오늘 우리는 액상 발효와 소화에 있어서 바이오가스 생성의 기본적인 측면을 이야기 하고자 한다
바이오가스란 무엇인가? 바이오가스는 박테리아가 유기성기질을 소화할 때 생성되는 물질대사의 생성물이며 혐기성조건 즉 산소가 하나도 없는 상태에서 일어나는 공정이다.
이 공정은 매우 복잡한 과정에 함께 작용하는 다른 종류의 많은 박테리아를 필요로 한다
첫번째 단계는 가수분해 공정이다. 이 단계에서는 혐기성 박테리아는 효모의 도움을 받아 전분, 단백질, 셀룰로오스, 탄수화물과 같은 고분자 화합물을 설탕, 아미노산과 같은 저분자 물질로 분해하고 지방산과 물을 생성한다.
박테리아는 박테리아의 외부를 활성화시키는 생물학적 촉매 즉 외부 효모를 사용하는데 이런 공정은 매우 느리고 많은 다른 형태의 효모를 필요로 한다.
두번째 단계는 산생성 단계라 불리우며 산생성 박테리아가 활발하게 활동한다.
첫번째 단계의 분해생성물은 더욱 심화된 물질대사를 위해 박테리아 세포 안으로 들어가고 이러한 박테리아는 기본적으로 산소의 존재 하에 서로 다른 조건에서 작용할 수 있다. 일반적으로 이러한 박테리아는 남은 산소를 사용하여 확실한 혐기성 조건에서만 활동하는 메탄형성 박테리아를 위한 기질을 준비한다. PH가 6에서 7.5인 범위에서 버터, 프로피온산, 개미산, 초산과 같은 짧은 형태의 지방산이 형성되며 에탄올, 이산화암모늄, 수소를 형성하는 공정이 수반된다.
세번째 단계에서 초산 박테리아는 초산, 수소, 이산화탄소와 같이 메탄생성에 필수적인 성분을 생성하는데 필히 지적하고 싶은 것은 이러한 박테리아는 온도변화에 민감하기 때문에 온도가 매우 안정적이어야 한다는 것이다.
마지막 단계에서 메탄과 이산화탄소가 생성되는데 메탄박테리아는 산소가 전혀 없는 상태에서초산과 개미산으로부터 최종 부산물을 생성하며 적정 PH는 7이다
모든 공정은 습식공정으로 이루어지며 그 이유는 박테리아가 기질을 분해할 수 있기 때문이다
모든 공정에서 수 천종의 박테리아가 복잡한 군집을 형성하기 위해 포함될 수 있으며 다른 그룹의 박테리아가 다른 속도로 작용하며 주어진 배양조건에서 혐기성 박테리아 그룹은 균체의 양을 배로 늘리는데 20분에서 10시간까지 소요된다
메탄을 생성할 수 있는 박테리아는 재생산하는 시간이 더욱 느리며 3일에서 5일까지 소요되며 산생성 박테리아는 생성속도가 매우 빨라서 수시간 안에 재생산을 완료할 수 있다.
기질이 복잡할수록 분해는 더욱 늦어지며 설탕, 전분, 단백질은 매우 빨리 소화되고 바이오가스 생성수율이 아주 높다. 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스는 가지를 가진 구조로 분해되기 매우 힘들며 나무의 전형적인 구성요소인 리그닌과 왁스는 가장 분해되기 힘들며 분해되기 힘들수록 기질은 반응기에서 더 오래 체류해야 한다
그러므로 모든 공정에서 경제적인 체류시간을 찾아야 하고 최소의 체류시간에서 최대의 바이오가스 수율을 얻어내야 한다
현대의 바이오가스 반응기 컨트롤 시스템은 공정전체를 감시하고 생산수율을 분석하고 자동적으로 양분공급을 조절한다. 대부분의 농작물 기질공정은 1단계의 발효과정이 연속식이 아닌 회분식 반응기에서 이루어지는데 이 것은 모든 공정이 같은 시간에 이루어진다는 의미이며 액상 단일 회분식 소화조는 투자비가 매우 싸고 덜 복잡한 기질에 적합하며 안정적이다.
산생성이 빠른 경향이 있는 기질을 처리하는데 있어서 두단계의 공정이 유리한데 첫번째 소화조에서는 산성의 조건이 제공되고 두번째 소화조에서는 보다 중성 혹은 약알칼리 조건이 제공되는데 그렇게 하는 것이 메탄생성 박테리아에 더 좋은 조건이며 그러므로써 공정은 더 안정되고 수율도 높아지는 반면 투자비는 더 올라가고 공정운전은 더 복잡해진다.
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