바이오디젤 생산 발전: Tree Chem이 주도하는 공정 혁신 및 촉매 최적화

바이오디젤 생산은 전 세계 재생 연료 산업이 전통적인 정제 식물성 기름에서 더욱 복잡하고 다양하며 저렴한 원료로 전환함에 따라 심오한 변화를 겪고 있습니다. 폐식용유(UCO), 산성유, 동물성 지방, 트랩 그리스, 혼합 폐지질 등의 원료 사용이 증가하면서 바이오디젤 제조와 관련된 기술적 과제와 경제적 기회가 모두 높아졌습니다. 이러한 원료는 온실가스 배출량을 크게 줄여주고 현대의 탈탄소 정책에 부합하는 순환 경제 경로를 가능하게 합니다. 그러나 이러한 원료는 공정 거동, 촉매 성능 및 후처리 분리 과정에서 변동성을 야기하기도 합니다. 따라서 안정적인 산업 운영을 위해서는 전처리, 에스테르 교환 반응, 촉매 선정, 공정 강화 및 품질 보증 전략에 대한 체계적인 혁신이 필수적입니다.

트리켐(Tree Chem)은 화학 제조 전문 지식과 엔지니어링 중심의 공정 최적화를 통합하여 칼륨계 촉매를 전문으로 하는 기술 중심 공급업체로 자리매김했습니다. 본 백서는 최근 학술 연구, 산업 사례 연구, 그리고 여러 지역의 바이오디젤 생산 업체를 지원해 온 트리켐의 경험을 종합적으로 제시합니다. 특히 수산화칼륨(KOH)과 같은 기존 알칼리 촉매에서 고활성 메톡시칼륨(KOMe)으로의 전환을 통해 바이오디젤 생산 효율을 향상시키는 데 있어 현대적이고 솔루션 중심적인 관점을 제공합니다.

1. 서론: 원료 변동성과 공정 설계에 미치는 영향

바이오디젤 원료의 품질과 일관성은 전체 생산 과정의 복잡성을 결정합니다. 정제된 식물성 기름은 일반적으로 0.5% 미만의 유리 지방산(FFA)을 함유하고 수분 함량이 낮으며 오염 물질이 최소화되어 있지만, 폐기물에서 추출한 기름은 다음과 같은 성분을 함유할 수 있습니다.

• FFA 수치가 10–30%를 초과함
• 가수분해 또는 부적절한 보관으로 인한 물 오염
• 중합된 트리글리세리드 및 산화 분해 부산물
• 고형분 함량이 높고 금속 불순물이 포함되어 있습니다.
• 이전 공정에서 생성된 인지질 및 비누

이러한 문제점들은 알칼리성 에스테르교환 반응에 두 가지 근본적인 위협을 제기합니다.

1. 비누화, 이로 인해 비누 생성, 유화 현상, 분리 속도 저하 및 수율 손실이 발생합니다.
2. 촉매 비활성화, 특히 나트륨 기반 시스템에서

학술 문헌(예: Vicente et al., 2021; Chhetri & Watts, 2022)에서는 유리 지방산(FFA) 함량이 높은 원료는 단일 단계 알칼리 공정을 사용하여 안정적으로 처리할 수 없다는 점이 일관되게 나타납니다. 따라서 업계는 점점 더 다른 방식에 의존하고 있습니다. 전처리용 산 촉매, 이어서 최적화된 알칼리 에스테르교환 반응이 진행됩니다.

Tree Chem은 이러한 과학적 원리를 현장 검증된 권장 사항과 통합하여 고객이 전반적인 워크플로우를 안정화할 수 있도록 지원하며, 특히 전처리 후 고성능 KOMe 촉매 사용에 중점을 둡니다.

2. 산 전처리: 안정적인 공정의 기초

2.1 유리 지방산(FFA) 감소를 위한 에스테르화 반응 개요

유리 지방산(FFA) 농도가 2~3%를 초과할 경우 산 에스테르화 반응이 필수적입니다. 황산은 강한 산성도, 경제성, 그리고 FFA를 메틸 에스테르로 전환하는 높은 효율 때문에 여전히 가장 널리 사용되는 촉매입니다. 이 반응 메커니즘은 메탄올을 소모하고 물을 부산물로 생성하면서 FFA를 에스테르로 전환합니다.

하지만 최적의 변환 효율을 달성하는 것은 여러 엔지니어링 매개변수에 크게 좌우됩니다.

• M/M 비율(메탄올 대 FFA 비율)
• 혼합 강도 및 액적 크기 감소
• 촉매 농도
• 반응 시간 및 온도
• 에스테르화 반응 전 원료 탈수

연구 결과에 따르면 소규모 생산자들이 흔히 간과하는 과도한 수분 생성은 반응 억제 및 하류 공정에서 유화액 형성을 유발합니다. 산업 현장에서는 이러한 문제를 통합적으로 해결해야 합니다. 인라인 탈수, 진공 플래시 탱크 또는 드라이워시 미디어 물의 농도를 0.2% 이하로 유지해야 합니다.

트리켐은 바이오디젤 생산 업체와 긴밀히 협력하여 전처리 라인이 원료 산도를 1% 미만으로 일관되게 낮출 수 있는지 평가합니다. 알칼리 처리 단계에서 메톡시화칼륨을 함께 사용하면 이러한 안정성이 확보되어 분리 효율과 수율이 크게 향상됩니다.

2.2 중화 및 세척 최적화

많은 식물은 산성 단계에서 알칼리성 단계로 전환되는 과정에서 문제를 겪습니다. 잔류 황산은 알칼리 촉매를 비활성화시키고 비누 생성을 촉진할 수 있습니다.

트리켐의 현장 연구에 따르면 나트륨 중화제 대신 칼륨 함유 중화제를 사용하면 KOMe로 전환할 때 후속 공정에서의 비호환성을 줄일 수 있습니다. 이는 최근 화학 공학 연구 결과와도 일치합니다. 칼륨염은 더 균일하게 용해됩니다., 침전 및 미세유화 현상 형성을 감소시킵니다.

또한, 중화 과정에서 발생하는 부반응을 제어하여 과도한 염 생성을 방지해야 합니다. 과도한 염 생성은 점도를 증가시키고 펌프 작동에 어려움을 초래할 수 있습니다.

3. 알칼리성 에스테르교환 반응으로의 전환: KOH만으로는 더 이상 충분하지 않은 이유

KOH는 오랫동안 바이오디젤 생산에 가장 널리 사용되는 알칼리 촉매였습니다. 가격이 저렴하고, 쉽게 구할 수 있으며, 작용 원리가 잘 알려져 있습니다. 하지만 KOH에는 몇 가지 중요한 한계점이 있습니다.

• 물이나 잔류 유리 지방산이 존재할 경우 비누를 쉽게 형성합니다.
• 글리세롤 분리를 늦추는 유화액을 생성합니다.
• 결합된 글리세롤의 함량이 더 높아집니다.
• 메탄올 회수 장치에 더 심각한 오염을 유발합니다.
• 폐유를 원료로 사용할 경우 성능이 일관되지 않습니다.

이러한 결함은 불순물 수준이 시간 단위로 변동할 수 있는 현대적인 원료 환경에서 특히 문제가 됩니다.

반면, 메톡시화칼륨(KOMe)은 다음과 같은 이유로 고성능 바이오디젤 제조에 선호되는 촉매가 되었습니다.

• 더 높은 촉매 활성
• 메탄올에 대한 용해도가 더 좋습니다.
• 비누 생성량 감소
• 더욱 깨끗한 글리세롤 분리 (선명한 경계면)
• 하류 재처리 감소
• 폐유를 사용한 향상된 성능

수많은 연구에서 이를 확인했습니다. KOMe 촉매는 동일 조건에서 KOH 촉매에 비해 더 높은 전환율을 나타냅니다., 특히 FFA 수치가 변동할 때 그렇습니다.

트리켐의 응용 엔지니어링 그룹은 KOH에서 KOMe로 전환하는 식물이 다음과 같은 현상을 자주 보고하는 것을 관찰했습니다.

• 15–30% 분리 속도 향상
• 최대 0.5–1.1% 수율 증가
• 세척수 소비량이 눈에 띄게 감소했습니다.
• 더욱 원활한 메탄올 회수
• 열교환기 및 증발기 시스템의 유지보수 빈도 감소

4. 반응 공학: KOMe 기반 에스테르 교환 반응 최적화

4.1 KOMe의 기계적 이점

에스테르교환 반응은 메탄올과 트리글리세리드 사이의 계면 구동 반응입니다. 촉매 반응은 다음 요소에 크게 의존합니다.

• 촉매 용해
• 교반 시 액적 크기 감소
• 물질 전달 효율
• 메톡사이드 이온 가용성
• 반응 온도 균일성

KOMe의 강력한 친핵성과 뛰어난 용해도는 더욱 균일한 반응 영역을 생성합니다. 이는 유도 기간을 단축하고 전환 속도를 높입니다. 주요 엔지니어링 결과는 다음과 같습니다.

• 트리글리세리드가 디글리세리드 및 모노글리세리드로 더 빠르게 전환됨
• 최종 바이오디젤의 모노 및 디글리세리드 잔류물 함량 감소
• 동등한 전환율을 달성하는 데 필요한 촉매 투입량 감소
• 연속 반응기(CSTR, PFR, 정적 혼합기)에서 더욱 안정적인 작동

대용량으로 식용유나 동물성 지방을 처리하는 공장에서는 이러한 안정성이 일일 운영 효율성에 매우 중요합니다.

4.2 온도 및 체류 시간 최적화

±5°C의 온도 변동은 기존 촉매를 사용할 때 심각한 문제를 야기할 수 있습니다. 그러나 KOMe는 더 넓은 온도 범위에서 활성을 유지합니다.

지속적인 프로세스는 다음과 같은 이점을 얻습니다.

• 반응 온도 낮추기
• 체류 기간 단축
• 교반 에너지 감소
• 적은 양의 물에 대한 내성이 더 강함

여러 학술 연구(예: Sánchez et al., 2023)에 따르면 KOMe 시스템은 에스테르 교환 반응 체류 시간을 단축할 수 있습니다. 최대 40% 특정 조건 하에서.

5. 분리 과학: 공정 개선을 통해 바이오디젤-글리세롤 상 거동을 향상시키는 방법

바이오디젤과 글리세롤의 분리는 산업용 바이오디젤 생산에서 가장 중요한 병목 현상 중 하나로 남아 있습니다. 촉매 종류, 원료 품질, 반응기 설계와 관계없이 에스테르 교환 반응 후 2상 시스템의 거동은 생산이 원활하게 진행될지, 아니면 재처리, 에너지 낭비, 가동 중단 시간 증가로 이어질지를 결정합니다. 특히 폐식용유(UCO), 우지, 또는 저급 혼합 지질을 처리하는 현대식 바이오디젤 생산 공장은 물, 유화제, 모노글리세리드, 비누 생성, 기계적 분리 시스템 간의 복잡한 상호 작용을 고려해야 합니다.

KOH 또는 메톡시화나트륨(NaOMe)을 사용할 경우, 유리 지방산(FFA) 함량이 높은 원료는 비누화 반응을 통해 비누를 생성하여 메틸 에스테르 상에 글리세롤을 가두는 미세유화액을 형성하는 경향이 있습니다. 이는 바이오디젤의 혼탁도 증가, 침전 속도 저하, 그리고 궁극적으로 후처리 정제 부하 증가로 이어집니다. 반면, 메톡시화칼륨(KOMe)은 보다 유리한 이온 균형과 우수한 메톡시화 이온 가용성으로 인해 과도한 비누 생성을 억제합니다. 그 결과, 더욱 명확하고 또렷한 분리 경계, 이를 통해 중력 침전이 더 빠르게 일어날 수 있습니다. 산업 현장 조사에 따르면 KOMe 촉매 반응 하에서 글리세롤 층이 더 빠르게 침전되고 부유 고형물도 더 적게 생성되는 것으로 반복적으로 나타났습니다.

트리켐의 기술팀은 KOMe를 사용했을 때 다음과 같은 매개변수에서 측정 가능한 개선 효과를 확인했습니다.

• 계면 점도가 낮아짐, 이는 계층화를 가속화합니다.
• 클리너 글리세롤 상, 메탄올 회수 효율을 향상시킵니다.
• 원심 부하 감소, 에너지 소비를 줄임으로써
• 세척수 침투 속도 향상, 재세척 횟수를 최소화합니다.
• 비누 찌꺼기 감소, 에스테르 안정성 향상

이러한 효과는 분리 과학의 기본 원리와 일치합니다. 즉, 양친매성 입자(모노글리세리드 및 비누 등)의 양이 적을수록 두 상 사이의 밀도 차이가 커지고 분리 거동이 더욱 예측 가능해집니다. 따라서 촉매 조성의 개선은 기계적 효율과 정제 경제성에 직접적인 영향을 미칩니다.

6. 메탄올 회수 및 에너지 최적화

메탄올은 바이오디젤 제조에서 주요 비용 요소입니다. 글리세롤 및 에스테르 단계에서 메탄올을 회수하는 것은 환경 규제 준수 및 지속 가능한 경제적 성과에 필수적입니다. 폐지질을 처리하는 공장에서는 비누 침전 및 오염 물질의 열분해로 인해 메탄올 회수 장치, 특히 증발기 및 증류탑에서 높은 오염률을 경험하는 경우가 많습니다.

KOH 기반 시스템은 나트륨 염과 무거운 비누의 잔류성으로 인해 오염을 악화시키는 경우가 많습니다. 그러나 메톡시화칼륨은 용해도가 더 높고 열교환기 표면에 침전될 가능성이 적은 칼륨계 비누를 생성합니다. 이는 유지보수 빈도를 줄이고 메탄올 회수 시스템의 가동 시간을 늘립니다.

학술 연구도 이러한 산업적 추세를 뒷받침합니다. López-Aguilar 등(2022)의 연구에 따르면 NaOMe에서 KOMe로 전환하면 메탄올 증발기의 오염이 감소하는 것으로 나타났습니다. 20–35%, 이를 통해 열 전달 효율을 높이고 증기 소비량을 줄일 수 있습니다.

Tree Chem은 이러한 연구 결과를 바탕으로 다음과 같은 제조업체에 KOMe 기반 시스템을 추천합니다.

• FFA 함량이 높은 원료
• 수분 함량이 높은 UCO
• 혼합 폐유
• 다양한 오염물질을 함유한 산성 오일

이러한 원료는 본질적으로 더 많은 불순물을 생성하기 때문에 칼륨염의 향상된 용해도 특성은 연속 운전에 매우 중요한 요소가 됩니다.

7. 디지털 프로세스 최적화: RSM에서 ANN 및 AI 지원 제어까지

바이오디젤 산업은 급속한 디지털 전환을 겪고 있습니다. 생산 시설들은 반응 변수를 최적화하기 위해 실험 설계(DoE), 반응 표면 분석법(RSM), 인공 신경망(ANN), 머신러닝 기반 공정 제어와 같은 계산 도구에 점점 더 의존하고 있습니다.

7.1 매개변수 상호작용 분석을 위한 RSM

RSM은 온도, 촉매 투입량, M/O 비율 및 반응 시간 간의 상호 작용을 이해하는 데 널리 사용됩니다. KOMe를 사용하는 시스템에서 RSM 모델은 종종 다음과 같은 결과를 보여줍니다.

• 메탄올 농도에 대한 민감도 증가
• 반응 속도가 빨라 반응 시간에 대한 민감도가 낮아짐
• KOH 시스템보다 약간 낮은 온도에서 전환율이 향상됨

Tree Chem은 고객이 메탄올 사용량을 줄이고 전반적인 경제적 성과를 향상시킬 수 있도록 RSM 기반 최적화를 구현하는 데 자주 도움을 줍니다.

7.2 예측적 품질 관리를 위한 인공신경망 모델

인공신경망(ANN)은 기존 회귀 분석보다 비선형 관계를 더 효과적으로 모델링할 수 있습니다. 유리 지방산(FFA), 수분 함량, 밀도, 점도와 같은 원료 품질 매개변수를 사용하여 학습된 ANN 모델은 다음과 같은 결과를 예측할 수 있습니다.

• 예상 변환 효율
• 비누 생성 가능성
• 필요한 촉매 투입량
• 예상 분리 시간

Gopal et al.(2023)과 같은 연구는 원료 품질이 매일 변동할 때 ANN 기반 예측이 플랜트 안정성을 크게 향상시킨다는 것을 보여줍니다.

Tree Chem은 고객이 SCADA 또는 DCS 시스템에 ANN 도구를 통합하여 KOMe 첨가율을 실시간으로 조정할 수 있도록 지원합니다.

7.3 미래: AI 기반 공정 제어

인공지능의 발전과 함께 바이오디젤 생산은 다음과 같은 변화를 기대할 수 있습니다.

• 자체 최적화 반응기
• 예측 촉매 투입량
• 오염 및 분리 실패에 대한 이상 감지
• 자동 메탄올 대 오일 비율 제어
• AI 기반 원료 분류(이미지 + 분광 분석)

트리켐의 엔지니어링 지원팀은 고함량 FFA UCO 시스템에 AI 기반 투입 전략을 시범적으로 적용하기 시작했으며, 이를 통해 분리능 및 수율 안정성에서 상당한 개선을 이루어냈습니다.

8. EN 14214 및 ASTM D6751 준수: 촉매 선택이 중요한 이유

연료 품질 기준은 여러 매개변수에 엄격한 제한을 두고 있습니다.

• 총 글리세롤
• 유리 글리세롤
• 모노글리세리드
• CFPP
• 산가
• 금속(K, Na, Ca, Mg)
• 수분 함량
• 산화 안정성

많은 산업 공정에서 이러한 매개변수를 충족하지 못하는 것은 상류 촉매 성능 문제 또는 불충분한 분리 때문입니다.

KOMe 기반 시스템은 다음과 같은 이유로 생산자가 이러한 기준을 일관되게 충족하도록 도와줍니다.

• 보다 완전한 에스테르 교환 반응 경로
• 균일한 촉매 분산
• 청정한 상 분리
• 부분 글리세리드 생성량 감소
• 촉매 잔류물의 혼입 감소

특히 유럽으로 수출하거나 낮은 탄소집약도(CI) 규정을 준수하려는 생산자에게 KOMe가 제공하는 일관성은 규정 준수의 신뢰성을 직접적으로 향상시켜 줍니다.

Tree Chem은 또한 고객이 다음과 같은 사항을 분석할 수 있도록 정기적인 품질 컨설팅 서비스를 제공합니다.

• 촉매 잔류물의 ICP-MS 분석
• 결합된 글리세롤과 유리 글리세롤의 GC-MS 분석
• 산화 안정성(란시맷)
• 원료로부터의 금속 오염

트리켐은 이러한 통합적인 접근 방식을 통해 촉매 공급업체로서의 역할뿐 아니라 품질 보증 분야의 기술 파트너로서의 역할도 강화하고 있습니다.

표 1. 통합 바이오디젤 연료 표준 비교

9. 엔지니어링 및 물류: KOMe를 산업 운영에 통합하기

KOH 또는 NaOMe에서 KOMe로 전환하려면 신중한 엔지니어링 통합이 필요합니다. 주요 성공 요인은 다음과 같습니다.

• 폐쇄형 질소 차폐 촉매 탱크
• 습기 침투를 방지하는 건식 이송 시스템
• 정밀 계량 펌프
• DCS/PLC와의 촉매 스키드 통합
• 기존 메탄올 회수 라인과의 호환성

트리켐의 엔지니어들은 다음과 같은 사항을 포함하여 각 공장 배치에 대한 맞춤형 지침을 제공합니다.

• 권장 배관 재료
• 환기식 촉매 하역 프로토콜
• 습도 조절 전략
• 저장 안정성 요구 사항
• 최적의 반응 속도를 위한 촉매 희석 절차

적절한 통합은 안전성을 향상시킬 뿐만 아니라 KOMe의 촉매적 이점을 최대한 활용할 수 있도록 보장합니다.

표 2 트리켐 바이오디젤 공정 최적화 전략 요약