초록 ▼

국내 바이오매스중 현실적으로 사용 가능한 유기성 폐기물을 대상으로 순수균주 및 혼합균주를 이용하여 수소발효 및 광합성 발효실험을 통해 최적 균주, 반응기 형태 및 운전조건을 확보하고자 하였다. 수소생산균주는 Rhodopseudo palustris P4, Citrobacter Y19, Clostridium butyricum NCIB 9576 등과 소화슬러지로부터 유래한 고활성 수소균주를 분리하여 실험실 규모에서 각각의 특성을 관찰하였다. 수소생산 반응기의 최적화 및 대형화에 필요한 2단 수소생산 시스템(혐기수소발효와 메탄발효, 혐기수

국내 바이오매스중 현실적으로 사용 가능한 유기성 폐기물을 대상으로 순수균주 및 혼합균주를 이용하여 수소발효 및 광합성 발효실험을 통해 최적 균주, 반응기 형태 및 운전조건을 확보하고자 하였다. 수소생산균주는 Rhodopseudo palustris P4, Citrobacter Y19, Clostridium butyricum NCIB 9576 등과 소화슬러지로부터 유래한 고활성 수소균주를 분리하여 실험실 규모에서 각각의 특성을 관찰하였다. 수소생산 반응기의 최적화 및 대형화에 필요한 2단 수소생산 시스템(혐기수소발효와 메탄발효, 혐기수소발효와 광합성 수소생산)의 파일롯 시설을 운전하였으며, 연속류식 혐기발효조의 운전조건 확보와 발생된 가스의 포집, 분리정제 및 저장, 연료전지 적용 등을 통해 바이오매스로부터 수소생산 및 이용의 적용성을 확인하였다. 2단 수소생산 시스템의 연구결과를 토대로 전분 및 음식물쓰레기를 원료로 한 경제성 및 타당성을 검토하였으며 민감도 분석과 Cash-flow analysis를 수행하였다.
각 연차별 주요 연구내용 및 범위는 다음과 같다.
제 1차년도
- 혐기성, 광합성 반응조의 연속류 운전 및 담체 선정
- 제지슬러지 분급장치 제작 및 혐기 수소 발효조 운전
- 수소생산 고활성균주 개발 및 고농도 배양, 대상균주 1차 선정
제 2차년도
- 혐기수소생산시설 연속배양 최적화 및 대형화
- 자기고정화 미생물에 의한 연속류식 혐기 수소발효조 운전
- 수소생산 고활성 균주 선정 및 고농도 미생물 유지공정 선정
제 3차년도
- 음식물쓰레기를 대상으로 한 혐기 수소
- 메탄 B단 발효시스뎀 파일롯 플랜트 운전 및 수소가스 분리정제, 연료전지 적용
- 식품계폐수, 농산폐기물에 대한 혐기 수소발효 및 광발효 조건 최적화
- 고온 고정상반응조의 연속운전 및 적용 타당성 검토
- 혐기 수소 발효조의 운전 제어 인자 도출 및 모니터링 기법 확립
- 혐기 수소- 메탄 2단 발효시스템의 경제성 및 타당성 검토

목차 Contents

• 제 1 장 서 론...26
• 제 1 절 기술개발의 필요성...26
• 1.1.1. 사회적ㆍ산업적 필요성...26
• 1.1.2. 기술적 필요성...28
• 제 2 절 기술개발목표 및 내용...32
• 1.2.1. 기술개발 목표...32
• 1.2.2. 기술개발내용 및 범위...33
• 제 2 장 연구 및 기술 개발 동향...36
• 제 1 절 개 요...36
• 제 2 절 수소생산기술 동향...37
• 제 3 절 생물학적 수소생산방법 및 연구동향...40
• 2.3.1. 암발효 (Dark Fermentation) 에 의한 수소생산...40
• 2.3.2. 광생물학적 수소생산...53
• 2.3.3. 수소생성 효소 작용에 의한 물 및 유기물로부터 수소생산(in vitro)...56
• 2.3.4. 생물학적 수소생산 각국의 기술개발 동향...58
• 제 3 장 혐기성발효에 의한 수소생산...60
• 제 1 절 수소생산 고활성 균주 개발...60
• 3.1.1. Rhodopseudomonas palustris P4를 이용한 포도당으로부터의 수소생산...60
• 3.1.2. Citrobacter sp. Y19를 이용한 포도당으로부터의 수소생산...72
• 3.1.3. UASB 과립 슬러지로부터 수소생산균 분리...84
• 제 2 절 순수 및 혼합혐기성 균주에 의한 수소생산...89
• 3.2.1. 개 요...89
• 3.2.2. 실험 방법 및 재료...92
• 3.2.3. 실험 결과 및 고찰...99
• 3.2.4. 결 론...118
• 제 3 절 혼합균주를 이용한 CSTR에서의 수소생산...121
• 3.3.1. 담체이용 수소생산...121
• 3.3.2. 입상화 슬러지를 이용한 반응조의 운전...129
• 3.3.3. 질산염투입에 의한 수소생산 제어...134
• 3.3.4. 결론...144
• 제 4 절 식품 및 과일 폐액으로부터 혐기성발효에 의한 수소생산 및 대형화...146
• 3.4.1. 개 요...146
• 3.4.2. 실험재료 및 방법...146
• 3.4.3. 실험 결과 및 고찰...158
• 3.4.4. 결 론...174
• 제 5 절 고온 고정화반응기에 의한 수소생산...176
• 3.5.1. 재료 및 방법...176
• 3.5.2. 고온TBR의 운전결과...179
• 3.5.3. 고온 TBR의 성능평가 및 공정개발...193
• 제 6 절 생물학적 수소 생산공정의 모니터링 기술 개발...198
• 3.6.1. 개 요...198
• 3.6.2. 연구방법...201
• 3.6.3. 연구결과...208
• 3.6.4. 결론...229
• 제 4 장 광합성에 의한 수소생산...230
• 제 1 절 Purple non-sulfur bacteria에 의한 광합성 수소생산...230
• 4.1.1. 개 요...230
• 4.1.2. Rhodopseudomonas sphaeroides E15-1와 Rhodobacter sphaeroides RV를 이용한 수소생산실험...234
• 4.1.3. Rb. sphaeroides KD131와 그 변이주의 수소 생산 최적화 dus구...254
• 4.1.4. Rhodopseudomonas palustris P4를 이용한 acetate 및 혐기암발효액으로부터의 광발효 수소생산...274
• 제 2 절 광합성 발효시설 대형화 및 연료전지 적용...288
• 4.2.1. 실험 재료 및 방법...288
• 4.2.2. 광합성 생물 배양기 scale-up 에 의한 수소생산...294
• 4.2.3. 연료전지 적용...297
• 4.2.4. 결 론...299
• 제 5 장 수소-메탄발효 파일롯 플랜트 운전...300
• 제 1 절 파일롯 플랜트 설비 개요...300
• 5.1.1. 음식폐기물전처리 및 설비...301
• 5.1.2. 수소 발효조 (산발효조)...304
• 5.1.3. 메탄발효조 (UASB)...305
• 제 2 절 파일롯 플랜트 운전방법...307
• 5.2.1. 접종 미생물...307
• 5.2.2. 운전방법 및 조건...308
• 제 3 절 운전결과...313
• 5.3.1. 계열A수소 발효조(음식폐기물기질)...313
• 5.3.2. 계열B수소 발효조(전분 기질)...320
• 5.3.3. 메탄발효조 (UASB)...327
• 5.3.4. 연속 수소발효조를 이용한 Batch Test...331
• 제 4 절 결과 해석 및 요약...335
• 5.4.1. 수소/산발효조 결과해석...335
• 5.4.2. 파일럿 운전결과 요약...341
• 제 5 절 가스 분리정제장치 및 연료전지 운전...343
• 5.5.1. 장치 구성...343
• 5.5.2 장치 운전 결과...346
• 제 6 장 경제성 및 타당성 분석...350
• 제 1 절 공정도 및 물질수지...350
• 6.1.1. Biomass로부터 수소생산 및 이용 공정 개요...350
• 6.1.2. Biomass로부터 수소생산 및 이용 공정 Mass balance...353
• 제 2 절 경제성분석 결과...356
• 6.2.1. Corn-starch feed...356
• 6.2.2. Food waste feed...360
• 제 3 절 경제성검토 및 Cash flow...367
• 6.3.1. 민감도 분석...367
• 6.3.2. Cash-flow analysis...369
• 6.3.3. 경제성평가 요약...371
• 제 7 장 결론 및 향후과제...372
• 참고문헌...376
• 부록...396