KR101626394B1 - 활동성 어류를 이용한 옥외 배양시 응집성 미세조류의 바이오매스 생산성을 증가시키는 방법 - Google Patents
활동성 어류를 이용한 옥외 배양시 응집성 미세조류의 바이오매스 생산성을 증가시키는 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 응집성 미세조류의 옥외 배양시 활동성 어류를 첨가하여 배양하는 것을 특징으로 하는 응집성 미세조류의 바이오매스 생산성을 증가시키는 방법 및 활동성 어류를 유효성분으로 함유하는 옥외 배양시 응집성 미세조류의 바이오매스 생산성 증가용 조성물을 제공한다.
Description
본 발명은 활동성 어류를 이용한 옥외 배양시 응집성 미세조류의 바이오매스 생산성을 증가시키는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 응집성 미세조류의 옥외 배양시 활동성 어류를 옥외 배양조에 첨가하여 배양하는 것을 특징으로 하는 응집성 미세조류의 바이오매스 생산성을 증가시키는 방법 및 활동성 어류를 유효성분으로 함유하는 옥외 배양시 응집성 미세조류의 바이오매스 생산성 증가용 조성물에 관한 것이다.
최근 기능적 다양성으로 인해 광합성 미생물이나 미세조류에 관한 관심이 높아지고 있으며, 다양한 분야에서 그 연구의 범위가 넓어지고 있다. 미세조류는 광합성 능력을 보유함에 따라, 지구온난화와 같은 환경 문제로 인해 최근 큰 관심의 대상이 되고 있는 이산화탄소 절감에 관한 연구에 활발히 사용되고 있으며, 화석연료의 고갈에 대비한 지속가능한 에너지원으로 주목되고 있는 바이오 디젤, 바이오 에탄올 및 수소가스 등과 같은 바이오에너지의 생산과 관련된 연구에도 활용되고 있다. 그러나 미세조류를 이용한 양적으로 의미 있는 이산화탄소의 제거나, 바이오에너지와 같은 유용한 산물의 대량생산을 위해서는 반드시 미세조류 배양이 대규모적이고 고농도로 이루어져야 한다. 따라서, 규모가 큰 배양설비의 구축과 관련된 기술이 필수적으로 요구되고 있는 실정이다.
특히, 미세조류를 옥외에서 대량배양할 때, 배양 규모가 커질수록 미세조류 배양액의 혼합 효율이 낮아지는 지역이 증가하거나, 혼합을 위해 상대적으로 많은 에너지를 필요로 하거나, 또는 미세조류를 섭식하는 동물 플랑크톤이 서식, 성장하게 되어 미세조류 생산성이 급격하게 감소하는 문제가 발생한다. 종래에는 미세조류의 혼합을 위해 패들 휠(paddle wheel) 또는 제트 스트림(zet stream) 등을 이용하였으나 미세조류 배양 시스템의 규모가 커질수록 이들 기계적 장치에 의한 혼합은 효율이 떨어지고, 혼합 효과가 매우 낮은 데드 존(dead zone)들이 넓게 형성되기 쉬웠다. 따라서, 현재, 미세조류의 수평적, 수직적 혼합을 극대화시킬 수 있는 경제적인 시스템이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
한편, 한국등록특허 제0044091호에서는 '미세조류-어류 공생 생산공장'이 개시되어 있고, 한국등록특허 제0003891호에서는 '공생을 통한 미세녹조와 물고기의 생산방법'이 개시되어 있으나, 본 발명에서와 같이 '활동성 어류를 이용한 옥외 배양시 응집성 미세조류의 바이오매스 생산성을 증가시키는 방법'에 대해서는 밝혀진 바가 전혀 없다.
본 발명은 상기와 같은 요구에 의해 도출된 것으로서, 본 발명에서는 미세조류의 수평적, 수직적 혼합을 극대화시킬 수 있는 경제적인 시스템을 개발하고자 응집성 미세조류인 에틀리아 속 YC001(Ettlia sp. YC001) 균주의 옥외 배양시 활동성 어류인 미꾸라지(loach)를 옥외 배양조에 첨가하고 수동 혼합(1일 1회)하여 배양한 결과, 수동 혼합(1일 1회) 시스템 단독 또는 워터 펌프와 수동 혼합(1일 1회)을 병행하여 배양하는 시스템보다 바이오매스 생산성 및 지질생산성이 현저히 증가하는 것을 확인하였다. 또한 기존에 미세조류 배양시 미세조류를 섭식하는 동물 플랑크톤이 서식, 성장하게 되어 미세조류 생산성이 급격하게 감소하는 문제점이 발생하는데, 본 발명에 따른 미꾸라지 혼합 배양을 이용할 경우, 미세조류 배양액의 혼합효과를 높이고, 부가적으로 동물 플랑크톤을 제어하여 궁극적으로 옥외 배양시 미세조류의 바이오매스 생산량을 증대시킬 수 있는 점을 확인함으로써, 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 응집성 미세조류의 옥외 배양시 활동성 어류를 옥외 배양조에 첨가하여 배양하는 것을 특징으로 하는 응집성 미세조류의 바이오매스 생산성을 증가시키는 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 활동성 어류를 유효성분으로 함유하는 옥외 배양시 응집성 미세조류의 바이오매스 생산성 증가용 조성물을 제공한다.
본 발명은 비응집성 미세조류(non-flocculating microalgae)에 비해 수확(harvesting)이 유리하고 지질 함량이 높아 바이오디젤 생산에 유리하지만 혼합시 침강율(sedimentation rate)이 높아 혼합 효율이 떨어져 바이오매스 생산성에 문제가 있었던 응집성 미세조류를 옥외에서 효과적으로 배양할 수 있는 경제적인 배양 시스템으로 제공될 수 있다. 따라서, 본 발명은 옥외에서 응집성 미세조류의 바이오매스의 대량 생산, 안정적인 균주 배양, 바이오메스의 수확 및 산업화 공정에 따른 경제적 비용 절감 등 그 파급 효과가 크다고 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 미꾸라지 공동 배양에 의한 미세조류 바이오매스 생산성 증대에 대한 개념적 도면이다. 기존에 미꾸라지와 미세조류는 필수 영양분 제공에 의한 공생 작용이 성립되어 왔다. 본 발명에서는 밑면의 어류인 미꾸라지를 에틀리아 속 YC001(Ettlia sp. YC001) 균주와 같은 응집성 미세조류의 혼합율을 향상시키기 위해 배양 시스템에서 추가로 제공했고, 따라서 전반적인 미세조류 바이오매스 생산성을 향상시켰다.
도 2는 사각 수조에서 배양되는 미세조류의 침강율을 측정하기 위해 샘플을 채취한 위치를 나타낸다. 벽면으로부터 11㎝ 떨어지고, 바닥으로부터 5㎝, 10㎝, 15㎝가 떨어진 6곳에서 채취하였다.
도 3은 본 발명의 3가지 배양법에 의한 에틀리아 속 YC001 균주의 바이오매스 생산성을 나타낸다. 파란선, 폭기(aeration) + 미꾸라지 10 마리 + 수동 혼합; 빨강선, 폭기 + 수동 혼합; 초록선, 폭기 + 워터 펌프 + 수동 혼합. 파란선은 선형 회귀곡선(r2 = 0.89, linear coefficient = 0.12±0.02)을 나타내고, 양성 선형 계수는 에틀리아 속 YC001 균주가 침전되지 않고 부유가 잘 되고 있음을 나타낸다. 빨강선 및 녹색선은 3 변수 지수 감소 곡선(DCW(t) = DCW(t0) + a*exp(-b*x))에 의한 회귀곡선을 나타낸다. 빨강선 및 녹색선에 대한 회귀 계수(r2)는 각각 0.99 및 0.96이다.
도 4는 본 발명의 3가지 배양법에 의한 에틀리아 속 YC001(a) 및 클로렐라 불가리스(b)의 바이오매스 농도 프로파일을 나타낸다. 파란선, 폭기 + 미꾸라지 10 마리 + 수동 혼합; 빨강선, 폭기 + 수동 혼합; 초록선, 폭기 + 워터 펌프 + 수동 혼합. 4 변수 시그모이드 커브(DCW(t) = DCW(t0) + a/(1+exp(-(t-t0)/b))에 의한 DCW 데이터로, DCW(t0) + a'은 정상상태(steady-state)에서 바이오매스 농도를 제공한다. 에틀리아 속 YC001 균주는 배양 25일째 정상상태에 이르는 반면, 클로렐라 불가리스는 배양 15일째 정상상태에 이른다.
도 5는 본 발명의 3가지 배양법에 의한 에틀리아 속 YC001 및 클로렐라 불가리스의 바이오매스 생산성(g/L/day)을 나타낸다. Aeration + Loach, 폭기 + 미꾸라지 10 마리 + 수동 혼합; Aeration, 폭기 + 수동 혼합; Aeration + Pump, 폭기 + 워터 펌프 + 수동 혼합.
도 6은 본 발명의 3가지 배양법에 의한 에틀리아 속 YC001 균주의 침강율을 나타낸다. 대표적인 응집성 미세조류인 에틀리아 속 YC001 균주는 폭기 + 수동 혼합, 폭기 + 워터 펌프 + 수동 혼합 시스템에서 비교적 높은 침강율을 나타냈다. 대조적으로, 에틀리아 속 YC001 균주는 폭기 + 미꾸라지 10 마리 + 수동 혼합 시스템에서는 검출 가능한 침강율이 나타나지 않았다.
도 2는 사각 수조에서 배양되는 미세조류의 침강율을 측정하기 위해 샘플을 채취한 위치를 나타낸다. 벽면으로부터 11㎝ 떨어지고, 바닥으로부터 5㎝, 10㎝, 15㎝가 떨어진 6곳에서 채취하였다.
도 3은 본 발명의 3가지 배양법에 의한 에틀리아 속 YC001 균주의 바이오매스 생산성을 나타낸다. 파란선, 폭기(aeration) + 미꾸라지 10 마리 + 수동 혼합; 빨강선, 폭기 + 수동 혼합; 초록선, 폭기 + 워터 펌프 + 수동 혼합. 파란선은 선형 회귀곡선(r2 = 0.89, linear coefficient = 0.12±0.02)을 나타내고, 양성 선형 계수는 에틀리아 속 YC001 균주가 침전되지 않고 부유가 잘 되고 있음을 나타낸다. 빨강선 및 녹색선은 3 변수 지수 감소 곡선(DCW(t) = DCW(t0) + a*exp(-b*x))에 의한 회귀곡선을 나타낸다. 빨강선 및 녹색선에 대한 회귀 계수(r2)는 각각 0.99 및 0.96이다.
도 4는 본 발명의 3가지 배양법에 의한 에틀리아 속 YC001(a) 및 클로렐라 불가리스(b)의 바이오매스 농도 프로파일을 나타낸다. 파란선, 폭기 + 미꾸라지 10 마리 + 수동 혼합; 빨강선, 폭기 + 수동 혼합; 초록선, 폭기 + 워터 펌프 + 수동 혼합. 4 변수 시그모이드 커브(DCW(t) = DCW(t0) + a/(1+exp(-(t-t0)/b))에 의한 DCW 데이터로, DCW(t0) + a'은 정상상태(steady-state)에서 바이오매스 농도를 제공한다. 에틀리아 속 YC001 균주는 배양 25일째 정상상태에 이르는 반면, 클로렐라 불가리스는 배양 15일째 정상상태에 이른다.
도 5는 본 발명의 3가지 배양법에 의한 에틀리아 속 YC001 및 클로렐라 불가리스의 바이오매스 생산성(g/L/day)을 나타낸다. Aeration + Loach, 폭기 + 미꾸라지 10 마리 + 수동 혼합; Aeration, 폭기 + 수동 혼합; Aeration + Pump, 폭기 + 워터 펌프 + 수동 혼합.
도 6은 본 발명의 3가지 배양법에 의한 에틀리아 속 YC001 균주의 침강율을 나타낸다. 대표적인 응집성 미세조류인 에틀리아 속 YC001 균주는 폭기 + 수동 혼합, 폭기 + 워터 펌프 + 수동 혼합 시스템에서 비교적 높은 침강율을 나타냈다. 대조적으로, 에틀리아 속 YC001 균주는 폭기 + 미꾸라지 10 마리 + 수동 혼합 시스템에서는 검출 가능한 침강율이 나타나지 않았다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 응집성 미세조류의 옥외 배양시 활동성 어류를 옥외 배양조에 첨가하여 배양하는 것을 특징으로 하는 응집성 미세조류의 바이오매스 생산성을 증가시키는 방법을 제공한다.
본 발명의 일 구현 예에 따른 방법에서, 상기 활동성 어류는 미꾸라지, 뱀장어 또는 참붕어일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 일 구현 예에 따른 방법은 비응집성 미세조류(non-flocculating microalgae)에 비해 응집성 미세조류의 바이오매스 생산성 증가에 적합하다. 응집성 미세조류는 비응집성 미세조류에 비해 혼합 시 침강율(sedimentation rate)이 높아 바이오매스 생산성이 떨어지지만, 비응집성 미세조류에 비해 수확(harvesting)이 유리하여 경제적이고 지질 함량이 높아 바이오디젤 생산에 유리하다. 따라서, 본 발명의 방법은 비응집성 미세조류에 비해 장점이 많은 응집성 미세조류의 바이오매스 생산성을 증가시키는데 유용하다.
본 발명의 일 구현 예에 따른 방법에서, 상기 응집성 미세조류는 에틀리아 속(Ettlia sp.), 세네데스무스 속(Scenedesmus sp.), 페디아스트룸 속(Pediastrum sp.), 콜레오스트룸 속(Coelostrum sp.) 또는 일부 클로렐라 속(Chlorella sp.) 균주일 수 있으며, 바람직한 에틀리아 속 균주로는 에틀리아 카로티노사(Ettlia carotinosa), 에틀리아 올레오어분단스(Ettlia oleoabundans), 에틀리아 슈도알베올라리스(Ettlia pseudoalveolaris), 에틀리아 텍센시스(Ettlia texensis) 또는 에틀리아 속 YC001(Ettlia sp. YC001)일 수 있으며, 바람직한 세네데스무스 속 균주로는 세네데스무스 어분단스(Scenedesmus abundans), 세네데스무스 아쿠터스(Scenedesmus acutus) 또는 세네데스무스 디모르퍼스(Scenedesmus dimorphus)일 수 있으며, 바람직한 페디아스트룸 속 균주로는 페디아스트룸 안굴로숨(Pediastrum angulosum), 페디아스트룸 베롤리넨세(Pediastrum berolinense), 페디아스트룸 브라우니(Pediastrum braunii) 또는 페디아스트룸 듀플렉스(Pediastrum duplex)일 수 있으며, 바람직한 콜레오스트룸 속 균주는 콜레오스트룸 아스트로이데움(Coelostrum astroideum), 콜레오스트룸 캄브리컴(Coelostrum cambricum), 콜레오스트룸 마이크로포룸(Coelostrum microporum), 콜레오스트룸 모룸(Coelostrum morum), 콜레오스트룸 프로보시데움(Coelostrum proboscideum), 콜레오스트룸 슈도마이크로포룸(Coelostrum pseudomicroporum), 콜레오스트룸 펄크룸(Coelostrum pulchrum) 또는 콜레오스트룸 스패리쿰(Coelostrum sphaericum)일 수 있으며, 바람직한 클로렐라 속 균주는 클로렐라 파루아(Chlorella parua), 클로렐라 피레노이도사(Chlorella pyrenoidosa), 클로렐라 레귤라리스(Chlorella regularis) 또는 클로렐라 소로키니아나(Chlorella sorokiniana)일 수 있으며, 가장 바람직한 응집성 미세조류는 에틀리아 속 YC001(Ettlia sp. YC001) 균주일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 응집성 미세조류의 배양 조건 및 배지는 당업계에 공지된 임의의 방법을 이용할 수 있으며, 특정 방법에 특별히 제한되는 것은 아니다. 바람직하게는 4℃ 내지 36℃의 온도에서 배양할 수 있으며, 응집성 미세조류 배양 배지는 당업계에서 일반적으로 통용되는 배지를 이용할 수 있다.
본 발명의 일 구현 예에 따른 방법에서, 상기 활동성 어류는 옥외 배양조 바닥 면적(m2) 당 30~100 마리로 첨가하여 배양할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 일 구현 예에 따른 방법에서, 상기 배양은 회분배양(batch culture) 방법 또는 유가배양(fed-batch culture) 방법일 수 있고, 바람직하게는 회분배양(batch culture) 방법일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 일 구현 예에 따른 방법에서, 상기 배양은 수동 혼합 배양법을 추가로 포함하여 수행하는 것일 수 있고, 바람직하게는 스크랩퍼(scraper)를 이용하여 가라앉은 침전물이 부유하여 배양액이 혼탁해질까지 4~8분 동안 저어주는 수동 혼합 방법을 추가로 포함하여 수행하는 것일 수 있고, 가장 바람직하게는 스크랩퍼(scraper)를 이용하여 가라앉은 침전물이 부유하여 배양액이 혼탁해질까지 5분 동안 저어주는 수동 혼합 방법을 추가로 포함하여 수행하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 일 구현 예에 따른 방법에서, 상기 활동성 어류는 응집성 미세조류의 혼합효율 증대와 동물플랑크톤(zooplankton) 제어를 통해 응집성 미세조류의 바이오매스 생산성을 증가시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 활동성 어류를 유효성분으로 함유하는 옥외 배양시 응집성 미세조류의 바이오매스 생산성 증가용 조성물을 제공한다.
본 발명의 일 구현 예에 따른 조성물에서, 상기 활동성 어류는 미꾸라지, 뱀장어 또는 참붕어일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 일 구현 예에 따른 조성물에서, 상기 응집성 미세조류는 에틀리아 속(Ettlia sp.), 세네데스무스 속(Scenedesmus sp.), 페디아스트룸 속(Pediastrum sp.), 콜레오스트룸 속(Coelostrum sp.) 또는 일부 클로렐라 속(Chlorella sp.) 균주일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 일 구현 예에 따른 조성물은 미세조류의 배양에 필요한 배양 배지와 같은 성분들을 추가로 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
재료 및 방법
미세조류 균주 및 배양
실험에 사용된 균주는 에틀리아 속 YC001(Ettlia sp. YC001) 및 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris)이며, 에틀리아 속 YC001 균주는 2013년 대전에서 분리한 균주이다(Yoo, 2013, Bioresour Technol, 127, 482-8). 에틀리아 속 YC001 균주는 침강성이 우수한 반면 클로렐라 불가리스는 기계적으로 약한 혼합을 통해서도 잘 부유하는 성질을 가진 미세조류이다. 두 미세조류의 배양은 연속적으로 BG11 배지(Stanier, 1971, Bacteriol Rev, 35(2), 171-205)가 공급되는 4 L 규모의 광반응기에서 배양되었다. 각 광반응기의 실제 작동 부피는 3L이었으며, 3파장 형 광등을 이용하여 240umol photon m-2s- 1 의 빛과 1% CO2 혼합 가스를 1.3 vvm의 유속으로 연속적으로 공급하였다. 광반응기의 온도는 수조(JSRC-13C, JS Research Inc., KOREA)를 이용하여 23℃를 유지하였으며, 각 광반응기의 HRT(Hydraulic Retention time)는 8일로 운전하였다.
미세조류 배양 시스템 및 혼합 방법
미세조류 배양 시스템은 아크릴로 제작된 20(W)>50(L)>30(H)cm 크기 (내경 기준)의 장방형 반응기에서 이루어졌으며, 작동 부피는 20L로 설정하였다. 반응기 내 미세조류의 혼합 방법은 다음과 같이 3가지 방법을 사용하였다. 1) 폭기 + 수동 혼합 (1회/일), 2) 폭기 + 워터 펌프 (8W, SYNCRA 0.5, ITALY) + 수동 혼합 (1회/일), 그리고 3) 폭기 + 미꾸라지 10 마리 + 수동 혼합 (1회/일). 상기 수동 혼합을 위해 매일 같은 시간(아침 9시)에 스크랩퍼(scraper)를 이용하여 가라앉은 침전물이 부유하여 배양액이 혼탁해질까지 대략 5분 정도 저어주었다.
각 반응기는 warm-white LED (3700K) 투광기 (KFL P50, KOREA)를 이용하여 빛을 공급하였으며, L/D 주기는 16:8로 설정하였다. 이러한 조명 조건에서 배양기 표면의 광도는 평균 540 μmol photon m-2s-1 이었다. 반응기의 pH는 2.5% CO2 혼합 가스를 0.1 vvm의 유량으로 연속적으로 공급하여 조절하였으며, 이러한 조건에서 pH는 6.8-8.2의 일변화를 보였다. 실험기간 동안 4일 간격으로 배양액 4L를 채취하고, 새 BG11 배지 4L를 공급하는 회분 배양 방법을 이용하여 미세조류를 배양하였으며, 총 실험 기간은 32일 이었다.
각 반응기에서의 미세조류의 공간적 농도 분포
각 미세조류 배양시스템에서 혼합 방법의 효율을 평가하기 위해 배양기 내 6개 지점에서 수동 혼합 직후부터 30분 간격으로 시료를 채취하여 건조중량 (DCW, dry cell weight)과 흡광도 OD 680 (optical density at 680 nm)를 측정하였다. 선택된 6개의 시료채취 지점들은 배양기 바닥으로부터 높이 각 5, 10, 15 cm, 그리고 앞 및 뒷면으로부터는 각 11 cm 떨어진 곳들을 선정하였다. 각 시료의 건조중량 및 흡광도의 시간적 변화를 통해 각 배양시스템에서 미세조류의 공간적 농도 분포와 침강성을 계산하였다.
미세조류 바이오매스 및 지질 생산성
각 배양시스템에서의 바이오매스 생산성은 4일 간격으로 채취된 시료의 건조중량을 이용하여 계산하였다. 각 시료의 건조중량은 다음과 같은 방법으로 분석하였다. 먼저, 5 ml의 배양액을 채취한 뒤, GF/C glass-fiber filter (45μm 공극 크기, 20 mm 직경, Whatman, USA)를 이용하여 미세조류와 배양액을 분리하였다. 그런 후, 미세조류가 부착된 필터들을 105℃에서 하룻동안 건조시킨 후, 필터링 전, 후 무게를 비교하여 미세조류들의 건조중량을 계산했다. 각 시료들의 건조중량은 3회 반복하여 측정하였다.
미세조류 시료의 지질 함량은 Lee et al(Lee et al, 2010, Bioresource technology 101, s75-77)가 제안한 방법을 약간 수정하여 사용하였다. 미세조류 시료로부터 지질을 추출하기 위하여, 50ml의 미세조류 배양 시료를 3000 rpm에 15분간 원심분리를 시켰다. 그런 다음 상등액은 제거하고, 남겨진 펠렛에 클로로포름/메탄올 1:1 용액 20ml을 넣고, 30분간 볼텍싱한 후, 오비탈 쉐이커(FINEPCR, KOREA)에서 1시간 동안 반응시켰다. 그런 다음, 9ml의 증류수를 반응액에 넣어주고, 상온에서 밤새 반응시켰다. 이 때, 지질은 클로로포름/메탄올 1:1 용액에 추출되었고, 클로로포름과 메탄올/물 층으로 나뉘어진다. 클로로포름 층을 따내어 0.45μm 유기용매용 필터(Sartorius, GERMANY)를 이용해 알루미늄 접시(Aluminum weighing dishes) 위에 필터링 해준 뒤, 증발시켰다. 필터링 전후의 알루미늄 접시 무게 차이와 바이오매스 건조중량 값을 이용하여 지질함량을 계산하였다.
실시예 1. 배양 방법에 따른 미세조류의 바이오매스 변화
서로 다른 가지 방법(폭기 + 수동 혼합 (1회/일), 폭기 + 워터 펌프 (8W, SYNCRA 0.5, ITALY) + 수동 혼합 (1회/일), 폭기 + 미꾸라지 10 마리 + 수동 혼합 (1회/일))을 적용한 배양시스템에서 수동으로 배양액을 혼합한 다음, 우선 특정 위치(도 2 참고)에서 미세조류 에틀리아 속 YC001의 농도를 시간별로 조사하였다(도 3). 미세조류의 농도 변화가 클수록 혼합효율은 상대적으로 좋지 않은 것으로 해석하는데, 도 3에서 보면, 혼합효율이 가장 좋은 시스템은 파란선(폭기 + 미꾸라지 10 마리 + 수동 혼합)이며 시간이 지남에 따라 미세조류의 빨강선(폭기 + 수동 혼합) 및 초록선(폭기 + 워터 펌프 + 수동 혼합)과는 대조적으로 이 시스템에서는 미세조류의 농도가 감소하지 않았다. 이것은 미꾸라지들의 움직임에 의해 침강성이 높은 미세조류인 에틀리아 속 YC001 균주가 가라앉지 않고 오히려 더 잘 부유하고 있음을 나타내고 있다(도 3).
상기 언급한 세가지 방법을 이용하여 에틀리아 속 YC001 및 클로렐라 불가리스를 배양하면서 각 미세조류의 농도(건조 중량)를 비교하였다(도 4). 각 배양시스템은 4일에 한 번씩 4L의 배양액을 채취하고, 새로운 배지 4L를 공급하는 방식(Fed-batch)으로 운영되었다. 에틀리아 속 YC001 균주는 배양 25일차에 그리고 클로렐라 불가리스는 배양 15일차에 정상상태(steady state)에 들어갔으며 두 미세조류 모두 혼합효율이 높았던 폭기 + 미꾸라지 10 마리 + 수동 혼합 시스템에서 가장 많은 바이오매스가 생산되었다(도 4).
또한, 각 배양시스템의 미세조류 바이오매스 생산성(g/L/day)을 조사하였다(도 5). 에틀리아 속 YC001 및 클로렐라 불가리스 모두 폭기 + 미꾸라지 10 마리 + 수동 혼합 시스템에서 가장 높은 바이오매스 생산성을 보여주었다. 또한, 침강성이 낮은 클로렐라 불가리스(하기 실시예 2 참고)의 경우에는 폭기 + 미꾸라지 10 마리 + 수동 혼합 시스템에서의 바이오매스 생산성이 폭기 + 수동 혼합 시스템 대비 약 11.2% 정도 증가하는 반면, 침강성이 높은 에틀리아 속 YC001 균주는 폭기 + 미꾸라지 10 마리 + 수동 혼합 시스템에서의 바이오매스 생산성이 폭기 + 수동 혼합 시스템 대비 약 29.4% 증가하였다. 따라서, 침강성이 높은 미세조류의 바이오매스 생산성이 혼합 방법에 따라 크게 영향을 받는 것으로 평가할 수 있으며, 이러한 측면에서 미꾸라지를 이용한 생물학적 혼합 방법이 침강성 높은 미세조류의 바이오매스 생산성 증대에 매우 효율적이라고 판단된다.
실시예 2. 배양 방법에 따른 미세조류 에틀리아 속 YC001 및 클로렐라 불가리스의 침강도 변화
상기 언급한 세가지 방법을 이용하여 에틀리아 속 YC001 및 클로렐라 불가리스를 배양하면서 각 미세조류의 침강도를 비교한 것이다(도 6). 침강성이 높은 미세조류인 에틀리아 속 YC001 균주는 폭기 + 수동 혼합 및 폭기 + 워터 펌프 시스템에서 높은 침강도를 보여준 반면 생물학적 혼합방법 시스템인 폭기 + 미꾸라지 10 마리 + 수동 혼합에서는 미꾸라지 움직임에 의해 에틀리아 속 YC001 균주가 끊임없이 부유하게 되므로, 침강도를 측정할 수 없었다. 이와 대조적으로 침강성이 낮은 미세조류인 클로렐라 불가리스는 3가지 시스템 모두에서 잘 부유하여 침강도를 측정할 수 없었다(도 6).
실시예 3. 최적 배양 방법에 따른 미세조류 에틀리아 속 YC001 균주의 바이오매스 및 지질 생산성 변화
본 발명의 3가지 배양시스템에서의 에틀리아 속 YC001 균주의 바이오매스 생산성과 지질 생산성 값들을 살펴보면 표 1과 같다. 폭기 + 수동 혼합만을 이용한 배양시스템을 대조군(control)으로 가정하였을 경우, 폭기 + 미꾸라지 10 마리 + 수동 혼합 방법에서는 폭기 + 수동 혼합 대비 바이오매스 생산성과 지질생산성이 각각 29.4% 와 19.2% 증가율을 보였다.
|
Mixing
Methods |
Biomass Productivity
#1
(mg/L/day) |
Biomass Productivity Increase (%) |
Lipid
Content #2 (%) |
Lipid
Productivity (mg/L/day) |
Lipid Productivity Increase (%) |
| Aeration + Loach | 68.60±12.01 | +29.39 | 21.95±1.06 | 15.06 | +19.2 |
| Aeration | 53.00±5.01 | - | 23.83±4.01 | 12.63 | - |
| Aeration + Pump | 41.80±7.02 | -21.21 | 25.94±2.99 | 10.84 | -14.1 |
#1: 4-변수 시그모이드 회귀 곡선을 이용하여 곡선 피팅(fitting)으로부터 얻은 평가된 바이오매스 생산성
#2: 유가식 배양에서 정상상태의 시료로부터 얻은 평균값
종합적으로, 침강성이 우수한 에틀리아 속 YC001 균주를 혼합 효율이 제일 좋은 폭기 + 미꾸라지 10 마리 + 수동 혼합방법에서 배양을 할 경우 미꾸라지의 움직임에 의해 끊임없이 에틀리아 속 YC001 균주가 부유하게 되면서 배양기 표면의 빛에 노출되는 빈도가 증가하게 되고, 결과적으로 에틀리아 속 YC001 균주를 효율적으로 부유시켜 주지 못한 다른 혼합방법들에 비해 더 많은 바이오매스를 생산할 수 있었다. 반면, 클로렐라 불가리스의 경우도 폭기 + 미꾸라지 10 마리 + 수동 혼합방법에서 가장 좋은 바이오매스 생산성을 보여주었지만, 에틀리아 속 YC001 균주와 비교했을 때, 혼합 방법의 차이에 따라 바이오매스 생산성이 상대적으로 큰 차이를 보이진 않았다. 이는 클로렐라 불가리스가 어떤 혼합방법에서든 쉽게 부유되어, 배양기 표면으로 조사되는 빛에 노출되는 빈도가 혼합방법에 의해 크게 영향 받지 않기 때문인 것으로 분석된다.
Claims (10)
- 에틀리아 속(Ettlia sp.) 균주의 옥외 배양시 활동성 어류를 옥외 배양조에 첨가하고, 스크랩퍼(scraper)를 이용하여 가라앉은 침전물이 부유하여 배양액이 혼탁해질때까지 저어주는 수동 혼합과 폭기를 동시에 수행하면서 배양하는 것을 특징으로 하는 에틀리아 속(Ettlia sp.) 균주의 바이오매스 생산성을 증가시키는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 활동성 어류는 미꾸라지, 뱀장어 또는 참붕어인 것을 특징으로 하는 방법.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 활동성 어류는 옥외 배양조 바닥 면적(m2) 당 30~100 마리로 첨가하여 배양하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 배양은 회분배양(batch culture)인 것을 특징으로 하는 방법.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 활동성 어류는 응집성 미세조류의 혼합효율 증대와 동물플랑크톤(zooplankton) 제어를 통해 응집성 미세조류의 바이오매스 생산성을 증가시키는 것을 특징으로 하는 방법.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
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|---|---|---|---|
| KR1020150032593A KR101626394B1 (ko) | 2015-03-09 | 2015-03-09 | 활동성 어류를 이용한 옥외 배양시 응집성 미세조류의 바이오매스 생산성을 증가시키는 방법 |
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|---|---|---|---|
| KR1020150032593A KR101626394B1 (ko) | 2015-03-09 | 2015-03-09 | 활동성 어류를 이용한 옥외 배양시 응집성 미세조류의 바이오매스 생산성을 증가시키는 방법 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN110731279A (zh) * | 2019-10-28 | 2020-01-31 | 长江大学 | 一种提高温室大棚内人工仿生态繁育黄鳝产卵率的方法 |
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| 박종만, 한국과학기술원, 석사학위논문 (1991.12.30.)* * |
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|---|---|---|---|---|
| CN110731279A (zh) * | 2019-10-28 | 2020-01-31 | 长江大学 | 一种提高温室大棚内人工仿生态繁育黄鳝产卵率的方法 |
| CN110731279B (zh) * | 2019-10-28 | 2021-12-28 | 长江大学 | 一种提高温室大棚内人工仿生态繁育黄鳝产卵率的方法 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| R401 | Registration of restoration |