KR102107013B1 - 해양 미생물을 이용한 수소 및 미세조류의 복합 생산 방법 및 그 복합 생산 시스템 - Google Patents

해양 미생물을 이용한 수소 및 미세조류의 복합 생산 방법 및 그 복합 생산 시스템 Download PDF

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Abstract

해양 미생물을 이용한 수소 및 미세조류의 복합 생산 방법 및 그 복합 생산 시스템이 개시된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 해수, 일산화탄소 함유가스 및 영양분을 해양 미생물 반응기에 투입하여 해양 미생물을 이용한 소정의 반응을 일으키는 단계; 상기 해양 미생물을 이용한 반응에 의해 수소 및 이산화탄소를 생성하는 단계; 생성된 상기 수소 및 상기 이산화탄소를 정제하여 각각 분리하는 단계; 및 분리된 상기 이산화탄소를 제2 해수와 함께 미세 조류 배양기로 투입하여 미세조류를 배양하여 생산하는 단계를 포함하는, 해양 미생물을 이용한 수소 및 미세조류의 복합 생산 방법이 제공될 수 있다.

Description

해양 미생물을 이용한 수소 및 미세조류의 복합 생산 방법 및 그 복합 생산 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR COMPLEX PRODUCTION OF HYDROGEN AND MICROALGAE}
본 발명은 해양 미생물을 이용한 수소 및 미세조류의 복합 생산 방법 및 그 복합 생산 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 수소의 제조 방법에는 물의 전기분해, 천연가스나 나프타의 열분해(thermal-cracking) 또는 수증기 개질법(steam reforming) 등이 있다. 그러나 이러한 방법들은 다시 화석연료를 사용하여 고온, 고압 조건을 만들어야 하는 문제가 있으며, 일산화탄소를 포함한 혼합가스를 발생시키므로 그러한 가스로부터 일산화탄소를 제거하여야 하는 어려운 문제를 발생시킨다.
한편, 미생물을 이용한 바이오 수소 제조 방법은 별도의 에너지를 투입하여 고온, 고압 조건을 만들 필요가 없고, 다양한 공정(예컨대, 제철소 부생가스, 석탄 열분해가스, 석탄 합성가스 등)에서 발생되는 부산물로써 생성된 일산화탄소를 포함하는 가스를 원료로 이용할 수 있다는 장점이 있다. 이러한 바이오 수소 제조 방법은 크게 광합성 미생물을 이용하는 것과 비광합성 미생물(주로 혐기성 미생물)을 이용하는 것으로 구분될 수 있다.
최근에는 비광합성 미생물인 혐기성 미생물을 이용하여 수소를 생산하는 방법에 대한 연구가 활발히 이어지고 있다. 일산화탄소와 물로부터 수소에너지를 생산할 수 있는 혐기성 미생물은 예를 들어, 파푸아뉴기니 근처 공해상 심해 열수구로부터 분리, 동정한 써모코커스속 균(Thermococcus spp.)을 들 수 있다(Journal of Microbiology Biotechnology 2006 vol. 16. No. 11. 1826-1831, Nature 2010 vol. 467 No. 7313).
이러한 해양 미생물을 활용한 바이오 수소 제조 공정에서는 수소와 이산화탄소가 함께 생성되며, 고순도의 수소를 생산하기 위해 추가적으로 이산화탄소의 분리 공정이 수반되어야 한다.
종래에는 이산화탄소의 처리 기술을 물리적, 화학적, 생물학적 방법으로 나눌 수 있다. 물리적 방법은 액화 이산화탄소 제조를 통한 저장방법으로, 에너지 투입량이 많다는 단점이 있다. 화학적 방법은 흡수, 흡착 및 화학적 전환 등이 있으나, 대부분 고온 또는 고압의 반응 조건이 필요하며 그에 따른 에너지 소비가 높다.
그러나, 생물학적 방법인 미세 조류를 이용한 제거 기술은 별도의 에너지를 투입하여 고온 또는 고압의 조건을 만들 필요가 없고, 에너지 소비량이 물리, 화학적 방법에 비해 매우 낮은 친환경적인 방법이다. 이에 최근 미세조류는 이산화탄소의 처리를 위한 높은 잠재적 활용 가능성으로 인해 국내외적으로 주목받고 있다.
한편, 미세조류는 해수와 일정 온도의 조건에서 이산화탄소를 고정하여 광합성을 하며 생장하는데, 종래에는 미세조류의 생장에 필요한 이산화탄소를 발전소 배기가스로부터 얻는다. 그러나, 발전소 배기가스를 이용하는 방법에 있어서는 미세 입자류, 황산화물, 질소산화물 등의 다양한 조성으로 미세조류의 원활한 생장을 위해 입자 제거설비 및 가스 정제장치를 발전소 설비에 추가로 설치해야 하므로, 경제적이지 못하다는 문제가 있다.
한국등록특허 제10-1833853호 (2018.02.23. 등록)
본 발명의 실시예들은, 바이오 수소 제조 과정에서 부산물로 생성되는 이산화탄소를 미세조류의 배양을 위한 원료로 공급하여 고품질의 미세조류를 생산하는 한편, 바이오 수소 제조 과정에서는 자연스럽게 이산화탄소가 분리됨으로써 고순도의 수소를 생산할 수 있는 해양 미생물을 이용한 수소 및 미세조류의 복합 생산 방법 및 그 복합 생산 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 해수, 일산화탄소 함유가스 및 영양분을 해양 미생물 반응기에 투입하여 해양 미생물을 이용한 소정의 반응을 일으키는 단계; 상기 해양 미생물을 이용한 반응에 의해 수소 및 이산화탄소를 생성하는 단계; 생성된 상기 수소 및 상기 이산화탄소를 정제하여 각각 분리하는 단계; 및 분리된 상기 이산화탄소를 제2 해수와 함께 미세 조류 배양기로 투입하여 미세조류를 배양하여 생산하는 단계를 포함하는 해양 미생물을 이용한 수소 및 미세조류의 복합 생산 방법이 제공될 수 있다.
또한 상기 미세조류를 배양하여 생산하는 단계에서 생산된 상기 미세조류를 탈수 및 건조하여 건조 미세조류를 생산하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한 상기 미세조류를 배양하여 생산하는 단계에서 생산된 상기 미세조류 중 적어도 일부는 상기 소정의 반응을 일으키는 단계로 투입되어 상기 영양분의 적어도 일부로 사용될 수 있다.
또한 상기 미세조류는 이스트와 혼합하여 상기 해양 미생물 반응기에 투입되거나, 단독으로 상기 해양 미생물 반응기에 투입될 수 있다.
또한 상기 해양 미생물 반응기로부터 해양 미생물과 해수를 포함하는 폐 매질이 배출되고, 상기 폐 매질은 상기 제2 해수의 적어도 일부로 사용될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1 해수, 일산화탄소 함유가스 및 영양분이 투입되어 해양 미생물을 이용한 소정의 반응이 수행되는 해양 미생물 반응기; 상기 해양 미생물 반응기에서 생성된 수소 및 이산화탄소를 정제하여 각각 분리하는 수소 정제기; 및 상기 수소 정제기에서 분리된 상기 이산화탄소와 제2 해수가 투입되어 미세조류가 배양, 생산되는 미세 조류 배양기를 포함하는, 해양 미생물을 이용한 수소 및 미세조류의 복합 생산 시스템을 제공할 수 있다.
여기서 본 발명의 다른 실시예는 상기 미세조류 배양기에서 생산된 상기 미세조류를 탈수 및 건조하여 건조 미세조류를 생산하는 탈수/건조기를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 실시예에 의하면, 하나의 공정으로 고순도의 수소 및 고품질의 미세조류를 생산할 수 있고 이에 따른 건설비를 저감할 수 있다.
또한, 미세조류 배양 과정에서 생산된 미세조류를 바이오 수소 생산 공정에 영양분으로 공급할 수 있기 때문에 공정 운영비를 절감할 수 있으며, 바이오 수소 생산 과정에서 수소의 분리 후 대기로 배출되어야 할 이산화탄소를 미세조류 배양에 활용함으로써 바이오 수소 생산 공정에서 이산화탄소의 제거 공정을 최소화 또는 생략할 수 있는바, 이산화탄소의 배출 감소로 환경 친화적인 공정의 실현이 가능한 장점이 있다.
또한, 바이오 수소 생산 과정에서 배출되는 폐 매질을 미세조류 배양 과정에서 재활용하기 때문에 폐 매질의 별도 처리가 불필요하므로 폐기물 처리 비용을 절약할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 해양 미생물을 이용한 수소 및 미세조류의 복합 생산 방법을 설명한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 해양 미생물을 이용한 수소 및 미세조류 복합 생산 방법의 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 해양 미생물 반응 단계에 투입되는 영양분의 종류에 따른 바이오 수소의 생산량을 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 작용에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 설명은 특허 청구 가능한 본 발명의 여러 측면(aspects) 중 하나이며, 하기의 설명은 본 발명에 대한 상세한 기술의 일부를 이룰 수 있다.
다만, 본 발명을 설명함에 있어 공지된 구성 또는 기능에 관한 구체적인 설명은 본 발명을 명료하게 하기 위해 생략할 수 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예들을 포함할 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 해양 미생물을 이용한 수소 및 미세조류의 복합 생산 방법 및 복합 생산 시스템에 대하여 설명한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 해양 미생물을 이용한 수소 및 미세조류의 복합 생산 방법에 있어서는, 먼저 해수와 일산화탄소 함유가스 및 영양분(예컨대, 이스트)을 해양 미생물 반응기(100)에 투입하고 해양 미생물을 이용한 반응을 일으키는 단계가 수행된다(S10).
여기서 해수에는 해양 미생물이 포함되어 있기 때문에 해양 미생물을 이용한 생물학적 반응이 가능하다. 이때 해수는 아래의 미세조류 배양에서 투입되는 해수와 구별하기 위해 편의상 제1 해수라고 정의한다.
상기한 해양 미생물 반응은 기본적으로 일산화탄소(CO)와 물(H2O)을 반응물로 하여 수소(H2)와 이산화탄소(CO2)를 생성할 수 있다. 따라서 해양 미생물 반응에 사용되는 해양 미생물 반응기(100)에는 수소 생산을 위하여 해양 미생물이 포함된 제1 해수와 일산화탄소 함유가스 및 영양분이 공급되며, 기 설정된 온도와 압력에서 수소와 이산화탄소가 생성될 수 있다.
이때 생성되는 수소와 이산화탄소는 몰비 기준으로 1:1로 생성된다. 또한, 해양 미생물 반응을 수행하는 해양 미생물 반응기(100)에서는 해양 미생물의 사체가 포함된 해수가 배출되는데, 이를 폐 매질로 정의한다. 종래에는 이러한 폐 매질을 별도로 처리하기 위한 설비 및 공정이 필요하였으나, 본 발명의 일 실시예는 이 폐 매질이 후술하게 될 미세조류 배양 공정에 투입되는 제2 해수의 적어도 일부로 사용되므로 별도의 폐 처리가 생략될 수 있는 장점이 있다.
한편, 생성된 수소 및 이산화탄소를 수소 정제기(200)에서 정제하여 고순도의 수소 및 이산화탄소로 각각 분리할 수 있다(S20). 여기서 분리된 이산화탄소는 제2 해수와 함께 미세조류 배양기(300)에 투입되어 미세조류를 배양시킬 수 있다(S30).
이와 같이 해양 미생물 반응을 이용한 바이오 수소 생산 과정(S10~S20)에서 부산물로 생성된 이산화탄소를 미세조류 배양기(300)에 공급함으로써 미세조류 배양에 필요한 원료로서의 이산화탄소를 외부에서 별도로 공급받지 않아도 되는바, 이에 따라 수소 생산 과정에서 부수적으로 생성된 이산화탄소의 활용도를 높일 수 있다. 따라서, 수소 생산 과정에서 부산물로 생성된 이산화탄소를 대기 중으로 방출하지 않고 미세조류 배양 단계에서 활용함으로써 이산화탄소의 대기 방출량을 줄임과 동시에 미세조류를 생산할 수 있게 된다.
이때 생산된 미세조류는 해양 미생물 반응기(100)에 일정량 투입되어 해양 미생물 반응 단계(S10)에 투입되는 영양분으로서 사용될 수 있다. 예컨대, 탄소 함량이 대략 50% 내외인 미세조류는 해양 미생물 반응 단계(S10)에서 미생물 반응을 수행하기 위한 영양분으로 활용될 수 있다.
구체적으로, 미세조류 배양 단계(S30)를 통해 생산된 미세조류는 바이오 수소 생산 단계(S10~S20)의 영양분으로 사용되는 이스트와 적절한 비율로 혼합하여 해양 미생물 반응 단계(S10)에 투입될 수 있다. 또한, 이 미세조류는 이스트와 같은 다른 영양분을 전혀 혼합하지 않고 미세조류의 전량을 해양 미생물 반응 단계(S10)에 투입하여 영양분으로 활용할 수 있다.
여기서, 도 3은 영양분의 종류에 따른 바이오 수소의 생산량을 나타낸 그래프로서, 본 실시예는 미세조류를 이용하여 이스트와 같은 영양분의 대체 원료로 활용 가능한지 여부를 판단하기 위해 아래와 같은 조건의 실험을 진행하였다.
<실험예>
Base 영양분 (탄소, 질소 공급원)
해수,
CO 함유 가스		 1. 대조군 : Yeast extract 1.0 g/L
2. Yeast extract 0.5 g/L + chlorella 0.5 g/L
3. Yeast extract 0.5 g/L + spilulina 0.5 g/L
4. Chlorella 1.0 g/L
5. Spilulina 1.0 g/L
6. Chlorella 1.0 g/L(centrifugation)
7. Spilulina 1.0 g/L(centrifugation)
도 3을 참조하면, 미세조류는 chlorella와 spilulina 2종을 이용하였으며, 이스트 공급을 대조군으로 하여 총 7가지의 배지에서 미생물을 배양하여 8, 24, 30, 50 시간 동안의 수소 생산량을 측정하였다.
실험 결과, 미세조류를 바이오 수소 생산을 위한 미생물의 영양분으로 공급하는 것은 가능성이 있는 것으로 나타났으며, 24 시간 기준, spilulina를 원심 분리하여 공급했을 경우, 이스트에 비해 약 50% 정도 수소 생산량을 나타내어 영양분의 일부는 미세조류로 활용이 가능할 것으로 판단된다.
상기한 바와 같은 실험을 통해 알 수 있는 바와 같이, 미세조류 배양 단계(S30)를 통해 생산된 미세조류는 해양 미생물 반응 단계(S10)로 투입되어 영양분의 적어도 일부로 사용될 수 있다. 다시 말해, 미세조류는 이스트와 혼합하여 해양 미생물 반응 단계에 투입될 수도 있고, 이스트와 같은 다른 영양분을 전혀 혼합하지 않고 미세조류만을 전량 해양 미생물 반응 단계에 투입할 수도 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예는 상기한 미세조류의 배양 단계(S30)에서 생산된 미세조류를 탈수/건조기(400)에서 탈수, 건조하여 건조 미세조류를 생산할 수 있다(S40).
또한, 상기한 바와 같은 해양 미생물 반응 단계(S10)에서는 해양 미생물의 사체와 해수를 포함하는 폐 매질이 배출되는바, 본 발명의 일 실시예는 상기 폐 매질을 미세조류 배양(S30)에 투입되는 제2 해수의 적어도 일부로 사용될 수 있다.
이와 같이 바이오 수소 생산 공정(S10~S20)과 미세조류 배양 공정(S30)은 모두 해수가 기본이 되는 공정이기 때문에 각 공정에서 생산 또는 배출되는 부산물, 생산물, 배출물을 공유할 수 있는바, 이에 따라 하나의 공정으로 고순도의 수소 및 고품질의 미세조류를 생산할 수 있고 이에 따른 건설비를 저감할 수 있다.
또한, 미세조류 배양 공정에서 생산된 미세조류를 바이오 수소 생산 공정에 영양분으로 활용할 수 있기 때문에 공정 운영비를 절감할 수 있다. 뿐만 아니라, 바이오 수소 생산 공정에서 수소의 분리 후 대기로 배출되어야 할 이산화탄소를 미세조류 배양에 활용함으로써 바이오 수소 생산 공정에서는 이산화탄소의 제거 공정을 최소화 또는 생략할 수 있으며, 이산화탄소의 배출 감소로 환경 친화적인 공정의 실현이 가능하다.
또한, 바이오 수소 생산 공정에서 배출되는 폐 매질을 미세조류 배양 공정에서 재활용하기 때문에 폐 매질의 별도 처리가 불필요한 바, 이에 따라 폐기물 처리 비용을 절약할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 설명된 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범위 내에서 얼마든지 구성요소의 치환과 변경이 가능한 바, 이 또한 본 발명의 권리에 속하게 된다.
100 : 해양 미생물 반응기
200 : 수소 정제기
300 : 미세조류 배양기
400 : 탈수/건조기

Claims (7)

  1. 제1 해수, 일산화탄소 함유가스 및 영양분을 해양 미생물 반응기에 투입하여 해양 미생물을 이용한 소정의 반응을 일으키는 단계;
    상기 해양 미생물을 이용한 반응에 의해 수소 및 이산화탄소를 생성하는 단계;
    생성된 상기 수소 및 상기 이산화탄소를 정제하여 각각 분리하는 단계; 및
    분리된 상기 이산화탄소를 제2 해수와 함께 미세 조류 배양기로 투입하여 미세조류를 배양하여 생산하는 단계를 포함하고,
    상기 해양 미생물 반응기로부터 상기 수소 및 상기 이산화탄소를 생성하는 공정을 통하여 형성된 해양 미생물의 사체와 해수를 포함하는 폐 매질이 배출되고, 상기 폐 매질은 상기 제2 해수의 적어도 일부로 사용되며,
    상기 미세조류를 배양하여 생산하는 단계에서 상기 폐 매질을 이용하여 생산된 상기 미세조류 중 적어도 일부는 상기 소정의 반응을 일으키는 단계로 투입되어 상기 영양분의 적어도 일부로 사용되는,
    해양 미생물을 이용한 수소 및 미세조류의 복합 생산 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 미세조류를 배양하여 생산하는 단계에서 생산된 상기 미세조류를 탈수 및 건조하여 건조 미세조류를 생산하는 단계를 더 포함하는,
    해양 미생물을 이용한 수소 및 미세조류의 복합 생산 방법.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 미세조류는 이스트와 혼합하여 상기 해양 미생물 반응기에 투입되거나, 단독으로 상기 해양 미생물 반응기에 투입되는,
    해양 미생물을 이용한 수소 및 미세조류의 복합 생산 방법.
  5. 삭제
  6. 제1 해수, 일산화탄소 함유가스 및 영양분이 투입되어 해양 미생물을 이용한 소정의 반응이 수행되는 해양 미생물 반응기;
    상기 해양 미생물 반응기에서 생성된 수소 및 이산화탄소를 정제하여 각각 분리하는 수소 정제기; 및
    상기 수소 정제기에서 분리된 상기 이산화탄소와 제2 해수가 투입되어 미세조류가 배양, 생산되는 미세 조류 배양기를 포함하고,
    상기 해양 미생물 반응기로부터 상기 수소 및 상기 이산화탄소를 생성하는 공정을 통하여 형성된 해양 미생물의 사체와 해수를 포함하는 폐 매질이 배출되고, 상기 폐 매질은 상기 제2 해수의 적어도 일부로 사용되며,
    상기 미세 조류 배양기에서 상기 폐 매질을 이용하여 생산된 상기 미세조류 중 적어도 일부는 상기 해양 미생물 반응기로 투입되어 상기 영양분의 적어도 일부로 사용되는,
    해양 미생물을 이용한 수소 및 미세조류의 복합 생산 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 미세조류 배양기에서 생산된 상기 미세조류를 탈수 및 건조하여 건조 미세조류를 생산하는 탈수기 및 건조기 중 하나 이상을 더 포함하는,
    해양 미생물을 이용한 수소 및 미세조류의 복합 생산 시스템.
KR1020190013913A 2019-02-01 2019-02-01 해양 미생물을 이용한 수소 및 미세조류의 복합 생산 방법 및 그 복합 생산 시스템 KR102107013B1 (ko)

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