KR100983672B1 - A Bio-ethanol production system from food wastes with simultaneous saccharification and fermentation and the method thereof - Google Patents
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Abstract
음식물 쓰레기로부터 바이오 에탄올을 생산하기 위한 당화와 발효를 동시에 하나의 반응기에서 이루어지도록 하는 당화 및 발효의 동시 공정을 통한 음식물쓰레기로부터의 바이오 에탄올 제조 방법 및 장치에 관한 것으로서, (a) 음식물 쓰레기 1,000g 을 기준으로 pH 4.5 ~ 5.5 인 완충용액 780 ml, 효모(saccharomyces cerevisiae) 180 ~ 220 ml, 비스코자임 L (Viscozyme L) 18 ~ 22 ml를 혼합하는 단계; (b) 상기 혼합물을 질소로 채워진 밀폐된 반응기에 투입하고, 상기 반응기의 내부 온도를 30 ~ 35 ℃ 로 유지하는 단계; (c) 상기 반응기에서 생성되는 에탄올을 분리하는 단계를 포함하는 구성을 마련한다.A method and apparatus for producing bioethanol from food waste through a simultaneous process of saccharification and fermentation in which a saccharification and fermentation process is performed in one reactor at the same time to produce bioethanol from food waste, comprising: (a) 1,000 g of food waste Mixing 780 ml of a buffer solution having a pH of 4.5 to 5.5, yeast (saccharomyces cerevisiae) 180 to 220 ml, and 18 to 22 ml of Viscozyme L; (b) injecting the mixture into a closed reactor filled with nitrogen and maintaining the internal temperature of the reactor at 30 to 35 ° C; (c) to provide a configuration comprising the step of separating the ethanol produced in the reactor.
상기와 같은 바이오 에탄올 제조 방법 및 장치에 의해, 버려지는 음식물쓰레기를 바이오에탄올 공정에 사용함으로써 에너지원으로써의 가치를 높이고, 하나의 반응기 내에서 동시에 당화 및 발효 공정을 수행함으로써 설비 부지 및 비용을 줄일 수 있다.By using the above-described method and apparatus for producing ethanol, the waste food waste is used in the bioethanol process to increase the value as an energy source, and to reduce the site and cost of the facility by simultaneously performing the saccharification and fermentation process in one reactor. Can be.
음식물 쓰레기, 바이오 에탄올, 발효, 당화 Food waste, Bioethanol, Fermentation, Saccharification
Description
본 발명은 음식물 쓰레기로부터 바이오 에탄올을 생산하기 위한 당화와 발효를 동시에 하나의 반응기에서 이루어지도록 하는 당화 및 발효의 동시 공정을 통한 음식물쓰레기로부터의 바이오 에탄올 제조 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method and apparatus for producing bioethanol from food waste through a simultaneous process of saccharification and fermentation to simultaneously perform saccharification and fermentation for producing bioethanol from food waste in one reactor.
특히, 본 발명은 음식물 쓰레기에 산업용 비스코자임 L 효소와 효모(saccharomyces cerevisiae)를 혼합하여, 질소로 채워진 밀폐된 반응기에 당화와 발효를 동시에 시키고, 가스 스트립핑 기법(gas stripping technique)을 이용하여 바이오 에탄올을 분리하는 당화 및 발효의 동시 공정을 통한 음식물쓰레기로부터의 바이오 에탄올 제조 방법 및 장치에 관한 것이다.In particular, the present invention is to mix the industrial biskozyme L enzyme and yeast (saccharomyces cerevisiae) in food waste, and simultaneously to the saccharification and fermentation in a closed reactor filled with nitrogen, using a gas stripping technique A method and apparatus for producing bioethanol from food waste through a simultaneous process of saccharification and fermentation for separating ethanol.
일반적으로 수거되는 음식물 쓰레기는 건조-소각 또는 퇴비화 재활용 등으로 처리된다. 이와 같은 처리 대안은 음식물 쓰레기의 함수율에 의해 이들 공정의 경제성이 좌우되어 시설 및 처리비용이 많이 드는 단점이 있다. 또, 소각과 같은 처리는 부가적인 대기오염 방지시설이 요구되는 등의 문제점도 있다.Generally, the collected food waste is treated by dry-incineration or compost recycling. Such treatment alternatives have disadvantages in that the economic efficiency of these processes depends on the moisture content of the food wastes, which leads to high facility and treatment costs. In addition, treatments such as incineration also have problems such as requiring additional air pollution prevention facilities.
따라서 환경 및 에너지 문제의 해결이라는 측면에서, 음식물 쓰레기를 하나의 바이오매스로 두고 이로부터 바이오 에너지를 생산하는 기술이 관심을 받고 있다. 특히, 최근 화석 연료의 과다 사용에 따른 자원 고갈 및 환경오염에 대한 우려가 증가함에 따라 선진국 중심으로 환경오염 및 온난화 문제를 해결하기 위해 화석 연료의 사용에 대한 규제 강화 및 신재생에너지의 보급을 확산하려는 정책이 입안되고 있는 실정이다.Therefore, in terms of solving environmental and energy problems, the technology of placing food waste as a biomass and producing bioenergy therefrom is of interest. In particular, as there is a growing concern about resource depletion and environmental pollution caused by excessive use of fossil fuels, intensified regulations on the use of fossil fuels and the spread of renewable energy in order to solve environmental pollution and warming problems, mainly in developed countries. The policy to try is being made.
음식물 쓰레기로부터 바이오연료를 생산하는 기술로서 대표적인 것이 혐기성 소화처리(또는 메탄발효)를 통해 메탄 등 바이오 가스를 생산하는 기술이 대표적이다. 혐기성 소화처리는 음식물 쓰레기 등 유기물을 액상화하고 가수분해하여(가수분해 단계), 저급 지방산(휘발성 유기산)을 생성하고(산생성 단계), 메탄성 세균에 의해 메탄을 생성한다(메탄생성 단계).Representative technology for producing biofuels from food waste is a technique for producing biogas such as methane through anaerobic digestion (or methane fermentation). Anaerobic digestion liquefies and hydrolyzes organic matter such as food waste (hydrolysis step) to produce lower fatty acids (volatile organic acids) (acid generation step), and methane is produced by methane bacteria (methane production step).
그런데, 메탄 등 바이오 가스는 기체 상태이므로, 가스가 생성되는 곳에서 먼 곳에 사용하기 위해서는 관을 설치하거나 액화하여 운반하여야 하는 문제가 있다. 따라서 일반적으로, 메탄 등 바이오 가스는 메탄발효 시설 근방에서 이 에너지를 소비하거나, 상기 시설 근방에 발전기를 설치하여 전기화하여 에너지로 소비한다. 이 경우에도, 바로 메탄을 소비하기 위해서는 별도의 메탄을 에너지로 전환하여야 하는 설비가 필요하다.However, since biogas such as methane is in a gaseous state, in order to use the gas far from the place where the gas is generated, there is a problem in that a pipe is installed or liquefied and transported. Therefore, in general, biogas such as methane consumes this energy in the vicinity of a methane fermentation facility, or it is consumed as energy by installing a generator near the facility. Even in this case, in order to consume methane immediately, a facility that needs to convert separate methane into energy is required.
이를 극복하고자, 음식물쓰레기를 바이오연료 특히, 운송연료로 사용되어질 수 있는 바이오알코올을 생산하는 기술이 제시되고 있다. 바이오 알코올은 고유가로 인해 석유의 대체재로서 세계 주요국들이 석유의존도를 낮추기 위해 연구되고 개발되고 있다. 이에 따라, 세계적 자동차 메이커들도 에탄올을 연료로 하는 플렉스차(flex-fuel vehicle) 개발 및 생산을 본격화하고 있다. 따라서 음식물 쓰레기로부터 바이오 알코올을 생산하면, 메탄 등 바이오 가스보다 보다 광범위하게 편리하게 이용될 수 있는 에너지원이 될 것이다.In order to overcome this problem, a technology for producing bioalcohol which can be used as food fuel, in particular, transportation fuel, has been proposed. Bio-alcohol is a substitute for petroleum due to high oil prices and is being researched and developed by major countries around the world to reduce their dependence on oil. Accordingly, global automakers are also beginning to develop and produce flex-fuel vehicles using ethanol as a fuel. Therefore, the production of bio-alcohol from food waste will be an energy source that can be more conveniently used than biogas such as methane.
상기와 같이, 음식물 쓰레기로부터 에탄올을 생산하는 기술의 예들이 [대한민국 공개특허 10-2002-0072326(2002.9.14.공개), "음식물 찌꺼기를 이용한 고농도의 에탄올 생산을 위한발효 기술"](이하 선행기술 1)과 [대한민국 공개특허 10-2002-0029283(2002.4.18.공개), "음식물 찌꺼기를 이용한 에탄올 생산에 있어 누룩과효모의 순차적 동시 당화 발효"](이하 선행기술 2)에 개시되어 있다.As described above, examples of the technology for producing ethanol from food waste [Republic of Korea Patent Publication No. 10-2002-0072326 (published on Feb. 14, 2014), "Fermentation technology for the production of high concentration ethanol using food waste"] (hereinafter referred to Technology 1) and [Republic of Korea Patent Publication No. 10-2002-0029283 (published Feb. 18, 2002), "Sequential Simultaneous Glycation Fermentation of Yeast and Yeast in Ethanol Production Using Food Waste"] (hereinafter, referred to as Prior Art 2). .
상기 선행기술 1과 2는 음식물찌꺼기를 원료로 하여 에탄올 생산함에 있어 누룩과 효모를 이용하여 순차적 동시 당화ㅇ발효를 하는 방법에 관한 것으로서, 음식물 찌꺼기를 분쇄기로 분쇄하여 증기로 찐(증자한) 후에 누룩을 이용하여 액화 및 당화시키는 1단계 공정과, 누룩에 의한 당화가 어느 정도 진행된 후, 효모를 첨가하여 누룩에 의한 당화와 효모에 의한 에탄올 발효가 동시에 일어나도록 하는 2단계 공정으로 이루어진 구성을 개시하고 있다. 특히, 선행기술 1은 에탄올 발효가 어느 정도 일어나면 음식물 찌꺼기를 첨가하며 최종적으로 에탄올 농도를 높이는 3 단계 공정을 더 포함하는 구성을 제시하고 있다.The prior art 1 and 2 relates to a method of sequential simultaneous saccharification fermentation using yeast and yeast in the production of ethanol by using food waste as a raw material, after steaming the food waste with a grinder and steaming it (with steam). Initiates a one-step process of liquefaction and saccharification using Nuruk, and a two-step process in which saccharification by Nuruk is progressed to a certain degree, so that saccharification by Yeast and ethanol fermentation by Yeast occur simultaneously. Doing. In particular, the prior art 1 proposes a configuration further comprising a three-step process of adding food waste and finally increasing the ethanol concentration when ethanol fermentation occurs to some extent.
상기 선행기술들은 음식물 쓰레기를 당화시키고, 효모로 알코올 발효시켜 에탄올을 생성하는 기술을 제시하고 있다. 특히, 선행기술 1은 3단계 공정에서 효모에 의해 당이 거의 소모된 시점에 음식물 찌꺼기를 첨가해 줌으로 발효조 내에서 당화와 발효가 동시에 이루어지는 공정, 즉 새로이 첨가된 음식물 찌꺼기를 누룩이 당화하여 당을 만들면 효모가 바로 이용하여 에탄올을 만들고 소모된 당은 누룩에 의해 다시 생산되는 공정을 제시하고 있다.The prior art proposes a technique of saccharifying food waste and alcoholic fermentation with yeast to produce ethanol. In particular, prior art 1 adds food waste at the point when sugar is almost consumed by the yeast in the three-stage process, so that the saccharification and fermentation are simultaneously performed in the fermenter, ie, the newly added food waste is saccharified by sugar Yeast is used directly to make ethanol, and the sugar consumed is suggested to be produced again by yeast.
그러나 상기 선행기술들의 당화과정은 음식물 쓰레기를 증기로 증자하여 건조시킨 후, 누룩을 배양하기 때문에, 공정이 복잡하고 시간이 많이 소모되는 문제점이 있다. 또, 음식물 쓰레기에서 생성된 에탄올을 어떻게 수집할 것인지에 대하여 구체적 방법이 기재되고 있지 못하다.However, the saccharification process of the prior arts has a problem that the process is complicated and time-consuming since the food waste is steamed and dried by steaming, followed by culturing yeast. In addition, no specific method is described on how to collect ethanol produced from food waste.
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 음식물 쓰레기로부터 바이오 에탄올을 생산하기 위한 당화와 발효를 동시에 하나의 반응기에서 이루어지도록 하는 당화 및 발효의 동시 공정을 통한 음식물쓰레기로부터의 바이오 에탄올 제조 장치 및 방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the problems as described above, and from the food waste through the simultaneous process of saccharification and fermentation to achieve the saccharification and fermentation to produce bio ethanol from food waste at the same time in one reactor It is to provide an ethanol production apparatus and method.
본 발명의 다른 목적은 음식물 쓰레기에 산업용 비스코자임 L 효소와 효 모(saccharomyces cerevisiae)를 혼합하여, 질소로 채워진 밀폐된 반응기에 당화와 발효를 동시에 시키고, 가스 스트립핑 기법(gas stripping technique)을 이용하여 바이오 에탄올을 분리하는 당화 및 발효의 동시 공정을 통한 음식물쓰레기로부터의 바이오 에탄올 제조 장치 및 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to mix the industrial biscozyme L enzyme and yeast (saccharomyces cerevisiae) in food waste, simultaneously to the saccharification and fermentation in a closed reactor filled with nitrogen, using a gas stripping technique The present invention provides an apparatus and method for producing bioethanol from food waste through a simultaneous process of saccharification and fermentation for separating bioethanol.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 (a) 음식물 쓰레기 1,000g 을 기준으로 pH 4.5 ~ 5.5 인 완충용액 780 ml, 효모(saccharomyces cerevisiae) 180 ~ 220 ml, 비스코자임 L (Viscozyme L) 18 ~ 22 ml를 혼합하는 단계; (b) 상기 혼합물을 질소로 채워진 밀폐된 반응기에 투입하고, 상기 반응기의 내부 온도를 30 ~ 35 ℃ 로 유지하는 단계; (c) 상기 반응기에서 생성되는 에탄올을 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention is based on (a) 1,000g of food waste, pH 4.5 ~ 5.5 buffer 780 ml, yeast (saccharomyces cerevisiae) 180 ~ 220 ml, Biscozyme L (Viscozyme L) 18 ~ 22 ml Mixing; (b) injecting the mixture into a closed reactor filled with nitrogen and maintaining the internal temperature of the reactor at 30 to 35 ° C; (C) characterized in that it comprises the step of separating the ethanol produced in the reactor.
또, 본 발명은 당화 및 발효의 동시 공정을 통한 음식물쓰레기로부터의 바이오 에탄올 제조방법에 있어서, 상기 (c)단계에서, 질소를 이용한 가스 스트립핑 기법(gas stripping technique)을 이용하여 에탄올을 분리하는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention is a method for producing bio ethanol from food waste through the simultaneous process of saccharification and fermentation, in the step (c), to separate the ethanol using a gas stripping technique using nitrogen It is characterized by.
또, 본 발명은 당화 및 발효의 동시 공정을 통한 음식물쓰레기로부터의 바이오 에탄올 제조방법에 있어서, 상기 (c)단계에서, 상기 반응기와 관통하여 연결된 순환관으로 질소를 순환시키고 질소에 함유된 에탄올을 냉각하여 액화된 에탄올을 수집하는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention is a method for producing bio ethanol from food waste through the simultaneous process of saccharification and fermentation, in step (c), circulating nitrogen through a circulation pipe connected to the reactor and ethanol contained in nitrogen It is characterized by collecting the liquefied ethanol by cooling.
또한, 본 발명은 당화 및 발효의 동시 공정을 통한 음식물쓰레기로부터의 바이오 에탄올 제조방법에 관한 것으로서, 질소로 채워지고 내부 온도를 30 ~ 35 ℃ 로 유지하는 반응기; 상기 반응기에 관통되도록 연결되고 질소가 순환되는 순환관; 상기 순환관내에서 질소를 순환시키는 가스순환펌프; 상기 순환관의 일부에 설치되어 질소를 냉각시키는 냉각기; 상기 순환관의 일부에 냉각기와 함께 설치되어, 상기 냉각기에서 질소가 냉각되어 질소에 함유된 에탄올이 액화되면, 상기 액화된 에탄올을 수집하는 에탄올 수집장치를 포함하고, 음식물 쓰레기 1,000g 을 기준으로 pH 4.5 ~ 5.5 인 완충용액 780 ml, 효모(saccharomyces cerevisiae) 180 ~ 220 ml, 비스코자임 L (Viscozyme L) 18 ~ 22 ml를 혼합한 혼합물이 상기 반응기에 투입되는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention relates to a method for producing bio ethanol from food waste through a simultaneous process of saccharification and fermentation, the reactor is filled with nitrogen and maintaining the internal temperature at 30 ~ 35 ℃; A circulation pipe connected to penetrate the reactor and circulating nitrogen; A gas circulation pump for circulating nitrogen in the circulation pipe; A cooler installed in a portion of the circulation pipe to cool nitrogen; Installed in a part of the circulation tube together with a cooler, when the nitrogen is cooled in the cooler liquefied ethanol contained in the nitrogen, including an ethanol collecting device for collecting the liquefied ethanol, pH based on 1,000g of food waste A mixture of 4.5 to 5.5 phosphorus buffer 780 ml, yeast (saccharomyces cerevisiae) 180 ~ 220 ml, Biscozyme L (Viscozyme L) 18 ~ 22 ml is characterized in that the mixture is introduced into the reactor.
또, 본 발명은 당화 및 발효의 동시 공정을 통한 음식물쓰레기로부터의 바이오 에탄올 제조 장치에 있어서, 상기 가스순환펌프는, 상기 질소를 반응기 유효부피(working volume) 1L 기준으로 10 L/min 의 속도로 순환시키는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention is a device for producing bio ethanol from food waste through the simultaneous process of saccharification and fermentation, the gas circulation pump, the nitrogen at a rate of 10 L / min on the basis of 1L reactor working volume (working volume) It is characterized by circulating.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 당화 및 발효의 동시 공정을 통한 음식물쓰레기로부터의 바이오 에탄올 제조 장치 및 방법에 의하면, 버려지는 음식물쓰레기를 바이오에탄올 공정에 사용함으로써 에너지원으로써의 가치를 높이고, 하나의 반응기 내에서 동시에 당화 및 발효 공정을 수행함으로써 설비 부지 및 비용을 줄 일 수 있는 효과가 얻어진다. 또한 액체연료인 에탄올 생산으로 메탄 등 기체연료에 비해 수송 및 사용이 용이하다.As described above, according to the apparatus and method for producing bioethanol from food waste through the simultaneous process of saccharification and fermentation, by using the discarded food waste in the bioethanol process, the value as an energy source is increased, and one By simultaneously performing the saccharification and fermentation process in the reactor of the effect that can reduce the equipment site and cost is obtained. In addition, ethanol, a liquid fuel, is easier to transport and use than gaseous fuels such as methane.
또, 본 발명에 따른 당화 및 발효의 동시 공정을 통한 음식물쓰레기로부터의 바이오 에탄올 제조 장치 및 방법에 의하면, 질소로 채워진 밀폐된 반응기에 당화와 발효를 동시에 시키면서 가스 스트립핑 기법(gas stripping technique)을 이용하여 바이오 에탄올을 분리함으로써, 모든 공정이 일체화되어 보다 효과적이고 효율적으로 바이오 에탄올을 분리할 수 있는 효과가 얻어진다.In addition, according to the apparatus and method for producing bioethanol from food waste through a simultaneous process of saccharification and fermentation, a gas stripping technique is performed while simultaneously saccharifying and fermenting a closed reactor filled with nitrogen. By separating the bioethanol by use, all the processes are integrated to obtain the effect of separating the bioethanol more effectively and efficiently.
이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 도면에 따라서 설명한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
또한, 본 발명을 설명하는데 있어서 동일 부분은 동일 부호를 붙이고, 그 반복 설명은 생략한다.In addition, in describing this invention, the same code | symbol is attached | subjected and the repeated description is abbreviate | omitted.
먼저, 본 발명에 따른 당화 및 발효의 동시 공정을 통한 음식물쓰레기로부터의 바이오 에탄올 제조방법을 도 1을 참조하여 설명한다.First, a method for producing bioethanol from food waste through a simultaneous process of saccharification and fermentation according to the present invention will be described with reference to FIG. 1.
도 1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 바이오 에탄올 제조방법은 (a) 음식물 쓰레기 1,000g 을 기준으로 pH 4.5 ~ 5.5 인 완충용액 780 ml, 효모(saccharomyces cerevisiae) 200 ml, 비스코자임 L (Viscozyme L) 18 ~ 22 ml를 혼합하는 단계(S10); (b) 상기 혼합물을 질소로 채워진 밀폐된 반응기(31)에 투입하고, 상기 반응기(31)의 내부 온도를 30 ~ 35 ℃ 로 유지하는 단계(S20); (c) 상 기 반응기(31)에서 생성되는 에탄올을 분리하는 단계(S30)로 나뉜다.As shown in Figure 1, the bioethanol production method according to an embodiment of the present invention (a) 780 ml of buffer solution pH 4.5 ~ 5.5, yeast (saccharomyces cerevisiae) 200 ml, biscozyme based on 1,000 g of food waste Mixing the L (Viscozyme L) 18-22 ml (S10); (b) adding the mixture to a closed reactor (31) filled with nitrogen, and maintaining the internal temperature of the reactor (31) at 30 to 35 ° C (S20); (C) is separated into a step (S30) of separating the ethanol produced in the reactor (31).
상기 (a)단계는 당화공정과 동시에 발효공정이 진행되도록 음식물 쓰레기에 효소 또는 효모를 혼합하여 혼합물을 만든다(S10). 음식물 쓰레기 등 유기성 폐기물에 바이오 에탄올을 생성하기 위해서는 당화공정과 발효공정을 거쳐야 한다.Step (a) is a mixture of enzymes or yeast in food waste so that the fermentation process proceeds simultaneously with the saccharification process (S10). To produce bioethanol in organic waste such as food waste, it has to go through saccharification process and fermentation process.
당화공정은 효소에 의하여 음식물 쓰레기로부터 당(glucose)을 생산하는 공정이다. 이때 효소는 비스코자임 L(Viscozime L)이 이용된다. 비스코자임 L은 노보자임(novozyme) 사에서 제공하는 산업용 효소이다.The saccharification process is a process of producing glucose from food waste by enzymes. At this time, the enzyme is used Biscozyme L (Viscozime L). Biscozyme L is an industrial enzyme provided by Novozyme.
이때 당화효율을 높이기 위한 적절한 농도의 효소 첨가하여야 한다. 바람직한 비스코자임 L의 농도는 0.8 ~ 1.2 %(v/v)이다. 비스코자임 L의 농도가 상기와 같은 범위 내에 있을 때, 바스코자임 L의 주입농도에 따른 글루코즈 생산량이 가장 많은 것으로 조사되었다(이하 실험 1 참조). 따라서 음식물 쓰레기 1,000g 일 때, 혼합물의 전체 부피는 대략 2,000 ml 이므로, 18 ~ 22 ml 범위의 비스코자임 L을 투입하는 것이 바람직하다. 즉, 비스코자임 L은 혼합물 전체 부피의 약 1% 정도를 투입하는 것이 바람직하다.At this time, an appropriate concentration of enzyme should be added to increase glycosylation efficiency. Preferred concentrations of biscozyme L are 0.8-1.2% (v / v). When the concentration of biscozyme L was in the above range, it was investigated that glucose production was the highest according to the injection concentration of vascozyme L (see Experiment 1 below). Therefore, when the food waste 1000g, the total volume of the mixture is approximately 2,000 ml, it is preferable to add a biscozyme L in the range of 18 to 22 ml. In other words, biscozyme L is preferably added about 1% of the total volume of the mixture.
당화공정에 의해 음식물 쓰레기로부터 당(glucose)이 생산되면, 당(glucose)을 발효시키는 발효공정을 거쳐야 에탄올이 생성된다. 이때는 이미 주입된 효모에 의해서 알코올 발효가 당화와 동시에 일어나게 된다.When sugar is produced from food waste by the saccharification process, ethanol is produced only through a fermentation process of fermenting sugar (glucose). At this time, alcohol fermentation occurs simultaneously with saccharification by the already injected yeast.
효모는 음식물 쓰레기 1,000g 당 약 200ml, 즉, 180 ~ 220 ml 가량 투입하는 것이 바람직하다.Yeast is preferably added about 200ml, that is, about 180 ~ 220ml per 1,000g of food waste.
한편, 효모는 pH를 적정하게 유지를 해주어야 활동하므로, pH를 적절히 유지해줄 수 있는 완충용액을 첨가한다. 완충용액의 pH 농도는 4.5 ~ 5.5 가 바람직하다. 그리고 음식물 쓰레기 1,000g 당 780 ml를 혼합하는 것이 바람직하다. 완충용액은 음식물쓰레기 혼합물의 pH를 유지하기도 하지만, 음식물쓰레기에 대한 교반을 보다 원활하게 하는 효과도 있다.On the other hand, yeast is active only to maintain a proper pH, so add a buffer that can maintain a proper pH. The pH of the buffer solution is preferably 4.5 to 5.5. And it is preferable to mix 780 ml per 1,000 g of food waste. The buffer solution maintains the pH of the food waste mixture, but also has an effect of smoothing the stirring of the food waste.
또한, 상기 혼합물의 염분 농도는 2% 이하가 되도록 한다. 염분이 2% 이상이 되면, 미생물 생장저하를 일으킬 수 있다. 따라서 너무 짠 음식이 많이 든 음식물 쓰레기이면, 물로 씻어 염분의 농도를 낮추어야 한다.In addition, the salt concentration of the mixture is to be 2% or less. If the salinity is more than 2%, it can cause microbial growth. Therefore, if the food waste is too salty food, wash with water to reduce the concentration of salt.
참고로, 일반적인 우리나라 음식물 쓰레기의 함수율은 78 ~ 82% 정도이다.For reference, the water content of general Korean food waste is about 78 ~ 82%.
상기 (b)단계에서, 동시 당화와 발효가 진행되도록 음식물 쓰레기를 상기와 같은 혼합물로 만들면, 상기 혼합물을 질소로 채워진 밀폐된 반응기(31)에 투입한다(S20).In step (b), when the food waste is made into a mixture as described above so that simultaneous glycosylation and fermentation proceed, the mixture is introduced into a closed
공기중의 산소가 들어가면, 효모가 당(glucose)에 대해 발효효율이 떨어지므로, 산소를 차단하기 위해서 밀폐된 반응기(31)에 투입한다. 또, 반응기(31)에 산소 대신 질소, 아르곤 등 불활성기체를 채워 넣는다. 바람직하게는, 반응기(31)에 산소 대신 질소를 채워 넣는다. 질소가 비용이 더 저렴하기 때문이다.When oxygen in the air enters the yeast, the fermentation efficiency of sugar (glucose) is reduced, so it is put in a closed
또, 반응기(31)의 내부 온도는 효모의 발효에 적정한 온도인, 30 ~ 35℃를 유지한다.Moreover, the internal temperature of the
다음으로, 상기 (c)단계는 상기 반응기(31)에서 생성된 에탄올을 분리한다(S30).Next, step (c) separates the ethanol produced in the reactor 31 (S30).
상기와 같은 조건에서, 약 하루(또는 24시간) 동안 반응하면, 음식물쓰레기 건조 중량 1g 당 약 0.31(0.31g-ethanol/g-dry food waste)g의 에탄올을 얻을 수 있다.Under the above conditions, when reacted for about one day (or 24 hours), about 0.31 g of ethanol (0.31 g-ethanol / g-dry food waste) per gram dry weight of food waste can be obtained.
상기 당(glucose)은 효모(saccharomyces cerevisiae)에 의하여 알코올 발효가 일어나 에탄올을 만들어 낸다. 이때 생성되는 에탄올은 38.02g-에탄올/L·day 이다. 즉, 하루(24시간) 동안 반응하면, 전체 용량당 38.02g의 에탄올이 생성된다.The sugar (glucose) is alcohol fermentation by yeast (saccharomyces cerevisiae) to produce ethanol. Ethanol produced at this time is 38.02g-ethanol / L.day. That is, the reaction for one day (24 hours) produces 38.02 g of ethanol per total dose.
이렇게 반응기(31)에 생성된 에탄올은 상기 혼합물에 혼합되어 있으므로, 상기 혼합물로부터 에탄올을 분리하기 위하여, 질소를 이용한 가스 스트립핑 기법(gas stripping technique)을 이용한다.Since the ethanol produced in the
가스 스트립핑 기법(gas stripping technique)은 상기 반응기(31)와 관통하여 연결된 순환관(32)으로 질소를 순환시키고 질소에 함유된 에탄올을 냉각하여 액화된 에탄올을 수집하는 기법을 말한다.The gas stripping technique refers to a technique of collecting liquefied ethanol by circulating nitrogen through a
즉, 반응기(31)의 일측으로 질소를 불어넣고, 다른 일측으로 질소를 뽑아내어, 질소가 반응기를 가로질러 빠르게 진행하도록 하면, 반응기(31)에 있던 에탄올이 기화되어 질소와 함께 순환관(32)을 타고 이동하게 된다. 반응기(31)에 나온 순환관(32)을 냉각하고 냉각되면서 질소 가스에 혼합되어 있던 에탄올은 액화된다. 액화된 에탄올을 수집한다(이하 장치에서 보다 자세히 설명한다.).That is, when nitrogen is blown to one side of the
다음으로, 본 발명에 따른 당화 및 발효의 동시 공정을 통한 음식물쓰레기로부터의 바이오 에탄올 제조장치의 구성을 도 2를 참조하여 설명한다.Next, the configuration of the apparatus for producing bioethanol from food waste through the simultaneous process of saccharification and fermentation according to the present invention will be described with reference to FIG. 2.
도 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 바이오 에탄올 제조장치는 반응기(31), 순환관(32), 가스순환펌프(33), 냉각기(34), 에탄올 수집장치(35)를 포함하여 구성한다.As shown in Figure 2, bioethanol manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention is a
반응기(31)는 질소로 채워지고 내부 온도를 30 ~ 35 ℃ 로 유지한다.The
반응기(31)는 투입되는 음식물 쓰레기 등의 혼합물이 잘 섞여 반응하도록 교반기능을 가지는 것이 바람직하다. 또, 반응기(31)의 교반방식은 액체상태의 혼합물을 펌프에 의하여 순환시키는 펌프순환 방식이나, 실린더형의 순환관로를 설치하여 모터의 교반에 의하여 혼합물을 순환시키는 기계교반 방식이나, 블러워에 의하여 내부가스를 순환시켜 공기력에 의하여 내부를 혼합시키는 가스교반 방식 등 통상의 교반 방식 어느 것이나 적용이 가능하다.The
특히, 바이오 에탄올을 반응기(31)로부터 분리하기 위하여 질소를 순환시키므로, 질소 가스를 이용하여 교반하는 가스교반 방식으로 반응기(31)를 구성하는 것이 보다 바람직하다.In particular, since nitrogen is circulated in order to separate bioethanol from the
또한, 반응기(31)는 30 ~ 35 ℃의 일정한 온도를 유지하므로, 항온 기능을 갖는 것이 바람직하다. 예를 들면, 반응조의 주위에 자켓을 설치하고 자켓에 온수를 보내거나 증기를 보내는 등의 가온 방식을 이용할 수 있다. 반응기(31)에 항온하는 것은 본 분야의 공지기술이므로, 구체적 설명은 생략한다.Moreover, since the
순환관(32)은 상기 반응기(31)에 관통되도록 연결되고 질소가 순환된다. 즉, 순환관(32)은 반응기(31)의 일측에 연결되고 다른 측에도 연결되어 순환되는 가스가 반응기(31) 내부를 관통하여 반대편으로 나올 수 있도록 연결한다. 앞서 설명한 바와 같이, 순환관(32)에서 나와 반응기(31)로 들어간 질소는 빠른 속도로 반응기(31) 내부를 횡단하면서 반응기(31) 내에 있는 에탄올을 기화시켜 함께 다른 편의 순환관(32)으로 빠져 나간다.The
또, 앞서 본 바와 같이, 가스교반 방식의 반응기(31)인 경우에는 순환관(32)으로 들어온 질소는 반응기(31) 내의 혼합물을 교반하는 기능도 수행한다.In addition, as described above, in the case of the
가스순환펌프(33)는 상기 순환관(32)내에서 질소를 순환시킨다. 즉, 가스순환펌프(33)는 질소를 순환시키기 위한 펌프이다. 특히, 가스순환펌프(33)는 상기 질소를 유효부피(working volume) 1L 기준으로 10 L/min 의 속도로 순환시킨다.The
냉각기(34)는 상기 순환관(32)의 일부에 설치되어 질소를 냉각시킨다. 즉, 냉각기(34)의 냉각관이 순환관(32)을 둘러싸고 냉각관 내에 냉각수를 순환시킴으로써 질소를 냉각하게 된다.The cooler 34 is installed in a part of the
한편, 냉각된 질소가 다시 순환되어 냉각된 상태로 반응기(31)에 들어가 순환하게 되면, 반응기(31)내의 온도가 유지되지 못하는 문제가 발생될 수 있다. 따라서 반응기(31)에 들어가기 전의 순환관(32)에 냉온기를 설치하여 질소의 온도를 냉각이전 상태로 돌려놓는 것이 바람직하다. 특히, 반응기(31)에 이용되는 항온장치를 반응기(31)로 들어가는 순환관(32)까지 확장하여 항온을 시켜주는 것이 더욱 바람직하다.On the other hand, if the cooled nitrogen is circulated again to enter the
에탄올 수집장치(35)는 상기 순환관의 일부에 냉각기와 함께 설치되어, 상기 냉각기에서 질소가 냉각되어 질소에 함유된 에탄올이 액화되면, 상기 액화된 에탄올을 수집한다.The
상기 바이오 에탄올 제조 장치에 대한 설명 중 미흡한 부분은 상기 바이오 에탄올 제조 방법에 대한 설명을 참고한다.Insufficient parts of the description of the bioethanol production apparatus refer to the description of the bioethanol production method.
< 실험 1 > 비스코자임 L 의 투입량에 따른 당(glucose)의 생산량 비교실험<Experiment 1> Comparison of glucose production according to the dosage of biscozyme L
본 실험은 음식물 쓰레기를 고효율로 당화시키기 위해 투입하는 효소의 적정량을 구하기 위한 것이다. 이를 위해, 음식물쓰레기 200g (함수율 82%), 완충용액(pH 5.0)을 혼합 후, 효소 비스코자임 L(Viscozyme L)을 각각 0.1, 0.5, 1.0, 5.0, 10.0 %(v/v)되도록 주입한 실험군들을 만들었다. 대조군은 비스코자임 L의 농도가 0 %(v/v), 즉, 비스코자임 L을 넣지 않는 것으로 정하였다.The purpose of this experiment is to find the proper amount of enzyme to ingest food waste in high efficiency. To this end, 200 g of food waste (water content: 82%) and a buffer solution (pH 5.0) were mixed, followed by injecting enzyme biskozyme L (Viscozyme L) to 0.1, 0.5, 1.0, 5.0, and 10.0% (v / v), respectively. Experimental groups were made. The control group determined that the concentration of biscozyme L was 0% (v / v), that is, no biscozyme L was added.
반응온도 35℃, pH 5.0(±0.5) 인 상태에서, 각 실험군에 대하여 시간에 따라 생성되는 당(glucose)의 농도를 측정하였다. 측정된 결과는 도 3a와 같다.In the state of reaction temperature of 35 ℃, pH 5.0 (± 0.5), the concentration of glucose (glucose) produced over time for each experimental group was measured. The measured result is shown in FIG. 3A.
도 3a에서 보는 바와 같이, 당화 반응속도는 비스코자임 L의 농도가 가장 높은 10% 의 실험군이 가장 효율이 높았다. 즉, 효소가 많으면 그만큼 반응속도가 빠른 것을 알 수 있다.As shown in Figure 3a, the glycosylation reaction rate was the highest in the experiment group of 10%, the highest concentration of biscozyme L. That is, the more enzymes, the faster the reaction rate.
도 3b는 비스코자임 L을 주입한 양에 따른 당(glucose)의 생산량을 표시한 그래프이다. 도 3b에서 보는 바와 같이, 효소의 주입 양에 따른 당(glucose)의 생 산량은 효소농도가 0.1%인 실험군이 가장 많은 것으로 나타났다. 투입되는 비스코자임 L의 양이 많을수록, 생산비용은 증대된다. 따라서 효소의 투입량에 따른 당 생산량 측면에서의 효율성을 고려하면, 효소농도 0.1%인 실험군이 가장 좋다.Figure 3b is a graph showing the production of glucose (glucose) according to the amount injected biscozyme L. As shown in Figure 3b, the production of sugar (glucose) according to the amount of enzyme injection was found to be the most experimental group of 0.1% enzyme concentration. The greater the amount of biscozyme L injected, the higher the production cost. Therefore, considering the efficiency in terms of sugar production according to the input amount of enzyme, the experimental group with the enzyme concentration of 0.1% is the best.
그러나 비스코자임 농도가 낮을수록 당의 생성 속도가 느리고, 전체 생산량이 적다.However, the lower the biscozyme concentration, the slower the sugar production and the lower the total yield.
따라서 당의 농도와 생성속도를 고려할 때, 효소의 농도는 1%가 바람직하다.Therefore, considering the sugar concentration and the production rate, the enzyme concentration is preferably 1%.
< 실시예 1 > 동시 당화 및 발효과정에 의해 생성된 당과 에탄올의 생성량Example 1 Production of Sugar and Ethanol Produced by Simultaneous Saccharification and Fermentation
도 2와 같은 반응기(31)에 음식물쓰레기 1,000 g(함수율 81%), 완충용액 780 ml, 효모(saccharomyces cerevisiae) 200 ml, 비스코자임 L (Viscozyme L) L 20 ml를 혼합 후, 동시당화 실험을 진행하였다. 이때, 가스순환펌프를 이용하여 에탄올을 포집하였다. After mixing food waste 1,000 g (water content 81%), buffer solution 780 ml, yeast (saccharomyces cerevisiae) 200 ml, biscozyme L (20 ml) in the
상기 실시예에 대한 결과가 도 4에 표시되고 있다. 도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 동시 당화 및 발효과정을 수행한 결과 음식물쓰레기에서 생성되는 당(glucose) 및 에탄올의 생성량을 도시한 그래프이다.The results for this example are shown in FIG. Figure 4 is a graph showing the amount of sugar (glucose) and ethanol produced in the food waste as a result of performing the simultaneous saccharification and fermentation process according to an embodiment of the present invention.
도 4에서 보는 바와 같이, 초기 6시간 동안은 당화과정이 활발하게 진행되어 당(glucose)이 급격하게 많이 생성되고, 발효과정에 의한 에탄올은 늦게 생성되기 시작함을 알 수 있다. 또, 이후 6시간 동안( 06 ~ 12 hr )은 발효과정에 의해 에탄올이 급격하게 많이 생성되고, 당(glucose)의 생성량은 감소됨을 알 수 있다.As shown in Figure 4, during the initial 6 hours, the glycosylation process is actively progressed, a lot of sugar (glucose) is rapidly generated, it can be seen that ethanol by the fermentation process begins to be produced late. In addition, during the next 6 hours (06 ~ 12 hr) it can be seen that the ethanol is rapidly produced by the fermentation process, the production of sugar (glucose) is reduced.
또한, 도 4와 같이, 동시당화 실험결과, 당의 생성이 수 분내에 이루어짐을 알 수 있었으며, 효모(S. cerevisiae)가 당을 이용하는데 유도기(lag phase)는 약 1시간 이내이었다. 생성되는 글루코즈는 효모(S. cerevisiae)에 의해 바로 소비되었고 그 결과 0.31 g/g TS의 에탄올을 얻을 수 있었다. 여기서 TS란 total solid, 음식물쓰레기의 건조중량을 말한다.In addition, as shown in FIG. 4, the results of the co-glycosylation experiment showed that the sugar was produced within several minutes, and the induction phase of the yeast (S. cerevisiae) using the sugar was within about 1 hour. The resulting glucose was consumed directly by S. cerevisiae, resulting in 0.31 g / g TS of ethanol. TS refers to total solid and dry weight of food waste.
이상, 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.As mentioned above, although the invention made by this inventor was demonstrated concretely according to the said Example, this invention is not limited to the said Example, Of course, a various change is possible in the range which does not deviate from the summary.
본 발명은 음식물 쓰레기로부터 바이오 에탄올을 생산하기 위한 제조 장치를 개발하는 분야에 적용이 가능하다. 특히, 당화와 발효를 동시에 하나의 반응기에서 이루어지도록 하고, 가스 스트립핑 기법(gas stripping technique)을 이용하여 바이오 에탄올을 분리하는 바이오 에탄올 제조 장치를 상용화하는 곳에 적용이 가능하다.The present invention is applicable to the field of developing a manufacturing apparatus for producing bioethanol from food waste. In particular, it is possible to be applied to the commercialization of the bioethanol production apparatus for the saccharification and fermentation to be made in one reactor at the same time, and to separate the bioethanol by using a gas stripping technique (gas stripping technique).
도 1은 본 발명의 일실시예에 따라 당화 및 발효의 동시 공정을 통한 음식물 쓰레기로부터의 바이오 에탄올 제조방법을 설명하는 흐름도이다.1 is a flow chart illustrating a method for producing bioethanol from food waste through a simultaneous process of saccharification and fermentation according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 당화 및 발효의 동시 공정을 통한 음식물쓰레기로부터의 바이오 에탄올 제조장치의 구성을 도시한 도면이다.2 is a view showing the configuration of a bioethanol production apparatus from food waste through the simultaneous process of saccharification and fermentation according to the present invention.
도 3은 본 발명의 일 실험에 따라 음식물쓰레기에 투입된 비스코자임 L 의 투입량에 따라 생성되는 글루코스(포도당)의 양을 비교한 실험결과에 대한 그래프이다.3 is a graph showing the results of experiments comparing the amount of glucose (glucose) produced according to the amount of biscozyme L added to food waste according to one experiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 동시 당화 및 발효과정을 수행한 결과 음식물쓰레기에서 생성되는 글루코스 및 에탄올의 생성량을 도시한 그래프이다.Figure 4 is a graph showing the amount of glucose and ethanol produced in food wastes as a result of performing simultaneous saccharification and fermentation process according to an embodiment of the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
30 : 바이오에탄올 제조장치 31 : 반응기30 bioethanol manufacturing apparatus 31: reactor
32 : 순환관 33 : 가스순환펌프32: circulation pipe 33: gas circulation pump
34 : 냉각기 35 : 에탄올 수집장치34: cooler 35: ethanol collector
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