KR102511003B1 - 전기 화학 밸브 및 이를 포함하는 배양 장치 - Google Patents

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Abstract

전기 화학 밸브가 개시된다. 전기 화학 밸브는 배양원액을 공급받아 원하는 농도로 제어된 배양액을 배출한다. 전기 화학 밸브는 전류의 밀도를 제어하거나 공급되는 배양원액과 담수의 유량을 제어하여 배출되는 배양액의 농도를 제어한다.

Description

전기 화학 밸브 및 이를 포함하는 배양 장치{ELECTRO CHEMICAL VALVE AND CULTURE APPARATUS}
본 발명은 전기 화학 밸브 및 이를 포함하는 배양장치에 관한 것이다.
미생물은 고부가가치 물질에서부터 필수품에 이르기까지 다양한 바이오 기반 제품의 원료로 사용되고 있다. 구체적으로 미생물의 생산은 오늘날 매우 높은 비용으로 수행된다. 실제 비용은 바이오 매스 1kg 당 100 유로의 규모로 알려져 있다. 예를 들어, 관상 광 생물 반응기 30 m3의 실제 미생물의 생산 비용은 약 건조 중량 kg 당 69 유로로 추정된다.
특히, 항체 의약품은 진단 및 치료시장에서 급속도로 확장되고 있으며, 매출액 기준 글로벌 톱 6 바이오의약품이 모두 항체의약품일 정도로 전세계에서 가장 핫한 의약품이다.
따라서, 미생물 또는 항체 생산의 상업화를 이루기 위하여 고농도 배양, 고농도 회수 및 배양 기간의 단축은 필수적이라고 할 수 있다. 이를 위해서는 배양액의 제어가 매우 중요하며 최적값에 가깝게 운용(operation)을 해야 한다.
미생물 또는 생산하고자 하는 항체의 종류에 따라 최적화된 배양액을 맞춤형으로 공급할 수 있는 전기 화학 밸브 및 이를 포함하는 배양 시스템을 제공하고자 한다.
공급되는 탄소원과 질소원의 비율을 용이하게 조절하여 공급할 수 있는 전기 화학 밸브 및 이를 포함하는 배양 시스템을 제공하고자 한다.
농도차에 의해 자체적인 전기생산이 가능한 전기화학 밸브를 이용하여 배양 시스템의 운전 상태를 저전력 내지는 무전력으로 모니터링할 수 있는 시스템을 제공하고자 한다.
실시예들에 따른 전기 화학 밸브는 서로 대향하여 마주보며 산화/환원형 전극용액을 포함하고 있는 애노드 전극과 캐소드 전극, 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 배열되고 제1 용액이 유동하는 제1 유로와 상기 제1 용액보다 고농도의 염을 포함하는 배양 원액인 제2 용액이 유동하는 제2 유로가 복수로 구획되도록 음이온교환막과 양이온교환막이 교대로 배열된 이온교환막 스택, 상기 제1 용액 유입부와 상기 제2 용액 유입부, 상기 제1 유로의 끝단에 연결되어 유출액을 외부로 배출하는 제1 유출부, 및 상기 제2 유로의 끝단에 연결되어 배양액을 외부로 배출하는 제2 유출부를 포함하고, 상기 음이온교환막과 상기 양이온교환막을 통해 음이온과 양이온이 상기 제1 유로로 이동하면서 막 포텐셜이 발생하고, 상기 캐소드 전극에서 전자를 얻고 이에 대한 전하 밸런스를 맞추기 위해 마지막 양이온교환막을 통해 상기 제2 용액에서 상기 애노드 전극용액 방향으로 양이온이 이동하면서 전류가 발생하고 상기 전류의 밀도를 제어하거나, 상기 제1 용액 및 제2 용액의 유량과 스택의 전압, 전류를 제어하여 상기 배양액의 농도를 제어한다.
실시예들에 따른 배양 시스템은 상기 전기 화학 밸브와 상기 전기 화학 밸브로부터 유출되는 농도 제어된 배양액이 공급되는 반응기를 포함한다.
실시예들에 따르면, 미생물의 종류에 따라 최적화된 배양액을 맞춤형으로 공급할 수 있다. 또한, 미생물에 공급되는 탄소원과 질소원의 비율을 용이하게 조절하여 공급할 수 있으며, 미생물을 고농도로 배양할 수 있다.
실시예들에 따르면, 배양액의 농도를 제어할 수 있을 뿐만 아니라 에너지 공급이 자립적으로 안정적이고 지속적으로 이루어져서 미생물의 생산 비용을 줄이고 시스템을 최적 상태로 안정적이고 지속적으로 운용할 수 있다. 또한, 미생물의 고농도 배양 및 고부가가치 물질 생산에 적합하도록 반응기에 조사되는 광량을 제어할 수 있다.
실시예에 한정되지 않고, 미생물 외에 항체 배양 장치의 전해질 농도 조정등에도 사용이 가능하며, 성장 및 분할에 필요한 이온성 물질의 농도를 제어하고, 이를 통해 고가의 항체를 효율적으로 배양함으로써, 높은 수율을 얻을 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 전기 화학 밸브를 포함하는 배양 장치의 개략도이다.
도 2는 도 1에 예시된 전기 화학 밸브의 상세 개략도이다.
도 3은 도 2에 예시된 전기 화학 밸브에서 전류밀도 및 유량을 조절함으로써 유출수의 농도를 제어할 수 있음을 나타내는 그래프이다.
도 4은 일 실시예에 따른 배양 장치를 포함하는 배양 시스템의 개략도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 일 실시예에 따른 전기 화학 밸브를 포함하는 배양 장치의 개략도이다.
배양 장치는 반응기(41), 반응기(41)에 농도가 제어된 배양액을 미세 조절하여 공급하기 위한 전기 화학 밸브(20), 배양액을 공급하기 위한 공급관(50), 펌프(60), LED 광원(80), 센서(42) 및 전자기계장치(44, 46)을 포함할 수 있다.
반응기(bioreactor)(41)는 배양하고자 하는 생물종에 따라 적절한 반응기를 선택하여 사용할 수 있다. 반응기는 생물종(미세조류 또는 항체생산을 위한 CHO 세포주 등)에 따라 다양한 형태가 사용될 수 있으나, 공업 발효 공정에서 사용되는 발효조(Fermentor)인 것이 생산성 및 가격경쟁력을 높일 수 있다.
미세조류를 예로 들면, 독립영양 미세조류(Autotrophic microalgae) 또는 혼합영양 미세조류(mixotrophic microalgae) 배양에 사용되는 광반응기의 경우에는 빛이 전달되는 영역과 빛이 전달되지 않는 영역 간에 배양되는 미세조류의 밀도가 달라지기 때문에 반응기의 디자인에 제한 사항이 많다. 또한 지속적으로 빛 공급을 위해서는 에너지 소모량이 많아진다. 또한, 광반응기의 경우에는 배양되는 미세조류의 밀도가 5g/l로 매우 낮다.
반면, 주로 종속영양 미세조류(heterotrophic microalgae) 또는 혼합영양 미세조류(mixotrophic microalgae) 배양에 사용되는 발효조의 경우 이미 대규모 산업 생산(large-scale industry production) 공정에 활용되었기 때문에 반응기 개발 등에 소요되는 비용을 낮출 수 있으며 대형화가 용이하다. 또한 지속적으로 빛을 공급할 필요가 없기 때문에 에너지 소모량도 감소시킬 수 있다. 또한 발효조의 경우에는 배양되는 미세조류의 밀도를 40g/l 이상으로 높게 할 수 있다. 이와 같이 미세조류를 고농도로 배양할 경우 후단의 유용자원 회수장치에서 유용자원을 회수하기 위한 에너지를 감소시킬 수 있는 장점이 있을 수 있다. 특히 종속영양 미세조류의 경우에는 투입 에너지 대비 ATP 전환 비율이 18% 이상이므로 알짜 에너지 비율(Net Energy Ratio (NER))을 높일 수 있다.
전기 화학 밸브(20)는 제1 용액 유입부(13)와 제2 용액 유입부(15)를 통해 제1 용액 및 제2 용액을 유입받은 후 전기 화학 밸브(20)의 전류 밀도 또는 용액의 유량 등을 제어하여 배출되는 배양액의 농도를 반응기에 적합한 농도로 제어하여 배출한다. 전기 화학 밸브(20)의 구체적인 구조 및 동작에 대해서는 이하 도 2를 참조하여 설명한다.
공급관(52)은 화학 전기 밸브(20)에서 배출되며 농도 제어된 배양액을 반응기(41)로 공급하기 위해서 설치된다. 공급관(52)에는 배양액의 오염을 방지하기 위한 소독 광을 조사하기 위한 UV 장치(53)가 설치될 수 있다.
또한, 공급관(52)에는 펌프(60)가 설치되어 배양액이 반응기(41)로 원활하게 공급되도록 할 수 있다.
한편, 반응기(41)는 반응기(41)에 작동하도록 결합된 복수의 LED 광원(70)을 포함할 수 있다. 복수의 LED 광원(70)은 인조 광의 전체 범위의 스펙트럼 또는 인조 광의 특정 파장을 반응기(41)에 공급하도록 구성될 수 있다. 도 3에 예시되어 있는 바와 같이 복수의 LED 광원(350)은 반응기(41) 내에 광학적으로 투명한 조명 구조체에 실장되어 반응기(41) 내의 미세조류에 원하는 인조광을 조사할 수 있다.
반응기(41)에는 미세조류 배양액을 혼합하기 위한 교반기(80)를 포함할 수 있다.
한편, 반응기(41)에는 배양액 이외의 미네랄, N, P 등의 영양성분을 공급하기 위한 추가 포트(미도시)를 더 포함할 수 있다. 가스는 산소(O2)와 같은 영양 성분을 제공할 뿐만 아니라 배양 배지에 난류를 제공할 수 있다. 즉, 포트를 통해서 산소(O2)와 같은 가스를 공급하면서 버블링되도록 할 경우 미세조류의 성장 속도를 향상시킬 수 있다. 배양액이 배양에 필요한 모든 성분을 포함하고 있지 않을 수 있다. 따라서, 미네랄, N, P 등의 영양성분을 공급하여 미세조류가 균형있게 성장할 수 있도록 할 수 있다.
반응기(41)에서 생성되는 가스는 가스 배출 포트(미도시)를 통해서 외부로 배출됨으로써 반응기(41) 내에 압력이 축적되는 것을 방지할 수 있다.
반응기(41)에는 배양을 샘플링하기 위한 포트(미도시), 배양의 접종을 위한 포트(미도시) 등을 더 포함할 수 있다.
반응기(41)에는 미세조류의 배양환경 또는 미세조류의 성장을 모니터링하기 위한 센서(42)는 설치된다. 센서(42)는 습도, 온도, pH, 영양도 등을 감지하는 센서와, 반응기(41) 내의 미생물의 성장을 모니터링하는 센서 등을 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전기 화학 밸브(20)는 서로 대향하여 마주보며 산화/환원형 전극용액(107a, 107b)을 포함하고 있는 캐소드 전극(101)과 애노드 전극(102)을 포함한다.
캐소드 전극(101)과 애노드 전극(102) 사이에는 제1 용액이 유동하는 제1 유로(103)와 제1 용액보다 고농도의 염을 포함하는 배양 원액인 제2 용액이 유동하는 제2 유로(104)가 복수로 구획되도록 음이온교환막(Anion Exchange Membrane, AEM)과 양이온교환막(Cation Exchange Membrane, CEM)이 교대로 배열된 이온교환막 스택이 배치된다.
도 2는 예시로서 네 개의 단위 셀이 적층되고 마지막이 다시 양이온 교환막(CEM)이 배치된 구조를 예시하고 있으나 양단에 배치되는 교환막의 종류는 설계 목적에 따라 바뀔 수 있다.
제1 유로(103)에는 제1 용액 유입부(13)를 통해서 제1 용액이 제2 유로(104)에는 제2 용액 유입부(15)를 통해서 제2 용액이 유입된다. 제1 용액은 담수일 수 있으며, 제2 용액은 배양 원액일 수 있다.
제1 용액 및 제2 용액이 유입되면 음이온교환막(AEM)과 양이온교환막(CEM)을 통해 음이온과 양이온이 각각 제1 유로(103)로 이동하면서 막 포텐셜이 발생하고, 캐소드 전극(101)에서 전자를 얻고 이에 대한 밸런스를 맞추기 위해 마지막 양이온교환막(CEM)을 통해 제2 용액에서 전극용액(107b) 방향으로 양이온이 이동하면서 전류가 발생한다.
이 때 발생하는 전류의 밀도를 조절하거나, 제1 용액 및 제2 용액의 유량을 제어하면 제1 유출부(108)를 통해 배출되는 배양액의 농도를 원하는 농도로 제어하여 반응기(도 1의 41 참조)로 공급할 수 있다.
제1 용액으로 담수를 제2 용액으로 아세트산나트륨(CH3COONa)을 사용하는 경우를 예로 들어 동작을 보다 구체적으로 설명한다. 용액상태에서 아세트산나트륨은 아세트산이온(CH3COO-)과 나트륨 이온(Na+)의 상태로 존재하고, 나트륨 이온(Na+)은 양이온만을 선택적으로 통과시키는 양이온 교환막(CEM)을 통과하여 확산되고, 아세트산이온(CH3COO-)은 음이온만을 선택적으로 통과시키는 음이온 교환막(AEM)을 통과하여 나트륨 이온과는 반대방향으로 확산된다. 그 결과 나트륨 이온이 쏠린 쪽은 양(+) 전하를 아세트산이온이 쏠린 쪽은 음(-) 전하를 가지게 되어 화학적 포텐셜(chemical potential) 즉 막 전압(V)이 생성된다.
셀 스택 말단의 양이온 교환막(CEM)과 캐소드(cathode)(101) 사이의 환원 채널과 양이온 교환막(CEM)과 애노드(anode)(102) 사이의 산화 채널에 각각 전극 용액(107)이 제공되며, 전극 용액(107)은 용액 순환부(108)를 통해 순환될 수 있다. 도 2에서는 전극 용액(107)이 순환되는 것으로 도시하였으나, 비순환형으로도 구성할 수 있음은 물론이다. 캐소드 전극(101)에서 전자를 얻고 이에 대한 밸런스를 맞추기 위해 마지막 양이온교환막(CEM)을 통해 제2 용액에서 전극용액(107b) 방향으로 양이온이 이동하면서 전류가 발생한다. 이론적으로 이 전류(I)의 크기와 셀 스택에서 발생한 전압차(V)를 곱한 값이 바로 생산하는 전력(P)의 크기가 될 수 있다. 전력 생산과 동시에 이온성 물질인 아세테이트가 이온교환막을 통해 제2 유입수에서 제1 유입수로 이동하며, 초기 공급된 아세트산나트륨보다 농도가 낮은 아세트산나트륨으로 이루어진 배양액이 제1 유출부(108)를 통해 미세조류 배양장치(40)로 전달된다. 제2 유출부(109)를 통해 배출되고 초기 농도보다 농도가 낮아진 제 2용액은 재사용이 가능한 수준까지 (즉, 제1 용액과 농도차이로 인한 이온이동이 무의미한 수준까지) 제2 용액 유입부(15)로 순환시킴으로써, 시스템을 경제적으로 운용할 수 있다.
이 때, 아세트산나트륨 용액과 탈이온수의 유량속도를 제어하거나 전류밀도 제어를 통해서 제2 유출부(109)를 통해서 배출되는 배양액의 농도를 제어할 수 있다. 따라서, 반응기(41)에 최적화된 농도의 배양액을 맞춤형으로 공급할 수 있다.
도 3은 전류와 유량에 따른 유출수의 농도 차이를 측정한 그래프이다.
제1 용액(Low Concentration, LC)으로 담수(NaCl 0.017M)를 제2 용액(High Concentration, HC)으로 해수(NaCl 0.5M)을 이용하여 전류 및 유량을 변화시키면서 배출되는 유출수의 농도를 측정하였다. 그 결과가 도 3에 도시되어 있다.
제1 용액(LC)의 경우에는 동일 유량에서는 전류 밀도가 클수록 동일 전류 밀도에서는 유량이 작을수록 배출되는 유출수의 농도가 큰 것을 알 수 있다. 반대로 제2 용액(HC)의 경우에는 동일 유량에서는 전류 밀도가 작을수록 동일 전류 밀도에서는 유량이 클수록 배출되는 유출수의 농도가 큰 것을 알 수 있다. 이로부터 전류 밀도 또는 유량을 제어함으로써 유출수의 농도를 제어할 수 있음을 알 수 있다.
전기 화학 밸브(20) 내에서 반응과 생성에 대한 물질 수지를 평형상태로 유지하기 위하여 전류가 상승하면 이온교환막을 통해 이에 대응하는 물질이 이동하며, 이는 전류/전압의 상관간계와 더불어 유로 내의 유속과도 상관관계가 있다.
I = n x e x v x S
(전류= 전자수 x 전자 1개의 전하 x 이동 속도 x 이동 면적)
Nernst-Planck 방정식에 따르면, 전해질 내 물질의 이동 속도는 물질의 (확산속도)+(전기장 이동속도)+(물리적 이동속도)의 합으로 결정되며, 이 때 확산속도는 농도차에 영향을 받고, 전기장 이동속도는 인가된 전압에 영향을 받고, 물리적 이동속도는 유체 유속에 영향을 받는다.
전기 화학 밸브(20)에서 전기장은 물질 농도차 및 확산 속도의 영향에 종속적이므로, 전해질 내 물질의 이동 속도는 전류(전압) 및 유체 속도에 의해 결정된다고 할 수 있다. 따라서, 전기 화학 밸브(20)의 전류밀도와 유량의 조정을 통해서 후단에 위치하는 반응기(41)에 공급되는 배양액의 농도를 조절할 수 있다. 상기 방식으로 조절되어 배출되는 농도는 물질 수지 및 유량에 영향을 받으므로 분리막의 손상이 발생하기 전까지는 정량적으로 조정이 가능하다. 전류밀도의 제어 방식의 일례로는 애노드 전극(102)에서 캐소드 전극(101)으로의 전류의 흐름 사이에 설치된 부하(도 2의 Load)의 값을 제어하는 것을 예로 들 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 배양 시스템의 개략도이다.
도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 배양 시스템은 배양원액 공급부(10), 전기 화학 밸브(20), 전기를 저장하는 에너지 저장 시스템(30), 배양 장치(40), 중앙제어장치(48), 유용자원 회수 장치(50), 및 CH4 회수장치(60)를 포함한다.
배양원액 공급부(10)는 미생물 또는 항체의 배양에 필요한 영양물질을 포함한다.
생산하고자 하는 미생물이 종속영양 미세조류(heterotrophic microalgae)일 경우, 배양액은 종속영양 미세조류 배양에 필요한 탄소원을 포함할 수 있다. 탄소원은 고정 탄소원, 글루코오스, 프룩토오소, 수크로오스, 갈락토오스, 자일로오스, 만노오스, 람노오스, N-아세틸글루코사민, 글리세롤, 플로리도시드, 글루쿠론산, 옥수수 전분, 탈중합된 셀룰로오스계 물질, 사탕수수, 사탕무, 락토오스, 유장(milk whey), 및 당밀로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다.
생산하고자 하는 미생물이 종속영양과 독립영양을 함께 혼합한 혼합영양 미세조류(mixotrophic microalgae)일 경우, 미세조류 배양액은 종속영양 미세조류 배양에 필요한 탄소원과 독립영양에 필요한 이산화탄소를 포함할 수 있다.
배양장치(40)는 반응기(41), 센싱부(42), 제어부(44) 및 송신부(46) 등을 포함할 수 있다. 센싱부(42)는 반응기(41)의 온도, 배양액의 농도 및 기타 생장환경 정보를 센싱한다. 제어부(44)는 온도 조절을 위한 냉/난방기와, 환기를 위한 배기 팬과, 관수 등을 제어한다. 송신부(46)는 중앙제어장치(48)와 통신을 위해 설치된다.
중앙제어장치(48)는 배양장치(40)의 센싱부(42), 제어부(44), 송신부(46)와 전기적으로 연결되며, 미리 설정된 프로그램에 의해 센싱부(42)의 감지 신호에 따라 반응기(41)의 운전을 제어한다. 구체적으로 중앙제어장치(48)는 배양장치(40)의 센싱부(42)에서 제공되는 온도, 영양분의 농도 및 기타 생장환경 정보를 인공지능을 이용하여 분석하여 최적의 운전 조건에 대한 적절한 제어신호를 결정하고 이를 다시 배양장치(40)의 제어부(44)로 전달하여 반응기(41)를 최적 상태로 안정적이고 지속적으로 운용할 수 있게 된다.
중앙제어장치(48)는 또한 전기 화학 밸브(20)와 통신 가능한 상태로 연결될 수 있다. 따라서, 전기 화학 밸브(20)의 펌프(미도시)의 작동을 제어하여 전기 화학 밸브(20)로 공급되는 제1 용액과 제2 용액의 유량을 제어하거나 전류밀도를 제어하거나 전기 화학 밸브(20)의 동작 자체를 온/오프할 수도 있다. 또한, 반응기에 설치된 온도, pH, 전도도 등의 센서로부터 실시간으로 데이터를 수신하고, 이를 이용하여 최상의 운전조건을 유지하기 위한 전기화학 밸브를 제어할 수 있는 빅데이터 기반의 알고리즘을 포함할 수 있다. 따라서, 제1 유출부(108)을 통해 유출되는 배양액의 농도와 유량을 자동적으로 제어하여 배양하고자 하는 미생물의 종류에 따라 최적화된 농도의 배양액을 맞춤형으로 공급할 수 있다. 또한, 제1 유출부(108)를 통해 공급되는 배양액과 별도로 공급되는 N과의 비율 제어를 통해 반응기에 공급되는 최종 배양액의 C/N 비율을 용이하게 제어하여 배양장치(40)로 공급할 수 있다. 또한 이와 같은 제어를 통해 전기 화학 밸브(20)에서 생산하는 전기에너지의 양을 제어하여 미세조류 배양시스템의 운용에 필요한 전기를 안정적으로 또는 필요에 맞추어 공급할 수 있다.
중앙제어장치(48)는 에너지 저장 시스템(30)과도 통신 가능한 상태로 연결될 수 있다. 따라서, 에너지 저장 시스템(30)에서 배양장치(40), 유용자원 회수장치(50) 등에 공급되는 에너지를 효율적으로 안정적으로 또는 필요에 맞추어 분배하여 공급할 수 있다.
중앙제어장치(48)에서 분석 및 모니터링된 데이터는 사용자 또는 관리자의 휴대용 제어장치(49)로 전달되어 원격 모니터링 및 제어가 가능하도록 할 수 있다.
유용자원 회수장치(50)에서는 배양장치(40)에서 배양이 완료된 바이오매스를 사용하여 다양한 유용자원(52)을 회수할 수 있다. 유용자원(52)은 식품, 사료, 약품, 영양제, 화장품, 연료, 비료, 오수처리제, 화학물질 등의 다양한 형태로 회수될 수 있다.
회수는 열-유도 용해, 염기를 사용하는 용해, 산성 용해, 셀룰라아제, 프로테아제, 또는 이들의 조합을 사용하는 효소를 사용하는 세포 용해, 초음파를 사용하는 세포의 용해, 기계적 용해, 삼투압 충격에 의한 세포의 용해(세포용해), 용균 바이러스에 의한 감염, 자가 용해(autolysis) 등에 의해 진행할 수 있다. 또한 추출된 지질 또는 탄화수소는 효소, 열, 촉매 등에 의해 다른 성분으로 변형될 수도 있다.
그리고, 종속영양 미세조류 또는 혼합영양 미세조류의 경우에는 CH4 가스가 발생하며, 이렇게 발생한 CH4 가스는 CH4 회수장치(60)에 의해 회수되어 발전기 등에 공급되어 새로운 에너지원을 생성할 수 있다.
실시예에 따른 배양 시스템에서는 전기 화학 밸브(20)의 제어를 통해 배양액의 종류 및 농도, C/N 비율을 용이하게 제어할 수 있으며, 나아가 전기 화학 밸브(20)에서 생산되는 분산 전기에너지를 사용하여 배양장치(40)에 운전 에너지를 공급할 수 있을 뿐만 아니라 전기 화학 밸브(20)에 의해 공급되는 전기 에너지에 의해 동작하는 센싱부(42)를 통해 수집된 생장환경 정보에 근거하여 자동 제어가 된다. 따라서, 실시예에 따른 미세조류 생산 시스템에서는 대부분의 종속영양 미세조류 또는 혼합영양 미세조류를 최적의 생장조건으로 고농도로 배양할 수 있게 된다.
실시예에 따른 배양 시스템에서는 항체 생산에 널리 사용되는 CHO 셀이 배양될 수 있다. CHO셀을 예로 들었지만 항체 생산에 적합한 셀이라면 어떠한 셀이라도 배양될 수 있음은 물론이다. 또한 실시예에 따른 배양 시스템에서는 배양이 어렵기로 알려진 헤마토쿠크스(Haematococcus pluvialis)를 고농도로 배양하고 이에 기초하여 고부가가치 산물인 아스타잔틴(astaxanthin)을 전기화학밸브를 이용하여 높은 에너지 효율로 생산할 수 있다. 이를 도 1 내지 4를 참조하여 설명한다.
헤마토코쿠스는 고부가가치 카로티노이드인 아스타잔틴을 합성하는 미세조류이다. 일반적인 미세조류가 성장 전 기간동안 거의 유사한 세포 형태를 유지하는 것과는 달리 헤마토코쿠스는 배양시 주변 환경에 따라 세포의 형태가 변화한다. 주변에 영양염류가 많고 빛의 세기가 높지 않은 환경에서는 편모를 가지고 움직이는 녹색의 타원 형태로 생활을 하며, 빛의 세기가 점차 강해질 경우 편모가 없어지며 둥근 녹색의 세포로 변화한다. 이 상태에서 점차 빛을 사용해 광합성을 하여 세포의 크기가 커지게 된다. 이러한 과정을 통해 세포의 크기는 초기 편모를 가진 타원 형태의 세포보다 5배 이상 높은 질량을 가질 정도로 다른 형태가 된다. 또한 이후로 주변 환경이 생존을 위한 보편적인 범위를 넘어서게 되어 스트레스를 받게 되면, 이를 극복하기 위해 세포 내에 카로티노이드 계열 색소를 합성하게 되어 세포가 점차 붉게 변한다. 지속적인 자극을 받게 되면 건중량의 약 4~5% 수준까지 아스타잔틴을 합성하게 되며 처음의 녹색의 세포와는 달리 적색의 세포의 형태를 가진다. 크게 3가지의 독특한 형태 및 색소의 변화 때문에 헤마토코쿠스를 효과적으로 배양하기 위해서는 일반적인 미세조류의 배양 방식과는 달리 복잡하고 다양한 형태를 가진다. 미세조류는 광합성을 위해서 광과 반응하는 다양한 형태의 색소를 가지고 있으며, 각각의 색소는 각기 다른 파장대의 광을 흡수하는 것으로 알려져 있다.
배양원액 공급부(10)에는 리보오스(ribose), 만노오스(mannose), 과당(fructose), 및 아세트산나트륨 중에서 선택된 어느 하나가 저장될 수 있다. 이하 동작은 아세트산나트륨을 예로 들어 설명한다. 아세트산나트륨과 담수가 전기 화학 밸브(20)에 공급되면 생산된 전기 에너지는 에너지 저장 시스템(30)에 저장되고 유출되는 농도 제어된 아세트산나트륨은 배양장치(40)의 반응기(41)로 공급된다. 반응기(41) 내에는 농도 제어된 아세트산나트륨 이외에 헤마토코쿠스의 배양에 필요한 배지가 공급되어 있는 상태이며 헤마토코쿠스를 0.12g/L 수준으로 접종한 상태일 수 있다. 에너지 저장 시스템(30)에서 전기 에너지가 공급관(52)에 설치된 UV 장치(53), 펌프(60), 복수의 LED 광원(70), 센싱부(42), 제어부(44), 송신부(46)로 공급된다.
초기 배양 단계에서 헤마토코쿠스는 편모가 있는 타원형의 움직이는 녹색 세포 단계이기 때문에 일반적으로 낮은 광량을 요구하고, 세포수의 증가가 바이오매스의 성장과 일치하는 단계이다. 따라서, 이 단계에서는 제어부(44)가 LED 광원(70)중 660nm 영역의 적색광이 턴-온되도록 하고 50~75μmol 세기의 적색광이 배지에 조사되도록 한다.
센싱부(42)는 헤마토코쿠스의 형태 또는 개체수 등을 센싱함과 동시에 배지의 생장환경 등도 함께 센싱한다. 센싱부(42)의 정보는 송신부(46)를 통해서 중앙제어장치(48)로 지속적으로 전달된다. 중앙제어장치(48)는 센싱부(42)로부터 전달된 정보에 기초해서 편모가 없으며 구형의 녹색 세포 단계가 되었는지 판단하여 구형이 되었다고 판단되면 제어부(44)는 LED 광원(70)에서 660nm 영역의 적색광과 450nm 영역의 청색광이 동시에 턴-온되도록 하고 100~150μmol, 바람직하기로는 125μmol 세기의 광이 조사되도록 한다. 이 경우 청색 파장:적색 파장의 비율이 3:7이 되도록 조사하여 효과적으로 바이오매스 성장이 가능하도록 할 수 있다.
이어서 중앙제어장치(48)에서 세포가 큰 녹색의 구 형태를 가지며 중심부근에 적색의 카르티노이드 색소가 생성되었는지 여부를 판단한다. 헤마토코쿠스를 배양하는 목적은 이차 대사산물인 아스타잔틴을 생산하는 것으로 목적 물질인 아스타잔틴은 상술한 2개의 배양 단계에서는 거의 확인되지 않으며 배양 마지막 단계에서부터 합성이 이루어진다. 이 단계의 세포 배양의 목적은 바이오매스의 성장보다는 아스타잔틴의 합성에 있다. 따라서, 바이오매스의 성장을 억제하고 스트레스에 기인한 아스타잔틴의 합성이 이루어지도록 하기 위해서 중앙제어장치(48)는 펌프(60)를 턴-오프하여 더 이상의 배양액이 공급되지 않도록 함과 동시에 LED 광원(70)에서 적색광은 턴-오프되도록 하고 청색광만 턴-온 상태를 유지하도록 한다. 이 때 조사되는 청색광의 세기는 250μmol 정도가 되도록 한다. 이와 같은 조절을 통해서 헤마토코쿠스가 루테인을 합성하거나 베타카로틴을 아스타잔틴으로 전환하지 못하는 가능성을 최소화하고 아스타잔틴 합성을 최대화하도록 할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

Claims (9)

  1. 서로 대향하여 마주보며 산화/환원형 전극용액을 포함하고 있는 애노드 전극과 캐소드 전극;
    상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 배열되고 제1 용액이 유동하는 제1 유로와 상기 제1 용액보다 고농도의 염을 포함하는 배양 원액인 제2 용액이 유동하는 제2 유로가 복수로 구획되도록 음이온교환막과 양이온교환막이 교대로 배열된 이온교환막 스택;
    상기 제1 용액 유입부와 상기 제2 용액 유입부;
    상기 제1 유로의 끝단에 연결되어 배양액을 외부로 배출하는 제1 유출부; 및
    상기 제2 유로의 끝단에 연결되어 상기 제2 용액보다 농도가 낮아진 유출액을 외부로 배출하는 제2 유출부를 포함하고,
    상기 음이온교환막과 상기 양이온교환막을 통해 음이온과 양이온이 상기 제1 유로로 이동하면서 막 포텐셜이 발생하고, 상기 캐소드 전극에서 전자를 얻고 이에 대한 전하 밸런스를 맞추기 위해 마지막 양이온교환막을 통해 상기 제2 용액에서 상기 애노드 전극용액 방향으로 양이온이 이동하면서 전류가 발생하고
    상기 제1 용액의 경우에는 동일 유량에서는 전류 밀도를 증가시키고, 동일 전류 밀도에서는 유량을 감소시켜서 상기 제1 유출부로부터 배출되는 상기 배양액의 농도를 증가시키고,
    상기 제2 용액의 경우에는 동일 유량에서는 전류 밀도를 감소시키고, 동일 전류 밀도에서는 유량을 증가시켜서 상기 제1 유출부로부터 배출되는 상기 배양액의 농도를 증가시키는 전기 화학 밸브.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 전류의 밀도를 제어하는 것은 상기 애노드 전극에서 상기 캐소드 전극으로의 전류의 흐름 사이에 설치된 부하를 조절하여 제어하는 전기 화학 밸브.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 유출부를 통해 배출되는 유출액을 상기 제2 용액 유입부로 순환시키는 전기 화학 밸브.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 캐소드 전극과 애노드 전극은 각각 양이온교환막과 대향하는 전기 화학 밸브.
  5. 전기 화학 밸브; 및
    상기 전기 화학 밸브에서 배출되는 농도 제어된 배양액이 공급되는 반응기를 포함하는 배양 시스템으로,
    상기 전기 화학 밸브는 서로 대향하여 마주보며 산화/환원형 전극용액을 포함하고 있는 애노드 전극과 캐소드 전극;
    상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 배열되고 제1 용액이 유동하는 제1 유로와 상기 제1 용액보다 고농도의 염을 포함하는 배양 원액인 제2 용액이 유동하는 제2 유로가 복수로 구획되도록 음이온교환막과 양이온교환막이 교대로 배열된 이온교환막 스택;
    상기 제1 용액 유입부와 상기 제2 용액 유입부;
    상기 제1 유로의 끝단에 연결되어 배양액을 외부로 배출하는 제1 유출부; 및
    상기 제2 유로의 끝단에 연결되어 상기 제2 용액보다 농도가 낮아진 유출액을 외부로 배출하는 제2 유출부를 포함하고,
    상기 음이온교환막과 상기 양이온교환막을 통해 음이온과 양이온이 상기 제1 유로로 이동하면서 막 포텐셜이 발생하고, 상기 캐소드 전극에서 전자를 얻고 이에 대한 전하 밸런스를 맞추기 위해 마지막 양이온교환막을 통해 상기 제2 용액에서 상기 애노드 전극용액 방향으로 양이온이 이동하면서 전류가 발생하고
    상기 제1 용액의 경우에는 동일 유량에서는 전류 밀도를 증가시키고, 동일 전류 밀도에서는 유량을 감소시켜서 상기 제1 유출부로부터 배출되는 상기 배양액의 농도를 증가시키고,
    상기 제2 용액의 경우에는 동일 유량에서는 전류 밀도를 감소시키고, 동일 전류 밀도에서는 유량을 증가시켜서 상기 제1 유출부로부터 배출되는 상기 배양액의 농도를 증가시키는 배양 시스템.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 반응기에 설치되고 배양환경 또는 정보를 센싱하는 적어도 하나 이상의 센싱부;
    상기 반응기의 온도 조절을 위한 냉/난방기와 환기를 위한 배기 팬과 관수 등을 제어하는 제어부;
    송신부; 및
    상기 송신부와 통신하여 상기 센싱부의 감지 신호에 따라 상기 반응기를 최적 상태로 운용되도록 하고, 상기 전기 화학 밸브로 공급되는 상기 제1 용액 및 제2 용액의 유량을 제어하거나 상기 전류의 밀도를 제어하는 중앙 제어 장치를 더 포함하는 배양 시스템.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 반응기에는 미네랄, 질소, 또는 인 등이 공급되는 별도의 포트를 포함하고,
    상기 배양액과 상기 질소의 비율에 따라 배지 내의 C/N 비율을 제어하는 배양 시스템.
  8. 제5 항에 있어서,
    상기 반응기에 상기 배양액을 공급하기 위한 공급관; 및
    상기 공급관에 설치되어 상기 배양액의 오염을 방지하기 위한 소독 광을 조사하기 위한 UV 장치를 더 포함하는 배양 시스템.
  9. 제5 항에 있어서,
    상기 제2 용액은 탄소원을 포함하는 배양 시스템.
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