KR102488904B1 - 이산화탄소의 포집 및 전환용 생물반응기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이산화탄소 포집 및 전환용 생물반응기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 미생물을 이용한 생물학적인 발효공정과 화학공정을 함께 결합하여 바이오가스 중 이산화탄소를 미생물에 의해 포집하거나 유기산으로 전환하는 생물반응기에 관한 것이다.
상기 화학공정을 위한 화학반응조(200)는 강염기성 수용액을 사용하는 것을 포함하고, 포집된 CO2는 KHCO3 또는 NaHCO3 형태로 변환하여 포화되는 것을 특징으로 한다.
상기 화학공정을 위한 화학반응조(200)는 강염기성 수용액을 사용하는 것을 포함하고, 포집된 CO2는 KHCO3 또는 NaHCO3 형태로 변환하여 포화되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 이산화탄소 포집 및 전환용 생물반응기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 미생물을 이용한 생물학적인 발효공정과 화학공정을 함께 결합하여 바이오가스 중 이산화탄소를 미생물에 의해 포집하거나 유기산으로 전환하는 생물반응기에 관한 것이다.
인간이 소비하는 전력은 지금도 빠른 속도로 늘어나고 있고, 우리가 사용하는 전력의 많은 부분은 아직 화력발전소에 의지하고 있다.
화석연료의 사용으로 인해 대기 중에 온실가스의 농도가 급격히 상승하고 있으며, 즉 석유나 석탄과 같은 화석연료에서 발생하는 이산화탄소(CO2)의 배출이 가장 주된 요인이다. 이는 온실가스 배출량 중 약 80%이상을 차지하고 있고, 대기 중에서의 잔류시간이 대략 50~200년으로 길기 때문이다.
지구 온난화를 최소화하기 위해서는 이산화탄소의 배출을 감소시켜야 한다. 그러기 위해서는 CO2 포집, 활용 및 저장기술(CO2 capture, utilization, and storage, CCUS)의 개발이 반드시 필요하다.
우선 상기 문제를 해결하는 방법은, 화석연료에서 발생하는 CO2를 부가가치가 있는 화학물질(예, 유기산)로 전환하는 것이다. 또 다른 방법은, 화석연료 대신에 연료원으로서 바이오매스 같은 재생 가능한 에너지원에서 얻어진 바이오가스 또는 바이오에탄올을 사용하는 것이다.
여기서 바이오가스는 바이오매스의 혐기성 소화를 통해 생산되는데, 이는 대략 50 내지 75%의 메탄(CH4)과 25 내지 50%의 이산화탄소(CO2)로 이루어져 있다. 차량의 연료 또는 그리드 주입용으로서 적합하려면, 메탄을 정화 및 개량하여 그 함량을 높이고 바이오가스의 에너지 함량을 향상시켜야 한다.
특허문헌 1은 고순도의 바이오메탄을 생산하기 위한 생산시스템에 관한 것으로, 유기산 발효조 및 메탄화 반응조, 수소공급조, 영양물질 저장조 및 바이오메탄 저장조를 포함하고 있으며, 특허문헌 2는 연료 가스를 개량하고 숙신산을 제조하는 방법이 개시되어 있다. 또한 특허문헌 3은 액체 배양 배지 및 혐기성 유기산-생산 미생물을 사용하여 바이오가스 내의 CO2를 유기산으로 전환하는 공정이 기술되어 있지만, CH4 함량을 높이고 CO2의 포집량도 증가시키는 데에는 한계가 있다.
따라서 혐기성 유기산-생산 미생물에 의한 CO2의 이용률을 높히는 것은 물론이고, 액체 배양 배지를 기체 CH4로 혐기성 전환시킬 수 있는, 개선된 생물반응기가 요구되고 있는 실정이다. 즉 CO2를 이용하여 유용한 화학물질을 생산할 수 있는 생물반응 플랜트가 필요하다.
본 발명의 목적은, 바이오가스 내의 기체 CO2 및 액체 배양 배지를 유기산으로 혐기성 전환하는 개선된 공정을 제공하고자 한다. 더욱이, 이러한 개선된 공정에서 사용하기 위한 새로운 생물반응기 조합이 필요하다. 특히, 기체 CO2 및 액체 배양 배지를 유기산으로 혐기성 전환하는 생물공정과 화학공정이 결합된 생물반응기 또는 바이오가스 생산설비가 필요하다.
본 발명의 다른 목적은, 혐기성 유기산-생산 미생물에 의한 CO2의 포획 또는 포집을 개선하고, 혐기성 유기산-생산 미생물에 의한 CO2의 개선된 이용률 및/또는 개선된 확장성을 갖도록 하는 것이다.
전술한 문제를 해결하기 위해 본 발명은, 기체 CO2 및 액체 배양 배지를 유기산으로 혐기성 전환하는 미생물 반응조(100)에 화학반응조(200)가 결합된 생물반응기(300)를 고안하였다.
상기 미생물 반응조(100)는 공동(2a), 외벽(2b), 하부(2c) 및 상부(2d)를 포함하고, 공동(2a)은 하나 이상의 관통공(4)을 갖는 하나 이상의 판(3)을 포함하고, 상기 하나 이상의 판(3)은 외벽(2b)에 수직으로 위치되며; 상기 화학반응조(200)는 강염기성 수용액이 하단부에 저장되어 있으며, 상기 미생물 반응조(100)의 제1 가스 출구(14)로부터 배출되는, CO2-고갈 2차 가스는 제 2가스 입구(27)로 제공되어 상기 수용액과 반응하게 되고, 이때 포집된 CO2는 파이프(26)을 통해 pH 조절기(150)를 거쳐 미생물 반응조(100)로 투입되며, 화학반응조(200)로부터 CO2-정제 3차 가스를 배출하기 위해 제 2가스 출구(28)에 파이프(29)가 연결되는 구조로 이루어진 것을; 특징으로 한다.
상기 화학반응조(200)는 8~10M의 강염기성 수용액을 사용하는 것을 포함하고, 화학반응조(200)에서 포집된 CO2는 KHCO3 또는 NaHCO3 형태로 변환하여 포화되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은, 유기물질로부터 CO2-함유 1차 가스를 혐기성 생산하는 혐기소화조(101) 및 상기 생물반응기(300)를 포함하는 바이오가스 생산설비에 있어서, 상기 혐기소화조(101)는 미생물 반응조(100)에 CO2-함유 1차 가스를 공급하기 위해 미생물 반응조(100)의 파이프(13)에 연결되는 제 3가스 출구(21) 및 제 2펌프(23)를 통하고, 혐기소화조(101)에 유기산-함유 액체 배지를 공급하기 위해 미생물 반응조(100)의 파이프(5)에 연결되는 제 3액체 입구(22)를 포함한다. 상기 바이오가스 생산설비는 상기 생물반응기(300)를 2 내지 10개를 포함할 수 있다.
또한 본 발명은, 상기 생물반응기(300)를 사용하여 기체 CO2 및 액체 배양 배지를 유기산으로 혐기성 전환하는 방법을 특징으로 한다.
또한 본 발명은, 상기 바이오가스 생산설비를 사용하여 기체 CO2 및 액체 배양 배지를 유기산으로 혐기성 전환하는 방법을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 유기산-함유 액체 배지가 혐기소화조(101)에 공급되고 이곳에서 존재하는 유기물질이 더 많은 바이오가스를 생산하여 CH4로 전환되는 효과가 발생한다. 따라서 단계가 진행됨에 따라 CH4가 풍부해지게 되어 80~90몰% 이상의 CH4를 포함하는 고순도의 바이오메탄을 생성하였다.
또한 화학반응조(200)를 추가 설치함으로 인해, 강염에 의해 포집된 CO2는 미생물 반응조(100)에 투입시 빠르게 배지내에 포화되므로, 유기산의 생산량은 3배 이상 증가되었고, 공정 개선후 CO2 포집효율은 크게 향상되었다. 결국 이는 CO2를 포집, 활용하여 숙신산 등과 같은 유기산 생산을 높이는 효과가 있다.
또한 기존 설비에 소용량이면서 저전력의 간단한 화학반응조(200)를 설치함으로 인해, 가스 처리량 및 탄소전환 효율이 향상될 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 혐기소화조(101)과 미생물 반응조(100)를 포함하는 바이오가스 생산설비를 설명하는 공정도이다.
도 2는 혐기소화조(101)과 화학반응조(200)을 결합한 본 발명의 일 실시예에 따른 생물반응기(300)를 포함하는 바이오가스 생산설비를 설명하는 공정도이다.
도 3은 본 발명의 화학반응조(200)를 결합하기 전과 후에 생산된 숙신산의 함량 및 이산화탄소 포집량을 비교한 그림이다.
도 2는 혐기소화조(101)과 화학반응조(200)을 결합한 본 발명의 일 실시예에 따른 생물반응기(300)를 포함하는 바이오가스 생산설비를 설명하는 공정도이다.
도 3은 본 발명의 화학반응조(200)를 결합하기 전과 후에 생산된 숙신산의 함량 및 이산화탄소 포집량을 비교한 그림이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 본 발명의 일실시예에 대해서 상세히 설명한다. 다만, 실시형태를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.
참고로 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 전술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
혐기성 소화처리는 오랜 역사를 갖는 전통적인 기술로 비교적 온난한 지역에서 액상 및 반고상 폐기물을 처리하는데 자주 이용된다. 혐기성 소화공정은 미생물을 이용하여 하수 슬러지, 쓰레기매립장, 음식 폐기물, 축산 분뇨 등의 유기성 폐기물을 처리하는 것으로써, 폐기물의 양을 효과적으로 줄일 수 있을 뿐만 아니라 연료로 사용가능한 바이오가스(이산화탄소 및 메탄)를 부산물로 얻을 수 있다.
혐기성 소화는 부산물의 주요 구성물인 메탄(methane)을 중시하여 일명 “메탄발효”라고도 한다. 혐기성 소화라는 용어 내에 포함된 것과 같이, 산소가 없는 조건하에서 유기물을 분해하여 메탄(60-70%), 이산화탄소(30-40%), 수증기, 할로겐화 탄소수화물, 황화수소, 실록산, 암모니아 등을 생성하는 반응이고, 가수분해(hydrolysis), 산생성(acidogenesis), 초산생성(acetogenesis), 메탄생성(methanogenesis)의 4가지 주요 과정으로 이루어진다.
상기와 같은 혐기성 전환하는 소화조는 당업계에 이미 주지되어 있으며, 이것에 관해서는 WO2011/138426A1을 참조한다.
도 1은 종래기술에 따른 혐기소화조(101)과 미생물 반응조(100)를 포함하는 바이오가스 생산설비를 설명하는 공정도이다.
온실가스의 주된 요인인 이산화탄소(CO2) 발생을 줄이기 위해 이를 저장하여 고정화하거나 유용물질로 전환시키고 있는바, 본 발명에서는 이를 포집하여 적극적으로 활용할 수 있는 방법 및 장치를 고안하게 되었다.
이는 미생물을 이용하여 이산화탄소를 포집하고 변환하는 기술(BCCU, Biological carbon capture and utilization)에 해당하는 것으로, 이산화탄소가 발생하는 다양한 산업 현장 및 바이오가스 정제, 수처리 등의 폭넓은 분야에 적용된다. 특히 이산화탄소는 최종적으로 유기산으로 변환되어, 식물의 생장을 촉진하는 비료, 바이오 플라스틱의 원료 및 바이오가스 생산 수율 향상 등에 재이용될 수 있다.
상기 미생물 반응조(100)는 기체 CO2 및 액체 배양 배지를 유기산으로 혐기성 전환하는데 사용한다. 즉 바이오 가스와 같은 탄소 공급원을 공급함으로써 중간 생성물로 아세트산 등과 같은 유기산을 이용하여 기체 CO2 및 액체 배양 배지를 기체 CH4로 전환한다. 이 생산설비는 이미 본 발명자가 개발한 바 있으며, 이것에 관해서는 국내등록특허 제10-2269393호를 참조할 수 있다.
상기 미생물 반응조(100)는 공동(2a), 외벽(2b), 하부(2c) 및 상부(2d)를 포함하고, 공동(2a)은 하나 이상의 관통공(4)을 갖는 하나 이상의 판(3)을 포함하고, 상기 하나 이상의 판(3)은 외벽(2b)에 수직으로 위치하는 것이 바람직하다.
또한 하나 이상의 관통공(4)을 갖는 2 내지 500개의 판(3)을 포함할 수도 있다. 상기 하나 이상의 판(3)은 그의 상부면 상에 혐기성 유기산-생산 미생물을 포함할 수 있다. 이 미생물은 액체 배양 배지를 사용하여 기체 CO2를 유기산으로 전환한다.
상기 혐기성 유기산-생산 미생물은 아세토박터(Acetobacter), 글루코노아세토박터, 아시도모나스, 글루코노박터, 스포로무사 오바타(S. ovata), 클로스트리듐 륭달리이(C. ljungdahlii), 클로스트리듐 아세티쿰(C. aceticum), 무렐라 서모아세티카(M. thermoacetica), 아세토박테리움 우디(A. woodii), 야로위아 리폴리티카(Y. lipolytica), 칸디다 리볼리티카(C. lipolytica), 리조푸스 오리재(R. oryzae), 아스퍼길러스 니거(A. niger), 아스퍼길러스 테네우스(A. terreus), 악티노바실러스 숙시노겐스(A. succinogenes), 아나이로비오스피 릴룸 숙시니키프로두켄스(A. succiniciproducens), 맨헤이미아 숙시니키프로두켄스(M. succiniciproducens), 코리네박테리움 글루타미쿰(C. glutamicum), 재조합 대장균(E. coli) 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택된다.
또한 상기 미생물 반응조(100)는 액체를 배출하기 위해 하부(2c)에 배치된 제 1액체 출구(6)에 연결되는 파이프(5)와, 하부(2c)에 배치된 제 2액체 출구(8) 및 제 1펌프(9)의 입구에 연결되는 파이프(7)와, 하나 이상의 판(3)을 통해 액체 배양 배지를 재순환시키기 위해, 제 1펌프(9)의 출구에 연결되고 상부(2d)에 배치된 제 1액체 입구(11)에 연결되는 파이프(10)와, CO2-함유 1차 가스를 미생물 반응조(100)에 제공하기 위해 제 1가스 입구(12)에 연결되는 파이프(13)와, 미생물 반응조(100)로부터 가스를 배출하기 위해 제 1가스 출구(14)에 연결되는 파이프(15)와, 미생물 반응조(100)에 새로운 액체 배양 배지를 공급하기 위해 제 2액체 입구(16)에 연결되는 파이프(17)를 추가로 포함한다.
상기 액체 배양 배지는 상부(2d)에서 유입되어 하방으로 유동하는 액체의 재순환에 의해 하나 이상의 판(3)상에 미생물의 생물막을 생성한다.
상기 새로운 액체 배양 배지는 포도당, 크실로스, 아라비노스, 갈락토스, 말토즈, 프룩토스, 수크로스, 셀로비오스, 락토오스, 만니톨, 아라비톨, 소르비톨, 만노스, 리보스, 글리세롤, 펙틴, 베타-글루코시드, 글루콘산염, 이도네이트, 아스코르브산염, 글르카르산염, 갈락타레이트, 전분, 옥수수 침지액, 5-케토-글루칸산염, NaCl 및 K2HPO4로 이루어진 군에서 어느 하나 이상 선택된다.
상기 CO2-함유 1차 가스는 상기 제 1가스 입구(12)를 통해 유입되고 하나 이상의 관통공(4)을 통해 자유롭게 이동할 수 있다.
상기 CO2-함유 1차 가스는 바이오가스, 천연가스 발전소로부터의 배출가스, 원유 추출물로 인한 배출가스, 가스의 폐수 처리로부터의 CO2-함유 가스, 바이오에탄올 생산으로부터의 CO2-함유 가스 및 이들의 조합으로 이루어지는 군에서 선택할 수 있다.
이에 본 발명에 따른 생물반응기(300)는 기체 CO2의 포집량을 늘리고 이로 인해 미생물의 활성을 증가시킬 수 있는 유기산의 생산량 및 수율을 높이기 위해서, 기존의 생물공정에 새로운 화학공정을 결합하여 수행하였다.
즉 상기 미생물 반응조(100)에 추가로 화학반응조(200)를 결합한 것으로, 상기 화학반응조(200)는 강염기성 수용액; 제 2가스입구(27); 제 2가스출구(28)와 파이프(29); 및 포집된 CO2가 pH 조절기(150)를 거쳐 미생물 반응조(100)로 투입되는 파이프(26);를 포함하여 구성된다.
도 2는 혐기소화조(101)과 화학반응조(200)을 결합한 본 발명의 일 실시예에 따른 생물반응기(300)를 포함하는 바이오가스 생산설비를 설명하는 공정도이다.
상기 혐기소화조(101)는 미생물 반응조(100)에 CO2-함유 1차 가스를 공급하기 위해 미생물 반응조(100)의 파이프(13)에 연결되는 제 3가스 출구(21) 및 제 2펌프(23)를 통하고, 혐기소화조(101)에 유기산-함유 액체 배지를 공급하기 위해 미생물 반응조(100)의 파이프(5)에 연결되는 제 3액체 입구(22)를 포함한다.
상기 화학반응조(200)는 강염기성 수용액이 하단부에 저장되어 있으며, 상기 미생물 반응조(100)의 제1 가스 출구(14)로부터 배출되는, CO2-고갈 2차 가스는 제 2가스 입구(27)로 제공되어 화학반응조(200)내에서 상기 수용액과 반응하게 된다. 여기서 CO2-고갈 2차 가스는 CH4가 풍부하여 80몰% 이상의 CH4를 포함하는 것을 의미한다.
이때 수용액은 8~10M의 강염(KOH, NaOH 등)을 사용할 수 있으며, 강염에 의해 포집된 CO2는 아래 반응식에 의해 KHCO3 또는 NaHCO3 형태로 변환하여 빠르게 포화된다. 혹시라도 불순물 H2S가 남아 있다면, 상기 용액에 손상을 줄 수 있으므로, 반드시 제거할 필요가 있다.
<반응식>
CO2 + KOH(또는 NaOH) + H2O ↔ H+ + HCO3 - + K+(또는 Na+) + OH-
↔ KHCO3(또는 NaHCO3) + H2O
가스 형태의 CO2는 용해도가 낮아 포집량이 적으나, 상기와 같은 KHCO3 또는 NaHCO3 형태로는 그 포화량을 향상시킬 수 있으므로, 염기성 수용액이 저장되어 있는 화학반응조(200)를 추가로 거치면서 전체적으로 생물반응기(300)의 투자비 및 효율을 높일 수 있는 효과가 있다. 즉 미생물 반응조(200)의 크기 및 개수를 필요에 따라 조절하여 줄일 수 있는 장점이 생긴다.
상기 포집된 CO2가 pH 조절기(150)를 거쳐 미생물 반응조(100)로 투입되는 것이 바람직하다.
보통 염기성 중화제로 수용성 수산화나트륨(NaOH)은, 예를 들면 유기산인 아세트산 및 선택적으로 다른 소량의 산성 성분을 중화함으로써 미생물 반응조(100)에서 배양 배지의 pH를 4.0~8.0 범위로 조절하기 위하여 사용될 수 있다. 본 발명에 기술되는 공정을 수행하기 위하여 미생물 반응조(100)에서 유지되는 대표적인 pH 범위는 약 4.5 내지 약 7.0이고, 바람직하게는 약 4.5 내지 약 6.7이다.
또한 상기 화학반응조(200)로부터 CO2-정제 3차 가스를 배출하기 위해 제 2가스 출구(28)에 파이프(29)가 연결되는 구조를 포함한다. 여기서 CO2-정제 3차 가스는 90몰% 이상의 고순도 CH4를 포함하는 것을 의미한다. 더 바람직하게는 98몰% 이상의 CH4를 포함한다.
본 발명의 바람직한 구현예는, 상기 생물반응기(300)를 사용하여 기체 CO2 및 액체 배양 배지를 유기산으로 혐기성 전환하는 방법에 관한 것으로서, 상기 방법은,
(a) 혐기성 유기산-생산 미생물을 판(3)의 상부면에 공급하는 단계;
(b) 파이프(17) 및 제 2액체 입구(16)를 통해 새로운 액체 배양 배지를 미생물 반응조(100)에 공급하는 단계;
(c) 파이프(13) 및 제 1가스 입구(12)를 통해 제공되는 CO2-함유 1차 가스를 미생물 반응조(100)에 투입하는 단계;
(d) 미생물 반응조(100)의 하부(2c)에 배치된 제 2액체 출구(8)에서 액체 탄수화물 배지를 수집하고, 이를 파이프(7), 제 1펌프(9) 및 파이프(10)를 통해 미생물 반응조(100)의 상부(2d)에 배치된 제 1액체 입구(11)에 공급함으로써 하나 이상의 판(3) 위에서 액체 배양 배지를 배양하여, CO2-고갈 2차 가스 및 유기산-함유 액체 배지를 얻는 단계;
(e) 단계(d)에서 얻어진 유기산-함유 액체 배지를 제 1액체 출구(6) 및 파이프(5)를 통해 배출하는 단계;
(f) 단계(d)에서 얻어진 CO2-고갈 2차 가스를 제 1가스 출구(14) 및 파이프(15)를 통해 배출하는 단계;
(g) 단계(f)에서 배출된 CO2-고갈 2차 가스는 제 2가스 입구(27)로 제공되어 화학반응조(200) 하단부에 저장되어 있는 강염기성 수용액과 반응하는 단계;
(h) 단계(g)에서 반응하여 포집된 CO2는 파이프(26)을 통해 pH 조절기(150)를 거쳐 미생물 반응조(100)로 투입되는 단계; 및
(i) 화학반응조(200)로부터 CO2-정제 3차 가스를 제 2가스 출구(28)와 파이프(29)를 통해 배출하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 또 바람직한 구현예는, 상기 생물반응기(300)를 포함하는 바이오가스 생산설비를 사용하여 기체 CO2 및 액체 배양 배지를 유기산으로 혐기성 전환하는 방법에 관한 것으로서, 유기물질을 혐기성으로 소화하는 혐기소화조(101)에서 생산된 바이오가스를 이용하는 것이다.
즉 앞서 언급한 본 발명의 구현예에서 혐기소화조(101) 단계를 먼저 수행하는 방법에 관한 것으로서, 구체적으로 상기 방법은,
(a) 혐기소화조(101)에서 유기물질을 혐기성으로 소화하여 CO2-함유 1차 바이오가스를 만드는 단계;
(b) 혐기성 유기산-생산 미생물을 미생물 반응조(100)의 판(3)의 상부면에 공급하는 단계;
(c) 파이프(17) 및 제 2액체 입구(16)를 통해 새로운 액체 배양 배지를 미생물 반응조(100)에 공급하는 단계;
(d) 파이프(13) 및 제 1가스 입구(12)를 통해 혐기소화조(101)로부터 제공되는 CO2-함유 1차 바이오가스를 미생물 반응조(100)에 투입하는 단계;
(e) 미생물 반응조(100)의 하부(2c)에 배치된 제 2액체 출구(8)에서 액체 배양 배지를 수집하고 이를 파이프(7), 제 1펌프(9) 및 파이프(10)를 통해 미생물 반응조(100)의 상부(2d)에 배치된 제 1액체 입구(11)에 공급함으로써 하나 이상의 판(3)을 통해 액체 배양 배지를 순환시켜, 80몰% 이상의 CH4를 포함하는 2차 가스 및 유기산-함유 액체 배지를 얻는 단계;
(f) 단계(e)에서 얻어진 유기산-함유 액체 배지를 제 1액체 출구(6), 파이프(5), 제 2펌프(23) 및 액체 입구(22)를 통해 혐기소화조(101)로 배출하는 단계;
(g) 단계(e)에서 얻어진 80몰% 이상의 CH4를 포함하는 2차 가스를 제 1가스 출구(14) 및 파이프(15)를 통해 배출하는 단계;
(h) 단계(g)에서 배출된 80몰% 이상의 CH4를 포함하는 2차 가스는 제 2가스 입구(27)로 제공되어 화학반응조(200) 하단부에 저장되어 있는 강염기성 수용액과 반응하는 단계;
(i) 단계(h)에서 반응하여 포집된 CO2는 파이프(26)을 통해 pH 조절기(150)를 거쳐 미생물 반응조(100)로 투입되는 단계; 및
(j) 화학반응조(200)로부터 배출된 90몰% 이상의 CH4를 포함하는 3차 가스를 제 2가스 출구(28)와 파이프(29)를 통해 배출하는 단계;를 포함한다.
이 공정은 배치식으로 또는 연속적인 방식으로 수행할 수도 있다.
상기 유기물질의 바람직한 예는 농축산폐기물, 분뇨 및 음폐수 등을 포함한다.
예를 들면, 폐수 또는 분뇨처리에 있어 산소와의 접촉을 차단하고 혐기성 세균에 의해 분비되는 효소의 작용을 통하여 유기물을 소화시키는 소화과정을 크게 나누면, 액화와 가스화가 있다. 액화 과정에서는 혐기성 세균외에 분비되는 효소에 의해 유기물은 가수분해가 이루어져 각종산(탄수화물은 단당류로, 단백질은 아미노산으로, 지방은 지방산으로 분해됨)으로 변한다. 가스화 과정에서는 액화 과정에서 생산된 지방산을 메탄가스와 탄산가스로 분해하여 유기물을 무기물로 바꾼다.
이 공정에서, CO2-함유 1차 가스는 혐기소화조(101)에서 생산된 CH4와 CO2를 포함하는 바이오가스이다. 이는 혐기소화조(101)에서 생산된 바이오가스뿐만 아니라, 천연가스 발전소로부터의 배출가스, 원유 추출물로 인한 배출가스, 폐수 처리로부터의 CO2-함유 가스 및 바이오에탄올 생산으로부터의 CO2-함유 가스로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나 이상의 CO2-함유 가스를 포함할 수 있다.
상기 CO2-함유 가스는 15 내지 100 몰%의 CO2, 보다 바람직하게는 25 내지 100 몰%의 CO2, 가장 바람직하게는 40 내지 100 몰%의 CO2를 포함한다.
이는 미생물 반응조(100)로 공급되며, 여기서 가스는 CH4가 풍부하고 CO2가 고갈된 2차 가스로 개량된다. CO2 및 액체 배양 배지의 전환에 의한 혐기성 유기산-생산 미생물에 의해 형성된 유기산-함유 액체 배지는 혐기소화조(101)로 재순환된다. 이미 설명한 바와 같이, 이 유기산-함유 액체 배지는 하나 이상의 판(3)로부터 씻겨 나온 혐기성 유기산-생산 미생물을 함유할 수도 있다.
상기 혐기성 유기산-생산 미생물을 사용하여 생산할 수 있는 바람직한 유기산은 아세트산, 시트르산, 숙신산, 푸마르산, 옥살산 및 말산을 포함한다.
이때 미생물 반응조(100)에서 생산된 유기산이 혐기소화조(101)에서 유기물질을 소화하여 혐기성 미생물에 의해 영양분으로 유리하게 사용됨으로써, 소화조(101)에 공급되는 유기물질의 그램당 CH4의 수율도 증가시킬 수 있게 된다.
따라서 기존의 혐기소화조(101)와 미생물 반응조(100)로 구성된 생산설비에 화학반응조(200)를 추가 결합함으로 인해, 이산화탄소 포집량이 크게 증가하여 온실가스 감축(탄소 저감, carbon capture and storage 및 carbon capture and utilization)에 기여할 수 있을 뿐만 아니라, 중간 생성물로서 유기산들의 생산량이 3배 이상 증가하였으며, 또 90몰% 이상의 CH4를 포함하는 고순도의 바이오메탄이 생성되는 효과도 있다.
공지된 논문(Int. J. of Env. Sci. and Dev., Vol 10, No 11, 2019, p364 참조)에 의하면, 숙신산 1kg당 0.37kg의 이산화탄소가 포집되므로, 예를 들어 본 발명에 따른 생산설비를 이용하여 숙신산의 하루 생산량이 12.4 g/l 라면(아래 실시예 및 도 3 참조), 약 4.59 g/l 의 이산화탄소가 포집 및 전환된다고 볼 수 있다. 즉 숙신산의 생산량 증가는 이산화탄소의 포집을 더 향상시킬 수 있는 것이다.
실시예 : 숙신산 생산 및 CO
2
포집량
미생물 반응조(100)에 새로 제조된 배지(10 g/L Yeast extract, 25 g/L 포도당)를 첨가하고, 혐기소화조(101)로부터 바이오가스(1차 가스)를 주입하여 대기중의 공기(질소 및 산소)를 제거한 조건에서, 미리 배양된 씨드 배양액을 100분의 1 비율로 주입한다. 미생물 배양이 진행됨에 따라서 숙신산의 양이 점차 증가하고 pH가 중성에서 산성으로 이동할 때 pH조절기(150)를 이용하여 pH를 6.5~6.7로 유지한다. 미생물의 반응온도는 37℃이고 반응시간은 24시간이며, 바이오가스 주입량은 5.5 L/min으로 수행하였다.
기존의 NaOH(또는 KOH)와 함께 CO2로 결합된 형태의 NaHCO3(또는 KHCO3)을 동시에 pH조절기(150)를 통해 화학반응조(200)로부터 투입됨으로써, 미생물 반응조(100)내의 CO2 농도를 한층 더 포화시켜 탄소 전환을 촉진하게 되는 결과를 얻었다.
본 발명의 바이오가스 생산설비(도 2)를 종래기술의 바이오가스 생산설비(도 1)와 비교해 본 결과, 미생물 반응조(100)에서 생산되는 숙신산은 3.7 g/L·day에서 12.4 g/L·day로 3.4배 정도 증가되었고 그 결과는 도 3에 도시한 바와 같다. 이는 한국고분자시험연구소에서 이온크로마토그래피를 이용하여 측정한 값이다. 좌측 그래프는 숙신산의 농도 측정값이고 우측 그래프는 이를 환산하여 계산한 이산화탄소의 포집농도를 비교한 것이다(숙신산 1kg당 0.37kg의 이산화탄소가 포집).
종래기술인 도 1의 경우 숙신산은 3.7 g/L이고 이를 이산화탄소로 환산하면 1.37 g/L정도에 불과하지만, 본 발명인 도 2의 경우 숙신산은 12.4 g/L이고 이를 이산화탄소로 환산하면 4.59 g/L정도로 그 포집량이 크게 증가되었음을 알 수 있다.
한편, Serwin 540 모델을 이용하여 CH4와 CO2 농도를 측정하였으며, 자세하게는 24시간 반응후 가스 포집백에 처리가스를 포집하여 분석하였다. 연속적인 공정으로 24시간 동안 혐기소화조(101)로부터 5.5L/min의 바이오가스(1차 가스)를 주입하였으며, 단계별로 도 2에서의 2차 가스와 3차 가스를 각각 포집하여 분석하였다. 포집된 가스분석의 신뢰성 확보를 위해 GC 가스분석기를 이용하였다. 상기와 같은 공정 개선 후에 이산화탄소 포집효율이 향상되었다. 유효 이산화탄소의 포집효율은 66.02%에서 92.95%로 향상되었다.
2a: 공동, 2b: 외벽, 2c: 하부, 2d: 상부
3: 판, 4: 관공통, 5: 파이프, 6: 제 1액체출구, 7: 파이프, 8: 제 2액체출구
9: 제 1펌프, 10: 파이프, 11: 제 1액체입구, 12: 제 1가스입구
13: 파이프, 14: 제 1가스출구, 15: 파이프, 16: 제 2액체입구, 17: 파이프
21: 제 3가스출구 22: 제 3액체입구, 23:제 2펌프, 26: 파이프
27: 제 2가스입구, 28: 제 2가스출구, 29: 파이프
100: 미생물 반응조, 101: 혐기소화조, 200: 화학반응조, 300: 생물반응기
3: 판, 4: 관공통, 5: 파이프, 6: 제 1액체출구, 7: 파이프, 8: 제 2액체출구
9: 제 1펌프, 10: 파이프, 11: 제 1액체입구, 12: 제 1가스입구
13: 파이프, 14: 제 1가스출구, 15: 파이프, 16: 제 2액체입구, 17: 파이프
21: 제 3가스출구 22: 제 3액체입구, 23:제 2펌프, 26: 파이프
27: 제 2가스입구, 28: 제 2가스출구, 29: 파이프
100: 미생물 반응조, 101: 혐기소화조, 200: 화학반응조, 300: 생물반응기
Claims (20)
- 기체 CO2 및 액체 배양 배지를 유기산으로 혐기성 전환하는 미생물 반응조(100)에 화학반응조(200)가 결합된 생물반응기(300)에 관한 것으로,
상기 미생물 반응조(100)는 공동(2a), 외벽(2b), 하부(2c) 및 상부(2d)를 포함하고, 공동(2a)은 하나 이상의 관통공(4)을 갖는 2 내지 500개의 판(3)을 포함하고, 상기 하나 이상의 판(3)은 그의 상부면 상에 혐기성 유기산-생산 미생물을 포함하고, 외벽(2b)에 수직으로 위치되며,
상기 미생물 반응조(100)는 액체를 배출하기 위해 하부(2c)에 배치된 제 1액체 출구(6)에 연결되는 파이프(5)와, 하부(2c)에 배치된 제 2액체 출구(8) 및 제 1펌프(9)의 입구에 연결되는 파이프(7)와, 하나 이상의 판(3)을 통해 액체 배양 배지를 재순환시키기 위해, 제 1펌프(9)의 출구에 연결되고 상부(2d)에 배치된 제 1액체 입구(11)에 연결되는 파이프(10)와, CO2-함유 1차 가스를 미생물 반응조(100)에 제공하기 위해 제 1가스 입구(12)에 연결되는 파이프(13)와, 미생물 반응조(100)로부터 가스를 배출하기 위해 제 1가스 출구(14)에 연결되는 파이프(15)와, 미생물 반응조(100)에 새로운 액체 배양 배지를 공급하기 위해 제 2액체 입구(16)에 연결되는 파이프(17)를 추가로 포함하며;
상기 액체 배양 배지는 상부(2d)에서 유입되어 하방으로 유동하는 액체의 재순환에 의해 하나 이상의 판(3)상에 미생물의 생물막을 생성하며, 상기 CO2-함유 1차 가스는 상기 제 1가스 입구(12)를 통해 유입되고 하나 이상의 관통공(4)을 통해 자유롭게 이동하는 구조를 포함하며.
상기 미생물 반응조(100)의 제 1액체 출구(6)로 배출 생산되는 액체는 유기산으로, 아세트산, 시트르산, 숙신산, 푸마르산, 옥살산 및 말산을 포함하는 생물반응기에 있어서,
상기 화학반응조(200)는 8~10M의 강염기성 수용액이 하단부에 저장되어 있으며, 상기 미생물 반응조(100)의 제1 가스 출구(14)로부터 배출되는, CO2-고갈 2차 가스는 제 2가스 입구(27)로 제공되어 상기 수용액과 반응하게 되고, 이때 포집된 CO2는 파이프(26)을 통해 pH 조절기(150)를 거쳐 미생물 반응조(100)의 외벽(2b) 하부로 투입되며, 상기 수용액은 유기산인 아세트산 및 선택적으로 다른 소량의 산성 성분을 중화함으로써 미생물 반응조(100)에서 배양 배지의 pH를 4.5~6.7 범위로 조절하기 위해서 사용되며, 화학반응조(200)로부터 CO2-정제 3차 가스를 배출하기 위해 제 2가스 출구(28)에 파이프(29)가 연결되는 구조로 이루어지고,
여기서 CO2-고갈 2차 가스는 CH4가 풍부하여 80몰% 이상의 CH4를 포함하고, CO2-정제 3차 가스는 98몰% 이상의 고순도 CH4를 포함하고,
상기 화학반응조(200)에서 포집된 CO2는 KHCO3 또는 NaHCO3 형태로 변환하여 포화되는 것을; 특징으로 하는 생물반응기 - 삭제
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- 유기물질로부터 CO2-함유 1차 가스를 혐기성 생산하는 혐기소화조(101) 및 제 1항에 따른 2 내지 10개의 생물반응기(300)를 포함하는 바이오가스 생산설비에 있어서,
상기 혐기소화조(101)는 미생물 반응조(100)에 40 내지 100 몰%의 CO2를 포함하는 CO2-함유 1차 가스를 공급하기 위해 미생물 반응조(100)의 파이프(13)에 연결되는 제 3가스 출구(21) 및 제 2펌프(23)를 통하고, 혐기소화조(101)에 유기산-함유 액체 배지를 공급하기 위해 미생물 반응조(100)의 파이프(5)에 연결되는 제 3액체 입구(22)를 포함하는 바이오가스 생산설비 - 삭제
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- 제 1항에 따른 생물반응기(300)를 사용하여 기체 CO2 및 액체 배양 배지를 유기산으로 혐기성 전환하는 방법으로서,
(a) 혐기성 유기산-생산 미생물을 판(3)의 상부면에 공급하는 단계;
(b) 파이프(17) 및 제 2액체 입구(16)를 통해 새로운 액체 배양 배지를 미생물 반응조(100)에 공급하는 단계;
(c) 파이프(13) 및 제 1가스 입구(12)를 통해 제공되는 CO2-함유 1차 가스를 미생물 반응조(100)에 투입하는 단계;
(d) 미생물 반응조(100)의 하부(2c)에 배치된 제 2액체 출구(8)에서 액체 탄수화물 배지를 수집하고, 이를 파이프(7), 제 1펌프(9) 및 파이프(10)를 통해 미생물 반응조(100)의 상부(2d)에 배치된 제 1액체 입구(11)에 공급함으로써 하나 이상의 판(3) 위에서 액체 배양 배지를 배양하여, CO2-고갈 2차 가스 및 유기산-함유 액체 배지를 얻는 단계;
(e) 단계(d)에서 얻어진 유기산-함유 액체 배지를 제 1액체 출구(6) 및 파이프(5)를 통해 배출하는 단계;
(f) 단계(d)에서 얻어진 CO2-고갈 2차 가스를 제 1가스 출구(14) 및 파이프(15)를 통해 배출하는 단계;
(g) 단계(f)에서 배출된 CO2-고갈 2차 가스는 제 2가스 입구(27)로 제공되어 화학반응조(200) 하단부에 저장되어 있는 강염기성 수용액과 반응하는 단계;
(h) 단계(g)에서 반응하여 포집된 CO2는 파이프(26)을 통해 pH 조절기(150)를 거쳐 미생물 반응조(100)의 외벽(2b) 하부로 투입되는 단계; 및
(i) 화학반응조(200)로부터 CO2-정제 3차 가스를 제 2가스 출구(28)와 파이프(29)를 통해 배출하는 단계;를 포함하며,
상기 단계(c)에서 CO2-함유 1차 가스는 40 내지 100 몰%의 CO2를 포함하는 바이오 가스이고,
상기 단계(f)에서 CO2-고갈 2차 가스는 80몰% 이상의 CH4를 포함하는 바이오가스이고, 단계(i)에서 CO2-정제 3차 가스는 98몰% 이상의 CH4를 포함하는 바이오가스인 방법 - 삭제
- 삭제
- 제 10항에 따른 바이오가스 생산설비를 사용하여 기체 CO2 및 액체 배양 배지를 유기산으로 혐기성 전환하는 방법으로서,
(a) 혐기소화조(101)에서 유기물질을 혐기성으로 소화하여 CO2-함유 1차 바이오가스를 만드는 단계;
(b) 혐기성 유기산-생산 미생물을 미생물 반응조(100)의 판(3)의 상부면에 공급하는 단계;
(c) 파이프(17) 및 제 2액체 입구(16)를 통해 새로운 액체 배양 배지를 미생물 반응조(100)에 공급하는 단계;
(d) 파이프(13) 및 제 1가스 입구(12)를 통해 혐기소화조(101)로부터 제공되는 40 내지 100 몰%의 CO2를 포함하는 CO2-함유 1차 바이오가스를 미생물 반응조(100)에 투입하는 단계;
(e) 미생물 반응조(100)의 하부(2c)에 배치된 제 2액체 출구(8)에서 액체 배양 배지를 수집하고 이를 파이프(7), 제 1펌프(9) 및 파이프(10)를 통해 미생물 반응조(100)의 상부(2d)에 배치된 제 1액체 입구(11)에 공급함으로써 하나 이상의 판(3)을 통해 액체 배양 배지를 순환시켜, 80몰% 이상의 CH4를 포함하는 2차 가스 및 유기산-함유 액체 배지를 얻는 단계;
(f) 단계(e)에서 얻어진 유기산-함유 액체 배지를 제 1액체 출구(6), 파이프(5), 제 2펌프(23) 및 액체 입구(22)를 통해 혐기소화조(101)로 배출하는 단계;
(g) 단계(e)에서 얻어진 80몰% 이상의 CH4를 포함하는 2차 가스를 제 1가스 출구(14) 및 파이프(15)를 통해 배출하는 단계;
(h) 단계(g)에서 배출된 80몰% 이상의 CH4를 포함하는 2차 가스는 제 2가스 입구(27)로 제공되어 화학반응조(200) 하단부에 저장되어 있는 강염기성 수용액과 반응하는 단계;
(i) 단계(h)에서 반응하여 포집된 CO2는 파이프(26)을 통해 pH 조절기(150)를 거쳐 미생물 반응조(100)의 외벽(2b) 하부로 투입되는 단계; 및
(j) 화학반응조(200)로부터 배출된 98몰% 이상의 CH4를 포함하는 3차 가스를 제 2가스 출구(28)와 파이프(29)를 통해 배출하는 단계;를 포함하는 방법 - 삭제
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