Hot Tech - 세계 최대 용량의 자외선을 이용한 선박평형수 처리시스템 기술
Hot Tech는 기술을 선도하는 혁신기업으로부터 듣는 최신 기술동향입니다.
▲ 천상규 연구소장(주)파나시아
(주)파나시아는 수위계측장비 생산을 시작으로 선박평형수 처리장치(BWTS : Ballast Water Treatment System), 육해상용 탈질 및 탈황설비를 생산하는 수출규모 연간 7천만 달러 이상의 글로벌 기업이다.
1989년 범아엔지니어링으로 설립되어 조선 산업에 대한 기술과 노하우를 바탕으로 2007년 (주)파나시아로 법인명을 변경하며 BWTS 개발 및 판매로 사세를 넓혀 왔다.
BWTS는 해양환경오염 방지에 필수적인 조선 기자재로서, 특히 (주)파나시아의 제품은 화학적 과정을 거치지 않는 순수 물리적 처리 방식으로써 더욱 친환경적이라 할 수 있다.
또한 현재까지 900여 건에 달하는 실적으로 시장점유율 선두를 달리고 있고, 세계 일류 상품, World Class 300 지정, IR52 장영실상 수상 등 그 가치를 인정받으며 지속적인 성장을 이어가고 있다.
2014년, 현재의 미음산단 신사옥으로 공장, 연구소 및 본사를 통합 이전한 (주)파나시아는 그 이름을 Happy Work Campus로 명명하였다.
이것은 회사가 일하는 장소가 아닌 직원 모두가 행복하게, 그리고 배움을 얻을 수 있는 장소를 지향하는 행복경영이 엿보이는 부분이다.
또한 2020년까지 시장점유율 1위를 달리는 중견기업으로 나아가기 위해 “Soar 2020”이라는 슬로건을 대내외에 선포하였다.
이를 통해 친환경 제품 전문 기업으로서 임직원, 지역사회와 환경, 나아가 인류에 긍정적 영향을 미칠 수 있는 글로벌 히든 챔피언으로 거듭나고자 한다.
(주)파나시아의 주력 제품인 BWTS는 필터(Filter)와 자외선 살균장치로 구성되어 있다.
공간 및 사용 환경에 제약이 있는 선박에 설치된다는 특성상 매우 중요한 요소는 면적과 전력사용량이다.
이번에 소개하는 제품은 지난 11주차 IR52 장영실상을 수상한 대용량 해수처리용 자외선 살균장치(MEGA UV)로서, 장치의 가장 중요한 핵심 부품인 고효율 중압 UV 램프를 자체 개발하였다.
MEGA UV는 단일 모듈 살균 처리 용량이 1,500㎥/h로써 세계 최대 규모이며 살균력 또한 매우 우수한 제품으로 대한민국 정부 형식승인 및 유럽 방폭인증(ATEX), 국제 방폭인증(IECEx)을 모두 보유하고 있다.
여기서 선박평형수란 선박의 안전 운항과 프로펠러 잠김을 위한 것으로 화물을 내린 후 선박의 균형을 유지하기 위해 선박에 유입되는 해수를 말하며, 선박의 운항에 따른 선박평형수의 유입으로 인해 1일 평균 약 6,000여 종의 동식물이 고유해역을 벗어나 이동하면서 경제적, 환경적으로 많은 피해를 유발하게 된다.
이런 해양 환경오염 문제를 해결하기 위하여 국제해사기구(IMO: International Maritime Organization)에서는 선박평형수와 침전물 관리 국제협약을 채택하여, 국제선 항로를 운항하는 거의 모든 선박에 의무적으로 선박평형수 처리장치를 설치하도록 규제화하였다.
자외선 살균의 개요
자외선은 광스펙트럼상 X-선과 가시광선 사이에 위치하고 있으며, 자외선 파장은 그림 1과 같이 UV-A(315~400㎚), UV-B(280~315㎚), UV-C(200~280㎚), Vacuum UV(100~200㎚)의 네 부분으로 나누어진다.
자외선 살균은 미생물에 대한 UV-C와 UV-B의 살균 활동에 의해 일어나며, UV-A의 살균 능력은 UV-C나 UV-B보다는 상대적으로 떨어진다.
따라서 UV-A가 살균제로서 효과를 나타내기 위해서는 비교적 긴 노출 시간이 필요하며, 이산화티타늄(TiO2) 등의 광촉매를 활성화시키는 효과가 탁월해 최근 고급산화처리(AOP:Advanced Oxidation Process) 공법으로 수처리나 대기처리에 사용되기도 한다.
Vacuum UV는 미생물 살균에 매우 효과적이지만 물속을 투과하는 능력이 떨어지기 때문에 물을 살균하기에는 비실용적이다.
자외선에 의한 살균원리는 자외선 조사에 의해서 미생물 세포 내의 핵산 변화와 더불어 신진대사에 장해를 줌으로써 미생물의 증식능력을 잃게 하여 살균시키는 것이다.
살균작용은 대체로 파장이 200~320㎚ 영역에서 일어나게 되고, 약 260㎚ 부근에서 가장 강하게 일어난다. 이는 세포내에 존재하는 핵산이 UV-C를 가장 잘 흡수하기 때문이다.
그림 2에 디옥시리보 핵산(DNA)의 구조와 살균 처리를 통한 변형된 DNA 형상을 나타내었다.
조사된 자외선은 그림과 같이 핵산의 이중나선 구조 사이를 잇는 네가지 염기(뉴클레오티드) Adenine, Guanine, Cytosine, Thymine 중에서 Thymine에 흡수되고, 이로 인해 전혀 다른 유전자로 변형되어 단백질을 형성하지 못하게 함으로써 살균이 이루어지게 되는 것이다.
자외선을 이용한 살균은 멸균과는 개념차이가 있다. 즉, 자외선 노출에 의한 DNA 손상으로 인해 미생물의 복제는 불가능해지지만, 미생물의 대사 작용까지 불가능하게 하지는 못한다는 의미이다.
따라서 자외선의 흡수가 상대적으로 부족한 미생물들은 여전히 대사 작용을 유지하고 있기 때문에 일부 복원이 가능하게 되며, 광회복(Photo Repair)과 암실회복(Dark Repair)을 통해 손상된 DNA를 회복하게 된다.
이러한 광회복 또는 암실회복이 일어나지 않도록 하기 위해서는 복제를 막는 데 필요한 자외선 조사량보다 더 많은 자외선 조사량이 필요하다.
자외선 조사량은 표면에 입사되는 단위 면적당 에너지양에 대한 측정값이며, 모든 방향과 노출 시간으로 부터 미생물에 작용하는 평균 강도의 산물이다.
자외선 조사량의 단위로는 일반적으로 J/㎡, mJ/㎠ 또는 mWs/㎠가 사용되며, J/㎡은 유럽에서 주로 사용되고, mJ/㎠은 북미에서 주로 사용된다.
MEGA UV 반응기
(주)파나시아에서 개발한 MEGA UV 반응기(Reactor)(그림 3 참조)는 기존 원형 형태의 UV 반응기를 사각형 형태의 구조로 변경한 반응기로서, 최적의 램프 배치를 통한 균일한 UV 조사량을 얻을 수 있도록 설계하였다.
이를 위해 UV 조사량을 분석할 수 있는 시뮬레이션 프로그램을 자체 개발하여 수학적 분석을 수행하였을 뿐만 아니라, CFD 분석과 연계하여 다양한 해수의 수질조건에서 시뮬레이션을 통한 검증을 완료하였다.
최종적으로는 국내 공인시험기관을 통해 살균효율 및 시스템적 적합성 검증 과정을 모두 거쳐 정부 형식승인을 획득하였다.
UV 반응기 내부에는 3.2㎾급 중압 자외선 램프가 석영 재질의 슬리브관 속에 내장되어 있고, 자동 세척을 담당하는 세척장치(Wiper)가 각각의 슬리브관을 둘러싸고 있다.
이 세척장치는 반응기 외부에 설치된 세척장치 구동용 전동기에 의해 전·후진 동작을 수행하며, 이 과정을 통해 슬리브관 외부의 이물질을 제거하게 된다.
반응기에 내장되는 중압 UV 램프는 소비전력을 줄이면서 살균 파장대의 자외선 방출을 증가시킴으로써 살균 효율을 향상시킬 수 있도록 자체 개발한 제품을 적용하였다.
UV 반응기 외부에는 세척장치 구동용 전동기 외에 자외선 강도계, 반응기 내부온도검출 센서, 반응기 표면온도검출 센서 및 세척장치 전·후진 위치검출 센서가 설치되어 있다.
자외선 강도계는 램프로부터의 자외선 강도를 검출하여 유량 변화에 맞춰 일정한 조사량을 제어하기 위해 사용되고, 온도 검출센서들은 이상 동작으로 인한 과열로부터 자외선 반응기를 보호하기 위한 안전회로 구성에 이용된다.
(주)파나시아의 대용량 해수처리 장치인 MEGA UV는 전처리용 여과장치인 필터와 함께 조합되어 단일 모듈로 단위 시간당 1,500㎥까지 처리 가능한 제MANAGEMENT품이다.
(주)파나시아는 해당 제품의 개발을 통해 국내외 12건의 특허를 출원 또는 등록하였고, 현재까지 선박평형수 처리기술과 관련하여 총 140여 건의 특허를 보유하고 있다.
대용량 선박평형수 처리시스템(GloEn-PatrolTM GⅢ)
(주)파나시아의 자외선을 이용한 선박평형수 처리시스템인 GloEn-PatrolTM은 필터와 UV 반응기 및 제어부로 구성되며, 선박에서의 간단한 적용 예를 그림 4에 나타내었다.
선박의 해수 인입구(Sea Chest)를 통해 유입되는 평형수는 선박평형수 처리장치를 거쳐 평형수 탱크 또는 선외로 옮겨지게 된다.
필터는 자외선 살균장치의 앞단에서 유입되는 해수 중 비교적 큰 입자의 부유물(SS: Suspended Solid)이나 미생물을 여과시키는 역할을 한다.
제어부는 주제어부와 보조제어부로 나뉘며, 주제어부에는 제어장치인 PLC(Programmable Logic Controller)가 내장되어 살균장치 운전에 필요한 입·출력을 제어하며, 제어용 전원 변환 장치 및 그래픽 패널(GP: Graphic Panel)이 취부되어 있다.
보조제어부는 램프 구동용 전원장치인 안정기와 전동기의 전원을 공급하는 역할을 한다.
또한 자외선 살균시스템의 제어부에서는 유입 또는 배출되는 선박평형수의 유량 및 유압을 감시할 수 있도록 하기 위해, 배관 상에 설치된 유량계(Flow Meter)와 유압계(Pressure Transmitter)로 부터 데이터를 취득하여 이를 그래픽 패널 화면에서 실시간 모니터링이 가능하도록 하였다.
대용량 선박평형수 처리장치인 GloEn-PatrolTM GⅢ를 개발함으로써, 그림 5 에 나타낸 바와 같이 기존 제품(GloEn-PatrolTM GI)에 비해 소비전력은 약 44% 절감하고, 설치 면적은 약 44.5% 축소시키는 효과를 얻을수 있다.
뿐만 아니라 IECEx와 ATEX 방폭 인증을 획득함으로써 폭발 위험이 존재하는 원유, 가스, 화학 운반선을 포함한 모든 선박에 적용이 가능하게 되었다.
맺음말
(주)파나시아에서 개발한 GloEn-PatrolTM GⅢ는 1,000㎥/h, 1,250㎥/h, 1,500㎥/h 세 가지의 모델로 구성되어 있으며, 이는 단일 모듈로 최대 처리 용량이 1,000㎥/h에 불과한 경쟁사에 비추어 볼 때 세계 최초, 최대 용량의 제품이다.
또한 해당 모듈에 대한 IECEx와 ATEX 방폭승인을 세계 최초로 획득함으로써, 시스템의 살균 처리 효율뿐만 아니라 안전성까지도 입증 받게 되었다.
최근 선박이 점점 대형화되면서 선박평형수 처리장치의 처리 용량도 증가하고 있는 추세이다.
기존에는 이런 대용량 처리를 위해 소용량 제품을 2개 이상 조합해 사용하였고 이로 인해 선박에서의 설치가 복잡할 뿐만 아니라 넓은 설치 공간이 요구되고 전력소모 또한 크다는 단점이 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 제품의 크기가 작으면서 전력소모가 적은 제품개발의 필요성이 대두되었다.
이에 (주)파나시아는 대용량 선박 평형수 처리시스템인 GloEn-PatrolTM GⅢ를 성공적으로 개발함으로써 소용량과 대용량 제품 모두 시장에서의 경쟁력을 확보하게 되었다.
또한 화학적 부산물이 발생해 중화제를 사용해야 하는 전기분해 방식의 살균 시스템과 달리 친환경 처리방식이라는 점도 본 제품의 강점이다.
(주)파나시아는 해당 제품의 성공적인 개발을 통해 모든 선종과 용량에 적용이 가능하게 되었다.
특히 설치 공간과 소비전력에 민감한 현존선(Retrofit) 시장에서 유리한 입지를 마련하였다.
또한 현재 IMO 규제보다 더 강화된 규제인 미국연안경비대(USCG: United State Coast Guard)의 인증을 위해 순조롭게 검증 과정을 밟고 있으며 금년 말까지 승인을 완료할 계획이다.
이러한 꾸준한 연구개발을 통해 선박의 종류, 운항경로, 운항 형태, 신조선 및 현존선 등 다양한 시장상황을 고려하고 이에 대응할 수 있는 고객 맞춤형 시스템 개발에 박차를 가하고 있다.
(주)파나시아는 “새로운 창조에 도전하는 기업”인 창업정신을 바탕으로, 향후 도래하게 될 제4차 산업혁명 시대를 대비하여 기존 기술과 ICT 기술의 접목을 통한 융복합 기술개발 또한 적극적으로 추진하고 있으며, 이러한 새로운 기술에 대한 끊임없는 도전을 통해 First Mover로서 세계시장을 선도하는 Global Hidden Champion이 되고자 한다.