[논문]바이오매스용 해조류 대량 양식을 위한 자동화 시스템 개발

최국진

doi:10.21289/ksic.2020.23.2.351

[국내논문] 바이오매스용 해조류 대량 양식을 위한 자동화 시스템 개발
Development of The Automation System for Seaweed Biomass Mass Production 원문보기

한국산업융합학회 논문집 = Journal of the Korean Society of Industry Convergence, v.23 no.2/1, 2020년, pp.351 - 359

최국진 (한국폴리텍대학 창원캠퍼스)

Abstract ▼ AI-Helper

The algae biomass is considered as one of the potential sources of ocean renewable energy because it can be easily mass-produced with abundant sunshine in the vast ocean space. However, the practical use of the biomass has been hindered by the lack of efficient and cost-effective harvesting and maintenance system so far. The algae biomass aquaculture systems are installed in far offshore locations in much larger scales compared to the conventional aquaculture systems so that the automatic seaweed planting and harvesting system needs to operate in heavy sea conditions in far offshore location. In this research, we develop a concept design of a mega-scaled aquaculture system and an automatic seaweed planting and harvesting system, which can operate in heavy seas and mass-produce the algae biomass.

Keyword

표/그림 (15)

표 Table 1. Man-Hour of Seaweed cultivation
그림 Fig. 1 Concept of open type
그림 Fig. 2 Prototype of open type
그림 Fig. 3 Concept of open guide type
그림 Fig. 4 Prototype of open guide type
그림 Fig. 5 Concept of stapler type
그림 Fig. 6 Prototype of stapler type
그림 Fig. 7 Traditional method of seaweed harvesting
표 Table 2. Experimental results of stapler type
그림 Fig. 8 Concept of seaweed harvesting
그림 Fig. 9 Prototype of seaweed harvesting
그림 Fig. 10 Tension Leg Platform
그림 Fig. 11 Concept of integrated automation system
그림 Fig. 12 Dedicated ship for integrated automation system
그림 Fig. 13 Mass production system of seaweed

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 바이오매스용 해조류의 대량 생산을 위한 통합 자동화 시스템의 개념 설계와 이식, 채취 자동화 시스템의 시제품 제작 및 성능검증을 통해 실제 적용 가능성을 제시하고자 한다. 특히 현재까지 바이오매스용 해조류로 가장 적합하다고 검증된 것은 다시마로서, 5개월 정도의 짧은 기간에 5m까지 자랄 수 있다.
우리나라의 완도 지역을 중심으로 식용 다시마 양식이 활발하게 이루어지고 있으므로 연구에 대한 접근이 용이하다. 따라서 본 논문에서는 바이오매스용 원료로서 다시마를 주 대상으로 고려하고자 한다.
특히, 씨줄을 연승줄에 삽식하는 공정이 44%의 비율을 보여가장 자동화가 필요한 공정이라고 볼 수 있다. 현재 수작업으로 이식 공정을 수행할 경우 분당 5개의 씨줄을 연승줄에 이식하는 것이 가능한데,자동화를 통해 분당 20개 이상의 씨줄을 이식하는 것을 연구목표로 삼았다.
또는 연중 수온이 일정하고 태풍의 영향이 없는 베트남과 같은 동남아시아의 바다에 대규모 양식장을 구축하는 방법도 가능하다. 이렇게 초대형 규모의 해조류 양식장을 운영하기 위해서는 효율적이고 획기적인 통합 자동화 시스템을 구축하는 것이 필요하게 되는데 본 장에서는 이러한 초대형 규모의 바이오매스용 해조류 대량 양식 자동화 시스템에 대한 개념 설계를 수행하였다.

제안 방법

기존 이식 공정의 수작업 방법은 2인 1조로 하여 한 사람이 일정 폭의 연승줄을 양손으로 잡고 비틀어 꼬임을 풀면서 공간을 확보하면, 다른 사람이 그 공간 사이로 일정 길이로 절단 된 씨줄을 하나씩 직접 삽입한 후에 꼬여있던 연승줄을 원위치시키는 방식이다. 따라서 이러한 수동 방식을 그대로 자동화시키는 개방형 씨줄 삽입 방식을 먼저 고려하고, 그 외에 연승줄의 꼬임이 풀어지면서 확보되는 공간을 항시 유지할 수 있는 오픈 가이드 방식, 연승줄을 꼬지 않고 원 상태에 스테이플을 이용하여 씨줄을 고정하는 스테이플러 방식 등 총 3가지 형태의 자동화 방안을 연구하였으며 그 내용은 다음과 같다.
이는 씨줄의 손상을 최소화 할 수 있는 장점이 있다. Fig. 1의 개념설계안을 바탕으로 상세 설계 및 제작을 수행하여 Fig. 2와 같은 형태의 시제품을 제작하여 시운전을 수행하였다.
6과 같다. 스테이플을 고정시키는 장치는 공압으로 작동되는 산업용 표준 타카를 활용하였고, 회전형 씨줄 공급 가이드를 설치하여 씨줄의 공급 및 절단 시간을 최소화 시켰다.
본 연구에서는 다시마를 수면 아래에서 그물 형태로 채집하는 방법, 배 위로 연승줄을 끌어올려 원형 절단기를 이용해 채취하는 방법 그리고 선상에서 전용 원통 절단기를 이용하여 채취하는 방법 등을 구상하였고, 그 중 선상에서 전용 원통 절단기를 이용하여 채취하는 방법을 적용하여 개념 설계 및 시제품 제작을 통해 성능을 검증하였다. 다시마의 줄기 부분은 바이오 원료 생산을 위한 공정으로 즉시 투입이 가능한 상태이지만, 뿌리 부분은 이물질과 다른 해양 생물들이 포함되어 있다.
따라서 개념 설계에서는 Fig. 8에서처럼 “A”부에서 1차적으로 줄기 부분을 제거하여 즉시 바이오 원료 생산을 위한 공정으로 투입하게끔 하고, “B”부에서 나머지 뿌리 부분을 제거하여 이물질 등을 제거 후 다음 공정으로 투입될 수 있도록 구성하였다.
개념 설계안을 바탕으로 Fig. 9와 같이 시제품을 제작하여 실제 양식장에서 성능 평가를 수행하였다. 100m의 기본 단위 연승줄 하나에 붙어 있는 다시마를 시제품을 통해 본 채취한 결과 5분이 소요되었다.
따라서 우리나라 완도의 외해 기준으로 30∼50m의 수심에 적용 가능한 계류 시스템에 대한 연구를 통해 Fig. 10과 같은 방식을 구상하였고, 적용가능성과 경제성 그리고 확장성 등을 검토하여 가장 적합한 방식으로 TLP(Tensiosn Leg Platform) 타입을 선정하였다.
대규모 양식장이 구성되면 이식 및 채취 자동화 시스템도 보다 획기적인 방안이 요구된다. 작업자의 수를 줄이면서도 생산성을 극대화하기 위해서는 작업 공정을 최소한으로 줄일 필요가 있는데, 이를 위해 이식과 채취 공정을 일체화하는 방안을 구상하였다. 먼저 별도의 전용 어댑터를 제작하고 이 어댑터를 활용하여 배양장에서 해조류의 종묘를 배양시키는 작업을 수행한다.
작업자의 수를 줄이면서도 생산성을 극대화하기 위해서는 작업 공정을 최소한으로 줄일 필요가 있는데, 이를 위해 이식과 채취 공정을 일체화하는 방안을 구상하였다. 먼저 별도의 전용 어댑터를 제작하고 이 어댑터를 활용하여 배양장에서 해조류의 종묘를 배양시키는 작업을 수행한다.
이를 위해서는 기존의 연안에서 이루어지고 있는 방식이 아닌 외해의 넓은 공간에 대규모의 양식장을 구축하고, 전통적인 수작업 방식에서 벗어나 공정의 대부분을 자동화할 필요가 있다. 본 논문에서는 먼저 기존의 수작업 양식 공정을 분석하여 자동화가 필요한 부분을 선정하여 이식과 채취에 대한 부분의 자동화를 수행하였다. 3가지의 이식 자동화 시스템 시제품을 제작 및 성능평가를 수행하여 스테이플러 방식이 가장 효율적인 방식임을 검증하였고, 채취 공정은 수작업 대비 2배 이상의 작업 속도를 달성하였다.
3가지의 이식 자동화 시스템 시제품을 제작 및 성능평가를 수행하여 스테이플러 방식이 가장 효율적인 방식임을 검증하였고, 채취 공정은 수작업 대비 2배 이상의 작업 속도를 달성하였다. 향후 외해에서의 대규모 양식을 위한 개념설계로TLP방식을 선정하고 이식과 채취를 통합한 전용 자동화 선박을 설계하였다. 천연자원이 부족한 우리나라로서는 가까운 미래에 화석연료의 고갈에 대비하여 새로운 에너지원의 개발이 중요한데, 삼면이 바다로 이루어진 자연적 조건을 고려하여 해조류를 이용한 바이오매스 에너지의 개발이 시급하다고 판단된다.

대상 데이터

9와 같이 시제품을 제작하여 실제 양식장에서 성능 평가를 수행하였다. 100m의 기본 단위 연승줄 하나에 붙어 있는 다시마를 시제품을 통해 본 채취한 결과 5분이 소요되었다. 이는 수작업으로 채취 작업을 수행할 경우 3명의 작업자가 100m 연승줄 하나를 수행할 경우에 소요되는 10분에 비해 절반의 시간이며, 초기 준비 작업을 제외하면 1인의 조작 인원만으로 운영이 가능하므로 실제적인 작업 효율은 6배가 높다고 볼 수 있다.

성능/효과

이러한 문제를 해결하기 위해 미세조류 또는 거대조류를 활용한 해조류 바이오매스가 대두되었으며, 이와 관련한 연구가 세계적으로 진행되고 있다. [3] 해조류를 활용한 바이오매스는 별도의 자원을 필요로 하지 않고, 넓은 공유수면과 태양에너지만으로도 지속적으로 원료 생산이 가능하다는 장점이 있다. 특히, 삼면이 바다로 구성되어있는 우리나라에서는 해조류의 대량 생산을 위한 천혜의 조건이 갖추어져 있어 해조류 바이오매스에 관한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
기존의 다시마 양식 작업은 크게 3개의 공정으로 나뉘는데, 별도의 배양장에서 가느다란 씨줄에 다시마 종묘를 부착시켜 일정 크기까지 생장시키는 배양 공정, 배양이 완료된 다시마를 일정 길이(4∼5cm)로 절단하여 연승줄에 삽식하여 양식장에 설치하는 이식 공정, 마지막으로 생장이 완료된 다시마를 수확하는 채취 공정으로 나뉜다. 어민들을 대상으로 3개의 공정에 대한 Man-Hour를 분석한 결과, Table 1과 같이 이식 공정이 87%로 전체 양식 공정의 대부분을 차지한다. 특히, 씨줄을 연승줄에 삽식하는 공정이 44%의 비율을 보여가장 자동화가 필요한 공정이라고 볼 수 있다.
본 논문에서는 먼저 기존의 수작업 양식 공정을 분석하여 자동화가 필요한 부분을 선정하여 이식과 채취에 대한 부분의 자동화를 수행하였다. 3가지의 이식 자동화 시스템 시제품을 제작 및 성능평가를 수행하여 스테이플러 방식이 가장 효율적인 방식임을 검증하였고, 채취 공정은 수작업 대비 2배 이상의 작업 속도를 달성하였다. 향후 외해에서의 대규모 양식을 위한 개념설계로TLP방식을 선정하고 이식과 채취를 통합한 전용 자동화 선박을 설계하였다.

후속연구

이는 연승줄의 형상에 따른 문제로 줄과 줄 사이의 골에 스테이플러가 위치하게 되면 발생하게 되는데,향후에는 스테이플러의 설치 위치를 현재 상태에서 90°를 회전시킴으로써 상당부분 개선이 가능할 것으로 판단된다.
그러나 이식 작업 후 바다에서 생장이 끝난 후에도 스테이플러가 잔존하게 되면 채취 작업 시에 작업자나 장비의 손상이 발생할 수 있으므로, 이식된 종묘가 뿌리를 내려 완전하게 안착되는 2∼4개월 안에 완전히 부식되어 없어지는 재질에 대한 연구도 필요하다.
TLP방식을 적용한 대규모 외해 양식장이 구축이 되고 이식과 채취를 통합한 자동화 시스템을 적용하게 되면 해조류 바이오매스의 경제성 확보가 용이해진다. 추가적으로 석유산업의 경우에 경제성 증가를 위해 원유를 채취하는 위치에 직접 플랜트설비를 운영하는 방안을 활용하고 있는데,해조류 바이오매스의 경우에도 Fig. 13과 같이 초대형 양식장을 구축하여 바이오원료의 전처리 및 플랜트 공정까지 일괄적으로 처리하는 방안도 고려할 필요가 있다. Fig.
천연자원이 부족한 우리나라로서는 가까운 미래에 화석연료의 고갈에 대비하여 새로운 에너지원의 개발이 중요한데, 삼면이 바다로 이루어진 자연적 조건을 고려하여 해조류를 이용한 바이오매스 에너지의 개발이 시급하다고 판단된다. 본 연구내용을 바탕으로 향후에는 바이오매스용 통합 자동화 시스템에 대한 상세 설계 및 시제품을 제작하여 실제 적용 가능성을 검증하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	1세대 바이오매스 방법은?	이미 오래전부터 고갈 위기에 놓인 화석 연료를 대체하기 위한 수단으로 다양한 연구가 진행되어 왔다. [1-2] 1세대 바이오매스는 옥수수나 사탕수수 같은 농작물에서 얻어지는 전분계를 활용한 방법이었으나, 식량 부족으로 인한 기아 문제와 관련된 도덕성의 상충으로 더 이상 발전하지 못하였다. 목질계를 활용한 2세대 바이오매스 역시, 낮은 성장 속도와 화학적 처리의 어려움으로 상용화에 이르지 못했다.
	바이오매스란 무엇인가?	바이오매스란 생물체로부터 얻어지는 유기물을 의미하며, 물리적 화학적 또는 생물학적 변환과정을 통해 에너지원으로 사용이 가능하다. 이미 오래전부터 고갈 위기에 놓인 화석 연료를 대체하기 위한 수단으로 다양한 연구가 진행되어 왔다.
	바이오매스에 대한 연구가 진행되어온 이유는?	바이오매스란 생물체로부터 얻어지는 유기물을 의미하며, 물리적 화학적 또는 생물학적 변환과정을 통해 에너지원으로 사용이 가능하다. 이미 오래전부터 고갈 위기에 놓인 화석 연료를 대체하기 위한 수단으로 다양한 연구가 진행되어 왔다. [1-2] 1세대 바이오매스는 옥수수나 사탕수수 같은 농작물에서 얻어지는 전분계를 활용한 방법이었으나, 식량 부족으로 인한 기아 문제와 관련된 도덕성의 상충으로 더 이상 발전하지 못하였다.

참고문헌 (5)

J. G. Jang, H. Y. Lee and N. G. Kim, "Productivity of saccharina japonica areschoug by Depth in Gijang and Wando offshore, Korea," Journal of Marine Bioscience and Biotechnology, Vol. 8, No. 2, pp. 54-66, (2016).

원문보기 상세보기
L. R. Lynd, J. H. Cushman, R. J. Nichols and C. E. Wyman, "Fuel Ethanol from Cellulosic Biomass." Sience, Vol. 251, pp. 318-1323, (1991).
S. J. Choi, S. M. Lee and J. W. Lee, "Production of bio-ethanol from red algae by acid hydrolysis and enzyme treatment." Applied Chemistry Engineering, Vol. 23, pp. 279-283, (2012).
J. M. Kim, Y. H. Lee, S. H. Jung, J. T. Lee and M. H. Cho, "Production of methane from anaerobic fermentation of marine macro-algae." Clean Technology, Vol. 16, pp. 51-58, (2010).
E. E. Bachynski and T. Moan, "Design considerations for tension leg platform wind turbines," Marine Structures, Vol. 29, No. 1, pp. 89-114, (2012).

상세보기

활용도 분석정보

상세보기

다운로드

내보내기

활용도 Top5 논문

해당 논문의 주제분야에서 활용도가 높은 상위 5개 콘텐츠를 보여줍니다.
더보기 버튼을 클릭하시면 더 많은 관련자료를 살펴볼 수 있습니다.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증