KR102059924B1 - 수소메탄화균을 이용한 생물학적 메탄 고질화 방법 및 그 시스템 - Google Patents

수소메탄화균을 이용한 생물학적 메탄 고질화 방법 및 그 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR102059924B1
KR102059924B1 KR1020190065132A KR20190065132A KR102059924B1 KR 102059924 B1 KR102059924 B1 KR 102059924B1 KR 1020190065132 A KR1020190065132 A KR 1020190065132A KR 20190065132 A KR20190065132 A KR 20190065132A KR 102059924 B1 KR102059924 B1 KR 102059924B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
methane
hydrogen
fermentation tank
bacteria
methanation
Prior art date
Application number
KR1020190065132A
Other languages
English (en)
Inventor
김현욱
이종찬
리단
백지원
Original Assignee
서울시립대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 서울시립대학교 산학협력단 filed Critical 서울시립대학교 산학협력단
Priority to KR1020190065132A priority Critical patent/KR102059924B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102059924B1 publication Critical patent/KR102059924B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P5/00—Preparation of hydrocarbons or halogenated hydrocarbons
    • C12P5/02—Preparation of hydrocarbons or halogenated hydrocarbons acyclic
    • C12P5/023—Methane
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M21/00—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
    • C12M21/04—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses for producing gas, e.g. biogas
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M29/00—Means for introduction, extraction or recirculation of materials, e.g. pumps
    • C12M29/06—Nozzles; Sprayers; Spargers; Diffusers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/26—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of pH
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/40—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of pressure
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P39/00—Processes involving microorganisms of different genera in the same process, simultaneously
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/30—Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Processing Of Solid Wastes (AREA)
  • Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)

Abstract

본 발명은 혐기성 소화기의 산 발효조(100)에서 유기성 폐기물을 발효시켜 생성된 산발효조 바이오가스(101)와 산 발효조 소화액(102)을 메탄 발효조(300)에서 메탄분율이 업그레이드된 바이오가스로 전환하는 생물학적 메탄 고질화 방법으로서, 수소메탄화균을 증식하기 위한 수소메탄화균 배양기(200)를 별도 구비하여, 배양된 수소메탄화균의 일부를 상기 메탄 발효조(300)로 공급함으로써, 메탄 발효조(300)가 수소메탄화균과 유기산메탄화균을 동시에 우점종으로 보유하도록 하는 수소메탄화균을 이용한 생물학적 메탄 고질화 방법 및 그 시스템을 제공한다.
본 발명은 종래기술에 따른 수소메탄화 반응기를 수소메탄화균을 증식하기 위한 배양기로 사용함으로써 수소메탄화균 배양기를 저압에서 운전할 수 있도록 하여 경제성, 안전성 및 편의성을 증대시킬 수 있다.

Description

수소메탄화균을 이용한 생물학적 메탄 고질화 방법 및 그 시스템{BIOLOGICAL METHANE UPGRADING THROUGH HYDROGENOTROPHIC METHANOGENESIS}
본 발명은 수소메탄화균을 이용한 생물학적 메탄 고질화 방법 및 그 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유기성 폐기물을 혐기소화의 원료로 사용하는 혐기소화조의 산발효조와 메탄 고질화에 활용되는 반응조(메탄발효조, 수소메탄화균 배양기)가 결합된 메탄 고질화 방법 및 그 시스템에 관한 것이다.
이산화탄소 배출량을 감축하기 위한 방안으로 이산화탄소를 수소와 반응시켜 메탄으로 전환하는 기술이 연구되고 있다.
종래의 이산화탄소 전환기술로서 물리·화학적 기술이 상용화되어 있으나 물리·화학적 이산화탄소 전환기술은 고온, 고압 조건에서 반응이 이루어지기 때문에 넓은 부지와 많은 초기 투자비가 요구되며, 설비의 유지관리에도 적지 않은 비용이 소요되는 문제점이 있다.
이에 적은 비용으로 이산화탄소를 메탄으로 전환할 수 있는 생물학적 메탄화 기술이 연구되고 관련 특허들도 출원되고 있으나 대부분이 생물막이나 반응탱크와 같은 요소기술에 한정되어 있다.
한편, 기존 혐기소화 공정을 통해 생성된 바이오가스는 메탄함량(55~65%)이 낮고 이산화탄소 등의 불순물 함량이 높아 연료 등으로의 활용도를 높이기 위해서는 메탄의 순도를 높이는 정제과정이 필요하다.
그리고 정제기술로서 바이오가스로부터 메탄을 분리해내는 물리·화학적 방법이 사용되는데, 이는 이산화탄소의 상태를 기체에서 액체 또는 고체로 바꾸는 것으로 근본적인 이산화탄소 저감법이라 할 수 없다.
또한, 이산화탄소의 저감을 위해 수소와 이산화탄소를 반응시켜 메탄을 생성시키는 생물학적 메탄화 기술도 낮은 수소 용해도를 해결하기 위해 가압이 필요하며 수소이용균(Hydrogenotrophic cell)의 유실을 막기 위한 분리기술 즉, 멤브레인 등의 추가설비가 필요하다.
이러한 추가설비들은 유지관리비를 증대시키는 요소가 되어 결국 기존 물리·화학적 정제법의 한계를 극복하지 못하는 결과를 낳게 한다.
대한민국 공개특허공보 제10-2004-0054962호(2004. 6. 26. 공개) 대한민국 공개특허공보 제10-2018-0007519호(2018. 1. 23. 공개) 대한민국 공개특허공보 제10-2014-0067853호(2014. 6. 5. 공개)
본 발명은 종래의 이산화탄소-메탄 전환공정 및 메탄 업그레이딩 공정의 단점을 보완하기 위하여 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 메탄발효조에서 유기산을 이용한 바이오가스 생산뿐만 아니라, 수소메탄화균 배양기로부터 수소메탄화균을 공급받아 메탄발효조에서 바이오가스의 업그레이딩도 동시에 수행함으로써, 종래의 물리·화학적 또는 생물학적 이산화탄소-메탄 전환공정보다 적은 비용으로 바이오가스의 품질을 높일 수 있는 생물학적 메탄 고질화 방법 및 그 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 기존 바이오가스 시설의 바이오가스 중 이산화탄소를 메탄으로 전환하여 메탄순도가 낮은 바이오가스를 고질화하는 추가공정으로 활용할 수 있는 생물학적 메탄 고질화 방법 및 그 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 발전소 등 다량의 이산화탄소를 배출하는 시설의 온실가스 저감시스템으로 활용할 수 있는 생물학적 메탄 고질화 방법 및 그 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 생산되는 고품질 메탄을 압축천연가스(CNG) 차량의 연료나 스마트 그리드(SMART GRID)에 물려 차세대 전력으로 활용 가능한 생물학적 메탄 고질화 방법 및 그 시스템을 제공하기 위한 것이다.
한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 보다 구체적으로 이하의 것을 제공한다.
우선 본 발명은, 혐기성 소화조의 메탄발효조에서 유기산을 이용한 바이오가스 생산뿐만 아니라, 바이오가스의 업그레이딩도 동시에 수행하는 수소메탄화균을 이용한 생물학적 메탄 고질화 방법을 제공한다.
여기서 상기 바이오가스의 업그레이딩은 상기 메탄발효조가 수소메탄화균 배양기로부터 수소메탄화균을 공급받아 이루어진다.
또한, 여기서 상기 수소메탄화균 배양기는 수소메탄화균을 메탄발효조로 공급하여 바이오가스의 업그레이딩(in-situ upgrading)과 동시에 외부의 이산화탄소원을 이용하여 메탄도 생산(ex-situ upgrading)하는 복합 업그레이딩 기능을 가진다.
또한, 여기서 상기 수소메탄화균 배양기는 수소메탄화균을 메탄발효조로 공급할 때 배양액에 포함된 물도 함께 공급하여 메탄발효조의 부하를 낮춰 메탄발효조의 안정성을 높이는 기능도 가진다.
또한, 여기서 상기 메탄발효조는 수소메탄화(Hydrogenotrophic methanogenesis)를 위한 혐기균과 유기산메탄화(Acetoclastic Methanogenesis)를 위한 혐기균을 동시에 우점종으로 보유한다.
또한, 본 발명은 1) 유기성 폐기물의 산발효 단계; 2) 외부 수소, 이산화탄소 주입을 통한 수소메탄화균 배양 단계: 3) 상기 1) 단계에서 산발효된 소화액(102) 및 바이오가스(101), 상기 2) 단계에서 배양된 수소메탄화균(202) 및 외부 수소(2000)를 이용하여 이산화탄소(1000)를 메탄으로 전환하는 업그레이딩 단계를 포함하여 이루어지는 수소메탄화균을 이용한 생물학적 메탄 고질화 방법을 제공한다.
여기서 산발효조 바이오가스의 이산화탄소가 메탄발효조에서 수소메탄화 과정을 통해 메탄으로 업그레드된다.
또한, 본 발명은 유기성 폐기물을 산발효하는 산발효조; 외부 수소, 이산화탄소를 메탄으로 전환하는 메탄 업그레이딩 및 수소메탄화균의 증식기 역할을 수행하는 수소메탄화균 배양기; 상기 산발효조의 유기산을 이용한 바이오가스 생산과 아울러 상기 수소메탄화균 배양기로부터 증식된 잉여 수소메탄화균을 공급받아 바이오가스의 업그레이딩을 수행하는 메탄발효조를 포함하여 이루어지는 수소메탄화균을 이용한 생물학적 메탄 고질화 시스템을 제공한다.
여기서 상기 수소메탄화균 배양기는 수소메탄화균의 증식을 위하여 저압(1~2 bar)에서 운전된다.
또한, 여기서 상기 메탄발효조는 pH 7~7.5에서 운전된다.
또한, 여기서 상기 메탄발효조는 모듈 표면에서 미세하게 수소를 노출시켜 수소메탄균(Hydrogenotrophic methanogen)의 성장을 촉진시키는 막모듈을 더 포함한다.
또한, 여기서 상기 메탄발효조는 수소를 미세한 크기로 공급하여 수소의 용해도를 높임으로써 수소메탄화(Hydrogenotrophic methanogenesis)균주의 기질섭취를 용이하게 하는 세라믹 디퓨저를 더 포함한다.
본 발명은 기존의 메탄발효조에서 유기산을 이용한 바이오가스 생산뿐만 아니라 수소메탄화균 배양기로부터 수소메탄화균을 공급받아 메탄발효조에서 바이오가스의 업그레이딩도 동시에 수행함으로써 가온, 가압이 필요했던 기존 물리·화학적 메탄 업그레이딩 기술이나 일부 생물학적 메탄 업그레이딩 기술보다 낮은 에너지와 비용으로 메탄 순도를 크게 높일 수 있다.
본 발명의 다른 효과는 기존 바이오가스 시설의 바이오가스 중 이산화탄소를 메탄으로 전환하여 메탄순도가 낮은 바이오가스를 고질화하는 추가공정으로 활용할 수 있다.
본 발명의 또 다른 효과는 발전소 등 다량의 이산화탄소를 배출하는 시설의 온실가스 저감시스템으로 활용할 수 있다.
본 발명의 또 다른 효과는 생산되는 고품질 메탄을 압축천연가스(CNG) 차량의 연료나 스마트 그리드(SMART GRID)에 물려 차세대 전력으로 활용할 수 있다.
한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 이하의 명세서에 기재되어 있는 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 생물학적 메탄 고질화 시스템의 공정 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 생물학적 메탄 고질화 시스템의 메탄생성 경로도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 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.
또한, 명세서의 기재 중 "고질화", "업그레이딩"은 바이오가스 중 "메탄가스의 순도를 높이는 것"을 의미한다.
이하 본 발명의 일 실시예에서는 유기성 폐기물을 원료로 사용하고, 수소메탄화균을 활용하는 생물학적 메탄 고질화 혐기소화 공정을 설명한다. 본 발명은 본 실시예에 한정되지 않으며 수소메탄화균을 활용한 유기성 폐기물의 혐기소화 공정이면 모두 적용가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 생물학적 메탄 고질화 시스템의 공정도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 혐기소화 공정은 1) 유기성 폐기물의 산발효 단계; 2) 외부 수소, 이산화탄소 주입을 통한 수소메탄화균 배양 단계; 3) 상기 1) 단계에서 산발효된 소화액과 바이오가스, 상기 2)단계에서 배양된 수소메탄화균의 소화액 및 외부 수소, 이산화탄소를 메탄으로 전환하는 업그레이딩 단계를 포함한다.
먼저, 상기 1) 단계는 기존 혐기 소화의 산 생성 공정에 관한 것으로, 도 1에서 보는 바와 같이, 유기성 폐기물(음식물류 폐기물, 하수 슬러지, 가축분뇨 등)(10)은 산발효조(100)에서 가수분해 및 산발효가 일어나며, 이후 소화액과 바이오가스는 메탄발효조(300)로 유입된다. 이때, 산발효조(100)의 체류시간은 4일 이하로 하여 수소 생산량을 최대화하도록 한다.
상기 2)단계의 수소메탄화균 배양은 수소메탄화균 배양기(200)에 외부 수소(2000), 이산화탄소(1000)를 공급하여 이루어지며, 4H2 + CO2 = CH4 + 2H2O 반응식에 따라 H2, CO2가 4:1 몰비율로 반응하여 1몰의 메탄으로 전환된다. 이때 반응조는 압력을 상압 이상으로 올라가지 않도록 유지한다. 반응 생성물로 발생하는 소화액은 수소메탄화균을 포함하고 있기 때문에 메탄발효조(300)로 이송하여 셀(Cell)을 보충해줄 수 있다.
상기 3)단계의 메탄발효조(300)에는 유기산을 기질로 하는 유기산메탄화균(Acetoclastic methanogen)과 수소를 기질로 하는 수소메탄화균(Hydrogenotrophic methanogen)이 공존한다. 따라서 산발효조(100) 소화액의 유기산으로부터 메탄을 생성하고, 수소메탄화균을 통해 바이오가스, 외부 수소, 이산화탄소를 메탄으로 전환한다. 이때, 이산화탄소에 비해 부족한 수소는 외부에서 신재생 에너지나 전기분해를 통해 공급해준다. 발전소 등에서 발생된 외부 이산화탄소 역시 주입하여 최종적으로 생산되는 메탄의 양을 늘릴 수 있다.
외부 이산화탄소, 수소의 주입량은 반응조의 pH, 바이오가스 성분비 등의 상황에 따라 유동적으로 조절할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 생물학적 메탄 고질화 시스템은 유기성 폐기물(10)을 혐기발효하여 바이오가스를 생산하는 산발효조(100); 메탄발효조(300); 및 수소메탄화균을 메탄발효조(300)로 공급하여 바이오가스 중 메탄가스의 순도를 높이고(내적 업그레이딩 : in-situ upgrading), 동시에 외부의 이산화탄소원을 이용하여 메탄을 생산하는(외적 업그레이딩 : ex-situ upgrading) 수소메탄화균 배양기(200)로 구성되어 고순도(90%이상)의 바이오가스를 생산한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 혐기소화 공정은 유기성 폐기물(1)을 1차적으로 산발효조(100)에서 발효시켜 수소가스 및 이산화탄소가 1:1 비율인 산발효조 바이오가스(101)를 생성하고, 상기 바이오가스(101) 및 유기산이 다량 포함된 산발효조 소화액(102)을 메탄발효조(300)로 공급하여 메탄발효조(300)에서 유기산(아세트산) 소화를 통해 메탄가스 생성(Acetoclastic Methanogenesis)을 유도한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소메탄화균 배양기(200)는 외부로부터 이산화탄소(1000) 및 수소(2000)를 공급받아 수소메탄화균을 순수배양하면서 물과 메탄가스를 생성하며 메탄발효조(300)로 물이 포함된 수소메탄화균(202)을 지속적으로 공급한다.
배양된 수소메탄화균(202)은 메탄발효조(300)에 지속적으로 공급되어 발효조 내에서 수소메탄화(Hydrogenotrophic methanogenesis)를 유도하고 부가적으로 수소메탄화균(202) 공급 시에 포함된 물로(배양액에 포함된 물) 메탄발효조(300)의 부하를 낮춰 메탄발효조의 안정성을 높인다.
아울러, 메탄발효조(300) 내에서의 수소메탄화 반응을 유도하기 위해 외부 수소(2000) 및 산발효조 바이오가스(101)가 메탄발효조(300)로 공급되면 기존에 바이오가스 중 40~50%를 차지하던 이산화탄소는 수소메탄화 과정을 통해 최종적으로 메탄분율 95% 이상의 업그레이드된 바이오가스(301)가 된다.
이때, 상기 수소메탄화균 배양기(200)에는 배양에 필요한 외부 이산화탄소(1000), 수소(2000)의 효율적 사용을 위해 가스 순환장치(400)가 포함될 수 있고, 상기 메탄발효조(300) 역시 바이오가스 중 남는 이산화탄소의 메탄화를 위해 가스 순환장치(400)가 포함될 수 있다.
한편, 수소메탄화균 배양기(200)에서 발생한 메탄가스는 필요에 의해 메탄발효조(300)로 공급되거나 업그레이드된 바이오가스(301)와 함께 처리될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 메탄발효조(300)는 수소메탄화(Hydrogenotrophic methanogenesis)를 위한 혐기균 및 유기산메탄화(Acetoclastic Methanogenesis)를 위한 혐기균을 동시에 우점종으로 보유하여 고순도(메탄분율 95% 이상)의 바이오가스를 생성하며, 이를 위해 고온(55~60℃)의 소화 온도조건 및 pH 7~7.5 조건에서 운전될 수 있도록 별도의 항온장치 및 pH 조절설비를 포함할 수 있다.
메탄발효조(300)의 소화 온도조건과 관련하여 유기물 부하가 높은 조건에서는 중온소화(36~40℃)보다 가스생산 능력이 뛰어난 고온소화(55~60℃)를 활용함으로써 체류시간을 줄여 더 많은 양의 원료를 처리할 수 있으며, 체류시간을 줄임으로써 산발효조(100)의 수소생산량을 늘려 외부주입 수소량을 줄일 수 있다.
또한, pH가 7 이하 또는 7.5 이상으로 적정범위에서 벗어날 경우, 대상으로 하는 메탄화균의 활성이 떨어지고, 상대적으로 pH에 덜 예민한 균이 우점화되는 등 본 발명에서 제시하는 반응과 상관없는 미생물이 우점화될 우려가 있다.
특히 pH가 7 이하로 운전될 경우 유기산(acetogensis) 등의 산 생성에 관여하는 미생물이 활성화될 수 있다.
유기산메탄화(Acetoclastic methanogenesis)는 pH 7 이하 및 8 이상에서 저해를 받으며, 수소메탄화(Hydrogenotrophic methanogenesis)는 pH 6.5 이하 및 7.5 이상에서 저해를 받기 때문에 최적 운전조건은 pH 7~7.5이다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 메탄발효조(300)는 유기산메탄균(Acetoclastic methanogen)과 수소메탄균(Hydrogenotrophic methanogen)이 공존하는 혼합균주 발효조로서, 발효조 내에 막모듈(미도시)이 설치되면 외부에서 공급된 수소가 막모듈 내로 주입되어 모듈 표면에서 미세하게 수소를 노출시켜 수소메탄균(Hydrogenotrophic methanogen)의 성장을 촉진시킬 수 있다.
막모듈 표면에서는 수소의 분율이 상대적으로 높으므로 수소메탄화균(Hydrogenotrophic methanogen)의 성장이 용이하며 수소 공급량에 따라 막표면에서 메탄균의 성장이 조절될 수 있다. 그리고 막모듈 표면에 생물막이 형성되거나 수소가 상대적으로 덜 노출되는 발효조 소화액에서는 유기산메탄균(Acetoclastic methanogen)이 우점화되어 효과적으로 혼합균주를 유지하면서 운전할 수 있다.
또한, 수소는 이산화탄소에 비하여 액상으로의 용해도가 떨어지기 때문에 별도의 장치 없이는 메탄으로 전환되지 못하고 그대로 배출될 수 있다. 이에 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 메탄발효조(300)는 세라믹 디퓨저(미도시)를 구비할 수 있으며 이 세라믹 디퓨저를 통해 수소를 미세한 크기로 공급하면 수소의 용해도를 높여 수소메탄화(Hydrogenotrophic methanogenesis)균주의 기질섭취를 용이하게 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소메탄화균 배양기(200)는 기존의 생물학적 메탄고질화 방식과는 다르게 수소메탄화균(202)의 증식을 목표로 운전되어 고압으로 운전되지 않기 때문에, 저압용 반응기로 제작되고 고압설비에 필요한 많은 부속 및 가압에 필요한 에너지를 요구하지 않는다.
즉, 기존의 생물학적 메탄고질화 방식은 수소메탄화균의 먹이로 공급되는 수소의 낮은 용해도로 인해 수소의 용해도가 반응속도의 제한 인자가 되므로 반응속도를 높이기 위해 가압을 할 수밖에 없는 구조로 되어있다.
이에 비해 본 발명의 일 실시예에 따른 수소메탄화균 배양기(200)는 메탄발효조로 공급하기 위한 수소메탄화균을 배양하기 위한 목적으로 사용되기 때문에 수소메탄화의 반응속도를 높이기 위한 가압 등을 필요로 하지 않는다.
따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 수소메탄화균 배양기(200)는 수소메탄화균 배양기(200)로 공급되는 가스의 공급과정 중에 자연스럽게 유도되는 저압으로(1~2 bar) 운전된다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소메탄화균 배양기(200)에서도 수소메탄화균의 배양과정에서 이산화탄소의 메탄전환이 낮은 속도로 부분적으로 이루어진다(외적 업그레이딩: ex-situ upgrading).
이를 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 수소메탄화균 배양기(200)는 극혐기성 조건을 만들기 위한 산소접촉 차단장치, 55~60℃를 유지하기 위한 온도조절 장치, 수소의 용해를 돕고 배양액을 교반하기 위한 교반기, 수소의 용해를 돕기 위한 멤브레인 또는 디퓨저 장치 등을 구비한다.
이와 같이 가압에 많은 에너지를 소모하고 고압반응의 제어를 위해 많은 설비가 요구되던 종래기술에 따른 수소메탄화 반응기를 수소메탄화균을 증식하기 위한 배양기(Cell Augmentor)로 사용함으로써 수소메탄화균 배양기를 저압(1~2 bar)에서 운전할 수 있게 되어 경제성, 안전성 및 편의성을 증대시킬 수 있다.
아울러 본 발명의 일 실시예와 같이 기존의 생물학적 메탄고질화 방식에 따른 수소메탄화 반응기를 수소메탄화균을 생성하기 위한 배양기(Cell Augmentor)로 사용하면 메탄발효조(300)의 메탄생성 경로(도 2 참조)별로 각 우점균을 보유하게 되어 유기산 메탄화(Acetoclastic methanogenesis) 및 수소메탄화 (Hydrogenotrophic methanogenesis)를 통해 효과적으로 메탄을 생성함으로써 종래에 사용되던 생물학적 메탄고질화 및 물리화학적 메탄고질화에 비해 더 낮은 비용으로 바이오가스 중 메탄의 순도를 높일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 생물학적 메탄 고질화 시스템의 메탄생성 경로도이다.
일반적으로 유기성 폐기물을 이용한 메탄화 반응은 탄수화물, 단백질, 지질 등과 같은 고분자를 저분자로 전환하는 가수분해과정(Hydroiysis), 가수분해 산물을 이용하여 수소와 유기산을 생산하는 산발효과정(Acetogenesis), 유기산을 메탄으로 전환하는 유기산메탄화(Acetoclastic metanogenesis)과정, 수소와 CO2를 원료로 하여 메탄을 생산하는 수소메탄화(Hydrogenotrophic metanogenesis)과정 등이 긴밀하게 연계되어 있는 매우 복잡한 생태계인 미생물 군집에 의해 진행된다.
도 2에서 메탄발효조(300)의 메탄생성 경로별 각 우점균은 메탄발효조(300)의 바이오매스 샘플에서 DNA 추출 후 Next generation sequencing (NGS) 방법으로 미생물 군집을 분석하여 확인 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 Hydrolysis(가수분해)단계에서는 Cellulomonas, Clostridia; Acidogenesis(산분해)단계에서는 Proteiniphilum, Anaerobaculum; Acetogenesis(유기산분해)단계에서는 Clostridium aceticum, Acetobacter woodii, Clostridium termoautotrophicum; Acetoclastic methanogenesis(유기산메탄화)단계에서는 Methanosarcinaceae, Methanoaetaceae; Hydrogenotrophic methanogenesis(수소메탄화)단계에서는 Methanobacteriaceae, Methanospirillaceae, Methanomicro biaceae, Methanoculleus균이 우점균으로 확인되었다.
이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 사람이라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
10: 유기성 폐기물
100: 산발효조
101: 산발효조 바이오가스
102: 산발효조 소화액
200: 수소메탄화균 배양기(Augmentor)
202: 수소메탄화균
300: 메탄발효조
301: 업그레이드된 바이오가스
302: 메탄발효조 소화액
400: 가스순환장치(Gas circulator)
1000: 이산화탄소
2000: 수소

Claims (12)

  1. 혐기성 소화기의 산 발효조(100)에서 유기성 폐기물을 발효시켜 생성된 산발효조 바이오가스(101)와 산 발효조 소화액(102)을 메탄 발효조(300)에서 메탄분율이 업그레이드된 바이오가스로 전환하는 생물학적 메탄 고질화 방법으로서,
    수소메탄화균을 증식하기 위한 수소메탄화균 배양기(200)를 별도 구비하여, 배양된 수소메탄화균의 일부를 상기 메탄 발효조(300)로 공급함으로써, 상기 메탄 발효조(300)가 수소메탄화균과 유기산메탄화균을 동시에 우점종으로 보유하도록 하는 수소메탄화균을 이용한 생물학적 메탄 고질화 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 메탄 발효조(300)가 외부로부터 수소(2000)와 이산화탄소(1000)를 공급받는 수소메탄화균을 이용한 생물학적 메탄 고질화 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수소메탄화균 배양기(200)가 외부로부터 이산화탄소(1000) 및 수소(2000)를 공급받아 수소메탄화균을 순수배양하면서, 물과 메탄가스를 생성하는 수소메탄화균을 이용한 생물학적 메탄 고질화 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 수소메탄화균 배양기(200)에서 생성된 물을 배양된 수소메탄화균(202)의 일부와 함께 메탄 발효조(300)로 공급하여 메탄 발효조(300)의 부하를 낮추어 주는 수소메탄화균을 이용한 생물학적 메탄 고질화 방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 유기성 폐기물을 발효시켜 수소가스 및 이산화탄소가 주성분인 산발효조 바이오가스(101)와, 유기산이 다량 포함된 산발효조 소화액(102)을 생성하는 산 발효조(100);
    외부로부터 이산화탄소(1000) 및 수소(2000)를 공급받아 수소메탄화균을 순수배양하면서, 물과 메탄가스를 생성하며, 상기 배양된 수소메탄화균(202)의 일부를 상기 물과 함께 하기 메탄 발효조(300)로 공급하는 수소메탄화균 배양기(200);
    상기 산 발효조(100)로부터 산발효조 바이오가스(101)와 산발효조 소화액(102)을 공급받고, 외부로부터 수소(2000)와 이산화탄소(1000)를 공급받으며, 수소메탄화균 및 유기산메탄화균을 동시에 우점종으로 보유하여 상기 산발효조 소화액(102)의 유기산으로부터 메탄을 생성하고, 상기 산발효조 바이오가스(101), 외부 수소, 이산화탄소를 메탄으로 전환하여 메탄분율이 업그레이드된 바이오가스(301)를 생성하는 메탄 발효조(300);를 포함하는 수소메탄화균을 이용한 생물학적 메탄 고질화 시스템.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
KR1020190065132A 2019-06-03 2019-06-03 수소메탄화균을 이용한 생물학적 메탄 고질화 방법 및 그 시스템 KR102059924B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190065132A KR102059924B1 (ko) 2019-06-03 2019-06-03 수소메탄화균을 이용한 생물학적 메탄 고질화 방법 및 그 시스템

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190065132A KR102059924B1 (ko) 2019-06-03 2019-06-03 수소메탄화균을 이용한 생물학적 메탄 고질화 방법 및 그 시스템

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR102059924B1 true KR102059924B1 (ko) 2019-12-27

Family

ID=69062535

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190065132A KR102059924B1 (ko) 2019-06-03 2019-06-03 수소메탄화균을 이용한 생물학적 메탄 고질화 방법 및 그 시스템

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102059924B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220152732A (ko) 2021-05-10 2022-11-17 서울시립대학교 산학협력단 미세기포 발생장치를 결합한 고효율 메탄화 반응기

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20040054962A (ko) 2002-12-20 2004-06-26 송영채 중온혐기성소화조에 고온혐기성소화조가 내부적으로 연결된 온도공상공정에 의한 유기성폐수 및 폐기물의 혐기성소화방법
KR20140067853A (ko) 2012-11-27 2014-06-05 에스티엑스조선해양 주식회사 선박의 밸러스트 탱크 내 혐기성 미생물을 이용한 이산화탄소의 메탄 전환 방법 및 그 시스템
KR20180007519A (ko) 2016-07-13 2018-01-23 이이알앤씨 주식회사 바이오 가스로부터 메탄 회수율을 향상시킬 수 있는 다단 분리막 시스템

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20040054962A (ko) 2002-12-20 2004-06-26 송영채 중온혐기성소화조에 고온혐기성소화조가 내부적으로 연결된 온도공상공정에 의한 유기성폐수 및 폐기물의 혐기성소화방법
KR20140067853A (ko) 2012-11-27 2014-06-05 에스티엑스조선해양 주식회사 선박의 밸러스트 탱크 내 혐기성 미생물을 이용한 이산화탄소의 메탄 전환 방법 및 그 시스템
KR20180007519A (ko) 2016-07-13 2018-01-23 이이알앤씨 주식회사 바이오 가스로부터 메탄 회수율을 향상시킬 수 있는 다단 분리막 시스템

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Appl. Microbiol. Biotechnol., Vol. 97, pp. 1373-1381 (2012.11.11.) *
Applied Energy, Vol. 180, pp. 483-490 (2016.08.09.) *
Biotechnology Advances, Vol. 36, pp. 707-720 (2017.12.14.)* *
J. of KOWREC, Vol. 10, pp. 7-23 (2002.) *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220152732A (ko) 2021-05-10 2022-11-17 서울시립대학교 산학협력단 미세기포 발생장치를 결합한 고효율 메탄화 반응기

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Lecker et al. Biological hydrogen methanation–a review
Zabranska et al. Bioconversion of carbon dioxide to methane using hydrogen and hydrogenotrophic methanogens
Sarker et al. Overview of recent progress towards in-situ biogas upgradation techniques
US10633622B2 (en) Integrated system for hydrogen and methane production from industrial organic wastes and biomass
Burkhardt et al. Long term and demand-oriented biocatalytic synthesis of highly concentrated methane in a trickle bed reactor
Chen et al. Biological hydrogen production in an anaerobic sequencing batch reactor: pH and cyclic duration effects
Contreras-Dávila et al. Continuous hydrogen production from enzymatic hydrolysate of Agave tequilana bagasse: Effect of the organic loading rate and reactor configuration
Díaz et al. Effect of operating pressure on direct biomethane production from carbon dioxide and exogenous hydrogen in the anaerobic digestion of sewage sludge
EP2521768B1 (en) Apparatus and preculture tank for biomethanation of biomass
US20190309256A1 (en) Membrane bioreactor for biological upgrading of biogas and conversion of co2 to methane
US9222108B2 (en) Bioreactor process for production of hydrogen from biomass
Wahid et al. The effect of mixing rate and gas recirculation on biological CO2 methanation in two-stage CSTR systems
Pokorna et al. Adaptation of anaerobic culture to bioconversion of carbon dioxide with hydrogen to biomethane
KR102059924B1 (ko) 수소메탄화균을 이용한 생물학적 메탄 고질화 방법 및 그 시스템
JP3885868B2 (ja) 水素生産方法及び装置
KR100853287B1 (ko) 축산폐수처리 소화시스템 및 이를 이용한 처리소화방법
JP4844951B2 (ja) 生ごみと紙ごみの処理方法およびその装置
KR101756446B1 (ko) 유기성 폐기물 및 가축분뇨를 혐기소화하여 감량화 및 바이오가스를 생산하는 시스템 및 그 운영방법
KR102463900B1 (ko) 미생물 전기 분해 전지를 포함하는 바이오수소 생산용 시스템
Redondas et al. Effect of methanogenic effluent recycling on continuous H2 production from food waste
KR100692249B1 (ko) 고효율 축산폐수처리소화 시스템 및 이를 이용한 처리소화방법
KR102093895B1 (ko) 생물학적 바이오가스 고질화 방법 및 그 시스템
Van Andel et al. Anaerobic waste water treatment
JP2008080336A (ja) バイオガス発生装置及び方法
KR20090129786A (ko) 낮은 ｐＨ 조건에서의 메탄 생성 미생물 활성 억제제 및가스 퍼징을 이용한 유기성 폐기물로부터의 바이오 수소가스 생산 장치 및 방법

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant