KR101507125B1

KR101507125B1 - 펌핑가능한 유기물로부터 바이오가스를 생성하기 위한 발효기

Info

Publication number: KR101507125B1
Application number: KR1020097026703A
Authority: KR
Inventors: 빌헬름 간터포트; 위르겐 벡
Original assignee: 빌헬름 간터포트; 위르겐 벡
Priority date: 2007-05-23
Filing date: 2008-05-16
Publication date: 2015-03-30
Also published as: EA016682B1; NZ581369A; WO2008142007A3; BRPI0812152B1; US20100240094A1; US8877490B2; WO2008142007A2; CN101755041A; DK2155854T3; EA200901485A1; DE102007024378B4; DE102007024378A1; ES2623842T3; BRPI0812152A2; EP2155854A2; CN101755041B; CA2723334A1; JP2010527762A; KR20100021483A; MX2009012544A

Abstract

본 발명은 낮은 함량의 유기 건조 물질(oTS)을 지닌 펌핑가능한 유기물로부터 바이오가스를 생성하는 발효기에 관한 것이며, 상기 발효기는 펌핑가능한 유기물을 위한 하나 이상의 입구; 하나 이상의 상승 구획 및 하나 이상의 하강 구획을 지닌 펌핑가능한 유기물을 위한 하나 이상의 고정층 반응기; 및 잔존하는 발효 잔여물을 위한 하나 이상의 출구를 포함한다. 또한, 상기 발효기는, 상기 상승 및 하강 구획 사이에 배치된, 펌핑가능한 유기물을 위한 하나 이상의 침전 챔버; 및 상기 침전 챔버에 연결되며, 상기 펌핑가능한 유기물의 특정 경량 부분이 회수될 수 있고, 상기 고정층 반응기의 상승 구획 또는 선행하거나 후속하는 통상적인 발효기에 재투입될 수 있도록 고안된 하나 이상의 재활용 구획을 선택적으로 포함할 수 있다.

발효기, 바이오가스, 유기물, 온실가스

Description

펌핑가능한 유기물로부터 바이오가스를 생성하기 위한 발효기{FERMENTER FOR GENERATING BIOGAS FROM PUMPABLE ORGANIC MATERIAL}

본 발명은 청구항 1에 따른, 낮은 함량의 유기 건조 물질(organic dry matter)(이하, 이를 독일어 "organischer Trockensubstanz"의 약어인 "oTS"라 칭함)을 지닌 펌핑가능한 유기물로부터 바이오가스를 생성하기 위한 발효기에 관한 것이다.

재생가능한 에너지 및 이들의 생산을 포함하는 논의가 점점 대중의 관심의 초점이 되고 있기 때문에, 바이오가스를 생성하는 발효기에 대한 관심이 증대되고 있다. 이러한 발효기들은 도시 하수처리장 뿐만 아니라 농업사업체들에서 이용되고 있음은 주지의 사실이다. 이론적으로 이들 발효기들은, 유기물을 밀폐된 컨테이너 내에 저장하며, 미생물의 작용에 의해 상기 재료 내에 포함된 유기 탄소 화합물들을 메테인 가스로 전환하고, 이를 추출하여 열 및/또는 동력 생성에 이용하는 방식으로 작동한다. 이와 같이 수득된 에너지는 CO₂가 거의 없게 되는데, 연소동안 방출된 이산화탄소는 식물 광합성을 통하여 미리 대기로부터 회수되었기 때문이다.

이어서, 논의는 우선 바이오가스를 생산하기 위하여 산소의 부재하에 일어나 는 발효 공정에 초점을 맞출 것이다. 전체 발효 공정은 다양한 단계로 나뉘어질 수 있다. 제1 단계에서 선택 및 필수적인 미생물들을 통하여, 발효될 기질 내에 함유된 탄수화물, 지방 및 단백질들이 저분자 탄화수소 화합물(C₁-C₅ 탄소체)로 분해된다. 상기 공정에서, 탄수화물들은 계속해서 프로피온산 또는 부티르산 또는 부탄올로 분해되며; β 산화에 의해, 지방산들은 점차적으로 C₂ 단위로 분해되어 아세트산으로 방출되고; 그리고, 아미노산들은 스틱랜드(Stickland) 반응에 따라 아세트산, 암모니아 및 CO₂로 분해된다.

이들 중간 생성물들은 차례로 메테인생성 기질인 아세트산(CH₃COOH), 수소(H₂), 탄산(H₂CO₃), 포름산(HCOOH) 및 메탄올(CH₃OH)로 분해된다. 다시, 필수적인 혐기성 메테인-생성(methanogenic) 박테리아인 메타노박테리움속(metanobacterium), 메타노사르시나속(methanosarcina) 및 메타노스피릴룸속(methanospirillum)에 의해, 이들 메테인생성 기질들은 하기 반응으로 메테인, 이산화탄소 및 물로 분해된다:

상기 반응 2)에서 언급된 HCO₃는 하기 반응식에 따라 물로부터 분해됨으로써 생성된다:

70% 이상의 메테인이 아세트산의 분해, 즉, 반응식 1을 통하여 생성된다. 바이오가스 발효는 서로 다른 미생물들이 다양한 단계들 내에서 활성을 갖는 혼합 공정을 포함하고 있으므로, 최대로 가능한 수율을 달성하기 위해서는 모든 미생물들의 서로 다른 필요조건들을 고려하여야 한다. 그러나, 결정적인 요인은 메테인생성 박테리아의 활성에 요구되는 조건들이다. 그들의 필수적인 혐기성 특성으로 인하여, 이들 박테리아는 무산소 환경을 엄격하게 요구한다. 또한, 이들은 약알칼리성 pH값을 선호한다.

독일특허 DE 제197,564,85호는 농업용 바이오가스 플랜트 및 도시 하수처리장에서의 사용을 위한 교반장치를 갖는 소화조(digester)를 개시한다. 이 탱크는 둥근바닥 공간, 충진 노즐 및 교반장치를 포함하는데, 상기 교반장치는 구동 샤프트를 가지며, 상기 탱크의 둘레에 장착되어 있다. 상기 교반장치는 상기 충진 노즐 아래에 장착된 파이프 내에 수용되어 있다. 상기 파이프는 수직 방향으로 뻗어있는 것이 바람직하다. 상기 발효 탱크의 내용물들은 벽이 가열됨으로써 배합된다. 발효될 기질들은 탱크의 상대적으로 높은 장소에 위치된 충진 노즐을 통하여 발효 탱크 내로 옮겨진다. 바닥 근처에 위치된 출구를 통하여 탱크의 하부 구역에 놓여진 발효물은 밖으로 펌핑되어 발효기 내에 저장된다.

이러한 발효기 내에 사용될 수 있는 기질들은 상대적으로 높은 비율의 유기 건조 물질(oTS)을 가져야만 한다. 예를 들어, 옥수수나 밀과 같은 에너지 작물들은 중량으로 60% 이상의 oTS 비율을 갖는다. 이러한 에너지 작물들로 인해 상대적으로 작은 발효기 체적으로 높은 바이오가스 수율을 달성할 수 있는데, 이들 작물들로 최대한의 적재량을 얻을 수 있기 때문이다.

"적재량(volume load)" 변수는 발효기의 생물학적 적재에 대한 측정 단위이다. 통상적인 바이오가스 플랜트는 하루에 2 내지 5kg oTS/m³의 적재량을 사용하려고 한다. 하루에 2kg oTS/m³의 적재량은 경량의 적재로 간주된다. 하루에 5kg oTS/m³이상의 적재량은 중량의 적재로서 표현된다.

그러나, 통상적인 바이오가스 발효기들은 높은 oTS 비율을 갖는 기질들, 즉, 특히 재생가능한 자원(renewable resources: 이하, 이를 독일어 "nachwachsenden Rohstoffen"의 약어인 "NaWaRo"라고도 표기함)으로부터의 기질, 그 중에서도 곡물, 옥수수 사일리지 또는 사탕무(mangold)와 같은 에너지 작물로부터의 기질들에 대해서만 적합하다.

낮은 oTS 비율을 갖는 기질들, 예를 들어, 액체 퇴비(liquid manure), 발효 잔여물, 양조용 곡물(알콜 발효, 특히 바이오에탄올 생성에서의 잔여물), 하수 슬러지 또는 식품 가공산업으로부터의 매우 오염된 하수와 같은 기질들은 상기 발효기들의 한정된 용도에 적합하지 않다. 이들은 기껏해야 시드(seed) 기질로서 사용되거나 에너지 작물 기질들과의 혼합물의 일부로서 사용되기에 적절한데(즉, 공동 발효의 목적을 위해), 소화조 용량 m³당 생성가능한 바이오가스의 양이 너무 적어 상기 발효기를 작동하는데 드는 에너지(교반장치를 작동하기 위한 열에너지, 동력)를 회수하기가 거의 불가능하기 때문이다.

이는 낮은 oTS 비율로 인해 이들 기질들의 적재량을 높이는 경우에 메테인생성 미생물들이 대량으로 유실될 위험이 있다는 사실에 기인한다.

게다가 통상적인 발효기들은 프로피온산을 농축하는 문제에 계속적으로 직면하는데, 이는 특정 농도에서 시작하여 박테리아억제 및 진균억제 작용을 나타낸다. 이러한 문제는 중량의 적재시에 가령 아세트산과 같은 휘발성 지방산의 형성이 메테인생성 미생물에 의한 분해보다 더 느린 경우에 일어난다. 통상적인 발효기에서, 이들 농도는 유실을 통하여 감소되는데, 메테인생성 박테리아가 2배 증식하는데 10 내지 14일이 소요되며, 이는 산성화제(acidifier)가 0.5 내지 2시간 걸리는 것에 비하면 매우 느린 속도로 일어나는 것이다. 결론적으로, 통상적인 발효기 시스템 내의 내용물은 매우 빠르게 산성화되며(메테인생성이 억제됨), 프로피온산이 형성된다.

액체 퇴비는 상대적으로 높은 pH값을 갖는 무산소 시스템을 형성한다. 따라서, 바이오가스 발효기 내에서 메테인생성 박테리아에 요구되는 조건들을 제공하기에 매우 적합하다. 그럼에도 불구하고, 미생물들이 액체 퇴비의 유기 건조 물질을 대사하는데 걸리는 시간은 에너지 작물의 유기 건조 물질을 대사하는데 걸리는 시간보다 더 길다. 그 결과, 상기 액체 퇴비를 발효기 내에 보다 더 오래 두어야만 한다.

예를 들어, 400LUs(가축 단위, 1LU는 500kg의 가축 중량에 해당됨)를 갖는 소 농장은 하루에 대략 20m³의 처리될 액체 퇴비를 생성한다. 50일간의 저장 기간을 갖는 통상적인 고안으로는, 1,000m³의 탱크 용량을 갖는 발효기가 요구될 것이다.

소의 액체 퇴비는 중량당 대략 6%의 평균 oTS 비율을 갖는다. oTS 1톤당 500m³의 바이오가스의 산출이 예상된다면, 하기 식에 따라:

상술한 예는 바이오가스를 600m³/day의 수율로 생성한다.

그러나, 동일한 규격의 발효기가 에너지 작물들로 적재된다면, 더 높은 oTS 비율로 인하여 더 많은 적재량을 가동할 수 있는데, 이는 상당히 개선된 반응기-특이적인 바이오가스 수율을 얻게 된다.

바이오가스 발효기는 상당량의 전력 소모(특히, 교반장치 및 가열 시스템을 위한)를 수반하므로, 통상적인 바이오가스 발효기 내에 액체 퇴비와 같은 낮은 함량의 유기 건조 물질(oTS)을 갖는 유기물을 전적으로 또는 주로 사용하는 것은 비효율적이다.

그럼에도 불구하고, 농업사업체에서는 농장에서 생성된 비료(동물 배설물 및 분뇨), 특히 액체 퇴비의 생물학적 처리를 위한 요구가 크다.

농장에서의 액체 퇴비의 응용은 법에 의해 엄격한 제제를 받는다. 예를 들어, 멸균된 액체 퇴비만이 젖소의 사료에 이용될 수 있다. 상기 멸균은 화학 적(NaOH에 의한) 또는 열적 처리에 의해 수행되며, 어떤 경우이든 상당한 비용을 수반한다.

이러한 멸균은 고온성 범위(＞55℃)에서 작동되는 바이오가스 발효기 내에서 틀림없이 이루어진다고 볼 수 있다. 그러나, 상기에서 지적한 바와 같이, 통상적인 발효기들은 대량의 액체 퇴비를 효율적으로 처리하는데는 적합하지 않다.

또한, 멸균처리 및 멸균처리되지 않은 액체 퇴비를 밭, 목초지 또는 목장에 이용하게되면, 기후에 나쁜 영향을 주는 가스들의 생성이 촉진된다. 이산화탄소(CO₂)의 생성이 촉진될 뿐만 아니라, 특히 메테인 가스(CH₄), 암모니아(NH₃) 및 아산화질소(N₂O)의 생성이 촉진되어 대기 내로 흩어져 온실효과를 조장한다.

따라서, 본 발명의 목적은 낮은 함량의 유기 건조 물질(oTS)을 갖는 유기물의 경제적인 발효를 가능하게 하는, 바이오가스 생성 방법 및 발효기를 제공하는 것이다.

그러나, 상기 발효기는 중량이 적재된 경우(＞5kg oTS/m³ 소화조 x d)에 매우 농축된 기질 혼합물들이 존재할지라도 매우 효율적이며 안정적인 메테인을 생성할 수 있어야 한다. 무엇보다도 이는 혼합 구역 내에서의 회수 및 접종을 위한 고정된 바이오매스 및 활성 바이오매스(바람직하게 메테인생성 미생물)의 회수로 인하여 가능하다.

본 발명은 액체 퇴비의 경제적인 처리 및 멸균을 위한 방법 및 발효기를 제공하는 목표를 추가로 포함한다.

상기 목표는 청구항 1의 특성에 의해 달성된다. 종속 청구항들은 바람직한 구현예들을 포함한다. 언급되는 모든 영역의 명세서들은 각각의 한계값들을 포함함을 고려해야 한다.

이에 따라, 낮은 함량의 유기 건조 물질(oTS)을 지닌 펌핑가능한 유기물로부터 바이오가스를 생성하는 발효기가 고안된다. 이는 하기를 포함한다:

a) 펌핑가능한 유기물을 위한 하나 이상의 입구,

b) 하나 이상의 상승 구획 및 하나 이상의 하강 구획을 지닌 펌핑가능한 유기물을 위한 하나 이상의 고정층 반응기, 및

c) 잔존하는 발효 잔여물을 위한 하나 이상의 출구.

"낮은 함량의 유기 건조 물질을 갖는 유기물"의 정의는 실질적으로 50중량% 미만의 oTS 비율을 갖는 물질을 포함하는데, 25중량% 미만이 바람직하며, 10중량% 미만이 특히 바람직하다.

이러한 물질들은 예를 들어, 액체 퇴비, 다시말해 동물의 배설물, 뇨, 깔짚, 사료 잔여물 및 누수를 통한 음용수로 이루어진 농장에서 생성된 비료(대부분 10중량% 미만의 oTS 비율을 가짐)를 포함한다.

예를 들어, 이에 상응하는 물질은 통상적인 교반용 탱크를 갖는 바이오가스 플랜트로부터의 발효 잔여물일 수 있거나 또는 양조용 곡물(알콜 발효, 특히 바이오에탄올 생산으로부터의 잔여물), 하수 슬러지 또는 식품 가공산업에서 나온 오염이 심한 하수와 같은 물질들일 수 있다. 상술한 정의는 또한 재생가능한 자원(NaWaRo)으로부터의 기질들과 혼합된 액체 퇴비 또는 발효 잔여물들을 포함한다.

고정층 반응기를 사용함으로써 수 많은 장점들이 달성될 수 있다. 예를 들어, 고정층 반응기는 자체의 교반 장치를 필요로하지 않는데, 상기 반응기 내부 물질의 흐름을 유도할 수 있기 때문이다. 이는 내부 및 외부가 장융모로 둘러싸이고 표면에 미생물이 대량으로 밀집된 나란히 배열된 장관(intestinal tract)에 비유될 수 있는데, 기질들의 흐름은 각각의 공정 단계에 따라 상방 또는 하방으로 유도된다.

그 대신에, 에너지-효율 펌프, 특히 이중 피스톤 펌프를 사용할 수 있다. 현재까지 통상적으로 사용되는 교반장치들은 약 18kW의 전력을 소모한다. 이중 피스톤 펌프를 사용함으로써 90%까지 에너지를 절약할 수 있다. 이는 본 발명에 기초한 발효기의 효율을 현저하게 증가시킨다.

유도된 물질의 흐름(강제적인 통로)에 의하여, 특히 교반장치를 갖는 발효기에서 피할 수 없는 단락전류(short-circuit currents)가 발생하지 않는다. 이들 단락전류들은 이상적인 발효뿐만 아니라 발효 물질의 효율적인 멸균을 방해한다. 이들 두가지 점들은 하기에 보다 상세하게 논의될 것이다.

제공되는 고정층 반응기는 또한 메테인-생성 미생물을 위한 군집화 기질을 공급한다. 이런 방식으로, 교반장치가 있는 발효기와 대조적으로 층층의 미생물 군집을 형성할 수 있다.

이는 메테인 생성의 제2 대사경로가 대규모로 발생할 수 있도록 하며 최적화까지 될 수 있다. 이를 위해, 미생물들은 작은 공간에서 효율적으로 상호작용하여, H⁺ 및 CO₂(HCO₃와 같은)가 CH₄로 합성될 수 있다(반응 2). 이는 바이오가스 내의 CO₂ 함량을 줄이며, 각각 CH₄ 함량을 증가시킨다. 이는 질을 개선시키며 효율을 증대하는 역할을 한다.

이는 매우 중요한데, 바이오가스 생성을 위해 요구되는 특정 박테리아 및 미생물들은 발효될 기질과 접촉되어서는 안되기 때문이다. 교반장치가 있는 발효기에서는 미생물들이 군집화 기질을 제공받지 못하여 이러한 층들이 형성될 수 없어 현저히 낮은 바이오가스 수율을 나타낸다.

바이오가스 합성에 있어서 서로 다른 미생물들에 의해 유도되는 아세트산생성 및 메테인생성 단계들이 특히 차별화된다. 아세트산생성 단계 동안, 저급 알콜뿐만 아니라 저급 지방산 및 카복시산들이 아세트산생성 미생물들을 통하여 1차적으로 아세트산 또는 그의 용해된 염, 아세테이트로 전환된다. 필수적으로 혐기상태인 메테인생성 단계 동안, 아세트산은 각각의 아세트산분해성 메테인생성균들을 통하여 메테인, 이산화탄소 및 물로 전환된다. 상기 각각의 미생물들은 공생(symbiosis)을 형성하는데, 즉, 일단의 미생물들은 다른 미생물들의 대사 생성물들을 반응물의 기재로 사용한다.

특히, 대사경로

는 통상적인 발효기들에서 수행되기 어려운데, H⁺ 이온 전달이 나노초 범위 내에서 일어나야 하기 때문이다. 이는 공생 미생물들의 고정화를 필요로 하는데, 요구되는 밀접한 근접을 보장하기 위해서다.

또한, 상기 미생물들은 고정층 반응기 내에서 더 빨리 적응되는데, 활성화된 (메테인생성) 바이오매스를 회수함으로써, 발효기는 더 빨리 "작동을 시작한다"(영구적인 재접종으로 인해). 그 결과, 상기 미생물들은 상술한 프로피온산을 더 많이 그리고 더 빨리 분해할 수 있거나 심지어 생성될 수 없게 한다.

본 발명에 따른 발효기는 또한 하기를 포함하는 것이 바람직하다:

a) 고정층 반응기의 상승 및 하강 구획 사이에 위치하는, 펌핑가능한 물질을 위한 하나 이상의 침전 챔버(sedimentation chamber); 및

b) 상기 침전 챔버에 연결된 하나 이상의 재활용 구획으로서, 상기 구획은 펌핑가능한 유기물의 특정 경량 부분(specific lighter fractions)이 회수될 수 있도록 하며, 필요한 경우, 상기 고정층 반응기의 상승 구획으로 재공급될 수 있도록 고안된 재활용 구획(recycling section).

2개의 개별적인 공정이 분리된 경우, 상기 침전 챔버는 각각의 헤드 부분에 위치할 수 있다. 상기 재활용 구획을 먼저 장착함으로써, 펌핑가능한 유기물의 특정 경량 부분이 회수되며 상기 고정층 반응기의 상승 구획으로 재공급될 수 있다.

한편, 이들 특정 경량 부분은 예를 들어, 휘발성 지방산 또는 섬유 모양의 바이오매스와 같은 특정 경량 유기물 부분을 포함하는데, 여기에서 메테인 및 이산화탄소의 방출로 인하여 메테인생성균 및 이들이 생성한 가스들이 포획되고 떠오르기 시작한다. 교반장치를 갖는 통상적인 발효기들에서는 이러한 부분들이 표류층을 형성하여 발효 공정으로부터 빠져나가게 된다. 상기 표류층은 또한, 만일 미생물의 가스 버블이 상기 표류층으로부터 더이상 용해되지 않는다면, 예를 들어, 교반장치가 작동하지 않는다면, 기질 내에 과도한 압력이 형성될 위험을 수반한다.

부수적으로 휘발성 지방산들의 일부는 쉽게 기체상으로 전이되어 상기 발효 공정으로부터 영구히 배제된다.

상기 특정 경량 유기물 부분은 또한 상기 고정층 반응기의 기질로부터 용해된 미생물(이른바 "활성 바이오매스")을 포함하며, 재활용 구획이 없다면 상기 발효기로부터 발효 잔여물과 함께 방출될 것이다. 이는 또한, 교반장치를 갖는 통상적인 발효기들에서 공급해주어야만 하는 미생물영양원의 계속적인 손실을 수반한다. 이는, 차례로 추가적인 비용 및 추가적인 중금속의 주입을 야기한다. 그 결과, 통상적인 바이오가스 발효기들에서는 바이오가스-생성 미생물들의 밀도가 계속적으로 감소하여, 이들 발효기들은 실질적으로 너무 낮은 미생물 밀도로 작동되어 이상적인 바이오가스 수율을 달성할 수 없는 결과를 초래한다. 본 발명에 기초한 재활용 구획은 이들 미생물들이 회수되어 발효기 내로 재공급될 수 있도록 한다. 그 결과, 본 발명에 기초한 발효기는 통상적인 발효기보다 상당히 더 높은 밀도의 미생물들을 가지며, 활성 바이오매스를 통하여 순환되는 현저하게 개선된 미생물영양원들이 공급된다.

이는 활성 바이오매스(선행기술에 따른 장치에서, 이는 발효 잔여물 저장 탱크 내에 발효된 물질과 함께 저장되고 그 곳에서 미사용인 상태로 남는다)를 회수하여, 이를 발효 공정에 재공급할 가능성을 제공한다. 이는 통상적인 발효기들의 수율을 현격히 증가시킨다. 또한, 상기 활성 바이오매스를 소화조 내로 재공급함으로써, 초기 작동 동안 플랜트를 최적화하는 시간이 현저히 감소된다. 이론적으로, 바이오가스 플랜트의 작동을 최적화하는데는 어느 정도의 시간이 소요된다. 이는 무엇보다도 미생물의 안정적인 군집이 플랜트 내에 정착되어야만 한다는 사실에 기인한다. 상기 소화조로부터 추출될 발효된 물질 내에 여전히 존재하는 미생물들을 회수할 가능성으로 인하여, 안정적이며 고효율적인 미생물 군집을 정착하는 시간이 현저히 줄어든다. 그 결과, 현저히 짧은 시간동안 최대 수율이 달성된다.

상기 활성 바이오매스를 회수할 가능성은 다른 장점들을 수반한다: 소화조 내에 매우 높은 밀도의 활성 미생물이 유지될 수 있기 때문에 발효 공정이 가속화된다. 이러한 방식으로, 상기 발효기의 흐름용량(flow capacity)은 증가될 수 있다. 이는 본 발명에 기초한 발효기가 매우 더 큰 적재량을 수용할 수 있다는 사실을 야기한다.

이러한 효과는 또한, 본 발명에 기초한 발효기가 통상적인 교반 탱크형 발효기와 조합하여 사용되는 경우, 회수된 활성 바이오매스가 상기 교반 탱크형 발효기에 재공급된다면 달성된다(이른바, "리파워링(repowering)", 하기 참조).

본 발명에 기초한 발효기는 통상적인 교반 탱크형 발효기에서 종종 요구되는 미생물영양원의 첨가도 더 많이 공급할 수 있는데, 재공급되는 활성 바이오매스는 미생물영양원들을 포함하고 있기 때문이다.

통상적인 교반 탱크형 발효기에서, 발효기의 내용물을 철저하게 혼합하는 것이 또한 필수적이다. 교반 공정은 다른 미생물들, 특히 메테인 박테리아의 공생을 계속적으로 교란시킨다. 이런 이유로, 높은 성능을 나타내는 수준에서 오랫동안 지속적인 공정 안정성을 달성하기는 불가능하다. 여기에서, 부패하는 기질은 미생물들에게 영양원 기질 및 동시에 공생의 군집을 위한 표면으로서 제공되어야 한다. 따라서, 상기 기질은 어떤 최소한의 구조를 제공해야만 한다. 그러나, 본 발명에 기초한 발효기에는 영구적으로 정착된 메테인 박테리아의 매우 안정한 공생이 형성된다. 그 결과, 약간 허술한 구조의 기질이 쉽게 생분해된다고 하더라도 메테인이 이상적인 방식으로 생성될 수 있다.

박테리아가 생성하는 유리 수소 및 박테리아가 이용하는 수소는 이상적인 공생을 위하여 영구적으로 정착되어야 한다. 본 발명에 기초한 발효기에서, 고정층 반응기의 군집 영역들은 메테인 가스를 생성하기 위한 이상적인 조건들을 제공한다.

본 발명에 기초한 발효기의 잔존 구역들은 특히 교반 공정에 의해 교란되지 않는 이상적인 생물학적 공정의 개발을 위한 최상의 조건들을 제공한다.

발효의 최적화를 위하여, 상기 미생물들은 유기산뿐만 아니라 CO₂를 요구한다.

유기물의 공급 구역에서 증가된 양의 CO₂가 형성되는데 이는 고정층 반응기의 더 높은 상승 구획을 통하여 최적화된 방식으로 흐른다. 그 결과, 메테인 박테리아는 메테인 생성을 위한 충분한 양의 CO₂를 공급받는다. 이는 최적의 생물학적 안정성을 가져온다.

따라서, 본 발명에 기초한 발효기에서의 바이오가스, 특히, 낮은 oTS 비율을 갖는 물질들에 관한 바이오가스는 개선되었다. 상기 개선된 수율은 oTS의 추가적인 분해에 기초하는데, 특히 플랜트의 생산 과정에서의 아세트산 등가물의 분해를 촉진하고, 회수된 박테리아를 재이용함으로써 수율이 개선되었다. 이는 대사의 활성을 이용함으로써 및/또는, 활성이 사라졌다면 바이오매스를 사용함으로써 이루어졌다.

전체적으로, 본 발명에 기초한 발효기는 하기의 추가적인 장점들을 갖는다:

ㆍ 기질(특히, 액체 퇴비)의 저장 기간이 50일에서 10일로 감소됨에 따라 흐름용량이 증가한다.

ㆍ 계산된 열 요구량은 20% 삭감된다(실제로, 내부 반응열이 대체로 이미 충분함, 즉, 외부의 열 공급원이 필요 없음).

ㆍ 통상적인 교반 탱크형 발효기와 비교하여, 발효기의 용량이 1,000m³에서 200m³으로 감소될 수 있는데, 이는 건설 및 투자 비용을 감소시킨다.

본 발명에 기초한 발효기의 바람직한 일 구현예에서, 고정층 반응기의 1차 구획은 상승 구획(rising section)으로 고안되어졌으며, 상기 고정층 반응기의 2차 구획은 하강 구획(descending section)으로 고안되어졌다.

이렇게 하여, 처음으로 메테인 생성의 2차 대사경로를 대규모로 가능하게 하고 최적화할 수 있다. 이를 위해 미생물들이 매우 효율적으로 상호작용하여 H⁺ 및 HCO₃가 CH₄로 합성될 수 있다(참조: 반응 2). 그 결과, 바이오가스 내의 CO₂ 함량은 감소되며, CH₄ 함량은 이에 상응하여 증가된다. 이는 질을 개선하고 효율을 증대시키는 목적에 이바지한다. 미세하게 분포된 CO₂ 버블 및 이들의 큰 비표면적으로 인해, 상승 구획 내에 메테인생성균들이 들어와서 실현시키기가 아주 어려운 메테인생성의 2차 경로와 격렬히 접촉할 기회가 생긴다.

그러나, 본 발명에 기초한 발효기는 또한 적재량이 매우 큰 경우(＞5kg)에 상당히 농축된 기질 혼합물들과 함께 있더라도 고효율 및 안정적인 바이오가스를 생산할 수 있다. 이는 고정된 바이오매스 및 혼합 구역 내의 재공급 및 접종을 위한 활성 바이오매스(바람직하게는 메테인생성균)의 회수로 인해서 가능하다. 상방 및 하방으로 흐르는 발효의 개별적인 구획들의 조합은 소장 및 대장의 기능에 비유되는데, 이로써 생체공학의 원리를 화학 공학에 접목시킨다.

상기 비유에서, 장기간의 가수분해가 일어나는 상류 구역, 즉 혼합 구역은 위(stomach)의 기능을 수용하는데, 말하자면, 주입 기질의 효율적인 산성화를 일으킨다.

또한, 상승 구획 내에서 반응들을 강화하기 위하여 외부원으로부터 CO₂가 공급될 수 있다. 후자는 외부원, 특히 상류의 장기간 가수분해가 일어나는 반응기로부터 유래될 수 있다.

아울러, 고정층 반응기는 미생물에게 대규모의 군집화 표면을 제공하는 재료를 포함하는 것이 바람직하다.

예를 들어, 이는 구조화된 표면 및/또는 내부 표면을 갖는 재료들을 포함한다. 이는 예를 들어, 구조화된 플라스틱 표면을 갖는 물질들뿐만 아니라, 화산암의 입상반, 세라믹 펠릿, 직물, 금속 또는 나무로 된 구조물 등을 포함할 수 있다.

이는 대규모의 군집화 표면을 가능하게 하는데, 따라서, 바이오가스를 생성하는 공생의 미생물 콜로니의 높은 밀도 및 안정성을 가능하게 한다.

상기 고정층 반응기에 기본적으로 길이방향의 채널 형성을 가능하게 하는 재료가 제공되는 것이 특히 바람직하다.

"기본적으로 길이방향의 채널"이란 용어는 발효기의 상승 구획 및/또는 하강 구획 내의 발효될 기질에 일정한 흐름 방향을 제공하기에 적합한 재료들을 포함한다. 이는 또한, 단락전류를 방지한다는 측면에서 유리하다. 이에 대해서는 하기에 보다 상세히 논의된다. 이러한 목적을 위해 사용될 수 있는 가능한 재료들은 예를 들어, 세라믹, 점토, 도토, 금속, 목재 또는 플라스틱 재료로 이루어진 수직 파이프, 또는 버티컬 로드, 판지, 허니콤(honeycomb), 로프, 코드 또는 줄을 포함한다.

고정층 반응기는 미생물의 군집화를 위한 대규모의 표면을 제공하는 재료를 포함하며, 기본적으로 길이방향의 채널 형성을 가능하게 하는 것이 특히 바람직하다.

여기에서, 확장된 표면을 갖는 플라스틱 파이프들, 예를 들어, 50 내지 400mm의 직경을 갖는 지하 공사에 사용되는 공지의 유연한 배수 파이프(flexible drain pipe)와 같은 것을 사용하는 것이 특히 고려되어졌다. 이들은 주름진 벽 구조를 갖고 있어 미생물들이 파이프의 내부면 및 외부면에 군집을 이루게 할 수 있다.

상기 파이프들은 특히 이들이 상기 고정층 반응기의 상승 구획 내에서 상승하는 가스 버블(특히 CO₂)이 특정 크기를 초과하지 않도록 하기 때문에 무엇보다 유리하다. 통상적인 발효기들에서, 상승하는 가스 버블은 추가의 가스 버블의 용인뿐만 아니라 수압의 감소로 인하여 강하게 불균형적으로 증가한다. 한편으로, 이는 이들의 상대 면적을 감소시킨다. 다른 한편으로, 이는 이들의 상승 속도를 현저히 증가시킨다. 상기 둘과 같은 상황으로 인해 상승하는 CO₂는 더이상 대사될 수 없으며, 반응 2)에 따른 메테인 가스로 더이상 전이될 수 없다. 파이프 또는 이와 유사한 중공 부품(hollow parts)을 갖는 장치는 버블의 체 크기(body size)의 증가를 제한한다. 기질 흐름의 구획화를 통하여, 상승하는 CO₂가 결과적으로 평행하면서 안정화된 구조 내에서 추가로 대사되도록 한다.

바람직하게, 고정층 반응기의 각각의 상부 및 하부 말단은 플라스틱 파이프들을 위한 지지장치(retaining device)가 제공되는데, 상기 파이프들은 서로에 대하여 가능한 최적의 거리로 고정되어 있으며, 상기 지지장치는 파이프 통로를 차단하지 않으며, 오히려 이러한 차단들을 방지한다.

예를 들어, 상기 지지장치는 스테인레스 강철 파이프 구획들("슬리브(sleeve)")로 이루어질 수 있는데, 상기 슬리브들은 표면 구역에 배치되며, 용접되고, 삽입되며, 나사로 고정되거나 앵글 브래킷으로 고정된다.

바람직하게, 사용되는 플라스틱 파이프들은 100 내지 300mm의 내부 직경을 가지며, 서로에 대하여 50 내지 300mm의 거리를 둔다. 내부 직경이 200mm이며, 파이프들 서로 간의 거리가 100mm인 것이 특히 바람직하다.

하나 이상의 상승 구획 및 하나 이상의 하강 구획을 갖는 하나 이상의 고정층 반응기를 배치하면 특히 단락전류가 형성되는 것이 방지된다. 이러한 강제된 통로만이 물질들로 하여금 가능한 최상의 방법으로 발효되게 할 수 있으며(즉, 미네랄화), 발효 물질이 완전히 멸균되는 것을 보장할 수 있기 때문에 특히 중요하다.

법적 규제로 인해, 상기 후자는 동물의 분뇨를 포함하는 물질 또는 동물의 분뇨에 의해 생산되는 것들에 대하여 이들이 젖소 목축지와 같은 특정 농장 구역들에 이용되기 전에 요구된다. 상기 요구는 수질 보호 구역에서도 동일하게 적용된다.

본 발명에 기초한 배치는 발효될 전체 물질이 전체 고정층 반응기를 통하여 통과됨을 보장한다. 고온성 범위(즉, 55℃ 이상의 온도)에서 24시간의 저장 기간은 적절한 멸균을 위해 충분하다.

멸균은 중온성 세균들(병원성, 선택적 병원성 및 비병원성), 예를 들어, 대장균군, 살모넬라, 브루셀라 병원균 등과 같은 세균들을 불활성화시킨다. 바이오가스 합성에 요구되는 미생물들은 지속적으로 고온성(thermophilic)이다. 그 결과, 이들은 특정 온도에서 손상없이 생존이 가능하다. 또한, 이들은 활성을 최대로 발전시킨다. 또한, 우수한 군집화 기질로 인해 이들은 발효기 내에 머무르며 발효 잔여물과 함께 씻겨 나가지 않는데, 즉, 이들은 젖소 목축지에 적용되지 않는다.

특정 조건하에서 바이오가스 합성동안 발생되는 열은 발효기 내의 고온성 조건들을 충족시키기에 충분한데, 즉, 과도한 열이 주입될 필요가 없으며, 다시 말해 상당량의 에너지가 절감된다.

특히 바람직한 일 구현예에서, 본 발명에 기초한 재활용 구획은 배수로 말단(overflow edge)에 의해 침전 챔버와 연결되어 있다. 상기 재활용 구획은 펌핑가능한 유기물의 특정 경량 부분이 회수되어, 고정층 반응기의 상승 구획으로 재공급될 수 있도록 고안되어 있다. 이들 특정 경량 부분은 특히, 이러한 장치가 없다면 발효기 외부로 씻겨 나가 발효에 손실을 가져오는 다량의 메테인생성 미생물들을 포함한다.

이러한 효과는 상기 메테인생성 미생물이 고정층상의 표면에 군집을 이룬다는 점에서 지지된다. 이러한 방식으로, 이들은 씻겨 나갈 수 없게 된다.

대안적으로, 이렇게 회수된 활성 미생물은 통상적인 발효기에 "리파워링 공정"의 문맥에서와 같이 재공급되어 강화시킬 수 있다. 상기 통상적인 발효기에서 메테인생성균의 농도가 증가되며, 흐름용량 또는 성능을 증가시킨다.

또한, 상기 재활용 구획은 말단 보어홀(peripheral borehole) 또는 스크리닝 장치에 의해 침전 챔버와 연결되도록 설계될 수 있다. 그러나, 진보적인 수단을 사용하지 않고도, 당업자는 이러한 정보로부터 상기 재활용 구획과 상기 침전 챔버 사이의 상술한 연결을 구성하는 방법에 대한 다른 가능성을 유추할 수 있다.

또한, 상기 보어홀 또는 스크리닝 장치의 배수로 말단에 스크레이퍼(scraper)가 제공되는 배치가 가능하다. 상기 스크레이퍼는 상기 보어홀 또는 스크리닝 장치가 차단되는 것을 방지하여, 배수로 말단에 표류층이 형성되지 않도록 한다. 본 발명의 일부 구현예들에서 "시드 슬러지(seed sludge)"로 표현되는 회수된 물질은 발효될 유기물에 공급될 수 있으며 발효기에 재공급될 수 있다. 바람직하게, 이를 위해, 가급적 마이크로프로세서에 의해 전자적으로 조절되는 계량기가 제공되었다. 이러한 방식으로, 메테인생성 미생물의 농도는 계속적으로 증가하며, 또한, 바이오가스 수율 및 품질에 도움이 됨이 입증되었다.

이론적으로, 재활용 구획의 고안으로 인하여, 발효기에 재공급되는 물질 및 상기 재활용 구획 내에 잔존하는 물질 사이의 체적비를 조절할 수 있다. 예를 들어, 이는 고정층 반응기의 상승 구획의 상부 말단에 대하여 지정된 배수로 말단의 높이를 특이적으로 선택함으로써 가능할 수 있다. 또한, 말단 보어홀의 크기 및/또는 밀도를 특이적으로 선택함으로써도 가능할 수 있다. 그러나, 당업자는 진보적 수단을 사용하지 않고도 이러한 정보로부터 상술한 체적비 조절을 수행하는 방법에 대한 다른 가능성을 유추할 수 있다.

바람직하게, 발효기에 재공급되는 물질 및 재활용 구획 내에 잔존하는 물질 사이의 체적비는 1:0.9 내지 2:0.1의 범위가 되도록 하였다. 체적비가 2:1이 되는 것이 특히 바람직하다. 잔존하는 물질과의 "재접종(reinoculation)"은 대규모로 이루어지므로 문제가 없는 발효가 보장되며 부분적인 산성화가 일어나지 않는다. 당업자는 이들 공정들을 적절한 방법들(pH 미터기, NIRS, GC 샘플링)을 이용하여 용이하게 재현한다.

또한, 상기 재활용 구획은 하나 또는 필요한 경우 다수의 실질적으로 수직 파이프 형태인 요소들로 이루어지는 것이 바람직하다.

아울러, 상기 재활용 구획은 하나 이상의 고정층 반응기의 상승 구획 및 하강 구획 사이에 위치하는 것이 바람직하다.

상기 구현예는 다수의 장점들을 갖는다. 예를 들어, 재활용 구획 내에 이미 생성된 바이오가스는 고정층 반응기 또는 반응기들의 구획들 내에서 생성된 가스를 수집하는 동일한 가스 수집 장치에 의해 수집될 수 있다. 또한, 이러한 방식으로, 상기 재활용 구획을 상기 고정층 반응기 또는 반응기들 내에서와 동일한 온도로 조절하는 것이 용이하다. 이런 식으로, 재활용 구획은 그 위치가 침전 챔버의 중심에 위치하므로, 특정 경량 부분들을 회수하기에 역시 이상적인데, 상기 재활용 구획의 상부 말단이 배수로 말단을 형성하는 경우에 특히 그러하다. 이에 수반하여, 상기 장치는 하기에 보다 자세히 논의될 제조상의 장점을 갖는다.

그럼에도 불구하고, 상기 재활용 구획은 하나 이상의 고정층 반응기의 상승 및 하강 구획 사이에 위치하지 않고, 그 대신 예를 들어, 실제 발효기의 측면 또는 외부에 위치하는 것도 가능하며, 청구항의 보호 범위에 속한다.

특히 바람직한 일 구현예에서, 추가적인 재활용 구획이 고정층 반응기의 하강 구획 후방에 위치한다. 이런 식으로, 상기 기질 및 미생물들의 회수가 한층 개선된다.

바람직하게, 상기 발효기는 하나 또는 두개의 수직으로 배열된 실린더(들)의 외부 형태를 포함한다. 이를 위해, 상기 발효기 또는 상기 실린더(또는 실린더들)는 제조회사에서 생산될 수 있는 다수의 부품들로 구성되어 현장에서 발효기로 조립될 수 있다.

예를 들어, 두개의 실린더의 한쌍 또는 다수의 실린더 부품들은 현장에서 세워져 함께 용접되거나 브래킷을 장착함으로써 함께 나사로 고정될 수 있다. 이상적으로, 상기 실린더 한쌍 또는 실린더 부품들 중 하나는 이미 재활용 구획을 포함하는데, 이는 또한 생산 및 설치를 용이하게 하며, 따라서 비용을 절감한다.

본 발명자들은 200 내지 250m³ 사이의 체적을 갖는 이러한 미리 제조된 발효기가 하루 내지 이틀 내에 현장에서 건설될 수 있음을 예측하였다. 이러한 방식으로, 조립 원가(작업 시간, 장치, 이동 크레인) 및 부대 비용을 현저하게 감소시킬 수 있었다. 또한, 현장(예를 들어, 농장)에서의 작업 활동은 거의 중단되지 않았다. 이는 또한 상기 발효기가 표준에 따라 제작되었으며 높은 품질 기준을 가짐을 보장한다.

또한, 상기 발효기는 가스 수집장치를 가지는데, 이는 적어도 부분적으로 고정층 반응기 및/또는 회수 장치의 상부에 위치하도록 배치될 수 있다.

예를 들어, 상기 가스 수집장치는 하부에 기밀식 격막(diaphragm)이 위치된 돔 또는 루프 구조를 포함할 수 있다. 이러한 구현예에서, 상기 가스 수집장치는 또한 가스 저장 시스템의 기능을 갖도록 특히 배치될 수 있다. 이 경우, 아주 소량의 가스만이 만들어졌다면 상기 기밀식 격막은 소화조 위에 느슨하게 매달려 있게된다. 그러나, 계속 만들어지는 가스가 상기 격막을 상방으로 밀어올려 팽팽해진다. 그 후, 생성된 가스는 공지의 방법 및 공지의 추출 장치로 추출될 수 있다.

실질적으로, 본 발명에 기초한 발효기는 생성된 바이오가스를 가스 파이프라인 네트워크로 공급하는 장치를 포함하도록 설계될 수 있다. 그러나, 본 발명에 기초한 발효기는 생성된 바이오가스를 전기로 전환하는 장치에 연결되는 것이 바람직하다.

생성된 가스 내에 포함된 화학 에너지를 전기 에너지로 전환하기 위하여, 상기 바이오가스는 예를 들어, 가스 엔진 또는 이중 연료 엔진을 포함하는 열병합 발전 장치(BHKW) 내에서 전기로 전환된다. 경제적으로 작업할 수 있도록 연소될 상기 가스는 초기 압력이 약 100mbar인 가스 엔진으로 공급되어야 한다. 통상적인 바이오가스 플랜트에서는 상기 저장된 가스를 상술한 초기 압력에 이르게 하도록 개별적인 가스 압력 조절기가 필요하다. 한편, 상기 조절기는 상당한 양의 에너지를 사용한다. 그러나, 이는 바이오가스 플랜트를 조절해야 하는 수고를 늘릴뿐만 아니라 유지 조건 및 구입 비용을 증가시킨다.

상기 발효기는 수압 가스 저장 시스템을 포함하는 것이 특히 바람직하다.

"수압 가스 저장 시스템(hydrostatic gas storage system)"이란 용어는 공급되는 가스가 중력을 갖는 미리 준비된 액체(특히 물)에 치환되는(그리고 이로써 수압 또는 물기둥을 형성하는) 가스 저장 시스템(하기에 보다 상세하게 설명됨)을 포함한다. 본 구현예에 관해서는 참조를 위해 도면이 제공된다.

가스 저장 시스템은, 상기 시스템에 준비된 액체에 가스가 치환되는 경우, 가스 유입량이 최대 2,000mm의 물기둥을 형성하는데, 이는 200mbar의 수압에 해당되는 것으로서, 이러한 방식으로 설계된다. 또한, 상기 저장된 가스의 압력은 상기 수압에 해당되는 수준으로 유지되는데, 자체의 가스 압력 조절기를 사용하지 않고도 BHKW의 가스 엔진으로 공급될 수 있다. 이를 위해, 바이오가스를 생성하는 미생물들은 강한 압력 구배에 대해서도 바이오가스를 계속해서 생산할 수 있어야 한다. 본원에서 160bar까지의 압력구배가 기술된다. 그 결과, 바이오가스의 합성은 상술한 200mbar의 축적된 압력구배에 영향을 받지 않고, 계속해서 발효기 내에서 합성이 이루어질 수 있다.

바람직하게, 상기 수압 가스 저장 시스템으로 유도하는 파이프라인들은 가스 안전장치에 대한 요구 조건들(고압 및 저압)을 만족시키는 규격을 갖는다. 예를 들어, 과도하게 생성된 가스는 수압 가스 저장 시스템을 통하여 외부 환경으로 빠져나갈 수 있다. 이와 동시에, 가스 저장 시스템의 액체는 역류 보호장치로서 기능하여, 발효기 내에서의 폭발이나 화재의 위험을 제거한다. 통상적인 가스 저장 시스템은 그와 같은 일을 할 수 없다. 또한, 특정한 규격을 갖춘 상기 파이프라인들은 발효기 내로 과도하게 공급된 발효 기질의 범람에 대한 안전장치로서 사용될 수도 있다. 상기 발효 기질은 상기 파이프라인들을 통하여 배출되고 상기 수압 가스 저장 시스템에 의해 수집된다.

바람직하게, 상기 발효기의 가스 수집장치는 원추형 또는 절두원추형, 포물선형 또는 반구형의 돔을 포함한다.

상기 돔은 상방으로 향해 있는 상기 돔의 테이퍼링 구역이 상기 재활용 구획의 배수로 말단 아래에서 시작하도록 발효기상에 설치되는 것이 특히 바람직하다. 상기 부분은 참조를 위해 도면이 준비된다. 그 결과, 활성 바이오매스의 회수는 현저하게 개선된다.

또한, 소화조, 가스 저장 시스템 및/또는 침전물 챔버(settling chamber) 구역에 대해서는 전기장치가 설치되지 않는 것이 바람직하다. 상기 소화조, 가스 저장 시스템 및/또는 침전물 챔버는 또한 패러데이 상자(Faraday cage)로 고안될 수 있다. 상기 두 방법들은 모두 화재 및 폭발의 방지를 위한 것이다. 이를 위해, 상기 발효기 전체의 외형은 전도성 금속(특히 V₄A 강철 또는 내부식성 코팅 강철)으로 이루어질 수 있거나, 금속성 전도체들의 그물망이 구비된 비금속 물질로 이루어질 수 있는데, 예를 들어, 상기 외형 물질을 둘러싸는 철망의 형태로 구성될 수 있다.

다른 바람직한 일 구현예에서, 본 발명에 기초한 발효기는 소화조의 기저부에 위치한 침전물 채널(settling channel)을 포함한다. 상기 침전물 채널에서, 모래, 석회 및 돌 등과 같은 무기물은 침전되어 컨베이어 스크류에 의해 발효기로부터 제거될 수 있다. 대개 발효 물질의 약 1 내지 3%가 이와 같은 방식으로 매일 제거된다. 그 후, 방출된 물질로부터 고형분을 분리하고 액상 부분을 소화조 내로 재공급할 수 있다.

또 다른 바람직한 일 구현예에서, 상기 발효조의 출구 구역에 열교환기가 설치되었다. 상기 열교환기에 의해 발효될 신규 유기물이 예열될 수 있다.

이러한 방식으로, 발효기 내에 중온성 또는 고온성 조건들을 조절하는 것이 훨씬 용이하게 된다. 또한, 필요한 에너지 소모를 줄인다. 이상적인 경우에, 발효 과정동안 발생한 내부 반응열은 상술한 조건들을 만족시키기에 충분하다. 따라서, 외부로부터 추가적인 열 공급원이 필요없다.

일부 경우에서, 내부 반응열이 충분하지 않다면, 본 발명에 기초한 발효기는 적당한 열이 가해져야 한다. 다수의 가열장치, 예를 들어, 상기 발효기 내에 배치된 열교환기는 미생물에 대하여 너무 높은 표면 온도를 갖는다. 따라서, 가열장치와 접촉하게 되는 발효 물질은 초기에 원하는 온도 범위 이상의 온도로 가열되고, 상기 온도는 주변의 물질로 계속해서 방출된다. 이러한 방식으로, 전체 소화조를 원하는 온도로 조절하는 것이 가능하다. 그러나, 상승된 온도는 미생물들(특히 메테인생성 박테리아)로 하여금 가열장치의 구역 내에 군집을 이루게 하거나 그와 접촉하여 사멸하게 만든다. 따라서, 이는 수율을 감소시킨다.

또한, 상기 발효기는, 입구를 통하여 소화조 내로 유입되는 발효 물질의 온도가 발효될 유기물을 가열함으로써만 조절될 수 있도록 설정된, 발효될 유기물에 대한 온도조절 장치를 포함하는 것이 바람직하다.

발효될 기질에 대한 가열장치 외에, 상기 소화조는 하나 이상의 온도 탐침기 및 각각의 제어회로의 장착이 요구된다. 이러한 유형의 온도 조절은 소화조 내로 유입되는 가열된 물질이 즉시 분산되어 그의 열에너지를 주변 구역에 신속하게 방출하기 때문에 특히 효율적이다. 주변 물질에 대한 신속한 열 교환으로 인해, 발효기 내의 메테인생성 박테리아의 생물과정은 영향을 받지 않는다. 또한, 우수한 열 전도성 및 효율적인 혼합으로 인하여, 발효될 기질의 온도를 아주 약간만 상승시켜도 발효기 내의 온도를 충분히 효과적으로 조절한다. 따라서, 발효기 내의 메테인생성 박테리아가 손상될 우려는 없다. 전체적으로 발효 물질을 보다 균일하고 신속하게 가열하는 것이 가능한데, 이는 공정 안정성에 긍정적인 영향을 준다. 이를 위해, 2개의 교반 장치들 사이에 충진 장치가 배치되는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 방식으로, 가열된 발효될 기질은 매우 효율적인 방식으로 소화조 내에 들어와 발효중인 물질과 신속하게 혼합되어 자신의 온도를 주변 구역으로 빠르게 방출한다. 이는 또한 발효될 기질이 소화조 내로 이동되기 전에 발효될 기질을 사료로 공급하거나 멸균할 수 있는 가능성을 제공한다. 이런 식으로, 상기 발효될 기질이 소화조 내로 들어온 후에 메테인생성 박테리아와 함께 신속하게 군집화될 수 있는데, 이는 발효를 촉진하며 따라서 수율을 증가시킨다. 이러한 유형의 온도 조절로 인해, 소화조에 추가의 가열 장치나 열교환기를 제공할 필요가 없으며, 상술한 손상을 방지한다. 또한, 이러한 유형의 온도 조절로 인해, 상기 소화조 내에 폭발 및 화재의 위험을 가져올 수 있는 전기 회로들을 제공할 필요도 없다.

또한, 본 발명은 하기 청구항들 중 하나에 따른 발효기에서 낮은 함량의 유기 건조 물질(oTS)을 지닌 펌핑가능한 유기물로부터 바이오가스를 생성하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 하기 단계들을 포함한다:

a) 상기 발효기 내의 입구를 통하여 펌핑가능한 유기물을 주입하는 단계,

b) 혐기성 환경, 최소 7 이상의 pH값, 및 중온 내지 고온 범위 내의 온도 조건을 만들어 유지하는 단계,

c) 상기 발효기의 침전 챔버뿐만 아니라 고정층 반응기를 통하여 펌핑가능한 유기물의 물질 흐름을 생성하는 단계,

d) 상기 펌핑가능한 유기물의 특정 경량 부분을 재활용 구획 내에서 회수하는 단계,

e) 가능하다면, 상기 회수된 물질을 상기 발효기에 재공급하는 단계,

f) 생성된 가스를 수집하고, 발효된 발효 잔여물을 연속적으로 또한 일괄처리식으로 추출하는 단계.

또한, 상기 pH값은 당업자에 공지된 일반적인 방법으로 조절될 수 있다.

특히, 상기 고정층 반응기를 통한 물질 흐름은 연속적으로 또는 규칙적인 방식(pulsating manner)으로 생성되도록 설계될 수 있다. 이러한 두가지 방식은 모두 각각 사용되는 기질에 관해 특별히 장단점을 가질 수 있다. 예를 들어, 규칙적인 물질 흐름은 발효될 기질 및 미생물들 사이의 더 긴 접촉 시간을 제공하기 때문에 유리할 수 있다. 평범한 테스트를 사용하여, 진보적인 수단을 사용하지 않고도 당업자는 적절한 흐름 조건들(특히, 사용된 각각의 기질에 대한 속도, 펄스 간격 등)을 용이하게 체득할 수 있다.

본 발명에 따라, 또한, 회수된 물질은, 신규 발효물이 발효기 내로 주입되기 전에 신규 발효물과 함께 미리 배양되도록 설계되었다.

최대한의 이용을 위하여, 재생가능한 자원, 특히 에너지 작물로부터 보다 많은 바이오매스가 발효될 유기물에 공급되는 것이 특히 바람직한데, 상기 유기물은 낮은 비율의 유기 건조 물질(oTS)을 함유한다.

본 발명에 기초한 발효기 또는 방법으로 생성된 발효 잔여물들은 높은 함량의 미네랄화된 영양원(N, P, K)을 포함하는데, 이는 비료로 아주 적절하다. 발효중의 기질과 비교하여, 상기 발효 잔여물은 대개 낮은 점성을 가지는데, 잔류하는 유기 성분들이 더 낮기 때문이다. 따라서, 이들은 가령 액체 퇴비보다 더 용이하게 살포될 수 있고 식물 성장에 이용될 수 있다. 유기 성분 비율이 감소되었기 때문에, 상기 발효 잔여물이 방출된 후에 이산화탄소(CO₂), 메테인 가스(CH₄) 및 아산화질소(N₂O)와 같은 온실가스가 형성될 위험이 적다. 또한, 액체 퇴비 내에 존재할 수 있는 식물 씨앗, 특히 잡초 씨앗 및 곰팡이 포자들이 발효에 의해 불활성화된다. 따라서, 방출된 후에도 이들은 더 이상 발아될 수 없다. 이런 방식으로 수득된 발효 잔여물의 또 다른 장점은 특정 공정 조건들이 유지된다면 이들은 멸균된다는 사실이다. 그러므로, 화학적 또는 열적 처리를 추가로 하지 않아도, 이들은 가령, 수질 보호구역이나 젖소 목축지와 같은 엄격한 구역에도 적용될 수 있다.

또한, 상기 액체 퇴비는 고미네랄화 되어 있는데, 즉, 비료를 받은 식물들은 포함된 영양원들로부터 많은 영양을 공급받는다. 그러나, 발효되지 않은 액체 퇴비가 비료로 사용된다면, 무수히 많은 유기적으로 결합된 영양원들이 토양 내에 형성될 가능성이 있다. 자연적인 미네랄화 과정동안, 식물이 상기 미네랄화된 영양원들을 흡수할 수 없게 된다면 이는 지하수에 상당한 영향을 끼칠 수 있다.

본 발명에 기초한 발효기의 또 다른 구현예에서, 상기 발효기는 그 하부가 통상적인 바이오가스 발효기와 연결되도록(이른바 "리파워링") 설계되었는데, 발효 잔여물이 펌핑가능한 유기물용 입구를 통하여 상기 통상적인 바이오가스 발효기로부터 공급될 수 있다.

따라서, 상기 구현예는 후속 발효기로 불린다. "통상적인 바이오가스 발효기"라는 용어는 초기에 언급한 선행 기술에 사용되는 바이오가스 발효기들을 포함한다. 이들 바이오가스 발효기들은 발효 재생가능한 공급원으로 사용된다. 이들은 기본적으로 가스 저장 돔 또는 플러그 흐름 장치(수평 실린더)를 갖는 대형 교반 탱크로 이루어진다. 이들은 원료 물질들의 불완전한 발효를 수행할 뿐만 아니라 메테인생성 미생물들의 지속적인 손실이 일어난다. 또한, 이들은 부적절하게 멸균된 발효 잔여물들을 산출하고(단락전류에 의함, 상기 참조), 온실가스들을 방출한다(메테인, 아산화질소, CO₂, 상기 참조). 따라서, 이러한 발효기의 발효 잔여물을 본 발명에 기초한 발효기 내로 공급하는 것이 매우 유리한데, 이 경우, 본 발명에 기초한 발효기는 일종의 후속 발효기로 기능한다. 이러한 방식으로, 통상적인 바이오가스 발효기의 작동은 상대적으로 낮은 투자비용으로도 플랜트의 효율 및 환경 친화성을 효과적으로 개선시킬 수 있다.

상기 특별한 구현예에서, 상기 후속 발효기에서 생성된 바이오가스는 주 플랜트의 가스 저장 시스템으로 공급되도록 설계될 수 있다.

특히 바람직한 일 구현예에서, 펌핑가능한 유기물의 회수된 특정 경량 부분들이 바이오가스 발효기의 상단부에 재공급될 수 있도록 재활용 구획이 고안되었다.

이는 선행기술의 장치로서 발효기 내로 주입되고 그곳에서 멸균되지 않은 상태로 남아있던 발효된 물질과 함께 활성 바이오매스가 회수되고 발효 공정에 재공급될 가능성을 포함한다. 이런 방식으로, 수율은 현저히 증가될 수 있다. 또한, 상기 활성 바이오매스를 소화조 내로 재공급함으로써, 초기 작업동안 플랜트를 최적화하는 시간이 급격히 줄어든다. 기본적으로, 바이오가스 플랜트는 최적화를 위해 일정량의 시간을 필요로 한다. 이는 무엇보다도 미생물의 안정적인 군집이 플랜트 내에 정착되어야 한다는 사실때문이다. 상기 소화조로부터 추출된 발효 물질 내에 여전히 존재하는 미생물들을 회수할 수 있는 가능성으로 인하여, 안정적이며 매우 효율적인 미생물 군집을 형성하는 시간이 크게 감소된다. 그 결과, 매우 짧은 시간 동안 최대 효율이 달성된다.

상기 활성 바이오매스를 회수하는 가능성은 다른 장점을 내포한다: 소화조 내에 상당히 높은 밀도의 활성 바이오매스를 유지할 수 있기 때문에 발효 과정이 가속화된다. 이로써 발효기의 흐름용량이 증가될 수 있다. 이는 본 발명에 기초한 발효기가 상당히 큰 적재중량을 처리할 수 있다는 사실을 나타낸다.

또한, 본 발명에 기초한 발효기(상술한 구현예의 대안예 또는 추가예로써)는 하부에 장기 가수분해 반응기(기질의 액체 저장상태)와 연결되도록 설계될 수도 있다. 상기 장기간의 가수분해 반응기는 "LIGAVATOR" 또는 "BETAVATOR"란 용어로 알려져 있다. 예를 들어, 이러한 반응기는 1,500m³의 용량을 갖는다. 발효될 물질이 이러한 반응기에 저장되는 동안, 혐기성 발효 과정이 일어나는데(특히, 사일리지 과정, 즉, 락트산/아세트산 발효), 이는 짧은 탄소 사슬의 대사산물(특히, 젖산염, 즉, 젖산 및 아세트산염, 즉, 아세트산)을 만들며, pH값을 감소시키고, CO₂를 형성시킬 수 있다. 특히, 젖산 및 아세트산은 본 발명에 기초한 발효기에서 우수한 방식으로 대사될 수 있다. 또한, 방출된 CO₂는 본 발명에 기초한 발효기로 공급될 수 있다.

본 발명은 하기 도면 및 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명된다. 도면 및 실시예들은 단지 예시를 위한 것임을 이해하여야 한다. 이들은 본 발명을 어떤 식으로든 제한하려는 의도에서 제공되는 것이 아니다.

도 1은 펌핑가능한 유기물로부터 바이오가스를 생성하기 위한 본 발명에 기초한 발효기(10)의 일 구현예의 종단면도를 나타낸다. 상기 발효기는 펌핑가능한 유기물을 위한 입구(11), 하나 이상의 상승 구획(12a)과 하강 구획(12b)을 지닌 펌핑가능한 유기물을 위한 고정층 반응기(12), 및 생성된 발효 잔여물을 위한 하나 이상의 출구(13)를 갖는다.

또한, 상기 발효기는 상기 고정층 반응기의 상승 및 하강 구획(12a, 12b) 사이에 배치된, 펌핑가능한 유기물을 위한 침전 챔버(14)를 포함한다. 또한, 상기 침전 챔버(14)와 연결된 재활용 구획(15)을 포함하는데, 이는 상기 펌핑가능한 유기물의 특정 경량 부분이 회수되고, 필요한 경우, 상기 고정층 반응기의 상승 구획 내로 재공급될 수 있도록 설계된다.

상기 고정층 반응기(12)는 기본적으로 종채널(평행한 내장 튜브, 즉, 내장관과 유사)의 형성이 가능한 재료로 구성된다.

이러한 특성을 갖는 고정층 반응기를 사용하는 것은 많은 장점들이 있다. 예를 들어, 고정층 반응기는 교반 탱크형 발효기에서 사용되는 자체적인 교반장치를 요구하지 않는데, 반응기 내부에서 물질 흐름을 유도할 수 있기 때문이다. 상기 유도된 물질 흐름은 특히 교반 탱크형 발효기에서는 불가피했던 단락전류를 방지하는데, 상기 단락전류는 이상적인 발효뿐만 아니라 발효물질의 효율적인 멸균화에 나쁜 영향을 끼치는 변수이다. 상기 제공된 고정층 반응기는 또한, 메테인생성 미생물들을 위한 군집화 기질을 제공한다. 이러한 방식으로, 교반장치를 갖는 발효기와 대조적으로, 층으로 이루어진 미생물 군집이 형성될 수 있다.

상기 재활용 구획(15)은 수직의 관형상 요소로 이루어지는데, 상기 고정층 반응기의 상승 구획(12a) 및 하강 구획(12b) 사이에 위치한다.

상기 재활용 구획(15)은 배수로 말단에 의해 상기 침전 챔버(14)와 연결되는데, 상기 펌핑가능한 유기물의 특정 경량 부분(19)이 출구(16)를 통하여 회수되고 상기 고정층 반응기의 상승 구획으로 재공급될 수 있도록 설계된다. 한편, 이들 특정 경량 부분들은 예를 들어, 휘발성 지방산들과 같은 특정 경량 유기 부분을 포함한다. 통상적인 교반 탱크형 발효기들에서 이들 부분들은 표류층을 형성함으로써 발효 공정 외부로 빠져나간다. 따라서 일부 휘발성 지방산들은 쉽게 가스상으로 전이하여 상기 발효 공정으로부터 영구히 배제된다.

상기 특정 경량 유기 부분은 또한, 상기 고정층 반응기의 기질로부터 용해된 미생물들(이른바 "활성 바이오매스")을 포함하는데, 만일 재활용 구획이 없다면 이는 발효 잔여물들과 함께 발효기로부터 방출되는 것들이다. 따라서, 통상적인 바이 오가스 발효기에서는 바이오가스 생성 미생물들의 밀도가 계속해서 감소하고, 그 결과, 이들 발효기들은 실질적으로 너무 낮은 미생물 농도로 운영되어 이상적인 바이오가스 수율을 달성할 수 없게 된다. 본 발명에 기초한 재활용 구획은 이들 미생물들을 회수되도록 하여 상기 발효기로 재공급한다. 따라서, 본 발명에 기초한 발효기는 통상적인 발효기보다 현저히 더 높은 밀도의 미생물들을 가진다.

또한, 상기 발효기는 입구(11) 구역 및 침전 챔버(14) 구역 내에 2개의 상대적으로 작은 교반장치들(17a, 17b)을 포함한다. 이들 교반장치들은 규칙적으로 작동되며, 필요한 경우, 고형분 입자들이 침전되는 것을 방지한다. 통상적인 교반 탱크형 발효기들에서 공지인 교반장치들과 비교하면, 도시된 교반장치들은 훨씬 작은 규격을 가지며 더 적은 전력을 소모한다.

아울러, 상기 발효기는 고정층 반응기를 통하여 발효 물질을 펌핑하는 펌프(18)를 갖는다. 통상적인 교반 탱크형 발효기들에서 공지인 교반장치들과 비교하면, 상기 펌프 역시 현저히 더 낮은 전력 소모를 갖는다. 이는 특히 이중 피스톤 펌프를 포함할 수 있다. 또한, 도 1은 생성된 바이오가스를 추출하는 가스 공급장치(20)를 나타낸다.

실선 화살표는 상기 발효기를 통한 물질 흐름의 방향을 나타낸다. 점선 화살표는 생성된 바이오가스의 방향을 나타낸다.

도 1은 본 발명에 기초한 발효기가, 대형의 소화조 용량으로 인해 매우 큰 표면적을 요구하는 통상적인 교반 탱크형 발효기보다 훨씬 작은 표면적을 요구함을 확실히 보여준다. 바람직한 일 구현예에서, 본 발명에 기초한 발효기는 단지 29m²의 기저면적을 갖는데, 이로써 이용가능한 농장 부지들에 쉽게 통합될 수 있다.

도 2는 본 발명에 기초한 발효기를 A-A'선(도 2A) 또는 B-B'선(도 2B)을 따라 절개한 2개의 단면도이다. 도 2a의 평면도는 고정층 반응기의 상승 구획(22a)과 하강 구획(22b), 및 재활용 구획(15)을 나타낸다. 도 2b는 재활용 구획의 상부 말단에서의 배수로 말단의 평면도를 나타낸다. 도 3a는 고형체 반응기를 위한 재료로 바람직하게 사용되는 플라스틱 파이프(31)의 일례를 나타내는데, 이러한 형태는 기본적으로 길이방향의 채널 형성을 가능하게 하기 때문이다. 상기 파이프는 내부 표면 뿐만 아니라 외부 표면에서도 표면의 확장이 이루어지며, 미생물 군집화를 위한 큰 표면을 제공한다. 상기 플라스틱 파이프는 50 내지 400mm 사이의 직경을 갖는 지하 공사에 사용되는 공지의 유연한 배수 파이프들과 유사한 특성을 갖는 파이프를 포함한다. 이러한 유형의 배수 파이프를 사용하는 것이 특히 바람직한데, 가볍고 비용이 절감되기 때문이다. 바람직하게, 이러한 많은 파이프들이 본 발효기에 설치됨으로써 고정층 반응기를 형성하는 배치가 이루어진다. 이를 위해, 상기 발효기는 상부 및 하부 구역에 상술한 플라스틱 파이프들을 지지하기 위한 각각의 현가장치를 포함하도록 설계될 수 있다.

상기 고정층 반응기를 형성하는 다른 재료들은 예를 들어, 세라믹, 점토, 도토, 목재, 금속 또는 플라스틱 재료로 이루어진 수직 파이프 또는 허니콤형 중공체, 또는 수직 로드, 로프, 코드 또는 줄을 포함한다.

도 3은 고정층 반응기의 상부 및 하부 말단 각각에 부착된, 상기 플라스틱 파이프들을 위한 지지장치(33)의 일례를 나타내는데, 이는 파이프들의 서로에 대한 가장 가능한 거리를 고정하고, 파이프 통로를 차단하지 않으며, 오히려 이러한 차단을 방지한다. 상기 지지장치는 표면 영역에 배치되며, 용접되거나 그렇지않으면 앵글 브래킷으로 서로 연결된 스테인레스 강철 파이프 구획("슬리브")으로 구성된다. 상기 플라스틱 파이프의 말단들은 상기 지지장치 내로 정확히 들어맞는다.

도 4는 2개의 실린더 쌍(41a 및 41b)들로 이루어진 본 발명에 기초한 발효기의 일부(40)의 분해도이다. 도 4는 상기 고정층 반응기의 상승 구획(42)의 평면도를 나타낸다. 도 4에서 하강 구획은 부분품(41b)의 벽에 의해 가려져서 보이지 않는다. 상기 부분품은 브래킷(43)을 장착함으로써 현장에서 함께 나사로 고정된다. 이상적으로 상기 부분품 중 하나(여기에선 41a)는 이미 재활용 구획(45)을 포함하며, 이는 또한 생산 및 장착을 용이하게 하여 비용을 절감시킨다.

도 5는 본 발명에 기초한 발효기의 일부(50)의 분해도이다. 도 4에 도시된 발효기와는 대조적으로, 본 발효기는 4개의 부분들(51a-51d)로 이루어진다. 따라서, 고정층 반응기의 상승 구획은 2개의 부분들(51a 및 51b)로 구성된다. 도 5에서 하강 구획은 부분품들(51c 및 51d)의 벽에 의해 가려져서 보이지 않는다. 도 5는 또한 재활용 구획(55)을 나타낸다.

도 6은 또한 본 발명에 기초한 발효기의 일부(60)를 발효 물질의 흐름 패턴에 따라 절개한 단면도를 나타낸다. 상기 발효 물질은 고정층 반응기의 상승 구획(62)으로부터 침전 챔버(64)로 전이된다. 그곳에서 특정 경량 부분(69)은 상부에 머무르며 배수로 말단에 의해 재활용 구획(65)으로 이동된다. 그러나, 특정 중량 부분(예를 들어, 비-가스성의 사멸된 바이오매스)은 상기 고정층 반응기의 하강 구획으로 이동된다.

도 7은 본 발명에 기초한 발효기의 다른 보충적인 구현예들을 나타낸다. 예를 들어, 도 7a는 출구(73) 구역에 위치한 열교환기(74)를 나타낸다. 발효될 신규 유기물은 상기 열교환기에 의해 가열될 수 있다. 이를 위해, 상기 열교환기는 상기 출구(71)에 연결된다.

이는 발효기 내에서 중온 또는 고온성 조건들을 설정하기 쉽게 한다. 또한, 이는 요구되는 에너지 소모량을 감소시킨다. 이상적인 경우에, 발효 공정 동안 발생되는 내부 반응열은 상술한 조건들을 충족시키기에 충분하다. 따라서, 외부로부터 추가적인 열 공급이 요구되지 않는다.

도 7b는 고정층 반응기(72)의 하강 구획 후방에 위치된 추가적인 재활용 구획(75)을 나타낸다. 이런 방식으로, 상기 기질 및 미생물들의 회수가 한층 개선될 수 있다.

도 8은 중간층(82)을 갖는 용기(81)로 구성된 수압 가스 저장 시스템(80)을 나타낸다. 상기 용기의 하부는 완충액(83)으로 충진되어 있다. 상기 가스 저장 시스템은 도면에는 보이지 않는 발효기의 가스 공급장치(84)에 연결된다. 상기 용기의 하부 내로 유입이 진행되는 동안, 공급된 가스는 중력을 갖는 액체(특히, 물)에 치환된다(그리고, 이로써 수압 또는 물기둥을 형성한다). 상기 물은 라이저 튜브(riser tube, 85)를 통하여 상기 용기의 상부로 올라간다. 예를 들어, 상기 가스 저장 시스템이 상기 시스템 내에 이용가능한 물이 치환되는 경우, 가스 유입이 최대 2,000mm의 물기둥을 형성하도록 만들어졌다면, 이는 200mbar의 수압에 해당된다. 또한, 상기 저장된 가스의 압력은 수압에 해당되는 수준으로 유지되어, 자체의 가스 압력 조절기를 사용하지 않고도 BHKW의 가스 엔진에 공급될 수 있다. 이를 위해, 바이오가스 생성 미생물들은 강한 압력 구배에 대하여서도 계속하여 바이오가스를 생성할 수 있어야만 한다. 따라서, 상기 바이오가스 합성은 상술한 200mbar의 누적 압력 구배에 의해 영향을 받지 않으며, 계속해서 발효기 내로 합성을 할 수 있다.

도 9는 대부분의 측면에서 도 1에 도시된 구현예와 일치하는 본 발명에 기초한 발효기(90)의 다른 구현예를 나타낸다. 그러나, 도 1에 도시된 구현예와는 대조적으로, 재활용 구획(95)이 배수로 말단에 의하지 않고, 말단 보어홀(96) 또는 스크리닝 장치들을 통하여 침전 챔버(94)에 연결된다.

도 10은 대부분의 측면에서 도 1에 도시된 구현예와 역시 일치하는 본 발명에 기초한 발효기(100)의 다른 구현예를 나타낸다. 그러나, 도 1에 도시된 구현예와는 대조적으로, 재활용 구획(105)이 외부에 위치하여 침전 챔버(104)와 연결된다. 재순환 흐름의 양은 밸브(106)에 의해 조절될 수 있다. 이러한 고안에서는, 재활용 구획을 정비 목적으로 발효기로부터 분리하는 것이 용이하다.

도 11은 입구(111), 구조적으로 서로 분리되어 있는(이른바, 부속 발효기로 불리는) 상승 구획(112a) 및 하강 구획(112b)을 지닌 펌핑가능한 유기물을 위한 고정층 반응기(112), 및 출구(113)를 포함하는 본 발명에 기초한 발효기의 다른 구현예를 나타낸다. 비용을 절감하기 위하여, 구획(112a 및 112b)은 중고 액화 가스 탱크 또는 중심을 파낸 가스 탱크로 제조될 수 있다. 상기 부속 발효기의 헤드 피스에는 재활용 구획(115)이 제공되는데, 이로 인해 펌핑가능한 물질의 회수된 특정 경량 부분은 바이오가스 발효기(116)의 상부로 재공급된다. 상기 물질은 상기 발효기의 상승 구획에서 특히 생성된 가스 압력에 의해 이송된다.

도 11은 또한, 본 발명에 기초한 발효기(110)와 하부 연결된 선택적으로 제공되는 통상적인 바이오가스 발효기(116)를 나타내는데, 이는 상기 본 발명에 기초한 발효기를 후속 발효기로서 기능하게 하며(이른바, "리파워링"), 발효 잔여물이 입구를 통하여 공급될 수 있도록 한다.

본 발명에 기초한 발효기의 다른 구현예에서, 펌핑가능한 유기물을 위한 입구를 통해 상기 통상적인 바이오가스 발효기로부터 발효 잔여물이 공급될 수 있도록, 본 발명에 기초한 발효기는 통상적인 바이오가스 발효기와 하부 연결되도록 설계되었다(이른바, "리파워링").

기본적으로, 상기 바이오가스 발효기(116)는 가스 저장 돔을 갖는 대형의 교반 탱크로 이루어진다. 원재료들의 불완전한 발효만이 수행되며(즉, 발효 잔여물의 높은 가스 잠재력이 잔존), 또한, 메테인생성 미생물들의 계속적인 손실이 일어난다. 아울러, 이는 부적절하게 멸균되고 미네랄화된(발효된) 발효 잔여물을 생성하며(단락전류에 의함, 상기 참조), 특히 온실가스들(메테인, 아산화질소, CO₂, 상기 참조)을 방출한다. 따라서, 이러한 발효기(116)의 발효 잔여물을 본 발명에 기초한 발효기(112)로 공급하는 것은 매우 큰 장점을 갖는다. 이런 방식으로, 통상적인 바이오가스 발효기의 작업자는 상대적으로 낮은 투자비용으로 그의 플랜트의 효율성 및 환경 친화성을 효과적으로 개선할 수 있다.

상기 공정에서, 발효기(112) 내에서 생성된 바이오가스는 바이오가스 발효기(116)의 가스 저장 시스템으로 공급된다. 특히 바람직한 구현예에서, 상기 재활용 구획(115)은 펌핑가능한 유기물의 회수된 특정 경량 부분이 바이오가스 발효기(116)의 상부로 재공급될 수 있도록 설계되었다.

Claims

50중량% 미만의 유기 건조 물질(oTS) 함량을 지닌 펌핑가능한 유기물로부터 바이오가스를 생성하기 위한 발효기로서,

a) 펌핑가능한 유기물을 위한 하나 이상의 입구;

b) 하나 이상의 상승 구획 및 하나 이상의 하강 구획을 지닌 펌핑가능한 유기물을 위한 하나 이상의 고정층 반응기;

c) 잔존하는 발효 잔여물을 위한 하나 이상의 출구;

d) 상기 고정층 반응기의 상승 및 하강 구획 사이에 위치하는, 펌핑가능한 물질을 위한 하나 이상의 침전 챔버(sedimentation chamber); 및

e) 상기 침전 챔버에 연결된 하나 이상의 재활용 구획(recycling section)으로서, 상기 구획은 펌핑가능한 유기물의 휘발성 지방산, 섬유 모양의 바이오매스, 미생물 또는 이들의 조합을 포함하는 경량 유기물 부분이 회수될 수 있도록 하며, 상기 고정층 반응기의 상승 구획으로 재공급될 수 있도록 고안된 재활용 구획;

을 포함하는 것을 특징으로 하는 발효기.
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제1항에 있어서, 상기 고정층 반응기는 미생물들을 위한 군집화 표면을 제공하는 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 발효기.
제1항에 있어서, 상기 고정층 반응기는 길이방향의 채널 형성을 가능하게 하는 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 발효기.
제1항에 있어서, 상기 재활용 구획은 수직의 관형상 요소로 이루어지는 것을 특징으로 하는 발효기.
제1항에 있어서, 상기 재활용 구획은 상기 고정층 반응기의 상승 구획 및 하강 구획 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 발효기.
제1항에 있어서, 상기 고정층 반응기의 하강 구획의 하류에 추가의 재활용 구획을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발효기.
제1항에 있어서, 상기 발효기는 수직 실린더의 외부 형태를 포함하는 것을 특징으로 하는 발효기.
제1항에 있어서, 상기 발효기는 복수의 부분품으로 이루어지며, 현장에서 발효기로 조립될 수 있는 것을 특징으로 하는 발효기.
제1항에 있어서, 상기 발효기는 상기 고정층 반응기 및/또는 회수 장치의 상부에 위치하는 가스 수집장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 발효기.
제1항에 있어서, 상기 발효기는 수압 가스 저장 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 발효기.
제11항에 있어서, 상기 가스 수집장치는 원추형, 절두원추형, 포물선형 또는 반구형의 돔을 포함하는 것을 특징으로 하는 발효기.
제1항에 있어서, 상기 발효기의 출구 구역에 열교환기가 배치되며, 상기 열교환기에 의하여 발효될 신규 유기물이 예열될 수 있는 것을 특징으로 하는 발효기.
제1항에 있어서, 상기 발효기는 상기 입구를 통하여 소화조 내로 유입되는 발효 물질의 온도가 발효될 유기물을 가열함으로써만 조절될 수 있도록 설정된, 발효될 유기물에 대한 온도조절 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 발효기.
제1항 및 제4항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 발효기에서 50중량% 미만의 유기 건조 물질(oTS) 함량을 지닌 펌핑가능한 유기물로부터 바이오가스를 생성하는 방법으로서,

a) 상기 발효기 내의 입구를 통하여 펌핑가능한 유기물을 주입하는 단계,

b) 혐기성 환경, 최소 7 이상의 pH값, 및 55℃ 이상의 온도 조건을 만들어 유지하는 단계,

c) 상기 발효기의 침전 챔버뿐만 아니라 고정층 반응기를 통하여 펌핑가능한 유기물의 물질 흐름을 생성하는 단계,

d) 상기 펌핑가능한 유기물의 휘발성 지방산, 섬유 모양의 바이오매스, 미생물 또는 이들의 조합을 포함하는 경량 유기물 부분을 재활용 구획 내에서 회수하는 단계,

e) 상기 회수된 물질을 상기 발효기에 재공급하는 단계,

f) 생성된 가스를 수집하고, 발효된 발효 잔여물을 연속적으로 또한 일괄처리식으로 추출하는 단계를 포함하는, 바이오가스의 생성방법.
제16항에 있어서, 상기 회수된 물질은 새로운 물질이 발효기 내로 유입되기 전에, 발효될 새로운 물질과 함께 미리 배양되는 것을 특징으로 하는 바이오가스의 생성방법.
제16항에 있어서, 바이오매스가 발효될 유기물에 공급되는 것을 특징으로 하는 바이오가스의 생성방법.
제16항에 있어서, 공정 조건은 프로피온산의 형성이 감소되거나 또는 프로피온산의 감소가 촉진되도록 조절되는 것을 특징으로 하는 바이오가스의 생성방법.
제1항에 있어서, 상기 발효기는, 상기 펌핑가능한 유기물을 위한 입구를 통해 통상적인 바이오가스 발효기로부터 발효 잔여물이 공급될 수 있도록 상기 통상적인 바이오가스 발효기가 하부에 연결된 것을 특징으로 하는 발효기.
제20항에 있어서, 펌핑가능한 유기물의 회수된 상기 휘발성 지방산, 섬유 모양의 바이오매스, 미생물 또는 이들의 조합을 포함하는 경량 유기물 부분이 상기 통상적인 바이오가스 발효기의 상부에 재공급될 수 있도록 재활용 구획이 고안되는 것을 특징으로 하는 발효기.
제1항, 제4항 내지 제15항, 제20항 및 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 발효기는 하부에 가수분해 반응기와 연결된 것을 특징으로 하는 발효기.