KR20120035971A - 합성가스 발효를 위한 회전원판형 생물반응조 및 그 운전 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 에탄올이나 유기산 등을 생산하기 위하여 합성가스를 발효하기 위한 회전원판형 생물반응조 및 그 운전 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 용해도가 매우 낮은 합성가스와 미생물의 접촉을 향상시켜 미생물의 생장과 생성물 생산속도를 높이기 위한 장치 및 그 운전 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 일산화탄소와 수소를 포함하는 합성가스를 기체기질로 이용하여 혐기성 발효반응을 일으킬 수 있는 회전원판형 생물반응조에 있어서, 상기 기체기질과 액체배지에 있는 미생물이 반응할 수 있는 반응조 본체; 상기 반응조 본체 내부에 길이방향으로 설치된 회전축에 끼워진 다수의 회전원판; 및 상기 다수의 회전원판이 회전할 수 있도록 상기 회전축에 동력을 전달하는 마그네틱 드라이브; 를 포함하며, 상기 반응조 본체 내부에는 상기 액체배지가 하부에 채워진 상태에서 기체기질이 나머지 공간을 채우게 되며, 상기 다수의 회전원판이 회전하면서 상기 액체배지에 있는 미생물과 상기 기체기질이 접촉함으로써 합성가스의 발효가 이루어지는 것을 특징으로 하는 회전원판형 생물반응조가 제공될 수 있다.

Description

합성가스 발효를 위한 회전원판형 생물반응조 및 그 운전 방법{Rotating Disk Reactor for Synthesis Gas Fermentation and Method for Running the Same}
본 발명은 에탄올이나 유기산 등을 생산하기 위하여 합성가스를 발효하기 위한 회전원판형 생물반응조 및 그 운전 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 용해도가 매우 낮은 합성가스와 미생물의 접촉을 향상시켜 미생물의 생장과 생성물 생산속도를 높이기 위한 장치 및 그 운전 방법에 관한 것이다.
가연성 물질을 이론공기량 보다 적은 조건에서 연소시키면 불완전 연소되어 일산화탄소(CO)나 수소(H2)와 같은 가연성 가스가 발생하며, 이러한 반응을 가스화(Gasification)라고 한다. 고온상태로 유지하면서 이러한 반응을 유지하면 5~8MJ/Nm3의 저열량 합성가스(Synthesis Gas)를 얻게 된다. 합성가스의 주성분은 일산화탄소와 수소, 미량의 메탄 등의 가연성 기체와 이산화탄소, 질소 등이 포함되어 있다.
합성가스 중 일산화탄소와 수소는 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch)공정 등을 통해 유기화합물로 합성하는데 이용된다. 이러한 화학공정에서는 일산화탄소와 수소를 일정 수준 이상으로 정제하는 것이 중요하다. 이와는 달리 생물학적 공정에서는 높은 수준의 분리공정 없이 일산화탄소와 수소를 기질로 이용하여 에탄올과 아세트산 등의 유기산을 얻을 수 있다. 이러한 과정에 관여하는 균주는 특허등록 제10-0634835호 등에 개시되어 있으며, 에탄올의 생산을 증진시키기 위한 기술은 특허등록 제10-0879577호 등에 개시되어 있다.
기체기질을 공급하기 위한 방법 또는 반응조는 연속식 교반조, 기포식 반응조, 생물막담체 반응조, 살수여상 반응조, 미세기포 혼합반응조, 막 반응조 등 여러 가지 가 있다. 이들 방법의 특징은 다음과 같다.
연속식 교반조(Conrinuous Stirred-Tank Reactor, CSTR)는 합성가스 발효를 위해서 가장 일반적으로 쓰이고 있는 반응조이다. 여기에서 기체 기질은 연속적으로 주입되고, 미생물의 생장을 위해 필요한 양분도 액상의 배지로 함께 공급된다. 발효액은 주입되는 액상의 배지와 동일한 유량으로 인출된다. 임펠러를 이용하여 기체 기질이 미생물에게 충분히 공급될 수 있도록 하는 것이 일반적이다.
기포식 반응조(Bubble Column Reactor)는 주로 산업용으로 개발되어 용적이 크며, 기질 공급속도가 크며, 유지관리비용이 비교적 낮은 장점이 있다. 반면에 기포가 결합되어 효율이 떨어지는 것이 단점이다.
생물막 담체 반응조에서는 기체 기질이 담체 표면에서 생장하는 미생물에 접촉될 수 있도록 공급된다. 담체 표면에서 미생물은 기질을 공급받으며 에탄올과 아세트산 등을 생산한다. 기체기질은 대기압 수준의 압력조건에서 공급되므로 비교적 경쟁력을 갖는 반응조이다.
살수여상 반응조에서는 여재를 채운 상(床)에 액상의 배지가 살수되며 합성가스는 아래 또는 윗방향으로 공급된다. 기계적인 혼합 등이 필요치 않으므로, CSTR 반응조에 비해서 비교적 동력비가 적게 소요된다.
미세기포 혼합 반응조는 미세기포가 공급되는 반응조로서 일반적인 교반탱크(stirred-tank) 반응조의 형식을 갖는다. 기포의 직경이 작을수록 기체의 용해도가 증가하는 원리에 기초한 반응조로서, 미세기포를 만드는 장치가 포함되어야 한다.
막 반응조에서 중공사막은 액상 배지에서 기체를 용해시키는데 이용될 수 있다. 기포의 발생 없이 합성가스를 배지에 공급할 수 있으며 막의 외부 표면에서 미생물은 부착하여 생장하게 된다. 다른 반응조에 비해 보다 높은 생산성과 반응속도를 보이며, 합성가스 중에 포함되어 있는 타르나 질소산화물과 같은 저해 물질에 대해서 상대적으로 영향을 덜 받는 것으로 알려져 있다. 보다 높은 압력 조건에서 운영할 때에는 물질전달 속도가 빨라지므로 반응조의 크기를 보다 작게할 수 있다.
한편, 합성가스 발효에서 미생물의 증식이나 물질 생산속도를 증진시키기 위해서는 기질로서 이용되는 합성가스를 효과적으로 공급해야 한다. 합성가스의 주 성분인 일산화탄소와 수소의 용해도는 매우 낮아 미세기포 발생, 기계식 교반, 중공사막 등을 이용한 시도가 있어 왔으나 그 차이는 뚜렷하지 않다.
이러한 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 용해도가 낮은 기체기질을 미생물에게 효과적으로 공급할 수 있는 합성가스 발효를 위한 회전원판형 생물반응조 및 그 운전 방법을 제공하고자 하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 일산화탄소와 수소를 포함하는 합성가스를 기체기질로 이용하여 혐기성 발효반응을 일으킬 수 있는 회전원판형 생물반응조에 있어서, 상기 기체기질과 액체배지에 있는 미생물이 반응할 수 있는 반응조 본체; 상기 반응조 본체 내부에 길이방향으로 설치된 회전축에 끼워진 다수의 회전원판; 및 상기 다수의 회전원판이 회전할 수 있도록 상기 회전축에 동력을 전달하는 마그네틱 드라이브; 를 포함하며, 상기 반응조 본체 내부에는 상기 액체배지가 하부에 채워진 상태에서 기체기질이 나머지 공간을 채우게 되며, 상기 다수의 회전원판이 회전하면서 상기 액체배지에 있는 미생물과 상기 기체기질이 접촉함으로써 합성가스의 발효가 이루어지는 것을 특징으로 하는 회전원판형 생물반응조가 제공된다.
미생물이 효율적으로 성장할 수 있는 막을 형성하도록, 상기 회전원판에는 다공부가 구비된 것이 바람직하다.
발효가 일어나는 과정에서 상기 반응조 본체의 내부 온도를 일정하게 유지하기 위하여 상기 반응조 본체 외벽에는 가온용 히터가 설치되는 것이 바람직하다.
상기 회전원판의 재질은 금속에 테프론을 코팅한 것 또는 테프론인 것이 바람직하다.
상기 반응조 본체의 재질은 스텐레스 스틸(stainless steel) 또는 아크릴인 것이 바람직하다.
상기 반응조 본체에는 반응조 본체에서 일어나는 반응을 육안으로 확인할 수 있는 투시구가 형성된 것이 바람직하다.
상기 회전원판끼리 접촉하지 않도록 상기 회전원판 사이에는 상기 회전축을 통해 분리판이 끼워지는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 회전원판형 생물반응조의 운전방법에 있어서, 상기 회전원판형 생물반응조의 반응조 본체 내부를 멸균하는 단계; 상기 멸균하는 단계 이후에 상기 반응조 본체 내부에 질소가스를 공급하여 상기 반응조 본체 내부를 무산소 조건으로 만드는 단계; 멸균 및 무산소 조건으로 된 상기 반응조 본체의 하부에 액체배지를 채우고 나머지 공간에는 기체기질을 채우는 단계; 및 상기 회전원판형 생물반응조의 회전원판을 회전시킴으로써, 상기 액체배지에 있는 미생물과 상기 기체기질이 접촉하여 합성가스의 발효가 이루어지는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전원판형 생물반응조의 운전방법이 제공된다.
상기 합성가스의 발효가 이루어지는 단계에서, 상기 반응조 본체 내부의 압력을 고려하여 기체기질의 공급이 추가로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 합성가스의 발효가 이루어지는 단계에서, 액체배지 중의 미생물을 걸러내어 액체배지 중의 미생물 농도를 일정하게 유지하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 합성가스 발효를 위해서 기체기질의 용해도를 높이기 위해 고압으로 운전될 필요가 없으며 미세 기포를 공급하기 위해 기계식 교반이 필요하지 않으므로 운전 및 설비 비용 절감이 가능하다.
또한 본 발명에 의하면, 기질 공급속도가 높기 때문에 미생물의 증식속도와 에탄올 등의 생성물 생성속도가 빠른 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 합성가스 발효를 위한 회전원판형 생물반응조의 정단면도.
도 2는 본 발명에 따른 합성가스 발효를 위한 회전원판형 생물반응조의 평면도.
도 3은 본 발명에 따른 합성가스 발효를 위한 회전원판형 생물반응조의 측면도.
도 4는 회전원판을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명에 따른 합성가스 발효를 위한 회전원판형 생물반응조의 운전방법을 시간의 순서에 따라 나타낸 순서도.
이하 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 합성가스 발효를 위한 회전원판형 생물반응조를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 합성가스 발효 실험에 이용된 미생물은 미국의 ATCC에서 구입한 Clostridium ljungdahlii와 독일의 DSMZ에서 구입한 Clostridium autoethanogenum로서, 모두 에탄올과 아세트산을 생산한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서 사용하는 합성가스는 일산화탄소와 수소를 주성분으로 하며 가연성 기체인 미량의 메탄, 이산화탄소, 질소 등을 포함할 수도 있다. 또한 이러한 합성가스를 기체기질로 이용하여 혐기성 발효반응을 일으키게 된다.
도 1에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 합성가스 발효를 위한 회전원판형 생물반응조의 정단면도가 도시되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 반응조 본체(12) 내부에는 길이방향으로 설치된 회전축(13)을 따라서 다수의 회전원판(10)이 끼워져 있다. 도면에는 도시되지 않았지만 회전원판(10)끼리 접촉하지 않도록 다수의 회전원판(10) 사이에는 회전축(13)을 통해 분리판이 끼워질 수 있다. 이때 분리판의 외경은 회전축(13)의 외경보다 약간 큰 것이 바람직하다. 이는 분리판의 외경이 너무 클 경우 회전원판(10)에 형성된 다공부(15, 도 4 참조)를 일부 막을 수 있기 때문이다. 분리판의 재질로서 테프론 등을 사용할 수 있다.
반응조 본체(12)에서는 가스 주입구(2)를 통해 주입되는 기체기질과 액체배지 주입구(3 ,도 2 참조)를 통해 주입되는 액체배지에 있는 미생물이 반응하여 합성가스의 발효가 일어나게 된다. 이때 회전원판(10)에는 액체배지와 기체기질의 접촉효율을 높이고 또한 미생물이 효율적으로 성장할 수 있는 막을 형성하도록 다수의 구멍으로 이루어진 다공부(15 , 도 4 참조)가 형성될 수도 있다.
회전원판의 재질은 금속에 테프론을 코팅한 것이나 테프론일 수 있다.
다수의 회전원판(10)이 회전할 수 있도록 회전축(13)은 마그네틱 드라이브(1)를 통해 동력을 전달받을 수 있다. 마그네틱 드라이브(1)를 동력원으로 사용하기 때문에 합성가스의 발효과정 중에 회전원판(10)이 회전하더라도 가스의 누설을 효과적으로 차단할 수 있다.
합성가스의 발효가 일어나는 과정에서 반응조 본체(12)의 내부 온도를 일정하게 유지하기 위하여 반응조 본체(12) 외벽에는 가온용 히터(9)가 설치될 수 있다. 또한 내부 온도를 측정하기 위하여 반응조 본체(12)의 일측에 위치하는 온도센서 연결부(4)를 통해 온도센서(미도시)가 설치될 수 있다.
또한 합성가스의 발효가 일어나는 과정에서 반응조 본체(12)의 내부 압력을 적정수준으로 유지할 필요가 있다. 일정 수준 이상의 압력이 되어야 기체기질과 미생물의 반응이 효율적으로 일어날 수 있기 때문이다. 이를 위해서는 반응조 본체(12)의 내부 압력을 측정할 필요가 있으므로 반응조 본체(12)의 일측에 위치하는 압력센서 연결부(5)에는 압력센서(미도시)가 설치될 수 있다.
반응조 본체(12)의 재질은 스텐레스 스틸(stainless steel) 이나 아크릴 등을 사용할 수 있는데 특히 스텐레스 스틸과 같은 금속재질을 사용할 경우 반응조 본체(12) 내부의 반응을 육안으로 확인하기에 어려움이 있으므로 반응조 본체(12)의 일측에는 투시구(11)가 설치될 수 있다.
반응조 본체(12)의 일측에 위치하는 가스 배출구(6)를 통해서는 일정시간의 반응 후 내부의 기체를 배출하게 된다.
도 2를 참조하면 상술한 가스 주입구(2), 액체배지 주입구(3), 온도센서 연결부(4), 압력센서 연결부(5), 가스 배출구(6) 및 투시구(11)에 대하여 보다 명확하게 파악할 수 있다.
도 3을 참조하면, 반응조 본체(12)의 측면에는 액체배지 배출구(7)와 액체배지 여과배출구(8)가 형성되어 있음을 알 수 있다.
합성가스의 발효과정을 거친 액체배지의 성분 분석을 위해 액체배지 배출구(7)를 통해 액체배지를 얻을 수 있다.
액체배지 여과배출구(8)를 통해서는 배지 중의 미생물을 걸러내어 미생물의 농도를 일정하게 유지할 수 있다. 또한 액체배지 중에 합성가스 발효를 통해 얻은 생성물을 회수할 수 있으며, 액체배지는 다시 액체배지 주입구(3)로 공급될 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 합성가스 발효를 위한 회전원판형 생물반응조의 운전방법을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 5에는 본 발명에 따른 합성가스 발효를 위한 회전원판형 생물반응조의 운전방법을 시간의 순서에 따라 나타낸 순서도가 도시되어 있다.
상술한 회전원판형 생물반응조를 가동하기에 앞서 우선 반응조 본체(12) 내부를 멸균하게 된다.(S100) 멸균 이후에는 반응조 본체(12) 내부를 무산소 조건으로 만들기 위해 반응조 본체(12) 내부에 가스 주입구(2)를 통해 질소가스를 공급하여 반응조 본체(12) 내부를 정화하게 된다.(S200)
일 예로 고압멸균기에서 멸균과정을 거친 후 반응조 본체(12) 내부를 99%의 에탄올을 소독용 솜에 충분히 묻혀 살균할 후, 다시 자외선 램프를 24시간 동안 조사한 후 반응조 본체(12)를 밀폐할 수 있다. 이후, 내부에 산소를 제거하기 위해 질소를 0.25㎛ 필터를 통과시킨 후 주입할 수 있다.
멸균 및 무산소 조건으로 된 반응조 본체(12)에는 액체배지 주입구(3)를 통해 액체배지를 채우고 미생물을 주입할 수 있다. 반응조 본체(12)의 하부에 일정량의 액체배지를 채운 상태에서 나머지 공간에는 가스 주입구(2)를 통해 합성가스를 기체기질로서 채울 수 있다.(S300)
일 예로 액체배지를 회전축(13) 높이까지 채우고 미생물을 접종할 수 있다. 또한 합성가스는 0.25㎛ 필터와 니들(needle)밸브가 연결된 주입구를 통해 1~5atm 정도를 압력이 될 때까지 주입할 수 있다.
마그네틱 드라이브(1)를 구동하면 이에 연결된 회전원판(10)이 회전하면서 액체배지에 있는 미생물과 기체기질이 접촉하여 합성가스의 발효가 이루어질 수 있게 된다.(S400)
이때 반응조 본체(12)의 내부 압력이 일정수준 이상이 되어야 반응이 효과적으로 일어날 수 있으므로 가스 주입구(2)를 통해서는 기체기질의 공급이 적절하게 이루어질 수 있다.
온도와 압력은 K-type 열전대와 압력센서, Labview™ 및 NI9219 데이터 수집장치를 이용하여 1분 간격으로 계측한다. 합성가스 조성과 배양액 중 생성물의 농도 측정을 위한 시료는 반응조의 상태 및 압력변화를 관찰하며 채취한다. 미생물의 생장속도는 채취한 배양액의 분광광도계를 이용하여 600nm에서 농도를 측정하여 파악한다.
회전원판형 생물반응조를 작동한 결과 종래 500㎖ 용량의 파이렉스 재질의 기포식 가스 순환형 생물반응조에 비해 미생물 접종 후 3일을 기준으로 했을 때 OD의 값은 약 2배 정도 차이를 보인다. 또한 회전원판형 생물반응조는 종래 기포식 반응조에 비해 2배 이상의 빠른 증식 속도를 나타낸다.
상술한 바와 같은 회전원판형 생물반응조에 의하면, 회전원판을 이용하여 기체기질을 미생물과 반응시키기 때문에 미생물과 기체기질의 접촉면적이 넓으며 반응이 효율적으로 일어날 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 합성가스 발효를 위한 회전원판형 생물반응조 및 그 운전 방법을, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였다. 하지만 본 발명은 이상에서 설명된 실시예와 도면에 의해 한정되지 않으며 특허청구범위 내에서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자들에 의해 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.
1: 마그네틱 드라이브 2: 가스 주입구
3: 액체배지 주입구 4: 온도센서 주입구
5: 압력센서 주입구 6: 가스 배출구
7: 액체배지 배출구 8: 액체배지 여과배출구
9: 가온용 히터 10: 회전원판
11: 투시구 12: 반응조 본체
13: 회전축 15: 다공부

Claims (10)

  1. 일산화탄소와 수소를 포함하는 합성가스를 기체기질로 이용하여 혐기성 발효반응을 일으킬 수 있는 회전원판형 생물반응조에 있어서,
    상기 기체기질과 액체배지에 있는 미생물이 반응할 수 있는 반응조 본체;
    상기 반응조 본체 내부에 길이방향으로 설치된 회전축에 끼워진 다수의 회전원판; 및
    상기 다수의 회전원판이 회전할 수 있도록 상기 회전축에 동력을 전달하는 마그네틱 드라이브;
    를 포함하며,
    상기 반응조 본체 내부에는 상기 액체배지가 하부에 채워진 상태에서 기체기질이 나머지 공간을 채우게 되며, 상기 다수의 회전원판이 회전하면서 상기 액체배지에 있는 미생물과 상기 기체기질이 접촉함으로써 합성가스의 발효가 이루어지는 것을 특징으로 하는 회전원판형 생물반응조.
  2. 청구항 1에 있어서,
    미생물이 효율적으로 성장할 수 있는 막을 형성하도록, 상기 회전원판에는 다공부가 구비된 것을 특징으로 하는 회전원판형 생물반응조.
  3. 청구항 1에 있어서,
    발효가 일어나는 과정에서 상기 반응조 본체의 내부 온도를 일정하게 유지하기 위하여 상기 반응조 본체 외벽에는 가온용 히터가 설치되는 것을 특징으로 하는 회전원판형 생물반응조.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 회전원판의 재질은 금속에 테프론을 코팅한 것 또는 테프론인 것을 특징으로 하는 회전원판형 생물반응조.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 반응조 본체의 재질은 스텐레스 스틸(stainless steel) 또는 아크릴인 것을 특징으로 하는 회전원판형 생물반응조.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 반응조 본체에는 반응조 본체에서 일어나는 반응을 육안으로 확인할 수 있는 투시구가 형성된 것을 특징으로 하는 회전원판형 생물반응조.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 회전원판끼리 접촉하지 않도록 상기 회전원판 사이에는 상기 회전축을 통해 분리판이 끼워지는 것을 특징으로 하는 회전원판형 생물반응조.
  8. 회전원판형 생물반응조의 운전방법에 있어서,
    청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 따른 회전원판형 생물반응조의 반응조 본체 내부를 멸균하는 단계;
    상기 멸균하는 단계 이후에 상기 반응조 본체 내부에 질소가스를 공급하여 상기 반응조 본체 내부를 무산소 조건으로 만드는 단계;
    멸균 및 무산소 조건으로 된 상기 반응조 본체의 하부에 액체배지를 채우고 나머지 공간에는 기체기질을 채우는 단계; 및
    상기 회전원판형 생물반응조의 회전원판을 회전시킴으로써, 상기 액체배지에 있는 미생물과 상기 기체기질이 접촉하여 합성가스의 발효가 이루어지는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전원판형 생물반응조의 운전방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 합성가스의 발효가 이루어지는 단계에서, 상기 반응조 본체 내부의 압력을 고려하여 기체기질의 공급이 추가로 이루어지는 것을 특징으로 하는 회전원판형 생물반응조의 운전방법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 합성가스의 발효가 이루어지는 단계에서, 액체배지 중의 미생물을 걸러내어 액체배지 중의 미생물 농도를 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 회전원판형 생물반응조의 운전방법.
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