KR102101022B1 - apparatus for disrupting and separating cell wall of microalgae using ultrasound - Google Patents

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Abstract

본 발명은 초음파를 이용한 미세조류의 세포벽 파괴 및 분리 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 미세조류에 초음파를 가해 세포벽을 파괴하여 지질을 분리함으로써 미세조류로부터 지질을 효과적으로 추출할 수 있는 미세조류의 세포벽 파괴 및 분리 장치에 관한 것이다.
본 발명의 초음파를 이용한 미세조류의 파쇄 및 분리 장치는 미세조류 배양기로부터 유입되는 미세조류 배양액을 교반하면서 초음파를 가해 미세조류의 세포벽을 파괴하는 초음파 파괴부와, 초음파 파괴부에서 배출되는 배출물로부터 지질층을 분리하는 지질분리부를 구비한다.
The present invention relates to a device for breaking down and separating cell walls of microalgae using ultrasonic waves, and more specifically, by breaking the cell wall by applying ultrasound to the microalgae to separate lipids, thereby separating lipids from microalgae. Destruction and separation device.
The apparatus for crushing and separating microalgae using ultrasonic waves according to the present invention includes an ultrasonic disrupting unit that destroys the cell walls of microalgae by applying ultrasonic waves while stirring the microalgal culture medium flowing from the microalgal incubator, and a lipid layer from the discharged material from the ultrasonic disrupting unit It is provided with a lipid separation portion for separating.

Description

초음파를 이용한 미세조류의 세포벽 파괴 및 분리 장치{apparatus for disrupting and separating cell wall of microalgae using ultrasound}Apparatus for disrupting and separating cell wall of microalgae using ultrasound}

본 발명은 초음파를 이용한 미세조류의 세포벽 파괴 및 분리 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 미세조류에 초음파를 가해 세포벽을 파괴하여 지질을 분리함으로써 미세조류로부터 지질을 효과적으로 추출할 수 있는 미세조류의 세포벽 파괴 및 분리 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a device for breaking down and separating cell walls of microalgae using ultrasonic waves, and more specifically, by breaking the cell wall by applying ultrasound to the microalgae to separate lipids, thereby separating lipids from microalgae. Destruction and separation device.

지구 온난화와 화석연료에 대한 우려로 바이오매스를 이용한 연료 생산이 각광받고 있다. 그러나 한편으로 곡물 자원을 이용하는 바이오디젤 생산은 환경적인 부담과 식량 자원과의 경쟁으로 우려가 높아지고 있는 실정이다. 따라서, 식량과의 경쟁이 없는 미세조류나 산림자원을 이용하는 바이오디젤 생산 방법이 주목받고 있다. Due to global warming and concerns about fossil fuels, fuel production using biomass is in the spotlight. On the other hand, however, the production of biodiesel using grain resources is a growing concern due to environmental burdens and competition with food resources. Therefore, a method of producing biodiesel using microalgae or forest resources without competition from food is attracting attention.

이중 미세조류는 육상 식물보다 광합성 효율이 우수하고, 화력발전소에서 배출되는 이산화탄소를 직접 이용할 수 있으며, 몸체 내의 상당 부분이 연료로의 전환이 가능한 지질로 구성되어 있다는 장점을 가지고 있다.Among these, microalgae have the advantage of having better photosynthetic efficiency than land plants, and can directly use carbon dioxide emitted from a thermal power plant, and a significant portion of the body is composed of lipids that can be converted into fuel.

미세조류 바이오매스의 구성 성분 중 지질은 연료로의 전환이 용이한 성분으로서, 전이에스테르화 방법이나 탈산소 방법에 의하여 수송용 연료로 전환할 수 있다. Among the components of the microalgal biomass, lipid is a component that is easily converted into fuel, and can be converted into transportation fuel by a transesterification method or a deoxygenation method.

통상적으로 미세조류로부터 바이오디젤을 생산하기 위한 주요 프로세스로는, 미세조류의 배양, 지질 추출(세포 파괴) 및 전이에스테르화(transesterification)가 있다.In general, the main processes for producing biodiesel from microalgae include cultivation of microalgae, lipid extraction (cell destruction) and transesterification.

특히, 종래 지질 추출 방법으로 보편적으로 사용되는 방법은 헥산 등의 비극성 유기 용매를 사용하여 미세조류 내 지질을 추출하는 방법으로 화학적 용매 추출법을 들 수 있다(Bligh EG, Dyer WJ, A rapid method of total lipid extraction and purification, Can J Biochem Physiol, Vol 37, 1959, pp 911-917). 이는 미세조류를 물리적 및 열적 처리를 통해 탈수 후 건조하고, 세포벽을 파괴하는 전처리 과정을 거쳐 헥산 등의 유기 용매로 추출을 진행하여 지질과 잔여 바이오매스를 회수하는 방법이다. In particular, a method commonly used as a conventional lipid extraction method is a method for extracting lipids in microalgae using a non-polar organic solvent such as hexane (Bligh EG, Dyer WJ, A rapid method of total) lipid extraction and purification, Can J Biochem Physiol, Vol 37, 1959, pp 911-917). This is a method of recovering lipids and residual biomass by dehydrating the microalgae through physical and thermal treatment, drying it, and then extracting it with an organic solvent such as hexane through a pre-treatment process to destroy the cell wall.

미세조류는 이를 둘러싸는 단단한 세포벽으로 인해 추출 효율이 극도로 낮아지는 문제가 있으므로, 이를 해결하기 위해 세포벽 파괴 기술이 매우 중요하다. Since microalgae have a problem in that extraction efficiency is extremely low due to the solid cell walls surrounding them, cell wall destruction technology is very important to solve this.

그러나, 종래의 지질 추출 방법은 탈수공정을 위해 상당히 많은 에너지가 소모되며, 세포벽 파괴 및 용매 추출과 같은 여러 단계의 공정을 거쳐야 하기 때문에 복잡하고 비용이 많이 들고, 화학적 용매 처리로 인하여 지질이 순수하지 못하다는 문제가 있다. However, the conventional lipid extraction method consumes a considerable amount of energy for the dehydration process, and is complicated and expensive because it has to undergo several steps such as cell wall destruction and solvent extraction, and the lipid is not pure due to chemical solvent treatment. There is a problem that can not.

특히, 종래 지질 추출을 위한 탈수(dewatering) 공정(전처리 공정)의 경우, 미세조류 슬러리에서 물리적으로 물을 제거한 뒤, 추가적으로 미세조류 자체의 수분 함량이 10% 이하가 되도록 열처리 건조 또는 동결 건조 등을 수행해야 하며, 이 과정에서 상당히 많은 에너지, 비용 및 시간이 소요되는 문제가 있다.In particular, in the case of a conventional dewatering process for lipid extraction (pre-treatment process), after physically removing water from the microalgae slurry, additionally heat-drying or freeze-drying such that the water content of the microalgae itself is 10% or less. It has to be done and there is a significant amount of energy, cost and time consuming in this process.

대한민국특허 등록번호 제10-1205780호에서는 별도의 세포벽 파쇄 없이 미세조류에 열처리를 통한 지질 회수 방법에 대해 개시하고 있으나, 이 역시 탈수(dewatering) 공정이 필연적으로 필요하다는 점에서, 과다한 에너지가 소모되고 여러 단계의 공정을 거쳐야 하는 문제점을 해결하지 못하고 있다.Korean Patent Registration No. 10-1205780 discloses a method for recovering lipids through heat treatment on microalgae without crushing a separate cell wall, but this also consumes excessive energy in that a dewatering process is inevitably required. It does not solve the problem of having to go through several steps.

대한민국특허 등록번호 제10-1205780호: 2단계 열분해에 의한 미세조류로부터의 지질 회수 방법Republic of Korea Patent Registration No. 10-1205780: lipid recovery from microalgae by two-step pyrolysis

본 발명은 상기의 문제점을 개선하고자 창출된 것으로서, 미세조류에 초음파를 가해 세포벽을 파괴하여 지질을 분리함으로써 미세조류로부터 지질을 효과적으로 추출할 수 있는 미세조류의 세포벽 파괴 및 분리 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다. The present invention was created to improve the above problems, and provides a device for destroying and separating cell walls of microalgae capable of effectively extracting lipids from microalgae by separating lipids by breaking the cell walls by applying ultrasound to the microalgae. There is a purpose.

또한, 본 발명은 미세조류 배양기 연동하여 전자동으로 수확, 파괴 및 분리 시스템을 구축할 수 있는 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다. In addition, it is an object of the present invention to provide a device capable of automatically constructing a harvesting, destruction, and separation system in conjunction with a microalgae incubator.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 초음파를 이용한 미세조류의 파쇄 및 분리 장치는 미세조류 배양기로부터 유입되는 미세조류 배양액에 초음파를 가해 미세조류의 세포벽을 파괴하는 초음파 파괴부와; 상기 초음파 파괴부에서 배출되는 배출물로부터 지질층을 분리하는 지질분리부;를 구비하고, 상기 초음파 파괴부는 상기 배양기와 연결부로 연결되는 추출조와, 상기 추출조의 내부로 초음파를 발생시키기 위한 초음파발생수단과, 상기 연결부를 따라 이동하는 배양액에 펄스 전기장을 가하기 위한 펄스전기장부와, 상기 연결부를 따라 이동하는 배양액에 이산화탄소를 주입하기 위한 가스공급부를 구비한다.The apparatus for crushing and separating microalgae using ultrasonic waves of the present invention for achieving the above object comprises: an ultrasonic breaking unit that destroys the cell walls of microalgae by applying ultrasonic waves to the microalgal culture medium flowing from the microalgal incubator; It is provided with; a lipid separation unit for separating the lipid layer from the discharged from the ultrasonic destruction unit; the ultrasonic destruction unit, an extraction tank connected to the incubator and the connection unit, and ultrasonic generating means for generating ultrasonic waves inside the extraction tank, A pulse electric field unit for applying a pulse electric field to the culture medium moving along the connection unit and a gas supply unit for injecting carbon dioxide into the culture medium moving along the connection unit.

상기 초음파발생수단은 20 내지 60kHz의 초음파를 약 10 내지 60분 동안 가한다.The ultrasonic generating means applies ultrasonic waves of 20 to 60 kHz for about 10 to 60 minutes.

상기 펄스전기장부는 상기 연결부에 설치되는 전극과, 상기 전극에 전원을 공급하는 전원부와, 상기 전극을 통해 발생되는 펄스와 전기장을 제어하는 컨트롤러를 구비한다. The pulse electric field unit includes an electrode installed in the connection unit, a power unit for supplying power to the electrode, and a controller for controlling pulses and electric fields generated through the electrode.

상기 연결부는 상기 배양기와 연결되는 유입관과, 상기 유입관이 일측에 연결되는 원통형의 챔버와, 상기 챔버의 타측에 연결되는 유출관과, 상기 챔버의 중심에 설치되는 원형의 코어부와, 상기 챔버를 관통하여 상기 코어부의 내부로 연장되며 상기 가스공급부와 연결되어 이산화탄소가 공급되는 가스주입관과, 상기 코어부의 내부에 환형으로 형성되어 상기 가스주입관과 연결되는 가스실과, 상기 가스실에서 상기 코어부의 외주면으로 연장되도록 형성되어 상기 챔버의 내부로 유입된 배양액으로 이산화탄소를 분출시키는 다수의 분출구들과, 상기 챔버의 내주면에서 돌출되어 형성된 유선형의 제 1융기부와, 상기 코어부의 외주면에서 돌출되어 상기 제 1융기부와 마주하도록 형성된 유선형의 제 2융기부를 구비한다. The connection part, an inlet pipe connected to the incubator, a cylindrical chamber in which the inlet pipe is connected to one side, an outlet pipe connected to the other side of the chamber, and a circular core portion installed in the center of the chamber, A gas injection pipe extending through the chamber into the core portion and connected to the gas supply portion to supply carbon dioxide, a gas chamber formed in an annular shape inside the core portion and connected to the gas injection pipe, and the core in the gas chamber It is formed to extend to the outer circumferential surface of the part, and a plurality of spouts for ejecting carbon dioxide into the culture fluid introduced into the chamber, a streamlined first ridge formed protruding from the inner circumferential surface of the chamber, and protruding from the outer circumferential surface of the core part And a streamlined second raised portion formed to face the first raised portion.

상술한 바와 같이 본 발명은 미세조류에 초음파를 가하여 지질을 추출함으로써 종래의 다단계공정추출 대신 단일공정추출(single step extraction)을 통해 지질을 분리 및 회수할 수 있다. 따라서 본 발명은 적은 에너지, 적은 비용 및 단순한 공정으로 지질을 효과적으로 분리 및 회수할 수 있으며, 화학적 용매 처리가 없어 순수한 지질을 얻을 수 있다. As described above, the present invention can separate and recover lipids through single step extraction instead of conventional multi-step process extraction by extracting lipids by applying ultrasound to microalgae. Therefore, the present invention can effectively separate and recover lipids with low energy, low cost, and simple process, and can obtain pure lipids without chemical solvent treatment.

또한, 본 발명은 초음파와 함께 펄스 전기장과 이산화탄소를 가해 세포벽을 파괴하여 지질을 분리함으로써 미세조류로부터 지질을 효과적으로 추출할 수 있다. In addition, the present invention can effectively extract lipids from microalgae by separating lipids by destroying cell walls by applying a pulsed electric field and carbon dioxide together with ultrasonic waves.

또한, 본 발명은 미세조류 배양기 연동하여 전자동으로 수확, 파괴 및 분리 시스템을 구축할 수 있는 장치를 제공할 수 있다. In addition, the present invention can provide a device capable of automatically constructing a harvesting, destruction, and separation system in conjunction with a microalgae incubator.

도 1은 본 발명의 일 예에 따른 미세조류의 세포벽 파괴 및 분리 장치의 구성을 나타낸 블록도이고,
도 2는 본 발명의 일 예에 따른 미세조류의 세포벽 파괴 및 분리 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이고,
도 3은 도 2의 요부를 발췌하여 나타낸 단면도이고,
도 4는 본 발명의 다른 예에 따른 미세조류의 세포벽 파괴 및 분리 장치의 요부를 나타낸 단면도이다.
1 is a block diagram showing the configuration of the cell wall destruction and separation device of the microalgae according to an example of the present invention,
Figure 2 is a schematic view showing the configuration of the cell wall destruction and separation device of the microalgae according to an embodiment of the present invention,
Figure 3 is a cross-sectional view showing the main portion of Figure 2,
Figure 4 is a cross-sectional view showing a main portion of the cell wall destruction and separation device of the microalgae according to another example of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 초음파를 이용한 미세조류의 세포벽 파괴 및 분리 장치에 대하여 구체적으로 설명한다. Hereinafter, a cell wall destruction and separation device of microalgae using ultrasonic waves according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 미세조류의 세포벽 파괴 및 분리 장치는 미세조류 배양기(1)로부터 유입되는 미세조류 배양액에 초음파를 가해 미세조류의 세포벽을 파괴하는 초음파 파괴부(10)와, 초음파 파괴부(10)에서 배출되는 배출물로부터 지질층(31)을 분리하는 지질분리부(30)를 구비한다.1 to 3, the cell wall destruction and separation device of the microalgae of the present invention is an ultrasonic destruction unit (10) that destroys the cell walls of microalgae by applying ultrasonic waves to the microalgal culture medium flowing from the microalgal incubator (1) And, a lipid separation unit 30 for separating the lipid layer 31 from the discharged from the ultrasonic destruction unit (10).

초음파 파괴부(10)는 미세조류 배양기(1)와 연결되어 배양기(1)로부터 배양된 미세조류 배양액이 유입된다. The ultrasonic destruction unit 10 is connected to the microalgal incubator 1, and the microalgal culture medium cultured from the incubator 1 is introduced.

초음파 파괴부(10)로 유입되는 미세조류 배양액은 지질 추출 효율을 높이기 위해 농축된 형태로 이용할 수 있다. 배양액의 농축은 전기적 또는 화학적 방법으로 수행하거나, 수분을 증발시키거나, 물리적인 여과를 이용하여 수행할 수 있다. The microalgae culture medium flowing into the ultrasonic destruction unit 10 may be used in a concentrated form to increase lipid extraction efficiency. Concentration of the culture medium may be performed by electrical or chemical methods, evaporation of moisture, or by physical filtration.

본 발명에 이용되는 미세조류는 바이오매스(biomass)로서 지질을 추출할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 가령, Ankistrodesmus 속, Scenedesmus 속, Chlorella 속, Anabaena 속, Oscillatoria속, Botryococcus 속, Neochloris 속, Tetraselmis 속, Porphyridium 속, Phaeodactylum 속, Nannochloropsis속, Ellipsoidion 속, Isochrysis 속, Pavlova 속, Thalassiosira 속, Skeletonema 속, Chlorococcum 속, Dunaliella 속, Aphanizomenon 속, Haematococcus 속, Crypthecodinium 속, Shizochytrium 속, Hormidium 속, Chlamydomonas 속, Monallanthus 속, Nannochloris 속, Cylindrotheca 속, Nitzschia 속, Pleurochrysis 속, Prymnesium 속, Spirulina 속, Euglena 속 및 Schizochytrium 속 중의 어느 하나의 미세조류를 이용할 수 있다. The microalgae used in the present invention is not particularly limited as long as it can extract lipids as biomass. Ankistrodesmus genus, Scenedesmus genus, Chlorella genus, Anabaena genus, Oscillatoria genus, Botryococcus genus, Neochloris genus, Tetraselmis genus, Porphyridium genus, Phaeodactylum genus, Nannochloropsis genus, Ellipsoidion genus, Isochrysis genus, Pavlova genus, Thalassiosira genus, Skeletonema genus Chlorococcum genus, Dunaliella genus, Aphanizomenon genus, Haematococcus genus, Crypthecodinium genus, Shizochytrium genus, Hormidium genus, Chlamydomonas genus, Monallanthus genus, Nannochloris genus, Cylindrotheca genus, Nitzschia genus, Pleurochrysis genus, Prymnesium genus, Spirulina genus Any one of the microalgae can be used.

초음파 파괴부(10)는 배양기(1)와 연결되는 추출조(11)와, 추출조(11)의 내부로 초음파를 발생시키기 위한 초음파발생수단과, 연결부(50)를 따라 이동하는 배양액에 펄스 전기장을 가하기 위한 펄스전기장부와, 연결부(50)를 따라 이동하는 배양액에 이산화탄소를 주입하기 위한 가스공급부를 구비한다. The ultrasonic destruction section 10 pulses the extraction tank 11 connected to the incubator 1, the ultrasonic generating means for generating ultrasonic waves inside the extraction tank 11, and the culture medium moving along the connection section 50 It is provided with a pulse electric field portion for applying an electric field, and a gas supply portion for injecting carbon dioxide into the culture medium moving along the connection portion 50.

추출조(11)는 배양기(1)와 연결부(50)로 연결된다. 연결부는 일 예로 내부에 유로가 형성된 파이프 구조이다. 배양기(1)로부터 공급되는 배양액은 연결부(50)를 통해 추출조(11) 내부로 유입된다. 추출조(11) 내부에는 배양액을 교반할 수 있도록 임펠러 교반기가 설치될 수 있다. The extraction tank 11 is connected to the incubator 1 and the connecting portion 50. The connecting portion is, for example, a pipe structure having a flow path formed therein. The culture solution supplied from the incubator 1 flows into the extraction tank 11 through the connection part 50. An impeller stirrer may be installed inside the extraction tank 11 to stir the culture medium.

초음파발생수단은 추출조(11) 내부로 초음파를 발생시켜 미세조류의 세포벽을 파괴시킨다. 가령, 초음파발생수단은 20 내지 60kHz의 초음파를 약 10 내지 60분 동안 가할 수 있다. 배양액 중으로 초음파를 가하면 세포벽이 파괴되면서 세포 내 지질(lipids)이 세포 밖으로 배출된다. 이러한 초음파에 의한 지질 추출방식은 종래의 화학적 방법과 달리 물리적인 방법으로 진행되므로, 유해물질의 배출이 없고 정화과정을 생략할 수 있다는 장점을 갖는다. The ultrasonic generating means generates ultrasonic waves inside the extraction tank 11 to destroy the cell walls of the microalgae. For example, the ultrasonic generating means may apply ultrasonic waves of 20 to 60 kHz for about 10 to 60 minutes. When ultrasonic waves are applied to the culture medium, the cell walls are destroyed and intracellular lipids are released out of the cells. Since the lipid extraction method using ultrasonic waves proceeds in a physical manner, unlike conventional chemical methods, there is no emission of harmful substances and the purification process can be omitted.

초음파를 발생시키기 위한 초음파발생수단은 통상적인 구조를 갖는다. 도시되지 않았지만 초음파발생수단은 컨트롤러와 진동자를 구비할 수 있다. 컨트롤러는 진동자에 고주파 전류를 인가함으로써 진동자를 통해 일정한 시간 적정한 주파수의 초음파를 발생시킨다. 진동자는 추출조(11)에 하나 이상이 설치될 수 있음은 물론이다. The ultrasonic generating means for generating ultrasonic waves has a conventional structure. Although not shown, the ultrasonic generating means may include a controller and a vibrator. The controller generates ultrasonic waves of a suitable frequency for a certain time through the vibrator by applying a high frequency current to the vibrator. Of course, one or more oscillators may be installed in the extraction tank 11.

펄스전기장부와 가스공급부는 추출조(11)로 유입되는 배양액 중으로 펄스 전기장과 이산화탄소를 가하여 지질의 추출효율을 높인다. The pulse electric field and the gas supply unit increase the extraction efficiency of lipids by adding a pulse electric field and carbon dioxide into the culture medium flowing into the extraction tank 11.

펄스 전기장(pulsed electric fields, PEF)이 배양액 중으로 가해지면 고전압의 강한 펄스 전기장에 의해 세포가 손상된다. 외부에서 강한 전기장이 세포에 가해지면 세포막 사이의 전위차가 증가하게 되고, 세포막의 양쪽 표면에 발생된 전하는 반대 전하를 가지므로 두 전하 사이에 인력이 작용하게 된다. 이러한 인력은 세포막을 압축시키고 막의 두께를 감소시킨다. 따라서, 두께가 감소된 세포막 사이의 인력은 더욱 증가하게 되고, 그 결과 증가된 인력은 세포막의 두께를 더욱 감소시킴과 동시에 세포막 양쪽의 같은 전하들은 반발력을 형성하게 된다. 이러한 작용이 계속되면 결국 세포막에 세공(pore)이 형성되고 외부 전기장의 세기가 일정 수준 이상이 되면, 비가역성 세공이 형성되어 세포막이 파괴된다. When pulsed electric fields (PEF) are applied into the culture medium, cells are damaged by a high voltage, strong pulsed electric field. When a strong electric field is applied to the cell from the outside, the potential difference between the cell membranes increases, and charges generated on both surfaces of the cell membrane have opposite charges, so that an attractive force acts between the two charges. This attraction compresses the cell membrane and reduces the thickness of the membrane. Accordingly, the attraction force between the cell membranes with reduced thickness is further increased, and as a result, the increased attraction force further decreases the thickness of the cell membrane, and at the same time, the same charges on both sides of the cell membrane form a repulsive force. If this action continues, pores are eventually formed on the cell membrane, and when the intensity of the external electric field exceeds a certain level, irreversible pores are formed and the cell membrane is destroyed.

도시되지 않았지만 펄스전기장부는 전극과, 전극에 전원을 공급하는 전원부와, 전극을 통해 발생되는 펄스와 전기장을 제어하는 컨트롤러를 구비한다. Although not shown, the pulse electric field unit includes an electrode, a power unit that supplies power to the electrode, and a controller that controls pulses and electric fields generated through the electrode.

전극은 연결부(50)에 설치된다. 연결부(50)는 일측이 배양기(1)와 연결되고, 타측이 추출조(11)와 연결된다. 연결부(50)에는 유로가 좁아지는 축관부(55)가 마련되고, 축관부(55)의 내벽에 전극이 설치될 수 있다. 도 3에 나타난 바와 같이 전극(21)(22)은 축관부(55)의 내벽에 서로 마주하도록 한 쌍으로 설치된다. 한 쌍의 전극(21)(22)은 0.1 내지 10cm 간격으로 설치될 수 있다. The electrode is installed in the connection portion 50. One side of the connection part 50 is connected to the incubator 1, and the other side is connected to the extraction tank 11. The connecting portion 50 is provided with a shaft pipe portion 55 in which a flow path is narrowed, and an electrode may be installed on the inner wall of the shaft pipe portion 55. 3, the electrodes 21 and 22 are installed in pairs to face each other on the inner wall of the shaft tube portion 55. The pair of electrodes 21 and 22 may be installed at intervals of 0.1 to 10 cm.

전극에 전원을 공급하기 위한 전원부로 직류전원장치(DC power supply)를 이용할 수 있다. 그리고 컨트롤러는 전극에 공급되는 전원을 제어하여 펄스의 폭과 전기장의 세기를 제어한다. 펄스전기장부는 파워 20 내지 100W, 주파수 10 내지 60㎑의 펄스 전기장을 배양액에 가할 수 있다. A DC power supply may be used as a power supply for supplying power to the electrodes. In addition, the controller controls the power supplied to the electrode to control the pulse width and electric field strength. The pulse electric field unit may apply a pulse electric field having a power of 20 to 100 W and a frequency of 10 to 60 Hz to the culture medium.

가스공급부는 연결부(50)를 따라 이동하는 배양액에 이산화탄소를 주입한다. 일예로, 가스공급부는 이산화탄소가 저장된 가스붐베(25)와, 가스붐베(25)와 연결부를 연결하는 가스공급관(27)으로 이루어질 수 있다. The gas supply unit injects carbon dioxide into the culture medium moving along the connection unit 50. As an example, the gas supply unit may be formed of a gas boom 25 where carbon dioxide is stored, and a gas supply pipe 27 connecting the gas boom 25 and a connection portion.

이산화탄소를 배양액 중으로 주입하면 이산화탄소 기포가 발생되고, 이러한 이산화탄소 기포는 액중에서 전자기의 전달을 촉진시킨다. 또한, 이산화탄소는 배양액의 pH 값을 낮추어 세포의 파괴가 용이하도록 한다. When carbon dioxide is injected into the culture solution, carbon dioxide bubbles are generated, and the carbon dioxide bubbles promote the transfer of electromagnetic waves in the liquid. In addition, carbon dioxide lowers the pH value of the culture medium to facilitate cell destruction.

상술한 바와 같이 본 발명은 배양액 중으로 펄스 전기장 및 이산화탄소와 함께 초음파를 가함으로써 세포를 효과적으로 파괴하여 지질의 추출효율을 크게 높일 수 있다. As described above, the present invention can effectively increase the extraction efficiency of lipids by effectively destroying cells by applying ultrasound together with pulsed electric field and carbon dioxide into the culture medium.

추출조(11)에서 세포로부터 지질이 배출되기 시작하면, 비중이 낮은 지질은 주로 추출조(11)의 상층에 존재한다. 따라서 지질의 추출량을 증대시키기 위해 추출조(11)의 상층액만 지질분리부(30)로 배출시키고, 하층액은 다시 연결부(50)로 유입시켜 반복하여 추출하는 것이 바람직하다. 이를 위해 추출조(13)의 하부에는 순환관(13)이 설치된다. 순환관(13)은 연결부(50)와 연결된다. When the lipids are discharged from the cells in the extraction tank 11, lipids having a low specific gravity are mainly present in the upper layer of the extraction tank 11. Therefore, in order to increase the extraction amount of lipids, it is preferable that only the supernatant of the extraction tank 11 is discharged to the lipid separation unit 30, and the lower layer liquid is again introduced into the connection unit 50 and repeatedly extracted. To this end, a circulation pipe 13 is installed under the extraction tank 13. The circulation pipe 13 is connected to the connection part 50.

지질분리부(30)는 추출조(11)에서 배출되는 배출물로부터 지질층(31)을 분리한다. The lipid separating unit 30 separates the lipid layer 31 from the discharged material from the extraction tank 11.

추출조(11)에서 배출되는 배출물에는 세포로부터 배출된 지질과, 물, 사멸한 미세조류가 함유되어 있다. 지질분리부(30)는 중력에 의해 배출물을 각 성분으로 분리한다. 이러한 지질분리부(30)로 청징기(gravity clarifier)를 이용할 수 있다. The effluent discharged from the extraction tank 11 contains lipids discharged from cells, water, and dead microalgae. The lipid separation unit 30 separates the discharge into each component by gravity. A clarity may be used as the lipid separation unit 30.

지질분리부(30)로 이송된 배출물은 중력에 의해 지질층(31)과 수상층(33)이 분리된다. 지질층(31)은 상층액을 회수함으로써 수상층(33)으로부터 분리하여 회수할 수 있다. 그리고 세포가 파괴되어 사멸한 미세조류는 최하부로 침강되어 고형물질층(35)을 형성한다. The effluent transferred to the lipid separation unit 30 is separated from the lipid layer 31 and the aqueous layer 33 by gravity. The lipid layer 31 may be separated from the aqueous layer 33 and recovered by recovering the supernatant. In addition, the microalgae that have been killed due to the destruction of the cells are settled to the bottom to form a solid material layer 35.

상술한 바와 같이 본 발명은 미세조류에 초음파를 가하여 지질을 추출함으로써 종래의 다단계공정추출 대신 단일공정추출(single step extraction)을 통해 지질을 분리 및 회수할 수 있다. 따라서 본 발명은 적은 에너지, 적은 비용 및 단순한 공정으로 지질을 효과적으로 분리 및 회수할 수 있으며, 화학적 용매 처리가 없어 순수한 지질을 얻을 수 있다. As described above, the present invention can separate and recover lipids through single step extraction instead of conventional multi-step process extraction by extracting lipids by applying ultrasound to microalgae. Therefore, the present invention can effectively separate and recover lipids with low energy, low cost, and simple process, and can obtain pure lipids without chemical solvent treatment.

또한, 본 발명은 초음파와 함께 펄스 전기장과 이산화탄소를 가해 세포벽을 파괴하여 지질을 분리함으로써 미세조류로부터 지질을 효과적으로 추출할 수 있다. 또한, 본 발명은 미세조류 배양기 연동하여 전자동으로 수확, 파괴 및 분리 시스템을 구축할 수 있는 장치를 제공할 수 있다. In addition, the present invention can effectively extract lipids from microalgae by separating lipids by destroying cell walls by applying a pulsed electric field and carbon dioxide together with ultrasonic waves. In addition, the present invention can provide a device capable of automatically constructing a harvesting, destruction, and separation system in conjunction with a microalgae incubator.

한편, 본 발명은 다른 예로 연결부 내에서 발생되는 이산화탄소 기포를 미세화시킴과 동시에 배양액 중에 균일하게 분산될 수 있도록 도 4에 도시된 바와 같은 연결부 구조가 적용될 수 있다. On the other hand, the present invention can be applied to the structure of the connecting portion as shown in FIG. 4 so that the carbon dioxide bubbles generated in the connecting portion can be finely dispersed at the same time as other examples.

도 4를 참조하면, 연결부는 배양기와 연결되는 유입관(61)과, 유입관(61)이 일측에 연결되는 원통형의 챔버(63)와, 챔버(63)의 타측에 연결되는 유출관(65)과, 챔버(63)의 중심에 설치되는 원형의 코어부(67)와, 챔버(63)를 관통하여 코어부(67)의 내부로 연장되며 가스공급부와 연결되어 이산화탄소가 공급되는 가스주입관(69)과, 코어부(67)의 내부에 환형으로 형성되어 가스주입관(69)과 연결되는 가스실(71)과, 가스실(71)에서 코어부(67)의 외주면으로 연장되도록 형성되어 챔버(63)의 내부로 유입된 배양액으로 이산화탄소를 분출시키는 다수의 분출구들(73)과, 챔버(63)의 내주면에서 돌출되어 형성된 유선형의 제 1융기부(75)와, 코어부(67)의 외주면에서 돌출되어 제 1융기부(75)와 마주하도록 형성된 유선형의 제 2융기부(77)를 구비한다. Referring to FIG. 4, the connection part includes an inlet pipe 61 connected to the incubator, a cylindrical chamber 63 in which the inlet pipe 61 is connected to one side, and an outlet pipe 65 connected to the other side of the chamber 63 ), A circular core portion 67 installed at the center of the chamber 63 and a gas injection pipe that penetrates the chamber 63 and extends into the core portion 67 and is connected to the gas supply portion to supply carbon dioxide. (69), a gas chamber 71 formed in an annular shape inside the core portion 67 and connected to the gas injection pipe 69, and a chamber formed to extend from the gas chamber 71 to the outer circumferential surface of the core portion 67 A plurality of spouts 73 for ejecting carbon dioxide into the culture medium introduced into the inside of 63, the streamlined first raised portion 75 formed by protruding from the inner circumferential surface of the chamber 63, and the core portion 67 It has a streamlined second raised portion 77 formed to face the first raised portion 75 protruding from the outer circumferential surface.

유입관(61)은 배양기와 챔버(63)를 연결한다. 배양기로부터 배출되는 배양액은 유입관(61)을 통해 챔버(63)의 내부로 유입된다. 챔버(63)의 내부로 유입되는 배양액이 코어부(67)의 주위를 따라 선회할 수 있도록 유입관(61)은 챔버(63)의 중심을 향하지 않고 중심을 벗어난 방향으로 배치된다. The inlet pipe 61 connects the incubator and the chamber 63. The culture liquid discharged from the incubator is introduced into the chamber 63 through the inlet pipe 61. The inlet pipe 61 is disposed in a direction out of the center without facing the center of the chamber 63 so that the culture fluid flowing into the chamber 63 can rotate along the periphery of the core portion 67.

챔버(63)의 내부로 유입된 배양액은 유출관(65)을 통해 배출된다. 유출관(65)은 초음파 파괴부의 추출조와 연결된다. 따라서 챔버(63)로부터 배출되는 배양액은 유출관(65)을 통해 추출조로 유입된다. 유출관(65) 역시 유입관(61)처럼 챔버(63)의 중심을 벗어난 방향으로 배치된다. The culture liquid introduced into the chamber 63 is discharged through the outlet pipe 65. The outlet pipe 65 is connected to the extraction tank of the ultrasonic breaking portion. Therefore, the culture liquid discharged from the chamber 63 flows into the extraction tank through the outlet pipe 65. The outlet pipe 65 is also disposed in a direction out of the center of the chamber 63 like the inlet pipe 61.

코어부(67)는 챔버(63)의 내부에 설치된다. 코어부(67)의 직경은 챔버(63)의 내경보다 더 작게 형성된다. 코어부(67)와 챔버(63) 사이에는 배양액이 흐르는 통로가 형성된다. The core portion 67 is installed inside the chamber 63. The diameter of the core portion 67 is formed smaller than the inner diameter of the chamber 63. A passage through which the culture medium flows is formed between the core portion 67 and the chamber 63.

코어부(67)는 봉형상으로 이루어진다. 이러한 코어부(67)의 내부에는 환형의 가스실(69)이 형성되고, 가스실(69)의 주위에는 다수의 분출구(73)가 형성된다. 분출구(73)는 배양액의 선회하는 방향으로 굽어지게 형성된다. The core portion 67 is formed in a rod shape. Inside the core portion 67, an annular gas chamber 69 is formed, and a plurality of spouts 73 are formed around the gas chamber 69. The spout 73 is formed to be bent in the turning direction of the culture medium.

가스주입관(69)은 가스공급부의 가스공급관과 연결된다. 따라서 가스공급부에서 공급되는 이산화탄소는 가스주입관(69)을 통해 가스실(71)로 유입된다. The gas injection pipe 69 is connected to the gas supply pipe of the gas supply unit. Therefore, the carbon dioxide supplied from the gas supply unit flows into the gas chamber 71 through the gas injection pipe 69.

유입관(61)을 통해 챔버(63)로 유입되는 배양액은 코어부(67)의 주위를 따라 흐르는 선회류를 형성한다. 분출구(73)를 통해 배출되는 이산화탄소는 배양액과 충돌하면서 무수한 와류를 형성하여 기액접촉 효과를 높인다. 그리고 제 1융기부(75)와 제 2융기부(77)에 의해 배양액이 통과하는 통로의 폭이 좁아지기 때문에 유체의 속도와 압력이 변하면서 팽창과 수축을 반복하고 이에 따라 미세한 기포를 형성시킬 수 있다. The culture liquid flowing into the chamber 63 through the inlet pipe 61 forms a swirl flow flowing around the core portion 67. The carbon dioxide discharged through the spout 73 forms a myriad of vortices while colliding with the culture medium to enhance the gas-liquid contact effect. And since the width of the passage through which the culture medium passes is narrowed by the first raised portion 75 and the second raised portion 77, the expansion and contraction of the fluid is repeated while the velocity and pressure of the fluid change, thereby forming fine bubbles. You can.

그리고 도시되지 않았지만 챔버 내부로 펄스 전기장을 가할 수 있도록 챔버의 내주면에 전극이 설치될 수 있음은 물론이다. Also, although not shown, an electrode may be installed on the inner circumferential surface of the chamber so as to apply a pulsed electric field into the chamber.

한편, 도 1 내지 도 4의 실시 예에서 초음파 파괴부는 펄스전기장부가 생략되고 추출조, 초음파발생수단, 가스공급부로만 이루어질수도 있다. On the other hand, in the embodiment of Figures 1 to 4, the ultrasonic destruction portion may be omitted only the pulse electric field is made of only extraction tank, ultrasonic generating means, gas supply unit.

이상, 본 발명은 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.As described above, the present invention has been described with reference to one embodiment, but this is only exemplary, and those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent embodiments are possible therefrom. Therefore, the true protection scope of the present invention should be defined only by the appended claims.

1: 미세조류 배양기 10: 초음파 파괴부
11: 추출조 30: 지질분리부
50: 연결부
1: Microalgae incubator 10: ultrasonic destruction
11: extraction tank 30: lipid separation unit
50: connection

Claims (4)

미세조류 배양기로부터 유입되는 미세조류 배양액에 초음파를 가해 미세조류의 세포벽을 파괴하는 초음파 파괴부와;
상기 초음파 파괴부에서 배출되는 배출물로부터 지질층을 분리하는 지질분리부;를 구비하고,
상기 초음파 파괴부는 상기 배양기와 연결부로 연결되고 상기 지질분리부로 상층액을 배출시키는 추출조와, 상기 추출조의 내부로 초음파를 발생시키기 위한 초음파발생수단과, 상기 연결부를 따라 이동하는 배양액에 주파수 10 내지 60kHz의 펄스 전기장을 가하기 위한 펄스전기장부와, 상기 연결부를 따라 이동하는 배양액에 이산화탄소를 주입하여 상기 배양액 중에서 전자기의 전달을 촉진시키기 위한 가스공급부와, 상기 추출조의 하부에 설치되어 상기 연결부와 연결되어 상기 추출조의 하층액을 상기 연결부로 유입시키기 위한 순환관을 구비하며,
상기 연결부는 상기 배양기와 연결되는 유입관과, 상기 유입관이 일측에 연결되는 원통형의 챔버와, 상기 챔버의 타측에 연결되는 유출관과, 상기 챔버의 중심에 설치되며 상기 챔버의 내경보다 작은 직경의 원형으로 이루어져 상기 챔버와의 사이에 배양액이 흐르는 통로를 형성하는 코어부와, 상기 챔버를 관통하여 상기 코어부의 내부로 연장되며 상기 가스공급부와 연결되어 이산화탄소가 공급되는 가스주입관과, 상기 코어부의 내부에 환형으로 형성되어 상기 가스주입관과 연결되는 가스실과, 상기 가스실에서 상기 코어부의 외주면으로 연장되며 배양액이 선회하는 방향으로 굽어지게 형성되어 상기 챔버의 내부로 유입된 배양액으로 이산화탄소를 분출시키는 다수의 분출구들과, 상기 통로의 폭을 좁혀 상기 통로를 통과하는 배양액이 팽창과 수축을 반복할 수 있도록 상기 챔버의 내주면에서 돌출되어 형성된 유선형의 제 1융기부 및 상기 코어부의 외주면에서 돌출되어 상기 제 1융기부와 마주하도록 형성된 유선형의 제 2융기부를 구비하며,
상기 유입관은 상기 챔버의 내부로 유입되는 배양액이 상기 코어부 주위를 따라 선회할 수 있도록 상기 챔버의 중심을 벗어난 방향으로 배치되고,
상기 펄스전기장부는 상기 챔버에 설치되는 전극과, 상기 전극에 전원을 공급하는 전원부와, 상기 전극을 통해 발생되는 펄스와 전기장을 제어하는 컨트롤러를 구비하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 미세조류의 파쇄 및 분리 장치.
An ultrasonic destruction unit that destroys the cell wall of the microalgae by applying ultrasonic waves to the microalgal culture medium flowing from the microalgal incubator;
It is provided with; a lipid separation unit for separating the lipid layer from the discharged from the ultrasonic destruction unit,
The ultrasonic destruction part is connected to the incubator and the incubator, an extraction tank for discharging the supernatant to the lipid separation unit, ultrasonic generating means for generating ultrasonic waves inside the extraction tank, and a frequency of 10 to 60 kHz in the culture medium moving along the connection unit The pulsed electric field for applying a pulsed electric field, and a gas supply portion for injecting carbon dioxide into the culture medium moving along the connection portion to promote electromagnetic transmission in the culture liquid, and installed at a lower portion of the extraction tank to be connected to the connection portion. It is provided with a circulation pipe for introducing the lower layer liquid of the extraction tank to the connection,
The connection part is an inlet pipe connected to the incubator, a cylindrical chamber to which the inlet pipe is connected to one side, an outlet pipe connected to the other side of the chamber, and a diameter smaller than the inner diameter of the chamber A core portion formed in a circular shape and forming a passage through which the culture medium flows between the chamber, a gas injection pipe extending through the chamber into the core portion and connected to the gas supply portion to supply carbon dioxide, and the core It is formed in an annular shape in the interior of the gas chamber connected to the gas injection pipe, and extends from the gas chamber to the outer circumferential surface of the core portion and is bent in a direction in which the culture fluid rotates to eject carbon dioxide into the culture fluid introduced into the chamber. A number of spouts and the culture medium passing through the passage by narrowing the width of the passage expand and It has a streamlined first raised portion formed to protrude from the inner circumferential surface of the chamber so as to repeat the contraction and a streamlined second raised portion formed to protrude from the outer circumferential surface of the core portion to face the first raised portion,
The inlet pipe is disposed in a direction out of the center of the chamber so that the culture fluid flowing into the chamber can be rotated along the periphery of the core,
The pulsed electric field unit includes an electrode installed in the chamber, a power supply unit for supplying power to the electrode, and a controller for controlling the pulse and electric field generated through the electrode. Separation device.
제 1항에 있어서, 상기 초음파발생수단은 20 내지 60kHz의 초음파를 10 내지 60분 동안 가하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 미세조류의 파쇄 및 분리 장치. The apparatus for crushing and separating microalgae using ultrasonic waves according to claim 1, wherein the ultrasonic generating means applies ultrasonic waves of 20 to 60 kHz for 10 to 60 minutes. 삭제delete 삭제delete
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