KR101190842B1 - 혐기성 미생물을 이용한 수소 생산방법 - Google Patents

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한국해양연구원
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Abstract

본 발명은 (A) 수소생산 혐기성 미생물을 함유하는 배양액이 수용된 혐기성 배양기에서 배양액의 일부 또는 전부를 가스 버블 발생기로 이송하는 단계; (B) 가스 버블 발생기로 상기 이송된 배양액에 일산화탄소 가스 버블을 발생시키는 단계; (C) 상기 일산화탄소 가스 버블이 발생된 배양액을 가스 버블 발생기에서 상기 혐기성 배양기로 환송하는 단계; 및 (D) 상기 수소생산 혐기성 미생물이 일산화탄소를 이용하여 생산한 수소 가스를 포집하는 단계를 포함하는 혐기성 미생물을 이용한 수소 생산방법과 상기 생산방법에 이용가능한 장치를 제공한다. 본 발명은 수소생산 혐기성 미생물이 수소생산시 이용하는 일산화탄소 가스를 효과적으로 이용할 수 있도록 하여 효과적으로 수소를 생산하는 효과가 있으며, 또한 수소생산 혐기성 미생물이 배양액 내에서 효과적으로 성장함과 동시에 수소생산이 가능하다는 장점을 갖는다.

Description

혐기성 미생물을 이용한 수소 생산방법{A method of producing hydrogen using anaerobic microorganism}
본 발명은 혐기성 미생물을 이용한 수소 생산 방법 및 그를 위한 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수소를 효율적으로 생산해 낼 수 있는 혐기성 미생물 을 이용한 수소 생산방법 및 장치에 관한 것이다.
혐기성 미생물을 이용하여 일산화탄소와 물로부터 수소에너지를 생산하는 방법은 미래의 수소 에너지 생산에 있어 중요한 역할이 기대되고 있다. 일산화탄소와 물로부터 수소에너지를 생산할 수 있는 혐기성 미생물은 예를 들어, 파푸아뉴기니 근처 공해상 심해 열수구로부터 분리, 동정한 써모코커스속 균(Thermococcus spp.)을 들 수 있다(Journal of Microbiology Biotechnology 2006 vol. 16. No. 11. 1826-1831, Nature 2010 vol. 467 No. 7313).
수소에너지를 생산하기 위한 주원료인 일산화탄소는 제철소, 석탄을 이용하는 발전소, 쓰레기 소각로 등의 부생가스 또는 화학적 방법에 의한 합성가스 등을 이용하여 용이하게 확보할 수 있으나, 수소생산 혐기성 미생물이 효과적으로 이용하는 것은 용이하지 않다.
이는 수소생산 혐기성 미생물이 가스상의 일산화탄소와 액상의 물로부터 가스상의 수소를 생산할 경우, 일산화탄소와 물의 상이 서로 달라 일산화탄소와 물을 미생물이 효과적으로 이용하기 어렵기 때문이다.
따라서, 수소생산 혐기성 미생물이 수소생산시 이용하는 일산화탄소 가스를 효과적으로 이용할 수 있도록 하는 혐기성 미생물을 이용한 수소 생산방법 및 생산장치의 개발이 필요하다.
Journal of Microbiology Biotechnology 2006 vol. 16. No. 11. 1826-1831 Nature 2010 vol. 467 No. 7313. 352-355
본 발명이 해결하고자 하는 하나의 과제는 수소생산 혐기성 미생물이 수소생산시 이용하는 일산화탄소 가스를 효과적으로 이용할 수 있도록 하여 수소를 생산할 수 있는 혐기성 미생물을 이용한 수소 생산방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 하나의 과제는 수소생산 혐기성 미생물이 수소생산시 이용하는 일산화탄소 가스를 효과적으로 이용할 수 있도록 하여 수소를 생산할 수 있는 혐기성 미생물을 이용한 수소 생산장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 (A) 수소생산 혐기성 미생물을 함유하는 배양액이 수용된 혐기성 배양기에서 배양액의 일부 또는 전부를 가스 버블 발생기로 이송하는 단계; (B) 가스 버블 발생기로 상기 이송된 배양액에 일산화탄소 가스 버블을 발생시키는 단계; (C) 상기 일산화탄소 가스 버블이 발생된 배양액을 가스 버블 발생기에서 상기 혐기성 배양기로 환송하는 단계; 및 (D) 상기 수소생산 혐기성 미생물이 일산화탄소를 이용하여 생산한 수소 가스를 포집하는 단계를 포함하는 혐기성 미생물을 이용한 수소 생산방법을 제공한다.
상기 (A) 단계 이전에, 수소생산 혐기성 미생물을 함유하지 않는 배양액에 가스 버블 발생기로 질소 가스 버블을 발생시켜 혐기성 배양기에 주입함으로써, 배양기를 혐기성 상태로 만든 후, 수소생산 혐기성 미생물을 접종하는 전처리 단계를 추가로 포함할 수 있다.
또한, 상기 (C)단계에서 혐기성 배양기로 환송된 혐기성 미생물이 혐기성 배양기에서 생산한 수소 가스에 의해 발생된 거품을 제거하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
상기 수소생산 혐기성 미생물은 바람직하게는 써모코커스속 균으로, 상기 써모코커스속 균의 바람직한 예는 써모코커스 온뉴리뉴스(Thermococcus onnurineus)이다.
상기 일산화탄소 가스 버블은 마이크로 가스 버블일 수 있으며, 상기 마이크로 가스 버블은 평균 입경이 바람직하게는 0.2~100 μm, 보다 바람직하게는 0.2~5 μm일 수 있다.
상기 가스 버블발생기는 상기 이송된 배양액에 가스상의 일산화탄소를 분산시켜 일산화탄소 가스 버블을 발생시킬 수 있으며, 바람직하게는 상기 이송된 배양액과 가스상 일산화탄소를 회전하는 회전체와 정지된 고정체 사이로 통과시켜 배양액과 일산화탄소의 지속적인 충돌에 의해 일산화탄소 가스 버블을 발생시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 수소생산 혐기성 미생물을 함유하는 배양액을 내부에 수용하여 수소생산 혐기성 미생물을 배양하는 혐기성 배양기; 상기 배양기의 외부에 위치하고, 상기 배양기에 수용된 배양액의 일부 또는 전부를 이송받아, 이송된 배양액에 가스 버블을 발생시키는 가스 버블 발생기; 상기 배양기와 상기 가스 버블 발생기를 연결하여, 상기 배양기에 수용된 배양액의 일부 또는 전부를 상기 가스 버블 발생기로 이송하는 배양액 이송부; 상기 가스 버블 발생기에 일산화탄소 가스를 공급하는 일산화탄소 공급부; 상기 가스 버블 발생기와 상기 배양기를 연결하여, 상기 가스 버블 발생기에서 가스 버블이 발생한 배양액을 상기 배양기로 환송하는 배양액 환송부; 및 상기 혐기성 배양기로부터 발생된 수소를 포집하는 수소포집부를 포함하는 혐기성미생물을 이용한 수소생산장치를 제공한다.
상기 가스 버블 발생기에 질소 가스를 공급하는 질소 공급부를 추가로 포함할 수 있다.
상기 가스 버블 발생기는 상기 이송된 배양액과 가스상 일산화탄소를 회전하는 회전체와 정지된 고정체 사이로 통과시켜 배양액과 일산화탄소의 지속적인 충돌에 의해 일산화탄소 가스 버블을 발생시키는 것일 수 있다.
본 발명은 수소생산 혐기성 미생물이 수소생산시 이용하는 일산화탄소 가스를 효과적으로 이용할 수 있도록 하여 효과적으로 수소를 생산하는 효과가 있으며, 또한 수소생산 혐기성 미생물이 배양액 내에서 효과적으로 성장함과 동시에 수소생산이 가능한 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 수소생산방법의 일 실시예를 나타낸 플로우차트이다.
도 2는 본 발명의 수소생산장치의 일 실시예를 나타낸 개략도이다.
도 3은 도 2의 수소생산장치에 적용가능한 가스 버블 발생기의 일 예의 사용상태를 나타낸 부분단면도이다.
도 4는 실시예 1을 실시한 결과를 나타내는 그래프로, 시간경과에 따른 단위시간당 수소생산량, 배출가스 중 수소함량, 배양액의 광학농도를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 또한, "및/또는"은 언급된 구성요소의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 발명에서 수소생산 혐기성 미생물은 일산화탄소와 물로부터 수소를 생산하는 혐기성 미생물을 의미하고, 바람직하게는 써모코커스속 균일 수 있다. 상기 써모코커스속 균은 써모코커스속에 속하는 미생물로, 써모코커스속 균주(cell line)를 포함하는 의미이다. 이로써 제한되는 것은 아니나, 써모코커스속 균의 바람직한 예는 써모코커스 온뉴리뉴스(Thermococcus onnurineus)이다.
도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예인 수소생산방법과 수소생산장치에 대해 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 수소생산방법의 일 실시예를 나타낸 플로우차트이고, 도 2는 본 발명의 수소생산장치의 일 실시예를 나타낸 개략도이며, 도 3은 도 2의 수소생산장치에 적용가능한 가스 버블 발생기의 일 예의 사용상태를 나타낸 부분단면도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 방법은 (A) 배양액 이송단계, (B) 가스버블 발생단계, (C) 배양액 환송단계 및 (D) 수소가스 포집단계를 포함하는 방법에 의해 혐기성 미생물을 이용하여 수소를 생산할 수 있다.
상기 (A) 배양액 이송단계는 수소생산 혐기성 미생물을 함유하는 배양액이 수용된 혐기성 배양기(100)에서 배양액의 일부 또는 전부를 가스 버블 발생기(200)로 이송하는 단계이다. 상기 배양액 이송은 배양액 이송부(300)에 의할 수 있으며, 상기 배양액 이송부(300)는 관 등으로 이루어져 일단은 상기 혐기성 배양기(100)와 연결되고 타단은 가스버블발생기(200)에 연결될 수 있다. 이 때 이송부(300)에 밸브(350)를 설치하여 이송량을 조절할 수 있다. 상기 혐기성 배양기(100)는 배양기 내부를 혐기성으로 유지해 줄 수 있는 밀폐된 구조의 공지의 배양기일 수 있으며, 공지의 관측창, 온도제어센서, pH 제어센서, 거품 제어 센서, 전열선 등의 가열수단, pH 조절제 공급관 등의 pH 조절제 공급수단, 및 거품제거제 공급관 등의 거품제거제 공급수단 등이 장착된 구조의 것으로 상용화된 것일 수 있다.
상기 배양액은 수소생산 혐기성 미생물을 배양할 수 있는 공지의 배양액일 수 있으며, 상기 배양액은 물을 포함하여 일산화탄소와 물을 이용하여 수소생산 혐기성 미생물이 수소생산이 가능하도록 한다. 상기 배양액의 온도는 섭씨 25~90도가 되도록 조절할 수 있다.
상기 (B) 가스버블 발생단계는 가스 버블 발생기로 상기 이송된 배양액에 일산화탄소 가스 버블을 발생시키는 단계이다. 상기 가스 버블 발생기(200)는 가스 버블을 발생시킬 수 있는 장치로, 기계식 가스 버블 발생기 또는 고압방식 가스 버블 발생기 등을 사용할 수 있으며, 공지의 상용화된 농업용 산소 마이크로 버블 장치와 같은 마이크로 버블 발생 장치를 이용할 수 있다. 이로써 제한되는 것은 아니나, 도 3의 가스 버블 발생기를 참조하여 가스 버블 발생에 대하여 설명한다. 도 3에서 보는 바와 같이, 가스버블발생기(200)는 가스유입구(240)로 일산화탄소가 유입되고, 배양액유입구(230)로 이송된 배양액을 유입되도록 한 후, 회전하는 회전체(223)와 정지된 고정체(263) 사이로 일산화탄소와 이송된 배양액을 화살표 방향으로 통과시켜 배양액과 일산화탄소의 지속적인 충돌에 의해 일산화탄소 가스 버블을 발생시킬 수 있다. 상기 가스 버블발생기(200)의 회전체(223)와 고정체(263)에는 각각 돌기(225, 265)가 형성되어 회전체와 고정체 사이를 통과하는 일산화탄소가 보다 작은 크기의 입자로 쪼개어지도록 할 수 있다. 가스유입구(240)에는 필터고정구(245)에 의해 고정된 필터(243)를 설치하여, 통과하는 일산화탄소 가스의 입자의 크기를 더욱 작게 만들어 주는 것이 가능하다. 상기 회전체(223)는 회전축(220)의 회전에 의해 회전력을 갖게 되고, 상기 회전축(220)은 모터와 같은 구동수단(210)에 의해 구동된다. 상기 회전체(223)는 고정부(221, 227)에 의해 회전축(220)에 고정되며, 상기 고정부(221, 227)는 나사 결합 등에 의해 회전축(220)에 결합된다. 상기 회전체(223)와 상기 고정체(263) 사이를 일산화탄소와 배양액이 함께 통과하는 과정에서 일산화탄소 입자가 쪼개어져 점차 입경이 작아지고 배양액 중에 고르게 분산하게 된다. 고르게 분산된 결과 다시 큰 입자로 뭉쳐지는 속도가 감소하게 된다. 그 결과 배양액과 일산화탄소의 접촉면적이 넓어지게 되고, 배양액 중 포함된 수소생산 혐기성 미생물이 배양액 중 포함되는 물과 일산화탄소와 접촉하게 될 가능성이 커지게 된다. 그 결과 수소생산 혐기성 미생물이 물과 일산화탄소를 이용하여 수소를 보다 효과적으로 생산하는 것이 가능한 것으로 보인다. 상기 고정체(263)는 나사결합에 의해 구동수단(210)의 외측에 고정될 수 있고, 가스유입구(240)와 배양액 유입구(230)가 형성된 덮개(270)는 나사결합에 의해 상기 고정체(263)에 결합하여 일산화탄소 가스 버블을 발생시키는 공간을 제공할 수 있다.
상기 가스유입구(240)로 유입되는 일산화탄소는 상기 가스 버블발생기에 일산화탄소 가스를 공급하는 일산화탄소 공급부(400)로부터 가스공급관(470)을 통해 공급될 수 있다. 상기 일산화탄소 공급부(400)는 일산화탄소 배출원에 말단이 연결된 관 또는 일산화탄소가 충진된 봄베 등일 수 있다. 상기 일산화탄소 공급부에서 공급되는 가스의 양을 조절하기 위해 가스공급관(470)에 밸브(450)를 설치할 수 있다. 상기 밸브(450)는 유량계일 수 있다.
상기 (C) 배양액환송단계는 상기 일산화탄소 가스 버블이 발생된 배양액을 가스 버블 발생기에서 상기 혐기성 배양기로 환송하는 단계이다. 상기 가스버블 발생기(200)에서 일산화탄소 가스 버블이 발생된 배양액은 유출구(250)로 유출되어 혐기성 배양기(100)로 환송될 수 있다. 상기 환송은 관 등으로 이루어진 배양액 환송부(500)에 의할 수 있으며, 상기 배양액 환송부(500)에는 환송량을 조절하기 위한 밸브(550) 등이 설치될 수 있다.
위와 같은 과정을 거쳐 환송된 배양액에는 일산화탄소 가스 버블이 과포화된 상태일 수 있다. 상기 일산화탄소 가스 버블은 마이크로 버블(예를 들어 평균입경 0.2~100μm, 바람직하게는 평균입경 0.2~5μm)일 수 있다. 상기 마이크로 일산화탄소 가스 버블은 배양액 내에서 과포화 상태를 유지할 수 있으며, 상승 속도가 마이크로 크기 이상의 버블보다 현저히 느리고 미세 버블이 합쳐지는 현상 또한 감소하는 장점을 갖고 있다. 그 결과 배양액 중 일산화탄소의 체류시간이 길어지고 물, 이산화탄소 및 수소생산 혐기성 미생물의 접촉 가능성을 높여 줄 수 있어 수소를 보다 효과적으로 생산할 수 있다.
상기 (A)~(C)단계를 거침으로써, 배양액 중 일산환탄소 가스 버블을 배양기 외부에서 발생시켜 혐기성 배양기로 주입시켜 주게 되므로, 배양기 자체 내부에서 임펠러 등을 이용하여 일산화탄소 가스 버블을 발생하고자 할 경우 발생 가능한 문제점을 피할 수 있다. 상기 문제점은 예를 들어, 임펠러 등의 고속회전에 의해 발생하는 고압을 견디는 특수한 배양용기의 필요, 임펠러 등의 고속회전을 위한 전력 소요, 톤 규모 이상의 미생물 배양기의 경우 200rpm 이상의 교반속도 유지의 어려움 등이다. 배양액의 이송과 환송시 유량과 속도를 조절함으로써 가스버블발생기에서 처리 용량을 조절함으로써 배양기 자체에서 일산화탄소 가스 버블을 발생시키는 경우에 비해 작은 용량, 낮은 전력량으로도 동일한 효과를 낼 수 있을 뿐만 아니라 배양기 자체의 용량에 큰 관계없이 일산화탄소 가스 버블을 발생시켜 일산화탄소 과포화 상태를 유지하는 것이 가능하다. 이와 같은 배양액의 이송과 환송은 혐기성 배양기(100)와 가스버블발생기(200)의 위치 차에 따른 수위차를 이용하여 이송과 환송을 조절하거나, 추가로 배양액 이송부(300)와 배양액 환송부(500)에 펌프(미도시)를 설치하여 조절할 수 있다.
결과적으로, 일산화탄소 가스 버블이 과포화된 배양액 중 수소생산 혐기성 미생물은 혐기성 배양기와 가스버블발생기를 순환하며, 성장과 동시에 일산화탄소와 물을 효과적으로 이용하여 고농도의 수소를 생산할 수 있다.
상기 생산된 수소는 상기 (D) 수소가스 포집단계에 의해 포집될 수 있다. 상기 수소가스 포집단계는 상기 수소생산 혐기성 미생물이 일산화탄소를 이용하여 생산한 수소 가스를 포집하는 단계로, 수소포집부(600)로 수소 가스를 포집할 수 있다. 상기 수소포집부(600)는 수소 저장부에 말단이 연결된 관이거나 가스 저장탱크 등 공지의 가스포집장치일 수 있다. 상기 수소포집부(600)는 가스 배출관(670)에 의해 혐기성 배양기(100)에 연결될 수 있으며, 상기 가스 배출관(670)에 밸브(650)를 설치하여 유량을 조절할 수 있다. 상기 수소포집부(600)는 수소 이외에 배양과정에서 발생하는 가스를 함께 포집할 수 있으며, 상기 수소포집부(600)에서 포집된 가스는 정제과정을 거쳐 수소의 순도를 높이는 것이 가능하다. 상기 정제는 수소포집부(600)에서 일체로 이루어질 수 있다. 상기 수소포집부(600)의 전단에는 필터 등을 배치하여 원하지 않는 물질이 유입되는 것을 막아줄 수 있다. 또한, 상기 가스배출관(670)에 냉각부(690)를 설치하여 배출되는 가스의 온도를 낮춰 줌으로써 부피를 감소시켜 수소포집부(600)의 수용능력을 증가시키거나, 고온으로 인한 손상 등을 막아주는 효과를 나타낼 수 있다. 상기 냉각부(690)는 공지의 냉각장치일 수 있으며, 냉매를 순환시켜 배출되는 가스를 냉각시킬 수 있다.
상기 (A) 단계 이전에 수소생산 혐기성 미생물을 함유하지 않는 배양액에 가스 버블 발생기로 질소 가스 버블을 발생시켜 혐기성 배양기에 주입함으로써, 배양기를 혐기성 상태로 만든 후, 수소생산 혐기성 미생물을 접종하는 전처리 단계를 거칠 수 있다.
상기 전처리 단계에서 수소생산 혐기성 미생물을 함유하지 않은 배양액을 혐기성 배양기(100)에 채운 상태에서, 배양액 이송부(300)를 통해 가스버블발생기(200)로 미생물 미함유 배양액을 이송하여, 질소가스버블을 발생시킨 후, 배양액 환송부(500)를 통해 혐기성 배양기(100)로 질소가스버블이 발생된 미생물 미함유 배양액을 환송함으로써, 혐기성 배양기를 혐기성 상태로 만드는 것이 가능하다.
상기 질소가스버블은 일산화탄소가스버블과 동일한 방법으로 발생시킬 수 있으며, 질소가스를 대상으로 하는 것을 제외하고 일산화탄소공급부와 동일한 형식의 질소가스공급부(700)와 밸브(750)를 이용할 수 있다. 상기 질소가스공급부(700)는 일산화탄소공급부(400)와 병렬배치할 수 있다.
상기 전처리 단계를 통해 혐기성 환경을 만든 상태에서 수소생산 혐기성 미생물을 접종함으로써, 혐기성 미생물이 생육하기에 바람직한 환경을 만들어 줄 수 있다.
또한, 상기 (C)단계에서 혐기성 배양기로 환송된 혐기성 미생물이 혐기성 배양기에서 생산한 수소 가스에 의해 발생된 거품을 제거하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 혐기성 미생물이 혐기성 배양기에서 생산한 수소 가스의 양이 증가함에 따라 배양액 상층부에 다량의 거품이 발생할 수 있으며, 이 거품에 미생물이 들러붙어 함께 배양기 밖으로 유출되는 등의 문제가 발생하여 수소생산 효율을 떨어뜨리는 원인이 될 수 있다. 따라서, 수소생산 효율을 높이기 위한 방법으로 기계적인 방법 또는 화학적인 방법으로 거품을 제거할 수 있다. 기계적인 방법으로는 망을 설치하는 등의 방법으로 거품을 터트리는 등의 방법을 생각할 수 있으며, 화학적인 방법으로는 거품제거제(antifoam) 등을 이용하는 방법을 생각할 수 있다. 거품제거제는 거품을 터트려 제거할 수 있는 성질을 가진 물질로, 예를 들어 실리콘계 소포제, 파라린계 소포제, 왁스류, 천연 오일류 등일 수 있다. 상기 거품 제거 단계는 (C)단계 이후 실시할 수 있으며, (D)단계와 동시 또는 전후에 실시할 수 있다.
상기 혐기성 배양기(100)에 배양액 공급을 위해 배양액 공급부(800)를 선택적으로 설치할 수 있으며, 상기 배양액 공급부(800)는 배양액에 일단이 연결된 관이거나 저장탱크 등일 수 있다. 상기 배양액 공급부(800)는 혐기성배양기(100)와 배양액공급관(870)에 의해 연결될 수 있으며, 상기 배양액공급관(870)에 밸브(850)를 설치하여 공급되는 배양액 유량을 조절할 수 있다.
또한, 폐기물 저장부(900)를 선택적으로 설치하여 혐기성 배양기에서 발생하는 폐액 등을 저장할 수 있다. 상기 폐기물 저장부(900)는 저장탱크 또는 말단이 폐기물 처리장치에 연결된 관 등일 수 있다.
상기 폐기물 저장부(900)는 폐기물 이송관(970)에 의해 혐기성 배양기(100)에 연결될 수 있다. 이 때 폐기물 이송관(970)은 배양액 이송부(300)에서 분지될 수 있다. 상기 폐기물 이송관(970)에 밸브(950)를 설치하여 유량을 조절할 수 있다. 상기 배양액 공급부로부터 배양액 공급주기와 공급량, 폐기물 저장부로 이송되는 폐기물 이송량과 주기를 조정함으로써 회분식 배양, 연속배양식 배양 등 다양한 형식의 배양에 적용이 가능하다. 상기 연속배양은 회분식에 대응하는 것으로, 배양과정에서 배양액의 유입 및/또는 유출이 일어나는 배양방법을 의미한다.
<실시예 1> 수소생산 및 미생물성장 확인
도 2에 도시된 형식의 장치를 준비하였다. 혐기성 배양기는 300L 용량으로 바이오씨엔에스(대한민국)에 의뢰하여 제작하였다. 상기 혐기성 배양기는 온도제어센서, pH 제어센서, 거품 제어 센서, pH 조절제 공급부, 거품제거제 공급부, 전열선, 시료채취포트와 감시창이 포함된 것이다. 가스 버블 발생기는 도 3에 도시된 형식의 가스 버블 발생기(농업용 산소 마이크로 버블 장치, 한국에너지기술주식회사, 대한민국)를 구입하여 사용하였다.
증류수에 초기배지{효모 추출물(yeast extract) 10 g/L; NaCl 35 g/L; KCl 0.7g/L; CaCl22H2O 0.4 g/L; NH4Cl 0.3g/L; NaHCO3 0.5g/L; Cystein-HCl 0.5g/L; MgSO4 3.9/L; Na2HPO4 0.15g/L; NaSiO3 0.003g/L; Vitamin solution 1ml/L; Trace elemental solution 1ml/L}를 용해 또는 현탁한 배양액 180L를 혐기성 배양기에 투여하였다. 배양액으로 채워진 혐기성 배양기 내부 온도를 섭씨 85도까지 상승시킨 후, 가스 버블 발생기를 작동시킴으로써 배양액이 가스 버블 발생기와 혐기성 배양기를 연속적으로 순환할 수 있도록 하였다. 가스 버블 발생기에 압축 질소를 공급함으로써 혐기성 배양기 내부를 질소 마이크로 버블이 포화된 완전한 혐기조건이 되도록 하였다.
질소 마이크로 버블이 포화된 배양액에 써모코커스 온뉴리뉴스{한국해양연구원에서 입수, 공지의 방법에 의해 분리, 동정함(Journal of Microbiology Biotechnology 2006 vol. 16. No. 11 1826-1831)} 20L를 접종 후 질소 가스를 차단하고 일산화탄소로 교체함으로써 혐기성 배양기 내부에 일산화탄소 마이크로 버블이 형성되도록 하였다. 혐기성 배양기 내부에 생성되는 거품은 거품제거 용액(Antifoam Y-30 Emulsion; 씨그마알드리치)을 이용하여 제거할 수 있다.
추가적인 배지 공급이나 폐기물 배출을 하지 않는 상태로, 70 시간동안 운전하였다. 경과시간별로 시료를 채취하여 광학농도 값을 측정하고 배출가스 중 수소 함량을 측정하였다. 상기 광학농도(optical density)값은 UV-Spectrometer(Varian)를 사용하여 600nm에서 흡광도를 측정한 탁도로 하였다. 배출가스 중 수소 함량은 가스크로마토그래피(영인기기)로 측정하였다.
또한, 가스배출관과 수소포집부 사이에 총배출가스 량을 측정할 수 있는 습식 가스메터를 설치하여, 단위 시간당 총 가스 유량을 측정한 후, 배출가스 중 수소함량 측정값을 이용하여 단위시간당 총 가스 유량 측정값으로부터 단위시간당 수소생산량을 계산하였다.
그 결과를 도 4에 나타내었다.
도 4는 실시예 1을 실시한 결과를 나타내는 그래프로, 시간경과에 따른 단위시간당 수소생산량(Hydrogen production amount, L/h), 배출가스 중 수소함량(Hydrogen content, %), 배양액의 광학농도(Optical Density)를 나타낸 것이다. 도 4에서 보는 바와 같이, 시간이 경과함에 따라 광학농도 값이 증가함을 알 수 있다. 광학농도 값이 증가하는 것은 균체가 성장하는 것을 의미하므로, 본 발명의 장치와 방법에 의해 수소생산 혐기성 미생물이 효과적으로 성장함을 알 수 있다.
또한, 생산되는 수소 함량이 평균 20% 이상을 유지하며 단위 시간당 수소 생산량이 평균 50L/h 이상임을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 장치와 방법에 의해 다량의 수소를 생산할 수 있음을 알 수 있다.
100: 혐기성배양기 200: 가스버블발생기
210: 구동수단 220: 회전축
221, 227: 고정부 223: 회전체
225: 돌기 230: 배양액 유입구
240: 가스유입구 243: 필터
245: 필터 고정구 250: 유출구
263: 고정체 265: 돌기
270: 덮개 300: 배양액이송부
350, 450, 550, 650, 750, 850: 밸브 400: 일산화탄소 공급부
500: 배양액 환송부 600: 수소포집부
670: 가스배출관 690: 냉각부
700: 질소 공급부 800: 배양액 공급부
870: 배양액 공급관 900: 폐기물 저장부
970: 폐기물 이송관

Claims (12)

  1. (A) 수소생산 혐기성 미생물을 함유하는 배양액이 수용된 혐기성 배양기에서 배양액의 일부 또는 전부를 가스 버블 발생기로 이송하는 단계;
    (B) 가스 버블 발생기로 상기 이송된 배양액에 가스상의 일산화탄소를 분산시켜, 일산화탄소 가스 버블을 발생시키는 단계;
    (C) 상기 일산화탄소 가스 버블이 발생된 배양액을 가스 버블 발생기에서 상기 혐기성 배양기로 환송하여, 일산화탄소 가스 버블을 혐기성 배양기 외부에서 발생시켜 혐기성 배양기로 주입하는 단계; 및
    (D) 상기 수소생산 혐기성 미생물이 일산화탄소를 이용하여, 혐기성 배양기와 가스버블발생기를 순환하며 생산한 수소 가스를 포집하는 단계를 포함하고,
    상기 수소생산 혐기성 미생물은 써모코커스 온뉴리뉴스(Thermococcus onnurineus)이며, 상기 일산화탄소 가스 버블은 마이크로 가스 버블인,
    혐기성 미생물을 이용한 수소 생산방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 (A) 단계 이전에, 수소생산 혐기성 미생물을 함유하지 않는 배양액에 가스 버블 발생기로 질소 가스 버블을 발생시켜 혐기성 배양기에 주입함으로써, 배양기를 혐기성 상태로 만든 후, 수소생산 혐기성 미생물을 접종하는 전처리 단계를 추가로 포함하는 혐기성 미생물을 이용한 수소 생산방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 (C)단계에서 혐기성 배양기로 환송된 혐기성 미생물이 혐기성 배양기에서 생산한 수소 가스에 의해 발생된 거품을 제거하는 단계를 추가로 포함하는 혐기성 미생물을 이용한 수소 생산방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 상기 마이크로 가스 버블은 평균 입경이 0.2~100 μm인 혐기성 미생물을 이용한 수소 생산방법.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서, 상기 가스 버블발생기는 이송된 배양액과 가스상 일산화탄소를 회전하는 회전체와 정지된 고정체 사이로 통과시켜 배양액과 일산화탄소의 지속적인 충돌에 의해 일산화탄소 가스 버블을 발생시키는 혐기성 미생물을 이용한 수소 생산방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
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