KR101184974B1 - 원전 온배수를 활용한 해양 미세조류의 옥외에서의 관류식 배양 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원전 온배수를 활용한 해양 미세조류의 옥외에서의 관류식 배양방법에 관한 것이다.
본 발명은 해수가 따뜻하지 않은 환경에서도 미세조류를 옥외에서 대량으로 배양할 수 있는 방법을 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명은 미세조류의 배양에 필요한 신선한 영양물질을 원전 온배수와 함께 광-바이오리액터에 연속적으로 주입하는 동시에, 펌프를 이용하여 광-바이오리액터에서 배양액을 연속적으로 퍼내고, 퍼내진 배양액 중 그에 포함된 미세조류는 레벨 필터로 걸러내 광-바이오리액터에 다시 연속하여 투입하고, 오버플로우는 버리며, 그 나머지 배양액은 원전 온배수와 혼합하여 광-바이오리액터의 외부를 순환한 다음에 버려지도록 한 것을 특징으로 한다.
[색인어]
원전 온배수, 해양 미세조류, 옥외 대량 배양

Description

원전 온배수를 활용한 해양 미세조류의 옥외에서의 관류식 배양 방법{The outdoor perfusion culture process of marine microalgae using thermal effluent of nuclear power plant}

본 발명은 해양 미세조류(microalgae)의 관류식 배양 방법(perfusion culture process)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 원자력발전소에서 배출되는 더운 온배수(thermal effluent)를 활용하여 미세조류를 배양함으로써 따뜻한 온도를 요하는 해양 미세조류의 배양에 필요한 조건을 충족시켜 옥외 대량 배양이 가능하게 하는 동시에 종래에 온배수로 인해 야기돼온 환경 문제 해결에 일조할 수 있는 기술에 관한 것이다.

본 발명은 종래 원자력 발전소의 냉각수로 쓰이고 바다로 흘러들어가 여러 환경 문제점을 야기하였던 원전 온배수를 해양 미세조류의 옥외 배양에 활용함으로써, 원전 온배수에 내장된 열에너지를 효율적으로 활용하는 동시에 온배수로 인한 환경 문제를 해소시킨 데에 특징이 있다.

해양 미세조류를 바이오연료로서 산업적으로 이용하기 위해서는 고농도의 배양이 필수적이다.

해수 미세조류의 배양 공정으로는 회분식 배양(batch culture), 유가식 배양(fed-batch culture) 등이 알려져 있다.

먼저 회분식 배양의 경우 배양기 내에 일정한 배양액을 넣고 배양하는 방식으로 쉽게 영양분이 고갈되고 독성 부산물이 축적되기 때문에 균주가 일정 농도 이상으로 자라지 못한다.

위와 같은 회분식 배양의 단점을 극복한 것이 유가식 배양인데, 이는 세포의 성장에 맞추어 새로운 배양액을 계속 공급해 주는 방식으로서 배양액 공급 시 농축된 배양액을 사용하여 지속적으로 영양분을 공급해 줌으로써 균주의 농도를 높게 올릴 수 있다. 반면, 배양 말기에 노폐물의 축적 및 영양소들의 심각한 불균형에 의해 생육이 저하된다.

따라서 본 발명과 같이 관류식 배양(perfusion culture) 공정을 이용한 균주의 배양 방법이 효과적이라고 생각된다. 위에서 살핀 것처럼 기존의 회분식 배양과 유가식 배양 공정은 배양 방식이 쉽기는 하나 회분식 배양의 경우 고농도의 세포를 얻기 어려우며, 유가식 배양은 고농도의 세포를 얻을 수 있지만 배양액 공급 시 농축된 배양액을 사용하여 배양 말기에 노폐물의 축적 및 영양소들의 심한 불균형을 초래한다. 이에 비해 관류식 배양은 신선한 배양액을 연속적으로 공급하고 사용 배양액을 연속적으로 제거해 줌으로써 고농도 배양이 가능하다는 장점이 있다.

한편 중위도에 위치한 우리나라(대한민국)는 추운 겨울 북서풍의 영향으로 온도가 낮은 편이어서 따뜻한 지역에서 이루어지는 해양 미세조류의 옥외 배양을 수행하는 것이 곤란하다. 또한 해수의 온도가 낮은 다른 나라에서도 비슷한 어려움이 있다.

본 발명에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 원자력 발전소에서 배출되는 온배수를 활용하고자 하였다, 이러한 시도는 최초로서, 그동안 바다 생태계를 파괴하는 등 생태계에 나쁜 영향을 줌에도 불구하고 달리 관리하기가 어려웠던 원전 온 배수는 본 발명에 의해 해양 미세조류의 옥외 배양에 활용됨으로써 에너지 활용과 환경오염 해결에 기여할 수 있게 되었다. 원자력 발전소가 연안에 위치한 경우 막대한 양의 온배수가 끊임없이 바다로 배출되고, 온배수의 높은 열에너지는 원전 주변 해역의 바다 생태계에 다양한 영향을 주어 궁극적으로 수산업에 악영향을 미쳤는바, 본 발명에서는 기존 해수보다 평균 7～8℃ 높은 온도를 나타내는 온배수의 특징을 역으로 이용하였다. 기존에 해양 미세조류를 옥외 배양하는 것은 기온이 높은 지역에서만 가능하였는데, 본 발명에 따르면 원전 온배수를 공급받을 수 있는 지역이라면 기온이 낮은 지역이라 하더라도 옥외 광배양이 가능하다.

발명의 상세한 설명

본 발명은 해수가 따뜻하지 않은 환경에서도 미세조류를 옥외에서 대량으로 배양할 수 있는 방법을 제공하는 데 목적이 있다.

위와 같은 목적을 가진 본 발명은 원전 온배수를 활용하여 해양 미세조류를 옥외에서 관류식으로 배양하는 방법으로서,

미세조류의 배양에 필요한 신선한 영양물질을 원전 온배수와 함께 광-바이오리액터에 연속적으로 주입하는 동시에, 펌프를 이용하여 광-바이오리액터(photo-bioreactor)에서 배양액을 연속적으로 퍼내고,

퍼내진 배양액 중 그에 포함된 미세조류는 레벨 필터(level filter)로 걸러내 광-바이오리액터에 다시 연속하여 투입하고, 오버플로우(overflow, 레벨 필터로 걸러진 배양액 중 넘치는 부분)는 버리며, 그 나머지 배양액은 원전 온배수와 혼합하여 광-바이오리액터의 외부를 순환한 다음에 버려지도록 한 것을 특징으로 한다.

또한 이때, 퍼내진 배양액 중 일부를 원전 온배수와 혼합하여 광-바이오리액터의 외부에 순환시키는 데에 있어서, 광-바이오리액터의 외부로 순환시키는 수단은 투명한 튜브인 것을 특징으로 한다.

본 발명은 위와 같은 배양 방법 내지 배양 시스템 자체에 특징이 있는 것이지, 영양물질의 종류에 특징이 있는 것이 아니다. 미세조류의 배양에 필요한 영양물질은 상황에 따라 적절히 선택하여 사용할 수 있다.

본 발명의 원전 온배수를 이용한 해양 미세조류의 관류식 광배양 방법에서는, 광-바이오리액터에서 해양 미세조류를 옥외 배양하되, 사용한 배양물(spent medium)은 광-바이오리액터의 바깥으로 빼내면서 새로운 배양물(fresh medium)을 투입하여 계속적으로 영양분을 보충한다. 사용한 배양물(spent medium)을 밖으로 배출할 때 미세조류가 배양액과 같이 바깥으로 나가게 되므로, 배출되는 배양액에 들어있는 미세조류는 레벨 필터(level filter)로 여과하여 다시 배양기 안으로 들여보낸다. 레벨 필터(level filter)는 특별한 구조를 가진 것은 아니고 가라앉은 미세조류를 거르기 위한 필터를 의미한다. 레벨 필터에 의한 거름 방식은 무게 차에 의해 이루어지는 것으로 사용한 배양물(spent medium) 속의 가장 무거운 미세조류가 밑에 가라않고 나머지 가벼운 불순물 등이 존재하는 상위층의 오버플로우(over flow)는 밖으로 배출되게 된다.

또한, 위 과정에서 사용된 배양액 중 오버플로우(overflow)는 버리고 나머지는 새로운 원전 온배수와 혼합하여 배양기 주변을 통과하게 한다. 이는 사용된 배양액의 온기를 광-바이오리액터의 온도 유지에 활용하기 위함이다. 사용된 배양액을 새로운 원전 온배수와 혼합하는 것은, 사용된 배양액의 온도가 다소 낮아져 있기 때문이다.

본 발명에서, 사용된 배양액 중 일부를 원전 온배수와 혼합하여 광-바이오리액터의 외부로 순환시키는 수단은 투명한 튜브인 것이 바람직한데, 이는 햇빛이 광-바이오리액터 내부로 투과되는 것을 차단하지 않도록 하기 위해서다.

본 발명의 본질적인 특징은 아니지만 참고로 밝히면, 광-바이오리액터 내부의 온도나, 사용된 배양액 중 일부가 원전 온배수와 혼합된 후의 온도는 별도의 온도계를 사용하여 체크함으로써 미세조류의 배양 환경에 맞게 조절할 수 있다. 이와 관련된 사항은 본 발명을 실시하는 단계에서 통상의 기술자에 의해 선택될 수 있는 내용이므로 자세한 설명은 생략한다.

본 발명에 따르면, 원자력발전소에서 배출되는 더운 온배수(thermal effluent)를 활용하여 해양 미세조류를 배양함으로써 따뜻한 온도를 요하는 미세조류의 배양에 필요한 조건을 충족시키는 결과, 해수가 따뜻하지 않은 환경에서도 추가적인 에너지의 사용 없이 해양 미세조류의 옥외 대량 배양이 가능하게 된다.

또한 기존의 유가식(fed-batch) 배양 방법에서는 어려웠던 해양 미세 조류의 고농도 배양을 할 수 있다.

또한 그간 문제시 되어온 원전 온배수를 미세조류의 배양에 직접 사용할 뿐 아니라, 사용된 배양액을 그대로 버리지 않고 다시 모아서 배양기 주위를 감싸고 있는 튜브에 순환시켜 배양기의 보온 유지에 사용되도록 함으로써, 온배수에 저장된 에너지를 완전히 사용함은 물론 온배수로 인한 환경 문제 해결에 일조할 수 있다.

도 1은 본 발명을 실시하는 하나의 예를 도시한 것으로서, 원자력 발전소의 온배수를 이용한 옥외 관류식 배양(Outdoor Perfusion Culture Process Using Thermal Effluent of Nuclear Energy Power Plant)의 예를 보인 것이다.
① 투입 흐름 : 온배수 및 영양물질(Input flow from into photo-bioreactor : Thermal Effluent with others nutrients)
② 배출 흐름 : 온배수, 사용된 배양물질 및 미세조류(Out flow from photo-bioreactor : Thermal Effluent with spent medium and microalgae)
③ 온배수와 사용된 배양물질의 오버플로우(Overflow of thermal effluent and spent medium)
④ 온배수와 사용된 배양물질(thermal effluent and spent medium)
⑤ 걸러진 미세조류(filtered microalgae)
⑥ 사용된 배양물질을 포함한 온배수와 새로 투입되는 온배수의 혼합물(Mix of constant temperature thermal effluent and spent medium)
발명의 실시를 위한 형태
도 1과 함께 본 발명의 실시예를 설명한다.
본 발명에서는 광-바이오리액터에서 해양 미세조류를 옥외 배양한다. 광-바이오리액터에는 미세조류 배양에 필요한 영양물질을 함유한 새로운 배양물(fresh medium)을 원전 온배수와 함께 주입구에 연속적으로 투입하여 영양분을 보충해준다(①). 원전 온배수를 사용하므로 추운 조건에서도 옥외 배양을 할 수 있다.
그러는 한편, 광-바이오리액터에서는 연속적으로 배양액을 배출시키는데 이때 펌프와 같은 수단을 이용할 수 있다(②). 배출되는 배양액에는 사용된 배양물질(spent medium)과 미세조류가 포함돼 있을 수 있다.
배출되는 배양액의 오버플로우는 버리고(③), 그에 포함된 미세조류는 레벨 필터(level filter)로 여과하여 다시 배양기 안으로 보낸다(⑤). 또한 그와 같이 하고 남은 나머지 배양액[④, 여기에도 사용된 배양물질(spent medium)이 포함돼 있을 수 있다]은 새로운 원전 온배수와 혼합하여(⑥) 배양기 주변을 감싼 투명한 튜브를 통과시킨 후 버린다. 이로써 사용된 배양액은 마지막까지 배양기의 온도 유지에 기여하게 된다.
이처럼 본 발명에서는 새 배양액이 들어오고 사용된 배양액은 나가는 과정을 반복하여 미세조류에 필요한 최적의 요건을 만족시키는 동시에 노폐물의 축적을 방지하며, 또한 그 과정에서 배양기 밖으로 배양액과 함께 나가는 미세조류는 여과기로 걸러 다시 배양기로 되돌리기 때문에 배양기 내의 세포수는 계속 증가한다.
상기와 같은 본 발명은 일반 해수와 동일한 성분의 온배수를 사용하기 때문에 기존의 해수 배양 기술의 장점을 그대로 활용할 수 있으면서도, 에너지 활용성을 높이고 온배수에 따른 환경오염 문제 해소에 일조할 수 있다.
다음으로, 원전 온배수를 이용한 옥외 관류 광 배양 방법에 대한 실험예를 소개한다.
[제1공정 : 배양액 멸균 공정]
배양액은, 고압 멸균기(한국기기 제작, HK-AC120, Korea)를 이용해 121℃에서 15분간 가압 살균한 원전 온배수 1ℓ에 Enrichment Solution 20㎖/ℓ(Pasteurized thermal plume, NaNO₃ 4.7g/2L, Na₂glycerophosphate?5H₂O 0.7g/2L, ES Fe solution 325㎖/2L, P-ⅡMetal solution 325㎖/2L, HEPES buffer 6.5g/2L, Vitamin B₁₂ 3㎖/2L, Biotin Vitamin Solution 3㎖/2L, Thiamin Vitamin Solution 3㎖/2L)을 가한 것을 이용한다.
[제2공정 : 접종 및 교반 공정]
배양기 역시 고압 멸균기를 이용하여 121℃로 15분간 가압 살균한 뒤 주입구 주위에 알코올을 뿌려 입구 주위를 점화한 뒤, 입구를 통하여 배양액 및 미세조류인 Chlorella minutissima(UTEX, LB2341, USA)를 접종하고 균주를 150rpm으로 교반한다. 그리고 같은 배양액을 계속적으로 투입하여 영양분을 보충한다.
[제3공정 : 관류식 배양을 통한 균주 분리 공정]
배양액의 투입과 동시에 사용된 배양액을 계속하여 바깥으로 빼낸다. 이때 사용된 배양액과 같이 미세조류도 바깥으로 나가게 되는데, 배출되는 배양액에 들어 있는 레벨 필터를 이용하여 미세조류 균주를 분리해 다시 배양기 안으로 보내는 한편, 오버플로우(overflow)는 버리고 나머지 배양액은 배양기 주변을 감싼 투명한 튜브로 순환시킨다.
[제4공정 : 온배수 이용 공정]
제3공정에서 투명한 튜브로 들어온 배양액은 새로운 원전 온배수와 혼합되어 튜브 안으로 흘려보내 배양기의 보온성을 유지하게 한다.
실험예 1.
본 실험을 위하여 원전 온배수가 흘러나오는 울진 원자력 발전소 근처에서 기온이 낮은 1월과 2월에 걸쳐 실험을 진행하였다. 14ℓ 짜리 옥외 관류 광-배양장치(광-바이오리액터)를 이용하였으며, 일반 해수와 원전 온배수를 이용하여 도 1과 위에서 설명한 공정에 따라 실험을 하였다. 그래프 1은 이에 따른 배양기 내부 배양액의 온도 변화를 비교 분석한 것이다.

위와 같이 온배수를 통한 관류 광 배양 장치를 이용한 것이 울진의 온도에 비해 상당히 높은 온도를 유지함을 알 수 있다. 따라서 온배수를 이용한 관류 광배양 방법을 통해 일정한 보온성이 유지되므로 낮은 온도 지역에서의 옥외 배양이 가능함을 알 수 있다.
실험예 2.
온배수를 이용한 옥외 배양과 일반 해수를 이용한 옥외 배양에 따른 균체량을 비교해 보았다. 균체 생육을 측정하기 위해 14ℓ 짜리 광-바이오리액터에서 5일 간격으로 30㎖의 배양액과 균체를 취한 후, UV/Visible spectrophotometer(Kontron Instruments)를 이용하여, 540nm의 파장 영역에서 측정하였다. 건조 균체량 측정을 위해 채취한 시료를 0.45μm 여과지로 여과한 후, 80℃ 항온기에 24시간 정도 두어 건조한 후, 건조무게를 정착하게 측정하였다.

그래프 2에 나타난 바와 같이, 보온성이 유지된 온배수를 이용한 관류 배양이 아무런 작용을 하지 않은 옥외 관류 배양에 비해 상대적으로 높은 균체 생성량을 보였다. 이로써 온배수를 통한 배양이 해수를 이용한 배양액에 비해 불리하게 작용하지 않으며 오히려 온배수의 높은 열에너지로 인하여 옥외 대량 배양이 효율적으로 이루어질 수 있음을 확인할 수 있다.
실험예 3.
온배수를 이용한 배양과 일반 해수를 이용한 옥외 배양을 통한 바이오 디젤의 원료로서 가능성을 알아보기 위해, 지질 생성량을 비교하여 살펴보았다. 균체내 지질 측정을 위해 건조 균체를 동결 건조한 후 분쇄하는 전처리를 한 다음, Folch법을 이용해 분쇄된 시료 1g에 20배의 용매 CHCl₃:methanol(2:1 v/v)를 넣고 상온에서 30～90분 동안 교반하였다. 그 다음 이를 원심분리하고 상등액을 취하여 0.9％ NaCl 용매를 넣고 수초간 볼텍싱한 후 또다시 원심분리하여 상등액은 버리고 지질이 포함된 추출액(하층)을 건조해 무게를 칭량하고 이를 지방함량으로 하였다.

그 결과 위와 같이 온배수를 사용하는 경우 바이오 디젤의 유용 물질인 지질 함량이 크게 증가됨을 알 수 있다. 이로써 낮은 온도의 영향을 받는 지역의 옥외 배양 시 바이오 디젤용 지질을 생산하기 위한 온배수를 이용한 관류식 광 배양 공정을 통하여 풍부한 바이오 디젤용 지질을 생산할 수 있는 가능성을 확인하였다.
산업상 이용가능성
본 발명에 따르면, 원자력발전소에서 배출되는 더운 온배수(thermal effluent)를 활용함으로써 추운 지역에서도 해양 미세조류를 옥외에서 대량으로 배양할 수 있다. 그리하여 바이오 연료의 활용에 직접적으로 이용될 수 있다.

Claims (2)

1. 미세조류의 배양에 필요한 신선한 영양물질을 원전 온배수와 함께 광-바이오 리액터에 연속적으로 주입하는 동시에, 펌프를 이용하여 광-바이오리액터에서 배양액을 연속적으로 퍼내고, 퍼내진 배양액 중 그에 포함된 미세조류는 레벨 필터(level filter)로 걸러내 광-바이오리액터에 다시 연속하여 투입하고,
   레벨 필터로 걸러진 배양액 중 넘치는 부분은 버리며, 그 나머지 배양액은 원전 온배수와 혼합하여 광-바이오리액터의 외부를 순환한 다음에 버려지도록 한 것을 특징으로 하는,
   원전 온배수를 활용한 해양 미세조류의 옥외에서의 관류식 배양 방법.
2. 제1항에 있어서,
   퍼내진 배양액 중 일부를 원전 온배수와 혼합하여 광-바이오리액터의 외부에 순환시키는 데에 있어서,
   광-바이오리액터의 외부로 순환시키는 수단은 투명한 튜브인 것을 특징으로 하는,
   원전 온배수를 활용한 해양 미세조류의 옥외에서의 관류식 배양 방법.

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