적으로 배출되지 못하여 반응 전환율이 낮은 문제점이 있다.However, in the above method, there is a problem in that the reaction conversion rate is low because the input amount of the catalyst is excessive and the water produced in the esterification reaction and the glycerin produced in the transesterification reaction are not effectively discharged to the outside of the reaction system.
한편, 미세조류 오일의 바이오디젤 전환과 관련된 마지막 문제는 미세조류 오일에는 식물성 오일에 비해 다량의 다중 불포화 지방산이 존재한다는 것이다.On the other hand, a final problem associated with the conversion of microalgal oil to biodiesel is that microalgal oil contains higher amounts of polyunsaturated fatty acids than vegetable oils.
적당량의 불포화 지방산은 제조된 바이오디젤의 점도를 낮추어 흐름성을 갖게 하고, 디젤의 필터 막힘점(cold filter plugging point)을 개선하는 역할을 하지만 과량의 불포화 지방산은 바이오디젤의 산화 안정성을 낮추는 원인이 된다.An appropriate amount of unsaturated fatty acids lowers the viscosity of biodiesel to make it flowable and improves the cold filter plugging point of diesel, but an excessive amount of unsaturated fatty acids lowers the oxidative stability of biodiesel. do.
따라서, 기존 바이오디젤 공정에서는 대두유와 같은 불포화 지방산의 함량이 높은 원료로부터 제조된 지방산 알킬에스테르에 산화 안정성을 높이기 위해, 산화 안정제 등을 투입하여 문제를 해결하고 있다.Therefore, in the existing biodiesel process, an oxidation stabilizer or the like is added to solve the problem in order to increase oxidation stability of fatty acid alkyl esters prepared from raw materials having a high content of unsaturated fatty acids such as soybean oil.
그러나, 미세조류 오일의 경우에는 대두유와는 달리 고부가가치 물질로 사용 가능한 오메가-3를 비롯한 다중 불포화 지방산이 다량 존재하기 때문에 이를 모두 바이오디젤의 원료가 되는 지방산 알킬에스테르로 전환하는 것은 미세조류 오일의 경제성을 낮추는 요인으로 작용한다.However, unlike soybean oil, microalgal oil contains a large amount of polyunsaturated fatty acids, including omega-3, which can be used as high value-added substances. It acts as a factor that lowers the economy.
즉, 다중 불포화 지방산을 다량 함유하고 있는 미세조류 오일에 기존 공정을 적용할 경우 경제성의 하락과 더불어 제조된 바이오디젤에서도 산화 안정성이 저하되는 등의 문제가 발생할 수 있는 것이다.That is, when the existing process is applied to microalgae oil containing a large amount of polyunsaturated fatty acids, problems such as deterioration in oxidative stability may occur in the biodiesel produced along with a decrease in economic feasibility.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 제반 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 미세조류에서 바이오디젤 원료가 되는 오일을 높은 수율로 추출하는 한편, 반응안정성이 우수한 고체촉매를 통해 반응과정에서 고체촉매의 활성이 소실되는 현상을 막을 수 있으며, 촉매활성이 우수한 고체촉매를 미세조류 추출 오일과 메탄올에 반응시켜 반응을 촉진시킴으로써, 바이오디젤의 생산성을 일층 향상시킬 수 있는 미세조류로부터 오일 추출 및 바이오디젤 전환 공정을 제공함에 있다.The present invention was conceived to solve all the problems of the prior art as described above, and an object of the present invention is to extract oil, which is a raw material for biodiesel, from microalgae in high yield, while using a solid catalyst with excellent reaction stability. It is possible to prevent the loss of activity of the solid catalyst during the reaction process, and to promote the reaction by reacting the solid catalyst with excellent catalytic activity with microalgae extract oil and methanol, thereby improving the productivity of biodiesel. It is to provide an oil extraction and biodiesel conversion process.
이 밖에도 본 발명은 상기한 명확한 목적 이외에 본 명세서의 전반적인 기술로부터 이 분야의 통상인에 의해 용이하게 도출될 수 있는 다른 목적을 달성함을 그 목적으로 할 수 있다.In addition, the present invention may have as its object to achieve other objects that can be easily derived by a person skilled in the art from the general description of the present specification in addition to the above clear objects.
상기 해결과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 과제해결수단은, 미세조류로부터 바이오디젤 제조원료인 오일을 추출하는 제1공정과, 상기 제1공정에서 추출된 오일을 메탄올과 함께 각 공급탱크(100)로 공급하는 제2공정과, 상기 제2공정을 통해 공급된 오일 및 메탄올을 반응기(300) 내에서 설정된 양의 알칼리(Alkali)성 고체촉매 또는 산(Acid)성 고체촉매에 반응시키는 제3공정과, 상기 제3공정을 통해 생성된 반응혼합물을 침전분리시키는 제4공정과, 상기 제4공정을 통해 침전분리된 반응혼합물에서 메탄올을 제거하고 이를 증류시켜 바이오디젤로 전환시키는 제5공정으로 이루어진다.The technical problem-solving means of the present invention for achieving the above problem is a first step of extracting oil, which is a raw material for biodiesel production, from microalgae, and each supply tank (100) with the oil extracted in the first step together with methanol ), and a third process in which the oil and methanol supplied through the second process are reacted with a set amount of alkali solid catalyst or acid solid catalyst in the
본 발명의 실시예에 따른 상기 제1공정은, a) 미세조류와 물을 1:3.5-4.5의 중량비율로 혼합하는 단계; b) 상기 a)단계의 물이 혼합된 미세조류 100중량부에 대해 물 250 - 350중량부를 가한 후, 이를 분산하는 단계; c) 상기 b)단계의 분산된 미세조류 100중량부에 대해 용매 200 - 300중량부를 가한 후, 이를 혼합하여 미세조류 혼합물을 형성하는 단계; d) 상기 c)단계의 미세조류 혼합물을 캐비테이션 파쇄기로 파쇄하는 단계; e) 상기 d)단계의 파쇄된 미세조류 혼합물을 원심분리하여 고형물이 제거된 여액만을 수득하는 단계; 및 f) 상기 e)단계의 여액에서 용매를 제거하는 단계;를 포함할 수 있다.The first process according to an embodiment of the present invention, a) mixing microalgae and water in a weight ratio of 1:3.5-4.5; b) adding 250 to 350 parts by weight of water to 100 parts by weight of the water-mixed microalgae of step a) and then dispersing it; c) forming a microalgae mixture by adding 200 to 300 parts by weight of a solvent to 100 parts by weight of the dispersed microalgae of step b) and then mixing them; d) crushing the microalgae mixture of step c) with a cavitation crusher; e) centrifuging the crushed microalgae mixture of step d) to obtain only the filtrate from which solids are removed; and f) removing the solvent from the filtrate of step e).
한편, 본 발명의 제1실시예에 따른 반응기(300)는, 내부에 공간이 마련되는 내측 탱크(320); 상기 내측 탱크(320)의 외측에 배치되는 외측 탱크(340); 상기 내측 탱크(320)와 외측 탱크(340) 사이에 형성되는 폐쇄 채널(360);로 구성되고, 상기 외측 탱크(340)의 저부 일측에는 상기 폐쇄 채널(360)과 연통하는 입수구(342)가 형성되고, 상기 외측 탱크(340)의 상부 일측에는 상기 폐쇄 채널(360)과 연통하는 출수구(344)가 형성되는 구조로 이루어진다.Meanwhile, the
본 발명의 제2실시예에 따른 반응기(300)는, 내부에 공간이 마련되는 내측 탱크(320'); 상기 내측 탱크(320')의 외측에 배치되는 외측 탱크(340'); 상기 내측 탱크(320')와 외측 탱크(340') 사이에 형성되는 폐쇄 채널(360');로 구성되고, 상기 외측 탱크(340')의 저부 일측에서부터 측부 일측을 거쳐 상부 일측에 이르기까지 일정간격마다 상기 폐쇄 채널(360')과 연통하는 다수의 입수구(342')가 형성되고, 상기 외측 탱크(340')의 상부 타측에서부터 측부 타측을 거쳐 하부 타측에 이르기까지 일정간격마다 상기 폐쇄 채널(360')과 연통하는 다수의 출수구(344')가 형성되며, 상기 다수의 입수구(342')는 유체의 출입을 단속하기 위한 밸브(380)가 구비되는 구조로 이루어진다.The
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 오일 및 메탄올은 알칼리(Alkali)성 고체촉매와 반응 시, 에스테르 교환 반응(Transesterification)에 의한 작용으로 바이오디젤과 글리세린으로 분리되고, 산(Acid)성 고체촉매와 반응 시, 에스터화 반응(Esterification)에 의한 작용으로 바이오디젤과 물로 분리되며, 상기 고체촉매는 원통형, 구형, 다각형 중에서 선택된 어느 하나 이상의 형상으로 정형화된 것임을 특징으로 한다.According to an embodiment of the present invention, when the oil and methanol react with an alkali solid catalyst, they are separated into biodiesel and glycerin by transesterification, and acid solid catalyst and During the reaction, it is separated into biodiesel and water due to the action of esterification, and the solid catalyst is characterized in that it is formulated into one or more shapes selected from cylindrical, spherical, and polygonal shapes.
본 발명의 미세조류로부터 오일 추출 및 바이오디젤 전환 공정에 의하면, 미세조류에서 바이오디젤 원료가 되는 오일을 높은 수율로 추출하는 한편, 반응안정성이 우수한 고체촉매를 통해 반응과정에서 고체촉매의 활성이 소실되는 현상을 방지할 수 있으며, 촉매활성이 우수한 고체촉매를 미세조류 추출 오일과 메탄올에 반응시켜 반응을 촉진시킴으로써 바이오디젤의 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.According to the oil extraction and biodiesel conversion process from microalgae of the present invention, oil to be used as a biodiesel raw material is extracted from microalgae in high yield, while the activity of the solid catalyst is lost in the reaction process through a solid catalyst with excellent reaction stability. This phenomenon can be prevented, and the productivity of biodiesel can be improved by accelerating the reaction by reacting a solid catalyst with excellent catalytic activity with microalgae extraction oil and methanol.
도 1은 본 발명의 실시예에서 바이오디젤 전환 공정을 나타낸 모식도,
도 2는 본 발명의 실시예에서 미세조류로부터 오일을 추출하는 과정을 나타낸 모식도,
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 반응기의 구조를 나타낸 측단면도,
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 반응기의 구조를 나타낸 측단면도.1 is a schematic diagram showing a biodiesel conversion process in an embodiment of the present invention;
Figure 2 is a schematic diagram showing the process of extracting oil from microalgae in an embodiment of the present invention;
3 is a side cross-sectional view showing the structure of a reactor according to a first embodiment of the present invention;
Figure 4 is a side cross-sectional view showing the structure of a reactor according to a second embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명한다. 참고로, 아래에서 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명의 구성요소를 지칭하는 용어들은 각각의 구성요소들의 기능을 고려하여 명명된 것이므로, 본 발명의 기술적 구성요소를 한정하는 의미로 이해되어서는 안 될 것이다. 또한, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. For reference, in describing the present invention below, terms referring to the components of the present invention are named in consideration of the functions of each component, so they should not be understood as limiting the technical components of the present invention. will be. In addition, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted.
도 1은 본 발명의 실시예에서 바이오디젤 전환 공정을 나타낸 모식도, 도 2는 본 발명의 실시예에서 미세조류로부터 오일을 추출하는 과정을 나타낸 모식도, 도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 반응기의 구조를 나타낸 측단면도, 도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 반응기의 구조를 나타낸 측단면도이다.Figure 1 is a schematic diagram showing a biodiesel conversion process in an embodiment of the present invention, Figure 2 is a schematic diagram showing a process of extracting oil from microalgae in an embodiment of the present invention, Figure 3 is a schematic diagram according to the first embodiment of the present invention Side cross-sectional view showing the structure of a reactor, Figure 4 is a side cross-sectional view showing the structure of a reactor according to a second embodiment of the present invention.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 미세조류로부터 오일 추출 및 바이오디젤 전환 공정은, 미세조류로부터 바이오디젤 제조원료인 오일을 추출하는 제1공정과, 상기 제1공정에서 추출된 오일을 메탄올과 함께 각 공급탱크(100)로 공급하는 제2공정과, 상기 제2공정을 통해 공급된 오일 및 메탄올을 반응기(300) 내에서 설정된 양의 알칼리(Alkali)성 고체촉매 또는 산(Acid)성 고체촉매에 반응시키는 제3공정과, 상기 제3공정을 통해 생성된 반응혼합물을 침전분리시키는 제4공정과, 상기 제4공정을 통해 침전분리된 반응혼합물에서 메탄올을 제거하고 이를 증류시켜 바이오디젤로 전환시키는 제5공정으로 이루어진다.As shown in FIG. 1, the process of extracting oil from microalgae and converting biodiesel according to the present invention includes a first process of extracting oil, which is a raw material for biodiesel, from microalgae, and converting the oil extracted in the first process to methanol A second step of supplying the oil and methanol supplied through the second step to each
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제1공정은, a) 미세조류와 물을 1:3.5-4.5의 중량비율로 혼합하는 단계; b) 상기 a)단계의 물이 혼합된 미세조류 100중량부에 대해 물 250 - 350중량부를 가한 후, 이를 분산하는 단계; c) 상기 b)단계의 분산된 미세조류 100중량부에 대해 용매 200 - 300중량부를 가한 후, 이를 혼합하여 미세조류 혼합물을 형성하는 단계; d) 상기 c)단계의 미세조류 혼합물을 캐비테이션 파쇄기로 파쇄하는 단계; e) 상기 d)단계의 파쇄된 미세조류 혼합물을 원심분리하여 고형물이 제거된 여액만을 수득하는 단계; 및 f) 상기 e)단계의 여액에서 용매를 제거하는 단계;를 포함한다.According to an embodiment of the present invention, the first step, a) mixing the microalgae and water at a weight ratio of 1:3.5-4.5; b) adding 250 to 350 parts by weight of water to 100 parts by weight of the water-mixed microalgae of step a) and then dispersing it; c) forming a microalgae mixture by adding 200 to 300 parts by weight of a solvent to 100 parts by weight of the dispersed microalgae of step b) and then mixing them; d) crushing the microalgae mixture of step c) with a cavitation crusher; e) centrifuging the crushed microalgae mixture of step d) to obtain only the filtrate from which solids are removed; and f) removing the solvent from the filtrate of step e).
상기 제1공정에 대한 일 실시형태를 도 2를 참조하여 설명하면, 먼저 a)단계에서 미세조류의 시간당 투입량을 120㎏/hr, 물의 시간당 투입량을 480㎏/hr로 설정하면, 상기 b)단계에서는 a)단계의 미세조류와 물의 총 혼합량인 600㎏/hr에 물 360㎏/hr을 가한 후, 이를 분산하여 미세조류 분산물을 형성한다.Referring to an embodiment of the first process with reference to FIG. 2, first, in step a), when the amount of microalgae added per hour is set to 120 kg/hr and the amount of water added per hour is set to 480 kg/hr, the step b) In step a), 360 kg/hr of water is added to 600 kg/hr, which is the total mixing amount of microalgae and water, and then dispersed to form a microalgae dispersion.
다음, 상기 c)단계에서 b)단계의 분산된 미세조류에 용매를 240㎏/hr 가한 후, 이를 혼합하여 미세조류 혼합물을 형성하고, 상기 d)단계인 파쇄단계에서 캐비테이션 파쇄기를 이용하여 상기 미세조류 혼합물을 3000㎏/hr 조건으로 3회 내지 5회 순환시킨다.Next, in step c), 240 kg/hr of solvent was added to the dispersed microalgae in step b), and then mixed to form a microalgae mixture, and in the crushing step, which is step d), the microalgae were crushed using a cavitation crusher. The algae mixture is circulated 3 to 5 times under the condition of 3000 kg/hr.
상기 e)단계에서는 d)단계에서 캐비테이션 파쇄기에 의해 파쇄된 미세조류 혼합물을 원심분리시킨다. 가령, 파쇄된 상기 미세조류 혼합물을 원심분리시키게 되면, 고체 상태인 파쇄물은 대략 577.2㎏/hr, 액체 상태인 물과 용매혼합물은 대략 360㎏/hr과 262.8㎏/hr의 시간당 처리량이 도출된다.In step e), the microalgae mixture crushed by the cavitation crusher in step d) is centrifuged. For example, when the pulverized microalgae mixture is centrifuged, the lysate in the solid state is approximately 577.2 kg / hr, and the water and solvent mixture in the liquid state is approximately 360 kg / hr and 262.8 kg / hr.
상기 f)단계에서는 e)단계의 여액에서 용매를 제거한다. 예컨대, 상기 f)단계에서 용매를 240㎏/hr 조건으로 제거하게 되면, 대략 오일 수득에 따른 시간당 처리량은 21.6㎏/hr이 도출된다.In step f), the solvent is removed from the filtrate of step e). For example, when the solvent is removed under the condition of 240 kg/hr in step f), the throughput per hour according to oil yield is approximately 21.6 kg/hr.
본 발명의 제2공정은 상기 제1공정에서 미세조류로부터 추출한 오일을 메탄올과 함께 각 공급탱크(100)로 공급하는 공정을 수행한다. 상기 공급탱크(100)는 도 1에 나타낸 바와 같이, 오일과 메탄올을 각기 공급할 수 있도록 오일 공급탱크 및 메탄올 공급탱크가 별도로 구비된다.The second process of the present invention performs a process of supplying the oil extracted from microalgae in the first process to each
본 발명에 따르면, 상기 공급탱크(100)로 공급된 원료들은 교반기를 통해 교반 공정을 수행할 수 있으며, 교반효율 증대를 위해서 스태틱 믹서(도면 미도시)를 구비할 수도 있다.According to the present invention, the raw materials supplied to the
상기 스태틱 믹서에 대한 일 실시형태로서, 내부에 통로가 구비되고 일측과 타측에 각각 주입구와 토출구가 형성되며, 상기 통로에는 주입된 유체를 교반시키기 위한 나선형의 교반유닛이 구비되는 구성으로 이루어질 수 있다.As an embodiment of the static mixer, a passage is provided inside, an inlet and an outlet are formed on one side and the other side, respectively, and a spiral stirring unit for stirring the injected fluid is provided in the passage. .
본 발명에 따른 반응기(300)는, 미세조류에서 추출한 오일과 메탄올 및 고체촉매가 화학적 작용에 의한 반응이 이루어지는 원통형 구조의 탱크로써, 상기 오일을 투입하기 위한 원료투입구, 메탄올을 투입하기 위한 메탄올 투입구 등이 형성된다.The
한편, 본 발명의 제1실시예에 따르면, 상기 반응기(300)는 도 3에 나타낸 바와 같이, 일괄제어 방식으로 구성할 수 있다.On the other hand, according to the first embodiment of the present invention, the
상기 반응기(300)를 일괄제어 방식으로 구성할 경우, 상기 반응기(300)는 내부에 공간이 마련되는 내측 탱크(320); 상기 내측 탱크(320)의 외측에 배치되는 외측 탱크(340); 상기 내측 탱크(320)와 외측 탱크(340) 사이에 형성되는 폐쇄 채널(360);로 구성될 수 있다.When the
또한, 상기 외측 탱크(340)의 저부 일측에는 상기 폐쇄 채널(360)과 연통하는 입수구(342)가 형성되고, 상기 외측 탱크(340)의 상부 일측에는 상기 폐쇄 채널(360)과 연통하는 출수구(344)가 형성된다.In addition, an
본 발명의 제2실시예에 따르면, 상기 반응기(300)는 도 4에 나타낸 바와 같이, 개별제어 방식으로 구성할 수 있다.According to the second embodiment of the present invention, the
상기 반응기(300)를 개별제어 방식으로 구성할 경우, 상기 반응기(300)는 내부에 공간이 마련되는 내측 탱크(320'); 상기 내측 탱크(320')의 외측에 배치되는 외측 탱크(340'); 상기 내측 탱크(320')와 외측 탱크(340') 사이에 형성되는 폐쇄 채널(360')로 구성될 수 있다.When the
이때, 상기 외측 탱크(340')의 저부 일측에서부터 측부 일측을 거쳐 상부 일측에 이르기까지 일정간격마다 상기 폐쇄 채널(360')과 연통하는 다수의 입수구(342')가 형성되고, 상기 외측 탱크(340')의 상부 타측에서부터 측부 타측을 거쳐 하부 타측에 이르기까지 일정간격마다 상기 폐쇄 채널(360')과 연통하는 다수의 출구(344')가 형성되며, 상기 다수의 입수구(342')는 유체의 출입을 단속하기 위한 밸브(380)가 구비될 수 있다.At this time, a plurality of inlets 342' communicating with the closed channel 360' are formed at regular intervals from one side of the bottom of the outer tank 340' to one side of the upper side through one side of the outer tank, and the outer tank ( A plurality of outlets 344' communicating with the closed channel 360' are formed at regular intervals from the other upper side of the 340' to the other lower side through the other side of the side, and the plurality of inlets 342' are fluid A
상기 반응기(300)에 대한 변형 실시예(도면 미도시)로서, 회전동력을 제공하는 구동모터, 상기 구동모터의 회전 축에 연결되어 상기 반응기(300)의 중심부로 연장된 회전날개, 상기 구동모터의 회전 축 속도를 조절하는 인버터, 상기 구동모터의 회전 축 방향이 정방향 또는 역방향이 되도록 제어하는 정역제어기 등을 포함하여 이루어질 수 있다.As a modified embodiment (not shown) of the
이 경우, 상기 구동모터는 반응기(300)의 상부 중심부에 설치됨이 바람직하며, 상기 반응기(300)의 내부로 연장된 구동모터의 회전 축에는 다수개로 이루어진 회전날개가 방사형으로 구비될 수 있다.In this case, the drive motor is preferably installed in the upper center of the
이때, 상기 구동모터의 회전속도는 분당 80RPM 내지 100RPM이 바람직하다. 이는 상기한 분당 회전수 범위 내에서 각 물질간 반응 효율이 극대화되기 때문이다.At this time, the rotational speed of the driving motor is preferably 80 RPM to 100 RPM per minute. This is because the reaction efficiency between each material is maximized within the above-mentioned range of revolutions per minute.
그리고, 상기 회전날개의 단부 측에는 원통형, 구형, 다각형 등으로 정형화된 고체촉매가 구비된다. 때문에 회전날개가 구동모터의 구동력에 의해 회전할 때 오일과 메탄올의 혼합반응물과 접촉되며 촉매 반응을 일으킬 수 있는 것이다.In addition, a solid catalyst shaped into a cylindrical shape, a spherical shape, a polygonal shape, and the like is provided at an end side of the rotary blade. Therefore, when the rotor blades are rotated by the driving force of the driving motor, they come into contact with the mixed reaction mixture of oil and methanol and can cause a catalytic reaction.
상기 인버터는 구동모터의 회전속도를 조절하기 위한 수단으로서 구비되고, 상기 정역제어기는 구동모터의 회전방향 제어, 즉 회전방향을 정방향 또는 역방향으로 제어하기 위한 수단으로서 구비된다.The inverter is provided as a means for adjusting the rotational speed of the drive motor, and the forward and reverse controller is provided as a means for controlling the rotation direction of the drive motor, that is, to control the rotation direction in a forward or reverse direction.
상기 반응기(300)에 대한 다른 변형 실시예(도면 미도시)로서, 반응기(300)의 측부 길이방향으로 일정간격마다 구비되어 개별적인 회전동력을 제공하는 다수의 구동모터, 상기 구동모터의 각 회전 축에 연결되어 상기 반응기(300)의 측부 일측을 관통하여 측부 타측방향까지 연장된 회전날개, 상기 구동모터의 회전 축 속도를 개별적으로 조절하는 인버터, 상기 구동모터의 회전 축 방향이 정방향 또는 역방향이 되도록 개별제어하는 정역제어기 등을 포함하여 이루어질 수 있다.As another modified embodiment (not shown) of the
한편, 상기 반응기(300) 내부에서는 오일과 메탄올을 설정된 양의 알칼리(Alkali)성 고체촉매, 또는 산(Acid)성 고체촉매와 반응시킨다. 이때, 상기 오일 및 메탄올은 알칼리(Alkali)성 고체촉매와 반응 시, 에스테르 교환 반응(Transesterification)에 의한 작용으로 바이오디젤과 글리세린으로 분리된다.Meanwhile, inside the
또한, 상기 오일 및 메탄올이 산(Acid)성 고체촉매와 반응 시, 에스터화 반응(Esterification)에 의한 작용으로 바이오디젤과 물로 분리된다.In addition, when the oil and methanol react with an acidic solid catalyst, biodiesel and water are separated by esterification.
여기서, 본 발명에 따른 고체촉매는 특별히 한정하지 않으며, 상업적으로 입수 가능한 것이라면 본 발명에 적용이 가능하다. 다만, 그 형상에 있어서는 분말보다 입자가 큰 원통형, 구형, 다각형 또는 이와 유사한 형태를 갖는 것이 바람직하다. 이는 고체촉매의 강도 증진을 통해 지방산 메틸 또는 에틸 에스테르를 제조하는 중에도 고체 상태가 오랫동안 유지되도록 하기 위함이다.Here, the solid catalyst according to the present invention is not particularly limited, and any commercially available catalyst can be applied to the present invention. However, in terms of its shape, it is preferable to have a cylindrical, spherical, polygonal or similar shape with particles larger than powder. This is to ensure that the solid state is maintained for a long time even during the production of fatty acid methyl or ethyl ester through the enhancement of the strength of the solid catalyst.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 제2공정에서 미세조류로부터 추출한 오일과 메탄올을 교반시켜 형성한 교반물을 예열기를 통과하게 구성할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the stirred material formed by stirring the oil extracted from microalgae and methanol in the second step may be configured to pass through the preheater.
상기 예열기는 오일과 메탄올이 반응기(300) 내에서 고체촉매와 반응하기 전에 미리 온도를 상승시켜 반응기(300) 내에서의 반응작용이 더욱 활발히 이루어지도록 한다.The preheater raises the temperature in advance before oil and methanol react with the solid catalyst in the
또한, 본 발명은 전술한 구성요소 외에도, 분리탱크에서 글리세린이 분리된 혼합물을 주입시켜 메탄올을 회수하는 메탄올 회수조와, 메탄올 회수 후 세척하는 세척조와, 세척하여 불순물을 제거한 뒤 물을 제거하는 건조조와, 상기 건조조에서 물이 제거된 바이오디젤을 저장하는 바이오디젤 저장조 등을 포함할 수 있다.In addition, the present invention, in addition to the above-mentioned components, a methanol recovery tank for recovering methanol by injecting a mixture from which glycerin is separated in a separation tank, a washing tank for washing after recovering methanol, and a drying tank for removing water after washing to remove impurities , a biodiesel storage tank for storing biodiesel from which water has been removed in the drying tank, and the like.
전술한 내용을 요약하면, 본 발명은 미세조류로부터 바이오디젤 원료가 되는 오일을 높은 수율로 추출하는 한편, 반응안정성이 우수한 고체촉매를 통해 반응과정에서 고체촉매의 활성이 소실되는 현상을 방지할 수 있으며, 촉매활성이 우수한 고체촉매를 미세조류 추출 오일과 메탄올에 반응시켜 반응을 촉진시킴으로써 바이오디젤의 생산성을 일층 향상시킬 수 있다. 이와 더불어, 원통형, 구형, 다각형 등으로 고체촉매를 정형화시킴으로써 고체촉매의 활성도 유지와 침출 방지를 통해 장시간에 걸쳐 반응을 촉진시킬 수 있게 된다.Summarizing the foregoing, the present invention extracts oil, which is a biodiesel raw material, from microalgae in high yield, while using a solid catalyst with excellent reaction stability to prevent the loss of activity of the solid catalyst in the reaction process. In addition, the productivity of biodiesel can be further improved by promoting the reaction by reacting a solid catalyst with excellent catalytic activity with microalgae extraction oil and methanol. In addition, by shaping the solid catalyst into a cylindrical, spherical, or polygonal shape, the reaction can be promoted over a long period of time by maintaining the activity of the solid catalyst and preventing leaching.
이상과 같이 본 발명에 따른 미세조류로부터 오일 추출 및 바이오디젤 전환 공정에 대한 실시예를 설명하였지만, 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 자명하다.As described above, the embodiment of the oil extraction and biodiesel conversion process from microalgae according to the present invention has been described, but this is an exemplary embodiment of the present invention and is not intended to limit the present invention. In addition, it is obvious to those skilled in the art that various modifications and imitations are possible within a range that does not deviate from the technical spirit of the present invention.
T : 온도센서
100 : 공급탱크
300 : 반응기
320,320' : 내측 탱크
340,340' : 외측 탱크
342,342' : 입수구
344,344' : 출수구
360,360' : 폐쇄 채널
380 : 밸브T: temperature sensor 100: supply tank
300: reactor 320,320': inner tank
340,340': outer tank 342,342': inlet
344,344': outlet 360,360': closed channel
380: valve
Claims (6)
상기 제1공정에서 추출된 오일을 메탄올과 함께 각 공급탱크(100)로 공급하는 제2공정과,
상기 제2공정을 통해 공급된 오일 및 메탄올을 반응기(300) 내에서 설정된 양의 알칼리(Alkali)성 고체촉매 또는 산(Acid)성 고체촉매에 반응시키는 제3공정과,
상기 제3공정을 통해 생성된 반응혼합물을 침전분리시키는 제4공정과,
상기 제4공정을 통해 침전분리된 반응혼합물에서 메탄올을 제거하고 이를 증류시켜 바이오디젤로 전환시키는 제5공정으로 이루어지는 구성을 특징으로 하는 미세조류로부터 오일 추출 및 바이오디젤 전환 공정.A first step of extracting oil, a raw material for biodiesel, from microalgae;
A second step of supplying the oil extracted in the first step to each supply tank 100 together with methanol;
A third step of reacting the oil and methanol supplied through the second step with a set amount of alkali solid catalyst or acid solid catalyst in the reactor 300;
A fourth step of precipitating and separating the reaction mixture generated through the third step;
Oil extraction and biodiesel conversion process from microalgae, characterized by a configuration consisting of a fifth process of removing methanol from the reaction mixture precipitated and separated through the fourth process and distilling it to convert it to biodiesel.
상기 제1공정은,
a) 미세조류와 물을 1:3.5-4.5의 중량비율로 혼합하는 단계;
b) 상기 a)단계의 물이 혼합된 미세조류 100중량부에 대해 물 250 - 350중량부를 가한 후, 이를 분산하는 단계;
c) 상기 b)단계의 분산된 미세조류 100중량부에 대해 용매 200 - 300중량부를 가한 후, 이를 혼합하여 미세조류 혼합물을 형성하는 단계;
d) 상기 c)단계의 미세조류 혼합물을 캐비테이션 파쇄기로 파쇄하는 단계;
e) 상기 d)단계의 파쇄된 미세조류 혼합물을 원심분리하여 고형물이 제거된 여액만을 수득하는 단계; 및
f) 상기 e)단계의 여액에서 용매를 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세조류로부터 오일 추출 및 바이오디젤 전환 공정.According to claim 1,
In the first step,
a) mixing microalgae and water at a weight ratio of 1:3.5-4.5;
b) adding 250 to 350 parts by weight of water to 100 parts by weight of the water-mixed microalgae of step a) and then dispersing it;
c) forming a microalgae mixture by adding 200 to 300 parts by weight of a solvent to 100 parts by weight of the dispersed microalgae of step b) and then mixing them;
d) crushing the microalgae mixture of step c) with a cavitation crusher;
e) centrifuging the crushed microalgae mixture of step d) to obtain only the filtrate from which solids are removed; and
f) removing the solvent from the filtrate of step e); oil extraction and biodiesel conversion process from microalgae, characterized in that it comprises.
상기 반응기(300)는,
내부에 공간이 마련되는 내측 탱크(320);
상기 내측 탱크(320)의 외측에 배치되는 외측 탱크(340);
상기 내측 탱크(320)와 외측 탱크(340) 사이에 형성되는 폐쇄 채널(360);로 구성되고,
상기 외측 탱크(340)의 저부 일측에는 상기 폐쇄 채널(360)과 연통하는 입수구(342)가 형성되고, 상기 외측 탱크(340)의 상부 일측에는 상기 폐쇄 채널(360)과 연통하는 출수구(344)가 형성되는 것을 특징으로 하는 미세조류로부터 오일 추출 및 바이오디젤 전환 공정.According to claim 1,
The reactor 300,
An inner tank 320 having a space therein;
an outer tank 340 disposed outside the inner tank 320;
A closed channel 360 formed between the inner tank 320 and the outer tank 340;
An inlet 342 communicating with the closed channel 360 is formed on one side of the bottom of the outer tank 340, and an outlet 344 communicating with the closed channel 360 is formed on one side of the upper portion of the outer tank 340. Oil extraction and biodiesel conversion process from microalgae, characterized in that the formation.
상기 반응기(300)는,
내부에 공간이 마련되는 내측 탱크(320');
상기 내측 탱크(320')의 외측에 배치되는 외측 탱크(340');
상기 내측 탱크(320')와 외측 탱크(340') 사이에 형성되는 폐쇄 채널(360');로 구성되고,
상기 외측 탱크(340')의 저부 일측에서부터 측부 일측을 거쳐 상부 일측에 이르기까지 일정간격마다 상기 폐쇄 채널(360')과 연통하는 다수의 입수구(342')가 형성되고, 상기 외측 탱크(340')의 상부 타측에서부터 측부 타측을 거쳐 하부 타측에 이르기까지 일정간격마다 상기 폐쇄 채널(360')과 연통하는 다수의 출수구(344')가 형성되며,
상기 다수의 입수구(342')는 유체의 출입을 단속하기 위한 밸브(380)가 구비되는 것을 특징으로 하는 미세조류로부터 오일 추출 및 바이오디젤 전환 공정.According to claim 1,
The reactor 300,
an inner tank 320' having a space therein;
an outer tank 340' disposed outside the inner tank 320';
A closed channel 360' formed between the inner tank 320' and the outer tank 340'; and
A plurality of inlets 342' communicating with the closed channel 360' are formed at regular intervals from one side of the bottom of the outer tank 340' to one side of the upper side through one side of the outer tank 340', and the outer tank 340' A plurality of water outlets 344' communicating with the closed channel 360' are formed at regular intervals from the other upper side to the other lower side through the other side of the ),
Oil extraction and biodiesel conversion process from microalgae, characterized in that the plurality of inlet 342 'is provided with a valve 380 for regulating the entry and exit of the fluid.
상기 오일 및 메탄올은 알칼리(Alkali)성 고체촉매와 반응 시, 에스테르 교환 반응(Transesterification)에 의한 작용으로 바이오디젤과 글리세린으로 분리되고, 산(Acid)성 고체촉매와 반응 시, 에스터화 반응(Esterification)에 의한 작용으로 바이오디젤과 물로 분리되는 것을 특징으로 하는 미세조류로부터 오일 추출 및 바이오디젤 전환 공정.According to claim 1,
When the oil and methanol react with an alkaline solid catalyst, they are separated into biodiesel and glycerin by transesterification, and when reacted with an acidic solid catalyst, esterification ) Oil extraction and biodiesel conversion process from microalgae, characterized in that biodiesel and water are separated by the action of.
상기 고체촉매는 원통형, 구형, 다각형 중에서 선택된 어느 하나 이상의 형상으로 정형화된 것임을 특징으로 하는 미세조류로부터 오일 추출 및 바이오디젤 전환 공정.According to claim 1,
Oil extraction and biodiesel conversion process from microalgae, characterized in that the solid catalyst is standardized in any one or more shapes selected from cylindrical, spherical, and polygonal.
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US20110144375A1 (en) | 2008-06-04 | 2011-06-16 | Rajiv Kumar Chaturvedi | Process for production of biodiesel |
KR101265759B1 (en) | 2006-04-28 | 2013-05-20 | 에스케이케미칼주식회사 | Method and apparatus for preparing fatty acid alkyl ester using fatty acid |
EP3026096A1 (en) | 2013-07-22 | 2016-06-01 | SK Chemicals Co., Ltd. | Method for preparing fatty acid alkyl ester using fat |
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2021
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