KR102570415B1 - 미세기포 발생장치를 결합한 고효율 메탄화 반응기 - Google Patents

미세기포 발생장치를 결합한 고효율 메탄화 반응기 Download PDF

Info

Publication number
KR102570415B1
KR102570415B1 KR1020210060016A KR20210060016A KR102570415B1 KR 102570415 B1 KR102570415 B1 KR 102570415B1 KR 1020210060016 A KR1020210060016 A KR 1020210060016A KR 20210060016 A KR20210060016 A KR 20210060016A KR 102570415 B1 KR102570415 B1 KR 102570415B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
methanation reactor
methanation
reactor
hydrogen
microbial culture
Prior art date
Application number
KR1020210060016A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20220152732A (ko
Inventor
김현욱
이종찬
홍원석
손권
Original Assignee
서울시립대학교 산학협력단
주식회사 성광이엔에프
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 서울시립대학교 산학협력단, 주식회사 성광이엔에프 filed Critical 서울시립대학교 산학협력단
Priority to KR1020210060016A priority Critical patent/KR102570415B1/ko
Publication of KR20220152732A publication Critical patent/KR20220152732A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102570415B1 publication Critical patent/KR102570415B1/ko

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M29/00—Means for introduction, extraction or recirculation of materials, e.g. pumps
    • C12M29/18—External loop; Means for reintroduction of fermented biomass or liquid percolate
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/0053—Details of the reactor
    • B01J19/0066—Stirrers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M21/00—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
    • C12M21/12—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses for producing fuels or solvents
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M23/00—Constructional details, e.g. recesses, hinges
    • C12M23/50—Means for positioning or orientating the apparatus
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M29/00—Means for introduction, extraction or recirculation of materials, e.g. pumps
    • C12M29/14—Pressurized fluid
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M29/00—Means for introduction, extraction or recirculation of materials, e.g. pumps
    • C12M29/24—Recirculation of gas
    • 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

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Clinical Laboratory Science (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)

Abstract

본 발명은 미세기포 발생장치를 결합한 고효율 메탄화 반응기에 관한 것으로, 본 발명은 미생물을 이용하여 이산화탄소를 수소와 반응시켜 메탄으로 전환하는 메탄화 반응기에 있어서, 상기 메탄화 반응기에 수소와 이산화탄소를 직경 1~50μm의 미세기포의 형태로 발생시키는 미세기포 발생장치를 결합하여 메탄화 반응기의 미생물 배양액에 대한 수소의 용해도를 극대화함으로써 높은 전환율의 메탄가스를 얻을 수 있는, 미세기포 발생장치를 결합한 고효율 메탄화 반응기를 제공한다.

Description

미세기포 발생장치를 결합한 고효율 메탄화 반응기{HIGH EFFICIENCY METHANATION REACTOR COMBINED WITH MICROBUBBLE GENERATOR}
본 발명은 미세기포 발생장치를 결합한 고효율 메탄화 반응기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 미생물을 이용하는 메탄화 반응기에 수소 및 이산화탄소의 미세기포를 발생시키는 미세기포 발생장치를 결합하여 미생물 배양액에 대한 수소의 용해도를 극대화시킴으로써 수소와 이산화탄소를 높은 전환율의 메탄으로 전환시킬 수 있는 메탄화 반응기에 관한 것이다.
최근 들어 잉여전력을 저장이 용이한 가스의 생산에 활용하여 에너지의 효율성을 높일 수 있는 power to gas(P2G) 기술이 개발되고 있다.
P2G 기술을 이용하면 물을 전기분해하여 수소를 생산할 수 있으며, 수소는 다시 이산화탄소와 결합하여 메탄으로 전환될 수 있다.
이와 같이 수소를 이산화탄소와 결합하여 메탄으로 전환하는 기술(메탄화 기술)은 수소의 저장성 문제, 수요처 부족의 문제를 해결할 수 있고, 아울러 이산화탄소도 회수할 수 있어 지구온난화 방지에 기여할 수 있다.
메탄화 기술은 촉매를 이용하여 이산화탄소를 수소와 반응시켜 메탄으로 전환하는 화학적 전환방법과, 미생물을 이용하여 이산화탄소를 수소와 반응시켜 메탄으로 전환하는 생물학적 전환방법으로 구분된다.
화학적 전환방법은 한 번 조건을 설정하면 안정적으로 메탄을 생산할 수 있지만, 이산화탄소 자체가 에너지 준위가 낮고 안정한 물질이기 때문에, 메탄으로 전환하기 위해 많은 에너지가 필요하고 고효율의 촉매개발이 필요하다는 단점을 가지고 있다.
생물학적 전환방법은 화학적 전환방법에 비해 상대적으로 낮은 온도(35~65℃)와 저압(1~5bar)에서 이산화탄소를 메탄으로 전환할 수 있어 경제성은 높지만, 경제성이 확보되는 수준의 메탄화 공정을 구축하기 위해서는 미생물의 농도가 순수균 배지를 기준으로 10~15g/L 이상의 고농도이어야 하는데, 수소의 낮은 용해도는 미생물 기질의 제한요소로 작용하여 고농도의 미생물 농도를 유지하는데 큰 장애요소가 되고 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-203895호(2020. 3. 20. 등록) 대한민국 등록특허공보 제10-2059924호(2019. 12. 20. 등록)
본 발명은 종래의 메탄화 반응공정이 가진 문제점을 보완하기 위해 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 생물학적 메탄화 반응공정에서 수소의 용해도를 높일 수 있는 메탄화 반응기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 생물학적 메탄화 반응공정에서 수소의 용해도를 높일 수 있는 다양한 형태의 미세기포 발생장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 미세기포 발생장치의 결합형태에 따른 다양한 형태의 메탄화 반응기를 제시함과 동시에 이를 통해 고효율의 메탄화 반응기를 제공하는 것이다.
아울러 본 발명의 명시되지 아니한 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명으로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려되어야 할 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 보다 구체적으로 이하의 것을 제공한다.
본 발명은 미생물을 이용하여 수소와 이산화탄소를 메탄으로 전환하는 메탄화 반응기에 있어서, 상기 메탄화 반응기에 수소와 이산화탄소를 직경 1~50μm의 미세기포 형태로 발생시키는 미세기포 발생장치를 결합하여 메탄화 반응기의 미생물 배양액에 대한 수소의 용해도를 극대화함으로써 높은 전환율의 메탄가스를 얻을 수 있는, 미세기포 발생장치를 결합한 고효율 메탄화 반응기를 제공한다.
여기서 상기 미세기포 발생장치는 상기 메탄화 반응기의 외부에 메탄화 반응기와 직렬로 배치된 복수개로 이루어지고, 상기 복수개의 미세기포 발생장치 각각에 수소와 이산화탄소가 공급되며, 상기 직렬배치된 순서를 따라 미생물 배양액이 미세기포 발생장치를 순환한다.
또한, 여기서 본 발명에 따른 미세기포 발생장치를 결합한 고효율 메탄화 반응기는 메탄화 반응기 상·하부에서의 미생물 배양액의 수소 포화도 차이를 감안하여 메탄화 반응기의 상부로부터 상기 미세기포 발생장치를 거쳐 메탄화 반응기의 하부로 미생물 배양액을 순환시킨다.
또한, 본 발명에 따른 미세기포 발생장치를 결합한 고효율 메탄화 반응기는 미세기포 발생장치가 미생물 배양액에 수소와 이산화탄소를 가압 선회시킴으로써 이산화탄소의 일부가 탄산이온으로 용해된 이온수를 생성하는 가스 이온화 장치를 더 구비하여, 상기 가스 이온화 장치로부터 배출되는 이온수로부터 수소를 미세기포화한다.
여기서 상기 가스 이온화 장치는 미생물 배양액, 수소, 이산화탄소를 유입받는 유입구; 이온수를 배출하는 배출구를 구비하는 본체부; 및 상기 본체부 내에 마련되며 상기 유입구를 통해 유입된 미생물 배양액, 수소, 이산화탄소를 선회시키면서 상기 배출구측으로 안내하는 선회 유도부를 포함한다.
또한, 여기서 상기 가스 이온화 장치의 본체부는 원통형의 내부공간을 가지고, 상기 유입구는 미생물 배양액, 수소, 이산화탄소가 상기 본체부의 내부공간에 상기 원통형 본체부에 대하여 접선방향으로 유입되도록 배치되며, 상기 배출구는 상기 원통형 본체부의 길이방향 중심축에 형성된다.
또한, 여기서 상기 가스 이온화 장치의 선회 유도부는 상기 원통형 본체부의 내부공간의 직경보다 작으며, 서로 다른 직경을 갖는 적어도 하나의 원통형상의 안내벽체를 포함하며, 상기 각각의 안내벽체는 상기 중심축과 동축으로 정렬되어 배치된다.
또한, 본 발명에 따른 미세기포 발생장치를 결합한 고효율 메탄화 반응기는
미세기포 발생장치가 메탄화 반응기의 내부에 서로 이격되어 있는 복수개로 이루어지고, 상기 복수개의 미세기포 발생장치 각각에 수소와 이산화탄소가 공급된다.
또한, 여기서 본 발명에 따른 미세기포 발생장치를 결합한 고효율 메탄화 반응기는 메탄화 반응기의 내부에 수직방향으로 서로 이격되어 있는 복수개의 경사판을 더 구비하여 부상속도가 느린 직경 1~10μm의 초미세 기포가 상기 복수개의 경사판을 타고 오르내리면서 부상토록 함으로써 메탄화 반응을 극대화시킨다.
또한, 본 발명에 따른 미세기포 발생장치를 결합한 고효율 메탄화 반응기는
메탄화 반응기가 직렬로 배치된 복수개로 이루어지고, 미세기포 발생장치를 내부에 각각 구비하여 메탄화 반응기별로 메탄화 반응이 일어나되, 선단의 메탄화 반응기에서 생성된 반응가스가 후단의 미세기포 발생장치에 공급되고, 미생물 배양액은 최후단의 메탄화 반응기로부터 최선단의 메탄화 반응기로 순환된다.
본 발명은 생물학적 메탄화 반응공정에서 수소의 용해도를 높일 수 있는 메탄화 반응기를 제공하는 효과를 가진다.
본 발명은 생물학적 메탄화 반응공정에서 수소의 용해도를 높일 수 있는 다양한 형태의 미세기포 발생장치를 제공하는 효과를 가진다.
본 발명은 미세기포 발생장치의 결합형태에 따른 다양한 형태의 메탄화 반응기를 제시함과 동시에 이를 통해 고효율의 메탄화 반응기를 제공하는 효과를 가진다.
아울러 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 이하의 명세서에 기재되어 있는 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 미세기포 발생장치를 결합한 고효율 메탄화 반응기의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 미세기포 발생장치를 결합한 고효율 메탄화 반응기의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 미세기포 발생장치를 결합한 고효율 메탄화 반응기의 개념도이다.
도 4는 본 발명의 제4실시예에 따른 미세기포 발생장치를 결합한 고효율 메탄화 반응기의 개념도이다.
도 5, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세기포 발생부의 발포유량에 따른 미세기포 발생부 주변의 액체-기체 표면변화를 나타내는 개념도이다.
도 7은 본 발명의 제5실시예에 따른 미세기포 발생장치를 결합한 고효율 메탄화 반응기의 개념도이다.
도 8은 도 7에서 미세기포 발생장치만 발췌한 도면이다.
도 9는 도 8의 미세기포 발생장치를 구성하는 가스 이온화 장치의 사시도이다.
도 10은 도 9의 가스 이온화 장치의 단면사시도이고, 도 11은 도 9의 가스 이온화 장치의 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명한다.
본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 본 발명의 설명에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 본 발명은 본 실시예에 한정되지 않으며 미세기포 발생장치를 활용하는 메탄화 반응기의 경우에 모두 적용가능하다.
본 발명에서 표현되는 미세기포는 직경 50μm 이하, 바람직하게는 직경 1~50μm(평균직경 10~30μm)의 크기를 가지는 기포를 의미한다. 그 이상의 크기를 가지는 기포도 미세기포라고 칭하는 경우가 있으나, 기체 용해도 측면에서 50μm 이하 크기의 미세기포와 큰 차이를 보인다
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 미세기포 발생장치를 결합한 고효율 메탄화 반응기의 개념도이다.
도 1에 의하면 본 발명의 제1실시예에 따른 고효율 메탄화 반응기는, 내부에 미생물 배양액(120)이 구비되어 미생물 배양액(120) 속의 미생물이 수소(H2)와 이산화탄소(CO2)를 메탄(CH4)으로 전환시키는 메탄화 반응기(100)와, 메탄화 반응기(100)의 외부에 메탄화 반응기(100)와 직렬로 배치되고 수소(H2)와 이산화탄소(CO2)의 미세기포를 각각 발생시키는 복수개의 미세기포 발생장치(200)와, 메탄화 반응기(100)의 미생물 배양액(120)을 미세기포 발생장치(200)로 순환시키는 순환펌프(300)로 이루어진다.
본 발명의 제1실시예에 따른 미세기포 발생장치(200)는 미세기포를 발생시키기 위한 노즐, 회전체, 다공성막 중 어느 하나로 이루어지는 미세기포 발생부(210)를 구비하며, 이러한 미세기포 발생부(210)를 다양한 형태로 결합하여 본 발명에 따른 미세기포 발생장치(200)를 구성할 수 있다.
미세기포 발생부(210)는 바람직하게는 노즐 분사방식 및 회전체 방식이 미세기포의 크기가 작고, 운전압력·내구성·부식의 제약이 적으며, 노즐 개수를 늘려 유량을 선형적으로 증가시킬 수 있다는 점에서 유리하다.
도 1에 의하면 본 발명의 제1실시예에 따른 고효율 메탄화 반응기는 메탄화 반응기(100)와 직렬로 배치되는 복수개의 미세기포 발생장치(200) 각각에 설치된 미세기포 발생부(210)를 통하여 수소 및 이산화탄소의 미세기포를 공급하고, 선단의 미세기포 발생장치(200)를 거친 미생물 배양액(120)이 후단의 미세기포 발생장치(200)에 공급되는 방식으로 메탄화 반응기(100)로부터 순환되어 오는 미생물 배양액(120)을 순환시킴으로써, 미생물 배양액(120)이 최후단의 미세기포 발생장치(200)를 나올 때에는 미생물 배양액(120)에 대한 수소와 이산화탄소의 포화도가 극대화된다.
본 발명의 제1실시예에 따른 고효율 메탄화 반응기는 미생물 배양액(120)의 완전혼합을 돕기 위해 메탄화 반응기(100)의 내부에 교반장치(110)가 설치될 수 있다.
또한, 본 발명의 제1실시예에 따른 고효율 메탄화 반응기는 메탄화 반응기
(100) 상·하부에서의 미생물 배양액(120)의 수소 포화도 차이를 감안하여 수소 포화도가 상대적으로 낮은 메탄화 반응기(100)의 상부로부터 미세기포 발생장치(200)를 거쳐 수소 포화도가 상대적으로 높은 메탄화 반응기의 하부로 미생물 배양액(120)을 순환시킨다.
메탄화 반응기(100)의 미생물 배양액(120)을 메탄화 반응기(100)의 외부에 설치된 미세기포 발생장치(200)로 순환시켜 미생물 배양액(120)에 수소의 미세기포를 용해시키는 본 발명의 제1실시예에 따른 고효율 메탄화 반응기는 기존의 메탄화 반응기에 쉽게 적용할 수 있어 기존의 메탄화 반응기를 개량하는데에 유용하다.
또한, 메탄화 반응기(100)의 미생물(메탄균)은 절대 혐기균이기 때문에 대기중의 산소와 미생물 배양액(120)이 접촉되는 것을 철저히 막아야 하는데, 본 발명의 제1실시예에 따른 고효율 메탄화 반응기는 미세기포 발생장치(200)가 메탄화 반응기와 분리되어 있기 때문에 유지보수시 대기와의 접촉가능성이 최소화되어 시스템의 안정성이 확보된다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 미세기포 발생장치를 결합한 고효율 메탄화 반응기의 개념도로서, 메탄화 반응기(100)의 내부에 복수개의 서로 이격되어 있는 미세기포 발생부(210)를 구비하여 메탄화 반응기(100)의 내부에서 바로 수소 및 이산화탄소의 미세기포를 발생시킨다.
본 발명의 제2실시예에 따른 메탄화 반응기(100)의 내부에도 미생물 배양액(120)의 완전혼합을 돕기 위한 교반장치(110)가 구비될 수 있다.
도 3는 본 발명의 제3실시예에 따른 미세기포 발생장치를 결합한 고효율 메탄화 반응기의 개념도이다.
본 발명의 제3실시예에 따른 고효율 메탄화 반응기도 제2실시예와 같이 메탄화 반응기(100)의 내부에 복수개의 서로 이격되어 있는 미세기포 발생부(210)를 구비하여 메탄화 반응기(100)의 내부에서 바로 수소와 이산화탄소의 미세기포를 발생시킨다.
다만, 본 발명의 제3실시예에 따른 고효율 메탄화 반응기는 미세기포 발생부(210)에서 발생하는 미세기포가 직경 1~10μm의 초미세 기포이어서 메탄화 반응기(100)의 미생물 배양액(120) 속에서의 부상속도가 충분히 느릴 경우에 적용하는 것으로서, 도 3에 도시된 바와 같이 메탄화 반응기(100)의 내부에 수직방향으로 서로 이격되어 있는 복수개의 경사판(130)을 더 구비하여 부상속도가 느린 초미세 기포가 상기 복수개의 경사판(130)을 타고 오르내리면서 부상토록 하면 메탄화 반응을 극대화시킬 수 있다.
이때 미생물 배양액(120)의 혼합을 돕기 위해 미생물 배양액(120)의 순환을 위한 순환펌프(300)가 설치될 수 있으며, 미생물 배양액(120)의 순환은 메탄화 반응기(100) 상·하부의 배양액(120)에 대한 수소 포화도의 차이를 고려하여 메탄화 반응기(100)의 상부에서 하부로 이루어진다.
도 4는 본 발명의 제4실시예에 따른 미세기포 발생장치를 결합한 고효율 메탄화 반응기의 개념도로서, 내부에 미생물 배양액(120)과 미세기포 발생부(210)가 구비된 복수개의 메탄화 반응기(100)가 직렬로 연결되어 각각의 메탄화 반응기(100)별로 메탄화 반응이 진행된다.
도 4에 의하면 본 발명의 제4실시예에 따른 고효율 메탄화 반응기는 복수개의 직렬연결된 메탄화 반응기(100) 중 최선단의 메탄화 반응기(A)의 미세기포 발생부(210)에 미세기포 상태의 수소와 이산화탄소가 공급되어 소정의 메탄 전환율로 바이오가스(CH4, H2, CO2)가 최선단의 메탄화 반응기(100)에서 생성되고, 상기 최선단의 메탄화 반응기(100)에서 생성된 바이오가스(CH4, H2, CO2)가 그 후단의 메탄화 반응기(B)의 미세기포 발생부(210)에 공급되면, 상기 후단의 메탄화 반응기(B)에서 상기 최선단의 메탄화 반응기(A)에서 생성된 바이오가스(CH4, H2, CO2) 중의 이산화탄소(CO2)가 메탄으로 전환이 완료되고, 잔여 바이오가스(CH4, H2)가 다시 그 후단(최후단)의 메탄화 반응기(C)의 미세기포 발생부(210)에 공급되면 최후단의 메탄화 반응기(C)에서는 수소(H2)까지 메탄(CH4)으로 전환된다.
이와 같이 본 발명의 제4실시예에 따른 고효율 메탄화 반응기는 복수개의 직렬연결된 메탄화 반응기(100) 중에서 최선단의 메탄화 반응기(100)의 미세기포 발생부(210)에 미세기포 상태의 수소와 이산화탄소가 공급되어 생성된 바이오가스를 그 후단의 메탄화 반응기(100)들의 미세기포 발생부(210)에 순차적으로 공급하여 메탄전환 처리함으로써 바이오가스의 순도가 순차적으로 높아지고, 최후단의 메탄화 반응기(100)에서 고순도의 메탄가스(CH4)가 안정적으로 얻어진다.
도 4에 의하면 본 발명의 제4실시예에 따른 고효율 메탄화 반응기도 복수개의 직렬연결된 메탄화 반응기(100)의 상·하부 배양액(120)에 대한 수소 포화도의 차이를 고려하여 메탄화 반응기(100)의 상부로부터 하부로 배양액(120)을 순환시키되, 각 메탄화 반응기(100) 간에 설치된 순환펌프(300)를 이용하여 최후단 메탄화 반응기(C)의 상부--> 최선단 메탄화 반응기(A)의 하부--> 최선단 메탄화 반응기(A)의 상부--> 후단 메탄화 반응기(B)의 하부--> 후단 메탄화 반응기(B)의 상부--> 최후단 메탄화 반응기(C)의 하부로 순환되게 한다.
도 5, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 메탄화 반응기에서 미세기포 발생부에서 발포되는 미세기포의 발포유량에 따른 미세기포 발생부 주변의 액체-기체 표면변화를 나타내는 개념도이다.
도 5에 의하면 가스의 발포유량이 정상일 경우(Qlow), 미세기포 발생부(210)에서 발포되는 미세기포가 주변의 액체보다 작은 부피를 차지하고 있어 미세기포는 그 형태가 유지되지만, 도 6과 같이 가스의 발포유량이 과다할 경우(Qhigh), 미세기포 발생부(210)의 주변에서 미세기포를 형성하기 위한 충분한 액체가 유지되지 못하여 액체는 액적으로 소산되며 미세기포는 덩어리의 다발형태로 흩어진다.
이를 유량관계식으로 나타내면 아래와 같다.
[수학식 1]
Q = ku
여기서 u = dVd/dt : 기체의 용해속도
k : 비례상수
정상유량(Qlow) : 1.0u ~ 1.2u
과유량(Qhigh): 1.4u 이상
따라서, 본 발명에 따른 메탄화 반응기(100)에 미세기포를 고유량으로 공급하기 위해서는 본 발명의 제2실시예(도 2) 및 제3실시예(도 3)와 같이 미세기포 발생부(210)를 일정간격을 두고 격리시켜 복수개 설치하는 것이 바람직하다.
도 7은 본 발명의 제5실시예에 따른 미세기포 발생장치를 결합한 고효율 메탄화 반응기의 개념도이고, 도 8은 도 7에서 미세기포 발생장치만 발췌한 것이다.
도 7에 의하면 본 발명의 제5실시예에 따른 미세기포 발생장치를 결합한 고효율 메탄화 반응기는 제1실시예와 같이 내부에 미생물 배양액(120)이 구비되어 미생물 배양액(120) 속의 미생물이 수소(H2)와 이산화탄소(CO2)를 메탄(CH4)으로 전환시키는 메탄화 반응기(100)와, 메탄화 반응기(100)의 외부에 메탄화 반응기(100)와 직렬로 배치되고 수소(H2)와 이산화탄소(CO2)의 미세기포를 각각 발생시키는 복수개의 미세기포 발생장치(200)와, 메탄화 반응기(100)의 미생물 배양액(120)을 미세기포 발생장치(200)로 순환시키는 순환펌프(300)로 이루어진다.
또한, 메탄화 반응기(100) 상·하부에서의 미생물 배양액(120)의 수소 포화도 차이를 감안하여 수소 포화도가 상대적으로 낮은 메탄화 반응기(100)의 상부로부터 미세기포 발생장치(200)를 거쳐 수소 포화도가 상대적으로 높은 메탄화 반응기의 하부로 미생물 배양액(120)을 순환시키고, 미생물 배양액(120)의 완전혼합을 돕기 위해 메탄화 반응기(100)의 내부에 교반장치(110)가 설치된다.
그러나 도 7 및 도 8에 의하면 본 발명의 제5실시예에 따른 미세기포 발생장치(200)는 제1실시예와 달리 미생물 배양액(120)에 수소(H2)와 이산화탄소(CO2)를 가압 선회시킴으로써 이산화탄소(CO2)의 일부가 탄산이온(CO3 2-)으로 용해된 이온수를 생성하는 가스 이온화 장치(220)를 포함한다.
도시한 실시예에서는 메탄화 반응기(100)와 직렬로 배치되는 복수개의 미세기포 발생장치(200)에 구비된 가스 이온화 장치(220)의 각각에 수소 및 이산화탄소가 공급되고, 선단의 미세기포 발생장치(200)를 경유한 미생물 배양액(120)이 후단의 미세기포 발생장치(200)에 공급되는 방식으로 메탄화 반응기(100)로부터 순환되어 오는 미생물 배양액(120)을 순환시킴으로써, 미생물 배양액(120)이 최후단의 미세기포 발생장치(200)를 나올 때에는 미생물 배양액(120)에 대한 수소와 이산화탄소의 포화도가 극대화된다.
도 9는 도 8의 미세기포 발생장치를 구성하는 가스 이온화 장치의 사시도이고, 도 10은 도 9의 가스 이온화 장치의 단면사시도이며, 도 11은 도 9의 가스 이온화 장치의 단면도이다.
도 9 내지 도 11에 의하면 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 이온화 장치(220)는 대략 원통형상의 본체부(221)로 구성되며, 본체부(221)는 배관(L1)을 통해 용해수(미생물 배양액에 수소. 이산화탄소가 혼합되면서 이산화탄소의 일부가 용해된 것)를 공급받는 유입구(222) 및 이온수(용해수 내의 이산화탄소의 적어도 일부가 탄산이온으로 용해된 탄산이온수)를 배출하는 배출구(223)를 포함한다.
도시한 실시예에서 본체부(221)는 원통형의 내부공간을 가지고, 유입구(222)는 용해수가 원통형 본체부(221)의 내부공간에 접선방향으로 유입될 수 있도록 배치된다.
따라서 유입구(222)를 통해 원통형 본체부(221)의 내부공간에 접선방향으로 유입된 용해수는 원통형 본체부(221)의 내부공간에서 선회하면서 이산화탄소를 활발히 용해시켜 이온수로 변화한 후, 가스 이온화 장치(220)의 배출구(223)를 통해 배출된다.
일 실시예에서 배출구(223)는 원통형 본체부(221)의 길이방향의 중심축에 형성되며 배관(L3)과 연결된다.
또한, 도시한 실시예에서는 유입구(222)를 통해 본체부(221) 내에 유입된 용해수를 선회시키면서 배출구(223)측으로 안내하는 선회 유도부(224)가 형성되어 있다.
선회 유도부(224)는 원통형 본체부(221)의 내부공간의 직경보다 작으며, 서로 다른 직경을 갖는 적어도 하나의 원통형상의 안내벽체(224a, 224b)를 포함하고, 또한 각각의 안내벽체(224a, 224b)는 원통형 본체부(221)의 길이방향의 중심축과 동축으로 정렬되어 배치된다.
이러한 구성에 따라, 유입구(222)를 통해 유입된 용해수가 선회운동을 하되 본체부(221)의 내측면과 제1안내벽체(224a)의 외측면 사이의 공간, 제1안내벽체(224a)의 내측면과 제2안내벽체(224b)의 외측면 사이의 공간, 그리고 제2안내벽체(224b)의 내측면 사이의 공간을 순차적으로 흐르면서 이동한 후 배출구(223)를 통해 배관(L3)으로 배출된다.
따라서, 본체부(221) 내부에서 용해수는 안내벽체(224a, 224b) 등의 내부 구조물에 의한 저항을 받지 않으면서도 선회하면서 배출구(223)까지 이송될 수 있으므로 (예컨대 배관(L1)에 설치되어 가스 이온화 장치(220)로 용해수를 주입하는) 펌프(미도시)에 걸리는 압력을 최소화하면서 이산화탄소가 용해수에 고농도로 용해될 수 있도록 한다.
이와 같이 본 발명의 제5실시예에 따른 가스 이온화 장치(220)는 앞의 실시예에서 설명한 미세기포 발생부(210)의 한 형태로서 '회전체'에 해당되며, 가스 이온화 장치(220)로부터 배출되는 이온수로부터 수소를 미세기포화한다.
그리고 이와 같이 이산화탄소가 용해수에 고농도로 용해되면 미세기포 발생부(가스 이온화 장치 : 220) 1기에서 발생시킬 미세기포의 부피가(총량이) 감소되어 미세기포 발생에 유리하다.
한편 본 발명의 제5실시예에 따른 가스 이온화 장치(220)의 본체부(221)는 금속이나 플라스틱 등의 재질로 형성될 수 있으며, 그 외의 다양한 재질로 제작되어질 수 있다. 또한 각 안내벽체(224a, 224b)는 별도로 제작되어 본체부(221) 내부에 장착될 수 있지만, 예컨대 사출성형 등의 방법으로 본체부(221)와 일체로 제작되어질 수도 있다.
이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 본 발명의 다양한 변형 및 모방이 가능함은 자명한 사실이다.
100 : 메탄화 반응기
110 : 교반기 120 : 미생물 배양액
130 : 경사판
200 : 미세기포 발생장치 210 : 미세기포 발생부
220: 가스 이온화 장치
221 : 본체부 222 : 유입구
223 : 배출구 224 : 선회 유도부
224a : 제1안내벽체 224b : 제2안내벽체
300: 순환펌프 L1, L3 : 배관

Claims (11)

  1. 미생물을 이용하여 수소와 이산화탄소를 메탄으로 전환하는 메탄화 반응기에 있어서,
    상기 메탄화 반응기는:
    내부에 복수개의 서로 이격되어 있는 미세기포 발생부(210)를 구비하여 메탄화 반응기(100)의 내부에서 수소와 이산화탄소를 직경 1~50μm의 미세기포 형태로 발생시키고;
    상기 미세기포 발생부(210)로부터 발생되는 미세기포의 발포유량(Q)이 아래의 유량 관계식에서 Q = 1.0u ~1.2u를 만족하도록 하여 미세기포가 덩어리의 다발형태로 흩어지는 것을 방지하며;
    Q = ku
    여기서 u = dVd/dt : 기체의 용해속도
    k : 비례상수
    메탄화 반응기(100)의 내부에 복수개의 경사판(130)을 수직방향으로 서로 평행하게 배치하여, 미생물 배양액(120) 속에서 미세기포가 경사판(130)의 일측 모서리와 메탄화 반응기(100) 내벽 사이의 틈새 공간 및 경사판(130)과 차상층 경사판(130)이 이루는 경사공간을 따라 순차적으로 오르내리면서 부상토록 하고:
    메탄화 반응기(100) 상·하부에서의 미생물 배양액(120)의 수소 포화도 차이를 감안하여 메탄화 반응기(100)의 상부로부터 메탄화 반응기(100)의 하부로 미생물 배양액(120)을 순환시켜 메탄화 반응기(100)의 미생물 배양액(120)에 대한 수소의 용해도를 극대화함으로써 높은 전환율의 메탄가스를 얻을 수 있는, 미세기포 발생장치를 결합한 고효율 메탄화 반응기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 메탄화 반응기(100)가 직렬로 배치된 복수개로 이루어지고, 미세기포 발생부(210)를 내부에 각각 구비하여 메탄화 반응기(100)별로 메탄화 반응이 일어나며, 선단의 메탄화 반응기(100)에서 생성된 바이오가스가 순차적으로 후단의 메탄화 반응기(100)의 미세기포 발생부(210)에 공급되고, 미생물 배양액(120)은 최후단의 메탄화 반응기(100)로부터 최선단의 메탄화 반응기(100)로 순환되는, 미세기포 발생장치를 구비한 고효율 메탄화 반응기.
  11. 삭제
KR1020210060016A 2021-05-10 2021-05-10 미세기포 발생장치를 결합한 고효율 메탄화 반응기 KR102570415B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210060016A KR102570415B1 (ko) 2021-05-10 2021-05-10 미세기포 발생장치를 결합한 고효율 메탄화 반응기

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210060016A KR102570415B1 (ko) 2021-05-10 2021-05-10 미세기포 발생장치를 결합한 고효율 메탄화 반응기

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220152732A KR20220152732A (ko) 2022-11-17
KR102570415B1 true KR102570415B1 (ko) 2023-08-25

Family

ID=84233369

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210060016A KR102570415B1 (ko) 2021-05-10 2021-05-10 미세기포 발생장치를 결합한 고효율 메탄화 반응기

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102570415B1 (ko)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007082438A (ja) * 2005-09-21 2007-04-05 Ebara Corp 微生物による有価物生産方法および有価物生産装置
KR101403057B1 (ko) * 2012-12-27 2014-06-11 한국지역난방공사 고정상 담체를 이용한 배가스 내 이산화탄소 저감용 생물학적 메탄 전환장치
KR102236732B1 (ko) * 2020-09-08 2021-04-05 최봉의 액체에 기체를 용해시키기 위한 장치

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100203895B1 (ko) 1995-12-08 1999-06-15 김영환 반도체 소자의 소자분리막 제조방법
KR101284266B1 (ko) * 2011-07-15 2013-07-08 한국기계연구원 선회유닛 기반의 고용해수를 이용한 미세 기포 발생장치
KR102059924B1 (ko) 2019-06-03 2019-12-27 서울시립대학교 산학협력단 수소메탄화균을 이용한 생물학적 메탄 고질화 방법 및 그 시스템

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007082438A (ja) * 2005-09-21 2007-04-05 Ebara Corp 微生物による有価物生産方法および有価物生産装置
KR101403057B1 (ko) * 2012-12-27 2014-06-11 한국지역난방공사 고정상 담체를 이용한 배가스 내 이산화탄소 저감용 생물학적 메탄 전환장치
KR102236732B1 (ko) * 2020-09-08 2021-04-05 최봉의 액체에 기체를 용해시키기 위한 장치

Also Published As

Publication number Publication date
KR20220152732A (ko) 2022-11-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7379487B2 (en) Two phase reactor
WO2005084718A1 (ja) ナノバブルの製造方法
ES2742041T3 (es) Procedimiento para la biometanización de H2 y CO2
WO2018158319A1 (en) Fermentation reactor and fermentation process
KR102570415B1 (ko) 미세기포 발생장치를 결합한 고효율 메탄화 반응기
CN109179630A (zh) 一种臭氧曝气式电芬顿流化床
CN108069491B (zh) 用于难降解废水的电催化氧化方法及反应装置
CN102963947A (zh) 加压溶解型微泡发生器
JP4798887B2 (ja) 気液対向流式ガスハイドレート製造装置および製造方法
KR101824240B1 (ko) 미세기포 발생용 기체용해장치를 포함한 고밀도 미세기포 발생장치
KR20180133715A (ko) Oh 라디칼 수소수를 이용한 수경농장기
KR101665078B1 (ko) 오존을 이용한 선박의 평형유지수 처리 시스템
CN113060827A (zh) 一种好氧生物处理的反应装置
CN102034998B (zh) 提高微生物燃料电池阴极氧传质效率的方法及相应的电池
ES2914725T3 (es) Sistemas y métodos de fermentación aeróbica
JP2007253046A (ja) 硫化物含有ガスの脱硫設備
JP2013094747A (ja) オゾン液生成器及びオゾン液生成方法
JP5397818B2 (ja) 溶存酸素濃度増加装置
JP2003327981A (ja) ガス精製装置、及び、発電システム
KR101915170B1 (ko) Throat형 폭기증폭관과 원료폐수를 공급받는 챔버를 포함하는 수직형 폭기장치를 이용한 폐수처리장치와 폭기장치
JP2017131822A (ja) 水素水生成装置及び水素水生成方法
KR20040092843A (ko) 기체의 용해 및 혼합을 이용한 오폐수 처리장치
CN113302274A (zh) 改进的环流发酵器
JP6335750B2 (ja) オゾン処理装置、汚泥処理装置、オゾン処理方法及び汚泥処理方法
KR101324134B1 (ko) 수처리장의 폭기 처리장치

Legal Events

Date Code Title Description
E90F Notification of reason for final refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant