오태광의 바이오 산책 <75> 미래 수산물 먹거리를 책임지는 스마트 양식(Smart Aquacultural System for Future Foodstuffs) > News Insight

  기후환경 변화와 병충해 피해를 최소화하는 지능형 농장인 스마트 팜(Smart farm)은 이제 익숙해져서 가까운 지하철역에서 시범적으로 운영하는 매트로 팜(Metro Farm)도 볼 수 있다. 태양광은 물론 LED등을 사용할 수 있어서 장소 제약을 극복하여 작물을 생산하는 논밭과 같은 노지에서 뿐만 아니라 밀폐된 공간 내에서 작물생산이 가능하다. 아울러, 온습도는 물론 LED등으로 일조량을 조절할 수 있을 뿐만 아니라 같은 면적에 다층(多層)의 건물형 농지를 만들어 획기적 생산량도 달성할 수 있다. 작은 환경변화도 센서(Sensor)를 통해서 감지하여 가장 작물에 적합한 환경을 만들어 줄 수 있고, 지능형 로봇이나 자동화 농기계로 원격조정이 가능하여 농업의 고질적인 어려움인 과도한 노동문제도 해결할 수 있다.

스마트 팜에서 생산된 작물의 생산과정은 모두 정보화되어서 빅데이터(BigData)화되고 인공지능을 만들어  빠른 기술적 진화가 일어나는 대표적인 4차 산업혁명 기술이 되었다. 농업생산물의 또 다른 어려움인 유통/관리시스템에도 스마트 팜 데이터기술이 도입되어서 농업의 근본적인 문제점인 생산/출하시점까지 효율적 조절이 가능하다. 하지만, 가축사육은 집단적으로 밀식 생산하고 있는  소, 양, 닭, 돼지 등의 동물성식품은 이산화탄소 배출량이 많아 온실가스로 작용하는데 비해 해수나 담수에서 양식되는 수산 동물은 이산화탄소 배출량이 적어 지구 환경을 보호하는 장점이 있어서 블루 푸드로 권장되고 있다. 세계 수산물 소비량중 양식수산물이 차지하는 비중이 현재 약 50%인데, 2030년에는 60%를 상회할 것으로 2018년 유엔식량농업기구(FAO)에서 발표하였고 영양적인 측면에서는 지속가능한 건강한 식단에서 수산물이 역할이 중요하다고 유엔영양기구(UN Nutrition)에서 재조명하고 있다. 

국내는 양식이 차지하는 비중이 2021년 기준 62.8%에 달하지만 생산성 저하와 운영비 증가라는 큰 문제점으로 등장하고 있어 새로운 양식방법인 스마트 양식(Smart Aquaculture)이 절실히 필요하다. 스마트 양식은 스마트 팜과 비교하면, 익숙하지는 않지만 수산 먹거리도 마치 스마트 팜에서 생산되는 농작물처럼 효율성과 친환경 생산을 위한 알고리즘이 이미 구축되고 있고 이미, 음식물로 먹고 있다. 양식 수산물의 생산/가공/판매시스템을 인지하는 센서(Sensor)와 능동적으로 지능형 자동조절을 통해서 얻어진 빅데이터를 스마트 팜처럼 다시 인공 지능화하고, 로봇이나 자동화된 기기로 자동화하여 획기적 생산과 뛰어난 품질을 제공하고 있다. 

스마트 양식의 핵심기술은 ①어류의 먹이 행동데이터기반의 사료공급량 및 출하 시기결정을 위한 성장속도 조절, ②수중영상을 통한 어류크기, 무게, 질병유무를 측정으로 생산수산 동물 이력 화, ③수온, 용존산소, pH 센서(Sensor)로 양식장 모니터링하고 자동화된 조절장치와 수 처리 기술로 최적의 사육환경 제공 ④면밀한 어류의 피부 및 행동으로 건강관리시스템, ⑤맞춤형 사료 및 백신개발 ⑥포획로봇을 이용한 안전한 포획과 용도별 생산 어류출하  ⑦자동화된 로봇으로 오염 없는 정밀한 가공 ⑧시장수요에 맞는 계획생산 가능 등이 있다. 효율적으로 운영된다면 비용 및 에너지 절감, 환경오염과 폐사율을 저감하여 생산성을 극대화할 수 있게 된다. 스마트 양식도 정보통신 및 인공지능기술로 24시간 관리하여 안정되고 친환경적 생산이 가능하게하고 스마트 팜과 마찬가지로 정보화가 계속되어 점차 빅데이터가 형성되어 인공 지능화되면 획기적으로 진보된 스마트양식이 가능해 질 것이다.  

<양식어업의 중요성과 현실>

세계 인구는 1959년 30억을 돌파하였고, 2017년에는 75억 명, 2023년 80억 명이고 2050년에는 97억 명에 달 할 것으로 예측한다. 세계경제포럼(World Economic Forum)에서는 인류에 다가올 10대 미래 불안 요소 중 식량위기가 1위이고 수산자원 감소가 5위로 예상하고 있어 식량 확보를 위한 수산자원의 증산은 매우 중요하지만, 현재와 같은 포획을 주로하는 어선어업으로서는 도저히 해결할 수 없다. 그러나 최근의 수생동물자원 계획적 양식은 급증하는  기아 및 영양불량 인구문제를 해결하는 방안으로 10대 미래 불안 요소인 식량위기와 수산자원 감소문제를 해결할 수 있다. 현재 수생동물자원(AAS, Aquatic Animal Sources)은 약 2,300여종이 제시되고 있으며, 이중 양식 가능한 624종의 수생동물에 대한 관심은 매우 높아지고 있다. 하지만, 양식업을 포함한 국내 수산업은 어업인구 감소와 고령화로 인한 노동력 부족, 기후변화로 인한 수산자원 감소로 생산량감소, 고비용, 저효율구조에 따른 경영악화가 계속되어 불과 20여 년 전 농업상황과 비슷한 현상이다. 

양식어업의 문제점은 ①국제적으로 WTO, FTA 등으로 시장개방이 가속화되고, ②국가 간 교역은 위생조건이 강화되고, ③수산자원 자국화 강조하고 있고, ④중국 등 신흥 수산강국의 대규모 투자하고, ⑤노르웨이 덴마크 등의 선진 수산국가와의 양식기술의 격차가 커서 전반적으로 어려움이 가중되고 있다. 특히, 수산물을 통한 동물성 단백질 섭취비중은 15%에 달하고 있는데, 1인당 연간수산물 소비량은 유럽 22kg, 미국 23.7kg, 중국 39.5kg, 일본 50.2kg인데 비해 우리나라는 58.4kg(FAO & SOFIA(2013∽2015년)로 주요국 중 1위를 차지하여 세계적인 수준이어서 관심을 가질 필요가 커다. 기존 어선을 사용한 어업은 무자비한 남획에 따른 자원 고갈로 이미 환경생태계와 종 보존에 대한 한계성을 가져서 어류의 인공적 양식이 중요한 대안으로 대두되고 있다. 특히, 스마트 팜처럼 빅데이터와 인공지능을 활용한 융합기술인 스마트양식은 안정되고 친환경적이면서도 획기적으로 생산이 가능하여  주목을 받고 있다. 세계 스마트 양식 시장은 Markets and Markets에서 발표한 “Smart Agriculture Market Global Forecast to 2023”에 의하면 2017년 1억 5,200만 US$에서 연평균 19%의 고도 성장률을 보여 2023년 4억 3,000만 US$로 추정하고 있다. 이제, 기존 양식장처럼 노동집약적이고 생산성이 낮은 양식 산업도 첨단 스마트양식으로 전환하여야 할 것이고 시장의 고도성장률(연 19%)에서 보듯이 지속성장을 예측할 수 있는 중요한 분야이다.  

  <스마트 양식의 정의와 기존 양식과 비교>

스마트 양식은 양식 수산 동물자원을 효율적이면서도 친환경적으로 생산하기 위해서 각종 센서를 이용한 생육환경을 감지하여 안정화한 자동시스템으로 최적의 생육조건을 제공하여 가장 건강하고 빠르게 생산할 수 있는 알고리즘을 구축함으로서 생산/가공/유통에 있어 최적의 상태를 결정할 수 있다. 빅데이터(BigData), 사물인터넷(IoT), 인공지능(AI)의 ICT기술과 무인로봇, 자동화기기 등의 융합기술로 <그림 1>에 보는 바와 같은 양식 산업 시스템을 4차 산업화하여 지능화하여 효율성, 생산성, 편이성을 달성할 수 있다. 수산 양식기술은 전통적인 양식기술에 의존하면, 종자어류 문제, 사료과잉투입 및 비효율적 시설 등으로 인한 빈번한 질병 발생으로 과도한 폐사율, 잔류 항생제 등은 생산성과 식품안전상의 문제는 물론, 오염 양식 수의 환경 배출로 인한 환경오염이 발생하는 큰 문제점을 안고 있다. 

이런 문제점을 해결하기 위해 각개 개별 양식장들의 노하우를 축적하여 디지털화하고, 인공지능기술을 전제로 한 최적의 제어가 가능한 스마트 양식기술 확립이 절실하였다. 기존양식인 전통양식, 자동화양식과 스마트 양식을 비교하면 <표 1>과 같이 표시할 수 있다. 노동집약적인 기존 양식이  자본집약적 정보화 지식산업인 스마트양식으로 발전하여 원격조정과 자동화로 스스로 의사 결정하는 지능화 양식 산업으로 진화하였다. 특히, 온도, 용존산소, pH, 암모니아, 인산 등의 수질 등을 측정하는 양식관리센서로 양식 수 정화를 위한 순환을 결정하고 물고기 성장과 질병여부를 파악하는 각종 센서의 데이터로 사료 투입량과 출하시기를 결정하고 질병 예방으로 건강한 블루 푸드를 생산할 수 있다. 이외에 수중 드론, 어류 선별장치, 청소로봇을 사용하는 자동화 장치를 사용할 뿐만 아니라 물고기 개체의 생육 이력을 기록하여 최종 소비자의 선택기준을 제공할 수 있다.  지능화된 스마트 양식은 짧은 시간에 양식 물고기 생산을 획기적으로 증대시키고 기존 양식 산업에서 문제시되던 환경오염, 태풍, 해일 등의 자연재해 취약성을 해결하고, 잔류 항생제에 따른 수산식품의 안정성과 인체 유해성 문제를 개선하여 환경 친화적이고 지속가능한 양식 산업으로 자리 잡게 되었다. 

<스마트 양식의 국내외 예시> 

  스마트 양식분야의 세계적인 기술적 리더십을 구축하기 위해 노르웨이 정부와 민간이 공조하여 산업화를 성공한 예를 대표적인 사례로 든다. 노르웨이 정부는 수산관련 4개 연구소를 통합하여 만든 공기업인 노피마(Nofima)에서 양식기술의 고도화를 추진하였는데, 순환여과기술 및 생산표준화 기준을 만들고 생육조건 도출에 대한 연구를 계속하고 있다. 노피마에서 만들어진 기술은 아크바(AKVA)라는 노르웨이 중심 다국적 기업에서 다양한 양식용 센서(Sensor)로 생산제어 소프트웨어(Software)로 만들었고, 아울러, 물고기의 상태와 환경에 따른 사료 량을 자동적 제어하는 빅데이터 기반 양식생산 자동화기술로 10여 개 국에 연어양식 시스템을 판매하고 있다. 구체적 기술로는 물 사용량을 획기적으로 줄일 수 있는 ZWC(Zero Water Concept)으로 순환여과 식 양식시스템을 <그림 2>와 같이 확보하였다. 

적정한 영양과 양의 사료를 양식 어류의 먹이로 제공하여 물고기는 최적 성장을 할 수 있고, 배설물과 잉여사료의 발생을 줄이면서도 최적 생산을 할 수 있는 건강한 양식수조 환경을 만들었다. 발생한 배설물은 펌프로 퍼내어서 여과장치로 여과하고, 고체부분은 비료로 사용이 가능할 것이고, 액체부분은 다시 질소(N2)와 인산(PO4) 회수하여 깨끗해진 물로 만든 후 산소를 보충하여 물고기 수조에 순환시켜서 물의 손실이 없는 순환시스템을 만들었다. 또한, 디지털 솔루션을 관련해서는 양식관리시스템(AKVA connet), 생산컨트롤과 기획시스템(AKVA fishtalk)은 물론 모든 생산시스템을 그림 3과 같이 연결하여 생태계시스템(AKVA ecosystem)을 제공하여 사육, 관리 다른 사업주체간의 소통까지 가능하게 하였다. 즉, 표준화된 API(Application Programming Interface)로 의사결정 전반에 걸쳐 투명성을 보장하여 데이터의 가치를 높여주고, 자동으로 데이터를 입출력이 가능하여 운영과 작업을 자동화하여 원활한 통합할 수 있어서 생태계를 쉽게 디지털화 할 수 있다. 특히, AKVA fishtalk는 물고기의 행동, 미세한 무늬, 색깔 안면에 있는 점의 차이 등을 구분하여 물고기의 모든 이력 추적이 가능하고, 식별번호(ID)는 물론 각 배양기에 있는 물고기 무게와 마리 수 등을 관리할 수 있다. 

아크바(AKVA)는 세계 최대 연어양식 기업으로 해상, 육상 수조양식 관련 최대 공급업체이고 기자재 및 솔루션을 제공하여 매출 중 이익률 37.31%(2022년 6월)라는 높은 수익을 유지하고 있다. 이외에 노르웨이는 국가의 정책적 지원 하에 스마트 연어 양식 산업을 중점으로 최첨단 양식 산업을 선도하는 무위(MOWI)사는 세계 최대 연어양식 기업으로 스마트 양식 기업을 도입하여 연어양식, 가공 및 판매로 4조 5,000억 원의 매출과 1만 명이상의 일자리를 창출하고 있다. 역시 덴마크의 “빌룬트”는 순환 여과 양식시스템(RAS)으로 연간 20억 US$를 수출하고, 중국 고비사막에 스마트 양식장에서는 연간 1,000톤의 연어를 생산하고 있다. 일본의 “우미트론셀(Umitron cell)”은 해상가두리에 사용하는 스마트사료 공급시스템을 개발하였고, “KDDI사”는 드론 활용 적조탐지로 참다랑어 양식장 적조 피해 방지 시스템, IoT로 수온, 염분, pH를 감지하여 양식장에서 굴 부화를 예측하게 되었다. 

또한, 중국에서는 10만 ton급 스마트 양식용 대형선박 “궈신1호”를 건조하여 스마트 양식을 운영하고 있다. 국내 스마트 양식의 시작은 2014년 “SKT사”가 국내 최초 IoT 기반 스마트 장어양식장을 구축하여 수온, 수질, 용존산소량 자동 확인하고 원격모니터링으로 양식장을 혁신적 관리를 하였다. 2008년 “네오엔비즈사”는 국립수산과학원과 기술교류로 세계 최초 IT, BT, ET기술 융합형 무환수 바이오플락(Biofloc)을 이용하여 민간 양식에 성공하여 2009년 당진에 55,864m2 규모의 바이오플락 양식장을 설립하여 운영하고 있다. 바이오플락은 박테리아, 원생동물, 동물성 플랑크톤, 식물성 플랑크톤으로 만들어진 작은 미생물 생태계가 구축된 덩어리로 그림 4와 같이 초고밀도 생산량, 무병, 무 항생제 양식, 사료 절감, 탄소배출 저감과 같은 효과를 가진다. 우수한 효과를 가져서, 현재 양식 가능한 어종은 흰다리 새우, 뱀장어, 황복, 틸라피아, 관상어로 점차 양식품종을 확장하고 있다. 또한, 일부 중소기업은 양식 환경에 영향을 주는 변수를 결정하고 적정상태로 유지하는 생육환경 측정 및 데이터관리 시스템도 개발하고 있다. 

 보통, 노지에서 새우를 양식하면 치어를 넣고 1년 만에 30g 크기의 성체새우를 수확할 수 있고, 항생제와 약품 사용이 많지만 생존율이 50% 정도로 생존율이 낮아서 생산성이 낮다. 스마트 양식장에서는 3개월 만에 새우 수확이 가능하고 생존율이 95%로 생산량이 아주 많다. 예로서 노지 1만 평에서 1년 수확량이 스마트 양식기술로는 2개월 만에 비슷한 수확량을 얻을 수 있다. 스마트 양식은 1년에 6번 출하할 수 있어서 많은 매출을 얻을 수 있지만, 5층 크기의 스마트 양식장의 초기 시설비용이 약 25억 원이 필요하여 초기 생산인프라 구축이 비싼 단점이 있다.  스마트 양식의 핵심 측정 장비로는 “글로비트사”의 “스마트피쉬팜(Smart Fish Farm)”과 “비디수산사”는 용존산소, pH, 염분 등 양식 환경 변수를 측정시스템을 구축하고 있고, 대형 양식장의 구축 예로 “(주)FNS”는 순환 여과 시스템인 수 처리 기술을 보유하고 있다. 

 국가적으로는 스마트 양식 클러스터 사업으로 산학연 전문가로 구성되어 핵심기술 실증/ 확산을 위해 전국 6개소로 부산, 경남고성, 전남 신안, 강원, 포항, 제주에 테스트베드를 구축하여 클러스터별 연어(부산, 강원, 포항), 고 수온어종인 바리류(고성, 한국남동 발전소의 온배수(溫配水)이용, 새우(신안), 넙치(제주), 개체 굴 등으로 수 처리, 기자재 표준화, 해수 순환여과시스템(RAS)기반 양식장 운영 등 중점분야에 특화된 모델을 구축하고 있다. 이런, 스마트 양식 분야는 마켓앤마켓의 시장분석(2023)처럼 연평균 19% 성장세로 2023년에는 4억 3천만 달러 규모를 돌파할 것으로 예상되어 성장성이 아주 커다. 양식장 운영에는 환경요소뿐만 아니라 생물 급여와 수질관리도 매우 중요하지만, 무인 자동화와 관제 관리시스템이 관건이고 이를 해결하기 위해서 AI기반 스마트 양식장 솔루션이 필요하다. 결국 드론이나 각종 수질 센서로 실시간 양식장 데이터를 수집/분석/예측하는 과정을 지능화하고 자동으로 정상화 조절이 가능하여야 한다. 최종으로는 무인 형 자동사료 급이/어병진단을 물론 생산 수산물을 이력 화할 수 있는 데이터가 필요하다.

<맺는말> 

   폭발적 인구는 증가로 현재(2024년 1월) 세계 인구는 81억 명이고, 다가오는 2030년에는 86억 명을 상회할 것으로 예상하고 있다. 더구나, 기후변화와 산업화 폐해로 인한 식량 생산은 한계상황에 도달하여 매년 식량부족 및 영양이 부실한 인구수가 가파르게 증가하고 있다. 유엔(UN)은 식량부족을 해결하는 방안 중 하나로 수산자원인 블루 푸드(Blue Food)가 세계 식량 안보에 기여할 수 있다고 평가(Nature(2021))하고 있다. 어선을 이용한 자연산 어업은 환경오염이나 기후환경 변화로 물고기 생산이 90% 이상 위협을 받아 생산성 변동이 커기 때문에 환경변화에 대응 가능한 양식으로 수생 동물자원 확보는 지속 가능한 생산 확보가 가능하여 안정적인 식량자원으로 자리매김할 수 있다. 마치, 스마트 팜이 환경변화와 관계없이 지속 가능하게 생산되듯이 스마트 양식도 센서로 측정된 사료, 수질, 기온 등 변수 따른 생산효율이 빅데이터 화하고, 이를 근거로 한 자동화한 지능적인 사료 급여 및 사육환경관리, 질병 예측은 물론 물고기 개개의 생산지, 나이, 체중 등 이력 관리로 종자번식부터 출하까지에 물고기 나이, 체중, 크기, 건강 등이 예측 가능하다. 수확될 시도 자동화된 로봇시스템이나 수중 드론을 사용하여 선발된 개체를 수확하고, 곧 바로, 무인 로봇 가공시스템에서 무균 화된 시스템에서 용도별 포장이 가능하다. 

공상과학 영화에서 보는듯한 무인 자동화된 연어 배양/가공 공정이 지금 북유럽에서 실시간으로 볼 수 있다. 식탁에서 만나는 연어 요리도 북유럽 스마트 양식한 연어를 현재 시식할 수 있다. 또한, 바다에만 연어를 키우는 것이 아니라, 바다 가까운 육지 상에서도 연어를 양식하거나 심지어 불모지인 중국의 고비사막에서도 연어를 현재 생산하고 있고, 우리나라도 대서양 연어를 강릉이나 양양에서 스마트 양식하는 시스템을 구축(강원일보, 2023.9)하고 있다. 농작물을 스마트 팜에서 LED로 다층(5~7층)의 사육시스템을 만들 듯이 스마트 배양도 새우양식에서는 5층을 사용하여 생산하고 있다. FAO의 발표(2021)에 따르면 약 624종의 수상동물을 양식할 수 있어서 육상에서 5종(소, 돼지, 닭, 양, 산양)에 비해 거의 120배 이상 다양성이 풍부하여 얻을 수 있는 영양의 선택이 매우 다양하다. 수상동물은 미네랄, 비타민, 단백질이 육상동물에 비해 풍부하고, 특히 불포화지방산이 많아서 심혈관등의 예방 효과가 클 것으로 예상하고 있다. 삼면이 바다인 우리에게는 블루 푸드의 생산은 엄청난 기회이고, 지금까지 잘 확립된 ICT기술로 스마트 배양시설을 보강하면, 국토가 좁고, 경작지가 작은 우리에게는 밝은 미래를 가질 수 있다고 생각한다.

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