KR102006427B1

KR102006427B1 - 저온성 미세조류 배양장치

Info

Publication number: KR102006427B1
Application number: KR1020170141096A
Authority: KR
Inventors: 김상희; 김은재; 한세종; 김일찬; 윤의중; 최한구; 정웅식; 서승석
Original assignee: 한국해양과학기술원
Priority date: 2017-10-27
Filing date: 2017-10-27
Publication date: 2019-08-01
Also published as: KR20190047338A

Abstract

본 발명은 광투과성 재질의 배양탱크에 LED 광원이 설치되고, 저온 유지를 위한 냉각수 순환기를 구비하는 저온성 미세조류 배양장치에 관한 것으로, 본 발명의 배양장치를 이용하면, 극지방 유래 저온성 미세조류를 최적의 조건에서 배양할 수 있어, 동일한 기간에 기존의 배양장치보다 많은 수의 미세조류 바이오매스를 확보할 수 있는 효과가 있다.

Description

저온성 미세조류 배양장치{Apparatus for Cultivating Psychrophilic Microalgae}

본 발명은 저온성 미세조류 배양장치에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 광투과성 재질의 배양탱크에 LED 광원이 설치되고, 저온 유지를 위한 냉각수 순환기를 구비하는 저온성 미세조류 배양장치에 관한 것이다.

미세조류는 50㎛ 이하 크기의 단세포 조류로 고등식물에 비해 성장속도가 빠르고 광합성을 통해 증식하므로, 이산화탄소를 고정화하는 능력을 가지고 있으며 다양한 생리활성물질을 생산한다. 지구의 수권에는 10 만종에 달하는 미세조류가 존재하는 것으로 추정되고 있는데 미국 NREL에서는 1978에서 1996년까지 ASP (Aquatic Species Program)를 수행한 바 있으며 규조류(diatoms) 약 10만종, 녹조류(green algae) 약 8천종, 황금녹조(golden-brown algae) 약 1천종, 착편모조류 (prymnesiophytes) 약 500 종 및 남조류 약 2천종이 보고된 바 있다 (Sheehan et al., 1998. NREL/TP-580-24190).

극지에서 발견된 미세조류는 불포화 지방산 함량이 높고 특히 필수 아미노산인 DHA, EPA 등이 함유되어 있어, 생리활성물질 및 건강보조식품 등으로 이용되고 있다(Oh, H.M., et al., 2003, High-value material from microalgae).

한국해양과학기술원 부설 극지연구소에서는 남북극 지역에서 채취한 샘플 유래의 300여종의 미세조류를 이용하여 바이오 에너지와 다양한 생리활성물질을 생산하는 연구를 수행하고 있으며, 이를 위해서는 대량의 바이오 매스를 확보하는 배양기술과 설비를 필요로 한다. 특히 국내 유래 미세조류와 달리 외래종인 극지 미세조류의 유출을 방지하기 위해 배양장치의 멸균이 필요하며, 일반적인 연구소에 구비되어 있는 오토클레이브 멸균 장비에 적용 가능한 탱크를 활용한 배양장비를 필요로 한다.

극지역에 서식하는 저온성 또는 호냉성의 미세조류를 실험실에서 배양하기 위해서는 배양하는 배지의 온도를 2℃까지 낮출 수 있는 장치가 필요하며, 실험실 멸균장비에 맞는 규격의 배양탱크에 적절히 배치되는 조명 장치를 갖추고, 미세조류의 특성에 맞게 광도를 공급할 수 있어야 한다. 미세조류의 탄소 흡수를 위한 CO₂를 포함한 공기를 주입하는 장치를 갖추되 외부미생물의 유입을 막아 무균의 미세조류 배양이 이루어져야 한다.

이에, 본 발명자들은 광투과성 재질의 배양탱크에 LED 광원이 설치되고, 저온 유지를 위한 냉각수 순환기를 구비하는 저온성 미세조류 배양장치를 제작하고, 상기 배양장치에 저온성 미세조류를 배양하는 경우, 다른 배양기보다 저온성 미세조류의 성장율이 현저히 높은 것을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 목적은 저온에서 생장 가능하면서 유용한 생리활성물질을 생산하는 극지 미세조류를 고밀도로 배양하는 장치를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (i) 광투과성 재질로 내부에 배지와 미세조류가 수납되는 밀폐형 배양탱크;

(ii) 배양탱크의 외부를 둘러싸도록 배열되고, 발광부재가 연결되는 브라켓이 구비된 배치된 발광부재 거치대와 상기 거치대에 연결되는 발광부재로 구성되는 조명장치;

(iii) 배양탱크의 상층부에 위치하여 배양탱크를 밀폐하고, 순환파이프와 공기주입구가 연결되어 있는 밀폐형 마개; 및

(iv) 상기 밀폐형 마개를 통하여 밀폐형 탱크의 내부와 외부를 관통하며 냉각수가 순환되는 냉각수 순환파이프를 포함하는 저온성 미세조류 배양장치를 제공한다.

본 발명의 배양장치를 이용하면, 극지방 유래 저온성 미세조류를 최적의 조건에서 배양할 수 있어, 동일한 기간에 기존의 배양장치보다 많은 수의 미세조류 바이오매스를 확보할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 배양장치의 일양태를 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 광원인 LED 바를 배양장치와 연결되도록 하는 LED 바를 거치하는 LED 바 지지대를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 배양장치에 부착되는 LED 바 지지대에 LED 바를 부착한 조명장치를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 배양장치의 내부에 설치되는 냉각수 순환용 파이프를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 배양장치를 이용하여 극지 미세조류 Chlamydomonas sp. KNM0029C를 배양한 결과를 그래프로 나타낸 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 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.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명에서는 극지역에 서식하는 저온성 또는 호냉성의 미세조류를 실험실에서 배양하기 위하여, 배양하는 배지의 온도를 2℃로 유지하면서, 미세조류를 배양할 수 있는 장치를 개발하고자, 기존에 사용되는 오토클레이브와 같은 멸균장비에 맞는 규격의 배양탱크에 적절히 배치되는 조명 장치를 갖추고, 미세조류의 특성에 맞게 광도를 공급할 수 있도록 하고, CO₂를 포함한 공기를 주입하는 장치를 갖추되 외부미생물의 유입을 막아 무균의 미세조류 배양이 이루어질 수 있는 장치를 제작하였다.

본 발명에 따른 배양장치는 외부에서 유입되는 미생물의 오염을 방지하는 밀폐형 구조를 가지며 배양탱크에서 배양되는 저온성 미세조류의 온도와 광 조건을 충족시키기 위해 배양탱크에 온도를 조절하는 냉각순환 장치, 광 에너지를 제공하는 조명장치와 이산화탄소가 포함된 공기를 제공하는 공기공급장치, 배지의 순환을 돕는 자석교반기 (magnetic stirrer)를 포함할 수 있으며, 이를 통해 미세조류의 생장률과 배양성능을 높이고 좁은 공간에서 고밀도 대량 배양가능이 가능한 미세조류 배양 장치이다.

따라서, 본 발명은 (i) 광투과성 재질로 내부에 배지와 미세조류가 수납되는 밀폐형 배양탱크; (ii) 배양탱크의 외부를 둘러싸도록 배열되고, 발광부재가 연결되는 브라켓이 구비된 배치된 발광부재 거치대와 상기 거치대에 연결되는 발광부재로 구성되는 조명장치; (iii) 배양탱크의 상층부에 위치하여 배양탱크를 밀폐하고, 순환파이프와 공기주입구가 연결되어 있는 밀폐형 마개; 및 (iv) 상기 밀폐형 마개를 통하여 밀폐형 탱크의 내부와 외부를 관통하며 냉각수가 순환되는 냉각수 순환파이프를 포함하는 저온성 미세조류 배양장치에 관한 것이다.

본 발명의 배양장치에서 배양되는 미세조류는 유용물질 생산을 위해 1~10℃의 저온에서 생장하는 미세조류인 것이 바람직하다.

사용가능한 미세조류는 저온성 미세조류라면 제한없이 사용할 수 있으나, 바람직하게는 고위도 지방 및 극지방 유래의 미세조류인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 클라미도모나스(Chlamydomonas) 속, 클로렐라(Chlollera) 속, 클로로모나스(Chloromonas) 속 미세조류인 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 발광부재는 LED 바 또는 광섬유 다발을 사용할 수 있으며, 상기 발광부재는 광량 10~80 μmol photon m^-2s^-1 의 광을 조사할 수 있고, 백색광, 청색광 및 적색광을 조합할 수 있는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 배양탱크의 재질은 오토클레이브에 의한 멸균이 가능한 재질인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 배양장치의 배양온도는 1~25℃로 조절되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따른 배양장치의 일양태를 도 1에 나타내었다.

본 발명의 일 양태에서, 20L 배양탱크(3)는 폴리카보네이트(polycarbonate)소재로 투명한 재질로, 날젠(Nalgen)사의 20L 카보이(carboy 2260-0050)를 사용하였으며, 너비 300mm 이하, 높이는 530mm 이하의 크기를 가지고 고온고압에 버티는 소재를 사용한 탱크, 유리재질의 병, 플라스크를 사용하여도 무방하다. 배양탱크 스크류 마개 부분에 공기주입구와 시료채취구, 압력배출구를 결합하였다. 공기주입구 라인에는 필터를 장착하여 공기공급기로부터 외부공기를 주입할 때 외부 미생물과 미세물질이 들어가는 것을 방지한다. 압력배출구 역시 필터를 장착하여 외부 미생물의 유입을 막는다. 각각의 라인에는 밸브를 부착하여 공기나 배양액의 흐름을 조절하였다.

LED 조명장치는 8개의 12V LED바(4)를 이용하며, 백색광으로 실험 조건에 맞게 광량을 공급한다. 8개의 LED바를 미세조류 특성에 맞게 백색, 청색, 적색으로 장착할 수 있으며, 광량을 늘리거나 줄이기 위해 장착된 LED바의 개수를 조절할 수 있다. LED바를 장착하기 위해 지지대(6)를 설치한다. 3mm 포멕스(FOAMEX) 판넬 4장을 도 2에 나타낸 설계도면으로 재단하여, 도 3의 모습처럼 조립을 한다. 본드를 이용하여 조립부위와 LED를 부착시킨다. LED바의 전선을 직류변환기에 연결하여 광원을 확인하며 전원부에 타이머(8)를 설치하여 미세조류에 적합한 조사량을 설정한다.

배양장치의 배양온도를 저온으로 유지하기 위한 냉각수 순환기(18)로는 구리 재질(직경10mm)의 파이프(19)를 도 4에 나타낸 바와 같이 제작하여 배양기 스크류 마개(13)에 설치하고 외부에 위치되는 냉각수 순환기(18)와 연결하여 온도를 미세조류의 특성에 맞게 조절한다.

배양탱크(3)에 배지를 제조하여 마그네틱 바(17)와 함께 넣은 후 외부유입이 없도록 밸브(2)를 잠그고, 압력배출구(12)만 열어준다. 오토클레이브를 사용하여 고온고압에서 멸균을 실시하고, 2℃의 냉각수가 순환되도록 냉각수 파이프를 냉각기와 연결하고, 냉각수 순환기에 의하여 배지의 온도가 2℃로 떨어지면, 클린벤치 안에서 무균적으로 종균을 접종할 수 있다. 접종이 완료되면 2℃의 위치한 자력교반기 위에 배양 탱크를 위치시키고 조명장치를 배양탱크 주변으로 씌우고 광원과 탱크의 간격을 적절하게 위치시킨다. 공기공급기와 공기주입구 라인을 연결하고, 교반기를 작동시켜서 배양탱크 안의 마그네틱 바를 회전시키며 배양을 수행한다.

본 발명의 다른 양태에서, 본 발명에 따른 배양장치를 이용하여 극지 유래 미세조류(Chlamydomonas sp. KNM0029C)를 배양할 경우 ml 단위 당 1.05x10⁷세포 수, 총 23g의 바이오 매스를 얻었다. 이는 T-플라스크(배양액 20ml)에서 배양한 대조구의 8.25 x10⁶ 세포 수보다 27% 향상된 값으로 본 발명의 배양장치가 저온 성장 미세조류의 배양에 유용하게 사용될 수 있음을 증명한다.

본 배양 장치를 이용하여 산업화 단계 이전의 연구 단계에 요구하는 수준의 바이오 매스를 확보할 수 있고 실험실 내의 장비를 활용하여 폐쇄형 미세조류 배양 시스템을 구축하는 장점을 가지고 있다.

또한 배양 이후 멸균되어야 하는 외래 미세조류 배양탱크를 실험실 내의 오토클레이브 장비를 이용하여 멸균 처리하여 환경과 생태계 안전을 지킬 수 있고, 다른 미세조류 배양에 있어 멸균 상태의 배양탱크를 활용 할 수 있는 장점이 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시에는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시 예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식의 가진 자에 있어서 자명할 것이다.

실시예 1: 배양장치를 이용한 극지 미세조류의 배양

본 발명에 따라 제조된 배양장치에 Tris-acetate-phosphate (TAP) 배지를 제조해서 넣고 멸균하였다. 미리 배양된 종균 Chlamydomonas sp. KNM0029C (formerly ArM0029C, KCTC 12730BP) 를 냉각수 순환기에 의하여 2℃로 냉각된 배양탱크에 1x10⁶cells/ml 농도로 접종하였다. 배양탱크 안의 마그네틱 바의 회전을 60RPM으로 맞추고 공기를 공급하면서 교반하였다. 대조구는 같은 균주를 T-플라스크(75cm²)에 TAP 배지 20ml를 무균적으로 넣은 후 1x10⁶cells/ml 농도로 접종하였다. 본 발명에 의한 배양장치와 대조구는 온도는 2℃, 광량은 80 μmol photon m^-2s^-1, 광주기는 16:8h (light-dark cycle)의 동일한 조건으로 조사하였다. 배양기간은 80일동안 약 10일 간격으로 시료를 채취하여 세포 수를 측정하였으며 해당 실험을 2번 반복하여 생장그래프를 작성하였다.

그 결과, 도 5에 나타낸 바와 같이, Chlamydomonas sp. KNM0029C를 본 발명에 따른 배양장치에서 배양할 경우 ml 단위 당 1.05x10⁷세포 수, 총 23g의 바이오 매스를 얻었다. 이는 T-플라스크(배양액 20ml)에서 배양한 대조구의 8.25 x10⁶ 세포 수보다 27% 향상된 값으로 나타났다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

1: 필터
2: 벨브
3: 20리터 배양탱크
4: LED바
5: 공기공급기
6: LED바 지지대
7: 직류변환기
8: 타이머
9: 자력교반기
10: 지지대의 수평 부품
11: 지지대의 수직 부품
12: 압력 배출구
13: 스크류 마개
14: 공기주입 라인
15: 시료채취구
16: 기포발생기
17: 마그네틱 바
18: 냉각수 순환기
19: 냉각 동파이프

Claims

다음을 포함하는 배양장치를 이용하여, 1~2℃의 조건에서 저온성 미세조류를 배양하는 방법:
(i) 광투과성 재질로 내부에 배지와 미세조류가 수납되는 밀폐형 배양탱크;
(ii) 배양탱크의 외부를 둘러싸도록 배열되고, LED 바 또는 광섬유 다발로 구성되고, 광량 10~80 μmol photon m^-2s^-1 의 광을 조사할 수 있고, 백색광, 청색광 및 적색광을 조합할 수 있는 발광부재가 연결되는 브라켓이 구비된 발광부재 거치대와 상기 거치대에 연결되는 발광부재로 구성되는 조명장치;
(iii) 배양탱크의 상층부에 위치하여 배양탱크를 밀폐하고, 순환파이프와 공기주입구가 연결되어 있는 밀폐형 마개; 및
(iv) 상기 밀폐형 마개를 통하여 밀폐형 탱크의 내부와 외부를 관통하며 1~2℃의 냉각수가 순환되는 냉각수 순환파이프.
제1항에 있어서, 상기 미세조류는 극지유래 저온성 미세조류인 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 배양탱크의 재질은 오토클레이브에 의한 멸균이 가능한 재질인 것을 특징으로 하는 방법.
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