KR100439971B1 - Bubble column photobioreactors and methods for culturing photosynthetic microorganism using them - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광합성 미생물을 고농도 대량배양할 수 있는 광생물반응기 및 이를 이용한 광합성 미생물의 배양방법에 관한 것으로서, 구체적으로 미생물 배양액을 담을 수 있는 챔버를 형성하는 수직원통형상의 투명 외부컬럼; 상기 외부컬럼의 중심에 설치되어 배양액의 순환을 방해하지 않으면서 배양액의 전면에 빛에너지를 조사하는 발광체; 상기 발광체를 배양액과 분리하고 열교환이 가능한 수직원통형상의 투명재킷; 상기 투명재킷의 외부표면에 설치되어 배양액의 순환로를 형성하는 투명한 판 형태의 배플 플레이트; 및 상기 배플 플레이트로 구분되는 한쪽 부분의 하단부에서 기체를 상향 공급함으로써 배양액의 상향유동을 야기하는 폭기장치를 포함하는 것을 특징하는 기포탑 광생물반응기 및 이를 이용한 광합성 미생물의 배양방법에 관한 것으로, 상기 기포탑 광생물반응기는 별도의 교반기 없이도 배양액의 순환이 가능하며, 순환하는 배양액 내부로의 빛투과 거리가 최소화되고, 배양액의 최대 표면적에 빛에너지가 전달될 수 있어 광합성 미생물의 고농도 대량배양에 적합하다.The present invention relates to a photobioreactor capable of culturing a high concentration of photosynthetic microorganisms and a method of culturing photosynthetic microorganisms using the same, and specifically, a vertical cylindrical transparent outer column forming a chamber capable of containing a microbial culture solution; A light emitter which is installed at the center of the outer column and irradiates light energy on the front surface of the culture medium without disturbing the circulation of the culture medium; A vertical cylindrical transparent jacket separating the light emitting body from the culture solution and allowing heat exchange; A baffle plate having a transparent plate shape installed on an outer surface of the transparent jacket to form a circulation path of the culture solution; And an aeration device for causing upflow of the culture liquid by supplying gas upward from a lower end of one portion divided by the baffle plate, and a method for culturing the photosynthetic microorganism using the same. Bubble column photobioreactor is capable of circulating the culture medium without a separate stirrer, minimizes the light transmission distance into the circulating culture medium, and can transmit light energy to the maximum surface area of the culture medium, making it suitable for high concentration mass culture of photosynthetic microorganisms. Do.
Description
본 발명은 광합성에 필요한 빛에너지를 효율적으로 배양액 내부로 공급하여 광합성 미생물을 고농도로 대량배양할 수 있는 광생물반응기 및 이를 이용한 배양방법에 관한 것이다.The present invention relates to a photobioreactor capable of culturing photosynthetic microorganisms at high concentration by supplying light energy necessary for photosynthesis efficiently into a culture medium and a culture method using the same.
최근에 광합성 미생물에서 유래된 여러 고부가산물들이 개발되면서 이를 고농도 대량배양하기 위한 다양한 형태의 배양장치가 개발되고 있다. 적도지방과 같이 기후가 온난하고 토지비용이 저렴한 지역에서는 연못(pond) 형태나 외륜(paddle wheel)으로 배지를 순환시키는 수로(raceway)형태의 옥외배양방법을 주로 사용하고 있으며, 상기 방법의 경우에는 설치비와 운영비가 적게 드는 반면 고농도의 배양이 힘들고 다른 미생물에 의한 오염가능성이 높아 목적산물의 분리 회수비용이 증가한다는 단점이 있다.Recently, various high value-added products derived from photosynthetic microorganisms have been developed, and various types of culture apparatuses for high concentration mass culture have been developed. In warm climates and inexpensive land, such as in the equator, outdoor cultures in the form of ponds or raceways that circulate the medium to paddle wheels are used. While the installation cost and operating cost are low, the high concentration is difficult and the possibility of contamination by other microorganisms is high, and the separation and recovery cost of the target product increases.
이를 극복하기 위하여 고농도 대량배양에 적합한 여러 형태의 광생물반응기가 구미 선진국과 일본, 이스라엘, 호주 등을 중심으로 개발되고 있다. 널리 사용되고 있는 광생물반응기로는 외부광원으로 태양광을 이용하는 관형 광생물반응기(tubular photobioreactor)와 판넬형 광생물반응기(thin-panel photobioreactor) 등이 알려져 있다(국내특허등록 제10-0220310호). 상기 반응기의 구조는 태양광에 노출되는 조사면적을 최대화하고 배양액 내부로의 빛투과거리를 짧게하기 위하여, 좁고 긴 직사각형 또는 원통형 파이프를 조밀하게 밀착시켜 루프를 만들고, 루프 중간의 한 부분을 세워 공기부양을 통해 배양액을 순환시키는 구조를 갖고 있는 것이 특징이다.In order to overcome this, various types of photobioreactors suitable for high concentration and mass culture have been developed mainly in Western countries, Japan, Israel and Australia. Widely used photobioreactors include tubular photobioreactors and thin-panel photobioreactors that use sunlight as an external light source (domestic patent registration No. 10-0220310). The structure of the reactor maximizes the irradiation area exposed to sunlight and shortens the light transmission distance into the culture medium, so that narrow and long rectangular or cylindrical pipes are closely packed to form a loop, and a part of the loop is raised to form an air. It is characterized by having a structure that circulates the culture liquid through flotation.
한편 국내의 경우나 일본 등과 같이 사계절이 변화가 뚜렷하고, 토지비용이 고가인 지역에서는 내부조명으로 광섬유, 형광램프, 발광다이오드 소자 등을 다수개 설치함으로써 단위부피당 조사 표면적을 최대화할 수 있는 구조를 갖는 여러 형태의 내부조사형 광생물반응기(internally radiating photobioreactor)가 개발되어 있다(국내특허등록 제10-0001671호).On the other hand, in the areas where the four seasons are obviously changed in Korea or Japan, and the land cost is high, the internal illumination has a structure that can maximize the irradiation surface area per unit volume by installing a plurality of optical fibers, fluorescent lamps, and light emitting diode elements. Various types of internally radiating photobioreactors have been developed (Domestic Patent Registration No. 10-0001671).
그러나 이와 같은 광생물반응기를 이용한 광합성 미생물의 배양은 옥외배양 방법에 비해 소용량 고농도 배양에는 유리하지만 대용량으로 배양하는 경우에는 반응기 구조의 복잡성으로 인한 고가의 설치비와 운전비 때문에 대규모화가 곤란하다는 단점이 있어, 주로 고부가가치 물질의 생산에 제한적으로 활용되고 있다. 또한 국내 생명공학 관련시장이 협소하고, 기존의 생물반응기가 널리 보급되어 있으며, 이의 운전경험이 풍부한 현장인력이 많은 국내여견을 고려할 때, 신규형태의 광생물반응기를 이용하는 것보다 기존의 생물배양기와 유사한 형태의 광생물반응기를 개발하는 것이 장점이 많을 것으로 예상된다.However, the cultivation of photosynthetic microorganisms using the photobioreactor is advantageous in culturing small doses and high concentrations compared to the outdoor cultivation method, but when culturing in large quantities, it is difficult to scale up due to the expensive installation and operation costs due to the complexity of the reactor structure. It is mainly used for limited production of high value added materials. In addition, considering the domestic biotechnology-related market is narrow, and existing bioreactors are widely distributed, and many domestic workers who have abundant experience in the field of operation are considering the use of new biocultivators. It is anticipated that the development of similar types of photobioreactors will have many advantages.
현재 국내에서 개발 중인 광생물반응기의 형태는 원통형 내부도관(inner draft tube)를 발광체로 이용한 공기부양식 광생물반응기(air-lift photobioreactor) (국내특허등록 제10-0283026호)와 교반기를 발광체로 이용한 발광터빈형 광생물반응기(stirred-tank photobioreactor) (국내특허출원 제10-20010051787호)가 알려져 있다. 반면에 가장 간단한 구조를 갖고 있으면서 대용량의 미생물 배양에 적합하고, 태양광에 대한 조사면적이 넓은 기포탑 생물반응기 (bubble-column bioreactor)를 기본으로 광합성 미생물을 배양하기 위한 빛에너지의 효과적인 공급, 배양액의 온도조절 및 혼합에 관한 기술개발은 미진한 실정이다. 또한 광생물반응기의 운전방법으로서 태양광을 이용할 수 있고, 계절별, 주야간의 빛에너지 공급량 및 온도 변화를 극복할 수 있는 광합성 미생물의 고농도 대량배양기술 개발이 요구된다.The type of photobioreactor currently under development in Korea is an air-lift photobioreactor (Domestic Patent Registration No. 10-0283026) and a stirrer using a cylindrical inner conduit as a light emitter. A light-emitting turbine-type photobioreactor (a domestic patent application No. 10-20010051787) is known. On the other hand, it has the simplest structure and is suitable for cultivating a large amount of microorganisms, and is an effective supply of light energy for culturing photosynthetic microorganisms based on a bubble-column bioreactor with a large irradiation area for sunlight. The development of technology for temperature control and mixing of plants has been insufficient. In addition, it is possible to use sunlight as a method of operating a photobioreactor, and to develop a high-concentration mass culture technology of photosynthetic microorganisms capable of overcoming seasonal and day-to-day light energy supply and temperature changes.
이에, 본 발명자들은 배양액 내부로 빛에너지를 효율적으로 공급하고 배양액의 온도를 조절하기에 적합한 광생물반응기 및 이를 이용한 배양방법을 개발하였으며, 상기 광생물반응기가 별도의 교반기 없이도 배양액의 순환이 가능하며, 순환하는 배양액 내부로의 빛투과 거리가 최소화되고, 배양액의 최대 표면적에 빛에너지가 전달될 수 있어 광합성 미생물의 고농도 대량배양에 적합함을 알아내어 본 발명을 완성하였다.Accordingly, the present inventors have developed a photobioreactor suitable for supplying light energy to the culture medium and controlling the temperature of the culture medium and a culture method using the same, and the photobioreactor is capable of circulating the culture medium without a separate stirrer. The light transmission distance into the circulating culture medium is minimized, and light energy can be delivered to the maximum surface area of the culture medium, thereby finding a suitable concentration for high concentration mass culture of photosynthetic microorganisms.
본 발명의 목적은 광합성 미생물을 고농도 대량배양할 수 있는 광생물반응기 및 이를 이용한 광합성 미생물의 배양방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a photobioreactor capable of culturing photosynthetic microorganisms in high concentration and a method of culturing photosynthetic microorganisms using the same.
도 1a은 본 발명의 하부 기체주입형 기포탑 광생물반응기의 구조를 개략적으로 나타내는 측면도이며, Figure 1a is a side view schematically showing the structure of the bottom gas injection bubble column photobioreactor of the present invention,
도 1b는 도 1a의 기포탑 광생물반응기에 발광체와 투명재킷이 설치된 구조를 나타내는 단면도이며, 1B is a cross-sectional view illustrating a structure in which a light emitter and a transparent jacket are installed in the bubble column photobioreactor of FIG. 1A,
도 1c는 도 1a의 기포탑 광생물반응기에 발광체, 투명재킷, 및 배플 플레이트가 설치된 구조를 나타내는 단면도이며, 1C is a cross-sectional view illustrating a structure in which a light emitter, a transparent jacket, and a baffle plate are installed in the bubble column photobioreactor of FIG. 1A.
도 1d는 도 1a의 기포탑 광생물반응기에 발광체, 배플 플레이트, 및 내부열교환기가 설치된 구조를 나타내는 단면도이이며, FIG. 1D is a cross-sectional view illustrating a structure in which a light emitter, a baffle plate, and an internal heat exchanger are installed in the bubble column photobioreactor of FIG. 1A,
도 1e는 도 1a의 기포탑 광생물반응기에 발광체, 투명재킷, 배플 플레이트, 및 외부열교환기가 설치된 구조를 나타내는 단면도이이며, FIG. 1E is a cross-sectional view illustrating a structure in which a light emitter, a transparent jacket, a baffle plate, and an external heat exchanger are installed in the bubble column photobioreactor of FIG. 1A,
도 2a은 본 발명의 상부 기체주입형 기포탑 광생물반응기의 구조를 개략적으로 나타내는 측면도이이며, Figure 2a is a side view schematically showing the structure of the upper gas injection bubble column photobioreactor of the present invention,
도 2b는 도 2a의 기포탑 광생물반응기에 발광체와 배플 플레이트, 투명재킷, 및 배플 플레이트가 설치된 구조를 나타내는 단면도이이며, FIG. 2B is a cross-sectional view illustrating a structure in which a light emitter, a baffle plate, a transparent jacket, and a baffle plate are installed in the bubble column photobioreactor of FIG. 2A;
도 2c는 도 2a의 기포탑 광생물반응기에 발광체, 배플 플레이트, 및 내부열교환기가 설치된 구조를 나타내는 단면도이이며, FIG. 2C is a cross-sectional view illustrating a structure in which a light emitter, a baffle plate, and an internal heat exchanger are installed in the bubble column photobioreactor of FIG. 2A.
도 2d는 도 2a의 기포탑 광생물반응기에 발광체, 배플 플레이트, 및 외부열교환기가 설치된 구조를 나타내는 단면도이이며, FIG. 2D is a cross-sectional view illustrating a structure in which a light emitter, a baffle plate, and an external heat exchanger are installed in the bubble column photobioreactor of FIG. 2A;
도 3a와도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 하부 기체주입형 기포탑 광생물반응기의 구조를 개략적으로 나타내는 측면도 및 평면도이며, 3a and 3b are a side view and a plan view schematically showing the structure of the bottom gas injection bubble column photobioreactor according to an embodiment of the present invention,
도 3c와도 3d는 도 3a와 도 3b의 기포탑 광생물반응기를 이용하여 광합성 미생물을 배양한 결과를 나타낸 그래프이다. 3C and 3D are graphs showing the results of culturing photosynthetic microorganisms using the bubble column photobioreactor of FIGS. 3A and 3B.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
1 : 가스주입구 2 : 전선1: gas inlet 2: wire
3 : 단일 투명재킷 4 : 발광체3: single transparent jacket 4: light emitter
5 : 배플 플레이트 6 : 상향유동 배양액5: baffle plate 6: upflow culture medium
7 : 하향유동 배양액 8 : 투명 외부칼럼7: Downflow culture medium 8: Transparent outer column
9 : 기포 10 : 내부 열교환기9: bubble 10: internal heat exchanger
11 : 외부 열교환기 12 : 폭기장치11: external heat exchanger 12: aeration device
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 광합성 미생물을 고농도 대량배양할 수 있는 광생물반응기 및 이를 이용한 광합성 미생물의 배양방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a photobioreactor capable of culturing photosynthetic microorganisms in high concentration and a method of culturing photosynthetic microorganisms using the same.
이하 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명은 광합성 미생물을 고농도 대량배양할 수 있는 광생물반응기를 포함한다. 구체적으로, 본 발명은The present invention includes a photobioreactor capable of cultivating a high concentration of photosynthetic microorganisms. Specifically, the present invention
미생물 배양액을 담을 수 있는 챔버를 형성하는 수직원통형상의 투명 외부컬럼;A transparent outer column having a vertical cylindrical shape to form a chamber capable of containing the microbial culture;
상기 외부컬럼의 중심에 설치되어 배양액의 순환을 방해하지 않으면서 배양액의 전면에 빛에너지를 조사하는 발광체;A light emitter which is installed at the center of the outer column and irradiates light energy to the front surface of the culture medium without disturbing the circulation of the culture medium;
상기 발광체를 배양액과 분리하고 열교환이 가능한 수직원통형상의 투명재킷;A vertical cylindrical transparent jacket separating the light emitting body from the culture solution and allowing heat exchange;
상기 투명재킷의 외부표면에 설치되어 배양액의 상승부와 하강부를 구분하는 방법으로 순환로를 형성하는 투명한 판 형태의 배플 플레이트; 및A baffle plate having a transparent plate shape formed on an outer surface of the transparent jacket to form a circulation path by distinguishing a rising part and a lower part of the culture solution; And
상기 배플 플레이트로 구분되는 한쪽 부분의 하단부에서 기체를 상향 공급함으로써 배양액의 상향유동을 야기하는 폭기장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 기포탑 광생물반응기를 제공한다.It provides a bubble column photobioreactor comprising an aeration device for causing the upward flow of the culture by supplying the gas upward from the lower end of one portion divided by the baffle plate.
즉, 본 발명의 기포탑 광생물반응기는 종래의 기포탑 생물반응기를 광합성 생물체의 배양에 적용하기 위하여 반응기의 중심에 빛에너지 공급을 위한 발광체, 배양액의 순환을 유도하는 배플 플레이트, 온도조절을 위한 열교환기 기능을 부가하는 것을 특징으로 한다.That is, the bubble column photobioreactor of the present invention is a light emitting material for supplying light energy to the center of the reactor for applying the conventional bubble column bioreactor to the culture of photosynthetic organisms, a baffle plate for inducing the circulation of the culture solution, for temperature control It is characterized by adding a heat exchanger function.
본 발명의 발광체는 유체의 흐름을 방해하지 않으면서 배양액을 골고루 조사할 수 있도록 외부재킷의 중심부분에 설치되며, 직관 형광램프, 광섬유, 네온관, 발광 다이오드 소자에서 선택된 것을 사용한다. 또한 상기 발광체와 배양액간의 직접적인 접촉을 방지하기 위하여 발광체를 수직원통형상의 투명재킷으로 감싸준다.The light emitter of the present invention is installed at the center of the outer jacket so as to evenly irradiate the culture without disturbing the flow of the fluid, it uses a selected from straight tube fluorescent lamps, optical fibers, neon tubes, light emitting diode elements. In addition, in order to prevent direct contact between the light emitting body and the culture medium, the light emitting body is wrapped in a vertical cylindrical transparent jacket.
발광체의 운전은 기본적으로 태양광을 빛에너지 공급원로 이용하는 것을 기본으로, 계절적(겨울), 시간적(야간), 기상적(흐린날) 요인 및 균체 성장에 따라 부족한 빛에너지를 내부 발광체를 이용하여 추가적으로 공급하는 것이 바람직하다. 또한 종균배양용, 연구용 등으로 실내에 소용량으로 설치된 경우에는 내부조명 만을 이용하여 빛에너지를 공급하는 방법도 가능하다.The operation of the luminous body is basically based on using sunlight as a light energy source, and additional light energy, which is insufficient due to seasonal (winter), time (night), meteorological (cloudy) factors, and cell growth, is added using the internal luminous body. It is preferable to supply. In addition, it is also possible to supply light energy using only internal lighting when installed in a small capacity indoors for spawn culture and research.
본 발명은 광합성 미생물 성장에 최적인 상태로 배양액의 온도를 유지하기 위하여 열교환기를 설치한다. 상기 열교환기는 하절기의 높은 온도, 발광체 내부열, 균체 대사열 및 균체로 흡수되지 않는 빛에너지가 열에너지로 전환되면서 배양액의 온도가 증가를 방지하며, 반대로 동절기나 야간에는 적정온도이하로 배양온도가 떨어지면서 균체성장을 저해를 방지한다. 예를 들어 발광체에서 많은 열이 발생하여 배양액의 온도변화가 크거나, 연구용으로 미세온도조절이 요구되는 경우에는 발광체를 넣은 원통형 투명재킷을 이중재킷으로 제작하여 항온순환기에 연결하는 것이 가능하다. 또한 실내에 설치되어 변화가 크지 않거나 대용량의 상업적 배양에 이용할 경우에는 이중재킷이 없이 스프링 쿨러를 이용하여 반응기 외부표면으로 냉각수를 뿌리거나, 냉각팬을 도입하여 공랭식으로 배양액의 온도를 조절하는 것이 가능하다.The present invention installs a heat exchanger to maintain the temperature of the culture in a state optimal for photosynthetic microbial growth. The heat exchanger prevents an increase in the temperature of the culture medium by converting the high temperature of the summer, the internal heat of the luminescent body, the heat of the cell metabolism and the light energy which is not absorbed by the cells into the thermal energy, and on the contrary, in the winter or at night, the incubation temperature falls below an appropriate temperature. Prevent cell growth. For example, when a large amount of heat is generated in the light emitter and the temperature change of the culture solution is large, or when micro temperature control is required for research, it is possible to manufacture a cylindrical transparent jacket containing the light emitter as a double jacket and connect it to the thermostatic circulator. In addition, when it is installed indoors and there is no big change or it is used for large-scale commercial cultivation, it is possible to spray the coolant to the outer surface of the reactor by using a sprinkler without double jacket or to control the temperature of the culture liquid by air cooling by introducing a cooling fan. Do.
발광체를 넣은 원통형 투명재킷에 설치되는 투명한 판 형태의 배플 플레이트는 일반적인 기포탑 반응기의 물질전달 속도와 배양액의 혼합정도를 향상시키며, 점멸광 효과를 증가시킬 수 있으며, 내부광원의 지지체로서의 역할도 수행하게 된다. 이때 폭기장치는 광생물반응기의 상부 또는 하단부에 설치된 주입구를 통하여 주입된 기체가 배플 플레이트로 구분되는 한쪽 부분 하부에서 배양액을 상향유동시킨 후 다른 한쪽 부분으로 하향유동하게 함으로써 별도의 교반기 없이도 배양액의 순환이 가능하다. 그러나 반응기 내벽으로의 균체부착 문제가 심한 광합성 미생물의 배양에는 배플 플레이트를 설치하지 않은 형태가 가능하며, 이 경우 배양액의 국지적인 상향 및 하향 유동이 존재하게 된다.Baffle plate in the form of a transparent plate installed in a cylindrical transparent jacket containing a light emitting body improves the mass transfer rate and the mixing degree of the culture medium in a general bubble column reactor, increases the flashing light effect, and also serves as a support for the internal light source. Done. At this time, the aeration device circulates the culture medium without a separate stirrer by flowing the culture medium upward from the lower part of one part divided into the baffle plate through the injection port installed at the upper or lower part of the photobioreactor and then downwardly flowing to the other part. This is possible. However, cultivation of photosynthetic microorganisms with severe cell adhesion to the inner wall of the reactor is possible without a baffle plate, in which case there is a local upward and downward flow of the culture solution.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 예시하고자 하나, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것에 불과하며 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings to illustrate the embodiments of the present invention in more detail, the following examples are merely to help the understanding of the present invention and the present invention is not limited thereto.
도 1a과도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 두가지 형태의 기포탑 광생물반응기의 측면도를 나타낸 것으로, 발광체로는 직관 형광램프(4)를 사용하고 있으며 전선(2)을 이용하여 안정기와 점멸스위치가 연결된다. 또한 상향유동 배양액(6)과 하향유동 배양액(7)의 흐름을 유도하는 배플 플래이트(5)가 설치되며, 배양액의 유동은 상향유동 배양액 내의 기포(8)들로 인한 밀도차에 의한 것이다. 1A and 2A show side views of two types of bubble column photobioreactors according to an exemplary embodiment of the present invention. The light emitter uses a straight fluorescent lamp 4 and uses a wire 2 to stabilize and blink. The switch is connected. In addition, a baffle plate 5 for inducing the flow of the upflow culture medium 6 and the downflow culture medium 7 is installed, and the flow of the culture solution is due to the density difference due to the bubbles 8 in the upflow culture medium.
상기 두가지 기포탑 광생물반응기의 구조상 차이점은 기체 공급장치(1)가도 1a의 반응기의 경우 반응기 하부에 설치되어 있으며,도 2a의 반응기는 반응기 상부에서 주입되도록 설치되어 있다. 그리고 배플 플래이트가도 1a의 반응기는 발광체를 감싼 투명재킷(3)에 외접시키는 위치에 설치된 형태이고,도 2a의 반응기는 반응기의 중심에 배플 플래이트를 설치하고 있다. 이와같은 배플 플래이트의 설치위치의 차이는 상향유동되는 배양액의 단면적(A r)과 하향유동되는 배양액의 단면적(A d)을 조절함으로써 혼합효율 및 점멸광 효과를 극대화하기 위한 것으로 배양하고자 하는 광합성 미생물의 종류에 따라 최적 비율(A r/A d)이 달라지게 된다.The structural difference between the two bubble column photobioreactors is that the gas supply device 1 is installed at the bottom of the reactor in the case of the reactor of Figure 1a, the reactor of Figure 2a is installed to be injected from the top of the reactor. And baffle plates of the reactor, Figure 1a is a form installed in the position of the transparent external jacket (3) wrapped in a light-emitter, the reactor of Figure 2a has a baffle-plate installed at the center of the reactor. The difference in the installation position of the baffle plate is to maximize the mixing efficiency and the flashing light effect by controlling the cross-sectional area of the upflowed medium ( A r ) and the downflowed culture medium ( A d ). The optimal ratio ( A r / A d ) varies depending on the type of.
도 1a의 하부 기체주입형 기포탑 광생물반응기는 직관 형광램프(4)와 투명재킷(3)이 설치된도 1b와, 직관 형광램프, 투명재킷, 및 배플 플레이트(5)가 투명재킷의 외접위치에 설치된도 1c, 직관 형광램프, 배플 플레이트, 및 투명 이중재킷과 항온 순환기에 연결하는 방법의 내부열교환기(10)가 설치된 구조의도 1d, 직관 형광램프, 배플 플레이트, 및 이중재킷으로 제작된 컬럼과 항온 순환기에 연결하는 방법의 외부열교환기(11)로 구성된도 1e의 형태로 변형이 가능하다. In the lower gas injection bubble column photobioreactor of FIG. 1A , a straight tube fluorescent lamp 4 and a transparent jacket 3 are installed , and a straight tube fluorescent lamp, a transparent jacket, and a baffle plate 5 are external positions of the transparent jacket. 1c , a straight tube fluorescent lamp, a baffle plate, and a double jacket of FIG. 1c , a straight tube fluorescent lamp, a baffle plate, and an internal heat exchanger 10 of a method of connecting to a transparent double jacket and a constant temperature circulator installed in FIG. It can be modified in the form of Figure 1e consisting of an external heat exchanger 11 of the method of connecting to a constant temperature circulator.
도 2a의 상부 기체주입형 기포탑 광생물반응기의 변형은 직관 형광램프, 투명재킷, 및 배플 플레이트(5)가 반응기의 중심을 통과하도록 설치된도 2b와, 직관 형광램프, 배플 플레이트, 및 내부열교환기(10)가 설치된 구조의도 2c, 직관 형광램프, 배플 플레이트, 및 외부열교환기(11)로 구성된도 2d의 형태로 기포탑 광생물반응기의 설계 제작이 가능하다.An upper gas injection type group modified turret photobioreactor of Figure 2a are fluorescent lamps, transparent jacket, and the baffle plate (5) and Figure 2b is installed to pass through the center of the reactor, a fluorescent lamp, a baffle plate, and a heat exchanger It is possible to design and manufacture a bubble column photobioreactor in the form of FIG. 2D having a structure in which 10 is installed, FIG . 2D composed of a straight tube fluorescent lamp, a baffle plate, and an external heat exchanger 11.
<실시예 1><Example 1>
도 3a의 측면도와도 3b의 평면도에 도시된 형태의 기포탑 광생물반응기는 하부 기체주입형으로 2 ℓ의 배양부피가 가능하도록 제작하였다. 광합성 미생물로는 미세조류의 일종인 클로렐라(Chlorella kessleriUTEX398) 균주를 사용하였으며, 영양배지로는 N-8를 사용하였고, 통기량은 2 ℓ/min로 유지하는 방법으로 회분식 배양을 수행하였다. 이때 내부발광체로 직관형광램프를 이용하였고, 램프가 설치된 투명재킷의 표면 광도는 150 μmol/㎡/s이었다. 그리고 내부에 투명 배플 플레이트를 설치하여 물질전달 속도의 향상과 유체의 흐름의 향상을 유도하였으며, 반응기의 투명 이중재킷에 항온 순환기를 연결하여 25℃의 배양온도를 유지하였다. The bubble column photobioreactor of the type shown in the side view of FIG . 3A and the top view of FIG. 3B was manufactured to enable a culture volume of 2 L with a lower gas injection type. As a photosynthetic microorganism, a strain of chlorella ( Chlorella kessleri UTEX398), which is a kind of microalgae , was used as a nutrient medium, and N-8 was used, and a batch culture was performed by maintaining aeration at 2 L / min. In this case, a linear fluorescent lamp was used as the internal light emitting body, and the surface luminance of the transparent jacket in which the lamp was installed was 150 μmol / m 2 / s. In addition, a transparent baffle plate was installed inside to induce an improvement in mass transfer rate and an improvement in fluid flow. A constant temperature circulator was connected to the transparent double jacket of the reactor to maintain a culture temperature of 25 ° C.
<실험예 1> 배양시간에 따른 건조균체중량 및 세포농도 측정Experimental Example 1 Measurement of Dry Cell Weight and Cell Concentration According to Incubation Time
상기 실시예 1과 동일한 조건으로 배양을 수행하였으며, 배양시간(일단위)의 경과에 따라 건조균체중량과 세포농도를 측정하였다(Lee and Palsson, 1994,Biotechnol. Bioeng.,44:1161-1167; Lee and Lee, 2001,Biotechnol. Bioprocess Eng.,6:194-199). 상기 결과는도 3c및도 3d에 나타내었다. 배양시간의 경과에 따른 건조균체중량과 세포농도를 나타낸 것이도 3c이며, 이때의 온도와 pH의 변화를 나타낸 것이도 3d이다.The culture was carried out under the same conditions as in Example 1, and the dry cell weight and cell concentration were measured according to the incubation time (daily unit) (Lee and Palsson, 1994, Biotechnol. Bioeng. , 44 : 1161-1167; Lee and Lee, 2001, Biotechnol.Bioprocess Eng. , 6 : 194-199). The results are shown in Figures 3c and 3d . 3C shows the dry cell weight and the cell concentration according to the culturing time, and FIG . 3D shows the change in temperature and pH at this time.
상기도 3c및도 3d에서 보는 바와 같이, 균체는 배양 시작 후 급속하게 성장하여 2일까지 지수성장을 보이다가, 그 이후 선형적으로 성장하였으며, 배양 6일후부터 정지기에 들어갔다. 이때 배양온도는 일정하게 유지되었으며, 균체농도가 증가함에 따라 pH는 점진적으로 상승하였다. 최종 배양결과 최대 2.5×107cell/㎖의 균체농도와 0.54 g/ℓ의 건조세포중량에 도달할 수 있었다. 이와 같은 형태의 광생물반응기는 옥외배양을 통한 태양광의 조사 또는 반응기의 외부에 형광등을 추가함으로써 보다 우수한 배양결과를 기대할 수 있다.As shown in FIG . 3C and FIG. 3D , the cells grew rapidly after the start of the culture, showed exponential growth until 2 days, and then linearly grew, and entered the stationary phase after 6 days of culture. At this time, the incubation temperature was kept constant, and the pH gradually increased as the cell concentration increased. The final culture resulted in a cell concentration of up to 2.5 × 10 7 cell / ml and a dry cell weight of 0.54 g / l. Photobioreactors of this type can be expected to achieve better culture results by irradiation of sunlight through outdoor culture or by adding fluorescent lamps to the outside of the reactor.
본 발명에 의한 기포탑 광생물반응기는 폭기장치에 의해 투명 배플 플레이트의 한쪽 부분으로 상향 주입되는 공기 또는 다른 기체가 배양액을 상향유동시킨 후 반대쪽으로 하향유동하게 함으로써 별도의 교반기 없이도 배양액의 순환이 가능하며, 투명한 배플 플레이트에 발광체를 도입함으로써 순환하는 배양액 내부로의 빛투과 거리가 최소화되고 배양액의 최대 표면적에 빛에너지가 전달될 수 있기 때문에 광합성 미생물의 고농도 대량배양에 적합하다.The bubble column photobioreactor according to the present invention is capable of circulating a culture medium without a separate stirrer by allowing the air or other gas injected upward to one part of the transparent baffle plate by the aeration device to flow the culture medium upward and downward to the opposite side. In addition, the light transmission distance into the circulating culture medium is minimized by introducing the light emitter into the transparent baffle plate, and light energy can be transferred to the maximum surface area of the culture medium, which is suitable for high concentration mass culture of photosynthetic microorganisms.
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