KR101413874B1 - 푸코잔틴 생산능이 우수한 미세조류의 대량 생산방법 - Google Patents

푸코잔틴 생산능이 우수한 미세조류의 대량 생산방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 (a) 바닷물을 중화제를 이용하여 pH를 중성으로 조절하는 단계;
(b) 상기 바닷물에 요소비료 30~60 g/톤, KH2PO4 5~10 g/톤, Fe 0.5~1.0 g/톤의 비율로 첨가하여 배양액을 제조하는 단계;
(c) 미세조류 파에도닥틸룸 트리코르누툼(Phaeodactylum tricornutum) 또는 아이소크라이시스 갈바나(Isochrysis aff. galbana)를 배양액에 접종하고, 18 ~ 20℃에서 4~5일 동안 배양 모듈을 순환시켜 배양하되, 배양 모듈로부터 3/4을 회수하고, 회수된 만큼 새로운 양액을 교환하여 배양하는 단계;
(d) 회수된 배양액을 회수 라인을 통해 침전 탱크로 이동시키고 침전제를 투입하여 미세조류 파에도닥틸룸 트리코르누툼(Phaeodactylum tricornutum) 또는 아이소크라이시스 갈바나(Isochrysis aff. galbana)를 침전시키는 단계; 및
(e) 침전된 미세조류 파에도닥틸룸 트리코르누툼(Phaeodactylum tricornutum) 또는 아이소크라이시스 갈바나(Isochrysis aff. galbana)를 회수하여 원심분리기에 시간당 500~600 L 속도로 주입하여 15000 ~ 18000 rpm에서 미세조류 농축물을 얻는 단계;
를 포함하는 미세조류의 생산방법을 제공한다.

Description

푸코잔틴 생산능이 우수한 미세조류의 대량 생산방법{The Mass Production Method of Microalgae Having High Fucoxanthin Producing Ability}
본 발명은 미세조류의 대량 생산방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 푸코잔틴 생산능이 우수한 파에도닥틸룸 트리코르누툼 또는/및 아이소크라이시스 갈바나를 배양액에 투입하여 순환배양법을 이용하여 빠른 시일내에 저렴한 비용으로 대량으로 생산할 수 있는 미세조류의 대량 생산방법에 관한 것이다.
최근 해조류에 포함된 성분이 인체 건강에 유익하다는 연구 결과가 보고되고 있다. 특히, 푸코잔틴 성분은 갈조류에서 풍부하게 발견되는 특유의 카로티노이드로, 항-비만 효과를 갖는 것으로 보고되고 있다(K. Miyashita, Lipid Technology, August/September 2009, Vol. 21, No. 8/9).
푸코잔틴의 항-비만 메커니즘은 백색 체지방(white adipose tissue: WAT) 미토콘드리아에서 탈 결합 단백질1(uncoupling protein 1: UCP 1)의 발현을 유도하여 WAT에서 지방산 산화 및 열 생성을 일으킴으로써 지방 세포의 아포토시스(apoptosis) 작용을 일으키는 것을 특징으로 한다.
UCP 1은 항-비만 효과에 있어 핵심 분자이다. UCP 1의 발현은 신체 에너지 소모의 중요 요소로 알려져 있고, UCP 1이 기능 장애를 일으킬 경우에 비만이 발생하기 쉽다.
푸코잔틴과 UCP 1 발현의 관련성을 나타내는 실험 및 그 실험 결과가 상기 문헌에 개시되어 있다. 동 문헌에 의하면 푸코잔틴이 WAT에서 UCP 1의 단백질 및 mRNA 발현을 유도한다는 것을 알 수 있다. 이는 푸코잔틴의 구조적 특징, 즉, 푸코잔틴 대사물질인 푸코잔틴올 및 아마로우시아잔틴 A의 측쇄기 위에 있는 부가적인 하이드록시 치환기 및 알렌 결합에 기인한 것으로 보인다.(H. Maeda, Molecular Medicine Reports 2: 897-902, 2009; 및 K. Miyashita, 상동).
이러한 푸코잔틴은 종래 갈조류로부터 분리정제하여 왔으나, 그 농도가 크지 않고 분리 정제에 있어 시간과 비용이 많이 드는 문제가 있어, 미세조류로부터 푸코잔틴을 분리하고자 하는 시도가 있어 왔다.
하지만, 미세조류는 배지 및 배양기술의 한계로 인해 충분한 양의 푸코잔틴을 분리할 수 있는 만큼의 생산량을 확보하기에 많은 시간과 비용이 투입되고 있다.
일부 실험실 수준에서 합성배지를 이용하여 미세조류를 배양하려는 시도가 있어왔으나, 이는 산업적인 스케일로 확장하기에는 무리가 따르고, 고가의 합성배지를 구입하여야 하므로 비용적인 면에서도 불리한 한계가 있다.
이에 본 발명자들은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 그 목적은 푸코잔틴 생산능이 우수한 미세조류를 배양액에 투입하여 순환배양법을 이용하여 빠른 시일내에 저렴한 비용으로 대량으로 생산할 수 있는 미세조류의 대량 생산방법을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 기술적 과제는 다음과 같은 수단에 의해 달성되어진다.
(1) (a) 바닷물을 중화제를 이용하여 pH를 중성으로 조절하는 단계;
(b) 상기 바닷물에 요소비료 30~60 g/톤, KH2PO4 5~10 g/톤, Fe 0.5~1.0 g/톤의 비율로 첨가하여 배양액을 제조하는 단계;
(c) 미세조류 파에도닥틸룸 트리코르누툼(Phaeodactylum tricornutum) 또는 아이소크라이시스 갈바나(Isochrysis aff. galbana)를 배양액에 접종하고, 18 ~ 20℃에서 4~5일 동안 배양 모듈을 순환시켜 배양하되, 배양 모듈로부터 3/4을 회수하고, 회수된 만큼 새로운 양액을 교환하여 배양하는 단계;
(d) 회수된 배양액을 회수 라인을 통해 침전 탱크로 이동시키고 침전제를 투입하여 미세조류 파에도닥틸룸 트리코르누툼(Phaeodactylum tricornutum) 또는 아이소크라이시스 갈바나(Isochrysis aff. galbana)를 침전시키는 단계; 및
(e) 침전된 미세조류 파에도닥틸룸 트리코르누툼(Phaeodactylum tricornutum) 또는 아이소크라이시스 갈바나(Isochrysis aff. galbana)를 회수하여 원심분리기에 시간당 500~600 L 속도로 주입하여 15000 ~ 18000 rpm에서 미세조류 농축물을 얻는 단계;
를 포함하는 미세조류의 생산방법.
(2) 상기 (1)에 있어서,
단계 (b)에서 배양액에 글리세롤 100~200 g/톤을 더 첨가하는 것을 특징으로 하는 미세조류의 생산방법.
(3) 상기 (2)에 있어서,
단계 (b)에서 배양액에 유기산으로 숙신산, 타르타르산 및 구연산의 군에서 선택된 적어도 1종 이상을 100~200 g/톤 더 첨가하는 것을 특징으로 하는 미세조류의 생산방법.
(4) 상기 (1)에 있어서,
단계 (d)에서 얻은 침전된 미세조류에 수돗물을 첨가한 후 다시 미세조류를 침전시키는 과정을 2~3회 반복하여 침전물 중 바닷물에 포함된 염분과 배양액 성분이 미세조류 침전물로부터 제거하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세조류의 생산방법.
(5) 상기 (1)에 있어서,
단계 (d)에서 침전제로는 폴리염화알루미늄 계열의 응집제인 것을 특징으로 하는 미세조류의 생산방법.
상기와 같이 본 발명에 의하면, 푸코잔틴 생산능이 우수한 미세조류를 배양액에 투입하여 순환배양법을 이용하여 빠른 시일내에 저렴한 비용으로 대량으로 생산할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 미세조류의 대량 생산방법의 공정흐름도.
도 2는 본 발명에 따른 미세조류의 대량 생산을 위해 적용된 연속배양공정도.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 미세조류의 대량 생산방법은 도 1에 도시한 바와 같이,
(a) 바닷물을 중화제를 이용하여 pH를 중성으로 조절하는 단계;
(b) 상기 바닷물에 요소비료 30~60 g/톤, KH2PO4 5~10 g/톤, Fe 0.5~1.0 g/톤의 비율로 첨가하여 배양액을 제조하는 단계;
(c) 미세조류 파에도닥틸룸 트리코르누툼(Phaeodactylum tricornutum) 또는 아이소크라이시스 갈바나(Isochrysis aff. galbana)를 배양액에 접종하고, 18 ~ 20℃에서 4~5일 동안 배양 모듈을 순환시켜 배양하되, 배양 모듈로부터 3/4을 회수하고, 회수된 만큼 새로운 양액을 교환하여 배양하는 단계;
(d) 회수된 배양액을 회수 라인을 통해 침전 탱크로 이동시키고 침전제를 투입하여 미세조류 파에도닥틸룸 트리코르누툼(Phaeodactylum tricornutum) 또는 아이소크라이시스 갈바나(Isochrysis aff. galbana)를 침전시키는 단계; 및
(e) 침전된 미세조류 파에도닥틸룸 트리코르누툼(Phaeodactylum tricornutum) 또는 아이소크라이시스 갈바나(Isochrysis aff. galbana)를 회수하여 원심분리기에 시간당 500~600 L 속도로 주입하여 15000 ~ 18000 rpm에서 미세조류 농축물을 얻는 단계;를 포함한다.
이하, 본 발명의 내용을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서 배양액은 바닷물을 필터 장치를 통과시켜 불순물들을 거른 후, 중화제(Na2S2O3)를 이용하여 pH를 중성으로 조절하고, 여기에 요소비료 30~60 g/톤, KH2PO4 5~10 g/톤, Fe 0.5~1.0 g/톤의 비율로 첨가한다. 상기 성분들은 미세조류의 생육을 증진시키면서 저렴한 비용으로 대량생산에 적합한 특징이 있다.
바람직하게는 상기 배양액에 미세조류의 배양속도를 증가시키기 위해 글리세롤 또는/및 유기산을 첨가할 수 있으며, 상기 유기산의 대표적인 예로는 숙신산, 타르타르산, 구연산을 들 수 있다.
상기 글리세롤의 첨가량은 100~200 g/톤의 비율로 투입하며, 100 g/톤의 비율로 투입할 경우 미세조류의 배양속도 증가 효과를 기대하기 어렵고, 200g/톤을 넘으면 경제성이 떨어지거나 오히려 증식에 악영향을 초래할 수 있어 바람직하지 않다.
본 발명에서 유기산은 글리세롤과 함께 사용시 미세조류 배양속도를 보다 가속하기 위해 첨가하는 것으로, 총 유기산의 함량이 100~200 g/톤의 비율이 되도록 첨가하는 것으로 충분하다.
본 발명에서는 상기 미세조류 스톡을 400 L 배지에 접종시킨 후 배양 온도 18 ~ 20℃에서 4 ~ 5일 동안 배양한다. 이때 배양은 도 2에 도시한 바와 같이, 1주일 단위로 200개의 400 L 배양 모듈을 순환시켜 배양한다. 예를 들어 모듈 40개를 1일차에 미세조류를 배양액에 접종시키고, 1주일간 배양하고, 2일차에 다른 모듈 40개에 미세조류를 접종시켜 1주일간 배양하는 방식으로 5일차에 걸쳐 순차적인 접종 및 배양을 거쳐 각 모듈당 접종 후 1주일 째 회수하는 방식으로 배양을 수행한다.
순환배양은 하루에 모듈 40개를 회수하고 새로운 양액을 교환하는 방식으로 운영하며, 배양액의 교환에는 400 L 배양액 중 300 L를 회수하고, 100 L 만 남겨 놓은 상태에서 새로운 배지 300 L를 교환하는 방식을 이용한다.
본 발명에서는 배양액의 회수를 위해 각 배양 모듈의 1/4 지점 높이에 회수용 라인을 두어 배양액의 3/4이 빠져나갈 수 있도록 하고, 이때 회수된 배양액은 회수라인의 단부에 연결된 침전 탱크로 이동한다.
회수된 배양액이 저장된 침전 탱크에는 미세조류를 침전시키기 위한 침전제가 투입되어진다. 본 발명에 사용되는 침전제로는 폴리염화알루미늄 계열의 응집제가 투입되며, 투입량은 배양액 톤 당 0.4 ~ 0.5 mL로 하는 것이 바람직하다.
침전제를 배양액과 섞는 방법은 배양액이 침전 탱크에 모일 때 응집제 원액을 물에 약 1000 배 희석한 용액을 조금씩 섞어 침전제가 탱크 안에서 골고루 섞일 수 있도록 한다. 침전 시간은 최소 12시간 이상을 유지하여 침전물이 바닥에 충분히 가라앉을 수 있도록 하고, 침전 후 바닥에 쌓인 부유물 이외의 배양액은 배출 밸브를 통해서 배출시켜 침전물의 농도를 최대한 높일 수 있도록 한다.
바람직하게는 상기와 같이 침전된 미세조류를 일반 수돗물을 첨가한 후 다시 미세조류 응집물을 침전시키는 작업을 2~3회 반복하여 침전물 중 바닷물에 포함된 염분과 배지 성분이 미세조류 침전물로부터 충분히 제거하는 것이 좋다.
다음 과정으로, 상기와 같이 최대한 농축된 미세조류의 침전물을 회수하여 원심분리를 이용하여 농축시킨다. 원심분리기 작동은 회전수 약 15000 ~ 18000 rpm에서 미세조류의 침전물을 시간당 500~600 L 속도로 원심분리기 아래 부분을 통해 주입시켜 원심분리기 바울 내부에 농축시킨 후 맑은 배양액만 위로 빠져나가는 방식을 이용한다.
[실시예 1]
먼저 바닷물을 필터 장치를 통과시켜 불순물들을 거른 후, 저수 탱크에 모아 락스 성분(NaClO)의 용액을 이용하여 하루 동안 소독을 시켰다(300 mL/톤). 다음날 중화제(Na2S2O3)를 이용하여 pH를 중성으로 바꾼 후(0.12kg/L), 비료성분의 영양소(요소비료 50g/톤, KH2PO4 5g/톤, Fe 0.5g/톤)를 넣어 배양액을 제조하였다.
미세조류로 20L 파에도닥틸룸 트리코르누툼(Phaeodactylum tricornutum, PT)과 아이소크라이시스 갈바나(Isochrysis aff. galbana, IG) 스톡을 400 L 배지에 접종시킨 후 배양 온도 18 ~ 20℃에서 5일 동안 배양하였다. 배양은 1주일 단위로 200개의 400 L 배양 모듈을 순환시켜 배양하는 스케쥴로 설정하되, 하루에 모듈 40개를 회수하고 새로운 양액을 교환하는 방식으로 운영하였다. 또한 배양액 교환에는 400 L 배양액 중 300 L를 회수하고, 100 L 만 남겨 놓은 상태에서 새로운 배지 300 L를 교환하는 방식으로 하였다.
배양 모듈의 1/4 지점 높이에 회수용 라인을 비닐백에 연결하여 이 높이까지의 배양액 (약 300L)이 빠져 회수된 배양액이 회수 라인을 따라 침전 탱크까지 이동시켰다.
회수된 배양액은 침전 탱크로 이동하여 침전제와 섞이면서 침전 탱크에서 침전될 수 있도록 하였다. 하루 처리 용량이 약 12톤 규모이기 때문에 침전 탱크는 10톤 규모 탱크 두 개를 설치하여 충분하게 배양액을 모을 수 있도록 설치하였고, 탱크 중간 중간에 밸브를 설치하여 침전 후 남은 배양액을 배출시킬 수 있도록 하였다.
미세조류 침전에는 폴리염화알루미늄 계열의 응집제를 사용하여 인체에 유해한 성분이 포함되지 않도록 하였으며, 응집제 사용량은 배양액 톤당 약 0.5 mL를 사용하였고, 침전제를 배양액과 섞는 방법은 배양액이 침전 탱크에 모일 때 응집제 원액을 물에 약 1000 배 희석한 용액을 조금씩 섞어 침전제가 탱크 안에서 골고루 섞일 수 있도록 하였다. 침전 시간은 12시간을 유지하여 침전물이 바닥에 충분히 가라앉을 수 있도록 하였고, 침전 후 바닥에 쌓인 부유물 이외의 배양액은 배출 밸브를 통해서 배출 시켜 침전물의 농도를 최대한 높일 수 있도록 하였다. 미세조류의 침전물에 일반 수돗물을 첨가한 후 다시 미세조류 응집물을 침전시키는 작업을 3회 반복하여 침전물 중 바닷물에 포함된 염분과 배지 성분이 미세조류 침전물로부터 충분히 제거될 수 있게 하였다.
이와 같이 최대한 농축된 미세조류의 침전물을 회수하여 연속 원심분리 시스템에 주입하여 미세조류 농축물을 확보하였다. 원심분리기 작동은 회전수 약 15000 rpm에서 미세조류 농축액을 시간당 500 L 속도로 원심분리기 아래 부분을 통해 주입시켜 원심분리기 바울 내부에 농축시킨 후 맑은 배양액만 위로 빠져나가는 방식을 이용하였다.
미세조류 배양 농도 2 x 106 cells/mL 의 배양액 12톤을 응집 탱크에서 침전시킨 후 원심분리하여 젖은 상태의 응집물을 얻은 결과 PT 4.5 kg, IG 4.3 kg의 미세조류의 응집물을 각각 얻을 수 있었다.
[실시예 2]
배양액에 글리세롤 200 g/톤을 첨가한 것을 제외하고 실시예 1에서와 동일한 과정을 통해 미세조류를 배양하고, 침전 및 원심분리를 이용하여 PT 응집물 6.1 Kg, IG 응집물 6.0 kg을 회수하였다.
[실시예 3]
배양액에 글리세롤 200 g/톤 및 숙신산 200 g/톤을 첨가한 것을 제외하고 실시예 1에서와 동일한 과정을 통해 미세조류를 배양하고, 침전 및 원심분리를 이용하여 PT 응집물 6.5 kg, IG 응집물 6.3 kg을 회수하였다.
[실시예 4]
배양액에 글리세롤 200 g/톤, 숙신산 100 g/톤 및 타르타르산 100 g/톤을 첨가한 것을 제외하고 실시예 1에서와 동일한 과정을 통해 미세조류를 배양하고, 침전 및 원심분리를 이용하여 PT 응집물 6.8 Kg, IG 응집물 6.6 kg을 회수하였다.
[실시예 5]
배양액에 글리세롤 100~200 g/톤, 숙신산 100 g/톤, 타르타르산 50 g/톤 및 구연산 50 g/톤을 첨가한 것을 제외하고 실시예 1에서와 동일한 과정을 통해 미세조류를 배양하고, 침전 및 원심분리를 이용하여 PT 응집물 7.2 kg, IG 응집물 7.0 kg을 회수하였다.
[비교예 1]
배양액으로 F/2 배지를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건하에 미세조류를 배양하고, 침전 및 원심분리를 이용하여 PT 응집물 3.2 kg, IG 응집물 3.2 kg을 회수하였다.
상기 실시예 1 내지 5 및 비교예 1의 실험결과를 하기 표 1에 나타내었으며, 본 발명에 따른 배양방법이 고가의 합성배지를 사용하는 경우보다 미세조류의 생산량이 크게 높은 것을 확인할 수 있었다.
구분 PT 회수량(Kg) IG 회수량(kg)
실시예 1 4.5 4.3
실시예 2 6.1 6.0
실시예 3 6.5 6.3
실시예 4 6.8 6.6
실시예 5 7.2 7.0
바교예 1 3.2 3.1
상기 결과에서 확인할 수 있듯이, 본 발명은 푸코잔틴 생산능이 우수한 미세조류를 배양액에 투입하여 순환배양법을 이용하여 빠른 시일내에 저렴한 비용으로 대량으로 생산할 수 있도록 하여 푸코잔틴의 대량 생산에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (5)

  1. (a) 바닷물을 중화제를 이용하여 pH를 중성으로 조절하는 단계;
    (b) 상기 바닷물에 요소비료 30~60 g/톤, KH2PO4 5~10 g/톤, Fe 0.5~1.0 g/톤의 비율로 첨가하여 배양액을 제조하는 단계;
    (c) 미세조류 파에도닥틸룸 트리코르누툼(Phaeodactylum tricornutum) 또는 아이소크라이시스 갈바나(Isochrysis aff. galbana)를 배양액에 접종하고, 18 ~ 20℃에서 4~5일 동안 배양 모듈을 순환시켜 배양하되, 배양 모듈로부터 3/4을 회수하고, 회수된 만큼 새로운 양액을 교환하여 배양하는 단계;
    (d) 회수된 배양액을 회수 라인을 통해 침전 탱크로 이동시키고 침전제를 투입하여 미세조류 파에도닥틸룸 트리코르누툼(Phaeodactylum tricornutum) 또는 아이소크라이시스 갈바나(Isochrysis aff. galbana)를 침전시키는 단계; 및
    (e) 침전된 미세조류 파에도닥틸룸 트리코르누툼(Phaeodactylum tricornutum) 또는 아이소크라이시스 갈바나(Isochrysis aff. galbana)를 회수하여 원심분리기에 시간당 500~600 L 속도로 주입하여 15000 ~ 18000 rpm에서 미세조류 농축물을 얻는 단계;
    를 포함하는 미세조류의 생산방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    단계 (b)에서 배양액에 글리세롤 100~200 g/톤을 더 첨가하는 것을 특징으로 하는 미세조류의 생산방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    단계 (b)에서 배양액에 유기산으로 숙신산, 타르타르산 및 구연산의 군에서 선택된 적어도 1종 이상을 100~200 g/톤 더 첨가하는 것을 특징으로 하는 미세조류의 생산방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    단계 (d)에서 얻은 침전된 미세조류에 수돗물을 첨가한 후 다시 미세조류를 침전시키는 과정을 2~3회 반복하여 침전물 중 바닷물에 포함된 염분과 배양액 성분이 미세조류 침전물로부터 제거하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세조류의 생산방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    단계 (d)에서 침전제로는 폴리염화알루미늄 계열의 응집제인 것을 특징으로 하는 미세조류의 생산방법.
KR1020140040288A 2014-04-04 2014-04-04 푸코잔틴 생산능이 우수한 미세조류의 대량 생산방법 KR101413874B1 (ko)

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