WO2017116180A1 - 바이오매스로부터 추출성 성분을 효율적으로 제거 혹은 회수하는 방법 - Google Patents

바이오매스로부터 추출성 성분을 효율적으로 제거 혹은 회수하는 방법 Download PDF

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WO2017116180A1
WO2017116180A1 PCT/KR2016/015509 KR2016015509W WO2017116180A1 WO 2017116180 A1 WO2017116180 A1 WO 2017116180A1 KR 2016015509 W KR2016015509 W KR 2016015509W WO 2017116180 A1 WO2017116180 A1 WO 2017116180A1
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emulsion
soluble
fat
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PCT/KR2016/015509
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유주현
홍경식
김인철
엄인용
정찬덕
송봉근
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한국화학연구원
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B30—PRESSES
    • B30B—PRESSES IN GENERAL
    • B30B9/00—Presses specially adapted for particular purposes

Definitions

  • the present invention relates to a method of simultaneously extracting water soluble components and oil soluble components from biomass using water and then simply recovering or removing them while minimizing the loss of biomass.
  • step A mixed liquid separation step of separating a mixed solution of an aqueous solution and an emulsion containing a pretreatment biomass and an extractable component from the biomass coarse pulverized in the form of a gruel through the biomass gruel manufacturing step; Emulsion separation step of separating the aqueous solution and emulsion from the mixed solution; And a fat-soluble component-containing liquid separation step of separating the fat-soluble component-containing liquid from the separated emulsion.
  • Fossil fuels such as oil and coal, which human beings have always used to maintain their daily lives, are limited in reserves, and demand and supply prices are skyrocketing with the economic cycle.
  • Such rapid price fluctuations in fossil fuels have a profound impact on the industry as a whole, and much effort and investment are being made to replace them with renewable resources.
  • An example is the commercialization of bioalcohols as transport fuels based on woody biomass, and commercial production has already begun in the United States and other countries.
  • the woody biomass resources used here are mainly corn stalks, straws, sugar cane, etc., but almost all of them include empty fruit bunch of oil palms, silver grass, reeds, alfalfa, willow hybrids, and poplar hybrids. Can be extended to all plants.
  • palm fruit and palm pressed fiber which is considered as one of the most important biomass resources in Southeast Asia, have some palm oil.
  • machines used such as grinders, high-pressure reactors and enzyme glycosylation equipment, making it difficult to use continuously, reducing the yield of target substances, and easily contaminated by microorganisms such as molds and bacteria. It causes a lot of problems. Due to these problems, it is known that application techniques such as promoting the saponification reaction by using an alkali such as sodium hydroxide in the pretreatment (Hyunjin Jeon et al., 2014, Bioresource Technology).
  • extractable components contained in biomass often act as obstacles, such as degrading enzyme activity or acting as impurities in the final product when producing bioalcohols or fermented sugars (Chan-Duck Jung et al. ., 2013, Bioresource Technology).
  • degrading enzyme activity or acting as impurities in the final product when producing bioalcohols or fermented sugars
  • extractable materials are expensive to separate and purify. cause.
  • a wide variety of methods can be used to extract extractable components from plants, from the most basic method of dipping raw materials in excess hot water or boiling water, stirring for a predetermined time, and compressing extraction. It is common to use hydrophobic solvents, such as ethyl ether or nucleic acids, to extract the fat-soluble components, but to recover the extractable components from tens of thousands to hundreds of thousands of tons of biomass annually used for the production of bioethanol or fermented sugars. Using the method is undesirable in terms of cost.
  • Korean Patent Application Publication No. 10-2015-0117598 for an apparatus and a method for simultaneously pulverizing cellulose-based biomass and enzymatic mixing.
  • Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2015-0117598 relates to a technique for separating solid solution from fermentation products, and Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2013-163796 for manufacturing a resin raw material from lignocellulosic biomass. Slurry the pulverized biomass with water That by only a technique for producing the soluble resin, it is not described with respect from biomass how to effectively extract the water-soluble components and oil soluble components.
  • the inventors of the present invention when the biomass containing a small amount of vegetable oil is first wetted with water and then physically rubbed or rubbed, most of the water-soluble components are dissolved in water and eluted while the biomass is hydrated within a very short time. It is released into the water, where the vegetable oil emulsion contains various fat-soluble components, and the water-soluble component of the biomass and the fat-soluble component including the vegetable oil can be extracted simultaneously with water alone.
  • the technology of the present invention has been completed in view of the fact that the size is so small that it can pass through a large filter cloth with an aqueous solution.
  • the present invention is to extract the water-soluble components including the water-soluble components and vegetable oil at the same time using water as the main extracting solvent and then to minimize the loss of the biomass and to easily separate and recover or remove the extracted components and
  • the present invention extracts the aqueous solution containing the water-soluble component and the vegetable oil containing the fat-soluble component in the form of an emulsion by adding water to the biomass containing vegetable oil and rubbing it mechanically to pass through the emulsion particles.
  • the present invention provides a method of economically removing or recovering water-soluble, fat-soluble and vegetable oils simultaneously while minimizing the loss of biomass from solid biomass by filtration with a filter cloth.
  • the present invention is a solid bio by extracting in the form of an aqueous solution containing a water-soluble component and an emulsion containing an oil-soluble component by adding a small amount of hydrophobic solvent with water to the biomass containing little vegetable oil and mechanical friction It provides a technique for economically recovering or removing the water-soluble and fat-soluble components from the mass at the same time.
  • the present invention is to frictionally pulverize the biomass soaked in water with a friction mill in order to quickly emulsify the fat-soluble component in the form of emulsion, and recover the emulsion using a filtration device through which the released emulsion can pass After that, it provides a device for concentrating the emulsion using a filtration device that can not pass through the emulsion and its use technology.
  • the method of simultaneously extracting, recovering or removing a water-soluble component and a fat-soluble component from a biomass using water is intended to extract biomass such as fat-soluble components and proteins when converting the biomass into bioethanol or fermented sugar.
  • the extractable components are separated from the biomass particles by minimizing the loss of biomass.
  • structural structural components of biomass such as cellulose, hemicellulose, and lignin may be manufactured into biomass which is good for further processing, and at the same time, it is possible to economically prepare intermediate raw materials for manufacturing high value-added useful materials.
  • FIG. 1 is a process chart of a method for recovering a fat-soluble component at a high concentration after extracting and simultaneously removing a water-soluble component and a fat-soluble component from a biomass according to an embodiment of the present invention.
  • fat-soluble component refers to a chemical substance having excellent solubility in hydrophobic solvents including vegetable oil in a conventional sense, such as water present in biomass, and the palm fruits described herein.
  • Typical examples of fat-soluble components present in all biomass such as empty fruit bunch, palm pressed fiber, corn stalk, sunflower stalk, miscanthus, alfafa and red clover
  • Fat-soluble vitamins such as tocopherol and tocotrienol, and functional substances such as various sterols such as cholesterol, cholecalciferol and ergocalciferol.
  • vegetable oil refers to palm oil contained in palm fruits or palm pulp fiber, soybean oil, corn oil, sunflower oil, rapeseed which can be used as a kind of hydrophobic solvent for extraction of fat-soluble components. Means all vegetable fats that are liquid at room temperature, such as oil.
  • emulsion in the present invention means "system in which one liquid becomes fine particles and is dispersed in the other liquid when two liquids are mixed."
  • a representative example is an emulsion of water and oil. It can be divided into O / W emulsion in which oil is dispersed in water and W / O emulsion in which water is dispersed in oil, and a conventional “a mixture of solid and liquid or a suspension in which fine solid particles are suspended in water ( The term " biomass gruel " of the present invention refers to the addition of water or water and a hydrophobic solvent to the biomass coarse powder, followed by friction to dissolve the water-soluble components.
  • fat-soluble components are composed of a mixture of an aqueous solution and an emulsion through an emulsion elution and biomass particles. It is technically different from a slurry or suspension that is prepared and composed of a water soluble juice and a biomass.
  • the present invention is a step of preparing biomass coarse powder containing a mixture of an aqueous solution and an emulsion by dissolving and dissolving a water-soluble component and emulsifying the water-soluble component by adding water or water and a hydrophobic solvent together to the biomass coarse powder.
  • the present invention is directed to a biomass containing a small amount of vegetable oil, or a biomass containing a useful component that does not contain vegetable oil but can be dissolved in a hydrophobic solvent.
  • palm fruits empty fruit bunch
  • palm pressed fibers may be cited as biomass containing a small amount of vegetable oil.
  • the palm oatmeal used in the present invention contains about 5% palm oil fiber and about 6% palm oil, and according to the literature, among these fat-soluble ingredients, various fat-soluble vitamins such as carotene, tocopherol and tocotrienol, cholesterol And many other functional materials.
  • Biomass which does not contain vegetable oil but contains useful components that can be dissolved in a hydrophobic solvent, includes most biomass such as corn stalk, sunflower stalk, miscanthus, alfalfa and red clover.
  • palm fruit or palm pulp fiber contains a small amount of palm oil, so it can be used as raw material as it is crushed.
  • a small amount of hydrophobic solvent such as vegetable oil is added in advance or during the extraction process. It can also be used as a raw material after mixing.
  • the water added in the biomass tortilla manufacturing step may use soft water or non-ionized water (deionized water).
  • the solvent used for extracting the fat-soluble component including the vegetable oil contained in the biomass is simple water, and soft water that does not contain much water-soluble salt does not significantly affect the emulsification of the fat-soluble component.
  • Hot water can be used to melt more of the water-soluble and fat-soluble components contained in the biomass, and the temperature of the hot water is less than 140 o C at which the hemicellulose in the biomass begins to hydrolyze and elute if the extractor can withstand the pressure. There is no special restriction in temperature.
  • the hydrophobic solvent which may be added together with water in the preparation process of the biomass is one or two or more mixtures selected from the group consisting of plant oil, mineral oil or fatty alcohol. Can be.
  • the hydrophobic solvent added to promote extraction of fat-soluble components from biomass that does not contain vegetable oil is plant oil or mineral oil that can maintain a liquid state at room temperature or below 100 o C.
  • fatty alcohols More specifically, in the present invention, all vegetable oils, such as palm oil, soybean oil, corn oil, and canola oil, which are inexpensive and commercially distributed, and aliphatic alcohols such as octanol, decanol, lauryl alcohol, and oleyl alcohol may be used.
  • Such hydrophobic solvents may contain emulsifiers to enhance emulsification, and organic solvents such as methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, acetonitrile, acetone, tetrahydrofuran and the like to enhance the compatibility with biomass. It may further contain.
  • the amount thereof when a small amount of hydrophobic solvent is added to the biomass to extract the fat-soluble component from the biomass that does not contain vegetable oil, the amount thereof is preferably about 0.1 to 10% of the weight of the biomass, and 0.1 to 10 considering the extraction efficiency and economic efficiency. 5% is preferred.
  • a small amount of hydrophobic solvent when added to the biomass to extract fat-soluble components from the biomass that does not contain vegetable oil, it may be mixed with the biomass in advance or added during the extraction process, wherein the moisture content of the biomass is It is not largely limited.
  • the biomass to extract the water-soluble component and the fat-soluble component at the same time is not limited in moisture content and degree of grinding. That is, both dry and wet biomass can be used, and both crushed and coarse biomass can be used.
  • the biomass coarse manufacturing step is a trituration of the biomass coarse matter using a combination of any one or more of a single screw extruder (twin screw extruder) or twin screw extruder (twin screw extruder). Can be done.
  • the friction grinder that can be used to quickly and efficiently extract the extractable component from the biomass can be crushed or crushed with a strong force without cutting the biomass in the water soaked state.
  • Twin screw extruders single screw extruders, disc mills, and the like.
  • the twin screw extruder and the disk mill are preferable in view of the speed and efficiency, and the twin screw extruder which is easy to supply water or water and hydrophobic solvent to biomass is more preferable.
  • a screw combination for maximizing the friction effect when using a twin screw extruder with a friction mill to quickly and efficiently extract the extractable components from the biomass is preferred, including a plurality of kneading blocks and mixing screws Is more preferred.
  • the mixed liquid separation step may be performed using any one or two or more of a filter press, a belt press, a screw press, a centrifugal dehydrator, and a pretreatment with a biomass extract. It may be to separate the biomass for the, in the extract separation step may be additionally filtered using a filter cloth.
  • holes having a size through which emulsion particles can pass are formed.
  • a device with a strainer can be used.
  • the suspended particles produced by frictional grinding cannot be particularly limited in size, but usually have a diameter of several tens of microns or less (for example, 20 microns or less). Therefore, a device having a mesh, screen or filter through which suspended particles of this size can pass is desirable. Examples thereof include a filter press, a belt press, a screw press, a centrifugal dehydrator, and the like.
  • the filter press, the belt press, and the centrifugal dehydrator are free for the selection of filter cloth, and thus, the loss ratio of the biomass particles can be controlled while passing through the suspended particles, and the energy consumption is not so large.
  • screw presses usually have an eye size of 0.15 mm or more, so that emulsion particles can pass through them, but fine biomass particles can pass through them, resulting in high loss of biomass. Therefore, in the case where solid-liquid separation is performed using this screw press, it is preferable to add a process of treating the extract with a filter press, a belt press, or a centrifugal dehydrator to recover the biomass using a strainer.
  • Centrifuges precipitate most of the biomass, and most of the emulsion can float in the upper layer, which is effective in separating the emulsion particles, but requires sufficient time for separation and consumes a lot of electrical energy. Therefore, in the case where solid-liquid separation is performed using this centrifuge, it is desirable to add a process of operating for a short time to submerge the large biomass particles and treating the supernatant liquid in which the fine particles float again with a filter press or a centrifugal dehydrator.
  • the step of separating the emulsion from the mixture of the aqueous solution and the emulsion may be carried out microfiltration, and the step of separating the fat-soluble component containing liquid from the separated emulsion added an organic solvent to the separated emulsion After mixing, microfiltration or centrifugation may be performed, and the organic solvent is mainly composed of a water-soluble organic solvent such as methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, acetonitrile, acetone, and tetrahydrofuran. It may be one or more selected from.
  • a water-soluble organic solvent such as methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, acetonitrile, acetone, and tetrahydrofuran. It may be one or more selected from.
  • the extract recovered in the form of an aqueous solution and an emulsion from the biomass as described above is in a state in which the particles are separated from the large biomass while containing most of the water-soluble and fat-soluble components in the biomass.
  • the present invention provides a method for separating and recovering this large amount of extract into an aqueous solution and a high concentration emulsion. That is, the extract is further microfiltered and further fractionated into a clear aqueous solution and an oil-containing emulsion containing a high concentration of fine biomass particles.
  • the high concentration emulsion containing a large amount of the fat-soluble substance fractionated in the present invention may then be dissolved by adding a solvent for further purification, and then the biomass particles may be separated and removed by centrifugation or microfiltration.
  • the solvent used is an organic solvent that can be mixed with water, water-soluble organic solvents such as methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, acetonitrile, acetone, tetrahydrofuran are suitable, and the target component among fat-soluble components Solvents with high solubility can be selected and used.
  • the microfiltration and centrifuge may be used in the separation process.
  • the present invention provides a method for processing biomass in multiple stages to extract, recover or remove water-soluble substances and fat-soluble substances contained in biomass quickly and efficiently with a solvent, and this is more detailed step by step. If you explain it as follows. That is, the present invention
  • the present invention provides a method for removing extractable material from biomass consisting of separating, recovering or removing an aqueous solution and an emulsion from contaminated biomass.
  • the ratio of water may range from 1: 3 to 1:20.
  • the ratio of water is necessary to maintain a proper ratio of biomass and water. If the ratio of water is too small, the solvent effect is reduced, and the ratio of water is If too large, the friction between biomass decreases, and cannot provide sufficient emulsification energy.
  • the ratio of biomass and water of 1: 3 to 1:10, preferably 1: 3 to 1: 6 is used for extraction of the water-soluble component and the fat-soluble component in the friction mill, and then the aqueous solution and the emulsion are recovered.
  • an appropriate number of kneading blocks and mixing screws to maximize the frictional force and minimize the grinding effect is preferred.
  • the combination of screws is closely related to the type of biomass and the size of the machine, but it is desirable to minimize the degree of grinding within the range where the experimentally measured extraction efficiency is maximized to reduce the loss of biomass in subsequent processes.
  • Step 2 of the present invention is a step of separating and recovering the aqueous solution and the emulsion together from the biomass in the jumble state, in order to maximize the recovery rate of the extractable components, a sufficient amount of water is added to the kneaded mixture first.
  • the amount of water required at this time can be adjusted according to the recovery method and the target recovery rate of the extract. In other words, when recovering 90% of the extract while the water content of the solid is 50% after the solid-liquid separation, add water and mix 10 times the amount of solids to be included in the gruel.
  • the apparatus used for solid-liquid separation includes a filter press, a belt press, a centrifugal dehydrator, a screw press, and a centrifuge.
  • the filter press, belt press and centrifugal dehydrator may be used alone, but the screw press and centrifugal separator are preferably used in combination with the filter press, belt press and centrifugal dehydrator as described above.
  • Filter presses, belt presses, and centrifugal dehydrators use filter cloths with holes of various sizes to capture solids. Therefore, the hole size of the filter cloth must be appropriately selected so that the flow of the suspended particles is free and the biomass particles are not passed.
  • a filter cloth having a hole capable of catching larger biomass particles while passing through an aqueous solution and an emulsion preferably a filter cloth having a diameter of 5 to 50 microns, and particularly preferably a 5 to 15 micron filter cloth.
  • step 1 and step 2 of the present invention by simultaneously extracting and recovering or removing the water-soluble component and the fat-soluble component from the biomass containing the fat-soluble component, it is possible to smoothly perform the enzymatic saccharification and fermentation process following the subsequent pretreatment.
  • a method of processing the recovered fat-soluble components into intermediate raw materials so that they can be used to produce higher value added materials.
  • step 3 of the present invention is a step of separating the separated and recovered extract from the biomass back to the mixture of most aqueous solution and a small amount of high emulsion / fine biomass particles.
  • a filtration device may be used to filter emulsion particles and biomass particles.
  • the most suitable device here is a microfiltration device having micropores of less than micrometers, and a microfiltration device having a pore size of 0.01 micron to 0.1 micron is preferable.
  • Step 4 of the present invention is to separate and recover the fat-soluble components in the form of a small solution from the emulsion and the fine biomass mixture, and dissolved by adding an aqueous solvent such as alcohol to the emulsion and biomass mixture and then again microfiltration or centrifugation It is a process to do it.
  • the emulsion obtained in step 3 still contains water-soluble components and biomass microparticles, and is often composed of many bubbles.
  • water-soluble solvent is added thereto and mixed, the emulsion is broken down into a water layer containing biomass particles and a fat-soluble component layer containing a fat-soluble substance, and further water-soluble solvent is dissolved while leaving only fine biomass particles. Subsequently, the biomass is removed by microfiltration or centrifugation to obtain a solution containing a fat-soluble component.
  • the solution containing this fat-soluble component can then be used to prepare high value-added substances such as carotene and tocopherol by applying conventional separation and purification techniques such as adsorption chromatography.
  • Example One Twin Screw With extruders Palm with filter press From class Simultaneous removal or recovery of water-soluble and fat-soluble ingredients
  • a cutting mill (Korea Powder Machinery, Korea) was used to crush the empty fruit bunch of oil palm (from Indonesia, Corindo Group).
  • a kneading block and mixing screw were mixed in a twin screw extruder (TEK 40 MHS, manufactured by SM PLATEC, Korea), the block temperature was set to 50 degrees Celsius, and then operated at a speed of 100 revolutions per minute.
  • a non-ionized water was added to the machine to feed the palm fruits of 4 kg in dry weight, followed by friction pulverization. At this time, the ratio of dry biomass and water was maintained at 1: 4.
  • the biomass mixture discharged from the twin screw extruder was added and mixed with 6 times the amount of non-ionized water during biomass drying.
  • the weight of the extract was measured to calculate the ratio of water-soluble components and fat-soluble components relative to the raw material, and is shown in Table 1 below.
  • 1 kg of the extract containing the emulsion and the fine biomass was freeze-dried to prepare a solid. 5 g of this solid was taken and placed in a Soxhlet dish, water and ethanol were sequentially extracted with a solvent. After extraction, the amount remaining in the thimble was evaluated in terms of weight, and then converted into biomass residuals.
  • the extract containing the remaining emulsion and microbiomass was filtered using a filtration device equipped with a membrane module for microfiltration (DFU-0407, Deerfos, Korea). After filtration, the portion containing the foam that did not pass through the filter was collected and weighed. Acetone as much as its weight was added to dissolve and filtered to prepare a solution containing a high concentration of fat-soluble components.
  • the extractable components were removed from palm pressed fibers, and the ratio of extractable components of the obtained biomass was investigated as described above, and the results are shown in Table 1 below.
  • the biomass content of the extract was measured as described above and shown in Table 2.
  • the extract containing the remaining emulsion and fine biomass was filtered using a filtration device equipped with a membrane module for microfiltration. After filtration, the portion containing the foam that did not pass through the filter was collected and weighed. Acetone as much as its weight was added to dissolve and filtered to prepare a solution containing a high concentration of fat-soluble components.
  • the extract containing the remaining emulsion and fine biomass was filtered using a filtration device equipped with a membrane module for microfiltration. After filtration, the portion containing the foam that did not pass through the filter was collected and weighed. Acetone as much as its weight was added to dissolve and filtered to prepare a solution containing a high concentration of fat-soluble components.
  • a cutting mill Karl Powder Machinery, Korea was used to grind the corn stalks in the air-dried state (Schalok No. 4, Korea).
  • a kneading block and mixing screw were mixed in a twin screw extruder (TEK 40 MHS, manufactured by SM PLATEC, Korea), the block temperature was set to 50 degrees Celsius, and then operated at a speed of 100 revolutions per minute.
  • the corn stalks with dry weight of 4 kg were introduced into the machine, followed by trituration by adding corn oil and non-ionized water. At this time, the ratio of dry biomass, corn oil and water was maintained at 1: 0.05: 4.
  • the biomass mixture discharged from the twin screw extruder was added and mixed with 6 times the amount of non-ionized water during biomass drying.
  • the weight of the extract was measured to calculate the ratio of water-soluble components and fat-soluble components relative to the raw material, and is shown in Table 1 below.
  • 1 kg of the extract containing the emulsion and the fine biomass was freeze-dried to prepare a solid. 5 g of this solid was taken and placed in a Soxhlet dish, water and ethanol were sequentially extracted with a solvent. After extraction, the amount remaining in the thimble was evaluated in terms of weight, and then converted into biomass residual ratios.
  • the extract containing the remaining emulsion and fine biomass was filtered using a filtration device equipped with a membrane module for microfiltration. After filtration, the portion containing the foam that did not pass through the filter was collected and weighed. Acetone as much as its weight was added to dissolve and filtered to prepare a solution containing a high concentration of fat-soluble components.
  • Table 1 below shows the composition of the biomass after removing the extractable components according to Examples 1 to 3 of the present invention.
  • Table 2 below shows the biomass loss rate during the extraction process according to Examples 1 to 3 of the present invention.
  • Example 2 Example 3 Palm workshop Palm pulp Palm workshop Corn stalk Biomass loss rate (%) 0.8 0.7 1.2 0.5
  • Table 3 below shows the composition of the raw material biomass of palm fruits, palm pulp fibers and corn stalks of Comparative Example 1 and Comparative Example 2 of the present invention.
  • the ratio of water-soluble components and fat-soluble components of palm fruits and palm pulp fibers was significantly smaller than that of Comparative Example 1, whereas the insoluble components consisting of cellulose, hemicellulose, and lignin The ratio is 96% or more, which shows how effective the extractable removal method of the present invention is.
  • the palm oat extract extracted with hot water showed a significant decrease in the water-soluble components as in Comparative Example 2, but the fat-soluble component was almost ineffective in extracting and removing the fat-soluble components.
  • Example 3 Since the vegetable oil is little contained in Example 3, which was added corn oil for extracting fat-soluble useful components, it can be seen that the ratio of fat-soluble components after extraction is reduced from 1.1% to 0.3%.
  • the amount of biomass lost to the extract during the extraction process is very small, it can be seen that about 1% of the total dry weight of the biomass, in particular, the use of twin screw extruder with friction grinder reduces the biomass loss rate I can see that it is effective to
  • the present invention can increase the conversion efficiency of the manufacturing process by enabling the rapid recovery or removal of extractable components of biomass, such as fat-soluble components and proteins, when converting biomass into bioethanol or fermented sugar.
  • Preliminary removal of substances that can act as impurities in the final product reduces the manufacturing cost of the target product, and efficiently extracts, recovers and concentrates fat-soluble substances without using expensive organic solvents such as ethyl ether or nucleic acid.
  • the extractable components are separated from the biomass particles and recovered or removed to make the structural components of biomass such as cellulose, hemicellulose, and lignin to be further processed, and at the same time, to produce high value-added useful materials.
  • biomass such as cellulose, hemicellulose, and lignin
  • the raw material can be economically manufactured.

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Abstract

본 발명은 물을 사용하여 바이오매스로부터 수용성 성분(water soluble components)과 지용성 성분(oil soluble components)을 동시에 추출한 후 바이오매스의 손실을 최소화하면서도 간단히 회수 혹은 제거할 수 있는 방법과 이 방법을 구현하기 위한 장치에 관한 것이다. 본 발명은 지용성 성분과 단백질 등 바이오매스의 추출성 성분을 사전에 신속하게 회수 혹은 제거할 수 있게 함으로써 제조 공정의 전환 효율을 증대할 수 있으며, 최종산물 내에서 불순물로 작용할 수 있는 물질의 사전 제거로 제조비용을 절감케 하며, 에틸에테르나 핵산 등 값비싼 유기용매를 사용하지 않고도 지용성 물질을 효율적으로 추출, 회수 및 농축할 수 있다.

Description

바이오매스로부터 추출성 성분을 효율적으로 제거 혹은 회수하는 방법
본 발명은 물을 사용하여 바이오매스로부터 수용성 성분(water soluble components)과 지용성 성분(oil soluble components)을 동시에 추출한 후 바이오매스의 손실을 최소화하면서도 간단히 회수 혹은 제거할 수 있는 방법에 대한 것이다.
보다 상세하게는 바이오매스 조분쇄물에 물 또는 물과 소수성 용매를 함께 첨가 후 마찰을 수행하여 수용성 성분의 용해와 지용성 성분을 유화 용출을 통한 수용액과 유탁액의 혼합액을 포함하는 바이오매스의 곤죽 제조단계; 상기 바이오매스의 곤죽 제조단계를 거쳐 곤죽의 형태가 된 바이오매스 조분쇄물로부터 전처리용 바이오매스와 추출성 성분이 함유된 수용액과 유탁액의 혼합액을 분리하는 혼합액 분리단계; 상기 혼합액으로부터 수용액과 유탁액을 분리하는 유탁액 분리단계; 및 분리된 유탁액으로부터 지용성 성분 함유액을 분리하는 지용성 성분 함유액 분리단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오매스로부터 추출성 성분을 회수하는 방법에 대한 것이다.
본 출원은 2015년 12월 29일에 출원된 한국 특허출원 제10-2015-0188746호에 기초한 우선권을 주장하며, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 본 출원에 원용된다.
석유와 석탄 등 최근 인류가 일상생활을 유지하기 위해 늘 사용하고 있는 화석연료는 그 매장량이 유한하여 경기의 사이클에 따라 수요와 공급가가 급등락하고 있다. 이러한 화석연료의 급격한 가격 변동은 산업 전반에 지대한 영향을 미치므로 이를 재생 가능한 자원으로 대체하고자 많은 노력과 투자가 이루어지고 있다. 그 예로써 목질계 바이오매스를 원료로 하는 수송용 연료로서의 바이오알콜의 상용화를 들 수 있으며, 이미 미국을 비롯한 여러 나라에서 상업적 생산이 시작되었다. 여기에 사용되는 목질계 바이오매스 자원은 주로 옥수수 줄기, 밀짚, 사탕수수대 등이지만, 팜 공과방(empty fruit bunch of oil palm), 억새, 갈대, 알팔파, 버드나무 교잡종, 포플라 교잡종 등을 포함하면 거의 모든 식물로 확대될 수 있다. 최근에는 이러한 목질계 바이오매스를 원료로 하여 모든 바이오화학물질을 발효 공학적으로 생산할 수 있는 발효당을 산업용 원료 수준으로 제조하기 위한 기술 개발이 봇물을 이루고 있다.
이러한 바이오매스 중 동남아시아에서 가장 중요한 바이오매스 자원의 하나로 평가되는 팜 공과방과 팜 과육 섬유(palm pressed fiber)는 팜유를 일부 가지고 있는데, 이 팜 부산물을 원료로 하여 바이오알콜 혹은 발효당을 제조하고자 할 때 이러한 지용성 성분은 분쇄기, 고압반응기 및 효소당화장비 등 사용하는 기계의 표면에 엉겨 붙어서 지속적인 사용을 어렵게 하고, 목표 물질의 수율을 저하할 뿐만 아니라 곰팡이나 박테리아 등 이를 이용하려고 하는 미생물에 쉽게 오염되는 등 많은 문제를 유발한다. 이러한 문제로 인하여 전처리에 수산화나트륨 등 알칼리를 사용하여 비누화 반응을 촉진하는 등 적용 기술을 제한하는 경우도 있는 것으로 알려져 있다(Hyunjin Jeon et al., 2014, Bioresource Technology). 또한, 바이오매스가 함유하는 추출성 성분은 바이오 알콜이나 발효당을 제조할 때 효소의 활성을 저하시키거나 최종 목적물 속에서 불순물로 작용하는 등 장애물로 작용하는 경우가 많다(Chan-Duck Jung et al., 2013, Bioresource Technology). 특히, 효소의 작용성을 높이기 위해 약품을 사용하거나 고온에서 수행하는 전처리 과정에서 발생하는 헤미셀룰로오스 가수분해물을 원료로 하여 부가가치가 높은 응용제품을 제조하고자 할 때 이러한 추출성 물질은 분리 정제에 많은 비용을 유발한다.
한편, 바이오매스로 이용될 수 있는 여러 가지 식물은 줄기와 잎, 뿌리 속에 스스로의 생장과 번식을 위하여 많은 기능성 물질을 함유하는데, 이들 중 많은 것들은 물에 잘 녹지 않지만 식물유나 소수성 용매에는 잘 녹는 특성을 가지고 있다. 특히, 팜 공과방이나 팜 과육 섬유 등 팜오일 제조 부산물은 상기 기능성 물질 혹은 각종 비타민류를 다량 함유하고 있는 것으로 알려져 있다. 이러한 물질들은 적당한 방법으로 추출하고 정제함으로써 공업용 원료화 할 경우 바이오매스가 가지고 있는 셀룰로오스 등 구조적 성분보다 부가가치가 훨씬 높아서 바이오매스 산업의 수익성을 크게 향상시킬 수 있을 것으로 평가된다(Chantal Bergeron et al., 2012, Biorefinary Co-Products, Wiley).
통상적으로 식물체로부터 추출성 성분을 추출하는 데에는 과량의 온수 혹은 끓는 물에 원료를 담그고 일정시간 교반한 후 압착 추출하는 가장 기초적인 방법부터 초임계 이산화탄소를 이용하는 기술까지 매우 다양한 방법이 사용될 수 있다. 지용성 성분을 추출하는 데에는 에틸에테르나 핵산과 같은 소수성 용매를 이용하는 것이 일반적이지만, 바이오에탄올 혹은 발효당의 제조를 위해 사용되는 연간 수만 톤 내지 수십만 톤에 이르는 바이오매스로부터 추출성 성분을 회수하기 위해 이러한 추출 방법을 사용하는 것은 비용 면에서 바람직하지 않다.
한편, 바이오매스를 분쇄하여 발효 생성물 또는 유용한 물질을 제조하는 종래기술 중에는 셀룰로오스계 바이오매스의 분쇄와 효소 혼합을 동시에 수행하는 장치 및 방법에 관한 대한민국 공개특허 제10-2015-0117598호에 기계적 마찰을 이용하고 습식으로 바이오매스를 분쇄하는 기술이 기재되어 있기는 하나, 이는 단순히 바이오매스를 분쇄함과 동시에 효소를 혼합하는 장치에 불과한 것이고, 바이오매스로부터 발효 생성물의 제조에 있어서 고상 및 액상을 분리하는 기술에 관한 대한민국 공개특허 제10-2015-0117598호는 발효 생성물에서 고액을 분리하는 기술에 불과한 것이며, 리그노셀룰로오스계 바이오매스로부터 수지 원료를 제조하는 방법에 관한 일본 공개특허 특개2013-163796호는 분쇄된 바이오매스와 물을 혼합하여 슬러리화한 후 고온 고압으로 처리하여 가용성 수지를 제조하는 기술에 불과한 것으로, 바이오매스로부터 수용성 성분과 지용성 성분을 효과적으로 추출하는 방법에 대하여는 기재하고 있지 않다.
본 발명의 발명자들은 식물유를 소량 함유하는 바이오매스를 먼저, 물에 적신 다음 물리적으로 비벼주거나 마찰시키면 아주 짧은 시간 내에 바이오매스가 수화되면서 수용성 성분 대부분이 물에 녹아 용출되고, 이와 동시에 식물유도 유화되어 물속에 방출되며, 이때 식물유 유탁액은 여러 가지 지용성 성분을 함유하게 되는 특성을 이용하여, 물만으로 바이오매스의 수용성 성분과, 식물유를 포함한 지용성 성분을 동시에 추출할 수 있으며, 이렇게 하여 생성된 유탁입자는 크기가 매우 작아 수용액과 함께 구멍이 큰 여과포를 통과할 수 있다는 사실에 착안하여 본 발명의 기술을 완성하게 되었다.
따라서 본 발명은 물을 주 추출용매로 사용하여 바이오매스가 함유하는 수용성 성분과 식물유를 포함한 지용성 성분을 동시에 추출한 다음 바이오매스의 손실을 최소화하면서도 추출된 성분을 손쉽게 분리 회수 혹은 제거할 수 있는 방법과, 이 방법을 구현할 수 있는 추출 장비 및 그 사용 기술을 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 식물유를 함유하는 바이오매스에 물을 가하여 적시고, 기계적으로 마찰시킴으로써 수용성 성분 함유 수용액과, 지용성 성분을 함유하는 식물유를 유탁액 형태로 추출한 다음 유탁입자가 통과할 수 있는 여과포로 여과함으로써 고체 바이오매스로부터 바이오매스의 손실을 최소화하면서도 수용성 성분, 지용성 성분 및 식물유를 동시에 경제적으로 제거 혹은 회수하는 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 식물유를 거의 함유하지 않는 바이오매스에 물과 함께 소량의 소수성 용매를 가하고 기계적으로 마찰시킴으로써 수용성 성분을 함유하는 수용액과, 지용성 성분을 함유하는 유탁액 형태로 추출한 다음 여과함으로써 고체 바이오매스로부터 수용성 성분과 지용성 성분을 동시에 경제적으로 회수 혹은 제거하는 기술을 제공한다.
또한, 본 발명은 지용성 성분이 유탁액 형태로 신속하게 유화되게 하기 위해 물에 적신 바이오매스를 마찰식 분쇄기로 마찰 분쇄하고, 방출된 유탁액이 통과할 수 있는 여과 장치를 사용하여 유탁액을 회수한 후 유탁액이 통과할 수 없는 여과장치를 이용하여 유탁액을 농축하는 장치와 그 사용 기술을 제공한다.
본 발명의 방법으로 물을 사용하여 바이오매스로부터 수용성 성분과 지용성 성분을 동시에 추출하고 회수 혹은 제거하는 방법은 바이오매스를 바이오에탄올 혹은 발효당으로 전환하고자 할 때 지용성 성분과 단백질 등 바이오매스의 추출성 성분을 사전에 신속하게 회수 혹은 제거할 수 있게 함으로써 제조 공정의 전환 효율을 증대할 수 있으며, 최종산물 내에서 불순물로 작용할 수 있는 물질의 사전 제거로 목적물의 제조비용을 절감케 하며, 에틸에테르나 핵산 등 값비싼 유기용매를 사용하지 않고도 지용성 물질을 효율적으로 추출, 회수 및 농축할 수 있다.
또한, 물을 주 추출용매로 하여 바이오매스로부터 수용성 성분과 지용성 성분을 빠른 속도로 수용액과 유탁액 형태로 추출한 후 바이오매스의 손실을 최소화할 수 있는 방법으로 추출성 성분을 바이오매스 입자와 분리하여 회수 혹은 제거함으로써 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌 등 바이오매스의 구조적 주성분(structural components)을 더 가공하기에 좋은 바이오매스로 제조하는 동시에 부가가치가 높은 유용물질 제조용 중간원료를 경제적으로 제조할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현 예에 따른 바이오매스로부터 수용성 성분과 지용성 성분을 동시에 간편하게 추출 제거한 후 추가로 지용성 성분을 고농도로 회수하는 방법의 공정도이다.
이하, 본 발명에 대해 상세하게 설명하기로 한다. 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 본원 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 명세서의 전반에 걸쳐 사용되는 용어인 "지용성 성분"은 바이오매스에 존재하는 물보다는 통상적인 의미의 식물유를 포함하는 소수성 용매 등에 용해도가 우수한 화학물질을 의미하는 것으로, 본 명세서에 기재된 팜 공과방(empty fruit bunch), 팜 과육 섬유(palm pressed fiber), 옥수수 줄기, 해바라기 줄기, 억새(miscanthus), 알파파(alfafa), 레드클로버 등의 모든 바이오매스에 존재하는 지용성 성분의 대표적인 것으로는 카로텐류, 토코페롤 및 토코트리에놀과 같은 지용성 비타민, 콜레스테롤, 콜레칼시페롤 및 에르고칼시페롤 등 각종 스테롤 등의 기능성 물질을 포함하는 의미이다.
또한, 본 발명에서 "식물유"라 함은 팜 공과방이나 팜 과육 섬유에 함유되어 있는 팜 오일과, 지용성 성분의 추출을 위해 소수성 용매의 한 종류로서 사용할 수 있는 콩기름, 옥수수 기름, 해바라기 기름, 유채 기름 등 상온에서 액체인 모든 식물성 지방을 의미한다.
또한, 본 발명에서 "유탁액(emulsion)"이라 함은 “두 액체를 혼합할 때 한쪽 액체가 미세한 입자로 되어 다른 액체 속에 분산되어 있는 계”를 의미하는 것으로 대표적인 예로는 물과 기름의 유탁액으로 물 속에 기름이 분산한 O/W형 에멀션과, 기름 속에 물이 분산한 W/O형 에멀션으로 구분될 수 있고, 통상의 “고체와 액체의 혼합물 또는 미세한 고체입자가 물속에 현탁된 현탁액(suspension)”으로 정의되는 슬러리(slurry)와는 기술적으로 다른 의미이고, 본원 발명의 "바이오매스 곤죽"은 바이오매스 조분쇄물에 물 또는 물과 소수성 용매를 함께 첨가 후 마찰을 수행하여 수용성 성분의 용해와 지용성 성분을 유화 용출을 통한 수용액과 유탁액의 혼합액 및 바이오매스 입자로 구성되는 것으로 의미하며 일반적으로 물을 추가하여 바이오매스를 분쇄함으로써 제조되어 수용성 쥬즈와 바이오매스로 구성되는 슬러리(slurry) 또는 현탁액(suspension)과는 기술적으로 다른 의미이다.
본 발명은 바이오매스 조분쇄물에 물 또는 물과 소수성 용매를 함께 첨가 후 마찰을 수행하여 수용성 성분의 용해와 지용성 성분을 유화 용출을 통한 수용액과 유탁액의 혼합액을 포함하는 바이오매스의 곤죽 제조단계; 상기 바이오매스의 곤죽 제조단계를 거쳐 곤죽의 형태가 된 바이오매스 조분쇄물로부터 전처리용 바이오매스와 추출성 성분이 함유된 수용액과 유탁액의 혼합액을 분리하는 혼합액 분리단계; 상기 혼합액으로부터 수용액과 유탁액을 분리하는 유탁액 분리단계; 및 분리된 유탁액으로부터 지용성 성분 함유액을 분리하는 지용성 성분 함유액 분리단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오매스로부터 추출성 성분을 회수하는 방법에 대한 것이다.
보다 구체적으로 본 발명은 식물유를 소량 함유하는 바이오매스, 혹은 식물유를 함유하지 않지만 소수성 용매에 녹을 수 있는 유용 성분을 함유하는 바이오매스를 대상으로 한다. 먼저, 식물유를 소량 함유하는 바이오매스로서 팜 공과방(empty fruit bunch)과 팜 과육 섬유(palm pressed fiber)를 들 수 있다. 본 발명에 사용한 팜 공과방은 약 5%, 팜 과육 섬유는 약 6%의 팜유와 각종 지용성 성분을 함유하고 있는데, 문헌에 의하면 이러한 지용성 성분 중에는 각종 카로텐류, 토코페롤 및 토코트리에놀과 같은 지용성 비타민, 콜레스테롤 등 많은 기능성 물질들이 있다. 식물유를 함유하지 않지만 소수성 용매에 녹을 수 있는 유용 성분을 함유하는 바이오매스는 옥수수 줄기, 해바라기 줄기, 억새(miscanthus), 알팔파, 레드클로버 등 대부분의 바이오매스를 들 수 있다. 이러한 바이오매스 중 팜 공과방이나 팜 과육 섬유는 팜유를 소량 함유하므로 파쇄된 그대로 원료로 사용할 수 있으며, 그 외의 식물유를 거의 함유하지 않는 바이오매스는 미리 혹은 추출 과정에서 식물유 등의 소수성 용매를 소량 첨가하여 혼합한 후 원료로 사용할 수도 있다.
본 발명에서 상기 바이오매스의 곤죽 제조단계에서 첨가되는 물은 연수 또는 비이온수(탈이온수)를 사용할 수 있다. 보다 구체적으로 본 발명에서 바이오매스가 함유하는 식물유를 포함한 지용성 성분을 추출하는데 사용되는 용매는 단순한 물이며, 수용성 염을 많이 함유하지 않아 지용성 성분의 유화에 큰 영향을 미치지 않는 연수가 바람직하다. 바이오매스가 함유하는 수용성 성분과 지용성 성분을 더 많이 녹여내기 위해 온수를 사용할 수 있으며, 온수의 온도는 추출기가 압력에 견딜 수 있다면 바이오매스 중의 헤미셀룰로오스가 가수분해되어 용출되기 시작하는 140 oC 이하의 온도 내에서 특별한 제약이 없다.
본 발명에서 상기 바이오매스의 곤죽 제조단계에서 물과 함께 첨가될 수 있는 소수성 용매는 식물유(plant oil), 광물유(petroleum oil) 또는 지방족 알콜(fatty alcohol)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있다.
보다 구체적으로 본 발명에서 식물유를 함유하지 않는 바이오매스로부터 지용성 성분의 추출을 촉진하기 위해 첨가하는 소수성 용매는 상온 혹은 100 oC 이하에서 액상을 유지할 수 있는 식물유(plant oil), 광물유(petroleum oil) 및 지방족 알콜(fatty alcohol)이다. 보다 구체적으로는 본 발명에는 팜유, 콩기름, 옥수수 기름, 카놀라유 등 저렴하면서도 상업적으로 유통되는 모든 식물유와, 옥타놀, 데카놀, 라우릴 알콜, 올레일 알콜 등 지방족 알콜이 사용될 수 있다. 이러한 소수성 용매는 유화성을 증진하기 위해 유화제를 함유할 수 있으며, 바이오매스와의 혼합성을 증진하기 위해 메탄올, 에탄올, 1-프로판올, 2-프로판올, 아세토니트릴, 아세톤, 테트라하이드로퓨란 등 유기용매를 추가로 함유할 수 있다.
본 발명에서 식물유를 함유하지 않는 바이오매스로부터 지용성 성분을 추출하기 위해 바이오매스에 소수성 용매를 소량 첨가하는 경우 그 양은 바이오매스 중량의 0.1 내지 10% 정도가 좋고, 추출 효율과 경제성을 고려할 때 0.1 내지 5%가 바람직하다.
본 발명에서 식물유를 함유하지 않는 바이오매스로부터 지용성 성분을 추출하기 위해 바이오매스에 소수성 용매를 소량 첨가하는 경우 바이오매스와 미리 혼합하거나 추출 과정에서 첨가하여 사용할 수 있으며, 이 때 바이오매스의 수분 함량은 크게 한정되지 않는다.
본 발명에서 수용성 성분과 지용성 성분을 동시에 추출할 바이오매스는 수분함량과 분쇄도에 제약이 없다. 즉, 마른 상태나 젖은 상태의 바이오매스 모두 사용이 가능하며, 파쇄된 형태나 조분쇄된 형태의 바이오매스 모두 사용이 가능하다.
본 발명에서 상기 바이오매스의 곤죽 제조단계는 바이오매스 조분쇄물을 싱글 스크루 익스트루더(single screw extruder) 또는 트윈 스크루 익스트루더(twin screw extruder) 중 어느 하나 이상의 조합을 이용하여 마찰식 분쇄를 수행할 수 있다.
보다 구체적으로 본 발명에서 바이오매스로부터 추출성 성분을 신속하고 효율적으로 추출하기 위해 사용할 수 있는 마찰식 분쇄기는 물에 적셔진 상태에서 바이오매스를 자르지 않고 짓이기거나 센 힘으로 문질러서 찢을 수 있는 것으로, 트윈 스크루 익스트루더(twin screw extruder), 싱글 스크루 익스트루더(single screw extruder) 및 디스크 밀(disc mill) 등을 들 수 있다. 이 중 신속성과 효율성으로 볼 때 트윈 스크루 익스트루더와 디스크 밀이 바람직하며, 바이오매스에 물 혹은 물과 소수성 용매의 공급이 용이한 트윈 스크루 익스트루더가 더욱 바람직하다.
본 발명에서 바이오매스로부터 추출성 성분을 신속하고 효율적으로 추출하기 위해 마찰식 분쇄기로 트윈 스크루 익스트루더를 사용할 때 마찰 효과를 극대화하기 위한 스크루 조합이 바람직하며, 여기에는 다수의 니딩 블록과 믹싱 스크루의 조합이 더욱 바람직하다.
본 발명에서 상기 혼합액 분리단계는 필터 프레스(filter press), 벨트 프레스(belt press), 스크루 프레스(screw press) 및 원심탈수기(centrifugal dehydrator) 중 어느 하나 또는 둘 이상의 조합을 이용하여 바이오매스 추출액과 전처리용 바이오매스를 분리하는 것일 수 있고, 상기 추출액 분리단계에서는 여과포를 이용한 여과를 추가로 수행할 수 있다.
보다 구체적으로 본 발명에서 마찰식 분쇄에 의해 지용성 성분을 함유하는 식물유가 수용성 성분 수용액과 함께 유화되어 나온 바이오매스 곤죽으로부터 수용액과 유탁액을 동시에 회수하는 데에는 유탁입자가 통과할 수 있는 크기의 구멍을 가진 거름망을 가진 장치가 사용될 수 있다. 마찰식 분쇄에 의해 만들어진 유탁입자는 그 크기를 특별히 한정할 수 없지만, 보통 직경이 수십 미크론 이하(예를 들어 20 미크론 이하)이다. 따라서, 이러한 크기의 유탁입자가 통과할 수 있는 메시, 스크린 혹은 필터를 가진 장치가 바람직하다. 그 예로서, 필터 프레스(filter press), 벨트 프레스(belt press), 스크루 프레스(screw press) 및 원심탈수기(centrifugal dehydrator) 등을 들 수 있다. 이 중 필터 프레스, 벨트 프레스 및 원심탈수기는 여과포의 선택이 자유로워서 유탁입자를 통과시키면서 바이오매스 입자의 손실률을 조절할 수 있을 뿐만 아니라 에너지 소모량도 크지 않아서 바이오매스의 고액분리에 바람직하다. 반면, 스크루 프레스는 거름망의 눈의 크기가 보통 0.15 mm 이상이어서 유탁입자가 통과할 수 있지만 미세한 바이오매스 입자까지 통과할 수 있으므로 바이오매스의 손실이 많다. 따라서 이 스크루 프레스를 사용하여 고액분리를 수행한 경우에는 거름망을 이용한 바이오매스의 회수를 위해 추출물을 다시 필터 프레스나 벨트 프레스, 원심탈수기로 처리하는 과정을 추가하는 것이 바람직하다. 원심분리기는 바이오매스의 대부분을 침전시키고 유탁액의 대부분은 상층부에 띄울 수 있으므로 유탁입자의 분리에 효과가 있지만 충분한 분리에 시간이 필요하여 전기에너지의 소모량이 크다. 따라서 이 원심분리기를 사용하여 고액분리를 수행한 경우에는 짧은 시간 동안 가동하여 큰 바이오매스 입자를 가라앉히고 미세입자가 떠있는 상징액을 다시 필터 프레스나 원심탈수기로 처리하는 과정을 추가하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 수용액과 유탁액의 혼합물로부터 유탁액의 분리 단계에는 정밀여과(microfiltration)를 수행할 수 있고, 상기 분리된 유탁액으로부터 지용성 성분 함유액 분리단계는 분리된 유탁액에 유기용매를 추가하여 혼합한 후 정밀여과(microfiltration) 또는 원심분리를 수행할 수 있으며, 상기 유기용매는 메탄올, 에탄올, 1-프로판올, 2-프로판올, 아세토니트릴, 아세톤, 테트라하이드로퓨란 등 주로 수용성 유기용매로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
보다 구체적으로 상기와 같이 바이오매스로부터 수용액과 유탁액 형태로 회수한 추출물은 바이오매스 중의 수용성 성분과 지용성 성분의 대부분을 함유하면서 입자가 큰 바이오매스와 분리된 상태가 된다. 본 발명은 이 대량의 추출물을 수용액과 고농도 유탁액으로 분리 회수하는 방법을 제공한다. 즉, 추출물을 추가로 정밀여과(microfiltration)하여 맑은 수용액과, 미세한 바이오매스 입자와 함께 고농도로 농축된 지용성 물질 함유 유탁액으로 추가 분획한다.
본 발명에서 분획한 지용성 물질을 다량 함유하는 고농도 유탁액은 이후 추가 정제를 위해 용매를 가하여 녹인 다음 원심분리 혹은 정밀여과에 의해 바이오매스 입자를 분리 제거할 수 있다. 이때 사용하는 용매는 물과 혼합될 수 있는 유기용매로서 메탄올, 에탄올, 1-프로판올, 2-프로판올, 아세토니트릴, 아세톤, 테트라하이드로퓨란 등의 수용성 유기용매가 적합하며, 지용성 성분 중 목표로 하는 성분의 용해도가 높은 용매를 특히 선별하여 사용할 수 있다. 또한, 이때 분리 공정에 상기 정밀여과기와 원심분리기 등을 사용할 수 있다.
상기와 같이 본 발명은 바이오매스가 함유하는 수용성 물질과 지용성 물질을 물을 용매로 신속하게 효율적으로 추출, 회수 혹은 제거하기 위해 바이오매스를 다단계에 걸쳐 가공하는 방법을 제공하며, 이를 단계별로 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 즉, 본 발명은
1) 조분쇄 상태의 바이오매스에 물을 가하고 마찰식 분쇄에 의해 수용성 성분과 지용성 성분을 동시에 추출하는 단계;
2) 곤죽 상태의 바이오매스로부터 수용액과 유탁액을 함께 분리, 회수 혹은 제거하는 단계로 이루어진 바이오매스로부터 추출성 물질을 제거하는 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은
3) 바이오매스로부터 분리 회수된 추출물로부터 큰 부피의 수용액과 소량의 고농도 유탁액-미세 바이오매스 입자 혼합물로 분리하는 단계;
4) 유탁액과 미세 바이오매스 혼합물로부터 지용성 성분을 소량의 용액 형태로 분리 회수하는 단계로 이루어진, 바이오매스로부터 지용성 물질을 경제적으로 회수하는 방법을 추가로 제공한다.
본 발명의 단계 1에서 마찰식 분쇄로 바이오매스로부터 수용성 성분과 지용성 성분을 모두 효과적으로 추출하기 위해서는 바이오매스로부터 지용성 성분이 쉽게 유화 용출될 수 있도록 충분한 양의 물을 사용하는 것이 중요하며, 이때 바이오매스와 물의 비율은 1:3 내지 1:20 범위일 수 있다. 바이오매스를 물리적으로 마찰하여 조직을 와해시키는 동시에 수용성 성분과 지용성 성분을 효율적으로 유화 용출시키기 위해서는 바이오매스와 물의 적정한 비율을 유지해야 하는데, 물의 비율이 너무 작으면 용매 효과가 감소하고, 물의 비율이 너무 커지면 바이오매스 간 마찰력이 감소하여 충분한 유화 에너지를 제공할 수 없다. 따라서, 마찰식 분쇄기 내에서 수용성 성분과 지용성 성분의 추출에는 1:3 내지 1:10, 바람직하게는 1:3 내지 1:6의 바이오매스와 물의 비율을 사용하고, 이후 수용액과 유탁액의 회수 직전에 충분한 양의 물을 추가하는 방법이 바람직하다. 또한, 마찰식 분쇄기 내에서 바이오매스의 신속한 수화와 조직 와해, 수용성 성분의 용해와 지용성 성분의 유화 용출을 촉진하기 위해 온수를 사용하는 것이 좋으며, 압력을 통제할 수 있는 경우 그 온도는 바이오매스 중의 헤미셀룰로오스가 가수분해되기 시작하는 온도인 140 oC를 초과하지 않는 것이 바람직하다.
본 발명의 단계 1에서 바이오매스의 추출에 마찰식 분쇄기로서 트윈 스크루 익스트루더를 사용하는 경우 마찰력을 극대화하면서도 분쇄 효과를 최소화하기 위해 적정한 수의 니딩 블록(kneading block)과 믹싱 스크루(mixing screw)의 조합이 바람직하다. 스크루의 조합은 바이오매스의 종류 및 기계의 크기와 밀접한 관계가 있지만 실험적으로 측정한 추출 효율이 극대가 되는 범위 내에서 분쇄도를 최소화하는 것이 후속 공정에서 바이오매스의 소실율을 줄이기 위해 바람직하다.
본 발명의 단계 2는 곤죽 상태의 바이오매스로부터 수용액과 유탁액을 함께 분리 회수하는 단계인데, 추출성 성분의 회수율을 극대화하기 위해 먼저 곤죽에 충분한 양의 물을 가하여 혼합한다. 이때 필요한 물의 양은 추출물의 회수 방법과 목표 회수율에 따라 조절할 수 있다. 즉, 추출물의 90%를 회수하고자 하면서 고액분리 후 고형물의 수분함량이 50%가 되는 경우 고형물의 10배 상당량의 물을 곤죽에 포함되도록 물을 추가하고 혼합하면 된다.
고액분리에 사용하는 기기로 상기 언급한 바와 같이 필터 프레스(filter press), 벨트 프레스(belt press), 원심탈수기(centrifugal dehydrator), 스크루 프레스(screw press) 및 원심분리기(centrifuge) 등을 들 수 있다. 필터 프레스, 벨트 프레스 및 원심탈수기는 단독으로 사용할 수 있지만, 스크루 프레스와 원심분리기는 상기 기술한 바와 같이 필터 프레스, 벨트 프레스 및 원심탈수기와 조합하여 사용하는 것이 바람직하다. 필터 프레스, 벨트 프레스 및 원심탈수기는 고형분을 잡기 위해서 다양한 크기의 구멍을 가지는 여과포를 사용하므로 유탁입자의 통과가 자유로우면서도 바이오매스 입자는 통과시키지 않도록 여과포의 구멍크기를 알맞게 선정하여야만 한다. 본 발명에서는 수용액과 유탁액은 통과시키면서 그보다 큰 바이오매스 입자는 잡을 수 있는 구멍을 가진 여과포를 사용하여야 하는데, 직경이 5 내지 50 미크론인 여과포가 바람직하며, 특히 5 내지 15 미크론의 여과포가 더욱 바람직하다.
본 발명의 단계 1과 단계 2로써 지용성 성분을 함유하는 바이오매스로부터 수용성 성분과 지용성 성분을 동시에 추출 회수 혹은 제거함으로써 후속 전처리에 이은 효소당화 및 발효 공정을 원활하게 수행할 수 있게 되지만, 본 발명은 이렇게 회수한 지용성 성분을 보다 부가가치가 높은 물질을 제조하는 데 사용할 수 있도록 중간 원료로 가공하는 방법을 추가로 제공한다.
즉, 본 발명의 단계 3은 바이오매스로부터 분리 회수된 추출물을 다시 대부분의 수용액과 소량의 고농도 유탁액/미세 바이오매스 입자 혼합물로 분리하는 단계이다. 이 단계에서는 수용액만 통과시키고, 유탁입자와 바이오매스 입자는 걸러낼 수 있는 여과장치를 이용할 수 있다. 여기에 가장 적합한 기기는 마이크로미터 이하의 미세공극을 가지는 정밀여과장치이며, 공극의 크기가 0.01 미크론 내지 0.1 미크론인 정밀여과장치가 바람직하다.
본 발명의 단계 4는 유탁액과 미세 바이오매스 혼합물로부터 지용성 성분을 소량의 용액 형태로 분리 회수하는 단계로, 유탁액과 바이오매스 혼합물에 알콜 등의 수용성 용매를 가하여 녹인 다음 다시 정밀여과 혹은 원심분리하는 공정이다. 단계 3에서 얻어진 유탁액은 지용성 성분 이외에도 아직 수용성 성분과 바이오매스 미세입자를 함유하고 있으며, 종종 많은 거품으로 이루어져 있다. 여기에 수용성 용매를 가하고 혼합하면 유탁계는 파괴되어 바이오매스 입자를 함유하는 물층과 지용성 물질을 함유하는 지용성 성분층으로 분리되고, 수용성 용매를 더욱 가하면 미세한 바이오매스 입자만 남긴 채 모두 용해된다. 이후 정밀여과 혹은 원심분리로 바이오매스를 제거함으로써 지용성 성분을 함유하는 용액을 얻게 된다.
이 지용성 성분을 함유하는 용액은 이후 흡착 크로마토그래피(adsorption chromatography) 등 통상적인 분리 정제 기술을 적용하여 카로텐, 토코페롤 등의 고부가가치 물질을 제조하는데 이용될 수 있다.
이하, 본 발명을 하기 실시예에 의거하여 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
실시예 1. 트윈 스크루 익스트루더와 필터 프레스를 이용한 팜 공과방으로부터 수용성 성분과 지용성 성분의 동시 제거 혹은 회수
커팅밀(한국분체기계 제품, 한국)을 사용하여 풍건 상태의 팜 공과방(empty fruit bunch of oil palm, 인도네시아 산, 코린도 그룹 제공)을 파쇄하였다. 트윈 스크루 익스트루더(TEK 40 MHS, 에스엠플라텍 제품, 한국)에 니딩 블록과 믹싱 스크루를 혼합하여 넣고 블록 온도를 섭씨 50도로 설정한 다음 분당 100회전의 속도로 운전하였다. 이 기계에 건조중량 4 kg의 팜 공과방을 투입하면서 비이온수를 가하여 마찰 분쇄하였다. 이때 건조 바이오매스와 물의 비율을 1:4로 유지하였다. 트윈 스크루 익스트루더로부터 배출된 바이오매스 혼합물에 바이오매스 건조중의 6배량에 해당하는 비이온수를 추가하고 혼합하였다. 이것을 15 미크론 여과포가 장착된 필터 프레스(랩 테스트용, 태영필트레이션, 한국)에 넣고 여과하여 수용성 성분과 지용성 성분을 대부분 제거한 젖은 상태의 바이오매스를 얻었다. 바이오매스 중의 추출성 성분 잔류율을 측정하기 위해 젖은 바이오매스를 동결건조한 후 상온에 하루 동안 두어 자연스럽게 수분이 평형에 도달하도록 하였다. 미국 NREL의 연구실 표준분석법에 맞게 105 oC 건조기를 이용하여 수분함량을 측정하였다. 이 시료 5 g(건조중량)을 속시렛(Soxhlet) 용 띰블(thimble)에 넣고 물과 에탄올을 용매로 순차적으로 추출하였다. 추출물 무게를 측정하여 원시료 대비 수용성 성분과 지용성 성분비를 산출한 다음 표 1에 나타내었다. 유탁액과 미세 바이오매스를 포함하는 추출물 1 kg을 동결 건조하여 고형분을 조제하였다. 이 고형분 중 5 g을 취하여 속시렛 용 띰블에 넣고 물과 에탄올을 용매로 순차적으로 추출하였다. 추출 후 띰블에 남은 양을 중량으로 평가하여 바이오매스 잔류율로 환산한 후 표 2에 나타내었다. 나머지 유탁액과 미세 바이오매스를 포함하는 추출물을 정밀여과용 막모듈(DFU-0407, Deerfos 제품, 한국)이 장착된 여과장치를 사용하여 여과하였다. 여과 후 여과기를 통과하지 못한 거품을 포함한 부분을 회수하고 무게를 측정하였다. 그 무게만큼의 아세톤을 가하여 녹이고 여과하여 지용성 성분이 고농도로 함유된 용액을 제조하였다.
이와 동일한 방법으로 팜 과육섬유(palm pressed fiber)로부터 추출성 성분을 제거하고, 얻은 바이오매스의 추출성 성분 비율을 상기와 같이 조사한 후 그 결과를 표 1에 표시하였다. 추출물의 바이오매스 함유율을 상기와 같이 측정하고 표 2에 나타내었다. 또한, 나머지 유탁액과 미세 바이오매스를 포함하는 추출물은 정밀여과용 막모듈이 장착된 여과장치를 사용하여 여과하였다. 여과 후 여과기를 통과하지 못한 거품을 포함한 부분을 회수하고 무게를 측정하였다. 그 무게만큼의 아세톤을 가하여 녹이고 여과하여 지용성 성분이 고농도로 함유된 용액을 제조하였다.
실시예 2. 디스크 타입 분쇄기와 원심 탈수기를 이용한 팜 공과방으로부터 수용성 성분과 지용성 성분의 동시 제거 혹은 회수
건조 상태의 팜 공과방 분쇄물(5 mm 이하) 1 kg에 비이온수 3 리터를 가하여 적셨다. 이 시료를 디스크 타입 분쇄기(laboratory disc mill, Andritz 제품, 미국)에 투입하고 2,000 rpm으로 리파이닝하였다. 분쇄물에 바이오매스 건조중의 6배량에 해당하는 비이온수를 추가하고 혼합하였다. 이 혼합물을 35 미크론 여과포가 장착된 원심 탈수기(peeler type centrifuge, (주)화인 제품, 한국)로 여과하여 수용성 성분과 지용성 성분을 대부분 제거한 젖은 상태의 바이오매스를 얻었다. 바이오매스 중의 추출성 성분 잔류율을 측정하기 위해 젖은 바이오매스를 동결건조한 후 상온에 하루 동안 두어 자연스럽게 수분이 평형에 도달하도록 하였다. 미국 NREL의 연구실 표준분석법에 맞게 105 oC 건조기를 이용하여 수분함량을 측정하였다. 이 시료 5 g(건조중)을 속시렛 용 띰블(thimble)에 넣고 물과 에탄올을 용매로 순차적으로 추출하였다. 추출물 무게를 측정하여 원시료 대비 수용성 성분과 지용성 성분비를 산출한 다음 표 1에 나타내었다. 유탁액과 미세 바이오매스를 포함하는 추출물 1 kg을 동결 건조하여 고형분을 조제하였다. 이 고형분 중 5 g을 취하여 속시렛 용 띰블에 넣고 물과 에탄올을 용매로 순차적으로 추출하였다. 추출 후 띰블에 남은 양을 중량으로 평가하여 바이오매스 잔류율로 환산한 후 표 2에 나타내었다. 나머지 유탁액과 미세 바이오매스를 포함하는 추출물은 정밀여과용 막모듈이 장착된 여과장치를 사용하여 여과하였다. 여과 후 여과기를 통과하지 못한 거품을 포함한 부분을 회수하고 무게를 측정하였다. 그 무게만큼의 아세톤을 가하여 녹이고 여과하여 지용성 성분이 고농도로 함유된 용액을 제조하였다.
실시예 3. 트윈 스크루 익스트루더와 필터 프레스를 이용한 옥수수 줄기로부터 수용성 성분과 지용성 성분의 동시 제거 혹은 회수
커팅밀(한국분체기계 제품, 한국)을 사용하여 풍건 상태의 옥수수 줄기(찰옥4호, 한국)를 파쇄하였다. 트윈 스크루 익스트루더(TEK 40 MHS, 에스엠플라텍 제품, 한국)에 니딩 블록과 믹싱 스크루를 혼합하여 넣고 블록 온도를 섭씨 50도로 설정한 다음 분당 100회전의 속도로 운전하였다. 이 기계에 건조중량 4 kg의 옥수수 줄기를 투입하면서 옥수수 기름과 비이온수를 가하여 마찰 분쇄하였다. 이때 건조 바이오매스, 옥수수 기름 및 물의 비율을 1:0.05:4로 유지하였다. 트윈 스크루 익스트루더로부터 배출된 바이오매스 혼합물에 바이오매스 건조중의 6배량에 해당하는 비이온수를 추가하고 혼합하였다. 이것을 15 미크론 여과포가 장착된 필터 프레스(랩 테스트용, 태영필트레이션, 한국)에 넣고 여과하여 수용성 성분과 지용성 성분을 대부분 제거한 젖은 상태의 바이오매스를 얻었다. 바이오매스 중의 추출성 성분 잔류율을 측정하기 위해 젖은 바이오매스를 동결건조한 후 상온에 하루 동안 두어 자연스럽게 수분이 평형에 도달하도록 하였다. 미국 NREL의 연구실 표준분석법에 맞게 105 oC 건조기를 이용하여 수분함량을 측정하였다. 이 시료 5 g(건조중)을 속시렛 용 띰블(thimble)에 넣고 물과 에탄올을 용매로 순차적으로 추출하였다. 추출물 무게를 측정하여 원시료 대비 수용성 성분과 지용성 성분비를 산출한 다음 표 1에 나타내었다. 유탁액과 미세 바이오매스를 포함하는 추출물 1 kg을 동결 건조하여 고형분을 조제하였다. 이 고형분 중 5 g을 취하여 속시렛 용 띰블에 넣고 물과 에탄올을 용매로 순차적으로 추출하였다. 추출 후 띰블(thimble)에 남은 양을 중량으로 평가하여 바이오매스 잔류율로 환산한 후 표 2에 나타내었다. 나머지 유탁액과 미세 바이오매스를 포함하는 추출물은 정밀여과용 막모듈이 장착된 여과장치를 사용하여 여과하였다. 여과 후 여과기를 통과하지 못한 거품을 포함한 부분을 회수하고 무게를 측정하였다. 그 무게만큼의 아세톤을 가하여 녹이고 여과하여 지용성 성분이 고농도로 함유된 용액을 제조하였다.
비교예 1. 바이오매스의 조성 분석
팜 공과방(empty fruit bunch), 팜 과육섬유 및 옥수수 줄기 분쇄물(20 메시 이하)을 각각 5 g씩(건조중) 취하여 속시렛 용 띰블(thimble)에 넣고 물과 에탄올을 용매로 순차적으로 추출하였다. 추출물 무게를 측정하여 원시료 대비 수용성 성분과 지용성 성분비를 산출한 다음 표 3에 나타내었다.
비교예 2. 온수를 이용한 팜 공과방으로부터 추출성 물질의 제거
팜 공과방 분쇄물(20 메시 이하) 1 kg(건조중)을 5 리터용 광목자루에 넣고 입구를 묶은 다음 50 oC의 물 20 리터가 담겨있는 전기온수기(명보산업 제품, 한국)에 넣어 12 시간 동안 추출하였다. 자루를 꺼내어 짤순이에 넣고 1 시간 동안 탈수하였다. 상기 과정을 1회 더 반복한 후 45 oC 열풍건조기에 넣어 48 시간 건조하였다. 이 바이오매스의 추출성 성분 잔류율을 상기 실시예 1에서와 같이 측정하고 그 결과를 표 3에 표시하였다.
하기 표 1에는 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3에 따른 추출성 성분 제거 후 바이오매스의 조성을 나타내었다.
구성성분(%) 실시예 1 실시예 2 실시예 3
팜 공과방 팜 과육섬유 팜 공과방 옥수수 줄기
수용성 성분 1.3 1.9 2.3 2.5
지용성 성분 0.6 0.8 1.1 0.3
불용성 성분 98.1 97.3 96.6 97.3
계 100 100 100 100
하기 표 2에는 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3에 따른 추출 과정 중 바이오매스 손실율을 나타내었다.
처리 구분 실시예 1 실시예 2 실시예 3
팜 공과방 팜 과육섬유 팜 공과방 옥수수 줄기
바이오매스 손실율(%) 0.8 0.7 1.2 0.5
하기 표 3에는 본 발명의 비교예 1과 비교예 2의 팜 공과방, 팜 과육섬유, 옥수수 줄기의 원료 바이오매스의 조성을 나타내었다.
구성성분(%) 비교예 1 비교예 2
팜 공과방 팜 과육섬유 옥수수 줄기 팜 공과방
수용성 성분 10.6 15.1 20.0 1.2
지용성 성분 4.8 6.4 1.1 4.8
불용성 성분 84.6 78.5 78.9 94.0
계 100 100 100 100
상기 표 1의 실시예 1과 2에서와 같이 팜 공과방과 팜 과육섬유의 수용성 성분과 지용성 성분비는 비교예 1의 원시료 조성에 비해 현저히 작아졌고, 반면에 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스, 리그닌으로 이루어진 불용성 성분의 비율은 96% 이상으로 본 발명의 추출성 제거 방법이 얼마나 효과적인지 알 수 있다. 그러나 온수로 추출한 팜 공과방은 비교예 2와 같이 수용성 성분은 크게 감소하였지만, 지용성 성분은 비율은 거의 변함이 없을 만큼 지용성 성분의 추출 제거에 효과가 없었다.
식물유가 거의 함유되어 있지 않아서 지용성 유용 성분 추출을 위해 옥수수 기름을 첨가하였던 실시예 3은 추출 후 지용성 성분의 비율이 1.1%에서 0.3%로 줄어서 효과가 있다는 것을 알 수 있다.
반면에, 추출 과정에서 추출물로 유실된 바이오매스의 양은 매우 적어서 전체 바이오매스 건조중량의 1% 내외인 것을 알 수 있으며, 특히 마찰식 분쇄기로 트윈 스크루 익스트루더를 사용하는 것이 바이오매스 손실률을 저감하는 데 효과적인 것을 알 수 있다
본 발명은 바이오매스를 바이오에탄올 혹은 발효당으로 전환하고자 할 때 지용성 성분과 단백질 등 바이오매스의 추출성 성분을 사전에 신속하게 회수 혹은 제거할 수 있게 함으로써 제조 공정의 전환 효율을 증대할 수 있으며, 최종산물 내에서 불순물로 작용할 수 있는 물질의 사전 제거로 목적물의 제조비용을 절감케 하며, 에틸에테르나 핵산 등 값비싼 유기용매를 사용하지 않고도 지용성 물질을 효율적으로 추출, 회수 및 농축할 수 있다.
또한, 추출성 성분을 바이오매스 입자와 분리하여 회수 혹은 제거함으로써 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌 등 바이오매스의 구조적 주성분(structural components)을 더 가공하기에 좋은 바이오매스로 제조하는 동시에 부가가치가 높은 유용물질 제조용 중간원료를 경제적으로 제조할 수 있는 장점이 있다.

Claims (9)

  1. 바이오매스 조분쇄물에 물 또는 물과 소수성 용매를 함께 첨가 후 마찰을 수행하여 수용성 성분의 용해와 지용성 성분을 유화 용출을 통한 수용액과 유탁액의 혼합액을 포함하는 바이오매스의 곤죽 제조단계;
    상기 바이오매스의 곤죽 제조단계를 거쳐 곤죽의 형태가 된 바이오매스 조분쇄물로부터 전처리용 바이오매스와 추출성 성분이 함유된 수용액과 유탁액의 혼합액을 분리하는 혼합액 분리단계;
    상기 혼합액으로부터 수용액과 유탁액을 분리하는 유탁액 분리단계; 및
    분리된 유탁액으로부터 지용성 성분 함유액을 분리하는 지용성 성분 함유액 분리단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오매스로부터 추출성 성분을 회수하는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 바이오매스의 곤죽 제조단계에서 첨가되는 물은 연수 또는 비이온수인 것을 특징으로 하는 바이오매스로부터 추출성 성분을 회수하는 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 바이오매스의 곤죽 제조단계에서 물과 함께 첨가되는 소수성 용매는 식물유(plant oil), 광물유(petrolleum oil) 또는 지방족 알콜(fatty alcohol)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 바이오매스로부터 추출성 성분을 회수하는 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 바이오매스의 곤죽 제조단계는 바이오매스 조분쇄물을 싱글 스크루 익스트루더(single screw extruder), 또는 트윈 스크루 익스트루더(twin screw extruder) 중 어느 하나 이상의 조합을 이용하여 마찰을 수행하는 것을 특징으로 하는 바이오매스로부터 추출성 성분을 회수하는 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 혼합액 분리단계는 필터 프레스(filter press), 벨트 프레스(belt press), 스크루 프레스(screw press) 및 원심탈수기(centrifugal dehydrator) 중 어느 하나 또는 둘 이상의 조합을 이용하여 혼합액과 전처리용 바이오매스를 분리하는 것을 특징으로 하는 바이오매스로부터 추출성 성분을 회수하는 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 혼합액 분리단계는 여과포를 이용한 여과를 추가로 수행하는 것을 특징으로 하는 바이오매스로부터 추출성 성분을 회수하는 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 유탁액 분리단계는 정밀여과(microfiltration)와 원심분리(centrifugation) 중 어느 한 가지를 수행하는 것을 특징으로 하는 바이오매스로부터 추출성 성분을 회수하는 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 지용성 성분 함유액 분리단계는 분리된 유탁액에 유기용매를 추가한 후 정밀여과(microfiltration) 또는 원심분리를 수행하는 것을 특징으로 하는 바이오매스로부터 추출성 성분을 회수하는 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 유기용매는 메탄올, 에탄올, 1-프로판올, 2-프로판올, 아세토니트릴, 아세톤, 테트라하이드로퓨란의 수용성 유기용매로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 바이오매스로부터 추출성 성분을 회수하는 방법.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200085024A (ko) * 2019-01-04 2020-07-14 주식회사 디네이쳐 천연물질의 선택적 추출 방법

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112255062A (zh) * 2020-10-19 2021-01-22 林惠明 一种土壤可溶性盐分检测装置及检测方法
KR102525694B1 (ko) * 2020-12-17 2023-04-24 한국화학연구원 미생물 발효배지 첨가제 및 이의 제조방법
CN112848452B (zh) * 2021-01-07 2022-08-09 艾斯普瑞(广州)食品有限公司 一种榨油设备

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003517825A (ja) * 1999-12-20 2003-06-03 ２ベー・アクチェンゲゼルシャフト 植物バイオマスを流体相と果肉状の粘度を有する固体を含む相とに連続的に分離する方法
JP2006136263A (ja) * 2004-11-12 2006-06-01 National Institute Of Advanced Industrial & Technology リグノセルロース系バイオマス処理方法
KR101070846B1 (ko) * 2008-09-11 2011-10-06 아미코젠주식회사 갈조류로부터 푸코잔틴 추출물의 제조방법
KR20110119071A (ko) * 2010-04-26 2011-11-02 한국과학기술연구원 원심분리 분배 크로마토그래피를 사용하여 해조류에서 푸코잔틴을 분리하는 방법
KR20150127039A (ko) * 2013-03-08 2015-11-16 질레코 인코포레이티드 여과

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003517825A (ja) * 1999-12-20 2003-06-03 ２ベー・アクチェンゲゼルシャフト 植物バイオマスを流体相と果肉状の粘度を有する固体を含む相とに連続的に分離する方法
JP2006136263A (ja) * 2004-11-12 2006-06-01 National Institute Of Advanced Industrial & Technology リグノセルロース系バイオマス処理方法
KR101070846B1 (ko) * 2008-09-11 2011-10-06 아미코젠주식회사 갈조류로부터 푸코잔틴 추출물의 제조방법
KR20110119071A (ko) * 2010-04-26 2011-11-02 한국과학기술연구원 원심분리 분배 크로마토그래피를 사용하여 해조류에서 푸코잔틴을 분리하는 방법
KR20150127039A (ko) * 2013-03-08 2015-11-16 질레코 인코포레이티드 여과

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200085024A (ko) * 2019-01-04 2020-07-14 주식회사 디네이쳐 천연물질의 선택적 추출 방법
KR102298839B1 (ko) 2019-01-04 2021-09-07 주식회사 디네이쳐 천연물질의 선택적 추출 방법

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