KR102009554B1 - Method of culturing photosynthetic microorganism using bicarbonate buffer produced by using carbon dioxide in flue gas and inorganic phosphate buffer - Google Patents

Method of culturing photosynthetic microorganism using bicarbonate buffer produced by using carbon dioxide in flue gas and inorganic phosphate buffer Download PDF

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Abstract

본 발명은 배가스 내 이산화탄소를 이용하여 제조된 중탄산 버퍼, 및 무기 인산염 버퍼를 활용한 광합성 미생물의 배양방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이산화탄소를 함유하는 배가스를 염기 수용액과 무기 인산염 버퍼의 혼합 용액에 공급하여 배가스 포화 버퍼 시스템을 조성하고 배지와 광합성 미생물을 접종하여 유용물질을 생성하는 광합성 미생물을 배양할 수 있는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 배가스 내 이산화탄소를 이용한 중탄산 버퍼와 무기 인산염 버퍼의 혼합 버퍼 시스템은 산성에 대한 완충작용이 우수하고 동시에 광합성 미생물에 탄소원과 영양원을 공급할 수 있으므로 미세 조류 생산성 저해를 방지할 수 있으므로, 배가스 배출에 의한 대기오염을 방지할 수 있고 기존 HEPES 버퍼 및 Na2Glycerophosphate·5H2O에 비해 비용절감 효과가 뛰어나 유용물질을 생산하는 광합성 미생물의 대량 배양 공정에 적용할 수 있다.
The present invention relates to a method for culturing bicarbonate buffer prepared using carbon dioxide in flue gas, and photosynthetic microorganisms using inorganic phosphate buffer, and more particularly, to a flue gas containing carbon dioxide in a mixed solution of an aqueous base solution and an inorganic phosphate buffer. The present invention relates to a method for culturing photosynthetic microorganisms by supplying a flue gas saturation buffer system and inoculating a medium and photosynthetic microorganisms to generate useful substances.
The mixed buffer system of bicarbonate buffer and inorganic phosphate buffer using carbon dioxide in the flue gas according to the present invention has excellent buffering effect against acidity and at the same time can supply carbon and nutrient sources to photosynthetic microorganisms, thereby preventing the inhibition of microalgae productivity. It is possible to prevent the air pollution by the emission, and it can be applied to the mass cultivation process of photosynthetic microorganisms that produce useful materials because it is more cost-effective than the existing HEPES buffer and Na 2 Glycerophosphate · 5H 2 O.

Description

배가스 내 이산화탄소를 이용하여 제조된 중탄산 버퍼, 및 무기 인산염 버퍼를 활용한 광합성 미생물의 배양방법{Method of culturing photosynthetic microorganism using bicarbonate buffer produced by using carbon dioxide in flue gas and inorganic phosphate buffer}Method of culturing photosynthetic microorganism using bicarbonate buffer produced by using carbon dioxide in flue gas and inorganic phosphate buffer}

본 발명은 배가스 내 이산화탄소를 이용하여 제조된 중탄산 버퍼, 및 무기 인산염 버퍼를 활용한 광합성 미생물의 배양방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이산화탄소를 함유하는 배가스를 염기 수용액과 무기 인산염 버퍼의 혼합 용액에 공급하여 배가스 포화 버퍼 시스템을 조성하고 배지와 광합성 미생물을 접종하여 유용물질을 생성하는 광합성 미생물을 배양할 수 있는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for culturing bicarbonate buffer prepared using carbon dioxide in flue gas, and photosynthetic microorganisms using inorganic phosphate buffer, and more particularly, to a flue gas containing carbon dioxide in a mixed solution of an aqueous base solution and an inorganic phosphate buffer. The present invention relates to a method for culturing photosynthetic microorganisms by supplying a flue gas saturation buffer system and inoculating a medium and photosynthetic microorganisms to generate useful substances.

에너지 생산을 위한 석탄, 석유 그리고 천연가스와 같은 화석 연료의 연소는 대기 중 이산화탄소의 농도를 높이는 주요 원인이고, 이는 지구 온난화의 원인이다. 1 kWh의 전력을 생산하는데 0.95 kg의 이산화탄소가 발생한다. 이러한 이산화탄소 배출을 줄이기 위해 지질학적인 이산화탄소 포집 기술을 개발하고 있으나, 이는 비용이 많이 들 뿐만 아니라 지진 등에 의한 이산화탄소 유출의 우려, 지하수의 오염 등의 문제가 있다. 이를 대체하기 위한 이상적인 이산화탄소 포집법은 생물학적 매커니즘을 이용한 바이오매스 형태로 이산화탄소를 고정하는 것이다. 그러나 기존의 콩, 야자수, 옥수수, 카놀라, 자트로파 등의 농작물을 사용하는 방법은 이러한 식물들이 식량 자원일 뿐 아니라 생산량이 낮다는 문제가 있다(Plasynski, S.I. et al., Crit. Rev. Plant Sci. 28:123-138, 2009).The burning of fossil fuels such as coal, petroleum and natural gas for energy production is a major cause of increasing atmospheric CO2 concentrations, which contributes to global warming. 0.95 kg of carbon dioxide is generated to produce 1 kWh. In order to reduce the carbon dioxide emissions, geological carbon capture technology has been developed, but this is not only costly, but there are also concerns about carbon dioxide leakage due to earthquakes and groundwater contamination. An ideal alternative to capturing carbon dioxide is to fix it in the form of biomass using biological mechanisms. However, conventional methods of using crops such as soybeans, palm trees, corn, canola and jatropha have a problem that these plants are not only food resources but also low yields (Plasynski, SI et al., Crit. Rev. Plant Sci. 28: 123-138, 2009).

반면 광합성 미생물은 높은 생산성을 가지고 있을 뿐만 아니라 식량 자원과 경쟁하지 않고 가치가 높은 부산물을 생산한다. 그러나 광합성 미생물의 배양에 있어서 지속적으로 이산화탄소를 포집하여 광합성 원료로 공급하는 것은 비용이 들고, 이는 바이오매스 생산에 있어 걸림돌이 되고 있다. 또한, 이산화탄소를 광합성 미생물의 배양액에 공급할 경우, 하기와 같은 화학식에 의해 배양액의 산성화가 진행되어 미생물의 생장을 저해할 우려가 있다.Photosynthetic microbes, on the other hand, are not only highly productive but also produce valuable by-products without competing with food resources. However, in the cultivation of photosynthetic microorganisms, it is costly to continuously capture carbon dioxide and supply it as a photosynthetic raw material, which is an obstacle to biomass production. In addition, when carbon dioxide is supplied to the culture medium of photosynthetic microorganisms, acidification of the culture medium proceeds according to the following chemical formula, which may inhibit the growth of microorganisms.

CO2 + H2O → H2CO3 CO 2 + H 2 O → H 2 CO 3

H2CO3 → HCO3 - + H+ H 2 CO 3 → HCO 3 - + H +

한편, 바이카보네이트(bicarbonate, HCO3-)는 광합성의 원료로서 활용할 수 있다. 시아노박테리아 및 미세조류에서 발달되어 온 탄소 농축 메커니즘(CCM; carbon concentration mechanism)은 세포막을 통해서 이산화탄소와 바이카보네이트 이온을 모두 수송할 수 있다. 세포 안으로 수송된 이산화탄소와 바이카보네이트 이온은 주로 바이카보네이트 이온 형태로 존재한다. 특히, 클라미도모나스(Chlamydomonas)와 같은 진핵 미세조류는 엽록체 안에 무기 탄소(Ci) 수송자를 가지므로 바이카보네이트 이온을 엽록체 스트로마 안에 축적하고 저장할 수 있다. 또한, 바이카보네이트가 배양액에 첨가되면 하기 화학식의 평형에 의해, H+를 소모할 수 있다.On the other hand, bicarbonate (HCO 3 ) can be utilized as a raw material for photosynthesis. The carbon concentration mechanism (CCM) developed in cyanobacteria and microalgae can transport both carbon dioxide and bicarbonate ions through cell membranes. Carbon dioxide and bicarbonate ions transported into cells are mainly in the form of bicarbonate ions. In particular, eukaryotic microalgae, such as Chlamydomonas, have inorganic carbon (Ci) transporters in the chloroplasts, allowing bicarbonate ions to accumulate and store in the chloroplast strom. In addition, when bicarbonate is added to the culture, H + may be consumed by the equilibrium of the following formula.

HCO3 - + H+ → CO2 + H2O HCO 3 - + H + → CO 2 + H 2 O

한편, 인(phosphorus)은 미세 조류 생장 및 배양에 있어 또 다른 중요한 영양원이다. 인은 인지질, 뉴클레오티드, 핵산 등의 원료가 되며 에너지 전달 (ATP)와 여러 세포 내 신호 전달에 관여한다. 세포는 인이 많은 환경에서 체성분의 약 3%까지 인을 축적할 수 있으며, 질소 결핍보다는 그 효과가 약하나 인 결핍은 몇몇 미세 조류 종에서 스트레스 환경 및 지질 결핍을 유도하는 것으로 알려져있다(Price, G.D. et al., J. Exp . Bot. 59: 1441-1461, 2008). 인은 세포 생장에 필수적인 영양소이므로 세포는 poly phosphate 형태로 인을 세포 내에 축적할 수 있다.Phosphorus, on the other hand, is another important nutrient for microalgal growth and culture. Phosphorus is a source of phospholipids, nucleotides and nucleic acids, and is involved in energy transfer (ATP) and several intracellular signal transductions. Cells can accumulate phosphorus up to about 3% of body composition in a phosphorus-rich environment and are less effective than nitrogen deficiency, but phosphorus deficiency is known to induce stress environments and lipid deficiencies in some microalgal species (Price, GD). et al., J. Exp . Bot. 59: 1441-1461, 2008). Phosphorus is an essential nutrient for cell growth, so cells can accumulate phosphorus in the cell in the form of polyphosphates.

기존에는 광합성 미생물 배양 시 배양액의 산성화를 방지하기 위해 HEPES(2-[4-(2-hydroxyethyl)piperazin-1-yl]ethanesulfonic acid) 버퍼를 사용하였으며, 인산원은 Na2Glycerophosphate·5H2O를 사용하였다. 하지만, HEPES 버퍼와 Na2Glycerophosphate·5H2O는 고가이기 때문에 유용물질을 생산하는 광합성 미생물의 대량 배양 공정에 적용하기 부담스럽다는 단점이 있다.In the past, HEPES (2- [4- (2-hydroxyethyl) piperazin-1-yl] ethanesulfonic acid) buffer was used to prevent acidification of the culture medium in photosynthetic microorganism culture, and the phosphate source was Na 2 Glycerophosphate · 5H 2 O. Used. However, since HEPES buffer and Na 2 Glycerophosphate.5H 2 O are expensive, they are burdensome to apply to the mass culturing process of photosynthetic microorganisms producing useful substances.

이에, 본 발명자들은 상기 문제점을 해결하기 위하여 예의 노력한 결과, 염기 수용액과 무기 인산염의 혼합 용액에 배가스 내의 이산화탄소를 용해시켜서 생성된 바이카보네이트/카보네이트 버퍼 시스템을 이용하여 광합성 미생물을 배양할 경우, 기존 HEPES 버퍼에 비해 미생물 배양액의 산성화 방지 능력이 우수하고 동시에 미생물의 생장이 향상되면서 바이오매스를 포함한 유용물질의 생산을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.Therefore, the present inventors have made diligent efforts to solve the above problems, and when culturing photosynthetic microorganisms using a bicarbonate / carbonate buffer system generated by dissolving carbon dioxide in exhaust gas in a mixed solution of an aqueous base solution and an inorganic phosphate, the existing HEPES Compared to the buffer, the ability to prevent acidification of the microbial culture solution and at the same time improved the growth of microorganisms to confirm the production of useful substances including biomass, to complete the present invention.

본 발명의 목적은 배가스 내 이산화탄소를 이용하여 제조된 중탄산 버퍼와, 무기 인산염 버퍼를 활용한 광합성 미생물 또는 미세조류의 배양방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a method for culturing bicarbonate buffer prepared using carbon dioxide in exhaust gas, and photosynthetic microorganism or microalgae using inorganic phosphate buffer.

상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 The present invention to solve the above problems

목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 이산화탄소를 함유하는 배가스를 염기 수용액과 무기 인산염 버퍼 용액의 혼합용액에 공급하여 이산화탄소 용해를 통한 바이카보네이트/카보네이트/포스페이트 (combined bicarbonate/phosphate) 버퍼 시스템을 조성하는 단계; 및 (b) 상기 조성된 바이카보네이트/카보네이트/포스페이트 버퍼 시스템에 배지를 첨가하고, 광합성 미생물을 접종한 다음, 이산화탄소 함유 배가스를 공급하면서 배양하는 단계를 포함하는 배가스 내 이산화탄소를 이용하여 제조된 중탄산 버퍼, 및 무기 인산염 버퍼를 활용한 광합성 미생물의 배양방법을 제공한다.In order to achieve the object, the present invention provides a (bi) bicarbonate / carbonate / phosphate buffer system by dissolving carbon dioxide by supplying a flue gas containing carbon dioxide to a mixed solution of a base aqueous solution and an inorganic phosphate buffer solution Formulating; And (b) adding a medium to the prepared bicarbonate / carbonate / phosphate buffer system, inoculating photosynthetic microorganisms, and culturing while supplying a carbon dioxide-containing flue gas. It provides a method for cultivating photosynthetic microorganisms using, and inorganic phosphate buffer.

본 발명에 따른 배가스 내 이산화탄소를 이용한 중탄산 버퍼와 무기 인산염 버퍼의 혼합 버퍼 시스템은 산성에 대한 완충작용이 우수하고 동시에 광합성 미생물에 탄소원과 영양원을 공급할 수 있으므로 미세 조류 생산성 저해를 방지할 수 있으므로, 배가스 배출에 의한 대기오염을 방지할 수 있고 기존 HEPES 버퍼 및 Na2Glycerophosphate·5H2O에 비해 비용절감 효과가 뛰어나 유용물질을 생산하는 광합성 미생물의 대량 배양 공정에 적용할 수 있다.The mixed buffer system of bicarbonate buffer and inorganic phosphate buffer using carbon dioxide in the flue gas according to the present invention has excellent buffering effect against acidity and at the same time can supply carbon and nutrient sources to photosynthetic microorganisms, thereby preventing the inhibition of microalgae productivity. It is possible to prevent the air pollution by the emission, and it can be applied to the mass cultivation process of photosynthetic microorganisms that produce useful materials because it is more cost-effective than the existing HEPES buffer and Na 2 Glycerophosphate · 5H 2 O.

도 1은 본 발명에 따른 바이카보네이트/카보네이트/포스페이트 (combined bicarbonate/phosphate) 버퍼 시스템을 이용한 미세조류 배양 과정에 관한 공정도이다.
도 2는 이산화탄소를 강염기 수용액에 0.1 vvm의 기체 유속으로 12시간 이상 폭기(aeration)시 가스 공급 조건 및 염기 수용액의 농도별 이산화탄소의 화학적 흡착에 따른 pH 및 용해 무기 탄소종 (Dissolved inorganic carbon)의 농도를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따라 이산화탄소 흡착에 의해 생성된 용해 탄소종의 농도가 세포 생장에 미치는 영향을 관찰한 결과 그래프이다.
도 4는 이산화탄소를 강염기 수용액 및 무기 인산염 버퍼 용액의 혼합용액에 0.1 vvm의 기체 유속으로 12시간 이상 폭기(aeration)시 무기 인산염의 농도별 이산화탄소의 화학적 흡착에 따른 pH 및 용해 무기 탄소종 (Dissolved inorganic carbon)의 농도를 나타낸 그래프이다.
도 5는 강염기 수용액과 무기 인산염 버퍼의 농도에 따른 세포 생장 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 산업체 배출 배가스 조건에서 기존 버퍼인 HEPES 20 mM과 본 발명에 따른 버퍼 시스펨을 사용하여 H. pluvialis를 장기간 배양 (60일) 하였을 때의 바이오매스 생산성 (도 6A), 아스타잔틴 생산성 (도 6B), pH (도 6C), 용해 탄소종 농도 (도 6D)를 비교한 결과 그래프이다.
1 is a process chart for the microalgal culture process using a bicarbonate / carbonate / phosphate buffer system according to the present invention.
FIG. 2 shows the pH and dissolved inorganic carbon concentration according to the gas adsorption conditions and the chemical adsorption of carbon dioxide according to the concentration of the basic aqueous solution when the carbon dioxide is aerated at a gas flow rate of 0.1 vvm for 12 hours or more in a strong base aqueous solution. Is a graph.
3 is a graph illustrating the effect of the concentration of soluble carbon species produced by carbon dioxide adsorption on cell growth according to the present invention.
Figure 4 shows the pH and dissolved inorganic carbon species according to the chemical adsorption of carbon dioxide by the concentration of inorganic phosphate when the carbon dioxide is aerated at a gas flow rate of 0.1 vvm in a mixed solution of a strong base aqueous solution and an inorganic phosphate buffer solution for more than 12 hours. This graph shows the concentration of carbon).
5 is a graph showing the results of cell growth according to the concentration of the strong base aqueous solution and inorganic phosphate buffer.
FIG. 6 shows biomass productivity (FIG. 6A) and astaxanthin productivity when H. pluvialis was cultured for a long time (60 days) using HEPES 20 mM, a buffer system according to the present invention, in an industrial exhaust flue gas condition. (FIG. 6B), pH (FIG. 6C), and dissolved carbon species concentration (FIG. 6D).

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명은 광 생물 반응기를 사용한 미세 조류 배양 공정에서 고농도 이산화탄소의 지속적 공급에 의한 pH 저하를 방지하고 배양액의 pH를 일정하게 보정하여 이산화탄소 농도에 민감한 미세 조류 종을 산업체에서 배출되는 배가스 내 이산화탄소 처리에 활용할 수 있도록 하는 기술을 제공하고자 한다.The present invention is to prevent the pH decrease by the continuous supply of high concentration of carbon dioxide in the microalgae cultivation process using a photo bioreactor and to constantly correct the pH of the culture medium to treat carbon dioxide in the flue gas discharged from the industry to the microalgae species sensitive to carbon dioxide concentration We want to provide a technology that can be used.

본 발명에서는 배가스 내 이산화탄소를 염기 수용액과 무기 인산염 버퍼 용액의 혼합용액에 공급하여 이산화탄소 용해를 통한 중탄산/인산염 버퍼를 제조한 후 광합성 미생물을 접종하여 배양한 결과, 지속적으로 탄소원과 영양원이 공급됨으로써 배양액의 산성화가 방지되고 미생물의 생장 저해효과가 일어나지 않아 미생물로부터 바이오매스를 포함한 유용물질을 안정적으로 생산할 수 있다는 것을 확인하였다.In the present invention, by supplying carbon dioxide in the flue gas to the mixed solution of the base aqueous solution and inorganic phosphate buffer solution to prepare a bicarbonate / phosphate buffer through carbon dioxide dissolution and inoculated with photosynthetic microorganisms, the culture solution by continuously supplying carbon and nutrient sources It was confirmed that the acidification of the microorganism was prevented and the growth inhibition effect of the microorganism did not occur, so that useful substances including biomass could be stably produced from the microorganism.

따라서, 본 발명은 일 관점에서, (a) 이산화탄소를 함유하는 배가스를 염기 수용액과 무기 인산염 버퍼 용액의 혼합용액에 공급하여 이산화탄소 용해를 통한 바이카보네이트/카보네이트/포스페이트 (combined bicarbonate/phosphate) 버퍼 시스템을 조성하는 단계; 및 (b) 상기 조성된 바이카보네이트/카보네이트/포스페이트 버퍼 시스템에 배지를 첨가하고, 광합성 미생물을 접종한 다음, 이산화탄소 함유 배가스를 공급하면서 배양하는 단계를 포함하는 배가스 내 이산화탄소를 이용하여 제조된 중탄산 버퍼, 및 무기 인산염 버퍼를 활용한 광합성 미생물의 배양방법에 관한 것이다.Accordingly, the present invention provides a bicarbonate / carbonate / phosphate buffer system by dissolving carbon dioxide by supplying (a) a flue gas containing carbon dioxide to a mixed solution of a base aqueous solution and an inorganic phosphate buffer solution. Formulating; And (b) adding a medium to the prepared bicarbonate / carbonate / phosphate buffer system, inoculating photosynthetic microorganisms, and culturing while supplying a carbon dioxide-containing flue gas. And a method for culturing photosynthetic microorganisms using inorganic phosphate buffer.

본 발명에 있어서, 상기 이산화탄소는 배가스에서 탈진, 탈황, 탈질소 및 탈염소 중 적어도 2가지 이상의 단계를 포함하는 정화과정을 거쳐 얻어지는 것일 수 있다.In the present invention, the carbon dioxide may be obtained through a purification process including at least two or more steps of dedusting, desulfurization, denitrification, and dechlorination in exhaust gas.

본 발명에 있어서, 상기 염기는 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 암모니아(NH4OH), 수산화칼슘(Ca(OH)2) 또는 수산화마그네슘(Mg(OH)2)일 수 있다.In the present invention, the base may be sodium hydroxide (NaOH), potassium hydroxide (KOH), ammonia (NH 4 OH), calcium hydroxide (Ca (OH) 2 ) or magnesium hydroxide (Mg (OH) 2 ).

본 발명에 있어서, 상기 무기 인산염 버퍼 용액은 K2HPO4와 KH4PO4의 혼합용액일 수 있다.In the present invention, the inorganic phosphate buffer solution may be a mixed solution of K 2 HPO 4 and KH 4 PO 4 .

본 발명에 있어서, 상기 배가스 내 이산화탄소 함량은 3 ~ 50%일 수 있으나 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 상기 이산화탄소의 함량은 이산화탄소 발생원의 종류에 따라 달라질 수 있다.In the present invention, the carbon dioxide content in the exhaust gas may be 3 to 50%, but is not necessarily limited thereto, and the content of carbon dioxide may vary depending on the type of carbon dioxide generating source.

본 발명에 있어서, 상기 염기의 농도는 5 ~ 50 mM, 바람직하게는 강염기를 사용할 경우 5 ~ 20 mM, 더욱 바람직하게는 10 mM의 강염기(KOH)를 사용하는 것을 특징으로 할 수 있으나 이에 국한되는 것은 아니다.In the present invention, the concentration of the base may be 5 to 50 mM, preferably 5 to 20 mM, more preferably 10 mM strong base (KOH) when using a strong base, but is not limited thereto. It is not.

본 발명에 있어서, 상기 무기 인산염의 농도는 0.01 ~ 5 mM, 바람직하게는 0.1 ~ 1 mM, 더욱 바람직하게는 1 mM일 수 있으나 이에 국한되는 것은 아니다.In the present invention, the concentration of the inorganic phosphate may be 0.01 to 5 mM, preferably 0.1 to 1 mM, more preferably 1 mM, but is not limited thereto.

본 발명에서, 버퍼(buffer)는 외부로부터 산이나 염기가 가해졌을 때, 영향을 크게 받지 않고 수소이온농도를 일정하게 유지시켜주며, 일반적으로 약한 산과 그 염의 혼합용액 또는 약한 염기와 그 염의 혼합용액이 완충작용을 한다. In the present invention, the buffer (buffer) is not significantly affected when the acid or base is added from the outside, and maintains a constant hydrogen ion concentration, generally a mixture of weak acid and its salt or mixed solution of weak base and its salt It acts as a buffer.

본 발명에 따라 용해된 이산화탄소는 HCO3 -/CO3 2- 상태로 수용액에 존재하며 이는 짝산/짝염기 화학종으로서 버퍼 효능을 가진다. 이러한 중탄산 버퍼를 이용하여 미세 조류 배양 기간 동안 pH를 일정하게 유지할 수 있으나, 일정 범위 이상 (>5% v/v)의 CO2 농도에서는 pH 보정 효과가 저해되는바, 본 발명에서는 상기 중탄산 버퍼 시스템(HCO3 -/CO3 2-)에 무기 인산염 버퍼(H2PO4 -/HPO4 2 -)가 혼합된 버퍼 시스템(바이카보네이트/카보네이트/포스페이트 버퍼 시스템)을 사용하여 완충 능력을 향상시킴으로써 미세조류의 장기간 배양에도 pH를 보정하는 효과가 있을 뿐만 아니라 미세 조류 생산성 저해를 방지할 수 있다.The dissolved carbon dioxide in accordance with the present invention is HCO 3 - present in the aqueous solution / CO 3 2- buffer state, which has the effect as a conjugate acid / conjugate base species. The bicarbonate buffer can be used to maintain a constant pH during the microalgae culture, but at a CO 2 concentration of more than a certain range (> 5% v / v), the pH correction effect is inhibited. In the present invention, the bicarbonate buffer system inorganic phosphate buffers in the - (HCO 3 / CO 3 2- ) (H 2 PO 4 - / HPO 4 2 -) by using a mixed buffer system (bicarbonate / carbonate / phosphate buffer system) fine by increasing the buffering capacity Long-term culture of algae not only has the effect of correcting the pH, but also prevents the inhibition of microalgae productivity.

아울러, 본 발명의 배가스 포화 버퍼 시스템은 배양하고자 하는 광합성 미생물 또는 미세조류에 따라 최적인 pH 조건이 각각 다르기 때문에, 해당 광합성 미생물의 최적 pH에 맞게 배가스의 이산화탄소의 함량, 배가스의 공급 속도, 배가스 공급시간, 염기 및 무기 인산염의 농도를 조절하여 조성할 수 있다.In addition, since the optimum pH conditions are different depending on the photosynthetic microorganism or microalgae to be cultured, the exhaust gas saturation buffer system of the present invention has a carbon dioxide content, an exhaust gas supply rate, and an exhaust gas supply according to the optimum pH of the photosynthetic microorganism. The composition can be adjusted by controlling the time, base and concentration of inorganic phosphate.

본 발명에 있어서, 상기 광합성 미생물은 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris), 클로렐라 소로키니아나(Chlorella sorokiniana), 스피룰리나(Spirurlina) 속, 두나리엘라(Dunaliella) 속, 헤마토코쿠스 플루비알리스(Haematococcus pluvialis), 스키조키트리움(Schizochytrium) 속, 크립테코디니움(Crypthecodinium) 속, 클라미도모나스(Chlamydomonas) 속, 네오클로리스(Neochloris) 속과 같은 미세조류와 아파니조메논(Aphanizomenon) 속 또는 시아노박테리아(Cyanobacteria)와 같은 광합성 박테리아인 것을 특징으로 할 수 있으나, CO2를 탄소원으로 이용할 수 있는 미생물이라면 제한없이 사용될 수 있다.In the present invention, the photosynthetic microorganism is Chlorella vulgaris, Chlorella sorokiniana, Spirulina genus, Dunaliella genus, Hematococcus fluvialis, Haematococcus pluvialis , Microalgae such as genus Schizochytrium, genus Crypthecodinium, genus Chlamydomonas, genus Neochloris, and genus Aphanizomenon or cyanobacteria It may be characterized by photosynthetic bacteria, such as), but any microorganism that can use CO 2 as a carbon source can be used without limitation.

본 발명에 있어서, 상기 (b)단계의 광합성 미생물 배양에 의해 유용물질을 생성하는 단계를 추가로 포함할 수있으나 이에 국한되는 것은 아니다.In the present invention, the step (b) may further include the step of generating a useful material by photosynthetic microbial culture, but is not limited thereto.

본 발명에 있어서, 상기 유용물질은 건강식품, 바이오플라스틱, 베타카로틴, 동위원소 화합물, 아스타잔틴, DHA 오일, 바이오디젤, 바이오에탄올, 토양개량제 또는 생물비료인 것을 특징으로 할 수 있으나 이에 국한되는 것은 아니다.In the present invention, the useful substance may be a health food, bioplastics, beta carotene, isotope compounds, astaxanthin, DHA oil, biodiesel, bio ethanol, soil improver or bio fertilizer, but is not limited thereto. It is not.

이하에서는 바람직한 실시예 등을 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예 등은 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to preferred embodiments. However, these examples and the like are intended to explain the present invention in more detail, and it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited thereto.

<실험 재료 및 배양조건>Experimental Materials and Culture Conditions

본 발명에 사용된 균주는 Haematococcus pluvialis NIES-144로서 National Institute for Environmental Studies, Tsukuba, Japan으로부터 구입하였다. 본 실험에 사용된 배지는 NIES-C 및 NIES-N 배지이며 이의 구성성분을 하기 [표 1]에 나타내었다.The strain used in the present invention is Haematococcus It was purchased from National Institute for Environmental Studies, Tsukuba, Japan as pluvialis NIES-144. The medium used in this experiment is NIES-C and NIES-N medium and its components are shown in Table 1 below.

NIES-CNIES-C NIES-NNIES-N 성분ingredient 함량(/L)Content (/ L) 성분ingredient 함량(/L)Content (/ L) Ca(NO3)2 Ca (NO 3) 2 0.15 g0.15 g CaCl2·2H2OCaCl 2 · 2H 2 O 0.13 g0.13 g KNO3 KNO 3 0.10 g0.10 g KClKCl 0.07 g0.07 g Na2Glycerophosphate·5H2O
(무기 인산염 버퍼로 대체)
Na 2 Glycerophosphate5H 2 O
(Replaced by inorganic phosphate buffer)
0.05 g0.05 g Na2Glycerophosphate·5H2O
(무기 인산염 버퍼로 대체)
Na 2 Glycerophosphate5H 2 O
(Replaced by inorganic phosphate buffer)
0.05 g0.05 g
MgSO4·7H2OMgSO 4 7 H 2 O 0.04 g0.04 g MgSO4·7H2OMgSO 4 7 H 2 O 0.04 g0.04 g ThiamineThiamine 0.01 ㎎0.01 mg ThiamineThiamine 0.01 ㎎0.01 mg BiotinBiotin 0.10 ㎍0.10 μg BiotinBiotin 0.10 ㎍0.10 μg Vitamin B12Vitamin b12 0.01 ㎍0.01 μg Vitamin B12Vitamin b12 0.01 ㎍0.01 μg PIV metal solution
(per liter)
Na2EDTA 1 g
FeCl3·6H2O 0.196 g
MnCl2·4H2O 0.036 g
ZnSO4·7H2O 0.022 g
CoCl2·6H2O 4 ㎎
Na2MoO4·2H2O 2.5 ㎎
PIV metal solution
(per liter)
Na 2 EDTA 1 g
FeCl 3 6H 2 O 0.196 g
MnCl 2 4H 2 O 0.036 g
ZnSO 4 7H 2 O 0.022 g
CoCl 2 · 6H 2 O 4 mg
Na 2 MoO 4 2H 2 O 2.5 mg
3 ㎖3 ml PIV metal solution
(per liter)
Na2EDTA 1 g
FeCl3·6H2O 0.196 g
MnCl2·4H2O 0.036 g
ZnSO4·7H2O 0.022 g
CoCl2·6H2O 4 ㎎
Na2MoO4·2H2O 2.5 ㎎
PIV metal solution
(per liter)
Na 2 EDTA 1 g
FeCl 3 6H 2 O 0.196 g
MnCl 2 4H 2 O 0.036 g
ZnSO 4 7H 2 O 0.022 g
CoCl 2 · 6H 2 O 4 mg
Na 2 MoO 4 2H 2 O 2.5 mg
3 ㎖3 ml

또한, 자가 영양 조건에서 H. pluvialis 대량 배양 공정의 옥외 배양 조건은 아래에 나타내었다.In addition, the outdoor culture conditions of the H. pluvialis mass culture process under autotrophic conditions are shown below.

<배양 조건><Cultivation conditions>

- NIES-C 배지: autotrophic medium (자가영양배지, 목적: 생장)NIES-C medium: autotrophic medium (autotrophic medium, purpose: growth)

- NIES-N 배지: autotrophic medium (자가영양배지, 목적: 영양 결핍 스트레스를 통한 아스타잔틴 축적 유도)NIES-N medium: autotrophic medium (autotrophic medium, purpose: to induce astaxanthin accumulation through nutrient stress)

- 가스 공급 : 이산화탄소 및 공기 혼합 가스를 기본으로 하며 농도는 각각 air (대조군), 5% CO2, 10% CO2 및 15% CO2 (v/v)에서 시험하였으며, 배가스는 한국 지역난방공사 판교지사에서 공급받았으며, 이때 배가스에 포함된 CO2 농도는 약 3~6%로 관찰되었음-Gas supply: Based on carbon dioxide and air mixed gas, the concentrations were tested in air (control), 5% CO 2 , 10% CO 2 and 15% CO 2 (v / v), respectively. It was supplied by Pangyo branch office and the concentration of CO 2 contained in the flue gas was observed to be about 3 ~ 6%.

- 주입 유량 : 0.1 vvm (vessel volume per minute)Injection flow rate: 0.1 vvm (vessel volume per minute)

- 배양 온도 : 23±3 ℃Culture temperature: 23 ± 3 ℃

- 광주기 : (대략적으로) 명암주기 12 : 12-Photoperiod: (approximately) contrast cycle 12: 12

- 반응기 종류 : 5L 부피의 기포탑(bubble column) 형식의 공기 방울을 이용하여 교반하는 관형(tubular)의 투명한 광 생물 반응기Reactor type: Tubular transparent optical bioreactor, agitated using air bubbles in the form of a bubble column of 5L volume

- 생장 시 광조건 : 50~70 μE/m2/s-Light condition at growth: 50 ~ 70 μE / m 2 / s

- 유도기 시 광조건 : 300~500 μE/m2/s-Light condition in inductor: 300 ~ 500 μE / m 2 / s

- 이산화탄소의 화학적 흡착을 이용한 무기 탄소종 버퍼 제작 시 사용되는 염기성 용액 : KOH 각각 0mM (대조군), 10mM, 20mM, 30mM-Basic solution used for the preparation of inorganic carbon species buffer using chemical adsorption of carbon dioxide: 0mM (control), 10mM, 20mM, 30mM for each KOH

- pH 보정 효과 강화를 위한 무기 인산염 버퍼 조성 : (1M 용액 제작 시) K2HPO4 163.73g/L와 KH4PO4 8.17 g/L 의 혼합 용액을 각각 0 mM (대조군, phosphate source로서 Na2Glycerophosphate·5H2O 0.05 g/L 첨가), 0.1 mM, 0.5 mM 그리고 1.0 mM의 농도로 배양액에 주입하여 그 효과를 시험함-Inorganic phosphate buffer composition to enhance pH correction effect: (When preparing 1M solution) A mixed solution of 163.73g / L K 2 HPO 4 and 8.17 g / L KH 4 PO 4 was respectively added 0 mM (control, Na 2 as phosphate source). 0.05 g / L Glycerophosphate 5H 2 O), 0.1 mM, 0.5 mM and 1.0 mM were injected into the culture to test the effect

실시예Example 1. 중탄산 버퍼의 최적화 1. Optimization of Bicarbonate Buffer

하기 도 1에 나타낸 바와 같이 Air, 5% CO2, 10% CO2, 15% CO2 (v/v)를 각각 다른 농도의 강염기 (KOH) 수용액에 공급하여 중탄산 버퍼 수용액을 제조하였다. 이때, 반응기는 광 투과 비닐로 제작된 기포탑 (bubble column) 형태의 반응기를 사용하였으며, 공급 가스 유량은 0.1 vvm로 일정하게 지속적으로 가스를 공급하였다. 강염기 수용액은 반응기 내 pH를 급격히 올리며 이에 따라 이산화탄소는 다음의 화학 반응을 통해 강염기 수용액에 용해된다.As shown in FIG. 1, air, 5% CO 2 , 10% CO 2 , and 15% CO 2 (v / v) were respectively supplied to different concentrations of the strong base (KOH) aqueous solution to prepare a bicarbonate buffer aqueous solution. At this time, the reactor was used in the form of a bubble column (bubble column) made of light-transmissive vinyl, the supply gas flow rate was constantly supplying gas at 0.1 vvm. The strong base aqueous solution rapidly raises the pH in the reactor, and thus carbon dioxide is dissolved in the strong base aqueous solution through the following chemical reaction.

CO2 + OH- ↔ HCO3 - CO 2 + OH - ↔ HCO 3 -

HCO3 - + OH- ↔ CO3 - + H2O HCO 3 - + OH - ↔ CO 3 - + H 2 O

높은 pH 조건에서 이산화탄소의 흡착은 속도 결정 단계이므로 공기 방울의 평균 크기를 감소시켜 반응 표면을 증가시키면 물질 전달(mass transfer) 측면에서 유리하다. 이를 위해 본 발명에서는 다공성 돌 재질로 만들어진 기체 분산기 (sparger)를 사용하였다.Adsorption of carbon dioxide at high pH is a rate determining step, which is advantageous in terms of mass transfer by reducing the average size of the air bubbles to increase the reaction surface. To this end, the present invention used a gas distributor made of porous stone material.

이산화탄소 용해 반응은 반응기 내 별다른 유입과 유출 없이 연속적으로 이산화탄소 혼합 가스만 공급되는 상태에서 정상 상태 (steady-state)에 다다르며 이때 반응은 회분식 (batch)으로 12시간 이상 진행된다. The carbon dioxide dissolution reaction reaches a steady-state in which only carbon dioxide mixed gas is continuously supplied without any inflow and outflow in the reactor, and the reaction proceeds in a batch for more than 12 hours.

CO2의 화학적 흡착을 통한 용해 무기 탄소종 용액의 제조 및 미세 조류 배양액의 버퍼 효능을 탐구하기 위하여, 먼저 광 생물 반응기 내 서로 다른 농도의 KOH 수용액을 주입한 후, CO2 용해 반응이 정상 상태에 다다르도록 24시간 이상 가스를 일정한 유속으로 주입하였으며, 이때 하기 도 1과 같이 bubble column reactor를 설치하여 다양한 농도의 이산화탄소 혼합 가스 및 배가스를 주입했다.In order to investigate the preparation of the dissolved inorganic carbon species solution through the chemical adsorption of CO 2 and the buffer efficacy of the microalgae broth, firstly, different concentrations of aqueous KOH solution were injected into the photobioreactor, and then the CO 2 dissolution reaction was brought to a steady state. Gas was injected at a constant flow rate for more than 24 hours, and at this time, a bubble column reactor was installed as shown in FIG. 1 to inject carbon dioxide mixed gas and exhaust gas of various concentrations.

도 2는 이산화탄소를 강염기 수용액에 0.1 vvm의 기체 유속으로 12시간 이상 폭기(aeration)시 가스 공급 조건 및 염기 수용액의 농도별 이산화탄소의 화학적 흡착에 따른 pH 및 용해 무기 탄소종 (Dissolved inorganic carbon)의 농도를 나타낸 그래프이다. 이때 공급된 가스 조건은 air (대조군)(도 2A), 5%(도 2B), 10%(도 2C), 및 15% CO2(도 2D) 혼합가스이다.FIG. 2 shows the pH and dissolved inorganic carbon concentration according to the gas adsorption conditions and the chemical adsorption of carbon dioxide according to the concentration of the basic aqueous solution when the carbon dioxide is aerated at a gas flow rate of 0.1 vvm for 12 hours or more in a strong base aqueous solution. Is a graph. The gas conditions supplied at this time are air (control) (FIG. 2A), 5% (FIG. 2B), 10% (FIG. 2C), and 15% CO 2 (FIG. 2D) mixed gas.

도 2A에 나타난 바와 같이 Air 공급 조건에서 KOH 수용액 (10 mM, 20 mM, 30 mM)의 pH는 12~13으로 매우 높았다. 반면 대조군 (KOH 0 mM) 조건에서 air만 지속적으로 공급 시 pH가 약 6.3으로 저하되는 것을 관찰할 수 있었다. 반면, 도 2B-D에 나타난 바와 같이 CO2 혼합 가스 공급 조건에서는 이산화탄소 농도 및 KOH 농도와 관계없이 pH가 일정 범위 (7~8 사이) 내로 수렴하는 것을 관찰할 수 있었다. 또한, 이산화탄소 농도 및 KOH 수용액 농도가 증가할수록 용해 무기 탄소종의 농도 또한 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이후 배지 농축액을 주입하고 미세 조류 H. pluvialis 세포를 접종하여 약 18일 동안 자가 영양 조건에서 옥외 배양을 실시하였다.As shown in FIG. 2A, the pH of KOH aqueous solution (10 mM, 20 mM, 30 mM) was very high at 12-13 under the air supply condition. On the other hand, the pH was decreased to about 6.3 when only air was continuously supplied in the control (KOH 0 mM) condition. On the other hand, as shown in Fig. 2B-D it was observed that the pH converges within a certain range (between 7 and 8) regardless of the carbon dioxide concentration and KOH concentration in the CO 2 mixed gas supply conditions. In addition, the concentration of dissolved inorganic carbon species also increased as the concentration of carbon dioxide and KOH aqueous solution increased. Thereafter, the culture medium was injected and inoculated with microalgae H. pluvialis cells, followed by outdoor culture under autotrophic conditions for about 18 days.

도 3은 본 발명에 따라 이산화탄소 흡착에 의해 생성된 용해 탄소종의 농도가 세포 생장에 미치는 영향을 관찰한 결과 그래프이다. 이때 공급된 가스 조건은 air (대조군)(도 3A), 5%(도 3B), 10%(도 3C), 및 15% CO2(도 3D) 혼합가스이다. 3 is a graph illustrating the effect of the concentration of soluble carbon species produced by carbon dioxide adsorption on cell growth according to the present invention. The gas conditions supplied at this time are air (control) (FIG. 3A), 5% (FIG. 3B), 10% (FIG. 3C), and 15% CO 2 (FIG. 3D) mixed gas.

도 3A에 나타난 바와 같이 Air 공급 조건에서는 세포 생장이 거의 일어나지 않음을 관찰할 수 있었다. 또한, KOH 0 mM인 경우 배양액의 pH는 9.0으로 최적 세포 생장 pH 조건인 7.5보다 매우 높은 값을 보여 세포 생장이 저해될 뿐 아니라 세포 용해(cell lysis)됨을 관찰하였다. 도 3B에 나타난 바와 같이 5% CO2 혼합 가스 공급 조건하에서 바이오매스 생장이 가장 우수했으며 특히 KOH 수용액 10 mM에서 최종 바이오매스 농도가 1.32 g/L로 세포 생장이 가장 우수한 것으로 확인되었다. 또한, 도 3C에 나타난 바와 같이 10% CO2 혼합 가스 조건에서도, KOH 수용액 10 mM에서 최종 바이오매스 농도가 0.80 g/L로 가장 우수했으며, 배양액의 pH는 모든 염기성 수용액 조건에서 7.7~7.9 (KOH 0 mM 조건에서는 pH 6.0)로 유지됨을 확인하였다. 또한, 도 3D에 나타난 바와 같이 15% CO2 혼합 가스 조건에서는, 배양액의 pH가 모든 염기성 수용액 조건에서 6.8~7.3 (대조군인 0 mM KOH는 5.5)이며, 용해 탄소종의 농도가 400~1300mg/L로 매우 높았으며, 이에 따라 세포 생장이 저해됨을 확인하였다. As shown in FIG. 3A, almost no cell growth occurred in the air supply condition. In addition, in the case of 0 mM KOH, the pH of the culture medium was 9.0, which was much higher than the optimum cell growth pH of 7.5, which observed that cell growth was inhibited as well as cell lysis. As shown in FIG. 3B, the biomass growth was the best under 5% CO 2 mixed gas supply conditions, and the cell growth was confirmed to be the best with the final biomass concentration of 1.32 g / L in 10 mM aqueous KOH solution. In addition, as shown in FIG. 3C, even in a 10% CO 2 mixed gas condition, the final biomass concentration was best at 0.80 g / L in 10 mM KOH aqueous solution, and the pH of the culture medium was 7.7 to 7.9 (KOH) under all basic aqueous solution conditions. PH 0) was maintained at 0 mM condition. In addition, as shown in FIG. 3D, under 15% CO 2 mixed gas conditions, the pH of the culture solution was 6.8 to 7.3 (control 0 mM KOH is 5.5) under all basic aqueous solution conditions, and the concentration of dissolved carbon species was 400 to 1300 mg /. It was found to be very high as L, thereby inhibiting cell growth.

실시예Example 2. 중탄산/인산염 버퍼 최적화 2. Bicarbonate / Phosphate Buffer Optimization

강염기와 무기 인산염 버퍼 혼합 수용액에 CO2의 화학적 흡착 반응을 유도함으로써 중탄산/인산염 버퍼의 최적 조건을 도출하였다.The optimum conditions of the bicarbonate / phosphate buffer were derived by inducing a chemical adsorption reaction of CO 2 into the mixed aqueous solution of a strong base and an inorganic phosphate buffer.

이때 중탄산 버퍼는 10 mM의 KOH 수용액에 이산화탄소를 용해시켜 제조하였으며, 무기 인산염 버퍼 농도는 각각 0.1 mM, 0.5 mM, 1.0mM이며 대조군은 무기 인산염 버퍼 없이 10 mM KOH에 CO2 혼합 가스 (5%, 10%, 15%, 대조군으로 air)를 24시간 이상 폭기(aeration)해서 용해 반응을 진행하였다.The bicarbonate buffer was prepared by dissolving carbon dioxide in 10 mM KOH aqueous solution, and the inorganic phosphate buffer concentrations were 0.1 mM, 0.5 mM, and 1.0 mM, respectively, and the control group was mixed with CO 2 mixed gas (5%, 10%, 15%, aeration as a control for more than 24 hours (aeration) proceeded the dissolution reaction.

도 4는 이산화탄소를 강염기 수용액 및 무기 인산염 버퍼 용액의 혼합용액에 0.1 vvm의 기체 유속으로 12시간 이상 폭기(aeration)시 무기 인산염의 농도별 이산화탄소의 화학적 흡착에 따른 pH 및 용해 무기 탄소종 (Dissolved inorganic carbon)의 농도를 나타낸 그래프이다. 이때 공급된 가스 조건은 air (대조군)(도 4A), 5%(도 4B), 10%(도 4C), 및 15% CO2(도 4D) 혼합가스이다. Figure 4 shows the pH and dissolved inorganic carbon species according to the chemical adsorption of carbon dioxide by the concentration of inorganic phosphate when the carbon dioxide is aerated at a gas flow rate of 0.1 vvm in a mixed solution of a strong base aqueous solution and an inorganic phosphate buffer solution for more than 12 hours. This graph shows the concentration of carbon). The gas conditions supplied at this time are air (control) (FIG. 4A), 5% (FIG. 4B), 10% (FIG. 4C), and 15% CO 2 (FIG. 4D) mixed gas.

도 4A에 나타난 바와 같이, 대조군인 air 공급 조건에서는 CO2가 거의 용해되지 않았으므로 무기 인산염 버퍼 첨가 시에도 pH는 11.0~12.3으로 상당히 높아 세포 생장에 적합하지 않을을 확인하였다. 또한, 도 4B-D에 나타난 바와 같이 5%, 10%, 15% CO2 혼합 가스 공급 시에는 무기 인산염 버퍼 첨가와 관계없이 모든 조건에서 pH는 6.8~7.5로 떨어지는 것을 확인하였으나, 15% CO2 혼합 가스 공급 시에는 용해 탄소종 농도가 410~720 mg/L로 지나치게 높아 세포 생장에 부적합함을 확인하였다.As shown in FIG. 4A, since CO 2 was hardly dissolved in the air supply condition as a control, even when the inorganic phosphate buffer was added, the pH was significantly high as 11.0 to 12.3, and thus it was not suitable for cell growth. In addition, as shown in FIG. 4B-D, when the 5%, 10%, and 15% CO 2 mixed gas was supplied, the pH dropped to 6.8 to 7.5 under all conditions regardless of the addition of the inorganic phosphate buffer, but 15% CO 2 When supplying a mixed gas, it was confirmed that the concentration of soluble carbon species was 410-720 mg / L, which was unsuitable for cell growth.

이러한 결과를 통해 강염기 용액 및 무기 인산염 버퍼 혼합 수용액에서 pH 저하는 CO2 흡착에 의해 이루어지며, 이 과정에서 무기 인산염 버퍼의 영향은 미미함을 암시한다. 또한, 도 4B-D를 통해 CO2 용해 반응 후 무기 탄소종 농도는 공급되는 CO2 혼합 가스 농도가 증가할수록 증가하며 무기 인산염 농도가 증가할수록 역시 증가하는 추세를 보임을 확인하였다.These results suggest that the pH drop in the mixed solution of the strong base solution and the inorganic phosphate buffer is caused by CO 2 adsorption, and the influence of the inorganic phosphate buffer in this process is insignificant. 4B-D, the inorganic carbon species concentration after the CO 2 dissolution reaction increases as the concentration of the supplied CO 2 mixed gas increases, and also increases as the inorganic phosphate concentration increases.

다음으로, 강염기 수용액과 무기 인산염 버퍼의 농도에 따른 세포 생장 결과를 관찰하는 실험을 진행하였다. 이때, 10% CO2 혼합 가스를 공급하였으며 CO2 흡착을 위한 KOH 수용액의 농도는 각각 0 mM KOH, 10 mM, 20 mM으로 하였다. 또한, 무기 인산염 버퍼의 농도는 O mM(대조군, phosphate source로서 Na2Glycerophosphate·5H2O 0.05g/L를 첨가, 도 5A), 0.1 mM(도 5B), 0.5 mM(도 5C), 1.0 mM(도 5D)로 하였으며, NIES-C 배지 stock과 H. pluvialis seed를 공급하여 세포 생장을 관찰하였다. Next, an experiment was performed to observe the cell growth results according to the concentration of the strong base aqueous solution and the inorganic phosphate buffer. At this time, 10% CO 2 mixed gas was supplied, and the concentration of KOH aqueous solution for CO 2 adsorption was 0 mM KOH, 10 mM, and 20 mM, respectively. In addition, the concentration of the inorganic phosphate buffer was 0 mM (control, addition of 0.05 g / L Na 2 Glycerophosphate 5H 2 O as phosphate source, Figure 5A), 0.1 mM (Figure 5B), 0.5 mM (Figure 5C), 1.0 mM (FIG. 5D), NIES-C medium stock and H. pluvialis seed were supplied to observe cell growth.

실험 결과, 10% CO2 가스 공급 조건에서 10 mM KOH 강염기 용액 및 0.1 mM 무기 인산염 버퍼 혼합 수용액에 CO2를 흡착시켜 중탄산/인산염 버퍼를 제조하였을 때 용해 탄소종 농도는 약 420 mg/L이며, 배지 pH는 약 7.2였으며, 세포 생장 또한 가장 우수함을 확인할 수 있었다. As a result, the dissolved carbon species concentration was about 420 mg / L when CO 2 was adsorbed to 10 mM KOH strong base solution and 0.1 mM inorganic phosphate buffer mixed solution under 10% CO 2 gas supply condition. The pH of the medium was about 7.2, and the cell growth was also the best.

이러한 결과들을 통해 본 발명에 따라 CO2 용해를 통해 제조된 중탄산 버퍼는 세포 생장에 탄소원으로 활용될 수 있고 pH 완충 효과가 있으나 높은 CO2 농도는 수용액 내 용해 탄소종 농도를 크게 증가시키고, 과도한 용해 탄소종 농도는 오히려 세포 생장을 저해할 수 있다는 점을 확인하였으며, 무기 인산염 버퍼는 중탄산 버퍼와 같이 세포 생장에 필수 영양인 인을 공급할 뿐 아니라 잔류 무기 인산염 (H2PO4 -/HPO4 2-)은 pH를 보정하는 버퍼로 활용될 수 있음을 확인하였다.Based on these results, the bicarbonate buffer prepared by CO 2 lysis according to the present invention can be utilized as a carbon source for cell growth and has a pH buffering effect, but the high CO 2 concentration greatly increases the dissolved carbon species concentration in aqueous solution, and excessive dissolution. carbon species concentration was confirmed that rather can inhibit cell growth, inorganic phosphate buffers residual inorganic phosphate as well as the supply of the required nutrient to the cell growth, such as bicarbonate buffer (H 2 PO 4 - / HPO 4 2- ) Can be used as a buffer to calibrate pH.

실시예Example 3.  3. 바이오매스와Biomass and 아스타잔틴Astaxanthin 생산성, pH 및 용해  Productivity, pH and Dissolution 탄소종Carbon species 농도 비교 Concentration comparison

다음으로, 종래 사용된 HEPES 버퍼와 본 발명에 따른 버퍼 시스템의 성능을 비교하기 위해 HEPES 버퍼 20 mM과 실시예 2를 통해 미세조류 생장이 가장 우수했던 버퍼 시스템(KOH 10 mM, 무기 인산염 0.1 mM)를 사용하여 60 일간 미세조류 배양 실험을 진행하여 바이오매스 생산성 (도 6A), 아스타잔틴 생산성 (도 6B), pH (도 6C), 용해 탄소종 농도 (도 6D)를 비교하였다(도 6). 이때 생장기에는 세포의 광 요구량이 낮으므로 낮은 광도의 광 (50~70 μE/m2/s)을 공급하였으며, 아스타잔틴 축적이 이루어지는 유도기에는 세포에게 영양 결핍 스트레스 및 광 스트레스를 유발하기 위해 높은 광도 (300~500 μE/m2/s)의 광을 공급하고 NIES-N 배지를 공급하였다. Next, the buffer system (KOH 10 mM, inorganic phosphate 0.1 mM) which showed the best microalgal growth through 20 mM HEPES buffer and Example 2, in order to compare the performance of the conventionally used HEPES buffer and the buffer system according to the present invention. Microalgae culture experiments were conducted for 60 days using biomass productivity (FIG. 6A), astaxanthin productivity (FIG. 6B), pH (FIG. 6C), and dissolved carbon species concentration (FIG. 6D). . At this time, the light demand of the cells was low in the growing season, so the low light intensity (50-70 μE / m 2 / s) was supplied. In the induction period in which astaxanthin accumulates, the cells are high in order to cause malnutrition stress and light stress. Light (300-500 μE / m 2 / s) of light was supplied and NIES-N medium was supplied.

이를 통해 장기간 세포 배양을 진행했을 때 기존 HEPES 버퍼와 대비 용해 탄소종 농도 및 pH가 일정하게 유지되었으며(도 6C-D) 낮은 광도에서도 본 발명에 따른 버퍼시스템의 바이오매스 및 아스타잔틴 생산성이 더욱 우수함을 확인하였다(도 6A-B).As a result, the concentration of dissolved carbon species and pH were maintained constant compared to the existing HEPES buffer when the cells were cultured for a long time (FIG. 6C-D), and the biomass and astaxanthin productivity of the buffer system according to the present invention was increased even at low brightness. It was confirmed excellent (Fig. 6A-B).

이러한 결과를 통해 본 발명은 종래 버퍼로 사용된 HEPES를 대체할 수 있을 뿐만 아니라 고농도 CO2(~10%) 조건에서도 미세 조류 배양이 가능하다는 것을 확인하였는바, 다양한 CO2 배출 산업체에서 미세 조류를 이용한 생물학적 CO2 저감 공정에 효과적으로 활용될 수 있음을 확인하였다.With this result the present invention the microalgae in the check bar, a variety of CO 2 emission industry hayeotneun the prior art that only can replace a HEPES as a buffer, not the algae culture can be in the high-concentration CO 2 (~ 10%) condition It was confirmed that it can be effectively used in the biological CO 2 reduction process used.

Claims (9)

다음의 단계를 포함하는 배가스 내 이산화탄소를 이용하여 제조된 중탄산 버퍼, 및 무기 인산염 버퍼를 활용한 광합성 미생물의 배양방법:
(a) 5~10%(v/v) 함량의 이산화탄소를 함유하는 배가스를 5~15 mM 농도의 염기 수용액과 0.1~0.5 mM 농도의 무기 인산염 버퍼 용액의 혼합용액에 공급하여 이산화탄소 용해를 통한 바이카보네이트/카보네이트/포스페이트 (combined bicarbonate/phosphate) 버퍼 시스템을 조성하는 단계; 및
(b) 상기 조성된 바이카보네이트/카보네이트/포스페이트 버퍼 시스템에 배지를 첨가하고, 광합성 미생물을 접종한 다음, 이산화탄소 함유 배가스를 공급하면서 배양하는 단계,
상기 무기 인산염 버퍼 용액은 K2HPO4와 KH4PO4의 혼합용액인 것을 특징으로 함.
Method for culturing photosynthetic microorganisms using bicarbonate buffer prepared using carbon dioxide in exhaust gas, and inorganic phosphate buffer comprising the following steps:
(a) By supplying a flue gas containing 5 to 10% (v / v) of carbon dioxide to a mixed solution of 5-15 mM base solution and 0.1-0.5 mM inorganic phosphate buffer solution, Establishing a carbonate / carbonate / phosphate buffer system; And
(b) adding a medium to the prepared bicarbonate / carbonate / phosphate buffer system, inoculating photosynthetic microorganisms, and culturing while supplying carbon dioxide-containing exhaust gas,
The inorganic phosphate buffer solution is characterized in that the mixed solution of K 2 HPO 4 and KH 4 PO 4 .
제1항에 있어서,
상기 이산화탄소는 배가스에서 탈진, 탈황, 탈질소 및 탈염소 중 적어도 2가지 이상의 단계를 포함하는 정화과정을 거쳐 얻어지는 것을 특징으로 하는 배양방법.
The method of claim 1,
The carbon dioxide is a culture method, characterized in that obtained through a purification process comprising at least two or more steps of exhaustion, desulfurization, denitrification and dechlorination in the exhaust gas.
제1항에 있어서,
상기 염기는 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 암모니아(NH4OH), 수산화칼슘(Ca(OH)2) 또는 수산화마그네슘(Mg(OH)2)인 것을 특징으로 하는 배양방법.
The method of claim 1,
The base is sodium hydroxide (NaOH), potassium hydroxide (KOH), ammonia (NH 4 OH), calcium hydroxide (Ca (OH) 2 ) or magnesium hydroxide (Mg (OH) 2 ) characterized in that the culture method.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 광합성 미생물은 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris), 클로렐라 소로키니아나(Chlorella sorokiniana), 스피룰리나(Spirurlina) 속, 두나리엘라(Dunaliella) 속, 헤마토코쿠스 플루비알리스(Haematococcus pluvialis), 스키조키트리움(Schizochytrium) 속, 크립테코디니움(Crypthecodinium) 속, 클라미도모나스(Chlamydomonas) 속, 네오클로리스(Neochloris) 속, 아파니조메논(Aphanizomenon) 속 또는 시아노박테리아(Cyanobacteria) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 배양방법.
The method of claim 1,
The photosynthetic microorganisms include Chlorella vulgaris, Chlorella sorokiniana, Spirurlina, Dunaliella, Haematococcus pluvialis, and Szozoquitrium. Schizochytrium, Crypthecodinium, Chlamydomonas, Neochloris, Aphanizomenon or Cyanobacteria Cultivation method.
제1항에 있어서,
상기 (b)단계의 광합성 미생물 배양에 의해 유용물질을 생성하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 배양방법.
The method of claim 1,
Cultivating method further comprises the step of producing a useful material by the photosynthetic microorganism culture of step (b).
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KR20240011371A (en) * 2022-07-19 2024-01-26 고려대학교 산학협력단 Method for culturing microalgae

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101731554B1 (en) * 2015-08-17 2017-04-28 고려대학교 산학협력단 Method of Culturing of Photosynthetic Microorganism Using Buffer Produced by CO2 from Flue Gas

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20130319059A1 (en) * 2010-12-09 2013-12-05 Washington State University Integrated carbon capture and algae culture

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