KR20000049872A - 생물자원의 산소 소비속도 측정방법 및 그를 이용한 최적산소 농도 공급시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 생물자원의 산소 소모량을 측정하는 방법과 이를 기초하여 생물자원이 활동하는 공간에 최적 농도의 산소를 공급하는 시스템에 관한 것으로, 이를 위하여 본 발명은, 생물자원의 산소 소모량을 용존산소 계측기로 연속 측정하고, 그의 비산소 소모속도를 계산하여, 생물자원의 활동 공간에 필요한 최적의 산소 농도를 공급함으로써, 생물자원의 산소 부족 또는 산소 중독 등에 기인하여 발생하는 문제점을 사전에 방지할 수 있다.
Description
본 발명은, 생물자원의 비산소 소모속도를 측정하는 방법과 생물자원이 활동하는 공간에 산출한 비산소 소모속도에 기초하여 최적의 산소를 공급하는 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 생물자원의 산소 소모량을 용존산소 계측기를 이용하여 측정하고, 측정된 산소소모량을 이용하여 생물자원의 비산소 소모속도를 계산하고, 계산된 비산소 소모속도에 기초하여 생물자원의 활동공간에 필요한 최적의 산소량을 공급하는 시스템을 제공하는데 있다.
생물자원의 산소 소모속도는 수온에 비례하여 증가하는데, 섭씨온도 10도 증가시 어류와 같은 생물자원의 신진대사 기능이 두배로 증가함에 따라 비산소 소모속도가 비례적으로 증가하게 된다. 특히 여름과 같이 기온이 상대적으로 높은 계절에는 생물자원의 산소 소모량이 증가하게 되어 생물자원이 활동하는 공간내의 산소 부족 현상이 빈번하게 발생하며, 심할 경우 생물자원의 집단폐사가 발생할 수 있다.
생물자원이 활동하는 공간내에 산소를 공급하는 종래 방법은 주변 환경변화와 무관하게 사용자의 수동 조작에 따라 일정량의 산소를 공간내로 공급하는 방식을 취하고 있다.
상기한 바와 같이 생물자원이 산소 부족으로 폐사하는 경우를 방지하기 위하여, 종래에는 공간내에서 필요로 하는 용존산소 농도보다 높은 농도의 산소를 연속으로 공급하는 방법을 사용하고 있으나, 이 방법의 경우 공간내 생물자원의 산소 중독을 야기시키는 또 다른 문제를 갖고 있다.
상기와는 달리, 사용자가 산소발생기의 밸브를 수시 조작하여 공간내에 공급되는 산소 농도를 조절하는 방법의 경우, 산소 부족에 기인하는 생물자원의 폐사 또는 산소 중독은 어느 정도 억제할 수 있으나, 사용자가 자신의 경험에 근거하여 산소 농도를 조절하기 때문에 공간내로 공급되는 산소 농도를 최적 상태로 조절하는 것이 근본적으로 불가능할 뿐만 아니라 사용자의 수동 조작에 따른 번거로운 문제가 있다.
따라서, 생물자원의 산소 소모속도를 고려하여 용존산소 농도를 최적 조건으로 자동 조절할 수 있는 방법 또는 공급 시스템에 대한 필요성이 절실한 실정이다.
따라서, 본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 생물자원의 비산소 소모속도를 측정하는 방법과 측정한 비산소 소모속도를 기초하여 공간내 산소를 최적 조건으로 공급하는 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 생물자원의 비산소 소모속도를 측정하는 시스템에 있어서; 상기 생물자원이 존재하는 공간에 용존산소 농도를 전류값으로 측정하는 용존산소 센서와, 상기 측정된 전류값을 용존산소 농도로 전환하는 용존산소 계측기와, 상기 용존산소 계측기에서 출력되는 전압값을 비산소 소모속도로 환산하는 연산부와, 상기 연산부에서 제공되는 신호를 표시하는 표시부를; 포함하는 생물자원의 비산소 소모속도를 측정하는 방법을 제공하는데, 그 특징이 있다.
상기 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 공간내에 존재하는 생물자원의 비산소 소모속도를 기초하여 산소를 공급하는 시스템에 있어서; 상기 생물자원의 종류와 주변 환경에 따른 산소발생기의 산소 공급시간과 중단시간을 제어하는 제어수단과, 상기 제어수단으로부터 제공되는 제어신호에 응답하여 상기 산소발생기로 부터 상기 공간으로의 산소공급을 제어하는 밸브로; 이루어진 생물자원의 비산소 소모속도에 기초한 최적 농도의 산소를 공급하는 시스템을 제공하는데, 그 특징이 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 생물자원의 비산소 소비속도를 측정하는 시스템의 블록 구성도,
도 2는 본 발명의 제 1 시험예에 따른 어류의 밀도 증가에 따른 모형수조내의 용존산소 변화를 실험한 평가 그래프,
도 3은 본 발명의 제 1 시험예에 따른 어류의 밀도에 따른 모형수조내의 산소 소모량의 변화를 실험한 평가 그래프,
도 4는 본 발명의 제 1 시험예에 따른 어류의 무게와 호흡량의 상관관계를 나타낸 그래프,
도 5는 본 발명의 제 1 시험예에 따른 어류의 비산소 소비속도를 나타낸 그래프,
도 6은 본 발명의 제 2 시험예에 따른 미생물의 건조 세포 무게에 따른 모형수조내의 용존 산소 변화를 실험한 평가 그래프,
도 7은 본 발명의 제 2 시험예에 따른 미생물의 건조 세포 무게에 따른 모형수조내의 산소 소모량의 변화를 실험한 평가 그래프,
도 8은 본 발명의 제 2 시험예에 따른 미생물의 건조 세포 무게에 따른 호흡량의 상관관계를 나타낸 그래프,
도 9는 본 발명의 제 2 시험예에 따른 미생물의 비산소 소비속도를 나타낸 그래프,
도 10은 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 산소 공급 시스템의 블록구성도,
도 11은 도 10에 도시된 밸브 제어 블록의 외형부 정면도,
도 12은 도 10에 도시된 밸브 제어 블록내 전기 회로의 일예를 도시한 회로도,
도 13은 본 발명의 제 3 시험예에 따른 산소 공급 시스템의 작동에 따른 모형수조내의 용존 산소 농도변화를 실험한 평가 그래프.
본 발명의 상기 목적과 여러 가지 장점은 이 기술분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 하기에 기술되는 본 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 생물자원의 비산소 소모속도를 측정하는 시스템의 블록구성도로서, 용존산소 센서(120), 용존산소 계측기 (130), 연산부(140) 및 표시부(150)를 포함한다.
먼저, 본 발명에 따라 생물자원의 비산소 소모속도를 측정하는 시스템에서, 용존산소 센서(120)는 생물자원이 존재하는 수조(110)의 용존산소 농도를 측정하는 것으로, 측정된 검출신호, 즉 전류신호는 용존산소 계측기(130)에 제공되며, 제공된 전류신호는 용존산소 계측기(130)에서 용존산소 농도로 전환되며, 전환된 용존산소 농도는 대응하는 전압신호로 변환되어 다음 단의 연산부(130)로 제공한다.
다음에, 연산부(140)는 용존산소 계측기(130)에서 제공되는 전압신호를 환산하여 비산소 소모속도로 계산하며, 표시부(150)는 이를 표시한다.
여기에서 상기 연산부(140)는 통상의 미분이 가능한 프로그램이 설치된 마이컴방식을 사용할 수 있으며, 상기 표시부(150)는 연산부(140)에 일체형으로 되어 있는 것을 특징으로 하나 시스템에 따라 분리형으로 제조할 수 있다.
이때 도 1에서 수조내의 생물자원은 통상의 산소 의존성 동물류, 특히 어류와 호기성 미생물을 포함한다.
[시험예 1]
본 시험예에서는 60리터의 모형수조에 공기발생기를 이용하여 일정 온도에서 용존산소 농도를 포화시킨 상태에서 일반적인 양식어종인 참붕어의 용존산소 소비거동을 생물자원의 비산소 소모속도를 측정하는 방법을 이용하여 시험하였다.
도 2는 생물자원으로서 참붕어가 존재하는 수조내의 용존산소 농도를 시간에 따라 나타낸 그래프로, 시간이 증가함에 따라 수조내의 용존산소 농도가 감소함을 보이며, 수조내의 참붕어의 수가 증가할수록 기울기가 급격히 증가함을 볼 수 있다.
도 3은 수조내 어류의 산소 소모량을 시간에 따라 누적하여 나타낸 그래프로, 산소소모량은 도 2에서와 같이 참붕어의 수가 증가할수록 급격하게 증가함을 알 수 있다.
도 4는 수조내의 참붕어의 수와 비산소 소비속도와의 상관관계를 나타낸 그래프로 수조내 참붕어의 무게와 비산소 소비속도는 우수한 선형관계를 나타내었으며, 도 5에서와 같이 일정한 온도에서 참붕어의 단위 무게당 호흡하는 비산소 소비속도(QO2)는 0.0148 mgO2/kg-sec으로 일정하게 나타났다. 따라서 생물자원, 특히 어류의 경우 어종과 크기 및 주변환경에 따라 일정한 비산소 소모속도를 갖으므로, 수조의 크기와 어류의 종류 및 밀도가 결정되면 특정 어종이 생활하는 수조 공간으로 단위 시간당 공급해야 할 최적 산소의 양을 결정할 수 있다.
[시험예 2]
본 시험예에서는 60리터의 모형수조에 공기발생기를 이용하여 용존산소 농도를 포화시킨 상태에서 통상의 폐수처리장에 다량으로 포함되어 있는 Bacillus 속과 Pseudomonas 속이 다량 포함된 복합 균주의 용존산소 소비거동을 생물자원의 비산소 소모속도를 측정하는 방법을 이용하여 시험하였다.
도 6은 생물자원으로서 호기성 미생물이 존재하는 수조내의 용존산소 농도를 시간에 따라 나타낸 그래프로, 시간이 증가함에 따라 수조내의 용존산소 농도가 감소함을 보이며, 수조내의 미생물의 건조세포무게가 증가할수록 기울기가 급격히 증가함을 볼 수 있다.
도 7은 수조내 미생물의 산소 소모량을 시간에 따라 누적하여 나타낸 그래프로, 산소소모량은 도 6에서와 같이 미생물의 건조세포무게가 증가할수록 급격하게 증가함을 알 수 있다.
도 8은 수조내의 미생물의 건조세포무게와 비산소 소비속도와 상관관계를 나타낸 그래프로 수조내 미생물의 건조세포무게와 비산소 소비속도는 우수한 선형관계를 나타내었으며, 도 9에서와 같이 일정한 온도에서 미생물의 단위 무게당 호흡하는 비산소 소비속도(QO2)는 66.5 mgO2/kg-sec로 일정하게 나타났다. 따라서 생물자원, 특히 미생물의 경우 종과 주변환경에 따라 일정한 비산소 소모속도를 갖으므로 수조의 크기와 미생물의 건조세포무게가 결정되면 단위 시간당 공급해야 할 최적 산소의 양을 결정할 수 있다.
도 10은 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 생물자원이 존재하는 수조내 산소를 공급하는 시스템의 블록구성도로써, 밸브 제어 블록(220), 솔레노이드 밸브(230) 및 산소발생기(240)를 포함한다.
이때 도 10에서 설명의 편의상 단지 산소발생기(240)로 언급하였으나 시스템의 형태에 따라 순산소 탱크, 공기발생기, 수차 및/또는 이젝터를 사용할 수 있다.
도 10을 참조하면, 밸브 제어 블록(220)은 수조에 존재하는 생물자원의 산소 소모속도를 근거하여 산소발생기(240)의 밸브(230)를 개방하는 시간과 폐쇄하는 시간을 설정하여 다음 단의 솔레노이드 밸브(230)를 제어한다.
솔레노이브 밸브(230)는, 산소발생기(240)와 시스템(210)간에 연결된 산소 공급관 사이에 장착되는 것으로, 전술한 밸브 제어 블록(220)으로부터 제공되는 개방 또는 폐쇄 제어신호에 응답하여 산소발생기(240)로부터 시스템(210)으로의 산소 공급을 조절한다.
도 11은 도 10의 밸브 제어 블럭(220)을 나타낸 것으로, 발광다이오드 (221,222), 온타이머(223) 및 오프타이머(224)로 구성된다. 온발광다이오드(221)는 수조(210)에 산소가 공급되는 시간, 즉 온타이머(223)에 설정된 시간동안 점등되고, 산소 공급이 차단되는 시간동안 소등된다. 오프발광다이오드(222)는 수조(221)에 산소가 공급이 차단되는 시간, 즉 오프타이머(224)에서 설정된 시간동안 점등되고, 수조(210)에 산소공급이 재개되는 시점에 소등된다.
온타이머(223)은 수조(210)로 산소공급 시간을 결정하는 단자로 1∼120분까지의 범위를 가지며 수조(210)에 존재하는 생물자원의 비산소 소모속도에 따라 다양하게 설정 가능하다. 오프타이머(224)는 수조(210)로 산소공급이 차단되고 대기하는 시간을 결정하는 단자로 생물자원의 비산소 소모속도에 따라 1∼120분까지 설정 가능하다.
도 12은 밸브제어블럭(220)의 전기적 회로를 나타낸 것이다. 이때 전기회로도는 타이머에 의한 시간 조절이 가능한 것이면 가능하다.
[시험예 3]
본 시험예에서는 60리터의 모형수조에 생물자원으로서 참붕어를 5.233 kg를 투입시키고 산소발생기(240)를 이용하여 수조내 용존산소 농도를 포화시켰다. 용존산소 공급시스템을 적용시킨 상태에서의 용존산소 소비 거동은 도 13과 같으며, 수조내 용존산소 농도는 산소 공급이 차단되는 시간에는 용존산소 농도가 감소하며, 산소 공급이 재개되면 수조내 용존산소 농도는 증가하는 형태를 가졌다. 또한 수조(210)내 산소의 공급과 차단이 밸브 제어 블록(220)에 의해서 제어되어 수조(210)내 용존산소 농도는 상승과 하강의 형태를 연속적으로 반복함으로써 수조내 용존산소 농도를 일정한 범위내에서 유지할 수 있음을 확인할 수 있었다.
이상과 같은 결과를 미루어, 생물자원의 비산소 소모속도를 정확하게 측정할 수 있으며, 또한 생물자원의 측정한 산소소모량을 기초하여 공기발생기(240)의 솔레노이드 밸브(230)를 제어하는 시간을 결정함 으로써 생물자원의 최적 산소 공급량을 계산하였다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 생물자원의 비산소 소모속도를 정확하게 측정하고, 수조내의 필요한 최적의 산소 공급량을 조절하여, 수조내의 용존산소 농도를 최적 조건으로 유지시켜 주므로써, 생물자원의 산소 부족에 기인한 폐사나 불필요한 산소낭비를 효과적으로 방지할 수 있다.
Claims (8)
- 생물자원의 비산소 소모속도를 측정하는 방법에 있어서,용존산소 농도를 측정하는 용존 산소 센서;측정된 용존산소 농도를 상응하는 전압신호로 변환하는 용존산소 계측기;상기 출력되는 전압신호를 이용하여 비산소 소모속도로 환산하는 연산부; 및상기 연산부에서 계산된 비산소 소모속도를 표시하는 표시부로 이루어진 생물자원의 비산소 소모속도를 측정하는 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 연산부는 통상의 미분이 가능한 프로그램이 설치된 마이컴 방식을 사용할 수 있는 생물자원의 비산소 소모속도를 측정하는 방법.
- 제 1항에 있어서,상기 생물자원은 산소가 있어야만 생존 가능한 동물류, 특히 어류, 호기성 미생물을 포함하는 것을 특징으로 하는 생물자원의 비산소 소모속도를 측정하는 방법.
- 산소 공급관을 통해 산소발생기에 연결된 생물자원이 존재하는 수조로 산소를 공급하는 시스템에 있어서,상기 수조에 존재하는 생물자원에 따라 기설정된 산소 공급시간과 차단시간을 설정하고, 이에 의거하여 상기 수조로의 산소 공급을 제어하기 위한 개폐 제어신호를 발생하는 제어 수단; 및상기 제어 수단으로부터 제공되는 개폐 제어신호에 응답하여, 상기 산소발생기로부터 상기 수조로의 산소 공급 또는 차단을 적응적으로 개폐하는 밸브로 이루어진 생물자원의 비산소 소모속도를 기초한 산소 공급시스템.
- 제 4 항에 있어서,상기 제어 수단은, 상기 생물자원의 측정한 비산소 소모속도에 근거하여 기설정된 산소 공급 시간과 차단시간에 따라 상기 밸브의 개폐를 제어하는 신호를 발생하는 것을 특징으로 하는 생물자원의 비산소 소모속도를 기초한 산소 공급시스템.
- 제 4 항에 있어서,상기 제어 수단으로서, 상기 밸브를 개폐할 때, 이를 시각적으로 표시하기 위한 발광 다이오드를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 생물자원의 비산소 소모속도를 기초한 산소 공급시스템.
- 제 4 항에 있어서,상기 산소발생기는 일반적 공기발생기나 공기주입용 수차를 포함하며, 가장 바람직하게는 순수한 산소를 발생하는 것을 특징으로 하는 생물자원의 비산소 소비속도를 기초한 산소 공급시스템.
- 제 4 항에 있어서,상기 산소 공급시간과 차단시간은, 사용자의 필요에 따라 변경 설정 가능한 것을 특징으로 하는 생물자원의 비산소 소모속도를 기초한 산소 공급시스템.
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| KR1020000023872A KR100348654B1 (ko) | 2000-05-04 | 2000-05-04 | 생물자원의 산소 소비속도 측정방법 및 그를 이용한 최적산소 농도 공급시스템 |
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