KR102526509B1 - 왕겨의 혐기성 소화를 이용한 바이오가스 생산방법 - Google Patents

왕겨의 혐기성 소화를 이용한 바이오가스 생산방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102526509B1
KR102526509B1 KR1020210036996A KR20210036996A KR102526509B1 KR 102526509 B1 KR102526509 B1 KR 102526509B1 KR 1020210036996 A KR1020210036996 A KR 1020210036996A KR 20210036996 A KR20210036996 A KR 20210036996A KR 102526509 B1 KR102526509 B1 KR 102526509B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
biogas
production method
rice
rice hull
biogas production
Prior art date
Application number
KR1020210036996A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20220132680A (ko
Inventor
이진형
천진녕
박선영
구양모
박지연
Original Assignee
한국세라믹기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국세라믹기술원 filed Critical 한국세라믹기술원
Priority to KR1020210036996A priority Critical patent/KR102526509B1/ko
Publication of KR20220132680A publication Critical patent/KR20220132680A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102526509B1 publication Critical patent/KR102526509B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P5/00—Preparation of hydrocarbons or halogenated hydrocarbons
    • C12P5/02—Preparation of hydrocarbons or halogenated hydrocarbons acyclic
    • C12P5/023—Methane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/30—Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel

Landscapes

  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Processing Of Solid Wastes (AREA)

Abstract

본 발명은 왕겨의 혐기성 소화를 이용한 바이오가스 생산방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 직접 연소를 이용한 바이오가스 생산방법과 달리 질소 산화물 및 황 산화물과 같은 연소 가스를 발생시키지 않아 친환경적이며, 향상된 속도, 높은 처리 효율 및 생산량을 나타내어 경제적인 공정 운영이 가능한, 왕겨의 혐기성 소화를 이용한 바이오가스 생산방법에 관한 것이다.

Description

왕겨의 혐기성 소화를 이용한 바이오가스 생산방법{METHOD FOR PRODUCING BIOGAS USING ANAEROBIC DIGESTION OF RICE HUSK}
본 발명은 왕겨의 혐기성 소화를 이용한 바이오가스 생산방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 직접 연소를 이용한 바이오가스 생산방법과 달리 질소 산화물 및 황 산화물과 같은 연소 가스를 발생시키지 않아 친환경적이며, 향상된 속도, 높은 처리 효율 및 생산량을 나타내어 경제적인 공정 운영이 가능한, 왕겨의 혐기성 소화를 이용한 바이오가스 생산방법에 관한 것이다.
벼의 부산물, 즉 왕겨는 건조물 기준으로 연간 약 6,508,453 톤에 해당하는 한국의 주요 작물 잔류물이다. 연소는 왕겨를 포함하는 이러한 작물 잔류물들을 처리하는 데 일반적으로 사용되는 방법이나, 심각한 대기 오염, 교통 사고, 및 화재로 이어질 수 있다는 단점을 가진다.
상기와 같은 전통적인 처리 방법에 비해, 바이오 연료 생산은 환경적 및 경제적으로도 매우 유익한 방법이다. 셀룰로오스 및 기타 세포벽 당은 바이오 연료로 사용 가능한 바이오 에탄올로 전환될 수 있다. 상기 왕겨를 바이오 연료로 전환한 후 잔류하는 회분은 실리카가 풍부하여 다양한 분야, 예를 들어, 촉매 지지체, 약물 전달 시스템 및 흡착제 등으로 더욱 활용될 수 있다.
그러나, 화석 연료의 가격이 하락하면서, 상기 바이오 에탄올에 대한 연구는 정체되어 있는 현실이다. 이러한 현상에 대한 대안으로, 혐기성 소화(anaerobic digestion)는 작물 잔류물을 이용하는 매우 효과적인 방법이다. 상기 왕겨에 포함되어 있는 리그노셀룰로오스는 메탄으로 전환됨으로써 바이오 연료로 사용될 수 있다.
또한, 상기 왕겨로부터 생산되는 바이오가스는 전기 또는 열을 생성할 수 있으며, 정제를 통해 차량용 연료(압축 천연 가스, CNG)로 활용될 수 있다.
현재 많은 혐기성 소화 공장이 건설되어있기 때문에, 기존 시설을 활용하여 추가적인 투자 비용 없이 왕겨를 바이오 연료로 쉽게 전환할 수 있다. 대한민국에는 92 개의 바이오가스 플랜트, 베트남에는 약 50 만 개의 바이오가스 플랜트가 있으며, 중국 농촌 지역에는 4 천만 개 이상의 하우스 홀드 바이오가스 소화조 및 26,000 개의 중대형 바이오가스 플랜트가 건설되어 있다. 이러한 인프라는 추가적인 시설이 필요하지 않기 때문에 비용적으로 매우 효율적이다. 따라서, 상기 왕겨의 혐기성 소화는 재생 가능한 에너지를 생산할 수 있는 가장 현실성 있으며 명확한 방법 중 하나가 될 수 있다.
그러나, 상기 왕겨만을 사용한 혐기성 소화는 화학적 조성 및 구조적 한계로 인하여 속도가 매우 제한되는 반응에 속한다. 상기 왕겨는 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 및 리그닌으로 구성되며, 리그닌-헤미 셀룰로오스 장벽, 실리카 쉘 및 결정질 셀룰로오스와 같은 여러 요인이 셀룰로오스에 대한 효소의 접근을 방해한다. 종래 연구들로부터, 물리적 및 화학적 처리를 사용하여 개선된 효소 당화법(enzymatic saccharification)이 보고된 바 있다.
예를 들어, 왕겨에 알칼리 용액을 이용하여 처리함으로써 글루칸 전환율을 70%로 높인 바 있으며, 또 다른 연구에서는, 당화 효율을 높이기 위해 밀링 방법을 사용하였으나, 상기 왕겨는 혐기성 소화 및 효소 당화에는 효율적이지 않았다.
일반적으로, 상기 왕겨의 높은 C/N 비율은 혐기성 소화를 방해한다. 상기 왕겨의 조성은 탄소 41.4 중량%, 산소 35.3 중량%, 수소 4.9 중량%, 질소 0.4 중량%이며, 상기 왕겨의 C/N 비율은 약 103.5이다. 이상적으로, 상기 C/N 비율은 완전한 분해를 위해 10 내지 45 이여야 한다. 상기 C/N 비율은 혐기성 소화 시스템을 제어하는 데 중요한 지표이다. 적절하지 않은 C/N 비율은 소화조에서 높은 총 암모니아 질소(TAN) 방출 및/또는 높은 휘발성 지방산(VFA) 축적을 유발할 수 있다. 상기 혐기성 소화 과정에서 TAN 및 VFA는 중요한 중간체이자 잠재적인 억제제가 될 수 있다. 따라서, 식품 폐기물 또는 가금류 배설물과 작물 잔류물과 혼합하여 혐기성 소화를 개선하기 위해 상기 C/N 비율을 조절하는 방법이 시도된 바 있다. 예를 들어, 밀짚과 유제품, 닭고기 분뇨, 에너지 작물, 소 분뇨 잔류물의 공동소화에서는 C/N 비율 조정으로 바이오가스 생산이 개선되었다.
상기 왕겨의 혐기성 소화를 개선하려면, 먼저 구조적 문제점을 극복하기 위해 전처리 기술을 적용해야 한다. 이에, 생분해성을 높일 수 있고 현장에 적용할 수 있는 적절한 전처리 방법을 개발할 필요가 있다.
Chen, X.; Yuan, H.; Zou, D.; Liu, Y.; Zhu, B.; Chufo, A.; Jaffar, M.; Li, X., Improving biomethane yield by controlling fermentation type of acidogenic phase in two-phase anaerobic co-digestion of food waste and rice straw. Chem. Eng. J. 2015, 273, 254-260.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 추가적인 시설 건설이 요구되지 않아 비용을 절감할 수 있으며, 연소 가스의 발생 없이 재생 가능한 에너지를 효율적으로 생산할 수 있는, 환경 친화적인 바이오가스 생산방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 상기 및 다른 목적과 이점은 바람직한 실시예를 설명한 하기의 설명으로부터 분명해질 것이다.
상기 목적은, 수확한 벼로부터 왕겨를 수득하여 불순물을 제거하는 단계; 상기 불순물이 제거된 왕겨를 분쇄하여 전처리하는 단계; 상기 전처리된 왕겨를 혐기성 소화조에 투입하는 단계; 상기 혐기성 소화조에 투입한 왕겨에 유효 미생물을 접종하여 혐기성 소화시킴으로써 바이오가스를 생산하는 단계; 및 상기 생산된 바이오가스를 수득하는 단계;를 포함하는, 바이오가스 생산방법에 의해 달성될 수 있다.
구체적으로, 상기 분쇄는 볼밀, 마모밀, 기류식 분쇄기, 해머밀, 롤러밀, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법으로 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다.
구체적으로, 상기 전처리된 왕겨는 100 내지 300 μm의 크기를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
구체적으로, 상기 분쇄는 100 내지 500 rpm의 속도 범위로 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다.
구체적으로, 상기 바이오가스는 수소, 이산화탄소, 메탄가스, 에탄가스, 프로판가스, 부탄가스, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 바이오가스 생산방법은, 상기 왕겨를 알칼리 용액에 침지하여 전처리하는 단계를 추가 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
구체적으로, 상기 알칼리 용액은 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화칼슘, 수산화암모늄, 탄산나트륨, 탄산칼륨, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 왕겨를 알칼리 용액에 침지하여 전처리하는 단계는 30 분 내지 6 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다.
구체적으로, 상기 알칼리 용액의 농도는 0.1 내지 1 M 범위인 것을 특징으로 할 수 있다.
구체적으로, 상기 왕겨를 알칼리 용액에 침지하여 전처리하는 단계는 37℃ 내지 200℃의 온도 범위에서 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게, 상기 왕겨를 알칼리 용액에 침지하여 전처리하는 단계 이후, 산 용액을 이용하여 중화하는 단계를 추가 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
구체적으로, 상기 산 용액은 염산 수용액, 황산 수용액, 질산 수용액, 탄산 수용액, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 왕겨에 유효 미생물을 접종하여 혐기성 소화시킴으로써 바이오가스를 생산하는 단계 이전에, 상기 혐기성 소화조에 질소원을 투입하는 단계를 추가 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 질소원은 염화암모늄, 황산암모늄, 인산암모늄, 탄산암모늄, 질산암모늄, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 왕겨에 유효 미생물을 접종하여 혐기성 소화시킴으로써 바이오가스를 생산하는 단계 이전에, 상기 혐기성 소화조에 미량원소를 투입하는 단계를 추가 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 미량원소는, 염화망간 4수화물(MnCl2·4H2O), 붕산(H3BO3), 염화아연(ZnCl2), 염화구리(CuCl2), 몰리브덴산나트륨 2수화물(NaMO4·2H2O), 염화코발트 6수화물(CoCl2·6H2O), 염화니켈 6수화물(NiCl2·6H2O), 아셀레늄산나트륨(Na2SeO3), 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 유효 미생물은 고세균, 대장균, 녹만균, 고초균, 효모균, 슈도모나스속균, 살모넬라속균, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 혐기성 미생물인 것을 특징으로 할 수 있다.
구체적으로, 상기 바이오가스를 생산하는 단계에서, 혐기성 소화조의 C/N의 비율은 10 내지 45인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 전처리 방법, 반응 시간 및 온도, 질소원 및 미량원소 등의 첨가 등과 같은 처리 조건을 조절함으로써 왕겨로부터 재생 가능한 에너지로서 사용될 수 있는 메탄 가스를 고효율로 생산할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 생산방법은 기존의 처리 시설을 활용할 수 있으므로 비용 면에서 매우 효율적이며, 직접 연소와 달리 인체에 유해하며 대기 환경에 영향을 주는 연소 가스를 발생시키지 않으므로 친환경적이다.
다만, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오가스 생산방법을 나타낸 개략도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 방법에 의해 생성된 일일 바이오가스 생산량 및 누적 바이오가스 생산량을 나타낸 그래프이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 혐기성 소화 5 일째의 미생물의 분포 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4의 (a) 내지 (c)는, 전처리를 수행하지 않은 왕겨와 비교하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 혐기성 소화 1 일 및 5 일째의 미생물의 분포 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는, 전처리를 수행하지 않은 왕겨와 비교하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 혐기성 소화 시 미생물의 종류의 따른 분포 비율을 나타낸 그래프이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오가스 생산방법을 통한 바이오에너지 및 고부가가치 물질의 생산을 나타낸 모식도이다.
이하, 본 발명의 실시예와 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 예시적으로 제시한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가지는 자에 있어서 자명할 것이다.
또한, 달리 정의하지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련자에 의해 통상적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 가지며, 상충되는 경우에는, 정의를 포함하는 본 명세서의 기재가 우선할 것이다.
도면에서 제안된 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 그리고, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에서 기술한 "부"란, 특정 기능을 수행하는 하나의 단위 또는 블록을 의미한다.
각 단계들에 있어 식별부호(제1, 제2, 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 실시될 수도 있고 실질적으로 동시에 실시될 수도 있으며 반대의 순서대로 실시될 수도 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본원의 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 측면은, 수확한 벼로부터 왕겨를 수득하여 불순물을 제거하는 단계; 상기 불순물이 제거된 왕겨를 분쇄하여 전처리하는 단계; 상기 전처리된 왕겨를 혐기성 소화조에 투입하는 단계; 상기 혐기성 소화조에 투입한 왕겨에 유효 미생물을 접종하여 혐기성 소화시킴으로써 바이오가스를 생산하는 단계; 및 상기 생산된 바이오가스를 수득하는 단계;를 포함하는, 바이오가스 생산방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 전처리 방법, 반응 시간 및 온도, 질소원 및 미량원소 등의 첨가 등과 같은 처리 조건을 조절함으로써 왕겨로부터 재생 가능한 에너지로서 사용될 수 있는 메탄 가스를 고효율로 생산할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 생산방법은 기존의 처리 시설을 활용할 수 있으므로 비용 면에서 매우 효율적이며, 직접 연소와 달리 인체에 유해하며 대기 환경에 영향을 주는 연소 가스를 발생시키지 않으므로 친환경적이다.
이하, 도 1을 참조하여 본 발명에 따른 바이오가스 생산방법을 상세히 설명한다.
먼저, 수확한 벼로부터 왕겨를 수득하여 금속 물질, 폐비닐, 동물성 잔재물 등의 불순물을 제거한다. 상기 왕겨는 벼의 겉껍질을 의미하는 것으로, 벼를 수확하는 9 월 내지 10 월경 건조물 기준으로 약 600 만톤 이상이 수득된다. 상기 왕겨에는 셀룰로오스, 리그노셀룰로오스 등이 포함되어 있으므로, 다양한 공정을 통해 바이오가스로 전환될 수 있다.
다음으로, 상기 불순물이 제거된 왕겨를 분쇄하여 전처리를 진행한다. 상기 분쇄를 통한 전처리는 볼밀, 마모밀, 기류식 분쇄기, 해머밀, 롤러밀, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법으로 수행되는 것을 특징으로 할 수 있으며, 구체적으로는 볼밀을 이용하여 분쇄함으로써 전처리가 수행되는 것일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 볼밀을 통해 왕겨를 분쇄함으로써, 왕겨 입자의 표면적을 증가시키며, 따라서 화학 물질이나 미생물이 상호작용할 수 있는 접촉점의 수를 증가시킬 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 분쇄는 볼밀을 이용하여 수행되는 것일 수 있으며, 약 100 내지 약 500 rpm의 속도 범위로 수행될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 분쇄가 볼밀을 이용하여 수행될 경우, 상기 볼밀에 사용되는 강철 볼의 직경 크기는 약 1 내지 10 nm 범위일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 분쇄를 통해 전처리된 왕겨는 약 100 내지 약 300 μm의 크기를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다. 만약, 상기 분쇄된 왕겨의 크기가 약 100 μm 미만일 경우 공정에 필요한 시간이 지나치게 증가할 수 있으며, 약 300 μm를 초과할 경우 추후 수행되는 혐기성 소화가 용이하게 수행되지 않을 수 있다. 더욱 구체적으로, 상기 전처리된 왕겨의 크기는 약 100 내지 약 200 μm의 범위일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 바이오가스 생산방법은, 상기 왕겨를 알칼리 용액에 침지하여 전처리하는 단계를 추가 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 왕겨를 알칼리 용액에 침지하여 전처리하는 단계는, 상기 왕겨를 분쇄하는 전처리 단계 이전, 이후, 또는 상기 왕겨를 분쇄하는 전처리 단계와 동시에 수행될 수 있다.
구체적으로, 상기 왕겨를 분쇄하여 전처리하는 단계 이후에, 상기 왕겨를 알칼리 용액에 침지하여 전처리하는 단계가 추가 포함될 수 있다. 예를 들어, 상기 왕겨를 수득하여 불순물을 제거하고, 상기 불순물이 제거된 왕겨를 분쇄하여 1차 전처리한 뒤, 상기 분쇄된 왕겨를 알칼리 용액에 침지하여 2차 전처리를 수행하는 것일 수 있다.
구체적으로, 상기 왕겨를 분쇄하여 전처리하는 단계 이전에, 상기 왕겨를 알칼리 용액에 침지하여 전처리하는 단계를 추가 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 왕겨를 수득하여 불순물을 제거하고, 상기 불순물이 제거된 왕겨를 알칼리 용액에 침지하여 1차 전처리한 뒤, 상기 알칼리 용액에 침지하여 전처리한 왕겨를 분쇄하여 2차 전처리를 수행하는 것일 수 있다.
구체적으로, 상기 왕겨를 분쇄하는 단계와 함께, 상기 왕겨를 알칼리 용액에 침지하여 전처리하는 단계가 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 왕겨를 수득하여 불순물을 제거하고, 상기 불순물이 제거된 왕겨를 알칼리 용액에 침지하여 분쇄함으로써 전처리를 수행하는 것일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 알칼리 용액에 침지하는 전처리 단계를 통해, 상기 왕겨에 포함된 리그노셀룰로오스의 에스테르 및 글리코사이드 체인을 저하시키며, 라이닌의 구조적 변형을 초래하고 셀룰로오스의 팽창과 수축 작용을 유발시킬 수 있으며, 상기 리그노셀룰로오스의 입자 내 다공성 및 채널 크기를 증가시킬 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 알칼리 용액은 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화칼슘, 수산화암모늄, 탄산나트륨, 탄산칼륨, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있으며, 구체적으로는 수산화나트륨을 포함하는 것일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 알칼리 용액의 농도는 약 0.1 내지 약 1 M 범위인 것을 특징으로 할 수 있다. 만약, 상기 알칼리 용액이 약 0.1 M 범위일 경우 상기 바이오가스의 생산량이 감소할 수 있으며, 약 1 M를 초과할 경우 전처리 후에도 알칼리 성분이 잔류하여 바이오가스의 생산량을 저하시킬 수 있다.
일 실시예에 있어서, 왕겨를 알칼리 용액에 침지하여 전처리하는 단계는 약 37℃ 내지 약 200℃의 온도 범위에서 수행될 수 있다. 만약, 상기 알칼리 용액에 침지하는 전처리 단계가 약 37℃ 미만에서 수행될 경우 알칼리 용액 전처리를 통한 효과가 충분히 발휘되지 않을 수 있으며, 약 200℃를 초과하는 온도에서 수행될 경우 안전 사고의 발생율이 증가할 수 있다. 예를 들어, 상기 알칼리 용액에 침지하는 전처리 단계는 약 37℃ 내지 약 200℃, 약 37℃ 내지 약 150℃, 약 37℃ 내지 약 90℃, 약 60℃ 내지 약 200℃, 약 60℃ 내지 약 150℃, 또는 80℃ 내지 약 200℃의 온도 범위에서 수행될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
일 실시예에 있어서, 상기 왕겨를 알칼리 용액에 침지하여 전처리하는 단계는 약 30 분 내지 약 6 시간 동안 수행될 수 있다. 만약, 상기 알칼리 용액에 침지하는 전처리 단계가 약 30 분 미만으로 수행될 경우 알칼리 용액 전처리를 통한 효과가 충분히 발휘되지 않을 수 있으며, 약 6 시간을 초과하여 수행될 경우 왕겨에 포함된 구성성분이 변성되어 바이오가스의 생산량이 하락할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 왕겨를 알칼리 용액에 침지하는 전처리하는 단계 이후에, 산 용액을 이용하여 pH를 중성으로 중화하는 단계를 추가 포함할 수 있다. 상기 중화 단계를 포함함으로써, 상기 알칼리 용액에 침지하는 전처리를 통해 잔류하는 알칼리 성분을 효과적으로 중화함으로써, 왕겨의 C/N 비율을 맞추어 바이오가스의 생산량을 증진시킬 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 산 용액은 제한없이 사용될 수 있으며, 예를 들어, 염산 수용액, 황산 수용액, 질산 수용액, 탄산 수용액, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다. 더욱 구체적으로, 상기 산 용액은 염산 수용액을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 산 용액의 농도는 약 0.1 내지 약 1 M 범위인 것을 특징으로 할 수 있으며, 구체적으로는 약 0.5 내지 약 1 M 범위일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 알칼리 용액에 침지하여 전처리한 왕겨를 산 용액을 이용하여 중화할 경우, 중화 후 물로 세척하는 단계를 추가 포함할 수 있다. 상기 산 용액을 이용한 중화 단계 및 물로 세척하는 단계를 추가 포함함에 따라, 상기 알칼리 용액 전처리 수행 시 잔류하는 염화나트륨을 효과적으로 제거할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
일 실시예에 있어서, 상기 알칼리 용액에 침지하는 전처리를 수행한 왕겨를 건조하는 단계를 추가 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 알칼리 용액을 이용하여 전처리 후, 산 용액을 이용하여 중화하고, 이를 물로 세척한 뒤, 건조함으로써 수분을 제거한 후에 볼밀을 이용하여 분쇄하는 것일 수 있다. 또는, 상기 볼밀을 이용하여 분쇄하여 전처리한 왕겨를 알칼리 용액을 이용하여 전처리 후, 산 용액을 이용하여 중화하고, 이를 물로 세척한 뒤 건조하는 것일 수 있다. 상기 건조는 제한없이 사용될 수 있으며, 예를 들어, 열풍 건조, 동결 건조, 또는 자연 건조되는 것일 수 있다.
다음으로, 상기 전처리된 왕겨를 혐기성 소화조에 투입하고, 상기 혐기성 소화조에 투입한 왕겨에 유효 미생물을 접종하여 혐기성 소화시킴으로써 바이오가스를 생산한다. 상기 혐기성 소화조는 기존에 설립되어 있는 바이오가스 플랜트에 포함되어 있는 혐기성 소화조를 사용할 수 있으며, 때문에 추가적인 공정 설립 없이도 왕겨로부터 바이오가스를 비용 효율적으로 대량 생산할 수 있다는 장점을 갖는다.
일 실시예에 있어서, 유효 미생물은 혐기성 소화를 할 수 있는 혐기성 미생물이라면 제한 없이 사용될 수 있으며, 예를 들어, 메탄 생성균을 포함하는 고세균, 대장균, 녹만균, 고초균, 효모균, 슈도모나스속균, 살모넬라속균, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 왕겨에 유효 미생물을 접종하여 혐기성 소화시킴으로써 바이오가스를 생산하는 단계 이전에, 상기 혐기성 소화조에 질소원을 투입하는 단계를 추가 포함할 수 있다. 상기 왕겨는 높은 C/N 비율을 가져 혐기성 소화가 용이하게 수행되지 않으므로, 질소원을 투입함으로써 상기 높은 C/N 비율을 조절할 수 있다. 예를 들어, 상기 질소원은 염화암모늄, 황산암모늄, 인산암모늄, 탄산암모늄, 질산암모늄, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있으며, 구체적으로는 염화암모늄을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 혐기성 소화조에 질소원을 투입함으로써, 상기 혐기성 소화조의 C/N의 비율은 약 10 내지 약 45로 조절되는 것일 수 있다. 만약, 상기 혐기성 소화조의 C/N 비율이 약 45를 초과할 경우, 높은 총 암모니아 질소(TAN) 방출 및/또는 높은 휘발성 지방산(VFA) 축적을 유발할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 왕겨에 유효 미생물을 접종하여 혐기성 소화시킴으로써 바이오가스를 생산하는 단계 이전에, 상기 혐기성 소화조에 미량원소를 투입하는 단계를 추가 포함할 수 있다. 상기 미량원소는 메탄 생성 시스템에서 효소의 활성을 증가시키는 역할을 하는 것으로, 상기 미량원소를 첨가함에 따라 수득되는 바이오가스의 수율이 증가될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 미량원소는, 염화망간 4수화물(MnCl2·4H2O), 붕산(H3BO3), 염화아연(ZnCl2), 염화구리(CuCl2), 몰리브덴산나트륨 2수화물(NaMO4·2H2O), 염화코발트 6수화물(CoCl2·6H2O), 염화니켈 6수화물(NiCl2·6H2O), 아셀레늄산나트륨(Na2SeO3), 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
마지막으로, 상기 생산된 바이오가스를 수득한다. 상기 생산방법을 통해 수득되는 바이오가스는 수소, 이산화탄소, 메탄가스, 에탄가스, 프로판가스, 부탄가스, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있으며, 구체적으로는 메탄가스, 이산화탄소 및/또는 부탄가스를 포함할 수 있다.
이하, 구체적인 실시예와 비교예를 통하여 본 발명의 구성 및 그에 따른 효과를 보다 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 본 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1 내지 3 및 비교예]
본 발명의 실시예에서 사용된 왕겨는 한국 진주의 쌀 가공 시설에서 수집되었다. 상기 왕겨는 쌀 가공 시설에서 무작위로 샘플링되었다. 접종원으로 사용된 하수 슬러지는 한국 서울의 중랑 하수 처리장에서 수집되었다. 상기 하수 슬러지는 하수 처리장의 샘플링 값에서 직접 수집되었으며, 기질 및 접종물은 각각 실온 및 4℃에서 보관되었다.
먼저, 전처리된 왕겨를 제조하기 위해 마찰 분쇄기(Hankookmc, 한국)를 이용하여 볼밀 전처리를 수행하였다. 상기 마찰 분쇄기는 직경 10 mm의 강철 볼로 왕겨를 분쇄할 수 있는 2.4 L 부피의 내부 단지를 갖추고 있다. 상기 강철 볼은 임펠러를 회전시켜 상기 단지 내부에서 무작위로 움직이며, 회전 속도는 300 rpm으로 설정되었다. 상기 왕겨를 분쇄한 후, 분쇄된 왕겨 입자를 수직 체분석기(Analysette3, Fritsch GmbH, Germany)로 옮기고 3 mm 진폭으로 1 분 동안 흔들어 기질로 사용된 ≤ 200 μm 크기의 왕겨 입자를 분리하였다.
알칼리 전처리는 대정화금(한국)에서 구입한 98% 수산화 나트륨(NaOH)을 사용하여 수행되다. 상기 왕겨 30 g을 0.2 M NaOH 500 mL에 침지하여 교반하지 않고 80℃에서 3 시간 동안 배양 하였다. 반응 후, 진공 여과를 사용하여 액체를 배출하였다. 남은 고체를 물에 재현탁하고 1 M 염산(시그마 알드리치, 미국) 및 pH 측정(LAQUAtwin-pH-33, 일본 호리바)를 사용하여 pH를 중성으로 조정하였다. 상기 중화된 왕겨를 물로 충분히 세척하여 염화나트륨을 제거하였다. 세척된 고형 왕겨를 건조 오븐(대한 과학, 한국)에서 건조하였다. 건조 후, 상기 왕겨 샘플을 사용할 때까지 실온에서 유지하였다. 복합 전처리는 알칼리 전처리를 먼저 수행한 후, 볼밀 전처리를 수행하는 방식으로 진행되었다.
전처리를 진행하지 않은 생 왕겨(RH), 볼밀 전처리된 왕겨(BRH), 알칼리 전처리된 왕겨(ARH), 및 복합 전처리된 왕겨(ABRH)가 혐기성 소화를 위한 기질로 사용되었으며, 각각 비교예, 실시예 1, 실시예 2, 및 실시예 3으로 명명하였다.
[실시예 4]
C/N 비율이 바이오가스 생산에 미치는 영향을 조사하기 위해, 실시예 3의 복합 전처리된 왕겨에 질소원으로서 Aldrich Co.에서 구입한 염화 암모늄(NH4Cl)을 첨가하여 샘플의 C/N 비율을 15 및 20으로 조정하고, 이를 실시예 4로 명명하였다.
[실시예 5]
미량원소의 첨가에 따른 메탄 발효 과정과 혐기성 소화에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 실시예 4의 복합 전처리 및 질소원을 첨가한 왕겨에 미량원소 시약 50 mL를 추가 투입하고, 이를 실시예 5로 명명하였다.
[실험예 1: 생화학적 메탄 퍼텐셜(BMP) 측정]
상기 실시예에서 제조된 샘플들의 메탄 생산 가능성은 중온(37℃) 및 교반 조건에서 자동 메탄 퍼텐셜 테스트 시스템(AMPTS II, Bioprocess Control AB, 스웨덴)을 사용하여 테스트되었다. 접종원에 대한 기질의 초기 휘발성 고체(VS) 비율은 모든 실험 설정에 대해 1 : 2로 유지되었다. 먼저, 2.5 g의 기질을 313 ml의 접종물과 혼합하고 500 ml 병에 첨가하였다. 병의 pH는 조정되지 않았고 미량 원소 또한 첨가되지 않았다. 모든 반응기는 밀봉 전 10 분 동안 질소 가스(순도 99.999%)로 충분히 퍼지되었다. 0℃, 1 기압의 조건에서 세 번의 테스트를 통해 수득된 바이오가스 생산 평균 결과를 나타내었다.
하기 표 1은 첨가된 미량원소 시약에 따른 BMP 농도를 나타낸 것이다.
미량원소 시약 원액(g/L) BMP농도(mg/L)
MnCl2·4H2O 0.5 0.05556
H3BO3 0.05 0.0056
ZnCl2 0.05 0.0056
CuCl2 0.03 0.0033
NaMO4·2H2O 0.01 0.0011
CoCl2·6H2O 0.5 0.0556
NiCl2·6H2O 0.05 0.0056
Na2SeO3 0.05 0.0056
[실험예 2: 구성 및 물성 분석]
총 고형분(TS) 및 휘발성 고형분(VS)은 표준 방법(SOLIDS, 2540)에 따라 측정되었다. 상기 실시예 및 비교예 샘플을 105℃로 설정된 건조 오븐(Daihan Scientific, 한국)에 넣고 24 시간 동안 총 고형분(TS)의 무게를 측정하였다. 휘발성 고형분(VS)은 전기로(Intec Systems Inc., 한국)를 사용하여 550℃에서 1 시간 동안 연소시켜 측정하였다. 연소 후, 무게가 측정되었다. 상기 샘플의 무게는 3 회 측정하여 평균값으로 사용하였으며, 건조 물질을 기준으로 기질을 분석하였다.
또한, 상기 실시예 및 비교예 샘플의 총 탄소 및 질소는 원소 분석기(LECO CS744, ON836, 한국)를 사용하여 측정되었다. 바이오가스 조성은 Carbonxen®-1006 PLOT 모세관 GC 컬럼(supelco, L x ID 30 mm×0.32 mm, 평균 두께 15 μm)을 구비한 GC-TCD(가스 크로마토그래피-열 전도도 검출기 6500, YL Instruments)를 통해 확인되었으며, 오븐, 주입기, 및 검출기의 온도는 각각 65℃, 230℃ 및 230℃이었다.
알칼리 전처리 유무에 관계없이, 상기 왕겨의 탄수화물, 리그닌 및 회분 함량은 미국 재생 에너지 연구소(NREL)에서 제공한 표준 절차에 따라 측정되었다.
본 실시예에서, 농축 및 희석된 황산으로 2 단계의 산 가수 분해를 수행하여 셀룰로오스 및 헤미셀룰로오스로부터 당을 분리하였다. Sugar-Pak(Waters, 미국) 컬럼이 사용되었고 70℃에서 유지되었으며, 0.5 mL/min의 유속으로 탈기된 증류수로 당을 용리하였다.
산 용해성 리그닌 함량은 320 nm에서 UV 분광법(V-550 UV-vis 분광 광도계, 일본)을 통해 측정되었으며, 산 불용성 리그닌 함량은 샘플을 575℃에서 연소하여 측정하였다. 상기 실험들은 3 번 반복하여 수행되었다.
왕겨의 특성은 혐기성 소화에 중요한 요소이다. 표 2는 상기 왕겨 샘플의 특성을 나타낸다(a=dry basis, b=왕겨, c=알칼리 전처리된 왕겨, d=확인되지 않음).
혐기성 미생물의 주요 에너지원은 왕겨의 탄수화물로서, 왕겨는 탄수화물 51.77 중량%, 리그닌 28.94 중량%, 회분 13.72 중량%로 구성되어 있다. 왕겨의 가장 큰 특징은 회분의 함량이 높다는 것이다. 상기 왕겨는 식물 바이오매스 중에서 회분 함량이 가장 높으며, 왕겨의 회분은 주로 무정형 실리카 및 기타 금속 화합물을 포함한다. 회분의 함량은 혐기성 미생물이 탄수화물에 접근하는 것을 방해하는데, 전처리 후 상기 회분의 함량은 3.02 중량%로 눈에 띄게 감소하였다.
　 TS(%) VSa(%) pH C(%) N(%) C/N 탄수화물
(중량%)		 리그닌(중량%) 회분
(중량%)
비교예(RH) 94.3±0.13 86.8±0.20 6.51 44.2 0.87 50.8 51.77 28.94 13.72
실시예 3 96.3±0.14 97.2±0.27 7.22 50.9 1.22 41.7 62.41 30.84 3.02
미생물
접종		 22.6±0.02 70.7±1.04 8.23 - - - - - -
상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 전처리 후 고체의 회수율은 75.2%였으며, 탄수화물, 리그닌, 및 회분의 감소량은 각각 9.3, 19.9 및 83.4 중량%으로 나타났다. 탄수화물의 양은 약간 감소한 반면, 리그닌 및 회분은 현저하게 감소하였다. 이는 미생물에 대한 접근성이 향상되는 것을 의미한다.
또한, 도 2는, 상기 비교예 및 실시예 샘플들의 일일 및 누적 바이오가스 생산량을 나타낸다. 상기 일일 바이오가스 생산량은 적용된 전처리 방법에 따라 다른 패턴을 나타냈다. 볼밀 전처리는 상기 왕겨 입자의 크기를 줄이고 표면적을 증가시켰다. 볼밀 전처리된 왕겨에서 첫째날에 가장 높은 일일 바이오가스 생산이 관찰되었다. 이는 크기 감소로 인해 미생물에 대한 왕겨 입자에 대한 접근성이 증가한 결과이다. 볼밀 전처리된 샘플은 모든 샘플들 중에서 첫째날 바이오가스 생산량이 가장 높았지만, 그 후 일일 바이오가스 생산량이 급격히 감소했다. 미생물이 노출되는 생물학적 이용 가능한 왕겨 부분을 빠르게 소화했을 것이라고 추정되지만, 상기 소화 후 상기 미생물은 다른 탄수화물로에 대한 접근이 방해되었다. 알칼리 전처리는 대부분의 무기물 및 리그닌의 일부를 추출하여 탄수화물에 대한 접근을 방해하지 않았다. 상기 알칼리 전처리된 왕겨의 바이오가스 생산량은 3 일 동안 다소 일정했으며, 그 후 점차 감소하였다. 알칼리 전처리된 샘플은 볼밀 전처리된 샘플과는 다른 일일 바이오가스 생산 패턴을 보였지만, 7 일째에는 유사한 누적 바이오가스 생산을 나타냈다.
상기 서술한 바와 같이, 알칼리 전처리는 무기물 및 리그닌의 장애를 제거함으로써 미생물의 탄수화물 접근성을 향상시켰다. 따라서, 상기 왕겨의 생체 이용률 향상은 볼밀 전처리 및 알칼리 전처리 후 비슷하지만, 미생물은 알칼리 전처리된 샘플보다 더 빨리 볼밀 전처리된 샘플을 소화할 수 있다.
볼밀 전처리 및 알칼리 전처리를 결합한 실시예 3의 복합 전처리 방법, 및 질소원과 미량원소를 첨가한 실시예 4 및 5의 방법은 접근성과 생체 이용률을 증가시킨 것으로 나타났다. 복합 전처리된 샘플의 누적 바이오가스 생산량은 처리되지 않은 샘플에 비해 179% 증가한 것으로 나타났다(표 3). 볼밀 또는 알칼리 용액으로 단독 전처리할 경우에도 누적 바이오가스 생산량이 각각 86% 또는 80%로 증가하였다(표 3).
비교예 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 실시예 5
누적 바이오가스 (mL/g VS) 67.08 124.45 120.71 166.37 178.63 181.06
누적 메탄(mL CH4/g VS) 46.06 83.85 80.29 100.40 115.65 124.1
메탄 증가량(%) - 82 74 118 132 148
상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 전처리 방법은 왕겨의 염기성 소화를 개선하는 데 효과적이라는 것을 확인할 수 있었다. 메탄 생산량 또한 비슷한 증가량을 나타내었다.
[실험예 3: 미생물 군집 분석]
미생물 군집을 분석하기 위해, 혐기성 소화조에서 샘플을 채취하여 분석 시까지 -20℃에 보관하였다. 각 샘플에서 DNA는 PowerMax® 토양 DNA 분리 키트를 사용하여 추출되었다. 추출된 DNA는 프라이머 세트(341F 및 805R)를 사용하여 박테리아 16S rRNA 유전자의 V3-V4 영역을 증폭하기 위한 템플릿으로 사용되었다(Fadrosh et al., 2014). 특정 프라이머 세트인 Arch519F(5'-CAGCCGCCGCGGTAA-3') 및 Arch934R(5'-GTGCTCCCCCGCCAATTC-3')을 사용하여 메탄 생성종을 검출하였다. 다음으로, Illumina 라이브러리 생성법이 사용되었다. DNA 시퀀싱은 제조업체의 프로토콜에 따라 Illumina/MiSeq 플랫폼(미국 캘리포니아 주, 샌디에고)을 사용하여 ChunLab, Inc.(한국, 서울)에서 수행하였다. EzBioCloud 서버(www.ezbiocloud.net)를 사용하여 서열 유사성을 분석함으로써 종 수준 식별(97% 컷오프)을 확인하였다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 상기 실시예 및 비교예에서 지배적인 박테리아 문은 박테로이데테스(Bacteroidetes), 클로로플렉시(Choloroflexi), 프록릭시박테리아(Proteobacteria), 퍼미규티스(Firmicutes), 및 클로아케모나스(Cloacamonas)였다.
상기 박테로이데테스, 클로로플렉시, 클로아케모나스의 수준은 전처리된 왕겨를 기질로 사용했을 때 증가한 반면, 프롤릭시박테리아 및 퍼미규티스의 수준은 생 왕겨의 미생물 군집에 비해 감소하였다. 여러 균주로 구성된 박테리아는 종의 10% 미만을 차지하였다.
프롤릭시박터과(Prolixibacteraceae)에 속하는 배양되지 않은 균주는 알칼리 전처리된 샘플에서 6.5%(ARH) 및 8.2%(ABRH)로 가장 많았고(도 4a), 클로아케모나스 애시드아미노보란스(Cloacamonas acidaminovorans)는 원시 샘플(RH, 4.6%) 및 볼밀 전처리된 샘플(BRH, 5.7%)에서 가장 많았다(도 4b). 알칼리 전처리는 잔류한 NaOH로 인해 염도를 증가시키고 해양 박테리아인 프롤릭시박터과의 유병률을 증가시키는 것으로 나타났다.
클로아케모나스 애시드아미노보란스(Cloacamonas acidaminovorans)는 모든 샘플에서 세균 군집의 4.1 내지 6.3%를 차지하는 주요 균주 중 하나였다. 상기 클로아케모나스 애시드아미노보란스는 건조 발효 과정에서 Desulfovibrio desulfuricans 및 Methanobacterium formicicum과 같은 수소 제거 박테리아와 함께 배양된 단백질 및 다당류 분해제 및 신트로픽 박테리아(syntrophic bacterium)이다. 루미노필리박터 자일라노리티움(Ruminofilibacter xylanolyticum)은 알칼리 전처리 및 볼밀 전처리 방법을 모두 사용하여 처리한 복합 전처리 샘플에서만 증가한 균주였다(박테리아 군집의 3.7%). 루미노필리박터 자일라노리티움은 자일라나아제로서 가수 분해 효소 활성을 가지고 있다. 상기 박테리아는 옥수수 및 목초 사일리지를 먹인 혐기성 소화 식물에서 발견된다. 물리적 및 화학적 처리 모두 상기 왕겨의 미생미생물 당 접근성을 증가시키는 것으로 나타내었다.
또한, 메탄을 생산하는 미생물은 대부분 유리고세균(Euryarchaeota)에 속한다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 베시아르케아타(Bathyarchaeota)는 접종원의 고세균 군집과는 달리 왕겨와 함께 혐기성 소화를 증가시켰다. 상기 베시아르케아타는 성공적으로 배양되지는 않았지만, 베시아르케아타를 포함하는 미생물 군집은 혐기성 소화 처리 리그노셀룰로오스 바이오 매스에서 메탄 생성을 개선하였다. 또한, 상기 베시아르케아타는 저항성 리그노셀룰로오스 바이오 매스의 발효에도 관여할 수 있다고 보고된 바 있다. 상기 베시아르케아타는 BRH에서 가장 많이 증가했으며, 알칼리 전처리는 베시아르케아타를 감소시킨 것으로 확인되었다(도 5).
알칼리 전처리 후 프롤릭시박터과(Prolixibacteraceae)와 같은 해양 박테리아이 증가한 점을 고려하면, 알칼리 전처리 후 염도의 증가는 염도에 대한 민감성때문에 고세균이 억제되었을 가능성이 있다. 왕겨 전처리 후 이중 세척과 같은 엄격한 세척 단계를 적용할 경우, 고세균에 대한 억제 효과를 줄일 수 있다.
본 명세서에서는 본 발명자들이 수행한 다양한 실시예 가운데 몇 개의 예만을 들어 설명하는 것이나 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고, 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

Claims (18)

  1. 수확한 벼로부터 왕겨를 수득하여 불순물을 제거하는 단계;
    상기 불순물이 제거된 왕겨를 분쇄하는 단계;
    상기 분쇄한 왕겨를 0.1 내지 1 M 농도의 알칼리 용액에 침지하여 전처리하는 단계;
    상기 전처리된 왕겨를 염산 수용액을 이용하여 중화하는 단계;
    상기 중화한 왕겨를 혐기성 소화조에 투입하는 단계;
    상기 혐기성 소화조에 염화암모늄을 투입하는 단계;
    상기 염화암모늄을 투입한 혐기성 소화조에 투입한 왕겨에 유효 미생물을 접종하여 혐기성 소화시킴으로써 바이오가스를 생산하는 단계; 및
    상기 생산된 바이오가스를 수득하는 단계;
    를 포함하되,
    상기 유효 미생물은, 고세균, 대장균, 녹만균, 고초균, 효모균, 슈도모나스속균, 살모넬라속균, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 혐기성 미생물인 것을 특징으로 하는,
    바이오가스 생산방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분쇄는 볼밀, 마모밀, 기류식 분쇄기, 해머밀, 롤러밀, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는, 바이오가스 생산방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전처리된 왕겨는 100 내지 300 μm의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는, 바이오가스 생산방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 분쇄는 100 내지 500 rpm의 속도 범위로 수행되는 것을 특징으로 하는, 바이오가스 생산방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 바이오가스는 수소, 이산화탄소, 메탄가스, 에탄가스, 프로판가스, 부탄가스, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는, 바이오가스 생산방법.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 알칼리 용액은 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화칼슘, 수산화암모늄, 탄산나트륨, 탄산칼륨, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는, 바이오가스 생산방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 왕겨를 알칼리 용액에 침지하여 전처리하는 단계는 30 분 내지 6 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는, 바이오가스 생산방법.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 왕겨를 알칼리 용액에 침지하여 전처리하는 단계는 37℃ 내지 200℃의 온도 범위에서 수행되는 것을 특징으로 하는, 바이오가스 생산방법.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제1항에 있어서,
    상기 왕겨에 유효 미생물을 접종하여 혐기성 소화시킴으로써 바이오가스를 생산하는 단계 이전에, 상기 혐기성 소화조에 미량원소를 투입하는 단계를 추가 포함하는, 바이오가스 생산방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 미량원소는, 염화망간 4수화물(MnCl2·4H2O), 붕산(H3BO3), 염화아연(ZnCl2), 염화구리(CuCl2), 몰리브덴산나트륨 2수화물(NaMO4·2H2O), 염화코발트 6수화물(CoCl2·6H2O), 염화니켈 6수화물(NiCl2·6H2O), 아셀레늄산나트륨(Na2SeO3), 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는, 바이오가스 생산방법.
  17. 삭제
  18. 제1항에 있어서,
    상기 바이오가스를 생산하는 단계에서, 혐기성 소화조의 C/N의 비율은 10 내지 45인 것을 특징으로 하는, 바이오가스 생산방법.
KR1020210036996A 2021-03-23 2021-03-23 왕겨의 혐기성 소화를 이용한 바이오가스 생산방법 KR102526509B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210036996A KR102526509B1 (ko) 2021-03-23 2021-03-23 왕겨의 혐기성 소화를 이용한 바이오가스 생산방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210036996A KR102526509B1 (ko) 2021-03-23 2021-03-23 왕겨의 혐기성 소화를 이용한 바이오가스 생산방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220132680A KR20220132680A (ko) 2022-10-04
KR102526509B1 true KR102526509B1 (ko) 2023-04-27

Family

ID=83600201

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210036996A KR102526509B1 (ko) 2021-03-23 2021-03-23 왕겨의 혐기성 소화를 이용한 바이오가스 생산방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102526509B1 (ko)

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3021329B1 (fr) * 2014-05-26 2020-05-29 Roquette Freres Substrat methanogene pour la fabrication de biogaz.

Also Published As

Publication number Publication date
KR20220132680A (ko) 2022-10-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Soares et al. Dark fermentative biohydrogen production from lignocellulosic biomass: technological challenges and future prospects
Kaur et al. A sustainable biorefinery approach for efficient conversion of aquatic weeds into bioethanol and biomethane
Song et al. Improving biohydrogen production through dark fermentation of steam-heated acid pretreated Alternanthera philoxeroides by mutant Enterobacter aerogenes ZJU1
Arun et al. Influence of biomass and nanoadditives in dark fermentation for enriched bio-hydrogen production: A detailed mechanistic review on pathway and commercialization challenges
Tian et al. Biogas properties and enzymatic analysis during anaerobic fermentation of Phragmites australis straw and cow dung: Influence of nickel chloride supplement
Nasr et al. Dual production of hydrogen and biochar from industrial effluent containing phenolic compounds
Deng et al. Improvement in biohydrogen and volatile fatty acid production from seaweed through addition of conductive carbon materials depends on the properties of the conductive materials
Kumar et al. Seed inocula for biohydrogen production from biodiesel solid residues
Xu et al. Performance and microbial community analysis of dry anaerobic co-digestion of rice straw and cow manure with added limonite
Xie et al. The synergistic effect of rumen cellulolytic bacteria and activated carbon on thermophilic digestion of cornstalk
Mechery et al. Biohydrogen production from acidic and alkaline hydrolysates of paddy straw using locally isolated facultative bacteria through dark fermentation
Prasertsan et al. Direct hydrolysis of palm oil mill effluent by xylanase enzyme to enhance biogas production using two-steps thermophilic fermentation under non-sterile condition
Amin et al. Enhanced methane production and energy potential from rice straw by employing microaerobic pretreatment via anaerobic digestion
Li et al. Silage as source of bacteria and electrons for dark fermentative hydrogen production
Arelli et al. Solid-state anaerobic digestion of sugarcane bagasse at different solid concentrations: Impact of bio augmented cellulolytic bacteria on methane yield and insights on microbial diversity
Grala et al. Effects of Hydrothermal Depolymerization and Enzymatic Hydrolysis of Algae Biomass on Yield of Methane Fermentation Process.
Singh et al. Evaluation of pretreatment potential and hydrogen recovery from lignocellulosic biomass in an anoxic double-staged bioelectrochemical system
Nutongkaew et al. Improved methane production using lignocellulolytic enzymes from Trichoderma koningiopsis TM3 through co-digestion of palm oil mill effluent and oil palm trunk residues
Zhou et al. Construction and evaluation of efficient solid-state anaerobic digestion system via vinegar residue
Tawfik et al. Graphene/hydroxyapatite nano-composite for enhancement of hydrogen productivity from delignified duckweed
Yang et al. Green and chemical-free pretreatment of corn straw using cold isostatic pressure for methane production
Meng et al. Cold isostatic pressing-study on methane production and microbial communities in anaerobic digestion of wheat straw with high-solids
KR102526509B1 (ko) 왕겨의 혐기성 소화를 이용한 바이오가스 생산방법
Gayathri et al. Hybrid hydrolysis and fermentation optimization of Prosopis juliflora pods for the enhanced biohydrogen production by dark fermentation
Dubrovskis et al. Use of enzyme alpha amylase to increase biogas yield from lucerne pellets and birch leaves pellets

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant