KR20190125718A - A Process for Continuous Hydrolysis of Lignocellulosic Biomass - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 초본계 바이오매스의 연속 가수분해 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for continuous hydrolysis of herbal biomass.
일반적으로 바이오매스의 생화학적 변환공정에 의해 생산되는 바이오연료는 바이오에탄올과 부탄올 등 고부가가치의 수송용 연료이다. 미국과 브라질로 대표되는 바이오에탄올 생산 강국은 대부분 1세대 바이오매스로 대표되는 옥수수와 사탕수수 등 전분질 바이오매스로 바이오에탄올을 생산하고 있다. 최근 들어 식용인 전분질 바이오매스를 수송용 바이오알코올 제조 원료로 활용하는 과정에서 많은 부작용이 제시되면서 70% 이상이 탄수화물로 이루어진 셀룰로오스계 바이오매스(2세대 바이오매스)를 대체 원료로 활용하는 방안이 제시되고 있다. 셀룰로오스계 바이오매스는 전분질계 바이오매스와는 달리 대부분의 셀룰로오스가 결정 영역을 이루고 있으며, 리그닌이라는 페놀성 물질로 둘러싸여 있기 때문에 바이오연료를 효과적으로 생산하기 위해서는 이러한 장애물을 제거하는 가수분해 과정이 요구된다.In general, biofuel produced by the biochemical conversion process of biomass is a high value-added transportation fuel such as bioethanol and butanol. Bioethanol production powerhouses represented by the United States and Brazil mostly produce bioethanol from starch biomass such as corn and sugarcane, which are represented by first-generation biomass. Recently, many side effects have been presented in the process of using edible starch biomass as a raw material for the production of bioalcohol for transportation, and more than 70% of cellulose-based biomass (2nd generation biomass) composed of carbohydrates is proposed as an alternative raw material. It is becoming. Unlike starch-based biomass, cellulose biomass is composed of most cellulose and is surrounded by a phenolic substance called lignin. Therefore, in order to effectively produce biofuels, a hydrolysis process that removes these obstacles is required.
초본계 바이오매스 가수분해 공정은 액체 존재 하에 고온 및 고압의 반응기 내에서 이루어질 수 있다. 가수분해 방법의 예로는 암모니아, 알카리-과초산, 알카리 과산화수소, 알카리 용매, 석회, 산소압 하의 석회, 수산화나트륨 등을 사용하는 염기 촉매화 방법, 자가 가수분해, 열수, 열수-pH 중성, 증기 등을 이용하는 무촉매 방법, 황산, 염산, 과초산, 인산, 이산화황을 이용한 농축 산 또는 희석 산을 사용하는 산 촉매화 방법, 유기 용매 등의 용매를 이용하는 방법, 과산화수소, 습식 산화 등을 이용하는 화학적 방법이 있다.Herbal biomass hydrolysis processes can be performed in reactors at high temperatures and pressures in the presence of liquids. Examples of hydrolysis methods are base catalysis methods using ammonia, alkali-peracetic acid, alkaline hydrogen peroxide, alkali solvents, lime, lime under oxygen pressure, sodium hydroxide, autohydrolysis, hydrothermal, hydrothermal-pH neutral, steam, etc. Non-catalytic method using, sulfuric acid, hydrochloric acid, peracetic acid, phosphoric acid, acid catalyzed method using dilute acid or dilute acid, using solvent such as organic solvent, chemical method using hydrogen peroxide, wet oxidation, etc. have.
초본계 바이오매스를 가수분해하여 유효 성분을 추출하기 위해서는 일반적으로 바이오매스를 잘게 분쇄하고 촉매를 투입하여 고온 반응기에서 가수분해 반응시킨다. 가수분해 반응에 액상 촉매를 사용하는 경우, 촉매 특성상 고압의 밀폐 반응기가 필요하며, 공정비용 절감을 위해서는 촉매 사용량을 최소화할 필요가 있다. In order to extract the active ingredient by hydrolyzing the herbal biomass, generally, the biomass is pulverized finely and a catalyst is added to the hydrolysis reaction in a high temperature reactor. When the liquid phase catalyst is used for the hydrolysis reaction, a high pressure closed reactor is required due to the characteristics of the catalyst, and the amount of the catalyst needs to be minimized in order to reduce the process cost.
일반적으로 공정물이 순수한 액상일 경우 연속식의 고압 반응기를 사용하는 공정의 적용이 가능한데, 이는 반응기 투입구 및 배출구를 공정물인 액체가 가득 채워 기밀성이 유지될 수 있기 때문이다. 그러나 공정물이 고형물인 경우 연속식의 고압 반응기 구현이 쉽지 않다. 이 경우 공정물의 이송 통로인 배관 내에 다량의 고형물이 존재하게 되고, 이로 인해 고형물 사이의 공극으로 고압부의 기체가 저압부로 역류하여 고압 반응기 내부의 압력을 고압으로 유지하는 것이 어려워지고, 펌프를 이용하여 바이오매스를 반응기 내로 이송하는 것이 불가능하게 된다. 이는 바이오매스 분쇄물을 고압 반응기 내에 연속적으로 투입한다거나, 고압 반응기 내에서 처리된 고형물을 연속적으로 배출시키는 연속 공정을 구현하는 것을 어렵게 만든다. 이 때문에 바이오매스 가수분해 공정에서는 상압에서 개방 상태의 반응기에 바이오매스 분쇄물 및 촉매를 투입하고, 반응기를 밀폐 상태로 만든 다음, 가압하는 회분식 공정을 적용하는 것이 일반적이다. In general, when the process is a pure liquid phase, it is possible to apply a process using a continuous high pressure reactor, because the inlet and outlet of the reactor may be filled with liquid as a process product and airtightness may be maintained. However, if the process is a solid, it is not easy to implement a continuous high pressure reactor. In this case, a large amount of solids is present in the pipe, which is a conveying passage of the process, and as a result, the gas between the high pressure portion flows back to the low pressure portion due to the gap between the solids and it is difficult to maintain the pressure inside the high pressure reactor at a high pressure. It is impossible to transfer the biomass into the reactor. This makes it difficult to continuously feed biomass pulverized into the high pressure reactor, or to implement a continuous process to continuously discharge the treated solids in the high pressure reactor. For this reason, in the biomass hydrolysis process, it is common to apply a batch process in which the biomass pulverized product and the catalyst are introduced into the reactor in the open state at normal pressure, the reactor is closed, and then pressurized.
그러나 초본계 바이오매스 및 촉매를 반응기 내에 연속적으로 투입하고, 반응 결과물 중의 고형물과 액상을 분리하고, 촉매가 함유된 액상을 재순환시키고, 분리된 고형물을 연속적으로 배출하는 것이 가능해진다면 촉매를 재사용하는 것은 물론, 짧은 시간 내에 대량의 바이오매스를 처리할 수 있게 되므로, 비용 절감 및 생산성 향상을 기대할 수 있다. However, if it is possible to continuously feed herbal biomass and catalyst into the reactor, separate solids and liquid phases from the reaction product, recycle the liquid phase containing the catalyst, and continuously discharge the separated solids, the catalyst may be reused. Of course, since a large amount of biomass can be processed in a short time, cost reduction and productivity improvement can be expected.
따라서 초본계 바이오매스를 고온 고압 반응기 내부에 연속적으로 투입하고, 반응이 완료된 고형물을 반응기 외부로 연속적으로 배출하는 것이 가능한 초본계 바이오매스 연속 가수분해 방법을 제시하는 것이 필요하다.Therefore, it is necessary to present a herbaceous biomass continuous hydrolysis method capable of continuously introducing a herbaceous biomass into a high temperature and high pressure reactor and continuously discharging the completed solids out of the reactor.
본 발명은 초본계 바이오매스를 고온 고압 반응기 내부에 연속적으로 투입하고, 반응이 완료된 고형물을 반응기 외부로 연속적으로 배출하는 것이 가능한, 초본계 바이오매스 연속 가수분해 방법을 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a herbal biomass continuous hydrolysis method capable of continuously introducing herbal biomass into a high temperature and high pressure reactor and continuously discharging the solids from which the reaction is completed to the outside of the reactor.
상기와 같은 본 발명의 기술적 과제는 다음과 같은 수단에 의해 해결된다.The technical problem of the present invention as described above is solved by the following means.
(1) 저장조에 바이오매스 분쇄물 및 액상 촉매를 투입하여 바이오매스 분쇄물과 액상 촉매로 저장조를 충진시키는 공정, (2) 저장조 내의 바이오매스 분쇄물과 액상 촉매의 혼합물을 고압 반응기로 이송하여 가수분해 반응시키는 공정, 및 (3) 상기 공정 (2)에서 얻어지는 가수분해 반응 결과물 중의 액상을 고형물로부터 분리하는 공정을 연속적으로 수행하는 것을 포함하는, 바이오매스 연속 가수분해 방법. (1) adding biomass pulverized product and liquid catalyst to the storage tank to fill the storage tank with biomass pulverized product and liquid catalyst, (2) mixing the mixture of biomass pulverized product and liquid catalyst in the storage tank to a high pressure reactor A biomass continuous hydrolysis method comprising the step of performing a decomposition reaction and (3) separating the liquid phase in the hydrolysis reaction product obtained in the step (2) from a solid.
본 발명에 따라 초본계 바이오매스의 연속 가수분해 방법이 제공되었다. According to the present invention there is provided a method of continuous hydrolysis of herbal biomass.
본 발명에서는 초본계 또는 목질계 바이오매스를 과량의 액상 촉매와 혼합하여 고압 반응기로 이송하여 이후의 공정 흐름에서 유동성 및 기밀성을 확보하고, 고압 반응기 내부의 온도 및 압력이 일정한 수준으로 유지되도록 하여 고압 반응기 내의 반응물이 저장조로 역류하는 것을 방지하고, 이를 통해 바이오매스의 투입 및 배출이 연속적으로 이루어지도록 함으로써, 바이오매스의 가수분해 공정을 연속적으로 수행하는 것이 가능하다.In the present invention, the herbal or wood-based biomass is mixed with the excess liquid catalyst to be transferred to a high pressure reactor to ensure fluidity and airtightness in the subsequent process flow, and to maintain the temperature and pressure inside the high pressure reactor at a constant level It is possible to continuously carry out the hydrolysis process of the biomass by preventing the reactants in the reactor from flowing back into the reservoir, thereby allowing the introduction and discharge of the biomass continuously.
또한 본 발명에서는 고압 반응기에서 생성된 반응 결과물로부터 고형물과 액상 촉매 및 추출액 함유 액상을 분리하고, 분리된 액상을 저장조로 이송시켜 액상 촉매를 재사용할 수 있도록 구성함으로써, 촉매 사용량을 최소화하고, 고압 반응기에서 생성된 반응 결과물의 열을 회수하여 에너지 절감 역시 가능하도록 하였다.In addition, in the present invention, by separating the solids and the liquid catalyst and the liquid containing the extract liquid from the reaction product generated in the high pressure reactor, and by transporting the separated liquid to the reservoir configured to reuse the liquid catalyst, the catalyst usage is minimized, the high pressure reactor The energy of the reaction product was recovered by recovering the heat.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오매스 연속 가수분해 방법을 간략하게 도시한 공정도이다.1 is a process diagram briefly showing a biomass continuous hydrolysis method according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 첫 번째 관점은 The first aspect of the invention
(1) 저장조에 바이오매스 분쇄물 및 액상 촉매를 투입하여 바이오매스 분쇄물과 액상 촉매로 저장조를 충진시키는 공정, (1) a step of filling the reservoir with the biomass pulverized product and the liquid catalyst by injecting the biomass pulverized product and the liquid catalyst into the reservoir;
(2) 저장조 내의 바이오매스 분쇄물과 액상 촉매의 혼합물을 고압 반응기로 이송하여 가수분해 반응시키는 공정, 및 (2) transferring the mixture of the biomass pulverized product and the liquid catalyst in a storage tank to a high pressure reactor for hydrolysis reaction, and
(3) 상기 공정 (2)에서 얻어지는 가수분해 반응 결과물 중의 액상을 고형물로부터 분리하는 공정(3) A step of separating the liquid phase in the hydrolysis reaction product obtained in the step (2) from a solid
을 연속적으로 수행하는 것을 포함하는, 바이오매스 연속 가수분해 방법에 관한 것이다. It relates to a biomass continuous hydrolysis method comprising continuously performing the.
본 발명에 있어서, 상기 공정 (1)에서는 저장조에 바이오매스 분쇄물과 액상 촉매를 투입하여 바이오매스 분쇄물과 액상 촉매로 저장조를 충진시킨다. 이때 투입되는 액상 촉매는 바이오매스 분쇄물에 비해 과량으로, 바람직하게는 5배 이상으로, 가장 바람직하게는 액상 촉매의 중량이 바이오매스 분쇄물의 중량 대비 5 내지 20배가 되도록 투입한다. In the present invention, in the step (1), the biomass pulverized product and the liquid catalyst are added to the reservoir to fill the reservoir with the biomass pulverized product and the liquid catalyst. At this time, the added liquid catalyst is excessively more than the biomass pulverized product, preferably 5 times or more, and most preferably added so that the weight of the liquid catalyst is 5 to 20 times the weight of the biomass pulverized product.
상기 공정 (1)에서 저장조에 투입되는 바이오매스 분쇄물은 경우에 따라 바이오매스의 분쇄 중에 액상 촉매와 사전에 혼합된 것일 수 있다. 이 경우 액상 촉매는 분쇄기에 투입되는 바이오매스의 중량 대비 1 내지 5배의 중량으로 혼합될 수 있으나, 본 발명에 있어서 이러한 사전 혼합이 필수적인 것은 아니다.In the step (1), the biomass pulverized product introduced into the storage tank may be previously mixed with the liquid catalyst during the pulverization of the biomass. In this case, the liquid catalyst may be mixed at a weight of 1 to 5 times the weight of the biomass introduced into the grinder, but this pre-mixing is not essential to the present invention.
본 발명에서는 저장조에 고상인 바이오매스 분쇄물에 비해 액상 촉매를 위와 같이 과량으로 투입함으로써 저장조 내 및 저장조에서 고압 반응기로 이송되는 혼합물, 즉 액상 촉매와 바이오매스 분쇄물의 혼합물의 유동성을 확보함과 동시에 저장조가 액상으로 채워지도록 하고, 이를 통해 고압 반응기 내의 반응물이 역류하는 것을 방지한다. In the present invention, the liquid catalyst is added in excess to the solid biomass pulverized product in the storage tank as described above to ensure the fluidity of the mixture transferred from the storage tank to the high pressure reactor, that is, the mixture of the liquid catalyst and the biomass pulverized product. The reservoir is filled with liquid phase, which prevents backflow of reactants in the high pressure reactor.
본 발명에 있어서, 상기 바이오매스는 초본계 바이오매스 또는 목질계 바이오매스로서, 그 예로는 옥수수대, 밀집, 볏집, 거대억새, 유칼립투스 나무 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. In the present invention, the biomass is a herbaceous biomass or wood-based biomass, and examples thereof include, but are not limited to, cornstalks, dense, crests, giant moss and eucalyptus trees.
상기 공정 (2)에서는 저장조 내의 바이오매스 분쇄물과 액상 촉매의 혼합물을 고압 반응기로 이송하여 가수분해 반응시킨다. 이때 고압 반응기 내부의 온도는 초본계 바이오매스 분쇄물의 가수분해 반응에 적합한 온도, 즉 촉매가 활성화되어 빠른 속도로 바이오매스에 포함된 리그닌을 추출하는 데에 적합한 온도, 바람직하게는 80 내지 200℃로, 가장 바람직하게는 120 내지 180℃로 유지된다.In the step (2), the mixture of the biomass pulverized product and the liquid catalyst in the storage tank is transferred to a high pressure reactor for hydrolysis reaction. At this time, the temperature inside the high pressure reactor is a temperature suitable for the hydrolysis reaction of the herbal biomass pulverization, that is, a temperature suitable for extracting the lignin contained in the biomass at a high rate by activating the catalyst, preferably 80 to 200 ° C. Most preferably, it is maintained at 120-180 degreeC.
상기 액상 촉매는 에탄올 수용액 또는 암모니아수일 수 있다. 바람직하게는 상기 에탄올 수용액의 농도는 20 내지 70중량%이고, 상기 암모니아수의 농도는 10 내지 50중량%이다.The liquid catalyst may be an aqueous ethanol solution or ammonia water. Preferably the concentration of the ethanol aqueous solution is 20 to 70% by weight, the concentration of the ammonia water is 10 to 50% by weight.
액상 촉매로서 에탄올 수용액을 사용하는 경우 반응기 내부의 압력을 바람직하게는 5 내지 40 기압으로 유지한다. 한편, 액상 촉매로서 암모니아수를 사용하는 경우 반응기의 압력을 바람직하게는 10 내지 60 기압으로 유지한다. 고압 반응기 내부 압력은 반응기 내부 온도에 따른 액상 촉매의 증기압에 의존한다. 따라서 반응기 내부의 압력은 선택된 온도 범위에 따른 증기압을 고려하여 선택된다. 그 일예로, 반응기 내부 온도를 150℃로 유지하는 경우, 액상 촉매의 증기압을 고려할 때 에탄올 수용액에 대해서는 압력을 10 기압 이상으로, 암모니아수에 대해서는 압력을 40 기압 이상으로 유지하는 것이 적절하다. When using an aqueous ethanol solution as the liquid catalyst, the pressure inside the reactor is preferably maintained at 5 to 40 atmospheres. On the other hand, when ammonia water is used as the liquid catalyst, the pressure of the reactor is preferably maintained at 10 to 60 atmospheres. The pressure inside the high pressure reactor depends on the vapor pressure of the liquid phase catalyst depending on the temperature inside the reactor. Therefore, the pressure inside the reactor is selected in consideration of the vapor pressure according to the selected temperature range. For example, when the reactor internal temperature is maintained at 150 ° C, it is appropriate to maintain the pressure at 10 atmospheres or more for the ethanol aqueous solution and the pressure at 40 atmospheres or more for the aqueous ammonia in consideration of the vapor pressure of the liquid catalyst.
본 발명에서는 상기와 같이 액상 촉매의 종류 및 농도, 반응기 내부 온도 및 압력 범위를 위와 같이 조절함으로써 고압 반응기 내에서 액상 촉매가 기/액 평형 상태 이상으로 증발되지 않도록 하고, 이를 통해 초본계 바이오매스의 가수분해 반응에 충분한 양의 촉매가 액상으로 유지되도록 한다. 이로써 바이오매스 분쇄물 사이의 공극이 과량의 액상 촉매로 채워지고, 그 결과 기/액 평형 상태에 있는 반응기 내의 고압의 기체가 바이오매스 분쇄물 사이의 공극을 통해 반응기 외부로 역류하는 것이 방지된다.In the present invention, by adjusting the type and concentration of the liquid catalyst, the temperature inside the reactor and the pressure range as described above, the liquid catalyst is prevented from evaporating above the gas / liquid equilibrium state in the high-pressure reactor, through which the Sufficient amount of catalyst is maintained in the liquid phase for the hydrolysis reaction. This ensures that the voids between the biomass grinds are filled with excess liquid catalyst, thereby preventing backflow of the high pressure gas in the reactor in gas / liquid equilibrium out of the reactor through the voids between the biomass grinds.
본 발명의 일 실시 형태에 있어서, 상기 공정 (2)에서는 저장조 내의 액상 촉매 및 바이오매스 분쇄물의 혼합물을 열교환기를 통과시켜 고온 고압 반응기로 이송할 수 있다. 이 경우 저장조로부터 이송되는 저온의 바이오매스와 액상 촉매의 혼합물이 반응기에서 배출되는 고온의 가수분해 반응 결과물로부터 열을 전달 받을 수 있게 되어 열에너지 절감 효과를 얻을 수 있다.In one embodiment of the present invention, in the step (2), the mixture of the liquid catalyst and the biomass pulverized product in the reservoir can be passed through a heat exchanger to the high temperature and high pressure reactor. In this case, the mixture of the low temperature biomass and the liquid catalyst transferred from the storage tank can receive heat from the high temperature hydrolysis reaction product discharged from the reactor, thereby achieving a thermal energy saving effect.
상기 공정 (3)에서는 상기 공정 (2)에서 얻어지는 가수분해 반응 결과물 중의 액상을 고형물로부터 분리한다. 이때 분리되는 고형물은 반응기의 외부로 배출된다. In the step (3), the liquid phase in the hydrolysis reaction product obtained in the step (2) is separated from the solid matter. At this time, the separated solid is discharged to the outside of the reactor.
본 발명의 다른 일 실시 형태에 있어서, 상기 공정 (3)에서는 상기 공정 (2)에서 얻어지는 가수분해 반응 결과물을 열교환기를 통과시켜 20 내지 60℃로 냉각시킨 후에 액상과 고형물을 분리하는 공정을 수행할 수도 있다. 이 경우, 열교환기는 고압 반응기로부터 고온 상태로 배출되는 가수분해 반응 결과물로부터 열을 회수할 수 있게 되며, 여기서 회수된 열을 저장조로부터 상기 열교환기를 거쳐 고압 반응기로 이송되는 반응물, 즉 액상 촉매와 바이오매스 분쇄물의 혼합물에 흡수되도록 함으로써 에너지를 절약할 수 있다. 필요에 따라, 열교환기에 의해 1차 냉각된 가수분해 반응 결과물을 상온 또는 그 이하의 온도로 더 냉각시킨다.In another embodiment of the present invention, in the step (3), the hydrolysis reaction product obtained in the step (2) is passed through a heat exchanger and cooled to 20 to 60 ℃ to perform a step of separating the liquid and solids It may be. In this case, the heat exchanger may recover heat from the hydrolysis reaction product discharged from the high pressure reactor at a high temperature, where the recovered heat is transferred from the reservoir to the high pressure reactor through the heat exchanger, that is, the liquid catalyst and the biomass. Energy can be saved by allowing it to be absorbed into the mixture of milled products. If necessary, the result of the hydrolysis reaction first cooled by the heat exchanger is further cooled to room temperature or lower.
본 발명의 다른 일 실시 형태에서는 상기 공정 (3)에서 분리된 액상, 즉 액상 촉매 및 바이오매스 추출액의 혼합물을 저장조로 이송하는 공정 (4)를 더 포함할 수 있다. 이를 통해 고압 반응기로부터 회수되는 액상 촉매를 저장조에서 재사용할 수 있게 되므로, 저장조에 추가로 투입되는 액상 촉매의 양을 최소화할 수 있다.In another embodiment of the present invention, the method may further include a step (4) of transferring the liquid phase separated in the step (3), that is, the mixture of the liquid catalyst and the biomass extract to a storage tank. As a result, the liquid catalyst recovered from the high pressure reactor can be reused in the storage tank, thereby minimizing the amount of the liquid catalyst added to the storage tank.
본 발명의 다른 일 실시 형태에서는 상기 공정 (3)에서 분리된 액상을 저장조로 반송하기 전에 마이크로 필터(MF), 한외 필터(UF), 나노 필터(NF) 등을 이용하여 여과하는 공정을 더 포함할 수도 있다. 이 경우 상기 공정 (3)에서 분리한 액상으로부터 불순물을 여과하여 제거하거나, 액상 촉매만을 분리하여 저장조로 이송하는 것이 가능해진다. Another embodiment of the present invention further includes a step of filtering the liquid phase separated in the step (3) by using a micro filter (MF), an ultrafilter (UF), a nano filter (NF), or the like before returning to a storage tank. You may. In this case, impurities can be filtered out from the liquid phase separated in the step (3), or only the liquid catalyst can be separated and transferred to the storage tank.
본 발명에 따른 바이오매스 연속 가수분해 방법에서는 상기 (1) 내지 (3)의 공정을 연속적으로 수행하는 것을 특징으로 한다. 상기 공정 (3) 이후에 상기 (4)의 공정을 추가로 수행하는 경우 상기 공정 (1) 내지 (4) 역시 연속적으로 수행한다. 본 발명에서는 이를 통해 초본계 바이오매스의 투입, 촉매 투입, 고압 반응기 내에서의 가수분해 반응, 가수분해 반응 결과물로부터 액상과 고형물의 분리, 및 반응기 외부로의 고형물의 배출이 연속적으로 이루어질 수 있게 된다.Biomass continuous hydrolysis method according to the invention is characterized in that the process of (1) to (3) is carried out continuously. When the step (4) is further performed after the step (3), the steps (1) to (4) are also continuously performed. In the present invention, it is possible to continuously perform the addition of the herbal biomass, the addition of the catalyst, the hydrolysis reaction in the high-pressure reactor, the separation of the liquid and solids from the hydrolysis reaction product, and the discharge of the solids to the outside of the reactor .
본 발명에 따른 초본계 바이오매스 연속 가수분해 방법은 바이오매스 분쇄기, 바이오매스 저장조, 고압 반응기 및 탈수기를 포함하는 장치를 사용하여 수행될 수 있다. The herbal biomass continuous hydrolysis method according to the present invention can be carried out using a device comprising a biomass grinder, a biomass reservoir, a high pressure reactor and a dehydrator.
상기와 같은 장치는 저장조와 고압 반응기 사이에 열교환기가 더 구비될 수 있다. 이 경우 고압 반응기 내에서 생성된 고온의 반응 결과물이 열교환기를 통과하도록 구성될 수 있고, 이에 의해 상기 반응 결과물이 보유한 열이 열교환기로 회수되어 반응 결과물은 냉각된다. 열교환기에서 회수되는 열은 저장조로부터 고압 반응기로 이송되는 반응물에 전달되어, 상기 반응물의 온도를 상승시킬 수 있게 되므로, 고압 반응기 내에서의 가수분해 반응을 위해 가해야 하는 에너지의 양을 줄일 수 있다. 상기 열교환기는 바람직하게는 나선형 열교환기일 수 있다. 이 경우 저장조로부터 열교환기로 이송되는 반응 혼합물 또는 고압 반응기로부터 열교환기로 이송되는 반응 결과물 중의 고형물에 의한 열교환기의 유로가 막히는 현상을 방지할 수 있다. Such a device may further include a heat exchanger between the reservoir and the high pressure reactor. In this case, the high temperature reaction product generated in the high pressure reactor may be configured to pass through the heat exchanger, whereby the heat retained by the reaction product is recovered to the heat exchanger to cool the reaction product. The heat recovered in the heat exchanger is transferred to the reactants transferred from the reservoir to the high pressure reactor, thereby increasing the temperature of the reactants, thereby reducing the amount of energy to be applied for the hydrolysis reaction in the high pressure reactor. . The heat exchanger may preferably be a spiral heat exchanger. In this case, it is possible to prevent the flow path of the heat exchanger due to solids in the reaction mixture transferred from the reservoir to the heat exchanger or the reaction product transferred from the high pressure reactor to the heat exchanger.
상기 열교환기는 2개로 구성될 수 있고, 두 번째 열교환기에 냉각수를 순환시켜 고압 반응기에서 이송되는 반응 결과물의 온도를 추가로 냉각시킬 수도 있다.The heat exchanger may be configured as two, and the cooling water may be circulated to the second heat exchanger to further cool the temperature of the reaction product transferred from the high pressure reactor.
본 발명에서는 상기 저장조와 열 교환기 사이에 다단 원심 펌프가 더 구비된 장치를 사용할 수 있고, 이를 이용하여 고압 반응기에서의 가수분해 반응에 필요한 압력이 유지되도록 할 수 있다. In the present invention, a device having a multi-stage centrifugal pump may be used between the reservoir and the heat exchanger, and the pressure required for the hydrolysis reaction in the high pressure reactor may be maintained using the apparatus.
상기 탈수기는 압착기 또는 원심분리기 형태일 수 있으나, 바이오매스 가수분해 반응 결과물 중의 고형물과 액상을 분리할 수 있는 한 어떤 형태를 사용해도 무방하다. The dehydrator may be in the form of a compactor or a centrifuge, but any form may be used as long as it can separate the solids and the liquid phase from the result of the biomass hydrolysis reaction.
상기 저장조 및 고압 반응기 내부에는 교반기가 구비될 수 있고, 이를 통해 저장조 내에서 액상 촉매와 바이오매스 분쇄물이 잘 혼합되도록 하거나, 고압 반응기 내에서의 가수분해 반응의 효율을 향상시킬 수 있다. An agitator may be provided inside the reservoir and the high pressure reactor, thereby allowing the liquid catalyst and the biomass pulverized product to be well mixed in the reservoir or improving the efficiency of the hydrolysis reaction in the high pressure reactor.
본 발명에서는 저장조에 탈수기로부터 분리되는 액상이 투입될 수 있는 연결 배관이 더 구비된 것을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 이 경우 고압 반응기에서 가수분해 반응에 사용되었던 액상 촉매를 저장조로 이송하여 재사용하는 것이 가능해진다. In the present invention, it may be preferable to use a further provided with a connection pipe that can be added to the liquid phase separated from the dehydrator in the reservoir. In this case, it is possible to transfer the liquid catalyst used in the hydrolysis reaction in the high pressure reactor to the reservoir for reuse.
본 발명에서는 상기 탈수기로부터 분리된 액상, 즉 액상 촉매 및 바이오매스 추출액의 혼합물로부터 액상 촉매만을 분리하기 위해 마이크로 필터(MF), 한외 필터(UF), 나노 필터(NF) 등의 막 분리 장치를 더 구비하여 이 장치를 통과한 액상 촉매를 저장조로 이송할 수도 있다.In the present invention, a membrane separation device such as a micro filter (MF), an ultra filter (UF), a nano filter (NF), and the like is further used to separate only the liquid catalyst from the liquid phase separated from the dehydrator, that is, a mixture of the liquid catalyst and the biomass extract. It is also possible to transfer the liquid catalyst passed through this apparatus to the reservoir.
본 발명에서는 상기 저장조와 고압 반응기 사이, 또는 저장조와 열교환기 사이에 고압 반응기에서 생성되는 기체가 저장조로 역류하는 것을 방지하고 액상 촉매와 바이오매스 분쇄물의 혼합물을 고압 반응기로 이송하기 위한 펌프, 바람직하게는 다단 펌프를 더 구비하여 사용할 수 있다. 필요한 경우, 상기 펌프의 토출 배관에 저장조와 연결되는 배관을 설치하여 필요 이상의 압력이 고압 반응기에서 형성되지 않고 고압 반응기 내의 압력이 유지되도록 하는 것이 바람직할 수 있다. In the present invention, a pump for preventing backflow of the gas produced in the high pressure reactor between the reservoir and the high pressure reactor or between the reservoir and the heat exchanger to the storage tank and transferring the mixture of the liquid catalyst and the biomass pulverized product to the high pressure reactor, preferably Can be used further provided with a multi-stage pump. If necessary, it may be desirable to install a pipe connected to the reservoir in the discharge pipe of the pump so that the pressure in the high pressure reactor is maintained without more pressure than necessary in the high pressure reactor.
본 발명에서는 상기 고압 반응기 내부에 반응기 내부 압력 및 수위를 제어하기 위한 압력 센서 또는 액위 센서를 더 구비하여, 고압 반응기 내부의 압력 및 수위를 조절하는 것이 바람직할 수 있다. 또한 고압 반응기 내부에 교반기를 구비하여 반응기 내에서 바이오매스 분쇄물과 액상 촉매가 계속해서 혼합될 수 있도록 할 수도 있다.In the present invention, it may be preferable to further include a pressure sensor or a liquid level sensor for controlling the pressure and water level in the reactor inside the high pressure reactor, to control the pressure and water level inside the high pressure reactor. In addition, a stirrer may be provided inside the high pressure reactor so that the biomass pulverized product and the liquid catalyst can be continuously mixed in the reactor.
본 발명에서는 상기 열교환기와 탈수기 사이에 밸브를 구비하고, 상기 밸브가 고압 반응기 내에 구비된 액위 센서와 연동되도록 하여 고압 반응기 내부의 수위 조절에 이용할 수 있다. In the present invention, a valve is provided between the heat exchanger and the dehydrator, and the valve may be interlocked with a liquid level sensor provided in the high pressure reactor, so that the valve may be used to control the water level inside the high pressure reactor.
본 발명에서는 필요에 따라 열교환기와 탈수기 사이에 제2 저장조, 바람직하게는 사이클론 형태의 제2 저장조를 추가로 설치하여, 열교환기로부터 저장조로 이송되는 빠른 유속의 고형물에 의해 후단 설비가 파손되는 것을 방지한다. 이 경우, 반응 결과물은 열교환기로부터 펌프 또는 자연 흐름에 의해 탈수기로 이송될 수 있다. In the present invention, a second reservoir, preferably a cyclone-type second reservoir, is additionally installed between the heat exchanger and the dehydrator, if necessary, to prevent the rear end equipment from being damaged by the fast flow solids transferred from the heat exchanger to the reservoir. do. In this case, the reaction product can be transferred from the heat exchanger to the dehydrator by pump or natural flow.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자는 다양하게 변형된 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 상술한 실시 예들은 모든 면에 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허등록청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허등록청구범위의 의미 및 범위 그리고 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.As described above, it will be understood by those skilled in the art that the present invention may be implemented in various modified forms. Therefore, the above-described embodiments are to be understood in all respects as illustrative and not restrictive. The scope of the present invention is shown by the following claims rather than the detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and equivalent concepts should be construed as being included in the scope of the present invention. do.
Claims (12)
(2) 저장조 내의 바이오매스 분쇄물과 액상 촉매의 혼합물을 고압 반응기로 이송하여 가수분해 반응시키는 공정, 및
(3) 상기 공정 (2)에서 얻어지는 가수분해 반응 결과물 중의 액상과 고형물을 분리하는 공정
을 연속적으로 수행하는 것을 포함하는, 바이오매스 연속 가수분해 방법. (1) a step of filling the reservoir with the biomass pulverized product and the liquid catalyst by injecting the biomass pulverized product and the liquid catalyst into the reservoir;
(2) transferring the mixture of the biomass pulverized product and the liquid catalyst in a storage tank to a high pressure reactor for hydrolysis reaction, and
(3) A step of separating the liquid phase and the solid in the hydrolysis reaction product obtained in the step (2)
Biomass continuous hydrolysis method comprising the step of performing continuously.
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