KR102387815B1 - 정전계 하에서 생물촉진제를 이용하여 석탄을 메탄으로 전환하는 생물전기화학적 방법 - Google Patents

정전계 하에서 생물촉진제를 이용하여 석탄을 메탄으로 전환하는 생물전기화학적 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유전물질로 피복된 절연전극 쌍이 설치된 혐기성 소화조를 포함하는 생물전기화학장치에 분말석탄, 식종슬러지, 혐기성 미생물 배지 및 발효성 생물촉진제를 주입한 뒤 상기 절연전극 쌍에 외부 전압원을 이용하여 직류 전압을 인가하여 정전계를 형성하므로 혐기성미생물을 정전계에 노출시켜 석탄을 메탄으로 전환하는 생물전기화학적방법에 관한 것으로 종래의 생물촉진제인 고가의 효모추출물 보다 저렴하며 쉽게 생분해되는 발효성 기질인 포도당 또는 녹말을 생물촉진제로 사용하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 정전계와 생물촉진제는 석탄의 가수분해를 촉진시키고, 체외전자방출박테리아 및 전자영양메탄균을 포함하는 다양한 전기활성균의 활성을 유지 및 우점화시키며, 직접종간전자전달을 향상시키는 효과가 있다. 상기 정전계와 생물촉진제에 의해 향상된 직접종간전자전달은 석탄 가수분해의 중간 산물인 다환 방향족 및 지방족 물질들의 연속적인 저분자화 반응을 촉진시킴으로서 생물독성이 있는 중간생성물의 축적을 완화시켜 석탄의 메탄전환율을 향상시킨다.
따라서 본 발명을 이용하면 석탄의 생물학적 메탄전환속도와 메탄수율을 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

정전계 하에서 생물촉진제를 이용하여 석탄을 메탄으로 전환하는 생물전기화학적 방법{Method for biological conversion of coal to methane under electrostatic field using fermentable substrate as biostimulant}
본 발명은 정전계 하에서 생물촉진제를 이용하여 석탄을 메탄으로 전환하는 생물전기화학적 방법에 관한 것이다.
석탄은 지구상에 비교적 고르게 분포하고 있고, 매장량이 풍부한 화석연료로서 인류문명에 발전에 크게 기여하여 온 중요 에너지원 중 하나이다. 종래에는 화석연료인 석탄을 연소시켜 열에너지를 직접 사용하거나 전기에너지로 전환하여 사용하여 왔다. 그러나, 석탄은 연소 과정에서 배출하는 다량의 미세먼지, 온실가스, 유해가스 등의 오염물질로 인하여 석탄을 에너지원으로 계속 사용하는 것은 점차 부담이 되고 있다. 따라서, 최근 석탄을 오염물질의 배출이 상대적으로 작은 다른 에너지원으로 전환하는 청정 석탄 기술에 대한 관심이 급증하고 있다.
청정 석탄 기술은 석탄의 연소과정에서 발생하는 환경오염물질의 배출을 저감시키고 에너지 전환 효율을 향상시키는 기술이다. 청정 석탄 기술 중 가스화 기술은 열화학적인 방법 또는 생물학적인 방법을 통하여 메탄 등의 가스로 전환하는 기술이다. 열화학적인 가스화는 고온, 고압 하에서 촉매반응을 통하여 메탄으로 전환시키는 기술이며, 생물학적인 방법은 혐기성미생물을 이용하여 석탄에 함유된 유기탄소를 메탄으로 전환시키는 방법이다.
석탄은 탄화정도에 따라 유기탄소의 함유량이 다르며, 토탄, 갈탄 등의 저급 석탄에는 리그닌 계열의 소수성 유기물질을 다량 함유하고 있다. 혐기성미생물은 이러한 유기물질을 대사하여 메탄으로 전환시킬 수 있다. 그러나 종래의 혐기성미생물을 이용한 석탄의 메탄전환방법은 반응속도가 느리고 메탄의 수율이 낮아 아직까지 상업적으로 널리 이용하지 못하고 있다.
상기 혐기성미생물을 이용하여 석탄을 메탄으로 전환하는 과정에서는 먼저 입자상의 석탄들이 가수분해되며, 가수분해 산물들은 여러 단계의 발효과정을 거쳐 초산/수소 등의 메탄전구물질인 저분자 물질들로 점차 변환된다. 메탄생성균은 이러한 저분자물질들을 이용하여 메탄을 생성한다. 그러나, 석탄입자의 가수분해 산물이나 이들의 발효과정에서 생성되 화합물/지방족 화합물(Poly aromatic/aliphatic compound)들이다. 일반적으로 다환 방향족/지방족 화합물들은 호기성 조건에서 산소를 전자수용체로 이용하여 벤젠 고리를 산화시키거나 방향족 고리의 핵에 산소를 추가함으로써 연결부를 파괴하여야 쉽게 생분해 가능한 물질로 변환된다. 그러나, 산소가 없는 혐기성 상태에서는 산화환원전위가 중간생성물들을 분해하기에는 너무 낮아 연속적인 발효과정을 통하여 저분자 물질로 변환하기가 열역학적으로 어렵다. 또한, 유기물이 가수분해 및 발효과정에서 생성되는 저분자물질인 상기 초산 및 수소를 이용하는 메탄생성균은 성장속도가 매우 느리고, 독성물질이나 pH, 온도, 유기물부하율 등과 같은 환경의 변화에 민감하여 메탄생성반응이 전체 반응의 속도와 성능을 지배하는 율속단계인 경우가 많다.
특히, 종래의 혐기성 반응조에서의 메탄생성균은 석탄의 가수분해 및 발효과정에서 생성되는 다양한 방향족 및 지방족 중간생성물들의 독성에 의해 성장이 억제되었으며, 이로 인하여 메탄 생성이 크게 제한을 받았었다. 따라서, 생물학적 방법으로 석탄으로부터 메탄을 생산하기 위한 기술을 고도화시켜 실용 기술로 발전시키기 위해서는 석탄의 가수분해 및 연속적인 저분자화를 위한 발효속도를 향상시키고 발효과정에 생성되는 중간생성물의 독성을 완화시켜 메탄생성균의 활성이 유지되도록 하는 전략이 필요하다.
한편, 상기 혐기성미생물을 정전계에 노출시키면 전기적 활성을 가진 다양한 미생물군들(이하 “전기활성균”)이 성장하게 된다. 이러한 전기활성균은 크로스티리디움(Chostridium), 지오박터(Geobacter), 시와넬라(Shewanella) 등을 포함한 다양한 속(Genus)의 체외전자방출박테리아 (Exo electrotrophic bacteria)와 메타노세이타(Methanosaeta), 메타노박테리움(Methanobacterium) 등의 속을 포함한 전자영양메탄균(Electrotrophic Methanotrophs)이다. 이러한 전기활성균들은 C형 사이토크롬(Cytochrome-C) 등의 전도성 단백질을 세포벽까지 확장하여 외부로 직접 전자를 전달하거나 받을 수 있는 능력을 가지고 있다. 이러한 전기활성균들은 메탄을 생성하는 과정에 미생물 종간에 직접전자를 전달할 수 있어 별도의 전자수용체가 없는 경우에도 유기물질의 분해 및 메탄생성을 빠르게 진행할 수 있다.
또한, 정전계는 상기 전기적 활성을 가진 미생물들 사이에 전자를 교환하는데 요구되는 과전위 (오옴저항, 활성화저항, 분극저항)들을 감소시켜 열역학적으로 전자전달이 가능한 상태로 만듦으로서 생분해가 어려운 석탄분해 중간생성물들이 빠르게 분해 될 수 있도록 해준다. 그러나, 정전계 하에서 전기활성균들도 석탄을 분해하는 과정에서 생성되는 중간생성물들에 의한 독성으로부터 완전히 자유로울 수 없었으며, 그로 인해 정전계 조건 만으로는 전기활성균을 이용한 석탄의 메탄전환율 향상에 한계가 있었다 (Piao 등, 2018).
이에 중간생성물에 의한 저해효과를 완화시키고 전기활성균의 활성을 유지하는 방법으로 혐기성소화조에 주입하는 석탄의 부하율을 낮추거나 계면활성제 주입 등을 이용하여 생물이용도를 높이는 방법, 그리고 효모추출물과 같은 생물촉진제를 주입하는 방법 등이 있다. 한국출원특허 10-2019-0012860;석탄의 메탄전환용 생물전기화학 장치 및 이를 이용한 석탄의 메탄 전환 방법;에 따르면 효모추출물을 생물촉진제로 이용한 경우 정전계 하에서 종래의 혐기성소화 및 효모추출물을 주입하지 않은 생물전기화학 혐기성소화조보다 석탄의 메탄전환이 크게 향상될 수 있음을 확인하였다.
상기 효모추추물은 가격이 비싸고, 지속적인 주입을 해야하는 단점이 있다. 석탄으로부터 생물학적으로 메탄을 생산하는 기술이 실용화되기 위해서는 경제적인 방법으로 석탄 가수분해 산물들의 독성을 완화시키고 미생물의 활성을 유지할 수 있는 방안이 필요하다.
한국출원특허 10-2019-0012860 한국등록특허 10-1941008
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. Piao, D.M., Song, Y.C., Oh, G.G., Kim, D.H., Bae, B.U., Contribution of Yeast Extract, Activated Carbon, and an Electrostatic Field to Interspecies Electron Transfer for the Bioelectrochemical Conversion of Coal to Methane, Energies 2019, 12(21), 4051; doi:10.3390/en12214051.
본 발명은 석탄을 메탄으로 전환시키는 생물전기화학적과정에서 발생하는 상기와 같은 문제점을 해결하여 경제적인 방법으로 석탄의 메탄전환율을 향상시키기 위하여 안출된 것으로서, 혐기성 소화조의 내부에 유전물질로 피복된 절연전극을 쌍으로 설치하고 분말석탄, 식종슬러지, 및 혐기성 미생물배지를 주입한 후 포도당 또는 녹말과 같이 저렴하며 쉽게 분해 가능한 발효성기질을 생물촉진제로 추가로 주입한 후, 상기 절연전극 쌍에 직류전압원을 이용하여 전압을 인가함으로서 이들 사이에 정전계를 형성시켜 전기적 활성을 가진 체외전자방출박테리아 및 상기 전자영양메탄균을 포함하는 다양한 전기활성균을 우점 성장시키고, 상기 정전계 하에서 이들에 의한 석탄의 가수분해 및 중간생성물의 연속적인 저분자화를 촉진하여 메탄생성반응에 관여하는 전기활성균에 대한 중간생성물의 독성이 완화되어 효과적인 메탄생성이 가능하도록 하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 기술적 특징은 이하의 발명의 상세한 설명, 청구의 범위 및 도면에 의해 보다 구체적으로 제시된다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 절연전극쌍이 구비된 혐기성 소화조를 포함하는 생물전기화학장치를 준비하는 제 1 단계; 석탄을 분쇄하여 분말석탄을 준비하는 제 2 단계; 하폐수처리장의 혐기성소화슬러지를 침전시켜 체외전자방출박테리아 (Exo electrotrophic bacteria) 및 전자영양메탄균(Electrotrophic Methanotrophs)을 포함하는 식종슬러지를 준비하는 제 3 단계; 혐기성 미생물배지 및 발효성 생물촉진제를 준비하는 제 4 단계; 상기 생물전기화학장치의 소화조에 식종슬러지, 혐기성 미생물배지, 발효성 생물촉진제 및 분말석탄을 주입하는 제 5 단계; 및 상기 생물전기화학장치의 일정 온도를 유지하고 교반하며, 전압을 인가하여 정전계를 형성한 분위기에서 석탄을 메탄으로 전환시키는 제 6 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 생물 전기화학 장치를 이용한 석탄의 생물학적 메탄 전환 방법을 제공한다.
상기 발효성 생물촉진제는 포도당(glucose) 또는 녹말(α-maltose)을 사용하며 상기 정전계는 1.5 내지 2.0V/㎝로 형성되는 것을 특징으로 하며 상기 발효성 생물촉진제 및 정전계에 의하여 상기 체외전자방출박테리아 및 상기 전자영양메탄균의 활성이 유지되고 미생물 사이의 종간 직접 전달(direct interspecies electron transfer)이 촉진되어 석탄의 가수분해로 인한 독성 중간생성물의 축적이 완화되는 것을 특징으로 한다.
상기 혐기성 소화조에 설치된 절연전극쌍은 제 1 절연전극 및 제 2 절연전극으로 구성되며 상기 제 1 절연전극은 상기 혐기성 소화조의 내부에 환형으로 설치되고 상기 제 2 절연전극은 상기 혐기성 소화조의 내벽에 환형으로 설치되며 상기 절연전극쌍의 거리는 3 내지 5 ㎝인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 유전물질로 피복된 절연전극을 마주보도록 쌍으로 설치한 혐기성 소화조를 포함하는 생물전기화학장치에 분말석탄, 혐기성 식종미생물을 함유한 혐기성 배지, 및 포도당 또는 녹말과 같이 쉽게 생분해 가능한 발효성 기질인 생물촉진제를 주입한 뒤 정전계를 형성시키므로 전기적 활성을 가진 전기활성균이 빠르게 우점 성장하고, 이들 사이의 물리적 접촉에 의해 이루어지는 생물학적인 직접종간전자전달 활성이 극대화되어 가수분해 및 가수분해 산물의 연속적인 발효를 통한 저분자화가 촉진되는 것이 실험적으로 확인 되었다.
따라서 본 발명의 생물 전기화학 장치를 이용한 석탄의 생물학적 메탄 전환 방법은 석탄 가수분해의 중간생성물 축적을 막고 석탄의 메탄전환 반응에 관여하는 미생물들에 대한 중간생성물들의 독성이 완화되므로 석탄으로부터 메탄을 고율로 생산할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 정전계 하에서 발효성 생물촉진제를 이용하여 석탄을 메탄으로 전환하기 위한 혐기성소화조가 포함된 생물 전기화학 장치의 개략도를 보여준다.
도 2는 본 발명의 정전계 하에서 생물촉진제를 이용하여 석탄을 메탄으로 전환하기 위한 혐기성소화조가 포함된 생물 전기화학 장치에서 발생한 메탄의 누적량을 비교한 결과를 보여준다.
도 3은 본 발명의 정전계 하에서 생물촉진제를 이용하여 석탄을 메탄으로 전환하기 위한 혐기성소화조가 포함된 생물 전기화학 장치에서 석탄 분해 잔류 중간생성물로부터의 발생한 메탄의 누적량을 비교한 결과를 보여준다.
본 발명은 생물전기화학장치의 혐기성소화조에 분말석탄, 식종슬러지 및 혐기성 미생물배지를 주입하고 쉽게 생분해 가능한 발효성기질인 포도당 또는 녹말을 추가로 주입하여 정전계에 노출시키는 것을 특징으로 하는 석탄을 메탄으로 전환시키기 위한 생물전기화학적 방법을 제공한다.
상세하게는 본 발명은 하기의 단계를 포함하는 생물 전기화학 장치를 이용한 석탄의 생물학적 메탄 전환 방법을 제공한다;
제 1 단계: 절연전극쌍이 구비된 혐기성 소화조를 포함하는 생물전기화학장치를 준비하는 단계;
제 2 단계: 석탄을 분쇄하여 분말석탄을 준비하는 단계;
제 3 단계: 하폐수처리장의 혐기성소화슬러지를 침전시켜 체외전자방출박테리아 (Exo electrotrophic bacteria) 및 전자영양메탄균(Electrotrophic Methanotrophs)을 포함하는 식종슬러지를 준비하는 단계;
제 4 단계: 혐기성 미생물배지 및 발효성 생물촉진제를 준비하는 단계;
제 5 단계: 생물전기화학장치의 소화조에 식종슬러지, 혐기성 미생물배지, 발효성 생물촉진제 및 분말석탄을 주입하는 단계;
제 6 단계: 생물전기화학장치의 일정 온도를 유지하고 교반하며, 전압을 인가하여 정전계를 형성한 분위기에서 석탄을 메탄으로 전환시키는 단계.
1) 생물전기화학장치를 준비하는 단계
본 발명은 절연전극쌍이 구비된 혐기성 소화조를 포함하는 생물전기화학장치를 사용한다.
본 발명의 생물전기화학장치는 석탄의 메탄생성을 위한 혐기성 소화조; 상기 혐기성 소화조의 내의 혐기성 용액을 교반시키기 위한 뚜껑을 관통하여 내부에 위치하며 회전이 가능하도록 연결된 회전축 및 상기 회전축에 결합되어 있는 교반날개를 포함하는 교반기; 및 유전물질로 피복된 제 1 절연전극이 상기 회전축을 감싸 환형으로 설치되고 제 2 절연전극이 상기 혐기성 소화조의 내부벽을 감싸 환형으로 설치되는 절연전극쌍;을 포함한다. 추가적으로 반응액 샘플 및 가스 샘플을 측정하기 위한 채취구를 더 설치할 수 있다.
본 발명의 생물전기화학장치는 외부 직류전압공급장치를 이용하여 상기 절연전극 쌍에 전압을 인가하게 되면 상기 절연전극 쌍 사이에 전계가 형성되면서 체외전자방출균 및 전자영양메탄균을 포함하는 전기활성균이 우점 성장하게 되며, 이들 사이에 직접 종간 전자 전달이 활성화되어 석탄의 메탄전환반응이 극대화되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 생물전기화학장치 혐기성 소화조 내부는 혐기성 상태를 유지하여 석탄의 생물학적 메탄전환에 관여하는 체외전자방출균 및 전자영양메탄균을 포함하는 전기활성균들이 성장 할 수 있는 소화조이다. 상기 생물전기화학 장치는 혐기성 분위기를 유지하기 위하여 상부에는 덮개를 구비할 수 있으며 덮개가 구비되는 경우 상기 덮개에 교반기를 회전시키는 직류 전동기, 반응액을 채취할 수 있는 액상 시료 채취구, 바이오 가스 채취구가 더 설치될 수 있다. 상기 혐기성 소화조의 내부는 상기 교반기의 중심에 회전축이 위치하며 상기 회전축은 동일 재질의 기밀관으로 감싸여 제조될 수 있다.
상기 절연전극쌍은 제 1 절연전극 및 제 2 절연전극으로 구성되며 상기 제 1 절연전극은 상기 혐기성 소화조의 내부에 환형으로 설치되고 상기 제 2 절연전극은 상기 혐기성 소화조의 내벽에 환형으로 설치되는 것을 특징으로 한다. 상기 절연전극은 전도성을 지닌 금속 또는 탄소 계열의 물질로 된 바탕전극에 알키드 수지, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 폴리염화비닐, 폴리에스터, 폴리우레탄, 에폭시, 테프론 및 플루오르화 폴리비닐리덴 중에서 선택되며 고분자물질 또는 세라믹 계열의 유전물질이 피복된 것을 특징으로 한다. 바람직하게는 상기 바탕전극은 금속 계열 물질인 티타늄을 사용하며 상기 유전물질은 염화비닐수지를 사용한다. 상기 바탕전극에 코팅된 유전물질의 두께는 얇을수록 유리하나 내구성을 감안하여 0.05 ㎜ 이상이면 바람직하다.
상기 생물전기화학 장치에 형성된 전계의 크기는 인가된 전압의 세기 및 절연전극 사이의 거리에 따라 결정된다. 따라서 상기 회전축이 회전하는 소화조의 크기를 조절하여 전극사이의 거리를 조절하거나 외부 전압원의 인가전압의 세기를 조절하면 상기 전계의 크기를 조절 할 수 있다. 바람직하게는 상기 제 1 절연전극과 상기 제 2 절연전극의 거리는 3 내지 5 ㎝인 것을 특징으로 하며 인가전압은 4.0 내지 6.0V의 직류전압을 공급하여 전계가 1.5 내지 2.0V/㎝로 형성되도록 한다. 보다 바람직하게는 제 1 절연전극과 상기 제 2 절연전극의 거리는 3㎝이며 인가전압은 5.0V의 직류전압을 공급하여 전계가 1.67V/㎝로 형성되도록 한다.
상기 교반기의 교반날개는 상기 절연전극 쌍 사이에 위치할 수 있다. 상기 교반기는 상기 생물전기화학 장치 내부에 위치하며 상부 덮개를 관통하여 회전이 가능하도록 연결된 회전축과 상기 회전축의 하부에 결합되어 반응액을 교반시키는 교반날개를 포함한다. 교반기가 회전하게 되면 절연전극사이의 반응액을 효과적으로 교반하여 미생물이 전계에 노출되는 정도를 효과적으로 평균화 할 수 있다.
본 발명의 생물 전기화학 장치는 포화염수를 산성화하여 준비하며, 상기 포화염수가 채워진 가스포집기를 더 포함한다. 상기 포화염수는 가스포집기에 수집된 메탄가스의 용해를 방지하는 효과가 있다.
2) 분말석탄을 준비하는 단계
본 발명의 생물 전기화학 장치를 이용한 석탄의 생물학적 메탄 전환 방법은 석탄을 분쇄하여 분말석탄으로 제조한 후 사용한다. 종래의 석탄을 메탄으로 변화하는 과정은 석탄의 이용률이 극히 낮아 사용화가 불가능한 단점이 있었다. 이는 석탄이 벌크의 상태로 존재하여 석탄의 가수분해를 위한 접촉 가능 면적이 제한되었기 때문이다. 이에 본 발명에서는 벌크 상태의 석탄을 분쇄하여 분말석탄으로 제조하였다. 상기 분말석탄은 석탄 벌크를 건조 후 분쇄하여 입경이 1 ㎜ 이하인 분말석탄을 사용하는 것이 바람직하다. 입경 1 ㎜ 이하의 분말석탄은 표면적이 넓어 혐기성미생물이 접촉할 수 있는 단면적이 커지고 생물전기화학 장치 내부에서 교반을 통한 분산이 용이하여 가수분해가 촉진되는 효과가 있다.
3) 식종슬러지를 준비하는 단계
본 발명은 전기활성균인 체외전자방출박테리아 (Exo electrotrophic bacteria) 및 전자영양메탄균(Electrotrophic Methanotrophs) 사이의 직접 종간 전자 전달을 이용하여 석탄을 메탄으로 변환하게 된다. 상기 체외전자방출박테리아 및 전자영양메탄균은 하수종말처리장 혐기성소화조에서 혐기성슬러지를 채취하여 준비하였으며, 불순물을 체거름하여 제거 후 자연침강법을 이용하여 농축하는 방법으로 식종슬러지로 제조하였다. 한편, 상기 식종슬러지를 정전계에 노출시키면 전기적 활성화를 가진 다양한 미생물군들(이하 “전기활성균”)이 성장하게 된다. 상기 전기활성균은 크로스티리디움(Chostridium), 지오박터(Geobacter), 시와넬라(Shewanella) 등을 포함한 다양한 속(Genus)의 체외전자방출박테리아 (Exo electrotrophic bacteria)와 메타노세이타(Methanosaeta), 메타노박테리움(Methanobacterium)등을 포함하는 전자영양메탄균(Electrotrophic Methanotrophs)등이 있다. 상기 전기활성균들은 C형 사이토크롬(Cytochrome-C) 등의 전도성 단백질을 세포벽까지 확장하여 외부로 직접 전자를 전달하거나 받을 수 있는 능력을 가지고 있다. 이러한 전기활성균들은 메탄을 생성하는 과정에 미생물 종간에 직접전자를 전달할 수 있어 별도의 전자수용체가 없는 경우에도 유기물질의 분해 및 메탄생성을 빠르게 진행할 수 있다. 또한, 정전계는 상기 전기적 활성을 가진 미생물들 사이에 전자를 교환하는데 요구되는 과전위 (오옴저항, 활성화저항, 분극저항)들을 감소시켜 열역학적으로 전자전달이 가능한 상태로 만듦으로서 생분해가 어려운 석탄분해 중간생성물들이 빠르게 분해 될 수 있도록 해준다.
상기 직접종간전자전달은 종래의 혐기성소화에서의 플래빈, 퀴논, 휴믹물질 등과 같은 전자전달 매개체를 거쳐 이종간에 전자가 전달되거나 복잡한 효소작용을 수반하여 생성되는 중간생성물들(초산, 수소, 개미산 등)을 매개로 하여 전자를 전달하는 방법과는 대비된다.
상기 직접종간전자전달은 전극이나 탄소 및 금속 등의 전도성 물질을 통하거나 미생물 간의 직접적인 접촉에 의하여 일어날 수 있으며 본 발명의 경우 전극이 절연전극으로 구성되어 있어 전극을 통한 전자의 이동이 불가능하므로 미생물간의 직접적인 접촉에 의한 전자전달(직접 종간 전자 전달)만이 이루어지는 특징이 있다.
정전계로 인해 석탄의 분해속도가 향상되었음에도 분해과정에서 생성되는 독성 중간생성물들이 석탄의 생물학적 메탄전환과정에 미치는 영향을 완전히 배제할 수는 없는 한계가 있었다. 이에 상기 독성 중간생성물로부터 전기활성균의 활성을 유지하는 방법으로는 석탄의 입자를 분쇄 또는 계면활성제 주입 등을 이용하여 생물이용도를 높이는 방법과 효모추출물을 주입하는 생물촉진법 등이 개발되고 있다.
특히 본 발명자의 효모추출물을 주입하는 생물촉진법 연구(한국출원번호: 10-2019-0012860) 결과에 따르면 효모추출물을 주입한 생물전기화학 소화조가 혐기성소화 및 효모추출물을 주입하지 않은 생물전기화학 소화조보다 석탄의 메탄전환이 향상되는 것이 확인되었다. 그러나, 상기 효모추출물은 효모에 의해 발효된 다양한 영양성분이 포함되어 있어 가격이 비싸고, 지속적으로 주기적인 주입이 필요하여 유지비가 높은 단점이 있었다.
4) 미생물배지 및 발효성 생물촉진제를 준비하는 단계
상기 제조한 식종슬러지 포함된 혐기성 전기활성균의 성장을 유도하기 위하여 영양성분이 포함된 미생물배지와 발효성 생물촉진제를 준비한다.
상기 미생물배지는 Na2PO4, Na2HPO4, NH4Cl, KCl, 비타민 용액, 및 미네랄 용액이 포함되며 상기 발효성 생물촉진제는 포도당 또는 녹말이다. 상기 녹말은 여러 개의 포도당이 글루코시드 결합으로 연결된 고분자 탄수화물로서 미생물이 이용하는데 있어 포도당과 차이가 없다.
상기 발효성 생물촉진제는 상기 혐기성 전기활성균의 성장을 촉진하기 위하여 사용된다. 혐기성 미생물은 대사과정에서 발효를 통하여 에너지 대사를 하게 된다. 따라서 포도당 또는 녹말과 같이 발효가 가능한 물질을 혐기성 미생물 배지에 더 추가하게 되면 혐기성 미생물이 성장이 촉진되는 효과가 있다. 그러나 혐기성 미생물은 성장이 느리고 배양조건이 까다로워 효모추출물과 같이 고가의 검증된 영양성분만이 사용되어왔다. 이에 본 발명에서는 저렴한 포도당 또는 녹말을 발효성 생물촉진제로서 사용하였다. 상기 발효성 생물촉진제는 미생물배지에 포함되어 사용되지 않고 독립적으로 사용되며 그 양을 최적화하여 사용하므로 본 발명의 체외전자방출박테리아 (Exo electrotrophic bacteria) 및 전자영양메탄균(Electrotrophic Methanotrophs)의 우점성장을 촉진시킨다.
5) 식종슬러지, 미생물배지, 발효성 생물촉진제 및 분말석탄을 주입하는 단계
상기 제조한 식종슬러지, 미생물배지, 발효성 생물촉진제 및 분말석탄을 상기 혐기성 소화조에 주입한다. 상기 식종슬러지와 상기 미생물배지는 1:1의 비율로 첨가하는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 발효성 생물촉진제는 상기 소화조에 0.1 내지 1.5 g/ℓ로 주입된다. 상기 발효성 생물촉진제가 0.1 g/ℓ미만으로 주입되면 체외전자방출박테리아 및 전자영양메탄균의 우점 성장 효과가 미미하며 1.5 g/ℓ을 초과하여 주입되더라도 그 우점 성장 효과의 상승정도는 미미하다. 상기 첨가된 발효성 생물촉진제의 양에 비례하여 메탄생성정도가 증가하나 1.0g/ℓ에서 지체기가 가장 짧은 것으로 확인된다. 따라서 상기 발효성 생물촉진제는 1.0g/ℓ으로 주입되는 것이 바람직하다.
6) 생물전기화학장치를 운전하는 단계
상기 식종슬러지, 미생물배지, 발효성 생물촉진제 및 분말석탄이 모두 주입되면 온도를 일정하게 유지하고 외부전기를 연결하여 정전계를 형성한 후 교반기를 작동시킨다.
상기 운전은 온도를 30 내지 40℃에서 유지시키고, 상기 정전계를 1.5 내지 2.0V/㎝로 형성하며, 상기 교반을 100 내지 140rpm으로 수행하여 3일 이상 수행한다. 바람직하게는 상기 운전은 온도를 35℃에서 유지시키고, 상기 정전계를 1.67V/㎝로 형성하며, 상기 교반을 120rpm으로 수행하여 4일 이상 수행한다. 상기 온도 및 교반 조건이 상기 범위를 벗어나면 열역학적 조건이 변화하여 석탄-메탄 변화율이 변화될 수 있으며, 상기 정전계가 1.5V/㎝ 미만이면 직접 종간 전자 전달 효과가 미미하여 미생물의 활성이 저하될 수 있으며 상기 정전계가 2.0V/㎝을 초과하더라도 미생물 활성은 크게 증가하지 않는다. 상기 운전시간을 3일 미만으로 하면 석탄-메탄전환이 포화상태에 이르지 못하여 전환속도 및 효율이 저하되므로 4일 이상 운전하는 것이 바람직하다.
상기의 단계를 포함하는 본 발명의 특징을 정리하면 하기와 같다.
(1) 본 발명은 유전물질로 피복된 절연전극이 쌍으로 설치된 혐기성 소화조에 식종슬러지, 미생물배지, 발효성 생물촉진제 및 분말석탄을 주입하여 정전계에 노출시킴으로서 전기적 활성을 가진 체외전자방출박테리아 및 전자영양메탄균을 우점성장시켜 석탄의 가수분해를 촉진시키는 특징이 있다.
(2) 본 발명은 정전계를 통해 체외전자방출박테리아 및 전자영양메탄균을 우점성장 시킴과 동시에 발효과정에서 메탄전환을 촉진하여 분해가 어려워 독성이 있는 석탄의 중간생성물(다환 방향족/지방족 화합물)의 축적을 완화시켜 석탄 가수분해 산물의 연속적인 저분자물질로 발효를 가능하도록 하는 특징이 있다.
하기에서 도면과 실시예 통해 본 발명을 상세히 설명한다.
1) 생물 전기화학 장치
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 생물 전기화학 장치의 개략도를 보여준다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 생물 전기화학 장치는 석탄으로부터 메탄을 생성하는 반응액이 투입되는 생물전기화학 혐기성 소화조(1); 상기 생물전기화학 혐기성 소화조(1) 내부에 환형으로 설치되며 외부 전압원을 통하여 직류전압이 인가되는 제 1 절연전극(2) 및 제 2 절연전극(3); 상기 직류전압 형성을 위한 외부 전압원(4); 상기 제 1 절연전극(2), 제 2 절연전극(3) 및 외부 전압원(4)를 연결하는 도선(5); 교반기를 회전시키는 직류 전동기(6); 상기 생물전기화학 혐기성 소화조(1) 내부에 위치하며 일단이 상기 직류 전동기(6)에 회전 가능하도록 연결된 회전축과 상기 회전축의 다른 일단에 교반날개를 결합된 교반기(7); 상기 생물전기화학 혐기성 소화조(1)의 내부와 외부를 연결하여 상기 반응물을 소화조(1)로부터 직접 채취하는 액상시료 채취구(8); 반응으로부터 생성된 메탄을 포함하는 바이오가스를 채취하는 바이오가스 채취구(9), 상기 바이오가스의 발생량을 측정하기 위한 가스포집구(10)를 포함한다.
본 발명의 생물 전기화학 장치는 다음과 같이 구동된다. 하수처리장의 혐기성소화조에서 채취한 혐기성슬러지를 상기 생물 전기화학 장치의 혐기성 소화조(1)에 식종하고, 분말석탄을 기질로서 주입한다. 상기 생물 전기화학 장치의 혐기성 소화조(1)의 내부에 설치된 제 1 절연전극(2) 및 제 2 절연전극(3)에 도선(5)을 통하여 상기 외부 전압원(4)로부터 5.0V 의 직류전압을 공급하여 상기 소화조(1) 내부(제 1 절연전극과 제 2 절연전극 사이의 공간)에 1.67 V/㎝의 일정한 정전계(11)가 형성되도록 한다. 동시에 항온을 유지하며 직류 전동기(6)로 교반기(7)를 회전시켜 생물 전기화학 혐기성 소화조(1)를 운전한다.
상기 제 1 절연전극(2) 및 제 2 절연전극(3)은 전도성 금속 계열의 티타늄 방막판(0.3 ㎜)을 바탕전극으로 하였으며 염화비닐수지를 이용하여 절연코팅하였다. 상기 코팅한 제 1 절연전극 1(7 X 7 ㎝)과 제 2 절연전극 2(9 X 30 ㎝)는 열처리를 하여 코팅이 벗겨지지 않도록 하였다.
상기 제 1 절연전극(2)은 상기 교반기(7)의 회전축에 감긴 환형으로 설치되며 상기 제 2 절연전극(3)은 상기 생물 전기화학 혐기성 소화조(1)의 내벽에 환형으로 설치되며 상기 제 1 절연전극(2)과 제 2 절연전극(3)사이에는 3㎝의 간격이 있으며 상기 간격에 상기 교반기(7)의 교반날개가 위치하고 직류전압이 가해지면 정전계(11)가 형성된다.
2) 생물촉진제와 정전계를 이용한 석탄-메탄 전환
석탄의 생물전기화학적 메탄전환을 위한 생물 전기화학 장치에서 생물촉진제와 정전계의 효과를 검증하기 위하여, 상기에서 설명한 유효부피 0.5ℓ의 혐기성 소화조(1)를 포함하는 생물 전기화학 장치를 준비하였다.
실시예 1, 2, 3 및 비교예 1의 생물 전기화학장치는 상기 제 1 절연전극(2) 및 제 2 절연전극(3)에 5.0V의 전압을 인가하여 1.67 V/㎝의 정전계를 형성시켰다.
실시예 1, 2, 3의 소화조(1)에는 생물촉진제로서 효모추출물(실시예 1), 포도당(실시예 2), 또는 초산(실시예 3)을 투입하였다. 비교예1는 실시예와 동일한 규격의 생물 전기화학장치를 사용하되 생물촉진제를 주입하지 않았다.
실시예 1, 2, 3 및 비교예1의 생물 전기화학 장치의 상부 덮개에는 가스포집구(10)를 설치하고, 고무재질의 관으로 부유식 가스포집기와 연결하여 가스발생량을 모니터링 할 수 있도록 하였다. 또한 혐기성 소화조(1) 상부 덮개에 n-butyl rubber stopper로 밀봉된 바이오가스 채취구(9)를 설치하였다. 상기 채취구(9)를 통하여 회분식 혐기성 소화조(1) 상부의 바이오가스를 채취한 뒤, 열전도도검출기와 Porapak-Q 분리관이 설치된 가스 크로마토그래피를 이용하여 가스의 조성 변화를 관찰하였다.
운전을 위하여 하수종말처리장 혐기성소화조에서 혐기성슬러지를 채취하였으며, 불순물을 체거름하여 제거 후 자연침강법을 이용하여 농축한 뒤, 준비된 실시예 및 비교예의 소화조 각각에 0.25ℓ씩 식종하였다. 상기 혐기성슬러지에 포함된 혐기성미생물의 성장을 촉진시키기 위한 배지를 첨가하여 유효부피 0.5ℓ가 되도록 하였다.
생물 전기화학 장치 운전 초기에는 기질과 함께 배지만으로 운전을 실시하였다. 상기 배지에는 각각 Na2PO4 2.45g/ℓ, Na2HPO4 4.58g/ℓ, NH4Cl 0.31g/ℓ, KCl 0.13g/ℓ, 비타민 용액 1㎖/ℓ, 및 미네랄 용액 0.5㎖/ℓ이 포함되어 있다.
기질은 석탄인 갈탄(lignite)을 사용하였다. 상기 갈탄은 섭씨 105 ℃의 건조기에서 수분을 제거한 후 파쇄하였다. 상기 파쇄된 갈탄은 1㎜ 체가름하여 분말 석탄으로 제조하여 사용하였다. 상기 분말 석탄은 상기 실시예 및 비교예에 모두 동일하게 혐기성슬러지와 배지가 각 0.25ℓ씩 주입된 혐기성 소화조(1)에 5g/ℓ로 주입하였다. 상기 기질이 주입된 생물 전기화학 장치 혐기성 소화조(1)는 35℃로 온도를 유지하고 120rpm으로 교반하며 운전하였다.
생물촉진제는 효모추출물, 포도당 및 초산을 이용하였으며, 동일량을 주입하기 위하여 COD를 기준으로 각각 1 g/ℓ 씩 주입하였다. 상기 실시예 및 비교예에 사용된 혐기성 반응액의 초기 VSS 및 총 COD는 각각 13.24±0.10 g/ℓ, 18.72±0.17 g/ℓ이었다.
또한, 혐기성 슬러지 자체에서 발생하는 메탄발생량을 보정하기 위하여 실시예1, 2, 3 및 비교예1 와 동일 방법으로 분말석탄을 주입하지 않은 생물 전기화학 장치를 준비하여 보정예로서 운전하였다.
상기 실시예1, 실시예2, 실시예3, 비교예1 및 보정예의 실험 장치를 운전하는 동안 바이오가스의 성분 및 발생량을 모니터링 하였다.
상기 실시예 1 및 실시예 2의 메탄발생이 완료된 후에 반응물은 167 ㎖ 3등분 하여 새로운 혐기성 슬러지(식종미생물)와 배지 333 ㎖로 같은 농도로 대체하였으며, 생물촉진제(효모추출물, 포도당)의 양을 달리 주입하였다. 비교예의 경우 침전 후 250 ㎖ 상등액 버리고 혐기성슬러지(식종미생물)와 배지 250 ㎖로 같은 농도로 대체하여다. 상기 추가 식종한 실시예4, 실시예5, 실시예6, 실시예7, 실시예8, 실시예9, 비교예2 및 보정예의 실험 장치는 동일한 조건으로 운전하였고 바이오가스의 성분 및 발생량을 모니터링 하였다.
도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예의 석탄-메탄 전환 결과를 보여준다. 도 3은 상기의 조건으로 생물촉진제(효모추출물, 포도당)의 양을 달리 주입하였을 때의 석탄 중간생성물로부터의 석탄-메탄 전환 결과를 보여준다.
실험결과, 생물촉진제를 주입하지 않은 소화조(비교예1)와 생물촉진제를 주입한 소화조(실시예 1, 2 및 3)에서 석탄의 누적메탄발생량 (Cumulative methane production)을 비교하여 보면, 본 발명의 생물 전기화학 장치는 매우 짧은 지체기를 보인 후 급격하게 증가하는 것이 확인된다. 비교예 1은 12.9 ㎖가 발생하였으며, 생물촉진제에 따라 실시예 1(효모추출물)에서는 90.9 ㎖, 실시예 2(포도당)에서는 84.1 ㎖ 실시예 3(초산)에서는 26.7 ㎖가 발생하여 비교예 대비 2 배 이상 증가한 것으로 확인 된다. 생물촉진제(효모추출물, 포도당, 초산)를 주입한 실시예의 소화조는 생물촉진제를 주입하지 않은 비교예의 소화조에 메탄발생량이 크게 향상되었다.
상기 결과는 생물촉진제에 포함되어 있는 영양물질들이 없는 비교예 환경에서는 석탄의 가수분해 및 발효과정에서 생성된 다환 방향족 및 지방족 물질의 생성으로 인하여 미생물의 성장이 저하되고 활성이 떨어지며, 생물촉진제를 주입한 실시예 환경에서는 생물촉진제에 포함되어 있는 영양물질들이 전기활성균의 활성을 증가시켜 독성 물질인 다환 방향족 및 지방족 물질의 분해가 촉진되고 중간생성물이 저분자화되어 분해되기 쉬운 물질로 전환되었으며 이를 활성화 가진 전기활성균의 체외전자전달이 활발하게 이루어 졌다는 것을 의미한다.
또한 도 2 중 생물촉진제 중 효모추출물과 포도당을 주입한 실시예1 및 2에서 누적메탄발생량이 가장 많이 발생하였으며, 상기 실시예1 및 2를 동일한 부피로 나누어 생물촉진제의 양을 달리하여 추가 식종을 하였다. 실험결과, 석탄의 중간생성물로부터의 누적메탄발생량을 비교하여 보면, 도 2와 유사하게 매우 짧은 지체기를 보인 후 급격하게 증가하는 것이 확인된다. 비교예2는 115.5 ㎖가 발생하였으며, 생물촉진제 주입량에 따라 실시예4 155.5 ㎖(효모추출물 0.1g/ℓ), 실시예5 167.1 ㎖(효모추출물 0.3g/ℓ), 실시예6 194.8 ㎖(효모추출물 1.0g/ℓ), 실시예7 154.8 ㎖(포도당 0.1g/ℓ), 실시예8 167.8 ㎖(포도당 0.5g/ℓ), 실시예9 185.4 ㎖(포도당 1.0g/ℓ)로 생물촉진제를 주입하지 않은 경우보다 30% 메탄생성을 향상시켰다. 이는 생물전기화학 장치 내의 반응액에서 생물촉진제의 주입량에 따라 전기활성균의 활성이 증가하여 메탄생성을 촉진 유기물의 가수분해 시 연속적인 발효에 의한 저분자물질로의 변환이 촉진되었음을 의미한다.
그러나 동일 생물촉진제의 양을 주입하였을 경우 효모추출물이 포도당에 비하여 3 배이상 고가이며, 물에 용해도가 떨어지며 현장에서 사용하기에 지속적인 주입이 힘들다는 단점이 있다.
본 발명에 의한 생물촉진제를 주입한 생물전기화학장치 (실시예)는 생물촉진제를 주입하지 않은 생물전기화학장치(비교예)의 누적메탄발생량이 높았다. 또한 효모추출물 (실시예 1)과 포도당 (실시예 2)의 누적메탄발생량은 초산 (실시예 3)에서 보다 약 3배 이상 높았다. 이는 이미 발효가 완료된 초산보다 발효가 되지 않은 효모추출물과 포도당이 석탄의 메탄전환 시 생물촉진제로서 우수하다는 것을 의미한다.
도 2에 의하면, 운전 5일경 이후 실시예의 메탄발생은 더 이상 증가하지 않는 것이 확인된다. 이는 석탄분해 중간생성물이 더 이상 분해되지 못하고 축적되어 전기활성균 등의 혐기성미생물들의 활성이 저하되었기 때문으로 판단된다.
도 3에 의하면 생물촉진제의 양이 많을수록 전기활성균의 활성도가 증가하여 석탄의 생물학적 메탄전환을 보였으며 생물촉진제의 주입은 0.1 g/ℓ 내지 1.0 g/ℓ 수준을 유지하는 것이 바람직한 것으로 평가되었다.
표 1은 생물촉진제를 주입하지 않은 소화조(비교예1)와 생물촉진제를 주입한 소화조(실시예1, 2 및 3)에서의 순환전류전압법을 이용한 전기화학적 분석 결과를 비교한 결과를 보여준다. 상기 순환전류전압법은 생물전기화학 장치 내부용액의 전압을 단계적으로 증감시키면서 산화/환원전류를 모니터링하는 방법으로 수행하였다.
실시예 1 실시예 2 실시예3 비교예
생물촉진제 효모추출물 포도당 초산 -
Epa(V) 0.183 0.182 0.172 0.114
Ipa(㎃) 0.740 0.573 0.490 0.458
Epc(V) -0.178 -0.169 -0.158 -0.154
Ipc(㎃) 0.368 0.284 0.225 0.194
산화/환원피크 전류의 크기를 비교한 결과, 생물촉진제에 따라 효모추출물(실시예 1)인 경우 0.740 ㎃ / 0.368 ㎃, 포도당(실시예 2)인 경우 0.573 ㎃ / 0.284 ㎃, 초산(실시예 3)인 경우 0.490 ㎃ / 0.225 ㎃로 생물촉진제를 주입하지 않은 소화조(비교예 1) 0.114 ㎃ / 0.194 ㎃ 보다 컸으며, 효모추출물(실시예 1)에서 산화/환원 전류의 크기가 가장 컸다. 이는, 효모추출물이 생물촉진제로 작용되어 전기활성균이 소화조 내에 풍부하게 우점화 되었다는 것을 의미한다.
표 2는 생물촉진제를 주입하지 않은 소화조(비교예2)와 생물촉진제의 주입량을 달리한 반응조(실시예4, 5, 6, 7, 8 및 9)에서의 순환전류전압곡선을 비교한 결과를 보여준다. 산화/환원피크 전류의 크기를 비교한 결과, 효모추출물 0.1g/ℓ(실시예 4)인 경우 0.535 ㎃ / 0.424 ㎃, 효모추출물 0.5g/ℓ(실시예 5)인 경우 0.728 ㎃ / 0.522 ㎃, 효모추출물 1.0g/ℓ(실시예 6)인 경우 0.803 ㎃ / 0.609 ㎃, 포도당 0.1g/ℓ(실시예 7)인 경우 0.507 ㎃ / 0.296 ㎃, 포도당 0.5g/ℓ(실시예 8)인 경우 0.686 ㎃ / 0.411 ㎃, 포도당 1.0g/ℓ(실시예 9)인 경우 0.726 ㎃ / 0.506 ㎃으로 생물촉진 초산(실시예 3)인 경우 0.490 ㎃ / 0.225 ㎃로 생물촉진제를 주입하지 않은 소화조(비교예 2) 0.480 ㎃ / 0.209 ㎃보다 컸다. 효모추출물 1.0g/ℓ(실시예 9)의 경우 전류의 크기가 가장 컸다. 이는 생물촉진제는 포도당보다 효모추출물이 전기활성균의 활성을 유지하는데 효과가 크며, 주입량이 많을수록 석탄의 메탄전환이 유리한 것을 의미한다.
실시예 4 실시예 5 실시예 6 실시예 7 실시예 8 실시예 9 비교예
생물촉진제 효모추출물 포도당 -
주입량 0.1 g/ℓ 0.5 g/ℓ 1.0 g/ℓ 0.1 g/ℓ 0.5 g/ℓ 1.0 g/ℓ -
Epa(V) 0.081 0.159 0.204 0.143 0.169 0.218 0.024
Ipa(㎃) 0.535 0.728 0.803 0.507 0.686 0.726 0.480
Epc(V) -0.257 -0.208 -0.191 -0.268 -0.249 -0.194 -0.344
Ipc(㎃) 0.424 0.522 0.609 0.296 0.411 0.506 0.209
표 3는 비교예의 석탄의 생물학적 메탄전환과 실시예의 석탄의 생물학적 메탄전환의 성능을 비교한 결과이다.
생물촉진제 최종메탄발생량 최대메탄발생속도 지체기 최종메탄수율
실시예 1 효모추출물 90.9 29.3 0.31 33.3
실시예 2 포도당 84.1 22.2 0.46 34.6
실시예 3 초산 26.7 8.4 0.59 12.2
비교예 1 - 12.9 3.4 0.76 5.5
생물촉진제에 따른 최종메탄발생량은 실시예 1(효모추출물)의 경우 90.9 ㎖, 실시예 2(포도당)의 경우 84.1 ㎖, 실시예 3(초산)의 경우 26.7 ㎖로 효모추출물을 주입한 소화조(실시예 1)에서 최대로 발생하였으며, 생물촉진제를 주입하지 않은 소화조(비교예 1)의 12.9 ㎖보다 크게 높았다.
또한, 1 g의 석탄에서 발생된 최종 메탄 수율은 실시예 1(효모추출물)의 경우 33.3 ㎖/g Coal, 실시예 2(포도당)의 경우 34.6 ㎖/g Coal, 실시예 3(초산)의 경우 12.2 ㎖/g Coal로 생물촉진제를 주입하지 않은 소화조(비교예 1)의 5.5 ㎖/g Coal보다 크게 높았다
표 4는 비교예의 석탄 중간생성물의 생물학적 메탄전환과 실시예의 석탄 중간생성물의 생물학적 메탄전환의 성능을 비교한 결과이다.
생물촉진제 주입량 최종메탄발생량 최대메탄발생속도 지체기 최종메탄수율
실시예4 효모추출물 0.1 g/ℓ 155.5 31.1 0.84 90.7
실시예5 0.5 g/ℓ 167.1 28.8 0.69 94.9
실시예6 1.0 g/ℓ 194.8 31.9 0.59 113.3
실시예7 포도당 0.1 g/ℓ 154.8 27.7 0.74 92.8
실시예8 0.5 g/ℓ 167.8 35.5 0.56 94.3
실시예9 1.0 g/ℓ 185.4 34.0 0.64 100.9
비교예2 - - 115.5 16.2 0.93 62.2
생물촉진제에 주입량에 따른 최종메탄발생량은 실시예 4(효모추출물 0.1 g/ℓ)의 경우 155.5 ㎖, 실시예 5(효모추출물 0.5 g/ℓ)의 경우 167.1 ㎖, 실시예 6(효모추출물 1.0 g/ℓ)의 경우 194.8 ㎖, 실시예 7(포도당 0.1 g/ℓ)의 경우 154.8 ㎖, 실시예 8(포도당 0.5 g/ℓ)의 경우 167.8 ㎖, 실시예 9(포도당 1.0 g/ℓ)의 경우 185.4 ㎖로 효모추출물을 1.0 g/ℓ 주입한 소화조(실시예 6)에서 최대로 발생하였으며, 생물촉진제를 주입하지 않은 소화조(비교예 2)의 115.5 ㎖보다 높았다.
또한, 1 g의 석탄에서 발생된 최종 메탄 수율은 실시예 4(효모추출물 0.1 g/ℓ)의 경우 90.7 ㎖/g Coal, 실시예 5(효모추출물 0.5 g/ℓ)의 경우 94.9 ㎖/g Coal, 실시예 6(효모추출물 1.0 g/ℓ)의 경우 113.3 ㎖/g Coal, 실시예 7(포도당 0.1 g/ℓ)의 경우 92.8 ㎖/g Coal, 실시예 8(포도당 0.5 g/ℓ)의 경우 94.3 ㎖/g Coal, 실시예 9(포도당 1.0 g/ℓ)의 경우 100.9 ㎖/g Coal로 생물촉진제를 주입하지 않은 소화조(비교예 2)의 62.2 ㎖/g Coal보다 크게 높았다
이 결과는 혐기성소화조에 분말석탄과 혐기성미생물을 함유한 혐기성 배지 그리고 생물촉진제로서 쉽게 생분해 가능한 발효성 기질를 주입하고 전계에 노출시키면 가수분해 및 중간생성물의 저분자화반응이 촉진되고 메탄생성반응이 활성화되어 메탄수율을 향상시킬 수 있다는 것을 나타낸다. 또한, 가격이 비싼 효모추출물의 대안으로 쉽게 생분해되는 발효성 기질인 포도당, 녹말 등이 석탄의 생물학적 메탄전환을 위한 생물촉진제로 대체 가능하다는 것을 나타낸다.
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.
1 혐기성 소화조 2 제 1 절연전극
3 제 2 절연전극 4 외부 전압원
5 도선 6 직류전동기
7 교반날개 8 액상시료 채취구
9 가스시료 채취구 10 가스발생량 측정을 위한 관
11 정전계

Claims (7)

  1. 생물 전기화학 장치를 이용한 석탄의 생물학적 메탄 전환 방법에 있어서,
    절연전극쌍이 구비된 혐기성 소화조를 포함하는 생물전기화학장치를 준비하는 제 1 단계;
    석탄을 분쇄하여 분말석탄을 준비하는 제 2 단계;
    하폐수처리장의 혐기성소화슬러지를 침전시켜 체외전자방출박테리아 (Exo electrotrophic bacteria) 및 전자영양메탄균(Electrotrophic Methanotrophs)을 포함하는 식종슬러지를 준비하는 제 3 단계;
    혐기성 미생물배지 및 발효성 생물촉진제를 준비하는 제 4 단계;
    상기 생물전기화학장치의 소화조에 식종슬러지, 혐기성 미생물배지, 발효성 생물촉진제 및 분말석탄을 주입하는 제 5 단계; 및
    상기 생물전기화학장치의 일정 온도를 유지하고 교반하며, 전압을 인가하여 정전계를 형성한 분위기에서 석탄을 메탄으로 전환시키는 제 6 단계;
    를 포함하며,
    상기 발효성 생물촉진제는 생분해가 가능한 포도당(glucose) 또는 녹말(α-maltose)이며, 상기 포도당(glucose) 또는 녹말(α-maltose)은 상기 정전계에 노출된 상기 체외전자방출박테리아 및 상기 전자영양메탄균의 활성을 유지시켜 석탄의 독성 중간 생성물이 축적되는 것을 완화시키는 것을 특징으로 하는 생물 전기화학 장치를 이용한 석탄의 생물학적 메탄 전환 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 발효성 생물촉진제는 상기 소화조에 0.1 내지 1.5 g/ℓ로 주입되는 것을 특징으로 하는 생물 전기화학 장치를 이용한 석탄의 생물학적 메탄 전환 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 석탄의 생물학적 메탄 전환 방법은 상기 정전계에서 상기 체외전자방출박테리아와 상기 전자영양메탄균의 종간 직접 전달(direct interspecies electron transfer)에 의해 상기 전자영양메탄균에 의한 석탄-메탄 전환 활성이 향상되는 것을 특징으로 하는 생물 전기화학 장치를 이용한 석탄의 생물학적 메탄 전환 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 체외전자방출박테리아는 크로스티리디움(Chostridium), 지오박터(Geobacter), 및 시와넬라(Shewanella)을 포함하는 미생물군으로부터 선택된 하나 또는 둘 이상의 미생물이며, 상기 전자영양메탄균은 메타노세이타(Methanosaeta), 및 메타노박테리움(Methanobacterium)을 포함하는 미생물군으로부터 선택된 하나 또는 둘의 미생물인 것을 특징으로 하는 생물 전기화학 장치를 이용한 석탄의 생물학적 메탄 전환 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 정전계는 1.5 내지 2.0V/㎝로 형성하는 것을 특징으로 하는 생물 전기화학 장치를 이용한 석탄의 생물학적 메탄 전환 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 절연전극쌍은 상기 혐기성 소화조의 내부에 환형으로 설치된 제 1 절연전극 및 상기 혐기성 소화조의 내벽에 환형으로 설치된 제 2 절연전극으로 구성되며 상기 제 1 절연전극과 제 2 절연전극 사이의 거리는 3 내지 5 ㎝인 것을 특징으로 하는 생물 전기화학 장치를 이용한 석탄의 생물학적 메탄 전환 방법.
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