KR20030006458A - 혼합배양계 생물량의 실시간 측정시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 혼합배양계 생물량의 실시간 측정시스템에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 혼합배양조(측정시료); 상기 측정액을 제 1입구에서 받아서 제 1출구로 이송하며 제 2입구로부터 유입되는 분석액을 다시 제 2출구로 이송하는 멀티플 펌프; 상기 측정액을 여과한 후, 증류수로 세척 및 여과하고, 상기 세척 및 여과된 후의 잔류 고형물에 산용액을 첨가하고 균질혼합하는 1차 세척 및 여과기(공정종료 후 역세척); 상기 1차 세척 및 여과액을 초음파로 파쇄하는 연속식 초음파 생물파쇄기; 상기 생물파쇄액을 유입받아 가압 여과하는 2차 여과기(공정 종료후 역세척); 증류수 탱크; 산용액 탱크; 증류수 및 산용액을 이송하는 이송 펌프; 상기 2차 여과된 분석액을 ATP분석하는 형광분광계; 상기 1차 여과기의 역세척; 2차 여과기의 역세척; 각 여과기의 여과, 세척 및 역세척 동안에 배출되는 배출액을 저장하여 외부에 방출하는 배출 탱크; 및 공기압축기를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하여, 호기, 혐기에 관계없이 혼합배양계를 사용하는 환경처리시스템에서 반응조의 활성생물량을 실시간으로 관측함으로서 공정관리가 효율적으로 이루어지고, 폐수 등의 성상변화에 신속하고 능동적으로 대처할 수 있는 효과를 갖는다.

Description

혼합배양계 생물량의 실시간 측정시스템{In-Situ Measuring System for Organism Quantity of Mixed Culture}
본 발명은 혼합배양계 생물량의 실시간 측정시스템에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 호기, 혐기에 관계없이 혼합배양계를 사용하는 환경처리시스템에서 반응조의 운전상황을 실시간으로 관측함으로서 공정관리가 효율적으로 이루어지고, 폐수 등의 성상변화에 신속하고 능동적으로 대처할 수 있는 혼합배양계 생물량의 실시간 측정시스템에 관한 것이다.
일반적으로 생물학적인 환경처리시스템은 생태계의 공생관계를 응용한 방법이라고 할 수 있다. 또한, 생물반응기내에는 수 만 종의 생물종(다양한 세균, 원생동물 및 윤충 등)이 혼합되어 있으며, 이들의 생태 및 생리적인 기작에 의하여 오염물질이 정화되고 있는 바, 생물반응기내의 활성 생물량을 정확히 측정하고 모니터링(monitoring)하는 것은 아주 중요하다 할 것이다.
종래 하/폐수처리장에서 생물량을 측정하는 방법으로 고온(550℃)에서 일정시간 무기물로 산화시켜 휘발되는 양을 이용해서 측정하는 방법인 MLVSS(총휘발성유기물) 방법이 사용되었다.
그러나, 상기 방법에 의하면 활성생물량외에 폐수 중의 유기물들도 함께 측정되어지는 바, 상기 방법은 정확한 생물량의 측정법이라고 볼 수 없으며, 시간이 많이 걸리고 직접 사람이 수행해야 하기 때문에 실시간 자동측정시스템으로 전환할 수가 없는 근본적인 문제점이 있었다.
한편, 정확한 생물량의 측정을 위한 PCR 법, FISH 법 등 첨단의 활성생물량 측정방법이 있으나, 상기 방법은 특수한 목적의 균을 모니터하는 즉, 순수한 단일종의 균을 측정하는 방법들로서, 환경처리시스템의 혼합배양계에서 전체 생물량 측정에는 이용될 수 없는 문제점이 있었다.
또한, 최근 외국(대한민국 이외의 나라)에서 실시간으로 생물량을 측정할 수 있는 실시간 측정시스템이 개발되었으나, 상기 시스템도 총 고형물량(유기물 + 무기물 + 생물)을 측정하는 시스템으로 순수한 활성생물량 측정기라고 볼 수 없고, 그 가격 또한 고가여서 경제성이 없다는 문제점이 있었다.
특히, 최근 중·소규모의 폐수처리장에서 처리비용과 전문가의 부재로 원거리 통신망의 전문가 시스템을 이용한 위탁관리시스템이 추진되고 있는 데, 상기 전문가 시스템을 이용한 위탁관리가 경제적이고 효율적으로 수행되기 위해서는 생물학적 처리공정의 핵심인 생물반응조의 생물량에 대한 실시간 정보가 요구되어짐을 볼 때 상기한 문제점의 해결이 더욱 요구되어짐을 알 수 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 생물체는 종마다 일정량의 아데노신 트리포스페이트(Adenosine Triphosphate, 이하 'ATP')를 함유하고 있어 측정액중의 ATP량을 측정하면 전체 생물량을 알 수 있다는 점에 착안하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 호기, 혐기에 관계없이 혼합배양계를 사용하는 환경처리시스템에서 반응조의 운전상황을 실시간으로 관측함으로서 공정관리가 효율적으로 이루어지고, 폐수 등의 성상변화에 신속하고 능동적으로 대처할 수 있는혼합배양계 생물량의 실시간 측정시스템을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기한 측정시스템에 컴퓨터가 연결되어 본 발명의 측정시스템에 의한 측정이 실시간으로 자동으로 이루어질 수 있도록 함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기한 측정시스템에 생화학적 산소요구량 센서(BOD sensor), 온도 센서, 용존 산소량 센서(DO sensor), pH 센서 중 어느 하나 이상을 연결함으로서 생물량외에 생화학적 산소요구량(BOD), 온도, 용존 산소량(DO), pH 까지 실시간으로 측정할 수 있도록 함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 혼합배양액이 함유되어 있는 배양조(측정액); 상기 측정액을 제 1입구에서 받아서 제 1출구로 이송하며 제 2입구로부터 유입되는 분석액을 다시 제 2출구로 이송하는 멀티플 펌프(Multiple Pump); 상기 멀티플 펌프로부터 이송되어 온 측정액을 여과한 후 증류수로 세척 및 여과하고, 상기 세척 및 여과된 후의 잔류 고형물에 산용액을 첨가하고 균질혼합는 1차 세척 및 여과기(공정종료 후 역세척); 상기 1차 세척 및 여과된 여과액을 유입받아 초음파로 파쇄하고 그 생물파쇄액을 유출하는 초음파 파쇄기; 상기 생물파쇄액을 유입받아 가압 여과하는 2차 여과기(공정종료 후 역세척); 증류수 탱크; 산용액 탱크; 상기 증류수 탱크 및 산용액 탱크와 연결되어 상기 1차 세척 및 여과기의 세척 및 여과를 위해 증류수 및 산용액을 이송하고, 1차 세척 및 여과 후 상기 1차 세척 및 여과기의 역세척을 위해 증류수를 이송하고, 상기 1차 세척 및 여과기의 역세척 후 상기 2차 여과기의 역세척을 위해 증류수를 이송하는 이송 펌프; 상기 2차 여과기에서 2차 여과된 분석액을 상기 멀티플 펌프로부터 이송받아 ATP를 분석하는 형광분광계(Spectrofluorophotometer); 상기 1차 세척 및 여과기의 세척 및 여과, 역세척 및 2차 여과기의 역세척동안에 배출되는 배출액을 저장하여 외부에 방출하는 배출 탱크(Drain Tank); 및 공기압을 가하여 상기 1차 세척 및 여과기의 세척 및 여과, 역세척 및 2차 여과기의 역세척동안의 배출액 배출, 상기 1차 세척 및 여과기의 산용액 첨가 후 균질혼합 및 상기 1차 세척 및 여과액의 초음파 파쇄기로의 유출을 도와주는 압축기(Compressor)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 전체 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 ※
1 : 배양조(측정시료) 2 : 멀티플 펌프(Multiple Pump)
3 : 1차 세척 및 여과기
4 : 연속식 초음파 파쇄기(Continuous flow ultrasonic cell disrupter)
5 : 2차 여과기 61 : 증류수 탱크
62 : 산용액 탱크 63 : 이송 펌프
7 : 형광분광계(Spectrofluorophotometer)
8 : 배출 탱크(Drain Tank) 9 : 공기압축기(Compressor)
10 : 컴퓨터(Computer)
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 시스템을 더욱 상세히 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 전체 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다(도면에서 실선은 액체의 흐름을 나타내고, 구부러진 점선은 공기의 흐름을 나타내며, 직선의 점선은 신호를 나타냄).
도시된 바와 같이, 본 발명의 시스템은 대체적으로 혼합배양액이 함유되어 있는 배양조(1); 멀티플 펌프(Multiple Pump, 2); 1차 세척 및 여과기(3); 연속식 초음파 파쇄기(Continuous flow ultrasonic cell disrupter, 4); 2차 여과기(5); 증류수 탱크(61); 산용액 탱크(62); 이송 펌프(63); 형광분광계(Spectrofluorophotometer, 7); 배출 탱크(Drain Tank, 8); 및 압축기(Compressor, 9)를 포함하여 이루어져 있다.
이하, 상기한 구성에 의한 생물량의 실시간 측정이 어떻게 이루어지는지 순서대로 살펴본다. 다만, 이하의 측정이 이루어지기 전에 전(前) 측정에서의 잔류액이 남아있지 않도록 하는 과정이 선행되어야 할 것이다.
상기 배양조(1)는 측정하고자 하는 측정액, 즉 혼합배양액이 저장되어 있는 곳으로서, 폭기조, 혐기성조, 호기성조에 관계없이 혼합배양액이 들어있으면 모두 적용할 수 있다.
상기 멀티플 펌프(Multiple Pump, 2)는 상기 측정액을 제 1입구(21)에서 받아서 제 1출구(22)로 이송하며 제 2입구(23)로부터 유입되는 분석액을 다시 제 2출구(24)로 이송하는 장치이다. 분석액은 상기 2차 여과기(5)에서 후술하는 2차 여과까지 되어 상기 형광분광계(7)에서 분석될 수 있는 상태의 액을 의미한다.
상기 1차 세척 및 여과기(3)는 상기 멀티플 펌프(2)로부터 이송되어 온 측정액을 여과한 후 증류수로 세척 및 여과하고, 상기 세척 및 여과된 후의 잔류 고형물에 산용액을 첨가하고 균질혼합하는 장치이다. 그리고 1차 여과공정이 종료되면 증류수를 유입시켜 여과부(3)를 역세척한다. 역세척을 하는 이유는 다음과 같다.
즉, 상기 형광분광계(Spectrofluorophotometer, 7)에서의 ATP 측정의 감도를 높이고 오염물질 등 이물질을 제거하기 위해, 상기 멀티플 펌프(2)로부터 이송되어 온 측정액 중에 고형물만 남겨놓고 나머지 액은 상기 배출 탱크(Drain Tank, 8)로 송부되어 폐기되도록 하고, 상기 잔류된 고형물은 증류수에 의해 세척 및 여과되도록 한다.
상기 세척 및 여과 후, 상기 형광분광계(Spectrofluorophotometer, 7)에서의 감도를 높이기 위함과 동시에 산으로서 균체 등 생물체의 세포벽 및 막의 분해를촉진시켜 상기 초음파 파쇄기(4)에서의 파쇄효과를 높이기 위하여 산용액을 농축비를 고려해서 상기 고형물에 일정량 첨가되어지도록 한다.
상기 산용액 첨가 후, 그 첨가된 용액의 감도 및 파쇄효과의 상승이 용액 전체에 걸쳐 균일하게 이루어지도록 상기 압축기(Compressor, 9)에 의한 공기압의 가압으로 균질혼합되도록 한다. 균질혼합 후 균질혼합된 용액은 상기 초음파 파쇄기(4)로 이송되도록 한다.
한편, 상기 초음파 파쇄기(4)로의 이송 후 상기 2차 여과기(5)에서의 후술하는 2차 여과와 동시에 1차 세척 및 여과기(3)에서는 증류수의 유입과 압축기(9)의 가압에 의한 역세척이 이루어진다. 역세척하고 난 후의 잔류 이물질이 포함된 증류수는 상기 배출 탱크(Drain Tank, 8)로 송부되어 폐기되도록 한다. 이는 뒤이어 이어지는 후(後) 측정(다음 사이클)에 있어 전(前) 측정에서의 1차 세척 및 여과기, 2차 여과기에 남아있는 잔류물(1차 세척 및 여과기, 2차 여과기의 벽 등에 붙어 있는 고형물, 기타 이물질 등)에 의해 영향을 받지 않도록 함으로서 측정의 정확성을 높이기 위함이다. 마찬가지로 2차 여과기에서도 2차 여과 후 역세척이 이루어지며 이에 대해서는 후술한다.
상기 초음파 파쇄기(4)는 1차 세척 및 여과된 1차 세척 및 여과액을 유입받아 ATP를 세포로부터 용출시키기 위해 초음파로 파쇄하고 그 생물파쇄액을 유출하는 장치이다.
상기 2차 여과기(5)는 상기 ATP가 세포로부터 용출된 생물파쇄액을 유입받아 압축기(9)에 의한 가압하에 여과함으로서 ATP를 포함한 상등액을 얻도록 하고, 상기 ATP를 포함한 상등액 즉, 분석액을 상기 멀티플 펌프(3)를 거쳐 상기 형광분광계(7)로 이송하는 장치이다. 또한, 상기 2차 여과기(5)에서는 상기한 바와 같이 후(後) 측정에 영향을 미치지 않도록 상기 1차 세척 및 여과기로의 측정액의 유입과 형광분광계에서의 분광분석 종료시점과 동시에 증류수의 유입과 압축기(9)의 가압에 의한 역세척이 이루어진다. 역세척하고 난 후의 잔류 생물파쇄물이 포함된 증류수는 상기 배출 탱크(Drain Tank, 8)로 송부되어 폐기되도록 한다.
상기 증류수 탱크(61) 및 산용액 탱크(62)는 상기 이송 펌프(63)와 연결되어 1차 세척 및 여과기, 2차 여과기에서 필요한 증류수, 산용액을 저장하는 장치이다.
상기 이송펌프(63)는 상기 증류수 탱크 및 산용액 탱크와 연결되어 상기 1차 세척 및 여과기의 세척 및 여과를 위해 증류수 및 산용액을 이송하고, 1차 세척 및 여과 후 상기 1차 세척 및 여과기의 역세척을 위해 증류수를 이송하고, 상기 1차 세척 및 여과기의 역세척 후 상기 2차 여과기의 역세척을 위해 증류수를 이송하는 장치이다.
상기 형광분광계(Spectrofluorophotometer, 7)는 상기 2차 여과기에서 2차 여과된 분석액을 상기 멀티플 펌프로부터 이송받아 추출 또는 분석하는 장치이다. 상기 형광분광계에서의 분석은 ATP가 여기의 단색광(285nm)을 흡수하여 형광방출광(395nm)을 방출하는 바, 상기 형광방출광의 세기를 측정하여 ATP의 농도를 계산하고 생물량으로 환산하는 원리를 이용한다.
상기 배출 탱크(Drain Tank, 8)는 상기 1차 세척 및 여과기의 세척 및 여과, 역세척 및 2차 여과기의 역세척동안에 배출되는 배출액을 저장하여 외부에 방출하는 장치이다.
상기 압축기(Compressor, 9)는 공기압을 가하여 상기 1차 세척 및 여과기의 세척 및 여과, 역세척 및 2차 여과기의 역세척동안의 배출액 배출, 상기 1차 세척 및 여과기의 산용액 첨가 후 균질혼합 및 상기 1차 세척 및 여과액의 초음파 파쇄기로의 유출을 도와주는 장치이다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에서는 기본적으로 상기한 바와 같은 구성에 의한 시스템을 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 구성요소 중 상기 멀티플 펌프 및 형광분광기에 생화학적 산소요구량 센서(BOD sensor), 온도 센서, 용존 산소량 센서(DO sensor), pH 센서 중 어느 하나 이상을 연결함으로서 생물량외에 생화학적 산소요구량(BOD), 온도, 용존 산소량(DO), pH 까지 실시간으로 측정할 수 있도록 하고 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에서는 상기 멀티플 펌프, 초음파 파쇄기, 이송 펌프, 형광분광기에 컴퓨터(Computer, 10)가 연결되어 있음으로서 실시간 자동측정이 이루어지도록 하고 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명은 호기, 혐기에 관계없이 혼합배양계를 사용하는 환경처리시스템에서 반응조의 운전상황을 실시간으로 관측함으로서 공정관리가 효율적으로 이루어지고, 폐수 등의 성상변화에 신속하고 능동적으로 대처할 수 있는 효과를 갖는다.
특히, 생물 산업의 플랜트에서 발효시스템 등의 온라인(on-line)화나 고체배양 또는 불용성 고형물을 많이 함유하는 배양계에서 본 발명의 시스템이 유용하게 이용될 수 있다.
나아가, 기존의 큰 처리장뿐만 아니라 신설 처리장에도 필수적인 측정 및 관리 장비로 대두되어 향후 큰 수요가 있을 것으로 예상되고, 국내시장뿐만 아니라 국제시장에서도 경쟁력을 확보하여 외화획득에도 도움이 되는 효과를 갖는다.

Claims (3)

  1. 혼합배양액이 함유되어 있는 배양조(1);
    상기 측정액을 제 1입구(21)에서 받아서 제 1출구(22)로 이송하며 제 2입구(23)로부터 유입되는 분석액을 다시 제 2출구(24)로 이송하는 멀티플 펌프(Multiple Pump, 2);
    상기 멀티플 펌프로부터 이송되어 온 측정액을 증류수로 세척 및 여과하고, 상기 세척 및 여과된 후의 잔류 고형물에 산용액을 첨가하고 균질혼합한 후 역세척하는 1차 세척 및 여과기(3);
    상기 1차 세척 및 여과된 1차 세척 및 여과액을 유입받아 초음파로 파쇄하고 그 생물파쇄액을 유출하는 초음파 파쇄기(4);
    상기 생물파쇄액을 유입받아 가압 여과한 후 역세척하는 2차 여과기(5);
    증류수 탱크(61);
    산용액 탱크(62);
    상기 증류수 탱크 및 산용액 탱크와 연결되어 상기 1차 세척 및 여과기의 세척 및 여과를 위해 증류수 및 산용액을 이송하고, 1차 세척 및 여과 후 상기 1차 세척 및 여과기의 역세척을 위해 증류수를 이송하고, 상기 1차 세척 및 여과기의 역세척 후 상기 2차 여과기의 역세척을 위해 증류수를 이송하는 이송 펌프(63);
    상기 2차 여과기에서 2차 여과된 분석액을 상기 멀티플 펌프로부터 이송받아 추출 또는 분석하는 형광분광계(Spectrofluorophotometer, 7);
    상기 1차 세척 및 여과기의 세척 및 여과, 역세척 및 2차 여과기의 역세척동안에 배출되는 배출액을 저장하여 외부에 방출하는 배출 탱크(Drain Tank, 8); 및
    공기압을 가하여 상기 1차 세척 및 여과기의 세척 및 여과, 역세척 및 2차 여과기의 역세척동안의 배출액 배출, 상기 1차 세척 및 여과기의 산용액 첨가 후 균질혼합 및 상기 1차 세척 및 여과액의 초음파 파쇄기로의 유출을 도와주는 압축기(Compressor, 9)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 혼합배양계 생물량의 실시간 측정시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 멀티플 펌프 및 형광분광기에는 생화학적 산소요구량 센서(BOD sensor), 온도 센서, 용존 산소량 센서(DO sensor), pH 센서 중 어느 하나 이상이 연결되어 있음을 특징으로 하는 혼합배양계 생물량의 실시간 측정시스템.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 멀티플 펌프, 초음파 파쇄기, 이송 펌프, 형광분광기에는 실시간 자동측정이 이루어지도록 하는 컴퓨터(Computer, 10)가 연결되어 있음을 특징으로 하는 혼합배양계 생물량의 실시간 측정시스템.
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