KR20180062705A

KR20180062705A - 수력학적 공동현상을 이용한 동물성 플랑크톤 제거장치 및 제거방법

Info

Publication number: KR20180062705A
Application number: KR1020160162684A
Authority: KR
Inventors: 한종인; 장용근; 김동현; 김교찬; 김은경
Original assignee: 재단법인 탄소순환형 차세대 바이오매스 생산전환 기술연구단
Priority date: 2016-12-01
Filing date: 2016-12-01
Publication date: 2018-06-11

Abstract

본 발명은 수력학적 공동현상 (hydrodynamic cavitation)을 이용한 동물성 플랑크톤 제거장치 및 제거방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수력학적 공동현상을 이용하여 미세조류 바이오매스를 생산하는 개방형 수조 (open pond) 내에서 바이오매스 생산성을 감소시키는 동물성 플랑크톤을 선택적으로 제거하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 장치 및 방법은 미세조류의 성장에 영향을 주지 않으면서, 동물성 플랑크톤을 선택적으로 제거할 수 있으며, 미세조류 바이오매스 체내에 아무런 불순물이 남지 않아 바이오 연료 생산, 바이오 고부가가치 물질 생산, 에너지 생산 등 후속 공정에 영향을 주지 않는다. 또한, 미세조류 개방형 수조에서 교반을 위해 일반적으로 사용하는 패들 휠 (paddle wheel)로는 극복하기 어려운 미세조류 군집 형성 문제를 부가적으로 해결하여 바이오매스의 생산성을 증진시킬 수 있다.

Description

수력학적 공동현상을 이용한 동물성 플랑크톤 제거장치 및 제거방법{Apparatus and method of removing zooplanktons using hydrodynamic cavitation}

본 발명은 수력학적 공동현상 (hydrodynamic cavitation)을 이용한 동물성 플랑크톤 제거장치 및 제거방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수력학적 공동현상을 이용하여 미세조류 바이오매스를 생산하는 개방형 수조 (open pond) 내에서 바이오매스 생산성을 감소시키는 동물성 플랑크톤을 선택적으로 제거하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

미세조류는 차세대 바이오매스의 원료로서, 고부가가치 산물이나 바이오연료 등으로 활용된다. 바이오매스를 대량으로 생산하기 위해서는 햇빛이 잘 비치는 부지에 넓은 수조를 설치하는데, 표면이 노상으로 드러나 있고 배양액으로 사용되는 물을 멸균하지 못하므로 미세조류 뿐만 아니라 다양한 다른 생물도 함께 존재한다. 이 중 미세조류 배양에서 가장 위협적인 존재는 물벼룩이나 윤충 (Rotifer)과 같은 동물성 플랑크톤으로, 한 마리의 윤충이 하루에 약 20만 마리의 미세조류 개체를 섭식한다. 따라서 윤충이 증식하게 되면 미세조류는 천적으로부터 스스로를 보호하기 위해 군집을 형성하고 성장을 멈추게 되며, 이 상태가 지속되면 바이오매스 생산성이 급격하게 떨어진다. 그러므로 개방형 수조에서 미세조류를 배양할 때 동물성 플랑크톤의 제거는 필수적이라고 할 수 있다.

동물성 플랑크톤을 제거하는 방법 중 널리 알려진 것은 pH를 조절하는 화학약품을 넣는 방법과 초음파 분해 (sonication)와 같은 물리적인 방법이 있다. 그러나 화학약품은 많은 양을 사용할 경우 금전적인 비용뿐만 아니라 환경문제까지 일으킬 수 있어 현실적으로 적용이 어려우며 미세조류 체내에 축적될 경우 바이오매스를 이용한 후속 공정에 영향을 줄 수 있다. 초음파 분해의 경우 역시 스케일업 (scale-up)이 어려워 대량의 배양액을 처리하기에 적합하지 않다.

수력학적 공동현상 (hydrodynamic cavitation)은 흐르는 유체에서 국부적으로 압력을 변화시켜 미세한 크기의 공기방울을 형성시켰다가 터뜨리는 기술이다. 이 때, 공기방울이 터질 때 발생하는 전단응력 (shear stress)이 액체 내 물질들에 물리적인 손상을 일으킨다. 종래 수력학적 공동현상을 이용한 기술로는, 폐수 내 다양한 미생물 제거 등 그 용도가 폐수처리에 제한되어 있었다. 또한, 종래 “한국공개특허공보 제10-2012-0120592호”는 공동현상 (cavitation)을 이용하여 수중의 해파리를 제거할 수 있음을 확인하였으나, 개방형 수조에서의 동물성 플랑크톤을 제거하기 위하여 수력학적 공동현상을 이용한 용도에 관하여는 알려진 바가 없다.

이에, 본 발명자는 개방형 수조에서 미세조류를 배양할 때 동물성 플랑크톤을 효과적으로 제거할 수 있는 방법을 개발하고자 노력한 결과, 수력학적 공동현상을 이용하여 개방형 수조 내에서 바이오매스 생산성을 감소시키는 동물성 플랑크톤을 선택적으로 제거할 수 있다는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.

한국등록특허공보 제10-0654239호 한국공개특허공보 제10-2012-0120592호

본 발명은 미세조류 배양액을 흡입하여 토출하는 펌프; 상기 펌프에 구비되어 토출된 미세조류 배양액을 이동시키는 파이프; 및 상기 파이프에 연결되며, 수력학적 공동현상을 일으키는 오리피스를 포함하는 동물성 플랑크톤 제거장치의 제공을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 (a) 펌프로 미세조류 배양액을 흡입하여 토출하는 단계; 및 (b) 토출된 미세조류 배양액이 오리피스를 통과하면서 수력학적 공동현상에 의해 동물성 플랑크톤이 제거되는 단계를 포함하는 동물성 플랑크톤 제거방법의 제공을 목적으로 한다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여, 미세조류 배양액을 흡입하여 토출하는 펌프; 상기 펌프에 구비되어 토출된 미세조류 배양액을 이동시키는 파이프; 및 상기 파이프에 연결되며, 수력학적 공동현상을 일으키는 오리피스를 포함하는 동물성 플랑크톤 제거장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 (a) 펌프로 미세조류 배양액을 흡입하여 토출하는 단계; 및 (b) 토출된 미세조류 배양액이 오리피스를 통과하면서 수력학적 공동현상에 의해 동물성 플랑크톤이 제거되는 단계를 포함하는 동물성 플랑크톤 제거방법을 제공한다.

본 발명에 따른 장치 및 방법은 미세조류의 성장에 영향을 주지 않으면서, 동물성 플랑크톤을 선택적으로 제거할 수 있으며, 미세조류 바이오매스 체내에 아무런 불순물이 남지 않아 바이오 연료 생산, 바이오 고부가가치 물질 생산, 에너지 생산 등 후속 공정에 영향을 주지 않는다. 또한, 미세조류 개방형 수조에서 교반을 위해 일반적으로 사용하는 패들 휠 (paddle wheel)로는 극복하기 어려운 미세조류 군집 형성 문제를 부가적으로 해결하여 바이오매스의 생산성을 증진시킬 수 있다.

도 1A는 수력학적 공동현상 장치의 모식도를 나타낸 것이며, 도 1B는 수력학적 공동현상 장치의 사진을 나타낸 것이다.
도 2은 수력학적 공동현상에 반복 노출시킬 경우 윤충 제거율 변화 양상을 나타낸 것이다.
도 3는 수력학적 공동현상에 반복 노출시킬 경우 바이오매스 생산성 (biomass productivity)과 광자수율 (quantum yield)의 변화를 나타낸 것이다.
도 4는 광생물배양기 (photobioreactor; PBR)에서 수력학적 공동현상에 노출시킨 경우 미세조류 배양 결과를 나타낸 것이다.

달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법 및 이하에 기술하는 실험 방법은 본 기술 분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.

본 발명은 개방형 수조에서 미세조류를 배양할 때 동물성 플랑크톤을 효과적으로 제거할 수 있는 방법을 개발하고자 노력한 결과, 수력학적 공동현상을 이용하여 개방형 수조 내에서 바이오매스 생산성을 감소시키는 동물성 플랑크톤을 선택적으로 제거할 수 있다는 것을 확인하고자 하였다.

본 발명의 일관점에서, 미세조류 배양액을 흡입하여 토출하는 펌프; 상기 펌프에 구비되어 토출된 미세조류 배양액을 이동시키는 파이프; 및 상기 파이프에 연결되며, 수력학적 공동현상을 일으키는 오리피스를 포함하는 동물성 플랑크톤 제거장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 있어서, 상기 수력학적 공동현상은 흐르는 유체에서 국부적으로 압력을 변화시켜 미세한 크기의 공기방울을 형성시켰다가 터뜨리는 기술이다. 이 때, 공기방울이 터질 때 발생하는 전단응력이 액체 내 물질들에 물리적인 손상을 일으킨다. 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에서는, 토출된 미세조류 배양액이 오리피스를 통과하면서 압력 차이에 의해 수력학적 공동현상이 일어난다.

본 발명에 있어서, 상기 미세조류는 난노클로롭시스 (Nannochloropsis), 난노클로리스 (Nannochloris), 두날리엘라 (Dunalliella), 클라미도모나스 (Chlamydomonas), 쎄네데무스 (Scenedesmus), 클로렐라 (Chlorella), 유글레나 (Euglena), 테트라셀미스 (Tetraselmis), 보트리오코커스 (Botryococcus), 코코믹사 (Coccomyxa), 패오닥티룸 (Phaeodactylum), 시조키트리움 (Schizochytrium), 아르스로피라 (Arthrospira), 니츠시아 (Nitzschia), 이소크리시스 (Isochrysis), 마이크로시스티스 (Microcystis), 시네코코스 (Synechococcus), 시네코시스티스 (Synechocystis), 아우란티오크리트리움 (Aurantiochytrium), 마이크로악티니움 (Microactinium)일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 바람직하게는 상기 미세조류는 난노클로롭시스일 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 동물성 플랑크톤은 윤충 (Rotifer), 알테미아 (Altemia), 물벼룩 (Daphnia), 깔따구 유충 (Midge)일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명에 있어서, 상기 오리피스는 작은 구멍이 뚫린 디스크로서, 유체가 구멍을 통과할 때 유속이 빨라졌다가 다시 느려지면서 동시에 오리피스 후면의 유체 압력이 낮아졌다가 회복되면서 수력학적 공동현상을 일으킨다. 구체적으로는, 상기 토출퇸 유체는 상기 오리피스를 통과하면서 압력 차이에 의한 수력학적 공동현상을 일으키는 것을 특징으로 할 수 있다. 또한, 상기 오리피스는 1~100 개의 구멍을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 25~50개의 구멍을 포함할 수 있다.

β-opening은 오리피스가 포함하는 구멍 면적의 합을 파이프의 단면적으로 나눈 β-opening 값을 의미한다. 본 발명의 일 실시예에서 수력학적 공동현상을 유발하기 위하여 β-opening 값은 0.0675~0.125로 할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명에 있어서, 상기 동물성 플랑크톤 제거장치는 개방형 수조 내에서 동물성 플랑크톤을 제거하는 것을 특징으로 할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 동물성 플랑크톤 제거장치는 상기 유체 내의 동물성 플랑크톤을 40~99.9% 제거하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 다른 관점에서, (a) 펌프로 미세조류 배양액을 흡입하여 토출하는 단계; 및 (b) 토출된 미세조류 배양액이 오리피스를 통과하면서 수력학적 공동현상에 의해 동물성 플랑크톤이 제거되는 단계를 포함하는 동물성 플랑크톤 제거방법에 관한 것이다.

본 발명에 있어서, 상기 동물성 플랑크톤 제거방법은 개방형 수조 내에서 동물성 플랑크톤을 제거하는 것을 특징으로 할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 동물성 플랑크톤 제거방법은 상기 유체 내의 동물성 플랑크톤을 40~99.9% 제거하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 수력학적 공동현상에 반복 노출시킬 경우 윤충 제거율의 변화를 확인한 결과, 윤충의 전체 개체 수 대비 제거율은 초기농도에 반비례하였고, 오리피스를 한 번 거친 경우는 초기농도가 mL당 1000 마리일 때 87.5%, 오리피스를 네 번 거친 경우는 초기 농도에 상관없이 윤충이 99.9%가 제거된다는 것을 확인할 수 있었다 (도 2 참조). 또한, 수력학적 공동현상에 의한 바이오매스 생산성 변화를 알아본 결과, 오리피스를 한 번 거친 경우는 대조군 대비 20%의 바이오매스가 감소하였고, 오리피스를 네 번 거친 경우는 50%가 감소하였으나 (도 3 참조), 이는 일시적인 현상이며, 광생물배양기에서 연속식으로 미세조류 세포를 배양한 경우 하루 이내에 원래의 세포 생장속도가 회복된다는 것을 확인할 수 있었다 (도 4 참조). 이를 통해, 수력학적 공동현상을 이용하면 개방형 수조 내에서 바이오매스의 생산성에 영향을 미치지 않으면서 동시에 이의 생산성을 감소시키는 동물성 플랑크톤만을 선택적으로 제거할 수 있음을 알 수 있었다.

이하 본 발명을 하기 실시예를 참조하여 구체적으로 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 제한되지는 않는다.

[ 실시예 1] 수력학적 공동현상 장치 구성 및 원리

수력학적 공동현상을 일으키는 장치는 다단원심 펌프 (TPH2T6KS; Walrus Pump (Taiwan) Ltd.), 스테인레스 파이프 (Φ 2cm), 오리피스 (Φ 2cm)를 조합하여 구성된다 (도 1A 참조). 오리피스는 지름 1mm의 구멍이 1~100개 뚫려 있다. 파이프가 배양액을 흡입하여 토출할 때, 토출구 앞에 오리피스를 부착하여 수력학적 공동현상을 일으킨다. 배양액이 오리피스의 구멍을 통과할 때 유속이 빨라졌다가 다시 느려지면서 동시에 오리피스 후면의 배양액의 압력이 낮아졌다가 회복된다. 이 때 압력이 물의 증기압 이하로 떨어지면서 순간적으로 기체버블이 형성되었다가, 압력이 회복되면서 형태가 불안정하게 변해 터지게 된다. 배양액 내에서 기체버블이 터질 때 그 주변으로 충격파 (shock wave)가 발생하여 진행되며 동시에 난류 (turbulent flow)가 형성되어 강한 전단응력 (shear stress)을 만들고, 이로 인해 동물성 플랑크톤의 세포막이 터지게 된다. 반면, 식물성 플랑크톤인 미세조류는 강한 세포벽이 있어 이러한 외부의 충격으로부터 보호받을 수 있다.

[ 실시예 2] 수력학적 공동현상에 의한 윤충 제거율 변화

수력학적 공동현상에 의한 윤충 제거율의 변화를 알아보기 위하여, 실시예 1의 수력학적 공동현상 장치에 배양액을 1~4회 반복하여 노출시켰다. 오리피스 전단에 3bar의 압력을 주어 6L/min으로 펌프를 운영하였을 때, 윤충의 세포막이 수력학적 공동현상에 노출된 후 물리적으로 찢어지는 것이 관찰되었으며, 전체 개체 수 대비 제거율은 초기농도에 반비례하였다 (도 2 참조). 오리피스를 한 번 거친 경우는 초기농도가 mL당 1000 마리일 때 87.5%가 제거되었으며, 초기농도가 올라갈수록 제거율은 점점 감소하여 mL 당 8000마리일 때 40%가 제거되었다. 또한, 오리피스를 네 번 거친 경우는 초기 농도에 상관없이 99.9%가 제거되었다 (도 2 참조).

상기 결과를 통해, 자연 상태에서는 부영양화가 심한 수중환경이라고 해도 윤충의 농도가 mL 당 250마리를 넘지 못하므로, 자연 상태에서는 오리피스를 한 번만 거치도록 처리하여도 수력학적 공동현상에 의해 최소 90% 이상의 윤충이 제거될 수 있을 것으로 예측하였다.

[ 실시예 3] 수력학적 공동현상에 의한 바이오매스 생산성 변화

실시예 1의 수력학적 공동현상 장치에 배양액을 1회 또는 4회 노출시킨 후, 바이오매스 생산성 (biomass productivity)과 광합성 능력 및 세포의 활성도를 직·간접적으로 예측하는 광자수율 (quantum yield)을 측정하였다.

배양액을 수력학적 공동현상에 반복 노출시킨 경우에 바이오매스 생산성이 전반적으로 감소하는 것을 확인하였다. 오리피스를 한 번 거친 경우는 대조군 대비 20%의 바이오매스가 감소하였고, 오리피스를 네 번 거친 경우는 50%가 감소하였다 (도 3 참조). 또한, 광자수율을 측정한 결과, 오리피스를 한 번 거친 경우는 대조군과 차이가 없었으나, 오리피스를 네 번 거친 경우는 10%가 감소하였다 (도 3 참조). 또한, 오리피스를 네 번 거친 경우는 미세조류에서는 군집이 생기는 현상이 관찰되었다. 이를 통해, 수력학적 공동현상에 반복 노출시키는 경우 일시적으로 세포 상태가 나빠질 수 있음을 확인하였다.

그러나, 광생물배양기 (PBR)에서 연속식으로 미세조류 세포를 배양한 경우 하루 이내에 원래의 세포 생장속도로 회복된다는 것을 확인하였으며, 구체적으로 도 4를 살펴보면, 수력학적 공동현상에 노출시킨 7일을 기점으로 8일까지는 바이오매스가 일시적으로 감소하였으나, 8일 이후부터는 세포 성장률이 회복되는 것을 확인하였다.

따라서, 상기 실시예를 통해, 수력학적 공동현상을 이용하면 개방형 수조 내에서 바이오매스의 생산성에 영향을 미치지 않으면서 동시에 이의 생산성을 감소시키는 동물성 플랑크톤만을 선택적으로 제거할 수 있음을 알 수 있다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims

미세조류 배양액을 흡입하여 토출하는 펌프;
상기 펌프에 구비되어 토출된 미세조류 배양액을 이동시키는 파이프; 및
상기 파이프에 연결되며, 수력학적 공동현상을 일으키는 오리피스를 포함하는 동물성 플랑크톤 제거장치.
제1항에 있어서, 상기 미세조류 배양액의 유량은 6~60L/분(min)인 것을 특징으로 하는 동물성 플랑크톤 제거장치.
제1항에 있어서, 상기 미세조류는 난노클로롭시스 (Nannochloropsis), 난노클로리스 (Nannochloris), 두날리엘라 (Dunalliella), 클라미도모나스 (Chlamydomonas), 쎄네데무스 (Scenedesmus), 클로렐라 (Chlorella), 유글레나 (Euglena), 테트라셀미스 (Tetraselmis), 보트리오코커스 (Botryococcus), 코코믹사 (Coccomyxa), 패오닥티룸 (Phaeodactylum), 시조키트리움 (Schizochytrium), 아르스로피라 (Arthrospira), 니츠시아 (Nitzschia), 이소크리시스 (Isochrysis), 마이크로시스티스 (Microcystis), 시네코코스 (Synechococcus), 시네코시스티스 (Synechocystis), 아우란티오크리트리움 (Aurantiochytrium) 및 마이크로악티니움 (Microactinium)으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 동물성 플랑크톤 제거장치.
제1항에 있어서, 상기 동물성 플랑크톤은 윤충 (Rotifer), 알테미아 (Altemia), 물벼룩 (Daphnia) 및 깔따구 유충 (Midge)으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 동물성 플랑크톤 제거장치.
제1항에 있어서, 상기 오리피스는 1~100개의 구멍을 포함하는 것을 특징으로 하는 동물성 플랑크톤 제거장치.
제1항에 있어서, 상기 오리피스가 포함하는 구멍 면적의 합을 상기 파이프의 단면적으로 나눈 β-opening 값은 0.0675~0.125인 것을 특징으로 하는 동물성 플랑크톤 제거장치.
제1항에 있어서, 상기 토출된 미세조류 배양액은 오리피스를 통과하면서 압력 차이에 의한 수력학적 공동현상을 일으키는 것을 특징으로 하는 동물성 플랑크톤 제거장치.
제1항에 있어서, 상기 동물성 플랑크톤 제거장치는 미세조류 배양액 내의 동물성 플랑크톤을 40~99.9% 제거하는 것을 특징으로 하는 동물성 플랑크톤 제거장치.
하기의 단계를 포함하는 동물성 플랑크톤 제거방법:
(a) 펌프로 미세조류 배양액을 흡입하여 토출하는 단계; 및
(b) 토출된 미세조류 배양액이 오리피스를 통과하면서 수력학적 공동현상에 의해 동물성 플랑크톤이 제거되는 단계.
제9항에 있어서, 상기 수력학적 공동현상은 미세조류 배양액이 오리피스를 통과하면서 유발되는 것을 특징으로 하는 동물성 플랑크톤 제거방법.
제9항에 있어서, 상기 미세조류 배양액의 유량은 6~60L/분(min)인 것을 특징으로 하는 동물성 플랑크톤 제거방법.
제9항에 있어서, 상기 미세조류는 난노클로롭시스 (Nannochloropsis), 난노클로리스 (Nannochloris), 두날리엘라 (Dunalliella), 클라미도모나스 (Chlamydomonas), 쎄네데무스 (Scenedesmus), 클로렐라 (Chlorella), 유글레나 (Euglena), 테트라셀미스 (Tetraselmis), 보트리오코커스 (Botryococcus), 코코믹사 (Coccomyxa), 패오닥티룸 (Phaeodactylum), 시조키트리움 (Schizochytrium), 아르스로피라 (Arthrospira), 니츠시아 (Nitzschia), 이소크리시스 (Isochrysis), 마이크로시스티스 (Microcystis), 시네코코스 (Synechococcus), 시네코시스티스 (Synechocystis), 아우란티오크리트리움 (Aurantiochytrium) 및 마이크로악티니움 (Microactinium)으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 동물성 플랑크톤 제거방법.
제9항에 있어서, 상기 동물성 플랑크톤은 윤충 (Rotifer), 알테미아 (Altemia), 물벼룩 (Daphnia) 및 깔따구 유충 (midge)으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 동물성 플랑크톤 제거방법.
제9항에 있어서, 상기 동물성 플랑크톤 제거방법은 상기 미세조류 배양액 내의 동물성 플랑크톤을 40~99.9% 제거하는 것을 특징으로 하는 동물성 플랑크톤 제거방법.