KR20110058082A - 바이오에너지 생산장치, 이를 구비하는 바이오에너지 생산시스템 및 바이오에너지 생산방법 - Google Patents

바이오에너지 생산장치, 이를 구비하는 바이오에너지 생산시스템 및 바이오에너지 생산방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 바이오에너지 생산장치, 이를 구비하는 바이오에너지 생산시스템 및 바이오에너지 생산방법에 관한 것으로, 상기 바이오에너지 생산방법은 음극 전극이 장착된 혐기반응조에 바이오매스를 배치하고 바이오에너지가 생산되도록 상기 음극 전극을 이용하여 전기 에너지를 공급하면서 상기 바이오매스를 혐기반응시키는 단계와, 양극 전극이 배치된 산화반응조에서 유기성 폐기물을 산화반응시키는 단계, 및 이온교환막을 이용하여 상기 혐기반응조 및 상기 산화반응조를 구획하고 상기 이온교환막을 통하여 상기 산화반응조에서 발생한 생성물들을 선택적으로 상기 혐기반응조로 투과시키는 단계를 포함한다. 이에 의하여 본 발명은 바이오에너지의 생산속도 및 수율이 향상되고, 환경친화적인 바이오에너지 생산방법 및 장치를 제공한다.
바이오매스, 바이오에너지, 전극, 이온교환막

Description

바이오에너지 생산장치, 이를 구비하는 바이오에너지 생산시스템 및 바이오에너지 생산방법{DEVICE FOR PRODUCING BIO-ENERGY, PRODUCING SYSTEM HAVING THE SAME AND METHOD FOR PRODUCING BIO-ENERGY}
본 발명은 바이오매스를 혐기반응시켜 바이오에너지를 생산하는 바이오에너지 생산장치, 이를 구비하는 바이오에너지 생산시스템 및 바이오에너지 생산방법에 관한 것이다.
지구온난화, 고유가 및 에너지 위기로 인하여 세계 각국은 에너지 안보를 강조하면서 대체에너지 개발에 박차를 가하고 있다. 최근에는 이러한 대체에너지 개발의 일환으로 자연계에 풍부하게 존재하는 목질계, 해조류, 유기성 폐기물 등의 바이오매스(biomass)를 이용하여 바이오에너지(bio-energy)로 전환하는 기술이 주목받고 있다.
특히 우리나라의 경우 축산폐기물, 음식물쓰레기, 하수슬러지, 농임산 부산물 등 다양한 유기성 폐자원을 확보하고 있으며 이를 에너지 생산공정으로 전환하 여 재생에너지로 생산할 경우 그 경제적 가치는 막대할 것으로 보고되고 있다.
유기성 폐자원으로부터 발생되는 바이오에너지를 전량 전기에너지로 사용할 경우 바이오가스 1m3 당 21 MJ(전기에너지 환상량-2.04 kWh)의 에너지가 발생하며, 이로 인한 인한 이산화탄소 감축량 또한 4.043 kg 에 달하는 것으로 조사된 바 있다.
따라서, 관련 기술개발은 국내 에너지 보급기여 및 국제협약(교토협약)준수 등 그 사회적, 경제적 파급효과가 매우 클 것으로 기대되며, 이에 따라 바이오에너지의 생산속도 및 수율이 향상 보다 향상되는 바이오에너지 생산장치 및 방법이 고려될 수 있다.
본 발명의 일 목적은 탄소에너지를 대체할 수 있는 바이오에너지를 생산하는 바이오에너지 생산장치, 이를 구비하는 바이오에너지 생산시스템 및 바이오에너지 생산방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은 바이오에너지의 생산속도 및 수율이 향상되는 바이오에너지 생산장치 및 생산방법을 제공하기 위한 것이다.
이와 같은 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르는 바이오에너지 생산방법은 음극 전극이 장착된 혐기반응조에 바이오매스를 배치하고, 바이오에너지가 생산되도록 상기 음극 전극을 이용하여 전기 에너지를 공급하면서 상기 바이오매스를 혐기반응시키는 단계와, 양극 전극이 배치된 산화반응조에서 유기성 폐기물을 산화반응시키는 단계, 및 이온교환막을 이용하여 상기 혐기반응조 및 상기 산화반응조를 구획하고 상기 이온교환막을 통하여 상기 산화반응조에서 발생한 생성물들을 선택적으로 상기 혐기반응조로 투과시키는 단계를 포함한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 유기성 폐기물은 액상 폐기물이고, 상기 생성물들은 양이온, 전자 및 유리산소 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 이온교환막은 상기 양이온 및 전자는 투과하고, 상기 유리산소는 차단하도록 형성된다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 바이오에너지 생산방법은 상기 음극 전극을 통하여 공급되는 전자를 상기 바이오매스의 혐기성미생물까지 이송하도록 상기 혐기반응조에 전자 운반체(electron accepter)를 첨가시키는 단계를 포함한다. 상기 전자 운반체는 뉴트랄레드(neutral red)를 포함할 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 바이오에너지 생산방법은 상기 혐기반응조 및 산화반응조에서 각각 발생하는 부산물들을 유출하고, 상기 부산물들을 서로 혼합하는 단계를 포함한다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 바이오매스는 슬러리상의 유기성 폐기물을 포함한다. 상기 바이오매스는 우드칩, 목폰류, 초본류, 수생식물 및 조류 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한 상기한 과제를 실현하기 위하여 본 발명은 바이오에너지 생산장치를 제공한다. 상기 바이오에너지 생산장치는, 바이오에너지가 생산되도록 바이오매스를 혐기반응시키는 혐기반응조와, 유기성 폐기물이 산화반응하도록 형성되는 산화반응조와, 전기에너지를 공급하도록 상기 혐기반응조에 배치되는 음극 전극과 상기 산화반응조에 배치되는 양극 전극을 구비하는 전기공급장치, 및 상기 혐기반응조 및 산화반응조를 구획하고 상기 산화반응조에서 발생한 생성물들을 선택적으로 상기 혐기반응조로 투과시키는 이온교환막을 포함한다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 이온교환막은 폴리며 또는 세라믹 소재로 형성되며, 상기 혐기반응조 및 산화반응조의 사이에서 격벽을 이룬다. 상기 혐기반응조는 상기 바이오매스가 외기로부터 밀폐되도록 닫힌 공간을 형성하 고, 상기 산화반응조는 상기 유기성 폐기물이 상기 외기에 노출되도록 적어도 일부가 개방될 수 있다.
또한 상기한 과제를 실현하기 위하여 본 발명은 상기 바이오에너지 생산장치를 구비하는 바이오에너지 생산시스템을 개시한다. 상기 바이오에너지 생산시스템은, 바이오에너지의 생산 효율을 향상시키도록 바이오매스를 전처리하는 전처리장치와, 전기 에너지를 공급하면서 혐기반응조에서 상기 바이오매스를 혐기반응시키며, 산화반응조에서 유기성 페기물을 산화반응시키고, 상기 산화반응조에서 발생한 생성물들을 선택적으로 상기 혐기반응조로 투과시키도록 이루어지는 상기 바이오에너지 생산장치, 및 상기 바이오매스 및 상기 유기성 폐기물 중 적어도 하나를 상기 전처리장치에서 상기 바이오에너지 생산장치로 이송하는 이송장치를 포함한다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 바이오에너지 생산시스템은 반송장치를 포함한다. 반송장치는 상기 산화반응조에서 발생하는 부산물들을 상기 혐기반응조로 반송시키도록 형성된다. 바이오에너지 생산시스템은 부산물 혼합장치를 포함할 수 있다. 혼합장치는 상기 혐기반응조 및 산화반응조에서 각각 발생하는 부산물들을 유출하고, 상기 부산물들을 서로 혼합하도록 형성된다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 관련된 바이오에너지 생산장치, 이를 구비하는 바이오에너지 생산시스템 및 바이오에너지 생산방법은 혐기반응조에 전기에너지를 공급함에 따라, 바이오에너지 생산에 적합한 바이오매스의 환원환경을 조성한 다.
또한, 본 발명은 반응물을 선택적으로 투과하는 이온교환막을 통하여 양이온 및 전자를 혐기반응조에 공급하고, 유리산소를 차단시킨다. 또한 이를 통하여, 바이오에너지의 생산속도 및 수율이 향상될 수 있다.
이하, 본 발명에 관련된 바이오에너지 생산장치, 이를 구비하는 바이오에너지 생산시스템 및 바이오에너지 생산방법에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 바이오에너지 생산시스템(100)을 나타내는 모식도이다.
본 도면을 참조하면, 바이오에너지 생산시스템(100)은 전처리 장치(110), 이송장치(120) 및 바이오에너지 생산장치(200)를 포함한다.
전처리장치(110)는 바이오매스 또는 유기성 폐기물을 전처리하도록 이루어지며, 이를 통하여 바이오에너지의 생산 효율을 향상시킨다.
전처리장치(110)는, 예를 들어 바이오매스 또는 유기성 폐기물의 숙성장치가 될 수 있다. 보다 상세하게는 원료 숙성조에서 바이오매스를 숙성하여 고/액비 배합, pH, 독성물질 제거 등의 전처리를 수행하고, 이를 통하여 바이오에너지, 예를 들어 메탄생산에 적합한 원료를 조성한다.
이송장치(120)는 전처리장치(110)에서 전처리된 바이오매스나, 유기성 폐기물 등을 바이오에너지 생산장치(200)로 이송한다. 이송장치(120)는 펌프(121) 및 이송라인(122)으로 이루어진다.
바이오에너지 생산장치(200)는 전기 에너지를 공급하면서 혐기반응조(210)에서 바이오매스를 혐기반응시키며, 산화반응조(220)에서 유기성 페기물을 산화반응시키도록 이루어진다. 바이오에너지 생산장치(200)는 이온교환막(230)을 구비하며, 이온교환막(230)은 산화반응조(220)에서 발생한 생성물들을 선택적으로 혐기반응조(210)로 투과시키도록 이루어진다.
혐기반응하는 바이오매스는 유기성 페기물이 될 수 있으며, 산화반응하는 유기성 폐기물은 액상 폐기물이 될 수 있다.
바이오에너지 생산시스템(100)은 부산물 혼합장치(140) 및 반송장치(150)를 구비할 수 있다.
혼합장치(140)는 상기 혐기반응조(210) 및 산화반응조(220)에서 각각 발생하는 부산물들을 유출하고, 상기 부산물들을 서로 혼합하도록 이루어진다.
혼합장치(140)는 제1 및 제2 유출펌프(141, 142), 제1 및 제2 유출라인(143, 144), 혼합조(145)로 이루어진다.
제1 유출라인(143)은 혐기반응조(210)와 혼합조(145)를 서로 연결하며, 제1 유출펌프(141)는 제1 유출라인(143)을 통하여 혐기반응조(210)의 부산물을 혼합조(145)로 압송한다. 제2 유출라인(144)은 산화반응조(220)와 혼합조(145)를 서로 연결하며, 제2 유출펌프(142)는 제2 유출라인(144)을 통하여 산화반응조(220)의 부산물을 혼합조(145)로 압송한다.
혐기반응조(210) 및 산화반응조(220)에서 각각 발생하는 부산물들은 혼합조(145)에 저장되며, 비료 및 바이오에너지원(고형펠렛 등) 생산을 위한 제조공정을 거치게 된다. 반응조들(210, 220)의 부산물들은 모두 바이오매스의 반응에 대한 부산물들이므로 이를 혼합하면, 재사용이 보다 용이하게 된다. 부산물에는 다양한 천연 영양물질이 함유되어 있으며, 부산물은 별도의 가공과정을 통하여 비료, 바이오연료 등의 부가성 물질로 제조될 수 있다. 따라서, 이를 용이하게 제품화할 경우 환경오염 예방 및 축산농가의 수익증대에 크게 기여할 수 있다.
반송장치(150)는 산화반응조(220)에서 발생하는 부산물을 혐기반응조(210)로 반송시키도록 이루어진다. 예를 들어, 산화반응조(220)의 액상 부산물을 혐기반응조(210)로 반송시켜 혐기반응조(210)의 바이오매스에 대한 C/N비 및 고형비율 등 원료성상을 조절한다. 반송장치(150)는 유출라인(242)에서 분기되어 이송라인(122) 으로 연결되는 반송라인에 의하여 구현될 수 있다.
이하, 상기 바이오에너지 생산장치(200)에 적용될 수 있는 바이오에너지 생산방법에 대하여 보다 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명과 관련한 바이오에너지 생산방법을 나타내는 흐름도이다.
본 도면을 참조하면, 바이오에너지 생산방법은 혐기반응 단계(S210)와 산화반응 단계(S220)를 포함한다.
혐기반응 단계(S210)는 음극 전극이 장착된 혐기반응조에 바이오매스를 배치하고, 바이오에너지가 생산되도록 상기 음극 전극을 이용하여 전기 에너지를 공급하면서 상기 바이오매스를 혐기반응시킨다.
바이오에너지는, 예를 들어 메탄가스가 될 수 있으며, 바이오매스는 유기성 폐기물을 포함하며, 주로 슬러지상으로 이루어진다. 보다 구체적으로, 바이오매스는 고형물 40% 이하의 폐슬러리가 될 수 있다. 또한 바이오매스는 우드칩, 목폰류, 초본류, 수생식물 및 조류 등 섬유소를 많이 포함한 것들을 포함할 수 있다.
일반적으로 수소와 이산화탄소를 기질로 이용하는 독립영양형 메탄생성균의 경우 산화-환원전위가 낮은 환경에서 작동하는 효소(coenzyme F420, -370 mV; tetrahydromethanopterin, -450 mV)를 가지고 있다. 그러나, 상기 효소는 스스로 산화-환원전위(ORP)를 낮게 유지하는데 필요한 환원력을 생산하지 못하며, 산화-환원 전위가 -300 mV (vs. NHE) 이상의 환경에서는 서식하기 어렵다.
혐기반응조내로 미세전류를 공급하면, 전자가 음극 전극과 접촉하는 유기성 폐기물로 공급되어 메탄생성균 생육에 적합한 환원환경(ORP 약 -300 mV 이하)을 조 성하게 된다. 따라서 혐기반응 단계(S210)에서 이루어지는 전자 공급은 미생물 생육환경에 적합한 환원환경을 조성하게 되고, 이를 통하여 메탄생성균의 농화에 따른 메탄생산효율이 향상된다.
혐기반응은 외기로부터 밀폐된 공간에서 이루어지며, 아래의 (1) 내지 (7)의 화학반응들로 이루어질 수 있다.
Figure 112009072601009-PAT00001
도 2에 의하면, 혐기반응 단계(S210)의 전처리로서, 음극 전극을 통하여 공급되는 전자를 상기 바이오매스의 혐기성미생물까지 이송하도록 상기 혐기반응조에 전자 운반체(electron accepter)를 첨가시킬 수 있다(S100).
전자 운반체로서 매디에이터(mediator)가 이용된다. 혐기성미생물은, 예를 들어 메탄생성균 등이 될 수 있으며, 매디에이터는 예를 들어 뉴트랄레드(neutral red) 등이 될 수 있다. 뉴트랄레드는 메탄생성균에 직접적으로 전자를 공급하는 역할을 하게 된다.
산화반응 단계(S220)는 양극 전극이 배치된 산화반응조에서 유기성 폐기물을 산화반응시킨다.
양극 전극과 음극 전극은 서로 전기적으로 연결되어 전기회로를 이루며, 동력원과 연결될 수 있다. 동력원은, 예를 들어 화학전지 및 청정에너지 동력장치(태양전지, 풍력 발전기 등)가 될 수 있다.
유기성 폐기물은 고형 폐기물 또는 액상 폐기물이 될 수 있다. 보다 구체적으로, 유기성 폐기물은 액상의 유기폐수가 될 수 있으며, 산화반응에 의한 생성물들은 양이온, 전자 및 유리산소 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
산화반응은 공기와 접촉되는 호기상태(open system)에서 이루어지며, 아래 화학식에 따르는 산화반응이 될 수 있다.
Figure 112009072601009-PAT00002
생성된 전자는 양극 전극 및 전기 회로를 통하여 음극 전극으로 이송되며, 혐기반응조에서 환원상태 유지를 위하여 공급되는 전자로 사용된다.
다음은, 이온교환막(membrane)을 이용하여 상기 혐기반응조 및 상기 산화반응조를 구획하고, 상기 이온교환막을 통하여 상기 산화반응조에서 발생한 생성물들을 선택적으로 상기 혐기반응조로 투과시킨다(S300).
이온교환막은 양이온 및 전자는 투과하고, 유리산소는 차단하도록 형성된다. 산화반응에 의해 발생되는 유리산소는 메탄발효공정에서의 혐기조건을 제한하여 메탄생성균 생장을 저해시킨다. 이온교환막은 이온을 선택적 투과하거나 차단하도록 이루어지며, 구체적으로 양이온인 수소이온과 전자는 투과하나 음이온인 산소이온 또는 유리산소의 투과는 차단함으로서 혐기반응에 미치는 영향을 최소화시킨다.
도 2를 참조하면, 바이오에너지 생산방법은 혼합 단계(S400)를 포함할 수 있다. 혼합 단계(S400)는 혐기반응조 및 산화반응조에서 각각 발생하는 부산물들을 유출하고, 상기 부산물들을 서로 혼합한다. 부산물은 별도의 저장/가공조에서 처리되어, 비료, 부엽토, 바이오연료(고형펠렛) 등으로 재이용될 수 있다.
이하, 상기 바이오에너지 생산방법에 의하여 구현되는 바이오에너지 생산장치(200)를 도 3을 참조하여 보다 상세히 설명한다. 도 3은 도 1의 바이오에너지 생산장치(200)의 확대도이다.
바이오에너지 생산장치(200)는 혐기반응조(210), 산화반응조(220), 전기공급장치(240) 및 이온교환막(230)을 포함한다.
혐기반응조(210)에는 바이오매스(211)가 채워지고, 바이오에너지가 생산되도록 상기 바이오매스(211)의 혐기반응이 발생한다.
혐기반응조(210)는 바이오매스(211)가 외기로부터 밀폐되도록 닫힌 공간을 형성한다. 혐기반응조(210)의 일측에는 바이오에너지, 예를 들어 바이오가스(주로 메탄)를 이송시키는 가스 이송관과 연결되도록 산기관(212)이 구비된다. 바이오가스는 가스 이송관을 통하여 저장조 등에 포집되어 에너지로 전환된다.
산화반응조(220)는 유기성 폐기물(221)이 산화반응하도록 형성된다. 산화반응조(220)는 유기성 폐기물(221)이 외기에 노출되도록 적어도 일부가 개방된다. 구체적으로 산화반응조(220)는 일측에 개구(222)가 구비되고, 개구(222)를 통하여 외부와 연통되는 수용공간을 형성한다.
산화반응조(220)에서 채워지는 유기성 폐기물(221)은 액상 폐기물이고, 산화 반응에 의하여 생성되는 생성물들은 양이온, 전자 및 유리산소 중 적어도 하나를 포함한다.
혐기반응조(210)와 산화반응조(220)는 일체로 형성되며, 이온교환막(230)에 의하여 구획되어진다. 보다 구체적으로, 이온교환막(230)은 폴리며 또는 세라믹 소재로 형성되며, 혐기반응조(210) 및 산화반응조(220)의 사이에서 격벽을 이루게 된다.
이온교환막(230)은 산화반응조(220)에서 발생한 생성물들을 선택적으로 혐기반응조(210)로 투과시킨다. 이온교환막(230)은 양이온을 선택적으로 투과하도록 이루어지며, 음이온의 투과를 차단한다. 예를 들어, 이온교환막(230)은 양이온 및 전자는 투과하고, 음이온 및 유리산소는 차단하도록 이루어지며, 예를 들어 Nafion(C7HF13O5S . C2F4) 등의 재질로 형성된다. 이를 통하여, 유리산소가 혐기반응조(210)로 공급되는 것을 차단하여 준다.
본 도면을 참조하면, 바이오매스 및 유기성 폐기물의 수용공간들은 각각 일면 전체가 이온교환막(230)에 의하여 한정된다. 예를 들어, 이온교환막(230)은 혐기반응조(210) 및 산화반응조(220)에 채워지는 바이오매스 및 유기성 폐기물의 높이보다 높도록 형성되며, 이를 통하여 산화반응조(220)에서 생성된 수소이온 및 전자가 보다 원할히 혐기반응조(210)로 이동하게 된다.
전기공급장치(240)는 전기에너지를 공급하도록, 혐기반응조(210)에 배치되는 음극 전극(cathode electrode, 241)과 산화반응조(220)에 배치되는 양극 전극(anode electrode, 242)을 구비한다.
음극 및 양극 전극(241, 242)은 탄소소재, 보론(붕소), 알루미늄, 실리콘, 시멘트 블록(block) 등의 비금속, 준금속, 금속류 중 적어도 하나 이상의 물질로 이루어진다. 음극 및 양극 전극(241, 242)은 전기적으로 연결되어 하나의 전기 회로를 형성하며, 전기회로에 전기를 공급하는 동력장치(243)과 연결된다. 동력장치(243)는 화학전지, 태양전지 및 풍력 발전기 등이 될 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명과 관련한 바이오에너지 생산장치 및 방법의 평가를 위하여 실제 바이오에너지 생산장치에서 취득한 메탄의 발생량을 나타내는 그래프들이다. 보다 구체적으로, 도 4a는 전기에너지 공급이 없는 경우의 메탄발생량을 나타내는 그래프이고, 도 4b는 전기에너지 공급이 있는 경우의 메탄발생량을 나타내는 그래프이다.
도 4a와 도 4b를 비교하면, 전기에너지를 가한 혐기반응의 경우, 전기에너지를 가하지 않은 경우에 비해 메탄생성량이 두 배가량 증가하였으며 그에 반해 이산화탄소의 발생량은 크게 감소하였다. 이러한 실험결과를 통하여 전기에너지의 공급과 이온교환막을 통한 선택적 투과는 수소 또는 이산화탄소를 기질로 이용하는 메탄생성균의 생육에 특히 많은 영향을 끼쳤음을 알 수 있다.
상기와 같은 바이오에너지 생산장치, 이를 구비하는 바이오에너지 생산시스템 및 바이오에너지 생산방법은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 바이오에너지 생산시스템을 나타내는 모식도.
도 2는 본 발명과 관련한 바이오에너지 생산방법을 나타내는 흐름도.
도 3은 도 1의 바이오에너지 생산장치의 확대도.
도 4a는 전기에너지 공급이 없는 경우의 메탄발생량을 나타내는 그래프.
도 4b는 전기에너지 공급이 있는 경우의 메탄발생량을 나타내는 그래프.

Claims (14)

  1. 음극 전극이 장착된 혐기반응조에 바이오매스를 배치하고, 바이오에너지가 생산되도록 상기 음극 전극을 이용하여 전기 에너지를 공급하면서 상기 바이오매스를 혐기반응시키는 단계;
    양극 전극이 배치된 산화반응조에서 유기성 폐기물을 산화반응시키는 단계; 및
    이온교환막(membrane)을 이용하여 상기 혐기반응조 및 상기 산화반응조를 구획하고, 상기 이온교환막을 통하여 상기 산화반응조에서 발생한 생성물들을 선택적으로 상기 혐기반응조로 투과시키는 단계를 포함하는 바이오에너지 생산방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유기성 폐기물은 액상 폐기물이고, 상기 생성물들은 양이온, 전자 및 유리산소 중 적어도 하나를 포함하고,
    상기 이온교환막은 상기 양이온 및 전자는 투과하고, 상기 유리산소는 차단하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 바이오에너지 생산방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 음극 전극을 통하여 공급되는 전자를 상기 바이오매스의 혐기성미생물까지 이송하도록 상기 혐기반응조에 전자 운반체(electron accepter)를 첨가시키는 단계를 더 포함하는 바이오에너지 생산방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전자 운반체는 뉴트랄레드(neutral red)를 포함하는 바이오에너지 생산방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 혐기반응조 및 산화반응조에서 각각 발생하는 부산물들을 유출하고, 상기 부산물들을 서로 혼합하는 단계를 더 포함하는 바이오에너지 생산방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 바이오매스는 슬러리상의 유기성 폐기물을 포함하는 바이오에너지 생산방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 바이오매스는 우드칩, 목폰류, 초본류, 수생식물 및 조류 중 적어도 하나를 더 포함하는 바이오에너지 생산방법.
  8. 바이오에너지가 생산되도록 바이오매스를 혐기반응시키는 혐기반응조;
    유기성 폐기물이 산화반응하도록 형성되는 산화반응조;
    전기에너지를 공급하도록, 상기 혐기반응조에 배치되는 음극 전극과 상기 산화반응조에 배치되는 양극 전극을 구비하는 전기공급장치; 및
    상기 혐기반응조 및 산화반응조를 구획하고, 상기 산화반응조에서 발생한 생성물들을 선택적으로 상기 혐기반응조로 투과시키는 이온교환막을 포함하는 바이오에너지 생산장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 유기성 폐기물은 액상 폐기물이고, 상기 생성물들은 양이온, 전자 및 유리산소 중 적어도 하나를 포함하고,
    상기 이온교환막은 상기 양이온 및 전자는 투과하고, 상기 유리산소는 차단하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 바이오에너지 생산장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 이온교환막은 폴리며 또는 세라믹 소재로 형성되며, 상기 혐기반응조 및 산화반응조의 사이에서 격벽을 이루는 것을 특징으로 하는 바이오에너지 생산장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 혐기반응조는 상기 바이오매스가 외기로부터 밀폐되도록 닫힌 공간을 형성하고,
    상기 산화반응조는 상기 유기성 폐기물이 상기 외기에 노출되도록 적어도 일부가 개방되는 것을 특징으로 하는 바이오에너지 생산장치.
  12. 바이오에너지의 생산 효율을 향상시키도록 바이오매스를 전처리하는 전처리장치;
    전기 에너지를 공급하면서 혐기반응조에서 상기 바이오매스를 혐기반응시키며, 산화반응조에서 유기성 페기물을 산화반응시키고, 상기 산화반응조에서 발생한 생성물들을 선택적으로 상기 혐기반응조로 투과시키도록 이루어지며, 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따르는 바이오에너지 생산장치; 및
    상기 바이오매스 및 상기 유기성 폐기물 중 적어도 하나를 상기 전처리장치에서 상기 바이오에너지 생산장치로 이송하는 이송장치를 포함하는 바이오에너지 생산시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 산화반응조에서 발생하는 부산물을 상기 혐기반응조로 반송시키는 반송장치를 더 포함하는 바이오에너지 생산시스템.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 혐기반응조 및 산화반응조에서 각각 발생하는 부산물들을 유출하고, 상기 부산물들을 서로 혼합하는 부산물 혼합장치를 더 포함하는 바이오에너지 생산시 스템.
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