KR20160056737A - 광반응기의 연속 연결을 통한 이산화탄소 저감 효과 증대 운용시스템 - Google Patents

광반응기의 연속 연결을 통한 이산화탄소 저감 효과 증대 운용시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광반응기의 연속 연결을 통한 이산화탄소 저감 효과 증대 운용시스템에 관한 것이다.

Description

광반응기의 연속 연결을 통한 이산화탄소 저감 효과 증대 운용시스템{Improving carbon dioxide fixation efficiency of microalgae using a sequential operating system in tubular photobioreactors}
본 발명은 광반응기의 연속 연결을 통한 이산화탄소 저감 효과 증대 운용시스템에 관한 것이다.
온실 가스의 상당 부분을 차지하는 이산화탄소의 저감을 위해 사용되는 생물학적 전환기술 중 미세조류를 이용한 이산화탄소 저감 기술이 주목받고 있다.
본 발명의 목적은 광생물반응기 운용시스템 개선과 화학적 이산화탄소 저감기술, 생물학적 저감기술의 결합을 통해 이산화탄소 고정 효율을 증가시켜 궁극적으로 이산화탄소 저감량을 증대시키는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여, 광반응기 다수를 연속으로 연결하고 첫 번째 반응기에서 배출된 이산화탄소를 다음 반응기에 주입하여 재사용함으로써 배지 내 이산화탄소 접촉 및 잔류 시간을 증가시켜 미세조류 광배양에 의한 이산화탄소 저감량을 증가시키는 방법을 제공한다.
본 발명을 이용하면, 배지 내 이산화탄소 접촉 및 잔류 시간을 증가시켜 미세조류 광배양에 의한 이산화탄소 저감량을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 실험 장치의 개략도로서, 5 L의 광생물반응기(photobioreactor)들은 실내 실험(indoor experiment)에 사용하였고, 20 L의 광생물반응기들은 실외 실험(outdoor experiment)에 사용하였다. (a)는 5 L의 단일 광 생물반응기의 작동, (b)는 5 L 광 생물반응기의 연속 연결을 통한 작동, (c)는 20 L의 단일 광 생물반응기의 작동, (d)는 20 L 광 생물반응기의 연속 연결을 통한 작동을 나타낸다.
도 2는 공급된 가스 중의 이산화탄소의 농도를 나타낸다. 실내 실험에는 공기가 혼합된 3% CO2를 사용하였고, 실외 시험에서는 KDHC로 부터 공급된 연도 가스(flue gas)를 사용하였다. 가스는 PBR 1로 시작하여 광 생물반응기에 연속적으로 공급되었다.
도 3은 실내실험(a) 및 실외실험(b)에서 실시된, 4개의 반응기에서의 H.pluvialis의 성장에 대한 배양기간 동안의 최대 세포 밀도 및 비성장속도를 나타내는 그래프이다.
도 4는 바이오매스에서의 총 유기 탄소의 비율을 나타내는 그래프로서, 모든 표본은 일정한 시간 간격에 의해 수집하였고, 20 개 이상의 샘플들을 실내 및 실외 실험을 통해 분석하였다.
도 5는 실내(a)와 실외(b) 실험의 배지에서 pH 값의 시간에 따른 변화를 나타내는 그래프로서, pH 값은 각각의 광 생물반응기에 의해 측정하였다.
도 6은 실내(a)와 실외(b) 실험에서, 각각의 광 생물반응기의 액체 배지에 용해된 무기 탄소 농도를 나타내는 그래프이다.
도 7은 헤드스페이스(headspace)에서의 탄소의 농도를 나타내는 그래프이다.
본 발명의 목적은 기존의 광반응기 단순 운용시스템보다 이산화탄소 저감 효율을 높이기 위하여 광반응기 다수를 연속으로 연결하고 첫 번째 반응기에서 배출된 이산화탄소를 다음 반응기에 주입하여 재사용함으로써 배지 내 이산화탄소 접촉 및 잔류 시간을 증가시켜 미세조류 광배양에 의한 이산화탄소 저감량을 증가시키는데 그 목적이 있다.
또한, 광반응기 내에서 이산화탄소의 배분이 어떻게 되는지(바이오매스에 의한 동화, 액체 배지 내 용해, 반응기 내 빈 공간(headspace)에 가스 상태로 존재)를 분석하여 광합성 미생물에 의한 이산화 저감 효과는 얼마 인지를 비교할 수 있다. 또한 액체 배지 내 용해된 이산화탄소는 탄소광물화(CO2 mineralization)를 통해 고정할 수 있는데, 이는 광합성 생물 배양을 통한 생물학적 이산화탄소 전환 기술과 화학적 전환기술의 대표적인 예인 탄소광물화(CO2 mineralization)를 결합시켜 영구적인 이산화탄소 고정 효과를 기대할 수 있게 한다.
실시예
첫 번째 반응기에서 스파져를 통해 가스가 공급되고, vent 관을 통해 배출된 가스를 두 번째 반응기의 가스 주입구에 연결하여 주입. 같은 과정을 거쳐 4개의 광생물 반응기를 연속적으로 연결(도 1)하여 가스의 재사용 통해 가스 내 이산화탄소 저감 효과를 높인다.
광생물반응기에 공급된 이산화탄소는 바이오매스로 전환되거나 배지에 녹거나 가스배출구를 통해 반응기를 빠져나오게 된다. 바이오매스로 전환된 이산화탄소는 완전히 고정되지만 배지에 녹은 이산화탄소는 다시 degassing 되어 공기 중으로 다시 배출될 수 있다. 이러한 이산화탄소를 완전히 고정하기 위해 CO2 mineralization 통해 배지 내 이산화탄소가 녹은 형태인 bicarbonate와 carbonate를 칼슘이온이나 마그네슘 이온과 반응시키는 광물화 통해 이산화탄소가 다시 공기 중으로 배출되지 않고 완전히 고정될 수 있다. 또한, 이 반응을 통해 생성된 CaCO3는 시멘트나 탈황공정에 사용될 수 있어 부가적인 수익도 기대할 수 있다.
하기는 실내(표 1)와 실외(표 2) 시스템에서, 세포의 전체 배양 기간 동안 4개의 다른 광 생물반응기에서의 바이오매스 생산성을 나타내는 표이다.
PBR 1 PBR 2 PBR 3 PBR 4
Biomass productivity
(gL-1d-1)		 0.0392
±0.0077 		0.0417
±0.0036 		0.0308
±0.0056		 0.0200
±0.0035
PBR 1 PBR 2 PBR 3 PBR 4
Biomass productivity
(gL-1d-1)		 0.0343
±0.0023 		0.0319
±0.0012 		0.0229
±0.0031		 0.0164
±0.0032
하기는 실내(표 3)와 실외(표 4) 시스템에서, 광 생물반응기의 탄소 분포를 분석한 표이다.
g/ PBR PBR 1 PBR 1~2 PBR 1~3 PBR 1~4
Cin overall 9.03 9.03 9.03 9.03
average 1.5 1.5 1.5 1.5
Cbiomass overall 0.59 1.21 1.68 1.98
average 0.1 0.2 0.28 0.33
DIC overall 0.54 1.17 1.82 2.37
average 0.09 0.2 0.3 0.39
Cheadspace overall 0.12 0.22 0.27 0.3
average 0.02 0.04 0.04 0.05
Cout overall 7.78 6.42 5.26 4.38
average 1.3 1.07 0.88 0.73
fixation
efficiency(%)		 overall 13.76% 28.82% 41.67% 51.47%
average 13.80% 29.20% 41.94% 51.67%
g/ PBR PBR 1 PBR 1~2 PBR 1~3 PBR 1~4
Cin overall 36.44 36.44 36.44 36.44
average 5.21 5.21 5.21 5.21
Cbiomass overall 2.4 4.63 6.23 7.38
average 0.34 0.66 0.89 1.05
DIC overall 2.85 5.52 7.76 9.86
average 0.41 0.79 1.11 1.41
Cheadspace overall 0.48 0.78 0.94 1.01
average 0.07 0.11 0.13 0.14
Cout overall 30.71 25.5 21.51 18.19
average 4.39 3.64 3.07 2.6
fixation
efficiency(%)		 overall 15.73% 30.02% 40.98% 50.07%
average 16.29% 30.39% 41.76% 50.93%
하기 표 5와 표 6은 광 생물반응기에서, 바이오매스에 결합된 탄소, 액체 배지에 용해된 탄소, 헤드스페이스의 찬소 및 광 생물 반응기에서 배출된 탄소 분포의 백분율을 나타낸다.
Cbiomass DIC Cheadspace Cout
PBR 1 6.51% 5.94% 1.31% 86.24%
PBR 1~2 13.43% 12.97% 2.42% 71.18%
PBR 1~3 18.56% 20.12% 2.99% 58.33%
PBR 1~4 21.88% 26.26% 3.34% 48.53%
Cbiomass DIC Cheadspace Cout
PBR 1 6.59% 7.83% 1.31% 84.27%
PBR 1~2 12.72% 15.16% 2.15% 69.98%
PBR 1~3 17.11% 21.30% 2.57% 59.02%
PBR 1~4 20.26% 27.05% 2.76% 49.93%
실험예
실내배양
6L 크기, column 1개로 이루어진 광반응기 4개를 연속으로 연결하여 미세조류(Haematococcus pluvialis) 배양하였다. 각각의 반응기 내의 이산화탄소 주입량, 바이오매스 생산량, 배지 내 탄소량, headspace내 탄소량 측정 후 배출되는 탄소량 계산하여 고정률 계산하였다.
옥외배양
25L 크기, 컬럼 4개로 이루어진 광반응기를 이용하여 실내배양과 같은 방법으로 실험 수행하였다.
배지 내 세포를 회수하고 남은 상층액에 염화칼슘 첨가하여 반응시킨 후 탄산칼슘 생성하여 이산화탄소의 완전한 고정을 도모하였다.

Claims (1)

  1. 광반응기의 연속 연결을 통한 이산화탄소 저감 효과 증대 방법.
KR1020140157438A 2014-11-12 2014-11-12 광반응기의 연속 연결을 통한 이산화탄소 저감 효과 증대 운용시스템 KR20160056737A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106994300A (zh) * 2017-05-08 2017-08-01 哈尔滨工业大学 利用生活污水作为水源和营养源的微藻烟道气固碳脱硝装置及其用于烟道气固碳脱硝的方法

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CN106994300A (zh) * 2017-05-08 2017-08-01 哈尔滨工业大学 利用生活污水作为水源和营养源的微藻烟道气固碳脱硝装置及其用于烟道气固碳脱硝的方法

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