KR20210089005A - 재활용 폐글리세린을 이용한 미생물용 에너지원 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 글리세린 정제 과정에서 발생되는 부산물인 글리세린 피치를 미생물 활성화 에너지원인 미생물 활성제로 사용이 가능할 정도로 정제하여 상대적으로 저렴한 미생물용 에너지원 제조방법에 관한 것으로서, 글리세린, 유기 불순물, 회분(소금)이 함유되어 있는 글리세린 피치에 염산을 첨가하고 물을 추가한 후 가온하여 교반하는 제1 단계와; 일정시간 정치 후 상층부로 분리된 유기 불순물을 원심 분리 공정을 거쳐 제거하는 제2 단계와; 유기 불순물이 제거된 조글리세린에서 전기 분해 공정을 통하여 회분(소금)을 제거하는 제3 단계와; 양극에서 발생되는 염소가스와 음극에서 발생되는 수소가스를 물에 포집하여 염산 수용액을 취득하는 제4 단계와; 염소가스를 제거함에 따라 수산화나트륨이 생성되어 함유되어 있는 염기성 조글리세린에 아세트산을 첨가하여 소디움아세테이트를 생성함으로써 글리세린, 소디움아세테이트, 물이 혼합된 미생물 활성제를 생성하는 제5 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 글리세린 피치 중에 함유되어 있는 글리세린의 농도를 높이고 불순물의 함량을 낮추어 완전 정제된 글리세린을 생산하는 것이 아니라 폐수처리장에서 사용 가능할 정도로만 정제하여 상대적으로 저렴한 미생물 활성제를 효과적으로 제조할 수 있다.

Description

재활용 폐글리세린을 이용한 미생물용 에너지원 제조방법{Manufacturing method of microorganism energy source from wasted glycerin's recycling process}

본 발명은 미생물용 에너지원의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 글리세린 정제 과정에서 발생되는 부산물인 글리세린 피치를 미생물 활성화 에너지원인 미생물 활성제로 사용이 가능할 정도로 정제하여 상대적으로 저렴한 미생물용 에너지원 제조방법에 관한 것이다.

글리세린 피치는 글리세린 정제 과정에서 발생되는 부산물이다. 바이오디젤 및 비누, 유지의 정제공정에서 발생되는 글리세린은 불순물이 함유된 조글리세린이다.

이러한 조글리세린은 다량의 글리세린과 함께 일부 지방산(FREE FATTY ACID), 유지(TRIGLYCERIDE), 유기 불순물(몽)과 함께 회분(소디움클로라이드)이 포함되어 있다.

이에 따라 여러 정제공정을 거쳐 99.5% 이상의 정제 글리세린을 생산하게 된다. 글리세린은 화장품, 의약품, 치약, 감미료 등 다양한 용도로 사용되고 있다.

정제 글리세린의 생산 공정 중에서 증류를 통하여 정제 글리세린을 생산하게 되는데, 이러한 증류공정에서 나오는 피치는 다량의 글리세린과 함께 조글리세린에 포함되어 있는 지방산(FREE FATTY ACID), 유지(TRIGLYCERIDE), 유기 불순물(몽)과 함께 회분(소디움클로라이드)이 농축되어 있다. 하지만, 이러한 피치는 다시 정제 공정을 거쳐서 정제 글리세린을 생산하기에는 많은 어려움이 있다. 따라서, 폐기물 매립 및 폐기물 소각 등의 방법으로 폐기처리되고 있는 실정이다.

한편, 최근 폐수처리에서는 기존의 화학적 처리 공정이 아니라, 생물학적 처리 공정이 활성화되고 있다. 이때, 생물학적 처리 공정에서 미생물을 활성화 하는 것이 가장 중요한데, 미생물의 활성화를 위하여 글리세린은 매우 효과적인 영양성분이다. 미생물이 쉽게 영양원으로 사용될 수 있을 뿐만 아니라 식물성, 동물성 유래 성분으로써, 다양한 미네랄이 함유되어 있는 장점이 있다. 그러나, 정제 글리세린을 사용하기에는 가격이 상대적으로 비싼 단점이 있다.

기존의 미생물 활성제로 많이 사용되고 있는 메탄올 및 아세틱아세드 혹은 소디움아세테이트 등은 분자량이 작고 미생물이 빠르게 이용하여 에너지 및 활성제로 사용하기에는 매우 좋으나, 글리세린의 경우에는 메탄올 대비 분자량이 크고, 미생물이 활성제로 사용하기에는 메탄올 및 아세틱에시드 보다 느리게 반응하는 단점을 가지고 있다.

그러나 메탄올의 경우 위험물이고 유독성 물질로써 페수처리 장에서 사용시 별도의 위험물 및 유독성 물질 대비 장치를 해야하는 단점을 가지고 있다.

또한, 아세틱에시드를 사용할 경우 냄새가 매우 강하고, 쉽고 고형화 되는 문제점을 가지고 있다.

특히 메탄올과 아세틱에시드의 경우에는 도심근처에서 사용할 경우 주변에 거주하는 주민등에 피해를 주는 단점이 있다.

이에 분말형태의 소디움아세틱에시드를 사용하면 미생물 활성제로써 빠르게 효과를 낼 수 있지만, 가격이 매우 비싼 단점이 있다.

종래 관련 분야 특허 기술로서, (a) 음식물류 폐기물에 글리세린을 5중량%로 함유한 바이오디젤 폐수를 5%(v/v)~20%(v/v)로 첨가·혼합하는 단계, 및 (b) 그 혼합물을 혐기적으로 소화시키는 단계를 포함하는 글리세린 함유 바이오디젤 폐수를 재활용하여 음식물류 폐기물로부터 바이오가스를 생산하는 방법이 제안되어 있다(특허문헌 1 참조).

또한, (A) 유지류와 알콜의 에스테르화반응 결과물에서 알콜을 분리한 후 조(crude)글리세린과 조(crude)바이오디젤을 분리하는 단계; (B1) 상기 단계(A)에서 분리된 조글리세린과 하기의 중간수를 혼합한 후 조글리세린에 잔류하는 트리-(tri-), 디-(di-), 모노-(mono-)글리세리드를 가수분해하여 글리세린과 지방산으로 전환하는 단계; (B2) 상기 단계(B1)에서 생성된 지방산을 분리한 후 잔존물에서 수분을 증발·응축시켜 응축수를 얻는 단계; (C) 상기 단계(A)에서 분리된 조바이오디젤을 상기 단계(B2)에서 얻은 응축수로 수세한 후 정제 바이오디젤과 불순물을 함유하는 중간수로 분리하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오디젤 제조공정에 의해 생성된 조글리세린과 조바이오디젤을 동시에 정제하는 방법이 제안되어 있다(특허문헌 2 참조).

국내공개특허 10-2016-0048464 국내등록특허 10-1099367

본 발명은 글리세린 피치 중에 함유되어 있는 글리세린의 농도를 높이고 불순물의 함량을 낮추어 완전 정제된 글리세린을 생산하는 것이 아니라 폐수처리장에서 사용 가능할 정도로만 정제하여 상대적으로 저렴한 재활용 폐글리세린을 이용한 미생물용 에너지원 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 재활용 폐글리세린을 이용한 미생물용 에너지원 제조방법은, 글리세린 정제 과정에서 발생되는 부산물인 글리세린 피치를 이용하여 폐수처리용 미생물 활성제를 제조하는 방법으로서, 글리세린, 유기 불순물, 회분이 함유되어 있는 글리세린 피치에 염산을 첨가하고 물을 추가한 후 가온하여 교반하는 제1 단계와; 일정시간 정치 후 상층부로 분리된 유기 불순물을 원심 분리 공정을 거쳐 제거하는 제2 단계와; 유기 불순물이 제거된 조글리세린에서 전기 분해 공정을 통하여 회분(소금)을 제거하는 제3 단계와; 양극에서 발생되는 염소가스와 음극에서 발생되는 수소가스를 물에 포집하여 염산 수용액을 취득하는 제4 단계와; 염소가스를 제거함에 따라 수산화나트륨이 생성되어 함유되어 있는 염기성 조글리세린에 아세트산을 첨가하여 소디움아세테이트를 생성함으로써 글리세린, 소디움아세테이트, 물이 혼합된 미생물 활성제를 생성하는 제5 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기에서, 상기 제1 단계에서는 글리세린 피치 100중량부에 대하여 염산 1 ~ 10중량부를 첨가하고 물 5 ~ 30중량부 추가한 후 30 ~ 60℃로 가온한 후 후 30분 ~ 3시간 교반하고, 상기 제2 단계에서는 1~12시간 정치할 수 있다.

또한, 상기 제4 단계에서 취득한 염산 수용액을 상기 제1 단계에서 염산 첨가시 이용할 수 있다.

본 발명에 따르면, 글리세린 피치 중에 함유되어 있는 글리세린의 농도를 높이고 불순물의 함량을 낮추어 완전 정제된 글리세린을 생산하는 것이 아니라 폐수처리장에서 사용 가능할 정도로만 정제하여 상대적으로 저렴한 미생물 활성제를 효과적으로 제조할 수 있다.

부연하여, 본 발명에 따라 글리세린, 소디움아세테이트, 물이 적절히 혼합된 폐수처리용 미생물 활성제를 사용하는 경우, 미생물 활성제로 글리세린을 단독으로 사용할 때 활성 시간이 늦어지는 단점을 보완하기 위하여 조글리세린 중의 소디움을 이용하여 아세틱에시드와 반응시켜 소디움아세틱에시드를 합성하여, 글리세린이 활성화되기 전까지 미생물이 소디움아세틱에시드를 이용하여 활성화하여 기존의 글리세린 대비 미생물 활성화 시간을 단축할 수 있는 장점을 가지고 있다.

도 1은 본 발명에 따른 재활용 폐글리세린을 이용한 미생물용 에너지원 제조방법의 흐름도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명에 따른 재활용 폐글리세린을 이용한 미생물용 에너지원 제조방법은 글리세린 피치 중에 함유되어 있는 글리세린의 농도를 높이고 불순물의 함량을 낮추어 완전 정제된 글리세린을 생산하는 것이 아니라 오로지 폐수처리장에서 사용 가능할 정도로만 정제하는 것을 중요한 기술적 특징으로 한다.

도면에 도시한 바와 같이. 본 발명에 따른 재활용 폐글리세린을 이용한 미생물용 에너지원 제조방법은, 글리세린 정제 과정에서 발생되는 부산물인 글리세린 피치를 이용하여 폐수처리용 미생물 활성제를 제조하는 방법으로서, 먼저 글리세린 피치의 경우 글리세린 이외에 유기 불순물과 회분(소디움클로라이드:소금)이 포함되어 있어 유기 불순물과 회분으로 인해 점도가 높아 자체 처리가 곤란하므로 글리세린 피치에 염산을 첨가하고 물을 추가한 후 가온하여 교반한다(S110).

이때, 글리세린 피치 100중량부에 대하여 염산 1 ~ 10중량부를 첨가하고 물 5 ~ 30중량부 추가한 후 최적의 효과를 기대할 수 있도록 30 ~ 60℃로 가온하여 30분 ~ 3시간 교반할 수 있다.

염산이 1중량부 미만이면 유기물 불순물을 제거하기 위한 분리 작용을 기대하기 어렵고, 이와 반대로 10중량부를 초과하면 기준치 이상으로 과량이 첨가되더라도 유기물 불순물의 제거효과를 더 이상 높일 수 없을 뿐만 아니라 염소 성분이 과량으로 많아짐에 따라 이후 전기 분해 공정이 길어지고 어려워질 우려가 있다.

그리고, 물이 5중량부 미만이면 글리세린 피치의 점도를 낮추어 줄 수 없어 염산을 첨가하더라도 점도가 높아 유기 불순물을 제거하기가 어렵고, 이와 반대로 30중량부를 초과하면 점도는 현격히 낮출 수는 있지만, 글리세린 함량이 낮아 지게 되어 미생물 활성제로서의 효과가 낮아질 우려가 있다.

참고적으로, 글리세린 피치에는 글리세린 40 ~ 60%, 유기 불순물(몽) 5 ~ 20%, 회분 10 ~ 30%가 함유되어 있다.

그 다음 공정에, 1~12시간 정치 후 상층부로 분리된 유기 불순물을 원심 분리 공정을 거쳐 제거한다(S120).

그 다음 공정에, 유기 불순물이 제거된 조글리세린에서, 외부에서 전기 에너지를 가하여 전기 화학적인 산화 환원 반응을 통해 물질을 분해하는 과정인 전기 분해 공정을 통하여, 회분(소금)을 제거한다(S130). 이때, 1차로 유기 불순물이 제거된 조글리세린은 다량의 물이 함유되어 있으므로 산화 전극인 양극에서는 염소가스(Cl_{2 )}가 분출되고 환원 전극인 음극에서는 수소가스(H₂₎가 발생된다.

그 다음 공정에, 양극에서 발생되는 염소가스와 음극에서 발생되는 수소가스를 물에 포집하여 염산 수용액을 취득한다(S140). 이렇게 취득한 염산 수용액은 상기 제S110 단계에서 염산 첨가시 이용할 수 있다.

마지막으로, 전기분해를 통해 분해된 Cl-가 염소가스로 제거함에 따라 남아 있던 Na+기가 수산화나트륨(NaOH)이 생성되어 함유되어 있는 조글리세린 용액은 염기성 조글리세린로 변환되고 수산화나트륨을 포함한 조글리세린에 아세트산을 첨가하여 소디움아세테이트를 생성함으로써 글리세린, 소디움아세테이트, 물이 혼합된 미생물 활성제를 생성한다(S150). 즉, 수산화나트륨과 아세트산을 반응시켜 소디움아세테이트를 생성하여 글리세린, 소디움아세테이트, 물이 적절히 혼합된 미생물 활성제를 생성하는 것이다.

이와 같이, 글리세린 정제 과정에서 발생되는 부산물인 글리세린 피치를 이용하여 제조되는 미생물 활성제에는 미생물 활성화에 매우 효과적인 영양성분인 글리세린과 소디움아세테이트가 함유되어 있으므로 아주 유용하게 폐수 처리할 수 있다.

한편, 폐수에 대하여 잔존하는 N의 양에 따라 상기 미생물 활성제를 C/N비기준으로 4 ~ 10의 비율로 투입하여 폐수처리를 하게 되면 폐수처리 후 유출수의 폐수 기준은 폐수처리 기준의 범위인 질소함량이 10 이하 COD 20 이하로 관리할 수 있다.

[제조예]

글리세린, 유기 불순물, 회분을 함유한 글리세린 피치 1,000g에 염산 80g을 첨가하고 물을 200g 추가한 후 40℃까지 가온한 후 1시간동안 200rpm으로 교반하여 준다. 2시간 정치한 후에 상층부로 분리된 유기 불순물을 원심 분리 공정을 거쳐서 제거한다.

이후에 전기 분해 장치의 전기 분해 공정을 통하여 회분을 제거한다.

1차로 유기 불순물이 제거된 조글리세린은 다량의 물을 함유하고 있고, 전기 분해 장치의 양극에서는 염소가스가 분출되고, 음극에서는 수소가스가 발생된다.

이때, 염소가스와 수소가스를 물에 포집하여 염산 수용액을 얻을 수 있다.

본 공정에서 발생된 염산 수용액은 차후 글리세린 피치에서 유기 불순물을 제거할 때 이용할 수 있다.

염소가스를 제거하고 남아 있는 조글리세린에는 수산화나트륨이 생성된다. 따라서 남아 있는 조글리세린은 염기성 물질로 변환된다.

이후에 상기 염기성 조글리세린에 아세트산을 첨가하여 수산화나트륨과 아세트산을 반응시켜 소디움아세테이트를 제조한다.

따라서, 상기 공정을 거쳐서 제조된 글리세린에서는 글리세린, 소디움아세테이트와 물이 혼합된 혼합물이 된다.

혼합물에 함유된 글리세린 및 소디움아세테이트는 미생물의 활성제로서 매우 유용한 성분이다.

상기 공정을 통해 취득한 글리세린의 사양은 아래 표 1과 같다.

이렇게 제조된 폐수처리용 미생물 활성제는 실시예 1 ~ 3에 나타난 바와 같이 폐수 처리시 첨가하면 미생물의 활성도를 높이고 탄소원으로서의 기능을 상승시킬 수 있다.

실시예 1

글리세린 피치 100g에 물 20g을 첨가하여 점도를 낮춘후 염산 8g을 넣는다. 교반기를 200rpm으로 돌리면서 온도를 60℃까지 상승 시킨다. 온도를 60℃ 유지하면서 교반을 약 2시간 지속한다. 이후 약 1시간 정치를 한 후에 원심분리를 통하여 상층부의 유기 불순물을 제거하고 하층부의 단백질 등 불순물을 제거한다.

이렇게 유기 불순물을 제거한후 글리세린, 물, Nacl 만을 함유하게 된다.

이후 음극과 양극의 전기를 주입하여 상기 글리세린 수용액중에 함유되어 있는 Nacl을 전기 분해한다.

양극에서 분리된 cl-와 음극에서 발생되는 h+를 물에 담아서, hcl 수용액을 얻어서 상기 유기 불순물 제거 공정의 염산으로 사용한다.

Nacl 전기 분해한후 남아 있던 Na는 NaOH로 변환되어 글리세린 수용액은 염기성이 된다.

본 염기성 글리세린에 acetic acid를 투입하여 소디움아세테이트를 합성한다.

소디움아세테이트 합성 후에 글리세린, 물 소디움아세테이트 혼합액을 얻는다.

상기 혼합액에서 COD 1,088,000의 미생물 활성제를 얻을 수 있다.

실시예 2

글리세린 피치에 100g에 물 10g을 첨가하여 점도를 낮춘후 염산 10g을 넣는다. 교반기를 200rpm으로 돌리면서 온도를 60℃까지 상승 시킨다. 온도를 60℃ 유지하면서 교반을 약 2시간 지속한다. 이후 약 1시간 정치를 한 후에 원심분리를 통하여 상층부의 유기 불순물을 제거하고 하층부의 단백질 등 불순물을 제거한다.

이렇게 유기 불순물을 제거한후 글리세린, 물, Nacl만을 함유하게 된다.

이후 음극과 양극의 전기를 주입하여 상기 글리세린 수용액중에 함유되어 있는 Nacl를 전기 분해한다.

양극에서 분리된 cl-와 음극에서 발생되는 h+를 물에 담아서, hcl 수용액을 얻어서 상기 유기 불순물 제거 공정의 염산으로 사용한다.

Nacl 전기 분해한후 남아 있던 Na는 NaOH로 변환되어 글리세린 수용액은 염기성이 된다.

본 염기성 글리세린에 acetic acid를 투입하여 소디움아세테이트를 합성한다.

소디움아세테이트 합성 후에 글리세린, 물 소디움아세테이트 혼합액을 얻는다.

상기 혼합액에서 COD 1,182,000의 미생물 활성제를 얻을 수 있다.

실시예 3

글리세린 피치에 100g에 물 20g을 첨가하여 점도를 낮춘후 염산 3g을 넣는다. 교반기를 200rpm으로 돌리면서 온도를 60℃까지 상승 시킨다. 온도를 60℃ 유지하면서 교반을 약 2시간 지속한다. 이후 약 1시간 정치를 한 후에 원심분리를 통하여 상층부의 유기 불순물을 제거하고 하층부의 단백질 등 불순물을 제거한다.

이렇게 유기 불순물을 제거한후 글리세린, 물, Nacl만을 함유하게 된다.

이후 음극과 양극의 전기를 주입하여 상기 글리세린 수용액중에 함유되어 있는 Nacl를 전기 분해한다.

양극에서 분리된 cl-와 음극에서 발생되는 h+를 물에 담아서, hcl 수용액을 얻어서 상기 유기 불순물 제거 공정의 염산으로 사용한다.

Nacl 전기 분해한후 남아 있던 Na는 NaOH로 변환되어 글리세린 수용액은 염기성이 된다.

본 염기성 글리세린에 acetic acid를 투입하여 소디움아세테이트를 합성한다.

소디움아세테이트 합성 후에 글리세린, 물 소디움아세테이트 혼합액을 얻는다.

상기 혼합액에서 COD 1,182,000의 미생물 활성제를 얻을 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 재활용 폐글리세린을 이용한 미생물용 에너지원 제조방법을 한정된 실시예에 따라 설명하였지만, 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명과 관련하여 통상의 지식을 가진자에게 자명한 범위내에서 여러 가지의 대안, 수정 및 변경하여 실시할 수 있다.

따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (3)

1. 재활용 폐글리세린을 이용하여 미생물용 에너지원을 제조하는 방법으로서,
   글리세린, 유기 불순물, 회분(소금)이 함유되어 있는 글리세린 피치에 염산을 첨가하고 물을 추가한 후 가온하여 교반하는 제1 단계와;
   일정시간 정치 후 상층부로 분리된 유기 불순물을 원심 분리 공정을 거쳐 제거하는 제2 단계와;
   유기 불순물이 제거된 조글리세린에서 전기 분해 공정을 통하여 회분(소금)을 제거하는 제3 단계와;
   양극에서 발생되는 염소가스와 음극에서 발생되는 수소가스를 물에 포집하여 염산 수용액을 취득하는 제4 단계와;
   염소가스를 제거함에 따라 수산화나트륨이 생성되어 함유되어 있는 염기성 조글리세린에 아세트산을 첨가하여 소디움아세테이트를 생성함으로써 글리세린, 소디움아세테이트, 물이 혼합된 미생물 활성제를 생성하는 제5 단계를 포함하는 재활용 폐글리세린을 이용한 미생물용 에너지원 제조방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 단계에서는 글리세린 피치 100중량부에 대하여 염산 1 ~ 10중량부를 첨가하고 물 5 ~ 30중량부 추가한 후 30 ~ 60℃로 가온한 후 후 30분 ~ 3시간 교반하고,
   상기 제2 단계에서는 1~12시간 정치하는 재활용 폐글리세린을 이용한 미생물용 에너지원 제조방법.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 제4 단계에서 취득한 염산 수용액을 상기 제1 단계에서 염산 첨가시 이용하는 재활용 폐글리세린을 이용한 미생물용 에너지원 제조방법.

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