KR20230021026A - 폐쇄 루프 다영양 양식을 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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KR20230021026A
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파울 슈미츠베르거
게오르크 슈미츠베르거
토마스 다니엘
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블루 플래닛 에코시스템즈 게엠베하
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Abstract

본 발명은 (A) 광이 조사되는 배지에서 식물성 플랑크톤을 배양하는 단계; (B) 그러한 배양된 식물성 플랑크톤을 동물성 플랑크톤을 배양하기 위한 배지로 이송하는 단계; (C) 그러한 배양된 동물성 플랑크톤을 해산물 배양용 배지로 이송하는 단계; 및 (D) (C) 단계의 배지 일부를 영양분으로서 (A) 단계의 배지로 이송하여 폐쇄 루프를 생성하는 단계를 포함함으로써, 환경과의 자유 가스 교환이 방지되는 폐쇄 시스템에서 (A) 단계 내지 (D) 단계가 수행되는, 폐쇄 루프 다영양 양식 시스템에서 해산물을 생산하는 방법을 제공한다. 본 발명은 또한, 이러한 방법을 수행하기 위한 장치를 제공한다.

Description

폐쇄 루프 다영양 양식을 위한 방법 및 장치
본 발명은 다영양 양식 시스템의 분야에 관한 것이다.
인구 증가에 따라서, 수요를 충족하는데 필요한 동물성 단백질의 양은 2050년까지 두 배가 될 것으로 예상된다. 따라서 동물성 단백질의 생산은 농업 및 양식 시스템에 그리고 결과적으로 지구의 건강에 상당한 압력을 가한다. 임의의 농업 시스템은 식물/작물이 태양 에너지를 모아서 이를 인간 최종 소비자가 음식에 사용하는 지방, 단백질, 탄수화물 등의 형태인 화학 에너지로 변환하는 공간이 필요하다. 그러나 이들 작물에 대한 생물학적 요구사항을 충족하는 경작지의 가용성은 기후 변화와 남용으로 인해서 급속히 고갈되고 있다. 이러한 추세는 지구 표면에 도달하는 태양 에너지의 극히 일부만이 식량 생산에 사용될 수 있다는 사실과 함께, 농지를 매우 귀중한 상품이자 국가 전체의 전략적 자원으로 만든다. 이러한 상황은 기후 변화로 인해서 더욱 악화될 것이다.
총 농업 생산의 상당한 부분, 특히 대두로부터의 식물성 단백질이 동물성 단백질 생산에 사용된다. 동물성 단백질 생산에서 가장 빠르게 성장하는 부문은 양식업이다. 양식업은 빠르게 발전하고 있으며 2016년에 소비된 어류의 53%를 생산하여 해산물의 주요 공급원이 되었다. 이러한 급속한 성장으로 인해서, 이 부문은 향후 수십 년 동안 이러한 유형의 농업을 더 비싸고 복잡하게 만들 많은 환경 문제에 직면하기 시작했다.
첫 번째 과제는 집약적인 양식업 운영으로 인한 부정적인 환경 영향이다. 이러한 부정적인 환경 영향은 새로운 양식 프로젝트가 지방 정부로부터 양식업 면허를 취득하는 것을 더 어렵게 만들었다. 이는 추가적인 양식 시설을 확충 수 있는 공간을 제한하고 있다. 두 번째 과제는 주로 농작물, 혈분과 같은 가축 부산물 뿐만 아니라 해양 어업에서 수집한 어분 및 어유로 만들어진 어분의 사용과 관련이 있다. 따라서 집약적인 양식업의 발전은 농업 수요를 증가시키고 가격 상승을 겪을 것이다.
IMTA(Integrated multitrophic aquaculture: 통합 다영향 양식)는 해산물 수요에 대한 보다 환경 친화적인 해결책으로서 제안되었다. IMTA는 상이한 영양 수준에 속하는 상이한 종의 공동 배양을 지칭한다. 전형적으로, IMTA 시스템은 하나의 수생 종으로부터의 부산물(폐기물 포함)을 다른 종을 위한 입력으로 제공한다. 낮은 영양 수준의 종, 예를 들어 식물 또는 무척추 동물은 고등 영양 종으로부터의 폐기물을 영양분으로 소비할 수 있다. 하등 영양 종은 물고기와 함께 수집되어 농부에게 더 많은 수익을 주거나 물고기에게 다시 공급될 수 있다.
US 2013/186347 A1 호는 수생 동물의 양식을 위한 물탱크 그리고 바이오연료 및 바이오매스(biomass)용 조류의 양식을 위한 부착된 광생물 반응기(photobioreactor)를 포함한 다영양 양식 시스템을 개시한다. US 2013/055960 A1 호는 수산 양식을 통해서 1차 종과 2차 종 및 3차 종을 보존하고 성장시킨 후 전개하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. US 5,865,141 A 호는 개입 없이 여러 세대에 걸쳐서 동식물의 번식을 허용해야 하는 봉인된 자급자족 생태계에 관한 것이다. WO 2005/092089 A2 호는 조류를 먹는 어류를 위한 폐쇄 회로 양식 농업 방법에 관한 것이다. WO 2005/015987 A1 호는 양식 시스템 내에서 소비자 소비용 수생 종을 생산하는 시스템에 관한 것이다. 그러나 이러한 분야의 모든 발전에도 불구하고, 기존 시스템의 단점 중 적어도 일부를 해결하는 신규하고 개선된 다영양 양식 시스템이 필요하다. 특히, 상이한 환경에서 유연하게 전개될 수 있는 고효율의 시스템이 요구된다. 본 발명의 목적은 그러한 시스템을 제공하는 것이다.
따라서, 본 발명은:
(A) 광이 조사되는 배지에서 식물성 플랑크톤을 배양하는 단계;
(B) 그러한 배양된 식물성 플랑크톤을 동물성 플랑크톤(zooplankton)을 배양하기 위한 배지로 이송하는 단계;
(C) 그러한 배양된 동물성 플랑크톤을 해산물(seafood) 배양용 배지로 이송하는 단계; 및
(D) (C) 단계의 배지 일부를 영양분으로서 (A) 단계의 배지로 이송하여 폐쇄 루프를 생성하는 단계를 포함하며,
환경(environment)과의 자유 가스 교환이 방지되는 폐쇄 시스템에서 (A) 단계 내지 (D) 단계가 수행되는, 폐쇄 루프 다영양 양식 시스템에서 해산물을 생산하는 방법을 제공한다.
다른 양태에서, 본 발명은:
- 식물성 플랑크톤(phytoplankton)을 배양하기 위한 식물성 플랑크톤 유닛,
- 동물성 플랑크톤을 배양하기 위한 동물성 플랑크톤 유닛,
- 해산물을 배양하기 위한 해산물 유닛, 및
- 식물성 플랑크톤 유닛으로부터 동물성 플랑크톤 유닛으로, 동물성 플랑크톤 유닛으로부터 해산물 유닛으로, 그리고 해산물 유닛으로부터 식물성 플랑크톤 유닛으로 내용물의 이송을 바람직하게 자동으로 제어하는 제어기를 포함하며,
상기 유닛들은 환경과의 자유 가스 교환이 방지되는 폐쇄 시스템을 형성하는 상호 연결된 컨테이너인, 본 발명에 따른 방법을 수행하는 장치를 제공한다.
따라서 본 발명은 중간 단계로서 식물성 및 동물성 플랑크톤을 사용하여 CO2 및 빛을 유기농이고 화학적으로 손상되지 않은(chemically unimpaired) 해산물로 전환하기 위해서 수생 생태계를 복제하는 다영양 양식 시스템을 제공한다. 식물성 플랑크톤 유닛에서, 미세조류(microalgae)와 같은 식물성 플랑크톤이 성장될 수 있다. 식물성 플랑크톤은 최적의 조명 조건에서 배양될 수 있으며 지속적으로 수집하여 동물성 플랑크톤 장치로 펌핑될 수 있다. 그 안에서, 식물성 플랑크톤을 먹이로 사용하여 최적의 조건하에서 동물성 플랑크톤이 성장될 수 있다. 이러한 방식으로 성장한 바이오매스는 상이한 종의 어류와 갑각류가 성장될 수 있는 해산물 유닛으로 이송될 수 있다. 해산물의 폐수 및 폐기물은 식물성 플랑크톤 유닛으로, 예를 들어 여과 및 컨디셔닝 시스템을 통해 다시 공급될 수 있고 식물성 플랑크톤용 성장 배지로서 사용되어 순환을 폐쇄(closing the cycle)할 수 있다.
다영양 양식을 위한 공지된 시스템은 전형적으로, 환경(즉, 대기)과 자유롭고 제어되지 않은 가스 교환이 있는 개방형 시스템이다. 그러한 시스템은 환경 조건에 크게 의존한다. 날씨, 습도, 공해, 오염 및 기타 환경적 영향의 변화는 개별 영양 수준의 성장 조건에 큰 영향을 미칠 수 있으며, 이는 다양한 종의 성장 수준의 불일치 및 전체 생산량과 효율성의 커다란 변동을 초래할 수 있다.
이와 대조적으로, 본 발명은 환경과의 자유 가스 교환이 방지되는 다영양 양식을 위한 폐쇄 시스템을 제공한다. 이는 다수의 장점을 가진다. 중요한 것은 시스템이 환경 영향에 의해서 훨씬 덜 영향을 받는다는 것이다. 이러한 이유로, 이는 보다 안정적으로 작동되고 훨씬 더 정밀하게 제어될 수 있으며, 이는 더 높은 전체 효율과 출력을 초래한다. 이러한 시스템은 날씨, 계절 등의 변화와 같은 지역 환경 조건의 변화에 덜 민감하다. 유사한 이유로, 시스템은 또한, 전통적인 개방형 시스템이 덜 적합한 환경, 예를 들어 사막, 도시, 버려진 산업 공장 및 기후 변화 또는 오염에 의해 심각한 영향을 받는 지역에서 유리하게 사용될 수 있다. 또한, 외부 물을 사용하지 않고 시스템을 작동할 수 있어서, 환경적인 장점과 전개 유연성이 추가된다.
또한, 다영양 양식을 위한 폐쇄 시스템을 제공하는 것은 방법 자체의 효율성에도 장점을 가진다. 식물성 플랑크톤 유닛에서 부산물로서 생성되는 산소는 환경으로 손실되는 대신에 동물성 플랑크톤 및 해산물 유닛에서 최적의 성장 조건을 제공하는데 사용될 수 있다. 유사한 방식으로, 동물성 플랑크톤 및 해산물 유닛에서 생성된 CO2는 식물성 플랑크톤 유닛에서 사용될 수 있고 환경으로 배출되는 대신에 바이오매스로 전환될 수 있다. 이는 본 발명의 방법의 고효율, 저전력 소비 및 낮은 환경적인 영향 모두로 이어진다.
본 발명의 이해를 용이하게 하기 위해서, 다수의 용어가 아래에서 정의된다. 본 명세서에서 정의된 용어는 본 발명과 관련된 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 일반적으로 이해하는 것과 같은 의미를 가진다. "a", "an" 및 "the"와 같은 용어는 단일 개체만을 지칭하려는 의도가 아니라, 특정 예가 설명을 위해 사용될 수 있는 일반적인 부류를 포함한다. 본 명세서에서 용어는 본 발명의 특정 구체예를 설명하는데 사용되지만, 그 사용은 청구범위에 요약된 것을 제외하면 본 발명을 제한하지 않는다.
이하에서, 본 발명의 모든 양태가 함께 설명되며; 바람직한 구체예는 본 발명의 방법 및 본 발명의 장치에 유사하게 적용된다. 예를 들어, 본 발명의 장치에 포함된 식물성 플랑크톤, 동물성 플랑크톤 및/또는 해산물 유닛의 임의의 바람직한 구체예는 또한, 식물성 플랑크톤, 동물성 플랑크톤 및/또는 해산물이 각각의 유닛에서 배양되는 것이 바람직하다는 의미에서 본 발명의 방법에 적용된다.
달리 명시되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 바와 같은 모든 매개변수는 IUPAC SATP 조건("표준 주변 온도 및 압력")에서의 매개변수, 특히 25 ℃의 온도 및 101.300 Pa의 압력에 대응한다. 본 명세서에서 사용된 백분율(%)은 중량 당 중량(w/w) 또는 달리 명시되지 않는 한 부피 당 중량(w/v)에 해당한다.
본 발명의 맥락에서, "환경과의 자유 가스 교환이 방지되는 폐쇄 시스템"은 상기 시스템 내외로 가스의 제어되지 않은 유입 및 유출이 없는 시스템으로 이해된다. 그러나 이는 가스의 제어된 유입 또는 유출, 예를 들어 제어된 폭기(aeration) 또는 초과 압력을 완화하기 위한 밸브 또는 기타 수단을 통해서 시스템을 빠져나가는 초과 가스의 가능성을 배제하지 않는다. 바람직하게, 시스템은 환경과의 가스 교환이 없도록 밀봉될 수 있는 시스템이다. 바람직하게, 시스템은 본 발명의 방법의 적어도 일부 동안, 바람직하게 전체 방법 동안 환경과 가스 교환이 없도록 밀봉된다. 본 발명의 방법의 바람직한 구체예에서, (A) 단계 내지 (D) 단계는 환경과 가스 교환이 없는 밀봉된 시스템에서 수행된다. 본 발명의 공정의 다른 바람직한 구체예에서, 방법 동안 폐쇄 시스템, 특히 동물성 플랑크톤 및/또는 해산물 유닛으로 산소 유입이 제어된다. "환경과의 자유 가스 교환이 방지되는 폐쇄 시스템"은 "환경과의 자유 가스 교환이 방지되는 밀봉 가능한 시스템" 또는 간단히 "환경과의 제어되지 않는 가스 교환이 없는 시스템"으로서 지칭될 수 있다. 본 발명의 방법과 관련하여, 이는 (A), (B) 및 (C) 단계의 임의의 배지와 환경(대기) 사이에 자유(또는 제어되지 않는) 가스 교환이 없는 것이 바람직함을 의미한다. 본 발명의 장치와 관련하여, 이는 상호 연결된 컨테이너와 환경(대기) 사이에 자유(또는 제어되지 않는) 가스 교환이 없는 것이 바람직함을 의미한다.
본 발명의 맥락에서, "광"은 임의의 파장을 포함하는 것으로서 이해되어야 한다. 바람직하게, 광은 UV 광선, 가시광선 또는 적외선이다. 광의 파장이 10 nm 내지 15,000 nm, 바람직하게 50 nm 내지 5,000 nm, 더 바람직하게 100 nm 내지 2,000 nm, 훨씬 더 바람직하게 200 nm 내지 1,000 nm인 것이 바람직하다. 광이 태양광이라면 특히 바람직하다. 본 발명의 방법의 (A) 단계의 배지는 배지를 능동적으로 조사(예를 들어, LED 조명으로)하거나 햇빛에 의해 조사되는 방식으로 시스템을 위치시킴으로써 자연 또는 인공 광원으로 조사될 수 있다.
본 발명의 방법의 바람직한 구체예에서, (B), (C) 및/또는 (D) 단계에서의 이송은 자동으로 수행된다. 본 발명의 장치와 관련하여, 제어기가 식물성 플랑크톤 유닛으로부터 동물성 플랑크톤 유닛으로, 동물성 플랑크톤 유닛으로부터 해산물 유닛으로, 해산물 유닛으로부터 식물성 플랑크톤 유닛으로 내용물의 이송을 자동으로 제어하는 것이 바람직하다. 이러한 맥락에서, "자동으로"란 외부(사람) 제어 없이 미리 결정된 매개변수에 기초하여 이송이 독립적으로 트리거되는 것을 의미한다. 예를 들어, 자동 이송은 미리 결정된 시간 간격, 환경 요인(예를 들어, 온도 또는 광 노출의 측정) 또는 이들의 조합에 의해 트리거될 수 있다. 바람직한 구체예에서, 자동 이송은 배양된 유기체의 성장 수준에 의해서 트리거된다. 바람직하게, (B), (C) 및/또는 (D) 단계에서의 이송은 각각의 배양물((B) 단계의 이송을 위한 식물성 플랑크톤, (C) 단계의 동물성 플랑크톤, (D) 단계의 해산물)이 미리 결정된 특정 성장 수준에 도달할 때 트리거된다. 바람직하게, 상기 성장 수준은 비디오 카메라, 가스 센서, (예를 들어, 배양에서 광 흡수 측정용)광 센서, 화학 센서, pH 센서 또는 이들의 조합, 특히 비디오 카메라를 사용하여 결정된다.
바람직한 구체예에서, 방법의 (C) 단계의 배지는 바람직하게, 드럼 필터 및/또는 교차-흐름 여과 시스템을 사용하여 (A) 단계의 배지로 이송되기 전에 여과된다. 따라서 장치는 바람직하게, 내용물이 식물성 플랑크톤 유닛으로 이송되기 전에 해산물 유닛으로부터 내용물을 여과하기 위한, 바람직하게 드럼 필터 및/또는 교차 흐름 여과 시스템을 포함한 여과 시스템을 포함한다.
본 발명에 따른 방법의 바람직한 구체예에서, (A) 단계에서의 조사는 식물성 플랑크톤의 배양 밀도에 의해 제어된다. 배양 밀도가 높을수록, 전체 배양을 투과할 수 있는 광은 적어진다. 따라서 배양 밀도를 제어함으로써, 평균 조사가 정밀하게 제어될 수 있으며, 이는 차례로 예를 들어, 다른 영양 수준의 성장률에 따라서 성장 속도를 제어할 수 있다. 식물성 플랑크톤의 배양 밀도는 결국, (B) 단계의 이송(식물성 플랑크톤을 동물성 플랑크톤을 배양하기 위한 배지로의 이송) 양 및 타이밍을 제어함으로써 제어될 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 매우 다양한 여러 종의 식물성 플랑크톤, 동물성 플랑크톤 및 해산물을 사용하여 수행될 수 있다. 바람직하게, 식물성 플랑크톤은 클로렐라 종, 특히 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris)를 포함한다. 동물 플랑크톤은 바람직하게, 물벼룩 종(Daphnia spp.) 또는 지각류 종(Cladocera spp.)을 포함한다. 바람직하게, 해산물은 생선, 바람직하게 제브라피시(zebrafish), 블루길(bluegills) 및 틸라피아(tilapia)로부터 선택된다. 다른 바람직한 구체예에서, 해산물은 패류(shellfish), 바람직하게 새우, 특히 마크로브라키움 새우(Macrobrachium shrimp)이다. 패류는 본 발명의 맥락에서 특히 유리한 결과를 초래하는 것으로 밝혀졌다. 패류(새우)가 해산물로서 사용되었을 때, 배지에 고체 파편(debris)이 덜 쌓이는 것으로 밝혀졌다. 따라서 패류가 해산물로서 사용되었을 때 기계적인 여과가 필요하지 않은 훨씬 더 안정적이고 효율적인 방법이 얻어졌다.
본 발명의 방법의 바람직한 구체예에서, (A) 단계의 식물성 플랑크톤은 표면적 대 부피 비가 적어도 25 m-1, 바람직하게 적어도 30 m-1, 더 바람직하게 적어도 35 m-1, 훨씬 더 바람직하게 적어도 40 m-1, 더욱 훨씬 더 바람직하게 적어도 45 m-1, 가장 바람직하게 적어도 50 m-1인 배지에서 배양된다. 바람직하게, (A) 단계의 식물성 플랑크톤은 표면적 대 부피 비가 25 m-1 내지 100 m-1, 바람직하게 30 m-1 내지 90 m-1, 더 바람직하게 35 m-1 내지 80 m-1, 훨씬 더 바람직하게 40 m-1 내지 70 m-1, 보다 훨씬 더 바람직하게 45 m-1 내지 65 m-1, 가장 바람직하게 50 m-1 내지 60 m-1인 배지에서 배양된다. 동일한 표면적 대 부피 비는 본 발명에 따른 장치에 대해 바람직하며; 즉, 식물성 플랑크톤 유닛(1)이 위에서 명시된 바와 같은 표면적 대 부피 비를 가지는 것이 바람직하다. 그러한 높은 표면적 대 부피 비는 온도 제어에 예상치 못한 장점을 가짐이 밝혀졌다. 낮 동안 햇빛으로 시스템을 가열하면, 밤에 초과 에너지를 효율적으로 소산(dissipated)시킬 수 있다. 높은 표면적은 많은 양의 광 에너지를 수집할 수 있고 열 에너지를 환경으로 효율적으로 소산시킬 수 있다. 이는 시스템 과열의 위험을 상당히 낮춘다.
식물성 플랑크톤 유닛이 연결된 다중 파이프 또는 튜브의 어레이를 포함하는 경우에 특히 바람직하며, 여기서 파이프 또는 튜브는 바람직하게 서로 평행하게 배열된다. 이러한 문맥에서, "다중"은 적어도 2 개, 바람직하게 적어도 4 개, 더 바람직하게 적어도 10 개를 의미한다. 임의의 적합한 유형의 파이프 또는 튜브가 사용될 수 있으며; 예를 들어, 파이프 또는 튜브는 원형, 직사각형, 정사각형, 타원형 또는 다른 유형의 단면을 가질 수 있다. 어레이는 1 차원 어레이(예를 들어, 파이프 또는 튜브가 평면에 배열될 수 있음) 또는 바람직하게 2 차원 어레이(예를 들어, 파이프 또는 튜브가 입방체(cuboid) 형상으로 배열될 수 있음)일 수 있다. 본 발명의 맥락에서, 이러한 관형 구조는 수압(hydraulic) 및 방오(antifouling) 특성 측면에서 모두 유리하다는 것이 밝혀졌다. 또한, 이러한 유형의 구조는 본 명세서에서 전술한 바와 같이 광 에너지 및 열 소산의 효율적인 하베스팅(harvesting)을 보장하는데 특히 매우 적합하다. 관형 어레이는 낮 동안에 태양광 흡수체 역할을 하고 밤 동안에 관형 열 교환기 역할을 할 수 있다. 바람직하게, 식물성 플랑크톤 유닛은 유리, 바람직하게 붕규산 유리(borosilicate glass)로 이루어진 벽을 포함한다. 바람직하게, 파이프 또는 튜브는 유리, 바람직하게 봉규산 유리를 포함한다.
추가의 바람직한 구체예에서, 상기 유리는 전환 가능한 유리(switchable glass) 또는 스마트 유리이다. 전환 가능한 유리 또는 스마트 유리는 적용된 전압, 광 또는 열에 의해서 광 투과 특성이 변경될 수 있는 유리 또는 판유리(glazing)이다. 스마트 유리 기술은 전기변색, 광 변색, 열 변색, 현탁 입자, 마이크로-블라인드(micro-blind) 및 폴리머 분산 액정 장치를 포함한다. 그러한 전환 가능한 유리 또는 스마트 유리를 사용하여, 광 투과 및 이에 따른 식물성 플랑크톤의 조사를 제어할 수 있다.
식물성 플랑크톤 유닛의 부피가 식물성 플랑크톤 유닛, 동물성 플랑크톤 유닛 및 해산물 유닛의 조합된 부피의 1 내지 30%, 바람직하게 3 내지 15%, 보다 더 바람직하게 4 내지 12%, 훨씬 더 바람직하게 5 내지 10%, 가장 바람직하게 6 내지 8%인 경우에 바람직하다. 본 발명에 따른 방법의 맥락에서, 동일한 바람직한 값이 (A), (B) 및 (C) 단계의 조합된 배지와 관련하여 (A) 단계의 배지 부피에 적용된다. 이들 부피는 다른 영양 수준과 관련하여 식물성 플랑크톤의 성장의 양호한 균형을 가능하게 하는 것으로 밝혀졌다.
동물성 플랑크톤 유닛의 부피가 식물성 플랑크톤 유닛, 동물성 플랑크톤 유닛 및 해산물 유닛의 조합된 부피의 25 내지 70%, 바람직하게 35 내지 60%, 더 바람직하게 40 내지 55%, 특히 44 내지 50%인 경우에 더욱 바람직하다. 본 발명에 따른 방법과 관련하여, 동일한 바람직한 값이 (A), (B) 및 (C) 단계의 조합된 배지와 관련하여 (B) 단계의 배지에 적용된다. 해산물 유닛의 부피가 식물성 플랑크톤 유닛, 동물성 플랑크톤 유닛 및 해산물 유닛의 조합된 부피의 25 내지 70%, 바람직하게 35 내지 60%, 더 바람직하게 40 내지 55%, 특히 44 내지 50%인 경우에 더욱 바람직하다. 본 발명에 따른 방법과 관련하여, 동일한 바람직한 값이 (A), (B) 및 (C) 단계의 조합된 배지와 관련하여 (C) 단계의 배지에 적용된다.
바람직한 구체예에서, 식물성 플랑크톤 유닛, 동물성 플랑크톤 유닛 및 해산물 유닛의 조합된 부피는 60 m3 내지 120 m3, 바람직하게 70 m3 내지 100 m3, 특히 80 m3 내지 90 m3 또는 그 배수(multiples)이다. 본 발명에 따른 방법과 관련하여, 동일한 바람직한 값이 (A), (B) 및 (C) 단계의 배지의 조합된 부피에 적용된다. 부피가 지정된 대로라면, 장치의 치수는 표준 40-피트 선적 컨테이너의 치수와 일치할 수 있다. 그러한 선적 컨테이너는 필요한 특수 운송 없이 국제적으로 선적될 수 있으며, 이는 본 발명의 장치의 유연한 전개를 가능하게 한다. 따라서 선적 컨테이너를 이동하는데 사용되는 것과 동일한 인프라(크레인, 트럭, 기차, 선박)가 장치 취급을 위해서 사용될 수 있다. 따라서 장치의 치수는 본질적으로 ISO 컨테이너의 치수, 바람직하게 40-피트 ISO 컨테이너(전형적으로, 길이 12.2 m, 폭 2.4 m, 높이 2.6 m)와 일치하는 것이 바람직하다.
식물성 플랑크톤 유닛의 부피가 적어도 0.25 m3, 바람직하게 적어도 0.5 m3, 더 바람직하게 적어도 1 m3, 훨씬 더 바람직하게 적어도 2.5 m3, 보다 훨씬 더 바람직하게 적어도 5 m3, 가장 바람직하게 적어도 10 m3인 경우에 바람직하다. 바람직하게, 식물성 플랑크톤 유닛은 0.25 m3 내지 50 m3, 바람직하게 0.5 m3 내지 25 m3, 더 바람직하게 1 m3 내지 15 m3, 훨씬 더 바람직하게 2.5 m3 내지 10 m3, 가장 바람직하게 5 m3 내지 7 m3의 부피를 가진다. 본 발명에 따른 방법의 (A) 단계에서 배지에 대해 동일한 부피가 바람직하다.
동물성 플랑크톤 유닛과 관련하여, 상기 유닛이 적어도 1 m3, 바람직하게 적어도 5 m3, 더 바람직하게 적어도 10 m3, 훨씬 더 바람직하게 적어도 25 m3, 가장 바람직하게 적어도 35 m3의 부피를 가지는 것이 바람직하다. 바람직하게, 동물성 플랑크톤 유닛은 1 m3 내지 250 m3, 바람직하게 5 m3 내지 150 m3, 더 바람직하게 10 m3 내지 80 m3, 훨씬 더 바람직하게 25 m3 내지 60 m3, 가장 바람직하게 35 m3 내지 45 m3의 부피를 가진다. 본 발명에 따른 방법의 (B) 단계 에서 배지에 대해 동일한 부피가 바람직하다.
해산물 유닛과 관련하여, 상기 유닛이 적어도 1 m3, 바람직하게 적어도 5 m3, 더 바람직하게 적어도 10 m3, 훨씬 더 바람직하게 적어도 25 m3, 가장 바람직하게 적어도 35 m3의 부피를 가지는 것이 바람직하다. 바람직하게, 동물성 플랑크톤 유닛은 1 m3 내지 250 m3, 바람직하게 5 m3 내지 150 m3, 더 바람직하게 10 m3 내지 80 m3, 훨씬 더 바람직하게 25 m3 내지 60 m3, 가장 바람직하게 35 m3 내지 45 m3의 부피를 가진다. 본 발명에 따른 방법의 (C) 단계에서 배지에 대해 동일한 부피가 바람직하다.
본 발명에 따른 장치의 바람직한 구체예에서, 3 개의 유닛은 서로 적층된다. 이러한 배열은 각각의 유닛이 햇빛으로부터 최적의 광 조사량을 얻는 방식으로 유닛이 배열될 수 있다는 장점을 가진다. 바람직하게, 식물성 플랑크톤 유닛은 동물성 플랑크톤 및 해산물 유닛보다 광원(태양 또는 인공 광원)에 더 가깝게 배치된다. 이러한 방식으로, 식물성 플랑크톤 유닛은 햇빛으로 많은 양의 조사를 얻을 수 있는 동시에 다른 두 개의 유닛에 그늘을 제공하여 과열 위험을 감소시킬 수 있다. 또한, 3 개의 유닛이 서로 적층되는 배열은 선적 컨테이너에 경제적으로 배치에 유리하다. 특히 바람직한 구체예에서, 식물성 플랑크톤 유닛은 동물성 플랑크톤 유닛보다 광원에 더 가깝게 위치되어 후자를 가리고, 해산물 유닛은 동물성 플랑크톤 유닛 아래에 배열되어 광원으로부터 가장 멀리 떨어져 있다. 바람직하게, 본 발명에 따른 장치는 식물성 플랑크톤 유닛을 조사하기 위한 인공 광원을 더 포함한다. 이와 관련하여, 본 발명의 방법의 (A) 단계에서의 광 조사는 인공 광원으로부터의 광인 것이 바람직하다. 바람직하게, 인공 광원은 LED이다. 유리하게, 인공 광원은 주변 광, 예를 들어 황혼, 새벽 또는 밤 동안의 광이 낮거나 없는 조건에서 조사를 제공할 수 있다. 또한, 인공 광원은 기상 조건의 차이, 예를 들어 짙은 구름층이 존재할 때의 차이를 균일하게 할 수 있다. 이러한 방식으로, 시스템의 더욱 안정적인 연속 작동이 보장될 수 있다.
장치가 동물성 플랑크톤 및/또는 해산물 유닛을 조사하기 위한 인공 광원을 포함하는 것이 더 바람직하다. 본 발명의 방법과 관련하여, 동물성 플랑크톤 배양 배지 및/또는 해산물 배양 배지는 인공 광원을 사용하여 조사되는 것이 바람직하다. 이는 동물성 플랑크톤 및/또는 해산물의 일주기 리듬(circadian rhythm)을 조정할 수 있으며, 이를 통해서 성장 수준을 정밀하게 제어하고 안정적인 작업을 수행할 수 있다.
바람직하게, 본 발명에 따른 장치는 장치에 재생 가능한 전기 에너지를 제공하고 식물성 플랑크톤 유닛에 조정 가능한 그늘을 제공하는 방식으로 배열되는 광전지 패널을 더 포함한다. 따라서 태양광 패널은 태양광이 강한 시간에 식물성 플랑크톤 유닛을 과도한 조사로부터 보호하여 시스템의 과열을 방지하고, 자연광이 낮거나 이용할 수 없는 시간(예를 들어, 흐린 하늘 또는 야간) 동안 에너지를 저장할 수 있다. 따라서 광전지 패널에 의해 제공된 전기 에너지는 위에서 설명한 인공 광원에 전력을 공급하는데 사용될 수 있다. 바람직하게, 장치는 광전지 패널에 의해서 제공된 전기 에너지를 저장하기 위한 에너지 저장 장치, 바람직하게 배터리를 더 포함한다. 바람직하게, 배터리는 겔 배터리 스택 및/또는 레독스 흐름 배터리 스택(redox flow battery stack)이다. 바람직하게, 배터리는 적어도 10 kWh, 더 바람직하게 적어도 50 kWh, 특히 적어도 100 kWh의 용량을 가진다. 이러한 방식으로 태양광 패널과 배터리는 함께 에너지 버퍼(buffer)의 역할을 할 수 있다. 또한, 그리드 장애(grid failure)의 경우에 비상 전원이 이용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 방법에 있어서도, (A) 단계에서의 광 조사는 식물성 플랑크톤이 배양되는 배지에 조절 가능한 그늘을 제공하는 방식으로 배열되는 광전지 패널로부터의 전기 에너지로 전력을 공급받는 인공 광원으로부터의 광인 경우에 바람직하다. 본 발명의 방법과 관련하여, 광전지 패널로부터의 전기 에너지는 본 발명의 장치에 대해 전술된 같이, 배터리에 저장될 수 있고 인공 광원에 전력을 공급하는데 사용될 수 있다. 바람직하게, 광전지 패널은 시스템 작동 중에 그늘의 양이 조정될 수 있도록 이동할 수 있다. 이동 가능한 광전지 패널은, 빗물이 식물성 플랑크톤 유닛으로부터 흙이나 먼지를 제거하는데 사용될 수 있기 때문에, 자가 세정을 용이하게 하는 추가 장점을 가진다. 예를 들어, 광전지 패널이 햇빛에 의한 조사 강도에 따라서 자동으로 재배열되는 경우에, 광전지 패널에 의해 제공된 그늘이 자동으로 조정될 수 있다면 특히 바람직하다.
본 발명의 방법의 바람직한 구체예에서, 식물성 플랑크톤 및/또는 동물성 플랑크톤 및/또는 해산물은 흐름 조건하에서 양식된다. 바람직하게, 3 가지 영양 수준 모두가 흐름 조건(flow conditions)하에서 배양된다. 따라서 본 발명에 따른 장치와 관련하여, 식물성 플랑크톤 유닛 및/또는 동물성 플랑크톤 유닛 및/또는 해산물 유닛 내에 흐름을 제공하기 위한 펌프를 더 포함하는 경우에 바람직하다. 바람직하게, 장치는 3 개의 유닛 각각에 대해 별도의 펌프를 포함한다. 각각의 유닛의 흐름이 개별적으로, 즉 다른 두 유닛의 흐름과 독립적으로 제어될 수 있는 경우에, 특히 바람직하다. 흐름을 제공하면 배양 배지의 적절한 혼합을 보장하고, 시스템을 세척할 수 있으며 생물 막(biofilms)을 제거할 수 있다는 장점이 있다. 흐름을 제공하면 해산물 유닛에 특히 바람직하다. 흐름 조건하에서 해산물을 배양하면 해산물에 물리적인 운동을 제공하여 근육 발달을 촉진할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 바람직한 구체예에서, 장치는 식물성 플랑크톤 유닛 및/또는 동물성 플랑크톤 유닛 및/또는 해산물 유닛 내부의 온도를 제어하기 위한 열 교환기를 더 포함하며, 적합한 배관은 다른 유닛(들)의 초과 열을 사용함으로써 각각의 유닛의 온도 제어를 제공한다. 이러한 방식으로, 몇몇 유닛의 초과 열은 환경으로 손실되지 않는 대신에 다른 유닛의 온도를 조정하는데 효율적으로 사용된다.
장치가 열 저장조를 더 포함하는 것이 더욱 바람직하다. 그러한 저장조는 더 따뜻한 시간 동안, 예를 들어 낮 동안 열 에너지를 저장하고, 더 추운 시간 동안, 예를 들어 밤 동안 개별 유닛의 배지를 가열할 수 있다.
식물성 플랑크톤은 CO2를 소비하고 O2를 생성할 수 있는 반면에, 동물성 플랑크톤과 해산물은 O2를 소비하고 CO2를 생성할 수 있으므로, 상이한 유닛 사이에 제어된 가스 교환이 있는 경우에 유리하다. 따라서 바람직하게, 장치는 식물성 플랑크톤과 동물성 플랑크톤 유닛 사이 및/또는 식물성 플랑크톤과 해산물 유닛 사이의 가스 교환을 위한 도관을 포함한다. 본 발명의 방법과 관련하여, (A) 단계의 배지와 (B) 단계의 배지 사이 및/또는 (A) 단계의 배지와 (C) 단계의 배지 사이에 가스 교환이 있는 경우에 바람직하다.
바람직하게, 상기 가스 교환은 패킹된 배지 폭기 컬럼(packed media aeration columns)에 의해서 촉진된다. 따라서 바람직한 구체예에서, 장치는 이러한 목적을 위한 패킹된 배지 폭기 칼럼을 포함한다. 패킹된 배지 폭기 컬럼은 높은 비-표면적(specific surface area)을 가지는 재료로 채워진 폭기 튜브일 수 있다. 이러한 큰 표면적은 물의 일정한 흐름이 상단에서 유입되어 하단으로 흐르기 때문에 이러한 배지를 덮는 얇은 수막의 형성에 도움이 된다. 이는 가스 교환이 일어나는 가스-액체 계면을 상당히 증가시킨다. 공기와 물 사이의 계면 층의 두께는 물의 흐름(층류)과 공기의 속도에 의해 영향을 받는다. 역류를 달성하기 위해서 팬을 사용하여 공기가 하단에서 도입될 수 있다. 가스 교환 속도를 제어하기 위해서 패킹된 배지 폭기 컬럼을 통과하는 공기 및 물 흐름은 제어될 수 있다. 바람직한 구체예에서, 식물성 플랑크톤 유닛 및/또는 동물성 플랑크톤 유닛 및/또는 해산물 유닛은 패킹된 배지 폭기 칼럼을 포함한다. 모든 유닛이 패킹된 배지 폭기 칼럼을 포함하는 것이 가장 바람직하다. 이러한 방식으로, O2/CO2의 소비/생산 불균형(배양 배지의 과포화 또는 불포화)을 신속하게 수정할 수 있다.
식물성 플랑크톤 유닛 및/또는 동물성 플랑크톤 유닛 및/또는 해산물 유닛이 가스 센서, 특히 CO2 및/또는 O2 센서를 포함하는 것이 더욱 바람직하다. 그러한 센서에 의해 제공된 데이터는 예를 들어, 전술한 패킹된 배지 폭기 컬럼을 통한 공기 및 물 흐름을 제어함으로써 상이한 유닛들 사이의 가스 교환을 제어하는데 사용될 수 있다.
다른 바람직한 구체예에서, 장치는 해산물 유닛 및/또는 동물성 플랑크톤 유닛 및/또는 식물성 플랑크톤 유닛을 모니터링하기 위한 하나 이상의 카메라를 더 포함한다. 해산물 유닛을 모니터링하기 위한 적어도 하나의 카메라를 포함하는 경우에 특히 바람직하다. 본 발명의 방법과 관련하여, 양식 해산물, 동물성 플랑크톤 및/또는 식물성 플랑크톤이 하나 이상의 카메라를 사용하여 모니터링되는 경우에 바람직하다. 하나 이상의 카메라를 사용하여 모든 유닛이 모니터링되는 경우에 가장 바람직하다. 그러한 카메라는 예를 들어, 성장이 기하급수적인 단계(exponential phase)로 유지되도록 보장하기 위해서 배양된 유기체의 성장 수준의 모니터링을 허용한다. 바람직하게, 하나 이상의 카메라로부터 얻은 데이터는 식물성 플랑크톤 유닛으로부터 동물성 플랑크톤 유닛으로, 동물원 플랑크톤 유닛으로부터 해산물 유닛으로 및/또는 해산물 유닛으로부터 식물성 플랑크톤 유닛으로 내용물의 자동 이송을 트리거링하는데 사용된다.
해산물 유닛에서, 하나 이상의 카메라는 개별 동물의 위치와 속도를 분석하는데 유리하게 사용될 수 있다. 또한, 동물의 색상, 성장 및/또는 호흡 패턴이 분석될 수 있다. 이러한 정보로부터, 물고기의 웰빙과 생태계 상태에 관한 많은 결론이 도출될 수 있다. 예를 들어, 병든 물고기의 속도가 나머지 물고기 개체군보다 더 느리다는 것을 알아차림으로써 병든 물고기를 검출하는 것이 가능하다. 호흡 패턴 또는 개체의 위치를 분석함으로써 그러한 결론에 도달하는 것도 가능하다. 유사한 방법을 사용하여 죽은 물고기도 검출될 수 있다. 양식에서 물고기 개체군이 질병에 민감할 수 있기 때문에 이러한 정보는 매우 중요하다. 이들 모든 데이터는 온도, 조사 또는 가스 교환과 같은 다른 매개변수뿐만 아니라 상이한 유닛들 사이에서 바람직하게는 내용물의 자동 이송을 제어하기 위한 입력으로서 사용될 수 있다.
본 발명은 다음의 도면에 의해서 추가로 예시되며, 이에 제한되지 않는다.
도 1은 본 발명에 따른 장치의 바람직한 구체예의 개략도를 도시한다.
상기 장치는 식물성 플랑크톤을 배양하는 식물성 플랑크톤 유닛(1), 동물성 플랑크톤을 배양하는 동물성 플랑크톤 유닛(2), 해산물을 배양하는 해산물 유닛(3), 및 식물성 플랑크톤 유닛(1)으로부터 동물성 플랑크톤 유닛(2)으로, 동물성 플랑크톤 유닛(2)으로부터 해산물 유닛(3)으로, 해산물 유닛(3)으로부터 식물성 플랑크톤 유닛(1)으로 내용물의 이송을 제어하는 제어기(도시되지 않음)를 포함한다. 유닛들(1 내지 3)은 환경과의 자유 가스 교환이 방지되는 폐쇄 시스템을 형성하는 상호 연결된 컨테이너(연결은 개략적으로만 도시됨)이다. 표시된 바람직한 구체예에서, 식물성 플랑크톤 유닛(1)은 서로 평행하게 배열된 다수의 연결된 파이프 또는 튜브(4)의 어레이를 포함한다.

Claims (15)

  1. 폐쇄 루프 다영양 양식 시스템에서 해산물을 생산하는 방법으로서,
    (A) 광이 조사되는 배지에서 식물성 플랑크톤을 배양하는 단계;
    (B) 그러한 배양된 식물성 플랑크톤을 동물성 플랑크톤을 배양하기 위한 배지로 이송하는 단계;
    (C) 그러한 배양된 동물성 플랑크톤을 해산물 배양용 배지로 이송하는 단계; 및
    (D) (C) 단계의 배지 일부를 영양분으로서 (A) 단계의 배지로 이송하여 폐쇄 루프를 생성하는 단계를 포함하며,
    환경과의 자유 가스 교환이 방지되는 폐쇄 시스템에서 (A) 단계 내지 (D) 단계가 수행되는,
    폐쇄 루프 다영양 양식 시스템에서 해산물을 생산하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    (A) 단계에서의 식물성 플랑크톤은 표면적 대 부피 비가 적어도 25 m-1인 배지에서 배양되는,
    폐쇄 루프 다영양 양식 시스템에서 해산물을 생산하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    (A) 단계에서의 조사는 식물성 플랑크톤의 배양 밀도에 의해서 제어되는,
    폐쇄 루프 다영양 양식 시스템에서 해산물을 생산하는 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방법은 패류(shellfish), 바람직하게 새우 생산을 위한,
    폐쇄 루프 다영양 양식 시스템에서 해산물을 생산하는 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하는 장치로서,
    - 식물성 플랑크톤을 배양하기 위한 식물성 플랑크톤 유닛(1),
    - 동물성 플랑크톤을 배양하기 위한 동물성 플랑크톤 유닛(2),
    - 해산물을 배양하기 위한 해산물 유닛(3), 및
    - 식물성 플랑크톤 유닛(1)으로부터 동물성 플랑크톤 유닛(2)으로, 동물성 플랑크톤 유닛(2)으로부터 해산물 유닛(3)으로, 그리고 해산물 유닛(3)으로부터 식물성 플랑크톤 유닛(1)으로 내용물의 이송을, 바람직하게 자동으로, 제어하는 제어기를 포함하며,
    상기 유닛들은 환경과의 자유 가스 교환이 방지되는 폐쇄 시스템을 형성하는 상호 연결된 컨테이너인,
    장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    식물성 플랑크톤 유닛(1)은 적어도 25 m-1의 표면적 대 부피 비를 가지는,
    장치.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    식물성 플랑크톤 유닛(1)은 복수의 연결된 파이프 또는 튜브(4)의 어레이를 포함하며, 파이프 또는 튜브는 바람직하게 서로 평행하게 배열되는,
    장치.
  8. 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    식물성 플랑크톤 유닛(1), 동물성 플랑크톤 유닛(2) 및 해산물 유닛(3)의 조합된 부피는 80 m3 내지 90 m3 또는 그 배수인,
    장치.
  9. 제 5 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    식물성 플랑크톤 유닛(1)을 조사하기 위한 인공 광원, 바람직하게 LED를 더 포함하는,
    장치.
  10. 제 5 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    식물성 플랑크톤 유닛(1)은 동물성 플랑크톤 유닛(2)보다 광원에 더 가깝게 위치하여, 후자를 가리고, 해산물 유닛(3)은 동물성 플랑크톤 유닛(2) 아래에 배열되어 광원에서 가장 멀리 떨어져 있는,
    장치.
  11. 제 5 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    장치에 재생 가능한(renewable) 전기 에너지를 제공하고 식물성 플랑크톤 유닛(1)에 조정 가능한 그늘을 제공하는 방식으로 배열되는 광전지(photovoltaic) 패널을 더 포함하는,
    장치.
  12. 제 5 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    식물성 플랑크톤 유닛(1) 및/또는 동물성 플랑크톤 유닛(2) 및/또는 해산물 유닛(3) 내에 흐름을 제공하기 위한 펌프를 더 포함하는,
    장치.
  13. 제 5 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    식물성 플랑크톤 유닛(1) 및/또는 동물성 플랑크톤 유닛(2) 및/또는 해산물 유닛(3) 내부의 온도를 제어하기 위한 열 교환기를 더 포함하며, 여기에서 적합한 배관이 다른 유닛(들)로부터의 초과 열을 사용하여 각각의 유닛의 온도 제어를 제공하는,
    장치.
  14. 제 5 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    식물성 플랑크톤 유닛(1) 및/또는 동물성 플랑크톤 유닛(2) 및/또는 해산물 유닛(3)은 패킹된 배지 폭기 칼럼(packed media aeration column)을 포함하는,
    장치.
  15. 제 5 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    해산물 유닛(3)을 모니터링하기 위한 적어도 하나의 카메라를 더 포함하는,
    장치.
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