KR20220156477A - Bio filter for air purifier with carbon dioxide reduction effect - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 이산화탄소 저감 효과를 갖는 공기청정기용 바이오필터에 관한 것으로, 공기가 스피루리나 배양액이 포함된 바이오 필터를 통과하도록 하여 이산화탄소 저감 효과를 갖는 공기청정기용 바이오필터에 관한 것이다.The present invention relates to a biofilter for an air purifier having an effect of reducing carbon dioxide, and relates to a biofilter for an air purifier having an effect of reducing carbon dioxide by allowing air to pass through a biofilter containing a Spirulina culture medium.
에너지 수요가 계속적으로 증가하는 상황에서 온실가스 배출로 인하여 발생한 지구 온난화 현상은 최근 몇 년 동안 심각한 환경 문제를 야기하고 있다. 이러한 온실가스 중 가장 큰 비중을 차지하는 것은 이산화탄소이며, 이에 전세계는 이산화탄소를 저감하기 위한 친환경적인 기술 개발에 주력하고 있다. 온실가스를 줄이기 위한 여러가지 방법 중 CCS(Carbon Capture Storage) 기술은 발전소나 산업체에서 발생된 이산화탄소를 따로 포집하여 저장함으로써 이산화탄소가 대기로 방출되는 것을 막아 공기 중의 이산화탄소 농도를 줄이는 것이며, 그 중에서도 생물학적 고정법(biological fixation)은 미세조류(microalgae)를 이용하는 방법이다.In a situation where energy demand continues to increase, global warming caused by greenhouse gas emissions has caused serious environmental problems in recent years. Carbon dioxide accounts for the largest portion of these greenhouse gases, and the world is concentrating on developing eco-friendly technologies to reduce carbon dioxide. Among various methods to reduce greenhouse gases, CCS (Carbon Capture Storage) technology is to reduce the concentration of carbon dioxide in the air by separately capturing and storing carbon dioxide generated from power plants or industries to prevent carbon dioxide from being released into the atmosphere. Among them, biological fixation method ( Biological fixation is a method using microalgae.
미세조류는 독립영양 미생물로 광합성을 통해 직접 이산화탄소 및 중탄산과 같은 무기탄소를 탄소원으로 이용하며 에너지 저장고로 탄수화물 및 지질을 합성한다. 미세조류는 지구상에서 전체 광합성의 90%를 담당하는 것으로 추정되며, 지구 생태계의 1차 생산자로 매우 중요한 위치를 점하고 있다. 배양 시스템에 따라 상이하나, 평균적으로 미세조류의 생산성은 42g/m2/d, 이산화탄소의 이용률은 54%, 이산화탄소 고정량은 48tC/ha/tr인 것으로 알려져 있다. 미세조류는 육상식물에 비해 빠른 성장성을 가지고 있고 해상 또는 황무지 등의 장소를 활용할 수 있는 등 많은 장점들을 가지고 있지만, 종 자체가 지닌 낮은 광합성 효율과 생산성의 한계로 인해 미세조류 공정의 상용화를 위해서는 해결해야 할 문제점들이 남아있다.Microalgae are autotrophic microorganisms that directly use inorganic carbon such as carbon dioxide and bicarbonate as carbon sources through photosynthesis and synthesize carbohydrates and lipids as energy stores. Microalgae are estimated to be responsible for 90% of the total photosynthesis on Earth, and occupy a very important position as the primary producers of the Earth's ecosystem. Although different depending on the culture system, it is known that the average productivity of microalgae is 42 g/m 2 /d, the utilization rate of carbon dioxide is 54%, and the fixed amount of carbon dioxide is 48 tC/ha/tr. Compared to terrestrial plants, microalgae have many advantages, such as rapid growth and the ability to use places such as the sea or wasteland. Problems remain to be addressed.
한편, 미세조류 중 남조류에 속하는 스피루리나는 차세대 에너지 및 식량원으로서 주목받고 있다 (Korean Ind. Eng. Chem., 19: 145, 2008). 스피루리나는 완전식품으로 단백질 50-70%, 탄수화물 10-20%, 지질 5-10%, 무기질 7-13%, 비타민 및 섬유질 8-10%를 함유하고 있어, 필수 영양소가 고루 갖춰진 건강 보조 식품으로서 많은 사람들에게 관심을 받고 있다. 이렇듯, 환경적, 생물학적, 영양적 가치가 우수한 스피루리나의 최대 배양을 위한 최적의 조건을 확립하고자 하는 연구가 계속되었으며, 결론적으로 당업계에서는 적정량의 광량, 영양염, 탄소원의 지속적인 공급 및 높은 배양 온도(30-35℃)가 필요하다고 알려져 있다 (Aquacult Int 7: 261-275, 1999, Ocean and Polar Research 35(4): 407-414, 2013).Meanwhile, among microalgae, Spirulina belonging to blue-green algae is attracting attention as a next-generation energy and food source (Korean Ind. Eng. Chem., 19: 145, 2008). Spirulina is a complete food and contains 50-70% protein, 10-20% carbohydrate, 5-10% lipid, 7-13% mineral, and 8-10% vitamin and fiber. It is getting attention from many people. As such, research to establish optimal conditions for maximum cultivation of Spirulina, which has excellent environmental, biological, and nutritional values, has been continued. As a result, in the art, continuous supply of appropriate amounts of light, nutrients, and carbon sources and high culture temperature ( 30-35 ℃) is known to be necessary (Aquacult Int 7: 261-275, 1999, Ocean and Polar Research 35(4): 407-414, 2013).
이러한 배경 하에, 본 발명자들은 이산화탄소를 저감할 수 있는 스피루리나의 탄소 고정 기술에 착안하여, 스피루리나 배양액을 포함하는 바이오 필터를 개발하고, 상기 바이오 필터에서 스피루리나를 최대 배양할 수 있는 최적의 조건을 규명하였으며, 더 나아가 상기 바이오 필터와 집진 장치를 결합한 공기청정기를 개발하여 미세먼지 및 이산화탄소를 동시에 저감할 수 있음을 확인하였다.Under this background, the present inventors focused on the carbon fixation technology of Spirulina that can reduce carbon dioxide, developed a biofilter containing a Spirulina culture medium, and identified the optimal conditions for maximally culturing Spirulina in the biofilter. Furthermore, it was confirmed that fine dust and carbon dioxide can be reduced simultaneously by developing an air purifier combining the biofilter and the dust collector.
본 발명의 목적은 흡입구를 포함하는 하우징; 상기 흡입구를 통해 유입된 공기에서 먼지를 집진하는 집진 장치; 상기 집진 장치를 통과한 공기를 필터링하는 바이오 필터;를 포함하고, 상기 바이오 필터는 스피루리나 배양액을 포함하는 공기청정기를 제공하는 것이다.An object of the present invention is a housing comprising a suction port; a dust collecting device that collects dust from the air introduced through the inlet; and a biofilter filtering the air passing through the dust collecting device, wherein the biofilter provides an air purifier containing a Spirulina culture medium.
본 발명의 다른 하나의 목적은 상기 공기청정기를 이용한 공기 정화 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide an air purification method using the air purifier.
이를 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 한편, 본 발명에서 개시된 각각의 설명 및 실시형태는 각각의 다른 설명 및 실시 형태에도 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에서 개시된 다양한 요소들의 모든 조합이 본 발명의 범주에 속한다. 또한, 하기 기술된 구체적인 서술에 의하여 본 발명의 범주가 제한된다고 볼 수 없다.A detailed description of this is as follows. Meanwhile, each description and embodiment disclosed in the present invention may also be applied to each other description and embodiment. That is, all combinations of the various elements disclosed herein fall within the scope of the present invention. In addition, it cannot be seen that the scope of the present invention is limited by the specific descriptions described below.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양태는, 흡입구를 포함하는 하우징; 상기 흡입구를 통해 유입된 공기에서 먼지를 집진하는 집진 장치; 상기 집진 장치를 통과한 공기를 필터링하는 바이오 필터;를 포함하고, 상기 바이오 필터는 스피루리나 배양액을 포함하는 공기청정기를 제공한다. One aspect of the present invention for achieving the above object is a housing including a suction port; a dust collecting device that collects dust from the air introduced through the inlet; and a biofilter filtering the air passing through the dust collector, wherein the biofilter provides an air purifier containing a Spirulina culture medium.
본 발명의 집진 장치는 방전전극 및 집진구간을 포함하는 필터부재 및 방전전극에 고전압을 인가하는 고전압 생성부재를 포함한다. 구체적으로, 방전전극이 나선형으로 배치된 이온화구간이 내부 상단에 형성되며, 내부 하단에는 나선형 주름이 3mm 간격으로 외벽에 다수 형성되며 마이너스 전극을 띈 집진구간이 세겹의 원통형으로 구성되며, 외부 하우징은 나선형 주름이 3mm 간격으로 외벽에 다수 형성되며 마이너스 전극을 띈 원통형으로 형성된 필터부재를 포함한다. 이온화 방식은 공기 중의 유해물질을 대전시켜 이온화시키는 과정에 방전할 수 있는 전극이 요구되는데, 종래의 공기청정기는 대부분 일자형으로 방전전극을 배치하여 이온화구간이 짧지만, 본 발명 집진 장치의 이온화구간은 나선형으로 방전전극을 나열함에 따라서 이온화구간이 10배 가량 증대되는 효과가 있다. 이온화구간에서 먼지 및 유해 물질을 포함한 공기 입자를 대전시킨 후, 일반적으로 플러스(+)를 띄는 오염 물질은 마이너스(-) 전극을 띄는 주름 형태의 집진판에 흡착되도록 하며, 음이온은 외부로 방출하도록 한다. 또한, 집진 장치는 상기 방전전극에 고전압을 인가하기 위한 고전압 생성부재를 포함하며, 13,500V를 생성한다 (대한민국 등록특허 10-1839556).The dust collecting device of the present invention includes a filter member including a discharge electrode and a dust collecting section, and a high voltage generating member for applying a high voltage to the discharge electrode. Specifically, an ionization section in which discharge electrodes are arranged in a spiral form is formed at the top of the inside, a plurality of spiral wrinkles are formed on the outer wall at 3 mm intervals at the bottom of the inside, and a dust collection section with a negative electrode is formed in a three-layered cylindrical shape, and the outer housing is A plurality of spiral pleats are formed on the outer wall at intervals of 3 mm, and a filter member formed in a cylindrical shape with a negative electrode is included. The ionization method requires an electrode capable of discharging in the process of electrifying and ionizing harmful substances in the air. Conventional air purifiers have a short ionization period by arranging discharge electrodes in a straight line, but the ionization period of the dust collector of the present invention By arranging the discharge electrodes in a spiral form, the ionization period is increased by about 10 times. After the air particles including dust and harmful substances are charged in the ionization section, contaminants that are generally positive (+) are adsorbed to the wrinkle-shaped dust collection plate with negative (-) electrodes, and negative ions are released to the outside. . In addition, the dust collector includes a high voltage generating member for applying a high voltage to the discharge electrode, and generates 13,500V (Republic of Korea Patent Registration 10-1839556).
본 발명의 바이오 필터는 스피루리나 배양액이 순환하는 수직 이중관 및 수평 이송관을 포함한다. 수직 이중관은 투명한 재질로 이루어지고 중공관으로 형성되어 수직으로 배치되는 외부관과, 투명한 재질로 이루어지고 중공관으로 형성되며 상기 외부관의 내부 중앙에 수직으로 설치되며 상단 영역에는 유출공이 형성되고 하단 주변에는 다수개의 유입공이 각각 형성되는 내부관으로 이루어진다. 또한, 수평 이송관은 양단이 배양액 저장탱크와 연결되고, 수평으로 배치되며, 상기 수직 이중관의 외부관 하단부가 상면에 연통되도록 결합되고, 상기 내부관의 하단부는 바닥에 근접하게 연장되어 설치되며, 상기 내부관과 대응되는 위치의 바닥에는 배양액을 상기 내부관의 상향으로 이동시키면서 교반하기 위한 폭기용 산기부재가 마련되되, 상기 내부관의 하단부와 상기 폭기용 산기부재 상면과의 간격은 1-4cm를 유지하여 마련된다 (대한민국 등록특허 10-2200310).The biofilter of the present invention includes a vertical double pipe and a horizontal transfer pipe through which the Spirulina culture medium circulates. The vertical double tube is made of a transparent material and formed of a hollow tube and is vertically disposed. An outer tube made of a transparent material and formed of a hollow tube is vertically installed in the inner center of the outer tube, and an outlet hole is formed in the upper region and the lower end It consists of an inner tube in which a plurality of inlet holes are formed around the perimeter. In addition, both ends of the horizontal transfer pipe are connected to the culture medium storage tank, are arranged horizontally, and the lower end of the outer tube of the vertical double pipe is coupled to communicate with the upper surface, and the lower end of the inner tube extends close to the floor and is installed, An aeration member for agitating while moving the culture medium upwards of the inner tube is provided at the bottom corresponding to the inner tube, and the distance between the lower end of the inner tube and the upper surface of the aeration member is 1-4 cm. It is prepared by maintaining (Republic of Korea Patent Registration 10-2200310).
본 발명의 바이오 필터는 온도조절수단을 추가로 포함하여 동절기나 하절기에도 그 온도를 15 내지 25℃로 일정하게 유지할 수 있다. 다만, 일반적인 환경에서 스피루리나를 배양하기에 적합한 온도는 30 내지 35℃인 것으로 알려져 있는 바, 본 발명에서는 15 내지 25℃라는 상기 바이오 필터 내의 조건에서 스피루리나의 성장이 최대가 될 수 있는 배양액의 조건을 규명한 것에 그 특징이 있다.The biofilter of the present invention may further include a temperature control means to constantly maintain the temperature at 15 to 25°C even in winter or summer. However, it is known that the temperature suitable for culturing Spirulina in a general environment is 30 to 35 ° C., and in the present invention, the conditions of the culture medium at which the growth of Spirulina can be maximized under the condition in the biofilter of 15 to 25 ° C. What has been identified is its characteristic.
본 발명의 용어 "스피루리나"는 지구 최초의 광합성을 능력을 가지고 태어난 식물성, 동물성, 해조류, 박테리아의 성격을 띤 미세조류로서, 형태는 0.5mm 나선형이며, 세포벽은 얇고 부드러워 녹조류에 속하는 클로렐라(Chlorella) 속에 비해 식용으로 섭취 시 영양성분의 흡수력이 훨씬 우수하다. 또한, 강알칼리에 내성을 가지고 있어 폐수 처리 등의 환경 분야에 적용할 수 있으며, 건강보조식품, 화장품 분야, 사료 등으로 많이 이용되고 있다.The term "Spirulina" of the present invention is a microalgae with the characteristics of plants, animals, algae, and bacteria born with the ability to photosynthesize for the first time on earth, and has a 0.5 mm spiral shape and a thin and soft cell wall. Chlorella belonging to green algae Compared to the inside, the absorption of nutrients is much better when consumed as food. In addition, it has resistance to strong alkalis, so it can be applied to environmental fields such as wastewater treatment, and is widely used in health supplements, cosmetics, and feed.
본 발명의 스피루리나는 스피루리나 속(Spirulina sp.)의 균주를 의미하며, 구체적으로, Spirulina(Arthrospira) platensis, Spirulina fusiformis, 및 Spirulina maxima를 포함한다.The Spirulina of the present invention refers to strains of the genus Spirulina (Spirulina sp.), and specifically includes Spirulina ( Arthrospira ) platensis, Spirulina fusiformis , and Spirulina maxima .
본 발명의 용어 "스피루리나 배양액"은 일정 기간 동안 스피루리나가 성장 및 생존할 수 있도록 하는 액체 배지를 의미하며, 본 발명에서는 스피루리나를 포함하여 바이오 필터 내를 순환하는 용액을 의미할 수 있다.The term "Sprulina culture medium" of the present invention means a liquid medium in which Spirulina can grow and survive for a certain period of time, and in the present invention, it may mean a solution containing Spirulina circulating in a biofilter.
본 발명의 스피루리나 배양액은 pH 9 내지 11, 및 15 내지 25℃의 온도에서 탄소원으로서 NaHCO3 18 내지 22g/L, 및 질소원으로서 NaNO3 5 내지 10g/L를 포함할 수 있으며, 구체적으로, NaHCO3 20g/L, 및 NaNO3 6g/L을 포함할 수 있다. 본 발명의 구체적인 일 구현예에서는, 본 발명의 바이오 필터 내 pH 10 및 20℃의 온도에서 NaHCO3 및 NaNO3의 농도를 달리하여 그 성장량을 비교한 결과, 일반적으로 사용되는 SOT 배지 내 NaHCO3 및 NaNO3의 농도보다 더 높은 NaHCO3 20g/L, 및 NaNO3 6g/L의 농도에서 스피루리나의 성장이 활발한 것을 확인하였다 (실험예 1).The Spirulina culture medium of the present invention may contain 18 to 22 g/L of NaHCO 3 as a carbon source and 5 to 10 g/L of NaNO 3 as a nitrogen source at pH 9 to 11 and a temperature of 15 to 25 ° C. Specifically, NaHCO 3 20 g/L, and NaNO 3 6 g/L. In a specific embodiment of the present invention, as a result of comparing the growth amounts of NaHCO 3 and NaNO 3 by varying the concentrations of NaHCO 3 and NaNO 3 at pH 10 and a temperature of 20 ° C in the biofilter of the present invention, NaHCO 3 and NaHCO 3 in a commonly used SOT medium It was confirmed that the growth of Spirulina was active at concentrations of 20 g/L of NaHCO 3 and 6 g/L of NaNO 3 higher than the concentration of NaNO 3 (Experimental Example 1).
본 발명의 스피루리나 배양액은 pH 9 내지 11, 및 15 내지 25℃의 온도에서 60 내지 80cm/s의 유속으로 바이오 필터를 순환하는 것일 수 있으며, 구체적으로 70cm/s의 유속을 가질 수 있다. 본 발명의 구체적인 일 구현예에서는, 본 발명의 바이오 필터 내에서 스피루리나 배양액이 70cm/s의 유속으로 순환할 때 가장 높은 균체 성장을 나타내는 것을 확인하였다 (실험예 2).The Spirulina culture medium of the present invention may be circulated through a biofilter at a flow rate of 60 to 80 cm/s at pH 9 to 11 and a temperature of 15 to 25° C., specifically, may have a flow rate of 70 cm/s. In a specific embodiment of the present invention, it was confirmed that the highest cell growth was observed when the Spirulina culture medium was circulated at a flow rate of 70 cm/s in the biofilter of the present invention (Experimental Example 2).
본 발명의 용어 "트리에탄올아민(triethanolamine, TEA)"은 3차 아민의 유기 화합물로서, 수성 암모니아와 에틸렌 옥사이드(ethylene oxide)의 반응으로 생산될 수 있다. 물에 대한 용해도, 낮은 휘발성 및 이산화탄소의 선택적 흡수가 가능한 점으로 인하여 화학적 이산화탄소 흡수제로 사용되나, 바이오 필터에 적용하여 공기정청기의 효율을 증가할 수 있는 방안에 대해서는 연구된 바 없다.The term "triethanolamine (TEA)" of the present invention is an organic compound of tertiary amine, which can be produced by the reaction of aqueous ammonia and ethylene oxide. It is used as a chemical carbon dioxide absorbent due to its solubility in water, low volatility, and ability to selectively absorb carbon dioxide, but no study has been conducted on how to increase the efficiency of air cleaners by applying it to biofilters.
본 발명의 스피루리나 배양액은 트리에탄올아민(triethanolamine, TEA)을 추가로 포함할 수 있다. 본 발명의 구체적인 일 구현예에서는, 본 발명의 스피루리나 배양액에 TEA를 포함하는 경우, 포함하지 않는 경우에 비하여 대략 1.8배 이산화탄소 고정 효율이 증가하는 것을 확인하였다 (실험예 3).The Spirulina culture medium of the present invention may further include triethanolamine (TEA). In a specific embodiment of the present invention, it was confirmed that when TEA was included in the Spirulina culture medium of the present invention, the carbon dioxide fixation efficiency increased approximately 1.8 times compared to when TEA was not included (Experimental Example 3).
본 발명의 다른 하나의 양태는 상기 공기청정기를 이용한 공기 정화 방법을 포함한다. 본 발명의 구체적인 일 구현예에서는, 본 발명의 공기청정기를 가동하여 미세먼지 및 이산화탄소의 농도를 측정한 결과, 미세먼지 및 초미세먼지를 약 80-90% 저감할 수 있을 뿐만 아니라, 바이오 필터를 포함함에 따라 이산화탄소 농도 또한 최대 29.2%로 현저히 감축할 수 있음을 확인하였다 (실험예 4).Another aspect of the present invention includes an air purification method using the air purifier. In a specific embodiment of the present invention, as a result of measuring the concentration of fine dust and carbon dioxide by operating the air purifier of the present invention, it is possible to reduce fine dust and ultrafine dust by about 80-90%, as well as a bio filter As it was included, it was confirmed that the carbon dioxide concentration could also be significantly reduced by up to 29.2% (Experimental Example 4).
본 발명은 바이오 필터와 집진 장치를 결합한 공기청정기로서 미세먼지 제거 뿐만 아니라 이산화탄소를 동시에 저감할 수 있다. 또한, 일반적 환경이 아닌 공기청정기에 포함되는 바이오 필터에서 스피루리나를 최대 배양할 수 있는 최적의 조건을 규명하였다.The present invention is an air purifier that combines a biofilter and a dust collector, and can simultaneously reduce carbon dioxide as well as remove fine dust. In addition, the optimal conditions for maximally culturing Spirulina in a biofilter included in an air purifier, not in a general environment, were identified.
이하 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예에 국한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. However, these examples are intended to illustrate the present invention by way of example, and the scope of the present invention is not limited to these examples.
실시예. 바이오 필터를 포함하는 공기청정기의 개발Example. Development of air purifier with bio filter
본 발명의 공기청정기는 플라즈마 집진 장치 및 바이오 필터를 포함하는 공기청정기로서, 상기 집진 장치는 방전전극 및 집진구간을 포함하는 필터부재 및 방전전극에 고전압을 인가하는 고전압 생성부재를 포함하며, 상기 바이오 필터는 스피루리나 배양액을 포함하는 것이다. 본 발명의 공기청정기는 흡입된 공기가 1차적으로 집진 장치를 통과하여 미세먼지를 제거하고, 통과된 공기가 2차적으로 스피루리나 배양액을 포함하는 바이오 필터를 통과하여 이산화탄소를 저감할 수 있다. The air purifier of the present invention is an air purifier including a plasma dust collecting device and a bio filter, wherein the dust collecting device includes a filter member including a discharge electrode and a dust collecting section and a high voltage generating member for applying a high voltage to the discharge electrode. The filter is one containing a Spirulina culture medium. In the air purifier of the present invention, the inhaled air primarily passes through a dust collector to remove fine dust, and the passed air secondarily passes through a biofilter containing a Spirulina culture medium to reduce carbon dioxide.
상기 집진 장치는 구체적으로, 방전전극이 나선형으로 배치된 이온화구간이 내부 상단에 형성되며, 내부 하단에는 나선형 주름이 3mm 간격으로 외벽에 다수 형성되며 마이너스 전극을 띈 집진구간이 세겹의 원통형으로 구성되며, 외부 하우징은 나선형 주름이 3mm 간격으로 외벽에 다수 형성되며 마이너스 전극을 띈 원통형으로 형성된 필터부재를 포함한다. 또한, 상기 집진 장치는 방전전극에 고전압을 인가하기 위한 고전압 생성부재를 포함하며, 13,500V를 생성한다 (대한민국 등록특허 10-1839556).Specifically, the dust collecting device has an ionization section in which discharge electrodes are arranged in a spiral shape at the top of the inside, and at the bottom of the inside, a plurality of spiral wrinkles are formed on the outer wall at intervals of 3 mm. , The outer housing includes a cylindrical filter member having a plurality of spiral pleats formed on the outer wall at intervals of 3 mm and having a negative electrode. In addition, the dust collector includes a high voltage generating member for applying a high voltage to the discharge electrode, and generates 13,500V (Korean Patent Registration 10-1839556).
상기 바이오 필터는 스피루리나 배양액이 순환하는 수직 이중관 및 수평 이송관을 포함한다. 수직 이중관은 투명한 재질로 이루어지고 중공관으로 형성되어 수직으로 배치되는 외부관과, 투명한 재질로 이루어지고 중공관으로 형성되며 상기 외부관의 내부 중앙에 수직으로 설치되며 상단 영역에는 유출공이 형성되고 하단 주변에는 다수개의 유입공이 각각 형성되는 내부관으로 이루어진다. 또한, 수평 이송관은 양단이 배양액 저장탱크와 연결되고, 수평으로 배치되며, 상기 수직 이중관의 외부관 하단부가 상면에 연통되도록 결합되고, 상기 내부관의 하단부는 바닥에 근접하게 연장되어 설치되며, 상기 내부관과 대응되는 위치의 바닥에는 배양액을 상기 내부관의 상향으로 이동시키면서 교반하기 위한 폭기용 산기부재가 마련되되, 상기 내부관의 하단부와 상기 폭기용 산기부재 상면과의 간격은 1-4cm를 유지하여 마련된다 (대한민국 등록특허 10-2200310).The biofilter includes a vertical double pipe and a horizontal transfer pipe through which the Spirulina culture medium circulates. The vertical double tube is made of a transparent material and formed of a hollow tube and is vertically disposed. An outer tube made of a transparent material and formed of a hollow tube is vertically installed in the inner center of the outer tube, and an outlet hole is formed in the upper region and the lower end It consists of an inner tube in which a plurality of inlet holes are formed around the perimeter. In addition, both ends of the horizontal transfer pipe are connected to the culture medium storage tank, are arranged horizontally, and the lower end of the outer tube of the vertical double pipe is coupled to communicate with the upper surface, and the lower end of the inner tube extends close to the floor and is installed, An aeration member for agitating while moving the culture medium upwards of the inner tube is provided at the bottom corresponding to the inner tube, and the distance between the lower end of the inner tube and the upper surface of the aeration member is 1-4 cm. It is prepared by maintaining (Republic of Korea Patent Registration 10-2200310).
상기 바이오 필터의 경우, 온도조절수단을 추가로 포함하여 동절기나 하절기에도 그 온도를 15 내지 25℃로 일정하게 유지할 수 있다. 본 발명자들은, 상기 공기청정기 내에서 배양되는 스피루리나의 증식율 및 이산화탄소 고정 효율을 높일 수 있는 최적의 조건을 규명하기 위하여 다음의 실험을 진행하였다.In the case of the biofilter, the temperature may be maintained at a constant level of 15 to 25° C. even in winter or summer by further including a temperature control unit. The present inventors conducted the following experiment in order to identify optimal conditions capable of increasing the growth rate and carbon dioxide fixation efficiency of Spirulina cultured in the air purifier.
실험예 1. 배지 조성에 따른 스피루리나의 성장률Experimental Example 1. Growth rate of Spirulina according to medium composition
본 발명 공기청정기 바이오 필터 내의 온도인 15 내지 25℃의 환경에서 배양되는 스피루리나의 최적의 배지 조성을 규명하기 위하여, 스피루리나 속 조류를 배양할 때 일반적으로 사용되는 SOT 배지의 조성을 기본으로, 아래 표 1과 같이 탄소원(NaHCO3) 및 질소원(NaNO3)의 농도만을 달리하여 스피루리나의 증식율을 분석하였다. In order to identify the optimal medium composition for Spirulina cultured in an environment of 15 to 25 ° C, which is the temperature in the air purifier biofilter of the present invention, based on the composition of the SOT medium commonly used when culturing algae of the genus Spirulina, Table 1 and Similarly, the growth rate of Spirulina was analyzed by varying only the concentrations of the carbon source (NaHCO 3 ) and nitrogen source (NaNO 3 ).
구체적으로, 본 발명의 공기청정기 바이오 필터 내에 포함된 스피루리나 (Spirulina platensis)는, pH 10, 20℃의 온도 및 12시간 명조건/12시간 암조건에서 배양하였으며, 그 균체량은 UV/Vis 분광광도계를 이용하여 520 nm에서 측정한 O.D.값과 건조 균체량의 상관관계식(J Phycol 29: 587-595, 1993)을 이용하여 계산하였다. 건조 균체량은 paper filter를 이용하여 여과된 균체를 105℃에서 3시간 동안 건조시켜 그 무게를 측정하여 상관관계식을 산출하였다.Specifically, Spirulina ( Spirulina platensis ) included in the air purifier biofilter of the present invention was cultured at a temperature of pH 10 and 20 ° C and under 12-hour light conditions / 12-hour dark conditions, and the cell mass was measured using a UV / Vis spectrophotometer. It was calculated using the correlation between the OD value measured at 520 nm and the amount of dried cells (J Phycol 29: 587-595, 1993). For the amount of dried cells, the cells filtered using a paper filter were dried at 105 ° C for 3 hours, and the weight was measured to calculate the correlation.
건조 균체량의 측정 결과 상기 표 2에 나타난 바와 같이, 배양 초기에는 각 배지 조성에서 모두 비슷한 성장을 보였으나, 배양 시간이 지날수록 다른 배지 조성에 비하여 실시예 2의 스피루리나 균주의 성장이 증가하는 것을 확인하였다. 즉, 스피루리나 속 조류의 배양에 통상적으로 사용되는 SOT 배지에 비하여 실시예 2의 배지 조성에서 우수한 균체 성장률을 나타내었다. 상기 결과는, 일반적으로 스피루리나의 최대 배양을 위해서는 높은 배양 온도(30-35℃)가 필요하지만 (Aquacult Int 7: 261-275, 1999), 본 발명의 바이오 필터 내 온도가 15 내지 25℃로 유지되므로, 배양 최적 온도보다 상대적으로 낮은 환경에서 스피루리나의 탄소 및 질소 이용 효율이 떨어져 일반적인 배지 조성보다 높은 농도의 탄소원 및 질소원이 필요한 것으로 분석하였다. 다만, 탄소원 및 질소원이 과다하게 포함된 실시예 3 배지 조성의 경우 오히려 성장이 저해된 바, 이는 너무 높은 탄소원 또는 질소원 농도는 독성을 일으켜 스피루리나의 성장의 악영향을 미치는 것을 알 수 있었다.As a result of measuring the amount of dried cells, as shown in Table 2 above, at the beginning of the culture, each medium composition showed similar growth, but as the culture time passed, the growth of the Spirulina strain of Example 2 increased compared to other medium compositions. did That is, compared to the SOT medium commonly used for culturing algae of the genus Spirulina, the medium composition of Example 2 exhibited excellent cell growth rate. The above results show that although a high incubation temperature (30-35 ° C) is generally required for maximum cultivation of Spirulina (Aquacult Int 7: 261-275, 1999), the temperature in the biofilter of the present invention is maintained at 15 to 25 ° C. Therefore, it was analyzed that the carbon and nitrogen utilization efficiency of Spirulina fell in an environment relatively lower than the optimal culture temperature, requiring higher concentrations of carbon and nitrogen sources than general medium composition. However, in the case of the medium composition of Example 3 containing excessive carbon and nitrogen sources, the growth was rather inhibited, and it was found that too high a carbon or nitrogen source concentration caused toxicity and adversely affected the growth of Spirulina.
실험예 2. 배지 유속에 따른 스피루리나의 성장률Experimental Example 2. Growth rate of Spirulina according to medium flow rate
본 발명의 스피루리나 배양액은 공기청정기의 바이오 필터 내를 순환하는 바, 순환하는 배지 유속에 따른 스피루리나의 성장률을 비교하였다. 구체적인 실험 방법 및 배양 조건은 상기 실험예 1과 동일하게 진행하였으며, 배지 조성은 가장 우수한 스피루리나 성장을 나타낸 상기 실시예 2와 동일하고, 배지 유속은 40cm/s 내지 80cm/s로 달리하여 배양 9일 째의 건조 균체량을 측정하였다.The Spirulina culture medium of the present invention was circulated in the biofilter of the air purifier, and the growth rate of Spirulina was compared according to the circulating medium flow rate. The specific experimental method and culture conditions were the same as in Experimental Example 1, the medium composition was the same as in Example 2, which showed the best growth of Spirulina, and the medium flow rate was varied from 40 cm/s to 80 cm/s for 9 days of culture. The amount of dried cells was measured.
그 결과 상기 표 3에 나타난 바와 같이, 배지 유속이 높아질수록 스피루리나의 성장은 점차 증가하여 70cm/s에서 가장 높은 균체 성장을 나타냈으나, 그 이상의 유속일 경우, 오히려 성장이 저해되는 것을 확인하였다. 즉, 본 발명의 바이오 필터 내에서 너무 낮은 유속 (60cm/s 미만) 또는 너무 높은 유속 (80cm/s 초과)으로 배양액을 순환할 경우에는, 스피루리나의 배양이 정상적으로 수행되지 못함을 알 수 있었다.As a result, as shown in Table 3, as the medium flow rate increased, the growth of Spirulina gradually increased, showing the highest cell growth at 70 cm / s, but it was confirmed that growth was rather inhibited when the flow rate was higher than that. That is, when the culture medium is circulated at a flow rate that is too low (less than 60 cm/s) or too high (more than 80 cm/s) within the biofilter of the present invention, it is found that the culture of Spirulina cannot be normally performed.
실험예 3. TEA의 포함 여부에 따른 이산화탄소 고정 효율Experimental Example 3. Efficiency of carbon dioxide fixation according to whether or not TEA is included
본 발명의 바이오 필터는 스피루리나를 이용하여 이산화탄소를 제거하는 바, 스피루리나 배양액에 대한 이산화탄소의 용해도를 높여 스피루리나에 의한 이산화탄소의 고정 효율을 증진시키는 것이 중요하다. 이에, 화학적 이산화탄소 흡수제를 이용하여 스피루리나의 이산화탄소 고정 속도에 미치는 영향을 비교하였다. 구체적으로, 실시예 2의 배지 조성 및 70cm/s의 유속으로 순환되는 배양액에 3차 아민인 TEA(triehanolamine)을 100mg/L로 주입하고, 각 배양액에 5%(v/v) CO2 가스를 40ml/min으로 공급하여 30분간 흡수 반응을 진행하였다. 흡수 반응 후 스피루리나 내 고정화 된 이산화탄소의 양은 특정 시간에서의 스피루리나 농도 및 초기 스피루리나 농도, 스피루리나의 탄소 함량, 이산화탄소의 분자량과 탄소의 원자량의 비를 구한 뒤, [Mohsenpour et al. Biomass and Bioenergy, 85: 168-77, 2016]의 수식을 이용하여 계산하였다.Since the biofilter of the present invention removes carbon dioxide using Spirulina, it is important to improve the fixation efficiency of carbon dioxide by Spirulina by increasing the solubility of carbon dioxide in the Spirulina culture medium. Accordingly, the effect of Spirulina on the carbon dioxide fixation rate using a chemical carbon dioxide absorbent was compared. Specifically, 100 mg/L of triehanolamine (TEA), a tertiary amine, was injected into the medium composition of Example 2 and the culture medium circulated at a flow rate of 70 cm/s, and 5% (v/v) CO 2 gas was injected into each culture medium. The absorption reaction proceeded for 30 minutes by supplying at 40 ml/min. After the absorption reaction, the amount of carbon dioxide immobilized in Spirulina was obtained by calculating the concentration of Spirulina at a specific time, the initial concentration of Spirulina, the carbon content of Spirulina, and the ratio of the molecular weight of carbon dioxide to the atomic weight of carbon [Mohsenpour et al. Biomass and Bioenergy, 85: 168-77, 2016] was calculated using the formula.
그 결과 상기 표 4에 나타난 바와 같이, 화학적 흡수제를 배양액에 첨가한 경우, 그렇지 않을 경우에 비하여 약 1.8배의 고정 효율을 나타낸 것을 확인하였다. 즉, TEA 존재 시 스피루리나의 이산화탄소 제거 속도가 향상될 수 있음을 알 수 있었다.As a result, as shown in Table 4, it was confirmed that when the chemical absorbent was added to the culture medium, the immobilization efficiency was about 1.8 times higher than that of the case where it was not. That is, it was found that the carbon dioxide removal rate of Spirulina could be improved in the presence of TEA.
실험예 4. 미세먼지 및 이산화탄소 저감 효과Experimental Example 4. Fine dust and carbon dioxide reduction effect
본 발명의 바이오 필터를 포함하는 공기청정기를 실제로 가동한 경우의 미세먼지 및 이산화탄소의 농도를 측정하였다. 구체적으로, 공기 토출구 기준 이격거리 30cm 이내의 공기를 측정하였다.The concentrations of fine dust and carbon dioxide were measured when the air purifier including the biofilter of the present invention was actually operated. Specifically, the air within a distance of 30 cm based on the air outlet was measured.
PM10 (μg/m3)fine dust
PM10 (μg/m 3 )
(μg/m3)Ultrafine dust PM2.5
(μg/m 3 )
상기 표 5에 나타난 바와 같이, 본 발명 공기청정기는 미세먼지 및 초미세먼지를 약 80-90% 저감할 수 있을 뿐만 아니라, 바이오 필터를 포함함에 따라 이산화탄소 농도 또한 최대 29.2%로 현저히 감축할 수 있음을 확인하였다. 즉, 본 발명의 공기청정기는 흡입된 공기가 1차적으로 집진 장치를 통과하여 미세먼지 및 초미세먼지를 제거하고, 통과된 공기가 2차적으로 스피루리나 배양액을 포함하는 바이오 필터를 통과하여 이산화탄소를 저감할 수 있는 바, 미세먼지의 저감은 물론, 온실가스의 저감까지 갖춘 공기정화 시스템임을 알 수 있다.As shown in Table 5, the air purifier of the present invention can not only reduce fine dust and ultrafine dust by about 80-90%, but also significantly reduce carbon dioxide concentration by up to 29.2% by including a bio filter confirmed. That is, in the air purifier of the present invention, the inhaled air primarily passes through a dust collector to remove fine dust and ultra-fine dust, and the passed air secondarily passes through a biofilter containing a culture medium of Spirulina to reduce carbon dioxide. It can be seen that it is an air purification system equipped with not only reduction of fine dust but also reduction of greenhouse gases.
이상의 설명으로부터, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이와 관련하여, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.From the above description, those skilled in the art to which the present invention pertains will be able to understand that the present invention may be embodied in other specific forms without changing its technical spirit or essential features. In this regard, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not limiting. The scope of the present invention should be construed as including all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims to be described later and equivalent concepts rather than the detailed description above are included in the scope of the present invention.
Claims (1)
상기 바이오 필터는 스피루리나 배양액이 순환하는 수직 이중관 및 수평 이송관을 포함하고,
상기 수직 이중관은 중공관으로 형성되어 수직으로 배치되는 외부관과, 중공관으로 형성되며 상기 외부관의 내부 중앙에 수직으로 설치되며 상단 영역에는 유출공이 형성되고 하단 주변에는 다수개의 유입공이 각각 형성되는 내부관으로 이루어지며,
상기 수평 이송관은 양단이 배양액 저장탱크와 연결되고, 수평으로 배치되며, 상기 수직 이중관의 외부관 하단부가 상면에 연통되도록 결합되고, 상기 내부관의 하단부는 바닥에 근접하게 연장되어 설치되며, 상기 내부관과 대응되는 위치의 바닥에는 배양액을 상기 내부관의 상향으로 이동시키면서 교반하기 위한 폭기용 산기부재가 마련되고,
상기 스피루리나는 Spirulina platensis이고,
상기 스피루리나 배양액은 pH 10, 및 20℃의 온도에서 NaHCO3 19 내지 21g/L, 및 NaNO3 5 내지 7g/L를 포함하고, 60 내지 80cm/s의 유속으로 바이오 필터를 순환하는 것이며,
상기 스피루리나 배양액은 트리에탄올아민(triethanolamine, TEA)을 추가로 포함하고,
상기 바이오 필터는 온도조절수단을 추가로 포함하여 그 온도를 15 내지 25℃로 일정하게 유지하는 것인, 공기청정기용 바이오 필터.As a bio filter for air purifiers,
The biofilter includes a vertical double pipe and a horizontal transfer pipe through which the Spirulina culture medium circulates.
The vertical double tube is formed of a hollow tube and is formed of an outer tube disposed vertically, and is formed of a hollow tube and is installed vertically in the inner center of the outer tube, and an outlet hole is formed in the upper region and a plurality of inlet holes are formed around the lower end, respectively. It consists of an inner tube,
Both ends of the horizontal transfer pipe are connected to the culture medium storage tank, are arranged horizontally, and the lower end of the outer tube of the vertical double pipe is coupled to communicate with the upper surface, and the lower end of the inner tube is installed to extend close to the floor. At the bottom of the position corresponding to the inner tube, an aeration member for stirring while moving the culture medium upward of the inner tube is provided,
The Spirulina is Spirulina platensis ,
The Spirulina culture medium contains 19 to 21 g/L of NaHCO 3 and 5 to 7 g/L of NaNO 3 at a pH of 10 and a temperature of 20° C., and circulates through a biofilter at a flow rate of 60 to 80 cm/s,
The Spirulina culture medium further contains triethanolamine (TEA),
The biofilter for an air purifier, wherein the biofilter further includes a temperature control means to constantly maintain the temperature at 15 to 25 ° C.
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