서 론

국민생활수준 향상으로 건강에 대한 관심은 날로 급 증하고 있으며, 이에 따라 웰빙식품으로 대변되는 수산 물의 수요도 급증하고 있다. 이러한 최근의 식생활 개 선 및 소비패턴의 변화에 발맞추어, 우리나라 수산물 총소비가 2003년에 약 350만 톤에서 2013년에 430만 톤으로 폭발적인 증가세를 나타내고 있다.

수산물 소비의 증가는 수산물의 수출 및 수입을 포함 하는 유통에도 영향을 미쳐 수산물을 활어상태로 저렴 한 가격에 유통할 수 있는 방법 강구를 요구하고 있다. 최근에는 한·미, 한·EU FTA 등의 영향으로 일반 화물 뿐만 아니라, 미국과 대만 등지에서 활수산물의 수요가 확대되고 있어, 활수산물의 장거리 수송을 위한 기술개 발이 더욱 더 요구되고 있는 실정이다.

일반화물 및 농·수산물을 장거리로 수송할 경우 약 90%가 화물컨테이너를 이용하여 차량, 선박, 철도 및 항공기 등 개별적으로 운송하는 시스템과 두세 가지 운 송 방법이 혼합된 복합 운송 시스템에 의해 수송한다 (Lee et al., 2005). 특히, 활수산물을 수출하는 경우는 내수와 달리 목적지점까지 운송하는데 소요되는 많은 시간과 비용이 소요되어, 미국과 같이 장거리로 넙치를 수출하는 경우 물류비는 수출원가에서 많은 비중을 차지한다. 활수산물의 미국 수출은 대부분 항공운송으로 연간 300톤 정도 수출되고 있으며, 수출원가의 약 45% 이상을 물류비 (12,000원/kg)가 점유하고 있는 실정이 다. 따라서 항공기를 이용하여 수출되는 경우에는 많은 물류비가 소요되므로 양적인 수출 확대를 기대하기는 어려운 실정이다. 또한 항공기로 수출하는 경우는 적재 할 수 있는 물량이 제한적이며, 특히 성수기에는 항공 화물 공간 부족 등으로 적기 적소에 물량을 운송하지 못하는 사례들이 종종 발생하고 있다. 이와 같은 현상으 로 업계에서는 물류비 절감을 위해서 다양한 방법들이 시도되어 왔으나 (Cho et al., 1994; Yoon et al., 2000; Yoon et al., 1998), 아직까지 획기적인 성과를 얻지 못 하고 있으며, 또한 내수의 수요 및 가격의 변동에 따른 활수산물의 안정적인 물량확보가 어렵다는 것이 현실이 다. 그리고 국내·외에서의 기술 개발은 컨테이너 일반화 물을 수송 및 보완장치 개발에만 국한되었을 뿐 (Oh and Lee, 2014; Moon et al., 2013; Choi et al., 2009), 활 수산물을 장거리 수송하기 위한 기술개발은 미흡한 실 정이다. 그 이유는 활수산물의 경우는 일반 화물컨테이 너와 달리 생물의 수송환경을 유지시키기 위한 각종 장 치 설치 및 개발비용과 대량 폐사와 같은 시행착오에 대한 비용부담이 크기 때문이며, 또한 활수산물의 수송 조건을 규명하고 활어 등의 수산물 수송 컨테이너를 개 발하기 위해서는 어병, 양식, 시스템 제어분야 등의 다 양한 전문지식이 복합적으로 필요하기 때문이다.

본 논문에서는 넙치를 대상으로 육상에서 장기간 실 험을 통해 규명된 최적 운송 환경조건을 유지하기 위해 산소발생장치, 냉각장치화, 가온장치, 순환펌프, 단백질 분리장치, 자외선 살균장치, 무정전전원장치, 용존산소 량 및 수온센서 등을 설치하여, 수송환경을 유지할 수 있는 활어 수송용 컨테이너의 제어 시스템을 설계 및 적용하였다. 활어 컨테이너 제어 시스템의 안정성 평가 및 검증을 위해서 넙치 활어 약 2,000kg를 미국으로 15 일여를 수송을 하면서 계측장비의 운용상태 및 수송환 경을 분석하였다.

재료 및 방법

활어 컨테이너 시스템 설계

활어 수송용 컨테이너 (Fig. 1)는 기존의 냉동 컨테이 너를 활용하여 전원부, 제어부 및 수송부로 구성하였다 (Fig. 2).

전원부는 3상 육상 전원공급, 국가별 사용 주파수 및 전압 조정을 위한 3상 변압기 (3∅ Transformer), 활어 적재 후 필요한 전원을 공급하기 위해 무정전전원장치 (Uninterruptible power supply: UPS), 배터리, 과전류 차단을 위한 차단기 및 퓨즈 (Circuit breaker and fuse) 등으로 구성하였다.

제어부는 활어 컨테이너의 장치 운용 및 제어, 오동작 에 대처하기 위한 PLC (Programmable Logic controller) 및 릴레이 (Relay), 수조 내의 수온 및 용존산소량을 실 시간으로 모니터링하고 제어하기 위해 수온 센서와 용 존산소량 센서로 구성하였다.

수송부는 활어에 산소공급을 위한 산소발생장치 (Oxygen generator: DO) 해수 수온을 유지를 위한 가온 장치 및 냉각장치 (Heater and Chiller)로 구성하였다. 그리고 활어를 수송하기 위한 대형 수조 (Large water tank)와 수조 내부 전체의 해수순환을 위한 주 순환펌 프가 설치되어 있으며, 주 순환펌프 고장 발생 시 대체 가능한 보조 순환펌프 (Main and auxiliary circulating pump)로 구성하였다.

Fig. 3과 같이 대형 수조는 4개의 작은 수조로 구성 되며, 작은 수조 각각에는 자외선 살균장치 (UV sterilizer), 어류의 배설물이나 표피에서 나오는 점액 성분을 제거하기 위한 단백질 분리장치, 수중펌프 (Underwater pump: UP)가 구성되어 있다. 수중펌프는 수조내부의 살균 및 단백질 분리를 위해서 해수를 순 환시킨다.

또한 활어 수송용 컨테이너의 취급 부주의에 따른 책 임소재 및 수송과정 중 활어 폐사의 원인을 규명하기 위해서 각 장치의 구동신호, 수송환경 모니터링 및 데 이터 수집이 가능하도록 구성하였다.

Table 1은 활어 컨테이너 수송환경 제어에 필요한 주 요센서 및 장치들의 사양을 나타낸다.

활어 컨테이너 수송환경 제어 알고리즘

수산물을 장거리로 수송하기 위해 필수적으로 수온, 용존산소량과 순환펌프 제어가 필수적이다. 수온제어 를 위해 냉동 컨테이너 내부에 기본적으로 설치된 냉 동기와 자체 설치한 수온센서를 이용하였다. 추가적으 로 열대성 어류를 수입하기 위해서 가온장치를 설치하 였다.

수온제어는 사용자가 설정하는 수온 값 기준으로 냉 동기 또는 가온장치를 가동할 여부를 판단하여, 설정된 수온 값과 실시간 측정된 수온 데이터를 비교하여 제어 하는 방식이다. 활어 컨테이너 제어 시스템의 전체적인 알고리즘은 Fig. 4와 같다.

용존산소량 제어는 용존산소량 센서로 부터 검출된 데이터와 사용자가 설정한 최대 및 최소 용존산소량을 비교하여, 용존산소량 제어영역 (Control area)을 유지 하는 방식으로 Fig. 5와 같이 구성하였다. 용존산소량 제어의 경우는 상승단계 (Up stage)에서는 산소발생기 를 두 대 (S1, S2) 모두 가동시켜 수조 내 부족한 산소 를 활어에 빠르게 공급할 수 있도록 하고, 하강단계 (Down stage)에서는 한 대 (S1)만 가동시켜 기본적으로 어류의 호흡에만 필요한 산소를 공급하도록 하였다. 그 리고 Fig. 5(b) , (c)는 산소발생기 두 대 중 한 대가 고 장 시에는 대체 가능한 산소발생기가 도착할 때까지 가 동상태를 유지하도록 하였다.

순환펌프는 주 순환펌프와 보조 순환펌프를 장착하 여, 주로 주 순환펌프가 지속적으로 가동하도록 구성하였고, 수송 중에 주 순환펌프가 고장 날 경우에 보조 순 환펌프가 가동하여 수조내부에 있는 해수를 순환 시키 도록 구성하였다.

2차 실험에서는 수온 7°C, 용존산소량을 15~18 ppm 으로 제어하여 수송실험을 하였으며, 수송환경 조건은 1~2일에 걸쳐, 어류가 스트레스를 받지 않는 범위에서 점차적으로 순응시켰다. 그리고 수온과 용존산소량 제 어가 필요한 구간에서 정상적으로 작동되는지를 확인 하기 위해서 수온과 냉각장치 동작 신호, 용존산소량과 산소발생기 동작신호 수집장치 (GL220, Graphtec Co., Japan)를 설치하였다.

장거리 수송 조건 및 방법

활어 컨테이너 제어 시스템을 구성하여, 2013년 3월 에 1차 그리고 2014년 8월에 2차 장거리 수송 실증시 험을 실시하였다. 1, 2차 실험조건은 Table 2와 같으며, 1차 실험에서는 초기 실험적인 연구단계로 넙치가 비 활동성 수온이라고 알려진 7°C로만 제어하도록 하고, 용존산소량은 제어하지 않고 어류 투입 직전에 15.0 ppm으로 고정시켜 수송하도록 하였다.

결과 및 고찰

활어 컨테이너 수송 실증시험 결과 및 분석

Fig. 6은 어류 적재 후, 수온 7.0°C, 용존산소량 15.0 ppm으로 고정시켜서 미국으로 수송한 1차 실험결과이 다. 어류의 경우 환경변화에 민감하기 때문에 2013년 3 월 27오전부터 28일 오후까지는 수송환경에 적응 할 수 있도록 수온을 천천히 내려 순치될 수 있도록 하는 기간이었으며, 3월 29일부터 4월 10일까지 수송하였다.

1차 수송 실험결과에서는 수온의 경우, 7°C로 안정적 으로 유지됨을 확인 할 수 있었으며, 용존산소량의 경 우는 수송기간 동안 시간이 경과함에 따라 15.0 ppm에 서 9.0 ppm 내외로 서서히 감소되는 경향을 나타내었 다. 수송 전후 용존산소량 변화량은 5.2 ppm이었으며, 수송 후, 생존율은 90%이었다.

Fig. 7은 수온을 7°C, 용존산소량은 15~18ppm으로 일정하게 유지되도록 시스템을 구성하여 수송한 2차 실험결과이다. 2차 실험에서도 어류가 수송환경에 적응 할 수 있도록 2014년 8월 30일 오전부터 8월 31일 오 후까지 수온을 천천히 내려, 저수온으로 순치시켰다. 9월 1일부터 13일까지 수송하였다.

2차 수송 실험결과에서는 수온은 7.0°C, 용존산소량 이 15.0~18.0 ppm으로 안정적으로 제어됨을 확인 할 수 있었다. 그리고 1차 실험과 동일하게 수송시간이 5 일을 초과함에 따라 용존산소가 감소하여, 산소발생기 가동 횟수가 점점 빈번해 짐을 확인 할 수 있었다. 수온 과 냉각장치 동작 신호 (Fig. 8), 용존산소량과 산소발생기 동작신호 (Fig. 9)를 분석결과 수온은 7.0~7.1°C의 범위로 정확하게 제어되고, 냉각장치 또한 안정 적으로 정상 동작됨을 알 수 있었으며, 용존산소량은 최초 설 정범위에 맞게 15~18 ppm 범위로 제어되고, 설계된 용 존산소량 제어알고리즘과 동일하게 2번 산소발생기는 지속적으로 산소를 공급하고, 설정한 최소 15 ppm 에 도달 시에는 1번 산소발생기가 구동하여 18 ppm에 도 달하면 중지하는 동작을 정확하게 구현하고 있음을 확 인 할 수 있었다.

2차 수송실험의 경우 Fig. 10과 같이 장거리 수송을 위한 모든 장치의 동작신호 분석결과 모든 장치가 정상 동작됨을 알 수 있으며, 수송 후 생존율은 98%로 나타 났다.Fig. 9, 10

결 론

넙치를 활어 수송용 컨테이너로 2회 미국으로 수송 한 결과, 수조 내 수온의 경우는 수온 센서 및 냉각장치 에 의해서 7.0°C로 안정적으로 유지됨을 확인 할 수 있 었다. 하지만 용존산소량의 경우는 1, 2차 실험에서 공 통적으로 수송 시간이 경과함에 따라 수조내의 수질이 점점 악화되어 용존산소량이 떨어짐을 확인 할 수 있었 다. 1차 수송 실험결과로부터 용존산소 변화량은 약 5.2 ppm, 임을 알 수 있었으며, 급격히 감소하는 시점 은 2차 실험결과로부터 산소발생기 가동횟수가 빈번해 지는 시점인, 5일을 초과한 시점부터 발생하는 것으로 판단된다. 따라서 원활하게 활어 수산물을 장거리로 수 송하기 위해서는 기타 수질과 관계되는 데이터를 수송 기간에 충분히 수집 및 분석하여, 수질정화를 할 수 있 는 장치 또는 수 처리 방법에 대한 연구가 필요할 것으 로 판단된다.

2차 수송실험에서는 용존산소량 제어 알고리즘과 동 일하게 최초 설정범위에 맞게 15.0~18.0 ppm 범위로 제어되는 한편, 2번 산소발생기는 지속적으로 산소를 공급하고, 설정한 최소 15.0 ppm에 도달 시에는 1번 산 소발생기가 구동하여, 18.0 ppm에서는 중지하는 동작 제어가 정확하게 이루어지고 있음을 확인 할 수 있었 다. 그리고 수집된 각 장치별 동작신호 분석결과 정상 동작함을 확일 할 수 있었다.