KR20160007172A - Divice for microalgae concentrating and hydrogen generating - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 미세조류 배양액을 포함하는 미세조류 배양기; 상기 미세조류 배양기로부터 미세조류 배양액을 공급받는 미세조류 농축기; 및 상기 미세조류 농축기와 반투과성막을 사이에 두고 있으며, 상기 미세조류 농축기로부터 물이 삼투 현상(osmosis)에 의해 상기 반투과성막을 투과하도록 미세조류 배양액보다 농도가 높은 유도용액(draw solution)을 포함하는 유도용액 저장용기를 포함하며, 상기 유도용액 저장용기는 촉매가 도포된 산화전극(anode), 촉매가 도포된 환원전극(cathode), 및 외부전원을 포함하는 전기분해장치(electrolysis system)와 결합된 것인 미세조류 농축 및 수소 생성 장치와 상기 장치를 이용한 미세조류의 농축 방법 및 수소기체의 생성 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a microalgae incubator comprising a microalgae culture; A micro algae concentrator for receiving the microalgae culture liquid from the microalgae incubator; And an induction solution containing a draw solution having a concentration higher than that of the microalgae culture medium so that water is permeated through the semipermeable membrane by osmosis from the microalgae concentrator between the microalgae concentrator and the semi- Wherein the inductive solution storage vessel is combined with an electrolysis system comprising an anode coated with a catalyst, a cathode applied with a catalyst, and an external power source, A micro-algae concentration and hydrogen generation apparatus, a method of concentrating microalgae using the apparatus, and a method of producing hydrogen gas.
미세조류는 광합성 색소를 가지고 광합성을 하는 단세포생물로, 지구 전 생태계에 존재하고 극지와 같은 다양한 환경에서도 살아 갈 수 있으며, 그 수는 약 5만여종(species)이 존재한다.Microalgae are photosynthetic single-celled organisms with photosynthetic pigments. They exist in pre-global ecosystems and can live in diverse environments such as polar regions, and there are about 50,000 species.
미세조류는 단백질 함량이 높고, 필수 지방산 및 아미노산 함량이 풍부할 뿐 만 아니라, 각종 미네랄 등을 다량 함유함으로서 수산양식용 유생의 생물먹이사료로 널리 이용되어 왔으며, 최근 건강기능식품 소재 및 기능성 향장 소재로도 각광을 받고 있다. 특히, 단백질 함량은 건물량(乾物量)의 약 40% 이상을 함유하고 있는데 이와같이 높은 단백질 함량은 다른 미생물에서는 보기드문 현상으로써 생리활성(항암, 항산화, 항고혈압)을 갖는 기능성 펩타이드 소재로도 보고되고 있다(한국공개특허 2013-0029595). Microalgae have high protein content, rich in essential fatty acid and amino acid content, and also contain a large amount of various minerals. Thus, they have been widely used as a food feed for larvae for aquaculture. Recently, As well. In particular, the protein content contains about 40% or more of dry matter (dry matter amount). Such high protein content is also considered as a functional peptide material having physiological activity (anticancer, antioxidant, antihypertensive) as a rare phenomenon in other microorganisms (Korean Patent Publication No. 2013-0029595).
뿐만 아니라, 미세조류는 1차 대사산물인 지질, 당질, 단백질 등의 성분을 이용하여 바이오디젤, 바이오알코올, 합성가스와 같은 다양한 바이오연료의 공급원으로 사용된다. 미세조류 유래 바이오디젤은 수송용 연료로 사용할 수 있으며, 기존의 화석연료 기반 시설들을 변경하지 않고 그대로 사용한다는 장점이 있다. 뿐만 아니라 생산과정 중에 이산화탄소를 흡수하여 대기 내의 이산화탄소 농도를 증가시키지 않아, 환경 친화적이고 지속 가능한 대체에너지이다. 한편 2차 대사산물인 비타민, 카로테노이드, 다당류 같은 고부가 가치 물질은 건강보조식품, 천역색소, 의약용 물질, 생화학 물질, 수산양식용 사료 등으로 매우 다양하게 사용된다. 동시에 미세조류 배양 과정에서 필요한 이산화탄소 및 영양분을 발전소 및 공장의 배기가스와 폐수에서 얻는다면, 이산화탄소 고정화와 폐수처리 등 환경적인 응용이 결합된 미세조류 유래 바이오연료와 고부가 가치 물질 생산이 더욱 경제적이고 지속가능해질 것이다.In addition, microalgae are used as a source of various biofuels such as biodiesel, bio-alcohol and syngas by using components of primary metabolites such as lipid, saccharide and protein. Biodiesel from microalgae can be used as fuel for transport and has the advantage of using existing fossil fuel infrastructure without modification. It is also an environmentally friendly and sustainable alternative energy that does not increase carbon dioxide concentration in the atmosphere by absorbing carbon dioxide during production. On the other hand, high value-added substances such as vitamins, carotenoids and polysaccharides, which are secondary metabolites, are widely used for health supplements, hypo pigment, medicinal materials, biochemical materials and aquaculture feeds. At the same time, if the carbon dioxide and nutrients required for microalgae cultivation are obtained from the exhaust gas and wastewater from power plants and factories, the production of biofuels and high value-added materials derived from microalgae combined with environmental applications such as carbon dioxide immobilization and wastewater treatment is more economical and sustainable It will be possible.
이와 같이 미세조류는 기능성 물질, 의약품 원료 소재, 에너지, 환경, 고부가 가치 물질 분야 등에 다양하게 적용이 가능하므로, 미세조류를 고농도 및 대량 배양 기술이 중요하다. 미세조류의 대량생산은 배양(culturing), 수확(harvesting), 건조(drying) 그리고 포장(packaging)의 4가지 단계로 구분할 수 있다. 상기 생산단계 중 배양된 조류 생체량인 조체(algal clump)의 수확 단계인 농축(concentration)공정이 가장 중요한 핵심공정이다. 또한, 일반적으로 조체의 수확 및 농축에 드는 비용은 생산가의 20∼30%로 많은 비중을 차지하고 있다.As such, microalgae can be applied to various fields such as functional materials, raw material for medicines, energy, environment, and high added value materials, so it is important to cultivate microalgae at a high concentration and in a large amount. Mass production of microalgae can be divided into four stages: culturing, harvesting, drying and packaging. The most important key process is the concentration process, which is the harvesting step of the algae clump that is cultivated during the production stage. In addition, the cost of harvesting and concentrating the crude product generally accounts for 20-30% of the production cost.
배양한 미세조류의 조체를 농축 및 수확하는 방법으로는 크게 여과법(filtration), 원심분리법(centrifugation or separation), 응집법(flocculation), 부유법(floating)의 4가지로 구분할 수 있다. 여과법은 흔히 사용되는 간편한 수확법이지만, 시간이 많이 소요된다는 단점이 있고, 원심분리법은 조체의 회수에 가장 흔히 사용되는 간편한 방법이지만 비중이 낮은 미세조류의 경우는 연속 원심 분리시 배출수 중에 다량의 미세조류가 유출되어 공정상의 수율이 떨어지며, 이를 보완하기 위하여는 높은 G값(고속회전에 의한 원심력)이 요구 되지만 이경우엔 고속회전에 의한 미생물 세포벽의 파괴 또는 활성의 저하가 발생될 뿐만 아니라, 이를 설치하는데 비용이 많이 드는 단점이 있다.There are four methods of concentrating and harvesting cultured microalgae: filtration, centrifugation or separation, flocculation, and floating. The filtration method is a simple harvesting method which is often used but it takes time and the centrifugation method is the most convenient method to recover the crude body. However, in the case of micro-algae with low specific gravity, In order to compensate for this, a high G value (centrifugal force due to high-speed rotation) is required, but in this case not only destruction of microbial cell wall due to high-speed rotation or degradation of activity occurs, There is a drawback in that it is expensive.
최근, 최근 미세조류를 분리 또는 농축시키는데 삼투현상을 적용한 연구가 보고되었으며(Journal of Membrane Science, Volume 366, Issues 1-2, 1 January 2011, Pages 356-362), 이는 삼투압 이상의 압력을 작용하여 용매와 용질을 분리시키는 '역삼투법'에 비해서 훨씬 적은 에너지를 소모한다는 측면에서 경제성이 있다. 하지만 고농도의 유도용액을 이용한 삼투법에 의한 특정 물질의 농축에서 가장 문제시 되는 것은 농축 후 농도가 저하된 유도용액의 제거 또는 기존농도로 재생시키는 것이다. 해수를 유도용액으로 활용하여 유도용액 자체의 비용을 저감할 수 있지만, 이 경우에는 유도용액이 대량으로 공급, 배출이 돼야 하고 농축이 일어나는 반응기의 부식을 초래 할 수 있기 때문에 또 다른 비용 상승을 초래하는 단점이 있다.In recent years, studies have been reported on the application of osmotic phenomena to the separation or concentration of microalgae (Journal of Membrane Science, Volume 366, Issues 1-2, 1 January 2011, Pages 356-362) And the 'reverse osmosis method' which separates the solute, is economical in terms of consuming much less energy. However, the most problematic concentration of a specific substance by an osmotic method using a high concentration of an inducing solution is to remove the inducing solution having a reduced concentration after the concentration or regenerate it to an existing concentration. Although seawater can be used as an inducing solution to reduce the cost of the inducing solution itself, this leads to another cost increase because the inducing solution has to be supplied and discharged in a large amount and may cause corrosion of the condensing reactor .
이러한 배경 하에, 본 발명자들은 미세조류 배양액보다 농도가 높은 유도용액을 이용하여 정삼투압으로 미세조류를 농축하고, 농도가 저하된 유도용액은 물을 전기분해 할 수 있는 장치를 이용하여 재생시킴과 동시에 수소를 생산할 수 있음을 확인하여, 본 발명을 완성하였다.Under these circumstances, the present inventors concentrated the microalgae with a positive osmotic pressure using an induction solution having a concentration higher than that of the microalgae culture solution, and the inductive solution having a reduced concentration was regenerated by using an apparatus capable of electrolyzing water It was confirmed that hydrogen can be produced, thereby completing the present invention.
본 발명의 목적은 삼투현상을 이용한 미세조류의 농축공정에서 사용되는 유도용액의 농도저하에 따른 문제를 해결하기 위해, 미세조류 배양액을 포함하는 미세조류 배양기; 상기 미세조류 배양기로부터 미세조류 배양액을 공급받는 미세조류 농축기; 및 상기 미세조류 농축기와 반투과성막을 사이에 두고 있으며, 상기 미세조류 농축기로부터 물이 삼투 현상에 의해 상기 반투과성막을 투과하도록 미세조류 배양액보다 농도가 높은 유도용액을 포함하는 유도용액 저장용기를 포함하며, 상기 유도용액 저장용기는 촉매가 도포된 산화전극, 촉매가 도포된 환원전극, 및 외부전원을 포함하는 전기분해장치와 결합된 것인 미세조류 농축 및 수소 생성 장치를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a microalgae incubator comprising a microalgae culture solution for solving the problem caused by a concentration reduction of an induction solution used in a microalgae concentration process using an osmotic phenomenon; A micro algae concentrator for receiving the microalgae culture liquid from the microalgae incubator; And an induction solution storage container having an inductive solution having a concentration higher than that of the microalgae culture fluid so that water permeates through the semi-permeable membrane from the micro-algae concentrator through the micro-algae concentrator and the semi-permeable membrane, Wherein the induction solution storage vessel is combined with an electrolysis apparatus comprising an oxidation electrode coated with a catalyst, a reduction electrode coated with a catalyst, and an external power source.
본 발명의 또 하나의 목적은, 미세조류 배양액을 포함하는 미세조류 배양기로부터 미세조류 농축기에 미세조류 배양액을 공급하는 단계; 상기 미세조류 농축기와 반투과성막을 사이에 두고 있으며, 촉매가 도포된 산화전극, 촉매가 도포된 환원전극, 및 외부전원을 포함하는 전기분해장치와 결합된 유도용액 저장용기에 미세조류 배양액보다 농도가 높은 유도용액을 공급하여, 미세조류 농축기로부터 물이 삼투 현상에 의해 상기 반투과성막을 투과하여 상기 유도용액 저장용기로 이동하도록 유도하는 단계; 및 상기 전기분해장치에 외부전원을 공급하여, 상기 유도용액 저장용기로 이동한 물이 전기분해 되도록 유도하는 단계를 포함하는, 본 발명의 미세조류 농축 및 수소 생성 장치를 이용한 미세조류의 농축 방법을 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide a microalgae culture apparatus, comprising: a microalgae culture apparatus comprising a microalgae culture liquid; A concentration higher than that of the microalgae culture medium in the induction solution storage vessel sandwiched between the microalgae concentrator and the semipermeable membrane and coupled to the electrolytic apparatus including the oxidation electrode coated with the catalyst, the reduction electrode coated with the catalyst, Introducing the induction solution to induce water from the microalgae concentrator to pass through the semi-permeable membrane by osmosis to travel to the induction solution storage vessel; And a method of concentrating microalgae using the microalgae concentration and hydrogen production apparatus of the present invention, comprising the step of supplying external power to the electrolytic apparatus to induce electrolysis of water transferred to the inductive solution storage vessel .
본 발명의 또 하나의 목적은, 미세조류 배양액을 포함하는 미세조류 배양기로부터 미세조류 농축기에 미세조류 배양액을 공급하는 단계; 상기 미세조류 농축기와 반투과성막을 사이에 두고 있으며 촉매가 도포된 산화전극, 촉매가 도포된 환원전극, 및 외부전원을 포함하는 전기분해장치와 결합된 유도용액 저장용기에 미세조류 배양액보다 농도가 높은 유도용액을 공급하여, 미세조류 농축기로부터 물이 삼투 현상에 의해 상기 반투과성막을 투과하여 상기 유도용액 저장용기로 이동하도록 유도하는 단계; 상기 전기분해장치에 외부전원을 공급하여, 상기 유도용액 저장용기로 이동한 물이 전기분해 되도록 유도하는 단계; 및 상기 전기분해장치의 환원전극에서 수소를 포집하는 단계를 포함하는 본 발명의 미세조류 농축 및 수소 생성 장치를 이용한 수소기체 생성 방법을 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide a microalgae culture apparatus, comprising: a microalgae culture apparatus comprising a microalgae culture liquid; The induction solution storage vessel, which is connected to the electrolytic apparatus including the micro-algae concentrator and the semi-permeable membrane and including the oxidation electrode coated with the catalyst, the reduction electrode coated with the catalyst, and the external power source, Introducing the solution to induce water from the microalgae concentrator to permeate through the semi-permeable membrane by osmosis to travel to the inductive solution storage vessel; Supplying external power to the electrolytic apparatus to induce electrolysis of water transferred to the induction solution storage vessel; And a method for producing hydrogen gas using the micro-algae concentration and hydrogen generating apparatus of the present invention, which comprises collecting hydrogen at a reducing electrode of the electrolytic apparatus.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 구체적인 실시예에서는 본 발명의 미세조류 농축 및 수소 생성 장치에 전기를 걸어 주었을 때와 걸어주지 않았을 때의 유수량을 측정하였다. 그 결과, 전기에너지를 걸어주지 않는 경우는 시간에 따라서 유수량이 서서히 감소하는 반면, 전기에너지 공급 시에는 그 감소폭이 훨씬 줄어들었음을 확인하였다(실시예 1).In order to solve the above problems, in the concrete embodiment of the present invention, the amount of water flowing when the electricity is applied to the micro-algae concentrating and hydrogen generating apparatus of the present invention and when the electricity is not applied is measured. As a result, it was confirmed that when the electric energy was not applied, the flow rate gradually decreased with time, while the decrease in electric energy was much reduced (Example 1).
본 발명의 또 다른 실시예에서는, 전기에너지 유입량에 대해서 물의 제거량을 측정하였다. 그 결과, 물의 제거율은 외부에서 유입하는 전기에너지 양에 비례함을 확인하였다(실시예 2).In another embodiment of the present invention, the amount of water removed is measured relative to the amount of electrical energy input. As a result, it was confirmed that the water removal rate was proportional to the amount of electric energy flowing from the outside (Example 2).
따라서, 본 발명의 미세조류 농축 및 수소 생성 장치에 전기를 공급하여 물을 전기분해 하는 경우, 삼투현상으로 인하여 감소된 유도용액의 농도를 회복시킬 수 있고, 전기에너지 양을 조절하여 물의 분해속도를 조절하여 최종적으로 미세조류의 농축속도를 조절할 수 있음을 입증하였다.
Therefore, when water is electrolyzed by supplying electricity to the micro-algae concentration and hydrogen generating apparatus of the present invention, the concentration of the inductive solution reduced due to the osmosis phenomenon can be restored, and the rate of decomposition of water And the concentration of the microalgae can be controlled finally.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
본 발명의 하나의 양태는, 미세조류 농축 및 생산 장치에 있어서, 물의 전기분해를 통하여 감소하는 유도용액의 농도를 회복시켜 미세조류의 지속적인 농축과 수소를 생성할 수 있는 장치에 관한 것이다.One aspect of the present invention relates to a device for concentrating and producing a microalgae, capable of restoring the concentration of an inducing solution which is reduced through electrolysis of water to produce a continuous concentration of microalgae and hydrogen.
일 구현예로, 본 발명은 미세조류 배양액을 포함하는 미세조류 배양기; 상기 미세조류 배양기로부터 미세조류 배양액을 공급받는 미세조류 농축기; 및 상기 미세조류 농축기와 반투과성막을 사이에 두고 있으며, 상기 미세조류 농축기로부터 물이 삼투 현상에 의해 상기 반투과성막을 투과하도록 미세조류 배양액보다 농도가 높은 유도용액을 포함하는 유도용액 저장용기를 포함하며, 상기 유도용액 저장용기는 촉매가 도포된 산화전극, 촉매가 도포된 환원전극, 및 외부전원을 포함하는 전기분해장치와 결합된 것인 미세조류 농축 및 수소 생성 장치에 관한 것이다.In one embodiment, the invention provides a microalgae incubator comprising a microalgae culture; A micro algae concentrator for receiving the microalgae culture liquid from the microalgae incubator; And an induction solution storage container having an inductive solution having a concentration higher than that of the microalgae culture fluid so that water permeates through the semi-permeable membrane from the micro-algae concentrator through the micro-algae concentrator and the semi-permeable membrane, Wherein the inductive solution storage vessel is associated with an electrolytic apparatus comprising an oxidized electrode coated with a catalyst, a reduced electrode coated with a catalyst, and an external power source.
본 발명에서 "미세조류 배양기"는 미세조류의 배양액을 포함하는 용기를 의미한다. 상기 미세조류 배양기는 미세조류의 종류에 따라 배양 온도, 배지의 공급, 태양에너지 공급, 호기조건 또는 혐기조건, 배양 중 부산물의 제거 등의 배양 조건을 조절할 수 있으나, 이에 제한되지 않고, 미세조류를 배양액을 포함할 수 있는 용기에 해당하는 한 본 발명의 범위에 포함될 수 있다.In the present invention, "microalgae incubator" means a container containing a culture solution of microalgae. The microalgae incubator may regulate the culture conditions such as the incubation temperature, the medium supply, the solar energy supply, the aerobic condition or the anaerobic condition, and the removal of the by-products during the culture depending on the kind of the microalgae, And may be included in the scope of the present invention as long as it corresponds to a container capable of containing a culture liquid.
상기 미세조류 배양기에서의 미세조류의 배양은 처음부터 배양기에서 이루어 질 수 있고, 다른 곳에서 배양이 이루어진 후 옮겨져 지속적으로 배양할 수 있으나, 미세조류를 배양하는 것에 해당하는 한 이에 제한되지 않는다.The microalgae cultivation in the microalgae incubator can be performed in the incubator from the beginning, and the microalgae can be continuously cultivated after being cultivated elsewhere, but the microalgae are not limited to the cultivation of microalgae.
본 발명의 일 구현예로, 상기 미세조류 배양기는 미세조류 농축기와 연결된 것일 수 있고, 미세조류 배양기에 포함되어 있는 배양액은 미세조류 농축기로 공급될 수 있다. 예를 들어, 미세조류 배양기에서 미세조류의 농도가 1g/L 이상인 미세조류 배양액을 미세조류 농축기로 공급하는 것일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the microalgae incubator may be connected to a microalgae concentrator, and the culture fluid contained in the microalgae incubator may be supplied to a microalgae concentrator. For example, the microalgae culture concentrator may be provided with a microalgae culture medium having a microalgae concentration of 1 g / L or more in a microalgae incubator.
용어 "미세조류"는, 광합성 색소를 가지고 광합성을 하는 단세포생물을 의미한다. 본 발명에 적용될 수 있는 미세조류는, 예를 들어, 클로렐라속(Chlorella S.P), 케토세로스(Chaetoceros), 탈라시오시라(Thalassiosira), 테트라셀미스(Tetraselmis), 두날리엘라(Dunaliella), 파브로바(Pavlova), 아이소크라이시스(Isochrysis), 나비쿨라(Navicula), 패오닥틸륨(Phaeodactylum), 니치시아(Nitzschia), 스피루리나속(Spirulina S.P) 등의 미세조류 일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The term "microalgae" means a single cell organism that photosynthesizes with a photosynthetic dye. Microalgae that can be applied to the present invention include, for example, Chlorella SP, Chaetoceros, Thalassiosira, Tetraselmis, Dunaliella, But are not limited to, microalgae such as Pavlova, Isochrysis, Navicula, Phaeodactylum, Nitzschia, Spirulina SP and the like.
본 발명에서 "미세조류 농축기"란, 미세조류 배양기로부터 미세조류 배양액을 공급받아 미세조류의 농축이 일어나는 용기를 의미한다. 상기 미세조류 농축기에서는 미세조류 배양기로부터 공급받은 미세조류 배양액이 상대적으로 더 높은 농도의 미세조류 배양액이 될 수 있다.In the present invention, "microalgae concentrator" means a container in which the microalgae culture fluid is supplied from a microalgae incubator to cause concentration of microalgae. In the microalgae concentrator, the microalgae culture fluid supplied from the microalgae culture apparatus can be a relatively higher concentration microalgae culture solution.
본 발명에서 미세조류의 농축은 삼투 현상을 이용하여 수행될 수 있다. 삼투 현상은 물만 선택적으로 투과시키는 반투막을 사이에 두고 농도 차에 의해 발생하는 삼투압에 의해 저농도의 물이 고농도 쪽으로 반투막을 통과하여 이동하는 현상이다. In the present invention, the concentration of the microalgae can be carried out using the osmosis phenomenon. The osmotic phenomenon is a phenomenon in which low concentration water moves through the semipermeable membrane toward the high concentration due to the osmotic pressure generated by the concentration difference with the semipermeable membrane which selectively permeates the water.
일 구현예로, 본 발명의 미세조류 농축기는 유도용액 저장용기와 반투과성 막을 사이에 두고 있을 수 있다. 따라서, 상기 유도용액 저장용기에 미세조류 배양액보다 농도가 높은 유도용액이 있는 경우 미세조류 배양액과 유도용액의 농도 차이에 의하여 삼투압이 발생하고 이러한 삼투압에 의하여 미세조류 배양액의 물이 반투과성막을 투과하여 유도용액 저장용기로 이동할 수 있다.In one embodiment, the microalgae concentrator of the present invention may have an inductive solution storage container and a semipermeable membrane interposed therebetween. Therefore, when the induction solution having a concentration higher than that of the microalgae culture solution is present in the induction solution storage container, osmotic pressure is generated due to the difference in the concentration of the microalgae culture solution and the induction solution, and water of the microalgae culture solution permeates through the semi- To the solution storage container.
본 발명에서 용어 "유도용액"이란, 미세조류 배양액보다 높은 농도의 용액을 의미한다. 예를 들어, 유도용액의 농도는 1M 내지 10M 일 수 있고, 2M 내지 10M, 3M 내지 8M 일 수 있으나, 미세조류 배양액보다 높은 농도의 용액에 해당하는 한 본 발명의 범위에 포함될 수 있다.The term "inducing solution" in the present invention means a solution having a concentration higher than that of the microalgae culture solution. For example, the concentration of the inducing solution may be 1M to 10M, 2M to 10M, 3M to 8M, but may be included in the scope of the present invention as long as it corresponds to a solution having a concentration higher than that of the microalgae culture.
예를 들어, 상기 유도용액은 전해질을 포함할 수 있고, NaCl, MgCl2, NH4Cl, NaHCO3, CaCl2, KCl, KHCO3, NH4HCO3, (NH4)2SO4, K2SO4, KBr, Ca(NO3)2, MgSO4 및 Na2SO4로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 전해질을 포함할 수 있으나 이에 제한되지 않는다.For example, the derived solution may include an electrolyte, NaCl, MgCl 2, NH 4 Cl, NaHCO 3,
본 발명에서 유도용액 저장용기는 촉매가 도포된 산화전극, 촉매가 도포된 환원전극, 및 외부전원을 포함하는 전기분해장치와 결합될 수 있다. 상기 전기분해장치는 전기를 이용하여 물을 분해하여 수소를 생성하는 장치일 수 있다. In the present invention, the inductive solution storage container may be combined with an electrolytic apparatus including an oxidation electrode to which a catalyst is applied, a reduction electrode to which a catalyst is applied, and an external power source. The electrolytic apparatus may be an apparatus for generating hydrogen by decomposing water using electricity.
상기 산화전극의 촉매는 Pt, Ir, Rh, MnO2, Pt/MnO2, FeO, Fe3O4, Fe4O5, Fe2O3, TiO2, Pd, Ru 및 IrO2/C 로 이루어진 군에서 선택되는 1 종 이상일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 본 발명에서 산화전극에 Pt/MnO2, IrO2/C 촉매는 유도용액에 포함된 염소이온(Cl-)이 산화되어 염소가스의 발생을 제한할 수 있다. 귀금속 촉매에 해당하는 Pt, Ir, Rh을 사용하는 것 보다는 MnO2를 사용하는 것이 보다 경제적일 수 있다.The catalyst of the oxidizing electrode is made of Pt, Ir, Rh, MnO 2 , Pt /
상기 환원전극의 촉매는 Pt, Ni, NiMo, TiO2, MoS2 및 Pt/C로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 pt가 20% 함유된 Pt/C를 사용하였다.The catalyst of the reduction electrode may be at least one selected from the group consisting of Pt, Ni, NiMo, TiO 2 , MoS 2 and Pt / C. In the examples of the present invention, Pt / C containing 20% pt was used.
일 구현예로, 상기 전기분해장치에 외부전원을 통하여 전기에너지가 공급되는 경우 유도용액 저장용기 내의 물이 전기분해 되고 전기분해장치의 환원전극에서 수소기체가 생성될 수 있다. 그에 따라, 본 발명에서 전기분해장치는 생성된 수소를 포집 할 수 있는 수소기체 포집기를 추가로 포함할 수 있다.In an embodiment, when electric energy is supplied to the electrolytic apparatus through an external power source, water in the inductive solution storage vessel may be electrolyzed and hydrogen gas may be generated at the reducing electrode of the electrolytic apparatus. Accordingly, in the present invention, the electrolytic apparatus may further include a hydrogen gas collector capable of collecting generated hydrogen.
또 하나의 양태로서, 본 발명은 미세조류 배양액을 포함하는 미세조류 배양기로부터 미세조류 농축기에 미세조류 배양액을 공급하는 단계; 상기 미세조류 농축기와 반투과성막을 사이에 두고 있으며, 촉매가 도포된 산화전극, 촉매가 도포된 환원전극, 및 외부전원을 포함하는 전기분해장치와 결합된 유도용액 저장용기에 미세조류 배양액보다 농도가 높은 유도용액을 공급하여, 미세조류 농축기로부터 물이 삼투 현상에 의해 상기 반투과성막을 투과하여 상기 유도용액 저장용기로 이동하도록 유도하는 단계; 및 상기 전기분해장치에 외부전원을 공급하여, 상기 유도용액 저장용기로 이동한 물이 전기분해 되도록 유도하는 단계를 포함하는 본 발명의 미세조류 농축 및 수소 생성 장치를 이용한 미세조류의 농축 방법에 관한 것이다.According to another aspect of the present invention, there is provided a microalgae culture apparatus comprising: a microalgae culture apparatus including a microalgae culture medium; A concentration higher than that of the microalgae culture medium in the induction solution storage vessel sandwiched between the microalgae concentrator and the semipermeable membrane and coupled to the electrolytic apparatus including the oxidation electrode coated with the catalyst, the reduction electrode coated with the catalyst, Introducing the induction solution to induce water from the microalgae concentrator to pass through the semi-permeable membrane by osmosis to travel to the induction solution storage vessel; And a method of concentrating microalgae using the microalgae concentration and hydrogen generating apparatus of the present invention, comprising the step of supplying external power to the electrolytic apparatus to induce electrolysis of water moved to the inductive solution storage vessel will be.
상기, 미세조류 농축기로부터 물이 삼투 현상에 의해 반투과성막을 투과하여 유도용액 저장용기로 이동하도록 유도하는 단계를 통하여, 미세조류 배양액에서 물의 양이 줄어들어 미세조류의 농축이 발생할 수 있다.The amount of water in the microalgae culture solution may be reduced and the microalgae may be concentrated through the step of inducing water to migrate from the microalgae concentrator to the induction solution storage container through permeation of the semipermeable membrane by osmosis.
또한, 미세조류 농축기로부터 물이 유도용액 저장용기로 이동함에 따라 유동용액의 농도저하가 발생하게 되는데, 유도용액 저장용기와 결합된 전기분해장치를 통하여 유도용액 저장용기 내의 물을 전기분해 하여 유도용액의 농도를 회복하여 일정농도의 유도용액을 유지할 수 있고, 그에 따라 지속적인 미세조류의 농축이 이루어질 수 있다.In addition, as the water moves from the microalgae concentrator to the induction solution storage container, the concentration of the flow solution is lowered. The water in the induction solution storage container is electrolyzed through the electrolytic device coupled with the induction solution storage container, The concentration of the inducing solution can be maintained, and the concentration of the microalgae can be continuously maintained.
또 하나의 양태로서, 본 발명은 미세조류 배양액을 포함하는 미세조류 배양기로부터 미세조류 농축기에 미세조류 배양액을 공급하는 단계; 상기 미세조류 농축기와 반투과성막을 사이에 두고 있으며 촉매가 도포된 산화전극, 촉매가 도포된 환원전극, 및 외부전원을 포함하는 전기분해장치와 결합된 유도용액 저장용기에 미세조류 배양액보다 농도가 높은 유도용액을 공급하여, 미세조류 농축기로부터 물이 삼투 현상에 의해 상기 반투과성막을 투과하여 상기 유도용액 저장용기로 이동하도록 유도하는 단계; 상기 전기분해장치에 외부전원을 공급하여, 상기 유도용액 저장용기로 이동한 물이 전기분해 되도록 유도하는 단계; 및 상기 전기분해장치의 환원전극에서 수소를 포집하는 단계를 포함하는 본 발명의 미세조류 농축 및 수소 생성 장치를 이용한 수소기체 생성 방법에 관한 것이다.According to another aspect of the present invention, there is provided a microalgae culture apparatus comprising: a microalgae culture apparatus including a microalgae culture medium; The induction solution storage vessel, which is connected to the electrolytic apparatus including the micro-algae concentrator and the semi-permeable membrane and including the oxidation electrode coated with the catalyst, the reduction electrode coated with the catalyst, and the external power source, Introducing the solution to induce water from the microalgae concentrator to permeate through the semi-permeable membrane by osmosis to travel to the inductive solution storage vessel; Supplying external power to the electrolytic apparatus to induce electrolysis of water transferred to the induction solution storage vessel; And a method for producing hydrogen gas using the micro-algae concentration and hydrogen generating apparatus of the present invention, which comprises collecting hydrogen at a reducing electrode of the electrolytic apparatus.
상기 물이 전기분해 됨에 따라 유도용액의 농도가 회복되고 동시에 전기분해장치의 환원전극에서 수소가 생성될 수 있다.As the water is electrolyzed, the concentration of the inductive solution can be restored and at the same time, hydrogen can be produced at the reducing electrode of the electrolysis apparatus.
종래, 물의 전기분해를 통한 수소연료의 생산에서는 전기분해를 위해서 전해질을 추가로 공급해 주어야 하는 문제점이 있으나, 본 발명에서 전해질을 포함하는 유도용액을 사용하는 경우, 유도용액 자체가 물을 전기분해 하는데 필요한 전해질로 사용되기 때문에 별도의 전해질을 공급할 필요가 없다.Conventionally, in the production of hydrogen fuel through electrolysis of water, there is a problem that an electrolyte should be additionally supplied for electrolysis. However, when the induction solution containing an electrolyte is used in the present invention, the induction solution itself electrolyzes water It is not necessary to supply a separate electrolyte because it is used as a necessary electrolyte.
본 발명의 일 구현예로, 미세조류 농축기로부터 유도용액 저장용기로 물이 이동됨에 따라 유도용액의 농도가 낮아지는데, 이때 낮아지는 유도용액의 농도저감 속도에 따라 전기분해장치에 공급하는 외부에너지를 조절하여 유도용액 저장용기 내의 물의 전기분해 속도를 조절할 수 있고, 그에 따라 일정한 농도의 유도용액을 유지함과 동시에 지속적으로 미세조류를 농축할 수 있을 뿐만 아니라 지속적으로 수소가스를 포집할 수 있다.In an embodiment of the present invention, as the water is moved from the micro-algae concentrator to the induction solution storage container, the concentration of the inducing solution decreases. At this time, depending on the lowering rate of the inducing solution, The rate of electrolysis of the water in the induction solution storage vessel can be controlled so that the induction solution can be maintained at a constant concentration and at the same time the microalgae can be continuously concentrated and the hydrogen gas can be continuously collected.
예를 들어, 전기분해장치에 공급하는 외부에너지가 증가하는 경우 물의 전기분해 속도가 빨라지고, 유도용액의 농도의 회복이 빨라져서 미세조류 농축기로부터 유도용액 저장용기로 물의 이동(유수량, 시간 당 물의 이동량)이 증가하여 미세조류가 빠르게 농축될 수 있다. 반대로, 전기분해장치에 공급하는 외부에너지가 감소하는 경우 물의 전기분해 속도가 느려지고, 유도용액의 농도의 회복이 느려져서 미세조류 농축기로부터 유도용액 저장용기로 물의 이동이 감소하여 미세조류가 느리게 농축될 수 있다.For example, when the external energy supplied to the electrolytic apparatus increases, the rate of electrolysis of water increases and the recovery of the concentration of the induction solution becomes faster, so that the movement of water from the microalgae concentrator to the induction solution storage vessel (flow rate, The microalgae can be rapidly concentrated. On the contrary, when the external energy supplied to the electrolytic device is reduced, the electrolysis rate of water is slowed, the recovery of the concentration of the inducing solution is slowed, and the movement of water from the microalgae concentrator to the induction solution storage container is reduced, have.
본 발명은 삼투현상을 이용한 농축공정에서 발생하는 유도용액의 농도저하를 전기분해장치를 이용하여 회복함과 동시에 수소연료를 포집할 수 있는 기술을 제공한다. 이를 이용하면, 종래 삼투현상을 이용한 농축공정의 가장 큰 문제점인 유도용액의 재생 문제를 해결 할 수 있으며, 전기분해장치를 적용함으로 물의 전기분해를 통한 수소 연료를 생산할 수 있어 경제성이 크다.The present invention provides a technique capable of recovering a concentration lowering of an inducing solution caused by a concentration process using an osmosis phenomenon by using an electrolytic device and collecting hydrogen fuel. This can solve the problem of regeneration of the induction solution, which is the biggest problem of the concentration process using the osmosis phenomenon, and it is possible to produce the hydrogen fuel through the electrolysis of water by applying the electrolysis device, which is economical.
도 1은 본 발명에 따른 미세조류 농축 및 수소 생성 장치에서 미세조류의 농축과정 및 수소 생성의 과정을 도식화하여 나타낸 것이다.
도 2는 실시예 1에서 전기분해장치에 전기에너지를 공급하였을 때(20mA/cm2)와 공급하지 않았을 때의 유수량(water flux)을 측정한 결과를 나타낸다.
도 3 및 도 4는 실시예 2에서 전기분해장치에 공급한 전기에너지 양에 따른 물의 제거량을 측정한 결과이다.FIG. 1 is a diagram illustrating a process of concentration and microgeneration of microalgae in a microalgae concentration and hydrogen generation apparatus according to the present invention.
Fig. 2 shows the results of measurement of water flux when electric energy was supplied (20 mA / cm 2 ) to the electrolytic apparatus in Example 1 and when it was not supplied.
FIGS. 3 and 4 are the results of measurement of water removal amount according to the amount of electric energy supplied to the electrolytic apparatus in Example 2. FIG.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples. However, the following examples are illustrative of the present invention, and the present invention is not limited by the following examples.
실시예Example 1. 전기분해시 유수량의 상승효과 1. Increase effect of flow rate during electrolysis
유도용액 저장용기에서 전기분해를 실시하였다. 실험에는 Chlorella Sp. KR-1(에너지기술연구원(Korea institute of energy research, KIER))의 1g/L의 농도를 가지는 미세조류 배양액을 사용하였고. 전기를 걸어 주었을 때(20mA/cm2)와 걸어주지 않았을 때의 유수량을 측정하였다.Electrolysis was performed in the induction solution storage vessel. Chlorella Sp. A microalgae culture with a concentration of 1 g / L of KR-1 (Korea Institute of Energy Research, KIER) was used. The flow rate was measured when electricity was applied (20 mA / cm 2 ) and when it was not applied.
그 결과, 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 전기에너지를 걸어주지 않는 경우는 시간에 따라서 유수량이 서서히 감소하는 반면, 20mA/cm2의 전기에너지 공급 시에는 그 감소폭이 훨씬 줄어들었음을 확인하였다. 이를 통하여, 전기에너지의 공급으로 물이 전기분해 되고, 그에 따라 유도용액의 농도가 회복되며 정삼투압이 감소하지 않게 되어 유수량의 감소폭이 현저히 감소함을 입증하였다.
As a result, as can be seen from FIG. 2, it was confirmed that when the electric energy was not applied, the flow rate gradually decreased with time, while the decrease in electric energy of 20 mA / cm 2 was much reduced. Through this, it was proved that the water was electrolyzed by the supply of electric energy, the concentration of inducing solution was recovered, and the osmotic pressure did not decrease, and the decrease in the amount of water flow was remarkably reduced.
실시예Example 2. 전기분해에 의한 물의 제거량 측정 2. Measurement of removal of water by electrolysis
5, 10, 20mA/cm2의 전기에너지 유입량에 대해서 물의 제거량을 측정하였다.5, 10, and 20 mA / cm 2 , respectively.
그 결과, 도 3 및 도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 물의 제거율은 외부에서 유입하는 전기에너지 양에 비례하는 것을 보였으며, 90분 동안 5, 10, 20mA/cm2의 조건에서 2.2579, 4.6343, 6.701mL의 물 제거율을 각각 보였다.As a result, as can be seen in Figure 3 and 4, the water removal rate showed that in proportion to the electric energy amount flowing from the outside, at 5, 10, condition of 20mA / cm 2 for 90 minutes, 2.2579, 4.6343, 6.701 mL of water removal rate, respectively.
이를 통하여, 유입하는 전기에너지 양을 조절하여 물의 분해속도를 조절할 수 있고, 그에 따라 유속량도 조절하여 최종적으로는 미세조류의 농축속도를 조절할 수 있음을 입증하였다.Through this, it is proved that the decomposition rate of water can be controlled by adjusting the amount of electric energy to be introduced, and the flow rate can be controlled accordingly, and finally, the concentration rate of microalgae can be controlled.
Claims (9)
상기 미세조류 배양기로부터 미세조류 배양액을 공급받는 미세조류 농축기; 및
상기 미세조류 농축기와 반투과성막을 사이에 두고 있으며, 상기 미세조류 농축기로부터 물이 삼투 현상에 의해 상기 반투과성막을 투과하도록 미세조류 배양액보다 농도가 높은 유도용액을 포함하는 유도용액 저장용기를 포함하며,
상기 유도용액 저장용기는 촉매가 도포된 산화전극(anode), 촉매가 도포된 환원전극(cathode), 및 외부전원을 포함하는 전기분해장치와 결합된 것인,
미세조류 농축 및 수소 생성 장치.
A microalgae incubator containing a microalgae culture;
A micro algae concentrator for receiving the microalgae culture liquid from the microalgae incubator; And
And an induction solution storage container containing an induction solution having a concentration higher than that of the microalgae culture fluid so that water permeates through the semi-permeable membrane from the microalgae concentrator through the micro-algae concentrator and the semi-permeable membrane,
Wherein the induction solution storage vessel is combined with an electrolysis apparatus comprising an anode coated with a catalyst, a cathode applied with a catalyst, and an external power source.
A device for concentrating micro-algae and producing hydrogen.
The apparatus of claim 1, wherein the microalgae incubator comprises a microalgae culture medium having a microalgae concentration of 1 g / L or more.
2. The apparatus of claim 1, wherein the concentration of the inductive solution contained in the inductive solution storage vessel is 1M to 10M.
The method of claim 1, wherein the derived solution is NaCl, MgCl, NH 4 Cl, NaHCO 3, CaCl 2, KCl, KHCO 3, NH 4 HCO 3, (NH 4) 2 SO 4, K 2 SO 4, KBr, Ca (NO 3 ) 2 , MgSO 4, and Na 2 SO 4 .
The method of claim 1, wherein the catalyst of the oxidizing electrode (anode) is Pt, Ir, Rh, MnO 2 , Pt / MnO 2, FeO, Fe 3 O 4, Fe 4 O 5, Fe 2 O 3, TiO 2, Pd , Ru, and IrO 2 / C.
The apparatus of claim 1, wherein the catalyst of the reducing electrode is at least one selected from the group consisting of Pt, Ni, NiMo, TiO 2 , MoS 2, and Pt / C.
The apparatus of claim 1, further comprising a hydrogen gas collector for collecting hydrogen gas produced in a reducing electrode of the electrolytic apparatus.
상기 미세조류 농축기와 반투과성막을 사이에 두고 있으며, 촉매가 도포된 산화전극(anode), 촉매가 도포된 환원전극(cathode), 및 외부전원을 포함하는 전기분해장치와 결합된 유도용액 저장용기에 미세조류 배양액보다 농도가 높은 유도용액을 공급하여, 미세조류 농축기로부터 물이 삼투 현상에 의해 상기 반투과성막을 투과하여 상기 유도용액 저장용기로 이동하도록 유도하는 단계; 및
상기 전기분해장치에 외부전원을 공급하여, 상기 유도용액 저장용기로 이동한 물이 전기분해 되도록 유도하는 단계를 포함하는,
제1항의 장치를 이용한 미세조류의 농축 방법.
Feeding a microalgae culture medium to a microalgae concentrator from a microalgae incubator containing a microalgae culture;
The microfluidic concentrator and the semi-permeable membrane are interposed between the microfluidic concentrator and the inductive solution storage vessel, which is connected to the electrolytic apparatus, including an anode coated with a catalyst, a cathode coated with a catalyst, Introducing an induction solution having a concentration higher than that of the algal culture to induce water from the microalgae concentrator to pass through the semi-permeable membrane by osmosis to move to the induction solution storage vessel; And
And supplying external power to the electrolytic apparatus to induce electrolysis of the water moved to the inductive solution storage vessel.
A method for concentrating microalgae using the apparatus of claim 1.
상기 미세조류 농축기와 반투과성막을 사이에 두고 있으며 촉매가 도포된 산화전극(anode), 촉매가 도포된 환원전극(cathode), 및 외부전원을 포함하는 전기분해장치와 결합된 유도용액 저장용기에 미세조류 배양액보다 농도가 높은 유도용액을 공급하여, 미세조류 농축기로부터 물이 삼투 현상에 의해 상기 반투과성막을 투과하여 상기 유도용액 저장용기로 이동하도록 유도하는 단계;
상기 전기분해장치에 외부전원을 공급하여, 상기 유도용액 저장용기로 이동한 물이 전기분해 되도록 유도하는 단계; 및
상기 전기분해장치의 환원전극에서 수소를 포집하는 단계를 포함하는,
제1항의 장치를 이용한 수소기체 생성 방법.Feeding a microalgae culture medium to a microalgae concentrator from a microalgae incubator containing a microalgae culture;
The micro-algae concentrator and the semi-permeable membrane are connected to an induction solution storage vessel, which is connected to an electrolytic apparatus including an anode coated with a catalyst, a cathode coated with a catalyst, and an external power source, Supplying an induction solution having a concentration higher than that of the culture liquid to induce water from the microalgae concentrator to pass through the semi-permeable membrane by osmosis to move to the induction solution storage vessel;
Supplying external power to the electrolytic apparatus to induce electrolysis of water transferred to the induction solution storage vessel; And
And collecting hydrogen at a reducing electrode of the electrolytic apparatus.
A method for producing hydrogen gas using the apparatus of claim 1.
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