KR102463900B1

KR102463900B1 - 미생물 전기 분해 전지를 포함하는 바이오수소 생산용 시스템

Info

Publication number: KR102463900B1
Application number: KR1020210111403A
Authority: KR
Inventors: 정대열; 이호준; 최진수
Original assignee: (주)바이오엑스
Priority date: 2021-07-16
Filing date: 2021-08-24
Publication date: 2022-11-04

Abstract

본 발명은 미생물 전기 분해 전지를 포함하는 바이오수소 생산용 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 일 측면인 미생물 전기 분해 전지를 포함하는 바이오수소 생산용 시스템은, 미생물 전기 분해 전지 내 전자방출 미생물이 전자 공여체로 활용하는 물질인 아세트산 및 에탄올을 미생물 전기 분해 전지 내부로 유입시켜, 고순도의 수소를 다량·효율적으로 생산할 수 있다. 또한, 본 발명은 미생물을 활용하여 유기성 폐기물을 재활용하는 것이므로 친환경적이다.

Description

미생물 전기 분해 전지를 포함하는 바이오수소 생산용 시스템{SYSTEM FOR PRODUCING BIOHYDROGEN COMPRISING MICROBIAL ELECTROLYSIS CELL}

본 발명은 미생물 전기 분해 전지를 포함하는 바이오수소 생산용 시스템에 관한 것이다.

미생물 전기 분해 전지(Microbial electrolysis cell, MEC)는 지구온난화와 에너지 문제에 따라 점차 주목받고 있는 기술로, 전기화학적으로 활성을 가지는 미생물이 유기물로부터 수소나 고부가 화학물질을 생산하는 시스템이다. 구체적으로, 미생물의 대사에 의하여 기질이 분해되는 과정에서 발생되는 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 수단과 상기 변환된 전기에너지를 회수하는 수단을 포함하여, 결과적으로는 미생물을 사용하여 기질로부터 전기를 생산하는 장치를 의미한다. 통상적으로, 미생물 연료전지는 미생물이 접종된 애노드(Anode) 전극, 캐소드(cathode) 전극, 반응조 및 양이온 교환막으로 구성되는 데, 상기 반응조에서 양이온 교환막을 중심으로 아노드 전극과 캐소드 전극이 서로 반대편에 구비된다. 상기 반응조에 기질이 포함된 배지가 충진되면, 상기 기질을 애노드 전극에 접종된 미생물이 분해시켜서, 분해산물로서 수소이온과 전자를 생성시키고, 상기 생성된 수소이온은 양이온 교환막을 투과하여 캐소드 전극으로 전달되며, 상기 생성된 전자는 애노드 전극으로부터 캐소드 전극으로 이동하여 최종적으로 전류를 생성하게 된다.

MEC는 현재 연구되고 있는 녹색에너지 기술 중 가장 청정한 것으로 알려져 있으며, 낮은 에너지 사용량, 다양한 유기물에 적용 가능한 점 등 다양한 장점이 알려져 있다. 그러나, 이를 이용한 수소 생산은 수소 제조 단가가 화석 연료에 비하여 현저히 높고 효율이 떨어진다는 현실적 문제에 봉착해 있는 상태이다. 이를 해결하기 위해 극의 소재, 분리막 구조 및 소재, 인가전압을 조절하는 기술 등이 연구되고 있으나, 아직까지 만족한 만한 결과를 얻은 결과물은 알려지지 않았다.

KR

10-1714431

B1

일 측면에서, 본 발명의 목적은 고순도의 수소를 다량 생산하는 것이다.

일 측면에서, 본 발명의 목적은 유기폐기물로부터 수소를 효율적으로 생산하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 일 측면에서, 미생물 전기 분해 전지를 포함하는 바이오수소 생산용 시스템을 제공하며, 상기 시스템은, 유기성 폐기물로부터 바이오수소를 생산하는 것을 포함하고, 상기 시스템은 미생물 전기 분해 전지(Microbial electrolysis cell, MEC) 및 아세트산 및 에탄올 중 하나 이상을 포함하는 발효물을 생산하는 미생물 발효조를 포함하는, 미생물 전기 분해 전지를 포함하는 바이오수소 생산용 시스템을 제공한다.

본 발명의 일 측면인 미생물 전기 분해 전지를 포함하는 바이오수소 생산용 시스템은, 미생물 전기 분해 전지 내 전자방출 미생물이 전자 공여체로 활용하는 물질인 아세트산 및 에탄올을 미생물 전기 분해 전지 내부로 유입시켜, 고순도의 수소를 다량·효율적으로 생산할 수 있다. 또한, 본 발명은 미생물을 활용하여 유기성 폐기물을 재활용하는 것이므로 친환경적이다.

도 1은 본 발명의 일 측면인 미생물 전기 분해 전지를 포함하는 바이오수소 생산용 시스템의 모식도이다.
도 2 내지 4는 본 발명의 일 측면의 미생물 전기 분해 전지를 포함하는 바이오수소 생산용 시스템의 구현예이다.

이하에서, 각 구성을 보다 상세히 설명하나, 이는 하나의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 권리범위가 다음 내용에 의해 제한되지 아니한다.

본 발명의 명세서 및 청구범위에 사용된 용어 또는 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되지 아니하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

일 측면에서, 본 발명은 미생물 전기 분해 전지를 포함하는 바이오수소 생산용 시스템이다.

일 측면에서, 상기 시스템은 유기성 폐기물로부터 바이오수소를 생산하는 것을 포함할 수 있다.

상기 유기성 폐기물은, 예컨대, 볏짚 등을 포함하는 농업 부산물, 가축 분뇨, 인분뇨, 폐목재, 산업폐수오니, 생활하수오니, 식품산업폐기물 등을 포함할 수 있으며, 유기물을 주로 포함하는 폐기물이라면 종류와 상태에 제한받지 않는다.

상기 시스템은, 미생물 전기 분해 전지(Microbial electrolysis cell, MEC); 및 아세트산 및 에탄올 중 하나 이상을 포함하는 발효물을 생산하는 미생물 발효조를 포함할 수 있다.

본 발명의 시스템에 있어서, 상기 미생물 전기 분해 전지는, 업계에 알려져 있는 통상적인 것을 포함할 수 있다. 예컨대, 전원공급장치, 음극, 양극, 음극과 양극을 각각 담지하고 있는 음극 반응조와 양극 반응조, 이들을 공간적으로 분리하여 구분시키는 분리막, 음극과 양극을 도선으로 연결한 회로 등을 포함할 수 있다(참고: 미생물연료전지의 재료: 전극 및 분리막, 집전체, 송영채 외 2인, 대한환경공학회지 특집-Special Feature 693~704, 2009.).

본 명세서에서 "발효물"이란, 발효 중간 산물, 발효 산물 등 발효 중 및 발효 완료후 생성된 모든 물질을 총칭한다.

일 측면에서, 상기 미생물 발효조 내에서 생산되는 아세트산 및 에탄올의 농도는 각각 0.5%(v/v) 이상일 수 있다.

일 측면에서, 상기 발효물 중 이산화탄소 및 수소는, 미생물 발효조 내부로 재순환될 수 있다.

이 때 발효조에서 생산된 이산화탄소 및 수소는, 발효조 외부에 존재하는 기체 저장 탱크에 저장될 수 있고, 해당 탱크에 저장되어 있던 이산화탄소 및 수소가 발효조로 다시 공급되어 재순환될 수 있다.

일 측면에서, 상기 재순환되는 이산화탄소 및 수소는 각각 반응기 외부에서 반응기 내부로 0.5~2.0L/hr의 속도로 유입될 수 있다. 구체적으로, 상기 재순환 이산화탄소와 수소의 유입속도는 각각 0.5L/hr 이상, 0.6L/hr 이상, 0.7 L/hr 이상, 0.8L/hr 이상, 0.9L/hr 이상, 1.0L/hr 이상, 1.1L/hr 이상, 1.2L/hr 이상, 1.3L/hr 이상, 1.4L/hr 이상, 1.5L/hr 이상, 1.6L/hr 이상, 1.7L/hr 이상, 1.8L/hr 이상, 1.9L/hr 이상일 수 있고, 2.0L/hr 이하, 1.9L/hr 이하, 1.8L/hr 이하, 1.7L/hr 이하, 1.6L/hr 이하, 1.5L/hr 이하, 1.4L/hr 이하, 1.3L/hr 이하, 1.2L/hr 이하, 1.1L/hr 이하, 1.0L/hr 이하, 0.9L/hr 이하, 0.8L/hr 이하, 0.7L/hr 이하, 0.6L/hr 이하일 수 있다.

상기와 같은 이산화탄소 및 수소의 재순환을 통해 아세트산 및 에탄올 생산량을 극대화할 수 있다.

또한, 일 측면에서, 또한, 일 측면에서, 상기 발효가 진행중인 발효조에는 유기성 폐기물 발효 산물인 기체 이외에 별도의 기체가 더 유입될 수 있다. 상기 기체는 반응기 내부를 혐기성 환경으로 조성할 수 있는 기체를 포함할 수 있고, 예컨대 이산화탄소를 포함할 수 있다.

상기와 같은 측면에서 상기 기체가 이산화탄소 일 때, 발효조 내 존재하는 수소의 용해도 향상을 위해, 반응기 내부 압력은 2~10bar로 조정될 수 있다. 구체적으로 상기 반응기 내부 압력은, 2bar 이상, 3bar 이상, 4bar 이상, 5bar 이상, 6bar 이상, 7bar 이상, 9bar 이상일 수 있고, 10bar 이하, 9bar 이하, 8bar 이하, 7bar 이하, 6bar 이하, 5bar 이하, 4bar 이하, 또는 3bar 이하일 수 있다.

상기 발효조 또는 반응기는 반연속 및/또는 연속으로 피드-반응-침전-배출의 사이클로 운전될 수 있다. 또한, 상기 발효조는 내부에 존재하는 부유 고형물질을 제거하기 위한 내부 정화 시설을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 발효조는 발효물(기질)이 미생물 전기 분해 전지에 투입되기 전에 부유 고형 물질을 제거하기 위한 투과막을 더 포함할 수 있으며, 발효조 피드부에는 용존공기 부상 장치를 포함할 수 있다. 이를 통해, 최종적으로 미생물 전기 분해 전지에 투입되는 기질 내 부유 고형 물질의 농도를 0.5g/L 이하로 최소화할 수 있다.

일 측면에서, 상기 미생물 발효조는 미생물을 포함하며, 상기 미생물은 클로스트리듐(Clostridium) 속 미생물을 포함할 수 있다.

일 측면에서, 상기 클로스트리듐 속 미생물은, 제한되지 않고, 클로스트리듐 아세티쿰(Clostridium aceticum), 클로스트리듐 아세티레듀센스(Clostridium acetireducens), 클로스트리듐 아세토부틸리쿰(Clostridium acetobutylicum), 클로스트리듐 드라케이(Clostridium drakei), 클로스트리듐 포미카세티쿰(Clostridium formicaceticum), 클로스트리듐 글리코리쿰(Clostridium glycolicum), 클로스트리듐 매그넘(Clostridium magnum), 클로스트리듐 매욤베이(Clostridium mayombei), 클로스트리듐 메톡시벤조보란스(Clostridium methoxybenzovorans) 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

그 밖에도 상기 미생물은 클로스트리듐 속 미생물 뿐만 아니라, 이산화탄소로부터 아세트산 및/또는 에탄올을 생산할 수 있는 미생물이라면 사용될 수 있다. 예컨대, 아세토박테리움 속(acetobacterium genus), 블라우티아 속(Blautia genus), 유박테리움 속(Eubacterium genus), 모렐라 속(Morrella genus), 스포로뮤사속(sporomusa genus), 및 써모 아세토제니움 속(Thermo acetogenium genus)로부터 선택된 미생물을 포함할 수 있으며, 상기 클로스트리듐 속 미생물을 포함하여, 2 종 이상의 미생물을 포함할 수도 있다.

일 측면에서, 상기 시스템은 미생물 배양기를 더 포함할 수 있으며, 상기 미생물 배양기에서 배양된 미생물은 미생물 발효조로 공급될 수 있다.

일 측면에서, 상기 미생물은 pH 3.6~6.0의 미생물 배양기(배양기 I)에서 농후화 배양되며 활성화시킬 수 있다. 또한, 상기 활성화된 미생물은 농축시켜 알긴산 등의 고정화 소재를 이용하여 캡슐화한 후 별도의 배양기에서 보관(배양기 II)될 수 있다.

일 측면에서, 상기 발효는 pH 5~6.5의 환경에서 수행될 수 있다.

또한, 상기 발효는 혐기성 환경에서 수행될 수 있다.

상기와 같은 환경에서 발효가 수행될 때, 고농도의 아세트산과 에탄올이 포함된 기질을 얻을 수 있다.

일 측면에서, 상기 발효는 유기 폐기물 내 함유된 헥소오스(hexose)를 분해하는 것을 포함할 수 있다.

구체적으로, 상기 발효는 아래와 같은 공정에 의하여 아세트산과 에탄올을 생산하는 것일 수 있다.

<화학식 1>

C₆H₁₂O₆ + H₂0 → C₂H₅OH + CH₃COOH + 2CO₂ + 2H₂

<화학식 2>

4C₆H₁₂O₅ → 2CH₃COOH + 3CH₃CH₂CH₂COOH + 8H₂ +8CO₂

일 측면에서, 상기 유기성 폐기물의 발효물은 pH가 약 6.5 이하일 수 있는데, 미생물 전기 분해 전지에 상기 기질을 도입하기에 앞서, 상기 발효물(기질)은 중성화 공정을 통해 pH가 7~7.8로 조정될 수 있다.

일 측면에서, 상기 발효물은, MEC의 양극부(Anode)에 공급되는 것을 포함할 수 있다.

일 측면에서, 상기 시스템은 액상 발효물 혼합조(액상 발효액 혼합조)를 더 포함할 수 있으며, 상기 발효물은 상기 액상 발효물 혼합조를 거쳐 MEC로 공급될 수 있다.

상기 발효물이 MEC로 공급될 때, 메탄 형성(생산) 효소의 전구체인 코엔자임 M의 화학적 구조 유사체를 함께 MEC로 공급할 수 있다.

이 때, 상기 공급되는 화학적 구조 유사체의 농도는 0.1M 이하일 수 있다.

상기와 같이 코엔자임 M의 화학적 구조 유조체를 공급함으로써, 메탄 생성균과 같은 비수소 생성균의 활성을 선택적으로 조절(억제)하여, 메탄을 포함한 비수소 가스의 생산을 억제할 수 있다.

이 때, 상기 액상 발효물 혼합조는 MEC로 투입되는 기질이 일정 유속 또는 수위를 유지하며 공급될 수 있도록 제어할 수 있다.

또한, 일 측면에서, 상기 유기성 폐기물은 발효를 수행하기 전에 전처리된 것을 포함할 수 있다.

상기 전처리는 유기성 폐기물에 산성 물질을 가하여 pH 3 이하의 산성 환경에서 24~60시간 동안 전-산처리(pre-acidification)한 후, 전-산처리에서 가한 산성 물질과는 별도의 산성 물질을 가하는 산처리를 포함할 수 있다.

일 측면에서, 상기 산성 물질은 염화수소 또는 과염소산(perchloric acid)일 수 있으며, 일 구현예에서는 전-산처리에 염화수소를 처리하고, 산처리에서는 과염소산을 처리한 것을 포함할 수 있다.

상기 전-산처리는 24~60시간, 또는 36~60시간, 또는 40~60시간, 또는 45~52시간 동안 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

또한, 상기 산처리 후 유기성 폐기물의 pH가 1.5~2.5인 상태로 1~3시간 동안 저장한 것을 포함할 수 있다. 구체적으로 상기 유기성 폐기물의 pH는 1.5 이상, 1.6 이상, 1.7 이상, 1.8 이상, 1.9 이상, 2.0 이상, 2.1 이상, 2.2 이상, 2.3 이상, 2.4 이상, 2.5 이하, 2.4 이하, 2.3 이하, 2.2 이하, 2.1 이하, 2.0 이하, 1.9 이하, 1.8 이하, 1.7 이하, 1.6 이하일 수 있다. 또한, 저장 시간은 1 시간 이상, 70분 이상, 80 분 이상, 90 분 이상, 100분 이상, 110분 이상, 120분 이상, 130분 이상, 140분 이상, 150분 이상, 160분 이상, 170분 이상일 수 있고, 180분 이하, 170분 이하, 160분 이하, 150분 이하, 140분 이하, 130분 이하, 120분 이하, 110분 이하, 100분 이하, 90분 이하, 80분 이하, 70분 이하일 수 있다.

상기 전처리를 통하여 유기성 폐기물에 존재하는 혐기성 발효 억제 물질, 메탄화 미생물과 같이 에탄올/아세트산 생산을 저해하는 생물 등을 제거할 수 있으며, 본 발명의 미생물을 우점화시킬 수 있다.

일 측면에서, 상기 시스템은, MEC의 양극부에 연결된 미생물 저장탱크, 바이오가스저장 탱크, 배출수 저장탱크를 더 포함할 수 있다.

상기 바이오가스는, 상기 시스템중에서 발생하는 가스를 총칭하며, 예컨대, 수소, 탄화수소 화합물, 이산화탄소 등을 포함할 수 있다.

또한, 일 측면에서 본 발명은 아세트산 및 수소 공급부; 및 MEC를 포함하는, 유기성 폐기물로부터 수소를 포함하는 바이오수소 생산장치이다.

또한, 일 측면에서 본 발명은 아세트산 및 수소를 공급하는 단계를 포함하는, MEC를 이용한 수소의 제조방법이다.

또한, 일 측면에서 본 발명은 미생물 전기 분해 전지용 기질이다. 상기 기질은, 유기성 폐기물의 발효물을 포함할 수 있으며, 상기 발효물은, 클로스트리듐 속(Clostridium genus) 미생물에 의해 발효된 것을 포함할 수 있고, 0.5%(v/v) 이상의 아세트산 및 0.5%(v/v) 이상의 에탄올을 포함할 수 있다.

feed : 유기성 폐기물
10: 미생물 발효조
11: 기체 저장 탱크
20: MEC
21: 바이오가스 저장 탱크
22: 미생물 저장탱크
23: 배출수 저장 탱크
30: 미생물 배양기

Claims

미생물 전기 분해 전지를 포함하는 바이오수소 생산용 시스템으로서,
상기 시스템은,
유기성 폐기물로부터 바이오수소를 생산하는 것을 포함하고,
상기 시스템은,
미생물 전기 분해 전지(Microbial electrolysis cell, MEC); 및
아세트산 및 에탄올 중 하나 이상을 포함하는 발효물을 생산하는 미생물 발효조를 포함하며, 상기 발효물 중 이산화탄소 및 수소는, 미생물 발효조 내부로 재순환되며,
상기 미생물 발효조 내부로 재순환되는 이산화탄소 및 수소는,
미생물 발효조 외부에서 미생물 발효조 내부로 0.5~2.0L/hr의 속도로 유입되며,
상기 유기성 폐기물은,
발효가 수행되기 전에 전처리된 것을 포함하며,
상기 전처리는,
유기성 폐기물에 산성 물질을 가하여, pH 3 이하의 산성 환경에서 24~60시간 동안 전-산처리(pre-acidification)한 후, 전-산처리에서 가한 산성 물질과는 별도의 산성 물질을 가하는 산처리를 포함하며,
상기 산처리 후 유기성 폐기물의 pH가 1.5~2.5인 상태로 1~3시간 동안 저장한 것을 포함하는, 미생물 전기 분해 전지를 포함하는 바이오수소 생산용 시스템.
제1항에 있어서,
상기 미생물 발효조 내에서 생산되는 아세트산 및 에탄올 중 하나 이상의 농도는 0.5%(v/v) 이상인, 미생물 전기 분해 전지를 포함하는 바이오수소 생산용 시스템.
삭제
제1항에 있어서,
상기 미생물 발효조는 미생물을 포함하며,
상기 미생물은 클로스트리듐(Clostridium) 속 미생물을 포함하는, 전기 분해 전지를 포함하는 바이오수소 생산용 시스템.
제1항에 있어서,
상기 발효물은,
MEC의 양극부(Anode)에 공급되는 것을 포함하는, 미생물 전기 분해 전지를 포함하는 바이오수소 생산용 시스템.
삭제
제1항에 있어서,
상기 시스템은,
미생물 배양기를 더 포함하며,
상기 미생물 배양기에서 배양된 미생물은 미생물 발효조로 공급되는, 미생물 전기 분해 전지를 포함하는 바이오수소 생산용 시스템.
삭제
삭제