KR20230047516A - 수소를 생성하기 위한 공정 및 시스템 - Google Patents

수소를 생성하기 위한 공정 및 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR20230047516A
KR20230047516A KR1020237010885A KR20237010885A KR20230047516A KR 20230047516 A KR20230047516 A KR 20230047516A KR 1020237010885 A KR1020237010885 A KR 1020237010885A KR 20237010885 A KR20237010885 A KR 20237010885A KR 20230047516 A KR20230047516 A KR 20230047516A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
biodegradation
reactor
carbon dioxide
gas stream
hydrogen
Prior art date
Application number
KR1020237010885A
Other languages
English (en)
Inventor
던컨 앤더슨
크리스티안 코엘료 실바
Original Assignee
하이드로베 피티와이 엘티디
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from AU2019900999A external-priority patent/AU2019900999A0/en
Application filed by 하이드로베 피티와이 엘티디 filed Critical 하이드로베 피티와이 엘티디
Publication of KR20230047516A publication Critical patent/KR20230047516A/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M21/00—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
    • C12M21/02—Photobioreactors
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M21/00—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
    • C12M21/04—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses for producing gas, e.g. biogas
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M23/00—Constructional details, e.g. recesses, hinges
    • C12M23/36—Means for collection or storage of gas; Gas holders
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M29/00—Means for introduction, extraction or recirculation of materials, e.g. pumps
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M29/00—Means for introduction, extraction or recirculation of materials, e.g. pumps
    • C12M29/24—Recirculation of gas
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M33/00—Means for introduction, transport, positioning, extraction, harvesting, peeling or sampling of biological material in or from the apparatus
    • C12M33/14—Means for introduction, transport, positioning, extraction, harvesting, peeling or sampling of biological material in or from the apparatus with filters, sieves or membranes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/12—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of temperature
    • C12M41/18—Heat exchange systems, e.g. heat jackets or outer envelopes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M43/00—Combinations of bioreactors or fermenters with other apparatus
    • C12M43/06—Photobioreactors combined with devices or plants for gas production different from a bioreactor of fermenter
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M43/00—Combinations of bioreactors or fermenters with other apparatus
    • C12M43/08—Bioreactors or fermenters combined with devices or plants for production of electricity
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N1/00—Microorganisms, e.g. protozoa; Compositions thereof; Processes of propagating, maintaining or preserving microorganisms or compositions thereof; Processes of preparing or isolating a composition containing a microorganism; Culture media therefor
    • C12N1/12—Unicellular algae; Culture media therefor
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P19/00—Preparation of compounds containing saccharide radicals
    • C12P19/04—Polysaccharides, i.e. compounds containing more than five saccharide radicals attached to each other by glycosidic bonds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P3/00—Preparation of elements or inorganic compounds except carbon dioxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P5/00—Preparation of hydrocarbons or halogenated hydrocarbons
    • C12P5/02—Preparation of hydrocarbons or halogenated hydrocarbons acyclic
    • C12P5/023—Methane
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L3/00—Gaseous fuels; Natural gas; Synthetic natural gas obtained by processes not covered by subclass C10G, C10K; Liquefied petroleum gas
    • C10L3/06—Natural gas; Synthetic natural gas obtained by processes not covered by C10G, C10K3/02 or C10K3/04
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12R—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES C12C - C12Q, RELATING TO MICROORGANISMS
    • C12R2001/00—Microorganisms ; Processes using microorganisms
    • C12R2001/89—Algae ; Processes using algae
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Abstract

이산화탄소로부터 수소를 생성하는 공정 및 시스템이 개시된다. 이산화탄소 가스 스트림으로부터 수소 가스 스트림을 생성하기 위한 공정 및 시스템은 광합성 단계에서 조류 공급원을 사용하여 제 1 폐이산화탄소 가스 스트림을 유기 공급원료로 전환하는 것을 포함한다. 그 다음 유기 공급원료가 생분해 단계에서 유기체를 사용하여 수소 가스 스트림 및 가스 부산물로 전환된다. 그 다음 생성된 수소 가스가 수집될 수 있다.

Description

수소를 생성하기 위한 공정 및 시스템{PROCESS AND SYSTEM FOR GENERATING HYDROGEN}
본 개시는 생물 반응기(bioreactor)들을 사용하여 이산화탄소를 수소로 전환시키는 것에 관한 것이다.
리튬 및 수소 기술들이 전기 자동차의 미래를 결정짓기 위해 경쟁하고 있다. 리튬의 제약 조건은 차량 범위와 재충전 시간이며 수소와 관련된 문제는 연료, 운송 및 저장에 대한 높은 비용이다. 두 기술 모두 운행 차량이 이산화탄소를 배출하지 않는다는 점에서 표면적으로는 '친환경'이다. 그러나 수소 및 리튬 연료 전기 자동차 모두 몇몇 시점에서 온실 가스 배출에 기여하는 연료원이 필요하다.
리튬 배터리는 전기 자동차 산업의 주도적인 기술이 되었다. 그럼에도 불구하고, 기존의 내연 기관은 특히 장거리 운송에 더 비용 효율적이고 편리하다. 따라서 기술에 관계없이, 전기 자동차는 틈새 시장으로 남아 있으며 아직 자동차 시장을 완전히 붕괴시킬 수 있는 위치에 있지 않다. 많은 세계 주요 국가들이 중기적으로 내연 기관의 단계적 폐지를 모색함에 따라 비용 효율적인 연료 전지 기술의 잠재력은 무궁무진하다. 현재 수소 생산 가격이 너무 높아 전기 자동차의 대규모 사용을 지원하지 않기 때문에, 보다 비용 효율적인 수준으로 수소를 제공할 필요가 있다.
이와 관련하여 수소의 "펌프" 가격은 수소 자동차가 더 주류가 되기 위해 휘발유와 비슷해야 한다. 예를 들어 Toyota Mirai는 약 5kg의 수소를 사용하여 500km를 이동한다. 동급의 휘발유 동력 승용차는 동일한 거리를 주행하는데 약 40리터의 휘발유를 사용한다. 휘발유 가격이 리터당 USD $1.00에서 $1.25 사이라고 가정하면 해당 여행 비용은 US$40 - US $50이다. 수소 연료를 사용하는 Toyota Mirai가 같은 거리에서 가격 경쟁력을 갖추려면 수소의 소매 가격이 킬로그램당 US$8에서 US$10 사이여야 한다. 그러나 이러한 수소 가격은 아직 소비자에게 제공되지 않고 있다.
현재 수소 생산의 문제는 대부분의(즉, >90%) 수소가 탄화수소에서 나온다는 점이다. 탄화수소에서 수소가 생산되는 수소 경제로의 마이그레이션은 온실 가스 생산의 영향을 완화하는데 거의 도움이 되지 않는다.
수소를 생성하는 또 다른 방법은 물을 전해 분해하는 것이다. 그러나, 물 분해는 여러 가지 이유로 장기적으로 실행 가능하지 않다. 예를 들어, 하루 500kg의 수소 생산 속도를 달성하려면 대규모 장비가 필요하고, 부지 가용성이 곤란하며, 자본 비용이 매우 많이 든다. 생산된 수소 단위당 에너지 요구량이 높으므로 태양 에너지를 사용하여 상쇄할 수 있지만, 태양 에너지의 사용은 낮 시간에만 가능하며 불규칙할 수 있다. 따라서, 자본 비용을 추가하는 실행 가능한 솔루션을 제공하려면 상당한 버퍼 스토리지가 필요하다. 물 분해로 인한 전체 수소 생산 수율은 물리적으로 제한되어 있으며 단위 비용(자본 회수 포함)이 목표 가격 아래로 떨어지는 수준에 도달할 가능성은 거의 없다.
수소는 현장에서 증기 개질 메탄(그리드 가스(grid gas))을 통해 생산할 수도 있다. 증기 개질에는 700℃ 내지 1000℃의 온도가 필요하며 에너지 집약적이다. 증기 개질을 위한 수소 생산량은 물 분해보다 훨씬 높다. 그러나, 그리드 가스를 사용하는 소규모 증기 개질 플랜트들은 문제에 직면해 있다. 그리드 가스에는 메탄, 부탄 및 에탄 가스가 혼합되어 있으며 일반적으로 메탄만 증기 개질에 사용되며 소매점의 그리드 가스는 일반적으로 액화 천연 가스(LNG) 생산 시설의 메탄보다 비싸다. 증기 개질은 또한 생산된 수소 1kg당 약 9kg의 이산화탄소를 생성한다. 탄소 포집 및 저장 솔루션이 없으면, 증기 개질은 수소 경제로의 전환을 모색할 때 환경적으로 불가능하다.
메탄 및 기타 탄화수소를 미생물과 함께 순수한 수소로 직접 전환하는 것은 효율성이 결정적인 요소인 대규모 생산에 대한 과제로 남아 있다. 예를 들어, 칼디셀룰로시럽토 사카로라이티커스(Caldicellulosiruptor saccharolyticus)와 같은 박테리아 종은 썩은 유기물에서 메탄을 수소로 전환시키는 것으로 알려져 있다. 그러나, 이러한 직접 전환은 그리드 가스에서 증기 개질을 통해 메탄을 수소로 전환하는 것만큼 효율적이지 않다. 또한, 주변 바이오매스가 없으면, 이산화탄소 생성은 그리드 가스를 수소로 박테리아식 변환하는 것에 대한 해결되지 않은 문제로 남을 것이다.
전통적인 화학 공정(증기 개질)을 포함하는 하이브리드 시스템을 사용하여 수소를 생성할 수도 있다. 이러한 하이브리드 시스템에서 증기 개질 동안 생성되는 이산화탄소는 포집되어 미생물 조류(microbial algae)를 사용하여 처리하기 위한 유기 성분으로 처리된다. 그러나, 하이브리드 시스템이 더 낮은 비용의 탄소 저장 솔루션을 제공하기는 하지만, 이것은 이산화탄소 생성 문제를 완화하지 못하며, 그리드 가스의 소규모 증기 개질에 대한 비용 공식을 해결하지 못한다.
여기에 언급된 모든 선행 기술 문헌 또는 레퍼런스에 있어서, 이러한 레퍼런스는 선행 기술 문헌이 호주 또는 기타 국가에서 해당 기술 분야의 공동 일반 지식의 일부 형성의 인정을 구성하지 않음을 이해해야 한다.
본 개시의 제 1 양태는 이산화탄소 가스 스트림으로부터 수소 가스 스트림을 생성하기 위한 공정을 제공한다. 이 공정은 (i) 광합성 단계에서 조류 공급원을 사용하여 제 1 폐이산화탄소 가스 스트림을 유기 공급원료로 전환하는 단계를 포함한다. 이 공정은 또한 (ii) 유기 공급원료를, 유기체를 사용하여, 호기성 생분해 단계 및 혐기성 생분해 단계를 포함하는 생분해 단계에서 수소 가스 스트림 및 가스 부산물로 전환하는 단계를 포함한다. 일 실시형태는 수소 가스 스트림을 수집하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "조류 공급원(algal source)"은 이산화탄소를 광합성에 의해 유기 공급원료로 전환할 수 있는 하나 이상의 조류 종을 의미하는 것이다. 본 명세서에 사용되는 용어 "유기 공급원료(organic feedstock)"는 단순당 및 복합당과 같은 단순 및 복합 탄수화물, 엑소폴리사카라이드와 같은 바이오폴리머, 조류 잔해 및 광합성 부산물을 포함할 수 있는 바이오매스와 같은 유기물을 갖는 공급원료를 의미한다. 유기 공급원료는 또한 이산화탄소의 유기 공급원료로의 광합성 전환에 사용되는 배양 배지에 존재하는 물질 및 시약과 같은, 광합성 단계 동안 사용되는 물질을 포함할 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 용어 "생분해(biodecomposition)"는 하나 이상의 생물학적 공정에서 하나 이상의 유기체를 사용하여 유기 공급원료를 수소 가스를 비롯한 다른 형태로 전환시키는 것을 의미하는 것이다.
이산화탄소 가스 스트림은 석탄 또는 가스 화력 발전소에서와 같은 탄화수소의 연소, 또는 증기 개질에서 발생하는 것과 같은 탄화수소를 이산화탄소를 포함하는 다른 가스로 전환함으로써 생성될 수 있다. 개시된 공정은 직관에 반하여 예를 들어 메탄(탄화수소)에서 수소로 두 단계로 분리함으로써 효율성 절감을 제공할 수 있다. 개시된 공정의 이점은 산업 공정에 의해 생성된 것과 같은 폐이산화탄소가 수소로 전환될 수 있다는 점일 수 있다. 따라서, 이 공정은 대기 또는 이산화탄소 생성 활동에서 이산화탄소를 "스크러빙"하거나 제거하는 방법으로 사용될 수 있다. 개시된 공정은 이산화탄소가 펌핑되고 지중 구조물에 저장되는 경우와 같은 이산화탄소 격리 대신에 사용될 수 있다. 기존의 이산화탄소 격리 기술과 비교할 때 본 개시된 공정의 추가 이점은 본 공정은 또한 재생 가능한 가스 공급원으로서 수소 가스를 생산한다는 점일 수 있다.
이 공정은 가스 부산물을 수집하고 가스 부산물을 여과하여 제 2 폐이산화탄소 가스 스트림을 단리(isolate)하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 이 공정은 제 2 폐이산화탄소 스트림을 단계 (i)로 이송하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 제 1 및 제 2 폐이산화탄소 가스 스트림은 조합될 수 있다. 일 구현예에서, 단계 (i)은 광자 공급원(photon source)이 장착된 미생물 반응기에서 수행될 수 있다. 조류 공급원은 녹조류(Chlorophyceae) 및/또는 트레보욱시아(Trebouxiophyceae) 강의 조류를 포함할 수 있다. 조류 공급원은 엽록체일 수 있다. 조류 종은 클로렐라 속의 일부일 수 있다. 일 실시양태에서 조류 종은 클로렐라 불가리스일 수 있다.
단계 (ii)는 호기성 생분해 단계 및 혐기성 생분해 단계를 포함할 수 있다. 호기성 생분해 단계는 혐기성 생분해 단계 전에 수행될 수 있다. 일 실시양태에서, 혐기성 생분해 단계로 대량분을 전달하기 전에 호기성 생분해 단계의 생성물의 적어도 일부가 단계 (i)에서 조류 공급원과 혼합, 예를 들어 재순환될 수 있다. 일 실시양태에서, 단계 (i)에서 호기성 생분해 단계의 생성물의 적어도 일부와 조류 공급원의 혼합은 혐기성 생분해 단계를 위한 집합적 '피드 생산 단계(feed production stage)'로서 작용한다.
일 실시양태에서, 단계 (ii)는 하나 이상의 생분해 반응기에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 각 생분해 반응기는 호기성 반응기 및 혐기성 반응기를 포함할 수 있다. 생분해 반응기는 하나 이상의 박테리아 종을 포함할 수 있다. 박테리아 종은 클로스트리디아(Clostridia), 감마 프로테오박테리아(Gamma Proteobacteria), 간균, 구균 및/또는 베타프로테오박테리아일 수 있다. 박테리아 종은 그람-양성 및/또는 카탈라제-양성 박테리아일 수 있다. 박테리아 종은 그람-음성 박테리아를 포함할 수 있다. 박테리아 종은 바실러스 속의 일부일 수 있다. 일 실시양태에서, 박테리아 종은 바실러스 서브틸리스를 포함할 수 있다. 박테리아 종은 감마프로테오박테리아 강의 일부일 수 있다. 박테리아 종은 클레브실라(Klebsiella) 속의 일부일 수 있다. 일 실시형태에서, 호기성 생분해 반응기는 감마프로테오박테리아를 포함할 수 있고, 혐기성 생분해 반응기는 엔테로박터 에어로게네스(Enterobacter aerogenes)를 포함할 수 있다.
이 공정은 예를 들어 열 공급원을 사용하여 단계 (i) 및/또는 단계 (ii)의 온도를 조절하는 것을 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 단계 (i) 및 (ii)는 둘 다 약 35℃에서 유지될 수 있다. 광합성 단계 및/또는 생분해 단계의 특정 온도는 이들 단계에서 사용되는 조류 공급원 및/또는 박테리아에 유리하도록 결정 및 조절될 수 있다.
제 1 폐이산화탄소 가스 스트림은 탄화수소 공급원으로부터 2차 수소 가스 스트림을 형성하는 가스 개질 단계(예를 들어, 증기 개질기에 의해)로부터 생성될 수 있다. 단계 (i) 및/또는 단계 (ii)의 온도를 조절하기 위한 열 공급원은 증기 개질기로부터 발생된 열로부터 제공될 수 있다. 탄화수소 공급원은 메탄과 같은 천연 가스일 수 있다.
가스 개질기는 수소와 이산화탄소를 생성한다. 제 1 폐이산화탄소 가스 스트림이 가스 개질기에 의해 형성될 때, 본 개시된 공정은 가스 개질기에 의해 생성된 수소를 보충하기 위해(즉, 2차 수소 가스 스트림을 제공하기 위해) 사용될 수 있다. 가스 개질기가 사용되는 경우, 가스 개질기로부터의 수소 가스 생성은 본 개시의 적어도 일부 실시양태를 사용함으로써 소비되는 천연 가스의 단위 부피당 40%에서 65%로 증가될 수 있다.
이 공정은 폐탄화수소 가스 스트림을 단리하기 위해 가스 부산물을 여과하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 폐탄화수소 가스 스트림은 탄화수소 공급원을 보충하는데 사용될 수 있다. 일 실시형태에서, 수소 가스 스트림과 2차 수소 가스 스트림은 조합될 수 있다. 2차 수소 가스 스트림은 (1차) 수소 가스 스트림에 비해 더 큰 부피의 수소 가스를 생성할 수 있다. 이 공정은 단계 (i)에 물을 공급하는 것을 추가로 포함할 수 있다.
이 공정은 단계 (ii)로부터 유기물이 풍부한 물질을 수집하는 것을 추가로 포함할 수 있다. 유기물이 풍부한 물질은 유기 공급원료를 수소로 전환하는 생분해 단계의 부산물일 수 있다. 유기물이 풍부한 물질은 생물 비료로 사용될 수 있다. 일 실시양태에서, 이 공정은 임의의 이산화탄소 공급원을 메탄, 수소 및 생물비료로 전환시키는데 사용될 수 있다.
이산화탄소 가스 스트림으로부터 수소 가스 스트림을 생성하는 공정이 개시된다. 이 공정은 (i) 제 1 폐이산화탄소 가스 스트림과 조류 공급원을 혼합하여 유기 공급원료를 형성하는 단계를 포함한다. 이 공정은 또한 (ii) 제 1 생분해 생성물을 생성하기 위해 제 1 생분해 단계에서 유기 공급원료를 처리하는 단계를 포함한다. 이 공정은 (iii) 수소 가스를 생성하기 위해 제 2 생분해 단계에서 제 1 생분해 생성물을 처리하는 단계를 포함하며, 여기서, 단계 (iii) 이전에, 제 1 생분해 생성물의 적어도 일부가 단계 (i)에서 조류 공급원과 혼합된다. 일 실시양태에서, 제 1 생분해 단계는 호기성일 수 있고 제 2 생분해 단계는 혐기성일 수 있다. 1차 생분해 단계가 호기성인 경우, 1차 생분해 단계와 조류 공급원의 조합은 혐기성 생분해 단계에 대한 집합적 '피드 생산 단계'로 간주될 수 있다. 일 실시형태에서, 이 공정은 위에서 설명한 바와 같을 수 있다.
이론에 얽매이지 않고, 제 1 생분해 생성물의 적어도 일부를 조류 공급원과 혼합하는 것은 (i) 글루코스 생성을 증가시켜 더 높은 이산화탄소 농도를 가능하게 하고, (ii) 제 2 생분해 반응기에서 보다 효율적인 바이오 처리를 위한 pH를 포함하는 바이오매스를 준비하여 수소 생산 증가를 가능하게 하는데 도움이 되는 것으로 생각된다. 일 실시형태는 제 1 생분해 단계에서 생성된 정제된 바이오매스 및 글루코스가 제 1 생분해 단계의 호기성 박테리아와 단계 (i)의 호기성 조류 사이에서 재순환되도록 할 수 있다. 수소를 생성하는 대신, 단계 (i)에서 제 1 생분해 생성물의 적어도 일부를 이송하고 이를 조류 공급원과 혼합함으로써, 메탄올 및 기타 알코올과 같은 수소 이외의 화합물이 생성될 수 있다. 수소를 생산하는데 사용되는 유기체는 알코올(들)과 같은 다른 생성물을 생성하는데 사용되는 유기체와 다를 수 있다.
이 공정의 일 실시형태는 이산화탄소 배출을 제거하고, 생성되는 수소 킬로그램당 에너지 비용을 감소시키며, 소비되는 천연 가스의 단위당 생성된 수소 단위를 증가시킬 수 있다.
본 개시는 또한 상기 기재된 바와 같은 공정을 사용하여 생성된 수소를 제공한다.
본 개시는 또한 상기 기재된 바와 같은 공정으로부터 생성된 유기물을 제공한다.
또한, 이산화탄소를 포함하는 가스 스트림으로부터 이산화탄소를 격리하는 공정이 개시된다. 이 공정은 광합성 단계에서 조류 공급원을 사용하여 가스 스트림의 이산화탄소를 유기 공급원료로 전환하는 것을 포함한다. 이 공정은 또한 호기성 생분해 단계에서 유기체를 사용하여 유기 공급원료를 정제된 바이오매스로 전환하는 것을 포함한다.
또한, 이산화탄소 가스 스트림으로부터 글루코스의 생산을 증가시키는 공정이 개시된다. 이 공정은 광합성 단계에서 조류 공급원을 사용하여 이산화탄소 가스 스트림을 유기 공급원료로 전환하는 것을 포함하며, 공급원료는 글루코스를 포함한다. 이 공정은 또한 글루코스를 포함하는 유기 공급원료를 호기성 생분해 단계에 적용하여 바이오매스를 생성하는 것을 포함한다. 이 공정에서는 호기성 생분해 단계에서 생성된 바이오매스의 일부가 조류 광합성 단계로 재순환되어 유기 공급원료에서 글루코스 생성을 증가시킨다.
본 개시는 또한 전기를 생성하는 방법을 제공하며, 이 방법은 전술한 바와 같이 수소 가스 스트림을 생성하고 전기 생성 단계에서 수소 가스 스트림을 연료 공급원으로 사용하는 단계를 포함한다.
전기 생성 단계는 수소 가스를 연료 전지에 통과시켜 전기를 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 전기 생성 단계는 가연성 연료를 수소로 농축시켜 수소 농축 연료를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 수소 농축 연료는 발전기를 구동하기 위해 연소될 수 있다. 제 1 폐이산화탄소 가스 스트림은 석탄 또는 가스 화력 발전소에서 생성될 수 있다.
본 개시는 또한 이산화탄소 가스 스트림으로부터 수소 가스 스트림을 생성하기 위한 시스템을 제공한다. 시스템은 조류 공급원을 사용하여 제 1 폐이산화탄소 가스 스트림을 유기 공급원료로 전환하도록 구성된 광합성 반응기를 포함하고, 광합성 반응기는 이산화탄소 가스 스트림을 수용하기 위한 유입구 및 유기 공급원료 배출구를 갖는다. 시스템은 또한 유기 공급원료를 수용하기 위한 유기 공급원료 배출구와 연통하는 유입구를 포함하는 생분해 반응기를 포함하며, 생분해 반응기는 광합성 반응기로부터의 유기 공급원료를 수소 가스 스트림으로 전환시키기 위한 호기성 생분해 반응기 및 혐기성 생분해 반응기로서 구성된다.
시스템은 생분해 반응기에서 생성된 수소 가스 스트림을 수용하고 저장하기 위해 생분해 반응기와 유체 연통하는 수소 저장 용기를 추가로 포함할 수 있다. 시스템은 생분해 반응기에서 생성된 이산화탄소를 광합성 반응기로 이송하기 위한 보조 이산화탄소 공급 라인을 더 포함할 수 있다. 보조 이산화탄소 공급 라인은 이산화탄소 이외의 가스를 여과하기 위한 필터를 포함할 수 있다. 시스템은 광합성 반응기 및 생분해 반응기 각각을 가열하기 위한 하나 이상의 열 교환기를 추가로 포함할 수 있다.
일 실시형태에서, 시스템은 탄화수소를 제 2 수소 가스 스트림 및 제 1 폐이산화탄소 가스 스트림으로 전환하기 위한 가스 개질기를 추가로 포함할 수 있다. 제 2 수소 가스 스트림은 수소 저장 용기와 유체 연통할 수 있다. 제 1 폐이산화탄소 가스 스트림은 광합성 반응기와 유체 연통할 수 있다. 하나 이상의 열 교환기는 가스 개질기에 의해 생성된 열을 광합성 반응기 및/또는 생분해 반응기로 전달하도록 구성될 수 있다.
일 실시형태에서, 시스템은 생분해 반응기에 의해 생성된 탄화수소를 가스 개질기로 전달하기 위해 생분해 반응기와 가스 개질기를 연결하는 보조 탄화수소 공급 라인을 더 포함할 수 있다. 보조 탄화수소 공급 라인은 탄화수소 이외의 가스를 여과하기 위한 필터를 포함할 수 있다.
시스템은 광합성 반응기와 유체 연통하고 광합성 반응기의 상류에 있는 연소 챔버를 추가로 포함할 수 있다. 연소 챔버는 연료 공급원을 연소시켜 제 1 폐이산화탄소 가스 스트림을 생성하도록 구성될 수 있다.
광합성 반응기 및/또는 생분해 반응기는 예를 들어 표준 선적 컨테이너와 같은 운송 가능한 구조에 제공될 수 있다. 광합성 반응기 및/또는 생분해 반응기는 각각 모듈식 유닛으로 제공될 수 있다. 적절한 유닛을 추가하거나 제거해서 시스템을 확장하거나 축소할 수 있다. 시스템은 예를 들어 광합성 반응기 및/또는 생분해 반응기와 유체 연통하는 물 공급 장치를 추가로 포함할 수 있다. 광합성 반응기 및/또는 생분해 반응기는 복수의 반응기를 포함할 수 있다. 복수의 반응기는 서로 직렬 또는 병렬로 배열될 수 있다.
일 실시양태에서, 시스템은 광합성 반응기에서 발포를 방지하도록 구성된 광합성 소포제 및/또는 생분해 반응기에서 발포를 방지하도록 구성된 생분해 소포제를 추가로 포함할 수 있다. 시스템에는 광합성 반응기와 생분해 반응기 사이에서 물 및/또는 바이오매스를 재순환시키기 위한 재순환기가 제공될 수 있다. 재순환기는 예를 들어 광합성 반응기 및/또는 생분해 반응기에서 조류 및/또는 박테리아 군집을 지원하기 위해 시스템 주위에 물질 및 영양소를 수송할 수 있다. 재순환기에 사용된 물은 시스템 주변의 물질을 운반하기 위한 운반 매질로 사용될 수 있다.
시스템은 광합성 반응기 및/또는 생분해 반응기를 제어하기 위한 제어기를 추가로 포함할 수 있다. 시스템은 생분해 반응기에 공기를 공급하기 위한 공기 공급기를 추가로 포함할 수 있다. 공기 공급기는 공기 공급기에 의해 생분해 반응기로 공급되는 공기로부터 생물학적 물질을 여과하기 위한 생물학적 필터를 포함할 수 있다. 광합성 반응기에는 물 공급원의 물을 공급할 수 있다.
일 실시양태에서, 본 개시는 또한 수소를 생성하기 위해 상기 기재된 바와 같은 시스템의 사용을 제공한다.
일 실시형태에서, 본 개시는 또한 상기 기재된 바와 같은 시스템을 포함하는 수소 차량 급유소를 제공한다.
이제 실시형태들이 단지 예로서, 첨부된 비제한적인 도면을 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 본 개시의 일 실시형태에 따른 수소를 생성하는데 사용되는 시스템의 개략도를 도시한 것이다.
도 2는 본 개시의 다른 실시형태에 따른 수소를 생성하는데 사용되는 시스템의 개략도를 도시한 것이다.
도 3은 광합성 반응기의 일 실시형태의 개략도를 도시한 것이다.
도 4는 본 개시의 다른 실시형태에 따른 수소를 생성하는데 사용되는 시스템의 개략도를 도시한 것이다.
도 5는 광합성 반응기의 일 실시형태를 도시한 것이다.
도 6은 본 개시의 다른 실시형태에 따른 수소를 생성하는데 사용되는 시스템의 개략도를 도시한 것이다.
도 7은 본 개시의 다른 실시형태에 따른 수소를 생성하는데 사용되는 시스템의 개략도를 도시한 것이다.
도 8은 가스 공급과 관련된 분리 위치에서 수소를 생성하는데 사용되는 분배 시스템의 개략도를 도시한 것이다.
도 9는 본 개시의 일 실시형태에 따른 전기를 생성하는데 사용되는 시스템의 개략도를 도시한 것이다.
도 10은 본 개시의 다른 실시형태에 따른 전기를 생성하는데 사용되는 시스템의 개략도를 도시한 것이다.
도 11은 본 개시의 다른 실시형태에 따른 수소를 생성하는데 사용되는 시스템의 개략도를 도시한 것이다.
도 12는 생분해 반응기의 일 실시형태의 개략도를 도시한 것이다.
수소 생산에 사용되는 시스템(10)의 일 실시형태가 도 1에 도시된다. 시스템(10)은 광합성을 사용하여 이산화탄소를 유기 공급원료로 전환하도록 구성된 광생물 반응기(12) 형태의 미생물 반응기를 갖는다. 유기 공급원료에는 단순당 및 복합당과 같은 단순 및 복합 탄수화물, 및 엑소폴리사카라이드와 같은 생체고분자가 포함된다. 일 실시형태에서, 광생물 반응기(12)에 의해 생산되는 유기 공급원료는 글루코스 및 다당류로부터 유래된 당 및 바이오매스를 포함한다. 일 실시형태에서, 유기 공급원료는 상이한 탄수화물의 혼합물을 포함한다. 시스템(10)은 또한 이산화탄소 공급원(11)으로부터 광생물 반응기(12)로 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소 공급 라인(28)을 갖는다. 이산화탄소 공급 라인(28)은 이산화탄소 이외의 가스들을 걸러내기 위한 필터를 포함할 수 있다. 시스템(10)은 또한 생분해 반응기(14)를 포함한다.
광생물 반응기(12)로 전달된 이산화탄소는 공기와 같은 다른 가스와 혼합될 수 있다. 일 실시형태에서, 광생물 반응기(12)에 전달되는 이산화탄소의 농도는 최대 약 50% 범위이다. 일 실시형태에서, 광생물 반응기(12)에 전달되는 이산화탄소의 농도는 약 8% 내지 약 20% 범위이다. 이산화탄소는 약 0.2 내지 약 0.8 VVM의 속도로 광생물 반응기(12)에 공급될 수 있다. 일 실시형태에서, 혼합 매니폴드(manifold)가 제공되어(도면에 도시되지 않음) 폐이산화탄소 가스 스트림 내의 이산화탄소 농도가 조정될 수 있도록 한다.
광생물 반응기(12) 및 생분해 반응기(14)는 도관(30)을 통해 서로 연결된다. 도관(30)은 유기 공급원료를 광생물 반응기(12)의 유기 공급원료 배출구로부터 생분해 반응기(14)의 유입구로 통과시킨다. 유기 공급원료는 고체, 슬러리 및/또는 액체로 제공된다. 일 실시형태에서, 유기 공급원료는 생분해 반응기(14)에 공급되는 용액으로서 제공된다. 일 실시형태에서, 도관(30)은 유기 공급원료를 광생물 반응기(12)로부터 생분해 반응기(14)로 펌핑하거나 운반하기 위한 펌프 또는 오거(auger)를 갖는다. 생분해 반응기(14)는 유기 공급원료를 수소로 전환하도록 셋업된다. 일 실시형태에서, 유기 공급원료만이 광생물 반응기(12)로부터 생분해 반응기(14)로 전달되도록 광생물 반응기(12)에 필터가 제공된다. 일 실시형태에서, 광생물 반응기(12)에서 생산되는 유기 공급원료의 일부만이 생분해 반응기(14)로 이송된다. 예를 들어, 유기 공급원료의 일부는 접종원(inoculum)으로서 보관된다. 일 실시형태에서, 광생물 반응기(12)에서 생산되는 유기 공급원료의 60%가 생분해 반응기(14)로 이송되고 유기 공급원료의 40%가 광생물 반응기(12)에서 추가 사용을 위한 접종원으로서 유지된다. 반응기들(12, 14)은 회분식(batch), 반회분식(semi-batch) 또는 연속식 공정으로서 작동될 수 있다.
생분해 반응기(14)에서 생성되는 수소는 도관(24)을 통해 저장 용기(예를 들어, 탱크)(16) 형태의 수소 저장 용기로 이송된다. 도관(24)은 생성된 수소를 저장 용기(16)로 펌핑하기 위한 펌프(25)를 포함한다. 펌프(25)는 저장 용기(16)가 가압되도록 할 수 있다. 그러나, 모든 실시형태들에서 펌프(25)가 요구되는 것은 아니다. "저장 용기"라는 용어는 수소를 저장할 수 있는 임의의 형태의 폐쇄/밀폐 용기를 포함하는 것으로 광범위하게 해석되어야 하며 또한 탄소질 물질, 금속-유기 골격체 및 분자체와 같이 수소를 흡착(즉, 가역적으로 흡착)할 수 있는 물질도 포함한다는 것을 이해해야 한다.
필요한 수소 산출량은 광생물 반응기(12)의 필요한 산출량을 결정한다. 광생물 반응기(12)의 필요한 산출량은 생분해 반응기(14)에 대한 유기 공급원료의 필요한 투입 레이트에 의존할 것이다.
광생물 반응기(12)는 이산화탄소의 유기 공급원료로의 광합성 전환을 위해 구성된다. 광생물 반응기(12)의 특정 반응 조건은 광생물 반응기(12)에 존재하는 유기체들에 대한 생화학적 요구사항에 따라 다르다. 그러나, 광생물 반응기(12)에 존재하는 유기체는 일반적으로 광영양성이다. 광영양 유기체들은 조류 종 및 이끼, 및 시아노박테리아 및 보라색 박테리아와 같은 광영양 박테리아를 포함할 수 있다. 시아노박테리아는 일반적으로 조류 종으로 간주되고 본 명세서에서 그와 같이 언급된다는 것을 이해해야 한다. 일 실시형태에서, 광생물 반응기는 녹조류(Chlorophyceae) 및/또는 트레보욱시아(Trebouxiophyceae) 강의 조류를 포함한다. 녹조류는 시아노박테리아 및 남조류를 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 엽록소는 아쿠도데스무스 오블리쿠스(Acutodesmus obliquus), 세네데스무스 서브스피카투스(Scenedesmus subspicatus), 두날리엘라 살리나(Dunaliella salina) 및/또는 스케네데무스 오블리쿠스(Scenedesmus obliquus)를 포함한다. 일 실시형태에서, 트레보욱시아(Trebouxiophyceae)는 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris)를 포함한다.
유기 공급원료를 생성하는데 필요한 특정 시간은 세포 농도 및 광생물 반응기(12)에서 접종원으로 사용되는 조류 종에 따라 달라질 수 있다. 조류 종 농도 임계값에 도달하면 이는 생성된 유기 공급원료가 생분해 반응기로 이송하도록 하는 트리거를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 일 실시형태에서, 유기 공급원료는 조류 종의 밀도가 대략 2 x 107 내지 대략 2 x 109 CFU/ml일 때 광생물 반응기(12)로부터 생분해 반응기(14)로 이송된다. 일 실시형태에서, 광생물 반응기(12)는 유기 공급원료를 생산하기 위해 48시간 동안 작동된다. 24시간 후 유기 공급원료는 2 x 107 CFU/ml의 조류 종 밀도를 가질 수 있다. 최종 최대 세포 밀도에 도달하는 시간은 광생물 반응기(12)를 초기에 시드(seed)하는데 사용되는 접종원 세포 농도에 따라 달라질 수 있음을 유의해야 한다.
광생물 반응기(12)에서 사용되는 배지의 조성은 광영양 유기체에 따라 달라질 것이다. 배지, pH, 염도, 영양소 요구 사항, 필요한 광량, 광합성 온도 등과 같은 파라미터들은 광 영양 유기체의 요구 사항에 따라 조정된다. 일반적으로, 광생물 반응기(12)에서 수행되는 유기 공급원료로 이산화탄소의 광합성 전환 온도는 약 30℃ 내지 약 40℃ 범위일 것이다. 사용된 광영양 유기체의 유형, 및 광영양 유기체에 의해 생산되는 결과적인 유기 공급원료는 생분해 반응기(14)의 요구사항에 따라 선택될 수 있다. 일 실시형태에서 광생물 반응기(12)에는 하나 이상의 유형의 광영양 유기체가 사용된다. 본 개시 전반에 걸쳐 "광영양 유기체(phototropic organism)"라는 용어의 사용은 둘 이상의 특정 광영양 유기체의 혼합물을 포함한다.
광영양 유기체는 광생물 반응기(12)로 이송되어 증식될 수 있는 농축 용액으로서 제공될 수 있다. 일 실시형태에서, 광영양 유기체는 광생물 반응기(12)에서 재수화되는 탈수된 형태로 제공될 수 있다. 광생물 반응기(12)는 주기적인 세척을 필요로 할 수 있으며, 이에 의해 배지 및 광영양 유기체는 배지 및 광영양 유기체의 새로운 배치(batch)로 대체된다. 이때 생물막(biofilm)과 같은 원치 않는 부산물이 제거될 수 있다. 이산화탄소가 당으로 전환되는 동안 바이오매스도 생산된다.
생분해 반응기(14)에서 수행되는 생분해 단계는 광생물 반응기(12)에서 생성되는 유기 공급원료를 수소로 전환시킨다. 생분해 단계의 특정 메커니즘 및 생화학적 요건은 생분해 반응기(14)에 존재하는 유기체(들), 및 광생물 반응기(12)에 의해 생산되는 유기 공급원료의 유형에 따라 다르다. 예를 들어, 일 실시형태에서, 발효 공정들은 생분해 반응기(14)에서 유기 공급원료를 수소로 전환하는데 사용된다. 일 실시형태에서, 생분해 반응기(14)는 혐기성 및/또는 호기성 조건 하에 작동된다. 일 실시형태에서, 생분해 반응기(14)에서 생산되는 수소의 양은 유기 공급원료의 글루코스 당량을 기준으로 41 mol%이다.
0.5L의 부피를 갖는 광생물 반응기를 기준으로 하여, 일 실시형태에서 24시간당 5.04g의 수소 기체, 32.06g의 이산화탄소 및 18.49g의 메탄이 시스템(10)을 사용하여 생산된다. 일 실시형태에서, 약 10.08g의 수소가 광생물 반응기(12)에서 생산되는 1L의 유기 공급원료로부터 생산될 수 있다. 이 0.5L 광생물 반응기는 필요한 수소 산출량에 따라 확장 또는 축소할 수 있다. 부피가 0.5L인 광생물 반응기(12)를 기준으로 투입량 및 산출량에 대한 질량 균형이 표 1에 제공된다. 놀랍게도 이산화탄소 투입량 기준으로 64.3mol%의 효율로 이산화탄소의 수소전환이 진행되었으며 이는 공지된 문헌 값을 기반으로 한 것보다 4~5배 더 높다.
표 1
Figure pat00001
일 실시형태에서, 광생물 반응기(12)의 광합성 단계 이후에, 물은 광생물 반응기(12)로부터 생분해 반응기(14)로 유기 공급원료(예를 들어, 당 및 바이오매스)를 수송하기 위한 수송 매질로서 작용한다. 수송 매질로 물을 사용하면 광생물 반응기(12)에서 이산화탄소 및 영양분을 분배하는데 도움이 된다. 일 실시형태에서, 물 수송 매질은 시스템(10) 주위에서 재순환되고 시스템(10) 내의 이산화탄소는 이산화탄소가 유기 물질 또는 수소로 전환될 때까지 광생물 반응기(12)와 생분해 반응기(14) 사이에서 혼합(예를 들어, 유화)되고 재순환될 수 있다. 유사하게, 생분해 반응기(14)에서 형성된 생산물들 중 일부는 시스템(10) 주위에서 재순환될 수 있다. 물 수송 매질은 시스템(10)의 사용 동안 생산되는 수용성 가스(들)를 걸러내기 위해 여과될 수 있다. "물 수송 매질"이라는 용어는 모든 수성 용액을 포함하는 것으로 광범위하게 해석되어야 한다. 예를 들어, 물 수송 매질은 반응 매질, 염, 완충제, 영양소, 유리한 기체 흡수를 촉진하기 위한 첨가제 등을 포함할 수 있다.
생분해 반응기(14)에서 사용되는 박테리아는 테르모아나에로박테랄레스(Thermoanaerobacterales) 목에 속할 수 있다. 테르모아나에로박테랄레스(Thermoanaerobacterales) 박테리아는 써모토가 마리티마(Thermotoga maritima), 칼디셀룰로시럽토 사카로라이티커스(Caldicellulosiruptor saccharolyticus) 및 써모토가 엘피(Thermotoga elfii)를 포함할 수 있지만, 이들 박테리아는 예시일 뿐이고 본 개시의 범위를 제한하지 않는다. 일 실시형태에서, 생분해 반응기(14)에서 사용되는 박테리아는 클로스트리디아(Clostridia) 강이다. 클로스트리디아(Clostridia) 강에는 써모토가 마리티마(Thermotoga maritima), 칼디셀룰로시럽토 사카로라이티커스(Caldicellulosiruptor saccharolyticus) 및/또는 써모토가 엘피(Thermotoga elfii)가 포함될 수 있다. 일 실시형태에서, 생분해 반응기(14)에서 사용되는 박테리아는 감마 프로테오박테리아(Gamma Proteobacteria) 강이다. 감마 프로테오박테리아 강에는 대장균(Escherichia coli) 및 슈도모나스 시린게(Pseudomonas syringae)가 포함될 수 있다. 일 실시형태에서, 생분해 반응기(14)에서 사용되는 박테리아는 바실리(Bacilli) 강이다. 바실리(Bacilli) 강은 바실루스리케니포르미스(Bacillus licheniformis), 바실러스 아밀로리퀴피시언스(Bacillus amyloliquefaciens), 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis) 및/또는 바실러스 애트로패우스(Bacillus atrophaeus)를 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 생분해 반응기(14)에서 사용되는 박테리아는 구균(Cocci) 강이다. 구균 강에는 스타필로코커스 와르네리(Staphylococcus warneri)의 비병원성 변이체가 포함될 수 있다. 일 실시형태에서, 생분해 반응기(14)에서 사용되는 박테리아는 베타프로테오박테리아(Betaproteobacteria) 강이다. 박테리아의 조합, 예를 들어 클로스트리디아, 감마 프로테오박테리아, 바실리, 구균 및/또는 베타프로테오박테리아 강의 박테리아의 다양한 조합이 생분해 반응기(14)에서 사용될 수 있다. 클로스트리디아 강에는 칼디셀룰로시럽터 사카로리티쿠스가 포함될 수 있다. 생분해 반응기(14)는 또한 뿌리 결절 박테리아를 포함할 수 있다.
일 실시형태에서, 생분해 반응기(14)에서 사용되는 박테리아는 광생물 반응기(12)에서 생산되는 당을 푸드 공급원으로 사용하고 또한 기계적 또는 화학적 개입 없이 관련 바이오매스 내에서 당을 추출한다. 광생물 반응기(12)에서 생산되는 당 및 바이오매스를 생분해 반응기(14)로 이송시키는 것을 용이하게 하기 위해 물 수송 메커니즘이 사용된다. 광생물 반응기(12)에서 생산되는 당을 푸드 공급원으로 사용하고 기계적 또는 화학적 개입 없이 관련 바이오매스 내에서 당을 추출하는 박테리아를 사용하는 이점은 생분해 반응기(14)가 수소를 생성하기 위해 더 적은 장비 및/또는 공정이 필요하기 때문에 에너지 절감을 제공할 수 있다는 것이다.
일 실시형태에서, 미가공 바이오매스 공급원들 및 물과 같은 추가적인 공급원료가 수소의 생산을 용이하게 하기 위해 생분해 반응기(14)에 첨가될 수 있다. 광생물 반응기(12) 및/또는 생분해 반응기(14)가 플러싱될 때 바이오매스가 시스템으로부터 제거될 수 있다. 광생물 반응기(12) 및 생분해 반응기(14)는 동시에 또는 다른 시간에 세척될 수 있다. 광생물 반응기(12) 및/또는 생분해 반응기(14)의 플러싱은 새로운 접종원이 광생물 반응기(12) 및/또는 생분해 반응기(14) 내로 도입되는 것을 허용한다.
일 실시형태에서, 광생물 반응기(12)는 ml당 약 2x1011 세포의 조류 농도를 가지며, 생분해 반응기(14)는 ml당 약 1.5 x 1010 세포의 박테리아 농도를 갖는다. 일 실시형태에서, 광생물 반응기(12) 및/또는 생분해 반응기(14)는 1 atm 내지 5 atm 범위의 압력에서 작동될 수 있다.
생분해 반응기(14)는 유기 공급원료의 수소로의 전환 동안 생성되는 유기물이 풍부한 물질을 추출하기 위한 배출구(도면에 도시되지 않음)를 포함한다. 유기물이 풍부한 물질의 배출구는 반응기(14)로부터의 언더플로우일 수 있다. 유기물이 풍부한 물질은 생물 비료로 사용되어 별도의 공급원료로 판매될 수 있다. 별도의 공급원료에서 생성되는 수익은 시스템(10)의 운영 비용을 보충하는데 사용될 수 있다. 일 실시형태에서, 유기물이 풍부한 물질은 시스템(10)이 광생물 반응기(12) 및/또는 생분해 반응기(14)에서 새로운 종으로 리뉴얼되거나 퍼징될 때 추출되며, 추출된 물질은 유기물이 풍부한 물질이다. 일 실시형태에서, 유기물이 풍부한 물질은 생물비료를 제공할 수 있다. 시스템(10)으로부터 추출된 유기물이 풍부한 물질은 광생물 반응기(12) 및 생분해 반응기(14)에서 미세조류 및 박테리아와 같은 종의 새로운 접종원으로 대체된다. 유기물이 풍부한 물질의 추출은 대략 2-3주마다와 같이 주기적으로 이루어질 수 있다.
일 실시형태에서, 유기물이 풍부한 물질은 다음과 같은 조성을 갖는다:
ㆍ 칼륨: 2.67%
ㆍ 칼슘: 4.77%
ㆍ 마그네슘: 0.74%
ㆍ 구리: 20.26ppm
ㆍ 망간: 309.52ppm
ㆍ 철분: 1ppm
ㆍ 아연: 80ppm
ㆍ 알루미늄: 1%
ㆍ 유황: 0.5%
ㆍ 나트륨: 2%
ㆍ 붕소: 0.008%
ㆍ 유기탄소: 23.3%
ㆍ 탄소/질소 비율: 24:1
ㆍ 습도(65℃) 90%
ㆍ 유기물: 10%
ㆍ 총 질소: 0.96%
ㆍ 밀도: 1.1g/cm³
사용시, 생분해 반응기(14)는 수소 및 폐이산화탄소 및/또는 폐탄화수소를 생성한다. 생분해 반응기(14)에서 생성되는 수소, 이산화탄소 및 탄화수소의 상대적인 양은 일반적으로 생분해 반응기 조건에 의존한다. 광생물 반응기(12)가 공급원료로서 이산화탄소를 사용하기 때문에, 생분해 반응기(14)는 생분해 반응기(14)에 의해 생성되는 임의의 이산화탄소를 광생물 반응기(12)(즉, 이산화탄소 재순환 라인)로 이송하는 보조 이산화탄소 공급 라인(32)을 장착할 수 있다. 이는 생분해 반응기(14)에 의해 생성되는 이산화탄소가 광생물 반응기(12)를 위한 공급원료로서 사용될 수 있음을 의미한다. 보조 이산화탄소 공급 라인(32)은 이산화탄소 공급 라인(28)에 의해 시스템으로 전달되는 이산화탄소의 단위당 더 큰 수소 수율이 달성될 수 있기 때문에 시스템(10)의 효율성을 개선하는데 도움이 될 수 있다.
보조 이산화탄소 공급 라인(32)은 생분해 반응기(14)에 연결될 수 있거나 대안적으로 보조 이산화탄소 공급 라인(32)은 도관(24)을 분기할 수 있다. 어느 구성에서든, 보조 이산화탄소 공급 라인(32)에는 다른 가스 예를 들어, 수소 및 탄화 수소로부터 이산화탄소 가스를 여과하기 위한 멤브레인 필터와 같은 필터(33)가 장착된다.
광합성 열교환기(18)는 광생물 반응기(12)와 열 연통하고 생분해 열교환기(20)는 생분해 반응기(14)와 열 연통한다. 열교환기들(18, 20)은 열 공급원(17)에 연결되어 반응기(12, 14)에 열을 공급한다. 도 1에서, 열교환기들(18, 20)은 열 공급원(17)에 병렬로 연결되지만, 열교환기들(18, 20)은 선택적으로 직렬로 연결될 수 있다.
다른 실시형태에서, 도 2에 가장 잘 도시된 바와 같이, 물 공급기(21)는 광생물 반응기(12)와 유체 연통하고 광합성 열교환기(18)는 물 공급기(21)와 열 연통한다. 이러한 구성은 광생물 반응기(12)로부터 생분해 반응기(14)로의 유기 공급원료의 통과에 의해 광생물 반응기(12)에 제공된 열이 생분해 반응기(14)로 전달됨을 의미한다. 그러나, 도 2에 도시된 실시형태는 또한 생분해 열교환기(20)를 포함할 수 있다. 도 2에 도시된 실시형태에서, 물 공급기(21)는 물 공급기로부터의 물의 미스트를 생성하기 위한 미스트 발생기를 포함할 수 있다. 광합성 열교환기(18)는 미스트 발생기와 열 연통할 수 있다.
도 2의 실시형태의 변형에서, 물 공급기(21)는 열교환기(18)와 열 연통하지 않으며 대신 열교환기(18)는 광생물 반응기(12)와만 열 연통한다.
물 공급기(21)는 2개의 물 공급 채널을 가질 수 있으며, 하나는 광생물 반응기(12)로 직접 연결되고 다른 하나는 이산화탄소 혼합 챔버(40)로 연결된다. 이산화탄소 혼합 챔버(40)는 예를 들어, 이산화탄소 공급 라인(28)으로부터 이산화탄소를 받아 이산화탄소가 풍부한 용액을 형성한 다음 광생물 반응기(12)로 전달된다. 일 실시형태에서, 혼합 챔버(40)는 이산화탄소와 물의 에멀젼을 형성한다.
일반적으로, 열교환기들(18, 20)은 반응기를 필요한 온도로 유지하기 위해 각각의 반응기를 가열하게 된다. 전형적으로, 반응기(12 및 14)는 약 30℃ 내지 약 40℃ 범위의 온도에서 유지된다. 그러나 반응기(12 및/또는 14)가 호극성 생물을 포함하는 경우 작동 온도는 40℃를 초과할 수 있으며, 예를 들어 80℃ 초과일 수 있다. 또한 열교환기들(18, 20)은 각각의 반응기를 냉각시키기 위해 작동될 수 있음을 이해해야 한다. 대안적으로 또는 추가적으로, 광생물 반응기(12)는 예를 들어 하나의 반응기가 일정한 냉각을 필요로 하고 다른 반응기가 일정한 가열을 필요로 하는 경우 반응기들(12 및 14) 사이에서 열을 전달하기 위해 생분해 반응기(14)와 열 연통할 수 있다.
광생물 반응기(12) 및 생분해 반응기(14)는 각각 단일 반응기로서 도 1 및 2에 도시되어 있지만, 일 실시형태에서, 광생물 반응기(12) 및/또는 생분해 반응기(14)는 복수의 반응기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 3은 6개의 반응기들(12a-12f)을 갖는 광생물 반응기(12)의 일 실시형태를 도시한 것이다. 반응기들(12a-12f)은 병렬로 연결된다. 가스 매니폴드(39)는 이산화탄소 공급 라인(28)을 반응기들(12a-12f)에 연결한다. 조류 매니폴드(41)는 조류 공급 라인(29)을 반응기들(12a-12f)에 연결한다. 반응기들(12a-12f)은 이산화탄소 및 조류 물질의 역류를 위해 배열된다. 도 3의 실시형태에 대한 변형에서, 반응기들(12a-12f)은 직렬로 연결된다.
배출구 가스 라인(31)은 잉여 가스(들)가 반응기들(12a-12f)로부터 제거될 수 있도록 제공된다. 잉여 가스가 이산화탄소를 포함하는 경우, 잉여 가스는 이산화탄소 공급 라인(28)으로 재도입될 수 있다. 반응기들(12a-12f)이 직렬로 연결될 때, 이산화탄소 및 조류 흐름은 병류 또는 역류일 수 있다. 도 3은 예시일 뿐이며, 복수의 반응기들을 포함하는 광생물 반응기(12)에 대한 실시형태들은 생분해 반응기(14)에도 적용될 수 있다. 일 실시형태에서, 복수의 반응기들 각각은 모듈식 유닛이다. 시스템(10)의 산출량을 증가시키기 위해, 추가적인 모듈식 유닛이 각각의 반응기에 추가될 수 있다. 모듈식 반응기 유닛들의 또 다른 장점은 시스템(10)을 완전히 정지할 필요 없이 예를 들어 유지보수를 위해 하나의 유닛을 오프라인으로 전환할 수 있다는 것이다. 일 실시형태에서, 광생물 반응기(12)는 6개의 모듈식 반응기들을 갖고 생분해 반응기(14)는 6개의 모듈식 반응기들을 갖는다.
모듈식 생물광반응기(즉, 광합성 반응기)의 예가 도 5에 도시되어있다. 모듈식 생물광반응기(200)는 튜브(202)의 내부 공간에 램프(204) 형태의 광원이 장착되는 중공 튜브(202)이다. 반응기(200)의 용량은 약 1,200L이다. 전원(206)은 램프(204)에 연결된다. 반응기(200)는 복수의 램프(204)를 가질 수 있다. 램프(204)는 가시광 및/또는 UV 광을 방출할 수 있다. 사용시에 중공튜브(202)는 조류 공급원을 포함하는 반응 매질(212)로 채워진다. 반응기(200)는 중공튜브(202)의 사용시 바닥 단부 근처에 끼워지는 가스 유입구(208)를 갖는다. 가스 유입구(208)는 중공 튜브(202) 내로 이산화탄소를 통과시키기 위해 사용된다. 입력 라인(210)은 중공 튜브(202)의 사용시 상단 단부 근처에 위치된다. 입력 라인(210)은 중공 튜브(202)에 조류 공급원, 반응 매질, 완충제, pH 조절제 등을 추가하는데 사용된다. 반응기(200)는 또한 이산화탄소의 광합성 전환에 의해 생성되는 유기 공급원료를 추출하기 위한 배출구(도시되지 않음)를 갖는다. 램프(204)는 재생 에너지를 사용하여 전력을 공급받을 수 있다.
일 실시형태에서, 시스템(10)에는 광원(204)에 전력을 공급하는데 사용될 수 있는 광전지 요소 및 관련 배터리 시스템이 제공된다. 일 변형에서는, 광원을 생략하고 태양광을 광원으로 사용한다. 다른 변형에서는, 태양광이 낮 시간 동안 광원으로 사용되고, 램프(204)가 밤 동안 광원으로서 사용됨으로써 광생물 반응기가 연속적으로 작동할 수 있도록 한다.
도 1 및 도 2로 돌아가면, 생분해 반응기(14)는 공기 공급기(13)에 연결된다. 일 실시형태에서, 공기 공급기는 압축기이다. 공기 공급기(13)에는 공급된 공기로부터 생물학적 물질을 걸러내기 위한 생물학적 필터가 장착될 수 있다. 공기 공급기(13)에 의해 생분해 반응기(14)에 공급된 공기는 광생물 반응기(12)에 의해 생산되는 유기 공급원료의 수소 가스로의 박테리아 유래 전환을 보조한다.
광생물 반응기(12)의 광합성 단계 및 생분해 반응기(14)의 생물분해 단계 동안, 용해된 유기물이 축적될 수 있다. 용해된 유기물은 계면활성제로 작용하여 발포체를 생성할 가능성이 있다. 각 반응기(12, 14)에서 발포체의 생산은 이산화탄소를 수소로 전환시키는 시스템(10)의 능력을 감소시킬 수 있다. 이를 방지하기 위해, 일 실시형태(도면에 도시되지 않음)에서, 광생물 반응기(12) 및 생분해 반응기(14) 각각은 또한 반응기들(12 및 14)에서 발포체가 형성되는 것을 방지하도록 구성된 소포제를 포함한다.
일 실시형태에서, 광생물 반응기(12) 및 생분해 반응기(14) 각각은 pH 센서들, 온도 센서들, 반응기 레벨 센서들, 및 광생물 반응기(12)로부터의 공급원료 생성 및 생분해 반응기(14)로부터의 가스 발생을 모니터링하기 위한 센서를 포함하는 수많은 센서들을 포함한다. 일 실시형태에서, 반응기들(12, 14)에는 반응기들로의 가스 유입을 모니터링하기 위한 로타미터(rotameter)들이 장착되어 있다. 시스템(10)은 또한 다양한 센서들로부터 정보를 수신하는 제어 시스템(도면에 도시되지 않음)을 포함한다. 제어 시스템은 반응 조건들을 최적화하여 수소를 가장 효율적으로 생성할 수 있도록 예를 들어, 반응기 온도, 조류 및 박테리아 로딩 속도 및 pH와 같은 파라미터들을 조정할 수 있다. 일반적으로, 보조 이산화탄소 공급 라인(32) 및 도관들(28, 30, 24)과 같은 공급 라인들 각각에는 시스템(10) 주변의 다양한 구성 요소의 흐름을 제어하기 위해 제어 시스템에 의해 작동 가능하고 제어 가능한 밸브들이 장착되어 있다. 제어 시스템에는 데이터 로거(datalogger)도 포함될 수 있다.
도 11은 리턴 라인(return line)(50)이 광생물 반응기(12)와 생분해 반응기(14)를 연결하는 일 실시형태를 도시한 것이다. 리턴 라인(50)은 생분해 반응기(14) 내의 생산물의 적어도 일부가 광생물 반응기(12)로 다시 이송(즉, 재순환)되도록 한다. 생분해 반응기(14)의 생산물을 광생물 반응기(12)에서 추가의 조류 처리에 적용하는 것은 시스템(10)의 유기체 공정을 통해 수소로의 전환에 더 많은 유기 공급원료를 이용가능하게 함으로써 이산화탄소의 수소로의 전환을 개선하는데 도움이 될 수 있다.
일 실시형태에서 생분해 반응기(14)는 하나 이상의 반응기를 갖는다. 도 12에서 가장 잘 볼 수 있는 바와 같이, 생분해 반응기(14)의 실시형태는 제 1 반응기(14a) 및 제 2 반응기(14b)를 갖는다. 반응기들(14a, 14b) 각각은 상이한 반응기 조건을 가질 수 있다. 예를 들어, 반응기들(14a 및 14b)은 제 1 및 제 2 생분해 공정을 수행하기 위해 상이한 박테리아 종을 가질 수 있다. 일 실시형태에서, 반응기들(14a 및 14b) 중 하나는 호기성 반응기이고 다른 하나는 혐기성 반응기이다. 일 실시형태에서, 반응기(14a)는 호기성 반응기이고 반응기(14b)는 혐기성 반응기이다. 2개 이상의 생분해 반응기가 사용되는 경우, 각 반응기의 반응 조건은 서로 독립적으로 작동될 수 있다.
리턴 라인(50)은 또한 2개 이상의 생분해 반응기가 사용될 때 사용될 수 있다. 예를 들어, 리턴 라인(50)은 반응기(14a 및/또는 14b)에 연결될 수 있다. 일 실시형태에서, 리턴 라인(50)은 호기성 반응기(예를 들어, 14a)와 광합성 반응기(12)를 연결한다. 이러한 구성은 혐기성 생분해 단계를 위한 집합적인 '피드 생산 단계'로 간주될 수 있다. 호기성 반응기를 사용하는 경우 공기 공급기(예를 들어, 13)를 반응기에 장착하여 공기를 공급할 수 있다. 일 실시형태에서, 호기성 반응기(14a)는 24시간 동안 작동되고 혐기성 반응기(14b)는 48시간 동안 작동된다.
2개의 반응기(14a 및 14b)가 도 12에 도시되어 있지만, 일 실시형태에서 단일 반응기를 사용하여 상이한 생분해 공정을 수행할 수 있다. 예를 들어, 일 실시형태에서, 단일 반응기가 설정되어 호기성 생분해가 먼저 수행된 다음 반응기 조건이 혐기성 생분해를 수행하도록 변경(예를 들어, 산소/공기 배출)되거나 그 반대의 경우도 마찬가지이다.
시스템(10)의 장점은 천연 가스의 액화로부터의 배출물과 같은 산업 공정으로부터의 이산화탄소 배출물을 제거하는데 사용될 수 있고 수소를 생산할 수 있다는 점이다. 이산화탄소를 격리하는 것보다 이산화탄소를 소비하는 동안 수소를 생산하면 이산화탄소 격리에 필요한 지중 형성의 필요성을 제거하는데 도움이 될 수 있다. 또한, 시스템(10)은 처리되어야 하는 이산화탄소의 양에 따라 필요에 따라 확장 또는 축소될 수 있는 반면, 이산화탄소 격리는 종종 다량의 이산화탄소에 대해서만 실행 가능하다.
시스템(100)의 다른 실시형태가 도 4에 도시되어 있다. 시스템(100)은 이산화탄소 공급원(11)이 가스 개질기(22)로부터 생성되는 폐이산화탄소 가스 스트림이라는 점을 제외하고는 시스템(10)과 유사하다. 가스 개질기(22)는 메탄 또는 배관형 천연 가스와 같은 탄화수소 공급원(26)을 증기 형성을 통해 수소로 전환시킨다. 증기 개질의 부산물은 이산화탄소이다. 도 4의 실시형태에서, 이산화탄소 부산물은 수집되고 가스 개질기(22)로부터 이산화탄소 공급 라인(28)을 통해 광생물 반응기(12)로 전달된다. 일산화탄소, 증기 및 수소와 같은 가스 개질기(22)에 의해 생성되는 다른 가스로부터 공급(28)의 이산화탄소를 분리하기 위해 가스 필터(29)가 이산화탄소 공급 라인(28)에 제공될 수 있다.
가스 개질기(22)에 의해 생산되는 수소는 수집되어 도관(36)을 통해 저장 용기(16)로 전달된다. 도관(36)에는 필터(37)가 제공되어 수소 가스 스트림으로부터 임의의 오염물을 제거할 수 있다. 일 실시형태에서, 생분해 반응기(14)는 또한 광생물 반응기(12)로부터의 유기 공급원료가 수소로 전환될 때 탄화수소들을 생산한다. 보조 탄화수소 공급 라인(34)은 생분해 반응기(14)에 의해 생성되는 탄화수소를 가스 개질기(22)로 통과시키기 위해 생분해 반응기(14)와 가스 개질기(22)를 연결한다. 일 실시형태에서, 보조 탄화수소 공급 라인(34)에는 개질기(22)로 전달되기 전에 생분해 반응기(14)에 의해 생성되는 탄화수소를 정화하기 위한 필터(35)가 장착된다.
가스 개질기(22)에 생분해 반응기(14)에서 생성되는 탄화수소를 공급하고 광생물 반응기(12)에 생분해 반응기(14)에서 생성되는 이산화탄소를 또한 공급하면, 탄화수소(예를 들어, 공급원(26)) 단위당 생성되는 수소의 양을 약 40%에서 약 65%로 증가시키는데 도움이 될 수 있으며, 이는 생성되는 수소의 양이 약 63% 증가하는 것을 나타낸다.
일 실시형태에서, 공급 라인들(32, 34), 및 도관(24)은 도 6에 도시된 바와 같이 매니폴드(102)에 연결된다. 매니폴드(102)는 생분해 반응기(14)의 가스 배출구에 연결된다. 매니폴드(102)에는 또한 필터가 장착되어 있어 수소, 이산화탄소 및 생분해 반응기(14)에 의해 생성되는 모든 탄화수소가 여과되어 각각의 라인들(24, 32, 34)을 통과한다. 도 4 및 도 6에 도시된 실시형태들에서, 보조 탄화수소 공급 라인(34)은 대안적으로 공급 라인(27)과 결합하여 개질기(22)로의 2개의 탄화수소 투입 라인들을 갖는 것보다 탄화수소의 단일 공급을 형성할 수 있다.
가스 개질기(22)는 열 교환기들(18, 20)과 열 연통하여 가스 개질기(22)에 의해 생성되는 열이 반응기(12 및/또는 14)를 가열하는데 사용된다. 반응기들(12, 14)을 가열하기 위해 개질기(22)로부터 생성되는 열을 이용하는 것은 반응기(12, 14)의 에너지 요구량을 줄이는데 도움이 된다.
일 실시형태에서, 시스템(10 및/또는 100)에는 수소와 같은 시스템의 사용에서 생성되는 가스(들)를 추출하기 위한 추출 시스템이 제공된다. 추출 시스템은 일반적으로 생분해 반응기(14)와 연통하여, 내부에서 생성되는 가스들을 추출할 것이다. 추출 시스템은 생분해 반응기(14)에서 반응 매질에 용해된 가스들의 가스 방출을 유발하기 위해 감압을 적용할 수 있다.
일 실시형태에서, 시스템(10 및/또는 100)은 선적 컨테이너들과 같은 구조물에 배치된다. 이 구조물은 이동식 구조물일 수 있다. 이 구조물은 모듈식일 수 있다. 광생물 반응기(12) 및 생분해 반응기(14)와 같은 시스템의 상이한 구성 요소는 각각의 반응기가 자신의 모듈 유닛으로서 제공되도록 상이한 구조에 제공될 수 있다. 이는 필요한 모듈식 유닛들을 추가하거나 차감하는 것을 통하여 시스템(10 및/또는 100)의 규모가 필요한 수소 산출량에 따른 필요에 따라 용이하게 확장 또는 축소될 수 있음을 의미한다.
수소를 생산하기 위한 공정 플랜트(300)의 일 실시형태의 개략도가 도 7에 도시되어 있으며 이것은 시스템(100)을 기반으로 한다. 공정 플랜트(300)는 그리드 에너지에 대한 더 낮은 전체 수요를 유지하기 위해 시스템(100)에 전력을 제공하는데 사용되는 태양광 발전 시스템(302)을 가지며, 일광 안전 장치로서 그리드 에너지가 일시적으로 중단되어야 한다. 일 실시형태에서, 공정 플랜트(300)는 2개의 20피트 해상 컨테이너의 풋프린트 내에 들어맞는다. 플랜트(300)의 다른 실시형태에서, 시스템(100)은 시스템(10)으로 대체된다.
시스템(100)(예를 들어, 플랜트(300))은 수소 차량 재충전소로서 이용될 수 있다. 그리드 가스는 인구가 많은 지역의 대부분의 위치에서 사용할 수 있으며 개질기(22)의 가스 공급원으로 사용할 수 있다. 기존 소매 그리드 가스 네트워크와 인프라를 사용하여 수소를 생성하는 이점은 수소를 충전소로 운송할 필요가 없이 수요에 따라 현장에서 수소를 생성할 수 있다는 점이다. 시스템(100)은 또한 예상 수요를 충족시키기 위해 대량의 수소를 저장할 필요성을 감소시킬 수 있다. 시스템(100)은 수소를 생성하기 위해 주유소에 위치한 생물 반응기들과 기존의 소매 가스 기반 시설을 결합한다. 광생물 반응기(12) 및 생분해 반응기(14)를 사용하여 개질기(22)로부터 생성되는 이산화탄소로부터 수소를 생성하면 시스템(100)으로 투입되는 가스 단위당 수소 산출량이 약 65% 증가하기 때문에, 더 작은 개질기를 사용할 수 있게 된다. 더 작은 개질기는 자본 및 운영 비용을 감소시키고 수소 비용을 줄이는데 도움이 된다.
도 8은 수소 차량 재충전소와 같은 별도의 위치에서 수소를 생성하기 위한 분배 시스템(400)의 실시형태를 도시한 것이다. 시스템(400)은 가스 네트워크들 및 기반 시설(404)을 통해 별도의 위치들(406a-d)에서 복수의 시스템(100)에 연결되는 그리드 가스 공급기(402)를 갖는다. 위치들(406a-d) 각각은 수소 차량 급유소일 수 있다. 각각의 시스템(100)은 각 위치(406a-d)의 수소 요구 사항에 따라 각 위치(406a-d)에서 수소를 생성하도록 최적화될 수 있다.
일 실시형태에서, 각각의 위치(406a-d)에서 시스템(100)은 약 500kg/day의 전체 수소 산출량과 함께 약 14,400L의 용량을 가질 수 있다. 시스템(10)이 LNG 플랜트로부터 생산되는 이산화탄소를 포집하기 위해 사용될 경우, 시스템(10)은 약 10,000kg/day의 전체 수소 산출량과 함께 약 11,700,000L의 용량을 가질 수 있다.
도면에 기술된 실시형태는 광생물 반응기(12) 및 생분해 반응기(14)를 별개의 반응기로 도시한 것이다. 그러나, 일 실시형태에서, 이산화탄소의 유기 공급원료로의 광합성 전환 및 유기 공급원료의 수소로의 생분해 전환은 동일한 반응기에서 일어날 수도 있으며, 이에 따라 광생물 반응기(12) 및 생분해 반응기(14)가 하나의 동일한 유닛이 될 수도 있다.
개시된 공정의 실시형태는 공기(0.0314%)에서보다 높은 농도의 이산화탄소(8% - 20% 사이)를 사용할 수 있으며, 주어진 질량의 수소 산출물에 대해 훨씬 더 적은 물 질량(수소 공급원)을 요구할 수 있다. 또한, 본 발명자들에 의해 합리적으로 예측된 바와 같이, 오늘날 알려진 기술과 비교하여, 개시된 공정의 실시형태는, 주어진 반응기 용기 크기에 대해 하루에 최대 500 - 2,000배 더 많은 수소를 생산할 수 있으며; 소비되는 이산화탄소 1kg당 최대 28배 더 많은 수소(kg)를 생산할 수 있고; 생산되는 수소 1kg당 최대 51배 더 많은 이산화탄소(kg)를 소비하며; 생물학적 시스템 내에서 사용 가능한 총 수소의 13%를 생성한다(대 0.009%).
도 9는 전기를 생성하는데 사용되는 시스템(600)의 실시형태를 도시한 것이다. 시스템(600)은 석탄 화력 발전소(602)를 갖는다. 발전소(602)의 연도 가스(flue gas)는 이산화탄소를 포함한다. 발전소(602)의 연도 가스는 시스템(10)으로부터의 광생물 반응기(12)와 유체 연통하고 제 1 폐이산화탄소 가스 스트림으로서 작용한다. 일 실시형태에서는, 필터가 발전소(602)와 광생물 반응기(12) 사이에 제공되어 연도 가스에서 이산화탄소 이외의 가스를 걸러낸다. 시스템(10)은 전술한 바와 같이 제 1 폐이산화탄소 스트림을 용기(16)에 저장될 수소로 전환시킨다. 시스템(600)에서, 수소 연료 전지(604)는 도관(606)에 의해 용기(16)에 연결된다. 용기(16)에 저장된 수소는 전기 생산을 위해 도관(606)을 통해 연료 전지(604)로 이송될 수 있다. 일 실시형태에서는, 용기(16) 및 도관(606)이 생략되며 생분해 반응기(14)에서 생산되는 수소는 도관(24)을 통해 연료 전지(604)로 직접 통과된다. 연료 전지(604)에 의해 생산되는 전기는 분배를 위해 발전소(602)에 공급될 수 있거나, 발전소(602)에 의해 생성되는 전력과 독립적으로 분배될 수 있다. 발전소로부터의 연도 가스에 존재하는 이산화탄소를 연료 공급원으로서 이용함으로써, 시스템(600)은 발전소(602)에 투입되는 석탄 단위로부터 더 많은 에너지를 추출하는 것을 도울 수 있다. 시스템(600)은 또한 석탄 화력 발전소에서 방출되는 이산화탄소의 양을 줄이는데 도움이 될 수 있다.
도 10은 전기를 생성하는데 사용되는 시스템(700)의 다른 실시형태를 도시한 것이다. 시스템(700)은 가스 화력 발전소(702)를 포함한다. 가스 화력 발전소는 천연 가스와 같은 탄화수소로 작동할 수 있다. 발전소(702)의 연도 가스는 이산화탄소를 포함한다. 발전소(702)의 연도 가스는 시스템(10)으로부터의 광생물 반응기(12)와 유체 연통하고 제 1 폐이산화탄소 가스 스트림으로서 작용한다. 일 실시형태에서는, 필터가 이산화탄소 이외의 가스들을 걸러내기 위해 발전소(702)와 광생물 반응기(12) 사이에 제공된다. 시스템(10)은 전술한 바와 같이 제 1 폐이산화탄소 스트림을 용기(16)에 저장될 수소로 전환시킨다. 용기(16)는 도관(704)에 의해 발전소(702)에 연결된다. 도관(704)은 용기(16)에 저장된 수소가 발전소(702)로 이송되는 것을 허용하며, 여기서 수소 가스는 탄화수소 가스와 혼합되어 발전소(702)에서 연소되는 수소 농축 가스를 형성할 수 있다. 시스템(700)에는 또한 선택적으로 보조 탄화수소 공급 라인(706)이 장착될 수 있다. 메탄과 같은 생분해 반응기(14)에서 생산되는 임의의 탄화수소는 도관(706)을 통해 발전소(702)로 이송되고 발전소(702)에서 연소되는 천연 가스와 혼합될 수 있다. 시스템(10)에 의해 생산되는 수소 및 선택적으로 탄화수소는 발전소(702)에서 연소되는 1차 가스 투입을 보충하는데 사용된다. 연료 공급원로서 발전소로부터의 연도 가스 내의 이산화탄소를 이용함으로써, 시스템(700)은 발전소(702)에 투입되는 가스 단위로부터 더 많은 에너지를 추출하는 것을 도울 수 있다. 시스템(700)은 또한 가스 화력 발전소에서 방출되는 이산화탄소의 양을 줄이는데 도움이 될 수 있다.
실시예들
실시형태들을 이제 비제한적인 실시예들을 사용하여 설명하도록 한다.
실시예 1
랩 테스트(lab test)의 일 실시형태는 다음과 같다.
0.5 내지 1.0 VVM의 유속에서의 공기 및 CO2 주입을 통해 120L의 배양 배지 용액과 5 리터의 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris) 종의 접종원을 반응기가 순환 및 제거에 충분한 바이오매스 리프랙션을 가질 때까지 광합성 반응기 내부에서 4일 동안 처리했다. 광생물 반응기에는 400 - 1500 - 1800 μEm-2s-1의 청색 및 적색 파장을 갖는 2개의 12V LED가 장착되었다.
광합성 반응기에서 생산되는 바이오매스의 일부(60%)는 바이오매스(예를 들어, 당)를, 수소를 포함하는 가스로 분해하기 위해 생분해 반응기로 이송되었다. 나머지 40%의 바이오매스는 광합성 반응기의 접종원 또는 생물비료 공급원료로 사용하기 위해 저장되었다.
생분해 반응기에서, 48시간 동안 0.8 VVM에서 대기 가스의 주입을 통해 바이오매스가 생물 반응기에서 B. subtilis의 2x1011 농도(ml당 세포)로 15 리터의 접종원과 함께, 호기성 레짐에 주입되었고, 그 후 생분해 반응기가 농도 1.5 x 1010 (ml당 세포)의 혐기성 박테리아 A. aerogenes를 갖는 혐기성 레짐으로 이송되었다.
생분해 반응기의 바이오매스는 48시간 동안 분해되어, 배기 시스템에 의해 제거되고 여과에 의해 각각의 성분(예를 들어, CO2 스트림, H2 스트림, CH4 스트림)으로 분리된 가스들을 형성하였으며, 이 가스들은 H2를 생산하는데 사용되는 시스템의 요구 사항에 따라 재순환되거나 제거 및 저장되었다. 분해 이후, 분해된 영양소, 박테리아 및 물을 포함하는 액체가 시스템의 접종원으로서 또는 생물비료 토양 조절제로서 재사용되었다.
실시예 2
0.2 내지 0.8 VVM의 유속에서의 공기 및 CO2 주입을 통해 120L의 배양액 용액과 5 리터의 클로렐라 불가리스 종의 접종원을 반응기가 순환 및 제거에 충분한 바이오매스 리프랙션을 가질 때까지 광합성 반응기 내부에서 48시간 동안 사용되었다. 이산화탄소의 농도는 8-20 vol% 범위였다. 광생물 반응기에는 400 - 1500 - 1800 μEm-2s-1의 청색 및 적색 파장을 갖는 2개의 12V LED가 장착되었다.
광합성 반응기에서 생산되는 바이오매스의 일부(60%)는 바이오매스(예를 들어, 당)를, 수소를 포함하는 가스로 분해하기 위해 생분해 반응기로 이송되었다. 생분해 반응기로 이송된 바이오매스는 약 78%의 탄수화물 수율을 가지며, 약 35%의 글루코스 당량과 갈락토스 변이체로 구성되었다. 나머지 40%의 바이오매스는 광합성 반응기의 접종원 또는 생물비료 공급원료로 사용하기 위해 저장되었다.
생분해 반응기에서, 24시간 동안 0.8 VVM에서 대기 가스의 주입을 통해 바이오매스가 생물 반응기에서 B. subtilis의 2x1011 농도(ml당 세포)로 15 리터의 접종원과 함께, 호기성 레짐에 주입되었고, 그 후 생분해 반응기가 48시간 동안 농도 1.5 x 1010 (ml당 세포)의 혐기성 박테리아 A. aerogenes를 갖는 혐기성 레짐으로 이송되었다.
실시예 3
실시예 2를 반복하되, 8010L의 배양 배지 및 335L의 클로렐라 불가리스가 광합성 반응기에서 48시간 동안 배양되었다. 광생물 반응기에서 생산되는 바이오매스의 60%가 1000L의 B. subtilis가 있는 호기성 생분해 반응기로 이송되어 24시간 동안 배양되었다. 호기성 생분해 후, A. aerogenes를 사용한 혐기성 생분해를 수행하여 81kg/day의 수소 가스, 513kg/day의 이산화탄소, 596kg/day의 메탄을 생산하였다.
본 개시의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 상술한 실시형태에 대해 많은 수정이 이루어질 수 있다는 것이 당업자에게 이해될 것이다. 상술한 실시형태는 예시일 뿐이며 본 개시의 범위를 제한하려는 것은 아니다.
아래의 청구범위 및 앞의 설명에서, 문맥이 명시적 언어 또는 필요한 함축으로 인해 달리 요구하는 경우를 제외하고, 단어 "포함하다" 또는 그 변형은 포괄적인 의미로 사용되며, 즉 언급된 특징의 존재를 명시하지만 다양한 실시형태에서 추가 특징의 존재 또는 부가를 배제하지 않는다.

Claims (34)

  1. 이산화탄소 가스 스트림으로부터 수소 가스 스트림을 생성하는 공정으로서,
    (i) 광합성 단계에서 조류 공급원(algal source)을 사용하여 제 1 폐이산화탄소 가스 스트림(a first waste carbon dioxide gas stream)을 유기 공급원료로 전환하는 단계; 및
    (ii) 호기성 생분해 단계 및 혐기성 생분해 단계를 포함하는 생분해 단계에서 유기체를 사용하여 상기 유기 공급원료를 제 1 수소 가스 스트림 및 가스 부산물로 전환시키는 단계;
    를 포함하는 공정.
  2. 제 1 항에 있어서,
    단계 (ii)로부터 가스 부산물을 수집하고 상기 가스 부산물을 여과하여 제 2 폐이산화탄소 가스 스트림을 단리하는 단계; 및 선택적으로 상기 제 2 폐이산화탄소 스트림을 단계 (i)로 이송하는 단계;를 더 포함하는 공정.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    단계 (i)는 광자 공급원이 장착된 미생물 반응기에서 수행되는 공정.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 호기성 생분해 단계는 상기 혐기성 생분해 단계 전에 수행되는 공정.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 호기성 생분해 단계의 생성물의 적어도 일부가 상기 혐기성 생분해 단계 전에 단계 (i)에서 상기 조류 공급원과 혼합되는 공정.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 (ii)는 하나 이상의 생분해 반응기에서 수행되는 공정.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 폐이산화탄소 가스 스트림은 천연 가스와 같은 탄화수소 공급원으로부터 2차 수소 가스 스트림을 형성하는 가스 개질기로부터 생성되는 공정.
  8. 제 7 항에 있어서,
    단계 (i) 및/또는 단계 (ii)의 온도는 상기 가스 개질기로부터 생성된 열의 적어도 일부를 이용함으로써 조절되는 공정.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 가스 부산물을 여과하여 폐탄화수소 가스 스트림(waste hydrocarbon gas stream)을 단리하는 단계를 더 포함하며, 여기서 상기 폐탄화수소 가스 스트림은 상기 탄화수소 공급원을 보충하기 위해 사용되는 공정.
  10. 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 수소 가스 스트림은 상기 가스 개질기에 의해 생성된 상기 2차 수소 가스 스트림을 보충하는 공정.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 (i) 및/또는 단계 (ii)에서 생성된 바이오매스 폐스트림(biomass waste stream)을 수집하는 단계를 더 포함하는 공정.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 (i) 및 단계 (ii)가 동일한 반응기에서 일어날 수 있는 공정.
  13. 이산화탄소 가스 스트림으로부터 수소 가스 스트림을 생성하는 공정으로서,
    (i) 제 1 폐이산화탄소 가스 스트림과 조류 공급원을 혼합하여 유기 공급원료를 형성하는 단계;
    (ii) 제 1 생분해 단계에서 유기 공급원료를 처리하여 제 1 생분해 생성물을 생성하는 단계; 및
    (iii) 제 2 생분해 단계에서 상기 제 1 생분해 생성물을 처리하여 수소 가스를 생성하는 단계;를 포함하며,
    여기서, 단계 (iii) 이전에, 상기 제 1 생분해 생성물의 적어도 일부가 단계 (i)에서 상기 조류 공급원과 혼합되는 공정.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 생분해 단계는 호기성이고 상기 제 2 생분해 단계가 혐기성인 공정.
  15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    상기 공정은 다르게는 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에서 정의되는 것인 공정.
  16. 전기를 생성하는 방법으로서,
    제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 따라 수소 가스 스트림을 생성하고 전기 생성 단계에서 상기 수소 가스 스트림을 연료 공급원으로서 사용하는 단계를 포함하는 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 전기 생성 단계는,
    - 상기 수소 가스 스트림을 연료 전지에 통과시켜 전기를 생성하는 단계; 또는
    - 가연성 연료를 상기 수소 가스 스트림으로 농축하여 수소 농축 연료를 형성하고 상기 수소 농축 연료를 연소시켜 발전기를 구동하는 단계;를 포함하는 방법.
  18. 이산화탄소 가스 스트림으로부터 수소 가스 스트림을 생성하기 위한 시스템으로서,
    조류 공급원을 사용하여 제 1 폐이산화탄소 가스 스트림을 유기 공급원료로 전환하도록 구성되며, 이산화탄소 가스 스트림을 수용하기 위한 유입구 및 유기 공급원료 배출구를 갖는 광합성 반응기; 및
    상기 유기 공급원료를 수용하기 위해 유기 공급원료 배출구와 연통하는 유입구를 포함하는 생분해 반응기;를 포함하며,
    상기 생분해 반응기는 호기성 생분해 반응기 및 혐기성 생분해 반응기로서 구성되어 유기체를 사용하여 상기 광합성 반응기로부터의 상기 유기 공급원료를 상기 수소 가스 스트림으로 전환하는, 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 호기성 생분해 반응기는 상기 혐기성 생분해 반응기와 별도의 반응기로서 구성되는 시스템.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 광합성 반응기 및 상기 생분해 반응기는 하나의 동일한 유닛인 시스템.
  21. 제 18 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 생분해 반응기에서 생성된 이산화탄소를 상기 광합성 반응기로 이송하기 위한 보조 이산화탄소 공급 라인을 더 포함하며, 상기 보조 이산화탄소 공급 라인은 이산화탄소 이외의 가스를 여과하기 위한 필터를 포함하는 시스템.
  22. 제 18 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    탄화수소를 제 2 수소 가스 스트림 및 상기 제 1 폐이산화탄소 가스 스트림으로 전환하기 위한 가스 개질기를 더 포함하며,
    상기 제 2 수소 가스 스트림은 수소 저장 용기와 유체 연통하고,
    상기 제 1 폐이산화탄소 가스 스트림은 상기 광합성 반응기와 유체 연통하는 시스템.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 생분해 반응기에서 생성된 탄화수소들을 상기 가스 개질기로 전달하기 위해 상기 생분해 반응기와 상기 가스 개질기를 연결하는 보조 탄화수소 공급 라인을 더 포함하며, 상기 보조 탄화수소 공급 라인은 탄화수소 이외의 가스를 여과하기 위한 필터를 포함하는 시스템.
  24. 제 18 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 생분해 반응기에서 형성된 생성물의 적어도 일부를 상기 광합성 반응기로 이송하기 위한 이송 라인을 더 포함하는 시스템.
  25. 이산화탄소를 포함하는 가스 스트림으로부터 이산화탄소를 격리(sequestering)하는 공정으로서,
    광합성 단계에서 조류 공급원을 사용하여 상기 가스 스트림 내의 상기 이산화탄소를 유기 공급원료로 전환하는 단계; 및
    유기체를 사용하여 상기 유기 공급원료를, 호기성 생분해 단계에서 정제된 바이오매스로 전환시키는 단계;
    를 포함하는 공정.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 호기성 생분해 단계 (ii)로부터 생성된 상기 정제된 바이오매스의 적어도 일부가 상기 광합성 단계 (i)에서 상기 조류 공급원과 혼합되도록 이송되는 공정.
  27. 제 25 항 또는 제 26 항에 있어서,
    상기 생분해 단계 (iii)에서, 유기체를 사용하여, 단계 (ii)에서 생성된 상기 정제된 바이오매스를 전환함으로써 수소가 생성되는 공정.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 생분해 단계 (iii)가 혐기성인 공정.
  29. 제 25 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공정은 다르게는 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 기재된 바와 같은 공정.
  30. 이산화탄소 가스 스트림으로부터 글루코스의 생성을 증가시키는 공정으로서,
    광합성 단계에서 조류 공급원을 사용하여 상기 이산화탄소 가스 스트림을 유기 공급원료로 전환시키는 단계 - 상기 공급원료는 글루코스를 포함함 -; 및
    상기 글루코스를 포함하는 상기 유기 공급원료를 호기성 생분해 단계에 적용하여 바이오매스를 생성하는 단계;를 포함하며,
    상기 호기성 생분해 단계에서 생성된 상기 바이오매스의 일부는 상기 조류 광합성 단계로 재순환되어 상기 유기 공급원료에서 글루코스 생성을 증가시키는 공정.
  31. 제 30 항에 있어서,
    생분해 단계 (iii)에서, 유기체를 사용하여, 단계 (i)에서 생성된 상기 글루코스를 전환함으로써 알코올들이 생성되는 공정.
  32. 제 31 항에 있어서,
    상기 생분해 단계 (iii)는 혐기성인 공정.
  33. 제 31 항 또는 제 32 항에 있어서,
    상기 알코올은 메탄올을 포함하는 공정.
  34. 제 30 항 내지 제 33 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공정은 다르게는 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 기재된 바와 같은 공정.
KR1020237010885A 2019-03-25 2020-03-25 수소를 생성하기 위한 공정 및 시스템 KR20230047516A (ko)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
AU2019900999 2019-03-25
AU2019900999A AU2019900999A0 (en) 2019-03-25 Process and system for generating hydrogen
KR1020217034421A KR20210143862A (ko) 2019-03-25 2020-03-25 수소를 생성하기 위한 공정 및 시스템
PCT/AU2020/050285 WO2020191442A1 (en) 2019-03-25 2020-03-25 Process and system for generating hydrogen

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020217034421A Division KR20210143862A (ko) 2019-03-25 2020-03-25 수소를 생성하기 위한 공정 및 시스템

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20230047516A true KR20230047516A (ko) 2023-04-07

Family

ID=72608384

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020237010885A KR20230047516A (ko) 2019-03-25 2020-03-25 수소를 생성하기 위한 공정 및 시스템
KR1020217034421A KR20210143862A (ko) 2019-03-25 2020-03-25 수소를 생성하기 위한 공정 및 시스템

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020217034421A KR20210143862A (ko) 2019-03-25 2020-03-25 수소를 생성하기 위한 공정 및 시스템

Country Status (9)

Country Link
US (1) US20220010250A1 (ko)
EP (1) EP3947262A4 (ko)
JP (1) JP7455140B2 (ko)
KR (2) KR20230047516A (ko)
CN (1) CN113811508A (ko)
AU (2) AU2020245709B2 (ko)
BR (1) BR112021019211A2 (ko)
CA (1) CA3130064A1 (ko)
WO (1) WO2020191442A1 (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
IT202100015770A1 (it) * 2021-06-16 2022-12-16 Fausto Maria Ventriglia Processo integrato per la produzione sostenibile ed autonoma di idrogeno senza emissione di CO2 e relativo sistema
WO2023081975A1 (en) * 2021-11-12 2023-05-19 Hydrobe Pty Ltd Production of biomass

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04334729A (ja) * 1991-05-08 1992-11-20 Toyo Eng Corp 発電方法
JP2511336B2 (ja) * 1991-05-15 1996-06-26 株式会社荏原総合研究所 有機性汚水や汚泥からの水素生産法及び装置
DE10059372A1 (de) * 2000-11-29 2002-06-06 Jansen Marcel Vorrichtung zur photolytischen Wasserstoffproduktion - biophotolytischer Verbundreaktor
JP3935197B2 (ja) * 2001-09-28 2007-06-20 旭男 多田 バイオマス利用の二酸化炭素除去方法及び装置
JP2004057045A (ja) * 2002-07-26 2004-02-26 Yoshiatsu Miura 微生物による水素生産方法
JP2004097116A (ja) * 2002-09-10 2004-04-02 Yoshiatsu Miura 微生物による水素生産方法、微生物による水素生産装置
US7276095B2 (en) * 2003-03-14 2007-10-02 General Motors Corporation Fuel processor module for hydrogen production for a fuel cell engine using pressure swing adsorption
US20050003247A1 (en) * 2003-07-01 2005-01-06 Ai-Quoc Pham Co-production of hydrogen and electricity using pyrolysis and fuel cells
AR071748A1 (es) * 2008-03-13 2010-07-14 Evolution Energy Production Inc Metodos y sistemas para producir biocombustibles y productos bioenergeticos a partir de compuestos xenobioticos
JP2013542710A (ja) * 2010-04-27 2013-11-28 キベルディ インコーポレイテッド 無機炭素源および／またはｃ１炭素源から有用有機化合物への非光合成炭素の回収および変換のための酸水素微生物の使用
US20120144887A1 (en) * 2010-12-13 2012-06-14 Accelergy Corporation Integrated Coal To Liquids Process And System With Co2 Mitigation Using Algal Biomass
US9034595B2 (en) * 2011-12-14 2015-05-19 Exxonmobil Research And Engineering Company Integrated bioprocessing for fuel production
US20150159126A1 (en) * 2012-06-04 2015-06-11 Western Hydrogen Limited System for hydrogen production and carbon sequestration
KR101465086B1 (ko) * 2012-07-04 2014-11-27 포항공과대학교 산학협력단 조류를 이용한 수소생산장치 및 방법
CN103290059B (zh) * 2013-04-26 2014-08-20 上海交通大学 一种实现太阳能利用的生物化工新工艺
US9902977B2 (en) * 2013-08-27 2018-02-27 Industry Academic Cooperation Foundation. Daegu University Process of producing bioenergy with low carbon dioxide emissions and zero-waste of biomass

Also Published As

Publication number Publication date
EP3947262A4 (en) 2023-01-18
CA3130064A1 (en) 2020-10-01
EP3947262A1 (en) 2022-02-09
BR112021019211A2 (pt) 2021-12-14
US20220010250A1 (en) 2022-01-13
KR20210143862A (ko) 2021-11-29
AU2023208096A1 (en) 2023-08-17
AU2020245709B2 (en) 2023-04-27
WO2020191442A1 (en) 2020-10-01
AU2020245709A1 (en) 2021-10-07
JP2022529136A (ja) 2022-06-17
JP7455140B2 (ja) 2024-03-25
CN113811508A (zh) 2021-12-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kapoor et al. Advances in biogas valorization and utilization systems: A comprehensive review
Asimakopoulos et al. Reactor systems for syngas fermentation processes: A review
CN105112285B (zh) 改进的发酵中碳捕捉
US9365870B2 (en) Integrated processes for anaerobic conversion of hydrogen and carbon oxides to alcohol
US8262776B2 (en) Photosynthetic carbon dioxide sequestration and pollution abatement
EP2521790B1 (en) Biological and chemical process utilizing chemoautotrophic microorganisms for the chemosynthetic fixation of carbon dioxide and/or other inorganic carbon sources into organic compounds, and the generation of additional useful products
AU2023208096A1 (en) Process and system for generating hydrogen
CN108603201A (zh) 整合发酵和电解工艺
Show et al. Biohydrogen production from algae: perspectives, challenges, and prospects
Borzooei et al. Feasibility analysis for reduction of carbon footprint in a wastewater treatment plant
US20130217082A1 (en) Algae Biofuel Carbon Dioxide Distribution System
Sharma et al. Biohydrogen economy: challenges and prospects for commercialization
US20150159126A1 (en) System for hydrogen production and carbon sequestration
AU2010264093B2 (en) Diphasic algal culture system
Cea‐Barcia et al. Biogas purification via optimal microalgae growth: A literature review
CN103290059B (zh) 一种实现太阳能利用的生物化工新工艺
US20200318142A1 (en) Algal biofuel production as an air separation unit for syngas, hydrogen, or power production
Yan et al. Effect of Excess CO2 on Semi-Continuous Microalgae Systems: Carbon Biofixation
JPWO2020191442A5 (ko)

Legal Events

Date Code Title Description
A107 Divisional application of patent