서 론

2021년 현재, 전국 멸치의 2/3 이상을 어획하는 경남 통영과 전남 여수에 80여개 선단의 기선권현망 업체들 은 년간 약 45만 톤의 건조멸치를 생산(Park et al., 2009) 하고 있다. 이 업체들이 사용하는 기선권현망 어법은 어획하는 과정에서 목표어종인 멸치와 함께 혼획이 불 가피한 병어, 해파리와 풀치 등을 해상에서 분리한 후, 살아있는 상태로 즉시 방류해야 바다의 건강한 해양 생 태계를 유지할 수 있다. 선상에서 이루어지는 생멸치 선별이 부정확하여 혼입된 다른 잡어들이 멸치와 함께 자숙되면, 타 업종 어민들이 기선권현망 업계가 바다자 원을 남획한다는 민원을 제기하기도 하고 건조된 멸치 의 상품성도 저하된다.

이에 관련하여 멸치 어획과정에 대한 기선권현망 어 업의 혼획투기(Yang et al., 2012 ; Kim et al., 2009), 멸치 조업과정에서 어구개량과 자동화 조업 시스템 (Jang et al., 2001)과 3척식 자동화 양망시스템(An et al., 2005)과 기선권현망 어업에서 어로기술 개발에 따른 어획 성능지수 변화(An et al., 2019) 등의 선행연구들이 있다. 그러나 기선권현망 본선의 자루그물에 포획된 어 획물들을 가공운반선에서 생멸치 이외의 잡어를 선별하 여 해상으로 배출하는 과정과 멸치를 크기별로 선별하 여 멸치 크기에 따라 각각 다른 자숙조건으로 균질한 자숙이 이루어져야 하는데 건조멸치의 상품성에 큰 영 향을 미치는 자숙 및 냉풍 냉각 등의 후처리 공정에 대한 연구는 찾아보기 어렵다.

여기서는 기선권현망 어업의 어획목표 어종인 생멸치 외 다른 수중생물에 대한 선별성을 향상시키 위해 개발 한 회전롤러식 생멸치 선별기(Kim et al., 2019 ; Kim et al., 2021)를 이용하여 기존의 환봉고정식 생멸치 선별 기, 생멸치 선별 메카니즘 전개, 회전롤러식 생멸치 선별 기계, 기존 환봉고정식 선별기와 회전롤러 선별기의 선 별량 비교, 회전롤러 선별기의 선별 정밀도 및 롤러 회전수에 따른 병어와 해파리 배출속도 등을 분석하여 향후, 보다 효율적인 기선권현망 가공운반선의 생멸치 선별기 시스템을 개량 및 발전시키는데 필요한 기초자 료를 제공하고자 한다.

재료 및 방법

기존의 환봉고정식 생멸치 선별기

기선권현망 어법의 어획과정은 본선의 선미루 갑판 건현 측에서 포획물이 수납된 자루그물에 Fig. 1의 (a)와 같이 피시펌프(fish pump) 헤드를 넣고, 음압(suction)으 로 빨아들여 어획물을 가공운반선 선체 중앙부에 있는 어창(fish pond)으로 압송한다. Fig. 1의 (b)와 같이 기존 에 사용하던 환봉고정식 선별기는 가공운반선 갑판 상 부에서 해수와 어획물이 한꺼번에 쏟아져 나와 해수는 배출구(drain outlet)를 통해 선외로 빠지고, 멸치와 잡어 는 용접으로 고정된 직경 ϕ25 mm의 30여개 환봉 (20~35 mm)위로 미끄러져 내려간다. 멸치가 환봉틈새 사이로 낙하되면 하부에 설치된 어창으로 모아지며, 환 봉을 통과하여 지나친 잡어들은 어창 밖으로 방류하게 되어 있다. 이러한 환봉고정식 선별기는 체형이 멸치와 현저하게 다른 수중생물들은 대략적인 구별이 가능하지 만 체형이 비슷한 비 목표어종은 혼획을 유발하므로 멸 치만의 정확한 선별이 곤란하다.

생멸치 선별 메카니즘 전개

회전롤러 상단에 설치된 피시펌프 배출구로부터 쏟아 져 나오는 어획물은 회전하는 롤러간격이 상단에서 하 단으로 순차적으로 확대되는 롤러 사이를 미끄러져 내 려가면서 멸치 체폭보다 롤러간격이 넓은 장소에서 중 력으로 낙하하면서 롤러간격과 동일한 체폭의 생멸치를 크기별로 선별할 수 있다. 선상에서 이루어지는 선별 메카니즘에서 멸치에 작용하는 힘은, Fig. 2의 (a)와 같 이 롤러하단의 간극이 점차 커지는 1쌍의 20。정도 기울 어진 롤러에 의해 모델링 할 수 있다. 생멸치를 질량 m (kg)의 질점, 롤러 축심을 좌표축 그리고 중력가속도 를 g (m/s² )라고 하면, 회전롤러 사이에서 낙하시키는 순간 멸치에 작용하는 X축 방향의 힘 F_x , Y축 방향으로 작용하는 힘 F_y을 식 (1)로 나타낼 수 있다.

선별이 이루어진 생멸치 낙하궤적을 나타내는 포물선 운동의 경과시간을 t₁ (s), 롤러 사이에서 낙하하는 순 간 t₁을 영(zero)이라 하면, 그때 X 방향 멸치의 초기속 도는 V₀ (m/s)이다. 그러므로 t₁이 영(zero)일 때 멸치위 치를 좌표 원점(O)로 하면 X 방향과 Y 방향에 작용하 는 힘은 식 (1)을 2회 적분하여 다음과 같이 된다.

멸치 선별시간 t₁이 영일 때 X 방향의 처음속도 V₀ 는 회전롤러 위에 있는 멸치 등가속도 운동에 의해 결정 된다. 회전롤러 위쪽에서 피시펌프로 공급되는 멸치의 X방향 처음속도를 V₀ (m/s), 멸치와 회전롤러 표면의 겉보기 동마찰계수를 μ ′, 멸치 활강시간을 t₂ (s)라고 하 면 V₀는 식 (3)과 같다.

멸치는 회전롤러 위에서 다른 멸치 또는 해파리나 병 어 등의 다른 수중생물들과 상호충돌로 인하여 간섭현 상이 발생하기 때문에 t₁이 영(zero)일 때, X 방향의 처음속도 V₀는 영에서 식 (3)의 범위 내에 있다고 가정 하였다. 멸치가 어창에 떨어질 때 낙하점 좌표는 V₀가 영(zero)일 경우, 멸치는 원점 O의 수직 아랫방향 Q로 낙하된다. 또 식 (2)의 t₂에서 t를 대입하여 y를 소거하여, 어창에 멸치 낙하점 P의 X 좌표를 얻을 수 있으며, 어창 에 있는 멸치의 낙하점 좌표 P (x, y )는 식 (4)와 같다.

다만, 여기서

다만, 여기서 과 같다. 또 선별이 이루저진 멸치의 초기속도 V₀가 영 일 경우, 멸치의 낙하점 Q 좌표는 식 (5)와 같다.

다만, x = b cot θ − tan α

를 나타낸다. 멸치의 어창구역 내 낙하지점은 낙하범위 PQ, 멸치 낙하 시 X방향 처음속도 V₀, 롤러 설치각 θ, 어창 내 진입각 α, 원점 O와 어창 저면까지의 거리 b 등에 의해 결정된다. 그러므로 멸치 낙하 구역범위 PQ를 어창크기에 따라 최적설계 조건으로 하는 것이, 해상에서 멸치 크기 선별정밀도를 좋게 하는데 꼭 필요 하다. 낙하시 회전롤러와 멸치 어체 사이에 작용하는 힘의 관계를 Fig. 2의 (b)에 나타냈다. 롤러 사이로 낙하 하는 멸치는 중력(mg), 롤러에 의해 가해지는 저항력 (R) 및 마찰력(μ)이 작용한다. 멸치에 작용하는 마찰력 은 연직방향으로 작용한다고 가정하고 있으며, 이것에 의하여 회전롤러에서 가해지는 롤러와 멸치를 낙하시키 는 힘 F (N)은 식 (6)과 같다.

여기에서 q는 상태변수인데, 멸치와 롤러의 접촉면 회전방향이 멸치 낙하방향과 같을 경우는 1, 반대방향인 경우는 – 1이다. 멸치 체폭이 롤러 간격 이하에서는 R은 영(zero)이 되어 선별된 멸치는 중력에 의해 낙하하고 멸치 체폭이 롤러 간격보다 넓으면 탄성저항에 의해 마 찰계수가 증가하기 때문에 회전롤러 사이로 내려온다.

회전롤러식 생멸치 선별기계

기선권현망 가공운반선(전남 여수선적 905덕해호)의 갑판 캠버라인(camber line)과 20° 경사로 설치된 유압 을 이용한 회전롤러식 생멸치 선별기는 Fig. 3과 같다. 전체는 스텐레스강(STS304) 재질이며 무단계적인 변속 이 가능하며 생 멸치의 유선형 둥근체폭의 어체를 상호 반대방향으로 좌측 롤러 5개 좌회전, 우측 롤러 6개 우 회전시켜 정속(300, 600, 900 rpm) 회전하면서 생멸치를 크기별로 선별하게 되어 있다. 아울러 크롬도금과 버핑 처리로 광택이 나는 9개의 회전롤러(1,800L×Φ58 mm) 는, 기계 내부에 래크(rack)와 피니언(pinion)으로 이루 어진 멸치 크기 조절장치(anchovy size control device)가 어획시기에 따른 자멸부터 대멸까지 크기변화에 대응하 여 원형핸들로 간격 제어가 가능하다.

기선권현망 가공운반선으로 이송된 혼획된 멸치와 잡 어가 Fig. 3의 좌측 상단에 있는 입구(entrance)를 통하여 회전롤러로 상단부로 이송된다. 피쉬펌프로 부터 토출된 어획물은 구동부와 종동부의 좌·우 사이를 동일한 간격 으로 조정된 회전롤러에 의해 어획물이 출구(outlet) 측 으로 미끄러져 내려가면서 틈새간격에 따라 원하는 크기 의 멸치만을 낙하시켜 어창에 수납하고, 비 목표어종들 은 출구를 벗어나 살아있는 상태로 해상으로 방류하여 목표어종인 멸치 이외의 어족자원은 보호할 수 있다.

회전롤러 상부의 해수 스프링 쿨러(sea water sprinkler) 에서 해수를 미립화하여 살포하면 롤러표면과 멸치 비 늘사이의 겉보기 동마찰계수는 롤러 원주 속도가 1 m/s 이상에서는 거의 0 (zero)이 되며, 살수량이 증가하면 동마찰계수는 더욱 감소한다. 그 이유는 작은 크기의 미립자 물방울로 살수하면 해수는 저점성(低粘性)이 되 며 생멸치와 롤러면 사이에 얇은 수막인 하이드로 플레 이닝(hydro planning) 현상이 발생하여 멸치비늘의 마찰 계수(friction coefficient)를 저감되고 비늘이 온전하게 부착된 상태로 어창으로 수납되어 적절한 자숙과 효과 적인 냉풍건조가 이루어지면 마른멸치의 상품성 제고에 크게 기여할 수 있다.

결과 및 고찰

기존 환봉고정식 선별기와 회전롤러 선별기의 선별량 비교

남해안 여수를 중신으로 조업하는 기선권현망 업계에 서 사용하는 자숙용 플라스틱 발장(910×750×55 mm) 100개에 산포되는 생멸치 무게인 600 kg 어획물에 대 하여 기존 환봉고정식과 회전롤러 선별기의 선별구간 1,800 mm를 통과하면서 소요되는 시간과 단위시간당 선별되는 생멸치 무게를 Fig. 4에 나타냈다. 기존 선별기 (existing)의 선별구간을 통과하는 시간은 왼쪽 축과 같 이 4.43초 였고 회전롤러 선별기의 경우, 회전수가 300 rpm일 때 2.75 초, 600 rpm일 때 2.43초 그리고 900 rpm 일 때 2.21초가 경과하였다. 오른쪽 축은 단위시간(1 sec.)마다 선별되는 생멸치 무게를 나타낸 것으로 환봉 고정식 선별기는 141.8 kg이고, 롤러 회전수가 300 rpm 일 때 218.2 kg, 600 rpm일 때 246.9 kg 및 900 rpm의 경우 271.5 kg이다. 이 결과로 회전롤러 선별기는 기종 의 환봉고정식에 비교하여 선별이 이루어진 생멸치 무 게가 54%, 74% 및 91.5%가 증가하므로 회전롤러를 이 용하여 생멸치를 선별하면 기존의 환봉고정식에 비교하 여 평균 73.2% 정도 소요시간을 단축할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

회전롤러 선별기의 선별 정밀도

생멸치의 선별정밀도를 판단하기 위해 5인의 멸치전 문 판매중개인이 육안으로 잡어를 선별하여 좌측 축에 는 무게를, 우측 축에는 선별정확도를 Fig. 5에 나타냈 다. 환봉고정식 선별기(existing)은 시료 60 kg의 가운데 선별된 잡어무게가 6.4 kg인데 비교하여, 회전롤러 선별 기의 300 rpm은 1.5 kg, 600 rpm은 1.3 kg 그리고 900 rpm은 1.25 kg으로 20~23% 수준으로 현저히 감소하고 있다. 이것을 선별정밀도로 환산하기 위해 전체 시료무 게(60 kg)에서 잡어무게를 제외하고 순 멸치만의 무게 로 환산한 결과, 환봉고정식은 89%이나, 회전롤러 선별 기 300 rpm은 97.5%, 600 rpm은 97.8% 그리고 900 rpm 은 97.9%로 평균 97.7%이므로 기존의 선별기에 비교하 여 회전롤러 선별기의 선별정확도가 8.7% 정도가 더 향 상되었다.

롤러 회전수에 따른 병어와 해파리 배출속도

피쉬펌프를 통해 이송되어온 어획물 가운데 가장 개 체수와 개체량이 많아 선상 선별이 가장 시급한 어종인 병어(Butter fish)와 해파리(Jelly fish)의 회전롤러 위에 서 이송속도를 Table 1과 같이 측정하였다. ⒜는 회전수 300 rpm일 때 병어가 선별기 초입부터 565 mm까지 이 동하는데 39/100초가 소요되어 1,450 mm/s로 속도로 이 송하였고, ⒝의 해파리는 선별기 초입부터 880 mm까지 를 64/100초가 걸려 1초에 1,354 mm가 움직였으므로 병어가 해파리에 비하여 7% 정도 빠르게 선별기 밖으로 배출되었다. 롤러 회전수를 600 rpm으로 한 경우, ⒞는 병어가 선별기 입구 160 mm부터 680 mm까지 옮겨가는 데 34/100초가 소요되어 초속 1,530 mm/s로 움직였고, ⒟는 해파리가 선별기 초입 300 mm부터 800 mm까지를 35/100초 만에 지나가서 1초에 1,430 mm가 이송되었으 므로 병어가 해파리에 비하여 7.5% 정도 신속하게 움직 였다. 롤러 회전수를 900 rpm으로 하였을 때, ⒠와 같이 병어는 선별기 초입부터 885 mm까지 이동하는데 44/100초가 소요되어 초속 1,989 mm/s로 움직였고, ⒡ 의 해파리는 선별기 입구 150 mm부터 560 mm까지 거 리를 24/100초 정도 소요되어 1초에 1,710 mm를 이동하 는 것으로 측정되었으므로, 병어가 해파리에 비하여 16% 정도 빠르게 움직여서 평균적으로 병어가 해파리 에 비해 10% 정도 빠르게 선외로 배출되었다. 아울러 롤러 회전수를 300 rpm으로 한 경우, 병어와 해파리의 평균 이송속도는 1,400 mm/s이고 600 rpm은 1,480 mm/s이므로 0.27 mm/rpm의 이송속도 증가를 보이며, 900 rpm의 평균 이송속도가 1,850 mm/s이므로 Φ58 mm의 롤러가 한 바퀴 돌 때 1.23 mm 정도 움직이는 속도를 보이고 있다. 이 결과는 병어의 경우, 날렵한 유 선형의 체형이며 비늘 자체가 없어 롤러와 마찰이 거의 없는 어종이고, 해파리는 표피에 접착력이 있는 무정형 적인 체형도 관련이 있을 것으로 사료되는데 향후 보다 많은 어종을 대상으로 정량적 평가가 이루어지는 후속 연구가 필요하다.

결 론

기선권현망 어선에서 어획목표 어종인 생멸치 외 다 른 수중생물에 대한 선별성을 향상시키 위해 기존 환봉 고정식 선별기와 회전롤러 선별기의 선별량 비교, 회전 롤러 선별기의 선별 정밀도 및 롤러 회전수에 따른 병어 와 해파리 배출속도 등을 분석하였다.

회전롤러 선별기는 기종의 환봉고정식에 비교하여 선 별이 이루어진 생멸치 무게가 54%, 74% 및 91.5%가 증가하므로 회전롤러를 이용하여 생멸치를 선별하면 기 존의 환봉고정식에 비교하여 평균 73.2% 정도 소요시간 을 단축할 수 있는 효과를 얻을 수 있다. 선별정밀도로 환산하기 위해 전체 시료무게(60 kg)에서 잡어무게를 제외하고 순 멸치만의 무게로 환산한 결과, 환봉고정식 은 89 %이나, 회전롤러 선별기의 평균 97.7%이므로 회 전롤러 선별기의 선별정확도가 8.7% 정도가 더 향상되 었다. 회전수 300 rpm일 때 병어가 해파리에 비하여 7% 정도 빠르게 선별기 밖으로 배출되었고, 회전수를 600 rpm으로 한 경우, 병어가 해파리에 비하여 7.5% 정도 신속하게 움직였으며 900 rpm으로 하였을 때, 병어가 해파리에 비하여 16% 정도 빠르게 움직여서 전체 평균 은 병어가 해파리에 비해 10 % 정도 빠르게 선외로 배출 되었다. 아울러 병어와 해파리의 평균 이송속도는 롤러 회전수를 300 rpm일 때 1,400 mm/s이고 600 rpm은 1,480 mm/s이며, 900 rpm은 1,850 mm/s이므로 Φ58 mm의 롤러가 한 바퀴 돌 때 1.23 mm 정도 움직였으며, 향후 보다 많은 기선권현망 비 목표어종을 대상으로 정 량적 평가가 이루어지는 후속 연구가 필요하다.