KR101770286B1 - Production method of high purity methane gas - Google Patents

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조경민
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한밭대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a method for producing high purity methane gas, comprising the following steps: (a) filling a high pressure reactor with a reaction solution consisting of anaerobic microbes and organic waste containing food waste; and (b) pressurizing the high pressure reactor and then fermenting the same so as to produce biogas containing methane.

Description

고순도 메탄가스의 생산 방법 {Production method of high purity methane gas}Production method of high purity methane gas [0002]

본 발명은 고순도 메탄가스의 생산 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게 유기성 폐기물을 혐기성 미생물로 발효시키는 과정에서 발생하는 바이오가스 중 메탄가스의 함량을 증가시키는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing high purity methane gas, and more particularly, to a method for increasing the content of methane gas in a biogas generated in the process of fermenting organic wastes into anaerobic microorganisms.

혐기성 발효 공정은 절대적으로 산소가 존재하지 않는 조건 하에서 생분해 가능한 유기물이 다단계 생화학 반응을 거쳐 메탄(CH4)과 이산화탄소(CO2) 등의 바이오가스로 최종 분해되는 과정으로 정의할 수 있다.The anaerobic fermentation process can be defined as a process in which biodegradable organic matter undergoes a multistage biochemical reaction under the condition of absolutely no oxygen and is finally decomposed into biogas such as methane (CH 4 ) and carbon dioxide (CO 2 ).

혐기성 발효 공정에 의해 발생된 바이오가스는 약 50 ~ 75 부피%의 메탄, 약 25 ~ 50 부피%의 이산화탄소로 주로 구성되며, 불순물로 약 0.1 부피% 미만의 공기, 약 7,000 ~ 8,000 ppm의 황화수소, 약 40 ppm의 실록산 등 기타 미량의 성분들을 포함하고 있다.The biogas generated by the anaerobic fermentation process is predominantly composed of about 50 to 75 vol.% Methane, about 25 to 50 vol.% Carbon dioxide, impurities less than about 0.1 vol.% Air, about 7,000 to 8,000 ppm hydrogen sulfide, And about 40 ppm of siloxane.

이와 같은 바이오가스는 천연가스(natural gas), 자동차연료(vehicle fuel) 등으로 활용될 수 있으며, 이를 위해서는 필수적으로 가스 정제 과정을 통해 메탄가스의 질을 개선하는 것이 필요하다.Such biogas can be utilized as natural gas, vehicle fuel, etc. In order to achieve this, it is essential to improve the quality of methane gas through a gas purification process.

바이오가스의 정제에 있어 대표적인 불순물인 이산화탄소는 일반적으로 고압 흡착법(pressure swing adsorption)과 수용액 흡수법(water scrubbing) 등의 방법을 통해 제거될 수 있다.Carbon dioxide, a typical impurity in the purification of biogas, can generally be removed by methods such as pressure swing adsorption and water scrubbing.

고압 흡착법은 흡착제의 기체 흡착량 차이를 이용하여 이산화탄소를 제거하는 것으로, 활성탄, 제올라이트(zeolite), 실리카겔(silica gel), 탄소 분자체(carbon molecular sieve), 제올라이트 분자체(zeolite molecular sieve) 등을 흡착제로 사용할 수 있다. 고압 흡착법은 다른 공정에 비해 낮은 유지비, 쉬운 운전, 낮은 요구 에너지 등의 장점을 가지나, 다른 방식에 비해 메탄회수율이 낮다는 단점이 있다(대한민국 공개특허공보 제2010-0037249호).The high-pressure adsorption method removes carbon dioxide using the difference in the adsorbed amount of the adsorbent. The high pressure adsorption method removes carbon dioxide by using activated carbon, zeolite, silica gel, carbon molecular sieve, zeolite molecular sieve, It can be used as an adsorbent. The high pressure adsorption method has advantages such as low maintenance cost, easy operation and low required energy as compared with other processes, but has a disadvantage that the recovery rate of methane is lower than other methods (Korean Patent Publication No. 2010-0037249).

수용액 흡수법은 이산화탄소를 흡수하는 흡수제를 이용하여 이산화탄소를 제거하는 것으로, 아민 계열 흡수제, 암모니아, 탄산칼륨, 아미노산 등의 흡수제가 사용되고 있다. 수용액 흡수법은 가장 많이 상용화된 방법이나 다른 공정에 비해 흡수제의 재생에 사용되는 에너지가 과다한 단점이 있으며, 고농도의 이산화탄소 조건 하에서는 흡수제와 이산화탄소가 반응하여 입자상 물질이 형성되는 문제가 발생할 수 있다(일본 공개특허공보 제2010-500168호).In the aqueous solution absorption method, carbon dioxide is removed by using an absorbent that absorbs carbon dioxide, and absorbents such as amine-based absorbents, ammonia, potassium carbonate, and amino acids are used. The aqueous solution absorption method is the most commonly used method, but it has a disadvantage that the energy used for regenerating the absorbent is excessive compared to other processes, and under a high concentration of carbon dioxide, the absorbent reacts with carbon dioxide to form a particulate matter Open Patent Publication No. 2010-500168).

이에 요구 에너지가 과도하지 않으면서도 운전이 쉽고, 고순도의 메탄가스를 높은 회수율로 생산할 수 있는 방법의 개발이 필요한 실정이다.Therefore, it is necessary to develop a method for producing methane gas of high purity at a high recovery rate, which is easy to operate without excess energy required.

대한민국 공개특허공보 제2010-0037249호 (2011.10.28.)Korean Patent Publication No. 2010-0037249 (October 28, 2011) 일본 공개특허공보 제2010-500168호 (2010.01.07.)Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2010-500168 (2010.01.07.)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 요구 에너지가 과도하지 않으면서도 운전이 쉽고, 고순도의 메탄가스를 높은 회수율로 생산할 수 있는 고순도 메탄가스의 생산 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a method for producing high purity methane gas which is easy to operate without requiring excess energy and can produce high purity methane gas at a high recovery rate .

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양태는 a) 음식물 쓰레기를 포함하는 유기성 폐기물 및 혐기성 미생물을 포함하는 반응용액을 고압 반응기에 충진하는 단계; 및 b) 상기 고압 반응기를 가압하고 발효시켜 메탄을 포함하는 바이오가스를 생성하는 단계;를 포함하는 고순도 메탄가스의 생산 방법에 관한 것이다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method for preparing a biodegradable bioreactor, comprising: a) filling a high pressure reactor with a reaction solution containing organic waste and anaerobic microorganisms including food waste; And b) pressurizing and fermenting the high-pressure reactor to produce a biogas comprising methane.

본 발명에 따른 고순도 메탄가스의 생산 방법은, 혐기성 발효에 의해 발생하는 바이오가스의 양이 점차 증가함에 따라 고압 반응기의 내부압력이 증가하여, 반응용액에 용해되는 이산화탄소의 양이 증가하게 됨으로써 기상에 남아 있는 메탄가스의 순도가 향상될 수 있다. 이에 따라, 반응기 내부 자체에서의 바이오가스 정제 효율이 우수하여, 바이오가스의 후단 정제 설비 비용을 절감할 수 있다는 장점이 있다.As the amount of biogas generated by the anaerobic fermentation gradually increases, the internal pressure of the high-pressure reactor increases and the amount of carbon dioxide dissolved in the reaction solution increases, The purity of the remaining methane gas can be improved. Accordingly, the efficiency of the biogas purification in the reactor itself is excellent, and the cost of the rear end refining facility of the biogas can be reduced.

또한, 요구 에너지가 과도하지 않으면서도 운전이 쉽고, 고순도의 메탄가스를 높은 회수율로 생산할 수 있는 고순도 메탄가스의 생산 방법을 제공할 수 있다다는 장점이 있다.It is also advantageous in that it is possible to provide a method for producing high purity methane gas which is easy to operate without requiring excess energy and can produce high purity methane gas with high recovery rate.

도 1은 본 발명의 개념을 도시한 도시도로, 도 1의 (a)는 고압 반응기 초기 내부압력에 따른 메탄과 이산화탄소의 용해도를 도시한 것이며, 도 1의 (b)는 혐기성 발효 공정이 진행되어 바이오가스가 발생함에 따라 고압 반응기의 내부압력이 증가함에 따른 메탄과 이산화탄소의 용해도를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 일 예에 따른 고압 반응기를 도시한 간략도이다.
도 3은 본 발명에 일 예에 따른 바이오가스의 정제 과정을 도시한 순서도이다.
도 4의 (a)는 실시예 1에 따라 혐기성 발효 기간에 따른 압력의 변화를 나타낸 그래프이며, 도 4의 (b)는 실시예 1 및 실시예 2에 따라 압력에 따른 메탄의 함량 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 고압 환경(실시예 3) 및 상압 환경(비교예 1)에서의 발효 기간에 따른 메탄의 함량 변화를 나타낸 그래프이다.
FIG. 1 is a view showing the concept of the present invention. FIG. 1 (a) shows the solubility of methane and carbon dioxide according to the initial internal pressure of a high-pressure reactor, and FIG. 1 (b) shows an anaerobic fermentation process And the solubility of methane and carbon dioxide as the internal pressure of the high-pressure reactor increases as the biogas is generated.
2 is a schematic view showing a high-pressure reactor according to an embodiment of the present invention.
3 is a flowchart illustrating a process of purifying biogas according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 (a) is a graph showing a change in pressure according to anaerobic fermentation period according to Example 1, and FIG. 4 (b) is a graph showing changes in methane content according to pressure according to Example 1 and Example 2 Graph.
5 is a graph showing changes in the content of methane in the high-pressure environment (Example 3) and the atmospheric-pressure environment (Comparative Example 1) according to the fermentation period.

이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 고순도 메탄가스의 생산 방법에 대하여 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.Hereinafter, a method for producing high purity methane gas of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The following drawings are provided by way of example so that those skilled in the art can fully understand the spirit of the present invention. Therefore, the present invention is not limited to the following drawings, but may be embodied in other forms, and the following drawings may be exaggerated in order to clarify the spirit of the present invention. Also, throughout the specification, like reference numerals designate like elements.

이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.Hereinafter, the technical and scientific terms used herein will be understood by those skilled in the art without departing from the scope of the present invention. Descriptions of known functions and configurations that may be unnecessarily blurred are omitted.

본 발명은 혐기성 발효 공정으로부터 발생되는 바이오가스에 있어, 바이오가스를 구성하는 기체 간의 용해도상수 차이와 헨리의 법칙을 이용하여 반응용액에 용해되는 이산화탄소의 함량을 증가시킴으로써 기상에 존재하는 메탄의 순도를 향상시킬 수 있는 고순도 메탄가스의 생산 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a biogas produced from an anaerobic fermentation process, wherein the solubility constant difference between gases constituting the biogas and the Henry's law are used to increase the amount of carbon dioxide dissolved in the reaction solution, thereby increasing the purity of methane present in the gas phase And more particularly, to a method for producing a high purity methane gas.

상세하게, 본 발명의 일 예에 따른 고순도 메탄가스의 생산 방법은 a) 음식물 쓰레기를 포함하는 유기성 폐기물 및 혐기성 미생물을 포함하는 반응용액을 고압 반응기에 충진하는 단계; 및 b) 상기 고압 반응기를 가압하고 발효시켜 메탄을 포함하는 바이오가스를 생성하는 단계;를 포함할 수 있다.Specifically, a method for producing high purity methane gas according to an embodiment of the present invention includes the steps of: a) filling a high-pressure reactor with a reaction solution containing organic wastes including food wastes and anaerobic microorganisms; And b) pressurizing and fermenting the high-pressure reactor to produce biogas comprising methane.

도 1에 도시된 바와 같이, 혐기성 발효에 의해 고압 반응기 내부의 기상에 존재하는 바이오가스의 양이 점차 증가함에 따라 고압 반응기의 내부압력 역시 증가되는데, 이로부터 메탄가스 대비 용해도상수가 큰 이산화탄소가 반응용액에 더욱 잘 용해되어 기상에 남아 있는 메탄가스의 순도가 향상될 수 있다. 이에 따라, 반응기 내부 자체에서의 바이오가스 정제 효율이 우수하여, 바이오가스의 후단 정제 설비 비용을 절감할 수 있다는 장점이 있다.As shown in FIG. 1, as the amount of biogas existing in the gaseous phase in the high-pressure reactor gradually increases due to anaerobic fermentation, the internal pressure of the high-pressure reactor also increases. As a result, The purity of the methane gas which is dissolved in the solution and remains in the vapor phase can be improved. Accordingly, the efficiency of the biogas purification in the reactor itself is excellent, and the cost of the rear end refining facility of the biogas can be reduced.

이하, 본 발명에 따른 고순도 메탄가스의 생산 방법에 대하여 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, a method for producing high purity methane gas according to the present invention will be described in detail.

먼저, a) 음식물 쓰레기를 포함하는 유기성 폐기물 및 혐기성 미생물을 포함하는 반응용액을 고압 반응기에 충진하는 단계를 수행할 수 있다.First, a) a step of filling a high-pressure reactor with a reaction solution containing organic wastes including food waste and anaerobic microorganisms may be performed.

본 발명의 일 예에 있어, 고압 반응기는 높은 압력을 견딜 수 있는 반응기로, 목표하는 압력까지 견딜 수 있는 것이라면 특별히 한정하지 않고 사용할 수 있으며, 일 구체예로 10 기압 이상의 압력까지 견딜 수 있는 고압 반응기를 사용하는 것이 좋다. 이때, 고압 반응기가 견딜 수 있는 한계 압력은 특별히 한정하지 않으며, 현 기술이 도달할 수 있는 고압 반응기의 최대 압력을 한계 압력으로 생각할 수 있다. 구체적인 일 예로, 고압 반응기는 300 기압까지 버틸 수 있는 것을 사용할 수도 있다.In an embodiment of the present invention, the high-pressure reactor is a reactor capable of withstanding high pressures, and can be used without particular limitation as long as it can withstand the target pressure. In one embodiment, . At this time, the limit pressure to which the high-pressure reactor can withstand is not particularly limited, and the maximum pressure of the high-pressure reactor to which the present technology can be reached is considered as the limit pressure. As a specific example, a high-pressure reactor may be used which can stand up to 300 atm.

고압 반응기가 준비되면, 그 내부에 발효 반응에 사용되는 유기성 폐기물 및 혐기성 미생물을 포함하는 반응용액을 넣고 완전히 밀봉한다. 이때, 고압 반응기 내부가 액상과 기상으로 나눠지도록 반응용액을 완전히 충진하지 않는 것이 바람직하다. 반응용액이 고압 반응기 내부에 가득 충진될 경우, 내부압력이 한계 압력까지 도달해도 생성되는 바이오가스의 양은 적을 수 있다. 반대로, 충진되는 반응용액의 양이 너무 적을 경우, 생성되는 바이오가스의 양이 미미하거나, 고압 반응기의 내부압력이 크게 증가하지 않아 반응용액에 용해되는 이산화탄소의 양이 저하됨으로써 메탄가스가 효과적으로 개질되지 않을 수 있다. 바람직하게, 반응용액은 고압 반응기 전체 부피 중 50 내지 95 부피%로 충진될 수 있으며, 보다 좋게는 75 내지 95 부피%로 충진될 수 있다. 이와 같은 범위에서 한계 압력까지 많은 양은 바이오가스가 생성될 수 있으며, 차후 고압 반응기의 내부압력이 용이하게 증가되어 보다 많은 양의 이산화탄소가 반응용액에 용해될 수 있다.When the high-pressure reactor is prepared, the reaction solution containing the organic waste and the anaerobic microorganism used for the fermentation reaction is put in the reactor and completely sealed. At this time, it is preferable that the reaction solution is not completely filled so that the interior of the high-pressure reactor is divided into a liquid phase and a gaseous phase. When the reaction solution is filled in the high-pressure reactor, the amount of biogas produced even when the internal pressure reaches the limit pressure may be small. On the contrary, when the amount of the reaction solution to be filled is too small, the amount of generated biogas is insignificant or the internal pressure of the high-pressure reactor is not increased so much that the amount of carbon dioxide dissolved in the reaction solution is lowered, . Preferably, the reaction solution can be filled in from 50 to 95% by volume of the total volume of the autoclave, more preferably from 75 to 95% by volume. In such a range, a large amount of biogas can be produced up to the limit pressure, and the internal pressure of the high pressure reactor can be easily increased later, so that a larger amount of carbon dioxide can be dissolved in the reaction solution.

본 발명의 일 예에 있어, 반응용액은 유기성 폐기물 및 혐기성 미생물을 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the reaction solution may include organic wastes and anaerobic microorganisms.

상기 유기성 폐기물은 음식물 쓰레기를 포함하는 것일 수 있으며, 음식물 쓰레기는 가정 및/또는 식당 등에서 배출되는 음식물 쓰레기를 총칭하는 것일 수 있다. 이와 같은 음식물 쓰레기는 혐기성 미생물에 의해 효과적으로 발효되어 메탄의 함량이 높은 바이오가스를 생성할 수 있다.The organic waste may include food waste, and the food waste may collectively refer to food waste discharged from a home and / or a restaurant. Such food wastes can be effectively fermented by anaerobic microorganisms to produce biogas with high methane content.

또한, 본 발명의 일 예에 따른 유기성 폐기물은 하수슬러지를 더 포함하는 것일 수 있으며, 이때, 하수슬러지는 하수처리의 각 공정에서 발생되어 집수된 슬러지를 의미하는 것일 수 있다.In addition, the organic waste according to an exemplary embodiment of the present invention may further include sewage sludge, wherein the sewage sludge may be sludge generated in each step of sewage treatment.

즉, 본 발명의 일 예에 따른 유기성 폐기물은 음식물 쓰레기 및 하수슬러지를 포함하는 것일 수 있으며, 이 둘을 적정 비율로 혼합하여 혐기성 발효 공정을 수행하는 경우, 음식물 쓰레기와 하수슬러지를 각각 발효시키는 것보다 메탄가스의 생산 속도 및 메탄가스의 함량을 증가시킬 수 있다는 장점이 있다. 이는 하수슬러지에 고농도로 포함되어 있는 철, 알루미늄, 칼슘 및 인 등이 혐기성 발효 공정에 영향을 미치기 때문인 것으로 예상된다.That is, the organic waste according to an example of the present invention may include food waste and sewage sludge, and when the anaerobic fermentation process is performed by mixing the two at an appropriate ratio, the food waste and the sewage sludge are each fermented The production rate of methane gas and the content of methane gas can be increased. It is expected that iron, aluminum, calcium and phosphorus, which are contained in sewage sludge at high concentration, affect the anaerobic fermentation process.

보다 좋게는, 음식물 쓰레기 및 하수슬러지 두 기질 간의 혼합 비율을 적절하게 조절하여 주시는 것이 필요한데, 일 구체예로, 유기성 폐기물은 음식물 쓰레기 : 하수슬러지가 1 : 0.01 내지 0.5의 부피비로 혼합된 것일 수 있으며, 더욱 좋게는 음식물 쓰레기 : 하수슬러지가 1 : 0.1 내지 0.2의 부피비로 혼합된 것일 수 있다. 이와 같은 범위에서 음식물 쓰레기와 하수슬러지를 혼합하여 사용하는 것이 메탄가스의 생산 속도 및 함량을 효과적으로 향상시킴에 있어 보다 바람직하다.More preferably, the mixing ratio between the food waste and the sewage sludge is suitably adjusted. In one embodiment, the organic waste may be mixed with food waste: sewage sludge in a volume ratio of 1: 0.01 to 0.5 , More preferably food waste: sewage sludge may be mixed in a volume ratio of 1: 0.1 to 0.2. In such a range, it is more preferable to mix food waste and sewage sludge in order to effectively improve the production rate and content of methane gas.

또한, 반응용액 내 유기성 폐기물과 혐기성 미생물 간의 혼합 비율 또한 중요한데, 구체적인 일 예로, 본 발명에 따른 반응용액은 하기 관계식 1을 만족할 수 있다.The mixing ratio between the organic waste and the anaerobic microorganism in the reaction solution is also important. For example, the reaction solution according to the present invention may satisfy the following relational expression (1).

[관계식 1][Relation 1]

1 ≤ I/S ≤ 51? I / S? 5

(상기 관계식 1에서, I는 혐기성 미생물의 농도(g VS/L)이며, S는 유기성 폐기물의 농도(g COD/L)이다.)(Where, I is the concentration of anaerobic microorganism (g VS / L) and S is the concentration of organic waste (g COD / L).

이처럼 반응용액이 관계식 1을 만족하도록 유기성 폐기물과 혐기성 미생물이 적정 농도로 혼합됨으로써, 혐기성 발효 공정이 원활히 수행되어 메탄가스의 생산 속도를 향상시킬 수 있으며, 메탄가스의 함량 또한 증가시킬 수 있다. 바람직하게, I/S비는 2 내지 4일 수 있으며, 이때 상기 메탄가스 생산 속도 향상 효과 및 함량 증가 효과가 크게 증가할 수 있다.By mixing the organic waste and the anaerobic microorganism at an appropriate concentration, the anaerobic fermentation process can be smoothly performed to improve the production rate of methane gas and increase the content of methane gas. Preferably, the I / S ratio may be from 2 to 4, and the effect of increasing the methane gas production rate and the effect of increasing the content may be greatly increased.

아울러, 반응용액 내 유기성 폐기물과 혐기성 미생물 각각의 농도는 당업계에서 통상적으로 사용되는 정도로 조절할 수 있으며, 구체적인 일 예로, 유기성 폐기물의 농도(S)는 0.5 내지 10 g COD/L일 수 있으며, 보다 좋게는 1 내지 5 g COD/L일 수 있다. 혐기성 미생물의 농도(I)는 0.5 내지 50 g VS/L일 수 있으며, 보다 좋게는 2 내지 20 g VS/L일 수 있다. 이와 같은 농도 범위에서 혐기성 발효 공정이 효과적으로 수행될 수 있다.In addition, the concentrations of the organic waste and the anaerobic microorganism in the reaction solution may be adjusted to the levels commonly used in the art. For example, the concentration (S) of the organic waste may be 0.5 to 10 g COD / L, Preferably 1 to 5 g COD / L. The concentration (I) of the anaerobic microorganism may be 0.5 to 50 g VS / L, and more preferably 2 to 20 g VS / L. The anaerobic fermentation process can be effectively carried out in such a concentration range.

한편, 본 발명의 일 예에 있어, 혐기성 미생물은 혐기성 발효 반응에 통상적으로 사용되는 것이라면 특별히 한정하지 않고 사용할 수 있으며, 일 구체예로, 혐기성 발효슬러지, 메탄생성균 또는 이들의 혼합물 등일 수 있다. 보다 구체적으로, 혐기성 발효슬러지는 하수처리시설에서 운전하던 하수슬러지로 혐기성 미생물을 포함하고 있는 발효슬러지를 의미하는 것일 수 있다. 메탄생성균은 메탄을 생성하는 고세균을 의미하는 것으로, Methanobacterium, Methanococcus, Methanosarcina 및 Methanospirillum 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.Meanwhile, in one embodiment of the present invention, the anaerobic microorganism is not particularly limited as long as it is commonly used in the anaerobic fermentation reaction. In one embodiment, the anaerobic fermentation sludge, the methanogenic microorganism, or a mixture thereof may be used. More specifically, the anaerobic fermentation sludge may be a fermentation sludge containing anaerobic microorganisms as sewage sludge operated in a sewage treatment facility. Methane-producing bacteria means an organism producing methane, and may be any one or two or more selected from Methanobacterium, Methanococcus, Methanosarcina and Methanospirillum, but is not limited thereto.

또한, 본 발명의 일 예에 따른 반응용액은 수산화나트륨을 더 포함하는 것일 수 있다. 수산화나트륨은 공기 중의 수증기와 이산화탄소를 잘 흡수하는 성질이 있기 때문에, 기상에 존재하는 이산화탄소가 반응용액에 더욱 많이 용해되도록 할 수 있으며, 이에 따라 바이오가스 내 메탄의 순도를 더욱 향상시킬 수 있다.In addition, the reaction solution according to an example of the present invention may further include sodium hydroxide. Since sodium hydroxide has a property of absorbing water vapor and carbon dioxide in the air well, carbon dioxide present in the gas phase can be dissolved more in the reaction solution, and thus the purity of methane in the biogas can be further improved.

수산화나트륨의 첨가량은 특별히 한정하진 않으나, 반응용액의 발효 반응을 방해하지 않는 선에서 적절하게 그 양을 조절하는 것이 바람직하여, 일 구체예로, 수산화나트륨이 첨가된 반응용액의 초기 pH는 7.5 내지 11일 수 있으며, 보다 좋게는 pH 8.5 내지 10일 수 있다. 이와 같은 범위에서 혐기성 발효 공정을 방해하지 않으면서도 반응용액에 이산화탄소가 더욱 잘 용해되도록 할 수 있다. 이때, ‘초기’란 수산화나트륨이 반응용액에 완전히 용해된 직후의 시기를 의미한다.Although the amount of sodium hydroxide to be added is not particularly limited, it is preferable to appropriately adjust the amount of sodium hydroxide in a line which does not disturb the fermentation reaction of the reaction solution. In one embodiment, the initial pH of the reaction solution to which sodium hydroxide is added is 7.5 to 11, more preferably pH 8.5 to 10. Within this range, the carbon dioxide can be more readily dissolved in the reaction solution without interfering with the anaerobic fermentation process. The term " initial " means a period immediately after sodium hydroxide is completely dissolved in the reaction solution.

다음으로, b) 상기 고압 반응기를 가압하고 발효시켜 메탄을 포함하는 바이오가스를 생성하는 단계를 수행할 수 있다. 이때, 가압은 바이오가스의 생성에 따라 자체적으로 가압되는 것이거나 또는 후술하는 바와 같이 압력 조절부를 통해 가압되는 것일 수 있다.Next, b) pressurizing and fermenting the high-pressure reactor to produce a biogas containing methane. At this time, the pressurization may be self-pressurized as the biogas is generated, or may be pressurized through the pressure regulator as described below.

상세하게, 반응용액을 고압 반응기에 넣고 발효시키면 메탄 및 이산화탄소를 포함하는 바이오가스가 생성될 수 있으며, 발효 시간이 점차 길어짐에 따라 고압 반응기 내 기상에 존재하는 바이오가스의 양이 증가되어 고압 반응기의 내부압력이 증가될 수 있다. 이와 같이 내부압력이 증가함에 따라 반응용액에 용해되는 이산화탄소의 양이 크게 증가할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 고순도의 메탄가스 생산 방법은, b)단계에서 바이오가스에 포함되는 이산화탄소의 일부가 가압 반응용액에 용해되는 단계를 포함하는 것일 수 있다.In detail, when the reaction solution is put into a high-pressure reactor and fermented, biogas including methane and carbon dioxide can be produced. As the fermentation time becomes longer, the amount of biogas present in the gas phase in the high-pressure reactor is increased, The internal pressure can be increased. As the internal pressure increases, the amount of carbon dioxide dissolved in the reaction solution can be greatly increased. That is, the method of producing high purity methane gas according to the present invention may include a step in which, in step b), a part of the carbon dioxide contained in the biogas is dissolved in the pressurized reaction solution.

이는 헨리의 법칙에 의한 것으로, 헨리의 법칙은 하기와 같다.This is by Henry's law, Henry's law is as follows.

[헨리의 법칙][Henry's Law]

C = K × PC = K x P

상기 헨리의 법칙에서, C는 1L의 액상에 용해된 기체의 몰수(mol/L)이며, K는 기체의 헨리상수(molL-1기압-1)이고, P는 기상에 존재하는 기체의 부분압(기압)이다.(MolL -1 atmospheric pressure- 1 ), P is the partial pressure of the gas present in the gas phase (mol / L), K is the Henry's constant of the gas Atmospheric pressure).

즉, 바이오가스가 생성됨에 따라 고압 반응기 내부의 기상에 존재하는 이산화탄소의 양이 증가하게 되고, 이에 따라 이산화탄소의 부분압이 증가하게 되어 고압 반응기 내부의 액상, 즉 반응용액에 용해되는 이산화탄소의 양 또한 증가하게 되는 것이다.That is, as the biogas is generated, the amount of carbon dioxide present in the gas phase in the high-pressure reactor is increased. As a result, the partial pressure of carbon dioxide is increased and the amount of carbon dioxide dissolved in the liquid phase in the high- It will be done.

다만, 기상에 존재하는 메탄 또한 그 양이 증가함에 따라 메탄의 부분압 역시 증가하게 되며, 이에 따라 반응용액에 용해되는 메탄의 양 역시 증가하게 되나, 메탄의 헨리상수가 이산화탄소보다 현저하게 낮음에 따라 반응용액에 용해되는 메탄의 양이 이산화탄소보다 현저하게 적음을 수 있다. 이에 따라, 점차 기상에 존재하는 바이오가스 내 메탄의 함량이 증가되어 고순도의 메탄가스를 생산할 수 있다. 이때, 메탄의 헨리상수는 약 0.0016 molL-1기압-1이고, 이산화탄소의 헨리상수는 약 0.031 molL-1기압-1이며, 본 발명에서 헨리상수는 용해도상수와 동일한 의미로 사용될 수 있다.However, as the amount of methane present in the gas phase also increases, the partial pressure of methane also increases, thereby increasing the amount of methane dissolved in the reaction solution. However, the Henry's constant of methane is significantly lower than that of carbon dioxide The amount of methane dissolved in the solution may be significantly less than that of carbon dioxide. As a result, the content of methane in the biogas existing in the gas phase gradually increases, so that methane gas of high purity can be produced. At this time, the Henry's constant of methane is about 0.0016 molL -1 atmospheric pressure- 1 , the Henry's constant of carbon dioxide is about 0.031 molL -1 atmospheric pressure- 1 , and the Henry's constant in the present invention can be used in the same meaning as the solubility constant.

한편, 본 발명의 일 예에 있어, 고압 반응기의 내부압력은 바이오가스가 생성됨에 따라 점차 증가되어 고압 반응기의 한계압력까지 증가될 수 있으며, 이산화탄소를 반응용액에 보다 효과적으로, 보다 많이 용해시켜 고순도의 메탄가스를 생산하기 위해서는, b)단계의 내부압력은 5 기압 이상으로 증가되는 것이 좋으며, 보다 좋게는 8 기압 이상으로 증가되는 것이 바람직하다. 이때, 내부압력의 상한은 고압 반응기에 따라 달라질 수 있으며, 고압 반응기의 한계 압력과 동일할 수 있으나, 바람직하게는 30 기압 이하일 수 있다.Meanwhile, in an example of the present invention, the internal pressure of the high-pressure reactor may gradually increase as the biogas is generated, and may be increased to the limit pressure of the high-pressure reactor, and more effectively dissolves carbon dioxide into the reaction solution, In order to produce methane gas, the internal pressure of the step b) is preferably increased to 5 atm or higher, more preferably 8 atm or higher. At this time, the upper limit of the internal pressure may vary depending on the high-pressure reactor, and may be equal to the limit pressure of the high-pressure reactor, but it may preferably be 30 atm or less.

또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 예에 따른 고압 반응기(100)는 고압 반응기 상부에 압력 조절부(300)를 더 포함하는 것일 수 있다. 압력 조절부(300)는 고압 반응기(100)의 내부압력을 조절하기 위한 것으로, 발효 공정 초기부터 고압 반응기(100)의 내부압력을 증가시킴으로써 이산화탄소가 발효 공정 초기부터 반응용액(200)에 잘 용해되도록 할 수 있다. 구체적인 일 예로, 압력 조절부(300)에 의해 조절되는 고압 반응기(100)의 초기 내부압력은 3 기압 이상일 수 있으며, 보다 좋게는 5 기압 이상일 수 있다. 압력 조절부(300)에 의한 초기 내부압력의 상한은 특별히 한정하진 않으나, 고압 반응기(100)의 한계압력의 반 이하일 수 있다. 즉, 고압 반응기(100)의 한계압력이 100 기압인 경우, 초기 내부압력은 50 기압 이하일 수 있다. 초기 내부압력이 고압 반응기(100)의 한계압력과 가까울 경우, 고압 반응기(100)의 내부압력이 한계압력에 쉽게 도달하여 생산되는 메탄가스의 양이 적을 수 있다. 이때, ‘초기’란 내부압력이 조절되고, 고압 반응기(100)가 완전히 밀봉된 직후의 시기를 의미한다.Also, as shown in FIG. 2, the high-pressure reactor 100 according to an exemplary embodiment of the present invention may further include a pressure regulator 300 on the high-pressure reactor. The pressure regulator 300 regulates the internal pressure of the high-pressure reactor 100. By increasing the internal pressure of the high-pressure reactor 100 from the beginning of the fermentation process, the carbon dioxide is dissolved in the reaction solution 200 from the beginning of the fermentation process . As a specific example, the initial internal pressure of the high-pressure reactor 100 controlled by the pressure regulator 300 may be 3 atm or higher, more preferably 5 atm or higher. The upper limit of the initial internal pressure by the pressure regulator 300 is not particularly limited, but may be less than half of the limit pressure of the high-pressure reactor 100. That is, when the critical pressure of the high-pressure reactor 100 is 100 atm, the initial internal pressure may be 50 atm or less. When the initial internal pressure is close to the limit pressure of the high-pressure reactor 100, the internal pressure of the high-pressure reactor 100 can easily reach the limit pressure, and the amount of methane gas produced may be small. Here, 'initial' means a period immediately after the internal pressure is controlled and the high-pressure reactor 100 is completely sealed.

아울러, 압력 조절부(300)를 따로 가짐으로써, 바이오가스의 양이 점차 증가되어도 압력 조절부(300)의 위치를 점차 조절하여 고압 반응기(100) 내부의 기상 파트 부피를 증가시킴으로써 회수되는 고순도 메탄가스의 양을 증가시킬 수 있다는 장점이 있다. 이때, 압력 조절부(300)를 통해 기상 파트의 부피를 갑자기 너무 늘릴 경우, 내부압력의 급작스런 감소로 반응용액(200)에 용해되었던 이산화탄소가 다시 용출될 수 있으므로, 특정 압력 이상을 유지하면서 기상 파트의 부피를 증가시키는 것이 좋으며, 일 구체예로, 한계압력이 10 기압인 고압 반응기(100)의 경우, 내부압력을 8 내지 10 기압 수준으로 유지하는 것이 바람직할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.In addition, by separately providing the pressure regulating unit 300, even if the amount of the biogas is gradually increased, the position of the pressure regulating unit 300 is gradually adjusted to increase the volume of the gas phase part in the high pressure reactor 100, The advantage is that the amount of gas can be increased. At this time, when the volume of the gas phase part is suddenly increased too much through the pressure regulator 300, the carbon dioxide dissolved in the reaction solution 200 may be eluted again due to a sudden decrease in the internal pressure. In one embodiment, in the case of a high-pressure reactor 100 having a limiting pressure of 10 atmospheres, it may be desirable to maintain the internal pressure at a level of 8 to 10 atmospheres, but the present invention is not limited thereto .

또한, 본 발명의 일 예에 따른 고순도 메탄가스의 생산 방법은, b)단계에 의해 생성된 바이오가스를 가스분리막에 통과시켜 정제하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이처럼 고압 반응기를 통해 정제된 바이오가스를 재정제함으로써 보다 높은 순도를 가진 메탄가스를 생산할 수 있다.In addition, the method of producing high purity methane gas according to an embodiment of the present invention may further include a step of passing the biogas produced in step b) through a gas separation membrane and purifying it. By refining the refined biogas through the high-pressure reactor, methane gas with higher purity can be produced.

이때, 가스분리막은 다공질의 막으로 이산화탄소 또는 메탄 중 하나의 가스만이 통과되는 것을 사용하는 것이 좋으며, 메탄가스의 손실을 줄이기 위하여 메탄은 통과하지 못 하거나 통과 속도가 현저하게 낮고, 이산화탄소, 또는 그 외의 불순물 등은 쉽게 통과할 수 있는 가스분리막을 사용하는 것이 바람직하다. 일 구체예로, 가스분리막은 이산화탄소/메탄의 선택도가 35 이상인 것이 좋으며, 좋게는 50 이상일 수 있다. 보다 구체적으로, 가스분리막은 이산화탄소 투과도가 100 GPU 내지 1,000 GPU인 것을 사용하는 것이 바람직하다.At this time, it is preferable that the gas separation membrane is a porous membrane in which only one gas of carbon dioxide or methane is passed. In order to reduce the loss of methane gas, methane can not pass through or the passing speed is remarkably low, It is preferable to use a gas separation membrane which can easily pass impurities and the like. In one embodiment, the selectivity of carbon dioxide / methane in the gas separation membrane is preferably 35 or more, and more preferably 50 or more. More specifically, it is preferable to use a gas separation membrane having a carbon dioxide permeability of 100 GPU to 1,000 GPU.

가스분리막의 종류는 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이라면 특별히 한정하지 않으나, 구체적으로 예를 들면 셀룰로오스 아세테이트, 폴리술폰산, 폴리이미드, 폴리카보네이트, 폴리스티렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리페닐렌 옥사이드, 폴리실록산, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리프로필렌 옥사이드 또는 이들의 혼합물 등의 고분자 소재로 제조된 것일 수 있으며, 또는 제올라이트계 무기소재나 탄소분자체 소재 등으로부터 제조된 것일 수 있다.The type of the gas separation membrane is not particularly limited as long as it is commonly used in the art, and specific examples thereof include cellulose acetate, polysulfonic acid, polyimide, polycarbonate, polystyrene, polyethylene terephthalate, polyphenylene oxide, polysiloxane, polyethylene oxide , Polypropylene oxide, or a mixture thereof, or may be made of a zeolite-based inorganic material, a carbon molecular sieve material, or the like.

보다 상세하게, 상기 가스분리막은 제1분리막 및 제2분리막을 포함하며, 제1분리막은 상기 1차 정제된 바이오가스에 잔류된 이산화탄소를 1차 배출시켜 바이오가스를 2차 정제하고, 제2분리막은 2차 정제된 바이오가스에 잔류된 이산화탄소를 2차 배출시켜 바이오가스를 3차 정제함으로써, 다단계 정제 공정을 통해 보다 높은 순도를 가진 고순도의 메탄가스를 생산할 수 있다. 이때, 제1분리막 및 제2분리막은 서로 상이하거나 동일할 수 있다.In more detail, the gas separation membrane includes a first separation membrane and a second separation membrane. The first separation membrane firstly discharges the carbon dioxide remaining in the first purified biogas to secondly purify the biogas, The second step of purifying the biogas by secondly discharging the carbon dioxide remaining in the second purified biogas can produce the methane gas of higher purity and higher purity through the multi-step purification process. At this time, the first separation membrane and the second separation membrane may be different from each other or may be the same.

한편, 제1분리막 또는 제2분리막을 통해 이산화탄소를 배출하기 위하여 바이오가스를 가압할 수 있으며, 가압 방법은 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이라면 특별히 한정하지 않고 사용할 수 있으나, 일 예로, 바이오가스를 포함하고 있는 저장부의 부피를 줄임으로써 바이오가스의 압력을 증가시킬 수 있다. 이와 같이 바이오가스의 압력이 증가함으로써 제1분리막 또는 제2분리막을 통해 이산화탄소가 보다 효과적으로 배출될 수 있으며, 농축되는 메탄가스의 순도를 현저하게 향상시킬 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 일 예에 따른 메탄가스의 순도는 90 부피% 이상, 보다 좋게는 95 부피% 이상, 더욱 좋게는 99 부피% 이상, 특히 좋게는 99.9 부피% 이상일 수 있다.Meanwhile, the biogas can be pressurized to discharge carbon dioxide through the first separation membrane or the second separation membrane, and the biogas can be used without any particular limitation as long as it is commonly used in the art. For example, The pressure of the biogas can be increased by reducing the volume of the reservoir being operated. As the pressure of the biogas increases, the carbon dioxide can be discharged more effectively through the first separator or the second separator, and the purity of the methane gas to be concentrated can be remarkably improved. Specifically, the purity of the methane gas according to an exemplary embodiment of the present invention may be at least 90 vol%, more preferably at least 95 vol%, even more preferably at least 99 vol%, particularly preferably at least 99.9 vol%.

이 외에, 본 발명의 일 예에 따른 고순도 메탄가스의 생산 방법은 당업계에서 통상적으로 수행되는 제습, 탈황, 탈암모니아 및 탈실록산 처리 등의 전처리 공정을 더 포함할 수 있으며, 이로부터 고순도 메탄가스 생산의 효율을 향상시킬 수 있음은 물론이다.In addition, the method of producing high purity methane gas according to an embodiment of the present invention may further include a pretreatment step such as dehumidification, desulfurization, deammonia and desiloxane treatment ordinarily practiced in the art, It is of course possible to improve the efficiency of production.

이하 실시예를 통해 본 발명에 따른 고순도 메탄가스의 생산 방법에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다. 또한 달리 정의되지 않은 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본원에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 또한 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다. 또한 명세서에서 특별히 기재하지 않은 첨가물의 단위는 중량%일 수 있다.Hereinafter, a method for producing high purity methane gas according to the present invention will be described in more detail with reference to examples. It should be understood, however, that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the invention. Unless otherwise defined, all technical and scientific terms have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. Also, the singular forms as used in the specification and the appended claims are intended to include the plural forms as well, unless the context clearly indicates otherwise. In addition, the unit of the additives not specifically described in the specification may be% by weight.

[실시예 1][Example 1]

한계압력이 10 기압인 고압 반응기에 반응용액 : 기상부의 부피비가 10 : 1이 되도록 반응용액을 넣고, 고압 반응기를 완전히 밀봉한 후 2주에 걸쳐 혐기성 발효 공정을 진행하였다.The reaction solution was placed in a high-pressure reactor having a critical pressure of 10 atmospheres so that the volume ratio of the reaction solution to the gaseous phase was 10: 1. The high-pressure reactor was completely sealed and the anaerobic fermentation process was performed for 2 weeks.

이때, 상기 반응용액은 2.0 g COD/L의 음식물 쓰레기와 5.0 g VS/L의 혐기성발효슬러지를 혼합하여 준비하였다.At this time, the reaction solution was prepared by mixing 2.0 g COD / L of food waste and 5.0 g VS / L anaerobic fermentation sludge.

도 4의 A에 도시된 바와 같이, 혐기성 발효 공정 기간이 길어짐에 따라 고압 반응기의 내부압력이 증가하였으며, 약 7일 후 고압 반응기의 한계압력인 10 기압까지 도달하는 것을 확인할 수 있었다.As shown in FIG. 4A, the internal pressure of the high-pressure reactor increased with an increase in the anaerobic fermentation process period, and it was confirmed that the pressure reached 10 atm, which is the limit pressure of the high-pressure reactor after about 7 days.

또한, 그에 따른 메탄의 함량(부피%) 변화를 도시한 도 4의 B를 보면, 고압 반응기의 내부압력이 증가함에 따라 메탄의 함량이 점차 증가하는 것을 알 수 있으며, 약 9일 후 메탄의 함량이 80 부피% 가량에 도달하였다.4B, which shows the change in the content (volume%) of methane, the methane content gradually increases as the internal pressure of the high-pressure reactor increases. After about 9 days, the content of methane Was about 80 vol%.

[실시예 2][Example 2]

음식물 쓰레기와 하수슬러지를 혼합하여 유기성 폐기물로 사용한 것 외의 모든 공정을 실시예 1과 동일하게 진행하였다. 유기성 폐기물은 음식물 쓰레기와 하수슬러지를 9 : 1의 부피비로 혼합한 후 2.0 g COD/L의 농도로 사용하였다.All processes except that food waste and sewage sludge were mixed and used as organic waste were carried out in the same manner as in Example 1. Organic waste was mixed with food waste and sewage sludge at a volume ratio of 9: 1 and used at a concentration of 2.0 g COD / L.

그에 따른 메탄의 함량(부피%) 변화를 도시한 도 4의 B를 보면, 약 8일 후 메탄의 함량이 80 부피% 가량에 도달함에 따라 실시예 1 대비 더 빠르게 메탄의 순도가 향상되는 것을 알 수 있으며, 동일 압력에서 더 높은 순도의 메탄이 생산되는 것을 확인할 수 있다.4B showing the change in the content (volume%) of methane accordingly shows that the purity of methane was improved faster than that in Example 1 as the methane content reached about 80% by volume after about 8 days And it can be confirmed that methane of higher purity is produced at the same pressure.

[실시예 3][Example 3]

압력 조절부를 통해 고압 반응기 초기 내부압력을 10 기압으로 조절하여 실험을 진행하되, 혐기성 발효 공정이 진행됨에 따라 기상부의 부피를 조금씩 늘려 고압 반응기의 내부압력을 10 기압으로 유지한 것 외의 모든 공정을 실시예 1과 동일하게 진행하였다.As the anaerobic fermentation process progresses, the volume of the vapor phase is gradually increased to maintain the internal pressure of the high-pressure reactor at 10 atm. Proceed in the same manner as in Example 1.

그 결과, 도 5에 도시된 바와 같이, 약 5일 후 메탄의 함량이 80 부피% 가량에 도달하였다.As a result, as shown in Fig. 5, the methane content reached about 80 vol% after about 5 days.

[비교예 1][Comparative Example 1]

실시예 3과 동일하게 고압 반응기의 내부압력을 일정하게 유지하되, 10 기압이 아닌 1 기압으로 유지하였다.As in Example 3, the internal pressure of the autoclave was maintained constant, but not at 10 atmospheres.

그 결과, 약 2일 후 메탄의 함량이 80 부피% 가량에 도달한 실시예 3과는 달리, 비교예 1은 10일 후에도 메탄의 함량이 60 부피%를 넘지 못 하였다.As a result, unlike Example 3 where the methane content reached about 80% by volume after about 2 days, the methane content of Comparative Example 1 did not exceed 60% by volume even after 10 days.

이로부터, 고압 반응기의 내부압력이 증가함으로써 반응용액에 용해되는 이산화탄소의 함량이 현저하게 증가함을 확인할 수 있었다.From this, it was confirmed that the content of carbon dioxide dissolved in the reaction solution was remarkably increased by increasing the internal pressure of the high-pressure reactor.

[실시예 4 내지 7][Examples 4 to 7]

반응용액에 NaOH를 첨가하여 초기 반응용액의 pH를 하기 표 1과 같이 달리 조절한 것 외의 모든 공정을 실시예 1과 동일하게 진행하였다.The procedure of Example 1 was repeated except that NaOH was added to the reaction solution to adjust the pH of the initial reaction solution as shown in Table 1 below.

pHpH 메탄 함량(부피%)Methane content (vol%) 2일 후Two days later 5일 후After 5 days 실시예 4Example 4 77 3838 7878 실시예 5Example 5 88 6464 8686 실시예 6Example 6 99 7676 8989 실시예 7Example 7 1010 8181 9393

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 반응용액에 NaOH를 더 첨가할 경우, NaOH가 기상의 이산화탄소 및 수분을 흡수하여 메탄의 정제 속도 및 순도가 보다 향상됨을 알 수 있다.As shown in Table 1, when NaOH is further added to the reaction solution, NaOH absorbs gaseous carbon dioxide and moisture, and the purification rate and purity of methane are further improved.

[실시예 8][Example 8]

실시예 1로부터 30일간 혐기성 발효 및 1차적으로 정제시킨 메탄가스를 농축배관을 통해 메탄저장탱크로 이동시켰다. 이때, 도 3에 도시된 바와 같이, 고압 반응기로부터 1차 정제된 메탄가스를 농축배관으로 이동시킨 후 제1분리막과 연결된 개폐밸브를 열어 미량 잔류된 이산화탄소를 1차 배출하였다. 다음으로, 제1분리막과 연결된 개폐밸브를 닫고, 농축배관의 부피를 조절하여 농축배관의 내부압력을 4기압으로 승압한 후 제2분리막과 연결된 개폐밸브를 열어 극소량으로 잔류된 이산화탄소를 2차 배출하였으며, 이로부터 순도 99% 이상의 고순도 메탄가스를 수득하였다. 상기 제1분리막은 셀룰로오스 아세테이트로부터 제조된 것을 사용하였으며, 제2분리막은 폴리술폰산으로부터 제조된 것을 사용하였다.The anaerobic fermentation and primarily purified methane gas for 30 days from Example 1 were transferred to a methane storage tank through a condensate line. At this time, as shown in FIG. 3, the first purified methane gas from the high-pressure reactor was moved to a concentration pipe, and then an opening / closing valve connected to the first separator was opened to discharge a small amount of residual carbon dioxide. Next, the opening / closing valve connected to the first separating membrane is closed, the volume of the condensing pipe is adjusted to raise the internal pressure of the condensing pipe to 4 atmospheres, and then the opening / closing valve connected to the second separating membrane is opened to discharge the remaining carbon dioxide Purity methane gas having a purity of 99% or more was obtained. The first separation membrane was made from cellulose acetate, and the second separation membrane was made from polysulfonic acid.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있으며, 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.While the invention has been shown and described with reference to certain preferred embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Therefore, the above description does not limit the scope of the present invention, which is defined by the limitations of the following claims.

100: 고압 반응기
200: 반응용액
300: 압력 조절부
400: 개폐밸브
100: High-pressure reactor
200: reaction solution
300: Pressure regulator
400: opening / closing valve

Claims (12)

a) 음식물 쓰레기를 포함하는 유기성 폐기물 및 혐기성 미생물을 포함하는 반응용액을 고압 반응기에 충진하는 단계; 및
b) 상기 고압 반응기를 초기 압력이 3 기압 이상이 되도록 가압한 후, 발효시켜 메탄을 포함하는 바이오가스를 생성하는 단계;를 포함하며,
상기 b) 단계의 발효 시, 상기 초기 압력 이상을 유지하면서 고압 반응기의 부피를 바이오가스가 생성됨에 따라 증가시키는 것을 특징으로 하는 고순도 메탄가스의 생산 방법.
a) filling a high-pressure reactor with a reaction solution containing organic waste including food waste and anaerobic microorganisms; And
b) pressurizing the high pressure reactor to an initial pressure of 3 atm or higher and then fermenting to produce a biogas containing methane,
Wherein during the fermentation in step b), the volume of the high-pressure reactor is increased as the biogas is generated while maintaining the initial pressure or higher.
제 1항에 있어서,
상기 b)단계의 내부압력은 5 기압 이상인 고순도 메탄가스의 생산 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the internal pressure of step b) is 5 atm or higher.
제 1항에 있어서,
상기 b)단계에서 바이오가스에 포함되는 이산화탄소의 일부가 가압 반응용액에 용해되는 단계를 포함하는 것인 고순도 메탄가스의 생산 방법.
The method according to claim 1,
Wherein a portion of the carbon dioxide contained in the biogas is dissolved in the pressurized reaction solution in the step b).
제 1항에 있어서,
상기 a)단계에서 유기성 폐기물은 하수슬러지를 더 포함하는 것인 고순도 메탄가스의 생산 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the organic waste further comprises sewage sludge in step a).
제 4항에 있어서,
상기 유기성 폐기물은 음식물 쓰레기 : 하수슬러지가 1 : 0.01 내지 0.5의 부피비로 혼합된 것인 고순도 메탄가스의 생산 방법.
5. The method of claim 4,
Wherein the organic waste is mixed with food waste: sewage sludge in a volume ratio of 1: 0.01 to 0.5.
제 1항에 있어서,
상기 반응용액은 하기 관계식 1을 만족하는 고순도 메탄가스의 생산 방법.
[관계식 1]
1 ≤ I/S ≤ 5
(상기 관계식 1에서, I는 혐기성 미생물의 농도(g VS/L)이며, S는 유기성 폐기물의 농도(g COD/L)이다.)
The method according to claim 1,
Wherein the reaction solution satisfies the following relational expression (1).
[Relation 1]
1? I / S? 5
(Where, I is the concentration of anaerobic microorganism (g VS / L) and S is the concentration of organic waste (g COD / L).
제 1항에 있어서,
상기 반응용액은 수산화나트륨을 더 포함하는 고순도 메탄가스의 생산 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the reaction solution further comprises sodium hydroxide.
제 7항에 있어서,
상기 반응용액의 초기 pH는 7.5 내지 11인 고순도 메탄가스의 생산 방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the initial pH of the reaction solution is from 7.5 to 11.
제 1항에 있어서,
상기 고압 반응기는 고압 반응기 상부에 압력 조절부를 더 포함하는 고순도 메탄가스의 생산 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the high-pressure reactor further comprises a pressure regulator in the upper portion of the high-pressure reactor.
삭제delete 제 1항에 있어서,
b)단계에 의해 생성된 바이오가스를 가스분리막에 통과시켜 정제하는 단계를 더 포함하는 고순도 메탄가스의 생산 방법.
The method according to claim 1,
further comprising the step of purifying the biogas produced in step (b) by passing the biogas through a gas separation membrane.
제 11항에 있어서,
상기 가스분리막은 제1분리막 및 제2분리막을 포함하며, 제1분리막은 상기 정제된 바이오가스에 잔류된 이산화탄소를 1차 배출시켜 바이오가스를 2차 정제하고, 제2분리막은 2차 정제된 바이오가스에 잔류된 이산화탄소를 2차 배출시켜 바이오가스를 3차 정제하는 고순도 메탄가스의 생산 방법.
12. The method of claim 11,
Wherein the gas separation membrane includes a first separation membrane and a second separation membrane, the first separation membrane separating the purified biogas from the biogas by first discharging the remaining carbon dioxide, and the second separation membrane separating the second purified biogas A method for producing high-purity methane gas by purifying the biogas three times by releasing the remaining carbon dioxide in the gas.
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