KR101530527B1 - 미생물연료전지 - Google Patents

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KR101530527B1
KR101530527B1 KR1020140019999A KR20140019999A KR101530527B1 KR 101530527 B1 KR101530527 B1 KR 101530527B1 KR 1020140019999 A KR1020140019999 A KR 1020140019999A KR 20140019999 A KR20140019999 A KR 20140019999A KR 101530527 B1 KR101530527 B1 KR 101530527B1
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박권필
나일채
추천호
김영숙
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순천대학교 산학협력단
(주) 에티스
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Abstract

가축분뇨에 들어있는 미생물을 위한 영양원을 공급하여 전기에너지를 효율적으로 얻을 수 있는 미생물연료전지가 개시된다. 본 발명의 미생물연료전지는 외부로부터 돼지, 닭, 오리 등의 가축분뇨를 공급받아 분뇨를 혐기적으로 처리하며, 2실 구조로 구성되며, 전기 생산이 가능한 미생물의 대량증식을 위해 단백질 원으로서 두부폐수를, 탄수화물 원으로서 음료폐수를 가축분뇨에 혼합한 배양액을 미생물 연료전지에 공급하여, 분뇨를 친환경적인 방식으로 처리하면서도 높은 출력의 전기에너지를 발생시킬 수 있다.

Description

미생물연료전지{Microbial fuel cell}
본 발명은 분뇨를 이용한 미생물연료전지에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 자연 친화적인 방식으로 보다 높은 출력의 전기 에너지를 생산하는 미생물연료전지 및 이의 구성에 관한 것이다.
미생물연료전지(microbial fuel cell, MFC)는 박테리아의 대사에너지를 이용하여 전기를 생성하는데, 폐기물을 포함한 모든 유기물질은 박테리아의 먹이가 될 수 있기 때문에 연료전지의 동력에 이용될 수 있다. 대체에너지 기술 중 하나로 주목받고 있는 미생물연료전지(MFC)는 폐수 중의 오염물질을 미생물의 먹이로 사용하여 오염물질을 제거하면서 동시에 에너지로 이용할 수 있을 뿐만 아니라 오염물질에서 직접 전기를 회수할 수 있는 고효율의 에너지 변환장치이다. 따라서 미생물연료전지(MFC)를 폐수처리에 적용한다면 청정에너지를 얻을 수 있고, 더불어 폐수의 친환경적인 처리도 가능하다.
하지만 미생물연료전지를 실용화 하기 위해서는 전지 내부에서 발생하는 모든 저항요소들을 감소시켜 더 높은 전력밀도를 생산해야 될 필요가 있다. 예를 들어 신진대사가 활발한 미생물의 종류, 미생물과 전극의 효과적인 전자전달 과정 규명, 전극의 재료 및 형태의 개선을 통하여 전력밀도를 높여야 한다. 특히, 고분자 전해질 분리막의 성능 개선은 산화, 환원 전극조를 완벽히 분리할 뿐만 아니라, 환원전극으로의 수소이온 전도도를 높여 내부저항을 줄일 수 있는 핵심 요소이다.
미생물연료전지(MFC)는 미생물을 이용하여 유기물로부터 직접 전기를 생산해 낼 수 있는 방안으로써 보통 양이온 교환막(proton exchange membrane, PEM)에 의해 나누어진 혐기성 조건의 산화전극 반응조(anode chamber)와 호기성 조건의 환원전극 반응조(cathode chamber)로 구성된다. 산화전극 반응조의 미생물은 공급되는 유기물을 분해하여 전자와 수소이온으로 변환시키며, 생성된 수소이온은 양이온 교환막을 통해 환원전극(cathode)으로 이동하고 생성된 전자는 외부서킷을 통해 환원전극으로 이동한다. 환원전극에서는 양이온 교환막을 통해 이동된 수소이온 및 회로를 통해 이동된 전자와 환원전극 반응조에서 공급되는 산소분자가 결합하여 물을 생성한다. 이때 전자의 흐름이 전류로서 전기에너지를 생성한다.
미생물연료전지는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)와 구조가 동일한 데 차이점은 애노드에 수소를 공급하는 대신 미생물과 유기물을 공급하여 전기를 발생한다는 점이다. 즉 미생물이 유기물을 분해하면서 전자와 프로톤을 생성하여 고분자전해질 연료전지의 수소 역할을 하는 것이다. 미생물이 유기물을 산화시킬 때 발생하는 전자는 미생물 세포막에 존재하는 일련의 전자전달계를 경유하면서 ATP 형태의 에너지를 생산하게 되고, 전자전달계를 빠져나온 전자는 최종전자수용체를 (Terminal electron accepter, TEA)를 환원시키면서 대사작용이 완성된다. 일부 미생물은 전자를 체외에 존재하는 금속산화물 같은 최종전자수용체로 이동시킬 수 있다. 이러한 미생물은 전자방출균(exoelectrogen)이라 하며 이 미생물이 미생물연료전지에서 촉매로 사용된다. 이 과정에서 미생물연료전지는 오폐수 등의 유기물을 분해하면서 폐수처리도 동시에 진행되는 친환경 공정이라고 할 수 있다. 지금까지 국내외에서 하수종말처리장의 하수를 이용해 미생물연료전지를 가동하는 연구개발은 많이 이루어졌다.
하수종말 처리장의 하수 뿐만 아니라 축산농가에서 발생하는 축산분뇨량도 매우 많은데, 이 축산 분뇨를 활용해서도 미생물연료전지를 가동할 수 있다. 그러나 가축분뇨를 이용한 미생물연료전지에서 발생하는 전력량은 수백 mW/m2 정도로 아직 실용화하기에 부족하다.
2010년 말 현재 국내에 19만여 축산 농가에서 소, 돼지 등을 1,323만두 사육하고 있으며, 이로부터 발생하는 가축분뇨량은 106,597m3/일이나 되고, 이중 돼지 분뇨가 약 절반을 차지한다. 따라서 오폐수는 물론 이와 같은 가축분뇨를 효과적으로 이용하여 높은 전기에너지를 얻는 효율적인 미생물연료전지 시스템의 개발이 매우 필요한 실정이다.
일본 공개특허공보 2013-143363 (2013.07.22). 미국 등록특허공보 8415037 (2013.04.09). 대한민국 공표특허공보 2013-501315 (2013.01.10). 미국 등록특허공보 8052872 (2011.11.08). 대한민국 등록특허공보 0224381 (1999.07.13).
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 소, 돼지, 닭, 오리 등의 가축분뇨를 이용하여 미생물연료전지를 구동하여 실용화가 가능한 수준으로 전기에너지 발생량이 향상된 미생물연료전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 환경오염을 유발하는 가축분뇨를 활용함으로써 오염을 줄일 수 있는 미생물연료전지를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 가축분뇨 중에 들어 있는 미생물의 단백질 및 탄수화물 대사를 보다 활성화하기 위해 분뇨 중에 들어 있는 미생물의 기질로서 사용되는 단백질 공급원 및 탄수화물 공급원을 미생물 혼합배양액에 공급하여 전기 발생량이 향상된 미생물연료전지를 제공한다.
본 발명은 Bacillus aryabhattai B8W2288(Genbank Accession No. EF114313), Ochrobactrum pseudintermedium ADV31(T)(Genbank Accession No. DQ365921), Kurthia gibsonii NCIMB 9758(T) (Genbank Accession No.X70320 ) 및 Brevibacterium luteolum CF87(T) (Genbank Accession No. AJ488509)로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 미생물을 이용한 미생물연료전지에 관한 것이다.
활성 슬러지나 폐수 등에 존재하는 다양한 미생물을 음극 부위에서 혐기적으로 배양하면 배지 성분의 전자수용체 대신 일정한 전위를 갖는 전극을 전자수용체로 사용할 수 있는 미생물만이 최종적으로 생존할 수 있게 된다. 이러한 방법에 의하여 폐수나 활성 슬러지, 가축분뇨 중에 존재하는 여러 종의 미생물 중 전기화학적으로 활성을 갖는 미생물 종이 일정한 전위를 갖는 전극을 전자수용체로 사용하여 생장하게 됨으로써 농화 배양되면, 여러 종류의 폐수 속에 존재하는 고유의 전기화학적으로 활성을 갖는 각각의 미생물 종을 분리할 수 있다. 이러한 점을 바탕으로 본 발명에 따른 미생물연료전지에 사용되는 Bacillus aryabhattai B8W2288(Genbank Accession No. EF114313), Ochrobactrum pseudintermediumpseudintermedium ADV31(T)(Genbank Accession No. DQ365921), Kurthia gibsonii NCIMB 9758(T) 및 Brevibacterium luteolum CF87(T)는 가축분뇨를 이용하여 연료전지를 구동한 후 애노드 막에 형성된 생물막에서 분리하여 동정하였다.
본 발명에서, 상기 미생물은 제한되지는 않으나 돼지 분뇨, 닭 분뇨, 오리 분뇨, 및 소 분뇨로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 가축분뇨에 포함되어, 가축분뇨 공급부로부터 상기 미생물연료전지의 애노드부로 공급될 수 있다.
닭 분뇨에서 전기 생산에 관여하는 것으로 파악되는 6종의 미생물이 분리되었으며, 돼지 분뇨로부터는 4종의 미생물이 분리되었다. 분리된 미생물 중 Bacillus licheniformis는 그람 양성균으로 cellulose와 hemi-cellulose를 분해하는 multi-enzyme complex를 분비하며, glucose, sucrose, fructose, bactopeptone, yeast extract, 난분해성 단백질과 같은 다양한 질소원과 탄소원을 분해할 수 있는 효소를 분비한다고 알려져 있다.
Stenotrophomonas acidaminiphila는 그람 음성의 운동성 있는 간균으로 Bacillus megaterium , Bacillus cibi, Pseudomonas aeruginosa , Bacillus cereus와 함께 석유화학성 폐유의 지방족과 방향족 탄화수소 화합물의 생분해 능력이 있다고 알려져 있다.
본 발명에서, 상기 가축분뇨는 제한되지는 않으나 가축분뇨 접종부에서 상기 미생물과 가축분뇨에 단백질, 탄수화물 또는 이들의 혼합물과 혼합하여 미생물을 증식한 후 상기 가축분뇨 공급부로 공급할 수 있다.
본 발명에서는 가축분뇨에 포함된 미생물들에 단백질과 탄수화물을 에너지 원으로 공급하여 배양한 배양액을 미생물연료전지에 공급함으로서 보다 높은 출력의 전기를 확보할 수 있다. 상기 단백질 공급원으로는 두부폐수를, 탄수화물 공급원으로는 음료폐수를 사용할 수 있으며, 상기 단백질 또는 탄수화물 공급원은 가축분뇨 접종부에서 상기 가축분뇨에 포함된 미생물들에 혼합 배양되어 미생물들을 증식한 후 상기 가축분뇨 공급부로 공급하게 된다.
본 발명에서, 상기 단백질 공급원은 특별히 제한되지는 않으나 기 단백질은 도축 시설, 축산물 가공 · 처리시설, 수산물 가공 · 처리시설, 식용 해조류 가공시설, 낙농품 제조 · 가공시설, 두부 및 두부 유사 식품 제조시설의 폐수로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상으로부터 공급될 수 있으며, 상기 탄수화물 공급원은 곡물 가공시설, 전분 및 당류 제조시설, 빵 제조시설 곡분과자 제조시설, 설탕 제조시설, 코코아제품 및 설탕과자 제조시설, 국수, 라면 및 유사제품 제조시설, 주정 제조시설, 주류 제조시설, 맥아 및 맥주 제조시설, 비알콜성 음료수 제조시설의 폐수로부터 선택는 어느 하나 이상에서 공급될 수 있다.
본 발명에서, 상기 가축분뇨 접종부에서 미생물의 증식은 제한되지는 않으나 질소원과 탄소원이 존재하는 호기성 조건에서 수행될 수 있다.
본 발명에서, 상기 미생물의 증식은 제한되지는 않으나 10 ~ 60℃에서 0.5 ~ 10일 동안 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 20 ~ 40℃에서 0.5 ~ 7일간, 보다 바람직하게는 25 ~ 35℃에서 2 ~ 3일 동안 이루어질 수 있다. 가축분뇨 접종부 내의 미생물 증식을 통해 탄수화물 분해 미생물과 단백질 분해 미생물을 충분히 포함한 가축분뇨 접종부를 준비 할 수 있다.
본 발명에서, 가축분뇨 폐수: 두부 및 유사식품 제조시설 폐수 : 비알콜성 음료수 제조시설 폐수의 중량비는 제한되지는 않으나 가축분뇨, 두부폐수, 음료폐수 혼합비에 따른 OCV와 최고 출력을 실험한 결과, 가축분뇨 : 두부폐수 : 음료폐수 혼합비가 1 : 20 ~ 25 : 5 ~ 15일 때 가장 높았으며, 상기의 범위가 바람직하다.
가축분뇨의 경우 일반적으로 질소 0.5~2.0%, 인산 1.0~6.0%, 가리 0.5~1.0%, 유기물 35~40%을 포함하며 BOD는 1,8000∼4,0000 mg/L이고, 두부 및 유사제품 제조시설에서 배출되는 폐수의 경우는 일반적으로 BOD는 1,000~1,500㎎/ℓ, COD는 1,000~3,900㎎/ℓ, SS(부유사농도)는 450~500㎎/ℓ, 질소는 50~100㎎/ℓ, 인은 5~10㎎/ℓ을 포함하며 비알콜성 음료품 제조시설 배출 폐수는 일반적으로 BOD 1,000~1,500㎎/ℓ, COD 1,200~3,200㎎/ℓ, SS(부유사농도) 300~350㎎/ℓ, 질소 15~20㎎/ℓ, 인 0.6~1.2㎎/ℓ인 것이 일반적이며, 상기 가축분뇨, 두부폐수 및 음료폐수 혼합비는 상기 일반적인 함량을 기준으로 환산한 것이다.
본 발명에서, 상기 미생물연료전지는 2실(two chamber) 구조로 구성되고, 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC)에 사용되는 요소들을 그대로 사용할 수 있으며, 애노드부; 캐소드부; 상기 애노드부 및 캐소드부를 전기적으로 연결하는 전극 연결부; 상기 애노드부와 유체소통하며, 가축분뇨를 공급하는 가축분뇨 공급부; 상기 캐소드부와 유체소통하는 유출수 배출부; 상기 애노드부 및 캐소드부를 분리하는 분리막; 및 가축분뇨를 저장하고 가축분뇨 공급부로 전달하는 저장탱크를 포함할 수 있으며, 바람직하게는 상기 전극의 애노드부에 카본펠트를 전해질막과 접촉시키고, 캐소드부에는 가스확산층을 구비하며, 전해질막, 가스확산층, 카본펠트, 가스켓을 그래파이트 분리판 사이에 넣고 분리판 밖에는 집전판과 엔드플레이트를 차례로 결합시킬 수 있다.
본 발명에 따른 미생물연료전지에서 애노드부 및 캐소드부를 분리하는 분리막은 이온전도성 고분자 전해질막(으로 채용되며, 상기 분리막 양쪽에 다공성 가스확산 전극이 설치되어 있는 구조로 이루어져 있으며, 상기 고분자 전해질막의 기능은 전극 사이에서 H+을 전달하고, 전극 촉매층을 지지하며, 전극쪽 연료가스(수소, 공기)를 분리하는 것으로, 바람직한 전해질막의 조건은 H+의 전도도가 높고, 반응가스 투과도가 낮으며, 열화학적 안정성이 높은 것이다. 대표적인 분리막으로는 듀폰(Dupont) 사의 Nafion, 고어(Gore) 사의 Gore-select, 아사히(Asahi) 사의 Aciplex&Flemion 등이 적용될 수 있다.
본 발명의 다른 미생물연료전지는 전극의 애노드 쪽에 가스확산층(GDL, gas diffusion layer) 대신 카본펠트를 전해질막과 접촉시킨다. 캐소드에는 가스확산층을 사용하여 공기 공급이 원활하게 하며, 전해질막, 가스확산층, 카본펠트, 가스켓을 그래파이트 분리판 사이에 넣고 분리판 밖에는 집전판과 엔드플레이트를 차례로 조립해 100토크 정도의 압력으로 셀을 체결하여 완성한다.
가스확산층은 반응 가스를 촉매층의 반응영역으로 확산시키는 역할을 하는데 연료의 작동온도가 60~80℃이기 때문에, 고전류 밀도에서 생성된 물은 액적을 형성한다. 생성된 물이 적절하게 제거되지 않는다면, 가스확산층 내의 기공을 막게 되고 연료전지 성능이 저하되는데 본 발명의 미생물연료전지에서는 애노드 쪽에 가스확산층 대신 카본펠트를 전해질막과 접촉시키고, 캐소드에는 가스확산층을 사용하여 공기 공급을 원활하게 한다.
본 발명에 의한 미생물연료전지는 환경에 악취 및 폐기물 문제를 야기하는 가축분뇨를 효과적으로 처리하면서 높은 출력을 발생하는 미생물연료전지를 제조할 수 있으며, 본 발명에 의한 미생물연료전지는 가축분뇨에서 분리된 미생물 중 단백질과 탄수화물을 기질로 하는 미생물에 이들 영양원을 공급하는 혼합배양액을 사용함으로써 보다 높은 에너지 출력을 얻을 수 있다.
도 1은 분리된 Kurthia gibsonii NCIMB 9758(T)의 SEM 사진이다.
도 2는 분리된 Brevibacterium luteolum CF87(T)의 SEM 사진이다.
도 3는 분리된 Bacillus aryabhattai B8W22(T)의 SEM 사진이다.
도 4는 분리된 Ochrobactrumps eudintermedium ADV31(T)의 SEM 사진이다.
도 5는 4종류의 가축분뇨가 나타내는 개방회로전압(OCV, Open-circuit voltage) 비교 그래프이다.
도 6은 일정 전압 하에서 3종류의 가축분뇨가 나타내는 출력밀도이며,
도 7은 분뇨 중 미생물 종류별 미생물 연료전지에 따른 OCV 비교 데이터 이다.
이하 본 발명을 실시 예를 참조하여 상세히 설명한다. 그러나 이들은 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 권리범위가 하기의 실시 예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실험예 1] 미생물의 동정
저장탱크에서 연료전지 셀로 펌프에 의해 배양액을 30 ml/min으로 순환시키고, 저장탱크에 질소를 유입하여 혐기조건을 만들었다. 혼합 배양액은 전기 생산이 가능한 미생물의 대량증식을 위해 멸균한 nutrient broth(Difco, 1리터에 beef extract 3.0g, pepton 5.0g을 포함함)에 축사에서 수득한 가축분뇨를 접종하여 shaking incubator에서 30℃에서 2일 동안 증식시킨 후 미생물연료전지를 5일 구동하였다. 구동된 미생물연료전지를 분리하여 애노드 막에 형성된 생물막에서 전기 생산에 관여했다고 판단되는 미생물을 분리했다(표 1).
닭 분뇨로부터 미생물의 동정
닭 분뇨로부터 6종의 미생물이 분리되었고 이들의 16S rRNA gene을 sequencing하고 유사도를 비교하였다. 6종 균들의 분석된 16S rRNA sequence는 online EzTaxon-e server에서 관련된 bacteria의 sequence와 유사도를 비교하였다. 일반적으로 %로 나타내며 값이 100%에 가까울수록 유사도가 높다. 2종의 Brevibacillus sp.의 유사도가 각 99.5%와 99.71%로 결정되어 Brevibacillus agri NRRL NRS-1219(T)(Genbank Accession No. D78454)와 Brevibacillus parabrevis IFO12334(T) (Genbank Accession No. D78463)로 판정하였다. 2종의 Bacillus sp.의 유사도는 각 99.31%와 99.46%로 결정되어 Bacillus badius ATCC14574(T) (Genbank Accession No. X77790)와 Bacillus licheniformis ATCC14580(T)(Genbank Accession No. AE017333)로 판정하였고, 1종의 Kurthia의 유사도는 99.79%이므로 Kurthia gibsonii NCIMB 9758(T)(Genbank Accession No. X70320)로, 1종의 Brevibacterium의 유사도는 99.93%로 Brevibacterium luteorum CF87(T)(Genbank Accession No. AJ488509)로 판정하였다.
돼지 분뇨로부터 미생물의 동정
돼지분뇨로부터는 4종의 미생물이 분리되었는데 이 중 Stenotrophomonas sp., Lysinibacillus sp., Bacillus sp.,의 유사도가 100%이므로 Stenotrophomonas acidominiphila AMX19(T)(Genbank Accession No. AF273080), Lysinibacillus sphaericus C3-41(Genbank Accession No. CP000817), Bacillus aryabhattai B8W2288(Genbank Accession No. EF114313)로 판정하였고, Ochrobactrum sp.와의 유사도가 99.86%로 결정되어 Ochrobactrum pseudintermedium ADV31(T)(Genbank Accession No. DQ365921)로 판정하였다.
[표 1] 닭 분뇨와 돼지 분뇨를 이용해 미생물 연료전지 구동 후 분리한 미생물
Figure 112014017023259-pat00001

본 발명에서 동정된 미생물 중 Kurthia gibsonii, Brevibacterium luteolum, Bacillus aryabhattai, Ochrobactrum pseudintermedium 4종의 미생물들을 Nutrient Broth 배지에 접종 후 2일 간 30℃에서 배양하고, 12,000rpm에서 20분 동안 원심분리한 후, FE-SEM(Hitachi S-4800, KBSI Suncheon center)을 이용하여 beam voltage 10kV에서 SEM 분석을 하였다.(도 1 내지 도 4)
[실험예 2] 미생물연료전지 구동
전극과 고분자 막은 Gore Fuel Cell Tech. 사의 5720 분리막-전극 어셈블리(MEA, Membrane and electrode assembly, 전극 면적 25 cm2)를 사용했으며 애노드 쪽에 기체 확산층 대신 카본펠트를 MEA와 접촉시켰다. 캐소드에는 기체 확산층을 사용해 공기 공급이 원활하게 하였다. MEA, 기체 확산층, 카본펠트, 가스켓을 그래파이트 분리판 사이에 넣고 분리판 밖에는 집전판과 엔드플레이트를 차례로 조립해 100토크 압력으로 셀을 체결하였다.
가축분뇨는 돼지 분뇨를 사용하였으며(돼지 분뇨 : BOD 36,365㎎/ℓ, COD 33,469㎎/ℓ, SS 127,405㎎/ℓ, T-N 6,562㎎/ℓ, T-P 11,500 ㎎/ℓ), 돼지분뇨에 단백질 원으로는 두부 폐수를, 탄수화물 원으로는 음료 폐수를 혼합한 배양액을 미생물연료전지에 공급하여 구동하였다. 혼합비는 돼지분뇨 : 두부폐수 :음료폐수 = 1: 20: 5, 1 : 20 : 10, 1 : 25 : 10, 1 : 25 : 15, 1 : 10 : 5, 1 : 10 : 10, 1 : 5 : 10, 1 : 3 : 5의 비율로 변화하여 구동하였다.
저장탱크는 35℃를 유지하였으며, Electronic Loader(ESL-300Z)로 OCV를 측정하고, Potentiostat(Solatron, SI 1287)로 일정 전압에서 전류가 정상상태에 도달했을 때 전류 값을 읽어 전류-전압(I-V) 분극곡선과 전류-전력(I-P) 곡선을 구하여 값을 구했다.
[실시예 1] 가축분뇨 별 OCV 측정
돼지분뇨, 닭 분뇨, 오리 분뇨, 소 분뇨 4 종류의 가축분뇨가 나타내는 OCV를 비교하기 위해, 상기 시험예 2와 같은 방법으로 측정한 결과를 도 5에 나타냈다. OCV가 높은 돼지, 닭, 오리 분뇨는 미생물연료전지에서의 최대 전압에 도달하는 시간이 50 ~ 100시간 사이였으며, OCV는 돼지분뇨 > 닭 분뇨 > 오리 분뇨 > 소 분뇨 순으로 나타났다.
[실시예 2] 가축분뇨별 출력밀도 측정
상기 시험예 2와 같은 방법으로 일정 전위기(Potentiostat)로 일정 전압에서 전류를 측정해 I-V곡선과 I-P 곡선을 작성한 결과를 도 6에 나타냈다. 분석결과 돼지 분뇨가 0.3 V에서 최고 963(mW/m2) 출력 밀도를 나타내 분뇨 중 제일 높은 성능을 보였으며, 상기의 데이터들은 본 발명에 다른 미생물연료전지가 폐기물 처리와 동시에 전기에너지를 얻을 수 있음을 확인해 주는 것이다.
[실시예 3] 가축분뇨별 전류밀도 측정
일정 전류 밀도에서 각 분뇨별 출력밀도를 측정하여 도 7에 나타냈으며, 전류밀도와 전압밀도를 측정한 결과, 돼지 분뇨 미생물연료전지가 가장 높은 성능을 보여 800 mW/m2에서 최고 3000(mA/m2)의 전류밀도를 나타냈다.
[실시예 4] 전기를 발생하는 것으로 새로 밝혀진 분뇨 중 미생물의 OCV
본 발명에서 동정된 미생물 중 Kurthia gibsonii, Brevibacterium luteolum, Bacillus aryabhattai, Ochrobactrum pseudintermedium 4종의 미생물들을 Nutrient Broth 배지에 접종 후 2일 간 배양하고 미생물연료전지에서 구동하여 발생한 OCV를 표 2에 나타내었다. 운전조건은 상기 시험예 2와 같은 방법으로 셀을 체결하고 상온에서 150시간 구동하여 최고 OCV를 측정하였다.
이들 미생물들은 모두 전기를 발생시켰고, Ochrobactrum pseudintermedium 미생물이 최고 53mV가 발생시켰다.
[표 2] 전기를 발생하는 것으로 새로 밝혀진 분뇨 중 미생물의 OCV
Figure 112014017023259-pat00002

[실시예 5] 혼합비에 따른 OCV와 최고 출력
단백질 공급원으로 두부 제조 시설에서 배출되는 두부폐수를 당 공급원으로 음료 제품 제조시설 배출폐수인 음료폐수를 돼지 분뇨에 혼합해서 배양하고 미생물연료전지를 구동하였으며, 두부폐수 및 음료폐수의 농도는 표 3 및 4에 기재된 바와 같다. 중량비를 변화시키면서 쉐이킹 이큐베이터에서 30℃에서 2일 동안 증식시킨 후 에노드에서 순환시키면서 MFC OCV와 최고출력을 측정한 결과를 표 4에 나타냈다. 돼지분뇨 : 두부폐수 : 폐음료 = 1 : 25 : 10 일 때 최고 OCV와 최고 출력이 발생하였다.
[표 3] 사용된 두부폐수 및 음료폐수의 오염항목별 농도
Figure 112014017023259-pat00003

[표 4] 돼지분뇨, 두부폐수, 폐음료 혼합비에 따른 OCV와 최고 출력
Figure 112014017023259-pat00004

Claims (9)

  1. Bacillus aryabhattai B8W2288, Ochrobactrum pseudintermedium ADV31(T), Kurthia gibsonii NCIMB 9758(T) 및 Brevibacterium luteolum CF87(T)로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 미생물을 이용한 미생물연료전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 미생물은 돼지 분뇨, 닭 분뇨, 오리 분뇨, 및 소 분뇨로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 가축분뇨에 포함되어, 가축분뇨 공급부로부터상기 미생물연료전지의 애노드부로 공급되는 것을 특징으로 하는 미생물연료전지.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 가축분뇨는 가축분뇨 접종부에서 상기 미생물과 가축분뇨에 단백질, 탄수화물 또는 이들의 혼합물과 혼합하여 미생물을 증식한 후 상기 가축분뇨 공급부로 공급하는 것을 특징으로 하는 미생물연료전지.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 단백질은 도축 시설, 축산물 가공 · 처리시설, 수산물 가공 · 처리시설, 식용 해조류 가공시설, 낙농품 제조 · 가공시설, 두부 및 두부 유사 식품 제조시설의 폐수로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상으로부터 공급될 수 있으며, 상기 탄수화물 공급원은 곡물 가공시설, 전분 및 당류 제조시설, 빵 제조시설 곡분과자 제조시설, 설탕 제조시설, 코코아제품 및 설탕과자 제조시설, 국수, 라면 및 유사제품 제조시설, 주정 제조시설, 주류 제조시설, 맥아 및 맥주 제조시설, 비알콜성 음료수 제조시설의 폐수로부터 선택는 어느 하나 이상에서 공급되는 것을 특징으로 하는 미생물연료전지.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 가축분뇨 접종부에서 미생물의 증식은 질소가 존재하는 혐기성 조건인 것을 특징으로 하는 미생물연료전지.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 미생물의 증식은 10~60℃에서 0.5~10일 동안 이루어지는 것을 특징으로 하는 미생물연료전지.
  7. 제 4항에 있어서,
    가축분뇨 : 두부폐수 : 음료폐수의 중량비가 1 : 20 ~ 25 : 5 ~ 15로 사용하는 것을 특징으로 하는 미생물연료전지.
  8. 제 4항에 있어서,
    상기 미생물연료전지는 애노드부; 캐소드부; 상기 애노드부 및 캐소드부를 전기적으로 연결하는 전극 연결부; 상기 애노드부와 유체소통하며, 가축분뇨를 공급하는 가축분뇨 공급부; 상기 캐소드부와 유체소통하는 유출수 배출부; 상기 애노드부 및 캐소드부를 분리하는 분리막; 및 가축분뇨를 저장하고 가축분뇨 공급부로 전달하는 저장탱크를 포함하는 미생물연료전지.
  9. 제 8항에 있어서,
    전극의 애노드부에 카본펠트를 전해질막과 접촉시키고, 캐소드부에는 가스확산층을 구비하며, 전해질막, 가스확산층, 카본펠트, 가스켓을 그래파이트 분리판 사이에 넣고 분리판 밖에는 집전판과 엔드플레이트를 차례로 결합시키는 것을 특징으로 하는 미생물연료전지.
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