KR20210061060A - 도심 건물형 미세조류 광배양 및 아쿠아팜 하이브리드 시스템 - Google Patents

도심 건물형 미세조류 광배양 및 아쿠아팜 하이브리드 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배기가스를 공급받아 미세조류를 광배양하며, 건물 창에 설치되는 미세조류 광배양부, 건물창에서 설치되어 어류를 양식하는 아쿠아팜 및 상기 광배양부에서 생성되는 물질을 이용하여 바이오매스를 추출하는 바이오매스 추출부를 포함하며, 상기 바이오매스 추출부에서 추출되는 추출찌꺼기를 펠렛으로 제작하여 아쿠아팜의 사료로 공급하는 것을 특징으로 하는 도심 건물형 미세조류 광배양 및 아쿠아팜 하이브리드 시스템을 제공한다.

Description

도심 건물형 미세조류 광배양 및 아쿠아팜 하이브리드 시스템{Microalgal photoculture and Aquafarm hybrid system using urban building}
실시예는 도심 건물형 미세조류 광배양 및 아쿠아팜 하이브리드 시스템에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 도심 발전소나 건물에서 미세조류를 광배양하면서 스마트팜과 아쿠아팜을 연계하는 도심 건물형 미세조류 광배양 및 아쿠아팜 하이브리드 시스템에 관한 것이다.
도심 발전소 배기가스를 미세조류가 존재하는 광반응기로 공급하면, 햇빛을 받으면서 광합성 반응을 통해 온실가스(CO2)를 감소시키는 생물학적 전환으로 CO2를 처리하면서 고가물질(항산화물질) 원료인 미세조류 바이오매스를 생산하게 된다.
생산된 바이오매스는 수확후 추출 분리되어 항산화물질(아스티잔틴) 등을 활용한 건강식품이나 화장품 원료를 생산할 수 있어 온실가스(CO2)를 처리하면서 고가물질로 수익을 얻을 수 있다.
그러나, 일반적으로 사용되고 있는 미세조류 배양시스템은 플라스틱 수조형태(Raceway ponds) 또는 유리나 고분자 필름재질의 광반응기(photoreator) 형태로 많은 면적을 차지하기 때문에 도심 발전소나 건물과 같은 협소한 공간에 적용하는 것은 매우 어려우며, 이를 건물에 적용시키기 위해서는 옥상 상부에 하부지지공사를 한 후, 유리온실의 형태로 활용할 수 밖에 없는 실정이다.
대한민국 등록특허 제10-1404223호.
실시예는 도심 건물창을 이중창 형태의 미세조류 광배양 및 아쿠아팜 반응기를 이용하여 반응기의 생산단가를 감소시키는 것을 목적으로 한다.
또한, 도심발전설비나 건물 보일러에서 배출되는 배기가스에 함유된 이산화탄소를 감소시키는 것을 목적으로 한다.
또한, 각 공정에서 배출되는 배양액이나 분변를 자원으로 활용하여 전체 자원이 활용되도록 하는 것을 목적으로 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제에 국한되지 않으며 여기서 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예는, 배기가스를 공급받아 미세조류를 광배양하며, 건물 창에 설치되는 미세조류 광배양부; 건물창에서 설치되어 어류를 양식하는 아쿠아팜; 및 상기 광배양부에서 생성되는 물질을 이용하여 바이오매스를 추출하는 바이오매스 추출부;를 포함하며, 상기 바이오매스 추출부에서 추출되는 추출찌꺼기를 펠렛으로 제작하여 아쿠아팜의 사료로 공급하는 것을 특징으로 하는 도심 건물형 미세조류 광배양 및 아쿠아팜 하이브리드 시스템을 제공한다.
바람직하게는, 상기 광배양부는 건물의 이중창에 설치하되, 상기 건물의 외벽창은 상기 미세조류의 상태에 따라 광투과도가 조절되는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 아쿠아팜은 건물의 이중창에 설치하되, 상기 건물의 외벽창은 상기 어류의 어종에 따라 조절되는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 미세조류 광배양부에서 생산되는 산소는 상기 아쿠아팜으로 공급되는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 건물의 옥상에는 수경재배되는 스마트팜이 구비되며, 상기 스마트팜에는 배기가스가 공급되는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 아쿠아팜에서 발생하는 어류폐수 및 분변을 저장하는 폐기물탱크; 상기 폐기물탱크에 저장된 폐수를 여과살균하는 여과살균부를 더 포함하며, 상기 여과살균부에서 살균된 폐수는 상기 광배양부로 주입되는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 폐기물탱크에서 추출된 어류의 분변 소화하는 혐기성소화조; 상기 혐기성소화조에서 생성된 메탄을 이용하여 발전하는 열병합 발전부;를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 바이오매스 추출부에서 생산되는 산소를 저장하는 산소탱크;를 더 포함하며, 상기 산소탱크에 저장된 산소는 주입량이 조절되어 아쿠아팜으로 공급되는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 광배양부의 광투과도는 상기 미세조류의 증식단계와 유도단계를 구분하여 조절되는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 미세조류 증식단계는 광투과도가 10~50%의 범위에서 설정되며, 상기 유도단계는 50~100%의 범위에서 설정되는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 열병합 발전부에서 생성된 전력은 상기 건물이나 상기 광배양부로 공급되는 것을 특징으로 할 수 있다.
실시예에 따르면, 도심 건물창을 이중창 형태의 미세조류 광배양 및 아쿠아팜 반응기로 만들어 기존대비 공간을 1/10이상 감소시켜, 배양규모대비 반응기 생산단가를 1/5 정도로 감소시킬 수 있다.
또한, 도심발전 설비나 건물 보일러에서 발생되는 배기가스의 이산화탄소를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 각각의 설비에서 나오는 바이오매스, 폐수 및 분변을 자원으로 활용할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 도심 건물형 미세조류 광배양 및 아쿠아팜 하이브리드 시스템의 구조도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, “A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)”로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다.
이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.
그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 ‘연결’, ‘결합’ 또는 ‘접속’된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성 요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 ‘연결’, ‘결합’ 또는 ‘접속’ 되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성 요소의 “상(위) 또는 하(아래)”에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, “상(위) 또는 하(아래)”으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은, 본 발명을 개념적으로 명확히 이해하기 위하여, 주요 특징 부분만을 명확히 도시한 것이며, 그 결과 도해의 다양한 변형이 예상되며, 도면에 도시된 특정 형상에 의해 본 발명의 범위가 제한될 필요는 없다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 도심 건물형 미세조류 광배양 및 아쿠아팜 하이브리드 시스템의 구조도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 도심 건물(200)형 미세조류 광배양 및 아쿠아팜 하이브리드 시스템은 배기가스 공급부(100), 미세조류 광배양부(210), 아쿠아팜(220), 스마트팜(240) 및 바이오매스 추출부(250)를 포함할 수 있다.
배기가스 공급부(100)는 도심발전소에서 생산되는 배기가스를 건물(200)의 미세조류 광배양부(210) 및 스마트팜(240)으로 공급할 수 있다.
본원 발명에서 미세조류 광배양부(210), 스마트팜(240) 및 아쿠아팜(220)은 하나의 건물(200)에 설치될 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 복수의 건물(200)에 설치될 수도 있다.
미세조류 광배양부(210)는 배기가스를 공급받아 미세조류를 광배양 하며, 건물(200)의 창에 설치될 수 있다. 미세조류 광배양부(210)는 건물(200)의 창에 설치되어 태양광이 광배양부(210)의 미세조류와 반응하여 광합성이 진행될 수 있다. 배기가스 공급부(100)로부터 공급되는 배기가스는 햇빛과의 광합성(6CO2+6H2O->C6H12O6+6O2)을 통해 이산화탄소를 소모하고 산소를 생산하게 된다.
일반적으로 미세조류 배양 방법은 크게 개방형 연못(Open pond), 수조형 연못(Raceway ponds) 및 광생물반응기(Photobioreactor)로 나눌 수 있다. 개방형 연못 배양시스템은 초기 투자비와 운영비용이 낮아 가장 널리 활용되고 있는 방식으로 효율적인 빛 전달을 위해 반응기 깊이는 0.3m 정도로 콘크리트, 플라스틱 등의 재질로 제작되고, 수차를 활용하여 배양액의 순환 및 미세조류의 침강을 방지한다. 그러나 외부로 노출되어 있어 오염, 온도제어, 낮은 생산성 등이 문제가 되며, 공급해주는 이산화탄소의 대부분이 대기 중으로 손실되는 단점이 있다. 광생물 반응기는 폐쇄된 형태의 반응기로 미세조류 바이오매스 생산성이 높고, 안정적인 관리가 가능하나 개방형 연못 시스템에 비해 초기투자 및 운영비용이 높은 단점이 있다.
본원발명에서 미세조류 광배양부(210)는 이중창 구조를 가지는 건물(200) 창에 설치되어 개방형 연못의 단점인 외부오염이나 온도 제어, 공급되는 이산화탄소의 손실 문제를 해결할 수 있으며, 광생물 반응기의 단점이 비용문제를 절감할 수 있다.
일실시예로, 미세조류 광배양부(210)는 직각기둥형태로 건물(200) 창에 설치될 수 있으며, 기존의 유리온실 광배양기를 사용할 경우보다 공간을 1/10이상 감소시킬 수 있으며, 배양규모대비 반응기의 생산단가를 1/5정도로 줄일 수 있다.
스마트팜(240)은 건물(200)의 옥상에 설치되는 것으로 채소와 같은 식물을 수경재배할 수 있으며, 배기가스 공급부(100)로부터 배기가스가 시비될 수 있다. 스마트팜(240)은 농림 이나 축수산물의 생산 단계에서 정보 통신 기술(ICT)을 접목하여 지능화된 농업 시스템을 통칭하는 것으로, 건물(200)의 옥상과 같은 공간이 사용되고 있다. 수경재배되는 스마트팜(240)으로 공급되는 배기가스에 함유된 이산화탄소는 스마트팜(240)의 작물의 성장속도를 3배 이상 증대할 수 있다.
아쿠아팜(220)은 건물(200)창에 설치되어 어류를 양식할 수 있다. 일실시예로, 아쿠아팜(220)은 이중창 구조의 건물(200) 창에 설치될 수 있다. 아쿠아팜(220)에서 양식되는 어류의 종류에는 제한이 없다.
미세조류 광배양부(210)에서 생성되는 산소는 아쿠아팜(220)으로 공급되어 어류양식에 필요한 산소로 사용될 수 있다. 또한, 미세조류 광배양부(210)에서 생성되는 산소는 산소저장부(230)에 저장될 수 있다. 산소저장부(230)에 저장된 산소는 필요에 따라 아쿠아팜(220)으로 일정량이 공급되도록 설정될 수 있다.
건물(200)의 이중창 구조로 설치되는 광배양부(210) 및 아쿠아팜(220)은 광투과도가 조절될 수 있다. 건물(200)창의 투과도가 조절되는 기술은 다양한 공지의 기술이 사용될 수 있으나, 바람직하게는, 구동전원의 인가에 따라 광투과도가 변화하는 PLCD(Polymer disperse liquid crystal)를 이용하는 형태로 제작될 수 있다.
미세조류 광배양부(210)에서 광투과도는 미세조류의 증식단계와 유도단계를 구분하여 조절될 수 있다. 일실시예로, 광투과도가 10~100%까지 조절되는 경우, 미세조류 증식단계에서 10~50% 정도로 광투과도를 제어하여 미세조류의 생장속도를 높이고, 이후 유도단계는 50~100%까지 광량을 극대화하여 항산화물질의 축적을 극대화할 수 있다.
또한, 아쿠아팜(220)에서는 광투과도를 조절하여 광량을 양식어종에 맞게 조절하여 어류의 스트레스를 최소화할 수 있다.
바이오매스 추출부(250)는 광배양부(210)에서 생성되는 물질을 이용하여 바이오매스를 추출할 수 있다. 바이오매스 추출부(250)는 미세조류의 광배양을 통해 생성되는 미세조류 바이오매스를 수확하고 이를 건조할 수 있다.
추출된 바이오매스는 수용성과 지용성으로 구분될 수 있으며, 추출되는 오메가3 또는 아스타잔틴(astaxantin) 등과 같은 물질을 이용하여 건강식품, 화장품 등의 고가물질을 생산할 수 있다.
바이오매스 추출부(250)에서 바이오매스를 추출하고 남은 찌꺼기는 펠렛으로 제작되어 아쿠아팜(220)으로 공급될 수 있다. 바이오매스 찌꺼기로 생성된 펠렛은 어류의 생장을 더욱 촉진할 수 있다.
폐기물탱크(300)는 아쿠아팜(220)에서 발생하는 어류 폐수를 저장할 수 있다. 폐기물탱크(300)에서는 밀도에 따라 폐수와 분변이 분리될 수 있다.
폐기물탱크(300)에서 분리된 폐수는 여과살균부(400)로 이동하게 된다.
여과살균부(400)는 어류 폐수에 포함되어 있는 분변 찌꺼기와 이물질을 걸러내고 이를 살균하게 된다. 일실시예로, 여과살균부(400)는 살균을 위해 UV가 사용될 수 있으며, 살균을 위한 다양한 장치가 사용될 수 있다.
여과살균부(400)에서 살균된 어류 폐수에는 미세조류의 생장에 도움이 되는 탄소(C),질소(N),인(P)의 필수영양소가 함유되어 있다. 따라서 여과살균부(400)에서 살균된 어류 폐수는 광배양부(210)로 주입되어 미세조류의 생장을 도울 수 있다.
또한, 폐기물탱크(300)에서 수거된 분변은 혐기성 소화조(500)로 이동할 수 있다. 혐기성 소화조(500)를 이용한 혐기성 소화공정은 혐기성 미생물에 의하여 음식물류 폐기물 탈리액, 가축분뇨, 유기성 슬러지 등 고농도 유기성 고형물을 분해. 처리함과 동시에 메탄 등 바이오가스를 생산하는 공정이다. 고농도 유기성 고형물을 분해하는 혐기성 소화공정은 효율을 향상시켜, 가수분해, 산 생성단계, 메탄 발효단계를 거쳐야 메탄이 주성분인 바이오가스를 생성할 수 있다.
이러한, 혐기성 소화조(500)에서 생성된 메탄(CH4)은 정제공정을 거쳐 열병합 발전부(600)(CHP)로 공급될 수 있다.
열병합 발전부(600)는 정제공정을 거친 메탄을 이용하여 전력을 생산하게 된다. 일실시예로, 열병합 발전부(600)는 연료전지를 이용하여 발전할 수 있다.
열병합 발전부(600)에서 생산된 전력은 건물(200)이나 광배양부(210)로 공급되어 건물(200)의 전력이나, 광배양부(210) 또는 아쿠아팜(220)을 동작시키는데 활용될 수 있다. 일실시예로, 생산된 전력은 광배양부의 광투과도를 조절하기 위해 사용될 수 있다.
전력의 공급대상은 제한이 없으며, 본원발명의 하이브리드 공정 시스템에 사용되는 다양한 구성요소들에 공급이 가능하다.
본원발명은 실시예에 따르면, 도심 건물(200)창을 이중창 형태의 미세조류 광배양 및 아쿠아팜(220) 반응기로 공간활용도 증대와 설치비용의 감소 효과가 있다. 또한, 배기가스로 배출되는 이산화탄소량 감소와 시스템 내에서 생성되는 물질을 자원으로 재활용하여 에너지 활용 효율을 극대화하는 기술적 특징이 존재한다.
이상으로 본 발명의 실시 예에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 살펴보았다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 배기가스 공급부
200 : 건물
210 : 미세조류 광배양부
220 : 아쿠아팜
230 : 산소저장부
240 : 스마트팜
250 : 바이오매스 추출부
300 : 폐기물탱크
400 : 여과살균부
500 : 혐기성 소화조
600 : 열병합 발전부

Claims (11)

  1. 배기가스를 공급받아 미세조류를 광배양하며, 건물 창에 설치되는 미세조류 광배양부;
    건물창에서 설치되어 어류를 양식하는 아쿠아팜; 및
    상기 광배양부에서 생성되는 물질을 이용하여 바이오매스를 추출하는 바이오매스 추출부;
    를 포함하며,
    상기 바이오매스 추출부에서 추출되는 추출찌꺼기를 펠렛으로 제작하여 아쿠아팜의 사료로 공급하는 것을 특징으로 하는 도심 건물형 미세조류 광배양 및 아쿠아팜 하이브리드 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 광배양부는 건물의 이중창에 설치하되, 상기 건물의 외벽창은 상기 미세조류의 상태에 따라 광투과도가 조절되는 것을 특징으로 하는 도심 건물형 미세조류 광배양 및 아쿠아팜 하이브리드 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 아쿠아팜은 건물의 이중창에 설치하되, 상기 건물의 외벽창은 상기 어류의 어종에 따라 조절되는 것을 특징으로 하는 도심 건물형 미세조류 광배양 및 아쿠아팜 하이브리드 시스템.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 미세조류 광배양부에서 생산되는 산소는 상기 아쿠아팜으로 공급되는 것을 특징으로 하는 도심 건물형 미세조류 광배양 및 아쿠아팜 하이브리드 시스템.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 건물의 옥상에는 수경재배되는 스마트팜이 구비되며,
    상기 스마트팜에는 배기가스가 공급되는 것을 특징으로 하는 도심 건물형 미세조류 광배양 및 아쿠아팜 하이브리드 시스템.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 아쿠아팜에서 발생하는 어류폐수 및 분변을 저장하는 폐기물탱크;
    상기 폐기물탱크에 저장된 폐수를 여과살균하는 여과살균부를 더 포함하며,
    상기 여과살균부에서 살균된 폐수는 상기 광배양부로 주입되는 것을 특징으로 하는 도심 건물형 미세조류 광배양 및 아쿠아팜 하이브리드 시스템.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 폐기물탱크에서 추출된 어류의 분변 소화하는 혐기성소화조;
    상기 혐기성소화조에서 생성된 메탄을 이용하여 발전하는 열병합 발전부;
    를 더 포함하는 도심 건물형 미세조류 광배양 및 아쿠아팜 하이브리드 시스템.
  8. 제4 항에 있어서,
    상기 바이오매스 추출부에서 생산되는 산소를 저장하는 산소탱크;를 더 포함하며, 상기 산소탱크에 저장된 산소는 주입량이 조절되어 아쿠아팜으로 공급되는 것을 특징으로 하는 심 건물형 미세조류 광배양 및 아쿠아팜 하이브리드 공정 시스템.
  9. 제2 항에 있어서,
    상기 광배양부의 광투과도는 상기 미세조류의 증식단계와 유도단계를 구분하여 조절되는 것을 특징으로 하는 도심 건물형 미세조류 광배양 및 아쿠아팜 하이브리드 시스템.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 미세조류 증식단계는 광투과도가 10~50%의 범위에서 설정되며, 상기 유도단계는 50~100%의 범위에서 설정되는 것을 특징으로 하는 도심 건물형 미세조류 광배양 및 아쿠아팜 하이브리드 시스템.
  11. 제7 항에 있어서,
    상기 열병합 발전부에서 생성된 전력은 상기 건물이나 상기 광배양부로 공급되는 것을 특징으로 하는 도심 건물형 미세조류 광배양 및 아쿠아팜 하이브리드 시스템.
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