KR101655833B1 - 유기성폐기물을 이용한 유산 및 바이오가스의 생산방법 - Google Patents

유기성폐기물을 이용한 유산 및 바이오가스의 생산방법 Download PDF

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Abstract

본원은 유기성 페기물로부터 유산 및 메탄을 생산하는 방법을 개시하며 상기 방법은 유기성 폐기물을 제공하는 단계; 상기 유기성 폐기물에 식종균을 추가로 주입하지 않고, 유산의 생산이 유리한 혐기 암발효 환경에서 제 1 발효시켜 유산이 포함된 제 1 발효물질을 생산하는 단계; 상기 생성된 제 1 발효물질을 상등액 및 고형물로 분리하는 단계; 상기 분리한 상등액으로부터 유산을 회수하는 단계; 및 상기 분리한 고형물을 제 2 발효시켜, 메탄을 생산하는 단계를 포함한다.
본원의 방법은 높은 수율의 유산 생산이 가능하며, 유산 생산 시 미생물의 추가적 배양이나 교체가 필요 없고 바이오가스 생산시 단일 발효조에서 발생할 수 있는 급격한 산발효로 인한 반응조 실패를 방지함에 따라, 경제적이며 효율적인 유용자원의 생산을 가능하게 한다.

Description

유기성폐기물을 이용한 유산 및 바이오가스의 생산방법 {Method for producing lactic acid and biogas using organic waste}
본 발명은 유기성 폐기물로부터 유산 및 바이오가스를 생산하는 방법에 관한 것이다.
현재 인류가 가장 많이 사용하는 에너지인 화석연료는 그 매장량이 제한되어 있고, 연소 시 일산화탄소, 이산화탄소, 황 및 질소 산화물 등의 온실가스 방출로 인해 지구 온난화를 유발시킨다. 따라서 화석연료를 대체할 수 있는 청정에너지원에 대한 연구가 활발히 진행중이며, 그 중 유기성폐기물을 활용한 청정에너지원이 주목받고 있다.
유기성폐기물은 미생물에 의해 분해 가능한 물질들로 음식물쓰레기, 하수슬러지, 축산분뇨 등이 이에 해당되며 2008년 유기성폐기물 에너지화 가용잠재량은 총 6637천 톤/년이다. 이 중 가축분뇨가 40%로 가장 많으며, 유기성슬러지가 32%, 음식물쓰레기가 28%를 차지한다. 그 중 음식물쓰레기는 90% 이상을 재활용(퇴비화, 사료화)하려고 하지만, 실제 재활용은 18.8%로 매우 낮고, 대부분을 음폐수(전체 음식물쓰레기 반입량의 62.4%)형태로 해양에 투기하고 있는 실정이다.
그러나 런던협약에 따라 2013년부터 해양 투기 금지가 금지되어 이에 대한 대책도 시급하다. 또한 2012년부터 RPS (Renewable portfolio standards) 제도 시행에 따른 신재생에너지 사용 의무화로 인해 이와 같은 유기성폐기물을 대체에너지원으로 사용하기 위해 유기성폐기물로부터 유용자원 생산하는 기술의 개발이 필요하다.
한국 등록특허 제 1362118호는 유기성 폐기물을 이용한 유기산 및 바이오 가스의 생성장치에 관한 것으로, 수분이 다량 포함된 유기성 폐기물을 액상 폐기물과 고상 폐기물로 각각 분리하여 혐기 처리함과 아울러, 처리 과정에서 발생되는 유기산 및 바이오가스을 회수하는 유기산 및 바이오가스 생성장치를 개시한다. 하지만 유기산 생성을 위한 반응 조건, 유기산의 추출 방법은 개시하고 있지 않다. 특히 일반적인 유기산 생산 조건에서는 아세트산, 유산, 뷰틸산, 프로피온산 등 다양한 복합 유기산이 생산이 되는데, 이럴 경우, 향후 분리/정제 공정을 통한 화학원료로의 사용이 용이하지 않다. 이에 따라 단일 유기산을 안정적으로 생산할 수 있는 운전 조건이 필요하다.
따라서, 유기성 폐기물을 이용하여 간단한 공정으로 유기성 폐기물로부터 바이오가스 및 유기산 특히 유용한 유산을 높은 효율로 동시에 생산하는 공정개발이 요구된다.
본 발명은, 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로 기존의 공정과는 상이하게, 유기성폐기물의 유산 및 메탄 통합발효 공정을 통해 기존의 바이오가스에 추가적으로 고부가가치 물질인 유산을 생산한 후, 유산 잔사를 메탄 발효조에 주입하여 미생물 발효의 기질로 사용함으로써 안정적인 메탄 가스를 생산할 수 있는 방법을 제공하고자 한다.
한 양태에서 본원은 유기성 페기물로부터 유산 및 메탄을 생산하는 방법을 제공하며, 상기 방법은 유기성 폐기물을 제공하는 단계; 상기 유기성 폐기물에 식종균을 추가로 주입하지 않고, 유산의 생산이 유리한 혐기 암발효 환경에서 제 1 발효시켜 유산이 포함된 제 1 발효물질을 생산하는 단계; 상기 생성된 제 1 발효물질을 상등액 및 고형물로 분리하는 단계; 상기 분리한 상등액으로부터 유산을 회수하는 단계; 및 상기 분리한 고형물을 제 2 발효시켜, 메탄을 생산하는 단계를 포함한다.
본원에 따른 일 구현예에서 유기성폐기물은 음식물 쓰레기, 하수 슬러지, 또는 축산 분뇨 또는 이들의 혼합물이 사용되어 안정적인 유산 및 메탄의 생산이 가능하다.
본원의 일구현예에서 유산의 생산이 유리한 조건은 35 ~ 60℃, pH 4.5 ~ 6.0에서 12시간 ~ 48시간 동안 수행될 수 있으며, 다른 구현예에서 유산의 생산이 유리한 조건은 47℃, pH 5.3, 기질농도 60g Carbo COD/L에서 수리학적체류시간 (hydraulic retention time, HRT)은 1.5일부터 0.35일까지 단계적으로 감소되어 수행되어, 유산 및 메탄의 생산을 최적화할 수 있다.
일 구현예에서 HRT는 2.0 일 → 1.5 일 → 1.0 일 → 0.7 일 → 0.5 일 → 0.35 일로 단계적으로 감소되어 수행될 수 있다.
본원에 따른 방법에 의해 회수된 유산은 고순도 정제가 용이하며, 예를 들면 나노여과 또는 전기투석 방법을 이용하여 고순도로 정제될 수 있다. 일 구현예에서 나노여과는 예를 들면 30℃, 운전 압력 200 psi, 유량 1.5 L/min의 조건에서 수행될 수 있다.
본원에 따른 방법은 높은 효율의 유산 전환율을 나타내며, 일 구현예에서, 유산 전환율은 HRT 1.0 일 조건에서 1.6 mol lactate/mol hexoseadded 이다.
본원에 따른 일 구현예에서 상기 상등액 및 고형물로 분리시 그 부피비는 9:1 내지 8:2이다.
본원에 따른 일 구현예에서 메탄 발효 단계는 건식 메탄 발효이며 식종균을 추가로 첨가될 수 있다.
본원에 따른 일 구현예에서 제 1 발효 및 제 2 발효 단계는 37℃에서 10시간 교반, 1.9시간 침전, 및 0.1시간 기질 주입 및 유출수 배출의 간격을 두고 수행될 수 있다.
본원에 따른 일 구현예에서 메탄발효 단계의 수리학적 체류 시간 (HRT)는 150 → 100 → 80 → 60 → 40 → 30 일로 단계적으로 감소될 수 있다.
본원에 따른 일 구현예에서 메탄발효 단계는 HRT 40일을 기준으로 유기물 부하량은 5 kg TS/m3/d 이상에서도 효율적으로 수행될 수 있다.
본 발명은 음식물 쓰레기를 이용하여 일련의 과정을 통해 미생물의 기질로서 유산발효 잔사를 이용하여, 유산 및 바이오가스를 동시에 생산하며, 유산 생산 시 미생물의 추가적 배양이나 교체가 필요 없고 바이오가스 생산시 단일 발효조에서 발생할 수 있는 급격한 산발효로 인한 반응조 실패를 방지함에 따라 경제성 증대효과가 있다.
또한 본원 반응의 수리학적 체류시간, pH 및 온도 조건의 조절을 통해 유기 산 중에서 유산의 주성분으로 생산되도록 하여, 유산의 추출이 용이하여 실질적 사용이 가능하게 하였다.
본원에 따른 발명은 경제적으로도 우수하며, 즉 기존의 단일 반응조에서의 바이오가스 생산에 따른 경제성과 유기성폐기물로부터 유산 및 바이오가스 동시생산 기술의 경제성을 비교한 결과 (최종생산물은 바이오가스 및 유산) 음식물쓰레기 1톤을 처리할 경우, 기존 공정으로는 바이오가스만 112 Nm3를 획득할 수 있는 반면에 유산 및 바이오가스 동시생산 기술의 경우, 바이오가스 55 Nm3 와 48 kg의 유산의 획득이 가능하며 이를 환산하면 기존공정에 비해 약 2배의 경제성 증대효과를 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 구현예에 따라 최적 유산발효 조건 (pH 4.5, 기질 농도 60 g Carbo.COD/L, 온도 47℃) 에서의 유산 생산 결과를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 한 구현예에 따라 유산 발효 잔사를 이용한 메탄 발효 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 유산 발효 잔사를 이용한 메탄 발효 실험 시 유기산 및 TS, VS 농도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4는 기존 공정과 비교한, 음식물쓰레기로부터 유산 및 바이오가스를 동시에 생산 하는 본원에 따른 방법의 물질 수지를 나타낸 것이다.
본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본원은 유기성폐기물을 이용한 유용자원을 생산 공정을 개발하여, 유산의 함량이 높아 분리가 용이한 것은 물론, 유산 잔사를 이용하며, 발효시 미생물의 기질로 사용할 수 있는 메탄의 생산이 가능한 공정 개발을 근거로 한 것이다.
따라서 한 양태에서 본원은 유기성 페기물로부터 유산 및 메탄을 생산하는 방법으로, 상기 방법은 유기성 폐기물을 제공하는 단계; 상기 유기성 폐기물에 식종균을 추가로 주입하지 않고, 유산의 생산이 유리한 혐기 암발효 환경에서 제 1 발효시켜 유산이 포함된 제 1 발효물질을 생산하는 단계; 상기 생성된 제 1 발효물질을 상등액 및 고형물로 분리하는 단계; 상기 분리한 상등액으로부터 유산을 회수하는 단계; 및 상기 분리한 고형물을 제 2 발효시켜, 메탄을 생산하는 단계를 포함하는 유기성폐기물을 이용한 유산 및 메탄의 생산방법에 관한 것이다.
통상 발효를 통한 유기산의 생산에 있어서, 아세트산, 뷰틸산, 유산이 혼재되어 있어, 후속 공정에서 이로부터 단일 유기산만을 추출하는 것은 각각의 유기산 등의 pKa 값이 큰 차이가 없기 때문에 경제적인 정제는 불가능하다 (Zacharof and Lovitt et al., Waste Biomass Valor, 2013, 4, 557-581, Complex Effluent Streams as a Potential Source of Volatile Fatty Acids).
반면, 본원에 따른 제 1 발효를 통해 생산되는 유기산은 유산(lactic acid)의 함량이 90% 이상의 고농도로 높아 분리 및 정제가 용이하여 실용성이 매우 높다. 유산은 바이오 소재, 음식, 제약, 섬유, 가죽 및 세제 산업 등에 널리 사용되고 있으며, 최근에는 Polylactic acid (PLA) 와 Polylactic-co-glycolic acid (PLGA)와 같은 생분해성 플라스틱의 재료로서 각광받고 있다. 유산 생산은 전 세계 생산량의 90%가 회분식(Bactch) 및 유가(Fed-Batch) 발효법을 이용한 미생물 발효에 의해 생산되고 있으나, 이는 장시간에 걸친 고수율 생산에 어려움이 있어 결과적으로 높은 에너지 소비가 필요한 단점이 있어, 본원에 따른 공정을 사용시 이러한 문제점을 해결될 수 있다.
본원에서 사용된 용어 "유기성 폐기물"이란, 하수 슬러지, 생물슬러지, 축산분뇨, 음식물쓰레기와 같은 유기물질을 포함한 폐기물을 일컫는 것이다. 본원의 한 구현예에서는 유기물질을 다량 포함한 폐기물 예를 들면 음식물쓰레기가 사용된다.
출발물질로 사용되는 유기성 폐기물의 고형분의 크기가 클 경우에는 메탄 생성균의 분해에 오랜 시간이 소요될 수 있기 때문에, 공정시간의 단축을 위해 공정에 사용되기 전에 폐기물 입자의 크기를 줄이는 과정을 거칠 수 있다. 예를 들어 이로 제한하는 것은 아니나 음식물쓰레기와 같은 고형분 형태의 유기성 폐기물은 파쇄하여 사용될 수 있다.
본원에 따른 일 구현예에서는 음식물쓰레기가 사용될 수 있으며 식종균의 추가 없이, 유기성 폐기물에 존재하는 유산 발효균이 발효에 이용될 수 있다.
본원에 따른 제 1 발효는 유기성 폐기물을 유산으로 발효시키는 단계로서 유산의 생산이 유리한 조건에서 수행된다. 유산의 생산이 유리한 조건이란, 제 1 발효 결과 유산의 함량이 90% 이상이 되는 것을 의미한다. 이러한 조건은 유산발효균의 대사에 적합한 온도, pH, 기질 농도 조건을 조절하여 달성 될 수 있다.
예를 들면 본원에 따른 일 구현예에서 유산의 발효에 유리한 실험조건은 pH 5.3, 온도 47℃, 기질농도 60 g Carbo.COD/L에서 수행될 수 있다. 또한 수리학적체류시간 (hydraulic retention time, HRT)을 2일에서 0.35일간 수행될 수 있다.
유산의 생산속도를 최대한 높이기 위해 순차적으로 HRT를 변경할 수 있으며, 각 HRT 조건의 10배수 이상 운전 한 후 유산전환율이 일정하게 유지되면 다음 단계로 변경된다. 예를 들면 HRT는 2일에서 0.35일까지 순차적으로 감소될 수 있다. 일구현예에서 HRT는 2.0 일 → 1.5 일 → 1.0 일 → 0.7 일 → 0.5 일 → 0.35 일로 변경된다.
본원에 따른 일 구현예에서는 유산전환율은 HRT 1.0 일 조건에서 1.6 mol lactate/mol hexoseadded을 도달하였고 이는 탄수화물기준 최대 전환율(이론적 전환율)의 약 80%에 해당하는 높은 수치이다.
유산을 발효하는 제 1 발효 단계 결과 발생한 유출수는 이어 상등액과 고형물 (잔사)로 분리되어, 상등액은 고순도의 유산으로 정제되고, 잔사 고형물은 후술하는 건식 메탄발효에서 기질로 사용된다. 상등액과 고형물 분리는 공지의 방법을 통해 수행될 수 있으며, 일 구현예에서는 예를 들면 원심분리 장치가 이용된다. 원심분리를 통해 상등액과 고형물을 분리하는 경우, 상등액의 부피가 잔사 고형물보다 크다. 본원에 따른 일 구현예에서 상등액 대 고형물의 비율은 약 9:1 내지 8:2다. 본원에 따른 다른 구현예에서는 상등액 80%, 고형물 20%로 분리된다.
본원에 따른 방법의 제 1 발효 단계 결과 유산이 높은 비율로 생산되기 때문에 유산의 분리가 용이하다, 유산의 분리는 본원 실시예에 기재된 방법을 참고할 수 있으며, 예를 들면 나노여과 또는 전기투석 방법이 사용되나 이로 제한되는 것은 아니다. 본원에 따른 일 구현예에서는 나노여과 방법이 사용되며, 이를 이용하여 2가 금속이온과 당류를 제거하고, 물분해 전기투석을 이용하여 1가 이온을 제거한다.
본원에 따른 공정에서 유산 생산을 위한 제 1 발효 후에, 유산 잔사는 다음의 단계로 메탄 가스 생산을 위한 발효 공정에서 미생물의 기질로서 사용된다. 제 1 발효 단계에서 수득된 유산발효 잔사 고형물을 메탄 발효조에 기질로 주입된다.
미생물의 유출 방지를 위해 기질 주입 및 유출수 배출 간격이 조절될 수 있으며, 본원에 따른 일 구현예에서는 37℃에서 10시간 교반, 1.9시간 침전, 0.1시간의 기질 주입 및 유출수 배출 간격이 사용된다.
발효초기에는 유기물이 분해되고 메탄 생성균에 의해 메탄이 생성되더라도 유기물의 메탄 전환 속도가 느려 급격히 운전 부하를 증가시키게 되면 각종 유기산이 증가되어 메탄 생성이 방해를 받기 때문에 HRT를 미생물의 대사 속도가 증가한 이후에 변경하는 것이 바람직하다. 즉 이 단계는 유기산이 메탄으로 전환되는 단계로 고액분리를 통해 상등액은 유산으로 정제하고 고형물(유산을 포함하는 고상의 유기물)은 메탄 생성균에 의해 메탄으로 전환된다. HRT의 변경은 곧 유기물 부하가 높아지는 것이기 때문에 유기물 부하의 변경 시 충격을 최소화하기 위해 순차적으로 변경되며, 유기산은 제거되어 메탄으로 전환된다.
본원에 따른 일 구현예에서 반응조의 수리학적 체류시간 및 유기물 부하량은 순차적으로 변경될 수 있다. 예를 들면 HRT는 2일에서 0.35일까지 순차적으로 감소될 수 있다. 일 구현예에서 수리학적 체류시간, HRT(d) 변경: 150 → 100 → 80 → 60 → 40 → 30로 단계적으로 감소될 수 있다. 일 구현예에서, 유기물 부하량 (Organic Loading Rate (kg TS/m3/d))은 1.3 → 2.0 → 2.5 → 3.3 → 5.0 → 6.7로 단계적으로 변경될 수 있다. 본원에 따른 일 구현예에서 건식 메탄 발효는, HRT 40 일 기준, 5 kg TS/m3/d 이상의 유기물 부하에서 운전된다.
본원에 따른 메탄 발효 단계는 메탄 발효 식종균이 추가될 수 있다. 본원의 메탄 생산에 사용될 수 있는 메탄생성 혐기성 식종균으로는 예를 들면 지역 하수처리장 소화조 슬러지, 혐기성 소화조 슬러지, 혐기성 입상 슬러지가 사용될 수 있다. 혐기성 소화는 유기물을 여러 미생물의 분해 작용에 의하여 메탄으로 전환하는 일련의 공정으로, 이런 과정에서 생성된 혐기성 소화조 슬러지가 사용될 수 있다. 혐기성 소화조 슬러지는 예를 들면 혐기성 입상 슬러지를 포함할 수 있다. 초기 슬러지에는 산발효균, 메탄발효균, 수소생성균 등 다양한 종류의 균이 포함되어 있다. 본원에 따른 일 구현예에서는 혐기성 소화조 슬러지, 혐기성 입상 슬러지가 1:1로 사용된다, 예를 들면 내부 식종균 TS 5% 정도로 배양하여 사용된다.
유기성 폐기물에 메탄 생성 혐기성 식종 후에는 중온 조건에서 교반을 하면서 혐기조건에서 배양한다. 중온 배양온도에서는 혐기성 소화슬러지내에 포함된 여러 균주 중 중온 조건에 적합한 메탄 생성균들이 활성화되어 메탄생성을 하게 되며 온도의 차이가 클수록 적응하는 시간이 많이 소요된다.
본원의 일 구현예에서는 약 30℃-40℃의 온도, 특히 37℃에서 배양된다.
본원에 따른 방법은 상기 개시된 것을 한 주기로 하여, 수일 내지 수백일 동안 반복 수행되어 유산 및 메탄가스를 생산할 수 있다. 본원에 따른 일 구현예에서는 24시간을 주기로 수행될 수 있다. 초기 식종이후 1일 기준으로 1회씩 기질을 주입하여 진행하거나 1일 2회 기준으로 주기적으로 수행되는 경우, 2차 혐기 배양 후, 상기 침전 단계 및 상기 유출수 배출 단계를 추가로 포함한다. 한 주기에서의 배양시간은 유산 생성 및 메탄의 생산이 최대로 되는 시간으로 선택할 수 있다. 일 구현예에서 1차 및 2차 발효는 각각 10 시간씩 수행되며, 침전은 각 1.9시간 동안 수행되며, 폐기물 주입 및 유출수 배출은 각 0.1 시간 동안 수행될 수 있으나 이로 제한하는 것은 아니다.
기존의 음식물쓰레기를 이용한 바이오가스만을 생산하는 단일 건식메탄발효 공정이므로 경제성이 낮고 고부하 조건으로 운전 시, 음식물쓰레기의 빠른 산발효로 인해 메탄 전환 단계의 균형이 깨져 반응조의 실패(Fail)를 야기한다. 반면 본원에 따른 방법은 유기성 폐기물로부터 유산발효/고액분리/정제/잔사를 이용한 메탄발효 공정을 적용함으로써 고부가가치 산물인 유산과 바이오가스를 동시에 회수하여 경제성을 높이고 유기성 폐기물의 1차 발효를 통해 분해가 쉬운 유기물을 유산의 형태로 전환시켜 메탄 발효조에 공급함으로써 고부하에서도 안정적인 메탄 생산이 가능하도록 하였음.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해서 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐 본 발명이 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예
실시예 1 음식물 쓰레기 전처리 및 유산발효
유산 및 바이오가스의 생산을 위해 유기성 폐기물인 음식물 쓰레기를 파쇄 및 수돗물을 이용하여 2배(부피기준) 희석하여 사용하였다.
[표 1]은 본 실시예에 사용된 음식물 쓰레기의 성상을 나타낸 것으로, 음식물 쓰레기의 화학적산소요구량(Chemical oxygen demand: COD; TCOD: Total COD; SCOD: Soluble COD), 탄수화물, 총질소 (TKN, Total Kjeldahl Nitrogen) 암모니아(NH3-N), 전체고형물(Total solid: TS) 및 휘발성 고형물(Volatile solid, VS)의 측정값을 기재하였으며, 평균 TS 11.0 g TS/L, COD 100~150 g COD/L 및 pH 4.0의 특성을 가진 음식물 쓰레기를 기질로 사용하였다.
[표 1]
Figure 112014098709866-pat00001
상기 음식물쓰레기를 유산발효에 사용하기 위하여 유산발효균의 대사에 적합한 온도, pH, 기질 농도를 조절하여 유산발효를 다음과 같이 수행하였다.
총 부피 7.0 L, 유효 부피 5.0 L의 스테인리스 또는 유리 재질의 내부 교반기(임펠러 형)가 부착되어있는 원통형 반응기에 상술한 음식물쓰레기를 주입하고, 식종균은 따로 주입하지 않고 음식물쓰레기 내에 존재하는 유산발효균을 이용하였다. 발효조건은 pH 5.3, 온도 47℃, 기질농도 60 g Carbo.COD/L 으로 온도는 워터재킷을 이용하여 유지하였으며, pH는 컨트롤러를 부착하고 2.0N 또는 3.0N의 KOH용액을 이용하여 pH를 조절하였다. 반응은 연속회분식 반응조(SBR) 타입의 운전으로 10시간 교반, 1.9시간 침전, 0.1시간 기질 주입 및 유출수 배출의 간격을 두고 수행하였다.
상기 반응기의 음식물쓰레기는 수리학적체류시간 (hydraulic retention time, HRT)을 순차적으로 2.0 일, 1.5 일, 1.0 일, 0.7 일, 0.5 일 및 0.35 일로 변경하면서 유산전환율 및 생산속도를 측정하였고 그 결과를 도 1에 나타내었다.
유산의 생산속도를 높이기 위해 단계적으로 HRT를 순차적으로 조절하여 갑작스런 변경에 의해 유기물 부하가 높아져 미생물이 적응하지 못하고 저해가 발생을 방지하였다.
도 1에 나타난 바와 같이 HRT 0.5일에서 유산 생산속도는 51 g lactate/L/d 이며 0.35일 일 때 유산생산속도는 65 g lactate/L/d에 도달하였고 또한 유산 전환율은 HRT 1.0 일 조건에서 1.6 mol lactate/mol hexoseadded을 도달하였고 HRT 0.35일의 유산 전환율은 1.1 mol lactate/mol hexosdadded로 감소하였다. HRT 1.0 일 조건의 유산 전환율은 탄수화물기준 최대 전환율의 약 80%에 해당하는 수치이다.
실시예 2 유출수 및 잔사의 분리 및 유산 추출
상기 실시예에 따라 생성된 유산을 분리 및 추출하기 위해 유산 발효된 음식물쓰레기의 유출수 및 잔사를 고액분리 하였다. 고액분리를 통해 유산의 정제 과정에서 소요될 수 있는 비용을 상당부분 절약할 수 있으며, 후단의 메탄 발효 공정에 기질로 사용하기 위한 유산발효 잔사의 획득이 용이하게 된다.
다양한 원심분리 조건(1000 ~ 6000 rpm, 시간 5 ~ 60 분)에서 분석한 결과 3000 rpm, 15분 원심분리 조건에서 전체 부피 중 상등액 80% 및 고형물 20% 를 얻었고 이때의 고형물 농도는 TS 기준 20 ~ 25%로 측정되었다.
상기 분리된 유산 발효 상등액으로부터 나노여과 및 물분해 전기투석을 이용하여 고순도의 유산을 추출하였다. 먼저 [표 2]에 기재된 바와 같이 실험 조건을 조절하여 나노여과 공정을 이용한 불순물 제거 효율을 측정하였다.
그 결과 최적화된 조건인 온도 30 ℃, 운전 압력은 200 psi, 유량은 1.5L/min에서 나노여과 공정으로 2가 금속이온과 당류 등의 불순물을 제거하고, 그 후 [표 3]에 기재된 바와 같이 물분해 전기투석을 이용하여 1가 이온을 95%를 제거함으로써 최종적으로 유산의 순도 90% 이상, 유산회수 75%를 달성하였다.
[표 2]
Figure 112014098709866-pat00002
[표 3]
Figure 112014098709866-pat00003

실시예 3 메탄생산
상기 실시예에 따라 분리된 음식물쓰레기 잔사를 고형물 농도 20% 정도로 고정시킨 상태에서 건식메탄 발효조에 기질로 이용하였다. 총 부피 60 L (유효부피 50 L)의 스테인레스 재질의 원통형 반응기로 내부 교반기 (‘ㅂ’자 교반기)를 이용하여 혼합하여 반응조를 준비하였다. 상기 메탄 발효를 위한 반응조의 운전은 연속 회분식 반응기(SBR 타입)로 37℃로 Water jacket을 이용하여 온도를 유지하였으며 기질의 주입은 1일 2회 나누어서 한 번에 가해지는 유기부하를 최소화하였고 미생물의 유출 방지를 위해 10시간 교반, 1.9시간 침전, 0.1시간 기질 주입 및 유출수 배출의 간격으로 수행하였다.
상기 메탄 발효 반응조는 HRT를 순차적으로 변경하면서 유기물부하를 점진적으로 증대시켰으며 반응조의 수리학적 체류시간 및 유기물 부하량은 순차적으로 HRT 150일, 100일, 80일, 60일, 40일 및 30일로 변경하였으며, 유기물 부하량 (Organic Loading Rate (kg TS/m3/d))은 순차적으로 1.3, 2.0, 2.5, 3.3, 5.0 및 6.7로 변경하여 수행하였다. 발생되는 바이오가스의 측정은 가스메타(SINAGAWA, TOKYO CO.)를 이용하여 표준 (0℃, 1기압)으로 환산하였고 메탄가스 농도는 가스크로마토그래피(GOW-MAC Series 580, USA)를 이용하여 측정하였다. 그 결과를 도 2 및 도 3에 나타냈다.
HRT 40일 (유기물부하 5.0 kg TS/m3/d) 까지는 메탄 분압 50 ~ 55 %, 메탄가스 생산속도 1.5 CH4 m3/m3/d, 기질 전환율 0.28 CH4 L/g CODadded의 결과를 나타냈지만 HRT 30 일 조건에서 유기부하율이 6.7 kg TS/m3/d로 약 1.4 배 증가하면서 유기산이 분해되지 못하고 반응조의 실패로 이어졌다. 즉, 메탄발효가 HRT 40일 조건까지는 탄수화물이 주인 기질을 유기산으로 전환하고 유기산이 다시 메탄으로 전환되는 과정이 적절하게 균형을 이루어 진행되었지만 HRT 30일로 유기물 부하가 약 1.4배 증가하면서 이 균형이 깨지게 되어 유기산은 많이 생산되었는데 메탄가스로 전환시키지 못하고 반응조의 실패로 이어졌다.
상기 실시예에서 수득한 결과들을 토대로 음식물쓰레기 1톤의 처리시 유산발효 및 메탄발효 통합공정에서의 물질수지를 작성하였다. 음식물쓰레기(100% COD)가 파쇄 및 희석 공정을 거쳐 유산발효 공정을 통해서 유산이 생산(40% COD)되고 이들의 고액분리를 통해 부피 기준, 상등액 80%, 고형물 20%로 분리되고 COD의 비율은 고형물 55%, 상등액 45%로 분리된다. 유산 정제공정에서는 나노여과 공정과 물분해 전기투석을 통해 유산이 회수(24% COD) 되고, 정제공정에서 발생된 잔사(21% COD)는 기존에 분리되었던 고형물 (55% COD)과 합해 건식 메탄발효조로 주입되었다.
이는 전체 공정에 대한 유기물질의 흐름을 COD로 표기하여 물질수지를 작성한 것으로 공정의 유기물 흐름을 파악할 수 있다.
이상에서 본원의 예시적인 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본원의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본원의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본원의 권리범위에 속하는 것이다.
본 발명에서 사용되는 모든 기술용어는, 달리 정의되지 않는 이상, 본 발명의 관련 분야에서 통상의 당업자가 일반적으로 이해하는 바와 같은 의미로 사용된다. 본 명세서에 참고문헌으로 기재되는 모든 간행물의 내용은 본 발명에 도입된다.

Claims (13)

  1. 유기성 페기물로부터 유산 및 메탄을 생산하는 방법으로, 상기 방법은
    유기성 폐기물을 제공하는 단계;
    상기 유기성 폐기물에 식종균을 추가로 주입하지 않고, 유산의 생산이 유리한 혐기 암발효 환경에서 제 1 발효시켜 유산이 포함된 제 1 발효물질을 생산하는 단계;
    상기 생성된 제 1 발효물질을 상등액 및 고형물로 분리하는 단계;
    상기 분리한 상등액으로부터 유산을 회수하는 단계; 및
    상기 분리한 고형물을 제 2 발효시켜, 메탄을 생산하는 단계를 포함하며,
    상기 유산의 생산이 유리한 제 1 발효는 47℃, pH 5.3, 기질농도 60g Carbo COD/L에서 수리학적체류시간 (hydraulic retention time, HRT)이 2.0 → 1.5 → 1.0 → 0.7 → 0.5 → 0.35 일로 단계적으로 감소되는 조건에서 수행되고; 상기 상등액 및 고형물의 부피비는 9:1 내지 8:2이고; 상기 제 2 발효는 37℃에서 HRT 150 → 100 → 80 → 60 → 40 일로 단계적으로 감소되는 조건에서 수행되고, 상기 제 1 발효 및 제 2 발효 각 조건은 10시간 교반, 1.9시간 침전, 및 0.1시간 기질 주입 및 유출수 배출의 간격을 두고 수행되는 것인, 유기성폐기물을 이용한 유산 및 메탄의 생산방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유기성폐기물은 음식물 쓰레기, 하수 슬러지, 또는 축산 분뇨 또는 이들의 혼합물인, 유기성폐기물을 이용한 유산 및 메탄의 생산방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 유산을 회수하는 단계는 나노여과 또는 전기투석 방법을 이용하는 것인, 유기성폐기물을 이용한 유산 및 메탄의 생산방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 나노여과는 30℃, 운전 압력 200 psi, 유량 1.5 L/min의 조건에서 수행되는 것인, 유기성폐기물을 이용한 유산 및 메탄의 생산방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 유산 전환율은 HRT 1.0 일 조건에서 1.6 mol lactate/mol hexoseadded 인 것인, 유기성폐기물을 이용한 유산 및 메탄의 생산방법.
  9. 삭제
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 메탄 발효 단계는 건식 메탄 발효이며 식종균을 추가로 첨가하는 것인,
    유기성폐기물을 이용한 유산 및 메탄의 생산방법.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 메탄발효 단계는 HRT 40일을 기준으로 유기물 부하량은 5 kg TS/m3/d 이상인 것인, 유기성폐기물을 이용한 유산 및 메탄의 생산방법.
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