KR101866502B1 - 이상 혐기발효를 이용한 고순도 메탄 생산시스템 및 생산방법 - Google Patents

이상 혐기발효를 이용한 고순도 메탄 생산시스템 및 생산방법 Download PDF

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Abstract

이상 혐기발효를 이용한 고순도 메탄 생산시스템 및 생산방법이 개시된다.
이 중에서 고순도 메탄 생산시스템은, 유기성 폐기물을 저장하는 폐기물 저장조와, 폐기물 저장조로부터 상기 유기성 폐기물을 공급받 유기성 폐기물을 이용해서 수소 생성을 위한 수소 생성 미생물을 우점화하여 배양하는 제 1 배양기와 유기성 폐기물을 이용해서 메탄 생성을 위한 메탄 생성 미생물을 우점화하여 배양하는 제 2 배양기를 포함하는 씨드 배양기와, 폐기물 저장조에서 공급받은 유기성 폐기물과 제 1 배양기에서 배양된 수소 생성 미생물을 공급받아 수소, 이산화탄소 및 유기산을 생성하는 수소 생성 반응기와, 수소 생성 반응기에서 생성된 상기 수소, 이산화탄소 및 유기산을 공급받아 메탄을 생성하는 제 1 메탄 발효조와, 제 1 메탄 발효조로부터 메탄 생성 후 잔류한 수소 및 이산화탄소와 제 2 배양기에서 배양된 메탄 생성 미생물을 공급받아 메탄을 생성하는 제 2 메탄 발효조를 포함할 수 있다.

Description

이상 혐기발효를 이용한 고순도 메탄 생산시스템 및 생산방법{SYSTEM FOR PRODUCING HIGH PURITY METHANE GAS USING TWO PHASE ANAEROBIC FERMENTATION AND METHOD THEREFOR}
본 발명은 고순도의 메탄을 생성할 수 있는 이상 혐기발효를 이용한 고순도 메탄 생산시스템 및 생산방법에 관한 것이다.
일반적으로 혐기발효를 이용한 메탄 생성기술은, 유기성 폐기물(가축분뇨, 음식물 쓰레기, 농업부산물 등)의 처리라는 환경적 기능뿐만 아니라, 바이오가스 등의 대체 에너지 생성 기능 및 발효된 유기성 폐기물의 농지환원을 통한 자연 순환적 기능을 동시에 달성할 수 있는 기술이다.
이러한 메탄 생성기술은 산소가 없는 극도의 환원상태에서, 가축분뇨나 음식물 쓰레기의 유기물을 혐기성 미생물을 이용하여 메탄가스를 생성할 수 있다. 여기서, 혐기성 미생물은 무산소 상태에서 생육하는 미생물로서, 크게 복합 고분자 유기물(탄수화물, 지방, 단백질 등)을 단순 단위화합물(포도당, 아미노산, 지방산 등)로 쪼개는 가수 분해 미생물, 가수분해된 산물을 이용하여 메탄생성의 기질로 사용되는 각종 휘발성 지방산, CO2, H2 등을 생성하는 산생성 미생물 및, 산생성된 산물을 기질로 이용하여 CH4를 생성하는 메탄 생성 미생물로 구분될 수 있다.
혐기발효는 상술한 혐기성 미생물을 이용하여 가수 분해 공정, 산생성 공정 및 메탄 생성 공정을 거치게 된다. 이에 따라, 혐기발효는 기능적으로 다양한 혐기성 미생물의 군집을 안정화시키고, 메탄가스의 생성에 적합하도록 최적화시킬 수 있다.
그런데, 종래 혐기발효를 이용한 메탄 생성기술의 경우, 수소가 소량으로 발생됨에 따라 메탄의 생산에 불안정성을 야기될 수 있다.
이에 유기성 폐기물로부터 수소를 생물학적으로 제조하여 메탄의 고품위화를 구현할 수 있는 기술이 요구되고 있다.
특허 등록특허공보 제10-0909273호(2009. 07. 17 등록)
본 발명의 실시예들은 생물학적으로 생산된 수소를 이용하여 고순도의 메탄을 생성할 수 있는 이상 혐기발효를 이용한 고순도 메탄 생산시스템 및 생산방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 이상 혐기발효를 이용한 고순도 메탄 생산시스템은, 유기성 폐기물을 저장하는 폐기물 저장조; 상기 폐기물 저장조로부터 상기 유기성 폐기물을 공급받고, 상기 유기성 폐기물을 이용해서 수소 생성을 위한 수소 생성 미생물을 우점화하여 배양하는 제 1 배양기와, 상기 유기성 폐기물을 이용해서 메탄 생성을 위한 메탄 생성 미생물을 우점화하여 배양하는 제 2 배양기를 포함하는 씨드 배양기; 상기 폐기물 저장조에서 공급받은 상기 유기성 폐기물과 상기 제 1 배양기에서 배양된 상기 수소 생성 미생물을 공급받아 수소, 이산화탄소 및 유기산을 생성하는 수소 생성 반응기; 상기 수소 생성 반응기에서 생성된 상기 수소, 상기 이산화탄소 및 상기 유기산을 공급받아 메탄을 생성하는 제 1 메탄 발효조; 및 상기 제 1 메탄 발효조로부터 메탄 생성 후 잔류한 상기 수소 및 상기 이산화탄소와, 상기 제 2 배양기에서 배양된 상기 메탄 생성 미생물을 공급받아 메탄을 생성하는 제 2 메탄 발효조를 포함할 수 있다.
이때, 본 발명은 상기 수소 생성 반응기 내 pH를 유기산 생성을 위한 기준 pH로 조절하는 pH 조절기를 더 포함할 수 있다.
또한, 또한, 본 발명은 상기 수소 생성 반응기에서 생성된 상기 수소 및 상기 이산화탄소의 농도를 측정하는 농도 감지센서; 상기 제 2 메탄 발효조에 수소 및 이산화탄소를 외부에서 추가로 공급하는 가스 공급기; 및 상기 농도 감지센서에서 측정된 상기 수소 및 상기 이산화탄소의 농도 측정값이 기 설정된 기준 농도 범위에 부합하도록, 상기 가스 공급기에서 공급되는 수소 및 이산화탄소의 추가 공급량을 조절하는 컨트롤러를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 폐기물 저장조는 상기 유기성 폐기물 중에서 탄수화물이 다량 포함된 탄수화물 유기물을 저장하고, 저장된 상기 탄수화물 유기물을 상기 씨드 배양기에 공급하는 제 1 폐기물 저장조; 및 상기 탄수화물 유기물을 제외한 나머지 유기성 폐기물이 포함된 일반 유기물을 저장하고, 저장된 상기 일반 유기물을 상기 수소 생성 반응기에 공급하는 제 2 폐기물 저장조를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 이상 혐기발효를 이용한 고순도 메탄 생산방법은, 유기성 폐기물을 폐기물 저장조에 저장하는 유기성 폐기물 저장 단계; 상기 폐기물 저장조에 저장된 상기 유기성 폐기물을 이용해서 수소 생성을 위한 수소 생성 미생물을 우점화하여 배양하고, 상기 폐기물 저장조에 저장된 상기 유기성 폐기물을 이용해서 메탄 생성을 위한 메탄 생성 미생물을 우점화하여 배양하는 미생물 배양 단계; 상기 폐기물 저장조로부터 공급받은 상기 유기성 폐기물과, 상기 미생물 배양 단계에서 배양된 상기 수소 생성 미생물을 이용하여 수소, 이산화탄소 및 유기산을 생성하는 수소 생성 단계; 생성된 상기 수소, 상기 이산화탄소 및 상기 유기산을 공급받아 메탄을 생성하는 제 1 메탄 발효 단계; 및 상기 제 1 메탄 발효 단계에서 메탄 생성 후 잔류하는 상기 수소 및 상기 이산화탄소와, 상기 미생물 배양 단계에서 배양된 상기 메탄 생성 미생물을 이용하여 메탄을 생성하는 제 2 메탄 발효 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 수소 생성 단계는 생성된 상기 수소 및 이산화탄소의 농도를 측정하고, 측정된 상기 수소 및 이산화탄소의 농도 측정값이 기 설정된 기준 농도 범위에 부합하도록, 수소 및 이산화탄소를 상기 제 2 메탄 발효 단계에 추가로 공급할 수 있다.
또한, 상기 유기성 폐기물을 폐기물 저장조에 저장하는 단계는, 상기 유기성 폐기물 중에서 탄수화물이 다량 포함된 탄수화물 유기물을 제 1 폐기물 저장조에 저장한 후, 상기 제 1 폐기물 저장조에 저장된 상기 탄수화물 유기물을 상기 씨드 배양기에 공급하고, 상기 탄수화물 유기물을 제외한 나머지 유기성 폐기물이 포함된 일반 유기물을 제 2 폐기물 저장조에 저장하고, 상기 제 2 폐기물 저장조에 저장된 상기 일반 유기물을 상기 수소 생성 반응기에 공급할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 바이오매스를 메탄으로 전환하는 공정의 전단계에서, 수소를 생물학적으로 제조함으로써, 메탄의 고품위화(고순도)를 구현할 수 있다는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예들은 수소 및 메탄 생산에 기여하는 혐기 혼합군집을 우점화 및 고정화하여 바이오가스를 대량으로 생산할 수 있고, 수소 및 메탄을 동시에 또는 선택적으로 생산할 수 있다는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예들은 수소 생산에 기여하는 특정한 미생물군집을 활성화하기 위한 전처리 또는 자연순응 후, 농축 혼합군집을 알긴산, 키토산 등의 고정화 소재를 이용하여 캡슐화함으로써, 수소 생산의 증대 및 안정화를 유도할 수 있다는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이상 혐기발효를 이용한 고순도 메탄 생산시스템을 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이상 혐기발효를 이용한 고순도 메탄 생산시스템에서, 컨트롤러에 의해 제어되는 제어로직을 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이상 혐기발효를 이용한 고순도 메탄 생산시스템의 수소 생성 반응기에 적용되는 혐기성 대사 경로를 설명한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이상 혐기발효를 이용한 고순도 메탄 생산방법을 도시한 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 작용에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 설명은 특허 청구 가능한 본 발명의 여러 측면(aspects) 중 하나이며, 하기의 설명은 본 발명에 대한 상세한 기술의 일부를 이룰 수 있다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어 공지된 구성 또는 기능에 관한 구체적인 설명은 본 발명을 명료하게 하기 위해 생략할 수 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예들을 포함할 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
그리고 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이상 혐기발효를 이용한 고순도 메탄 생산시스템을 도시한 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이상 혐기발효를 이용한 고순도 메탄 생산시스템에서, 컨트롤러에 의해 제어되는 제어로직을 도시한 블록도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이상 혐기발효를 이용한 고순도 메탄 생산시스템의 수소 생성 반응기에 적용되는 혐기성 대사 경로를 설명한 개념도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 고순도 메탄 생산시스템(10)은, 폐기물 저장조(100), 씨드 배양기(300), 수소 생성 반응기(200), 제 1 메탄 발효조(410), 제 2 메탄 발효조(420), pH 조절기(500), 가스 공급기(700) 및 컨트롤러(800)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 폐기물 저장조(100)는 유기성 폐기물(하수슬러지, 축산폐수, 생활폐수, 음식물 쓰레기 등)의 수용이 가능한 저장조로, 제 1 폐기물 저장조(110) 및 제 2 폐기물 저장조(120)를 포함할 수 있다. 이들 제 1 폐기물 저장조(110) 및 제 2 폐기물 저장조(120)는 서로 독립적으로 분리된 저장조로 구성되지만, 이에 한정되지는 아니하며 제 1 폐기물 저장조(110) 및 제 2 폐기물 저장조(120)는 하나의 저장조 내에서 분리되어 제공될 수도 있다.
이러한 제 1 폐기물 저장조(110)는 탄수화물 유기물(음식물 쓰레기 등)을 저장할 수 있고, 저장된 탄수화물 유기물을 씨드 배양기(300)에 공급할 수 있다. 제 2 폐기물 저장조(120)는 일반 유기물(일 예로, 하수슬러지, 축산폐수, 생활폐수 등)을 저장할 수 있고, 저장된 일반 유기물을 수소 생성 반응기(200)에 공급할 수 있다.
여기서, 탄수화물 유기물은 유기성 폐기물 중에서, 탄수화물이 다량 포함된 유기물로 이해될 수 있고, 일반 유기물은 탄수화물 유기물을 제외한 나머지 유기성 폐기물이 포함된 유기물로 이해될 수 있다. 이들 탄수화물 유기물 및 일반 유기물은 명확하게 구분되지는 아니할 수 있지만, 탄수화물 유기물은 일반 유기물보다 탄수화물이 더 많이 포함되어 있을 것으로 예상되는 유기물 정도로 분류될 수 있을 것이다.
씨드 배양기(300)는 제 2 폐기물 저장조(120)에서 유기성 폐기물(탄수화물 유기물)을 공급받아, 수소 생성 미생물 및 메탄 생성 미생물을 우점화하여 배양할 수 있다.
이를 위해, 씨드 배양기(300)는 수소 생성을 위한 수소 생성 미생물을 우점화하여 배양하는 제 1 배양기(310)와, 메탄 생성을 위한 메탄 생성 미생물을 우점화하여 배양하는 제 2 배양기(320)를 포함할 수 있다. 제 1 배양기(310)에서 배양된 수소 생성 미생물은 수소 생성 반응기(200)에 공급될 수 있고, 제 2 배양기(320)에서 배양된 메탄 생성 미생물은 제 2 메탄 발효조(420)에 공급될 수 있다.
보다 자세하게, 수소 생성 미생물(미생물 포자균)을 우점화 시키기 위해서, 씨드 배양기(300)에는 다양한 전처리 법이 사용될 수 있다. 예를 들어, 토양에서 채취한 흙이나 진흙을 고온에서 끓이거나 고온에서 가열시켜, 혐기성 미생물 중 포자를 형성하지 않는 영양세포를 사멸시킴으로써, 극한 환경에서 포자형성 미생물만이 잔존하도록 우점화할 수 있다. 경우에 따라, 강산/강염기 또는 메탄화 대사를 경쟁적으로 저해하는 화학제품을 사용하여 전처리하여 수소 생산 포자형성 균주를 우점화시킬 수도 있을 것이다.
특히, 씨드 배양기(300)는 고정화 소재를 이용하여 수소 생성 미생물 및 메탄 생성 미생물을 캡슐화할 수 있다. 미생물을 고정화하기 위해, 하이드로젤 타입의 소재로는 알지네이트, PVA, 펙틴, 등이 사용될 수 있다. 예를 들어, sodium 알지네이트를 고정화 소재로 사용하여 수소를 생산하는 혐기성 미생물을 캡슐화 하는 경우, 수소를 생산하는 혼합 미생물 군집을 우점화하고 그 균체를 회수할 수 있다. 회수한 균체는 원심 분리기(미도시)에서 원심분리 후 상등액을 제거하면 펠렛형태로 회수된다.
이때, 가능한 한 많은 양의 펠렛형태로 회수한 균체를 2-3%의 sodium 알지네이트와 잘 혼합한 후, 이 혼합액을 니들(needle)을 부착한 시린지에 놓고 가교액으로서 칼슘을 포함하는 용액에 니들을 통하여 주입하면 칼슘이 가교작용을 하여 칼슘-알지네이트 형태의 비드로 전환되는데, 이 상태가 농축된 미생물 군집이 하이드로젤의 형태로 캡슐화될 수 있다. 일 예로, 10배 내지 20배 이상의 활성화 균체가 안정화되어 캡슐화되어 있기 때문에, 일종의 미생물 촉매제(biocatalyst)라고 말할 수 있다. 물론, 가교액으로서 Ca 대신에 Mg이나 다른 2가 양이온이 사용될 수도 있다. 이러한 활성화 캡슐은 미량영양원소 및 글리세롤과 함께 혼합된 후, 동결건조를 통해 줄어든 부피로, 장기간 보존될 수 있고, 미생물의 접종이 필요시 직접 투입하거나 수화시켜 사용될 수 있다.
수소 생성 반응기(200)는 폐기물 저장조(100)의 제 2 폐기물 저장조(120)로부터 유기성 폐기물(일반 유기물)을 공급받을 수 있고, 씨드 배양기(300)로부터 수소 생성 미생물을 공급받을 수 있다. 수소 생성 반응기(200)는 중온(예를 들어, 30 ~ 40℃)에서, 유기성 폐기물 및 수소 생성 미생물을 이용하여 수소, 이산화탄소 및 유기산을 생산할 수 있다.
예컨대, 수소 생성 반응기(200)는 유기산을 생산하고, 제 1 메탄 발효조(410) 및 제 2 메탄 발효조(420)는 메탄을 생산할 수 있다. 이와 같이, 본 실시예에서는 유기산을 생산하는 반응과 유기산으로부터 메탄을 생산하는 반응을 분리하는 이상(two-phase) 혐기발효 반응을 구축할 수 있다.
이때, 이상 혐기발효 반응의 전단계인 수소 생성 반응기(200) 내 유기산을 생산하는 과정에서 수소가 발생하는데, 이 수소는 포집 및 저장되어 메탄을 고품위화하기 위한 환원제로 사용되거나, 연료전지를 이용하여 전기를 발생시키는 에너지원으로 사용될 수도 있다.
수소 생성 반응기(200)에는 pH 조절기(500)가 연결될 수 있다.
pH 조절기(500)는 pH 감지센서(610)를 통해, 수소 생성 반응기(200) 내 pH를 측정할 수 있고, 수소 생성 반응기(200) 내 pH를 유기산 생성을 위한 기준 pH, 예를 들어, 4.5 ~ 6.5 pH 범위를 만족하도록 조절할 수 있다.
수소 생성 반응기(200) 내 pH가 4.5pH 보다 낮은 경우, 에탄올, 부탄올 등 용매가 많이 생산되는 경향이 있고, 수소 생성 반응기(200) 내 pH가 6.5pH 보다 높은 경우, 수소 생성 반응기(200)에서는 유기산 등이 지나치게 많이 생산될 수 있다. 유기 용매를 많이 생산하든지 유기산을 많이 생산하든지에 상관없이, 수소 생성 반응기(200) 내 수소와 이산화탄소는 동시에 생산되는데, 생산된 액상화합물의 농도에 의존하여 수소 및 이산화탄소의 생산수율도 다양해질 수 있다. 수소 생성 반응기(200)에서 생산된 수소, 이산화탄소 및 유기산은, 제 1 메탄 발효조(410)로 이동될 수 있다.
제 1 메탄 발효조(410)는 수소 생성 반응기(200)로부터 수소, 이산화탄소 및 유기산을 공급받을 수 있고, 30 ~ 40℃ 온도에서, 수소, 이산화탄소 및 유기산을 이용하여 메탄 및 이산화탄소를 생성할 수 있다. 이때, 제 1 메탄 발효조(410)는 아세트산 이용(acetoclastic) 메탄혼합균을 이용하여 메탄을 생성할 수 있다.
제 2 메탄 발효조(420)는 제 1 메탄 발효조(410)로부터 수소 및 이산화탄소를 공급받을 수 있고, 씨드 배양기(300)로부터 메탄 생성 미생물(일 예로, hydrognotrophic)을 공급받을 수 있다.
제 2 메탄 발효조(420)는 수소, 이산화탄소 및 메탄 생성 미생물을 이용하여 50℃ 이상의 온도에서, 메탄을 생성할 수 있다. 본 실시예에서, 제 2 메탄 발효조(420)에서는 메탄 생성 미생물을 이용하지만, 경우에 따라, 제 2 메탄 발효조(420)에도 유기산 등의 기질을 간헐적으로 투입하여 메탄화 공정을 행할 수 있을 것이다.
제 2 메탄 발효조(420)에는 수소 및 이산화탄소를 선택적으로 공급받기 위한 가스 공급기(700)가 연결될 수 있다.
가스 공급기(700)는 수소 생성 반응기(200)에서 생성된 수소 및 이산화탄소의 농도에 따라, 수소 및 이산화탄소를 제 2 메탄 발효조(420)에 추가 공급할 수 있다. 여기서, 농도 감지센서(620)는 수소 생성 반응기(200)에서 생성된 수소 및 이산화탄소의 농도를 측정할 수 있고, 측정된 수소 및 이산화탄소의 농도 측정값을 컨트롤러(800)에 인가할 수 있다.
컨트롤러(800)는 농도 감지센서(620)로부터 수소 및 이산화탄소에 대한 농도 측정값을 인가받을 수 있고, 인가받은 농도 측정값을 기 설정된 기준 농도 범위와 비교한 후, 농도 측정값이 기 설정된 기준 농도 범위에 부합되도록, 제 2 메탄 발효조(420)에 공급되는 수소 및 이산화탄소의 추가 공급량을 가스 공급기(700)를 통해 조절할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이상 혐기발효를 이용한 고순도 메탄 생산방법을 도시한 순서도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따른 이상 혐기발효를 이용한 고순도 메탄 생산방법은, 유기성 폐기물 저장 단계(S100)와, 미생물 배양 단계(S200)와, 수소 생성 단계(S300)와, 제 1 메탄 발효 단계(S400)와, 제 2 메탄 발효 단계(S500)를 포함할 수 있다.
상기 유기성 폐기물 저장 단계(S100)는, 유기성 폐기물을 폐기물 저장조에 저장한다. 이때, 유기성 폐기물은 탄수화물이 다량 포함된 탄수화물 유기물과, 탄수화물 유기물을 제외한 나머지 유기성 폐기물이 포함된 일반 유기물로 구분될 수 있는 바, 이들 탄수화물 유기물 및 일반 유기물은 서로 다른 저장조에 저장될 수 있다.
예를 들어, 탄수화물 유기물은 제 1 폐기물 저장조에 저장된 후, 씨드 배양기에 공급될 수 있고, 일반 유기물은 제 2 폐기물 저장조에 저장된 후, 수소 생성 반응기에 공급될 수 있다.
상기 미생물 배양 단계(S200)는, 폐기물 저장조에서 공급받은 유기성 폐기물을 이용하여, 수소 생성 미생물 및 메탄 생성 미생물을 우점화하여 배양한다. 이렇게 배양된 수소 생성 미생물은 수소 생성 반응기에 공급될 수 있고, 메탄 생성 미생물은 제 2 메탄 발효조에 공급될 수 있다.
상기 수소 생성 단계(S300)는, 폐기물 저장조에서 유기성 폐기물을 공급받고, 씨드 배양기에서 수소 생성 미생물을 공급받고, 공급받은 유기성 폐기물 및 수소 생성 미생물을 이용하여, 수소, 이산화탄소 및 유기산을 생성한다. 이때, 수소 생성 반응기 내 pH는 4.5 ~ 6.5 pH 범위를 만족하도록 pH 조절기를 통해 조절될 수 있고, 수소 생성 반응기 내 온도는 30 ~ 40℃ 온도 범위를 만족할 수 있다.
아울러, 상기 수소 생성 단계(S300)는 수소 생성 반응기에서 생성된 수소 및 이산화탄소의 농도를 측정하고, 측정된 수소 및 이산화탄소의 농도 측정값과 기 설정된 기준 농도 범위를 비교한 후, 기 설정된 기준 농도 범위에 부합하기 위한 수소 및 이산화탄소를 제 2 메탄 발효조에 추가로 공급할 수 있다.
상기 제 1 메탄 발효 단계(S400)는, 제 1 메탄 발효조 내 공급된 수소, 이산화탄소 및 유기산을 이용하여, 30 ~ 40℃ 온도 범위 내에서, 메탄 및 이산화탄소를 생성한다.
상기 제 2 메탄 발효 단계(S500)는, 제 1 메탄 발효조에서 생성된 이산화탄소와, 씨드 배양기에서 배양된 메탄 생성 미생물을 이용하여, 50℃ 온도 이상에서 메탄을 생성한다. 이때, 수소 생성 반응기에서 생성된 수소 및 이산화탄소의 농도가 기 설정된 기준 농도 범위에 미달될 경우, 가스 공급기로부터 수소 및 이산화탄소를 제 2 메탄 발효조에 추가 공급할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 실시예는 바이오매스를 메탄으로 전환하는 공정의 전단계에서, 수소를 생물학적으로 제조하여, 메탄의 고품위화를 구현할 수 있고, 수소 및 메탄 생산에 기여하는 혐기 혼합군집을 우점화하고 고정화하여 바이오가스를 대량으로 생산할 수 있고, 특정한 미생물군집을 고정화 소재를 이용하여 캡슐화하여, 수소생산의 증대 및 안정화를 유도할 수 있다는 등의 우수한 장점을 갖는다.
이상에서 설명된 실시예는 본 기술 사상의 일부 예를 설명한 것에 불과하고, 본 기술 사상의 범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이 분야의 통상의 기술자에 의하여 본 기술 사상의 범위 내에서의 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이고, 그와 같은 실시는 모두 본 기술 사상의 범위에 속하는 것으로 보아야 한다.
100 : 폐기물 저장조 110 : 제 1 저장조
120 : 제 2 저장조 200 : 수소 생성 반응기
300 : 씨드 배양기 310 : 제 1 배양기
320 : 제 2 배양기 410 : 제 1 메탄 발효조
420 : 제 2 메탄 발효조 500 : pH 조절기
600 : 농도 감지 센서 700 : 가스 공급기
800 : 컨트롤러

Claims (7)

  1. 유기성 폐기물을 저장하는 폐기물 저장조;
    상기 폐기물 저장조로부터 상기 유기성 폐기물을 공급받고, 상기 유기성 폐기물을 이용해서 수소 생성을 위한 수소 생성 미생물을 우점화하여 배양하는 제 1 배양기와, 상기 유기성 폐기물을 이용해서 메탄 생성을 위한 메탄 생성 미생물을 우점화하여 배양하는 제 2 배양기를 포함하는 씨드 배양기;
    상기 폐기물 저장조에서 공급받은 상기 유기성 폐기물과 상기 제 1 배양기에서 배양된 상기 수소 생성 미생물을 공급받아 수소, 이산화탄소 및 유기산을 생성하는 수소 생성 반응기;
    상기 수소 생성 반응기에서 생성된 상기 수소, 상기 이산화탄소 및 상기 유기산을 공급받아 메탄을 생성하는 제 1 메탄 발효조; 및
    상기 제 1 메탄 발효조로부터 메탄 생성 후 잔류한 상기 수소 및 상기 이산화탄소와, 상기 제 2 배양기에서 배양된 상기 메탄 생성 미생물을 공급받아 메탄을 생성하는 제 2 메탄 발효조를 포함하는 이상 혐기발효를 이용한 고순도 메탄 생산시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 수소 생성 반응기 내 pH를 유기산 생성을 위한 기준 pH로 조절하는 pH 조절기를 더 포함하는 이상 혐기발효를 이용한 고순도 메탄 생산시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 수소 생성 반응기에서 생성된 상기 수소 및 상기 이산화탄소의 농도를 측정하는 농도 감지센서;
    상기 제 2 메탄 발효조에 수소 및 이산화탄소를 외부에서 추가로 공급하는 가스 공급기; 및
    상기 농도 감지센서에서 측정된 상기 수소 및 상기 이산화탄소의 농도 측정값이 기 설정된 기준 농도 범위에 부합하도록, 상기 가스 공급기에서 공급되는 수소 및 이산화탄소의 추가 공급량을 조절하는 컨트롤러를 더 포함하는 이상 혐기발효를 이용한 고순도 메탄 생산시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 폐기물 저장조는
    상기 유기성 폐기물 중에서 탄수화물이 다량 포함된 탄수화물 유기물을 저장하고, 저장된 상기 탄수화물 유기물을 상기 씨드 배양기에 공급하는 제 1 폐기물 저장조; 및
    상기 탄수화물 유기물을 제외한 나머지 유기성 폐기물이 포함된 일반 유기물을 저장하고, 저장된 상기 일반 유기물을 상기 수소 생성 반응기에 공급하는 제 2 폐기물 저장조를 포함하는 이상 혐기발효를 이용한 고순도 메탄 생산시스템.
  5. 유기성 폐기물을 폐기물 저장조에 저장하는 유기성 폐기물 저장 단계;
    상기 폐기물 저장조에 저장된 상기 유기성 폐기물을 이용해서 수소 생성을 위한 수소 생성 미생물을 우점화하여 배양하고, 상기 폐기물 저장조에 저장된 상기 유기성 폐기물을 이용해서 메탄 생성을 위한 메탄 생성 미생물을 우점화하여 배양하는 미생물 배양 단계;
    상기 폐기물 저장조로부터 공급받은 상기 유기성 폐기물과, 상기 미생물 배양 단계에서 배양된 상기 수소 생성 미생물을 이용하여 수소, 이산화탄소 및 유기산을 생성하는 수소 생성 단계;
    생성된 상기 수소, 상기 이산화탄소 및 상기 유기산을 공급받아 메탄을 생성하는 제 1 메탄 발효 단계; 및
    상기 제 1 메탄 발효 단계에서 메탄 생성 후 잔류하는 상기 수소 및 상기 이산화탄소와, 상기 미생물 배양 단계에서 배양된 상기 메탄 생성 미생물을 이용하여 메탄을 생성하는 제 2 메탄 발효 단계를 포함하는 이상 혐기발효를 이용한 고순도 메탄 생산방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 수소 생성 단계는
    생성된 상기 수소 및 이산화탄소의 농도를 측정하고, 측정된 상기 수소 및 이산화탄소의 농도 측정값이 기 설정된 기준 농도 범위에 부합하도록, 수소 및 이산화탄소를 상기 제 2 메탄 발효 단계에 추가로 공급하는 이상 혐기발효를 이용한 고순도 메탄 생산방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 유기성 폐기물을 폐기물 저장조에 저장하는 단계는,
    상기 유기성 폐기물 중에서 탄수화물이 다량 포함된 탄수화물 유기물을 제 1 폐기물 저장조에 저장한 후, 상기 제 1 폐기물 저장조에 저장된 상기 탄수화물 유기물을 씨드 배양기에 공급하고,
    상기 탄수화물 유기물을 제외한 나머지 유기성 폐기물이 포함된 일반 유기물을 제 2 폐기물 저장조에 저장하고, 상기 제 2 폐기물 저장조에 저장된 상기 일반 유기물을 상기 수소 생성 반응기에 공급하는 이상 혐기발효를 이용한 고순도 메탄 생산방법.
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