KR101125666B1 - 자연해수를 이용한 조류 배양액 제조 방법 - Google Patents

자연해수를 이용한 조류 배양액 제조 방법 Download PDF

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Abstract

자연해수를 이용하여 저가의 제조 비용이면서 생화학적인 성분의 함량이 저하되지 않는 조류 배양액을 제조할 수 있는 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 조류 배양액 제조 방법은 자연 해수에 석탄 및 NaOH를 첨가하여, 우유빛 탁도 생성 물질을 제거하여 전처리 해수를 제조하는 단계; 및 조류 배양시 요구되는 pH 및 염분 농도로 상기 전처리 해수의 pH 및 염분 농도를 조절하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

자연해수를 이용한 조류 배양액 제조 방법 {METHOD FOR MANUFACTURING CULTURE MEDIUM ALGAE USING NATURAL SEAWATER}
본 발명은 청남조류(cyanobacteria)인 스피룰리나(spirulina sp.), 녹조미세조류(chlorophyta)인 두날리엘라(dunaliella sp.) 등과 같은 미세조류 배양액 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 천연 해수와 전처리 해수를 이용하여 저비용 고성장으로 조류 배양에 적합한 배양액을 제조할 수 있는 방법에 관한 것이다.
인간의 음식물, 바이오 연료, 의약품 및 화장품 용도와 관련하여 스피룰리나(spirulina sp.), 두날리엘라(Dunaliella sp.)와 같은 조류 연구가 점점 더 각광을 받고 있다.
현재 대부분의 조류 배양은 고가의 인종 배양액을 이용하고 있으며, 자연 해수는 잘 이용되지 않는다. 그 이유는 조류 배양 시 배양액의 우유빛 탁도 생성, 영양분의 검출, 미세조류의 클럼핑(clumping), HPO4 2- 용해도의 감소, 배양액 내 백색 침전물 형성 등 다양한 문제점이 있기 때문이다.
이중에서 우유빛 탁도 생성은 주로 마그네슘 이온(Mg2+)이나 칼슘 이온(Ca2+)에 의하여 생성되는데, 미세조류의 배양을 위하여 인산염 및 탄산염을 천연 해수에 첨가하면, 배양액이 탁해지는 현상이 발생한다. 이러한 우유빛 탁도 생성은 조류의 광합성, 성장, 번식 및 생화학적인 탄수화물, 지방 등의 함량이 저하되는 원인이 된다.
또한, 배양액 내 백색 침전물 생성 역시 조류의 생화학적인 함량이 저하되는 원인이 된다.
한편, 다른 화학물질과 함께 탄소의 이용성은 두날리엘라 성장에 있어서 가장 중요한 인자가 된다. 일반적으로, 탄소는 모든 보고된 두날리엘라 배양 매체 내에서 탄소산염(NaHCO3 및 Na2CO3)으로서 공급되나, 전술한 문제점들은 탄산염을 천연 해수로 첨가한 후에 발생된다.
따라서, 조류 배양액에 있어, 자연해수를 적극 활용하여 저비용으로 또한 조류의 광합성, 성장, 분열 및 생화학적인 성분의 함량 저하를 방지할 수 있는 방법이 요구된다.
본 발명의 목적은 전처리 해수 및 자연해수를 이용하여 조류 배양액 제조 비용을 감소시킬 수 있으며, 또한 조류 배양 시 생화학적인 성분의 함량을 높일 수 있는 조류 배양액 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 자연해수를 이용한 조류 배양액 제조 방법은 자연 해수에 석탄 및 NaOH를 첨가하여, 우유빛 탁도 생성 물질을 제거하여 전처리 해수를 제조하는 단계; 및 조류 배양 시 요구되는 pH 및 염분 농도로 상기 전처리 해수의 pH 및 염분 농도를 조절하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 전처리 해수의 염분 농도 조절은 자연해수, 담수 및 NaCl 중 하나 이상을 이용할 수 있다.
또한, 상기 전처리 해수의 pH 조절은 대부분의 산성 화합물을 사용할 수 있으나, 염산, 질산, 아세트산 및 NaHCO3 중 하나 이상을 이용할 수 있다.
또한, 상기 석탄은 상기 천연 해수의 염분 농도(psu)에 따라 하기 식 1에 의해 정해지는 농도로 첨가될 수 있다.
[식 1]
RAC (g/L)= 천연 해수염분 농도 X μc
(식 1에서, RAC는 요구되는 석탄 농도, μc는 특정한 염분 농도(A, psu)를 갖는 천연 해수 1L에 석탄을 첨가하였을 때 투명하고, 조류 배양 시 요구되는 염분 농도로 염분 농도 조절을 하였을 때 백색 침전물이 존재하지 않는 석탄의 농도를 상기 특정한 염분 농도(A)로 나눈 값)
또한, 상기 NaOH는 상기 천연 해수의 염분 농도(psu)에 따라 하기 식 2에 의해 정해지는 농도로 첨가될 수 있다.
[식 2]
RANaOH (g/L)= 천연 해수염분 농도 X μNaOH
(식 2에서, RANaOH는 요구되는 NaOH 농도, μNaOH는 특정한 염분 농도(A, psu)를 갖는 천연 해수 1L에 NaOH를 첨가하였을 때 투명하고, 조류 배양 시 요구되는 염분 농도로 염분 농도 조절을 하였을 때 백색 침전물이 존재하지 않는 NaOH의 농도를 상기 특정한 염분 농도(A)로 나눈 값)
본 발명에 따른 조류 배양액 제조 방법은 저가의 자연해수를 이용하고, 또한 이를 석탄 및 NaOH를 이용하여 간단한 전처리 과정을 거침으로써 조류 배양액의 제조 비용을 절감할 수 있으며, 아울러 조류 배양 시 문제시 되는 우유빛 생성 물질을 제거할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 조류 배양액 제조 방법은 석탄 및 NaOH를 이용한 전처리 해수를, 배양하고자 하는 조류에 적합한 pH 및 염분 농도로 조절하여 쉽게 조류 배양액을 제조할 수 있다.
도 1은 실시예 및 비교예에 따른 배양액을 이용하여 두날리엘라를 16일동안 배양하였을 때, 배양기간에 따른 두날리엘라 농도 및 성장률을 나타낸 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들 및 도면을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
이하, 본 발명에 따른 자연 해수를 이용한 조류 배양액 제조 방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 조류 배양약 제조 방법은 자연해수 전처리 단계, 전처리 해수 pH/염분 농도 조절 단계를 포함한다.
자연해수 전처리 단계에서는 자연해수에 석탄 및 NaOH를 첨가하여, 조류 배양을 위하여 조류 배양액 내에 탄산염 혹은 인산염을 첨가하였을 때 우유빛 탁도를 생성하는 물질을 제거하여 전처리 해수를 제조한다.
자연해수의 전처리를 위하여, 본 발명에서는 석탄 및 NaOH를 자연해수에 첨가한다. 그 결과 마그네슘 이온(Mg2+)와 같은 우유빛 탁도 생성 물질이 수산화물 등의 형태로 침전될 수 있다.
전처리 해수의 성분 평가를 위하여, pH 8.20 및 염분 농도가 31.00 psu인 천연 해수에 27.60 g/L 역청탄 및 7.75g/L NaOH를 첨가한 후, 29℃의 온도에서 일주일간 유지하였다.
전처리 해수의 경우, 대략 92% 정도가 상등액(Supernatant)이었고, 나머지는 침전물이었다. 또한, 천연 해수로부터 전처리된 해수까지, pH가 8.20로부터 13.14으로 증가하였으며, 염분 농도가 31.00 psu 로부터 45.00 psu로 증대되었다.
표 1은 천연 해수와 전처리 해수의 상등액에 포함된 유기 탄소(Organic Carbon) 및 각종 성분들의 함량을 나타낸 것이다.
표 1에서, 유기탄소 분석기(TOC-5000A, Shimadzu사 제조)를 이용하여, 천연 해수 및 전처리 해수 내의 총 유기 탄소(organic carbon; OC)를 평가하였다. 또한, 천연 해수 및 전처리 해수 내의 Ca, Mg, Na, As, Cd, Cr, Pb, Mg, K, Sr 및 Hg의 농도, 그리고 또한 침전물 내의 Ca 및 Mg의 농도를 한국고분자시험연구소에서 측정하였다.
[표 1]
Figure 112011081505038-pat00001
표 1을 참조하면, 유기 탄소는 통상적인 천연 해수의 유기 탄소 보다 전처리된 해수에서 7배 더 높아 졌다. Na, K 및 Sr이 천연 해수로부터 전처리된 해수로 각각 증대되었다. 한편, Hg, As, Cd, Cr 및 Pb와 같은 중금속은 전처리된 해수에서 검출되지 않았다.
특히, 천연 해수 내의 Mg 및 Ca 는 874.40 및 500.70 mg/L 인데 반하여, 전처리된 해수에서 0.80 및 337.90 mg/L로 감소되었다. 천연 해수 내의 Mg 및 Ca 는 침전물 내에서 각각 99.45% 및 32.52% 검출되었다(표 1 참조). 검출물 내의 Mg 함량은 22.28 g/L 이었다.
석탄에 함유된 CO2 또는 CO가 NaOH와 반응하여 Na2CO3 또는 NaHCO3 를 형성할 수 있고, 그리고 Na2CO3는 높은 pH에서 해수로부터 Ca 및 Mg를 검출한다. 특히 반응 시 생성되는 높은 pH 는 또한 전처리된 해수 내에 존재하는 유기체를 사멸시킬 수 있는 특징이 있어 다른 종에 의한 오염을 방지할 수 있다.
한편, 천연 해수의 염분 농도(psu)에 따라 석탄 및 NaOH 첨가량을 최적화할 필요성이 있다.
우선, 석탄의 사용량은 하기 식 1에 의해 정해지는 농도로 첨가되는 것이 바람직하다.
[식 1]
RAC (g/L)= 천연 해수염분 농도 X μc
(식 1에서, RAC는 요구되는 석탄 농도, μc는 특정한 염분 농도(A, psu)를 갖는 천연 해수 1L에 석탄을 첨가하였을 때 투명하고, 조류 배양시 요구되는 염분 농도로 염분 농도 조절을 하였을 때 백색 침전물이 존재하지 않는 석탄의 농도를 상기 특정한 염분 농도(A)로 나눈 값)
예를 들어, 염분 농도 31 psu에서 27.60g/L의 석탄 첨가해야 투명하고, 60psu에서 백색 침전물이 존재하지 않는 것을 알고 있다면, μc는 27.6 / 31로서, 대략 0.89가 된다. 따라서, 이를 기초로, 염분 농도 20psu의 천연 해수에서는 전처리를 위하여 대략 17.8g/L의 석탄이 요구된다.
다음으로, NaOH는 하기 식 2에 의해 정해지는 농도로 첨가되는 것이 바람직하다.
[식 2]
RANaOH (g/L)= 천연 해수염분 농도 X μNaOH
(식 2에서, RANaOH는 요구되는 NaOH 농도, μNaOH는 특정한 염분 농도(A, psu)를 갖는 천연 해수 1L에 NaOH를 첨가하였을 때 투명하고, 조류 배양시 요구되는 염분 농도로 염분 농도 조절을 하였을 때 백색 침전물이 존재하지 않는 NaOH의 농도를 상기 특정한 염분 농도(A)로 나눈 값)
예를 들어, 염분 농도 31 psu에서 7.75g/L의 NaOH를 필요로 하는 것을 알고 있다면, μNaOH는 7.75 / 31로서, 대략 0.25가 된다. 따라서, 이를 기초로, 염분 농도 20psu의 천연 해수에서는 전처리를 위하여 대략 5g/L의 석탄이 요구된다.
실제, 상기 식 1 및 식 2에 따른 역청탄 및 NaOH 농도를 10.00~50.00 psu인 천연 해수에 적용한 결과, 모든 경우에서 전처리된 해수의 투명도, 두날리엘라 배양액의 투명도 그리고 백색 침전물 형성 문제가 발생하지 않았다.
다음으로, 전처리 해수 pH/염분 농도 조절 단계에서는 조류 배양시 요구되는 pH 및 염분 농도로 상기 전처리 해수의 pH 및 염분 농도를 조절한다.
이때, 전처리 해수의 염분 농도 조절은 자연해수, 담수, NaCl 등이 이용될 수 있다. 또한, 전처리 해수의 pH 조절은 대부분의 산성 화합물을 사용할 수 있으며, 대표적으로 질산, 염산, 아세트산 및 NaHCO3 등이 이용될 수 있다. 예를 들어, 스피루리나를 배양할 경우에는 전처리 해수를 담수로 희석하여 염분 농도를 15.00 psu 정도로 조절할 수 있다. 또 다른 예로, 두날리엘라를 배양할 경우에는 전처리 해수를 HCl로 산화처리된 자연해수로 희석하고, NaCl을 첨가하여 pH 7.5, 염분 농도 60.00 psu 정도로 조절할 수 있다.
이러한 전처리 해수의 염분 농도 조절과 pH 조절은 배양하고자 하는 조류에 따라 다양한 방식으로 실시될 수 있다.
석탄은 목탄, 역청탄 등을 이용할 수 있으나, 목탄의 경우 산림 자원을 고갈시키는 요인이 될 수 있으므로, 역청탄을 이용하는 것이 더 바람직하다. 이외에도 갈탄, 무연탄, 분탄 및 숯과 같은 목탄 및 배기가스 형태의 탄소원들도 사용 가능하나, 환경적 및 지속가능성의 특성을 고려하여 특성별로 시스템에 적용할 수 있다.
한편, 제조된 배양액에는 조류 배양액 내의 유기 탄소 함량 증가, 영양분 제공 등의 목적으로, KNO3 1.2±0.1 g/L, MgCl2.6H2O 1.0±0.1 g/L, MgSO4?7H2O 0.35±0.05 g/L K2SO4 0.25±0.05 g/L, KH2PO4 0.15±0.05 g/L, ZnSO4?7H2O 0.55±0.1 g/L, MnCl2?4H2O 0.55±0.1 g/L, H3BO3 6.5±0.5 g/L, FeCl3?6H2O 7.5±0.5 g/L, Co (NO3) 2?6H2O 0.5±0.1 g/L, CuSO4?5H2O 0.01±0.1 g/L, Na2MoO7?2H2O 0.03±0.005 g/L, Cyanocobalamin(Vitamin B12) 0.1±0.05 g/L, D-Biotin(Vitamin H) 7.5±0.5 g/L, Thiamine?HCl(Vitamin B1) 10.0±1.0 g/L 등이 더 첨가될 수 있다.
상기에서는 두날리엘라에 적합한 성분들을 제시하였으나, 모든 조류에 상기 성분들이 적용되는 것은 아니며, 조류에 따라 첨가되는 성분 및 그 함량은 달라질 수 있다.
제1실시예
표 2에 도시된 조성을 가지며 염분 농도가 60.00psu인 J/M 배양액(비교예)과, 표 3에 도시된 조성을 가지며, 본 발명에 따라 자연해수와 전처리 해수가 부피비로 4:1로 혼합되었으며, pH가 7.5이고 나트륨 25g/L가 첨가되어 염분 농도가 60.00인 배양액(실시예)에서 두날리엘라를 배양하였다. 배양 시 온도는 30.00℃, 빛의 조명 강도는 7000 lx인 형광으로 하였으며, 명암주기(light/dark cycle)는 시간(h)비로 12:12로 하였다.
4.5 L의 배양액을 포함하는 5L 용량 플라스크에서 배양을 하였고, 각각의 배양을 3차례 실시하였다. 약 1.02 g/L 의 두날리엘라 시드가 접종되고 그리고 공기주입 장치로 교반되었다. 성장 및 피그먼트 함량을 평가하기 위해서 샘플링하였다. 피그먼트 함량을 흡광분광분석기(PerkinElmer, Lamda35 uv/vis spectrometer, USA)로 분석하였다.
두날리엘라의 성장 측정을 위해서, 미리 중량이 측정된 필터 종이를 통해서 샘플을 여과하였다. 필터 종이를 증류수 내에서 적신 후, 블랭크로서 이용하기 위해서 동시에 건조하였다. 필터 종이를 오븐 내에서 55℃에서 유지하였고, 건조하고 그리고 중량을 측정하였으며, 건조 중량을 g/L 로 계산하여 성장 곡선으로 표시하였다. 두날리엘라의 성장율(specific growth rate)(μ)은 단위 시간당(t0 → t1) 두날리엘라의 농도 증가(X0 → X1)로 규정되며, 하기 식 3을 이용하여 계산하였다.
[식 3]
Figure 112011081505038-pat00002
[표 2] (단위 : g/L)
Figure 112011081505038-pat00003
[표 3] (단위 : g/L)
Figure 112011081505038-pat00004
도 1은 실시예 및 비교예에 따른 배양액을 이용하여 두날리엘라를 16일동안 배양하였을 때, 배양기간에 따른 두날리엘라 농도를 나타낸 것이다.
비교예 및 실시예에 따른 μmax?d-1 및 두날리엘라 농도는 0.039 및 0.051 d-1, 1.89 및 1.95 g/L 이였다. 비록 μmax?d-1 이 J/M 매체 보다 AKDS에서 상당히 높았지만, 바이오매스 생산은 큰 차이가 없었다.
제2실시예
표 4에 도시된 조성 및 13.45psu의 염분 농도를 갖는 SOT 배양액(비교예)과, 표 5에 도시된 조성 및 본발명에 따라 전처리된 해수 20vol%와 담수 80vol%가 혼합되어 염분 농도가 15.00 psu인 전처리 해수를 이용한 배양액(실시예2)에서 스피루리나 맥시마를 배양하였다. 실험조건은 제1실시예와 동일하였다.
[표 4] (단위 : g/L)
Figure 112011081505038-pat00005
[표 5] (단위 : g/L)
Figure 112011081505038-pat00006
도 2는 실시예 및 비교예에 따른 배양액을 이용하여 스피루리나 맥시마 배양시, 16일동안 스피루리나 맥시마의 농도 변화를 나타낸 것이다.
여기에서, 도 2에서 μmax는 단위 시간(day)당 최대 스피루리나 맥시마 생산된 것에 대한 스피루리나 맥시마의 성장률을 나타내었다.
도 2를 참조하면, 실시예 및 비교예에 따른 배양액 각각의 μmax는 0.133 및 0.128 d- 1 이었다. 16일의 배양 후에 실시예 및 비교예 각각의 스피룰리나 맥시마의 생산량은 1.47 및 1.44 g/L 였다.
즉, 도 2를 참조하면, 실시예 및 비교예 각각에서 스피룰리나 맥시마의 생산능력에 대하여 큰 차이가 없었다. 다만, 실시예에 따른 배양액의 경우, 그 제조 비용이 비교예에 따른 배양액보다 2.5배 정도 낮았다.
표 6은 실시예 및 비교예에 따른 배양액으로 16일간 배양 후, 각각 배양된 스피루리나에 포함된 성분들을 나타낸 것이다.
[표 6]
Figure 112011081505038-pat00007
표 6을 참조하면, 비교예의 경우가 생화학적인 성분의 함량이 약간 높기는 하나, 전체적으로 거의 유사한 성분들을 함유하고 있음을 볼 수 있다. 한편 실시예에 따른 배양액의 경우, 동일한 양의 비교예에 따른 배양액의 대략 2.8배 정도 낮은 가격이 소요되었다.
상기와 같이, 본 발명에 따른 자연해수를 이용한 배양액 제조 방법의 경우, 저비용이면서도 고품질의 조류 배양액을 제공할 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

Claims (6)

  1. 자연 해수에 석탄 및 NaOH를 첨가하여, 우유빛 탁도 생성 물질을 제거하여 전처리 해수를 제조하는 단계; 및
    조류 배양시 요구되는 pH 및 염분 농도로 상기 전처리 해수의 pH 및 염분 농도를 조절하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 조류 배양액 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전처리 해수의 염분 농도 조절은
    자연해수, 담수 및 NaCl 중 하나 이상을 이용하는 것을 특징으로 하는 조류 배양액 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전처리 해수의 pH 조절은
    산성 화합물을 이용하는 것을 특징으로 하는 조류 배양액 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 석탄은
    역청탄, 갈탄 무연탄, 분탄 및 목탄 중 선택되는 것을 특징으로 하는 조류 배양액 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 석탄은
    상기 천연 해수의 염분 농도(psu)에 따라 하기 식 1에 의해 정해지는 농도로 첨가되는 것을 특징으로 하는 조류 배양액 제조 방법.
    [식 1]
    RAC (g/L)= 천연 해수염분 농도 X μc
    (식 1에서, RAC는 요구되는 석탄 농도, μc는 특정한 염분 농도(A, psu)를 갖는 천연 해수 1L에 석탄을 첨가하였을 때 투명하고, 조류 배양시 요구되는 염분 농도로 염분 농도 조절을 하였을 때 백색 침전물이 존재하지 않는 석탄의 농도를 상기 특정한 염분 농도(A)로 나눈 값)
  6. 제1항에 있어서,
    상기 NaOH는
    상기 천연 해수의 염분 농도(psu)에 따라 하기 식 2에 의해 정해지는 농도로 첨가되는 것을 특징으로 하는 조류 배양액 제조 방법.
    [식 2]
    RANaOH (g/L)= 천연 해수염분 농도 X μNaOH
    (식 2에서, RANaOH는 요구되는 NaOH 농도, μNaOH는 특정한 염분 농도(A, psu)를 갖는 천연 해수 1L에 NaOH를 첨가하였을 때 투명하고, 조류 배양시 요구되는 염분 농도로 염분 농도 조절을 하였을 때 백색 침전물이 존재하지 않는 NaOH의 농도를 상기 특정한 염분 농도(A)로 나눈 값)
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