KR100758856B1 - Multi-staged bio-photoreactor - Google Patents

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KR100758856B1
KR100758856B1 KR1020060050078A KR20060050078A KR100758856B1 KR 100758856 B1 KR100758856 B1 KR 100758856B1 KR 1020060050078 A KR1020060050078 A KR 1020060050078A KR 20060050078 A KR20060050078 A KR 20060050078A KR 100758856 B1 KR100758856 B1 KR 100758856B1
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이재성
이수원
이암차투라파트 잔짓
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한국과학기술연구원
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Abstract

A multi-staged bio-photoreactor is provided to reduce the costs for manufacturing and operation of the bio-photoreactor by improving carbon dioxide-fixing efficiency through maximizing contact efficiency of algae flow and gas which are injected in reverse directions each other, so that the efficiency lowering due to scale-up is improved. A multi-staged bio-photoreactor comprises: at least one light reaction tank(100) which induces photoreaction of a medium containing carbon dioxide and algae by exposing it to light, and has a carbon dioxide gas inlet(10) in the bottom, a gas outlet(11) on the top, a medium inlet(20) in the upper part and a medium outlet(30) in the lower part; at least one dark reaction tank(300) which induces respiration of the medium containing carbon dioxide and algae by inhibiting exposure to light, and has a gas outlet(13) on the top, a medium inlet(60) in the upper part and a medium outlet(70) in the lower part; and a circulation tube(80) for transporting the medium, wherein excessive algae is removed from the medium outlet of dark reaction tank into the medium inlet of light reaction tank.

Description

다단형 광생물 반응조 {MULTI-STAGED BIO-PHOTOREACTOR}Multi-Stage Photobiological Reactors {MULTI-STAGED BIO-PHOTOREACTOR}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광생물 반응조로서 명반응조와 광반응조를 1개씩 가지고 있는 구조를 보여주는 정면도이다. 1 is a front view showing a structure having one light reactor and one light reactor as a photobiological reactor according to an embodiment of the present invention.

도 2는 도 1에 명반응조가 1개 더 추가된 반응조에 대한 정면도이다.FIG. 2 is a front view of a reaction tank in which one more light reaction tank is added to FIG. 1.

도 3은 도 1에서 대기 유입구를 포함하는 암반응조와 반응조 밖으로 가스를 유출하는 명 반응조에 대한 정면도이다.FIG. 3 is a front view of a dark reaction tank including an air inlet and a light reaction tank flowing out of the reaction tank in FIG. 1.

통계에 따르면 1800년대 이후 지구의 이산화탄소 농도는 지속적으로 증가하여 대기 중 농도가 산업 혁명 전 약 280 ppm에서 현재 360 ppm으로 증가하였으며, 과거 100년 동안 지구상의 평균 온도는 약 0.3~0.6 ℃ 상승하였다. 지구 온난화의 주범인 대기 중 이산화탄소 제거 및 저감이 크게 환경문제 연구의 대상으로 떠오르면서 국제사회에서는 지구온난화의 억제와 온실 기체 감소를 위해 많은 노력을 기울이고 있다.Statistics show that since the 1800s, the Earth's carbon dioxide concentration has increased steadily, with atmospheric concentrations increasing from about 280 ppm before the Industrial Revolution to the present 360 ppm, and over the past 100 years the average temperature on Earth has risen by about 0.3-0.6 degrees Celsius. As carbon dioxide removal and reduction in the atmosphere, the main culprit of global warming, has emerged as an object of environmental studies, the international community has made great efforts to suppress global warming and reduce greenhouse gases.

특히 1997년에는 38개 선진국이 교토 의정서를 채택하여 온실기체를 2008년에서 2012년까지 1990년 대비 평균 5.2% 감축할 것을 합의하였다. 기후변화협약에 관한 한 우리나라는 개도국으로 분류되어 아직까지는 구속적 의무 부담을 받고 있지는 않으나, 교토의정서의 발효가 임박하여 있고, 2차 공약(2013년~2017년)에 우리의 동참을 줄기차게 요구해 올 것이므로 경제성 높은 이산화탄소 분리, 제거 기술의 개발이 절실히 요구되는 상황이다In 1997, 38 developed countries adopted the Kyoto Protocol and agreed to reduce greenhouse gas emissions by an average of 5.2% from 2008 to 2012. As far as the climate change convention is concerned, Korea is classified as a developing country, but it is not yet under the binding obligation burden, but the entry into force of the Kyoto Protocol is imminent, and the second pledge (2013-2017) will continue to demand our participation. Therefore, development of high-efficiency CO2 separation and removal technology is urgently needed.

화석연료 연소 후 생성되는 이산화탄소를 대기 중으로 배출시키지 않는 기술은 발생 된 이산화탄소의 회수, 저장 및 고정화/재활용 기술로 분류할 수 있다. 이산화탄소 회수 기술 중 흡수법은 선진국에서 이미 상용화되어 운전하고 있으며, 흡착법은 실증 실험 단계이며 막 분리법은 현재 연구개발 단계에 있다. 그러나 고가의 설치비 및 운영비가 요구되며, 회수율이 높지 않은 단점이 있으며, 경제성 있는 기술 개발을 위한 연구 노력이 향후 필요한 분야이다. Technologies that do not release carbon dioxide from fossil fuel combustion into the atmosphere can be classified as recovery, storage and immobilization / recycling technologies. Absorption method is already commercialized and operated in developed countries, adsorption method is experimental test phase and membrane separation method is currently in R & D stage. However, high installation cost and operation cost are required, recovery rate is not high, and research efforts for economical technology development are needed in the future.

회수된 이산화탄소는 해저 2,700m이하의 심해 중에 저장하는 것이 현재 가장 경제적인 기술로 평가받고 있으나, 장소 선정에 있어 어려움이 있으며, 매립 후 사후 관리 및 영향에 관한 연구가 필요하다. 이외에도 해저 퇴적층 또는 폐광 및 폐유전 등을 활용한 이산화탄소 저장기술이 개발 중이다. 그러나 저장이 이산화탄소 저감의 근본적인 해결책은 될 수 없으며, 저장에 필요한 설치 공간이 부족하고 고가의 저장 비용이 든다는 단점이 있다.It is currently considered the most economical technology to store the recovered carbon dioxide in the deep sea below 2,700m below sea level, but it is difficult to select a place, and it is necessary to study the post management and impact after landfill. In addition, carbon dioxide storage technologies using seabed sediments or abandoned mines and oil fields are under development. However, storage is not a fundamental solution to carbon dioxide reduction, and there is a disadvantage in that there is insufficient installation space for storage and expensive storage costs.

발생하는 이산화탄소를 단순 저장하는 대신, 이를 고정화하고 재활용하여 고부가 가치를 지닌 상품 생산할 수 있도록 화학적, 생물학적, 광학적, 전기화학적 기술이 개발 진행 중이다. 이 중 생물학적인 방법은 광합성 생물의 생물학적 작용을 이용하는 것으로 여타의 방법에 비하여 투자비용이 저렴하고, 이산화탄소의 고 정화 효율이 높다. 또한 환경 유해 물질의 발생으로 인한 2차 처리 비용이 소요되지 않으며, 생물의 재이용(재활용)이 가능한 환경 친화적인 이산화탄소 저감 방법이라는 장점이 있다. Instead of simply storing the generated carbon dioxide, chemical, biological, optical, and electrochemical technologies are being developed to produce products of high value by immobilizing and recycling them. Among them, the biological method uses the biological action of photosynthetic organisms, and the investment cost is lower than that of other methods, and the high purification efficiency of carbon dioxide is high. In addition, there is no secondary treatment cost due to the generation of environmentally harmful substances, there is an advantage that the environment-friendly carbon dioxide reduction method that can be reused (recycling) of the organism.

그러나 광합성 미생물의 배양은 현재까지는 주로 호수 내지 대형 연못과 같은 형태의 반응시설을 사용하여 오고 있으며, 이러한 시설의 설치 및 운영이 용이한 태국 등과 같은 일부 동남아 국가에서 상용화되어 있다. 그러나 이러한 형태의 배양시설은, 반응시설의 설치에 필요한 부지 확보의 어려움, 오염, 분리 및 정제의 어려움, 낮은 세포농도, 불규칙한 광도 및 기후 조건, 인건비, 많은 기질량, 높은 수질 요구 등의 문제들 때문에 그 설치가 극히 제한적일 수밖에 없으며, 우리나라와 같이 설치에 필요한 부지의 확보가 어려운 국가에서는 적용되지 못하고 있는 실정이다. 이러한 문제점 때문에, 크기가 작고 고농도의 배양을 할 수 있는 실내형이라 부르는 소형의 각종 광생물 반응조가 연구 개발되고 있다.However, the cultivation of photosynthetic microorganisms has been mainly using reaction facilities in the form of lakes or large ponds, and has been commercialized in some Southeast Asian countries such as Thailand, which are easy to install and operate. However, this type of cultivation facility has many 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 requirements. Therefore, 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. Due to these problems, various photobiological reaction tanks, called indoor type, which are small in size and capable of high concentration of cultivation, have been researched and developed.

지금까지 개발되어 온 반응조 및 이산화탄소 제거 기술로는 연속적으로 운전할 시에 반응조의 스케일 업으로 인한 효율저하가 가장 큰 문제점으로 지적되고 있다. 또한 우리나라 실정에 맞는 조류 선별과 운전기술 개발에 관한 연구가 부족한 실정이다. Reactors and carbon dioxide removal technologies that have been developed so far have been pointed out as the biggest problem of efficiency reduction due to the scale-up of the reactor during continuous operation. In addition, there is a lack of research on the development of algae screening and driving technology suitable for Korea.

상기의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 조류를 이용한 다단형 광생물 반응조를 제공한다. In order to solve the above problems, the present invention provides a multi-stage photobiological reactor using algae.

특히 스케일 업으로 인한 효율 저하를 개선하기 위하여, 광에 노출시켜 CO2 가스와 조류를 포함하는 배지가 광합성 반응하게 하는 적어도 1개의 명반응조와, 광에 노출시키지 않아 O2 가스와 조류를 포함하는 배지를 호흡 반응하게 하는 적어도 1개의 암반응조를 포함하며, 상기 적어도 1개의 명반응조와 암반응조를 인접한 반응조들끼리 적어도 1개의 연결튜브를 이용하여 연결한 다단형 광생물 반응조를 제공하는 것을 목적으로 한다. In particular, in order to improve the efficiency decrease due to scale up, at least one light reactor for exposing the medium containing CO 2 gas and algae to photosynthesis by exposure to light, and containing O 2 gas and algae without exposure to light To provide a multi-stage photobiological reaction tank comprising at least one cancer reaction tank for respiratory reaction of the medium, wherein the at least one light reaction tank and the cancer reaction tank are connected to each other by using at least one connection tube. do.

본 발명은 스케일 업으로 인한 이산화탄소 제거 효율 감소 및 조류 성장률의 저하를 해소하기 위하여 연속적으로 구성한 다단계의 칼럼형 조류 반응조로서, 원통이나 사각 튜브 형태의 칼럼형인 명반응조와 암반응조가 1개 이상의 연속 반응조를 이루며, 반응조 내에 조류를 첨가한 구조의 광생물 반응조에 관한 것이다.The present invention is a multi-stage columnar algae reaction tank continuously configured to reduce the carbon dioxide removal efficiency and algae growth rate due to scale up, and the light and dark reaction tanks of cylindrical or square tube type are one or more continuous reactors. The present invention relates to a photobiological reactor having a structure in which algae is added to the reactor.

구체적으로 본 발명은, 광(侊)에 노출하여 광합성에 의하여 CO2 가스를 고정시키는 적어도 1개의 명반응조와, 광에 노출되지 않도록 하여 식물 호흡을 하는 적어도 1개의 암반응조를 적어도 1개의 연결튜브를 이용하여 연결시키고, 상기 CO2 가스와 조류를 포함하는 배지를 순환시키는 다단형 광생물 반응조에 관한 것이다.Specifically, the present invention relates to at least one light tube for fixing CO 2 gas by photosynthesis by exposure to light and at least one cancer reactor for breathing plants by being exposed to light. It is connected to, and relates to a multi-stage photobiological reactor for circulating a medium containing the CO 2 gas and algae.

또한, 본 발명은 하나 이상의 명반응조와 하나 이상의 암반응조를 1개의 연결튜브를 이용하여 연결시킨 것으로서, In addition, the present invention is to connect one or more light reaction tank and one or more cancer reaction tank using one connecting tube,

상기 하나 이상의 명반응조 및 암반응조 각각은, CO2 가스와 배지를 수용하 는 내부 공간을 가지는 케이싱과, 상기 케이싱에 연통되도록 장착되어, 상기 케이싱 내부로의 CO2 가스 및 배지를 유입시키는 유입구와, 상기 케이싱에 연통되도록 장착되어 상기 케이싱 내부로부터 C02 가스 및 배지를 유출시키는 유출구를 포함하는 하는 것을 특징으로 하는 다단형 광생물 반응조이다. Each of the one or more persons reaction tank and the dark reaction tank is, CO 2 gas and is mounted to accommodate a medium having an interior space housing and communicating with the casing, an inlet for introducing the CO 2 gas and the medium to the inside of the casing and It is mounted in communication with the casing is a multi-stage photobiological reaction tank comprising an outlet for outflow of C0 2 gas and medium from the inside of the casing.

본 발명의 다단형 광생물 반응조는 광을 조사하는 명반응조와 광을 조사하지 않는 암반응조를 임의의 순서로 배열하되, 명반응조와 암반응조는 각각 1개 이상이어야 한다.In the multi-stage photobiological reactor of the present invention, the light reactor for irradiating light and the dark reactor for irradiating light are arranged in any order, and the light reactor and the dark reactor should be one or more.

다단계로 구분되지 않은 반응조에서는 반응조의 크기가 커질수록 조류의 이산화탄소 고정율이 감소하는 경향을 보인다. 이는 반응조의 크기가 증가할수록 반응조 내 산소의 농도가 높아지고 이에 따라 조류의 활동 및 이산화탄소 제거율이 감소하는 것으로서, 이를 산소에 의한 저해효과라고 한다. In multi-stage reactors, algae's fixed rate of carbon dioxide decreases as the size of the reactor increases. As the size of the reactor increases, the concentration of oxygen in the reactor increases, and accordingly, the activity of the algae and the carbon dioxide removal rate decrease, which is called an inhibitory effect by oxygen.

이를 해결하고자 본 발명은 다단계로 구분한 칼럼형 반응조를 통하여 조류의 산소에 의한 저해 효과를 최소화하며, 조류의 활성도를 극대화하는 광생물 반응조를 구성한다. 특히, 하나 이상의 명, 암 반응조를 연속적으로 구성하는데, 연속적인 구성은 (명반응조 + 암반응조), (명반응조 + 암반응조 + 명반응조), (명반응조 + 암반응조 + 명반응조 + 암반응조) 또는 (명반응조 + 명반응조 + 암반응조 + 명반응조 + 명반응조 + 암반응조) 등 여러 가지 형태를 취할 수 있다. 즉, 조류와 이산화탄소를 이용하고 생성된 산소의 일부를 호흡을 통하여 재이용하게 함으로써 통합 반응조에서 나타나는 효율 저하의 원인을 극복할 수 있다. In order to solve this problem, the present invention minimizes the inhibitory effect of oxygen by algae through a column type reaction tank divided into multiple stages, and constitutes a photobiological reactor that maximizes algae activity. In particular, one or more light and dark reaction tanks are constructed in succession, which consists of (light tank + dark tank), (light tank + dark tank + light tank), (light tank + dark tank + light tank + dark tank) Or (light tank + light tank + dark tank + light tank + light tank + dark tank). In other words, by using algae and carbon dioxide and by reusing part of the generated oxygen through the respiration, it is possible to overcome the cause of the efficiency degradation appearing in the integrated reactor.

이를 구체적으로 설명하면 다음과 같다. This will be described in detail as follows.

명반응조는 배지에 조류가 포함되어 있고, 광을 조사하므로 광합성이 일어난는데, 광합성은 일반적으로 6CO2 + 6H20 -----> C6H1206 + 6O2로 나타낼 수 있다. 이 때 조류가 대기 중의 이산화탄소를 흡수하여 유기 화합물을 생성하는 이산화탄소 고정이 일어나게 되므로, 명반응조는 대기 중의 이산화탄소의 농도를 감소시키는 역할을 한다. Name reactor is contained the bird in the media, so I irradiating light photosynthesis takes place, photosynthesis is typically 6CO 2 + 6H 2 0 -----> C 6 H 12 0 6 + 6O 2 Can be represented. At this time, since the algae absorbs carbon dioxide in the atmosphere and generates carbon dioxide, the light reaction tank serves to reduce the concentration of carbon dioxide in the atmosphere.

이에 비하여, 암반응조는 명반응조와 동일한 조건이나 광을 조사하지 않는다는 점이 다르다. 암반응조에서는 명반응과는 달리 광합성의 반대 과정이라고 할 수 있는 호흡을 하며, 이는 C6H1206 + 6O2 ----> 6CO2 + 6H20로 나타낼 수 있다. 암반응조에서 조류의 호흡에 의하여 배출되는 이산화탄소는 가스 연결관을 통하여 그 다음 반응조로 이동할 수 있고, 암반응조 상부의 가스 유출관을 통하여 반응조 밖으로 배출할 수도 있다. 암 반응조는 조류의 휴식을 위한 역할을 한다.On the other hand, the dark reaction tank does not radiate light or the same conditions as the light reaction tank. In contrast to the light reaction, the cancer reactors breathe, which is the opposite process of photosynthesis, which is C 6 H 12 0 6 + 6O 2 ----> 6CO 2 + 6H 2 0 It can be represented. The carbon dioxide released by the algae's respiration in the dark reaction tank may move to the next reactor through the gas connection pipe, and may be discharged out of the reactor through the gas outlet pipe above the dark reaction tank. Cancer reactors play a role in resting birds.

구제적으로, 명반응조 및 암반응조는 조류를 배양할 수 있는 배양조로서, 이산화탄소를 공급하는 수단, 즉 명반응조의 하단에 부착된 버블러 및 각 반응조로 용액이 이동할 수 있도록 유입구(10) 및 유출구(11, 12, 13)를 설치할 수 있다. 명반응조와 암반응조는 반응조에 광(侊)이 조사되는지 여부로 결정되며, 상기 유입구와 유출구를 가지고 용액을 담을 수 있는 구조라면 어떠한 형태라도 무방하나, 구체적으로 긴 원통 또는 긴 사각 튜브의 칼럼형이 바람직하다.Specifically, the light reaction tank and the dark reaction tank are culture tanks capable of culturing algae, and means for supplying carbon dioxide, that is, a bubbler attached to the bottom of the light reaction tank and an inlet port 10 and an outlet port so that the solution can move to each reaction tank. (11, 12, 13) Can be installed. The light and dark reaction tanks are determined by whether light is irradiated to the reaction tank, and any type of structure may be used to contain the solution with the inlets and outlets. desirable.

조류는 광합성을 할 수 있는 것이라면 모두 본 발명의 범위에 속한다. 바람 직한 조류에는 녹조류인 클로렐라 (Chlrollela)가 있으며, 더욱 바람직하게는 클로렐라 불가리스 (Chlrollela vulgaris)를 이용하는 것이 좋다. 조류는 통상적으로 이산화탄소 저감 기능이 있을 뿐만 아니라 영양 염류의 제거 효율(섭취율)이 뛰어나므로, 본 발명은 이산화탄소의 제거와 동시에 수질의 영양염류 제거 (질소, 인) 공정에도 활용될 수 있다. Algae are all within the scope of the present invention as long as they are capable of photosynthesis. Preferred algae include the green alga Chlorella (Chlrollela), more preferably Chlorella vulgaris (Chlrollela vulgaris). Algae typically have a carbon dioxide reduction function as well as excellent removal efficiency (intake rate) of nutrients, the present invention can be utilized in the removal of carbon dioxide (nitrogen, phosphorus) at the same time as the removal of carbon dioxide.

반응조 내 조류는 3,000 mg/L ~ 6,000 mg/L(건조중량 기준)로 운전하는 것이 바람직하다. 3,000 mg/L 이하에서는 높은 이산화탄소 제거 효율을 얻기 어려우며, 6,000 mg/L 이상에서는 빛의 투과도가 낮아지므로 더 이상 이산화탄소의 제거효율이 증가하지 않으며, 조류의 활동이 정체된다. Algae in the reactor is preferably operated at 3,000 mg / L ~ 6,000 mg / L (dry weight basis). It is difficult to achieve high CO2 removal efficiency below 3,000 mg / L, and the light transmittance is lowered above 6,000 mg / L, so the CO2 removal efficiency no longer increases and the activity of algae is stagnant.

공급되는 배지는 오폐수에 미량 원소를 첨가하여 사용하거나, 인공 조제 배지를 사용할 수 있다. 배지의 성분은 조류가 성장할 수 있도록, 질소와 인, 미량 원소를 포함한 것으로 일반적인 조류 배양 배지를 사용할 수 있으며, 암반응조 내 pH 저하를 위하여 충분한 버퍼 (pH 중성 유지)를 주입하여 준다. The medium to be supplied may be used by adding trace elements to the waste water, or artificial preparation medium may be used. The components of the medium include nitrogen, phosphorus, and trace elements so that algae can grow, and a general algae culture medium can be used, and sufficient buffer (pH neutral maintenance) is injected to lower the pH in the cancer reactor.

반응조에서 배지의 체류 시간은 각각 5~48시간이다. 체류 시간이 5시간보다 적을 경우 충분한 반응 시간을 확보할 수 없으며, 48시간보다 길어지면 조류의 활성도가 저하되고, 반응조 내 생성되는 산소의 양이 늘어나 이산화탄소 제거 효율이 떨어지는 단점이 있다. 즉 본 발명은 반응조를 다단계로 나누어 체류시간을 짧게 운전하는 것을 특징으로 한다. The residence time of the medium in the reactor is 5 to 48 hours each. If the residence time is less than 5 hours, sufficient reaction time cannot be secured. If the residence time is longer than 48 hours, the activity of algae decreases, and the amount of oxygen generated in the reaction vessel increases, resulting in a decrease in carbon dioxide removal efficiency. That is, the present invention is characterized in that the residence time is divided into multiple stages to shorten the residence time.

바람직한 실시 양태에 있어서, 이산화탄소는 명반응조의 하부에서 공급되어 여러 개의 암반응조가 있다면 그 중 임의의 암반응조 상단에서 외부로 방출되며, 배지의 공급은 명반응조의 상단에서 공급되어 임의의 암반응조의 하부에서 배출된다. 좋기로는, 본 발명은 암반응조를 1개 이상 포함하는 구조를 가진다. In a preferred embodiment, the carbon dioxide is supplied at the bottom of the light reactor and, if there are several cancer reactors, is released to the outside at the top of any of the cancer reactors, and the supply of medium is supplied at the top of the light reactor to the bottom of any cancer reactor. Discharged. Preferably, the present invention has a structure including one or more cancer reaction tanks.

바람직한 실시 양태에 있어서, 이산화탄소는 명반응조의 하부에서 공급되며반응조 상단에서 연결 튜브로 배출되며, 다음 반응조의 하부에서 재공급되는 순서로 반응조를 운영하는데, 조류가 과잉 성장하여 배지의 순환에 장애가 되는 경우에는 초과 조류를 튜브의 배출관 등을 통하여 반응조 밖으로 배출할 수 있다. 반응조 내 조류 농도를 유지하기 위하여, 초과 조류값을 제외한 나머지 조류 및 배지는 재순환시킨다. In a preferred embodiment, carbon dioxide is supplied at the bottom of the light reactor and discharged to the connecting tube at the top of the reactor, and the reactor is operated in the order that it is resupplied at the bottom of the reactor, where the algae is overgrown and obstructs the circulation of the medium. In this case, excess algae may be discharged out of the reactor through the discharge tube of the tube. In order to maintain the algal concentration in the reactor, the algae and medium other than the excess algal value are recycled.

본 발명의 다단계 칼럼형 광생물 반응조에서 배지는 배지 공급부에 의하여 반응조의 내부로 유입되며, 배지의 흐름은 위에서 공급되고 아래에서 유출되는 흐름에 의하여 반응조의 내부로 흐르게 하는 것이 좋다. In the multi-stage columnar photobiological reactor of the present invention, the medium is introduced into the reactor by the medium supply unit, and the medium is preferably flowed into the reactor by the flow from the top and from the bottom.

이러한 경우, 배지와 가스 주입 방향이 반대가 되므로, 조류의 흐름과 가스의 흐름 또한 역방향이 되어 접촉 효율을 극대화할 수 있게 되어, 이산화탄소 제거율이 높아지게 된다. In this case, since the medium and the gas injection directions are reversed, the flow of algae and the flow of gas are also reversed to maximize the contact efficiency, thereby increasing the carbon dioxide removal rate.

본 발명의 또 다른 실시 상태에 있어서, 암반응조 내 CO2 농도가 높고 배지 내 버퍼가 충분하지 않을 경우 pH 저하가 크므로, 명반응조의 상단에서 가스를 유출시키는 것이 이산화탄소 제거에 효율적일 수 있다. 따라서, 이러한 다단형 반응조에서는 명반응조와 암반응조 사이에 가스 연결관을 제거하여, 명반응조에서도 바응조 밖으로 가스를 유출하도록 하는 것을 특징으로 한다. 이 경우, 명반응조로부 터 산소가 풍부한 가스를 공급받지 못함에 따라 암반응조 내 호흡에 필요한 산소가 부족할 수 있는데, 이는 대기중 공기를 주입함으로써 해결할 수 있다 (도 3 참조). 이때 암반응조는 조류의 휴식을 위한 역할을 하며 산소 저해 효과를 줄이지는 않는다. 본 방법은 배출되는 CO2의 농도가 1,000 ppm 이상일 경우 적용할 수 있다. In another exemplary embodiment of the present invention, when the CO 2 concentration in the dark reaction tank is high and the buffer in the medium is not sufficient, the pH decrease is large. Therefore, the outflow of the gas at the top of the light reaction tank may be effective for removing carbon dioxide. Therefore, in the multi-stage reactor, the gas connection pipe is removed between the light reactor and the dark reactor, so that the gas flows out of the bar reactor even in the light reactor. In this case, as oxygen-rich gas is not supplied from the light reaction tank, oxygen for breathing in the dark reaction tank may be insufficient, which may be solved by injecting air into the atmosphere (see FIG. 3). At this time, the cancer reactor serves to rest the algae and does not reduce the oxygen inhibitory effect. This method is applicable when the concentration of CO 2 emitted is greater than 1,000 ppm.

광원은 명반응조의 내부로 광을 전달할 수 있다면 특정한 위치에 둘 것을 요하지 않으나 바람직하게는 긴 튜브형 반응조의 내부나 외부에 설치되며, 반응조의 길이 방향에 따라 길게 설치되는 것이 바람직하다. 광원은 식물 재배용 형광 램프나 광섬유 등을 이용할 수 있으며, 이때 조도는 300~900 ft-candle을 유지하는 것이 바람직한다. 암반응조에 광이 조사되어서는 안 된다. The light source does not need to be placed in a specific position as long as it can transmit light to the inside of the light reactor, but is preferably installed inside or outside the long tubular reactor, and is preferably installed long in the longitudinal direction of the reactor. The light source may be a fluorescent lamp or optical fiber for plant cultivation, and the illumination is preferably maintained at 300 ~ 900 ft-candle. Light should not be irradiated to the dark reaction tank.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 의한 다단계 칼럼형 광생물 반응조의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail an embodiment of a multi-stage columnar photobiological reactor according to the present invention. However, the present invention is not limited to the following examples.

본 발명의 첫 번째 반응조 (명반응조)는 하부에 버블러를 이용하여 CO2가스를 유입구(10)에 주입하며, 상부의 가스 유출구(11, 12, 13)를 통하여 배출된다. 배출된 가스는 연결관을 통하여 다음 단계의 반응조 하부로 유입되어 상단의 가스 유출구(13)에서 배출된다. 모든 반응 조는 상단에 배지 유입부(20, 40, 60)와 하단에 배지 유출구(30, 50, 70)를 가지며, 첫 번째 반응조 (명반응조)의 상단에서 새로운 배지가 공급되며, 마지막 반응조의 하단에서 유출된다. The first reactor (light reactor) of the present invention injects CO 2 gas into the inlet 10 using a bubbler at the bottom, and is discharged through the gas outlets 11, 12, 13 at the top. The discharged gas flows into the lower part of the reactor through the connecting pipe and is discharged from the gas outlet 13 at the top. All reactors have a medium inlet (20, 40, 60) at the top and a medium outlet (30, 50, 70) at the bottom, a fresh medium is fed from the top of the first reactor (light reactor), the bottom of the last reactor Spills from

조류의 과다한 성장으로 인한 저해 효과를 막고 배지를 재사용하기 위하여, 배출된 배지에서 초과 조류량을 제거한 나머지는 순환관(80)을 통하여 순환되어 첫 번째 반응조의 배지 공급부와 혼합되어 재공급된다. 상단에서 하단으로 배지의 흐름을 따라 영양염류와 가스가 이동한다. 배지는 첫 번째 명반응조(100)의 상단에 유입구(20)를 통하여 주입되고 하단의 유출구와 반대편 하단에 유출구(30, 50, 70)를 포함하고 있다. 즉, 첫 번째 단계의 명반응조(100)의 유입구(20)에 배지를 공급하고, 공급되는 영양소에는 마지막 단계의 암반응조(300)의 유출구(70)에서 배출된 용액이 포함될 수 있다. 상기의 반응조 연결구를 튜브로 연결하여 영양염류 및 조류의 이동을 유도한다. In order to prevent the inhibitory effect due to excessive growth of algae and to reuse the medium, the remaining amount of excess algae removed from the discharged medium is circulated through the circulation pipe 80 and mixed with the medium supply part of the first reactor to be resupplied. Nutrients and gases move along the medium stream from top to bottom. The medium is injected through the inlet 20 at the top of the first light reaction tank 100 and includes outlets 30, 50, and 70 at the bottom opposite to the outlet at the bottom. That is, the medium is supplied to the inlet 20 of the first reaction tank 100 of the first step, the nutrients supplied may include a solution discharged from the outlet 70 of the cancer reaction tank 300 of the last step. By connecting the reactor connector in the tube to induce the movement of nutrients and algae.

본 발명의 실시예에서는 표 1과 같은 배지를 사용하였으며, 클로렐라 불가리스(Chlrollela vulgaris) 배양을 위하여 개발된 배지이며, 배지의 조성이 이에 한정되는 것은 아니다.In the embodiment of the present invention, the medium shown in Table 1 was used, and the medium was developed for culturing Chlorella vulgaris, and the composition of the medium is not limited thereto.

[표 1] 조류 배양 배지 Table 1 Algal Culture Medium

시약reagent 단위unit 농도density Ca(NO3)2·4H2O Ca (NO 3 ) 2 .4H 2 O mg/Lmg / L 300300 KNO3 KNO 3 mg/Lmg / L 250250 Na2HPO4 Na 2 HPO 4 mg/Lmg / L 9292 MgSO4·7H2O MgSO 4 7 H 2 O mg/Lmg / L 8080 트리스-(하이드록시메틸) 아미노메탄Tris- (hydroxymethyl) aminomethane mg/Lmg / L 250250 FeCl3·6H2OFeCl 3 · 6H 2 O mg/Lmg / L 0.60.6 Na2EDTA·2H2ONa 2 EDTA2H 2 O mg/Lmg / L 33 MaCl2·4H2OMaCl 2 4H 2 O mg/Lmg / L 0.10.1 ZnSO4·7H2OZnSO 4 · 7H 2 O mg/Lmg / L 0.070.07 CoCl2·6H2OCoCl 2 · 6H 2 O mg/Lmg / L 0.010.01 Na2MoO4·2H2ONa 2 MoO 4 2H 2 O mg/Lmg / L 0.0080.008

도 1을 참조하여 본 발명의 다단계 광반응조의 동작을 설명하면 다음과 같다. 배지는 배지 공급부에 의하여 반응조의 내부로 유입되며, 배지의 흐름은 위에 서 공급되고 아래에서 유출되는 흐름에 의하여 반응조의 내부로 흐르게 된다. 도 1에서는 각 1개의 명반응조(100)와 암반응조(300)를 운영하였고, 배지의 체류 시간은 각각 12시간으로 하였다. 또한 도 2에서는 2개의 명반응조(100, 200)와 암반응조(300)를 연결하여 연속 운전하여 이산화탄소 제거 효율을 관찰하였다. 배지의 체류 시간은 각각 12시간으로 하였다. Referring to Figure 1 describes the operation of the multi-stage photoreactor of the present invention. The medium is introduced into the reactor by the medium supply, and the flow of the medium flows into the reactor by the flow from above and from below. In FIG. 1, one light reactor 100 and a cancer reactor 300 were operated, and the residence time of the medium was 12 hours, respectively. In addition, in FIG. 2, two light reactors 100 and 200 and a dark reactor 300 were connected to each other to continuously monitor carbon dioxide removal efficiency. The residence time of the medium was 12 hours each.

본 발명의 대조군으로서 1개의 배치 반응조에 12시간 빛이 있는 공간에서 운전한 후 12시간을 빛이 없는 암 상태에서 운전하였다. 즉 다른 조건은 모두 동일하되, 반응조를 1개로 하여 이산화탄소 제거 효율을 관찰하였다. As a control of the present invention, one batch reactor was operated in a space having 12 hours of light and then 12 hours in a dark state without light. In other words, all other conditions were the same, but the carbon dioxide removal efficiency was observed using one reactor.

대조군의 반응조에서 0.07 Kg CO2m-3day-1의 제거 효율을 보인 것에 비하여, 본 발명의 도 1과 같은 구성에서는 이산화탄소의 제거 효율이 0.13 Kg CO2m-3day-1이었고, 도 2와 같은 구성에서는 0.30 Kg CO2m-3day-1로 나타났다. Compared to the removal efficiency of 0.07 Kg CO 2 m -3 day-1 in the reaction tank of the control group, the removal efficiency of carbon dioxide was 0.13 Kg CO 2 m -3 day-1 in the configuration as shown in Figure 1 of the present invention, Figure 2 In the same configuration as 0.30 Kg CO 2 m -3 day-1 was found.

상기 실험 결과는 본원 발명과 같이 다단계로 반응조를 분리하여 운영하는 경우에 1개의 반응조 보다, 이산화탄소 제거 효율이 약 2.5배나 증가하는 것을 증명하는 것이다. The experimental result is to prove that the carbon dioxide removal efficiency is increased by about 2.5 times than one reactor when the reactor is separated and operated in multiple stages as in the present invention.

본 발명은 종래기술과는 달리 이산화탄소 제거를 위한 고정화 효율을 높였으며, 공정의 제작 및 운영에 있어 경제성을 높여 상용화가 용이한 이산화탄소 제거 공정을 제공한다. 명반응조와 암반응조를 연속적으로 구성하였으며, 배지와 가스 주입 방향을 역으로 하여, 즉 조류의 흐름과 가스의 흐름을 반대로 하여 접촉 효율 을 극대화하였다. 이산화탄소 고정화 효율을 높여 제조 및 운영 비용을 절감하였다. 또한 배지로 오폐수를 활용하여 수질 정화 효과를 얻을 수 있다. 반응공정 운영의 부산물로 생성된 조류는 식품, 사료 등으로 재활용 가능하므로 자원의 재이용 및 운영에 소용되는 비용을 절감하는 효과가 있다. The present invention, unlike the prior art, improves the immobilization efficiency for the removal of carbon dioxide, and provides a carbon dioxide removal process that is easy to commercialize to increase the economics in the production and operation of the process. The light and dark reaction tanks were constructed continuously, and the contact efficiency was maximized by reversing the medium and gas injection directions, ie, reversed the flow of algae and gas. The CO2 immobilization efficiency has been improved to reduce manufacturing and operating costs. In addition, it is possible to obtain a water purification effect by using waste water as a medium. Algae generated as a by-product of the reaction process operation can be recycled into food, feed, etc., thereby reducing the cost of reusing and operating resources.

Claims (10)

광에 노출시켜 CO2 가스와 조류를 포함하는 배지가 광합성 반응하게 하는 적어도 1개의 명반응조와,At least one light reactor for exposing to light to cause a medium comprising CO 2 gas and algae to photosynthesize; 광에 노출시키지 않아 O2 가스와 조류를 포함하는 배지를 호흡 반응하게 하는 적어도 1개의 암반응조와,At least one cancer reaction tank which does not expose to light and causes the medium containing O 2 gas and algae to breathe; 상기 명반응조와 명반응조, 명반응조와 암반응조, 또는 암반응조와 암반응조 사이에 연결되며, 상기 배지를 운반하는 연결튜브, 및A connection tube connected between the light reaction tank and the light reaction tank, the light reaction tank and the cancer reaction tank, or between the cancer reaction tank and the cancer reaction tank, and carrying the medium, and 상기 명반응조와 명반응조, 명반응조와 암반응조, 또는 암반응조와 암반응조 사이에 연결되며, 상기 가스를 운반하는 연결관을 포함하는 것을 특징으로 하는 다단형 광생물 반응조.The light reaction tank and the light reaction tank, the light reaction tank and the light reaction tank, or a multi-stage photobiological reaction tank, characterized in that it comprises a connection pipe for connecting between the cancer reaction tank and the cancer reaction tank for carrying the gas. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 적어도 1개의 명반응조 및 암반응조 각각은,Each of the at least one light reaction tank and the dark reaction tank, CO2 가스 또는 O2 가스 및 조류를 포함하는 배지를 수용하는 내부 공간을 가지는 케이싱과;A casing having an inner space for receiving a medium containing CO 2 gas or O 2 gas and algae; 상기 케이싱에 연통되도록 장착되어, 상기 케이싱 내부로의 CO2 가스 또는 O2 가스를 유입시키는 가스 유입구 및 배지를 유입시키는 배지 유입구와;A medium inlet configured to be in communication with the casing, the gas inlet for introducing CO 2 gas or O 2 gas into the casing, and a medium inlet for introducing a medium; 상기 케이싱에 연통되도록 장착되어, 상기 케이싱 내부로부터 C02 가스 또는 O2 가스를 유출시키는 가스 유출구 및 배지를 유출시키는 배지 유출구를 포함하는 하는 것을 특징으로 하는 다단형 광생물 반응조.And a media outlet configured to communicate with the casing, the media outlet for outflow of the C0 2 gas or the O 2 gas from the inside of the casing, and the media outlet for outflow of the medium. 제2항에 있어서, The method of claim 2, 상기 케이싱은 컬럼형으로 구성되는 것을 특징으로 하는 다단형 광생물 반응조.The casing is a multi-stage photobiological reactor characterized in that the column type. 제1항 또는 제2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 연결튜브의 일단은 인접하는 두 개의 반응조 중 어느 하나의 배지 유입구에 연결되고, 상기 연결튜브의 타단은 상기 인접하는 두 개의 반응조 중 다른 하나의 배지 유출구에 각각 연결된 것을 특징으로 하는 다단형 광생물 반응조.One end of the connecting tube is connected to the medium inlet of any one of the two adjacent reactors, the other end of the connection tube is characterized in that the multi-stage optical organism, each connected to the medium outlet of the other one of the two adjacent reactors Reactor. 제1항 또는 제2항에 있어서, The method according to claim 1 or 2, 상기 적어도 1개의 연결튜브의 일 지점에서 분기되도록 형성되어, 상기 반응조들을 거친 배지 중 일부분을 배출시키는 배출관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다단형 광생물 반응조.It is formed so as to branch at one point of the at least one connecting tube, the multi-stage photobiological reactor characterized in that it further comprises a discharge pipe for discharging a portion of the medium passed through the reaction tank. 제5항에 있어서, The method of claim 5, 상기 연결관의 일단은 인접한 두 개의 반응조 중 어느 하나의 가스 유입구에 연결되고, 상기 연결관의 타단은 상기 인접한 두 개의 반응조 중 다른 하나의 가스 유출구에 연결된 적어도 1개의 가스 연결관을 더 포함하여, 반응조 사이에 가스가 순환되도록 하는 것을 특징으로 하는 다단형 광생물 반응조. One end of the connecting tube is connected to a gas inlet of one of two adjacent reactors, and the other end of the connecting tube further comprises at least one gas connecting tube connected to the other gas outlet of the two adjacent reactors, Multistage photobiological reactor, characterized in that the gas is circulated between the reaction tank. 제1항 또는 제2항에 있어서, 조류의 흐름과 가스의 흐름을 반대로 함으로써 접촉 효율을 극대화시킨 것을 특징으로 하는 다단형 광생물 반응조.The multistage type photobiological reactor according to claim 1 or 2, wherein contact efficiency is maximized by reversing the flow of algae and the flow of gas. 제1항 또는 제2항에 있어서, 각 반응조에서의 조류 및 배지의 체류 시간은 5-48시간인 것을 특징으로 하는 다단형 광생물 반응조.The multistage photobiological reactor according to claim 1 or 2, wherein the residence time of the algae and the medium in each reactor is 5-48 hours. 제1항 또는 제2항에 있어서, 반응조의 연속적인 구성이, (명반응조 + 암반응조), (명반응조 + 암반응조 + 명반응조), (명반응조 + 암반응조 + 명반응조 + 암반응조) 또는 (명반응조 + 명반응조 + 암반응조 + 명반응조 + 명반응조 + 암반응조)으로 배치되는 것을 특징으로 하는 다단형 광생물 반응조. The method according to claim 1 or 2, wherein the continuous configuration of the reaction tank is (light reaction tank + dark reaction tank), (light reaction tank + dark reaction tank + light reaction tank), (light reaction tank + dark reaction tank + light reaction tank + dark reaction tank) or Multi-stage photobiological reactor, characterized in that arranged in (light reaction tank + light reaction tank + cancer reaction tank + light reaction tank + light reaction tank + dark reaction tank). 제1항 또는 제2항에 있어서, 암반응조 하단에 케이싱 내부로 대기를 유입할 수 있는 대기 유입구를 더 포함하되, 상기 암반응조와 그에 인접한 명반응조를 연결하는 연결관을 제거하여, 가스의 이동이 일어나지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 다단형 광생물 반응조.According to claim 1 or claim 2, further comprising an air inlet for inlet air into the casing at the bottom of the dark reaction tank, removing the connection pipe connecting the dark reaction tank and the adjacent light reaction tank, the movement of gas Multi-stage photobiological reactor characterized in that it does not occur.
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