KR101401559B1 - 써모코커스속 균을 이용한 수소생산장치 및 수소생산방법 - Google Patents

써모코커스속 균을 이용한 수소생산장치 및 수소생산방법 Download PDF

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한국해양과학기술원
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Abstract

본 발명은 수소생산 혐기성 미생물인 써모코커스속균을 함유하는 배양액을 내부에 수용하는 혐기성 배양기; 상기 배양기의 내부에 위치하고, 상기 배양기에 수용된 배양액 중 내부로 유입되는 유입배양액에 가스 버블을 발생시키는 가스 버블 발생기; 상기 유입배양액을 상기 가스 버블 발생기 내부로 유입시키는 배양액 순환부; 상기 가스 버블 발생기에 일산화탄소 가스를 공급하는 일산화탄소 공급부; 및 상기 배양기로부터 발생된 수소를 포집하는 수소포집부를 포함하는 써모코커스속균을 이용한 수소생산장치와 수소생산방법을 제공한다. 본 발명은 수소생산 혐기성 미생물인 써모코커스속균을 이용하여 효과적으로 수소를 생산할 수 있다는 장점을 갖는다.

Description

써모코커스속 균을 이용한 수소생산장치 및 수소생산방법{An apparatus for producing hydrogen using Thermococcus spp. and A method for producing hydrogen using Thermococcus spp.}
본 발명은 써모코커스속 균을 이용한 수소생산장치 및 수소생산방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수소를 효율적으로 생산해 낼 수 있는 써모코커스속 균을 이용한 수소생산장치 및 수소생산방법에 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, 써모코커스속균이 효과적으로 이용하도록 하여 수소를 생산하는 것은 용이하지 않다.
따라서, 써모코커스속균을 이용하여 효과적으로 수소를 생산할 수 있는 장치 및 방법의 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 미생물인 써모코커스속균을 이용한 수소 생산장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 하나의 과제는 수소생산 혐기성 미생물인 써모코커스속균을 이용한 수소 생산방법을 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 수소생산 혐기성 미생물인 써모코커스속균을 함유하는 배양액을 내부에 수용하는 혐기성 배양기; 상기 배양기의 내부에 위치하고, 상기 배양기에 수용된 배양액 중 내부로 유입되는 유입배양액에 가스 버블을 발생시키는 가스 버블 발생기; 상기 유입배양액을 상기 가스 버블 발생기 내부로 유입시키는 배양액 순환부; 상기 가스 버블 발생기에 일산화탄소 가스를 공급하는 일산화탄소 공급부; 및 상기 배양기로부터 발생된 수소를 포집하는 수소포집부를 포함하고, 상기 가스 버블 발생기는 방식부(防蝕部)를 포함하는 하우징, 상기 하우징의 일측에 형성되어 상기 유입배양액이 유입되는 배양액 유입부, 상기 하우징의 타측에 형성되어 상기 일산화탄소가스가 유입되는 일산화탄소 유입부, 상기 하우징의 내부에 형성되고 상기 배양액 유입부 및 상기 일산화탄소 유입부와 연결되며 상기 유입배양액과 상기 일산화탄소 가스를 접촉시켜 혼합물을 생성하는 혼합유로를 포함하는 혼합부, 및 상기 혼합부에 일측이 연결되어 상기 혼합물을 유출시켜 가스 버블을 발생시키는 유출부를 포함하며, 상기 유출부는 상기 배양기의 바닥면 또는 측면을 향하는 써모코커스속균을 이용한 수소생산장치를 제공한다.
상기 써모코커스속균은 예를 들어, 써모코커스 온뉴리뉴스(Thermococcus onnurineus)일 수 있다.
상기 가스 버블은 일산화탄소 가스 버블로, 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 방식부는 내식성(耐蝕性) 합성수지로 이루어질 수 있다.
상기 방식부는 상기 하우징 외면에 형성될 수 있다.
상기 내식성 합성수지는 예를 들어, 테플론 수지일 수 있다.
상기 가스 버블 발생기는 상기 유입배양액에 원심력을 부여하는 회전가이드부를 포함하고, 상기 회전가이드부를 따라 상기 유입배양액이 회전하는 상태에서 상기 일산화탄소 가스와 혼합될 수 있다.
상기 수소생산장치는 상기 가스 버블 중 배양액 표면으로 부상한 부상버블을 소포시키기 위한 기포제거부를 더 포함하며, 상기 기포제거부는 내부에 공간을 갖는 구체로 이루어지되, 일측은 상기 배양액 중 상기 부상버블을 소포시키기 위한 소포배양액이 유입되는 소포배양액 유입부가 형성되고, 타측은 상기 소포배양액이 유출되는 소포배양액 유출부가 형성되되, 상기 소포배양액 유출부는 복수개의 홀로 상기 구체의 하부, 상부, 및 중부에 각각 형성될 수 있다.
상기 소포배양액은 상기 배양액 순환부에서 분지되어 유입되는 것으로, 상기 배양액 순환부는 분지부를 더 포함할 수 있다.
상기 수소생산장치는 상기 기포제거부의 소포배양액 유출을 조절하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 부상버블의 부상높이를 측정하는 기포센서, 및 상기 기포제거부의 작동을 조절하는 작동조절부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 (A) 수소생산 혐기성 미생물인 써모코커스속균을 함유하는 배양액이 내부에 수용된 혐기성 배양기에서 상기 배양액 중 버블발생기 내부로 유입되는 유입배양액을 상기 혐기성 배양기 내부의 상기 버블 발생기로 이송하는 이송단계; (B) 상기 버블발생기에 일산화탄소 가스를 주입하여, 상기 유입배양액과 상기 일산화탄소 가스를 접촉시킨 후 상기 배양기의 바닥면 또는 측면을 향해 분사하여 버블을 발생시키며, 상기 써모코커스속균을 배양하여 수소발생시키는 수소발생단계; 및 (C) 상기 써모코커스속균이 일산화탄소를 이용하여 생산한 수소 가스를 포집하는 수소포집단계를 포함하는 써모코커스속균을 이용한 수소생산방법을 제공한다.
상기 가스 버블발생기는 방식부(防蝕部)를 포함하는 하우징, 상기 하우징의 일측에 형성되어 상기 유입배양액이 유입되는 배양액 유입부, 상기 하우징의 타측에 형성되어 상기 일산화탄소가스가 유입되는 일산화탄소 유입부, 상기 하우징의 내부에 형성되고 상기 배양액 유입부 및 상기 일산화탄소 유입부와 연결되며 상기 유입배양액과 상기 일산화탄소 가스를 접촉시켜 혼합물을 생성하는 혼합유로를 포함하는 혼합부, 및 상기 혼합부에 일측이 연결되어 상기 혼합물을 유출시켜 가스 버블을 발생시키는 유출부를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 (B)단계의 상기 수소발생은 분당 배양액대비 일산화탄소주입량의 부피비(vvm)를 배양경과시간에 따라 증가되도록 변경하여 실시하는 것으로, 최종 vvm은 0.1 ~ 0.15 vvm으로 배양종료시까지 유지할 수 있다.
상기 최종 vvm은 배양경과시간 8시간 초과부터 배양종료시까지 유지될 수 있다.
배양개시시의 vvm인 개시 vvm은 0.01~0.09vvm일 수 있다.
상기 개시 vvm은 0.05vvm일 수 있다.
상기 최종 vvm은 0.15 vvm일 수 있다.
상기 개시 vvm을 상기 최종 vvm으로 변경 전에 변경되는 vvm인 중간 vvm은 0.1vvm일 수 있다.
상기 개시 vvm은 배양개시시로부터 4시간까지 유지되고, 상기 중간 vvm은 4시간 초과부터 8시간까지 유지되며, 상기 최종 vvm은 8시간 초과부터 배양종료시까지 유지될 수 있다.
상기 (B)단계에서, 상기 버블 중 배양액 표면으로 부상한 부상버블을 소포시키기 위한 소포배양액을 살수하여, 상기 부상버블을 소포시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 소포배양액은 상기 배양액 중 상기 배양기 상부에 형성된 기포제거부로 이송된 후, 상기 배양액 표면과 상기 혐기성 배양기 내측면을 향해 살수되는 것일 수 있다.
상기 기포제거부는 내부에 공간을 갖는 구체로 이루어지되, 일측은 상기 소포배양액이 유입되는 소포배양액 유입부가 형성되고, 타측은 상기 소포배양액이 유출되는 소포배양액 유출부가 형성되되, 상기 소포배양액 유출부는 복수개의 홀로 상기 구체의 하부, 상부, 및 중부에 각각 형성될 수 있다.
상기 살수는 상기 부상버블이 상기 배양액 표면과 상기 혐기성 배양기 내측 상단 사이의 공간을 50부피% 이상 채운 상태에서 실시하는 것일 수 있다.
상기 포집은 상기 써모코커스속균이 분당 배양액대비 일산화탄소주입량의 부피비(vvm) 0.1~0.15 vvm에서 일산화탄소를 이용하여 생산한 수소 가스를 포집하는 것일 수 있다.
본 발명은 수소생산 혐기성 미생물인 써모코커스속균을 이용하여 효과적으로 수소를 생산하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 수소생산장치의 일 실시예를 나타낸 개략도이다.
도 2는 도 1의 일 실시예의 일부를 상세하게 나타낸 도이다.
도 3은 도 1의 일 실시예에 포함되는 가스 버블 발생기의 일 예를 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 3의 가스 버블 발생기의 단면을 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 수소생산장치의 일 실시예의 제1변형예를 나타낸 개략도이다.
도 6은 도 5의 제1변형예의 일부를 상세하게 나타낸 도이다.
도 7은 도 5의 제1변형예에 포함되는 기포제거부의 일 예를 나타낸 단면도이다.
도 8은 도 5의 제1변형예에 적용 가능한 제어부를 설명하기 위한 블럭도이다.
도 9는 본 발명의 수소생산방법의 일 실시예를 나타낸 플로우차트이다.
도 10과 도 11은 본 발명의 수소생산방법의 일 실시예의 제1구체예의 실험결과를 나타낸 그래프이다.
도 12와 도 13은 본 발명의 수소생산방법의 일 실시예의 제2구체예의 실험결과를 나타낸 그래프이다.
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.
써모코커스속 균은 써모코커스속에 속하여 수소생산이 가능한 혐기성 미생물로, 써모코커스속 균주(cell line)를 포함하는 의미이다. 이로써 제한되는 것은 아니나, 써모코커스속 균의 바람직한 예는 써모코커스 온뉴리뉴스(Thermococcus onnurineus)일 수 있다.
가스 버블은 일산화탄소 가스 버블로, 마이크로 가스 버블일 수 있으며, 마이크로 가스 버블은 평균 입경이 바람직하게는 0.2~100 μm, 보다 바람직하게는 0.2~5 μm일 수 있다.
도 1 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예인 수소생산장치에 대해 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 수소생산장치의 일 실시예를 나타낸 개략도이고, 도 2는 도 1의 일 실시예의 일부를 상세하게 나타낸 도이고, 도 3은 도 1의 일 실시예에 포함되는 가스 버블 발생기의 일 예를 나타낸 사시도이며, 도 4는 도 3의 가스 버블 발생기의 단면을 나타낸 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 수소생산장치(1)는 혐기성 배양기(100), 가스 버블 발생기(200), 배양액 순환부(500), 일산화탄소 공급부(400), 및 수소포집부(600)를 포함하여 이루어진다.
혐기성 배양기(100)는 수소생산 혐기성 미생물인 써모코커스속균을 함유하는 배양액을 내부에 수용한다.
혐기성 배양기(100)는 배양기 내부를 혐기성으로 유지해 줄 수 있는 밀폐된 구조의 공지의 배양기일 수 있으며, 공지의 관측창, 온도제어센서, pH 제어센서, 전열선 등의 가열수단, pH 조절제 공급관 등의 pH 조절제 공급수단 등이 장착된 구조의 것으로 상용화된 것일 수 있다.
배양액은 써모코커스속 균을 배양할 수 있는 공지의 배양액일 수 있다. 배양액은 물을 포함하여 일산화탄소와 물을 이용하여 써모코커스속 균이 수소생산이 가능하도록 한다. 배양액의 온도는 섭씨 25~90도가 되도록 조절될 수 있다.
가스 버블 발생기(200)는 혐기성 배양기(100)의 내부에 위치하고, 혐기성 배양기(100)에 수용된 배양액 중 내부로 유입되는 유입배양액에 가스 버블을 발생시켜, 가스상의 일산화탄소와 써모코커스속 균의 접촉면적을 크게 하고, 접촉시간을 연장시켜 수소생산성을 향상시켜 줄 수 있다. 유입배양액은 배양액 중 일부로, 가스 버블 발생기(200) 내부로 유입되어 가스 버블이 발생되는 배양액이다. 유입배양액은 배양액 중 일부이므로, 배양액 중 함유되는 써모코커스속 균이 희석되는 것을 막아줄 수 있어 안정적인 수소생산이 가능하다.
배양액 순환부(500)는 유입배양액을 가스 버블 발생기(200)로 유입시킨다. 배양액 순환부(500)에 포함되는 펌프(550)가 배양기 외부에 위치하는 예가 도시되어 있으나, 펌프를 포함하는 배양액 순환부 전체가 배양기 내부에도 위치할 수 있으며, 가스 버블 발생기와 일체로 구성될 수 도 있다.
도 1과 도 2를 참조하면, 배양액 순환부(500)는 써모코커스속 균을 함유하는 배양액 중 일부인 유입배양액을 흡인하여 가스버블 발생기로 유입되도록 하는 동력을 제공하는 펌프(550), 유입배양액을 펌프로 흡인하는 흡인관(570), 가스버블 발생기로 유입배양액을 이송하는 이송관(530)을 포함하여 이루어질 수 있다. 이와 같은 구성에 의해 혐기성 배양기(100) 내부의 배양액 중 일부를 가스버블 발생기(200)로 유입시켜, 가스버블이 발생된 배양액이 순환되도록 할 수 있다. 각각의 관에는 유량조절을 위한 밸브 등이 장착될 수 있음은 물론이다.
일산화탄소 공급부(400)는 가스 버블 발생기(200)에 일산화탄소 가스를 공급한다. 일산화탄소 공급부(400)는 일산화탄소 공급원(410), 및 가스공급관(430)을 포함하며, MFC(Mass Flow Controller)와 같은 유량조정기(450)에 의해 일산화탄소가스의 유량을 조절할 수 있다.
일산화탄소 공급원(410)은 일산화탄소 배출원에 말단이 연결된 관 또는 일산화탄소가 충진된 봄베 등일 수 있다.
수소포집부(600)는 혐기성 배양기(100)로부터 발생된 가스상 수소를 포집한다. 수소포집부(600)는 수소 수요처에 말단이 연결된 관이거나 가스 저장탱크 등 공지의 수소 저장부(610), 및 가스배출관(670)을 포함한다. 수소포집부(600)는 수소 이외에 배양과정에서 발생하는 가스를 함께 포집할 수 있으며, 수소포집부(600)에서 포집된 가스는 정제과정을 거쳐 수소의 순도를 높이는 것이 가능하다. 정제는 수소포집부(600)에서 일체로 이루어질 수 있다. 수소저장부(610)의 전단에는 필터 등을 배치하여 원하지 않는 물질이 유입되는 것을 막아줄 수 있다. 또한, 가스배출관(670)에 냉각부(650)를 설치하여 배출되는 가스의 온도를 낮춰 줌으로써 부피를 감소시켜 수소저장부(610)의 수용능력을 증가시키거나, 고온으로 인한 손상 등을 막아주는 효과를 나타낼 수 있다. 상기 냉각부(650)는 공지의 냉각장치일 수 있으며, 냉매를 순환시켜 배출되는 가스를 냉각시킬 수 있다.
도 3과 도 4를 참조하면, 가스 버블 발생기(200)는 하우징(230), 배양액 유입부(250), 일산화탄소 유입부(240), 혼합부(290), 및 유출부(210)를 포함하여 이루어진다.
하우징(230)은 가스 버블 발생기의 몸체를 이루며, 방식부(233)를 포함하여 이루어진다. 방식부(233)는 부식을 막을 수 있는 한 이로써 제한 되는 것은 아니나, 열 및 염류에 의한 부식에 견딜 수 있는 내식성 합성수지로 이루어질 수 있다. 내식성 합성수지는 예를 들어 테플론 수지 등일 수 있다. 방식부(233)는 하우징(230) 외면에 형성되어, 배양액과 접촉하는 하우징 표면의 부식을 막아줄 수 있다. 하우징의 내면은 스테인레스 등의 금속으로 이루어진 지지부(235)로 이루어져 방식부(233)를 지지하고 하우징의 강도를 유지해 줄 수 있다. 하우징 전체가 내식성 합성수지로 이루어져, 하우징 전체가 부식에 견디도록 할 수 있음은 물론이다.
배양액 유입부(250)는 하우징(230)의 일측에 형성되어 유입배양액이 가스 버블 발생기(200) 내부로 유입되도록 한다. 배양액 유입부(250)는 나사 결합 등으로 이송관(530)의 일단에 연결되어 유입배양액이 유입될 수 있다.
일산화탄소 유입부(240)는 하우징(230)의 타측에 형성되어 일산화탄소가스가 가스 버블 발생기(200) 내부로 유입되도록 한다. 일산화탄소 유입부는 나사 결합 등으로 가스공급관(430)의 일단에 연결되어 가스상 일산화탄소가 공급된다.
혼합부(290)는 혼합유로(295)를 포함하여 이루어진다. 혼합유로(295)는 하우징(230)의 내부에 형성되고 배양액 유입부(250) 및 일산화탄소 유입부(240)와 연결된다. 혼합유로(295)에서 배양액 유입부(250)를 통해 유입된 유입배양액과 일산화탄소 유입부(240)를 통해 유입된 일산화탄소 가스가 서로 접촉되어 혼합되어 혼합물이 생성된다.
배양액 유입부(250)가 형성된 하우징 일측과 일산화탄소 유입부(240)가 형성된 하우징 타측은 분리판(220)에 의해 하우징 내부에서 이격되고, 분리판(220)은 일산화탄소가 통과할 수 있는 유입홀(280)이 형성될 수 있다. 일산화탄소 유입부(240)로 유입된 일산화탄소는 일측은 일산화탄소유입부와 연결되고 타측은 유입홀(280)과 연결된 유동로(260)를 통해 이동하여 유입배양액과 혼합될 수 있다.
유출부(210)는 혼합부(290)에 일측이 연결되어 혼합부(290)에서 혼합된 배양액과 일산화탄소 혼합물을 유출시켜 가스 버블을 발생시킨다. 유출부(210)는 배양기(100)의 바닥면 또는 측면을 향하도록 하여, 유출되는 가스 버블이 일차적으로 바닥면 또는 측면에 충돌한 후, 배양액 표면을 향하여 부상되도록 할 수 있다(도 2 화살표 참조). 이와 같은 구조로 인해 써모코커스속 균과 가스 버블의 접촉시간을 증가시켜 주어 보다 효과적인 수소생산이 이루어지도록 할 수 있다. 또한, 부상버블의 발생을 가능한 억제하거나 지연시키는 효과 또한 갖는다.
가스버블발생기(200)는 유입배양액에 원심력을 부여하는 회전가이드부(291, 293)를 포함할 수 있다. 회전가이드부(291, 293)를 따라 유입배양액이 회전하는 상태에서 일산화탄소 가스와 혼합됨으로써, 보다 미세한 입경을 갖는 가스 버블이 형성될 수 있다. 회전가이드부(291, 293)는 혼합유로(295) 상에 형성될 수 있으며, 일측이 개방된 원통형으로 이루어진 회전가이드부(291, 293)는 복수개로, 하나의 회전가이드부(291)는 하우징의 유출부(210) 측 내면에 부착되고, 다른 하나의 회전가이드부(293)는 하우징의 유입홀(280) 측 내면에 부착되어 유입배양액의 회전력을 보다 증가시켜 줄 수 있다. 이와 같은 구조로 인해, 보다 미세한 일산화탄소 버블을 발생시킬 수 있어, 써모코커스속 균의 일산화탄소 이용을 촉진하여 보다 효과적인 수소생산이 가능하다.
이하에서는 도 5 내지 도 8을 참조하여, 일 실시예의 변형예에 대하여 설명한다.
일 실시예에서 언급된 내용은 변형예에 동일성 범위에서 적용되며, 변형예에서 언급될 내용 역시 동일성 범위에서 일 실시예에 적용된다.
도 5는 본 발명의 수소생산장치의 일 실시예의 제1변형예를 나타낸 개략도이고, 도 6은 도 5의 제1변형예의 일부를 상세하게 나타낸 도이고, 도 7은 도 5의 제1변형예에 포함되는 기포제거부의 일 예를 나타낸 단면도이며, 도 8은 도 5의 제1변형예에 적용 가능한 제어부를 설명하기 위한 블럭도이다.
제1변형예인 수소생산장치(1-1)는 혐기성 배양기(100), 가스 버블 발생기(200), 배양액 순환부(500), 일산화탄소 공급부(400), 및 수소포집부(600) 외에 기포제거부(300)를 더 포함하여 이루어진다.
혐기성 배양기(100), 가스 버블 발생기(200), 배양액 순환부(500), 일산화탄소 공급부(400), 및 수소포집부(600)는 일 실시예와 동일한 내용이 적용되며, 이하에서는 기포제거부(300)에 대해 보다 상세히 설명한다.
기포제거부(300)는 가스 버블 중 배양액 표면으로 부상한 부상버블을 소포시키는 작용을 한다. 이와 같은 작용을 위해, 도 6 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 기포제거부(300)는 배양기 내측의 상부에 형성될 수 있다. 기포제거부(300)는 내부에 공간을 갖는 구체로 이루어지되, 일측은 소포배양액이 유입되는 소포배양액 유입부(310)가 형성되고 타측은 소포배양액이 유출되는 소포배양액 유출부(330)가 형성된다. 상기 소포배양액 유출부(330)는 복수개의 홀로 구체의 하부, 상부, 및 중부에 각각 형성되어 방향에 관계 없이 부상버블을 소포시킬 수 있다. 또한, 혐기성 배양기(100) 내측면에 붙은 써모코커스속 균을 배양액으로 다시 돌려 보낼 수 있다. 소포배양액은 배양액 중 일부로 부상버블을 소포시키기 위한 배양액을 의미한다. 구체의 하부는 소포배양액 유입부와 대척되는 부분을 의미하고, 상부는 소포배양액 유입부 부근을 의미하며, 중부는 상부와 하부의 연결부를 의미한다. 이와 같은 구조로 인해, 다양한 방향에 위치하는 부상버블을 소포시킬 수 있다. 소포배양액은 배양액 중 일부이므로, 배양액 중 함유되는 써모코커스속 균이 희석되는 것을 막아줄 수 있어 안정적인 수소생산이 가능하다.
가스버블 발생기(200)에서 발생한 버블이 배양액 표면을 향해 부상하여, 배양액 표면으로부터 부상버블이 혐기성 배양기(100) 상단을 향하여 차 오르게 되면, 써모코커스속 균이 부상버블에 따라 올라오게 되어 사멸하거나 부상버블이 배양기 외부로 빠져 나갈 때 함께 유실되는 문제가 발생할 염려가 있다. 따라서, 이와 같은 기포제거부에 의해 부상버블을 소포시켜 부상버블에 딸려 올라오는 써모코커스속 균을 다시 배양액으로 돌려 보내거나, 배양기 내측면에 붙은 써모코커스속 균을 다시 배양액으로 돌려 보내어 써모코커스속 균의 사멸 내지 유실을 방지할 수 있다.
소포배양액은 배양액 순환부(500)에서 분지되어 기포제거부(300)로 유입될 수 있다. 이 때 배양액 순환부(500)는 분지부(350)를 더 포함할 수 있다. 분지부(350)는 제어가능한 유량조절밸브(370)를 포함하여, 소포배양액의 유출을 조절할 수 있다.
수소생산장치(1-1)는 도 8에 도시된 바와 같이, 기포제거부의 소포배양액 유출을 조절하기 위한 제어부를 더 포함할 수 있다. 제어부(700)는 부상버블의 부상높이를 측정하는 기포센서(710)와 기포제거부의 작동을 조절하는 작동조절부(730)를 포함하여 이루어진다. 작동조절부(730)는 기포센서에서 센싱한 값에 따라 유량조절밸브(370)를 조절하거나 펌프(550)를 조절함으로써 소포배양액의 유출을 조절할 수 있다. 기포센서(710)와 작동조절부(730)는 CPU와 같은 컨트롤 유니트(770)에 의해 제어될 수 있다. 제어부의 제어에 의해 부상버블의 부상높이를 측정하여 목표높이(예를 들어, 배양액 표면과 혐기성 배양기 내측 상단 사이의 공간(S)의 50부피%에 해당하는 높이)에 도달시 소포배양액을 살수할 수 있다.
이하에서는 도 9와 구체예들을 통해 본 발명의 수소생산방법의 일 실시예에 대해 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 수소생산장치의 일 실시예에서 언급된 내용은 수소생산방법의 일 실시예에 동일성 범위에서 적용되며, 수소생산방법의 일 실시예에서 언급될 내용 역시 동일성 범위에서 수소생산장치의 일 실시예에 적용된다.
도 9는 본 발명의 수소생산방법의 일 실시예를 나타낸 플로우차트이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예인 수소생산방법은 (A) 이송단계, (B) 수소발생단계, 및 (C) 수소포집단계를 포함하여 이루어진다.
이송단계는 수소생산 혐기성 미생물인 써모코커스속균을 함유하는 배양액이 내부에 수용된 혐기성 배양기에서 유입배양액을 혐기성 배양기 내부의 버블 발생기로 이송하는 단계이다. 유입배양액은 배양액 중 일부로, 버블발생기 내부로 유입되는 배양액을 의미한다. 버블발생기는 본 발명의 일 실시예인 수소생산장치의 설명에서 언급된 것과 동일성 범위의 것이 적용될 수 있다.
수소발생단계는 버블발생기에 일산화탄소 가스를 주입하여, 유입배양액과 일산화탄소 가스를 접촉시킨 후 배양기의 바닥면 또는 측면을 향해 분사하여 버블을 발생시키며, 써모코커스속균을 배양하여 수소를 발생시키는 단계이다. 이와 같은 단계에 의해 써모코커스속균이 일산화탄소와 보다 용이하게 접촉하여 수소발생량이 증가하게 된다. 수소발생단계에서 발생하는 버블 중 배양액 표면으로 부상한 부상버블은 본 발명의 일 실시예인 수소생산장치에서 언급된 문제를 가질 수 있으므로, 이를 소포시키기 위한 소포배양액을 살수하여, 부상버블을 소포시킬 수 있다. 이 때, 살수는 부상버블이 배양액 표면과 혐기성 배양기 내측 상단 사이의 공간(S)을 50부피% 이상 채운 상태에서 실시하는 것일 수 있다. 이는 소포배양액 연속 살수시 부상버블 제어가 오히려 어려울 수 있기 때문이다. 따라서, 본 발명의 일 실시예인 수소생산장치에서 언급된 제어부를 적용하여, 부상버블의 부상높이를 측정하여 목표높이(예를 들어, 배양액 표면과 혐기성 배양기 내측 상단 사이의 공간(S)의 50부피%에 해당하는 높이)에 도달할 때 살수를 개시하고, 목표높이 미만으로 부상높이 하강시 살수를 중단하는 방법에 의해 부상버블의 제어를 보다 용이하게 할 수 있다.
소포배양액은 배양액 중 혐기성 배양기 상부에 형성된 기포제거부로 이송된 후, 배양액 표면과 혐기성 배양기 내측면을 향해 분사되는 것일 수 있다. 기포제거부는 본 발명의 일 실시예인 수소생산장치의 설명에서 언급된 것과 동일성 범위의 것이 적용될 수 있다.
(B)단계에서, 수소발생은 분당 배양액대비 일산화탄소주입량의 부피비(volume of CO added to medium volume per minute; CO volume/medium volume/minute; vvm)를 배양경과시간에 따라 증가 되도록 변경하여 실시할 수 있다. 이 때, 최종 vvm은 0.1 ~ 0.15 vvm으로 배양종료시까지 유지할 수 있다. 이와 같은 방법으로 수소생산을 효과적으로 할 수 있다. 최종 vvm은 보다 바람직하게는 0.15 vvm일 수 있다.
최종 vvm은 일정시간 유지될 수 있으며, 예를 들어, 배양경과시간 8시간 초과부터 배양종료시까지 유지될 수 있다. 배양종료시는 예를 들어, 회분식 배양 기준으로 배양개시시로부터 42시간이고, 연속식 배양 기준으로 배양개시시로부터 6개월일 수 있다.
배양개시시의 vvm인 개시 vvm은 0.01~0.09vvm일 수 있으며, 보다 바람직하게는 0.05vvm일 수 있다. 해당 범위에서 수소생산에 효과적일 수 있다. 특히, 배양초기부터 안정적인 수소생산이 가능하도록 할 수 있다.
상기 개시 vvm을 상기 최종 vvm으로 변경 전에 변경되는 vvm인 중간 vvm은 0.1vvm일 수 있다. 개시 vvm으로 일정 시간 배양한 후, 중간 vvm으로 변경한 후 최종 vvm으로 변경하여 보다 효과적으로 수소를 생산할 수 있다.
예를 들어, 개시 vvm은 배양개시시로부터 4시간까지 유지되고, 중간 vvm은 4시간 초과부터 8시간까지 유지되며, 최종 vvm은 8시간 초과부터 배양종료시까지 유지될 수 있다
이와 같이 vvm을 배양경과시간에 따라 변경함에 따라 보다 효과적이며, 안정적으로 수소를 생산할 수 있다.
수소포집단계는 써모코커스속균이 일산화탄소를 이용하여 생산한 수소 가스를 포집하는 단계이다. 본 발명의 일 실시예인 수소생산장치의 설명에서 언급된 것과 동일성 범위의 수소포집부를 적용하여 수소포집이 가능하다. 포집은 써모코커스속균이 분당 배양액대비 일산화탄소주입량의 부피비(vvm) 0.1~0.15vvm에서 일산화탄소를 이용하여 생산한 수소 가스를 포집하는 것일 수 있다. 해당 범위에서 일산화탄소 이용대비 수소생산량이 우수할 수 있다. 해당 범위 미만에서는 수소생산이 충분하지 않을 염려가 있고, 해당 범위 초과에서 일산화탄소 이용대비 수소생산이 불충분할 염려가 있다.
이와 같은 수소생산방법은 본 발명의 일 실시예인 수소생산장치와 동일성 범위의 것을 적용하여 실시할 수 있다.
이하에서는 제1구체예와 제2구체예를 통해, 본 발명의 수소생산방법의 일 실시예에 대해 보다 상세히 설명한다.
<제1구체예>
도 5에 도시된 형식의 수소생산장치를 준비하여 제1구체예인 수소생산방법을 실시하였다. 수소생산장치는 배양기 용량 50L 용량으로, 스테인레스 재질로 스팀가열방식의 자동 온도조절장치, 시료채취포트, 감시창을 포함하며, 일산화탄소 투입량을 자동 조절할 수 있는 MFC를 구비한 것이었다.
써모코커스속 균 배양을 위한 영양 배지는 증류수에 초기배지{효모 추출물(yeast extract) 10 g/L; NaCl 35 g/L; KCl 0.7 g/L; CaCl22H2O 0.4 g/L; NH4Cl 0.3 g/L; NaHCO3 0.5 g/L; Cystein-HCl 0.5 g/L; MgSO4 3.9 g/L; Na2HPO4 0.5g/L; NaSiO3 0.003 g/L; Vitamin solution lml/L; Trace elemental solution 1ml/L}를 용해 또는 현탁한 배양액 28L를 혐기성 배양기에 투여하였다. 2N NaOH 용액을 투입 하여 현탁한 배양액의 pH를 6.5로 조절 하였다. 배양액으로 채워진 혐기성 배양기 내부 온도를 섭씨 85도까지 상승시킨 후 배양기 외부에 위치한 펌프를 작동시켜 혐기성 배양기 내부 배양액 중 일부인 유입배양액을 가스버블발생기에 유입 되도록 하였다. 압축된 일산화탄소 가스는 가스버블발생기로 유입되며 고른 일산화탄소 마이크로 버블을 형성하기 위하여 유량을 조절 하였다. 혐기성 배양기 내부를 가스버블발생기로부터 분출되는 일산화탄소 마이크로 버블이 포화된 완전한 혐기조건이 되도록 하였다.
일산화탄소 마이크로 버블이 포화된 배양액에 써모코커스 온뉴리뉴스{한국해양연구원에서 입수, 공지의 방법에 의해 분리, 동정함(Journal of Microbiology Biotechnology 2006 vol. 16. No. 11 1826-1831)} 2L를 접종 하였다.
분당 배양액대비 일산화탄소주입량의 부피비(vvm)는 0.05 vvm으로 시작하여, 8시간 경과시 0.1vvm으로 변경하여 최종 vvm이 0.1vvm이 되도록 하여 써모코커스 온뉴리뉴스를 배양함으로써, 수소를 생산하였다. 이 때, 부상버블의 부상높이를 측정하여 목표높이(배양액 표면과 혐기성 배양기 내측 상단 사이의 공간의 50부피%에 해당하는 높이)에 도달할 때 기포제거부를 이용하여 소포배양액 살수를 개시하고, 목표높이 미만으로 부상높이 하강시 살수가 중단되도록 하였다. 이와 같은 살수에 의해 써모코커스속 균의 소실 내지 사멸을 막을 수 있었으며, 안정적인 수소생산이 가능하였다.
써모코커스 온뉴리뉴스의 성장 특성을 파악하기 위해 경과시간별로 시료를 채취하여 광학농도 값을 측정하였다. 상기 광학농도(Optical density)값은 UV-vis Spectrometer(Varian)를 사용하여 600 nm에서 흡광도를 측정한 탁도로 하였다.
상기 공정으로부터 수소 생산성을 계산하기 위하여 가스크로마토그래피(영린기기)를 이용하여 배출가스 내 수소 함량을 측정하였다.
또한, 습식 가스메터를 수소포집부에 설치하여 총배출가스 량을 측정할 수 있었다.
총배출가스 량과 배출가스 내 수소 함량 값을 이용하여 단위시간당 수소생산량을 계산하였다.
그 결과를 도 10과 도 11에 나타내었다.
도 10과 도 11은 본 발명의 수소생산방법의 일 실시예의 제1구체예의 실험결과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 제1구체예의 실험결과를 나타내는 그래프로 써모코커스속 균의 성장을 배양시간경과에 따른 배양액의 광학농도(OD)로 나타낸 것이다. 도 10에서 보는 바와 같이, 광학농도 값은 배양 초기부터 급격히 증가함을 알 수 있으며, 본 발명의 장치와 방법에 의해 수소를 생산할 수 있는 써모코커스속 균이 효과적으로 성장함을 알 수 있다. 또한, 개시 vvm은 0.05 vvm이 되도록 하고, 최종 vvm이 0.1vvm이 되도록 함으로써, 균체 성장을 급격하게 증가시킴을 알 수 있다. 이와 같이, 분당 배양액대비 일산화탄소주입량의 부피비를 배양경과시간에 따라 증가되도록 변경하여 실시함으로써, 수소를 생산할 수 있는 균체 성장을 촉진할 수 있게 된다.
도 11은 제1구체예의 실험결과를 나타내는 그래프로, 배양시간경과에 따른 투입된 일산화탄소 및 써모코커스속 균이 생산한 가스들의 함량(Gas content, %) 변화를 나타낸 것이다. 써모코커스속 균 배양과 동시에 투입된 일산화탄소 가스는 급격히 소모되는 것을 알 수 있으며, 써모코커스속 균에 의해 생산된 수소 가스와 이산화탄소 가스 함량은 증가하는 것을 알 수 있다. 도 11의 결과로부터 본 발명의 장치와 방법에 의해 효과적으로 수소를 생산할 수 있음을 알 수 있다. 또한, 개시 vvm은 0.05 vvm이 되도록 하고, 최종 vvm이 0.1vvm이 되도록 함으로써, 안정적인 수소 생산이 지속 가능함을 알 수 있다. 즉, 개시 vvm에서 수소생산 감소시 vvm을 최종 vvm으로 변경함으로써, 생산되는 수소량이 감소되는 것을 억제하고 일정한 함량의 수소가 지속적으로 생산되도록 할 수 있다. 이와 같이, 분당 배양액대비 일산화탄소주입량의 부피비를 배양경과시간에 따라 증가되도록 변경하여 실시함으로써, 안정적인 수소 생산이 가능하다.
또한, 8시간에서 42시간 구간의 34시간 동안 측정된 총배출가스 내 수소 함량을 계산하여 파악한 수소 생산성은 2.34 L/L/h 임을 알 수 있다.
<제2구체예>
분당 배양액대비 일산화탄소주입량의 부피비(vvm)를 0.05vvm으로 시작하여, 8시간 경과시 0.1vvm으로 변경하여 써모코커스 온뉴리뉴스를 배양하는 대신 분당 배양액대비 일산화탄소주입량의 부피비(vvm)를 0.05 vvm으로 시작하여, 4시간 경과시 0.1vvm으로 변경하고, 8시간 경과시 0.15vvm으로 변경하며, 12시간 경과시 0.2vvm으로 변경하여 실시한 것을 제외하고, 제1구체예와 동일한 방법으로 실시하였다.
또한, 제2구체예와 비교를 위해 분당 배양액대비 일산화탄소주입량의 부피비(vvm)를 0.05vvm으로 시작하여, 8시간 경과시 0.1vvm으로 변경하여 써모코커스 온뉴리뉴스를 배양하는 대신 분당 배양액대비 일산화탄소주입량의 부피비(vvm)를 0.15 vvm으로 시작하여 배양종료시까지 계속 실시하는 것을 제외하고, 제1구체예와 동일한 방법으로 실시하였다.
그 결과를 도 12와 도 13에 나타내었다.
도 12와 도 13은 본 발명의 수소생산방법의 일 실시예의 제2구체예의 실험결과를 나타낸 그래프이다.
도 12는 제2구체예의 실험결과를 나타내는 그래프로, 써모코커스속 균의 성장을 시간경과에 따른 배양액의 광학농도(OD)로 나타낸 것이다.
도 12에서 보는 바와 같이, 분당 배양액대비 일산화탄소주입량의 부피비(vvm)을 변경하지 않는 경우에 비해, vvm을 시간경과에 따라 변경함으로써 균체 성장을 배양초기부터 급격하게 증가시킴을 알 수 있다. 이와 같이, 분당 배양액대비 일산화탄소주입량의 부피비를 배양경과시간에 따라 증가되도록 변경하여 실시함으로써, 수소를 생산할 수 있는 균체 성장을 촉진하여 배양초기부터 수소생산이 가능함을 알 수 있다.
도 13은 제2구체예의 실험결과를 나타내는 그래프로, 시간경과에 따른 수소생산율(H2 Productivity; L/L/h) 변화와 일산화탄소 전환율 변화를 나타낸 그래프이다. 이 때, 일산화탄소 전환율(CO conversion)은 생산수소부피(L)를 투입 일산화탄소부피(L)로 나눈 후 100을 곱하여 구한 값(%)이다.
도 13에서 보는 바와 같이, vvm이 0.15 vvm일 때 수소 생산성이 지속적으로 증가하며, 0.2vvm으로 변경시 수소 생산성이 감소함을 알 수 있다. 또한, 일산화탄소 전환율은 최종 vvm을 0.2vvm으로 변경시 큰 폭으로 감소함을 알 수 있다. 따라서, 최종 vvm이 0.15vvm일 때, 보다 효과적이고 안정적으로 수소를 생산할 수 있음을 알 수 있다.
제1구체예 및 제2구체예의 결과를 종합할 때, 수소발생은 분당 배양액대비 일산화탄소주입량의 부피비(vvm)를 배양경과시간에 따라 증가되도록 변경하여 실시하는 것이 바람직하며, 최종 vvm은 0.1 ~ 0.15 vvm으로 배양종료시까지 유지하는 것이 바람직함을 알 수 있다. 이 때, 배양개시시의 vvm인 개시 vvm은 0.05vvm이 되도록 함으로써, 보다 효과적으로 배양 초기부터 수소생산이 가능함을 알 수 있다.
제2구체예에서와 같이, 최종 vvm은 0.15 vvm일 때, 개시 vvm을 최종 vvm으로 변경 전에 변경되는 vvm인 중간 vvm은 0.1vvm이 되도록 함으로써, 수소생산성을 보다 증가시키는 것이 가능하다. 이 때, 개시 vvm은 배양개시로부터 4시간까지 유지되고, 중간 vvm은 4시간 초과부터 8시간까지 유지되며, 최종 vvm은 8시간 초과부터 배양종료시까지 유지되도록 함으로써, 보다 지속적이고 안정적인 수소 생산이 가능함을 알 수 있다.
또한, 수소가스포집시 상기 써모코커스속균이 분당 배양액대비 일산화탄소주입량의 부피비(vvm) 0.1~0.15 vvm에서 일산화탄소를 이용하여 생산한 수소 가스를 포집함으로써, 효과적으로 수소 가스를 생산할 수 있음을 알 수 있다.
이상의 결과로 부터, 본 발명의 수소생산장치 및 수소생산방법에 의해 효과적이며 안정적으로 수소를 생산할 수 있음을 알 수 있다.
1, 1-1: 수소생산장치 100: 혐기성배양기
200: 가스버블발생기 210: 유출부
220: 분리판 230: 하우징
233: 방식부 235: 지지부
240: 일산화탄소 유입부 250: 배양액 유입부
260: 유동로 280: 유입홀
290: 혼합부 291, 293: 회전가이드부
295: 혼합유로 300: 기포제거부
310: 소포배양액 유입부 330: 소포배양액 유출부
350: 분지부 370: 유량조절밸브
400: 일산화탄소 공급부 410: 일산화탄소 공급원
430: 가스공급관 450: 유량조정기
500: 배양액 순환부 530: 이송관
550: 펌프 570: 흡인관
600: 수소포집부 610: 수소저장부
650: 냉각부 670: 가스배출관
700: 제어부 710: 기포센서
730: 작동조절부 770: 컨트롤 유니트
S: 공간

Claims (19)

  1. 수소생산 혐기성 미생물인 써모코커스속균을 함유하는 배양액을 내부에 수용하는 혐기성 배양기;
    상기 배양기의 내부에 위치하고, 상기 배양기에 수용된 배양액 중 내부로 유입되는 유입배양액에 가스 버블을 발생시키는 가스 버블 발생기;
    상기 유입배양액을 상기 가스 버블 발생기 내부로 유입시키는 배양액 순환부;
    상기 가스 버블 발생기에 일산화탄소 가스를 공급하는 일산화탄소 공급부; 및
    상기 배양기로부터 발생된 수소를 포집하는 수소포집부를 포함하고,
    상기 가스 버블 발생기는 방식부(防蝕部)를 포함하는 하우징, 상기 하우징의 일측에 형성되어 상기 유입배양액이 유입되는 배양액 유입부, 상기 하우징의 타측에 형성되어 상기 일산화탄소가스가 유입되는 일산화탄소 유입부, 상기 하우징의 내부에 형성되고 상기 배양액 유입부 및 상기 일산화탄소 유입부와 연결되며 상기 유입배양액과 상기 일산화탄소 가스를 접촉시켜 혼합물을 생성하는 혼합유로를 포함하는 혼합부, 및 상기 혼합부에 일측이 연결되어 상기 혼합물을 유출시켜 가스 버블을 발생시키는 유출부를 포함하며, 상기 유출부는 상기 배양기의 바닥면 또는 측면을 향하는 써모코커스속균을 이용한 수소생산장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 방식부는 내식성(耐蝕性) 합성수지로 이루어지는 써모코커스속균을 이용한 수소생산장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 가스 버블 발생기는 상기 유입배양액에 원심력을 부여하는 회전가이드부를 포함하고, 상기 회전가이드부를 따라 상기 유입배양액이 회전하는 상태에서 상기 일산화탄소 가스와 혼합되는 써모코커스속균을 이용한 수소생산장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 가스 버블 중 배양액 표면으로 부상한 부상버블을 소포시키기 위한 기포제거부를 더 포함하며, 상기 기포제거부는 내부에 공간을 갖는 구체로 이루어지되, 일측은 상기 배양액 중 상기 부상버블을 소포시키기 위한 소포배양액이 유입되는 소포배양액 유입부가 형성되고, 타측은 상기 소포배양액이 유출되는 소포배양액 유출부가 형성되는 써모코커스속균을 이용한 수소생산장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 소포배양액은 상기 배양액 순환부에서 분지되어 유입되는 것으로, 상기 배양액 순환부는 분지부를 더 포함하는 써모코커스속균을 이용한 수소생산장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 기포제거부의 소포배양액 유출을 조절하는 제어부를 더 포함하는 써모코커스속균을 이용한 수소생산장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제어부는 상기 부상버블의 부상높이를 측정하는 기포센서, 및 상기 기포제거부의 작동을 조절하는 작동조절부를 포함하는 써모코커스속균을 이용한 수소생산장치.
  8. (A) 수소생산 혐기성 미생물인 써모코커스속균을 함유하는 배양액이 내부에 수용된 혐기성 배양기에서 상기 배양액 중 버블발생기 내부로 유입되는 유입배양액을 상기 혐기성 배양기 내부의 상기 버블 발생기로 이송하는 이송단계;
    (B) 상기 버블발생기에 일산화탄소 가스를 주입하여, 상기 유입배양액과 상기 일산화탄소 가스를 접촉시킨 후 상기 배양기의 바닥면 또는 측면을 향해 분사하여 버블을 발생시키며, 상기 써모코커스속균을 배양하여 수소발생시키는 수소발생단계; 및
    (C) 상기 써모코커스속균이 일산화탄소를 이용하여 생산한 수소 가스를 포집하는 수소포집단계를 포함하는 써모코커스속균을 이용한 수소생산방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 버블발생기는 방식부(防蝕部)를 포함하는 하우징, 상기 하우징의 일측에 형성되어 상기 유입배양액이 유입되는 배양액 유입부, 상기 하우징의 타측에 형성되어 상기 일산화탄소가스가 유입되는 일산화탄소 유입부, 상기 하우징의 내부에 형성되고 상기 배양액 유입부 및 상기 일산화탄소 유입부와 연결되며 상기 유입배양액과 상기 일산화탄소가스를 접촉시켜 혼합물을 생성하는 혼합유로를 포함하는 혼합부, 및 상기 혼합부에 일측이 연결되어 상기 혼합물을 유출시켜 가스 버블을 발생시키는 유출부를 포함하여 이루어지는 써모코커스속균을 이용한 수소생산방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 (B)단계의 상기 수소발생은 분당 배양액대비 일산화탄소주입량의 부피비(vvm)를 배양경과시간에 따라 증가되도록 변경하여 실시하는 것으로, 최종 vvm은 0.1 ~ 0.15 vvm으로 배양종료시까지 유지하는 써모코커스속균을 이용한 수소생산방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 최종 vvm은 배양경과시간 8시간 초과부터 배양종료시까지 유지되는 써모코커스속균을 이용한 수소생산방법.
  12. 제10항에 있어서, 배양개시시의 vvm인 개시 vvm은 0.01~0.09vvm인 써모코커스속균을 이용한 수소생산방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 개시 vvm은 0.05vvm이고, 상기 최종 vvm은 0.15 vvm이며, 상기 개시 vvm을 상기 최종 vvm으로 변경 전에 변경되는 vvm인 중간 vvm은 0.1vvm인 써모코커스속균을 이용한 수소생산방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 개시 vvm은 배양개시시로부터 4시간까지 유지되고, 상기 중간 vvm은 4시간 초과부터 8시간까지 유지되며, 상기 최종 vvm은 8시간 초과부터 배양종료시까지 유지되는 써모코커스속균을 이용한 수소생산방법.
  15. 제8항에 있어서, 상기 (B)단계에서, 상기 버블 중 배양액 표면으로 부상한 부상버블을 소포시키기 위한 소포배양액을 살수하여, 상기 부상버블을 소포시키는 것을 특징으로 하는 써모코커스속균을 이용한 수소생산방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 소포배양액은 상기 배양액 중 상기 배양기 상부에 형성된 기포제거부로 이송된 후, 상기 배양액 표면과 상기 혐기성 배양기 내측면을 향해 살수되는 것인 써모코커스속균을 이용한 수소생산방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 기포제거부는 내부에 공간을 갖는 구체로 이루어지되, 일측은 상기 소포배양액이 유입되는 소포배양액 유입부가 형성되고, 타측은 상기 소포배양액이 유출되는 소포배양액 유출부가 형성되되, 상기 소포배양액 유출부는 복수개의 홀로 상기 구체의 하부, 상부, 및 중부에 각각 형성되는 써모코커스속균을 이용한 수소생산방법.
  18. 제15항에 있어서, 상기 살수는 상기 부상버블이 상기 배양액 표면과 상기 혐기성 배양기 내측 상단 사이의 공간을 50부피% 이상 채운 상태에서 실시하는 것인 써모코커스속균을 이용한 수소생산방법.
  19. 제8항에 있어서, 상기 포집은 상기 써모코커스속균이 분당 배양액대비 일산화탄소주입량의 부피비(vvm) 0.1~0.15 vvm에서 일산화탄소를 이용하여 생산한 수소 가스를 포집하는 것인 써모코커스속균을 이용한 수소생산방법.
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