KR20050013269A - Multi-functional bio-reactor with high photo-transmittance - Google Patents
Multi-functional bio-reactor with high photo-transmittanceInfo
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Abstract
본 발명은 광생물 반응기에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 광합성에 의해 생육하는 미생물을 배양시 광의 효율을 극대화할 수 있을 뿐만 아니라, 다양한 미생물의 배양에 다목적으로 활용할 수 있는 광생물 반응기에 관한 것이다.The present invention relates to a photobioreactor, and more particularly, to a photobioreactor capable of maximizing light efficiency in culturing microorganisms grown by photosynthesis, as well as multipurpose microorganisms.
본 발명에 따른 다목적 광생물 반응기는, 재료투입구 및 생성물질의 배출구가 각각 구비된 실린더형 투명 반응조내에, 구동 모터의 구동력에 의해 회동하는 교반로드를 중심으로 착설되어 상기 교반로드의 회동에 따라 회전하면서 상기 반응조의 내벽을 스크레이핑하여, 반응조의 내벽에 침착된 점액성 물질 및 착색물질을 제거할 수 있는 하나 이상의 스크레이퍼가 구비된 것을 특징으로 한다.The multipurpose photobioreactor according to the present invention is installed in a cylindrical transparent reaction tank each provided with a material inlet and an outlet of a product, and is installed around a stirring rod rotated by a driving force of a driving motor, and rotates according to the rotation of the stirring rod. While scraping the inner wall of the reactor, it is characterized in that the one or more scrapers that can remove the mucus material and the coloring material deposited on the inner wall of the reactor.
Description
본 발명은 광생물 반응기에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 광합성에 의해 생육하는 미생물을 배양시 광의 효율을 극대화할 수 있을 뿐만 아니라, 다양한 미생물의 배양에 다목적으로 활용할 수 있는 광생물 반응기에 관한 것이다.The present invention relates to a photobioreactor, and more particularly, to a photobioreactor capable of maximizing light efficiency when culturing microorganisms grown by photosynthesis, as well as cultivating various microorganisms.
광합성 미생물인 미세 조류의 배양은 사료, 식용 색소와 의약용 원료 물질 등의 유용 물질을 생산하는 목적으로 사용되어져 왔으며, 유용한 고부가가치 물질들이 지속적으로 발견되어 그 활용범위를 넓혀 가고 있다.Cultivation of microalgae, photosynthetic microorganisms, has been used for the production of useful substances such as feed, food coloring and pharmaceutical raw materials, and useful high value substances have been continuously discovered and expanding their applications.
상기 광합성 미생물의 배양은 현재까지는 주로 호수 내지 대형 연못과 같은 형태의 반응시설을 사용하여 오고 있으며, 일부 국가에서 상용화되어 있다. 그러나, 이러한 형태의 배양시설은, 반응시설의 설치에 필요한 부지 확보의 어려움, 오염, 분리 및 정제의 어려움, 낮은 세포농도, 불규칙한 광도 및 기후조건, 인건비, 많은 기질량, 높은 수질 요구 등의 문제들 때문에 그 설치가 극히 제한적일 수 밖에 없으며, 우리나라와 같이 설치에 필요한 부지의 확보가 어려운 국가에서는 적용되지 못하고 있는 실정이다.The cultivation of photosynthetic microorganisms has been mainly using a reaction facility in the form of a lake or a large pond until now, and is commercialized in some countries. However, this type of cultivation facility has problems such as difficulty in securing the site necessary for the installation of the reaction facility, contamination, separation and purification, low cell concentration, irregular light intensity and climatic conditions, labor costs, high mass, and high water quality. Because of this, the installation is very limited, and it is not applicable in countries where it is difficult to secure a site necessary for installation, such as Korea.
이러한 문제점 때문에, 크기가 작고 고농도의 배양을 할 수 있는 실내형이라 부르는 소형의 각종 광생물 반응기가 연구 개발되고 있는데, 현재 개발되어 있는 형태로는 일반 교반형 반응기, 판형 반응기, 관형 반응기, 칼럼형 반응기 등이 있다.Because of these problems, various photoreactors of small size, called indoor type, which are small in size and capable of high concentration of cultivation, are being researched and developed. Currently developed forms include general stirred reactors, plate reactors, tubular reactors, and columnar reactors. Reactors and the like.
그러나 이러한 개발들은 모두 상업적 대량생산에 필요한 광생물 반응기를 개발하는 데에 주안점을 두어 열교환기구의 설치라든가 내부 광원의 설치 등을 중심으로 이루어지고 있기 때문에, 농축산가에서 유기 비료나 사료, 농약의 제조 등에 제조에 사용할 수 있는 간단한 구조를 취하면서도 효율적인 형태의 광반응기의 개발예는 적다.However, all of these developments focus on developing photobioreactors for commercial mass production, focusing on the installation of heat exchange mechanisms and the installation of internal light sources. There are few examples of the development of efficient photoreactors while taking simple structures that can be used for manufacturing.
따라서, 전문적인 배양 지식을 가지지 못한 일반 농축산 농가에서는 아직도 광합성 미생물을 배양하기 위해 투명용기 또는 봉투에 유기물을 넣고 반응조에 저장하는 단순한 형태의 미생물 배양기구를 사용하고 있는데, 상기와 같이 광합성 미생물을 배양할 경우에는, 미생물의 특성에 따른 산소농도의 유지 및 무산소유지의 실패로 발효가 아니라 부패가 이루어져 유독가스나 유독물이 생성되어 오히려 작물이나 동물에 피해를 주는 경우가 많으며, 이러한 조건이 적절히 유지된다 하더라도 시간이 경과함에 따라 용기의 내벽 등에 점액성 물질이 부착되어 빛의 투과가 차단되어 배양속도가 늦어지거나 광원부족으로 아예 배양에 실패하는 경우가 발생하기도 한다.Therefore, in general agricultural and livestock farms that do not have specialized culture knowledge, in order to cultivate photosynthetic microorganisms, a simple microorganism culturing apparatus for storing organic matter in transparent containers or bags and storing them in a reaction tank is used. In this case, it is not a fermentation but a decay that occurs due to the maintenance of oxygen concentration and the maintenance of oxygen freeness according to the characteristics of microorganisms, and toxic gases or toxic substances are often generated, and rather damage to crops or animals, and such conditions are maintained properly. Even though, as time passes, mucous substances are attached to the inner wall of the container and light transmission is blocked, resulting in a slow incubation rate or a failure in culturing at all due to lack of light source.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 농축산가에서 저렴한 비용으로 각종 발효나 광합성 미생물 배양 등의 다양한 목적으로 사용할 수 있으면서, 고도의 광활용효율을 달성할 수 있는 다목적 광생물 반응기를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been made to solve the above problems, and can be used for a variety of purposes, such as fermentation or photosynthetic microorganism culture at a low cost in a concentrated acid value, multi-purpose photobiological reactor that can achieve a high light utilization efficiency It aims to provide.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 광생물 반응기의 전체 구조를 나타낸 종단면도이고,1 is a longitudinal sectional view showing the overall structure of a photobioreactor according to an embodiment of the present invention,
도 2는 도 1의 광생물 반응기에 있어서의 구동 샤프트와 교반로드의 결합부위(A)를 상세히 도시한 부분 확대도이며,FIG. 2 is a partially enlarged view illustrating in detail the coupling portion A of the driving shaft and the stirring rod in the photobioreactor of FIG. 1.
도 3은 본 발명에 따른 광생물 반응기에 있어서, 교반로드에 스크레이퍼를 설치할 때의 바람직한 배치를 도시한 모식도이다.3 is a schematic diagram showing a preferred arrangement when installing a scraper in the stirring rod in the photobioreactor according to the present invention.
***도면의 주요부분에 대한 부호의 설명***** Explanation of symbols for main parts of drawings **
10…반응조 11…재료투입구10... Reactor 11. Material entrance
12…배출구 13…측벽면12... Outlet 13... Side wall
14…바닥면 15…온도센서14... Bottom surface 15.. temperature Senser
16…가온히터 17…냉각장치16... Gaon heater 17... Chiller
18…개폐식 뚜껑 19…공기 공급 장치18... .. retractable lid 19.. Air supply
20…교반로드 21…구동 모터20... Stirring rod 21... Drive motor
22…구동 샤프트 23…결합 브라켓부재22... Drive shaft 23.. Joining Bracket Member
30…스크레이퍼 31…암30... Scraper 31... cancer
32…끌편32... Chisel
본 발명에 따른 다목적 광생물 반응기는,Multipurpose photobiological reactor according to the present invention,
재료투입구 및 생성물질의 배출구가 각각 구비된 실린더형 투명 반응조내에, 구동 모터의 구동력에 의해 회동하는 교반로드를 중심으로 착설되어 상기 교반로드의 회동에 따라 회전하면서 상기 반응조의 내벽을 스크레이핑하여, 반응조의 내벽에 침착된 점액성 물질 및 착색물질을 제거할 수 있는 하나 이상의 스크레이퍼가 구비된 것을 특징으로 한다.In a cylindrical transparent reaction tank each provided with a material inlet and a discharge port of the product, the inner wall of the reactor is scraped while rotating around the stirring rod rotated by the driving force of the driving motor and rotating according to the rotation of the stirring rod. It is characterized in that one or more scrapers are provided to remove the mucus and coloring matter deposited on the inner wall of the reactor.
바람직하게는, 상기 구성에 있어서, 실린더형 투명 반응조의 상단에는 개폐식 뚜껑이 구비되고, 상기 개폐식 뚜껑의 상부에 구동 모터가 설치되며, 상기 구동 모터의 하부에는 교반로드의 회동축이 되는 구동 샤프트를 상기 개폐식 뚜껑의 하부로 말단이 노출되도록 연설하고, 상기 구동 샤프트와 교반로드의 말단에는 각각 결합 브라켓부재를 구비하여 결합과 분리가 용이하도록 구성한다.Preferably, in the above configuration, the upper end of the cylindrical transparent reaction tank is provided with a retractable lid, a drive motor is installed on the upper portion of the open and close lid, the lower portion of the drive motor is a drive shaft that is a rotating shaft of the stirring rod Speaking so that the end is exposed to the lower portion of the retractable lid, the end of the drive shaft and the stirring rod is provided with a coupling bracket member, respectively, so as to facilitate the coupling and separation.
바람직하게는 상기 스크레이퍼는, 교반로드를 따라 일정 간격과 각도로 배열된 봉상의 암과 상기 암의 말단에 연설된 끌편으로 구성되며, 더욱 바람직하게는 상기 끌편은 가요성의 고무 또는 연질 플라스틱으로 만들어 진다.Preferably, the scraper is composed of rod-shaped arms arranged at regular intervals and angles along the stirring rod and chisel pieces struck at the ends of the arms, more preferably the chisel pieces are made of flexible rubber or soft plastic. .
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 광생물 반응기의 전체 구조를 나타낸 종단면도이다.1 is a longitudinal sectional view showing the overall structure of a photobioreactor according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 광생물반응기는 상부에 재료투입구(11)가 형성되고, 하부에는 생성물질의 배출구(12)가 형성된 실린더형 반응조(10)와 상기 반응조(10)의 중앙에 수직방향으로 배설된 교반로드(20) 및 상기 교반로드(20)를 중심으로 일정 각도를 이루며 방사상으로 배치된 스크레이퍼(30)를 구비한다.Referring to FIG. 1, the photobioreactor according to the present embodiment has a material inlet 11 formed at an upper portion thereof, and a cylindrical reactor 10 having a discharge outlet 12 of a product formed therein, and a center of the reaction vessel 10. Stirring rod 20 disposed in the vertical direction and the scraper 30 radially arranged at an angle with respect to the stirring rod 20 is provided.
상기 반응조(10)의 실린더형 측벽면(13)은 광의 투과가 원활하게 이루어지도록 투명유리 또는 플라스틱재질로 제작되며, 바닥면(14)은 경사가 져서 전체적으로 깔때기 형상을 이루도록 제작되어 있으며, 그 정점에 배출구(12)가 연결되어 생성물질 등 내부의 물질의 배출이 용이하도록 구성되어 있다.The cylindrical side wall surface 13 of the reactor 10 is made of a transparent glass or plastic material so that light is transmitted smoothly, the bottom surface 14 is inclined to form a funnel shape as a whole, the apex The outlet 12 is connected to the configured to facilitate the discharge of the material inside, such as product.
상기 재료투입구(11)와 생성물질의 배출구(12)에는 각각 개폐밸브(11a, 12a)가 구비된 배관이 연결되어 있으며, 각 배관의 말단에는 각각 재료탱크(11b)와 생성물 탱크(도시하지 않음)가 연결되어 있다.Pipes having on / off valves 11a and 12a are connected to the material inlet 11 and the outlet 12 of the produced material, respectively, and the material tank 11b and the product tank (not shown) at the end of each pipe. ) Is connected.
또, 본 발명의 광반응기는 다양한 미생물의 배양에 이용될 수 있도록 구성되어 있기 때문에, 반응조(10)의 온도 조절을 위한 시스템을 구비하고 있다. 본 실시예에서는, 반응조(10)의 일지점에 설치된 온도센서(15)에 의해 반응조 내부의 온도를 체크하면서, 상기 온도센서(15)와 연결된 콘트롤러(도시하지 않음)를 통해 반응조(10)의 하단부에 설치된 가온히터에 의한 가열장치(16) 및 반응조(10)의 상부의 측벽면을 따라 내설된 냉각수 순환시스템에 의한 냉각장치(17)를 제어하여 이들(16, 17)을 통해 가열 및 냉각을 실시함으로써 배양 미생물의 적정 생육온도에 맞추어 반응조의 온도를 조절할 수 있도록 구성되어 있다.In addition, since the photoreactor of the present invention is configured to be used for culturing various microorganisms, the photoreactor is provided with a system for temperature control of the reactor 10. In this embodiment, while checking the temperature inside the reaction tank by the temperature sensor 15 installed at one point of the reaction tank 10, the controller of the reaction tank 10 through a controller (not shown) connected to the temperature sensor 15 The heating device 16 by the heating heater installed at the lower end and the cooling device 17 by the cooling water circulation system built along the side wall surface of the upper part of the reactor 10 are heated and cooled through these (16, 17). It is configured to adjust the temperature of the reaction tank in accordance with the appropriate growth temperature of the cultured microorganisms.
한편, 상기 반응조(10)의 상단에는 힌지구조(18')로 부설된 개폐식 뚜껑(18)이 마련되어 반응조(10) 내부를 청소할 경우나 정비할 경우 등에 사용될 수 있도록 하였다.On the other hand, the upper end of the reaction tank 10 is provided with a retractable lid 18 attached to the hinge structure (18 ') to be used when cleaning the inside of the reaction tank 10 or maintenance.
상기 개폐식 뚜껑(18)의 상부에는 상기 교반로드(20)에 회동력을 제공하는 구동모터(21)가 설치되며, 구동모터(21)의 회동력은 그 하부에 상기 개폐식 뚜껑(18)을 관통하여 연설된 구동 샤프트(22)에 전달되고, 다시 상기 구동 샤프트(22)의 하부에 연설된 교반로드(20)에 전달된다.A drive motor 21 for providing a rotational force to the stirring rod 20 is installed at an upper portion of the retractable lid 18, and a rotational force of the drive motor 21 penetrates the retractable lid 18 at a lower portion thereof. It is transmitted to the propagated drive shaft 22, and is again transmitted to the stirring rod 20 propagated to the lower portion of the drive shaft 22.
여기서, 상기 구동 샤프트(22)와 교반로드(20)의 결합구조는 개폐식 뚜껑(18)의 개폐시나 청소 및 정비시의 편의를 위하여, 도 2에서 보는 바와 같이 뚜껑의 하부로 돌출된 상기 구동 샤프트(22)와 교반로드(20)가 서로 접하는 말단에 각각 요홈부(23a)와 돌출부(23b)를 구비한 형태의 결합 브라켓부재(23)를 구비한 형태로 구성되어 있어, 필요에 따라 이들을 결합하거나 분리하는 것이 용이하도록 되어 있다.Here, the coupling structure of the drive shaft 22 and the stirring rod 20 is for the convenience of opening and closing the closing lid 18, cleaning and maintenance, as shown in Figure 2 the drive shaft protruding to the bottom of the lid (22) and the stirring rod 20 is formed in the form having a coupling bracket member 23 of the form having grooves 23a and protrusions 23b at the ends in contact with each other, so as to combine them if necessary Or easy to separate.
다음으로 상기 교반로드(20)를 축으로 회동하면서, 스크레이핑을 통해 반응조(10) 내벽에 침작된 부착물질의 제거작용과 교반작용을 하는 스크레이퍼(30)에 대해 설명한다.Next, the scraper 30 which rotates the stirring rod 20 about its axis, and removes and stirs the adherent substance deposited on the inner wall of the reaction tank 10 through scraping will be described.
도 1에서 보는 바와 같이, 상기 교반로드(20)를 따라 일정 간격과 일정 각도를 유지하며 방사상으로 봉상의 암(31)이 설치되어 있다. 상기 암(31)의 말단에는 넓은 면적을 가진 끌편(32)이 설치되어, 교반로드(20)가 회동함에 따라 반응조(10)의 내벽을 따라 내벽을 긁으면서 회전할 수 있도록 함과 동시에, 반응조(10) 내부의 물질들에 대한 교반작용을 수행한다.As shown in FIG. 1, a rod-shaped arm 31 is provided radially while maintaining a predetermined interval and an angle along the stirring rod 20. At the end of the arm 31 is provided with a chisel piece 32 having a large area, as the stirring rod 20 is rotated to rotate while scratching the inner wall along the inner wall of the reaction vessel 10, the reaction tank (10) Agitate the materials inside.
상기 암(31)과 끌편(32)의 설치 개수에는 특별한 제한이 없지만, 교반로드(20)의 전체 길이를 따라 상하로 일정한 간격을 두고 수개를 설치할 수 있으며, 도 3에서 보는 바와 같이 각 암(31)간에는 일정한 각도를 유지하여 설치하는 것이 장치에 무리를 주지 않으면서, 교반작용과 스크레이핑이 균일하게 이루질 수 있게 해주기 때문에 바람직하다.There is no particular limitation on the number of installation of the arm 31 and the chisel piece 32, but several can be installed at regular intervals up and down along the entire length of the stirring rod 20, as shown in Figure 3 each arm ( 31) It is preferable to install at an angle so that the stirring action and the scraping can be made uniform without causing any burden on the apparatus.
상기 끌편(32)의 재질은 특별히 제한되는 것은 아니고, 반응조(10)의 내벽을 스크래치하여 손상을 주지 않고 또 미생물에 의해 분해되어 쉽게 손상되지 않는 것이면 가능하지만, 유연한 가요성 재질의 고무 또는 연질 플라스틱으로 제작하는 것이 특히 바람직하다.The material of the chisel piece 32 is not particularly limited and may be any material that is not damaged by scratching the inner wall of the reaction tank 10 and is easily decomposed by microorganisms, but is made of flexible flexible rubber or soft plastic. It is especially preferable to manufacture.
상기와 같은 재질로 제작할 경우, 상기 암(31)과 끌편(32)을 합한 설치 길이를 반응조(10)의 내벽까지의 반경보다 약간 크게 하여, 끌편(32)이 반응조(10)의 내벽에 접단하면 약간 굴곡된 채로 반응조(10)의 내벽을 긁어면서 회전하도록 할 수 있어 스크레이핑의 효율을 극대화 할 수 있다.In the case of manufacturing the material as described above, the length of the installation combined the arm 31 and the chisel 32 is slightly larger than the radius to the inner wall of the reaction tank 10, the chisel 32 is connected to the inner wall of the reaction tank 10. If it can be rotated while scraping the inner wall of the reaction tank 10 while slightly curved can maximize the efficiency of scraping.
한편, 본 발명에 따른 광생물 반응기는 다목적으로 사용할 수 있는 것을 목표로 하기 때문에, 본 실시예의 광생물 반응기에는 호기성 미생물의 배양에 이용될 수 있도록 공기 공급 시스템(19)을 구비하고 있다.On the other hand, since the photobioreactor according to the present invention aims to be used for various purposes, the photobioreactor of the present embodiment is provided with an air supply system 19 to be used for culturing aerobic microorganisms.
본 실시예의 광생물 반응기에 있어서는, 상기 공기 공급 시스템(19)은 반응조(10) 내부로 노출된 산기구(19a)와, 상기 산기구를 외부의 에어펌프(19b)와 연결시켜 주는 급기관(19c)으로 구성되어 있다.In the photobioreactor of the present embodiment, the air supply system 19 is an air supply unit 19a exposed to the inside of the reaction tank 10 and an air supply pipe connecting the air supply unit to an external air pump 19b ( 19c).
그러나, 이에 한정되는 것은 아니며, 예컨대 반응조(10)의 상층부와 하층부를 연결하도록 설치된 순환펌프를 구비한 순환관의 일 지점에 흡기조절밸브가 구비된 소경의 공기유입관의 말단을 관통되게 설치하여, 순환관 내부에 공기가 유입되어 함께 공급되도록 하는 형태 등 다양한 다른 형태의 공기 공급 시스템이 적용 가능하다.However, the present invention is not limited thereto. For example, the end of the small diameter air inlet pipe having an intake control valve is installed at a point of the circulation pipe having a circulation pump installed to connect the upper and lower layers of the reaction tank 10. In addition, various other types of air supply systems may be applied, such as air flowing into the circulation pipe and supplied together.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 광생물 반응기를 사용할 경우, 광합성 미생물의 배양이 이루어지는 동안에, 광의 투과가 이루어지는 반응조의 벽면에 침작되는 점액성 물질이나 착색물질 등을 효과적으로 제거해 줄 수 있기 때문에, 광의 투과가 지속적으로 고효율로 이루어져 별도의 광원을 설치하지 않고 배양의 효율을 극대화할 수 있다.As described above, in the case of using the photobioreactor according to the present invention, during the cultivation of photosynthetic microorganisms, it is possible to effectively remove the mucus or coloring matters deposited on the wall of the reaction tank through which light is transmitted. Permeation is continuously made with high efficiency to maximize the efficiency of the culture without installing a separate light source.
또한, 본 발명에 따른 광생물 반응기에는 교반수단과, 온도 조절 시스템, 공기 공급 시스템 등이 구비되기 때문에, 광합성 미생물의 배양 뿐만 아니라, 혐기성, 호기성 및 통기성의 다른 미생물의 배양에도 다목적으로 활용할 수 있어, 농축산가에서 저렴한 비용으로 유기 액비나 유기 농약 등의 제조에 활용될 수 있다.In addition, since the optical bioreactor according to the present invention is provided with a stirring means, a temperature control system, an air supply system, etc., it can be utilized not only for the cultivation of photosynthetic microorganisms but also for the cultivation of other anaerobic, aerobic and breathable microorganisms. In addition, it can be utilized in the manufacture of organic liquid fertilizers or organic pesticides at low cost from the concentrated acid value.
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