KR101060650B1 - 자외선 조사를 이용한 조류 배양장치 및 배양방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 최적의 자외선 조사량을 방출하여 타 세균에 의한 조류의 증식을 억제하며 조류의 높은 배양효율을 유지할 수 있는 조류 배양장치 및 이를 이용한 조류 배양방법에 관한 것이다.

본 발명의 조류 배양장치는 (a) 배양환경을 유지시키는 장치, (b) 배양을 촉진하는 교반이 가능한 장치, (c) 배양기, 및 (d) 자외선램프를 포함하는 조류 배양장치로서, 상기 자외선램프가 배양가능한 조류에 따라 최적의 자외선 조사량을 방출하도록 조절하는 회로를 통해, 단위시간 동안 단위면적당 일정량의 조사량으로 동일한 간격으로 특정시간 작동되는 것을 특징으로 한다.

조류, 자외선램프, 배양장치, 배양방법

Description

자외선 조사를 이용한 조류 배양장치 및 배양방법 {Device and method for cultivating algae using UV}

본 발명은 최적의 자외선 조사량을 방출하여 타 세균에 의한 조류의 증식을 억제하며 조류의 높은 배양효율을 유지할 수 있는 조류 배양장치 및 이를 이용한 조류 배양방법에 관한 것이다.

광합성생물인 조류는 이산화탄소를 흡수해서 광합성작용에 의해 비타민류, 아미노산, 색소류, 단백질, 다당류, 지방산 등의 유용성분을 제조하기 때문에, 양식의 사료용 등으로서 배양되고 있다. 또한, 이런 종류의 조류는 지구온난화의 원인 중, 하나가 되는 이산화탄소를 처리하는 수단으로서도 이용되고, 최근, 이것을 대량으로 배양하는 배양장치가 연구되고 있다.

배양장치는 배양액 중에서 조류를 배양하는 것으로서, 광합성에 필요한 광은 주로 태양광선을 이용하고, 이산화탄소는 공기 또는 이산화탄소와 공기의 혼합기체를 배양액에 주입함으로써 공급한다.

종래, 조류의 배양법으로서, 배양지나 레이스웨이형 배양지 등을 이용한 오픈형 배양방식이 실시되고 있지만, 이 방식에서는 배양액의 충분한 교반이 불가능 하기 때문에 광이 표층에만 도달하고, 배양농도가 낮고, 먼지나 쓰레기 또는 공기 중의 부유미생물 등의 혼입을 방지할 수 없기 때문에 고pH, 고염분 농도 등의 특수한 조건하에서의 배양이 가능한 조류 밖에 배양할 수 없고, 또한 배양액의 온도조정이 곤란하다는 등의 문제가 있다.

그래서, 배양용기 내에 배양액을 넣고, 상기 배양액 중에 이산화탄소를 함유하는 가스를 주입하고, 가시광선을 입사시킴으로써 배양용기 내에서 조류를 배양하는 클로즈드형의 배양장치가 제안되고 있다. 그러나, 이러한 클로즈드형의 배양장치의 설치면적당의 용량은 오픈형 배양방식에 비해 작고, 높은 생산성을 올리기 위해서는 고농도배양이 필요하다.

또한, 클로즈드형의 배양장치에 있어서는 배양용기 내에서 조류가 침전되면 박테리아의 온상이 되고, 배양액이 부패하여 타 세균에 의한 조류의 증식이 억제되어 고생산성을 달성할 수 없다는 문제가 있다. 이러한 문제점을 보완하기 위하여 종래의 조류 배양장치에서는 자외선 조사를 이용한 세균의 살균효과를 통해 조류의 증식을 향상시키고자 하는 노력이 있다. 그러나, 종래의 배양장치에 있어서는 자외선 조사가 배양시 접종 전 고압멸균방식으로 살균한 이후 배양 중에는 특별한 조치를 취하지 않아, 조류 배양시 다시 타 세균이 증식하여 조류의 증식을 저해함으로써 배양효율이 떨어지는 문제점이 여전히 존재한다.

따라서, 본 발명은 상기 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 배양액 내 타 세균의 증식을 억제하고 조류의 증식에는 영향을 미치지 않는 최적의 자외선 조사량의 범위를 구현하여, 조류의 높은 생산성을 얻고자 제안된 것이다.

결국, 본 발명의 목적은 타 세균의 증식은 억제함과 아울러 조류의 높은 배양효과를 유지할 수 있는 조류 배양장치 및 조류 배양방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 배양환경을 유지시키는 장치, (b) 배양을 촉진하는 교반이 가능한 장치, (c) 배양기, 및 (d) 자외선램프를 포함하는 조류 배양장치로서, 상기 자외선램프가 배양가능한 조류에 따라 최적의 자외선 조사량을 방출하도록 조절하는 회로를 통해, 단위시간 동안 단위면적당 일정량의 조사량으로 동일한 간격으로 특정시간 작동되는 것을 특징으로 하는 조류 배양장치를 제공한다.

본 발명에 있어서, 상기 최적의 자외선 조사량은 300 ~ 1,500㎼/㎠이며, 바람직하게는 450 ~ 900㎼/㎠인 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 배양장치는 자동으로 시간 조절이 가능한 장치를 추가로 포함할 수 있으며, 바람직하게는 타이머를 추가로 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 본 발명은 자외선 조사량을 조절하는 회로를 통해 단위시간 동안 단위면적당 일정량의 조사량으로 동일한 간격으로 특정시간 작동되는 자외선램프를 이 용하여 최적의 자외선 조사량을 방출함으로써, 조류를 배양하는 것을 특징으로 하는 조류의 배양방법을 제공한다.

상기 배양방법은, 하루 중 동일한 시각에 자외선램프가 정해진 시간동안 작동되도록 타이머를 추가로 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명은 타 세균의 증식은 탁월하게 억제하면서 동시에 조류의 증식에는 영향을 미치지 않는 최적의 자외선 조사량을 방출하여 조류의 높은 배양효율을 유지할 수 있는 조류 배양장치 및 이를 이용한 조류 배양방법을 제공할 수 있다.

이하, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 (a) 배양환경을 유지시키는 장치, (b) 배양을 촉진하는 교반이 가능한 장치, (c) 배양기, 및 (d) 자외선램프를 포함하며, 상기 자외선램프가 배양가능한 조류에 따라 최적의 자외선 조사량을 방출하도록 조절하는 회로를 통해, 단위시간 동안 단위면적당 일정량의 조사량으로 동일한 간격으로 특정시간 작동함으로써, 배양기 내 타 세균의 증식은 억제하며 조류의 증식에는 영향을 미치지 않는 최적의 자외선 조사량을 방출할 수 있다.

본 발명에서 배양가능한 조류는 클로렐라 불가리스 (Chlorella vulgaris), 클로로코쿰 리토랄레(chlorococcum Littorale), 스피루리나 플라텐시스(Spirulina platencis), 헤마토코커스 라커스트리스(Haematococcus lacustris), 네오스폰지오코쿰 젤라티노숨(Neospongiococcum gelatinosum), 세네데스무스(Scenedesmus quadricauda) 또는 세레네스트룸 그라실(Selenestrum gracile)이다.

본 발명에 따르면, 조류의 증식을 저해하는 타 세균의 증식은 탁월하게 억제하며 조류의 증식에는 영향을 미치지 않으므로, 조류의 높은 배양효율을 유지할 수 있다. 또한, 최적의 자외선 조사만으로 조류의 고생산성을 달성할 수 있으므로, 비용절감을 도모할 수 있다.

실시예.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부도면에 기초해서 상세히 설명하고자 한다.

단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시 예에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 조류 배양장치는 (a) 배양환경을 유지시키는 장치, (b) 배양을 촉진하는 교반이 가능한 장치, (c) 배양기, 및 (d) 자외선램프를 포함한다.

배양환경을 유지시키는 장치로는 바람직하게는 온도 및 빛의 조도를 조절하는 저온 BOD 인큐베이터를 포함할 수 있으며, 상기 저온 BOD 인큐베이터는 온도 및 빛의 조도를 조절하기 위한 것으로서 인큐베이터 내 온도를 26℃로 유지하고, 또한, 인큐베이터 내에는 형광등을 장착하여 하루 12시간 동안 5,600lux의 조도로 일정하게 빛이 공급되도록 한다.

배양을 촉진하는 교반이 가능한 장치는 바람직하게는 교반기를 포함할 수 있으며, 상기 교반기의 속도는 90rpm이고, 배양 시 pH는 7.8로 일정하게 유지되도록 하여 배치 배양 (batch culture)의 형태로 배양이 이루어지도록 한다.

배양기는 폴리카보네이트 (polycarbonate) 재질을 사용하였으며, 배양기의 상단부에 자외선램프를 장착한다.

도 1A는 본 발명의 조류 배양장치에 사용된 배양기의 모식도이며, 도 1B는 본 발명의 조류 배양장치에 사용된 배양기의 실제 모습을 나타낸 사진이다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 상기 배양기의 상단부에는 자외선램프가 장착되어 있으며, 자외선램프는 8V의 정격전압을 사용한다.

여기서, 자외선램프는 1초 동안 단위 면적당 (㎠) 15㎼의 조사량으로 50초 간격으로 10초 동안만 작동하도록 구성된 회로를 통해 작동이 제어되며, 배양기 내 타 세균의 증식은 탁월하게 억제하며 조류의 증식에는 영향을 미치지 않도록 하는 최적의 자외선 조사량이 방출되도록 작동된다.

본 발명에서 구현하고자 하는 최적의 자외선 조사량의 범위는 450 ~ 900㎼/㎠이다.

그리고, 본 발명은 하루 중 일정한 시각에 작동하여, 자외선 조사가 배양기간 내내 일정한 간격으로 조절될 수 있도록 하기 위하여, 자동으로 시간 조절이 가능한 장치, 바람직하게는 타이머를 추가로 포함할 수 있다

이상에 있어서, 본 실시예에 따른 조류 배양장치에 있어서는, 조류의 증식을 저해하는 타 세균의 증식은 탁월하게 억제하며, 조류의 증식에는 영향을 미치지 않는 최적의 자외선 조사량이 방출되므로, 타 세균의 방해 없이 조류가 증식할 수 있고, 이로 인해 조류의 고생산성을 도모할 수 있다.

다음은, 본 발명에 관한 조류 배양장치를 사용해서 행한 배양실험의 결과에 관해서 설명한다.

조류로서 클로렐라 불가리스 (Chlorella vulgaris, KCTCAG10052)를 사용하였으며, 접종액에는 클로렐라 불가리스 외에도 세균 및 사상균, 효모를 포함한 미생물들을 포함하고 있다. 배양액은 110℃에서 60분 동안 고압멸균기 (autoclave)로 멸균한 다음, 배치 배양 (batch culture)의 형태로 배양하였으며, 배양에 사용된 배지는 알렌 배지 (Allen medium, KCTC media no. 458)이며, 저온 BOD 인큐베이터 안에서 26℃ 온도로, 교반기 (Wisd사의 wiseshake SHO-2D 제품)를 이용하여 90rpm의 속도로 교반하면서 배양하였다. 배양 시 pH는 7.8이었다. 배양기간 중에 자외선 조사시간을 0초, 30초, 60초, 100초로 각각 다르게 설정하여, 자외선 조사량의 차이에 따른 조류의 증식을 관찰하였다.

도 2는 배양에 사용된 접종액의 현미경 사진을 올림푸스 BX51 광학현미경을 이용하여 1,000배의 배율로 확대한 사진이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 녹색으로 발견되는 조류 (클로렐라 불가리스) 뿐만 아니라, 수가지의 다른 미생물들도 존재하는 것을 확인할 수 있었다.

도 3은 저온 BOD 인큐베이터 안에서 배양할 당시의 모습을 나타낸 사진이며, 도 4는 배양 7일 경과 시의 모습을 나타낸 사진이다.

도 4에 나타낸 바와 같이, 자외선 조사량에 따라 조류로 추정되는 녹색의 색 차이가 다르게 나타났으며, 30초 동안 자외선을 조사시켜 준 경우의 배양기에서 녹 색이 가장 강한 빛을 띠고 있는 것을 확인할 수 있었다.

도 5는 UV/visible spectrophotometer를 이용하여 500㎚ 파장에서 흡광도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.

흡광도는 Ultrospec 3100 pro (Amersham Biosciences사) 제품을 사용하여 측정하였으며, 하루 1차례 15일 동안 측정하였다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 자외선 조사량이 30초 인 것이 가장 높은 흡광도 증가량을 나타냄을 알 수 있었다. 이는 자외선의 살균효과에 의해 타 세균의 증식이 억제됨에 따라, 타 세균에 따른 조류의 증식 저해가 완화된 것으로 보이며, 이에 반해 자외선 조사량이 0초 인 경우는 타 세균의 증식으로 인해 조류의 증식이 억제된 것으로 보인다.

실제 자외선 조사량은 각각 0㎼/㎠, 450㎼/㎠, 900㎼/㎠, 1,500㎼/㎠ 이었다.

도 6은 혈구계산기 (hemocytometer)를 이용하여 조류의 실제 세포수를 센 결과를 나타낸 그래프이다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 자외선 조사시간이 30초인 경우에 가장 많은 조류가 증가한 것으로 확인되었으며, 자외선 조사시간이 길어질수록 조류의 양도 줄어든 것을 알 수 있었다. 여기서 특이한 점은 상기 흡광도 (OD; optical density) 값을 통해서는 자외선 조사가 없는 경우 (자외선 조사시간이 0초인 경우)가 자외선 조사시간이 100초인 경우보다 항상 높은 값을 나타내었는데, 실제 조류의 수는 더 적은 것으로 나타났다.

이상의 결과로부터, 자외선에 의해 타 세균의 증식이 억제되지 않아 타 세균의 증식이 조류의 증식에 영향을 미친 것임을 알 수 있었다.

도 7은 각각의 배양기에서 실제로 조류가 아닌 타 세균이 존재하는지 알아보기 위해 평판배지에 배양액을 spreading한 결과를 나타낸 사진이다.

평판배지는 배양에 사용된 알렌 배지에 1.5% 아가 파우더 (Agar powder)를 첨가하여 만들었으며, 배양액을 10-3배 만큼 희석하여 실시하였다. A~D까지 자외선 조사시간이 0초, 30초, 60초, 100초일 경우의 결과를 나타낸 것이며, 도 7에 나타낸 바와 같이, 자외선 조사를 실시하지 않은 경우 (A)에 타 세균이 가장 많이 나타났으며, 자외선 조사시간이 길어질수록 세균의 증식은 감소되었다. 여기서 특이한 점은 자외선 조사시간이 60초, 100초인 경우에 세균이 아닌 사상균이 나타남을 확인할 수 있었다.

하기 표 1은 배양기에서 발견된 조류 외 타 세균의 개수를 센 결과를 나타낸 것이다.

배양 후 7일이 경과되었을 시에 각각의 경우에서 3개의 평판배지에 spreading하여 그 평균값을 표시하였으며, 평판배지는 26℃에서 3일간 배양하였다.

표 1에서도 자외선 조사량이 없는 경우에는 많은 수의 세균에 의한 오염을 확인할 수 있었으며, 이는 조류의 증식에 영향을 끼친 것임을 알 수 있었다. 또한, 자외선 조사시간이 길어질수록 세균보다는 사상균의 증식이 나타나는 것을 관찰할 수 있었다.

	세균 (×103)	사상균 (×103)
0㎼/cm2	62	8
450㎼/cm2	22	2
900㎼/cm2	0	12
1,500㎼/cm2	0	1

도 8은 15일 동안 배양한 배양액을 원심분리한 결과를 나타낸 사진이다.

원심분리는 Hitachi사의 himac CR 21G 원심분리기를 이용하였으며, 10,000rpm의 속도로 4℃에서 20분 동안 실시하였다.

A~D까지 자외선 조사시간이 0초, 30초, 60초, 100초일 경우의 결과를 나타낸 것이며, 도 8에 나타낸 바와 같이, 자외선 조사가 없는 경우에는 타 세균에 의해서 조류가 거의 남아있지 않았으며, 자외선 조사가 있는 경우에도 조류 외에 타 세균을 확인할 수 있었다.

상기에서 상세히 상술한 바로부터, 조류의 증식은 타 세균에 의해 저해될 수 있으며, 자외선 조사에 의해 타 세균의 증식을 억제함으로써 조류의 증식을 향상시킬 수 있다. 그러나, 자외선 조사는 타 세균의 억제뿐만 아니라, 조류의 증식에도 영향을 미치므로, 타 세균의 증식은 탁월하게 억제하면서 동시에 조류의 증식에는 영향을 미치지 않는 최적의 자외선 조사량의 범위가 구현되어야 한다. 본 발명은 상기의 조건을 만족시키는 최적의 자외선 조사량이 450 ~ 900㎼/㎠인 것을 확인하였으며, 이를 제공하는 효과가 있다.

도 1A는 본 발명의 조류 배양장치에 사용된 배양기의 모식도이고, 1B는 본 발명의 조류 배양장치에 사용된 배양기의 실제 모습을 나타낸 사진이다.

도 2는 배양에 사용된 접종액의 현미경 사진을 올림푸스 BX51 광학현미경을 이용하여 1,000배의 배율로 확대한 사진이다.

도 3은 저온 BOD 인큐베이터 안에서 배양할 당시의 모습을 나타낸 사진이다.

도 4는 배양 7일 경과 시의 모습을 나타낸 사진이다.

도 5는 UV/visible spectrophotometer를 이용하여 500㎚ 파장에서 흡광도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.

도 6은 혈구계산기 (hemocytometer)를 이용하여 조류의 실제 세포수를 센 결과를 나타낸 그래프이다.

도 7은 각각의 배양기에서 실제로 조류가 아닌 타 세균이 존재하는지 알아보기 위해 평판배지에 배양액을 spreading한 결과를 나타낸 사진이다.

도 8은 15일 동안 배양한 배양액을 원심분리한 결과를 나타낸 사진이다.

Claims (11)

1. (a) 배양 환경을 유지시키는 장치로서, 온도 및 빛의 조도를 조절하는 저온 BOD 인큐베이터장치, (b) 배양을 촉진하는 교반이 가능한 장치, (c) 배양기, 및 (d) 자외선램프를 포함하는 조류 배양장치로서,

   상기 자외선램프가 배양가능한 조류에 따라 최적의 자외선 조사량인 450~900㎼/cm²을 방출하도록 조절하는 회로를 통해, 단위시간 동안 단위면적당 일정량의 조사량으로 동일한 간격으로 특정시간 작동되는 것으로서, 1초 동안 단위면적당(cm²) 15 ㎼의 조사량으로 50초 간격으로 10초 동안 작동되는 것을 특징으로 하며, 자동으로 시간 조절이 가능한 장치인 타이머를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 조류 배양장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,

   상기 배양가능한 조류는 클로렐라 불가리스 (Chlorella vulgaris), 클로로코쿰 리토랄레(chlorococcum Littorale), 스피루리나 플라텐시스(Spirulina platencis), 헤마토코커스 라커스트리스(Haematococcus lacustris), 네오스폰지오코쿰 젤라티노숨(Neospongiococcum gelatinosum), 세네데스무스(Scenedesmus quadricauda) 또는 세레네스트룸 그라실(Selenestrum gracile)인 것을 특징으로 하는 조류 배양장치.
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 자외선 조사량을 조절하는 회로를 통해 단위시간 동안 단위면적당 일정량의 조사량으로 동일한 간격으로 특정시간 작동되는 자외선램프를 이용하여 최적의 자외선 조사량인 450~900㎼/cm²을 방출함으로써, 조류를 배양하는 것을 특징으로 하되,

   상기 자외선램프는 1초 동안 단위면적당(cm²) 15㎼의 조사량으로 50초 간격으로 10초 동안 작동되는 것을 특징으로 하며, 하루 중 동일한 시각에 자외선램프가 정해진 시간동안 작동되도록 타이머를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 조류의 배양방법.
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제

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