KR20080007236A - 탄소질 물질로부터 합성연료를 제조하는 방법 및바이오리액터 - Google Patents

Abstract

적층 입상 바이오리액터를 이용하여 생분해성 탄소질 물질로부터 연료를 제조하는 방법이 제공된다. 적층 입상 바이오리액터는 생분해성 탄소질 물질을 포함하는 입자들로부터 형성된다. 적층 입상 바이오리액터 중의 생분해성 탄소질 물질은 호기적 및/또는 혐기적으로 하나 이상의 합성연료로 생물학적 전환되고, 합성연료는 리액터로부터 수집된다. 본 방법에 의해 제조되는 합성연료는 합성 석유, 알코올, 및/또는 메탄을 함유하는 가스 연료를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 본 방법은 호기적 생물학적 처리상 및 이어지는 혐기적 생물학적 처리상을 포함한다. 혐기적 분해, 바람직하게는 호기적 분해를 수행하기 위한 적층 입상 바이오리액터 또한 설명된다.

바이오리액터, 적층체, 입상 바이오리액터, 생분해성 탄소질 물질, 합성연료

Description

탄소질 물질로부터 합성연료를 제조하는 방법 및 바이오리액터 {METHOD AND BIOREACTOR FOR PRODUCING SYNFUEL FROM CARBONACEOUS MATERIAL}

본 특허 문헌은 탄소질 물질을 합성 연료, 예를 들어 합성 오일, 알코올, 및/또는 가스 연료로 생분해(biodegradation)하기 위한 방법 및 바이오리액터에 관한 것이다.

잠재적인 연료원으로서의 메탄의 가치는 오랫동안 인식되고 탐구되어 왔다. 하지만, 현재 천연가스의 가격이 BTU에 있어서 석유와 거의 같기 때문에, 천연가스는 흔히 석유 오일 분야 생산의 부산물인 저비용 연료원에서 추출할 가치가 있는 연료원으로 발전하였다. 천연가스의 가치는 다수의 요인들, 예를 들어 전세계적으로 감소하고 있는 석유 자원 공급 및 석탄 연소 발전소에 대해 점점 더 엄격해지는 환경 규제로 인해 점점 높아지고 있다. 예를 들어, 석탄으로부터 전기를 생성하는 것은 천연가스로부터 만드는 것보다 이산화탄소를 2배 방출시킨다. 석탄을 태우는 것은 또한, 세계적인 수은 오염의 20%를 넘는 양의 원인이 되는 것으로 추정되는 수은 증기를 생성시킨다. 뿐만 아니라, 석탄 연소는 비소 화합물 및 이산화황을 방출시킬 수 있다. 결과적으로, 이제는 고비용의 오염 제어 시스템이 모든 새로운 석탄 연소 발전소 및 대부분의 기존의 발전소들에 요구되고 있다.

보다 청정한 연소용 연료에 대한 증가하는 수요 뿐 아니라, 특히 알려진 석유 자원이 고갈됨에 따라 석유에 대한 세계적인 수요는 계속해서 그 가격을 보다 높게 할 것이기 때문에, 메탄을 함유하는 가스, 예를 들어 천연가스 및 합성 천연가스에 대한 수요는 앞으로 계속 증가할 것이다. 메탄에 대한 수요는 또한, 수소 연료 전지가 상용화됨에 따라 증가할 것이다. 이는 수소를 생산하는 최소 비용의 공정이 촉매의 존재 하에서 메탄과 물을 수소 및 이산화탄소로 화학 전환하는 것을 수반하기 때문이다.

천연가스에 대한 수요를 충족시키기 위해, 미국은 현재 하루에 약 2십억 제곱피트의 액체 천연가스(LNG)를 수입하고 있다. LNG 수입은 적어도 2가지의 심각한 문제점을 갖는다. 첫째, LNG 수입에 드는 비용이 비싸다. 둘째, 현재의 세계 환경에 있어서 주요 항구에 위치한 큰 LNG 터미널들은 테러리스트 공격의 대상이 될 수 있기 때문에, LNG 터미널을 위치시키는 것은 위험하다. 테러리즘이 없더라도, 그러한 터미널은 심각한 폭발의 위험을 갖는다.

일반적으로 메탄 가스 및 보다 청정한 연소용 연료에 대한 세계적으로 증가하는 수요 때문에, 메탄을 함유하는 가스 연료에 대한 대체 공급원이 필요하다. 결과적으로, 메탄을 함유하는 가스 연료 및/또는 액체 합성연료, 예를 들어 합성 석유를 생산하기 위한 경제적인 기법은 상당한 시장 가치를 가질 것이다.

가열용 연료로서 사용하기 위한, 석탄 또는 코크로부터 유도된 인공 가스가 미국에서 19세기 후반 및 20세기 초반의 몇 십년 동안에 널리 사용되었다. 우수한 이용가능성과 동시에 미국 뿐 아니라 세계의 몇몇 다른 지역에서의 명백하게 무진 장한 천연가스 공급 때문에, 제조가스는 빠르게 사라졌다. 반면에, 천연가스의 사용은 미국에서 1940년과 1970년 사이에 730% 증가하였다. 이 기간 동안, 미국 가스 산업은 313조 제곱피트의 천연가스를 생산하였다. 하지만, 천연가스의 공급이 지역적으로 낮은 세계의 다른 지역에서는 제조가스가 계속 이용되고 있다.

역사적으로, 석탄의 가스화는 열분해, 탄화, 또는 건류를 통해 석탄을 가열하여 그의 분해 및 가스화를 야기하는 것을 수반하였다. 가스화 공정으로부터 얻어진 가스는 전형적으로, 다양한 농도의 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄 및 수소를 함유하고, 각 구성성분의 농도는 사용된 특정 가스화 기법에 따라 달라진다. 따라서, 가스화가 이러한 열 기반 가스화 기법에서 핵심 단계이지만, 이 단계가 석탄으로부터 제조 또는 합성 천연가스(SNG)를 형성하는 전체 공정 중 유일한 단계라는 것이 인식되어야 한다. 가스화 단계 뿐 아니라, 그러한 공정은 전형적으로 가스 컨디셔닝, 가스 정제, 메탄화 및 부산물 처리 공정을 포함한다. 나아가, 가스 중의 다량의 불순물 및 불순물의 다양성으로 인해, 석탄 가스화 단계로부터 생성 가스를 메탄 합성에 요구되는 정도의 순도로 정제하는 것이 곤란하다.

공지된 열 가스화 기법을 사용한 석탄 가스화의 다른 문제점은 가스화 공정이 매우 흡열성 공정이며, 공정의 열 요건은 열 부가로 해결되어야 한다는 것이다. 이는, 예를 들어 외부 연료 공급원으로부터 공급된 간접 열 또는 산소로 석탄을 부분적으로 연소시킴으로써 공급되는 직접 열을 통해 수행될 수 있다. 하지만, 모든 경우에 있어서, 가스화 이전에 석탄에 함유된 전체 에너지가(energy value)의 상당 부분은 석탄을 가스화하는데 소모된다. 마지막으로, 열 기반 가스화 공정은, 모두 탄소질 물질의 매우 재생가능한 공급원인 동물 또는 식물 폐기물에 전혀 사용될 수 없는 것으로 보인다.

유기 물질을 메탄으로 생물학적으로 전환하는 것 또한 수년 동안 연구되어 왔다. 유기 물질을 메탄 및 이산화탄소로 분해하는 것(즉, 메탄생성 분해)은 제한된 산소 또는 다른 전자 수용체 환경에서 일어난다. 이러한 과정은 늪, 논, 이탄 늪, 및 반추동물의 소장관에서 널리 일어나고 있으며, 지구 탄소 순환에 있어서 주된 역할을 담당한다. 실제로, 생물학적 메탄생성에 의한 전체 메탄 생산량은 1년에 5억 톤으로 추정되며, 이는 메탄을 두 번째로 가장 풍부한 온실가스로 만든다.

메탄생성 분해는 호기성 분해보다 느리고, 덜 발열성이다. 하지만, 호기성 분해는 메탄을 생성하지 않는다. 보다 중요하게는, 메탄생성 전환은 동일한 유기 탄소 화합물을 이산화탄소 및 물로 완전히 호기성 전환함으로써 방출되는 에너지의 약 15%만을 방출한다. 이는 나머지 85%의 에너지가 후속 산화를 위해 얻어지는 메탄에 보관되기 때문이다.

메탄생성 미생물은 혐기성 또는 무산소 환경에서 메탄을 생성하는 일군의 원시세균(Archaea)이다. 이들은 편성(obligate) 혐기성 미생물이고, 그에 따라 자신의 환경에서 어떠한 분자성 또는 이온성 산소도 견디지 못한다. 이들은 다른 유기체, 예를 들어 박테리아, 원생생물, 곤충 및 소와 같은 초식동물과 상호의존적인 관계를 형성한다. 이들은 그러한 유기체들에 의해 생산되는 단순 유기 화합물(예를 들어, 포르메이트, 아세테이트, 메틸-아민 및 몇몇 알코올) 및 이산화탄소를 에너지원으로 사용하여 메탄을 생성한다.

메탄생성 미생물이 에너지를 위해 필요한 단순 유기 기질들을 생성하는데 발효성 유기체에 의존하기는 하지만, 발효 미생물 또한 자신의 에너지 대사를 개선시키기 위해 생성하는 단순 유기 화합물 및 수소를 제거하는데 메탄생성 미생물에 의지한다. 이러한 상호의존성을 공동영양 협동(syntrophic cooperation)이라고 부른다. 이러한 협동 관계에서, 발효성 미생물 종은 장쇄 유기 탄소 분자를 메탄생성 미생물에게 공급할 수 있는 H₂ 및 C-1 및 C-2 화합물로 발효시킨다. 이러한 발효 공정은 생산된 H₂ 및 C-1 및 C-2 화합물에 의해 억제된다. 하지만, 메탄생성 미생물은 수소 및 C-1 및 C-2 화합물을 메탄으로 전환함에 따라 이들을 제거함으로써 이러한 발효 종들을 돕는다. 결과적으로, 공동영양 협동하는 혐기성 미생물은 본래 유기 물질에 함유된 에너지가를 아주 거의 손실하지 않으면서 복잡한 유기 물질을 메탄 및 이산화탄소로 전환하는 데에 협력한다. 분자생물학에 있어서의 최근의 진전은 이러한 복잡하지만 널리 퍼져 있는 자연적인 과정을 보다 잘 이해할 수 있게 하였다.

메탄생성 분해에 대한 보다 깊은 검토 및 일부 메탄생성 미생물들의 리스트는 문헌 [B. Schink, Energetics of Syntrophic Cooperation in Methanogenic Degredation, Microbiology and Molecular Biology Reviews, 61 :262-280 (June 1997)]에 제공되어 있으며, 상기 분헌은 참고문헌으로서 본원에 포함되어 있다.

메탄생성 분해의 생물학이 이해되기 오래 전에, 사람들은 메탄의 연료가를 위해 메탄을 생산하기 위해 메탄생성 분해를 탐구하려고 하였다. 예를 들어, 1935 년에 부쉬웰(Bushwell)에 허여된 미국 특허 No. 1,990,523은 하수의 혐기성 박테리아 전환을 이용한 메탄 생성 방법을 설명하고 있다.

또한, 저급 화석 연료를 메탄으로 전환하는 계내(in situ) 미생물 공정을 개발하기 위한 많은 노력들이 기울여 졌다. 예를 들어, 1974년에 콤페어(Compere)-휘트니(Whitney)에 허여된 미국 특허 No. 3,826,308 및 1995년에 폴크바인(Volkwein)에 허여된 미국 특허 No. 5,424,195는 지하 광산에 남아있던 매우 저급의 석탄을 처리하는데 초점을 두었다. 2003년에 콘버스(Converse) 등에 허여된 미국 특허 No. 6,5453,535에는, 탄화수소 함유 암층에서 탄화수소를 메탄으로 계내에서 생물학적으로 전환하는 방법이 설명되어 있다. 콘버스 등의 특허에 설명된 방법은 탄화수소 함유 암층 내에서 발견되는 본래 미생물의 성장을 촉진시키도록 그 암층의 환경을 변화시키는 것을 포함한다.

문헌에 설명된 지하 미생물 탄화수소 전환 과정들 중 일부는 또한, 미생물 처리되는 석탄 또는 오일 셰일 퇴적층의 표면적을 증가시키기 위한 노력으로 폭탄을 사용하였다. 폭탄은 소위 "러블 침니(rubble chimney)"를 형성한다. 러블 침니 형성이 메탄으로의 전환율을 증가시키지만, 전체적인 전환율은 여전히 비교적 낮다.

생물학적 공정 또한 오일 자원으로부터 석유를 회수하는 것을 보조하기 위해 사용되었다. 예를 들어, 1946년에 조벨(Zobell)에 허여된 미국 특허 No. 2,413,278, 1957년에 업디그라프(Updegraff)에 허여된 미국 특허 No. 2,807,570 및 1959년에 히츠만(Hitzman)에 허여된 미국 특허 No. 2,907,389는 40 내지 50%의 함 유 오일을 펌핑 및 물 플러딩(flooding)에 의해 제거한 후 오일 저류층으로부터 석유를 추가로 회수하는데 박테리아를 사용하는 방법을 교시하고 있다. 지하 저류층으로부터 추가의 오일을 회수하기 위해 박테리아를 사용하는 방법은 미생물 개량 오일 회수(Microbial Enhanced Oil Recoverly)(MEOR)라고 불린다.

계내 미생물 가스화 및 MEOR 방법의 주된 한계점들 중 하나는 그러한 방법에 사용되는 박테리아가 오일을 뽑아내거나 점도를 감소시키거나 오일을 메탄으로 전환하는 일반적인 능력이 아니라, 깊은 지하 저류층 또는 암층 중 미생물 성장을 위한 적합한 환경을 제공함에 있어 나타나는 문제점이다. 그러한 환경 내에서는, 개별적으로 또는 총체적으로 미생물 전환 또는 분해 과정을 다양한 정도로 억제하거나, 심지어 방해하는 다양한 환경 요인들이 나타날 수 있다. 그러한 환경 장애에는, 예를 들어 높은 온도, 높은 염 또는 다른 살생제 농도, 및 오일이 보유된 본래 암석의 제한된 다공성(이는 오일에 대한 미생물의 접근가능성을 제한할 것임)이 포함될 수 있다. 암층 환경을 어느 정도 변형시키는 것이 가능할 수 있지만, 미생물 활성에 대해 충분히 실제적인 효과를 갖도록 암층의 환경을 변화시키는 것은 대체로 가능하지 않거나 실용적이지 않을 것이다.

그러므로, 다량의 저급 화석 연료 뿐 아니라 기타 유기 탄소질 물질들을 하나 이상의 합성연료, 예를 들어 메탄 및/또는 오일로 전환할 수 있는 계외(ex situ) 공정에 대한 필요가 존재한다. 저급 화석 연료의 생분해는 이론적으로 교반 탱크 바이오리액터 중에서 수행될 수 있지만, 그러한 탄소질 물질을 오일 및/또는 가스 연료로 전환하는데 필요할 체류 시간이 비교적 길고, 비교적 소량의 연소 가(fuel value)를 수득하기 위해 가공될 필요가 있을 물질의 양이 많기 때문에, 교반 탱크 공정을 상업적 규모로 확대하는 비용이 단순히 너무 높아서 교반 탱크 바이오리액터를 실제적인 선택사항으로 만들지 못한다. 반면에, 매우 크고 저비용이지만 비교적 효율적인 더미 바이오리액터(heap bioreactor)는 세계의 오일 셰일 및 오일 샌드 자원층에서 수조(兆) 배럴의 오일을 경제적으로 추출할 수 있다. 그러한 바이오리액터는 또한 기타 유기 탄소질 물질, 예를 들어 식물 및 동물 폐기물과 같은 재생가능한 자원 뿐 아니라 석탄과 같은 기타 비재생가능한 자원의 바이오가스화(biogasification)에 사용될 수 있다. 그러한 바이오리액터에서 생산된 합성연료(예를 들어, 메탄, 알코올, 및/또는 합성 석유 오일)는 남은 세기 동안 에너지가 부족한 세계에 연료를 공급하는 것을 도울 수 있다.

상기에 따라, 본 발명의 한 가지 목적은 유기 탄소질 물질을 합성연료로 전환하는데 사용할 수 있는 새로운 바이오리액터 설계를 제공하는 것이다. 별도의 다른 목적은 유기 탄소질 물질을 합성연료로 전환하는 새로운 방법을 제공하는 것이다.

<발명의 요약>

본 특허 문헌은 유기 탄소질 물질을 합성연료로 생물학적으로 전환하기 위한 방법 및 바이오리액터에 관한 것이다. 얻어진 합성연료는 예를 들어, 합성 석유, 알코올 및/또는 메탄을 함유하는 가스 연료일 수 있다.

한 가지 실시태양에 따르면, 적층 입상 바이오리액터가 생분해성 탄소질 물질을 포함하는 입자들로부터 형성된다. 적층 입상 바이오리액터는 그 후, 생물학 적 처리되어 바이오리액터 내의 탄소질 물질을 합성연료로 전환하고, 그 합성연료는 그 후 바이오리액터로부터 수집된다. 합성연료는 바람직하게는, 합성 석유, 알코올 및/또는 가스 연료이다.

바이오리액터를 형성하는데 사용되는 입자의 크기 및 크기 분포는 바람직하게는, 많은 비율의 탄소질 물질이 생물학적 처리를 수행하는데 사용되는 미생물에 노출되도록 선택된다. 리액터의 공극 부피는 바람직하게는, 약 15% 이상, 보다 바람직하게는 약 20% 이상이다. 리액터의 바람직한 공극 부피 범위는 약 15%와 35% 사이, 보다 바람직하게는 약 20%와 35% 사이이다. 바람직하게는, 공극 부피는 리액터에 걸쳐서 실질적으로 균일하다.

바이오리액터 중에서 처리되는 생분해성 탄소질 물질에는 예를 들어, 오일 샌드, 탄소질 암석, 아스팔트, 아스팔트 오일, 폐유, 역청, 타르, 피치, 케로겐, 고무 및 농업 폐기물이 포함될 수 있다.

하나 이상의 배양액이 적층 입상 바이오리액터를 생물학적 처리하는데 사용될 수 있으며, 각각의 배양액은 단일 유형의 미생물 또는 일군의 상이한 미생물들을 포함한다. 전형적으로는, 배양액은 일군의 상이한 미생물들을 포함할 것이다. 나아가, 리액터 중에서 탄소질 물질을 생물학적 처리하는데 사용되는 미생물은 호기성, 조건적 혐기성, 또는 혐기성 미생물일 수 있다. 특히 바람직한 실시태양에서, 생물학적 처리는 호기적 미생물 분해 공정으로서 시작하고, 그 후 혐기적 미생물 분해 공정으로 전환된다. 하지만, 다른 구현예에서는, 호기성 생물학적 처리만을 수행하거나 혐기성 생물학적 처리만을 수행하는 것이 바람직할 수 있다.

바이오리액터 내의 탄소질 물질이 혐기적으로 생물학적 처리될 것이라면, 바이오리액터는 새로운 미생물 배양액이 바이오리액터 내로 혐기적으로 도입되고 바이오리액터에 걸쳐서 효율적으로 분산될 수 있도록 설계되어야 한다.

생분해를 수행하는데 사용되는 각각의 미생물은 전형적으로, 생물학적 처리 동안 다음의 생화학 공정들 중 하나를 수행할 것이다: 1) 탄소질 물질로부터 본래의 석유를 방출하는 표면 장력 감소 화합물 또는 용매를 생성, 2) 탄소질 물질을 보다 작은 유기 화합물, 예를 들어 합성 석유, 알코올 및/또는 단순 유기 화합물로 발효, 또는 3) 발효 공정으로부터 얻어진 단순 유기 화합물을 메탄을 포함하는 바이오가스로 전환. 따라서, 합성 석유, 알코올, 가스 연료 또는 이들 모두를 적층 입상 바이오리액터로부터 수집할 것인지는 공급물, 생물학적 처리를 수행하는데 사용되는 미생물의 유형 및 바이오리액터 내에서 탄소질 물질의 분해가 수행되는 정도에 따라 달라질 것이다.

예를 들어, 유기 탄소 화합물의 호기성 분해의 주된 최종 생성물은 이산화탄소 및 물이지만, 최종 호기성 분해 생성물에 도달함에 있어서는, 호기성 미생물 및 조건적 혐기성 미생물이 상기에 표시된 제1 및 제2 생화학 공정을 수행한다. 따라서, 호기성 분해 반응을 완료 전에 중지시킴으로써, 합성 석유 또는 알코올이 매우 다양한 탄소질 물질들로부터 생성될 수 있다. 나아가, 필요하다면, 호기성 발효 상 동안에 생성되는 유기 화합물들 전부 또는 일부는 후속 혐기적 생물학적 처리 동안에 추가로 분해되고 메탄으로 전환될 수 있다. 이처럼, 바이오리액터 내의 호기성 발효 생성물은 본 특허 문헌의 목적에 있어서, 바이오리액터 중의 생분해성 탄소질 물질의 일부로 간주된다.

유기 탄소 화합물의 혐기적 분해의 주된 최종 생성물은 메탄 및 이산화탄소이다. 하지만, 이러한 최종 분해 생성물에 도달함에 있어서, 발효성 혐기성 미생물 및 조건적 혐기성 미생물은 상기 표시된 제1 및 제2 생화학 공정을 수행할 것이지만, 메탄생성 미생물은 제3 공정을 수행할 것이다. 따라서, 고분자량의 탄소 화합물들, 특히 고분자량의 탄화수소들이 혐기적으로 분해됨에 따라, 바이오리액터로부터 합성 석유 생성물 및 알코올을 수집하는 것이 가능하다. 하지만, 혐기적 분해가 바이오리액터 중 유기 탄소질 물질의 적어도 일부에 대해 완료되도록 허용된다면, 메탄을 포함하는 바이오가스가 생성될 것이다.

적층 입상 바이오리액터는 형성된 후, 수개월 또는 수년의 기간 동안 합성연료를 계속해서 생산할 것이다. 바이오리액터에서 생성된 액체 및/또는 가스 합성연료는, 구축되는 동안 바이오리액터 내로 혼입된 파이프 망상구조에 의해 수집되고 바이오리액터로부터 제거될 수 있다.

다른 실시태양에 따르면, 적층 입상 바이오리액터를 이용하여 탄소질 물질로부터 가스 연료를 제조하는 방법이 제공된다. 본 방법은 a) 생분해성 탄소질 물질을 포함하는 입자들로부터 적층 입상 바이오리액터를 형성하는 단계; b) 바이오리액터 내에 혐기성 미생물을 유지시키는 환경을 형성하는 단계; c) 적층 입상 바이오리액터 중의 생분해성 탄소질 물질을 가스 연료로 혐기적으로 생물학적 전환하는 단계; 및 d) 바이오리액터로부터 가스 연료를 수집하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 본 방법에서 제조되고 수집된 가스 연료는 메탄을 포함한다.

본 실시태양의 특히 바람직한 구현예에서, 적층 입상 바이오리액터는 바이오리액터 내에서 혐기성 환경을 형성하기 전에 호기적으로 생물학적 처리된다. 이렇게 수행되어 바이오리액터 내의 탄소질 물질을 호기적으로 발효시키고/거나 탄소질 물질로부터 본래의 오일을 방출시킨다. 바람직하게는, 본 방법은 또한 적층 입상 바이오리액터로부터 오일을 수집하는 단계를 포함한다.

바이오리액터 내의 혐기성 환경은, 예를 들어 적층 입상 바이오리액터를 기체 불투과성 배리어, 예를 들어 점토 또는 플라스틱 배리어 층으로 덮음으로써 형성될 수 있다. 공기 또는 산소를 덮은 바이오리액터 내로 도입시키지 않는다. 그러한 배리어를 갖는 리액터는 시간에 걸쳐서 자연스럽게 혐기적으로 변할 것이지만, 바이오리액터는 또한, 그 환경을 혐기성 미생물을 유지시키는 환경으로 빠르게 전환시키기 위해서 아르곤, 질소, 이산화탄소, 암모니아 또는 수소 기체로 퍼징될 수 있다. 산소를 리액터로부터 퍼징하는 것 뿐 아니라, 이러한 기체들은 바이오리액터 내의 미생물에 필요한 영양분 또는 메탄 생성에 필요한 전구체(예를 들어, 이산화탄소 및 수소)를 제공할 수 있다.

생분해성 탄소질 물질이 약 0.3 cm 미만의 입자들을 포함한다면, 적층 입상 바이오리액터를 형성하기 전에 입자들을 응집시키는 것이 바람직할 수 있다. 바람직하게는, 얻어진 응집체는 약 0.3 cm 내지 약 2.54 cm 범위의 입자 크기를 갖는다. 다르게는, 생분해성 탄소질 물질의 입자들은 약 0.3 cm 이상, 바람직하게는 약 5 cm 이하, 보다 바람직하게는 약 2.54 cm 이하의 입자 크기를 갖는 다수의 기재들의 표면 상에 코팅될 수 있다. 코팅 기법은 기재들이 그 위에 코팅될 생분해 성 탄소질 물질의 입자들보다 상당히 큰 경우에 특히 유리하다. 기재 상에 적당하게 코팅할 탄소질 물질의 입자들에 대해서, 이들은 전형적으로는 약 250 ㎛ 이하의 입자 크기를 가질 것이다.

또다른 실시태양에 따르면, 입자들은 2 이상의 크기 분획들로 스크리닝되고, 그 후 약 15% 이상의 공극 부피를 갖는 다수의 적층 입상 바이오리액터들이 형성되고, 각각의 바이오리액터는 분리된 크기 분획들 중 하나로부터의 입자들로부터 형성된다. 바람직하게는, 크기 분획들 중 하나가 상당한 미세입자 분획을 포함하거나, 직경이 약 0.3 cm 미만인 상당한 개수의 입자들을 포함한다면, 그러한 크기 분획은 바람직하게는 그러한 크기 분획을 갖는 바이오리액터를 형성하기 전에 입자 크기가 0.3 cm 내지 2.54 cm 범위인 미립자들을 형성하도록 응집된다.

또다른 실시태양에 따르면, 적층 입상 바이오리액터를 시용하여 생분해성 탄소질 물질을 합성연료로 전환하는 방법이 제공된다. 본 방법에 따르면, 적층 입상 바이오리액터는 생분해성 탄소질 물질을 포함하는 입자들로부터 형성된다. 바이오리액터에는 탄소질 물질을 발효시킬 수 있는 하나 이상의 호기성 및/또는 조건적 혐기성 미생물을 포함하는 배양액이 접종된다. 적층체 중의 탄소질 물질은 호기적으로 발효되고, 합성 석유 및/또는 가스 연료가 적층체로부터 수집된다. 적층체 내의 환경은 호기성 환경으로부터 혐기성 환경으로 전환되고, 적층체에는 하나 이상의 혐기성 미생물을 포함하는 배양액이 접종된다. 그리고 나서, 호기적으로 생물학적 처리된 적층체가 혐기적으로 생물학적 처리되어 합성 석유 및/또는 가스 연료를 생성한다. 마지막으로, 합성 석유 및/또는 가스 연료가 혐기적으로 생물학적 처리된 더미로부터 수집된다.

또다른 실시태양에 따르면, 적층 입상 바이오리액터를 사용하여 유기 탄소질 물질을 합성연료로 생물학적으로 전환하는 방법이 제공된다. 본 실시태양에 따른 방법은 a) 입자 크기가 약 0.3 cm 이상인 다수의 기재들의 표면을 유기 탄소질 물질로 코팅함으로써, 다수의 코팅된 기재들을 형성하는 단계; b) 코팅된 기재를 가지고, 공극 부피가 약 15% 이상인 적층 입상 바이오리액터를 형성하는 단계; c) 적층 입상 바이오리액터 내에 혐기성 환경을 형성하는 단계; d) 적층 입상 바이오리액터 내에서 원하는 양의 유기 탄소질 물질이 가스 연료로 전환될 때까지 적층 입상 바이오리액터를 혐기적으로 생물학적 처리하는 단계; 및 e) 적층 입상 바이오리액터로부터 가스 연료를 수집하는 단계를 포함한다.

바람직하게는, 본 방법에서 생성되고 수집된 가스 연료는 메탄을 포함한다. 나아가, 본 실시태양의 바람직한 구현예에서는, 합성 석유는 또한 적층 입상 바이오리액터로부터 수집된다.

다수의 기재들은 예를 들어, 오일 셰일, 석탄, 암석, 아스팔트, 고무 및 식물 폐기물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다. 뿐만 아니라, 본 방법에서 기재로서 사용될 수 있는 식물 폐기물의 유형에는, 예를 들어 수피, 옥수수 속대, 견과류 껍질, 목재 부산물, 및 작물 부산물로 이루어진 군으로부터 선택되는 식물 폐기물이 포함된다.

기재 상에 코팅된 유기 탄소질 물질은, 예를 들어 오일 샌드, 오일 셰일, 아스팔트 오일, 폐유, 역청, 타르, 피치, 케로겐, 석탄 및 농업 폐기물로 이루어진 군으로부터 선택되는 유기 탄소질 물질을 포함할 수 있다. 나아가, 기재 상에 코팅될 수 있는 농업 폐기물의 유형에는, 예를 들어 두엄, 과일 폐기물, 짚, 발효 폐기물, 및 미세분말 식물 폐기물이 포함된다. 포도 껍질은 생물학적 처리를 위한 조질 기재 상에 코팅될 수 있는 과일 폐기물의 특히 바람직한 형태이다. 뿐만 아니라, 볏짚은 생물학적 처리를 위한 기재 상에 코팅될 수 있는 짚의 특히 바람직한 형태이다.

특히, 볏짚 1 파운드의 에너지 함량은 약 6,500 Btu이며, 이는 몇몇 아탄(lignite coal)의 에너지 함량과 유사하다. 새크라멘토 계곡에서만, 약 1,500,000 톤의 볏짚이 해마다 생산된다. 따라서, 새크라멘토 계곡으로부터의 매년 볏짚 작물에 보관된 에너지 함량은 약 1.95 x 1012 BTU이며, 이로 인해 볏짚은 합성연료를 제조하기 위한 잠재적으로 가치있는 재생가능한 자원이 된다.

본원에서 사용되는 용어 "석탄"에는 모든 유형의 석탄, 예를 들어 변성 등급이 감소하는 순서로, 무연탄, 반무연탄, 반역청탄, 역청탄, 아역청탄, 아탄, 토탄(peat coal), 이탄(peat) 및 촉탄이 포함된다. 석탄이 기재 상에 코팅되는 유기 탄소질 물질로서 사용된다면, 석탄은 바람직하게는 역청탄 이하의 변성 등급, 보다 바람직하게는 이탄 이하의 변성 등급을 갖는다. 뿐만 아니라, 기재 상에 코팅되는 유기 탄소질 물질이 석탄 또는 오일 셰일을 포함한다면, 코팅은 바람직하게는 이러한 물질들의 농축물이다.

본 실시태양의 특히 바람직한 구현예에서, 본 방법은 기체 불투과성 배리어로 적층 입상 바이오리액터를 덮는 단계를 추가로 포함한다. 기체 불투과성 배리 어는 예를 들어, 점토 배리어 층 또는 플라스틱 배리어 층을 포함할 수 있다.

적층 입상 바이오리액터에는 또한 바람직하게는, 하나 이상의 호기성 및/또는 조건적 혐기성 미생물을 포함하는 배양액이 접종된다. 그리고 나서, 바이오리액터 내의 유기 탄소질 물질은 바이오리액터 내에서 혐기성 환경이 형성되기 전에 호기적으로 발효된다. 바람직하게는, 바이오리액터는 호기성 발효의 적어도 일부 동안 통기된다.

호기성 발효를 통해 바이오리액터 내의 산소 농도를 감소시킴으로써 바이오리액터 내에서 혐기성 환경이 형성될 수 있다. 다르게는, 또는 이에 더하여, 적층 입상 바이오리액터는 아르곤, 질소, 이산화탄소, 암모니아 또는 수소 기체로 퍼징될 수 있다.

추가의 실시태양에 따르면, 유기 탄소질 물질을 합성연료로 생물학적으로 전환하는 방법이 제공되며, 이 방법은 a) 유기 탄소질 물질을 응집 보조제와 함께 포함하는 입자들을 입자 크기가 약 0.3 cm 이상인 다수의 응집체들로 응집시키는 단계; b) 응집체들을 가지고, 공극 부피가 약 15% 이상인 적층 입상 바이오리액터를 형성하는 단계; c) 적층 입상 바이오리액터 내에 혐기성 환경을 형성하는 단계; d) 적층 입상 바이오리액터 내에서 원하는 양의 유기 탄소질 물질이 가스 연료로 전환될 때까지 적층 입상 바이오리액터를 혐기적으로 생물학적 처리하는 단계; 및 e) 적층 입상 바이오리액터로부터 가스 연료를 수집하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 가스 연료는 다른 실시태양에서와 같이 메탄을 포함한다. 뿐만 아니라, 바람직하게는 합성 석유가 바이오리액터로부터 방류됨에 따라 적층 입상 바이오리액 터로부터 수집된다.

응집체를 형성하는데 사용되는 입자는 매우 다양한 유기 탄소질 물질, 예를 들어 오일 샌드, 탄소질 암석, 아스팔트, 고무 및 농업 폐기물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 유기 탄소질 물질을 포함할 수 있다. 적합한 농업 폐기물에는 예를 들어, 수피, 옥수수 속대, 견과류 껍질, 목재 부산물, 및 작물 부산물이 포함된다. 적합한 탄소질 암석에는 석탄 및 오일 셰일 중 임의의 것이 포함된다. 응집체를 형성하는데 사용되는 석탄 입자는 바람직하게는, 역청탄 이하의 변성 등급, 보다 바람직하게는 이탄 이하의 변성 등급을 갖는다.

본 방법은 또한 바람직하게는, 적층 입상 바이오리액터를 기체 불투과성 배리어로 덮는 단계를 포함한다. 기체 불투과성 배리어는 예를 들어, 점토 배리어 층 또는 플라스틱 배리어를 포함할 수 있다.

적층 입상 바이오리액터에는 또한 바람직하게는, 하나 이상의 호기성 및/또는 조건적 혐기성 미생물을 포함하는 배양액이 접종된다. 그리고 나서, 바이오리액터 내의 유기 탄소질 물질은 바이오리액터 내에서 혐기성 환경이 형성되기 전에 호기적으로 발효된다. 바람직하게는, 바이오리액터는 호기성 발효의 적어도 일부 동안 통기된다.

호기성 발효를 통해 바이오리액터 내에서 산소 농도를 감소시킴으로써, 바이오리액터 내에서 혐기성 환경이 형성될 수 있다. 다르게는, 또는 이에 더하여, 적층 입상 바이오리액터는 아르곤, 질소, 이산화탄소, 암모니아 또는 수소 기체로 퍼징될 수 있다.

다수의 응집체들은 또한, 액체 또는 반액체 탄소질 물질, 예를 들어 아스팔트 오일, 폐유, 역청, 타르, 피치, 및 케로겐으로 코팅되어 바이오리액터 내의 탄소질 물질의 농도를 증가시키고, 바이오리액터 내에서 생분해하는 미생물에 있어서 쉽게 생분해되는 유기 화합물 공급원을 제공할 수 있다.

추가의 실시태양에 따르면, 유기 탄소질 물질을 합성연료로 전환하는 방법이 제공되며, 이 방법은 a) 입자 크기가 약 5.0 cm 미만인 고체 탄소질 유기 물질의 입자를 제공하는 단계; b) 2 이상의 크기 분획들로 입자들을 스크리닝하는 단계; c) 공극 부피가 약 15% 이상이고, 각각 분리된 크기 분획들 중 하나로부터의 입자들로 형성된 다수의 적층 입상 바이오리액터를 형성하는 단계; d) 각각의 적층 입상 바이오리액터 내에서 혐기성 환경을 형성하는 단계; e) 적층 입상 바이오리액터 내에서 원하는 양의 유기 탄소질 물질이 가스 연료로 전환될 때까지 각각의 적층 입상 바이오리액터를 혐기적으로 생물학적 처리하는 단계; 및 f) 각각의 적층 입상 바이오리액터로부터 가스 연료를 수집하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 가스 연료는 다른 실시태양에서와 같이 메탄을 포함한다. 뿐만 아니라, 바람직하게는 합성 석유가 적층 입상 바이오리액터로부터 수집된다.

고체 유기 탄소질 물질의 입자들은 매우 다양한 범위의 고체 유기 탄소질 물질, 예를 들어 오일 샌드, 탄소질 암석, 아스팔트, 고무 및 농업 폐기물을 포함할 수 있다. 본 방법에 사용하기에 적합한 농업 폐기물에는 예를 들어, 수피, 옥수수 속대, 견과류 껍질, 목재 부산물 및 작물 부산물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 식물 폐기물이 포함된다. 본 발명에 사용하기에 적합한 탄소질 암석에 는 석탄 및 오일 셰일 중 임의의 것이 포함된다.

바람직하게는, 본 발명은 각각의 적층 입상 바이오리액터를 기체 불투과성 배리어로 덮는 단계를 추가로 포함한다. 적층 입상 바이오리액터에는 또한 바람직하게는, 하나 이상의 호기성 및/또는 조건적 혐기성 미생물을 포함하는 배양액이 접종된다. 그리고 나서, 바이오리액터 내의 유기 탄소질 물질은 바이오리액터 내에서 혐기성 환경이 형성되기 전에 호기적으로 발효된다. 바람직하게는, 바이오리액터는 호기성 발효의 적어도 일부 동안에 통기된다.

혐기성 환경은 상기 실시태양들 중 임의의 것과 연결되어 설명된 방식으로 바이오리액터 내에서 형성될 수 있다.

바람직하게는, 액체 또는 반액체 탄소질 물질, 예를 들어 아스팔트 오일, 폐유, 역청, 타르, 피치, 및 케로겐이 하나 이상의 바이오리액터에 첨가되어, 바이오리액터 내의 탄소질 물질의 농도를 증가시키고, 바이오리액터 내에서 생분해하는 미생물에 있어서 쉽게 생분해되는 유기 화합물 공급원을 제공한다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 생분해성 탄소질 물질을 합성연료로 전환하기 위한 바이오리액터가 제공된다. 한 가지 실시태양에 따르면, 바이오리액터는 a) 적층되어 공극 부피가 약 15% 이상인 더미를 형성하는, 생분해성 탄소질 물질을 포함하는 다수의 입자들; b) 더미에 기체를 소통시키기 위한 수단; c) 더미에 수용액을 소통시키기 위한 수단; d) 더미로부터 기체를 소통시키기 위한 수단; e) 더미로부터 방류되는 액체를 수집하기 위한 수단; f) 더미를 덮는 기체 불투과성 배리어; 및 g) 더미 내에서 생분해성 탄소질 물질을 합성연료로 생분해할 수 있는 더미 내의 미생물 공동체(consortium)를 포함한다.

본 발명의 추가의 측면, 목적, 바람직한 특징, 및 이점들은 개시된 발명의 다양한 실시태양들이 예시적인 방식으로 예시된 하기의 상세한 설명 및 도면으로부터 보다 잘 이해될 것이다. 하지만, 도면은 단지 예시적인 목적을 위한 것이지, 본 발명의 한계를 정의하고자 의도된 것이 아니라는 점은 명확히 이해되어야 한다.

도 1은 생분해 발전소 및 탄소질 물질로부터 합성연료를 회수하기 위한 그의 해당하는 바이오리액터 및 관련 설비를 개별적으로 도시한다.

도 2는 결합제와 함께 보유된 하나 이상 유형의 유기 탄소질 물질의 응집 입자의 단면도이다.

도 3은 탄소질 물질의 지지체 및 코팅을 형성하는데 사용될 수 있는 코팅 입자의 단면도이다.

도 4는 응집되고/거나 코팅된 입자를 제조하는 방법의 개략도이다.

도 5는 본 발명에 다른 다수의 바이오리액터들을 형성하는 방법의 개략도이다.

통상적인 의미와 일관되게, 본원에서 사용되는 용어 "합성연료"는 고체 화석 연료, 예를 들어 석탄 또는 고체의 일부, 예를 들어 타르 샌드 또는 오일 셰일로부터, 또는 발효로부터 유도되는 액체 또는 가스 연료를 의미한다. 제조되는 합성 연료는 예를 들어, 합성 석유, 알코올, 및/또는 메탄을 함유하는 가스 연료일 수 있다.

본원에서 사용되는 용어 "생분해성 탄소질 물질" 및 "유기 탄소질 물질"은 본질적으로 호환가능하며, 합성연료를 제조하기 위해 본 발명의 공정 또는 바이오리액터에서 사용될 수 있는 탄소질 공급물을 의미한다. 이러한 용어들은 또한 바이오리액터 내에 있는 원래의 탄소질 공급물로부터 유도된 유기 발효 생성물을 포함하고 이를 의미하는 것으로 의도된 것이라고 인식되어야 한다.

도 1은 생분해 발전소 (10)을 개략적으로 도시한다. 발전소 (10)은 적층 입상 바이오리액터 (20)을 포함한다. 본 실시태양에서, 바이오리액터 (20)은 다수의 적층 입자들을 포함하는 더미 (30) 및 더미 (30)을 덮는 기체 불투과성 배리어 (36)을 포함한다. 배리어 (36)은 바이오리액터 (20)이 혐기적 방식으로 작동될 수 있도록 구비된다. 만약 바이오리액터 (36)이 혐기적 방식으로 작동되지 않을 것이라면, 배리어 (36)은 불필요하다.

적층 입상 바이오리액터 (20)은 더미 (30)을 형성하도록 생분해성 탄소질 물질을 포함하는 입자들을 적층시킴으로써 형성될 수 있다. 적층 입상 바이오리액터 (20)은 그 후, 호기적 및/또는 혐기적으로 생물학적 처리되어 바이오리액터 (20) 내의 탄소질 물질을 합성연료로 전환시키고, 합성연료는 그 후, 예를 들어 액체 수집 시스템 (32) 및/또는 기체 수집 시스템 (33)의 방식으로 바이오리액터로부터 수집된다.

바이오리액터 (20) 내에서 처리되는 생분해성 탄소질 물질에는 예를 들어, 오일 샌드, 탄소질 암석, 아스팔트, 아스팔트 오일, 폐유, 역청, 타르, 피치, 케로겐, 고무 및 농업 폐기물이 포함될 수 있다. 본 발명의 방법 및 바이오리액터에서 가공될 수 있는 탄소질 암석 물질에는 예를 들어, 모든 상이한 석탄 및 오일 셰일이 포함된다. 저급 석탄이 보다 적은 고정 탄소를 갖고, 보다 높은 수소 농도를 가지며, 일반적으로 생분해하기가 더 용이하다는 사실로 인해 특히 바람직하다. 따라서, 석탄이 역청탄 이하, 보다 바람직하게는 아탄 이하, 보다 더욱 바람직하게는 이탄 이하의 변성 등급을 갖는 것이 바람직하다.

천연 아스팔트 및 합성 아스팔트 모두는 본 발명의 방법 및 바이오리액터에서 가공될 수 있으며, 그에 따라 도로 표면으로부터 벗겨지는 아스팔트를 처리하는 새로운 용도 및 대체적인 방법을 제공할 수 있다. 유사하게, 찢겨지거나 분쇄된 타이어가 본 발명의 방법 및 바이오리액터에서 고무의 공급원으로서 사용될 수 있다. 농업 폐기물에는 동물 및 식물 폐기물 모두가 포함되며, 이들의 유용한 예로는 두엄, 수피, 옥수수 속대, 견과류 껍질, 목재 부산물, 작물 부산물, 과일 폐기물, 짚, 발효 폐기물 및 미세분말 식물 폐기물이 포함된다.

매우 다양한 적층 입상 바이오리액터 설계가 본 발명의 방법을 실행하는데 채용될 수 있다. 사실, 금속 원석을 생물학적으로 침출시키는 더미 중에 사용되는 많은 더미 바이오리액터 설계가 본 발명에 사용하기 위해 채택될 수 있다. 나아가, 바이오리액터 (20)을 형성하는데 사용되는 입자들의 크기 및 크기 분포는 바람직하게는, 많은 비율의 탄소질 물질이 생물학적 처리를 수행하기 위해 사용되는 미생물에 노출되도록 선택된다. 입자들의 크기 및 크기 분포는 또한 바람직하게는, 리액터 (20)의 공극 부피가 약 15% 이상이고, 보다 바람직하게는 약 20% 이상이 되도록 선택된다. 리액터 (20)에 대한 공극 부피의 바람직한 범위는 약 15%와 35% 사이, 보다 바람직하게는 약 20%와 35% 사이이다. 또한, 공극 부피는 리액터에 걸쳐서 실질적으로 균일한 것이 바람직하다.

호기적으로 생물학적 처리되는 바이오리액터 (20)에 있어서, 더미 내에서의 산소 및 액체 전이에 있어 우수한 투과성이 필요할 것이므로, 공극 부피는 일반적으로 상기 범위의 상한인 것이 바람직할 것이다. 비록 유일하게 또는 주로 혐기적으로 생물학적 처리될 바이오리액터들에 동일한 수준의 투과성이 요구되지는 않지만, 그러한 바이오리액터에서의 투과성은 여전히 중요하다. 이는 pH 및 온도 제어, 정확한 저수준의 산소 제어, 및 더미 내에서의 호기성 산태로의 효율적인 변경을 위해서 그러한 리액터에서 투과성이 여전히 요구되기 때문이다. 또한, 접종물질 및 영양분이 리액터의 전 영역에 도달할 수 있도록 더미 내에서의 적당한 액체 전이를 가능케 하는 투과성이 필요하다. 나아가, 1 톤의 석탄은 0.5 톤 만큼의 메탄 가스를 제조할 수 있다. 이는 약 1000 배의 부피 확장이다. 따라서, 리액터는 이러한 가스 합성연료를 통풍시킬 수 있도록 적당한 투과성을 갖는 것이 중요하다.

하나 이상의 배양액이 적층 입상 바이오리액터 (20)을 생물학적 처리하는데 사용될 수 있으며, 각각의 배양액은 단일 유형의 미생물 또는 일군의 상이한 미생물들을 포함한다. 전형적으로는, 배양액은 일군의 상이한 미생물들을 포함할 것이다. 나아가, 리액터 (20)에서 탄소질 물질을 생물학적 처리하는데 사용되는 미생물은 호기성, 조건적 혐기성, 또는 혐기성 미생물일 수 있으며, 이는 시간에 따라 바뀔 수 있다. 예를 들어, 특히 바람직한 실시태양에서, 생물학적 처리는 호기성 미생물 분해 공정으로서 시작하고, 그 후 혐기성 미생물 분해 공정으로 전환된다. 하지만, 다른 구현예에서는, 호기성 생물학적 처리만을 수행하거나 혐기성 생물학적 처리만을 수행하는 것이 바람직할 수 있다.

호기성 생물학적 처리가 수행될 것이라면, 더미 (30)에는 바람직하게는 더미 (30)이 형성되는 동안, 또는 그 후 곧바로, 바이오리액터 (20)에서 가공될 생분해성 탄소질 물질을 생분해할 수 있는 미생물 공동체가 접종된다. 예를 들어, 접종물질은 입자들이 적층, 바람직하게는 컨베이어 적층되어 더미 (30)을 형성함에 따라 입자들 상에 분무될 수 있다. 다르게는, 내려 놓여져 더미 (30)을 형성하는 각각의 입자 층이 다른 입자 층을 내려 놓기 전에 접종물질로 분무될 수 있다. 나아가, 하기 논의되는 응집체 또는 코팅된 입자들이 더미 (30)을 형성하는데 사용된다면, 접종은 또한 입자 형성 과정 중에 일어날 수 있다. 상기 접종 기법은 배제적이지 않으며, 당업자는 본 개시물로부터 바이오리액터 (20)에 접종하는 매우 다양한 다른 방법, 예를 들어 리액터를 형성하는데 사용된 입자들 상에 이미 존재하는 야생형 미생물 균주를 사용하는 방법이 존재한다는 것을 인식할 것이다.

바이오리액터 (20) 내의 탄소질 물질이 혐기적으로 생물학적 처리될 것이라면, 바이오리액터 (20)은 바람직하게는, 새로운 미생물 배양액이 바이오리액터 내로 혐기적으로 도입되고 바이오리액터에 걸쳐서 효율적으로 분산될 수 있도록 설계된다. 이는 예를 들어, 미생물과 영양분의 공급 (40) 및 오일/물 분리기 (37)로부터 회수된 물 (66)과 소통되어 있는 관주 시스템 (34)을 톤해 이루어질 수 있다. 본 실시태양에서, 관주 시스템 (34)는 바람직하게는, 기체 불투과성 배리어 (36)이 더미 (30) 너머로 가능한 가깝게 위치될 수 있도록 하는 적하(drip) 관주 시스템이다. 관주 시스템 (34)는 바람직하게는, 더미 (30)의 정상부에 인접하게 위치함으로써, 모든 더미 (30)들이 관주될 수 있다. 하지만, 더미에 걸쳐서 다양한 깊이에 방출기 (61)를 갖고, 관주 시스템의 상이한 부분들이 독립적으로 제어가능하여 바이오리액터 (20) 내의 공정 제어를 증진시키는 것이 또한 바람직할 수 있다.

하기 표 1에 열거된 박테리아들이 화석 연료, 예를 들어 석탄, 오일 셰일 및 오일 샌드에서 발견되는 탄화수소 물질을 호기적으로 생분해하는데 사용될 수 있다. 뿐만 아니라, 이들 천연 자원과 관련하여 발견되는 야생형 균주들 또한 사용될 수 있다. 퇴비 더미에서 발견되는 전형적인 미생물들은 바이오리액터 (20)에서 농업 폐기물 및 유기 폐기물을 호기적으로 생분해하는데 사용될 수 있다. 호기성 또는 조건적 라군(lagoon)으로부터 유도된 접종물질이 또한 사용될 수 있다.

<표 1>

장쇄 탄화수소를 분해할 수 있는 호기성 및 조건적 혐기성 유기체

아크로모박터 파라피노클라스투스( Achromobacter paraffinoclastus ) 아키네토박터 칼코아세티쿠스( Acinetobacter calcoaceticus ) 아르트로박터 파라피네우스( Arthrobacter paraffineus ) 아르트로박터 심플렉스( Arthrobacter simplex ) 칸디다 지폴리티쿰( Candida Jipolyticum ) 카팔로스포리움 로젬( Caphalosporium rosem ) 코리네박테리움 글루타미쿰( Corynebacterium glutamicum ) 코리네박테리움 히드로카르보클라스투스( Corynebacterium hydrocarboclastus ) 코리네박테리움 페트로필룸( Corynebacterium petrophilum ) 플라보박테리움 ( Flavobacterium ) 종 미크로코쿠스 글루미쿠스( Micrococcus glutmicus ) 미코박테리움 파라피쿰( Mycobacterium parafficum ) 미코코쿠스 파라피놀리티쿠스( Micrococcus paraffinolyticus ) 미코박테리움 스메그마티스 ( Mycobacterium smegmatis ) 노카르디아 페트로올레오필라( Nocardia petrooleophila ) 피. 애루기노사(P . aeruginosa ) 슈도모나스 플루오레센스( Pseudomonas fluorescens ) 토룰롭시스 콜리쿨로사( Torulopsis colliculosa ) 스트렙토마이세스 아르겐테올루스( Streptomyces argenteolus ) 스트렙토마이세스 아우레우스( Streptomyces aureus )

표 1의 조건적 미생물 및 하기 표 3에 열거된 미생물은 바이오리액터 (20) 내에서 다양한 탄소질 물질들을 혐기적으로 발효시키는데 사용될 수 있다. 나아가, 표 2에 열거된 메탄생성 미생물들은 호기성 및/또는 혐기성 발효로부터 얻어진 단순 유기 화합물들을 메탄으로 전환함으로써 바이오리액터 (20)에 포함된 탄소질 물질의 생분해를 완료하는데 사용될 수 있다. 농업 폐기물 및 기타 유기 폐기물의 생분해에 유용한 혐기성 미생물은 또한, 예를 들어 소 두엄 또는 조건적 또는 혐기적 폐기물 처리장의 슬러지로부터 쉽게 얻을 수 있다.

표 1, 2 및 3에 열거된 박테리아 및 원시세균은 모두 아메리칸 타입 컬쳐 콜렉션 또는 유사한 컬쳐 콜렉션으로부터 입수가능하다.

<표 2>

메탄생성 미생물 유기체

메타노박테리움 포르미시쿰( Methanobacterium formicicum ) 메타노박테리움 써마우토트로피쿰( Methanobacterium thermautotrophicum ) 메타노박테리움 울페이( Methanobacterium wolfei ) 메타노박테리움 알칼리필룸( Methanobacterium alcaliphilum ) 메타노박테리움 써모포르미슘( Methanobacterium thermoformicium ) 메타노박테리움 써말칼리필룸( Methanobacterium thermalcaliphilum ) 메타노박테리움 오멜리안스키( Methanobacillus omelianskii ) 클로스트리듐 부티리쿰( Clostridium butyricum ) 펠로박터 아세틸레니쿠스( Pelobacter acetylenicus ) 메타노스피릴룸 훙가테이( Methanospirillum hungatei ) 메타노브레비박터 루미난티움( Methanobrevibacter ruminantium ) 메타노브레비박터 스미티( Methanobrevibacter smithii ) 메타노브레비박터 아르보리필리쿠스( Methanobrevibacter arboriphilicus ) 메타노써무스 페르비두스( Methanothermus fervidus ) 메타노써무스 소시아빌리스( Methanothermus sociabilis ) 메타노스파에라 스타트마내( Methanosphaera stadtmanae ) 메타노사르시나 바르케리( Methanosarcina barkeri ) 메타노사르시나 마제이( Methanosarcina mazei ) 메타노사르시나 써모필라( Methanosarcina thermophila ) 메타노게늄 카리아시( Methanogenium cariaci ) 메타노게늄 마리스니그리( Methanogenium marisnigri ) 메타노게늄 써모필리쿰( Methanogenium thermophilicum ) 메타노게늄 올렌탄귀( Methanogenium olentangyi ) 메타노게늄 타티오니스( Methanogenium tationis ) 메타노코쿠스 반니엘리( Methanococcus vannielii ) 메타노코쿠스 볼태( Methanococcus voltae ) 메타노코쿠스 마리팔루디스( Methanococcus maripaludis ) 메타노코쿠스 써몰리토트로피쿠스( Methanococcus thermolithotrophicus ) 케타노미크로븀 모빌( Methanomicrobium mobile ) 메타노미크로븀 파이른테리( Methanomicrobium payrnteri ) 메타노코코이데스 메틸루텐스( Methanococcoides methylutens ) 메타노팔누스 리미콜라( Methanoplanus Iimicola ) 메타놀로부스 틴다리우스( Methanolobus tindarius ) 메타놀로부스 시실리애( Methanolobus siciliae ) 메타놀로부스 불카니( Methanolobus vulcani ) 메타노트릭스 쇤게리( Methanothrix soehngenii ) 메타노트릭스 콘실리( Methanothrix concilii ) 메타노트릭스 써모아세토필라( Methanothrix thermoacetophila )

<표 3>

혐기적 발효 미생물

유기 물질	분해하는 혐기성 미생물
알코올 산화	데술포비브리오 불가리스( Desulfovibrio vulgaris), 써모아내로븀 브로키( Thermoanaerobium brockii), 펠로박터 베네티아누스( Pelobacter venetianus), 및 펠로박터 카르비놀리쿠스( Pelobacter carbinolicus )
프로피오네이트 산화	신트로포박터 울리니( Syntrophobacter wolinii), 신트로포박터 펜니기( Syntrophobacter pfennigii )
부티레이트 산화	신트로포모나스 울페이( Syntrophomonas wolfei), 신트로포모 나스 사포보란스 ( Syntrophomonas sapovorans ), 신트로포스포라 비란티( Syntrophospora bryantii )
아세테이트 산화	클로스트리듐 울투넨세( Clostridium ultunense )
글리콜레이트 산화	신트로포보툴루스 글리콜리쿠스( Syntrophobotulus glycolicus )
방향족 화합물 산화	신트로푸스 부스웰리 ( Syntrophus buswellii ), 신트로푸스 겐티아내( Syntrophus gentianae )

표 1-3에 열거된 하나 이상의 미생물 또는 야생형 균주를 본 공정에 사용하기 위해 선택할지 여부는 생분해되는 탄소질 물질의 유형, 환경의 예상 pH, 및 생분해 동안 더미 내의 예상 온도와 같은 인자들에 따라 달라질 것이다. 하지만, 이러한 선택 기준은 당업자의 기술 범위 내이고, 본원에서 상세하게 설명될 필요는 없다. 하지만, 일반적으로, 호기적 및 혐기적 생물학적 처리 동안에 미생물 공동체를 사용하는 것이 바람직할 것이다. 환경 조건(예를 들어, pH, 온도, 온도)에 또, 영양분 유형 및 농도, 유기 물질, 독소 수준 등)이 더미 (30)에 걸쳐서 전형적으로 달라질 것이기 때문에 미생물 공동체가 바람직하다. 따라서, 공동체가 사용되는 경우, 더미 (30) 내의 조건이 더미 (30) 내에 존재하는 조건에 가장 적합한 미생물들 또는 그의 일부가 자연스럽게 선택될 것이다.

또한, 본원에 개시된 방법 및 바이오리액터는 생분해를 수행하기 위해서 박테리아 및 원시세균을 사용하는 것이 제한되지 않는다. 예를 들어, 바이오리액터 (20) 내에서 탄소질 물질을 생분해하는 효모, 진균 및/또는 곰팡이가 또한 사용될 수 있다.

상기에서 언급한 바와 같이, 적층 입상 바이오리액터 (20)은 바람직하게는, 호기성 바이오리액터로서 개시되고, 나중에 혐기성 바이오리액터로 전환된다. 예를 들어, 바이오리액터 (20) 내의 혐기적 환경은 더미 (30)을 기체 불투과성 배리어 (36)으로 덮음으로써 형성될 수 있다. 기체 불투과성 배리어 (36)은 바람직하게는, 점토 배리어 층 또는 플라스틱 라이너이다.

더미 (30)이 덮히면, 추가의 공기 또는 산소가 바이오리액터 (20)에 공급되지 않는다면, 모든 이용가능한 산소가 바이오리액터 (20) 내에서 탄소질 물질을 호기적 생분해시킴으로써 소비될 것이기 때문에, 바이오리액터 (20)은 시간이 지남에 따라 자연스럽게 혐기적으로 될 것이다. 이용가능한 산소가 소비됨에 따라, 바이오리액터 (20) 내의 공정은 호기적 생분해 공정으로부터 혐기적 생분해 공정으로 전환될 것이다. 전환 공정의 속도를 높이기 위해서는, 바이오리액터를 비산소화 기체, 예를 들어 아르곤, 질소, 이산화탄소, 암모니아, 수소 또는 이들의 조합 뿐 아니라, 혐기적 환경을 유지시키는 임의의 다른 기체로 스위핑하거나 퍼징함으로써 바이오리액터로부터 산소를 퍼징할 수 있다. 생분해 공정은 또한, 더미 (30) 내에서 호기적 환경으로부터 혐기적 환경으로 전환되는 동안 조건적 혐기성 박테리아 사용에 따른 이점을 얻을 것이다. 이는 조건적 혐기성 미생물이 분해 공정을 계속하는 동안, 환경 중에 너무 많은 산소가 여전히 존재하여 편성 혐기성 미생물의 성장을 유지시키지 못하지만, 활발한 호기성 발효를 계속하기에는 산소가 부족하기 때문이다.

기체 전달 시스템 (60)이 바이오리액터에 걸쳐 기체를 전달하는데 사용될 수 있다. 기체 전달 시스템 (60)은 더미가 구축될 때에 더미 (30) 내에 묻히고, 바람직하게는 더미 (30)의 바닥부에 인접하는 천공 파이프 (31)들을 포함한다. 기체 전달 시스템 (60)은 또한, 천공 파이프 (31)과 소통되고, 밸브 (27)을 통해 공기 송풍기 (28) 또는 퍼징 기체 공급기 (64)와 선택적으로 소통되어 있는 파이프 (62)를 포함한다. 바이오리액터 (20)을 혐기적 시스템으로 전환하기 전에, 밸브 (27)은 바람직하게는, 공기 송풍기 (28) 및 파이프 (62) 사이의 소통을 개방하도록 위치된다. 결과적으로, 공기 송풍기 (27)로부터의 공기가 천공 파이프 (31)을 통해 바이오리액터 (20)으로 전달되는 동안, 호기성 생분해가 바이오리액터 (20) 내에서 수행될 수 있다. 따라서, 기체 전달 시스템 (60)은 더미 (30) 내에서 산소 수준을 조정하고 제어하는데 사용될 수 있을 뿐 아니라, 호기상 동안 더미 (30) 내의 온도를 제어하는데 사용될 수 있다.

바람직하게는, 기체 전달 시스템 (60)은 바이오리액터 내에 혐기적 환경을 생성하기 위하여 바이오리액터 (20)으로 퍼징 기체를 전달하는데에도 사용될 수 있도록 채택된다. 이에 관해서, 바이오리액터 (20)이 혐기적 리액터로 전환되는 경우, 밸브 (27)은 바람직하게는, 파이프 (62) 및 송풍기 (28) (또는 대기) 사이의 소통을 폐쇄하도록 조정된다. 뿐만 아니라, 바람직하게는, 밸브 (27)은 또한, 파이프 (62)와 퍼징 기체 공급원 (64) 사이의 소통을 개방하도록 조정될 수 있다. 바이오리액터 (20)이 충분히 퍼징되면, 밸브 (27)은 파이프 (62)와 송풍기 (28) 및 퍼징 기체 공급기 (64) 모두 사이의 소통이 단절되는 제3의 위치로 조정될 수 있다.

기체 수집 시스템 (33)이 바이오리액터 (20)으로부터 가스 합성연료를 수집하고 제거하는데 사용될 수 있다. 기체 수집 시스템 (33)은 더미 (30)을 구축하는 동안 더미 (30)의 상부를 향해 위치하는 다수의 천공 파이프 (68)을 포함한다. 뿐만 아니라, 수집 시스템 (33)은 수집된 가스 연료를 보유 탱크 (26)로 소통시키는 수단, 예를 들어 파이프 (70)을 포함한다. 가스 합성연료는 전형적으로 메탄생성 분해로부터 얻어지는 메탄 및 이산화탄소 혼합물을 함유할 것이기 때문에, 바람직하게는 포획된 가스 합성연료는 보유 탱크 (26)에 원하는 메탄 연료가를 보관하기 전에 분리기 (39)를 통해 가공된다. 분리기 (39)는 포획된 가스 합성연료에서 메탄으로부터 이산화탄소를 분리해내도록 설계된다. 적합한 이산화탄소/메탄 분리 기술의 예는 미국 특허 No. 4,518,399에 설명되어 있으며, 이는 참고문헌으로서 본원에 포함된다. 분리된 이산화탄소 기체는 바람직하게는, 파이프 (72)를 통해 기체 전달 시스템 (60)의 도관 (62)로 소통되고, 그에 따라 바이오리액터 (20)으로 재활용된다. 그리고 나서, 분리기 (39)로부터 얻어진 정제된 메탄은 후속 판매 또는 사용을 위해 보유 탱크 (26)에 보관될 수 있다.

분리기 (39)로부터의 이산화탄소는 바람직하게는, 바이오리액터 (20)으로 재활용되어, 혐기상 동안 바이오리액터 내의 양압(positive pressure)을 유지시키며, 그에 따라 산소 오염 기회를 최소화시킴으로써 염기적 상태를 유지하도록 돕는다. 나아가, 이산화탄소는 실제로, 메탄생성 미생물이 메탄 생성에 사용하는 기재들 중 하나이다.

바이오리액터 (20)으로부터 수집된 가스 합성연료가 충분한 메탄 연료가를 갖는다면, 선택적으로, 가스 연소 전력 발전기 (45)로 직접 공급될 수 있다. 가스 연소 전력 발전기는 수집된 가스 합성연료를 런오프하도록 채택된 가스 터빈 또는 내연 기관에 의해 구동될 수 있다. 발전기 (45)로부터 생성된 전력은 다른 발전소 작동을 위한 전기를 공급하거나, 지역 전력 회사에 판매되거나, 소비자에게 직접 판매되도록 사용될 수 있다.

기관 및 터빈의 효율성으로 인해, 연소된 메탄 연료가의 작은 비율(내연 기관에 대해서는 24 내지 38%, 소형 터빈에 대해서는 16 내지 18%)만이 전기적 에너지로 전환될 것이다. 연소된 메탄 가스 중 연료가의 나머지는 과량의 열로 전환될 것이다. 하지만, 생분해 발전소 (10)이 석탄, 오일 셰일, 또는 오일 샌드 자원 근처에 위치한다면, 가스 연소 전력 발전기 (45)에 의해 생성된 과량의 열은 다양한 목적, 예를 들어 오일 샌드로부터 석유 유사 생성물을 추출하는데 사용하기 위한 증기 및/또는 열수 생성, 석탄의 가스화, 및 오일 셰일의 열분해에 사용될 수 있으며, 이로 인해 발전소 (10)으로부터 생성된 과량의 열이 이러한 화석 연료 자원으로부터 오일을 회수하기 위한 통상적인 기술에 사용될 수 있다.

더미 (30)의 모든 부분들이 호기적으로 생분해되는 동안, 이산화탄소 기체만이 생성될 것이다. 따라서, 파이프 (70)에 구비될 수 있는 밸브 (71)은 개방되어 바이오리액터 내에 생성된 이산화탄소를 통풍시킬 수 있다.

다양한 센서 (35)들이 더미 (30)에 걸쳐 하나 이상의 위치에 놓여, 생분해 공정 동안 바이오리액터 (20) 내의 산소 수준을 측정할 수 있다. 센서 (35)는 또한, 다른 공정 파라미터, 예를 들어 온도, 이온 강도, 술페이트 농도, 독성 금속 수준, pH 또는 Eh를 모니터링 할 수 있다. 산소 수준 및 기타 기체들은 또한, 기체 수집 시스템 (33)을 통해 지나가는 기체들을 모니터링함으로써 측정될 수 있다. 유사하게, 온도, 이온 강도, 술페이트 농도, 독성 금속 수준, 용존 산소, Eh 또는 pH와 같은 파라미터들은 액체 수집 시스템 (32)를 통해 바이오리액터 (20)으로부터 제거된 액체들을 모니터링함으로써 바이오리액터 내에서 측정될 수 있다.

액체 수집 시스템 (32)는 더미 (30)의 최하층 내로 구축된 방류 시스템 (74)를 포함한다. 방류 시스템 (74)는 바이오리액터 (20)으로부터 액체를 제거하도록 채택되며, 더미 (30)으로부터 방류된 유체가 수집되고, 더미 (30)으로 재활용되거나 그의 연료가를 위해 가공될 수 있는 방류구 (80)를 포함한다. 본 실시태양에서, 방류 시스템 (74)는 본질적으로, 천공이 바닥을 향해 배향되고, 자갈 층 (78)에 묻힌, 일반적으로 평행한 일련의 천공 파이프 (76)들을 포함하는 일련의 프렌치(French) 방류구들을 포함한다. 천공 파이프 (76)을 통해 방류되는 액체는, 바람직하게는 오일/물 분리기 (37)로 소통되는 방류구 (80)에 수집된다. 바이오리액터 (20)에서 생성된 액체 합성연료는 분리기 (37) 정상으로부터 제거되고, 물 (66)은 바닥으로부터 제거된다. 액체 합성연료는 앞으로의 사용 또는 판매를 위한 보관용 탱크 (25)로 소통된다. 회수된 액체 합성연료는 다양한 탄화수소 뿐 아니라 알코올을 포함할 수 있으며, 따라서 사용하거나 시장에 판매하기 전에 액체 합성연료를 추가로 정제하는 것이 바람직할 수 있다.

분리기 (37)로부터 회수된 물 (66)은 바람직하게는, 관주 시스템 (34)를 통해 바이오리액터 (20)으로 재활용되고, 필요한 정도에 따라, 공급기 (40)으로부터의 추가의 접종물질 및 영양분으로 보충된다. 공급기 (40) 내의 접종물질은 더미 (30) 내로 채택된 활성 미생물을 도입시키는 수단으로서 상이한 작동 더미로부터 취해진 액체로부터 얻을 수 있다. 접종물질 및 영양분 뿐 아니라, 더미 내로 도입된 액체는 액체가 더미 내로 되돌아감에 따라 공급기 (40)으로부터 첨가된 다른 물질들을 가질 수 있다. 추가의 첨가제는 예를 들어, 물, 완충제, 당, 폐유, 슬러리화된 소 두엄을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 회수된 물 (66)이 더미 (30)로 재활용되기 전에 오염물질 및/또는 생물독소(biotoxin)가 분리기 (37)로부터 회수된 물 (66)으로부터 제거된다.

적층 입상 바이오리액터 (20)은 수개월 또는 수년 동안 가스 및/또는 액체 합성연료를 계속해서 생산할 것이다. 하지만, 매우 적은 에너지만이 최종 생성물로서의 이산화탄소 형성으로 손실될 것이기 때문에, 바이오리액터에 포함된 화석 연료 또는 기타 탄소질 물질로부터의 최종 에너지 수율은 높을 것이다.

바이오리액터 (20)에서 탄소질 물질이 고갈된 후, 바이오리액터는 손상되지 않은 채로 남을 수 있다. 다르게는, 바이오리액터 중에서 모든 잔류 탄화수소 또는 기타 탄소질 물질을 완전히 제거하기 위해 바이오리액터를 통기시키는 것이 바람직할 수 있다. 마지막으로, 바이오리액터가 하기에서 보다 상세히 논의되는 코팅된 기재로부터 형성된다면, 기재는 회수되고, 보다 많은 탄소질 물질로 재코팅되고, 새로운 더미 내로 적층될 수 있다.

이제 바이오리액터 (20)의 더미 (30)을 형성하기 위한 입자의 몇 가지 바람직한 유형들이 도 2-5와 연결되어 설명된다.

일반적으로, 더미 (30)은 바람직하게는, 탄소질 물질을 포함하는 다수의 조질 입자들로 이루어진다. 입자들은 바람직하게는, 적당한 유체 흐름, 특히 더미에 걸친 액체 흐름을 확실히 얻을 수 있는 매우 좁은 크기 범위 내에 속한다. 실질적으로 균일한 크기의 입자들을 사용하여 특정 더미 (30)을 형성하는 것은 바이오리액터를 통해 액체 또는 기체의 균일한 흐름을 가능케 할 것이다. 반면에, 보다 크기 분포가 넓으면 패킹 및 공극 부피의 감소를 야기할 것이다. 더미 중의 공극 부피는 일반적으로, 약 15% 이상, 보다 바람직하게는 약 20% 이상일 것이다. 전형적으로, 공극 부피는 15 내지 35% 범위 내일 것이다. 보다 바람직하게는, 공극 부피는 20 내지 30% 범위 내일 것이다. 불균일한 패킹 또는 크기 분리는 더미 (30) 내에 불균일한 기체 및 액체 흐름을 야기할 수 있고, 적층 입상 바이오리액터 (20) 내에 불균일한 액체 또는 기체 흐름을 제어하는 능력을 감소시킬 수 있다.

더미 (30)을 형성하는데 사용되는 입자는 또한, 더미 (30) 내에서 발생할 예상 압축력을 견딜 수 있도록 충분한 일체성을 가져야 한다. 전형적으로, 이는 입자가 그의 정상 위에 적층된 수톤의 물질의 힘을 견딜 수 있는 능력을 가져야 한다는 것을 의미한다. 그리고, 입자들이 바람직하게는 바이오리액터 (20) 내에서 유체 흐름을 촉진하도록 일반적으로 균일한 크기를 갖지만, 이들은 또한, 바람직하게는 바이오리액터 (20)의 전체 표면적을 증가시키는 것을 돕도록 거칠고 불균일한 표면 형태를 가진다.

본원에 개시된 방법을 실행하기에 적합한 특성을 갖는 입자를 얻는 3가지 방법들이 미국 특허 No. 5,766,930, No. 5,431,717, 및 No. 5,332,559에 설명되어 있으며, 이들은 참고문헌으로서 본원에 포함되어 있다.

파쇄된 입자들을 응집시키는 것은 입자의 크기를 증가시키고, 그에 따라 더미를 통해 액체의 침출을 개선시키는 한 가지 접근법이다. 도 2는 응집 입자 (14)의 단면도를 보여주는 것이며, 다수의 상기 입자들은 더미 (30)을 형성하는데 사용될 수 있다. 응집 입자 (14)는 결합제 (18)에 의해 함께 보유된 다수의 작은 입자들 (15, 16 및 17)을 포함한다. 작은 입자들 (15, 16 및 17)은 생분해성 탄소질 물질을 파쇄시킴으로써 생성된 미세입자들을 포함할 수 있다. 다르게는, 작은 입자들 (15, 16 및 17)은 함께 합쳐져서 응집 입자 (14)를 만드는 탄소질 물질의 2 이상의 상이한 공급원으로부터의 입자들을 포함할 수 있다. 따라서, 상이한 생분해 특성을 갖는 2 이상의 탄소질 물질들로부터의 입자를 합쳐서, 바이오리액터 (20) 내의 전체 생분해 공정을 개선시키는 것이 바람직할 수 있다. 또한, 추가의 탄소질 물질로 다수의 응집 입자 (14)들을 코팅하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 더미 (30)을 형성하는데 사용되는 응집 입자 (14)는 에탄올 발효물, 자치단체 폐기물 슬러지, 또는 농업 폐기물로부터의 바이오매스로부터 형성된 슬러리로 코팅되어, 더미 중에 존재하는 생분해 미생물들에 영양분을 제공할 수 있다.

생분해될 생분해성 탄소질 물질이 직경이 상당 분율의 약 0.3 cm 미만인 입자를 포함하는 경우, 응집이 고려되어야 한다. 응집 후, 바람직하게는 응집 입자 (14)가 약 3 cm 내지 약 2.54 cm 범위의 입자 크기를 갖는다. 이에 관해서, 탄소질 물질이 특히, 크기가 약 250 ㎛ 미만이 되도록 미세하게 과립화된다면, 하기 논의되는 코팅 공정이 보다 적당한 입자 제작 선택사항일 수 있다.

상기 언급한 응집 입자 (14)를 제조하는 방법은 도 4에 도시되어 있다. 응집될 탄소질 물질 입자들 (41)는 적당량의 결합제 (18)과 함께 회전 드럼 (43) 내로 공급된다. 예를 들어, 결합제 (18)은 석회, 포틀랜드 시멘트 또는 광업에서 사용되는 임의의 적합한 중합체성 결합제일 수 있다. 다르게는, 다른 탄화수소 공급원, 예를 들어 아스팔트 오일, 폐유, 역청, 타르, 피치 또는 케로겐을 결합제 (18)로서 사용하는 것이 가능할 수 있지만, 그러한 물질은 최소한으로 응집 입자 (14) 상의 코팅으로서 첨가될 수 있다.

적합한 결합제는 다수의 비교적 균일한 크기의 입자 (14)로 탄소질 물질 입자들 (41)을 함께 결합시키고, 더미의 중량을 견디기에 충분히 강한 입자들을 제조하는 물질들일 것이다. 나아가, 얻어진 응집 입자 (14)는 생물학적 공정의 pH와 상용성이어야 하고, 분해되고 액체 및 가스 합성연료로 전환될 탄소질 물질에 대한 미생물의 접근을 방해하지 않아야 한다. 본 발명의 바람직한 실시태양에 사용된 메탄생성 미생물 및 발효성 미생물은 6 내지 8의 pH 범위에서 성장할 수 있으며, 그에 따라 포틀랜드 시멘트 및 다른 중성 내지 알칼리성 pH의 응집 산과 상용성이다. 하지만, 탄소질 물질의 미생물 분해는 pH를 6 내지 8의 최적 범위 밖으로 낮출 수 있는 유기 산을 만들기 때문에, 시멘트를 결합제로서 사용하는 것은 메탄생성 혐기성 미생물에 대한 최적 pH 범위를 유지하는데 도움이 될 수 있다. 하지만, 시멘트가 결합제 (18)로서 사용되었을 때 포틀랜드 시멘트 유형의 응집 산의 주된 이점은 그의 강도 및 그에 따른 입자 (14)의 비압축성이다.

응집 입자들 (14)이 형성되면, 이들은 더미 (30) 내로 적층되고, 본원에 개시된 바이오리액터 (20)에서 사용될 수 있다.

도 3은 본 발명에서 사용될 수 있는 제2 유형의 입자인 코팅 입자 (23)의 단면도를 도시한다. 이 실시태양에서, 탄소질 물질 입자 (41)는 다수의 기재 (21) 상에 코팅되어 탄소질 물질의 코팅 (22)를 갖는 다수의 코팅 입자들 (23)을 형성한다. 다르게는, 코팅 (22)는 액체 탄소질 물질을 포함하거나, 그로부터 형성될 수 있다. 탄소질 물질 입자 (41) 및/또는 액체 탄소질 물질은 다양한 기법, 예를 들어 도 4에 보여지는 회전 드럼 (43) 또는 고 펄프 밀도 슬러리 분무기를 사용하여 기재 (21) 상에 코팅될 수 있다.

기재 (21)은 바람직하게는 고체이고, 바람직하게는 약 0.3 cm 이상 약 5 cm 이하의 입자 크기를 갖는다. 보다 바람직하게는, 기재 (21)은 약 0.3 cm 이상 약 3 cm 이하의 입자 크기를 갖는다. 조질 기재 (21)은 바람직하게는 약 0.3 cm 이상의 입자 크기를 갖지만, 일부 기재들은 실제로 이러한 입자 크기보다 작을 수 있다는 것이 인식되고 고려된다. 당업자가 인식할 바와 같이, 조질 기재 (21)이 보다 큰 물질을 원하는 크기 범위로 파쇄함으로써 제조된다면, 파쇄된 물질은 특정 크기 분포를 가질 것이다. 비록 물질이 약 0.3 cm 미만의 물질을 제외하도록 스크리닝되더라도, 스크리닝 공정 중 내재적인 비효율성 및 조작 동안의 입자 마모 때문에 입자 크기가 최소 표적치인 0.3 cm보다 적은 일부 물질들이 조질 기재 중에 여전히 존재할 것이다. 따라서, 약 0.3 이상까지는, 더미 (30)을 형성하는 동안, 바람직하게는 그의 작동 동안에 걸쳐서, 리액터의 공극 부피가 최소한 약 20% 초과이도록 실질적으로 모든 조질 기재가 상기 크기보다 큰 것으로 의도된다. 바람직하게는, 0.3 cm 한계치 미만의 조질 기재의 양은 5 중량% 미만이다.

기재 (21) 상에 탄소질 물질 입자들 (41)의 비교적 균일한 코팅 (22)를 형성하여, 바이오리액터 (20) 중의 미생물에 노출되는 입자들 (41)의 코팅의 일체성 및 표면적을 최대화하는 것이 바람직하다. 나아가, 입자들 (41)의 입자 크기가 감소함에 따라, 생분해 공정은 보다 빠르게 진행할 것이다. 보다 작은 입자는 또한 기재 (21)에 보다 잘 접착하는 경향이 있을 것이다. 이것으로 보아, 탄소질 물질 입자들 (41)의 입자 크기는 바람직하게는, 약 250 ㎛ 미만이며, 보다 바람직하게는 기재 (21) 상에 코팅될 탄소질 물질의 입자들 (41)의 공칭 입자 크기는 약 75 ㎛ 초과 약 106 ㎛ 미만이다. 코팅 물질의 두께는 생분해를 수행하는데 사용되는 미생물(들)이 처리되는 탄소질 물질 모두에 적당하게 접근되는 것을 확실히 가능케 하도록, 바람직하게는 1 mm 미만이다.

바이오리액터 (20)의 전체 표면적은 또한, 기재 (21)의 입자 크기를 감소시키고/거나, 거칠고 비균일한 표면 형태를 갖는 기재 (21)을 사용하고/거나, 더미 (30) 상에 적층된 코팅 기재들 (23)의 개수를 증가시킴으로써 증가될 수 있다. 더미 내의 물질들의 전체 표면적을 증가시키는 것의 이점은 코팅 (22) 중 기재 (21) 상에 적재될 수 있는 탄소질 물질의 양이 비례적으로 증가하고, 이는 이어서 액체 및 가스 연료로 분해될 수 있는 탄소질 물질의 양을 증가시킨다는 것이다.

코팅 입자 (23)은 다양한 기법들을 사용하여 제조될 수 있다. 한 가지 가능성은 기재 (21) 및 입자 (41)을 적당한 양으로 회전 드럼 (43)에 첨가하는 것이다. 바람직하게는, 기재 (21)은 건조하고, 입자 (41)은 기재 (21)에 접착되어 코팅 (22)를 형성하도록 고 펄프 밀도 슬러리로 존재한다. 다르게는, 기재 (21) 및 입자 (41) 모두 회전 드럼 (43)에 첨가될 수 있으며, 그 후 물 및/또는 기타 결합제가 회전 드럼 (43) 내로 분무되어 기재 (21)에 대한 입자 (41)의 접착성을 향상시킬 수 있다.

코팅 입자 (23)을 형성하는 다른 방법은 기재들이 적층되어 바이오리액터 (20)의 더미 (30)을 형성하기 전에, 또는 그 때에, 고 밀도 슬러리 중의 탄소질 물질 입자들 (41)을 기재 (21) 상에 분무하는 것을 포함한다.

중성 내지 알칼리성 pH 저항성 결합제 (18), 예를 들어 포틀랜드 시멘트가 고체 기재 (21) 상으로 코팅된 탄소질 물질 입자 (41)을 보유하도록 도움을 주는데 사용될 수 있다. 하지만, 기재 (21) 상에 코팅된 탄소질 물질 입자 (41)은 또한, 기재 (21) 및 입자 (41)이 충분히 소수성이라면, 결합제 없이도 기재에 도포될 수 있다. 이러한 후자의 접근법의 이점은 결합제 물질의 비용을 피할 수 있다는 것이다. 액체 또는 반액체 탄화수소가 또한, 입자 (41)을 기재 (21)에 보유시켜 충분한 구조적 일체성을 갖는 코팅 (22)를 형성하는데 사용될 수 있다. 따라서, 예를 들어 아스팔트 오일, 폐유, 역청, 타르, 피치, 및/또는 케로겐이 입자 (41)을 기재 (21)에 결합시키는데 사용될 수 있다. 또는, 코팅 입자 (23)이 그러한 기재로 추가로 코팅되어 바이오리액터 (20) 내의 탄소질 물질의 함량을 추가로 증가시킬 수 있다.

다수의 코팅 입자 (23)들을 사용하여 더미 (30)을 형성하는 것이 응집체 (14)를 사용하는 것에 비해 갖는 이점은 코팅 입자 (23)의 고체 기재 (21)이 입자의 형상을 유지하도록 높은 강도를 제공한다는 것이다. 이 실시태양의 다른 이점은 코팅 (22)가 압축을 견디기에 충분한 강도로 입자로 응집될 수 없지만, 기재 상에 코팅된 경우 압축을 견딜 수 있는 보다 연질의 탄화수소 또는 바이오매스일 수 있다. 따라서, 고체 지지체 상으로 연질 물질을 코팅함으로써, 매우 큰 더미 중 투과성이 유지될 수 있다. 다른 이점은 바깥 탄화수소 코팅이 액체 연료, 오일 및/또는 메탄으로의 전환을 위한 미생물에 대해 충분히 접근가능할 것이라는 것이다.

기재 (21)은 적층 입자들의 중량을 견딜 수 있는 임의 개수의 물질들로부터 형성될 수 있다. 임의의 실제적인 농도의 탄소질 물질을 함유하지 않는 적합한 기재 (21)의 예로는 불모암(barren rock), 자갈, 화산암, 카르보네이트 광물을 함유하는 불모암, 벽돌, 석탄재(cindar) 블록 및 슬래그가 포함된다. 하지만, 바람직하게는, 기재 (21)은 또한 오일이나 메탄으로 궁극적으로 전환될 생분해성 탄소질 물질을 포함한다. 이와 관련해서, 다수의 기재들은 오일 셰일, 석탄, 암석, 아스팔트, 고무, 및 식물 폐기물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다. 기재 (21)로서 사용될 수 있는 적합한 식물 폐기물의 예로는, 예를 들어 수피, 옥수수 속대, 견과류 껍질, 목재 부산물, 및 작물 부산물로 이루어진 군으로부터 선택되는 식물 폐기물이 포함된다. 석탄 기재는 임의의 진정한 석탄, 예를 들어 반무연탄, 반역청탄, 역청탄, 아역청탄, 및 아탄을 포함할 수 있다.

기재 (21) 상에 코팅된 탄소질 물질 (41)의 입자는, 예를 들어 오일 샌드, 오일 셰일, 아스팔트 오일, 폐유, 역청, 타르, 피치, 케로겐, 석탄 및 농업 폐기물로 이루어진 군으로부터 선택되는 유기 탄소질 물질을 포함할 수 있다. 나아가, 기재 상에 코팅될 수 있는 농업 폐기물의 유형은, 예를 들어 두엄, 과일 폐기물, 짚, 발효 폐기물, 및 미세분말 식물 폐기물이 포함된다. 포도 껍질은 생물학적 처리를 위한 조질 기재 상에 코팅될 수 있는 과일 폐기물의 특히 바람직한 형태이다. 뿐만 아니라, 볏짚은 생물학적 처리용 기재 상에 코팅될 수 있는 짚의 특히 바람직한 형태이다. 석탄이 기재 상에 코팅된 유기 탄소질 물질로서 사용된다면, 바람직하게는, 석탄은 역청탄 이하의 변성 등급을 가지며, 보다 바람직하게는 이탄(peat) 이하의 변성 등급을 갖는다. 더구나, 기재 상에 코팅된 유기 탄소질 물질이 석탄 또는 오일 셰일을 포함한다면, 코팅은 바람직하게는 이들 물질들의 농축물이다.

특히 바람직한 실시태양에서, 코팅 (22)를 형성하는 탄소질 물질 입자 (41)은 쉽게 생분해되는 탄소질 물질, 예를 들어 바이오매스 또는 농업 폐기물을 포함하고, 그에 따라 바이오리액터 (20) 내에서 메탄생성 미생물에 의해 메탄으로 전환될 다량의 지방산을 제공함으로써 전체 공정을 가속화한다.

균일한 크기의 입자들을 제조하는 제3의 방법은 도 5에 개시되어 있다. 이 실시태양에서는, 더미 (30) 내의 공기 및 액체 흐름을 증진시키기 위해 미세입자들을 제거한다. 파쇄 및 스크리닝은 파쇄된 탄소질 물질로부터 미세 물질을 제거할 수 있다. 적층시키기 전에 미세입자들을 제거함으로써, 크기 분포가 좁아지고, 그에 따라 더미를 통한 공기 및 액체 흐름이 전체 파쇄된 물질의 흐름 특성에 비해 개선된다. 미세입자들을 제거하는 것 뿐 아니라, 파쇄된 암석을 크기 분획으로 추가로 분리할 수 있다. 그리고 나서, 다양한 크기 분획들이 도 5와 연결되어 하기에서 보다 구체적으로 논의되는 바와 같이, 별도의 더미들 (30) 또는 한 더미 내의 층들로 적층될 수 있다.

바람직한 실시태양에서, 탄화수소 광물 원석 (51)과 같은 탄소질 물질을 원석 파쇄기 (84)에서 약 5 cm 이하의 크기로 파쇄한다. 파쇄된 원석은 2 이상의 크기 범위로 파쇄된 물질을 분리시키는 한 세트의 스크린 (86, 88 및 90)을 통해 통과된다. 예를 들어, 크기 분획은 하기와 같이 분리될 수 있다: 가장 큰 크기 분획은 3 내지 5 cm, 중간 크기 분획은 1 내지 3 cm, 작은 크기 분획은 0.5 내지 1 cm, 그리고 미세입자 분획은 0.5 cm 이하. 파쇄된 물질의 첫 번째 3개의 분리된 분획들은 분획 크기에 따라 별도의 더미들 내로 적층될 수 있다. 따라서, 본 실시태양에서는 3개의 더미들이 형성된다: 큰 크기 분획에 대한 더미 (54), 중간 크기 분획에 대한 더미 (55), 그리고 작은 크기 분획에 대한 더미 (56). 미세입자 분획 중의 탄소질 물질(예를 들어, 크기가 05 cm 미만인 탄소질 물질)은 너무 작아서 먼저 미세입자들을 응집시키기 전에 더미 내로 적층시킬 수 없을 수 있다. 따라서, 도 5에서 보여지는 바와 같이, 미세입자 분획 중 탄소질 물질 입자 (41)들을 응집 드럼 (92) 중에서 응집시킬 수 있다. 그리고 나서, 응집 드럼 (92)로부터의 응집 입자 (14)를 적층시켜 응집 입자의 더미 (58)을 형성할 수 있다.

응집 드럼 (92)에서의 응집 입자 (14)의 형성은 도 2 및 4와 연결되어 상기에서 설명된 방식으로 수행될 수 있다. 미세입자 분획은 또한 추가로 분쇄되고 나서, 부유되어 고급 탄소질 물질을 형성할 수 있다. 얻어진 부유 농축물은 그 후, 응집 드럼 (92)에서 응집되어 응집 입자 (14)를 형성하거나, 고체의 파쇄되고 크기 분리된 물질의 표면 상에 다시 코팅되어 코팅 입자 (23)을 형성할 수 있다.

미세입자 분획을 처리하는 다른 방식은 더미 바이오리액터 공정들 모두로부터의 그러한 분획에 대한 것이다. 예를 들어, 미세입자 분획은 건류와 같은 통상적인 고온 공정으로 처리될 수 있다.

본 실시태양의 미세입자 분획은 0.5 cm 이하로 맞추어져 있지만, 다른 실시태양에서는 상이하게 맞추어질 수 있다. 예를 들어, 일부 구현예에서는, 미세입자 분획을 약 0.3 cm 이하의 입자를 갖는 입자들로 하는 것이 바람직하거나 충분할 수 있다.

다양한 스크린, 예를 들어 큰 크기 스크린 (86)으로부터 수집된 탄소질 물질의 크기 분획은 도 3에 보여지는 바와 같이, 코팅 (22)를 보유할 수 있다. 상기 크기 분획 상에 코팅된 탄소질 물질은 코팅 드럼 (53)에서 크기 분획을 이루는 다수의 기재 (21)들 상에 코팅될 수 있다. 그리고 나서, 얻어진 코팅 입자 (23)은 예를 들어, 더미 (54) 중에 적층될 수 있다. 다양한 크기 분획 중에서 입자들 상에 코팅될 수 있는 다양한 유형의 탄소질 물질은 도 2와 연결되어 상기에서 충분히 설명되었다. 하지만, 코팅 물질은 기재로서 사용되는 탄화수소 광물 원석보다 더 연질의 탄소질 물질일 수 있다는 것을 주목할 필요가 있다. 예를 들어, 코팅 물질로서 사용되는 탄소질 물질은 예를 들어, 바이오매스, 탄화수소 슬러리, 에탄올 발효로부터의 바이오매스, 자치단체 폐기물 슬러지, 또는 농업 폐기물일 수 있다.

각각의 더미 (54, 55, 56 및 58) (또는 성층화 접근법이 취해진 경우에는, 각각의 층)는 함께 혼합되었을 때 얻어지는 것보다 각각 더 우수한 흐름 특성을 가질 것이다. 함께 혼합된다면, 작은 크기 물질은 공극 공간에 충전될 것이고, 그로 인해 공극 공간이 감소되고, 흐름이 제한된다. 공극 공간이 감소되는 것 뿐 아니라, 일부 영역들은 불가피하게 더 적은 미세입자들을 갖게 될 것이고, 그로 인해 다른 것들보다 더 많은 공극 공간 및 더 우수한 흐름을 가질 것이다. 흐름 속도에 있어서의 이러한 불균형은 과도한 미세입자 및 제한된 흐름을 갖는 영역 주변에 불균일한 흐름 및 채널화를 야기할 것이다. 이는 산소를 시스템 밖으로 퍼징하거나 새로운 혐기성 미생물 배양액을 도입하려고 하는 경우에 문제가 된다.

크기가 가장 작은 분획 물질은 가장 빠른 분해 속도를 가질 것이다. 하지만, 이 분획이 더미 (56) 중에서 별도로 적층된다면, 여전히 균일한 기체 및 액체 흐름 특성을 가질 것이다. 보다 큰 크기의 물질은 보다 우수한 흐름 특성을 갖지만 메탄으로 전환 속도가 더 느릴 것이다. 큰 크기 분획의 더미는 또한 상기에서 설명한 바와 같이 보다 연질이고 보다 쉽게 생분해되는 물질을 코팅하기 위한 지지체 암석으로서 사용될 수 있다. 또한, 큰 크기 분획은 보다 큰 공극 공간을 가질 것이고, 보다 높은 압축력을 견딜 수 있으므로, 작은 크기의 물질보다 더 높게 적층될 수 있다. 보다 높은 압축력을 견디는 능력은 미세입자 물질을 큰 크기의 물질의 정상 위에 층으로서 적층할 수 있게 할 것이다. 별도로 적층된다면, 각각의 더미는 상이한 속도로 오일 또는 메탄을 생성할 것이다. 더미가 경제적인 속도로 메탄을 더 이상 생성하지 않으면, 새로운 더미가 그의 정상 위에 형성될 수 있다. 그 때에는, 본래 더미 중에 남아있는 물질이 투과력이 소실된 지점으로 압축되더라도 문제되지 않을 것이다. 결과적으로, 이는 큰 더미에 대한 높은 강도의 입자를 생성하는 가장 저렴한 방식일 수 있다. 나아가, 큰 크기의 입자들은 보다 많은 미세입자를 생성시키고 비용을 증가시키는 보다 작은 크기 범위로 재파쇄될 필요가 없을 것이다. 그리고, 비록 더 큰 크기 범위의 물질은 보다 높고 큰 더미 중에 적층될 수 있기 때문에 보다 느리게 생분해될 것이지만, 더 큰 크기 분획의 물질로부터 형성된 더미는 실제로, 보다 작은 크기 분획으로부터 형성된 더미와 차지한 구역의 제곱피트당 동일한 양의 메탄을 생성할 수 있다.

탄화수소 광물 원석 (51), 예를 들어 석탄 또는 오일 셰일을 약 0.5 내지 3 cm의 범위 내에서 목표하는 최대 크기로 파쇄하는 것은 당업계에 잘 알려진 기법들을 사용하여 쉽게 수행될 수 있다. 하지만, 파쇄 작업의 궁극적인 최대 목표 크기는 생분해 속도 및 더미가 액체 또는 가스 연료를 생성할 것으로 예상되는 시간에 달려있을 것이다. 입자의 크기가 더 작아질수록, 미생물 분해에 이용가능한 표면적은 보다 커진다. 하지만, 파쇄 크기 목표가 작아지면 파쇄 비용이 증가하고, 너무 작아서 상기에서 설명한 바와 같이 응집이나 코팅 없이 더미 내로 포함될 수 없는 미세입자의 양이 증가한다.

이제 이해될 바와 같이, 도 1에 도시된 본 발명에 따른 생분해 공정은 유용한 액체 및 가스 연료 또는 합성연료로 생전환될 탄소질 물질에 대한 적당한 미생물의 접근을 보장하면서 큰 계외 바이오리액터를 형성하는데 유용하다. 나아가, 바람직한 실시태양에 의해 제공되는 증진된 액체 및 기체 흐름은 액체 탄화수소 연료, 예를 들어 합성 석유, 또는 기체 탄화수소 연료, 예를 들어 메탄의 제거를 용이하게 한다. 증진된 흐름은 또한, 미생물 및 영양분을 더미를 형성한 후 아무 때나 바이오리액터 내로 도입될 수 있게 한다. 도 1에서 도시되고 상기에서 설명된 바와 같이, 액체 및 기체의 도입 및 제거를 촉진시킬 수 있는 수단들이 더미 (30)의 바닥, 정상, 및 그에 걸쳐서 구비될 수 있다.

본 발명은 또한, 탄소질 물질을 합성연료로 호기적 및/또는 혐기적으로 분해하기 위한 매우 크고 표면적이 넓은 리액터를 얻을 수 있는 비용 효과적인 방식을 제공한다. 실제로, 본 발명의 방법 및 바이오리액터를 비용 효과적으로 하루에 수천톤의 오일 셰일 또는 오일 샌드를 처리하도록 확장하는 것이 가능하다. 본 발명의 전형적인 상업적 발전은 예를 들어, 하루에 10.000 톤 이상의 탄소질 물질을 총 백만톤 이상까지의 탄소질 물질의 더미 내로 적층하는 것을 수반할 수 있다. 본 발명의 방법 및 리액터를 매우 큰 규모로 비용 효과적으로 확장할 수 있는 능력은, 전환 공정이 느릴 것이고, 상당량의 탄소질 물질로부터 연료가를 추출하는 것이 세계의 석유 공급에 실질적인 영향을 주기 위해 필요할 것이기 때문에 중요하다. 이를 전망하자면, 예를 들어, 현재 미국에서 매일 수입되는 1천만 배럴의 오일의 약 1%를 대체하기 위해서는, 하루에 약 100,000 내지 400,000 톤의 오일 셰일로부터의 연료가를 추출하는 것이 필요할 것이다.

상기 이점들에 비추어 보면, 본 특허 문헌에 설명된 방법 및 바이오리액터 설계는 저급 화석 연료로부터 합성연료를 유도하는데 특히 잘 들어맞는다. 이는 본 발명의 방법 및 리액터를 이용하면, 그러한 화석 연료를 합성연료로 생분해하는데 필요할 긴 체류 시간 및 물질 1 톤당 농축된 이들 화석 연료 중의 에너지가를 고려할 때 필수적인 매우 크고 저비용의 공정으로 많은 양의 그러한 화석 연료를 처리하는 것이 가능하기 때문이다. 하지만, 오일 셰일, 오일 샌드, 이탄 및 저급 석탄은 지표에 보다 가까운 경향이 있기 때문에, 이들은 비교적 채굴하기에 저렴한 경향이 있을 것이며, 그에 따라 바이오리액터에 첨가되는 회수성 연료가에 비해 바이오리액터를 구축하는 비용을 비교적 낮게 유지할 것이다. 반면에, 보다 깊은 탄소질 암석의 퇴적층은 채굴하기에 보다 비용이 많이 들 것이고, 그로 인해, 채굴된 탄소질 암석이 보다 고급일 수 있음에도 불구하고, 공정의 경제성에 잠재적으로 부정적인 영향을 끼질 것이다.

본 발명의 잠재적 가치 및 그의 경제성을 고려하면, 본 발명에서 가공될 수 있는 저급 화석 연료들 중 일부에 대한 일부 주목할만한 사실들을 검토할 가치가 있다.

오일 셰일 - 전세계의 오일 셰일 자원은 2조 6천억 배럴 이상의 오일로 추정되며, 가장 큰 퇴적층 중 하나는 미국에 위치해 있다. 따라서, 오일 셰일에 묶여 있는 오일 보존량은 공지된 석유 보존량을 수배 이상 적게 보이게 한다. 오일 셰일은 전형적으로 셰일 1 톤당 10 gal 이상의 오일을 함유하며, 미국의 많은 양의 셰일은 20 gal/톤 또는 30 gal/톤보다도 많은 양을 함유한다. 실제로, 미국의 그린 리버(Green River) 암층에는 셰일 1 톤당 적어도 25 gal의 오일을 함유하는 셰일 보존량 중에 7310억 배럴의 오일이 존재한다. 그러한 셰일이 톤당 5 달러 이하의 비용으로 가공될 수 있다면, 그 공정은 분명히 경제적일 것이다. 하지만, 광업에서의 더미 생침출(bioleaching) 기법에서 원석 1 톤을 가공하는 비용이 톤당 2 달러 내지 5달러 범위라는 것을 고려하면, 셰일을 톤당 5달러 이하의 비용으로 가공하는 것은 매우 실현가능하다.

오일 샌드 - 세계의 오일 샌드는 지각 중에서 가장 많은 액체 탄화수소 축적물을 함유한다. 흔히 타르 샌드 및 역청 샌드로 불리는 오일 샌드는 아스팔트 오일로 불리는 고점도 석유 물질을 함유한다. 세계에서 가장 큰 오일 샌드 보존량은 캐나다의 알버타에 위치하며, 1조 배럴 이상의 오일을 함유하는 것으로 추정된다. 남아메리카에 있는 다른 오일 샌드 퇴적층은 6920억 배럴의 오일을 함유하는 것으로 알려져 있다. 오일 샌드는 전형적으로 톤당 0.5 내지 1 배럴의 오일을 함유한다.

저급 석탄 - 미국은 저급 석탄, 예를 들어 갈탄 및 이탄 뿐 아니라, 기타 부식질 물질들의 상당한 보존량을 갖고 있다. 뿐만 아니라, 미국은 세계에서 가장 큰 이탄 보존량을 갖고 있다. 이탄은 영구적으로 습기가 높으며(최소 75%), 이는 전형적으로, 다른 공정에서 연소되기 전에 건조될 것을 필요로 한다. 하지만, 이탄은 먼저 건조시키지 않고 본 공정에서 사용될 수 있으며, 그에 따라 이 자원을 가공하는데 있어서 많은 돈을 절약할 수 있다.

고유황 석유 및 석탄 - 이산화황 배출에 대한 환경 규제로 인해, 이들 화석 연료들은 적합한 오염 제어 시스템이 있는 발전소에서만 연소될 수 있거나, 황이 연료를 연소시키기 전에 제거되어야 한다. 하지만, 본 발명에서는 고유황 화석 연료가 쉽게 가공될 수 있다.

타르 샌드 또는 오일 샌드 및 오일 셰일로부터 액체 탄화수소 연료를 제조하고 회수하기 위한 바람직한 실시태양이 제공된다. 타르 또는 오일 샌드 및 오일 셰일은 많은 양의 탄화수소를 함유한다. 일부 탄화수소는 승온 하에서 물로 세척되고 제거될 수 있다. 뿐만 아니라, 이러한 탄화수소의 호기적 미생물 발효의 생성물은 탄화수소의 제거를 도울 것이다. 예를 들어, 아르트로박터 속의 미생물, 바실루스 코리네박테리움, 슈도미나스 및 상기 표 1에 열거된 다른 미생물들이 이러한 탄화수소 공급원인 샌드 및 셰일의 표면 상에 보유된 오일을 뽑아내는 것을 보조할 계면활성제 및 용매를 제조한다.

이러한 미생물적으로 제조된 추출제 뿐 아니라, 미생물들은 파라핀성 탄화수소의 분자량을 감소시킬 수 있으며, 그에 따라 그의 점도를 낮출 수 있다. 그리고 나서, 얻어진 저점도 오일이 물 흐름에 의해 샌드 및 셰일로부터 보다 쉽게 제거될 수 있다.

따라서, 오일을 동원(mobilize)하는 생물학적인 공정은 오일 샌드 또는 오일 셰일 내에 함유된 오일의 추출을 증진시키는 방식이다. 광물로부터 탄화수소 상당물을 분리하는데 유용한 추출제를 제조하는 것 뿐 아니라, 미생물은 탄화수소를 저분자량 석유 오일로 전환한다. 나아가, 추출제를 제조하고 오일의 점도를 낮추는데 사용되는 호기성 미생물은 추가의 생분해를 통해 작은 유기 분자들을 제조하고, 이는 후속적으로 메탄생성 미생물에 의해 소모되고, 메탄 및 이산화탄소로 전환될 수 있다. 배양 수집물로부터 이용가능한 미생물이 사용될 수 있지만, 탄화수소 부위로부터 단리된 야생형 미생물 자체가 더미 배양액에 포함되기에 가장 유용할 것이다.

방출된 오일은 후속적으로, 호기적 발효로부터의 브로쓰를 사용하여 더미 중 광물로부터 추출될 수 있다. 상기에서 설명한 바와 같이, 오일 동원 박테리아는 응집 오일 샌드 더미에 첨가될 수 있거나, 더미로서의 오일 셰일이 형성되거나 그 후 곧 형성될 수 있다. 공정의 이러한 호기적 부분은 중탄화수소 및 타르를 제거성 오일로 점도 감소시키고 동원하는 것을 개시하며, 이들은 더미 입자들을 통한 액체 흐름에 의해 더미 밖으로 나오고, 액체 수집 시스템 (32) 내로 용리되며, 그 후 오일/물 분리기 (37)로 공급되고, 분리된 오일은 탱크 (25)에 수집된다.

더미가 덮히거나 밀봉된 후, 공정은 이산화탄소로 바이오리액터 (20)을 스위핑하거나 호기성 미생물이 포획된 산소를 소모하도록 함으로써 혐기적 환경으로 전환될 수 있다. 혐기성 미생물은 계면활성제 및 용매를 제조함으로써 오일을 여전히 동원할 수 있으므로, 오일 제거 공정은 여전히 계속될 수 있다.

더미가 혐기적으로 됨에 따라, 메탄생성 미생물은 관주 시스템 (34)를 통해 더미 (30) 내로 도입되어 메탄을 생성하기 시작한다. 이러한 엄격하게 혐기적인 미생물은 배양 수집물을 통해 얻어질 수 있으며, 이들 중 일부는 표 2에 열거되어 있다. 배양 수집물로부터 메탄생성 미생물을 얻는 것 뿐 아니라, 혼합된 배양액은 이탄 늪, 하수 처리시설, 논, 및 반추동물의 소장관으로부터 혐기적 조건 하에 단리될 수 있다. 본 공정의 이 부분에서, 공정의 호기적 부분에 의해 제조된 유기 화합물 및 잔류 탄화수소는 메탄으로 전환된다. 뿐만 아니라, 공정의 이 부분 동안, 산소 수준 및 다른 파라미터, 예를 들어 온도, pH, 용액 화학, 술페이트 수준, 및 독성 금속이 센서 (35) 또는 상기 논의된 다른 수단을 사용하여 모니터링되어야 한다. 기체 전달 시스템 (60) 및 관주 시스템 (34)를 통해 더미로의 기체 및 액체 흐름을 제어함으로써, 더미 환경 조건에 대한 조정이 이루어질 수 있다.

이 공정의 혐기상은 공정의 호기상보다 더 오래 걸릴 것이다. 나아가, 바이오리액터를 이루는 입자들 상의 표면 탄화수소는 가장 빠르게 오일 및 메탄으로 전환될 것이다. 공정의 후반에는, 미생물이 입자 내의 보다 많은 포매된 탄화수소를 소비할 것이다. 메탄 생성의 총 시간 및 속도는 입자의 크기, 분포 및 탄소질 물질의 생분해성의 함수일 것이다. 예를 들어, 대부분의 석탄은 메탄으로 혐기적으로 생분해될 것이지만, 속도가 매우 느리다. 저급 석탄으로 이루어진 고체 지지체는 메탄으로 전환될 때까지 수년이 걸릴 수 있다. 고체 석탄 지지체 상에 코팅된 타르 샌드 층은 공정의 첫 번째 해 내에 액체 오일 및 메탄으로 전환될 수 있다. 석탄 지지체 상에 코팅된 바이오매스 또는 농업 폐기물 층은 수개월 안에 메탄으로 전환될 수 있다. 보다 취약한 유기 물질의 바깥 층 상에서의 미생물의 빠른 성장은 모든 고체 지지체 입자들에 걸쳐서 활발하게 성장하는 미생물의 두꺼운 코팅을 빠르게 발생시키는 것을 가속화함으로써 보다 저항성인 고체 지지체의 생분해를 촉진할 것이다.

바깥층이 분해되고, 대부분의 용이하게 접근가능한 탄화수소가 오일 또는 메탄으로 전환된 후에는, 더미 내에서 공극 공간 및 우수한 흐름 특성을 위한 필요는 감소된다. 그러므로, 새로운 더미 바이오리액터가 대부분의 바깥의 연질 물질을 소비한 이전 더미 바이오리액터의 정상 위에 구축될 수 있다. 이 시점에서, 메탄 생성 주기의 느린 부분 중의 이전 더미는 추가 중량의 다른 더미 또는 그의 정상 위에 구축된 융기부(lift)를 보다 잘 수용할 수 있다.

하기의 전조적인 실시예들은 본 발명을 추가로 정의하는 것이지만, 본 발명을 설명되는 실시예들로 제한하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 예를 들어, 하기에 설명된 구체적인 실시예들은 오일 셰일, 오일 샌드, 석탄 및 이탄을 생분해하는 것에 관한 것이다. 하지만, 상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 장치 및 방법은 모든 유형의 생분해성 탄소질 물질을 생분해하는데 사용될 수 있다.

실시예 1

본 실시예에서는, 오일 셰일과 같은 고체 탄화수소 함유 물질을 더미 바이오리액터 (20) 중에 사용하여 오일과 메탄 모두를 제조하였다. 오일 셰일을 채굴하고, 5 cm 미만의 크기로 파쇄하였고, 평균 크기 분획은 약 3 cm이었다. 도 5에 도시된 바와 같이, 크기가 약 1 cm인 작은 크기 분획을 약 3 cm의 큰 입자로 응집시켰다. 중합체성 또는 포틀랜드 시멘트 결합제 (42)를 사용하여 안정한 응집체를 형성하는 것을 도울 수 있다. 타르 또는 고점도 오일과 같은 탄화수소 공급원이 적합한 응집 보조제로서 작용할 수 있으며, 응집체의 표면 상에 코팅될 수 있는 것으로 인식된다. 미세입자를 처리하는 다른 방식은 이들을 더미 공정으로부터 모두 함께 제거하는 것이다. 추가로 분쇄하고 부유시킴으로써, 후에 응집되거나 파쇄되고 크기 분리된 고체 물질 상에 다시 코팅될 수 있는 고급 탄화수소를 형성하는데 사용될 수 있다. 다르게는, 미세입자 분획을 건류와 같은 통상적인 고온 공정으로 가공할 수 있다.

입자의 크기는 비용과 오일 및 가스 생산 속도를 절충하여 선택한다. 1 내지 3 cm의 작은 크기 범위가 오일 및 메탄 생산 속도를 더 빠르게 할 것이다. 3 내지 5 cm의 큰 크기 범위는 파쇄하는데 비용이 덜 들고, 제거되거나 응집될 필요가 있을 미세입자를 덜 생산할 것이다. 혼합물 또는 1 cm 내지 5 cm의 큰 크기 범위는 보다 긴밀하게 패킹할 것이고, 기체 및 액체 흐름을 제한할 것이다. 두 크기 분획(1-3 cm 및 3-5 cm)을 합치는 것보다 이들을 2개의 별도의 더미 또는 융기부로 적층하는 것이 더 나을 것이다. 그러므로, 각각의 크기 또는 크기 범위를 시험하여 유기 탄소 및 탄화수소 분해 및 추출 및 메탄 생성의 상대 속도를 측정하는 것이 유리하다. 이는 상업적인 규모로 가공될 각 유형의 탄화수소 광물에 대한 소규모 실험실 시험으로 수행될 수 있다. 이러한 유형의 시험은 시간에 따른 오일 및 메탄 생성의 속도를 측정할 것이다. 시험에 사용된 미생물 및 환경 조건, 예를 들어 온도, pH 및 영양분 또한 속도에 영향을 줄 것이다.

응집체가 만들어짐에 따라, 또는 더미가 적층됨에 따라, 탄화수소 분해 미생물 공동체가 더미에 첨가된다. 공동체는 더미 공정에서 처리되는 유형의 탄화수소를 분해하는 것으로 알려진 호기성 및 조건적 혐기성 미생물의 혼합 배양액이어야 한다. 보다 구체적으로, 혼합된 배양액은 더미 중 처리될 탄화수소 공급원에 대해 공급되도록 채택되어야 한다. 석유 오일의 탄화수소 분해를 위한 미생물을 단리하고 채택하는 방법은 일반적으로 미생물에 대한 당업자에게 알려져 있다. 한 가지 미생물 채택 방법은 이께다(Ideda) 등의 미국 특허 No. 5,919,696에 교시되어 있으며, 이는 참고문헌으로서 본원에 포함되어 있다.

더미는 적층되는 동안 호기적일 것이다. 각각 기체 전달 시스템 (60) 및 액체 수집 시스템 (32) 중에 있는 천공 파이프 (31 및 76)을 먼저 내려 놓고, 암석으 로 덮거나 직접 더미 입자들로 덮는다. 더미가 보다 높게 적층됨에 따라, 관개 시스템 (34) 및 기체 수집 시스템 (33)이 더미 중에 위치된다. 이들은 더미의 정상부 및 중간부에 있을 수 있다. 센서 (35)가 더미 (30)에 첨가되어 공정 파라미터, 예를 들어 온도, 산소 농도, 압력 및 pH를 모니터링할 수 있고, 제어기(본원에는 도시되지 않았음)에 탐지된 정보를 전송할 수 있다.

공정의 호기상에서, 미생물이 탄화수소 상에 공급되어 오일 셰일 중에 함유된 석유를 뽑아내고 동원하는 것을 돕는 생체계면활성제, 용매 및 열을 생성한다. 뿐만 아니라, 미생물은 셰일 중에 함유된 오일의 점도를 감소시키는 점성 탄화수소로의 화학적 변화를 야기한다. 이러한 오일은 더미의 하부로 이동하여 액체 수집 시스템 (32)에 의해 제거된다. 물 또한 운반자로서 사용되어, 적층 입자들로부터 오일을 스위핑하는 것을 도울 수 있다. 그리고 나서, 수용액 및 오일이 오일/물 분리기 (37)에 수집되고, 여기서 오일은 수용액으로부터 분리되고 나서, 보관을 위해 탱크 (25)로 제공될 수 있다. 그 후, 분리된 물은 관주 시스템 (34)를 통해 더미 내로 다시 순환될 수 있다. 다르게는, 물은 폐기물로서 제거될 수 있다.

호기적 공정은 더미가 적층되거나, 불투과성 라이너 (36), 예를 들어 점토 캡 또는 플라스틱 라이너로 덮힌 후에 계속될 수 있다. 시간의 길이는 처리되는 물질 및 액체 오일 대 메탄의 경제적 가치에 따라 달라질 것이다. 공정은 더미 내로 구축된 기체 전달 시스템 (60)을 통해 공기의 흐름을 차단시키거나, 산소가 적은(1.0% 미만) 기체 혼합물로 더미를 스위핑함으로써, 호기적 공정으로부터 혐기적 공정으로 변화된다. 가능한 기체 혼합물은 질소 및 이산화탄소일 수 있다. 호기 성 미생물은 고분자량 탄화수소를 보다 작은 분자들로 분해할 것이다. 이는 혐기적 공정 동안 메탄 생성의 개시를 도울 것이다. 하지만, 호기적 공정은 탄화수소를 항상 이산화탄소, 물 및 열로 분해함으로써 탄화수소 연료의 에너지 잠재력의 보다 많은 부분을 소모할 것이다. 경제성으로부터 더미를 보다 빠른 호기적 공정으로부터 보다 느린 혐기적 메탄 생성 공정으로 전환하는 최적의 시간이 결정될 것이다.

산소 수준의 조심스러운 제어는 황화수소 생성 없이 메탄 생성을 최적화하는 것을 필요로 할 수 있다. 술페이트 환원 박테리아는 혐기성 미생물을 발효시킴으로써 생산되는 아세테이트, 지방산 및 수소에 대해 메탄생성 미생물과 경쟁할 것이다. 술페이트 환원 박테리아는 황화수소를 제조하지만, 메탄을 제조하지는 않을 것이며, 그에 따라 공정의 효율성이 감소될 것이다.

엄격하게 혐기성인 메탄생성 미생물은, 공정의 호기성 부분을 견딜 수 없을 수 있기 때문에 혐기적으로 된 후, 더미로 공급될 필요가 있을 수 있다. 이러한 메탄생성 미생물은, 혐기적 방식으로 작동하는 기존의 더미가 활발하게 성장하는 채택된 미생물의 공급원이기 때문에 그러한 더미로부터 얻어질 수 있다. 혐기상 동안 액체 오일은 여전히 제조되고 수집될 수 있다. 메탄 가스는 대부분의 이용가능한 탄화수소가 액체 석유/오일 또는 메탄으로 전환될 때까지 생산된다. 시간은 입자의 크기 또는 가공되는 셰일의 파쇄 크기에 따라 달라질 것이다. 5 cm보다 작은 파쇄 크기는 제조하기에 비용이 더 들 것이지만, 오일 및 메탄을 보다 빠르게 제조할 것이다. 실험 및 경제적 분석은 특정 셰일에 대해 최적의 파쇄 크기를 결 정할 수 있다.

<실시예 2>

본 실시예에서 탄화수소 공급원은 오일 샌드이다. 이 물질은 또한 타르 샌드로 불리며, 오일 셰일과 유사한 역청을 함유한다. 캐나다 알버타는 세계에서 가장 큰 오일 샌드 퇴적층 중 세 곳을 갖고 있으며, 이들은 줄잡아서 1조 배럴을 넘는 것으로 추정된다. 역청은 오일 샌드의 약 10-12%를 구성한다. 나머지는 80-85%가 모래 및 점토 광물이고, 4-6%는 물이다. 이들 퇴적층 중 약 10%만이 통상적인 열수 추출 또는 부유 농축 기법으로 회수가능한 것으로 여겨지고 있다. 이러한 비생물학적 추출 공정은 알칼리성 찌꺼기 중에 약 25%의 역청을 남긴다.

본 실시예에서는, 오일 샌드 물질을 크기가 약 1 내지 3 cm인 작은 펠렛 또는 입자들로 응집시킨다. 생물학적 처리된 입자의 크기는 미생물이 중질 오일(heavy oil)의 점도를 낮추고 입자로부터 그를 추출하는 속도에 기초하여 선택되어야 한다. 이는 실시예 1에서 행해진 바와 같이 실험실 실험으로 측정될 수 있다. 일반적으로, 작은 입자는 큰 입자보다 빠른 속도로 보다 많은 오일을 수득할 것이다. 하지만, 작은 입자는 보다 비용이 들고, 제조하기에 곤란할 수 있다.

적당한 입자 크기를 결정하는 것 뿐 아니라, 결합제의 적당한 양 및 유형이 광업계에서 공지된 기법을 사용하여 실험적으로 결정될 수 있다. 선택된 결합제는 응집 입자 (14)를 함께 보유하고, 더미의 중량을 견딜 수 있도록 충분히 강해야 한다. 하지만, 사용된 결합제의 양은 미생물의 침투 또는 오일의 추출이 방해되지 않도록 너무 많지 않아야 한다. 또한, 과량의 결합제를 사용하면 공정의 비용을 증가시킬 것이다. 적합한 결합제에는 예를 들어, 포틀랜드 시멘트 및 중합체가 포함된다. 역청의 부유 농축물은 또한, 입자로 응집되거나, 입자의 바깥 표면 상에 코팅될 수 있다. 사용된 시멘트의 양은 전형적으로는, 약 1 내지 3% 범위일 것이다.

응집 입자 (14)에 역청의 점도를 감소시킬 수 있고, 그를 저분자량 오일로 전환시킬 수 있는 채택된 미생물 공동체를 접종한다. 이 공동체는 오일을 뽑는데 도움이 되는 계면활성 용매 및 열을 생산하는 것으로 알려진 호기성 미생물 및 조건적 혐기성 미생물의 혼합 배양액이어야 한다. 혼합 배양액은 또한, 호기적 탄화수소 분해에 의해 방출되는 열로부터 야기되는 고온에서도 생존할 수 있는 호열성 미생물을 함유해야 한다. 더미는, 오일 추출을 보조할 것이기 때문에 생성된 열을 보존하도록 설계되고 작동되어야 한다.

더미는 실시예 1에서와 같이 호기적 공정으로 시작할 것이다. 기체 전달 시스템 (60), 관주 시스템 (34), 및 액체 수집 시스템 (32)가 더미 내로 구축되어 공정 기체 및 물을 주입하고, 추출된 오일 및 공정수를 함유하는 방류수를 수집할 수 있다. 더미가 더 높게 적층됨에 따라, 관주 시스템 (34) 및 기체 수집 시스템 (33)은 더미 중에 위치한다. 액체 수집 시스템 (32) 중에 수집된 공정수는 오일/물 분리기 (37)로부터 분리되고 나서, 관개 시스템 (34)를 통해 재주입 및 재사용을 위해 재컨디셔닝된다. 재컨디셔닝 단계는 pH 조정 및 박테리아 성장을 지연시킬 수 있는 독성 물질의 제거를 포함할 수 있다. 또한, 새로운 미생물이 이 공정수에 첨가될 수 있다. 이들은 메탄 생성을 위한 엄격하게 혐기적으로 발효하는 메 탄생성 미생물일 수 있다.

관개 시스템 및 액체 수집 파이프 뿐 아니라, 더미는 기체 공급 및 제거 파이프 (31 및 68)로 구축된다. 공급 파이프 (31)은 더미 내의 산소 수준을 제어할 수 있는 기체 혼합물을 주입하는데 필요하다. 공정의 호기적 부분 동안, 산소 수준은 역청 분해 및 액체 오일로의 전환을 촉진하기 위해 1-10% 이상일 수 있다. 대부분의 회수성 오일이 제거된 후, 산소 수준은 감소되어 메탄 생성을 촉진한다. 나머지 오일 및 저분자량 유기 화합물 및 호기성 미생물 자체는 혐기적 발효 미생물에 의해 빠르게 아세테이트 및 다른 1 또는 2종의 탄소 화합물로 전환된다. 혐기적 메탄생성 박테리아는 그 후, 이들 화합물들을 메탄으로 전환시키고, 메탄은 기체 수집 시스템 (33)을 통해 수집된다.

그리고 나서, 공정은 발효 미생물 및 메탄생성 미생물의 혐기성 공동체가 계속해서 고분자량 역청 또는 다른 유기 탄화수소 공급원을 분해함에 따라 보다 천천히 진행된다. 이러한 느린 공정은 수년 동안 계속될 수 있다. 생성된 가스는 메탄 및 이산화탄소의 혼합물을 함유할 것이다. 보다 고도로 농축된 메탄 가스는 분리기 (39)를 이용하여 기체 혼합물로부터 이산화탄소를 제거함에 따라 제조될 수 있다. 정제된 메탄 가스는 천연 가스로서 판매될 수 있다. 다르게는, 파이프 (70) 중에 농도가 아직 충분하지 않다면, 가스는 전력 발전기 (45) 중에서 연소될만큼 충분히 클리닝되어 열 및/또는 전기를 공급할 수 있다.

실시예 3

미국 및 세계의 다른 국가들은 막대한 양의 채굴가능한 석탄을 갖고 있다. 불행하게도, 이들 석탄 공급원 중 많은 것들은 저급이거나, 황 또는 회분이 높고, 환경적인 이유로 전력 발전용으로 유용하지 않다. 보다 엄격해진 대기 환경 요건은 많은 이러한 석탄 자원들의 유용성을 감소시켰다. 대부분의 새로운 전력 발전소는 보다 청정한 연소용 천연 가스를 사용하도록 설계되고 있다.

본 실시예에서는, 파쇄되고 크기 분리된 석탄의 큰 계외 더미 (30)에서 석탄을 메탄으로 혐기적으로 생물학적 전환함으로써 저급 석탄을 보다 청정한 연소용 메탄 가스로 전환한다. 고체 상태의 석탄 및 그의 복잡한 화학적 구조는 메탄으로 미생물적으로 전환하는 것을 느리게 만든다. 따라서, 발효 미생물 및 메탄생성 미생물을 접종하는 것 뿐 아니라, 우수한 영양분 및 성장 기질 공급원이 또한, 석탄과 합해져야 한다. 기재, 영양분 및 미생물이 더미 (30) 내로 적층됨에 따라 혼합되거나, 응집되거나, 석탄 입자들 상에 코팅될 수 있다. 일부 우수한 성장 기질 물질의 공급원은 에탄올 발효로부터의 바이오매스, 자치단체 폐기물 슬러지, 및 농업 폐기물이다. 이들은 미생물 성장을 위한 유기 물질을 제공하고, 산소를 소비함으로써 더미를 혐기적으로 만드는 것을 또한 도울 것이다. 보다 용이하게 분해된 유기 물질은 모든 석탄 입자들을 덮을 다량의 미생물들의 성장을 촉진할 것이다.

석탄 입자들의 크기 범위는 크기 또는 표면적 대 부피의 함수로서의 석탄의 메탄으로의 전환 속도를 측정함으로써 실험실 시험으로 결정될 것이다. 이러한 시험을 수행하는 한 가지 방법은, 각각 풍부한 영양분 및 미생물 배양액과 혼합된 상이한 크기범위를 각각 함유하는 다수의 컬럼들을 세팅하는 것이다. 컬럼들은 혐기적으로 유지되고, 생성된 메탄의 양이 측정된다. 컬럼 뿐 아니라, 작은 교반 반응 기가 사용되어 매우 높은 표면적 대 부피 비로 생물학적 메탄 생성의 속도를 측정할 수 있으며, 그 후 큰 규모의 공정에 사용할 수 있다. 이러한 실험실 시험으로부터의 결과는 그 후, 큰 규모 분야의 더미에 대한 메탄 생성의 속도를 추정하는데 사용될 수 있다.

이러한 시험 유형은 pH, 온도, 및 큰 상업적 작업을 모델링하고 제어하는데 사용될 다른 환경 조건의 최적화를 가능케 할 것이다. 시스템의 모델은 또한, 메탄 생성의 속도를 예측하고 제어하는데 유용할 수 있다. 상이한 크기 범위의 몇 가지 더미들이 예상 메탄 수요를 충족시키도록 생산 속도를 구성하는 방법으로서, 상이한 속도로 메탄을 생산하도록 구축될 수 있다.

본 실시예에서는, 큰 더미가 가스 연소 발전소로 전환하는 공정 중인 구형 석탄 연소 발전소 근처에 건설될 수 있다. 더 이상 대기 환경 방출 기준을 만족하지 못하는 발전소 내로 유입된 석탄은 실험적으로 결정된 크기로 파쇄되고, 그 후, 상이한 크기 범위의 하나 이상의 더미 또는 융기부에 대해 크기 분리될 수 있다. 가장 미세한 크기 범위는 다른 더미 중에 응집되고 적층될 수 있다. 각각의 더미 또는 융기부는 가스 연소 터빈 전기 발전기에 공급될 수 있는 메탄을 생산하기 시작할 것이다. 보다 청정한 연소용 석탄은 계속해서 기존의 석탄 연소 발전소로부터 전기력을 생성하는데 사용될 수 있다. 이러한 방식으로 설비는 계속해서 전에 생산하였던 만큼의 전력을 생산할 수 있고, 방출을 감소시킬 수 있다. 이러한 유형의 변경는 많은 기존의 설비들을 이용할 것이다.

실시예 4

이탄 늪은 세계의 토양 탄소 보존량의 약 30%를 담고 있다. 이탄의 천연 생분해는 지구 메탄 방출의 3 내지 7%를 차지한다. 이탄은 초기 석탄이고, 미국은 세계에서 두 번째로 가장 많은 이탄 자원을 갖고 있다. 미국 이탄 자원 중에 함유된 전체 에너지는 약 2400억 배럴의 오일에 상당하는 것으로 추정된다. 이는 나라에 걸쳐 골고루 분포되어 있고, 표면에 있어 과도한 부담이 거의 또는 전혀 없다.

이탄 늪은 일반적으로 산성이고 무산소성이며, 메탄생성 미생물에 의한 메탄 생성이 주된 미생물 과정이다. 하지만, 이탄의 정상층에는 생산된 메탄의 많은 양을 소비하고, 그것을 이산화탄소 및 물로 산화하는 호메탄성 미생물이 함유되어 있다. 이탄 늪으로부터의 전체 메탄 방출량은 하루에 표면 1 제곱미터당 0.1 리터 미만이다.

이탄은 탈수되고 직접 연료로 연소될 수 있다. 탈수 비용을 포함하는 다수의 이유들로 인해, 이는 일반적으로 미국에서 수행되지 않지만, 세계의 다른 지역에서는 행해지고 있다. 본 실시예에서는, 이탄을 늪으로부터 제거하고, 작은 펠렛 또는 입자로 만들어 바이오리액터 내에 적층시킨다. 이탄의 높은 수 함량 및 그의 연질의 압축성 성질로 인해, 더미 내로 적층시키기 전에 압축성을 감소시키기 위해서 몇 가지 처리를 수행해야 한다. 물리적 성질을 변화시키는 것 뿐 아니라, 영양분 첨가, pH 조정 및 미생물 접종이 더미 바이오리액터가 형성되는 때에 있을 수 있다.

이탄 입자를 강화시키기 위해서, 결합제가 첨가될 수 있다 포틀랜드 시멘트는 결합 보조제로서 작용할 수 있으며, 이탄의 pH를 조정하는데 사용될 수 있다. 나아가, 중성 pH에서의 메탄생성 미생물들은 다양한 범위의 작은 유기 화합물들을 사용하여 메탄을 생산할 수 있다. 따라서, 메탄생성 미생물에 의한 메탄 생산의 실험실 시험은 pH, 영양분, 및 특히 이탄의 예에 대한 기타 환경 요건들의 함수로서 분석될 수 있다. 그리고 나서, 최적의 pH, 영양분, 및 기타 조건들이 응집 입자 (14)가 제조됨에 따라 조정될 수 있다. 다르게 말하면, 기타 물질 (15 및 17)은 입자 (14)로 응집되어 응집 입자 (14)의 최적 환경 및 강도를 형성하는 것을 도울 수 있다. 강도 및 pH 제어를 위해 시멘트 또는 카르보네이트 암석 뿐 아니라, 바이오매스 또는 농업 폐기물 또는 슬러지가 영양분 및 미생물을 제공하기 위해 첨가될 수 있다. 다르게는, 덜 압축성인 입자를 제공하기 위해서, 이탄이 다수의 고체 기재 (21), 예를 들어 석탄, 오일 셰일, 또는 암석 상에 코팅될 수 있다(도 3에 도시된 바와 같음).

얻어진 이탄 입자들은 앞서 설명한 바와 같이, 더미 (30) 내로 적층된다. 더미는 호기적 공정으로 시작하지만, 산소가 스위핑되거나 소비됨에 따라 혐기적 공정으로 변화할 것이다. 더미는 또한, 불투과성 기체 배리어 (36)으로 덮혀 원치 않는 산소의 도입을 막는다. 더미의 높이는 더미 입자들의 압축성 및 투과성에 의해 제한된다. 더미는 적층된 후 액체가 더미를 통해 침출되어 영양분, 미생물을 얻고, pH를 제어할 수 있도록 충분히 투과성으로 남아야 한다. 뿐만 아니라, 메탄이 제거되고, 산소 수준이 제어될 수 있도록 충분히 기체 투과성이어야 한다.

메탄 생성 속도는 복잡한 이탄 유기 물질을 아세테이트 및 다른 단순 유기 물질로 발효하는 미생물 능력에 따라 달라질 것이다. 이러한 단순 지방산 및 수소 및 이산화탄소는 메탄으로 전환될 수 있다. 메탄 생성 속도는 이탄 늪으로부터 생성된 메탄 속도보다 10배 이상 증가될 것으로 예상된다. 산성 이탄 늪은 하루에 이탄 1 톤당 6 내지 30 g의 메탄을 생성한다. 하지만, 본 실시예에 설명된 더미 바이오리액터 (20)은 하루에 이탄 1 톤당 300 g 넘는 양의 메탄올을 생성할 수 있을 것이다.

본 발명이 바람직한 실시태양 및 구체적인 실시예들을 참고로 하여 설명되었지만, 당업자는 본원에 설명된 방법 및 바이오리액터의 많은 변형 및 변경들이 하기 청구되는 바와 같은 본 발명의 범위 및 취지를 벗어나지 않으면서 가능하다는 것을 쉽게 이해할 것이다. 따라서, 본 설명은 단지 예시적인 것이며, 하기 청구되는 바와 같은 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것이 아니라는 것이 분명히 이해되어야 한다.

Claims (48)

1. 생분해성 탄소질 물질을 포함하는 입자로부터 적층 입상 바이오리액터를 형성하는 단계;

   바이오리액터 내에 혐기성 미생물을 유지시키는 환경을 형성하는 단계;

   적층 입상 바이오리액터 중 생분해성 탄소질 물질을 가스 연료로 혐기적으로 생물학적 전환시키는 단계; 및

   바이오리액터로부터 가스 연료를 수집하는 단계를 포함하는 적층 입상 바이오리액터를 이용하여 생분해성 탄소질 물질로부터 가스 연료를 제조하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 가스 연료가 메탄을 포함하는 것인 제조 방법.
3. 제1항에 있어서, 바이오리액터 내에 혐기적 환경을 형성하기 전에 적층 입상 바이오리액터를 호기적으로 생물학적 처리하는 단계를 추가로 포함하며, 호기적 생물학적 처리는 바이오리액터 중에서 탄소질 물질을 발효시키고/거나 탄소질 물질로부터 본래의 오일을 방출시키는 것인 제조 방법.
4. 제3항에 있어서, 적층 입상 바이오리액터로부터 오일을 수집하는 단계를 추가로 포함하는 제조 방법.
5. 제1항에 있어서, 혐기적 환경을 형성하는 단계가 적층 입상 바이오리액터를 아르곤, 질소, 이산화탄소, 암모니아 또는 수소 기체로 퍼징하는 것을 포함하는 제조 방법.
6. 제1항에 있어서, 입자들을 함께 응집시켜서 입자 크기가 0.3 cm 내지 2.54 cm 범위 내인 입자들을 형성하는 단계를 추가로 포함하는 제조 방법.
7. 제1항에 있어서, 입자 크기가 약 0.3 cm 이상인 다수의 기재들의 표면을 입자들로 코팅하는 단계를 추가로 포함하는 제조 방법.
8. 제1항에 있어서, 입자들을 2 이상의 크기 분획들로 스크리닝하고, 공극 부피가 약 15% 이상인 다수의 적층 입상 바이오리액터를 형성하는 단계를 추가로 포함하며, 여기서 각각의 바이오리액터는 분리된 크기 분획들 중 하나로부터의 입자들로 형성되는 것인 제조 방법.
9. 제8항에 있어서, 크기 분획들 중 하나는 미세입자 분획이고, 미세입자 분획 중 입자들을 응집시켜서 입자 크기가 0.3 cm 내지 2.54 cm 범위 내인 미립자들을 형성하는 단계를 추가로 포함하는 제조 방법.
10. 생분해성 탄소질 물질을 포함하는 입자들로부터 적층 입상 바이오리액터를 형성하는 단계;

    탄소질 물질을 발효시킬 수 있는 하나 이상의 호기성 및/또는 조건적 혐기성 미생물을 포함하는 배양액을 바이오리액터에 접종하는 단계;

    적층체 중에서 탄소질 물질을 호기적으로 발효시키는 단계;

    적층체로부터 합성 석유 및/또는 가스 연료를 수집하는 단계;

    적층체 내의 환경을 호기적 환경으로부터 혐기적 환경으로 전환시키는 단계;

    하나 이상의 혐기성 미생물을 포함하는 배양액을 적층체에 접종하는 단계;

    호기적으로 생물학적 처리된 적층체를 혐기적으로 생물학적 처리하여 합성 석유 및/또는 가스 연료를 제조하는 단계; 및

    혐기적으로 생물학적 처리된 적층체로부터 합성 석유 및/또는 가스 연료를 수집하는 단계를 포함하는 적층 입상 바이오리액터를 이용하여 생분해성 탄소질 물질을 합성 석유 및/또는 가스 연료로 전환시키는 방법.
11. 입자 크기가 약 0.3 cm 이상인 다수의 기재들의 표면을 유기 탄소질 물질로 코팅함으로써, 다수의 코팅 기재를 형성하는 단계;

    코팅된 기재를 가지며 공극 부피가 약 15% 이상인 적층 입상 바이오리액터를 형성하는 단계;

    적층 입상 바이오리액터 내에 혐기적 환경을 형성하는 단계;

    적층 입상 바이오리액터 내에서 원하는 양의 유기 탄소질 물질이 가스 연료로 전환될 때까지 적층 입상 바이오리액터를 혐기적으로 생물학적 처리하는 단계; 및

    적층 입상 바이오리액터로부터 가스 연료를 수집하는 단계를 포함하는 적층 입상 바이오리액터를 이용하여 유기 탄소질 물질을 연료로 생물학적으로 전환시키는 방법.
12. 제11항에 있어서, 합성 석유가 바이오리액터로부터 방류됨에 따라 적층 입상 바이오리액터로부터 합성 석유를 수집하는 단계를 추가로 포함하는 것인 전환 방법.
13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 다수의 기재들이 오일 셰일, 석탄, 암석, 아스팔트, 고무, 및 식물 폐기물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 물질을 포함하는 것인 전환 방법.
14. 제13항에 있어서, 다수의 기재들이 수피, 옥수수 속대, 견과류 껍질, 목재 부산물, 및 작물 부산물로 이루어진 군으로부터 선택되는 식물 폐기물을 포함하는 것인 전환 방법.
15. 제11항 또는 제12항에 있어서, 기재 상에 코팅된 유기 탄소질 물질이 오일 샌드, 오일 셰일, 아스팔트 오일, 폐유, 역청, 타르, 피치, 케로겐, 석탄 및 농업 폐기물로 이루어진 군으로부터 선택되는 유기 탄소질 물질을 포함하는 것인 전환 방법.
16. 제15항에 있어서, 기재 상에 코팅된 유기 탄소질 물질이 농업 폐기물을 포함하는 것인 전환 방법.
17. 제16항에 있어서, 농업 폐기물이 두엄, 과일 폐기물, 짚, 발효 폐기물, 및 미세분말 식물 폐기물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 전환 방법.
18. 제15항에 있어서, 기재 상에 코팅된 유기 탄소질 물질은 석탄을 포함하고, 석탄은 역청탄 이하의 변성 등급을 갖는 것인 전환 방법.
19. 제15항에 있어서, 기재 상에 코팅된 유기 탄소질 물질은 석탄을 포함하고, 석탄은 이탄 이하의 변성 등급을 갖는 것인 전환 방법.
20. 제15항에 있어서, 유기 탄소질 물질이 오일 셰일로부터 만들어진 농축물인 전환 방법.
21. 제11항에 있어서, 적층 입상 바이오리액터를 기체 불투과성 배리어로 덮는 단계를 추가로 포함하는 전환 방법.
22. 제21항에 있어서, 기체 불투과성 배리어가 점토 배리어층 또는 플라스틱 배리어로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 전환 방법.
23. 제11항에 있어서, 혐기적 환경을 형성하는 단계가 적층 입상 바이오리액터를 아르곤, 질소, 이산화탄소, 암모니아 또는 수소 기체로 퍼징하는 것을 추가로 포함하는 것인 전환 방법.
24. 제11항에 있어서, 바이오리액터 내에 혐기적 환경을 형성하기 전에 하나 이상의 호기성 및/또는 조건적 혐기성 미생물 및 바이오리액터 중에서 호기적으로 발효하는 유기 탄소질 물질을 포함하는 배양액을 적층 입상 바이오리액터에 접종하는 단계를 추가로 포함하는 전환 방법.
25. 제24항에 있어서, 호기적 발효의 적어도 일부 동안에 바이오리액터를 통기시키는 것을 추가로 포함하는 전환 방법.
26. 제24항에 있어서, 혐기적 환경을 형성하는 단계가 호기적 발효를 통해 적층 입상 바이오리액터 내의 산소 농도를 감소시키는 것을 포함하는 전환 방법.
27. 제11항에 있어서, 가스 연료가 메탄을 포함하는 것인 전환 방법.
28. 유기 탄소질 물질을 응집 보조제와 함께 포함하는 입자들을 입자 크기가 약 0.3 cm 이상인 다수의 응집체들로 응집시키는 단계;

    응집체를 가지며 공극 부피가 약 15% 이상인 적층 입상 바이오리액터를 형성하는 단계;

    적층 입상 바이오리액터 내에 혐기적 환경을 형성하는 단계;

    적층 입상 바이오리액터 내에서 원하는 양의 유기 탄소질 물질이 가스 연료로 전환될 때까지 적층 입상 바이오리액터를 혐기적으로 생물학적 처리하는 단계; 및

    적층 입상 바이오리액터로부터 가스 연료를 수집하는 단계를 포함하는 적층 입상 바이오리액터를 이용하여 유기 탄소질 물질을 연료로 생물학적으로 전환하는 방법.
29. 제28항에 있어서, 합성 석유가 바이오리액터로부터 방류됨에 따라 적층 입상 바이오리액터로부터 합성 석유를 수집하는 단계를 추가로 포함하는 전환 방법.
30. 제28항 또는 제28항에 있어서, 입자들이 오일 샌드, 탄소질 암석, 아스팔트, 고무, 및 농업 폐기물로 이루어진 군으로부터 선택되는 유기 탄소질 물질을 포함하는 것인 전환 방법.
31. 제30항에 있어서, 입자들이 농업 폐기물을 포함하고, 농업 폐기물은 수피, 옥수수 속대, 견과류 껍질, 목재 부산물, 및 작물 부산물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 식물 폐기물을 포함하는 것인 전환 방법.
32. 제31항에 있어서, 입자들이 탄소질 암석을 포함하고, 탄소질 암석은 석탄 또는 오일 셰일을 포함하는 것인 전환 방법.
33. 제32항에 있어서, 탄소질 암석이 역청탄 이하의 변성 등급을 갖는 석탄을 포함하는 것인 전환 방법.
34. 제32항에 있어서, 탄소질 암석이 이탄 이하의 변성 등급을 갖는 석탄을 포함하는 것인 전환 방법.
35. 제28항에 있어서, 적층 입상 바이오리액터를 기체 불투과성 배리어로 덮는 단계를 추가로 포함하는 전환 방법.
36. 제28항에 있어서, 바이오리액터 내에 혐기적 환경을 형성하기 전에 하나 이상의 호기성 및/또는 조건적 혐기성 미생물 및 바이오리액터 중에서 호기적으로 발효하는 유기 탄소질 물질을 포함하는 배양액을 적층 입상 바이오리액터에 접종하는 단계를 추가로 포함하는 전환 방법.
37. 제36항에 있어서, 혐기적 환경을 형성하는 단계가 호기적 발효를 통해 적층 입상 바이오리액터 내의 산소 농도를 감소시키는 것을 포함하는 전환 방법.
38. 제28항에 있어서, 다수의 응집체들을 아스팔트 오일, 폐유, 역청, 타르, 피치 및 케로겐으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 물질로 코팅하는 단계를 추가로 포함하는 전환 방법.
39. 입자 크기가 약 5.0 cm 미만인 고체 탄소질 유기 물질의 입자들을 제공하는 단계;

    입자들을 2 이상의 크기 분획들로 스크리닝하는 단계;

    공극 부피가 약 15% 이상이고, 각각 분리된 크기 분획들 중 하나로부터의 입자들로 형성된 다수의 적층 입상 바이오리액터들을 형성하는 단계;

    각각의 적층 입상 바이오리액터 내에 혐기적 환경을 형성하는 단계;

    적층 입상 바이오리액터 내에서 원하는 양의 유기 탄소질 물질이 가스 연료로 전환될 때까지 각각의 적층 입상 바이오리액터를 혐기적으로 생물학적 처리하는 단계; 및

    각각의 적층 입상 바이오리액터로부터 가스 연료를 수집하는 단계를 포함하는 적층 입상 바이오리액터를 이용하여 유기 탄소질 물질을 연료로 생물학적으로 전환하는 방법.
40. 제39항에 있어서, 적층 입상 바이오리액터로부터 합성 석유를 수집하는 단계를 추가로 포함하는 전환 방법.
41. 제39항 또는 제40항에 있어서, 입자들이 오일 샌드, 탄소질 암석, 아스팔트, 고무, 및 농업 폐기물로 이루어진 군으로부터 선택되는 고체 유기 탄소질 물질을 포함하는 것인 전환 방법.
42. 제41항에 있어서, 입자들이 농업 폐기물을 포함하고, 농업 폐기물은 수피, 옥수수 속대, 견과류 껍질, 목재 부산물, 및 작물 부산물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 식물 폐기물을 포함하는 것인 전환 방법.
43. 제41항에 있어서, 입자들이 탄소질 암석을 포함하고, 탄소질 암석은 석탄 또는 오일 셰일을 포함하는 것인 전환 방법.
44. 제39항에 있어서, 각각의 적층 입상 바이오리액터를 기체 불투과성 배리어로 덮는 단계를 추가로 포함하는 전환 방법.
45. 제39항에 있어서, 혐기적 환경을 형성하는 단계가 적층 입상 바이오리액터를 질소, 이산화탄소, 암모니아 또는 수소 기체로 퍼징하는 것을 포함하는 전환 방법.
46. 제39항에 있어서, 바이오리액터 내에 혐기적 환경을 형성하기 전에 하나 이상의 호기성 및/또는 조건적 혐기성 미생물 및 각각의 바이오리액터 중에서 호기적으로 발효하는 유기 탄소질 물질을 포함하는 배양액을 각각의 적층 입상 바이오리액터에 접종하는 단계를 추가로 포함하는 전환 방법.
47. 제39항에 있어서, 아스팔트 오일, 폐유, 역청, 타르, 피치 및 케로겐으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 물질을 하나 이상의 적층 입상 바이오리액터에 첨가하는 단계를 추가로 포함하는 전환 방법.
48. 생분해성 탄소질 물질을 포함하고, 적층되어 공극 부피가 약 15% 이상인 더미를 형성하는 다수의 입자들;

    기체를 더미에 소통시키기 위한 수단;

    수용액을 더미에 소통시키기 위한 수단;

    기체를 더미로부터 소통시키기 위한 수단;

    더미로부터 방류되는 액체를 수집하기 위한 수단;

    더미를 덮는 기체 불투과성 배리어; 및

    더미 내에서 생분해성 탄소질 물질을 합성연료로 생분해할 수 있는 더미 내의 미생물 공동체(consortium)를 포함하는, 생분해성 탄소질 물질을 연료로 전환하기 위한 바이오리액터.

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