KR20200022176A - 바이오디젤 생산장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폐유지를 원료로 사용하여 바이오디젤을 제조하는 공정으로 효소촉매 반응기 와 화학촉매 반응기를 연결 가동시켜 고산가의 폐유지도 바이오디젤과 글리세롤로 빠르게 전환시키면서 효소촉매의 반응시간을 단축하여 생산성을 높일 수 있는 바이오디젤 생산장치에 관한 것이다.
이를 위한 본 발명의 바이오디젤 생산장치는, 고 산가 저급 원료들을 원심분리 후 혼합시켜 안정화시키는 원료안정부; 와 원료가 메탄올과 혼합된 후 효소촉매와 접촉하면서 바이오디젤과 글리세롤로 1차 전환되는 효소촉매 반응부; 1차 반응에서 미 전환된 원료가 메탄올과 화학촉매가 혼합되어 바이오디젤과 글리세롤로 2차 전환되는 화학촉매 반응부; 와 혼합되어 있는 글리세롤과 바이오디젤을 분리하고, 분리된 바이오디젤에서 고 순도의 바이오디젤을 추출하고 산가 조정을 위하여 원심분리기와 증류기와 수세조가 구비된 후처리부;를 포함하여 구성된다.

Description

바이오디젤 생산장치{Manufacturing apparatus for bio disel}

본 발명은 바이오디젤을 제조하는 공정으로 화학촉매로 처리되지 않는 고산가의 저급 폐유지를 효소촉매로 1차 처리하고 연속으로 화학촉매를 이용하여 2차 처리시켜 연료의 주성분인 고 산가의 지방산을 빠른 시간에 바이오디젤과 글리세롤로 전환시켜 효소촉매의 반응시간을 단축하고, 화학촉매로 고효율의 바이오디젤을 생산할 수 있는 바이오디젤 생산장치에 관한 것이다.

화학적 촉매를 이용한 바이오디젤의 제조방법은 저 산가의 고급 폐유지와 메탄올과 화학촉매를 함께 혼합시키면 원료의 주성분인 지방산이 대략 30분 내지 1시간 이내에 바이오디젤과 글리세롤로 생성되며 글리세롤은 침전되므로 상등된 바이오디젤은 회수하여 제조하게 된다.

효소촉매를 이용한 바이오디젤의 제조방법은 음폐유, 탕기름, 팜 슬러지오일과 같이 화학적 촉매를 이용하여 처리하지 못하는 고 산가의 저급 폐유지를 메탄올과 혼합하여 효소촉매에 접촉시키면 효소가 작용하여 바이오디젤과 글리세롤을 생성시키는 방법으로 이 방법은 가격이 저렴한 고 산가의 저급 폐유지를 원료로 사용하여 바이오 디젤을 생산할 수 있다는 장점이 있다.

그러나 효소촉매를 이용하여 바이오디젤을 생산하는 방법은 효소촉매에 의하여 메탄올과 폐유지가 반응하여 바이오디젤과 글리세롤로 생성되지만 반응시간이 대략 6 시간 내지 10 시간이 소요되는데 반응효율을 보면 원료의 주성분인 지방산은 초기 4시간 경과 시 대략 80% 이상이 바이오디젤과 글리세롤로 생성되지만 그 후 나머지 20% 가 완전히 바이오디젤과 글리세롤로 생성되는데 대략 4시간 이상이 소요되어 많은 시간이 걸린다는 단점이 있다.

따라서 가격이 싼 고 산가의 저급 폐 유지를 원료로 사용할 수 있는 효소촉매를 이용한 바이오 디젤의 제조방법을 적용하기 위하여 동일 생산효율을 유지하면서 반응시간을 단축하는 공정개발이 중요하게 부상하고 있다.

구체적으로는, 효소촉매를 이용하여 바이오 디젤을 생산하는 공정에서 반응시간이 길어지는 것은 고산가 저급 폐유지 속에 수분과 인(P) 지질 등이 많아서 효소촉매의 반응효율을 저하시키는 원인도 있지만, 고 산가 저급 폐 유지는 고 산가에서도 효소촉매에 의하여 메탄올과 결합하여 글리세롤과 바이오디젤로 급속히 분리되는데 일부 지방산의 경우 반응이 진행되면 저산가의 폐유지로 변환되면서 효소촉매가 메탄올 중독증상을 일으켜서 반응속도가 느려지면서 바이오디젤로 전환하는데 많은 시간이 소요되어 효소촉매 반응기내에서 교반기를 설치하여 반응효율을 높이는 등의 조치를 취하여도 반응시간을 줄이기에는 한계가 있다.

화학적 촉매를 이용한 바이오디젤을 생산하는 공정은 빠른 반응시간과 바이오디젤 분리효율은 높지만 저 산가 고급 폐유지 처리만 가능한 문제점이 있고,효소촉매를 이용한 바이오디젤을 생산하는 공정은 음폐유나 팜오일슬러지 등의 고산가 저급 폐유지도 처리할 수 있는 장점이 있지만 반응시간이 길어서 운영유지관리비가 높아지는 문제점이 있다.

대한민국 등록특허 제 10-171629호

상기 종래 기술에 따른 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 고산가 저급 폐유지를 원료로 사용하면서도 짧은 반응시간으로 고효율의 바이오디젤을 생산할수 있도록 효소촉매를 이용한 바이오디젤 생산장치과 화학적 촉매를 이용한 바이오디젤 생산장치을 연결 가동시키는 바이오디젤 생산장치를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 효소촉매를 이용한 바이오디젤 생산장치에 있어서 효소촉매 반응에 방해요소가 되는 수분, 인 지질등을 제거하고 원료를 안정화시키는 원료안정부; 와 화학 촉매를 이용한 바이오디젤 생산장치에서 생산된 바이오 디젤의 순도를 높일 수 있도록 원심분리기와 증류기와 수세조가 구성된 후처리부;가 구비된 바이오디젤 생산장치을 제공하는데 있다,

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바이오디젤 생산장치은 원료를 원심분리 후 혼합시켜 안정화시키는 원료안정부; 와 원료와 효소촉매와 메탄올을 혼합시켜 원료 일부를 1차로 바이오디젤과 글리세롤을 생산하는 효소촉매 반응부; 와 1차 미반응 원료를 메탄올과 화학촉매를 혼합시켜 전부 2차로 바이오디젤과 글리세롤로 생산하는 화학촉매 반응부; 와 생산된 바이오디젤과 글리세롤을 분리하고 분리된 바이오디젤에서 고순도의 바이오디젤을 추출하고 중화시키기 위하여 원심분리기와 증류기와 수세조가 구비된 후처리부;를 포함하여 구성된다.

바람직하게, 상기 원료안정부; 반입되는 다양한 원료를 종류별로 저장할 수 있는 다수개의 저장탱크로 구성하고 원료별로 원료에서 수분과 이물질을 제거하는 원심분리기와 다 종류의 원료를 혼합하여 안정시키는 원료안정조로 구성될 수 있다.

바람직하게, 상기 효소촉매 반응부; 는 효소촉매와 메탄올을 저장한 후 효소촉매 반응기로 투입할 수 있도록 효소촉매 저장조와 메탄올 저장조와 효소촉매 반응기로 구성될 수 있다.

바람직하게, 상기 화학촉매 반응부; 는 메탄올과 화학촉매를 혼합하여 저장하는 촉매 혼합탱크와 화학촉매 반응기로 구성될 수 있다.

바람직하게, 상기 후처리부; 는 상기 화학촉매 반응기에서 생산된 바이오디젤과 글리세롤을 분리하는 원심분리기와 분리된 바이오디젤을 증류하여 불순물을 제거하는 증류기와 바이오디젤의 산가를 낮출 수 있는 수세조로 구성될 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명은, 효소촉매 반응부와 화학촉매 반응부를 연결 설치 가동시켜 효소촉매의 반응시간을 단축시키면서 고효율의 바이오 디젤을 생산하여 저가의 다양한 고 산가 저급 폐유지를 바이오 디젤 원료로 사용할 수 있게 되어 경제적인 효과가 있다.

또한, 원료안정부와 후처리부를 도입하여 효소촉매의 수명을 길게 하고 생산되는 바이오디젤 순도를 높이는 효과가 있다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않는 또 다른 효과는 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 바이오디젤 생산장치의 개략적인 공정을 도시한 도면이다.

본 발명은 그 기술적 사상 또는 주요한 특징으로부터 벗어남이 없이 다른 여러가지 형태로 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않으며 한정적으로 해석되어서는 안된다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.

상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 ‘연결되어’있다거나 ‘접속되어’있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 ‘직접 연결되어’있다거나 ‘직접 접속되어’있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, ‘포함하다’또는 ‘구비하다’, ‘가지다’등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 바이오디젤 생산장치은 도 1에서 도시된 바와 같이 원료안정부(100) 와 효소촉매 반응부(200) 와 화학촉매 반응부(200) 와 후처리부(400)를 포함하여 구성된다.

상기 원료안정부(100)는 외부에서 다양한 종류의 원료가 반입되면 종류별로 원료를 저장할 수 있도록 다수개의 원료 저장탱크(101)가 설치되고 각각의 원료 저장탱크(101)에 저장된 원료들은 원심분리기(102)를 통하여 수분과 이물질이 비중차로 분리된 후 원료 안정조(103)에서 각각의 원료가 혼합 안정되게 저장되어지도록 구성되어 있다.

상기 원심분리기(102)에서 분리된 수분과 이물질은 폐수저장조(104)에 저장되었다가 적정한 방법으로 처리되어 진다.

상기 효소촉매 반응부(200)는 효소촉매 저장조(201)와 메탄올 저장조(202)와 효소촉매 반응기(203)로 구성되며, 운전방법은 1차적으로 효소촉매 반응기(203)에 효소촉매를 투입하고 원료안정조(103)에서 효소촉매 반응기(203)로 원료가 투입되면 원료 투입량에 맞추어 메탄올 저장조(202)에서 메탄올을 서서히 효소촉매 반응기(203)로 투입하여 원료의 주성분인 지방산과 메탄올을 효소촉매가 접촉하여 바이오디젤과 글리세롤이 생산되는데 통상 효소촉매 반응기(203)에는 원료와 메탄올과 효소촉매의 접촉효율을 높이기 위하여 교반기(미도시)가 설치되어 있다.

상기의 효소촉매 반응기(203)에서 대략 3 내지 4시간 정도를 혼합하면 원료의 주성분인 지방산 약 80% 정도가 바이오디젤과 글리세롤로 생산되고 비중차로 인하여 글리세롤은 효소촉매 반응기(203) 하부로 침전하게 되는데 이때부터 바이오디젤로 전환되지 않은 20% 내외의 잔여 지방산이 바이오디젤로 완전 전환하는데 대략 4 내지 6시간이 소요된다.

따라서 상기 바이오 디젤로 전환되지 않은 지방산은 그 물성이 저산가 지방산으로 변환되어 있어서 화학촉매로 반응시키면 약 30분 내지 1시간 내에 빠르게 바이오디젤과 글리세롤로 전환 생산될 수가 있어서 효소촉매와 화학촉매를 연속으로 반응시켜 운전할 경우 효소촉매를 사용할 때 보다 반응시간을 현저하게 줄일 수가 있다.

상기 화학촉매 반응부(300)는 메탄올과 화학촉매를 혼합하여 저장하는 촉매혼합탱크(301)와 화학촉매 반응기(302)로 구성되며 효소촉매 반응기(203)에서 원료중의 지방산이 1차로 바이오디젤과 글리세롤로 분리되고 남은 잔여 지방산이 함유된 저산가 반응물이 화학촉매 반응기(302)로 유입되면 촉매혼합탱크(301)에서 메탄올과 혼합된 화학촉매에 의하여 잔여 지방산은 대략 30분 내지 1시간 정도의 짧은 시간에서 바이오디젤과 글리세롤로 전환되는데 통상 화학촉매 반응기(302)에도 화학촉매의 반응율을 높이기 위하여 교반기(미도시)가 설치되어 있다.

상기 화학촉매 반응기(302)의 운영방법은 상기 효소촉매 반응기(203)에서 생산된 바이오디젤과 글리세롤, 미 반응 원료 전부를 화학촉매 반응기(302)로 이송하여 처리하여도 무방하나, 상기 효소촉매 반응기(203)에서 생산되어 침전된 글리세롤을 제거하고 남은 바이오디젤과 미 반응 원료만 이송하여 화학촉매 반응기(302)에서 처리하는 방법이 더 바람직하다.

상기 화학촉매로는 수산화칼륨(KOH)이나 가성소다(NaOH)를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 후처리부(400)는 화학촉매 반응기(302)에서 최종 생산된 바이오디젤과 글리세롤을 분리시키는 글리세롤 원심분리기(401)와 바이오디젤을 고온에서 증류시켜 고순도의 바이오디젤을 생산하는 증류기(402)와 증류된 바이오디젤의 산가를 맞추기 위하여 수세를 시키는 수세조(403)로 구성되어 있다.

상기 증류기(402)는 원심 분리된 바이오디젤을 약 250℃ 내지 350℃정도에서 증류시켜 고순도의 바이오디젤로 추출하는 장치로서 증류 후 남은 피치는 별도의 피치 저장조(404)에 저장 보관한다.

한편 상기 글리세롤 원심분리기(401)에서 분리된 글리세롤은 별도의 글리세롤 저장조(405)에 저장 보관한다.

한편 상기 수세조(403)에서는 상기 증류기(402)에서 추출된 고순도의 바이오 디젤에 중화제 탱크(406)에서 중화제를 투입 혼합하여 산가를 조정하고, 화학촉매 반응 시 발생하는 화학반응물이나 중화 시 발생하는 중화반응물을 제거하기 위하여 수세저장탱크(407)에서 공급되는 물로 생산된 고 순도의 바이오디젤을 세정하며 세정된 바이오디젤은 바이오디젤 저장조(408)에 저장되고 세정 시 발생되는 폐수는 폐수저장조(104)로 보내진다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양한 변형이 가능하다는 것이 명백하므로 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형 예들을 포함하도록 기술된 특허 청구 범위에 의해서 해석되어야 한다.

100:원료안정부 101:원료저장탱크
102:원심분리기 103:원료안정
104:폐수저장조 200:효소촉매 반응부
201:효소촉매 저장조 202:메탄올 저장탱크
203:효소반응기 300:화학촉매 반응부
301:촉매 혼합탱크 302:화학촉매 반응기
400:후처리부 401:글리세롤 원심분리기
402:증류기 403:수세조
404:PITCH 저장조 405:글리세롤 저장조
406:중화제 탱크 407:수세 저장탱크
408:바이오디젤 저장조

Claims (2)

1. 원료를 원심분리 후 혼합시켜 안정화시키는 원료안정부;
   원료와 효소촉매와 메탄올을 혼합시켜 원료의 일부를 바이오디젤과 글리세롤로 생산하는 효소촉매 반응부;
   상기 효소촉매 반응부에서 미반응된 원료를 메탄올과 화학촉매를 혼합시켜 바이오디젤과 글리세롤로 생산하는 화학촉매 반응부; 및
   생산된 바이오디젤과 글리세롤을 분리하고 분리된 바이오디젤에서 고순도의 바이오디젤을 추출하고 중화시키기 위하여 원심분리기와 증류기와 수세조가 구비된 후처리부;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 바이오디젤 생산장치.
2. 제1항에 있어서,
   원료를 1차로 효소촉매 반응부에서 반응 처리한 후 연속적으로 화학촉매 반응부에서 2차 처리하는 것을 특징으로 하는 바이오디젤 생산장치.

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