KR20230057856A - Electrochemical bioreactor for Hydrogen or Polyhydroxybutyrate production using carbon dioxide conversion and method for processing using thereof - Google Patents

Electrochemical bioreactor for Hydrogen or Polyhydroxybutyrate production using carbon dioxide conversion and method for processing using thereof Download PDF

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KR20230057856A
KR20230057856A KR1020210142107A KR20210142107A KR20230057856A KR 20230057856 A KR20230057856 A KR 20230057856A KR 1020210142107 A KR1020210142107 A KR 1020210142107A KR 20210142107 A KR20210142107 A KR 20210142107A KR 20230057856 A KR20230057856 A KR 20230057856A
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부산대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a bioelectrochemical reactor for producing hydrogen or polyhydroxybutyrate through carbon dioxide conversion and a processing method using the same, and more specifically, to a bioelectrochemical reactor, in which electrons required for a bioconversion reaction, that is, the reducing power, is sufficiently supplied to reduce carbon dioxide, thereby generating useful substances such as hydrogen or polyhydroxybutyrate on the electrode surface and being capable of cultivating microorganisms that catalyze the useful substances at the same time, and a processing method using the same.

Description

이산화탄소 전환을 통한 수소 또는 폴리히드록시부티레이트 생성을 위한 생물전기화학반응기 및 이를 이용한 공정 방법{Electrochemical bioreactor for Hydrogen or Polyhydroxybutyrate production using carbon dioxide conversion and method for processing using thereof}Electrochemical bioreactor for Hydrogen or Polyhydroxybutyrate production using carbon dioxide conversion and method for processing using it}

본 발명은 이산화탄소 전환을 통한 수소 또는 폴리히드록시부티레이트 생성을 위한 생물전기화학반응기 및 이를 이용한 공정 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 생물전환반응에 필요한 전자, 즉 환원력이 충분히 공급되어 이산화탄소를 환원시킴으로써 전극 표면 상에서 수소 또는 폴리히드록시부티레이트와 같은 유용 물질을 생성하는 동시에 이를 촉매하는 미생물을 배양할 수 있는 생물전기화학반응기 및 이를 이용한 공정 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a bioelectrochemical reactor for producing hydrogen or polyhydroxybutyrate through carbon dioxide conversion and a process method using the same. It relates to a bioelectrochemical reactor capable of producing useful substances such as hydrogen or polyhydroxybutyrate on a surface and simultaneously culturing microorganisms that catalyze the same, and a process method using the same.

신재생에너지 보급 정책과 수소경제 로드맵 수립을 통해 수소연료전지 자동차 및 친환경발전시스템의 상용화와 같은 수소사회를 대비하여, 지속가능한 그린수소 생성 기술의 필요성이 급격히 대두되고 있다. 현재, 천연가스나 화석연료의 개질반응에 의한 수소 생성이 가장 가격경쟁력이 있다고 알려져 있으나, 화석연료의 사용으로 인한 이산화탄소 배출 등의 문제점으로 인해 이산화탄소를 배출하지 않는 탄소 중립 또는 탄소 네거티브 친환경 수소 생산 기술에 대한 필요성이 급격히 대두되고 있다. 특히 화학촉매공정은 탄소침적으로 인한 촉매의 피독현상과 공정 성능저하가 문제점으로 지적되었다. 수소경제 로드맵의 현실화를 위하여 화석연료 개질 및 석유화학공정의 정제, 그리고 신재생에너지를 활용한 전기분해 등의 수소 생성 방법이 고려되고 있으나 이와 동시에 수소를 경제적이고 안정적으로 생성하기 위한 다양한 기술 개발이 필요하다.In preparation for a hydrogen society, such as the commercialization of hydrogen fuel cell vehicles and eco-friendly power generation systems through the establishment of new renewable energy supply policies and hydrogen economy roadmaps, the need for sustainable green hydrogen generation technology is rapidly emerging. Currently, it is known that hydrogen generation by reforming reaction of natural gas or fossil fuel is the most price-competitive, but carbon neutral or carbon negative eco-friendly hydrogen production technology that does not emit carbon dioxide due to problems such as carbon dioxide emission due to the use of fossil fuel. The need for is rapidly emerging. In particular, the chemical catalyst process has been pointed out as a problem of catalyst poisoning and process performance degradation due to carbon deposition. For the realization of the hydrogen economy roadmap, hydrogen generation methods such as fossil fuel reforming, refinement of petrochemical processes, and electrolysis using renewable energy are being considered, but at the same time, various technologies are being developed to generate hydrogen economically and stably. need.

기존 수전해 수소 생성은 산화전극과 환원전극에 약 2V 이상의 전압을 인가해 환원전극에서 수소를 생성하는 방법으로 고순도의 수소를 생성할 수 있는 장점이 있으나, 과전압 발생으로 인한 전극부식, 수전해 촉매의 사용, 시스템의 내구성이 문제점으로 지적되고 있으며, 투입 전력량을 고려한 수소 생성 가격은 개질 수소의 두 배 정도로 보고되고 있다.Existing water electrolysis hydrogen generation is a method of generating hydrogen at the cathode by applying a voltage of about 2V or higher to the anode and cathode, and has the advantage of producing high-purity hydrogen. The use of and durability of the system are pointed out as problems, and the price of hydrogen generation considering the amount of power input is reported to be about twice that of reformed hydrogen.

산화전극 : 2H2O → 4H+ + 4e- + O2 Anode: 2H 2 O → 4H + + 4e - + O 2

환원전극 : 4H+ + 4e- → 2H2 Cathode: 4H + + 4e - → 2H 2

수전해를 위해서는 백금 및 비백금 촉매 등이 사용되고 있으나, 피독현상 및 촉매활성 저하 등으로 시스템의 내구성 및 안정성이 낮은 실정이며, 수전해를 통한 수소 생성 가격은 추가적으로 낮추기 어려운 실정이다. 한편, 최근 온실가스 저감에 대한 경제 및 산업적 필요성이 급격히 증대되고 있으며, 이산화탄소를 포집/저장하는 단순 저감 기술에서 이산화탄소를 원료로 사용해 유용한 화학물질로 전환하는 고부가화 공정개발로 기술개발 및 실용화의 축이 이동되고 있다. Although platinum and non-platinum catalysts are used for water electrolysis, the durability and stability of the system are low due to poisoning and deterioration of catalyst activity, and it is difficult to further lower the price of hydrogen generation through water electrolysis. On the other hand, the economic and industrial necessity for greenhouse gas reduction has recently been rapidly increasing, and the axis of technology development and commercialization has been developed from a simple reduction technology that captures and stores carbon dioxide to a high value-added process that uses carbon dioxide as a raw material and converts it into useful chemicals. is being moved

가장 산화된 형태의 카본인 이산화탄소를 유용한 물질로 바꾸기 위해서는 외부에서 전자의 형태로 환원력이 공급되어야 하며, 이를 위해 생물전기화학반응기와 미생물을 사용해 이산화탄소를 환원시켜 유용물질로 전환할 수 있음이 보고되고 있다(특허문헌 002).In order to change carbon dioxide, the most oxidized form of carbon, into a useful material, reducing power in the form of electrons must be supplied from the outside. There is (Patent Document 002).

본 발명에서 새롭게 제안하는 광독립영양 생물전기화학반응기는 이산화탄소로부터 수소 또는 폴리히드록시부티레이트 등의 유용물질의 생산과 동시에 이 반응을 촉매하는 미생물을 배양하는 탄소 네거티브 공정 개발이 가능하므로 기존 화석연료 개질 및 수전해 수소 생성 공정에 비해 저탄소사회 구현 및 온실가스 감축에 더 효과적이다.The photoautotrophic bioelectrochemical reactor newly proposed in the present invention can produce useful substances such as hydrogen or polyhydroxybutyrate from carbon dioxide and at the same time develop a carbon negative process that cultivates microorganisms that catalyze this reaction, thereby reforming existing fossil fuels. It is more effective in realizing a low-carbon society and reducing greenhouse gases than water electrolysis hydrogen generation process.

산화전극 : 2H2O → 4H+ + 4e- + O2 Anode: 2H 2 O → 4H + + 4e - + O 2

환원전극 : 4H+ + 4e- + CO2 → 2H2 + 미생물 촉매, 폴리히드록시부티레이트 등Cathode: 4H + + 4e - + CO 2 → 2H 2 + Microbial catalyst, polyhydroxybutyrate, etc.

미생물을 촉매로 사용하는 생물전환공정은 저농도 이산화탄소에 대한 반응성이 크므로 기존 화학촉매공정에서 적용이 어려운 저농도 이산화탄소 또는 불순물을 포함하는 철강 및 발전소 등 산업체 배출 가스에 적용 가능하다. 생물공정은 고온 고압에서 운전되는 화학공정에 비해 상온 상압에서 운전 가능하므로 운전비용의 절감이 가능하다. 또한 미생물 촉매는 스스로 자기복제가 가능한 촉매이므로 공정의 안정성과 경제성이 크다.The bioconversion process using microorganisms as a catalyst is highly reactive to low-concentration carbon dioxide, so it can be applied to industrial exhaust gases such as steel and power plants containing low-concentration carbon dioxide or impurities that are difficult to apply in existing chemical catalyst processes. Compared to chemical processes operated at high temperatures and high pressures, biological processes can be operated at room temperature and normal pressure, so operation costs can be reduced. In addition, since the microbial catalyst is a catalyst capable of self-replication, the stability and economy of the process are high.

현재 상용화된 개질이나 수전해를 통한 수소 생성의 문제점을 보완하고 수소 생성과 이산화탄소의 저감 및 전환이 동시에 가능한 공정 방법을 개발하기 위해 본 발명가들은 이산화탄소 전환을 통해 수소 및 폴리히드록시부티레이트 생성을 달성할 수 있는 광독립영양 생물전기화학반응기를 제안하였다.In order to supplement the problems of hydrogen generation through reforming or water electrolysis currently commercialized and to develop a process method capable of reducing and converting hydrogen and carbon dioxide at the same time, the present inventors are trying to achieve hydrogen and polyhydroxybutyrate production through carbon dioxide conversion. A photoautotrophic bioelectrochemical reactor capable of

Photoautotrophic hydrogen production of Rhodobacter sphaeroides in a microbial electrosynthesis cell. Bioresource Technology. 320 (2021) 124333Photoautotrophic hydrogen production of Rhodobacter sphaeroides in a microbial electrosynthesis cell. Bioresource Technology. 320 (2021) 124333

대한민국 등록특허공보 제10-2193010호 Republic of Korea Patent Registration No. 10-2193010

본 발명의 목적은 생물전환반응에 필요한 전자, 즉 환원력이 충분히 공급되어 이산화탄소를 환원시킴으로써 전극 표면 상에서 수소 또는 폴리히드록시부티레이트와 같은 유용 물질을 생성하고 동시에 이러한 유용 물질을 합성하는 미생물을 전극 표면 상에 배양할 수 있는 생물전기화학반응기 및 이를 이용한 공정 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to produce useful substances such as hydrogen or polyhydroxybutyrate on the electrode surface by reducing carbon dioxide by sufficiently supplying electrons necessary for the bioconversion reaction, that is, reducing power, and at the same time, microorganisms synthesizing these useful substances on the electrode surface. It is to provide a bioelectrochemical reactor that can be cultured in and a process method using the same.

본 발명의 또 다른 목적은 이산화탄소의 전환 공정을 통해 온실가스 중 하나인 이산화탄소를 단순히 포집하거나 저장하는 것이 아니라 이를 고부가 가치 화합물로 전환하는 생물전기화학반응기 및 이를 이용한 공정 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a bioelectrochemical reactor and a process method using the same for converting carbon dioxide, one of greenhouse gases, into high value-added compounds rather than simply capturing or storing carbon dioxide through a carbon dioxide conversion process.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있다.The technical problems to be achieved by the present invention are not limited to the above-mentioned technical problems, and other technical problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the description of the present invention.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 이산화탄소 전환을 통한 수소 또는 폴리히드록시부티레이트 생성을 위한 생물전기화학반응기 및 이를 이용한 공정 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a bioelectrochemical reactor for generating hydrogen or polyhydroxybutyrate through carbon dioxide conversion and a process method using the same.

본 발명은 산화전극이 내부에 위치하고, 전기분해를 통해 전자 및 수소 이온이 생성되는 산화 챔버;The present invention includes an oxidation chamber in which an oxidation electrode is located and electrons and hydrogen ions are generated through electrolysis;

미생물이 접종되는 환원전극이 내부에 위치하고, 이산화탄소 가스가 연속적으로 공급되어 상기 환원전극에 환원전위가 인가되어 광반응 미생물이 이산화탄소를 전환하는 환원 챔버;a reduction chamber in which a reduction electrode in which microorganisms are inoculated is located, and carbon dioxide gas is continuously supplied to apply a reduction potential to the reduction electrode so that photoreactive microorganisms convert carbon dioxide;

상기 산화 챔버에서 생성된 수소 이온을 상기 환원 챔버로 전달하기 위해 상기 산화 챔버와 환원 챔버 사이에 위치한 이온교환막; 및an ion exchange membrane positioned between the oxidation chamber and the reduction chamber to transfer hydrogen ions generated in the oxidation chamber to the reduction chamber; and

상기 산화전극 및 환원전극이 외부 회로를 통해 연결되어 상기 산화 챔버 및 환원 챔버에 전원을 공급하고, 상기 환원전극에 환원전위 또는 환원전류를 인가하는 전기공급장치;를 포함하고,The oxidation electrode and the reduction electrode are connected through an external circuit to supply power to the oxidation chamber and the reduction chamber, and an electricity supply device for applying a reduction potential or reduction current to the reduction electrode; includes,

상기 산화 챔버 및 환원 챔버는The oxidation chamber and the reduction chamber are

상기 불활성 기체 및 이산화탄소 가스가 연속적으로 공급되어 절대 혐기성 조건으로 유지되고,The inert gas and carbon dioxide gas are continuously supplied to maintain absolute anaerobic conditions,

상기 불활성 기체는 질소 또는 아르곤 가스이고,The inert gas is nitrogen or argon gas,

상기 이산화탄소 가스는 순수 이산화탄소 또는 이산화탄소와 불활성 기체의 혼합 기체인 생물전기화학반응기이다.The carbon dioxide gas is a bioelectrochemical reactor that is pure carbon dioxide or a mixed gas of carbon dioxide and an inert gas.

본 발명에 있어서, 상기 산화 챔버 또는 환원 챔버는In the present invention, the oxidation chamber or reduction chamber

상기 불활성 기체 또는 이산화탄소 가스를 상기 산화 챔버 및 환원 챔버 내부에 공급하기 위한 가스공급부;a gas supply unit for supplying the inert gas or carbon dioxide gas into the oxidation chamber and the reduction chamber;

상기 가스공급부에 의해 공급된 가스를 상기 산화 챔버 및 환원 챔버 내부에 주입하기 위한 가스주입구;a gas inlet for injecting the gas supplied by the gas supply unit into the oxidation chamber and the reduction chamber;

상기 공급된 가스를 반응기의 액상에 기포상태로 분사하기 위한 미세기포확산기;a micro-bubble diffuser for injecting the supplied gas into the liquid phase of the reactor in a bubble state;

상기 가스주입구를 통해 공급된 가스 또는 전기분해로 인해 생성된 기체 또는 가스를 배출하기 위한 가스배출구; 및a gas outlet for discharging the gas supplied through the gas inlet or gas generated by electrolysis; and

상기 불활성 기체에 존재하는 미량의 산소를 제거하기 위한 산소 제거 트랩;을 추가적으로 포함할 수 있다.An oxygen removal trap for removing trace amounts of oxygen present in the inert gas may be additionally included.

본 발명에 있어서, 상기 환원전극 또는 산화전극은 LED 램프 또는 형광등과 같이 빛을 공급하는 장치를 포함한다.In the present invention, the cathode or anode includes a device for supplying light such as an LED lamp or a fluorescent lamp.

본 발명에 있어서, 상기 환원전극에 접종되는 미생물은 로도박터(Rhodobacter) 속 또는 로도슈도모나스(Rhodopseudomonas) 속이고,In the present invention, the microorganism inoculated on the cathode is of the genus Rhodobacter or Rhodopseudomonas,

상기 미생물은 상기 환원전극을 통해 전자를 전달 받아 수소 또는 폴리히드록시부티레이트를 생성한다.The microorganism generates hydrogen or polyhydroxybutyrate by receiving electrons through the cathode.

본 발명에 있어서, 상기 미생물은 혐기성 조건에서 광합성이 가능한 전기화학적 활성 균주이다.In the present invention, the microorganism is an electrochemically active strain capable of photosynthesis under anaerobic conditions.

본 발명에 있어서, 상기 산화전극 또는 환원전극은 스펀지 형태(carbon felt), 브러쉬 형태(carbon brush), 입자 형태(carbon granule) 또는 카본 로드(carbon rod)의 탄소 재료, 금속 재료 또는 고분자 재료로 형성한다.In the present invention, the anode or cathode is formed of a carbon material, a metal material, or a polymer material in the form of a carbon felt, brush, granule, or carbon rod. do.

본 발명에 있어서, 상기 이온교환막은 수소이온교환막, 양이온교환막, 음이온교환막, 양극막(bipolar membrane) 또는 세라믹 분리막이다.In the present invention, the ion exchange membrane is a hydrogen ion exchange membrane, a cation exchange membrane, an anion exchange membrane, a bipolar membrane, or a ceramic separator.

본 발명에 있어서, 상기 생물전기화학반응기는 광독립영양 생물전기화학반응기이다.In the present invention, the bioelectrochemical reactor is a photoautotrophic bioelectrochemical reactor.

본 발명은 the present invention

(1) 상기 생물전기화학반응기의 환원전극에 미생물을 접종하는 단계;(1) inoculating microorganisms on the cathode of the bioelectrochemical reactor;

(2) 상기 생물전기화학반응기의 산화 챔버 및 환원 챔버에 상기 불활성 기체 또는 이산화탄소 가스가 연속적으로 공급되어 절대 혐기성 조건으로 유지시키는 단계;(2) continuously supplying the inert gas or carbon dioxide gas to the oxidation chamber and the reduction chamber of the bioelectrochemical reactor to maintain absolutely anaerobic conditions;

(3) 상기 생물전기화학반응기에 전기를 부가하는 단계;(3) adding electricity to the bioelectrochemical reactor;

(4) 상기 생물전기화학반응기의 환원전극에 미생물을 부착하는 단계;(4) attaching microorganisms to the cathode of the bioelectrochemical reactor;

(5) 미생물이 전극표면에 부착하면서 붉은색으로 착색되는 발색을 확인하는 단계; 및(5) confirming that the microorganisms are colored red while attaching to the electrode surface; and

(6) 상기 생물전기화학반응기에 빛을 공급하고 이산화탄소 전환을 수행하여 수소 또는 폴리히드록시부티레이트를 생성하는 단계;(6) generating hydrogen or polyhydroxybutyrate by supplying light to the bioelectrochemical reactor and performing carbon dioxide conversion;

를 포함하는 생물전기화학반응기를 이용한 이산화탄소 전환 방법이다.A carbon dioxide conversion method using a bioelectrochemical reactor comprising a.

상기 생물전기화학반응기 및 이를 이용한 이산화탄소 전환 방법에 언급된 모든 사항은 모순되지 않는 한 동일하게 적용된다.All matters mentioned in the bioelectrochemical reactor and the method for converting carbon dioxide using the same are equally applied unless contradictory.

본 발명의 생물전기화학반응기 및 이를 이용한 공정 방법은 생물전환반응에 필요한 전자, 즉 환원력이 충분히 공급되어 이산화탄소를 환원시킴으로써 전극 표면 상에서 수소 또는 폴리히드록시부티레이트와 같은 유용 물질을 생성할 수 있는 미생물을 합성하는 효과를 제공할 수 있다.The bioelectrochemical reactor and the process method using the same of the present invention is a microorganism capable of producing useful substances such as hydrogen or polyhydroxybutyrate on the surface of an electrode by reducing carbon dioxide by sufficiently supplying electrons necessary for a bioconversion reaction, that is, reducing power. It can provide a composite effect.

또한, 본 발명의 생물전기화학반응기는 이산화탄소를 전환하여 수소 또는 폴리히드록시부티레이트를 생성할 수 있는 미생물 촉매의 수를 증가시키며, 이산화탄소를 전환하는 미생물을 전극 표면에 부착시켜 전자전달 효율 및 목적산물의 생산 수율을 증가시킬 수 있다.In addition, the bioelectrochemical reactor of the present invention increases the number of microbial catalysts that can convert carbon dioxide to produce hydrogen or polyhydroxybutyrate, and attaches microorganisms that convert carbon dioxide to the electrode surface to improve electron transfer efficiency and target products. can increase the production yield of

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description of the claims.

도 1은 본 발명의 생물전기화학반응기를 나타낸 모식도이다.
도 2는 환원액에 글루타메이트(L-글루탐산) 또는 암모늄 클로라이드(NH4Cl)를 질소원으로 첨가했을 때 전극에 부착된 미생물 세포가 H2 또는 폴리히드록시부티레이트(PHB)를 생성하는 모식도이다.
도 3은 생물전기화학반응기의 환원전극에 인가하는 전위에 따른 시스템의 전류 소모량(a)과 그에 따른 평균 수소 생성 속도(b) 결과 값을 나타내는 도면이다.
도 4는 생물전기화학반응기의 환원전극에 -0.9V를 인가하고, 빛 세기 6000 lux의 광 배양 조건 하에서의 수소 생성량(A), 이산화탄소 소모량(B) 및 빛이 없는 조건에서의 수소 생성량(C) 결과 값을 비교한 도면이다.
도 5는 환원액에 암모늄 클로라이드(NH4Cl) 또는 글루타메이트를 질소원으로 첨가했을 때 시스템 전체에서 소모된 전자 및 그 중 수소로 회수된 전자를 나타내는 도면이다.
도 6은 환원액에 암모늄 클로라이드(NH4Cl) 또는 글루타메이트를 질소원으로 첨가했을 때 시간에 따른 부유성 미생물(Planktonic cell density)과 전극에 부착된 미생물(Attached cells)의 양의 변화 결과 값을 나타내는 도면이다.
도 7은 생물전기화학반응기에 (A) 암모늄 클로라이드(NH4Cl)를 포함한 배양액에 -0.9V vs Ag/AgCl 전압을 인가하였을 때, (B) 글루타메이트를 포함한 배양액에 -0.9V vs Ag/AgCl 전압을 인가하였을 때, 및 (C) 외부 전기 공급 장치 또는 전위차계의 전원 공급 없이 오픈 서킷으로 운전한 경우, 미생물 접종 시 미생물이 전극에 부착되어 상이한 성장 양상을 나타내는 도면이다.
도 8은 생물전기화학반응기에 공급되는 가스 조성과 암모늄 클로라이드(NH4Cl) 및 글루타메이트에 따른 폴리히드록시부티레이트(PHB) 생성량과 바이오매스 당 함량의 비교 결과값을 나타내는 도면이다.
도 9는 전극 표면 상에서의 미생물 부착을 확인할 수 있는 도면이다.
1 is a schematic diagram showing a bioelectrochemical reactor of the present invention.
2 is a schematic diagram showing that microbial cells attached to an electrode generate H 2 or polyhydroxybutyrate (PHB) when glutamate (L-glutamic acid) or ammonium chloride (NH 4 Cl) is added as a nitrogen source to a reducing solution.
FIG. 3 is a diagram showing the current consumption (a) of the system according to the potential applied to the reduction electrode of the bioelectrochemical reactor and the resulting value of the average hydrogen production rate (b) accordingly.
Figure 4 is -0.9V applied to the reduction electrode of the bioelectrochemical reactor, and hydrogen production (A), carbon dioxide consumption (B) and hydrogen production under light-free conditions (C) under light incubation conditions of 6000 lux light intensity It is a drawing comparing the result values.
5 is a diagram showing electrons consumed in the entire system and electrons recovered as hydrogen among them when ammonium chloride (NH 4 Cl) or glutamate is added as a nitrogen source to the reducing solution.
Figure 6 shows the results of changes in the amount of planktonic cell density and attached cells to the electrode over time when ammonium chloride (NH 4 Cl) or glutamate is added to the reducing solution as a nitrogen source. it is a drawing
7 is a bioelectrochemical reactor (A) when -0.9V vs Ag / AgCl voltage was applied to the culture solution containing ammonium chloride (NH 4 Cl), (B) -0.9V vs Ag / AgCl to the culture solution containing glutamate When voltage is applied, and (C) when operating in an open circuit without supplying power from an external electric supply device or potentiometer, microbes are attached to the electrode during inoculation of microorganisms and show different growth patterns.
8 is a view showing comparison result values of polyhydroxybutyrate (PHB) production and biomass sugar content according to the gas composition supplied to the bioelectrochemical reactor, ammonium chloride (NH 4 Cl) and glutamate.
9 is a view showing the attachment of microorganisms on the electrode surface.

본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.The terms used in this specification have been selected from general terms that are currently widely used as much as possible while considering the functions in the present invention, but these may vary depending on the intention of a person skilled in the art, precedent, or the emergence of new technologies. In addition, in a specific case, there is also a term arbitrarily selected by the applicant, and in this case, the meaning will be described in detail in the description of the invention. Therefore, the term used in the present invention should be defined based on the meaning of the term and the overall content of the present invention, not simply the name of the term.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and unless explicitly defined in this application, it should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning. don't

이산화탄소 전환을 통한 수소 또는 폴리히드록시부티레이트 생성을 위한 생물전기화학반응기Bioelectrochemical reactor for production of hydrogen or polyhydroxybutyrate through carbon dioxide conversion

도 1은 본 발명의 생물전기화학반응기를 나타낸 모식도이다.1 is a schematic diagram showing a bioelectrochemical reactor of the present invention.

본 발명은 생물 전환 반응에 필요한 전자를 공급하여 이산화탄소를 전환을 통해 수소 또는 폴리히드록시부티레이트를 생성하는 생물전기화학반응기를 제공한다.The present invention provides a bioelectrochemical reactor that produces hydrogen or polyhydroxybutyrate through conversion of carbon dioxide by supplying electrons necessary for a bioconversion reaction.

보다 구체적으로, 본 발명의 생물전기화학반응기는 산화전극이 내부에 위치하고, 전기분해를 통해 전자 및 수소 이온이 생성되는 산화 챔버; 미생물이 접종되는 환원전극이 내부에 위치하고, 이산화탄소 가스가 연속적으로 공급되어 상기 환원전극에 환원전위가 인가되어 광반응 미생물이 이산화탄소를 전환하는 환원 챔버; 상기 산화 챔버에서 생성된 수소 이온을 상기 환원 챔버로 전달하기 위해 상기 산화 챔버와 환원 챔버 사이에 위치한 이온교환막; 및 상기 산화전극 및 환원전극의 외부 회로를 통해 연결되어 상기 산화 챔버 및 환원 챔버에 전원을 공급하고, 상기 환원전극에 환원전위 또는 환원전류를 인가하는 전기공급장치;를 포함하여 구성될 수 있다.More specifically, the bioelectrochemical reactor of the present invention includes an oxidation chamber in which an oxidation electrode is located and electrons and hydrogen ions are generated through electrolysis; a reduction chamber in which a reduction electrode in which microorganisms are inoculated is located, and carbon dioxide gas is continuously supplied to apply a reduction potential to the reduction electrode so that photoreactive microorganisms convert carbon dioxide; an ion exchange membrane positioned between the oxidation chamber and the reduction chamber to transfer hydrogen ions generated in the oxidation chamber to the reduction chamber; and an electric supply device connected through an external circuit of the oxidation electrode and the reduction electrode to supply power to the oxidation chamber and the reduction chamber and to apply a reduction potential or reduction current to the reduction electrode.

보다 구체적으로 상기 산화 챔버 및 환원 챔버는 각각 불활성 기체 및 이산화탄소 가스가 연속적으로 공급되어 절대 혐기성 조건으로 유지되고, 상기 불활성 기체는 질소 또는 아르곤 가스이고, 상기 이산화탄소 가스는 순수 이산화탄소 또는 이산화탄소와 불활성 기체의 혼합 기체일 수 있다.More specifically, the oxidation chamber and the reduction chamber are maintained under absolute anaerobic conditions by continuously supplying inert gas and carbon dioxide gas, respectively, the inert gas is nitrogen or argon gas, and the carbon dioxide gas is pure carbon dioxide or a combination of carbon dioxide and inert gas. It can be a mixed gas.

본 발명에 사용된 용어 “광독립영양 생물전기화학반응기 (Photoautotrophic bioelectrochemical system)”은 전기화학적 활성을 가지는 특정 광합성미생물과 전위가 인가되어지는 전극 간 전자 전달을 통해 CO2를 생물학적으로 전환하여 미생물 촉매의 개체수 증식과 동시에 유용한 화합물질을 생산할 수 있는 반응기를 의미한다.As used herein, the term “photoautotrophic bioelectrochemical system” refers to a microbial catalyst that biologically converts CO 2 through electron transfer between a specific photosynthetic microorganism having electrochemical activity and an electrode to which a potential is applied. It means a reactor capable of producing useful chemicals simultaneously with the growth of the population.

본 발명에 사용된 용어 “절대 혐기성”이란, 산소농도가 5 ppm 이하인 환경 조건을 의미한다. As used herein, the term "absolute anaerobic" means an environmental condition in which the oxygen concentration is 5 ppm or less.

본 발명에 있어서, 상기 산화 챔버는 전해질을 전기분해하여 전자와 양이온(H+)을 생산할 수 있다.In the present invention, the oxidation chamber electrolyzes the electrolyte to produce electrons and positive ions (H + ).

본 발명에 있어서, 상기 산화전극 및 환원전극은 카본 펠트(carbon felt), 카본 브러쉬(carbon brush) 또는 카본 그래뉼(carbon granule), 카본 로드(carbon rod) 등의 탄소 재료, 금속 재료 또는 고분자 재료로 구성될 수 있다.In the present invention, the anode and cathode are made of a carbon material such as a carbon felt, a carbon brush or carbon granule, a carbon rod, a metal material, or a polymer material. can be configured.

본 발명에 있어서, 상기 환원전극은 카본 그래뉼(Carbon granule) 및 카본펠트(Carbon felt), 카본 브러쉬(carbon brush), 카본 로드(carbon rod), 인듐틴옥사이드, 티타늄메쉬와 이를 외부 전력원과 연결하는 구리나 티타늄 와이어로 형성될 수 있다.In the present invention, the reduction electrode is made of carbon granule, carbon felt, carbon brush, carbon rod, indium tin oxide, and titanium mesh, and connects them to an external power source. can be formed from copper or titanium wire.

상기 탄소 재료, 금속 재료 또는 고분자 재료는 전기 전도성이 2×105 내지 3×105 (S/m) 의 값을 가질 수 있다.The carbon material, metal material, or polymer material may have an electrical conductivity of 2×10 5 to 3×10 5 (S/m).

본 발명에 이용된 용어 “순수미생물”이란, 단일 미생물을 의미하며, “복합미생물”이란 2종 이상의 혼합 미생물을 의미하다.The term "pure microorganism" used in the present invention means a single microorganism, and "complex microorganism" means a mixed microorganism of two or more species.

본 발명에 있어서, 상기 환원 챔버에는 기준 전극이 포함될 수 있고, 바람직하게는 Ag/AgCl 기준 전극일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 상기 기준 전극은 상기 환원전극의 근처에 위치할 수 있다.In the present invention, the reduction chamber may include a reference electrode, preferably an Ag/AgCl reference electrode, but is not limited thereto. Also, the reference electrode may be located near the reduction electrode.

본 발명에 있어서, 상기 산화 챔버 또는 환원 챔버는 상기 불활성 기체 또는 이산화탄소 가스를 상기 산화 챔버 및 환원 챔버 내부에 공급하기 위한 가스공급부; 상기 가스공급부에 의해 공급된 가스를 상기 산화 챔버 및 환원 챔버 내부에 주입하기 위한 가스주입구; 상기 공급된 가스를 반응기의 액상에 기포상태로 분사하기 위한 미세기포확산기; 상기 가스주입구를 통해 공급된 가스 또는 전기분해로 인해 생성된 기체 또는 가스를 배출하기 위한 가스배출구; 및 상기 불활성 기체에 존재하는 미량의 산소를 제거하기 위한 산소 제거 트랩;을 추가적으로 포함할 수 있다.In the present invention, the oxidation chamber or reduction chamber includes a gas supply unit for supplying the inert gas or carbon dioxide gas into the oxidation chamber and the reduction chamber; a gas inlet for injecting the gas supplied by the gas supply unit into the oxidation chamber and the reduction chamber; a micro-bubble diffuser for injecting the supplied gas into the liquid phase of the reactor in a bubble state; a gas outlet for discharging the gas supplied through the gas inlet or gas generated by electrolysis; and an oxygen removal trap for removing trace amounts of oxygen present in the inert gas.

본 발명에 있어서, 상기 가스공급부는 이산화탄소를 공급하여 산소 농도를 5 ppm 이하로 유지될 수 있도록 하여 상기 환원 챔버 내부를 절대 혐기성 조건으로 유지시킬 수 있다.In the present invention, the gas supply unit supplies carbon dioxide so that the oxygen concentration can be maintained at 5 ppm or less, so that the inside of the reduction chamber can be maintained under absolutely anaerobic conditions.

본 발명에 있어서, 상기 가스배출구는 산화 챔버에서 전해질 전기 분해로 생성된 가스를 배출하기 위한 것으로서, 바람직하게는 상기 가스배출구의 위치는 반응기 형태에 따라 적절히 조정될 수 있다.In the present invention, the gas outlet is for discharging gas generated by electrolyte electrolysis in the oxidation chamber, and preferably, the location of the gas outlet can be appropriately adjusted according to the type of reactor.

본 발명에 있어서, 상기 외부 전기 공급 장치 또는 전위차계는 상기 산화전극 및 상기 환원전극, 상기 기준전극에 회로를 통해 연결되어 상기 산화전극과 상기 환원전극에 전원을 공급하여, 상기 환원전극에 특정 전위를 인가시킬 수 있다. In the present invention, the external electricity supply device or potentiometer is connected to the oxidation electrode, the reduction electrode, and the reference electrode through a circuit to supply power to the oxidation electrode and the reduction electrode, thereby generating a specific potential at the reduction electrode. can be authorized.

본 발명에 있어서, 상기 외부 전기 공급 장치 또는 전위차계는 상기 산화전극에서 생성된 전자를 외부회로를 통해 환원전극으로 이동시킬 수 있다.In the present invention, the external electricity supply device or potentiometer may move electrons generated at the anode to the cathode through an external circuit.

본 발명에 있어서, 상기 환원 챔버 내부에는 카본 펠트, 카본 브러쉬, 카본 그래뉼, 카본 로드, 인듐틴옥사이드, 티타늄메쉬의 탄소 재료, 금속 재료 또는 고분자 재료로 형성될 수 있는 환원전극이 위치할 수 있으며, 바람직하게는 상기 환원전극은 표면적이 넓고 전기 전도성이 우수한 탄소 재료로 구성될 수 있으며 상기 환원전극이 탄소 재료로 구성될 경우, 전류 및 인가 전압의 효과를 극대화시킬 수 있다.In the present invention, a reduction electrode that can be formed of carbon felt, carbon brush, carbon granule, carbon rod, indium tin oxide, titanium mesh carbon material, metal material, or polymer material may be located inside the reduction chamber, Preferably, the reduction electrode may be made of a carbon material having a large surface area and excellent electrical conductivity. When the reduction electrode is made of a carbon material, effects of current and applied voltage may be maximized.

본 발명에 있어서, 상기 환원 챔버에 미생물을 접종할 수 있고, 바람직하게는 상기 접종되는 미생물은 순수 미생물(pure culture) 또는 복합 미생물(mixed inoculum)일 수 있고, 보다 바람직하게는 상기 접종되는 미생물은 로도박터(Rhodobacter) 속, 로도슈도모나스(Rhodopseudomonas) 속일 수 있거나, 혐기성 조건에서 광합성이 가능한 전기화학적 활성 균주일 수 있고, 상기 미생물은 상기 환원전극을 통해 전자를 전달 받아 수소 또는 폴리히드록시부티레이트를 생성할 수 있다.In the present invention, microorganisms may be inoculated into the reduction chamber, preferably, the microorganisms to be inoculated may be pure cultures or mixed microorganisms, and more preferably, the microorganisms to be inoculated may be It may belong to the genus Rhodobacter or Rhodopseudomonas, or it may be an electrochemically active strain capable of photosynthesis under anaerobic conditions, and the microorganism receives electrons through the reducing electrode to produce hydrogen or polyhydroxybutyrate can do.

상기 환원전극은 크기가 20 내지 40 ㎠ 범위일 수 있고, 바람직하게는 25 내지 30 ㎠ 범위일 수 있다. 또한, 상기 환원전극의 두께는 0.20 내지 0.50 ㎝ 범위일 수 있고, 바람직하게는 0.25 내지 0.45 ㎝ 범위일 수 있다.The size of the cathode may be in the range of 20 to 40 cm 2 , preferably in the range of 25 to 30 cm 2 . In addition, the thickness of the cathode may be in the range of 0.20 to 0.50 cm, preferably in the range of 0.25 to 0.45 cm.

본 발명에 있어서, 상기 생물전기화학반응기는 특정 전위를 인가하여 상기 환원 챔버에서 이산화탄소를 전환하여 미생물 촉매의 개체 수를 증식시킴과 동시에 수소 또는 폴리히드록시부티레이트 생성할 수 있다.In the present invention, the bioelectrochemical reactor can generate hydrogen or polyhydroxybutyrate while increasing the number of microbial catalysts by converting carbon dioxide in the reduction chamber by applying a specific potential.

본 발명에 있어서, 상기 미생물은 접종된 후 상기 환원전극 표면에 부착되어 산화전극으로부터 전자를 전달 받아 수소 또는 폴리히드록시부티레이트를 생성할 수 있다. 상기 미생물은 환원전극 표면에 직접 부착될 수 있고, 이에 따라 세포의 생장과 동시에 전극으로부터 전자전달효율을 증가시킬 수 있다.In the present invention, the microorganism can generate hydrogen or polyhydroxybutyrate by receiving electrons from the anode by being attached to the surface of the cathode after being inoculated. The microorganisms may be directly attached to the surface of the cathode, thereby increasing cell growth and electron transfer efficiency from the electrode.

도 2를 참조하면, 본 발명의 생물전기화학반응기의 환원액에 글루타메이트 또는 NH4Cl를 질소원으로서 첨가하였을 때, 상기 환원전극에 부착된 미생물의 수소 또는 폴리히드록시부티레이트 생성을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 2 , when glutamate or NH 4 Cl is added as a nitrogen source to the reducing solution of the bioelectrochemical reactor of the present invention, it can be confirmed that the microorganism attached to the cathode produces hydrogen or polyhydroxybutyrate.

본 발명에 있어서, 상기 이온교환막은 수소 이온교환막, 양이온교환막, 음이온교환막, 양극막(bipolar membrane) 또는 세라믹 분리막일 수 있다.In the present invention, the ion exchange membrane may be a hydrogen ion exchange membrane, a cation exchange membrane, an anion exchange membrane, a bipolar membrane, or a ceramic separator.

본 발명에 있어서, 상기 외부 전기 공급 장치 또는 전위차계는 상기 산화전극 및 상기 환원전극, 상기 기준전극에 회로를 통해 연결되어 상기 산화전극과 상기 환원전극에 전원을 공급하여, 상기 환원전극에 특정 전위를 인가시킬 수 있다. In the present invention, the external electricity supply device or potentiometer is connected to the oxidation electrode, the reduction electrode, and the reference electrode through a circuit to supply power to the oxidation electrode and the reduction electrode, thereby generating a specific potential at the reduction electrode. can be authorized.

본 발명에 있어서, 상기 외부 전기 공급 장치 또는 전위차계는 상기 산화전극에서 생성된 전자를 외부회로를 통해 환원전극으로 이동시킬 수 있다. In the present invention, the external electricity supply device or potentiometer may move electrons generated at the anode to the cathode through an external circuit.

본 발명에 있어서, 상기 생물전기화학반응기는 광독립영양 생물전기화학반응기(Photoautotrophic bioelectrochemical system)일 수 있다.In the present invention, the bioelectrochemical reactor may be a photoautotrophic bioelectrochemical system.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 생물전기화학반응기는 온실가스인 이산화탄소의 배출을 감소시킬 수 있고, 전극으로부터 전자를 공급받을 수 있는 새로운 균주의 탐색 및 생물전기화학반응 시스템에 적용 가능한 미생물 개발이 가능하다.In addition, in the present invention, the bioelectrochemical reactor can reduce the emission of carbon dioxide, which is a greenhouse gas, and it is possible to search for new strains capable of receiving electrons from electrodes and to develop microorganisms applicable to bioelectrochemical reaction systems. do.

생물전기화학반응기를 이용한 공정 방법Process method using a bioelectrochemical reactor

본 발명은 (1) 상기 생물전기화학반응기의 환원전극에 미생물을 접종하는 단계;The present invention includes (1) inoculating microorganisms on the cathode of the bioelectrochemical reactor;

(2) 상기 생물전기화학반응기의 산화 챔버 및 환원 챔버에 상기 불활성 기체 또는 이산화탄소 가스가 연속적으로 공급되어 절대 혐기성 조건으로 유지시키는 단계;(2) continuously supplying the inert gas or carbon dioxide gas to the oxidation chamber and the reduction chamber of the bioelectrochemical reactor to maintain absolutely anaerobic conditions;

(3) 상기 생물전기화학반응기에 전기를 부가하는 단계;(3) adding electricity to the bioelectrochemical reactor;

(4) 상기 생물전기화학반응기의 환원전극에 미생물을 부착하는 단계; (4) attaching microorganisms to the cathode of the bioelectrochemical reactor;

(5) 전극표면에 미생물이 부착하면서 붉은색으로 착색되는 발색을 확인하는 단계; 및(5) confirming the development of red color as the microorganisms attach to the electrode surface; and

(6) 상기 생물전기화학반응기에 빛을 공급하고 이산화탄소 전환을 수행하여 수소 또는 폴리히드록시부티레이트를 생성하는 단계;(6) generating hydrogen or polyhydroxybutyrate by supplying light to the bioelectrochemical reactor and performing carbon dioxide conversion;

를 포함하는 이산화탄소 전환 방법에 관한 것이다.It relates to a carbon dioxide conversion method comprising a.

상기 단계 (1)은 생물전기화학반응기의 환원전극에 미생물을 접종하는 단계로서, 상기 접종되는 미생물은 순수 미생물(pure culture) 또는 복합 미생물(mixed inoculum)일 수 있고, 바람직하게는 상기 접종되는 미생물은 로도박터(Rhodobacter) 속, 로도슈도모나스(Rhodopseudomonas) 속 또는 혐기 조건에서 광합성이 가능한 전기화학적 활성 균주일 수 있다. 상기 미생물은 액상의 배지에 접종될 수 있다.The step (1) is a step of inoculating a microorganism on the cathode of the bioelectrochemical reactor. The microorganism to be inoculated may be a pure culture or a mixed inoculum, preferably the microorganism to be inoculated. may be a genus Rhodobacter, a genus Rhodopseudomonas, or an electrochemically active strain capable of photosynthesis under anaerobic conditions. The microorganisms may be inoculated into a liquid medium.

상기 생물전기화학반응기의 배지는 6.5 내지 7.5 범위의 pH로 조정될 수 있고, 바람직하게는 6.6 내지 7.4 범위의 pH로 조정될 수 있으며, 가장 바람직하게는 6.7 내지 7.3 범위의 pH로 조정될 수 있다. 상기 pH는 수산화나트륨 용액과 같은 당업계에 공지된 염기로 수행될 수 있다.The medium of the bioelectrochemical reactor may be adjusted to a pH in the range of 6.5 to 7.5, preferably adjusted to a pH in the range of 6.6 to 7.4, and most preferably adjusted to a pH in the range of 6.7 to 7.3. The pH can be performed with a base known in the art such as sodium hydroxide solution.

상기 배지는 0.15 내지 0.45 ㎛ 범위의 포어 크기를 갖는 막 필터를 통해 여과 멸균될 수 있다. 상기 막 필터는 친수성 막 필터일 수 있다.The medium may be filtered sterilized through a membrane filter having a pore size in the range of 0.15 to 0.45 μm. The membrane filter may be a hydrophilic membrane filter.

상기 미생물은 -75 내지 -95℃ 범위의 온도의 딥 프리저(deep freezer)에 보관될 수 있다.The microorganisms may be stored in a deep freezer at a temperature ranging from -75 to -95 °C.

상기 단계 (2)는 생물전기화학반응기의 산화 챔버 및 환원 챔버에 상기 불활성 기체 또는 이산화탄소 가스가 연속적으로 공급되어 절대 혐기성 조건으로 유지시키는 단계로서, 상기 불활성 기체는 질소 또는 아르곤일 수 있다. 상기 불활성 기체가 질소인 경우, 상기 질소 공급원은 NH4Cl, 글루타메이트 또는 질소가 함유된 공지의 화합물일 수 있다.The step (2) is a step in which the inert gas or carbon dioxide gas is continuously supplied to the oxidation chamber and the reduction chamber of the bioelectrochemical reactor to maintain an absolutely anaerobic condition, and the inert gas may be nitrogen or argon. When the inert gas is nitrogen, the nitrogen source may be NH 4 Cl, glutamate, or a known compound containing nitrogen.

상기 절대 혐기성 조건은 산소 농도가 0 내지 5 ppm 범위인 환경 조건, 바람직하게는 산소 농도가 0 내지 2 ppm 범위인 환경 조건을 지칭할 수 있다.The absolute anaerobic condition may refer to an environmental condition in which the oxygen concentration is in the range of 0 to 5 ppm, preferably an environmental condition in which the oxygen concentration is in the range of 0 to 2 ppm.

상기 단계 (3)은 상기 생물전기화학반응기에 전기를 부가하는 단계로서, 상기 환원전극에 인가하는 전위는 -0.7V vs. Ag/AgCl 내지 -1.1V vs. Ag/AgCl V 범위일 수 있다. 상기 범위를 벗어나는 경우, -0.7V vs. Ag/AgCl 이하 인가 시 매우 낮은 농도의 수소 생산을 나타내며, -1.1V vs. Ag/AgCl 이상 인가 시 수소 생산량 대비 전력량이 많이 소모될 수 있다. Step (3) is a step of adding electricity to the bioelectrochemical reactor, and the potential applied to the reduction electrode is -0.7V vs. Ag/AgCl to -1.1V vs. Ag/AgCl V range. Outside of the above range, -0.7V vs. Shows very low concentration hydrogen production when applied below Ag/AgCl, -1.1V vs. When Ag/AgCl or more is applied, a large amount of electricity can be consumed compared to hydrogen production.

상기 단계 (4)는 상기 생물전기화학반응기의 환원전극에 미생물을 부착하는 단계로서, 상기 미생물은 전극으로부터 전자를 전달 받아 수소 또는 폴리히드록시부티레이트를 생성할 수 있다.The step (4) is a step of attaching microorganisms to the cathode of the bioelectrochemical reactor, and the microorganisms can generate hydrogen or polyhydroxybutyrate by receiving electrons from the electrode.

상기 미생물은 환원전극에 부착됨으로써 부유성 미생물의 양은 감소될 수 있다.Since the microorganisms are attached to the cathode, the amount of airborne microorganisms may be reduced.

상기 단계 (5)는 상기 생물전기화학반응기에 빛을 공급하고 이산화탄소 전환을 수행하여 수소 또는 폴리히드록시부티레이트를 생성하는 단계로서, 상기 생물전기화학반응기는 LED 램프 또는 형광등과 같은 광원 하에서 작동할 수 있다.The step (5) is a step of supplying light to the bioelectrochemical reactor and performing carbon dioxide conversion to produce hydrogen or polyhydroxybutyrate. The bioelectrochemical reactor may operate under a light source such as an LED lamp or a fluorescent lamp. there is.

상기 생물전기화학반응기는 30 내지 45℃ 범위의 온도에서 작동할 수 있고, 보다 바람직하게는 32 내지 40℃ 범위의 온도에서 작동할 수 있다.The bioelectrochemical reactor may be operated at a temperature in the range of 30 to 45 ° C, more preferably at a temperature in the range of 32 to 40 ° C.

상기 생물전기화학반응기는 5000 내지 7000 lx의 빛 조건 하에서 작동할 수 있고, 보다 바람직하게는 5500 내지 6500 lx의 빛 조건 하에서 작동할 수 있다.The bioelectrochemical reactor may operate under a light condition of 5000 to 7000 lx, more preferably under a light condition of 5500 to 6500 lx.

실시예Example

이하, 본 발명의 실시예를 상세히 기술하나, 하기 실시예에 의해 본 발명이 한정되지 아니함은 자명하다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail, but it is obvious that the present invention is not limited by the following examples.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해 질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려 주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Advantages and features of the present invention, and methods of achieving them, will become clear with reference to the embodiments described below in detail. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various different forms, and only the embodiments make the disclosure of the present invention complete, and common knowledge in the art to which the present invention belongs. It is provided to fully inform the person who has the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims.

1. 균주 및 배지 제조1. Preparation of strains and media

로도박터 스파에로이데스 KCTC 1434를 Korea Institute of Energy Research로부터 입수하였다. 15% 글리세롤과 함께 -80℃의 딥 프리저에서 보관하였다. 성장 배지는 조성이 하기와 같았다(L-1): 2.8 g KH2PO4, 0.2 g NH4Cl, 4 g 숙신산, 0.1 g 글루타메이트(L-글루탐산), 0.4 g NaCl, 0.2 g 니트릴로트리아세트산, 0.24 g MgCl2*?*H2O, 0.03 g CaCl2, 2 mg FeSO4*?*H2O, 20 mg (NH4)6Mo7O24, 100 μL의 미량 원소 용액 및 100 μL의 비타민 용액. 생물전기화학반응기 배지는 조성이 하기와 같았다(L-1): 2.8 g KH2PO4, 0.4 g NaCl, 0.2 g MgCl2*?*H2O, 0.02 g CaCl2, 0.1 g Na2MoO4, 100 μL의 미량 원소 용액 및 100 μL의 비타민 용액. 수소 생성 실험에서 단독 탄소원으로서 순수 이산화탄소를 사용하였다. 수소 생성을 위한 질소고정효소 활성을 유지하기 위해 질소원으로서 글루타메이트 또는 L-글루탐산(2 mM)을 사용하였다. 폴리하이드록시부티레이트 생성을 위한 질소원은 글루타메이트 대신 암모니움클로라이드 (NH4Cl, 0.2 g/l)를 사용하였다.상기 미량 원소 용액은 조성이 하기와 같았다 (100 mL-1): 2 g의 EDTA, 11 g의 ZnSO4·7H2O, 5 g 의 FeSO4·7H2O, 1.6 g의 MnSO4·5H2O, 0.4 g of CuSO4·5H2O, 0.3 g의 Co(NO3)2·6H2O, 및 0.2 g의 H3BO3. 상기 비타민 용액은 조성이 하기와 같았다 (100 mL-1): 1 g의 니코틴산, 0.5 g의 티아민 HCl 및 0.03 g의 비오틴. 10% NaOH 용액을 사용하여 배지를 7±0.3의 pH로 조정하였다. 모든 배양 배지를 0.2 ㎛의 포어 크기를 갖는 친수성 막 필터를 통한 여과에 의해 멸균하였다.Rhodobacter sphaeroides KCTC 1434 was obtained from Korea Institute of Energy Research. Stored in a deep freezer at -80°C with 15% glycerol. The growth medium had the following composition (L -1 ): 2.8 g KH 2 PO 4 , 0.2 g NH 4 Cl, 4 g succinic acid, 0.1 g glutamate (L-glutamic acid), 0.4 g NaCl, 0.2 g nitrilotriacetic acid, 0.24 g MgCl 2 ****H 2 O, 0.03 g CaCl 2 , 2 mg FeSO 4 ****H 2 O, 20 mg (NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 , 100 μL trace element solution and 100 μL vitamins solution. The bioelectrochemical reactor medium had the following composition (L -1 ): 2.8 g KH 2 PO 4 , 0.4 g NaCl, 0.2 g MgCl 2 ****H 2 O, 0.02 g CaCl 2 , 0.1 g Na 2 MoO 4 , 100 μL of trace element solution and 100 μL of vitamin solution. Pure carbon dioxide was used as the sole carbon source in the hydrogen production experiments. Glutamate or L-glutamic acid (2 mM) was used as a nitrogen source to maintain nitrogenase activity for hydrogen production. As a nitrogen source for producing polyhydroxybutyrate, ammonium chloride (NH 4 Cl, 0.2 g/l) was used instead of glutamate. The trace element solution had the following composition (100 mL -1 ): 2 g of EDTA, 11 g of ZnSO 4 7H 2 O, 5 g of FeSO 4 7H 2 O, 1.6 g of MnSO 4 5H 2 O, 0.4 g of CuSO 4 5H 2 O, 0.3 g of Co(NO 3 ) 2 6H 2 O, and 0.2 g of H 3 BO 3 . The vitamin solution had the following composition (100 mL −1 ): 1 g of nicotinic acid, 0.5 g of thiamine HCl and 0.03 g of biotin. The medium was adjusted to a pH of 7±0.3 using 10% NaOH solution. All culture media were sterilized by filtration through a hydrophilic membrane filter with a pore size of 0.2 μm.

2. 생물전기화학반응기 구성 및 작동2. Bioelectrochemical reactor construction and operation

H-type 생물전기화학반응기는 산화챔버와 환원챔버 각각 작동 부피 250 mL, 최대 헤드스페이스 부피 220 mL의 구성을 가졌다. 산화 및 환원 챔버를 유리관과 연결하고, 이온교환막(PEM, Nafion 117, Dupont)을 사용하여 분리하였다. 환원전극은 5 ㎝ × 5 ㎝의 카본 펠트 조각이었다. 상기 조각의 두께는 0.5 ㎝이고, 티타늄 와이어에 연결되어 있다. 카본 그래뉼(80 g)을 산화 챔버에 첨가하고, 티타늄 와이어를 카본 그래뉼로부터의 집전기로서 사용하였다. 기준 전극 Ag/AgCl(3M KCl)을 환원 챔버 내부에 위치시켰다. 모든 바틀 및 반응기를 오토클레이빙(autoclaving)에 의해 15분 동안 121℃의 온도에서 멸균하였다. 상기 오토클레이빙 후, 환원 챔버에 30분 이상 동안 100% 이산화탄소로 플러싱하여 잔류 산소를 제거하였다. Potentiostat을 사용하여 -0.9V vs. Ag/AgCl(3M KCl)를 인가하였다. 혐기성 조건 하에서 배치 방식으로 실험을 수행하였다. 헤드스페이스 가스는 매일 100% 이산화탄소로 대체되었다. 상기 생물전기화학반응기를 백색/황색 혼합 LED 램프 하 35 ± 3℃ 및 6000 ± 500 lx 에 두었다. The H-type bioelectrochemical reactor had an oxidation chamber and a reduction chamber with a working volume of 250 mL and a maximum headspace volume of 220 mL, respectively. Oxidation and reduction chambers were connected to a glass tube and separated using an ion exchange membrane (PEM, Nafion 117, Dupont). The cathode was a piece of carbon felt measuring 5 cm x 5 cm. The piece is 0.5 cm thick and is connected to a titanium wire. Carbon granules (80 g) were added to the oxidation chamber and a titanium wire was used as a current collector from the carbon granules. A reference electrode Ag/AgCl (3M KCl) was placed inside the reduction chamber. All bottles and reactors were sterilized at a temperature of 121° C. for 15 minutes by autoclaving. After the autoclaving, the reduction chamber was flushed with 100% carbon dioxide for 30 minutes or more to remove residual oxygen. Using Potentiostat -0.9V vs. Ag/AgCl (3M KCl) was applied. Experiments were performed in batch mode under anaerobic conditions. Headspace gas was replaced with 100% carbon dioxide daily. The bioelectrochemical reactor was placed at 35±3° C. and 6000±500 lx under a white/yellow mixed LED lamp.

실험예 1 - 상이한 질소원에 따른 수소 생성량 및 이산화탄소 소모량 측정Experimental Example 1 - Measurement of hydrogen production and carbon dioxide consumption according to different nitrogen sources

도 3을 참조하면, 본 발명의 생물전기화학반응기의 환원전극에 인가하는 전위에 따른 시스템의 전류 소모와 그에 따른 수소 생성량이 비교되어 있고, -0.9V (vs. Ag/AgCl)일 때, 소모 전류 범위가 가장 넓었고, 소모 전류에 따른 수소생산이 가장 효율적이었다. 이때 전극으로부터 미생물로 전류가 가장 잘 전달되고 또한 평균 수소 생성량이 320 ㎖/ℓ/일로 높은 것을 확인할 수 있었다.Referring to Figure 3, the current consumption of the system according to the potential applied to the reduction electrode of the bioelectrochemical reactor of the present invention and the resulting hydrogen production amount are compared, and when -0.9V (vs. Ag / AgCl), the consumption The current range was the widest, and hydrogen production according to the current consumption was the most efficient. At this time, it was confirmed that the current was best transmitted from the electrode to the microorganisms and the average hydrogen production amount was as high as 320 ml/l/day.

도 4를 참조하면, 본 발명의 생물전기화학반응기의 환원전극에 -0.9V (vs Ag/AgCl)을 인가하고, 6000 lux 빛 세기의 광 배양 조건 하에서 수소 생성량(A), 및 이산화탄소 소모량(B)이 비교되어 있고, 이를 통해 질소원의 영향에 따른 수소 생성량을 비교할 수 있다. 질소원으로서 글루타메이트를 사용한 경우 수소 생성량은 328 ㎖/ℓ/일인 반면, 암모늄 클로라이드(NH4Cl)을 사용한 경우 수소 생성량은 67 ㎖/ℓ/일인 것을 확인할 수 있다. 또한, 질소원으로서 글루타메이트를 사용한 경우 이산화탄소 소모량은 104 ㎖/ℓ/일인 반면, 암모늄 클로라이드(NH4Cl)을 사용한 경우 이산화탄소 소모량은 148 ㎖/ℓ/일이었다. 빛을 공급하지 않은 암배양 조건에서도 60 ㎖/ℓ/일의 수소 생산이 관찰되었다.Referring to FIG. 4, -0.9V (vs Ag/AgCl) was applied to the reduction electrode of the bioelectrochemical reactor of the present invention, and hydrogen production (A) and carbon dioxide consumption (B) under light culture conditions of 6000 lux light intensity ) is compared, through which the amount of hydrogen produced according to the influence of the nitrogen source can be compared. It can be seen that when glutamate was used as the nitrogen source, the hydrogen production amount was 328 ml/l/day, whereas when ammonium chloride (NH 4 Cl) was used, the hydrogen production amount was 67 ml/l/day. In addition, when glutamate was used as a nitrogen source, carbon dioxide consumption was 104 ml/L/day, whereas when ammonium chloride (NH 4 Cl) was used, carbon dioxide consumption was 148 ml/L/day. Hydrogen production of 60 mL/L/day was observed even under dark culture conditions without light supply.

도 5를 참조하면, 본 발명의 생물전기화학반응기의 환원액에 질소원으로서 글루타메이트 및 암모늄 클로라이드(NH4Cl)을 첨가한 경우, 시스템 전체에 소모된 전자와 그 중 수소로 회수된 전자를 확인할 수 있다. 질소원으로서 글루타메이트를 사용한 경우 쿨롱 효율은 90% 이상이었으며, 이를 통해 시스템에 소모된 전자가 대부분 수소로 회수된 것을 추론할 수 있다.Referring to FIG. 5, when glutamate and ammonium chloride (NH 4 Cl) are added as nitrogen sources to the reducing liquid of the bioelectrochemical reactor of the present invention, electrons consumed throughout the system and among them, electrons recovered as hydrogen can be confirmed. there is. When glutamate was used as the nitrogen source, the Coulombic efficiency was more than 90%, and it can be inferred that most of the electrons consumed in the system were recovered as hydrogen.

도 6을 참조하면, 본 발명의 생물전기화학반응기의 환원액에 질소원으로서 글루타메이트 및 NH4Cl을 첨가한 경우, 시간에 따른 부유성 미생물과 전극에 부착된 미생물의 양의 변화 결과 값을 확인할 수 있다. 3일 경과 후, 대부분의 미생물이 전극에 부착되어 부유성 미생물이 감소한 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 6, when glutamate and NH 4 Cl were added as nitrogen sources to the reducing solution of the bioelectrochemical reactor of the present invention, the change in the amount of airborne microorganisms and microorganisms attached to the electrodes over time could be confirmed. there is. After 3 days, it can be confirmed that most of the microorganisms are attached to the electrode and the airborne microorganisms are reduced.

도 8을 참조하면, 생물전기화학반응기에 공급되는 가스 조성과 질소원에 따른 폴리히드록시부티레이트(PHB) 생성량 비교 결과를 확인할 수 있다. 이산화탄소 조건 하에서 질소원으로서 암모늄 클로라이드(NH4Cl)을 사용한 경우, 생성량은 최대 30.8 ㎎/L인 반면, 질소원으로서 글루타메이트를 사용한 경우, 생성량은 최대 8.8 ㎎/L이었다. 또한, 이산화탄소 대신 아르곤과 같은 불활성 기체를 사용한 경우에는 초기 접종 시와 차이가 없음을 확인할 수 있었다. 하기 형광 현미경 분석 결과를 통해 질소원에 따른 폴리히드록시부티레이트 생성량의 차이를 확인할 수 있었다.Referring to FIG. 8 , it is possible to confirm a result of comparing the amount of polyhydroxybutyrate (PHB) produced according to the composition of the gas supplied to the bioelectrochemical reactor and the nitrogen source. When ammonium chloride (NH 4 Cl) was used as a nitrogen source under carbon dioxide conditions, the production amount was up to 30.8 mg/L, whereas when glutamate was used as a nitrogen source, the production amount was up to 8.8 mg/L. In addition, when an inert gas such as argon was used instead of carbon dioxide, it was confirmed that there was no difference from the initial inoculation. The difference in polyhydroxybutyrate production amount according to the nitrogen source was confirmed through the fluorescence microscopy analysis results below.

하기 표 1을 참조하면, 질소원으로서 암모늄 클로라이드(NH4Cl)과 글루타메이트를 첨가하였을 때의 폴리히드록시부티레이트(PHB) 생성량을 확인할 수 있다.Referring to Table 1 below, it can be confirmed the amount of polyhydroxybutyrate (PHB) produced when ammonium chloride (NH 4 Cl) and glutamate are added as nitrogen sources.

[표 1][Table 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

실험예 2 - 미생물 관찰Experimental Example 2 - Observation of microorganisms

도 7을 참조하면, 생물전기화학반응기에 배지 내 상이한 배양 조건 하에서 미생물 접종 시 미생물의 성장하는 양상이 상이함을 확인할 수 있다. (A)는 NH4Cl 배지에 -0.9V vs Ag/AgCl 전압을 인가했을 때이고, (B)는 글루타메이트 배지에 -0.9V vs Ag/AgCl 전압을 인가했을 때이며, (C)는 외부 전기 공급 장치 또는 전위차계의 전원 공급 없이 오픈 서킷(Open Circuit)으로 운전한 경우이다. 이를 통해 전위의 유무에 따른 미생물의 전극 부착 양상을 확인하였으며, 전위 인가 시 전극 상에 미생물이 양호하게 부착하여 증식되는 것을 확인할 수 있다. 외부 전기 공급 장치 또는 전위차계로 전압을 인가하였을 때, 미생물이 성장함에 따라 전극 표면이 붉은 색으로 착색됨을 확인할 수 있으나, 오픈 서킷으로 운전한 경우는 변화가 없었다. Referring to FIG. 7 , it can be confirmed that the growth patterns of microorganisms are different when microorganisms are inoculated in a bioelectrochemical reactor under different culture conditions in a medium. (A) is when -0.9V vs Ag/AgCl voltage is applied to the NH 4 Cl medium, (B) is when -0.9V vs Ag/AgCl voltage is applied to the glutamate medium, and (C) is an external electrical supply Or, it is the case of driving with an open circuit without supplying power to the potentiometer. Through this, the electrode attachment pattern of microorganisms according to the presence or absence of a potential was confirmed, and it was confirmed that the microorganisms adhered well to the electrode and proliferated when the potential was applied. When voltage was applied with an external electric supply device or a potentiometer, it was confirmed that the electrode surface was colored red as microorganisms grew, but there was no change when operated with an open circuit.

도 9를 참조하면, 외부 전기 공급 장치 또는 전위차계로 전압을 인가하면서 반응기를 운전하였을 경우, 미생물이 성장함에 따라 카본로드, 인듐틴옥사이드, 티타늄 메쉬의 전극 표면에 미생물이 부착됨을 확인할 수 있었다.Referring to FIG. 9 , when the reactor was operated while applying voltage through an external electrical supply device or a potentiometer, it was confirmed that microorganisms were attached to the electrode surfaces of the carbon rod, indium tin oxide, and titanium mesh as the microorganisms grew.

이상 설명으로부터, 본 발명에 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이와 관련하여, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다.From the above description, those skilled in the art pertaining to the present invention will be able to understand that the present invention can be implemented in other specific forms without changing its technical spirit or essential features. In this regard, the embodiments described above are illustrative in all respects and should be understood as non-limiting.

Claims (9)

산화전극이 내부에 위치하고, 전기분해를 통해 전자 및 수소 이온이 생성되는 산화 챔버;
미생물이 접종된 환원전극이 내부에 위치하고, 이산화탄소 가스가 연속적으로 공급되어 상기 환원전극에 환원전위가 인가되어 광반응 미생물이 이산화탄소를 전환하는 환원 챔버;
상기 산화 챔버에서 생성된 수소 이온을 상기 환원 챔버로 전달하기 위해 상기 산화 챔버와 환원 챔버 사이에 위치한 이온교환막; 및
상기 산화전극 및 환원전극의 외부 회로를 통해 연결되어 상기 산화 챔버 및 환원 챔버에 전원을 공급하고, 상기 환원전극에 환원전위 또는 환원전류를 인가하는 전기공급장치;를 포함하고,
상기 산화 챔버 및 환원 챔버는
상기 불활성 기체 및 이산화탄소 가스가 연속적으로 공급되어 절대 혐기성 조건으로 유지되고,
상기 불활성 기체는 질소 또는 아르곤 가스이고,
상기 이산화탄소 가스는 순수 이산화탄소 또는 이산화탄소와 불활성 기체의 혼합 기체인 것을 특징으로 하는 생물전기화학반응기.

an oxidation chamber in which an oxidation electrode is located and electrons and hydrogen ions are generated through electrolysis;
a reduction chamber in which a reduction electrode inoculated with microorganisms is located, and carbon dioxide gas is continuously supplied to apply a reduction potential to the reduction electrode so that photoreactive microorganisms convert carbon dioxide;
an ion exchange membrane positioned between the oxidation chamber and the reduction chamber to transfer hydrogen ions generated in the oxidation chamber to the reduction chamber; and
An electricity supply device connected through an external circuit of the oxidation electrode and the reduction electrode to supply power to the oxidation chamber and the reduction chamber and to apply a reduction potential or reduction current to the reduction electrode;
The oxidation chamber and the reduction chamber are
The inert gas and carbon dioxide gas are continuously supplied to maintain absolute anaerobic conditions,
The inert gas is nitrogen or argon gas,
The carbon dioxide gas is a bioelectrochemical reactor, characterized in that pure carbon dioxide or a mixed gas of carbon dioxide and inert gas.

제1항에 있어서,
상기 산화 챔버 또는 환원 챔버는 LED 램프 또는 형광등과 같이 빛을 공급하는 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 생물전기화학반응기.
According to claim 1,
The oxidation chamber or the reduction chamber is a bioelectrochemical reactor, characterized in that it comprises a device for supplying light such as an LED lamp or a fluorescent lamp.
제1항에 있어서,
상기 산화 챔버 또는 환원 챔버는
상기 불활성 기체 또는 이산화탄소 가스를 상기 산화 챔버 및 환원 챔버 내부에 공급하기 위한 가스공급부;
상기 가스공급부에 의해 공급된 가스를 상기 산화 챔버 및 환원 챔버 내부에 주입하기 위한 가스주입구;
상기 공급된 가스를 반응기 액상에 기포상태로 분사하기 위한 미세기포확산기;
상기 가스주입구를 통해 공급된 가스 또는 전기분해로 인해 생성된 기체 또는 가스를 배출하기 위한 가스배출구; 및
상기 불활성 기체에 존재하는 미량의 산소를 제거하기 위한 산소 제거 트랩;을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 생물전기화학반응기.
According to claim 1,
The oxidation chamber or reduction chamber
a gas supply unit for supplying the inert gas or carbon dioxide gas into the oxidation chamber and the reduction chamber;
a gas inlet for injecting the gas supplied by the gas supply unit into the oxidation chamber and the reduction chamber;
a micro-bubble diffuser for injecting the supplied gas into the liquid phase of the reactor in a bubble state;
a gas outlet for discharging the gas supplied through the gas inlet or gas generated by electrolysis; and
The bioelectrochemical reactor further comprising an oxygen removal trap for removing trace amounts of oxygen present in the inert gas.
제1항에 있어서,
상기 환원전극에 접종된 미생물은 로도박터(Rhodobacter) 속 또는 로도슈도모나스(Rhodopseudomonas) 속 균주이고,
상기 미생물은 상기 환원전극을 통해 전자를 전달 받아 수소 또는 폴리히드록시부티레이트를 생성하는 것을 특징으로 하는 생물전기화학반응기.
According to claim 1,
The microorganism inoculated on the cathode is a strain of the genus Rhodobacter or the genus Rhodopseudomonas,
The bioelectrochemical reactor, characterized in that the microorganism generates hydrogen or polyhydroxybutyrate by receiving electrons through the reduction electrode.
제1항에 있어서,
상기 미생물은 혐기성 조건에서 광합성이 가능한 전기화학적 활성 균주 특징으로 하는 생물전기화학반응기.
According to claim 1,
The microorganism is a bioelectrochemical reactor characterized by an electrochemically active strain capable of photosynthesis under anaerobic conditions.
제1항에 있어서,
상기 산화전극 또는 환원전극은 카본 펠트(carbon felt), 카본 브러쉬(carbon brush) 또는 카본 그래뉼(carbon granule), 카본 로드(carbon rod)의 탄소 재료, 금속 재료 또는 고분자 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 생물전기화학반응기.
According to claim 1,
Characterized in that the anode or cathode is formed of carbon felt, carbon brush or carbon granule, carbon material of carbon rod, metal material or polymer material bioelectrochemical reactor.
제1항에 있어서,
상기 이온교환막은 수소이온교환막, 양이온교환막, 음이온교환막, 양극막(bipolar membrane) 또는 세라믹 분리막인 것을 특징으로 하는 생물전기화학반응기.
According to claim 1,
The ion exchange membrane is a bioelectrochemical reactor, characterized in that a hydrogen ion exchange membrane, a cation exchange membrane, an anion exchange membrane, a bipolar membrane or a ceramic separator.
제1항에 있어서,
상기 생물전기화학반응기는 광독립영양 생물전기화학반응기(Photoautotrophic bioelectrochemical system)인 것을 특징으로 하는 생물전기화학반응기.
According to claim 1,
The bioelectrochemical reactor is a bioelectrochemical reactor, characterized in that the photoautotrophic bioelectrochemical system.
(1) 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 상기 생물전기화학반응기의 환원전극에 미생물을 접종하는 단계;
(2) 상기 생물전기화학반응기의 산화 챔버 및 환원 챔버에 상기 불활성 기체 또는 이산화탄소 가스가 연속적으로 공급되어 절대 혐기성 조건으로 유지시키는 단계;
(3) 상기 생물전기화학반응기에 전기를 부가하는 단계;
(4) 상기 생물전기화학반응기의 환원전극에 미생물을 부착하는 단계;
(5) 전극표면에 미생물이 부착하면서 붉은색으로 착색되는 발색을 확인하는 단계; 및
(6) 상기 생물전기화학반응기에 빛을 공급하고 이산화탄소 전환을 수행하여 수소 또는 폴리히드록시부티레이트를 생성하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 생물전기화학반응기를 이용한 이산화탄소 전환 방법.
(1) inoculating microorganisms on the cathode of the bioelectrochemical reactor according to any one of claims 1 to 8;
(2) continuously supplying the inert gas or carbon dioxide gas to the oxidation chamber and the reduction chamber of the bioelectrochemical reactor to maintain absolutely anaerobic conditions;
(3) adding electricity to the bioelectrochemical reactor;
(4) attaching microorganisms to the cathode of the bioelectrochemical reactor;
(5) confirming the development of red color as the microorganisms attach to the electrode surface; and
(6) generating hydrogen or polyhydroxybutyrate by supplying light to the bioelectrochemical reactor and performing carbon dioxide conversion;
Carbon dioxide conversion method using a bioelectrochemical reactor comprising a.
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Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Photoautotrophic hydrogen production of Rhodobacter sphaeroides in a microbial electrosynthesis cell. Bioresource Technology. 320 (2021) 124333
대한민국 등록특허공보 제10-2193010호

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