KR102134885B1 - A high efficiency system for continuous culture of microalgae - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고효율의 미세조류 배양시스템에 관한 것으로, 하부에 위치하는 적색 광원 및 상부에 위치하는 청색 광원을 포함하는 하나 이상의 배양기를 포함하고, 중력과 폭기에 의해 성장과 성숙세포를 분리하여 최적의 2차 대사산물 생산 환경을 제공하는 배양시스템을 제공한다.The present invention relates to a high-efficiency microalgae culture system, comprising at least one incubator comprising a red light source located at the bottom and a blue light source located at the top, and separating growth and mature cells by gravity and aeration to optimize It provides a culture system that provides a secondary metabolite production environment.

Description

고효율의 연속식 미세조류 배양시스템{A HIGH EFFICIENCY SYSTEM FOR CONTINUOUS CULTURE OF MICROALGAE}High efficiency continuous microalgae culture system {A HIGH EFFICIENCY SYSTEM FOR CONTINUOUS CULTURE OF MICROALGAE}

본 발명은 효율이 우수한 미세조류의 연속식 배양시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a continuous culture system of microalgae excellent in efficiency.

오늘날 화석연료의 과도한 사용과 온실가스 배출로 석유고갈과 환경문제가 인류의 지속 성장을 위협할 수 있다는 위험요소로 대두되고 있다.Today, due to excessive use of fossil fuels and greenhouse gas emissions, oil depletion and environmental problems are emerging as risk factors that can threaten human growth.

상기 문제를 해결하기 위해 화석연료 사용 대신 탄소 중립적이고 재사용이 가능한 대체연료인 신재생 에너지 개발의 필요성이 높아지고 있다.In order to solve the above problem, there is an increasing need to develop renewable energy, which is a carbon neutral and reusable alternative fuel instead of using fossil fuels.

신재생 에너지는 대표적으로 수력, 풍력, 태양력 그리고 바이오연료 등으로 나눌 수 있으며 바이오연료는 광합성으로 생산된 바이오매스의 지질 또는 세포벽 성분을 열화학적 분해, 물리적 추출, 발효를 통해 생산되는 재생가능 에너지로서 연소과정에서 생산되는 이산화탄소는 바이오매스의 성장 과정에서 탄소동화작용을 통해 재흡수되므로 탄소중립적인 에너지 원이다.Renewable energy is typically divided into hydro, wind, solar and bio fuel. Bio fuel is renewable energy produced through thermochemical decomposition, physical extraction, and fermentation of lipids or cell wall components of biomass produced by photosynthesis. Carbon dioxide produced in the combustion process is a carbon-neutral energy source because it is reabsorbed through the carbon assimilation during the growth of biomass.

바이오연료는 대표적으로 바이오디젤과 바이오알코올로 분류할 수 있으며 기존 대형운송 수단의 연료인 디젤과 휘발류를 대체할 수 있는 대안으로 관심을 받고 있다.Biofuels can be classified as biodiesel and bio-alcohol, and are receiving attention as alternatives to diesel and gasoline, which are fuels for existing large transportation vehicles.

미세조류는 지구상에 약 25,000여 종이 존재한다고 알려져 있으며, 학계에 등록된 미세조류수만 6,000여 종으로 생물학적으로 높은 다양성을 가진다.It is known that about 25,000 species of microalgae exist on Earth, and there are only 6,000 species of microalgae registered in academia, which have a high biological diversity.

미세조류는 자연계에 담수와 해수에서 널리 성장하고 있으며 태양광과 물, 이산화탄소 등의 원료를 사용하는 광합성 과정을 통해 지속적인 생산이 가능하다.Microalgae are widely growing in fresh water and seawater in the natural world, and can be continuously produced through photosynthesis using raw materials such as sunlight, water, and carbon dioxide.

미세조류는 식물보다 태양 에너지의 이용효율이 약 25배, 이산화탄소 고정 능력도 15배 정도가 높아 바이오매스 생산성이 식물의 5 내지 10배 이상 높다고 알려져 있다.Microalgae are known to have a biomass productivity of 5 to 10 times higher than that of plants because the utilization efficiency of solar energy is about 25 times higher than that of plants, and the ability to fix carbon dioxide is about 15 times higher.

미세조류는 배양조건에 따라 체내에 지질을 최대 70%까지 축적할 수 있어 단위 면적당 지질의 생산량은 식물에 비해 50 내지 100배 이상 높다.Microalgae can accumulate up to 70% of lipid in the body depending on the culture conditions, so the production of lipid per unit area is 50 to 100 times higher than that of plants.

상기 이유에서 미세조류의 산업적 이용분야는 중 바이오디젤 생산이 각광받고 있으나 경제성 확보 문제로 상업화가 지연되고 있으며, 경제성 확보를 위해 미세조류를 이용한 건강식품, 의약식품, 및 양식사료 생산 등이 꾸준한 관심을 받고 있다.For the above reasons, biodiesel production is in the spotlight in the industrial use field of microalgae, but commercialization is being delayed due to the problem of securing economic efficiency, and the production of health food, medicinal food, and aquaculture feed using microalgae is steadily interested. Is getting

미세조류는 고밀도 대량배양이 가능하며 이를 위한 고밀도배양 시스템 개발과 효율적 세포성장 및 산물 회수가 중요한 핵심기술을 이루고 있다.Microalgae are capable of high-density mass cultivation, and the development of a high-density culture system and efficient cell growth and product recovery are key technologies.

미세조류 배양기는 미생물, 식물세포 및 동물세포에 비해 오염의 우려가 없고 배지 성분 및 배양장치의 구조가 단순한 장점이 있다.Microalgae incubator has no merit of contamination compared to microorganisms, plant cells and animal cells, and has a merit of simple structure of the medium component and the culture device.

그러나, 미세조류는 세포 성장이 상대적으로 느려 고농도 배양을 위한 장치개발이 매우 중요한 기술적 요소가 되고 있다.However, as microalgae have relatively slow cell growth, device development for high concentration culture has become a very important technical factor.

미세조류 배양기는 개방형과 밀폐형으로 구분될 수 있으며, 개방형 반응기는 대량생산을 위한 개방형 연못(pond reactor)로 상용화된 미세조류 대량 생산시스템이지만 오염, 배지의 증발, 공조도 및 이산화탄소 농도 조절 어려움, 유체역학적 불리함으로 생산성에 한계를 지니고 있다.Microalgae incubator can be divided into open type and closed type, and the open type reactor is a microalgae mass production system that is commercialized as an open pond for mass production, but it is difficult to control contamination, evaporation of the medium, air conditioning and carbon dioxide concentration, fluid Due to the mechanical disadvantage, there is a limit to productivity.

대안으로 밀폐형 배양기(photobioreactor)가 사용되고 있다. 상기 밀폐형 배양기는 시설 및 유지관리 비용이 크다는 단점을 가지나 수로형 연못배양기에 비해 제어된 환경을 유지하여 효과적인 광조사 및 이산화탄소 공급과 유체역학적인 균일성과 안정성을 제공하고 다양한 미세조류 배양이 가능한 장점을 지닌다. 하지만 밀폐형 배양기는 상업화를 위한 대량 배양에 있어 비용적인 한계가 있다.As an alternative, a closed type incubator (photobioreactor) is used. The hermetic incubator has the disadvantage of high facility and maintenance costs, but it maintains a controlled environment compared to a waterway pond incubator to provide effective light irradiation, carbon dioxide supply, hydrodynamic uniformity and stability, and various microalgal cultures. Have. However, the hermetic incubator has a cost limit in mass cultivation for commercialization.

이를 해결하기 위해 미세조류를 고밀도로 증식한 후 이를 대량으로 배양할 수 있는 미세조류 배양기 개량기술이 절실히 요구되고 있다. To solve this, there is an urgent need for a microalgae incubator improvement technique capable of multiplying microalgae at a high density and culturing them in large quantities.

미세조류를 이용한 2차 대사산물 생산에 있어 미세조류 성장과 2차 대사산물 생산 성장기간에 있어 일치하지 않는 특징(uncoupled growth and production)을 가진다. In the production of secondary metabolites using microalgae, microalgae growth and secondary metabolite production have uncoupled growth and production.

따라서, 미세조류로부터 2차 대사산물 생산에 있어 세포성장을 최대화시켜 바이오매스를 최대화 시키고 이를 생산 조건으로 전환하여 바이오매스로부터 2차 대사산물 생산을 도모하는 전략이 필요하다.Therefore, there is a need for a strategy that maximizes biomass by maximizing cell growth in the production of secondary metabolites from microalgae and converting them to production conditions to promote secondary metabolites production from biomass.

한국공개특허 제10-2018-0010296호Korean Patent Publication No. 10-2018-0010296 한국공개특허 제10-2018-0023720호Korean Patent Publication No. 10-2018-0023720

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 미세조류의 대량 배양을 위해 연속배양 장치를 제공하는 것이다.The present invention is to solve the problems of the prior art described above, the object of the present invention is to provide a continuous culture device for mass culture of microalgae.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상부 성장세포의 성장 및 하부 성숙세포의 산물(product) 생산에 적합한 각각 상이한 광원을 포함하는 하나 이상의 배양기를 포함하고, 상기 하나 이상의 배양기는 순차 연결된 연속식 미세조류 배양시스템이 제공된다.According to an aspect of the present invention, the growth of the upper growth cells and the production of products of the lower maturation cells include one or more incubators each comprising a different light source, the one or more incubators sequentially connected continuous microalgae culture A system is provided.

일 실시예에 있어서, 상기 배양기는 하부에 위치하는 적색 광원 및 상부에 위치하는 청색 광원을 포함할 수 있다.In one embodiment, the incubator may include a red light source positioned at the bottom and a blue light source positioned at the top.

일 실시예에 있어서, 상기 미세조류는 스파이로자이라(Spirogyra), 클로렐라(Chlorella), 세네데스무스(Scenedesmus), 클로로컴(Chloroccum), 두날리엘라(Dunaliella), 유글레나(Euglena), 포르피리디움(Porphyridium), 프림네시움(Prymnesium), 및 테트라셀미스(Tetraselmis)로 이루어진 군에서 하나 이상 선택될 수 있다.In one embodiment, the microalgae as spy Rosa (Spirogyra), Chlorella (Chlorella), three or four des mousse (Scenedesmus), chloro Com (Chloroccum), two flying it Ella (Dunaliella), euglena (Euglena), formate flutes Stadium ( Porphyridium ), Prymnesium , and Tetraselmis .

일 실시예에 있어서, 상기 광원은 발광다이오드(LED) 또는 레이저다이오드(LD)일 수 있다.In one embodiment, the light source may be a light emitting diode (LED) or a laser diode (LD).

일 실시예에 있어서, 상기 적색 광원의 파장은 600 내지 700 nm이고, 상기 청색 광원의 파장은 400 내지 500 nm일 수 있다.In one embodiment, the wavelength of the red light source is 600 to 700 nm, and the wavelength of the blue light source may be 400 to 500 nm.

일 실시예에 있어서, 상기 배양기 하부에 위치하는 폭기 장치를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, it may further include an aeration device located under the incubator.

일 실시예에 있어서, 상기 미세조류 배양시스템은 중력과 폭기량 조절에 의해 부유하는 성장세포 및 침전된 성숙세포를 분리하고 상기 성장세포를 분리하여 인접하는 배양기로 이동시킬 수 있다.In one embodiment, the microalgal culture system may separate floating growth cells and precipitated mature cells by controlling gravity and aeration, and separate the growth cells and move them to adjacent incubators.

일 실시예에 있어서, 상기 미세조류 배양시스템은 인접하는 배양기를 상호 연결하는 복수의 밸브를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the microalgal culture system may further include a plurality of valves that interconnect adjacent incubators.

일 실시예에 있어서, 상기 복수의 밸브는 상기 배양기의 수직 방향으로 순차 배치될 수 있다.In one embodiment, the plurality of valves may be sequentially arranged in the vertical direction of the incubator.

본 발명의 일 측면에 따른 배양시스템은 배양기의 폭기량을 조절함으로써 대수성장을 마치고 정체기에 접어들어 2차 대사산물 생산이 가능한 성숙세포를 중력으로 침전시키고, 대수 성장기에 있어 세포성장이 활발하고 크기가 작은 성장세포를 부유시킴으로써 배양기의 상부 및 하부에 성장과 생산에 적합한 세포를 분리시켜 각각에 조건에 적합한 환경을 제공하여 성장 및 생산을 극대화할 수 있다.The culture system according to an aspect of the present invention completes logarithmic growth by controlling the amount of aeration of the incubator, enters the stationary phase, precipitates mature cells capable of producing secondary metabolites by gravity, and actively grows in size during logarithmic growth. By floating small growth cells, cells suitable for growth and production can be separated at the top and bottom of the incubator to provide an environment suitable for each condition to maximize growth and production.

또한 상기 배양시스템은 외부의 새로운 세포 접종이 불필요하고, 미세조류의 성장에 따라 성장 인자의 조절이 용이하여 미세조류의 효율적인 배양 및 회수가 가능하다.In addition, the culture system does not require inoculation of new cells from the outside, and it is easy to control growth factors according to the growth of the microalgae, thereby enabling efficient culture and recovery of the microalgae.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.It should be understood that the effects of the present invention are not limited to the above-described effects, and include all effects that can be deduced from the configuration of the invention described in the detailed description or claims of the invention.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세조류 배양시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세조류 배양시스템을 이용한 2차 대사산물 생산 과정을 도식화한 것이다.
도 3은 배지성분이 2차 대사산물의 생산에 미치는 영향을 나타낸 것이다.
도 4는 연속식 배양에 따른 세포 성장율을 나타낸 것이다.
1 is a schematic diagram of a microalgal culture system according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a schematic diagram of the secondary metabolite production process using a microalgal culture system according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 shows the effect of the medium components on the production of secondary metabolites.
Figure 4 shows the cell growth rate according to the continuous culture.

본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.The terms used in the present specification have selected general terms that are currently widely used as possible while considering functions in the present invention, but this may vary according to the intention or precedent of a person skilled in the art or the appearance of new technologies. In addition, in certain cases, some terms are arbitrarily selected by the applicant, and in this case, their meanings will be described in detail in the description of the applicable invention. Therefore, the term used in the present invention should be defined based on the meaning of the term and the contents of the present invention, rather than a simple term name.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by a person skilled in the art to which the present invention pertains. Terms, such as those defined in a commonly used dictionary, should be interpreted as having meanings consistent with meanings in the context of related technologies, and should not be interpreted as ideal or excessively formal meanings unless explicitly defined in the present application. Does not.

수치 범위는 상기 범위에 정의된 수치를 포함한다. 본 명세서에 걸쳐 주어진 모든 최대의 수치 제한은 낮은 수치 제한이 명확히 쓰여져 있는 것처럼 모든 더 낮은 수치 제한을 포함한다. 본 명세서에 걸쳐 주어진 모든 최소의 수치 제한은 더 높은 수치 제한이 명확히 쓰여져 있는 것처럼 모든 더 높은 수치 제한을 포함한다. 본 명세서에 걸쳐 주어진 모든 수치 제한은 더 좁은 수치 제한이 명확히 쓰여져 있는 것처럼, 더 넓은 수치 범위 내의 더 좋은 모든 수치 범위를 포함할 것이다.Numeric ranges are inclusive of the numerical values defined in the above range. All maximum numerical limits given throughout this specification include all lower numerical limits as if the lower numerical limits were clearly written. All minimum numerical limits given throughout this specification include all higher numerical limits as higher numerical limits are clearly written. All numerical limits given throughout this specification will include all better numerical ranges within a broader numerical range, as narrower numerical limits are clearly written.

이하, 본 발명의 실시예를 상세히 기술하나, 하기 실시예에 의해 본 발명이 한정되지 아니함은 자명하다.Hereinafter, examples of the present invention will be described in detail, but it is obvious that the present invention is not limited by the following examples.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상부 성장세포의 성장 및 하부 성숙세포의 산물(product) 생산에 적합한 각각 상이한 광원을 포함하는 하나 이상의 배양기를 포함하고, 상기 하나 이상의 배양기는 순차 연결된 연속식 미세조류 배양시스템이 제공된다.According to an aspect of the present invention, the growth of the upper growth cells and the production of products of the lower maturation cells include one or more incubators each comprising a different light source, the one or more incubators sequentially connected continuous microalgae culture A system is provided.

일 실시예에서, 상기 배양기는 하부에 위치하는 적색 광원 및 상부에 위치하는 청색 광원을 포함할 수 있다.In one embodiment, the incubator may include a red light source positioned at the bottom and a blue light source positioned at the top.

상기 배양시스템은 미세조류의 대량 배양을 위해 세포성장과 산물생산이 분리되어 있는 환경을 제공하여 미세조류를 대량으로 배양할 수 있다.The culture system provides an environment in which cell growth and product production are separated for mass cultivation of microalgae, thereby culturing microalgae in large quantities.

상기 “미세조류(microalgae)”는 물, 이산화탄소 및 햇빛을 이용하여 광합성으로 성장하는 단세포성 생물로서, 식물 플랑크톤이라고도 불린다. 상기 미세조류는 배양하거나 수확한 것일 수 있다. 상기 배양된 미세조류는 배양액을 포함할 수 있고, 수확된 미세조류는 미세조류의 서식지에 따라 해수 또는 담수를 함께 포함할 수 있다. The "microalgae" is a single-celled organism that grows photosynthetically using water, carbon dioxide, and sunlight, also called phytoplankton. The microalgae may be cultured or harvested. The cultured microalgae may include a culture medium, and the harvested microalgae may include seawater or freshwater depending on the habitat of the microalgae.

상기 미세조류는 육상식물을 제외한 모든 광합성 생물의 통칭으로 분류학적 용어는 아니며, 매우 다양한 분류군을 지칭하는 일반 용어이다. 이들 중 현미경으로 관찰할 수 있는 단세포성 조류를 미세조류라 하며 대부분의 식물성 플랑크톤이 이에 속한다.The microalgae is a general term for all photosynthetic organisms except terrestrial plants, and is not a taxonomic term, but is a general term referring to a very diverse taxa. Of these, unicellular algae that can be observed with a microscope are called microalgae, and most phytoplankton belong to this.

상기 미세조류는 지구상에서 전체 광합성의 90%를 담당하는 것으로 추정되고 있으며, 지구 생태계의 1차 생산자로 매우 중요한 위치를 점하고 있다.It is estimated that the microalgae account for 90% of the total photosynthesis on the earth and occupy a very important position as the primary producer of the global ecosystem.

상기 미세조류는 물, 햇빛 및 CO2 등을 공급해주면 무제한 증식(배양)이 가능하다. 미세조류는 주로 광합성을 통해 세포 성장과 번식을 행하는 식물군 또는 넓은 의미로 일부는 세균으로 분류되고 있으며, 그 종류나 수에 있어서는 매우 다양하고 많다.The microalgae can be unlimitedly multiplied (cultured) by supplying water, sunlight and CO 2 . Microalgae are a group of plants that grow and reproduce cells mainly through photosynthesis, or in a broad sense, some are classified as bacteria, and are very diverse and many in their types and numbers.

일반적으로, 상기 미세조류는 지상 식물보다 훨씬 빨리 성장하고 생균체 생산성이 높은 점, 담수나 해수는 물론이고 빛 에너지를 확보할 수 있는 자연 환경에서는 쉽게 생육된다는 점, 다양한 조류에서 단백질, 지질, 당질 및 색소와 같은 산업적으로 흥미가 있는 생물 고분자 물질은 물론이고 특정의 생리 기능을 갖는 물질을 고농도로 생산할 수 있다는 점에서 중요한 생물 산업 소재로서 활용가능성이 우수하다.In general, the microalgae grow much faster than the above ground plants and have high productivity of probiotics, that they are easily grown in a natural environment capable of securing light energy as well as fresh water or seawater, and proteins, lipids, and sugars in various algae. And it is excellent in applicability as an important bio-industry material in that it can produce high-concentration materials having specific physiological functions, as well as industrially interesting bio-polymer materials such as pigments.

상기 미세조류는 이산화탄소를 기질로 하여 유기물을 합성하는 통상의 미세조류라면 특별히 제한되지 않으나, 예컨대 스파이로자이라(Spirogyra), 클로렐라(Chlorella), 세네데스무스(Scenedesmus), 클로로컴(Chloroccum), 두날리엘라(Dunaliella), 유글레나(Euglena), 포르피리디움(Porphyridium), 프림네시움(Prymnesium), 및 테트라셀미스(Tetraselmis)로 이루어진 군에서 하나 이상 선택될 수 있다.The microalgae one of ordinary microalgae of synthesizing organic matter to carbon dioxide as a substrate is not particularly limited, for example, as spy Rosa (Spirogyra), Chlorella (Chlorella), three or four des mousse (Scenedesmus), chloro Com (Chloroccum), two flying it Ella (Dunaliella), euglena (euglena), may be selected more than one from the group consisting of formate flutes Stadium (Porphyridium), Supreme Annecy Titanium (Prymnesium), and tetra-cell Miss (Tetraselmis).

상기 배양시스템은 높이에 비해 폭이 크고, 연속적으로 배치된 배양기를 포함하며, 부유 성장세포 및 하면 침전 성숙세포의 성장과 2차 대사산물 생산에 최적화된 각기 다른 광조건을 부여하는 장치를 포함할 수 있다.The cultivation system is large in width compared to the height, and includes a continuously arranged incubator, and may include a device that imparts different light conditions optimized for the growth of floating growth cells and sedimentation mature cells and production of secondary metabolites. have.

상기 배양시스템은 제1배양기에서 세포성장을 최대화시켜 대사산물 축적에 유리한 성숙세포를 신속하게 생산하고 무거워진 성숙세포를 하면(下面) 배양할 수 있다.The cultivation system maximizes cell growth in the first culture period, thereby rapidly producing mature cells favorable for metabolite accumulation and cultivating the heavier mature cells.

상기 제1배양기는 부유하는 세포성장이 빠른 성장세포 배양액을 인접 제2배양기로 이동시키고 이를 성장시켜 성숙세포로 성장시켜 인접하는 제n배양기로 성장세포 배양액을 이동시킬 수 있다.The first incubator may move the growth cell culture medium in which floating cell growth is rapid to the adjacent second incubator and grow it to mature cells to move the growth cell culture medium to the adjacent n-incubator.

상기 제2배양기는 제1배양기로부터 상부의 성장세포를 포함한 배지를 공급받고 세포 재성장을 유도하여 세포수를 증대시킬 수 있고, 이를 위해, 질소, 인, 칼륨, 무기성분이 풍부한 배지를 공급하여 세포성장을 최대화할 수 있다. The second incubator can receive the medium containing the upper growth cells from the first incubator and induce cell regrowth to increase the number of cells. To this end, cells are supplied with a medium rich in nitrogen, phosphorus, potassium, and inorganic components. Growth can be maximized.

상기 제2배양기는 기존의 제1배양기 초기배양과 같이 성장에 적합한 환경으로 운전하여 세포량을 증대시키고 15 내지 20일 간 배양한 후, 성숙세포를 하면에 침전시키고 성장세포를 부유시켜 성장세포를 인접 배양기로 이동시키는 과정을 반복적으로 수행할 수 있다. The second incubator operates in an environment suitable for growth as in the initial culture of the first incubator, increases the cell amount, incubates for 15 to 20 days, precipitates mature cells on the lower surface, and floats the growth cells. The process of moving to the adjacent incubator can be repeatedly performed.

상기 배양기는 순차로 연결될 수 있고, 성숙세포에서 2차 대사산물의 생산이 종료된 제1배양기는 인접 배양기로부터 성장세포를 이전 받아 세포성장에 적합한 환경이 재차 부여될 수 있으며 일련의 연속식 배양 공정을 반복 수행될 수 있다.The incubator can be connected in sequence, and the first incubator in which the production of secondary metabolites in mature cells is terminated can be re-granted to the growth cells from the adjacent incubator and the environment suitable for cell growth can be given again, and a series of continuous culture processes It can be performed repeatedly.

또한, 상기 제1배양기 및 인접하는 제2배양기의 광조건과 배지조건은 세포성장 및 산물생산의 조건이 상이하므로 필요에 따라 각각 최적화될 수 있다.In addition, since the conditions for cell growth and product production are different, light conditions and medium conditions of the first culture phase and the adjacent second culture phase can be optimized, respectively, as necessary.

상기 배양시스템은 각각의 독립적인 배양기에서 대량 미세조류 성장과 대사산물 생산에 적합한 환경을 제공함으로써 높은 배양 효율을 구현할 수 있다.The culture system can realize high cultivation efficiency by providing an environment suitable for mass microalgae growth and metabolite production in each independent incubator.

상기 배양시스템은 내부에 배양액을 보유하는 투명한 형태의 배양기를 포함할 수 있다. 상기 배양기의 형태는 특별히 제한되지 않으며, 예컨대, 개방형일 수도 있고, 폐쇄형일 수 있다.The culture system may include a transparent type incubator that holds the culture medium therein. The shape of the incubator is not particularly limited, and may be, for example, an open type or a closed type.

상기 배양시스템은 상기 배양기 하부에 위치하는 폭기 장치, 및 인접하는 배양기를 상호 연결하는 복수의 밸브를 더 포함할 수 있고, 상기 복수의 밸브는 상기 배양기의 수직 방향으로 순차 배치될 수 있다.The culture system may further include a plurality of valves interconnecting aeration devices and adjacent incubators located below the incubator, and the plurality of valves may be sequentially arranged in the vertical direction of the incubator.

상기 배양기는 2개 또는 그 이상으로 독립적으로 구성되어 있으나, 인접하는 배양기 간의 세포 및 배지의 이동을 가능하게 하는 다수의 개폐형 밸브가 분리벽에 수직 방향으로 순차 배치될 수 있고 성숙세포 침전 정도에 따라 이동 높이를 제어할 수 있다. The incubator is independently composed of two or more, but a plurality of open-closed valves that enable the movement of cells and media between adjacent incubators can be sequentially arranged in the vertical direction on the separation wall, and depending on the degree of sedimentation of mature cells. The moving height can be controlled.

즉, 상기 배양기의 분리벽에 수직 방향으로 위치한 밸브를 개방하여 부유하는 성장세포를 인접하는 배양기로 이동시킬 수 있다.That is, the floating growth cells can be moved to the adjacent incubator by opening the valve located in the vertical direction on the separation wall of the incubator.

상기 배양기는 필요에 따라 영양분 공급장치, CO2 공급관, 공기 공급관을 더 포함할 수도 있다.If necessary, the incubator may further include a nutrient supply device, a CO 2 supply tube, and an air supply tube.

일 실시예에서, 상기 배양기는 초기에 성장 진행이 활발한 대수기의 세포가 10%(O.D. =0.1) 이상 접종될 수 있다.In one embodiment, the incubator may be inoculated with 10% (O.D. = 0.1) or more of cells in logarithmic phase in which growth progress is initially active.

배양 초기에 접종된 세포는 성장세포로 존재하므로 배양기 내부의 폭기에 의해 균일한 밀도로 존재할 수 있으나, 배양 중반 이후 세포 내의 물질 축적이 증가하고 세포벽이 두꺼워짐에 따라 폭기에도 불구하고 하면에 침전세포가 증가할 수 있다.Since cells inoculated at the beginning of culture exist as growth cells, they may exist at a uniform density due to aeration inside the incubator, but after mid-culture, the accumulation of substances in the cells increases and the cell wall thickens. Can increase.

새롭게 성장된 크기 및 무게가 작은 성장세포는 성숙세포와 다른 비중을 가지는 폭기 기체에 의해 상부에서 유동하는 특성을 가지므로 성숙세포 및 성장세포가 효과적으로 분리될 수 있다.The newly grown size and small growth cells have characteristics of flowing from the top by aeration gas having a specific gravity different from that of mature cells, so that mature cells and growth cells can be effectively separated.

이 때, 상기 성숙세포 및 성장세포의 분리 시간과 효율을 조절하기 위해 폭기량을 조절하여 침전속도를 제어할 수 있다.At this time, the amount of aeration can be controlled to control the sedimentation rate to control the separation time and efficiency of the mature and growth cells.

상기 배양기는 세포성장 최대화가 주목적으로 성장을 위한 빛, 영양분, 공기 및 추가적인 이산화탄소가 공급될 수 있다.The incubator may be supplied with light, nutrients, air, and additional carbon dioxide for growth in order to maximize cell growth.

상기 빛 공급을 위해 광원을 이용한 12시간 광조건 및 12시간 암조건을 제공할 수 있다. For the light supply, 12-hour light conditions and 12-hour dark conditions using a light source may be provided.

상기 영양분은 탄소원을 제외한 질소, 인, 칼륨을 포함한 성분과 무기이온을 포함한 미량 성분을 제공할 수 있다. 특히, 세포 성장에 필수적인 단백질 합성을 위한 질소원이 제한 요인이 되지 않도록 충분히 공급할 수 있다.The nutrients may provide components including nitrogen, phosphorus, and potassium excluding carbon sources and trace components including inorganic ions. In particular, the nitrogen source for protein synthesis essential for cell growth can be sufficiently supplied so as not to be a limiting factor.

상기 제1배양기에서 세포성장이 진행됨에 따라 하면 성장하는 세포가 증가하고, 상부에 부유하는 성장세포가 별개로 존재할 수 있다. As the cell growth progresses in the first culture phase, growing cells increase, and growth cells floating above may exist separately.

배양 15 내지 20일 경과 후, 폭기량 조절에 따라 10 μm 이하의 세포는 부유할 수 있으며, 배양기 사이의 분리벽 중간부 밸브를 개방함으로써 부유세포를 인접 배양기로 이동시킬 수 있다.After 15 to 20 days of cultivation, cells of 10 μm or less may float according to aeration amount control, and floating cells may be moved to adjacent incubators by opening the valve in the middle of the separation wall between the incubators.

이 때, 상기 제1배양기 하면의 성숙세포에 스트레스를 부여함으로써 2차 대사산물 생산을 유도할 수 있다.At this time, it is possible to induce the production of secondary metabolites by applying stress to the mature cells on the lower surface of the first culture period.

예컨대, 상기 성숙세포를 질소원이 부재한 배지 또는 농도가 제한된 배지, 인산염 농도가 제한된 배지, 온도 충격, 광도 증가, 염(salt)이 증가된 배지, 염기 또는 CO2 투입에 의해 pH가 변화된 배지에서 배양하거나, 유기산 처리를 통해 2차 대사산물 생산을 유도 및 증대시킬 수 있다.For example, the mature cells in a medium without a nitrogen source or a medium with a limited concentration, a medium with a limited phosphate concentration, a temperature shock, an increase in light intensity, a medium with increased salt, or a medium whose pH has been changed by addition of base or CO 2 Secondary metabolite production can be induced or augmented through cultivation or organic acid treatment.

또한, 상기 배양기는 상부 및 하부에 위치하는 각기 다른 파장의 광원을 포함할 수 있고, 구체적으로 하부에 위치하는 적색 광원 및 상부에 위치하는 청색 광원을 포함할 수 있다.In addition, the incubator may include light sources of different wavelengths located at the top and bottom, and may specifically include a red light source located at the bottom and a blue light source located at the top.

상기 배양기의 상부의 성장세포는 크기가 작고 세포 농도가 낮으므로 빛의 투과가 용이하다. 따라서, 세포성장에 효과적인 청색파장을 제공하여 부유하는 세포의 성장을 증진시킬 수 있다.Since the growth cells at the top of the incubator are small in size and have low cell concentration, light transmission is easy. Therefore, it is possible to enhance the growth of floating cells by providing an effective blue wavelength for cell growth.

반면, 상기 배양기 하부의 성숙세포는 크기가 크고 침전 형태로 존재하므로 빛의 투과가 어렵다. 따라서, 투과 길이가 긴 적색광을 통해 미세조류에 빛 에너지를 제공하고, 2차 대사산물 생산을 효과적으로 증진시킬 수 있다.On the other hand, since the mature cells at the bottom of the incubator are large and exist in a precipitated form, light transmission is difficult. Therefore, it is possible to provide light energy to the microalgae through red light having a long transmission length, and effectively promote secondary metabolite production.

또는 전파장 LED를 통해 강한 빛을 조사함으로써 스트레스를 부여하고 2차 대사산물 생산을 유도할 수도 있다.Or, by irradiating strong light through the electric wave field LED, it may impart stress and induce secondary metabolite production.

상기 광원은 발광다이오드(LED) 또는 레이저다이오드(LD)일 수 있으나, 생장 세포에 빛을 제공함으로써 성장을 촉진할 수 있으면 족하고 종류가 특별히 제한되는 것은 아니다.The light source may be a light emitting diode (LED) or a laser diode (LD), but it is sufficient if it can promote growth by providing light to growth cells, and the type is not particularly limited.

상기 적색 광원의 파장은 600 내지 700 nm이고, 상기 청색 광원의 파장은 400 내지 500 nm일 수 있으나, 세포의 특성이나 생장 조건을 고려하여 파장을 최적화할 수 있다.The wavelength of the red light source may be 600 to 700 nm, and the wavelength of the blue light source may be 400 to 500 nm, but the wavelength may be optimized in consideration of cell characteristics or growth conditions.

이하 실시예를 통해, 본 발명을 더욱 상술하나 하기 실시예에 의해 본 발명이 제한되지 아니함은 자명하다.Through the following examples, it will be apparent that the present invention is not limited by the following examples, although the present invention is further described.

제조예Manufacturing example

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세조류 분리형 연속배양 시스템의 개략도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세조류 배양시스템을 이용한 2차 대사산물 생산 과정을 도식화한 것이다.1 is a schematic diagram of a microalgal separation type continuous culture system according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a schematic diagram of a secondary metabolite production process using the microalgal culture system according to an embodiment of the present invention.

각 배양기는 상호 연접하여 제1배양기, 제2배양기, 제n배양기로 구성될 수 있다. 배양기는 빛 투과가 용이한 투명용기로 제작이 되며 광 공급장치(광원), 영양분 추가공급 장치, CO2 및 공기 공급장치를 포함할 수 있다.Each incubator may be composed of a first culture medium, a second culture medium, and an nth culture medium in contact with each other. The incubator is made of a transparent container that is easy to transmit light, and may include a light supply device (light source), an additional supply of nutrients, CO 2 and an air supply device.

실험예Experimental Example 1 : 세포성장 증진 배지 조성 1: Cell growth promotion medium composition

배양기에서는 세포성장을 최대화하기 위한 배양조건을 제공한다. In the incubator, culture conditions are provided to maximize cell growth.

각 성분별 미세조류 성장에 미치는 영향을 평가하기 위해 조성이 다른 배지에 미세조류를 접종하여 배양하였다.In order to evaluate the effect on the growth of microalgae for each component, microalgae were inoculated into a medium having a different composition and cultured.

미세조류 배양에 첨가하는 17개의 성분을 단일성분 결실법과 추가법을 이용하여 기본배지에서 각 성분이 제거되었을 때 또는 첨가되었을 때 세포성장에 미치는 영향을 평가하였다.The effects of 17 components added to the microalgae culture on cell growth when each component was removed from or added to the basic medium using a single component deletion method and an additional method were evaluated.

도 3을 참조하면, 기본배지에 각 성분이 결실되었을 때 세포 성장의 저해 정도를 평가하였을 때 단일성분 중 금속성분과 함께 질소원의 결실이 세포성장을 크게 저해하며 효소생산과 그 조효소로 결실에 의해 세포성장이 현저히 저해될 수 있다.Referring to FIG. 3, when the degree of cell growth inhibition was evaluated when each component was deleted in the basic medium, deletion of a nitrogen source together with a metal component among the single components significantly inhibited cell growth, and by enzyme production and deletion by coenzyme. Cell growth can be significantly inhibited.

기본배지에 단일 성분 추가에 따른 세포성장 증진 효과를 비교하였을 때, 질소성분 보다는 인과 칼륨 성분 추가에 따라 세포성장이 증진되었다.When comparing the effect of promoting cell growth by adding a single component to the basic medium, cell growth was enhanced by adding phosphorus and potassium components rather than nitrogen components.

따라서 질소 고갈에 따라 세포저해 정도가 가장 크고, 세포 성장율을 높이기 위해 인과 칼륨농도의 유지가 필요하며, 배지는 인, 질소, 칼륨 성분의 강화가 요구된다.Therefore, the degree of cytotoxicity is the greatest according to nitrogen depletion, and it is necessary to maintain the phosphorus and potassium concentrations to increase the cell growth rate, and the medium is required to strengthen the phosphorus, nitrogen, and potassium components.

배지성분Medium component 성분결실 Ingredient 증감율Increase/decrease (( %% )) 성분추가 Add ingredients 증감율Increase/decrease (( %% )) 기본배지Basic medium 00 00 붕산(H3BO3)Boric acid (H 3 BO 3 ) -5.2-5.2 3.73.7 MoO3MoO3 -11.7-11.7 5.35.3 몰리브덴산나트륨 이수화물(Na2MoO4*2H2O)Sodium molybdate dihydrate (Na 2 MoO 4 *2H 2 O) -11.7-11.7 9.69.6 이디티에이 철나트륨(EDTAFeNa)EDTA Sodium (EDTAFeNa) -11.7-11.7 13.213.2 K2HPO4 K 2 HPO 4 -13.8-13.8 33.633.6 NaClNaCl -15.6-15.6 23.923.9 Co(NO3)2*6H2OCo(NO3) 2 *6H 2 O -22.1-22.1 17.917.9 인산이수소칼륨(KH2PO4)Potassium dihydrogen phosphate (KH 2 PO 4 ) -22.1-22.1 22.422.4 황산구리 오수화물(CuSO4*5H2O)Copper sulfate pentahydrate (CuSO 4 *5H 2 O) -23.4-23.4 10.710.7 FeSO4*7H2OFeSO 4 *7H 2 O -35.1-35.1 15.715.7 이디티에이나트륨 이수화물(Na2EDTA*2H2O)Disodium dihydrate (Na2EDTA*2H 2 O) -41.6-41.6 13.213.2 KOHKOH -45.5-45.5 23.923.9 황산아연 칠수화물(ZnSO4*7H2O)Zinc sulfate heptahydrate (ZnSO 4 *7H 2 O) -51.9-51.9 9.29.2 황산마그네슘 철수화물(MgSO4*7H2O)Magnesium sulfate iron hydrate (MgSO4*7H 2 O) -66.2-66.2 5.95.9 CaCl2*2H2OCaCl2*2H 2 O -70.1-70.1 7.37.3 질산나트륨(NaNo3)Sodium nitrate (NaNo 3 ) -76.6-76.6 11.411.4 염화망간 사수화물(MnCl2*4H2O)Manganese chloride tetrahydrate (MnCl2*4H 2 O) -87.0-87.0 7.57.5

실험예Experimental Example 2 : 생산물 증대 배지 조성 2: Composition of medium to increase product

세포성장에 있어서 질소/인/칼륨 추가가 필수적이나, 성장세포에 스트레스를 주어 성장을 감소시켜 에너지를 2차 대사산물 생산에 사용하도록 유도할 수 있다.Nitrogen/phosphorus/potassium addition is essential for cell growth, but it can be induced to use energy to produce secondary metabolites by reducing growth by stressing growth cells.

이를 위해 질소가 고갈되고 인과 칼륨의 농도가 낮은 생장배지 조건에서 2차 대사산물의 생산이 촉진될 수 있다.To this end, the production of secondary metabolites can be accelerated in growth medium conditions where nitrogen is depleted and phosphorus and potassium concentrations are low.

그러므로 배양기에 있어 질소/인/칼륨이 풍부한 배지를 이용하여 세포농도를 최대화하는 시점에서 질소/인/칼륨을 고갈시키는 것이 2차 대사산물 생산에 유리하다.Therefore, depleting nitrogen/phosphorus/potassium at the time of maximizing cell concentration using a medium rich in nitrogen/phosphorus/potassium in the incubator is advantageous for the production of secondary metabolites.

실험예Experimental Example 3 : 분리형 연속식 배양에 따른 3: according to the separation type continuous culture 세포량Cell mass 측정 Measure

세포생장 중 질소/인/칼륨의 소모가 발생하며 목적하는 시점에 3성분의 고갈을 이루는 것은 어렵다.Consumption of nitrogen/phosphorus/potassium occurs during cell growth, and it is difficult to achieve depletion of three components at the desired time point.

따라서 제1배양 후기에 폭기량을 조절하여 제1배양기의 성숙세포를 하면(下面)에 침전시키고, 상부에 존재하는 성장세포를 포함하고 성숙세포가 최소화된 배양액(배양기 총 부피의 1/2 내지 2/3)을 제2배양기로 이동시킨 후 제1배양기에 질소/인/칼륨이 불포함된 배지 또는 일반 증류수 등을 추가하여 2차 대사산물 생산에 적합한 환경을 부여할 수 있다. Therefore, by adjusting the amount of aeration at the end of the first culture, the mature cells of the first culture medium are precipitated on the lower surface, and the culture medium containing the growth cells present at the top and the mature cells minimized (1/2 to the total volume of the culture medium) 2/3) can be transferred to the second incubator, and then nitrogen/phosphorus/potassium-free medium or general distilled water may be added to the first incubator to provide an environment suitable for secondary metabolite production.

제2배양기로 이동한 성장세포는 세포성장을 진행하기 위해 질소/인/칼륨이 포함된 배지를 첨가하여 세포성장을 지속할 수 있다. The growth cells transferred to the second culture medium can continue cell growth by adding a medium containing nitrogen/phosphorus/potassium to progress the cell growth.

도 4를 참조하면, 성장배양이 진행됨에 따라 초기 접종세포량 및 환경 적응력이 커져 세포성장율이 점차적으로 증가하였다.Referring to FIG. 4, as the growth culture progressed, the initial inoculation cell amount and environmental adaptability increased, and the cell growth rate gradually increased.

따라서, 상기 배양시스템을 이용한 연속식 배양에 의해 세포량이 증가하고, 아스타잔틴 생산량이 현저히 증진될 수 있다.Therefore, the cell amount is increased by the continuous culture using the culture system, and astaxanthin production can be significantly improved.

따라서, 배양 30일 경과 후 세포를 수확하여 아스타잔틴 추출을 하였을 때, 세포량 증가에 따라 아스타잔틴 생산량이 증가하였으며, 약 100 내지 300 mg/L 이상의 아스타잔틴을 생산할 수 있다.Therefore, when the cells were harvested after 30 days of culture and extracting astaxanthin, astaxanthin production increased with increasing cell mass, and astaxanthin of about 100 to 300 mg/L or more could be produced.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The above description of the present invention is for illustration only, and those skilled in the art to which the present invention pertains can understand that the present invention can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as distributed may be implemented in a combined form.

본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is indicated by the following claims, and all modifications or variations derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be construed as being included in the scope of the present invention.

Claims (9)

상부 성장세포의 성장, 및 하부 성숙세포의 산물(product) 생산에 적합한 각각 상이한 광원을 포함하는 하나 이상의 배양기를 포함하고,
상기 하나 이상의 배양기는 순차 연결된 연속식 미세조류 배양시스템으로서,
상기 배양기 하부에 위치하는 폭기 장치를 포함하고,
상기 배양 시스템은 인접하는 배양기를 상호 연결하는 복수의 밸브를 포함하며,
상기 배양시스템은 중력과 폭기량 조절에 의해 부유하는 성장세포 및 침전된 성숙세포를 분리하고 상기 성장세포를 분리하여 인접하는 배양기로 이동시키는 연속식 미세조류 배양시스템.
And one or more incubators each containing a different light source suitable for growth of upper growth cells and product production of lower growth cells,
The one or more incubators are sequentially connected microalgae culture systems,
It includes an aeration device located under the incubator,
The culture system includes a plurality of valves that interconnect adjacent incubators,
The culture system is a continuous microalgae culture system for separating floating growth cells and precipitated mature cells by controlling gravity and aeration, and separating the growth cells and moving them to adjacent incubators.
제1항에 있어서,
상기 배양기는 하부에 위치하는 적색 광원 및 상부에 위치하는 청색 광원을 포함하는 연속식 미세조류 배양시스템.
According to claim 1,
The incubator is a continuous microalgae culture system comprising a red light source located at the bottom and a blue light source located at the top.
제1항에 있어서,
상기 미세조류는 스파이로자이라(Spirogyra), 클로렐라(Chlorella), 세네데스무스(Scenedesmus), 클로로컴(Chloroccum), 두날리엘라(Dunaliella), 유글레나(Euglena), 포르피리디움(Porphyridium), 프림네시움(Prymnesium), 및 테트라셀미스(Tetraselmis)로 이루어진 군에서 하나 이상 선택된 연속식 미세조류 배양시스템.
According to claim 1,
The microalgae spy Rosa as (Spirogyra), Chlorella (Chlorella), three or four des mousse (Scenedesmus), chloro Com (Chloroccum), two flying it Ella (Dunaliella), euglena (Euglena), formate flutes Stadium (Porphyridium), Supreme Annecy Continuous microalgae culture system selected from one or more of the group consisting of Prymnesium and Tetraselmis .
제1항에 있어서,
상기 광원은 발광다이오드(LED) 또는 레이저다이오드(LD)인 연속식 미세조류 배양시스템.
According to claim 1,
The light source is a light emitting diode (LED) or a laser diode (LD) continuous microalgae culture system.
제2항에 있어서,
상기 적색 광원의 파장은 600 내지 700 nm이고, 상기 청색 광원의 파장은 400 내지 500 nm인 연속식 미세조류 배양시스템.
According to claim 2,
The wavelength of the red light source is 600 to 700 nm, and the wavelength of the blue light source is 400 to 500 nm.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 복수의 밸브는 상기 배양기의 수직 방향으로 순차 배치된 연속식 미세조류 배양시스템.
According to claim 1,
The plurality of valves are continuous microalgae culture system sequentially arranged in the vertical direction of the incubator.
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