WO2017188611A1 - 바이오매스유래 유용산물제조용 다목적 바이오매스처리장치 및 상기 바이오매스처리장치를 이용한 유용산물제조방법 - Google Patents

바이오매스유래 유용산물제조용 다목적 바이오매스처리장치 및 상기 바이오매스처리장치를 이용한 유용산물제조방법 Download PDF

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    • C12M45/00—Means for pre-treatment of biological substances
    • C12M45/20—Heating; Cooling

Definitions

  • the present invention relates to a technology for obtaining various useful products by treating biomass, and more specifically, by processing biomass introduced in one reactor, biomass-derived products, glycated products, and bioethanol-containing useful products including bioethanol.
  • the present invention relates to a multi-purpose biomass processing apparatus for producing a useful product derived from biomass and to a useful product manufacturing method using the biomass processing apparatus.
  • biomass pretreatment processes include steam decay, alkali, sulfur dioxide, hydrogen peroxide, supercritical ammonia, weak acid, and ammonia freeze.
  • pretreatment by weak acid and steam decay pretreatment have been widely studied, and are currently considered as excellent pretreatment methods. Both processes can effectively dissolve hemicellulose, but have little effect on lignin removal.
  • Enzymatic hydrolysis is usually carried out at a pH of about 4 to 6.5 and temperature conditions of about 30 ° C. to 55 ° C., but the biomass pretreatment method is generally too acidic and too hot compared to enzyme hydrolysis conditions.
  • Yeast-based enzymatic reactions typically occur at temperatures of about 28 ° C.
  • thermophilic bacterial based enzymatic hydrolysis can proceed at temperatures as high as about 80 ° C.
  • mesophilic bacteria based Enzymatic hydrolysis occurs at a temperature of about 20 ° C to about 45 ° C.
  • the pretreated biomass must be cooled to a temperature suitable for enzymatic hydrolysis.
  • the pretreated biomass is substantially cooled from a high temperature (eg, 100 ° C.) upon exit of the pretreatment vessel, prior to entering the reaction vessel for enzymatic hydrolysis, substantially to a cooling device temperature (eg, 20 ° C.-65 Cooling to).
  • the present inventors completed the present invention by developing a technology for obtaining useful products more efficiently by pretreatment of biomass to obtain a pretreatment biomass, followed by saccharification and fermentation sequentially.
  • an object of the present invention is to obtain a useful product by saccharifying and fermenting the pretreated biomass obtained by pretreatment of the biomass in the same reactor in which the pretreatment was performed without separately moving to a saccharification tank or the like, so that the biomass treatment can be performed in large quantities.
  • Another object of the present invention to provide a multi-purpose biomass processing method that can obtain a large amount of one or more of the pre-treated biomass, saccharified product and fermented products which are useful products obtained by processing biomass through a multi-purpose biomass processing apparatus. It is.
  • the object of the present invention is not limited to the above-mentioned object, and even if not explicitly stated, the object of the invention that can be recognized by those skilled in the art can be naturally included from the description of the detailed description below. .
  • the present invention comprises a reactor in which biomass and a solvent are added and treated; A heat exchanger connected by the reactor and the first connection member to heat or cool the solvent introduced into the reactor to provide the reactor to the reactor; A circulator installed between the reactor and the heat exchanger to circulate a solvent heated or cooled by the heat exchanger along the first connection member between the reactor and the heat exchanger; And a cooler connected by the reactor and a second connection member to collect a gaseous solvent vaporized in the reactor, and liquefy the collected solvent to provide the reactor to the reactor.
  • the reactor comprises a body to form a closed rectangular interior space; A cover part installed at an upper end or side wall of the main body to open and close the inner space; A plurality of outlets formed on a lower side or sidewall of the main body, including a first outlet connected to the first connection member and a second outlet connected to the second connection member; And a plurality of injection holes formed on the top or sidewalls of the main body, including a first injection hole connected to the first connection member and a second injection hole connected to the second connection member.
  • the body further comprises an anti-floating means is installed on the inner space to maintain the biomass floating on the solvent immersed in the solvent.
  • the anti-floating means is a fixed member protruding in parallel with the ground on the side wall of the main body is formed in a plurality at a predetermined interval; And a porous member fixed to cover a horizontal cross section of the inner space in a detachable manner to the fixing member.
  • the flotation prevention means is a flotation prevention member having a pore size and porosity that is the same as the horizontal cross section of the inner space and is movable in the inner space; And a height adjusting member whose one end is fixed to the center of the upper surface of the anti-floating member and the other end is fixed to the center side of the upper end of the main body and whose length can be adjusted in the vertical direction in parallel with the side wall.
  • the reactor further comprises a filtration member for filtering the solvent discharged to the first connecting member through the first outlet.
  • the first connecting member is a first tubular member for connecting the heat exchanger and the first discharge port for discharging the solvent to the outside of the reactor and the solvent passed through the heat exchanger and the heat exchanger is injected into the reactor. And a second tubular member connecting the first inlet.
  • the first tubular member further includes a first opening and closing member which is installed close to the portion connected to the heat exchanger to open and close the first tubular member.
  • the first tubular member further includes one or more discharge members installed at the front end of the portion in which the first opening and closing member is installed to discharge the solvent passing through the first tubular member to the outside.
  • the discharge member is a first discharge member for discharging the saccharified product or fermentation product in the solvent passing through the first tubular member, a second for discharging the pretreatment solvent in the solvent passing through the first tubular member And a third discharge member for discharging the washing water in the solvent passing through the first tubular member.
  • the first discharge member is connected to the final product recovery tank to obtain the saccharified product or fermentation product
  • the second discharge member is connected to a pretreatment solvent tank for storing the pretreatment solvent
  • 3 discharge member is connected to a waste tank or a purification device for treating the washing water.
  • it further comprises a pumping means for retransmitting the pretreatment solvent from the pretreatment solvent tank to the heat exchanger through the first tubular member.
  • the discharge member is a tubular member connected to the first tubular member is provided to one end side adjacent to the first tubular member and includes an opening and closing control valve to control the opening and closing of the first tubular member.
  • it further comprises a washing water storage tank or a water pipe connected to the inlet of the reactor for supplying the washing water into the reactor.
  • it further comprises a buffer storage tank for supplying an enzyme storage tank and a buffer for supplying enzymes into the reactor connected to the inlet of the reactor.
  • it further comprises a yeast storage tank connected to the inlet of the reactor for supplying yeast into the reactor.
  • a third tubular member connecting the second outlet to the outside and the cooler and a fourth tubular member connecting the second inlet through which the coolant and the solvent cooled in the cooler are injected into the reactor include.
  • the flow rate control means for controlling the entry and exit of the solvent discharged or introduced through the outlet or inlet formed in the reactor is further provided adjacent to the outlet or inlet outside the reactor.
  • the controller further comprises a controller for processing the biomass by controlling each component including the means.
  • the biomass introduced into the reactor is treated to obtain at least one of pretreatment biomass, biomass saccharification product and biomass fermentation product.
  • the present invention comprises the steps of adding a biomass and pretreatment solvent to the reactor; Transporting the pretreatment solvent to the heat exchanger along a first connection member connecting the reactor and the heat exchanger and raising the temperature inside the reactor to the reaction temperature through a circulation process of transporting the pretreatment solvent heated in the heat exchanger to the reactor; ; A pretreatment step of pretreating the biomass with a pretreatment solvent at the reaction temperature; Discharging the pretreatment solvent through the first outlet of the reactor when the pretreatment reaction is completed, and recovering the pretreatment solvent into the pretreatment solvent storage tank; It provides a multi-purpose biomass treatment method comprising a; and washing or recovering the pretreatment biomass obtained in the reactor.
  • the step of washing the pretreatment biomass obtained in the reactor supplying the washing water to the reactor in which all the pretreatment solvent is discharged; Circulating the supplied washing water between the reactor and the heat exchanger to wash the pretreatment biomass; And when the washing of the pretreatment biomass is completed, discharging the washing water from the reactor and transporting the washing water to a waste tank or a purification politics.
  • the method comprises the steps of: feeding enzyme and buffer to a reactor in which the washed pretreatment biomass is present;
  • the enzyme and the buffer solution are transported to the heat exchanger along the first connection member, and the temperature of the reactor is raised to the reaction temperature through the circulation process of transporting the enzyme and the buffer solution heated in the heat exchanger to the reactor, followed by maintaining the reaction temperature.
  • glycosylating the pretreatment biomass and when the saccharification reaction is completed, discharging it from the reactor to obtain a biomass saccharified product as a final product recovery tank.
  • the method comprises the steps of: feeding enzymes, buffers and yeasts into a reactor in which the washed pretreatment biomass is present; The temperature inside the reactor is raised to the reaction temperature through a circulation process of transporting the enzyme, buffer and yeast mixture to the heat exchanger along the first connecting member and transporting the enzyme, buffer and yeast mixture heated in the heat exchanger to the reactor. And then co-glycosylating fermentation reaction of the pretreatment biomass while maintaining the reaction temperature; And when the co-glycosylation fermentation reaction is completed, discharging from the reactor to obtain a biomass fermentation product as a final product recovery tank.
  • a useful product can be obtained by glycosylating and fermenting in the same reactor in which pretreatment is performed without moving the pretreated biomass obtained by pretreatment of biomass to a saccharification tank or the like separately.
  • useful products obtainable from biomass can be obtained with high efficiency.
  • the multi-purpose biomass processing method of the present invention a large amount of one or more of the pre-treated biomass, saccharified products and fermented products which are useful products that can be obtained by processing the biomass through a multi-purpose biomass processing apparatus of a new structure You can get it.
  • FIG. 1 is a view schematically showing a multi-purpose biomass processing apparatus for biomass processing according to one aspect of the present invention.
  • FIG. 2A and 2B are specific embodiments of a reactor in the multipurpose biomass processing apparatus shown in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating a process of obtaining a biomass saccharified product or a biomass fermented product as a final product from biomass in the multipurpose biomass processing apparatus shown in FIG. 1.
  • FIG. 4 is a measurement graph showing a process of gradually cooling the reactor after raising the temperature of the reactor by operating a heat exchanger during the pretreatment reaction in the multipurpose biomass treatment apparatus shown in FIG. 1.
  • FIG. 5 is a result graph obtained during pretreatment as in Example 1 using the multipurpose biomass processing apparatus shown in FIG. 1.
  • Technical features of the present invention is to perform the saccharification and fermentation process in the same reactor in which pretreatment is performed without moving the pretreated biomass obtained by pretreatment of biomass to a saccharification tank or the like, such as a saccharified product and a fermentation product including bioethanol.
  • a multipurpose biomass processing apparatus and a multipurpose biomass processing method having a structure capable of producing a large amount of useful products derived from biomass.
  • the multipurpose biomass processing apparatus of the present invention comprises a reactor in which biomass and a solvent are added and treated; A heat exchanger connected by the reactor and the first connection member to heat or cool the solvent introduced into the reactor to provide the reactor to the reactor; A circulator installed between the reactor and the heat exchanger to circulate a solvent heated or cooled by the heat exchanger along the first connection member between the reactor and the heat exchanger; And a cooler connected by the reactor and the second connection member to collect a gaseous solvent vaporized in the reactor and liquefy the collected solvent to provide the reactor.
  • the multi-purpose biomass treatment method of the present invention comprises the steps of adding a biomass and a pretreatment solvent to the reactor; Transporting the pretreatment solvent to the heat exchanger along a first connection member connecting the reactor and the heat exchanger and raising the temperature inside the reactor to the reaction temperature through a circulation process of transporting the pretreatment solvent heated in the heat exchanger to the reactor; ; A pretreatment step of pretreating the biomass with a pretreatment solvent at the reaction temperature; Discharging the pretreatment solvent through the first outlet of the reactor when the pretreatment reaction is completed, and recovering the pretreatment solvent into the pretreatment solvent storage tank; And washing or recovering the pretreated biomass obtained in the reactor.
  • FIG. 1 is a view schematically showing a multi-purpose biomass processing apparatus for biomass processing according to an aspect of the present invention
  • Figures 2a and 2b is a specific implementation of the reactor of the multipurpose biomass processing apparatus shown in FIG. 3 is a flowchart illustrating a process of obtaining a biomass saccharified product or a biomass fermented product as a final product from biomass in the multipurpose biomass processing apparatus shown in FIG. 1, and
  • FIG. 4 is a multipurpose illustrated in FIG. 1.
  • This is a measurement graph showing the process of slowly cooling after raising the temperature of a reactor by operating a heat exchanger during a pretreatment reaction in a biomass processing apparatus.
  • FIG. 5 is a result graph obtained during pretreatment as in Example 1 using the multipurpose biomass processing apparatus shown in FIG. 1.
  • the multipurpose biomass processing apparatus 100 of the present invention includes a reactor 110, a heat exchanger 120, a circulator 130, and a cooler 140.
  • the reactor 110 and the heat exchanger 120 are connected to the first tubular member 151 and the second tubular member 155 constituting the first connecting member 150, and the reactor 110 and the cooler 140.
  • a plurality of tanks for storing various materials introduced into the reactor 110 are connected to the reactor 110, and a plurality of tanks for storing or discarding different discharges discharged from the reactor 110 are provided. 1 may be installed connected to the tubular member (120).
  • the reactor 110 is a place where the biomass and the solvent are added and processed, and thus the place where pretreatment, saccharification and fermentation occurs for the biomass.
  • the reactor 110 includes a main body 111, a cover 112, an outlet, an inlet, and a filtration member 115.
  • the reactor 110 may have a generally known chamber structure, but in the present invention, since the pretreatment reaction proceeds at atmospheric pressure, there is no need to use an expensive pressure vessel.
  • the main body 111 should perform a function of providing a space where pretreatment, saccharification, and fermentation may occur for the biomass, the main body 111 may be a tubular structure of any type known as long as it forms a sealed rectangular internal space.
  • the main body 111 may further include an injury prevention means installed on the inner space.
  • the anti-floating means is a component that keeps the biomass floating on the solvent immersed in the solvent.
  • the flotation member includes a fixing member 116 and a porous member 117. Prevention means may be formed.
  • the fixing member 116 is a component for fixing the porous member 117 is formed to protrude in parallel to the ground on the side wall of the main body 111, a plurality of porous members 117 are formed at regular intervals from the bottom to the top May be installed on the inner space of the main body 111 to have different heights.
  • the porous member 117 is detachably fixed to the fixing member 116 and is a component for preventing the biomass, etc. from rising to the top during the pretreatment, saccharification or fermentation of the biomass in the reactor 110. Accordingly, the diameter of the porous member 117 is inserted into the reactor 110 to be fixed to the fixing member 116 while covering the entire horizontal cross section of the inner space of the main body 111, that is, the entire cross section perpendicular to the side wall of the inner space.
  • the shape is not limited as long as it has a porous plate structure, but as a perforated plate structure as shown in Figure 2c can be folded to form one or more hinge structures in the middle, there is a hook portion in the center cover portion 112 ) Can be attached to the fixing member 116 having a different height depending on the amount of biomass.
  • an injury prevention means including an injury prevention member 118 and a height adjusting member 119 may be formed.
  • the anti-floating member 118 has the same shape as the horizontal cross section of the inner space of the main body 111 and has a diameter having a diameter capable of moving in the inner space and may have a plate shape having porosity.
  • the height adjusting member 119 is for adjusting the height at which the injury preventing member 118 is located in the inner space of the main body 111, and one end thereof is fixed to the center of the upper surface of the injury preventing member 118 and the other.
  • the end is fixed to the center side of the upper end of the main body 111 can be used a known technical configuration having a structure capable of adjusting the length by a power such as a motor in the vertical direction in parallel with the side wall of the main body 111.
  • a hydraulic cylinder structure may be used as the height adjusting member 119.
  • Cover portion 112 is a component that performs a function that can put a variety of reactants, including the pre-treatment solvent required for pre-treatment, saccharification and fermentation of the biomass, as necessary, biomass in the interior space of the main body 111 to be. Therefore, the cover 112 may be installed on the upper end or sidewall of the main body 111 without any limitation as long as it has a structure capable of opening and closing the inner space of the main body 111. If necessary, the cover 112 may be implemented in a configuration that is automatically opened and closed under the control of the controller.
  • the cover 112 is the main body 111 It is formed to the side of the lower side wall of the biomass can be manually supplied to the internal space of the reactor 110, if necessary, is formed in a sliding manner having a structure that is automatically opened and closed by the control unit biomass is automatically supplied through the conveyor belt
  • the structure can be implemented.
  • the outlet port is a component that discharges various reactants obtained in the process of pretreatment, saccharification, and fermentation of biomass in the reactor 110 to the outside of the reactor 110.
  • the first discharge port 113a connected to the first tubular member 151, the second discharge port 113b connected to the third tubular member 161 of the second connection member 160, and the solid to discharge the pretreated biomass as it is.
  • a plurality of outlets may be formed on the bottom or sidewalls of the main body 110.
  • the first outlet 113a is a component that is connected to the first connection member 150 to discharge the solvent present in the reactor 110 outside the reactor 110, the first outlet 113a is the main body ( It may be formed at the bottom of the (110).
  • the second outlet 113b may be formed on the upper side of the sidewall of the reactor 110. have.
  • the reactor 110 is sealed while the one or more reactions of pretreatment, saccharification and fermentation are performed in the reactor 110, and the flow rate of the solvent discharged through the first outlet 113a or the second outlet 113b is adjusted.
  • Flow control means 170 such as a valve for controlling the flow rate through the opening and closing of the may be further installed.
  • the inlet is a component that injects the material necessary for the pretreatment, saccharification, and fermentation of the biomass in the reactor 110 into the reactor 110 from the outside of the reactor 110, and the solid material is injected.
  • the cover portion 112 which is mainly a liquid or gaseous material may be introduced into the reactor 110.
  • the injection hole is the first injection hole 114a connected to the second tubular member 155 of the first connection member 150 and the second injection hole 114b connected to the fourth tubular member 162 of the second connection member 160.
  • a plurality of inlets for injecting materials necessary for performing the pretreatment, saccharification, and fermentation processes are examples of the cover portion 112, which is mainly a liquid or gaseous material.
  • the first inlet (114a) is the solvent discharged to the outside from the reactor 110 via the first tubular member 151 through the second tubular member 155 heated or cooled in the heat exchanger 120 It is a component that is reintroduced back into the reactor (110).
  • the second inlet 114b has a fourth tubular member 162 in which a gaseous solvent discharged from the reactor 110 to the outside is cooled in the cooler 140 through a third tubular member 161 and converted into a liquid solvent. The component is re-introduced through the reactor 110 again.
  • a plurality of inlets for injecting the material required to perform the pretreatment, saccharification and fermentation process are each with a wash water storage tank 194 or a water pipe, an enzyme storage tank 195, a buffer storage tank 196, and a yeast storage tank 197, respectively. Can be connected.
  • the reactor 110 may be sealed while one or more reactions of pretreatment, saccharification, and fermentation are performed in the reactor 110, and a valve, such as a valve, may be disposed outside of the reactor 110 to control a flow rate injected through the inlet.
  • the flow control means 170 may be further installed.
  • the filtering member 115 is a component capable of filtering a substance discharged from the reactor 110 through the first discharge port 113a to the outside, that is, the first connection member 150, and in one embodiment, the filtering member 117. Only the solvent passing through) may be implemented to be discharged through the first connection member 150 that is outside the reactor 110.
  • the filtering member 115 may be installed around the first outlet 113a, and as shown in FIG. 2a, the diameter of the filtering member 115 spaced apart from the first outlet 113a by a predetermined distance. When formed in the shape having, the solvent discharged through the first discharge port 113a can be prevented from stagnating.
  • the filtration member 115 when the filtration member 115 is installed around the first outlet 113a, during the end of or during the biomass pretreatment, saccharification, and fermentation processes occurring in the reactor 110, the material discharged to the outside of the reactor 110 must be circulated. Since passing through the filtering member 115, it is possible to prevent the passage of biomass and the like to enable solvent circulation, such as pretreatment solvent or washing water through the first connecting member 150, as well as to obtain the pretreatment solvent recovery or final product It is effective to prevent the mixing of impurities.
  • the heat exchanger 120 is a component that is connected by the reactor 110 and the first connection member 150 to perform a function of heating or cooling the solvent introduced into the reactor 110 to provide the reactor 110.
  • the heat exchanger 120 used in the present invention generates heat transfer between the cooling water, air, and solvent through the heat transfer surface having the form of a tube or plate to perform the functions of heating, cooling, and condensing. Since a heat exchanger of any known configuration can be used, a detailed description thereof will be omitted.
  • the circulator 130 is installed between the reactor 110 and the heat exchanger 120 to supply a solvent heated or cooled by the heat exchanger 120 between the reactor 110 and the heat exchanger 120. Is a component that performs a function to circulate along As described above, since the circulator 130 used in the present invention is a pumping means for circulating the solvent discharged from the reactor 110 along the first connection member 150, a pumping means having a known configuration such as a motor may be used. Detailed description thereof will be omitted.
  • the cooler 140 is connected by the reactor 110 and the second connection member 160 to collect the gaseous solvent vaporized in the reactor 110, and liquefy the collected solvent to provide the reactor 110.
  • a cooling apparatus of a known configuration can be used, a detailed description thereof will be omitted.
  • the first connection member 150 is a component that connects the reactor 110 and the heat exchanger 120 to form a circulation line to allow circulation of the solvent therebetween, and the first tubular member 151. And a second tubular member 155.
  • the first tubular member 151 is a component connecting the first outlet 113a for discharging the solvent to the outside of the reactor 110 and the heat exchanger 120
  • the second tubular member 155 is the heat exchanger 120.
  • the first opening and closing member 152 and the discharge member 153 is installed on the first tubular member 151.
  • the first opening / closing member 152 is a component which is installed close to the portion where the first tubular member 151 is connected to the heat exchanger 120 and opens and closes the first tubular member 151.
  • the flow rate of the solvent introduced into the heat exchanger 120 through 152 may be adjusted.
  • the discharge member 153 is installed to be connected to the first tubular member 151 at the front end of the first connecting member 150, that is, the first opening and closing member 152 of the first tubular member 151, the first tubular
  • a component for discharging the solvent passing through the member 151 to the outside one or more may be formed. That is, the various liquid substances including the solvent discharged from the reactor 110 passing through the first tubular member 151 as necessary during the pretreatment, saccharification and fermentation process of the biomass, before entering the heat exchanger 120. This is because it is a component for discharging to the outside of the multipurpose biomass processing apparatus 100 in a state in which the opening and closing member 152 is closed.
  • the discharge member 153 has one end portion adjacent to the first tubular member 151 of the connecting pipe 153a and the connecting pipe 153a, which is a tubular member that is connected substantially perpendicularly to the first tubular member 151. It may be configured to include an opening and closing control valve (153b) is installed to the side to control the opening and closing of the through portion connected to the first tubular member 151.
  • an opening and closing control valve (153b) is installed to the side to control the opening and closing of the through portion connected to the first tubular member 151.
  • the discharge member 153 may be formed with a first discharge member 153c, a second discharge member 153d and a third discharge member 153e sequentially as shown in FIG.
  • the first discharge member 153c, the second discharge member 153d, and the third discharge member 153e are all connected to the pipe 153a except for a component connected to the other end portion not adjacent to the first tubular member 151.
  • And may have the same configuration including the opening and closing control valve (153b).
  • the first discharge member 153c is a component for discharging the saccharified product or the fermentation product from the solvent passing through the first tubular member 151, the connection pipe 153a not adjacent to the first tubular member 151.
  • the other end of may be connected to the final product recovery tank 191 to obtain a saccharified product or fermented product.
  • the second discharge member 153d is a component for discharging the pretreatment solvent in the solvent passing through the first tubular member 151
  • the other end of the connection pipe 153a not adjacent to the first tubular member 151 is provided. It may be connected to the pretreatment solvent tank 192 for storing the pretreatment solvent.
  • the third discharge member 153e is a component for discharging the washing water in the solvent passing through the first tubular member 151, the other end of the connecting pipe 153a that is not adjacent to the first tubular member 151 is the washing water. It may be connected to a waste tank 193 or a purification device for processing.
  • pumping means for retransmitting the pretreatment solvent recovered and stored from the pretreatment solvent tank 192 to the heat exchanger 120 through the first tubular member 151 may be further included.
  • the second connection member 160 also connects the reactor 110 and the cooler 140 to form a circulation line so as to receive a gaseous solvent therebetween to liquefy and discharge the liquid state into a liquid state.
  • the component includes a third tubular member 161 and a fourth tubular member 162.
  • the third tubular member 161 is a component connecting the second outlet 113b and the cooler 140 to discharge the vaporized solvent to the outside of the reactor 110 in a gaseous state
  • the fourth tubular member 162 is a cooler.
  • the flexibility of the shape or the length of the material is not limited, as long as it is a tubular member. The configuration can be applied as needed.
  • a controller for processing the biomass by controlling each component including the reactor 110, the heat exchanger 120, the circulator 130, the cooler 140, and the flow rate control means 170 according to the predetermined preset conditions It may include.
  • the multipurpose biomass processing apparatus 100 of the present invention is controlled through a controller to perform one or more processes for pretreating, saccharifying and fermenting biomass according to the user's intention, thereby pretreatment biomass, biomass saccharification product and bio It is operated to obtain one or more of the mass fermentation products, the operation of this multi-purpose biomass processing apparatus may be implemented manually or semi-automatically, depending on the setting of the controller, but also fully automatic.
  • the multipurpose biomass treatment method which can obtain the pretreatment biomass, biomass saccharified product and biomass fermentation product from biomass using the multipurpose biomass processing apparatus having the above-described configuration will be described.
  • the biomass and the pretreatment solvent are added to the reactor 110 (S1).
  • biomass and pretreatment solvent may be added to the reactor 110 manually, the biomass may be introduced through a conveyor belt connected to the outside of the cover 112 by opening the cover 112 of the reactor 110 under the control of a controller.
  • the pretreatment solvent which is introduced into the reactor 110 and stored in the pretreatment solvent tank 192 by operating the circulator 130 and / or the pumping means 154, opens the first inlet 114a through the first connection member 150. It may be introduced into the reactor 110 via.
  • the pretreatment solvent includes carboxylic acid and hydrogen peroxide water, for example, the carboxylic acid and hydrogen peroxide water may be included in a molar ratio of 0.5 to 7: 1. In this case, the carboxylic acid may have a purity of 99% or more and the hydrogen peroxide solution may have a concentration of 20% by weight or more.
  • the pretreatment solvent introduced into the reactor 110 is transported to the heat exchanger 120 by using the power of the circulator 130 along the first connecting member 150 connecting the reactor 110 and the heat exchanger 120.
  • the temperature of the reactor is increased to a pretreatment reaction temperature in a range of 80 degrees to 100 degrees through a circulation process of transporting the pretreatment solvent heated at 120 to the reactor 110 (S2). That is, as shown in FIG. 4, when the pretreatment solvent is intermittently heated for 2-3 minutes through a heat exchanger and circulated 2 to 6 times, the reaction temperature is reached within about 30 minutes.
  • the flow control means installed adjacent to the first outlet 113a and the first inlet 114a connected to the first connection member 150 so that the pretreatment solvent is no longer circulated.
  • a pretreatment step is performed in which the biomass and the heated pretreatment solvent react in the reactor 110 to effectively remove lignin, which is an inhibitor of enzyme glycosylation contained in the biomass (S3). Since the pretreatment reaction step is an exothermic reaction, the temperature inside the reactor 110 may maintain the reaction temperature even if the pretreatment solvent does not circulate.
  • the pretreatment solvent vaporized in the reactor 110 is collected by the cooler 140 through the third tubular member 161 of the second connecting member 160 and then cooled to cool the fourth tubular member 162 in a liquid state. Through the reactor 110 again.
  • the first connection member is closed through the first opening / closing member (not shown in FIG. 152) installed on the first connection member 150, and then the flow rate adjusting means installed adjacent to the first outlet 113a.
  • the pretreatment solvent may be discharged from the reactor 110 by opening 170 to recover the pretreatment solvent to the pretreatment solvent tank 192 through the second discharge member 153d (S4).
  • the step of washing or recovering the pretreatment biomass obtained in the reactor 110 may be performed (S5). That is, since the pretreatment biomass obtained in the reactor 110 is discharged to the outside of the reactor 110 as it is, the pretreatment biomass needs to be recovered, or the pretreatment biomass needs to be washed to perform the saccharification and / or fermentation process. The saccharification and / or fermentation process of the pretreated biomass washed) may be further carried out. If necessary, the pretreatment biomass may be washed in the reactor 110 to discharge the washed pretreatment biomass to the outside of the reactor 110.
  • the washing water is introduced into the reactor 110 to circulate using the power of the circulator 130 to the heat exchanger 120 to wash the pretreatment biomass and lower the temperature of the reactor. More specifically, the remaining outlets and inlets except the washing water storage tank 194 or the inlet connected to the water pipe among the outlets and the inlet formed in the reactor 110 are closed, and only the inlet to which the washing water storage tank 194 or the water pipe is connected is adjacent to the outside thereof. Open through the formed flow control valve 170 to inject the required amount of washing water into the reactor 110, and then close the flow control valve 170.
  • the washing water discharged from the reactor 110 through the first outlet 113a is connected to the first connection member 150.
  • the pretreatment biomass is washed through a cycle of washing water introduced into the reactor 110 through the first inlet 114a via the heat exchanger 120 while moving along the heat exchanger 120.
  • all the washing water flowing in the first connection member with the first outlet 113a closed is recovered to the reactor 110 through the first inlet 114a and then the first inlet 114a and the first opening and closing.
  • the first discharge port 113a is opened, and the washing water having washed the pretreatment biomass is disposed of in the waste tank 193 or the septic tank through the third discharge member 153e. If necessary, the washing step S5 of the pretreatment biomass may be performed one or more times.
  • the saccharification reaction for the pretreatment biomass washed in the reactor 110 is performed (S6). That is, the enzyme 110 and the buffer solution are supplied to the reactor by opening the flow control valve 170 installed adjacent to the inlet connected to the enzyme storage tank and the buffer storage tank to the reactor 110 in which the washed pretreatment biomass is present.
  • the first outlet 113a and the first inlet 114a are opened, and the circulator 130 is operated to transport the enzyme and buffer along the first connecting member 150 to the heat exchanger.
  • the temperature inside the reactor is increased to the reaction temperature, and the pretreatment biomass is glycosylated while maintaining the reaction temperature through continuous circulation. .
  • the saccharification reaction is completed, after closing the first outlet 113a of the reactor 110, the mixed solution containing the enzyme, the buffer and the biomass saccharification product flowing through the first connecting member 150 through the first inlet 114a After all are injected into the reactor 110, the first inlet 114a is closed, the first opening / closing member 152 is closed, and the first outlet 113a is opened to obtain the final product through the first outlet member 151c.
  • the final product can be recovered in a tank to obtain a biomass saccharified product.
  • the simultaneous glycosylation fermentation reaction may be performed on the pretreatment biomass washed in the reactor 110 (S7).
  • the simultaneous saccharification fermentation reaction is performed by opening the flow control valve 170 installed outside the inlet connected to the enzyme storage tank and the buffer storage tank to the reactor 110 in which the pretreated biomass washed in the above-mentioned saccharification reaction is present.
  • Example 1 % Glucose Xylose Mannose Arabinose Lignin Ash
  • Example 2 74.0 7.2 12.4 0.4 0.9 0.1
  • Example 3 47.1 28.0 0.2 0.4 1.9 0.2
  • the enzyme and the buffer solution was added to the reactor and the saccharification process was performed to obtain an enzyme hydrolyzed saccharification solution 1.
  • the enzyme loading was treated with 10 FPU / g biomass of cellulase and 200 IU / g biomass of xylanase.
  • Example 3 Except for using the pretreatment biomass 3 obtained in Example 3 was carried out in the same manner as in Example 4 to obtain an enzyme hydrolyzed saccharification liquid 3.
  • the enzyme, buffer and yeast were added to the reactor and then co-glycosylated to obtain co-glycosylated fermentation solution 1.
  • the enzyme input was treated with cellulase 10 FPU / g biomass and xylanase 200 IU / g biomass, and yeast was added to 10% of the total co-glycosylated fermentation broth.
  • Example 2 Except for using the pretreatment biomass 2 obtained in Example 2 was carried out the same method as in Example 7 to obtain a co-glycosylated fermentation solution 2.
  • Example 3 Except for using the pretreatment biomass 3 obtained in Example 3 was carried out in the same manner as in Example 7 to obtain a co-glycosylated fermentation solution 3.

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Abstract

본 발명은 바이오매스를 처리하여 각종 유용산물을 얻는 기술에 대한 것으로, 보다 구체적으로는 하나의 반응기내에서 투입된 바이오매스를 처리하여 전처리바이오매스, 당화산물 및 바이오에탄올을 포함하여 바이오매스유래 유용산물을 대량으로 얻을 수 있는 바이오매스 유래 유용산물 제조용 다목적 바이오매스처리장치 및 상기 바이오매스처리장치를 이용한 유용산물 제조방법에 관한 것이다.

Description

바이오매스유래 유용산물제조용 다목적 바이오매스처리장치 및 상기 바이오매스처리장치를 이용한 유용산물제조방법
본 발명은 바이오매스를 처리하여 각종 유용산물을 얻는 기술에 대한 것으로, 보다 구체적으로는 하나의 반응기내에서 투입된 바이오매스를 처리하여 바이오매스 전처리산물, 당화산물 및 바이오에탄올을 포함한 바이오매스유래 유용산물을 대량으로 얻을 수 있는 바이오매스 유래 유용산물 제조용 다목적 바이오매스처리장치 및 상기 바이오매스처리장치를 이용한 유용산물 제조방법에 관한 것이다.
바이오매스 전처리에 대한 다수의 기술들은 바이오매스로부터 발효 가능한 당을 형성하기 위해 빠르고 효율적으로 가수분해될 수 있는 기질을 생성할 목적으로 연구되었다. 일반적으로 기존의 바이오매스의 전처리공정은 증기 폭쇄법, 알칼리 처리법, 이산화황 처리법, 과산화수소 처리법, 초임계 암모니아 처리법, 약산 처리법, 그리고 암모니아 동결 폭쇄법 등이 있다. 이와 같은 전처리 방법들 중 약산에 의한 전처리 방법과 증기 폭쇄 전처리 방법이 폭넓게 연구되었으며, 현재 우수한 전처리 방법으로 고려되고 있다. 두 공정 모두 효과적으로 헤미셀룰로오스를 용해시킬 수 있지만, 리그닌 제거에는 다소 효과가 미흡한 실정이다.
한편, 전처리된 바이오매스의 효소 가수분해에도 많은 문제가 있다. 즉, 바이오매스의 전처리에 필요한 조건은 효소 가수분해의 최적 조건과 상이하다. 효소 가수분해는, 통상 약 4 내지 6.5의 pH, 및 약 30℃ 내지 55℃의 온도 조건 조건에서 수행하나, 상기 바이오매스 전처리 법은 일반적으로 효소 가수분해 조건에 비해지나치게 산성이고 지나치게 고온이다. 이스트 기반 효소 반응은, 예를 들면, 통상적으로 약 28℃ 내지 40℃의 온도에서 이루어 지고, 호열성 세균 기반 효소 가수분해는 약 80℃ 정도 높은 온도에서 진행될 수 있으며, 중온 세균(mesophilic bacteria) 기반 효소 가수분해는 약 20℃ 내지 약 45℃의 온도에서 이루어진다.
더욱이, 연속 효소 가수분해에 사용되는 종래의 반응기(주입 흐름 및 배출 흐름이 있으며, 반응 용기가 일정하게 유지되는 공정)는 효소와 슬러리를 혼합하기 위해서 고가이며 강력한 임펠러가 장착된 대형 탱크가 필요하며, 바이오매스의 효소 가수분해 또는 액화는 대형 탱크 내에서 혼합 시 수십 시간(일반적으로 24시간 초과)이 필요하다.
또한, 전처리된 바이오매스를 효소 가수분해에 적합한 온도까지 냉각해야한다. 일례로, 전처리된 바이오매스를, 효소 가수분해의 반응 용기에 진입하기 전에, 전처리 용기의 배출시 높은 온도(예를 들면, 100℃)로부터 실질적으로 냉각 장치 온도(예를 들면, 20℃ 내지 65℃)까지 냉각하는 것이 필요하다.
이러한 다양한 문제점들로 인해, 현재까지 알려진 바이오매스 처리장치에 의하면 바이오매스를 전처리한 후 순차적으로 당화 및 발효하여 유용산물을 높은 효율로 얻는 것이 거의 불가능하였다.
본 발명자들은 바이오매스를 전처리하여 전처리바이오매스를 얻은 후 순차적으로 당화 및 발효시켜 유용산물을 보다 고효율로 얻을 수 있는 기술을 개발함으로써 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 바이오매스를 전처리하여 얻어진 전처리된 바이오매스를 별도로 당화조 등으로 이동시키지 않고 전처리가 수행된 동일한 반응기에서 당화 및 발효시켜 유용산물을 얻을 수 있어 대량으로 바이오매스 처리가 가능할 뿐만 아니라 바이오매스로부터 얻을 수 있는 유용산물을 고효율로 수득할 수 있는 새로운 구조의 다목적 바이오매스처리장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 다목적 바이오매스처리장치를 통해 바이오매스를 처리하여 얻을 수 있는 유용산물인 전처리된 바이오매스, 당화산물 및 발효산물 중 하나 이상을 대량으로 얻을 수 있는 다목적 바이오매스 처리방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 명시적으로 언급되지 않았더라도 후술되는 발명의 상세한 설명의 기재로부터 통상의 지식을 가진 자가 인식할 수 있는 발명의 목적 역시 당연히 포함될 수 있을 것이다.
상술된 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 먼저 본 발명은 바이오매스 및 용매가 투입되어 처리되는 반응기; 상기 반응기와 제1연결부재에 의해 연결되어 상기 반응기에 투입된 용매를 가열 또는 냉각시켜 상기 반응기에 제공하는 열교환기; 상기 반응기 및 열교환기 사이에 설치되어 상기 열교환기에 의해 가열 또는 냉각된 용매를 상기 반응기와 열교환기사이에서 상기 제1연결부재를 따라 순환시키는 순환기; 및 상기 반응기와 제2연결부재에 의해 연결되어 상기 반응기에서 기화된 기체상태의 용매를 포집하고, 포집된 용매를 액화시켜 상기 반응기에 제공하는 냉각기;를 포함하는 다목적 바이오매스처리장치를 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 반응기는 밀폐된 장방형 내부공간을 형성하는 본체; 상기 본체의 상단부 또는 측벽에 설치되어 상기 내부공간을 개폐하는 덮개부; 상기 제1연결부재와 연결되는 제1배출구 및 상기 제2연결부재와 연결되는 제2배출구를 포함하여 상기 본체의 하부 또는 측벽에 형성되는 다수개의 배출구; 상기 제1연결부재와 연결되는 제1주입구 및 상기 제2연결부재와 연결되는 제2주입구를 포함하여 상기 본체의 상부 또는 측벽에 형성되는 다수개의 주입구;를 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 본체는 상기 용매 위로 떠오르는 상기 바이오매스가 상기 용매에 침지된 상태를 유지하도록 상기 내부공간 상에 설치되는 부상방지수단을 더 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 부상방지수단은 상기 본체의 측벽에 지면과 평행하게 돌출되어 일정간격으로 복수개 형성되는 고정부재; 및 상기 고정부재에 탈부착가능하게 상기 내부공간의 수평단면을 커버하도록 고정되는 다공성부재;를 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 부상방지수단은 상기 내부공간의 수평단면과 형상은 동일하고 상기 내부공간에서 상하이동이 가능한 직경을 갖는 크기이며 다공성을 갖는 부상방지부재; 및 그 일단부는 상기 부상방지부재의 상부표면의 중심부에 고정되고 그 타단부는 상기 본체 상단부의 중심측에 고정되어 상기 측벽과 평행하게 상하 방향으로 길이 조절이 가능한 높이조절부재;를 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 반응기에서 상기 제1배출구를 통해 상기 제1연결부재로 배출되는 용매를 여과하는 여과부재를 더 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제1연결부재는 상기 용매를 상기 반응기 외부로 배출시키는 제1배출구와 상기 열교환기를 연결하는 제1관상부재 및 상기 열교환기와 상기 열교환기를 통과한 용매가 상기 반응기로 주입되는 제1주입구를 연결하는 제2관상부재를 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제1관상부재 중 상기 열교환기와 연결되는 부분에 근접하여 설치되어 상기 제1관상부재를 개폐할 수 있는 제1개폐부재를 더 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제1관상부재 중 상기 제1개폐부재가 설치된 부분의 전단에 설치되어 상기 제1관상부재를 통과하는 용매를 외부로 배출시키는 1개 이상의 배출부재를 더 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 배출부재는 상기 제1관상부재를 통과하는 용매 중 당화산물 또는 발효산물을 배출시키는 제1배출부재, 상기 제1관상부재를 통과하는 용매 중 전처리용매를 배출시키는 제2배출부재, 및 상기 제1관상부재를 통과하는 용매 중 세척수를 배출시키는 제3배출부재를 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제1배출부재는 상기 당화산물 또는 발효산물을 수득하는 최종산물회수탱크와 연결되고, 상기 제2배출부재는 상기 전처리용매를 보관하는 전처리용매탱크와 연결되며, 상기 제3배출부재는 상기 세척수를 처리하는 폐기물탱크 또는 정화장치로 연결된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 전처리용매탱크로부터 상기 전처리용매를 상기 제1관상부재를 통해 열교환기로 재전송하는 펌핑수단을 더 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 배출부재는 상기 제1관상부재와 연결되는 관상부재로서 상기 제1관상부재와 인접한 일단부측으로 설치되어 상기 제1관상부재와의 개폐를 조절하는 개폐조절밸브를 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 반응기의 주입구로 연결되어 상기 반응기 내로 세척수를 공급하는 세척수저장탱크 또는 수도관을 더 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 반응기의 주입구로 연결되어 상기 반응기 내로 효소를 공급하는 효소저장탱크 및 완충액을 공급하는 완충액저장탱크를 더 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 반응기의 주입구로 연결되어 상기 반응기 내로 효모를 공급하는 효모저장탱크를 더 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 외부로 배출시키는 제2배출구와 상기 냉각기를 연결하는 제3관상부재 및 상기 냉각기와 상기 냉각기에서 냉각된 용매가 상기 반응기로 주입되는 제2주입구를 연결하는 제4관상부재를 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 반응기에 형성된 배출구 또는 주입구를 통해 배출 또는 유입되는 용매의 출입을 통제하는 유량조절수단이 상기 반응기 외부에서 상기 배출구 또는 주입구와 인접하여 더 설치된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 반응기에 투입된 바이오매스에 따라 반응온도, 용매량, 반응시간을 포함한 바이오매스처리조건이 설정되면, 기 설정조건에 따라 상기 반응기, 열교환기, 순환기, 냉각기, 및 유량조절수단을 포함한 각 구성요소를 제어하여 바이오매스를 처리하는 제어기를 더 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 반응기에 투입된 바이오매스를 처리하여 전처리바이오매스, 바이오매스당화산물 및 바이오매스발효산물 중 하나 이상을 수득한다.
또한, 본 발명은 반응기에 바이오매스 및 전처리용매를 투입하는 단계; 상기 반응기와 열교환기를 연결하는 제1연결부재를 따라 상기 전처리용매를 열교환기로 수송하고 열교환기에서 가열된 전처리용매를 상기 반응기로 재수송하는 순환과정을 통해 반응기 내부의 온도를 반응온도까지 상승시키는 단계; 상기 반응온도에서 상기 바이오매스를 전처리용매로 전처리 반응시키는 전처리단계; 상기 전처리 반응이 종료되면 상기 전처리용매를 상기 반응기의 제1배출구를 통해 배출시켜 전처리용매저장탱크로 회수하는 단계; 및 상기 반응기에서 얻어진 전처리바이오매스를 세척 또는 회수하는 단계;를 포함하는 다목적바이오매스 처리방법을 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 반응기에서 얻어진 전처리바이오매스를 세척하는 단계는, 상기 전처리용매가 모두 배출된 반응기에 세척수를 공급하는 단계; 공급된 세척수를 상기 반응기와 열교환기 사이에서 순환시켜 전처리바이오매스를 세척하는 단계; 및 상기 전처리바이오매스의 세척이 완료되면 상기 세척수를 상기 반응기에서 배출시켜 폐기물탱크 또는 정화정치로 수송하는 단계;를 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 세척된 전처리바이오매스가 존재하는 반응기로 효소 및 완충액을 공급하는 단계; 상기 제1연결부재를 따라 상기 효소 및 완충액를 열교환기로 수송하고 열교환기에서 가열된 효소 및 완충액을 상기 반응기로 재수송하는 순환과정을 통해 반응기 내부의 온도를 반응온도까지 상승시킨 후 상기 반응온도를 유지하면서 상기 전처리바이오매스를 당화반응시키는 단계; 및 상기 당화반응이 완료되면 상기 반응기에서 배출시켜 바이오매스당화산물을 최종산물회수탱크로 수득하는 단계;를 더 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 세척된 전처리바이오매스가 존재하는 반응기로 효소, 완충액 및 효모를 공급하는 단계; 상기 제1연결부재를 따라 상기 효소, 완충액 및 효모 혼합액을 열교환기로 수송하고 열교환기에서 가열된 효소, 완충액 및 효모 혼합액을 상기 반응기로 재수송하는 순환과정을 통해 반응기 내부의 온도를 반응온도까지 상승시킨 후, 상기 반응온도를 유지하면서 상기 전처리바이오매스를 동시당화발효 반응시키는 단계; 및 상기 동시당화발효 반응이 완료되면 상기 반응기에서 배출시켜 바이오매스발효산물을 최종산물회수탱크로 수득하는 단계;를 더 포함한다.
상술된 본 발명의 다목적 바이오매스처리장치에 의하면 바이오매스를 전처리하여 얻어진 전처리된 바이오매스를 별도로 당화조 등으로 이동시키지 않고 전처리가 수행된 동일한 반응기에서 당화 및 발효시켜 유용산물을 얻을 수 있어 대량으로 바이오매스 처리가 가능할 뿐만 아니라 바이오매스로부터 얻을 수 있는 유용산물을 고효율로 수득할 수 있다.
또한, 본 발명의 다목적 바이오매스 처리방법에 의하면, 새로운 구조의 다목적 바이오매스처리장치를 통해 바이오매스를 처리하여 얻을 수 있는 유용산물인 전처리된 바이오매스, 당화산물 및 발효산물 중 하나 이상을 대량으로 얻을 수 있다.
본 발명의 이러한 기술적 효과들은 이상에서 언급한 범위만으로 제한되지 않으며, 명시적으로 언급되지 않았더라도 후술되는 발명의 실시를 위한 구체적 내용의 기재로부터 통상의 지식을 가진 자가 인식할 수 있는 발명의 효과 역시 당연히 포함된다.
도 1은 본 발명의 하나의 일면에 따른 바이오매스 처리를 위한 다목적 바이오매스 처리장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 다목적 바이오매스 처리장치 중 반응기의 구체적인 구현예들이다.
도 3은 도 1에 도시된 다목적 바이오매스 처리장치에서 바이오매스로부터 최종산물로 바이오매스당화산물 또는 바이오매스발효산물을 수득하는 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 4는 도 1에 도시된 다목적 바이오매스 처리장치에서 전처리 반응시 열교환기를 동작시켜 반응기의 온도를 상승시킨 후 서서히 냉각되는 과정을 보여주는 측정그래프이다.
도 5는 도 1에 도시된 다목적 바이오매스처리장치를 이용하여 실시예1과 같이 전처리시 얻어지는 결과 그래프이다.
판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 갖는 통상의 의미와 본 발명의 명세서 전반에 걸쳐 기재된 내용을 토대로 해석되어야 한다. 특히, 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등이 사용되는 경우 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되는 것으로 해석될 수 있다.
이하, 첨부한 도면 및 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 본 발명을 설명하기 위해 사용되는 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
본 발명의 기술적 특징은 바이오매스를 전처리하여 얻어진 전처리된 바이오매스를 별도로 당화조 등으로 이동시키지 않고 전처리가 수행된 동일한 반응기에서 당화 및 발효공정을 수행함으로써 당화산물 및 바이오에탄올을 포함한 발효산물과 같은 바이오매스유래 유용산물을 대량으로 제조할 수 있는 구조를 갖는 다목적 바이오매스처리장치 및 다목적 바이오매스처리방법에 있다.
따라서, 본 발명의 다목적 바이오매스처리장치는 바이오매스 및 용매가 투입되어 처리되는 반응기; 상기 반응기와 제1연결부재에 의해 연결되어 상기 반응기에 투입된 용매를 가열 또는 냉각시켜 상기 반응기에 제공하는 열교환기; 상기 반응기 및 열교환기 사이에 설치되어 상기 열교환기에 의해 가열 또는 냉각된 용매를 상기 반응기와 열교환기사이에서 상기 제1연결부재를 따라 순환시키는 순환기; 및 상기 반응기와 제2연결부재에 의해 연결되어 상기 반응기에서 기화된 기체상태의 용매를 포집하고, 포집된 용매를 액화시켜 상기 반응기에 제공하는 냉각기;를 포함한다.
또한, 본 발명의 다목적바이오매스 처리방법은 반응기에 바이오매스 및 전처리용매를 투입하는 단계; 상기 반응기와 열교환기를 연결하는 제1연결부재를 따라 상기 전처리용매를 열교환기로 수송하고 열교환기에서 가열된 전처리용매를 상기 반응기로 재수송하는 순환과정을 통해 반응기 내부의 온도를 반응온도까지 상승시키는 단계; 상기 반응온도에서 상기 바이오매스를 전처리용매로 전처리 반응시키는 전처리단계; 상기 전처리 반응이 종료되면 상기 전처리용매를 상기 반응기의 제1배출구를 통해 배출시켜 전처리용매저장탱크로 회수하는 단계; 및 상기 반응기에서 얻어진 전처리바이오매스를 세척 또는 회수하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 구체적인 구현예를 도면을 참조하여 구체적으로 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 하나의 일면에 따른 바이오매스 처리를 위한 다목적 바이오매스 처리장치를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 다목적 바이오매스 처리장치 중 반응기의 구체적인 구현예들이며, 도 3은 도 1에 도시된 다목적 바이오매스 처리장치에서 바이오매스로부터 최종산물로 바이오매스당화산물 또는 바이오매스발효산물을 수득하는 과정을 보여주는 흐름도이고, 도 4는 도 1에 도시된 다목적 바이오매스 처리장치에서 전처리반응시 열교환기를 동작시켜 반응기의 온도를 상승시킨 후 서서히 냉각되는 과정을 보여주는 측정그래프이다. 도 5는 도 1에 도시된 다목적 바이오매스처리장치를 이용하여 실시예1과 같이 전처리시 얻어지는 결과 그래프이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 다목적 바이오매스 처리장치(100)는 반응기(110), 열교환기(120), 순환기(130) 및 냉각기(140)를 포함한다. 여기서, 반응기(110)와 열교환기(120)는 제1연결부재(150)를 구성하는 제1관상부재(151) 및 제2관상부재(155)로 연결되고, 반응기(110)와 냉각기(140)는 제2연결부재(160)를 구성하는 제3관상부재(161) 및 제4관상부재(162)에 의해 연결된다. 또한 도시된 바와 같이 반응기(110)로 투입되는 각종 물질을 보관하는 다수개의 탱크가 반응기(110)와 연결되며, 반응기(110)에서 배출되는 서로 다른 배출물을 저장하거나 폐기하기 위한 다수개의 탱크가 제1관상부재(120) 상에 연결되어 설치될 수 있다.
반응기(110)는 바이오매스 및 용매가 투입되어 처리되는 공간을 제공하므로, 바이오매스에 대한 전처리, 당화 및 발효가 일어나는 장소이다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 반응기(110)는 본체(111), 덮개부(112), 배출구, 주입구, 및 여과부재(115)를 포함한다. 특히, 반응기(110)는 일반적으로 알려진 챔버구조일 수 있지만, 본 발명에서는 전처리반응이 대기압에서 진행되므로 고가의 압력용기를 사용할 필요가 없다는 장점이 있다.
본체(111)는 바이오매스에 대한 전처리, 당화 및 발효가 일어날 수 있는 공간을 제공하는 기능을 수행해야 하므로 밀폐된 장방형 내부공간을 형성하기만 하면 공지된 모든 형태의 통형 구조물일 수 있다.
필요한 경우 본체(111)에는 내부공간 상에 설치되는 부상방지수단을 더 포함할 수 있다. 부상방지수단은 용매 위로 떠오르는 바이오매스가 용매에 침지된 상태를 유지하도록 하는 구성요소인데, 일구현예로서 도2a에 도시된 바와 같이, 고정부재(116) 및 다공성부재(117)를 포함하는 부상방지수단이 형성될 수 있다. 고정부재(116)는 다공성부재(117)를 고정하기 위한 구성요소로서 본체(111)의 측벽에 지면과 평행하게 돌출되어 형성되는데, 하부에서 상부로 일정간격으로 다수개 형성되어 다공성부재(117)가 서로 다른 높이를 갖도록 본체(111)의 내부공간 상에 설치될 수 있다. 다공성부재(117)는 고정부재(116)에 탈부착가능하게 고정되어 반응기(110)에서 바이오매스를 전처리, 당화 또는 발효하는 과정에서 바이오매스 등이 상부로 떠오르는 것을 방지하기 위한 구성요소이다. 따라서, 다공성부재(117)는 반응기(110)내에 삽입되어 본체(111)의 내부공간의 수평단면 즉, 내부공간의 측벽에 수직한 단면 전체를 커버하면서 고정부재(116)에 고정될 수 있는 직경을 갖는 다공판 구조이기만 하면 그 형태는 제한되지 않으나, 도 2c에 도시된 바와 같이 타공된 판상구조로서 중간에 1개 이상의 경첩구조를 형성하여 접혀질 수 있고, 중심부에 걸이부가 있어서 덮개부(112)를 통해 바이오매스의 양에 따라 서로 다른 높이를 갖는 고정부재(116)에 부착할 수 있다.
부상방지수단의 또 다른 구현예로서, 도 2b에 도시된 바와 같이 부상방지부재(118) 및 높이조절부재(119)를 포함하는 부상방지수단이 형성될 수 있다. 부상방지부재(118)는 본체(111)의 내부공간의 수평단면과 형상은 동일하고 내부공간에서 상하이동이 가능한 직경을 갖는 크기이며 다공성을 갖는 판형상일 수 있다. 높이조절부재(119)는 부상방지부재(118)가 본체(111)내의 내부공간에 위치하는 높이를 조절하기 위한 것으로, 그 일단부는 부상방지부재(118)의 상부표면의 중심부에 고정되고 그 타단부는 본체(111) 상단부의 중심측에 고정되어 본체(111) 측벽과 평행하게 상하 방향으로 모터와 같은 동력에 의해 길이 조절이 가능한 구조를 갖는 공지된 기술적 구성이 사용될 수 있다. 그 일예로, 높이조절부재(119)로 유압실린더구조가 사용될 수 있을 것이다.
덮개부(112)는 본체(111)의 내부공간에 바이오매스는 물론, 필요한 경우 바이오매스를 전처리, 당화 및 발효시키기 위해 필요한 전처리용매를 포함하여 각종 반응물을 투입할 수 있는 기능을 수행하는 구성요소이다. 따라서, 덮개부(112)는 본체(111)의 내부공간을 개폐할 수 있는 구조이기만 하면 형태의 제한 없이 본체(111)의 상단부 또는 측벽에 설치될 수 있다. 필요한 경우 덮개부(112)는 제어기의 제어에 따라 자동으로 개폐되는 구성으로 구현될 수도 있다.특히, 부상방지수단이 도 2d에 도시된 바와 같이 구현되면, 덮개부(112)는 본체(111)의 하부 측벽 측으로 형성되어 수동으로 반응기(110)의 내부공간으로 바이오매스를 공급할 수도 있고, 필요한 경우 제어부에 의해 자동으로 개폐되는 구조를 갖는 슬라이딩방식으로 형성되어 컨베이어벨트를 통해 바이오매스가 자동으로 공급되는 구조로 구현할 수 있음을 물론이다.
배출구는 반응기(110)내에서 바이오매스를 전처리, 당화 및 발효를 수행하는 과정에서 얻어진 각종 반응물을 반응기(110)외부로 배출하는 기능을 수행하는 구성요소로서, 제1연결부재(150) 중 제1관상부재(151)와 연결되는 제1배출구(113a), 제2연결부재(160) 중 제3관상부재(161)와 연결되는 제2배출구(113b) 및 전처리된 바이오매스를 그대로 배출하는 고체배출구를 포함하여 본체(110)의 하부 또는 측벽에 다수개 형성될 수 있다. 특히, 제1배출구(113a)는 제1연결부재(150)와 연결되어 반응기(110)에 존재하는 용매를 반응기(110)외부로 배출할 수 있는 구성요소이므로 제1배출구(113a)는 본체(110)의 하부에 형성될 수 있을 것이다. 제2배출구(113b)를 통해 제2연결부재(160)로 반응기(110)에서 배출되는 용매는 기화된 상태일 수 있으므로 제2배출구(113b)는 반응기(110)의 측벽 중 상부에 형성될 수 있다. 또한, 반응기(110)에서 전처리, 당화 및 발효 중 하나 이상의 반응이 수행되는 동안 반응기(110)를 밀폐하고, 제1배출구(113a) 또는 제2배출구(113b)를 통해 배출되는 용매의 유량을 조절하기 위해 반응기(110)의 외부측으로 제1연결부재(150)와 인접하여 제1배출구(113a)의 개폐를 통해 유량을 통제하거나, 제2연결부재(160)와 인접하여 제2배출구(113b)의 개폐를 통해 유량을 통제하기 위한 밸브와 같은 유량조절수단(170)이 더 설치될 수 있다.
주입구는 반응기(110)에서 바이오매스에 대해 전처리, 당화 및 발효를 수행하는 과정에서 필요한 물질을 반응기(110) 외부에서 반응기(110) 내부로 주입하는 기능을 수행하는 구성요소로서, 고상물질이 투입되는 덮개부(112)와는 달리 주로 액상 또는 기체상 물질을 반응기(110)내로 도입할 수 있다. 주입구는 제1연결부재(150) 중 제2관상부재(155)와 연결되는 제1주입구(114a), 제2연결부재(160) 중 제4관상부재(162)와 연결되는 제2주입구(114b) 및 전처리, 당화 및 발효공정을 수행하기 위해 필요한 물질을 주입하는 다수의 주입구를 포함하여 본체(110)의 상부 또는 측벽에 다수개 형성될 수 있다. 특히, 제1주입구(114a)는 반응기(110)에서 외부로 배출된 용매가 제1관상부재(151)를 거쳐 열교환기(120)에서 가열 또는 냉각된 상태로 제2관상부재(155)를 거쳐 다시 반응기(110)로 재투입되는 구성요소이다. 제2주입구(114b)는 반응기(110)에서 외부로 배출된 기체상 용매가 제3관상부재(161)를 거쳐 냉각기(140)에서 냉각되어 액상 용매로 전환된 상태로 제4관상부재(162)를 거쳐 다시 반응기(110)로 재투입되는 구성요소이다. 전처리, 당화 및 발효공정을 수행하기 위해 필요한 물질을 주입하는 다수의 주입구는 세척수저장탱크(194) 또는 수도관, 효소저장탱크(195), 완충액저장탱크(196), 효모저장탱크(197)와 각각 연결될 수 있다. 주입구의 경우에도 반응기(110)에서 전처리, 당화 및 발효 중 하나 이상의 반응이 수행되는 동안 반응기(110)를 밀폐하고, 주입구를 통해 주입되는 유량을 조절하기 위해 반응기(110)의 외부측으로 밸브와 같은 유량조절수단(170)이 더 설치될 수 있음을 당연하다.
여과부재(115)는 반응기(110)에서 제1배출구(113a)를 통해 그 외부 즉 제1연결부재(150)로 배출되는 물질을 여과할 수 있는 구성요소로서, 일 구현예로서 여과부재(117)를 통과한 용매만이 반응기(110) 외부인 제1연결부재(150)를 통해 배출되도록 구현될 수 있다. 구체적 구현예로서, 여과부재(115)는 제1배출구(113a) 주변에 설치될 수 있는데, 도 2a에 도시된 바와 같이 여과부재(115)가 제1배출구(113a)에서 일정거리 이격되는 직경을 갖는 형태로 형성되면, 제1배출구(113a)를 통해 배출되는 용매가 정체되지 않도록 할 수 있다. 이와 같이 여과부재(115)가 제1배출구(113a) 주변에 설치되면, 반응기(110)에서 일어나는 바이오매스전처리, 당화 및 발효 공정 수행 중이나 끝난 후에 반응기(110)외부로 배출되는 물질의 순환 시 반드시 여과부재(115)를 통과하게 되므로, 바이오매스 등이 통과하는 것을 방지하여 제1연결부재(150)를 통한 전처리용매 또는 세척수 등의 용매순환을 가능하게 할 뿐만 아니라, 전처리용매회수 또는 최종산물 수득시 불순물이 섞이는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
열교환기(120)는 반응기(110)와 제1연결부재(150)에 의해 연결되어 반응기(110)에 투입된 용매를 가열 또는 냉각시켜 반응기(110)에 제공하는 기능을 수행하는 구성요소이다. 본 발명에서 사용되는 열교환기(120)는 용매가 포함하고 있는 열을 Tube 또는 Plate의 형태를 지닌 전열면을 통해 Cooling Water, Air, 용매 상호간에 열전달을 일으켜 Heating, Cooling, Condensing 등의 기능을 수행하는 공지된 모든 구성의 열교환기가 사용될 수 있으므로 이에 대해서는 자세한 설명을 생략한다.
순환기(130)는 반응기(110) 및 열교환기(120) 사이에 설치되어 열교환기(120)에 의해 가열 또는 냉각된 용매를 반응기(110)와 열교환기(120)사이에서 제1연결부재(150)를 따라 순환시키는 기능을 수행하는 구성요소이다. 이와 같이 본 발명에서 사용되는 순환기(130)는 반응기(110)에서 배출되는 용매를 제1연결부재(150)를 따라 순환시키기 위한 펌핑 수단이므로, 모터와 같이 공지된 구성의 펌핑수단이 사용될 수 있으므로 이에 대해서는 자세한 설명을 생략한다.
냉각기(140)는 반응기(110)와 제2연결부재(160)에 의해 연결되어 반응기(110)에서 기화된 기체상태의 용매를 포집하고, 포집된 용매를 액화시켜 반응기(110)에 제공하는 기능을 수행하는 구성요소로서, 공지된 구성의 냉각장치를 사용할 수 있으므로 이에 대해서도 자세한 설명을 생략한다.
제1연결부재(150)는 상술된 바와 같이 반응기(110)와 열교환기(120)를 연결하여 양자사이에서 용매의 순환이 가능하도록 순환라인을 형성하는 구성요소로서, 제1관상부재(151)와 제2관상부재(155)를 포함한다. 제1관상부재(151)는 용매를 반응기(110) 외부로 배출시키는 제1배출구(113a)와 열교환기(120)를 연결하는 구성요소이고, 제2관상부재(155)는 열교환기(120)와 열교환기(120)를 통과한 용매가 반응기(110)로 주입되는 제1주입구(114a)를 연결하는 구성요소로서, 관상부재이기만 하면 형상이나 길이 재질의 유연성은 제한되지 않고 공지된 기술적 구성을 그대로 필요에 따라 적용가능하다.
이 때, 제1관상부재(151)에는 제1개폐부재(152) 및 배출부재(153)가 설치된다. 제1개폐부재(152)는 제1관상부재(151)가 열교환기(120)와 연결되는 부분에 근접하여 설치되어 제1관상부재(151)를 개폐할 수 있는 구성요소로서, 제1개폐부재(152)를 통해 열교환기(120)로 유입되는 용매의 유량을 조절할 수 있다.
배출부재(153)는 제1연결부재(150) 즉 제1관상부재(151) 중 제1개폐부재(152)가 설치된 부분의 전단에서 제1관상부재(151)와 연결되도록 설치되어 제1관상부재(151)를 통과하는 용매를 외부로 배출시키는 구성요소로서, 1개 이상 형성될 수 있다. 즉, 바이오매스의 전처리, 당화 및 발효과정 중 필요에 따라 제1관상부재(151)를 통과하는 반응기(110)에서 배출된 용매를 포함한 각종 액상물질이 열교환기(120)로 진입하기 전에 제1개폐부재(152)를 폐쇄한 상태에서 다목적 바이오매스 처리장치(100)의 외부로 배출하기 위한 구성요소이기 때문이다.
일 구현예로서 배출부재(153)는 제1관상부재(151)에 거의 수직하게 관통 연결되는 관상부재인 연결관(153a)과 연결관(153a)중 제1관상부재(151)와 인접한 일단부측으로 설치되어 제1관상부재(151)와 연결되는 관통부분과의 개폐를 조절하는 개폐조절밸브(153b)를 포함하는 구성일 수 있다.
구체적인 구현예로서, 배출부재(153)는 도 1에 도시된 바와 같이 제1배출부재(153c), 제2배출부재(153d) 및 제3배출부재(153e)가 순차적으로 형성될 수 있는데, 제1관상부재(151)와 인접하지 않은 타단부에 연결되는 구성요소를 제외하면 제1배출부재(153c), 제2배출부재(153d) 및 제3배출부재(153e)는 모두 연결관(153a)과 개폐조절밸브(153b)를 포함하는 동일한 구성을 가질 수 있다. 여기서, 제1배출부재(153c)는 제1관상부재(151)를 통과하는 용매 중 당화산물 또는 발효산물을 배출시키기 위한 구성요소이므로, 제1관상부재(151)와 인접하지 않은 연결관(153a)의 타단부가 당화산물 또는 발효산물을 수득하는 최종산물회수탱크(191)와 연결될 수 있다. 제2배출부재(153d)는 제1관상부재(151)를 통과하는 용매 중 전처리용매를 배출시키기 위한 구성요소이므로, 제1관상부재(151)와 인접되지 않은 연결관(153a)의 타단부가 전처리용매를 보관하는 전처리용매탱크(192)와 연결될 수 있다. 제3배출부재(153e)는 제1관상부재(151)를 통과하는 용매 중 세척수를 배출시키기 위한 구성요소이므로, 제1관상부재(151)와 인접되지 않은 연결관(153a)의 타단부가 세척수를 처리하는 폐기물탱크(193) 또는 정화장치로 연결될 수 있다.
필요한 경우 도시하지는 않았지만, 전처리용매탱크(192)로부터 회수되어 저장된 전처리용매를 제1관상부재(151)를 통해 열교환기(120)로 재전송하는 펌핑수단을 더 포함할 수도 있다.
제2연결부재(160) 또한 상술된 바와 같이 반응기(110)와 냉각기(140)를 연결하여 양자사이에서 기체상태의 용매를 투입 받아 액체상태로 액화시켜 배출하는 순환이 가능하도록 순환라인을 형성하는 구성요소로서, 제3관상부재(161)와 제4관상부재(162)를 포함한다. 제3관상부재(161)는 기화된 용매를 기체상태로 반응기(110) 외부로 배출시키는 제2배출구(113b)와 냉각기(140)를 연결하는 구성요소이고, 제4관상부재(162)는 냉각기(140)를 통과하여 액화된 액체상태의 용매가 반응기(110)로 주입되는 제2주입구(114b)를 연결하는 구성요소로서, 관상부재이기만 하면 형상이나 길이 재질의 유연성은 제한되지 않고 공지된 기술적 구성을 그대로 필요에 따라 적용가능하다.
상술된 구성요소를 포함하는 다목적 바이오매스처리장치(100)는 반응기(110)에 투입되는 바이오매스의 종류 및 함량에 따라 반응온도, 용매량, 반응시간을 포함한 바이오매스처리조건을 설정하게 되면, 설정된 기 설정조건에 따라 반응기(110), 열교환기(120), 순환기(130), 냉각기(140), 및 유량조절수단(170)을 포함한 각 구성요소를 제어하여 바이오매스를 처리하는 제어기를 더 포함할 수 있다. 그 결과 본 발명의 다목적 바이오매스처리장치(100)는 사용자의 의도에 따라 바이오매스를 전처리, 당화 및 발효 시키는 하나이상의 공정을 수행하도록 제어기를 통해 제어되어, 전처리바이오매스, 바이오매스당화산물 및 바이오매스발효산물 중 하나 이상을 수득할 수 있도록 동작되는데, 이러한 다목적 바이오매스처리장치의 동작은 제어기의 설정에 따라 수동 또는 반자동으로 구현할 수도 있지만, 완전자동으로도 구현이 가능하다.
상술된 구성을 갖는 다목적 바이오매스처리장치를 이용하여 바이오매스로부터 전처리바이오매스, 바이오매스당화산물 및 바이오매스발효산물을 수득할 수 있는 다목적바이오매스 처리방법에 대해 살펴본다.
도 3에 도시된 바와 같이, 반응기(110)에 바이오매스 및 전처리용매를 투입한다(S1). 반응기(110)에 바이오매스 및 전처리용매 투입은 수동으로 이루어질 수도 있지만, 제어기의 제어에 의해 반응기(110)의 덮개부(112)가 열리고 덮개부(112) 외측으로 연결된 컨베이어벨트를 통해 바이오매스가 반응기(110)내로 투입되고, 순환기(130) 및/또는 펌핑수단(154)이 동작되어 전처리용매탱크(192)에 저장된 전처리용매가 제1연결부재(150)를 통해 제1주입구(114a)를 거쳐 반응기(110)로 투입될 수 있다. 여기서, 전처리 용매는 카르복실산 및 과산화수소수를 포함하는데, 예를 들어 카르복실산과 과산화수소수가 0.5 ~ 7:1의 몰비로 포함되는 것일 수 있다. 이 때 카르복실산은 순도가 99%이상이고, 과산화수소수는 농도가 20중량%이상일 수 있다.
반응기(110)에 투입된 전처리용매를 반응기(110)와 열교환기(120)를 연결하는 제1연결부재(150)를 따라 순환기(130)의 동력을 이용하여 열교환기(120)로 수송하고 열교환기(120)에서 가열된 전처리용매를 반응기(110)로 재수송하는 순환과정을 통해 반응기 내부의 온도를 80도 내지 100도 범위의 전처리 반응온도까지 상승시키는 단계를 수행한다(S2). 즉, 도 4에 도시된 바와 같이 열교환기를 통해 2-3분씩 간헐적으로 전처리용매를 가열하여 2 내지 6회 순환시키게 되면 약 30분 이내에 반응온도에 도달하게 된다.
반응기(110) 내부가 전처리반응온도에 이르게 되면 전처리용매가 더 이상 순환되지 않도록 제1연결부재(150)와 연결되는 제1배출구(113a) 및 제1주입구(114a)에 인접하여 설치된 유량조절수단(170)을 폐쇄하고, 반응기(110)내에서 바이오매스와 가열된 전처리용매가 반응하여 바이오매스에 포함된 효소 당화의 저해요소인 리그닌이 효과적으로 제거되는 전처리단계가 수행된다(S3). 전처리 반응단계는 발열반응이므로 전처리용매가 순환하지 않더라도 반응기(110)내부의 온도가 반응온도를 유지할 수 있다. 이 때 반응기(110)에서 기화된 전처리용매는 제2연결부재(160)의 제3관상부재(161)를 통해 냉각기(140)로 포집된 후 냉각되어 액체상태로 제4관상부재(162)를 통해 반응기(110)로 재투입된다.
전처리반응이 종료되면 제1연결부재(150)에 설치된 제1개폐부재(152 그림에 누락되어 있음)를 통해 제1연결부재를 폐쇄한 다음, 제1배출구(113a)에 인접하여 설치된 유량조절수단(170)을 열어서 반응기(110)로부터 전처리용매를 배출시켜 전처리용매를 제2배출부재(153d)를 통해 전처리용매탱크(192)로 회수할 수 있다(S4).
이와 같이 전처리용매가 회수되면 반응기(110)에는 전처리 바이오매스만이 남게 되므로, 반응기(110)에서 얻어진 전처리바이오매스를 세척 또는 회수하는 단계를 수행할 수 있다(S5). 즉 반응기(110)에서 얻어진 전처리바이오매스를 그대로 반응기(110)외부로 배출시켜 전처리바이오매스를 회수하거나, 당화 및/또는 발효공정을 수행하기 위해 전처리 바이오매스를 세척할 필요가 있으므로, 반응기(110)에서 세척된 전처리바이오매스의 당화 및/또는 발효공정을 더 수행시킬 수도 있다. 필요한 경우 반응기(110)에서 전처리바이오매스를 세척하여 세척된 전처리바이오매스를 반응기(110)외부로 배출시켜 회수할 수도 있을 것이다. 세척 단계를 살펴보면, 세척수를 반응기(110)에 투입하여 열교환기(120)로 순환기(130)의 동력을 이용하여 순환시켜 전처리바이오매스를 세척하고 반응기의 온도를 낮추게 된다. 보다 구체적으로는 반응기(110)에 형성된 배출구 및 주입구 중 세척수저장탱크(194) 또는 수도관이 연결된 주입구를 제외한 나머지 배출구 및 주입구는 닫고, 세척수저장탱크(194) 또는 수도관이 연결된 주입구만 그 외부에 인접하여 형성된 유량조절밸브(170)를 통해 개방하여 반응기(110)내로 세척수를 필요한 양만큼 투입한 후 유량조절밸브(170)를 닫는다. 그 후 제1배출구(113a) 및 제1주입구(114a)를 개방한 다음 순환기(130)를 동작시키면, 제1배출구(113a)를 통해 반응기(110)에서 배출된 세척수가 제1연결부재(150)를 따라 이동하면서 열교환기(120)를 거쳐 제1주입구(114a)를 통해 반응기(110) 주입되는 세척수 순환과정을 통해 전처리 바이오매스가 세척된다. 세척이 종료되면 제1배출구(113a)를 닫은 상태로 제1연결부재에 흐르는 모든 세척수를 제1주입구(114a)를 통해 반응기(110)로 모두 회수시킨 후 제1주입구(114a) 및 제1개폐부재(152)를 닫은 후 제1배출구(113a)를 개방하여 전처리 바이오매스를 세척한 세척수를 제3배출부재(153e)를 통해 폐기물탱크(193) 또는 정화조로 폐기한다. 필요에 따라 이와 같이 진행되는 전처리 바이오매스의 세척단계(S5)는 1회 이상 수행될 수 있다.
전처리바이오매스에 대한 세척이 완료되면, 반응기(110)에서 세척된 전처리바이오매스에 대한 당화반응을 수행한다(S6). 즉, 세척된 전처리바이오매스가 존재하는 반응기(110)로 효소저장탱크 및 완충액저장탱크와 연결된 주입구에 인접하게 외부에 설치된 유량조절밸브(170)를 열어서 효소 및 완충액을 반응기에 공급한다. 공급된 효소와 완충액을 반응온도로 가열하기 위해 제1배출구(113a) 및 제1주입구(114a)를 열고 순환기(130)를 동작시켜 제1연결부재(150)를 따라 효소 및 완충액을 열교환기로 수송하고 열교환기에서 가열된 효소 및 완충액을 반응기(110)로 재수송하는 순환과정을 통해 반응기 내부의 온도를 반응온도까지 상승시킨 후, 지속적인 순환을 통해 반응온도를 유지하면서 전처리바이오매스를 당화반응시킨다. 당화반응이 완료되면 반응기(110)의 제1배출구(113a)를 닫은 후, 제1연결부재(150)를 흐르는 효소, 완충액 및 바이오매스당화산물이 포함된 혼합액이 제1주입구(114a)를 통해 모두 반응기(110)로 주입되게 한 후 제1주입구(114a)를 닫고, 제1개폐부재(152)를 폐쇄한 다음 제1배출구(113a)를 열어서 제1배출부재(151c)를 통해 최종산물수득탱크로 최종산물을 회수하여 바이오매스당화산물을 수득할 수 있다.
경우에 따라서는, 전처리바이오매스에 대한 세척이 완료되면, 반응기(110)에서 세척된 전처리바이오매스에 대한 동시당화발효반응을 수행할 수 있다(S7). 동시당화발효반응은 상술된 당화반응에서 세척된 전처리바이오매스가 존재하는 반응기(110)로 효소저장탱크 및 완충액저장탱크와 연결된 주입구에 인접하게 외부에 설치된 유량조절밸브(170)를 열어서 효소 및 완충액을 반응기(110)에 공급할 때, 효모저장탱크와 연결된 주입구에 인접하게 외부에 설치된 유량조절밸브(170)도 열어서 효모도 반응기(110)에 동시에 공급하는 것 및 반응온도를 당화온도(약 35도)가 아니라 동시당화발효온도(약 40도)로 달리 설정한 것을 제외하면 상술된 단계를 그대로 수행하여 최종산물수득탱크로 최종산물을 회수하여 바이오매스발효산물을 수득할 수 있다.
실시예 1
바이오매스로 상수리나무 칩 20kg과 전처리용매 80.9kg을 다목적 바이오매처리장치의 반응기에 투입하고 도 5에 도시된 바와 같이 2시간 이내로 전처리반응을 수행하여 전처리바이오매스1을 43.0kg(함수율 71.0%) 얻었다. 이때 바이오매스 회수율은 62.4%였다.
실시예 2
바이오매스로 소나무칩 20kg과 전처리용매 80.9kg을 다목적 바이오매처리장치의 반응기에 투입하고 2시간 30분 동안 전처리반응을 수행하여 전처리바이오매스2를 53.1kg(함수율 74.1%) 얻었다. 이 때 바이오매스 회수율은 68.7%였다.
실시예 3
바이오매스로 볏짚 20kg과 전처리용매 80.9kg을 다목적 바이오매처리장치의 반응기에 투입하고 2시간 30분 동안 전처리반응을 수행하여 전처리바이오매스3을 65.3kg(함수율 76.6%) 얻었다. 이 때 바이오매스 회수율은 76.4%였다.
실험예 1
실시예 1 내지 3에서 얻어진 전처리 바이오매스1 내지 3의 화학성분을 분석하고 그 결과를 표 1에 나타내었다.
% Glucose Xylose Mannose Arabinose Lignin Ash
실시예1 63.5 21.5 2.0 0.3 5.2 0.2
실시예2 74.0 7.2 12.4 0.4 0.9 0.1
실시예3 47.1 28.0 0.2 0.4 1.9 0.2
표 1로부터 본 발명의 다목적 바이오매스처리장치에 목본계는 물론 초본계 바이오매스를 투입하여 전처리가 수행된 후 얻어진 전처리 바이오매스에서 리그닌의 함량이 적어서 바이오매스에서 효소당화를 저해하는 리그닌이 거의 제거되었음을 알 수 있다.
실시예 4
실시예 1에서 얻어진 전처리 바이오매스1을 세척한 다음, 반응기에 효소 및 완충액을 투입한 후 당화공정을 수행하여 효소가수분해 당화액1을 얻었다. 이때 효소 투입량은 셀룰라아제 10 FPU/g biomass와 자일란아제 200 IU/g biomass로 처리하였다.
실시예 5
실시예 2에서 얻어진 전처리 바이오매스2를 사용한 것을 제외하면 실시예 4와 동일한 방법을 수행하여 효소가수분해 당화액2를 얻었다.
실시예 6
실시예 3에서 얻어진 전처리 바이오매스3을 사용한 것을 제외하면 실시예 4와 동일한 방법을 수행하여 효소가수분해 당화액3을 얻었다.
실험예 2
실시예 4 내지 6에서 얻어진 효소가수분해액 1 내지 3에 함유된 바이오슈가 함량을 분석하여 그 결과를 표 2에 나타내었다.
kg Glucose Xylose
실시예4 7.1 2.0
실시예5 9.0 1.1
실시예6 5.5 2.1
실시예 7
실시예 1에서 얻어진 전처리 바이오매스1을 세척한 다음, 반응기에 효소, 완충액 및 효모를 투입한 후 동시당화공정을 수행하여 동시당화발효액1을 얻었다. 이때 효소 투입량은 셀룰라아제 10 FPU/g biomass와 자일란아제 200 IU/g biomass로 처리하였고, 효모는 전배양액을 전체 동시당화발효액의 10%를 첨가하였다.
실시예 8
실시예 2에서 얻어진 전처리 바이오매스2를 사용한 것을 제외하면 실시예 7과 동일한 방법을 수행하여 동시당화발효액2를 얻었다.
실시예 9
실시예 3에서 얻어진 전처리 바이오매스3을 사용한 것을 제외하면 실시예 7과 동일한 방법을 수행하여 동시당화발효액3을 얻었다.
실험예 3
실시예 7 내지 9에서 얻어진 동시당화발효액 1 내지 3에서 얻어진 바이오에탄올의 함량을 분석하여 그 결과를 표 3에 나타내었다.
% Bio-ethanol (L)
실시예7 4.4
실시예8 5.7
실시예9 3.4
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims (24)

  1. 바이오매스 및 용매가 투입되어 처리되는 반응기;
    상기 반응기와 제1연결부재에 의해 연결되어 상기 반응기에 투입된 용매를 가열 또는 냉각시켜 상기 반응기에 제공하는 열교환기;
    상기 반응기 및 열교환기 사이에 설치되어 상기 열교환기에 의해 가열 또는 냉각된 용매를 상기 반응기와 열교환기사이에서 상기 제1연결부재를 따라 순환시키는 순환기; 및
    상기 반응기와 제2연결부재에 의해 연결되어 상기 반응기에서 기화된 기체상태의 용매를 포집하고, 포집된 용매를 액화시켜 상기 반응기에 제공하는 냉각기;를 포함하는 다목적 바이오매스처리장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응기는 밀폐된 장방형 내부공간을 형성하는 본체; 상기 본체의 상단부 또는 측벽에 설치되어 상기 내부공간을 개폐하는 덮개부; 상기 제1연결부재와 연결되는 제1배출구 및 상기 제2연결부재와 연결되는 제2배출구를 포함하여 상기 본체의 하부 또는 측벽에 형성되는 다수개의 배출구; 상기 제1연결부재와 연결되는 제1주입구 및 상기 제2연결부재와 연결되는 제2주입구를 포함하여 상기 본체의 상부 또는 측벽에 형성되는 다수개의 주입구;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다목적 바이오매스처리장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 본체는 상기 용매 위로 떠오르는 상기 바이오매스가 상기 용매에 침지된 상태를 유지하도록 상기 내부공간 상에 설치되는 부상방지수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다목적 바이오매스 처리장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 부상방지수단은 상기 본체의 측벽에 지면과 평행하게 돌출되어 일정간격으로 복수개 형성되는 고정부재; 및 상기 고정부재에 탈부착가능하게 상기 내부공간의 수평단면을 커버하도록 고정되는 다공성부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다목적 바이오매스처리장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 부상방지수단은 상기 내부공간의 수평단면과 형상은 동일하고 상기 내부공간에서 상하이동이 가능한 직경을 갖는 크기이며 다공성을 갖는 부상방지부재; 및 그 일단부는 상기 부상방지부재의 상부표면의 중심부에 고정되고 그 타단부는 상기 본체 상단부의 중심측에 고정되어 상기 측벽과 평행하게 상하 방향으로 길이 조절이 가능한 높이조절부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다목적 바이오매스처리장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 반응기에서 상기 제1배출구를 통해 상기 제1연결부재로 배출되는 용매를 여과하는 여과부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다목적 바이오매스처리장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1연결부재는 상기 용매를 상기 반응기 외부로 배출시키는 제1배출구와 상기 열교환기를 연결하는 제1관상부재 및 상기 열교환기와 상기 열교환기를 통과한 용매가 상기 반응기로 주입되는 제1주입구를 연결하는 제2관상부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 다목적 바이오매스처리장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1관상부재 중 상기 열교환기와 연결되는 부분에 근접하여 설치되어 상기 제1관상부재를 개폐할 수 있는 제1개폐부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다목적 바이오매스처리장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제1관상부재 중 상기 제1개폐부재가 설치된 부분의 전단에 설치되어 상기 제1관상부재를 통과하는 용매를 외부로 배출시키는 1개 이상의 배출부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다목적 바이오매스처리장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 배출부재는 상기 제1관상부재를 통과하는 용매 중 당화산물 또는 발효산물을 배출시키는 제1배출부재, 상기 제1관상부재를 통과하는 용매 중 전처리용매를 배출시키는 제2배출부재, 및 상기 제1관상부재를 통과하는 용매 중 세척수를 배출시키는 제3배출부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 다목적 바이오매스처리장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제1배출부재는 상기 당화산물 또는 발효산물을 수득하는 최종산물회수탱크와 연결되고, 상기 제2배출부재는 상기 전처리용매를 보관하는 전처리용매탱크와 연결되며, 상기 제3배출부재는 상기 세척수를 처리하는 폐기물탱크 또는 정화장치로 연결되는 것을 특징으로 하는 다목적 바이오매스처리장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 전처리용매탱크로부터 상기 전처리용매를 상기 제1관상부재를 통해 열교환기로 재전송하는 펌핑수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다목적 바이오매스처리장치.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 배출부재는 상기 제1관상부재와 연결되는 관상부재로서 상기 제1관상부재와 인접한 일단부측으로 설치되어 상기 제1관상부재와의 개폐를 조절하는 개폐조절밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 다목적 바이오매스처리장치.
  14. 제 2 항에 있어서,
    상기 반응기의 주입구로 연결되어 상기 반응기 내로 세척수를 공급하는 세척수저장탱크 또는 수도관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오매스유래 유용산물제조용 다목적 바이오매스처리장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응기의 주입구로 연결되어 상기 반응기 내로 효소를 공급하는 효소저장탱크 및 완충액을 공급하는 완충액저장탱크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오매스유래 유용산물제조용 다목적 바이오매스처리장치.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응기의 주입구로 연결되어 상기 반응기 내로 효모를 공급하는 효모저장탱크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오매스유래 유용산물제조용 다목적 바이오매스처리장치.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2연결부재는 상기 반응기에서 기화된 용매를 상기 반응기 외부로 배출시키는 제2배출구와 상기 냉각기를 연결하는 제3관상부재 및 상기 냉각기와 상기 냉각기에서 냉각된 용매가 상기 반응기로 주입되는 제2주입구를 연결하는 제4관상부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 다목적 바이오매스처리장치.
  18. 제 1 항 내지 제 17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응기에 형성된 배출구 또는 주입구를 통해 배출 또는 유입되는 용매의 출입을 통제하는 유량조절수단이 상기 반응기 외부에서 상기 배출구 또는 주입구와 인접하여 더 설치되는 것을 특징으로 다목적 바이오매스처리장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 반응기에 투입된 바이오매스에 따라 반응온도, 용매량, 반응시간을 포함한 바이오매스처리조건이 설정되면, 기 설정조건에 따라 상기 반응기, 열교환기, 순환기, 냉각기, 및 유량조절수단을 포함한 각 구성요소를 제어하여 바이오매스를 처리하는 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다목적 바이오매스처리장치.
  20. 제 1 항 내지 제 17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응기에 투입된 바이오매스를 처리하여 전처리바이오매스, 바이오매스당화산물 및 바이오매스발효산물 중 하나 이상을 수득하는 것을 특징으로 하는 다목적 바이오매스처리장치.
  21. 반응기에 바이오매스 및 전처리용매를 투입하는 단계;
    상기 반응기와 열교환기를 연결하는 제1연결부재를 따라 상기 전처리용매를 열교환기로 수송하고 열교환기에서 가열된 전처리용매를 상기 반응기로 재수송하는 순환과정을 통해 반응기 내부의 온도를 반응온도까지 상승시키는 단계;
    상기 반응온도에서 상기 바이오매스를 전처리용매로 전처리 반응시키는 전처리단계;
    상기 전처리 반응이 종료되면 상기 전처리용매를 상기 반응기의 제1배출구를 통해 배출시켜 전처리용매저장탱크로 회수하는 단계; 및
    상기 반응기에서 얻어진 전처리바이오매스를 세척 또는 회수하는 단계;를 포함하는 다목적바이오매스 처리방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 반응기에서 얻어진 전처리바이오매스를 세척하는 단계는,
    상기 전처리용매가 모두 배출된 반응기에 세척수를 공급하는 단계;
    공급된 세척수를 상기 반응기와 열교환기 사이에서 순환시켜 전처리바이오매스를 세척하는 단계; 및
    상기 전처리바이오매스의 세척이 완료되면 상기 세척수를 상기 반응기에서 배출시켜 폐기물탱크 또는 정화정치로 수송하는 단계;를 포함하는 다목적바이오매스 처리방법.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 세척된 전처리바이오매스가 존재하는 반응기로 효소 및 완충액을 공급하는 단계;
    상기 제1연결부재를 따라 상기 효소 및 완충액을 열교환기로 수송하고 열교환기에서 가열된 효소 및 완충액을 상기 반응기로 재수송하는 순환과정을 통해 반응기 내부의 온도를 반응온도까지 상승시킨 후 상기 반응온도를 유지하면서 상기 전처리바이오매스를 당화반응시키는 단계; 및
    상기 당화반응이 완료되면 상기 반응기에서 배출시켜 바이오매스당화산물을 최종산물회수탱크로 수득하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다목적바이오매스 처리방법.
  24. 제 21 항에 있어서,
    상기 세척된 전처리바이오매스가 존재하는 반응기로 효소, 완충액 및 효모를 공급하는 단계;
    상기 제1연결부재를 따라 상기 효소, 완충액 및 효모 혼합액을 열교환기로 수송하고 열교환기에서 가열된 효소, 완충액 및 효모 혼합액을 상기 반응기로 재수송하는 순환과정을 통해 반응기 내부의 온도를 반응온도까지 상승시킨 후, 상기 반응온도를 유지하면서 상기 전처리바이오매스를 동시당화발효 반응시키는 단계; 및
    상기 동시당화발효 반응이 완료되면 상기 반응기에서 배출시켜 바이오매스발효산물을 최종산물회수탱크로 수득하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다목적바이오매스 처리방법.
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