KR100818203B1 - Cell circulating photobioreactor and culture method of photosynthetic microorganisms using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 세포 순환 광생물반응기 및 이를 이용한 광합성 미생물의 배양 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배양 세포와 배양액을 순환시키며 상대적으로 작은 부피의 배양액에 빛을 공급하면서 세포의 생장이나 유용물질의 생산량은 같게 하는 세포 순환 광생물반응기 및 상기 반응기를 이용한 광합성 미생물의 배양 방법을 제공한다. 본 발명의 세포 순환 광생물반응기는 외부에서 일정한 빛 에너지를 공급하는 수직 원통형 광생물반응기와는 달리 반응기를 크기가 다른 제 1 반응기와 제 2 반응기로 분리시켜 제작하였고, 광합성 미생물이 배양액과 함께 제 1 반응기와 제 2 반응기를 순환하도록 배양하면서, 제 1 반응기보다 폭과 크기가 작은 제 2 반응기에 강한 빛 에너지를 공급하였다. 본 발명의 세포 순환 광생물반응기는 고농도 배양시 일정 깊이 이상에는 빛이 도달하지 못하고, 세포 간의 간섭 효과로 인해 빛 에너지가 비효율적으로 이용되는 문제를 해소함으로써 기존의 광생물반응기보다 적은 양의 빛 에너지를 이용하여 광합성 미생물 및 광합성 미생물이 생산하는 유용생산물을 생산하는데 유용하다.The present invention relates to a cell circulating photobioreactor and a method for culturing photosynthetic microorganisms using the same, and more particularly, to circulate cultured cells and a culture medium, and to supply light to a relatively small volume of culture medium while producing cell growth and useful materials. It provides a cell circulating photobioreactor and a method of culturing photosynthetic microorganisms using the reactor. Unlike the vertical cylindrical photobioreactor, which supplies constant light energy from the outside, the cell circulation photobioreactor of the present invention was manufactured by separating the reactor into a first reactor and a second reactor having different sizes, and the photosynthetic microorganisms were prepared together with the culture medium. While culturing the first reactor and the second reactor to circulate, strong light energy was supplied to the second reactor having a smaller width and size than the first reactor. In the cell circulating photobioreactor of the present invention, light does not reach above a certain depth in high concentration culture, and solves the problem that light energy is inefficiently used due to the interference effect between cells. It is useful for producing photosynthetic microorganisms and useful products produced by photosynthetic microorganisms.
광생물반응기, 광합성미생물, 유용생산물, 배양방법 Photobioreactors, photosynthetic microorganisms, useful products, culture methods
Description
도 1은 광생물반응기에서 세포 농도에 따른 빛의 분포를 나타낸 모식도이다:Figure 1 is a schematic diagram showing the distribution of light according to the cell concentration in the photobioreactor:
(A) : 낮은 세포 농도;(A): low cell concentration;
(B) : 높은 세포 농도; (B): high cell concentration;
왼쪽 화살표 : 공급되는 빛 에너지; 및Left arrow: light energy supplied; And
오른쪽 화살표: 배양액을 통과하는 빛 에너지. Right arrow: Light energy passing through the culture.
도 2는 도 1에서 나타낸 빛의 분포 감소 현상을 도식적으로 그린 그래프이ㄷ다.FIG. 2 is a graph schematically illustrating a phenomenon in which light is distributed in FIG. 1.
도 3은 세포 순환 광생물반응기의 모식도이다.3 is a schematic diagram of a cell circulating photobioreactor.
도 4는 세포 순환 광생물반응기의 측면도이다.4 is a side view of a cell circulating photobioreactor.
도 5는 세포 순환 광생물반응기의 단면도이다.5 is a cross-sectional view of a cell circulating photobioreactor.
도 6은 수직 원통형 광생물반응기 및 세포 순환 광생물반응기에서 배양한 헤마토코쿠스의 세포 농도를 나타낸 그래프이다:6 is a graph showing the cell concentration of hematococcus cultured in a vertical cylindrical photobioreactor and a cell circulating photobioreactor:
괄호 안의 왼쪽 값: 제 1 반응기(1)에 공급된 빛 에너지; 및Left value in parentheses: light energy supplied to the
괄호 안의 오른쪽 값 : 제 2 반응기(2)에 공급된 빛 에너지. Right value in parentheses: light energy supplied to the
도 7은 수직 원통형 광생물반응기 및 세포 순환 광생물반응기에서 배양한 헤마토코쿠스가 생산하는 아스타잔틴의 농도를 나타낸 그래프이다: 7 is a graph showing the concentration of astaxanthin produced by hematococcus cultured in a vertical cylindrical photobioreactor and a cell circulating photobioreactor:
괄호 안의 왼쪽 값 : 제 1 반응기(1)에 공급된 빛 에너지; 및Left value in parentheses: light energy supplied to the
괄호 안의 오른쪽 값 : 제 2 반응기(2)에 공급된 빛 에너지. Right value in parentheses: light energy supplied to the
도 8은 청색 및 적색 LED를 통해 빛 에너지를 공급하는 세포 순환 광생물반응기에서 배양한 헤마토코쿠스의 세포 농도를 나타낸 그래프이다.8 is a graph showing the cell concentration of hematococcus cultured in a cell circulation photobioreactor supplying light energy through blue and red LEDs.
도 9는 청색 및 적색 LED를 통해 빛 에너지를 공급하는 세포 순환 과생물반응기에서 배양한 헤마토코쿠스의 세포 농도를 나타낸 그래프이다.9 is a graph showing the cell concentration of hematococcus cultured in a cell circulation superbioreactor supplying light energy through blue and red LEDs.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
1 : 제 1 반응기 2 : 제 2 반응기1: first reactor 2: second reactor
3 : 배양액 주입구 4 : 가스 방출구3: culture solution inlet 4: gas outlet
5 : 샘플링 출입구 6 : 제 1 가스 주입구5 Sampling Exit 6: First Gas Inlet
7 : 제 2 가스 주입구 8 : 제 1 연결통로7: second gas inlet port 8: first connecting passage
9 : 제 2 연결통로 10 : 광원9: second connection path 10: light source
11 : 유리 튜브 12 : 온도계11: glass tube 12: thermometer
13 : 입구13: entrance
본 발명은 세포 순환 광생물반응기 및 이를 이용한 광합성 미생물의 배양 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a cell circulating photobioreactor and a method for culturing photosynthetic microorganisms using the same.
현재 미세조류의 다양한 능력에 기인하여, 폐수의 처리, 이산화탄소의 고정화, 연료물질의 생산, 의약품, 화장품 등의 그 사용 범위가 확대되었으며, 요구도가 증가되고 있다. 하지만, 생체 중량 및 유용생산물을 대량으로 생산하기 위해서는 경제적, 기술적으로 효율적인 배양기의 개발이 절실히 필요하다. Due to the various capabilities of the current microalgae, the use of waste water treatment, carbon dioxide immobilization, the production of fuel materials, pharmaceuticals, cosmetics, etc. has been expanded, the demand is increasing. However, development of economically and technically efficient incubators is urgently needed to produce large quantities of biomass and useful products.
미세조류의 생체 중량 및 유용생산물 증가에 영향을 미치는 요소들은 배지의 조성, 온도, pH, 광도, 광량 등의 많은 요인들이 존재하지만, 그중에서도 광합성 미세조류의 특성상 빛이 차지하는 비중은 가장 크게 존재한다. 빛의 공급의 효율성이야말로 광생물반응기를 제작하는데 중요하게 고려되어야 할 사항이다. There are many factors that affect the biomass and useful product increase of microalgae, such as the composition of the medium, temperature, pH, light intensity, light quantity, etc. Among them, light is the largest share due to the nature of photosynthetic microalgae. The efficiency of the light supply is an important consideration in the construction of photobioreactors.
광생물반응기의 형태에 따라 다르지만, 일반적으로 광생물반응기의 규모가 커지면 커질수록 빛의 공급의 효율성은 떨어질 수밖에 없다(도 1 참조). 낮은 세포 농도에 빛을 공급할 때는 큰 문제로 작용하지 않지만, 높은 세포 농도에서는 빛이 투과되는 한계가 있으며, 세포 간의 상호 간섭효과(mutual shading)로 인해 광생물반응기 표면에는 강한 광도가 공급되어도 광생물반응기 중심에는 빛이 거의 도달되지 못해 불균형적인 빛의 분포도를 갖게 된다(도 2 참조). 특히 빛 에너지에 영향을 크게 받아 생산되는 유용생산물을 미세조류로부터 생산할 경우에는 많은 빛 에너지를 공급함으로서 더욱 상기에 언급한 문제가 크게 발생할 수 있다. Depending on the type of photobioreactor, in general, the larger the size of the photobioreactor, the greater the efficiency of light supply is bound to fall (see Figure 1). It is not a big problem when supplying light to low cell concentration, but light transmission is limited at high cell concentration, and even though strong light is supplied to the surface of photoreactor due to mutual shading between cells, Light is hardly reached at the center of the reactor, resulting in an unbalanced distribution of light (see FIG. 2). In particular, in the case of producing a useful product which is produced by being greatly influenced by light energy from microalgae, the above-mentioned problems may be greatly generated by supplying a lot of light energy.
최근에 광합성 미생물에 유래된 여러 고부가 산물들이 개발되면서 이를 고농도 배양하기 위한 다양한 배양 장치가 개발되고 있다. 적도 지방과 같이 기후가 온난하고 토지 비용이 저렴한 지역에서는 연못(pound) 형태나 외륜(paddl wheel)으로 배지를 순환시키는 수로(raceway) 형태의 옥외 배양법을 주로 사용하였으나, 상기 방법의 경우에는 설치비와 운영비가 적게 드는 반면 고농도 배양이 힘들고 다른 미생물에 의해 오염 가능성이 높아 목적 산물의 분리 회수 비용이 증가한다는 단점이 있다.Recently, various high value products derived from photosynthetic microorganisms have been developed, and various culture apparatuses for high concentration culture thereof have been developed. In warm climates and low land costs, such as in the equator, outdoor cultures in the form of ponds or raceways that circulate the medium to paddl wheels are used. While the operating cost is low, the high concentration is difficult and the possibility of contamination by other microorganisms increases the cost of separation and recovery of the target product.
이를 극복하기 위하여 고농도 대량 배양에 적합한 여러 형태의 광생물반응기가 구미 선진국과 일본, 이스라엘, 호주 등을 중심으로 개발되고 있다. 널리 사용되고 있는 광생물반응기로는 외부 광원으로 태양광을 이용하는 관형 광생물반응기(tublar photobioreactor)와 판넬형 광생물반응기(thin-panel photobioreactor) 등이 알려져 있다(대한민국 등록특허 제 220310호). 상기 반응기의 구조는 태양광에 노출되는 조사 면적을 최대화하고 배양액 내부로의 빛 투과 거리를 짧게 하기 위하여, 좁고 긴 직사각형 또는 원통형 파이프를 조밀하게 밀착시켜 루프를 만들고, 루프 중간의 한 부분을 세워 공기 부양을 통해 배양액을 순환시키는 구조를 가지는 것일 특징이다.In order to overcome this problem, various types of photobioreactors suitable for high concentration and mass cultivation have been developed mainly in Western countries, Japan, Israel and Australia. As widely used photobioreactors, tubular photobioreactors and thin-panel photobioreactors using sunlight as an external light source are known (Korean Patent No. 220310). The structure of the reactor maximizes the irradiation area exposed to sunlight and shortens the light transmission distance into the culture medium, so that a narrow, long rectangular or cylindrical pipe is closely packed to form a loop, and a part of the loop is raised to form an air. Characterized by having a structure that circulates the culture through the flotation.
한편, 국내의 경우나 일본 등과 같이 사계절의 변화가 뚜렷하고, 토지 비용이 고가인 지역에서는 내부 조명으로 광섬유, 형광램프, 발광다이오드 소자 등을 다수 설치함으로써 단위부피당 조사 표면적을 최대화할 수 있는 구조를 갖는 여러 형태의 내부조사형 광생물반응기(internally radiating photobioreactor)가 개발되어 있다(대한민국 등록특허 제 283026호).On the other hand, in the areas where the four seasons are obvious, such as in Korea or Japan, and the land cost is high, the interior surface has a structure that can maximize the irradiation surface area per unit volume by installing a large number of optical fibers, fluorescent lamps, and light emitting diode elements as internal lights. Various types of internally radiating photobioreactors have been developed (Korean Patent No. 283026).
그러나 이와 같은 광생물반응기를 이용한 광합성 미생물의 옥외배양 방법에 비해 소용량 고농도 배양에는 유리하지만 대용량으로 배양하는 경우에는 반응기 구조의 복잡성으로 인한 고가의 설치비와 운전비 때문에 대규모화가 곤란하다는 단점이 있어 주로 고부가 가치 물질의 생산에 제한적으로 활용되고 있다. However, compared to the outdoor culture method of photosynthetic microorganisms using such a photobioreactor, small-capacity high concentration cultivation is advantageous, but when cultivating a large-capacity, large-scale value is difficult due to the expensive installation and operation costs due to the complexity of the reactor structure. Limited use in the production of materials.
현재 국내에서 개발 중인 광생물반응기의 형태는 원통형 내부도관(innerdraft tube)를 발광체로 이용한 공기부양식 광생물반응기(air-lift photobioreactor)(대한민국 등록특허 제 283026호)와 교반기를 발광체로 이용한 발광터빈형 광생물반응기(stirred-link photobioreactor)(대한민국 특허 공개공보 제 2003-18196호)가 알려져 있다. 반면에 가장 간단한 구조로 되어 있으면서 대용량의 미생물 배양에 적합하고, 광합성 미생물을 배양하기 위한 빛 에너지의 효과적인 공급, 배양액의 온도 조절 및 혼합에 관한 기술 개발은 미진한 실정이다.The type of photobioreactor currently being developed in Korea is an air-lift photobioreactor using a cylindrical inner conduit as a light emitter (Korean Patent No. 283026) and a light emitting turbine using a stirrer as a light emitter. A stirred-link photobioreactor (Korean Patent Publication No. 2003-18196) is known. On the other hand, the simplest structure is suitable for cultivation of a large amount of microorganisms, and the development of technology regarding the effective supply of light energy, the temperature control and mixing of the culture medium for culturing photosynthetic microorganisms is insufficient.
본 발명자들은 수직 원통형 광생물반응기를 적절한 비율로 나누었고, 두 부분을 서로 연결하여 세포와 배양액을 순환하게 하였다. 그리고 제 1 반응기보다 폭과 크기가 작은 제 2 반응기에 많은 빛 에너지를 공급함으로써 상기 언급했던 빛의 불균형적인 분포와 세포 간의 상호 간섭에 의한 비효율적인 문제를 해결하였다. 이를 통해, 전체적인 빛 에너지는 일반적으로 배양하는 경우보다 적게 소비하거나, 같은 양의 빛 에너지로 더욱 많은 유용생산물을 생산할 수 있음을 확임함으로써 본 발명을 완성하였다.The inventors divided the vertical cylindrical photobioreactor at an appropriate ratio and connected the two parts to each other to circulate the cells and the culture solution. In addition, by supplying more light energy to the second reactor having a smaller width and size than the first reactor, the above-mentioned problem of unbalanced distribution of light and inefficiency due to mutual interference between cells was solved. Through this, the present invention was completed by confirming that the overall light energy can be consumed less than when cultured in general, or that more useful products can be produced with the same amount of light energy.
본 발명의 목적은 적은 양의 빛 에너지를 공급하여 효율적으로 광합성 미생물 및 상기 미생물이 생산하는 유용생산물을 생산할 수 있는 광생물반응기 및 이를 이용한 광합성 미생물의 배양 방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a photobioreactor capable of efficiently producing photosynthetic microorganisms and useful products produced by the microorganisms by supplying a small amount of light energy, and a method of culturing photosynthetic microorganisms using the same.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 적은 양의 빛 에너지를 공급하여 효율적으로 광합성 미생물 및 상기 미생물이 생산하는 유용생산물을 배양할 수 있는 세포 순환 광생물반응기를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a cell circulating photobioreactor capable of culturing photosynthetic microorganisms and useful products produced by the microorganisms by supplying a small amount of light energy.
또한, 본 발명은 상기 광생물반응기를 이용하는 광합성 미생물 배양 방법을 제공한다.The present invention also provides a method for culturing photosynthetic microorganisms using the photobioreactor.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명은 광생물반응기를 제공한다.The present invention provides a photobioreactor.
본 발명의 광생물반응기는 분리된 제 1 반응기(1) 및 제 2 반응기(2)를 구비한 광생물반응기이며, 상기 광생물반응기는 내부에 구비된 순환 장치에 의하여 미생물의 순환이 가능하고, 양 반응기 중 어느 하나 이상에 장착된 광원에 의하여 전 체 미생물의 일부에만 빛을 조사하거나 양 반응기에 서로 다른 광도로 빛을 조사할 수 있는 것을 특징으로 한다. 상기 광생물반응기의 순환장치는 공기부양식(air-lift type)인 것을 특징으로 하나 다른 기계적 또는 물리적인 방법을 사용할 수도 있다. 광원은 태양광, 형광램프, 광섬유, 네온판, 발광다이오드(LED) 소자 등으로 구성된 군으로부터 선택된 것이 바람직하며, 광원의 설치는 광원의 종류, 반응기의 형태 및 크기, 운전되는 세포의 농도와 생산되는 유용 물질의 특성 등에 따라 내부 또는 외부에 부착하는 것이 바람직하다.The photobioreactor of the present invention is a photobioreactor having a separate
이에 더하여, 본 발명은 세포 순환 광생물반응기를 제공한다.In addition, the present invention provides a cell cycle photobioreactor.
본 발명의 세포 순환 광생물반응기는 배양하고자 하는 광합성 미생물을 수용할 수 있는, 크기가 다른 제 1 반응기(1)와 제 2 반응기(2); 상기 제 1 반응기(1)와 제 2 반응기(2)를 일체형으로 연결시켜 주는 상단에 구비된 제 1 연결통로(8)와 하단에 구비된 제 2 연결통로(9); 가스를 주입하여 세포 및 배양액의 이동을 위한 상기 제 1 반응기(1)의 하단에 구비된 제 1 가스 주입구(6); 배양기 주입구(3), 가스 배출구(4), 샘플링 출입구(5)가 구비된 제 1 반응기 상부의 입구(13) ; 및 상기 제 2 반응기(2)의 배양 세포에 빛 에너지를 공급하기 위한 광원(10)으로 구성되어 있다(도 4 참조).The cell circulation photobioreactor of the present invention includes a first reactor (1) and a second reactor (2) of different sizes, which can accommodate photosynthetic microorganisms to be cultured; A first connection passage (8) provided at the upper end and a second connection passage (9) provided at the lower end for integrally connecting the first reactor (1) and the second reactor (2); A
상기 세포 순환 광생물반응기의 형태는 여러 가지 형태로 제작할 수 있으며, 직육면체 평면판(flat plate), 원통형(cylinder), 튜브형(tubular) 반응기로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 원통형이나 이에 한정되지 않는다. 상기 세포 순환 광생물반응기는 제 1 반응기(1)와 제 2 반응기(2)로 나누어져 있으며, 상기 세포 순환 광생물반응기의 제 2 반응기(2)는 제 1 반응기(1)보다 높이 및 지름이 작은 것이 바람직하다. 또한 본 발명의 광생물반응기의 반응기는 하부 외부면의 소정의 위치로부터 하단까지 원뿔형상으로 이루어져 있다(도 3 참조).The cell circulating photobioreactor may be manufactured in various forms, preferably selected from the group consisting of a cuboid flat plate, a cylinder, and a tubular reactor, and more preferably, a cylindrical reactor. It is not limited to this. The cell circulating photobioreactor is divided into a first reactor (1) and a second reactor (2), and the second reactor (2) of the cell circulating photobioreactor has a height and diameter greater than that of the first reactor (1). Small ones are preferable. In addition, the reactor of the photobioreactor of the present invention consists of a conical shape from a predetermined position of the lower outer surface to the lower end (see Fig. 3).
본 발명의 세포 순환 광생물반응기의 제 1 반응기(1)의 높이는 500 ~ 600 mm이고, 지름은 80 ~ 90 mm인 것이 바람직하며, 제 2 반응기의 높이는 400 ~ 500 mm이고, 지름은 40 ~ 50 mm인 것이 바람직하나 이에 제한되는 것은 아니며, 반응기의 폭과 지름은 원하는 유용생산물의 획득량에 따라 더욱 크게 제작할 수 있다(도 4 참조). The height of the
상기 세포 순환 광생물반응기의 제 1 반응기(1)는 입구(13)를 구비할 수 있으며, 제 1 반응기(1) 뿐 아니라 제 2 반응기(2)도 입구(13)를 구비할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 세포 순환 광생물반응기의 제 1 반응기(1) 또는 제 2 반응기(2)의 입구(13)에는 배양액 주입구(3), 가스 방출구(4), 샘플링 주입구(5)를 통하여 세포 및 배양액을 주입하고, 가스를 방출할 수 있도록 제작하였다. 또한, 제 1 반응기(1)의 입구(13)에는 내부 광원을 설치하기 위한 유리 튜브(11)를 설치할 수 있다(도 5 참조). The
상기 세포 순환 광생물반응기의 제 1 반응기(1)와 제 2 반응기(2)는 상단 및 하단에 구비된 제 1 및 제 2 연결통로(8, 9)를 통해 일체형이 되도록 설계되었으며, 상기 연결통로는 세포와 배양액이 반응기 안에서 순환할 수 있는 통로를 제공 한다. 상단에 구비된 제 1 연결통로(8)의 길이는 10 ~ 30 mm, 지름은 10 ~ 20 mm인 것이 바람직하나 이에 제한되는 것은 아니다. 하단에 구비된 제 2 연결통로(9)의 길이는 30 ~ 80 mm, 지름은 5 ~ 15 mm인 것이 바람직하나 이에 제한되는 것은 아니다. 하단에 구비된 제 2 연결통로(9)는 제 2 반응기(2)에서 제 1 반응기(1) 쪽으로 기울어져 있는 것이 바람직하다. The
상기 광생물반응기에는 세포가 이동하게 하기 위하여 제 1 반응기(1)의 하단에 구비된 제 1 가스 주입구(6) 측면에 제 1 반응기(1)와 제 2 반응기(2)를 연결하는 제 2 연결통로(9)를 연결하고 제 1 반응기(1)의 하단에 구비된 제 2 가스 주입구(6)를 통해 가스를 공급하여 주면 압력차에 의하여 제 2 배양기(2)의 배양액이 자동적으로 제 1 반응기(1)로 빨려 올라간다. 제 1 반응기(1)와 제 2 반응기(2)를 연결하는 하단에 구비된 제 2 연결통로(9)는 제 2 반응기(2)에서 제 1 반응기(1) 쪽으로 기울어져 있어 가스 주입만으로도 자연스럽게 제 1 반응기(1)로 배양액이 이동할 수 있다. 또한, 반응기의 상단에 구비된 제 1 연결통로(8)는 하단에 구비된 제 2 연결통로(9)처럼 세포가 이동하게 하는 힘(driving force)이 없기 때문에 하단에 구비된 제 2 연결통로(9)와는 다르게 연결 부위의 크기를 상단에 구비된 제 1 연결통로(8)를 보다 넓게 제작하여(약 직경 10 mm) 세포와 배양액이 자발적으로 원활하게 이동하도록 제작하였다. 전술한 바와 같이 양 반응기간의 이동은 다른 기계적인 방법이나 물리적인 방법을 사용할 수 있다. A second connection connecting the
또한, 상기 세포 순환 광생물배양기의 제 2 가스 주입구(7)를 추가적으로 설치할 수 있다. 배양시 세포의 침전을 방지하기 위하여 제 2 반응기(2)의 하단에 구비된 제 2 가스 주입구(7)에 가스를 주입하여 광합성 미생물을 배양할 수 있도록 하였다(도 3 참조). In addition, the
본 발명의 광원은 제 2 반응기(2)의 내부 또는 외부에 부착하는 것이 가능하다. 광원을 내부에 설치시 빛의 효율성은 높아지나 열의 발생, 공간적인 문제 등이 있을 수 있으므로, 반응기의 형태 및 크기, 광원의 종류, 운전하고자하는 세포의 종류와 농도, 생산하고자 하는 물질의 농도 및 생산량 등을 고려하여 외부 또는 내부로 설치할 수 있다. 본 발명의 광원은 이에 특별히 제한되지 않으나, 태양광, 형광램프, 광섬유, 네온판, 발광다이오드(LED) 소자 등으로 구성된 군으로부터 선택하여 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명의 광생물반응기는 제 1 반응기(1)의 내부에 추가적으로 광원을 설치하는 것이 바람직하다. 제 1 반응기(1)에 설치된 광원은 청색 발광다이오드(LED) 소자 또는 적색 발광다이오드(LED) 소자를 사용하는 것이 더욱 바람직하나 이에 제한되는 것은 아니다. 제 2 반응기(2)에 설치된 광원(10)은 형광램프를 외부 광원으로 설치하는 것이 바람직하나 이에 제한되는 것은 아니다(도 3 참조). 본 발명의 세포 순환 광생물반응기는 제 1 반응기(1)보다 높이 및 지름이 작은 제 2 반응기(2)에 많은 빛 에너지를 공급한다. The light source of the present invention can be attached to the inside or outside of the
일반적으로 광생물반응기를 제작할 때 가장 크게 고려하는 것은 빛 에너지를 어떻게 공급하는가이며, 빛 에너지의 공급 및 분포는 세포를 배양하거나 원하는 유용생산물을 얻기 위해 가장 중요한 요소이다. 그러나 광합성 기작과 기구는 아주 민감하게 빛을 흡수하고 산란하는 기능을 하기 때문에, 외부에서 빛을 높은 광도로 공급하여 준다고 해도 반응기 내부에서 세포가 흡수하는 빛 에너지는 상대적으로 반응기 표면의 광도에 비해 상당히 낮은 수준이다. 실제 세포 배양시 빛이 투과되는 면을 고려하여 보았을 때 세포가 5 × 105 세포/㎖ 이상의 농도가 되면 빛은 배양액의 2 ㎝를 투과하지 못한다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명의 광생물반응기는 제 1 반응기(1)와 제 2 반응기(2)로 분리 제작하였고, 특히 제 2 반응기(2)는 빛의 투과도를 고려하여 제 1 반응기(1)보다 작게 제작하되 광원을 설치하여 다량의 빛 에너지를 공급함으로서 제 2 반응기(2)에 들어온 세포들은 균등하게 빛 에너지를 공급받을 수 있도록 하였다. 또한, 미생물 배양액을 제 1 반응기(1)와 제 2 반응기(2)를 순환하도록 하므로서 반응기 내의 모든 세포들이 균등하게 빛을 공급받도록 하고, 세포 간의 상호 간섭 효과를 최소화하였다.In general, the biggest consideration in manufacturing a photobioreactor is how to supply light energy, and the supply and distribution of light energy is the most important factor for culturing cells or obtaining desired useful products. However, photosynthetic mechanisms and mechanisms are very sensitive to light absorption and scattering, so even if the light is supplied from the outside at a high level, the light energy absorbed by the cells inside the reactor is relatively higher than that of the reactor surface. Low level. Considering the light transmission surface in actual cell culture, when the cells are at a concentration of 5 × 10 5 cells / ml or more, the light does not penetrate 2 cm of the culture solution. In order to solve this problem, the photobioreactor of the present invention is manufactured by separating the
본 발명자들은 상기 세포 순환 광생물반응기를 제작하여 녹조류의 하나인 헤마토코쿠스를 배양하였다. 대조구로는 종래의 수직 원통형 광생물반응기를 사용하였다. 본 발명자들은 대조구에는 39 μE/s 빛 에너지를 공급하였고, 세포 순환 광생물반응기에는 7(0:7), 15(0:15), 48(33:15), 70(0:70) μE/s(제 1 반응기(1)에 공급한 빛 에너지:제 2 반응기(2)에 공급한 빛 에너지) 빛 에너지를 공급하고 42일간 헤마토코쿠스를 배양하여 세포 농도와 헤마토코쿠스가 생산하는 유용생산물인 아스타잔틴의 농도를 측정하였다. 아스타잔틴은 높은 빛에 의해 세포로부터 유도되며, 그 기작은 세포가 높은 빛에 노출되는 것을 보호하기 위해 생성된다고 알려져 있다. 그 결과, 대조구의 경우 4.9 × 105 세포/㎖를 얻었고, 세포 순환 광생물 반응기(빛 에너지: 7, 15, 48, 70 μE/s)의 경우 4.3 × 105 세포/㎖, 3.9 × 105 세포/㎖, 4.5 × 105 세포/㎖, 4.4 × 105 세포/㎖를 얻었다(표 1 및 도 6 참조). 또한 유용생산물인 아스타잔틴의 농도의 경우 대조구에서는 185 ㎎/ℓ이었고, 세포 순환 광생물반응기에서는 각각 117 ㎎/ℓ, 165 ㎎/ℓ, 251 ㎎/ℓ, 224 ㎎/ℓ 였다(표 1 및 도 7 참조). 세포 순환 광생물반응기의 세포 농도 및 아스타잔틴의 농도를 대조구와 비교하여 보면, 그 수치는 유사하나 공급한 빛 에너지를 대비하여 보면 본 발명의 세포 순환 광생물반응기가 대조구보다 적은 빛 에너지양을 소모하면서 유용생산물의 생산을 효율적으로 배양할 수 있다. 본 발명자들은 상기 세포 순환 광생물반응기의 제 1 반응기(1)와 제 2 반응기(2)에 빛 에너지를 적절히 분배하여 헤마토코쿠스를 배양하였다. 세포 순환 광생물반응기에는 제 1 반응기(1)에 청색 LED 또는 적색 LED를 내부조명으로 사용하여 3.4 μE/s 빛 에너지를 공급하였고, 제 2 반응기(2)에는 빛 에너지 공급장치(10)를 이용하여 15 μE/s 빛 에너지를 공급하였다. 대조구 1로는 수직 원통형 광생물반응기에 33 μE/s 빛 에너지를 공급하였고, 대조구 2로는 수직 원통형 광생물반응기에 세포 순환 광생물반응기와 동일한 18.4 μE/s 빛 에너지를 공급하였다. 그 결과, 대조구 1의 세포 농도는 4.98 × 105 세포/㎖, 대조구 2의 세포 농도는 4.33 × 105 세포/㎖이었고, 청색 LED를 사용한 세포 순환 광생물세포기의 세포 농도는 4.28 × 105 세포/㎖, 적색 LED를 사용한 세포 순환 광생물세포기의 세포 농도는 4.63 × 105 세포/㎖로, 대조구와 세포 순환 광생물세포기의 세포 농도에서는 커다란 변화가 없었다(도 8 참조). 아스타잔틴의 농도를 측정한 결과 대조구 1은 188 ㎎/ℓ을 생산하였고, 세포 순환 광생물세포기와 동일한 빛 에너지를 공급한 대조구 2의 경우 124 ㎎/ℓ을 생산하였다. 세포 순환 광생물세포기는 제 1 반응기(1)에 내부조명으로 청색 LED를 사용했을 경우 180 ㎎/ℓ를 생산하였으며, 적색 LED를 사용하였을 경우 175 ㎎/ℓ의 아스타잔틴을 생산하였다(도 9 참조). 동량의 빛 에너지를 사용했을 경우 수직 원통형 광생물세포기보다 세포 순환 광생물세포기가 더 높은 아스타잔틴 생산 농도를 보였으며, 더 높은 빛 에너지를 공급한 수직 원통형 광세포 반응기의 경우와 비슷한 아스타잔틴 생산 농도를 보임으로 본 발명의 세포 순환 광생물반응기는 광합성 미생물로부터 유용생산물과 생체 중량을 생산함에 있어서 동일한 빛 에너지를 공급하여도 높은 생산성을 나타냄을 확인하였다. The present inventors produced the cell-circulating photobioreactor and cultured hematococcus which is one of the green algae. As a control, a conventional vertical cylindrical photobioreactor was used. We supplied 39 μE / s light energy to the control and 7 (0: 7), 15 (0:15), 48 (33:15), 70 (0:70) μE / to the cell cycle photobioreactor. s (light energy supplied to the first reactor (1): light energy supplied to the second reactor (2)) Useful for supplying light energy and culturing hematococcus for 42 days to produce cell concentration and hematococcus The concentration of the product astaxanthin was measured. Astaxanthin is derived from cells by high light, and its mechanism is known to be produced to protect cells from exposure to high light. As a result, 4.9 × 10 5 cells / mL were obtained for the control, and 4.3 × 10 5 cells / mL, 3.9 × 10 5 for the cell circulating photobioreactor (light energy: 7, 15, 48, 70 μE / s). Cells / ml, 4.5 × 10 5 cells / ml, 4.4 × 10 5 cells / ml (see Table 1 and FIG. 6). The concentration of astaxanthin, a useful product, was 185 mg / l in the control and 117 mg / l, 165 mg / l, 251 mg / l and 224 mg / l in the cell cycle photobioreactor, respectively (Table 1 and See FIG. 7). Comparing the cell concentration and the astaxanthin concentration of the cell circulating photobioreactor with the control, the values are similar, but compared with the light energy supplied, the cell circulating photobioreactor of the present invention shows less light energy than the control. The production of useful products can be efficiently cultivated while consuming. The present inventors incubated hematococcus by appropriately distributing light energy to the
본 발명은 상기 세포 순환 광생물반응기를 이용하는 광합성 미생물 배양 방법을 제공한다.The present invention provides a method for culturing photosynthetic microorganisms using the cell cycle photobioreactor.
본 발명은 하기와 같은 광합성 미생물 배양 방법을 제공한다: 1) 외부에서 일정한 빛 에너지를 공급하는 광생물반응기를 이용하여 광합성 미생물을 배양하는 단계; 2) 단계 1)에서 배양한 광합성 미생물을 본 발명의 세포 순환 광생물반응기에 주입하는 단계; 3) 세포 순환 광생물반응기의 일부에만 빛 에너지를 공급하어나 양 광생물반응기에 서로 다른 광도의 빛 에너지를 공급하고, 배양액을 순환시켜 광합성 미생물의 생체 중량 및 유용생산물을 증가시키는 단계; 및 4) 단계 3)의 배양 액을 수확하여 광합성 미생물의 유용생산물을 획득하는 단계.The present invention provides a method for culturing photosynthetic microorganisms as follows: 1) culturing photosynthetic microorganisms using a photobioreactor that supplies constant light energy from the outside; 2) injecting the photosynthetic microorganism cultured in step 1) into the cell circulation photobioreactor of the present invention; 3) supplying light energy to only part of the cell circulation photobioreactor or supplying light energy of different luminosity to both photobioreactors and circulating the culture to increase the biomass and useful product of photosynthetic microorganisms; And 4) harvesting the culture solution of step 3) to obtain useful products of photosynthetic microorganisms.
단계 1)은 광합성 미생물의 세포 농도를 키우는 것을 목적으로 하고 있으며, 단계 1)에서 배양한 광합성 미생물을 단계 2)에서 본 발명의 세포 순환 광생물반응기에 배양하면서 광원을 통한 강한 빛 에너지를 공급하여 유용생산물을 생산할 수 있다. 본 발명에서는 단계 1)에서 헤마토코쿠스를 배양하여 세포 농도를 높이고, 단계 2)를 통하여 유용생산물인 아스타잔틴이 과도한 빛으로부터 유도되도록 하였다. Step 1) aims to increase the cell concentration of photosynthetic microorganisms, while supplying strong light energy through a light source while culturing the photosynthetic microorganisms cultured in step 1) in the cell circulation photobioreactor of the present invention in step 2). Useful products can be produced. In the present invention, the cell concentration was increased by culturing hematococcus in step 1), and astaxanthin, a useful product, was induced through excessive light through step 2).
상기 방법에 있어서 광합성 미생물의 종류와 배양 목적에 따라 단계 1)을 생략할 수 있다. 당업자의 배양 목적이 광합성 미생물의 고농도 배양이라면 단계 1)을 거치지 않고 단계 2)의 세포 순환 광생물반응기에서 직접 배양할 수 있다. 그러나 당업자의 배양 목적이 빛 에너지에 의해 유도되는 광합성 미생물이 생산하는 유용생산물이라면 단계 1)의 과정을 거치는 것이 바람직하다. In the above method, step 1) may be omitted depending on the type of photosynthetic microorganism and the purpose of culture. If the purpose of cultivation of a person skilled in the art is high concentration culture of photosynthetic microorganisms, it may be cultured directly in the cell circulation photobioreactor of step 2) without going through step 1). However, if the purpose of cultivation of those skilled in the art is a useful product produced by photosynthetic microorganisms induced by light energy, it is preferable to go through step 1).
상기 방법에 있어서, 단계 1)의 광합성 미생물은 헤마토코쿠스, 듀나리엘라, 클로로코쿰, 클로렐라, 아세타불라리아,미크로시스티스, 토스톡 및 오실래토리아로 이루어진 군에서 선택된 것을 배양할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.In the above method, the photosynthetic microorganism of step 1) may be cultured selected from the group consisting of hematococcus, dunaellia, chlorococum, chlorella, acetabularia, microsistis, tostock and oscillatoria. However, it is not limited thereto.
상기 방법에 있어서, 단계 4)의 광합성 미생물의 유용생산물을 획득하는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 당업자에게 공지된 방법을 사용하여도 무방하다.In the above method, the method for obtaining the useful product of the photosynthetic microorganism of step 4) is not particularly limited, and methods known to those skilled in the art may be used.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.
단, 하기 실시에는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실 시예에 의해 한정되는 것은 아니다.However, the following examples are merely to illustrate the present invention, and the contents of the present invention are not limited to the following examples.
<< 실시예Example 1> 세포 순환 1> cell circulation 광생물반응기와Photobioreactor and 수직 원통형 Vertical cylindrical 광생물반응기에서의In photobioreactors 유용 생산물의 농도 비교 Comparison of Concentrations of Useful Products
본 발명자들은 세포 순환 광생물반응기(2.5 ℓ) 및 수직 원통형 광생물반응기(2.5 ℓ)를 이용하여 헤마토코쿠스(Haematococcus pluvliais)로부터 아스타잔틴(astaxanthin)의 생산량을 비교하였다. 이를 위하여 수직 원통형 광생물반응기에는 빛 에너지를 39 μE/s를 공급하였고, 세포 순환 광생물반응기에는 7(0:7), 15(0:15), 48(33:15), 70(0:70) μE/s(제 1 반응기(1)에 공급한 빛 에너지: 제 2 반응기(2)에 공급한 빛 에너지)로 다양한 빛 에너지를 공급하여 헤마토코쿠스를 배양하였다. 배양조건으로는 배지는 MBBM, 배양온도는 25℃를 유지하였고, 쿨터카운터를 이용하여 정밀하게 세포수를 측정하였다. The inventors have used Haematococcus ( Haematococcus ) using a cell cycle photobioreactor (2.5 L) and a vertical cylindrical photobioreactor (2.5 L). production of astaxanthin from pluvliais ). For this, 39 μE / s of light energy was supplied to the vertical cylindrical photobioreactor, and 7 (0: 7), 15 (0:15), 48 (33:15), 70 (0: 70) Hematococcus was cultured by supplying various light energies with μE / s (light energy supplied to the first reactor 1: light energy supplied to the second reactor 2). As the culture conditions, the medium was MBBM, the culture temperature was maintained at 25 ℃, the cell number was measured precisely using a Coulter counter.
그 결과, 대조구의 광생물반응기에서 배양한 최대 농도는 4.9 × 105 세포/㎖을 얻었고, 세포 순환 광생물반응기(광량 7, 15, 48, 70 μE/s)에서는 각각 4.3 × 105 세포/㎖, 3.9 × 105 세포/㎖, 4.5 × 105 세포/㎖, 4.4 × 105 세포/㎖,를 얻었다(도 6). 또한, 유용생산물인 아스타잔틴의 농도의 경우는 대조구에서는 185 mg/ℓ였고 세포 순환 광생물반응기에서는 각각 117 mg/ℓ, 165 mg/ℓ, 251 mg/ℓ, 224 mg/ℓ였다. 낮은 광량에서의 아스타잔틴의 농도는 대조구보다 낮은 수치를 기록하였지만, 공급된 광량과 아스타잔틴의 효율성을 비교하였을 때에 세포 순환 광 생물반응기는 효율성이 높게 나타났다(표 2 및 도 7).As a result, the maximum concentration cultured in the photobioreactor of the control was 4.9 × 10 5 cells / ml, and in the cell circulating photobioreactor (
<< 실시예Example 2> 효율적인 빛 분배로 인한 세포 순환 2> Cell circulation due to efficient light distribution 광생물반응기에서의In photobioreactors 배양시간과 아스타잔틴의 농도 증대. Increased incubation time and astaxanthin concentration.
<실시예 1>에서는 세포 순환 광생물반응기가 빛 에너지당 아스타잔틴을 생산하는 효율적인 면을 보여주었다. 이후, 적절한 빛 에너지의 분배를 통하여 아스타잔틴의 증대를 위해서 빛 에너지가 상대적으로 많이 공급되는 작은 쪽의 광생물반응기에 15 μE/s의 빛 에너지를 공급하고 큰 쪽의 광생물반응기에는 빛 에너지의 효율성의 증대를 위해 청색, 적색의 LEDs(light emitting diodes, 3.4 μE/s)를 사용하여 내부광원으로서 사용하였다. 또한, 대조구 1로서 외부에서 33 μE/s 공급한 것과 대조구 2로서 세포 순환 광생물반응기에 들어가는 총 광량과 같은 18.4 μE/s를 광생물반응기 외부에서 공급한 것으로 정하고 실험을 수행하였다. In Example 1, the cell circulating photobioreactor showed an efficient way to produce astaxanthin per light energy. Then, 15 μE / s of light energy is supplied to the smaller photobioreactor, which is supplied with a relatively large amount of light energy, to increase astaxanthin through proper distribution of light energy, and to the larger photobioreactor. In order to increase the efficiency of the blue and red LEDs (light emitting diodes, 3.4 μE / s) was used as an internal light source. In addition, the experiment was performed with a supply of 33 μE / s externally as
이 결과, 세포의 전체적인 농도는 4가지 모두 비슷한 경향성을 보였다(도 8). 또한, 유용생산물인 아스타잔틴의 농도는 세포 순환 광생물반응기를 사용한 것이 대조구 1(188 mg/ℓ)과 비교했을 때 빛 에너지는 전체적으로 약 절반밖에 들어가지 않았지만 아스타잔틴의 농도는 대조구 1과 각각 비슷한 농도(청색 LED : 180 mg/ℓ, 적색 LED : 175 mg/ℓ)를 나타냈다(표 2 및 도 9). 또한 같은 광량을 공급한 대조구 2(124 mg/ℓ)와 세포 순환 광생물반응기의 아스타잔틴의 농도를 비교할 경우 청색 LED와 적색 LED로 빛 에너지를 공급했을 경우 각각 168%, 164% 증가를 나타냈다. As a result, the total concentration of cells showed a similar tendency in all four (Fig. 8). In addition, the concentration of astaxanthin, a useful product, was about half that of light energy when compared to control 1 (188 mg / l), but the concentration of astaxanthin was lower than that of
또한, 공급된 광량과 아스타잔틴의 효율성을 비교했을 때, 세포 순환 광생물반응기는 대조구 1에 비해 빛 에너지 효율성이 각각 168%, 164%의 증가하는 것을 알 수 있었고, 대조구 2와 비교했을 경우에는 142%, 142%로 증가됨을 알 수 있었다.In addition, when comparing the amount of light supplied with the efficiency of astaxanthin, it was found that the cell cycle photobioreactor increased the light energy efficiency by 168% and 164%, respectively, compared to
이를 통해 세포 순환 광생물반응기는 광합성 미생물로부터 유용생산물과 생체중량을 생산함에 있어 같은 빛에너지를 가지고 높은 생산성을 나타냄을 알 수 있었다.Through this, the cell cycle photoreactor showed high productivity with the same light energy in producing useful products and biomass from photosynthetic microorganisms.
본 발명의 세포 순환 광생물반응기는 외부에서 일정한 빛 에너지를 공급하는 수직 원통형 광생물반응기와는 달리 반응기를 크기가 다른 제 1 반응기(1)와 제 2 반응기(2)로 분리시켜 제작하였으며, 광합성 미생물이 배양액과 함께 제 1 반응기(1)와 제 2 반응기(2)를 순환하도록 배양하면서, 제 1 반응기(1)보다 폭과 크기가 작은 제 2 반응기(2)에 강한 빛 에너지를 공급하였다. 이에 따라 볼 발명의 광생물반응기는 빛의 투과 거리를 짧게 하여 세포 간의 간섭 효과를 최소화하며, 세포 순환을 통하여 모든 세포들이 균등하게 빛 에너지를 공급받으므로 효율적인 유용생산물을 생산할 수 있다. 본 발명의 세포 순환 광생물반응기는 광합성 미생물을 생산할 때 가장 큰 비중을 차지하는 빛 에너지의 공급 방법을 획기적이고 경제적으로 향상시켜 같은 양 또는 적은 양의 빛 에너지를 이용하여 광합성 미생물 및 광합성 미생물이 생산하는 유용생산물을 생산하는데 유용하다.The cell circulation photobioreactor of the present invention is manufactured by separating the reactor into a
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