KR101439138B1 - 미세조류 배양용 광생물 반응기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 미세조류 배양기에 롤러 및 수압을 이용하여 밀폐 구조를 형성함으로써 미세조류에 의한 이산화탄소(CO2) 고정 효율을 높임과 동시에 설치비용이 절감되는 미세조류 배양용 광생물 반응기 구조에 관한 것이다.
보다 더 구체적으로 본 발명은, 미세조류가 포함된 배양수를 저장하며, 이산화탄소(CO2)가 투입되는 배양조, 상기 배양조의 적어도 하나 이상의 측면에 형성되며 물(H2O)을 저장하는 수조 및 상기 배양조의 상부를 커버하는 덮개를 포함하되, 상기 배양조와 수조의 하부에 수로를 형성하는 것을 특징으로 하는 미세조류 배양용 광생물 반응기를 제공한다.

Description

미세조류 배양용 광생물 반응기{PHOTO BIOREACTOR FOR CULTURING MICRO ALGAE}
본 발명은 미세조류 배양기에 롤러 및 수압을 이용하여 밀폐 구조를 형성함으로써 미세조류에 의한 이산화탄소(CO2) 고정 효율을 높임과 동시에 설치비용이 절감되는 미세조류 배양용 광생물 반응기 구조에 관한 것이다.
최근 들어 지구온난화 및 화석 연료 고갈이라는 전지구적 차원의 환경문제가 대두됨에 따라 이를 해결하기 위한 다양한 시도들이 이루어지고 있다. 이 중 생물학적 이산화탄소(CO2) 저감 기술로서 미세조류(algae)의 광합성 작용을 활용한 이산화탄소(CO2)의 고정 및 바이오 디젤 생산 기술은 상온/상압에서 수행이 가능하며 자연계의 탄소순환 원리를 이용한다는 장점 때문에 온실가스 저감을 위한 가장 현실적인 대안으로 검토되고 있다.
또한, 미세조류(algae)는 다양한 능력에 기인하여, 폐수의 처리, 이산화탄소의 고정화 등의 역할을 수행할 수 있으며 연료물질, 화장품, 사료, 식용 색소와 의약용 원료 물질 등의 유용 물질을 생산하는 목적으로 사용되어 왔고, 유용한 고부가가치 물질들이 지속적으로 발견되어 그 활용범위를 넓혀 가고 있다.
이와 같은 미세조류의 광생물적 반응을 위해서는 광생물 반응기(Photobioreactor)가 이용되게 되는데, 고농도의 미세조류 배양을 위한 효율적인 광생물 반응기의 설계를 위해서는 빛, 산소의 전달, 배지성분의 유지, 이산화탄소(CO2) 흡수능이 뛰어난 종의 선별 및 미세조류의 대량 배양이 가능한 광생물 반응기의 개발이 필수적이다.
일반적으로 미세조류 배양영 광생물 반응장치는 크게 옥외에서 배양하는 수로형 반응기(Open pond System)와 밀폐된 반응기를 활용하는 튜브형 반응기(Closed System)로 나눌 수 있다.
상기 수로형 반응기(Open pond System)는 개방형 수로 또는 연못을 이용하는 것으로 초기 투자비가 저렴하다는 장점이 있으나 단위 부피당 생산량이 적어서 대단위의 설치 공간이 필요하며, 포집된 이산화탄소(CO2) 투입시 이를 고정하지 못하고 대부분 대기로 방출하는 단점이 있다.
이에 비해 튜블러 리액터(Tubular Reactor)로 대표되는 튜브형 반응기(Closed System)는 이산화탄소(CO2) 밀폐구조로 인해 작은 크기의 반응 장치에서도 미세조류의 고밀도 성장을 가능하게 하는 장점이 있으나 수로형(Open pond System) 대비 복잡한 구조로 인해 설치비용이 과대하다는 단점이 있다.
따라서, 설치비용이 저렴한 수로형 미세조류 배양기에 새로운 이산화탄소(CO2) 밀폐구조를 적용하여 미세조류에 의한 이산화탄소(CO2) 고정 효율을 높임과 동시에 투자 경제성을 갖는 미세조류 배양 장치가 요구되고 있다.

* 본 출원과 관계된 종래기술: 한국 등록특허공보 제10-0679989호
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 기존의 수로형 배양기 대비 이산화탄소 고정효율이 향상되며, 기존의 튜브형 배양기에 대비하여 그 설치비용이 절감되는 미세조류 배양용 광생물 반응기를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 미세조류가 포함된 배양수를 저장하며, 이산화탄소(CO2)가 투입되는 배양조, 상기 배양조의 적어도 하나 이상의 측면에 형성되며 물(H2O)을 저장하는 수조 및 상기 배양조의 상부를 커버하는 덮개를 포함하되, 상기 배양조와 수조의 하부에 수로를 형성하는 것을 특징으로 하는 미세조류 배양용 광생물 반응기를 제공한다.
본 발명에서 상기 덮개는 폴리카보네이트(PolyCarbonate)로 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 덮개는 상기 배양조를 형성하는 벽체 프레임을 따라 연장되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 배양조의 측면에 형성되며 상기 덮개를 배양조에 밀착시키는 적어도 하나 이상의 롤러(roller)를 구비하는 것이 바람직하다. 상기 롤러는 배양조의 측면에 밀착되어 회전 운동으로 상기 덮개를 배양조에 밀착시키는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 수로는 시멘트로 형성하되, 수로의 표면은 FRP(Fiber Reinforced Plastics)로 마감 처리하는 것이 바람직하다.
본 발명은 상기 수조 내 물의 수위를 배양조의 배양수 수위보다 높아지도록 조절하여 수압에 의해 배양조 내에 존재하는 이산화탄소(CO2)를 밀폐시키는 것이 바람직하다.
본 발명은 상기 수조 내 물의 수위를 배양조의 배양수 수위보다 낮아지도록 조절하여 배양조 내에 생성되는 산소(O2)를 배양조 외부로 배출시키는 것이 바람직하다.
본 발명의 미세조류 배양용 광생물 반응기에 의하면, 기존의 수로형 배양기 대비 이산화탄소 고정효율 및 이산화탄소 전환 수율이 향상되는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 기존의 튜브형 배양기에 대비하여 그 설치비용이 현격하게 절감되는 효과가 있다.
도 1a 내지 도 1b는 종래기술에 따른 미세조류 반응기 구조의 예시도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 미세조류 반응기의 구성도.
도 3a 내지 도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 미세조류 반응기의 이산화탄소 밀폐구조 및 산소배출구조를 나타낸 예시도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1a 내지 도 1b는 종래기술에 따른 미세조류 반응기 구조의 예시도이다.
종래 기술에 따른 미세조류 배양장치는 크게 영양분 공급기, 미세조류 광생물 반응기 및 미세조류 수확기의 세가지 장치로 구성되어 있었다.
즉, 상기 영양분 공급기는 미세조류 성장에 필요한 영양분과 물을 공급하고, 상기 미세조류 광생물 반응기는 미세조류가 자연광/인공광 등의 광원을 통해 광합성 작용을 하도록 함으로써 이산화탄소(CO2)를 고정하며, 상기 수확기는 성장된 미세조류를 분리하는 역할을 수행한다.
상기 미세조류 광생물 반응기는 영양분 공급장치와 별도로 실제 이산화탄소(CO2) 고정화가 이루어지는 장치로서, 생물학적 이산화탄소(CO2) 고정장치의 핵심이 되는 부분이다. 광생물 반응기에서 미세조류는 용해된 이산화탄소(CO2) 및 광원을 이용하여 광합성 작용을 함으로써 생물학적으로 이산화탄소(CO2)를 고정하여 미세조류 바이오 매스(Bio Mass)를 생산하게 된다.
상기 미세조류 바이오 매스(Bio Mass)는 지질 추출 또는 당화 반응 등의 과정을 거쳐서 바이오 디젤 및 글루코스 등 유용한 물질의 원료로써 활용하게 된다.
상기 미세조류 광생물 반응기는 포집된 이산화탄소(CO2)를 주입받아 미세조류의 광합성에 의해 이산화탄소(CO2)를 생물학적으로 전환하게 되는데, 이산화탄소(CO2)는 물에 대한 용해도가 낮고 생물학적 공정인 광합성의 반응속도도 느린 특성을 감안하여야 한다.
상기 미세조류 광생물 반응기는 수로형 반응기(Open pond System)와 밀폐된 반응기를 활용하는 튜브형 반응기(Closed System)로 구분될 수 있다.
도 1a를 참조하면, 수로형 반응기(Open pond System)의 모습을 도시하고 있는데, 미세조류 및 배양수가 저장되는 배양조의 상부는 대기와 맞닿아 있는 모습을 확인할 수 있다. 즉 수로형 반응기는 배양조가 밀폐되는 구조를 취하지 않기에 주입된 이산화탄소(CO2) 중 대부분은 대기 중으로 방출될 수 밖에 없어 이산화탄소(CO2) 고정 효율이 떨어지게 된다.
도 2a를 참조하면, 튜브형 반응기(Closed System)의 모습을 도시하고 있는데, 미세조류 및 배양수가 저장되는 배양조가 대기로부터 격리되어 밀폐되는 구조를 취하고 있음을 알 수 있다. 즉 튜브형 반응기의 경우 배양조의 밀폐 구조로 이산화탄소(CO2) 고정 효율은 높으나 배양조를 완전밀폐 구조로 형성하여야 하므로 복잡한 구조를 가질 수 밖에 없어서 설치 비용이 과대하다는 문제점이 있었다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 미세조류 반응기의 구성도이다.
본 발명은, 미세조류가 포함된 배양수를 저장하며, 이산화탄소(CO2)가 투입되는 배양조(110), 상기 배양조의 적어도 하나 이상의 측면에 형성되며 물(H2O)을 저장하는 수조(120) 및 상기 배양조의 상부 및 수조의 상부를 커버하는 덮개(130)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 배양조(110)는 미세조류 및 배양수가 저장되게 되며, 미세조류의 광합성을 위해 이산화탄소(CO2)가 투입되게 되는데, 다수의 이산화탄소 투입구(미도시)를 구비할 수 있다. 상기 배양조(110)는 시멘트 등 공지의 물질을 이용하여 형성될 수 있다.
상기 미세조류는 클로로필-a, 남조류 등 이산화탄소 고정에 유리한 조류를 이용할 수 있다.
상기 수조(120)는 배양조(110)의 적어도 하나 이상의 측면에 형성될 수 있는데, 수조(120)의 내부에는 물을 저장하고 물의 수위를 조절하여 수압을 통해 이산화탄소(CO2) 밀폐 및 산소(O2) 배출을 가능하게 한다.
상기 수조(120)를 형성하는 벽체 프레임은 상기 배양조(110)를 형성하는 벽체 프레임의 높이보다 낮게 형성하는 것이 바람직하다. 이는 후술할 롤러(140)의 설치 및 롤러(140)의 회전으로 인한 덮개(130)의 밀착을 원활하게 하기 위함이다.
상기 덮개(130)는 배양조(110)의 상부를 덮도록 형성되며, 배양조(110)의 벽체 프레임을 따라 연장되도록 형성된다. 상기 덮개(130)는 배양조(110) 내부로 투입되는 이산화탄소(CO2)의 대기 중으로의 유입을 방지하는 역할을 수행하게 된다.
이와 같이 배양조(110) 내부 이산화탄소(CO2)의 대기 중으로의 유입을 방지하기 위해서는 상기 덮개(130)가 배양조(110)의 벽체 프레임에 완전 밀착되어 배양조(110)의 상부로 이산화탄소(CO2)가 빠져나가지 않도록 형성하여야 한다.
이를 위해 본 발명에서는 상기 배양조(110)의 측면에 형성되며, 상기 덮개(130)를 배양조(110)에 밀착시키는 적어도 하나 이상의 롤러(roller)(140)를 구비할 수 있다.
상기 롤러(140)는 상기 배양조(110)의 측면에 밀착되어 회전 운동으로 상기 덮개(130)를 밀거나 당겨서 배양조(110)에 밀착시키는 역할을 수행하게 된다.
한편, 미세조류의 생체 중량 및 유용 생산물 증가에 영향을 미치는 것으로써 배지의 조성, 온도, pH, 광도, 광량 등의 많은 요인들이 존재하는데, 특히 이산화탄소 고정을 위한 광합성에 있어서는 빛이 차지하는 비중이 크다.
즉, 상기 덮개(130)는 태양광 또는 LED 등의 인공광원을 반사하지 않고, 배양조(110) 내부로 빛을 투사시킬 수 있는 재질로 형성되어야 한다.
이를 위해 본 발명에서 상기 덮개(130)는 폴리카보네이트(PolyCarbonate)로 형성될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 발명의 필요에 따라 이산화탄소(CO2) 등의 기체의 유동은 방지하되 빛을 통과시킬 수 있는 것이라면, 플라스틱 재질 등 어떠한 재질을 이용하는 것도 가능할 것이다.
상기 미세조류는 광합성 시에 이산화탄소(CO2)를 배양수 내부로 흡수하게 되고, 미세조류의 호흡 시에 산소(O2)를 배양수 외부로 배출하게 된다. 따라서, 이산화탄소 고정효율을 높이기 위해서는 미세조류의 광합성 시에 배양조(110)를 밀폐시켜야 하며, 미세조류의 호흡 시에 배양조(110)의 밀폐를 해제하여야 한다.
이를 위해 본 발명에서는 수조(120)내의 수압을 이용하여 이산화탄소(CO2) 밀폐 또는 산소(O2) 배출을 용이하게 할 수 있다.
즉, 상기 수조(120)내의 물의 압력을 배양조(110) 내로 전달하기 위해 상기 배양조(110)와 수조(120)의 하부에 수로(150)를 형성하게 되는데, 상기 수로(150)는 시멘트로 형성하되, 수로의 표면은 FRP(Fiber Reinforced Plastics)로 마감 처리할 수 있을 것이다. 상기 FRP는 플라스틱소재이므로 그 성질상 가볍고, 열전도율이 낮으며, 내구성·내충격성·내마모성·인장강도 등이 우수한 특성이 있다.
한편, 본 발명에서 상기 미세조류의 광합성 시에는 상기 수조(120) 내 물의 수위를 배양조(110)의 배양수 수위보다 높아지도록 조절하여 수압에 의해 배양조 내에 존재하는 이산화탄소(CO2)를 밀폐시킬 수 있다.
이에 비해 상기 미세조류의 호흡 시에는 상기 수조(120) 내 물의 수위를 배양조(110)의 배양수 수위보다 낮아지도록 조절하여 배양조 내에 생성되는 산소(O2)를 배양조(110) 외부로 배출시킬 수 있을 것이다.
이를 위해, 상기 수조(120)는 물을 유입시키거나 유출시키는 유입공(미도시)을 형성할 수 있으며, 양수기 등 전기 모터를 가진 전기기기에 의해 수조(120)의 수위 조절이 가능할 것이다.
도 3a 내지 도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 미세조류 반응기의 이산화탄소 밀폐구조 및 산소배출구조를 나타낸 예시도이다.
본 발명은 수로형 배양기를 채택하되, 폴리카보네이트(Polycarbonate) 재질의 덮개(130)를 형성하고, 이산화탄소(CO2)의 물에 대한 낮은 용해도 및 수위차(수압)를 이용하여 물을 밀폐 마감제로 활용하여 이산화탄소(CO2) 밀폐 효과를 유도하며, 미세조류의 광합성 반응 결과로 생성되는 산소 배출 시, 밀폐용 물의 수위를 미세조류 배양수 수위 보다 낮춰 내부 가스 배출 유도한다.
도 3a는 미세조류의 광합성 반응시 이산화탄소(CO2)를 밀폐하는 모습을 도시하고 있는데, 수조(120) 내 밀폐용 물의 수위를 배양조(110) 내 배양수의 수위보다 높여 그 압력차를 이용하여 이산화탄소(CO2)를 완벽하게 밀폐하게 된다.
도 3b는 미세조류의 호흡시 산소(O2)를 배출하는 모습을 도시하고 있는데, 수조(120) 내 밀폐용 물의 수위를 배양조(110) 내 배양수 보다 낮춰 그 압력차를 이용하여 산소(O2)를 외부로 배출하게 된다.
이와 같이 형성된 본 발명에 의한 미세조류 배양용 광생물 반응기 및 종래 수로형 반응, 튜브형 반응기의 이산화탄소 밀폐율, 전환수율 및 제작비용은 아래의 표 1과 같다.
Figure 112012104675921-pat00001
즉, 본 발명은 이산화탄소 밀폐율에 있어서, 종래 튜브형 배양기의 밀폐율에 거의 근접할 정도로 좋은 성능을 보이고, 이산화탄소 전환 수율 또한 튜브형 배양기의 전환 수율과 거의 동일함을 확인할 수 있다.
참고로, 이산화탄소 전환 수율은 미세조류의 바이오 매스 생산량을 이산화탄소 투입량으로 나눈 값을 의미하는데, 본 발명의 전환 수율은 종래 수로형 배양기의 이산환탄소 전환량 대비 42%의 성능 향상이 발생함을 확인할 수 있다.
또한, 본 발명은 종래 튜브형 배양기의 제작비용과 대비하여 약 1/2의 비용으로 설치할 수 있음을 확인할 수 있다.
이와 같이 본 발명은 종래 수로형 배양기에 덮개, 롤러, 수조 구조를 추가함으로써 보다 저렴한 제작비용으로 완벽한 이산화탄소 밀폐 효율 및 고정효율을 가져올 수 있는 장점이 있다.
이상 본 발명의 구체적 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
110: 배양조 120: 수조
130: 덮개 140: 롤러
150: 수로

Claims (7)

  1. 미세조류가 포함된 배양수를 저장하며, 이산화탄소(CO2)가 투입되는 배양조;
    상기 배양조의 적어도 하나 이상의 측면에 형성되며 물(H2O)을 저장하는 수조;
    상기 배양조의 상부를 커버하는 덮개; 및
    상기 배양조와 수조의 하부에 형성되는 수로;를 포함하되,
    상기 수로는 배양조의 벽체 프레임 하단부의 양측에 형성되어 배양조의 하단과 수조의 하단을 연결하되, 수로의 개방구는 배양수와 물의 압력 차이에 의해 배양수 또는 물이 흘러들어오거나 흘러나갈수 있도록 상향으로 개방되는 것을 특징으로 하는 미세조류 배양용 광생물 반응기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 덮개는 폴리카보네이트(PolyCarbonate)로 형성되는 것을 특징으로 하는 미세조류 배양용 광생물 반응기.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 덮개는 상기 배양조를 형성하는 벽체 프레임을 따라 연장되는 것을 특징으로 하는 미세조류 배양용 광생물 반응기.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 배양조의 측면에 형성되며, 상기 덮개를 배양조에 밀착시키는 적어도 하나 이상의 롤러(roller)를 구비하는 것을 특징으로 하는 미세조류 배양용 광생물 반응기.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 수로는 시멘트로 형성하되, 수로의 표면은 FRP(Fiber Reinforced Plastics)로 마감 처리하는 것을 특징으로 하는 미세조류 배양용 광생물 반응기.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 수조 내 물의 수위를 배양조의 배양수 수위보다 높아지도록 조절하여 수압에 의해 배양조 내에 존재하는 이산화탄소(CO2)를 밀폐시키는 것을 특징으로 하는 미세조류 배양용 광생물 반응기.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 수조 내 물의 수위를 배양조의 배양수 수위보다 낮아지도록 조절하여 배양조 내에 생성되는 산소(O2)를 배양조 외부로 배출시키는 것을 특징으로 하는 미세조류 배양용 광생물 반응기.
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