KR101155095B1 - 미세조류의 배양 및 수확 장치 - Google Patents

미세조류의 배양 및 수확 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 미세조류의 배양 및 수확 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기존의 아크릴 재질의 반응기 몸체 대신에 비닐 재질의 광투과성 반응기 몸체를 사용함으로써, 광생물 반응기의 높은 제작 단가를 절감할 수 있고, 혼합조에 이산화탄소, 공기 및 배양액을 공급하고, 혼합조의 상부덮개에 장착된 혼합용 임펠러를 이용하여 이산화탄소, 공기 및 배양액을 균일하게 혼합한 뒤 광생물 반응기에 균등하게 이송함으로써, 미세조류의 광합성 효율을 향상시킬 수 있고, 태양고도에 따라 지지 실린더의 길이를 가변시켜, 상하방향으로 적층된 광반응기에 최적의 광량을 균등하게 제공함으로써, 미세조류의 생산량을 최대한으로 이끌어 낼 수 있는 미세조류의 배양 및 수확 장치를 제공한다.

Description

미세조류의 배양 및 수확 장치{Apparatus for cultivation and harvest of microalgae}
본 발명은 미세조류의 배양 및 수확 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광생물 반응기에 균일한 이산화탄소 및 공기의 공급이 가능하고, 태양의 고도에 따라 광생물 반응기의 각도 조절이 가능한 미세조류의 배양 및 수확 장치에 관한 것이다.
지구 온난화 현상은 지구의 평균기온을 상승시켜 해수면 상승을 초래하고, 엘니뇨 현상과 같은 이상 기후의 발생을 증가시키며, 이러한 현상의 주된 원인이 되는 온실 가스는 화석 연료의 연소에서 대량으로 발생하는 이산화탄소이다.
산업활동에 저해를 일으키지 않고 이산화탄소를 제어하는 방법은 물리?화학적 제어방법, 생물학적 고정화 방법, 해양 저장법 등이 사용되고 있는데, 이 중 생물학적 고정화 방법은 자연계의 탄소 순환을 이용하는 것으로, 이는 상온?상압에서 반응이 진행되는 장점을 가진 가장 환경 친화적인 방법으로 알려져 있다. 미세조류는 생물학적 고정을 하는 대표적인 생물로서 광합성 효율이 고등 식물에 비해 우수한 장점을 가지고 있다.
그러나, 고농도?대량 배양의 어려움, 광범위한 부지의 필요성, 반응기의 스케일업(scale-up)으로 인한 고정화 효율 저하, 생산된 바이오매스(biomass)의 처분 등이 문제점으로 지적되고 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서는 고농도?대량 배양이 가능한 반연속식 또는 연속식 배양 시스템의 개발이 필요하며, 광 활용 효율의 저하를 방지하며 장기간 지속적으로 이산화탄소를 고정화할 수 있는 공정의 개발이 필수적이고, 생산된 바이오매스를 적절히 재활용하여 또 다른 폐기물이 생성되는 것을 예방할 수 있어야 한다.
한편, 표 1은 동일한 양의 이산화탄소를 제거하기 위해 필요한 부지 면적을 바이오매스의 종류에 따라 나타낸 것으로, 표 1을 참조하면 소나무, 대형조류, 열대우림, 사탕수수, 미세조류 중 미세조류가 생물학적 고정화 방법 중 가장 적은 부지를 이용하여 이산화탄소를 효과적으로 제거할 수 있다.
Figure 112010026592537-pat00001
※ 산정기준: 100MW 석탄화력발전소에서 배출되는 이산화탄소의 90％ 제거
따라서, 우리 나라와 같이 국토면적이 제한된 경우에 적합한 생물학적 이산화탄소 고정화 방법은 미세조류를 이용한 이산화탄소 고정화 방법이라고 할 수 있다.
일반적으로 광합성 미세조류의 배양 장치는 크게 옥외에서 대량 배양을 하는 개방형(open system)과 미세조류 배양용 광생물 반응기를 이용하는 폐쇄형(closed system)으로 나뉠 수 있다.
연못형(pond)을 포함하는 옥외 대량 배양장치의 경우 주로 호수 내지 대형 연못과 같은 형태의 반응시설을 사용하고 있다.
그러나, 이러한 개방형 배양 장치는 초기 투자비가 적고 유지관리가 용이한 장점은 있으나, 온도, pH 등과 같은 배양조건을 조절하기가 어렵고, 외부로부터 유입되는 유해한 미생물에 의하여 배양액 및 미세조류가 오염되기 쉽고, 공급되는 이산화탄소가 대기 중으로 일부 확산되기 때문에 미세조류의 고밀도 배양이 어려워, 미세조류의 생산성이 낮으며, 그 품질이 저하되는 문제점이 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위해, 작은 크기의 반응기를 통해 고농도의 미세조류를 배양할 수 있는 폐쇄형의 미세조류 배양용 광생물 반응기가 연구 개발되고 있다.
이 폐쇄형 미세조류 배양용 광생물 반응기는 개방형 배양장치에 비해 적은 공간의 부지를 사용하면서도 개방형 배양장치의 생산량과 같거나 또는 더 많은 양의 미세조류를 생산할 수 있고, 배양조건을 조절하기가 용이하고, 외부로부터 유입되는 유해한 미생물을 차단하여 배양액 및 미세조류가 오염되는 것을 방지하고, 공급되는 이산화탄소사 대기중으로 일부 확산되는 것을 방지할 수 있다.
현재 개발되어 있는 폐쇄형 미세조류 배양용 광생물 반응기는 반응기의 형태에 따라 원통형 광생물 반응기(등록특허 10-0897018호)와, 판형(Flat-plate) 광생물 반응기(등록특허 10-0490641호)와, 튜브형 광생물 반응기(등록특허 10-220310호)로 나뉘어진다.
상기 폐쇄형 미세조류 배양용 광생물 반응기는 내부에 밀폐된 중공부를 갖는 광투과성 아크릴 재질의 몸체와, 반응기에 형성된 각종 주입구 및 배출구를 포함하고, 상기 주입구를 통해 몸체의 내부에 이산화탄소, 공기 및 미세조류가 접종된 배양액(물)이 적절하게 주입되면, 몸체 안에서 미세조류가 빛, 이산화탄소 및 배양액의 영양물질을 이용하여 일정시간 동안 광합성을 하여 배양 및 성장된다.
이와 같이 배양 및 성장된 미세조류(바이오매스)는 다양한 능력에 기인하여 폐수의 처리, 이산화탄소의 고정화 등의 역할을 수행할 뿐만 아니라, 연료물질, 화장품, 사료, 식용 색소와 의양용 원료 물질 등의 유용 물질을 생산하는 목적으로 사용될 수 있다.
그러나, 종래의 폐쇄형 광생물 반응기의 경우 다음과 같은 문제점이 있다.
첫번째로, 기존의 튜브형 광생물 반응기의 재질로 아크릴 재질을 사용하는데, 아크릴 재질은 지속적으로 빛에 노출되면 아크릴의 외부 재질이 갈라지는 현상이 발생하고, 사용시간이 오래됨에 따라 광투과도가 감소되는 문제점이 있고, 아크릴 재질의 가격이 고가이기 때문에 반응기를 제작하는데 많은 비용이 소비된다.
두번째로, 복수로 배열된 광생물 반응기에 각각 별개의 구멍을 뚫어 이산화탄소, 공기 및 배양액이 개별적으로 주입되기 때문에, 상기 이산화탄소 및 공기가 각각의 광생물 반응기에 균일하게 공급되지 않고, 이산화탄소 및 공기가 배양액에 골고루 혼합되지 않음에 따라 미세조류의 생산성이 저하되는 문제점이 있다.
세번째로, 기존의 폐쇄형 광생물 반응기는 대부분 고정형으로 되어 있고, 태양광을 광원으로 사용하는 경우 태양의 위치에 따라 광 공급량이 줄어들기 때문에 미세조류의 광합성 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
예를 들면, 복수의 광생물 반응기가 상하 수직방향으로 수평하게 적층되고, 태양의 고도가 남중고도에 위치한 경우 최상단에 있는 광생물 반응기를 제외한 나머지 광생물 반응기는 최상단측 광생물 반응기에 의해 가려져 빛을 제대로 받지 못하거나 광공급량이 줄어든다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 발명한 것으로서, 기존의 반응기에 아크릴 재질 대신에 비닐 재질을 적용함으로써, 제작단가를 크게 절감할 수 있고, 아크릴 재질의 갈라짐 현상 및 광투과도의 감소와 같은 문제점을 해결할 수 있는 비닐튜브형 광생물 반응기를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 이산화탄소 및 공기를 혼합조에서 균일하게 혼합한 후, 혼합된 공기를 각각의 반응기에 균일하게 공급함으로써, 미세조류의 광합성 효율을 향상시킬 수 있는 광생물 반응기를 이용한 미세조류의 배양 및 수확 장치를 제공하는데 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 반응기 지지대를 각도조절가능하게 지지함으로써, 태양의 고도에 따라 최적의 광량을 흡수할 수 있는 광생물 반응기를 이용한 미세조류의 배양 및 수확 장치를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
본 발명은 기존의 아크릴 재질의 반응기 몸체 대신에 비닐 재질의 광투과성 반응기 몸체를 사용함으로써, 광생물 반응기의 높은 제작 단가를 절감할 수 있고, 혼합조에 이산화탄소, 공기 및 배양액을 공급하고, 혼합조의 상부덮개에 장착된 혼합용 임펠러를 이용하여 이산화탄소, 공기 및 배양액을 균일하게 혼합한 뒤 광생물 반응기에 균등하게 이송함으로써, 미세조류의 광합성 효율을 향상시킬 수 있고, 태양고도에 따라 지지 실린더의 길이를 가변시켜, 상하방향으로 적층된 광반응기에 최적의 광량을 균등하게 제공함으로써, 미세조류의 생산량을 최대한으로 이끌어 낼 수 있는 미세조류의 배양 및 수확 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 미세조류의 배양 및 수확 장치의 장점을 설명하면 다음과 같다.
1. 광생물 반응기의 재질로 아크릴 재질 대신에 비닐 재질을 적용함으로써, 반응기의 제작단가를 대폭 절감할 수 있고, 수명이 다한 반응기의 폐기 시 폐기물 처리비용을 절감할 수 있다.
2. 비닐튜브형 광생물 반응기는 광의 지속적인 노출로 인해 외부 재질이 갈라지는 현상 및 광투과도가 감소되는 현상에 덜 영향을 받기 때문에 광생물 반응기의 내구성 및 광투과율을 향상시킬 수 있다.
3. 혼합조에서 임펠러를 이용하여 이산화탄소, 공기 및 배양액을 균일하게 혼합한 다음, 이산화탄소 및 공기가 혼합된 배양액을 각 광생물 반응기에 균등하게 이송함으로써, 광생물 반응기에서 미세조류의 광합성 효율을 향상시킬 수 있다.
4. 태양의 고도에 따라 지지 실린더의 길이를 가변시켜, 지지프레임의 각도를 조절함으로써, 복수의 광생물 반응기에 최적의 광량을 균등하게 배분하여 바이오매스의 생산량을 최대한으로 이끌어 낼 수 있다.
5. 전체 배양시스템을 단순화시켜 미세조류의 배양에 따른 유지관리 및 보수가 용이한 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 미세조류의 배양 및 수확 장치의 구성을 보여주는 블록도
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 미세조류의 배양 및 수확 장치의 사시도
도 3은 도 2에 광생물 반응기의 분해도
도 4a 및 도 4b는 도 2에서 반응기 지지수단의 사시도 및 배면사시도
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 지지프레임의 각도 조절을 보여주는 작동상태도
도 6은 도 2에서 혼합조의 사시도
도 7은 도 2에서 응집회수조의 사시도
도 8은 도 2에서 공급 및 회수 펌프의 사시도
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 제작단가가 낮고 광투과율이 우수한 광생물 반응기(10)를 사용하여 고농도?대량 배양이 가능한 연속식 미세조류의 배양 및 수확 장치에 관한 것이다.
상기 미세조류 배양 및 수확 장치는 광생물 반응기(10), 반응기 지지수단, 혼합조(20), 응집회수조(30), 공급 및 회수펌프(41,42)를 포함한다.
상기 광생물 반응기(10)는 튜브형 구조로 이루어지고, 광생물 반응기(10)의 양단부에 유입구 및 배출구가 형성되어 이산화탄소와 공기가 균일하게 혼합된 배양액이 튜브 내부를 통해 흐를 수 있도록 되어 있다.
상기 광생물 반응기(10)는 복수개, 예를 들어 12개로 구성될 수 있고, 12개의 광생물 반응기(10)가 반응기 지지수단에 의해 수평방향으로 지지되고, 광생물 반응기(10)의 양단부가 두개씩 짝을 지어 "U"자형 연결관(12)에 의해 의해 연결되며, 이산화탄소 및 공기가 혼합된 배양액이 광생물 반응기(10)를 따라 지그재그형태로 12개의 광생물 반응기(10)를 지나면서, 상기 배양액에 접종된 미세조류가 태양광을 충분히 흡수하여 배양 및 성장된다.
예를 들어, 상기 비닐튜브형 광생물 반응기(10)는 150cm의 전체길이와, 5cm의 반지름과, 11ℓ의 체적을 가질 수 있고, 총 12개의 광생물 반응기(10)를 U자형 연결관(12)을 통해 하나의 세트로 연결하였을 경우 전체 배양 용적은 약 130ℓ가 된다.
상기 광생물 반응기(10)의 재질은 비닐 재질이 되고, 상기 비닐 재질 중 LDPE(저밀도 폴리에틸렌)이 사용될 수 있고, 상기 비닐 재질의 광생물 반응기(10)는 내부에 흐르는 배양액의 중량을 견딜수 있도록 일정한 두께 및 강도를 갖고, 잘 찢겨지거나 손상되지 않는 특성을 가지며, "U"자형 연결관(12)과의 접착이 용이하다.
상기 광생물 반응기(10)의 외부에는 플라스틱 재질 등으로 이루어진 다수개의 지지링(11)이 일정한 간격을 두고 삽입 장착된다.
상기 지지링(11)은 광생물 반응기(10)가 반응기 지지수단의 수평판(15)에 수평방향으로 얻혀졌을때 광생물 반응기(10)의 내부를 흐르는 배양액의 하중을 분산시켜 안정적으로 고정될 수 있고, 상기 배양액의 하중에 의해 광생물 반응기(10)의 중간부분이 아래로 처지는 것을 방지한다.
여기서, 상기 비닐재질의 광생물 반응기(10)는 기존의 아크릴 재질보다 제작단가가 낮기 때문에, 기존의 튜브형 광생물 반응기(10)보다 제작비용을 대폭으로 절감할 수 있고, 내구성이 우수하여 빛에 오래동안 노출되더라도 외부재질이 갈라지는 현상 및 광투과도가 감소하는 현상이 최소화될 수 있다.
상기 반응기 지지수단은 복수의 광생물 반응기(10)를 지지하는 지지프레임(13)과, 상기 지지프레임(13)의 하단부를 받쳐주는 베이스패널(17)과, 상기 지지프레임(13)과 베이스패널(17)을 서로 연결하여 지지프레임(13)의 각도를 조절해주는 지지 실린더(19)를 포함한다.
상기 지지프레임(13)은 베이스패널(17)의 상부에 수직방향으로 경사지게 세워지도록설치되고, 수평선을 기준으로 수직방향으로 또는 경사지게 배치되는 사각형의 수직지지대(14)와, 상기 수직지지대(14)에 수직방향으로 일정한 간격을 두고 수평하게 고정된 사각형의 수평판(15)으로 구성된다.
상기 지지프레임(13)의 각 수평판(15)에는 각각 "U"자형 연결관(12)에 의해 연결된 상태로 비닐튜브형 광생물 반응기(10)가 두깨씩 배치된다. 그리고, 지지프레임(13)의 하단부가 베이스패널(17)에 힌지축(16)에 의해 힌지결합된다.
이때, 상기 광생물 반응기(10)는 공지된 고정수단에 의해 지지프레임(13)의 수평판(15)에 고정된다.
상기 지지 실린더(19)는 태양의 위치 변화에 따라 작동되는 것으로서, 지지 실린더(19)의 실린더몸체와 실린더로드가 베이스패널(17)과 지지프레임(13)에 각각 힌지축에 의해 힌지결합됨으로써, 지지 실린더(19)가 전진 작동하면서 지지프레임(13)을 베이스패널(17)에 수직방향으로 세워지게 지지하거나, 또는 지지 실린더(19)가 후진 작동하면서 지지프레임(13)을 베이스패널(17)에 경사방향으로 눕혀지게 지지할 수 있다.
예를 들면, 태양의 고도가 낮을 때, 즉 아침이나 저녁인 경우에 상기 지지프레임(13)을 수직방향으로 세워지게 지지하여 12개의 광생물 반응기(10)가 태양광을 골고루 받을 수 있게 하거나, 낮에, 즉 태양광이 남중고도에 위치한 경우에 상기 지지프레임(13)을 경사방향으로 눕혀지게 고정하여 12개의 광생물 반응기(10)가 태양광을 골고루 받을 수 있게 할 수 있다.
여기서, 태양의 고도는 계절 및 하루의 시간에 따라 이미 정해져 있기 때문에, 상기 계절 및 시간에 따른 태양의 고도에 대한 기존 데이터를 토대로 복수의 광생물 반응기(10)가 최적의 광량을 골고루 받을 수 있는 지지프레임(13)의 각도를 정할 수 있고, 태양의 고도데이터를 입력받는 공지의 컨트롤러(미도시)의 제어를 통해 지지 실린더(19)를 전?후진으로 작동시킴으로써, 지지프레임(13)의 각도를 변화시켜 각각의 광생물 반응기(10)가 골고루 최적의 광량을 받도록 할 수 있다.
상기 베이스패널(17)의 저면 각 모서리에는 이동바퀴(18)가 장착됨으로써, 베이스패널(17)에 장착된 지지프레임(13) 및 비닐튜브형 광생물 반응기(10)를 자유롭게 운반가능하다.
상기 혼합조(20)는 내부에 배양액이 저장되는 제1몸체(20a)와, 제1몸체(20a)의 상부를 커버하는 제1상부덮개(20b)로 구성되고, 제1상부덮개(20b)에는 혼합용 임펠러(25), 이산화탄소공급관(27), 공기공급관(21), 온도센서(22), 산소센서(23), pH센서(24), pH 보정용 산-염기 주입관(26) 등이 제1몸체(20a)의 내부와 연통가능하게 장착되어 있다.
상기 혼합조(20)의 제1몸체(20a)의 하단부에는 배양액공급관(28a)이 형성되어 있고, 혼합조(20)에서 이산화탄소와 공기가 균일하게 혼합된 배양액이 배양액공급관(28a)을 통해 배출되어 광생물 반응기(10)에 공급된다.
그리고, 상기 혼합조(20)의 제1몸체(20a)의 상단부에는 제1배양액회수관(28b)이 형성되어 있고, 광생물 반응기(10)에서 미세조류가 배양된 배양액이 제1배양액회수관(28b)을 통해 유입되어 혼합조(20)에 다시 회수되어 순환된다.
이때, 상기 배양액공급관(28a) 및 제1배양액회수관(28b)에 제2조절밸브(34a,34b)가 각각 설치되고, 제2조절밸브(34a,34b)가 열림상태로 되어 배양액공급관(28a) 및 제1배양액회수관(28b)이 모두 개방됨으로써, 광생물반응기(10)에서 미세조류가 광합성을 하여 일정한 농도(일례로4g/ℓ)로 배양될 때까지 혼합조(20)에서 이산화탄소 및 공기가 균일하게 혼합된 배양액이 공급펌프(41)와 회수펌프(42)에 의해 광생물반응기(10)와 혼합조(20)를 연속적으로 여러번 순환된다.
상기 배양액에는 세네데스무스(Scenedesmus sp.), 클로렐라(Chlorella sp.), 스피룰리나(Spirulina sp.)등과 같은 이산화탄소의 처리와 동시에 바이오디젤, 사료첨가제, 건강보조식품 등의 생산에 유용한 미세조류가 접종될 수 있다.
예를 들어, 상기 배양액에 세네데스무스가 접종된 경우에 상기 광생물 반응기(10)에서 최대 4g/ℓ 바이오매스를 배양할 수 있고, 4g/ℓ 정도의 고농도를 갖는 바이오매스를 배양하는데 걸리는 시간은 약 20일 정도 걸린다.
물론, 상기 미세조류의 농도 및 배양시간은 미세조류의 종류에 따라 달라질 수 있고, 상기 수치에 의해 한정되지 않으며, 상기 광생물 반응기(10)는 다양한 종류의 미세조류를 배양할 수 있다.
상기 혼합용 임펠러(25)는 상단부가 제1상부덮개(20b)의 중심부에 회전가능하게 장착된 제1회전축(25a)과, 제1회전축(25a)의 하단에 장착된 제1회전블레이드(25b)로 구성되고, 상기 회전축은 모터와 연결되고, 모터가 가동됨에 따라 회전축이 회전하면서 제1회전블레이드(25b)가 일정한 속도로 회전함으로써, 혼합조(20)의 내부에 공급된 이산화탄소 및 공기가 배양액에 균일하게 녹아 들어가 혼합된다.
이산화탄소는 이산화탄소공급관(27)을 통해 혼합조(20)의 내부에 공급되는데, 상기 미세조류의 배양만을 목적으로 하는 경우에는 이산화탄소공급관(27)을 통해 순수한 이산화탄소가 공급되고, 배기가스 중의 이산화탄소를 미세조류를 이용하여 고정화하고자 하는 목적을 수반하는 경우에는 이산화탄소공급관(27)을 통해 배기가스 등에 포함된 이산화탄소가 공급될 수 있다.
대기중의 공기는 공기공급관(21)을 통해 혼합조(20)의 내부에 공급된다.
상기 온도센서(22)는 혼합조(20)의 내부온도를 측정하고, 당업자에게 공지된 가열수단 중 적절한 가열수단을 채택하여 혼합조(20)의 온도를 예를 들어 25℃로 조절할 수 있다.
상기 산소센서(23)는 배양액에 포함된 용존산소량을 감지하여 공기공급관(21)을 통해 대기중의 공기를 가감한다.
일반적으로 미세조류가 배양되는 배양액의 pH 농도는 7.5~7.6 사이이고, pH센서(24)는 배양액의 pH를 측정하여, 배양액의 pH 농도가 상기 범위를 벗어나는 경우에 pH 보정용 산-염기주입관(26)을 통해 산 또는 염기를 주입하여 적절한 pH 농도로 맞춘다.
따라서, 상기 온도센서(22), 산소센서(23) 및 pH센서(24)를 통해 배양액의 내부온도, 용존산소량, pH 농도를 조절하여, 미세조류가 광합성을 하기에 적합한 조건을 조성할 수 있다.
상기 이산화탄소와 공기가 균일하게 혼합된 배양액이 혼합조(20)와 광생물 반응기(10) 사이를 일정시간 동안 연속적으로 순환하는 동안에 미세조류가 일정한 농도로 배양되면, 응집회수조(30)에 일정한 농도로 배양된 미세조류(바이오매스)를 회수한다.
상기 응집회수조(30)는 내부에 미세조류가 배양된 배양액을 저장할 수 있도록 중공부를 갖는 제2몸체(30a)와, 제2몸체(30a)의 상단부를 커버하는 제2상부덮개(30b)와, 상기 몸체의 하부를 지지하는 다리부(30c)로 구성된다.
상기 제2몸체(30a)의 하단부에는 잔여배양액공급관(33a)이 형성되고, 제2몸체(30a)의 상단부에는 제2배양액회수관(33b)이 형성되고, 상기 응집회수조(30)의 잔여배양액공급관(33a) 및 제2배양액회수관(33b)에는 제2조절밸브(34a,34b)가 각각 형성되고, 혼합조(20)의 제1조절밸브(29a,29b)가 닫힘상태에서 응집회수조(30)의 제2조절밸브(34a,34b)가 열리면, 광생물반응기(10)에서 고밀도로 배양된 배양액이 제2배양액회수관(33b)을 통해 응집회수조(30)의 제2몸체(30a) 내부에 유입되고, 응집회수조(30)에서 미세조류(바이오매스)와 배양액이 분리된 후, 잔여배양액공급관(33a)을 통해 분리된 잔여배양액이 광생물반응기(10)로 공급된다.
상기 응집회수조(30)의 제2상부덮개(30b)에는 미생물응집제공급관(31)이 제2몸체(30a)의 내부와 연통가능하게 형성되어 있고, 상기 미생물응집제공급관(31)을 통해 미생물응집제가 유입되고, 상기 미생물응집제는 배양된 배양액과 반응하여 배양액에서 배양된 미세조류를 응집시켜 배양액과 분리시킨다.
상기 제2상부덮개(30b)의 중심부에는 응집용 임펠러(32)가 장착되고, 상기 응집용 임펠러(32)는 상단부가 제2상부덮개(30b)에 회전가능하게 지지되는 제2회전축(32a)과, 제2회전축(32a)의 하단부에 장착된 제2회전블레이드(32b)로 구성된다.
상기 제2회전축(32a)은 응집용 모터와 연결되고, 응집용 모터가 가동됨에 따라 제2회전축(32a)이 회전하면서 제2회전블레이드(32b)가 회전되어, 미생물응집제가 배양액에 균일하게 혼합됨으로써, 미생물응집제가 배양액과 반응이 원활하게 이루어지고, 배양액에서 배양된 미세조류를 응집시켜 배양액으로부터 분리시킨다.
상기 제2몸체(30a)의 하부에는 바이오매스회수조(37)가 배치되고, 바이오매스회수관(35)이 제2몸체(30a)와 바이오매스회수조(37) 사이에 연통되도록 형성되고, 상기 바이오매스회수관(35)에는 제3조절밸브(36)가 장착된다.
상기 미생물응집제에 의해 응집된 미세조류(바이오매스)가 제2몸체(30a)의 하부로 가라앉고, 제3조절밸브(36)가 열리면 침전된 미세조류 덩어리(바이오매스)만이 바이오매스회수관(35)을 통해 바이매스회수조에 회수된다.
상기 공급펌프(41)는 혼합조(20)에서 이산화탄소 및 공기가 균일하게 혼합된 배양액을 광생물 반응기(10)에 각각 균일하게 이송하고, 회수펌프(42)는 광생물 반응기(10)에서 미세조류가 배양된 배양액을 응집회수조(30)에 이송하는 역할을 한다.
상기 공급펌프(41) 및 회수펌프(42)는 지지캐리어(40)의 상부에 장착 고정되고, 지지캐리어(40)는 상판(43), 하판(44), 및 상판(43)과 하판(44)의 각 모서리를 연결 및 지지하는 연결바(45)로 구성된다.
이때, 상기 하판(44)의 저면 각 모서리에는 이동바퀴(46)가 설치되고, 배관을 공급펌프(41) 및 회수펌프(42)를 이동 및 운반하기가 용이하다.
예를 들어, 지지캐리어(40) 및 베이스패널(17)에 각각 이동바퀴(46,18)가 설치됨으로써, 혼합조(20) 및 응집회수조(30)에 연결된 제1공급호스(48a) 및 제2회수호스(49b)를 분리하고, 제2공급호스(48b) 및 제1회수호스(49a)에 의해 연결된 공급펌프(41) 및 회수펌프(42)와 광생물 반응기(10)를 다른 위치에 있는 혼합조나 응집회수조 등과 같은 탱크에 연결하기 위해 지지캐리어(40) 및 베이스패널(17)을 같이 이동시키기가 편리하다.
상기 공급펌프(41)의 입구측에는 제1공급호스(48a)의 일단부가 연결되고, 제1공급호스(48a)의 타단부는 제1공급호스(48a)의 중간부에서 두갈래로 분기되어, 두갈래로 분기된 제1공급호스(48a)의 하나는 혼합조(20)의 배양액공급관(28a)에 연결되고, 다른 하나는 응집회수조(30)의 잔여배양액공급관(33a)에 연결된다.
상기 복수의 광생물반응기(10)는 "U"자형 연결관(12)에 의해 연결된 12개의 광생물 반응기(10)로 구성될 수 있고, 상기 "U"자형 연결관(12)에 의해 연결된 12개의 광생물 반응기(10)가 한 세트를 이룸으로써, 혼합조(20)에서 공급된 배양액이 광생물 반응기(10)를 따라 지그재그 형태로 이동한다.
상기 공급펌프(41)의 출구측에는 연결관(47a)이 형성되고, 연결관(47)과 최상단에 위치한 광생물 반응기(10)의 유입구 사이에 제2공급호스(48b)가 연결된다.
또한, 상기 회수펌프(42)의 입구측에는 연결관(47b)이 형성되고, 이 연결관(47)과 최하단에 위치한 광생물 반응기(10)의 배출구 사이에 제1회수호스(49a)가 연결된다.
이때, 예를 들어 12개로 구성된 광생물 반응기(10)가 한 세트를 이루고, 12개로 구성된 광생물 반응기(10) 세트가 다수개인 경우 상기 연결관(47a,47b)은 하나의 입구와 다수의 출구가 형성된 분지관 형태로 이루어짐으로써, 상기 분지관의 각 출구가 제2공급호스(48b) 또는 제1회수호스(49a)에 의해 각 광생물 반응기(10) 세트의 유입구 또는 배출구에 연결될 수 있다.
그리고, 제2공급호스(48b)는 고무재질로서 플라스틱 재질의 지지링(11)에 의해 광생물 반응기(10)에 연결되고, 지지링(11)은 제2공급호스(48b) 및 광생물반응기(10)의 연결부에 접착제로 접착된다.
그리고, 상기 회수펌프(42)의 출구측에는 제2회수호스(49b)가 연결되고, 상기 제2회수호스(49b)의 타단부는 제2회수호스(49b)의 중간부에서 두갈래로 분기되고, 두갈래로 분기된 제2회수호스(49b)의 타단부 중 하나는 혼합조(20)의 제1배양액회수관(28b)에 연결되고, 다른 하나는 응집회수조(30)의 제2배양액회수관(33b)에 연결된다.
따라서, 혼합조(20)에서 이산화탄소 및 공기가 균일하게 혼합된 배양액은 공급펌프(41)로부터 흡입압력을 받아 제1공급호스(48a), 공급펌프(41), 분지관(47) 및 제2공급호스(48b)를 거쳐서 각 반응기 모듈에 유입되고, 각 반응기 모듈의 유입구를 통해 유입된 배양액은 제1 내지 제4광생물반응기(10)를 통과하면서 미세조류가 배양된다.
또한, 각 반응기 모듈에서 배양된 배양액은 회수펌프(42)로부터 흡입압력을 받아 제1회수호스(49a), 분지관(47), 회수펌프(42), 제2회수호스(49b)를 거쳐서 응집회수조(30)에 유입되고, 응집회수조(30)에서 미생물응집제에 의해 미세조류가 응집된다.
이와 같은 구성에 의한 본 발명의 일실시예에 따른 미세조류 배양 및 수확방법을 설명하면 다음과 같다.
배양하고자 하는 미세조류를 배양액에 접종하고, 상기 미세조류가 성장하는데 도움을 주는 기타 물질들을 배양액에 주입시켜 배양액을 조성한다.
그다음, 혼합조(20)의 내부에 상기 조성된 배양액을 투입하고, 이산화탄소공급관(27) 및 공기공급관(21)을 통해 이산화탄소 및 공기를 혼합조(20)의 내부에 공급한다.
그 다음, 혼합용 모터(미도시)를 가동시켜 혼합조(20)의 제1상부덮개(20b)에 장착된 제1회전축(25a)을 회전시키고, 제1회전축(25a)에 장착된 제1회전블레이드(25b)를 회전시켜 혼합조(20) 내부에 공급된 이산화탄소 및 공기가 배양액에 골고루 혼합되게 한다.
계속해서, 응집회수조(30)의 위아래의 제2조절밸브(34a,34b)를 닫은 상태에서 혼합조(20)의 위아래의 제1조절밸브(29a,29b)를 열고, 공급펌프(41)를 가동시켜 상기 혼합조(20)에서 이산화탄소 및 공기가 골고루 혼합된 배양액을 광생물 반응기(10)에 이송한다.
이때, 상기 응집회수조(30)의 제2조절밸브(34a,34b)를 닫는 이유는 혼합조(20)에서 이산화탄소 및 공기가 혼합된 배양액이 응집회수조(30)의 내부로 역류되지 않기 위함이다.
따라서, 상기 혼합조(20)에서 이산화탄소, 공기 및 배양액을 골고루 혼합한 뒤 공급펌프(41)를 통해 배양액을 광생물 반응기(10)에 이송함으로써, 이산화탄소 및 공기가 균일하게 혼합된 배양액을 공급함으로써, 미세조류의 광합성 효율을 향상시킬 수 있다.
그 다음, "U"자형 연결관(12)에 의해 병렬로 연결된 4개의 광생물 반응기(10)를 통해 순환시키면서 미세조류를 배양한다.
여기서, 상기 4개의 광생물 반응기(10)를 연결하여 배양액이 광생물 반응기(10)를 통과하는 길이를 길게 한 이유는 배양액이 광생물 반응기(10)를 통해 태양광에 노출되는 시간을 연장함으로써, 배양액에 포함된 미세조류가 태양광을 적정시간동안 충분히 받아서 고밀도로 성장 및 배양되도록 하기 위함이다.
그리고, 상기 광생물 반응기(10)를 통해 태양광을 받아 미세조류를 배양할 때, 태양의 고도에 따라 지지 실린더(19)의 길이를 가변시켜 지지프레임(13)의 각도를 조절함으로써, 광생물 반응기(10)가 태양의 위치 변화에도 균등하게 최적의 광량을 받을 수 있도록 한다.
예를 들어, 태양광이 상하 수직방향으로 수평하게 적층된 광생물 반응기(10)에 수평선을 기준으로 60도 미만의 고도로 조사될 경우에는 각 광생물 반응기(10)에 조사되는 빛이 인접한 다른 광생물 반응기(10)에 의해 가려지는 현상이 거의 없으므로, 지지실린더(19)의 길이를 최대한 늘리고, 지지프레임(13)의 수직지지대(14)를 베이스패널(17)에서 직각 또는 직각에 가깝게 세워도 광량이 복수의 광생물 반응기(10)에 균등하게 분배되는데 별 문제가 없다.
그런데, 태양광이 수평선을 기준으로 60도 이상, 극단적으로는 남중고도로 광생물 반응기(10)에 조사될 경우에 상기 지지프레임(13)의 수직지지대(14)가 베이스패널(17)에서 직각 또는 직각에 가깝게 세워져 있다면, 각 광생물 반응기(10)에 조사되는 빛이 인접한 다른 광생물 반응기(10)에 의해 가려지는 현상이 발생할 수 있고, 이로 인해 복수의 광생물 반응기(10)에 광량이 균등하게 배분되지 않기 때문에, 본 발명에서 이러한 문제점을 해결하기 위해 지지실린더(19)를 이용하여 지지프레임(13)의 수직지지대(14)를 수직선을 기준으로 30~60도 각도로 조절함으로써, 태양 고도에 따라 최적의 광량을 광생물 반응기(10)에 공급하여 미세조류의 생산성을 향상시킬 수 있다.
이때, 상기 각도상 수치는 본 발명의 목적 및 효과를 이해하기 쉽게 설명하기 위한 것이기 때문에, 이 수치에 한정되지 않고 당업자가 다른 수치의 각도를 적용할 수 있다.
상기 배양액이 광생물 반응기(10)와 혼합조(20)를 순환하면서 미세조류가 고밀도로 배양되면, 혼합조(20)의 제1조절밸브(29a,29b)를 닫은 상태에서 응집회수조(30)의 제2조절밸브(34a,34b)를 열고, 회수펌프(42)를 통해 광생물 반응기(10)에서 배양된 배양액을 응집회수조(30)에 회수한다.
상기 배양된 배양액이 응집회수조(30)의 제2배양액회수관(33b)을 통해 응집회수조(30)의 내부에 모두 유입되면, 응집회수조(30)의 위아래의 제2조절밸브(34a,34b)를 닫는다.
그 다음, 상기 응집회수조(30)의 위아래의 제2조절밸브(34a,34b)가 모두 닫힘상태에서 제2상부덮개에 형성된 미생물응집제공급관(31)을 통해 미생물응집제가 유입되면, 응집용 모터(미도시)를 가동시켜 제2상부덮개(30b)에 장착된 응집용 임펠러(32)를 회전시키고, 미생물응집제가 배양액에 골고루 혼합되도록 함으로써, 미세조류를 응집시켜 배양액으로부터 분리시킨다.
여기서, 상기 응집회수조(30)에서 분리된 잔여배양액은 광생물 반응기(10)에 공급되어 재활용되고, 응집되어 응집회수조(30)의 하단부에 침전된 바이오매스는 바이오매스 회수조를 통해 회수된다.
즉, 상기 응집회수조(30)의 아래쪽의 제2조절밸브(34a)를 열고, 공급펌프(41) 및 회수펌프(42)를 가동시키면, 공급펌프(41)로부터 흡입압력을 받아 응집회수조(30)의 하단에 형성된 잔여배양액공급관(33a)을 통해 분리된 잔여배양액이 배출되고, 제1공급호스(48a), 공급펌프(41) 및 분지관(47)을 거쳐 광생물 반응기(10)로 공급된다.
그 다음, 상기 잔여배양액이 완전히 응집회수조(30)에서 배출되면, 응집회수조(30)의 하단부에 설치된 제3조절밸브(36)를 열고, 응집된 바이오매스(미세조류)를 바이오매스회수관(35)을 통해 배출시켜 바이오매스를 바이오매스회수조(37)에 회수한다.
상기 바이오매스회수조(37)에 회수된 바이오매스는 배양액이 어느정도 혼합된 상태이므로, 이를 재활용하기 위해서는 별도의 건조과정을 거쳐야 한다.
이와 같이 바이오매스가 바이오매스회수조(37)에 회수되는 동안 응집회수조(30)에서 배출된 잔여배양액을 재활용하기 위해 응집회수조(30)의 제2조절밸브(34a,34b)를 닫은 상태에서 혼합조(20)의 제1조절밸브(29a,29b)를 열고 공급펌프(41) 및 회수펌프(42)를 가동시켜 잔여배양액을 혼합조(20)에 공급한다.
따라서, 본 발명에 의하면, 1) 혼합조(20)에서 이산화탄소, 공기, 배양액의 혼합, 2)광생물반응기(10)에서 미세조류의 배양, 3)미세조류가 배양액에서 고밀도로 배양될 때까지 혼합조(20)와 광생물 반응기(10) 사이에서 여러번 순환, 4) 고밀도로 배양된 배양액이 응집회수조(30)의 응집을 통해 미세조류를 배양액에서 분리 5) 잔여배양액의 재활용 및 미세조류(바이오매스) 회수의 과정을 연속해서 반복함으로써, 비닐튜브형 광생물 반응기(10)를 이용하여 미세조류 배양시 기존 광생물반응기(10)에 비하여 고밀도 배양을 용이하게 할 수 있으며, 배기가스로부터 이산화탄소를 효율적으로 고정할 수 있고, 바이오매스를 최대한 생산할 수 있다.
또한, 전체 미세조류 배양 및 수확 장치를 단순화하여 미세조류의 배양에 따른 유지관리 및 보수가 용이한 장점을 갖는다.
10 : 광생물 반응기 11 : 지지링
12 : 연결관 13 : 지지프레임
14 : 수직지지대 14a : 가로부재
14b : 중간세로부재 14c : 세로부재
15 : 수평판 16 : 힌지축
17 : 베이스패널 18 : 이동바퀴
19 : 지지 실린더 20 : 혼합조
20a : 제1몸체 20b : 제1상부덮개
21 : 공기공급관 22 : 온도센서
23 : 산소센서 24 : pH센서
25 : 혼합용 임펠러 25a : 제1회전축
25b : 제1회전블레이드 26 : 산염기 주입관
27 : 이산화탄소공급관 28a : 배양액공급관
28b : 제1배양액회수관 29a,29b : 제1조절밸브
30 : 응집회수조 30a : 제2몸체
30b : 제2상부덮개 30c : 다리부
31 : 미생물응집제공급관 32 : 응집용 임펠러
32a : 제2회전축 32b : 제2회전블레이드
33a : 잔여배양액공급관 33b : 제2배양액회수관
34a,34b : 제2조절밸브 35 : 바이오매스회수관
36 : 제3조절밸브 37 : 바이오매스회수조
40 : 지지캐리어 41 : 공급펌프
42 : 회수펌프 43 : 상판
44 : 하판 45 : 연결바
46 : 이동바퀴 47a,47b : 연결관
48a : 제1공급호스 48b : 제2공급호스
49a : 제1회수호스 49b : 제2회수호스

Claims (9)

  1. 외부에서 빛을 받아 광합성으로 미세조류를 배양하는 광생물 반응기(10);
    상기 광생물 반응기(10)를 지지하고, 상기 광생물 반응기(10)에 빛을 유도하는 반응기 지지수단;
    상기 광생물 반응기(10)에 이산화탄소 및 공기가 혼합된 배양액을 공급하는 혼합조(20);
    상기 광생물 반응기(10)로부터 고밀도로 배양된 미세조류를 회수하여 응집 및 분리시키는 응집회수조(30);
    상기 광생물 반응기(10)와 혼합조(20) 사이에, 또는 상기 광생물 반응기(10)와 응집회수조(30) 사이에 배양액을 이송시키는 공급펌프(41) 및 회수펌프(42)를 포함하고,
    상기 반응기 지지수단은 광생물 반응기(10)를 지지하는 지지프레임(13)과, 상기 지지프레임(13)의 기울어진 경사각도를 조절하는 지지 실린더(19)를 포함하며, 태양 고도에 따라 경사각도가 조절될 수 있도록 되고,
    상기 지지프레임(13)의 하단부를 받쳐주는 베이스패널(17)의 저면 각 모서리에는 이동바퀴(18)가 장착된 것을 특징으로 하는 미세조류의 배양 및 수확 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 광생물 반응기(10)는 비닐재질의 튜브형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 미세조류의 배양 및 수확 장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 광생물 반응기(10)의 각 단부는 "U"자형 연결관(12)에 의해 연결되어, 다수개의 광생물 반응기(10)가 한세트를 이룰 수 있도록 된 것을 특징으로 미세조류의 배양 및 수확 장치.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 혼합조(20)는 이산화탄소, 공기 및 배양액을 균일하게 혼합하는 혼합용 임펠러(25)를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세조류의 배양 및 수확 장치.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 응집회수조(30)는 배양된 배양액에 미생물응집제가 균일하게 혼합되도록 응집용 임펠러(32)를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세조류의 배양 및 수확장치.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 응집회수조(30)는 응집회수조(30)의 하단부에 형성된 바이오매스회수관(35)과, 상기 바이오매스회수관(35)과 연통되어 미생물응집제에 의해 응집 및 분리된 미세조류를 회수하는 바이오매스회수조(37)를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세조류의 배양 및 수확장치.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 광생물 반응기(10)의 외표면에 일정한 간격으로 삽입 장착된 지지링(11)을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세조류의 배양 및 수확장치.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 응집회수조(30)에서 분리된 잔여배양액은 혼합조(20)에 공급되어 재활용되는 것을 특징으로 하는 미세조류의 배양 및 수확장치.


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