KR101990059B1 - Apparatus and method of producing high purity methane gas using gas recycle - Google Patents

Apparatus and method of producing high purity methane gas using gas recycle Download PDF

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KR101990059B1
KR101990059B1 KR1020180004387A KR20180004387A KR101990059B1 KR 101990059 B1 KR101990059 B1 KR 101990059B1 KR 1020180004387 A KR1020180004387 A KR 1020180004387A KR 20180004387 A KR20180004387 A KR 20180004387A KR 101990059 B1 KR101990059 B1 KR 101990059B1
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윤여명
강석태
양성민
신항식
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한국과학기술원
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Abstract

According to an embodiment of the present invention, an apparatus of producing high-purity methane comprises: an anaerobic digestion tank which contains hydrogenotrophic methanogens, produces biogas containing methane (CH_4) and carbon dioxide by decomposing acetic acid (CH_3COOH), hydrogen (H_2), and carbon dioxide (CO_2) contained in organic waste introduced from the outside by the hydrogenotrophic methanogens, and discharges high-purity methane by purifying the biogas; a gas collector which is connected to the anaerobic digestion tank, collects the biogas, and provides a feeding gas to the anaerobic digestion tank to circulate gas; a hydrogen (H_2) cylinder which supplies hydrogen to the biogas so as to produce the feeding gas; and a basal anaerobic medium which is connected to the anaerobic digestion tank, and allows the hydrogenotrophic methanogens to be cultured.

Description

가스순환을 이용한 고순도 메탄 생산 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD OF PRODUCING HIGH PURITY METHANE GAS USING GAS RECYCLE}High purity methane production apparatus and method using gas circulation {APPARATUS AND METHOD OF PRODUCING HIGH PURITY METHANE GAS USING GAS RECYCLE}

가스순환을 이용한 고순도 메탄 생산 장치 및 방법이 제공된다.Provided are a high purity methane production apparatus and method using gas circulation.

혐기성소화는 유기성 폐기물이 혐기성 조건에서 다양한 미생물에 의해 가수분해, 산 생성 과정을 거쳐 최종적으로 CH4와 CO2로 전환되는 생물학적 과정을 말하며 다양한 유기성 폐기물에 적용할 수 있고, 폐기물의 처리와 동시에 유용한 에너지인 바이오가스를 생산한다.Anaerobic digestion refers to a biological process in which organic waste is hydrolyzed and acid-produced by various microorganisms under anaerobic conditions and finally converted to CH 4 and CO 2 , and can be applied to various organic wastes. Produces biogas, which is energy.

바이오가스는 일반적으로 CH4가 약 50-60% 수준으로 존재하게 되는데 저장과 공급 문제로 대부분 현지에서 발전용 연료로 저급 활용되고 있는 실정이다. 따라서 현재의 바이오가스 활용 전략을 넘어 바이오가스의 정제 공정을 통해 CH4 함량을 증대시켜 도시가스, 차량용 연료 등의 고급 활용을 위한 기술 개발이 필요하다.Biogas generally contains about 50-60% of CH 4 , which is a low-grade fuel used for power generation locally due to storage and supply problems. Therefore, it is necessary to develop technology for advanced utilization of city gas and vehicle fuel by increasing the CH 4 content through the biogas purification process beyond the current biogas utilization strategy.

바이오가스를 개량하는 물리, 화학적 방법에는 흡착, 압력 변동 흡착(Pressure swing adsorption), 진공 전환 흡착(Vacuum swing adsorption), 막 분리, 그리고 심냉분리법(Cryogenic separation)이 있지만 비용적인 부담이 너무 크다. 또한 공정상에서의 작은 양의 메탄 손실조차도 온실가스의 배출을 증가시키고 순 에너지 생산량도 감소시킨다. Physical and chemical methods of improving biogas include adsorption, pressure swing adsorption, vacuum swing adsorption, membrane separation, and cryogenic separation, but the cost is too high. In addition, even small amounts of methane loss in the process increase greenhouse gas emissions and reduce net energy production.

이러한 문제를 해결하기 위해 생물학적으로 수소를 주입하여 전기분해를 통해 H2의 형태로 전기를 화학적 에너지로 변환하는 방법인 Power-to-gas (P2G) 방법으로 메탄을 생성하는 방법이 소개되었다. 하지만 이 메탄 생성 공정에는 몇 가지 기술적인 제한사항이 존재하는데 가장 큰 문제는 수소를 이용한 메탄생성균이 느리게 자라기 때문에 미생물 농축 시간이 길어야 한다는 것이다.In order to solve this problem, a method of generating methane by the power-to-gas (P2G) method, which is a method of biologically injecting hydrogen and converting electricity into chemical energy in the form of H 2 through electrolysis, has been introduced. However, there are some technical limitations to the methane production process. The biggest problem is that the methane-producing bacteria using hydrogen grow slowly, so the microbial concentration time is long.

이를 해결하기 위해서 Luo 와 Angelidaki (2014) 가 빠른 속도로 교반하여 기질과 미생물간의 접촉 기회를 늘려주는 방법을 이용하였으며, 이로 인해, 농축 시간을 감소시켰으나 농축 시간이 아직 길고 빠르게 교반시키는 데에 많은 에너지를 소모한다는 단점이 있어 실제 공정에서 사용이 어렵다.To solve this problem, Luo and Angelidaki (2014) used a method of rapid stirring to increase the chance of contact between the substrate and the microorganism, thereby reducing the concentration time, but the concentration time was still long and fast. It is disadvantageous in that it is difficult to use in actual process.

본 발명의 한 실시예에 따른 가스순환을 이용한 고순도 메탄 생산 장치 및 고순도 메탄 정제 방법은 바이오가스 생산량을 증대시키기 위한 것이다.High-purity methane production apparatus and high-purity methane purification method using gas circulation according to an embodiment of the present invention is to increase the biogas production.

본 발명의 한 실시예에 따른 가스순환을 이용한 고순도 메탄 생산 장치 및 고순도 메탄 정제 방법은 바이오가스의 메탄 함량을 증가시키기 위한 것이다.High-purity methane production apparatus and high-purity methane purification method using gas circulation according to an embodiment of the present invention is to increase the methane content of biogas.

본 발명의 한 실시예에 따른 가스순환을 이용한 고순도 메탄 생산 장치 및 고순도 메탄 정제 방법은 미생물 농축 시간을 단축시키기 위한 것이다.High-purity methane production apparatus and high-purity methane purification method using gas circulation according to an embodiment of the present invention is to shorten the microbial concentration time.

본 발명의 한 실시예에 따른 가스순환을 이용한 고순도 메탄 생산 장치 및 고순도 메탄 정제 방법은 가스 순환 방식의 이용률을 향상시키기 위한 것이다.The high purity methane production apparatus and the high purity methane purification method using gas circulation according to an embodiment of the present invention are to improve the utilization rate of the gas circulation method.

상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다.In addition to the above object, embodiments according to the present invention can be used to achieve other objects not specifically mentioned.

본 발명의 실시예에 따른 고순도 메탄 생산 장치는 수소를 이용한 메탄생성균(hydrogenotrophic methanogens)을 포함하고, 외부에서 유입된 유기성 폐기물에 포함되어 있는 아세트산(CH3COOH), 수소(H2), 그리고 이산화탄소(CO2)가 수소를 이용한 메탄생성균에 의해 분해되어, 메탄(CH4) 및 이산화탄소를 포함하는 바이오가스(biogas)가 생성되고, 바이오가스를 정제하여 고순도 메탄을 배출하는 혐기성 소화조, 혐기성 소화조와 연결되어 있고, 바이오가스가 포집되거나, 혐기성 소화조에 주입가스를 제공함으로써 가스가 순환되는 가스 포집기, 주입가스(Feeding gas)가 생성되도록 바이오가스에 수소를 공급하는 수소 실린더(H2 cylinder), 그리고 혐기성 소화조와 연결되어 있고, 수소를 이용한 메탄생성균이 배양되도록 하는 혐기성 배지(Basal anaerobic medium)를 포함한다.High-purity methane production apparatus according to an embodiment of the present invention includes hydrogen (hydrogenotrophic methanogens), acetic acid (CH 3 COOH), hydrogen (H 2 ), and carbon dioxide contained in the organic waste introduced from the outside (CO 2 ) is decomposed by methane-producing bacteria using hydrogen to produce biogas containing methane (CH 4 ) and carbon dioxide, and anaerobic digestion and anaerobic digestion tanks that purify the biogas to discharge high-purity methane. and it is connected, or the biogas is collected, by providing the injected gas to the anaerobic digestion tank hydrogen cylinder (H 2 cylinder) for supplying hydrogen to the biogas to the gas the gas collector, is generated injected gas (feeding gas) which is circulated, and It is connected to the anaerobic digester, and includes a anaerobic medium (Basal anaerobic medium) for culturing methane producing bacteria using hydrogen.

혐기성 소화조는 아세트산을 이용한 메탄생성균(acetoclastic methanogens)을 포함하고, 아세트산을 이용한 메탄생성균이 우점종(dominant species)일 수 있다.Anaerobic digesters include acetic acid methanogens (acetoclastic methanogens), methane production bacteria using acetic acid may be the dominant species (dominant species).

혐기성 소화조에 포함된 아세트산을 이용한 메탄생성균 및 수소를 이용한 메탄생성균은 호열성 온도에서 가스 순환 방식으로 농축될 수 있다.Methane-producing bacteria using acetic acid and hydrogen-containing methane-producing bacteria included in the anaerobic digester may be concentrated in a gas circulation mode at a thermophilic temperature.

호열성 온도는 약 35℃ 내지 약 75℃일 수 있고, 혐기성 소화조의 pH는 약 6.0 내지 약 8.5일 수 있다.The thermophilic temperature may be about 35 ° C. to about 75 ° C., and the pH of the anaerobic digester may be about 6.0 to about 8.5.

아세트산을 이용한 메탄생성균은 Methanosarcina spp. 또는 Methanosaeta spp. 중 하나 이상을 포함할 수 있다.Methane-producing bacteria using acetic acid were identified as Methanosarcina spp. Or Methanosaeta spp. It may include one or more of.

수소를 이용한 메탄생성균은 Methanoculleus spp., Methanococsus spp., Methanothermococcus spp., Methanospirillum spp., Methanotorris spp., Methanobacterium spp., 또는 Methanothermobacter spp. 중 하나 이상을 포함할 수 있다.Hydrogen methane-producing bacteria include Methanoculleus spp., Methanococsus spp., Methanothermococcus spp., Methanospirillum spp., Methanotorris spp., Methanobacterium spp., Or Methanothermobacter spp. It may include one or more of.

고순도 메탄의 메탄 함량은 약 96% 이상일 수 있다.The methane content of high purity methane may be about 96% or more.

본 발명의 실시예에 따른 고순도 메탄 정제 방법은 유기성 폐기물을 혐기성 소화하여 수소를 이용한 메탄생성균을 포함하는 슬러지가 생성되고, 슬러지가 미리 배양되어 혐기성 소화조에 도입하는 단계, 가스 포집기에 저장된 주입가스가 혐기성 소화조로 도입되며, 수소를 이용한 메탄생성균에 의해 주입가스 내 수소가 소모되고 메탄이 생성되는 단계, 혐기성 소화조에 혐기성 배지가 유입되어 수소를 이용한 메탄생성균의 활성이 증가되는 단계, 혐기성 소화조에서 배출된 가스가 가스 포집기에 포집되는 단계, 가스 포집기에 포집된 가스는 다시 수소 실린더에서 배출된 수소에 의해 주입가스가 생성되고, 주입가스는 혐기성 소화조로 도입되어 가스가 발생되는 과정이 반복되며, 가스 순환 방식에 의해 수소를 이용한 메탄생성균이 농축되는 단계, 그리고 농축된 수소를 이용한 메탄생성균에 의해 고순도의 메탄이 배출되며 고순도 메탄을 포집하는 단계를 포함한다.In the high-purity methane purification method according to an embodiment of the present invention anaerobic digestion of organic waste to produce a sludge containing methane-producing bacteria using hydrogen, the sludge is pre-cultured and introduced into the anaerobic digester, the injection gas stored in the gas collector It is introduced into the anaerobic digester, the hydrogen is consumed in the injected gas by the methane producing bacteria using hydrogen, the anaerobic medium is introduced into the anaerobic digester, and the activity of the methane producing bacteria using hydrogen is increased, discharged from the anaerobic digester The collected gas is collected by the gas collector, and the gas collected by the gas collector is injected by hydrogen discharged from the hydrogen cylinder, and the injected gas is introduced into the anaerobic digester to generate gas. Concentrating methane-producing bacteria using hydrogen by a circulation method, And methane of high purity is discharged by the methane producing bacteria using the concentrated hydrogen, and collecting the high purity methane.

수소를 이용한 메탄생성균이 상기 혐기성 소화조로 도입되는 단계에서, 혐기성 소화조는 아세트산을 이용한 메탄생성균을 더 포함할 수 있다.In the step of introducing methane-producing bacteria using hydrogen into the anaerobic digester, the anaerobic digester may further include methane-producing bacteria using acetic acid.

주입가스가 혐기성 소화조로 도입되는 단계에서, 주입가스는 이산화탄소와 수소의 비율이 1:4일 수 있다.In the step in which the injection gas is introduced into the anaerobic digester, the injection gas may have a ratio of carbon dioxide and hydrogen of 1: 4.

혐기 소화조의 온도는 약 35℃ 내지 약 75℃이고, 혐기성 소화조의 pH는 약 6.0 내지 약 8.5일 수 있다.The temperature of the anaerobic digester may be about 35 ° C. to about 75 ° C., and the pH of the anaerobic digester may be about 6.0 to about 8.5.

고순도 메탄이 배출되는 단계에서, 고순도 메탄의 메탄 함량은 약 96% 이상일 수 있다.In the stage where high purity methane is discharged, the methane content of the high purity methane may be about 96% or more.

본 발명의 한 실시예에 따른 가스순환을 이용한 고순도 메탄 생산 장치 및 고순도 메탄 정제 방법은 바이오가스 생산량을 증대시킬 수 있고, 바이오가스의 메탄 함량을 증가시킬 수 있으며, 미생물 농축 시간을 단축시킬 수 있고, 가스 순환 방식의 이용률을 향상시킬 수 있다.High-purity methane production apparatus and high-purity methane purification method using the gas circulation according to an embodiment of the present invention can increase the biogas production, increase the methane content of the biogas, shorten the microbial concentration time The utilization rate of the gas circulation system can be improved.

도 1은 실시예에 따른 고순도 메탄 생산 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2a는 실시예 및 비교예에 따른 혐기성 소화조의 시간에 따른 메탄생성량을 나타낸 그래프이다.
도 2b는 실시예 및 비교예에 따른 혐기성 소화조의 시간에 따른 수소소모율을 나타낸 그래프이다.
도 3a는 비교예에 따른 혐기성 소화조의 시간에 따른 가스 함량을 나타내는 그래프이다.
도 3b는 실시예에 따른 혐기성 소화조의 시간에 따른 가스 함량을 나타내는 그래프이다.
도 4a는 실시예 및 비교예에 따른 중온성 미생물과 호열성 미생물에 따라 목 수준에서 분석한 고세균 분포를 나타낸 그래프이다.
도 4b는 실시예 및 비교예에 따른 중온성 미생물과 호열성 미생물에 따라 속 수준에서 분석한 고세균 분포를 나타낸다.
도 5는 실시예에 따른 혐기성 소화조의 가스 구성성분 및 수소 소비율을 나타낸 그래프이다.
1 is a view schematically showing a high purity methane production apparatus according to the embodiment.
Figure 2a is a graph showing the amount of methane production over time of the anaerobic digester according to the Examples and Comparative Examples.
Figure 2b is a graph showing the hydrogen consumption rate with time of the anaerobic digester according to the Examples and Comparative Examples.
Figure 3a is a graph showing the gas content over time of the anaerobic digester according to a comparative example.
Figure 3b is a graph showing the gas content over time of the anaerobic digester according to the embodiment.
Figure 4a is a graph showing the distribution of archaea at the neck level according to the mesophilic microorganisms and thermophilic microorganisms according to the Examples and Comparative Examples.
Figure 4b shows the distribution of archaea at the genus level according to mesophilic microorganisms and thermophilic microorganisms according to Examples and Comparative Examples.
5 is a graph showing the gas components and hydrogen consumption rate of the anaerobic digester according to the embodiment.

첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.DETAILED DESCRIPTION Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily practice the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention. The drawings and description are to be regarded as illustrative in nature and not restrictive. Like reference numerals designate like elements throughout the specification. In addition, in the case of well-known technology, a detailed description thereof will be omitted.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 한편, 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "아래에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 한편, 어떤 부분이 다른 부분 "바로 아래에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.In the drawings, the thickness of layers, films, panels, regions, etc., are exaggerated for clarity. When a part of a layer, film, region, plate, etc. is said to be "on" another part, this includes not only the other part being "right over" but also another part in the middle. On the other hand, when a part is "just above" another part, there is no other part in the middle. Conversely, when a part of a layer, film, region, plate, etc. is "below" another part, this includes not only the other part "below" but also another part in the middle. On the other hand, when a part is "just below" another part, it means that there is no other part in the middle.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. Throughout the specification, when a part is said to "include" a certain component, it means that it can further include other components, without excluding other components unless specifically stated otherwise.

도 1은 실시예에 따른 고순도 메탄 생산 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.1 is a view schematically showing a high purity methane production apparatus according to the embodiment.

도 1을 참조하면, 실시예에 따른 고순도 메탄 생산 장치(100)는, 바이오가스(110)에 수소를 주입하는 수소 실린더(120), 혐기성 배지(140), 주입가스(130)를 저장하는 가스 포집기(150), 고순도 메탄(170)이 배출되는 혐기성 소화조(160)를 포함한다. Referring to FIG. 1, the high purity methane production apparatus 100 according to the embodiment may include a hydrogen cylinder 120 for injecting hydrogen into the biogas 110, an anaerobic medium 140, and a gas for storing the injected gas 130. Collector 150, the anaerobic digestion tank 160, the high-purity methane 170 is discharged.

고순도 메탄 생산 장치(100)는, 유기성 폐기물에서 발생된 바이오가스(biogas)(110)을 정제하여 고순도 메탄(CH4)(170)이 생성되는 장치이며, 배지가 간헐적으로 공급되는 유가식 배양식(fed-batch culture)으로 구성되어 있다.The high-purity methane production apparatus 100 is a device in which high-purity methane (CH 4 ) 170 is generated by purifying biogas 110 generated from organic waste, and a fed-batch culture type in which the medium is intermittently supplied. (fed-batch culture).

유기성 폐기물은, 예를 들어, 폐수 또는 하수일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 유기성 폐기물은 미생물을 이용한 혐기성 소화를 통해 분해될 수 있고 슬러지 및 바이오가스(110)가 생성될 수 있다. 예를 들어, 유기성 폐기물이 분해되어 아세트산(CH3COOH), 수소(H2) 및 이산화탄소(CO2)로 변환되고, 이어서 메탄생성균과 같은 고세균 그룹에 의해 아세트산과 수소가 메탄으로 변환될 수 있다. The organic waste may be, for example, but not limited to wastewater or sewage. Organic waste may be decomposed through anaerobic digestion using microorganisms and sludge and biogas 110 may be generated. For example, organic waste can be decomposed and converted to acetic acid (CH 3 COOH), hydrogen (H 2 ) and carbon dioxide (CO 2 ), and then acetic acid and hydrogen can be converted to methane by archaea groups such as methane-producing bacteria. .

바이오가스(biogas)(110)는 유기성 폐기물이 혐기성소화가 일어나는 과정에서 발생된다. 발생된 바이오가스(110)는 일반적으로 메탄(CH4) 약 60% 및 이산화탄소(CO2) 약 40%를 포함한다. 메탄은 에너지원으로서 활용될 수 있으며, 바이오가스(110) 정제를 통해 메탄의 함량이 높은 고순도 메탄을 얻을 수 있다. 이때, 고순도 메탄의 함량은 약 96%이상일 수 있다.Biogas 110 is generated during the anaerobic digestion of organic waste. The biogas 110 generated generally comprises about 60% methane (CH 4 ) and about 40% carbon dioxide (CO 2 ). Methane may be utilized as an energy source, and high purity methane having a high content of methane may be obtained through biogas 110 purification. At this time, the content of high purity methane may be about 96% or more.

바이오가스(110)는 상향류 혐기성 슬러지상(UASB, upflow anaerobic sludge blanket) 공정을 통해 공급된다. 상향류 혐기성 슬러지상 공정은, 혐기성 소화조 바닥에서 슬러지가 유입되어 위로 흐르는 방법이다. 슬러지는 생물학적으로 granule 및 particle과 같은 슬러지상이 형성될 수 있다. 혐기성 소화조로 유입된 슬러지는 상부로 올라가면서 슬러지상 입자와 미생물이 접촉하고, 가스가 생성된다. 이때, 생성되는 가스는 메탄일 수 있으며, 혐기성 소화조에서 메탄이 배출될 수 있다.Biogas 110 is supplied through an upflow anaerobic sludge blanket (UASB) process. The upflow anaerobic sludge bed process is a method in which sludge flows in from the bottom of the anaerobic digester and flows upward. Sludge can biologically form sludge phases such as granules and particles. Sludge introduced into the anaerobic digester rises to the top, and the sludge-like particles and microorganisms come into contact with each other, and gas is generated. In this case, the generated gas may be methane, and methane may be discharged from the anaerobic digester.

슬러지는 유기성 폐기물이 분해되어 생산된 부유물질을 말하며, 예를 들어, 미생물, 유기물 등일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 이때, 유기물은 글루코스(glucose)일 수 있고, 미생물은 이를 분해하여 메탄을 생성할 수 있다.Sludge refers to suspended solids produced by decomposition of organic waste, and may be, for example, but not limited to, microorganism, organic matter, and the like. At this time, the organic material may be glucose, and microorganisms may decompose it to produce methane.

미생물은 메탄생성균, 박테리아 등을 포함할 수 있고, 예를 들어, 수소를 이용한 메탄생성균(hydrogenotrophic methanogens) 및 아세트산을 이용한 메탄생성균(acetoclastic methanogens) 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. The microorganism may include methane-producing bacteria, bacteria, and the like, and may include, for example, but not limited to, hydrogen-producing methane-producing methaneogens and acetic acid-acetoclastic methanogens.

혐기성 소화조(160)는 수소를 이용한 메탄생성균 및 아세트산을 이용한 메탄생성균을 포함한다.The anaerobic digester 160 includes methane producing bacteria using hydrogen and methane producing bacteria using acetic acid.

아세트산을 이용한 메탄생성균이 우점종(dominant species)이며, 발생되는 메탄의 약 70%는 아세트산을 이용한 메탄생성균(acetoclastic methanogens)에 의해 생성될 수 있고, 나머지 약 30%는 수소를 이용한 메탄생성균(hydrogenotrophic methanogens)에 의해 생성될 수 있다.Methane-producing bacteria using acetic acid are dominant species, and about 70% of methane generated can be produced by acetic acid methaneogens, and about 30% of hydrogen-producing methane-producing methanogens. Can be generated by

아세트산을 이용한 메탄생성균은 아세트산을 분해하여 메탄과 이산화탄소를 생산한다.Methane-producing bacteria using acetic acid break down acetic acid to produce methane and carbon dioxide.

아세트산을 이용한 메탄생성균은 하기 반응식 1을 통해 메탄 및 이산화탄소를 생성시킬 수 있다.Methane-producing bacteria using acetic acid may generate methane and carbon dioxide through Scheme 1 below.

[반응식 1]Scheme 1

CH3COOH → CH4 + CO2(△G = -31KJ)CH 3 COOH → CH 4 + CO 2 (△ G = -31KJ)

반응식 1을 참조하면, 아세트산이 메탄 및 이산화탄소로 생성되는 반응은 자발적 반응임을 알 수 있다.Referring to Scheme 1, it can be seen that the reaction in which acetic acid is produced from methane and carbon dioxide is a spontaneous reaction.

아세트산을 이용한 메탄생성균은, 예를 들어, Methanosarcina spp., Methanosaeta spp. 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.Methane producing bacteria using acetic acid, for example, Methanosarcina spp., Methanosaeta spp. And the like, but are not limited thereto.

메탄생성균은 수소와 이산화탄소를 분해하여 메탄을 생산한다.Methane producing bacteria decompose hydrogen and carbon dioxide to produce methane.

수소를 이용한 메탄생성균은 하기 반응식 2를 통해 메탄을 생성시킬 수 있다.Methane producing bacteria using hydrogen can generate methane through the following scheme 2.

[반응식 2]Scheme 2

4 H2 + CO2 → CH4 + 2H2O (△G = -130KJ)4 H 2 + CO 2 → CH 4 + 2H 2 O (△ G = -130KJ)

반응식 2를 참조하면, 수소 및 이산화탄소가 메탄으로 생성되는 반응은 자발적 반응임을 알 수 있다.Referring to Scheme 2, it can be seen that the reaction of hydrogen and carbon dioxide to methane is a spontaneous reaction.

수소를 이용한 메탄생성균은, Methanoculleus spp., Methanococsus spp., Methanothermococcus spp., Methanospirillum spp., Methanotorris spp., Methanobacterium spp., Methanothermobacter spp. 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. Hydrogen methane-producing bacteria include Methanoculleus spp., Methanococsus spp., Methanothermococcus spp., Methanospirillum spp., Methanotorris spp., Methanobacterium spp., Methanothermobacter spp. And the like, but are not limited thereto.

아세트산을 이용한 메탄생성균 및 수소를 이용한 메탄생성균은 공존할 수 있고, 수소를 이용한 메탄생성균은 아세트산을 이용한 메탄생성균에 의해 생성된 생성 물질을 이용할 수 있다. 수소는 혐기성 조건에서 수소를 이용한 메탄생성균(hydrogenotrophic methanogens)의 전자공여체로 이용될 수 있고, 메탄이 생성될 수 있다. 이로 인해, 메탄의 생성량이 증가할 수 있다.Methane-producing bacteria using acetic acid and methane-producing bacteria using hydrogen may coexist, and methane-producing bacteria using hydrogen may use the product produced by methane-producing bacteria using acetic acid. Hydrogen can be used as an electron donor of hydrogen-producing methaneogens under anaerobic conditions, and methane can be produced. As a result, the amount of methane produced may increase.

수소 실린더(H2 cylinder)(120)에서 배출된 수소(H2)가 바이오가스(110)에 주입되며, 바이오가스(110)의 함량이 조절될 수 있다. 바이오가스(110)에 수소를 주입하여 CO2 및 H2의 비율이 1:4로 구성될 수 있으며, 주입가스(feeding gas)(130)가 생성될 수 있다. 주입가스는, 예를 들어, 이산화탄소 약 15%, 수소 약 62%, 메탄 약 23%로 구성될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 주입가스(130)는 가스 포집기(150)를 통해 혐기성 소화조(160)로 유입될 수 있다.Is injected into a hydrogen (H 2) is biogas 110 is discharged from the hydrogen cylinder (H 2 cylinder) (120) , has a content of the bio-gas 110 it may be adjusted. Injecting hydrogen into the biogas 110 may have a ratio of CO 2 and H 2 in a ratio of 1: 4, and a feeding gas 130 may be generated. The injection gas may consist of, for example, about 15% carbon dioxide, about 62% hydrogen, and about 23% methane, but is not limited thereto. The injection gas 130 may be introduced into the anaerobic digester 160 through the gas collector 150.

혐기성 배지(BA medium, basal anaerobic medium)(140)는 미리 배양된 미생물을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 혐기성 배지(140)는 혐기성 소화조(160)에 유입될 수 있다.Anaerobic medium (BA medium, basal anaerobic medium) (140) may include, but is not limited to pre-cultured microorganisms. Anaerobic medium 140 may enter the anaerobic digester 160.

혐기성 소화조(160)에 유입된 혐기성 배지에 의해 메탄생성균이 증식할 수 있다. 혐기성 배지(140)는 혐기성 소화조(160)로 지속적으로 유입되고, 메탄생성균은 혐기성 조건에서 수소를 소비하면서 혐기성 소화조(160) 내에서 농축될 수 있고, 메탄의 생성량이 증가할 수 있다. 이때, 가스 순환 공정이 실시될 수 있다. 가스 순환은, 기체와 액체 사이의 물질 전달을 증가시켜 H2와 같이 물에 잘 녹지 않는 기체들을 적은 에너지로 녹일 수 있다.Methane-producing bacteria can be proliferated by the anaerobic medium introduced into the anaerobic digester 160. Anaerobic medium 140 is continuously introduced into the anaerobic digester 160, methane producing bacteria can be concentrated in the anaerobic digester 160 while consuming hydrogen in the anaerobic conditions, the amount of methane can be increased. At this time, the gas circulation process may be performed. Gas circulation can increase mass transfer between gas and liquid, which can dissolve gases that are less soluble in water, such as H 2, with less energy.

혐기성 소화조(160)의 온도는 약 35℃ 내지 약 75℃일 수 있고, pH는 약 6.0 내지 약 8.5일 수 있다. 이러한 조건에서, 메탄생성균이 성장할 수 있는 최적의 환경을 제공하며, 메탄의 생성량이 증가될 수 있다.The anaerobic digester 160 may have a temperature of about 35 ° C. to about 75 ° C., and a pH of about 6.0 to about 8.5. Under these conditions, it provides an optimal environment for methane producing bacteria to grow, and the amount of methane produced can be increased.

혐기성 소화조(160)는 하단에 유리섬유 필터(공극 크기 20㎛)를 포함하며, 유리섬유 필터를 통해 가스가 유입될 수 있다. 우선, 주입가스(130)가 가스 포집기(150)에 저장될 수 있고, 가스포집기(150)에 저장된 주입가스는 혐기성 소화조(160)로 유입될 수 있으며, 혐기성 소화조(160)에서 배출된 가스는 가스포집기(150)로 이동될 수 있다. 이러한 과정을 반복하여 가스 순환이 일어날 수 있다. 이때, 메탄생성균이 농축될 수 있고, 고순도의 메탄이 생성될 수 있다.Anaerobic digester 160 includes a glass fiber filter (pore size 20㎛) at the bottom, the gas can be introduced through the glass fiber filter. First, the injection gas 130 may be stored in the gas collector 150, the injection gas stored in the gas collector 150 may be introduced into the anaerobic digester 160, and the gas discharged from the anaerobic digester 160 may be discharged. It may be moved to the gas collector 150. By repeating this process, gas circulation can occur. At this time, methane producing bacteria may be concentrated, and methane of high purity may be produced.

메탄은 에너지원으로 사용될 수 있는 친환경적 가스로서, 발전 시설 등 다양한 분야에 적용될 수 있다.Methane is an environmentally friendly gas that can be used as an energy source and can be applied to various fields such as power generation facilities.

실시예에 따른 고순도 메탄 정제 방법은, 미리 배양된 슬러지를 혐기성 소화조(160)로 도입하는 단계, 가스 포집기(150)에 저장된 주입가스(130)를 혐기성 소화조로 도입하는 단계, 혐기성 배지(140)를 도입하는 단계, 혐기성 소화조(160)에서 배출된 가스를 포집하는 단계, 전술한 과정이 반복되며 미생물이 농축되는 단계, 그리고 메탄을 포집하는 단계를 포함한다.In the high-purity methane purification method according to the embodiment, the step of introducing the pre-cultured sludge into the anaerobic digester 160, introducing the injection gas 130 stored in the gas collector 150 into the anaerobic digester, anaerobic medium 140 It includes the step of, collecting the gas discharged from the anaerobic digester 160, the above-described process is repeated and the step of concentrating the microorganism, and collecting the methane.

전술한 혐기성 소화조의 구성요소, 환경 및 조건과 중복되는 내용에 대해서는, 상세한 설명이 생략될 수 있다.For details overlapping with the components, environment, and conditions of the above-described anaerobic digester, detailed description may be omitted.

우선 미리 배양된 슬러지가 혐기성 소화조(160)로 도입되는 단계가 수행된다. 하수처리장의 혐기성 소화조에서 가져온 슬러지는 미생물을 포함하고 있으며, 예를 들어, 메탄생성균을 포함할 수 있다. 따로 준비된 연속소화탱크 반응조에 약 35℃ 내지 약 75℃의 온도, pH 약 6.8 내지 약 7.6의 조건에서 글루코스와 혐기성 배지가 공급되며 미생물이 약 3달간 배양될 수 있다. 이때, 글루코스는 유기물 부하율(OLR, organic loading rate) 약 8kg/m3d로 주입되고, 이로 인해, 혐기성 소화조 내에 CO2와 CH4가 지속적으로 생성된다. 이처럼, 메탄생성균이 유기물을 분해하여 바이오가스(110)가 생성될 수 있으며, 바이오가스(110)는 가스 포집기(150)에 포집될 수 있다.First, a step of introducing the pre-cultured sludge into the anaerobic digester 160 is performed. Sludge from an anaerobic digester in a sewage treatment plant contains microorganisms, for example methane producing bacteria. Separately prepared continuous digestion tank reactor is supplied with glucose and anaerobic medium at a temperature of about 35 ℃ to about 75 ℃, pH about 6.8 to about 7.6 and microorganisms can be cultured for about 3 months. In this case, glucose is injected at an organic loading rate (OLR) of about 8 kg / m 3 d, whereby CO 2 and CH 4 are continuously generated in the anaerobic digester. As such, the biogas 110 may be generated by decomposing the methane producing bacteria and the biogas 110 may be collected in the gas collector 150.

다음으로, 가스 포집기(150)에 저장된 주입가스(130)를 혐기성 소화조(160)로 도입하는 단계가 수행된다. 이때, 혐기성 소화조(160)의 온도는 약 35℃ 내지 약 75℃일 수 있고, pH는 약 6.0 내지 약 8.5일 수 있다. 주입가스(130)는 바이오가스(110)에 수소를 주입하면서 이산화탄소와 수소의 비율이 1:4로 구성된 가스이며, 메탄생성균에 의해 수소가 소비되어 메탄으로 변환될 수 있다.Next, the step of introducing the injection gas 130 stored in the gas collector 150 into the anaerobic digester 160 is performed. At this time, the temperature of the anaerobic digester 160 may be about 35 ℃ to about 75 ℃, pH may be about 6.0 to about 8.5. The injection gas 130 is a gas in which the ratio of carbon dioxide and hydrogen is 1: 4 while injecting hydrogen into the biogas 110, and hydrogen is consumed by methane-producing bacteria to be converted into methane.

이어서, 혐기성 배지(140)를 도입하는 단계가 수행된다. 혐기성 소화조(160)에 주기적으로 신선한 혐기성 배지(140)가 약 30mL/Ld로 유입됨으로써 메탄생성균의 활성이 증가될 수 있고, 메탄 생성량이 증가될 수 있다.Subsequently, the step of introducing the anaerobic medium 140 is performed. The fresh anaerobic medium 140 is periodically introduced into the anaerobic digester 160 at about 30 mL / Ld, thereby increasing the activity of methane-producing bacteria and increasing methane production.

이어서, 혐기성 소화조(160)에서 배출된 가스를 포집하는 단계 및 전술한 과정이 반복되며 미생물이 농축되는 단계가 수행된다. 혐기성 소화조(160)에서 배출된 가스는 가스 포집기(150)에 포집되어 다시 혐기성 소화조(160)로 유입될 수 있으며, 전술한 과정이 반복될 수 있다. 이러한 가스 순환이 반복되면서 미생물의 농축이 일어날 수 있으며, 메탄생성균이 수소를 소비하면서 메탄의 생성량이 증가될 수 있다.Subsequently, the step of capturing the gas discharged from the anaerobic digester 160 and the above-described process are repeated and the step of concentrating the microorganism is performed. The gas discharged from the anaerobic digester 160 may be collected by the gas collector 150 and flow back into the anaerobic digester 160, and the above-described process may be repeated. As this gas cycle is repeated, the concentration of microorganisms may occur, and the amount of methane produced may increase while methane producing bacteria consume hydrogen.

미생물 농축 방법은, 교반 방식 및 온도 조건에 따른 방식이 실시될 수 있다. 예를 들어, 중온성 온도에서의 기계적 교반 방식, 중온성 온도에서의 가스순환 방식 및 호열성 온도에서 가스순환 방식일 수 있다.As for the method for concentrating microorganisms, a method according to a stirring method and temperature conditions may be performed. For example, the method may be mechanical stirring at mesophilic temperature, gas circulation at mesophilic temperature, and gas circulation at thermophilic temperature.

종래 빠른 속도로 기계적 교반을 실시하여 기질과 미생물간의 접촉 기회를 늘려주는 미생물 농축 방법이 개시되었으나, 농축 시간이 길고, 기계적 교반을 위한 에너지가 많이 소비되어 실제 공정에서의 이용이 감소할 수 있다.Conventionally, a method for concentrating a microorganism, which increases the chance of contact between a substrate and a microorganism by performing mechanical agitation at a high speed, has been disclosed. However, the concentration of the microorganism may be long, and energy for mechanical agitation may be consumed.

호열성 온도에서 가스순환 방식을 통한 미생물 농축 방법은, 적은 에너지가 소모될 수 있고, 미생물의 농축 시간이 단축될 수 있다.The microbial concentration method through the gas circulation method at the thermophilic temperature may consume less energy, and the concentration time of the microorganisms may be shortened.

마지막으로, 메탄을 포집하는 단계가 수행된다. 가스 순환 방식으로 메탄의 함량이 증가한 가스는 혐기성 소화조(160)에서 배출될 수 있으며, 이때, 고순도 메탄이 배출될 수 있다. 이때, 배출된 가스는 약 96% 이상의 고순도 메탄가스일 수 있다.Finally, a step of collecting methane is performed. Gas in which the content of methane is increased in a gas circulation method may be discharged from the anaerobic digester 160, and high purity methane may be discharged. At this time, the discharged gas may be about 96% or more high purity methane gas.

미생물이 혐기성 소화조(160)에서 호열성 온도에서 가스 순환 방식으로 농축될 경우, 농축 기간이 단축될 수 있으며, 고순도의 메탄이 발생될 수 있다.When the microorganism is concentrated in a gas circulation manner at a thermophilic temperature in the anaerobic digester 160, the concentration period may be shortened, and methane of high purity may be generated.

이하, 실시예를 들어 본 발명에 대해서 더욱 상세하게 설명할 것이나, 하기의 실시예는 본 발명의 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the following Examples are merely examples of the present invention, and the present invention is not limited to the following Examples.

실시예들에서, 유기산의 농도는 자외선 (210 nm) 감지기 (UV1000, Thermo Electron)와 100 × 7.8 mm 지방산 분석 기둥 (Bio-Rad Lab.)를 가진 고성능 액체 크로마토그래피(HPLC, Finnigan Spectra SYS- TEM LC, Thermo Electron Co., USA)로 mobile phase 용리제로는 0.005 M H2SO4을 사용함으로써 분석된다. 액체 샘플들은 주입되기 전에 0.45 mm 멤브레인 필터로 전처리되었다. 가스 안에 메탄과 이산화탄소의 양은 열전도성 감지기(TCD) 와 Porapak Q (80/100 mesh)를 포함하고있는 2 m × 2 mm 스테인레스 스틸 기둥이 장착된 GC (Gow Mac series 580, Gow-Mac Instrument Co., USA)로 분석되었다. 가스 내 수소 함량을 확인하기 위하여, 열전도성 감지기와 1.8 m 3.2 mm (내부 직경)인 5A 분자 체를 포함한 스테인레스 스틸 기둥이 장착된 가스 크로마토그래피(GC, Gow Mac series 580, Gow-Mac Instrument Co., USA)가 사용되었다. 총 휘발성 고체와 알칼리도는 Yun et al. (2016) 에 보고된 것과 같은 방법으로 측정된다. 비교예 2, 비교예 3 및 실시예 3에 따른 혐기성 소화조로부터 얻어진 혼합된 샘플들은 Ultraclean Soil DNA Kit (Cat #12800-50; Mo Bio Laboratory Inc., USA)와 UltraClean Microbial DNA Isolation Kit (Mo Bio Laboratories, CA, USA)로 추출되고 정제된다. 16S rRNA 유전자들은 고세균성 특정 프라이머 세트 8F/519R primer로 이전에 묘사한것처럼 PCR을 위한 Fast Start High Fidelity PCR System (Roche) 으로 증폭된다. 그 후에 PCR 생산물은 AMPure beads (Beckman coulter)에 의해 정화되었다. 생산물들이 정화및 정량화되었으며, 그 후 시퀀싱은 상업적 순서 시설(Macrogen, Seoul, Korea)에 의한 제조사 순서에 따른 454 pyrosequencing Genome Sequencer FLX Titanium (Life Sciences, CT, USA)을 사용함으로써 수행되었다. 시퀀스들은 전처리를 위해 MOTHUR로 분석되었다. 공극을 가진 여과재와 바코드를 다듬는 방법은 Yun(2016)에 의해 보고된 방법을 따라 수행되었다. 그 후의 순서들은 NCBI BLAST database (www.ncbi.nlm.ni h.gov)과 비교되었다. 고세균군 구조를 평가하기 위해 40 일 후에 2 개의 접종물 (중온성 및 호열성), 비교예 3 및 실시예 3의 혐기성 소화조에서 수집 된 혼합액 샘플을 454 GS-FLX sequencer를 사용하여 16S rRNA 유전자의 이전 영역 인 pyrosequence로 분석했다. 8 차선 pico-titer 플레이트 (표 1)의 단일 차선으로부터 총 94,910 개의 고품질 서열 판독 및 132 개의 조작 분류 단위 (OTU)를 수득 하였다. 0.03의 거리에서 로그 모양의 희박화 곡선(rarefaction curve)은 합리적인 수의 서열이 분석되었음을 나타내므로 신뢰성있는 분석 (데이터는 표시되지 않음)으로 간주된다. 바이오메탄화 생산량(YCH4)은 혐기성 소화조에서 소비되는 수소의 양 당 생산되는 메탄의 양이며,

Figure 112018003965848-pat00001
에 의해 계산된다. 폐수 속에 들어있는 메탄은 낮은 용해성 및 낮은 유출비율로 인해 무시될 수 있다. QEff 가스는 용적 가스 효율을 말하며,
Figure 112018003965848-pat00002
는 가스 유출물 속 물의 용적 유량이며, xCH4는 가스 유출물 속 메탄의 몰분율이며,
Figure 112018003965848-pat00003
는 용적 수소를 말한다. 수소의 소비율은
Figure 112018003965848-pat00004
에 의해 계산된다.
Figure 112018003965848-pat00005
는 유출 가스 속 수소의 질량흐름이다. 특정 수소소모율(U)은 평형상태를 유지하는 수소소비효율 하에서
Figure 112018003965848-pat00006
로 계산된다.
Figure 112018003965848-pat00007
는 수소이용률을 말하며, V는 혐기성 소화조의 작용 부피, X는 미생물균의 농도이다.In embodiments, the concentration of organic acid was determined by high performance liquid chromatography (HPLC, Finnigan Spectra SYS-TEM) with an ultraviolet (210 nm) sensor (UV1000, Thermo Electron) and a 100 × 7.8 mm fatty acid analysis column (Bio-Rad Lab.). LC, Thermo Electron Co., USA) is analyzed by using 0.005 MH 2 SO 4 as the mobile phase eluent. Liquid samples were pretreated with 0.45 mm membrane filter before injection. The amount of methane and carbon dioxide in the gas was determined by GC (Gow Mac series 580, Gow-Mac Instrument Co.) equipped with a 2 m × 2 mm stainless steel column containing a thermal conductivity detector (TCD) and Porapak Q (80/100 mesh). , USA). To determine the hydrogen content in the gas, gas chromatography (GC, Gow Mac series 580, Gow-Mac Instrument Co., Ltd.) equipped with a stainless steel column with a thermal conductivity detector and a 5 A molecular sieve of 1.8 m 3.2 mm (inner diameter). , USA). Total volatile solids and alkalinity were determined by Yun et al. It is measured in the same way as reported in (2016). The mixed samples obtained from the anaerobic digester according to Comparative Example 2, Comparative Example 3 and Example 3 were prepared using Ultraclean Soil DNA Kit (Cat # 12800-50; Mo Bio Laboratory Inc., USA) and UltraClean Microbial DNA Isolation Kit (Mo Bio Laboratories). , CA, USA). 16S rRNA genes are amplified with the Fast Start High Fidelity PCR System (Roche) for PCR as previously described with the highly bacterial specific primer set 8F / 519R primer. The PCR product was then purified by AMPure beads (Beckman coulter). The products were purified and quantified, and then sequencing was performed using a 454 pyrosequencing Genome Sequencer FLX Titanium (Life Sciences, CT, USA) according to the manufacturer's order by a commercial sequence facility (Macrogen, Seoul, Korea). Sequences were analyzed with MOTHUR for preprocessing. The method of trimming the bar code with the filter media with voids was performed according to the method reported by Yun (2016). Subsequent sequences were compared with the NCBI BLAST database (www.ncbi.nlm.ni h.gov). Samples of mixed solution collected from two inoculum (medium and thermophilic), anaerobic digesters of Comparative Examples 3 and 3 after 40 days to assess archaea group structure were analyzed using the 454 GS-FLX sequencer. Analyzed with the previous area, pyrosequence. A total of 94,910 high quality sequence reads and 132 engineered classification units (OTUs) were obtained from a single lane of an 8 lane pico-titer plate (Table 1). A log-shaped thinning curve at a distance of 0.03 is considered to be a reliable analysis (data not shown) since a reasonable number of sequences have been analyzed. Biomethanation yield (Y CH4 ) is the amount of methane produced per amount of hydrogen consumed in an anaerobic digester,
Figure 112018003965848-pat00001
Is calculated by. Methane in the waste water can be ignored due to its low solubility and low runoff rate. Q Eff Gas refers to volumetric gas efficiency,
Figure 112018003965848-pat00002
Is the volumetric flow rate of water in the gas effluent, xCH 4 is the mole fraction of methane in the gas effluent,
Figure 112018003965848-pat00003
Refers to volumetric hydrogen. The consumption rate of hydrogen
Figure 112018003965848-pat00004
Is calculated by.
Figure 112018003965848-pat00005
Is the mass flow of hydrogen in the effluent gas. The specific hydrogen consumption rate (U) is at the equilibrium of hydrogen consumption efficiency
Figure 112018003965848-pat00006
Is calculated.
Figure 112018003965848-pat00007
Is the hydrogen utilization rate, V is the working volume of the anaerobic digester, X is the concentration of microorganisms.

실시예Example 1 -  One - 혐기성소화Anaerobic digestion 장치 Device

도 1을 참조하면, 혐기성소화 장치는 유가식 배양법(fed-batch culture)으로 구성되어 있다.Referring to Figure 1, the anaerobic digestion apparatus is composed of fed-batch culture (fed-batch culture).

혐기성 소화조는 원형이며, 아크릴(acrylic plastic)로 제작되었다. 소화조는 부피 약 6.3L, 내부 지름 약 140mm, 높이 약 460mm으로 제작되었다.The anaerobic digester is round and made of acrylic plastic. The digester was built with a volume of about 6.3L, an internal diameter of about 140mm and a height of about 460mm.

혐기성 소화조에 유입되는 가스는 가스 포집조에 저장되며, 가스에 수소를 별도로 주입하여 CO2와 H2의 비율이 조절된 가스가 유입된다.The gas flowing into the anaerobic digester is stored in the gas collection tank, and the gas with a controlled ratio of CO 2 and H 2 is introduced by separately injecting hydrogen into the gas.

혐기성 소화조에서 배출되는 가스는 가스 포집기에 포집된 후, 다시 소화조에 유입된다.The gas from the anaerobic digester is collected in the gas collector and then flows back into the digester.

이처럼, 주입가스가 지속적으로 혐기성 소화조에 유입 및 배출되어 재순환될 수 있으며, 가스의 재순환을 통해 CO2의 비율은 낮추고 CH4의 비율은 높여 에너지원으로 사용할 수 있는 CH4 가스 함량이 증가될 수 있다.As such, the injected gas can be continuously introduced into and discharged from the anaerobic digester and recycled, and the gas can be recycled to lower the ratio of CO 2 and increase the ratio of CH 4 to increase the amount of CH 4 gas available as an energy source. have.

비교예Comparative example 1 - 중온성1-mesophilic 미생물 배양 Microbial culture

연속소화탱크 반응조(CSTR)를 준비하고, 하수처리장에의 혐기성 소화조에서 가져온 슬러지를 준비하였다. 슬러지는 미생물인 메탄생성균을 포함한다.A continuous fire tank reaction tank (CSTR) was prepared, and sludge from an anaerobic digester in a sewage treatment plant was prepared. Sludge contains methane producing bacteria which are microorganisms.

연속소화탱크 반응조의 부피는 약 6L이다.The volume of the continuous digestion tank reactor is about 6 liters.

연속소화탱크 반응조에는 글루코스(glucose)와 혐기성 배지(Basal anaerobic medium, BA medium)가 공급되며, 약 1.5 kg COD/m3d, 수리학적 체류시간(hydraulic retention time, HRT) 약 15일 동안 작동하였다. 이때, 연속소화탱크 반응조는 pH 7.2 ± 0.4로 유지하였다.The continuous digestion tank reactor was supplied with glucose and anaerobic medium (BA medium) and operated for about 15 kg COD / m 3 d, hydraulic retention time (HRT) for about 15 days. . At this time, the continuous digestion tank reactor was maintained at pH 7.2 ± 0.4.

연속소화탱크 반응조 내에서, 미생물이 중온성 온도인 약 35℃로 약 3달간 배양된다.In a continuous digestion tank reactor, the microorganisms are incubated for about three months at about 35 ° C., which is a moderate temperature.

그 결과, 중온성 메탄생성균이 배양되었다. 알칼리도(alkalinity)는 3.5g CaCO3/L로 유지하였다.As a result, mesophilic methane producing bacteria were cultured. Alkalinity was maintained at 3.5 g CaCO 3 / L.

배양된 슬러지에 포함된 비메탄생성균 활성도(SMA, specific methanogenic activity) 시험 결과, 약 0.30L CH4g/VSS임을 확인할 수 있었다.As a result of specific methanogenic activity (SMA) test contained in the culture sludge, it was confirmed that the 0.30L CH 4 g / VSS.

실시예Example 2 - 호열성2-thermophilic 미생물 배양 Microbial culture

연속소화탱크 반응조(CSTR)를 준비하고, 하수처리장에의 혐기성 소화조에서 가져온 슬러지를 준비하였다. 슬러지는 미생물인 메탄생성균을 포함한다.A continuous fire tank reaction tank (CSTR) was prepared, and sludge from an anaerobic digester in a sewage treatment plant was prepared. Sludge contains methane producing bacteria which are microorganisms.

연속소화탱크 반응조의 부피는 약 6L이다.The volume of the continuous digestion tank reactor is about 6 liters.

연속소화탱크 반응조에는 글루코스(glucose)와 혐기성 배지(BA medium)가 공급되며, 1.5 kg COD/m3d, 수리학적 체류시간 약 15일 동안 작동하였다. 이때, 연속소화탱크 반응조는 pH 7.2 ± 0.4로 유지하였다.Continuous digestion tank reactor was supplied with glucose and anaerobic medium (BA medium), operated for 1.5 kg COD / m 3 d, hydraulic retention time of about 15 days. At this time, the continuous digestion tank reactor was maintained at pH 7.2 ± 0.4.

연속소화탱크 반응조 내에서, 미생물이 호열성 온도인 55℃로 약 3달간 배양된다.In the continuous digestion tank reactor, the microorganisms are incubated at 55 ° C. for thermophilic temperature for about 3 months.

그 결과, 호열성 메탄생성균이 배양되었다.As a result, thermophilic methane producing bacteria were cultured.

비메탄생성균 활성도(SMA, specific methanogenic activity) 시험 결과, 0.31L CH4g/VSS임을 확인할 수 있었다.As a result of specific methanogenic activity (SMA) test, 0.31L CH 4 g / VSS was confirmed.

비교예Comparative example 2 - 중온성2-mesophilic 온도, 기계적  Temperature, mechanical 교반Stirring 혐기성  Anaerobic 소화조Digester

실시예 1에 따른 혐기성소화 장치를 준비하고, 메탄생성균의 성장 조건으로 중온성 온도인 약 35℃에서 기계적 교반을 실시한다.An anaerobic digestion apparatus according to Example 1 was prepared, and mechanical agitation was performed at about 35 ° C., which is a mesophilic temperature, as a growth condition of methane-producing bacteria.

비교예 2에 따른 배양된 슬러지 2.3g VSS/L가 혐기성 소화조에 주입된다. 혐기성 소화조의 초기 pH는 약 7.1로 조절된다. 혐기성 소화조에 질소가스가 약 10분동안 주입(fuzing)되며, 이는, 혐기성 조건을 제공한다.Cultured sludge 2.3 g VSS / L according to Comparative Example 2 is injected into the anaerobic digester. The initial pH of the anaerobic digester is adjusted to about 7.1. Nitrogen gas is injected into the anaerobic digester for about 10 minutes, providing anaerobic conditions.

주입가스(H2:CO2=80:20)는 수소주입율(HIR) 약 1.6L H2/Ld로 매일 주입된다.Injection gas (H 2 : CO 2 = 80: 20) is injected daily at a hydrogen injection rate (HIR) of about 1.6 LH 2 / Ld.

혐기성 배지(BA medium)는 약 30mL/Ld씩 수리학적 체류시간 33일로 맞추어 주입해 주었다.Anaerobic medium (BA medium) was injected at a hydraulic retention time of 33 days at about 30mL / Ld.

혐기성 소화조에 유입된 주입가스는 약 하루동안 기계적 교반 200rpm에 의해 혼합된다. 그 사이에 새로 혼합될 주입가스는 가스 포집기에 저장된다. 이러한 과정을 40일간 반복 실시하여 미생물(메탄생성균)을 농축하였다.The injection gas introduced into the anaerobic digester is mixed by mechanical stirring at 200 rpm for about one day. Injected gas to be mixed in between is stored in the gas collector. This process was repeated for 40 days to concentrate the microorganisms (methane-producing bacteria).

비교예Comparative example 3 - 중온성온도3-mesophilic temperature , 가스 순환 혐기성 Gas cycle anaerobic 소화조Digester

실시예 1에 따른 혐기성소화 장치를 준비하고, 메탄생성균의 성장 조건으로 중온성 온도인 35℃에서 가스 순환을 실시한다.The anaerobic digestion apparatus according to Example 1 was prepared, and gas circulation was performed at 35 ° C., which is a mesophilic temperature, under the growth conditions of methane-producing bacteria.

비교예 2에 따른 배양된 슬러지 약 2.3g VSS/L가 혐기성 소화조에 주입된다. 혐기성 소화조의 초기 pH는 약 7.1로 조절된다. 혐기성 소화조에 질소가스가 약 10분동안 주입(fuzing)되며, 이는, 혐기성 조건을 제공한다.About 2.3 g VSS / L of cultured sludge according to Comparative Example 2 is injected into the anaerobic digester. The initial pH of the anaerobic digester is adjusted to about 7.1. Nitrogen gas is injected into the anaerobic digester for about 10 minutes, providing anaerobic conditions.

주입가스(H2:CO2=80:20)는 수소주입율(HIR) 1.6L H2/Ld로 매일 주입된다.Injection gas (H 2 : CO 2 = 80: 20) is injected daily at a hydrogen injection rate (HIR) of 1.6 LH 2 / Ld.

혐기성 배지(BA medium)는 약 30mL/Ld씩 수리학적 체류시간 33일로 맞추어 주입해 주었다.Anaerobic medium (BA medium) was injected at a hydraulic retention time of 33 days at about 30mL / Ld.

주입가스는 먼저 가스포집조에 채워지고, 혐기성 소화조 하단에 위치한 유리섬유 필터(공극 크기 20㎛)을 통해 약 100L/Ld씩 혐기성 소화조에 주입된다. 이때, 200rpm으로 펌프가 작동하여 주입될 수 있다. 이러한 과정을 40일간 반복 실시하여 미생물(메탄생성균)을 농축하였다.The injection gas is first filled in the gas collection tank, and then injected into the anaerobic digester by about 100 L / Ld through a glass fiber filter (pore size 20 µm) located at the bottom of the anaerobic digester. At this time, the pump may operate by injecting at 200 rpm. This process was repeated for 40 days to concentrate the microorganisms (methane-producing bacteria).

실시예Example 3 - 호열성3-thermophilic 온도, 가스 순환 혐기성  Temperature, gas circulation anaerobic 소화조Digester

실시예 1에 따른 혐기성소화 장치를 준비하고, 메탄생성균의 성장 조건으로 호열성 온도인 55℃에서 가스 순환을 실시한다. The anaerobic digestion apparatus according to Example 1 is prepared, and gas circulation is performed at 55 ° C., which is a thermophilic temperature, under the growth conditions of methane-producing bacteria.

실시예 3에 따른 배양된 슬러지 약 2.3g VSS/L가 혐기성 소화조에 주입된다. 혐기성 소화조의 초기 pH는 약 7.1로 조절된다. 혐기성 소화조에 질소가스가 약 10분동안 주입(fuzing)되며, 이는, 혐기성 조건을 제공한다.About 2.3 g VSS / L of cultured sludge according to Example 3 is injected into the anaerobic digester. The initial pH of the anaerobic digester is adjusted to about 7.1. Nitrogen gas is injected into the anaerobic digester for about 10 minutes, providing anaerobic conditions.

주입가스(H2:CO2=80:20)는 수소주입율(HIR) 1.6L H2/Ld로 매일 주입된다.Injection gas (H 2 : CO 2 = 80: 20) is injected daily at a hydrogen injection rate (HIR) of 1.6 LH 2 / Ld.

혐기성 배지(BA medium)는 약 30mL/Ld씩 수리학적 체류시간 33일로 맞추어 주입해 주었다.Anaerobic medium (BA medium) was injected at a hydraulic retention time of 33 days at about 30mL / Ld.

주입가스는 먼저 가스포집조에 채워지고, 혐기성 소화조 하단에 위치한 유리섬유 필터(공극 크기 20㎛)을 통해 약 100L/Ld씩 혐기성 소화조에 주입되어 재순환된다. 이때, 200rpm으로 펌프가 작동하여 주입될 수 있다. 이러한 과정을 40일간 반복 실시하여 미생물(메탄생성균)을 농축하였다.The injected gas is first filled in the gas collection tank, and then injected into the anaerobic digester by recirculation by about 100 L / Ld through a glass fiber filter (pore size 20 µm) located at the bottom of the anaerobic digester. At this time, the pump may operate by injecting at 200 rpm. This process was repeated for 40 days to concentrate the microorganisms (methane-producing bacteria).

실험예Experimental Example 1 - 메탄생성량1-methane production 및 수소소모율 실험 And hydrogen consumption test

비교예 2, 비교예 3 및 실시예 3에 따른 혐기성 소화조를 준비하여, 메탄생성량 및 수소소모율 실험을 수행하였으며, 이를 도 2a 및 2b에 도시하였다.Anaerobic digestion tanks according to Comparative Example 2, Comparative Example 3 and Example 3 were prepared, and methane production and hydrogen consumption experiments were performed, which are illustrated in FIGS. 2A and 2B.

도 2a는 비교예 2, 비교예 3 및 실시예 3에 따른 혐기성 소화조의 시간에 따른 메탄생성량을 나타낸 그래프이다. 가로축은 시간(d)을 나타내며, 세로축은 메탄생성량(메탄생성률/수소소모율)을 나타낸다.Figure 2a is a graph showing the amount of methane production over time of the anaerobic digester according to Comparative Example 2, Comparative Example 3 and Example 3. The horizontal axis represents time d, and the vertical axis represents methane production rate (methane production rate / hydrogen consumption rate).

도 2b는 비교예 2, 비교예 3 및 실시예 3에 따른 혐기성 소화조의 시간에 따른 수소소모율을 나타낸 그래프이다. 가로축은 시간(d)을 나타내며, 세로축은 수소소모율(L H2/Ld)을 나타낸다.Figure 2b is a graph showing the hydrogen consumption rate with time of the anaerobic digester according to Comparative Example 2, Comparative Example 3 and Example 3. The horizontal axis represents time d, and the vertical axis represents hydrogen consumption rate (LH 2 / Ld).

도 2a 및 b를 참조하면, 초기에는 모든 혐기성 소화조에서 수소소모율이 증가하는 양상을 보이나, 최대 수소소모율에 도달하는 속도가 다른 것을 확인할 수 있다.Referring to FIGS. 2A and 2B, initially, all anaerobic digesters show an increase in hydrogen consumption rate, but the rate of reaching maximum hydrogen consumption rate is different.

비교예 2에 따른 혐기성 소화조의 경우, 5일경에 수소비율이 0.17L H2/Ld에 도달하고, 10일 후에는 0.35L H2/Ld, 30일 후에는 1.51L H2/Ld에 도달하는 것을 확인할 수 있다. 수소소모율 1.51L H2/Ld은 수소주입율의 94%에 해당하는 수치임을 알 수 있다.Comparative Examples In the case of anaerobic digestion according to the second, the ratio of hydrogen reached 0.17LH 2 / Ld to around 5, and after 10 days 0.35LH 2 / Ld, 30 days later, found that the reach 1.51LH 2 / Ld have. Hydrogen consumption rate 1.51LH 2 / Ld is a value corresponding to 94% of the hydrogen injection rate.

비교에 3에 따른 혐기성 소화조의 경우, 5일경에 수소비율이 0.5L H2/Ld에 도달하고, 10일경에 1.10L H2/Ld, 22일경에는 1.52L H2/Ld에 도달하는 것을 확인할 수 있으며, 수소소모율 1.52L H2/Ld은 수소주입율의 95%에 해당하는 수치이다.For the anaerobic digestion tank according to the third comparison, the ratio of hydrogen reached 0.5LH 2 / Ld to around 5, and the 10th 1.10LH 2 / Ld, is around 22 to check to reach the 1.52LH 2 / Ld, The hydrogen consumption rate of 1.52 LH 2 / Ld corresponds to 95% of the hydrogen injection rate.

실시예 3에 따른 혐기성 소화조의 경우, 5일경에 수소비율이 0.99L H2/Ld에 도달하고, 11일경에 1.37L H2/Ld, 12일경에는 1.52L H2/Ld에 도달하는 것을 확인할 수 있으며, 가장 빠른 속도로 최대 수소소모율에 도달하는 것을 확인할 수 있다.Exemplary case of anaerobic digestion according to Example 3, to check in or about 5 to hydrogen ratio reaches 0.99LH 2 / Ld, and reaches the 1.37LH 2 / Ld, there 1.52LH 2 / Ld 12 or about 11 or about, It can be seen that the maximum hydrogen consumption rate is reached at the fastest speed.

따라서, 초기에는 메탄생성률이 이론적 수치인 0.25보다 높은 수치를 나타내지만, 시간이 지날수록 0.22 내지 0.23으로 떨어지는 것을 확인할 수 있다. 이는, 미생물이 운전 초기에 남아있는 유기물을 분해하여 메탄을 과잉생성한 것에 기인함을 유추할 수 있다.Therefore, the methane production rate initially shows a higher value than the theoretical value of 0.25, but it can be confirmed that as time passes by 0.22 to 0.23. This may be inferred due to the overproduction of methane by microorganisms decomposing organic matter remaining at the beginning of operation.

실험예Experimental Example 2 - 메탄2-methane , 수소, 이산화탄소의 함량 실험Of hydrogen, hydrogen and carbon dioxide

비교예 3 및 실시예 3에 따른 혐기성 소화조를 준비하여, 가스 함량을 확인하였으며, 이를 도 3a 및 도 3b에 도시하였다.Anaerobic digester according to Comparative Example 3 and Example 3 was prepared, the gas content was confirmed, which is shown in Figures 3a and 3b.

도 3a는 비교예 3에 따른 혐기성 소화조의 시간에 따른 가스 함량을 나타내는 그래프이다. 가로축은 시간(d)을 나타내며, 세로축은 가스 함량(gas content, %)를 나타낸다.Figure 3a is a graph showing the gas content over time of the anaerobic digester according to Comparative Example 3. The horizontal axis represents time d and the vertical axis represents gas content (%).

도 3b는 실시예 3에 따른 혐기성 소화조의 시간에 따른 가스 함량을 나타내는 그래프이다. 가로축은 시간(d)을 나타내며, 세로축은 가스 함량(gas content, %)를 나타낸다.Figure 3b is a graph showing the gas content over time of the anaerobic digester according to Example 3. The horizontal axis represents time d and the vertical axis represents gas content (%).

도 3a 및 b를 참조하면, 실시예 3에 따른 혐기성 소화조의 경우, 메탄의 함량이 4시간 후에는 43%, 8시간 후에는 74%, 14시간 후에는 92%로 증가하는 것을 확인할 수 있다.Referring to Figure 3a and b, in the anaerobic digester according to Example 3, it can be seen that the content of methane increases to 43% after 4 hours, 74% after 8 hours, 92% after 14 hours.

한편, 비교예 3에 따른 혐기성 소화조의 경우, 메탄의 함량이 8시간 후에는 49%, 16시간 후에는 84%, 22시간 후에는 91%로 증가하는 것을 확인할 수 있다.On the other hand, in the anaerobic digester according to Comparative Example 3, it can be seen that the content of methane increases to 49% after 8 hours, 84% after 16 hours, 91% after 22 hours.

따라서, 호열성 온도에서 가스 순환 방식으로 배양하는 혐기성 소화조에서 더 빠르게 고순도의 메탄이 생성되는 것을 확인할 수 있다.Therefore, it can be seen that methane of high purity is produced more rapidly in an anaerobic digester cultured in a gas circulation mode at a thermophilic temperature.

아세트산의 경우, 비교예 2에 따른 혐기성 소화조에서 48 mg COD/L이 측정되었으며, 비교예 3에 따른 혐기성 소화조에서는 32 mg COD/L, 실시예 3에 따른 혐기성 소화조에서는 80 mg COD/L이 측정되었다. In the case of acetic acid, 48 mg COD / L was measured in the anaerobic digester according to Comparative Example 2, 32 mg COD / L in the anaerobic digester according to Comparative Example 3, and 80 mg COD / L in the anaerobic digester according to Example 3 It became.

이를 통해, homoacetogenic 박테리아가 수소와 이산화탄소를 아세트산으로 전환시켜 준 것을 확인 할 수 있다.This confirms that homoacetogenic bacteria convert hydrogen and carbon dioxide to acetic acid.

실험예Experimental Example 3 - Pyrosequencing3-pyrosequencing 분석 analysis

비교예 3 및 실시예 3에 따른 혐기성 소화조를 준비하고, Pyrosequencing 방법을 이용하여 고세균의 구조를 분석하였으며, 이를 표 1, 도 4a 및 도 4b에 나타내었다. 실험은 비교예 3에 따른 혐기성 소화조, 실시예 3에 따른 혐기성 소화조, 중온성 접종물 및 호열성 접종물을 대상으로 실시하였다.Anaerobic digester according to Comparative Example 3 and Example 3 was prepared, and the structure of archaea was analyzed using Pyrosequencing method, which is shown in Table 1, Figure 4a and 4b. The experiment was conducted on anaerobic digester according to Comparative Example 3, anaerobic digester according to Example 3, mesophilic inoculum and thermophilic inoculum.

표 1은 차세대 염기서열(NGS, Next Generation Sequencing) 분석방법을 통해 고세균의 유전자 도서관 결과를 나타낸 표이다. 분석은 농축 가동 부분의 처음과 마지막 부분에서 실시되었다.Table 1 is a table showing the results of the gene library of archaea through Next Generation Sequencing (NGS) analysis method. The analysis was carried out at the beginning and end of the enrichment run.

도 4a는 중온성 미생물과 호열성 미생물에 따라 목 수준에서 분석한 고세균 분포를 나타낸다. 가로축은 고세균의 비율(%)을 나타내고, 세로축은 네 개의 실험 대상을 나타낸다.Figure 4a shows the distribution of archaea at the neck level according to mesophilic and thermophilic microorganisms. The horizontal axis represents the percentage of archaea and the vertical axis represents four test subjects.

도 4b는 중온성 미생물과 호열성 미생물에 따라 속 수준에서 분석한 고세균 분포를 나타낸다.Figure 4b shows the distribution of archaea at the genus level according to mesophilic microorganisms and thermophilic microorganisms.

samplesample ReadsReads OTUsOTUs ShannonShannon SimpsonSimpson Mesophilic
inoculum
Mesophilic
inoculum
27,73927,739 3535 0.9424 ±0.01970.9424 ± 0.0197 0.6832 ±0.00720.6832 ± 0.0072
Thermophilic
inoculum
Thermophilic
inoculum
30,78930,789 3434 0.9693 ±0.01390.9693 ± 0.0139 0.5228 ±0.00520.5228 ± 0.0052
비교예 3Comparative Example 3 24,15424,154 3434 0.7037 ±0.01910.7037 ± 0.0191 0.7581 ±0.00720.7581 ± 0.0072 실시예 4Example 4 12,22812,228 2929 1.1678 ±0.02761.1678 ± 0.0276 0.5605 ±0.01100.5605 ± 0.0110

표 1을 참조하면, 94,910개의 염기서열이 읽혀졌으며, 132개의 OTUs가 발견된 것을 확인할 수 있다.Referring to Table 1, 94,910 base sequences were read and 132 OTUs were found.

도 4a를 참조하면, Methanomicrobiales는 중온성 접종물에서 11.6%, 호열성 접종물에서 4.8%가 존재하는 반면, 비교예 3에 따른 혐기성 소화조에서는 50.1%, 실시예 3에 따른 혐기성 소화조에서는 41.3%가 존재하는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 4A, Methanomicrobiales is 11.6% in mesophilic inoculum and 4.8% in thermophilic inoculum, while 50.1% in anaerobic digester according to Comparative Example 3 and 41.3% in anaerobic digester according to Example 3 You can see that it exists.

또한, Methanosarcinales는 중온성 접종물에서 42.5%, 호열성 접종물에서 53.6%로 가장 지배적으로 관측되는 반면에, 비교예 3에 따른 혐기성 소화조에서는 0.9%, 실시예 3에 따른 혐기성 소화조에서는 21.2%로 관측되며, 접종물에 비해 상당히 적은 양이 측정되는 양이 관측되는 것을 확인할 수 있다.In addition, Methanosarcinales was most predominantly observed at 42.5% in mesophilic inoculum and 53.6% in thermophilic inoculation, while 0.9% in anaerobic digester according to Comparative Example 3 and 21.2% in anaerobic digester according to Example 3 Observed, it can be seen that the amount is measured to be measured significantly less than the inoculum.

도 4b를 참조하면, 다양한 고세균들이 Methanosaeta spp.와 Methanosarcina spp.종으로 분류된다는 것을 확인 할 수 있다. 아세트산을 이용한 메탄생성균인 Methanosaeta는 비교예 3에 따른 혐기성 소화조에서 0.5%, 실시예 3에 따른 혐기성 소화조에서 0.6%를 차지하고 있다.Referring to Figure 4b, it can be seen that the various archaea are classified as Methanosaeta spp. And Methanosarcina spp. Species. Methanosaeta, a methane-producing bacterium using acetic acid, occupies 0.5% in the anaerobic digester according to Comparative Example 3 and 0.6% in the anaerobic digester according to Example 3.

또한, Methanoculleus, Methanococcus, Methanothermococcus, Methanospirillum, Methanotorris, Methanobacterium, Methanothermobacter, Methanosarcina와 같은 메탄 생성균들은 수소를 이용한 메탄생성균은 비교예 3 및 실시예 3에 따른 혐기성 소화조에 모두 완전히 정착된 것을 확인할 수 있다.In addition, methanogenic bacteria such as Methanoculleus, Methanococcus, Methanothermococcus, Methanospirillum, Methanotorris, Methanobacterium, Methanothermobacter, Methanosarcina can be confirmed that the methane producing bacteria using hydrogen are all settled in the anaerobic digester according to Comparative Example 3 and Example 3.

따라서, 이러한 결과는 수소에 의한 메탄 생성이 선택적으로 강화되지 않는다는 것을 의미한다. Thus, this result means that methane production by hydrogen is not selectively enhanced.

반면, 아세트산으로 만들어진 공급 원료는 혐기성상태에서 아세트산을 이용한 CH4생산 과정을 막게 되고 Methanosaeta spp.가 제거될 수 있다.On the other hand, feedstocks made with acetic acid can prevent the production of CH4 using acetic acid in anaerobic conditions and remove Methanosaeta spp.

실험예Experimental Example 4 - 고세균4-archaea OTUsOTUs 분석 analysis

비교예 2, 비교예3 및 실시예 3에 따른 혐기성 소화조를 준비하고, 이들의 반응조에서 지배적인 고세균 OTUs 분석을 실시하였으며, 이를 표 2에 나타내었다.Anaerobic digestion tanks according to Comparative Example 2, Comparative Example 3 and Example 3 were prepared, and the predominant archaea OTUs analysis was performed in these reactors, which are shown in Table 2.

표 2는 비교예 2, 비교예3 및 실시예 3에 따른 혐기성 소화조에서의 지배적인 고세균 OTUs(operational taxonomic units) 분석 결과를 나타낸다. 종 수준의 배열 방식을 16개의 대표적인 OTUs를 통해 나타내었으며, 메탄생성균의 유형, 최적의 메탄생성균, 중온성 접종물, 호열성 접종물, 유사성 등을 나타내었다.Table 2 shows the results of analysis of the dominant archaea OTUs (operational taxonomic units) in the anaerobic digester according to Comparative Example 2, Comparative Example 3 and Example 3. Species-level alignments were shown through 16 representative OTUs, indicating the type of methane producing bacteria, optimal methane producing bacteria, mesophilic inoculum, thermophilic inoculum, and similarities.

OTUsOTUs Type of methanogensType of methanogens Best matched methanogensBest matched methanogens Mesophilic inoculumMesophilic inoculum Thermophilic inoculumThermophilic inoculum 비교예 3Comparative Example 3 실시예 3Example 3 Accession #Accession # Similarity(%)Similarity (%) 1One




Hydrogenotroph





Hydrogenotroph
Methanoculleus chikugoensisMethanoculleus chikugoensis 11.311.3 0.00.0 19.519.5 0.50.5 NR_028152.1NR_028152.1 100100
22 MethanothermococcusMethanothermococcus 1.61.6 0.50.5 15.715.7 1.91.9 NR_074182.1NR_074182.1 9797 44 thermolithotrophicusthermolithotrophicus 2.32.3 2.12.1 2.12.1 28.128.1 NR_044720.1NR_044720.1 9191 55 Methanospirillum hungateiMethanospirillum hungatei 1.41.4 1.91.9 1.91.9 1.51.5 NR_074177.1NR_074177.1 9898 77 Methanotorris formicicusMethanotorris formicicus 0.10.1 0.00.0 16.916.9 0.10.1 NR_028646.1NR_028646.1 9797 88 Methanobacterium thermaggregansMethanobacterium thermaggregans 0.60.6 5.85.8 0.00.0 15.915.9 NR_104880.1NR_104880.1 9595 1212 Methanobacterium formicicumMethanobacterium formicicum 2.62.6 0.00.0 1.21.2 0.00.0 JQ973735.1JQ973735.1 9393 1313 Methanothermobacter thermoflexusMethanothermobacter thermoflexus 0.00.0 9.29.2 0.00.0 8.38.3 NR_028249.1NR_028249.1 9191 1515 Methanobacteriom sp. AL-2lMethanobacteriom sp. AL-2l 0.10.1 0.80.8 0.00.0 0.00.0 NR_102889.1NR_102889.1 9797 2424 Methanobacterium oryzaeMethanobacterium oryzae 4.44.4 0.80.8 0.80.8 1.81.8 NR_028171.1NR_028171.1 9999 99
Acetoclastic

Acetoclastic
Methanosaeta concilii GP6Methanosaeta concilii GP6 8.58.5 2.92.9 0.00.0 0.00.0 NR_104707.1NR_104707.1 100100
1010 Methanosaeta thermophilaMethanosaeta thermophila 2.32.3 27.127.1 0.10.1 0.10.1 NR_074214.1NR_074214.1 9898 1414 Methanosaeta harundinacea 6AcMethanosaeta harundinacea 6Ac 2.22.2 1.01.0 0.20.2 0.10.1 NR_102896.1NR_102896.1 9898 66 Acetoclastic
&
Hydrogenotroph
Acetoclastic
&
Hydrogenotroph
Methanosarcina thermophilaMethanosarcina thermophila 8.18.1 8.58.5 0.10.1 13.213.2 NR_044725.1NR_044725.1 9797
1111 Methanosarcina barkeriMethanosarcina barkeri 9.49.4 10.810.8 18.218.2 1.01.0 AB973360.1AB973360.1 9696

이 결과들을 통해 세가지 패턴이 분명하게 나타난다.These results clearly show three patterns.

첫번째는 아세트산을 CH4로 변환하는 메탄생성균들이 중온성, 호열성 두가지 상태에서 모두 점차적으로 감소한다는 것이고 두번째는, 수소 이용 메탄 생성균이 확연히 변한다는 것이다. 중온성 접종물에서 자주 보이는 미생물들이 비교예 3에 따른 혐기성 소화조에서 증가하게 되고, 실시예 2에 따른 혐기성 소화조에서는, 호열성 접종물에서 2.1%와 5.8%만 보이는 Methanothermococcus thermolithotrophicus와 Methanobacterium thermaggregans가 증가한다. 세번째로, Methanosarcina 종이 우세할 때 나타나는데 중온성 접종물에서 8.1%, 호열성 접종물에서 8.5% 존재하는 Methanosarcina thermophila가 비교예 3에 따른 혐기성 소화조에서 0.1%로 급격히 감소하고 실시예 3에 따른 혐기성 소화조에서는 13.2%로 급격하게 증가하는 것을 알 수 있다.The first is that methane-producing bacteria that convert acetic acid to CH4 gradually decrease in both mesophilic and thermophilic states, and secondly, that hydrogen-producing methane-producing bacteria change significantly. The microorganisms frequently seen in mesophilic inoculum are increased in the anaerobic digester according to Comparative Example 3, and in the anaerobic digester according to Example 2, Methanothermococcus thermolithotrophicus and Methanobacterium thermaggregans are seen only 2.1% and 5.8% in thermophilic inoculum. . Third, when Methanosarcina species prevails, Methanosarcina thermophila present in 8.1% in mesophilic inoculation and 8.5% in thermophilic inoculum is rapidly reduced to 0.1% in anaerobic digester according to Comparative Example 3 and anaerobic digester according to Example 3 It can be seen that the sharp increase to 13.2%.

실시예Example 4 - 호열성4-thermophilic 온도, 가스 순환 방식의 장기 운전 Long-term operation of temperature, gas circulation

실시예 1에 따른 혐기성소화 장치를 준비하고, 메탄생성균의 성장 조건으로 호열성 온도인 55℃에서 가스 순환을 실시한다. The anaerobic digestion apparatus according to Example 1 is prepared, and gas circulation is performed at 55 ° C., which is a thermophilic temperature, under the growth conditions of methane-producing bacteria.

실시예 3에 따른 배양된 슬러지 약 2.3g VSS/L가는 혐기성 소화조에 주입된다. 혐기성 소화조의 초기 pH는 약 7.1로 조절된다. 혐기성 소화조에 질소가스가 약 10분동안 주입(fuzing)되며, 이는, 혐기성 조건을 제공한다.About 2.3 g VSS / L of sludge cultured according to Example 3 is injected into an anaerobic digester. The initial pH of the anaerobic digester is adjusted to about 7.1. Nitrogen gas is injected into the anaerobic digester for about 10 minutes, providing anaerobic conditions.

주입가스(H2:CO2=80:20)에서, 수소주입율(HIR)은 1.6L H2/Ld에서 20.8L H2/Ld까지 점차적으로 증가시켜 주입되었다.Injecting gas (H 2: CO 2 = 80 : 20) from the hydrogen injection rate (HIR) was injected to increase gradually from 1.6LH 2 / Ld to 20.8LH 2 / Ld.

재순환된 주입가스는 약 198일 동안 약 100L/Ld에서 약 300L/Ld까지 증가시켜 주입되었다.The recycled injection gas was injected at an increase from about 100 L / Ld to about 300 L / Ld for about 198 days.

실험예Experimental Example 5 - 수소소모율5-hydrogen consumption rate , 메탄생산율, 가스 구성 분석, Methane production rate, gas composition analysis

실시예 4에 따른 혐기성 소화조를 준비하여, 수소소모율, 메탄생산율, 가스 구성 등을 측정하였으며, 이를 표 3 및 도 5에 나타내었다.The anaerobic digester according to Example 4 was prepared, and the hydrogen consumption rate, methane production rate, gas composition, and the like were measured, which are shown in Table 3 and FIG. 5.

표 3은 실시예 4에 따른 혐기성 소화조의 198일간의 수소주입율(HIR), 가스 순환율, 메탄생산율(MPR), 슬러지 농도, 특정 수소소모율(SHCR)을 나타낸 표이다.Table 3 is a table showing the hydrogen injection rate (HIR), gas circulation rate, methane production rate (MPR), sludge concentration, specific hydrogen consumption rate (SHCR) of the anaerobic digester according to Example 4.

도 5는 실시예 4에 따른 혐기성 소화조의 가스 구성성분 및 수소 소비율을 나타낸 그래프이다. 가로축은 시간(d)을 나타내며, 좌측 세로축은 가스 구성성분(%), 우측 세로축은 수소소모율(L H2/Ld)을 나타낸다.5 is a graph showing the gas components and hydrogen consumption rate of the anaerobic digester according to Example 4. The horizontal axis represents time (d), the left vertical axis represents gas constituents (%), and the right vertical axis represents hydrogen consumption rate (LH 2 / Ld).

operation(d)operation (d) 1-201-20 21-3821-38 39-5639-56 57-7457-74 75-9075-90 91-10691-106 107-
126
107-
126
127-
148
127-
148
149-
164
149-
164
165-
176
165-
176
177-
198
177-
198
HIR
(L H2/Ld)
HIR
(LH 2 / Ld)
1.61.6 3.23.2 4.84.8 6.46.4 6.46.4 9.69.6 12.812.8 16.016.0 20.820.8 20.820.8 19.219.2
Gas recycle rate(L/Ld)Gas recycle rate (L / Ld) 100100 100100 100100 100100 200200 200200 200200 200200 200200 300300 200200 MPR
(L CH4/Ld)
MPR
(L CH 4 / Ld)
0.4±0.00.4 ± 0.0 0.7±0.00.7 ± 0.0 1.0±0.11.0 ± 0.1 1.4±0.01.4 ± 0.0 1.5±0.11.5 ± 0.1 2.4±0.12.4 ± 0.1 2.9±0.12.9 ± 0.1 3.9±0.23.9 ± 0.2 4.3±0.14.3 ± 0.1 4.8±0.34.8 ± 0.3 4.5±0.24.5 ± 0.2
Sludge concentrationSludge concentration 2.3±0.22.3 ± 0.2 2.5±0.32.5 ± 0.3 2.6±0.22.6 ± 0.2 2.9±0.32.9 ± 0.3 2.8±0.02.8 ± 0.0 2.9±0.12.9 ± 0.1 3.2±0.33.2 ± 0.3 3.6±0.03.6 ± 0.0 4.3±0.14.3 ± 0.1 4.4±0.04.4 ± 0.0 4.4±0.34.4 ± 0.3 SHCR
(gCODg/VSSd)
SHCR
(gCODg / VSSd)
1.31.3 2.42.4 3.43.4 3.83.8 4.24.2 6.26.2 7.57.5 8.38.3 8.68.6 8.48.4 8.48.4

표 3 및 도 5를 참조하면, 초기에는 수소주입율이 1.6 L H2/Ld로 시작하여 점차적으로 증가한 것을 확인할 수 있으며, 이에 따른 수소소모율과 메탄생산율이 증가한 것을 확인할 수 있다. 그리고 메탄의 함량이 20일 후에 96%까지 증가하는 것을 확인 할 수 있다. 수소소모율이 4.8 L H2/Ld로 증가됐을 때, 수소소모율과 메탄생산율은 점차적으로 증가하여 4.7±0.2 L H2/Ld, 1.0±0.1 L CH4/Ld에 도달하게 된다. 반면, 수소소모율이 6.4 L H2/Ld일 때 배출 가스에서는 메탄의 비율이 76%, 수소의 비율이 19%로 메탄 비율이 급격하게 줄어들게 된다. 이 상태에서는 수소소모율과 메탄생산율이 5.9±0.2 L H2/Ld, 1.4±0.0 L CH4/Ld을 유지한다. 이 결과는 기체와 액체 사이의 물질 전달이 수소의 메탄 생성에 주요 제한 요소라는 이전의 결과와 부합된다. 따라서, 가스 순환율은 74일만에 100L/Ld에서 200L/Ld까지 증가되는데, 이는 기체와 액체의 물질 전달 제한을 극복해낸 것으로 볼 수 있다. 이때의 메탄의 함량 비율은 계속해서 증가하여 96%근처에 도달한다. 수소주입율 16.0 L H2/Ld까지는 메탄생산율 3.9±0.2 L CH4/Ld로 유지하게 되지만, 수소주입율이 20.8 L H2/Ld가 되면 메탄의 비율이 81%까지 감소하게 되어 수소와 이산화탄소의 비율이 15%와 4%까지 증가하게 된다. 가스 순환율을 300L/Ld까지 증가시키는데 수소소모율은 19.7±0.8 L H2/Ld에서 제한이 걸리게 된다. 이는 기체와 액체 사이의 물질 전달이 제한되어 300L/Ld에서는 이를 극복하지 못한 것으로 확인 할 수 있다. 이때의 pH는 약 7.1 내지 7.3을 유지 했고 이는 메탄 생성 과정에 적합한 수치이다. 아세트산은 homoacetogenic 박테리아에 의해 생성되며 이 아세트산이 주요 유기산으로서 약 100 내지 120 mg COD/L로 측정된다. 특정 수소소모율(SHCR)이 8.4-8.6 g COD·g/VSSd에 도달하는 것을 보여주는데 이는 수소 이용 메탄 생성을 위해 특정 수소소모율 이 8.8 g COD·g/VSSd인 다른 논문과 비슷하다. 그러므로 이 특정 수소소모율을 통해 바이오 매스 농도가 기체와 액체 사이의 물질전달보다 더 제한적인 요소임을 알 수 있다. 가스 순환율을 200 L/Ld로 다시 낮추어서 가동한 결과 수소소모율과 특정 수소소모율은 19.0?0.3 L H2/Ld과 8.4 g COD·g/VSSd로 측정되었다. 이때 생산된 바이오 가스의 메탄 비율은 96%에 달한다.Referring to Table 3 and FIG. 5, it can be seen that the initial hydrogen injection rate gradually increased, starting with 1.6 LH 2 / Ld, and thus the hydrogen consumption rate and methane production rate increased. And it can be seen that the content of methane increases to 96% after 20 days. When the hydrogen consumption rate is increased to 4.8 LH 2 / Ld, the hydrogen consumption rate and methane production rate gradually increase to reach 4.7 ± 0.2 LH 2 / Ld and 1.0 ± 0.1 L CH 4 / Ld. On the other hand, when the hydrogen consumption rate is 6.4 LH 2 / Ld, the methane ratio is sharply reduced to 76% for methane and 19% for hydrogen in the exhaust gas. In this state, the hydrogen consumption rate and the methane production rate are maintained at 5.9 ± 0.2 LH 2 / Ld and 1.4 ± 0.0 L CH 4 / Ld. This result is consistent with previous findings that mass transfer between gas and liquid is a major limiting factor in the methane production of hydrogen. Thus, the gas circulation rate increases from 100 L / Ld to 200 L / Ld in 74 days, which can be seen as overcoming the gas and liquid mass transfer limitations. At this time, the content of methane continues to increase to reach around 96%. Methane production rate is maintained at 3.9 ± 0.2 L CH 4 / Ld until hydrogen injection rate 16.0 LH 2 /Ld.However, when hydrogen injection rate is 20.8 LH 2 / Ld, the ratio of methane is reduced to 81%. This increases to 15% and 4%. Increasing the gas circulation rate to 300 L / Ld, the hydrogen consumption rate is limited at 19.7 ± 0.8 LH 2 / Ld. This can be confirmed that the mass transfer between the gas and the liquid is limited and did not overcome this at 300L / Ld. At this time, the pH was maintained at about 7.1 to 7.3, which is suitable for methane production. Acetic acid is produced by homoacetogenic bacteria and this acetic acid is measured as about 100 to 120 mg COD / L as the main organic acid. It shows that the specific hydrogen consumption rate (SHCR) reaches 8.4-8.6 g COD · g / VSSd, similar to other papers with a specific hydrogen consumption rate of 8.8 g COD · g / VSSd for hydrogen-methane production. Therefore, this particular hydrogen consumption rate suggests that biomass concentration is more restrictive than mass transfer between gas and liquid. As a result of operating the gas cycle back to 200 L / Ld, the hydrogen consumption and specific hydrogen consumption were measured to be 19.0–0.3 LH 2 / Ld and 8.4 g COD · g / VSSd. At this time, the methane ratio of the produced biogas reaches 96%.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concepts of the present invention defined in the following claims are also provided. It belongs to the scope of rights.

100: 고순도 메탄 생산 장치 110: 바이오가스
120: 수소 실린더 130: 주입가스
140: 혐기성 배지 150: 가스 포집기
160: 혐기성 소화조 170: 고순도 메탄
100: high purity methane production apparatus 110: biogas
120: hydrogen cylinder 130: injection gas
140: anaerobic medium 150: gas collector
160: anaerobic digester 170: high purity methane

Claims (12)

수소를 이용한 메탄생성균(hydrogenotrophic methanogens) 및 아세트산을 이용한 메탄생성균(acetoclasticmethanogens)을 포함하고, 외부에서 유입된 유기성 폐기물에 포함되어 있는 아세트산(CH3COOH), 수소(H2), 그리고 이산화탄소(CO2)가 상기 수소를 이용한 메탄생성균 및 아세트산을 이용한 메탄생성균(acetoclasticmethanogens)에 의해 분해되어, 메탄(CH4) 및 이산화탄소를 포함하는 바이오가스(biogas)가 생성되고, 상기 바이오가스를 정제하여 고순도 메탄을 배출하는 혐기성 소화조,
상기 혐기성 소화조와 연결되어 있고, 상기 바이오가스가 포집되고, 상기 혐기성 소화조에 주입가스를 제공함으로써 가스가 순환되는 가스 포집기,
상기 주입가스(Feeding gas)가 생성되도록 상기 바이오가스에 수소를 공급하는 수소 실린더(H2 cylinder), 그리고
상기 혐기성 소화조와 연결되어 있고, 상기 수소를 이용한 메탄생성균이 배양되도록 하는 혐기성 배지(Basal anaerobic medium)
를 포함하고,
상기 혐기성 소화조는 상기 아세트산을 이용한 메탄생성균(acetoclasticmethanogens) 이 우점종(dominantspecies)인
고순도 메탄 생산 장치.

Acetic acid (CH 3 COOH), hydrogen (H 2 ), and carbon dioxide (CO 2 ), including hydrogen-generated methanogens and acetic acid methane-producing bacteria (acetoclasticmethanogens) ) Is decomposed by methane-producing bacteria using hydrogen and methane-producing bacteria using acetic acid (acetoclasticmethanogens) to produce biogas containing methane (CH 4 ) and carbon dioxide, and purifying the biogas to obtain high-purity methane. Anaerobic digester,
A gas collector connected to the anaerobic digester, wherein the biogas is collected and the gas is circulated by providing an injection gas to the anaerobic digester;
A hydrogen cylinder (H 2 cylinder) for supplying hydrogen to the biogas so that the feeding gas is generated, and
An anaerobic medium connected with the anaerobic digester and allowing methane producing bacteria to be cultured using the hydrogen
Including,
The anaerobic digester is the dominantspecies of methane-producing bacteria (acetoclasticmethanogens) using the acetic acid
High purity methane production unit.

삭제delete 제1항에서,
상기 혐기성 소화조에 포함된 상기 아세트산을 이용한 메탄생성균 및 상기 수소를 이용한 메탄생성균은 호열성 온도에서 가스 순환 방식으로 농축되는 고순도 메탄 생산 장치.
In claim 1,
Methane-producing bacteria using the acetic acid and the methane-producing bacteria using hydrogen contained in the anaerobic digester is concentrated in a gas circulation method at a thermophilic temperature methane production apparatus.
제3항에서,
상기 호열성 온도는 35℃ 내지 75℃이고, 상기 혐기성 소화조의 pH는 6.0 내지 8.5인 고순도 메탄 생산 장치.
In claim 3,
The thermophilic temperature is 35 ℃ to 75 ℃, the pH of the anaerobic digester is 6.0 to 8.5 high purity methane production apparatus.
제1항에서,
상기 아세트산을 이용한 메탄생성균은 Methanosarcina spp., 또는 Methanosaeta spp. 중 하나 이상을 포함하는 고순도 메탄 생산 장치.
In claim 1,
The methane producing bacteria using acetic acid is Methanosarcina spp., Or Methanosaeta spp. High purity methane production unit comprising at least one of.
제1항에서,
상기 수소를 이용한 메탄생성균은 Methanoculleus spp., Methanococcus spp., Methanothermococcus spp., Methanospirillum spp., Methanotorris spp., Methanobacterium spp., 또는 Methanothermobacter spp. 중 하나 이상을 포함하는 고순도 메탄 생산 장치.
In claim 1,
Methane-producing bacteria using hydrogen include Methanoculleus spp., Methanococcus spp., Methanothermococcus spp., Methanospirillum spp., Methanotorris spp., Methanobacterium spp., Or Methanothermobacter spp. High purity methane production unit comprising at least one of.
제1항에서,
상기 고순도 메탄의 메탄 함량은 96% 이상인 고순도 메탄 생산 장치.
In claim 1,
Methane content of the high purity methane is 96% or more high purity methane production apparatus.
유기성 폐기물을 혐기성 소화하여 수소를 이용한 메탄생성균을 포함하는 슬러지가 생성되고, 상기 슬러지가 미리 배양되어 혐기성 소화조에 도입하는 단계,
가스 포집기에 저장된 주입가스가 상기 혐기성 소화조로 도입되며, 상기 수소를 이용한 메탄생성균에 의해 상기 주입가스 내 수소가 소모되고 메탄이 생성되는 단계,
상기 혐기성 소화조에 혐기성 배지가 유입되어 상기 수소를 이용한 메탄생성균의 활성이 증가되는 단계,
상기 혐기성 소화조에서 배출된 가스가 상기 가스 포집기에 포집되는 단계,
상기 가스 포집기에 포집된 상기 가스는 다시 수소 실린더에서 배출된 수소에 의해 상기 주입가스가 생성되고, 상기 주입가스는 상기 혐기성 소화조로 도입되어 상기 가스가 발생되는 과정이 반복되며, 가스 순환 방식에 의해 상기 수소를 이용한 메탄생성균이 농축되는 단계, 그리고
상기 농축된 수소를 이용한 메탄생성균에 의해 고순도의 메탄이 배출되며 상기 고순도 메탄을 포집하는 단계
를 포함하는 고순도 메탄 생산 방법.
Anaerobic digestion of organic waste to produce sludge containing methane-producing bacteria using hydrogen, and the sludge is pre-cultured and introduced into an anaerobic digester,
Injecting gas stored in the gas collector is introduced into the anaerobic digester, the hydrogen in the injected gas is consumed by the methane producing bacteria using the hydrogen, methane is produced,
Anaerobic medium is introduced into the anaerobic digester to increase the activity of methane producing bacteria using the hydrogen,
Collecting the gas discharged from the anaerobic digester into the gas collector,
The gas collected in the gas collector is again produced by the hydrogen discharged from the hydrogen cylinder, the injection gas is introduced into the anaerobic digester, the process of generating the gas is repeated, by a gas circulation method Methane-producing bacteria are concentrated using the hydrogen, and
Methane of high purity is discharged by methane producing bacteria using the concentrated hydrogen and collecting the high purity methane
High purity methane production method comprising a.
제8항에서,
상기 수소를 이용한 메탄생성균이 상기 혐기성 소화조로 도입되는 단계에서,
상기 혐기성 소화조는 아세트산을 이용한 메탄생성균을 더 포함하는 고순도 메탄 생산 방법.
In claim 8,
In the step of introducing the methane producing bacteria using the hydrogen into the anaerobic digester,
The anaerobic digester further comprises a methane producing bacteria using acetic acid.
제8항에서,
상기 주입가스가 상기 혐기성 소화조로 도입되는 단계에서,
상기 주입가스는 이산화탄소와 상기 수소의 비율이 1:4인 고순도 메탄 생산 방법.
In claim 8,
In the step of introducing the injection gas into the anaerobic digester,
The injection gas is a high-purity methane production method of the ratio of carbon dioxide and hydrogen 1: 4.
제8항에서,
상기 혐기성 소화조의 온도는 35℃ 내지 75℃이고, 상기 혐기성 소화조의 pH는 6.0 내지 8.5인 고순도 메탄 생산 방법.
In claim 8,
The temperature of the anaerobic digester is 35 ℃ to 75 ℃, pH of the anaerobic digester is 6.0 to 8.5 high purity methane production method.
제8항에서,
상기 고순도 메탄이 배출되는 단계에서,
상기 고순도 메탄의 메탄 함량은 96% 이상인 고순도 메탄 생산 방법.
In claim 8,
In the step of exhausting the high purity methane,
The methane content of the high purity methane is 96% or more high-purity methane production method.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200045930A (en) * 2018-10-23 2020-05-06 한양대학교 산학협력단 New Methanothermobacter
KR20220074219A (en) * 2020-11-27 2022-06-03 한국전력공사 Manufacturing system of membrane based biogas using the hydrogen
KR102598921B1 (en) * 2023-01-09 2023-11-06 주식회사 한국 종합엔지니어링 Production method and production system for high purity bio methane

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100827351B1 (en) * 2006-12-29 2008-05-06 한국과학기술연구원 Biologic production method of methane from carbon dioxide using anaerobic biofilm and apparatus using the same
KR20090026843A (en) * 2007-09-11 2009-03-16 주식회사녹색기술단 The equipment and method of foodwaste digestion and bio-gas production using uasb
KR101378871B1 (en) * 2012-09-10 2014-03-28 지에스네오텍(주) High efficiency anaerobic digestion reactor of liquid fraction of organic wastewater
KR20150066055A (en) * 2013-12-06 2015-06-16 주식회사 에코다임 System for Anaerobic Digestion of High Concentration Organic Wastes

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100827351B1 (en) * 2006-12-29 2008-05-06 한국과학기술연구원 Biologic production method of methane from carbon dioxide using anaerobic biofilm and apparatus using the same
KR20090026843A (en) * 2007-09-11 2009-03-16 주식회사녹색기술단 The equipment and method of foodwaste digestion and bio-gas production using uasb
KR101378871B1 (en) * 2012-09-10 2014-03-28 지에스네오텍(주) High efficiency anaerobic digestion reactor of liquid fraction of organic wastewater
KR20150066055A (en) * 2013-12-06 2015-06-16 주식회사 에코다임 System for Anaerobic Digestion of High Concentration Organic Wastes

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200045930A (en) * 2018-10-23 2020-05-06 한양대학교 산학협력단 New Methanothermobacter
KR102108642B1 (en) 2018-10-23 2020-05-07 한양대학교 산학협력단 New Methanothermobacter
KR20220074219A (en) * 2020-11-27 2022-06-03 한국전력공사 Manufacturing system of membrane based biogas using the hydrogen
KR102561047B1 (en) * 2020-11-27 2023-07-31 한국전력공사 Manufacturing system of membrane based biogas using the hydrogen
KR102598921B1 (en) * 2023-01-09 2023-11-06 주식회사 한국 종합엔지니어링 Production method and production system for high purity bio methane

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