KR101522182B1 - 분산법을 이용한 고효율 스피루리나 배양방법 - Google Patents

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이성재
최낙철
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Abstract

본 발명은 분산법을 이용한 고효율 스피루리나 배양방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 분산법을 이용한 고효율 스피루리나 배양방법은, 광생물 반응기를 이용하여 스피루리나를 배양하는 경우에, 분산기를 이용하여 광생물 반응기를 통과하는 스피루리나를 컷팅하여 스피루리나의 형태를 변형시킬 수 있으며, 광생물 반응기에서 미세기포발생장치를 이용하여 미세기포를 발생시켜 미세조류를 부상시키고 스키머를 이용하여 수확을 할 수 있다.
따라서, 본 발명은, 스피루리나의 성장을 촉진시킴으로써 대량배양을 유도할 수 있을 뿐만 아니라 용이하게 대량수확이 가능한 분산법을 이용한 고효율 스피루리나 배양방법을 제공하는 효과가 있다.

Description

분산법을 이용한 고효율 스피루리나 배양방법 {The Culture Method of High Efficiency Spirulina Using Dispersion Method }
본 발명은 분산법을 이용한 고효율 스피루리나 배양방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 광생물 반응기를 이용하여 스피루리나를 배양하는 경우에, 광생물 반응기를 통과하는 스피루리나의 형태를 분산기를 이용하여 변형시켜 성장을 촉진시킴으로써 대량배양을 유도할 수 있으며 광생물 반응기에서 미세기포를 발생시켜 미세조류를 부상시키고 스키머를 이용하여 배양장치 내에서 직접 수확함으로써 별도의 수확장치가 필요하지 않은 스피루리나 배양방법에 관한 것이다.
일반적으로, 미세조류는 전 세계적으로 약 25,000여 종이 존재한다고 보고되어 있으며, 대다수는 녹조류나 남조류로 수중에서 태양에너지와 이산화탄소 및 무기염류 등을 섭취하며 존재하는 것이다.
미세조류의 산업적 이용분야는 건강식품, 의약식품, 및 양식사료 등으로 다양하며 그 활용범위가 넓어지고 있는 추세여서 미세조류를 대량으로 배양하기 위한 다양한 노력이 시도되고 있다.
일반적으로, 이러한 미세조류 중 스피루리나(spirulina)는 시아노박테리아의 일종으로 해수와 염도가 높은 강한 알칼리성을 지닌 열대지방의 더운 물에서 번식하는 식물과 동물의 혼합 형태로서, 이는 남조류의 나선형 다세포 미생물로 엽록소, 피코시안 색소가 있어 광합성을 하는 것이다.
한편, 상기 스피루리나의 배양을 위해서 종래에는 SOT배지(Society of Toxicology (SOT) medium)를 주로 사용하게 되는데, 상기 SOT배지는 탄소와 질소 및 각종 무기염류를 포함하는 것으로, 질소와 탄소는 스피루리나가 대사를 통하여 만들어내는 아미노산, 단백질 등 대사산물의 필수 구성요소가 되고, 특별히 이산화탄소를 흡수하여 산소를 만들어내는 스피루리나에는 중요한 원소이며, 또한 각종 무기염류는 균체의 주요 무기염은 P, NA, K, Mg, S, Fe 및 Cl 등이며, Ca, Mn, Zn 및 Cu등도 포함될 수 있는 것이다.
그러나, 상기와 같은 SOT 배지는 질소와 인 등의 영양염류 첨가와 많은 양의 물을 필요로 하므로 이것은 미세조류의 생산비용을 높이는 문제점이 있었다.
한편, 이와 같은 미세조류를 생산하기 위한 종래의 배양방법 중 광생물 반응기(Photobioreactor, PBR)를 이용한 배양방법이 있었다.
상기의 광생물 반응기는 개방형과 밀폐형으로 구분될 수 있으며, 상기 개방형 광생물 반응기는 수로형 연못(open pond)의 형태로서 일반적으로 상용화된 미세 조류 대량 생산시스템이고, 상기 밀폐형 광생물 반응기는 평판형과 공개특허공보 제 10-2010-0010060호(공개일 2010.01.29.) 에서와 같이 원통형으로 구분되어 구성될 수 있다.
여기서, 미세조류를 배양하기 위한 개방형 광생물 반응기와 밀폐형 광생물 반응기는 각각 독립적으로 운영되면서, 상기 밀폐형 광생물 반응기의 경우에는 고밀도로 미세조류를 증식할 수 있었지만 미세조류의 대량 배양이 어려웠고, 상기 개방형 광생물 반응기의 경우에는 미세조류의 대량 배양이 가능하였지만 미세조류를 고밀도로 증식하지 못하는 문제점이 있었다.
이를 극복하기 위하여 종래에 본 출원인이 출원한 등록특허공보 제 10-1347109호(공고일 2014.01.07) "광생물 반응기를 이용한 미세조류 배양과 이를 이용한 양식사료 제조시스템 및 그 제조방법"은 밀폐형과 개방형의 광생물 반응기를 조합한 하이브리드형으로서 미세조류를 1차적으로 증식시킨 후 이의 대량 배양을 2차적으로 유도하고, 대량 배양되는 미세조류를 원심분리 단위공정의 농축, 그리고 건조과정을 통해 추출하였다.
그러나, 종래기술에 따른 밀폐형 광생물 반응기는 설치 및 운영에 고비용을 요구하기 때문에 보다 경제적이며 효율적인 미세조류 배양을 필요로 하고 있다.
최근의 미세조류 배양에 관한 기술은 미세조류의 분자생물학적 변형, 경제적인 배양배지 개발, 배양배지의 화학적 조성의 최적화, 효율적인 광원 조건 설계, 광배양기의 구조 및 운영방법 개선, 미세조류 회수공정 등에 집중되고 있다.
만일 미세조류의 형태 변형을 통한 미세조류 대량 증식이 가능하다면, 상기 개발기술과 접목하여 고효율의 미세조류 배양이 가능할 것이다.
뿐만 아니라, 미세조류의 배양단계보다는 미세조류를 수거(harvesting)하는 과정에 드는 비용이 큰데, 미세조류의 수거기술에는 원심분리, 침전, 부상 여과, 막분리 등의 방법이 있으며 특히 원심분리를 이용하여 미세조류를 수거하는 기술은 높은 에너지 수요와 대용량의 시설확대를 필요로 하며 응집제의 독성유발, 느린 입자분리 속도등의 문제가 있다.
그리고, 미세조류 배양후 수확시 사용한 미세조류 고농도의 배양액은 폐기처분되는데, 추가 배양시 배양액을 다시 제조함에 따라 많은 비용이 발생되는 문제가 있다.
따라서, 스피루리나와 같은 미세조류의 배양을 위해서 상기와 같은 문제점들을 해결하여 미세조류의 성장을 촉진 시키고, 미세조류 수확비용을 절감시키며 배양액을 다시 제조하는 비용 등을 줄일 수 있는 기술의 개발이 요구된다.
등록특허공보 제10-1347109호(2014.01.07.)
따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은, 밀폐형 광생물 반응기와 개방형 광생물 반응기가 조합된 하이브리드형 광생물 반응기를 이용하여 스피루리나를 배양하는 경우에,
밀폐형 광생물 반응기를 통과하는 스피루리나를 분산기로 커팅(cutting)하여 그 형태를 변형시켜 성장을 촉진시킴으로써 대량배양을 유도하고, 개방형 광생물 반응기에서 미세기포를 발생시켜 미세조류를 부상시킨 후 스키머를 이용하여 바로 수확함으로써 별도의 수확장치 사용을 제거하고, 사용된 배양액을 재사용하여 배양액 재제조에 따른 비용을 줄인 고효율 스피루리나 배양방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 분산법을 이용한 고효율 스피루리나 배양방법은, 해수(Seawater)와 기수(Brackish) 및 지하수(Groundwater)중 어느 하나의 원수를 원수저장조에 저장하는 제 1 공정; 가동밸브와 펌프가 설치되는 배관을 통해 일측이 상기 원수저장조에 연결된 필터부를 이용하여 상기 원수저장조에서 원수가 배출되는 경우에 원수에서 입자성 물질을 제거하는 제 2 공정; 상기 필터부에 의해 입자성 물질이 제거된 원수가 상기 필터부의 타측 배관을 통해 연결되는 염전탱크를 이용하여 염분을 제공하는 제 3 공정; 상기 염전탱크로부터 유입되는 염분이 함유된 원수를 자외선으로 살균 소독처리하여 제 1 저장조에 저장하는 제 4 공정; 스피루리나 균주가 혼합된 저비용 배지조성물을 상기 살균 소독 처리된 원수가 저장된 제 1 저장조에 공급하여 혼합 저장하는 제 5 공정; 상기 스피루리나 균주가 혼합된 저비용 배지조성물이 밀폐형 상기 광생물 반응기에서 1차적으로 증식된 다음 통과하는 경우에 분산기를 이용하여 상기 증식된 스피루리나 균주를 10,000rpm 이상의 힘으로 1분 동안 분산시켜 컷팅(cutting)하여 스피루리나의 성장을 촉진시키는 제 6 공정; 미세기포 발생장치에 의하여 발생된 미세기포에 의하여 개방형 상기 광생물 반응기를 구성하는 수로의 수면위로 스피루리나를 부상시키고 가 부상하는 경우에 스키머 장치를 이용하여 스피루리나를 수확하는 제 7 공정; 및 상기 수확한 스피루리나를 건조시켜 양식사료로 추출하거나 상기 제 5 공정의 저비용 배지조성물로 재활용하는 제 8 공정;을 포함한다.
상기 제6공정의 분산기를 이용하여 스피루리나 균주를 컷팅하는 것은, 스피루리나 균주를 10,000rpm 이상의 힘으로 1분 동안 분산시킨다. 상기 광생물 반응기는, 밀폐형 광생물 반응기와 개방형 광생물 반응기가 조합된 하이브리드형 광생물 반응기이다.
상기 제6공정은 상기 밀폐형 광생물 반응기에서 이루어지고, 상기 제7공정은 상기 개방형 광생물 반응기에서 이루어진다.
상기 저비용 배지조성물은, 100%의 배지조성물 중 N 25%, P 9%, K 18%, Mg 1%, B 0.05%, Mn 0.025%, Zn 0.008%, Fe 0.025%, Cu 0.025%, 및 Mo 0.0005% 를 포함한다.
상기 저비용 배지조성물은, 100%의 배지조성물 중 N 19%, P 18%, K 19%, Mg 1%, B 0.05%, Mn 0.025%, Zn 0.008%, Fe 0.025%, Cu 0.025%, 및 Mo 0.0005% 를 포함한다.
상기 미세기포 발생장치는, 공기와 물이 주입되는 원통형의 하우징을 구비하고, 상기 하우징의 내부로 주입되는 공기를 순차적으로 컷팅하는 복수개의 임펠러부와 상기 각 임펠러부를 통과하는 공기와 물을 용해시키는 복수개의 스크류부가 서로 교차하여 배치되는 구조로 형성된다.
상기 제 7공정은, 상기 광생물 반응기 하부에 상기 미세기포 발생장치와 연결되는 산기관이 배치되고, 상기 산기관을 통해 발생되는 미세기포에 의해서 상기 스피루리나가 상기 광생물 반응기 표면으로 부상하면, 상기 광생물반응기 상측에 배치된 상기 스키머가 왕복운동함에 의해 상기 스피루리나를 바로 수확한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은, 밀폐형 광생물 반응기와 개방형 광생물 반응기가 조합된 하이브리드형 광생물 반응기를 이용하여 스피루리나를 배양하는 경우에 밀폐형 광생물 반응기를 통과하는 스피루리나의 형태를 분산기를 이용하여 컷팅시킴으로써 변형시켜 성장을 촉진시킴으로써 대량배양을 유도할 수 있는 장점이 있다.
또한, 개방형 광생물 반응기에서 미세기포를 발생시켜 미세조류를 반응기 표면으로 부상시키고 스키머를 이용하여 수확함으로써 별도의 수확장치를 두지 않고 반응기에서 바로 수확이 가능하도록 구성하여 수확에 드는 비용을 현저하게 감소시키는 장점이 있다.
또한, 본 발명은, 저비용의 스피루리나 배지 조성물을 이용함으로써 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 상기 저비용 배지조성물을 재활용함으로써 배양액을 재제조하는데 따른 비용을 절감하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은, 미세기포 발생장치와 스키머를 이용하여 개방형 광생물반응기에서 스키머를 수확하기 때문에 종래의 원심분리기를 이용하여 미세조류를 수확하는 방식에 비하여 배양액 제조설비에 들어가는 비용을 절감하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 분산법을 이용한 고효율 스피루리나 배양시시스템에 대한 개략적인 블럭구성도
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 분산법을 이용한 고효율 스피루리나 배양방법을 나타내는 흐름도
도 3은 도 1에 도시된 분산기와 이를 이용한 분산원리를 설명하기 위한 도면
도 4는 도 3에 도시된 분산기를 이용한 스피루리나 컷팅전후를 나타내는 개략적인 도면과 분산유무에 따른 성장실험결과를 나타내는 도면
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 스피루리나 배양방법에 있어서 개방형 광생물 반응기에서 스피루리나를 수확하는 공정에 대한 개략적인 도면
도 6은 도 5에 개략적으로 도시된 미세기포발생장치에 대한 구성도
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 표 3에 도시된 저비용배지의 조성성분에 따른 성장실험결과를 나타내는 도면
본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 분산법을 이용한 고효율 스피루리나 배양시시스템에 대한 개략적인 블럭구성도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 분산법을 이용한 고효율 스피루리나 배양방법을 나타내는 흐름도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 고효율 스피루리나 배양시스템에 대한 개략적인 블럭구성도는, 원수저장조(10), 필터부(20), 염전탱크(30), UV소독부(40), 저비용배지투입부(41), 제1저장조(50), 밀폐형광생물반응기(60), 개방형광생물반응기(70), 건조부(80), 분산기(100), 및 미세기포발생장치(200)를 포함할 수 있으며, 본 발명의 실시예에서 각각의 구성들은 도면에는 도시되지 않았으나 가동밸브와 펌프가 설치되는 배관을 통해 연결될 수 있다.
보다 상세하게는, 상기 원수저장조(10)는, 해수(Seawater)와 기수(Brackish) 및 지하수(Groundwater) 중 어느 하나의 원수를 저장할 수 있다.
또한, 상기 필터부(20)는, 본 발명의 실시예에서 도면에 도시된 바와 같이 일측이 상기 원수저장조(10)와 배관으로 연결되고, 상기 원수저장조(10)에서 배관을 통해 원수가 배출되는 경우에 상기 원수에서 입자성 물질을 제거 한 후 원수를 필터부(20)의 타측 배관을 통해 염전탱크(30)에 공급할 수 있다.
또한, 상기 UV소독부(UV Treatment)(40)는 배관을 통해 상기 염전탱크(30)에 연결되는 것으로, 상기 염전탱크(30)로부터 염분이 함유된 원수를 살균 소독 처리한 다음 제 1 저장조(50)에 공급할 수 있다.
또한, 상기 저비용배지 투입부(41)는 배관을 통해 제 1 저장조(50)에 연결되어 스피루리나 배지조성물(Spirulina Platensis; SP배지)을 공급하는 것으로 본 발명의 실시예에 따른 배양방법에 따라 후술하는 개방형 광생물반응기(70)를 통과하며 스키머장치에 의해 수확되는 스피루리나를 재활용할 수 있도록 상기 건조부(80)에 배관을 통해 연결될 수 있다.
또한, 상기 제 1 저장조(50)는, 상기 UV소독부(40)에 의해 살균 소독되는 원수와 상기 저비용배지투입부(41)를 통해 재활용되는 SP배지를 혼합 저장한 다음 밀폐형 광생물반응기(60)에 공급할 수 있다.
여기서, 상기 밀폐형 광생물반응기(60)는, 상기 제 1 저장조(50)에서 원수와 혼합된 SP배지의 미세조류를 고밀도로 증식시킬 수 있는 수평 튜브형의 광생물반응기로서, 분산기(100)를 사용하여 미세조류의 형태를 변형시키는 분산법을 이용하여 미세조류의 성장을 촉진시킬 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 배양방법은 후술하는 도 4의 설장실험결과에 나타난 바와 같이 분산법을 이용하여 스피루리나를 고효율로 배양할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서, 상기 개방형 광생물반응기(70)는 개방된 패들 구동 순환식의 수로형(Raceway) 반응기로서 상기 밀폐형 광생물반응기(60)를 통과하면서 고밀도로 증식된 미세조류의 대량 배양을 유도하며, 후술하는 도 5 내지 도 6에 도시된 미세기포발생장치(200)를 이용하여 미세기포를 발생시켜 반응기 내부에서 침전되는 불순물을 제거함과 동시에 미세조류를 부상시키고 스키머를 이용하여 미세조류를 용이하게 수확할 수 있다. 따라서, 별도의 수확장치가 필요하지 않은 장점이 있다.
이와 같이 수확된 미세조류는 상기 건조부(80)에서 건조시켜 양식사료를 추출하거나 앞서 상술한 저비용배지투입부(41)에 배관을 통해 공급하여 배지조성물로 재활용 할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 배양방법을 위한 배양시스템은, 도면에는 도시되지 않았으나, 가동밸브와 펌프를 통해 각각 연결되는 배양시스템을 원격제어하기 위하여 PLC(Programmable Logic Controller)제어부 및 상기 PLC제어부의 원격제어에 따른 동작상태를 모니터링 하기 위한 형광표시관 방식의 VFD모니터를 더 구비하여 배관밸브개폐, 펌프의 온오프구동 및 배지조성물의 공급량을 자동조절 할 수 있다.
상술한 내용을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 분산법을 이용한 고효율 스피루리나 배양방법을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시예에 따른 분산법을 이용한 고효율 스피루리나 배양방법은, 밀폐형 광생물 반응기와 개방형 광생물 반응기가 조합된 하이브리드형 광생물 반응기를 이용하여 스피루리나를 배양하는 배양방법에 관한 것이다.
다만, 실시예에 따라서는 하이브리드형이 아닌, 개방형 광생물 반응기에만 적용되거나 또는 밀페형 광생물 반응기에만 적용되도록 변형될 수도 있다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 분산법을 이용한 고효율 스피루리나 배양방법은, 원수저장단계(S10), 입자성물질 제거단계(S20), 염분제공단계(S30), 자외선 살균소독 단계(S40), 저비용배지조성물 공급단계(S50), 스피루리나 성장촉진단계(S60), 스피루리나 수확단계(S70), 및 양식사료추출단계(S80)을 포함할 수 있다.
먼저, 상기 원수저장단계(S10)는, 해수(Seawater)와 기수(Brackish) 및 지하수(Groundwater)중 어느 하나의 원수를 원수저장조(10)에 저장하는 제 1 공정일 수 있다.
다음으로, 상기 입자성물질 제거단계(S20)는, 가동밸브와 펌프가 설치되는 배관을 통해 일측이 상기 원수저장조(10)에 연결된 필터부(20)를 이용하여 상기 원수저장조(10)에서 원수가 배출되는 경우에 원수에서 입자성 물질을 제거하는 제 2 공정일 수 있다.
다음으로, 상기 염분제공단계(S30)는, 상기 필터부(20)에 의해 입자성 물질이 제거된 원수가 상기 필터부(20)의 타측 배관을 통해 연결되는 염전탱크(30)를 이용하여 염분을 제공하는 제 3 공정일 수 있다.
다음으로, 상기 자외선 살균소독 단계(S40)는, 상기 염전탱크(30)로부터 유입되는 염분이 함유된 원수를 UV소독부(40)에서 자외선으로 살균 소독처리하여 제 1 저장조(50)에 저장하는 제 4 공정일 수 있다.
다음으로, 상기 저비용배지조성물 공급단계(S50)는, 스피루리나 균주가 혼합된 저비용 배지조성물을 상기 살균 소독 처리된 원수가 저장된 제 1 저장조(50)에 공급하여 혼합 저장하는 제 5 공정일 수 있다.
다음으로, 상기 스피루리나 성장촉진단계(S60)는, 상기 스피루리나 균주가 혼합된 저비용 배지조성물이 밀폐형 광생물 반응기(60)에서 1차적으로 증식된 다음 분산기(100)를 이용하여 상기 증식된 스피루리나 균주를 컷팅(cutting)시켜 스피루리나의 성장을 촉진시키는 제 6 공정일 수 있다. 후술되겠지만, 제6공정에서 스피루리나 균주를 컷팅하는 것은, 분산기로 스피루리나 균주를 10,000rpm 이상의 힘으로 1분 동안 분산시키는 방법을 이용한다.
다음으로, 상기 스피루리나 수확단계(S70)는, 미세기포 발생장치(200)에 의하여 발생된 미세기포에 의하여 개패형 광생물 반응기(70)를 구성하는 수로의 수면위로 스피루리나를 부상시키고 스키머 장치를 이용하여 스피루리나를 수확하는 제 7 공정일 수 있다.
마지막으로, 상기 양식사료추출단계(S80)는, 상기 수확한 스피루리나를 건조시켜 양식사료로 추출하거나 상기 제 5 공정의 저비용 배지조성물로 재활용하는 제 8 공정일 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 분산기와 이를 이용한 분산원리를 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 도 3에 도시된 분산기를 이용한 스피루리나 컷팅전후를 나타내는 개략적인 도면과 분산유무에 따른 성장실험결과를 나타내는 도면이다.
도3에 도시된 것과 같이 고정자(stator)와 회전자(rotor)로 이루어진 분산기(disperser)를 이용하여 스피루리나 균주를 분산시킨다. 이때, 적어도 분산기로 스피루리나 균주를 10,000rpm 이상의 힘으로 1분 동안 분산시키는 방법을 이용한다. 이렇게 분산기를 이용하면 도 4에 도시된 것처럼 길다란 형태의 스피루리나 균주가 분산기에 의해서 잘라지게 된다(cutting). 잘라진 스피루리나 균주가 도 4에 도시된다. 컷팅에 의해서 형태가 변형된 스피루리나 균주와 그렇지 않은 균주를 생장시킨 실험결과가 도4에 그래프로 도시된다.
도 3 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 실시예에 따라 미세조류의 형태를 변형한 경우의 성장실험결과는 다음과 같다.
<실험조건>
1) 분양균주 종 : Spirulina plantensis(한국해양미세조류은행-KMMCC-50)
2) 배지(media) : Spirulina(SP) media
3) 배양조건 : 35℃(Temp), 120rpm(Stirring), 8000 lux(Illumination)
4) 분산기 : ULTRA-TURRAXDisperser, T18
도 3에 도시된 분산기 유무에 따른 조건은 하기의 [표 1]에 도시되었다.
분산기 유무에 따른 실험조건

실험
구분
배지
분산기
Inoculation (mL)		 Initial Concentration
(g/L)
배지종류 (mL)
A SP 50 무 2.5 4.7
B SP 50 유 2.5 4.7
도 4에 도시된 실험결과에 나타난 바와 같이, 상기의 실험조건을 따른 분산기를 이용하여 미세조류를 커팅한 이후 현미경으로 관찰한 결과 미세조류가 커팅된 것을 알 수 있다.
여기서, 분산법을 이용한 분산유무에 따른 성장실험 A와 B의 결과 그래프에 나타난 바와 같이, 실험 A에서 분산기를 사용하지 않은 경우의 미세조류의 건조중량은 실험을 시작한 날로부터 27일째 1.89g/L 이고, 실험B에서 분산기를 사용한 경우의 미세조류의 건조중량은 27일째 2.30g/L 로 약 21.7% 증가한 것을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 스피루리나 배양방법에 있어서 개방형 광생물 반응기에서 스피루리나를 수확하는 공정에 대한 개략적인 도면이고, 도 6은 도 5에 개략적으로 도시된 미세기포발생장치에 대한 구성도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 배양방법에 사용된 개방형 광생물 반응기(70)는, 공기압축기를 사용하는 미세기포 발생장치(200)로 수로하부에 설치된 산기관에 공기를 주입하여 미세기포를 발생시킨다. 산기관을 통해 미세기포를 수로내에 공급하여 미세기포에 의하여 미세조류가 표면으로 부상하면 반응기 상측에 설치된 스키머를 왕복으로 이동시켜 표면에 부상된 미세조류를 바로 수확할 수 있다. 즉, 본 발명은 광생물반응기 내에서 직접 미세조류를 수확(harvesting)하는 구성을 통하여 별도의 수확장치를 구비할 필요가 없어서 미세조류의 배양비용을 상당히 절감할 수 있다.
또한, 산기관을 통하여 이산화탄소를 공급할 수도 있는데, 이산화탄소는 조류의 성장을 촉진하는 역할을 수행한다. 그리고, 미세기포가 표면으로 부상시 침전되어있는 불순물을 제거할 수 있는데, 침전된 불순물은 향후 미세조류의 성장시 미세조류 응집을 저해 할 수 있어 본 발명은 이런 문제를 제거할 수 있는 장점이 있다.
상기 미세기포 발생장치(200)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 공기와 물이 주입되는 원통형의 하우징을 구비하고, 상기 하우징의 내부로 주입되는 공기를 순차적으로 컷팅하는 복수개의 임펠러부와 상기 각 임펠러부를 통과하는 공기와 물을 용해시키는 복수개의 스크류부가 서로 교차하여 배치되는 구조로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서, 도면에 도시된 바와 같이 주입되는 공기와 물은 펌프를 이용하여 공급되기 때문에 종래에 가압펌프 사용으로 전력비용이 크게 소요되는 것에 비하여 전력비용을 50%이상 절감할 수 있다.
한편, 도면에 도시된 임펠러부는 60도 간격(총6개)의 회전 터빈형태로 터빈 개수에 따라 공기의 커팅이 가능하고, 2단 회전 터빈형태로 안정된 미세기포를 발생시킬 수 있다.
또한, 스크류부의 피치간격 조절에 의하여 안정적으로 미세기포 발생량을 조절할 수 있다.
이때, 1차 스크류부 피치는 약 10mm 에서 2차 스크류부 피치는 약 15mm 로 1.5배 증가하여 기포의 역방향흐름을 방지하고 가압이 가능하게 할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 사용된 스피루리나 배지조성물은 종래의 배지조성물에 비용이 저렴한 저비용 배지일 수 있다.
본 발명의 실시예에 사용된 저비용 배지의 실험조건 및 그에 따른 성분분석을 하기의 [표 2] 내지 [표 3]에서 나타낼 수 있다.
하기의 [표 2]는 실험C 내지 실험H에 사용된 저비용배지의 실험조건을 나타낼 수 있다.
저비용배지의 실험조건

Exp.
Media
Disperser
Inoculation (mL)		 Initial Concentration
(g/L)
배지종류 (mL)
C SP 200 무 10 4.3
D 비용배지 25-9-18 200 무 10 4.3
E 저비용배지 19-18-19 200 무 10 4.3
F 저비용배지 3-15-43 200 무 10 4.3
G 저비용배지 12-10-35 200 무 10 4.3
H 저비용배지 5-15-25 200 무 10 4.3
하기의 [표 3] 내지 [표 4]는 실험C 내지 실험H에 사용된 저비용배지의 성분을 분석한 표와 성장실험을 비교한 표이다.
저비용배지 성분분석표
Sample N
(중량%)		 P(중량%) K
(중량%)		 Mg
(중량%)		 B
(중량%)		 Mn
(중량%)		 Zn
(중량%)		 Fe
(중량%)		 Cu
(중량%)		 Mo
(중량%)
D 25 9 18 1 0.05 0.025 0.008 0.025 0.0075 0.0005
E 19 18 19 1 0.05 0.025 0.008 0.025 0.0075 0.0005
F 3 15 43 1 0.05 0.025 0.008 0.025 0.0075 0.0005
G 12 10 35 1 0.05 0.025 0.008 0.025 0.0075 0.0005
H 5 15 25 1 0.05 0.025 0.008 0.025 0.0075 0.0005
저비용배지 성분분석 및 성장실험 비교표
Exp. NO3 -(mg/L) PO4 2-(mg/L) K+(mg/L) Cl-(mg/L) Br-(mg/L) 건조중량(g/L)
C (1) 18,000 28,000 10,000 1,384 204 2.28
D 8,321 304,938 194,210 396,918 4,834 1.64
E 4,612 607,822 202,120 334,857 0 1.62
F 4,543 464,227 383,220 808,508 6,447 1.21
G 4,329 325,259 150,450 692,699 6,036 0.94
H 66,147 578,364 252,030 673,798 5,772 0.87
※ (1) - Spirulina(SP) media
[표 3] 내지 [표4]에 나타난 바와 같이, 본 발명의 저비용 배지조성물은, 실험D와 같이 N 25중량%, P 9중량%, K 18중량%, Mg 1중량%, B 0.05중량%, Mn 0.025중량%, Zn 0.008중량%, Fe 0.025중량%, Cu 0.025중량%, 및 Mo 0.0005중량% 를 포함한 경우와, 실험E와 같이 N 19중량%, P 18중량%, K 19중량%, Mg 1중량%, B 0.05중량%, Mn 0.025중량%, Zn 0.008중량%, Fe 0.025중량%, Cu 0.025중량%, 및 Mo 0.0005중량% 를 포함한 경우에 건조중량이 높게 나올수 있었다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 표 3에 도시된 저비용배지의 조성성분에 따른 성장실험결과인 표 4를 상세하게 나타내는 도면이다.
도면에 도시된 바와 같이, 성장실험 35일째를 보면, 미세조류의 건조중량은 실험C 에서 2.28g/L, 실험D에서 1.64g/L, 실험E에서 1.62g/L 로 실험C에 대해 실험D는 71.9%, 실험E는 71.0% 각각 성장한 것을 알 수 있다.
하기의 [표 5]는 배지조성에 따른 경제성을 분석한 것으로, 실험C에 대해 실험D와 실험E의 생산비용이 월등히 저렴한 저비용 배지인 것을 알 수 있다.
즉, 실험C의 경우에 배지구입비용은 167.86원/L 인데 반하여, 실험D 와 실험E의 배지구입비용은 각각 9원/L로 약 18.7배 차이가 날 수 있다.
배지조성에 따른 경제성분석
Exp. 건조중량(g/L) 배지가격(원/L) 생산비용(원/g)
C 2.28 167.86 73.6
D 1.64 9.00 5.4
E 1.62 9.00 5.6
F 1.21 9.00 7.4
G 0.94 9.00 9.6
H 0.87 9.00 10.3
하기의 [표 6]은 실험C 내지 실험H에서 소모되는 배지조성물을 구성하는 각 성분의 소모량을 나타내는 것으로, 상술한 바와 같이 소모된 배지조성물의 양만큼 수확된 미세조류를 재활용하여 추가 공급 될 수 있다.
배지 소모량 ( 단위 : mg/L)
Before
　 Exp. C Exp. D Exp. E Exp. F Exp. G Exp. H
K 10,000 194,210 202,120 383,220 150,450 252,030
Ca 5,460 0 0 0 0 114,350
F 0 0 0 0 0 0
Cl 1,384 396,918 334,857 808,508 692,699 673,798
Br 204 4,834 0 6,447 6,036 5,772
NO3 180,000 8,321 4,612 4,543 4,329 66,147
PO4 280,000 304,938 607,822 464,227 325,259 578,364
SO4 1,287 34,361 80,652 47,065 52,934 5,911
After
　 Exp. C Exp. D Exp. E Exp. F Exp. G Exp. H
K 3,549 8,955 9,946 35,459 68,435 90,154
Ca 3,955 0 0 0 0 101,584
F 0 0 0 0 0 0
Cl 57 35,130 11,750 66,170 43,610 59,030
Br 186 4,768 0 6,445 6,016 5,713
NO3 122 3,154 846 1,146 766 1,549
PO4 16 18,945 8,459 115,484 11,484 265,485
SO4 945 13,254 25,321 25,485 26,685 2,155
소비량 (Before-After)
　 Exp. C Exp. D Exp. E Exp. F Exp. G Exp. H
K 6,451 185,256 192,174 347,761 82,015 161,876
Ca 1,505 0 0 0 0 12,766
F 0 0 0 0 0 0
Cl 1,327 361,788 323,107 742,338 649,089 614,768
Br 17 66 0 2 20 60
NO 3 179,878 5,167 3,766 3,397 3,564 64,598
PO 4 279,984 285,993 599,363 348,743 313,775 312,879
SO 4 341 21,107 55,331 21,581 26,249 3,756
상기와 같이, 본 발명은, 밀폐형 광생물 반응기와 개방형 광생물 반응기가 조합된 하이브리드형 광생물 반응기를 이용하여 스피루리나를 배양하는 경우에 밀폐형 광생물 반응기를 통과하는 스피루리나의 형태를 분산기를 이용한 컷팅에 의해서 변형시켜 성장시킨 결과, 컷팅되지 않은 경우보다 성장이 촉진됨을 확인함으로써 대량배양을 유도할 수 있으며, 개방형 광생물 반응기에서 미세기포를 발생시켜 미세조류를 부상시킴으로써 스키머를 이용하여 별도의 수확장치 없이 미세조류를 바로 수확이 함으로써 수확비용을 낮추면서도 용이하게 대량수확이 가능한 분산법을 이용한 고효율 스피루리나 배양방법을 제공하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은, 종래에 비해 저비용의 스피루리나 배지 조성물을 이용함으로써 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 상기 저비용 배지조성물을 재활용함으로써 배지조성물을 위해 소요되는 비용을 절감하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은, 미세기포 발생장치와 스키머를 이용하여 개방형 광생물반응기에서 스키머를 수확하기 때문에 종래의 원심분리기를 이용하여 미세조류를 수확하는 방식에 비하여 제조설비에 들어가는 비용을 절감하는 효과가 있다.
지금까지 본 발명에 대해서 상세히 설명하였으나, 그 과정에서 언급한 실시예는 예시적인 것일 뿐이며, 한정적인 것이 아님을 분명히 하고, 본 발명은 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상이나 분야를 벗어나지 않는 범위내에서, 균등하게 대처될 수 있는 정도의 구성요소 변경은 본 발명의 범위에 속한다 할 것이다.
10 : 원수저장조 20 : 필터부
30 : 염전탱크 40 : UV소독부
41 : 저비용배지투입부 50 : 제1저장조
60 : 밀폐형 광생물반응기 70 : 개방형 광생물반응기
80 : 건조부 100 : 분산기
200 : 미세기포 발생장치

Claims (8)

  1. 밀폐형 광생물 반응기와 개방형 광생물 반응기가 조합된 하이브리드형 광생물 반응기를 이용하여 스피루리나를 배양하는 배양방법에 있어서,
    해수(Seawater)와 기수(Brackish) 및 지하수(Groundwater)중 어느 하나의 원수를 원수저장조에 저장하는 제 1 공정;
    가동밸브와 펌프가 설치되는 배관을 통해 일측이 상기 원수저장조에 연결된 필터부를 이용하여 상기 원수저장조에서 원수가 배출되는 경우에 원수에서 입자성 물질을 제거하는 제 2 공정;
    상기 필터부에 의해 입자성 물질이 제거된 원수가 상기 필터부의 타측 배관을 통해 연결되는 염전탱크를 이용하여 염분을 제공하는 제 3 공정;
    상기 염전탱크로부터 유입되는 염분이 함유된 원수를 살균 소독처리하여 제 1 저장조에 저장하는 제 4 공정;
    스피루리나 균주가 혼합된 저비용 배지조성물을 상기 살균 소독 처리된 원수가 저장된 제 1 저장조에 공급하여 혼합 저장하는 제 5 공정;
    상기 스피루리나 균주가 혼합된 저비용 배지조성물이 상기 광생물 반응기를 구성하는 밀폐형 광생물반응기에서 1차적으로 증식된 다음 미세조류의 형태를 변형시키는 분산기를 이용하여 상기 증식된 스피루리나 균주를 컷팅(cutting)하여 스피루리나의 성장을 촉진시키는 제 6 공정;
    미세기포 발생장치에 의하여 발생된 미세기포에 의하여 상기 광생물 반응기를 구성하는 개방형 광생물반응기에 구비된 수로의 수면위로 스피루리나를 부상시키고 스키머 장치를 이용하여 스피루리나를 수확하는 제 7 공정; 및
    상기 수확한 스피루리나를 건조시켜 양식사료로 추출하거나 상기 제 5 공정의 저비용 배지조성물로 재활용하는 제 8 공정;을 포함하고,
    상기 미세기포 발생장치는, 공기와 물이 주입되는 원통형의 하우징을 구비하고, 상기 하우징의 내부로 주입되는 공기를 순차적으로 컷팅하는 복수개의 임펠러부와 상기 각 임펠러부를 통과하는 공기와 물을 용해시키는 복수개의 스크류부가 서로 교차하여 배치되는 구조로 형성되며,
    상기 제 7공정은, 상기 광생물 반응기를 구성하는 개방형 광생물반응기에 구비된 수로의 하부에 상기 미세기포 발생장치와 연결되는 산기관이 배치되고, 상기 산기관을 통해 발생되는 미세기포에 의해서 상기 스피루리나가 상기 광생물 반응기 표면으로 부상하면, 상기 개방형 광생물반응기에 구비된 수로의 상측에 배치된 상기 스키머가 왕복운동함에 의해 상기 스피루리나를 바로 수확하는 것을 특징으로 하는 분산법을 이용한 고효율 스피루리나 배양방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제6공정의 분산기를 이용하여 스피루리나 균주를 컷팅하는 것은,
    스피루리나 균주를 10,000rpm 이상의 힘으로 1분 동안 분산시키는 것을 특징으로 하는 분산법을 이용한 고효율 스피루리나 배양방법.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서, 상기 제6공정은 상기 밀폐형 광생물 반응기에서 이루어지고, 상기 제7공정은 상기 개방형 광생물 반응기에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 분산법을 이용한 고효율 스피루리나 배양방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 저비용 배지조성물은,
    100중량%의 배지조성물 중 N 25중량%, P 9중량%, K 18중량%, Mg 1중량%, B 0.05중량%, Mn 0.025중량%, Zn 0.008중량%, Fe 0.025중량%, Cu 0.025중량%, 및 Mo 0.0005중량% 를 포함하는 것을 특징으로 하는 분산법을 이용한 고효율 스피루리나 배양방법
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 저비용 배지조성물은,
    100중량%의 배지조성물 중 N 19중량%, P 18중량%, K 19중량%, Mg 1중량%, B 0.05중량%, Mn 0.025중량%, Zn 0.008중량%, Fe 0.025중량%, Cu 0.025중량%, 및 Mo 0.0005중량% 를 포함하는 것을 특징으로 하는 분산법을 이용한 고효율 스피루리나 배양방법
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