KR101435990B1 - 온도조절이 가능한 비닐 시트형 광생물반응기 및 이의 설치방법 - Google Patents

온도조절이 가능한 비닐 시트형 광생물반응기 및 이의 설치방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수직형태로 복수개 배열하여 광합성 미생물의 대량 배양이 가능하고, 반응시트에 형성된 복수개의 투과부가 윈도우 형태로 배열 형성됨에 따라 빛 투과율을 높이며, 연결부를 통해 각 반응시트를 연결하여 광합성미생물을 한번에 수확할 수 있고, 온도조절부를 통해 반응시트를 가열하여 광합성 미생물의 증식이 쉽도록 하는 온도조절이 가능한 비닐 시트형 광생물반응기 및 이의 설치방법에 관한 것으로서, 내부에 광합성 미생물 및 배양액이 수용되는 배양공간이 형성되고, 전,후면이 열접착에 의해 접합되어 복수개의 투과부가 형성되는 비닐 재질의 반응시트와, 상기 반응시트의 내부에 이산화탄소를 공급하는 가스공급부와, 상기 반응시트의 내부로 공급되었던 이산화탄소에서 광합성 미생물의 광합성작용에 의해 생성된 산소를 배출시키는 입출부와, 상기 반응시트가 직렬로 연결되도록 상기 반응시트의 양측단에 형성되는 연결부와, 상기 반응시트의 외측면을 덮으며 형성되며, 발전소 배출수 또는 온수 또는 가열된 공기 또는 냉수 또는 냉기 중 어느 하나가 주입되어 상기 반응시트를 가열하는 온도조절부를 포함한다.

Description

온도조절이 가능한 비닐 시트형 광생물반응기 및 이의 설치방법{Photobioreactor of vinyl sheet type capable of insulating and method for installation the same}
본 발명은 온도조절이 가능한 비닐 시트형 광생물반응기 및 이의 설치방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수직형태로 복수 배열하여 광합성 미생물의 대량 배양이 가능하고, 반응시트에 형성된 복수개의 투과부가 윈도우 형태로 배열 형성됨에 따라 빛 투과율을 높이며, 연결부를 통해 각 반응시트를 연결하여 배양액 주입과 발생된 광합성 미생물을 한번에 수확할 수 있고, 온도조절부를 통해 반응시트의 온도를 조절하여 광합성 미생물의 증식이 쉽도록 하는 온도조절이 가능한 비닐 시트형 광생물반응기 및 이의 설치방법에 관한것이다.
전 세계적으로 석유, 천연가스 등의 고갈, 수급체계의 불안정성 등의 고유가 위기가 조성되고 있으며, 이와 더불어 기후변화, 환경파괴 등의 생태계 보호를 위하여 화석에너지의 사용 제한이 가시화되고 있는 실정이다.
이에 따라 세계 각국은 신재생에너지 개발은 물론, 기존의 화력발전의 효율 증대와 친환경 제고에 힘을 기울이고 있으며 광합성 미생물 등을 이용한 생물학적 에너지 생산기술도 각광을 받고 있다.
최근에는 바이오연료 생산에 따른 곡물자원의 가격 인상과 식량자원에 관한 우려로 광합성 미생물 이용 연구가 수송용 바이오연료 생산에 초점을 맞추어 광합성 미생물의 유전체, 유전자 등 기초 연구뿐만 아니라, 미생물 개량, 반응기, 시스템 연구 등 응용연구가 대규모로 진행되고 있다
광합성 미생물은 물, 이산화탄소와 햇빛을 이용하여 성장이 가능하며, 황무지, 해안가, 바다 등 어디서든 배양할 수 있어 기존 육상작물과 토지나 공간 측면에서 상호 경쟁하지 않는다. 광합성 미생물은 배양조건에 따라 생체 내에 많은 양의 지질(최대 70%)을 축적하며, 단위 면적당 오일(지질) 생산량이 콩과 같은 기존 식용작물에 비해 50-100배 이상 높아 대체 생물원유로서의 가능성이 매우 높다. 미세조류 등 광합성 미생물을 원료로 생산한 바이오디젤은 기존 경유에 비해 미세분진, 황화합물 등의 오염물질 배출을 크게 줄일 수 있어 친환경 자동차 연료로 적합하다.
광합성 미생물은 대량으로 배양할 수 있으며, 식용작물과 달리 매일 수확할 수 있다. 더불어 광합성 미생물은 화력발전소 등의 부생가스내 고농도 이산화탄소(15% 수준)를 직접 흡수해 성장할 수 있으므로 이산화탄소 저감 효과도 크다.
또한 광합성 미생물(바이오매스)은 고부가가치의 의약품, 색소, 화장품, 단백질 및 탄수화물의 영양원, 그리고 정밀 화학약품 등의 잠재력 있는 생산원료로써 큰 관심을 받아 왔다. 지금까지 광합성 미생물로부터 카로틴(Carotene), 아스타잔틴(Astaxanthin), Whole-cell dietary supplements, Whole-cell aquaculture feed, Polyunsaturated fatty acids, Heavy isotope labeled metabolites, Phycoerythrin(fluorescent label), 항암 약물(Anticancer drugs), 약학 단백질(Pharmaceutical proteins) 등 다양한 제품들이 전 세계적으로 판매되고 있다.
이러한 광합성 미생물 이용 고부가가치 제품 생산기술은 크게 1)광합성 미생물 배양, 2)수확, 3)유용물질 추출, 4)제품 전환 등 4개 공정으로 구성된다. 이중 광합성 미생물의 배양 공정이 전체 공정의 경제성 측면에서 매우 중요하다. 예를 들면 미세조류 바이오연료 생산기술의 경우 전체 공정에 대한 미세조류 배양, 수확, 오일 추출, 바이오디젤 전환공정이 차지하는 비용은 각각 42%, 22%, 20%, 16% 정도이다.
특히 광합성 미생물을 효율적으로 생산하기 위해 고효율 광생물반응기 및 고농도 배양기술의 개발이 시도되고 있으며, 미세조류와 같은 광합성 미생물을 배양하는 방법은 크게 옥외배양법과 광생물반응기를 이용하는 방법으로 나눌 수 있다.
옥외배양법의 경우는 연못형태나 외륜으로 배지를 순환시키는 수로형태를 예로 들 수 있는데, 설치비나 운영비가 적게 드는 반면, 고농도의 배양이 힘들고 다른 미생물에 의해 오염되기 쉬워 광합성 산물의 회수비용이 증가한다는 단점이 있다.
따라서, 광합성 미생물을 이용한 바이오연료, 의약품, 건강식품, 사료 등 고부가가치 물질의 생산이 가능하게 되고, 특히 생물학적 CO2 고정화 공정에 광합성 미생물의 고농도 대량배양 기술이 필수적으로 요구됨에 따라 배양효율이 높은 광생물반응기에 대한 수요가 증대되고 있는 실정이다.
본 발명의 배경기술로는 한국등록특허 제0439971호(2002. 9. 18. 출원)의 "기포탑 광생물반응기"가 알려져 있으며, 상기 기포탑 광생물반응기는 미생물 배양액을 담을 수 있는 챔버를 형성하는 투명 외부컬럼과, 상기 외부컬럼의 중심에 설치되어 배양액의 전면에 빛에너지를 조사하는 발광체와, 상기 발광체를 배양액과 분리하고 열교환이 가능한 투명재킷과, 상기 투명재킷의 외부 표면에 설치되어 배양액의 상승부와 하강부를 구분하는 방법으로 순환로를 형성하는 배플 플레이트 및, 상기 배플 플레이트로 구분되는 한쪽 부분의 하단부에서 기체를 상향 공급하여 배양액의 상향유동을 야기하는 폭기장치를 포함하는 것이다.
따라서, 별도의 교반이 없이도 배양액의 순환이 가능하며, 순환하는 배양액 내부로의 빛투과 거리가 최소화되고, 배양액의 최대 표면적에 빛에너지가 전달될 수 있어 광합성 미생물의 고농도 배양에 적합하다.
한편, 우리나라와 같이 설치 부지가 부족한 나라에서는 광 활용 효율을 높이기 위해 원통형 컬럼을 수직으로 배치한 광생물반응기의 실용화 가능성이 높다.
그러나, 원통형 컬럼을 이용한 종래의 광생물반응기는 반응기 구조의 복잡성으로 인한 고가의 설치비와 관리 인력 때문에 대규모화가 어렵고, 개별 컬럼의 배양에 따라 광합성 미생물의 대량 배양이 쉽지 않으므로 경제성이 떨어지는 문제가 있었다.
이와 관련된 선행기술로는 한국공개특허공보 제10-2011-0085428호, 한국공개특허공보 제10-2011-0137314호, 한국공개특허공보 제10-2011-0062623호, 한국 등록특허공보 제10-0622992호가 있다.
본 발명은 수직형태로 복수개 배열하여 광합성 미생물의 대량 배양이 가능하고, 반응시트에 형성된 복수개의 투과부가 윈도우 형태로 배열 형성됨에 따라 빛 투과율을 높이며, 연결부를 통해 각 반응시트를 연결하여 반응기내 광합성 미생물을 한번에 수확할 수 있고, 온도조절부를 통해 반응시트를 가열하여 광합성 미생물의 증식이 쉽도록 하는 온도조절이 가능한 비닐 시트형 광생물반응기 및 이의 설치방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않는다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 온도조절이 가능한 비닐 시트형 광생물반응기는, 내부에 광합성 미생물 및 배양액이 수용되는 배양공간이 형성되고, 전,후면이 열접착에 의해 접합되어 복수개의 투과부가 형성되는 비닐 재질의 반응시트와, 상기 반응시트의 내부에 이산화탄소를 공급하는 가스공급부와, 상기 반응시트의 내부로 공급되었던 이산화탄소에서 광합성 미생물의 광합성작용에 의해 생성된 산소를 배출시키는 입출부와, 상기 반응시트가 직렬로 연결되도록 상기 반응시트의 양측단에 형성되는 연결부와, 상기 반응시트의 외측면을 덮으며 형성되며, 발전소 배출수 또는 온수 또는 가열된 공기 또는 냉수 또는 냉기 중 어느 하나가 주입되어 상기 반응시트를 가열하는 온도조절부를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 반응시트는 폴리에틸렌(PE), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 선형저밀도 폴리에틸렌(LLDPE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), Oriented polypropylene(OPP), 테레프탈레이트와 무연신 폴리프로필렌 혼합 필름(PET+CPP), 무연신 폴리프로필렌(CPP), 나일론(Nylon), 이축연신 나일론(ON), 미연신 나일론(CN), 폴리 아세탈(POM), 폴리카보네이트(PC), 폴리에스터(Polyester), 폴리스틸렌(PS), 폴리에스터 설폰(PES), 폴리염화비닐(PVC), 염화 비닐리덴(PVDC), Ethylene vinyl acetate 공중합체(EVA), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리프로필렌(PP), Inflated Polypropylene(IPP) 및 폴리페닐렌옥사이드(PPO=PPE) 중 어느 하나 이상의 재질로 이루어질 수 있다.
상기 투과부는 원형, 타원형, 삼각형, 반원형 또는 다각형의 형상으로 형성되어 상하좌우로 연속 또는 지그재그로 배열되어 형성될 수 있다.
상기 투과부는 광합성 미생물이 적체가 되지 않도록 상부에 적체부가 형성되지 않는 다각형 형태로 형성되어 연속 또는 지그재그로 배열되어 형성될 수 있다.
상기 투과부는 중앙에 투과홀이 형성될 수 있다.
상기 가스공급부는, 상기 반응시트에 연결되는 공급배관와, 상기 공급배관과 연결되며 상기 반응시트의 하측 내부에 삽입되어 상기 공급배관에서 공급되는 가스를 기포 형태로 공급하도록 기공이 복수 형성된 기포관과, 상기 공급배관의 일측에 설치되어 이산화탄소를 상기 반응시트 내부로 공급하도록 펌핑하는 공급펌프;를 포함할 수 있다.
상기 입출부는, 상기 반응시트의 일면에 형성되어 상기 배양액과 광합성 미생물을 주입하고, 상기 광합성 미생물 성장 중 발생되는 산소를 배출하는 입출구와, 상기 입출구에 일측이 연결되고 타측이 외부로 연장되는 배출배관과 상기 배출배관의 일측에 설치되어 산소를 외부로 배출하도록 펌핑하는 배출펌프;를 포함할 수 있다.
상기 반응시트의 하단에는 상기 반응시트 내부의 광합성 미생물을 배출하는 토출구가 형성될 수 있다.
상기 반응시트의 하측으로 일정 간격 이격된 위치에는 반사판이 설치되어 빛을 반사하여 상기 반응시트로 반사시킬 수 있다.
상기 반응시트와 일정 거리 이격된 위치의 일정 높이에는 상기 반응시트들의 온도변화를 촬영할 수 있는 열화상 카메라가 설치되며, 상기 열화상 카메라는 감시장치에 연결되어 상기 반응시트의 온도변화를 감지할 수 있다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 온도조절이 가능한 비닐 시트형 광생물반응기 설치방법은, 내부에 광합성 미생물 및 배양액이 수용되는 배양공간이 형성되며, 전,후면을 열접착 방법을 통해 접합하여 복수개의 투과부가 형성된 비닐 재질의 반응시트를 준비하는 단계와, 상기 반응시트의 상하부를 지지대에 의해 지지하여 수직형태로 배열하는 반응시트 설치단계와, 상기 반응시트 간을 연결부를 통해 연결하는 단계와, 상기 반응시트의 배양공간에 이산화탄소를 공급하기 위한 가스공급부를 설치하는 단계와, 상기 반응시트의 배양공간에서 발생된 산소를 배출하기 위한 입출부를 설치하는 단계와, 상기 반응시트의 외측면에 발전소 배출수 또는 온수 또는 가열된 공기 또는 냉수 또는 냉기 중 어느 하나가 주입되어 상기 반응시트를 가열하는 온도조절부를 설치하는 단계를 포함할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 비닐 재질의 반응시트를 수직형태로 복수 배열함으로써 광합성 미생물의 대량 배양이 가능하고 설치 및 관리 비용을 절감할 수 있으며, 반응시트에 열접착에 의한 복수개의 투과부를 윈도우 형태로 배열 형성하여 빛 투과율을 높여 생산성을 증대시키는 효과가 있다.
그리고, 반응시트를 직렬 또는 병렬로 복수 배열하여 연결부를 통해 연결하므로 한번에 배양액 및 미생물을 주입 또는 배출시킬 수 있고, 배양된 광합성 미생물을 한번에 수확할 수 있는 이점이 있고, 온도조절부를 통해 반응시트의 온도를 조절하여 광합성 미생물의 증식이 쉽도록 하는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 온도조절이 가능한 비닐 시트형 광생물반응기의 전체 구성을 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 'A'부분을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 비닐 시트형 광생물반응기가 병렬로 설치되는 것을 나타낸 정면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 반응시트의 연결부를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 반응시트의 투과부가 다각형 또는 반원형으로 형성된 것을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 반응시트의 외측에 온도조절부가 형성된 것을 나타낸 측면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 반응시트가 고정장치에 병렬로 복수 배열 설치된 것을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 반응시트가 고정장치에 병렬로 복수 배열 설치되고, 반응시트의 투과부에 투과홀이 형성된 것을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 반응시트의 투과부가 원형으로 형성되어 병렬로 배열된 반응시트의 투과부와 어긋나게 형성된 것을 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 반응시트의 투과부가 삼각형으로 형성되어 병렬로 배열된 반응시트의 투과부와 어긋나게 형성된 것을 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명에 따른 반응시트의 투과부가 다각형으로 형성되어 병렬로 배열된 반응시트의 투과부와 어긋나게 형성된 것을 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명에 따른 반응시트의 투과부가 다각형의 형상으로 길게 형성되는 것을 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명에 따른 비닐 시트형 광생물반응기의 설치방법을 나타낸 순서도이다.
도 14는 본 발명의 온도조절이 가능한 비닐 시트형 광생물반응기가 연결부를 통해 연결된 것을 나타낸 사진이다.
도 15는 다중 원통구조 판형 투명필름 광생물반응기의 사진 및 모식도를 나타낸다.
도 16은 판형 광생물반응기 구조(비닐 시트형 vs. 다중 원통구조)에 따른 KR-1의 균체 농도 변화를 나타낸다.
도 17은 판형 광생물반응기 구조(비닐 시트형 vs. 다중 원통구조)에 따른 반응기당 KR-1 균체량 변화를 나타낸다.
도 18은 다양한 열접합면의 비닐 시트형 광생물반응기 사진을 보여준다. (A)열접착면이 반투명한 경우, (B)알루미늄 호일을 부착한 경우, (C)열접합 부위를 오려내어 투명구조를 형성한 경우. 반응기 순서는 맨 앞쪽부터 1, 2, 3, 4순임.
도 19는 열접합면 형태 및 배양시간에 따른 빛 조사량 차이를 나타낸다. 빛 조사량은 맨 앞 1번 반응기와 2번 반응기 사이의 중간 지점에서 측정함(도 18 참조).
도 20은 열접합면 형태에 따른 KR-1의 균체 성장을 나타낸다.
도 21은 열접합면 비율에 따른 배양액 부피 및 반응기 두께를 나타낸다.
도 22는 열접합면 비율에 따른 KR-1의 균체 농도 변화를 나타낸다.
도 23은 열접합면 비율에 따른 KR-1의 균체 생산량 및 생산성을 나타낸다.
도 24는 타원형 열접합면 상단에 관찰된 적체부(Dead zone) 사진을 보여준다.
도 25는 비닐 시트형 광생물반응기에서 가스 공급속도에 따른 KR-1의 균체 농도 변화를 나타낸다.
도 26은 열접합부 형태가 ▽형(A)과 △형(B)인 비닐 시트형 광생물반응기 사진을 보여준다.
도 27은 열접합부 형태가 ▽형(A)과 △형(B)인 비닐 시트형 광생물반응기에서 KR-1의 상대적인 균체 생산성 및 생산량을 나타낸다.
도 28은 1.5m, 2.0m, 2.5m 길이의 반응기 사진을 나타낸 것이다.
도 29는 각 길이의 반응기의 배양 부피를 나타낸 것이다.
도 30은 각 길이의 반응기에서의 상대적 단위 부피 및 단위 면적당 균체생산성을 나타낸 것이다.
도 31은 시간에 따른 KR-1의 균체농도 변화를 나타낸 것이다.
도 32는 시간에 따른 KR-1의 지질함량 변화를 나타낸 것이다.
도 33은 시간에 따른 KR-1의 지질생산성 변화를 나타낸 것이다.
도 34는 반연속배양시 온실에 조사된 자연광의 세기 및 온도 변화를 나타낸 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호로 표시한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 의한 비닐 시트형 광생물반응기를 나타낸 도면으로서, 반응시트(10), 가스공급부(20), 입출부(30), 투과부(12), 연결부(80) 및 온도조절부(110)를 포함한다.
상기 반응시트(10)는 비닐 재질로 이루어지며 내부에 광합성 미생물 및 배양액이 수용되는 배양공간(11)이 형성되고, 전,후면에 열접착에 의한 복수개의 투과부(12)가 형성된다.
상기 투과부(12)는 광합성 미생물이 적체되어 오염되지 않도록 원형 또는 반원형또는 타원형 또는 다각형의 형상으로 형성될 수 있다.
상기 반응시트(10)는 광합성 생물의 성장이 용이하도록 투명하고, 광 투과율이 우수한 것이라면 특별히 제한되지 않고 이용될 수 있으며, (a) 폴리에틸렌(PE), (b) 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), (c) 선형저밀도 폴리에틸렌(LLDPE), (d) 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), (e) Oriented polypropylene (OPP), (f) 폴리에틸렌 테레프탈레이트와 무연신 폴리프로필렌 혼합 필름(PET+CPP), (g) 무연신 폴리프로필렌(CPP), (h) 나일론(Nylon), (i) 이축연신 나일론(ON), (j) 미연신 나일론(CN), (k) 폴리 아세탈(POM), (l) 폴리카보네이트(PC), (m) 폴리에스터(Polyester), (n) 폴리스틸렌(PS), (o) 폴리에스터 설폰(PES), (p) 폴리염화비닐(PVC), (q) 폴리염화 비닐리덴(PVDC), (r) Ethylene vinyl acetate 공중합체(EVA), (s) 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), (t) 폴리프로필렌(PP), (u) Inflated Polypropylene(IPP), 및 (v) 폴리페닐렌옥사이드(PPO=PPE) 등의 재질에서 어느 하나 이상의 재질을 이용할 수 있다.
이렇게 형성되는 상기 반응시트(10)는 광합성 생물 반응기의 반응용기 소재로 널리 이용되는 유리, 아크릴 등에 비하여, 동등한 광 투과율을 가지면서도 가볍고 투명하며, 경제성이 우수한 장점이 있다.
상기 반응시트(10)의 배양공간(11)에 주입되는 광합성 미생물은 크게 미세조류(Microalgae), 남세균(Cyanobacteria) 및 광합성 박테리아(Photosynthetic bacteria)로 나뉜다.
여기서, 상기 미세조류(Microalgae)는 광합성 색소를 가지고 광합성을 하는 단세포 진핵 미생물들의 총칭이다.
이러한 상기 미세조류의 종류로서는 아나시스티스 니둘란스(Anacystis nidulans), 안키스트로데스무스(Ankistrodesmus sp.), 비둘파 오리타(Biddulpha aurita), 보트리오코커스 브라우니(Botryococcus braunii), 캐토세로스(Chaetoceros sp.), 클라미도모나스 아플라나타(Chlamydomonas applanata), 클라미도모나스 레인하티(Chlamydomonas reinhardtii), 클로렐라(Chlorella sp.), 클로렐라 엘립소이디아(Chlorella ellipsoidea), 클로렐라 에머소니(Chlorella emersonii), 클로렐라 프로토테코이데스(Chlorella protothecoides), 클로렐라 피레노이도사(Chlorella pyrenoidosa), 클로렐라 소로키니아나(Chlorella sorokiniana), 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris), 클로렐라 미누티시마(Chlorella minutissima), 클로로코커스 리토랄레(Chlorococcus littorale), 시클로텔라 크립티카(Cyclotella cryptica), 두나리엘라 바르다윌(Dunaliella bardawil), 두나리엘라 살리나(Dunaliella salina), 두나리엘라 테르티오렉타(Dunaliella tertiolecta), 두나리엘라 프리모렉타(Dunaliella primolecta), 짐노디눔(Gymnodinum sp.), 히메노모나스 카르테라(Hymenomonas carterae), 이소크리시스 갈바나(Isochrysis galbana), 이소크리시스(Isochrysis sp.), 미크로시스티스 애루기노사(Microcystis aeruginosa), 미크로모나스 푸실라(Micromonas pusilla), 모노두스 서브테라니어스(Monodus subterraneous), 난노클로리스(Nannochloris sp.), 난노클로롭시스(Nannochloropsis sp.), 난노클로롭시스 아토무스(Nannochloropsis atomus), 난노클로롭시스 살리나(Nannochloropsis salina), 나비쿨라 펠리쿨로사(Navicula pelliculosa), 니츠시아(Nitzschia sp.), 니츠시아 클로스테리움(Nitzscia closterium), 니츠시아 팔레아(Nitzscia palea), 오오시스티스 폴리모파(Oocystis polymorpha), 우로코커스(Ourococcus sp.), 오실라토리아 루베센스(Oscillatoria rubescens), 팔로바 루테리(Pavlova lutheri), 패오닥틸룸 트리코르누툼(Phaeodactylum tricornutum), 피크노코커스 프로바솔리(Pycnococcus provasolii), 피라미모나스 코르다타(Pyramimonas cordata), 스피룰리나 플라텐시스(Spirulina platensis), 스테파노디스쿠스 미누툴루스(Stephanodiscus minutulus), 스티코코커스(Stichococcus sp.), 시네드라 울나(Synedra ulna), 세네데스무스 오블리쿠스(Scenedesmus obliquus), 셀레나스트룸 그라실레(Selenastrum gracile), 스켈레토노마 코스탈룸(Skeletonoma costalum), 테트라셀미스 츄이(Tetraselmis chui), 테트라셀미스 마쿨라타(Tetraselmis maculata), 테트라셀미스(Tetraselmis sp.), 테트라셀미스 수에시카(Tetraselmis suecica), 탈라시오시라 슈도모나(Thalassiosira pseudomona) 등이 있으며, 본 발명에서는 상기 미세조류 중 하나 이상을 이용할 수 있다.
상기 남세균은 원핵생물 중 엽록소를 이용하여 광합성을 하는 세균류의 총칭이다.
이러한 상기 남세균은 아나베나(Anabaena sp.), 칼로트릭스(Calothrix sp.), 캐미시폰(Chaemisiphon sp.), 크로코시디옵시스(Chroococcidiopsis sp.), 시아노테세(Cyanothece sp.), 실린드로스페르뭄(Cylindrospermum sp.), 데모카펠라(Dermocarpella sp.), 피세렐라(Fischerella sp.), 글로에오캅사(Gloeocapsa sp.), 믹소사르시나(Myxosarcina sp.), 노스톡(Nostoc sp.), 오실라토리아(Oscillatoria sp.), 포르미디움 코리움(Phormidium corium), 플루로캅사(Pleurocapsa sp.), 프로클로로코커스(Prochlorococcus sp.), 슈다나베나(Pseudanabaena sp.), 시네코코커스(Synechococcus), 시네코시스티스(Synechocystis sp.), 톨리포트릭스(Tolypothrix sp.), 제노코커스(Xenococcus sp.) 등이 있으며, 본 발명에서는 상기 남세균 중 하나 이상을 이용할 수 있다.
상기 광합성 박테리아는 빛에너지를 이용하여 탄소동화작용을 하는 세균을 말한다.
이러한 상기 광합성 박테리아는 로도시스타(Rhodocista centenaria), 로도스피라 트루에페리(Rhodospira trueperi), 로도스피릴룸 풀붐(Rhodospirillum fulvum), 로도스피릴룸 몰리쉬아눔(Rhodospirillum molischianum), 로도스피릴룸 포토메트리쿰(Rhodospirillum photometricum), 로도스피릴룸 루브룸(Rhodospirillum rubrum), 로도스피릴룸 살렉시겐스(Rhodospirillum salexigens), 로도스피릴룸 살리나루튼(Rhodospirillum salinarutn), 로도스피릴룸 소도멘세(Rhodospirillum sodomense), 로도스피릴룸 메디오살리눔(Rhodospirillum mediosalinum), 로도슈도모나스(Rhodopseudomonas sp.), 로도슈도모나스 애시도필라(Rhodopseudomonas acidophila), 로도슈도모나스 캡슐라투스(Rhodopseudomonas capsulatus), 로도슈도모나스 팔루스트리스(Rhodopseudomonas palustris), 로도슈도모나스 스패로이데스(Rhodopseudomonas sphaeroides), 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus), 로도박터 스패로이데스(Rhodobacter sphaeroides) 등이 있으며, 본 발명에서는 상기 광합성 박테리아 중 하나 이상을 이용할 수 있다.
이들은 엽록소 대신 박테리오클로로필(bacteriochlorophyll)을 가지므로 이산화탄소를 재료로 광합성 성장이 가능하다.
상기 반응시트(10)는 배양공간(11) 내의 광합성 미생물과 배양액의 온도를 일정하게 유지시키도록 일정온도를 갖는 물속에 일부분을 담글 수 있다. 이때, 상기 반응시트(10)를 물에 담그기 위해 별도로 형성되는 용기에 물을 저장하여 반응시트(10)의 일부분을 담글 수 있다. 또한, 상기 반응시트(10)를 자연환경인 바닷물 속에 일부를 담글 수도 있다. 이렇게 바닷물과 같이 자연환경을 이용하는 경우에는 반응시트(10)가 대규모로 설치될 때 사용할 수 있는 방법이다.
또한 상기 반응시트(10)의 온도를 상승시키기 위하여 반응시트(10)의 하부에 햇빛을 반사하는 반사판(90)이 설치되어 반응시트(10)에 빛이 조사될 수 있도록 한다.
상기 반사판(90)은 빛이 발 반사될 수 있는 각도를 가지도록 경사각도를 가지고 설치된다.
도 6에 도시된 바와 같이 상기 반응시트(10)의 외측에는 온도조절부(110)가 형성되어 발전소 배출수 또는 온수 또는 가열된 공기 또는 냉수 또는 냉기 중 어느 하나를 주입하여 순환시킴으로서 반응시트(10)를 가열 또는 냉각하도록 하여 반응 시트의 온도를 조절함으로서 광합성 미생물의 반응활동을 원활하게 한다.
상기 온도조절부(110)는 반응시트(10)의 양측면을 덮도록 형성되거나 어느 한쪽만 덮도록 형성될 수 있으며, 일측면에 발전소 배출수 또는 온수 또는 가열된 공기 또는 냉수 또는 냉기 중 어느 하나가 주입되는 주입구(111)와 유동된 온수가 배출되는 배출구(112)가 형성된다.
상기 온도조절부(110)는 별도의 자켓 형태 또는 막 형태로 형성되어 반응시트(10)의 외측을 덮으며 결합된다.
이러한 상기 온도조절부(110)는 직렬 또는 병렬 방향으로 연결관을 통해 연결될 수 있으며, 이렇게 연결될 때에는 온도조절부(110)의 주입구(111)와 다른 온도조절부(110)의 배출구(112)가 연결관으로 연결되어 복수 연결될 수 있다.
상기 반응시트(10)의 상단에는 삽입홀(14)이 수평 길이방향으로 형성되어 지지대(40)가 삽입된다. 상기 지지대(40)는 반응시트(10)가 바닥과 이격되어 고정되도록 고정장치(70)에 반응시트(10)를 고정시킨다.
이때, 상기 고정장치(70)는 바닥에 고정 설치된다.
그리고, 상기 반응시트(10)의 하측에는 고정홀(15)이 수평 길이방향으로 형성되어 반응시트(10) 배양공간(11)에 배양액과 광합성 미생물이 주입될 때 반응시트(10)가 변형되지 않도록 고정대(50)가 삽입된다.
상기 반응시트(10)의 고정홀(15)과 배양공간(11) 간에는 토출구(60)가 형성되어 반응시트(10)의 배양공간(11)에서 성장이 완료된 광합성 미생물 배양액을 외부로 토출시킬 수 있다.
이러한 상기 토출구(60)에는 밸브(61)가 설치되어 밸브(61)를 통해 토출구(60)가 개폐된다. 이로 인해 반응시트(10)내에 배양액이 주입될 때에는 밸브(61)가 차단되어 토출구(60)를 폐쇄하고, 성장이 완료된 광합성 미생물 배양액을 배출할 때는 밸브(61)가 개방되어 토출구(60)를 개방시킨다.
도 1 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 투과부(12)는 원형 또는 광합성 미생물이 적체되는 적체부(미도시)가 형성되지 않는 원형, 타원형, 삼각형 또는 다각형으로 상하좌우로 연속 배열 형성되며, 상기 투과부(12)를 통해 빛이 투과되어 복수개의 반응시트(10) 배열 시 후방측에 설치되는 반응시트(10)에도 빛을 공급함으로써 광합성 미생물의 생산효율을 향상시킬 수 있다.
상기 투과부(12)의 배열은 얼마든지 변형 가능하며, 이에 따라 복수개로 수직 배열되는 각각의 반응시트(10) 또한 서로 다른 배열의 투과부(12)로 형성할 수 있으므로 후방에 위치하는 반응시트(10)에도 빛을 공급할 수 있는 것이다.
상기 투과부(12)의 가장 바람직한 배열은 지그재그 형상의 배열이다.
상기 투과부(12)는 내부측의 일정부분을 제거하여 투과홀(13)을 형성할 수 있다. 이러한 투과홀(13)로 인해 빛이 투과되어 반응시트(10)와 일정 간격 이격되어 설치되는 다른 반응시트(10)에 조사되도록 한다.
상기 투과홀(13)은 투과부(12)의 전체면적 대비 50 ~ 90%의 면적으로 형성될 수 있다. 이러한 이유는 상기 투과홀(13)의 면적이 50% 미만으로 형성될 경우 투과홀이 작아 빛의 투과 및 통기의 기능성이 떨어지고, 투과홀(13)의 면적이 90%를 초과하면 투과부(12)가 파손될 수 있기 때문이다.
이러한 투명한 비닐 재질의 반응시트(10)를 이용함에 따라 현장에서의 설치가 용이하고 설치 및 관리하는데 소요되는 비용을 절감할 수 있는 것이다.
상기 투과부(12)는 압착면의 비율이 반응시트의 전체면적 대비 5 ~ 35% 범위로 형성된다. 이러한 이유는 압착면의 비율이 5% 미만일 경우에는 반응시트(10) 내에서 광합성 미생물이 성장하면서 시간이 지남에 따라 반응시트(10)가 무게로 인해 파손될 수 있으며, 반응시트의 두께가 두꺼워 광합성 미생물의 성장이 저하되는 문제가 발생될 수 있기 때문이다.
상기 투과부(12)의 압착면 비율이 35%를 초과하여 형성되면 반응시트(10)의 압착부 비율이 높아져 광합성 미생물이 성장할 수 있는 공간이 줄어들어 배양공간이 감소하는 문제가 발생될 수 있기 때문이다.
이러한 상기 투과부(12)는 각각의 형성면적을 가능한 작게 형성시키고, 이로 인해 배양공간(11)이 증가되어 무게로 인한 반응시트(10)의 파손을 방지하도록 투과부(12)의 숫자를 증가시켜 형성하는 것이 바람직하다.
도 4에 도시된 바와 같이 상기 반응시트는 직렬로 복수가 연결되도록 설치될 수 있는데 이러한 반응시트(10)의 양측면에는 연결부(80)가 형성되어 연결된다.
상기 반응시트(10)의 일측에 형성되는 연결부(80)는 다른 반응시트(10)와 연결될 수 있도록 돌출 형태의 연결체(81)로 형성되고, 타측이 다른 반응시트(10)의 일측에 형성되는 연결체(81)가 삽입되어 연결되는 홈 형상의 연결홈(82)이 형성된다.
이러한 상기 연결부(80)로 인해 복수의 반응시트(10)가 직렬로 연결될 수 있으므로 한번에 복수의 반응시트(10)를 연결하여 연결된 전체의 반응시트(10) 내부에 배양액과 미생물 투입을 한번의 과정으로 감소시켜 투입과정을 간소화하게 된다.
또한, 이렇게 상기 연결부(80)를 통해 연결됨으로 인해 배양액과 미생물이 반응을 일으켜 발생된 광합성 미생물의 이동통로가 될 수 있으므로 한번에 수확할 수 있게 된다.
그리고, 상기 연결부(80)에는 반응시트(10)들이 연결될 때 또는 분리될 때 연결부(80)를 통해 배양공간(11)이 밀폐되도록 밸브(83)가 설치된다.
상기 밸브(83)는 연결부(80)의 외측에 결합되어 연결부(80)의 연결체(81)와 연결홈(82)이 형성된 관을 눌러 막도록 집게 형태로 형성될 수 있고, 연결체(81)와 연결홈(82)이 형성된 관을 관통하도록 형성되어 회전을 통해 관을 개폐하게 형성될 수 있다.
상기 밸브(83)가 연결부(80)의 관을 관통하여 형성되면, 회전을 통해 개폐할 수 있도록 수평방향으로 관통홀이 형성된다.
그리고, 상기 밸브(83)는 연결부(80)의 연결체(81)측 관에만 형성되며, 연결홈(82) 측에는 튜브의 공기주입구와 동일한 방법으로 형성되어 연결체(81)를 통해 유입되는 배양액 또는 산소가 유입되도록 하고, 연결홈(82)을 통해 역류하지 않도록 한다.
상기 가스공급부(20)는 상기 반응시트(10)의 내부에 이산화탄소를 공급하는 것으로, 상기 반응시트(10)에 연결되는 공급배관(21)과, 상기 공급배관(21)의 일측에 설치되어 이산화탄소를 반응시트(10)의 배양공간(11)으로 공급하도록 펌핑하는 공급펌프(24)와, 상기 공급배관(21)과 연결되며 반응시트(10) 내부에 삽입되는 기포관(22)으로 이루어진다.
상기 가스공급부(20)를 통해 공급되는 가스는 0.01 ~ 0.3 VVM의 양이 반응시트(10) 내부로 공급된다.
여기서, 상기 가스의 공급양이 0.01 VVM 미만이면, 반응시트(10) 내부의 광합성 미생물이 성장하기 위한 가스농도에 미치지 못하므로 광합성 미생물의 성장이 느려지는 문제점이 있으며, 가스의 공급양이 0.3 VVM을 초과하면, 반응시트(10) 내부의 광합성 미생물이 필요로 하는 가스의 공급량을 초과하므로, 과다주입된 가스로 인해 광합성 미생물의 성장이 둔화될 수 있으며, 또한 전단 응력(shear stress)에 의해 광합성 미생물의 성장이 저해되는 문제점이 발생될 수 있다.
상기 가스공급부(20)의 기포관(22)은 스테인리스 스틸, 폴리설폰, 폴리에테르설폰, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 테프론, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 세라믹, 실리콘 재질 중 어느 하나로 이루어질 수도 있다.
이러한 상기 기포관(22)은 0.01 ~ 300 um의 크기로 기공(23)이 형성된다. 상기 기포관(22)의 기공(23)이 0.01 um 미만으로 형성되면, 반응시트(10) 내에 공급되는 가스가 제대로 공급되지 않아 반응시트(10)내의 광합성 미생물이 성장할 수 없고 너무 작은 기포 크기는 광합성 미생물에 전단 응력(shear stress)을 유발하여 성장을 저해한다. 반면 기포관(22)의 기공(23)이 300um를 초과하여 형성되면 너무 큰 기포 크기가 형성되어 가스가 기액 반응 제한으로 반응시트(10) 내부로 원활히 공급되지 않으며 더불어 반응시트(10) 내 배양액도 원활히 혼합되지 않아 질소원 등 영양분의 제한으로 광합성 미생물의 성장 저해가 일어난다.
상기 기포관(22)은 반응시트(10)의 크기에 따라 공급되는 가스량을 유지시키기 위하여 반응시트(10) 내에 복수 삽입 설치될 수 있다.
상기 기포관(22)은 반응시트(10)의 크기에 따라 공급되는 가스량을 유지하고 압력 손실을 막기 위해 거리별 기포관의 굵기를 조절하여 제작할 수 있다.
즉, 상기 기포관(22)은 공급배관(21)과 연결된 부위의 반대측 방향으로 길이방향으로 따라 점차 기포관(22)의 직경이 작아지며 형성되는 것이다.
이러한 이유는 상기 기포관(22)이 공급배관(21)과 연결된 부분은 압력이 강하기 때문에 기포가 잘 발생되지만, 반대쪽으로 갈수록 가스 공급압력이 감소되므로 이 공급압력을 유지시키기 위하여 직경이 점차 작아지도록 형성할 수 있다.
그리고, 상기 기포관(22)에 형성되는 기공은 공급배관(21)이 연결되는 부분에서 반대측으로 갈수록 기공의 간격이 좁게 형성될 수도 있다.
상기 기포관(22)의 단면은 원형으로 한정하지 않고 타원형, 사각형, 삼각형, 다각형 등 다양한 형태가 제작 가능하며, 기포관(22)에 형성되는 기공의 간격을 조절하여 형성할 수도 있다.
상기 기포관(22)에는 반응시트(10)의 크기에 따라 공급되는 가스량을 유지시키기 위하여 기포관(22)의 양측에서 추가적인 공급배관(21), 공급펌프(24)를 설치할 수 있다.
상기 입출부(30)는 상기 반응시트(10)의 내부로 공급되었던 이산화탄소에서 미세조류 등 광합성 미생물의 광합성작용에 의해 생성된 산소를 배출시키고, 배양액과 광합성 미생물을 반응시트(10) 내부로 주입하는 것으로, 반응시트(10)의 일면에 형성되는 입출구(31)와, 입출구(31)에 일측이 연결되고 타측이 외부로 연장되는 배출배관(32)과 연결된다. 미생물의 광합성으로 인해 생성된 산소를 외부로 원활히 배출하도록 펌핑하는 배출펌프(33)가 배출배관(32)에 설치될 수 있다.
상기 입출부(30)의 입출구(31)로는 배양액과 광합성 미생물을 반응시트(10) 내부로 주입할 수 있다. 그리고, 상기 반응시트(10)내에 주입된 광합성 미생물이 성장할 때 발생되는 산소를 배출하기 위해 배출배관(32)을 입출구(31)에 연결할 수 있다.
도 7 내지 도 11에 도시된 바와 같이 상기 반응시트(10)는 바닥에 고정되어 설치되는 고정장치(70)에 병렬 형태로 복수 설치될 수 있다.
상기 병렬로 배열되는 각각의 반응시트(10) 투과부(12)는 측면상 지그재그 배열로 형성된다. 이러한 이유는 상기 반응시트(10)의 투과부(12)를 통해 빛이 투과되어 병렬로 배치된 다른 반응시트(10)의 배양공간(11)을 비추게 된다.
도 12에 도시된 바와 같이 상기 투과부(12)는 반응시트(10)의 수직방향으로 길게 형성될 수도 있다. 이렇게 긴 형태로 투과부(12)가 형성될 경우 빛의 투과량이 증가되어 병렬로 배치되는 다른 반응시트(10)의 광합성 미생물의 성장이 증가될 수 있다.
상기 반응시트(10)를 직렬 및 병렬로 광범위하게 설치한뒤 일정 거리 이격된 위치에 열화상 카메라(100)를 일정 높이에 설치하여 설치된 광역의 반응시트(10) 전체 면적의 열화상을 촬영하고, 이를 연결되는 감시장치(101)에 연결하여 촬영되는 반응시트(10)의 온도변화를 감지하여 반응시트(10)의 파손 또는 이상을 감지할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 비닐 시트형 광생물반응기의 설치방법을 설명하면 다음과 같다.
도 13에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 비닐 시트형 광생물반응기의 설치방법은 투과부(12)가 형성된 반응시트(10)를 준비하는 단계(S100)와, 반응시트(10) 설치단계(S200)와, 반응시트 간을 연결하는 단계(S300)와, 가스공급부(20)를 설치하는 단계(S400)와, 입출부(30)를 설치하는 단계(S500)와, 반응시트에 온도조절부를 설치하는 단계(S600)를 포함한다.
도 1 내지 도 3 및 도 13에서와 같이, 상기 반응시트(10)를 준비하는 단계(S100)에서는, 내부에 광합성 미생물 및 배양액이 수용되는 배양공간(11)이 형성된 비닐 재질의 반응시트(10)를 준비한다.
상기 반응시트(10)를 준비하는 단계(S100)에서는, 상기 반응시트(10)의 전,후면에 열접착에 의한 복수개의 투과부(12)가 형성된 반응시트를 준비하는 것으로, 이때, 반응시트의 투과부는 원형 또는 타원형 또는 삼각형 또는 오각형 또는 적체부(미도시)가 형성되지 않는 다각형으로 형성되어 상하좌우로 연속 또는 지그재그로 배열 형성하거나, 적체부(미도시)가 형성되지 않는 긴 다각형의 형태로 연속 또는 지그재그로 배열 형성될 수도 있다.
상기 반응시트(10) 설치단계(S200)에서는, 상기 반응시트(10)의 상부를 고정장치(70)에 지지대(40)를 통해 지지하여 수직형태의 병렬로 복수 배열하는 것으로, 기존의 컬럼형의 광생물반응기에 비해 광합성 미생물 배양 준비 및 배양된 광합성 미생물의 회수를 신속하게 처리함으로써, 광합성 미생물의 대량 배양이 가능하다.
상기 반응시트(10) 간을 연결하는 단계(S300)는 직렬로 설치되는 반응시트(10)를 연결부(80)를 통해 연결하는 단계이다.
상기 반응시트(10)를 연결부(80)의 연결체(81)와 다른 반응시트(10)의 연결홈(82)이 결합되어 연결되며, 반응시트(10)가 연결되지 않았을 때에는 밸브(83)를 통해 차단되어 반응시트(10) 내부의 광합성 미생물이 유출되지 않도록 한다.
가스공급부(20)를 설치하는 단계(S400)에서는, 상기 반응시트(10)의 배양공간(11)에 이산화탄소를 공급하기 위한 것으로, 상기 가스공급부(20)는 상기 반응시트(10)에 연결되는 공급배관(21)과, 공급배관(21)과 연결되어 반응시트(10) 내부에 가스를 공급하는 기포관(22)과, 상기 공급배관(21)의 일측에 설치되어 이산화탄소를 반응시트(10)의 배양공간(11)으로 공급하도록 펌핑하는 공급펌프(24)로 이루어진다.
이때, 상기 기포관(22)은 반응시트(10)의 크기에 따라 복수 설치될 수 있다.
상기 가스공급부(20)를 설치하는 단계는 공급배관(21)을 통해 기포관(22)으로 가스를 공급하고, 기포관(22)의 기공(23)을 통해 가스가 기포로 형성되어 반응시트 내부로 공급되도록 한다.
입출부(30)를 설치하는 단계(S500)에서는, 상기 반응시트(10)의 배양공간(11)에 배양액과 광합성 미생물을 반응시트(10)의 내부로 주입하고, 광합성 미생물 성장시 발생된 산소를 배출하기 위한 것으로, 상기 입출부(30)는 반응시트(10)의 일면에 형성되는 입출구(31)와, 입출구(31)에 일측이 연결되고 타측이 외부로 연장되는 배출배관(32)과 연결된다. 미생물의 광합성 작용으로 인해 생성된 산소를 외부로 원활히 배출하도록 펌핑하는 배출펌프(33)이 상기 배출배관(32)의 일측에 설치될 수 있다.
상기 입출부(30)를 설치하는 단계(S500)는 반응시트(10)에 형성되는 입출구(31)를 통해 배양액과 광합성 미생물을 반응시트(10) 내부로 주입하고, 입출구(31)에 배출배관(32)을 통해 광합성 미생물 성장시 발생되는 산소를 외부로 배출시킨다. 그리고, 상기 입출구(31)에 연결되는 배출배관(32)에는 산소를 원활히 배출하기 위해 배출배관에 배출펌프(33)를 연결될 수도 있다.
이렇게 상기 반응시트(10)를 설치한 뒤에는 반응시트(10)의 하부에 빛을 반사시키는 반사판(90)을 설치하여 외부의 빛이 반응시트(10)로 반사되도록 하여 반응시트(10)가 가열될 수 있도록 한다.
그리고, 상기 반응시트의 외측에 온도조절부를 설치하는 단계에서는(S600) 반응시트(10)를 보온하기 위하여 반응시트(10)의 외측에는 온도조절부(110)가 형성되어 발전소 배출수 또는 온수 또는 가열된 공기 또는 냉수 또는 냉기를 주입하여 순환시킴으로서 반응시트(10)를 가열함과 동시에 보온하도록 하여 광합성 미생물의 반응활동을 원활하게 한다.
상기 온도조절부(110)는 반응시트(10)의 양측면을 덮도록 형성되거나 어느 한쪽만 덮도록 형성될 수 있으며, 자켓 형태 또는 반응시트의 일측과 일체로 형성되는 막 형태로 형성되며, 일측면에 발전소 배출수 또는 온수 또는 가열된 공기 또는 냉수 또는 냉기 중 어느 하나가 주입되는 주입구(111)와 유동된 온수가 배출되는 배출구(112)가 형성된다.
상기 온도조절부(110)는 별도의 자켓 형태 또는 막 형태로 형성되어 반응시트(10)의 외측을 덮으며 결합된다.
이러한 상기 온도조절부(110)는 직렬 또는 병렬 방향으로 연결관을 통해 연결될 수 있으며, 이렇게 연결될 때에는 온도조절부(110)의 주입구(111)와 다른 온도조절부(110)의 배출구(112)가 연결관으로 연결되어 복수 연결될 수 있다.
그리고, 상기 반응시트(10)를 직렬 및 병렬로 광범위하게 설치한뒤 일정 거리 이격된 위치에 열화상 카메라(100)를 일정 높이에 설치하여 설치된 광역의 반응시트(10) 및 반응시트(10)를 설치한 장소 전체 면적의 열화상을 촬영하고, 이를 연결되는 감시장치(101)에 연결하여 촬영되는 반응시트(10) 및 반응시트(10)를 설치한 장소의 온도변화를 감지하여 반응시트(10)의 파손 또는 이상을 감지할 수 있다.
실시예 1: 실험재료 및 방법
1) 광합성 미생물 및 배양 조건
비닐 시트형 광생물반응기를 이용한 광합성 미생물 배양에는 Chlorella sp. KR-1 (KCTC0426BP) 균주를 사용하였으며, 질산염 농도 1 mM의 N8 배지를 사용하였다. N8 배지의 조성은 KNO3 (0.1011g/L), KH2PO4 (0.7400g/L), Na2HPO4 (0.2598g/L), MgSO4·7H2O (0.0500g/L), CaCl2 (0.0132g/L), FeNaEDTA (0.0100g/L), ZnSO4·7H2O (0.0032g/L), MnCl2·4H2O (0.0130g/L), CuSO4 (0.0117g/L), Al2(SO4)3·18H2O (0.0070g/L)이었다.
KR-1 균주를 형광등이 설치된 항온실에서 고체배지, 250mL 플라스크, 1L 원통형 유리 광생물반응기, 7L 원통형 유리 광생물반응기를 이용하여 순차적으로 예비 배양한 후 본 배양액의 10% 수준으로 접종하여 진행하였다. 1L와 7L 원통형 유리 광생물반응기에서 배양시 공급가스의 CO2 농도는 10%(v/v)이었으며, 가스 공급속도는 각각 0.3L/min 및 0.75L/min이었다. 실내 항온 배양실의 온도는 27~32℃, 빛의 세기는 135~197 μmol/m2/s였다.
비닐 시트형 광생물반응기 실험은 한국에너지기술연구원 연소배가스 R&D 실증 설비동 옥상에 구축된 옥외 유리온실에서 자연조건의 상태에서 진행되거나 실내 항온 배양실에서 진행하였다. 공급된 가스의 CO2 농도는 10%(v/v)이었고, 공급속도 및 VVM(volume of air added to liquid volume per minute)은 배양부피 및 반응기 구조에 따라 다르게 적용하였다.
2) 비닐 시트형 광생물반응기 제작 방법
창문 구조의 투명 비닐 시트형 광생물반응기(window-structure transparent film sheet photobioreactor)는 저밀도 폴리에틸렌 필름(폭 80cm, 길이 150cm, 두께 0.08mm)을 재료로 반타원 모양의 열판(면적 72㎠)으로 열접합하여 제작하였다(도 14).
열접합시 열판의 온도는 160 ~ 170℃로 유지하였다. 반타원 모양의 열접합은 공급된 가스의 광생물반응기 내 분포 및 빛 투과율을 원활히 하기 위해 지그재그로 배열하였다.
열접합 면적은 반타원 열접합면의 간격 및 개수를 변경하여 폴리에틸렌 필름의 전체 면적 대비 24 ~ 36%로 조절하였다. 반타원 열접합면 간 간격은 좌우 5 ~ 7cm, 상하 3 ~ 9cm이었다. 비닐 시트형 광생물반응기 상층에 위치하는 두 개의 출입구를 통해 가스를 배출하고 배양액을 공급하였다. 가스 공급은 반응기 좌측 하단의 출입구와 내부의 튜브 형태의 금속막(Metal membrane, 길이 68cm, 기공 0.1um)을 통해 공급하였고, 우측 하단의 출입구를 통해 광합성 미생물 시료를 채취하였다. 특별한 언급이 없으면 비닐 시트형 광생물반응기는 70cm ~ 80cm의 면적에 4개를 일정한 간격으로 설치하여 운전하였다.
다중 원통구조 평판형 광생물반응기(Multi-column-structure transparent film sheet photo bioreactor)는 기존 공개특허(출원번호 10-2010-0005212)를 바탕으로 제작하였다(도 15).
반응기는 열접합을 통해 앞서 언급한 폴리에틸렌 필름을 7개의 균일한 간격으로 구분하였고, 전체적으로 7개의 칼럼이 연결된 모양으로 제조하였다. 가스 공급, 가스 유출 및 시료 채취를 위해 3개의 실리콘 튜브를 각 원통 유닛의 상층 출입구에 연결하였다.
광합성 미생물의 침전을 방지하기 위해 각 원통부의 하단부는 V자형으로 제작하였고, 가스 공급 실리콘 튜브에 구형의 sintered air diffuser를 연결하였다.
3) 광합성 미생물 건조중량 측정
건조중량은 일반적인 부유물질(suspended solids) 측정방법의 원리를 이용하여 측정하였다. 광합성 미생물 배양액을 필터로 여과 후 건조시켜 건조 전후의 무게차를 측정하였다. OD660nm와 KR-1 건조중량 (g/L)의 상관관계는 다음과 같다.
Dry cell weight (g/L) = 0.2244 x OD660nm
실시예 2: 비닐 시트형 및 다중 원통구조 평판형 투명필름 광생물반응기의 비교
기존 공개특허에서 고안된 원통구조 평판형 투명필름 광생물반응기와 본 연구에서 개발한 비닐 시트형 광생물반응기의 제작 특성 및 광합성 미생물 생산성을 비교하였다.
표 1은 비닐 시트형 및 다중 원통구조 평판형 광생물반응기의 구조 차이에 따른 제작 및 운전 특성을 나타내고 있다. 가스 diffuser의 경우 원통구조 광생물반응기는 일반적인 구형의 sintered air diffuser을, 비닐 시트형 광생물반응기는 튜브 형태의 스테인리스 스틸 재질의 다공성 금속막을 사용하였다.
다중 원통구조 광생물반응기는 7개의 공간이 구분된 원통이 이루어져 있고 각 원통구조의 상단을 통해 시료 채취, 가스 공급, 가스 배출이 이루어지므로 상당한 양의 실리콘 관이 필요하다.
반면 비닐 시트형 광생물반응기는 하나의 공간으로 이루어져 있고, 가스를 공급하거나 시료를 채취하는 출입구가 반응기의 하단에 위치하고 있어 실리콘 관의 길이를 원통구조 광생물반응기의 1/8 수준으로 줄일 수 있다.
또한 출입구와 실리콘 마개의 숫자도 비닐 시트구조가 다중 원통구조의 약 1/2 수준이다. 또한 가스 공급속도 제어에 필요한 유량계도 비닐 시트구조가 1개로 원통구조의 경우(7개) 보다 상당히 적다.
광합성 미생물 수확시 다중 원통구조의 광생물반응기의 경우 시료 채취관이 반응기 상단에 위치해 있으므로 펌프를 사용해야 하나 비닐 시트구조 광생물 반응기의 경우 하단에 위치해 펌프를 활용하지 않고도 단순히 중력에 의해 수확이 가능하다.
실리콘 관 사용 길이, 출입구 및 실리콘 마개 사용 개수, 가스 유량계 개수, 배양액 수확을 위한 펌프 사용 유무 등을 종합적으로 고려할 때 공간 일체형의 비닐 시트구조가 공간 구분형의 다중 원통구조 보다 제작 및 운전단가, 즉 경제성 측면에서 유리할 것으로 판단된다.
특히 광합성 미생물의 대량 배양(헥타르 규모)을 고려할 때 그 차이는 더욱 커질 것으로 예상된다.
판형 광생물반응기의 구조에 따른 제작 및 운전 특성 비교
항목 평판형 투명필름 광생물반응기
다중 원통구조* 비닐 시트구조**
배양액 부피 (L) 28.5 16.5
실리콘 튜브 사용량
(cm)		 시료 채취 (반응기 내부) 315 0
시료 채취 (반응기 외부) 70 10
가스 공급 (반응기 내부) 770 3
가스 공급 (반응기 외부) 210 120
가스 배출 (반응기 외부) 630 100
합계 1,995 233
가스 diffuser Sintered air diffuser 금속막 (68 cm)
출입구 사용 실리콘 마개 개수 7 3
유량계 개수 7 1
배양액 수확 방법 펌프 사용 펌프 사용 X
* 7개 원통구조 기준
** 열접합 비율 29%
비교 실험은 옥외 유리온실에서 자연조건의 상태에서 147시간 동안 진행하였다. 이때 온실 실내 온도는 12.4 ~ 34.5℃이고 최대 빛의 세기는 489.2 μmol photons/m2/s이었다.
도 16은 광생물반응기 구조 차이(비닐 시트구조[window structure] vs. 다중 원통구조[column-structure])에 따른 KR-1의 성장곡선을 나타내고 있다. 비닐 시트형 광생물반응기에서 다중 원통구조 보다 상대적으로 높은 균체 성장속도가 관찰되었다. 147시간 배양 후 최종 균체농도(흡광도)는 비닐 시트구조가 3.1로 원통구조(흡광도 1.6) 보다 약 2배 높았다.
이는 광생물반응기 구조에 따른 빛 투과도 차이에 의한 것으로 판단된다. 다중 원통구조 평판형 광생물반응기의 경우 반응기 두께가 8cm로 두꺼운 반면 비닐 시트구조의 경우 반응기 두께가 5cm 수준으로 상대적으로 얇았다.
즉 반응기 두께가 얇은 비닐 시트형 광생물반응기가 다중 원통구조 평판형 광생물반응기 보다 빛 투과도가 우수해 상대적으로 빠른 균체 성장속도 및 높은 최종 균체농도를 나타낸 것으로 판단된다.
한편 비닐 시트형 광생물반응기의 경우 넓은 열접합 면적으로 인해 상대적으로 배양부피가 45% 적었다. 그러나 빠른 균체 성장속도 속도로 인해 최종 광합성 미생물 바이오매스 생산량은 오히려 5% 높았다(도 17).
따라서 광합성 미생물 바이오매스 생산성 및 경제성 측면에서 본 연구에서 개발한 비닐 시트형 광생물반응기가 기존 다중 원통구조 평판형 광생물반응기 보다 유리한 것으로 판단된다.
실시예 3: 열접합면 형태의 영향
폴리에틸렌 필름은 열접합할 경우 접합면이 불투형해지는 특성을 가지고 있다. 본 연구에서는 비닐 시트형 광생물반응기에서 열접합면의 형태가 광합성 미생물의 성장에 미치는 영향을 조사하였다. 열접합면의 형태는 (A) 열접합면이 반투명한 경우, (B) 빛이 열접합면을 투과하지 못하도록 알루미늄 호일을 붙인 경우, (C) 빛이 잘 투과되도록 열접합면 안쪽에 최대한 구멍을 낸 경우로 나누어 조사하였다(도 18).
배양은 옥외 유리온실에서 진행하였다. 온실의 실내온도는 20 ~ 41℃ 범위였으며, 빛의 세기는 0 ~ 875 μmol photons/m2·s이었다. 0.56m2(70cm * 80cm)의 면적에 4개의 광생물반응기를 일정한 간격으로 설치하여 운전하였다.
열접합면의 형태에 따른 빛 조사량 차이는 아침, 점심, 저녁 경에 첫 번째 반응기와 두 번째 반응기의 사이의 중간 지점에서 측정하였다(도 19).
알루미늄을 붙인 경우(Foil) 알루미늄의 빛 반사 효과에 의해 배양초기(20시간 이전) 균체농도가 낮을 때 열접합면이 불투명한 경우(Opaque)보다 빛 조사량이 약간 높았으나 시간에 따라 균체 농도가 증가할 때 빛 조사량은 열접합면이 불투명한 경우와 비슷하거나 오히려 낮은 경향을 나타내었다.
열접합면에 구멍을 뚫은 경우(Transparent) 배양 20 ~ 70시간 범위에서 상대적으로 높은 빛 조사량을 나타내었고, 이후 균체농도가 농도가 증가할수록 다른 형태와 빛 조사량이 큰 차이가 없었다. 이는 어느 정도의 균체농도(OD 2.0 수준) 이하에서는 열접착면에 구멍을 뚫은 경우가 빛 조사량 측면에서 더 유리하다는 것을 나타낸다(도 20 참조). 대규모 배양시 그 효과는 더욱더 커질 것으로 예상된다.
도 20은 열접합면의 형태에 따른 광합성 미생물의 성장 특성을 나타내고 있다. 열접합면에 구멍을 낸 경우(Transparent)가 균체 성장속도 및 최종 균체농도가 가장 높았고, 이후 열접합면이 불투명한 경우(Opaque), 열접합면에 알루미늄(Foil)을 붙인 경우 순이었다.
이는 열접합면에 구멍을 뚫은 경우가 빛 조사량 측면에서 우수하여(특히 배양 70시간 이전) 광합성 미생물의 광합성 성장을 촉진한 것으로 판단된다. 구멍을 낸 경우 최종 평균 OD660nm는 2.9로 열접합면이 불투명한 경우(2.6)에 비해 10% 높았다.
실시예 4: 열접합면 비율의 영향
비닐 시트형 광생물반응기에서 전체 필름 대비 열접합 면적의 비율은 반응기의 배양부피와 두께에 직접적으로 영향을 미친다. 즉 열접합 면적이 증가할수록 온도조절이 가능한 비닐 시트형 광생물반응기의 두께가 줄어들며, 궁극적으로는 배양액을 담을 수 있는 광생물반응기의 배양부피가 줄어든다.
반면 열접합 면적이 줄어들어 반응기의 두께가 두꺼워지면 반응기의 배양부피 측면에서는 유리하지만 그만큼 반응기 내부로 빛이 들어가는 길이가 길어져 반응기 내의 광합성 미생물가 충분한 빛을 받을 수 없어 광합성 미생물의 광합성 효율 측면에서는 불리하리라 예상된다. 또한 열접합 면적이 줄어듬에 따라 부피가 늘어나면 비닐 반응기의 내구성에 큰 영향을 줄 수 있다.
도 21은 열접합 비율(24, 29, 36%)에 따른 배양액 부피 및 반응기 두께의 상관관계를 나타내고 있다. 배양은 실내 항온 배양실에서 진행하였다. 가스는 배양부피를 고려하여 VVM을 0.18로 맞추어 공급하였으며, 배양부피를 제외하고는 동일한 실험조건에서 반응기를 운전하였다.
도 22는 열접합 면적 비율에 따른 KR-1의 균체 농도 변화를 나타내고 있다. 열접합 비율 29%와 36%의 경우 비슷한 균체 성장속도 및 최종 균체농도를 나타내었다. 열접합 비율 24%의 경우 열접합 비율 29%와 36%에 비해 낮은 균체 성장속도 및 최종 세포농도를 나타내었다.
이는 반타원의 열접합 비율이 낮아지면서 광생물 반응기의 두께가 두꺼워져 빛 투과가 상대적으로 줄어들었기 때문으로 판단된다. 반면 균체 생산량은 배양액의 부피가 가장 큰 열접합 비율 24%가 11.2∼14.9 g cell/reactor로 가장 높았다(도 23).
배양 70시간 대에서 균체 생산성을 계산하였을 때에도 열접합 비율 24%가 3.6∼4.8 g cell/reactor/day로 가장 우수하였다. 배양부피 측면에서 유리하게 작용한 것으로 판단된다. 배양이 진행되면서 반타원의 열접합 상단 부위에 배양액이 원활히 순환되지 않아 적체부(Dead zone)가 일부 관찰되었고, 열접합 비율이 높을수록 즉 반타원 열접합부의 개수가 증가할수록 반응기 내에 더 많은 적체부(Dead zone)가 형성되었다(도 24).
적체부(Dead zone) 형성이 전체적으로 광합성 미생물의 성장에 큰 영향을 준 것으로 판단된다(특히 접합면 36%). 이는 열접합부의 형태가 비닐 시트형 광생물반응기의 성능에 큰 영향을 미친다는 것을 나타낸다. 따라서 적체부(Dead zone)을 방지할 수 있도록 열접착면의 형태 개선(예를 들면 ∇형 대신 △형)이 필요한 것으로 판단된다.
실시예 5: 가스 공급속도의 영향
비닐 시트형 광생물반응기에서 KR-1의 균체성장에 대한 가스 공급속도의 영향을 조사하였다. 배양은 형광등이 설치된 항온 배양실에서 진행하였다. 열접합 비율 및 배양부피는 각각 29% 및 15L였다. 가스 공급속도는 2.0 ~ 5.0L/min의 범위(VVM 0.13 ~ 0.33)로 조절하였다.
균체 성장속도 및 최종 균체농도는 가스 공급속도 2.00 ~ 3.75L/min 범위에서는 대체적으로 가스 공급속도가 증가할수록 증가하는 경향을 나타내었다(도 25).
최적 가스공급속도는 0.25VVM에서 관찰되었다. 5.00L/min(0.33 VVM)의 높은 가스 공급속도에서는 균체 성장속도 및 최종 균체농도가 2.75L/min의 경우보다 오히려 낮았다. 이는 과잉의 가스 공급은 광합성 미생물에 shear stress를 유발하여 균체성장을 오히려 저해하는 것으로 판단된다.
실시예 6: 열접합부 형태의 영향
비닐 시트형 광생물반응기에서 KR-1의 균체성장에 대한 열접합부 형태(∇형vs. △형)의 영향을 조사하였다(도 26). 배양은 형광등이 설치된 항온 배양실에서 진행하였다. 열접합 비율 및 배양부피는 각각 29% 및 15L였다. 공급된 가스의 CO2 농도는 10%(v/v)이었고, 공급속도는 3.75 L/min(0.25VVM)이었다.
∇형(control) 열접합부에서는 앞서 언급한 대로 배양이 진행되면서 반타원의 열접합 상단 부위에 배양액이 원활히 순환되지 않아 적체부(Dead zone)가 일부 관찰되었다(도 24 참조). 반면 △형 열접합부에서는 적체부가 관찰되지 않았다. △형 열접합부의 균체 생산성(g cell/L/day) 및 반응기 당 균체생산량(g cell/reactor)은 ∇형(control) 열접합부 보다 각각 15% 및 13% 증가하였다(도 27).
실시예 7: 반응기 길이의 영향
1.5 m, 2.0 m 및 2.5 m 길이의 광생물반응기로 미세조류를 배양하여 반응기의 길이에 따른 균체성장을 비교하였다. 도 28은 각 길이의 광생물반응기 사진이다. 1.5 m, 2.0 m, 2.5 m반응기의 배양부피는 각 19 L, 25 L 및 32 L 이었다(도 29). 도 28은 각 반응기의 2.0 m반응기를 기준으로 한 상대적 균체생산성을 나타낸 그래프이다. 단위 면적당 반응기내 미세조류의 균체 생산성 및 지질생산성은 반응기의 길이가 길어짐에 따라 높아졌다. 단위 부피당 균체생산성 즉 균체의 성장 속도는 반응기 길이에 관계없이 비슷하였으나 길이가 길어짐에 따른 배양부피의 증가로 인해 생산성이 향상되었다(도 30). 2.0 m 길이의 반응기의 단위 부피당 균체 생산성을 1로 하였을 때, 1.5m 및 2.5 m의 상대적 균체 생산성은 0.97이었다. 반면 단위 면적당 상대적 균체 생산성은 1.5m가 0.71, 2.5 m가 1.25로 반응기의 길이와 비례적으로 증가함을 확인하였다. 2.5 m까지 길이에서는 반응기의 길이가 늘어남에 따른 균체성장 저해는 관찰되지 않았으며, 반응기의 길이를 최적화함으로써 배양부피를 높이고 생산성을 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.
실시예 8: 반연속식 배양
본 실험에서는 1155시간(약 49일) 동안 평판형 투명필름 광생물반응기에서 새로운 균체의 주입 없이 배양액을 10~50%까지 재활용하는 방법으로 반연속식 배양을 실행하였다. 1차부터 4차 배양까지는 질산염농도 1 mM로 동일한 조건에서 배양하였으며 5차 배양은 질산염농도 3 mM, 6차 배양은 질산염농도 1 mM, 7차 배양은 질산염농도 2 mM에서 배양하였다. 1차부터 5차 배양 까지는 자연광만을 이용하였고, 6차와 7차 배양은 낮에는 자연광을, 밤에는 인공광을 조사하는 조건에서 배양하였다.
광생물반응기 내 열접합부의 모양은 원형이었으며, 전체 면적 대비 열접합부의 비율은 12%이었다. 반응기의 길이는 2 m, 배양부피는 25 L이었다. 옥외온실에서 진행하였으며 온도는 13.2에서 42.4℃, 최대 빛 세기는 1370 μmol photons/m2/s이었다(도 34). 배양배지의 초기 질산염 농도는 1~3 mM로 조절하였다. 가스는 CO2와 air를 CO2 10% 농도로 혼합한 가스를 1~2차 배양에서는 유량 3.25 L/min으로, 3~7차 배양에는 유량 4 L/min으로 공급하였다.
도 31은 시간에 따른 KR-1의 균체농도 변화를 나타낸 것이다. 1차에서 4차 배양까지는 동일한 조건임에도 불구하고 배양 차수가 증가함에 따라 초기 균체농도 및 최종 균체 농도가 높아지는 경향을 보였다. 균체생산성은 배양차수가 증가할수록 약 10~20% 감소하였으나, 4차 배양에서는 3차 배양 때 보다 약 7% 증가하였다. 5차 배양에서는 초기 질산염농도를 3 mM로 배양하여 균체생산성이 0.12 g cell/L/day로 자연광 조건에서 가장 높았다. 밤사이 인공광을 조사한 6차와 7차 배양의 경우, 질산염 농도 1 mM이었던 6차 배양에서 균체생산성이 0.17 g cell/L/day로 2 mM이었던 7차 배양보다 약 13% 더 높았다. 지질함량은 1차부터 3차 배양까지 433~443 mg FAME/ g cell로 비슷한 함량을 보였다[도 32]. 4차 배양에서는 3차 배양보다 지질함량이 약 7% 증가한 478 mg FAME/ g cell 이었다. 지질생산성은 1차 배양에서 4.34 L FAME/m2/year로 가장 높았다(도 33). 2차 배양에서는 3.44 L FAME/m2/year이었다. 초기 질산염 농도를 3 mM로 높인 5차 배양에서는 지질생산성이 4.13 L FAME/m2/year로 4차 배양보다 약 6% 향상 되었다. 밤사이 인공광을 조사한 경우 초기 질산염 농도 1 mM인 6차 배양에서 4.68 L FAME/m2/year, 2 mM인 7차 배양에서 5.90 L FAME/m2/year이었다. 배양액을 재활용하여 배양 시 배양 차수가 증가함에 따라 균체생산성은 다소 감소하는 경향을 보였으나, 반연속배양에 의한 것 보다는 날씨 등의 외적요인에 더 큰 영향을 받는 것으로 판단된다. 반연속배양에 사용된 상기 광생물반응기는 1155시간 동안 반응기의 파손 및 배양액의 오염 없이 장기간 운전이 가능하였다.
10 : 반응시트
11 : 배양공간 12 : 투과부
13 : 투과홀 14 : 삽입홀
15 : 고정홀
20 : 가스공급부
21 : 공급배관 22 : 기포관
23 : 기공 24 : 공급펌프
30 : 입출부
31 : 입출구 32 : 배출배관
33 : 배출펌프
40 : 지지대 50 : 고정대
60 : 토출구
61 : 밸브
70 : 고정장치
80 : 연결부
81 : 연결체 82 : 연결홈
83 : 밸브
90 : 반사판
100 : 열화상 카메라
101 : 감시장치
110 : 온도조절부
111 : 주입구 112 : 배출구

Claims (41)

  1. 내부에 광합성 미생물 및 배양액이 수용되는 배양공간이 형성되고, 전,후면이 열접착에 의해 접합되어 복수개의 투과부가 형성되는 비닐 재질의 반응시트;
    상기 반응시트의 내부에 이산화탄소를 공급하는 가스공급부;
    상기 반응시트의 내부로 공급되었던 이산화탄소에서 광합성 미생물의 광합성작용에 의해 생성된 산소를 배출시키는 입출부;
    상기 반응시트가 직렬 또는 병렬로 연결되도록 상기 반응시트의 양측단에 형성되는 연결부; 및
    상기 반응시트의 외측면을 덮으며 형성되며, 발전소 배출수 또는 온수 또는 가열된 공기 또는 냉수 또는 냉기 중 어느 하나가 주입되어 상기 반응시트의 온도를 조절하는 온도조절부;를 포함하고,
    상기 투과부는 원형, 반원형, 타원형 또는 상기 광합성 미생물이 적체가 되지 않도록 상부에 적체부가 형성되지 않는 다각형 형태 중 어느 하나로 형성되어 연속 또는 지그재그로 배열되어 형성되는 온도조절이 가능한 비닐 시트형 광생물반응기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 광합성 미생물은 미세조류, 남세균 및 광합성 박테리아로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 온도조절이 가능한 비닐 시트형 광생물반응기.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 반응시트는 폴리에틸렌(PE), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 선형저밀도 폴리에틸렌(LLDPE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), Oriented polypropylene(OPP), 폴리에틸렌 테레프탈레이트와 무연신 폴리프로필렌 혼합 필름(PET+CPP), 무연신 폴리프로필렌(CPP), 나일론(Nylon), 이축연신 나일론(ON), 미연신 나일론(CN), 폴리 아세탈(POM), 폴리카보네이트(PC), 폴리에스터(Polyester), 폴리스틸렌(PS), 폴리에스터 설폰(PES), 폴리염화비닐(PVC), 폴리염화 비닐리덴(PVDC), Ethylene vinyl acetate 공중합체(EVA), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리프로필렌(PP), Inflated Polypropylene(IPP) 및 폴리페닐렌옥사이드(PPO=PPE) 중 어느 하나 이상의 재질로 이루어지는 온도조절이 가능한 비닐 시트형 광생물반응기.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 투과부는 중앙에 투과홀이 형성되는 온도조절이 가능한 비닐 시트형 광생물반응기.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 투과홀은 상기 투과부의 전체 면적 비율 대비 50 ~ 90%의 면적 비율로 형성되는 온도조절이 가능한 비닐 시트형 광생물반응기.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 반응시트는 복수로 이루어져 상기 반응시트 간이 일정 간격 이격되어 병렬로 설치되는 온도조절이 가능한 비닐 시트형 광생물반응기.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 복수로 이루어지는 반응시트의 투과부는 각각의 상기 반응시트의 투과부가 병렬상 일치되지 않도록 어긋나게 형성되는 온도조절이 가능한 비닐 시트형 광생물반응기.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 반응시트의 하측으로 일정 간격 이격된 위치에는 반사판이 설치되어 빛을 반사하여 상기 반응시트로 반사시키는 온도조절이 가능한 비닐 시트형 광생물반응기.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스공급부는,
    상기 반응시트에 연결되는 공급배관;
    상기 공급배관과 연결되며 상기 반응시트의 하측 내부에 삽입되어 상기 공급배관에서 공급되는 가스를 기포 형태로 공급하도록 기공이 복수 형성된 기포관; 및
    상기 공급배관의 일측에 설치되어 이산화탄소를 상기 반응시트 내부로 공급하도록 펌핑하는 공급펌프;를 포함하는 온도조절이 가능한 비닐 시트형 광생물반응기.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 기포관을 통해 상기 반응시트 내부로 공급되는 가스의 양은 0.01 ~ 0.3 VVM 인 온도조절이 가능한 비닐 시트형 광생물반응기.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 기포관은 상기 반응시트의 크기에 따라 복수가 삽입되는 온도조절이 가능한 비닐 시트형 광생물반응기.
  13. 청구항 10에 있어서,
    상기 기포관은 상기 공급배관측에서 반대방향으로 길이 방향을 따라 점차 직경이 작아지는 온도조절이 가능한 비닐 시트형 광생물반응기.
  14. 청구항 10에 있어서,
    상기 기포관은 스테인리스 스틸, 폴리설폰, 폴리에테르설폰, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 테프론, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 서스, 알루미늄, 세라믹 및 실리콘 재질 중 어느 하나로 이루어지는 온도조절이 가능한 비닐 시트형 광생물반응기.
  15. 청구항 10에 있어서,
    상기 기포관에 형성되는 상기 기공은 0.01 ~ 300um의 크기를 갖는 온도조절이 가능한 비닐 시트형 광생물반응기.
  16. 청구항 10에 있어서,
    상기 기포관에는 반응시트의 크기에 따라 공급배관과 공급펌프가 추가 설치되는 온도조절이 가능한 비닐 시트형 광생물반응기.
  17. 청구항 1에 있어서,
    상기 입출부는,
    상기 반응시트의 일면에 형성되어 상기 배양액과 광합성 미생물을 주입하고, 상기 광합성 미생물 성장 중 발생되는 산소를 배출하는 입출구; 및
    상기 입출구에 일측이 연결되고 타측이 외부로 연장되는 배출배관;을 포함하는 온도조절이 가능한 비닐 시트형 광생물반응기
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 배출배관 상에 설치되어 산소를 외부로 배출하도록 펌핑하는 배출펌프;를 더 포함하는 온도조절이 가능한 비닐 시트형 광생물반응기.
  19. 청구항 1에 있어서,
    상기 반응시트는 상단에 지지대가 결합되어 바닥에 설치되는 고정장치에 고정시키는 온도조절이 가능한 비닐 시트형 광생물반응기.
  20. 청구항 1에 있어서,
    상기 반응시트의 하단에는 상기 반응시트의 형상을 유지시키는 고정대가 결합되는 온도조절이 가능한 비닐 시트형 광생물반응기.
  21. 청구항 1에 있어서,
    상기 반응시트의 측면 또는 하단에는 상기 반응시트 내부의 광합성 미생물 배양액을 배출하는 토출구가 형성된 온도조절이 가능한 비닐 시트형 광생물반응기.
  22. 청구항 1에 있어서,
    상기 투과부는 상기 반응시트의 전체 면적 비율 대비 5 ~ 35%의 면적 비율로 형성되는 온도조절이 가능한 비닐 시트형 광생물반응기.
  23. 청구항 1에 있어서,
    상기 반응시트는 외부의 빛을 반응시트로 반사시키도록 하부에 반사판이 설치되는 온도조절이 가능한 비닐 시트형 광생물반응기.
  24. 청구항 1에 있어서,
    상기 연결부는 상기 반응시트의 재질과 동일한 재질로 이루어지며, 유동이 가능한 관 형상으로 형성되어 다른 상기 반응시트이 연결부와 연결되고, 다른 상기 반응시트와 연결될 수 있도록 상기 반응시트의 일측의 상기 연결부는 끝부분이 삽입될 수 있도록 돌출 형태의 연결체로 형성되고, 상기 반응시트의 타측 연결부는 상기 연결체가 삽입될 수 있는 홈 형태의 삽입홈으로 형성되는 온도조절이 가능한 비닐 시트형 광생물반응기.
  25. 청구항 1 또는 청구항 24에 있어서,
    상기 연결부에는 밸브가 설치되어 상기 반응시트 내의 미생물 및 배양액이 다른 상기 반응시트가 결합되지 않을 때 유출되지 않도록 하는 온도조절이 가능한 비닐 시트형 광생물반응기.
  26. 청구항 1에 있어서,
    상기 반응시트와 일정 거리 이격된 위치의 일정 높이에는 상기 반응시트들의 온도변화를 촬영할 수 있는 열화상 카메라가 설치되며, 상기 열화상 카메라는 감시장치에 연결되어 상기 반응시트의 온도변화를 감지하는 온도조절이 가능한 비닐 시트형 광생물반응기.
  27. 청구항 1에 있어서,
    상기 온도조절부는 상기 반응시트의 양측면을 덮도록 형성되거나 어느 한쪽만 덮도록 자켓 또는 막 형태로 형성되고, 일측면에 발전소 배출수 또는 온수 또는 가열된 공기 또는 냉수 또는 냉기 중 어느 하나가 주입되는 주입구와, 상기 온도조절부의 내부에서 유동된 발전소 배출수 또는 온수 또는 가열된 공기 또는 냉수 또는 냉기 중 어느 하나가 배출되는 배출구가 형성되는 온도조절이 가능한 비닐 시트형 광생물반응기.
  28. 청구항 1 내지 청구항3, 청구항5 내지 청구항 27 중 어느 한 항의 광생물반응기에 광합성 미생물을 투입하여 배양하는 단계를 포함하는 광합성 미생물 생산방법.
  29. 삭제
  30. 내부에 광합성 미생물 및 배양액이 수용되는 배양공간이 형성되며, 전,후면을 열접착 방법을 통해 접합하여 복수개의 투과부가 형성된 비닐 재질의 반응시트를 준비하는 단계;
    상기 반응시트의 상하부를 지지대에 의해 지지하여 수직형태로 배열하는 반응시트 설치단계;
    상기 반응시트 간을 연결부를 통해 연결하는 단계;
    상기 반응시트의 배양공간에 이산화탄소를 공급하기 위한 가스공급부를 설치하는 단계;
    상기 반응시트의 배양공간에서 발생된 산소를 배출하기 위한 입출부를 설치하는 단계; 및
    상기 반응시트의 외측면에 발전소 배출수 또는 온수 또는 가열된 공기 또는 냉수 또는 냉기 중 어느 하나가 주입되어 상기 반응시트를 가열하는 온도조절부를 설치하는 단계;를 포함하고,
    상기 투과부는 원형, 타원형, 반원형 또는 광합성 미생물이 적체가 되지 않도록 상부에 적체부가 형성되지 않는 다각형 형태 중 어느 하나로 형성되어 연속 또는 지그재그로 배열되어 형성되는 온도조절이 가능한 비닐 시트형 광생물반응기 설치방법.
  31. 삭제
  32. 청구항 30에 있어서,
    상기 투과부는 중앙에 투과홀이 형성되는 온도조절이 가능한 비닐 시트형 광생물반응기 설치방법.
  33. 청구항 30에 있어서,
    상기 가스공급부는,
    상기 반응시트에 연결되는 공급배관;
    상기 공급배관과 연결되며 상기 반응시트의 하측 내부에 삽입되어 상기 공급배관에서 공급되는 가스를 기포 형태로 공급하도록 기공이 복수 형성된 기포관; 및
    상기 공급배관의 일측에 설치되어 이산화탄소를 상기 반응시트 내부로 공급하도록 펌핑하는 공급펌프;를 포함하는 온도조절이 가능한 비닐 시트형 광생물반응기 설치방법.
  34. 청구항 33에 있어서,
    상기 기포관은 상기 반응시트의 크기에 따라 복수가 삽입되는 온도조절이 가능한 비닐 시트형 광생물반응기 설치방법.
  35. 청구항 30에 있어서,
    상기 입출부는,
    상기 반응시트의 일면에 형성되어 상기 배양액과 광합성 미생물을 주입하고, 상기 광합성 미생물 성장 중 발생되는 산소를 배출하는 입출구; 및
    상기 입출구에 일측이 연결되고 타측이 외부로 연장되는 배출배관;을 포함하는 온도조절이 가능한 비닐 시트형 광생물반응기 설치방법.
  36. 청구항 30에 있어서,
    상기 연결부는 상기 반응시트의 재질과 동일한 재질로 이루어지며, 유동이 가능한 관 형상으로 형성되어 다른 상기 반응시트이 연결부와 연결되고, 다른 상기 반응시트와 연결될 수 있도록 상기 반응시트의 일측의 상기 연결부는 끝부분이 삽입될 수 있도록 돌출 형태의 연결체로 형성되고, 상기 반응시트의 타측 연결부는 상기 연결체가 삽입될 수 있는 홈 형태의 삽입홈으로 형성되는 온도조절이 가능한 비닐 시트형 광생물반응기 설치방법.
  37. 청구항 30에 있어서,
    상기 반응시트의 하단에는 상기 반응시트의 형상을 유지시키는 고정대가 결합되는 온도조절이 가능한 비닐 시트형 광생물반응기 설치방법.
  38. 청구항 30에 있어서,
    상기 반응시트의 측면 또는 하단에는 상기 반응시트 내부의 광합성 미생물 배양액을 배출하는 토출구가 형성된 온도조절이 가능한 비닐 시트형 광생물반응기 설치방법.
  39. 청구항 30에 있어서,
    상기 반응시트의 하부에는 일정 간격 이격되어 빛을 반사시키는 반사판이 설치되는 온도조절이 가능한 비닐 시트형 광생물반응기 설치방법.
  40. 청구항 30에 있어서,
    상기 반응시트와 일정 거리 이격된 위치의 일정 높이에는 상기 반응시트들의 온도변화를 촬영할 수 있는 열화상 카메라가 설치되며, 상기 열화상 카메라는 감시장치에 연결되어 상기 반응시트의 온도변화를 감지하는 온도조절이 가능한 비닐 시트형 광생물반응기 설치방법.
  41. 청구항 30에 있어서,
    상기 온도조절부는 상기 반응시트의 양측면을 덮도록 형성되거나 어느 한쪽만 덮도록 자켓 형태로 형성되어 형성되고, 일측면에 발전소 배출수 또는 온수 또는 가열된 공기 또는 냉수 또는 냉기 중 어느 하나가 주입되는 주입구와, 상기 온도조절부의 내부에서 유동된 발전소 배출수 또는 온수 또는 가열된 공기 또는 냉수 또는 냉기 중 어느 하나가 배출되는 배출구가 형성되는 온도조절이 가능한 비닐 시트형 광생물반응기 설치방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20110085428A (ko) * 2010-01-20 2011-07-27 성균관대학교산학협력단 투명 필름으로 이루어진 광합성 생물 반응기

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