KR20090132254A

KR20090132254A - 음식물쓰레기를 이용한 메탄 생산방법

Info

Publication number: KR20090132254A
Application number: KR1020080058431A
Authority: KR
Inventors: 문희천; 송일석; 최시림; 김동기; 박익범; 허종원; 김종찬; 박용출
Original assignee: 경기도(보건환경연구원)
Priority date: 2008-06-20
Filing date: 2008-06-20
Publication date: 2009-12-30
Also published as: KR100973349B1

Abstract

본 발명은 음식물쓰레기를 이용한 메탄 생산방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 메탄 생산방법에 있어서, 음식물쓰레기를 효소 가수분해하여 가수분해액을 얻는 단계(S10); 상기 가수분해액을 3500~4500rpm에서 5~15분간 원심분리하여 상등액을 채취하는 단계(S20); 상기 상등액을 증류수로 5~6배 희석하여 UASB 반응기의 유입수로 사용하는 단계(S30); 및 상기 UASB 반응기를 이용하여 메탄을 얻는 단계(S40);를 포함하며, 여기에서, 상기 음식물쓰레기 가수분해액을 얻는 단계(S10)는, 분쇄된 음식물쓰레기 100중량부 당 카보하이드라제:프로테아제:리파아제가 1:2:1의 비율로 혼합된 혼합효소 0.2~0.4중량부를 첨가하고, 45~55℃의 온도에서 8~10시간 동안 반응시키는 것을 특징으로 하는 음식물쓰레기를 이용한 메탄 생산방법에 관한 것이다.

음식물쓰레기, 효소, 가수분해, UASB, 메탄발효

Description

음식물쓰레기를 이용한 메탄 생산방법{Enzymatic hydrolysis of food waste and methane fermentation by UASB bioreactor}

본 발명은 음식물쓰레기를 이용한 메탄 생산방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 혼합 효소에 의한 음식물쓰레기의 가수분해를 실시하여 가장 높은 VSS 감소율 및 SCOD 증가율을 갖는 가수분해액을 얻은 후, 상기 음식물쓰레기의 효소 가수분해액을 메탄 생산을 위한 UASB 반응기의 유입수로 사용하여 고 순도 및 고 효율의 메탄을 얻는 음식물쓰레기를 이용한 메탄 생산방법에 관한 것이다.

음식물쓰레기는 쉽게 부패하고, 악취를 발생시키며, 고 염분이 함유된 질병 발생의 원인 물질로서, 적절한 방법으로 처리해야 하는 환경 오염물질로 인식되어 왔다. 반면, 음식물쓰레기는 가용성 당, 전분질, 지방질, 단백질, 셀룰로오스 등과 같은 고농도의 유기화합물을 함유하고 있어, 생물 공정의 발효기질로서 활용하게 되면, 처리비용 감소 및 환경오염 방지 효과 뿐만 아니라 자원 재순환의 측면에서 큰 의미가 있다. 따라서, 이러한 관점에서 음식물쓰레기를 이용한 메탄발효는 화석연료를 대체할 수 있는 신·재생에너지의 생산, 지구온난화 가스의 감축 효과 및 자원 재활용의 차원에서 최근 많은 주목을 받고 있는 실정이다.

음식물쓰레기와 같은 고형폐기물을 메탄 발효 기질로 이용하기 위해서는, 그 전제조건으로 고형물의 효율적 가수분해 과정이 필수적이다. 기존의 고형 폐기물 메탄 발효 공정에서 입자상 유기물의 가수분해 반응이 전체 발효 공정의 율속단계(rate-limiting step)로 작용하여 유기성분의 분해속도 및 소화조의 수리학적 체류시간을 결정하는데 중요한 인자로 작용하였다. 또한, 음식물쓰레기는 전분질, 단백질, 지방 등 다양한 유기화합물질로 구성되어 있으므로, 가수분해 및 산 발효과정에서 상기 세 가지 성분의 함량, 각각의 분해속도 및 생분도(Biodegradability)의 차이에 따라, 유기산의 축적에 의한 발효조의 운전에 있어 다양한 문제점을 드러내고 있다. 이러한 고 농도 고형물을 함유한 바이오매스의 효율적 메탄화를 위해 산 발효조 및 메탄 발효조의 공간적 분리 및 다양한 메탄 발효 공정 최적화를 위한 연구가 최근 활발히 진행되고 있다.

종래에는 음식물쓰레기 중의 전분, 단백질 및 셀룰로오스 성분들의 생분해도는 산 발효조의 pH, 체류시간 및 환경조건에 의해 결정되므로, 산 발효단계에서 적정 희석배율을 조정한 결과(3.0-1.0/d), 음식물쓰레기 중의 셀룰로오스 및 단백질의 가수분해의 증가에 따른 산 발효조의 효율 증가를 알 수 있었다. 또한, 여기에서 음식물쓰레기의 약 50%가 셀룰로오스 성분인 야채인 점을 고려하여, 셀룰로오스 분해능이 우수한 루멘 미생물을 식종균으로 이용하여 기존 중온 산 발효균(59.5%)의 효율과 비교하여 약 1.2배의 향상된 산 발효율(71.2%)이 보고되었다. 또한, 생물학적 질소인 제거 공정(BNR:Biological Nutrient Removal)의 외부 탄소원으로 음식물쓰레기를 활용하기 위하여, 산 발효의 효율 증가를 위해 효소 전처리를 시도하 였다. 하지만, 고 효율 메탄 발효를 위한 음식물쓰레기의 가수분해 및 산 발효단계를 대체할 수 있는 효소 가수분해에 대한 연구는 미미한 실정이다.

최근 고효율 UASB(Upflow anaerobic sludge bed)는 다양한 종류의 산업 폐수 처리에 광범위하게 응용되고 있으며, 특히, 미생물의 자화 응집 과정에 의해 형성된 고밀도 혐기성 박테리아의 응집체인 과립 입상 슬러지는 UASB 반응기 내 고밀도 메탄 박테리아 유지 및 긴 체류시간을 확보할 수 있어, 높은 유기물 부하율 (OLR:Organic Loading Rate)에 대응력이 뛰어난 공정으로 인정받고 있는 실정이다.

본 발명의 목적은 음식물쓰레기가 함유하고 있는 유기성 고형물의 효율적 전처리 공정으로서 산업용 효소 가수분해의 적용 가능성을 알아보기 위하여, 효소에 의한 음식물쓰레기의 가수분해 실험을 실시하여 가장 높은 VSS 감소율 및 SCOD 증가율을 갖는 혼합 효소 비율 및 첨가량, 그리고 반응시간을 측정하고, 이와 같이 효소 가수분해를 실시한 음식물쓰레기 배지액을 UASB 반응기의 기질로 사용하여 고 순도 및 고 효율의 메탄을 생산하고자 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 음식물쓰레기를 이용한 메탄 생산방법은, 메탄 생산방법에 있어서, 음식물쓰레기를 효소 가수분해하여 가수분해액을 얻는 단계(S10); 상기 가수분해액을 3500~4500rpm에서 5~15분간 원심분리하여 상등액을 채취하는 단계(S20); 상기 상등액을 증류수로 5~6배 희석하여 UASB 반응기의 유입수로 사용하는 단계(S30); 및 상기 UASB 반응기를 이용하여 메탄을 얻는 단계(S40);를 포함한다.

이때, 상기 음식물쓰레기 가수분해액을 얻는 단계(S10)는, 분쇄된 음식물쓰레기 100중량부 당 혼합효소 0.2~0.4중량부를 첨가하고, 45~55℃의 온도에서 8~10시간 동안 반응시키는 것이며, 상기 혼합효소는 카보하이드라제:프로테아제:리파아제를 1:2:1의 비율로 첨가하여 혼합한 것이다.

본 발명에 의한 음식물쓰레기를 이용한 메탄 생산방법에서는, 메탄 생산을 위한 전처리 공정으로서, 카보하이드라제:프로테아제:리파아제가 1:2:1의 비율로 혼합된 효소를 음식물쓰레기에 적정량 첨가하여 8~10시간 동안 가수분해 반응시킴으로써 높은 VSS 감소율과 SCOD 증가율을 얻었을 뿐만 아니라, 상기와 같은 혼합 효소 가수분해액을 UASB 반응기의 기질로 사용하여 고 효율 및 고 순도의 메탄을 얻을 수 있었다.

본 발명을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서 사용한 음식물쓰레기는 경기도 중소기업센타의 구내식당에서 수거한 것이며, 수거한 음식물쓰레기의 구성은 야채류 49중량%, 곡류 31중량%, 어육 및 육류 17중량%, 그리고 기타성분 3중량%였다.

이와 같이 수거한 음식물쓰레기를 분쇄기(AM-11, ACE, Nissei, Japan)를 이용하여 분쇄하여 금속성 체(1800~2200㎛ 메쉬)로 거른 후, 효소 가수분해 실험의 원료로 사용하였다.

상기와 같이 분쇄된 음식물쓰레기의 특성을 아래 표 1에 나타내었다.

구분	수치
수분함량(중량%)	81.5
고형물함량(중량%)	18.5
고형물함량 중 휘발성 고형물(중량%)	95.7
고형물함량 중 재 함량(중량%)	4.3
휘발성 부유물(g/L)	91.0
pH	4.3
TCOD(mg/L)	263.5
SCOD(mg/L)	127.4
점도(g/cm³)	1.048

상기 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 분쇄된 음식물쓰레기는 수거 과정에서 이미 산 발효가 진행되어 pH가 4.3이었고, 높은 수분함량(81.5중량%) 및 고형물함량(18.5중량%)을 나타내었다. 고형물함량 중 약 95중량%의 휘발성 고형물과 4.3중량%의 재 함량을 포함하고 있었고, 또한 총 COD는 263.5g/L 및 용존성 COD는 127.4 g/L를 나타내었다.

또한, 본 발명에서 사용한 효소는 산업용 효소인 카보하이드라제(Carbohydrase), 프로테아제(Protease) 및 리파아제(Lipase)이며, 이를 사용하여 음식물쓰레기의 개별 및 혼합 효소 가수분해를 실시하였다. 이 중, 상기 카보하이드라제(Carbohyrases)는 아스페르길루스 아쿨레아투스(Aspergillus aculeatus) 유래 다중 복합 효소로서, 아라바나제(arabanase), 셀룰라아제(cellulase), 베타-글루카나아제(β-glucanase), 헤미셀룰라아제(hemicellulase), 자일라나아제(xylanase) 등을 포함하는 광범위한 카보하이드라제(carbohydrases)의 한 종류로 노보자임사(Novozymes)로부터 구입하였다. 또한, 상기 프로테아제(Protease)는 아스페르길루스 오리재(Aspergillus oryzae) 유래 단백질 분해효소로서, 식품산업 특히 육류 가공 산업에 주로 사용되고, 또한, 상기 리파아제(Lipase)는 칸디다 루고스(Candida rugos) 유래의 지방 분해효소이며, 장쇄, 중쇄, 단쇄 지방 가수분해 효소이다. 상기 프로테아제 및 리파아제 효소는 아마노사(Amano)로부터 구입하였다.

1. 음식물쓰레기의 효소 가수분해

음식물쓰레기의 가수분해를 위한 최적의 효소 첨가량 및 혼합 비율을 알아보기 위하여, 음식물쓰레기를 이용한 개별 및 혼합 효소 가수분해를 실시하였다.

효소 가수분해 실험을 실시하기 위하여, 상기에서 분쇄된 음식물쓰레기와 증류수를 무게비 1:1로 혼합하여 시료를 조제하여 준비하였다.

1-1. 개별 효소 가수분해

먼저, 개별 효소 가수분해 실험은 1L 삼각 플라스크에 상기에서 조제한 시료 500g을 넣고, 3N NaOH로 상기 시료의 pH를 4.5로 조절하고, 카보하이드라제, 프로테아제 및 리파아제를 분쇄된 음식물쓰레기 100중량부 당 각각 0.02, 0.05, 0.1, 0.2, 0.4중량부를 첨가하여 혼합한 후 45~55℃의 인큐베이터(DSK 512, 대일 엔지니어링, 한국)에서 130~170rpm의 교반속도로 24~26시간 동안 개별 효소 가수분해를 실시하였다.

1-2. 혼합 효소 가수분해

또한, 혼합 효소 가수분해 실험은 상기 각 효소의 혼합율(카보하이드라제:프로테아제:리파아제)을 1:1:1, 2:1:1, 1:2:1 및 1:1:2로 혼합하여 시료에 첨가하였으며, 혼합 효소 주입량은 음식물쓰레기 100중량부 당 0.4중량부로 일정하게 주입하여, 상기 개별 효소 가수분해 실험과 동일한 조건에서 실시하였다.

상기와 같은 개별 및 혼합 가수분해 실험은 3회 반복 실시하였다.

1-3. 개별 효소 가수분해에 의한 VSS 감소율

먼저, 개별 효소 가수분해에 의한 음식물쓰레기 중의 부유 고형물(VSS)의 감소율로 효소의 가수분해능을 평가하였다.

도 2에 나타난 바와 같이 각 효소의 주입량 증가와 함께 VSS 감소율은 쌍곡선 형태로 증가하였다.

효소로 리파아제를 첨가한 경우, 첨가량 0.1중량부까지 VSS 감소율이 급격히 증가하여 22%에 이르렀으나, 그 이상의 첨가량에서는 VSS 감소율의 증가는 관찰되지 않았다. 실제로 리파아제 실험에서 음식물쓰레기 중의 유지 성분이 효과적으로 제거되었지만, VSS 감소율의 증가에는 큰 영향을 미치지 않았다. 또한, 효소로 카보하이드라제를 이용한 가수분해 실험에서는, 첨가량 0.2중량부까지 VSS 감소량이 증가하여 약 43%의 VSS 감소율을 나타내었다. 하지만, 효소로 프로테아제를 첨가한 경우 첨가량 0.2중량부까지 VSS 감소율이 지속적으로 증가하여 가장 높은 VSS 감소율인 약 51%의 증가율을 보였다.

1-4. 혼합 효소 가수분해에 의한 VSS 감소율 및 SCOD 증가율

다음, 각 효소를 다양한 혼합비로 혼합한 혼합 효소 가수분해에 의한 음식물쓰레기 중의 부유 고형물(VSS)의 감소율 및 용출된 SCOD의 증가율로 효소의 가수분해능을 평가하였다.

아래 표 2는 효소 주입량을 음식물쓰레기 100중량부 당 0.4중량부로 일정하게 하고, 각 효소의 다양한 혼합비에서 VSS 감소율과 용출된 SCOD의 증가율을 나타낸 것이다.

혼합비(C:P:L)	VSS 감소율(%)	SCOD 증가율(%)
1:1:1	58	51
2:1:1	56	50
1:2:1	62	56
1:1:2	53	49

C: 카보하이드라제 P: 프로테아제 L: 리파아제

상기 표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 프로테아제 첨가 비율이 높은 C:P:L=1:2:1에서 가장 높은 VSS 감소율과 SCOD 증가율이 관찰되었으며, 개별 프로테아제 효소 가수분해 실험의 VSS 감소율(43%)에 비해 훨씬 높은 62%의 VSS 감소율을 보였다. 이러한 결과는 음식물쓰레기 생물 폴리머의 연결작용 단백질(lectin-like protein)이 프로테아제에 의해 가수분해되고, 그 이외의 폴리사카라이드 및 유지 성분은 카보하이드라제 및 리파아제에 의해 분해되어 개별 프로테아제 가수분해 보다 높은 VSS 감소율을 나타낸 것으로 판단된다.

1-5. 혼합 효소 첨가량 및 반응시간 측정

상기 개별 및 혼합 효소 가수분해 실험 결과에서 카보하이드라제:프로테아제:리파아제의 혼합비율이 1:2:1일 때 음식물쓰레기의 가수 분해율이 가장 높았기 때문에, 상기 혼합비율을 혼합 효소 첨가량 실험을 위한 최적의 비율로 선정하여 혼합 효소 첨가량 결정 실험을 실시하였다.

음식물쓰레기 가수분해를 위한 최적의 혼합 효소 첨가량을 결정하기 위한 혼합 효소 첨가량 결정 실험은 효소를 첨가하지 않은 대조군과, 음식물쓰레기 100중량부 당 각각 0.02, 0.05, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4중량부의 혼합 효소를 첨가한 실험군을 상기 개별 및 혼합 효소 가수분해 실험과 동일한 조건에서 실시하였으며, 주기적으로 시료를 채취하여 VSS 감소율 및 SCOD 증가율을 분석하여 가수분해율을 평가하였다.

도 3은 시간 경과에 따른 각 혼합효소 첨가량의 VSS 농도를 나타낸 것이다. 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 혼합효소 첨가량의 증가에 따라 VSS 농도는 급격히 감소하였고, 특히 0.1중량부 첨가량까지는 효소 첨가량에 따른 VSS 농도 감소가 뚜렷하였지만, 0.2~0.4중량부 첨가량에서는 그 차이가 미미하였다. 0.4중량부 첨가량에서 약 16,000mg/L의 가장 낮은 VSS 농도를 관찰할 수 있었다.

또한, 각 혼합 효소 첨가량에서 음식물쓰레기 중 고형물의 가수분해는 반응 초기인 2시간 전후에서 급격히 일어남을 알 수 있었고, 6시간에서 8시간 경과 후에는 VSS 농도 변화가 미미함을 고려해 볼 때, 음식물쓰레기의 혼합 효소 반응시간으로서 8~10시간이 적당한 것으로 판단된다.

따라서, 음식물쓰레기 효소 가수분해를 위한 최적의 조건으로 혼합 효소비율은 카보하이드라제:프로테아제:리파아제=1:2:1, 혼합 효소 첨가량은 0.2~0.4%, 그리고 효소 가수분해 시간은 8~10시간이 바람직한 것을 알 수 있었다.

상기와 같은 혼합 효소를 이용한 음식물쓰레기 효소 가수분해 실험에서 순수 VSS 감소량에 대한 순수 SCOD의 증가량을 도 4에 나타내었다. 도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 순수 VSS 감소량에 대한 순수 SCOD 증가량 사이에 0.9608의 높은 상관계수(r²)를 나타내었는데, 이것은 효소 반응액 중의 SCOD 증가는 음식물쓰레기 중의 고형물의 가수분해에 기인함을 알 수 있는 것이었다. 또한, 순수 VSS 감소량과 순수 SCOD 증가량의 비율은 1.29로서, 혼합 효소 가수분해에 의해 음식물쓰레기 중의 1g의 VSS로부터 1.29g의 순수 SCOD가 생성되었다. 이러한 결과는 종래의 생물학적 질소인고도처리공정(BNR:Biological Nutrient Removal)의 기질로서 음식물쓰레기의 효소 가수분해 실험에서 얻어진 상관계수(1.24)보다 약간 높은 수치이다.

2. 메탄 발효

상기에서 실시한 혼합 효소 첨가량 결정 실험 결과를 근거로 하여 카보하이드라제:프로테아제:리파아제=1:2:1의 혼합비율로 혼합된 혼합효소를 음식물쓰레기 100중량부 당 0.2~0.4중량부씩 첨가하여 8~10시간 동안 반응시키는 것을 음식물쓰레기 효소 가수분해 실험의 최적 인자로 선정하였다.

2-1. UASB 반응기를 이용한 메탄 생산

상기와 같은 조건에서 조제된 음식물쓰레기 가수분해액을 3500~4500rpm에서 5~15분간 원심 분리하여 그 상등액을 증류수로 5~6배 희석한 다음, 상기 희석액을 메탄 발효 실험을 위한 UASB(상향류식 혐기성 폐수처리법) 반응기의 유입수로 사용하였다.

도 1에는 UASB 반응기가 도시되어 있으며, UASB 반응기는 유리 재질로 제작되었고, 반응기 용량은 본체[직경(7cm)×높이(66cm)]와 기체-액체-고체 분리기[직경(11cm)×높이(15cm)]로 구성되고 실 용적은 2.7dm³ 이다. 또한, 연동 펌프를 이용하여 약 92L/day의 내부수를 순환시켜 내부 반송속도(v_s)는 1m/h를 유지하였으며, 히팅 자켓(Heating jacket)을 사용하여 반응기의 온도를 35~40℃로 조절하였다. 반응기 유입수는 정량 펌프를 이용하여 다양한 유기물 부하율(OLR:Organic Loading Rate), 3.5, 4.9, 7.3, 9.1kgCOD/m³d 에서 실험을 실시하였으며, 유입수의 pH는 조절하지 않았다. 또한, 유출수 라인을 U자로 제작하고 반응기의 각 부분은 밀폐시켜 외부 공기의 유입을 차단하였으며, 20L 용량의 가스 포집기(water-displace gas collector)는 아크릴로 제작하여 일일 발생 가스량 및 CH₄의 순도를 측정하였다.

2-2. 유기물 부하율에 대한 메탄 생성량

식종 과립 슬러지는 주정 폐수처리 공장의 UASB 플랜트에서 인발하였으며, 메탄 발효를 실시하기 위해 전체 반응기 용량의 약 25부피%의 과립 슬러지를 식종하여 1개월간 순응 과정을 거친 후 약 60일에 걸쳐 유기물 부하율(Organic Loading Rate)이 각각 3.5, 4.9, 7.3, 9.1 kgCOD/m³d일 때 실험을 실시하였으며, 그 결과 도 5에서와 같이 유기물 부하율이 증가함에 따라 메탄량도 점차 증가됨을 알 수 있었다. 즉, 유기물 부하율 3.51, 4.9, 7.3, 9.1kgCOD/m³d 에서 각각 2.3, 3.9, 5.9 및 7.8L의 순수 메탄이 생성되었다.

2-3. 메탄 생성율 및 COD 제거율 측정

파쇄한 음식물쓰레기 중 총 고형물(TS:total solid), 휘발성 고형물(VS:volatile solid), 휘발성 부유 고형물(VSS:volatile suspended solid) 함량은 표준방법(Standard method)에 따라 정량하였다. 또한 총 화학적 산소요구량(TCOD:total chemical oxygen demand) 및 용존성 화학적 산소요구량(SCOD:soluble chemical oxygen demand)은 HACH DR/2000 분광광도계(spectrophotometer)(U.S.A)를 이용하여 분석하였다. 또한, 메탄 순도는 불꽃 이온화 검출기(FID:Flame ionization detector)가 장착된 가스크로마토그래피(Hewlett-Packard 6890 series)를 사용하였고, DB-TPH 캐필러리 컬럼(capillary column)(30m×0.32mm×0.25μm)을 사용하였다. 시료 주입부와 검출부의 온도는 각각 100 및 250℃로 설정하였고 운반가스로는 헬륨 및 수소-공기 불꽃을 사용하였다.

메탄 발효조 운전기간 중 각 유기물 부하율(OLR)의 정상상태(stage state)에서 분석된 유입수 및 유출수의 농도, SCOD, 그리고 생성된 메탄의 SCOD 제거율, 순도 및 음식물쓰레기 휘발성 고형물(VS)로부터 생성된 메탄 생성율을 아래 표 3에 나타내었다.

항목		측정값
유입수	pH	4.5±0.2
유입수	SCOD(g/L)	20.5±0.3
유출수	pH	7.7±0.3
유출수	SCOD(g/L)	0.19±0.03
생성된 메탄	SCOD 제거율(%)	99.0±0.3
	메탄 순도(%)	73.0±1.0
	메탄 생성율(m³CH₄/kgVS)	0.372±0.018

상기 표 3에서 알 수 있는 바와 같이, 음식물쓰레기 가수분해액을 5배 희석하여 사용한 유입수의 SCOD(20.5±0.3g/L)는 메탄 발효과정에서 대부분의 기질로 소모되어 약 99.0±0.3%의 높은 SCOD 제거율을 나타내었으며, 생성된 가스 중 메탄의 순도는 73.0±1.0%로 고 순도의 메탄이 생성되었다. 또한, 실험에 소모된 SCOD를 근거로 하여 음식물쓰레기 중 VS 함량으로부터 환산하였을 때 약 0.372±0.018 m³CH₄/kgVS의 높은 메탄 생성율을 나타내었다.

3. 다른 바이오매스와의 메탄 생성량 비교 측정

본 발명에서 생성된 메탄의 생성율을 다양한 바이오매스 원료로부터 생성된 메탄 생성율과 비교한 것이 아래 표 4에 나타나 있다.

종류	메탄 생성율(m³CH₄/kgVS)
가축분뇨(manures)	0.252~0.348
축분(cow)	0.252~0.323
돈분(swine)	0.320~0.348
계분(poultry)	0.258~0.330
농산물 잔재물(Agro-Industrial waste)	0.310~0.390
사탕무(sugar beet)	0.370
토마토(tomato)	0.320
오렌지(orange)	0.330
곡물(Brewer's grain)	0.310
사탕수수(sorghum)	0.390
도시 고형폐기물(Municipal solid waste)	0.140~0.540
정원쓰레기(Yard wastes)	0.140~0.209
폐종이류(Paper waste)	0.215~0.369
하수오니(Sewage sludge)	0.225~0.320
유럽 음식물쓰레기(European food waste)	0.321~0.540
한국 음식물쓰레기(Korean food waste)	0.356~0.440
본 발명	0.353~0.390

상기 표 4에서 알 수 있는 바와 같이, 음식물쓰레기로부터 생성된 메탄 생성량(0.372±0.018m³CH₄/kgVS)은 축분, 돈분, 계분과 같은 가축분뇨(0.252~0.348m³CH₄/kgVS), 사탕무, 토마토, 오렌지, 사탕수수 등의 농산물 잔재물(0.310~0.390m³CH₄/kgVS) 및 정원 쓰레기, 폐종이류, 하수오니 등의 도시 고형 폐기물 유래 바이오매스(0.140~0.540m³CH₄/kgVS)보다는 높은 메탄 생성율을 나타내어 음식물쓰레기는 고 순도 메탄 생성을 위해 높은 잠재력을 가진 바이오매스임을 의미하고 있다. 하지만, 기존의 2단 메탄 발효 공정을 이용한 유럽과 한국의 음식물쓰레기로부터 생성된 메탄 수율(0.321~0.540 및 0.356~0.440m³CH₄/kgVS) 보다는 약간 낮은 수치를 나타내었는데, 이것은 음식물쓰레기의 효소분해 과정에서 음식물쓰레기 중의 고형분(VSS)의 낮은 가수분해율에 기인한 것으로 판단된다.

도 1은 본 발명에서 메탄 생산을 위해 사용하는 UASB 반응기를 도시한 도면이다.

도 2는 음식물쓰레기의 개별 효소 가수분해에서 각 효소의 주입량 증가에 따른 음식물쓰레기 중의 부유 고형물(VSS) 감소율을 나타낸 그래프이다.

도 3은 음식물쓰레기의 혼합 효소 가수분해에서 시간 경과에 따른 각 혼합 효소 첨가량의 VSS 농도를 나타낸 그래프이다.

도 4는 음식물쓰레기의 혼합 효소 가수분해에서 순수 VSS 감소량에 대한 순수 SCOD 증가량을 나타낸 그래프이다.

도 5는 유기물 부하량의 증가에 따른 메탄 생성량을 나타낸 그래프이다.

Claims

메탄 생산방법에 있어서,

음식물쓰레기를 효소 가수분해하여 가수분해액을 얻는 단계(S10);

상기 가수분해액을 3500~4500rpm에서 5~15분간 원심분리하여 상등액을 채취하는 단계(S20);

상기 상등액을 증류수로 5~6배 희석하여 UASB 반응기의 유입수로 사용하는 단계(S30); 및

상기 UASB 반응기를 이용하여 메탄을 얻는 단계(S40);

를 포함하는 것을 특징으로 하는 음식물쓰레기를 이용한 메탄 생산방법.
제 1항에 있어서,

상기 음식물쓰레기 가수분해액을 얻는 단계(S10)는,

분쇄된 음식물쓰레기 100중량부 당 혼합효소 0.2~0.4중량부를 첨가하고, 45~55℃의 온도에서 8~10시간 동안 반응시키는 것을 특징으로 하는 음식물쓰레기를 이용한 메탄 생산방법.
제 2항에 있어서,

상기 혼합효소는 카보하이드라제:프로테아제:리파아제를 1:2:1의 비율로 첨가하여 혼합한 것을 특징으로 하는 음식물쓰레기를 이용한 메탄 생산방법.
제 1항에 있어서,

상기 UASB 반응기의 온도는 35~40℃인 것을 특징으로 하는 음식물쓰레기를 이용한 메탄 생산방법.