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KR20090008987A - Method for high efficiency biological production of methane using hydrogen and carbon dioxide - Google Patents

Method for high efficiency biological production of methane using hydrogen and carbon dioxide Download PDF

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KR20090008987A
KR20090008987A KR1020070072385A KR20070072385A KR20090008987A KR 20090008987 A KR20090008987 A KR 20090008987A KR 1020070072385 A KR1020070072385 A KR 1020070072385A KR 20070072385 A KR20070072385 A KR 20070072385A KR 20090008987 A KR20090008987 A KR 20090008987A
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methane
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최광근
박대원
이준철
김재형
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주식회사 지앤지인텍
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Abstract

A biological methane manufacturing method of efficiently using hydrogen and carbon dioxide is provided to reduce carbon dioxide massively at a room temperature and a regular pressure by using organic waste and to produce methane usable to new energy source massively. A biological methane manufacturing method of efficiently using hydrogen and carbon dioxide comprises steps of: collecting the organic waste including anaerobe; removing dissolved oxygen included in the organic waste by injecting at least one of inactive gas, mixing gas of the hydrogen and the carbon dioxide and oxygen scavenger in the collected organic waste; using carbon dioxide from the organic waste as unique carbon source and unique energy source by injecting the hydrogen and the carbon dioxide into the organic waste and cultivating the anaerobe; injecting the organic waste in which anaerobe is cultivated in the anaerobic bioreactor(40) in which the porous carrier is filled; and producing the methane by injecting the hydrogen and carbon dioxide into the anaerobic bioreactor and reacting injected gas by anaerobe.

Description

수소와 이산화탄소를 이용한 고효율의 생물학적 메탄 제조방법{Method for high efficiency biological production of methane using hydrogen and carbon dioxide}Method for high efficiency biological production of methane using hydrogen and carbon dioxide}

본 발명은 생물학적 메탄 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유기성폐기물을 이용한 혐기성 생물반응을 통해 이산화탄소를 수소와 반응시켜 상온 및 상압에서 고효율로 이산화탄소를 대량 저감하고 메탄을 대량 생산할 수 있는 생물학적 메탄 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing biological methane, and more particularly, to produce biological methane that can mass-reduce carbon dioxide and produce large quantities of methane at high temperature and atmospheric pressure by reacting carbon dioxide with hydrogen through anaerobic bioreaction using organic waste. It is about a method.

이산화탄소(CO2)는 최근 교토의정서 등 각국에서 많은 법규가 제정됨에 따라 반드시 제거되어야 하는 환경 유해물질에 속한다.Carbon dioxide (CO 2 ) is one of environmentally hazardous substances that must be removed due to the recent enactment of many laws in each country such as the Kyoto Protocol.

한편, 유기성 폐기물 중 하수슬러지(WAS: Waste Activated Sludge)와 음식물쓰레기(FW: Food Waste)는 필수적으로 처리되어야 하는 폐기물로 인식되고 있다. Meanwhile, waste activated sludge (WAS) and food waste (FW) among organic wastes are recognized as essential wastes to be disposed of.

이러한 유기성 폐기물의 최종 처리를 위해 일반적으로 매립 또는 소각 기술이 적용될 수 있으며, 이밖에 혐기성 소화(anaerobic digestion) 기술이 또한 적용될 수 있다. Landfill or incineration techniques can generally be applied for the final treatment of these organic wastes, in addition to anaerobic digestion techniques.

혐기성 소화란 일련의 미생물학적 과정에 의해 유기물이 메탄과 이산화탄소로 전환되는 과정을 말한다. 혐기성 소화에는 가수분해 단계, 산생산 단계, 초산생산 단계, 그리고 메탄생산 단계와 같은 네 단계로 구성되어 있는데, 메탄은 최종 생산물로서 혐기성 소화의 마지막 단계에서 생산된다.Anaerobic digestion is the process in which organic matter is converted to methane and carbon dioxide by a series of microbiological processes. Anaerobic digestion consists of four stages: the hydrolysis stage, the acid production stage, the acetic acid production stage, and the methane production stage. Methane is produced as the final product at the end of anaerobic digestion.

이와 같이 유기성 폐기물을 이용하여 메탄과 같은 바이오가스를 생산할 목적으로 시도한 많은 연구가 진행되고 있으나, 이들 연구는 모두 혐기성 생물 공정 내부에서 아세테이트 등을 영양원으로 사용하는 것이다. 즉, 메탄과 같은 바이오가스를 생산하고자 하는 대부분의 연구에서 사용되는 기술은 발효조가 포함된 프로세스의 개선을 이용하는 기술이다. 그 예로, 대한민국공개특허 제2002-0038701호는 가축배설물과 같은 유기성 폐기물을 대상 원료로 하고 2상형 메탄발효 반응기를 이용하여 바이오가스를 발생시키는 기술을 개시하고 있는데, 이 경우 메탄생산 균주가 사용하는 영양원이 아세테이트였다. 또한, 대한민국등록특허 제0252811호는 음식물쓰레기를 대상 원료로 하고 파쇄기가 포함된 3상 발효조를 이용하여 바이오가스를 발생시키는 기술을 개시하고 있으며, 다종 다양한 호기성 균주 및 혐기성 균주를 사용하여 음식물쓰레기를 처리함으로써 발효시간의 단축을 통한 메탄의 고효율 생산을 달성하고자 하였다. 또한, 대한민국등록특허 제0461759호는 하수슬러지를 대상 원료로 하고 입상화 촉진제를 투입하여 입상화 슬러지를 단시간 내에 형성시킨 후 이를 사용하여 수소 및 메탄가스를 고효율로 생산하는 방법을 개시하고 있다. 또한 PCT/US2001/030969는 다양한 유기성 폐기물을 대상원료로 하고 여러가지 박테리아를 적용하여, 다양한 알칼리, 온도 등에서 메탄을 고효율로 생산하고자 하였 다. 두 가지 이상의 단일 가용화 기술을 유기성폐기물의 가용화에 혼합 적용한 예로는 대한민국공개특허 제2005-0088644호와 대한민국공개특허 제2005-0011391호가 있다. 대한민국공개특허 제2005-0088644호는 하수슬러지를 대상 원료로 하여 마이크로파와 열풍 및 흡열재를 이용하여 가용화하는 기술을 개시하고 있으며, 대한민국공개특허 제2005-0011391호는 물리적 방법만을 개시하고 있으나 두 종류의 초음파 조사 기술, 상세하게는 하수슬러지를 대상 원료로 하고 다파장 및 역류 초음파 조사를 이용하여 생물반응조의 처리능력을 향상시켜 고효율로 슬러지를 가용화하는 기술을 개시하고 있다. PCT/US2002/025253은 대상 원료를 입자 크기별로 구분한 후, 130℃ 또는 그 이상의 온도 및 포화 수증기압 이상의 압력에서 열적 가수분해를 적용하여 가용화한 후, 알칼리 처리를 통해 유기성 폐기물의 가용화 효율을 높이고자 하였다. PCT/JP2001/08842는 과량의 슬러지를 대상 원료로 하고 이 슬러지에 가용화제를 첨가하고 초음파를 적용한 후 감압 팽윤 처리한 다음 다시 미생물 처리하여 슬러지의 부피를 줄이고자 하였다. As such, many studies have been conducted to produce biogas such as methane using organic waste, but all these studies use acetate as a nutrient source in an anaerobic biological process. In other words, the technique used in most studies to produce biogas, such as methane, is a technique that takes advantage of improvements in processes involving fermenters. For example, Korean Patent Laid-Open Publication No. 2002-0038701 discloses a technique of generating biogas using a two-phase methane fermentation reactor as an organic raw material such as animal waste, and in this case, a methane-producing strain is used. The nutrient was acetate. In addition, the Republic of Korea Patent No. 0252811 discloses a technology for generating biogas using a three-phase fermenter containing a crusher as a raw material for food waste, using a variety of aerobic strains and anaerobic strains Treatment was to achieve high efficiency production of methane through shortening of fermentation time. In addition, Korean Patent No. 0461759 discloses a method for producing hydrogen and methane gas with high efficiency after forming sewage sludge as a target raw material and forming granular sludge in a short time by adding a granulation accelerator. In addition, PCT / US2001 / 030969 aims to produce methane with high efficiency at various alkalis and temperatures by applying various organic wastes and applying various bacteria. Examples of the application of two or more single solubilization techniques to the solubilization of organic waste include Korean Patent Publication No. 2005-0088644 and Korean Patent Publication No. 2005-0011391. Korean Patent Publication No. 2005-0088644 discloses a technology for solubilizing sewage sludge using microwave, hot air, and heat absorbing material, and Korean Patent Publication No. 2005-0011391 discloses only two physical methods. Ultrasonic irradiation technology, specifically, sewage sludge as a raw material, using a multi-wavelength and countercurrent ultrasonic irradiation to improve the treatment capacity of the bioreactor, solubilizing the sludge with high efficiency. PCT / US2002 / 025253 classifies target raw materials by particle size, solubilizes them by applying thermal hydrolysis at a temperature of 130 ℃ or higher and a pressure above saturated steam pressure, and then increases the solubilization efficiency of organic waste through alkali treatment. It was. PCT / JP2001 / 08842 tried to reduce the volume of sludge by using excess sludge as a raw material, adding solubilizer to the sludge, applying ultrasonic wave, swelling under reduced pressure, and then microbial treatment.

이상과 같이 유기성 폐기물과 같은 원료를 사용하여 아세테이트를 생산하고, 이를 메탄생산 균주를 통해 메탄 등의 바이오가스를 생산하는 연구는 많이 보고되고 있으나, 외부에서 별도로 주입된 수소와 이산화탄소를 원료로 하여 메탄생산 균주를 이용해 메탄을 생산하는 연구와 관련된 보고는 아직까지 없었다. 따라서, 유기성 폐기물을 이용하여 온실가스의 주범인 이산화탄소를 대량으로 저감함과 동시에 새로운 에너지원으로 사용가능한 메탄을 대량으로 생산하는 기술이 요구되고 있는 실정이다. As mentioned above, many studies have been conducted on producing acetate using raw materials such as organic waste, and producing biogas such as methane through methane production strains. There have been no reports of methane production using production strains. Therefore, there is a demand for a technology for producing a large amount of methane that can be used as a new energy source while reducing the amount of carbon dioxide that is the main cause of greenhouse gases using organic waste.

본 발명은 유기성 폐기물을 이용하여 상온 및 상압에서 이산화탄소를 대량으로 저감함과 동시에 새로운 에너지원으로 사용가능한 메탄을 대량으로 생산할 수 있는 고효율의 생물학적 메탄 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a high-efficiency biological methane production method that can produce a large amount of methane that can be used as a new energy source while reducing the mass of carbon dioxide at room temperature and atmospheric pressure using organic wastes.

상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은,The present invention to solve the above problems,

(a) 혐기성 미생물을 포함하는 유기성 폐기물을 채취하는 단계;(a) collecting organic waste comprising anaerobic microorganisms;

(b) 상기 채취된 유기성 폐기물에 불활성 가스, 수소와 이산화탄소의 혼합가스, 및 산소 제거제 중 적어도 1종을 주입함으로써 상기 유기성 폐기물 내에 포함되어 있는 용존 산소를 제거하는 단계;(b) removing dissolved oxygen contained in the organic waste by injecting at least one of an inert gas, a mixed gas of hydrogen and carbon dioxide, and an oxygen scavenger into the collected organic waste;

(c) 상기 유기성 폐기물에 수소 및 이산화탄소를 주입함으로써 상기 유기성 폐기물로부터 이산화탄소를 유일 탄소원 및 유일 에너지원으로 사용하는 혐기성 미생물을 배양하는 단계;(c) culturing anaerobic microorganisms using carbon dioxide as the sole carbon source and the only energy source from the organic waste by injecting hydrogen and carbon dioxide into the organic waste;

(d) 상기 혐기성 미생물이 배양된 상기 유기성 폐기물을 다공성 담체가 충진되어 있는 혐기성 생물 반응조에 투입하는 단계; 및(d) injecting the organic waste in which the anaerobic microorganisms are cultured into an anaerobic bioreactor filled with a porous carrier; And

(e) 상기 혐기성 생물 반응조에 수소 및 이산화탄소를 주입하고 주입된 가스들을 상기 혐기성 미생물에 의해 반응시킴으로써 메탄을 생산하는 단계를 포함하는 생물학적 메탄 제조방법을 제공한다.(e) injecting hydrogen and carbon dioxide into the anaerobic bioreactor and producing methane by reacting the injected gases by the anaerobic microorganisms.

본 발명의 한 구현예에 따르면, 상기 (a) 단계에서 상기 다공성 담체의 충진 비는 상기 혐기성 생물 반응조 100부피%에 대하여 25 내지 45부피%이고, 상기 (d) 단계에서 수소:이산화탄소의 주입 몰비는 4.5:1 내지 5.5:1이다.According to one embodiment of the invention, the filling ratio of the porous carrier in the step (a) is 25 to 45% by volume relative to 100% by volume of the anaerobic bioreactor, the injection molar ratio of hydrogen: carbon dioxide in step (d) Is 4.5: 1 to 5.5: 1.

본 발명에 의하면, 유기성 폐기물을 이용하여 상온 및 상압에서 이산화탄소를 대량으로 저감함과 동시에 새로운 에너지원으로 사용가능한 메탄을 대량으로 생산할 수 있는 고효율의 생물학적 메탄 제조방법이 제공될 수 있다.According to the present invention, a high-efficiency biological methane production method capable of producing large quantities of methane that can be used as a new energy source while reducing carbon dioxide in a large amount at room temperature and atmospheric pressure using an organic waste can be provided.

이어서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 생물학적 메탄 제조방법에 관하여 상세히 설명한다. Next, with reference to the accompanying drawings will be described in detail with respect to the biological methane production method according to a preferred embodiment of the present invention.

본 구현예에 따른 생물학적 메탄 제조방법은, 혐기성 미생물을 포함하는 유기성 폐기물을 채취하는 단계, 상기 채취된 유기성 폐기물에 불활성 가스, 수소와 이산화탄소의 혼합가스, 및 산소 제거제 중 적어도 1종을 주입함으로써 상기 유기성 폐기물 내에 포함되어 있는 용존 산소를 제거하는 단계, 상기 유기성 폐기물에 수소 및 이산화탄소를 주입함으로써 상기 유기성 폐기물로부터 이산화탄소를 유일 탄소원 및 유일 에너지원으로 사용하는 혐기성 미생물을 배양하는 단계, 상기 혐기성 미생물이 배양된 상기 유기성 폐기물을 다공성 담체가 충진되어 있는 혐기성 생물 반응조에 투입하는 단계, 및 상기 혐기성 생물 반응조에 수소 및 이산화탄소를 주입하고 주입된 가스들을 상기 혐기성 미생물에 의해 반응시킴으로써 메탄을 생산하는 단계를 포함한다.Biological methane production method according to the embodiment, the step of collecting an organic waste containing anaerobic microorganisms, by injecting at least one of an inert gas, a mixed gas of hydrogen and carbon dioxide, and an oxygen scavenger to the collected organic waste Removing dissolved oxygen contained in the organic waste, culturing anaerobic microorganisms using carbon dioxide as the sole carbon source and the only energy source from the organic waste by injecting hydrogen and carbon dioxide into the organic waste, culturing the anaerobic microorganisms Injecting the prepared organic waste into an anaerobic bioreactor filled with a porous carrier, and injecting hydrogen and carbon dioxide into the anaerobic bioreactor and reacting the injected gases with the anaerobic microorganism to produce methane. do.

이하, 본 구현예에 따른 생물학적 메탄 제조방법을 상세히 설명한다.Hereinafter, the biological methane production method according to the embodiment will be described in detail.

먼저, 하수 슬러지 또는 음식물 쓰레기 등의 유기성 폐기물을 채취한다. 이러한 유기성 폐기물에는 통상적으로 혐기성 미생물이 포함되어 있다. First, organic waste such as sewage sludge or food waste is collected. Such organic waste typically contains anaerobic microorganisms.

다음에, 체취한 유기성 폐기물에 아르곤 또는 질소 등의 불활성 가스, 수소와 이산화탄소의 혼합가스, 및 산소 제거제 중 적어도 1종을 주입함으로써 상기 유기성 폐기물 내에 포함되어 있는 용존 산소를 제거한다. 여기서, 산소제거제 종류는 특별히 한정되지 않으며, 임의의 공지된 것이 사용될 수 있다.Next, dissolved oxygen contained in the organic waste is removed by injecting at least one of an inert gas such as argon or nitrogen, a mixed gas of hydrogen and carbon dioxide, and an oxygen scavenger into the organic waste collected. Here, the type of oxygen scavenger is not particularly limited, and any known one may be used.

그 다음에, 상기 유기성 폐기물에 수소 및 이산화탄소를 주입함으로써 상기 유기성 폐기물로부터 이산화탄소를 유일 탄소원 및 유일 에너지원으로 사용하는 혐기성 미생물을 배양한다. 이러한 혐기성 미생물의 배양은 3개월 이상 지속되는 것이 바람직하나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 이러한 배양시간은 의도하는 메탄 생산량에 따라 달라질 수 있다. 여기서, 배양된 혐기성 미생물은 아세테이트로부터 메탄을 생산하는 균주 군집이 아닌 이산화탄소로부터 메탄을 생산하는 하이드로제노트롭스 군집이다.Next, by injecting hydrogen and carbon dioxide into the organic waste, anaerobic microorganisms are grown from the organic waste using carbon dioxide as the only carbon source and the only energy source. It is preferable that the culture of the anaerobic microorganisms lasts for at least 3 months, but the present invention is not limited thereto, and the incubation time may vary depending on the intended methane production amount. Here, the cultured anaerobic microorganism is a hydrogenotropes community that produces methane from carbon dioxide, not a strain community that produces methane from acetate.

이하, 도 1을 참조하여 본 구현예에 따른 생물학적 메탄 제조방법을 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, referring to Figure 1 will be described in more detail the biological methane production method according to the embodiment.

도 1은 본 구현예에 따른 생물학적 메탄 제조방법을 적용하여 구성한 생물학적 메탄 제조장치를 개략적으로 도시한 도면이다.1 is a view schematically showing a biological methane production apparatus configured by applying a biological methane production method according to the present embodiment.

도 1을 참조하면, 상기 생물학적 메탄 제조장치(1)는, 수소 저장용기(10), 이산화탄소 저장용기(20), 가스 혼합기(30), 혐기성 생물 반응조(40), 다공성 담체(45), 가스크로마토그래피(50) 및 유량계(60)를 포함한다. Referring to FIG. 1, the biological methane production apparatus 1 includes a hydrogen storage container 10, a carbon dioxide storage container 20, a gas mixer 30, an anaerobic bioreactor 40, a porous carrier 45, and a gas. Chromatography 50 and flow meter 60.

먼저, 상기 혐기성 미생물이 배양된 상기 유기성 폐기물을 다공성 담체(45)가 충진되어 있는 혐기성 생물 반응조(40)에 투입한다. 혐기성 생물 반응조(40)는 투명한 재질의 아크릴 수지, 파이렉스 또는 쿼츠(quartz) 등으로 형성되는 것이 바람직하나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 다공성 담체(45)로는 예를 들어 세라믹 볼이 사용될 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 다공성 담체(45)는 혐기성 미생물의 담체 역할 외에, 수소와 이산화탄소의 반응율 및 용존율을 향상시키는 역할을 한다. 다공성 담체(45)의 충진비는 혐기성 생물 반응조(40) 100부피%에 대하여 25 내지 45부피%인 것이 바람직하다. 상기 충진비가 상기 범위를 벗어나는 경우에는 메탄 생산량이 적어져서 바람직하지 않다. First, the organic waste in which the anaerobic microorganisms are cultured is introduced into the anaerobic bioreactor 40 in which the porous carrier 45 is filled. Anaerobic bioreactor 40 is preferably formed of an acrylic resin, Pyrex or quartz (quartz) of a transparent material, but the present invention is not limited thereto. As the porous carrier 45, for example, a ceramic ball may be used, but the present invention is not limited thereto. The porous carrier 45 serves to improve the reaction rate and dissolution rate of hydrogen and carbon dioxide in addition to the carrier of the anaerobic microorganism. The filling ratio of the porous carrier 45 is preferably 25 to 45% by volume with respect to 100% by volume of the anaerobic bioreactor 40. If the filling ratio is outside the above range, the amount of methane produced is not preferable.

다음에, 혐기성 생물 반응조(40)에 수소 및 이산화탄소를 주입하고 주입된 가스들을 상기 혐기성 미생물에 의해 반응시킴으로써 메탄을 생산한다. 구체적으로, 수소 및 산소는 유기성 폐기물에 함유되어 있는 수분에 용해된 후, 혐기성 미생물에 의해 서로 반응함으로써 메탄으로 전환되게 된다. 여기서, 수소:이산화탄소의 주입 몰비는 4.5:1 내지 5.5:1인 것이 바람직하다. 상기 주입 몰비가 4.5:1 미만인 경우에는 이산화탄소의 환원에 사용되는 수소의 양이 너무 적어 메탄 생산에 주는 영향이 적으므로 바람직하지 않으며, 5.5:1을 초과하는 경우에는 반응에 사용되는 이산화탄소의 양이 너무 적어 메탄 생산량이 적으므로 바람직하지 않다. 또한, 수소 및 이산화탄소는 수소 저장용기(10) 및 이산화탄소 저장용기(20)로부터 각각 개별적으로 혐기성 생물 반응조(40)에 주입될 수도 있고, 도 1에서와 같이 가스 혼합기(30)에서 혼합되어 혼합가스의 형태로 주입될 수도 있다. 여기서, 수소와 이산화탄소의 혼합가스의 최적 유량은 혐기성 생물 반응조(40)의 크기나, 다공성 담체(45)의 입자 크기 및 충진비에 따라 다양하게 변화될 수 있다.Next, methane is produced by injecting hydrogen and carbon dioxide into the anaerobic bioreactor 40 and reacting the injected gases with the anaerobic microorganisms. Specifically, hydrogen and oxygen are dissolved in water contained in the organic waste and then converted into methane by reacting with each other by anaerobic microorganisms. Here, it is preferable that the injection molar ratio of hydrogen: carbon dioxide is 4.5: 1 to 5.5: 1. If the injection molar ratio is less than 4.5: 1, the amount of hydrogen used for the reduction of carbon dioxide is too small, which is not preferable because it has little effect on the methane production. Too little to produce less methane, which is undesirable. In addition, hydrogen and carbon dioxide may be injected into the anaerobic bioreactor 40 separately from the hydrogen storage container 10 and the carbon dioxide storage container 20, respectively, mixed in the gas mixer 30 as shown in FIG. It may be injected in the form of. Here, the optimum flow rate of the mixed gas of hydrogen and carbon dioxide may vary depending on the size of the anaerobic bioreactor 40, the particle size of the porous carrier 45 and the filling ratio.

그 다음에, 혐기성 생물 반응조(40)에서 생산된 메탄, 부생산물, 및/또는 수소나 이산화탄소 등의 미반응 가스는 혐기성 생물 반응조(40)의 외부로 배출된다. 외부로 배출된 상기 가스들의 일부 또는 전부는 가스크로마토그래피(50) 및 유량계(60)를 각각 거침으로써 그 구성 성분이 분석되고 가스 유량이 측정될 수 있다. 또한, 배출된 가스들 중 이산화탄소는 별도의 분리장치(미도시)에서 분리되어 혐기성 생물 반응조(40)로 재주입될 수도 있다.Next, methane, by-products produced in the anaerobic bioreactor 40, and / or unreacted gases such as hydrogen or carbon dioxide are discharged to the outside of the anaerobic bioreactor 40. Some or all of the gases discharged to the outside are subjected to the gas chromatography 50 and the flow meter 60, respectively, and the components thereof may be analyzed and the gas flow rate may be measured. In addition, carbon dioxide among the discharged gases may be separated in a separate separator (not shown) and re-injected into the anaerobic bioreactor 40.

이하, 실시예들을 들어 본 발명에 관하여 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명이 이러한 실시예들에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to these Examples.

실시예Example

실시예 1: 유기성 폐기물 채취, 혐기성 미생물 배양 및 배양된 혐기성 미생물의 종류 확인Example 1 Organic Waste Collection, Anaerobic Microbial Culture and Identification of Cultured Anaerobic Microorganisms

유기성 폐기물을 채취하고, 채취 즉시 불활성 가스(아르곤 및 질소)를 사용하여 유기성 폐기물 내에 포함되어 있는 용존산소를 제거하였다. 이후, 하이드로제노트롭스 군집만을 특정적으로 배양시키기 위해 수소와 이산화탄소로 이루어진 혼합가스(수소:이산화탄소의 몰비=8:2)를 사용하여 3개월 동안 연속배양을 실시한 후 상기 유기성 폐기물을 도 1의 생물학적 메탄 제조장치(1)에 주입하였다. 본 실시예에서 혐기성 생물 반응조(40)로는 투명 아크릴 수지로 형성되고, 직경 10.5cm, 길 이 97cm의 크기를 갖는 반응조를 사용하였다. 다공성 담체(45)로는 부피 0.325 cm3, 밀도 1.8-2.0g/cm3, 및 표면적 2.23 m2/g인 세라믹 볼을 사용하였다. 수소 및 이산화탄소로 이루어진 혼합가스의 유량은 100ml/min로 하였다.Organic waste was harvested and inert gases (argon and nitrogen) were used immediately to remove dissolved oxygen contained in the organic waste. Subsequently, the organic wastes of FIG. Injected into the biological methane production apparatus (1). In the present embodiment, the anaerobic bioreactor 40 was formed of a transparent acrylic resin, and a reactor having a diameter of 10.5 cm and a length of 97 cm was used. As the porous carrier 45, a ceramic ball having a volume of 0.325 cm 3 , a density of 1.8-2.0 g / cm 3 , and a surface area of 2.23 m 2 / g was used. The flow rate of the mixed gas consisting of hydrogen and carbon dioxide was 100 ml / min.

혐기성 생물 반응조(40)에 하이드로제노트롭스 군집만이 존재하는 지를 확인하기 위해, 임의로 수소와 이산화탄소를 몰비 기준으로 1:1로 혼합한 가스와 아세테이트를 혐기성 생물 반응조(40)에 주입한 다음, 메탄생산 특성을 살펴본 후 그 결과를 도 2에 나타내었다. 도 2에 도시된 바와 같이, 시간 경과에 따른 아세테이트의 농도 변화는 없었으며, 수소와 이산화탄소의 농도가 감소하면서 메탄의 양이 증가하였다. 이러한 결과로부터, 혐기성 미생물이 배양된 유기성 폐기물에는 하이드로제노트롭스 군집이 고농도로 존재하고 있다는 것을 알 수 있다. 이에 PCR-DGGE(polymerase chain reaction-denaturing gradient gel electrophoresis)법을 사용하여 유기성 폐기물 중의 하이드로제노트롭스 군집을 직접적으로 살펴본 결과 하이드로제노트롭스 군집이 고농도로 배양되어 있음을 확인할 수 있었다. In order to confirm that only hydrogenopros colonies exist in the anaerobic bioreactor 40, gas and acetate, optionally mixed 1: 1 with hydrogen and carbon dioxide on a molar ratio basis, are injected into the anaerobic bioreactor 40, After looking at the methane production characteristics are shown in Figure 2 the results. As shown in FIG. 2, there was no change in acetate concentration over time, and the amount of methane increased with decreasing hydrogen and carbon dioxide concentrations. From these results, it can be seen that a high concentration of hydrogenotropes is present in the organic waste cultured with anaerobic microorganisms. As a result of direct examination of the hydrogenotropes community in organic waste using PCR-DGGE (polymerase chain reaction-denaturing gradient gel electrophoresis) method, it was confirmed that the hydrogenotropes community was cultured at high concentration.

실시예 2: 다공성 담체의 충진비에 따른 생물학적 메탄 생산 속도의 변화Example 2: Changes in Biological Methane Production Rate According to Filling Ratio of Porous Carrier

실시예 1에서와 동일한, 배양된 유기성 폐기물, 혐기성 생물 반응조(40), 및 다공성 담체(45)를 사용하여 다공성 담체(45)의 충진비에 따른 메탄 생산 속도의 변화를 관찰하였다. 구체적으로, 혐기성 생물 반응조(40) 100부피%에 대하여 다공성 담체(45)의 충진비를 0부피%에서 100부피%까지 변화시켜 가면서 메탄 생산 속도를 측정하고, 그 결과를 도 3에 나타내었다. 여기서, 수소 및 이산화탄소로 이루어 진 혼합가스의 유량은 100ml/min로 하였다.As in Example 1, the cultured organic waste, the anaerobic bioreactor 40, and the porous carrier 45 were used to observe the change of the methane production rate according to the filling ratio of the porous carrier 45. Specifically, methane production rate was measured while changing the filling ratio of the porous carrier 45 from 0% to 100% by volume with respect to 100% by volume of the anaerobic bioreactor 40, and the results are shown in FIG. Here, the flow rate of the mixed gas consisting of hydrogen and carbon dioxide was 100ml / min.

도 3에 도시된 바와 같이, 혐기성 생물 반응조(40)의 100부피%에 대하여 다공성 담체(45)를 40부피% 충진한 경우에 메탄의 생산 속도가 가장 높았다. 특히, 다공성 담체(45)를 80부피% 이상 충진하는 경우에는 혐기성 생물 반응조(40) 외부에서 주입한 수소와 이산화탄소의 혼합 가스가 혐기성 생물 반응조(40) 내부에서 유동되지 않고 정체되거나 한 곳으로만 유동되는 현상을 보이면서 혐기성 생물 반응조(40) 내부에 투입된 유기성 폐기물이 부패되는 현상을 나타내었다. 이는, 다량의 다공성 담체(45)가 충진되면서 주입한 혼합가스의 흐름을 방해하기 때문인 것으로 판단된다. As shown in FIG. 3, the production rate of methane was the highest when the porous carrier 45 was filled in 40 vol% with respect to 100 vol% of the anaerobic bioreactor 40. In particular, when filling the porous carrier 45 or more by 80% by volume or more, the mixed gas of hydrogen and carbon dioxide injected from the anaerobic bioreactor 40 does not flow inside the anaerobic bioreactor 40 but is stagnant or only in one place. While showing the phenomenon of flowing, the organic waste introduced into the anaerobic bioreactor 40 shows the phenomenon of corruption. This is believed to be because the filling of a large amount of the porous carrier 45 interferes with the flow of the injected mixed gas.

실시예 3: 수소와 이산화탄소의 혼합비율에 따른 메탄 생산 속도 변화Example 3: Methane Production Rate Change According to Mixing Ratio of Hydrogen and Carbon Dioxide

실시예 1에서와 동일한, 배양된 유기성 폐기물, 혐기성 생물 반응조(40), 및 다공성 담체(45)를 사용하여 수소와 이산화탄소의 혼합비율에 따른 메탄 생산 속도의 변화를 측정하였다. 다공성 담체(45)의 충진비는 실시예 2의 결과를 반영하여 혐기성 생물 반응조(40) 100부피%에 대하여 40부피%로 하였다. 또한, 수소 및 이산화탄소로 이루어진 혼합가스의 유량은 모든 경우에 공히 100ml/min로 하였다.As in Example 1, the culture rate of the organic waste, the anaerobic bioreactor 40, and the porous carrier 45 were used to measure the change in methane production rate according to the mixing ratio of hydrogen and carbon dioxide. The filling ratio of the porous carrier 45 was 40% by volume with respect to 100% by volume of the anaerobic bioreactor 40 reflecting the results of Example 2. In addition, the flow volume of the mixed gas which consists of hydrogen and carbon dioxide was 100 ml / min in all cases.

몰비 기준으로 2:1에서부터 8:1까지 수소:이산화탄소의 혼합비율을 점진적으로 증가시켜가면서 시간 경과에 따른 메탄 생산 속도를 측정하고, 그 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4에서 볼 수 있듯이, 수소와 이산화탄소를 5:1의 비율로 혼합하였을 때 메탄 생산 속도가 가장 높은 것을 알 수 있다. 화학양론적인 견지에서는, 수소: 이산화탄소의 혼합비율은 4:1이 최적이다. 그러나, 수소의 물에 대한 용해 도(solubility) 특성상 4:1보다 많은 양인 5:1의 비율이 최적 혼합비율이 되는 것으로 판단된다.Methane production rate was measured over time while gradually increasing the mixing ratio of hydrogen: carbon dioxide from 2: 1 to 8: 1 on a molar ratio basis, and the results are shown in FIG. 4. As can be seen in Figure 4, when the mixture of hydrogen and carbon dioxide in a ratio of 5: 1 it can be seen that the methane production rate is the highest. From a stoichiometric point of view, the ratio of hydrogen to carbon dioxide is 4: 1 optimal. However, the ratio of 5: 1, which is larger than 4: 1, is considered to be the optimum mixing ratio due to the solubility of hydrogen in water.

실시예 4: 최적 운전조건에서 시간 경과에 따른 누적 메탄 생산량 변화Example 4 Changes in Cumulative Methane Production Over Time at Optimal Operating Conditions

실시예 1에서와 동일한, 배양된 유기성 폐기물, 혐기성 생물 반응조(40), 및 다공성 담체(45)를 사용하여 시간 경과에 따른 누적 메탄 생산량의 변화를 측정하였다. 다공성 담체(45)의 충진비는 실시예 2의 결과를 반영하여 혐기성 생물 반응조(40) 100부피%에 대하여 40부피%로 하였고, 수소와 이산화탄소의 혼합비율은 실시예 3의 결과를 반영하여 5:1로 하였다. 또한, 수소 및 이산화탄소로 이루어진 혼합가스의 유량은 100ml/min로 하였다. 혐기성 생물 반응조(40)의 온도는 37ㅁ1℃, pH는 6.8-7.0으로 조절하였다. Changes in cumulative methane production over time were measured using the same cultured organic waste, anaerobic bioreactor 40, and porous carrier 45 as in Example 1. The filling ratio of the porous carrier 45 was 40 vol% to 100 vol% of the anaerobic bioreactor 40 reflecting the result of Example 2, and the mixing ratio of hydrogen and carbon dioxide was 5 to reflect the result of Example 3 : 1 was set. In addition, the flow volume of the mixed gas which consists of hydrogen and carbon dioxide was 100 ml / min. The temperature of the anaerobic biological reactor (40) was adjusted to 37 ㅁ 1 ℃, pH was 6.8-7.0.

도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 유기성 폐기물에 고농도로 존재하고 있는 하이드로제노트롭스를 이용할 경우 혐기성 생물 반응조(40)에 있어서 운전 초기에는 주입한 이산화탄소가 출구로 일부 배출되지만, 운전 후기에는 출구로 이산화탄소가 배출되지 않고 메탄만 생산되어 배출되는 특성을 나타내었다. 즉, 운전 초기에는 주입한 수소와 이산화탄소의 혼합가스가 혐기성 생물 반응조(40)내에서 다량으로 반응하지 않고 상당량 그대로 배출되면서 메탄의 생산성이 낮았으나, 운전 후기로 갈수록 출구로 배출되는 수소와 이산화탄소의 양이 줄어들면서 다량의 메탄이 생산되는 것을 알 수 있다. 시간 경과에 따라 수소와 이산화탄소의 배출량이 줄어든다는 것은 혐기성 생물 반응조(40)내에서 하이드로제노트롭스 군집에 의해 이들 혼합가스가 반응하여 메탄 생산 능력이 우수해 진다는 것을 의미한다. As shown in FIG. 5, in the case of using hydrogenoprox present in organic waste at a high concentration, the injected carbon dioxide is partially discharged to the outlet in the anaerobic bioreactor 40 at the beginning of operation, but is discharged to the outlet at the end of operation. Carbon dioxide is not emitted but only methane is produced. That is, in the early stage of operation, the mixed gas of hydrogen and carbon dioxide injected was not reacted in a large amount in the anaerobic bioreactor 40 and discharged as it is, but the productivity of methane was low. It can be seen that as the amount is reduced, a large amount of methane is produced. The reduction of the emission of hydrogen and carbon dioxide over time means that these mixed gases are reacted by the hydrogenopros community in the anaerobic bioreactor 40, thereby improving the methane production capacity.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 생물학적 메탄 제조방법에 의하면, 유기성 폐기물을 이용하여 상온 및 상압에서 고효율로 다량의 메탄을 생산할 수 있다. 여기서, 상온이란 0-100℃의 낮은 온도 범위를 말한다. 또한, 본 발명에 따른 생물학적 메탄 제조방법은, 온실가스의 주범인 이산화탄소의 저감에 이용되어 혐기성 생물 공정을 통해 배가스(flue gas)에 포함된 이산화탄소를 효율적으로 제거할 수 있다. According to the biological methane production method according to the present invention having the configuration as described above, it is possible to produce a large amount of methane with high efficiency at room temperature and atmospheric pressure using the organic waste. Here, normal temperature means the low temperature range of 0-100 degreeC. In addition, the biological methane production method according to the present invention can be used to reduce the carbon dioxide which is the main culprit of the greenhouse gas can efficiently remove the carbon dioxide contained in the flue gas (analysis) through the anaerobic biological process.

이상에서는 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다. In the foregoing description, a preferred embodiment according to the present invention has been described with reference to the drawings, but this is only an example, and those skilled in the art may understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible. There will be. Therefore, the protection scope of the present invention should be defined by the appended claims.

도 1은 본 구현예에 따른 생물학적 메탄 제조방법을 적용하여 구성한 생물학적 메탄 제조장치를 개략적으로 도시한 도면이다.1 is a view schematically showing a biological methane production apparatus configured by applying a biological methane production method according to the present embodiment.

도 2는 본 구현예에 따른 생물학적 메탄 제조방법에 있어서 혐기성 미생물의 배양 정도를 시간 경과에 따라 도시한 그래프이다.2 is a graph showing the cultivation degree of anaerobic microorganisms over time in the biological methane production method according to the present embodiment.

도 3은 본 구현예에 따른 생물학적 메탄 제조방법에 있어서 다공성 담체의 충진비에 따라 메탄생산 속도를 도시한 그래프이다.3 is a graph showing the methane production rate according to the filling ratio of the porous carrier in the biological methane production method according to the present embodiment.

도 4는 본 구현예에 따른 생물학적 메탄 제조방법에 있어서 수소와 이산화탄소의 주입 비율에 따른 메탄생산 속도를 시간 경과에 따라 도시한 그래프이다.4 is a graph showing the methane production rate according to the injection ratio of hydrogen and carbon dioxide in the biological methane production method according to the present embodiment over time.

도 5는 본 구현예에 따른 생물학적 메탄 제조방법에 있어서 최적 운전 조건 적용시 누적 메탄 생산량 및 수소와 이산화탄소의 반응 특성을 시간 경과에 따라 도시한 그래프이다.5 is a graph showing the cumulative methane production and the reaction characteristics of hydrogen and carbon dioxide over time when applying the optimum operating conditions in the biological methane production method according to the present embodiment.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

1: 생물학적 메탄 제조장치 10: 수소 저장용기1: biological methane production apparatus 10: hydrogen storage container

20: 이산화탄소 저장용기 30: 가스 혼합기20: carbon dioxide storage container 30: gas mixer

40: 혐기성 생물 반응조 45: 다공성 담체40: anaerobic bioreactor 45: porous carrier

50: 가스크로마토그래피 60: 유량계50: gas chromatography 60: flow meter

Claims (2)

(a) 혐기성 미생물을 포함하는 유기성 폐기물을 채취하는 단계;(a) collecting organic waste comprising anaerobic microorganisms; (b) 상기 채취된 유기성 폐기물에 불활성 가스, 수소와 이산화탄소의 혼합가스, 및 산소 제거제 중 적어도 1종을 주입함으로써 상기 유기성 폐기물 내에 포함되어 있는 용존 산소를 제거하는 단계;(b) removing dissolved oxygen contained in the organic waste by injecting at least one of an inert gas, a mixed gas of hydrogen and carbon dioxide, and an oxygen scavenger into the collected organic waste; (c) 상기 유기성 폐기물에 수소 및 이산화탄소를 주입함으로써 상기 유기성 폐기물로부터 이산화탄소를 유일 탄소원 및 유일 에너지원으로 사용하는 혐기성 미생물을 배양하는 단계;(c) culturing anaerobic microorganisms using carbon dioxide as the sole carbon source and the only energy source from the organic waste by injecting hydrogen and carbon dioxide into the organic waste; (d) 상기 혐기성 미생물이 배양된 상기 유기성 폐기물을 다공성 담체가 충진되어 있는 혐기성 생물 반응조에 투입하는 단계; 및(d) injecting the organic waste in which the anaerobic microorganisms are cultured into an anaerobic bioreactor filled with a porous carrier; And (e) 상기 혐기성 생물 반응조에 수소 및 이산화탄소를 주입하고 주입된 가스들을 상기 혐기성 미생물에 의해 반응시킴으로써 메탄을 생산하는 단계를 포함하는 생물학적 메탄 제조방법.(e) injecting hydrogen and carbon dioxide into the anaerobic bioreactor and producing methane by reacting the injected gases by the anaerobic microorganisms. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 (a) 단계에서 상기 다공성 담체의 충진비는 상기 혐기성 생물 반응조 100부피%에 대하여 25 내지 45부피%이고, 상기 (d) 단계에서 수소:이산화탄소의 주입 몰비는 4.5:1 내지 5.5:1인 것을 특징으로 하는 생물학적 메탄 제조방법.The filling ratio of the porous carrier in step (a) is 25 to 45% by volume relative to 100% by volume of the anaerobic bioreactor, and in step (d), the injection molar ratio of hydrogen: carbon dioxide is 4.5: 1 to 5.5: 1. Biological methane production method, characterized in that.
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