KR100704436B1 - 스피룰리나 속 조류의 생산방법 - Google Patents

스피룰리나 속 조류의 생산방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 NaCl과 NaOH를 포함하지 않는 스피룰리나 배양용 배지를 이용하여, 경제적으로 스피룰리나 속 조류를 생산할 수 있는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 스피룰리나 속 조류의 생산방법은 NaCl과 NaOH를 포함하지 않는 SOT 배지에 스피룰리나를 접종하고, 32 내지 38℃에서 3,000 내지 9,000Lux의 광조건으로 12시간씩 명조건 및 암조건을 유지하면서 배양하는 단계를 포함한다. 본 발명의 스피룰리나 속 조류의 생산방법을 사용하면, 종래의 방법에 의한 수준으로 스피룰리나를 생산할 수 있으면서도, 배지에 NaCl과 NaOH를 포함하지 않아, NaCl과 NaOH의 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 배양 후에 방출되는 배지에 포함된 NaCl과 NaOH의 폐수처리에 소요되는 비용을 절감할 수 있으므로, 경제적인 스피룰리나 속 조류의 생산에 널리 활용될 수 있을 것이다.
스피룰리나, 경제적인 스피룰리나의 생산, NaOH, NaCl

Description

스피룰리나 속 조류의 생산방법{Method for Manufacturing Spirulina sp. Algae}
도 1은 NaCl과 NaOH를 포함하는 배지를 이용하여 각 배양온도에서 스피룰리나 속 조류를 배양할 때, 배양시간의 경과에 따른 스피룰리나 속 조류의 성장정도를 비교한 그래프이다.
도 2는 NaCl을 포함하지 않은 배지를 이용하여 각 배양온도에서 스피룰리나 속 조류를 배양할 때, 배양시간의 경과에 따른 스피룰리나 속 조류의 성장정도를 비교한 그래프이다.
도 3은 NaOH을 포함하지 않은 배지를 이용하여 각 배양온도에서 스피룰리나 속 조류를 배양할 때, 배양시간의 경과에 따른 스피룰리나 속 조류의 성장정도를 비교한 그래프이다.
도 4는 NaCl과 NaOH을 포함하지 않은 배지를 이용하여 각 배양온도에서 스피룰리나 속 조류를 배양할 때, 배양시간의 경과에 따른 스피룰리나 속 조류의 성장정도를 비교한 그래프이다.
도 5는 SOT#3 배지, B 배지 및 Z 배지를 이용하여 스피룰리나 속 조류를 배양할 때, 배양시간의 경과에 따른 스피룰리나 속 조류의 성장정도를 비교한 그래프 이다.
본 발명은 스피룰리나 속 조류의 생산방법에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 본 발명은 NaCl과 NaOH를 포함하지 않는 스피룰리나 배양용 배지를 이용하여, 경제적으로 스피룰리나 속 조류를 생산할 수 있는 방법에 관한 것이다.
현재, 전세계적으로 경작되고 있는 농작물류는 인류의 주식량공급원으로 활용되어 왔으나, 농지 면적당 수확량이 많지 않고 태양 에너지의 이용률이 극히 낮다. 이에 비해서, 수중에서 태양 에너지와 이산화탄소, 소량 함유된 무기염류로 생육할 수 있는 미세 광합성 조류는 농작물의 생육이 불가능한 지역에서도 생육이 가능하고, 농작물과 비교하여 단위 경작면적당 20배 이상의 단백질을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 다양한 종류의 유용물질과 미생물 혹은 동 식물 세포로부터 생산이 불가능한 천연의 희귀물질 생산이 가능하다. 더욱이, 세포의 크기가 큰 조류는 쉽게 침전되어 다양한 방법을 통한 추출 및 분리가 용이하고, 주에너지원으로 태양 에너지를 사용함으로써 지구상에 조사되는 태양에너지의 효율적이 이용이 가능하며, 탄소원으로 이산화탄소를 사용하고 부산물로 산소를 방출하는 광합성 과정을 갖고 있어 대기오염을 낮추는 기능까지도 가지고 있다.
이에 따라, 다양한 종류의 미세 광합성 조류가 연구되고 있는데, 주로 클로렐라(Chlorella) 속, 두날리엘라(Dunaliella) 속, 스피룰리나(Spirulina) 속 등의 미세 광합성 조류에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, 스피룰리나 속 미세 광합성 조류(이하, '스피룰리나 조류'라 함)는 다른 미세 광합성 조류에 비해 세포의 크기가 크고, 알칼리 오염성 환경에서도 쉽게 성장할 수 있는 조류로서, 식품, 의약, 공업용 제품 등의 다양한 제품에 응용되고 있다. 예를 들어, 대한민국 특허등록 제 48714호에는 스피룰리나 조류 분말을 포함하는 유해물질 또는 악취제거용 흡착제가 개시되어 있고, 대한민국 특허등록 제 353888호에는 스피룰리나 조류 분말을 포함하는 다이옥신 배설작용이 있는 츄잉껌 조성물이 개시되어 있으며, 대한민국 특허등록 재 454224호에는 스피룰리나 조류 분말을 포함하는 건강보조식품 조성물이 개시되어 있다. 이에 따라, 스피룰리나 조류의 생산성을 향상시키려는 연구가 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다.
최근에 들어, 우리나라에서도 스피룰리나 조류의 효과적인 생산과 관련된 연구가 시작되고 있는데, 사계절이 뚜렷하고 계절에 따른 온도 변화 및 일조량의 차이가 심한 기후적인 특성 때문에, 스피룰리나 조류의 야외배양보다는 실내배양과 관련된 연구가 진행되고 있다. 그러나, 스피룰리나 조류가 가장 활발하게 생육할 수 있는 조건에서는 스피룰리나 조류 이외의 다양한 식물성 조류 또는 미생물들이 함께 성장하기 때문에, 스피룰리나 조류의 수율이 상대적으로 감소하고, 이로 인하여 스피룰리나 조류의 생육에 적절한 환경을 실내에 조성하기 위하여 소요되는 비용에 비하여, 스피룰리나 조류의 생산으로 얻어지는 부가가치가 크지 못하기 때문 에, 이를 보다 경제적으로 생산할 수 있는 방법을 개발하려는 방향으로 연구가 진행되고 있으나, 실제적으로 활용되지 못하고 있는 실정이다.
예를 들어, 대한민국 특허공개 제 2004-0073693호에는 NaOH 대신에 숯을 부가하여 pH를 조절하는 동시에 탄소원으로 활용하여 스피룰리나 조류를 배양하는 방법이 개시되어 있으나, 숯이 배양액에 침전되어 pH 조절효과를 나타내지 못하고, 탄소원으로서도 활용되지 못할 뿐만 아니라, 침전된 숯에 스피룰리나 조류가 흡착되어, 결과적으로는 생산성을 악화시킨다는 문제점이 있었고, 대한민국 특허공개 제 2006-17033호에는 스피룰리나 조류의 성장 최적화 및 최대 수확을 위하여, 질소 및 탄소의 농도를 조절한 배지 조성물이 개시되어 있으나, 생산성의 향상정도 보다 배양액의 단가상승 정도가 더 높아서, 실제로 활용되지 못하였다.
만일, 종래의 배양방법에 비하여, 동등한 수준의 생산성을 유지하면서도, 소요되는 비용을 감축시킬 수 있다면, 스피룰리나 조류의 상업적 이용면에서 획기적인 변화를 가져올 수 있을 것으로 예측되고 있다.
이에, 본 발명자들은 동등한 수준의 생산성을 유지하면서도, 소요되는 비용을 감축시킬 수 있는 스피룰리나 조류의 생산방법을 개발하고자 예의 연구노력한 결과, 스피룰리나 조류의 생육에 이용되는 배양배지의 온도를 적정수준으로 조절할 경우, 배지에 NaOH와 NaCl이 포함되지 않더라도, 스피룰리나 조류의 생산성을 종래의 방법에 의한 수준으로 유지할 수 있어, 스피룰리나 조류를 경제적으로 생산할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.
결국, 본 발명의 주된 목적은 스피룰리나 조류의 생산방법을 제공하는 것이다.
본 발명자들은 종래의 방법에 의한 수준으로 생산성을 유지하면서도, 소요되는 비용을 감축시킬 수 있는 스피룰리나 조류의 생산방법을 개발하기 위하여, 자연상태에서의 스피룰리나 조류의 성장환경을 검토한 결과, 스피룰리나 조류의 성장에 있어서 온도, 염도 및 pH 조건이 가장 중요함을 알 수 있었다.
현재까지 알려진 바에 의하면, 스피룰리나 조류는 자연상태에서 배양할 경우, 약 26℃의 온도조건, 약 0.1%(w/v)의 염도조건 및 pH 9.8의 알칼리성 환경에서 배양하면, 제조수율이 우수하면서도 생산비용이 저렴하여, 가장 경제적으로 스피룰리나 조류를 생산할 수 있다고 알려져 있으므로, 이들 3가지 조건을 다양하게 변화시키면서, 스피룰리나 조류의 성장정도를 비교한 결과, 온도조건이 가장 중요함을 알 수 있었다.
구체적으로, 32 내지 38℃의 온도조건에서 배양할 경우에는, 배지에 NaCl을 첨가하지 않더라도 정상적으로 스피룰리나 조류를 성장시킬 수 있었고, 배지에 NaOH를 가하지 않아서 상대적으로 낮은 pH를 유지하더라도 정상적으로 스피룰리나 조류를 성장시킬 수 있었다.
이에 따라, 본 발명의 스피룰리나 조류의 생산방법은 NaCl과 NaOH를 포함하지 않는 SOT 배지에 스피룰리나 조류를 접종하고, 32 내지 38℃에서 바람직하게는 3,000 내지 9,000Lux, 보다 바람직하게는 5,000 내지 7,000Lux, 가장 바람직하게는 6,000Lux의 광조건으로 12시간씩 명조건 및 암조건을 유지하면서 배양하는 단계를 포함한다. 이때, NaCl과 NaOH를 포함하지 않는 SOT 배지는 특별히 이에 제한되지 않으나, 배지 1ℓ당, NaHCO3 16.8g, K2HPO4 0.5g, NaNO3 2.5g, K2SO4 1g, NaCl 1g, MgSO4·7H2O 0.2g, CaCl2·2H2O 0.04g, FeSO4·7H2O 0.01g, EDTA 0.08g 및 금속염 혼합물 A5(Trace Metal Mix A5, H3BO3 2.86g/ℓ, MnCl2·4H2O 1.81g/ℓ, ZnSO4·7H2O 0.222g/ℓ, Na2MoO4·2H2O 0.39g/ℓ, CuSO4·5H2O 0.079g/ℓ, Co(NO3)2·6H2O 49.4mg/ℓ) 1㎖를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 스피룰리나 조류의 생산방법을 사용하면, 종래의 방법에 의한 수준으로 스피룰리나 조류를 생산할 수 있으면서도, 배지에 NaCl과 NaOH를 포함하지 않아, NaCl과 NaOH의 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 배양 후에 방출되는 배지에 포함된 NaCl과 NaOH의 폐수처리에 소요되는 비용을 절감할 수 있으므로, 경제적인 스피룰리나 조류의 생산에 널리 활용될 수 있을 것이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시 예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
실시예 1: 온도가 스피룰리나 조류의 생육에 미치는 효과
스피룰리나 조류(S. platensis)(ATCC 53843)를 SOT 배지(NaHCO3 16.8g/ℓ, K2HPO4 0.5g/ℓ, NaNO3 2.5g/ℓ, K2SO4 1g/ℓ, NaCl 1g/ℓ, MgSO4·7H2O 0.2g/ℓ, CaCl2·2H2O 0.04g/ℓ, FeSO4·7H2O 0.01g/ℓ, EDTA 0.08g/ℓ, Trace Metal Mix A5(H3BO3 2.86g/ℓ, MnCl2·4H2O 1.81g/ℓ, ZnSO4·7H2O 0.222g/ℓ, Na2MoO4·2H2O 0.39g/ℓ, CuSO4·5H2O 0.079g/ℓ, Co(NO3)2·6H2O 49.4mg/ℓ) 1.0㎖/ℓ, Trace Metal Mix B6 Modified(NH4NO3 0.23g/ℓ, K2Cr2(SO4)4·24H2O 96mg/ℓ, NiSO4·7H2O 47.8mg/ℓ, Na2WO4·2H2O 17.9mg/ℓ, Ti2(SO4)3 40mg/ℓ) 1.0㎖/ℓ, 적량의 NaOH, pH 9.8)에 10%(v/v)로 접종하고, 6,000Lux의 광조건으로 12시간씩 명조건 및 암조건을 유지하면서 26℃, 30℃, 32℃, 35℃, 38℃ 및 40℃에서 21일동안 배양하고, 배양중의 스피룰리나 조류의 성장정도를 측정하기 위하여, 분광광도계(Ultraspec 3100pro, Amersham)를 이용하여 680nm에서 O.D값을 측정하였다(참조: 도 1). 도 1은 NaCl과 NaOH를 포함하는 배지를 이용하여 각 배양온도에서 스피룰리나 조류를 배양할 때, 배양시간의 경과에 따른 스피룰리나 조류의 성장정도를 비교한 그래프로서, (◆)는 26℃, (◇)는 30℃, (●)는 32℃, (■)는 35℃, (▲)는 38℃ 및 (▼)는 40℃에서 배양한 스피룰리나 조류를 나타낸다.
도 1에서 보듯이, NaCl과 NaOH를 포함하는 통상적인 스피룰리나 조류 배양용 배지를 이용하여 통상적으로 알려진 스피룰리나 조류의 배양온도인 26℃를 포함하는 30℃ 이하의 온도에서 배양할 경우보다, 32℃ 이상의 온도에서 배양할 경우, 스피룰리나 조류의 성장정도가 향상되었으나, 40℃에서는 오히려 성장정도가 감소함을 알 수 있었다.
실시예 2: 온도와 NaCl이 스피룰리나 조류의 생육에 미치는 효과
NaCl을 포함하지 않는 변형된 SOT 배지(SOT#1 배지)를 사용하는 것을 제외하고는, 전기 실시예 1과 동일한 방법으로 스피룰리나 조류를 각 배양온도에서 배양하고, 스피룰리나 조류의 성장정도를 비교하였다(참조: 도 2). 도 2는 NaCl을 포함하지 않은 배지를 이용하여 각 배양온도에서 스피룰리나 조류를 배양할 때, 배양시간의 경과에 따른 스피룰리나 조류의 성장정도를 비교한 그래프로서, (◆)는 26℃, (◇)는 30℃, (●)는 32℃, (■)는 35℃, (▲)는 38℃ 및 (▼)는 40℃에서 배양한 스피룰리나 조류를 나타낸다.
도 2에서 보듯이, 통상적으로 알려진 스피룰리나 조류의 배양온도인 26℃를 포함하는 30℃ 이하의 온도에서 배양할 경우, SOT#1 배지를 이용할 때(도 2)는 정 상적인 SOT 배지를 이용할 때(도 1) 보다, 스피룰리나 조류의 성장정도가 크게 감소하였다. 그러나, 32℃ 이상의 온도에서 배양할 경우에는, SOT#1 배지를 이용하더라도, 30℃ 이하의 온도에서 정상적인 SOT 배지를 이용할 때와 유사한 수준으로(참조: 도 1) 스피룰리나 조류가 성장함을 알 수 있었다.
실시예 3: 온도와 pH가 스피룰리나 조류의 생육에 미치는 효과
NaOH를 포함하지 않아 pH9.0을 나타내는 변형된 SOT 배지(SOT#2 배지)를 사용하는 것을 제외하고는, 전기 실시예 1과 동일한 방법으로 스피룰리나 조류를 각 배양온도에서 배양하고, 스피룰리나 조류의 성장정도를 비교하였다(참조: 도 3). 도 3은 NaOH을 포함하지 않은 배지를 이용하여 각 배양온도에서 스피룰리나 조류를 배양할 때, 배양시간의 경과에 따른 스피룰리나 조류의 성장정도를 비교한 그래프로서, (◆)는 26℃, (◇)는 30℃, (●)는 32℃, (■)는 35℃, (▲)는 38℃ 및 (▼)는 40℃에서 배양한 스피룰리나 조류를 나타낸다.
도 3에서 보듯이, 통상적으로 알려진 스피룰리나 조류의 배양온도인 26℃를 포함하는 30℃ 이하의 온도에서 배양할 경우, SOT#2 배지를 이용할 때(도 3)는 정상적인 SOT 배지를 이용할 때(도 1) 보다, 스피룰리나 조류의 성장정도가 크게 감소하였다. 그러나, 32℃ 이상의 온도에서 배양할 경우에는, SOT#2 배지를 이용하더라도, 30℃ 이하의 온도에서 정상적인 SOT 배지를 이용할 때와 유사한 수준으로(참조: 도 1) 스피룰리나 조류가 성장함을 알 수 있었다.
실시예 4: NaCl과 NaOH가 첨가되지 않은 배지를 이용한 스피룰리나 조류의 배양
NaCl 및 NaOH를 포함하지 않는 변형된 SOT 배지(SOT#3 배지)를 사용하여, 26℃와 35℃에서 배양하는 것을 제외하고는, 전기 실시예 1과 동일한 방법으로 스피룰리나 조류를 배양하고, 스피룰리나 조류의 성장정도를 비교하였다(참조: 도 4). 이때, 대조군으로는 NaCl 및 NaOH를 포함하는 SOT 배지를 사용하여, 26℃에서 배양한 스피룰리나 조류를 이용하였다. 도 4는 NaCl과 NaOH을 포함하지 않은 배지를 이용하여 각 배양온도에서 스피룰리나 조류를 배양할 때, 배양시간의 경과에 따른 스피룰리나 조류의 성장정도를 비교한 그래프로서, (◆)는 26℃에서 배양한 스피룰리나 조류를 나타내고, (■)는 35℃에서 배양한 스피룰리나 조류를 나타내며 및 (○)는 대조군을 나타낸다.
도 4에서 보듯이, SOT#3 배지를 이용할 경우, 통상적으로 알려진 스피룰리나 조류의 배양온도인 26℃에서 배양하면 스피룰리나 조류의 성장정도가 낮았으나, 35℃에서 배양하면 대조군과 유사한 정도로 스피룰리나 조류가 성장함을 알 수 있었다.
따라서, 상기 실시예 2 내지 4의 결과를 종합하면, NaCl과 NaOH를 포함하지 않은 배지에서 스피룰리나 조류를 32℃ 이상의 온도에서 배양하면, 30℃ 이하의 온도에서 NaCl과 NaOH를 포함하는 배지에서 배양한 것과 유사한 정도로 스피룰리나 조류를 배양할 수 있음을 알 수 있었다.
실시예 5: 다른 종류의 스피룰리나 조류 배양용 배지와의 비교
상기 실시예 2 내지 4의 결과로부터, NaCl과 NaOH를 포함하지 않은 배지에서 스피룰리나 조류를 32℃ 이상의 온도에서 배양하면, 30℃ 이하의 온도에서 NaCl과 NaOH를 포함하는 배지에서 배양한 것과 유사한 정도로 스피룰리나 조류를 배양할 수 있음을 알 수 있었는 바, NaCl과 NaOH를 포함하는 종래의 다른 조류 배양용 배지를 사용할 경우에도 유사한 유사한 결과를 얻을 수 있는지를 확인하였다.
즉, 종래의 조류배양에 사용되어 온 스피룰리나 조류 배양용 알칼리성 무기배지인 Botanica 배지(B 배지)(참조: Schlosser U. G., Botanica Acta, 107:113-186, 1994) 및 Zarrouk 배지(Z 배지)(참조: Zarrouk C., Ph.D. Thesis, University of Paris, 1966)를 각각 제조하였다(참조: 표 1).
알칼리성 무기배지의 성분 및 성분비(단위: g/ℓ)
성분 B 배지 Z 배지
NaHCO3 13.61 16.80
Na2CO3 4.03 -
K2HPO4 0.50 0.50
NaNO3 2.50 2.50
K2SO4 1.00 1.00
NaCl 1.00 1.00
MgSO4 0.20 0.20
CaCl2 0.04 0.04
FeSO4 0.01 0.01
EDTA 0.08 0.08
NaOH 적량(pH 9.8) 적량(pH 9.8)
MnCl2 0.013 -
CoCl2 0.020 -
Na2MoO4 0.013 -
Na2EDTA 0.050 -
H3BO3 0.618 0.010
CuSO4 0.020 < 0.00005
ZnSO4 0.044 0.001
MnSO4 - 0.002
Co(NO3)2 - 0.001
FeSO4 - 0.700
EDTA - 0.800
그런 다음, 본 발명의 SOT#3 배지, B 배지 및 Z 배지에 스피룰리나 조류(S. platensis)(ATCC 53843)를 10%(v/v)로 접종하고, 6,000Lux의 광조건으로 12시간씩 명조건 및 암조건을 유지하면서 35℃(SOT#3 배지) 및 26℃(B 배지 및 Z 배지)에서 각각 28일동안 배양하고, 배양중의 스피룰리나 조류의 성장정도를 측정하기 위하여, 분광광도계(Ultraspec 3100pro, Amersham)를 이용하여 680nm에서 O.D값을 측정하였다(참조: 도 5). 도 5는 SOT#3 배지, B 배지 및 Z 배지를 이용하여 스피룰리나 조류를 배양할 때, 배양시간의 경과에 따른 스피룰리나 조류의 성장정도를 비교한 그래프로서, (▲)는 SOT#3 배지, (◆)는 B 배지 및 (■)는 Z 배지에서 배양한 스피룰리나 조류를 나타낸다.
도 5에서 보듯이, NaCl과 NaOH를 포함하지 않은 SOT#3 배지에서 스피룰리나 조류를 32℃ 이상의 온도에서 배양하면, 30℃ 이하의 온도에서 NaCl과 NaOH를 포함하는 종래의 스피룰리나 조류 배양용 배지에서 배양한 것과 유사한 정도로 스피룰리나 조류를 배양할 수 있음을 알 수 있었다.
이상에서 상세히 설명하고 입증하였듯이, 본 발명은 NaCl과 NaOH를 포함하지 않는 스피룰리나 조류 배양용 배지를 이용하여, 경제적으로 스피룰리나 속 조류를 생산할 수 있는 방법을 제공한다. 본 발명의 스피룰리나 속 조류의 생산방법을 사용하면, 종래의 방법에 의한 수준으로 스피룰리나 조류를 생산할 수 있으면서도, 배지에 NaCl과 NaOH를 포함하지 않아, NaCl과 NaOH의 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 배양 후에 방출되는 배지에 포함된 NaCl과 NaOH의 폐수처리에 소요되는 비용을 절감할 수 있으므로, 스피룰리나 속 조류의 경제적인 생산에 널리 활용될 수 있을 것이다.

Claims (2)

  1. NaCl과 NaOH를 포함하지 않는 SOT 배지에 스피룰리나 속 조류를 접종하고, 32 내지 38℃에서 3,000 내지 9,000Lux의 광조건으로 12시간씩 명조건 및 암조건을 유지하면서 배양하는 단계를 포함하는, 스피룰리나 속 조류의 생산방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    NaCl과 NaOH를 포함하지 않는 SOT 배지는 배지 1ℓ당, NaHCO3 16.8g, K2HPO4 0.5g, NaNO3 2.5g, K2SO4 1g, NaCl 1g, MgSO4·7H2O 0.2g, CaCl2·2H2O 0.04g, FeSO4·7H2O 0.01g, EDTA 0.08g 및 금속염 혼합물 A5(Trace Metal Mix A5, H3BO3 2.86g/ℓ, MnCl2·4H2O 1.81g/ℓ, ZnSO4·7H2O 0.222g/ℓ, Na2MoO4·2H2O 0.39g/ℓ, CuSO4·5H2O 0.079g/ℓ, Co(NO3)2·6H2O 49.4mg/ℓ) 1㎖를 포함하는 것을 특징으로 하는
    스피룰리나 속 조류의 생산방법.
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