KR101579222B1 - 섬광을 이용한 미세조류의 지질 생산 증대 방법 및 이를 이용한 폐수 처리능 향상 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 섬광을 이용한 미세조류의 지질 생산 증대 방법 및 장치와 이를 이용한 폐수 처리능 향상 방법 및 장치에 관한 것이다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 미세조류가 생장하는데 필요한 빛을 주기적 및 간헐적으로 공급하여 미세조류에 섬광형 광스트레스를 유발함으로써, 지질 생산을 증대시키고 질소와 인의 제거능을 향상시키는 효과가 있다.

Description

섬광을 이용한 미세조류의 지질 생산 증대 방법 및 이를 이용한 폐수 처리능 향상 방법{MICROALGAE CULTIVATION METHOD USING FLASH LIGHT FOR INCREASE OF FATTY ACIDS PRODUCTION AND WASTEWATER TREATMENT}

본 발명은 섬광을 이용한 미세조류의 지질 생산 증대 방법 및 장치와 이를 이용한 폐수 처리능 향상 방법 및 장치에 관한 것이다.

석유 파동 위기로 인하여 화석 연료 기반 산업이 흔들리고 지구 온난화와 같은 환경 문제로 인하여, 이를 대체할 수 있는 대체에너지의 연구가 활발하게 일어났다. 대체에너지로서 바이오디젤은 이미 산업적으로 생산되고 있고, 주로 작물을 이용하고 있으나 작물은 식용으로 이용되어 작물을 대체할 수 있는 자원으로 미세조류가 있으나, 미세조류가 생산하는 지질의 함량이 낮은 문제점이 있다.

이와 같은 문제를 해결하기 위한 방법으로 새로운 미세조류의 종을 찾거나 기존의 미세조류를 유전공학적으로 개량하는 방법 등이 있으나, 장기간의 연구로 인한 많은 비용이 발생할 뿐만 아니라, 생태계에 미치는 영향 등 2차적인 문제를 발생할 여지가 있다. 또 다른 방법으로 미세조류 배양시 중요한 인자 중의 하나인 광원을 이용한 방법이 있다. 이는 빛을 이용한 방법으로서 태양광 집광판을 이용하거나 광량을 증대시키는 방법, 반응기의 형태나 재질의 변화 등 다양한 영향인자를 고려하고 있는 실정이다. 그러나, 종래 일반적인 미세조류 배양 시스템은 비용의 증가뿐만 아니라, 미세조류의 지질 함량 증대 등 어려움이 내재해 있다.

또한, 우리나라는 생활하수, 공장폐수 및 가축분뇨 등으로부터 중금속, 유기물 등의 환경 오염수가 발생하고 있으며, 특히, 가축분뇨에 포함되어 있는 질소와 인의 처리에 어려움을 겪고 있다. 질소, 인 제거를 위한 노력에도 불구하고 축산업의 소규모 및 밀집화 등으로 개선의 여지가 어렵고, 정책 수립 및 규제 법규 강화에도 불구하고 별도의 처리과정 없이 하천 등에 유입되고 있는 실정이다. 이와 같은 문제는 수질 악화의 주된 원인으로 작용하고 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 미세조류의 지질 생산 및 질소와 인의 제거능을 향상시키는 미세조류의 배양방법 및 장치가 필요하다. 미세조류 배양방법에 관해 대한민국 공개특허 2012-0014401(광차단 패턴 또는 열전환 패턴을 구비한 광생물 반응기 및 이를 이용한 미세조류 배양방법), 대한민국 등록특허 1256773(파장 선택적 LED 광 조사를 이용한 미세조류에 의한 하폐수 고도처리 및 미세조류 바이오매스 생산성 증대) 등이 있지만, 종래기술은 빛의 파장을 조절하여 미세조류를 배양하는 방법을 개시하고 있을 뿐, 기존의 단순하고 획일화된 빛의 조사 방식을 보완하고 차별화하여 섬광형 스트레스를 이용한 미세조류의 지질 생산 증대 및 폐수 처리를 위한 기술적 특징에 대해서는 개시된 바가 없다.

섬광을 이용하여 미세조류를 배양할 경우, 기존의 유전자 제어 방법이나 새로운 종을 발견하는데 드는 비용과 시간을 절약할 수 있고, 간소화된 장치와 적은 비용으로 지질 생산 및 폐수 처리의 효율을 극대화할 수 있을 것이다.

본 발명의 목적은 섬광 형태의 광스트레스를 미세조류에 조사하여 미세조류의 지질 생산을 증가시키고 폐수 내의 질소와 인의 제거능을 향상시키는 방법 및 장치를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 미세조류를 배양하기 위한 광(light)의 공급과 함께 섬광을 조사하여 미세조류를 배양하는 미세조류의 배양방법을 제공한다.

상기 광은 태양광, 형광등, 백열등 및 LED를 포함하는 군에서 선택되는 1 이상의 광원으로부터 공급되는 것을 특징으로 한다.

상기 광은 연속적으로 공급되거나 점등과 소등을 반복하여 주기적으로 공급되는 것을 특징으로 한다.

상기 섬광은 형광등, 백열등 및 LED를 포함하는 군에서 선택되는 1 이상의 광원으로부터 공급되는 것을 특징으로 한다.

상기 섬광은 1 내지 180 회/분(min) 조사되는 것을 특징으로 한다.

상기 미세조류의 배양방법은 미세조류의 지질 생산능을 증대시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기와 같은 미세조류의 배양방법을 이용하여 미세조류의 폐수 내 함유된 질소와 인의 제거능을 증대시키는 폐수의 처리방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 미세조류를 배양하기 위해 공급되는 광(light)이 연속적으로 공급되거나 점등과 소등을 반복하여 주기적으로 공급되는 광원 공급부; 미세조류에 섬광을 조사하기 위해 섬광을 조절하는 섬광 조절부; 및 미세조류를 배양하는 미세조류 반응기;를 포함하는 미세조류의 배양장치를 제공한다.

상기 광원 공급부는 태양광, 형광등, 백열등 및 LED를 포함하는 군에서 선택되는 1 이상의 광원을 구비한 것을 특징으로 한다.

상기 섬광 조절부는 1 내지 180 회/분(min)의 섬광을 조사하는 것을 특징으로 한다.

상기 미세조류의 배양장치는 미세조류의 지질 생산능을 증대시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기와 같은 미세조류의 배양장치를 이용하여 미세조류의 폐수 내 함유된 질소와 인의 제거능을 증대시키는 폐수의 처리장치를 제공한다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 미세조류가 생장하는데 필요한 빛을 주기적 및 간헐적으로 공급하여 미세조류에 섬광형 광스트레스를 유발함으로써, 지질 생산을 증대시키고 질소와 인의 제거능을 향상시키는 효과가 있다.

또한, 미세조류의 생장을 촉진하여 지질 생산을 증대시키고 질소와 인의 제거능을 향상시킴으로써, 바이오디젤 등의 생산 및 폐수 처리 산업에 응용할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 미세조류 배양장치의 모식도.
도 2는 본 발명에 따른 미세조류 배양장치의 실시예.
도 3은 광 및 섬광 조사에 따른 미세조류의 성장 변화 그래프.
도 4는 광 및 섬광 조사에 따른 미세조류의 질소 및 인 제거능 변화 그래프.
도 5는 광 및 섬광 조사에 따른 미세조류의 지질 생산능 변화 그래프.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

미세조류(microalgae)는 광합성 색소를 가지고 광합성을 하는 생물들에 대한 통칭으로서, 마이크로 단위의 크기를 갖는 수중 생물로 태양광 등 빛을 에너지원으로 이산화탄소를 고정화시키고 광합성을 하여 성장한다.

본 발명은 미세조류를 배양하기 위한 광(light)의 공급과 함께 섬광을 조사하여 미세조류를 배양하는 미세조류의 배양방법을 제공한다.

상기 광은 태양광, 형광등, 백열등 및 LED를 포함하는 군에서 선택되는 1 이상의 광원으로부터 공급되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 광은 연속적으로 공급되거나 점등과 소등을 반복하여 주기적으로 공급되는 것이 바람직하다. 미세조류의 종류에 따라 광이 연속적으로, 혹은 소정의 시간 간격을 갖고 주기적으로 공급될 수 있으며, 점등과 소등 시간이 반드시 동일한 것은 아니다.

상기 섬광은 형광등, 백열등 및 LED를 포함하는 군에서 선택되는 1 이상의 광원으로부터 공급되는 것이 바람직하다. 섬광(flash)은 순간적으로 강렬히 번쩍이는 빛을 의미하며, blue, red 등 다양한 파장의 섬광 적용이 가능하고, 미세조류에 섬광을 조사하여 광스트레스를 유발함으로써 지질 생산능 및 질소와 인 제거능을 향상시켜 주는 효과가 있다.

또한, 상기 섬광은 1 내지 180 회/분(min), 바람직하게는 70 내지 140 회/분(min) 조사되는 것이 최적의 효과를 나타내며, 조사되는 섬광의 횟수가 상기 기재 범위에 한정되는 것은 아니다.

상기 미세조류의 배양방법은 미세조류의 지질 생산능을 증대시켜 준다.

본 발명은 상기와 같은 미세조류의 배양방법을 이용하여 미세조류의 폐수 내 함유된 질소와 인의 제거능을 증대시키는 폐수의 처리방법을 제공한다. 폐수를 연속적으로 공급하여 납, 수은, 카드뮴 등 중금속 및 유기물 등의 오염 물질을 효과적으로 처리할 수 있다.

본 발명은 미세조류를 배양하기 위해 공급되는 광(light)이 연속적으로 공급되거나 점등과 소등을 반복하여 주기적으로 공급되는 광원 공급부; 미세조류에 섬광을 조사하기 위해 섬광을 조절하는 섬광 조절부; 및 미세조류를 배양하는 미세조류 반응기;를 포함하는 미세조류의 배양장치를 제공한다.

상기 광원 공급부는 태양광, 형광등, 백열등 및 LED를 포함하는 군에서 선택되는 1 이상의 광원을 구비한 것이 바람직하다.

상기 섬광 조절부는 1 내지 180 회/분(min), 바람직하게는 70 내지 140 회/분(min)의 섬광을 조사하는 것이 최적의 효과를 나타낸다.

상기 미세조류의 배양장치는 미세조류의 지질 생산능을 증대시켜 준다.

본 발명은 상기와 같은 미세조류의 배양장치를 이용하여 미세조류의 폐수 내 함유된 질소와 인의 제거능을 증대시키는 폐수의 처리장치를 제공한다.

상기와 같은 본 발명에 따른 미세조류의 배양방법 및 장치는 미세조류 내의 지방 축적이 일반적인 연속 광을 조사할 때보다 4 배 이상 증가하여 미세조류의 지방산, 단백질 등 다양한 유용물질의 생산을 증대시키고, 질소와 인 등의 소비속도도 2 배 이상 증가시켜 폐수 내 함유된 오염 물질을 효과적으로 제거해 준다.

또한, 본 발명에 따른 미세조류의 배양방법 및 장치와 폐수의 처리방법 및 장치는 실내, 실외 모두에서 적용이 가능하다.

상기 미세조류는 구체적으로 클로렐라(Chlorella sp.), 클로로코쿰(Chlorococcum sp.), 스피루리나(Spirulina sp.), 헤마토코쿠스(Haematococcus sp.), 네오스폰지오코쿰(Neospongiococcum sp.), 세네데스무스(Scenedesmus sp.), 두날리엘라(Dunaliella sp.) 또는 마이크랙티니움(Micractinium sp.) 등이 있으나, 미세조류의 종류가 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 다종의 미세조류를 혼합하여 배양하는 것도 가능하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

실시예.

도 1 및 2는 본 발명에 따른 미세조류의 배양장치를 나타낸다. 에어펌프(2)로 이산화탄소를 미세조류 반응기(1) 내로 공급하고 온도계(4) 및 조도계(5)로 온도 및 조도를 조절하였으며 광(light)과 함께 섬광 조절부(3)에 의한 섬광을 조사하여 미세조류를 배양하였다.

미세조류 배양용 배지(BG-11, R. Rippka, Photoheterotrophy and chemoheterotrophy among unicellular blue-green algae, Archiv for Mikrobiologie, 1972, Volume 87, pp 93-98)를 이용하여 폴리에틸렌 재질의 광투과성 미세조류 반응기에 665 ml의 인공폐수(BG-11 배지)와 전 배양된 Micractinium reisseri KGE19 35 ml를 접종하였다. 각 미세조류 배양기에는 탄소원 공급을 위해 aeration(200 ml/min)을 실시하였고, 표 1에서 보는 바와 같이 각 미세조류 배양기 주변에 형광등을 설치하여 1500 Lux의 광을 연속적으로 공급, 차단 및 12 시간 주기로 공급, 차단하여 조사하고, 섬광 형태의 광스트레스를 적용하기 위하여 형광섬광등(150W STROBE, CHINA)을 설치하여, 섬광을 70회/분 및 140회/분으로 적용하였다.

도 3은 광 및 섬광 조사에 따라 18 일간 배양한 미세조류의 성장 변화 그래프이다.

연속적으로 광을 조사한 경우, 섬광을 적용하였을 때 미세조류 성장이 약 2.5 배 높게 나타났고, 일정시간 광을 조사한 경우에서도 섬광을 적용하였을 때 약 1.5 배 높게 나타났다. 최대 미세조류의 성장은 연속적인 광의 공급과 섬광을 적용하였을 경우로 나타났다. 이와 같은 결과는 미세조류 성장 시, 섬광 형태의 광스트레스가 미세조류에 일시적으로 자극을 주어 유기물의 흡수를 촉진하고 호르몬 생산의 촉진 및 물질대사의 변화에 영향을 끼쳐 나타난 결과로 판단된다.

도 4는 광 및 섬광 조사에 따라 18 일간 배양한 미세조류의 질소 및 인 제거능 변화 그래프이다.

초기 폐수 내의 질소 및 인의 농도는 200 mg/L 및 2.5 mg/L이었으며, 연속적으로 광을 공급하거나 12 시간씩 반복적으로 광을 공급 및 차단한 조건에서 섬광을 적용하였을 때 높은 질소 및 인 제거능이 나타났다. 연속적인 광을 공급한 경우, 섬광을 적용하지 않은 조건보다 섬광을 적용한 조건에서 질소 제거능이 2.2 배 높았으며, 12 시간씩 반복적으로 광을 공급 및 차단한 경우, 섬광을 적용한 조건의 질소 제거능이 약 1.2 배 높게 나타났다. 또한, 12 시간씩 반복적으로 광을 공급 및 차단한 경우, 섬광 주기 조건을 다르게(1.166 Hz(slow) 및 2.332 Hz(fast)) 적용하였을 때에도 질소 제거능의 차이가 나타났다. 이와 같은 결과는 광스트레스에 의하여 미세조류가 질소 소비를 촉진한 것으로 판단된다. 또한, 섬광 주기에 따라 고농도의 질소 제거를 효과적으로 촉진시킬 수 있음을 나타낸다.

도 5는 광 및 섬광 조사에 따라 18 일간 배양한 미세조류의 지질 생산능 변화 그래프이다.

광을 주기적으로 공급 및 차단(12시간 반복)한 경우, 섬광을 적용한 조건(1.166 Hz(slow) 및 2.332 Hz(fast))에서 높은 지방산 함량을 나타냈다. 반면에, 연속적으로 광을 공급한 경우, 섬광의 적용 유무에 따른 지방산 함량의 큰 차이는 나타나지 않았다. 이와 같은 결과는 Micractinium reisseri KGE19 배양의 경우, 연속적인 광의 공급보다는 12 시간 주기의 광의 공급과 함께 섬광을 적용하는 것이 지방산 함량을 증대시키는 최적의 조건인 것을 보여준다.

이상, 본 발명내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 실시예 일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의해 정의된다고 할 것이다.

Claims (12)

1. 미세조류를 배양하기 위한 광(light)의 공급과 함께 동시에 섬광을 조사하여 미세조류를 배양하는 것을 포함하는, 미세조류의 지질 생산능을 증대시키는 방법.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 광은 태양광, 형광등, 백열등 및 LED를 포함하는 군에서 선택되는 1 이상의 광원으로부터 공급되는 것을 특징으로 하는 미세조류의 지질 생산능을 증대시키는 방법.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 광은 연속적으로 공급되거나 점등과 소등을 반복하여 주기적으로 공급되는 것을 특징으로 하는 미세조류의 지질 생산능을 증대시키는 방법.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 섬광은 형광등, 백열등 및 LED를 포함하는 군에서 선택되는 1 이상의 광원으로부터 공급되는 것을 특징으로 하는 미세조류의 지질 생산능을 증대시키는 방법.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 섬광은 1 내지 180 회/분(min) 조사되는 것을 특징으로 하는 미세조류의 지질 생산능을 증대시키는 방법.
   
6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 따른 지질 생산능이 증대된 미세조류를 이용한 폐수 처리방법.
   
7. 제6항에 있어서, 상기 폐수 처리방법은 폐수 내 함유된 질소와 인의 제거 효율이 증대된 것을 특징으로 하는 폐수 처리방법.
   
8. 미세조류를 배양하기 위해 공급되는 광(light)이 점등과 소등을 반복하여 12시간 주기로 공급되는 광원 공급부;
   상기 광원 공급부로부터 광이 공급되는 것과 동시에 미세조류에 섬광을 조사하기 위해 섬광을 조절하는 섬광 조절부; 및
   미세조류를 배양하는 미세조류 반응기;를 포함하는 미세조류의 배양장치.
   
9. 제 8항에 있어서,
   상기 광원 공급부는 태양광, 형광등, 백열등 및 LED를 포함하는 군에서 선택되는 1 이상의 광원을 구비한 것을 특징으로 하는 미세조류의 배양장치.
   
10. 제 8항에 있어서,
    상기 섬광 조절부는 1 내지 180 회/분(min)의 섬광을 조사하는 것을 특징으로 하는 미세조류의 배양장치.
    
11. 제 8항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미세조류의 배양장치는 미세조류의 지질 생산능을 증대시키는 것을 특징으로 하는 미세조류의 배양장치.
    
12. 제 8항 내지 제 10항 중 어느 한 항의 미세조류의 배양장치를 이용하여 미세조류의 폐수 내 함유된 질소와 인의 제거능을 증대시키는 폐수의 처리장치.
    
    

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