KR101194942B1 - 유기성폐기물의 미세조류배양에 의한 바이오가스, 지용성물질 및 미세조류의 생산 방법 및 장치 - Google Patents
유기성폐기물의 미세조류배양에 의한 바이오가스, 지용성물질 및 미세조류의 생산 방법 및 장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 유기성폐기물의 미세조류배양에 의한 바이오가스, 지용성물질 및 미세조류의 생산 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명의 방법은, 유기성폐기물을 발효하여 유기성폐수와 바이오가스를 생산하는 과정; 생산된 상기 바이오가스를 포획하는 과정; 희석된 상기 유기성폐수로 지용성물질을 함유하는 미세조류를 배양하는 과정; 상기 미세조류의 배양액과 상기 지용성물질이 용해되는 지용성물질추출용매를 혼합하여, 상기 지용성물질추출용매를 상기 미세조류배양액에 접촉시킴으로써, 상기 미세조류의 상기 지용성물질을 상기 지용성물질추출용매에 용해시키는 과정; 상기 지용성물질이 용해된 후에, 혼합액에서 상기 미세조류를 응집, 정체 및 분리하는 과정; 상기 미세조류가 분리된 후의 상기 혼합액을, 상기 지용성물질추출용매에 상기 지용성물질이 용해된 지용성물질-용매와 물로 분획하는 과정; 및 분리된 상기 미세조류와 분획된 상기 지용성물질-용매를 각각 수득하는 과정; 을 포함한다. 본 발명의 방법과 장치는, 유기성폐기물을 발효하여 유기성폐수와 바이오가스를 생산한 후, 생산된 유기성폐수를 이용하여 미세조류를 배양함으로써, 유기성폐수를 정화하는 것은 물론, 배양된 미세조류로부터 세포비파괴 방법으로 지용성물질을 생산하고 살아있는 미세조류를 고밀도 재배양하여 미세조류 바이오매스를 대량으로 생산한다.
Description
본 발명은 유기성폐기물을 발효하고 미세조류를 배양하여 바이오가스, 지용성물질 및 미세조류를 생산하는 방법 및 장치에 관한 것이며, 보다 상세하게는 유기성폐기물을 발효하여 유기성폐수와 바이오가스를 생산한 후, 생산된 유기성폐수를 이용하여 미세조류를 배양함으로써, 유기성폐수를 정화하는 것은 물론, 배양된 미세조류로부터 세포비파괴 방법으로 지용성물질을 생산하고 살아있는 미세조류를 고밀도 재배양하여 미세조류 바이오매스를 대량으로 생산하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
도4에 도시되고, 널리 알려진 바와 같이, 유기성폐기물(음식물폐기물, 유기성 슬러지, 축산폐수 및 분뇨 등 유기물을 포함하고 있는 폐기물)을 가수분해 및 산생성 발효 공정으로 처리하면 유기성폐수와 바이오가스가 생산된다.
이렇게 생산된 유기성폐수는, 유기물질, 질소 및 인 등의 성분을 대단히 많이 포함하고 있으므로, 통상의 폐수처리 방법으로는 처리하기가 쉽지 않으며, 최근 들어 하천의 부영양화를 초래하는 유기물질, 질소/인 화합물에 대한 방류기준이 엄격히 적용되고 있으므로, 이에 대한 고도처리 기술의 개발이 시급한 실정이다.
유기성폐수로부터 영양염류를 제거하기 위하여 활성 슬러지법과 생물막법 등 다양한 물리적, 화학적 그리고 생물학적 방법들이 사용되어 왔다. 이런 방법들을 단일 혹은 복합적으로 사용하면 영양염류를 양호하게 제거할 수 있지만, 많은 운전비용과 조절의 어려움, 그리고 많은 화학약품의 요구와 과도한 슬러지의 발생 등의 단점이 있다. 따라서 이런 전통적인 폐수처리 방법을 대신하여 미세조류를 이용하는 처리 시스템이 유기물 제거 방법의 대안으로 고려되고 있다.
예를 들면, 도시하수의 안정적인 처리를 위하여 고농도의 미세조류를 이용한 처리시스템이 개발되었고, 폐수로부터 영양염류를 제거하기 위해 미세조류를 고정화하여 처리하였다. 또한 스코틀랜드에서는 물결모양의 수로에 미세조류를 배양하여 하수로부터 질소와 인을 제거하는 방법을 개발하여 실행하였다.
미세조류는 자연계에서 가장 큰 수질오염 현상인 부영양화 현상에 의해 대량 발생하며, 진핵 미세조류로써 빛을 이용하여 탄소동화작용을 할 수 있는 식물군이다. 따라서 미세조류의 인공적 성장조절이 가능하다면 수질오염 중에서 특히 부영양화 현상을 일으키는 영양물질의 제거에 매우 효율적일 것으로 예상된다.
미세조류 배양방법에는, 빛에너지, 이산화탄소 및 물을 이용한 광합성으로 미세조류가 성장하는 독립영양배양, 미세조류가 광합성을 하지 않고 유기물질로부터 탄소원을 획득하여 성장하는 종속영양배양, 그리고 독립영양과 종속영양을 병행하는 혼합영양배양이 있다.
유기성폐기물을 발효하면 바이오가스와 유기성폐수가 생산되고, 유기성폐수로 미세조류를 배양하면 미세조류가 유기물을 함유한 유기성폐수로부터 유기물질, 질소 및 인 성분을 흡수하여 성장할 수 있기 때문에, 미세조류가 유기물질, 질소 및 인 성분을 제거함과 동시에 바이오에너지 및 바이오화학제품 원료인 바이오매스, 생리활성물질 및 어류의 먹이 등과 같은 유용한 생물자원(biomass)을 생산할 수 있을 것으로 예측되며, 또한 이렇게 생산되는 미세조류는 세포내 우량 단백질의 함량이 높아 고단백 가축사료로도 이용할 수 있을 것으로 기대된다. 따라서 유기성폐기물 발효시스템과 미세조류 배양 시스템을 통합 운영한다면, 유기성폐수를 정화하는 것은 물론 부가적으로 바이오가스 및 바이오매스를 대량 생산할 수 있을 것으로 기대된다.
그러나 과다 증식한 미세조류를 회수하지 않으면 노쇠화하고 미세조류가 파괴되어 다시 유기물로 환원되므로 미세조류의 기계적인 회수방법이 요구된다. 또한 미세조류를 이용한 폐수 처리시 지역적인 특성에 따른 태양빛의 유무, 주야의 변화에 의한 광합성과 호흡의 차이, 광범위한 부지 요구, 그리고 미세조류 분리의 어려움 등이 해결하여야 할 과제이다.
미세조류로부터 오일을 포함한 지용성물질의 전통적인 추출법은, 미세조류의 배양 후 미세조류의 생장에 저해를 주는 과정인 원심분리, 여과 및 건조공정을 통해 최대한 수분을 제거한 다음에 지용성물질에 대해 선택성이 높은 용매로 지용성물질을 추출하는 것이었다. 그러나 이러한 종래의 지용성물질 추출법은 탈수과정 및 추출과정에서 미세조류가 파괴되어 유용한 바이오매스인 탄수화물, 미세조류 내 단백질 등의 성분이 유출 및 소실되고 재배양을 하거나 바이오매스를 재사용하는데 어려움이 있으며, 대규모 배양시 복잡한 공정단계로 높은 운전비용 등의 문제점이 있다.
본 발명자는 세포(미세조류)로부터 유용물질을 추출하는 종래 방법의 문제점을 해소하고자, 대한민국 특허출원 제10-2010-0043955호(2010. 05. 11 출원)의 '미세조류 배양에 의한 바이오디젤 및 발효산물 생산 방법 및 장치'. 대한민국 특허출원 제10-2010-0059100호(2010. 06. 22 출원)의 '미세조류 배양을 통한 고밀도 미세조류 및 농축된 지용성물질 생산 방법 및 장치' 및 대한민국 특허출원 제10-2010-0108998호(2010.11.04 출원)의 '세포배양을 통한 세포 및 지용성물질의 생산 방법 및 장치'를 제안한 바 있다.
상기한 본 발명자의 제안을 통해, 미세조류배양을 이용한 지용성물질 등 유용물질 추출방법에 관련하여, 기존의 복잡하고 비용이 많이 드는 추출 방법과는 달리, 미세조류의 연속배양 및 미세조류배양액과 지용성물질추출용매의 접촉을 개선하여 지용성물질과 미세조류를 높은 회수율로 획득할 수 있고, 운전비용이 저렴하며, 분획된 지용성물질로부터 유용물질을 생산하고 분획된 미세조류는 재배양하거나 에탄올, 부탄올 및 유기산과 같은 유용 발효산물의 생산에 사용할 수 있게 되었다.
본 발명의 목적은 유기성폐기물의 미세조류배양에 의한 바이오가스, 지용성물질 및 미세조류의 생산 방법 및 장치를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 목적은, 유기성폐기물을 발효하여 유기성폐수와 바이오가스를 생산하고, 생산된 유기성폐수의 오염물질인 유기물질, 질소 및 인 성분을 미세조류의 영양분으로 사용하여 미세조류를 배양함으로써 유기성폐수로부터 유기물질, 질소 및 인 성분을 제거하여 유기성폐수를 정화하는 한편, 배양된 미세조류로부터 세포비파괴 방법으로 지용성물질을 추출하고 살아있는 미세조류를 고밀도 재배양하여 대량으로 미세조류 바이오매스를 생산하여 유용한 바이오매스로 활용하는 방법 및 장치를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명에 따라 유기성폐기물의 미세조류배양에 의한 바이오가스, 지용성물질 및 미세조류의 생산 방법 및 장치가 제공된다.
본 발명에 따른 유기성폐기물의 미세조류배양에 의한 바이오가스, 지용성물질 및 미세조류의 생산 방법은, 유기성폐기물을 발효하여 유기성폐수와 바이오가스를 생산하는 과정; 생산된 상기 바이오가스를 포획하는 과정; 희석된 상기 유기성폐수로 지용성물질을 함유하는 미세조류를 배양하는 과정; 상기 미세조류의 배양액과 상기 지용성물질이 용해되는 지용성물질추출용매를 혼합하여, 상기 지용성물질추출용매를 상기 미세조류배양액에 접촉시킴으로써, 상기 미세조류의 상기 지용성물질을 상기 지용성물질추출용매에 용해시키는 과정; 상기 지용성물질이 용해된 후에, 혼합액에서 상기 미세조류를 응집, 정체 및 분리하는 과정; 상기 미세조류가 분리된 후의 상기 혼합액을, 상기 지용성물질추출용매에 상기 지용성물질이 용해된 지용성물질-용매와 물로 분획하는 과정; 및 분리된 상기 미세조류와 분획된 상기 지용성물질-용매를 각각 수득하는 과정; 을 포함한다.
바람직하게, 본 발명의 방법은, 상기 분리된 상기 미세조류를 재배양하고, 재배양된 상기 미세조류배양액을 상기 지용성물질추출용매 또는 분획된 상기 지용성물질-용매와 혼합 및 접촉시켜 상기 미세조류의 상기 지용성물질을 상기 지용성물질추출용매에 더 용해시키는 과정, 및 그 이후 과정을 반복하되, 상기 미세조류의 재배양, 상기 지용성물질의 재용해, 상기 미세조류의 재분리, 및 상기 지용성물질-용매의 재분획을 1회 이상 다수회 함으로써, 최종적으로 목적하는 고밀도의 상기 미세조류와, 목적하는 농도로 농축된 상기 지용성물질이 포함된 상기 지용성물질-용매를 수득한다.
바람직하게, 본 발명의 방법은, 상기 미세조류배양액과 상기 지용성물질추출용매를 혼합할 때, 상기 미세조류배양액을 진동 분쇄하는 과정 및 상기 혼합액을 교반하는 과정 중 적어도 하나의 과정을 실행하여, 상기 미세조류배양액과 상기 지용성물질 추출용매의 접촉을 증가시킨다.
바람직하게, 상기 유기성폐수는 pH를 5.0~5.5로 유지하면서, TCOD(총 화학적 산소 요구량)를 1,000 내지 8,000 ㎎/ℓ 이하, 질소 농도를 100 내지 250 ㎎/ℓ 이하가 되게 희석한 후 상기 미세조류를 배양한다.
본 발명에 따른 유기성폐기물의 미세조류배양에 의한 바이오가스, 지용성물질 및 미세조류의 생산 장치는, 유기성폐기물발효장치, 바이오가스수용장치, 유기성폐수수용장치, 배양장치, 용매수용장치, 혼합장치, 미세조류분리장치, 분획장치, 미세조류수용장치 및 지용성물질-용매 수용장치를 포함한다.
상기 유기성폐기물발효장치는, 유기성폐기물을 발효하여, 유기성폐수와 바이오가스를 생산한다.
상기 바이오가스수용장치는, 생산된 상기 바이오가스를 포획하여 저장한다.
상기 유기성폐수수용장치는, 생산된 상기 유기성폐수를 저장한다.
상기 배양장치는, 상기 유기성폐수수용장치에서 공급된 상기 유기성폐수로 지용성물질을 함유하는 미세조류를 배양한다.
상기 용매수용장치는, 상기 지용성물질이 용해되는 지용성물질추출용매를 저장한다.
상기 혼합장치는, 상기 배양장치로부터의 상기 미세조류의 배양액과 상기 용매수용장치로부터의 상기 지용성물질추출용매를 혼합한다.
상기 미세조류분리장치는, 상기 혼합장치의 혼합액에서 상기 미세조류를 응집, 정체 및 분리한다.
상기 분획장치는, 상기 미세조류가 분리된 상기 미세조류분리장치로부터의 용액을, 상기 지용성물질추출용매에 상기 미세조류배양액의 상기 지용성물질이 용해된 지용성물질-용매와, 물로 분획한다.
상기 미세조류수용장치는, 상기 미세조류분리장치에서 분리된 상기 미세조류를 수용하거나 목적하는 유용물질로 처리한다.
상기 지용성물질-용매 수용장치는, 상기 분획장치에서 분획된 상기 지용성물질-용매를 수용하거나 상기 지용성물질-용매의 상기 지용성물질을 목적하는 유용물질로 처리한다.
바람직하게, 상기 미세조류분리장치는, 상기 혼합액에 초음파공명장을 적용하여 상기 혼합액에서 상기 미세조류를 분리하는 초음파공명장 발생장치 및 상기 혼합액에 중력침강을 적용하여 상기 혼합액에서 상기 미세조류를 분리하는 중력침강장치 중에 선택되는 하나의 장치이다.
바람직하게, 본 발명의 장치는, 상기 미세조류분리장치에서 분리된 상기 미세조류를 상기 배양장치로 순환하는 미세조류순환라인; 및 상기 분획장치에서 분획된 상기 지용성물질-용매 또는 상기 지용성물질-용매 수용장치로부터의 상기 지용성물질추출용매를 상기 용매수용장치로 순환하는 용매순환라인; 을 더 포함한다. 본 구체예에서, 상기 미세조류수용장치는, 상기 미세조류순환라인을 통해 상기 배양장치에서 1회 또는 2회 이상 재배양한 후에 상기 미세조류분리장치에서 최종 분리한 고밀도의 상기 미세조류를 수용하거나 처리한다. 본 구체예에서, 상기 지용성물질-용매 수용장치는, 상기 용매순환라인을 통해 상기 분획장치에서 1회 또는 2회 이상 재분획한 후에 상기 분획장치에서 최종 분획한 농축된 상기 지용성물질이 포함된 상기 지용성물질-용매를 수용하거나 처리한다.
바람직하게, 본 발명의 장치는, 상기 배양장치의 상기 미세조류배양액과 상기 용매수용장치의 상기 지용성물질추출용매를 상기 혼합장치로 일정량 공급하는 제1 연동펌프; 상기 미세조류분리장치에서 분리된 상기 미세조류를 그 밀도에 따라 상기 미세조류순환라인을 통해 상기 배양장치로 공급하거나 상기 미세조류수용장치로 공급하는 제2 연동펌프; 상기 분획장치에서 분획된 상기 지용성물질-용매를 상기 지용성물질의 농축도에 따라 상기 용매순환라인을 통해 상기 용매수용장치로 공급하거나 상기 지용성물질-용매 수용장치로 공급하는 제3 연동펌프; 및 상기 지용성물질-용매 수용장치에서 상기 지용성물질-용매를 처리한 후에 회수된 상기 지용성물질추출용매를 상기 용매순환라인을 통해 상기 용매수용장치로 공급하는 제4 연동펌프(5); 를 더 포함한다.
바람직하게, 상기 혼합장치는, 상기 미세조류배양액과 상기 지용성물질추출용매의 접촉을 증가시키도록, 상기 미세조류배양액을 진동 분쇄하는 진동분쇄장치 및 상기 혼합액을 교반하는 교반장치 중 적어도 하나의 장치를 포함한다.
바람직하게, 본 발명의 장치는, 상기 분획장치에서 분획된 물을 수용하는 물수용장치를 더 포함한다.
본 발명에서 상기 유기성폐기물은 음식물폐기물, 유기성 슬러지, 축산폐수 및 분뇨 등 유기물질이 포함된 폐기물로서, 바람직하게 음식물폐기물이다.
본 발명에 따른 방법의 상기 유기성폐기물을 발효하는 과정에서, 널리 알려진 바와 같이, 발효하기 전단계로서 유입된 상기 유기성폐기물에서 각종 현탁물질을 제거할 수 있고, 이런 현탁물질의 제거를 위한 물리적 방법으로는 입자의 크기나 입자의 비중차 및 자성 등의 성질을 이용한 체분리, 여과, 초미분 여과, 투석, 침강법, 증류법 및 증발법 등을 적용할 수 있다.
본 발명에 적용된 발효과정은, 널리 알려진 바와 같이, 가수분해과정과 산생성 과정으로 구성된다.
상기 유기성폐기물(예, 음식물폐기물)이 가수분해균과 발효균의 가수분해효소에 의해 유기화합물(탄수화물, 단백질, 지질)로 분해되는 과정이 가수분해이다. 음식물폐기물 중에 많은 부분을 차지하는 식물성 바이오매스 (주로 셀룰로오스로 구성)를 호기적으로 매우 빨리 분해할 수 있는 Cellulomonas나 Flavobacterium 등의 고온균을 이용하여 발효시키면, 용해성인 이당류, 단당류 또는 아세트산으로 분해하여 상기 유기성폐수를 생산하게 된다.
상기 산생성 과정은, 산생성균에 의해 가수분해산물이 프로피온산, 부틸산, 아세트산, 기타 저분자 유기산 및 수소, 이산화탄소로 전환되는 과정이다. 가수분해단계에서 생성된 용존성 저분자 유기물을 프로피온산, 부틸산으로 분해시키는 미생물이 산생성균이고, 이들 미생물에 의해 생성된 유기산을 아세트산으로 분해하는 미생물은 아세트산 생성균이다. 상기 산생성과정은 가수 분해되어 생성된 단당들이 프로피온산이나 부틸산까지 분해되는 과정과 프로피온산 등을 이용하여 최종적으로 아세트산으로 분해되는 아세트산생성(acetogenic) 과정으로 나누어지며, 아세트산생성 단계에서는 기질(젖산, 프로피온산, 부틸산, 발레릭산: 긴 탄소 고리를 가진 지방산, 에탄올)이 분해되어 아세트산, 수소, 이산화탄소가 만들어진다. Clostridium을 이용하여 용존성 저분자 유기물을 아세트산, 뷰티르산 또는 에탄올로, 혹은 상기 저급지방산을 아세트산 및 수소로 변화시키는 발효공정으로도 상기 유기성폐수가 생산된다. 또한, 메탄생산균에 의해 메탄발효공정에 의해서도 상기 유기성폐수와 메탄(바이오가스)이 생산된다. 바이오가스에는 수소 및 메탄 등을 포함한다.
상기 미세조류의 배양에서 상기 미세조류의 성장을 증진시키기 위하여 무기질을 추가로 첨가할 수 있다. 상기 무기질은 Mg2+, Ca2+, 및/또는 인 등이다. 상기 유기성폐수에 Mg2+ 또는 Ca2+ 을 첨가하고 상기 유기성폐수의 질소와 인의 비율을 조절함으로써, 상기 미세조류의 성장을 증진시켜 폐수 처리 효율을 증진시킬 수 있다.
상기 유기성폐수에 첨가하는 Mg2+ 의 농도는 100 내지 1,000 ㎎/ℓ, 바람직하게 200 내지 700 ㎎/ℓ이며, 더욱 바람직하게 300 내지 500 ㎎/ℓ이다.
상기 유기성폐수에 첨가하는 Ca2+의 농도는 10 내지 300 ㎎/ℓ이고, 바람직하게 50 내지 200 ㎎/ℓ이며, 더욱 바람직하게 100 내지 150 ㎎/ℓ이다.
상기 유기성폐수에 첨가하는 인은, 상기 유기성폐수의 질소와 인의 비율이 20:1 내지 3:1이 되게, 바람직하게 15:1 내지 5:1이 되게, 더욱 바람직하게 12:1 내지 10:1이 되게 첨가한다.
바람직하게, 상기 지용성물질추출용매는 탄화수소 용매이다.
본 발명에 따른 유기성폐기물의 미세조류배양에 의한 바이오가스, 지용성물질 및 미세조류의 생산 방법 및 장치는, 유기성폐기물을 발효시켜 바이오가스와 유기성폐수를 생산한 후, 생산된 유기성폐수를 영양분으로 하여 미세조류를 배양함으로써 유기성폐수에 존재하는 유기물질, 질소 및 인성분 등을 제거하고, 지용성물질을 함유한 미세조류의 배양액을 지용성물질추출용매와 혼합하여 미세조류의 지용성물질이 지용성물질추출용매에 용해되도록 하고, 혼합액을 미세조류분리장치에 적용하여 미세조류를 분리시키고, 미세조류가 제거되고 남은 용액을 지용성물질-용매와 물로 분획하는 과정을 통해, 세포손상 없는 미세조류와 함께 지용성물질이 포함된 지용성물질-용매를, 별도의 분리 전처리가 필요 없이 고밀도와 고농도로 획득하는 방법 및 장치로서, 저렴한 운전비용으로 유기성폐기물의 처리와 바이오가스를 생산할 수 있고, 높은 생산 수율로 세포손상이 없는 미세조류와 지용성물질을 획득할 수 있는 효과가 있으며, 이로써 유기성폐기물의 처리와 바이오가스의 생산은 물론, 바이오화합물, 의약품, 건강기능성식품, 바이오연료 및 단백질가수분해산물 등의 생산에 사용할 수 있는 미세조류(바이오매스)와, 의약품, 건강기능성 식품, 바이오디젤 등의 생산에 사용할 수 있는 지용성물질의 생산성을 극대화할 수 있다.
본 발명에 따른 장치와 방법은, 상기 미세조류분리장치를 통해 분리된 미세조류를 재배양하여 재배양된 미세조류에 대해 미세조류를 분리하고 지용성물질을 추출하는 이후의 과정을 필요한 만큼 반복적으로 실행함으로써, 미세조류와 지용성물질이 포함된 지용성물질-용매를, 고밀도와 고농도로 획득할 수 있다.
본 발명에 따른 방법 및 장치는, 미세조류를 파괴시키지 않는 상태로 지용성물질을 추출하므로, 미세조류에 존재하는 다른 유용 성분들의 유실을 방지할 수 있어 지용성물질이 추출된 미세조류의 유용성이 향상되며, 순환 반복 배양으로 미세조류의 생산성 및 유기성폐수의 처리를 극대화시 킬 수 있다.
본 발명에 따른 방법 및 장치는, 미세조류배양액과 지용성물질추출용매의 효과적인 접촉을 통해, 지용성물질과 미세조류의 생산 수율을 더욱 향상시킬 수 있다.
도1은 본 발명에 따른 예시적인 방법이 적용된 본 발명에 따른 예시적인 장치의 개략도,
도2는 본 발명에 적용되는 예시적인 혼합장치 및 미세조류분리장치(초음파공명장 발생장치)의 개략도,
도3은 본 발명에 적용되는 예시적인 미세조류분리장치(중력침강장치)의 개략도.
도4는 유기성폐기물(음식물폐기물)의 발효에 의한 유기성폐수 및 수소(바이오가스)의 생산 흐름도.
도2는 본 발명에 적용되는 예시적인 혼합장치 및 미세조류분리장치(초음파공명장 발생장치)의 개략도,
도3은 본 발명에 적용되는 예시적인 미세조류분리장치(중력침강장치)의 개략도.
도4는 유기성폐기물(음식물폐기물)의 발효에 의한 유기성폐수 및 수소(바이오가스)의 생산 흐름도.
이하, 본 발명에 따른 유기성폐기물의 미세조류배양에 의한 바이오가스, 지용성물질 및 미세조류의 생산 방법 및 장치를 보다 상세히 설명한다. 이하의 구체예는 본 발명을 예시적으로 설명하는 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 아니한다.
먼저, 도1을 참조하여, 본 발명에 따른 유기성폐기물의 미세조류배양에 의한 바이오가스, 지용성물질 및 미세조류의 생산 장치(1)를 설명한다.
도1에 예시된 바와 같이, 본 발명에 따른 장치(1)는, 기본적으로, 유기성폐기물발효장치(10), 바이오가스수용장치(20), 유기성폐수수용장치(30), 배양장치(40), 용매수용장치(50), 혼합장치(60), 미세조류분리장치(70), 분획장치(80), 미세조류수용장치(90) 및 지용성물질-용매 수용장치(100)를 포함한다.
상기 발효장치(10)는 음식물폐기물 등과 같이 탄수화물, 단백질, 지방 등 복잡한 유기성 화합물을 함유하는 유기성폐기물을 발효로 분해하여 바이오가스와 유기성폐수를 생산하는 장치이다. 또한, 발효장치(10)에서 발생하는 이산화탄소를 포획하여 미세조류의 배양에 필요한 이산화탄소를 공급할 수도 있다.
상기 바이오가스수용장치(20)는, 발효장치(10)에서 생산된 수소와 메탄 등의 바이오가스를 포획 및 저장하고, 필요에 따라 목적하는 용도로 처리하는 장치이다.
상기 유기성폐수수용장치(30)는, 발효장치(10)에서의 발효의 결과로 생산된 유기성폐수(즉, 발효액)를 저장하고, 이후의 과정에 공급하는 장치이다.
상기 배양장치(40)는 유기성폐수수용장치(30)에서 공급된 유기성폐수로 상기 미세조류를 배양하는 장치이다. 본 발명에 적용되는 미세조류는 지용성물질을 함유하는 미세조류이다.
배양장치(40)는 미세조류를 포함한 미생물을 배양시키기에 적당한 시스템을 폭넓게 사용할 수 있다. 배양장치(40)에는, 연못, 인공적인 노지 배양시설물, 바이오리액터(bioreactors), 플라스틱 백(plastic bags), 튜브(tubes), 발효조(fermentors), 쉐이크 플라스크(shake flasks), 공기압 리프트 칼럼(air lift columns) 등이 포함되며, 미생물을 발효할 수 있는 것이라면 그 형식에 제한이 없다.
도1에 예시된 본 발명의 장치(1)는, 발효장치(10)와 유기성폐수수용장치(30)가 배양장치(40)와 하나의 연속된 플랜트로 구성된 예를 도시하고 있지만, 원격의 발효장치(10)와 유기성폐수수용장치(30)에 의해 원격에서 유기성폐수를 생산하여 배양장치(40)로 이송하여 공급하는 시스템도 본 발명에 포함되는 것으로 이해되어야 할 것이다.
상기 용매수용장치(50)는 미세조류배양액에서 지용성물질을 추출하기 위한 지용성물질추출용매를 저장하고, 이후의 과정에 공급하는 장치이다.
상기 혼합장치(60)는 배양장치(40)에서 공급된 미세조류배양액과 용매수용장치(50)에서 공급된 지용성물질추출용매를 균일하게 혼합하는 장치이다. 혼합장치(60)는 미세조류배양액과 지용성물질추출용매를 바람직하게 5:1비율로 혼합한다.
바람직하게, 혼합장치(60)에는, 도2에 도시된 바와 같이, 진동분쇄장치(61)를 설치하여 미세조류배양액을 진동 분쇄할 수 있다. 진동분쇄장치(61)는, 초음파의 고에너지 공명 또는 음향 방사(acoustical radiation)로 배양액을 진동 분쇄한다. 진동분쇄는 분자 집합체를 분리하거나 투과시키기 위해 분자집합체를 분쇄한다. 진동분쇄는 미세조류배양액을 작은 입자로 만들어 미세조류가 더 많은 지용성물질추출용매에 노출(접촉)되도록 하여 지용성물질추출효율을 향상시킨다.
진동분쇄장치(61)와 함께 또는 진동분쇄장치(61)를 대신하여 미세조류배양액과 지용성물질추출용매의 용액을 교반하여 주는 교반장치(62)를 설치할 수 있으며, 교반장치(62)도 미세조류배양액과 지용성물질추출용매의 접촉을 증가시켜 지용성물질추출효율을 향상시킨다.
상기 미세조류분리장치(70)는 혼합장치(60)에서 공급된 미세조류배양액과 지용성물질추출용매의 혼합액에 예를 들어 초음파공명장 또는 중력침강 등을 적용한 연속관류배양을 실행하여 지용성물질이 추출된 미세조류들이 서로 응집되도록 함으로써 혼합액에서 미세조류들이 응집, 정체 및 분리되도록 하는 장치이다.
미세조류분리장치(70)의 예로서는 초음파공명장에 의해 미세조류를 분리하는 도2의 초음파공명장 발생장치(71) 또는 중력침강에 의해 미세조류를 분리하는 도3의 중력침강장치(76)를 적용할 수 있다.
초음파공명장 발생장치(71)로서는 예를 들어 어쿠스틱세포필터(Acoustic Cell Filter)(Nature Biotechnology 12, 281 - 284 (1994)를 적용할 수 있다. 초음파공명장 발생장치(71)는 상기 혼합액에 초음파공명장(Ultrasonic Resonance Field)을 가하여 미세조류가 응집 및 분리되도록 한다. 이런 초음파공명장 발생장치(71)는, 예를 들어 미국특허 5711888(1998. 01. 27 등록)의 'Mutilayered plezoelectric resonator for the separation of suspended particles'를 참조할 수 있다.
도2에 예시된 어쿠스틱세포필터(71)는, 어쿠스틱챔버(Acoustic chamber; 72), 초음파 발진기(Generator: 73), 초음파 진동자(Transducer; 74) 그리고 반사막(Reflector; 75)을 포함하며, 혼합액의 미세조류들에 대해 초음파공명장을 가하여 미세조류들이 초음파공명장 내에서 응집되어 응집체(aggregates)를 형성하도록 한다.
미세조류분리장치(70)에 어쿠스틱세포필터와 같은 초음파공명장 발생장치(71)를 설치함에 따라, 초음파 발진기(73)의 작용으로 초음파 진동자(74)에 의해 제1 진행파를 발생시키고, 초음파 진동자(74)에서 반사막(75)에 가해진 제1 진행파는 반사막(75)에서 역방향으로 반사하여 제2 진행파를 발생시키며, 결국 초음파 진동자(74)에서 발생한 제1 진행파와 반사막(75)에서 반사되어 반대방향으로 진행하는 제2 진행파가 어쿠스틱챔버(72)에서 충돌하여, 초음파 진동자(74)와 반사막(75) 사이에 정재파(standing wave)를 발생시킨다. 정재파는 서로 반대방향에서 나오는 두 개의 독립적인 진행파(traveling wave)가 합쳐져 형성한다.
이와 같은 초음파의 정재파는, 일정 거리 이격하여 서로 마주보게 설치된 초음파 진동자(예, 압전 트랜스듀서: piezoelectric transducer)와 반사막의 구조나, 일정 거리 이격하여 서로 마주보게 설치된 두 개의 독립적인 초음파 진동자로부터 발생시킬 수 있다.
초음파의 정재파는 마디(node: 절)와 배(antinode) 부분을 가지게 되는데 이러한 초음파의 정재파의 압력진폭(pressure amplitude)은 배 부분에서 가장 크며 마디에서 최소값을 갖고 하나의 파장에 두 번씩 나타난다. 이렇게 형성된 초음파공명장 내에서 입자, 미세조류 또는 방울(droplet)의 불연속성(discontinuity) 때문에 초음파공명장에는 위치 의존성 음향에너지(position-dependent acoustic potential energy)를 형성한다. 이러한 현상에 의해 미세조류는 음향에너지(acoustic potential energy)가 가장 낮은 곳으로 이동하여 초음파의 정재파에 포집(entrapment)된다. 이로써 미세조류는 파장의 절반의 위치마다 존재하는 압력절점(pressure node)에 포집된다. 이렇게 포집된 입자들은 정상파 내부에서 응집되어 응집체(aggregates)를 형성한다.
다른 초음파공명장 발생장치로서는, 상부유리기판의 양끝에 연결되어 있으며 외부로부터의 전기적 입력을 기계적 진동으로 변환하여 상기 상부유리기판에 가하는 압전 트랜스듀서, 및 상기 상부유리기판과 평행한 하부기판 상에 배열된 하나 혹은 N개의 전극을 포함하되, 상기 상부유리기판과 상기 하부기판의 사이는 미세조류가 혼합된 유체로 채워지고, 상기 각 전극은 상기 압전 트랜스듀서의 길이 방향과 수직인 방향으로 놓여져 있으며, 상기 N개의 전극들은 상기 압전 트랜스듀서의 길이 방향을 따라 일정 간격으로 배열되어 있는 미세조류분리장치를 적용할 수 있다(도시 생략).
이런 초음파공명장 발생장치에 의하면, 상기 압전 트랜스듀서에 의해 상기 상부유리기판에 가해진 진동은 상기 상부유리기판을 진행하는 표면파를 발생시키고, 표면파의 진행방향과 반대방향으로 진행하는 다른 표면파와 충돌하여, 유체 내의 미세조류 등의 입자를 상기 압전 트랜스듀서의 길이 방향과 수직이면서, 상기 상부유리기판에 수직인 방향으로 움직이는 정재파(standing wave)를 발생시킨다. 상기 표면파에 의해 상기 유체 내에는 상기 상부유리기판에서 상기 하부기판으로 진행하는 어쿠스틱(acoustic)파를 발생시키고, 상기 어쿠스틱파는 상기 하부기판에서 반사되어 상기 상부유리기판으로 반사되면서 상기 유체 내에 초음파공명장을 생성시킨다.
상기 중력침강장치(76)는 미세조류와 배지의 침강속도(sedimentation velocity)의 차이, 장치 내에 용액이 흐르는 관의 기울기 및 전자기 진동자(Electromagnetic vibrator) 등을 이용하여 미세조류를 응집시켜 정체 및 분리시킨다. 중력침강장치(76)로서는 예를 들어 Cell settler(Biotechnology Solutions 사, USA)를 사용할 수 있다.
도3에 예시한 중력침강장치(76)는 내부에 일정 간격을 두고 일정한 경사를 이루는 다수 층의 경사판(76a)을 복수개 설치한 구성으로서, 도시된 구체예에서 경사판(76a)은 상부와 하부의 2단으로 구성되어 있다. 경사판(76a)들은 상하 일정 간격의 상부, 중간 및 하부 거치프레임(76b)에 의해 지지된다. 상부의 경사판(76a)과 하부의 경사판(76a)은 서로 엇갈리게 설치되며, 이는 유하되는 유속을 감소시켜 미세조류의 침전효율을 향상시키기 위함이다.
상기 혼합장치(60)로부터의 미세조류배양액과 지용성물질추출용매의 혼합액은, 유입구(76c)를 통해 중력침강장치(76)로 유입되어 침강과정을 거치게 된다. 경사판(76a)의 후단에는 침강된 미세조류를 수집 후 배출시키기 위한 미세조류수집부(76d)가 설치되어 있고, 미세조류수집부(76d)에 수집된 미세조류는 미세조류수집부(76d)에 설치된 미세조류배출구(76e)를 통해 외부로 배출된다. 침강 완료된 미세조류가 제거된 용액은 상측의 유출웨이(76f)를 넘어 용액 배출구(76g)를 통해 흘러나가 다음 처리단계로 넘어가게 된다.
바람직하게, 중력침강장치(76)에는 진동발생부(76h)를 설치하여 경사판(76a)을 좌·우로 유동시킴으로써 경사판 내측에 응집 및 정체된 미세조류를 효과적으로 분리하도록 할 수 있다.
상기 분획장치(80)는 미세조류분리장치(70)에서 공급된 미세조류가 제거된 용액(지용성물질-용매; 미세조류배양액의 지용성물질이 지용성물질추출용매에 용해된 용액)을, 물과 지용성물질-용매로 분획하는 장치이다.
상기 미세조류수용장치(90)는, 미세조류분리장치(70)에서 분리된 미세조류를 수용하거나 필요에 따라 목적하는 유용물질로 처리하는 장치이다.
본 발명의 장치(1)가 미세조류로부터 에탄올 생산을 위해 구축된 장치인 경우 미세조류수용장치(90)는 에탄올 발효조이고, 부탄올 생산을 위해 구축된 장치인 경우 미세조류수용장치(90)는 부탄올 발효조이고, 유기산 생산을 위해 구축된 장치인 경우 미세조류수용장치(90)는 유기산 발효조이며, 단지 미세조류수용장치(90)가 다음 공정을 위해 미세조류를 저장하고 있을 경우에는 저장조이다.
상기 지용성물질-용매 수용장치(100)는 분획장치(80)에서 분획된 지용성물질-용매를 수용하거나 지용성물질-용매의 지용성물질을 목적하는 유용물질로 처리하는 장치이다. 지용성물질-용매 수용장치(100)가 단지 이후의 목적하는 공정을 위해 지용성물질-용매를 저장하고 있을 경우에 지용성물질-용매 수용장치(100)는 저장조이고, 지용성물질-용매로부터 색소를 생산하기 위한 목적일 경우에 색소추출장치이고, 지질을 생산하기 위한 목적일 경우 지질추출장치이며, 색소와 지질을 동시에 추출을 위한 목적일 경우 색소-지질 추출장치가 된다.
바람직하게, 본 발명의 장치(1)는 물수용장치(110)를 더 포함한다. 물수용장치(110)는 분획장치(80)에서 분획된 물을 수용 및 저장하고, 필요에 따라 다른 공정으로 물을 공급하여 재활용 되도록 하는 장치이다. 물수용장치(110)에 저장된 물이 목적하는 공정에 적합하지 않을 경우 물수용장치(110)에는 저장된 물을 목적에 맞는 물로 처리하기 위한 수단들을 구비시킬 수 있다.
바람직하게, 본 발명의 장치는 미세조류순환라인(120) 및 용매순환라인(130)을 더 포함하고, 선택적으로 물순환라인(140)을 더 포함할 수 있다.
상기 미세조류순환라인(120)은 미세조류분리장치(70)에서 분리된 미세조류 중에 미세조류수용장치(90)로 이송하지 않은 미세조류를 배양장치(40)로 다시 순환하는 라인이다. 이 경우에 미세조류수용장치(90)는, 미세조류순환라인(120)을 통해 배양장치(40)에서 1회 또는 2회 이상 재배양한 후에 미세조류분리장치(70)에서 최종적으로 분리한 고밀도의 미세조류를 수용 또는 처리하게 된다.
상기 용매순환라인(130)은, 분획장치(80)에서 분획된 지용성물질-용매 또는 지용성물질-용매 수용장치(100)로부터의 지용성물질추출용매를 용매수용장치(50)로 다시 순환하는 라인이다. 이 경우에 지용성물질-용매 수용장치(100)는, 용매순환라인(130)을 통해 분획장치(80)에서 1회 또는 2회 이상 재분획한 후에 분획장치(80)에서 최종적으로 분획한, 지용성물질이 더욱 농축된 지용성물질-용매를 수용 또는 처리하게 된다.
상기 물순환라인(140)은 분획장치(80)에서 분획된 물을 발효장치(10) 등으로 순환하여 재사용 되도록 하는 라인이다.
본 발명의 장치(1)에서, 바람직하게 배양장치(40)의 미세조류배양액과 용매수용장치(50)의 지용성물질추출용매는 제1 연동펌프(2)에 의해 일정한 유량으로 혼합장치(60)로 공급한다. 이를 위해, 배양장치(40)로부터의 라인과 용매수용장치(50)로부터의 라인을 각각 제1 연동펌프(2)에 연결하고, 제1 연동펌프(2)로부터의 라인은 혼합장치(60)에 연결하며, 혼합장치(60)로부터의 라인은 미세조류분리장치(70)에 연결한다.
바람직하게, 미세조류분리장치(70)에서 분리된 미세조류의 전부 또는 일부는 미세조류수용장치(90)로 공급하여 이후 목적에 따라 에탄올, 부탄올 또는 젖산과 같은 유기산 등의 원료로 사용할 수도 있고, 분리된 미세소류의 전부 또는 일부는 미세조류순환라인(120)을 통해 배양장치(40)로 재순환하여 재배양 함으로써 미세조류의 밀도를 고밀도화 할 수 있다. 이를 위해 미세조류분리장치(70)에서 분리된 미세조류를 그 밀도에 따라 선택적으로 미세조류순환라인(120)을 통해 배양장치(40)로 이송하거나 미세조류수용장치(90)로 이송하도록 작동하는 제2 연동펌프(3)를 미세조류분리장치(70)와 미세조류수용장치(90)를 연결하는 라인과 미세조류순환라인(120) 사이에 설치할 수 있다.
바람직하게, 분획장치(80)에서 분획된 지용성물질-용매의 전부 또는 일부는 지용성물질-용매 수용장치(100)로 공급하여 이후 목적에 따라 예를 들어 지질추출 등의 원료로 사용할 수도 있고, 분획된 지용성물질-용매의 전부 또는 일부는 용매순환라인(130)을 통해 용매수용장치(50)로 순환하여 분획에 재사용함으로써 분획한 지용성물질-용매에 지용성물질이 더욱 농축되도록 할 수 있다. 이를 위해 분획장치(80)에서 분획된 지용성물질-용매를 그 농축도에 따라 용매수용장치(50)로 이송하거나 지용성물질-용매 수용장치(100)로 이송하도록 작동하는 제3 연동펌프(4)를 분획장치(80)와 지용성물질-용매 수용장치(100)를 연결하는 라인과 용매순환라인(130) 사이에 설치할 수 있다.
지용성물질-용매 수용장치(100)에서 지질 등의 유용물질을 추출한 경우에, 바람직하게 유용물질을 추출한 후에 회수된 지용성물질추출용매가 용매순환라인(130)을 통해 용매수용장치(50)로 이송되도록 용매순환라인(130)에는 제4 연동펌프(5)를 설치할 수 있다.
바람직하게, 물순환라인(140)에는 제5 연동펌프(6)를 설치하여 물수용장치(110)의 물을 물순환라인(140)을 통해 발효장치(10)로 공급되도록 할 수 있다.
이하, 도1 내지 도4를 참조하여, 본 발명에 따른 유기성폐기물의 미세조류배양에 의한 바이오가스, 지용성물질 및 미세조류의 생산 방법을 설명한다.
1. 유기성폐기물(음식물폐기물)의 발효
유기성폐기물(예, 음식물폐기물)을 발효장치(10)로 반혐기성 혹은 혐기성 가수분해/산생성 발효시킴으로써 유기성폐수와 바이오가스를 생산한 후, 생산된 상기 유기성폐수를 사용하여 미세조류를 배양하고 바이오가스는 포획하여 에너지원으로 사용한다. 발효장치(10)는 발효온도를 예를 들어 45℃로 유지할 수 있고, 사용된 균주는 음식물에 많이 존재하는 탄수화물, 단백질, 지방 등 복잡한 유기물을 분해할 수 있는 균주이며, 그 예는 표 1과 같다.
| 공정 | 균 주 | 분해능력 |
| 반혐기성 가수분해/ 산생성 발효 |
Cellulomonas cellulans | cellulose, chitin, pectin |
| Flavobacterium breve | cellulose | |
| Bacillus amyloliquefaciens | 탄수화물 | |
| Bacillus licheniformis | 단백질 | |
| Bacillus subtilis | 탄수화물, 단백질 | |
| Bacillus alcalophilus | 지방질 | |
| 혐기성 산 발효 |
Clostridium acetobutyricum
Clostridium butyricum |
당, 아미노산, 긴 사슬 지방산 |
| 혐기성 메탄 발효 | Metanogenic mibrobes | 아세테이트, 포메이트 |
음식물폐기물을 수거하여 물과 1:1의 비율로 혼합한 후 미생물들에 의해 분해가 잘 되도록 파쇄기로 잘게 분쇄하여 사용한다. 반혐기성 조건에서 2일간의 체류시간을 거친 후 생성된 발효액(유기성폐수)은 아래로 배출되도록 하고, 펌프를 이용해서 유기성폐수수용장치(30)에 유입되도록 한다. 발효장치(10)에서 생성된 유기성폐수는 유기성폐수수용장치(30)의 아래로부터 유입되고 체류하도록 한다. 유기성폐수수용장치(30)의 내부에서 COD(화학적 산소 요구량), 질소 및 인을 측정하여 미세조류의 성장에 적합하도록 조정한다.
음식물폐기물을 반혐기성 가수분해/산생성 발효시켜 생산된 유기성폐수를 사용하여 바로 미세조류를 배양할 수도 있고, 2차적으로 혐기성 가수분해/산생성 발효를 더 실행하여 수소 및 유기성폐수를 얻고, 3차적으로 메탄 생성균에 의한 메탄 발효를 추가로 실행하여 얻은 유기성폐수로 미세조류를 배양할 수도 있다.
본 발명의 발효공정에서는 수소와 메탄과 같은 바이오가스가 발생하며 생산된 바이오가스는 바이오가스수용장치(20)로 포획하여 필요한 용도에 사용한다.
2. 미세조류의 배양
배양장치(40)에서 배양하는 미세조류로는 지용성물질을 함유하는 미생물로서, 스피룰리나(Spirulina), 아나베나(Anabaena), 시네코코쿠스(Synechococcus), 시네코시스티스(Synechocystis), 아나시스티스(Anacystis), 노스톡(Nostoc), 오실라토리아(Oscillatoria)등의 시아노세균과 클로렐라(Chlorella), 두나리엘라(Dunalialla), 헤마토코쿠스(Haematococcus), 아이소크라이시스(Isochrysis), 세네데스무스(Scenedesmus), 클라미도모나스(Chlamydomonas), 포르파이리디움(Porphyridium) 등을 사용할 수 있다.
본 발명에서 예로서 사용한 미세조류는 Chlorella protothecoides으로서, 독립영양, 종속영양 및 혼합영양으로 배양이 가능하다. C. protothecoides는 대부분의 미세조류보다 10배 이상의 미세조류 밀도로 배양이 가능하여 바이오매스 확보 차원에 매우 적절하다. C. protothecoides는 종속영양상태인 이상적인 조건에서 최대 116 gfw/L의 수율로 바이오매스를 분리할 수 있으며, 바이오매스의 55%를 지질로 저장할 수 있다.
C. protothecoides는 글루코오스 또는 옥수수 감미료 가수분해물(CSH)에 종속 영양적으로 성장할 수 있다. 종속영양 성장은 지질 함량을 증가시키고, 태양 에너지에 대한 직접적 의존성을 감소시킬 수 있다. C. protothecoides로부터 생산된 바이오디젤의 에너지 밀도는 석유 기반 디젤과 실질적으로 동등하다. C. protothecoides로부터 생산된 바이오디젤의 냉각필터 플러그 온도(cold filter plugging temperature)는 디젤 연료보다 낮다. Chorella는 분자생물적인 방법으로 엔지니어링하기에 용이하고 강화된 CO2로 대규모 광바이오반응기에서 배양이 가능하다.
3. 미세조류를 이용한 유기성폐수의 처리
일반적인 폐수는 질소원에 비해 탄소원의 상대적 비율이 낮아 기존의 미생물을 사용한 폐수 처리방법은 질소제거 효율이 낮으며, 활성슬러지 방법은 폐수에서 BOD(생물학적 산소 요구량: Biochemical Oxygen Demand)를 90% 이상 제거할 수 있으나 질소는 20 내지 50% 정도만을 제거할 수 있다. 현재까지 에탄올이나 포도당과 같은 별도의 유기 탄소원을 공급하여 인위적으로 C/N의 비율을 높임으로써 질소를 제거해 왔는데, 이러한 처리방법은 폐수에 포함된 질소가 충분히 제거되지 않는 상태에서 하천에 방출되면 적조 현상을 유발하여 생태계를 교란시킬 뿐만 아니라 경제적인 피해를 줄 수 있다.
미세조류를 이용하여 폐수를 처리하는 다양한 방법들이 개발되고 있다. 미세조류의 독립영양배양을 이용하는 경우에는 빛, 이산화탄소, 물 및 질소가 필요한데, 질소는 유입수로부터 공급받게 되므로 미세조류의 성장에 비례하여 폐수에서 질소가 효율적으로 제거된다는 보고가 많다.
본 발명에서는 유기성 탄소원이 충분히 포함된 음식물폐기물 발효액이나 축산폐수 발효액 등과 같은 유기성폐수에 대해 인위적으로 유기물질 및 질소성분의 농도를 조절한 후에, 미세조류의 배양으로 유기성폐수를 처리한다.
미세조류를 종속영양 혹은 혼합영양으로 배양하는 경우, 유기성 탄소원, 이산화탄소, 물 및 질소가 필요하다. 배양되는 미세조류는 유기성 탄소원이 충분히 포함된 유기성폐수(즉, 유기성폐기물의 발효액, 특히, 음식물 쓰기의 발효액)로부터 유기성 탄소원 및 질소를 공급받게 되므로 종속영양 혹은 혼합영양에 의해 미세조류의 성장이 활발하게 일어나고 이에 비례하여 유기성폐수(축산폐수 혹은 음식물폐기물의 발효액)에 포함된 유기성 탄소원 및 질소를 제거할 수 있다.
미세조류를 종속영양 혹은 혼합영양으로 배양하는 경우, 바람직하게, 상기 유기성폐수는 pH를 5.0~5.5로 유지하면서, TCOD(총 화학적 산소 요구량)를 1,000 내지 8,000 ㎎/ℓ 이하, 질소 농도를 100 내지 250 ㎎/ℓ 이하가 되게 희석한 후 상기 미세조류를 배양한다.
미세조류의 성장을 증진시키기 위하여 무기질을 추가로 첨가한다. 무기질은 Mg2+, Ca2+, 인으로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 무기물을 첨가한다.
유기성폐수에 Mg2+ 또는 Ca2+ 을 첨가하고 질소와 인의 비율을 조절함으로써, 미세조류의 성장을 증진시켜 유기성폐수의 처리 효율을 증가시킬 수 있다. 유기성폐수에 첨가하는 Mg2+의 농도는 100 내지 1,000 ㎎/ℓ이고, 200 내지 700 ㎎/ℓ인 것이 바람직하고, 300 내지 500 ㎎/ℓ인 것이 더욱 바람직하다. 유기성폐수에 첨가하는 Ca2+의 농도는 10 내지 300 ㎎/ℓ이고, 50 내지 200 ㎎/ℓ인 것이 바람직하고, 100 내지 150 ㎎/ℓ인 것이 더욱 바람직하다.
유기성폐수에 첨가하는 인은, 유기성폐수에 함유되는 질소와 인 비율이 20:1 내지 3:1이 되게 첨가하고, 15:1 내지 5:1이 되게 첨가하는 것이 바람직하고, 12:1 내지 10:1이 되게 첨가하는 것이 더욱 바람직하다.
미세조류의 생장에 필수적인 인과 철, 아연, 망간, 구리 및 알루미늄 등의 금속이온은 활성슬러지로 처리하는 유기성폐수라면 따로 첨가해 줄 필요가 없으나 이들 이온을 인위적으로 소량 첨가함으로써 미세조류를 고밀도로 배양할 수도 있다.
4. 미세조류에서 지용성물질의 추출
미세조류를 이용한 바이오매스 및 유용물질 생산에 관련된 주요 비용은 큰 부피의 배양액에서 미세조류를 분리하는 과정에서 발생한다. 미세조류배양액에서 미세조류를 분리하고 건조한 후 파괴하여 지용성물질을 추출하는 과정을 포함하는 종래의 지용성물질 생산 방법에서, 이런 과정에 소요되는 비용이 전체 비용의 40-60%를 차지한다.
종래의 방법은 지용성물질을 추출하는 과정에서 미세조류가 파괴되어 지용성물질을 제외한 다른 생체분자를 분리하기 어려우나, 본 발명은 저비용의 비파괴적인 재순환 배양에 의해 이런 종래의 문제점을 완화하고 극복한다.
본 발명에 사용하는 지용성물질추출용매는, 지용성물질에 대해 선택성이 높고, 생물학적으로 적합하여 미세조류 활성에 커다란 손실 없이 미세조류와 접촉할 수 있는 용매로서, 일반적으로 옥탄올 개수(log Poct, 옥탄올 물 분할 계수의 로그)가 5이상이다(Dodecanone은 이 규칙에서 예외이다).
옥탄올 개수 4-5인 용매 중에 헥산(hexane), 헵탄(heptane)은 미세조류에 유독하고, 데칸올(decanol), 다이펜틸 에테르(dipentyl ether)는 미세조류에 무해하다.
본 발명에 적용할 수 있는 예시적인 지용성물질추출용매로서는, 1,12-도데칸디오익산 디에틸 에테르(1,12-dodecanedioic acid diethyl ether), n-헥산(n-hexane), n-헵탄(n-heptane), n-옥탄(n-octane), n-도데칸(n-dodecane), 초산 도데실(dodecyl acetate), 데칸(decane), 다이헥실 에테르(dihexyl ether), 이소파(isopar), 1-도데칸올(1-dodecanol), 1-옥탄올(1-octanol), butyoxyethoxyehteane, 3-옥타논(3-octanone), 고리형 파라핀(cyclic paraffins), 바솔(varsol), 이소파라핀(isoparaffins), 분지형의 알칸(branched alkane), 올레일 알코올(oleyl alcohol), dihecylether, 2-도데칸(2-dodecane) 등이 포함된다.
본 발명에 사용되는 지용성물질추출용매는, C4-C16 탄화수소 1개 이상을 포함할 수 있고, C10, C11, C12, C13, C14, C15 또는 C16 개의 탄화수소를 포함할 수 있다.
진동분쇄장치(71)에 의한 미세조류 손상 없는 미생물에의 초음파조사는, 저주파에서 양-의존적(dose-dependent)이다. 주파수가 증가하면, 긴 조사시간에도 미생물이 생존한다. 미세조류 활성에 영향이 없고 지용성물질의 추출을 최적화할 수 있는 주파수 법위(20 kHz ~ 1 MHz)에서 적절하게 세분된 주파수범위 및 다른 노출시간에 따른 강도를 결정하는 연구를 수행하여 다양한 다른 주파수, 강도와 노출되는 시간 등이 추출 효율에 영향을 미친다는 것을 알았다.
적정주파수 범위(20 kHz ~ 60 kHz)에서 다른 노출시간에 따른 이상적인 강도로 미세조류에 손상 없이 지용성물질의 추출을 최적화하기 위해 이용될 수 있다. 즉, 주파수, 강도와 노출시간 등이 지용성물질 추출효율에 영향을 미친다. 미세조류 크기, 미세조류 형상, 세포벽 조성물 그리고 생리학적 상태가 미세조류와 초음파의 상호작용에 복합적으로 영향을 주기 때문에 이상적인 지용성물질의 추출을 위해 20 kHz와 1 MHz, 20-100 kHz, 20-60 kHz, 30-50 kHz, 또는 40 kHz 등의 다양한 주파수 중 이상적인 주파수를 결정하여 사용할 수 있다. 지용성물질추출용매와 진동분쇄의 적절한 조합으로, 거의 100%까지 지용성물질(미세조류 총 지방산의 10%)의 추출효율을 달성할 수 있다.
진동분쇄 대신에 미세조류배양액과 지용성물질 추출용액 혼합액을 교반장치(72)로 교반할 경우에도 미세조류배양액과 지용성물질추출용매의 접촉을 증가(개선)시킴으로써, 진동분쇄와 같이 지용성물질 추출효율을 향상시킬 수 있다. 물론 진동분쇄와 교반을 함께 실행하는 것도 가능하다.
5. 미세조류손상이 없는 미세조류의 응집, 정체 및 분리
미세조류분리장치(70)는 미세조류에 손상을 주지 않으면서도 정교하고 효율적으로 미세조류의 이동, 응집, 정체 및 분리를 수행할 수 있도록 하는 분리장치로서, 바람직하게 연속관류배양 방식의 분리장치이다. 미세조류분리장치(70)로서는 전술한 바와 같은 초음파공명장이 적용되는 초음파공명장 발생장치(71) 또는 중력침강이 적용되는 중력침강장치(76)를 개별적으로 또는 조합하여 적용할 수 있다.
예를 들어 초음파공명장 발생장치(71)를 미세조류분리장치(70)로 적용할 경우에, 지용성물질추출용매와 초음파공명장의 초음파 진동수, 초음파 진동자(74)와 반사막(75) 간의 거리 등의 적절한 조합으로, 거의 100%까지 지용성물질(미세조류 총 지방산의 10%)의 추출효율을 달성할 수 있다.
6. 미세조류의 바이오매스로서의 활용
분획장치(80)에서 분획된 지용성물질-용매는 미세조류의 다양한 성분을 포함하고 있어 바이오매스 혹은 생리활성물질로 이용할 수 있다.
미세조류는 chlorophyll, carotenoid 또는 phycobilins와 같은 색소를 함유하고 주로 광합성을 통해 미세조류 성장과 번식을 하는 식물군이다. 이러한 미세조류는 수계의 1차 생산 즉, 태양에너지를 이용해 무기물로부터 유기물 생산을 주도하는 생물군이다. 또한 미세조류는 1차 대사산물인 단백질, 지질, 탄소화물 성분 등은 물론이고, 2차 대사산물인 생리활성물질도 매우 다양하게 생산한다. 일반적으로 미세조류는 육상식물보다 빨리 성장하여 바이오매스 생산성이 높다는 점, 담수나 해수는 물론이고 빛 에너지를 확보할 수 있는 자연 환경에서는 쉽게 생육한다는 점, 단백질, 지질, 탄소화물, 색소와 같은 산업적으로 흥미가 있는 생물 고분자 물질은 물론이고 특정의 생리 기능을 조절 물질을 고농도로 생산할 수 있다는 점 등에서 중요한 생물 산업 소재로서 가능성이 높다. 실제적으로 미세조류를 이용한 산업적 응용 가능 분야는 폐수처리, 대기오염 전화, 양식 사료, 건강식품 원료, 생리활성 물질 생산, 가공용 소재, 의약품 소재 등이다.
이하, 구체적인 실시예에 의해 본 발명에 따른 유기성폐기물의 미세조류배양에 의한 바이오가스, 지용성물질 및 미세조류의 생산 방법을 설명한다.
실시예 1. 유기성폐기물(음식물폐기물)의 가수분해/산생성 발효
먼저, 본 발명에 사용된 유기성폐기물로서의 음식물폐기물로부터 미생물이 분해하기 어려운 물질(닭뼈, 생선뼈, 나무토막 등)을 제거하였다. 음식물폐기물과 미생물과의 접촉이 용이하고 각 공정으로의 수송이 편리하도록 파쇄기로 죽 상태로 잘게 분쇄하여 이후의 공정에 사용하였다. 죽 상태의 음식물폐기물이 충분히 교반되고 산소가 원활히 전달될 수 있도록, 음식물폐기물과 물을 1：1의 비율로 혼합하여 발효장치(10)에 주입하였다.
반혐기적인 조건에서 가수분해 및 산생성 발효가 이루어지도록 하기 위하여 컴프레서(compressor)를 이용하여 발효장치(10: 발효기)의 하단과 중앙에서 공기를 주입하고, 발효기의 상단에 교반기를 설치하여 음식물폐기물, 균체 및 산소가 원활히 접촉할 수 있도록 교반하였다.
발효공정에 사용된 발효장치(10)는 5L의 발효기(Bioflo 3000)였고, 균주는 고온균(표 1 참조)이다. 음식물폐기물과 물을 1：1로 혼합한 뒤 이 3L 혼합액을 발효장치(10)에 주입하여 50℃에서 24시간 동안 유지하여 다른 부패균을 사멸시켰다. 발효기 내의 온도를 45℃ 로 낮춰 배양된 50 mL 공시균주를 접종하여 2~5일간의 체류시간을 거친 뒤 유출수(즉, 발효액: 유기성폐수)를 유기성폐수수용장치(30)로 이송하였으며, 이때 TCOD가 약 45,000 mg/L이고 SCOD는 약 31,000mg/L 이었다. 총 질소는 3,600～4,800 mg/L로 평균 4,200 mg/L이었다. 한편 총 인은 약 6.1 mg/L이었다. 반혐기성 가수분해/산생성 발효공정에서 생성된 유기산의 약 75%정도가 아세트산이었다.
실시예 2. 미세조류의 배양
Chlorella protothecoides를 프로테오스 사면한천(proteose agar slant)에 유지하면서 본 발명에 사용하였다. 기본배지의 성분은 1 리터당 KH2P04(0.7g), K2HPO4(0.3g), MgSO4·7H2O(0.3g), FeSO4·7H2O(3mg). 우레아(1g), Arnon's A Solution(1 ml), thiamine hvdrochloride(l0μg), pH 6.3.이었다. 배양은 5 % CO2, 20도, 15,000 lux 형광등에서 실행하였다. Arnon's A5 용액의 조성은 리터당 H3BOS3(2.9 g), MnCl2·4H2O(1.8 g), ZnSO4·7H2O(0.22g), CuSO4·5H2O(0.08g), MoO3(0.018g)으로 하였다. Chlorella protothecoides의 종속영양 배양은 기본배지에서 0.1% 우레아 대신에 0.01% 우레아를 및 1.0% 포도당을 첨가하여 수행한다.
실시예 3. 미세조류에 미치는 유기성폐수의 영향
상기 유기성폐수의 질소 농도를 150 ㎎/ℓ가 되게 희석한 후, C. protothecoides 배양액을 접종하여 3일간 배양하였으며 배양된 C. protothecoides 용액 1 ml을 1/100,000배 희석하여 1.5% 아가 플레이트에 도말하여 형성된 콜로니를 계수하여 음식물폐기물의 발효액인 유기성폐수가 C. protothecoides의 생존에 미치는 영향을 평가하였다. 음식물폐기물의 발효액(유기성폐수)으로 미세조류를 배양한 결과, 기본배지로 미세조류를 배양한 경우와 대비할 때 성장 정도에 의미 있는 차이가 없었다.
유기성폐수의 TCOD를 1,607 ㎎/ℓ 및 질소 농도를 150 ㎎/ℓ가 되게 희석한 후 미세조류, 상기 유기성폐수에 첨가하는 Mg2+ 의 농도는 500 ㎎/ℓ, Ca2+의 농도는 150 ㎎/ℓ이며, 상기 유기성폐수에 첨가하는 인은, 상기 유기성폐수의 질소와 인의 비율이 10:1이 되게 첨가한 후에 배양하였다.
실시예 4. 미세조류 배양에 의한 질소 제거 효과
5L의 배양장치(40: 배양조)에서 교반속도 150 rpm에서 C. protothecoides를 로그구간까지 상기 유기성폐수(음식물폐기물 발효액)를 이용하여 배양하였다. 상기 희석된 유기성폐수에 첨가하는 미세조류는 대략 1X106 개체수/㎖ 내외로 첨가하였고, 5X105 내지 1X 107 개체수/㎖ 정도 첨가하면 바람직하다.
유기성폐수의 미세조류 배양을 통해 TCOD 및 질소가 얼마나 제거되는지를 확인하였다. 구체적으로, 음식물폐기물의 발효액(유기성폐수: 총질소 농도 4,200 ㎎/ℓ)을 질소 농도를 기준으로 100, 150, 300 또는 500 ㎎/ℓ로 희석한 뒤 5L의 배양조에 각 질소 농도별로 3000 ㎖씩 넣어 주었다. 이와 같이 희석했을 때 유기성폐수(TCOD는 45,000 ㎎/ℓ)의 TCOD는 1,071, 1,607, 3,214 또는 5,357 ㎎/ℓ이었다. 여기에 C. protothecoides을 각각 첨가하고, 유기성폐수 중 질소농도의 변화를 분석하였다. 각각의 질소 농도에서 C. protothecoides에 의한 질소 제거율을 조사하였다. 그 결과, 상기 유기성폐수의 질소 농도를 100, 150, 300, 500 ㎎/ℓ로 희석하였을 때, C. protothecoides에 의한 각각의 질소 농도에 대한 4일 후의 제거율은 38, 50, 33 그리고 21%로 측정되었다. 질소 농도가 150 ㎎/ℓ일 때 가장 높은 질소 제거율을 보여주고 있고, 이 때 잔류하는 질소의 농도는 75.6 ㎎/ℓ로 측정되었다.
실시예 5. 미세조류의 배양 및 미세조류 및 지용성물질-용매 용액 분리
5L의 배양장치(40)에서 교반속도 150 rpm하에서 C. protothecoides를 로그구간까지 질소 농도가 150 ㎎/ℓ인 희석된 유기성폐수(음식물폐기물의 발효액)를 이용하여 배양하였다. 상기 희석 폐수에 첨가하는 미세조류는 대략 1X106 개체수/㎖ 내외였고, 5X105 내지 1X 107 개체수/㎖가 되게 첨가하면 바람직하다.
배양장치(40)의 미세조류배양액과 용매수용장치(50)의 데칸(decane) 용매(지질추출용매)를 혼합장치(60)로 공급하되 전자와 후자를 5:1의 비율로 공급하고, 이들을 혼합하여 5분간 방치한 후 진동분쇄장치(61)로 2초간 40 kHz로 진동 분쇄하였다.
결과의 혼합액을 초음파공명장 발생장치(71)로서의 어쿠스틱세포필터와 중력침강장치(76)로서의 CS 10 Cell settler (Biotechnology Solutions 사, USA)가 작동하는 미세조류분리장치(70)로 각각 이송하였다. 미세조류는 응집되어 미세조류 응집체를 형성하면서 아래로 침강하였다.
미세조류가 침강하여 정체 및 분리된 나머지 용액을 분획장치(80)로 이송하여 분획하였으며, 이로써 지용성물질-용매(층)와 물(층)이 상하로 분획되었다. 이후 물은 물수용장치(110)로 이송한 후 발효장치(10)로 이송하여 음식물폐기물의 발효(예, 파쇄된 음식물폐기물의 액화)에 사용하고, 지용성물질질-용매(층)는 지용성물질-용매 수용장치(100)로 이송하였다. 미세조류분리장치(70)에서 분리된 미세조류의 일부는 미세조류수용장치(90)로 이송하고, 나머지는 미세조류순환라인(120)을 통해 배양장치(40)로 이송하였다.
실시예 6. 분리된 미세조류의 재배양
실시예 5의 미세조류분리장치(70)에서 분리된 미세조류에 대해 재배양을 실행하여 분석한 결과, 즉 지용성물질추출용매와의 혼합에 의해 지용성물질추출의 저해를 받은 미세조류배양액을 다시 배양장치(40: 배양조)로 이송하여 재배양한 결과, 성장 속도가 0.028 g/h로 나타났다. 배양조에서의 일반적인 배양의 경우 성장 속도가 약 0.033 g/h 인 것과 비교하면 동시 추출 후 균주의 재배양하는 것에는 문제가 없다는 결과를 얻었다.
상기 배양, 혼합, 분리 및 분획 과정을, 1회 실시하거나 1일 1회식 2~20회 반복한 결과, 미세조류는 50~200 gfw/L의 밀도로 배양되었고, 농축된 지용성물질이 포함된 지용성물질-용매를 확보하였다. 이와 같은 배양, 혼합, 분리 및 분획 과정을 반복함에 따라, 미세조류의 밀도와 지용성물질의 농도를 단계마다 더욱 증가시킬 수 있음이 확인 되었다.
실시예 7. 분획된 지용성물질-용매에서 β-카로틴색소의 추출
실시예5에서 분획된 지용성물질-용매에 있는 β-카로틴의 함량을 워터스 스페리소브(Waters Spherisorb) S5 ODS2 카트리지 칼럼(4.6x250 mm)이 장착된 HPLC(Hewlett Packard Series model 1100)를 사용하여 측정하였다. 색소를 분리하기 위해 용매를 1.0ml/분의 속도로 흘려주었고, 이때 시작부터 1분 까지는 아세토니트릴 90%, 증류수 9.99% 및 트리에틸아민이 0.01%인 용매를 사용하였고, 2 내지 14분에는 아세토니트릴 86%, 증류수 8.99%, 트리에틸아민 0.01% 및 에틸아세테이트 5%인 용매를 사용하였으며, 15 내지 21분 동안은 100% 에틸아세테이트를 사용하였다. 포스트런(post-run)은 처음 시작한 용매로 9분간 하였다. 레퍼런스(Jin et al., 2001. Biochim Biophys Acta 1506:244-2597)를 550nm로 한 경우 β-카로틴 색소는 445nm에서 검출되었으며, β-카로틴(DHI water and environment사, Denmark)을 정량한 표준곡선을 기초로 β-카로틴의 양을 측정한 그 결과 8.72x10-10 μM이었다.
지용성물질-용매 수용장치(100)로서의 β-카로틴 추출조에, 실시예5에서 분획된 지용성물질-용매를 유입시켜 알코올 용매인 메탄올(methanol)과 부피비 1:1로 혼합하여 β-카로틴 추출 공정을 수행하였다. 수 시간의 데칸과 메탄올의 이상(two phase) 용매 추출 반응 후 메탄올 상에서 95% 이상의 회수율로 β-카로틴을 수득하였으며, 메탄올 추출물 및 데칸 추출물의 분리는 밀도차이를 이용한 자연 정치에 의해 실행하였다.
실시예 8. 분리된 지용성물질-용매에서 지질의 추출
지용성물질-용매 수용장치(100)로서 둥근 바닥형 플라스크가 부착된 Buchi 210/215 회전식 증발기(rotovapor)(스위스, Buchi사)를 사용하였다.
실시예5에서 분획된 지용성물질-용매와 실시예 7에서 얻은 데칸 추출물을 각각 상기 증발기로 이송하여 둥근 바닥형 플라스크 안에 위치하게 하였다. 차가운 원수는 응축 장치로 유입하고 증류 플라스크의 오일 배스는 174℃에 세팅하였다.
증류를 시작했을 때, 가스 데칸(decane)은 기구를 통과하여 콘덴서에 유입되고 액체 상태로 수용 플라스크에 모였다. 증류가 종결되었을 때, 수용 플라스크에 회수된 데칸(decane)의 부피 및 증류 플라스크 내에 남겨진 미세조류에서 기원한 지질의 부피를 측정하고 C17을 표준으로 하여 LC-MS 분석하여 측정하였다. 회수된 데칸용매는 용매순환라인(130)을 통해 용매수용장치(50)로 이송하여 재사용하였다.
1: 본 발명의 장치 2: 제1 연동펌프
3: 제2 연동펌프 4: 제3 연동펌프
5: 제4 연동펌프 6: 제5 연동펌프
10: 발효장치 20: 바이오가스수용장치
30: 유기성폐수수용장치 40: 배양장치
50: 용매수용장치 60: 혼합장치
61: 진동분쇄장치 62: 교반장치
70: 미세조류분리장치 71: 초음파공명장 발생장치
76: 중력침강장치 80: 분획장치
90: 미세조류수용장치 100: 지용성물질-용매 수용장치
110: 물수용장치 120: 미세조류순환라인
130: 용매순환라인 140: 물순환라인
3: 제2 연동펌프 4: 제3 연동펌프
5: 제4 연동펌프 6: 제5 연동펌프
10: 발효장치 20: 바이오가스수용장치
30: 유기성폐수수용장치 40: 배양장치
50: 용매수용장치 60: 혼합장치
61: 진동분쇄장치 62: 교반장치
70: 미세조류분리장치 71: 초음파공명장 발생장치
76: 중력침강장치 80: 분획장치
90: 미세조류수용장치 100: 지용성물질-용매 수용장치
110: 물수용장치 120: 미세조류순환라인
130: 용매순환라인 140: 물순환라인
Claims (10)
- 유기성폐기물을 발효하여 유기성폐수와 바이오가스를 생산하는 과정;
생산된 상기 바이오가스를 포획하는 과정;
희석된 상기 유기성폐수로 지용성물질을 함유하는 미세조류를 배양하는 과정;
상기 미세조류의 배양액과 상기 지용성물질이 용해되는 지용성물질추출용매를 혼합하여, 상기 지용성물질추출용매를 상기 미세조류배양액에 접촉시킴으로써, 상기 미세조류의 상기 지용성물질을 상기 지용성물질추출용매에 용해시키는 과정;
상기 지용성물질이 용해된 후에, 혼합액에서 상기 미세조류를 응집, 정체 및 분리하는 과정;
상기 미세조류가 분리된 후의 상기 혼합액을, 상기 지용성물질추출용매에 상기 지용성물질이 용해된 지용성물질-용매와 물로 분획하는 과정; 및
분리된 상기 미세조류와 분획된 상기 지용성물질-용매를 각각 수득하는 과정;
을 포함하는 것을 특징으로 하는, 유기성폐기물의 미세조류배양에 의한 바이오가스, 지용성물질 및 미세조류의 생산 방법. - 제1항에 있어서,
상기 분리된 상기 미세조류를 재배양하고, 재배양된 상기 미세조류배양액을 상기 지용성물질추출용매 또는 분획된 상기 지용성물질-용매와 혼합 및 접촉시켜 상기 미세조류의 상기 지용성물질을 상기 지용성물질추출용매에 더 용해시키는 과정, 및 그 이후 과정을 반복하되, 상기 미세조류의 재배양, 상기 지용성물질의 재용해, 상기 미세조류의 재분리, 및 상기 지용성물질-용매의 재분획을 1회 이상 다수회 함으로써, 최종적으로 목적하는 고밀도의 상기 미세조류와, 목적하는 농도로 농축된 상기 지용성물질이 포함된 상기 지용성물질-용매를 수득하는 것을 특징으로 하는, 유기성폐기물의 미세조류배양에 의한 바이오가스, 지용성물질 및 미세조류의 생산 방법. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 미세조류배양액과 상기 지용성물질추출용매를 혼합할 때, 상기 미세조류배양액을 진동 분쇄하는 과정 및 상기 혼합액을 교반하는 과정 중 적어도 하나의 과정을 실행하여, 상기 미세조류배양액과 상기 지용성물질 추출용매의 접촉을 증가시키는 것을 특징으로 하는, 유기성폐기물의 미세조류배양에 의한 바이오가스, 지용성물질 및 미세조류의 생산 방법. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
TCOD가 1,000 내지 8,000 ㎎/ℓ이고 질소 농도가 100 내지 250 ㎎/ℓ가 되게 상기 유기성폐수를 희석하여 상기 미세조류를 배양하는 것을 특징으로 하는, 유기성폐기물의 미세조류배양에 의한 바이오가스, 지용성물질 및 미세조류의 생산 방법. - 유기성폐기물을 발효하여, 유기성폐수와 바이오가스를 생산하는 유기성폐기물발효장치(10);
생산된 상기 바이오가스를 포획하는 바이오가스수용장치(20);
생산된 상기 유기성폐수를 저장하는 유기성폐수수용장치(30);
상기 유기성폐수수용장치(30)에서 공급된 상기 유기성폐수로 지용성물질을 함유하는 미세조류를 배양하는 배양장치(40);
상기 지용성물질이 용해되는 지용성물질추출용매를 저장하는 용매수용장치(50);
상기 배양장치(40)로부터의 상기 미세조류의 배양액과 상기 용매수용장치(50)로부터의 상기 지용성물질추출용매를 혼합하는 혼합장치(60);
상기 혼합장치(60)의 혼합액에서 상기 미세조류를 응집, 정체 및 분리하는 미세조류분리장치(70);
상기 미세조류가 분리된 상기 미세조류분리장치(70)로부터의 용액을, 상기 지용성물질추출용매에 상기 미세조류배양액의 상기 지용성물질이 용해된 지용성물질-용매와 물로 분획하는 분획장치(80);
상기 미세조류분리장치(70)에서 분리된 상기 미세조류를 수용하거나 유용물질로 처리하는 미세조류수용장치(90); 및
상기 분획장치(80)에서 분획된 상기 지용성물질-용매를 수용하거나 상기 지용성물질-용매의 상기 지용성물질을 유용물질로 처리하는 지용성물질-용매 수용장치(100);
를 포함하는 것을 특징으로 하는, 유기성폐기물의 미세조류배양에 의한 바이오가스, 지용성물질 및 미세조류의 생산 장치. - 제5항에 있어서,
상기 미세조류분리장치(70)는, 상기 혼합액에 초음파공명장을 적용하여 상기 혼합액에서 상기 미세조류를 분리하는 초음파공명장 발생장치(71) 및 상기 혼합액에 중력침강을 적용하여 상기 혼합액에서 상기 미세조류를 분리하는 중력침강장치(76) 중에 선택되는 하나의 장치인 것을 특징으로 하는, 유기성폐기물의 미세조류배양에 의한 바이오가스, 지용성물질 및 미세조류의 생산 장치. - 제5항에 있어서,
상기 미세조류분리장치(70)에서 분리된 상기 미세조류를 상기 배양장치(40)로 순환하는 미세조류순환라인(120); 및
상기 분획장치(80)에서 분획된 상기 지용성물질-용매 또는 상기 지용성물질-용매 수용장치(100)로부터의 상기 지용성물질추출용매를 상기 용매수용장치(50)로 순환하는 용매순환라인(130); 을 포함하고:
상기 미세조류수용장치(90)는, 상기 미세조류순환라인(120)을 통해 상기 배양장치(40)에서 1회 또는 2회 이상 재배양한 후에 상기 미세조류분리장치(70)에서 최종 분리한 고밀도의 상기 미세조류를 수용하거나 처리하고;
상기 지용성물질-용매 수용장치(100)는, 상기 용매순환라인(130)을 통해 상기 분획장치(80)에서 1회 또는 2회 이상 재분획한 후에 상기 분획장치(80)에서 최종 분획한 농축된 상기 지용성물질이 포함된 상기 지용성물질-용매를 수용하거나 처리하는 것을 특징으로 하는,
유기성폐기물의 미세조류배양에 의한 바이오가스, 지용성물질 및 미세조류의 생산 장치. - 제7항에 있어서,
상기 배양장치(40)의 상기 미세조류배양액과 상기 용매수용장치(50)의 상기 지용성물질추출용매를 상기 혼합장치(60)로 일정량 공급하는 제1 연동펌프(2);
상기 미세조류분리장치(70)에서 분리된 상기 미세조류를 그 밀도에 따라 상기 미세조류순환라인(120)을 통해 상기 배양장치(40)로 공급하거나 상기 미세조류수용장치(90)로 공급하는 제2 연동펌프(3);
상기 분획장치(80)에서 분획된 상기 지용성물질-용매를 상기 지용성물질의 농축도에 따라 상기 용매순환라인(130)을 통해 상기 용매수용장치(50)로 공급하거나 상기 지용성물질-용매 수용장치(100)로 공급하는 제3 연동펌프(4); 및
상기 지용성물질-용매 수용장치(100)에서 상기 지용성물질-용매를 처리한 후에 회수된 상기 지용성물질추출용매를 상기 용매순환라인(130)을 통해 상기 용매수용장치(50)로 공급하는 제4 연동펌프(5);
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 유기성폐기물의 미세조류배양에 의한 바이오가스, 지용성물질 및 미세조류의 생산 장치. - 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 혼합장치(60)는, 상기 미세조류배양액과 상기 지용성물질추출용매의 접촉을 증가시키도록, 상기 미세조류배양액을 진동 분쇄하는 진동분쇄장치(61) 및 상기 혼합액을 교반하는 교반장치(62) 중 적어도 하나의 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는, 유기성폐기물의 미세조류배양에 의한 바이오가스, 지용성물질 및 미세조류의 생산 장치. - 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 분획장치(80)에서 분획된 물을 수용하는 물수용장치(110)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 유기성폐기물의 미세조류배양에 의한 바이오가스, 지용성물질 및 미세조류의 생산 장치.
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