KR940000538B1 - 에탄올의 제조방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

에탄올의 제조방법

제1도는 1차 증류단계뒤에 부가분리기를 설치한 상태의 공정 계통도이고, 제2도는 부가분리기를 1차 증류단계전에 설치한 상태의 공정계통도이다.

본 발명은 발효액 분류를 발효기로부터 계속해서 배출시켜 원심분리단계에서 발효기를 재순환하게 되는 이스트가 풍부한 분류와 이스트가 없는 분류로 나누고, 이스트가 없는 분류는 1차 증류단계에서 에탄올이 풍부한 상층분류와 잔여 액체로 된 하층분류로 나누고, 잔여 액체의 일부는 발효기로 재순환시키고 그 나머지는 2차 증류단계로 공급하여 잔류 에탄올을 함유하는 증기 분류 및 에탄올이 거의 없는 증류 폐액 분류로 나누는, 탄소 탄수화물을 함유하는 기질을 발효기내에서 연속적으로 발효시켜 에탄올을 제조하는 방법에 관한 것이다.

본 출원인의 국제 특허 출원 제 WO 83/01627호에 기재된 바와 같은, 전술한 형태의 공지된 연속 에탄올 발효방법에서는, 먼저 발효기로부터 계속해서 배출되는 발효액으로부터 여과단계를 사용하여 거친 고상 입자들을 분리하고, 다음에 체를 통과한 분류를 원심분리단계로 공급하여 발효기로 다시 재순환되는 이스트상과 이스트가 없는 상으로 분리하는데, 이스트가 없는 상은 증류 프랜트 내의 1차 증류단계로 공급된다. 원료물질과 함께 공정으로 연속적으로 공급되는 고상물질, 비발효성물질 또는 불활성물질의 일부는 거친 입자들의 형태로 공정 회로로부터 배출되는데, 이는 체를 통과하지 못함으로 해서 발효기 및 1차 증류단계로 구성되는 순환 루프(oirculation loop)로부터 배출된다. 계속해서 제거해야만 될 불활성 고상물질의 잔여부분은 1차 증류단계로부터 배출되어 2차 증류단계로 공급되는 하층분류의 일부와 함께 배출되는데, 상기 2차 증류단계는 스트리핑 단계(scripping step)라고도 분리워지는데, 여기에서 잔류 에탄올은 스트리핑되고 액체분류는 최종적인 증류 폐액으로 농축된다. 이 결과로서, 체를 통과하지 못하는 고상 불활성 물질의 일부는 정류상태에서 1차 증류단계로부터 배출되는 하층분류내에서 특정 농도가 되어, 스트리퍼(stripper)에서 발생되는 증류 폐액을 통하여 공정회로로부터 정확한 양으로 배출된다.

입자상 원료물질을 발효시키는 것과 같은 특정의 경우에는, 1차 증류단계로 공급되는 분류 및 1차 증류단계로부터 배출되는 분류내에는 미세입자들의 농도가 예컨대 4 내지 6중량% 정도로 상당히 높아지게 된다. 나아가서, 발효기-이스트 분리기 회로내에서의 상기 "미세입자"들의 농도가 매우 높아지는 것을 예측할 수 있는데, 이는 불활성 입자들이 이스트 분리기들의 주변으로부터 발효기로 재순환되는 이스트 상내에 풍부하게 되려는 경향이 있기 때문이다. 또한, 발효기로부터 배출되는 발효액 내의 DS(Dry Solids : 건조 고상물질)의 비율은 2중량% 이하가 되기 때문에, 이스트 분리기들의 슬러지(sludge) 용량은 불활성 물질에 의해 거의다 점유된다. 따라서, 이스트 분리기로 공급되는 흐름의 대부분은 60 내지 70%의 입자상 발효를 할시에 슬러지 상으로 발효기로 재순환시켜야만 한다. 따라서, 이 경우에서는 슬러지의 양이 치수 요소(dimensioning factor)가 되기 때문에, 대형 용량의 분리기가 필요하게 된다.

이스트 분리기의 용량을 감소시키기 위한 하나의 방법은 유출흐름을 증가시키고 이스트 흐름을 감소시키는 방법으로 유출흐름과 이스트상 사이의 비율을 변경시키는 것이다. 이에 의해 발효기-이스트 분리기 회로내에서 불활성 고상물질의 낮은 정류상 농도가 필요하기 때문에 1차 증류단계로 공급되는 분류 및 1차 증류단계로부터 배출되는 분류내의 불활성 고상물질의 농도를 필요한 바에 따라 동시에 이를수 있는데, 이에 의해 이스트 분리기의 용량을 감소시킬수가 있다. 그러나, 이 변경된 방법의 단점은 이스트 손실이 증가하는 것인데, 이는 유출흐름과 함께 1차 증류단계로 공급되는 이스트가 증가하기 때문인데, 1차 증류단계에서 살아있는 이스트는 죽게된다.

본 발명의 목적은 발효기-이스트 분리기 회로내에서의 불활성 고상물질의 농도를 감소시키고 이스트 손실을 불변의 낮은 수준으로 유지하면서 필요한 이스트 분리기 용량을 감소시키기 위함이다.

상기 목적은 모두에 언급한 방법을 사용하여 본 발명에 따라 부가적인 원심분리단계에서 1차 증류단계로 공급되는 액체분류의 최소한 일부 또는 1차 증류단계로부터 배출되는 액체분류의 최소한 일부를 미세입자들이 거의 없는 분류와 미세입자들이 풍부한 슬러지 분류로 나누고, 상기 슬러지 분류를 1차 증류단계 및 발효기로 구성되는 순환회로로부터 배출함으로써 수행된다.

본 발명의 적합한 일 실시예에 따르면, 부가된 원심분리단계는 1차 증류단계 다음에 위치시킨다. 이에 의해, 원심분리기를 1차 증류단계 앞에 위치시키는 경우에 비해 최소한 두가지의 장점을 얻을 수 있다. 그 중 하나의 장점은 분리된 슬러지 농축물 중에 에탄올이 비교적 거의 없고 분리된 슬러지를 2차 증류단계로 직접 공급하여 체를 통과 못한 물질들 및 1차 증류단계로부터 배출될 수 있는 잔류 액체분류와 함께 최종 스트리핑 처리를 할 수 있는 것이다. 제2의 장점은 1차 증류단계로 공급되는 공급분류내에 용해된 상태 또는 콜로이드(colloidal) 상태인 분리 불가능한 단백질이 1차 증류단계로부터 공급되는 재순환 분류와 열교환되는 동안 및 증류단계 자체중에 가열되어 응고상태로 되어 분리가능한 형태로 전환되는 것이다. 따라서 이들 단백질 응집체들은 이제 직접 분리할 수 있으며 발효기로 다시 재순환되지 않는다.

부가 원심분리단계를 1차 증류단계 앞에 위치시키는 경우에는, 분리된 슬러지상 내의 에탄올의 농도는 1차 증류단계로 공급되는 흐름의 에탄올의 농도, 즉 통상적으로 4 내지 6중량%의 범위와 동일하게 된다. 분리단계로부터 배출되는 슬러지 상 내의 고상물질의 농도가 높고 따라서 전체 슬러지 분류가 비교적 작게되도록 분리상태를 선택하면, 에탄올의 수율을 그다지 손상시키지 않으면서도, 슬러지 상 내의 에탄올의 농도가 높음에도 불구하고 슬러지 상을 스트리핑 단계로 직접 공급할 수가 있다. 슬러지 상이 최종 증류 폐액으로 스트립 처리될 상당한 양의 액체로 구성되어 슬러지 상이 비교적 크게 되면, 에탄올 수율을 손상시키지 않는 손 쉬운 방법은 분리된 송형컬럼(colum)으로부터 대부분의 에탄올을 슬러지 상으로부터 스트립시키는 것이다. 상기 컬럼으로부터 배출되는 하층분류는 다음에 스트리핑 단계로 적절히 공급하여 체를 통과 못한 물질 및 1차 증류단계로부터 배출될 수 있는 하층분류의 또 다른 부분을 스트리핑 시키는데 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 부가 원심분리단계는 발효기, 이스트 분리기 및 1차 증류단계로 구성되는 순환회로 내의 고상 DS를 상당히 감소시킬 수 있다. 이에 의한 가장 현저한 특징은 이스트 분리 단계로부터 배출되는 유출흐름과 슬러지 상 사이의 유동비를 이스트 손실을 증가시키는일 없이 상당히 증가시킬 수 있는데, 이는 에탄올 제조비를 변환시키지 않으면서 발효기로 재순환되는 슬러지 흐름과 이스트 분리기들로 공급되는 공급흐름을 상당히 감소시킬수 있게 한다. 본 발명에 따른 원심분리기를 설치함으로서 이스트 분리기들로 공급되는 불활성 DS의 양을 예컨대 8중량%로부터 3중량%로 감소시키면, 필요한 이스트 분리기 용량을 거의 절반으로 줄일수 있는데, 이는 부가적으로 필요한 분리기 용량이 절감된 이스트 분리기 용량에 비해서는 매우 작기 때문에 설치비 및 에너지 비용을 상당히 절감할 수 있는 것을 의미한다.

본 발명에 따라 순환회로내의 불활성 고상 DS의 농도를 낮게 유지할 수 있는 가능성에 의해 몇가지의 개선된 공정 상태들을 제공하게 된다. 기포가 적어지고 교반이 용이해지는 등 발효기내의 발효 분위기가 개선된다. 1차 메시 컬럼(mash column) 및 이스트 분리기로부터 저온의 이스트가 없는 분류 사이에 열교환을 하기 위한 열교환기와 같은 부가적인 공정장치들의 오염상태를 낮게 유지할 수가 있다. 순환회로내의 분류들의 점성이 낮음으로해서 유동성을 증가시키는데, 이에 의해 여과 공정 및 송출이 용이하게 된다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상술한다.

제1도의 공정계통도를 참조하여 보면, 분쇄된 입자인 발효원료물질 및 필요한 공정 용수는 분류(1)에 의해 기질처리단계(2)로 공급되는데, 이 단계에서 효소적으로 가수분해되어 발효성당이 생성된다. 기질처리단계(2)로부터 가수분해물을 갖는 분류(3)이 발효기(4)로 공급되는데, 여기에서는 (5)를 통해 발효기의 상부로부터 배출되는 에탄올 및 이산화탄소의 형성중에 발효액 내에 현탁된 이스트에 의해 정류상태하에서 가수 분해물이 연속적으로 발효된다. 발효기 내의 이스트 농도를 일정하게 유지하기 위해, 발효기로 공급되는 분류(3) 또는 발효기 자체로 공기 또는 산소를 공급하여 소량의 이스트 손실을 충당할 수 있도록 이스트를 생장시킨다. 4 내지 6중량% 범위의 농도를 에탄올을 포함하는 발효액(6)의 분류는 발효기(4)로부터 계속해서 배출시킨다. 분류(6)은 여과단계(7)로 공급하여 체를 통과못하는 분류(8)을 분리하는데, 이 분류(8)은 발효기(4) 및 1차 증류(9)로 구성되는 순환회로로부터 배출되어 2차 증류단계(10)으로 공급된다.

거친 입자들 및 섬유들이 없게되는 발효액(11)의 분류는 하나 또는 수개의 이스트 분리기들로 구성된 이스트 분리단계(12)로 공급된다. 분류(11)로부터 분리된 모든 이스트들을 포함하고 또한 여과단계(7)을 통과한 미세불활성 물질을 포함하는 무거운 상의 분류(13)은 발효기(4)로 재순환된다. 이스트가 없는 가벼운 상의 분류(14)는 이스트 분리기(12)로부터 계속해서 배출되어 대체로 다단계 컬럼으로 구성되는 1차 증류단계(9)로 공급된다. 이스트가 없는 분류(14)내에 존재하는 에탄올의 대부분은 컬럼(9)의 상부로부터 증기 분류(15)를 통해 배출되는데, 이 증기분류는 통상적으로 35 내지 40중량%의 에탄올을 포함한다. 에탄올 농도가 0.1 내지 0.2중량%인 하층분류(16)은 컬럼(9)의 바닥으로부터 배출된다. 도시한 실시예에서 하층분류(16)의 부분분류(17)은 2차 증류단계(10)으로 구성되는 스트리핑 컬럼으로 직접 보내진다. 하층분류(16)의 다른 부분분류(18)은 (19)를 통해 발효기로 재순환되거나 또는 (20)을 통해 기질처리단계(2)로 재순환된다. 하층분류(16)의 또 다른 부분분류(21)은 부가원심분리단계(22)로 공급되는데, 여기에서 부분분류(21)은 미세입자들의 풍부한 슬러지분류(23) 및 유출분류(24)로 분리된다. 슬러지 분류(23)은 스트리핑 컬럼(10)으로 공급되고, 유출분류(24)는 분류(18)과 함께 발효기(4) 및 1차 증류단계(9)로 구성되는 순환회로로 재순환된다.

1차 증류단계(9)로 공급되는 이스트가 없는 분류(14)와 발효기(4)로 재순환되거나 또는 기질처리단계(2)로 재순환되는 하층분류(16)의 일부와 열교환을 하기 위해, 재순환 분류(18) 및 (24)와 이스트가 없는 분류(14)를 열교환할 수 있도록 열교환기(25)를 설치하는데, 이에 의해 슬러지 분리기(22)로 유입되는 분류가가온된다. 다른 방법으로 슬러지 분리기(22) 앞에 설치된 열교환기(26)으로 열교환을 수행할수도 있는데, 이에 의해 슬러지 분리기로 유입되는 흐름은 발효기 온도까지 냉각된다. 분리기(22)로 공급되는 유입흐름(21)을 가온함으로써 분리를 쉽게 할 수 있는데, 분리기를 고온에서 작동시킴으로써 분리기의 안전작동에 대한 요구가 높아지게 된다. 열교환을 분리기(22)의 앞, 또는 뒤에서 수행할것인가의 여부는 사용되는 분리기의 형태에 따르며, 대부분의 경우에 있어서는 하나의 장치(25) 및 또 하나의 장치(26)을 사용하여 열교환을 나누어 수행하는 것이 적합하다.

원심분리단계(22)내의 분리조건을 슬러지 분류(23)이 비교적 낮은 슬러지 농도를 갖도록 선택할 경우에는, 스트리퍼(10)으로 공급되는 분류(17)은 생략할수도 있다. 반대로, 슬러지 분류(23)이 고농도의 불활성 고상물질을 갖는 경우에는, 순환회로로부터 불활성 물질의 제거를 균형있게하고 정류상태를 유지하기 위해 슬러지 분류(17)이 필요하게 된다.

마찬가지로 원심분리단계(22)내의 분리조건에 따라, 발효기 또는 기질처리단계로 재순환되는 분류의 전부 또는 일부를 분리기(22)를 통과시킬수 있다. 따라서, 극단적인 경우에는 분류(18)을 생략할수도 있다. 나아가서, 재순환 분류(18) 및 (24)의 임의의 부분을 여과단계(7)로부터 배출되는 체를 통과하지 못하는 분류(8)을 세척(제1도에는 도시없음)하는데 사용하여, 이스트 손실을 감소시키고 체를 통과못한 분류(8)내의 에탄올의 농도를 감소시킬수도 있다.

체를 통과 못한 분류(8)과 원심분리단계(22)로부터 배출되는 슬러지 분류(23) 및 분류(17)들은 스트리핑컬럼(10)으로 공급하여 잔여 에탄올을 스트리핑시키고 스트리핑 컬럼(10)의 바닥으로부터 농축된 증류 폐액 분류(27)을 회수한다. 스트리핑 컬럼(10)으로부터 배출되는 에탄올 함유증기는 직접 가열 매질로서 1차 증류컬럼(9)로 공급된다. 스트리핑 컬럼(10) 및 1차 증류컬럼(9)는 공통 컬럼으로 적절히 결합할 수 있는데, 여기에서 아래로 향하는 액체흐름의 분류는 중간 수즌에서 차단하여 컬럼(9)의 상부로부터 1차 증류단계를 구성하는 하층분류(16)으로 배출될 수 있도록 한다.

제2도는 제1도에 도시한 실시예와 동일하나 공정회로 내의 슬러지 분리기의 위치만을 다르게한 실시예를 도시한 것이다. 따라서, 제1도에 도시한 공정장치 및 분류들과 대응되는 부분에는 동일한 참조번호를 부가하였다.

슬러지 분리기 및 분리조건을 선택함에 따라 이스트 분리단계(12)로부터 배출되는 이스트가 없는 분류(14)의 전부 또는 일부를 공급흐름(21a)로 부가 슬러지 분리기(22a)로 공급한다. 불활성 고상물질이 풍부한 슬러지 분류(23a)는 분리기(22a)로부터 배출되어 스트리핑 컬럼(10)으로 공급된다. 앞서의 실시예에서와는 반대로 이제 슬러지 분류(23a)가 1차 컬럼(9)로 유입되는 흐름(14)의 에탄올의 농도와 동일한 정도의 에탄올의 농도를 갖기 때문에, 제1도의 실시예와는 달리 스트리핑 컬럼(10)에 하나 또는 수개의 또 다른 증류 트레이(tray)들을 부가시키는 것이 편리하며, 역시 스트리핑 컬럼(10)으로 공급되는 잔여분류(8) 및 (17)들에 비해 슬러지 분류(23a)를 다소 높은 수준으로 스트리핑 컬럼(10)에 공급하는 것이 편리하다. 미세 입자들이 거의 없는 분류(24a)는 이스트가 없는 분류(14)의 잔여부(18a)와 함께 1차 컬럼(9)로 공급된다.

선행 실시예에서 설명한 이유와 같은 이유로 해서, 분리조건 및 원심분리기의 선택에 따라 우회분류(19) 및 (18a)들은 생략할수도 있다.

Claims (4)

1. 발효액(6)을 발효기로부터 연속해서 배출시키고, 여과단계(7)내에서 거친 고상입자들을 제거한 후의 상기 발효액 분류를 제1원심분리단계(12)에서 발효기로 다시 재순환되는 이스트가 풍부한 분류(13) 및 이스트가 없는분류(14)로 나누고, 이스트가 없는 분류(14)는 1차 증류단계(9)에서 에탄올이 풍부한 상층분류(15)와 잔여 액체 하층분류 (6)으로 나누고, 하층분류(16)의 최소한 일부(19,20)은 발효기 및/또는 발효기에 선행된 기질처리단계(2)로 재순환시키고, 하층분류(16)으로부터 분리될 수 있는 잔여부분(17)은 2차 증류단계(10)에서 에탄올 함유증기분류(28) 및 에탄올이 없는 증류 폐액분류(27)로 나누는, 탄소 탄수화물을 함유하는 기질을 이스트 존재하에 발효기(4)내에서 연속적으로 발효시켜 에탄올을 제조하는 방법에 있어서, 1차 증류단계(9)로 공급되는 액체분류(14) 및 1차 증류단계(9)로부터 배출되는 액체분류(16) 중에서 선택된 분류의 최소한 일부를 부가된 원심분리단계(22,22a)에서 미세입자들이 없는 분류(24,24a) 및 미세입자들이 풍부한 슬러지 분류(23,23a)로 나누고, 상기 슬러지 분류는 1차 증류단계(9) 및 발효기(4)로 구성되는 순환회로로부터 배출하는 것을 특징으로 하는 에탄올 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 1차 증류단계(9)로부터 배출되는 하층분류(16)의 최소한 일부를 원심분리단계(22)에서 분리하고, 슬러지 분류(23)을 상기 순환회로로부터 배출하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 슬러지 분류(23)을 상기 제1증류단계(10)으로 공급하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제1항에 있어서, 거친 고상입자들을 함유하는 체를 통과못한 분류(8)을 여과단계(7)에서 발효액(6)의 상기 분류로부터 분리하여, 상기 체를 통과못한 분류(8) 및 미세입자들이 풍부한 상기 분류(23,23a)들을 2차 증류단계(10)으로 공급하고, 상기 2차 분류단계(10)으로부터 배출되는 증기분류(28)을 직접 증기형태로 상기 1차 증류단계(9)로 공급하는 것을 특징으로 하는 방법.

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