KR100492432B1 - 고농도 이산화탄소 생성물을 생성시키는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 직접 사용에 적합하거나 추가 정제가 더욱 용이한 고농축 이산화탄소를 생성시키는 방법으로서, 미생물 증식과 1종 이상의 탄소질 물질의 발효가 규정된 산소-부화(oxygen-enriched) 유체를 사용하여 수행되는 방법에 관한 것이다.

Description

고농도 이산화탄소 생성물을 생성시키는 방법 {METHOD FOR PRODUCING HIGH CONCENTRATION CARBON DIOXIDE PRODUCT}

기술 분야

본 발명은 일반적으로 이산화탄소를 생성시키는 방법에 관한 것이다.

배경 기술

이산화탄소는 다수의 용도를 갖는다. 예를 들어, 이산화탄소는 음료를 탄산화시키고, 해산물, 육류, 가금류, 제과류, 과일 및 야채를 냉장시키고, 동결시키고, 포장하며, 유제품의 저장 수명을 연장시키는 데에 사용된다. 이산화탄소는 산업 폐수 및 공정수 처리에서 pH 수준을 조절하는 황산의 대체물로서 환경적으로 중요한 성분이다. 그 밖의 용도로는 음용수 처리, 환경친화적 살충제 및 야채의 성장을 개선시키기 위한 온실용의 대기 첨가제가 있다.

일반적으로, 이산화탄소는 유기 또는 무기 화학 공정의 부산물인 폐기물 스트림 또는 기타 스트림을 정제시킴으로써 생성된다. 이산화탄소를 포함하는 폐기물 스트림은 응축된 후, 증류 컬럼에서 처리되어, 제품 등급의 이산화탄소를 생성시킬 수 있다.

폐기물 스트림 중의 이산화탄소 농도가 높을수록, 상업적으로 이용할 수 있는 이산화탄소를 생성시키기 위한 최종 정제가 용이해지고 저렴하게 되므로, 이산화탄소 최종 생성물 설비에 대한 공급물 스트림이 가능한한 고농도의 이산화탄소를 갖게 하도록 하는 것이 바람직하다. 실제로, 화학 공정으로부터의 부산물인 이산화탄소 함유 유체가, 상업적으로 이용할 수 있는 이산화탄소를 생성시키기 위해 추가의 정제가 필요없을 정도로 충분히 고농도의 이산화탄소를 갖는 것이 매우 바람직할 것이다.

따라서, 본 발명의 목적은 생물학적 공정으로부터 이산화탄소를 생성시키는 방법으로서, 생성된 이산화탄소의 농도가, 상업적으로 사용할 수 있는 이산화탄소를 생성시키기 위해 공정으로부터의 이산화탄소 생성물을 추가 처리하는 수준을 감소시키거나 추가 처리에 대한 필요성을 제거할 정도로 충분히 높은 방법을 제공하는 데에 있다.

발명의 요약

본원의 상세한 설명을 숙지한 당업자에게 자명해지는 이러한 목적 및 그 밖의 목적은 본 발명에 의해 달성되며, 이러한 본 발명은,

(A) 1종 이상의 탄소질 종을 포함하는 발효 육즙에 산소-부화(oxygen-enriched) 유체를 공급하는 단계;

(B) 산소-부화 유체로부터의 산소를 사용하여 발효 용기의 발효 육즙내에서 미생물 증식을 촉진시키고, 발효 육즙내에서 발효를 수행하고, 발효 육즙내에서 이산화탄소를 생성시키는 단계;

(C) 발효 육즙 스트림을 발효 용기로부터 배출시키고, 열교환기를 통과시킨 후, 재순환 루프에 의해 발효 용기내로 귀환시키는 단계;

(D) 발효 육즙으로부터 이산화탄소를 버블링시켜서 이산화탄소 농도가 97.5 몰% 이상인 기체 혼합물을 형성하는 단계;

(E) 기체 혼합물을 이산화탄소 생성물로서 회수하는 단계를 포함하여 이산화탄소를 생성시키는 방법이다.

본원에 사용된 용어 "발효 육즙"은 미생물에 의해 대사되고/되거나 발효될 수 있는 1종 이상의 탄소질 종을 함유하는 액체 배지를 의미한다.

본원에 사용된 용어 "산소-부화 유체"는 산소 농도가 40 몰% 이상인 기체를 의미한다.

본원에 사용된 용어 "발효"는 이산화탄소가 생성되는, 미생물에 의해 수행되는 생화학적 작용을 의미한다.

상세한 설명

본 발명은 도면을 참조로 하여 상세하게 설명될 것이다.

도 1을 참조하면, 발효 용기(1)는 발효 육즙(20)을 함유한다. 전형적으로, 발효 육즙(20)은 에탄올 발효를 위해 당과 같은 탄수화물과 효모와 같은 미생물의 수성 혼합물을 포함한다. 그러나, 본 발명은 에탄올 발효에 한정되지 않는다. 산소가 미생물의 증식 및/또는 미생물 활성 또는 생화학적 활성을 유지시키는 데에 사용되고, 이산화탄소가 부산물로서 생성되는, 임의의 발효 또는 미생물 작용이 본 발명의 실시에서 수행될 수 있다.

산소-부화 유체(21)는 배관(5)을 통해 발효 육즙으로 공급된다. 산소-부화 유체는 40 몰% 이상, 바람직하게는 80 몰% 이상, 가장 바람직하게는 90 몰% 이상의 산소 농도를 갖는다. 산소-부화 유체는 바람직한 경우 산소 농도가 99.5 몰% 이상인 시판되는 순수한 산소일 수 있다. 도 1에 도시된 구체예에 있어서, 발효 육즙이 용기(1)내에 있는 동안 산소-부화 유체가 발효 육즙에 공급된다. 산소-부화 유체는 배관(5)으로부터 하나 이상의 미세 버블 확산기(4)를 통과하여, 작은 버블로서 발효 육즙(20)내로 전달된다. 산소-부화 유체로부터의 산소는 육즙(20)내에서 미생물 또는 그 밖의 산소 소비 개체(entity)에 의해 사용되어, 육즙내에서 미생물 증식과 다양한 탄소질 물질, 예를 들어 탄수화물의 발효를 수행함으로써 이산화탄소 및 예를 들어 에탄올을 생성시킨다. 도 1에 도시된 구체예에 있어서, 산소-부화 유체 분배는 모터(2)에 의해 구동되는 교반기(3)에 의해 육즙(20)을 교반시키거나 혼합시킴으로써 촉진된다.

육즙(20)내의 이산화탄소와 그 밖의 기체를 육즙(20)으로부터 버블링시켜서 이산화탄소 농도가 97.5 몰% 이상인 기체 혼합물(22)을 형성한다. 공정 조건에 따라, 기체 혼합물(22)의 이산화탄소 농도는 98.5 몰%를 초과하며, 심지어 99.5 몰%를 초과할 수도 있다. 실제로, 기체 혼합물(22)의 이산화탄소 농도는 약 99.9 몰% 이하일 수 있다. 기체 혼합물(22)은 용기(1)로부터 배관(6)에 의해 배출되어, 그 자체로 상업적으로 사용될 수 있거나 저온 증류 또는 용매 흡수와 같은 하나 이상의 추가 정제 단계를 거칠 수 있는 이산화탄소 생성물로서 회수된다.

탄소질 물질의 발효는 발열성이다. 발효의 발열성은 발효 육즙내에서 열 축적을 일으켜서 발효 육즙내에서의 미생물 증식율과 발효율을 하강시킬 수 있다. 이러한 생성률 하강을 방지하기 위해, 발효 육즙 냉각 재순환 루프가 사용된다. 도 1을 다시 참조하면, 발효 육즙은 용기(1)로부터 스트림(23)으로 배출되고, 밸브(24)를 통해 스트림(25)로서 재순환 펌프(7)로 전달된다. 생성된 펌핑된 스트림(26)은 열교환기(8)를 통과하며, 여기서, 스트림은 물과 같은 냉각용 유체(30)와의 간접 열교환에 의해 냉각된다. 생성된 냉각된 발효 육즙(9)은 주 재순환 스트림(27) 및/또는 바이패스(bypass) 재순환 스트림(28)과 바이패스 밸브(29)를 통해 발효 용기(1)내로 귀환된다.

도 2는 재순환 루프를 통과할 때 산소-부화 유체가 발효 육즙에 공급되는, 본 발명의 또 다른 구체예를 도시한다. 도 2의 도면부호는 공통 요소에 대해 도 1의 도면부호와 동일하며, 이러한 공통 요소는 또 다시 상세히 설명되지 않을 것이다.

도 2를 참조하면, 냉각된 재순환 스트림(27)은 미세 버블 발생 장치(10)가 내장된 리셉터클(31)내로 전달된다. 장치(10)는 예를 들어 소결 금속 미세 버블 스파저/확산기, 세라믹 미세 버블 확산기, 멤브레인식(membrane type) 버블 확산기, 음파-노즐(sonic-nozzle), 기체/액체 혼합 노즐, 벤츄리식 기체 액체 혼합 노즐, 오리피스 플레이트 또는 기체/액체 흐름 제한 장치일 수 있다. 산소-부화 유체는 스트림(32)으로서 장치(10)내로 전달되고, 리셉터클(31)내에서 발효 육즙내로 버블링된다. 생성된 산소 함유 발효 육즙은 리셉터클(31)로부터 스트림(33)으로 배출된다. 바람직한 경우, 스트림(33)의 일부 또는 전부는, 기체/액체 접촉 시간을 증가시켜서 산소-부화 유체가 발효 육즙내로 용해되는 것을 향상시키는 기능을 하는 기체/액체 접촉 루프(11)를 통과할 수 있다. 스트림(33)의 나머지 부분(존재하는 경우)은 밸브(34)를 통과한 후, 루프(11)로부터의 유체(존재하는 경우)와 혼합되어 스트림(35)을 형성하고, 이 스트림은 확산기(12)로 공급되고, 확산기(12)로부터 용기(1)에 들어 있는 발효 육즙내로 공급되며, 여기서, 대량의 미생물 증식 및 발효가 전술한 바와 동일한 방식으로 일어난다. 확산기(12)는 액체 순환 추출기(eductor)와 같은 임의의 효과적인 기체/액체 분산 노즐일 수 있다.

본 발명의 실시에서의 산소-부화 유체내의 산소의 고농도는 발효 용기내로 전달되는 비활성 물질과 잔여 산소의 양을 감소시키는 역할을 하여, 이들이 궁극적으로 이산화탄소 기체 혼합물 생성물내에 포함되게 함으로써 이산화탄소 농도를 유리하게 높은 수준으로 달성하고 유지시키는 역할을 한다. 또한, 이러한 높은 산소 농도는 발효 플랜트를 작동시키는 데에 필요한 에너지를 감소시킬 뿐만 아니라 특정 타입의 발효 플랜트로부터의 악취 방출물을 감소시킬 것이다.

본 발명이 몇몇 바람직한 구체예를 참조로 하여 상세히 설명되었지만, 당업자라면 하기 특허청구의 범위의 사상 및 범위내에 속하는 본 발명의 다른 구체예가 있음을 인식할 것이다.

본 발명의 방법을 이용하면 생물학적 공정으로부터 이산화탄소 생성물의 추가 처리의 수준을 감소시키거나 추가 처리에 대한 필요성을 제거할 정도로 충분히 높은 농도를 갖는 이산화탄소를 생성시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 미생물 증식 및 이산화탄소 생성 방법의 한 가지 바람직한 구체예의 단순 개략도이다.

도 2는 산소-부화 유체가 재순환 루프내에서 발효 육즙에 공급되는, 본 발명의 또 다른 바람직한 구체예의 단순 개략도이다.

Claims (10)

1. (A) 1종 이상의 탄소질 종을 포함하는 발효 육즙에 산소-부화 유체를 공급하는 단계;

   (B) 산소-부화 유체로부터의 산소를 사용하여 발효 용기의 발효 육즙내에서 미생물 증식을 촉진시키고, 발효 육즙내에서 발효를 수행하고, 발효 육즙내에서 이산화탄소를 생성시키는 단계;

   (C) 발효 육즙 스트림을 발효 용기로부터 배출시키고, 열교환기를 통과시킨 후, 재순환 루프에 의해 발효 용기내로 귀환시키는 단계;

   (D) 발효 육즙으로부터 이산화탄소를 버블링시켜서 이산화탄소 농도가 97.5 몰% 이상인 기체 혼합물을 형성하는 단계;

   (E) 기체 혼합물을 이산화탄소 생성물로서 회수하는 단계를 포함하여 이산화탄소를 생성시키는 방법.
2. 제 1항에 있어서, 발효 육즙이 발효 용기내에 있는 동안에 산소-부화 유체가 발효 육즙에 공급됨을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1항에 있어서, 발효 육즙이 재순환 루프내에 있는 동안에 산소-부화 유체가 발효 육즙에 공급됨을 특징으로 하는 방법.
4. 제 3항에 있어서, 산소-부화 유체가 열교환기의 다운스트림에 있는 발효 육즙에 공급됨을 특징으로 하는 방법.
5. 제 4항에 있어서, 발효 육즙이 리셉터클에 공급되고, 산소-부화 유체가 리셉터클에 공급되어 리셉터클내에서 발효 육즙내로 확산됨을 특징으로 하는 방법.
6. 제 4항에 있어서, 산소 함유 발효 육즙의 일부 또는 전부가 발효 용기내로 귀환되기 전에 접촉 루프를 통과함을 특징으로 하는 방법.
7. 제 1항에 있어서, 발효가 에탄올이 생성되는 미생물에 의한 1종 이상의 탄수화물의 발효를 포함함을 특징으로 하는 방법.
8. 제 1항에 있어서, 이산화탄소 생성물이 하나 이상의 추가 정제 단계를 거침을 특징으로 하는 방법.
9. 제 8항에 있어서, 하나 이상의 추가 정제 단계가 증류를 포함함을 특징으로 하는 방법.
10. 제 8항에 있어서, 하나 이상의 추가 정제 단계가 용매 흡수를 포함함을 특징으로 하는 방법.