KR101670703B1

KR101670703B1 - 지질 함량이 증진된 미세조류의 배양방법

Info

Publication number: KR101670703B1
Application number: KR1020140040275A
Authority: KR
Inventors: 이기세; 김가람; 이철균
Original assignee: 명지대학교 산학협력단
Priority date: 2014-04-04
Filing date: 2014-04-04
Publication date: 2016-11-02
Also published as: KR20150116053A

Abstract

본 발명은 지질 함량이 증진된 미세조류의 배양방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 바이오디젤 오일 원료로 이용되는 지질의 생산량을 증가시키기 위한 미세조류 배양방법에 관한 것이다.
상기와 같은 본 발명에 따르면 염도 등 배양조건 변화를 통해 미세조류를 배양함으로써 세포내 지질 함량을 증가시켜 주어진 배양액 부피당 지질 생산성을 높일 수 있는 효과가 있다.

Description

지질 함량이 증진된 미세조류의 배양방법{CULTURING METHOD OF MICROALGAE FOR INCREASING LIPID CONTENT}

본 발명은 지질 함량이 증진된 미세조류의 배양방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 바이오디젤 오일 원료로 이용되는 지질의 생산량을 증가시키기 위한 미세조류 배양방법에 관한 것이다.

석유 파동 위기로 화석 연료 기반 산업이 흔들리고 지구 온난화와 같은 환경 문제로 인하여 이를 대체할 수 있는 대체에너지에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 대체에너지로서 바이오디젤은 이미 산업적으로 생산되고 있고, 주로 작물을 이용하고 있으나 작물은 식용으로 이용되어 작물을 대체할 수 있는 자원으로 미세조류를 활용하고 있다. 그러나, 미세조류가 생산하는 지질의 함량이 낮아 이를 높일 수 있는 방안이 필요한 실정이다. 관련 선행기술로는 한국 공개특허 10-2011-0077723(바이오 디젤 및 그 제조방법), 한국 등록특허 10-1246723(방사선 조사에 의해 지질 함량이 증가된 세네데스무스 디모르푸스 6G, 이의 생산방법 및 상기 세네데스무스 디모르푸스 6G를 이용한 바이오 디젤의 제조방법) 등이 있다.

광합성 미생물인 미세조류는 이산화탄소와 물, 그리고 태양 에너지를 이용하여 에너지원인 유기물을 합성하고 산소를 생산하는 광합성 생물이다. 미세조류는 이산화탄소를 고정화시킬 수 있고 단백질 및 지질 함량이 높으므로 식품, 사료 또는 연료 생산용 바이오매스(biomass)로 활용될 수 있다. 구체적으로, 미세조류에 함유된 지질 성분은 액체연료로 사용되는 바이오디젤 오일 생산의 원료로 사용될 수 있다. 미세조류의 지질 성분 중 트리글리세라이드와 같은 중성지방을 세포로부터 추출한 후 메탄올과 같은 저분자 알코올과 에스테르교환(trans-esterification) 반응으로 바이오디젤인 지방산 알킬 에스테르로 전환시키는 것이다.

미세조류 바이오매스에는 통상적으로 15~30 %의 지질이 포함되어 있고 일부 특별한 종에서는 50 % 이상이 포함되어 있기도 하다. 하지만 고지질 함유 미세조류는 보통 성장속도가 느려 바이오디젤용 지질 생산의 생산성이 높지 않으므로 지질함량이 15~30 %로 다소 낮더라도 성장속도가 빠른 미세조류를 사용하는 것이 생산성 면에서 유리하다. 미세조류에 의한 지질 생산의 특징 중 하나가 활발하게 성장 분열하는 성장속도가 큰 조건에서는 지질함량이 낮은 반면 배양조건 상의 특정 환경적 스트레스가 존재할 때 성장이 느려지면서 세포내 지질합성 속도가 빨라져 지질함량이 증가한다는 것이다. 미세조류의 성장속도가 높은 조건에서 계속 배양을 하면 주어진 시간 동안 바이오매스 생산량은 늘어날 수 있으나 지질 함량이 작아져 결국 지질 생산성이 감소하게 된다. 지질생산성은 (미세조류 세포 성장속도)ㅧ(세포 건조 중량당 지질함량)으로 산출한다.

본 발명의 목적은 바이오디젤 오일 원료로 이용되는 지질의 생산량을 증대시키기 위한 미세조류의 배양방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 염도가 3.5 내지 30 psu(practical salinity unit)로 조절된 배양 배지에서 미세조류를 배양하여 미세조류 내 지질 함량을 증대시키는 미세조류의 배양방법을 제공한다.

상기 미세조류는 두날리엘라(Dunalliella), 클라미도모나스(Chlamydomonas), 유글레나(Euglena), 테트라셀미스(Tetraselmis), 난노클로롭시스(Nannochloropsis), 코코믹사(Coccomyxa), 패오닥티룸(Phaeodactylum), 시조키트리움(Schizochytrium), 클로렐라(Chlorella), 아이소크리시스(Isochrysis), 포피리디움(Porphyridium), 카에토세로스(Chaetoceros), 헤마토코코스(Haematococcus), 크리테코니디움(Crythecodinium) 또는 아르스로피라(Arthrospira)인 것을 특징으로 한다.

상기 염도는 NaCl을 이용하여 3.5 내지 30 psu로 조절하는 것을 특징으로 한다.

상기 미세조류의 배양방법은 (1) 염도가 35 psu인 배양 배지에서 미세조류를 1차 배양하는 단계와 (2) 상기 1차 배양한 미세조류를 염도가 3.5 내지 30 psu인 배양 배지에서 2차 배양하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 (1)단계에서 1차 배양은 온도 10 내지 35 ℃, 광도 20 내지 1,000 μmol/m²/s, 1 내지 10 %(v/v)의 CO₂ 공급속도 0.01 내지 2 vvm, NaNO₃의 농도 10 내지 2,000 mg/L 조건에서 배양하는 것을 특징으로 한다.

상기 (2)단계에서 2차 배양은 미세조류를 0.1 내지 1.5 g/L 농도로 접종하여 온도 10 내지 35 ℃, 광도 20 내지 1,000 μmol/m²/s, 공기 공급속도 0.01 내지 2 vvm, NaNO₃의 농도 10 내지 2,000 mg/L 조건에서 배양하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명에 따르면 염도 등 배양조건 변화를 통해 미세조류를 배양함으로써 세포내 지질 함량을 증가시켜 주어진 배양액 부피당 지질 생산성을 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 실시예 1에 따른 배양결과 세포 건조 중량 세포 농도를 나타냄.
도 2는 실시예 1에 따른 배양결과 세포내 지질함량을 나타냄.
도 3은 실시예 1에 따른 배양결과 배양기 부피당 지질 생산량을 나타냄.
도 4는 실시예 2에 따른 배양결과 세포내 지질함량 변화를 나타냄.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

미세조류(microalgae)는 광합성 색소를 가지고 광합성을 하는 생물들에 대한 통칭으로, 태양광 등 빛을 에너지원으로 이산화탄소를 고정화시키고 광합성을 하여 성장하는 마이크로 단위의 크기를 갖는 수중 생물을 말한다.

본 발명은 염도가 3.5 내지 30 psu(practical salinity unit), 바람직하게는 7 내지 30 psu, 더욱 바람직하게는 14 내지 28 psu로 조절된 배양 배지에서 미세조류를 배양하여 미세조류 내 지질 함량을 증대시키는 미세조류의 배양방법을 제공한다. 염도가 30 psu를 초과할 경우 지질함량 변화가 미미하여 효율이 떨어지고, 염도가 낮을수록 지질함량이 증가하는 경향이 있으나 너무 낮으면 미세조류가 사멸하여 균체량이 감소하므로 배양액 중 총 지질 생산량이 감소되는 문제가 있다. 따라서, 염도조건을 3.5 내지 30 psu로 해양종 미세조류를 배양하는 것이 중요하다.

상기 미세조류의 배양방법은 (1) 염도가 35 psu인 배양 배지에서 미세조류를 1차 배양하는 단계와 (2) 상기 1차 배양한 미세조류를 염도가 3.5 내지 30 psu인 배양 배지에서 2차 배양하는 단계를 포함한다.

테트라셀미스와 같이 저염도 조건에서 지질함량도 증가하고 균체량도 증가하는 조류종에서는 시간이 지남에 따라 지질 생산량이 지속적으로 증가하게 된다. 따라서 미세조류를 7 내지 30 psu의 저염도 배지에 접종하여 지속적으로 배양하게 되면 배양기 내의 지질 생산량이 지속적으로 증가되므로 생산성이 최대가 될 때 멈추면 된다.

또한, 두날리엘라와 같이 저염도 조건에서 지질함량은 증가하나 균체량이 감소하는 조류종에서는 배양액 중 지질 생산량이 일정 시점에 최대가 되고 그 시간 이후에는 감소하게 된다. 이런 조류종은 염도가 정상적인 해수인 35 psu일 때 가장 빨리 성장하므로 이런 경우에 지질 생산성을 높이기 위해서는 2단계 배양하는 것이 바람직하다. 1단계는 35 psu 정상 염도에서 빠른 속도로 세포를 성장시키고, 목적으로 하는 균체 농도에 도달하게 되면 2단계로 염도를 3.5 내지 28 psu로 낮춘 저염도 조건에서 지질 생산량이 최대가 될 때까지만 배양하는 것이 최적의 효과를 나타낸다.

본 발명에 따른 미세조류 배양방법은 염도가 높은 바다에서 자라는 해양종 미세조류에 적용이 가능하다.

해양종 미세조류를 인공적으로 배양할 때에는 바닷물을 직접 사용하거나 바닷물 채수의 번거러움을 덜기 위해 인공해수와 여기에 성장 촉진을 위한 몇 가지 영양분을 첨가한 인공해수배지를 사용한다. 바닷물의 평균 염분농도는 35 g/L(35 ‰(permile, 천분율) 또는 35 psu(practical salinity unit))이며, 인공해수배지는 주로 NaCl을 사용하여 염분농도를 조절한다.

해양종 미세조류는 35 psu의 통상적인 염도에서 가장 정상적으로 잘 자라는데, 이는 이 농도의 염분이 세포 내외 삼투압 균형을 맞게 하는 역할을 하기 때문이다. 따라서 인공배양시 35 psu보다 높거나 낮은 염도조건은 세포의 성장과 신진대사를 위한 정상적인 조건으로부터 벗어난 일종의 스트레스 조건이 된다. 이러한 스트레스 조건 하에서 바뀐 환경에 적응하고 생존하기 위하여 조류종에 따라 중량이 증가하거나 감소하거나, 지방이나 탄수화물 합성 속도가 변할 수 있고, 어떤 특정 신진대사의 특성이 변할 수 있다. 또한, 조건 변화의 인자로 영양분으로 섭취할 질소 및 인의 농도, 특정 미네랄 성분의 농도, 빛의 유무, 탄소원의 종류 등이 있다.

본 발명에 따른 미세조류 배양방법은 통상적인 해수보다 낮은 저염도 배양조건에서 세포 중량이 늘어나거나 세포내 지질 함량이 증가됨을 이용함으로써 주어진 배양액 부피당 지질 생산성을 높일 수 있는 효과가 있다. 또한, 어느 시점까지 고속으로 고농도 배양을 실시한 후 지질 합성을 촉진하는 스트레스 조건을 가하는 2단계 배양방법을 이용함으로써 지질 생산성을 향상시켜 주는 효과가 있다.

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 1. 염도변화에 따른 테트라셀미스의 성장속도 및 지질 생산성 변화

염도가 35 psu(practical salinity unit)인 정상적인 인공해수배지에서 온도 25 ℃, 광도 100 내지 110 μmol/m²/s, 2 %(v/v)의 CO₂ 공급속도 0.2 vvm, NaNO₃의 농도 75 mg/L를 유지하여 테트라셀미스를 1차 배양하였다.

이후, 고농도로 성장한 테트라셀미스를 3개의 배양액에 나누어 서로 다른 염도조건(35, 28, 22 psu, 28 psu는 2차 배양 1일 후 22 psu로 더 낮춤)에서 2차 배양하였다. 이때 세포 접종농도는 1.2 g/L, 온도 25 ℃, 광도 100 내지 110 μmol/m²/s, 공기 공급속도 0.2 vvm, NaNO₃의 농도 75 mg/L를 유지하였다.

그 결과, 2차 배양에서 염도 35 psu 경우에 비하여 28 또는 22 psu로 낮춘 경우 성장 속도가 증가하였으며 세포내 지질함량도 증가하였다. 결과적으로 배양액 부피당 생산된 지질의 양은 2차 배양 4일 동안 35 psu 조건에서 170 → 206 mg/L, 22 psu 조건에서 170 → 292 mg/L로 증가하였다. 즉, 염분의 농도를 낮춘 배양조건에서 테트라셀미스 미세조류는 성장속도 증가와 함께 세포내 지질함량도 증가함으로써 배양기 내의 단위부피당 지질 생산량을 통상적인 해수 염도 조건에서보다 4일 동안 42 % 정도 높일 수 있었다.

실시예 2. 염도변화에 따른 두날리엘라의 세포내 지질함량의 변화

염도가 35 psu(practical salinity unit)인 정상적인 인공해수배지에서 온도 25 ℃, 광도 100 내지 110 μmol/m²/s, 2 %(v/v)의 CO₂ 공급속도 0.2 vvm, NaNO₃의 농도 75 mg/L를 유지하여 두날리엘라를 1차 배양하였다.

이후, 고농도로 성장한 두날리엘라를 5개의 배양액에 균등하게 나누어 서로 다른 염도조건(35, 17.5, 7, 3.7, 0 ‰)에서 2차 배양하였다. 이때 세포 접종농도는 1.2 g/L, 온도 25 ℃, 무광도(dark 조건), 공기 공급속도 0.2 vvm을 유지하고 NaNO₃의 초기농도를 75 mg/L로 하였다.

그 결과, 2차 배양하는 동안 어두운 상태에서 광합성이 중지되었으므로 여러 염도조건에서 세포 농도는 크게 변화하지 않고 일정하게 유지되었다. 그러나 세포내 지질함량은 염도조건에 따라 변화가 있었는데, 2차 배양 시작 후 약 2일 동안 염도 3.7~17.5 ‰에서의 지질 함량이 35 ‰에서보다 높게 유지되었다. 또한, 2일 후에는 다시 정상적인 지질 함량으로 되돌아오는 경향을 나타내었다.

이상, 본 발명내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 실시태양일 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

미세조류 내 지질 함량을 증대시키는 미세조류의 배양방법으로서,
(1) 염도가 해수염도 35psu(practical salinity unit)인 배양 배지에서 미세조류를 1차 배양하는 단계; 및
(2) 상기 1차 배양한 미세조류를 염도가 3.5 내지 30 psu인 배양 배지에서 2차 배양하는 단계;를 포함하되,
상기 미세조류는 두날리엘라(Dunalliella) 해양종 또는 테트라셀미스(Tetraselmis)인 것을 특징으로 하는 미세조류의 배양방법.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 (2)단계의 염도는 NaCl을 이용하여 3.5 내지 30 psu로 조절하는 것을 특징으로 하는 미세조류의 배양방법.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 (1)단계에서 1차 배양은 온도 10 내지 35 ℃, 광도 20 내지 1,000 μmol/m²/s, 1 내지 10 %(v/v)의 CO₂ 공급속도 0.01 내지 2 vvm, NaNO₃의 농도 10 내지 2,000 mg/L 조건에서 배양하는 것을 특징으로 하는 미세조류의 배양방법.
제 1항에 있어서,
상기 (2)단계에서 2차 배양은 미세조류를 0.1 내지 1.5 g/L 농도로 접종하여 온도 10 내지 35 ℃, 광도 20 내지 1,000 μmol/m²/s, 공기 공급속도 0.01 내지 2 vvm, NaNO₃의 농도 10 내지 2,000 mg/L 조건에서 배양하는 것을 특징으로 하는 미세조류의 배양방법.