KR860000396B1 - 광합성 장치 - Google Patents

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KR860000396B1
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Abstract

내용 없음.

Description

광합성 장치
제1도는 본 발명에 의한 광합성 반응 장치의 요부 확대 단면도.
제2도는 제1도 장치에 사용하는 광라디 에이터를 표시한 도면.
제3도는 본 발명의 다른 실시예에 의한 광합성 반응장치의 요부 확대 단면도.
제4도는 제3도 장치에 사용하는 광라디 에이터를 표시한 도면.
제5도는 제5도의 V-V선 단면도.
제6도는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 광합성 반응 장치의 요부 확대 단면도.
제7도는 제6도 장치에 사용하는 광라디 에이터를 표시하는 도면.
제8도는 제7도의 Ⅷ-Ⅷ선 단면도.
제9도는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 광합성 반응 방치의 요부 확대 단면도.
제10도는 제9도 장치에 사용하는 광 라디 에이터를 표시하는 도면.
제11도는 제10도의 XI-XI선 단면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10, 30, 60, 70 : 광합성 반응장치 12, 32, 62, 92 : 광 라디 에이터.
본 발명은 광합성 물질, 예를들어 클로렐라나 스피로리나 같은 조류(藻類), 광합성 세균 또는 캘러스와 같이 인공적으로 광합성 되는 광합성 물질 등을 효과적으로 광합성 하기 위한 광합성 장치에 관한 것이다.
종래에 제안된 광합성 장치로서는 클로렐라(엽록소를 함유하는 단 세포 미생물)배양 장치가 있었다.
클로렐라를 배양하는 경우의 난점은 어느 정도 이상되는 밀도의 광을 조사하면 엽록소가 파괴되고 독소(패오포르바이트)를 발생시키고, 어느 정도 이하 밀도의 광을 조사하면 광합성이 진행되지 않는 것이다.
그러므로, 광합성을 효과적으로 진행시키기 위하여는, 전부의 광합성 물질을 함유하고 있는 세포에 대하여 균일한 어느 일정량의 광을 부여할 필요가 있다.
보통, 생체는 밀집하여 있을 경우, 단위 체적당 증식 능력이 증가할 뿐 아니라, 다른 균등에 대하여 저항력이 증가한다는 특성을 가지고 있다.
그러므로, 배지(培地) 11당의 광조사 면적이 어느 소정의 값이 아니면 배양 효율이 나빠진다. 그래서, 종래에는 광합성 물질(개체)의 수를 적게해서 광의 투과를 좋게하도록 하고 있었다.
그러나 개체의 수가 증가하면 광의 투과율이 저하하기 때문에 이 종래의 방법에는 모순이 있으므로, 개체를 회수하지 않으면 안되지만, 그때문에 개체의 수가 적어져 균에 대한 저항력이 약해지는 등의 결점이 있었다.
또한 광원에 가까운 곳의 개체에 대하여는 광이 너무 강하고 광원에서 먼곳의 개체에 대하여는 광이 너무 약하며 또한 광이 물에 흡수되어 광의 파장 성분이 변하는 등의 결점이 있었다.
따라서 이상적으로는 극히 좁은 간극 사이로 광합성 물질을 통과하게 하는 동시에 이 간극에 대하여 직각 방향으로 일정량의 광을 부여하는 것이다.
이렇게 하면, 광의 감쇄가 적고 광합성 물질을 함유하는 전부의 세포에 대하여 광의 파장성분이 변하는 일이 없이 충분한 광을 균등하게 부여할 수가 있다.
최근 실제로 사용하는 광합성 장치는 광합성 반응조(예를들어 클로렐라 배양조)내에 다수개의 형광등을 배설하고, 이 형광등 간의 간극에 광합성 물질을 통과하게 하고 있다.
그러나, 형광등을 사용하면 장치가 대형화되고 또한 소비 전력이 커지며 더우기 형광등에서 발생하는 열의 처리가 큰 문제였다.
또한, 형광등은 일반적으로 특정 파장에 피이크를 가지고 있으며 특히 엽록소에 대하여 유해한 녹색 성분에 피이크를 가지고 있는 형광등은 광합성용 광원으로는 적당하지 않은 것이다.
그리고, 클로렐라 등의 배양에는 태양광 또는 이와같은 자연광이 가장 적합하다는 것이 명백한 것이다.
클로렐라를 배양하는데 있어서, 예를들어, 배지 11를 1mm의 두께로 펴면 1㎡의 면적이 된다. 1㎡의 면광원상에 1mm의 두께로 배지를 폈을 경우, 면광원의 조도를 1000lx한다면, 1mm의 두께의 배지를 통과한 후의 조도는 증식 능력을 높이기 위한 고농도 클로렐라 배지에 있어서는 약 30lx로 줄게 된다.
그리하여, 면 광원과 반대측에 있는 클로렐라에는 거의 광이 도달하지 않는다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 1mm두께의 배지에 대하여 양면에 면광원을 설치하는 것도 고려되지만, 이렇게 하면 종래의 장치에서의 경우와 마찬가지로 광원에 형광등이 포함되었을 때는 열의 발생이 방대하여 지게된다.
본 발명은 이러한 점을 감안하여 이루어진 것으로서, 본 발명을 구현하는 광합성 장치는 광합성 반응조를 구비하고 있다.
복수개의 광 라디 에이터는 광을 방사하기 위하여 반응조내에 정렬되어 있고, 이들 각각의 광라디 에이터는 좁은 투브형의 형상을 하고 있으며 서로 인접한 광 라디 에이터는 약 2mm이하의 간격을 두고 떨어져 있다.
본 발명에 의하면, 광합성 반응조는 광을 방사하기 위하여 복수개의 좁은 투브형 광 라디 에이터가 정렬되어 있는 반응조를 구비하고 있으며 서로 약 2mm이하의 간격을 두고 떨어져 있다.
각각의 광 라디 에이터는 원통형, 정삼각형, 정사각형 또는 정육각형의 단면을 가지고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 효과적으로 광합성을 증진시키는 신규한 광합성 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 광원에서 발생하는 열을 필요한 만큼 처리하여 줄이는 광합성 장치를 제공하는데에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 원하는 칫수에 따라 늘일 수 있는 광합성 장치를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 일반적으로 개선된 광합성 장치를 제공하는 데에 있다.
전기한 바와같은 목적과 더불어 본 발명의 또다른 목적은 다음과 같이 상술하고 첨부도면에 도시된 실시예에 따라 성취된다.
본 발명의 광합성 반응 장치는 사용상의 조건과 필요에 따라 많은 물리적인 형태로 될 수 있으나, 여기에 나타난 실제의 수치와 설명되는 실시예는 제조, 검사 및 사용되어 모두 현저하게 만족할만한 것이었다.
이하 본 발명은 첨부 도면에 따라 상세히 설명하면 다음과 같다.
제1도는 본 발명에 의한 광합성 반응조를 나타내며, 부호 10으로 나타나 있다. 많은 광 라디 에이터(12)는 일정한 간격(d1)으로 반응조(10)내에 배열되어 있다.
각각의 광 라디 에이터(12)는 반경이 r1Cm이다.
여기서 임의로 선택된 인접한 3개의 광라디 에이터의 중심을 도시와 같이, A.B.C 라고 한다면, 삼각형(P1)(ABC)의 면적
S1은,
Figure kpo00001
이고,
부채꼴 Aaa'+Bbb'+Ccc'의 면적 S2는,
Figure kpo00002
이며,
ab' bc' ca'에 의하여 둘러싸인 면적 S3는,
Figure kpo00003
이고,
또한 원호 ab'+bb'+cc'의 총길이 g는,
g=2πr1×3/6 (4)
여기서, 제2도에서와 같이 각 광 라디 에이터의 길이를 H1이라고 한다면 면적 S3를 통과하는 배지의 양 W1은,
Figure kpo00004
가 되고,
상기의 배지의 양 W1이 광 라디 에이터(12)에 접촉하는 면적 S는,
S=H1×g=H1πr1(6)
이 되며,
단위 배지당 접촉 면적 S/W1는
Figure kpo00005
이 된다.
따라서 광 라디 에이터(12)의 반경 r1및 인접한 각 광 라디 에이터(12)의 간격 d1그리고 각 S, W1과 S/W1은 표 1과 같이 구해진다.
[표 1]
Figure kpo00006
표 1에서와 같이, "*"와 "#"로 표시된 다섯가지의 다른 S/W비가 ㎡/1
Figure kpo00007
1이 되는 조건을 충족시킨다.
그러나, 간극 d1가 0인 것은 광 라디 에이터 간에서의 배지의 환류가 없어 실용화 될수 없고, 간극 d1이 0.5mm인 것은 제작상의 정확성에 곤란이 있다.
그리하여, 실제 적용할 수 있는 S/W1의 비는 간극 d1이 1mm이고, 각 광 라디 에이터의 직경이 10mm의 표 1에서 "#"로 표시한 것만으로 된다.
단 배지내에서는 탄산 가스가 버블링 되고 있어서 간극 d1에 더 여유을 주면 최대로 약 1.2mm까지 가능하다. 연속운전을 향상시키기 위하여는, 반응조(10)는 배지의 오염, 물등의 증발을피하는 밀봉 구조로 될수도 있다.
또한 광 라디 에이터(12)를 ㎡/1
Figure kpo00008
1 이 되는 조건을 만족하도록 증가하는 것은 용이하고, 따라서 장치의 확대도 용이하다.
삼각형의 광 라디 에이터(12)에는 반응조(10)는 그 단면이 삼각형, 4각형, 6각형 혹은 원형이 될 수도 있다.
제2도는 제1도 장치에 적용할 수 있는 광 라디 에이터의 1실시예를 도시하고 있다. 광 라디 에이터(12)는 부호 14로 표시된 광도체 케이블(14)을 구비하고 있다.
케이블(14)은 클래드층(14a), 코어(14b) 그리고 코어(14b)에 접착된 다수개의 광 산란체(16)를 구비하고 있다.
이 집합체는 투명 케이스(18)내에 밀봉되어 수용되어 있다. 태양광선은 도시하지 않은 장치로 집속되고 광도체 케이블(14)을 통하여 전송된다. 케이스(18)의 내부에 도달한 광선은 광 산란체(16)에 의하여 투명케이스(18)를 통해 외부(광합성 반응조(10)내)로 산란 된다.
이와같은 실시예에서와 같이, 광 라디 에이터(12)는 상술한 바와같은 작용효과를 얻기 위하여 광합성 반응조(10)내에 정연하게 배열되어 있는 것이다.
제3도에서는 본 발명의 광합성 장치의 다른 실시예를 보이고 있다.
본 장치는 다수개의 광 라디 에이터(32)가 일정간격(d2)으로 망상 배열된 광합성 반응조(30)를 구비하고 있다.
각각의 광 라디 에이터(32)는 반경 r2Cm(1변의 길이 r2×cos30°)의 정삼각형의 단면으로 되어 있다.
제1실시예에서와 같이, 임의로 선택된 인접하여 있는 6개의 광 라디 에이터(32)의 중심 0를 연결하는 6각형 P2를 가정한다.
그러면 6각형 P2내의 간극의 총면적 S4(제3도의 사선부)는
Figure kpo00009
이 된다.
각각의 광 라디 에이터(32)의 길이 H2를 30Cm로 한다면, 이 총 간격에 들어가는 배지의 체적 W2는,
Figure kpo00010
가 된다.
한편, 광 라디 에이터(32)의 광조사면이 배지와 접촉한는 면적 S'은,
Figure kpo00011
이 된다.
각 광라디 에이터(32)의 반경 r2'인접한 광라디 에이터(32)간이 간격 d2를 파라미터로 하여 각치를 구하면 표 2와 같다.
[표 2]
Figure kpo00012
표 2에서와 같이, S'/W2가 ㎡/1
Figure kpo00013
1을 만족시키는 것은 인접한 광 라디 에이터(32)간의 간격 d2가 0.18Cm이하의 것이다.
표 2에서 명백한 바와같이, S'/W2는 간격 d2에 의하여 주로 결정되고 광 라디 에이터(32)의 직경(r2)에는 거의 영향을 받지 않는다.
단, 배지내에서는 탄산가스가 버블링 되고 있으므로 간격 d2에 좀더 여유를 둘수가 있어, 실제로는 약 2mm정도까지 가능하다.
따라서, 이 실시예에 있어서는 각 광 라디 에이터(32)의 간격 d2를 약 2mm정도 이하로 유지하여 주면 광 라디 에이터(32)의 크기에 영향을 받지 않고 효과적으로 광합성을 진행시킬 수 있다.
그러므로 여러가지 칫수의 광 라디 에이터를 조합하여 사용하는 것이 가능하다.
예를들어, 광 라디 에이터(32)의 몇개는 형광등으로 구성하여 인공 광을 방사하게 하고 나머지 광 라디 에이터는 직경이 비교적 작은 것으로 하여 광 화이버에서 자연광을 방사하게 한다.
이와같이 조합함으로서, 주간에는 태양광을 이용하여 광합성을 행하고 야간등에는 형광등을 이용하여 광합성을 행하게 할수도 있다. 또한 광도체 화이버를 사용한 광 라디 에이터는 태양광(자연광)을 도입할 수도, 형광등 또는 키제논 램프 등의 인공 광을 원하는 만큼 도입할 수도 있기 때문에, 주간에는 태양광을 도입하고 야간에는 인공광을 도입하게 하여도 좋고 또는 몇개의 광 라디 에이터는 태양광을 도입하고, 나머지 몇개의 광 라디 에이터에는 인공 광을 도입하게 하여도 좋고 태양광과 인공광을 적당히 조합하여 사용할 수도 있다.
또한 본 실시예에 있어서는 단면 형태가 3각형이기 때문에 광합성 반응조(30)가 삼각형, 4각형, 6각형으로 구성하면 효과적으로 광 라디 에이터를 배설할 수 있다. 또한 광합성 반응조를 밀봉 구조로할 때에는 배지의 오염, 물이 증발 등이 없어져 연속운전이 가능하여진다. 또한 본 실시예에 있어서는 광 라디 에이터(32)를 ㎡/1
Figure kpo00014
1을 만족시킬 수 있게 증가하는 것은 용이하고 따라서 장치의 확대도 용이하다.
제4도, 제5도는 광합성을 위한 자연광을 방사하는데에 적합한 광 라디 에이터(32)의 1예이다.
이 도면에서 제2도에서와 같은 부품에는 같은 부호를 부여하였다.
제6도는 본 발명의 또다른 실시예를 나타내는 것으로서 광합성 반응조(60)를 구비하고 있다. 다수개 광 라디 에이터(62)가 일정한 간격로 반응조(60)내에 배연되어 있다.
각 광 라디 에이터(62)는 반경 r3Cm(1변의 길이 r3×cos45°)의 정 4각형 단면으로 되어 있다.
여기서 지금 임의로 선택된 인접한 광 라디 에이터(62)의 중심 0를 연결하는 4각형 P3를 생각한다.
그러면 사각형 P내의 광 라디 에이터(62)간의 간격의 총 면적 S5(사선부분)는,
Figure kpo00015
이 된다.
한편, 광 라디 에이터(62)의 길이 H3가 예를들어 30Cm라면, 이 공간에 들어가는 배지의 체적 W3는,
Figure kpo00016
가 된다.
한편, 광 라디 에이터(62)의 광조 사면이 배지와 접하는 면적S''는,
Figure kpo00017
이 된다.
광 라디 에이터(62)의 반경 r3와 간격 d3의 각치에 대한 S'', W3와 S''/W3의 각치는 표 3과 같다.
[표 3]
Figure kpo00018
표 3에서와 같이, S''/W3가 ㎡/1
Figure kpo00019
1을 만족시키는 것은 인접한 광 라디 에이터의 간격 d2가 0.18cm이하의 것이다.
표 2에서 명백한 바와같이 S''/W3는 간격 d3에 의하여 주로 결정되고, 광 라디 에이터(62)의 간경(r3)에는 거의 영향을 받지 않는다.
단, 배지 내에는 탄산 가스가 버블링하고 있어서 이것을 감안하면 간격 d3를 더욱 여유있게 할수 있어 실제로는 약 2mm정도까지 가능하다. 또한 광 라디 에이터(62)가 사각형이므로, 광합성 반응조(60)는 사각형 또는 원형 단면일 수 있다.
제7도, 제8도는 제6도의 실시예에 관계되는 자연광 방사용 광라디 에이터(62)의 예를 표시한 도면이다.
이 도면에서 제2도와 같으 부품에는 같은 부호를 부여하였다.
제9도는 본 발명의 또 다른 실시예를 설명하는 것으로 광합성 반응조(90)를 구비하고 있다.
다수개의 광 라디 에이터(92)가 광합성 반응조(90)내부에 정렬되어 있다.
각 광 라디 에이터(92)는 1면의 길이가 r3cm이고 인접한 광 라디 에이터(92)간의 간격에 d3인 육각형 단면으로 되어 있다.
상기한 실시예에서와 같이, 임의로 선택된 인접하는 3개의 광 라디 에이터(92)의 중심을 각각 D.E.F라 한다.
중심 D.E.F를 연결하는 선분 DE.EF.FD는 d, e'', e, f'', f, d''에서 광라디에이터(92)의 광 조사면과 교차한다고 가정한다. 또한 삼각형 P4(DEF)의 내각을 2등분하는 선분이 d'.e'.f'에서 광라디 에이터(92)의 광조사면과 교차한다고 가정한다.
이때 삼각형 d'f'e'의 면적 S6는,
Figure kpo00020
이다.
4변형 dd'e'e''+ee'f'f''+ff'd'd''의 합계 S7은,
Figure kpo00021
가 된다.
삼각 형 P4내의 광라디 에이터(92)간의 간격의 총면적 S8은,
Figure kpo00022
이 된다.
여기서 지금, 각 광라디 에이터의 길이가 H4라고 가정하면, 광 라디 에이터(92)간의 간격에 들어가는 배지의 체적 W4는,
Figure kpo00023
이 된다.
광 라디 에이터(92)의 광 조사면이 배지와 접하는 면적 S' ''는,
S'' '=3r4H4(18)
이 된다.
광 라디 에이터(92)간의 간격이 d4각 광 라디 에이터(92)간의 1면이 길이 r4(반경)에 대하여 S'' ', W4, S''/W4의 각치는 표 4와 같다.
[표 4]
Figure kpo00024
표 4에서와 같이, S'' '/W4가 ㎡/1
Figure kpo00025
1을 만족시키는 것은 광 라디 에이터(92)의 간격 d4가 0.18cm이하의 것이다.
동표에서 명백한 바와같이, S'' '/W4는 간격 d4에 의하여 대략 결정되고 광 라디 에이터(92)의 반경(r3)에는 거의 영향을 받지 않는다.
6각형의 광 라디 에이터(92)에는 반응조가 6각형 또는 원형 단면일 수 있다.
제11도, 제12도는 제9도의 실시예에 대하여 자연광 방사용 광라디 에이터(92)의 일예를 표시한 도면이다.
이 도면에서는 제2도와 같은 부품에는 같은 부호를 허여 하였다.
요약하면, 본 발명은 효과적인 광 라디 에이터의 배열로 인하여 효과적으로 작동되고 쉽게 스케일 업 될수 있는 광합성 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명 장치는 형광등과 같이 열원이 있는 어떠한 광원도 사용하지 않으며, 이로 인하여 열발생에 대한 통체의 필요성을 미리 배제하게 되는 것이다.
본 발명의 기술사상이나 범위에서 벗어나지 않고, 본 발명의 상세한 설명 이후의 해당 분야에서 여러가지 수정이 가능할 것이다.

Claims (15)

  1. 광합성 반응조와 광을 방사하기 위하여 광합성 반응조에 배설된 복수개의 광 라디 에이터로 구성되고, 광 라디 에이터는 세관형이고 인접한 광 라디 에이터간의 간격이 약 2mm이하인 것을 특징으로 하는 광합성 장치.
  2. 제1항에 있어서, 광합성 반응조는 밀봉 구조인 것을 특징으로 하는 광합성 장치.
  3. 제1항에 있어서, 각 광 라디 에이터의 표면에서 방사되는 광의 조도가 균일한 것을 특징으로 하는 광합성 장치.
  4. 제1항에 있어서, 광을 광라디 에이터에 전송하기 위하여 광 라디 에이터에 광학적으로 연결된 광화이버를 구비한 것을 특징으로 하는 광 합성 장치.
  5. 제4항에 있어서, 광 화이버에 의하여 전송된 광이 적어도 자연광이나 인공광의 하나인 것을 특징으로 하는 광합성 장치.
  6. 제4항에 있어서, 형광등이 광 라디 에이터에 광학적으로 연결되어 광라디 에이터에 출력광이 되는 것을 특징으로 하는 광합성 장치.
  7. 제6항에 있어서, 다수개의 광 라디 에이터 중에서 소정의 갯수는 광도체 화이버의 출력광을 방사하고 나머지 소정의 갯수는 형광등의 출력광을 방사하는 것을 특징으로 하는 광합성 장치.
  8. 제6항에 있어서, 광도체 화이버와 연결된 각각의 광 라디 에이터의 관경이 형광등과 연결된 각각의 광라디 에이터의 관경 보다 작은 것을 특징으로 하는 광합성 장치.
  9. 제1항에 있어서, 각각의 광라디 에이터는 세관형이며 그 직경이 약 10mm이고, 광라디 에이터간의 간격이 약 1-1.2mm인 것을 특징으로 하는 광합성 장치.
  10. 제1항에 있어서, 각 광라디에이터의 단면이 정삼각형인 것을 특징으로 하는 광합성 장치.
  11. 제10항에 있어서, 광합성 반응조의 단면이 적어도 6각형, 원, 삼각형, 4각형중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광합성 장치.
  12. 제1항에 있어서, 각 광라디 에이터의 단면이 4각형인 것을 특징으로 하는 광합성 장치.
  13. 제12항에 있어서, 광합성 반응조의 단면이 적어도 사각형, 원중 어느하나인 것을 특징으로 하는 광합성 장치.
  14. 제1항에 있어서, 각 광 라디 에이터의 단면이 6각형인 것을 특징으로 하는 광합성 장치.
  15. 제14항에 있어서, 광합성 반응조의 단면이 적어도 6각형, 원중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광합성 장치.
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