KR950006549B1

KR950006549B1 - 미생물을 이용한 석탄의 가용화방법

Info

Publication number: KR950006549B1
Application number: KR1019920019136A
Authority: KR
Inventors: 양지원; 신현재
Original assignee: 양지원
Priority date: 1992-10-17
Filing date: 1992-10-17
Publication date: 1995-06-16
Also published as: KR940009319A

Abstract

내용 없음.

Description

미생물을 이용한 석탄의 가용화방법

제1도는 고체배양상태에서 포리아 코코스 KCTC 6074에 의한 갈탄의 액화를 나타내는 사진.

제2도는 처리하지 않은 호주산 갈탄의 IR 도시도.

제3도는 8N 질산으로 처리한 호주산 갈탄의 IR 도시도.

제4도는 액화된 호주산 갈탄의 도시도.

제5도는 처리하지 않은 텍사스산 갈탄의 IR 도시도.

제6도는 8N 질신으로 처리한 텍사스산 갈탄의 IR 도시도.

제7도는 액화된 텍사스산 갈탄의 IR 도시도.

제8도는 외부순환 공기부양 반응기의 도시도.

본발명의 미생물을 이용하여 갈탄을 포함한 석탄을 가용화하는 방법에에 관한 것이다.

경제적인 에너지원인 석탄을 효율적으로 이용하기 위한 방법으로 석탄의 가스화, 액화 및 석탄 연소시의 황화물을 제거하기 위한 탈황공정에 관한 연구가 진행되고 있다. 그러나 이러한 공정들은 비경제적인 요인을 내포하고 있는데, 그중에서도 석탄 액화공정은 고온, 고압하에서 이루어지며, 다량의 용매를 사용하므로 이러한 반응을 진행하기 위해서는 고가의 장비가 부수적으로 필요하다.

최근 이러한 기존의 공정에 비해 훨씬 경제적인 생물공정에 의한 액화공정의 연구가 주목받고 있다. 일반적으로 미생물의 의한 액화공정은 상온, 상압반응이어서, 부수적인 장비가 비교적 간단하여 경제적인 측면에서 실용화 가능성이 크다고 평가되었다.(Campbell et. al. Abstracts of ACS Meeting. New Orleans, 8월 30일-9월 4일, 1987) . 미생물에 의한 석탄의 액화 또는 가용화는 1982년 코헨과 가브리엘에 의해 보고된 이래(Cohen & Gabriele, Appl. Envrion. Misrobiol. 44, 23, 1982). 세균이나 곰팡이들을 사용한 석탄액화 연구가 진행되었다. 석탄중 탄도가 낮고 산화수가 높은 저급탄의 경우에는 리그닌을 분해하는 미생물이 그의 액화에 가담할 수 있는 것으로 추측되고 있다(Olson & Brinkman, Fuel, 65, 1638, 1986). 그러나 최근의 연구에 의하면 탄도가 높은 역청탄도 적절한 전처리를 거치면 미생물에 의해 액화될 수 있음이 보고되어 있다.(Crawford, Appl, Environ. Microbiol. 35, 6, 1941, 1978).

대부분의 석탄은 공극이 적고, 미생물의 분해하기 위한 관능기가 한정되어 있으므로 화학적인 전처리가 필요하다. 석탄의 액화를 촉진하기 위한 전처리는 질산, 과산화수소 또는 광황산암모늄등에 의해 실시한다.(Fakoussa, Freidrlch-wilhelm 대학의 박사학위논문, 1981). 그러나 전처리제의 사용농도와 처리시간은 아직 일정한 규칙성이 확립되어 있지 않다.

따라서, 석탄을 대사물질로 이용할 수 있는 석탄의 가용화능력이 우수한 미생물을 선별하고, 또 이 미생물을 이용가능한 가용화 공정에 가장 적합한 전처리방법이 요구되고 있다.

본 발명자들은 이러한 상황하에서 국내에서 널리 사용중인 호주산 갈탄에 대하여 화학적 전처리 방법을 결정하고, 표면배양방법으로 전처리된 갈탄을 액화시키는 능력이 뛰어난 미생물을 선별하고, 이 선별된 미생물을 현탁배양하여 갈탄을 액화시키는 공정을 개발하고자 예의 연구한 결과 본 발명에 이르렀다.

즉, 본 발명의 목적은 산처리한 석탄을 포리아(Poria)속 곰팡이의 아가 배치 배양액에 첨가한 후 약2~5일간 배양함을 특징으로 하는 석탄의 액화방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 30% 과산화수소수 또는 8N 질산으로 처리한 석탄을 포리아 코코스(Poriacocos) 곰팡이의 아가 배지 배양액에 첨가한후 약2~5일간 배양함을 특징으로 하는 석탄의 액화방법을 제공하는 것이다.

이한 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 석탄의 액화방법에 사용되는 미생물은 포리아 코코스 곰팡이로서 석탄을 대사물질로 이용하는 균주이다. 본 발명의 방법에는 유전공학센터에서 분양받은 포리아 코코스 KCTK 6074를 이용하였다.

석탄 액화능을 갖는 포리아 코코스 곰팡이는 통상의 아가 배지에서 약 20~30℃의 온도에서 배양할 수 있다. 본 발명의 방법에서는 감자-덱스트로스 아가 배지(Difco사 제품)를 이용하여 25℃, 80% 습도의 조건하에 10일간 정치 배양하였다.

가용화를 촉진하기 위한 석탄의 전처리는 산을 이용하여 실시한다. 산으로는 산을 이용하여 실시한다. 산으로는 질산, 과산화수소가 사용되며, 바람직하게는 8N 질산 및 30% 과산화수소수가 사용된다. 이들 산은 석탄의 종류에 따라 전처리 효과를 다소 달리 나타내는데, 8N 질산은 호주산 갈탄에 비해, 그리고 30% 과산화수소는 미국산 갈탄에 대해 각각 우수한 전처리 효과를 나타낸다.

산에 의한 전처리는 다음과 같이 실시할수 있다. 갈탄을 50~100메쉬로 분쇠한 후 약 3배 부피의 전처리 용액과 혼합하여 15~20℃에서 50~60시간동안 정치한다.

정치시킨 석탄 용액을 하층액이 많은 액으로 변할때까지 증류수로 감압 여과하고, 여과된 석탄을 90~110℃ 오븐에서 24시간동안 베이킹한다. 이렇게 진처리된 석탄은 미생물에 의한 처리 실시전까지 건조한 조건, 바람직하게는 무수 조건하에서 보관한다.

전처리된 석탄의 액화는 전처리된 석탄을 미샐물 배양액에 첨가한 후, 2~10일간 배양하여 실시한다. 배양 조건은 미생물의 배양 조건과 동일하다. 미생물에 의한 액화는 세포외(extracellular) 공정인 것으로 밝혀져 있으며, 아가를 이용한 고체배지 배양에서는 표면에서 이루어지고, 액체진탕 배양에서는 심부에서 이루어진다.

미생물은 이용한 석탄의 액화공정은 경제적 측면에서 볼때 회분식은 바람직하지 않고, 연속식 배양이 바람직하며, 공지부양식 발효기를 이용한 연속식 배양이 특히 바람직하다.

석탄의 액화 정도는 페이슨 루이스의 방법(Faison B. D. & S. N. Lewis, Appl, Biochem. Biotech., 20/21, 743, 1989) 에 따라 290nm에서의 흡광도를 측정방법으로 행하였다. 갈탄의 침전이 형성되지 않을 때를 액화가 완료된 시점으로 결정하였다.

발명에 대한 내용을 실시예를 통해 상세히 설명하지만, 실시예에 국한되는 것은 아니다.

[실시예 1]

석탄의 전처리

가용화를 촉진하기 위해 석탄을 전처리하는 방법은 스코트등의 방법(Scott et. al. , Biotechnol. prog., 2, 131, 1986)을 따랐다. 호주산 갈탄은 삼천리에서 공급받은 삼천리 -275갈탄이고 텍사스산 갈탄(Texas lignite PSOC-1442)은 펜실바니아주 석탄시료 은행에서 구입하였다. 호주산 갈탄과 텍사스산 갈탄 100그램씩을 70메쉬로 분쇄한 후 호주산 갈탄은 8N 질산용액을 3배 부피와, 그리고 텍사스산 갈탄은 30% 과산화수소수 3배 부피와 혼합하여 18℃에서 55시간 정치하였다. 정치액을 진공펌프를 이용하여 여과하여 전처리액을 제가하고, 여액이 맑은 색으로 변할때까지 증류수로 3회 세척하였다. 잔존물을 100℃ 오븐에서 24시간동안 건조시켰다.

[실시예 2]

미생물의 배양

유전공학연구소에서 분양받은 곰팡이 포리아 코코스(Poria cocos) KCTC 6074를 감자-댁스트로(Potato-dextose) 아가 배지(미국 디프코사 제품)에서 25℃, 80% 습도에서 10일간 배양하여 페트리디쉬상의 모든 공간을 다 덮을 때까지 배양하였다.

[실시예 3]

석탄의 가용화 실험

실시예 2에서 준비한 배양 플레이트에 실시예 1에서 준비한 전처리 호주산 갈탄 2.5그램 뿌리고 2일동안 석탄의 가용화상태를 육안으로 관찰하였다. 6시간이 지나면 석탄입자가 주위에 투명한 갈색액적이 생성되며, 12시간내에 50% 이상의 석탄이 가용화되었고, 하루가 지나면 80% 이상이 가용화되어 흑색 액체를 형성하였다. 10일이 지나면 액체가 제1도와 같이 커다란 군체를 형성하였다.

[실시예 4]

석탄 가용화액의 IR 분석

시료석탄과 석탄 가용화핵의 화학적 구조를 적외선 흡광도로 검토하였다. 포리아 코코스 KCTC 6074를 배양하고 있는 아가 플레이트에 질산으로 실시예 1의 방법에 따라 처리한 호주산 갈탄을 2.5그램 투여하여 2일간 배양한뒤 얻어진 석탄액화물을 1N 염산으로 처리하여 불용성 침전을 탈이온수 10㎖로 3회 세척하고 동결건조시 하였다. 진공오븐에서 하루동안 건조한 뒤, 브롬화칼륨과 함께 원형의 시편을 제조하여 IR분석을 하였다. 그 결과는 도 2~7에 나타나 있다.

IR 분석에 의하여 단계를 거치면서 석탄이 계속적으로 산화되는 패턴을 읽을 수 있는데, 700㎝^-1에서 나타나는 아미이드계열 피크, 1100~1300 ㎝^-1의 에스테르계열의 피크, 1400㎝^-1에서의 카르복실기나 암모니아 프크, 1990~2400㎝^-1에서의 방향쪽 고리 피크는 처리단계를 거칠수록 그 크기가 감소하였다. 대신에 1600~1700㎝^-1에서의 에스테르나 케톤 피크는 액화단계에서 증가되었다.

2800㎝^-1에서의 지방족사슬 피크가 증가하는 이유로 산화에 의해 사슬구조가 일부 파괴된느 것으로 추정하였다.

[실시예 5]

발효지에 의한 액화

감자-댁스트로 아가 배지에서 상대습도 80%로 25℃ 조건에서 2주간 배양한 포리아 코코스 KCTC 6074를 감자 덱스트로 액체배지 내에서 100rpm 의 속도로 진탕하면서 2주간 배양하였다.

배양액 1.5ℓ에 150㎖의 배양액을 접종하고, 갈탄을 4.5그램을 주입한 교반 반응기에서 2일부터 가용화가 시작되었고, 이때 pH는 3.3으로 나타났다.

9일에는 290nm에서의 흡광도가 1.35 까지 도달하였다. 그러나 pH는 3.3으로 유지되어 더이상 내려가지는 않았다.

그러나 갈탄의 침전을 방지하기 위해서는 공기주입량이 많아야 하고, 교반속도도 증가되어야 하므로 에너지 원가가 증가한다. 또한 가용화가 진행되면 pH가 올라가는 현상이 관찰되지 않았으므로, 공기부양 발효기의 사용이 바람직하였다.

본 발명에 따른 석탄의 액화방법에 의하면, 석타느이 액화능이 우수한 특정균을 이용하여, 가용화 촉진을 위해 질산으로 전처리한 석탄을 액화할 수 있기 때문에 경제적인 에너지원인 방법으로 효율적으로 사용할 수가 있다.

Claims

포리아 코코스(Poria cocos) 곰팡이를 배양한 배양액에, 8N 질산 또는 30% 과산화수소수로 전처리한 석탄을 첨가하고, 25℃~30℃에서 2~10일간 배양함을 특징으로하는 하는 미생물 발효에 의한 갈탄의 가용화 방법.
제1항에 있어서, 공기부양식 발효기를 이용하여 배양을 실시함을 특징으로 하는 가용화 방법.