KR101244713B1 - 생물 호흡량 측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 생물, 특히 미생물이 호흡할 때 소모하는 산소량 또는 미생물이 혐기조건에서 생산하는 바이오 가스량을 정확하게 연속적으로 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은 서로 마주보는 한 쌍의 광센서를 상하로 설치하여 미생물의 산소 소모 또는 가스 발생에 의해 생성되는 버블의 감지 시간과 버블의 상승 속도를 각각 측정한 후 이들을 연산함으로써 버블의 크기를 실시간으로 측정하여 산소소모량 또는 가스발생량을 측정하는 새로운 시스템을 구현함으로써 주변 온도 및 압력 조건 또는 발생 가스의 유량에 관계없이 항시 정확도가 높은 호흡량을 측정할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

Description

생물 호흡량 측정 장치{RESPIROMETER}

본 발명은 생물 호흡량 측정 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 생물, 특히 미생물이 호흡할 때 소모하는 산소량 또는 미생물이 혐기조건에서 생산하는 바이오 가스량을 정확하게 연속적으로 측정하는 장치에 관한 것이다.

일반적으로 폐수를 처리하는 방법에는 물리학적 방법, 화학적 방법 그리고 생물학적 방법 등 여러 가지 방법들이 있으나, 이 중에서도 2차 오염원의 발생이 적어 환경적으로 유리한 생물학적 처리법이 가장 많이 활용되고 있다.

생물학적 처리법 중 활성슬러지 공정은 페수 속에 들어있는 유기물을 미생물의 호흡과 세포 합성 과정을 통해 제거하는 공정으로, 이때 미생물의 호흡률은 활성슬러지 공정의 운영상태를 잘 나타내주는 기술로서 운전제어 인자로 사용할 수 있는 가능성이 오래전부터 제시되어 왔었다.

과거에는 호흡률을 연속적으로 측정하는 기술이 부족했었으나 최근에는 호흡률을 연속적으로 측정할 수 있는 기법이 개발되면서 적용범위 및 응용분야가 확대되었다.

이러한 호흡률 측정법은 단위 시간, 단위 부피당 미생물이 호흡에 사용하는 산소의 소모량 또는 혐기조건에서 생산하는 바이오 가스량을 측정하여 이를 해석하는 방법으로써 생물학적 처리공정으로 유입되는 생물학적 분해 가능물질의 농도가 높을수록, 시스템에 존재하는 미생물의 많고 활성이 높을수록 높은 산소소모량과 가스발생량이 나타난다. 특히, 산소가 미생물의 호흡과 성장 및 기질의 소모에 직접적으로 관여한다는 점에서 하수 및 미생물의 특성을 분석하는데 알맞은 방법이며, 생물학적 처리공정에서 생물학적으로 분해 가능한 물질의 분해 및 속도에 관한 정보를 제공할 수 있는 중요한 인자로 알려져 있다.

이와 같이, 생물학적 처리공정에서 호흡률 측정법이 폐수, 활성슬러지의 특성 분석 및 폐수의 생분해와 관련된 미생물 활성도 측정을 위해 광범위하게 사용되면서 호흡률 측정 장치 및 방법 개발을 위한 다양한 연구가 진행되고 있다.

이러한 호흡률 측정 장치 및 방법에 대한 종래 기술을 살펴보면 다음과 같다.

미생물의 호흡 또는 유기물의 분해에 의해 발생하는 산소소모량 또는 가스발생량을 유리 주사기를 이용하거나 또는 압력차에 의한 수위 변화로부터 측정하는 수동 방식이 알려져 있으나, 이는 일정 시간 경과 후 최종 산소소모량 또는 가스발생량만을 측정 가능하기 때문에 시간에 따른 연속적인 데이터를 얻을 수 없는 문제점이 있다.

또한, 반응조 용기 내에 미생물에 의한 산소 소모 또는 가스 발생에 따른 반응조 용기 내의 미세 압력 변화를 측정하여 교정(calibration)을 통해 산소소모량 또는 가스발생량을 측정하는 방법이 알려져 있으나, 이는 생성된 바이오 가스에 의해 반응조 용기의 상부 공간(headspace)의 압력이 높아지면서 일부 가스가 다시 물로 용존되거나 미생물에 의해 가스의 일부 성분이 먹이로 이용될 수 있기 때문에 정확한 발생량을 측정하기가 쉽지 않은 문제점이 있다.

또한, 유량계(flow meter)를 이용할 수도 있으나 이는 미세한 산소소모량 또는 가스발생량을 측정하기 어려운 문제점 있다.

최근에는 상술한 호흡률 측정 장치 및 방법들의 문제점을 개선하기 위해 미생물에 의한 산소 소모 또는 가스 발생 작용을 버블(가스방울)로 만들어 산소소모 량 또는 가스발생량을 버블 숫자로 카운팅하는 형태로 측정하는 챌린지 미생물 호흡측정기(challenge respirometer)가 개발되어 널리 사용되고 있다.

이러한 챌린지 미생물 호흡측정기는 광학적 방법으로 버블의 발생 여부를 측정하는 방식으로 광원으로 LED를 이용하여 LED의 빛을 작은 구멍을 통해 보내고 반대편에서 빛의 강도를 읽어 버블의 존재 여부를 측정함으로써 일정 시간 동안 발생되는 버블의 숫자를 측정한다.

그러나, 광원으로 LED를 이용할 경우 1년 정도 지나면 LED 강도가 낮아져 버블이 카운팅 안 되는 경우가 많으며, 이 경우 LED 반대편의 검출기(detector)를 교정(calibration)하거나 자그마한 구멍이 있는 곳에 위치한 LED를 교체하여야 하는데 그 공간이 매우 협소하기 때문에 LED 교체 작업이 매우 복잡하며 어려운 문제점이 있다.

무엇보다도, 기존의 챌린지 미생물 호흡측정기는 교정(calibration)에 의해 버블의 크기(부피)를 사전 결정한 후 단지 버블의 숫자만을 세는 형태이나, 실제의 경우는 주변 온도 및 압력 조건 또는 발생 가스의 유량에 따라 버블의 크기가 달라지기 때문에 측정의 정확성이 떨어지는 큰 문제점이 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 감안하여 창출한 것으로, 주변 온도 및 압력 조건에 따라 변화할 수 있는 가스 버블의 크기(부피)를 실시간으로 측정함으로써 정확도가 높은 누적 및 단위 시간당 산소소모량 또는 가스발생량을 연속적으로 측정할 수 있는 생물 호흡량 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 장치의 고장이 적고 유지보수가 편리하며 수명이 대폭 향상될 수 있는 생물 호흡량 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 생물 호흡 측정 장치는 미생물 반응용기와 연결되고 내부에 일정량의 유체가 담기어 상기 미생물 반응조에서 미생물의 호흡에 의해 소모 또는 발생되는 가스로부터 버블(bubble)이 발생되는 유체관과, 상기 유체관의 일측에 일정 간격 이격되게 설치되어 유체관 내부에서 생성되는 버블이 감지될 때부터 액체가 감지될 때까지의 시간과 버블의 상승속도를 측정하기 위한 제1센서와 제2센서로 이루어진 센서부와, 상기 센서부로부터 측정된 버블 감지 시간과 버블 상승 속도 데이터로부터 버블의 부피를 연산하는 제어부를 포함한다.

여기서, 상기 제1센서와 제2센서는 각각 유체관을 중심으로 일측에는 광원을 조사하는 발신부와 타측에는 광원을 수신하는 수신부가 서로 마주보도록 한 쌍으로 설치되어, 유체관 내부에 유체가 꽉 채워질 때와 버블에 의해 유체가 비게 될 때의 투과 감도 차이를 이용하여 버블을 감지한다.

특히, 상기 제1센서와 제2센서의 광원은 레이저를 이용하는 것으로, 상기 유체는 레이저가 투과할 수 없는 불투명 유체이거나 또는 색상이 부여된 유체를 사용한다.

한편, 본 발명에 따라 미생물 호흡에 의한 가스 소모량을 측정하는 경우에는 상기 유체관은 미생물 반응용기와 연결된 수직관과, 상기 수직관의 하부로부터 상부로 경사지게 연장되어 그 연장된 단부가 대기압에 노출된 경사관으로 구성되어, 상기 미생물 반응용기 내부가 미생물의 호흡에 의해 산소 소모되어 압력 강하가 이루어지면 상기 경사관에 있던 유체가 수직관으로 이동하면서 경사관으로부터 공기 유입으로 인한 버블이 형성되어 수직관을 타고 미생물 반응용기로 공기가 공급된다.

그리고. 본 발명에 따라 미생물 호흡에 의한 가스 발생량을 측정하는 경우에는 상기 유체관은 상부가 대기압에 노출된 수직관과 상기 수직관의 하부로부터 상부로 경사지게 연장되어 그 연장된 단부가 미생물 반응용기와 연결된 경사관으로 구성되어, 상기 미생물 반응용기 내부가 미생물 호흡에 의한 가스의 발생으로 압력 상승이 이루어지면 상기 경사관에 있던 유체가 수직관으로 이동하면서 경사관으로 가스 유입으로 인한 버블이 형성되어 수직관을 타고 대기로 가스가 배출된다.

본 발명은 미생물에 의한 산소 소모 또는 가스 발생에 의해 생성되는 버블의 크기를 주변 여건에 관계없이 실시간으로 항상 정확하게 측정함으로써 미생물의 호흡을 통한 산소소모량 또는 가스발생량의 측정 성능을 향상시킬 수 있어 센서로서의 기능이 대폭 향상되는 효과를 발휘한다.

그리고, 버블을 측정하기 위해 빛을 내는 광원으로 레이저 빛을 이용하기 때문에 측정 수단의 수명이 길며 교체가 쉽기 때문에 장치의 전체 수명과 유지보수가 향상되고, 그 구조가 간단하여 장치의 고장률이 적어 상용화에 보다 유리한 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 생물 호흡량 측정 장치에서 미생물 호흡에 의한 가스 소모량을 측정하기 위한 장치를 도시한 개념도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 생물 호흡량 측정 장치에서 미생물 호흡에 의한 가스 발생량을 측정하기 위한 장치를 도시한 개념도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 생물 호흡량 측정 장치에서 미생물 호흡에 의한 가스 소모량을 측정하기 위한 작동 원리를 나타낸 개념도
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 생물 호흡량 측정 장치에서 제1센서 및 제2센서의 출력 신호에 대한 시간 선도,
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 생물 호흡량 측정 장치에서 측정된 데이터를 처리하기 위한 구성들의 블럭도,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 생물 호흡량 측정 장치에서 미생물 호흡에 의한 가스 발생량을 측정하기 위한 작동 원리를 나타낸 개념도

본 발명은 생물, 특히 미생물의 호흡량, 즉 미생물이 산소가 있는 조건하에서 호흡할 때 소모하는 산소량 또는 산소가 없는 조건하에서 호흡 또는 유기물의 분해 작용에 의해 발생하는 가스량 또는 바이오 가스량을 정확하게 연속적으로 측정하는 장치로, 미생물의 호흡에 의해 가스 발생 및 소모를 유체관에 채워진 유체 기둥의 압력을 이기고 버블의 형태로 바꾸어 버블을 카운팅하여 미생물의 호흡량을 측정한다는 측면에서 종래 챌린지 미생물 호흡률 측정기와 유사하다.

그러나, 본 발명은 종래 챌린지 미생물 호흡률 측정기에서 교정(calibration)을 실시하여 버블의 크기를 미리 결정한 후 발생된 버블의 개수만을 카운팅하여 가스 소모량 또는 발생량을 측정하는 것이 아니라, 주변 온도 및 압력 또는 발생 가스의 유량에 따라 변화할 수 있는 각 버블의 크기를 실시간으로 측정함으로써 정확도가 매우 높은 미생물 호흡량을 측정할 수 있다는 점에서 의미가 크다 할 것이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 생물 호흡량 측정 장치에서 미생물 호흡에 의한 가스 소모량을 측정하기 위한 장치를 도시한 개념도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 생물 호흡량 측정 장치에서 미생물 호흡에 의한 가스 발생량을 측정하기 위한 장치를 도시한 개념도이다.

본 발명에 따른 생물 호흡량 측정장치는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 미생물 반응용기(10)와 연결되고 내부에 유체가 채워진 유체관(20)과, 유체관(20)의 일측에 설치되어 유체관(20) 내부에 발생되는 버블의 감지 시간과 버블의 상승 속도를 측정하기 위한 센서부(30)와, 센서부(30)와 인터페이스 입출력 모듈(60)을 통해 연결되어 센서부(30)로부터 측정된 버블의 감지 시간과 버블의 상승 속도에 대한 데이터 값을 받아 버블의 크기(부피)를 연산하는 제어부(40)를 구비한 컴퓨터(50)와, 상기 컴퓨터(50)에서 저장 및 처리한 데이터를 외부로 보여줄 수 있도록 화면으로 출력하는 모니터(70)를 포함하여 구성된다.

미생물 반응용기(10)는 용기 내의 상부에 일정 공간으로 비워지는 헤드스페이스(headspace)가 이루어지도록 일정량의 미생물 혼합시료가 채워져 있으며, 용기의 개방된 상단은 유체관(20)과 연결되는 튜브가 끼워지는 고무마개로 밀폐된다.

유체관(20)은 미생물 반응용기(10)와 튜브를 통해 연결되어 있으며 미생물 호흡에 의해 소모 또는 발생되는 가스로부터 버블(가스방울)이 생성될 수 있도록 내부에 일정량의 유체가 채워진다.

유체관(20)에 채워지는 유체는 후술하는 센서부(30)에서 조사하는 레이저가 투과되지 못하도록 불투명 유체를 사용하거나 또는 안료 등과 혼합되어 색상을 띄는 유체를 사용할 수 있다.

이때, 유체로 물을 사용하게 되면 물은 쉽게 액체 상태에서 기체 상태로 변하기 때문에 채워진 물의 부피가 시간에 따라 달라지며 관의 내벽에 기화된 기포를 쉽게 생성되어 끓는점이 큰 오일을 사용한다.

또한, 유체관(20)은 미생물 반응용기(10)의 압력과 대기압과의 압력 차이에 따라 그 내부에 채워진 유체가 이동하면서 버블이 생성될 수 있도록 개방된 양단이 상부를 향하는 대략 'V'자 형상을 이룬다.

보다 정확하게는, 유체관(20)은 버블에 관한 데이터(예를 들어, 버블의 감지 시간 또는 이동 시간 등)를 보다 정확하게 측정할 수 있도록 수직자세를 이루는 수직관(21)과, 이 수직관(21)의 하단으로부터 상부로 경사지게 연장되는 경사관(22)으로 이루어진다.

센서부(30)는 버블의 이동 시간과 버블의 상승 속도를 측정하기 위한 수단으로 유체관(20), 보다 정확하게는 수직관(21)의 일측에 상하로 일정 간격 이격되게 설치되는 제1센서(31)와 제2센서(32)로 이루어진다.

이때, 제1 및 제2센서(31)(32)는 모두 광원을 이용하여 유체관 내부에 유체가 꽉 채워질 때와 버블에 의해 유체가 비게 될 때, 즉 내부가 비어 있는 공간인 공동(空洞)이 존재하게 될 때의 투과 감도 차이를 이용하여 버블을 감지하는 광센서인 포토인터럽터(photo interrupt)이다.

이러한 제1 및 제2센서(31)(32)는 각각 수직관(21)을 중심으로 그 일측에는 광원을 조사하는 발신부와 타측에는 광원을 수신하는 수신부가 서로 마주보도록 한 쌍으로 이루어진다.

이때, 발신부에서 조사되는 광원으로는 빛의 직진성이 우수하한 레이저를 사용한다. 이로 인해 종래와 같이 광원으로 LED로 사용하는 것에 비해 그 수명이 길고 또한 빛을 작은 구멍을 통해 조사할 필요가 없어 장치의 전제 구조가 간단해 지고 그 교체 및 유지보수가 용이하게 된다.

제1 및 제2센서(31)(32)에서 측정된 데이터 값은 입출력 모듈(60)을 통해 컴퓨터(50)에 내장된 제어부(40)로 유선 또는 무선으로 전송된다.

이러한 제1 및 제2센서(31)(32)의 설치는 유체관(20)의 외벽에 직접 고정 설치할 수도 있으며, 유체관(20)의 양측에 나란하게 수직 설치된 포스트 구조물에 고정 설치될 수도 있다. 이러한 제1 및 제2센서의 설치는 측정 조건 및 장소 등에 따라 당업자가 상황에 맞게 적절히 변경할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 생물 호흡량 측정 장치는 미생물 호흡에 의한 산소 소모량을 측정하는 경우와 가스 발생량을 측정하는 경우에 그 사용 용도에 따라 미생물 반응용기와 연결함에 있어 그 연결 방법을 서로 달리 구성한다.

먼저, 미생물 반응용기(10)에서 미생물 호흡에 의한 산소 소모량을 측정하는 용도로 사용하는 경우에는, 도 1에 도시한 바와 같이, 유체관(20)을 구성하는 수직관(21)의 개방 단부가 미생물 반응용기(10)와 연결되고, 경사관(23)의 개방 단부가 대기압에 노출되도록 설치한다.

이로 인해, 미생물 반응용기(10) 내부가 미생물의 호흡에 의해 산소 소모되어 압력 강하가 이루어지면 경사관(22)에 있던 유체가 수직관(21)으로 이동하면서 경사관(22)으로부터 공기 유입으로 인한 버블이 형성되어 수직관(21)을 타고 미생물 반응용기(10)로 공기가 공급된다.

다음으로, 미생물 반응용기(10)에서 미생물 호흡에 가스 발생량을 측정하는 용도로 사용하는 경우에는, 도 2에 도시한 바와 같이, 유체관(20)을 구성하는 수직관(21)의 개방 단부가 대기압에 노출되고, 경사관(22)의 단부가 미생물 반응용기(10)와 연결되도록 설치한다.

이로 인해, 미생물 반응용기(10) 내부가 미생물 호흡에 의한 가스의 발생으로 압력 상승이 이루어지면 경사관(22)에 있던 유체가 수직관(21)으로 이동하면서 경사관(22)으로 가스 유입으로 인한 버블이 형성되어 수직관(21)을 타고 대기로 가스가 배출된다.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 미생물 호흡량을 측정하기 위한 작동 원리를 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 생물 호흡량 측정 장치에서 미생물 호흡에 의한 산소 소모량을 측정하기 위한 작동 원리를 나타낸 개념도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 생물 호흡량 측정 장치에서 제1센서 및 제2센서의 출력 신호에 대한 시간 선도이고, 도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 생물 호흡량 측정 장치에서 측정된 데이터를 처리하기 위한 구성들의 블럭도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 생물 호흡량 측정 장치에서 미생물 호흡에 의한 가스 발생량을 측정하기 위한 작동 원리를 나타낸 개념도이다.

먼저, 미생물 반응용기(10)에서 미생물 호흡에 의한 산소 소모량을 측정하는 작동 원리는 다음과 같다.

도 3에 도시된 바와 같이, 체적이 일정한 미생물 반응용기(10)에 미생물 시료를 채우고 헤드스페이(headspace)에는 순산소를 채운 후에 고무마개로 막는다. 이때 미생물 반응용기(10) 안은 일정 속도로 교반이 되도록 하여 미생물 시료와 헤드스페이(headspace) 사이의 산소 교환이 쉽도록 한다. 또한, 유체관(20) 내부에도 유체가 채워지지 않은 빈 공간이 있기 때문에 경사관(22)의 개방된 단부에 순산소를 일정량 유입시켜 유체관(20)의 빈 공간에 채워져 있던 공기를 순산소로 바꾸어 도 3b와 같은 상태가 되도록 한 후 미생물 반응조(10)와 연결한다.

이후, 미생물 반응용기(10)에서 미생물의 호흡이 일어나고, 이 과정에서 미생물 반응용기(10)의 헤드스페이(headspace)와 수직관(21)에서 유체가 체워지지 않은 빈 공간에 있는 산소를 소비하면서 소모된 산소량만큼 압력 강하가 일어나기 시작한다.

압력 강하가 증가함에 따라 대기압에 노출된 경사관(22) 내부에 채워진 오일은 수직관쪽으로 이동하며, 부압이 수직관(21) 내부에 채워진 오일에 의한 압력보다 커졌을 때 경사관(22)으로부터 산소가 유입되어 버블(B)이 형성되고, 생성된 버블(B)은 수직관을 타고 미생물 반응용기(10) 쪽으로 가면 미생물 반응용기(10) 내부의 부압은 약간 감소하게 된다.

여기서, 미생물 반응용기(10)에서 미생물이 공급된 산소를 모두 소비하고 나면 부압이 다시 증가하여 위 과정을 반복하게 된다.

이때, 경사관(22)의 개방된 단부에는 대기압 상태의 순산소 가스와 연결하여 산소가 미생물에 의해 소모되는 양만큼 유입되도록 한다.

한편, 미생물 반응용기(10)에는 미생물이 호흡을 하면서 산소를 이용하지만 같은 부피의 이산화탄소가 발생하므로 이를 제거하기 위해 KOH, NaOH 용액을 반응조 상단에 넣어 이산화탄소의 형태가 CO₃ ^{2 -}의 형태로 이산화탄소를 흡수시킨다.

이와 같은 과정을 거치면서 미생물 반응용기(10) 내부에서 미생물이 호흡에 의해 산소를 소모하게 되는데 소모되는 산소의 부피는 아래의 원리에 의해 측정하게 된다.

레이저 발신부와 수신부로 이루어진 제1 및 제2센서(31)(32)가 각각 수직관(21) 양측 상하로 설치되어 수직관(21) 내부에 채워진 불투명 액체인 오일을 통해서는 레이저가 투과되지 못하므로 센서 출력은 'O' 볼트(V)를 유지하다가 버블(B)이 지나가면서 빈 공간이 발생하여 레이저가 투과되어 '5' 볼트(V)를 출력하게 된다.

여기서, 제1센서(31)는 한 개의 버블의 감지되는 전체 시간(t₁)을 측정하고, 제2센서(32)는 한 개의 버블의 상승 속도를 측정하기 위해 일정 거리 동안의 버블의 상승 시간(t₂)을 측정하는데 사용된다.

보다 상세하게, 제1센서(31)는 버블이 처음 감지되었다가 이탈되는 시간, 즉 버블이 처음 감지되었을 때부터 다시 오일 부분이 감지될 때까지의 시간(t₁)을 측정하고, 제2센서(32)는 제1센서(31)의 상부에 일정 간격(예를 들어, 20mm) 이격되게 설치하여 버블이 제1센서(31)와 제2센서(32)의 이격된 거리만큼의 이동 시간(t₂)을 측정한다 (도5 참조).

도 6에 도시된 바와 같이, 제어부(40)는 2개의 광센서(31)(32)로부터 신호를 입력받아 t₁, t₂에 대한 데이터를 저장하고, 이를 이용하여 버블의 부피(V)와 누적 버블의 전체 체적을 연산하여 모니터(70)를 통해 화면으로 표시할 수 있다.

제어부(40)를 이용한 버블의 크기(부피)는 아래의 식들을 이용하여 각각 연산할 수 있다.

먼저, 제2센서(32)로부터 얻은 t₂ 값으로부터 아래의 [수학식 1]을 이용하여 버블의 상승속도(υ)를 구한다.

여기서, υ의 단위는 [mm/ms] 이고, 분모에 기재된 숫자 20은 제1센서와 제2센서와의 거리를 의미한다.

다음으로, 위에서 구한 버블의 상승속도(υ)와 제1센서(31)로부터 얻은 버블 감지 시간(t₁)으로부터 아래의 [수학식 2]를 이용하여 버블의 부피(V)를 구한다.

여기서, A는 유체관(수직관)의 단면적이고, V의 단위는 [mm³] 이다.

마지막으로, 연산된 각 버블의 부피의 누적값을 구하여 측정된 전체 누적 버블의 부피를 구하다.

여기서, 전체 누적된 버블의 부피가 바로 미생물 반응용기 내부에서 일정 시간 동안 미생물 호흡에 의한 산소 소모량(가스 소모량)이다.

한편, 미생물 반응용기(10)에서 미생물 호흡에 의한 가스 발생량을 측정하는 작동 원리는 다음과 같다.

미생물 반응용기(10)를 유체관(20)에 결합하기 전 도 6(a)의 상태에서 질소가스를 주입하여 경사관(22) 내부에 있던 오일을 수직관(22)으로 이동시킨 후 도 6(b)의 상태로 하고 반응용기(10)와 연결시킨다. 그 후 도 6(c)의 상태로 만들어 반응용기(10)에서 만들어진 가스가 경사관(22)으로 흐르도록 한다.

반응용기(10)에 담긴 미생물의 호흡에 의해 바이오 가스가 발생되면 미생물 반응용기(10) 내부에 가스의 체적이 증가하면서 압력이 상승되며 가스가 경사관(22)을 통해 수직관(21)으로 유입되어 버블이 형성된 후 수직관(21)을 타고 대기로 방출된다. 도 6(b)의 상태를 유지하며 반응용기에서 가스가 생성이 되면 버블의 형태로 수직관(21)을 따라 대기로 방출된다. 반응용기(10)에서 바이오가스가 생성이 되면서 상기 과정이 반복되고 버블의 숫자와 크기를 측정하여 발생하는 가스의 양을 실시간으로 측정한다.

참고로, 도 6에서 각 개폐밸브(80) 'O'로 표시된 문자는 개폐밸브가 열림(OPEN) 상태를 나타내며, 'C'로 표시된 문자는 개폐밸브가 닫힘(CLOSE) 상태를 의미한다.

이와 같은 과정을 거치면서 미생물 반응용기 내부에서 미생물이 호흡에 의해 바이오 가스가 발생하는데 발생되는 바이오 가스의 부피는 위에서 서술한 산소 소모량을 측정하는 원리와 동일한 방식으로 측정된다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

10: 미생물 반응용기 20: 유체관
21: 수직관 22; 경사관
30: 센서부 31: 제1센서
32: 제2센서 40: 제어부
50: 컴퓨터 60: 인터페이스 입출력 모듈
70: 모니터 80: 개폐밸브]
B: 버블

Claims (8)

1. 미생물 반응용기(10)와 연결되고 내부에 일정량의 불투명 유체가 담기어 상기 미생물 반응용기(10)에서 미생물의 호흡에 의해 소모 또는 발생되는 가스로부터 버블(bubble)이 발생되는 유체관(20);
   상기 유체관(20)을 중심으로 일 측에는 레이저를 조사하는 발신부와 타 측에는 레이저를 수신하는 수신부가 서로 마주보도록 한 쌍으로 설치되어, 상기 유체관(20)의 내부에서 상승하는 한 개의 버블이 처음 감지되었을 때부터 다시 불투명 유체가 감지되는 버블 감지 시간(t₁)을 측정하기 위한 제1센서(31);
   상기 제1센서(31)로부터 일정 거리(L)로 이격된 제1센서(31)의 상부에 상기 유체관(20)을 중심으로 일 측에는 레이저를 조사하는 발신부와 타 측에는 레이저를 수신하는 수신부가 서로 마주보도록 한 쌍으로 설치되어, 상기 유체관(20) 내부에 상승하는 한 개의 버블이 상기 제1센서(21)로부터 일정 간격 이격된 거리(L)까지의 이동 시간(t₂)을 측정하기 위한 제2센서(32);
   상기 제1센서(31)로부터 측정된 상기 버블 감지 시간(t₁)과 상기 제1 및 제2 센서(31)(32)로부터 측정된 상기 버블 이동 시간(t₂)의 데이터로부터 하기의 [수학식 1] 및 [수학식 2]을 이용하여 버블의 부피(V)를 연산하는 제어부(40);를 포함하되,
   상기 제1센서(31)와 제2센서(32)는 상기 유체관(20) 내부에 불투명 유체가 꽉 채워질 때와 버블에 의해 유체가 비게 될 때의 투과 감도 차이에 따른 출력 전압의 변화를 이용하여 버블을 감지하는 것을 특징으로 하는 생물 호흡량 측정장치.
   [수학식 1]
   

   

   ( 여기서, v는 버블의 이동 속도, t₂는 일정 거리(L) 동안의 버블 이동 시간, L은 제1 센서와 제2 센서 간의 거리)
   [수학식 2]
   

   

   (여기서, V는 버블의 부피, A는 버블이 통과되는 유체관의 단면적, t₂은 한 개의 버블 감지 시간)
   
   
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4. 삭제
5. 청구항 1에 있어서, 상기 불투명 유체는 오일인 것을 특징으로 하는 생물 호흡량 측정장치.
   
6. 청구항 1에 있어서, 상기 유체관(20)은 미생물 반응용기(10)와 연결된 수직관(21)과, 상기 수직관(21)의 하부로부터 상부로 경사지게 연장되어 그 연장된 단부가 대기압에 노출된 경사관(22)으로 구성되어, 상기 미생물 반응용기(10) 내부가 미생물의 호흡에 의해 산소 소모되어 압력 강하가 이루어지면 상기 경사관(22)에 있던 유체가 수직관(21)으로 이동하면서 경사관(22)으로부터 공기 유입으로 인한 버블이 형성되어 수직관(21)을 타고 미생물 반응용기(10)로 공기가 공급되는 것을 특징으로 하는 생물 호흡량 측정장치.
   
7. 청구항 1에 있어서, 상기 유체관(20)은 상부가 대기압에 노출된 수직관(21)과 상기 수직관(21)의 하부로부터 상부로 경사지게 연장되어 그 연장된 단부가 미생물 반응용기(10)와 연결된 경사관(22)으로 구성되어, 상기 미생물 반응용기(10) 내부가 미생물 호흡에 의한 가스의 발생으로 압력 상승이 이루어지면 상기 경사관(22)에 있던 유체가 수직관(21)으로 이동하면서 경사관(22)으로 가스 유입으로 인한 버블이 형성되어 수직관(21)을 타고 대기로 가스가 배출되는 것을 특징으로 하는 생물 호흡량 측정장치.
   
8. 청구항 7에 있어서, 상기 경사관(22)과 미생물 반응용기(10)를 연결하기 이전에 상기 경사관(22)으로 질소가스를 주입하여 경사관(22)에 채워진 유체를 수직관(21)으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 생물 호흡량 측정장치.
   

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