KR102673216B1 - 미세조류 배양장치 및 이를 이용한 배양방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 미세조류의 종류에 상관없이 미세조류의 배양 효율 및 배양 수율이 향상되고, 배양챔버의 상태를 LED 램프로 시각화하여 비상시 대응이 용이할 뿐만 아니라 에너지 절감 효과가 있는 미세조류 배양장치 및 이를 이용한 배양방법을 개시한다.
Description
본 발명은 미세조류 배양장치 및 이를 이용한 배양방법에 관한 것이다.
미세조류는 이산화탄소를 제거하고 산업적으로 유용한 다양한 이차 대사물질을 생산해 내는 광합성 미생물로 생물산업분야에서 주목 받고 있는 유용한 자원이다.
미세조류를 이용한 BT(Biotechnology) 산업은 이산화탄소 고정화 및 바이오 에너지 생산을 통한 지구온난화 방지와 함께 유용물질의 생산을 통한 식품, 화장품, 의약품 산업 등 다양한산업에 활용이 가능한 다양한 장점을 가지고있어 현재 전세계적인 연구가 지속되어가고 있는 실정이며, 미래의 저 탄소녹색성장 시대를 이끌어갈 차세대 기반 산업이라고 할 수 있다
미세조류의 생산은 이산화탄소의 공급 및 광합성을 통해 이루어지며, 상기 미세조류를 생산하기 위한 다양한 방법이 제시되고 있다.
특허문헌 1에서는 이산화탄소를 공급하고, 여러가지 기능을 가지는 기능성 입자를 배양액 내에서 유동시켜 미세조류 배양에 필요한 여러 기능들을 배양액 내에 균일하게 분포시킴으로써 미세조류를 고효율로 배양할 수 있다고 개시하고 있다.
화력발전소 내 존재하는 다량의 이산화탄소로 인해 미세조류의 성장을 촉진할 수 있다는 내용이 알려지면서 배기가스를 이용한 미세조류의 생산에 대한 연구도 진행되고 있다.
특허문헌 2에서는 배기가스를 공급하여 아쿠도데스무스 오블리쿠스(Acutodesmus obliquus)KGE 30인 미세조류를 배양시키는 방법을 제안하고 있다. 이러한 방법은 실험실 수준에서 배기가스의 공급이 이루어지고 있어 실제 대량 생산 공정에 적용은 용이하지 않다.
특히, 미세조류의 성장을 위해 주입되는 이산화탄소는 챔버 내부로 공급 후 곧바로 상승하여 챔버의 배출구로 배출되어 상기 미세조류에 이산화탄소의 전달이 제대로 이루어지지 않아 광합성 효율 저하를 야기한다. 이에, 이산화탄소를 미세버블 형태로 공급하는 방법이 제안되었으나, 미세버블끼리 뭉쳐 큰 버블로 되거나 미세버블 상태를 충분히 유지하지 못하는 문제가 발생하였다.
이산화탄소를 미세버블로 공급하되, 그 상태를 충분히 유지할 경우 미세조류의 광합성 효율이 향상될 수 있기 때문에, 이러한 기능을 수행할 수 있는 새로운 장치의 제안이 시급하다.
본 출원인은 발전소로부터 발생되는 배기가스로부터 얻어지는 이산화탄소를 공급하여 미세조류의 배양시, 와류 발생에 의해 이산화탄소의 미세버블을 발생시키고, 발생된 버블을 장시간 유지할 경우 미세조류의 성장을 높일 수 있다는 아이디어에 착안하여 미세버블 발생기를 제작하고, 이를 미세조류 성장이 이루어지는 챔버와 연결된 미세조류 배양장치를 제작하였다.
또한, 상기 미세버블과 함께 이보다 큰 직경의 버블인 매크로버블을 함께 발생시킬 경우 미세조류 성장을 위한 배양액의 순환을 도와 미세조류의 성장을 가속화할 수 있음을 확인하였다.
또한, 장치 작동에 사용하는 에너지를 절감하면서도 미세조류의 성장을 증가시킬 수 있도록 조도에 따라 서로 다른 파장의 빛을 제공하기 위한 복수 개의 광원을 챔버에 장착하고, 조도가 낮은 경우에만 광원을 조사하여 시간 및 날씨에 관계없이 24시간 미세조류의 성장이 이루어질 수 있도록 하였다.
더불어, 육안으로 상태 변화를 감지하여 비상시 조치가 용이하도록 외부에 센서와 LED 램프를 연동시킨 미세조류 배양장치를 제작하였다.
본 발명의 목적은 미세조류 배양장치 및 이를 이용한 미세조류 배양방법을 제공하는데 있다.
본 발명은 발전소로부터 발생되는 배기가스로부터 얻어지는 이산화탄소를 공급하여 광합성을 통해 배양액 내에서 미세조류를 배양하기 위한 미세조류 배양장치를 제공한다.
상기 미세조류 배양장치는 상부가 개방되고 하부가 폐쇄되고, 미세조류 및 배양액이 수용되어 상기 미세조류를 배양하기 위한 공간을 제공하는 배양 챔버; 상기 개방된 배양 챔버 상부에 장착되면서, 상부에 산소 배출을 위한 배출구를 갖는 공기배출부; 및 상기 배양 챔버 하부에 장착되면서, 상기 미세조류 성장을 위한 광원을 공급하기 위한 광원부;를 구비한다.
상기 배양 챔버의 하부면에 상기 배양 챔버 내부로 이산화탄소를 포함하는 혼합 가스를 버블 형태로 공급하기 위한 복수 개의 버블 발생기를 구비한다.
상기 버블 발생기는 적어도 하나 이상의 미세버블 발생기 및 적어도 하나 이상의 매크로버블 발생기이다.
상기 미세버블 발생기는 상부면에 미세버블이 배출되는 개구부와, 하부 일측에 혼합 가스를 주입을 위한 주입구가 구비된 하우징을 구비한다.
상기 공기배출부는 양단이 관통되며, 상부에는 배출구가 형성되고, 하부에는 배양 챔버의 상부에 장착되기 위해 하부에 체결부재가 형성된 하우징과, 상기 하우징의 하부 외주면에 공기 유입을 위한 타공이 형성되고, 상기 하우징의 내측으로 필터가 수용되고, 상기 필터와 배출구 사이에 팬이 위치한다.
상기 광원부는 양단이 관통되며, 배양 챔버 하부에 장착되기 위해 상부에 체결부재가 형성된 하우징과, 상기 하우징의 내측에 조도에 따라 서로 다른 파장의 빛을 상기 배양 챔버에 제공하기 위한 복수 개의 광원을 구비한다.
상기 배양 챔버 상부면은 미세조류 투입을 위한 배지 투입구와, 상부 일측 면에는 조도 센서 및 수위 센서를 구비한다.
상기 배양 챔버 하부면은 배양액의 온도 조절을 위한 가열부, 이와 이격하여 형성된 복수 개의 센서, 상기 가열부로 온수 주입을 위한 온수 주입구, 및 상기 배양 챔버에서 성장된 미세조류를 회수하기 위한 미세조류 회수구를 구비한다.
상기 센서는 온도 센서, pH 센서, 및 미세조류 감지 센서이다.
상기 광원부의 외측면에 외부 하우징을 더욱 구비하고, 상기 외부 하우징은 배양 챔버의 센서로부터 측정된 조도, pH 및 온도 변화를 시각화하기 위한 LED 조명 및 현황판을 구비한다.
또한, 본 발명은 발전소로부터 발생되는 배기가스로부터 얻어지는 이산화탄소를 공급하여 광합성을 통해 배양액 내에서 미세조류를 배양하되,
상기 이산화탄소는 이를 포함하는 혼합 가스를 미세버블 발생기를 통과시켜 미세버블 형태로 공급하고, 미세조류 배양장치를 이용한 미세조류 배양방법을 제공한다.
본 발명에 따른 미세조류 배양장치는 이산화탄소를 미세버블 형태로 공급하여 미세조류의 성장을 돕고, 시간 및 날씨에 관계없이 지속적인 광합성이 가능하여 미세조류의 성장을 가능케 한다. 상기 미세조류 배양장치는 미세조류의 종류에 상관없이 미세조류의 배양 효율 및 배양 수율이 향상될 수 있다.
또한, 배양장치 내 센서와 연결된 LED 램프를 장착하여 상기 LED 램프의 색상만 육안으로 보고 변화량 감지하여 상태 변화 관찰 및 비상시 조치가 용이하여 미세조류의 생산성을 증가시킬 수 있다.
또한, 최적 조건의 미세조류를 배양하기 보다는 적정범위에서 미세조류의 성장을 가능케하며, 지속적 온도 조절로 인한 에너지 절감 효과가 있다.
더불어, 최대한 자연 채광으로 배양하고, 최소 조도 미달시 하부 챔버 내 광원을 자동으로 작동시켜 이또한 에너지 절감 효과를 확보할 수 있다.
본 발명의 미세조류 배양장치는 발전소의 배기가스인 이산화탄소를 이용하기 때문에, 상기 발전소 내에 설치하여 이산화탄소의 배기장치에 직접 연결하여 사용이 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 미세조류 배양장치의 개념을 보여주는 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 미세조류 배양장치를 보여주는 모식도이다.
도 3 및 도 4는 배양챔버 하부면을 도시한 도면으로, 도 3은 정면, 도 4는 단면을 보여준다.
도 5는 미세버블 및 매크로버블 주입에 따른 배양액 순환을 보여주는 도면이다.
도 6은 미세버블 발생기를 확대한 단면도이다.
도 7은 미세버블 발생기의 적층 예시를 보여주는 도면이다.
도 8은 광원부를 보여주는 도면이다.
도 9는 광원의 배치를 보여주는 도면이다.
도 10은 공기배출부를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 미세조류 배양장치를 보여주는 모식도이다.
도 3 및 도 4는 배양챔버 하부면을 도시한 도면으로, 도 3은 정면, 도 4는 단면을 보여준다.
도 5는 미세버블 및 매크로버블 주입에 따른 배양액 순환을 보여주는 도면이다.
도 6은 미세버블 발생기를 확대한 단면도이다.
도 7은 미세버블 발생기의 적층 예시를 보여주는 도면이다.
도 8은 광원부를 보여주는 도면이다.
도 9는 광원의 배치를 보여주는 도면이다.
도 10은 공기배출부를 보여주는 도면이다.
도 1은 본 발명에 따른 미세조류 배양장치의 개념을 보여주는 모식도이다.
도 1을 보면, 본 발명은 발전소, 소각로 또는 산업공장에서 발생되는 배기가스로부터 얻어지는 이산화탄소와 배양액을 공급하고, 광원을 조사하여 광합성을 통해 배양액 내에서 미세조류를 배양하여 회수하기 위한 장치 및 방법을 개시한다. 이하 발전소를 예시로 설명하나 소각로 및 산업공장 등 배기가스를 발생하는 시설 및 장치를 포함한다.
배양장치
도 2는 본 발명에 따른 미세조류 배양장치(1000)를 보여주는 모식도이다.
도 2의 미세조류 배양장치(1000)는 미세조류 배양을 위한 배양챔버(100), 상기 배양을 통해 발생하는 산소 배출을 위한 공기배출부(200), 상기 배양시 광원 공급을 위한 광원부(300)를 구비한다.
먼저, 배양챔버(100)는 내부에 미세조류 및 배양액이 수용되어 상기 미세조류를 배양하기 위한 공간을 제공한다.
챔버의 형태는 원통형 형태, 원뿔 형태, 절두원추 형태, 테이퍼링 형태, 다각형 프리즘 형태, 타원 횡단면을 갖는 테이퍼링 형태, 다각형 횡단면을 갖는 테이퍼링 형태, 원통형 부분 및 테이퍼링 부분을 갖는 형태 및 원뿔형 또는 테이퍼 부분 및 반구형 부분을 갖는 형태 및 이들의 임의의 조합으로부터 선택되고, 도면과 같이 원통형 형태일 수 있다.
배양챔버(100) 내부에 미세조류와 배양액이 수용되며, 외부로부터 공급되는 이산화탄소와 광원에 의한 광합성을 통해 상기 배양액 내에서 미세조류의 배양이 이루어진다. 상기 배양챔버(100)는 육안으로 확인이 용이하고, 광조사가 가능하도록 유리 또는 플라스틱과 같은 투명 재질로 제작한다.
배양챔버(100)의 상부면은 미세조류 배양을 위한 배지 투입구(180)를 구비한다.
또한, 배양챔버(100)의 상부 일측 면에는 조도 센서(190)를 구비하고, 상기 조도 센서(190)는 배양챔버(100)의 하부면으로 센서가 향하도록 배치한다. 이러한 조도 센서(190)는 조류의 과대 배양시 빛 투과가 어려울 경우 광원부(300)의 LED 램프(304)가 작동되도록 한다.
배양챔버(100)의 상부 일측에는 수위 센서(155) 및 이와 연결된 알람이 설치된다.
상기 수위 센서(155)는 배양액의 수위를 측정한다. 상기 수위 센서(155)는 미세조류의 성장이 완료되거나, 온수의 투입이 과도하거나, 배양액이 과도한 경우 자동 알람이 이루어져 미세조류를 회수하거나, 온수 및 배양액의 유량 조절을 수행한다. 일 구현예에 따르면 배양액의 수위를 조절하기 위한 수위 센서(155)로서 역할을 한다.
배양챔버(100) 하부면을 통해 배양챔버(100)와 광원부(300) 간의 물질 이동을 제한하며, 상기 광원부(300) 내부에 배양액 등의 이동이 이루어지지 않도록 한다.
도 3 및 도 4는 배양챔버(100) 하부면을 도시한 도면으로, 도 3은 정면, 도 4는 단면을 보여준다.
도 3을 보면, 배양챔버(100) 하부면의 상부면은 배양챔버(100) 내부에 노출되며, 복수 개의 버블 발생기(121, 141), 가열부(101), 복수 개의 센서들(111, 113), 온수 주입구(131), 및 미세조류 회수구(135)를 구비한다.
도 4를 보면, 복수 개의 버블 발생기(121, 141)는 혼합 가스 저장 탱크(A)와 연결되고, 온수 주입구(131)는 온수 저장 탱크(B)와, 미세조류 회수구(135)는 미세조류 회수 탱크(C)와 배관 연결된다.
특히, 본 발명의 복수 개의 버블 발생기(121, 141)는 배양챔버(100)로 이산화탄소를 포함하는 가스를 미세버블 상태로 주입하기 위한 장치이다.
복수 개의 버블 발생기(121, 141)는 미세버블을 발생시킬 수 있는 적어도 하나 이상의 미세버블 발생기(121)와 이보다 큰 일반적인 버블을 발생시킬 수 있는 적어도 하나 이상의 매크로버블 발생기(141)일 수 있다. 이때 미세버블은 버블 직경이 50㎛이하인 버블을 의미하고, 매크로 버블은 버블 직경이 50㎛초과인 버블을 의미한다. 보다 구체적으로 미세버블은 1~50㎛, 10~40㎛의 버블을, 매크로 버블은 50㎛초과~200㎛, 60~100㎛의 버블을 의미한다. 도면을 보면, 3개의 미세버블 발생기(121)와 하나의 매크로버블 발생기(141)를 도시하였으나, 배양챔버(100)의 크기에 따라 그 수를 조절할 수 있다.
미세버블은 그 크기가 매크로버블보다 작고 부력이 낮아 수중에서 유영하듯 부유하고, 부력에 대한 저항이 커서 수중에 장시간 유영하게 된다. 매크로버블은 수중 내에서 강한 흐름을 만들어 배양액의 순환을 유도한다. 이렇듯 미세버블과 매크로버블 두 종류의 버블 발생으로 인해 도 5와 같이 버블 세기에 따른 배양액의 흐름 및 순환을 발생시켜 미세조류가 부유하여 성장할 수 있도록 한다.
미세버블 발생기(121)는 도 4와 같이 혼합 가스 저장 탱크(A)와 열결되어 이산화탄소를 포함하는 혼합 가스가 버블 상태로 배양챔버(100) 내부로 주입된다. 상기 혼합 가스는 이산화탄소와 이를 이송하기 위한 캐리어 가스(질소, 아르곤 등)를 포함한다.
도 6은 미세버블 발생기(121)를 확대한 단면도이다.
미세버블 발생기(121)는 상부면에 미세버블이 배출되는 개구부와, 하부 일측에 혼합 가스 주입을 위한 주입구(123)가 구비된 하우징(122)을 구비한다. 상기 주입구(123)는 외부의 혼합 가스의 공급 탱크와 공급라인을 통해 배관 연결된다.
상기 하우징(122) 내측에 하부 측에서부터 혼합 가스 이송을 위한 팬(124)이 위치하고, 그 위로 세라믹 입자층(125, 126)과 타공 플레이트(127, 128)가 복수 개의 단으로 적층된다. 이때 최상부에는 타공 플레이트(128)가 배치되며, 최상부의 타공 플레이트(128)를 거쳐 미세버블이 발생한다.
혼합 가스 이송을 위해 하우징(122) 하부에는 팬(124)이 설치되며, 이는 주입구(123)와 연통된 구조를 갖는다. 상기 팬(124)의 회전에 의해 혼합 가스 이송이 이루어지며, 와류를 형성하여 미세버블 발생을 돕는다.
팬(124) 상부에는 다공판(129)이 위치하고, 그 위로 세라믹 입자층(125)이 위치한다.
세라믹 입자층(125, 126)은 이산화탄소 및 캐리어 가스를 제외한 유해 가스를 흡입하기 위한 것이며, 바람직하기로 규조토가 사용될 수 있다. 복수 개의 세라믹 입자층(125, 126)을 서로 이격하여 적층하며, 타공 플레이트에 의해 형성된 미세버블의 유해 가스를 보다 더 쉽게 흡착할 수 있고, 세라믹 입자들에 의해 물의 와류 발생을 도와 보다 미세한 버블을 발생시킨다. 편의 상 2층으로 도시하였으나, 2층 이상 복수 개의 층을 형성할 수 있다.
타공 플레이트(127, 128)는 혼합 가스가 통과하여 미세버블을 형성하기 위한 기공이 타공된 것으로, 두께 0.5 내지 1mm인 것을 갖는다. 복수 개의 타공 플레이트(127, 128)를 서로 이격하여 적층하되, 상기 타공 플레이트(127, 128)의 기공이 서로 어긋나게 배열하여 하부에서부터 부상되는 기포가 자연스럽게 회전되어 이에 의해 물의 와류를 발생시킨다.
도 7은 미세버블 발생기(121)의 적층 예시를 보여주는 도면이다.
도 7과 같이 하부에서부터 세라믹 입자층/타공 플레이트/세라믹 입자층/타공 플레이트가 순차적으로 적층된 구성을 갖는다. 이러한 구성에서 미세버블이 발생됨과 동시에 배양액 내에 와류가 발생하여 상기 미세버블이 배양액에 더욱 융해되기 쉽다.
이때, 최상부에 위치한 타공 플레이트(128)의 기공의 크기를 하부의 타공 플레이트(127)의 기공 크기보다 작게 만들어 보다 미세한 버블을 발생시킬 수 있다. 또한, 상부의 타공 플레이트(128)의 두께를 하부의 타공 플레이트(127)의 두께보다 얇게 형성하여 미세버블의 빠른 공급을 이룰 수 있다.
본 발명의 다단 형태의 미세버블 발생기(121)는 미세버블의 유지력을 더욱 높일 수 있다. 이렇게 생성된 미세버블은 외부로 토출된 이후에 쉽게 주변의 기포들과 뭉쳐 큰 기포가 될 수 있고, 이렇게 커진 기포는 다시 인접하는 기포들과 뭉치면서 지속적으로 크기가 더 커지게 되며, 그 결과 미세버블 발생기가 설치되더라도 종래기술과 같이 미세버블 상태를 오래도록 유지하지 못하는 문제를 그대로 내재하게 된다. 또한, 혼합 가스를 미세버블 형태로 주입하여 이산화탄소와 미세조류와의 접촉 기회 및 접촉 면적을 높여 배양능을 더욱 높일 수 있다.
추가로, 미세버블 발생기는 배양챔버(100) 내 배양액과 직접 접촉하기 때문에 외부로의 역류를 방지하기 위해 하우징(122)과 혼합 가스의 주입구(123)와 연결하여 공급라인(155)에 역류 방지부(171)를 형성한다. 상기 역류 방지부(171)는 역류방지 밸브일 수 있다.
혼합 가스 주입은 이산화탄소 및 캐리어 가스 각각을 공급하기 위한 공급탱크와, 이를 배양챔버(100)의 주입구 내로 공급라인(175)을 통해 이송된다. 이때 각 가스의 공급을 위한 펌프가 저장탱크에 연결되고, 가스의 공급량을 조절하기 위한 밸브가 상기 공급라인(175)에 설치된다.
이때 공급라인(175)에는 혼합 가스의 미세버블 발생기(121) 주입 전 배기가스 내 이산화탄소를 제외한 유해 가스 제거를 위한 필터(173, 예, 프리필터)가 더욱 설치될 수 있으며, 이는 역류 방지부(171)와 공급탱크 사이의 공급라인(175) 상에 위치할 수 있다.
매크로버블 발생기(141)는 별도로 그 구성을 제한하지 않았으며, 통상적으로 사용하는 버블 발생기가 사용될 수 있다. 이러한 매크로버블 발생기(141) 또한 혼합 가스 저장 탱크(A)와 열결되어 이산화탄소를 포함하는 혼합 가스가 버블 상태로 배양챔버(100) 내부로 주입된다.
가열부(101)는 배양챔버(100) 하부면의 상부 면에 배치된다.
가열부(101)는 배양챔버(100) 내 배양액에 온도를 균일하게 전달하기 위해 배양챔버(100) 단면에 대응되는 패턴 형상을 가지며, 도 3과 같이 복수 개의 동심원이 그려진 코일 형태를 갖는다. 상기 가열부(101)는 배양챔버(100) 하부면 상부 면의 외주면을 따라 형성할 수 있으며 1줄, 또는 복수 개가 형성될 수 있다. 이러한 동심원 형태 이외에도 스트라이프 형태와 같은 다양한 형태의 가열부(101)가 형성될 수 있다.
상기 가열부(101)의 온도는 온수 주입을 통해 이루어지며, 상기 가열부(101)에 의해 배양챔버(100) 내 배양액의 온도를 일정 수준으로 유지할 수 있다.
이때 온수 주입은 상기 가열부(101)와 연결된 온수 주입구(131)를 통해 이루어지며, 상기 온수 주입구(131)는 온수가 저장된 온도 저장탱크(B)와 배관연결되어 있다. 필요시 ON/OFF 조절을 위한 밸브가 온수 주입구(131)와 온수 저장 탱크(B)가 연결된 공급라인에 설치된다.
상기 가열부(101)와 소정 거리 이격한 위치에 센서(111, 113, 115)들이 배치된다. 상기 센서는 배양챔버(100) 내 배양액의 온도, pH 및 미세조류 성장을 측정하기 위한 온도 센서(111), pH 센서(113) 및 미세조류 감지 센서(115)가 배치된다.
상기 배양챔버(100) 하부면의 가열부(101), 온도 센서(111), pH 센서(113) 및 미세조류 감지 센서(115)는 미세조류 배양장치(1000) 내 제어부(미도시)와 연결된다.
온도 센서(111)를 통해 배양액의 온도를 측정하고, 제어부로부터 가열부(101)에 ON/OFF 신호를 인가하여 배양액의 온도를 조절한다.
pH 센서(113)를 통해 배양액의 pH를 측정하고, 제어부로부터 혼합 가스, 즉 이산화탄소의 공급량, 및 공급속도를 조절한다.
미세조류 감지 센서(115)는 배양액 내 미세조류가 방출하는 빛의 양을 측정하여 상기 미세조류의 생장을 확인한다. 이에 필요한 경우 이산화탄소, 온수, 배양액, 조도 등의 공급 여부를 결정한다. 일례로, 미세조류 감지 센서(115)는 녹조류(green algae) 감지 센서의 경우 시아노박테리아(Cyanobacteria)의 생장을 감지하여 배양챔버(100) 내 생장 상황을 유추할 수 있다.
필요한 경우 추가로 탁도 센서(미도시) 가 더욱 설치될 수 있다.
탁도 센서를 통해 배양액의 탁도(turbidity)를 측정하여 미세조류의 농도를 일정하게 유지시겨 배양액의 공급속도 및 배출 속도를 제어한다.
조도 센서는 배양챔버(100)에 인가되는 광량을 측정하여 필요한 경우 광원부(300) 내 광원들의 ON/OFF를 조절한다.
미세조류 회수구(135)는 배양이 완료된 미세조류를 회수하기 위한 것이다. 상기 미세조류 회수구(135)는 이송 라인을 통해 미세조류의 회수 탱크와 배관 연결되어 있으며, ON/OFF 조절을 위한 밸브가 상기 이송 라인에 설치되어 있다.
배양챔버(100)의 하부는 광원부(300)가 배치된다. 상기 광원부(300)는 상기 미세조류 성장을 위한 광원을 공급하는 역할을 한다.
도 8은 광원부(300)를 보여주는 도면이다.
상기 광원부(300)는 양단이 관통되며, 배양챔버(100) 하부에 장착되기 위해 상부에 체결부재가 형성된 하우징(301)과, 상기 하우징(301)의 내측에 조도에 따라 서로 다른 파장의 빛을 상기 배양챔버(100)에 제공하기 위한 복수 개의 광원을 구비한 광원부재(302)를 구비한다.
미세조류의 광합성은 최대한 자연 채광으로 배양하고, 최소 조도 미달시 하부 챔버 내 광원을 작동시켜 에너지를 절감한다. 상기 광원은 미세조류 내부에 존재하는 엽록체의 광반응에 적합한 파장을 공급하기 위한 것이다. 광원은 LED 램프일 수 있다.
도 9는 광원부재(302) 내 광원(NO.1~No.4)의 배치를 보여주는 도면이다.
도 9를 보면, 광원부재(302)는 지지체(305) 상에 복수 개의 광원(NO.1~No.4)이 배열된다. 상기 광원은 밝기에 따라 복수 개의 광원이 순서대로 켜지고 꺼진다. 이때 붉은 파장, 파란 파장, 삼파장을 조도에 따라 변화시킨다. 이러한 조도에 따른 광원 설치에 의해 시간이나 날씨에 관계없이 연속적인 광합성을 유도하고, 광원을 최소 조도 미달시에만 사용하기 때문에 미세조류의 광합성에 사용하는 광에너지를 보다 더 절감할 수 있다. 일례로, 조도에 따라 1번 광원->1,2번 광원->1,2,3번 광원->1,2,3,4번 광원 순으로 ON이 이루어지거나, 1번 광원->2번 광원->3번 광원->4번 광원 순으로 ON이 이루어질 수 있다. 광원의 ON은 조도에 의해 적절히 이루어질 수 있으며, 제어부를 통해 자동화로 수행될 수 있다.
지지체(305)의 일측 단부에는 개방부(307)가 형성되어, 배양챔버(100) 하부면에 위치하는 여러 공급 라인 및 전기 배선을 연결하기 위한 통로를 제공한다.
추가로, 본 발명의 배양장치(1000)는 상기 광원부(300)의 외측면에 외부 하우징(303)을 더욱 구비한다. 상기 외부 하우징(303)은 배양챔버(100)의 센서로부터 측정된 pH 및 온도 변화를 시각화하기 위한 LED 램프(304)를 구비한다.
외부 하우징(303)의 LED 램프(304)는 배양챔버(100)의 조도 센서(190), 온도 센서(111) 및 pH 센서(113)와 전기적으로 연결되며, 상기 배양챔버(100) 내 배양액의 조도, 온도 및 pH 정도를 LED 램프(304) 및 현황판(310)으로 출력한다. 상기 현황판(310)은 글씨의 표현이 가능하여 조도, 온도 및 pH 정보를 육안으로 정확히 확인할 수 있다.
즉, 배양챔버(100) 내 배양액의 pH 및 온도에 따라 LED 색상을 변화시켜 LED 램프(304)의 색상만 육안으로 보고 확인이 가능하고, 현황판(310)으로 정확한 정보를 얻을 수 있다. 이에 따라 최적 조건의 조류를 배양하기 보다는 적정범위에서 미세조류의 성장을 가능케하며, 지속적 온도 조절로 인한 에너지 절감 효과가 있다.
LED 램프(304)의 성능은 사용자에 의해 설정이 가능하다.
일 구현예에 따르면, 하기와 같이 설정될 수 있다.
- pH : 6(red), 7(yellow), 8(green), 9(blue), 10이상(white)
- 온도 : 18도이하(white), 18도~24도까지(green), 24도~29도까지(yellow),
30도 이상(red)
이러한 시각적인 설정으로 인해 변화량 감지하여 상태 변화 관찰 및 비상시 조치 가능해진다.
광원부(300)는 배양챔버(100)의 체결은 체결 부재로 이루어진다. 상기 체결 부재는 특별히 한정하지 않는다.
일예로, 결합요홈/결합돌기와 같은 방식이 사용될 수 있다. 즉, 배양챔버(100)의 상부 외주면에 결합요홈이 설치되고, 이에 대응되는 결합돌기가 광원부의 하부 내주면에 설치되어, 이 둘 간의 요홈결합을 통한 체결이 이루어질 수 있다.
다른 예로, 배양챔버(100) 및 광원부(300)에 관통공이 형성되고, 상기 관통공으로 볼트를 삽입해서 나사를 나사결합을 통한 체결이 이루어질 수 있다.
배양챔버(100)의 상부는 공기배출부(200)가 배치된다.
도 10은 공기배출부(200)를 보여주는 도면이다.
공기배출부(200)는 양단이 관통되며, 상부에는 배출구(202)가 형성되고, 하부에는 배양챔버(100)의 상부에 장착되기 위해 하부에 체결부재가 형성된 하우징(201)을 구비한다.
상기 하우징은 배양챔버(100)의 단면과 동일한 형상(예, 원통형)을 가지며, 배양챔버(100)와의 체결을 위한 체결 부재가 상기 하우징(201)의 하부에 위치한다. 상기 체결 부재는 특별히 한정하지 않으며, 광원부(300)에서 언급한 바의 체결 부재가 사용된다.
하우징(201)의 하부 외주면에 공기 유입을 위한 타공(203)이 형성된다. 이러한 타공(203) 영역을 통해 외부 공기를 흡입한 후 공기를 정화하여 배출구를 통해 배출한다. 상기 타공(203) 영역은 하우징(201) 외주면을 따라 형성될 수 있으며, 일정 수준의 직경을 갖도록 타공이 이루어진다.
하우징(201)의 내측으로는 배양챔버(100)로부터 유입된 산소 및 타공 영역을 통해 유입된 공기의 정화를 위한 공기정화용 필터(204)가 수용된다. 상기 공기정화용 필터(204)는 헤파필터일 수 있다.
상기 공기정화용 필터(204)의 상부에는 공기정화용 필터(204)를 통과한 산소를 배출시키기 위한 팬(205)이 설치된다. 상기 팬(205)의 회전에 의해 발생된 흡입력을 통해 배출구(202)로의 산소 배출이 용이해진다.
공기배출부(200)의 일측 상부에 설치된 배출구(202)는 1개, 또는 2개 이상의 복수 개가 형성될 수 있으며, 도면과 같이 관 형태의 배출구(202)를 설치하거나 타공면을 갖는 면 형태의 배출구(202)일 수 있다.
공기배출부(200)는 미세조류의 배양시 발생하는 산소를 배출하고, 추가적으로 외부 공기를 흡입 후 배출하는 주위 공기의 정화 효과를 동시에 갖는다.
배양방법
전술한 바의 미세조류 배양장치(1000)를 이용한 미세조류의 배양방법은 다음과 같다.
먼저, 배양챔버(100) 내부로 미세조류 및 배양액을 주입한다.
배양액은 냉수 또는 온수일 수 있다. 일 구현예에 따르면 발전소로부터 유래되는 온배수일 수 있으며, 상기 온배수는 입자상 물질을 제거한 후 공급되는 것일 수 있다. 또한, 필요한 경우 수돗물 또는 지하수를 필터하여 공급할 수 있다.
배양액은 필요한 경우 탄소원 또는 영양염을 첨가할 수 있다.
탄소원은 유기 탄소원으로, 비제한적인 예로, 당류 (sugar), 유기산, 유기산의 염, 알코올, 셀룰로스 가수분해물 및 전분 가수분해물(淀粉水解物, glucidtemns) 중 하나 이상; 예를 들어, 글루코스, 레불로스, 아세트산, 소듐 아세테이트, 락트산, 에탄올, 메탄올 및 셀룰로스 가수분해물 중 하나 이상, 바람직하게는 글루코스를 포함한다.
영양염은 질소원, 인원 및 탄소원 중 하나 이상이 사용된다.
필요한 경우 배양액은 온도 조절을 위해 온수를 투입할 수 있으나, 가열부(101)의 온수 주입을 통해 배양액의 온도를 조절하는 것이 바람직하다.
다음으로, 배양챔버(100) 내 배양챔버(100) 상부면에 형성된 조도 센서 및 하부면에 형성된 센서로부터 조도, 온도, pH 및 미세조류 생장 정보를 얻고, 가열부(101)를 ON하여 배양액이 일정 수준의 조도, 온도, pH를 유지하도록 한다.
다음으로, 이산화탄소를 포함하는 혼합 가스를 배양챔버(100)로 주입한다. 상기 혼합 가스는 미세버블 및 매크로버블 형태로 배양챔버(100) 내로 유입된다.
이산화탄소는 발전소로부터 발생되는 배기가스이며, 상기 발전소 배기가스 중의 이산화탄소 농도를 높이고, 또한 배양된 조류를 후적용하는 데 있어서의 유해성을 줄이는 측면에서, 이산화탄소로는 발전소로부터 발생되는 배기가스를 탈진, 탈황, 탈질소 및 탈염소 중의 적어도 2이상의 단계를 포함하는 정화처리를 거친 것을 사용할 수 있다. 본 발명의 일 구현예에서는 이산화탄소로는 정화처리 후 미세분진 제거공정을 더 거친 것을 사용할 수 있다.
다음으로, 조도를 확인 후 필요한 경우 광원부의 광원을 ON하여 광합성에 필요한 빛을 공급하여 미세조류를 배양한다.
배양은 15 내지 40℃, 바람직하게는 25 내지 35℃의 온도에서 수행되며; 미세조류 현탁액은 pH가 6 내지 11, 바람직하게는 7 내지 9이다. 광합성 자가영양 배양 또는 혼합영양 배양의 경우, 이용가능한 조도는 1000 내지 200000 lux, 바람직하게는 5000 내지 150000 lux이다.
상기 조류는 미세조류(microalgae)일 수 있고, 상기 미세조류는 남조류(Cyanobacteria), 크립토조류(Cryptophyta), 황금색조류(Chrysophyta), 유글레나조류(Euglenophyta), 규조류(Bacillariophyta), 갈조류(Phaeophyta), 홍조류(Rholophyta), 녹조류(Chlorophyta), 차축조류(Charophyta), 또는 이 중 둘 이상의 혼합물일 수 있다.
녹조류는 클라미도모나스 속(Chlamydomonas sp.), 보트리오코커스 속(Botryococcus sp.), 스키조키트리움 속(Schizochytrium sp.), 센데스무스 속(Scenedesmus sp.), 프림네시움 속(Prymnesium sp.), 암피디니움 속(Amphidinium sp.), 코엘라스트룸 속(Coelastrum sp.), 테트라셀미스 속(Tetraselmis sp.), 테트라시스티스 속(Tetracystis sp.), 프로토시폰 속(Protosiphion sp.), 히드로딕티온 속(Hydrodictyon sp.) 페디마스트룸 속(Pediastrum sp.), 클로로코쿰 속(Chlorococcum sp.), 울로트릭스 속(Ulothrix sp.), 오에도고니움 속(Oedogonium sp.), 클로렐라 속(Chlorella sp.), 스티게오클로니움 속(Stigeoclonium sp.), 프리츠쉬엘라 속(Fritschiella sp.), 스피로기라 속(Spirogyra sp.), 지그네마 속(Zygnema sp.) 또는 클라도포라속(Cladophora sp.)일 수 있다.
남조류는 마이크로시스티스 속(Microcystis sp.), 노스톡 속(Nostoc sp.), 톨리포트릭스 속(Tolypothrix sp.), 올로시라 속(Aulosira sp.), 아나베나 속(Anabaena sp.), 플랑크토트릭스 속(Planktothrix sp.), 실린드로스페르뭄 속(Cylindrospermum sp.), 피쉐렐라 속(Fischerella sp.), 글로에오트리치아 속(Gloeotrichia sp.), 노둘라리아 속(Nodularia sp.), 오실라토리아 속(Oscillatoria sp.), 아파니조메논 속(Aphanizomenon sp.), 린그비아 속(Lyngbya sp.), 라피이돕시스 속(Rhaphidiopsis sp.), 크리소스포룸속(Chrysosporum sp.) 쿠스디도트릭스 속(Cuspidothrix sp.), 시네코쿠스 속(Synecoccus sp.), 실린드로스페롭시스 속(Cylindrospermopsis sp.), 돌리코스페르뭄 속(Dolichospermum sp.), 포르미디움 속(Phormidium sp.), 티코네마 속(Tychonema sp.), 워로니치니아 속(Woronichinia sp.), 또는 아르트로스피라 속(Arthrospira sp.)일 수 있다.
바람직하기로, 녹조류는 클로렐라 속에 속하는 클로렐라 피레노이도스(Chlorella pyrenoidosa), 클로렐라 미누티시마(Chlorella minutissima), 클로렐라 버라이어블리스(Chlorella variabilis), 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris)의 4종을 포함한다.
바람직하기로, 남조류는 아르트로스피라 속에 속하는 스피루리나이고, 이는 아르트로스파라 플라텐시스(Arthrospira platensis), 아르트로스파리 푸지포미스(Arthrospira fusiformis), and 아르트로스피라 맥시마(Arthrospira maxima)의 3종을 포함한다.
미세조류 배양시 배양챔버(100) 상부의 공기배출부(200)의 팬을 작동시켜 지속적인 산소 배출과 공기 정화가 이루어질 수 있도록 한다.
미세조류의 배양이 완료되면, 회수부를 통해 미세조류를 회수한다.
상기 회수는 회수부와 연결된 미세조류의 회수 탱크에 이송 라인을 통해 이루어진다.
미세조류를 회수하는 방법은 한정되지 않으나, 예를 들면, 회수부는 그 내부를 냉동 또는 건조하는 냉동수단 또는 건조수단(미도시)를 구비하여 미세조류가 부착 또는 포획된 미세조류를 냉동 또는 건조시키고 이에 회전, 초음파 또는 진동을 가하여 포획 또는 부착된 미세조류를 회수할 수 있다
본 발명에 따른 미세조류 배양장치는 이산화탄소를 미세버블 및 매크로버블 형태의 두 종류의 세기로 공급하여 미세조류의 성장을 돕고, 시간 및 날씨에 관계없이 지속적인 광합성이 가능하여 미세조류의 성장을 가능케 한다. 상기 미세조류 배양장치는 미세조류의 종류에 상관없이 미세조류의 배양 효율 및 배양 수율이 향상될 수 있다.
또한, 배양장치 내 센서와 연결된 LED 램프를 장착하여 상기 LED 램프의 색상만 육안으로 보고 변화량 감지하여 상태 변화 관찰 및 비상시 조치가 용이하여 미세조류의 생산성을 증가시킬 수 있다.
또한, 최적 조건의 미세조류를 배양하기 보다는 적정범위에서 미세조류의 성장을 가능케하며, 지속적 온도 조절로 인한 에너지 절감 효과가 있다.
더불어, 최대한 자연 채광으로 배양하고, 최소 조도 미달시 하부 챔버 내 광원을 작동시켜 이또한 에너지 절감 효과를 확보할 수 있다.
본 발명의 미세조류 배양장치는 발전소, 소각로 또는 산업공장의 배기가스인 이산화탄소를 이용하기 때문에, 상기 발전소, 소각로 또는 산업공장 내에 설치하여 이산화탄소의 배기장치에 직접 연결하여 사용이 가능하다.
지금까지 본 발명에 따른 해수를 이용한 미세조류의 배양장치 및 배양방법에 관한 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 실시 변형이 가능함은 자명하다.
그러므로 본 발명의 범위에는 설명된 실시예에 국한되어 전해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
즉, 전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 그 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1000: 배양장치
100: 배양챔버
101: 가열부 111: 온도 센서
113: pH 센서 115: 미세조류 감지 센서
131: 온수 주입구 135: 미세조류 회수구
141: 매크로버블 발생기 155: 수위센서
171: 역류 방지부 173: 필터
175: 공급라인 180: 배지 투입구
190: 조도센서
121: 미세버블 발생기
122: 하우징 124: 팬
125, 126: 세라믹 입자층 127, 128: 타공 플레이트
129: 다공판
200: 공기배출부
201: 하우징 202: 배출구
203: 타공 204: 공기정화 필터
205: 팬
300: 광원부
301: 하우징 302: 광원부재
303: 외부 하우징 304: LED 램프
305: 지지체 307: 개방부
310: 현황판
100: 배양챔버
101: 가열부 111: 온도 센서
113: pH 센서 115: 미세조류 감지 센서
131: 온수 주입구 135: 미세조류 회수구
141: 매크로버블 발생기 155: 수위센서
171: 역류 방지부 173: 필터
175: 공급라인 180: 배지 투입구
190: 조도센서
121: 미세버블 발생기
122: 하우징 124: 팬
125, 126: 세라믹 입자층 127, 128: 타공 플레이트
129: 다공판
200: 공기배출부
201: 하우징 202: 배출구
203: 타공 204: 공기정화 필터
205: 팬
300: 광원부
301: 하우징 302: 광원부재
303: 외부 하우징 304: LED 램프
305: 지지체 307: 개방부
310: 현황판
Claims (9)
- 배기가스로부터 얻어지는 이산화탄소를 공급하여 광합성을 통해 배양액 내에서 미세조류를 배양하기 위해,
상부면이 일부 개방되고 바닥의 하부면에 의해 폐쇄되어 미세조류 및 배양액이 수용되어 상기 미세조류를 배양하기 위한 공간을 제공하는 배양챔버;
상기 개방된 배양 챔버 상부에 장착되면서, 상부에 산소 배출을 위한 배출구를 갖는 공기배출부; 및
상기 배양 챔버 하부에 장착되면서, 상기 미세조류 성장을 위한 광원을 공급하기 위한 광원부;를 구비하고,
상기 배양챔버의 하부면에 서로 이격되도록 배치된 복수 개의 버블 발생기 및 가열부를 구비하고,
상기 복수 개의 버블 발생기는 상기 배양챔버 내부로 이산화탄소를 포함하는 혼합 가스를 미세버블 및 매크로버블 형태로 공급하되, 10~40㎛ 크기의 미세버블을 발생시킬 수 있는 적어도 하나 이상의 미세버블 발생기 및 60~100㎛ 크기의 매크로버블을 발생시킬 수 있는 적어도 하나 이상의 매크로버블 발생기이고,
상기 미세버블 발생기는 상부면에 미세버블이 배출되는 개구부와, 하부 일측에 혼합 가스를 주입을 위한 주입구가 구비된 하우징으로 이루어지고, 상기 하우징 내부에 위치한 복수 개의 타공 플레이트, 및 이들 사이에 복수 개의 세라믹 입자층이 적층되되, 상기 복수 개의 타공 플레이트 중 최상부에 위치한 타공 플레이트의 기공의 크기 및 두께를 하부의 타공 플레이트 기공 크기 및 두께보다 작게 형성하며, 상기 타공 플레이트의 기공이 서로 어긋나게 배열되고, 상기 세라믹 입자층은 규조토 재질의 입자를 포함하고,
상기 가열부는 상기 배양챔버 내 배양액에 온도를 균일하게 유지하기 위해 상기 배양챔버 내 하부면의 외주면을 따라 동심원 형태를 갖는,
미세조류 배양장치. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 공기배출부는 양단이 관통되며, 상부에는 배출구가 형성되고, 하부에는 배양 챔버의 상부에 장착되기 위해 하부에 체결부재가 형성된 하우징과,
상기 하우징의 하부 외주면에 공기 유입을 위한 타공이 형성되고, 상기 하우징의 내측으로 필터가 수용되고, 상기 필터와 배출구 사이에 팬이 위치한, 미세조류 배양장치. - 제1항에 있어서,
상기 광원부는 양단이 관통되며, 배양 챔버 하부에 장착되기 위해 상부에 체결부재가 형성된 하우징과,
상기 하우징의 내측에 조도에 따라 서로 다른 파장의 빛을 상기 배양 챔버에 제공하기 위한 복수 개의 광원을 구비한, 미세조류 배양장치. - 제1항에 있어서,
상기 배양 챔버 상부면은 미세조류 투입 및 배지 투입을 위한 배지 투입구와, 상부 일측 면에는 조도 센서 및 수위 센서를 구비하고,
상기 배양 챔버 하부면은 배양액의 온도 조절을 위한 가열부, 이와 이격하여 형성된 복수 개의 센서, 상기 가열부로 온수 주입을 위한 온수 주입구, 및 상기 배양 챔버에서 성장된 미세조류를 회수하기 위한 미세조류 회수구를 구비한, 미세조류 배양장치. - 제6항에 있어서,
상기 센서는 온도 센서, pH 센서 및 미세조류 감지 센서인, 미세조류 배양장치. - 제1항에 있어서,
상기 광원부의 외측면에 외부 하우징을 더욱 구비하고,
상기 외부 하우징은 배양 챔버의 센서로부터 측정된 조도, pH 및 온도 변화를 시각화하기 위한 LED 조명 및 현황판을 구비한, 미세조류 배양장치. - 삭제
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| KR1020220155611A KR102673216B1 (ko) | 2022-11-18 | 2022-11-18 | 미세조류 배양장치 및 이를 이용한 배양방법 |
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| KR101593178B1 (ko) | 2014-06-30 | 2016-02-16 | 한국생산기술연구원 | 미세조류 대량배양 시스템 |
| KR101761768B1 (ko) | 2015-07-06 | 2017-07-26 | 한국과학기술연구원 | 배기가스 내성의 미세조류 및 그 배양방법 |
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Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101437580B1 (ko) * | 2012-12-20 | 2014-09-04 | 세종공업 주식회사 | 미세조류 배양수조 |
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