KR102379997B1 - 석탄의 메탄전환용 생물전기화학 장치 및 이를 이용한 석탄의 메탄 전환 방법 - Google Patents

석탄의 메탄전환용 생물전기화학 장치 및 이를 이용한 석탄의 메탄 전환 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 석탄, 식종미생물 및 효모추출물을 함유한 배지가 주입된 생물 전기화학 장치에 전계를 형성하여 전기활성 미생물을 우점시키고 이들 사이의 종간 직접 전자전달을 활성화 시켜 석탄으로부터 메탄을 생산한다. 또한, 석탄의 메탄반응이 완료된 경우에도 식종미생물과 효모추출물을 포함한 배지를 추가하여 잔류한 중간생성물로부터 지체기 없이 메탄을 고수율로 생성한다.
본 발명은 전계를 형성하여 전기활성 미생물의 직접 종간 전자전달을 활성화하는 방법으로 반응물 내부에 고르게 체외전자방출균과 전자영양메탄균을 우점시키고 이들 사이의 전자전달을 활성화시켜 석탄의 메탄전환율을 향상시키는 장점이 있다.
본 발명의 생물 전기화학 장치를 이용한 석탄의 메탄 전환 방법은 미생물과 영양물질을 추가해 줌으로써 가수분해 중간생성물의 독성으로 인한 영향을 감소시키고 메탄 생성반응에 필요한 지체기를 최소화하는 장점이 있다. 따라서 지속적으로 메탄 전환 반응이 가능하게 되어 높은 석탄의 메탄 전환 수율을 보이게 된다.

Description

석탄의 메탄전환용 생물전기화학 장치 및 이를 이용한 석탄의 메탄 전환 방법{Bioelectrochemical Device for Methane Conversion of Coal And Methane Conversion Method of Coal}
본 발명은 석탄의 메탄전환을 위한 생물전기화학 장치 및 이를 이용한 석탄의 메탄전환 방법에 관한 것이다. 상세하게는 분말석탄과 혐기성 식종미생물 및 효모추출물을 함유한 배지에 전계를 형성함으로서 체외전자방출균과 전자영양메탄균을 우점화시키고, 이들 사이의 직접종간전자전달을 촉진시켜 석탄을 메탄으로 전환하는 생물전기화학장치와 석탄의 메탄전환이 종료되는 시점에 식종미생물과 효모추출물을 보충하여 석탄의 메탄전환 후에 남은 잔여 물질로부터 추가로 메탄을 생산하는 석탄의 메탄전환 방법에 관한 것이다.
석탄은 다른 화석연료 에너지원에 비하여 지구상에 고르게 가장 많이 분포하는 풍부한 천연 에너지원으로서 현대문명의 발전에 크게 기여하여 왔다. 그러나, 석탄은 연소하는 과정에서 분진과 이산화탄소, 황산화물, 질소산화물과 같은 오염물질을 다량 방출한다. 석탄은 현재 오염 에너지원으로 분류되고 있으며 사용량이 점차 감소하고 있다. 한편, 천연가스는 사용하기 편리하고 에너지함량이 높은 우수한 에너지원으로 온난화지수가 상대적으로 낮은 환경친화적인 에너지원이다. 따라서, 최근에는 새로운 에너지원으로서 석탄에서 생성된 메탄에 대한 관심이 급증하고 있다. 특히, 석탄층에 존재하는 메탄은 중요한 천연 가스 자원으로 주목을 받고 있으며, 현장에서 및 현장 외에서 석탄으로부터 메탄을 생산을 늘리기 위하여 노력하고 있다.
석탄의 메탄전환은 열화학적 및 생물학적으로 이루어질 수 있다. 그러나, 열화학적인 석탄의 메탄전환은 고온고압에서 이루어지기 때문에 에너지 사용량이 많고 오염물질인 다양한 부산물들을 다량 발생시킨다는 단점이 있다. 석탄의 생물학적인 메탄전환은 주로 수분함량이 많고 탄화과정이 진행 중인 저급탄을 대상으로 하는데 상대적으로 낮은 온도 및 압력의 온화한 조건에서 이루어지기 때문에 환경친화적이다.
저급탄에서 메탄으로 전환될 수 있는 유기물은 주로 리그닌과 같이 소수성 물질들이다. 이러한 물질들이 가수분해 및 생물학적인 발효과정을 통하여 메탄으로 전환되는 과정에서는 석탄의 가수분해에서 생성되는 풀빅산, 휴믹산 계열의 다양한 가수분해생성물과 이들이 발효하여 생성되는 다환 방향족 탄화수소 및 지방족 화합물과 같은 물질들이 중간생성물로 생성된다. 석탄의 메탄전환에 관여하는 미생물은 석탄의 가수분해생성물 및 이들의 발효과정에서 생성되는 다양한 중간생성물들에 의한 독성에 의해 성장이 억제되거나 사멸하게 되어 메탄생성반응이 정상적으로 일어날 수 없었다. 일부 미생물은 중간생성물들의 독성에 적응하여 소량의 메탄을 생산하기도 하였으나 긴 적응기가 필요하였으며, 메탄전환에 30일 내지 90일의 긴 시간이 필요하였다.
지금까지 석탄의 생물학적인 메탄전환반응을 향상시키기 위하여 i) 분쇄 및 계면활성제 주입 등의 방법을 이용하여 석탄의 생물이용도를 높이는 방법, ii) 석탄분해능력이 큰 미생물을 선별하여 주입하는 생물증강법, iii) 석탄분해에 관여하는 미생물의 활성을 높이기 위하여 질소, 인과 같은 영양분을 주입하는 방법 등의 다양한 방법들이 시도되어 왔다. 그러나, 여전히 1g의 석탄에서 얻을 수 있는 메탄 수율은 석탄의 종류에 따라 차이가 있지만 수십 ㎕에서 수 ㎖에 머물고 있어 아직까지 석탄의 메탄전화기술은 상업성이 없었다.
따라서, 석탄의 메탄전환에 관여하는 미생물들이 가수분해 및 발효과정에서 생성되는 중간생성물들의 독성에 의해 받는 성장저해를 줄이고 미생물의 활성을 계속 유지할 수 있다면 석탄으로부터 메탄생산속도와 메탄생산수율을 향상시켜 상업적으로 이용할 수 있다. 이러한 석탄의 메탄전환법은 매장량이 풍부하지만 에너지원으로서 가치가 낮은 고수분 저급석탄을 에너지 효율이 높고 청정한 에너지원인 천연가스로 전환 할 수 있는 재생에너지 생산기술이 될 수 있다.
본 명세서에서 언급된 특허문헌 및 참고문헌은 각각의 문헌이 참조에 의해 개별적이고 명확하게 특정된 것과 동일한 정도로 본 명세서에 참조로 삽입된다.
한국공개특허 10-2018-011051
Davis, K.J.; Lu, S.; Barnhart, E.P.; Parker, A.E.; Fields, M.W.; Gerlach, R. Type and amount of organic amendments affect enhanced biogenic methane production from coal and microbial community structure. Fuel 2018, 211, 600-608. Piao, D.M.; Song, Y.C.; Kim, D.H. Bioelectrochemical Enhancement of Biogenic Methane Conversion of Coal. energies. 2018, Energies 2018, 11(10), 2577; doi:10.3390/en11102577 Wang, B.; Tai, C.; Wu, L.; Chen, L.; Liu, J.M.; Hu, B.; Song, D. Methane production from lignite through the combined effects of exogenous aerobic and anaerobic microflora. Int. J. Coal Geol. 2017, 173, 84-93. Fallgren, P.H., Zeng, C.P., Ren, Z.Y., Lu, A.H., Ren, S.J., Jin, S., Feasibility of microbial production of new natural gas from non-gas-producting lignite. Int. J. Coal Geol. 2013, 115, 79-84.
본 발명은 석탄의 생물학적인 메탄전환과 관련된 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 석탄의 메탄전환을 위한 생물 전기화학 장치에 분말 석탄과 혐기성 식종미생물과 효모추출물을 함유한 배지를 주입하고 전계를 형성함으로서 체외전자방출균(exoelectrogens)과 전자영양메탄균(electrotrophic methanogens)을 우점화시키고 이들 사이의 직접종간전자전달을 촉진시켜 석탄의 메탄전환을 빠르게 수행할 수 있는 생물전기화학장치와 석탄의 메탄 전환이 종료되는 시점에 혐기성 식종미생물과 효모추출물을 함유한 배지를 보충하여 석탄의 메탄전환과정에서 남은 잔여 중간 생성물로부터 추가로 메탄을 빠르게 생산하는 생물전기화학 메탄 전환 방법을 제공한다.
따라서 본 발명의 목적은 석탄으로부터 메탄을 생성하는 생물 전기화학 장치; 상기 생물 전기화학 장치의 내부에 위치하며 뚜껑을 관통하여 회전이 가능하도록 연결된 회전축 및 상기 회전축에 결합되어 반응물을 교반시키는 교반날개를 포함하는 교반기; 유전물질로 피복된 절연 전극이 상기 회전축 및 상기 생물 전기화학 장치의 내부벽을 감싸 환형으로 설치되는 절연전극 쌍;을 포함하며 외부 직류전원을 이용하여 상기 절연 전극쌍에 전위차를 만듬으로서 전계가 형성되면, 체외전자방출균과 전자영양메탄균이 우점하게 되어 직접종간전자전달이 활성화되므로 석탄의 메탄전환이 극대화되는 것을 특징으로 하는 생물 전기화학 장치를 제공하는데 있다.
또한 본 발명의 다른 목적은 석탄 분말을 준비하는 제 1 단계; 혐기성소화슬러지를 이용하여 혐기성 식종미생물을 준비하는 제 2 단계; 생물 전기화학 장치에 상기 석탄분말, 식종미생물, 효모추출물을 함유한 배지를 주입하고 직류전원을 이용하여 절연전극 쌍에 전위차를 발생시킴으로서 석탄의 메탄 전환 반응을 실시하는 제 3 단계; 상기 메탄 전환 반응이 완료되면 상기 식종미생물 및 효모추출물을 함유한 배지를 추가하고 직류전원을 이용하여 절연전극 쌍에 전위차를 발생시켜 전계를 형성시킴으로서 석탄 메탄전환 반응에서 남은 잔류 물질로부터 메탄을 생성하는 제 4 단계; 를 포함하는 석탄의 생물전기화학 메탄 전환 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적 및 기술적 특징은 이하의 발명의 상세한 설명, 청구의 범위 및 도면에 의해 보다 구체적으로 제시된다.
본 발명은 석탄으로부터 메탄을 생성하는 혐기성 반응조; 상기 생물 전기화학 장치의 내부에 위치하며 뚜껑을 관통하여 회전이 가능하도록 연결된 회전축 및 상기 회전축에 결합되어 반응물을 교반시키는 교반날개를 포함하는 교반기; 유전물질로 피복된 절연 전극을 상기 회전축 외부벽 및 상기 혐기성 반응조의 내부벽을 감싸 환형으로 설치되는 절연전극 쌍;을 포함하며 외부로부터 직류전원을 이용하여 상기 절연 전극 쌍에 전위차를 발생시켜 전계를 형성시킴으로서 체외전자방출균과 전자영양메탄균을 포함한 전기활성균을 우점시키고 이들 사이에 직접 종간전자전달을 활성화하는 것을 특징으로 하는 생물 전기화학 장치를 제공한다.
상기 교반기의 교반날개의 양단은 상기 절연전극 쌍 사이에 위치하여 생물 전기화학 장치 반응물의 교반효과를 향상시킨다.
상기 전기활성균은 체외 전자 방출균 및 전자영양메탄균을 포함하며 생물 전기화학 장치에 형성된 전계에 의하여 우점되며, 이들 사이의 직접 종간 전자전달(direct interspecies electron transfer)이 활성화되어 석탄을 메탄으로 효과적으로 전환시키게 된다.
본 발명은 석탄(coal) 분말을 준비하는 제 1 단계; 혐기성소화슬러지를 이용하여 식종미생물을 준비하는 제 2 단계; 생물 전기화학 장치에 상기 석탄분말, 식종미생물, 효모추출물을 함유한 배지를 주입하고 직류전원을 이용하여 절연전극 쌍에 전위차를 발생시킴으로서 1차 석탄의 메탄 전환 반응을 실시하는 제 3 단계; 상기 1차 메탄 전환 반응이 완료되면 상기 식종미생물 및 효모추출물을 함유한 배지를 추가하고 직류전원을 이용하여 절연전극 쌍에 전위차를 발생시켜 전계를 형성시킴으로서 1차 석탄의 메탄전환 반응 이후에 남은 잔여 중간생성물들로부터 2차 메탄 전환반응을 실시하는 제 4 단계;를 포함하는 석탄의 생물전기화학 메탄 전환 방법을 제공한다.
본 발명의 생물전기화학 메탄 전환 방법은 상기 절연전극 쌍 사이의 거리가 3 내지 5 ㎝가 바람직하며, 절연전극 쌍에 1.0 V 내지 2.5 V를 인가하는 방법으로 생성된 전계에 생물 전기화학 장치의 반응물을 노출시킨다.
본 발명은 분말 석탄을 함유한 생물 전기화학 장치에 효모추출물과 식종미생물을 주입한뒤 전계를 형성시켜 체외전자방출균과 전자영양메탄균을 우점시키고 이들 사이의 종간 직접 전자전달을 활성화시켜 석탄의 메탄전환 반응을 효율적으로 수행하도록 한다. 또한 효모추출물과 식종미생물을 추가함으로서 석탄의 메탄전환 반응 이후에 남은 잔여 석탄분해 중간생성물들이 메탄으로 전환된다.
본 발명의 생물 전기화학 장치에 전계를 형성하여 전기활성 미생물을 우점시키고 이들사이의 종간 직접 전자전달을 활성화하는 방법은 석탄이 메탄전환에 관여하는 미생물들이 석탄 가수분해 및 발효산물들에 의한 성장저해를 작게 받고 전자전달속도와 전달효율이 향상되어 고효율의 메탄전환이 가능해지는 장점이 있다.
본 발명의 환형으로 설치된 절연전극은 벌크용액에 전계를 형성하므로 반응물 전체에 걸쳐 메탄생성을 위한 종간 직접 전자전달이 활성화되는 장점이 있다.
본 발명의 생물전기화학 메탄 전환 방법은 식종미생물과 효모추출물을 함유한 배지를 추가하여 보충함으로서 가수분해 중간생성물의 메탄전환 반응이 극대화되며, 혐기성미생물이 적응하여 본격적으로 메탄이 생성되는데 필요한 지체기가 최소화되는 장점이 있다. 따라서 더 오랜 시간 동안 지속적으로 메탄 전환 반응이 이루어질 수 있어 향상된 메탄 전환 수율을 보이게 된다.
도 1은 본 발명의 생물 전기화학 장치의 개략도를 보여준다.
도 2는 본 발명의 생물 전기화학 장치에서 수행한 석탄으로부터 전환된 누적메탄생성량을 보여준다. 패널 (a)는 메탄 전환 반응의 결과를 보여주며 패널 (b)는 메탄 전환반응 종료 후 남은 잔여 중간생성물로부터 메탄이 생성되는 반응(식종미생물 및 효모추출물 추가)의 결과를 보여준다.
도 3은 본 발명의 생물 전기화학 장치에서 수행한 석탄의 메탄 전환 반응 및 석탄의 메탄전환 반응 종료 후에 남은 잔여 중간생성물로부터 생성된 메탄의 총량(석탄 1g에서 생성되는 메탄수율, CH4 ㎖/g coal)을 보여준다.
본 발명은 석탄으로부터 메탄을 생성하는 혐기성 반응조; 상기 현기성 반응조의 내부에 위치하며 뚜껑을 관통하여 회전이 가능하도록 연결된 회전축 및 상기 회전축에 결합되어 반응물을 교반시키는 교반날개를 포함하는 교반기; 유전물질로 피복된 절연 전극이 상기 회전축 및 상기 혐기성 반응조의 내부벽을 감싼 환형으로 설치되는 절연전극 쌍;을 포함하며 외부 직류전원을 이용하여 상기 절연 전극쌍에 전위차를 발생시켜 전계를 형성시키고, 전계에 의해 반응물에 체외전자방출균 및 전자영양메탄균이 우점되고 이들의 직접종간전자전달이 활성화되는 것을 특징으로 하는 생물 전기화학 장치를 제공한다.
상기 혐기성 반응조는 내부에 혐기성상태를 유지하여 석탄의 메탄전환에 관여하는 혐기성 전기활성균들이 성장 할 수 있는 반응조이다. 상기 혐기성 분위기를 유지하기 위하여 상부에는 뚜껑이 구비되는데 상기 뚜껑에는 교반기를 회전시키는 DC motor 및 바이오가스 수집기가 더 구비될 수 있다. 상기 혐기성 반응조의 내부에는 상기 교반기의 회전축이 위치하며 상기 회전축은 밀봉관으로 감싸여 제조될 수 있다. 상기 밀봉관은 상기 회전축이 회전할 때 반응물이 공기와 접촉할 수 있는 위험을 방지하고 회전축의 원활한 회전을 보장하게 된다.
본 발명의 절연 전극쌍은 상기 회전축을 감싼 환형으로 설치된 절연 전극과 상기 혐기성 반응조의 내벽을 감싸 환형으로 설치된 절연 전극으로 구성된다. 상기 회전축을 감싼 상기 절연전극은 직접 밀봉관의 역할을 할 수도 있으며 추가적인 밀봉관이 설치되는 경우, 상기 밀봉관의 외부를 감싸 환형으로 설치될 수도 있다. 추가적으로 상기 전계의 크기는 인가된 전압의 세기 및 절연 전극들 사이의 거리에 따라 결정된다. 따라서 절연전극 들 사이의 거리를 조절하거나 인가전압의 세기를 조절하면 상기 전계의 크기를 조절 할 수 있다.
상기 절연전극은 금속 또는 탄소 계열의 물질로 된 바탕전극에 알키드 수지, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 폴리염화비닐, 폴리에스터, 폴리우레탄, 에폭시, 테프론, 및 플루오르화 폴리비닐리덴 중에서 선택되는 하나의 고분자물질, 또는 세라믹 계열의 유전물질이 피복된 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 바탕전극은 금속 계열 물질인 티타늄을 사용하며 상기 유전물질은 알키드 수지를 사용한다. 상기 바탕전극에 코팅된 유전물질의 두께는 얇을수록 유리하나 내구성을 감안하여 0.05 ㎜ 이상이면 바람직하다.
상기 교반기의 교반날개는 상기 절연전극 쌍 사이에 위치할 수 있다. 상기 교반기는 상기 혐기성 반응조의 내부에 위치하며 뚜껑을 관통하여 회전이 가능하도록 연결된 회전축과 상기 회전축의 하부에 결합되어 반응물을 교반시키는 교반날개를 포함한다. 상기 교반기가 회전하게 되면 절연전극 사이의 반응물을 효과적으로 교반하여 석탄의 메탄 전환 미생물이 전계에 노출되는 정도를 효과적으로 평균화 할 수 있다.
상기 혐기성 미생물은 전기활성균인 체외전자방출균과 전자영양메탄균을 포함한다. 상기 체외전자방출균은 세포 외부로 전자를 전달하는 세균이며 전자영양메탄균은 세포외에서 전자를 직접 받아 메탄을 생성하는 혐기성세균이다. 상기 전자영양메탄균은 분극된 전극에 부착되어 성장하는 것으로 알려져 있으나 본 발명에서와 같이 반응물 내부에 존재하여 전계에 노출되어도 전자방출균과의 종간 직접 전자전달(direct interspecies electron transfer)을 한다.
본 발명의 절연전극 쌍에 전압을 인가하여 전위차를 발생시키면 절연 전극쌍 사이에 전계가 형성되고 상기 전계에 위치하는 전기 활성균은 에너지를 받아 활성화된다. 상기 활성화는 직접 종간 전자전달(direct interspecies electron transfer)의 활성화를 의미한다. 상기 직접 종간 전자전달은 전자의 전달이 전극이나 전도성 물질을 통하거나 미생물 간의 직접 접촉에 의하여 일어나는 것을 의미한다.
상기 직접 종간 전자전달은 플래빈, 퀴논, 휴믹물질 등과 같은 전자 매개체를 거쳐 전자가 전달되거나 복잡한 효소작용을 수반하여 생성되는 중간생성물을 매개로 하여 전자를 전달하는 간접 종간 전자전달기작(indirect interspecies electron transfer)과 대비된다. 상기 석탄의 메탄전환 반응에 있어 간접 종간 전자전달기작의 중간생성물은 미생물이 사용하기 어려운 고리화합물들이 주를 이룬다. 상기 고리화합물은 세포독성이 있어 미생물의 활성을 저해할 수 있다.
본 발명의 생물 전기화학 장치는 산성화된 포화염수가 채워진 가스수집기를 더 포함한다. 상기 포화염수는 가스수집기에 수집된 메탄가스의 용해를 방지하는 효과가 있다.
본 발명은 분말 석탄을 준비하는 제 1 단계; 혐기성슬러지를 이용하여 식종미생물을 준비하는 제 2 단계; 생물 전기화학 장치에 상기 분말석탄, 식종미생물, 효모추출물을 포함하는 배지를 주입하고 직류전원을 인가하여 석탄의 메탄 전환 반응을 실시하는 제 3 단계; 상기 석탄의 메탄 전환 반응이 완료되면 상기 식종미생물 및 효모추출물을 포함하는 배지를 추가 주입하고 직류전원을 이용하여 전계를 다시 형성시킴으로서 석탄의 메탄전환 반응에서 남은 잔여 중간생성물들로부터 메탄을 생성하는 제 4 단계; 를 포함하는 석탄의 메탄 전환 방법을 제공한다.
상기 생물 전기화학 장치는 석탄으로부터 메탄을 생성하는 혐기성 반응조; 상기 혐기성 반응조의 내부에 위치하며 뚜껑을 관통하여 회전이 가능하도록 연결된 회전축 및 상기 회전축에 결합되어 반응물을 교반시키는 교반날개를 포함하는 교반기; 유전물질로 피복된 절연 전극이 상기 회전축의 외부벽 및 상기 생물 전기화학 장치의 내부벽을 감싸 환형으로 설치되는 절연전극 쌍;을 포함하며 외부 직류전원을 이용하여 절연 전극쌍에 전위차를 발생시켜 전극쌍 사이에 전계가 형성되면 체외전자방출균, 전자영양메탄균이 우점되며, 이들 사이의 직접종간전자전달이 활성화되어 석탄의 메탄전환반응이 극대화되는 것을 특징으로 한다.
상기 식종미생물은 혐기성 하수슬러지이며 상기 효모추출물을 포함하는 배지는 미생물의 성장을 촉진하기 위한 영양물질이다.
상기 절연전극 쌍 사이의 거리가 3 내지 5 ㎝에서 직류전원을 이용하여 절연 전극쌍에 1 내지 2.5 V를 인가함으로서 절연 전극쌍 사이에 전계를 형성시키는 것을 특징으로 한다.
하기 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다.
실시예
실험예 1: 유기물, 혐기성 미생물 배지 및 식종슬러지
1.1. 석탄의 준비
본 발명의 생물 전기화학 장치를 이용한 석탄의 메탄 전환 실험에서는 VS/TS 28.5 %, 0.52 g COD/g·coal, 함수율 18.4 %인 캐나다산 갈탄(lignite)을 사용하였다. 상기 석탄은 막자사발로 분쇄한 후 1 mm 체로 걸러 분말형태로 제조하였다. 상기 제조한 석탄분말은 105 ℃에서 12 시간 건조하였다.
1.2. 효모추출물을 함유한 배지의 준비
본 발명의 생물전기화학 장치를 이용한 석탄의 메탄 전환 실험을 위해 효모추출물을 함유한 배지를 준비하였다. 상기 효모추출물을 함유한 배지는 증류수 250 ㎖에 NaH2PO4.2H2O 2.45 g/L, Na2HPO4.12H2O 4.58 g/L, NH4Cl 0.31 gL, KCl 0.31 g/L, NaHCO3 8.4 g/L을 용해시킨 후 소량의 비타민 및 TMS(trace metals solution)을 더 용해시키는 방법으로 제조하였다. 또한 상기 효모추출물을 함유한 배지에 영양물질로서 효모 추출물(yeast extract, Sparks, USA)을 1.0 g/L의 농도가 되도록 더 용해시켰다.
1.3. 식종미생물의 준비
본 발명의 생물 전기화학 장치를 이용한 메탄 전환 실험을 위해 하수종말처리장(B 시)에서 수집한 혐기성슬러지를 준비하였다. 상기 혐기성슬러지는 1 mm 체로 걸러 불순물을 제거한 뒤 4 ℃ 냉장고에서 24 시간 동안 침전시켜 농축시키는 방법으로 식종미생물을 제조하였다.
본 발명의 석탄의 메탄 전환 반응은 석탄, 식종미생물 및 효모추출물을 포함한 배지를 생물 전기화학 장치에 주입하여 수행한다. 상기 생물 전기화학 장치에서 석탄의 메탄전환 반응이 완료되면 식종미생물과 호모추출물을 함유한 배지를 생물 전기화학 장치에 추가하여 석탄의 메탄전환 반응 이후에 남은 잔여 중간생성물들로부터 메탄을 생성시키는 반응을 진행하는 방법으로 수행된다. 석탄의 메탄전환 반응에 사용한 식종미생물은 초기 pH가 7.25이며 알카리도는 3.70 g/L as CaCO3이고 VSS는 16.10 g/L이었다. 또한 추가한 식종미생물은 초기 pH가 7.39, 알칼리도가 3.92 g/Las CaCO3 및 VSS가 17.00 g/L 이었다.
실험예 2: 생물 전기화학 장치
본 발명의 석탄의 메탄전환 실험은 생물 전기화학 장치에서 수행하였다. 본 발명의 생물 전기화학 장치는 아크릴 재질의 원통형 혐기성 반응조, 밀폐 뚜껑, 상기 밀폐 뚜껑에 연결되고 모터에 의해 회전하며 반응조의 내부에 위치하는 블레이드 교반기, 블레이트 교반기의 회전축을 감싸 환형(環形)으로 설치되는 절연 음극, 반응조의 내부를 감싸 환형으로 설치되는 절연 전극, 직류전원, 가스 샘플링구, 소화액 샘플링구, 가스 포집기(gas collector)를 포함한다(도 1 참조). 상기 반응조는 내부에 위치한 블레이드 교반기의 회전축을 감싸는 밀봉관에 의해 구획되어 회전축이 위치하는 내부와 반응물이 위치하는 외부로 구성된 도넛모양이다.
2.1. 생물 전기화학 장치
본 발명의 생물 전기화학 장치는 유효부피(effective volume) 0.5 L, 직경(diameter) 8.5 cm, 높이(height) 10 cm의 규격인 혐기성 반응조를 포함한다. 상기 혐기성 반응조의 상부에는 플랜지로 연결되어 혐기성 상태가 유지되도록 밀폐 할 수 있는 뚜껑이 설치되어 있다.
상기 혐기성 반응조의 내부에는 뚜껑에 설치된 DC motor와 연결되어 회전하는 블레이드 교반기가 설치되어있으며, 교반이 되는 동안 기밀이 될 수 있도록 뚜껑상부에서부터 회전축의 기밀튜브를 설치하였다.
상기 혐기성 반응조의 상부에는 석탄의 메탄전환 반응으로부터 발생된 가스를 포집하는 부유식 가스 수집기(floating type gas collector)가 설치되어 있다. 상기 부유식 가스 수집기의 내부에는 생물 전기화학 장치에서 발생한 가스의 재용해를 방지하는 산성화된 포화염수를 채웠다. 상기 산성화된 포화염수는 황산을 이용하여 산성화시킨 염수이다.
2.2. 절연전극쌍
상기 생물 전기화학 장치의 절연전극은 티타늄 호일(0.1 T, Grade: 2, BJHYD Nonferrous Metal Materials Co.)을 대면적(26 cm × 9 cm) 및 소면적(6.5 cm × 7 cm)으로 준비한 후 유전물질(알키드 에나멜; VOC;470 g/L; ㈜노루 페인트)을 이용하여 표면을 코팅하는 방법으로 제조하였다. 상기 절연전극은 상기 혐기성 반응조의 내벽과 상기 교반기의 DC motor와 블레이드를 연결하는 회전축의 기밀튜브에 환형으로 설치하였다. 상기 내벽에는 절연전극을 환형으로 설치하였으며 상기 교반기의 DC motor와 블레이드를 연결하는 회전축 기밀튜브 외벽에는 절연전극을 환형으로 설치되었다. 상기 환형으로 설치된 절연전극은 티타늄선과 접속시킨 뒤 외부직류전원(ODA Technologies, CO.)의 단자에 각각 연결하여 절연 전극 쌍에 전위차를 발생시키면 절연 전극 쌍 사이에 전계(electric field)가 형성되도록 하였다.
실험예 3: 생물 전기화학 장치에서 석탄의 메탄 전환
3.1. 메탄 발생량 측정
본 발명의 생물 전기화학 장치를 이용한 석탄의 메탄 전환 실험에서 발생한 메탄의 양은 Porapak-Q 컬럼(6 ft × 1/8“, SS)과 TCD 검출기가 장착된 GC(Gas Chromatograph Clarus 580, PerkinElmer)를 이용하여 분석하였다. 메탄과 수소의 생성량은 부유식 가스수집기에서 관측된 바이오 가스 발생량으로부터 하기 수학식 1을 이용하여 계산하였다.
Figure 112019011645023-pat00001
상기 VCH4는 측정시점까지의 메탄발생 누적량(㎖)을 의미하며 CCH4은 모니터링한 전체 메탄의 양을 의미한다. VRH는 생물 전기화학 장치의 상부 공간의 부피를 의미하며 VGT는 생물 전기화학 장치와 부유식 가스 수집기를 연결한 고무관의 부피를 의미하고 VGC는 부유식 가스 수집기의 가스부분의 부피를 의미한다. 상기 메탄발생량은 수증기압과 온도를 보정함으로서 STP 상태로 전환시켰다.
실시예 : 생물 전기화학 장치에서의 석탄의 메탄전환
1. 생물 전기화학 정치를 이용한 석탄의 메탄 전환 실험
1.1. 석탄의 메탄 전환 실험
생물 전기화학 장치, 식종 미생물, 효모추출물을 함유한 배지를 이용한 석탄의 메탄 전환 실험을 실시하였다. 먼저 석탄의 메탄 전환 정도를 확인하였다. 이를 위하여 상기 생물 전기화학 장치에 식종미생물 250 ㎖, 효모추출물을 함유한 배지 250 ㎖을 주입한 뒤 석탄 2.5 g(5 g/L)을 주입하여 혐기성 반응액을 제조하였다. 그리고 절연전극에 직류전원 0 V(비교예 1), 0.5 V(실시예 1) 및 2 V (실시예 2)를 인가하였다. 상기 석탄의 메탄 전환 실험은 35 ℃ 항온실에서 교반기를 120 rpm의 속도로 교반하며 30일간 수행하였다(표 1 참조). 상기 절연전극에 직류전원 0 V, 0.5 V 및 2 V를 가해주면 상기 혐기성 반응액에 형성되는 전계는 각각 평균 0 V/㎝, 0.17 V/㎝, 0.67 V/㎝가 된다.
1.2. 2차 석탄의 메탄 전환 실험
상기 생물 전기화학 장치에서 석탄의 메탄 전환이 완료되어 더 이상 메탄이 생성되지 않는 것이 확인된 혐기성 반응액에 식종미생물과 효모추출물을 함유한 배지를 추가하여 잔여 물질의 메탄전환 실험을 수행하였다. 생물 전기화학 장치에서 석탄의 메탄 전환 실험이 완료된 반응물 250 ㎖을 취한 후 식종미생물과 효모추출물을 함유한 배지 250 ㎖를 같은 농도로 대체하였다. 그리고 절연전극에 직류전원 0 V(비교예 2), 0.5 V(실시예 3) 및 2 V(실시예 3)를 인가해 주었다(표 1 참조). 상기 생물 전기화학 장치에서 석탄의 메탄 전환 잔류물질로부터 메탄생산 실험은 35 ℃ 항온실에서 120 rpm의 속도로 교반하며 26일간 수행하였다. 상기 절연전극에 직류전압 0 V, 0.5 V 및 2 V를 가해주면 각각 평균 0 V/㎝, 0.17 V/㎝, 0.67 V/㎝의 전계가 반응물에 형성된다.
비교예 1 실시예 1 실시예 2 비교예 2 실시예 3 실시예 4
석탄의 메탄 전환 실험 식종미생물 250 ㎖ 250 ㎖ 250 ㎖ 250 ㎖ 250 ㎖ 250 ㎖
효모추출물을 함유한 배지 250 ㎖ 250 ㎖ 250 ㎖ 250 ㎖ 250 ㎖ 250 ㎖
석탄 2.5 g 2.5 g 2.5 g 2.5 g 2.5 g 2.5 g
전압 0 V 0.5 V 2 V 0 V 0.5 V 2 V
전계 0 V/㎝ 0.17 V/㎝ 0.67 V/㎝ 0 V/㎝ 0.17 V/㎝ 0.67 V/㎝
석탄의 메탄전환 잔류물의 메탄전환실험 1차 실험 잔류 반응물 - - - 250 ㎖ 250 ㎖ 250 ㎖
식종미생물 - - - 125 ㎖ 125 ㎖ 125 ㎖
효모추출물을 함유한 배지 - - - 125 ㎖ 125 ㎖ 125 ㎖
전압 - - - 0 V 0.5 V 2 V
전계 0 V/㎝ 0.17 V/㎝ 0.67 V/㎝ 0 V/㎝ 0.17 V/㎝ 0.67 V/㎝
1.3. 메탄 발생량의 보정
본 발명에서 식종미생물과 효모추출물을 포함한 배지는 배경 유기물이 포함되어 있으므로 이를 통해 메탄이 생성될 수 있다. 따라서 상기 메탄의 생성량은 본 발명의 식종에 의한 메탄전환 실험 결과에 더 포함될 수 있으므로 이를 보정할 필요가 있다. 이를 위해 석탄 및 전압을 가해주지 않은 공시료(blank)를 제조하고 35 ℃ 항온실에서 120 rpm의 속도로 교반시켜 메탄발생량을 측정하였으며 상기 공시료에서 측정된 메탄 발생량은 상기 비교예 및 실시예의 메탄 발생량을 보정하는데 사용하였다.
2. 생물 전기화학 장치에서 석탄의 메탄 전환 실험 결과
2.1. 메탄 수율 측정결과
석탄의 메탄전환 실험에서 2 V 전압을 인가하여 메탄 전환 실험(실시예 2)을 실시한 결과, 메탄 발생량이 3 일 동안 154.5 ㎖까지 지체기 없이 빠르게 증가하였으며, 이후 점차적으로 메탄이 발생하여 반응 22 일째에는 메탄 발생량이 237.2 ㎖에 달하였다 (도 2의 패널 (a) 참조). 상기 결과에 대하여 석탄이 없는 공시료(blank)의 메탄 발생량을 보정한 결과, 메탄 수율은 25.1 ㎖/g lignite인 것으로 확인되었다(도 3 참조).
반응 30 일 후 석탄의 메탄 전환이 더 이상 진행되지 않음을 확인 후 실시예 2의 반응물을 취하고 식종미생물과 효모추출물을 함유한 배지를 추가로 주입하고 석탄의 메탄전환 실험에서와 동일한 전계조건에서 석탄의 메탄 전환 잔류물로부터 메탄생산 실험(실시예 4)을 진행하였다. 실험 결과, 석탄의 메탄전환 실험에서 멈추었던 메탄 전환반응이 계속적으로 진행되는 것이 확인 되었다(도 2 (b) 참조).
석탄의 메탄 전환 잔류물로부터 메탄생산 실험 2 일째의 누적 메탄 생성량은 393.4 ㎖에 도달하는 것이 확인 되었으며 석탄이 없는 공시료(Blank)의 메탄발생량으로 보정한 결과 메탄수율은 84.8 ㎖/g lignite이었다(도 3 참조).
정리하면, 메탄 생성이 멈추는 시점에 식종미생물과 효모추출물을 함유한 배지를 추가하면 메탄 전환 반응(메탄수율 25.1 ㎖/g lignite) 후 바로 메탄 전환 잔류물로부터 반응(메탄수율 84.1 ㎖/g lignite)이 진행되어 전체 메탄수율을 109.9 ㎖/g lignite까지 향상시키는 것을 확인하였다(도 3 참조). 상기 결과는 종래의 메탄 전환 실험에서는 보고되지 않은 매우 높은 메탄수율이다.
선행문헌에 의하면, Davis 등은 yeast, algae 및 cyanobacteria와 같은 미생물 및 영양물질을 주입하여 석탄의 혐기성대사를 촉진함으로서 메탄수율을 2.93 ㎖/g coal까지 증가시킨 결과(Davis et al., 2018)가 보고된바 있다. 또한, Wang 등은 호기성 전처리에 의해 기질의 생물이용성을 개선하는 방법으로 메탄수율을 4.98 ㎖/g coal까지 향상시킨 결과(Wang et al., 2017)를 보고한 바 있다. 재래식혐기성기술을 이용한 경에, 갈탄으로부터 생성된 메탄은 최대 7.4 ㎖/g coal에 불과하였다(Fallgren et al., 2013).
따라서 본 발명의 메탄수율은 Davis 등(2018)의 메탄수율에 대비하여 약 38배 향상된 것이며, Wang 등(2017)의 메탄수율에 대비하여 22 배 향상된 것이며, 생물전기화학혐기성기술을 이용한 메탄수율에 대비하여 약 2배 향상된 결과이다. 한편, 본 발명 실시예의 lignite와 선행문헌의 Coal은 석탄의 종류에 불과하므로 직접 비교하여도 무리가 없는 것으로 판단된다.
2.2. 식종미생물과 효모추출물을 추가주입을 통한 메탄 생성 지체기의 극복
유기물의 혐기성분해반응에서 메탄이 생성되는 주요 경로는 산발효에 의해 초산 및 수소가 생성된 후 초산 메탄 생성균 및 수소 메탄 생성균이 상기 초산 및 수소를 이용하여 메탄을 생성하는 경로이다. 혐기성미생물이 환경에 적응하여 본격적으로 메탄을 생성하기 시작하는데 필요한 시간을 지체기라 한다. 일반적으로 혐기성 반응조에서 석탄이나 갈탄을 이용하여 메탄을 생성하는 반응은 30 내지 85일의 긴 메탄 생성 지체기를 가지며 이는 메탄 전환속도와 메탄수율을 감소시키는 주요 원인이 된다. Piao 등은 종래의 생물전기화학 혐기성 기술을 이용하여 최대 메탄수율 54.5 ㎖/g coal이 가능하다는 결과를 보고한 바 있으나 메탄 생성 지체기는 22일로 짧지 않았다.
본 발명은 석탄의 메탄 전환 반응 후 메탄의 생성이 멈추는 시점에 식종미생물과 효모추출물을 함유한 배지를 추가함으로서 석탄의 메탄 전환 잔류물의 메탄전환 반응이 추가적으로 이루어질 수 있도록 하였다. 그 결과 지체기 없이 메탄이 지속적으로 생성되는 것이 확인되었으며 최종메탄수율은 종래에 보고된 값들 보다 크게 높았다.
2.3. 전계를 이용한 메탄수율 향상
전극표면에서 일어나는 산화환원반응의 열역학적인 자유에너지 변화량은 전기적인 분극에 의해 달라진다. 혐기성 반응조에 전기적으로 분극된 전극쌍을 설치하면 체외잔자방출균 및 전자영양메탄균과 같은 전기활성균들은 산화/환원 전극표면에 붙어 성장하게 된다. 상기 전기 활성균은 cytochrome C를 세포외벽까지 확장시켜 전자를 외부로 직접 전달하거나 외부에서 전자를 직접 받는 것을 특징으로 한다. 예를 들어 전기 활성균인 전자영양메탄균은 체외전자방출균으로부터 전자를 직접 받아 이산화탄소를 환원시킴으로서 메탄생성반응을 촉진하는 것으로 알려져 있다.
본 발명은 종래의 산화/환원 전극표면에서 성장하는 상기 전기 활성균을 이용하는 것이 아니라 전극들 사이에 형성된 전계에서 성장(활성화)하는 전기 활성균에 의한 메탄생성반응을 이용한 것이다. 따라서 본 발명의 체외전자방출균 및 전자영양메탄균은 전계에 노출된 반응물 전체에 걸쳐 우점하게 되며, 이들 사이의 직접 종간 전자전달은 활성화된다. 그러나, 전계의 세기가 0.17 V/㎝ 인 실시예 1 및 3에 대비하여 전계세기 0.67 V/㎝인 실시예 2 및 4에서 메탄발생량이 크게 높았다. 이것은 체외전자방출균 및 전자영양메탄균의 우점 및 메탄생성을 위한 이들 사이의 전자전달은 전계의 세기에 의해서 결정된다는 것을 나타낸다.
2.4. 종간 직접 전자전달을 통한 메탄수율 향상
비교예 1의 초기 메탄 생성량은 172 ㎖로 빠르게 증가하는 것이 확인된다. 그러나 상기 비교예 1의 메탄 생성량은 반응 5일 이후부터 공시료(blank)에 비해 더 보다 적은 것이 확인된다(도 2의 패널(a) 참조). 상기 공시료에서 생성된 메탄은 식종균과 효모추출물에 의해 유기물이 분해되어 생성된 것이다. 따라서, 비교예 1의 메탄발생량이 공시료(blank)의 메탄발생량 차이에 비해 더 적은 것은 석탄이 분해되는 과정에서 생성된 중간생성물의 독성에 의한 영향으로 판단된다.
비교예 1의 반응에서 석탄이 가수분해되면 중간생성물질이 생성되고 상기 중간생성물질들은 발효되어 메탄의 전구물질인 초산, 수소 등으로 변환된다. 석탄의 가수분해로 인하여 생성되는 주요 중간생성물질은 fulvic acid, humic acid, micromolecular acids, polycyclic aromatic hydrocarbons, heterocyclic compounds 그리고 phenols 등이다. 상기 중간생성물질은 주로 미생물이 분해하기 어려운 난분해성 화합물이다. 상기 난분해성 화합물은 전자수용체인 산소가 존재하게 되면 방향족 고리를 산화시키거나 방향족 핵에 분자상태의 산소를 추가함으로서 고리를 깨트려 분해된다. 혐기성 분위기에서는 산소와 같은 외부전자수용체들이 존재하지 않아 낮은 산화환원전위상태가 유지된다. 낮은 산화환원전위상태가 유지되면 이산화탄소를 환원시켜 메탄을 생성하는 반응은 열역학적으로 매우 불리하게 되므로 반응속도가 느릴 수밖에 없다. 따라서 상기 가수분해 중간생성물질로부터 메탄 전구물질을 생성하는 반응은 석탄의 메탄 전환 반응의 속도를 지체시키는 율속단계로 알려져 있다. 추가적으로 상기 중간생성물질은 방향족 화합물이므로 세포독성이 있다. 따라서 상기 율속단계를 포함하는 비교예 1은 중간생성물의 축적으로 시간이 흐를수록 메탄수율이 저하되어 공시료보다 낮은 메탄수율을 보이게 된 것이다.
이에 반하여 실시예 2 및 4는 2 V 전압을 인가하여 0.67 V/㎝의 전계를 형성시킨다. 상기 전계가 형성되면 체외전자방출균과 전자영양메탄균 사이에는 전자의 전달이 전극이나 전도성 물질을 통하거나 직접 접촉에 의하여 일어나는 직접 종간 전자전달이 활성화 된다. 따라서 직접 종간 전자전달이 활성화되면 전자전달을 위한 산소와 같은 전자수용체가 필요 없게 된다.
결론적으로 상기 실시예 2 및 4의 전계가 형성된 조건에서의 메탄 전환 반응은 초산이 초산이용 메탄균에 의해 메탄으로 전환되거나, 체외 전자 전달균에 의해 산화된 후 전자를 초산이용 메탄균에게 종간직접전자전달을 통해 전달함으로서 상기 율속단계를 거치지 않아 메탄생산량이 비약적으로 증가한 것으로 판단된다.
다만, 0.17 V/㎝의 전계 세기를 사용한 실시예 1의 메탄 생성량은 비교예 및 공시료보다 적었으며, 추가 식종 후 0.17 V/㎝의 전계 세기를 사용한 실시예 3의 메탄 생성량 역시 공시료에 비해 적은 것이 확인되었다. 이는 0.17 V/㎝의 전계 세기는 전기활성미생물들의 직접 종간 전자전달을 충분히 활성화시키지 못한다는 것을 의미하며, 석탄의 가수분해 및 발효에 의해 생성된 중간생성물질의 축적에 의한 독성으로 혐기성미생물들이 활성을 잃었기 때문으로 판단된다.
2.5. 추가식종으로 인한 메탄수율 향상
도 2의 패널(a)에 의하면, 비교예 1의 메탄누적생성량은 메탄생성 3일째부터 서서히 감소하는 경향을 보였는데, 이는 반응물 내에서 메탄의 생성속도보다 소모속도가 더 빨랐기 때문으로 판단된다. 일반적으로 메탄균(Methanotrophs)은 전자수용체로 이용하여 메탄을 산화시킨다. 상기 비교예 1의 반응은 이용 가능한 기질이 부족한 상태이므로 메탄균에 의한 메탄의 생성속도보다 메탄의 산화속도가 더 높아지게 된다. 따라서 이용 가능한 기질이 부족한 비교예 1 조건에서는 상기 메탄균에 의한 메탄의 산화가 증가하므로 실제 존재하는 메탄의 양은 오히려 감소하게 된다.
이에 반하여 0.67 V/㎝의 전계를 형성시킨 실시예에서는 장시간 운전하여도 뚜렷한 메탄의 감소가 관측되지 않았다. 상기 결과는 0.67 V/㎝의 전계에 의해 종간 직접 전자전달이 활성화되어 메탄의 생성 속도가 산화속도보다 더 빨랐기 때문으로 판단된다. 또한 식종미생물과 효모추출물을 함유한 배지를 추가하고 0.67 V/㎝의 전계를 형성시킨 실시예 4에서는 풍부해진 영양물질 및 전기활성미생물들의 개체수에 의해 메탄의 발생량이 증가한 것으로 판단된다(도 2 참조).
선행문헌에 따르면, 혐기성반응에 의한 석탄으로부터 메탄 생산은 30일에서 90일 사이에 주로 발생하게 되며 그 이후에는 메탄 생성 지체기를 가지게 되어 메탄의 생산이 감소하게 된다. 그러나 본 발명의 생물 전기화학 장치에서 식종미생물과 효모추출물을 함유한 배지의 추가는 전계 세기에 상관없이 메탄생산량이 감소하지 않고 증가되는 경향으로 보였다. 다만, 전계를 형성하지 않은 비교예 2의 경우 메탄생산량이 감소하는 추세를 보였다.
따라서, 본 발명의 생물전기화학 장치에서 석탄으로부터 메탄을 생성하는 경우 석탄의 메탄전환 반응이 종료된 시점에 0.67 V/㎝의 전계를 형성시키고 식종미생물과 효모추출물을 함유한 배지를 추가하면 지체기 없이 지속적으로 석탄으로부터 메탄을 생성할 수 있다.
본 명세서에서 설명된 구체적인 실시예는 본 발명의 바람직한 구현예 또는 예시를 대표하는 의미이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되지는 않는다. 본 발명의 변형과 다른 용도가 본 명세서 특허청구범위에 기재된 발명의 범위로부터 벗어나지 않는다는 것은 당업자에게 명백하다.

Claims (6)

  1. 석탄으로부터 메탄을 생성하는 혐기성 반응조;
    상기 혐기성 반응조의 내부에 위치하며 뚜껑을 관통하여 회전이 가능하도록 연결된 회전축 및 상기 회전축에 결합되어 혐기성 반응액을 교반시키는 교반날개를 포함하는 교반기; 및
    유전물질로 피복된 절연 전극이 상기 회전축 및 상기 혐기성 반응조의 내부벽을 감싸 환형으로 설치되는 절연전극 쌍;
    을 포함하며 외부 직류전원을 이용하여 상기 절연전극 쌍에 전위차를 발생시켜 전계를 형성시키는 것을 특징으로 하는 석탄의 메탄전환을 위한 생물 전기화학 장치이며,
    상기 절연전극 쌍은 상기 회전축을 감싸 환형으로 설치된 절연 전극 및 상기 혐기성 반응조의 내부벽을 감싸 환형으로 설치된 절연 전극을 포함하며 상기 교반기의 교반날개는 절연전극 쌍 사이에 위치하여 회전하는 것을 특징으로 하는 석탄의 메탄전환을 위한 생물 전기화학 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 절연전극 쌍의 절연전극은 금속 또는 탄소 계열의 물질로 된 바탕전극에 알키드 수지, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 폴리염화비닐, 폴리에스터, 폴리우레탄, 에폭시, 테프론, 및 플루오르화 폴리비닐리덴 중에서 선택되는 하나의 고분자물질, 또는 세라믹 계열의 유전물질이 피복된 것을 특징으로 하는 석탄의 메탄전환을 위한 생물 전기화학 장치.
  4. 생물 전기화학 장치를 이용한 석탄의 메탄 전환 방법에 있어서,
    석탄(coal) 분말을 준비하는 제 1 단계;
    혐기성슬러지를 이용하여 식종미생물을 준비하는 제 2 단계;
    생물 전기화학 장치에 상기 석탄분말, 상기 식종미생물 및 효모추출물을 포함한 배지를 주입하여 혐기성 반응액을 제조하고 직류전원을 인가하여 상기 혐기성 반응액을 전계에 노출시킴으로서 1차 석탄의 메탄전환 반응을 실시하는 제 3 단계; 및
    상기 1차 석탄의 메탄전환 반응이 완료되면 상기 식종미생물 및 상기 효모추출물을 함유한 배지를 추가하고 상기 직류전원을 인가하여 2차 석탄의 메탄 전환반응을 실시하는 제 4 단계;
    를 포함하는 생물 전기화학 장치를 이용한 석탄의 메탄 전환 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 생물 전기화학 장치는
    석탄으로부터 메탄을 생성하는 혐기성 반응조;
    상기 혐기성 반응조의 내부에 위치하며 뚜껑을 관통하여 회전이 가능하도록 연결된 회전축 및 상기 회전축에 결합되어 혐기성 반응액을 교반시키는 교반날개를 포함하는 교반기; 및
    유전물질로 피복된 절연전극이 상기 회전축 및 상기 혐기성 반응조의 내부벽을 감싸 환형으로 설치되는 절연전극 쌍;
    을 포함하며 외부 직류전원을 인가하여 상기 절연전극 쌍에 전위차를 발생시켜 절연 전극 쌍 사이에 전계를 형성시키는 것을 특징으로 하는 생물 전기화학 장치이며,
    상기 절연전극 쌍은 상기 회전축을 감싸 환형으로 설치된 절연 전극 및 상기 혐기성 반응조의 내부벽을 감싸 환형으로 설치된 절연 전극을 포함하며 상기 교반기의 교반날개는 절연전극 쌍 사이에 위치하여 회전하는 것을 특징으로 하는 석탄의 메탄전환을 위한 생물 전기화학 장치를 이용한 석탄의 메탄 전환 방법.
  6. 삭제
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