제 6장 식물공장 II 오명민

식물공장의 요소 기술 지상부 환경 제어 기술 -온도/습도 조절: 공조시설(에어컨) -CO2 조절: CO2발생기, 포집 기술 -광원: LED, 형광등, 고압나트륨등… 지하부 환경제어 기술 -양액재배 관수방식: 분무경, 수경, 배지경 -양액성분 제어 기술: pH, EC에 의한 제어, 개별 성분에 의한 제어 -양액 용존산소 복합환경제어기술: PID제어, LAN에 의한 원격제어 등 시스템 구축 및 제어 기술

습공기 습공기: 공기의 온도와 습도 포함 작물의 생육에 영향 습공기선도(Psychrometric chart): 습공기의 성질을 도표로 나타낸 것, 2개의 공기성질을 이용하여 모든 공기 성질을 알 수 있도록 만든 도표 건구온도, 습구온도, 노점온도, 상대습도, 절대습도, 증기압, 비엔탈피, 비체적 등이 표시됨

습공기-온도 건구온도(dry-bulb temperature): 습구온도(wet-bulb temperature): 보통 건조온도계나 건조한 온도측정센서로 측정된 현열(sensible heat, 반드시 온도변화를 일으키는 열)온도 - 잠열(latent heat): 온도변화 일으키지 않고, 기체,액체, 고체 상호간의 상변화만 일으키는 열 습구온도(wet-bulb temperature): 수분증발에 의한 냉각효과를 고려한 온도, 온도계에 젖은 심지를 부착할 경우의 온도 노점온도(dew point temperature): 표면이 매끄럽고 광택이 나는 금속 표면의 온도를 점점 하강시키면 어느 순간 금속 표면에 결로가 생기는데, 이때의 온도

습공기-습도 상대습도(relative humidity): 절대습도(absolute humidity): 포화수증기압에 대한 실제 수증기압의 비, RH(%)=실제수증기압/포화수증기압 절대습도(absolute humidity): 공기 중에서 건조공기 1 kg에 대한 수증기 질량의 비

습공기-압력 증기압(vapor pressure): 포화수증기압(saturated vapor pressure): 공기 중에 포함되어 있는 기체상태의 수분(수증기) 자체에 의하여 조성되는 압력 포화수증기압(saturated vapor pressure): 일정 온도에서 포화가 가능한 증기압

습공기-기타 비엔탈피(specific enthalpy): 비체적(specific volume): 단위 건조공기 질량당 총 열량(kcal/kg) 비체적(specific volume): 건조공기 1 kg에 해당하는 복합 기체의 체적, 온도의 증가에 비례

습공기 선도 어떤 공기의 상태는 습공기선도 상의 한 점으로 표시 가능 상대습도(50%), 건구온도(20℃)점 A 건구온도: 점 A에서 수직방향으로 x축과 만나는 점 (B) 절대습도/수증기압: 점 A에서 수평방향으로 y축과 만나는 점C와 D

습공기 선도 비체적: 점 A에서 대각선으로 지나가는 값 (V) 노점온도: 수평방향과 상대습도 100% 선과 만나는 점(G)에서 수직방향으로 내려가 x축과 만자는 점(H)

습공기 선도 습구온도: 점 A에서 등엔탈피선과 상대습도 100%선과 만나는 점(E)에서 수직방향으로 내려가 x축과 만나는 점 (F) 비엔탈피: 점 A에서 등엔탈피선과 비엔탈피선이 만나는 점 (I)

공기조화시 공기의 상태 진행방향

난방과정 공기중의 수분량은 일정한 상태로 열이 공급될 경우의 상태: 온도상승 및 상대습도 하강 냉방은 난방의 역순

가습과정 동일한 온도상태에서 수증기를 공급: 절대습도 및 상대습도 상승 제습은 가습의 역순

난방 및 가습과정 열 및 수증기를 동시에 공급: 온도 및 상대습도 상승

증발냉각과정 하절기 온실냉방에 사용되는 방법 실내에서 수증기로 기화되면서 현열이 잠열로 변화되어 온도하강 및 습도 상승이 발생 단열변화: 공기의 총열량은 변하지 않음

습공기를 이용한 환경조절(난방) 체적 2000m3 온실 - 건구온도 20℃, 상대습도 65%  건구온도 25℃ 1) 절대습도:0.0095 2) 비엔탈피:10.4 kcal/kg 3) 비체적: 0.863m3/kg

습공기를 이용한 환경조절(난방) 건구온도 25℃로 상승 후 4) 상대습도: 48% 5) 비엔탈피: 11.8 kcal/kg 6) 건조공기량=체적/비체적 (비체적=체적/건조공기량) =2000/0.863=2317 kg 7) 총에너지공급량=비엔탈피증가량*건조공기량=(11.8-10.4) * 2317 = 3243.8 kcal

습공기를 이용한 환경조절(난방가습) 체적 2000m3 온실 건구온도 20℃, 상대습도 65%  건구온도 25℃, 상대습도 65%유지 1) 절대습도:0.0095 2) 비엔탈피:10.4 kcal/kg 3) 비체적: 0.863m3/kg

습공기를 이용한 환경조절(난방가습) 건구온도 25℃, 상대습도 65%로 상승 후 4) 비엔탈피: 13.9 kcal/kg 5) 건조공기량 = 2000/0.863=2317kg 6) 총에너지공급량 =(13.9-10.4)*2317 =8109.5 kcal

습공기를 이용한 환경조절(난방가습) 건구온도 25℃, 상대습도 65%로 상승 후 7) 잠열 =(13.9-11.8)*2317 =4865.7 kcal (수분을 수증기로 기화시 필요한 열) 8) 가습량 =(0.0129-0.0095)*2317 =7.8778 kg

습공기를 이용한 환경조절(증발냉각) 체적 2000m3 온실 건구온도 30℃, 상대습도 60%  분무냉각방식 이용 1) 절대습도: 0.016 kg/kg 2) 비체적: 0.881 m3/kg

습공기를 이용한 환경조절(증발냉각) 냉각효율 100%(상대습도 100%)라 가정시 3) 건구온도: 23.8℃ 4) 절대습도: 0.0187 kg/kg 5) 건조공기량: =2000/0.881 =2270 kg 6) 총수분공급량 = 절대습도 증가량*건조공기 =(0.0187-0.016)*2270 =6.12 kg

광 가장 중요한 환경 요인 중 하나 광의 물리적 성질 - 전자기장 복사(electromagnetic radiation) 광은 입자를 갖고 있으면서 그 입자가 파장을 갖음, 짧은 파장 높은 에너지

광학적 특성 흡수 반사 투과 흡수율+반사율+투과율=1

복사 복사(radiation): 광복사(light radiation): 물체 표면에서 전자파 또는 광자모양의 에너지를 방출 또는 전달하는 과정을 총칭 광복사(light radiation): 빛(가시광선+적외선+자외선)의 복사

태양광 태양복사(일사) 97%(280-2800 nm) 43%(가시광선) 4%(자외선) 53%(적외선) 파장별 성질

광의 역할 광이 식물에 미치는 영향 에너지원 : 광합성의 명반응의 전자전달을 위한 에너지로 사용 신호전달 : 식물체에 존재하는 광수용체(예:피토크롬)가 특정 파장을 받아서 광형태형성, 광주기성과 같은 현상 유도

광표현 및 단위 파장별 에너지 E=h*c/λ 광강도: (h:플랑크상수, c:광속, λ:파장) *단파장 vs. 장파장: 에너지가 같으면 장파장이 광량자수가 많음 광강도: 단위는 단위시간당, 단위면적당 광에너지로서 일사량 또는 복사량을 나타냄 - 단위: W/m2 또는 kcal/m2/h - 광합성 유효복사량(photosynthetically active radiation, PAR): 400-700 nm 구간의 총 광에너지

광표현 및 단위 조도: 광양자(photon): 가시광선에 대해 인간이 느끼는 휘도(brightness), 단위 lx 또는 klx 555nm에서 최대인 비시감도를 기준으로 나타낸 값 광양자(photon): 광화학반응이 가능한 파장의 입자수 - 단위: μmol 또는 einstein - PPF(photosynthetic photon flux): 광합성 유효광량자속, 400-700nm의 광양자, 광합성 관련 실험에 가장 많이 사용하는 단위

광 측정 센서 분광광도계(spectroradiometer) PAR/Quantum 센서 측정하고자 하는 광원의 파장별 광강도 및 광량분포를 측정 고가의 장비 PAR/Quantum 센서 400~700nm의 광에너지(PAR)나 광량자(PPF)를 측정 간단하여 사용하기 쉽고 비교적 저가의 장비

인공광원의 분류 백열방식 : 열을 내면서 빛이 방출되는 원리 전기방전방식: 기체나 증기중의 방전에 의한 빛을 이용하는 원리 전기장발광방식: 물체에 전자기장을 적용을 통해 발생되는 빛을 이용하는 원리 백열등 형광등 발광다이오드 (LED)

발광다이오드(LED) 기술적 작은 크기 적은 열방사 LED 기능적 다양한 파장조합 펄스조사 경제적 긴 수명 낮은 전압

엽록소 a와 b

단색 LED 465 nm 525 nm 650 nm 460 + 560 nm

단색광에 따른 상추의 생육 Red Blue White Control Green

적색과 청색 LED 조합 1 2 3 Red : Blue 10 : 0 9 : 1 8 : 2 7 : 3 6 : 4 5 : 5 10 : 0 9 : 1 8 : 2 7 : 3 6 : 4 5 : 5 Control 1 2 3 4 5 6 4 5 6 7 7

10:0 9:1 8:2 7:3 6:4 5:5

적색과 청색 LED 혼합광에 의한 상추의 생육

식물공장의 과제 환경제어적 접근에 의한 생산성 향상 경제성 향상을 위한 생산량/투자비(전기비) 극대화 작업의 자동화에 의한 생력화 식물공장에 적합한 품종의 개발

식물공장의 미래 부가가치 1 단계 2 단계 3 단계 고품질 작물 주년/ 계획생산 기능성 원료 생산 의약품 원료 생산 무농약 저세균 무세척 영양강화 작물 (미네랄, 비타민 등) 1 단계 2 단계 3 단계 고 기능성 작물 (한약재 및 식품 등) 경구백신 단백질 의약품