KR20220065834A - 효모를 사용한, 유기 폐기물로부터 수소의 생물학적 생산을 위한 방법 및 시스템 - Google Patents
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Abstract
음식물 쓰레기를 비롯한 유기 폐기물로부터 생물학적으로 수소 기체를 생산하기 위한 방법 및 시스템이 개시된다. 상기 방법은, 유기 폐기물을 적어도 하나의 효모 균주로 혐기성 발효시켜 유기 폐기물로부터 생물학적으로 수소 기체를 생산하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 일반적으로 수소의 생물학적 생산에 관한 것이며, 특히, 효모를 사용하여 유기 폐기물로부터 생물학적으로 수소 기체를 생산하는 것에 관한 것이다.
관련 출원에 대한 상호 참조
본원은, 2019년 9월 26일자로 출원된 미국 특허 가출원 제62/906,261호를 우선권으로 주장하며, 상기 가출원의 내용을 본원에 참고로 인용한다.
연방 지원 연구 또는 개발에 관한 진술
본 발명은, 미국 에너지부가 부여한 계약 번호 DE-FG36-06GO86050 하에 정부 지원으로 수행되었다. 미국 정부는 본 발명에 대한 특정 권리를 가진다.
수소 기체의 생물학적 생산은, 폐기물 최소화와 동시에 연료 생산을 위한 지속가능한 공정을 제공한다. 수소 기체는 청정 에너지원으로서 상당한 이점을 가진다. 화석 연료와 달리, 수소의 연소는 이산화탄소 또는 질소와 황의 산화물을 생성하지 않는다. 수소는 또한 탄화수소(예로서, 석유의 경우 약 44 kJ/g)보다 더 높은 에너지 수율(예컨대, 약 120 kJ/g)을 가진다. 연료 전지 또는 왕복 엔진에 수소를 사용함으로써, 주요 최종 생성물은 전기, 물, 및 열이다.
그러나, 이의 단기 실행가능성에 영향을 미치는 수소의 생산 및 저장에 대한 기술적 및 경제적 문제가 존재한다. 수소 생산을 위한 통상적인 화학 공정은 에너지 집약적이며, 따라서 비용 효율적이지 않다. 생물학적 수소 생산 공정은 수소 생산을 위한 잠재적으로 경제적이고 지속가능한 대안을 제공한다. 최근의 다수의 공개문헌에 제시된 바와 같이, 미생물 유기체의 사용은 현재 수소 생산 수단으로서 점점 더 많은 관심을 받고 있다. 다양한 기질의 발효로부터 수소를 생산하기 위해 미생물을 사용한 수많은 연구가 수행되었으며, 이의 비제한적인 예는 문헌[Kapdan et al. Bio-hydrogen Production from Waste Materials, Enzyme Microbial Technology 38(5):569-582 (2006)] 및 문헌[Chen et al., Using Sucrose as a Substrate in an Anaerobic Hydrogen-producing Reactor, Adv. Environ Res 7:695-699 (2003)]에 보고된다. 몇몇 연구에서는 세균(예컨대, 바실러스(Bacillus), 클로스트리듐(Clostridium) 및 엔테로박터(Enterobacter)의 종)의 순수한 배양액을 사용했고, 다른 연구에서는, 슬러지, 가축 배설물, 하수, 퇴비, 토양 등으로부터 유래된 혼합 배양액을 사용하였다. 문헌[Kummaravel et al., "Influence and Strategies for Enhanced Biohydrogen Production from Food Waste," Renewable and Sustainable Energy Reviews 92: 807-822 (2018)]은, 음식물 쓰레기로부터 수소를 생산하는 과정에 대한 조사를 제공한다. 수소의 바이오-생산을 위해 유기 폐기물을 사용하면, 비용-효율적이고 재생가능한 에너지를 생성할 수 있을 뿐만 아니라, 환경 오염을 줄일 수 있다.
본 발명은, 음식물 쓰레기를 비롯한 유기 폐기물로부터 생물학적으로 수소 기체를 생산하기 위한 방법 및 시스템을 제공한다.
본 발명의 하나의 양태에 따르면, 상기 방법은, 유기 폐기물을 적어도 하나의 효모 균주로 혐기성 발효시켜 유기 폐기물로부터 생물학적으로 수소 기체를 생산하는 단계를 포함한다.
전술된 바와 같은 방법 및 시스템의 기술적 양태는 바람직하게는, 수소 생산을 상당히 늘릴 뿐만 아니라 처리 및 조작 요건를 줄이는(예컨대, 유기 폐기물의 최소한의 전처리 및 수소 생산 동안의 운영 조건 단순화) 공정에서 세균이 아닌 효모를 사용하는 능력을 포함한다.
본 발명의 다른 양태 및 이점은 이후의 상세한 설명으로부터 이해될 것이다.
도 1은, 본 발명의 비제한적인 실시양태에 따라, 적어도 하나의 효모 균주를 사용하는 혐기성 발효에 의해 유기 폐기물로부터 생물학적으로 수소 기체를 생산하기 위한 시스템을 개략적으로 도시하는 것이다.
도 2 및 3은, 도 1에 제시된 유형의 시스템으로 수득된 기체 생산 데이터를 플롯팅한 도표이다. 도 2에서, 수소 데이터는 청색으로 표시되고, 이산화탄소 데이터는 녹색으로 표시된다. 도 3에서, 수소 데이터는 청색으로 표시되고, 이산화탄소 데이터는 황색으로 표시되고, 중첩된 수소와 이산화탄소 데이터는 시에나로 표시된다.
도 2 및 3은, 도 1에 제시된 유형의 시스템으로 수득된 기체 생산 데이터를 플롯팅한 도표이다. 도 2에서, 수소 데이터는 청색으로 표시되고, 이산화탄소 데이터는 녹색으로 표시된다. 도 3에서, 수소 데이터는 청색으로 표시되고, 이산화탄소 데이터는 황색으로 표시되고, 중첩된 수소와 이산화탄소 데이터는 시에나로 표시된다.
하기 개시내용은, 혐기성 발효에 의해 유기 폐기물로부터 생물학적으로 수소 기체를 생산하기 위한 방법 및 시스템의 다양한 양태를 기술한다. 이러한 시스템의 비제한적인 예가 도 1에 개략적으로 도시된다. 상기 시스템은, 유기 폐기물로부터 수소를 생산하기 위한 접근법을 제공하며, 상기 접근법은, 유기 폐기물로부터 수소를 생산하기 위해 세균이 아니라 효모를 사용하고 세균-기반 공정에 비해 수소 생산을 증가시킨다. 상기 시스템 및 방법에 사용하기에 특히 적합한 효모는, 에탄올의 상업적 생산에 사용하기에 적합한 것, 예를 들어 사카로마이세스 세레비지애(Saccharomyces cerevisiae) 및 스키조사카로마이세스(Schizosaccharomyces) 속의 종이지만, 다른 효모 균주도 수소 생산 능력을 나타냈다. 본 발명에 이르게 한 조사 동안, 특정 효모를 사용하면, 세균 단독과 대조적으로, 혐기성 발효 공정이 특정한 비교적 좁은 범위의 처리 매개변수 내에서 수행되는 경우 생산성을 상당히 증가시킬 뿐만 아니라 처리 및 작업 요건을 줄이는 능력을 갖는 것으로 결정되었다. 유기 폐기물은 최소한의 전처리를 필요로 하며, 특정한 비교적 좁은 범위의 처리 매개변수를 준수하는 것 이외에, 수소 생산 동안 조작 조건이 크게 단순화된다.
일반적으로, 도 1의 비제한적인 실시양태는, 컨베이어(14)에 의해 수용 탱크(12)로부터 분쇄기(16)(여기서 폐기물이 분쇄됨)로 전달되고 이어서 스크류 펌프(18)로 반응기 탱크(20)에 공급된 유기 폐기물(공급원료)을 제시한다. 반응기 탱크(20)는 밀봉되고, 대기압보다 높은, 바람직하게는 대기압보다 약 0.25 psi(약 12 Pa) 이하로 높은 저압에서 유지된다. 도 1은 또한, 물(예를 들어, 수돗물)이 분쇄기(16) 내에서 상기 폐기물과 합쳐짐을 나타낸다. 탱크(20) 내의 압력은 압력 게이지(22)로 모니터링되고, 혐기성 발효 공정에 불활성인 살포 기체(24)(예를 들어, 질소)로 제어된다. 탱크(20) 내의 폐기물의 온도는, 예를 들어 가열기(26) 및 온도 조절기(28)에 의해 제어되고, 탱크(20) 내의 pH는 pH 측정기(30)로 모니터링되고, 염기(32)(비제한적인 예로서, 기술 등급의 수산화나트륨(NaOH))의 도입을 통해 제어된다. 효모(34)는 탱크(20) 내로 직접 도입되거나, 도시된 바와 같이, 상기 폐기물 및 물과 함께 탱크(20)에 도입되어, 본원에서 혼합물(36)로서 지칭되는 것을 형성할 수 있다. 탱크(20) 내의 혼합물(36)의 수위는 수위 센서(38)로 모니터링될 수 있다. 탱크(20) 내에서, 혼합물(36)은 바람직하게는, 예를 들어 교반 장치(40)로 교반된다. 도 1에 도시된 시스템은 배치식 또는 연속식 모드로 조작될 수 있다. 압력 게이지(22), 온도 조절기(28), pH 측정기(30) 및 수위 센서(38)의 출력, 및 가열기(26) 및 폐기물, 물, 살포 기체(24), 염기(32) 및 효모(34)의 탱크(20)로의 도입의 제어는 모두 적합한 처리기(processor)(42)에 공급된다. 탱크(20) 내 혐기성 발효의 기체 생성물(바이오-기체)(44)은, 유량계(46)(이것 역시 처리기(42)로 모니터링됨)를 통해 탱크(20)로부터 인출된다. 기체 생성물(44)은 탱크(48)에 수집되고, 이로부터 생성물(44)이 하류 공정 용도(50)에 의해 판매 또는 활용되거나, 발전기(52)로 보내지거나, 연료원으로서 가열기(26)로 보내질 수 있다. 잔류 폐기물(54)은 폐기를 위해 탱크(20)로부터 인출된다.
수소에 더하여, 이산화탄소가, 도 1의 시스템에 의해 수행되는 공정의 공-생성물이다. 상기 공정의 기체 생성물은 약 50%의 수소 및 약 50%의 이산화탄소일 수 있으며, 이는, 직접 연소에 의해 열을 생성하거나 왕복 엔진-구동식 발전기에서 직접 전기를 생산하거나 추가 처리 후 연료 전지에서 전기를 생산하는 데 사용될 수 있는 혼합물이다. 이산화탄소는 온실 가스로서 우려되고 있지만, 이산화탄소는, 유기 폐기물 소화조에서 국제적으로 가장 통상적인 생성물인 메탄(CH4)보다 환경 문제가 훨씬 더 적다. 상기 공급원료의 공급원이 음식물 쓰레기인 경우, 음식물 쓰레기의 원래 공급원이었던 식량 작물은, 정상적인 성장 동안, 음식물 쓰레기의 혐기성 발효에 의해 방출되는 것과 동일하거나 더 많은 양의 이산화탄소를 소비할 수 있으며, 이 경우, 도 1의 시스템으로 수행되는 공정은 탄소 균형 관점에서 적어도 중립적이다.
혐기성 발효 공정에 사용되는 효모, 예를 들어 사카로마이세스 세레비지애 및 스키조사카로마이세스 속의 종은 와인 제조, 제빵, 양조 및 에탄올 생산에 사용되는 것으로 널리 공지되어 있기 때문에, 상기 시스템으로 수행되는 공정의 주목할만한 양태는, 메탄 또는 에탄올과 달리 수소를 생산할 특정 조건에서 상기 시스템을 조작하는 것을 포함한다. 다변수 분석 및 통계적 실험 설계를 사용함으로써 개발된 조건의 시험을 통해 최적의 작동 조건에 도달하였다. 1차 조사에서는, 약 200 g(건조당량)의 음식물 쓰레기를 10 L 반응 탱크에서 7 L의 수돗물과 합쳤다. 상기 탱크는 상기 폐수 혼합물 위로 약 2.75 L의 헤드 공간을 가졌다. 상기 음식물 쓰레기는 표준 분쇄기로 분쇄하는 것 외에는 어떠한 전처리도 거치지 않았다. 상기 탱크에서, 상기 폐수 혼합물을, 에탄올 생산에 사용되는 상업용 효모와 합치고, 4 cm 직경의 교반 패들로 약 130 RPM으로 교반하였다. 상기 탱크를 37℃의 온도에서, 대기압보다 약간 높은 압력에서, 및 펌프-공급된 2M의 기술 등급 수산화나트륨 용액에 의해 pH 5.7에서 유지하였다. 상기 탱크로부터의 기체 유량을 질량 유량계로 측정하였다. 기체 조성은 마이크로 기체 크로마토그래피(Micro Gas Chromatograph)(CP-4900 듀얼 채널 마이크로-GC; 버라이언 인코포레이티드(Varian Inc.))로 측정하였다. 탱크 내부의 압력을 압력 변환기(오메가(Omega) PX139)로 연속적으로 측정하고, 기록하였다. 상기 헤드 공간으로부터 인출된 기체 생성물의 조성을 상기 기체 크로마토그래피로 매 2시간마다 측정 및 기록하였으며, 이를 도 2에 도시한다.
상기 조사는, 혐기성 발효의 기본으로서의 세균보다는 효모를 사용하는 방법을 이용하여 유기 폐기물로부터 생물학적으로 수소를 생산할 수 있음을 입증하였다. 대부분의 수소는 24시간 이내에 생성되었다. 반대로, 유기 폐기물로부터 메탄을 생산하는 공정은 몇 주의 발효 시간을 필요로 할 수 있고, 세균을 사용하여 유기 폐기물로부터 수소를 생산하는 공정은 흔히 이러한 시간의 약 2배를 필요로 한다. 이와 같이, 상기 조사는, 상기 방법이 짧은 생산 시간을 가능하게 하여 생산성과 가치를 크게 높이고, 생산 설비 크기의 관련된 감소를 허용할 수 있음을 나타낸다. 단지 세균 대신 효모를 사용하기 때문에, 도 1에 제시된 시스템을 구현하는 생산 설비의 복잡성이 또한 감소된다.
2차 조사에서는, 하기 표 1에 제시되는 식재료로 음식물 쓰레기를 합성하였다.
1차 조사에서와 같이, 음식물 쓰레기는 물과 합친 후 분쇄 이외에 어떠한 전처리도 거치지 않았다. 10 L 반응기 탱크에서, 상기 폐수 혼합물을, 에탄올 생산에 사용되는 상업용 효모와 합치고, 약 120RPM으로 교반하였다. 상기 탱크는 37℃의 온도에서, 0.25 psi(약 12 Pa) 이하로 대기압보다 높은 거의 대기압에서, 및 펌프-공급된 기술 등급 수산화나트륨 용액을 사용한 pH 5.7에서 유지되었다. 상기 공정의 생산량을 도 3에 도시하며, 이는, 이전 값에 비해 수소 생산의 상당한 증가를 보여준다. 도 3의 데이터는 또한, 도 1의 시스템을 사용한 수소 생산율이 이전의 세균-기반 접근법의 세균(주로, 클로스트리듐(Clostridium))에 비해 약 12배 증가했음을 입증한다. 또한, 대량(bulk)의 기체 생산의 경우, 수소 생산에 필요한 시간이 48시간에서 36시간 미만으로 감소하였고, 생산된 바이오-기체 중의 수소 농도가 25%(세균-기반 접근법의 경우)에서 약 50%(상기 보고된 조사의 경우)로 증가하였다. 상기 공정이 선형적으로 대규모화된다고 가정하면, 14,000갤런(약 53,000 L)의 반응기 탱크는 약 36시간 내에 대기압(STP)에서 약 360,000 L의 수소를 생산할 수 있다.
추가적 조사는, 상기 공정이 특정한 비교적 좁은 범위의 처리 매개변수로 수행되는 경우, 상기 보고된 결과가 수득될 수 있음을 입증하였다. 상당한 수소 생산을 달성하기 위해서는, 온도 범위가 약 32℃ 내지 약 42℃ 범위로 유지되어야 하고, pH가 약 5.5 내지 5.9 pH 범위로 유지되어야 한다. 교반이 또한 중요하다고 생각되며, 이는 대기압보다 약간 높은, 바람직하게는 대기압보다 0.25 psi(12 Pa) 이하로 높은 양압을 유지하는 것도 중요하다고 생각된다. 에탄올 생산에 사용되는 효모가, 양조에 통상적으로 사용되는 효모 및 표준 빵 효모보다 더 우수한 성능을 보였다. 상기 공정이 혐기성이기 때문에, 도 1에 제시된 바와 같이, 불활성 퍼지 기체가 사용되고, 반응기 탱크 내의 산소 수준은 바람직하게는 0.25% 미만이다.
본 발명이 특정 실시양태 및 조사와 관련하여 기술되었지만, 당업자가 대안을 채택할 수 있음이 자명할 것이다. 예를 들어, 공정 시스템 및 이의 구성요소가, 본원에 기술된 실시양태 및 도면에 도시된 실시양태와 외관 및 구성 면에서 다를 수 있으며, 공정 시스템의 특정 구성요소의 기능이, 구성은 다르지만 기능은 유사할 수 있는(반드시 동일할 필요는 없음) 구성요소에 의해 수행될 수 있고, 특정 공정 매개변수가 변경될 수 있으며, 적절한 물질이 상기 언급된 물질을 대체할 수 있다. 이와 같이, 상기 상세한 설명의 의도는 도면에 제시된 특정 실시양태 및 이의 특정한(반드시 모두일 필요는 없음) 특징 및 양태를 기술할 수 있으며, 도면에 제시된 특정 실시양태에 대한 특정한(반드시 모두일 필요는 없음) 대안을 식별하는 것임을 이해해야 한다. 비제한적인 예로서, 본 발명은, 기술된 실시양태의 하나 이상의 특징 또는 양태가 제거될 수 있는 추가적 또는 대안적인 실시양태를 포함한다. 따라서, 본 발명은, 도면에 제시되거나 본원에 기술된 임의의 특정 실시양태로 반드시 제한되지는 않으며, 상기 상세한 설명 및 거기에 사용된 어구 및 용어의 목적은 도면에 제시된 특정 실시양태 뿐만 아니라 상기 특정 실시양태와 관련된 조사도 기술하는 것이며, 반드시 본 발명의 범위를 제한하는 역할을 하는 것은 아님을 이해해야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 제한되어야 한다.
Claims (15)
- 유기 폐기물을 적어도 하나의 효모 균주(strain)로 혐기성 발효시켜 유기 폐기물로부터 생물학적으로 수소 기체를 생산하는 단계를 포함하는 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 혐기성 발효가 반응기 탱크에서 대기압보다 12 Pa 이하로 높은 압력 및 0.25% 미만의 산소 수준에서 수행되는, 방법. - 제1항에 있어서,
상기 혐기성 발효가, 제어된 승온에서 수행되는, 방법. - 제3항에 있어서,
상기 승온이 약 32℃ 내지 약 42℃인, 방법. - 제3항에 있어서,
상기 승온이 약 37℃인, 방법. - 제1항에 있어서,
상기 혐기성 발효가, 제어된 pH에서 수행되는, 방법. - 제6항에 있어서,
상기 pH가 5.5 내지 5.9인, 방법. - 제6항에 있어서,
상기 pH가 5.7인, 방법. - 제6항에 있어서,
상기 pH가 수산화나트륨으로 제어되는, 방법. - 제1항에 있어서,
상기 혐기성 발효 동안 상기 유기 폐기물을 교반하는 단계를 추가로 포함하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 혐기성 발효가, 상기 유기 폐기물 및 물을 포함하는 혼합물에 대해 수행되는, 방법. - 제11항에 있어서,
상기 혐기성 발효 동안 상기 혼합물을 교반하는 단계를 추가로 포함하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 혐기성 발효가, 24시간의 기간에 걸쳐 수소 기체의 생산이 이산화탄소의 생산을 초과하도록 수행되는, 방법. - 제1항에 있어서,
상기 효모가 사카로마이세스 세레비지애(Saccharomyces cerevisiae) 및 스키조사카로마이세스(Schizosaccharomyces) 속(genus)의 종(species) 중 적어도 하나인, 방법. - 제1항에 있어서,
상기 유기 폐기물이 음식물 쓰레기인, 방법.
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