KR20150065965A - 바이오매스 연속식 전처리 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원료의 이송 통로로서 내부에 제1중공부가 형성된 이송부; 상기 이송부의 일측에 배치되어, 상기 원료가 공급되는 원료 공급부; 상기 제1중공부에 배치되고, 축회전에 의해 상기 원료의 이송 구동력을 제공하는 스크류 형상의 제1이송장치; 및 상기 이송부의 타측에 배치되어, 상기 원료를 배출하는 토출구; 를 포함하며, 상기 제1중공부의 일측은 소정영역에 스크류 형상의 제2이송장치가 상기 제1이송장치와 병렬로 배치되어 상기 원료를 파쇄 및 압출하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 전처리 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 상기 바이오매스 전처리 시스템을 이용하여, 바이오매스를 전처리하는 바이오매스 전처리 방법에 관한 것이다.

Description

바이오매스 연속식 전처리 시스템{Continuous pretreatments system of biomass}

본 발명은 바이오매스 연속식 전처리 시스템에 관한 것으로, 바이오매스의 세포벽과 단단하게 결합된 셀룰로오스 구조를 연속적인 기계·화학적 처리를 통해 유연하게 만들어 탄수화물의 회수율을 높이는 시스템에 관한 것이다.

전세계적으로 화석 연료의 과다 사용에 따른 자원 고갈 및 환경오염에 대한 우려가 증가함에 따라 안정적이고 지속적으로 에너지를 생산하는 신재생 대체에너지 개념이 화두가 되고 있다. 그러한 대체에너지 개발의 일환으로 바이오매스로부터 알콜, 디젤, 수소 등과 같은 수용연료 등의 바이오에너지를 생산하는 기술이 주목 받고 있다.

여기서, 바이오매스란 태양광을 이용하여 이산화탄소를 고정하는 탄소동화과정, 즉 광합성 과정을 통하여 생합성되는 당류 및 이를 포함하는 생물체 전반을 일컫는다. 대표적인 예로는 지구상에서 가장 풍부하고 고갈 없이 재생이 가능한 식물자원으로 대표되는 리그노셀룰로오스(lignocelluloses)가 있다.

상기 리그노셀룰로오스계 바이오매스는 그 구조적인 특징, 즉 원료로 사용 가능한 셀룰로오스가 헤미셀룰로오스와 리그닌으로 둘러싸여 있어 당화 효소의 접근이 제한되는 특성으로 인해 이를 개선하기 위한 전처리 공정이 반드시 필요하다.

전처리 방법은 바이오매스의 종류에 따라 다양한 물리적화학적 방법, 예를 들어 증기 폭쇄법, 알칼리 처리법, 이산화황 처리법, 과산화수소 처리법, 초임계 암모니아 처리법, 산 처리법, 암모니아 동결 폭쇄법, 유기용매 처리법 등이 알려져 있으며, 실제로 이들 방법을 단독으로 또는 조합하여 사용하고 있다. 일반적으로 물리적 방법은 공정이 느리고, 에너지 소비가 많아 경제성이 떨어지며, 화학적 방법은 강산이나 강알칼리성 화합물을 사용하여 비용이 높고, 대용량 공정에는 부적합하며, 부생성물이 발생하고, 독성이 높아 환경에 악영향을 미치므로, 환경문제를 일으키지 않고 경제적이고 효과적이며, 상업화 공정에 접근할 수 있는 연속식 전처리 공정의 개발이 필요한 실정이다.

KR 제10-1190647호 (등록번호)

본 발명은 상업화 공정에 접근할 수 있는 연속식 전처리 공정을 위한 바이오매스 전처리 시스템을 제공하고자 한다.

본 발명은 원료의 이송 통로로서 내부에 제1중공부가 형성된 이송부; 상기 이송부의 일측에 배치되어, 상기 원료가 공급되는 원료 공급부; 상기 제1중공부에 배치되고, 축회전에 의해 상기 원료의 이송 구동력을 제공하는 스크류 형상의 제1이송장치; 및 상기 이송부의 타측에 배치되어, 상기 원료를 배출하는 토출구; 를 포함하며, 상기 제1중공부의 일측은 소정영역에 스크류 형상의 제2이송장치가 상기 제1이송장치와 병렬로 배치되어 상기 원료를 파쇄 및 압출하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 전처리 시스템을 제공한다.

본 발명은 상기 바이오매스 전처리 시스템을 이용하여, 바이오매스를 전처리하는 바이오매스 전처리 방법을 제공한다.

본 발명의 연속식 전처리 시스템은 전처리시 발생하는 고압의 조건하에서 바이오매스의 투입과 이송이 용이한 이송부를 포함함으로써 연속적으로 발효 가능한 대량의 당을 공급받을 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 이송부를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 공정의 흐름도를 나타낸 도면이다.

본 발명은 바이오매스 전처리 시스템에 관한 것으로, 원료의 이송 통로로서 내부에 제1중공부가 형성된 이송부; 상기 이송부의 일측에 배치되어, 상기 원료가 공급되는 원료 공급부; 상기 제1중공부에 배치되고, 축회전에 의해 상기 원료의 이송 구동력을 제공하는 스크류 형상의 제1이송장치; 및 상기 이송부의 타측에 배치되어, 상기 원료를 배출하는 토출구; 를 포함하며, 상기 제1중공부의 일측은 소정영역에 스크류 형상의 제2이송장치가 상기 제1이송장치와 병렬로 배치되어 상기 원료를 파쇄 및 압출하는 것을 특징으로 한다.

특히, 소정영역이라 함은 상기 원료 공급부와 대응하는 영역을 의미하며, 일 예로 상기 원료 공급부의 길이에 80%, 90% 또는 100%의 영역일 수 있다. 다른 양태로서 상기 소정영역은 제1이송장치의 전체 길이에 대응하는 20 내지 40% 의 길이만큼의 영역일 수 있다.

여기서, 바이오매스라 함은, 에탄올, 탄화수소류, 가솔린, 천연 가스, 메테인, 바이오디젤 및 수소 가스 등의 에너지, 전기, 플라스틱, 중합체, 영양분(인간 및 동물), 단백질, 생체분자, 약제(인간 및 가축), 비료 혹은 기타 산물을 생산하는 생산 시스템에서 이용될 수 있는 유기성분의 임의의 재료 혹은 이들 재료의 조합을 의미한다.

또한, 바이오매스 전처리라 함은, 바이오매스 내 구성성분들 간의 결합 상태 등을 변화시켜 단당으로 분해되기 용이한 형태를 만드는 것을 의미한다. 예를 들어, 구성성분들의 화학적 결합, 배치, 또는 입체 형태를 변화시켜 비당부분을 제거하어 후단의 효소당화를 용이하게 하는 것을 포함한다. 또한, 분자구조의 변화, 바이오매스 내 구성성분의 산화, 평균 분자량의 변화, 평균 결정화도의 변화, 표면적의 변화, 중합도의 변화, 다공도의 변화, 분지화도의 변화, 그라프트화, 결정 영역 크기의 변화, 또는 전체 영역 크기의 변화를 포함할 수 있다.

본 발명의 원료공급부는 상기 원료가 투입되는 호퍼; 일측은 상기 호퍼의 하단과 연결설치되며, 타측은 상기 이송부와 연결설치되어, 상기 원료를 상기 이송부에 전달하는 밸브; 및 상기 호퍼에 설치되어 진동을 가하는 진동 공급 장치; 를 포함한다.

또한, 상기 제1이송장치는 나사산을 포함하며, 상기 나사산의 일부는 역압을 견딜수 있도록 적어도 하나의 단절부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서 단절부는 토출구와 근접한 위치에 복수개 형성될 수 있으며, 정면으로 보았을 때, 이웃하는 난사산과 연통되도록 형성될 수 있으며, 이웃하는 나사산과 연통되지 않도록 형성될 수 있다.

이에 더하여, 본 발명의 바이오매스 전처리 시스템은 상기 토출구와 연결되어 압출된 바이오매스 원료와 용매가 투입되어 반응이 이루어지는 반응부; 및 상기 반응부의 타측에 연결설치되어 상기 반응부에서 생성된 반응물을 회수하는 회수부; 를 추가로 포함할 수 있으며, 상기 반응부는 용매공급장치가 연결설치되어, 압출된 원료와 용매를 혼합하는 혼합반응조; 및 상기 혼합반응조와 연결설치되어, 상기 혼합물에 열을 가하는 가열수단을 포함하는 관형반응조;를 포함할 수 있다.

특히, 상기 혼합반응조는 상부커버의 상부에 설치되어 회전력을 제공하는 제1모터; 상기 모터와 연결된 제1회전축; 상기 회전축의 하단에 결합되고, 상기 회전축을 중심으로 회전하여 상기 원료 및 용매를 혼합하는 제1교반날개; 를 포함할 수 있다.

또한, 상기 관형반응조는 내부에 제2중공부가 형성되며, 상기 제2중공부는 축회전에 의해 상기 혼합물의 이송 구동력을 제공하는 스크류 형상의 제3이송장치를 포함할 수 있다.

특히, 상기 가열수단은 상기 관형반응조의 외면을 단열처리되도록 감싸는 오일자켓; 상기 오일자켓과 연결설치되어 상기 오일자켓에 열을 가하는 히팅블럭; 을 포함할 수 있다.

이에 더하여, 본 발며의 회수부는 회수부 내부의 압력을 승압시키기 위한 질소저장탱크가 연결설치된 상부커버; 상기 상부커버의 상부에 설치되어 회전력을 제공하는 제2모터; 상기 제2모터와 연결된 제2회전축; 상기 제2회전축의 하단에 결합되고, 상기 제2회전축을 중심으로 회전하여 반응물을 혼합하는 제2교반날개; 및 상기 회수부의 하단부에 적어도 2개의 배출밸브; 를 포함할 수 있다.

본 발명에서 용매라 함은 알칼리 용매일 수 있으며, 일 예로 NaOH 일 수 있다.

또한, 본 발명은 바이오매스 전처리 시스템을 이용하여 바이오매스를 전처리하는 바이오매스 전처리 방법에 관한 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이송부를 도시한 도면, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 바이오매스 전처리 시스템을 도시한 도면, 도 3은 본 발명의 연속식 전처리 시스템을 통하여 전처리 전/후 억새의 당화율을 나타난 그래프이다.

이하, 도 1 내지 도 3과 실시예를 통해 본 발명인 바이오매스 전처리 시스템을 상세히 설명한다.

본 발명은 바이오매스 연속식 전처리 시스템(10)에 관한 것으로, 특히, 에탄올 생산에 필요한 탄수화물을 셀룰로오스계 바이오매스로부터 고효율로 전처리할 수 있는 시스템에 관한 것이다.

도 1에 도시된 바에 따르면, 본 발명인 바이오매스 전처리 시스템(10)은 이송부(100), 반응부(300) 및 회수부(400)를 포함한다.

먼저, 상기 이송부(100)는 원료의 이송통로를 의미하며, 일측에는 원료공급부(200)와 연결되며, 타측에는 토출구(130)가 연결될 수 있다. 상기 원료공급부(200)는 분말형태의 바이오매스 원료를 공급하는 부분을 의미하며, 상기 토출구(130)는 상기 원료가 배출되는 부분을 의미한다.

특히, 상기 이송부(100)는 내부에 제1중공부를 포함하며, 상기 제1중공부는 축회전에 의해 상기 원료의 이송 구동력을 제공하는 스크류 형상의 제1이송장치(110)를 포함할 수 있다. 상기 제1이송장치(110)는 스크류의 축 회전에 의해 바이오매스를 이송시킬 수 있으며, 축 회전은 스크류에 연결된 모터에 의해 구동력을 제공받을 수 있다. 또는 컨베이어 밸트 등을 통해 원료를 연속적으로 이동시킬 수 있다. 추가적으로, 보다 수월하게 원료를 이동시키기 위하여, 상기 제1이송장치(110)에 형성된 나사산(111) 중에 일부 구간에는 서로 상호 연결되지 않도록 단절부(112)를 포함할 수 있다. 상기 단절부는 도 1에 도시된 바와 같이, 제1이송장치(110)의 타측에 형성된 나사산(111)에 형성될 수 있으며, 정면에서 보았을때, 서로 인접하지 않도록 형성될 수 있다. 이는, 제1이송장치(110)가 후술할 반응부(300)에서의 압력에 의하여 원료가 역류할 수 없도록 제어하기 위한 것일 수 있다.

이에 더하여, 상기 제1중공부의 일측은 소정영역에 스크류 형상의 제2이송장치가 형성될 수 있으며, 상기 제2이송장치는 제1이송장치(110)와 병렬로 배치될 수 있다. 상기 제2이송장치는 원료를 이송함과 동시에 원료를 파쇄 및 압출시키기 위한 장치일 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 제1이송장치(110)와 제2이송장치(120)가 병렬로 배치되어, 맞물리게 됨으로써 원료를 파쇄시킬 수 있다.

여기서, 소정영역이라 함은 상기 원료 공급부(200)와 대응되는 영역을 의미하며, 일 예로 상기 원료 공급부의 길이에 대응하는 80%, 90% 또는 100%의 영역일 수 있다. 다른 양태로서 상기 소정영역은 제1이송장치(110)의 전체 길이에서 20 내지 40% 의 길이만큼의 영역일 수 있다.

상기 원료공급부(200)는 바이오매스 원료를 공급하는 것으로, 일측은 바이오매스가 유입되는 호퍼(210)를 포함하며, 타측은 상기 이송부(100)와 연결설치되어, 상기 원료를 상기 이송부(100)에 전달하는 밸브(220)와 상기 호퍼(210)에 설치되어 진동을 가하는 진동 공급 장치를 포함할 수 있다. 이때 상기 원료공급부(200)로 공급되는 원료는 2mm 이하로 분쇄된 바이오매스 원료일 수 있고, 15 내지 25%의 수분을 함유하고 있을 수 있다.

도 2에 도시된 바에 따르면, 상기 이송부(100)에 형성된 토출구(130)는 본 발명의 반응부(300)와 연결될 수 있다. 상기 반응부(300)에서 분말화된 바이오매스 원료와 용매가 투입되어 반응이 이루어질 수 있다.

특히, 상기 반응부(300)는 혼합반응조(310)와 관형반응조(320)를 포함할 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 혼합반응조(310)는 용매공급부와 연결설치될 수 있다. 바이오매스로부터 탄수화물을 효율적으로 추출하기 위하여 용매를 혼합하여 반응물의 각 성분의 결합력을 더욱 약하게 할 수 있다. 이때 용매는 알리리성의 용매일 수 있으며, 일 예로 NaOH 일 수 있다.

상기 혼합반응조(310)는 상기 이송부(100)와 용매공급장치에 의하여 원료와 용매가 투입되어 혼합물을 생성할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 혼합반응조(310)는 상부에 커버를 포함할 수 있으며, 상기 상부커버(410)의 상부에 배치되어 회전력을 제공하는 제1모터(311)와 상기 제1모터(311)와 연결되어 회전력을 전달하는 회전축(312), 상기 회전축(312)과 연동하여 혼합물을 교반시키는 제1교반날개(313)를 포함한다.

상기 제1회전축(312)의 상단부는 제1모터(311)와 연결되고, 제1회전축(312)의 하단부는 상부커버를 관통하여 혼합반응조(310)의 상부에 수용되며, 제1모터(311)가 작동하면서 회전하여 제1교반날개(313)에 회전력을 전달한다.

상기 제1교반날개(313)는 제1회전축(312)의 하단부에 연결되어 제1회전축(312)을 중심으로 방사형으로 연장되어 반응조의 내부에 저장된 반응물을 골고루 혼합되도록 교반시킬 수 있다.

상기 혼합반응조(310)에서 혼합된 혼합물은 관형반응조(320)로 전달되고, 상기 관형반응조(320)는 가열수단을 포함하고 있어, 원료에 균일한 열을 가함으로써 바이오매스의 국부적인 열화 및 과분해를 방지할 수 있으므로 전처리 효율을 크게 향상시킬 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 관형반응조(320)는 내부에 제2중공부가 형성되며, 상기 제2중공부는 축회전에 의해 상기 혼합물의 이송 구동력을 제공하는 스크류 형상의 제3이송장치(331)를 포함할 수 있다.

특히, 상기 가열수단은 상기 관형반응조(320)의 외면을 단열처리되도록 감싸는 오일자켓(330)과 상기 오일자켓(330)과 연결설치되어 상기 오일자켓(330)에 열을 가하는 히팅블럭(331); 을 포함할 수 있다.

상기 오일자켓(330)은 상기 관형반응조(320)의 외면을 감싸고 있으며, 상기 오일자켓(330)에는 오일이 채워져 오일자켓(330)의 전 영역에 고르게 온도가 전달될 수 있다. 또한 상기 오일자켓(330)에는 히팅블럭(331)이 결합된다. 상기 히팅블럭(331)은 전기에 의해 가열되어 오일자켓(330)에 수용된 오일을 데우는 역할을 한다. 상기 오일자켓(330)에 의하여 본 발명의 관형반응조(320)의 열이 외부로 빠져나가는 것을 차단할 수 있다. 이때, 히팅블럭(331)에 온도는 200 내지 300℃ 로 조절될 수 있으며, 상기 오일자켓(330)층에는 히팅블럭(331)에 의해 전달되는 열에 의해 150 내지 250℃로 승온되어 이에 대한 열원이 관형반응조(320)로 전달될 수 있다. 이때 관형반응조(320)의 내부로 전달되는 온도는 120 내지 180℃ 일 수 있다.

또한, 상기 관형반응조(320)의 온도에 의하여 압력이 발생하게 되며, 이때 관형반응조(320)의 내부압력은 0.1 내지 7bar 일 수 있으며, 일 예로 관형반응조(320)의 온도가 145℃ 일때, 압력이 1.7bar 일 수 있다. 즉, 상기 관형반응조(320)는 추가로 압력조절장치를 구비하지 않아도, 온도의 제어에 의하여 압력을 제어할 수 있다.

이는 바이오매스 원료와 액체상태의 알칼리 용매가 고온 및 고압 하에서 가수분해 반응을 할 때 반응물을 부풀림으로써 반응물의 각 성분의 결합력을 더욱 약화시킬 수 있는 것이다. 즉, 바이오매스의 각 성분인, 리그닌, 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스의 결합력이 약해져서, 바이오매스의 성분의 결합력을 더욱 약화시킬 수 있다.

관형반응조(320)에서 배출되는 반응물은 회수조로 들어오며, 인입된 반응물은 일정량이 모아질때까지 교반되어진다. 구체적으로, 본 발명의 회수부(400)는 상부커버(410)의 상부에 설치되어 회전력을 제공하는 제2모터(420); 상기 제2모터(420)와 연결된 제2회전축(430); 상기 제2회전축(430)의 하단에 결합되고, 상기 제2회전축(430)을 중심으로 회전하여 반응물을 혼합하는 제2교반날개(440); 를 포함함으로써, 모아진 반응물을 교반할 수 있다. 또한, 상기 상부커버(410)는 상기 회수부(400) 내부의 압력을 승압시키기 위한 질소저장탱크가 연결설치될 수 있으며, 상기 회수부(400)는 하부에 적어도 2개의 배출밸브(450)를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 2 개의 밸브 사이에는 반응물이 체류할 수 있는 공간이 형성될 수 있어서, 2 개의 배출밸브(45) 제어를 통해서 일정량이 압력을 유지하면서 반응물을 배출되도록 구성될 수 있다.

이에 더하여, 본 발명의 바이오매스 전처리 시스템(10)은 제어부를 추가로 구비하여 본 발명의 혼합반응조(310)의 모터속도, 관형반응조(320)의 온도제어 및 회수부(400)의 밸브제어가 가능할 수 있다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실험예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 다만 하기의 실험예는 본 발명의 내용을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실험예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실험예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.

< 실험예 >

실험예 1. 바이오매스 연속식 전처리 시스템을 이용한 억새의 전처리

바이오매스를 전처리하기 위하여 원료로 재식 2년차 포장에서 수확한 ‘거대억새 1호’ 줄기를 사용하였다. 거대억새 1호 줄기의 수분함량을 5 내지 10%로 포장하여 건조시켜 조사료 절단기로 3mm로 분쇄한 후 수분함량 23%가 되도록 증류수를 첨가하여 잘 교반한 후 실온에 저장하였다.

분쇄된 억새는 원료공급부(200)에 넣고 상기 원료공급부(200)의 호퍼(210)내에 구비된 교반기를 6Hz 의 속도로 시료를 혼합하여 밸브(220)를 통해 이송부(100)로 배출시켰다.

이때, 상기 원료공급부(200)에 구비되는 진동 공급장치의 진동수를 조절하여 원료를 분당 15g의 속도로 일정하게 이송부(100)로 배출되게 하였다. 특히, 상기 이송부(100)내에 구비된 제1이송장치(110)와 제2이송장치에 의해 상기 원료를 보다 미세하게 분쇄시켰으며, 분쇄된 후에 원료를 상기 이송부(100) 내의 제1이송장치(110)의 토출구(130) 쪽으로 축적시켜 3bar 이하의 역압력을 견딜 수 있게 하여 운전 중에 혼합반응조(310)로부터 원료가 역류되지 않도록 유지시켰다.

이와 동시에 혼한반응조는 용매공급부로부터 가성소다(NaOH) 용매를 120ml/min 속도로 공급받았으며, 80℃ 데워진 히터를 통과하여 혼합반응조(310)로 공급 후 교반기에 의하여 믹서기내에서 원료를 혼합시켰다. 특히, 상기 가성소다는 원료와 용매의 비율이 1:8의 비율이 되도록 공급받았다.

상기 혼합반응조(310)에서 혼합된 반응물은 관형반응조(320)를 통과시켰다. 보다 구체적으로, 원료가 100 내지 180℃, 0.1 내지 7bar의 조건으로 약 8분 동안 관형반응조(320)를 통과하면서 가수분해 반응이 일어났다.

관형반응조(320)를 통과한 반응물은 회수부(400)로 이송되었으며, 상기 회수부(400) 내부에 설치된 교반기로 시료를 혼합시키며 약 30분 간격으로 회수조 하단에 설치된 2개 밸브의 자동조작으로 반응물을 배출시켰다.

최종적으로 수거된 전처리 반응물은 중성이 될 때까지 물로 세척시켰으며, 회수된 고형물을 당화 및 발효에 이용하였다.

실험예 2. 바이오매스 연속식 전처리 전/후 원료의 성분분석

바이오매스 연속식 전처리물에 대한 성분함량을 NREL(National Renewable Energy Laboratory, 미 국립재생에너지 연구원) 표준분석 방법에 의거하여 실시하였다. 억새의 전처리 전의 성분분석결과 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌의 함량은 각각 40.5%, 23.8%, 24.1% 이었다.(표 1)

성분조성	셀룰로오스(%)	헤미셀룰로오스(%)	리그닌(%)
전처리 전	40.5	23.8	24.1

원료는 본 발명의 바이오매스 전처리 시스템(10)에 의해 가성소다(NaOH)의 농도별로 O.5M, 1.0M, 1.5M에 따라 처리하였으며, 전처리 후에 각 농도별 회수된 고형물의 셀룰로오스 함량은 62.6%, 69.4%, 78.6% 였고, 리그닌은 각각 8.2%, 7.7%, 8.1% 이었다.(표 2)

농도별	셀룰로오스 함량(%)	리그닌(%)
0.5M NaOH	62.6	8.2
1.0M NaOH	69.4	7.7
1.5M NaOH	73.8	8.1

전처리 후에 회수된 고형물의 수분함량은 약 70% 이었으며, 원료 대비 회수율은 약 40% 이었다. 결과적으로 전처리 전후의 리그닌의 함량은 24.1%에서 3.2% 로 크게 감소하였다. 보다 구체적으로, 후속공정인 당화효소반응은 리그닌의 영향을 받으므로 전처리한 연속식 전처리를 통해서 최대한 제거하여야 하는데, 전처리의 실시 결과 리그닌을 원료 대비 86.7% 로 감소시켜 후속 공정인 당화발효에 유리한 원료를 생산할 수 있었다.

따라서, 본 발명의 바이오매스 연속식 전처리 시스템을 이용한 바이오매스의 전처리 공정은 바이오에너지를 생산하기 위한 공정에 적합하다는 것을 확인할 수 있었다.

실험예 3. 바이오매스 전처리물의 당화율 검정

도 3은 본 발명의 연속식 전처리 시스템을 통해 억새를 전처리한 시료의 당화율을 나타내는 도면이다. 보다 구체적으로, 전처리 하지 않은 원시료의 당화율은 8.1%였으며, 0.5M 내지 1.5M 가성소다(NaOH)로 처리한 전처리물의 당화율은 91.8%로 매우 높은 것을 확인할 수 있었다. 이는 가성소다(NaOH)의 농도별 전처리 실험결과 당화율은 크게 차이가 없는 것을 알 수 있었다. 결과적으로, 본 발명을 통해 개발된 장치는 연속적으로 전처리가 가능할 뿐만 아니라 저농도의 가성소다 용매 조건하에서도 전처리 효율이 뛰어난 것을 확인할 수 있었다. 특히, 상업적 에탄올 생산 비용에 있어 매우 큰 비중을 차지하는 당화효소의 농도 측면으로 볼 때 10FPU라는 낮은 농도의 효소를 이용하여 91.8% 당화율을 얻는 것을 알 수 있었으며, 더불어 비교적 낮은 온도(145℃) 조건으로 연속식 전처리가 가능한 기술인 것을 확인할 수 있었다.

10: 바이오매스 전처리 시스템
100: 이송부
110: 제1이송장치 111: 나사산
112: 단절부 130: 토출구
200: 원료공급부
210: 호퍼 220: 밸브
300: 반응부
310: 혼합반응조 311: 제1모터
312: 제1회전축 313: 제1교반날개
320: 관형반응조 321: 제3이송장치
330: 오일자켓 331: 히팅블럭
400: 회수부
410: 상부커버 420: 제2모터
430: 제2회전축 440: 제2교반날개
450: 배출밸브

Claims (11)

1. 원료의 이송 통로로서 내부에 제1중공부가 형성된 이송부;
   상기 이송부의 일측에 배치되어, 상기 원료가 공급되는 원료 공급부;
   상기 제1중공부에 배치되고, 축회전에 의해 상기 원료의 이송 구동력을 제공하는 스크류 형상의 제1이송장치; 및
   상기 이송부의 타측에 배치되어, 상기 원료를 배출하는 토출구; 를 포함하며,
   상기 제1중공부의 일측은 소정영역에 스크류 형상의 제2이송장치가 상기 제1이송장치와 병렬로 배치되어 상기 원료를 파쇄 및 압출하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 전처리 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 원료공급부는
   상기 원료가 투입되는 호퍼;
   일측은 상기 호퍼의 하단과 연결설치되며, 타측은 상기 이송부와 연결설치되어, 상기 원료를 상기 이송부에 전달하는 밸브; 및
   상기 호퍼에 설치되어 진동을 가하는 진동 공급 장치; 를 포함하는 바이오매스 전처리 시스템.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1이송장치는
   나사산을 포함하며, 상기 나사산의 일부는 역압을 견딜수 있도록 적어도 하나의 단절부를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 전처리 시스템.
4. 제1항에 있어서,
   상기 바이오매스 전처리 시스템은
   상기 토출구와 연결되어 압출된 바이오매스 원료와 용매가 투입되어 반응이 이루어지는 반응부; 및
   상기 반응부의 타측에 연결설치되어 상기 반응부에서 생성된 반응물을 회수하는 회수부; 를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 전처리 시스템.
5. 제4항에 있어서,
   상기 반응부는
   용매공급장치가 연결설치되어, 압출된 원료와 용매를 혼합하는 혼합반응조; 및
   상기 혼합반응조와 연결설치되어, 상기 혼합물에 열을 가하는 가열수단을 포함하는 관형반응조;를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 전처리 시스템.
6. 제5항에 있어서,
   상기 혼합반응조는
   상부커버의 상부에 설치되어 회전력을 제공하는 제1모터;
   상기 모터와 연결된 제1회전축;
   상기 회전축의 하단에 결합되고, 상기 회전축을 중심으로 회전하여 상기 원료 및 용매를 혼합하는 제1교반날개; 를 포함하는 바이오매스 전처리 시스템.
7. 제5항에 있어서,
   상기 관형반응조는
   내부에 제2중공부가 형성되며, 상기 제2중공부는 축회전에 의해 상기 혼합물의 이송 구동력을 제공하는 스크류 형상의 제3이송장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 전처리 시스템.
8. 제5항에 있어서,
   상기 가열수단은
   상기 관형반응조의 외면을 단열처리되도록 감싸는 오일자켓;
   상기 오일자켓과 연결설치되어 상기 오일자켓에 열을 가하는 히팅블럭; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 전처리 시스템.
9. 제4항에 있어서,
   상기 회수부는
   회수부 내부의 압력을 승압시키기 위한 질소저장탱크가 연결설치된 상부커버;
   상기 상부커버의 상부에 설치되어 회전력을 제공하는 제2모터;
   상기 제2모터와 연결된 제2회전축;
   상기 제2회전축의 하단에 결합되고, 상기 제2회전축을 중심으로 회전하여 반응물을 혼합하는 제2교반날개; 및
   상기 회수부의 하단부에 적어도 2개의 배출밸브; 를 포함하는 바이오매스 전처리 시스템.
10. 제1항에 있어서,
    상기 용매는 알칼리 용매인 것을 특징으로 하는 바이오매스 전처리 시스템.
11. 제1 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 바이오매스 전처리 시스템을 이용하여, 바이오매스를 전처리하는 바이오매스 전처리 방법.

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