[연간기획]농기계최신기술

농업분야 생산성을 확대하고 부가가치를 높이는데 있어서 농기계의 중요성은 더욱 강조되고 있다. 특히 스마트팜·ICT융복합·정밀농업 등 첨단기술 확장을 통한 농기계 연구개발이 지속적으로 이뤄지고 있다. 농업 생산작업의 자동화·로봇화기술, 농가경영안정을 위한 에너지절감기술, 농산물 부가가치향상을 위한 수확후 품질관리·가공·유통기계기술, 농업재해 예방관리기술 등 국내 농업기계 연구개발을 전담하고 있는 국립농업과학원 농업공학부의 최신기술을 연간기획으로 살펴본다.
 

③ 수경재배 배양액 농도측정장치

“무기성분 측정시간 1/15로 단축”

자동으로 8종 무기성분 농도측정···99% 정확도
보관 및 운반 쉬워 경제성·편이성 활용도 높여

◇배양액 농도측정기술 수요

온실과 같은 시설재배지나 인공광을 주광원으로 이용하는 식물공장에서는 화학비료 유래의 무기성분을 포함하는 야마자키, 원시, 농시 및 일본원시 등 다양한 종류의 배양액으로 작물을 수경재배하고 있다. 이러한 배양액에는 질소, 인산, 칼륨 이외에 철분, 망간 등 다양한 종류의 무기성분이 포함되어 있으며 작물의 종류나 재배조건에 따라 배양액 무기성분의 조성이나 농도를 달리하여 공급한다. 배양액은 EC(전기전도도, Electric Conductivity) 및 pH(수소이온농도, potential Hydrogen) 센서로 농도와 산도를 측정한다. 그러나 시판용 센서는 단가가 높고 시간이 경과함에 따라 정밀도가 낮아지는 등 문제점이 거론되고 있어 농업현장에서 편리하게 사용할 수 있는 경제적이며 반영구적인 배양액 농도 측정기술 개발이 필요하다.

◇간이측정기 활용 무기성분 농도측정 장단점
센서를 사용하지 않고 수경배양액내 무기성분 농도를 측정하는 방법으로는 흡광도법이 있다. 간이 흡광도측정기를 활용한 농도측정은 배양액 시료를 채취하고, 증류수와 반응시약을 사용해 배양액 시료와 혼합한 후 간이측정기내 흡광광도계로 유입시켜 농도를 산출한다. 간이측정기는 크기가 작아 사용이 편리하지만 무기성분 1종당 1회 측정하는데 소요되는 시간이 약 30분 정도로, 배양액을 구성하는 10여종의 무기성분을 일시에 측정할 경우에는 많은 노력과 시간이 소요되는 단점이 있다.

장치내 측정모듈 모식도 및 실사

◇수경배양액 무기성분 농도측정장치 특징
무기성분 측정에 소요되는 비용절감이나 사용편이성을 향상시키기 위해 측정용 Prototype 연속식/회분식 모듈을 장착한 이동식 측정장치를 개발했다. 장치는 시약 투입부, 시료 및 반응시약 혼합물을 교반하는 혼합부와 혼합부에서 반응한 반응물의 흡광도를 측정하는 측정부 및 측정시간(0~24h) 등 조건설정 및 측정값 등이 표시·저장되는 터치스크린식 제어부로 구성된다. 측정모듈은 내부식성 재질로 혼합물의 흡광도를 측정하며, 콘트롤러는 교반속도 및 모듈내 온도도 제어한다. 모듈용량은 13㎖로 측정에 필요한 8종의 시약을 거치할 수 있고, 하부는 경사지게 설계돼 측정후 혼합물 전량이 배출돼 유지관리가 용이하다. 장치크기는 500×350×1000㎜로 설계돼 보관·이동이 편리하고, 외부차단을 위한 커버설치 및 하부의 피팅연결도 고려됐다.

◇농도 측정장치 활용 효과
배양액 농도 측정장치의 정확도(X)는 배양액 시료를 10회 이상 측정해 산출하며, 재현성(%)은 표준용액 0.1, 0.2, 0.5, 1, 2, 5 및 10 mg/L를 투입해 5회 이상 반복측정으로 산출했다.

질산태질소 농도를 5수준으로 측정값의 정확도와 재현성을 계산한 결과, 평균정확도는 99%, 재현성은 1.6%로 고농도로 갈수록 정확도가 상승하는 경향을 보였다. 암모니아태질소 역시 농도 5수준일 때 98.9%의 정확도와 1.5%의 재현성을 나타냈다. 칼륨은 정확도와 재현성이 각각 95.7%, 1.3%로 나타났다. 이번에 개발한 무기성분 농도측정 장치는 측정의 전 과정이 자동으로 이루어지기 때문에 고가의 센서를 사용하지 않고도 질소, 인산, 칼륨, 망간 등 8종의 무기성분 농도를 측정할 수 있다. 또한 간이측정기에 비해 측정시간이 1/15로 단축돼 2분 이내에 1종의 배양액 농도를 99% 이상의 정확도로 측정할 수 있다. 무기성분 1회 측정에 필요한 시약의 양은 약 0.5㎖ 소량으로, 시약 500㎖ 1병(부가세 포함 최저 15만원~최고 60만원)으로 약 1000회 측정할 수 있어 경제성과 편의성을 겸비한 장치로 작물 수경재배시 활용도가 높을 것으로 판단된다.

측정장치 실사

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