KR20120068288A

KR20120068288A - Method and system for producing biogas, fat solubles material and microalgae by microalgae culture of organic waste

Info

Publication number: KR20120068288A
Application number: KR20100129852A
Authority: KR
Inventors: 김성천
Original assignee: 김성천
Priority date: 2010-12-17
Filing date: 2010-12-17
Publication date: 2012-06-27
Also published as: KR101194942B1

Abstract

PURPOSE: A method and an apparatus for generating biogas, lipoid soluble material, and microalgae is provided to obtain microalgae and lipoid soluble materials without the damage of cells and to cost effectively treat organic waste. CONSTITUTION: Organic waste is fermented to generate organic wastewater and biogas in an organic waste fermenting unit(10). The generated biogas is collected in a biogas collecting unit(20). Diluted organic waste cultivates microalgae containing lipoid materials. The microalgae cultivated liquid and a lipoid material extracting solvent are mixed to contact the lipoid material extracting solvent with the microalgae cultivating liquid. The lipoid materials of the microalgae cultivating liquid are dissolved in the lipoid material extracting solvent. Microalgae is coagulated and separated from the mixture. Remaining mixture is separated into the dissolved lipoid material-lipoid material extracting solvent and water.

Description

Method and apparatus for producing biogas, fat-soluble substances and microalgae by microalgae culture of organic waste {Method and System for Producing Biogas, Fat Solubles Material and Microalgae by Microalgae Culture of Organic Waste}

본 발명은 유기성폐기물을 발효하고 미세조류를 배양하여 바이오가스, 지용성물질 및 미세조류를 생산하는 방법 및 장치에 관한 것이며, 보다 상세하게는 유기성폐기물을 발효하여 유기성폐수와 바이오가스를 생산한 후, 생산된 유기성폐수를 이용하여 미세조류를 배양함으로써, 유기성폐수를 정화하는 것은 물론, 배양된 미세조류로부터 세포비파괴 방법으로 지용성물질을 생산하고 살아있는 미세조류를 고밀도 재배양하여 미세조류 바이오매스를 대량으로 생산하는 방법 및 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a method and apparatus for fermenting organic waste and culturing microalgae to produce biogas, fat-soluble substances and microalgae, and more specifically, after fermenting organic waste to produce organic wastewater and biogas, By cultivating the microalgae using the organic wastewater produced, not only to purify the organic wastewater, but also to produce fat-soluble substances from the cultured microalgae by cell-non-destructive method, and to cultivate the living algae in high density to grow microalgal biomass in large quantities. It relates to a method and apparatus for producing.

도4에 도시되고, 널리 알려진 바와 같이, 유기성폐기물(음식물폐기물, 유기성 슬러지, 축산폐수 및 분뇨 등 유기물을 포함하고 있는 폐기물)을 가수분해 및 산생성 발효 공정으로 처리하면 유기성폐수와 바이오가스가 생산된다. As shown in FIG. 4 and widely known, organic wastes (food waste, organic sludge, livestock wastewater and manure containing wastes including organic matters) are treated by hydrolysis and acid producing fermentation to produce organic wastewater and biogas. do.

이렇게 생산된 유기성폐수는, 유기물질, 질소 및 인 등의 성분을 대단히 많이 포함하고 있으므로, 통상의 폐수처리 방법으로는 처리하기가 쉽지 않으며, 최근 들어 하천의 부영양화를 초래하는 유기물질, 질소/인 화합물에 대한 방류기준이 엄격히 적용되고 있으므로, 이에 대한 고도처리 기술의 개발이 시급한 실정이다. The organic wastewater produced in this way contains a large amount of organic substances, nitrogen and phosphorus, so that it is not easy to treat by conventional wastewater treatment methods, and recently, organic substances, nitrogen / phosphorus, which cause eutrophication of rivers in recent years. Since the discharge standard for the compound is strictly applied, it is urgent to develop advanced treatment technology for this.

유기성폐수로부터 영양염류를 제거하기 위하여 활성 슬러지법과 생물막법 등 다양한 물리적, 화학적 그리고 생물학적 방법들이 사용되어 왔다. 이런 방법들을 단일 혹은 복합적으로 사용하면 영양염류를 양호하게 제거할 수 있지만, 많은 운전비용과 조절의 어려움, 그리고 많은 화학약품의 요구와 과도한 슬러지의 발생 등의 단점이 있다. 따라서 이런 전통적인 폐수처리 방법을 대신하여 미세조류를 이용하는 처리 시스템이 유기물 제거 방법의 대안으로 고려되고 있다. Various physical, chemical and biological methods have been used to remove nutrients from organic wastewater, including activated sludge and biofilm methods. The use of these methods, either singly or in combination, provides good removal of nutrients, but has the disadvantages of high operating costs, difficult control, many chemicals and excessive sludge generation. Therefore, a treatment system using microalgae instead of the conventional wastewater treatment method is considered as an alternative to the organic material removal method.

예를 들면, 도시하수의 안정적인 처리를 위하여 고농도의 미세조류를 이용한 처리시스템이 개발되었고, 폐수로부터 영양염류를 제거하기 위해 미세조류를 고정화하여 처리하였다. 또한 스코틀랜드에서는 물결모양의 수로에 미세조류를 배양하여 하수로부터 질소와 인을 제거하는 방법을 개발하여 실행하였다. For example, a treatment system using a high concentration of microalgae was developed for the stable treatment of urban sewage, and the microalgae was fixed and treated to remove nutrients from the wastewater. In Scotland, microalgae were cultivated in wavy channels to develop nitrogen and phosphorus from sewage.

미세조류는 자연계에서 가장 큰 수질오염 현상인 부영양화 현상에 의해 대량 발생하며, 진핵 미세조류로써 빛을 이용하여 탄소동화작용을 할 수 있는 식물군이다. 따라서 미세조류의 인공적 성장조절이 가능하다면 수질오염 중에서 특히 부영양화 현상을 일으키는 영양물질의 제거에 매우 효율적일 것으로 예상된다.Microalgae are produced in large quantities by eutrophication, the largest water pollution phenomenon in nature, and are eukaryotic microalgae, a group of plants capable of carbon assimilation using light. Therefore, if artificial growth control of microalgae is possible, it is expected to be very efficient in removing nutrients causing eutrophication among water pollution.

미세조류 배양방법에는, 빛에너지, 이산화탄소 및 물을 이용한 광합성으로 미세조류가 성장하는 독립영양배양, 미세조류가 광합성을 하지 않고 유기물질로부터 탄소원을 획득하여 성장하는 종속영양배양, 그리고 독립영양과 종속영양을 병행하는 혼합영양배양이 있다. Microalgae cultivation method includes independent nutrient culture in which microalgae grow by photosynthesis using light energy, carbon dioxide and water, heterotrophic culture in which microalgae obtain carbon source from organic material without photosynthesis, and independent nutrient and subordinate There is a mixed nutrition culture with nutrition.

유기성폐기물을 발효하면 바이오가스와 유기성폐수가 생산되고, 유기성폐수로 미세조류를 배양하면 미세조류가 유기물을 함유한 유기성폐수로부터 유기물질, 질소 및 인 성분을 흡수하여 성장할 수 있기 때문에, 미세조류가 유기물질, 질소 및 인 성분을 제거함과 동시에 바이오에너지 및 바이오화학제품 원료인 바이오매스, 생리활성물질 및 어류의 먹이 등과 같은 유용한 생물자원(biomass)을 생산할 수 있을 것으로 예측되며, 또한 이렇게 생산되는 미세조류는 세포내 우량 단백질의 함량이 높아 고단백 가축사료로도 이용할 수 있을 것으로 기대된다. 따라서 유기성폐기물 발효시스템과 미세조류 배양 시스템을 통합 운영한다면, 유기성폐수를 정화하는 것은 물론 부가적으로 바이오가스 및 바이오매스를 대량 생산할 수 있을 것으로 기대된다. Fermentation of organic waste produces biogas and organic wastewater, and when microalgae are cultured with organic wastewater, microalgae can grow by absorbing organic substances, nitrogen, and phosphorus from organic wastewater containing organic matter. It is expected to be able to produce useful biomass such as biomass, biomass, bioactive substance and fish food as well as removing organic substances, nitrogen and phosphorus. Algae are expected to be used as high protein livestock because of their high protein content in cells. Therefore, if the organic waste fermentation system and the microalgal culture system are integrated, it is expected that not only the organic wastewater can be purified, but also the mass production of biogas and biomass.

그러나 과다 증식한 미세조류를 회수하지 않으면 노쇠화하고 미세조류가 파괴되어 다시 유기물로 환원되므로 미세조류의 기계적인 회수방법이 요구된다. 또한 미세조류를 이용한 폐수 처리시 지역적인 특성에 따른 태양빛의 유무, 주야의 변화에 의한 광합성과 호흡의 차이, 광범위한 부지 요구, 그리고 미세조류 분리의 어려움 등이 해결하여야 할 과제이다. However, if the microalgae over-proliferated are not recovered, deterioration and the microalgae are destroyed and reduced to organic materials are required. Therefore, a mechanical recovery method of the microalgae is required. In addition, there are issues to be resolved in the treatment of wastewater using microalgae, the presence or absence of sunlight according to regional characteristics, the difference in photosynthesis and respiration due to day and night changes, extensive site requirements, and the difficulty of microalgae separation.

미세조류로부터 오일을 포함한 지용성물질의 전통적인 추출법은, 미세조류의 배양 후 미세조류의 생장에 저해를 주는 과정인 원심분리, 여과 및 건조공정을 통해 최대한 수분을 제거한 다음에 지용성물질에 대해 선택성이 높은 용매로 지용성물질을 추출하는 것이었다. 그러나 이러한 종래의 지용성물질 추출법은 탈수과정 및 추출과정에서 미세조류가 파괴되어 유용한 바이오매스인 탄수화물, 미세조류 내 단백질 등의 성분이 유출 및 소실되고 재배양을 하거나 바이오매스를 재사용하는데 어려움이 있으며, 대규모 배양시 복잡한 공정단계로 높은 운전비용 등의 문제점이 있다. Traditional extraction of oil-soluble substances including oil from microalgae removes water as much as possible through centrifugation, filtration and drying, which inhibits the growth of microalgae after cultivation of microalgae, The fat-soluble substance was extracted with a solvent. However, in the conventional fat-soluble substance extraction method, microalgae are destroyed during the dehydration process and extraction process, and components such as carbohydrates and proteins in microalgae, which are useful biomass, are leaked and lost, and it is difficult to redistribute or reuse the biomass. In the case of large-scale cultivation, there are problems such as high operating costs due to complex process steps.

본 발명자는 세포(미세조류)로부터 유용물질을 추출하는 종래 방법의 문제점을 해소하고자, 대한민국 특허출원 제10-2010-0043955호(2010. 05. 11 출원)의 '미세조류 배양에 의한 바이오디젤 및 발효산물 생산 방법 및 장치'. 대한민국 특허출원 제10-2010-0059100호(2010. 06. 22 출원)의 '미세조류 배양을 통한 고밀도 미세조류 및 농축된 지용성물질 생산 방법 및 장치' 및 대한민국 특허출원 제10-2010-0108998호(2010.11.04 출원)의 '세포배양을 통한 세포 및 지용성물질의 생산 방법 및 장치'를 제안한 바 있다. The inventors of the present invention to solve the problem of the conventional method for extracting useful substances from cells (microalgae), the biodiesel by microalgae culture and the Korean Patent Application No. 10-2010-0043955 (filed on May 11, 2010) Fermentation product production method and apparatus'. Korean Patent Application No. 10-2010-0059100 (filed June 22, 2010) 'Method and apparatus for producing high density microalgae and concentrated fat-soluble substances through microalgae cultivation' and Korean Patent Application No. 10-2010-0108998 ( 2010.11.04 filed) 'Method and apparatus for producing cells and fat-soluble substances through cell culture'.

상기한 본 발명자의 제안을 통해, 미세조류배양을 이용한 지용성물질 등 유용물질 추출방법에 관련하여, 기존의 복잡하고 비용이 많이 드는 추출 방법과는 달리, 미세조류의 연속배양 및 미세조류배양액과 지용성물질추출용매의 접촉을 개선하여 지용성물질과 미세조류를 높은 회수율로 획득할 수 있고, 운전비용이 저렴하며, 분획된 지용성물질로부터 유용물질을 생산하고 분획된 미세조류는 재배양하거나 에탄올, 부탄올 및 유기산과 같은 유용 발효산물의 생산에 사용할 수 있게 되었다. Through the proposal of the present inventors described above, in relation to the extraction method of useful substances such as fat-soluble substances using microalgal culture, unlike the existing complicated and expensive extraction method, continuous culture of microalgae and microalgal culture solution and fat-soluble Improved contact of the material extraction solvent to obtain a high recovery rate of fat-soluble substances and microalgae, low operating costs, to produce useful substances from the fractionated fat-soluble substances and to cultivate the fractionated microalgae or to ethanol, butanol and It can be used for the production of useful fermentation products such as organic acids.

본 발명의 목적은 유기성폐기물의 미세조류배양에 의한 바이오가스, 지용성물질 및 미세조류의 생산 방법 및 장치를 제공하고자 하는 것이다. An object of the present invention is to provide a method and apparatus for producing biogas, fat-soluble substances and microalgae by microalgal culture of organic waste.

본 발명의 목적은, 유기성폐기물을 발효하여 유기성폐수와 바이오가스를 생산하고, 생산된 유기성폐수의 오염물질인 유기물질, 질소 및 인 성분을 미세조류의 영양분으로 사용하여 미세조류를 배양함으로써 유기성폐수로부터 유기물질, 질소 및 인 성분을 제거하여 유기성폐수를 정화하는 한편, 배양된 미세조류로부터 세포비파괴 방법으로 지용성물질을 추출하고 살아있는 미세조류를 고밀도 재배양하여 대량으로 미세조류 바이오매스를 생산하여 유용한 바이오매스로 활용하는 방법 및 장치를 제공하고자 하는 것이다. It is an object of the present invention to produce organic wastewater and biogas by fermenting organic waste, and organic wastewater by culturing the microalgae using organic substances, nitrogen and phosphorus, which are pollutants of the organic wastewater, as nutrients of the microalgae. Purifies organic wastewater by removing organic substances, nitrogen, and phosphorus from the soil, extracting fat-soluble substances from cultured microalgae by cell non-destructive method, and cultivating live microalgae in high density to produce microalgal biomass in large quantities. It is an object of the present invention to provide a method and apparatus for utilizing biomass.

본 발명에 따라 유기성폐기물의 미세조류배양에 의한 바이오가스, 지용성물질 및 미세조류의 생산 방법 및 장치가 제공된다. According to the present invention there is provided a method and apparatus for producing biogas, fat-soluble substances and microalgae by microalgal culture of organic waste.

본 발명에 따른 유기성폐기물의 미세조류배양에 의한 바이오가스, 지용성물질 및 미세조류의 생산 방법은, 유기성폐기물을 발효하여 유기성폐수와 바이오가스를 생산하는 과정; 생산된 상기 바이오가스를 포획하는 과정; 희석된 상기 유기성폐수로 지용성물질을 함유하는 미세조류를 배양하는 과정; 상기 미세조류의 배양액과 상기 지용성물질이 용해되는 지용성물질추출용매를 혼합하여, 상기 지용성물질추출용매를 상기 미세조류배양액에 접촉시킴으로써, 상기 미세조류의 상기 지용성물질을 상기 지용성물질추출용매에 용해시키는 과정; 상기 지용성물질이 용해된 후에, 혼합액에서 상기 미세조류를 응집, 정체 및 분리하는 과정; 상기 미세조류가 분리된 후의 상기 혼합액을, 상기 지용성물질추출용매에 상기 지용성물질이 용해된 지용성물질-용매와 물로 분획하는 과정; 및 분리된 상기 미세조류와 분획된 상기 지용성물질-용매를 각각 수득하는 과정; 을 포함한다. Biogas, fat-soluble substances and microalgae production method by the microalgal culture of organic waste according to the present invention, the process of producing organic wastewater and biogas by fermenting the organic waste; Capturing the produced biogas; Culturing the microalgae containing a fat-soluble substance with the diluted organic wastewater; By mixing the culture medium of the microalgae and the fat-soluble material extraction solvent in which the fat-soluble material is dissolved, by contacting the fat-soluble material extraction solvent to the microalgal culture solution, dissolving the fat-soluble material of the microalgae in the oil-soluble material extraction solvent process; After the fat-soluble substance is dissolved, agglomeration, stagnation and separation of the microalgae in a mixed solution; Dividing the mixed solution after the microalgae is separated into a fat-soluble substance-solvent and water in which the fat-soluble substance is dissolved in the fat-soluble substance extraction solvent; And obtaining the separated microalgae and the fractionated fat-soluble substance-solvent, respectively. .

바람직하게, 본 발명의 방법은, 상기 분리된 상기 미세조류를 재배양하고, 재배양된 상기 미세조류배양액을 상기 지용성물질추출용매 또는 분획된 상기 지용성물질-용매와 혼합 및 접촉시켜 상기 미세조류의 상기 지용성물질을 상기 지용성물질추출용매에 더 용해시키는 과정, 및 그 이후 과정을 반복하되, 상기 미세조류의 재배양, 상기 지용성물질의 재용해, 상기 미세조류의 재분리, 및 상기 지용성물질-용매의 재분획을 1회 이상 다수회 함으로써, 최종적으로 목적하는 고밀도의 상기 미세조류와, 목적하는 농도로 농축된 상기 지용성물질이 포함된 상기 지용성물질-용매를 수득한다. Preferably, the method of the present invention, by culturing the separated microalgae, the cultured microalgae cultivated by mixing and contacting the fat-soluble material extraction solvent or the fractionated fat-soluble material-solvent of the microalgae The process of dissolving the fat-soluble material further in the fat-soluble material extraction solvent, and thereafter, the process is repeated, the culture of the microalgae, redissolution of the fat-soluble material, re-separation of the microalgae, and the fat-soluble material-solvent By re-fraction of multiple times one or more times, the said oil-soluble substance-solvent which contains the said microalgae of the desired high density finally and the said fat-soluble substance concentrated by the desired density | concentration is obtained.

바람직하게, 본 발명의 방법은, 상기 미세조류배양액과 상기 지용성물질추출용매를 혼합할 때, 상기 미세조류배양액을 진동 분쇄하는 과정 및 상기 혼합액을 교반하는 과정 중 적어도 하나의 과정을 실행하여, 상기 미세조류배양액과 상기 지용성물질 추출용매의 접촉을 증가시킨다. Preferably, the method of the present invention, when mixing the microalgal culture liquid and the fat-soluble material extraction solvent, by performing at least one of the process of vibrating pulverizing the microalgal culture liquid and stirring the mixed solution, Increasing the contact between the microalgal culture solution and the fat-soluble material extraction solvent.

바람직하게, 상기 유기성폐수는 pH를 5.0~5.5로 유지하면서, TCOD(총 화학적 산소 요구량)를 1,000 내지 8,000 ㎎/ℓ 이하, 질소 농도를 100 내지 250 ㎎/ℓ 이하가 되게 희석한 후 상기 미세조류를 배양한다. Preferably, the organic wastewater is diluted to a total chemical oxygen demand (TCOD) of 1,000 to 8,000 mg / l or less, and a nitrogen concentration of 100 to 250 mg / l or less while maintaining a pH of 5.0 to 5.5. Incubate.

본 발명에 따른 유기성폐기물의 미세조류배양에 의한 바이오가스, 지용성물질 및 미세조류의 생산 장치는, 유기성폐기물발효장치, 바이오가스수용장치, 유기성폐수수용장치, 배양장치, 용매수용장치, 혼합장치, 미세조류분리장치, 분획장치, 미세조류수용장치 및 지용성물질-용매 수용장치를 포함한다. Biogas, fat-soluble substances and microalgae production apparatus by microalgal culture of organic wastes according to the present invention, organic waste fermentation apparatus, biogas receiving apparatus, organic wastewater receiving apparatus, culture apparatus, solvent receiving apparatus, mixing apparatus, Microalgal separation apparatus, fractionation apparatus, microalgal accommodating apparatus and fat-soluble substance-solvent accommodating apparatus.

상기 유기성폐기물발효장치는, 유기성폐기물을 발효하여, 유기성폐수와 바이오가스를 생산한다. The organic waste fermentation apparatus ferments organic waste to produce organic wastewater and biogas.

상기 바이오가스수용장치는, 생산된 상기 바이오가스를 포획하여 저장한다. The biogas accommodating device captures and stores the produced biogas.

상기 유기성폐수수용장치는, 생산된 상기 유기성폐수를 저장한다. The organic wastewater storage device stores the organic wastewater produced.

상기 배양장치는, 상기 유기성폐수수용장치에서 공급된 상기 유기성폐수로 지용성물질을 함유하는 미세조류를 배양한다. The culture apparatus incubates microalgae containing a fat-soluble substance as the organic wastewater supplied from the organic wastewater receiving apparatus.

상기 용매수용장치는, 상기 지용성물질이 용해되는 지용성물질추출용매를 저장한다. The solvent accommodating device stores a fat-soluble substance extraction solvent in which the fat-soluble substance is dissolved.

상기 혼합장치는, 상기 배양장치로부터의 상기 미세조류의 배양액과 상기 용매수용장치로부터의 상기 지용성물질추출용매를 혼합한다. The mixing apparatus mixes the culture medium of the microalgae from the culture apparatus and the fat-soluble substance extraction solvent from the solvent receiving apparatus.

상기 미세조류분리장치는, 상기 혼합장치의 혼합액에서 상기 미세조류를 응집, 정체 및 분리한다. The microalgae separator is agglomerated, suspended and separated from the microalgae in the mixed solution of the mixing device.

상기 분획장치는, 상기 미세조류가 분리된 상기 미세조류분리장치로부터의 용액을, 상기 지용성물질추출용매에 상기 미세조류배양액의 상기 지용성물질이 용해된 지용성물질-용매와, 물로 분획한다. The fractionation device separates the solution from the microalgae separation device from which the microalgae is separated into a fat-soluble material-solvent in which the fat-soluble material of the microalgae culture solution is dissolved in the oil-soluble material extraction solvent and water.

상기 미세조류수용장치는, 상기 미세조류분리장치에서 분리된 상기 미세조류를 수용하거나 목적하는 유용물질로 처리한다. The microalgae accommodating device accommodates or treats the microalgae separated from the microalgae separation device with a desired useful material.

상기 지용성물질-용매 수용장치는, 상기 분획장치에서 분획된 상기 지용성물질-용매를 수용하거나 상기 지용성물질-용매의 상기 지용성물질을 목적하는 유용물질로 처리한다. The fat-soluble substance-solvent receiving device receives the fat-soluble substance-solvent fractionated in the fractionating apparatus or treats the fat-soluble substance of the fat-soluble substance-solvent as a desired useful substance.

바람직하게, 상기 미세조류분리장치는, 상기 혼합액에 초음파공명장을 적용하여 상기 혼합액에서 상기 미세조류를 분리하는 초음파공명장 발생장치 및 상기 혼합액에 중력침강을 적용하여 상기 혼합액에서 상기 미세조류를 분리하는 중력침강장치 중에 선택되는 하나의 장치이다. Preferably, the microalgae separation device, an ultrasonic resonance field generator for separating the microalgae from the mixed solution by applying an ultrasonic resonance field to the mixed solution and gravity to separate the microalgae from the mixed solution by applying a gravity settling to the mixed solution It is one device selected from the settling devices.

바람직하게, 본 발명의 장치는, 상기 미세조류분리장치에서 분리된 상기 미세조류를 상기 배양장치로 순환하는 미세조류순환라인; 및 상기 분획장치에서 분획된 상기 지용성물질-용매 또는 상기 지용성물질-용매 수용장치로부터의 상기 지용성물질추출용매를 상기 용매수용장치로 순환하는 용매순환라인; 을 더 포함한다. 본 구체예에서, 상기 미세조류수용장치는, 상기 미세조류순환라인을 통해 상기 배양장치에서 1회 또는 2회 이상 재배양한 후에 상기 미세조류분리장치에서 최종 분리한 고밀도의 상기 미세조류를 수용하거나 처리한다. 본 구체예에서, 상기 지용성물질-용매 수용장치는, 상기 용매순환라인을 통해 상기 분획장치에서 1회 또는 2회 이상 재분획한 후에 상기 분획장치에서 최종 분획한 농축된 상기 지용성물질이 포함된 상기 지용성물질-용매를 수용하거나 처리한다. Preferably, the apparatus of the present invention, the microalgae circulation line for circulating the microalgae separated in the microalgae separation apparatus to the culture apparatus; And a solvent circulation line for circulating the oil-soluble material-solvent fractionated in the fractionating device or the oil-soluble material extraction solvent from the oil-soluble material-solvent receiving device to the solvent receiving device. . In the present embodiment, the microalgae accommodating device, the microalgae of high density finally separated from the microalgae separation apparatus after culturing once or two or more times in the culture apparatus through the microalgae circulation line or Process. In this embodiment, the fat-soluble material-solvent receiving device, wherein the concentrated fat-soluble material that was finally fractionated in the fractionation apparatus after the re-fractionation once or two or more times in the fractionation apparatus through the solvent circulation line Fat-Soluble-Receive or process solvent.

바람직하게, 본 발명의 장치는, 상기 배양장치의 상기 미세조류배양액과 상기 용매수용장치의 상기 지용성물질추출용매를 상기 혼합장치로 일정량 공급하는 제1 연동펌프; 상기 미세조류분리장치에서 분리된 상기 미세조류를 그 밀도에 따라 상기 미세조류순환라인을 통해 상기 배양장치로 공급하거나 상기 미세조류수용장치로 공급하는 제2 연동펌프; 상기 분획장치에서 분획된 상기 지용성물질-용매를 상기 지용성물질의 농축도에 따라 상기 용매순환라인을 통해 상기 용매수용장치로 공급하거나 상기 지용성물질-용매 수용장치로 공급하는 제3 연동펌프; 및 상기 지용성물질-용매 수용장치에서 상기 지용성물질-용매를 처리한 후에 회수된 상기 지용성물질추출용매를 상기 용매순환라인을 통해 상기 용매수용장치로 공급하는 제4 연동펌프(5); 를 더 포함한다. Preferably, the apparatus of the present invention, the first peristaltic pump for supplying a predetermined amount of the microalgae culture medium of the culture apparatus and the fat-soluble material extraction solvent of the solvent receiving device to the mixing device; A second peristaltic pump for supplying the microalgae separated from the microalgae separation device to the culture device or the microalgae accommodation device through the microalgae circulation line according to its density; A third peristaltic pump for supplying the fat-soluble material-solvent fractionated in the fractionation apparatus to the solvent-receiving device through the solvent circulation line or to the fat-soluble material-solvent receiving device according to the concentration of the fat-soluble material; And a fourth peristaltic pump (5) for supplying the oil-soluble substance extraction solvent recovered after treating the oil-soluble substance-solvent in the oil-soluble substance-solvent receiving apparatus through the solvent circulation line. It further includes.

바람직하게, 상기 혼합장치는, 상기 미세조류배양액과 상기 지용성물질추출용매의 접촉을 증가시키도록, 상기 미세조류배양액을 진동 분쇄하는 진동분쇄장치 및 상기 혼합액을 교반하는 교반장치 중 적어도 하나의 장치를 포함한다. Preferably, the mixing device, at least one of a vibration grinding device for vibrating and pulverizing the microalgal culture liquid and a stirring device for stirring the mixed liquid to increase the contact between the microalgal culture liquid and the fat-soluble substance extraction solvent Include.

바람직하게, 본 발명의 장치는, 상기 분획장치에서 분획된 물을 수용하는 물수용장치를 더 포함한다. Preferably, the apparatus of the present invention further comprises a water holding device for receiving the water fractionated in the fractionating device.

본 발명에서 상기 유기성폐기물은 음식물폐기물, 유기성 슬러지, 축산폐수 및 분뇨 등 유기물질이 포함된 폐기물로서, 바람직하게 음식물폐기물이다. In the present invention, the organic waste is a waste containing organic substances such as food waste, organic sludge, livestock wastewater and manure, and is preferably food waste.

본 발명에 따른 방법의 상기 유기성폐기물을 발효하는 과정에서, 널리 알려진 바와 같이, 발효하기 전단계로서 유입된 상기 유기성폐기물에서 각종 현탁물질을 제거할 수 있고, 이런 현탁물질의 제거를 위한 물리적 방법으로는 입자의 크기나 입자의 비중차 및 자성 등의 성질을 이용한 체분리, 여과, 초미분 여과, 투석, 침강법, 증류법 및 증발법 등을 적용할 수 있다. In the process of fermenting the organic waste of the method according to the invention, as is well known, it is possible to remove various suspended substances from the organic waste introduced as a step before fermentation, and as a physical method for the removal of such suspended substances Sieve separation, filtration, ultra-fine filtration, dialysis, sedimentation, distillation, evaporation, etc. using properties such as particle size, specific gravity difference and magnetic properties of particles can be used.

본 발명에 적용된 발효과정은, 널리 알려진 바와 같이, 가수분해과정과 산생성 과정으로 구성된다. Fermentation process applied to the present invention, as is well known, consists of a hydrolysis process and an acid production process.

상기 유기성폐기물(예, 음식물폐기물)이 가수분해균과 발효균의 가수분해효소에 의해 유기화합물(탄수화물, 단백질, 지질)로 분해되는 과정이 가수분해이다. 음식물폐기물 중에 많은 부분을 차지하는 식물성 바이오매스 (주로 셀룰로오스로 구성)를 호기적으로 매우 빨리 분해할 수 있는 Cellulomonas나 Flavobacterium 등의 고온균을 이용하여 발효시키면, 용해성인 이당류, 단당류 또는 아세트산으로 분해하여 상기 유기성폐수를 생산하게 된다. Hydrolysis is a process in which the organic waste (eg, food waste) is decomposed into organic compounds (carbohydrates, proteins, lipids) by the hydrolytic enzymes of the hydrolyzed bacteria and fermented bacteria. Fermentation using high temperature bacteria such as Cellulomonas or Flavobacterium, which can decompose a large portion of food waste (mainly composed of cellulose) aerobicly and very quickly, can be broken down into soluble disaccharides, monosaccharides or acetic acid. Organic wastewater will be produced.

상기 산생성 과정은, 산생성균에 의해 가수분해산물이 프로피온산, 부틸산, 아세트산, 기타 저분자 유기산 및 수소, 이산화탄소로 전환되는 과정이다. 가수분해단계에서 생성된 용존성 저분자 유기물을 프로피온산, 부틸산으로 분해시키는 미생물이 산생성균이고, 이들 미생물에 의해 생성된 유기산을 아세트산으로 분해하는 미생물은 아세트산 생성균이다. 상기 산생성과정은 가수 분해되어 생성된 단당들이 프로피온산이나 부틸산까지 분해되는 과정과 프로피온산 등을 이용하여 최종적으로 아세트산으로 분해되는 아세트산생성(acetogenic) 과정으로 나누어지며, 아세트산생성 단계에서는 기질(젖산, 프로피온산, 부틸산, 발레릭산: 긴 탄소 고리를 가진 지방산, 에탄올)이 분해되어 아세트산, 수소, 이산화탄소가 만들어진다. Clostridium을 이용하여 용존성 저분자 유기물을 아세트산, 뷰티르산 또는 에탄올로, 혹은 상기 저급지방산을 아세트산 및 수소로 변화시키는 발효공정으로도 상기 유기성폐수가 생산된다. 또한, 메탄생산균에 의해 메탄발효공정에 의해서도 상기 유기성폐수와 메탄(바이오가스)이 생산된다. 바이오가스에는 수소 및 메탄 등을 포함한다.The acid production process is a process in which the hydrolyzate is converted to propionic acid, butyric acid, acetic acid, other low molecular organic acids, hydrogen, and carbon dioxide by acid producing bacteria. Acid-producing microorganisms that decompose dissolved low-molecular organic matter produced in the hydrolysis step into propionic acid and butyric acid are acid-producing bacteria, and microorganisms that decompose organic acids produced by these microorganisms into acetic acid are acetic acid-producing bacteria. The acid production process is divided into hydrolysis-producing monosaccharides to propionic acid or butyric acid, and acetic acid process which is finally decomposed into acetic acid by using propionic acid. In the acetic acid production step, substrate (lactic acid, Propionic acid, butyric acid, valeric acid: fatty acids with long carbon rings, ethanol) are decomposed to produce acetic acid, hydrogen, and carbon dioxide. The organic wastewater is also produced by a fermentation process using Clostridium to change the dissolved low molecular weight organic material into acetic acid, butyric acid or ethanol, or the lower fatty acid to acetic acid and hydrogen. In addition, the organic wastewater and methane (biogas) are produced by the methane fermentation process by methane producing bacteria. Biogas includes hydrogen, methane and the like.

상기 미세조류의 배양에서 상기 미세조류의 성장을 증진시키기 위하여 무기질을 추가로 첨가할 수 있다. 상기 무기질은 Mg²⁺, Ca²⁺, 및/또는 인 등이다. 상기 유기성폐수에 Mg²⁺ 또는 Ca²⁺ 을 첨가하고 상기 유기성폐수의 질소와 인의 비율을 조절함으로써, 상기 미세조류의 성장을 증진시켜 폐수 처리 효율을 증진시킬 수 있다. In order to enhance the growth of the microalgae in the culture of the microalgae may be further added to the mineral. The mineral is Mg ²⁺ , Ca ²⁺ , and / or phosphorus. By adding Mg ²⁺ or Ca ²⁺ to the organic wastewater and controlling the ratio of nitrogen and phosphorus in the organic wastewater, the growth of the microalgae may be promoted to improve wastewater treatment efficiency.

상기 유기성폐수에 첨가하는 Mg²⁺ 의 농도는 100 내지 1,000 ㎎/ℓ, 바람직하게 200 내지 700 ㎎/ℓ이며, 더욱 바람직하게 300 내지 500 ㎎/ℓ이다. The concentration of Mg ²⁺ added to the organic wastewater is 100 to 1,000 mg / l, preferably 200 to 700 mg / l, more preferably 300 to 500 mg / l.

상기 유기성폐수에 첨가하는 Ca²⁺의 농도는 10 내지 300 ㎎/ℓ이고, 바람직하게 50 내지 200 ㎎/ℓ이며, 더욱 바람직하게 100 내지 150 ㎎/ℓ이다. The concentration of Ca ²⁺ added to the organic wastewater is 10 to 300 mg / l, preferably 50 to 200 mg / l, and more preferably 100 to 150 mg / l.

상기 유기성폐수에 첨가하는 인은, 상기 유기성폐수의 질소와 인의 비율이 20:1 내지 3:1이 되게, 바람직하게 15:1 내지 5:1이 되게, 더욱 바람직하게 12:1 내지 10:1이 되게 첨가한다. The phosphorus added to the organic wastewater is such that the ratio of nitrogen and phosphorus in the organic wastewater is 20: 1 to 3: 1, preferably 15: 1 to 5: 1, and more preferably 12: 1 to 10: 1. Add to this.

바람직하게, 상기 지용성물질추출용매는 탄화수소 용매이다.Preferably, the soluble solvent extraction solvent is a hydrocarbon solvent.

본 발명에 따른 유기성폐기물의 미세조류배양에 의한 바이오가스, 지용성물질 및 미세조류의 생산 방법 및 장치는, 유기성폐기물을 발효시켜 바이오가스와 유기성폐수를 생산한 후, 생산된 유기성폐수를 영양분으로 하여 미세조류를 배양함으로써 유기성폐수에 존재하는 유기물질, 질소 및 인성분 등을 제거하고, 지용성물질을 함유한 미세조류의 배양액을 지용성물질추출용매와 혼합하여 미세조류의 지용성물질이 지용성물질추출용매에 용해되도록 하고, 혼합액을 미세조류분리장치에 적용하여 미세조류를 분리시키고, 미세조류가 제거되고 남은 용액을 지용성물질-용매와 물로 분획하는 과정을 통해, 세포손상 없는 미세조류와 함께 지용성물질이 포함된 지용성물질-용매를, 별도의 분리 전처리가 필요 없이 고밀도와 고농도로 획득하는 방법 및 장치로서, 저렴한 운전비용으로 유기성폐기물의 처리와 바이오가스를 생산할 수 있고, 높은 생산 수율로 세포손상이 없는 미세조류와 지용성물질을 획득할 수 있는 효과가 있으며, 이로써 유기성폐기물의 처리와 바이오가스의 생산은 물론, 바이오화합물, 의약품, 건강기능성식품, 바이오연료 및 단백질가수분해산물 등의 생산에 사용할 수 있는 미세조류(바이오매스)와, 의약품, 건강기능성 식품, 바이오디젤 등의 생산에 사용할 수 있는 지용성물질의 생산성을 극대화할 수 있다. Biogas, fat-soluble substances and microalgae production method and apparatus by microalgae culture of organic wastes according to the present invention, after fermenting organic wastes to produce biogas and organic wastewater, the produced organic wastewater as nutrients By culturing the microalgae, organic matter, nitrogen, and phosphorus in organic wastewater are removed, and the culture medium of the microalgae containing the fat-soluble material is mixed with the fat-soluble material extraction solvent and the fat-soluble material of the microalgae is added to the fat-soluble material extraction solvent. The microalgae are separated by applying the mixed solution to the microalgae separation device, and the microalgae is removed and the remaining solution is fractionated into a fat-soluble substance and a solvent and water. To obtain a high-density and high concentration of the fat-soluble material-solvent without the need for separate pretreatment and As a result, it is possible to produce organic waste and biogas at low operating costs, and to obtain microalgae and fat-soluble substances without cell damage with high production yields, thereby treating organic waste and biogas. Fat-soluble for use in the production of microalgae (biomass), pharmaceuticals, health functional foods, biodiesel, etc., which can be used for the production of bio-compounds, medicines, health functional foods, biofuels and proteolytic products. The productivity of the material can be maximized.

본 발명에 따른 장치와 방법은, 상기 미세조류분리장치를 통해 분리된 미세조류를 재배양하여 재배양된 미세조류에 대해 미세조류를 분리하고 지용성물질을 추출하는 이후의 과정을 필요한 만큼 반복적으로 실행함으로써, 미세조류와 지용성물질이 포함된 지용성물질-용매를, 고밀도와 고농도로 획득할 수 있다.The apparatus and method according to the present invention, by re-cultivating the microalgae separated through the microalgae separation apparatus is repeatedly performed as necessary to separate the microalgae and extract the fat-soluble material for the cultured microalgae Thereby, the fat-soluble substance-solvent containing microalgae and a fat-soluble substance can be obtained with high density and high concentration.

본 발명에 따른 방법 및 장치는, 미세조류를 파괴시키지 않는 상태로 지용성물질을 추출하므로, 미세조류에 존재하는 다른 유용 성분들의 유실을 방지할 수 있어 지용성물질이 추출된 미세조류의 유용성이 향상되며, 순환 반복 배양으로 미세조류의 생산성 및 유기성폐수의 처리를 극대화시 킬 수 있다.Since the method and apparatus according to the present invention extract the fat-soluble material without destroying the microalgae, it is possible to prevent the loss of other useful components present in the microalgae, thereby improving the usefulness of the microalgae from which the fat-soluble material is extracted. By circulating repetitive culture, it is possible to maximize the productivity of microalgae and the treatment of organic wastewater.

본 발명에 따른 방법 및 장치는, 미세조류배양액과 지용성물질추출용매의 효과적인 접촉을 통해, 지용성물질과 미세조류의 생산 수율을 더욱 향상시킬 수 있다.The method and apparatus according to the present invention can further improve the production yield of the fat-soluble substance and the microalgae through effective contact between the microalgal culture liquid and the fat-soluble substance extraction solvent.

도1은 본 발명에 따른 예시적인 방법이 적용된 본 발명에 따른 예시적인 장치의 개략도,
도2는 본 발명에 적용되는 예시적인 혼합장치 및 미세조류분리장치(초음파공명장 발생장치)의 개략도,
도3은 본 발명에 적용되는 예시적인 미세조류분리장치(중력침강장치)의 개략도.
도4는 유기성폐기물(음식물폐기물)의 발효에 의한 유기성폐수 및 수소(바이오가스)의 생산 흐름도. 1 is a schematic diagram of an exemplary apparatus according to the present invention to which an exemplary method according to the present invention is applied;
Figure 2 is a schematic diagram of an exemplary mixing device and microalgae separation device (ultrasonic resonance field generator) applied to the present invention,
Figure 3 is a schematic diagram of an exemplary microalgae separation device (gravity settling device) applied to the present invention.
4 is a flow chart of production of organic wastewater and hydrogen (biogas) by fermentation of organic waste (food waste).

이하, 본 발명에 따른 유기성폐기물의 미세조류배양에 의한 바이오가스, 지용성물질 및 미세조류의 생산 방법 및 장치를 보다 상세히 설명한다. 이하의 구체예는 본 발명을 예시적으로 설명하는 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 아니한다.Hereinafter, a method and apparatus for producing biogas, fat-soluble substances and microalgae by microalgal culture of organic waste according to the present invention will be described in detail. The following examples are illustrative of the present invention but are not intended to limit the scope of the present invention.

먼저, 도1을 참조하여, 본 발명에 따른 유기성폐기물의 미세조류배양에 의한 바이오가스, 지용성물질 및 미세조류의 생산 장치(1)를 설명한다. First, with reference to Figure 1, the production apparatus 1 of biogas, fat-soluble substances and microalgae by microalgal culture of organic waste according to the present invention.

도1에 예시된 바와 같이, 본 발명에 따른 장치(1)는, 기본적으로, 유기성폐기물발효장치(10), 바이오가스수용장치(20), 유기성폐수수용장치(30), 배양장치(40), 용매수용장치(50), 혼합장치(60), 미세조류분리장치(70), 분획장치(80), 미세조류수용장치(90) 및 지용성물질-용매 수용장치(100)를 포함한다. As illustrated in FIG. 1, the apparatus 1 according to the present invention basically includes an organic waste fermentation apparatus 10, a biogas receiving apparatus 20, an organic wastewater receiving apparatus 30, and a culture apparatus 40. , A solvent accommodating device 50, a mixing device 60, a microalgae separation device 70, a fractionation device 80, a microalgae receiving device 90, and a fat-soluble substance-solvent receiving device 100.

상기 발효장치(10)는 음식물폐기물 등과 같이 탄수화물, 단백질, 지방 등 복잡한 유기성 화합물을 함유하는 유기성폐기물을 발효로 분해하여 바이오가스와 유기성폐수를 생산하는 장치이다. 또한, 발효장치(10)에서 발생하는 이산화탄소를 포획하여 미세조류의 배양에 필요한 이산화탄소를 공급할 수도 있다. The fermentation apparatus 10 is a device for producing biogas and organic wastewater by decomposing organic wastes containing complex organic compounds such as carbohydrates, proteins and fats by fermentation such as food waste. In addition, the carbon dioxide generated in the fermentation apparatus 10 may be captured to supply carbon dioxide necessary for culturing the microalgae.

상기 바이오가스수용장치(20)는, 발효장치(10)에서 생산된 수소와 메탄 등의 바이오가스를 포획 및 저장하고, 필요에 따라 목적하는 용도로 처리하는 장치이다. The biogas accommodating device 20 is a device for capturing and storing biogas, such as hydrogen and methane produced by the fermentation device 10, and treating the gas for a desired use as needed.

상기 유기성폐수수용장치(30)는, 발효장치(10)에서의 발효의 결과로 생산된 유기성폐수(즉, 발효액)를 저장하고, 이후의 과정에 공급하는 장치이다. The organic wastewater receiving device 30 is an apparatus for storing organic wastewater (that is, fermentation broth) produced as a result of fermentation in the fermentation apparatus 10 and supplying it to a subsequent process.

상기 배양장치(40)는 유기성폐수수용장치(30)에서 공급된 유기성폐수로 상기 미세조류를 배양하는 장치이다. 본 발명에 적용되는 미세조류는 지용성물질을 함유하는 미세조류이다. The culture device 40 is a device for culturing the microalgae with the organic wastewater supplied from the organic wastewater receiving device (30). Microalgae applied to the present invention is a microalgae containing a fat-soluble material.

배양장치(40)는 미세조류를 포함한 미생물을 배양시키기에 적당한 시스템을 폭넓게 사용할 수 있다. 배양장치(40)에는, 연못, 인공적인 노지 배양시설물, 바이오리액터(bioreactors), 플라스틱 백(plastic bags), 튜브(tubes), 발효조(fermentors), 쉐이크 플라스크(shake flasks), 공기압 리프트 칼럼(air lift columns) 등이 포함되며, 미생물을 발효할 수 있는 것이라면 그 형식에 제한이 없다.The culture apparatus 40 can use a wide range of systems suitable for culturing microorganisms including microalgae. The incubator 40 includes a pond, artificial open field culture facilities, bioreactors, plastic bags, tubes, fermenters, shake flasks, pneumatic lift columns (air) lift columns), and there is no restriction on the type of microorganisms that can ferment.

도1에 예시된 본 발명의 장치(1)는, 발효장치(10)와 유기성폐수수용장치(30)가 배양장치(40)와 하나의 연속된 플랜트로 구성된 예를 도시하고 있지만, 원격의 발효장치(10)와 유기성폐수수용장치(30)에 의해 원격에서 유기성폐수를 생산하여 배양장치(40)로 이송하여 공급하는 시스템도 본 발명에 포함되는 것으로 이해되어야 할 것이다. Although the apparatus 1 of the present invention illustrated in FIG. 1 shows an example in which the fermentation apparatus 10 and the organic wastewater receiving apparatus 30 are composed of the culture apparatus 40 and one continuous plant, remote fermentation It is to be understood that the present invention also includes a system for producing and transporting organic wastewater to the culture apparatus 40 remotely by the device 10 and the organic wastewater receiving device 30.

상기 용매수용장치(50)는 미세조류배양액에서 지용성물질을 추출하기 위한 지용성물질추출용매를 저장하고, 이후의 과정에 공급하는 장치이다.The solvent accommodating device 50 is a device for storing a fat-soluble substance extraction solvent for extracting a fat-soluble substance from the microalgal culture solution and supplying it to the subsequent process.

상기 혼합장치(60)는 배양장치(40)에서 공급된 미세조류배양액과 용매수용장치(50)에서 공급된 지용성물질추출용매를 균일하게 혼합하는 장치이다. 혼합장치(60)는 미세조류배양액과 지용성물질추출용매를 바람직하게 5:1비율로 혼합한다. The mixing device 60 is a device for uniformly mixing the microalgal culture solution supplied from the culture device 40 and the fat-soluble material extraction solvent supplied from the solvent accommodating device 50. The mixing device 60 preferably mixes the microalgal culture liquid and the fat-soluble substance extraction solvent in a 5: 1 ratio.

바람직하게, 혼합장치(60)에는, 도2에 도시된 바와 같이, 진동분쇄장치(61)를 설치하여 미세조류배양액을 진동 분쇄할 수 있다. 진동분쇄장치(61)는, 초음파의 고에너지 공명 또는 음향 방사(acoustical radiation)로 배양액을 진동 분쇄한다. 진동분쇄는 분자 집합체를 분리하거나 투과시키기 위해 분자집합체를 분쇄한다. 진동분쇄는 미세조류배양액을 작은 입자로 만들어 미세조류가 더 많은 지용성물질추출용매에 노출(접촉)되도록 하여 지용성물질추출효율을 향상시킨다. Preferably, in the mixing device 60, as shown in Figure 2, by installing a vibration pulverizing device 61, it is possible to vibrate the microalgal culture liquid. The vibration pulverizing device 61 vibrates the culture liquid by high energy resonance or acoustic radiation of ultrasonic waves. Vibratory grinding breaks up molecular aggregates to separate or permeate them. Vibration pulverization improves the extraction efficiency of fat-soluble substances by making microalgal culture liquid into small particles so that the microalgae are exposed (contacted) to more solvent-soluble solvents.

진동분쇄장치(61)와 함께 또는 진동분쇄장치(61)를 대신하여 미세조류배양액과 지용성물질추출용매의 용액을 교반하여 주는 교반장치(62)를 설치할 수 있으며, 교반장치(62)도 미세조류배양액과 지용성물질추출용매의 접촉을 증가시켜 지용성물질추출효율을 향상시킨다.In addition to or in place of the vibration grinding device 61, a stirring device 62 for agitating the solution of the microalgal culture liquid and the fat-soluble material extraction solvent may be provided, and the stirring device 62 is also a microalgae. Improve the extraction efficiency of fat-soluble substances by increasing the contact between the culture medium and the solvent-soluble solvent extraction.

상기 미세조류분리장치(70)는 혼합장치(60)에서 공급된 미세조류배양액과 지용성물질추출용매의 혼합액에 예를 들어 초음파공명장 또는 중력침강 등을 적용한 연속관류배양을 실행하여 지용성물질이 추출된 미세조류들이 서로 응집되도록 함으로써 혼합액에서 미세조류들이 응집, 정체 및 분리되도록 하는 장치이다. The microalgae separation device 70 performs continuous perfusion culture by applying, for example, an ultrasonic resonance field or gravity sedimentation to the mixed solution of the microalgae culture medium and the fat-soluble material extraction solvent supplied from the mixing device 60 to extract the fat-soluble material. It is a device that allows the microalgae to agglomerate, stagnate and separate the microalgae in the mixed liquid by causing the microalgae to aggregate with each other.

미세조류분리장치(70)의 예로서는 초음파공명장에 의해 미세조류를 분리하는 도2의 초음파공명장 발생장치(71) 또는 중력침강에 의해 미세조류를 분리하는 도3의 중력침강장치(76)를 적용할 수 있다. As an example of the microalgae separating apparatus 70, the ultrasonic resonance field generating apparatus 71 of FIG. 2 separating the microalgae by the ultrasonic resonance field or the gravity settling apparatus 76 of FIG. 3 separating the microalgae by gravity sedimentation may be applied. Can be.

초음파공명장 발생장치(71)로서는 예를 들어 어쿠스틱세포필터(Acoustic Cell Filter)(Nature Biotechnology 12, 281 - 284 (1994)를 적용할 수 있다. 초음파공명장 발생장치(71)는 상기 혼합액에 초음파공명장(Ultrasonic Resonance Field)을 가하여 미세조류가 응집 및 분리되도록 한다. 이런 초음파공명장 발생장치(71)는, 예를 들어 미국특허 5711888(1998. 01. 27 등록)의 'Mutilayered plezoelectric resonator for the separation of suspended particles'를 참조할 수 있다.As the ultrasonic resonance field generating device 71, for example, an acoustic cell filter (Nature Biotechnology 12, 281-284 (1994) can be used. The ultrasonic resonance field generating device 71 is an ultrasonic resonance field ( Ultrasonic Resonance Field) is used to cause microalgae to aggregate and separate, such as for example, the 'Mutilayered plezoelectric resonator for the separation of suspended particles of U.S. Patent 5711888 (registered on Jan. 27, 1998). Can be referred to.

도2에 예시된 어쿠스틱세포필터(71)는, 어쿠스틱챔버(Acoustic chamber; 72), 초음파 발진기(Generator: 73), 초음파 진동자(Transducer; 74) 그리고 반사막(Reflector; 75)을 포함하며, 혼합액의 미세조류들에 대해 초음파공명장을 가하여 미세조류들이 초음파공명장 내에서 응집되어 응집체(aggregates)를 형성하도록 한다.The acoustic cell filter 71 illustrated in FIG. 2 includes an acoustic chamber 72, an ultrasonic generator 73, an ultrasonic transducer 74, and a reflector 75, An ultrasonic resonance field is applied to the microalgae so that the microalgae aggregate in the ultrasonic resonance field to form aggregates.

미세조류분리장치(70)에 어쿠스틱세포필터와 같은 초음파공명장 발생장치(71)를 설치함에 따라, 초음파 발진기(73)의 작용으로 초음파 진동자(74)에 의해 제1 진행파를 발생시키고, 초음파 진동자(74)에서 반사막(75)에 가해진 제1 진행파는 반사막(75)에서 역방향으로 반사하여 제2 진행파를 발생시키며, 결국 초음파 진동자(74)에서 발생한 제1 진행파와 반사막(75)에서 반사되어 반대방향으로 진행하는 제2 진행파가 어쿠스틱챔버(72)에서 충돌하여, 초음파 진동자(74)와 반사막(75) 사이에 정재파(standing wave)를 발생시킨다. 정재파는 서로 반대방향에서 나오는 두 개의 독립적인 진행파(traveling wave)가 합쳐져 형성한다.By installing the ultrasonic resonance field generator 71 such as an acoustic cell filter in the microalgae separation device 70, the ultrasonic wave oscillator 74 generates the first traveling wave by the action of the ultrasonic oscillator 73, The first traveling wave applied to the reflective film 75 at 74 is reflected by the reflective film 75 in the reverse direction to generate the second traveling wave. As a result, the first traveling wave generated by the ultrasonic vibrator 74 and the reflective film 75 are reflected to the opposite direction. The second traveling wave propagates toward the acoustic chamber 72 to generate a standing wave between the ultrasonic vibrator 74 and the reflective film 75. The standing wave is formed by combining two independent traveling waves coming from opposite directions.

이와 같은 초음파의 정재파는, 일정 거리 이격하여 서로 마주보게 설치된 초음파 진동자(예, 압전 트랜스듀서: piezoelectric transducer)와 반사막의 구조나, 일정 거리 이격하여 서로 마주보게 설치된 두 개의 독립적인 초음파 진동자로부터 발생시킬 수 있다.Such standing waves of ultrasonic waves can be generated from ultrasonic vibrators (eg piezoelectric transducers) and reflecting membranes that are disposed to face each other at a predetermined distance or from two independent ultrasonic vibrators which are disposed to face each other at a certain distance. Can be.

초음파의 정재파는 마디(node: 절)와 배(antinode) 부분을 가지게 되는데 이러한 초음파의 정재파의 압력진폭(pressure amplitude)은 배 부분에서 가장 크며 마디에서 최소값을 갖고 하나의 파장에 두 번씩 나타난다. 이렇게 형성된 초음파공명장 내에서 입자, 미세조류 또는 방울(droplet)의 불연속성(discontinuity) 때문에 초음파공명장에는 위치 의존성 음향에너지(position-dependent acoustic potential energy)를 형성한다. 이러한 현상에 의해 미세조류는 음향에너지(acoustic potential energy)가 가장 낮은 곳으로 이동하여 초음파의 정재파에 포집(entrapment)된다. 이로써 미세조류는 파장의 절반의 위치마다 존재하는 압력절점(pressure node)에 포집된다. 이렇게 포집된 입자들은 정상파 내부에서 응집되어 응집체(aggregates)를 형성한다.Ultrasonic standing waves have nodes and antinodes. The pressure amplitudes of these ultrasonic standing waves are the largest in the abdomen and have a minimum value at the node and appear twice at a wavelength. Due to the discontinuity of particles, microalgae or droplets in the ultrasonic resonance field thus formed, position-dependent acoustic potential energy is formed in the ultrasonic resonance field. Due to this phenomenon, the microalgae are moved to the lowest acoustic potential energy and are trapped in the standing waves of the ultrasonic waves. This allows the microalgae to be trapped at pressure nodes that exist at half of the wavelength. These collected particles aggregate inside the standing wave to form aggregates.

다른 초음파공명장 발생장치로서는, 상부유리기판의 양끝에 연결되어 있으며 외부로부터의 전기적 입력을 기계적 진동으로 변환하여 상기 상부유리기판에 가하는 압전 트랜스듀서, 및 상기 상부유리기판과 평행한 하부기판 상에 배열된 하나 혹은 N개의 전극을 포함하되, 상기 상부유리기판과 상기 하부기판의 사이는 미세조류가 혼합된 유체로 채워지고, 상기 각 전극은 상기 압전 트랜스듀서의 길이 방향과 수직인 방향으로 놓여져 있으며, 상기 N개의 전극들은 상기 압전 트랜스듀서의 길이 방향을 따라 일정 간격으로 배열되어 있는 미세조류분리장치를 적용할 수 있다(도시 생략).As another ultrasonic resonance field generating device, a piezoelectric transducer connected to both ends of an upper glass substrate and converting electrical input from the outside into mechanical vibration and applied to the upper glass substrate, and arranged on a lower substrate parallel to the upper glass substrate And one or N electrodes, wherein between the upper glass substrate and the lower substrate is filled with a fluid containing a mixture of microalgae, and each electrode is placed in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the piezoelectric transducer. The N electrodes may apply a microalgae separation device that is arranged at regular intervals along the longitudinal direction of the piezoelectric transducer (not shown).

이런 초음파공명장 발생장치에 의하면, 상기 압전 트랜스듀서에 의해 상기 상부유리기판에 가해진 진동은 상기 상부유리기판을 진행하는 표면파를 발생시키고, 표면파의 진행방향과 반대방향으로 진행하는 다른 표면파와 충돌하여, 유체 내의 미세조류 등의 입자를 상기 압전 트랜스듀서의 길이 방향과 수직이면서, 상기 상부유리기판에 수직인 방향으로 움직이는 정재파(standing wave)를 발생시킨다. 상기 표면파에 의해 상기 유체 내에는 상기 상부유리기판에서 상기 하부기판으로 진행하는 어쿠스틱(acoustic)파를 발생시키고, 상기 어쿠스틱파는 상기 하부기판에서 반사되어 상기 상부유리기판으로 반사되면서 상기 유체 내에 초음파공명장을 생성시킨다.According to the ultrasonic resonance field generating apparatus, the vibration applied to the upper glass substrate by the piezoelectric transducer generates surface waves traveling through the upper glass substrate, and collides with other surface waves traveling in a direction opposite to the traveling direction of the surface waves. Particles, such as microalgae in the fluid, generate standing waves that move in a direction perpendicular to the upper glass substrate while being perpendicular to the longitudinal direction of the piezoelectric transducer. The surface wave generates an acoustic wave propagating from the upper glass substrate to the lower substrate in the fluid, and the acoustic wave is reflected from the lower substrate and reflected onto the upper glass substrate, thereby generating an ultrasonic resonance field in the fluid. Create

상기 중력침강장치(76)는 미세조류와 배지의 침강속도(sedimentation velocity)의 차이, 장치 내에 용액이 흐르는 관의 기울기 및 전자기 진동자(Electromagnetic vibrator) 등을 이용하여 미세조류를 응집시켜 정체 및 분리시킨다. 중력침강장치(76)로서는 예를 들어 Cell settler(Biotechnology Solutions 사, USA)를 사용할 수 있다.The gravity sedimentation device 76 aggregates and separates the microalgae by using the difference between the sedimentation velocity of the microalgae and the medium, the inclination of the tube through which the solution flows, and the electromagnetic vibrator. . As the gravity settler 76, for example, a cell settler (Biotechnology Solutions Co., USA) can be used.

도3에 예시한 중력침강장치(76)는 내부에 일정 간격을 두고 일정한 경사를 이루는 다수 층의 경사판(76a)을 복수개 설치한 구성으로서, 도시된 구체예에서 경사판(76a)은 상부와 하부의 2단으로 구성되어 있다. 경사판(76a)들은 상하 일정 간격의 상부, 중간 및 하부 거치프레임(76b)에 의해 지지된다. 상부의 경사판(76a)과 하부의 경사판(76a)은 서로 엇갈리게 설치되며, 이는 유하되는 유속을 감소시켜 미세조류의 침전효율을 향상시키기 위함이다.The gravity sedimentation device 76 illustrated in FIG. 3 is a configuration in which a plurality of layers of inclined plates 76a are formed at regular intervals at regular intervals. In the illustrated embodiment, the inclined plates 76a are formed at upper and lower portions. It consists of two stages. The inclined plates 76a are supported by upper, middle and lower mounting frames 76b at regular intervals up and down. The upper inclined plate 76a and the lower inclined plate 76a are staggered from each other, which is to reduce the flowing flow rate and improve the precipitation efficiency of the microalgae.

상기 혼합장치(60)로부터의 미세조류배양액과 지용성물질추출용매의 혼합액은, 유입구(76c)를 통해 중력침강장치(76)로 유입되어 침강과정을 거치게 된다. 경사판(76a)의 후단에는 침강된 미세조류를 수집 후 배출시키기 위한 미세조류수집부(76d)가 설치되어 있고, 미세조류수집부(76d)에 수집된 미세조류는 미세조류수집부(76d)에 설치된 미세조류배출구(76e)를 통해 외부로 배출된다. 침강 완료된 미세조류가 제거된 용액은 상측의 유출웨이(76f)를 넘어 용액 배출구(76g)를 통해 흘러나가 다음 처리단계로 넘어가게 된다.The mixed solution of the microalgal culture solution and the fat-soluble substance extraction solvent from the mixing device 60 is introduced into the gravity settling device 76 through the inlet port 76c and undergoes a settling process. At the rear end of the inclined plate 76a, a microalgae collecting unit 76d for collecting and discharging the settled microalgae is installed, and the microalgae collected in the microalgae collecting unit 76d are disposed in the microalgae collecting unit 76d. It is discharged to the outside through the installed microalgae discharge port 76e. The solution from which the settled microalgae is removed flows through the solution outlet 76g beyond the upper outlet way 76f and is passed to the next treatment step.

바람직하게, 중력침강장치(76)에는 진동발생부(76h)를 설치하여 경사판(76a)을 좌·우로 유동시킴으로써 경사판 내측에 응집 및 정체된 미세조류를 효과적으로 분리하도록 할 수 있다.Preferably, the gravity settling device 76 may be provided with a vibration generating unit 76h to flow the inclined plate 76a to the left and right to effectively separate the microalgae aggregated and stagnated inside the inclined plate.

상기 분획장치(80)는 미세조류분리장치(70)에서 공급된 미세조류가 제거된 용액(지용성물질-용매; 미세조류배양액의 지용성물질이 지용성물질추출용매에 용해된 용액)을, 물과 지용성물질-용매로 분획하는 장치이다.The fractionation device 80 is a solution in which the microalgae supplied from the microalgal separation device 70 is removed (lipophilic material-solvent; a solution in which the fat-soluble material of the microalgal culture solution is dissolved in a fat-soluble material extraction solvent), and water and fat-soluble. A device for fractionation with a substance-solvent.

상기 미세조류수용장치(90)는, 미세조류분리장치(70)에서 분리된 미세조류를 수용하거나 필요에 따라 목적하는 유용물질로 처리하는 장치이다. The microalgae accommodating device 90 is a device for accommodating the microalgae separated from the microalgae separation device 70 or treating the microalgae with a desired useful material as necessary.

본 발명의 장치(1)가 미세조류로부터 에탄올 생산을 위해 구축된 장치인 경우 미세조류수용장치(90)는 에탄올 발효조이고, 부탄올 생산을 위해 구축된 장치인 경우 미세조류수용장치(90)는 부탄올 발효조이고, 유기산 생산을 위해 구축된 장치인 경우 미세조류수용장치(90)는 유기산 발효조이며, 단지 미세조류수용장치(90)가 다음 공정을 위해 미세조류를 저장하고 있을 경우에는 저장조이다. When the device (1) of the present invention is built for ethanol production from microalgae, the microalgae receiving device (90) is an ethanol fermentation tank, and the microalgae receiving device (90) is butanol when the device is built for producing butanol. The microalgae accommodating device 90 is an organic acid fermentation tank in the case of a fermentation tank and a device built for organic acid production, and is a storage tank when the microalgae accommodating device 90 stores microalgae for the next process.

상기 지용성물질-용매 수용장치(100)는 분획장치(80)에서 분획된 지용성물질-용매를 수용하거나 지용성물질-용매의 지용성물질을 목적하는 유용물질로 처리하는 장치이다. 지용성물질-용매 수용장치(100)가 단지 이후의 목적하는 공정을 위해 지용성물질-용매를 저장하고 있을 경우에 지용성물질-용매 수용장치(100)는 저장조이고, 지용성물질-용매로부터 색소를 생산하기 위한 목적일 경우에 색소추출장치이고, 지질을 생산하기 위한 목적일 경우 지질추출장치이며, 색소와 지질을 동시에 추출을 위한 목적일 경우 색소-지질 추출장치가 된다. The fat-soluble material-solvent receiving device 100 is a device for receiving the fat-soluble material-solvent fractionated by the fractionation apparatus 80 or treating the fat-soluble material of the fat-soluble material-solvent with a desired useful material. The fat-soluble material-solvent receiving device 100 is a storage tank, in which the fat-soluble material-solvent receiving device 100 is only storing the fat-soluble material-solvent for a subsequent desired process, and producing pigments from the fat-soluble material-solvent. If the purpose is a pigment extraction device, the purpose of producing a lipid is a lipid extraction device, the purpose of extracting the pigment and lipid at the same time is a pigment-lipid extraction device.

바람직하게, 본 발명의 장치(1)는 물수용장치(110)를 더 포함한다. 물수용장치(110)는 분획장치(80)에서 분획된 물을 수용 및 저장하고, 필요에 따라 다른 공정으로 물을 공급하여 재활용 되도록 하는 장치이다. 물수용장치(110)에 저장된 물이 목적하는 공정에 적합하지 않을 경우 물수용장치(110)에는 저장된 물을 목적에 맞는 물로 처리하기 위한 수단들을 구비시킬 수 있다. Preferably, the device 1 of the present invention further comprises a water holding device 110. The water holding device 110 is a device for receiving and storing the water fractionated by the fractionation device 80 and supplying water to another process as needed to be recycled. If the water stored in the water receiving apparatus 110 is not suitable for the desired process, the water receiving apparatus 110 may be provided with means for treating the stored water with water suitable for the purpose.

바람직하게, 본 발명의 장치는 미세조류순환라인(120) 및 용매순환라인(130)을 더 포함하고, 선택적으로 물순환라인(140)을 더 포함할 수 있다. Preferably, the apparatus of the present invention further includes a microalgae circulation line 120 and a solvent circulation line 130, and optionally may further include a water circulation line 140.

상기 미세조류순환라인(120)은 미세조류분리장치(70)에서 분리된 미세조류 중에 미세조류수용장치(90)로 이송하지 않은 미세조류를 배양장치(40)로 다시 순환하는 라인이다. 이 경우에 미세조류수용장치(90)는, 미세조류순환라인(120)을 통해 배양장치(40)에서 1회 또는 2회 이상 재배양한 후에 미세조류분리장치(70)에서 최종적으로 분리한 고밀도의 미세조류를 수용 또는 처리하게 된다. The microalgae circulation line 120 is a line that circulates the microalgae not transferred to the microalgae accommodating device 90 among the microalgae separated from the microalgae separation device 70 to the culture device 40 again. In this case, the microalgae accommodating device 90 is a high density finally separated from the microalgae separation device 70 after culturing once or twice or more in the culture device 40 through the microalgae circulation line 120. To accommodate or process the microalgae of.

상기 용매순환라인(130)은, 분획장치(80)에서 분획된 지용성물질-용매 또는 지용성물질-용매 수용장치(100)로부터의 지용성물질추출용매를 용매수용장치(50)로 다시 순환하는 라인이다. 이 경우에 지용성물질-용매 수용장치(100)는, 용매순환라인(130)을 통해 분획장치(80)에서 1회 또는 2회 이상 재분획한 후에 분획장치(80)에서 최종적으로 분획한, 지용성물질이 더욱 농축된 지용성물질-용매를 수용 또는 처리하게 된다. The solvent circulation line 130 is a line for circulating the oil-soluble substance-solvent extracted from the fractionating apparatus 80 or the oil-soluble substance extracting solvent from the oil-soluble substance-solvent receiving apparatus 100 back to the solvent receiving apparatus 50. . In this case, the fat-soluble material-solvent receiving device 100, after re-fractionation once or twice or more in the fractionation apparatus 80 through the solvent circulation line 130, finally fractionated in the fractionation apparatus 80, fat-soluble The material will accept or process more concentrated fat soluble material-solvent.

상기 물순환라인(140)은 분획장치(80)에서 분획된 물을 발효장치(10) 등으로 순환하여 재사용 되도록 하는 라인이다. The water circulation line 140 is a line for circulating the water fractionated in the fractionation device 80 to the fermentation device 10 or the like to be reused.

본 발명의 장치(1)에서, 바람직하게 배양장치(40)의 미세조류배양액과 용매수용장치(50)의 지용성물질추출용매는 제1 연동펌프(2)에 의해 일정한 유량으로 혼합장치(60)로 공급한다. 이를 위해, 배양장치(40)로부터의 라인과 용매수용장치(50)로부터의 라인을 각각 제1 연동펌프(2)에 연결하고, 제1 연동펌프(2)로부터의 라인은 혼합장치(60)에 연결하며, 혼합장치(60)로부터의 라인은 미세조류분리장치(70)에 연결한다. In the apparatus (1) of the present invention, preferably, the microalgal culture medium of the culture device (40) and the fat-soluble substance extraction solvent of the solvent containing device (50) are mixed at a constant flow rate by the first peristaltic pump (2). To supply. To this end, the line from the culture device 40 and the line from the solvent receiving device 50 are respectively connected to the first peristaltic pump 2, and the line from the first peristaltic pump 2 is mixed to the mixing device 60. The line from the mixing device 60 is connected to the microalgae separator 70.

바람직하게, 미세조류분리장치(70)에서 분리된 미세조류의 전부 또는 일부는 미세조류수용장치(90)로 공급하여 이후 목적에 따라 에탄올, 부탄올 또는 젖산과 같은 유기산 등의 원료로 사용할 수도 있고, 분리된 미세소류의 전부 또는 일부는 미세조류순환라인(120)을 통해 배양장치(40)로 재순환하여 재배양 함으로써 미세조류의 밀도를 고밀도화 할 수 있다. 이를 위해 미세조류분리장치(70)에서 분리된 미세조류를 그 밀도에 따라 선택적으로 미세조류순환라인(120)을 통해 배양장치(40)로 이송하거나 미세조류수용장치(90)로 이송하도록 작동하는 제2 연동펌프(3)를 미세조류분리장치(70)와 미세조류수용장치(90)를 연결하는 라인과 미세조류순환라인(120) 사이에 설치할 수 있다. Preferably, all or part of the microalgae separated from the microalgae separator 70 may be supplied to the microalgae accommodating device 90 to be used as a raw material such as organic acids, such as ethanol, butanol or lactic acid, depending on the purpose. All or part of the separated microalgae can be densified by increasing the density of the microalgae by culturing by recycling to the culture apparatus 40 through the microalgae circulation line 120. To this end, the microalgae separated from the microalgae separation device 70 are selectively operated according to the density of the microalgae circulation line 120 to the culture device 40 or to the microalgae accommodation device 90 to operate. The second peristaltic pump 3 may be installed between the line for connecting the microalgae separation device 70 and the microalgae accommodation device 90 and the microalgae circulation line 120.

바람직하게, 분획장치(80)에서 분획된 지용성물질-용매의 전부 또는 일부는 지용성물질-용매 수용장치(100)로 공급하여 이후 목적에 따라 예를 들어 지질추출 등의 원료로 사용할 수도 있고, 분획된 지용성물질-용매의 전부 또는 일부는 용매순환라인(130)을 통해 용매수용장치(50)로 순환하여 분획에 재사용함으로써 분획한 지용성물질-용매에 지용성물질이 더욱 농축되도록 할 수 있다. 이를 위해 분획장치(80)에서 분획된 지용성물질-용매를 그 농축도에 따라 용매수용장치(50)로 이송하거나 지용성물질-용매 수용장치(100)로 이송하도록 작동하는 제3 연동펌프(4)를 분획장치(80)와 지용성물질-용매 수용장치(100)를 연결하는 라인과 용매순환라인(130) 사이에 설치할 수 있다. Preferably, all or part of the fat-soluble substance-solvent fractionated in the fractionation apparatus 80 may be supplied to the fat-soluble substance-solvent receiving apparatus 100 to be used as a raw material, for example, lipid extraction or the like, depending on the purpose. All or part of the fat-soluble material-solvent may be circulated through the solvent circulation line 130 to the solvent-receiving device 50 and reused in the fraction to further concentrate the fat-soluble material in the fractionated fat-soluble material-solvent. To this end, the third peristaltic pump 4 operable to transfer the fat-soluble material-solvent fractionated by the fractionation device 80 to the solvent-receiving device 50 or to the fat-soluble material-solvent receiving device 100 according to its concentration. It can be installed between the line connecting the fractionation device 80 and the fat-soluble material-solvent receiving device and the solvent circulation line 130.

지용성물질-용매 수용장치(100)에서 지질 등의 유용물질을 추출한 경우에, 바람직하게 유용물질을 추출한 후에 회수된 지용성물질추출용매가 용매순환라인(130)을 통해 용매수용장치(50)로 이송되도록 용매순환라인(130)에는 제4 연동펌프(5)를 설치할 수 있다. In the case of extracting useful substances such as lipids from the fat-soluble substance-solvent receiving apparatus 100, preferably, the fat-soluble substance extracting solvent recovered after extracting the useful substance is transferred to the solvent receiving apparatus 50 through the solvent circulation line 130. The fourth peristaltic pump 5 may be installed in the solvent circulation line 130.

바람직하게, 물순환라인(140)에는 제5 연동펌프(6)를 설치하여 물수용장치(110)의 물을 물순환라인(140)을 통해 발효장치(10)로 공급되도록 할 수 있다. Preferably, the water circulation line 140 may be provided with a fifth peristaltic pump 6 to supply water from the water holding device 110 to the fermentation apparatus 10 through the water circulation line 140.

이하, 도1 내지 도4를 참조하여, 본 발명에 따른 유기성폐기물의 미세조류배양에 의한 바이오가스, 지용성물질 및 미세조류의 생산 방법을 설명한다. 1 to 4, a method for producing biogas, fat-soluble substances and microalgae by microalgal culture of organic waste according to the present invention will be described.

1. 유기성폐기물(음식물폐기물)의 발효1. Fermentation of Organic Waste (Food Waste)

유기성폐기물(예, 음식물폐기물)을 발효장치(10)로 반혐기성 혹은 혐기성 가수분해/산생성 발효시킴으로써 유기성폐수와 바이오가스를 생산한 후, 생산된 상기 유기성폐수를 사용하여 미세조류를 배양하고 바이오가스는 포획하여 에너지원으로 사용한다. 발효장치(10)는 발효온도를 예를 들어 45℃로 유지할 수 있고, 사용된 균주는 음식물에 많이 존재하는 탄수화물, 단백질, 지방 등 복잡한 유기물을 분해할 수 있는 균주이며, 그 예는 표 1과 같다. Organic waste (eg, food waste) is produced by fermentation apparatus 10 for semi-anaerobic or anaerobic hydrolysis / acid production to produce organic wastewater and biogas, followed by culturing microalgae using the organic wastewater produced. The gas is captured and used as an energy source. Fermentation apparatus 10 can maintain the fermentation temperature, for example, 45 ℃, the strain used is a strain that can decompose complex organic matter, such as carbohydrates, proteins, fats in the food a lot, examples are shown in Table 1 same.

음식물폐기물 발효에 사용하는 미생물Microorganisms Used for Food Waste Fermentation 공정fair 균 주 Strain 분해능력Resolution 반혐기성 가수분해/
산생성 발효Semi-anaerobic Hydrolysis /
Acid Fermentation Cellulomonas cellulans Cellulomonas cellulans cellulose, chitin, pectincellulose, chitin, pectin Flavobacterium breveFlavobacterium breve cellulosecellulose Bacillus amyloliquefaciensBacillus amyloliquefaciens 탄수화물carbohydrate Bacillus licheniformis Bacillus licheniformis 단백질protein Bacillus subtilis Bacillus subtilis 탄수화물, 단백질Carbohydrates, protein Bacillus alcalophilusBacillus alcalophilus 지방질Fat 혐기성 산 발효Anaerobic Acid Fermentation Clostridium acetobutyricumClostridium acetobutyricum
Clostridium butyricumClostridium butyricum 당, 아미노산, 긴 사슬 지방산Sugars, amino acids, long chain fatty acids 혐기성 메탄 발효Anaerobic Methane Fermentation Metanogenic mibrobesMetanogenic mibrobes 아세테이트, 포메이트Acetate, formate

음식물폐기물을 수거하여 물과 1:1의 비율로 혼합한 후 미생물들에 의해 분해가 잘 되도록 파쇄기로 잘게 분쇄하여 사용한다. 반혐기성 조건에서 2일간의 체류시간을 거친 후 생성된 발효액(유기성폐수)은 아래로 배출되도록 하고, 펌프를 이용해서 유기성폐수수용장치(30)에 유입되도록 한다. 발효장치(10)에서 생성된 유기성폐수는 유기성폐수수용장치(30)의 아래로부터 유입되고 체류하도록 한다. 유기성폐수수용장치(30)의 내부에서 COD(화학적 산소 요구량), 질소 및 인을 측정하여 미세조류의 성장에 적합하도록 조정한다. Food waste is collected and mixed with water in a ratio of 1: 1, and then crushed finely with a crusher to be decomposed by microorganisms. The fermentation broth (organic wastewater) generated after two days of residence time in a semi-anaerobic condition is discharged downward, and is introduced into the organic wastewater receiving device 30 using a pump. The organic wastewater generated in the fermentation apparatus 10 is allowed to enter and stay from below the organic wastewater receiving apparatus 30. COD (chemical oxygen demand), nitrogen and phosphorus in the organic wastewater receiving device 30 are measured and adjusted to be suitable for the growth of microalgae.

음식물폐기물을 반혐기성 가수분해/산생성 발효시켜 생산된 유기성폐수를 사용하여 바로 미세조류를 배양할 수도 있고, 2차적으로 혐기성 가수분해/산생성 발효를 더 실행하여 수소 및 유기성폐수를 얻고, 3차적으로 메탄 생성균에 의한 메탄 발효를 추가로 실행하여 얻은 유기성폐수로 미세조류를 배양할 수도 있다. Microalgae may be directly cultured using organic wastewater produced by semi-anaerobic hydrolysis / acid-producing fermentation of food waste, and secondly, anaerobic hydrolysis / acid-producing fermentation is further performed to obtain hydrogen and organic wastewater. 3 Alternatively, microalgae can be cultured with organic wastewater obtained by further methane fermentation with methane-producing bacteria.

본 발명의 발효공정에서는 수소와 메탄과 같은 바이오가스가 발생하며 생산된 바이오가스는 바이오가스수용장치(20)로 포획하여 필요한 용도에 사용한다. In the fermentation process of the present invention, biogas such as hydrogen and methane is generated, and the produced biogas is captured by the biogas accommodating device 20 and used for necessary use.

2. 미세조류의 배양2. Cultivation of microalgae

배양장치(40)에서 배양하는 미세조류로는 지용성물질을 함유하는 미생물로서, 스피룰리나(Spirulina), 아나베나(Anabaena), 시네코코쿠스(Synechococcus), 시네코시스티스(Synechocystis), 아나시스티스(Anacystis), 노스톡(Nostoc), 오실라토리아(Oscillatoria)등의 시아노세균과 클로렐라(Chlorella), 두나리엘라(Dunalialla), 헤마토코쿠스(Haematococcus), 아이소크라이시스(Isochrysis), 세네데스무스(Scenedesmus), 클라미도모나스(Chlamydomonas), 포르파이리디움(Porphyridium) 등을 사용할 수 있다. The microalgae cultured in the culture device 40 are microorganisms containing fat-soluble substances, such as Spirulina, Anabaena, Synechococcus, Synechocystis, Anacystis. ), Cyanobacteria such as Northoc, Oscillatoria, Chlorella, Dunalialla, Haematococcus, Isochrysis, Scenedesmus ), Chlamydomonas, Porphyridium and the like can be used.

본 발명에서 예로서 사용한 미세조류는 Chlorella protothecoides으로서, 독립영양, 종속영양 및 혼합영양으로 배양이 가능하다. C. protothecoides는 대부분의 미세조류보다 10배 이상의 미세조류 밀도로 배양이 가능하여 바이오매스 확보 차원에 매우 적절하다. C. protothecoides는 종속영양상태인 이상적인 조건에서 최대 116 gfw/L의 수율로 바이오매스를 분리할 수 있으며, 바이오매스의 55%를 지질로 저장할 수 있다. The microalgae used as an example in the present invention are Chlorella protothecoides , and can be cultured as independent, heterotrophic, and mixed nutrition. C. protothecoides can be cultured at 10 times higher microalgae density than most microalgae, which is very suitable for securing biomass. C. protothecoides can separate biomass at yields up to 116 gfw / L under ideal conditions in heterotrophic conditions, and store 55% of the biomass as lipids.

C. protothecoides는 글루코오스 또는 옥수수 감미료 가수분해물(CSH)에 종속 영양적으로 성장할 수 있다. 종속영양 성장은 지질 함량을 증가시키고, 태양 에너지에 대한 직접적 의존성을 감소시킬 수 있다. C. protothecoides로부터 생산된 바이오디젤의 에너지 밀도는 석유 기반 디젤과 실질적으로 동등하다. C. protothecoides로부터 생산된 바이오디젤의 냉각필터 플러그 온도(cold filter plugging temperature)는 디젤 연료보다 낮다. Chorella는 분자생물적인 방법으로 엔지니어링하기에 용이하고 강화된 CO₂로 대규모 광바이오반응기에서 배양이 가능하다. C. protothecoides can be heterotrophically grown on glucose or corn sweetener hydrolysates (CSH). Heterotrophic growth can increase lipid content and reduce direct dependence on solar energy. The energy density of biodiesel produced from C. protothecoides is substantially equivalent to that of petroleum-based diesel. C. The cold filter plugging temperature of biodiesel produced from protothecoides is lower than that of diesel fuel. Chorella is easy to engineer by molecular biological methods and can be cultured in large-scale photobioreactors with enhanced CO ₂ .

3. 미세조류를 이용한 유기성폐수의 처리3. Treatment of Organic Wastewater Using Microalgae

일반적인 폐수는 질소원에 비해 탄소원의 상대적 비율이 낮아 기존의 미생물을 사용한 폐수 처리방법은 질소제거 효율이 낮으며, 활성슬러지 방법은 폐수에서 BOD(생물학적 산소 요구량: Biochemical Oxygen Demand)를 90% 이상 제거할 수 있으나 질소는 20 내지 50% 정도만을 제거할 수 있다. 현재까지 에탄올이나 포도당과 같은 별도의 유기 탄소원을 공급하여 인위적으로 C/N의 비율을 높임으로써 질소를 제거해 왔는데, 이러한 처리방법은 폐수에 포함된 질소가 충분히 제거되지 않는 상태에서 하천에 방출되면 적조 현상을 유발하여 생태계를 교란시킬 뿐만 아니라 경제적인 피해를 줄 수 있다. In general, wastewater has a lower ratio of carbon sources than nitrogen sources, and wastewater treatment using conventional microorganisms has low nitrogen removal efficiency. Nitrogen can only remove 20 to 50%. Until now, nitrogen has been removed by artificially increasing the ratio of C / N by supplying a separate organic carbon source such as ethanol or glucose. Not only can it disrupt ecosystems, it can also cause economic damage.

미세조류를 이용하여 폐수를 처리하는 다양한 방법들이 개발되고 있다. 미세조류의 독립영양배양을 이용하는 경우에는 빛, 이산화탄소, 물 및 질소가 필요한데, 질소는 유입수로부터 공급받게 되므로 미세조류의 성장에 비례하여 폐수에서 질소가 효율적으로 제거된다는 보고가 많다. Various methods for treating wastewater using microalgae have been developed. In the case of using microalgae nutrient culture, light, carbon dioxide, water and nitrogen are required. Since nitrogen is supplied from influent, there are many reports that nitrogen is efficiently removed from wastewater in proportion to the growth of microalgae.

본 발명에서는 유기성 탄소원이 충분히 포함된 음식물폐기물 발효액이나 축산폐수 발효액 등과 같은 유기성폐수에 대해 인위적으로 유기물질 및 질소성분의 농도를 조절한 후에, 미세조류의 배양으로 유기성폐수를 처리한다. In the present invention, after artificially adjusting the concentration of organic substances and nitrogen components for organic wastewater, such as food waste fermentation broth or livestock wastewater fermentation broth containing sufficient organic carbon source, the organic wastewater is treated by culturing microalgae.

미세조류를 종속영양 혹은 혼합영양으로 배양하는 경우, 유기성 탄소원, 이산화탄소, 물 및 질소가 필요하다. 배양되는 미세조류는 유기성 탄소원이 충분히 포함된 유기성폐수(즉, 유기성폐기물의 발효액, 특히, 음식물 쓰기의 발효액)로부터 유기성 탄소원 및 질소를 공급받게 되므로 종속영양 혹은 혼합영양에 의해 미세조류의 성장이 활발하게 일어나고 이에 비례하여 유기성폐수(축산폐수 혹은 음식물폐기물의 발효액)에 포함된 유기성 탄소원 및 질소를 제거할 수 있다. When microalgae are cultured as heterotrophs or mixed nutrients, organic carbon sources, carbon dioxide, water and nitrogen are required. The microalgae to be cultured are supplied with organic carbon source and nitrogen from organic wastewater (ie, fermentation liquid of organic waste, especially food waste) containing sufficient organic carbon source, so the growth of microalgae is active by heterotrophic or mixed nutrition. It is possible to remove the organic carbon source and nitrogen contained in the organic wastewater (livestock waste or fermentation of food waste) in proportion thereto.

미세조류를 종속영양 혹은 혼합영양으로 배양하는 경우, 바람직하게, 상기 유기성폐수는 pH를 5.0~5.5로 유지하면서, TCOD(총 화학적 산소 요구량)를 1,000 내지 8,000 ㎎/ℓ 이하, 질소 농도를 100 내지 250 ㎎/ℓ 이하가 되게 희석한 후 상기 미세조류를 배양한다. When the microalgae are cultured as heterotrophs or mixed nutrients, the organic wastewater preferably has a total chemical oxygen demand (TCOD) of 1,000 to 8,000 mg / l or less and a nitrogen concentration of 100 to 100, while maintaining a pH of 5.0 to 5.5. After diluting to 250 mg / l or less, the microalgae are cultured.

미세조류의 성장을 증진시키기 위하여 무기질을 추가로 첨가한다. 무기질은 Mg²⁺, Ca²⁺, 인으로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 무기물을 첨가한다. Further minerals are added to enhance the growth of microalgae. The mineral adds one or more minerals selected from the group consisting of Mg ²⁺ , Ca ²⁺ , phosphorus.

유기성폐수에 Mg²⁺ 또는 Ca²⁺ 을 첨가하고 질소와 인의 비율을 조절함으로써, 미세조류의 성장을 증진시켜 유기성폐수의 처리 효율을 증가시킬 수 있다. 유기성폐수에 첨가하는 Mg²⁺의 농도는 100 내지 1,000 ㎎/ℓ이고, 200 내지 700 ㎎/ℓ인 것이 바람직하고, 300 내지 500 ㎎/ℓ인 것이 더욱 바람직하다. 유기성폐수에 첨가하는 Ca²⁺의 농도는 10 내지 300 ㎎/ℓ이고, 50 내지 200 ㎎/ℓ인 것이 바람직하고, 100 내지 150 ㎎/ℓ인 것이 더욱 바람직하다. By adding Mg ²⁺ or Ca ²⁺ to the organic wastewater and adjusting the ratio of nitrogen and phosphorus, the growth of microalgae can be enhanced to increase the treatment efficiency of the organic wastewater. The concentration of Mg ²⁺ added to the organic wastewater is 100 to 1,000 mg / l, preferably 200 to 700 mg / l, and more preferably 300 to 500 mg / l. The concentration of Ca ²⁺ added to the organic wastewater is 10 to 300 mg / l, preferably 50 to 200 mg / l, more preferably 100 to 150 mg / l.

유기성폐수에 첨가하는 인은, 유기성폐수에 함유되는 질소와 인 비율이 20:1 내지 3:1이 되게 첨가하고, 15:1 내지 5:1이 되게 첨가하는 것이 바람직하고, 12:1 내지 10:1이 되게 첨가하는 것이 더욱 바람직하다. The phosphorus added to the organic wastewater is added so that the ratio of nitrogen and phosphorus contained in the organic wastewater is 20: 1 to 3: 1, and is added so as to be 15: 1 to 5: 1, preferably 12: 1 to 10 It is more preferable to add so that: 1.

미세조류의 생장에 필수적인 인과 철, 아연, 망간, 구리 및 알루미늄 등의 금속이온은 활성슬러지로 처리하는 유기성폐수라면 따로 첨가해 줄 필요가 없으나 이들 이온을 인위적으로 소량 첨가함으로써 미세조류를 고밀도로 배양할 수도 있다. Phosphorus and metal ions such as iron, zinc, manganese, copper and aluminum do not need to be added to the organic wastewater treated with activated sludge, but the microalgae are grown at high density by artificially adding a small amount of these ions. You may.

4. 미세조류에서 지용성물질의 추출4. Extraction of fat-soluble substances from microalgae

미세조류를 이용한 바이오매스 및 유용물질 생산에 관련된 주요 비용은 큰 부피의 배양액에서 미세조류를 분리하는 과정에서 발생한다. 미세조류배양액에서 미세조류를 분리하고 건조한 후 파괴하여 지용성물질을 추출하는 과정을 포함하는 종래의 지용성물질 생산 방법에서, 이런 과정에 소요되는 비용이 전체 비용의 40-60%를 차지한다.The main costs associated with the production of biomass and useful materials using microalgae arise from the separation of microalgae from large volumes of culture. In the conventional method for producing fat-soluble substances, which includes extracting fat-soluble substances by separating the microalgae from the microalgae broth, drying and destroying the microalgae, the cost of this process accounts for 40-60% of the total cost.

종래의 방법은 지용성물질을 추출하는 과정에서 미세조류가 파괴되어 지용성물질을 제외한 다른 생체분자를 분리하기 어려우나, 본 발명은 저비용의 비파괴적인 재순환 배양에 의해 이런 종래의 문제점을 완화하고 극복한다.While the conventional method is difficult to separate other biomolecules except the fat-soluble substance because microalgae are destroyed in the process of extracting the fat-soluble substance, the present invention alleviates and overcomes these conventional problems by low-cost, non-destructive recycle culture.

본 발명에 사용하는 지용성물질추출용매는, 지용성물질에 대해 선택성이 높고, 생물학적으로 적합하여 미세조류 활성에 커다란 손실 없이 미세조류와 접촉할 수 있는 용매로서, 일반적으로 옥탄올 개수(log Poct, 옥탄올 물 분할 계수의 로그)가 5이상이다(Dodecanone은 이 규칙에서 예외이다). The fat-soluble material extraction solvent used in the present invention is a solvent that is highly selective to the fat-soluble material and is biologically suitable and can be contacted with the microalgae without a significant loss of microalgal activity. Generally, the number of octanols (log Poct, octane) Log of all water partition coefficients is greater than 5 (Dodecanone is an exception to this rule).

옥탄올 개수 4-5인 용매 중에 헥산(hexane), 헵탄(heptane)은 미세조류에 유독하고, 데칸올(decanol), 다이펜틸 에테르(dipentyl ether)는 미세조류에 무해하다.Hexane and heptane are toxic to microalgae, and decanol and dipentyl ether are harmless to microalgae.

본 발명에 적용할 수 있는 예시적인 지용성물질추출용매로서는, 1,12-도데칸디오익산 디에틸 에테르(1,12-dodecanedioic acid diethyl ether), n-헥산(n-hexane), n-헵탄(n-heptane), n-옥탄(n-octane), n-도데칸(n-dodecane), 초산 도데실(dodecyl acetate), 데칸(decane), 다이헥실 에테르(dihexyl ether), 이소파(isopar), 1-도데칸올(1-dodecanol), 1-옥탄올(1-octanol), butyoxyethoxyehteane, 3-옥타논(3-octanone), 고리형 파라핀(cyclic paraffins), 바솔(varsol), 이소파라핀(isoparaffins), 분지형의 알칸(branched alkane), 올레일 알코올(oleyl alcohol), dihecylether, 2-도데칸(2-dodecane) 등이 포함된다.Exemplary fat-soluble solvent extraction solvents applicable to the present invention, 1,12-dodecanedioic acid diethyl ether (1,12-dodecanedioic acid diethyl ether), n-hexane (n-hexane), n-heptane ( n-heptane, n-octane, n-dodecane, n-dodecane, dodecyl acetate, decane, decane, dihexyl ether, isopar , 1-dodecanol, 1-octanol, butyoxyethoxyehteane, 3-octanone, cyclic paraffins, varsol, isoparaffins Branched alkane, oleyl alcohol, dihecylether, 2-dodecane, and the like.

본 발명에 사용되는 지용성물질추출용매는, C4-C16 탄화수소 1개 이상을 포함할 수 있고, C10, C11, C12, C13, C14, C15 또는 C16 개의 탄화수소를 포함할 수 있다. The fat-soluble substance extraction solvent used in the present invention may include one or more C4-C16 hydrocarbons, and may include C10, C11, C12, C13, C14, C15 or C16 hydrocarbons.

진동분쇄장치(71)에 의한 미세조류 손상 없는 미생물에의 초음파조사는, 저주파에서 양-의존적(dose-dependent)이다. 주파수가 증가하면, 긴 조사시간에도 미생물이 생존한다. 미세조류 활성에 영향이 없고 지용성물질의 추출을 최적화할 수 있는 주파수 법위(20 kHz ~ 1 MHz)에서 적절하게 세분된 주파수범위 및 다른 노출시간에 따른 강도를 결정하는 연구를 수행하여 다양한 다른 주파수, 강도와 노출되는 시간 등이 추출 효율에 영향을 미친다는 것을 알았다. Ultrasonic irradiation to microorganisms without damaging microalgae by the vibration grinding device 71 is dose-dependent at low frequencies. As the frequency increases, the microorganisms survive long irradiation times. In the frequency regime (20 kHz to 1 MHz), which has no effect on microalgal activity and can optimize the extraction of fat-soluble substances, studies have been conducted to determine the intensity of different frequency ranges and intensity over different exposure times. It was found that the intensity and the time of exposure influenced the extraction efficiency.

적정주파수 범위(20 kHz ~ 60 kHz)에서 다른 노출시간에 따른 이상적인 강도로 미세조류에 손상 없이 지용성물질의 추출을 최적화하기 위해 이용될 수 있다. 즉, 주파수, 강도와 노출시간 등이 지용성물질 추출효율에 영향을 미친다. 미세조류 크기, 미세조류 형상, 세포벽 조성물 그리고 생리학적 상태가 미세조류와 초음파의 상호작용에 복합적으로 영향을 주기 때문에 이상적인 지용성물질의 추출을 위해 20 kHz와 1 MHz, 20-100 kHz, 20-60 kHz, 30-50 kHz, 또는 40 kHz 등의 다양한 주파수 중 이상적인 주파수를 결정하여 사용할 수 있다. 지용성물질추출용매와 진동분쇄의 적절한 조합으로, 거의 100%까지 지용성물질(미세조류 총 지방산의 10%)의 추출효율을 달성할 수 있다. It can be used to optimize the extraction of fat-soluble substances without damaging the microalgae with an ideal intensity over different exposure times in the appropriate frequency range (20 kHz to 60 kHz). In other words, frequency, intensity and exposure time affect the extraction efficiency of fat-soluble substances. Microalgae size, microalgal shape, cell wall composition, and physiological conditions have a complex effect on the interaction of microalgae and ultrasound, so 20 kHz and 1 MHz, 20-100 kHz, 20-60 for the extraction of ideal fat-soluble substances An ideal frequency can be determined and used among various frequencies such as kHz, 30-50 kHz, or 40 kHz. With the proper combination of solvent-soluble extraction solvent and vibration grinding, extraction efficiency of oil-soluble substances (10% of total microalgae fatty acids) can be achieved by almost 100%.

진동분쇄 대신에 미세조류배양액과 지용성물질 추출용액 혼합액을 교반장치(72)로 교반할 경우에도 미세조류배양액과 지용성물질추출용매의 접촉을 증가(개선)시킴으로써, 진동분쇄와 같이 지용성물질 추출효율을 향상시킬 수 있다. 물론 진동분쇄와 교반을 함께 실행하는 것도 가능하다.Even when the microalgal culture liquid and the fat-soluble substance extraction solution mixture are stirred with the stirring device 72 instead of the vibration grinding, the contact between the microalgal culture liquid and the fat-soluble substance extraction solvent is increased (improved), thereby improving the extraction efficiency of fat-soluble substances such as vibration grinding. Can be improved. It is of course also possible to carry out vibration grinding and stirring together.

5. 미세조류손상이 없는 미세조류의 응집, 정체 및 분리5. Aggregation, retention and separation of microalgae without microalgal damage

미세조류분리장치(70)는 미세조류에 손상을 주지 않으면서도 정교하고 효율적으로 미세조류의 이동, 응집, 정체 및 분리를 수행할 수 있도록 하는 분리장치로서, 바람직하게 연속관류배양 방식의 분리장치이다. 미세조류분리장치(70)로서는 전술한 바와 같은 초음파공명장이 적용되는 초음파공명장 발생장치(71) 또는 중력침강이 적용되는 중력침강장치(76)를 개별적으로 또는 조합하여 적용할 수 있다.The microalgae separation device 70 is a separation device capable of precisely and efficiently moving, agglomeration, stagnation and separation of microalgae without damaging the microalgae, and is preferably a separation system of a continuous perfusion culture method. . As the microalgae separation device 70, the ultrasonic resonance field generating device 71 to which the ultrasonic resonance field as described above or the gravity settling device 76 to which gravity settling is applied may be applied individually or in combination.

예를 들어 초음파공명장 발생장치(71)를 미세조류분리장치(70)로 적용할 경우에, 지용성물질추출용매와 초음파공명장의 초음파 진동수, 초음파 진동자(74)와 반사막(75) 간의 거리 등의 적절한 조합으로, 거의 100%까지 지용성물질(미세조류 총 지방산의 10%)의 추출효율을 달성할 수 있다.For example, when the ultrasonic resonance field generating device 71 is applied to the microalgae separation device 70, the ultrasonic wave frequency of the fat-soluble material extraction solvent and the ultrasonic resonance field, the distance between the ultrasonic vibrator 74 and the reflective film 75, etc. are appropriate. In combination, it is possible to achieve extraction efficiency of up to 100% of fat-soluble substances (10% of the microalgae total fatty acids).

6. 미세조류의 바이오매스로서의 활용6. Application of microalgae as biomass

분획장치(80)에서 분획된 지용성물질-용매는 미세조류의 다양한 성분을 포함하고 있어 바이오매스 혹은 생리활성물질로 이용할 수 있다. The fat-soluble substance-solvent fractionated in the fractionator 80 contains various components of the microalgae and can be used as a biomass or a bioactive substance.

미세조류는 chlorophyll, carotenoid 또는 phycobilins와 같은 색소를 함유하고 주로 광합성을 통해 미세조류 성장과 번식을 하는 식물군이다. 이러한 미세조류는 수계의 1차 생산 즉, 태양에너지를 이용해 무기물로부터 유기물 생산을 주도하는 생물군이다. 또한 미세조류는 1차 대사산물인 단백질, 지질, 탄소화물 성분 등은 물론이고, 2차 대사산물인 생리활성물질도 매우 다양하게 생산한다. 일반적으로 미세조류는 육상식물보다 빨리 성장하여 바이오매스 생산성이 높다는 점, 담수나 해수는 물론이고 빛 에너지를 확보할 수 있는 자연 환경에서는 쉽게 생육한다는 점, 단백질, 지질, 탄소화물, 색소와 같은 산업적으로 흥미가 있는 생물 고분자 물질은 물론이고 특정의 생리 기능을 조절 물질을 고농도로 생산할 수 있다는 점 등에서 중요한 생물 산업 소재로서 가능성이 높다. 실제적으로 미세조류를 이용한 산업적 응용 가능 분야는 폐수처리, 대기오염 전화, 양식 사료, 건강식품 원료, 생리활성 물질 생산, 가공용 소재, 의약품 소재 등이다.Microalgae is a plant family that contains pigments such as chlorophyll, carotenoid or phycobilins and mainly grows and reproduces microalgae through photosynthesis. These microalgae are a group of organisms that lead the production of organic matter from inorganic matter, that is, primary production of aquatic systems, that is, solar energy. In addition, microalgae, as well as proteins, lipids, carbohydrate components, such as the first metabolite, as well as bioactive materials that are secondary metabolites are produced in a wide variety. In general, microalgae grow faster than terrestrial plants and thus have higher biomass productivity, and are easily grown in fresh water and seawater as well as in natural environments that can secure light energy. It is highly likely to be an important bioindustrial material in that it is possible to produce high concentrations of regulatory substances as well as biological polymers of interest. Practical applications for microalgae include wastewater treatment, air pollution conversion, aquaculture feed, health food ingredients, bioactive materials production, processing materials and pharmaceutical materials.

이하, 구체적인 실시예에 의해 본 발명에 따른 유기성폐기물의 미세조류배양에 의한 바이오가스, 지용성물질 및 미세조류의 생산 방법을 설명한다. Hereinafter, the production method of biogas, fat-soluble substances and microalgae by microalgal culture of organic waste according to the present invention will be described by specific examples.

실시예 1. 유기성폐기물(음식물폐기물)의 가수분해/산생성 발효Example 1 Hydrolysis / Acid Fermentation of Organic Waste (Food Waste)

먼저, 본 발명에 사용된 유기성폐기물로서의 음식물폐기물로부터 미생물이 분해하기 어려운 물질(닭뼈, 생선뼈, 나무토막 등)을 제거하였다. 음식물폐기물과 미생물과의 접촉이 용이하고 각 공정으로의 수송이 편리하도록 파쇄기로 죽 상태로 잘게 분쇄하여 이후의 공정에 사용하였다. 죽 상태의 음식물폐기물이 충분히 교반되고 산소가 원활히 전달될 수 있도록, 음식물폐기물과 물을 1：1의 비율로 혼합하여 발효장치(10)에 주입하였다.First, substances (eg, chicken bones, fish bones, wood chips, etc.) which microorganisms are difficult to decompose were removed from the food wastes as organic wastes used in the present invention. In order to facilitate contact between food waste and microorganisms and convenient transportation to each process, finely pulverized finely into a grinder and used in subsequent processes. The food waste in the porridge state was sufficiently stirred and the oxygen was smoothly delivered, and the food waste and water were mixed at a ratio of 1: 1 to be injected into the fermentation apparatus 10.

반혐기적인 조건에서 가수분해 및 산생성 발효가 이루어지도록 하기 위하여 컴프레서(compressor)를 이용하여 발효장치(10: 발효기)의 하단과 중앙에서 공기를 주입하고, 발효기의 상단에 교반기를 설치하여 음식물폐기물, 균체 및 산소가 원활히 접촉할 수 있도록 교반하였다. In order to achieve hydrolysis and acid-produced fermentation under semi-anaerobic conditions, air is injected from the bottom and the center of the fermentation apparatus (10: fermenter) using a compressor, and a food agitator is installed at the top of the fermenter. The mixture was stirred to allow smooth cell and oxygen contact.

발효공정에 사용된 발효장치(10)는 5L의 발효기(Bioflo 3000)였고, 균주는 고온균(표 1 참조)이다. 음식물폐기물과 물을 1：1로 혼합한 뒤 이 3L 혼합액을 발효장치(10)에 주입하여 50℃에서 24시간 동안 유지하여 다른 부패균을 사멸시켰다. 발효기 내의 온도를 45℃ 로 낮춰 배양된 50 mL 공시균주를 접종하여 2~5일간의 체류시간을 거친 뒤 유출수(즉, 발효액: 유기성폐수)를 유기성폐수수용장치(30)로 이송하였으며, 이때 TCOD가 약 45,000 mg/L이고 SCOD는 약 31,000mg/L 이었다. 총 질소는 3,600∼4,800 mg/L로 평균 4,200 mg/L이었다. 한편 총 인은 약 6.1 mg/L이었다. 반혐기성 가수분해/산생성 발효공정에서 생성된 유기산의 약 75%정도가 아세트산이었다. The fermentation apparatus 10 used in the fermentation process was a 5L fermenter (Bioflo 3000), and the strain is a high temperature bacterium (see Table 1). After mixing food waste and water in a 1: 1 ratio, the 3L mixed solution was injected into the fermentation apparatus 10 and maintained at 50 ° C. for 24 hours to kill other decaying bacteria. After incubating the cultured 50 mL strains by lowering the temperature in the fermenter to 45 ° C., the effluent (ie, fermentation broth: organic wastewater) was transferred to the organic wastewater receiving device 30 after 2 to 5 days of residence time. Is about 45,000 mg / L and SCOD is about 31,000 mg / L. Total nitrogen ranged from 3,600 to 4,800 mg / L with an average of 4,200 mg / L. Meanwhile, the total phosphorus was about 6.1 mg / L. About 75% of the organic acid produced in the semi-anaerobic hydrolysis / acid producing fermentation process was acetic acid.

실시예 2. 미세조류의 배양Example 2. Cultivation of Microalgae

Chlorella protothecoides를 프로테오스 사면한천(proteose agar slant)에 유지하면서 본 발명에 사용하였다. 기본배지의 성분은 1 리터당 KH₂P0₄(0.7g), K₂HPO₄(0.3g), MgSO₄·7H₂O(0.3g), FeSO₄·7H₂O(3mg). 우레아(1g), Arnon's A Solution(1 ml), thiamine hvdrochloride(l0μg), pH 6.3.이었다. 배양은 5 % CO₂, 20도, 15,000 lux 형광등에서 실행하였다. Arnon's A5 용액의 조성은 리터당 H₃BOS₃(2.9 g), MnCl₂·4H₂O(1.8 g), ZnSO₄·7H₂O(0.22g), CuSO₄·5H₂O(0.08g), MoO₃(0.018g)으로 하였다. Chlorella protothecoides의 종속영양 배양은 기본배지에서 0.1% 우레아 대신에 0.01% 우레아를 및 1.0% 포도당을 첨가하여 수행한다. Chlorella protothecoides were used in the present invention while maintaining in proteose agar slant. The basic medium consists of KH ₂ P0 ₄ (0.7 g), K ₂ HPO ₄ (0.3 g), MgSO ₄ · 7H ₂ O (0.3 g), FeSO ₄ · 7H ₂ O (3 mg) per liter. Urea (1 g), Arnon's A Solution (1 ml), thiamine hvdrochloride (10 μg), pH 6.3. The culture was carried out in 5% CO ₂ , 20 degrees, 15,000 lux fluorescent lamp. The composition of the Arnon's A5 solution consists of H ₃ BOS ₃ (2.9 g), MnCl ₂ · 4H ₂ O (1.8 g), ZnSO ₄ · 7H ₂ O (0.22 g), CuSO ₄ · 5H ₂ O (0.08 g), MoO ₃ (0.018 g) was set. Chlorella Heterotrophic cultivation of protothecoides is performed in basal medium with 0.01% urea and 1.0% glucose instead of 0.1% urea.

실시예 3. 미세조류에 미치는 유기성폐수의 영향Example 3 Effect of Organic Wastewater on Microalgae

상기 유기성폐수의 질소 농도를 150 ㎎/ℓ가 되게 희석한 후, C. protothecoides 배양액을 접종하여 3일간 배양하였으며 배양된 C. protothecoides 용액 1 ml을 1/100,000배 희석하여 1.5% 아가 플레이트에 도말하여 형성된 콜로니를 계수하여 음식물폐기물의 발효액인 유기성폐수가 C. protothecoides의 생존에 미치는 영향을 평가하였다. 음식물폐기물의 발효액(유기성폐수)으로 미세조류를 배양한 결과, 기본배지로 미세조류를 배양한 경우와 대비할 때 성장 정도에 의미 있는 차이가 없었다. After diluting the nitrogen concentration of the organic wastewater to 150 mg / l, the inoculated C. protothecoides culture was inoculated and incubated for 3 days. 1 ml of the cultured C. protothecoides solution was diluted 1 / 100,000-fold and plated on 1.5% agar plate. The colonies formed were counted to evaluate the effect of organic wastewater, a fermentation broth, on the survival of C. protothecoides . As a result of culturing the microalgae with the fermentation broth (organic wastewater) of food waste, there was no significant difference in the degree of growth as compared with the case of culturing the microalgae as a basic medium.

유기성폐수의 TCOD를 1,607 ㎎/ℓ 및 질소 농도를 150 ㎎/ℓ가 되게 희석한 후 미세조류, 상기 유기성폐수에 첨가하는 Mg²⁺ 의 농도는 500 ㎎/ℓ, Ca²⁺의 농도는 150 ㎎/ℓ이며, 상기 유기성폐수에 첨가하는 인은, 상기 유기성폐수의 질소와 인의 비율이 10:1이 되게 첨가한 후에 배양하였다. After diluting the TCOD of the organic wastewater to 1,607 mg / l and the nitrogen concentration to 150 mg / l, the concentration of Mg ²⁺ added to the microalgae and the organic wastewater was 500 mg / l and the concentration of Ca ²⁺ was 150 mg. phosphorus added to the organic wastewater was incubated after adding so that the ratio of nitrogen and phosphorus in the organic wastewater was 10: 1.

실시예 4. 미세조류 배양에 의한 질소 제거 효과Example 4 Nitrogen Removal Effect by Microalgal Culture

5L의 배양장치(40: 배양조)에서 교반속도 150 rpm에서 C. protothecoides를 로그구간까지 상기 유기성폐수(음식물폐기물 발효액)를 이용하여 배양하였다. 상기 희석된 유기성폐수에 첨가하는 미세조류는 대략 1X10⁶ 개체수/㎖ 내외로 첨가하였고, 5X10⁵ 내지 1X 10⁷ 개체수/㎖ 정도 첨가하면 바람직하다. C. protothecoides were cultured using the organic wastewater (food waste fermentation broth) up to a log section at a stirring speed of 150 rpm in a 5 L culture apparatus (40: culture tank). Microalgae to be added to the diluted organic waste water, it is preferable if about 1X10 ⁶ were added to the population / ㎖ and out, added to 5X10 ⁵ 1X 10 ⁷ counts / ㎖ degree.

유기성폐수의 미세조류 배양을 통해 TCOD 및 질소가 얼마나 제거되는지를 확인하였다. 구체적으로, 음식물폐기물의 발효액(유기성폐수: 총질소 농도 4,200 ㎎/ℓ)을 질소 농도를 기준으로 100, 150, 300 또는 500 ㎎/ℓ로 희석한 뒤 5L의 배양조에 각 질소 농도별로 3000 ㎖씩 넣어 주었다. 이와 같이 희석했을 때 유기성폐수(TCOD는 45,000 ㎎/ℓ)의 TCOD는 1,071, 1,607, 3,214 또는 5,357 ㎎/ℓ이었다. 여기에 C. protothecoides을 각각 첨가하고, 유기성폐수 중 질소농도의 변화를 분석하였다. 각각의 질소 농도에서 C. protothecoides에 의한 질소 제거율을 조사하였다. 그 결과, 상기 유기성폐수의 질소 농도를 100, 150, 300, 500 ㎎/ℓ로 희석하였을 때, C. protothecoides에 의한 각각의 질소 농도에 대한 4일 후의 제거율은 38, 50, 33 그리고 21%로 측정되었다. 질소 농도가 150 ㎎/ℓ일 때 가장 높은 질소 제거율을 보여주고 있고, 이 때 잔류하는 질소의 농도는 75.6 ㎎/ℓ로 측정되었다. Microalgae culture of organic wastewater confirmed how much TCOD and nitrogen were removed. Specifically, the fermentation broth (organic wastewater: total nitrogen concentration 4,200 mg / l) of food waste was diluted to 100, 150, 300 or 500 mg / l based on the nitrogen concentration, and 3000 ml of each nitrogen concentration was added to a 5 L culture tank. Put it. In this dilution, the TCOD of organic wastewater (TCOD: 45,000 mg / l) was 1,071, 1,607, 3,214 or 5,357 mg / l. C. protothecoides were added to each of them, and the changes of nitrogen concentration in organic wastewater were analyzed. The nitrogen removal rate by C. protothecoides was investigated at each nitrogen concentration. As a result, when the nitrogen concentration of the organic wastewater was diluted to 100, 150, 300, 500 mg / l, the removal rate after 4 days for each nitrogen concentration by C. protothecoides was 38, 50, 33 and 21%. Was measured. The highest nitrogen removal rate was shown when the nitrogen concentration was 150 mg / l, and the concentration of nitrogen remaining was 75.6 mg / l.

실시예 5. 미세조류의 배양 및 미세조류 및 지용성물질-용매 용액 분리Example 5 Cultivation of Microalgae and Separation of Microalgae and Fat-Soluble-Solvent Solutions

5L의 배양장치(40)에서 교반속도 150 rpm하에서 C. protothecoides를 로그구간까지 질소 농도가 150 ㎎/ℓ인 희석된 유기성폐수(음식물폐기물의 발효액)를 이용하여 배양하였다. 상기 희석 폐수에 첨가하는 미세조류는 대략 1X10⁶ 개체수/㎖ 내외였고, 5X10⁵ 내지 1X 10⁷ 개체수/㎖가 되게 첨가하면 바람직하다. C. protothecoides were incubated in a 5 L incubator 40 at 150 rpm with dilute organic wastewater (fermentation of food waste) with a nitrogen concentration of 150 mg / l up to the log section. Microalgae to be added to the diluted waste water was approximately 1X10 ⁶ counts / ㎖ and out, it is desirable to be added is 5X10 ⁵ to 1X 10 ⁷ counts / ㎖.

배양장치(40)의 미세조류배양액과 용매수용장치(50)의 데칸(decane) 용매(지질추출용매)를 혼합장치(60)로 공급하되 전자와 후자를 5:1의 비율로 공급하고, 이들을 혼합하여 5분간 방치한 후 진동분쇄장치(61)로 2초간 40 kHz로 진동 분쇄하였다. The microalgal culture solution of the culture device 40 and the decane solvent (lipid extraction solvent) of the solvent containing device 50 are supplied to the mixing device 60, but the former and the latter are supplied at a ratio of 5: 1, The mixture was left to stand for 5 minutes, and then vibrated and pulverized at 40 kHz for 2 seconds with a vibration pulverizer 61.

결과의 혼합액을 초음파공명장 발생장치(71)로서의 어쿠스틱세포필터와 중력침강장치(76)로서의 CS 10 Cell settler (Biotechnology Solutions 사, USA)가 작동하는 미세조류분리장치(70)로 각각 이송하였다. 미세조류는 응집되어 미세조류 응집체를 형성하면서 아래로 침강하였다. The resultant mixed solution was transferred to the microalgae separation device 70 operated by the acoustic cell filter as the ultrasonic resonance field generating device 71 and the CS 10 Cell settler (Biotechnology Solutions Co., USA) as the gravity settling device 76, respectively. The microalgae settled down while agglomerating to form microalgal aggregates.

미세조류가 침강하여 정체 및 분리된 나머지 용액을 분획장치(80)로 이송하여 분획하였으며, 이로써 지용성물질-용매(층)와 물(층)이 상하로 분획되었다. 이후 물은 물수용장치(110)로 이송한 후 발효장치(10)로 이송하여 음식물폐기물의 발효(예, 파쇄된 음식물폐기물의 액화)에 사용하고, 지용성물질질-용매(층)는 지용성물질-용매 수용장치(100)로 이송하였다. 미세조류분리장치(70)에서 분리된 미세조류의 일부는 미세조류수용장치(90)로 이송하고, 나머지는 미세조류순환라인(120)을 통해 배양장치(40)로 이송하였다.The microalgae precipitated and the remaining solution separated and stagnated was transferred to the fractionator 80 and fractionated, whereby the fat-soluble substance-solvent (layer) and water (layer) were fractionated up and down. Thereafter, the water is transferred to the water holding device 110 and then transferred to the fermentation device 10 to be used for fermentation of food waste (eg, liquefaction of crushed food waste), and the fat-soluble material-solvent (layer) is a fat-soluble material. -Transferred to the solvent receiving device (100). A part of the microalgae separated from the microalgae separator 70 is transferred to the microalgae accommodating device 90, and the rest of the microalgae is transferred to the culture apparatus 40 through the microalgae circulation line 120.

실시예 6. 분리된 미세조류의 재배양Example 6 Cultivation of Isolated Microalgae

실시예 5의 미세조류분리장치(70)에서 분리된 미세조류에 대해 재배양을 실행하여 분석한 결과, 즉 지용성물질추출용매와의 혼합에 의해 지용성물질추출의 저해를 받은 미세조류배양액을 다시 배양장치(40: 배양조)로 이송하여 재배양한 결과, 성장 속도가 0.028 g/h로 나타났다. 배양조에서의 일반적인 배양의 경우 성장 속도가 약 0.033 g/h 인 것과 비교하면 동시 추출 후 균주의 재배양하는 것에는 문제가 없다는 결과를 얻었다. As a result of analyzing the culture of the microalgae separated from the microalgae separation apparatus 70 of Example 5, that is, the culture of the microalgae culture that was inhibited by the extraction of fat-soluble substances by mixing with the solvent-soluble solvent extraction The growth rate was 0.028 g / h as a result of transfer to the device 40 (culture tank). Compared to the general growth rate of about 0.033 g / h in the culture tank, there was no problem in culturing the strain after simultaneous extraction.

상기 배양, 혼합, 분리 및 분획 과정을, 1회 실시하거나 1일 1회식 2~20회 반복한 결과, 미세조류는 50~200 gfw/L의 밀도로 배양되었고, 농축된 지용성물질이 포함된 지용성물질-용매를 확보하였다. 이와 같은 배양, 혼합, 분리 및 분획 과정을 반복함에 따라, 미세조류의 밀도와 지용성물질의 농도를 단계마다 더욱 증가시킬 수 있음이 확인 되었다. As a result of culturing, mixing, separating, and fractionating the cells once, or repeating 2 to 20 times a day, the microalgae were cultured at a density of 50 to 200 gfw / L, and a fat-soluble substance containing concentrated fat-soluble substances. Material-solvent was obtained. By repeating the incubation, mixing, separation and fractionation process, it was confirmed that the density of the microalgae and the concentration of fat-soluble substances can be further increased step by step.

실시예 7. 분획된 지용성물질-용매에서 β-카로틴색소의 추출Example 7 Extraction of β-carotene Pigments from Fractionated Fat-Soluble-Solvents

실시예5에서 분획된 지용성물질-용매에 있는 β-카로틴의 함량을 워터스 스페리소브(Waters Spherisorb) S5 ODS2 카트리지 칼럼(4.6x250 mm)이 장착된 HPLC(Hewlett Packard Series model 1100)를 사용하여 측정하였다. 색소를 분리하기 위해 용매를 1.0ml/분의 속도로 흘려주었고, 이때 시작부터 1분 까지는 아세토니트릴 90%, 증류수 9.99% 및 트리에틸아민이 0.01%인 용매를 사용하였고, 2 내지 14분에는 아세토니트릴 86%, 증류수 8.99%, 트리에틸아민 0.01% 및 에틸아세테이트 5%인 용매를 사용하였으며, 15 내지 21분 동안은 100% 에틸아세테이트를 사용하였다. 포스트런(post-run)은 처음 시작한 용매로 9분간 하였다. 레퍼런스(Jin et al., 2001. Biochim Biophys Acta 1506:244-2597)를 550nm로 한 경우 β-카로틴 색소는 445nm에서 검출되었으며, β-카로틴(DHI water and environment사, Denmark)을 정량한 표준곡선을 기초로 β-카로틴의 양을 측정한 그 결과 8.72x10^-10 μM이었다.The content of β-carotene in the fat soluble-solvent fractionated in Example 5 was measured using HPLC (Hewlett Packard Series model 1100) equipped with a Waters Spherisorb S5 ODS2 cartridge column (4.6x250 mm). . The solvent was flowed at a rate of 1.0 ml / min to separate the dye, and from this time, a solvent containing 90% of acetonitrile, 9.99% of distilled water and 0.01% of triethylamine was used from the start until 1 minute, and aceto was used for 2 to 14 minutes. A solvent of 86% nitrile, 8.99% distilled water, 0.01% triethylamine and 5% ethyl acetate was used, and 100% ethyl acetate was used for 15 to 21 minutes. Post-run was carried out for 9 minutes with the first solvent. When the reference (Jin et al., 2001. Biochim Biophys Acta 1506: 244-2597) was set at 550 nm, β-carotene pigment was detected at 445 nm, and a standard curve quantifying β-carotene (DHI water and environment, Denmark). The amount of β-carotene was measured based on the result, which was 8.72 × ^{10 −10} μM.

지용성물질-용매 수용장치(100)로서의 β-카로틴 추출조에, 실시예5에서 분획된 지용성물질-용매를 유입시켜 알코올 용매인 메탄올(methanol)과 부피비 1:1로 혼합하여 β-카로틴 추출 공정을 수행하였다. 수 시간의 데칸과 메탄올의 이상(two phase) 용매 추출 반응 후 메탄올 상에서 95% 이상의 회수율로 β-카로틴을 수득하였으며, 메탄올 추출물 및 데칸 추출물의 분리는 밀도차이를 이용한 자연 정치에 의해 실행하였다. Into the β-carotene extraction tank as the fat-soluble substance-solvent receiving device 100, the fat-soluble substance-solvent fractionated in Example 5 was introduced and mixed with methanol (methanol) in an alcohol solvent in a volume ratio of 1: 1 to carry out the β-carotene extraction process. Was performed. Β-carotene was obtained at a recovery rate of 95% or more in methanol after two hours of solvent extraction of decane and methanol, and separation of methanol and decane extracts was performed by natural standing using density differences.

실시예 8. 분리된 지용성물질-용매에서 지질의 추출Example 8 Extraction of Lipids from Separated Fat-Soluble-Solvents

지용성물질-용매 수용장치(100)로서 둥근 바닥형 플라스크가 부착된 Buchi 210/215 회전식 증발기(rotovapor)(스위스, Buchi사)를 사용하였다. As the fat-soluble solvent-solvent 100, a Buchi 210/215 rotovapor (Buchi, Switzerland) with a round bottom flask was used.

실시예5에서 분획된 지용성물질-용매와 실시예 7에서 얻은 데칸 추출물을 각각 상기 증발기로 이송하여 둥근 바닥형 플라스크 안에 위치하게 하였다. 차가운 원수는 응축 장치로 유입하고 증류 플라스크의 오일 배스는 174℃에 세팅하였다. The fat soluble-solvent fractionated in Example 5 and the decane extract obtained in Example 7 were each transferred to the evaporator and placed in a round bottom flask. Cold raw water flowed into the condenser and the oil bath of the distillation flask was set at 174 ° C.

증류를 시작했을 때, 가스 데칸(decane)은 기구를 통과하여 콘덴서에 유입되고 액체 상태로 수용 플라스크에 모였다. 증류가 종결되었을 때, 수용 플라스크에 회수된 데칸(decane)의 부피 및 증류 플라스크 내에 남겨진 미세조류에서 기원한 지질의 부피를 측정하고 C17을 표준으로 하여 LC-MS 분석하여 측정하였다. 회수된 데칸용매는 용매순환라인(130)을 통해 용매수용장치(50)로 이송하여 재사용하였다.At the beginning of the distillation, the gas decane passed through the instrument into the condenser and collected in the receiving flask in liquid form. At the end of the distillation, the volume of decane recovered in the receiving flask and the volume of lipid derived from the microalgae left in the distillation flask were measured and measured by LC-MS analysis using C17 as a standard. The recovered decane solvent was transferred to the solvent accommodating device 50 through the solvent circulation line 130 and reused.

1: 본 발명의 장치 2: 제1 연동펌프
3: 제2 연동펌프 4: 제3 연동펌프
5: 제4 연동펌프 6: 제5 연동펌프
10: 발효장치 20: 바이오가스수용장치
30: 유기성폐수수용장치 40: 배양장치
50: 용매수용장치 60: 혼합장치
61: 진동분쇄장치 62: 교반장치
70: 미세조류분리장치 71: 초음파공명장 발생장치
76: 중력침강장치 80: 분획장치
90: 미세조류수용장치 100: 지용성물질-용매 수용장치
110: 물수용장치 120: 미세조류순환라인
130: 용매순환라인 140: 물순환라인1: Device 2 of the present invention: First peristaltic pump
3: second peristaltic pump 4: third peristaltic pump
5: fourth peristaltic pump 6: fifth peristaltic pump
10: fermentation apparatus 20: biogas receiving apparatus
30: organic waste water receiving device 40: culture apparatus
50: solvent holding device 60: mixing device
61: vibration pulverizer 62: agitator
70: microalgae separator 71: ultrasonic resonance field generator
76: gravity settling device 80: fractionation device
90: microalgae containing device 100: fat-soluble material-solvent receiving device
110: water receiving device 120: microalgae circulation line
130: solvent circulation line 140: water circulation line

Claims

Fermenting organic waste to produce organic wastewater and biogas;
Capturing the produced biogas;
Culturing the microalgae containing a fat-soluble substance with the diluted organic wastewater;
By mixing the culture medium of the microalgae and the fat-soluble material extraction solvent in which the fat-soluble material is dissolved, by contacting the fat-soluble material extraction solvent to the microalgal culture solution, dissolving the fat-soluble material of the microalgae in the oil-soluble material extraction solvent process;
After the fat-soluble substance is dissolved, agglomeration, stagnation and separation of the microalgae in a mixed solution;
Dividing the mixed solution after the microalgae is separated into a fat-soluble substance-solvent and water in which the fat-soluble substance is dissolved in the fat-soluble substance extraction solvent; And
Obtaining the separated microalgae and the fractionated fat-soluble substance-solvent, respectively;
Method for producing biogas, fat-soluble substances and microalgae by microalgal culture of organic waste, comprising a.

The method of claim 1,
Cultivating the separated microalgae, and mixed and contacting the cultured microalgae culture liquid with the fat-soluble material extraction solvent or the fractionated fat-soluble material-solvent to bring the fat-soluble material of the microalgae into the fat-soluble material extraction solvent And dissolving the microalgae again, re-dissolving the microalgae, re-separating the microalgae, and re-fractionation of the oil-soluble material-solvent one or more times. Thereby, finally, to obtain the microalgae of high density and the fat-soluble substance-solvent containing the fat-soluble substance concentrated to the desired concentration, biogas by fat algae culture, fat-soluble Process for the production of materials and microalgae.

The method according to claim 1 or 2,
When the microalgae culture medium and the fat-soluble material extraction solvent are mixed, the microalgae culture medium and the fat-soluble material extraction solvent are performed by performing at least one of the steps of vibrating and grinding the microalgae culture solution and stirring the mixed solution. Method for producing biogas, fat-soluble substances and microalgae by microalgal culture of organic waste, characterized by increasing the contact of.

The method according to claim 1 or 2,
Biogas, fat-soluble substance by microalgal culture of organic waste, characterized in that the microalgae are cultured by diluting the organic wastewater so that the TCOD is 1,000 to 8,000 mg / l and the nitrogen concentration is 100 to 250 mg / l. And microalgae production method.

Organic waste fermentation apparatus 10 for fermenting organic waste, producing organic wastewater and biogas;
A biogas containing apparatus 20 for capturing the produced biogas;
An organic wastewater receiving device 30 for storing the produced organic wastewater;
A culture device 40 for culturing microalgae containing a fat-soluble substance as the organic wastewater supplied from the organic wastewater receiving device 30;
A solvent containing device (50) for storing a fat soluble material extraction solvent in which the fat soluble material is dissolved;
A mixing device (60) for mixing the culture solution of the microalgae from the culture device (40) and the fat-soluble substance extraction solvent from the solvent containing device (50);
A microalgae separator 70 for agglomeration, stagnation and separation of the microalgae in the mixed solution of the mixing device 60;
A fractionation device (80) for fractionating the solution from the microalgae separation device (70) from which the microalgae is separated into a lipophilic substance-solvent and water in which the lipophilic substance of the microalgal culture solution is dissolved in the lipophilic material extraction solvent;
A microalgae accommodating device 90 for accommodating or treating the microalgae separated from the microalgae separating device 70 with a useful material; And
A fat-soluble substance-solvent receiving apparatus 100 for receiving the fat-soluble substance-solvent fractionated by the fractionating apparatus 80 or treating the fat-soluble substance of the fat-soluble substance-solvent as a useful substance;
The production apparatus of biogas, fat-soluble substances and microalgae by microalgal culture of organic waste, comprising a.

The method of claim 5,
The microalgae separation device 70, by applying an ultrasonic resonance field to the mixed solution to the ultrasonic resonance field generating device 71 for separating the microalgae from the mixed solution and gravity sedimentation to the mixed solution to the microalgae in the mixed solution A device for producing biogas, fat-soluble substances and microalgae by microalgal culture of organic waste, characterized in that it is one device selected from the gravity sedimentation device 76 to separate.

The method of claim 5,
A microalgae circulation line 120 circulating the microalgae separated from the microalgae separation device 70 to the culture device 40; And
A solvent circulation line circulating the fat-soluble material-solvent or the fat-soluble material extraction solvent from the fat-soluble material-solvent receiving device 100 fractionated by the fractionation device 80 to the solvent-receiving device 50; Including:
The microalgae accommodating device 90 is a high density finally separated from the microalgae separation device 70 after culturing once or twice or more in the culture device 40 through the microalgae circulation line 120 Receiving or processing the microalgae of;
The fat-soluble material-solvent receiving device 100 is concentrated after the final fractionation in the fractionation device 80 after re-fractionation once or twice or more in the fractionation device 80 through the solvent circulation line 130. Characterized in that for receiving or treating the fat-soluble material-solvent containing the fat-soluble material,
Apparatus for producing biogas, fat-soluble substances and microalgae by microalgal culture of organic waste.

The method of claim 7, wherein
A first peristaltic pump (2) for supplying the microalgal culture liquid of the culture device (40) and the fat-soluble substance extraction solvent of the solvent receiving device (50) to the mixing device (60);
The microalgae separated from the microalgae separator 70 is supplied to the culture device 40 or the microalgae accommodation device 90 through the microalgae circulation line 120 according to the density 2 peristaltic pump 3;
The fat-soluble material-solvent fractionated in the fractionator 80 is supplied to the solvent-receiving device 50 through the solvent circulation line 130 or the fat-soluble material-solvent receiving device 100 according to the concentration of the fat-soluble material. A third peristaltic pump 4 for supplying to); And
A fourth linkage for supplying the solvent-soluble material extraction solvent recovered after the oil-soluble material-solvent is processed by the oil-soluble material-solvent receiving device 100 to the solvent-receiving device 50 through the solvent circulation line 130; A pump 5;
The apparatus for producing biogas, fat-soluble substances and microalgae by microalgal culture of organic waste further comprising a.

9. The method according to any one of claims 5 to 8,
The mixing device 60 is a vibration grinding device 61 for vibrating and pulverizing the microalgal culture solution to increase the contact between the microalgal culture solution and the fat-soluble substance extraction solvent, and a stirring device 62 for stirring the mixed solution. A device for producing biogas, fat-soluble substances and microalgae by microalgal culture of organic waste, characterized in that it comprises at least one device.

9. The method according to any one of claims 5 to 8,
The apparatus for producing biogas, fat-soluble substances and microalgae by microalgal culture of organic waste, characterized in that it further comprises a water receiving device (110) for receiving the water fractionated by the fractionation device (80).