KR101930526B1 - 고부유물질 함유 가축액상분뇨 적합한 미세조류배양 시스템, 배양 방법 및 이를 이용한 조류비료 - Google Patents

고부유물질 함유 가축액상분뇨 적합한 미세조류배양 시스템, 배양 방법 및 이를 이용한 조류비료 Download PDF

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Abstract

본 발명은 부유물질 고함유 가축액상분뇨를 이용한 조류 생산 장치에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은, 가축액상분뇨를 이용하여 미세조류를 배양하는 시스템에 있어서, 제어부, 축산분뇨 액비와 물을 혼합하여 맞춤 액비를 제조하는 제조탱크, 및 상기 제조탱크로부터 공급 받은 맞춤 액비에 빛을 조사하여 미세조류를 1차 배양하기 위한 제 1 배양조, 및 상기 제 1 배양조에서 미세조류가 1차 배양된 액비와 상기 제조탱크로부터 공급되는 맞춤 액비를 혼합한 후, 빛을 조사하여 미세조류를 2차 배양하는 제 2 배양조를 포함하는, 미세조류 배양시스템.

Description

고부유물질 함유 가축액상분뇨 적합한 미세조류배양 시스템, 배양 방법 및 이를 이용한 조류비료{apparatus suitable for microalgae culture of liquid animal manure containing high suspended solid, manufacturing method thereof and production of algae fertilizer}
본 발명은 부유물질 고함유 가축액상분뇨를 이용한 조류 생산 장치에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은, 방수 LED를 이용하여 빛의 투과량을 증대하여 고부유물질 함유 가축분뇨액비의 미세조류 배양이 가능하도록 한 장치 및 이와 관련되는 배양 방법에 관한 것이다.
일반적으로 미세조류 배양에는 빛과 질소와 인 등의 화학 영양염류 첨가와 많은 양의 물을 필요로 한다. 하지만, 이러한 요소들은 미세조류를 배양에 생산비용을 높이게 되는 요인으로 작용하고 있었다.
미세조류의 배양을 위한 반응기는 개방형과 밀폐형으로 구분될 수 있으며, 상기 개방형 반응기는 수로형 연못(open pond)의 형태로서 일반적으로 상용화된 미세 조류 대량 생산시스템이고, 상기 밀폐형 반응기는 평판형과 원통형으로 구분되어 구성되는 것이다.
지금까지 미세조류를 배양하기 위한 개방형 및 밀폐형 반응기는 화학 배지 원료를 이용하여 배양하였기 때문에 빛의 투과 장해 문제가 발생하지 않았다. 그러나 종전에 상용화된 미세조류 배양기의 경우에는 화학 배지에서는 고밀도로 미세조류를 증식할 수 있었지만 가축분뇨 등 부유물질(Suspended solid)이 높은 원료에 미세조류의 대량 배양이 어려웠고, 미세조류를 고밀도로 증식하지 못하는 단점을 가지고 있으며, 이에, 부유물질(Suspended solid)이 높은 원료에 미세조류를 고밀도로 대량으로 배양할 수 있는 미세조류 반응기의 개량기술이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 개선하기 위한 것으로, 가축분뇨처리장의 액비와 같은 유기성 오염물질에 대한 미세조류 배양시 광투과 효율을 높인 미세조류 미세조류 배양시스템 및 그 배양방법을 제공함에 그 목적이 있는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 가축분뇨의 혐기성소화액 등의 고 부유물질 함유 유기성 폐자원을 이용한 미세조류 대량 배양과 미세조류의 비료화를 통해 친환경적 유기성 생물비료로 재이용하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 가축액상분뇨를 이용하여 미세조류를 배양하는 시스템에 있어서, 제어부; 축산분뇨 액비와 물을 혼합하여 맞춤 액비를 제조하는 제조탱크; 및 상기 제조탱크로부터 공급 받은 맞춤 액비에 빛을 조사하여 미세조류를 1차 배양하기 위한 제 1 배양조; 및 상기 제 1 배양조에서 미세조류가 1차 배양된 액비와 상기 제조탱크로부터 공급되는 맞춤 액비를 혼합한 후, 인공 방수 LED 빛을 조사하여 미세조류를 2차 배양하는 제 2 배양조를 포함하는, 미세조류 배양시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 미세조류 배양 시스템의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 고밀도의 미세조류를 대량으로 증식하여 배양시킬 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 증식된 미세조류를 통해 미세조류(클로렐라) 비료로 농작물 재배의 친환경농자재로 활용이 가능하다는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 가축분뇨 공동자원화, 혐기소화 처리시설 등 가축분뇨 처리 시설에 설치되기 때문에 종래의 일반적인 노지 배양방법이나 상기 판형, 관형, 수직형, 반응기(Photobioreactor, PBR)를 이용한 미세조류 배양방법에 비하여 별도의 설치공간을 필요로 하지 않고 비용도 대폭 절감할 수 있는 효과가 있다.
게다가, 본 발명은, 미세조류 배양장치의 반응조에서 방수 LED를 이용하여 고부유물질 함유 가축분뇨액비 원료의 미세조류의 성장속도를 높일 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 적용 가능성의 추가적인 범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정은 당업자에게 명확하게 이해될 수 있으므로, 상세한 설명 및 본 발명의 바람직한 실시 예와 같은 특정 실시 예는 단지 예시로 주어진 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 미세조류 배양시스템(100)의 평면도를 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 미세조류 배양시스템(100)의 측단면도를 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 광원부(10)를 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 시스템의 제어 순서도를 도시하는 도면이다.
도 5는 1톤 배양 실험 실증에 대하여 시간에 따른 온도 변화 그래프를 도시하는 도면이다.
도 6은 1톤 배양 실험 실증에 대하여 시간에 따른 pH 변화 그래프를 도시하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 1톤 배양 실험 결과에서 시간에 따른 pH의 그래프를 도시하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 1톤 배양 실험 결과에서 시간에 따른 ORP(Oxidation Reduction Potential)의 그래프를 도시하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 실제 1톤 배양 실험의 사진이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따라, 제 1 및 제 2 배양조(6, 13)에 설치되는 분배관(20)을 도시하는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따라 분배관(20)을 통하여 액비가 이송되는 방법 및 시스템의 배양 순서를 도시하는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 배양 시스템의 순서도를 도시하는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
일반적으로 미세조류 배양에는 빛과 질소와 인 등의 화학 영양염류 첨가와 이산화탄소 그리고 많은 양의 물을 필요로 했는데, 이러한 요소들은 미세조류를 배양에 생산비용을 높이게 되는 요인으로 작용하고 있었다. 그렇기 때문에 영양염류 등 미세조류 배양에 필요한 양분이 포함된 가축의 분뇨를 이용하여 미세조류를 배양시키는 방법이 요구된다.
하지만, 가축의 분뇨를 이용할 경우, 부유물질이 많아 빛의 투과가 어렵기 때문에 넓은 영역에 걸쳐서 광원을 제공해 주어야 했다. 따라서, 이러한 배양 장치들은 공간 활용도가 낮을 수 밖에 없다는 단점이 있었다.
본 발명의 일실시예에서는, 가축의 분뇨를 이용하면서도 공간의 제약을 없애면서 동시에 높은 밀도의 미세조류를 배양할 수 있는 시스템에 대해서 제안한다.
본 발명의 일실시예에 따른 가축분뇨액비를 이용한 미세조류 배양시스템은, 축산분뇨 액비처리장의 액비가 유입되면 맞춤 액비제조탱크에서 미세조류 성장환경에 적합한 액비의 농도를 조절하는 맞춤 액비제조탱크; 상기 미세조류 배양액 주입부를 통과한 액비를 이용하여 미세조류를 증식 배양할 수 있다.
이에 따른, 본 발명의 일실시예에 따른 미세조류 배양 시스템은 제어부; 축산분뇨 액비와 물을 혼합하여 맞춤 액비(맞춤 배지)를 제조하는 제조탱크; 및 상기 제조탱크로부터 공급 받은 맞춤 액비에 빛을 조사하여 미세조류를 1차 배양하기 위한 제 1 배양조; 및 상기 제 1 배양조에서 미세조류가 1차 배양된 액비와 상기 제조탱크로부터 공급되는 맞춤 액비를 혼합한 후, 빛을 조사하여 미세조류를 2차 배양하는 제 2 배양조를 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 미세조류 배양시스템(100)의 평면도를 도시하는 도면이다. 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 미세조류 배양시스템(100)의 측단면도를 도시하는 도면이다.
도시된 도면을 참조하면, 미세조류 배양시스템(100)은 맞춤 액비제조탱크(1, 이하 제조탱크라 함), 교반기(2), 가축분뇨 액비 이송관(3), 맞춤 액비이송관(4), 유량계(5), 제 1 배양조(또는, 제 1 배양기, 6), 블로워(7), 미세 산기관(8), 공기주입관(9), 광원부(10), 로터리밸브(11), 펌프(12), 제 2 배양조(최종배양기, 13), 배출구(14), 흡입구(15) 및 제어부(미도시)를 포함할 수 있다. 상기 구성들은 미세조류 배양시스템(100)을 구성하는 필수 구성이 아니므로, 일부 구성을 생략하고 실시하거나, 다른 구성이 추가되어 실시할 수 있음은 자명하다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 시스템의 제어 순서도를 도시하는 도면이다. 이하, 순서도와 함께 보다 구체적으로 살펴본다.
미세조류 배양시스템(100, 배양 장치)에서, 제조탱크(1)는 가축분뇨를 미세조류 배양배지로 적합한 맞춤 액비를 제조(S401 단계)할 수 있다. 이때, 맞춤 액비는 축산분뇨 액비와 물을 적절히 혼합하여 제조시킬 수 있다. 그리고, 교반기(2)는 스크류를 회전시켜 상기 제조탱크 내부의 액상중 미세입자 성상이 가라앉지 못하도록 교반시킬 수 있다.
유량계(5)는 상기 제조탱크(1)로부터 제 1 배양조(6)로 배지를 이송되는 양을 감지하여 제어부에게 전달할 수 있다. 제어부는 제 1 배양조(6)로 이송되는 배지의 양을 조절하도록 펌프(12)를 제어할 수 있다.
제 1 배양조(6)에서는, 상기 제조탱크(1)로부터 배출된 미세조류 배양배지가 배출되어 미세조류가 배양(S403 단계)된다. 이때, 미세조류의 배양은 광원부(10)로부터 조사되는 광원과 블로워(7), 공기주입관(9) 및 산기관(8)로부터 주입되는 이산화탄소에 의해서 이루어질 수 있을 것이다.
블로워(7)는 제 1 배양조(6)와 2차 배양기(13) 내 배지에 공기중의 이산화탄소를 공급하여 미세조류의 배양을 효과적으로 보조하고 배양 속도를 향상시킨다.
이때 블로워(7)를 통하여 주입되는 공기는 공기주입관(9)을 통하여 산기관(8)으로 전달된다. 즉, 블로워(7)로부터 주입되는 공기는 산기관(8)을 통하여 미세입자 형태로 1차와 2차 배양기(6, 13)의 배지로 공급된다. 이러한 산기관(8)은, 주입되는 공기를 미세기포 형태로 액비에 공급하여 상기 배양조 바닥면에서 미세조류의 엉킴 또는 뭉침현상을 예방하며 공기중의 이산화탄소를 공급하게 한다. 주입관(9)은 상기 블로워(7)의 공기를 산기관으로 이송하는 통로 역할을 한다.
미세조류의 효과적인 배양을 위한 광원부(10)가 구비되는데, 광원부(10)는 LED등(LED lamp) 는 적색 LED와 청색 LED가 3:1 로 구성된 60W의 조명기구가 사용될 수 있다. 이러한 조명기구는 방수가 가능하도록 투명 아크릴 원형통에 설치되어 배양기 중심부에 수직으로 설치되는 설치될 수 있다.
로터리 밸브(11)는 제조탱크 내 배지가 배양기로 이송되거나 배양기 내 배지가 순환하도록 조절한다. 펌프(12)는 1차 및/또는 2차 배양기(6, 13) 내에 배지를 공급시킬 수 있다. 또한, 펌프(12)는, 상기 1차 및 제 2 배양조(6, 13) 내의 배양액을 일정속도로 순환시킬 수 있으며, 제어부는 미세조류의 성장속도에 따라 펌프(12)의 순환 속도가 자동 또는 수동으로 제어시킬 수 있다.
S404 단계에서는, 제 1 배양조(6)에서 배양되는 미세조류의 농도는 pH 센서를 통해 pH감지하고, pH 10.5 이상 감지되지 않앗을 경우 S403 단계를 반복할 수 있다. 만약 pH 10.5 이상 배양되는 경우, S405 단계로 진행할 수 있다.
미세조류가 제 1 배양조(6)에서 소정 수치 이상 배양되면, 제어부는 1차 배양된 액비를 제 2 배양조로 공급하도록 펌프(12)를 제어(S405 단계)할 수 있다. 그리고, 제 2 배양조(13)에서 맞춤 액비와 1차 배양된 액비를 혼합(S406 단계)시킬 수 있다. 그 이유는, 소정 농도 이상 미세조류가 배양된 제 1 배양조(6) 내에는 미세조류를 배양하기에 충분한 영양이 공급되기 어렵기 때문에, 새로운 맞춤 액비와 혼합시켜 새로운 영양 성분을 공급시킨다.
본 발명에서 단계적으로 미세조류를 성장시키는 이유는, 상기 영양을 공급하기 위함 뿐만 아니라, 미세조류의 초기 성장속도의 개선을 위해서이다. 즉, 미세조류는 가축분뇨를 이용하는 배양 초기에 매우 느린 속도로 성장하게 된다. 따라서, 제 1 배양조(6)에서 1차 배양된 액비를 두 곳으로 나누어서 재배양할 경우, 배양 초기의 느린 속도를 개선시킬 수 있기 때문에, 본 발명에서는 단계적인 배양을 제안하는 것이다.
제 2 배양조(13)는 상기 제 1 배양조(6)로부터 배양된 미세조류를 고농도로 배양(S407 단계)한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 광원부(10)를 도시하는 도면이다.
그리고 광원부(10)는 상기 LED등(10)가 배양기 중심에 수중 설치되어 광을 배지 속으로 공급할 수 있도록 LED등 기구를 감싸주는 투명 아크릴 원통형 관(16); 상기 LED등(10)의 LED 는 적색 LED와 청색 LED가 3:1로 구성되어 배치된 LED로 구성된 LED 바(LED bar, 17); 상기 LED 바(17)의 LED를 기동하는 LED 기판(18)을 포함할 수 있다.
이하 실험에서 증명되지만, 1톤 가량의 액비에서 미세조류를 배양하기 위해서는 액비 내부까지 충분한 광원이 공급되어야 한다. 그렇기 때문에 본 발명의 시스템에서는 수중 설치가 가능하도록 LED등(10)을 감싸는 원통형 관(16)이 요구된다.
상기 미세조류 배양시스템(100)은, 고밀도 미세조류의 대량 배양을 유도하도록 평면이 사각형상을 갖는 배양본체의 중심 상단에 교반과 이송에 필요한 펌프(12)와 미세조류 성장에 필요한 빛을 조사하는 광원부(10) 그리고 공기중의 이산화 탄소를 배양기에 주입하는 블로워(7)로 형성하여 일정폭과 일정길이 및 일정높이를 가지고 상측이 개방된 광반응조(Photobioreactor)로 구성한다.
상기 1차 및 제 2 배양조(6, 13)의 중심부 각각에는 미세조류의 고밀도 증식 효과를 높이도록 광원부(10)를 설치 구성한다.
상기 1차 및 제 2 배양조(6, 13)는, 내부 수직방향으로 상기 펌프 좌로나 우측에 배출구(14)가 배치되어 배양조(6, 13) 내의 흡입구(15)를 통하여 배지가 끌어올려져 배양액이 일정속도로 순환시킬 수 있다.
상기 1차 및 제 2 배양조(6, 13)는, 내부에 온도조절을 위한 열선(히팅장치, 미도시)을 구비하는 것이 바람직하다. 다만 이 열선은 간접열로 히팅하도록 하여 강한 열에 의한 미세조류의 성장저해가 발생하지 않도록 할 수 있다.
상기 이산화탄소 주입장치(블로워, 공기주입관 및 미세산기관)는 공장 또는 발전소에서 배출되는 이산화탄소(CO2)를 포집한 후 이를 상기 반응조에 주입하도록 구성할 수 있다.
이때 배양조에서 배양되는 미세조류는, 클로렐라 소로키니아나(Chlorella sorokiniana), 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris), 세네데스부스 디모르푸스(Scenedesmus dimorphus), 세네데스부스 오블리쿼스(Scenedesmus obliquus), 마이크로시스티스 에루기노사(Microcystis aeruginosa) 및 유글레나 그라실리스(Euglena gracilis) 중 어느 하나이다.
도시된 바와 같이, 상기 배양조는 1차 와 제 2 배양조로 구분될 수 있다. 제 1 배양조(6)에서 적정 농도로 미세조류가 배양된 후 50% (v/v)를 2차 배양기(13)로 이송한다. 이때 제 2 배양조(13)에는 제조탱크(1)에서 제조된 배양배지를 50% (v/v) 채워 놓는다. 즉, 제 2 배양조(13)에서는, 제조탱크(1)에서 제조된 맞춤 액비와 상기 제 1 배양조(6)에서 미세조류가 1차 배양된 액비를 혼합할 수 있으며 혼합 비율은 50:50의 비율에 한정되는 것은 아니다.
상기 구성들의 구체적인 사양이 아래 표 1에 기재되어 있다.
생물비료제조시설 계약 사양서
전체
시스템의
규격
내부용량 (L)  : 1,000
외부치수 (mm)  : 1000×1200×1160(길이ⅹ너비ⅹⅹ높이)
블로워(7) 상(Phase)  : 1
모터(Motor) : 0.4HP 0.33kW
토출(Pressure) : 1000mmAq
흡입(Vacuum) : 1000mmAq
최대풍량(Max. Air flow) : 1.3m3/min
전류(Current) : 220V, 3.4A
펌프(12) 전원(Power Source) : 1Phase, 220
출력(Output) :  0.20kW
양정(Head) : 총양정(Total Head) 21.0m, 흡상(Suction Head) 8.0m, 압상(Discharge Head) 13.0m
최대양수량(Max.Flow rate) : 1,800L/hr
산기관(8) 직경(Diameter) : φ200mm
통기량(Air flow) : 10~100L/min
산소전달효율(O.T.E) : 21~28%
이하, 상술한 배양 시스템에 대하여 수행한 실험에 대해서 아래와 같이 설명한다.
도 5는 1톤 배양 실험 실증에 대하여 시간에 따른 온도 변화 그래프를 도시하는 도면이다. 도 6은 1톤 배양 실험 실증에 대하여 시간에 따른 pH 변화 그래프를 도시하는 도면이다.
<1톤 배양 실험 실증>
1) 실험목적
혐기소화액 2%의 배지로서의 적합성을 확인하였으며, 실험실규모 300㎖와 2ℓ의 배양실험에서 복합 배양 가능성을 찾았다.
Chlorella fertilizer로서의 실증을 위해 1t 규모의 배양과 작물 재배 실험을 실시한다.
1t 규모 배양을 위해 10ℓ종균 배양을 한다.
2) 실험방법
10ℓ 종균배양 :
① 혐기소화액 2%의 배지 10ℓ에 10㎖ chlorella를 접종하여 7일 항온 배양.
폭 기 혐기소화액 2% + chlorella S1
혐기소화액 2% + chlorella S2
혐기소화액 2% + chlorella S3
② 7일 배양 후 T1, T2, T3 cell counting하여 최적 배양된 chlorella를 선별한다.
* 1톤 배양 :
① 혐기소화액 2%의 배지 1t에 최적 배양된 chlorella 10ℓ를 접종한다.
교반 혐기소화액 2% + chlorella T1
폭기 혐기소화액 2% + chlorella T2
3) 분석방법
기기 분석 : pH, DO, ORP, TP, TN, chlorella cell density, chlorophyll-a
분석 의뢰 : TP, TN, 효모 cell density
4) 실증 결과
(1) 10L 종균배양 실험결과
- 항온배양기 내부 실험 배치가 상부 조명에 실험구를 수직으로 배치할 수 없는 조건에서 빛의 세기가 각 층별로 상부가 가장 높고 하부로 내려갈수록 낮아져서 실험결과 빛에 의한 배양 상태가 다르게 나타났다. 그러나 최상부는 빛은 가장 많이 조사되지만 상대적으로 온도가 높아 중간층의 샘플에서 배양이 가장 뛰어난 것으로 나타났다.
- 가장 많은 빛을 조사받은 최상부의 S3는 고온의 조건으로 오히려 성장 저해를 받은 것으로 보여지며, S2가 빛은 S3보다 적게 조사받았지만 온도가 가장 최적 온도 조건에 의해 가장 배양 상태가 좋은 것으로 나타났다. S1은 바닥층에 위치함으로써 빛과 온도가 모두 적절하지 못해 가장 배양 상태가 좋지 않았다.
- 1톤 배양에 S2시료를 사용하였다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 1톤 배양 실험 결과에서 시간에 따른 pH의 그래프를 도시하는 도면이다. 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 1톤 배양 실험 결과에서 시간에 따른 ORP(Oxidation Reduction Potential)의 그래프를 도시하는 도면이다. 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 실제 1톤 배양 실험의 사진이다. 이하, 1톤 배양 실험 결과에 대해서 요약 설명한다.
(2) 1톤 배양 실험결과
T1은 수중펌프에 의한 교반만 적용하였고 T2는 폭기를 실시하였는데, T1 이 T2 에 비하여 chlorella 배양이 더 잘된 것으로 판단(도 7 및 도 8 참조)되었다.
1톤 규모의 배양을 실시하면서 Lab에서 소규모 배양실험에서 예상하지 못한 문제점을 발견하였는데, 이는 1톤 규모의 배양기는 깊이가 1m 이상으로 빛이 자연채광으로는 충분하지 못하다는 것이다. 따라서 본원 발명의 시스템에서와 같이, LED바를 배양조 중심에 구비하는 광원부(10)가 요구된다.
작물재배 적용 실험을 위해서는 우선 배양규모를 300L로 전환하였다.
한편, 본 발명의 일실시예에서는, 두 단계의 배양을 자동으로 수행할 수 있는 시스템에 대해서 제안하고자 한다. 이를 위해서 본 발명의 일실시예에 따른 배양 시스템은, 제 1 배양조(6) 및 제 2 배양조(13) 각각에 미세조류의 농도를 감지할 수 있는 농도센서(미도시) 및 분배관(20)을 더 포함할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따라, 제 1 및 제 2 배양조(6, 13)에 설치되는 분배관(20)을 도시하는 도면이다. 도시된 도면을 참조하면, 분배관(20)은 제 1 및 제 2 배양조(6, 13)의 하부에 설치되어 서로를 연결하고 있으며, 분배관(20)을 차단하는 밸브를 개방하면, 이를 통하여 액비가 이송될 수 있다.
상술한 실시예에서는, 제 1 배양조(6)로부터 제 2 배양조(13)에 배지를 이송하기 위하여 펌프(12)를 이용한다고 하였으나, 본 실시예에서는 배양조의 하단에 분배관(20)을 구비하고, 분배관(20)의 밸브를 개방하는 방식으로 배지를 이송시키도록 제안한다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따라 분배관(20)을 통하여 액비가 이송되는 방법 및 시스템의 배양 순서를 도시하는 도면이다. 도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 배양 시스템의 순서도를 도시하는 도면이다. 이하, 도 11 및 도 12를 함께 참조하여 설명한다.
S1201 단계에서 제어부는 펌프(12)를 제어하여 제 1 배양조(6)에 맞춤액비(A)를 공급할 수 있다(도 11 (a) 참조). S1202 단계에서 제어부는 제 1 배양조(6)에 공급된 맞춤액비(A)를 배양(A→A')시킬 수 있다(도 11 (b) 참조). 이때, 배양은 상술한 바와 같이 미세조류에 빛을 조사하거나, 이산화탄소를 공급하는 등의 과정을 의미한다.
S1203 단계에서 제어부는 농도센서를 이용하여 미세조류의 농도를 감지한다. S1204 단계에서 제어부는 감지된 농도가 임계치에 도달하였는지를 판단하고, 만약 도달하지 않았다면 S1202 단계로 진행할 수 있다. 임계치에 도달하였으면 제어부는 분배관(20)의 밸브를 개방한다. 분배관(20)은 제 1 및 제 2 배양조(6, 13)의 하단에 설치되어 있기 때문에, 중력에 의해서 제 1 및 제 2 배양조(6, 13)에 절반씩 분배(도 11 (c) 참조)될 수 있다. 이를 위해서 분배관(20)은 전체 배양조 높이의 절반 이하에 설치될 수 있다.
재분배된 후 제어부는 개방된 분배관(20)의 밸브를 다시 폐쇄시킬 수 있다.
제어부는 S1206 단계에서 제 1 및 제 2 배양조(6, 13)에 맞춤액비(A)를 재공급하도록 펌프(12)를 제어할 수 있다. 이렇게 재공급된 맞춤액비(A)는 기존에 배양된 액비(A')와 혼합될 것이다.
S1207 단계에서는, 혼합액비(A+A')를 재배양시킬 수 있다.
S1208 단계에서는, 제 1 및 제 2 배양조(6, 13)에서의 미세조류 농도를 재감지한다. 미세조류의 농도가 임계값에 도달하였는지를 판단하고, 임계값에 도달하지 않았으면 S1207 단계를 반복, 도달하였으면 S1210단계로 진행할 수 있다.
한편, S1204에서의 임계치와 S1209에서의 임계치는 서로 다를 수 있다(즉, 제 1 및 제 2 임계치는 서로 다를 수 있다). 왜냐하면, 재배양된 액비는 더 높은 농도로 배양되기 때문이다.
이와 같이 두 단계로 나뉘어진 배양 시스템의 경우, 미세조류 배양 과정에서 부족해지는 영양을 보다 효과적으로 제어할 수 있으며, 미세조류의 배양 초기에 느린 성장 속도를 개선시킬 수 있다.
S1210 단계에서는 제 1 및 제 2 배양조(6, 13)에서 재배양된 액비를 배출시킨다.
이상으로 본 발명에 따른 미세조류 배양 시스템의 실시예를 설시하였으나 이는 적어도 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이에 의하여 본 발명의 기술적 사상과 그 구성 및 작용이 제한되지는 아니하는 것으로, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 도면 또는 도면을 참조한 설명에 의해 한정/제한되지는 아니하는 것이다. 또한 본 발명에서 제시된 발명의 개념과 실시예가 본 발명의 동일 목적을 수행하기 위하여 다른 구조로 수정하거나 설계하기 위한 기초로써 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 사용되어질 수 있을 것인데, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의한 수정 또는 변경된 등가 구조는 특허청구범위에서 기술되는 본 발명의 기술적 범위에 구속되는 것으로서, 특허청구범위에서 기술한 발명의 사상이나 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변화, 치환 및 변경이 가능한 것이다.

Claims (2)

  1. 가축액상분뇨를 이용하여 미세조류를 배양하는 시스템에 있어서,
    축산분뇨 액비와 물을 혼합하여 맞춤 액비를 제조하는 제조탱크;
    상기 제조탱크로부터 공급 받은 맞춤 액비에 빛을 조사하여 미세조류를 1차 배양하기 위한 제 1 배양조;
    상기 제 1 배양조에서 미세조류가 1차 배양된 액비와 상기 제조탱크로부터 공급되는 맞춤 액비를 혼합한 후, 빛을 조사하여 미세조류를 2차 배양하는 제 2 배양조;
    상기 제1 배양조 및 상기 제2 배양조의 배양액을 일정속도로 순환시키는 펌프;
    상기 제 1 및 제 2 배양조는 육면체 형상의 액비 수용공간을 구비하고, 상기 제 1 및 제 2 배양조 중심에 수직 설치되는 LED 바를 포함하며, 상기 LED 바를 감싸는 투명 아크릴 원형통을 이용하여 방수가 가능하도록 만들고, 상기 LED 바는 적색LED와 청색LED가 3:1로 구성된 60W로 상기 제 1 및 제 2 배양조 각각에 빛을 조사하기 위한 광원부;
    상기 제조탱크, 제 1 및 제 2 배양조간에 액비를 이송시키기 위한 액비이송관;
    상기 액비이송관을 통하여 상기 액비를 이송시키는 펌프;및
    상기 제 1 배양조에서 1차 배양된 미세조류의 농도가 소정수치에 도달하면, 상기 펌프를 제어하여 상기 1차 배양된 액비가 상기 액비이송관을 통하여 상기 제 2 배양조로 이송시켜 맞춤 액비와 상기 1차 배양된 액비가 상기 제2 배양조에서 혼합되도록 제어하며, 미세조류의 성장속도에 따라 상기 펌프의 순환 속도를 자동 또는 수동으로 제어하는 제어부;
    를 포함하는 미세조류 배양시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 배양조와 제2 배양조 내 배지에 공기중의 이산화탄소를 공급하는 블로워;
    상기 블로워로 주입되는 공기를 상기 제1 배양조와 제2 배양조의 배지로 공급하는 산기관;
    을 더 포함하는 미세조류 배양시스템.
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