KR101570965B1 - 커튼 형상 광생물 반응장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광생물이 생장하는 반응부를 지지대를 통해 커튼 형상으로 설치하여 반응 면적을 극대화하는 광생물 반응장치에 관한 것으로서, 투명 재질로 이루어져 빛이 투과하는 재질로 이루어지며, 다수의 투과부가 형성되며, 내부에 광합성 미생물이 생장하는 반응부와, 상기 반응부의 투과부에 형성된 관통홀을 관통하여 상기 반응부가 커튼 형상으로 형성되도록 상기 반응부를 지지하는 지지대와, 상기 지지대를 고정시키며, 상기 반응부를 바닥과 이격시키도록 상기 지지대를 고정시키는 고정부와, 상기 반응부의 하단에 연결되어 상기 반응부의 내부로 상기 광합성 미생물의 성장에 도움을 주는 가스를 주입하는 가스 주입부를 포함한다.
Description
본 발명은 광생물 반응장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광생물이 생장하는 반응부를 지지대를 통해 커튼 형상으로 설치하여 반응 면적을 극대화하는 광생물 반응장치에 관한 것이다.
전 세계적으로 석유, 천연가스 등의 고갈, 수급체계의 불안정성 등의 고유가 위기가 조성되고 있으며, 이와 더불어 기후변화, 환경파괴 등의 생태계 보호를 위하여 화석에너지의 사용 제한이 가시화되고 있는 실정이다.
이에 따라 세계 각국은 신재생에너지 개발은 물론, 기존의 화력발전의 효율 증대와 친환경 제고에 힘을 기울이고 있으며 광합성 미생물 등을 이용한 생물학적 에너지 생산기술도 각광을 받고 있다.
최근에는 바이오연료 생산에 따른 곡물자원의 가격 인상과 식량자원에 관한 우려로 광합성 미생물 이용 연구가 수송용 바이오연료 생산에 초점을 맞추어 광합성 미생물의 유전체, 유전자 등 기초 연구뿐만 아니라, 미생물 개량, 반응기, 시스템 연구 등 응용연구가 대규모로 진행되고 있다
광합성 미생물은 물, 이산화탄소와 햇빛을 이용하여 성장이 가능하며, 황무지, 해안가, 바다 등 어디서든 배양할 수 있어 기존 육상작물과 토지나 공간 측면에서 상호 경쟁하지 않는다. 광합성 미생물은 배양조건에 따라 생체 내에 많은 양의 지질(최대 70%)을 축적하며, 단위 면적당 오일(지질) 생산량이 콩과 같은 기존 식용작물에 비해 50-100배 이상 높아 대체 생물원유로서의 가능성이 매우 높다. 미세조류 등 광합성 미생물을 원료로 생산한 바이오디젤은 기존 경유에 비해 미세분진, 황화합물 등의 오염물질 배출을 크게 줄일 수 있어 친환경 자동차 연료로 적합하다.
광합성 미생물은 대량으로 배양할 수 있으며, 식용작물과 달리 매일 수확할 수 있다. 더불어 광합성 미생물은 화력발전소 등의 부생가스내 고농도 이산화탄소(15% 수준)를 직접 흡수해 성장할 수 있으므로 이산화탄소 저감 효과도 크다.
또한 광합성 미생물(바이오매스)은 고부가가치의 의약품, 색소, 화장품, 단백질 및 탄수화물의 영양원, 그리고 정밀 화학약품 등의 잠재력 있는 생산원료로써 큰 관심을 받아 왔다. 지금까지 광합성 미생물로부터 카로틴(Carotene), 아스타잔틴(Astaxanthin), Whole-cell dietary supplements, Whole-cell aquaculture feed, Polyunsaturated fatty acids, Heavy isotope labeled metabolites, Phycoerythrin(fluorescent label), 항암 약물(Anticancer drugs), 약학 단백질(Pharmaceutical proteins) 등 다양한 제품들이 전 세계적으로 판매되고 있다.
이러한 광합성 미생물 이용 고부가가치 제품 생산기술은 크게 1)광합성 미생물 배양, 2)수확, 3)유용물질 추출, 4)제품 전환 등 4개 공정으로 구성된다. 이중 광합성 미생물의 배양 공정이 전체 공정의 경제성 측면에서 매우 중요하다. 예를 들면 미세조류 바이오연료 생산기술의 경우 전체 공정에 대한 미세조류 배양, 수확, 오일 추출, 바이오디젤 전환공정이 차지하는 비용은 각각 42%, 22%, 20%, 16% 정도이다.
특히 광합성 미생물을 효율적으로 생산하기 위해 고효율 광생물반응기 및 고농도 배양기술의 개발이 시도되고 있으며, 미세조류와 같은 광합성 미생물을 배양하는 방법은 크게 옥외배양법과 광생물반응기를 이용하는 방법으로 나눌 수 있다.
옥외배양법의 경우는 연못형태나 외륜으로 배지를 순환시키는 수로형태를 예로 들 수 있는데, 설치비나 운영비가 적게 드는 반면, 고농도의 배양이 힘들고 다른 미생물에 의해 오염되기 쉬워 광합성 산물의 회수비용이 증가한다는 단점이 있다.
따라서, 광합성 미생물을 이용한 바이오연료, 의약품, 건강식품, 사료 등 고부가가치 물질의 생산이 가능하게 되고, 특히 생물학적 CO2 고정화 공정에 광합성 미생물의 고농도 대량배양 기술이 필수적으로 요구됨에 따라 배양효율이 높은 광생물반응기에 대한 수요가 증대되고 있는 실정이다.
본 발명의 배경기술로는 한국등록특허 제0439971호(2002. 9. 18. 출원)의 "기포탑 광생물반응기"가 알려져 있으며, 상기 기포탑 광생물반응기는 미생물 배양액을 담을 수 있는 챔버를 형성하는 투명 외부컬럼과, 상기 외부컬럼의 중심에 설치되어 배양액의 전면에 빛에너지를 조사하는 발광체와, 상기 발광체를 배양액과 분리하고 열교환이 가능한 투명재킷과, 상기 투명재킷의 외부 표면에 설치되어 배양액의 상승부와 하강부를 구분하는 방법으로 순환로를 형성하는 배플 플레이트 및, 상기 배플 플레이트로 구분되는 한쪽 부분의 하단부에서 기체를 상향 공급하여 배양액의 상향유동을 야기하는 폭기장치를 포함하는 것이다.
따라서, 별도의 교반이 없이도 배양액의 순환이 가능하며, 순환하는 배양액 내부로의 빛투과 거리가 최소화되고, 배양액의 최대 표면적에 빛에너지가 전달될 수 있어 광합성 미생물의 고농도 배양에 적합하다.
한편, 우리나라와 같이 설치 부지가 부족한 나라에서는 광 활용 효율을 높이기 위해 원통형 컬럼을 수직으로 배치한 광생물반응기의 실용화 가능성이 높다.
그러나, 원통형 컬럼을 이용한 종래의 광생물반응기는 반응기 구조의 복잡성으로 인한 고가의 설치비와 관리 인력 때문에 대규모화가 어렵고, 개별 컬럼의 배양에 따라 광합성 미생물의 대량 배양이 쉽지 않으므로 경제성이 떨어지는 문제가 있었다.
이와 관련된 선행기술로는 한국공개특허공보 제10-2011-0085428호, 한국공개특허공보 제10-2011-0137314호, 한국공개특허공보 제10-2011-0062623호, 한국 등록특허공보 제10-0622992호 및 국제공개특허공보 제WO 2011-031161호가 있다.
본 발명은 광생물이 생장하는 반응부를 지지대를 통해 커튼 형상으로 설치하여 반응 면적을 극대화하는 광생물 반응장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않는다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 광생물 반응장치는, 투명 재질로 이루어져 빛이 투과하는 재질로 이루어지며, 다수의 투과부가 형성되며, 내부에 광합성 미생물이 생장하는 반응부와, 상기 반응부의 투과부에 형성된 관통홀을 관통하여 상기 반응부가 커튼 형상으로 형성되도록 상기 반응부를 지지하는 지지대와, 상기 지지대를 고정시키며, 상기 반응부를 바닥과 이격시키도록 상기 지지대를 고정시키는 고정부와, 상기 반응부의 하단에 연결되어 상기 반응부의 내부로 상기 광합성 미생물의 성장에 도움을 주는 가스를 주입하는 가스 주입부를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 반응부는 내부에 광합성 미생물 및 배양액이 수용되는 배양공간이 형성되고, 전,후면이 열접착에 의해 접합되어 다수개의 투과부가 형성되며, 상기 광합성 미생물이 생장하며 발생되는 산소를 배출시키며, 상기 반응부 내부에 배양액을 주입하거는 입출부가 상측에 형성될 수 있다.
상기 반응부는 폴리에틸렌(PE), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 선형저밀도 폴리에틸렌(LLDPE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), Oriented polypropylene(OPP), 테레프탈레이트와 무연신 폴리프로필렌 혼합 필름(PET+CP), 무연신 폴리프로필렌(CPP), 나일론(Nylon), 이축연신 나일론(ON), 미연신 나일론(CN), 폴리 아세탈(POM), 폴리카보네이트(PC), 폴리에스터(Polyester), 폴리스틸렌(PS), 폴리에스터 설폰(PES), 폴리염화비닐(PVC), 염화 비닐리덴(PVDC), Ethylene vinyl acetate 공중합체(EVA), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리프로필렌(PP), Inflated Polypropylene(IPP) 및 폴리페닐렌옥사이드(PPO=PPE), 실리콘 중 어느 하나 또는 상기의 재질이 복합되는 재질로 이루어질 수 있다.
상기 투과부는 원형 또는 타원형 또는 반원형 또는 상기 광합성 미생물이 적체가 되지 않도록 상부에 적체부가 형성되지 않는 다각형 형태 또는 기둥형태 중 어느하나로 형성되어 연속 또는 지그재그로 배열되어 형성될 수 있다.
상기 반응부가 직렬 또는 병렬로 연결되도록 상기 반응부의 양측단에 형성되는 연결부가 더 형성될 수 있다.
상기 연결부는 유동이 가능한 관 형상으로 형성되어 다른 상기 반응부의 연결부와 연결되고, 다른 상기 반응부와 연결될 수 있도록 상기 반응부의 일측의 상기 연결부는 끝부분이 삽입될 수 있도록 돌출 형태의 연결체로 형성되고, 상기 반응부의 타측 연결부는 상기 연결체가 삽입될 수 있는 홈 형태의 삽입홈으로 형성될 수 있다.
상기 반응부의 하측으로 일정 간격 이격된 위치에는 반사판이 설치되어 빛을 반사하여 상기 반응부로 반사시킬 수 있다.
상기 반응부와 일정 거리 이격된 위치의 일정 높이에는 상기 반응부들의 온도변화를 촬영할 수 있는 열화상 카메라가 설치되며, 상기 열화상 카메라는 감시장치에 연결되어 상기 반응부의 온도변화를 감지할 수 있다.
상기 반응부의 투과부를 상기 지지대가 관통하여 지지할 때에는 상기 반응부가 평면상 반원형 또는 다각형 또는 삼각뿔 중 어느 하나의 커튼 형상으로 형성될 수 있다.
상기 투과부는 상기 지지대가 상기 관통홀을 관통하여 결합될 때 상기 투과부의 파손을 방지하도록 플라스틱 또는 금속 재질의 보강부재가 상기 관통홀에 결합될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 비닐 재질의 반응부를 지지대를 통해 커튼형태로 다수 배열함으로써 광합성 미생물의 배양공간을 확장하여 광합성 미생물의 대량 배양이 가능하고, 설치 및 관리 비용을 절감할 수 있으며, 반응부에 열접착에 의한 다수개의 투과부를 윈도우 형태로 배열 형성하여 빛 투과율을 높여 생산성을 증대시키는 효과가 있다.
그리고, 반응부를 직렬로 다수 배열하여 연결부를 통해 연결하므로 한번에 배양액 및 미생물을 주입 또는 배출시킬 수 있고, 광합성미생물을 한번에 배출시킬 수 있는 이점이 있다.
또한, 열화상 카메라를 통해 반응부를 촬영하여 관리하게 되므로 반응부에 문제가 발생되면 대처가 빠르게 이루어질 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 광생물 반응장치의 전체 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 광생물 반응장치의 단면도이다.
도 3 내지 도 8은 본 발명에 광생물 반응장치의 반응부에 형성되는 투과부의 형상을 나타낸 도면이다.
도 9는 도 1의 'A'부분을 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 광생물 반응장치의 단면도이다.
도 3 내지 도 8은 본 발명에 광생물 반응장치의 반응부에 형성되는 투과부의 형상을 나타낸 도면이다.
도 9는 도 1의 'A'부분을 확대하여 나타낸 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호로 표시한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 광생물 반응장치를 나타낸 도면으로서, 내부에 배양액과 광합성 미생물이 주입되어 배양되며, 다수의 투과부(11)가 형성되는 투명재질의 반응부(10)와, 투과부(11)에 형성된 관통홀(12)을 관통하여 반응부(10)가 커튼 형상으로 형성되도록 지지하는 지지대(20)와, 지지대(20)를 고정시켜 반응부(10)가 바닥과 이격되도록 하는 고정부(60)와, 반응부(10)의 하단에 연결되어 광합성 미생물의 생장에 도움을 주는 가스를 주입하는 가스 주입부(40)와, 반응부(10)가 직렬 또는 병렬로 다수 연결될 수 있도록 반응부(10)의 외측에 형성되는 연결부(80)를 포함한다.
도 1에 도시된 바와 같이 상기 반응부(10)는 투명재질로 이루어져 외부의 빛이 투과할 수 있고, 전면에 다수의 투과부(11)가 형성되어 빛이 투과되며, 반응공간이 형성됨으로 인해 광합성 미생물과 배양액이 주입되어 광합성 미생물이 생장하게 된다.
상기 반응부(10)는 폴리에틸렌(PE), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 선형저밀도 폴리에틸렌(LLDPE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), Oriented polypropylene(OPP), 테레프탈레이트와 무연신 폴리프로필렌 혼합 필름(PET+CPP), 무연신 폴리프로필렌(CPP), 나일론(Nylon), 이축연신 나일론(ON), 미연신 나일론(CN), 폴리 아세탈(POM), 폴리카보네이트(PC), 폴리에스터(Polyester), 폴리스틸렌(PS), 폴리에스터 설폰(PES), 폴리염화비닐(PVC), 염화 비닐리덴(PVDC), Ethylene vinyl acetate 공중합체(EVA), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리프로필렌(PP), Inflated Polypropylene(IPP) 및 폴리페닐렌옥사이드(PPO=PPE), 실리콘 중 어느 하나 또는 하나 이상의 재질이 복합되는 재질로 이루어진다.
상기 반응부(10)는 광합성 미생물이 생장하며 발생되는 산소를 배출시키고, 반응부(10) 내부에 배양액을 주입하거나 배출시키는 입출부(30)가 형성된다.
상기 반응부(10)에 형성되는 투과부(11)는 원형 또는 타원형 또는 반원형 또는 광합성 미생물이 적체가 되지 않도록 상부에 적체부가 형성되지 않는 다각형 형태 또는 기둥형태 중 어느 하나로 형성되어 연속 또는 지그재그로 배열되어 형성된다.
그리고, 상기 투과부(11)는 임의대로 사용자가 길이 및 넓이를 필요에 따라 원하는 대로 조절하여 제조할 수 있다.
또한, 상기 투과부는 지지대가 결합될 때 사용자가 원하는 수만큼 건너 뛰어 결합될 수도 있다.
이러한 상기 투과부(11)를 통해 빛이 투과되어 다수개의 반응부(10) 배열 시 후방측에 설치되는 반응부(10)에도 빛을 공급함으로써 광합성 미생물의 생산효율을 향상시킬 수 있다.
도 1과 도 2에 도시된 바와 같이 상기 투과부(11)에는 관통홀(12)이 형성되어 지지대(20)가 삽입되고, 이러한 지지대(20)로 인해 반응부(10)가 커튼 형상으로 접혀져 설치된다.
상기 지지대(20)는 로프, 와이어, 플라스틱 또는 금속 또는 목재 등의 재질로 이루어지는 막대 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
상기 관통홀(12)에는 보강부재(13)가 결합되어 반응부(10)가 지지대(20)로 인해 파손되는 것을 방지하게 된다.
상기 보강부재(13)는 플라스틱 또는 금속 재질로 이루어져 반응부(10)의 관통홀(12)에 결합된다.
이로 인해 상기 반응부(10)의 반응공간에 조사되는 빛이 극대화되며, 평면보다 넓은 면적으로 배양공간이 형성되어 다량의 광합성 미생물이 배양될 수 있다.
상기 반응부(10)가 지지대(20)를 통해 커튼 형태로 설치될 때 반응부(10)가 평면상 반원형 또는 다각형 또는 삼각뿔 중 어느 하나의 커튼 형상으로 형성된다.
이렇게 형성되는 상기 반응부(10)는 광합성 생물 반응기의 반응용기 소재로 널리 이용되는 유리, 아크릴 등에 비하여, 동등한 광 투과율을 가지면서도 가볍고 투명하며, 경제성이 우수한 장점이 있다.
도 3 내지 도 8에 도시된 바와 같이 상기 투과부(11)의 배열은 얼마든지 변형 가능하며, 이에 따라 다수개로 수직 배열되는 각각의 반응부(10) 또한 서로 다른 배열의 투과부(11)로 형성할 수 있으므로 후방에 위치하는 반응부(10)에도 빛을 공급할 수 있는 것이다.
상기 투과부(11)의 가장 바람직한 배열은 지그재그 형상의 배열이다.
상기 투과부(11)는 관통홀(12) 대신 내부측의 일정부분을 제거하여 투과홀(14)을 형성할 수 있다. 이러한 투과홀(14)로 인해 빛이 투과되어 반응부(10)와 일정 간격 이격되어 설치되는 다른 반응부(10)에 조사되도록 하며, 보강부재(13)가 설치되어 지지대(20)가 관통설치되며, 이로 인해 반응부(10)가 커튼 형상으로 형성된다.
상기 투과홀(14)은 투과부(11)의 전체면적 대비 50 ~ 90%의 면적으로 형성될 수 있다. 이러한 이유는 상기 투과홀(14)의 면적이 50% 미만으로 형성될 경우 투과홀(14)이 작아 빛투과 및 통기의 기능성이 떨어지며, 투과홀(14)의 면적이 90%를 초과하면 투과부(11)가 파손될 수 있기 때문이다.
이러한 투명한 비닐 재질의 반응부(10)를 이용함에 따라 현장에서의 설치가 용이하고 설치 및 관리하는데 소요되는 비용을 절감할 수 있는 것이다.
상기 투과부(11)는 압착면의 비율이 반응부(10)의 전체면적 대비 5 ~ 35% 범위로 형성된다. 이러한 이유는 압착면의 비율이 5% 미만일 경우에는 반응부(10) 내에서 광합성 미생물이 성장하면서 시간이 지남에 따라 반응부(10)가 무게로 인해 파손될 수 있으며, 반응부(10)의 두께가 두꺼워져 광합성 미생물의 성장이 저하되는 문제가 발생될 수 있기 때문이다.
상기 투과부(11)의 압착면 비율이 35%를 초과하여 형성되면 반응부(10)의 압착부 비율이 높아져 광합성 미생물이 성장할 수 있는 공간이 줄어들어 배양공간이 감소하는 문제가 발생될 수 있기 때문이다.
이러한 상기 투과부(11)는 각각의 형성면적을 가능한 작게 형성시키고, 이로 인해 배양공간이 증가되어 무게로 인한 반응부(10)의 파손을 방지하도록 투과부(11)의 숫자를 증가시켜 형성하는 것이 바람직하다.
도 1과 도 9에 도시된 바와 같이 상기 반응부(10)는 직렬로 다수가 연결되도록 설치될 수 있는데 이러한 반응부(10)의 양측면에는 연결부(80)가 형성되어 연결된다.
상기 반응부(10)의 일측에 형성되는 연결부(80)는 다른 반응부(10)와 연결될 수 있도록 돌출 형태의 연결체(81)로 형성되고, 타측이 다른 반응부(10)의 일측에 형성되는 연결체(81)가 삽입되어 연결되는 홈 형상의 연결홈(82)이 형성된다.
이러한 상기 연결부(80)로 인해 다수의 반응부(10)가 직렬로 연결될 수 있으므로 한번에 다수의 반응부(10)를 연결하여 연결된 전체의 반응부(10) 내부에 배양액과 미생물 투입을 한번의 과정으로 감소시켜 투입과정을 간소화하게 된다.
또한, 이렇게 상기 연결부(80)를 통해 연결됨으로 인해 배양액의 이동통로가 될 수 있으므로 광합성 미생물을 한번에 수확할 수 있게 된다.
그리고, 상기 연결부(80)에는 반응부(10)들이 연결될 때 또는 분리될 때 연결부(80)를 통해 배양액 또는 산소가 외부로 배출되지 않도록 밸브(83)가 설치된다.
상기 밸브(83)는 연결부(80)의 외측에 결합되어 연결부(80)의 연결체(81)와 연결홈(82)이 형성된 관을 눌러 막도록 집게 형태로 형성될 수 있고, 연결체(81)와 연결홈(82)이 형성된 관을 관통하도록 형성되어 회전을 통해 관을 개폐하게 형성될 수 있다.
그리고, 상기 밸브(83)는 연결부(80)의 연결체(81)측 관에만 형성되며, 연결홈(82) 측에는 튜브의 공기주입구와 동일한 방법으로 형성되어 연결체(81)를 통해 유입되는 배양액 또는 산소가 유입되도록 하고, 연결홈(82)을 통해 역류하지 않도록 한다.
그리고, 상기 밸브(83)는 연결부(80)의 연결체(81)측 관에만 형성되며, 연결홈(82) 측에는 튜브의 공기주입구와 동일한 방법으로 형성되어 연결체(81)를 통해 유입되는 배양액 또는 산소가 유입되도록 하고, 연결홈(82)을 통해 역류하지 않도록 한다.
상기 반응부(10)의 배양공간에 주입되는 광합성 미생물은 크게 미세조류(Microalgae), 남세균(Cyanobacteria) 및 광합성 박테리아(Photosynthetic bacteria)로 나뉜다.
여기서, 상기 미세조류(Microalgae)는 광합성 색소를 가지고 광합성을 하는 단세포 진핵 미생물들의 총칭이다.
이러한 상기 미세조류의 종류로서는 아나시스티스 니둘란스(Anacystis nidulans), 안키스트로데스무스(Ankistrodesmus sp .), 비둘파 오리타(Biddulpha aurita), 보트리오코커스 브라우니(Botryococcus braunii), 캐토세로스(Chaetoceros sp .), 클라미도모나스 아플라나타(Chlamydomonas applanata), 클라미도모나스 레인하티(Chlamydomonas reinhardtii), 클로렐라(Chlorella sp .), 클로렐라 엘립소이디아(Chlorella ellipsoidea), 클로렐라 에머소니(Chlorella emersonii), 클로렐라 프로토테코이데스(Chlorella protothecoides), 클로렐라 피레노이도사(Chlorella pyrenoidosa), 클로렐라 소로키니아나(Chlorella sorokiniana), 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris), 클로렐라 미누티시마(Chlorella minutissima), 클로로코커스 리토랄레(Chlorococcus littorale), 시클로텔라 크립티카(Cyclotella cryptica), 두나리엘라 바르다윌(Dunaliella bardawil), 두나리엘라 살리나(Dunaliella salina), 두나리엘라 테르티오렉타(Dunaliella tertiolecta), 두나리엘라 프리모렉타(Dunaliella primolecta), 짐노디눔(Gymnodinum sp .), 히메노모나스 카르테라(Hymenomonas carterae), 이소크리시스 갈바나(Isochrysis galbana), 이소크리시스(Isochrysis sp .), 미크로시스티스 애루기노사(Microcystis aeruginosa), 미크로모나스 푸실라(Micromonas pusilla), 모노두스 서브테라니어스(Monodus subterraneous), 난노클로리스(Nannochloris sp.), 난노클로롭시스(Nannochloropsis sp .), 난노클로롭시스 아토무스(Nannochloropsis atomus), 난노클로롭시스 살리나(Nannochloropsis salina), 나비쿨라 펠리쿨로사(Navicula pelliculosa), 니츠시아(Nitzschia sp .), 니츠시아 클로스테리움(Nitzscia closterium), 니츠시아 팔레아(Nitzscia palea), 오오시스티스 폴리모파(Oocystis polymorpha), 우로코커스(Ourococcus sp .), 오실라토리아 루베센스(Oscillatoria rubescens), 팔로바 루테리(Pavlova lutheri), 패오닥틸룸 트리코르누툼(Phaeodactylum tricornutum), 피크노코커스 프로바솔리(Pycnococcus provasolii), 피라미모나스 코르다타(Pyramimonas cordata), 스피룰리나 플라텐시스(Spirulina platensis), 스테파노디스쿠스 미누툴루스(Stephanodiscus minutulus), 스티코코커스(Stichococcus sp .), 시네드라 울나(Synedra ulna), 세네데스무스 오블리쿠스(Scenedesmus obliquus), 셀레나스트룸 그라실레(Selenastrum gracile), 스켈레토노마 코스탈룸(Skeletonoma costalum), 테트라셀미스 츄이(Tetraselmis chui), 테트라셀미스 마쿨라타(Tetraselmis maculata), 테트라셀미스(Tetraselmis sp .), 테트라셀미스 수에시카(Tetraselmis suecica), 탈라시오시라 슈도모나(Thalassiosira pseudomona) 등이 있으며, 본 발명에서는 상기 미세조류 중 하나 이상을 이용할 수 있다.
상기 남세균은 원핵생물 중 엽록소를 이용하여 광합성을 하는 세균류의 총칭이다.
이러한 상기 남세균은 아나베나(Anabaena sp .), 칼로트릭스(Calothrix sp .), 캐미시폰(Chaemisiphon sp .), 크로코시디옵시스(Chroococcidiopsis sp .), 시아노테세(Cyanothece sp .), 실린드로스페르뭄(Cylindrospermum sp .), 데모카펠라(Dermocarpella sp .), 피세렐라(Fischerella sp .), 글로에오캅사(Gloeocapsa sp.), 믹소사르시나(Myxosarcina sp .), 노스톡(Nostoc sp .), 오실라토리아(Oscillatoria sp .), 포르미디움 코리움(Phormidium corium), 플루로캅사(Pleurocapsa sp .), 프로클로로코커스(Prochlorococcus sp .), 슈다나베나(Pseudanabaena sp .), 시네코코커스(Synechococcus), 시네코시스티스(Synechocystis sp .), 톨리포트릭스(Tolypothrix sp .), 제노코커스(Xenococcus sp.) 등이 있으며, 본 발명에서는 상기 남세균 중 하나 이상을 이용할 수 있다.
상기 광합성 박테리아는 빛에너지를 이용하여 탄소동화작용을 하는 세균을 말한다.
이러한 상기 광합성 박테리아는 로도시스타(Rhodocista centenaria), 로도스피라 트루에페리(Rhodospira trueperi), 로도스피릴룸 풀붐(Rhodospirillum fulvum), 로도스피릴룸 몰리쉬아눔(Rhodospirillum molischianum), 로도스피릴룸 포토메트리쿰(Rhodospirillum photometricum), 로도스피릴룸 루브룸(Rhodospirillum rubrum), 로도스피릴룸 살렉시겐스(Rhodospirillum salexigens), 로도스피릴룸 살리나루튼(Rhodospirillum salinarutn), 로도스피릴룸 소도멘세(Rhodospirillum sodomense), 로도스피릴룸 메디오살리눔(Rhodospirillum mediosalinum), 로도슈도모나스(Rhodopseudomonas sp .), 로도슈도모나스 애시도필라(Rhodopseudomonas acidophila), 로도슈도모나스 캡슐라투스(Rhodopseudomonas capsulatus), 로도슈도모나스 팔루스트리스(Rhodopseudomonas palustris), 로도슈도모나스 스패로이데스(Rhodopseudomonas sphaeroides), 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus), 로도박터 스패로이데스(Rhodobacter sphaeroides) 등이 있으며, 본 발명에서는 상기 광합성 박테리아 중 하나 이상을 이용할 수 있다.
이들은 엽록소 대신 박테리오클로로필(bacteriochlorophyll)을 가지므로 이산화탄소를 재료로 광합성 성장이 가능하다.
상기 반응부(10)는 배양공간 내의 광합성 미생물과 배양액의 온도를 일정하게 유지시키도록 일정온도를 갖는 물속에 일부분을 담글 수 있다. 이때, 상기 반응부(10)를 물에 담그기 위해 별도로 형성되는 용기에 물을 저장하여 반응부(10)의 일부분을 담글 수 있다.
또한, 상기 반응부(10)를 자연환경인 바닷물 속에 일부를 담글 수도 있다. 이렇게 바닷물과 같이 자연환경을 이용하는 경우에는 반응부(10)가 대규모로 설치될 때 사용할 수 있는 방법이다.
도 1에 도시된 바와 같이 상기 반응부(10)의 온도를 상승시키기 위하여 반응부(10)의 하부에 햇빛을 반사하는 반사판(70)이 설치되어 반응부(10)로 빛을 반사시킬 수 있다.
상기 반사판(70)은 빛이 발 반사될 수 있는 각도를 가지도록 경사각도를 가지고 설치된다.
상기 반응부(10)의 하단에는 가스 주입부(40)가 설치되어 반응부(10)의 내부로 광합성 미생물의 생장에 도움을 주는 가스가 주입된다. 이때 상기 가스는 이산화 탄소를 말한다.
상기 가스 주입부(40)는 상기 반응부(10)의 내부에 이산화탄소를 공급하는 것으로, 상기 반응부(10)에 연결되는 공급배관과, 상기 공급배관의 일측에 설치되어 이산화탄소를 반응부(10)의 배양공간으로 공급하도록 펌핑하는 공급펌프(42)와, 상기 공급배관과 연결되며 반응부(10) 내부에 삽입되는 기포관(41)으로 이루어진다.
상기 가스 주입부(40)를 통해 공급되는 가스는 0.01 ~ 0.3 VVM의 양이 반응부(10) 내부로 공급된다.
여기서, 상기 가스의 공급양이 0.01VVM 미만이면, 반응부(10) 내부의 광합성 미생물이 성장하기 위한 가스농도에 미치지 못하므로 광합성 미생물의 성장이 느려지는 문제점이 있으며, 가스의 공급양이 0.3VVM을 초과하면, 반응부(10) 내부의 광합성 미생물이 필요로 하는 가스의 공급량을 초과하므로, 과다주입된 가스로 인해 광합성 미생물의 성장이 둔화될 수 있으며, 또한 전단 응력(shear stress)에 의해 광합성 미생물의 성장이 저해되는 문제점이 발생될 수 있다.
상기 가스 주입부(40)의 기포관(41)은 스테인리스 스틸, 폴리설폰, 폴리에테르설폰, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 테프론, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 서스, 알루미늄, 및 세라믹, 실리콘 재질 중 어느 하나로 이루어질 수도 있다.
이러한 상기 기포관(41)은 0.01 ~ 300 um의 크기로 기공이 형성된다. 상기 기포관(41)의 기공이 0.01 um 미만으로 형성되면, 반응부(10) 내에 공급되는 가스가 제대로 공급되지 않아 반응부(10)내의 광합성 미생물이 성장할 수 없고 너무 작은 기포 크기는 광합성 미생물에 전단 응력(shear stress)을 유발하여 성장을 저해한다. 반면 기포관(41)의 기공이 300um를 초과하여 형성되면 너무 큰 기포 크기가 형성되어 가스가 기액 반응 제한으로 반응부(10) 내부로 원활히 공급되지 않으며 더불어 반응부(10) 내 배양액도 원활히 혼합되지 않아 질소원 등 영양분의 제한으로 광합성 미생물의 성장 저해가 일어난다.
상기 기포관(41)은 반응부(10)의 크기에 따라 공급되는 가스량을 유지시키기 위하여 반응부(10) 내에 다수 삽입 설치될 수 있다.
상기 기포관(41)은 반응부(10)의 크기에 따라 공급되는 가스량을 유지하고 압력 손실을 막기 위해 거리별 기포관(41)의 굵기를 조절하여 제작할 수 있다.
즉, 상기 기포관(41)은 공급배관과 연결된 부위의 반대측 방향으로 길이방향으로 따라 점차 기포관(41)의 직경이 작아지며 형성되는 것이다.
이러한 이유는 상기 기포관(41)이 공급배관과 연결된 부분은 압력이 강하기 때문에 기포가 잘 발생되지만, 반대쪽으로 갈수록 가스 공급압력이 감소되므로 이 공급압력을 유지시키기 위하여 직경이 점차 작아지도록 형성할 수 있다.
그리고, 상기 기포관(41)에 형성되는 기공은 공급배관이 연결되는 부분에서 반대측으로 갈수록 기공의 간격이 좁게 형성될 수도 있다.
상기 기포관(41)의 단면은 원형으로 한정하지 않고 타원형, 사각형, 삼각형, 다각형 등 다양한 형태가 제작 가능하며, 기포관(41)에 형성되는 기공의 간격을 조절하여 형성할 수도 있다.
상기 기포관(41)에는 반응부(10)의 크기에 따라 공급되는 가스량을 유지시키기 위하여 기포관(41)의 양측에서 추가적인 공급배관, 공급펌프(42)를 설치할 수 있다.
상기 입출부(30)는 상기 반응부(10)의 내부로 공급되었던 이산화탄소에서 미세조류 등 광합성 미생물의 광합성작용에 의해 생성된 산소를 배출시키고, 배양액과 광합성 미생물을 반응부(10) 내부로 주입하는 것으로, 반응부(10)의 일면에 형성되는 입출구(33)와, 입출구(33)에 일측이 연결되고 타측이 외부로 연장되는 배출배관(31)과 연결된다. 미생물의 광합성에 의해 생성된 산소를 외부로 원활히 배출하도록 펌핑하는 배출펌프(32)가 배출배관(31)에 설치될 수 있다.
상기 입출부(30)의 입출구(33)로는 배양액과 광합성 미생물을 반응부(10) 내부로 주입할 수 있다. 그리고, 상기 반응부(10)내에 주입된 광합성 미생물이 성장할때 발생되는 산소를 배출하기 위해 배출배관(31)을 입출구(33)에 연결할 수 있다.
상기 반응부(10)의 하단 측면에는 토출구(50)가 형성되어 반응부(10) 내부의 배양액을 배출시킬 수 있다.
이러한 상기 토출구(50)에는 토출밸브(51)가 설치되어 토출밸브(51)를 통해 토출구(50)가 개폐된다. 이로 인해 반응부(10)내에 배양액이 주입될 때에는 토출밸브(51)가 차단되어 토출구(50)를 폐쇄하고, 성장이 완료된 광합성 미생물 배양액을 배출할 때는 토출밸브(51)가 개방되어 토출구(50)를 개방시킨다.
상기와 같이 반응부(10)와 지지대(20)가 구성되면 반응부(10)를 바닥에서 이격시켜 설치하도록 고정부(60)가 상기 지지대(20)를 지지하며 바닥에 설치된다.
상기 반응부(10)가 지지대(20)와 고정부(60)를 통해 다수 설치되면, 반응부(10)의 상태를 확인하여 문제가 생긴 곳을 쉽게 확인할 수 있도록 반응부(10)와 일정 거리 이격된 위치의 일정 높이에는 상기 반응부(10)들의 온도변화를 촬영할 수 있는 열화상 카메라(91)가 설치되며, 상기 열화상 카메라(91)는 감시장치(90)에 연결되어 반응부(10)의 온도변화를 감지하게 된다.
상기와 같이 구성된 본 발명은 비닐 재질의 반응부를 지지대를 통해 커튼형태로 다수 배열함으로써 광합성 미생물의 배양공간을 확장하여 광합성 미생물의 대량 배양이 가능하고, 설치 및 관리 비용을 절감할 수 있으며, 반응부에 열접착에 의한 다수개의 투과부를 윈도우 형태로 배열 형성하여 빛 투과율을 높여 생산성을 증대시키는 효과가 있다.
그리고, 반응부를 직렬로 다수 배열하여 연결부를 통해 연결하므로 한번에 배양액 및 미생물을 주입 또는 배출시킬 수 있고, 광합성미생물을 한번에 배출시킬 수 있는 이점이 있다.
또한, 열화상 카메라를 통해 반응부를 촬영하여 관리하게 되므로 반응부에 문제가 발생되면 대처가 빠르게 이루어질 수 있는 이점이 있다.
상기와 같은 광생물 반응장치는 위에서 설명된 실시예들의 구성과 작동 방식에 한정되는 것이 아니다. 상기 실시예들은 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 구성될 수도 있다.
10 : 반응부 11 : 투과부
12 : 관통홀 13 : 보강부재
14 : 투과홀
20 : 지지대
30 : 입출부 31 : 배출배관
32 : 배출펌프 33 : 입출구
40 : 가스 주입부 41 : 기포관
42 : 공급펌프
50 : 토출구 51 : 토출밸브
60 : 고정부 70 : 반사판
80 : 연결부 81 : 연결체
82 : 연결홈 83 : 밸브
90 : 감시장치 91 : 열화상 카메라
12 : 관통홀 13 : 보강부재
14 : 투과홀
20 : 지지대
30 : 입출부 31 : 배출배관
32 : 배출펌프 33 : 입출구
40 : 가스 주입부 41 : 기포관
42 : 공급펌프
50 : 토출구 51 : 토출밸브
60 : 고정부 70 : 반사판
80 : 연결부 81 : 연결체
82 : 연결홈 83 : 밸브
90 : 감시장치 91 : 열화상 카메라
Claims (10)
- 투명 재질로 이루어져 빛이 투과하는 재질로 이루어지며, 다수의 투과부가 형성되며, 내부에 광합성 미생물이 생장하는 반응부;
상기 반응부의 투과부에 형성된 관통홀을 관통하여 상기 반응부가 커튼 형상으로 형성되도록 상기 반응부를 지지하는 지지대;
상기 지지대를 고정시키며, 상기 반응부를 바닥과 이격시키도록 상기 지지대를 고정시키는 고정부; 및
상기 반응부의 하단에 연결되어 상기 반응부의 내부로 상기 광합성 미생물의 성장에 도움을 주는 가스를 주입하는 가스 주입부;를 포함하여 구성되고,
상기 반응부가 직렬 또는 병렬로 연결되도록 상기 반응부의 양측단에 형성되는 연결부가 더 형성되며, 상기 연결부는 유동이 가능한 관 형상으로 형성되어 다른 상기 반응부의 연결부와 연결되고, 다른 상기 반응부와 연결될 수 있도록 상기 반응부의 일측의 상기 연결부는 끝부분이 삽입될 수 있도록 돌출 형태의 연결체로 형성되고, 상기 반응부의 타측 연결부는 상기 연결체가 삽입될 수 있는 홈 형태의 삽입홈으로 형성되며,
상기 반응부의 하측으로 일정 간격 이격된 위치에는 반사판이 설치되어 빛을 반사하여 상기 반응부로 반사시키고,
상기 반응부의 투과부를 상기 지지대가 관통하여 지지할 때에는 상기 반응부가 평면상 반원형 또는 다각형 또는 삼각뿔 중 어느 하나의 커튼 형상으로 형성되며,
상기 투과부는 상기 지지대가 상기 관통홀을 관통하여 결합될 때 상기 투과부의 파손을 방지하도록 플라스틱 또는 금속 재질의 보강부재가 상기 관통홀에 결합되는 광생물 반응장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 반응부는 내부에 광합성 미생물 및 배양액이 수용되는 배양공간이 형성되고, 전,후면이 열접착에 의해 접합되어 다수개의 투과부가 형성되며, 상기 광합성 미생물이 생장하며 발생되는 산소를 배출시키며, 상기 반응부 내부에 배양액을 주입하는 입출부가 상측에 형성되는 광생물 반응장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 반응부는 폴리에틸렌(PE), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 선형저밀도 폴리에틸렌(LLDPE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), Oriented polypropylene(OPP), 테레프탈레이트와 무연신 폴리프로필렌 혼합 필름(PET+CP), 무연신 폴리프로필렌(CPP), 나일론(Nylon), 이축연신 나일론(ON), 미연신 나일론(CN), 폴리 아세탈(POM), 폴리카보네이트(PC), 폴리에스터(Polyester), 폴리스틸렌(PS), 폴리에스터 설폰(PES), 폴리염화비닐(PVC), 염화 비닐리덴(PVDC), Ethylene vinyl acetate 공중합체(EVA), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리프로필렌(PP), Inflated Polypropylene(IPP) 및 폴리페닐렌옥사이드(PPO=PPE), 실리콘 중 어느 하나 또는 상기의 재질이 복합되는 재질로 이루어진 광생물 반응장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 투과부는 원형 또는 타원형 또는 반원형 또는 상기 광합성 미생물이 적체가 되지 않도록 상부에 적체부가 형성되지 않는 다각형 형태 또는 기둥형태 중 어느하나로 형성되어 연속 또는 지그재그로 배열되어 형성되는 광생물 반응장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 반응부와 일정 거리 이격된 위치의 일정 높이에는 상기 반응부들의 온도변화를 촬영할 수 있는 열화상 카메라가 설치되며, 상기 열화상 카메라는 감시장치에 연결되어 상기 반응부의 온도변화를 감지하는 광생물 반응장치. - 삭제
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