KR20100032242A - 바이오매스의 분별 당화 공정 및 그 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 바이오매스의 분별 당화 공정 및 그 장치에 관한 것이다.
본 발명의 분별 당화 공정은 마일드한 조건에서부터 가혹한 조건으로 여러 단계에 걸쳐 당화 반응을 수행하고 각 단계에서 생성된 액체 생성물을 다음 단계의 당화가 수행되기 전에 분리 회수하므로 생성물의 분해가 적고, 가혹한 조건으로반응을 진행시킬 수 있으므로 미반응물이 최소화되어 당화 수율이 향상된다.
상기 분별 당화 공정을 위한 장치는 여러 단계에 걸쳐 당화가 수행될 수 있도록 적어도 하나 이상의 촉매 저장고를 포함하고 있으며 반응기에 분리막이 장착되어 있어 각 단계마다 생성물을 분리하여 회수할 수 있다. 또한, 산 또는 염기 촉매에 의한 당화와 효소에 의한 당화가 동일 장치에서 단계별로 진행될 수도 있다.
바이오매스, 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌, 분별 당화
Description
본 발명은 바이오매스의 분별 당화 공정 및 그 장치에 관한 것으로 구체적으로는, 섬유소계 바이오매스를 조건을 달리하여 단계별로 당화공정을 수행하여 미반응 물질, 생성물의 분해 및 부산물을 최소화하여 수율을 향상시키는 바이오매스의 분별 당화 공정 및 이를 위한 장치에 관한 것이다.
바이오매스란 열분해 및 발효되어 메탄, 에탄올, 수소와 같은 연료를 만들어 지속가능한 에너지를 생산해내는 생물체를 총칭하는 것이다.
특히, 섬유소계 바이오매스는 재활용의 가능성이 높고 그 풍부한 자원량으로 인하여 가까운 미래에 화석계 연료를 대체할 수 있는 바이오 자원으로 주목받고 있다. 섬유소계 바이오매스는 풀 또는 나무와 같이 셀룰로오스(cellulose), 헤미셀룰로오스(hemicellulose), 리그닌(lignin)의 3성분을 주로 하는 식물체를 말하며, 지구상의 유기물중에서 가장 많이 그리고 가장 널리 분포되고 있다.
섬유소계 바이오매스를 에너지원으로 이용하기 위한 시도중의 하나로 섬유소계 바이오매스를 원료로 하여 바이오 에탄올을 제조하려는 연구가 진행되고 있다. 섬유소계 바이오매스를 에탄올 연료로 이용하기 위해서는 셀룰로오스 등의 중합체를 당으로 전환하는 당화공정이 필수적이다.
종래기술로 효소를 이용한 당화공정은 효소가 분해하기 어려운 헤미셀룰로오스를 분리해내고 셀룰로오스 등은 당화효소에 의해 당으로 전환시키는 것이다. 효소는 기질에 대한 선택 특이성이 매우 높은 촉매로서 부산물들의 생성이 적어 잔류물 처리비용을 격감시킬 수 있다. 또한, 적은 양의 효소로도 촉매반응이 가능하다는 장점이 있다. 그러나, 상기 효소를 이용한 공정은 고온에서 진행될 수 없으므로 가수분해 반응이 느리며, 공정을 위해 효소를 생산해야 하므로 고비용이 소모된다. 또한, 효소가 효과적으로 섬유소에 접근하여 분해할 수 있도록 바이오매스 전처리 공정이 필수적이다.
이외에도, 셀룰로오스나 헤미셀룰로오스를 산으로 탈결정화 및 가수분해하는 것과 가수분해물을 당과 산으로 분리하는 기술이 공지되어 있다. 미국특허 US-A-4 427,584는 결정성 α-셀룰로오스가 탈결정화 되도록 결정성 α-셀룰로오스를 액체 또는 기체상 삼산화황으로 무정형 α-셀룰로오스로 변환시키고, 이어서 처리된 섬유를 가수분해하여 당을 생성하는 방법을 기재하고 있다.
그러나, 상기의 방법들은 시장성 없는 부산물의 생성이 수반되며, 부산물이 발효공정에서 독성으로 작용할 가능성이 있고, 헤미셀룰로오스를 가수분해시키는 과정에서 먼저 생성된 당의 분해가 수반되므로 당화 수율이 낮다는 문제점이 있다.
상기의 문제점을 해결하고자 본 발명의 목적은 반응조건을 달리하여 여러 단계로 바이오매스를 당으로 전환시키는 분별 공정을 통하여 이미 생성된 당의 분해 및 부산물의 생성을 방지하고 미반응물을 최소화하여 당화 수율을 향상시키는 바이오매스의 분별 당화 공정 및 그 장치를 제공하는 데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명은,
바이오매스를 반응기에 투입하는 바이오매스 투입 단계(S1);
상기 바이오매스가 투입된 반응기를 일정 온도로 예열하는 예열 단계(S2);
상기 일정 온도로 예열된 반응기에 촉매 저장고로부터 일정량의 촉매를 투입하는 촉매 투입 단계(S3);
일정 시간동안 상기 반응기내에서 바이오매스와 상기 S3단계에서 투입된 촉매를 반응시키는 당화 단계(S4); 및
상기 반응후 생성된 액체 생성물을 분리 배출하는 생성물 회수 단계(S5); 및
회수하고자 하는 당의 종류에 따라 상기 온도, 촉매 또는 시간을 변화시켜 상기 S2 내지 S5 단계를 반복하는 반복 단계를 포함하는 바이오매스의 분별 당화 공정을 제공한다.
상기 촉매 투입 단계전에 반응기내의 바이오매스를 전처리하여 당화반응을 용이하게 하는 전처리 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 전처리 단계는 팽윤제로 바이오매스를 처리하여 당화 단계에서 바이오 매스의 분해를 용이하게 하는 것일 수 있다.
상기 전처리 단계는 염기 촉매를 투입하여 리그닌을 제거하는 탈리그닌 공정일 수 있다.
상기 생성물 회수 단계전에 반응기 내부의 반응물을 압축하여 액체 생성물이 바이오매스로부터 분리되도록 하는 압축 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 생성물 회수 단계전에 교반부를 이용하여 반응기 전체를 회전시켜 액체 생성물이 분리막을 통해 바이오매스와 분리되도록 하는 원심분리 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 생성물 회수단계 전에 생성물을 냉각시켜 생성물의 분해를 막는 냉각 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 촉매는 바이오매스 질량(g)과 촉매 부피(ml)의 비율이 1:4 내지 1:8 이 되도록 투입될 수 있다.
상기 분별 당화 공정은 초기 생성물은 자일로스이고 마지막 생성물은 글루코스일 수 있다.
상기 바이오매스는 섬유소계 바이오매스일 수 있다.
상기 촉매는 산, 염기, 물 및 효소로 이루어진 군으로부터 선택된 단독 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
본 발명의 다른 목적을 달성하고자 본 발명은,
바이오매스가 처리되는 반응기;
상기 반응기와 공급관으로 연결되고 상기 반응기에 투입되는 촉매를 저장하는 촉매 저장고;
상기 촉매 저장고 및 상기 반응기와 연결되고 반응기에 일정량의 촉매를 공급하는 공급관; 및
상기 공급관과 연결되고 상기 반응기의 유입구 상부에 위치하는 반응기에 투입되는 촉매의 온도를 조절하는 열교환기를 포함하는 바이오매스 분별 당화 장치를 제공한다.
상기 반응기는 반응기의 상부에 위치하며 반응기 내부로 촉매가 투입되도록 하는 유입구;
상기 반응기 외부를 둘러싸고 용매의 유입 및 유출구가 구비된 반응기의 온도를 조절하는 용매자켓;
상기 반응기의 상부와 연결되며 반응기 내부의 기체를 배출하는 벤트;
상기 벤트에 연결되어 벤트와 동일한 관으로 반응기 상부로 연결되는 기체 공급관;
상기 반응기 내부에 위치하며 반응기 상부로부터 2/3 지점 이하에 위치하여 반응생성물과 바이오매스를 분리하는 분리막;
상기 반응기의 외부와 연결되며 반응기를 회전, 상하, 좌우, 사선 방향으로 운동하게 하여 반응기 내부의 바이오매스와 원료를 혼합시키는 교반부; 및
상기 반응기의 하부에 위치하며 생성물을 배출하는 배출구를 포함할 수 있다.
상기 반응기는 지지대의 말단에 판이 달린 형상으로 반응기의 상부에 부착되어 상하로 이동이 가능한 압축기를 더 포함할 수 있다.
상기 촉매 저장고는 상기 촉매 저장고의 상부에 위치하며 촉매를 일정량으로 배출시키는 유량계 또는 로드 셀(load cell); 상기 촉매 저장고의 상부와 연결되며 촉매 저장고 내부의 기체를 배출하는 벤트; 상기 벤트와 연결되며 벤트와 동일한 관으로 상기 촉매 저장고의 상부로 연결되는 기체공급관; 및 상기 촉매 저장고의 하부에 위치하며 촉매를 배출하는 배출구를 포함할 수 있다.
상기 촉매 저장고는 촉매, 팽윤제, 계면활성제등의 용매를 저장할 수 있다.
본 발명의 다른 목적을 위하여 본 발명은,
바이오매스가 처리되는 반응기;
상기 반응기와 공급관으로 연결되고 상기 반응기에 투입되는 원료를 저장하는 촉매 저장고; 및
상기 촉매 저장고 및 반응기와 연결되고 반응기에 일정량의 촉매를 공급하는 공급관; 을 포함하고,
상기 촉매 저장고는 상기 촉매 저장고의 외부를 둘러싸고 용매의 유입구와 유출구가 형성되어 있어 상기 촉매 저장고의 온도를 조절하는 용매자켓; 상기 촉매 저장고의 상부에 위치하며 촉매를 일정량으로 배출시키는 유량계 또는 로드 셀(load cell); 상기 촉매 저장고의 상부와 연결되며 촉매 저장고 내부의 기체를 배출하는 벤트; 상기 벤트와 연결되며 벤트와 동일한 관으로 상기 촉매 저장고의 상부로 연결되는 기체 공급관; 및 상기 촉매 저장고의 하부에 위치하며 촉매를 배출하는 배출구를 포함하는 바이오매스 분별 당화 장치를 제공한다.
본 발명의 바이오매스 분별 당화 공정 및 장치를 이용할 경우 다음 단계의 당화공정이 진행되기 전에 원하는 생성물을 분리하여 회수할 수 있다. 생성물의 분해가 적으므로 생성물의 분해로 생긴 부산물이 에탄올 생성을 위한 발효공정에서 독성으로 작용할 염려가 적다. 또한, 생성물 분해의 염려가 없어 더 가혹한 조건에서 반응을 시킬 수 있는 바, 미반응물이 최소화되어 당화수율이 향상된다.
또한, 산 또는 염기 촉매와 효소를 별도로 반응기에 투입할 수 있어 산, 염기에 의한 당화반응 후에 효소에 의한 당화반응을 진행할 수도 있어 당화수율이 향상된다.
반드시 효소에 의한 당화공정을 거칠 필요없이 산, 염기 촉매에 의한 단계적당화도 가능하므로 전처리 과정을 거치지 않아도 되고, 효소생산 공정이 필요없어 비용면에서도 경제적이며, 공정이 간편하다. 또한, 산 또는 염기 촉매만으로 당화를 진행시키는 경우 효소 공정에 비해 당화가 빠른 시간내에 진행될 수 있다.
종래 회분식 반응기의 경우 바이오매스와 촉매와의 혼합문제로 과량의 촉매를 투입하여 분리 및 농축의 어려움이 있었으나, 본 발명은 반응기 전체를 운동시키는 교반부를 포함하므로 투입되는 촉매의 양을 줄일 수 있다.
따라서, 본 발명의 공정 및 장치는 풍부한 자원인 섬유소계 바이오매스를 이용하여 화석연료를 대체할 대체에너지를 마련하는데 기여한다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 바이오매스의 분별 당화 공정도를 나타낸 그림이다.
도 1을 참조하면 본 발명의 바이오매스 분별 당화 공정은 바이오매스 투입 단계(S1); 반응기 예열 단계(S2); 촉매 투입 단계(S3); 당화 단계(S4); 생성물 회수 단계(S5); 및 S2 내지 S5의 반복 단계(S6)를 포함한다.
본 발명의 바이오매스 분별 당화 공정은 상기 촉매 투입 단계전에 전처리 단계를 포함할 수 있으며, 상기 생성물 회수 단계전에 압축 단계 또는 원심분리 단계를 더 포함할 수 있다. 또한, 생성물 회수 단계전에 생성물 냉각 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 당화 공정은 비교적 마일드한 조건에서부터 당화를 시작하여 액체 생성물을 분리한 뒤, 촉매의 종류 및 반응 조건을 변경시켜 단계별로 당화를 진행하는 바이오매스의 분별 당화 공정이다. 각 단계별 공정후에 다음 단계의 공정이 진행되기 전에 생성물의 분리가 이루어지므로 생성물이 분해되지 않고 따라서, 가혹한 조건에서도 당화를 진행할 수 있어 당화 수율이 향상된다.
상기 바이오매스 투입 단계(S1)는 반응기를 열어 반응기 내부로 바이오매스를 투입하는 단계이다. 바이오매스는 반응기 전체 부피에 대하여 약 2/3 이하의 부피로 채워질 수 있다. 본 발명에 사용되는 바이오 매스는 섬유소계 바이오매스일 수 있다.
섬유소계 바이오매스는 일반적으로 셀룰로오스(cellulose), 헤미셀룰로오스 (hemicellulose) 및 리그닌(lignin)으로 구성되어 있으며 이러한 성분들은 서로 복합적으로 결합되어 있다.
셀룰로오스는 전적으로 β-1,4-글로코시드 결합에 의해 서로 연결된 D-글루코스로 구성되고 10,000이하의 중합도를 갖는 호모폴리사카라이드이다. 셀룰로오스는 녹말 아밀로스와 같은 나선형 구조가 아닌 안정된 직선형 구조를 이루기 때문에 물리적, 화학적으로 녹말보다는 분해되기가 어렵다(도 2). 또한, 셀룰로오스는 물이나 에탄올, 에테르등에는 녹지 않고 알칼리에도 상당히 강하여 잘 녹지 않는다. 반면에 산 또는 염기 촉매하에서는 가수분해되어 글루코스가 된다.
헤미셀룰로오스는 셀룰로오스보다 당의 중합도가 낮은 다당체로 주로 5탄당인 자일로스의 중합체로 구성되고 그외에도 5탄당인 아리비노스와 6탄당인 만노스, 갈락토오스 및 글루코스의 중합체로 되어 있다. 셀룰로오스에 비해 중합도가 낮고 구조의 규칙성이 낮아 물리화학적 처리에 비교적 분해가 쉽게 이루어지는 특징이 있다. 그러나, 헤미셀룰로오스중 셀룰로오스나 리그닌과 결합하여 복합체를 형성하는 헤미셀룰로오스 부분은 분해가 어렵다. 따라서, 이부분까지 가수분해시키기 위해서는 높은 농도의 산 또는 염기 촉매 및 고온에서 반응시켜야 하는 문제가 있다.
리그닌은 메톡실화된 쿠마릴 알코올(p-courmaryl alcohol), 코니퍼릴 알코올(coniferyl alcohol), 시나필 알코올(sinapyl alcohol)등이 중합되어 있어 다량의 방향족 화합물을 포함하고 있어 소수성을 띠고 있는 거대한 분자량의 복잡한 구조를 지닌 중합체이다. 리그닌은 헤미셀룰로오스와 결합하여 이를 둘러싸서 미생물적 및 화학적 분해에 대한 보호를 제공한다.
리그닌은 헤미셀룰로오스와 공유결합을 통해 결합되고 헤미셀룰로오스는 셀룰로오스와 수소결합을 통해 연결되어 있다. 도 3은 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌이 결합된 섬유소계 바이오매스의 모식도이다.
상기 반응기 예열 단계(S2)는 반응기 외부 자켓을 이용하여 반응기의 온도를 당화 반응전에 적합한 온도로 조절하는 단계이다. 당화반응전에 반응기 내부의 바이오 매스를 일정 온도로 가열하여 당화 반응이 원활하게 진행되도록 한다.
상기 전처리 단계는 당화단계 전에 바이오매스를 처리하여 당화수율이 향상되도록 하는 단계이다.
상기 전처리 단계는 일정 온도로 예열된 바이오매스에 팽윤제를 투입하여 바이오매스의 줄기나 잎등을 팽윤시키는 것일 수 있다. 바이오매스를 팽윤시키는 전처리 단계를 거치게 되면 바이오매스의 모세관등으로 촉매의 침투가 용이해져 당화 수율이 향상될 수 있다.
상기 전처리 단계는 염기촉매를 투입하여 리그닌을 분리시키는 탈리그닌 공정일 수 있다. 상기 탈리그닌 공정에 의해 리그닌이 제거되므로 당화단계에서 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스의 당화만 수행되므로 당화 수율이 향상된다.
상기 전처리 단계를 거치는 경우에는 촉매 저장고에 팽윤제, 계면활성제와 같은 전처리제가 저장될 수 있으며, 상기 팽윤제로는 바람직하게는 과산화수소가 사용될 수 있다.
상기 촉매 투입 단계(S3)는 반응기가 예열된 후에 촉매 저장고로부터 공급관을 통하여 촉매가 공급되는 단계이다.
본 발명은 당화를 단계별로 진행하므로 각 단계별 당화 공정에 맞추어 촉매의 종류 및 농도등을 정하고 이를 적어도 하나 이상의 촉매 저장고에 보관한다. 각 단계별 당화공정에 맞는 촉매가 열교환기를 거쳐 일정 온도로 조절이 된 뒤, 반응기에 투입된다. 투입된 촉매에 의해 바이오매스가 당으로 전환된다.
상기 촉매는 산, 염기, 물 및 효소로 이루어진 군으로부터 선택된 단독 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 산 또는 염기촉매의 가수분해 반응에 의해 바이오매스의 당화가 이루어지는 경우에 상기 산은 황산, 질산, 염산등이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 황산이 사용될 수 있다. 상기 염기는 암모니아 또는 수산화나트륨이 사용될 수 있다. 또한, 효소에 의한 당화 반응단계를 거치는 경우에는 촉매로 효소를 공급할 수 있다.
상기 촉매는 바이오매스 질량(g)과 촉매의 부피(ml)비가 1:4 내지 1:8이 되도록 투입될 수 있다. 상기 범위보다 촉매가 적게 투입되면, 바이오매스의 당화 수율이 좋지 않으며, 상기 범위를 초과하여 촉매가 투입되면, 액체 생성물내의 당농도가 낮아 분리 및 농축에 어려움이 있을 수 있다.
상기 당화 단계(S4)는 반응기내에서 바이오매스와 S3 단계에서 투입된 촉매와의 반응에 의해 바이오매스가 처리되는 단계이다.
셀룰로오스를 포도당등의 당으로 전환하기 위해서는 셀룰로오스에 포도당 단위 2개당 1개의 물분자가 첨가되는 가수분해가 이루어져야 한다. 이러한 가수분해는 셀룰라제(cellulase)에 의해 이루어지는 효소적 당화 및 산, 염기등의 촉매에 의해 이루어지는 화학적 당화가 있다.
상기 S3 단계에서 투입된 산, 염기등의 촉매는 셀룰로오스나 헤미셀룰로오스의 결합을 끊어주어 단당류인 글루코스나 자일로스로 변환시킨다. 또한, S3 단계에서 당화를 위해 효소가 투입되는 경우에는 cellulase 가 셀룰로오스의 반응표면에 흡착하여 셀룰로오스를 cellobiose로 바꾸고 이렇게 생성된 cellobiose가 β-glucosidase의 효소반응에 의해 글루코스로 전환된다.
촉매의 종류 및 농도에 따라 생성되는 당의 달라진다. 예를 들어, 산촉매로 황산을 생산하는 경우 자일로스의 생산을 이해서는 0.01 내지 2%의 황산을 사용하는 것이 바람직하며, 글루코스의 생산을 위해서는 0.1 내지 5%의 황산을 사용하는 것이 바람직하다. 반응 온도에 따라 상기 황산 촉매의 농도는 당업자가 적절하게 조절할 수 있다.
바이오매스와 촉매와의 접촉이 균일하고 원활하게 이루어지도록 상기 당화 단계에서 교반부에 의한 교반이 수행될 수 있다.
상기 압축 단계는 상기 생성물 회수 단계전에 바이오매스를 포함한 반응기 내부의 반응물을 압축하여 액체 생성물이 바이오매스로부터 분리되도록 하는 단계이다.
상기 압축 단계에 의해 액체 생성물이 고체인 바이오매스로부터 분리막을 통해 효율적으로 분리되게 된다.
상기 원심분리 단계는 상기 생성물 회수 단계전에 교반부를 이용하여 반응기를 회전시켜 반응기 내부의 액체 생성물이 분리막을 통해 분리될 수 있도록 하는 단계이다.
상기 원심분리 단계는 교반부를 이용하여 반응기 전체를 빠른 속도로 회전시켜 액체 생성물이 고체인 바이오매스와 분리되어 분리막을 통해 빠져나올 수 있게 함으로써 액체 생성물을 더 효율적으로 분리되게 한다. 회전 속도는 당업자가 적절하게 조절할 수 있다.
상기 냉각 단계는 생성물 회수전에 자켓을 이용하여 반응기의 온도를 낮추어 생성물을 냉각시키는 단계이다.
생성물은 고온에서 분해가 쉽게 되므로 생성물의 분리전에 냉각시켜 생성물의 분해를 막고자 함이다.
상기 생성물 회수 단계(S5)는 반응후에 생성된 액체 생성물을 분리 배출시키는 단계이다.
본 발명은 분별 당화 공정으로 당화 공정이 단계별로 수행되므로 다음 단계의 당화 공정이 수행되기 전에 반응기내의 분리막을 통해 분리된 액체 생성물을 회 수 함으로써 반응 조건이 가혹해짐에 따라 일어날 수 있는 생성물의 분해를 막는다.
상기 S2 내지 S5의 반복 단계(S6)는 분리회수하고자 하는 당의 종류에 따라 촉매, 온도 또는 시간을 변화시켜 S2 내지 S5 단계를 적어도 1회 이상 반복하는 단계이다.
헤미셀룰로오스를 분해하여 적절한 수율의 자일로스 환원당을 생산하기 위해서는 당화온도가 대략 160도의 조건을 유지하면 된다. 그러나 결정형의 셀룰로오스를 당화시키기 위해서는 더 가혹한 조건이 필요하다. 이러한 공정조건은 결국 과도한 분해를 유발하여 hydromethylfurfural(HMF), furfural, tars 및 다른 성분들을 발생시킨다. 이러한 부산물은 당화후 에탄올을 생산하는 발효과정에서 미생물에 강한 억제작용을 나타낸다. 따라서, 마일드한 조건에서부터 가혹한 조건으로 상기 S2 내지 S5 단계를 반복함으로써 단계별로 당화공정을 수행하여 미반응물을 최소화하고, 각 단계별 당화 공정의 수행후에 생성물을 회수하므로 생성물의 분해를 막는다.
본 발명의 분별 당화 공정의 초기 생성물은 자일로스이고 마지막 생성물은 글루코스일 수 있다.
구체적으로 예를 들면, 제1 당화공정에서는 반응온도 100 내지 200℃, 약 0.01 내지 1% 농도의 황산 촉매로 5 내지 20분간 당화반응을 진행하여 바이오매스 로부터 자일로스를 생산하여 이를 분리하고, 제2 당화공정에서는 150 내지 200℃의 온도에서 약 0.1 내지 2% 의 황산 촉매로 5 내지 20분간 반응시켜 다시 자일로스를 생산한 뒤 이를 분리해내고, 제3 당화공정에서는 200 내지 250 ℃의 온도로 1 내지 5%의 황산 촉매를 투입하여 글루코스를 얻는 분별 당화 공정을 수행할 수 있다.
또한, 전처리 단계로 0.1 내지 15%의 수산화나트륨 촉매를 이용하여 리그닌을 분리하고, 제1 당화공정에서는 0.01 내지 2%의 산촉매를 이용하여 자일로스를 분리하고, 제2 당화공정에서는 효소를 이용하여 셀룰로오스로부터 글루코스를 얻는 분별 당화 공정을 수행할 수도 있다.
각 당화 공정은 당업자의 필요에 따라 촉매 농도, 온도 또는 반응 시간을 조절할 수 있으며, 적어도 1회 이상 반복할 수 있다.
도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오매스 분별 당화 장치(100)를 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 바이오매스의 분별 당화 장치는 바이오매스가 처리되는 반응기(110); 상기 반응기와 공급관을 통하여 연결되고 상기 반응기에 공급되는 촉매를 저장하는 촉매 저장고(120,130,140); 상기 반응기와 상기 촉매 저장고를 연결하며 상기 반응기로 촉매를 공급하는 공급관(150); 및 상기 공급관과 연결되며 상기 반응기의 유입구(111) 상부에 위치하는 열교환기(160)를 포함한다.
상기 본 발명의 일 실시예에 따른 분별 당화 장치에 의하면 적어도 하나 이상의 촉매 저장고에 각 당화 공정별로 필요한 촉매를 저장하고, 당화 공정별로 반 응 조건 및 공급되는 촉매를 달리하는 것이 가능하다. 또한, 상기 반응기에서 단계별로 당화 공정이 수행되고 각 공정에서 생성된 당은 반응기내 분리막 및 배출구를 통해 분리 회수되므로 단계별로 공정이 진행됨에 따라 반응조건이 가혹해진다하더라도 이미 생성된 당의 분해가 수반되지 않으며, 이로 인한 부산물이나 독성물질이 생성되지 않는다.
상기 반응기(110)는 유입구(111); 용매자켓(112); 벤트(113); 기체공급관 (114); 분리막(115); 교반부(116); 및 배출구(117)를 포함한다. 상기 반응기 (110)는 압축기(118)를 더 포함할 수 있다.
상기 반응기 내부의 공간에서 바이오매스와 촉매가 혼합되어 반응이 일어난다. 반응기는 산이나 염기에 부식이 잘 되지 않는 금속 또는 고분자 물질로 성형할 수 있으며, 무기물질로 제조하여 일정한 공간을 가지게 할 수 있다. 일정공간을 가지고 촉매와 바이오매스를 혼합하여 반응시킬 수 있는 것이라면 이에 한정되지 않고 당업계에 공지되어 있는 것이 제한없이 사용될 수 있다.
상기 유입구(111)는 공급관과 연결되고 반응기 내부와 통하도록 형성되어 있으며 반응기의 상부에 위치하여 촉매 또는 첨가제등이 잘 유입되도록 한다. 상기 유입구(111)를 통해 공급관으로부터 반응기로 촉매 또는 첨가제등이 유입된다.
상기 용매자켓(112)은 반응기 외부를 둘러싸도록 형성되어 있으며, 용매의 유입구(112a)및 유출구(112b)가 구비되어 있다. 상기 자켓은 용매의 유입, 유출을 통하여 반응기의 온도를 조절할 수 있으며, 반응기 내부 온도를 일정 온도로 유지 한다.
상기 벤트(113)는 반응기의 상부와 연결되는 내부 기체 배출관이고, 이를 통해 반응기 내부의 기체가 배출된다.
상기 기체공급관(114)은 상기 벤트(113)와 연결되며 벤트와 동일한 관으로 반응기 상부와 연결된다. 상기 기체공급관(114)을 통해 상기 반응기 내부로 기체가 유입될 수 있다.
상기 벤트(113)에 의해 내부 기체를 배출하거나 기체공급관(114)에 의해 기체가 공급되는 것에 의해 반응기 내의 압력이 조절된다. 상기 기체는 공기 또는 질소등을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 분리막(115)은 반응기의 상부로부터 2/3지점 이하에 위치하며 당화반응에 의해 생성된 액체 생성물과 바이오매스를 분리하는 역할을 한다.
상기 분리막은 바이오매스와 액체 생성물이 분리될 수 있는 것이면 당업계에 공지된 것이 제한없이 사용될 수 있다. 바람직하게는 매쉬스크린이 사용될 수 있다. 매쉬크기는 고체인 바이오매스와 액체 생성물이 분리될 수 있도록 당업자가 적절하게 조절할 수 있다.
상기 교반부(116)는 반응기 외부와 연결되어 반응기 전체를 움직이게 하는 구동부를 의미한다. 상기 교반부에 의해 반응기는 회전, 상하, 좌우, 사선방향의 운동을 하게 되어 반응기내 원료의 교반이 일어난다. 따라서, 상기 교반부는 반응기내 바이오매스와 촉매원료와의 접촉을 원할하게 하는 역할을 한다.
종래에는 바이오매스와 촉매와의 혼합문제 때문에 바이오매스와 촉매의 질량 대 부피비를 1:10이상으로 하여 과량을 촉매를 투입하였으나, 상기 교반부에 의해 혼합이 원활히 일어나므로 촉매의 투입량을 줄일 수 있다.
상기 배출구(117)는 반응기의 하부에 위치한다. 단계별로 바이오매스의 당화가 진행된 후에 생성된 액체 생성물은 분리막을 통해 바이오매스와 분리되고 분리된 액체 생성물은 다음 단계의 당화공정이 진행되기 전에 배출구(117)를 통해 분리 회수된다.
상기 압축기(118)는 지지대의 말단에 판이 부착된 형상으로 반응기의 상부에 위치하여 상하로 이동할 수 있다.
상기 압축기(118)는 당화반응중에는 반응기의 상부에 위치하였다가 당화 반응후에는 일정 속도로 하강하면서 반응기 내부의 원료를 압축하여 액체 생성물이 분리막을 통해 분리되도록 한다. 상기 압축기에 의해 당화공정후 생성물이 바이오매스내에 남아있지 않고 분리막을 통해 바이오매스와 분리될 수 있다.
상기 압축기의 판은 반응기 내부의 반응물을 압축할 수 있고, 반응 온도에서 그 형상이 변하지 않는 것이라면, 재료나 형상에 제한받지 않는다.
상기 촉매 저장고(120,130,140)는 상기 촉매 저장고의 상부에 위치하고 반응기로 일정량의 촉매를 공급하기 위한 유량계(121,131,141); 상기 촉매 저장고의 상부와 연결되는 벤트(122,132,142); 상기 벤트와 연결되고 벤트와 동일한 관으로 상기 촉매 저장고의 상부와 연결되는 기체공급관(123,133,143); 및 상기 촉매 저장고의 하부에 위치하는 배출구(124, 134, 144)를 포함한다.
상기 촉매 저장고(120,130,140)는 적어도 하나 이상이며, 촉매, 계면활성제 또는 팽윤제등이 저장될 수 있다. 수행되는 당화 공정 단계에 따라 저장되는 촉매의 종류, 온도, 농도등을 상이하게 수 있으며, 당화 공정 단계별로 해당 촉매 저장고에 저장된 촉매등이 반응기에 투입되므로 단계별로 당화 공정이 수행될 수 있다.
상기 유량계(121,131,141)는 촉매 저장고의 상부에 위치하며, 반응기로 일정량의 촉매가 유입될 수 있게 한다. 상기 유량계는 당업계에 공지된 것이면 제한없이 사용가능하다. 또한, 상기 유량계에 한정되지 않고 반응기로 일정량의 원료가 투입될 수 있도록 하는 것이면, 고압정량주입펌프등 어느 것이나 사용할 수 있다. 상기 유량계대신 로드 셀(load cell)을 부착하여 투입된 촉매의 무게를 조절하여 일정량의 촉매만 투입되도록 할 수 있다.
상기 벤트(122,132,142)는 촉매 저장고의 상부에 위치하며 상기 벤트를 통해 반응기 내부의 기체가 빠져나갈수 있다.
상기 기체공급관(123,133,143)은 상기 벤트(122,132,142)와 연결되며 상기 벤트와 동일한 관으로 상기 촉매 저장고의 상부와 연결된다. 상기 기체공급관을 통해 촉매 저장고 내부로 기체가 공급될 수 있다. 상기 벤트 및 기체공급관을 통한 촉매 저장고 내부로의 기체의 유출입에 의해 촉매 저장고내 압력이 일정하게 유지될 수 있다.
상기 배출구(124,134,144)는 촉매 저장고의 하부에 위치하며, 공급관과 연결되어 촉매는 배출구를 통해 배출되고 공급관을 통해 반응기로 투입된다.
상기 촉매 저장고는 중력에 의해 촉매의 투입이 용이하도록 반응기보다 지면 으로부터 높은 곳에 위치하는 것이 바람직하다.
상기 공급관(150)은 촉매 저장고의 배출구(124, 134, 144) 및 반응기의 유입구(111)에 연결되어 있다.
상기 공급관(150)은 반응기와 촉매 저장고를 연결하는 역할을 하며, 공급관에 의해 각 단계별 당화 공정마다 일정량의 촉매가 반응기에 투입될 수 있다.
상기 열교환기(160)는 상기 공급관(150) 및 상기 반응기 유입구(111)와 연결되며 상기 반응기 유입구(111)의 상부에 위치한다.
상기 열교환기(160)에 의하여 촉매가 반응기로 투입되기 전에 촉매의 온도가 정확하게 조절될 수 있어 당화 반응이 효율적으로 진행될 수 있다. 상기 열교환기는 단시간에 원료의 온도를 조절할 수 있는 장점이 있다.
도 4 의 본 발명의 일 실시예에 의한 바이오매스 분별 당화 장치는 도면에는 도시되어 있지 않으나, 상기 장치와 연결된 제어 시스템에 의해 제어될 수 있다.
도 5 를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 바이오매스 분별 당화 장치(200)를 설명한다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 바이오매스 분별 당화 장치는 도 4 에 따른 바이오매스 분별 당화 장치와 촉매 저장고가 다르게 형성되고, 열교환기를 포함하지 않는다. 따라서, 이하에서 본 발명의 다른 실시예에 따른 바이오 매스 분별 당화 장치는 촉매 저장고를 중심으로 설명한다. 또한, 상기 본 발명의 다른 실시예에 따른 바이오매스 분별 당화 장치는 도 4 에 따른 바이오매스 분별 당화 장치와 동일 또는 유사한 부분은 동일한 도면부호를 사용하며, 여기서 상세한 설명을 생략한다.
도 5 를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 분별 당화 장치(200)는 바이오매스가 처리되는 반응기(110); 상기 반응기와 공급관으로 연결되고 상기 반응기에 투입되는 촉매를 저장하는 촉매 저장고(220,230,240); 및 상기 촉매 저장고 및 상기 반응기와 연결되고 반응기에 일정량의 촉매를 공급하는 공급관(150)을 포함한다.
상기 촉매 저장고(220,230,240)는 상기 촉매 저장고의 외부를 둘러싸도록 형성되어 촉매 저장고의 온도를 조절하는 용매자켓(225,235,245); 상기 저장고의 상부에 위치하며 촉매를 일정량으로 배출시키는 유량계(121,131,141); 상기 저장고의 상부와 연결되며 저장고 내부의 기체를 배출하는 벤트(122,132,142); 상기 벤트와 연결되며 벤트와 동일한 관으로 촉매 저장고의 상부로 연결되는 기체 공급관(123,133,143); 및 상기 촉매 저장고의 하부에 위치하며 촉매를 배출하는 배출구(124,134,144)를 포함한다.
상기 용매자켓(225,235,245)은 촉매 저장고의 외부를 둘러싸며, 용매의 유입구(225a,235a,245a)와 배출구(225b,235b,245b)를 구비하고 있다.
상기 용매자켓(225,235,245)은 용매의 유출 및 유입을 통하여 촉매 저장고의 온도를 조절하며, 온도를 일정하게 유지한다. 반응기로 촉매가 투입되기 전에 촉매 의 온도가 원하는 온도로 일정하게 조절될 수 있으므로 당화반응이 효율적으로 진행될 수 있고, 반응시간도 단축된다. 상기와 같이 촉매 저장고가 용매자켓을 포함하고 있는 경우에는 분별 당화 장치에 열교환기를 장착하지 않을 수 있다.
도 5 의 본 발명의 다른 실시예에 의한 바이오매스 분별 당화 장치는 도면에는 도시되어 있지 않으나, 상기 장치와 연결된 제어 시스템에 의해 제어될 수 있다.
이하, 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.
<
실시예
1>
0.05% 황산, 1% 황산, 4% 황산을 제1 촉매 저장고, 제2 촉매 저장고 및 제3 촉매 저장고에 저장한다. 총 반응기 부피의 2/3이하로 섬유소계 바이오매스를 투입하고 반응기의 온도를 80℃로 예열한다.
1. 제1
당화공정
상기 제1 촉매 저장고로부터 0.05% 황산을 배출하고 열교환기를 통하여 170℃로 온도를 조절한 뒤, 바이오 매스와 촉매의 비율이 1:7(질량(g):부피(ml))이 되도록 반응기로 투입시키고, 교반부로 반응기 전체를 교반하면서 10분 동안 반응시킨다. 반응후에 반응기내 반응물을 압축기로 압축하여 생성물이 분리막을 통하여 완전히 분리되게 한 뒤, 분리막을 통과하여 빠져나온 생성물을 배출구를 이용하여 회수한다.
2. 제2
당화공정
반응기의 온도를 170℃로 유지하고, 1% 황산을 제2 촉매 저장고로부터 배출하고 열 교환기를 통하여 반응기와 동일한 온도가 되도록 한 뒤, 바이오 매스와 촉매의 비율이 1:5(질량(g):부피(ml))가 되도록 반응기로 투입시킨다. 이하, 상기 제1 당화공정과 동일한 방법으로 반응 및 생성물의 회수를 하였다.
3. 제3
당화공정
반응기의 온도를 자켓을 이용하여 220℃로 상승시키고, 제3 촉매 저장고를 이용하여 4% 황산을 열교환기를 통화시켜 온도를 220℃로 일정하게 한 뒤, 바이오 매스와 촉매의 비율이 1:5(질량(g):부피(ml))이 되도록 반응기에 투입시킨다. 제2 당화공정후에 남은 바이오매스와 상기 4% 황산촉매를 10분간 반응시켜 당화반응을 수행한다. 이하, 제1 당화공정과 동일한 방법으로 생성물을 회수하였다.
<
실시예
2>
10% 과산화수소, 0.7% 황산, 5% 황산을 제1 촉매 저장고, 제2 촉매 저장고 및 제3 촉매 저장고에 저장한다. 총 반응기 부피의 2/3이하로 섬유소계 바이오매스를 투입하고 반응기의 온도를 80℃로 예열한다.
1. 전처리 단계
상기 제1 촉매 저장고로부터 10% 과산화수소를 배출하고 열교환기를 통하여 170℃로 온도를 조절한 뒤, 바이오 매스와 촉매의 비율이 1:8(질량(g):부피(ml))이 되도록 반응기로 투입시키고, 교반부로 반응기 전체를 교반하면서 15분 동안 반응시킨다.
2. 제1
당화공정
반응기의 온도를 170℃로 유지하고, 0.7% 황산을 제2 촉매 저장고로부터 배출하고 열교환기를 통하여 반응기와 동일한 온도가 되도록 한 뒤, 바이오 매스와 촉매의 비율이 1:5(질량(g):부피(ml))이 되도록 반응기로 투입시킨다. 교반부로 반응기 전체를 교반하면서 15분 동안 반응시킨다. 반응후에 반응기내 반응물을 압축기로 압축하여 생성물이 분리막을 통하여 완전히 분리되게 한 뒤, 분리막을 통과하여 빠져나온 생성물을 배출구를 통하여 회수한다.
3. 제2
당화공정
반응기의 온도를 자켓을 이용하여 220℃로 상승시키고, 제3 촉매 저장고를 이용하여 5% 황산을 열교환기를 통화시켜 온도를 220℃로 일정하게 한 뒤, 바이오 매스와 촉매의 비율이 1:4(질량(g):부피(ml))가 되도록 반응기에 투입시킨다. 제1 당화공정후에 남은 바이오매스와 상기 5% 황산촉매를 10분간 반응시켜 당화반응을 수행한다. 이하, 제1 당화공정과 동일한 방법으로 생성물을 회수하였다.
<
실시예
3>
3% 수산화나트륨, 0.7% 황산, 5% 황산을 제1 촉매 저장고, 제2 촉매 저장고 및 제3 촉매 저장고에 저장한다. 총 반응기 부피의 2/3이하로 섬유소계 바이오매스를 투입하고 반응기의 온도를 80℃로 예열한다.
1. 전처리 단계
상기 제1 촉매 저장고로부터 3% 수산화나트륨를 배출하고 열교환기를 통하여 170℃로 온도를 조절한 뒤, 바이오 매스와 촉매의 비율이 1:7(질량(g):부피(ml))이 되도록 반응기로 투입시키고, 교반부로 반응기 전체를 교반하면서 15분 동안 반응시킨다. 반응후에 반응기내 반응물을 압축기로 압축하여 생성물이 분리막을 통하여 완 전히 분리되게 한 뒤, 분리막을 통과하여 빠져나온 생성물을 배출구를 통하여 회수한다.
2. 제1
당화공정
반응기의 온도를 170℃로 유지하고, 0.7% 황산을 제2 촉매 저장고로부터 배출하고 열교환기를 통하여 반응기와 동일한 온도가 되도록 한 뒤, 바이오 매스와 촉매의 비율이 1:5(질량(g):부피(ml))이 되도록 반응기로 투입시킨다. 교반부로 반응기 전체를 교반하면서 15분 동안 반응시킨다. 반응후에 반응기내 반응물을 압축기로 압축하여 생성물이 분리막을 통하여 완전히 분리되게 한 뒤, 분리막을 통과하여 빠져나온 생성물을 배출구를 통하여 회수한다.
3. 제2
당화공정
반응기의 온도를 자켓을 이용하여 220℃로 상승시키고, 제3 촉매 저장고를 이용하여 5% 황산을 열교환기를 통화시켜 온도를 220℃로 일정하게 한 뒤, 바이오 매스와 촉매의 비율이 1:5(질량(g):부피(ml))가 되도록 반응기에 투입시킨다. 제1 당화공정후에 남은 바이오매스와 상기 5% 황산촉매를 10분간 반응시켜 당화반응을 수행한다. 이하, 제1 당화공정과 동일한 방법으로 생성물을 회수하였다.
<
실시예
4>
0.2% 수산화나트륨, 물, β-glucosidase를 강화한 효소인 Novozym 188 과 cellulase인 celluclast를 제1 촉매 저장고, 제2 촉매 저장고 및 제3 촉매 저장고에 저장한다. 총 반응기 부피의 2/3이하로 섬유소계 바이오매스를 투입하고 반응기의 온도를 170℃로 예열한다.
1. 전처리 단계
상기 제1 촉매 저장고로부터 0.2% 수산화나트륨를 배출하고 열교환기를 통하여 170℃로 온도를 조절한 뒤, 바이오 매스와 촉매의 비율이 1:7(질량(g):부피(ml))이 되도록 반응기로 투입시키고, 교반부로 반응기 전체를 교반하면서 15분 동안 반응시킨다. 반응후에 반응기내 반응물을 압축기로 압축하여 생성물이 분리막을 통하여 완전히 분리되게 한 뒤, 분리막을 통과하여 빠져나온 생성물을 회수한다.
2. 제1
당화공정
반응기의 온도를 170℃로 유지하고, 물을 제2 촉매 저장고로부터 배출하고 열교환기를 통하여 반응기와 동일한 온도가 되도록 한 뒤, 바이오 매스와 촉매의 비율이 1:5(질량(g):부피(ml))가 되도록 반응기로 투입시킨다. 교반부로 반응기 전체를 교반하면서 15분 동안 반응시킨다. 반응후에 반응기내 반응물을 압축기로 압축하여 생성물이 분리막을 통하여 완전히 분리되게 한 뒤, 분리막을 통과하여 빠져나온 생성물을 회수한다.
3. 제2
당화공정
반응기의 온도를 자켓을 이용하여 50℃로 낮추고, 제3 촉매 저장고로부터 배출된 효소를 열교환기를 통화시켜 온도를 50℃로 일정하게 한 뒤, 바이오매스와 촉매의 비율이 1:5(질량(g):부피(ml))가 되도록 반응기에 투입시킨다. 제1 당화공정후에 남은 바이오매스와 상기 효소를 1 시간동안 반응시켜 당화반응을 수행한다. 이하, 제1 당화공정과 동일한 방법으로 생성물을 회수하였다.
<
실시예
5>
물, 0.7% 황산, 5% 황산을 제1 촉매 저장고, 제2 촉매 저장고 및 제3 촉매 저장고에 저장한다. 총 반응기 부피의 2/3이하로 섬유소계 바이오매스를 투입하고 반응기의 온도를 80℃로 예열한다.
1. 제1
당화공정
상기 제1 촉매 저장고로부터 물을 배출하고 열교환기를 통하여 170℃로 온도를 조절한 뒤, 바이오 매스와 촉매의 비율이 1:8(질량(g):부피(ml))이 되도록 반응기로 투입시키고, 교반부로 반응기 전체를 교반하면서 15분 동안 반응시킨다. 반응후에 반응기내 반응물을 압축기로 압축하여 생성물이 분리막을 통하여 완전히 분리되게 한 뒤, 분리막을 통과하여 빠져나온 생성물을 배출구를 통하여 회수한다.
2. 제2
당화공정
반응기의 온도를 170℃로 유지하고, 0.7% 황산을 제2 촉매 저장고로부터 배출하고 열교환기를 통하여 반응기와 동일한 온도가 되도록 한 뒤, 바이오 매스와 촉매의 비율이 1:6(질량(g):부피(ml))이 되도록 반응기로 투입시킨다. 이하, 상기 제1 당화공정과 동일한 방법으로 반응 및 생성물의 회수를 하였다.
3. 제3
당화공정
반응기의 온도를 자켓을 이용하여 220℃로 상승시키고, 제3 촉매 저장고로부터 배출된 5% 황산을 열교환기를 통화시켜 온도를 220℃로 일정하게 한 뒤, 바이오 매스와 촉매의 비율이 1:4(질량(g):부피(ml))가 되도록 반응기에 투입시킨다. 제2 당화공정후에 남은 바이오매스와 상기 효소를 10분간 반응시켜 당화반응을 수행한다. 이하, 제1 당화공정과 동일한 방법으로 생성물을 회수하였다.
<실험예 1>
상기 각 당화공정후에 분리 회수된 생성물 2ml를 취하여 3000rpm에서 5분간 원심분리한뒤 상등액만 취하여 Aminex HPX-87H 컬럼(Bio-Rad Co.)이 장착된 HPLC에 의해 당분석을 하였다. 상기 실시예 1 내지 5 의 각 당화 공정에서 생성된 생성물의 성분 및 수율을 하기 표 1 에 나타내었다.
수율은 하기와 같은 방법으로 계산되었다.
*자일로스 수율 = (생성물의 자일로스양)/(초기 바이오매스의 자일란(자일로스 폴리머)양/0.88)
*포도당 수율 = (생성물의 포도당양)/(초기 바이오매스의 글루칸(섬유소)양/0.9)
*리그닌 제거 수율 = 처리후 고체부분의 리그닌 함량/초기 리그닌 함량
상기 수율 계산 및 각 성분의 분석은 Standard Biomass Analytical Procedure,
NREL/TP-510-42618 에 의해 수행되었다.
| 생성물 | 수율(%) | ||
| 실시예 1 | 제1 당화 공정 | 자일로스 | 65 |
| 제2 당화 공정 | 자일로스 | 84 | |
| 제3 당화 공정 | 글루코스 | 85 | |
| 실시예 2 | 전처리 단계 | - | |
| 제1 당화 공정 | 자일로스 | 78 | |
| 제2 당화 공정 | 글루코스 | 87 | |
| 실시예 3 | 전처리 단계 | 리그닌 | 33 |
| 제1 당화 공정 | 자일로스 | 76 | |
| 제2 당화 공정 | 글루코스 | 83 | |
| 실시예 4 | 전처리 단계 | 리그닌 | 25 |
| 제1 당화 공정 | 자일로스 | 86 | |
| 제2 당화 공정 | 글루코스 | 92 | |
| 실시예 5 | 제1 당화 공정 | 자일로스 | 45 |
| 제2 당화 공정 | 자일로스 | 88 | |
| 제3 당화 공정 | 글루코스 | 87 |
상기에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 분별 당화 공정은 여러 단계에 걸친 당화 공정을 거치면서 각 단계의 생성물을 분리 회수하므로 생성물의 분해가 적고 가혹한 조건에서도 반응을 진행시킬 수 있어 미반응물이 최소화되어 당화 수율이 향상된다.
또한, 본 발명의 분별 당화 공정에 의해 산 또는 염기 촉매에 의한 당화와 효소에 의한 당화가 단계별로 진행될 수도 있어 당화 수율은 향상된다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 의한 분별 당화 공정의 블록도이다.
도 2 는 셀룰로오스의 구조를 나타낸 그림이다.
도 3 은 섬유소계 바이오매스의 성분인 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌이 결합되어 있는 모습을 나타낸 모식도이다.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 의한 분별 당화 장치를 나타낸 그림이다.
도 5 는 본 발명의 다른 실시예에 의한 분별 당화 장치를 나타낸 그림이다.
Claims (16)
- 바이오매스를 반응기에 투입하는 바이오매스 투입 단계(S1);상기 바이오매스가 투입된 반응기를 일정 온도로 예열하는 반응기 예열 단계(S2);상기 일정 온도로 예열된 반응기에 촉매 저장고로부터 일정량의 촉매가 투입되는 촉매 투입 단계(S3);일정 시간동안 상기 반응기내에서 상기 촉매 투입 단계에서 투입된 촉매와 바이오매스를 반응시키는 당화 단계(S4);상기 반응후 생성된 액체 생성물을 분리 배출하는 생성물 회수 단계(S5); 및회수하고자 하는 당의 종류에 따라 상기 온도, 촉매 또는 시간을 변화시켜 S2 내지 S5 단계를 반복하는 S2 내지 S5의 반복 단계(S6)를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오매스의 분별 당화 공정.
- 제1항에 있어서,상기 촉매 투입 단계전에 반응기내의 바이오매스를 전처리하여 당화 반응을 용이하게 하는 전처리 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오매스의 분별 당화 공정.
- 제2항에 있어서,상기 전처리 단계가 팽윤제로 바이오매스를 처리하여 당화 단계에서 촉매와 바이오매스와의 접촉을 용이하게 하는 것을 특징으로 하는 바이오매스의 분별 당화 공정.
- 제2항에 있어서,상기 전처리 단계가 염기 촉매를 사용하여 리그닌을 제거하는 탈리그닌 공정인 것을 특징으로 하는 바이오매스의 분별 당화 공정.
- 제1항에 있어서,상기 생성물 회수 단계 전에 반응기 내부의 바이오매스를 포함한 반응물을 압축하여 액체 생성물이 바이오매스로부터 분리되도록 하는 압축 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오매스의 분별 당화 공정.
- 제1항에 있어서,상기 생성물 회수 단계전에 교반부를 이용하여 반응기 전체를 회전시켜 액체 생성물이 분리막을 통해 바이오매스와 분리되도록 하는 원심분리 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오매스의 분별 당화 공정.
- 제1항에 있어서,상기 생성물 회수 단계 전에 생성물을 냉각시켜 생성물의 분해를 막는 냉각 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오매스의 분별 당화 공정.
- 제1항에 있어서,상기 바이오매스가 섬유소계 바이오매스인 것을 특징으로 하는 바이오매스의 분별 당화 공정.
- 제1항에 있어서,상기 촉매가 산, 염기, 물 및 효소로 이루어진 군으로부터 선택된 단독 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 바이오매스의 분별 당화 공정.
- 제1항에 있어서,상기 촉매가 바이오매스의 질량(g) 과 촉매의 부피(ml)비율이 1:4 내지 1:8이 되도록 투입되는 것을 특징으로 하는 바이오매스 분별 당화 공정.
- 제1항에 있어서,상기 분별 당화 공정이 초기 생성물이 자일로스이고 마지막 생성물이 글루코스인 것을 특징으로 하는 바이오매스의 분별 당화 공정.
- 바이오매스가 처리되는 반응기;상기 반응기와 공급관으로 연결되고 상기 반응기에 투입되는 촉매를 저장하 는 촉매 저장고;상기 촉매 저장고 및 상기 반응기와 연결되고 상기 반응기에 일정량의 촉매를 공급하는 공급관; 및상기 공급관과 연결되고 상기 반응기 유입구의 상부에 위치하는 반응기에 투입되는 촉매의 온도를 조절하는 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오매스의 분별 당화 장치.
- 제12항에 있어서,상기 반응기가 반응기의 상부에 위치하며 반응기 내부로 촉매가 투입되도록 하는 유입구;상기 반응기 외부를 둘러싸고 용매의 유입 및 유출구가 구비된 반응기의 온도를 조절하는 용매자켓;상기 반응기의 상부와 연결되며 반응기 내부의 기체를 배출하는 벤트;상기 벤트에 연결되어 벤트와 동일한 관으로 상기 반응기 상부로 연결되는 기체 공급관;상기 반응기 내부에 위치하며 반응기 상부로부터 2/3 지점 이하에 위치하여 반응 생성물과 바이오매스를 분리하는 분리막;상기 반응기의 외부와 연결되며 반응기를 상하, 좌우, 회전, 사선 방향으로 운동하게 하여 반응기 내부의 바이오 매스와 투입된 촉매를 혼합하는 교반부; 및상기 반응기의 하부에 위치하며 반응후 생성된 생성물을 배출하는 배출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오매스의 분별 당화 장치.
- 제12항 또는 제13항에 있어서,상기 반응기는 지지대의 말단에 판이 부착된 형상으로, 반응기의 상부에 위치하여 상하로 이동할 수 있는 압축기를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오매스의 분별 당화 장치.
- 제12항에 있어서,상기 촉매 저장고가 상기 촉매 저장고의 상부에 위치하며 촉매를 일정량으로 배출시키는 유량계 또는 로드 셀(load cell); 상기 촉매 저장고의 상부와 연결되며 상기 촉매 저장고 내부의 기체를 배출하는 벤트; 상기 벤트와 연결되며 벤트와 동일한 관으로 상기 촉매 저장고의 상부로 연결되는 기체공급관; 및 상기 촉매 저장고의 하부에 위치하며 촉매를 배출하는 배출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오매스의 분별 당화 장치.
- 바이오매스가 처리되는 반응기;상기 반응기와 공급관으로 연결되고 상기 반응기에 투입되는 촉매를 저장하는 촉매 저장고; 및상기 촉매 저장고 및 상기 반응기와 연결되고 상기 반응기에 일정량의 촉매를 공급하는 공급관을 포함하고,상기 촉매 저장고가 상기 촉매 저장고의 외부를 둘러싸고 용매의 유입구 및 유출구를 포함하여 상기 촉매 저장고의 온도를 조절하는 용매자켓; 상기 촉매 저장고의 상부에 위치하며 촉매를 일정량으로 배출시키는 유량계 또는 로드 셀(load cell); 상기 촉매 저장고의 상부와 연결되며 상기 촉매 저장고 내부의 기체를 배출하는 벤트; 상기 벤트와 연결되며 상기 벤트와 동일한 관으로 상기 반응기 상부로 연결되는 기체 공급관; 및 상기 촉매 저장고의 하부에 위치하며 촉매를 배출하는 배출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오매스의 분별 당화 장치.
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