KR101255015B1 - Rotating Disk Reactor for Synthesis Gas Fermentation and Method for Running the Same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 에탄올이나 유기산 등을 생산하기 위하여 합성가스를 발효하기 위한 회전원판형 생물반응조 및 그 운전 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 용해도가 매우 낮은 합성가스와 미생물의 접촉을 향상시켜 미생물의 생장과 생성물 생산속도를 높이기 위한 장치 및 그 운전 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 일산화탄소와 수소를 포함하는 합성가스를 기체기질로 이용하여 혐기성 발효반응을 일으킬 수 있는 회전원판형 생물반응조에 있어서, 상기 기체기질과 액체배지에 있는 미생물이 반응할 수 있는 반응조 본체; 상기 반응조 본체 내부에 길이방향으로 설치된 회전축에 끼워진 다수의 회전원판; 및 상기 다수의 회전원판이 회전할 수 있도록 상기 회전축에 동력을 전달하는 마그네틱 드라이브; 를 포함하며, 상기 반응조 본체 내부에는 상기 액체배지가 하부에 채워진 상태에서 기체기질이 나머지 공간을 채우게 되며, 상기 다수의 회전원판이 회전하면서 상기 액체배지에 있는 미생물과 상기 기체기질이 접촉함으로써 합성가스의 발효가 이루어지는 것을 특징으로 하는 회전원판형 생물반응조가 제공될 수 있다.
The present invention relates to a rotating disk-type bioreactor for fermenting syngas to produce ethanol, organic acid and the like and a method of operating the same. More particularly, the present invention relates to an apparatus and a method of operating the same for improving the contact of syngas with very low solubility gas and microbial growth and product production rate.
According to the present invention, in a rotary disk-type bioreactor capable of causing an anaerobic fermentation reaction using a synthesis gas containing carbon monoxide and hydrogen as a gas substrate, a reactor body capable of reacting the microorganisms in the gas substrate and the liquid medium may react. ; A plurality of rotating discs fitted to a rotating shaft installed in the reactor body in the longitudinal direction; And a magnetic drive transmitting power to the rotating shaft so that the plurality of rotating disks can rotate. Includes, the inside of the reactor body is a gas substrate to fill the remaining space in the state in which the liquid medium is filled in the bottom, while rotating the plurality of rotating disks the microorganisms in the liquid medium and the gas substrate is in contact with the synthesis gas Rotary disk type bioreactor may be provided, characterized in that the fermentation of.

Description

합성가스 발효를 위한 회전원판형 생물반응조 및 그 운전 방법{Rotating Disk Reactor for Synthesis Gas Fermentation and Method for Running the Same}Rotating Disk Reactor for Synthesis Gas Fermentation and Method for Running the Same

본 발명은 에탄올이나 유기산 등을 생산하기 위하여 합성가스를 발효하기 위한 회전원판형 생물반응조 및 그 운전 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 용해도가 매우 낮은 합성가스와 미생물의 접촉을 향상시켜 미생물의 생장과 생성물 생산속도를 높이기 위한 장치 및 그 운전 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a rotating disk-type bioreactor for fermenting syngas to produce ethanol, organic acid and the like and a method of operating the same. More particularly, the present invention relates to an apparatus and a method of operating the same for improving the contact of syngas with very low solubility gas and microbial growth and product production rate.

가연성 물질을 이론공기량 보다 적은 조건에서 연소시키면 불완전 연소되어 일산화탄소(CO)나 수소(H2)와 같은 가연성 가스가 발생하며, 이러한 반응을 가스화(Gasification)라고 한다. 고온상태로 유지하면서 이러한 반응을 유지하면 5~8MJ/Nm3의 저열량 합성가스(Synthesis Gas)를 얻게 된다. 합성가스의 주성분은 일산화탄소와 수소, 미량의 메탄 등의 가연성 기체와 이산화탄소, 질소 등이 포함되어 있다. When combustible materials are burned in a condition less than the theoretical air amount, they are incompletely burned to generate a combustible gas such as carbon monoxide (CO) or hydrogen (H 2 ), and this reaction is called gasification. Maintaining this reaction while maintaining a high temperature yields 5-8 MJ / Nm 3 of low calorific syngas. The main components of the synthesis gas include flammable gases such as carbon monoxide, hydrogen and trace methane, carbon dioxide, and nitrogen.

합성가스 중 일산화탄소와 수소는 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch)공정 등을 통해 유기화합물로 합성하는데 이용된다. 이러한 화학공정에서는 일산화탄소와 수소를 일정 수준 이상으로 정제하는 것이 중요하다. 이와는 달리 생물학적 공정에서는 높은 수준의 분리공정 없이 일산화탄소와 수소를 기질로 이용하여 에탄올과 아세트산 등의 유기산을 얻을 수 있다. 이러한 과정에 관여하는 균주는 특허등록 제10-0634835호 등에 개시되어 있으며, 에탄올의 생산을 증진시키기 위한 기술은 특허등록 제10-0879577호 등에 개시되어 있다.Carbon monoxide and hydrogen in syngas are used to synthesize organic compounds through the Fischer-Tropsch process. In such chemical processes, it is important to purify carbon monoxide and hydrogen to a certain level or more. In contrast, in biological processes, organic acids such as ethanol and acetic acid can be obtained by using carbon monoxide and hydrogen as substrates without a high level of separation process. Strains involved in this process are disclosed in Patent Registration No. 10-0634835, and the like, and techniques for enhancing the production of ethanol are disclosed in Patent Registration No. 10-0879577 and the like.

기체기질을 공급하기 위한 방법 또는 반응조는 연속식 교반조, 기포식 반응조, 생물막담체 반응조, 살수여상 반응조, 미세기포 혼합반응조, 막 반응조 등 여러 가지 가 있다. 이들 방법의 특징은 다음과 같다.There are various methods or reactors for supplying the gas substrate, such as a continuous stirring tank, a bubble reactor, a biofilm carrier reactor, a water spray phase reactor, a microbubble mixing reactor, and a membrane reactor. The characteristics of these methods are as follows.

연속식 교반조(Conrinuous Stirred-Tank Reactor, CSTR)는 합성가스 발효를 위해서 가장 일반적으로 쓰이고 있는 반응조이다. 여기에서 기체 기질은 연속적으로 주입되고, 미생물의 생장을 위해 필요한 양분도 액상의 배지로 함께 공급된다. 발효액은 주입되는 액상의 배지와 동일한 유량으로 인출된다. 임펠러를 이용하여 기체 기질이 미생물에게 충분히 공급될 수 있도록 하는 것이 일반적이다.Continuous Stirred-Tank Reactor (CSTR) is the most commonly used reactor for syngas fermentation. Here the gaseous substrate is continuously injected and the nutrients necessary for the growth of the microorganisms are also fed together in the liquid medium. The fermentation broth is withdrawn at the same flow rate as the liquid medium to be injected. It is common to use an impeller to ensure that the gaseous substrate is sufficiently supplied to the microorganisms.

기포식 반응조(Bubble Column Reactor)는 주로 산업용으로 개발되어 용적이 크며, 기질 공급속도가 크며, 유지관리비용이 비교적 낮은 장점이 있다. 반면에 기포가 결합되어 효율이 떨어지는 것이 단점이다.Bubble column reactor is mainly developed for industrial use, which has the advantages of large volume, large substrate feeding speed, and relatively low maintenance cost. On the other hand, it is a disadvantage that bubbles are combined and the efficiency is low.

생물막 담체 반응조에서는 기체 기질이 담체 표면에서 생장하는 미생물에 접촉될 수 있도록 공급된다. 담체 표면에서 미생물은 기질을 공급받으며 에탄올과 아세트산 등을 생산한다. 기체기질은 대기압 수준의 압력조건에서 공급되므로 비교적 경쟁력을 갖는 반응조이다.In the biofilm carrier reactor, a gaseous substrate is supplied so as to be able to contact microorganisms growing on the carrier surface. At the surface of the carrier, the microorganisms receive a substrate and produce ethanol and acetic acid. Gas substrates are relatively competitive because they are supplied at atmospheric pressure.

살수여상 반응조에서는 여재를 채운 상(床)에 액상의 배지가 살수되며 합성가스는 아래 또는 윗방향으로 공급된다. 기계적인 혼합 등이 필요치 않으므로, CSTR 반응조에 비해서 비교적 동력비가 적게 소요된다.In the trickle-phase reactor, the liquid medium is sprinkled in the bed filled with the filter medium, and the synthesis gas is supplied downward or upward. Since no mechanical mixing is required, the power consumption is relatively low compared to the CSTR reactor.

미세기포 혼합 반응조는 미세기포가 공급되는 반응조로서 일반적인 교반탱크(stirred-tank) 반응조의 형식을 갖는다. 기포의 직경이 작을수록 기체의 용해도가 증가하는 원리에 기초한 반응조로서, 미세기포를 만드는 장치가 포함되어야 한다.The microbubble mixing reactor is a reactor in which microbubbles are supplied, and has a form of a general stirred-tank reactor. A reactor based on the principle that the solubility of the gas increases as the diameter of the bubble is smaller, a device for making microbubbles should be included.

막 반응조에서 중공사막은 액상 배지에서 기체를 용해시키는데 이용될 수 있다. 기포의 발생 없이 합성가스를 배지에 공급할 수 있으며 막의 외부 표면에서 미생물은 부착하여 생장하게 된다. 다른 반응조에 비해 보다 높은 생산성과 반응속도를 보이며, 합성가스 중에 포함되어 있는 타르나 질소산화물과 같은 저해 물질에 대해서 상대적으로 영향을 덜 받는 것으로 알려져 있다. 보다 높은 압력 조건에서 운영할 때에는 물질전달 속도가 빨라지므로 반응조의 크기를 보다 작게할 수 있다. Hollow fiber membranes in the membrane reactor can be used to dissolve the gas in the liquid medium. Syngas can be supplied to the medium without the generation of bubbles, and microorganisms attach and grow on the outer surface of the membrane. It is known to show higher productivity and reaction rate than other reactors, and is relatively less affected by inhibitors such as tar and nitrogen oxides contained in syngas. When operating at higher pressures, the mass transfer rate is faster, which makes the reactor smaller in size.

한편, 합성가스 발효에서 미생물의 증식이나 물질 생산속도를 증진시키기 위해서는 기질로서 이용되는 합성가스를 효과적으로 공급해야 한다. 합성가스의 주 성분인 일산화탄소와 수소의 용해도는 매우 낮아 미세기포 발생, 기계식 교반, 중공사막 등을 이용한 시도가 있어 왔으나 그 차이는 뚜렷하지 않다.On the other hand, in syngas fermentation, in order to increase the growth rate of microorganisms or materials, it is necessary to effectively supply the syngas used as a substrate. Solubility of carbon monoxide and hydrogen, the main components of the synthesis gas, is very low, and attempts have been made using microbubbles, mechanical stirring, hollow fiber membranes, but the difference is not clear.

이러한 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 용해도가 낮은 기체기질을 미생물에게 효과적으로 공급할 수 있는 합성가스 발효를 위한 회전원판형 생물반응조 및 그 운전 방법을 제공하고자 하는 것이다.The present invention for solving the above problems, to provide a rotary disk-type bioreactor for syngas fermentation that can effectively supply a gaseous substrate of low solubility to microorganisms and its operating method.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 일산화탄소와 수소를 포함하는 합성가스를 기체기질로 이용하여 혐기성 발효반응을 일으킬 수 있는 회전원판형 생물반응조에 있어서, 상기 기체기질과 액체배지에 있는 미생물이 반응할 수 있는 반응조 본체; 상기 반응조 본체 내부에 길이방향으로 설치된 회전축에 끼워진 다수의 회전원판; 및 상기 다수의 회전원판이 회전할 수 있도록 상기 회전축에 동력을 전달하는 마그네틱 드라이브; 를 포함하며, 상기 반응조 본체 내부에는 상기 액체배지가 하부에 채워진 상태에서 기체기질이 나머지 공간을 채우게 되며, 상기 다수의 회전원판이 회전하면서 상기 액체배지에 있는 미생물과 상기 기체기질이 접촉함으로써 합성가스의 발효가 이루어지는 것을 특징으로 하는 회전원판형 생물반응조가 제공된다.According to the present invention for achieving the above object, in the rotating disk-type bioreactor capable of causing an anaerobic fermentation reaction using a synthesis gas containing carbon monoxide and hydrogen as a gas substrate, the microorganisms in the gas substrate and liquid medium A reactor body capable of reacting; A plurality of rotating discs fitted to a rotating shaft installed in the reactor body in the longitudinal direction; And a magnetic drive transmitting power to the rotating shaft so that the plurality of rotating disks can rotate. Includes, the inside of the reactor body is a gas substrate to fill the remaining space in the state in which the liquid medium is filled in the bottom, while rotating the plurality of rotating disks the microorganisms in the liquid medium and the gas substrate is in contact with the synthesis gas Rotating disk-type bioreactor is provided, characterized in that the fermentation of.

미생물이 효율적으로 성장할 수 있는 막을 형성하도록, 상기 회전원판에는 다공부가 구비된 것이 바람직하다.It is preferable that the rotating disc is provided with a porous portion so as to form a film in which microorganisms can grow efficiently.

발효가 일어나는 과정에서 상기 반응조 본체의 내부 온도를 일정하게 유지하기 위하여 상기 반응조 본체 외벽에는 가온용 히터가 설치되는 것이 바람직하다.In order to maintain a constant internal temperature of the reactor body in the course of the fermentation it is preferable that a heating heater is installed on the outer wall of the reactor body.

상기 회전원판의 재질은 금속에 테프론을 코팅한 것 또는 테프론인 것이 바람직하다.The material of the rotating disc is preferably one coated with Teflon on a metal or Teflon.

상기 반응조 본체의 재질은 스텐레스 스틸(stainless steel) 또는 아크릴인 것이 바람직하다.The material of the reactor body is preferably stainless steel (stainless steel) or acrylic.

상기 반응조 본체에는 반응조 본체에서 일어나는 반응을 육안으로 확인할 수 있는 투시구가 형성된 것이 바람직하다.The reactor body is preferably formed with a sight hole that can visually confirm the reaction occurring in the reactor body.

상기 회전원판끼리 접촉하지 않도록 상기 회전원판 사이에는 상기 회전축을 통해 분리판이 끼워지는 것이 바람직하다.It is preferable that the separating plate is fitted between the rotating discs so as not to contact the rotating discs through the rotating shaft.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 회전원판형 생물반응조의 운전방법에 있어서, 상기 회전원판형 생물반응조의 반응조 본체 내부를 멸균하는 단계; 상기 멸균하는 단계 이후에 상기 반응조 본체 내부에 질소가스를 공급하여 상기 반응조 본체 내부를 무산소 조건으로 만드는 단계; 멸균 및 무산소 조건으로 된 상기 반응조 본체의 하부에 액체배지를 채우고 나머지 공간에는 기체기질을 채우는 단계; 및 상기 회전원판형 생물반응조의 회전원판을 회전시킴으로써, 상기 액체배지에 있는 미생물과 상기 기체기질이 접촉하여 합성가스의 발효가 이루어지는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전원판형 생물반응조의 운전방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention, a method of operating a rotating disk-type bioreactor comprising the steps of sterilizing the inside of the reactor body of the rotating disk-type bioreactor; Supplying nitrogen gas into the reactor body after the sterilization to make the reactor body anoxic; Filling a liquid medium in the lower portion of the reactor body in sterile and anoxic conditions and filling a gas substrate in the remaining space; And rotating the rotating disk of the rotating disk-type bioreactor, wherein the microorganisms in the liquid medium and the gas substrate are in contact with each other to ferment the syngas. There is provided a method of operating a rotating disk-type bioreactor comprising a.

상기 합성가스의 발효가 이루어지는 단계에서, 상기 반응조 본체 내부의 압력을 고려하여 기체기질의 공급이 추가로 이루어지는 것이 바람직하다.In the step of the fermentation of the synthesis gas, it is preferable that the supply of the gas substrate is further made in consideration of the pressure inside the reactor body.

상기 합성가스의 발효가 이루어지는 단계에서, 액체배지 중의 미생물을 걸러내어 액체배지 중의 미생물 농도를 일정하게 유지하는 것이 바람직하다.In the step of fermentation of the synthesis gas, it is preferable to filter the microorganisms in the liquid medium to maintain a constant concentration of microorganisms in the liquid medium.

상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 합성가스 발효를 위해서 기체기질의 용해도를 높이기 위해 고압으로 운전될 필요가 없으며 미세 기포를 공급하기 위해 기계식 교반이 필요하지 않으므로 운전 및 설비 비용 절감이 가능하다.According to the present invention as described above, it is not necessary to operate at high pressure to increase the solubility of the gas substrate for the syngas fermentation, and mechanical agitation is not required to supply fine bubbles, it is possible to reduce the operation and equipment costs.

또한 본 발명에 의하면, 기질 공급속도가 높기 때문에 미생물의 증식속도와 에탄올 등의 생성물 생성속도가 빠른 장점이 있다.In addition, according to the present invention, since the substrate supply rate is high, there is an advantage in that the growth rate of microorganisms and the product generation rate such as ethanol are fast.

도 1은 본 발명에 따른 합성가스 발효를 위한 회전원판형 생물반응조의 정단면도.
도 2는 본 발명에 따른 합성가스 발효를 위한 회전원판형 생물반응조의 평면도.
도 3은 본 발명에 따른 합성가스 발효를 위한 회전원판형 생물반응조의 측면도.
도 4는 회전원판을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명에 따른 합성가스 발효를 위한 회전원판형 생물반응조의 운전방법을 시간의 순서에 따라 나타낸 순서도.
1 is a front cross-sectional view of a rotating disk-type bioreactor for syngas fermentation according to the present invention.
Figure 2 is a plan view of a rotating disk-type bioreactor for syngas fermentation in accordance with the present invention.
Figure 3 is a side view of a rotary disk-type bioreactor for syngas fermentation in accordance with the present invention.
4 is a view showing a rotating disc.
Figure 5 is a flow chart showing the operation method of the rotary disk-type bioreactor for syngas fermentation according to the present invention in the order of time.

이하 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 합성가스 발효를 위한 회전원판형 생물반응조를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, a rotary disc bioreactor for syngas fermentation according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 합성가스 발효 실험에 이용된 미생물은 미국의 ATCC에서 구입한 Clostridium ljungdahlii와 독일의 DSMZ에서 구입한 Clostridium autoethanogenum로서, 모두 에탄올과 아세트산을 생산한다.Microorganisms used in the synthesis gas fermentation experiment according to a preferred embodiment of the present invention are Clostridium ljungdahlii purchased from ATCC in the United States and Clostridium autoethanogenum purchased from DSMZ in Germany, both produce ethanol and acetic acid.

본 발명의 바람직한 실시예에서 사용하는 합성가스는 일산화탄소와 수소를 주성분으로 하며 가연성 기체인 미량의 메탄, 이산화탄소, 질소 등을 포함할 수도 있다. 또한 이러한 합성가스를 기체기질로 이용하여 혐기성 발효반응을 일으키게 된다.Synthesis gas used in the preferred embodiment of the present invention may include carbon monoxide and hydrogen as a main component, and may include trace amounts of methane, carbon dioxide, nitrogen, and the like which are combustible gases. In addition, the synthesis gas is used as a gas substrate to cause an anaerobic fermentation reaction.

도 1에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 합성가스 발효를 위한 회전원판형 생물반응조의 정단면도가 도시되어 있다. 1 is a front cross-sectional view of a rotating disk-type bioreactor for syngas fermentation according to a preferred embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 반응조 본체(12) 내부에는 길이방향으로 설치된 회전축(13)을 따라서 다수의 회전원판(10)이 끼워져 있다. 도면에는 도시되지 않았지만 회전원판(10)끼리 접촉하지 않도록 다수의 회전원판(10) 사이에는 회전축(13)을 통해 분리판이 끼워질 수 있다. 이때 분리판의 외경은 회전축(13)의 외경보다 약간 큰 것이 바람직하다. 이는 분리판의 외경이 너무 클 경우 회전원판(10)에 형성된 다공부(15, 도 4 참조)를 일부 막을 수 있기 때문이다. 분리판의 재질로서 테프론 등을 사용할 수 있다.As shown in FIG. 1, a plurality of rotating discs 10 are fitted in the reactor body 12 along the rotating shaft 13 installed in the longitudinal direction. Although not shown in the drawings, the separating plate may be inserted through the rotating shaft 13 between the plurality of rotating discs 10 so as not to contact the rotating discs 10. At this time, the outer diameter of the separator is preferably slightly larger than the outer diameter of the rotary shaft (13). This is because when the outer diameter of the separating plate is too large, some of the porous portions 15 (see FIG. 4) formed in the rotating disc 10 may be blocked. Teflon or the like may be used as a material of the separator.

반응조 본체(12)에서는 가스 주입구(2)를 통해 주입되는 기체기질과 액체배지 주입구(3 ,도 2 참조)를 통해 주입되는 액체배지에 있는 미생물이 반응하여 합성가스의 발효가 일어나게 된다. 이때 회전원판(10)에는 액체배지와 기체기질의 접촉효율을 높이고 또한 미생물이 효율적으로 성장할 수 있는 막을 형성하도록 다수의 구멍으로 이루어진 다공부(15 , 도 4 참조)가 형성될 수도 있다. In the reactor body 12, microorganisms in the gas substrate injected through the gas inlet 2 and the liquid medium injected through the liquid medium inlet 3 (see FIG. 2) react to cause fermentation of the synthesis gas. At this time, the rotating disc 10 may be formed with a porous portion (15, see Fig. 4) consisting of a plurality of holes to increase the contact efficiency of the liquid medium and the gas substrate and to form a film to grow microorganisms efficiently.

회전원판의 재질은 금속에 테프론을 코팅한 것이나 테프론일 수 있다. The rotating disc may be made of metal coated with Teflon or Teflon.

다수의 회전원판(10)이 회전할 수 있도록 회전축(13)은 마그네틱 드라이브(1)를 통해 동력을 전달받을 수 있다. 마그네틱 드라이브(1)를 동력원으로 사용하기 때문에 합성가스의 발효과정 중에 회전원판(10)이 회전하더라도 가스의 누설을 효과적으로 차단할 수 있다.The rotating shaft 13 may receive power through the magnetic drive 1 so that the plurality of rotating disks 10 can rotate. Since the magnetic drive 1 is used as a power source, even if the rotating disc 10 rotates during the fermentation process of the syngas, the leakage of gas can be effectively blocked.

합성가스의 발효가 일어나는 과정에서 반응조 본체(12)의 내부 온도를 일정하게 유지하기 위하여 반응조 본체(12) 외벽에는 가온용 히터(9)가 설치될 수 있다. 또한 내부 온도를 측정하기 위하여 반응조 본체(12)의 일측에 위치하는 온도센서 연결부(4)를 통해 온도센서(미도시)가 설치될 수 있다.A heating heater 9 may be installed on the outer wall of the reactor body 12 in order to maintain a constant internal temperature of the reactor body 12 during the fermentation of the syngas. In addition, a temperature sensor (not shown) may be installed through the temperature sensor connecting portion 4 located at one side of the reactor body 12 to measure the internal temperature.

또한 합성가스의 발효가 일어나는 과정에서 반응조 본체(12)의 내부 압력을 적정수준으로 유지할 필요가 있다. 일정 수준 이상의 압력이 되어야 기체기질과 미생물의 반응이 효율적으로 일어날 수 있기 때문이다. 이를 위해서는 반응조 본체(12)의 내부 압력을 측정할 필요가 있으므로 반응조 본체(12)의 일측에 위치하는 압력센서 연결부(5)에는 압력센서(미도시)가 설치될 수 있다.In addition, it is necessary to maintain the internal pressure of the reactor body 12 at an appropriate level in the course of the fermentation of the synthesis gas. This is because the reaction between the gas substrate and the microorganism can occur efficiently at a certain level or more. To this end, since it is necessary to measure the internal pressure of the reactor body 12, a pressure sensor (not shown) may be installed at the pressure sensor connection part 5 located at one side of the reactor body 12.

반응조 본체(12)의 재질은 스텐레스 스틸(stainless steel) 이나 아크릴 등을 사용할 수 있는데 특히 스텐레스 스틸과 같은 금속재질을 사용할 경우 반응조 본체(12) 내부의 반응을 육안으로 확인하기에 어려움이 있으므로 반응조 본체(12)의 일측에는 투시구(11)가 설치될 수 있다.The material of the reactor body 12 may be stainless steel or acrylic. Especially, when using a metal material such as stainless steel, it is difficult to visually check the reaction inside the reactor body 12. One side of the 12 may be provided with a sight hole (11).

반응조 본체(12)의 일측에 위치하는 가스 배출구(6)를 통해서는 일정시간의 반응 후 내부의 기체를 배출하게 된다.Through the gas outlet 6 located at one side of the reactor body 12 to discharge the gas inside the reaction after a predetermined time.

도 2를 참조하면 상술한 가스 주입구(2), 액체배지 주입구(3), 온도센서 연결부(4), 압력센서 연결부(5), 가스 배출구(6) 및 투시구(11)에 대하여 보다 명확하게 파악할 수 있다.Referring to FIG. 2, the gas inlet 2, the liquid medium inlet 3, the temperature sensor connection 4, the pressure sensor connection 5, the gas outlet 6 and the see-through 11 are more clearly described. I can figure it out.

도 3을 참조하면, 반응조 본체(12)의 측면에는 액체배지 배출구(7)와 액체배지 여과배출구(8)가 형성되어 있음을 알 수 있다.Referring to FIG. 3, it can be seen that the liquid medium outlet 7 and the liquid medium filtration outlet 8 are formed on the side of the reactor body 12.

합성가스의 발효과정을 거친 액체배지의 성분 분석을 위해 액체배지 배출구(7)를 통해 액체배지를 얻을 수 있다.The liquid medium can be obtained through the liquid medium outlet 7 for the component analysis of the liquid medium after the fermentation process of the syngas.

액체배지 여과배출구(8)를 통해서는 배지 중의 미생물을 걸러내어 미생물의 농도를 일정하게 유지할 수 있다. 또한 액체배지 중에 합성가스 발효를 통해 얻은 생성물을 회수할 수 있으며, 액체배지는 다시 액체배지 주입구(3)로 공급될 수 있다.Through the liquid medium filter outlet 8, the microorganisms in the medium can be filtered out to maintain a constant concentration of the microorganisms. In addition, it is possible to recover the product obtained through the syngas fermentation in the liquid medium, the liquid medium can be fed back to the liquid medium inlet (3).

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 합성가스 발효를 위한 회전원판형 생물반응조의 운전방법을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, a method of operating a rotating disc bioreactor for syngas fermentation according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 5에는 본 발명에 따른 합성가스 발효를 위한 회전원판형 생물반응조의 운전방법을 시간의 순서에 따라 나타낸 순서도가 도시되어 있다.Figure 5 is a flow chart showing the operating method of the rotary disk-type bioreactor for syngas fermentation according to the present invention in the order of time.

상술한 회전원판형 생물반응조를 가동하기에 앞서 우선 반응조 본체(12) 내부를 멸균하게 된다.(S100) 멸균 이후에는 반응조 본체(12) 내부를 무산소 조건으로 만들기 위해 반응조 본체(12) 내부에 가스 주입구(2)를 통해 질소가스를 공급하여 반응조 본체(12) 내부를 정화하게 된다.(S200)Prior to operating the above-described rotating disk-type bioreactor, the interior of the reactor body 12 is first sterilized. (S100) After sterilization, gas inside the reactor body 12 to make the inside of the reactor body 12 anoxic condition. Nitrogen gas is supplied through the injection port 2 to purify the inside of the reactor body 12. (S200)

일 예로 고압멸균기에서 멸균과정을 거친 후 반응조 본체(12) 내부를 99%의 에탄올을 소독용 솜에 충분히 묻혀 살균할 후, 다시 자외선 램프를 24시간 동안 조사한 후 반응조 본체(12)를 밀폐할 수 있다. 이후, 내부에 산소를 제거하기 위해 질소를 0.25㎛ 필터를 통과시킨 후 주입할 수 있다.For example, after sterilizing in a high-pressure sterilizer, the inside of the reactor body 12 may be sufficiently sterilized with 99% of ethanol on a disinfecting cotton, and then irradiated with an ultraviolet lamp for 24 hours, and then the reactor body 12 may be sealed. have. Thereafter, nitrogen may be injected after passing through a 0.25 μm filter to remove oxygen therein.

멸균 및 무산소 조건으로 된 반응조 본체(12)에는 액체배지 주입구(3)를 통해 액체배지를 채우고 미생물을 주입할 수 있다. 반응조 본체(12)의 하부에 일정량의 액체배지를 채운 상태에서 나머지 공간에는 가스 주입구(2)를 통해 합성가스를 기체기질로서 채울 수 있다.(S300)The reactor body 12 in sterile and anoxic conditions may be filled with a liquid medium through the liquid medium inlet 3 and inject microorganisms. In a state in which a certain amount of the liquid medium is filled in the lower part of the reactor body 12, the remaining space may be filled with the synthesis gas as a gas substrate through the gas inlet 2 (S300).

일 예로 액체배지를 회전축(13) 높이까지 채우고 미생물을 접종할 수 있다. 또한 합성가스는 0.25㎛ 필터와 니들(needle)밸브가 연결된 주입구를 통해 1~5atm 정도를 압력이 될 때까지 주입할 수 있다.For example, the liquid medium may be filled up to the height of the rotating shaft 13 and inoculated with microorganisms. In addition, the synthesis gas may be injected until the pressure reaches about 1 to 5 atm through an inlet connected with a 0.25 μm filter and a needle valve.

마그네틱 드라이브(1)를 구동하면 이에 연결된 회전원판(10)이 회전하면서 액체배지에 있는 미생물과 기체기질이 접촉하여 합성가스의 발효가 이루어질 수 있게 된다.(S400)When the magnetic drive 1 is driven, the rotating disc 10 connected thereto rotates to allow the microorganism and the gaseous substrate in contact with the liquid medium to come into contact with the fermentation of the syngas.

이때 반응조 본체(12)의 내부 압력이 일정수준 이상이 되어야 반응이 효과적으로 일어날 수 있으므로 가스 주입구(2)를 통해서는 기체기질의 공급이 적절하게 이루어질 수 있다.At this time, since the reaction may occur effectively when the internal pressure of the reactor body 12 is greater than or equal to a predetermined level, the gas substrate 2 may be properly supplied with the gas inlet.

온도와 압력은 K-type 열전대와 압력센서, Labview™ 및 NI9219 데이터 수집장치를 이용하여 1분 간격으로 계측한다. 합성가스 조성과 배양액 중 생성물의 농도 측정을 위한 시료는 반응조의 상태 및 압력변화를 관찰하며 채취한다. 미생물의 생장속도는 채취한 배양액의 분광광도계를 이용하여 600nm에서 농도를 측정하여 파악한다.Temperature and pressure are measured at 1 minute intervals using K-type thermocouples, pressure sensors, Labview ™ and NI9219 data acquisition devices. Samples for measuring the synthesis gas composition and the concentration of the product in the culture medium are collected while observing the condition and pressure change of the reactor. The growth rate of microorganisms is determined by measuring the concentration at 600 nm using a spectrophotometer of the collected culture solution.

회전원판형 생물반응조를 작동한 결과 종래 500㎖ 용량의 파이렉스 재질의 기포식 가스 순환형 생물반응조에 비해 미생물 접종 후 3일을 기준으로 했을 때 OD의 값은 약 2배 정도 차이를 보인다. 또한 회전원판형 생물반응조는 종래 기포식 반응조에 비해 2배 이상의 빠른 증식 속도를 나타낸다.As a result of operating the rotary disk-type bioreactor, the OD value is about 2 times higher than that of the conventional 500 ml Pyrex foam gas cycle type bioreactor. In addition, the rotating disk-type bioreactor exhibits a growth rate more than twice that of the conventional bubble reactor.

상술한 바와 같은 회전원판형 생물반응조에 의하면, 회전원판을 이용하여 기체기질을 미생물과 반응시키기 때문에 미생물과 기체기질의 접촉면적이 넓으며 반응이 효율적으로 일어날 수 있다. According to the rotating disk-type bioreactor as described above, since the substrate is reacted with the microorganisms using the rotating disk, the contact area between the microorganism and the gas substrate is wide and the reaction can be efficiently performed.

이상과 같이 본 발명에 따른 합성가스 발효를 위한 회전원판형 생물반응조 및 그 운전 방법을, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였다. 하지만 본 발명은 이상에서 설명된 실시예와 도면에 의해 한정되지 않으며 특허청구범위 내에서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자들에 의해 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.As described above, the rotating disk-type bioreactor for syngas fermentation according to the present invention and a method of operating the same are described with reference to a preferred embodiment of the present invention. However, it should be understood that the present invention is not limited to the above-described embodiments and drawings, and various modifications and changes may be made by those skilled in the art without departing from the scope of the present invention.

1: 마그네틱 드라이브 2: 가스 주입구
3: 액체배지 주입구 4: 온도센서 연결부
5: 압력센서 연결부 6: 가스 배출구
7: 액체배지 배출구 8: 액체배지 여과배출구
9: 가온용 히터 10: 회전원판
11: 투시구 12: 반응조 본체
13: 회전축 15: 다공부
1: magnetic drive 2: gas inlet
3: liquid inlet port 4: temperature sensor connection
5: Pressure sensor connection 6: Gas outlet
7: Liquid medium outlet 8: Liquid medium filtration outlet
9: heating heater 10: rotating disc
11: sight hole 12: reactor body
13: axis of rotation 15: hole

Claims (10)

일산화탄소와 수소를 포함하는 합성가스를 기체기질로 이용하여 혐기성 발효반응을 일으킬 수 있는 회전원판형 생물반응조에 있어서,
상기 기체기질과 액체배지에 있는 미생물이 반응할 수 있는 반응조 본체;
상기 반응조 본체 내부에 길이방향으로 설치된 회전축에 끼워진 다수의 회전원판;
미생물이 효율적으로 성장할 수 있는 막을 형성하도록, 상기 회전원판에 구비되는 다공부;
상기 다수의 회전원판 사이에 상기 회전축을 통해 끼워지며, 외경의 크기가 상기 회전축의 외경보다 크되 상기 다공부를 막지 않게 형성되는 분리판;
상기 반응조 본체의 내부 온도를 측정하기 위하여 상기 반응조 본체의 일측에 위치하는 온도센서 연결부를 통해 설치되는 온도센서;
상기 반응조 본체의 내부 압력을 측정하기 위하여 상기 반응조 본체의 일측에 위치하는 압력센서 연결부를 통해 설치되는 압력센서;
상기 반응조 본체에 기체기질을 주입하기 위하여 상기 반응조 본체의 일측에 설치되는 가스 주입구;
상기 반응조 본체에 액체배지를 주입하기 위하여 상기 반응조 본체의 일측에 설치되는 액체배지 주입구;
상기 반응조 본체 내의 합성가스의 발효과정을 거친 액체배지를 배출하기 위하여 반응조 본체의 측면에 설치되는 액체배지 배출구;
상기 반응조 본체 내의 배지 중의 미생물을 걸러내기 위하여 상기 반응조 본체의 측면에 설치되는 액체배지 여과배출구; 및
상기 다수의 회전원판이 회전할 수 있도록 상기 회전축에 동력을 전달하는 마그네틱 드라이브;를 포함하며,
상기 반응조 본체 내부에는 상기 액체배지가 하부에 채워진 상태에서 기체기질이 나머지 공간을 채우게 되며, 상기 다수의 회전원판이 회전하면서 상기 액체배지에 있는 미생물과 상기 기체기질이 접촉함으로써 합성가스의 발효가 이루어지는 것을 특징으로 하는 회전원판형 생물반응조.
In a rotary disk-type bioreactor in which an anaerobic fermentation reaction is caused by using a synthesis gas containing carbon monoxide and hydrogen as a gas substrate,
A reactor body capable of reacting the gas substrate with the microorganisms in the liquid medium;
A plurality of rotating discs fitted to a rotating shaft installed in the reactor body in the longitudinal direction;
A porous part provided in the rotating disc to form a film in which microorganisms can efficiently grow;
A separating plate inserted between the plurality of rotating discs through the rotating shaft, the outer diameter of which is greater than the outer diameter of the rotating shaft but is formed so as not to block the porous part;
A temperature sensor installed through a temperature sensor connection part located at one side of the reactor body to measure the internal temperature of the reactor body;
A pressure sensor installed through a pressure sensor connection part located at one side of the reactor body to measure the internal pressure of the reactor body;
A gas inlet installed at one side of the reactor body to inject a gas substrate into the reactor body;
A liquid medium injection port installed at one side of the reaction tank body to inject a liquid medium into the reactor body;
A liquid medium discharge port installed at a side of the reaction tank body in order to discharge the liquid medium after the fermentation process of the synthesis gas in the reactor body;
A liquid medium filtration outlet provided at a side of the reactor body to filter out microorganisms in the medium in the reactor body; And
And a magnetic drive transmitting power to the rotating shaft so that the plurality of rotating disks can rotate.
In the reactor body, the gas substrate fills the remaining space in the state where the liquid medium is filled in the lower portion, and the microorganisms in the liquid medium and the gas substrate are in contact with each other by rotating the plurality of rotating discs, so that the synthesis gas is fermented. Rotating disk-type bioreactor, characterized in that.
삭제delete 청구항 1에 있어서,
발효가 일어나는 과정에서 상기 반응조 본체의 내부 온도를 일정하게 유지하기 위하여 상기 반응조 본체 외벽에는 가온용 히터가 설치되는 것을 특징으로 하는 회전원판형 생물반응조.
The method according to claim 1,
Rotating disk type bioreactor, characterized in that the heating heater is installed on the outer wall of the reactor body in order to maintain a constant internal temperature of the reactor body in the course of the fermentation.
청구항 1에 있어서,
상기 회전원판의 재질은 금속에 테프론을 코팅한 것 또는 테프론인 것을 특징으로 하는 회전원판형 생물반응조.
The method according to claim 1,
Rotating disc type bioreactor, characterized in that the material of the rotating disc is coated with Teflon on the metal or Teflon.
청구항 1에 있어서,
상기 반응조 본체의 재질은 스텐레스 스틸(stainless steel) 또는 아크릴인 것을 특징으로 하는 회전원판형 생물반응조.
The method according to claim 1,
Rotating disk-type bioreactor, characterized in that the material of the reactor body is stainless steel (stainless steel) or acrylic.
청구항 1에 있어서,
상기 반응조 본체에는 반응조 본체에서 일어나는 반응을 육안으로 확인할 수 있는 투시구가 형성된 것을 특징으로 하는 회전원판형 생물반응조.
The method according to claim 1,
Rotating disk-type bioreactor, characterized in that the seeker is formed in the reactor body to visually check the reaction occurring in the reactor body.
삭제delete 회전원판형 생물반응조의 운전방법에 있어서,
청구항 1과 청구항 3 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 따른 회전원판형 생물반응조의 반응조 본체 내부를 멸균하는 단계;
상기 멸균하는 단계 이후 상기 반응조 본체 내부에 질소가스를 공급하여 상기 반응조 본체 내부를 무산소 조건으로 만드는 단계;
멸균 및 무산소 조건으로 된 상기 반응조 본체의 하부에 액체배지를 채우고 나머지 공간에는 기체기질을 채우는 단계; 및
상기 회전원판형 생물반응조의 회전원판을 회전시킴으로써, 상기 액체배지에 있는 미생물과 상기 기체기질이 접촉하여 합성가스의 발효가 이루어지는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전원판형 생물반응조의 운전방법.
In the operating method of the rotating disk-type bioreactor,
Sterilizing the inside of the reactor body of the rotating disk-type bioreactor according to any one of claims 1 and 3 to 6.
Supplying nitrogen gas into the reactor body after the sterilization to make the reactor body anoxic;
Filling a liquid medium in the lower portion of the reactor body in sterile and anoxic conditions and filling a gas substrate in the remaining space; And
Rotating the rotating disk of the rotating disk-type bioreactor, wherein the microorganisms in the liquid medium and the gas substrate are in contact with each other so that the syngas is fermented;
Rotating disk-type bioreactor operating method comprising a.
청구항 8에 있어서,
상기 합성가스의 발효가 이루어지는 단계에서, 상기 반응조 본체 내부의 압력을 고려하여 기체기질의 공급이 추가로 이루어지는 것을 특징으로 하는 회전원판형 생물반응조의 운전방법.
The method according to claim 8,
In the step of the fermentation of the synthesis gas, the operation method of the rotary disk-type bioreactor, characterized in that the supply of gas substrate is further made in consideration of the pressure inside the reactor body.
청구항 8에 있어서,
상기 합성가스의 발효가 이루어지는 단계에서, 액체배지 중의 미생물을 걸러내어 액체배지 중의 미생물 농도를 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 회전원판형 생물반응조의 운전방법.
The method according to claim 8,
In the step of the fermentation of the synthesis gas, the method for operating a rotating disk-type bioreactor, characterized in that to filter the microorganisms in the liquid medium to maintain a constant concentration of the microorganisms in the liquid medium.
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