KR100827351B1 - 혐기성 생물막을 이용한 이산화탄소로부터 생물학적 메탄제조방법 및 이를 이용한 메탄 제조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 혐기성 생물막을 이용한 이산화탄소로부터 생물학적 메탄 제조방법 및 이를 이용한 메탄 제조장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 메탄생성균을 포함하는 배지가 장입되어 있는 혐기성 반응조(1)와; 상기 반응조(1) 내의 배지에 침지되되, 양쪽 끝은 반응조(1) 내의 유체 흐름에 의한 유동을 최소화하기 위해 고정캡(3)으로 고정되어 있으며, 한쪽 끝은 반응조(1) 상단에 고정되고, 반응기체가 유입되는 다른 한쪽 끝은 반응조(1)의 바닥 배향인 다발 형태의 중공사막(2)과; 수소기체 공급관(6)에 의해 상기 반응조(1) 내부의 배지를 통과하여 상기 중공사막(2)의 하단 고정캡(3)에 직접 연결되어 있는 수소기체 저장탱크(5)와; 무기탄소원 공급관(16)에 의해 상기 반응조(1)에 연결되거나, 반응조 내부의 배지를 통과하여 상기 중공사막(2)의 하단 고정캡(3)에 직접 연결되어 있는 무기탄소원 저장탱크(15)와; 메탄 배출관(8)에 의해 상기 반응조(1)와 연결되어 있는 메탄 포집탱크(7)와; 상기 반응조(1) 외부의 하단에 설치되어 배지가 반응조(1) 내에서 원활하게 순환하도록 하는 교반장치(4)와; 항온조(9)와 급수관(10) 및 배수관(11)에 의해 연결되어 상기 반응조(1)의 온도를 일정하게 유지하는 항온기(12)를 포함하여 구성되는 혐기성 생물막을 이용한 생물학적 메탄 제조장치를 제공함으로써, 이산화탄소로부터 메탄가스를 제조하여 온실가스인 이산화탄소 감출 및 에너지원 회수의 양면의 문제를 해결하는 것이 가능할 것으로 기대된다.

생물막, 중공사막, 혐기성 소화, 메탄생성균, 이산화탄소

Description

혐기성 생물막을 이용한 이산화탄소로부터 생물학적 메탄 제조방법 및 이를 이용한 메탄 제조장치{Biologic production method of methane from carbon dioxide using anaerobic biofilm and apparatus using the same}

도 1은 본 발명의 생물막을 이용하여 메탄을 생산하는 과정의 모식도를 나타내고,

도 2는 본 발명에서 생물막의 담체로 이용되는 중공사막을 나타내고,

도 3은 본 발명의 메탄 제조 방법의 개략도를 나타내고,

도 4는 본 발명의 실시예 1의 메탄 제조 장치 모식도를 나타내고,

도 5는 본 발명의 실시예 1에 따른 생물막을 이용하여 제조한 메탄의 생성률을 나타내고,

도 6은 본 발명의 실시예 1에 따른 생물막을 이용한 반응기에서 생성된 가스의 크로마토그래피 분석 결과를 나타낸다.

도 7은 본 발명의 실시예 1에 따른 생물막을 이용한 반응기에서 생성된 수소, 메탄 및 이산화탄소의 가스 크로마토그래피 검량선을 나타낸다.

도 8은 본 발명의 실시예 2에 따른 준 회분식 반응조를 나타내고,

도 9은 본 발명의 실시예 2에 따른 준 회분식 반응조에서 시간에 따른 pH 및 ORP 변화 값을 나타내고,

도 10은 본 발명의 실시예 2에 따른 준 회분식 반응조에서 시간에 따른 무기탄소원의 변화량을 나타내고,

도 11은 본 발명의 실시예 2에 따른 준 회분식 반응조에서 반응시간에 따른 각 가스별 수소 메탄 이산화탄소의 농도 변화량을 나타내고,

도 12는 본 발명의 실시예 3에 따른 생물막을 이용하여 제조한 메탄의 생성률을 나타내고,

도 13은 본 발명의 실시예 4에 따른 생물막을 이용하여 제조한 메탄의 생성률을 나타내고,

도 14는 본 발명의 실시예 5에 따른 생물막을 이용하여 제조한 메탄의 생성률을 나타내고,

도 15는 회분식 반응을 위한 반응조를 나타내고,

도 16은 회분식 반응에서 반응시간에 따른 pH(a), ORP(b) 변화 값을 나타내고,

도 17은 회분식 반응에서 반응시간에 따른 수소의 농도(a), 소모량(b) 및 누적 소모량(c) 변화를 나타내고,

도 18은 회분식 반응에서 반응시간에 따른 pH 별 메탄의 농도 변화(a), 생성량(b) 및 누적 생성량(c)을 나타내고,

도 19는 회분식 반응에서 pH 7 및 8의 경우 수소/메탄의 이용량과 생성량을 나타내며,

도 20은 본 발명의 생물막 중의 혐기성 미생물 DNA 분석 결과를 나타낸다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 반응조 2 : 중공사막

3 : 고정캡 4 : 교반 장치

5 : 수소기체 저장탱크 6 : 수소기체 공급관

7 : 메탄 포집 탱크 8 : 메탄 배출관

9 : 항온조 10 : 급수관

11 : 배수관 12 : 항온기

13 : pH 측정기 14 : 산화환원전위 측정기

15 : 무기탄소원 저장탱크 16 : 무기탄소원 공급관

본 발명은 혐기성 생물막을 이용한 이산화탄소로부터 생물학적 메탄 제조방법 및 이를 이용한 메탄 제조장치에 관한 것으로, 특히, 이산화탄소를 제거하고 연료 및 산업공정에 필요한 탄소 성분의 기초화합물을 생성해 냄으로써, 온실가스 감출 및 에너지원 회수의 양면의 문제를 해결하는 것이 가능할 것으로 기대되는 혐기성 생물막을 이용한 생물학적 메탄 제조장치 및 이를 이용한 메탄 제조방법에 대한 것이다.

온실가스로 작용하는 여러 가지 물질이 알려져 있으나, 지구 온난화에 따른 기후 변화의 억제를 위한 국제협약인 기후변화협약의 실제적인 이행을 위하여 1997년 일본의 교토에서 개최된 제3차 당사국 총회에서 교토의정서가 채택됨에 따라 우선적으로 감출하여야할 대상으로 이산화탄소를 포함한 여섯 가지 물질(이산화탄소, 메탄, 아산화질소(N₂O), 불화탄소(PFC), 수소화불화탄소(HFC) 및 불화유황(SF₆))이 정해졌다.

그 중에서도, 온실가스로 분류되고 있는 이산화탄소와 메탄가스는 유기성 폐기물을 매립, 소화하는 과정에서 이산화탄소가 40~50%, 메탄가스가 50~60% 비율로 발생되고 있으며, 에너지로 이용 가능한 메탄가스의 수율이 비교적 낮은 상태이다. 이산화탄소의 발생을 최소화(10~20%)하면서 메탄의 수율을 극대화(80~90%)시킬 경우, 온난화가스 감축에 획기적인 기여와 동시에 에너지원의 회수원이라는 양면의 문제를 해결하는 것이 가능할 것으로 기대되고 있다.

이산화탄소를 포함하고 있는 배기가스의 처리공정은 크게 분리회수와 고정화로 분류되며 고정화에는 화학적 고정화(chemical fixation), 전기화학적 방법 및 생물학적 고정화(biological fixation) 방법 등이 있다.

이산화탄소는 지극히 안정한 화합물이기 때문에 이를 유용한 화합물로 전환 하기 위해서는 높은 에너지를 갖는 환원제를 사용하거나, 외부로부터 높은 에너지의 공급이 필요하다. 따라서, 화학적 방법은 높은 자유에너지를 함유하는 화합물이 보다 안정한 화합물로 변환될 때 발생하는 에너지를 이용하여 이산화탄소를 변환하는 방법으로, 예를 들면 트리-페닐포스핀 또는 트리-부틸포스핀을 에탄올아민 유도체와 함께 이산화탄소와 반응시켜 2-옥사졸리딘(2-oxawolidine) 유도체로 변환할 수 있다. 촉매를 이용한 화학적 고정법은 수소 또는 탄화수소를 환원제로 사용할 수 있는데, 수소를 환원제로 사용한 방법은 이산화탄소와 수소를 촉매 존재 하에 반응시켜 생성된 탄화수소류를 유용한 화학품으로 전환하는 것으로 접촉수소화반응이라고도 일컫는다. 촉매에 의한 다른 유용한 화합물로의 전환은 자원 재활용이라는 측면에서 이산화탄소의 근원적인 누적을 제거하므로 가장 이상적인 대처방안이 될 것이다. 한편 천연가스의 대부분을 차지하고 있는 메탄은 에너지뿐만 아니라 기초화학 원료로서 가장 안정한 탄화수소 가운데 하나이기 때문에 이를 활성화시켜 유용한 화합물질로 전환하고자 하는 노력이 대두되고 있으며 특히 메탄을 환원제로서 배기가스 산화물의 환원에 이용하는 연구에 초점이 모아지고 있다.

전지화학적 환원반응은 생물체에서 광합성에 의해서 이산화탄소가 유기물로 환원되는 과정은 에너지 효율이 1% 정도에 지나지 않고 생성물도 일정하지만 전기화학적 환원반응을 이용하여 이산화탄소를 환원시키면 반응조건(전극의 종류, 전압, 전해질의 종류, pH 및 온도)에 따라 수십%의 에너지 효율과 다양한 생성물을 얻을 수 있다. 현재 구리전극은 다른 어떤 전극보다 효율적으로 메탄을 생성하는 것으로 나타나며 구리 전극이나 유리질 탄소에 구리를 석출시킨 전극을 이용하여 이산화탄소를 전기화학적으로 환원시킬 경우, 흘려준 전하량에 대해서 수십 퍼센트의 높은 효율로 메탄이 생성된다고 알려져 있다. 이때, 메탄 생성에 작용하지 않은 나머지 전하량의 대부분은 물을 전기분해하여 수소가 생성되는데 쓰이고 일부 전하량은 에틸렌 등의 다른 생성물을 만드는데 쓰인다.

생물학적 고정화법은 적합한 미세조류 종을 사용하여 이산화탄소 배출원으로부터 직접 고정화가 가능하여 공정의 단순화를 이룰 수 있다. 또 생성되는 바이오 매스를 사료화하거나, 미생물 내의 특정한 화학물질을 추출하는 등에 의해 산업적으로 이용할 수 있다. 현재 생물학적 방법에 의한 이산화탄소 고정화 공정을 실용화하기 위한 연구가 주요 선진국에서 진행되고 있지만, 산업체에서 배출되는 이산화탄소를 고정화할 수 있는 반응기의 설계와 그에 따른 운전조건을 찾기는 대단히 어려우며 세계적으로 산업체에서 배출되는 이산화탄소를 생물학적 방법으로 고정화하는 공정을 실용화한 예는 보고된 바 없다. 다만 일본의 몇몇 전력회사를 중심으로 벤치 규모의 이산화탄소 고정화 공정의 운전이 보고되었을 뿐이다.

자연계에 존재하는 미생물은 유전학적으로 크게 3가지로 분류가 된다. 세균인 박테리아, 고세균으로 알려진 아카에아(archaea) 및 곰팡이인 펀지(fungi)가 그것이다. 최근 분자생물학적 분석방법의 발달과 자연계에 미치는 다양한 미생물에 대한 관심이 높아지면서 기존에 알려진 환경조건과는 확연히 다른 환경조건인 극한의 조건에서 성장하고 활동하는 미생물에 대한 연구가 활발하다. 이러한 극한 조건에서 성장하고 활동하는 미생물은 일반 미생물이 보유하고 있는 기능보다 탁월한 성능을 보이는 효소와 기능을 보여주는 사례가 많이 있다. 이러한 기능 중의 하나가 유기성 화합물이 없는 조건에서도 미생물이 성장하고 활동한다는 것이다. 이러한 유기성 화합물이 없는 조건에서 활동하는 미생물을 생물학적으로 독립영양 미생물(autotrophic microorganism)이라 부른다. 유기성 화합물을 탄소원이나 전자 공여체로 사용하는 종속영양 미생물(heterotrophic microorganism)과는 차별된 성장 양상을 보인다.

메탄생성균(methanogens)은 이산화탄소를 탄소원으로 사용하고 수소를 전자공여체로 사용하여 메탄과 물을 생산하는 고세균이다. 모든 메탄생성균이 이산화탄소와 수소를 기반물질로 하여 메탄을 생성하는 것은 아닌데, 아세트산과 같은 유기산을 이용하여 메탄을 생산하는 메탄생성균도 존재한다. 이러한 메탄생성균을 아세토메타노젠(acetomethanogens)이라 하며, 이산화탄소와 수소를 메탄으로 전환하는 메탄생성균을 오토트로픽 메타노젠(autotrophic methanogens) 혹은 히드로제노트로픽 메타노젠(hydrogenotrophic methanogens)이라 부른다.

히드로제노트로픽 메타노젠은 혐기적인 조건에서 성장하며 하기의 화학식에 나타난 바와 같이, 1 몰의 이산화탄소와 4 몰의 수소를 1 몰의 메탄과 2 몰의 물로 전환시킨다. 그러므로 이산화탄소를 효과적으로 전환하기 위해서는 혐기적인 조건을 어떠한 공정을 통하여 형성을 할 수 있느냐가 실제 공정화의 중요한 결정인자가 될 수 있다. 또한 메탄생성균은 pH가 중성이나 약 염기성에서 활발한 활동을 하는 것으로 알려져 있어 이러한 운전조건을 만족시키는 공정을 유지하는 것이 필요하다.

[화학식]

그러나, 생물 반응조 안에 적정농도의 미생물을 유지하는 것은 안정된 처리효율을 유지하기 위하여 중요하다. 활성슬러지 공법에서 적정 미생물 농도의 유지를 위해서는 미생물 플록의 형성, 침전 및 슬러지 반송이 주된 수단이 되는데, 이중 미생물 플록의 형성이 침전조에서의 고액분리와 슬러지 반송에 가장 큰 영향을 미치는 인자가 된다. 침전조에서의 슬러지 침전성 악화현상은 사상균의 과다증식에 의한 슬러지 팽화(sludge bulking) 현상과 미생물의 침상(pin-point) 플럭 형성에 기인하는 경우가 가장 대표적인데, 특히 유독성 유기물질들이 함유된 산업폐수의 처리에서는 이러한 슬러지 팽화현상이나 플럭의 해체현상으로 인해 처리수의 수질이 악화될 수 있다고 보고된 바 있다. 이러한 현상을 방지하기 위해서는 일반적인 도시하수 처리의 경우 미생물의 반응조 체류시간과 F/M비의 조정이 중요하지만, 산업폐수와 같이 다양한 유기화학물질들과 미생물 저해물질 등이 함유된 폐수의 처리에서는 미생물 플럭 형성에 크게 영향을 받지 않고 적정한 농도의 미생물을 반응조 내에 유지할 수 있는 공법이 필요하다.

생물막법은 여재의 표면에 형성된 생물막(Biofilm)과 폐수를 접촉시켜서 폐 수중의 오염물질을 제거하는 공정이다. 하천 바닥에 있는 자갈의 표면은 세균, 조류, 원생동물, 윤충류 등의 미생물이 분비하는 끈끈한 점액(slime)으로 덮여져 있으며, 하천의 자정 능력은 이러한 점액에 의존하고 있다. 생물막법이란, 이와 같은 생물막에 의한 정화력을 반응조 내에서 인위적으로 고효율화시킨 처리법이다. 생물막은 미생물과 고체표면에 부착된 체외 고분자의 층형 응집막이다. 자연적으로 고정된 세포인 생물막은 자연 상태에서 흔히 발생하며, 살수여상(trickling filters), 회전생물접촉조(rotating biological contactor, RBC), 혐기성 여상(anaerobic filter) 등과 같은 폐수처리 공정에서 그 중요성이 증가하고 있다. 생물막 공정은 자연적인 고정화에 의해 형성되므로, 별도의 고액분리 과정이 필요치 않고 생체량 유지와 농축이 탁월하므로 간단하며 안정적인 특성을 가지고 있다.

이에, 본 발명자들은 수소를 환원제로 이용하여 이산화탄소를 변환하기 위해 혐기성 메탄생성 미생물이 고정된 담체 및 기상 반응물질을 효과적으로 공급하기 위한 중공사막을 포함하는 신개념의 메탄발효시스템을 구축하고, 이들 구성에 관계되는 반응조건 및 설계인자를 도출하여 이산화탄소를 재사용하고 에너지원인 메탄 가스를 효과적으로 생성함으로써 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 이산화탄소로부터 에너지원인 메탄가스를 생성하기 위하여 혐기성 생물막을 이용한 메탄 제조장치를 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 제조장치를 이용한 혐기성 생물막을 이용한 메탄 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 메탄생성균을 포함하는 배지가 장입되어 있는 혐기성 반응조(1)와; 상기 반응조(1) 내의 배지에 침지되되, 양쪽 끝은 반응조(1) 내의 유체 흐름에 의한 유동을 최소화하기 위해 고정캡(3)으로 고정되어 있으며, 한쪽 끝은 반응조(1) 상단에 고정되고, 반응기체가 유입되는 다른 한쪽 끝은 반응조(1)의 바닥 배향인 다발 형태의 중공사막(2)과; 수소기체 공급관(6)에 의해 상기 반응조(1) 내부의 배지를 통과하여 상기 중공사막(2)의 하단 고정캡(3)에 직접 연결되어 있는 수소기체 저장탱크(5)와; 무기탄소원 공급관(16)에 의해 상기 반응조(1)에 연결되거나, 반응조 내부의 배지를 통과하여 상기 중공사막(2)의 하단 고정캡(3)에 직접 연결되어 있는 무기탄소원 저장탱크(15)와; 메탄 배출관(8)에 의해 상기 반응조(1)와 연결되어 있는 메탄 포집탱크(7)와; 상기 반응조(1) 외부의 하단에 설치되어 배지가 반응조(1) 내에서 원활하게 순환하도록 하는 교반장치(4)와; 항온조(9)와 급수관(10) 및 배수관(11)에 의해 연결되어 상기 반응조(1)의 온도를 일정하게 유지하는 항온기(12)를 포함하여 구성되는 혐기성 생물막을 이용한 생물학적 메탄 제조장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 메탄생성균이 배양된 배지를 반응조에 주입하고 상기 배지를 교반시켜 메탄생성균을 중공사막 표면에 부착시키는 단계(단계 1); 무기탄소원 으로서 중탄산 이온을 상기 반응조에 주입하고 수소기체를 중공사막에 주입하거나, 무기탄소원으로서 이산화탄소 기체를 소정의 비율로 수소 기체와 혼합하여 또는 별도로 중공사막에 주입하는 단계(단계 2); 및 상기 중공사막의 표면에서 메탄생성균에 의해, 중공사막의 기공을 통해 유출되는 수소기체와 배지로부터 유래하는 중탄산 이온 또는 중공사막의 기공을 통해 유출되는 이산화탄소를 반응시켜 메탄을 생성하는 단계(단계 3)를 포함하여 구성되는 혐기성 생물막을 이용한 생물학적 메탄 제조방법을 제공한다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명은 혐기성 생물막을 이용한 생물학적 메탄 제조장치를 포함한다.

본 발명에 따른 일 실시 형태는 구체적으로, 메탄생성균을 포함하는 배지가 장입되어 있는 혐기성 반응조(1)와; 상기 반응조(1) 내의 배지에 침지되되, 양쪽 끝은 반응조(1) 내의 유체 흐름에 의한 유동을 최소화하기 위해 고정캡(3)으로 고정되어 있으며, 한쪽 끝은 반응조(1) 상단에 고정되고, 반응기체가 유입되는 다른 한쪽 끝은 반응조(1)의 바닥 배향인 다발 형태의 중공사막(2)과; 수소기체 공급관(6)에 의해상기 반응조(1) 내부의 배지를 통과하여 상기 중공사막(2)의 하단 고정캡(3)에 직접 연결되어 있는 수소기체 저장탱크(5)와; 무기탄소원 공급관(16)에 의해 상기 반응조(1)에 연결되거나, 반응조 내부의 배지를 통과하여 상기 중공사막(2)의 하단 고정캡(3)에 직접 연결되어 있는 무기탄소원 저장탱크(15)와; 메탄 배출관(8)에 의해 상기 반응조(1)와 연결되어 있는 메탄 포집탱크(7)와; 상기 반응 조(1) 외부의 하단에 설치되어 배지가 반응조(1) 내에서 원활하게 순환하도록 하는 교반장치(4)와; 항온조(9)와 급수관(10) 및 배수관(11)에 의해 연결되어 상기 반응조(1)의 온도를 일정하게 유지하는 항온기(12)를 포함하여 구성되는 혐기성 생물막을 이용한 생물학적 메탄 제조장치를 포함한다.

또한, 본 발명의 다른 일 실시 형태는 상기 반응조(1)에 병렬로 연결된 복수 개의 반응조를 더 구비하여 메탄 제조과정을 수회 거듭하여 수행함으로써 미반응된 이산화탄소를 최대한 메탄으로 전환시킬 수 있다.

상기 메탄 제조장치는 상기 반응조(1)의 상단과 연결되어 반응조(1) 내의 pH 측정 및 산화환원전위 측정 또는 반응조(1)로부터 발생된 기체의 성분 분석을 위한 pH 측정기(13), 산화환원전위 측정기(14) 또는 기체 크로마토그래피를 더 포함할 수 있다.

상기 혐기성 반응조(1)에 침지되는 상기 중공사막(2)은 그 표면에 혐기성 미생물이 농축되어 부착된 생물막(biofilm)을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 생물막을 이루는 혐기성 미생물은 수소(H₂) 기체를 이용하여 혐기성 소화반응을 수행하게 된다. 무기물(예를 들어, 수소 기체)을 전자공여체로 이용하여 이산화탄소를 메탄으로 전환시키는 독립영양생물(chemolithotrophic)인 메탄생성균(methanogens)으로는 메타노컬루스 목, 메타노코쿠스 목, 메타노박테리움 목, 메 타노사에타 목의 미생물 등을 이용할 수 있다.

상기 메탄생성균은 혐기적인 조건에서 성장하며 탄소원으로 이산화탄소를 이용하여 혐기성 소화반응을 수행하고 메탄가스를 방출하게 되는데, 하기 화학식 1과 같이, 1 몰의 이산화탄소와 4 몰의 수소를 1 몰의 메탄과 2 몰의 물로 전환시킨다. 따라서, 메탄생성균을 pH가 중성 또는 약염기성에서 활발한 활동을 하는 것으로 알려져 있으므로 이러한 운전조건을 만족시키는 공정을 유지하는 것이 중요하다.

따라서, 상기 메탄생성균의 생태에 적합한 환경 조성을 위하여, 상기 영양 배지는 (NH₄)₂HPO₄, KCl, NH₄Cl, FeCl₃6H₂O, MgCl₂6H₂O, MgSO₄7H₂O, CoCl₂6H₂O, CaCl₂2H₂O, ZnCl₂, Na₂Mo2H₂O, MnCl₂2H₂O, CuCl₂2H₂O, FeCl₂2H₂O, EDTA 및/또는 효모 추출물을 포함하여 이루어지는 인산 완충용액인 것이 바람직하다. 상기 메탄생성균이 활발히 활동하도록 유도하기 위하여, 상기 배지의 pH는 7 내지 8인 것이 바람직하다. pH가 상기 범위를 벗어나는 경우에는 메탄 전환율이 저하된다.

도 1에 나타난 바와 같이, 중공사막 표면에 농축되어 부착된 생물막이 수소기체와 이산화탄소를 이용하여 소화반응을 수행하고 메탄가스를 생성하게 되는데, 중공사막으로 수소 기체와 이산화탄소가 공급되면 상기 중공사막의 기공을 통해 유출되고 혐기성 미생물이 부착되어 있는 생물막의 표면으로 이동한 후, 수소와 이산화탄소가 반응함으로써 메탄이 생성되는 것이다. 이렇게 생성된 메탄가스는 반응기(1) 상부에 연결된 메탄 배출관(8)을 통해 메탄 포집탱크(7)로 이동하게 된다. 이때, 배지 형태로 공급된 영양분은 유입과 유출을 반복순환하여 재사용될 수 있다. 상기 생물막은 미생물이 배양된 배지에 중공사막을 침지한 후 교반하여 막 표면에 미생물이 쉽게 부착되어 형성시킬 수 있다.

상기 생물막은 담체 표면에 미생물이 부착되어 형성·성장된 것으로, 생물막 공정의 처리효율을 증가시키기 위하여 공학적인 측면에서 생물막을 빠르게 형성시키고 고농도의 미생물을 유지할 수 있는 담체의 조건이 요구된다. 상기 생물막의 담체는 미생물이 표면에 부착되기 쉽도록 다공성의 거친 표면을 많이 가져야하고, 화학적, 생물학적 및 물리적으로 안정해야 하고, 기계적 강도와 내구성이 뛰어나며, 중금속 등의 독성물질이 분출되지 않는 것이라야 한다. 따라서, 상기 담체로는 이러한 조건을 만족하는 중공사막(hollow fiber membrane)이 바람직하다.

본 발명에 따른 중공사막은 튜브 형태의 중공사막이 복수개의 다발로 겹쳐진 형태를 이용할 수 있다(도 2 참조). 이러한 다발 형태의 중공사막을 이용하면 다발 하나하나의 중공사막 표면에 미생물이 접할 수 있는 큰 표면적을 제공하므로 생물막에 형성된 미생물 수가 많아지고, 그 결과, 보다 많은 양의 이산화탄소를 메탄으로 전환하여 메탄 생성 효율을 극대화시킬 수 있다. 반응조(1) 내에서 상기 중 공사막은 양쪽 끝이 반응조(1) 내의 유체 흐름에 의한 유동을 최소화하기 위해 고정캡(3)으로 고정되어 있으며, 한쪽 끝은 반응조(1) 상단에 고정되고, 반응기체가 유입되는 다른 한쪽 끝이 반응조(1)의 바닥으로 위치한다.

상기 중공사막은 한쪽 끝이 막혀 있는 폐쇄형 또는 양쪽이 모두 뚫려 있는 개방형인 것을 사용할 수 있다. 상기 양쪽이 모두 뚫려 있는 개방형인 것은 기체가 막 내부를 통과하면서 일부 기체만이 투과되고 나머지는 배출되는 것으로, 연속적으로 반응조를 연결하여 메탄을 제조할 경우에 이용할 수 있다. 투과되지 않고 배출된 잔여 기체는 추가적으로 연결된 반응조에 침지되어 있는 중공사막으로 연결된 기체관을 따라 이동하여 중공사막으로 공급되어 재사용될 수 있다. 또한, 한쪽 끝이 막혀 있는 폐쇄형인 것은 막의 끝 부분을 접합하여 기체의 흐름을 차단한 형태로, 막 내부에 압축된 기체가 투과되어 물속으로 100% 공급되므로, 높은 처리효율을 얻을 수 있다.

따라서, 상기 고정캡(3)은 중공사막(2)에 반응기체가 직접 공급되도록 배지와 분리되고 밀폐되는 것이 바람직하다.

상기 무기탄소원 저장탱크는(15)로부터 공급되는 무기탄소원으로는 이산화탄소를 포화시킨 중탄산 이온(HCO₃ ^-) 또는 이산화탄소 기체를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 무기탄소원이 중탄산 이온인 경우에는 배지 내로 공급되며, 배지 내에 서 순환되고 있는 중탄산 이온은 메탄생성균이 부착되어 있는 중공사막(2)의 표면으로 이동하여 중공사막(2)의 기공을 통해 유출되는 수소와 반응함으로써 메탄을 생산할 수 있다. 무기탄소원으로 중탄산 이온 형태를 사용하는 경우는, 예를 들면 번 발명에 따른 제조장치로부터 원거리에 위치하는 이산화탄소를 처리해야 하는 경우의 무기탄소원 공급 형태로는 이산화탄소를 용해시킨 형태인 중탄산 이온 형태가 바람직하다. 이산화탄소의 처리양이 많을수록 부피가 커지기 때문에 운반 및 이에 따른 부대비용의 절감의 관점에서도 상기 중탄산 이온 형태가 공급형태로 바람직하다. 상기 무기탄소원이 이산화탄소 기체인 경우에는 고정캡(3) 내의 중공사막(2)으로 직접 공급하며, 공급된 이산화탄소 기체는 상기 중공사막(2)의 기공을 통해 유출되고 메탄생성균이 부착되어 있는 중공사막(2)의 표면으로 이동하여 함께 유출된 수소와 반응함으로써 메탄을 생성할 수 있다. 무기탄소원으로서 기체 형태의 이산화탄소를 공급하는 것은 메탄 제조장치와 이산화탄소 기체가 공급되는 장소가 근거리인 경우에 바람직하다.

이 경우, 이산화탄소 기체의 공급 속도는 하기 반응식 1에서 보는 바와 같이, 수소 기체 4 몰이 공급되는 동안 이산화탄소 1 몰이 공급되도록 조절하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 메탄 제조장치는 회분식 또는 연속식으로 설계되어 운전될 수 있으며, 회분식과 연속식의 중간 형태인 준회분식으로도 운전될 수 있다.

상기 회분식 반응조는 반응에 참여하는 물질이 반응조 내에 모두 갖추어진 상태에서 반응을 수행하는 공간적 개념의 시스템을, 연속식 반응조는 반응 환경의 변화에 따라 반응물을 추가적으로 더 첨가할 수 있는 시간적 개념이 더 가미된 시스템을 말하는데, 본 발명의 혐기성 생물막을 이용한 생물학적 메탄 제조 공정은 이 두 경우의 시스템 모두에 적용할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기의 메탄 생성장치를 이용한 혐기성 생물막을 이용한 생물학적 메탄 제조방법을 제공한다.

구체적으로, 메탄생성균이 배양된 배지를 반응조에 주입하고 상기 배지를 교반시켜 메탄생성균을 중공사막 표면에 부착시키는 단계(단계 1); 무기탄소원으로서 중탄산 이온을 상기 반응조에 주입하고 수소기체를 중공사막에 주입하거나, 무기탄소원으로서 이산화탄소 기체를 소정의 비율로 수소 기체와 혼합하여 또는 별도로 중공사막에 주입하는 단계(단계 2); 및 상기 중공사막의 표면에서 메탄생성균에 의해, 중공사막의 기공을 통해 유출되는 수소기체와 배지로부터 유래하는 중탄산 이온 또는 중공사막의 기공을 통해 유출되는 이산화탄소를 반응시켜 메탄을 생성하는 단계(단계 3)를 포함하여 구성되는 혐기성 생물막을 이용한 생물학적 메탄 제조방법을 포함한다(도 3 참조).

이하, 본 발명을 단계별로 상세하게 설명한다.

상기 단계 1은 메탄생성균이 배양된 배지를 반응조에 주입하고 상기 배지를 교반시켜 메탄생성균을 중공사막 표면에 부착시키는 단계로, 미생물이 배양된 배지 에 중공사막을 침지한 후 교반하여 막 표면에 미생물이 쉽게 부착되어 형성시킬 수 있다.

상기 단계 2는 무기탄소원으로서 중탄산 이온을 상기 반응조에 주입하고 수소기체를 중공사막에 주입하거나, 무기탄소원으로서 이산화탄소 기체를 소정의 비율로 수소 기체와 혼합하여 또는 별도로 중공사막에 주입하는 단계이다. 이 경우 상기 소정의 비율은 수소 4 몰당 이산화탄소 1 몰이며, 그 주입량의 조절은 유입압력을 조절함으로써 수행될 수 있다. 혼합 기체 형태로 주입하는 경우에는 반응조 외부에서 두 기체를 일정비율로 혼합시킨 후 단일의 관을 통해 중공사막 내로 유입시킬 수 있다.

상기 단계 3은 상기 중공사막의 표면에서 메탄생성균에 의해, 중공사막의 기공을 통해 유출되는 수소기체와 배지로부터 유래하는 중탄산 이온 또는 중공사막의 기공을 통해 유출되는 이산화탄소를 반응시켜 메탄을 생성하는 단계로, 혐기성 소화반응을 위하여 온도는 34 내지 36 ℃, pH는 7 내지 8인 것이 바람직하다. 상기 온도 및 pH 범위는 메탄 제조공정의 최적조건으로서 상기 범위를 벗어나는 경우 이산화탄소의 메탄 전환율이 저하되는 문제가 있다.

상기 단계 3에서 생성된 메탄 가스는 반응조(1) 상단에 연결된 메탄가스 배출관(8)을 통하여 반응조(1)로부터 배출되어 메탄 포집탱크(7)로 포집한다.

정리하면, 본 발명의 혐기성 생물막을 이용한 생물학적 메탄 제조방법은 혐기성 미생물 배양을 위하여 먼저 상기 반응조의 온도를 일정하게 유지한 후, 양쪽 끝이 고정캡으로 고정되어 있는 다발 형태의 중공사막을 메탄생성균을 포함하는 배지가 장입되어 있는 혐기성 반응조에 침지한다. 중공사막이 설치된 반응조의 상기 배지를 교반시켜 메탄생성균을 중공사막 표면에 부착시키고, 생물막이 형성되면, 무기탄소원으로서 중탄산 이온을 상기 반응조에 주입하고 수소기체를 상기 중공사막에 주입하거나, 무기탄소원으로서 이산화탄소 기체를 소정의 비율로 수소 기체와 혼합하여 또는 별도로 중공사막에 주입하여 상기 중공사막의 표면에서 메탄생성균에 의해, 중공사막의 기공을 통해 유출되는 수소기체와 배지로부터 유래하는 중탄산 이온 또는 중공사막의 기공을 통해 유출되는 이산화탄소를 반응시켜 메탄을 생성하는 것이다.

본 발명의 생물막을 이용한 이산화탄소의 메탄 전환 실험을 수행한 결과, 생물학적 메탄 제조는 미생물의 생태 환경에 적합한 중성 또는 약 염기성의 pH 7 내지 8의 범위에서 보다 많은 양의 메탄 생산량을 확인할 수 있었다.

초기 pH 7에서 메탄 생산실험을 수행한 결과, 도 5에 나타난 바와 같이, 운전시간 약 20일 이후, 90%에 달하는 높은 메탄 생성률을 확인할 수 있었다. 그에 따라 수소 기체 및 이산화탄소는 소모되었다. 이때, ORP 측정값은 -600 mV로 대체로 안정된 수치를 보인다. 또한, pH 8.0의 조건에서 수소 이용률과 메탄 생성률 의 비가 약 3:1 정도로 나타났는데, 생물학적 메탄 제조의 경우 4H₂ + CO₂ → CH₄ + 2H₂O 반응식 나타내듯이 수소 이용률이 적어 메탄으로 전환율이 75% 정도를 나타냄을 수소 이용률과 메탄 생성률을 통하여 확인하였다(도 19 참조).

이하 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명의 내용을 예시하는 것인 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

< 실시예 1> 연속식 반응조를 이용한 생물학적 메탄 제조 1

1.1 생물막의 제조

도 2에 나타난 바와 같은 한쪽 끝이 막힌 180 내지 200 개의 중공사막(Gas membrane-1: mitsubishi사, 일본) 모듈을 도 4의 연속 반응조(Continuous Stirred Tank Reactor, CSTR)에 장착하여 실험을 실시하였다. 반응기의 전체 용적은 1.5 ℓ의 아크릴 재질의 반응조 내부와 온도 조절의 항온부분으로 구성된 반응조로 제작되었고, 반응조의 실제 용적은 1.3 ℓ, 상층의 공간(head space) 용적은 0.2 ℓ였다. 직접 이산화탄소를 이용할 수 있는 생물학적 메탄으로의 반응 기작을 위해 수중의 무기탄소원 없이 수소:이산화탄소, 4:1의 부피비로 구성된 혼합 기체를 제작한 후 약 0.3 기압으로 주입하였다. 혐기성 미생물은 반응기 용적의 20%(v/v)로 식종하고 농화 배양하였다. 이때, 반응조의 배지 조성은 하기 표 1에 나타난 바와 같고, 반응조의 온도는 항온기를 이용하여 35℃±1로 일정하게 유지시켰다.

배지 조성	농도(mg/ℓ)
MgCl26H2O	16.05
CaCl22H2O	1.20
ZnCl2	5.91
Na2Mo2H2O	1.29
MnCl24H2O	13.19
CuCl22H2O	2.61
CoCl26H2O	0.3
KCl	1.00
FeCl22H2O	5.23
EDTA	9.75
완충용액	1 M

2.2 생물막을 이용한 메탄 제조

제조예 1에서 제조한 생물막이 형성된 반응조를 이용하여 실제 메탄 생성 실험을 수행하였다. pH 및 산화환원(OPR) 측정기를 이용하여 변화 값을 모니터링하였고, 또한 반응조 내부에서 형성되어 발생하는 기체의 분압에 의하여 배출과 용량은 습식 가스 미터(wet gas-meter, Model W-NK-0.5, 시나가와, 일본)로 측정하였으며, 가스 배출 통로에 유리 재질의 샘플러를 장착하여 생성된 가스의 성상 분석은 가스 크로마토그래피를 통하여 이루어졌으며, 분석 결과를 도 6 및 도 7에 나타내었다.

도 6 및 도 7에서 나타낸 바와 같이, 상기 생성된 가스는 수소, 메탄 및 이산화탄소임을 확인하였다.

초기 pH 7에서 운전을 수행한 결과, 도 5에 나타난 바와 같이, 운전시간 약 20일 이후, 90%에 달하는 높은 메탄가스 생성률을 확인할 수 있었고 이 생성률은 운전 시작 50일 이후에도 지속되었다. 그에 따라 수소 기체 및 이산화탄소는 소모되었으며, 이때 ORP 측정값은 -600 mV로 대체로 안정된 수치를 보였다.

< 실시예 2> 준 회분식 반응조를 이용한 생물학적 메탄 제조 2

연속식 반응의 평가 가능성을 살펴보기 위하여 준 회분식의 실험 장치(도 8 참조)를 고안하여 운전하였다. 반응기의 전체 용적은 2.5ℓ의 아크릴 재질의 반응조를 제조하였으며, 실제 반응 용적은 2.0ℓ이었다. 수소의 공급량은 반응조 가스용 포트를 이용하여 압력게이지 약 0.15기압으로 주입하였다. 혐기성 소화 슬러지를 채취하여 체 거름을 실시한 후 반응기 용적의 30%(v/v)로 식종하였다. 반응조의 배지 조성은 표 2와 같은 조성으로 제조하였으며, 무기탄소의 농도는 초기 1500 ppm으로 하였다. 무기탄소 측정농도 값은 TOC 분석기(Mulit N/C 3000, analytikjena, Germany)를 이용하여 I.C(Inorganic carbon) 측정하였으며, I.C의 소모시 비카보네이트(Bicarbonate)의 양을 농축하여 주입하였다. 또한, 반응기 외부는 항온기와 연결하여 일정한 온도(35±1℃)가 되도록 하였으며, 반응기 상단에 pH, OPR 측정기를 장착하여 변화 값을 측정하였다. 반응 운전기간은 약 40일 동안 실시하였다.

배지 조성	농도(mg/ℓ)
(NH4)2HPO4	700
KCl	750
NH4Cl	850
FeCl36H2O	420
MgCl26H2O	810
MgSO47H2O	250
CoCl26H2O	18
CaCl26H2O	150
이스트 추출물	10

도 9은 회분식 반응조의 시간에 따른 pH 및 ORP 변화 값을 나타낸 것이다. 초기 pH 값은 약 7.5 정도의 조건으로 반응 운전을 실시하였다. 반응이 진행됨에 따른 pH 값이 pH 7.0～8.0의 범위 내에서 일정한 상태의 값을 나타냄을 확인할 수 있었다. 또한 초기의 ORP 값이 양의 값을 나타내었으나 반응 운전 약 7일 후 -400 mV 값을 유지하면서 메탄으로의 안정된 ORP 값을 나타내면서 생물학적으로 메탄화 전환에 최적의 조건을 유지함을 알 수 있었다.

생물학적 메탄으로 전환에 있어서, 무기탄소원은 필수적인 요소이다. 도 10은 시간에 따른 무기탄소원의 변화량을 나타낸 것이다. 초기 1500 ppm의 농도를 기준으로 TOC 분석기를 통해 변화 값을 측정하였다. 반응시간이 진행됨에 따라 무기탄소원이 감소됨을 확인할 수 있었으며, 약 30일 정도 경과 후 무기탄소원을 2000 ppm 더 첨가하여, 그 결과 운전 초기 30일 동안의 반응상태보다 더 빠른 속도로 무기탄소원이 감소됨을 확인할 수 있었다. 이는 무기탄소원이 수소와 생물학적 결합에 의해 메탄으로 빠른 전환이 일어남을 나타낸 것이다.

도 11은 반응시간에 따른 각 가스별 수소 메탄 이산화탄소의 농도 변화량을 나타낸 것이다. 위와 같이 무기탄소원이 이산화탄소로의 전환과 함께 수소와 결합하여 생물학적 메탄으로 전환으로 이루어졌으며, 메탄의 최고 생성 농도는 50% 정도의 높은 전환을 나타내었다.

< 실시예 3> 생물학적 메탄 제조 3

한쪽 끝이 막힌 180 내지 200 개의 중공사막(mitsubishi사, 일본)을 배관형의 반응기(도 3(b) 참조)에 설치한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 조건에서 생물학적 메탄 제조 과정을 수행하였다.

초기 pH 7에서 운전을 수행한 결과, 도 12에 나타난 바와 같이, 운전시간 약 10일 이후, 100%에 달하는 높은 메탄 생성률을 확인할 수 있었다. 그에 따라 수소 기체 및 이산화탄소는 소모되었다. 그러나, 운전시작 약 40일 후 메탄 생성률이 감소하기 시작하여 50일 후에는 80% 이하로 떨어졌다.

< 실시예 4> 생물학적 메탄 제조 4

한쪽 끝이 막힌 100여 개의 중공사막(mitsubishi사, 일본)을 배관형의 반응기(도 3(b) 참조)에 설치한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 조건에서 생물학적 메탄 제조 과정을 수행하였다.

초기 pH 7에서 운전을 수행한 결과, 도 13에 나타난 바와 같이, 운전시간 약 10일 이후, 90%에 달하는 높은 메탄 생성률을 확인할 수 있었다. 그에 따라 수소 기체 및 이산화탄소는 소모되었다. 그러나, 운전시작 약 38일경 급격히 생성률이 감소하여 40% 이하로 떨어졌다가 40일경에 다시 90% 이상으로 극복되었다. 운전 시작 43일 후 서서히 감소하기 시작하여 50일 이후에는 메탄 생성률이 60% 이하로 떨어졌다. 운전시작 38일경 메탄 생성률이 급격히 감소하는 것은 -500 mV 대를 OPR 수치가 -100 mV까지 상승하여 나타난 현상으로 생각된다.

< 실시예 5> 생물학적 메탄 제조 5

양끝이 뚫린 100여 개의 중공사막(mitsubishi사, 일본) 모듈과 한쪽 끝이 막힌 100여 개의 중공사막을 포함하는 각각의 반응조를 연결하여 혐기성 소화를 2번 시행한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 조건에서 생물학적 메탄 제조 과정을 수행하였다.

초기 pH 7에서 운전을 수행한 결과, 도 14에 나타난 바와 같이, 운전시간 약 10일 이후, 90%에 달하는 높은 메탄 생성률을 확인할 수 있었다. 그에 따라 수소 기체 및 이산화탄소는 소모되었다. 그러나, 운전 시작 43일 후 서서히 감소하기 시작하여 50일 이후에는 메탄 생성률이 60% 이하로 떨어졌다. 실시예 4의 경우와 마찬가지로 운전시작 40일경 잠시 메탄 생성률이 급격히 감소하는 것은 -500 mV대를 OPR 수치가 -100 mV까지 상승하여 나타난 현상으로 판단된다. 이는 이산화탄소로부터 메탄을 혐기성 미생물에 의해 생산을 할 경우 ORP 값으로 측정되어지는 혐기적 조건의 형성이 메탄생성률에 중요한 영향을 미침을 알 수 있게 하는 결과이다. 그러므로 이산화탄소로부터 메탄을 생선하기에 적합한 혐기상태는 ORP을 -450 ~ -500mV이하로 운전하여 주는 것이 적합함을 알 수 있다. 또한 여러 개의 반응기가 순차적으로 연결되어 운전되어지는 연속식 반응기의 경우 1차 반응기에서 미반응상태로 배출되어 2차반응기로 공급되어진 수소와 이산화탄소가 예상했던 것과 같이 메탄으로 전환되었음을 알 수 있다.

< 실험예 1> 혐기성 소화 조건 최적화 조사

중공사막을 통한 이산화탄소의 생물학적 메탄 전환의 반응 시스템의 최대 효율을 결정하는 요소 중 최적의 pH 값을 결정하기 위하여 회분식 반응 실험(batch test)을 실시하였다. 도 15는 회분식 반응 실험에 사용한 반응기 모식도를 나타낸 것으로 1250 ㎖의 갈색병을 사용하였다. 이때의 유효 용적과 상층의 공간(head space) 용적은 각각 1000 ㎖와 250 ㎖이 되도록 하였으며, 샘플링 및 가스 포트의 끝 부분은 3-웨이 밸브(3-way valve, BRAUN, 스위스)를 끼워 시료나 가스 샘플링 이후에도 항상 혐기성 상태가 유지되도록 하였다. 혐기성 미생물은 중량하수처리장에서 혐기성 소화 슬러지를 채취하여 체(sieve)를 이용하여 불순물 제거 및 슬러지의 입경을 고르게 한 후, 혐기성 슬러지를 반응조에 식종한 후 농화 배양하였다. 생물학적 메탄 전환을 위한 pH를 4, 5, 6, 7, 8 및 9의 범위 내에서 결정하였다. 사용된 인산염(phosphate) 완충용액은 K₂HPO₄ 및 KH₂PO₄를 각각 1 M의 농도를 조제한 후 두 시약의 비율을 조절하여 pH 값을 설정하였으며, 혐기성 슬러지의 양은 유효 용적의 30%(v/v)로 하였고, 생물학적 메탄 전환의 배지는 표 2와 같다. 상기 회분식 반응조의 온도 및 교반 속도는 35 ℃, 150 rpm에서 80일 동안 운전을 실시하였다. 또한, 생물학적 메탄으로의 전환에 필요한 무기탄소 HCO₃ ^-의 농도를 5000 ppm으로 하였다.

도 16은 초기 설정 pH 조건에서 반응시간에 따른 pH 및 알칼리도 변화 값을 나타낸 것이다. 도 16(a)에 나타난 바와 같이, 초기 pH를 기준으로 약 20일 동안 일정한 값을 유지하지 못하여 각 pH 별 큰 변화폭을 볼 수 있었다. 메탄으로의 전환 중 일정한 값을 유지하지 못한 이유는 회분식 반응 초기 설치 중 pH 값을 염산 및 수산화나트륨의 용액으로 조절하여 반응 시작 후 충분한 완충역할을 못하였다. 이에 인산염 완충용액인 K₂HPO₄와 KH₂PO₄를 각각 1 M을 제조하여 pH 값을 설정하였으며, 기존의 회분식 반응조의 메탄생성균 미생물을 원심분리하여 회분식 반응 실험 조건과 동일한 상태로 하여 실험을 계속 진행하였다. 이후 pH의 안정한 값을 유지할 수 있었으며, 각각의 pH 별 메탄생성의 변화율을 확인할 수 있다. 또한, pH 별 알칼리도 값을 측정하여 상관관계를 살펴 볼 수 있다(도 16(b) 참조).

도 17은 반응시간에 따른 수소의 농도, 소모량 및 누적 소모량의 변화를 나타낸 것이다. 회분식 반응조 내의 가스를 샘플링하여 측정한 농도 값을 기준으로 상층 공간의 용적 값에 비례하여 수소의 소모량을 측정하였다. 도 17(a)에 나타난 바와 같이, 수소의 농도 값이 20% 이하로 유지될 경우 수소 기체를 더 가하여 상층 공간 상의 수소 농도 값이 100%가 되도록 유지하였다. 반응 운전 30일 후, pH 별 수소 농도의 변화폭을 살펴보면, 초기 pH 6.7의 경우 수소 농도의 많은 변화폭을 볼 수 있었으나, 반응이 계속 진행됨에 따라 pH 7은 계속적인 수소의 소모량을 확인할 수 있었고, pH 6은 60일 이후 메탄 전환으로 수소 공여도가 적어짐을 확인할 수 있었다. pH 4, 5 및 9의 경우 수소 농도의 많은 변화폭을 살펴 볼 수 없었다. 그러나 pH 8의 경우 초기에는 낮은 수소 소모량을 나타내었으나, 반응 운전 약 30일 이후 급격한 수소 소모량을 통하여 메탄 전환으로 유력한 pH 값이라 예상할 수 있다(도 17(b) 참조).

상기 도 17(a) 및 도 17(b)를 통하여 수소 소모량의 값을 축적하여 반응완료 후의 전체적으로 소모된 양을 나타낸 것이 도 17(c)이다. 도 17(c)에 나타난 바와 같이, 반응 완료 후의 수소의 소모량을 살펴보면, 400∼3000 ㎖ 정도의 변화량을 볼 수 있다. pH 7의 경우 최대로는 3000 ㎖정도의 수소 이용률을 볼 수 있으며, 최저로 낮은 이용률을 보이는 pH 5와 비교하여 약 8 배 정도의 차이를 살펴볼 수 있었다.

도 18은 생물학적 무기탄소와 수소를 이용해 메탄으로 전환을 살펴보기 위하여 반응시간에 따른 pH 별 메탄의 농도, 생성량 및 누적 생성량의 변화를 나타낸 것으로, 도 17(a) 및 도 17(b)의 수소 이용률과 비례하여 메탄의 생성률을 나타내었다. 도 18(a)에 나타난 바와 같이, 메탄의 최대 생성 농도는 약 60% 정도였다. 실험 시작 초기에는 pH 6 및 7의 반응조에서 높은 생성률을 지녔으나 약 40일 이후 pH 8에서 높은 생성률을 나타내었고, 70%에 달하는 생성률을 확인할 수 있다. 모든 pH 조건에서 반응 운전 70일 이후 메탄의 생성률이 10% 이하로 떨어졌다. 도 18(b)에 나타난 바와 같이, pH 7의 경우 약 60일 이후 높은 메탄 생성량을 보인다. 이 결과를 토대로 누적 생성량을 측정한 결과, 도 18(c)에 나타난 바와 같이, 누적량은 pH가 7인 경우와 8일 경우 약 1100 ml의 메탄을 생성하여 높은 결과를 보이고 있다.

도 19는 생물학적 메탄 전환으로의 최대의 효율을 지니는 pH의 유력한 가능성을 가지는 pH 7 및 8의 경우 수소/메탄의 이용량과 생성량을 비교한 것이다. 도 19에 나타난 바와 같이, pH 8.0의 경우 수소 이용률과 메탄 생성률의 비가 약 3:1 정도로 나타냈다. 생물학적 매탄 전환의 경우 4H₂ + CO₂ → CH₄ + 2H₂O 반응식 나타내듯이 수소 이용률이 적어 메탄으로 전환율이 75%정도를 나타남을 수소 이용률과 메탄 생성률을 통하여 확인하였다.

< 실험예 2> 생성된 생물막의 메탄생성균 분석

메탄생성균 CO₂와 H₂를 기질로 하여 메탄을 생성하는 수소영양성 메탄생성균(hydrogenotrophic methanogens)을 분석하기 위하여 당량적으로 메타노박테리알(Methanobacterials , MBT), 메타노코카레(Methanococcales , MCC) 및 메타노미크로비알(Methanomicrobials, MMB)를 대상으로 하는 프라이머(primer)와 프로브셋(probe set)을 이용하여 반응기 내 미생물을 분석하였고, 아카에아(Archaea , ARC)와 박테리아(Bacteria , TB)에 대한 분석 또한 수행하였다(표 3 참조).

1.1 표준시료의 준비

CO₂와 H₂를 기질로 농화 배양한 메탄생성균으로부터 디엔이지 티슈 키트(DNeasy Tissue Kit, Qiagen)을 이용하여 전체 게놈 DNA를 추출하였다. 추출한 DNA를 MBT, MCC, MMB, ARC 및 TB에 해당하는 프라이머셋(primer set)을 이용하여 중합효소연쇄반응(Polymerase chain reaction, 이하 PCR로 약칭함)을 수행하였다. PCR 혼합물은 DNA 템플레이트를 4 ㎕, 20 pmol의 포워드 프라이머(forward primer)와 리버스 프라이머(reverse primer)를 각각 4 ㎕ 씩, dH₂O를 38 ㎕, 프리믹스 익스 태크(Premix Ex Taq, Takara)을 50 ㎕ 넣어 최종 부피가 100 ㎕이 되도록 제조하였다. PCR 반응은 미니싸이클러(MiniCycler, Bio-rad)를 이용하여 수행하였으며, MBT, MCC 및 ARC의 경우, 94 ℃에서 10분간 반응시킨 후 94 ℃ 30초, 60 ℃ 30초, 72 ℃ 1분의 3 단계를 30번 반복하고 72 ℃에서 10분간 반응시켰다. MMB의 경우, 94 ℃에서 10분간 반응시킨 후 94 ℃ 30초, 63 ℃ 30초, 72 ℃ 1분의 3 단계를 30번 반복하고 72 ℃에서 10분간 반응시켰으며, TB의 경우 94 ℃에서 10분간 반응시킨 후, 94 ℃ 30초, 50 ℃ 1분, 72 ℃ 30초의 3단계를 40번 반복하고 72 ℃에서 10분간 반응시켰다. 이렇게 PCR을 한 생성물을 1.5% 아가로스겔(agarose gel)에 전기영동 한 후 큐아이에이 퀵 겔 추출 키트(QIA Quick Gel extraction kit, Qiagen)를 이용하여 정제하였다. 정제한 PCR 생성물을 인서트 DNA(insert DNA)로 사용해서 알비씨 티엔에미 클로닝 키트(RBC T&A Cloning Kit, RBC)로 16 ℃에서 5시간 동안 결찰(ligation)한 다음 HIT-DH5α 항체 반응을 일으키는 세포(competent cell)를 이용해 형질전환(transformation)하였다. 액체 배지(LB agar with amp(50 μg/㎖), 20 ㎕ X-Gal(50 mg/㎖) 및 50 ㎕ IPTG(100 mM)) 플레이트에 전환한 것을 살포하고 37 ℃에서 16시간 동안 배양하였다. 이 플레이트에서 형질전환체(transformant)인 흰색 군체(colony)를 취하여 3 ㎖ LB amp(50 μg/㎖) 배양액에 접종하였다. 이것을 37 ℃에서 180 분당회전(revolutions per minute; rpm)으로 20시간 동안 진동 배양하였다. 배양된 각 형질전환체 500 ㎕ + 50% 글리세롤 800 ㎕를 섞어 각각에 대한 스톡셀(stock cell)을 만들어 -70 ℃에 보관하고, 나머지 배양액을 원심분리하여 균체만 회수한 다음 플라스미드 정제 키트(Plasmid Purification Kit, Nucleogen사)를 이용해 플라스미드를 추출하여 실시간 PCR을 위한 표준곡선을 위한 표준시료로 이용하였다.

이름	작용	대상	시퀀스(5'→3')	Tm(℃)
ARC787F	F 프라이머	아카에아	ATTAGATACCCSBGTAGTCC	61.0
ARC915F	TaqMan		AGGAATTGGCGGGGGAGCAC	70.1
ARC1059R	R 프라이머		GCCATGCACCWCCTCT	62.3
TB1055F	F 프라이머	박테리아	ATGGCTGTCGTCAGCT	57.7
TB1115F	TaqMan		CAACGAGCGCAACCC	62.9
TB1392R	R 프라이머		ACGGGCGGTGTGTAC	58.9
MCC495F	F 프라이머	메타노코카레	TAAGGGCGGGCAAGT	60.4
MCC686F	TaqMan		TAGCGGTGRAATGYGTTGAT CC	66.2
MCC832R	R 프라이머		CACCTAGTYCGCARAGTTTA	61.6
MBT857F	F 프라이머	메타노박테리알	CGWAGGGAAGCTGTTAAGT	60.7
MBT929F	TaqMan		AGCACCACAACGCGTGGA	67.2
MBT1196R	R 프라이머		TACCGTCGTCCACTCCTT	63.2
MMB282F	F 프라이머	메타노미크로비알	ATCGRTACGGGTTGTGGG	63.8
MMB749F	TaqMan		TYCGACAGTGAGGRACGAAAGCTG	70.2
MMB832R	R 프라이머		CACCTAACGCRCATHGTTTAC	61.5

1.2 표준곡선 작성 및 메탄생성균의 정량

각각의 대상미생물의 정량을 위한 표준곡선을 작성하기 위하여 표준시료를 이용한 실시간 PCR을 수행하였다. 표준시료의 농도는 퀀트-잇 피코그린(Quant-iT PicoGreen, Invitrogen)과 베르사 플로 플로로미터(Versa Fluor Fluorometer, Bio-Rad)를 이용하여 측정하였으며 다음 식 (1)을 이용하여 반복 복제 횟수를 계산하였다.

(1)

농도를 확인한 표준시료를 희석한 후 이를 템플레이트로 이용하여 실시간 PCR을 수행하였다. MBT, MCC, MMB 및 ARC의 경우 템플레이트 DNA를１ ㎕, 5 pmol의 포워드 프라이머와 리버스 프라이머를 각각 2.5 ㎕, 2 pmol의 프로브(probe)를 2.5 ㎕, 1 X TE 버퍼를 4 ㎕, 유니버셜 PCR 마스터 믹스(Universal PCR Master Mix, PE Applied Biosystems)를 12.5 ㎕ 넣어 최종 부피가 25 ㎕가 되도록 PCR 혼합물을 제조하였다. TB의 경우 템플레이트 DNA를 １ ㎕, 9 pmol의 포워드 프라이머와 리버스 프라이머를 각각 2.5 ㎕, 2.5 pmol의 프로브를 2.5 ㎕, 1 X TE 버퍼를 4 ㎕, 유니버셜 PCR 마스터 믹스를 12.5 ㎕ 넣어 최종 부피가 25 ㎕가 되도록 PCR 혼합물을 제조하였다.

PCR 반응은 7300 실시간 시스템(PE Applied Biosystems)을 이용하여 수행하였으며, MBT, MCC 및 ARC의 경우 50 ℃에서 3분, 95 ℃에서 10분간 반응시킨 후 95 ℃ 30초, 60 ℃ 1분의 2 단계를 45번 반복하였다. MMB의 경우 50 ℃에서 3분, 95 ℃에서 10분간 반응시킨 후 95 ℃ 30초, 63 ℃ 1분, 72 ℃ 30초의 3 단계를 45번 반복하였으며, TB의 경우 50 ℃에서 3분, 95 ℃에서 10분간 반응시킨 후 95 ℃ 30초, 50 ℃ 1분, 72 ℃ 30초의 3 단계를 45번 반복하였다. PCR 반응이 진행됨에 따라 증가하는 형광분석(fluorescence)를 바탕으로 C_t값을 구하고, 템플레이트의 농도와 C_t값을 이용하여 표준곡선을 작성하였다.

반응기 내의 메탄생성균을 정량하기 위하여 표준시료와 동일한 방법으로 반응기 내 미생물의 DNA를 추출하여 실시간을 수행하고 이로부터 얻은 C_t값을 표준곡선에 대입하여 미생물의 복제 반복횟수를 계산하였다. 이때 대상시료를 분석할 때마다 표준시료에 대한 실시간 분석을 함께 수행하여 표준곡선을 얻었으며, 각 시료는 3번 반복으로 분석하였다.

도 20에 나타난 바와 같이, DNA 분석 결과, 상기 중공사막에서 추출한 생물막의 혐기성 미생물 군집 분석 데이타와 메탄생성균 표준시료의 군집 분석 데이타를 비교하여, 본 발명에 이용된 생물막이 메타노컬리우스(metanoculleus sp: A)와 97%, 메타노코쿠스 재내시(methanococcus jannaschii: B)와 99%, 메타노코쿠스 볼태(methanococcus voltae: C)와 98%, 메타노박테리움 브리안티(methanobacterium bryantii: D)와 99%, 메타노박테리움 스타쯔마네(methanobacterium stadtmanae: E)와 99% 그리고, 메타노사에타 콘시리(methanosaeta concili: F)와 98% 유사한 결과를 확인할 수 있었다. 따라서, 본 발명의 중공사막에 형성된 생물막의 혐기성 미생물이 메탄생성균임을 확인하였다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 혐기성 생물막을 이용한 생물학적 메탄 제조장치 및 이를 이용한 메탄 제조방법을 통해 지구온난화를 일으킬 수 있는 물질인 이산화탄소를 제거하고, 그 결과물로 연료 및 산업공정에 필요한 탄소 성분의 기초화합물을 생성해 냄으로써, 환경적으로, 산업적으로 문제가 되고 있는 온실가스 감출 및 에너지원 회수의 양면의 문제를 해결하는 것이 가능할 것으로 기대된다.

Claims (15)

1. 메탄생성균을 포함하는 배지가 장입되어 있는 혐기성 반응조(1)와;

   상기 반응조(1) 내의 배지에 침지되되, 양쪽 끝은 반응조(1) 내의 유체 흐름에 의한 유동을 최소화하기 위해 고정캡(3)으로 고정되어 있으며, 한쪽 끝은 반응조(1) 상단에 고정되고, 반응기체가 유입되는 다른 한쪽 끝은 반응조(1)의 바닥 배향인 다발 형태의 중공사막(2)과;

   수소기체 공급관(6)에 의해상기 반응조(1) 내부의 배지를 통과하여 상기 중공사막(2)의 하단 고정캡(3)에 직접 연결되어 있는 수소기체 저장탱크(5)와;

   무기탄소원 공급관(16)에 의해 상기 반응조(1)에 연결되거나, 반응조 내부의 배지를 통과하여 상기 중공사막(2)의 하단 고정캡(3)에 직접 연결되어 있는 무기탄소원 저장탱크(15)와;

   메탄 배출관(8)에 의해 상기 반응조(1)와 연결되어 있는 메탄 포집탱크(7)와;

   상기 반응조(1) 외부의 하단에 설치되어 배지가 반응조(1) 내에서 원활하게 순환하도록 하는 교반장치(4)와;

   항온조(9)와 급수관(10) 및 배수관(11)에 의해 연결되어 상기 반응조(1)의 온도를 일정하게 유지하는 항온기(12)를 포함하여 구성되는 혐기성 생물막을 이용한 생물학적 메탄 제조장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 반응조(1)에 병렬로 연결된 복수개의 반응조를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 혐기성 생물막을 이용한 생물학적 메탄 제조장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 반응조(1)의 상단과 연결되어 반응조(1) 내의 pH 측정, 산화환원전위의 측정 또는 반응조(1)로부터 발생된 기체의 성분 분석을 위한 pH 측정기(13), 산화환원전위 측정기(14) 또는 기체 크로마토그래피를 더 포함하는 것을 특징로 하는 혐기성 생물막을 이용한 생물학적 메탄 제조장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 메탄생성균은 메타노컬루스 목, 메타노코쿠스 목, 메타노박테리움 목, 메타노사에타 목의 미생물로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 1종 이상인 것을 특징으로 하는 혐기성 생물막을 이용한 생물학적 메탄 제조장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 배지는 (NH₄)₂HPO₄, KCl, NH₄Cl, FeCl₃6H₂O, MgCl₂6H₂O, MgSO₄7H₂O, CoCl₂6H₂O, CaCl₂2H₂O, ZnCl₂, Na₂Mo2H₂O, MnCl₂2H₂O, CuCl₂2H₂O, FeCl₂2H₂O, EDTA 및 효모 추출물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함한 인산 완충용액인 것을 특징으로 하는 혐기성 생물막을 이용한 생물학적 메탄 제조장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 배지의 pH는 7 내지 8인 것을 특징으로 하는 혐기성 생물막을 이용한 생물학적 메탄 제조장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 중공사막(2)은 한쪽 끝이 막혀 있는 폐쇄형 또는 양쪽이 모두 뚫려 있는 개방형인 것을 특징으로 하는 혐기성 생물막을 이용한 생물학적 메탄 제조장치.
8. 제1항에 있어서, 상기 고정캡(3)은 중공사막(2)에 기체상으로 반응기체가 직접 공급되도록 배지와 분리되고 밀폐되어 있는 것을 특징으로 하는 혐기성 생물막을 이용한 생물학적 메탄 제조장치.
9. 제1항에 있어서, 상기 무기탄소원 저장탱크(15)로부터 공급되는 무기탄소원은 이산화탄소를 포화시킨 중탄산 이온 또는 이산화탄소 기체인 것을 특징으로 하는 혐기성 생물막을 이용한 생물학적 메탄 제조장치.
10. 제9항에 있어서, 상기 무기탄소원이 중탄산 이온인 경우에는 배지 내로 공급되며, 메탄생성균이 부착되어 있는 중공사막(2)의 표면으로 이동하여 중공사막(2)의 기공을 통해 유츌되는 수소와 반응함으로써 메탄을 생산하는 것을 특징으로 하는 혐기성 생물막을 이용한 생물학적 메탄 제조장치.
11. 제9항에 있어서, 상기 무기탄소원이 이산화탄소 기체인 경우에는 고정캡(3) 내의 중공사막(2)으로 직접 공급하며, 상기 중공사막(2)의 기공을 통해 유출되고 메탄생성균이 부착되어 있는 중공사막(2)의 표면으로 이동하여 함께 유출되는 수소와 반응함으로써 메탄을 생성하는 것을 특징으로 하는 혐기성 생물막을 이용한 생물학적 메탄 제조장치.
12. 제1항에 있어서, 상기 무기탄소원이 이산화탄소 기체인 경우, 그 공급 속도는 수소 기체 4 몰이 공급되는 동안 이산화탄소 1몰이 공급되도록 조절하는 것을 특징으로 하는 혐기성 생물막을 이용한 생물학적 메탄 제조장치.
13. 제1항에 있어서, 상기 메탄 제조장치는 회분식 또는 연속식인 것을 특징으로 하는 혐기성 생물막을 이용한 생물학적 메탄 제조장치.
14. 메탄생성균이 배양된 배지를 반응조에 주입하고 상기 배지를 교반시켜 메탄생성균을 중공사막 표면에 부착시키는 단계(단계 1);

    무기탄소원으로서 중탄산 이온을 상기 반응조에 주입하고 수소기체를 중공사막에 주입하거나, 무기탄소원으로서 이산화탄소 기체를 수소 기체와 혼합하여 또는 별도로 중공사막에 주입하는 단계(단계 2); 및

    상기 중공사막의 표면에서 메탄생성균에 의해, 중공사막의 기공을 통해 유출되는 수소기체와 배지로부터 유래하는 중탄산 이온 또는 중공사막의 기공을 통해 유출되는 이산화탄소를 반응시켜 메탄을 생성하는 단계(단계 3)를 포함하여 구성되는 제1항, 제2항, 제4항 내지 제13항 중 어느 한 항에 의한 혐기성 생물막을 이용한 생물학적 메탄제조장치로부터 생물학적 메탄을 제조하는 방법.
15. 메탄생성균이 배양된 배지를 반응조에 주입하고 상기 배지를 교반시켜 메탄생성균을 중공사막 표면에 부착시키는 단계(단계 1);

    무기탄소원으로서 중탄산 이온을 상기 반응조에 주입하고 수소기체를 중공사막에 주입하거나, 무기탄소원으로서 이산화탄소 기체를 수소 기체와 혼합하여 또는 별도로 중공사막에 주입하는 단계(단계 2); 및

    상기 중공사막의 표면에서 메탄생성균에 의해, 중공사막의 기공을 통해 유출되는 수소기체와 배지로부터 유래하는 중탄산 이온 또는 중공사막의 기공을 통해 유출되는 이산화탄소를 반응시켜 메탄을 생성하는 단계(단계 3)를 포함하여 구성되는 제3항에 의한 혐기성 생물막을 이용한 생물학적 메탄제조장치로부터 생물학적 메탄을 제조하는 방법.

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