KR102073897B1 - 선택적 투과성 소재를 포함하는 미생물 대량배양 장치 - Google Patents

선택적 투과성 소재를 포함하는 미생물 대량배양 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 미생물 배양을 위한 선택적 투과성 소재에 관한 것으로 더 상세하게는 종래 화학적, 물리적 처리과정 없이 경사와 위사를 서로 교차하는 방식으로 제조함에 따라 배양 시 미세조류 세포의 유출은 최소화하는데 반해 물과 이온의 투과도는 더욱 증가시킬 수 있는 미생물 배양을 위한 선택적 투과성 소재를 제공한다.

Description

선택적 투과성 소재를 포함하는 미생물 대량배양 장치{Apparatus for mass culturing of microorganism comprising selectively permeable mesh}
본 발명은 미생물 대량배양 장치에 관한 것으로 더 상세하게는 미세조류와 같은 광합성 미생물은 통과하지 못하나 물과 이온은 통과 가능한 선택적 투과성 소재를 포함하는 미생물 대량배양 장치에 관한 것이다.
화석연료의 다량사용으로 인한 이산화탄소의 발생은 지구온난화의 원인이 되고 있으며, 화석연료가 고갈된 시대를 대비한 지속가능한 친환경연료로 바이오연료의 개발이 필요하다. 바이오연료 중에 바이오디젤은 내연기관인 디젤기관의 원료로서 널리 사용되고 있으며, 친환경연료로서 각광 받고 있는 연료이다. 그러나 제조원료로서 지방산 글리세롤 에스터(glycerol ester), 지방산 또는 식물과 동물유래의 지질이 사용되고 있지만, 그 지질은 대부분 식량자원이기 때문에 바이오디젤의 대량생산이 식량의 고갈문제를 유발시킬 위험성이 있다. 따라서, 식량 문제를 야기시키지 않으면서 바이오디젤 생산을 위한 지질의 생산자원의 개발이 필요하다. 지질 생산자원 중에 미세조류는 태양광과 이산화탄소 및 물을 사용하여 광합성을 하여 유기물, 특히 지질을 생산하는 능력이 우수하기 때문에 미래 바이오디젤의 생산원으로 기대되고 있어 많은 연구가 진행되고 있다. 특히 최근에는 3세대 바이오매스인 미세조류를 해양에서 효과적으로 대량 배양하여 바이오디젤을 생산할 수 있는 광생물 반응기 구성 소재에 대한 관심이 증가하고 있다. 해양환경에서 미세조류를 대량배양하기 위해서는 미세조류 배양을 위해 필요한 영양염류의 높은 투과도 및 강한 파도나 바람에도 찢어지지 않는 강한 강도가 필요하다. 또한, 배양기의 일부 또는 전부에 미세조류 세포는 통과하지 못하나 물과 이온 등의 저분자 물질은 통과 가능한 소재의 선택적 투과성 막을 구비하는데 이온 투과도가 높고, 세포 유출율이 낮을수록 미세조류 바이오매스 생산성이 증가한다. 이러한 특성을 가진 선택적 투과성 막의 특징을 개선하는 방법으로 대한민국 등록특허 제1773294호는 소수성 고분자 메쉬용 친수성 개질제 및 소수성 고분자 메쉬의 표면 개질 방법에 대해 개시하고 있다.
그러나, 상기 선행기술의 경우, 메쉬 표면에 개질제를 사용하여 비용이 증가하고 시간이 경과함에 따라 작용기가 빠져나가 환경에 유출되면 이에 대한 처리비용도 증가하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 미세조류 배양시 세포의 유출율을 최소화하고 물과 이온의 투과도는 더욱 증가시킬 수 있는 광합성 미생물 배양을 위한 선택적 투과성 소재를 포함하는 미생물 대량배양 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 굵기가 0.03 내지 1D인 단섬유 72 내지 500 가닥으로 구성된 다섬유인 경사(longitudinal fiber); 및 굵기가 0.03 내지 1D인 단섬유 72 내지 500 가닥으로 구성된 다섬유인 위사(latitudinal fiber)로 직조되는 선택적 투과성 막을 포함하는 격벽에 의해 외부 및 미생물 및 수용액을 수용하는 내부가 구분되며, 상기 경사 및 위사의 밀도는 인치당 90 내지 600인, 미생물 대량 배양장치가 제공된다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 화학적 반응없이 물리적으로 밀도를 높여 성능이 향상됨에 따라 미세조류 세포의 유출율을 최소화하고 물과 이온의 투과도는 더욱 증가시켜 미세조류의 대량배양을 지속가능한 선택적 투과성 소재를 포함하는 미생물 대량배양 장치의 생산효과를 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 미세조류 대량배양에 적합하지 않은 소재(a)와 적합한 소재(b)의 망목의 크기를 비교한 전자주사현미경 사진이다.
도 2는 투과성 소재 원사의 굵기와 밀도에 따른 미세조류 세포 투과율을 비교한 그래프로 (a)소재의 경사는 DTY(draw textured yarn), 위사는 P/F(polyester filament yarn)를 사용하였고 (b)소재는 위사, 경사 모두 DTY를 사용하였다.
도 3은 원사 종류에 따른 이온 투과도를 분석한 그래프로 (a)소재의 다섬유 밀도는 약 15,600/in2이고 (b)소재의 다섬유 밀도는 약 22,000 /in2이다.
도 4는 경사, 위사가 DTY로 구성된 소재를 이용하여 다섬유 밀도에 따른 이온 투과도를 분석한 그래프이다.
도 5는 캘린더 처리에 따른 세포 유출율 및 투수도를 분석한 그래프이다.
용어의 정의:
본 문서에서 사용되는 용어 "미세조류(microalgae)"는 바다에 서식하는 식물성 플랑크톤으로, 흔히 적조를 일으키는 코클로디니움 같은 플랑크톤 역시 미세조류에 속한다. 해양 바이오에너지 연구가 주목하는 미세조류는 특히 지질, 즉 기름 성분이 풍부한 미세조류 종(種)이다. 크기는 10 μm(미크론, 1 m의 100만분의 1)정도, 머리카락 굵기의 10분의 1 안팎이다.
본 문서에서 사용되는 용어 "선택적 투과성 소재(selective permeable mesh)"는 메쉬(mesh) 시트 또는 타공 시트로 구성되어 삼투현상에 의해 특정 분자만 선택적으로 투과되는 것이 아니라, 물, 기체, 영양염류, 및 박테리아 등 고분자를 포함한 입자가 작은 물질의 자유로운 통과는 가능하나 미생물과 같은 배양의 목적물인 세포의 자유로운 확산은 제한하는 소재를 의미하며, 세포의 일부는 상기 장벽을 통과할 수도 있으나, 장벽을 사이로 세포 농도가 평형상태를 이루지는 않는다.
본 문서에서 사용되는 용어 "다섬유(multifilament)"는 두 가닥 이상의 필라멘트로 다수의 노즐에서 방사되는 섬유를 모아 감아 올린 것을 의미한다. 보통 화학 섬유는 수십 가닥의 다섬유로 되어 있다. 한편 단섬유(monofilament)는 한 가닥으로 이루어진 실을 의미한다.
본 문서에서 사용되는 용어 "경사(longitudinal fiber)"는 직물의 길이방향을 향해 짜여진 섬유로 세로방향의 실을 가리키며 경사빔(warp beam)에 필요한 올 수가 감겨져 있는 것을 말한다.
본 문서에서 사용되는 용어 "위사(latitudinal fiber)"는 경사에 직각이 되게 짜여진 섬유로 가로방향의 실을 가리키며 경사가 개구로 된 사이로 북(shuttle), 캐리어(carrier), 공기, 물 등으로서 이 실을 옮긴다.
본 문서에서 사용되는 용어 "망목(mesh size)"은 경사와 위사 사이의 공간 즉 그물눈을 의미한다.
본 문서에서 사용되는 용어 "P/F(polyester filament yarn)"는 일반적인 방법으로 방사를 하여서 연신을 한 보통의 실을 의미한다.
본 문서에서 사용되는 용어 "DTY(draw textured yarn)"는 텍스처 가공사로 P/F를 열가공을 하여 벌키(bulky)가공한 실을 의미한다.
본 문서에서 사용되는 용어 "데니어(denier)"는 합성섬유나 재생섬유 또는 천연섬유 중에서 실크 등 국수 같이 긴 필라멘트실의 굵기를 나타낼때 사용되는 국제 단위로 그 기준은 원사의 무게가 1g 9,000m 일 때 1데니어이고 약식으로는 D로 표기한다. 즉, 1데니어는 길이가 9000m인 실의 무게가 1 g이고 2데니어는 길이가 9000m인 실의 무게가 2 g이로 숫자가 클수록 굵은 실을 나타내고 적은 데니어 일 수록 가는 실을 나타낸다.
본 문서에서 사용되는 용어 "캘린더 처리(calendar treatment)"는 둥근 원통형의 롤러를 이용하여 열과 압력을 가하는 방식으로 직물의 외관에 변형을 주는 가공법을 말한다.
발명의 상세한 설명:
본 발명의 일 관점에 따르면, 굵기가 0.03 내지 1D인 단섬유 72 내지 500 가닥으로 구성된 다섬유인 경사(longitudinal fiber); 및 굵기가 0.03 내지 1D인 단섬유 72 내지 500 가닥으로 구성된 다섬유인 위사(latitudinal fiber)로 직조되는 선택적 투과성 막을 포함하는 격벽에 의해 외부 및 미생물 및 수용액을 수용하는 내부가 구분되며, 상기 경사 및 위사의 밀도는 인치당 90 내지 600인, 미생물 대량 배양장치가 제공된다.
상기 미생물 대량배양 장치에 있어서, 상기 경사의 다섬유의 굵기는 2 내지 100D, 20 내지 100D, 또는 65 내지 100D일 수 있다.
상기 미생물 대량배양 장치에 있어서, 상기 경사의 다섬유당 단섬유의 가닥수는 72 내지 500, 72 내지 350, 또는 72 내지 204일 수 있다.
상기 미생물 대량배양 장치에 있어서, 상기 경사의 다섬유 밀도는 90 내지 600, 90 내지 400, 또는 90 내지 168일 수 있다.
상기 미생물 대량배양 장치에 있어서, 상기 위사의 다섬유의 굵기는 2 내지 100D, 20 내지 100D, 또는 65 내지 75D일 수 있다.
상기 미생물 대량배양 장치에 있어서, 상기 위사의 다섬유당 단섬유의 가닥수는 72 내지 500, 72 내지 350, 또는 72 내지 204일 수 있다.
상기 미생물 대량배양 장치에 있어서, 상기 위사의 다섬유 밀도는 90 내지 600, 90 내지 400, 또는 90 내지 168일 수 있다.
상기 미생물 대량배양 장치에 있어서, 상기 단섬유는 모, 마, 면, 견, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 나일론, 인견, 아크릴, 폴리우레탄 또는 이들의 혼합물로 구성되는 소재로 구성될 수 있다.
상기 미생물 대량배양 장치에 있어서, 상기 선택적 투과성 막은 DTY(draw textured yarn), P/F(polyester filament yarn), POY (partial oriented yarn), FDY(fully draw yarn), 또는 ITY(irregular twisted yarn)일 수 있다.
상기 미생물 대량배양 장치에 있어서, 상기 선택적 투과성 막의 직조방식은 평직(plain), 능직(twill) 또는 편직(knit)일 수 있고 상기 소재의 다섬유 밀도는 8,100/in2 내지 105,000/in2일 수 있으며 상기 직물에 캘린더 처리를 추가적으로 수행하여 망목의 크기를 감소시킬 수 있다.
종래 미세조류의 대량배양을 위한 배양기의 경우, 미세조류 세포는 통과하지 못하나 물과 이온 등의 미세조류 세포보다 크기가 작은 물질은 통과 가능한 선택적 투과성 막을 적용하여 미생물 배양을 수행하였는데, 이러한 배양 시스템은 이온, 물 투과도가 높고 세포 유출율이 낮을수록 바이오매스 생산성이 높아진다. 이에 본 발명자들은 미세조류 유출율을 낮추고 이온 투과도를 향상을 위한 선택적 투과성 소재를 개발하기 위해 예의노력한 결과, 메쉬 직물 원단의 원사의 종류, 밀도 및 후처리 가공 등을 조절하여 경사(warp)와 위사(weft)가 서로 교차하는 방식으로 촘촘하게 제조함에 따라 배양 시 미세조류 세포의 유출은 최소화하는데 반해 물과 이온의 투과도는 더욱 증가시킬 수 있어 미세조류의 생산성을 향상시킬 수 있는 선택적 투과성 소재를 개발하여 이를 포함하는 미생물 대량배양 장치를 완성하였다(도 1).
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 굵기나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.
명세서 전체에 걸쳐서, 막, 영역 또는 기판과 같은 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "상에", "연결되어", "적층되어" 또는 "커플링되어" 위치한다고 언급할 때는, 상기 하나의 구성요소가 직접적으로 다른 구성요소 "상에", "연결되어", "적층되어" 또는 "커플링되어" 접촉하거나, 그 사이에 개재되는 또 다른 구성요소들이 존재할 수 있다고 해석될 수 있다. 반면에, 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "직접적으로 상에", "직접 연결되어", 또는 "직접 커플링되어" 위치한다고 언급할 때는, 그 사이에 개재되는 다른 구성요소들이 존재하지 않는다고 해석된다. 균일한 부호는 균일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 제 1, 제 2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제 1 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제 2 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
또한, "상의" 또는 "위의" 및 "하의" 또는 "아래의"와 같은 상대적인 용어들은 도면들에서 도해되는 것처럼 다른 요소들에 대한 어떤 요소들의 관계를 기술하기 위해 여기에서 사용될 수 있다. 상대적 용어들은 도면들에서 묘사되는 방향에 무게추가하여 소자의 다른 방향들을 포함하는 것을 의도한다고 이해될 수 있다. 예를 들어, 도면들에서 소자가 뒤집어 진다면(turned over), 다른 요소들의 상부의 면 상에 존재하는 것으로 묘사되는 요소들은 상기 다른 요소들의 하부의 면 상에 방향을 가지게 된다. 그러므로, 예로써 든 "상의"라는 용어는, 도면의 특정한 방향에 의존하여 "하의" 및 "상의" 방향 모두를 포함할 수 있다. 소자가 다른 방향으로 향한다면(다른 방향에 대하여 90도 회전), 본 명세서에 사용되는 상대적인 설명들은 이에 따라 해석될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
도 1은 미생물 배양에는 사용할 수 없는 일반적으로 옷감 등에 사용되는 직조 원단(a)과 본 발명의 선택적 투과성 소재(b)의 형태를 주사전자현미경(scanning electron microscope)을 통해 관찰한 사진이다. 도시한 바와 같이, 미생물 배양과 같은 특수한 목적 없이, 일반적인 옷감 등의 사용 목적으로 만들어진 소재(a)는 경사와 위사 사이의 공간인 망목(mesh size)의 크기가 커서 미세조류 세포가 유출될 수 있는 가능성이 높으나 본 발명의 선택적 투과성 소재(b)는 경사와 위사 사이 공간이 세포 크기보다 작아 세포의 유출이 현저히 감소함에 따라 미세조류 세포의 생산성 향상을 도모할 수 있는 장점이 있다. 그러나 실제 망목의 크기는 3차원이기 때문에 상기 도 1의 평면 사진만으로 미세조류 세포의 유출 여부를 확인할 수 없어, 본 발명에서 개발된 소재들은 실제 미세조류 세포 배양액을 이용하여 미세조류의 유출 정도를 측정하는 실험을 수행하였다.
실시예 1: 미세조류 세포 유출율 분석
본 발명자들은 상기 실시예 1에서 제조한 선택적 투과성 소재 원사의 굵기와 밀도를 조절하여 이에 따른 미세조류 세포 유출율을 비교하였다.
구체적으로 (a)실험군은 경사는 DTY(draw textured yarn), 위사는 P/F(polyester filament yarn)를 사용하여 소재 1의 경사는 75/72X168 위사는 100/72X93이며 소재 2의 경사는 75/72X168, 위사는 100/192X95로 주요 차이는 소재 2의 위사에 사용된 다섬유가 소재 1의 위사의 다섬유보다 167% 더 많은 단섬유로 되어있다. 이는 다시 말해 소재 2의 위사의 단섬유의 굵기가 0.4D로 소재 1의 위사의 단섬유(1.4D)보다 63% 더 가늘다는 것을 의미한다. 또한 (b)실험군은 경사 및 위사 모두 DTY를 사용하였고 소재3: 경사 100/192X160, 위사 100/192X112, 소재4: 경사 75/72X168, 위사 100/192X90, 소재5: 경사 75/144X168, 위사 85/144X121, 소재6: 경사 75/144X168, 위사 65/204X129의 규격으로 원사의 굵기와 밀도를 조절하여 제조하였고 이를 공시재료로 사용하였다(표 1 참조). 그 후, 미세조류 세포 유출을 측정을 위해 상기 소재를 가로 21 cm, 세로 19 cm로 잘라 상, 하, 좌, 우에 각각 사각형의 구멍을 낸 가로 8 cm, 세로 6 cm인 투명 플라스틱 용기 옆면과 밑면을 감싸도록 고정을 시킨 뒤, 0.3 g/L 농도의 미세조류(Tetraselmis sp. KCTC12429BP) 균주 배양액 200 mL를 상부에 투입하였고 상기 소재를 통과하여 나오는 배출수에 포함된 미세조류 농도를 측정한 후 배출수의 농도를 원액의 농도로 나누어 미세조류 세포 유출율을 측정하였다.
그 결과, 도 2에 나타난 바와 같이, 경사는 DTY, 위사는 P/F를 사용하여 제조한 (a)실험군의 경우, 세포의 유출율은 소재 1(3.5%)과 비교하여 소재 2(0.9%)에서 현저히 감소한 것으로 나타나 소재의 다섬유 및 단섬유의 굵기는 얇고 밀도는 증가할수록, 세포 유출이 감소하는 것을 확인하였다. 또한, 경사 및 위사 모두 DTY를 사용하여 제조한 (b)실험군의 경우, 소재 3과 비교하여 소재 4는 경사 단섬유의 가닥수가 더 적었음에도 불구하고 다섬유의 굵기가 25% 더 얇은 경사를 사용하여 제조하였기 때문에 더 낮은 세포 유출율을 나타내었다(4.8% vs 2.9%). 그러나 상기 소재 4와 비교하여 소재 5의 경사 및 위사의 단섬유 및 다섬유의 굵기를 더 얇게하고 밀도를 증가시켜 제조한 결과 세포 유출율이 0.45%로 더 감소하였고 상기 소재 5와 같은 경사 규격에 위사의 다섬유 및 단섬유의 굵기를 더 얇게 하고 다섬유의 밀도를 더 증가시켜 제조한 소재 6의 세포 유출율은 0.29%로 상기 6개의 소재 중에서 가장 낮은 유출율을 나타내었다. 따라서 선택적 투과성 소재를 구성하는 다섬유 및 다섬유의 굵기를 가늘게 하고 밀도를 증가시킬수록 세포 유출율이 더 감소하는 경향을 나타내었으므로 직물의 원사 규격 조절을 통하여 미세조류 세포의 유출을 조절할 수 있음을 확인하였다.
미세조류 세포 유출율 비교실험에 사용된 소재의 경사와 위사의 규격
분류 소재 경사 위사

(a)실험군		 소재 1 75/72X168 100/72X93
소재 2 75/72X168 100/192X95

(b)실험군		 소재 3 100/192X160 100/192X112
소재 4 75/72X168 100/192X90
소재 5 75/144X168 75/144X121
소재 6 75/144X168 65/204X129
*소재의 경사 및 위사 규격은 다섬유의 굵기(D)/다섬유당 단섬유의 가닥 수(가닥) X 다섬유의 밀도(가닥/in)로 표시함.
실시예 2: 이온 투과도 분석
본 발명자들은 질산나트륨(sodium nitrate)을 이용하여 본 발명의 선택적 투과성 소재를 구성하는 원사의 종류 및 망목 밀도 조절에 따른 이온 투과도를 분석하였다. 일반적으로 질산염은 미세조류 세포의 주요 영양원의 하나로 배양에 있어 질산나트륨의 투과 능력이 높을수록 높은 생산성을 기대할 수 있으므로 미세조류 세포 생산성과 직결되는 척도이다. 또한, 상기 원사 종류에 따른 이온 투과도 측정 실험과 동일하게 다섬유의 밀도에 따른 이온 투과도를 측정하였다.
구체적으로 (a)실험군은 경사 및 위사 모두 P/F를 사용하여 제조한 소재 1(P/F x P/F), 경사는 P/F, 위사는 DTY를 사용하여 제조한 소재 2(P/F x DTY), 경사 및 위사 모두 DTY를 사용하여 제조한 소재 3(DTY x DTY)으로 분류하였고 약 15,600/in2의 다섬유 밀도를 적용하였다. 또한, (b)실험군은 경사 및 위사 모두 P/F를 사용하여 제조한 소재 4(P/F x P/F) 및 경사 및 위사 모두 DTY를 사용하여 제조한 소재 5(DTY x DTY)로 분류하였고 약 20,000 ~ 22,000/in2의 다섬유 밀도를 적용하였다. 이때 다섬유 밀도는 경사와 위사 각각의 인치당 다섬유 가닥수를 곱하여 단위 제곱 인치당 포함되어 있는 다섬유 가닥의 수로 나타내었다. 그 후 상기 실시예 1과 동일한 규격의 용기에 증류수(150 mL)를 투입한 후 4 L의 질산나트륨 용액(1 g/L 농도)이 담겨있는 용기 내부에 증류수가 들어있는 용기의 약 2/3가 질산나트륨 용액에 잠기도록 클램프로 고정시킨 다음 상기 증류수를 넣었던 용기 내부의 질산나트륨 이온 농도를 시간별로 측정하였고 외부의 질산나트륨 이온이 용기 내부로 확산되는 속도를 하기 공식을 이용하여 투과도를 계산하였다:
Figure 112018043971917-pat00001
* dc/dt = 용기 내 질산염 농도 증가 속도(mg/L/min)
* V = 용기 내 부피(m3)
* ΔC = 용기 내 외부 질산염 농도 차이(mg/L)
* A = 내ㅇ외부 용액과 닿아있는 선택적 투과성 소재의 면적(m2).
그 결과, 도 3에 나타난 바와 같이, (a)실험군의 경우, 소재 1(P/F x P/F)과 비교하여 소재 3(DTY x DTY)의 이온 투과도가 현저히 높게 나타났다. 이는 비슷한 다섬유 밀도를 가지는 소재들 중에서 DTY를 원사로 사용하는 것이 P/F원사를 사용하였을 때보다 질산염의 투과도가 증가한다는 것을 확인하였다. 또한, (b)실험군의 경우도, 소재 4(P/F x P/F)와 비교하여 소재 5(DTY x DTY)의 이온 투과도가 현저히 높게 나타나 다섬유 밀도가 (a)실험군보다 높았던 (b)실험군도 DTY 원사를 사용하였을 때 이온투과도가 더 증가하는 것으로 나타났다. 상기 결과는 DTY 원사가 열가공을 통하여 벌키(bulky)해지도록 가공되어 이온들이 통과할 수 있는 섬유 간 미세공간이 많이 존재함에 따라 이온 투과도도 증가함을 말해준다. 또한, 도 4에 나타난 바와 같이, 다섬유의 밀도를 증가시킴에 따라 질산염의 투과도도 증가하는 것으로 나타났다(8% vs 47%). 따라서 열처리로 인해 섬유 간 미세공간이 많아진 DTY 원사를 이용하여 직물을 제작하고 망목의 밀도를 증가시키면 이온 투과도 및 투수도가 향상되어 궁극적으로 미세조류 생산성을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
실시예 3: 캘린더 처리에 따른 세포 유출율 및 투수도 분석
본 발명자들은 상기 실시예의 결과를 통해 원사의 굵기와 밀도를 조절하여 세포 유출율을 감소시킬 수 있음을 확인하였으나 이온 투과도 및 투수도가 높은 경우 세포 유출율 역시 높아져 이와 같은 소재는 미세조류 배양에 적합하지 않으므로 상기 소재에 반복적으로 캘린더 처리(calendering, 광내기)를 수행하였다. 그 후 상기 캘린더 처리에 따른 세포 유출율 및 투수도를 분석하였다.
구체적으로 선택적 투과성 소재를 대상으로 1회 내지 6회의 캘린더 처리를 수행하였고 캘린더 처리를 하지 않은 소재를 대조군으로 사용하였다. 그 후, 상기 실시예 1의 세포 유출율 실험과 동일한 조건으로 미세조류 균주 배양액을 선택적 투과성 소재 상부에 투입하여 통과되어 배출되는 용액의 부피를 10초 단위로 측정하였고 초기 10초에서 40초 사이의 용액 배출 속도(mL/h)를 용액이 배출되는 소재의 면적으로 나누어 투수도(mm/h)를 측정하였다.
그 결과, 도 5에 나타난 바와 같이, 캘린더 처리를 하지 않은 대조군과 비교하여 캘린더 처리 횟수가 증가할수록 세포 유출율이 점점 감소하는 것으로 나타났다. 특히, 2회 이후 세포 유출율이 1%이하로 감소하여 미세조류 배양에 적절한 규격을 갖추게 되었다. 그러나 6회 처리한 경우에는 세포 유출율이 더 이상 감소하지 않고 투수도만 현저히 감소하여 선택적 투과성 소재에 따라 세포 유출율을 1% 이하로 감소시키면서 투수도 내지 이온 투과도는 적정 수준을 유지하도록 캘린더 처리 횟수를 조절하는 것이 중요함을 확인하였다.
결론적으로 본 발명의 미생물 배양을 위한 선택적 투과성 소재는 화학적 반응없이 물리적으로 직물의 경사와 위사를 서로 촘촘히 교차하는 방식으로 구성되고 다섬유의 밀도를 증가시켜 미세조류 세포의 유출율을 최소화하는데 반해 물과 이온의 투과도는 더욱 증가시킬 수 있으므로 미세조류의 대량배양을 위한 배양기의 소재로 활용가능하다. 또한, 배양기가 침지된 환경수와 내부 배양액의 영양염, pH, 염도 중 일부 또는 모든 물질의 농도가 확산 또는 환경수 공급에 의해 근접하게 유지되어 친환경적인 미세조류 대량 배양이 가능하다.
본 발명은 상술한 실시예 및 실험예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예 및 실험예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (6)

  1. 굵기가 0.03 내지 1D인 단섬유 72 내지 500 가닥으로 구성된 다섬유인 경사(longitudinal fiber); 및 굵기가 0.03 내지 1D인 단섬유 72 내지 500 가닥으로 구성된 다섬유인 위사(latitudinal fiber)로 직조되는 DTY(draw textured yarn)를 포함하는 격벽에 의해 외부 및 미생물 및 수용액을 수용하는 내부가 구분되며, 상기 다섬유의 밀도는 8,100/in2 내지 105,000/in2이고 상기 경사 및 위사의 밀도는 인치당 90 내지 600인, 미생물 대량 배양장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단섬유는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 나일론, 아크릴, 폴리우레탄 또는 이들의 혼합물로 구성되는 소재로 구성되는, 미생물 대량 배양 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 DTY(draw textured yarn)의 직조방식은 평직(plain), 능직(twill) 또는 편직(knit)인, 미생물 대량배양 장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 DTY(draw textured yarn)에 캘린더 처리를 추가적으로 수행하여 망목의 크기를 감소시킨, 미생물 대량배양 장치.
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