KR101856678B1 - 광생물반응기 - Google Patents

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KR101856678B1 KR1020180027600A KR20180027600A KR101856678B1 KR 101856678 B1 KR101856678 B1 KR 101856678B1 KR 1020180027600 A KR1020180027600 A KR 1020180027600A KR 20180027600 A KR20180027600 A KR 20180027600A KR 101856678 B1 KR101856678 B1 KR 101856678B1
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박경희
정진균
홍진복
유중근
김석만
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바이오시스템이엔지(주)
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Abstract

본 발명은 광합성미생물을 배양할 수 있는 광생물반응기에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시 예에 따르면 미세 조류를 포함하는 광합성미생물을 배양할 수 있는 광생물반응기는, 내부에 상기 광합성미생물을 배양 할 수 있는 배양 공간을 가지며 상기 배양 공간에 배양액을 수용하고 투명한 재질로 이루어진 용기 쉘 상기 용기 쉘의 하부에 결합되며 스테인레스 스틸 재질로 이루어진 하부 프레임을 포함하는 하이브리드형 배양 용기와; 상기 용기 쉘 내부에 공기를 공급하는 기체 공급부와; 상기 용기 쉘 내부의 공기를 외부로 배출하도록 상기 배양 용기에 결합되는 기체 배출부와; 일단이 상기 배양 용기와 연결되며, 상기 배양 용기 내의 배양액을 상기 배양 용기 외부로 배출한 뒤 상기 배양 용기로 보낼 수 있는 메인 배관과 상기 메인 배관을 흐르는 상기 배양액을 순환시키도록 제공되는 펌프를 포함하는 배양액 순환부와; 상기 배양 용기의 상부측에 배치되며, 상기 배양액 순환부와 연결되어, 상기 배양액 순환부를 통해서 유입되는 상기 배양액을 스프레이 분사시켜 상기 용기 쉘 내부의 배양액에 공급하되 상기 배양액이 스프레이 분사되면 상기 배양액이 상기 배양용기 상부로부터 상기 배양액의 수면 상부로 이동하는 동안 공기 중의 이산화탄소와 공급되는 빛을 흡수하여 광합성 미생물에 공급하도록 하여 이산화탄소와 빛의 공급효율을 증가시키는는 분무 부재와; 상기 메인 배관에서 분기되며, 상기 메인 배관에서 분기된 상기 배양액을 상기 용기 쉘 내부에 공급하도록 상기 배양 용기와 연결되되, 상기 분무 부재보다 낮은 위치에서 상기 용기 쉘 내에 수용된 배양액의 수면 상부에 배치되고 상기 분무 부재보다 좁은 토출 단면적을 갖는 관형 토출단부를 구비하여 상기 배양액 상부로 상기 배양액이 토출될 때 물줄기를 이루며, 상기 토출 단부로부터 토출된 배양액이 상기 분무 부재로부터 나온 배양액보다 짧은 거리를 이동하여 상기 배양액의 수면에 도달하도록 형성되는 토출 배관과; 그리고 상기 배양 용기의 외측에 상기 배양 용기와 별개의 패널형태 구조물로 위치되어, 상기 배양 용기를 향해 빛을 조사하는 광원을 가지는 광원부를 포함하고, 상기 토출 배관을 통하여 물줄기 형태로 토출되는 배양액에 공급되는 이산화탄소와 빛의 양보다 상기 분무 부재를 통하여 스프레이 분사되는 배양액에 공급되는 이산화탄소와 빛의 양이 더 많도록 형성된다.

Description

광생물반응기{Photobioreactor}
본 발명은 광생물반응기에 관한 것으로, 보다 구체적으로 광합성을 할 수 있는 미세 조류, 광합성 세균 등과 같은 광합성미생물을 배양할 수 있는 광생물반응기에 관한 것이다.
현재, 미세조류는 40,000 종 이상의 많은 종류가 알려져 있으며, 다양한 특성을 지닌 생물군으로 알려져 있다.
이러한 미세조류는 광합성 작용을 이용하여 대기 또는 연소 배기 가스 내의 이산화탄소를 고정하고 동시에 산소를 생산하는 기능을 하며, 특히 단백질 및 지질의 함량이 높고, 필수 아미노산 및 DHA, EPA 등이 함유되어 있어 건강기능식품 및 사료로 선호되고 있다.
최근에는 이러한 미세조류로부터 디젤유와 같은 연료를 생성하는 다양한 기술이 개발되어 그 필요성은 더욱 더 증대되고 있으며, 그에 따라 다양한 실험이 이루어지고 있다.
광합성 세균은 원핵생물로서 토양 내 유익균의 생장을 도와 토양의 비옥도를 증가시키며, 축산분뇨 등의 발생하는 휘발성 유기물질을 분해함으로써 악취제거에 효과적인 것으로 알려져 있다.
이에 따라 신뢰성 있는 실험 목적으로 미세조류 또는 광합성 세균을 배양하고 그 배양물을 선택적으로 채취할 수 있는 다양한 실험 장비로서의 광생물반응기의 필요성이 대두되고 있는 실정이다.
또한, 실험 목적 이외에도 미세 조류 종의 상업적 이용을 위해서 미세조류 또는 광합성 세균의 성장 조건에 따라 배양시킬 수 있는 광생물반응기의 개발이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 미세조류 또는 광합성 세균과 같은 광합성미생물을 다양한 조건에서 배양할 수 있는 광생물반응기를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 광합성미생물의 배양 시 배양액으로 공급되는 중요한 기질인 이산화탄소와 빛의 양을 조절할 수 있는 광생물반응기를 제공하고자 한다.
본 발명은 여기에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 미세 조류를 포함하는 광합성미생물을 배양할 수 있는 광생물반응기에 있어서, 내부에 상기 광합성미생물을 배양 할 수 있는 배양 공간을 가지며 상기 배양 공간에 배양액을 수용하고 투명한 재질로 이루어진 용기 쉘 및 상기 용기 쉘의 하부에 결합되며 스테인레스 스틸 재질로 이루어진 하부 프레임을 포함하는 하이브리드형 배양 용기와; 상기 용기 쉘 내부에 공기를 공급하는 기체 공급부와; 상기 용기 쉘 내부의 공기를 외부로 배출하도록 상기 배양 용기에 결합되는 기체 배출부와; 일단이 상기 배양 용기와 연결되며, 상기 배양 용기 내의 배양액을 상기 배양 용기 외부로 배출한 뒤 상기 배양 용기로 보낼 수 있는 메인 배관과 상기 메인 배관을 흐르는 상기 배양액을 순환시키도록 제공되는 펌프를 포함하는 배양액 순환부와; 상기 배양 용기의 상부측에 배치되며, 상기 배양액 순환부와 연결되어, 상기 배양액 순환부를 통해서 유입되는 상기 배양액을 스프레이 분사시켜 상기 용기 쉘 내부의 배양액에 공급하되 상기 배양액이 스프레이 분사되면 상기 배양액이 상기 배양용기 상부로부터 상기 배양액의 수면 상부로 이동하는 동안 공기 중의 이산화탄소와 공급되는 빛을 흡수하여 광합성 미생물에 공급하도록 하여 이산화탄소와 빛의 공급효율을 증가시키도록 형성되는 분무 부재와; 상기 메인 배관에서 분기되며, 상기 메인 배관에서 분기된 상기 배양액을 상기 용기 쉘 내부에 공급하도록 상기 배양 용기와 연결되되, 상기 분무 부재보다 낮은 위치에서 상기 용기 쉘 내에 수용된 배양액의 수면 상부에 배치되고 상기 분무 부재보다 좁은 토출 단면적을 갖는 관형 토출단부를 구비하여 상기 배양액 상부로 상기 배양액이 토출될 때 물줄기를 이루며, 상기 토출 단부로부터 토출된 배양액이 상기 분무 부재로부터 나온 배양액보다 짧은 거리를 이동하여 상기 배양액의 수면에 도달하도록 형성되는 토출 배관과; 그리고, 상기 배양 용기의 외측에 상기 배양 용기와 별개의 패널형태 구조물로 위치되어, 상기 배양 용기를 향해 빛을 조사하는 광원을 가지는 광원부를 포함하고, 상기 토출 배관을 통하여 물줄기 형태로 토출되는 배양액에 공급되는 이산화탄소와 빛의 양보다 상기 분무 부재를 통하여 스프레이 분사되는 배양액에 공급되는 이산화탄소와 빛의 양이 더 많은 것을 특징으로 하는 광생물 반응기를 제공한다.
이 때, 상기 배양액 순환부는, 상기 메인 배관에서 분기되며, 상기 분무 부재에 상기 배양액을 공급하는 분무 배관과; 상기 메인 배관 중 상기 펌프의 전단에 설치되는 조절 밸브와; 상기 분무 배관에 설치되는 분무 밸브와; 상기 토출 배관에 설치되는 토출 밸브와; 상기 메인 배관 중 상기 펌프의 후단에 설치되는 메인 밸브와; 그리고 상기 펌프, 상기 조절 밸브, 상기 분무 밸브, 상기 토출 밸브 그리고 상기 메인 밸브를 제어하는 순환 제어부를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 순환 제어부는 상기 메인 배관, 상기 분무 배관 또는 상기 토출 배관을 흐르는 상기 배양액을 복수의 배양 모드로 제어하되, 상기 복수의 배양 모드는, 상기 배양액이 상기 메인 배관을 거쳐 상기 분무 배관으로 흐르도록 하고, 액상의 스프레이 형태로 분무됨으로써 상기 배양 용기 내의 이산화탄소를 포획하면서 공급하는 동시에 배양액의 표면적 증가를 통한 빛의 공급도 증가되어 상기 광합성미생물을 배양하는 제1배양 모드와; 상기 배양액이 상기 메인 배관을 거쳐 상기 토출 배관으로 흐르도록 하여 상기 광합성미생물을 배양하는 제2배양 모드와; 상기 배양액이 상기 메인 배관을 거쳐 상기 분무 배관 및 상기 토출 배관으로 모두 흐르도록 하여 상기 광합성미생물을 배양하는 제3배양 모드와; 그리고 상기 메인 배관, 상기 분무 배관 및 상기 토출 배관에 상기 배양액이 흐르지 않도록 하여 공기와 광만이 공급되는 제4배양 모드를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 배양 용기는 상기 용기 쉘의 하부에 결합되는 하부 프레임을 포함하며, 상기 하부 프레임에는 기체 공급부 및 배수 배관이 설치될 수 있다.
이 때, 상기 메인 배관에 설치되며 상기 메인 배관에 흐르는 상기 배양액을 가열하는 가열부를 더 포함할 수 있다.
이 때, 상기 기체 공급부는 외부의 공기를 상기 용기 쉘에 공급하는 기체 공급 배관을 포함하며, 상기 기체 공급 배관의 단부에는 상기 공기가 토출되는 토출홀이 복수 개 형성될 수 있다.
이 때, 상기 가열부 또는 상기 광원부를 제어하는 제어부를 더 포함하며, 상기 제어부는 원격제어를 위해 네트워크에 연결이 가능하며, 상기 제어부는 상기 메인 배관을 흐르는 상기 배양액이 기설정된 온도를 유지하도록 상기 가열부를 제어하며, 상기 제어부는 빛의 세기를 0 ~ 100%의 범위로 조절할 수 있고, 상기 제어부는 온도와 빛의 세기 조절을 리모콘 또는 원격 제어로 조절할 수 있고, 상기 제어부는 상기 배양 용기에 공급되는 광량을 제어하기 위해 상기 광원부를 제어할 수 있다.
이 때, 상기 광원부의 광원은 LED, 형광등, 할로겐 또는 백열등 광원을 포함할 수 있다.
이 때, 상기 순환 제어부는, 상기 제1배양 모드 시 상기 조절 밸브, 상기 메인 밸브 그리고 상기 분무 밸브를 개방시키고, 상기 토출 밸브를 차단시키도록 제어하며, 상기 제2배양 모드 시 상기 조절 밸브, 상기 메인 밸브 그리고 상기 토출 밸브를 개방시키고, 상기 분무 밸브를 차단시키도록 제어하며, 상기 제3배양 모드 시 상기 조절 밸브, 상기 메인 밸브, 상기 분무 밸브 그리고 상기 토출 밸브를 개방시키도록 제어하며, 상기 제4배양 모드 시 상기 조절 밸브를 차단시키도록 제어할 수 있다.
이 때, 상기 배양 용기를 세정할 수 있는 세정부를 포함하며, 상기 세정부는, 세정액을 상기 메인 배관에 공급하도록 상기 메인 배관과 연결되는 세정 배관과; 상기 세정 배관에 상기 세정액을 공급하는 세정액 공급부와; 그리고 상기 세정 배관에 설치되는 세정 밸브를; 포함하며, 상기 세정 배관에 공급된 상기 세정액은 상기 메인 배관을 거쳐 상기 분무 배관 또는 상기 토출 배관을 거쳐서 상기 배양 용기 내부에 공급되어 상기 배양 용기를 세정할 수 있다.
이 때, 상기 배양액 순환부는 상기 메인 배관 중 상기 펌프의 전단에 연결되어, 상기 배양액을 외부로 배출하기 위한 배수 배관과 상기 배수 배관에 설치되는 배수 밸브를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 광생물반응기는 서로 다른 이산화탄소와 빛의 공급량을 갖는 복수의 모드로 광합성미생물을 배양하여 광합성미생물의 배양을 효과적으로 진행할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 광합성미생물의 배양 시 배양액의 순환 시키며, 배양액의 순환 공급 시 스프레이 형태로 배양액을 공급할 수 있는 분무 부재를 갖는 분무 배관 및 배양액 순환 공급 시 물줄기 형태로 배양액을 공급할 수 있는 토출 배관을 구비하여 다양한 조건으로 배양액을 순환시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 배양액의 순환에 사용되는 분무 부재를 배양액의 공급뿐만 아니라 배양 용기의 세정에도 활용할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 광합성미생물의 종류, 광합성미생물의 배양 진행 정도에 따라 광량, 배양액의 온도, 다양한 배양 모드를 제공하여, 광합성미생물 배양 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 효과가 상술한 효과들로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광생물반응기를 보여주는 도면이다.
도 2 내지 도 5은 도 1의 광생물반응기를 이용하여 광합성미생물을 배양하는 복수의 모드를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 6은 도 1의 배양 용기에서 배양액을 외부로 배출하는 모습을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광생물반응기의 4가지 모드에서 세포 농도의 차이를 보여주는 그래프이다.
도 8는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 광생물반응기를 보여주는 도면이다.
도 9 및 도 10는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광생물반응기를 이용하여 배양 용기를 세정하는 모습을 개략적으로 보여주는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시 예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해 과장되게 도시된 부분도 있다. 또한, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명은 미세 조류 또는 광합성세균을 포함하는 광합성미생물을 배양할 수 있는 광생물반응기(10)를 제공한다. 일 예로, 광합성미생물은 클로렐라, 스피루리나 또는 광합성세균을 포함할 수 있다. 이와는 달리, 광합성이 가능한 미세 조류 또는 광합성이 가능한 미생물이라면 제한없이 본 발명의 광생물반응기(10)로 배양할 수 있으며, 상술한 예로 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광생물반응기를 보여주는 도면이다.
도 1를 참고하면, 광생물반응기(10)는 배양 용기(100), 광원부(200), 기체 공급부(300), 기체 배출부(400), 배양액 순환부(500), 분무 부재(600), 가열부(700), 제어부(800)를 포함한다.
배양 용기(100)는 용기 쉘(shell)(102) 및 하부 프레임(104)으로 구성될 수 있다. 용기 쉘(102)은 내부에 배양액이 수용되는 빈 공간을 구비한다. 배양 용기(100)의 용기 쉘(102)은 원통형상으로 대용량 배양조로 제공될 수 있다. 용기 쉘(102)은 투명한 재질, 일 예로, 아크릴 소재로 제작될 수 있다.
하부 프레임(104)은 용기 쉘(102) 하부에 배치되며, 예를 들어 스테인리스 스틸로 제조될 수 있다. 하부 프레임(104)에는 기체 공급부(300) 및 배수 배관(540)이 설치될 수 있다. 용기 쉘(102) 및 하부 프레임(104)은 볼트와 같은 체결 부재에 의하여 체결될 수 있다. 이와 같이 하부 프레임(104)이 스테인리스 스틸로 제작되면, 기체 공급부(300) 및 배수 배관(540)의 설치가 용이하며 유지 보수를 위한 해체 및 조립이 용이한 장점을 갖는다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전체적으로 투명한 용기 쉘(102)을 통해 외부로부터 공급되는 빛을 배양액 내 미세 조류 등 광합성 미생물이 최대한 흡수할 수 있도록 형성된다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 빛의 조사 면적을 최대화하여 배양 용기 전체에서 외부로부터 공급되는 빛을 흡수할 수 있다.
일 예로, 배양 용기(100)의 용기 쉘(102)의 용량은 100 내지 300 L 일 수 있다. 이 때, 배양 용기(100)의 용량은 배양되는 광합성미생물의 종류, 양 등에 따라 선택적으로 적용될 수 있으며, 상술한 예로 한정되지 않는다.
광원부(200)는 배양 용기(100)의 외측에 위치할 수 있다. 광원부(200)는 배양 용기(100)에 광을 조사할 수 있다. 일 예로, 광원부(200)의 광원은 LED, 형광등, 할로겐등 또는 백열등 광원으로 제공될 수 있다. 일 예로, 광원의 색은 3000 내지 4000K의 온백색 또는 전구색을 가지는 광원으로 제공될 수 있다.
일 예로, 광원부(200)는 복수개의 LED 램프를 가지며, 패널 형태로 제공될 수 있다. 광원부(200)의 광량은 광합성미생물의 종류, 배양 조건, 광합성미생물의 배양양에 따라 선택적으로 제공될 수 있다. 일 예로, 광원이 LED 램프로 제공되는 경우, LED 램프의 개별 광량을 조절하여 배양 용기(100)로 공급되는 광량을 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 광원부(200)의 광 조사 면적은 배양 용기의 용기 쉘의 최대 단면적과 동일한 면적으로 제공될 수 있다. 이 때, 광원부(200)의 LED 램프를 용기 쉘(102)의 최대 단면적 전체에 동일한 밀도로 골고루 분포하게 설치하면, 조사 면적 전체에서 동일한 빛에너지를 방출할 수 있도록 형성될 수 있다. 이에 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 광생물 반응기(10)는 균일하고 강력한 빛 에너지를 배양기 내부로 공급할 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 광원부(200)의 LED 램프를 배양 용기(100)와 별개의 구조물로 설치하여, 광원부(200)와 배양 용기(100)의 용기 쉘(102)과의 거리를 조절함으로써 배양 용기(100) 내부로 공급되는 빛에너지의 세기를 조절할 수 있다.
광원부(200)를 형성하는 LED 램프의 수는 빛에너지 공급량에 따라 선택될 수 있다.
광원부(200)에서 공급되는 광은 광합성에 적합한 600nm 이상의 적색광일 수 있다.
광합성미생물의 배양 시 광량은 가장 중요한 요소로 최대 5000 Lux 이상의 광량을 공급하도록 광원부(200)에서 배양 용기(100)로 광을 조사할 수 있다.
기체 공급부(300)는 배양 용기(100)의 하부 프레임(104)에 설치되며, 용기 쉘(102) 내부로 공기를 공급 할 수 있다. 광합성미생물의 광합성을 위해서는 빛과 이산화탄소가 반드시 필요한데, 기체 공급부(300)에서는 이 중 공기 중에 포함된 이산화탄소를 배양 용기(100)에 공급할 수 있다.
기체 공급부(300)는 기체 공급 배관(310) 및 기체 밸브(330)를 포함할 수 있다.
기체 공급 배관(310)은 도시되지 아니한 공기 공급용 컴프레셔 또는 순수이산화탄소 가스와 공기를 혼합하여 이산화탄소의 농도(약 2 ~ 5%)를 증가시킨 혼합가스를 공급하는 기체혼합기에 연결되며, 공기 공급 펌프에 의하여 외부의 공기를 배양 용기(100) 내부의 용기 쉘(102) 내부로 공급할 수 있다. 일 예로, 배양 용기(100)의 용기 쉘(102) 바닥부에는 기체 공급 배관(310)을 통하여 외부에서 공급된 공기가 용기 쉘(102) 내부로 공급될 수 있도록 기체 공급 배관(310)과 연결된 복수개의 토출홀(311)이 구비될 수 있다.
기체 공급부(300)는 이산화탄소가 포함된 일반공기 또는 순수이산화탄소 가스와 공기를 혼합하여 이산화탄소의 농도를 증가시킨 혼합가스를 용기 쉘(102) 내에 저장된 배양액에 기포 형태로 공급하여 배양액 내부에서 광합성미생물이 이산화탄소를 흡수하여 광합성 작용하도록 할 수 있다. 이를 통해서 광합성미생물의 배양 효율을 향상시킬 수 있다.
기체 배출부(400)는 배양 용기(100) 내부의 공기를 외부로 배출하기 위한 구성이다. 일 예로, 기체 공급부(300)에 의하여 배양액 내부로 공급된 공기는 배양액을 통과한 후, 용기 쉘(102)의 상부로 이동될 수 있다. 이 때, 용기 쉘(102) 내부 공간 상부에 위치한 공기는 기체 배출부(400)를 통해서 외부로 배출 될 수 있다. 배출되는 공기는 유입되는 공기에 비해서 이산화탄소의 농도가 더 낮다. 이는 유입되는 공기에 포함된 이산화탄소의 일부를 배양액의 광합성 미생물이 광합성 작용에 이용한 결과이다.
기체 배출부(400)는 배양 용기(100)의 상부에 관 형태로 이루어질 수 있으며, 선택적으로 개폐 가능하도록 밸브(미도시)를 구비할 수 있다.
배양액 순환부(500)는 광합성미생물의 배양 시 배양 용기(100) 내부의 배양액을 배양 용기(100)의 외부로 이동시킨 뒤 다시 배양 용기(100)로 공급하기 위한 구성이다. 배양액 순환부(500)는 배양액을 순환시켜 광합성미생물의 배양 시킬 때 다양한 모드로 작동될 수 있다.
배양액 순환부(500)는 메인 배관(510), 조절 밸브(511), 메인 밸브(512), 펌프(550), 분무 배관(520), 분무 밸브(521), 토출 배관(530), 토출 밸브(531), 배수 배관(540), 배수 밸브(541) 그리고 순환 제어부(560)를 포함할 수 있다.
메인 배관(510)의 일단은 배양 용기(100)와 연결되며, 타단은 분무 배관(520) 또는 토출 배관(530)과 연결될 수 있다. 메인 배관(510)에는 배양액이 흐를 수 있다. 메인 배관(510)에는 조절 밸브(511)가 설치될 수 있다.
조절 밸브(511)는 메인 배관(510)에 배양액의 유량을 조절할 수 있다. 일 예로, 조절 밸브(511)는 온오프 밸브로 제공될 수 있다. 이와는 달리, 조절 밸브(511)는 유체의 유량을 조절 가능한 밸브라면 제한없이 적용 가능하다.
조절 밸브(511)는 메인 배관(510) 중 메인 배관(510)에 설치된 펌프(550)와 배양 용기(100) 사이에 설치될 수 있다.
펌프(550)는 메인 배관(510)에 설치될 수 있다. 펌프(550)는 배양액을 순환시킬 수 있다. 일 예로, 펌프(550)는 배양액을 순환시킬 수 있는 공지의 펌프 또는 장치라면 제한없이 적용 가능하다.
메인 밸브(512)는 메인 배관(510) 중 펌프(550)의 후단에 설치될 수 있다. 메인 밸브(512)는 메인 배관(510)을 지나는 배양액의 유량을 조절할 수 있다. 일 예로, 메인 밸브(512)는 온오프 밸브로 제공될 수 있다. 이와는 달리, 메인 밸브(512)는 유체의 유량을 조절 가능한 밸브라면 제한없이 적용 가능하다.
분무 배관(520)은 메인 배관(510)에서 분기되도록 형성될 수 있다. 일 예로, 분무 배관(520)은 일단은 메인 배관(510)과 연결되며, 타단은 후술하는 분무 부재(600)와 연결될 수 있다. 분무 배관(520)은 복수의 배양 모드 중 분무 부재(600)를 사용하는 모드 시 배양액이 흐르는 배관일 수 있다.
도 1을 참조하면, 분무 부재(600)는 배양 용기(100)의 상부측 중앙에 배치되어 분무 부재(600)를 통하여 배양액이 스프레이 분사되면 배양액이 배양 용기(100) 상부로부터 배양액의 수면 상부로 이동하는 동안 공기 중의 이산화탄소를 흡수하여 광합성 미생물에 공급하도록 하여 이산화탄소 공급 효율을 증가시키도록 형성될 수 있다. 이산화탄소 뿐만 아니라 광합성 미생물 배양의 중요한 기질인 빛의 공급량도 증가시킬 수 있다. 분무 부재를 통해 배양액이 스프레이 분사되면 배양액의 표면적이 일시적으로 증가하여 흡수할 수 있는 빛의 양이 증가하게 된다.
분무 부재(600)는 스프레이 노즐(610)을 포함할 수 있다. 스프레이 노즐(610)은 배양액을 스프레이 형태로 공급 할 수 있다. 일 예로, 스프레이 노즐(610)은 이류체 노즐, 분사 노즐 등 액체를 스프레이 형태로 공급할 수 있는 노즐이라면 제한없이 적용 가능하다.
분무 부재(600)에서 스프레이 형태로 공급되는 배양액은 공기층을 지나는 동안 공기 중의 이산화탄소를 흡수하며 공급되는 빛을 추가적으로 광합성 미생물에 공급할 수 있다. 이 경우, 1차적으로는 기체 공급부(300)를 통하여 공기가 배양액에 공급되어 이산화탄소를 공급하며, 추가로 배양 용기(100)의 배양액 수면 상으로 공급되는 스프레이 형태의 배양액을 통해서 이산화탄소가 광합성 미생물에 공급될 수 있어 배양액에 공급되는 이산화탄소 공급 효율을 향상시킬 수 있고 동시에 공급되는 빛을 이용하는데도 유리하다.
배양액 내에 존재하는 전유기 탄소(Total inorganic carbon(TIC)는 H2CO3, HCO3 -, 및 CO3 2- 의 형태로 존재할 수 있는데, 그 중 대부분은 하기 식에서와 같이 HCO3 - 의 형태로 존재할 수 있다.
CO2 + H2O → HCO3 → H+ + HCO3 -
분무 부재(600)를 통하여 배양액을 스프레이 분사하는 동안 배양액의 양을 조절하기 위하여 분무 밸브(521)가 분무 배관(520)에 설치될 수 있다. 일 예로, 분무 밸브(521)는 온오프 밸브로 제공될 수 있다.
토출 배관(530)은 메인 배관(510)에서 분기되어 형성될 수 있다. 일 예로, 토출 배관(530)은 일단은 메인 배관(510)과 연결되며, 타단은 배양 용기(100)와 연결될 수 있다. 토출 배관(530)은 메인 배관(510)으로부터 공급 받은 배양액을 배양 용기(100) 내로 공급할 수 있다.
토출 밸브(531)는 토출 배관(530)에 설치될 수 있다. 토출 밸브(531)는 토출 배관(530)에 배양액의 유량을 조절할 수 있다. 일 예로, 토출 밸브(531)는 온오프 밸브로 제공될 수 있다. 이와는 달리, 토출 밸브(531)는 유체의 유량을 조절 가능한 밸브라면 제한없이 적용 가능하다.
도 1을 참고하면, 토출 배관(530)은 분무 부재(600)보다 낮은 위치에서 배양 용기(100)에 저장된 배양액의 수면 상부에 배치되고 분무 부재(600)보다 좁은 토출 단면적을 갖는 원형 개구 형태의 토출 단부(532)를 구비할 수 있다. 이 때, 이와 같은 토출 단부(532)는 일반적인 수도꼭지와 유사한 형태로 이루어질 수 있는데, 토출 배관(530)의 토출 단부(532)를 통하여 배양 용기(100)의 배양액 상부로 배양액이 토출될 때 물줄기를 이루며, 토출 단부로부터 토출된 배양액은 분무 부재로부터 나온 배양액보다 짧은 거리를 이동하여 배양액의 수면에 도달하도록 형성될 수 있다.
이와 같은 분무 부재(600)를 갖는 분무 배관(520) 및 분무 부재와 별개의 토출 단부를 갖는 토출 배관(530)은 배양 용기(100)의 배양액을 순환시키는 과정에서 배양액을 공급하는 형태가 상이하여 분무 배관을 통하여 분무되는 경우와 토출 단부를 통하여 배양액이 토출되는 경우 상이한 효과를 갖는다.
보다 상세히, 분무 배관(520)을 통하여 분무를 하는 경우 배양액이 스프레이되면서 배양액이 무수히 많은 작은 알갱이 형태로 배양 용기(100)의 상부를 지나 배양액 수면으로 입사하는데, 스프레이 분사된 배양액은 넓은 표면적을 가지며 상대적으로 작은 속도로 배양액 수면으로 입사되므로 배양액 수면의 상부 공기층을 지나는 동안 이산화 탄소를 다량으로 머금은 상태로 배양액 수면으로 입사하게 되며, 동시에 빛에 노출되는 면적도 증가하여 공급되는 빛의 흡수도 증가하게 된다..
이와 비교할 때 관형 토출 단부를 통하여 토출 배관(530)을 지나 배출되는 배양액은 물줄기 형태로 토출되므로, 분무 부재(600)를 통하여 스프레이 분사되는 배양액보다 이산화탄소와 빛을 적게 포함한 상태로 배양액 수면으로 입사하게 된다. 이에 대한 보다 상세한 설명은 후술한다.
한편, 용기 쉘(102) 내부의 배양액을 외부로 배출하기 위하여, 배수 배관(540)이 배양 용기(100)에 설치될 수 있다. 배수 배관(540)에는 배수 밸브(541)가 설치될 수 있다. 배수 밸브(541)는 배수 배관(540)을 흐르는 배양액의 유량을 조절할 수 있다. 일 예로, 배수 밸브(541)는 온오프 밸브로 제공될 수 있다.
도 6과 같이, 배양 용기(100) 내부의 배양액을 외부로 배수하는 경우, 배수 배관(540)의 배수 밸브(541)를 개방하여 배수 배관(540)을 통해서 배양액을 외부로 배수시킬 수 있다.
한편, 메인 배관(510)에는 가열부(700)가 설치될 수 있다. 가열부(700)는 메인 배관(510)을 흐르는 배양액의 온도를 조절하기 위한 구성이다. 일 예로, 가열부(700)는 배양액을 약 25 ℃? 내외로 유지하도록 배양액을 가열 할 수 있다. 배양액의 설정 온도는 광합성미생물의 종류에 따라 다르게 설정될 수 있다. 일 예로, 가열부(700)는 히터 또는 열 교환기일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
광원부(200) 또는 가열부(700)를 제어하기 위하여 제어부(800)가 제공될 수 있다.
일 예로, 제어부(800)는 배양 용기(100)에 공급되는 광량을 제어하기 위해 광원부(200)를 제어할 수 있다. 일 예로, 광원이 LED 광원으로 제공되는 경우, 제어부(800)는 개별 LED 램프의 광량을 조절하여 배양 용기(100) 내로 공급되는 전체적인 광량을 조절할 수 있다.
일 예로, 제어부(800)는 메인 배관(510)에 흐르는 배양액이 기설정된 온도를 유지하도록 가열부(700)를 제어할 수 있다. 일 예로, 제어부(800)는 배양액의 온도를 측정하는 센서(미도시)로부터 온도 정보를 전달 받아, 배양액의 온도를 유지하기 위해 가열부(700)를 작동시킬 수 있다.
한편, 메인 배관(510), 분무 배관(520) 및/또는 토출 배관(530)을 흐르는 배양액을 복수의 배양 모드로 제어하기 위하여 순환 제어부(560)가 제공될 수 있다. 순환 제어부(560)는 복수의 배양 모드에 따라서 각각의 배양액 순환부(500)의 각 구성을 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 광생물 반응기에 적용되는 복수의 배양 모드는 제1배양 모드(P1), 제2배양 모드(P2), 제3배양 모드(P3) 그리고 제4배양 모드(P4)를 포함할 수 있다. 이 때, 제 1 내지 제 4 배양모드(P1, P2, P3, P4)는 기체 공급 부재를 이용하여 공기를 공급하는 폭기 공급, 토출 배관을 이용한 토출 공급 및 분무 배관을 이용한 분무 공급을 단독 또는 혼합하여 배양액에 공급되는 이산화탄소량과 빛을 조절하도록 형성된다.
도 3 내지 도 6은 도 1의 광생물반응기를 이용하여 광합성미생물을 배양하는 복수의 모드를 개략적으로 보여주는 도면이다.
폭기공급 토출공급 분무공급
제 1 배양모드 ○ X ○
제 2 배양모드 ○ ○ X
제 3 배양모드 ○ ○ X
제 4 배양모드 ○ X ○
도 3 내지 도 6을 참고하면, 제1배양 모드(P1)는 기체 공급 배관(310)을 통하여 공기를 공급하는 한편, 배양액이 배양 용기(100)에서 메인 배관(510)을 거쳐 분무 배관(520)을 흐르도록 하여 광합성미생물을 배양하는 모드이다. 분무 배관(520)을 통해서 분무 부재(600)로 공급된 배양액은 액상의 스프레이 형태로 배양 용기(100) 내부로 공급될 수 있다.
제1배양모드(P1)는, 단일배양 모드로 기체 내의 CO2를 배양액으로 공급이 유리한 배양모드이다. 분무 시 발생하는 배양액 포말 등에 의하여 배양액의 표면적을 크게 하여 기체와 액체의 접촉면을 증가시킴으로써 CO2을 공급을 증가시킬 수 있다. 제 1 배양모드는 클로렐라 종(Chlorella sp.) 등 미세조류의 고농도 배양에 효과적일 수 있다.
일 예로, 순환 제어부(560)는 제1배양 모드(P1) 시 조절 밸브(511), 메인 밸브(512) 그리고 분무 밸브(521)를 개방시키고, 토출 밸브(531)를 차단시키도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 배양액이 배양 용기(100), 메인 배관(510), 분무 배관(520), 그리고 분무 부재(600)를 거쳐서 스프레이 형태로 다시 배양 용기(100) 내부로 공급될 수 있다. 이 때, 기체 공급부(300)에 의하여 공기가 배양액으로 동시에 공급될 수 있다.
제2배양 모드(P2)는 기체 공급 배관(310)을 통하여 공기를 공급하는 한편, 배양액이 배양 용기(100)에서 메인 배관(510)을 거쳐 토출 배관(530)을 흐르도록 하여 광합성미생물을 배양하는 모드이다. 배양액은 토출 배관(530)을 거쳐서 배양액으로 공급될 수 있다. 이 때, 배양액은 물줄기의 형태로 배양 용기(100)에 공급될 수 있다.
제2배양모드(P2)는 단일배양 모드로 배양액 내의 영양성분 및 미세조류의 분포를 균일하게 혼합하는데 유리한 배양모드이다. 제 2 배양 모드에서는 배양액 순환 시 배양액 수면의 표면적을 확대하여 이산화탄소와 빛의 공급을 촉진할 수 있다.
제2 배양모드는 클로렐라 종(Chlorella sp.) 등 광합성이 활발한 미세조류 배양에 효과적일 수 있다. 제 2 배양 모드는 제1배양모드에 비해 이산화탄소와 빛 공급량이 낮고, 이에 최종세포농도도 낮게 형성된다.
순환 제어부(560)는 제2배양 모드(P2)에서, 조절 밸브(511), 메인 밸브(512) 그리고 토출 밸브(531)를 개방시키고, 분무 밸브(521)를 차단시키도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 배양액이 배양 용기(100), 메인 배관(510) 그리고 토출 배관(530)을 거쳐서 물줄기 형태로 다시 배양 용기(100) 내부로 공급될 수 있다.
제3배양 모드(P3)는 기체 공급 배관(310)을 통하여 공기를 공급하는 한편, 배양액이 배양 용기(100)에서 메인 배관(510)을 거쳐 분무 배관(520) 및 토출 배관(530)으로 흐르도록 하여 광합성 미생물을 배양하는 모드이다. 즉, 제 3 배양 모드에서는 배양액을 배양 용기(100)에 공급 시 배양액을 스프레이 형태 및 물줄기 형태로 동시에 공급할 수 있다.
제3배양모드(P3)는 복합 배양 모드로 제1배양모드와 제2배양모드가 결합된 형태이다. 제 3 배양모드는 이산화탄소와 빛의 공급이 분무와 표면 및 혼합에 의해 이루어지기 때문의 4가지 배양모드 중 배양액 내에 최대의 이산화탄소와 빛의 공급이 가능하다.
제 3 배양 모드에서는 스프레이 분무 시 배양액의 기체 접촉면을 최대화하고, 토출 시 배양액 수면의 표면적을 확대하여 이산화탄소와 빛의 공급을 극대화할 수 있다. 제3배양모드는 공급되는 기체 내의 이산화탄소와 공급되는 빛을 가장 효과적으로 활용할 수 있으며, Chlorella sp. 등 미세조류의 고농도 배양에 효과적일 수 있다. 제 3 배양 모드는 제1배양모드에 비해 고농도 배양이 가능하다.
순환 제어부(560)는 제3배양 모드(P3) 시 조절 밸브(511), 메인 밸브(512), 분무 밸브(521) 그리고 토출 밸브(531)를 개방시키도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 배양액이 배양 용기(100), 메인 배관(510), 분무 배관(520), 그리고 분무 부재(600)를 거쳐서 스프레이 형태로 다시 배양 용기(100) 내부로 공급되고, 배양액이 배양 용기(100), 메인 배관(510) 그리고 토출 배관(530)을 거쳐서 물줄기 형태로 다시 배양 용기(100) 내부로 공급될 수 있다.
제4배양 모드(P4)는 기체 공급 배관(310)을 통하여만 공기를 공급하고, 배양액이 메인 배관(510), 분무 배관(520) 및 토출 배관(530)에서는 흐르지 않도록 하여 광합성미생물을 배양하는 모드이다. 제4배양 모드(P4)는 배양액이 배양 용기의 용기 쉘(102) 안에 저장된 상태에서 공기와 광을 공급하여 광합성미생물을 배양하는 모드이다.
제4배양모드(P4)는 단일배양 모드로 배양액 내의 온화한 배양 조건으로 미세조류의 배양이 가능하다. 제 4 배양모드는 폭기에 의해서만 CO2공급 및 혼합이 가능한 배양 모드이다. 제 4 배양모드는 상대적으로 낮은 이산화탄소를 활용하거나, 전단응력(shear stress)에 약한 종류의 미세조류 배양에 적합할 수 있다. 제 4배양모드에서는 Hematococcus sp., Rhodobacter sp. 등 미세조류 배양이 효과적일 수 있다.
순환 제어부(560)는 제4배양 모드(P4) 시 조절 밸브(511)를 차단시키도록 제어한다. 이에 따라, 제4 배양 모드에서는 배양액이 순환되지 않으며, 공기 및 광량의 공급으로 배양 용기(100) 내에서 광합성미생물을 배양 시킬 수 있다.
이상 설명한 4가지 배양 모드에서 이산화탄소 공급량를 비교하면 다음 표 2와 같다. 다음 표 1은 광생물반응기에 물 250L를 채운 후 5분간 각 배양 모드를 운전한 후 광생물반응기의 물을 샘플링하여 TIC를 측정한 결과이다.
Total inorganic carbon(TIC) [mg/L]
제1 배양모드
(분무)		 제2 배양모드
(순환)		 제3 배양모드
(분무+순환)		 제4 배양모드
TIC 29.1393 27.8454 30.0810 26.7583
이 때, 4가지 배양모드에서 적용되는 모드에 따른 세포 농도의 차이를 그래프로 그려보면 도 7에 도시된 바와 같다.
또한, 제 1 내지 제 4 배양모드에서 동일 유량으로 배양액 순환 시 이산화탄소 공급량을 비교하면 다음 표 3과 같다. 표 3의 실험 데이터는 20oC에서 7일간 배양한 결과이며, pH는 약 6.7에서 배양을 시작하였고, 배양 중 별도 제어하지 않았다.
제1 배양모드
(분무)		 2 배양모드
(순환)		 3 배양모드
(분무+순환)		 4 배양모드
(reference)
CO2 Yield 108.9% 104.1% 112.4% 100%
cell
concentration
Yield		 252% 164% 306% 100%
본 발명의 일 실시예에 따르면, 미세조류의 고농도배양 시 세포농도에 따라 상기 4가지 배양모드를 순차적으로 적용할 수도 있다. 이 때, 다음 표 3에서와 같이 배양 단계 별로 배양 모드를 변화시킬 수 있다.
미세조류 배양의 경우 세포농도가 높을수록 기질(substrate)의 공급의 한계가 발생한다. 특히 이산화탄소와 빛의 공급이 제한 요소(limiting factor)로 작용한다. 이산화탄소의 공급은 공기 중의 이산화탄소의 비율이 약 0.04%로 절대적으로 낮은 농도이기 때문에 배양액으로 기-액 전달이 중요하다. 빛의 경우는 농도가 높아질수록 공급되는 빛이 배양액 내로 투과되는 깊이(penetration depth)가 짧아져서 미세조류가 빛을 골고루 흡수하기 곤란해진다. 이를 해결하기 위해 세포농도별 배양 모드를 달리함으로써 이산화탄소의 공급을 증가시키고, 빛의 조사면적을 효과적으로 증대시킬 수 있다. 즉 농도에 따라 배양모드를 변화시키면 이산화탄소의 공급량과 빛의 조사 면적을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 제한된 이산화탄소와 빛을 효율적으로 활용이 가능하다.
단계 배양시간 세포농도 배양모드
1단계 배양 초기 저농도 제2 배양모드 또는
제 4 배양모드
2단계 배양 중기 중농도 제 1 배양모드
3단계 배양 후기 고농도 제 3 배양모드
상기 표 4에서 농도의 따른 구분은 다음 표 5과 같으며, 통상적으로 Chlorella. sp의 경우, 1x107cells/mL을 고농도로 판단할 수 있다.
저농도 구간 1x105 cells/mL 이하
중농도 구간 1x105~1x107 cells/mL
고농도 구간 1x107 cells/mL 이상
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 4가지 배양모드별 이산화탄소 공급량은 제3배양모드 > 제1배양모드 > 제2배양모드 > 제4배양모드 순으로 많다. 본 발명의 일 실시예에 따른 광생물반응기는 이상에서 설명한 바와 같이, 서로 이산화탄소 공급량이 다른 4가지 모드를 이용하여 배양 용기의 미세 조류를 광합성 배양할 수 있다.
도 8는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 광생물반응기를 보여주는 도면이다.
도 8를 참고하면, 광생물반응기(10)는 세정부(900)를 더 포함할 수 있다. 세정부(900)는 배양 용기(100)를 세정할 수 있다.
세정부(900)는 세정 배관(910), 세정액 공급부(930) 그리고 세정 밸브(950)를 포함한다.
세정 배관(910)에는 세정액이 흐를 수 있다. 세정 배관(910)은 일단은 메인 배관(510)과 연결되며, 타단은 세정액 공급부(930)와 연결될 수 있다. 일 예로, 세정 배관(910)은 펌프(550)와 조절 밸브(511) 사이의 메인 배관(510)과 연결될 수 있다.
세정액 공급부(930)는 세정액을 세정 배관(910)에 공급할 수 있다. 일 예로, 세정액은 배양 용기(100)를 세정할 수 있는 탈이온수로 제공될 수 있다. 이와는 달리, 배양 용기(100)를 세정할 수 있는 세정액이라면 제한없이 적용 가능하다.
세정 밸브(950)는 세정 배관(910)에 설치될 수 있다. 세정 밸브(950)는 세정 배관(910)에 세정액의 유량을 조절할 수 있다. 일 예로, 세정 밸브(950)는 온오프 밸브로 제공될 수 있다. 이와는 달리, 세정 밸브(950)는 유체의 유량을 조절 가능한 밸브라면 제한없이 적용 가능하다.
도 9 및 도 10는 도 8의 광생물반응기를 이용하여 배양 용기를 세정하는 모습을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 9 및 도 10를 참고하면, 배양 용기(100) 세정 시 세정 배관(910)을 통해서 공급된 세정액은 메인 배관(510) 및 분무 배관(520)을 거쳐 분무 부재(600)를 통해서 스프레이 형태로 공급될 수 있다. 배양 용기(100)로 공급된 세정액은 다시 메인 배관(510) 및 분무 배관(520)을 거쳐서 순환되어 배양 용기(100)로 공급될 수 있다. 이 과정에서 배양 용기(100) 내부가 세정될 수 있다.
도 9와 달리, 도 10과 같이, 세정 시 토출 배관(530)을 통해서도 세정액을 함께 공급하여 배양 용기(100) 내부를 세정할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따르면 광생물반응기는 복수의 모드로 광합성미생물을 배양하여 광합성미생물의 배양을 효과적으로 진행할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 광합성미생물의 배양 시 배양액의 순환 시키며, 배양액의 순환 공급 시 스프레이 형태로 공급하여, 1차 공급 후 공기 중에 남아있는 이산화탄소를 이차로 배양액과 함께 광합성미생물에 공급하여 이산화탄소 공급 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 분무 부재를 이용하여 배양액을 순환하여 배양할 경우 배양 용기 상부 벽면(head space)에 미세조류 또는 광합성세균이 부착되어 생장하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면 분무 부재를 배양액의 공급 또는 배양 용기의 세정에도 활용 가능하여 다양한 기능을 구현할 수 있는 광생물반응기를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 광합성미생물의 종류, 광합성미생물의 배양 진행 정도에 따라 광량, 배양액의 온도, 다양한 배양 모드를 제공하여, 광합성미생물 배양 효율을 향상시킬 수 있다.
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내어 설명하는 것이며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 전술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한 최선의 상태를 설명하는 것이며, 본 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
10: 광생물반응기 100: 배양 용기
200: 광원부 300: 기체 공급부
310: 기체 공급 배관 330: 기체 밸브
400: 기체 배출부 500: 배양액 순환부
510: 메인 배관 511: 조절 밸브
512: 메인 밸브 520: 분무 배관
521: 분무 밸브 530: 토출 배관
531: 토출 밸브 540: 배수 배관
541: 배수 밸브 550: 펌프
560: 순환 제어부 600: 분무 부재
610: 스프레이 노즐 700: 가열부
800: 제어부 900: 세정부
910: 세정 배관 930: 세정액 공급부
950: 세정 밸브

Claims (11)

  1. 미세 조류를 포함하는 광합성미생물을 배양할 수 있는 광생물반응기에 있어서,
    내부에 상기 광합성미생물을 배양 할 수 있는 배양 공간을 가지며 상기 배양 공간에 배양액을 수용하고 투명한 재질로 이루어진 용기 쉘 및 상기 용기 쉘의 하부에 결합되며 스테인레스 스틸 재질로 이루어진 하부 프레임을 포함하는 하이브리드형 배양 용기와;
    상기 용기 쉘 내부에 공기를 공급하는 기체 공급부와;
    상기 용기 쉘 내부의 공기를 외부로 배출하도록 상기 배양 용기에 결합되는 기체 배출부와;
    일단이 상기 배양 용기와 연결되며, 상기 배양 용기 내의 배양액을 상기 배양 용기 외부로 배출한 뒤 상기 배양 용기로 보낼 수 있는 메인 배관과 상기 메인 배관을 흐르는 상기 배양액을 순환시키도록 제공되는 펌프를 포함하는 배양액 순환부와;
    상기 배양 용기의 상부측에 배치되며, 상기 배양액 순환부와 연결되어, 상기 배양액 순환부를 통해서 유입되는 상기 배양액을 스프레이 분사시켜 상기 용기 쉘 내부의 배양액에 공급하되 상기 배양액이 스프레이 분사되면 상기 배양액이 상기 배양용기 상부로부터 상기 배양액의 수면 상부로 이동하는 동안 공기 중의 이산화탄소와 공급되는 빛을 흡수하여 광합성 미생물에 공급하여 이산화탄소와 빛의 공급효율을 증가시키는 분무 부재와;
    상기 메인 배관에서 분기되며, 상기 메인 배관에서 분기된 상기 배양액을 상기 용기 쉘 내부에 공급하도록 상기 배양 용기와 연결되되, 상기 분무 부재보다 낮은 위치에서 상기 용기 쉘 내에 수용된 배양액의 수면 상부에 배치되고 상기 분무 부재보다 좁은 토출 단면적을 갖는 관형 토출단부를 구비하여 상기 배양액 상부로 상기 배양액이 토출될 때 물줄기를 이루며, 상기 토출 단부로부터 토출된 배양액이 상기 분무 부재로부터 나온 배양액보다 짧은 거리를 이동하여 상기 배양액의 수면에 도달하도록 형성되는 토출 배관과; 그리고,
    상기 배양 용기의 외측에 상기 배양 용기와 별개의 패널형태 구조물로 위치되어, 상기 배양 용기를 향해 빛을 조사하는 광원을 가지는 광원부를 포함하고,
    상기 토출 배관을 통하여 물줄기 형태로 토출되는 배양액에 공급되는 이산화탄소와 빛의 양보다 상기 분무 부재를 통하여 스프레이 분사되는 배양액에 공급되는 이산화탄소와 빛의 양이 더 많은 것을 특징으로 하는 광생물 반응기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 배양액 순환부는,
    상기 메인 배관에서 분기되며, 상기 분무 부재에 상기 배양액을 공급하는 분무 배관과;
    상기 메인 배관 중 상기 펌프의 전단에 설치되는 조절 밸브와;
    상기 분무 배관에 설치되는 분무 밸브와;
    상기 토출 배관에 설치되는 토출 밸브와;
    상기 메인 배관 중 상기 펌프의 후단에 설치되는 메인 밸브와; 그리고
    상기 펌프, 상기 조절 밸브, 상기 분무 밸브, 상기 토출 밸브 그리고 상기 메인 밸브를 제어하는 순환 제어부를 포함하는, 광생물 반응기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 순환 제어부는 상기 메인 배관, 상기 분무 배관 또는 상기 토출 배관을 흐르는 상기 배양액을 복수의 배양 모드로 제어하되,
    상기 복수의 배양 모드는,
    상기 배양액이 상기 메인 배관을 거쳐 상기 분무 배관으로 흐르도록 하고, 액상의 스프레이 형태로 분무됨으로써 상기 배양 용기 내의 이산화탄소를 포획하면서 공급하는 동시에 배양액의 표면적 증가를 통한 빛의 공급도 증가되어 상기 광합성미생물을 배양하는 제1배양 모드와;
    상기 배양액이 상기 메인 배관을 거쳐 상기 토출 배관으로 흐르도록 하여 상기 광합성미생물을 배양하는 제2배양 모드와;
    상기 배양액이 상기 메인 배관을 거쳐 상기 분무 배관 및 상기 토출 배관으로 모두 흐르도록 하여 상기 광합성미생물을 배양하는 제3배양 모드와; 그리고
    상기 메인 배관, 상기 분무 배관 및 상기 토출 배관에 상기 배양액이 흐르지 않도록 하여 공기와 광만이 공급되는 제4배양 모드를 포함하는 광생물 반응기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 배양 용기는 상기 용기 쉘의 하부에 결합되는 하부 프레임을 포함하며,
    상기 배양 용기 쉘은 투명한 재질의 재료를 사용하여 빛의 공급이 유리하게 하며,
    상기 배양 용기의 하부 프레임은 스테인레스 스틸 재질로 제작하며,
    상기 배양 용기는 쉘과 하부프레임의 재질이 다른 하이브리드형 배양 용기이며,
    상기 하부 프레임에는 기체 공급부 및 배수 배관이 설치되는 광생물 반응기
  5. 제1항에 있어서,
    상기 메인 배관에 설치되며 상기 메인 배관에 흐르는 상기 배양액을 가열하는 가열부를 더 포함하는 광생물반응기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기체 공급부는 외부의 공기를 상기 용기 쉘에 공급하는 기체 공급 배관을 포함하며,
    상기 기체 공급 배관의 단부에는 상기 공기가 토출되는 토출홀이 복수 개 형성되는 광생물반응기.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 가열부 또는 상기 광원부를 제어하는 제어부를 더 포함하며,
    상기 제어부는 원격제어를 위해 네트워크에 연결이 가능하며,
    상기 제어부는 상기 메인 배관을 흐르는 상기 배양액이 기설정된 온도를 유지하도록 상기 가열부를 제어하며,
    상기 제어부는 빛의 세기를 0 ~ 100%의 범위로 조절할 수 있고,
    상기 제어부는 온도와 빛의 세기 조절을 리모콘 또는 원격 제어로 조절할 수 있고,
    상기 제어부는 상기 배양 용기에 공급되는 광량을 제어하기 위해 상기 광원부를 제어하는 광생물반응기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 광원부의 광원은 LED, 형광등, 할로겐 또는 백열등 광원을 포함하는 광생물반응기.
  9. 제 3항에 있어서,
    상기 순환 제어부는,
    상기 제1배양 모드 시 상기 조절 밸브, 상기 메인 밸브 그리고 상기 분무 밸브를 개방시키고, 상기 토출 밸브를 차단시키도록 제어하며,
    상기 제2배양 모드 시 상기 조절 밸브, 상기 메인 밸브 그리고 상기 토출 밸브를 개방시키고, 상기 분무 밸브를 차단시키도록 제어하며,
    상기 제3배양 모드 시 상기 조절 밸브, 상기 메인 밸브, 상기 분무 밸브 그리고 상기 토출 밸브를 개방시키도록 제어하며,
    상기 제4배양 모드 시 상기 조절 밸브를 차단시키도록 제어하는 광생물반응기.
  10. 제 2항에 있어서,
    상기 배양 용기를 세정할 수 있는 세정부를 포함하며,
    상기 세정부는,
    세정액을 상기 메인 배관에 공급하도록 상기 메인 배관과 연결되는 세정 배관과;
    상기 세정 배관에 상기 세정액을 공급하는 세정액 공급부와; 그리고
    상기 세정 배관에 설치되는 세정 밸브를; 포함하며,
    상기 세정 배관에 공급된 상기 세정액은 상기 메인 배관을 거쳐 상기 분무 배관 또는 상기 토출 배관을 거쳐서 상기 배양 용기 내부에 공급되어 상기 배양 용기를 세정하는 광생물반응기.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 배양액 순환부는
    상기 메인 배관 중 상기 펌프의 전단에 연결되어, 상기 배양액을 외부로 배출하기 위한 배수 배관과
    상기 배수 배관에 설치되는 배수 밸브를 더 포함하는 광생물반응기.
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