KR102562879B1 - 파장변환을 이용한 미세조류 반응 유닛 및 이를 이용한 미세조류 배양 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반응 용기에 수용된 미세조류의 종, 성장 단계, 건강 상태, 목표 생산 물질 등에 따라 미리 결정된 파장 대역의 광원을 선택적으로 제공하여 미세 조류의 성장 효율을 높이거나 또는 목표로 하는 생산 물질의 생산량을 향상시킬 수 있는 것으로서, 제1파장의 파장변환물질이 이용된 미세조류 반응 유닛들을 포함하는 제1 배양 섹터와, 제2파장의 파장변환물질이 이용된 미세조류 반응 유닛들을 포함하는 제2 배양 섹터 및 제어 조건이 달성되면, 상기 제1 배양 섹터의 미세조류를 전송관을 통해 상기 제2 배양 섹터로 이동시키기 위한 제어 펌프를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 파장변환을 이용한 미세조류 배양 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반응 용기에 수용된 미세조류의 종(種), 성장 단계, 건강 상태, 목표 생산 물질 등에 따라 미리 결정된 파장 대역의 광원을 선택적으로 제공함으로써 미세 조류의 성장 효율을 높이거나 또는 목표로 하는 생산 물질의 생산량을 향상시킬 수 있는 미세조류 반응 유닛 및 이를 이용한 미세조류 배양 시스템에 관한 것이다.
근래 들어, 기능적 다양성으로 인해 광합성 미생물이나 미세조류에 관한 관심이 높아지고 있으며, 다양한 분야에서 그 연구의 범위가 넓어지고 있다. 미세조류는 광합성 능력을 보유함에 따라 지구온난화와 같은 환경 문제로 인해 최근 큰 관심의 대상이 되고 있는 이산화탄소 절감에 관한 연구에 활발히 사용되고 있으며, 화석연료의 고갈에 대비한 지속가능한 에너지원으로 주목받는 바이오 디젤, 바이오 에탄올 및 수소가스 등과 같은 바이오 에너지의 생산과 관련된 연구에도 활용되고 있다.
하지만, 미세조류를 이용한 양적으로 의미 있는 이산화탄소의 제거나, 바이오 에너지와 같은 유용한 산물의 대량 생산을 위해서는 반드시 미세조류 배양이 대규모적이고 고농도로 이루어져야 한다. 따라서 규모가 큰 배양설비의 구축과 관련된 기술이 필수적으로 요구되고 있는 실정이다.
특히 미세조류를 배양함에 있어 광 파장(light wavelength)과 광도(light intensity)를 고려하여 미세조류를 배양해야 하기 때문에 광 파장은 무엇보다도 중요하다. 광파장의 경우 특정 광파장이나 영역을 공급함으로써 균체의 농도와 미세조류로부터 생산하는 대사 산물의 농도를 향상시킬 수 있다.
그러나 미세조류의 배양장치에 광 파장을 생성하기 위해 구비된 장치는 생산비 측면에서도 가장 높은 비중을 차지하여 초기 설치 비용 및 유지 보수 측면에 어려운 단점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 반응 용기에 수용된 미세조류의 종, 성장 단계, 건강 상태, 목표 생산 물질 등에 따라 미리 결정된 파장 대역의 광원을 선택적으로 제공하여 미세 조류의 성장 효율을 높이거나 또는 목표로 하는 생산 물질의 생산량을 향상시킬 수 있는 파장변환을 이용한 미세조류 배양 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 파장변환을 이용한 미세조류 배양 시스템은 제1파장의 파장변환물질이 이용된 미세조류 반응 유닛 들(algae reacting units)을 포함하는 제1 배양 섹터(first grow sector)와, 제2파장의 파장변환물질이 이용된 미세조류 반응 유닛들을 포함하는 제2 배양 섹터(second grow sector) 및 제어 조건이 달성되면, 상기 제1 배양 섹터의 미세조류를 전송관을 통해 상기 제2 배양 섹터로 이동시키기 위한 제어 펌프(control pump)를 포함할 수 있다.
상기 제1파장과 제2파장 은 배양 대상의 미세조류의 종(species), 성장 단계(growth step), 건강 상태(health status), 목표 생산 물질(target material) 중 적어도 하나에 따라 결정될 수 있다.
상기 미세조류 반응 유닛은, 폐쇄형 유닛(closed type unit)으로서, 판형(plate type), 칼럼형(column type), 고리형(annular type), 튜브형(tubular type), 포대형(sack type) 중 어느 하나의 형상을 가질 수 있다.
상기 미세조류 반응 유닛은, 광 투과성의 형상층 (shaping layer)과, 미리 정해진 대역의 파장 변환 소재를 포함하는 파장변환층(wavelength converting layer)을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 파장변환층은, 파장 변환 소재를 포함하는 유연성의(flexible) 필름층(film layer)과, 상기 형상층(shaping layer)에 부착되기 위한 점착성의(sticky) 접착층(bonding layer)을 포함할 수 있다.
상기 파장변환층은, 파장변환물질이 상기 형상층(shaping layer)에 도포됨으로써 형성될 수 있다.
상기 미세조류 반응 유닛은, 광 투과성의 형상 소재 와 미리 정해진 대역의 파장 변환 소재의 혼합물을 성형 가공하여 제작될 수 있다.
상기 미세조류 반응 유닛의 영상을 획득하는 카메라, 광 투과율을 감지하는 광센서, 상기 미세조류 반응 유닛 내부의 온도를 측정하는 온도센서 중 적어도 하나 및 상기 카메라의 영상, 광 투과율 및 온도 중 적어도 하나를 기초로 상기 미세조류 반응 유닛 안의 미세조류 배양 상태를 판단하고, 판단된 배양 상태 가 미리 설정된 기준에 부합하면 관리자의 지시 입력 또는 자동화된 알고리즘에 의해 상기 제어펌프에 이송 명령을 전송하는 컨트롤러를 더 포함할 수 있다.
상기 파장변환물질은 무기형광체, 양자점, 페로브스카이트(perovskite) 중 적어도 하나일 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 파장변환을 이용한 미세조류 반응 유닛은 배양 대상의 미세조류의 종(species), 성장 단계(growth step), 건강 상태(health status), 목표 생산 물질(target material) 중 적어도 하나에 따라 미리 결정된 파장 대역의 광을 선택적으로 투과시키는 파장변환물질이 이용될 수 있다.
상기 미세조류 반응 유닛은, 폐쇄형 유닛(closed type unit)으로서, 판형(plate type), 칼럼형(column type), 고리형(annular type), 튜브형(tubular type), 포대형(sack type) 중 어느 하나일 수 있다.
상기 미세조류 반응 유닛은, 광 투과성의 형상층(shaping layer)과, 미리 정해진 대역의 파장 변환 소재를 포함하는 파장변환층(wavelength converting layer)을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 파장변환층은, 파장 변환 소재를 포함하는 유연성의(flexible) 필름층(film layer)과, 상기 형상층(shaping layer)에 부착되기 위한 점착성의(sticky) 접착층(bonding layer)을 포함할 수 있다.
상기 파장변환층은, 파장변환물질이 상기 형상층(shaping layer)에 도포됨으로써 형성될 수 있다.
상기 미세조류 반응 유닛은, 광 투과성의 형상 소재와 미리 정해진 대역의 파장 변환 소재의 혼합물을 성형 가공하여 제작될 수 있다.
상기 파장변환물질은 무기형광체, 양자점, 페로브스카이트(perovskite) 중 적어도 하나일 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면 반응 용기에 수용된 미세조류의 종, 성장 단계, 건강 상태, 목표 생산 물질 등에 따라 미리 결정된 파장 대역의 광원을 선택적으로 제공하여 미세 조류의 성장 효율을 높이거나 또는 목표로 하는 생산 물질의 생산량을 향상시킬 수 있다.
도 1은 미세조류의 성장과 광 파장의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 제1실시예의 미세조류가 배양되는 반응 유닛의 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 3 내지 도 5는 도 2에 예시된 반응 유닛을 종류별로 나타낸 도면이다.
도 6은 파장변환을 이용한 미세조류 배양 시스템을 설명하기 위한 개략도이다.
도 7은 도 6에 도시된 배양 섹터의 변형된 예를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 시스템에서 미세조류의 성장 단계 순으로 제공되는 광 파장대역을 나타낸 도면이다.
도 9 내지 도 12는 성장 단계별 광 파장대역의 확대도이다.
도 2는 제1실시예의 미세조류가 배양되는 반응 유닛의 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 3 내지 도 5는 도 2에 예시된 반응 유닛을 종류별로 나타낸 도면이다.
도 6은 파장변환을 이용한 미세조류 배양 시스템을 설명하기 위한 개략도이다.
도 7은 도 6에 도시된 배양 섹터의 변형된 예를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 시스템에서 미세조류의 성장 단계 순으로 제공되는 광 파장대역을 나타낸 도면이다.
도 9 내지 도 12는 성장 단계별 광 파장대역의 확대도이다.
이하 본 발명의 몇 가지 실시예들을 도면을 이용하여 상세히 설명한다. 다만 이것은 본 발명을 어느 특정한 실시예에 대해 한정하려는 것이 아니며 본 발명의 기술적 사상을 포함하는 모든 변형(transformations), 균등물(equivalents) 및 대체물(substitutions)은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서 어느 한 구성이 어떤 서브 구성을 "구비(have)" 또는 "포함(comprise)" 한다고 기재한 경우, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른(other) 구성을 제외하는 것이 아니라 다른 구성을 더 포함할 수도 있음을 의미한다.
본 명세서에서 "...유닛(Unit)", "...모듈(Module)" 및 "컴포넌트(Component)"의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 하드웨어, 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수도 있다.
도 1은 미세조류의 성장과 광 파장의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
광도(또는 광파장)는 미세조류 재배의 주요 제한 요소 중 하나이며, 광원의 지속시간과 강도는 미세조류의 광합성에 직접적인 영향을 미치며 미세조류의 생화학적 조성과 바이오매스 생산량에 영향을 미친다
미세조류의 성장에 대한 광파장은 미세조류의 종 또는 성장 단계에 따라 다르며, 이는 대사 경로, 색소 침착, 다양한 종, 성장단계 사이의 광 수용체의 차이 때문이다.
미세조류의 광산화 및 성장 억제를 피하기 위해서는 미세조류용 생물 반응기에서 적절한 광 강도와 지속 시간이 필요하다. 매우 낮고 매우 높은 광도에서는 미세조류가 효율적으로 성장할 수 없다.
광생물 반응기에서 광도는 배양 내에서 위치 또는 깊이에 따라 다양하게 적용된다. 광생물 반응기에서 광원과 가장 멀리 떨어진 즉, 깊은 위치에서는 광도의 조사량이 감소하게 된다. 예를 들면, 이러한 현상은 하층의 조류에 투과되는 광원의 양은 상층에 의해 빛이 차단되기 때문에 감소하는 현상과 유사하다. 이를 자체 음영 효과라고도 하는데 자체 음영으로 인한 광억제를 피하기 위해서는 적절한 광원의 투과와 광원의 균일한 분포가 필요하다.
광원(예를 들면, 태양광)은 조류 세포에서 바이오매스의 최종 수율과 탄수화물 합성 및 축적에 직접적인 영향을 미치며, 모든 세포에 동일한 강도를 제공하려면 빛의 균일한 분포가 필요하다.
본 실시예는 상기에서 설명한 바와 같이 모든 세포에 균일한 광원을 분포시켜 제공하고, 자체 음영으로 인한 광억제를 피하며, 미세조류의 성장 단계, 미세조류의 종, 목표 생산 물질에 따라 필요로 하는 광파장대를 제공하기 위한 것이다.
도 2는 제1실시예의 미세조류가 배양되는 반응 유닛의 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 2에서 설명하는 반응 유닛들(A~D)는 모두 폐쇄형으로 형성된다. 폐쇄형 반응 유닛은 이산화탄소 또는 양분을 필요에 따라 주입하는 등 환경의 제어가 가능하기 때문에 미세조류의 배양 효율이 높은 이점이 있다. 또한, 폐쇄형 반응 유닛은 내부가 외부로부터 차단되어 오염물질들이 반응 유닛의 내부로 침투하는 것을 방지할 수 있다.
도 2의 (A)는 칼럼형(column type) 반응 유닛을 도시한 것이며, 칼럼형 반응 유닛은 이하에서 반응 유닛의 종류 중 대표로 설명할 것이기 때문에 이후에 다시 설명하기로 한다.
도 2의 (B) 및 도 3에서 보듯, 판형(plate type) 반응 유닛(10a, 10b)은 일정 면적으로 사각형 또는 다각형의 플레이트 형태로 형성될 수 있다.
판형 반응 유닛(10a, 10b)은 횡 방향 및 종 방향으로 복수 개 존재할 수 있으며, 복수의 반응 유닛(10a, 10b)은 종 방향 또는 횡 방향으로 분류되어 복수의 배양 섹터를 이룰 수 있다. 예컨대, 제1 배양 섹터에는 제1 반응 유닛들(10a)이 포함되고, 제2 배양 섹터에는 제2 반응 유닛들(10b)이 포함된다.
배양 섹터를 복수개로 형성하는 이유는 미세조류의 종(species), 성장 단계(growth step), 건강 상태(health status), 목표 생산 물질(target material)에 따라 미세조류를 다른 배양 섹터에 수용하고 배양 섹터별로 다른 광파장을 제공하기 위한 것이다. 이에 대한 설명은 이하에서 구체적으로 설명하기로 한다.
참고로, 반응 유닛(10a, 10b)들은 각각 이웃하는 각각 반응 유닛(10a, 10b)들과 전송관(도면부호 미부여)을 통해 연결될 수 있으며, 또한, 각 배양 섹터들은 이웃하는 배양 섹터들 전송관를 통해 연결될 수 있다. 전송관에는 유체의 이동을 방지하거나 이동시키는 제어밸브(미도시)가 구비될 수도 있다.
도 2의 (C) 및 도 4에서 보듯, 고리형(annular type) 반응 유닛(20a, 20b)은 일정 길이로 형성되고, 일단 또는 양단이 고리 형태로 절곡되게 형성된다.
고리형 반응 유닛(20a, 20b)은 지면과 수평한 방향으로 배치될 수 있으며, 복수의 층으로 적층될 수 있다. 이렇게 적층된 반응 유닛들은 적층군 별로 하나의 배양 섹터(20a or 20b)를 형성하며, 배양 섹터의 개수는 어느 하나로 한정하지 않는다.
도 2의 (D) 및 도 5에서 보듯, 반응 유닛(30a, 30b)은 튜브형(tubular type)로 형성된다. 튜브형 반응 유닛(30a, 30b)은 양단이 서로 연결된 원형의 형태로 형성된다. 튜브형 반응 유닛(30a, 30b)은 복수의 층으로 적층될 수 있다. 이렇게 적층된 반응 유닛들은 적층 군 별로 하나의 배양 섹터(30a or 30b)를 형성하며, 배양 섹터의 개수는 어느 하나로 한정하지 않는다.
이 밖에도, 반응 유닛은 자루(주머니)와 유사한 형태를 가지는 포대형(sack type)(미도시)으로 형성될 수도 있으며, 외부와 접촉이 불가능한 폐쇄된 형태이면 어느 형태로 형성되어도 무방하다.
도 6은 파장변환을 이용한 미세조류 배양 시스템을 설명하기 위한 개략도이다.
도 6에서 보듯, 시스템은 복수의 배양 섹터(110, 120, 130, 140) 및 제어 펌프(미도시)를 포함한다.
배양 섹터는 적어도 두개 이상 구비될 수 있으며, 본 실시예에서는 미세조류의 성장단계를 4가지로 예를 들어 설명할 것이기 때문에 4개의 배양 섹터(110, 120, 130, 140)가 구비된 것을 예로 들어 설명한다. 미세조류의 성장 단계의 수에 따라 배양 섹터(110, 120, 130, 140)의 개수는 변경될 수 있다. 또한, 배양 섹터(110, 120, 130, 140)별로 다른 종의 미세조류가 수용될 수 있으며, 미세조류의 종 수에 따라 배양 섹터(110)의 개수가 변경될 수도 있다.
이하, 설명의 편의를 위해 배양 섹터들을 제1 배양 섹터(110), 제2 배양 섹터(120), 제3 배양 섹터(130), 제4 배양 섹터(140)로 정의하여 설명한다.
제1 배양 섹터(110)에는 제1파장의 파장변환물질이 이용된 미세조류 반응 유닛(101)들(algae reacting units)을 포함한다. 제2 배양 섹터(120)에는 제2파장의 파장변환물질이 이용된 미세조류 반응 유닛(102)들(algae reacting units)을 포함한다. 제3 배양 섹터(130)에는 제3파장의 파장변환물질이 이용된 미세조류 반응 유닛(103)들(algae reacting units)을 포함한다. 제4 배양 섹터(140)에는 제4파장의 파장변환물질이 이용된 미세조류 반응 유닛(103)들(algae reacting units)을 포함한다.
각 배양 섹터(110, 120, 130, 140)에는 미세조류 반응 유닛(101, 102, 103, 104)들이 포함될 수 있으며, 각 반응 유닛(101, 102, 103, 104)들에는 미세조류와 배양액이 수용된다. 여기서, 배양 섹터(110, 120, 130, 140)별로 배양 대상 즉, 미세조류의 종(species)별로 수용될 수도 있고, 미세조류의 성장 단계(growth step)별로 수용될 수도 있으며, 건강 상태(health status)에 따라서 다르게 수용될 수도 있고, 목표 생산 물질(target material)에 따라서 다르게 수용될 수도 있다.
예를 들면, 제1 배양 섹터(110)에는 성장단계1에 해당하는 미세조류가 수용되고, 제2 배양 섹터(120)에는 성장단계2에 해당하는 미세조류가 수용되며, 제3 배양 섹터(130)에는 성장단계3에 해당하는 미세조류가 수용되고, 제4 배양 섹터(140)에는 성장단계4에 해당하는 미세조류가 수용될 수 있다.
참고로, 미세조류의 목표 생산 물질(target material)은 아스타잔틴(astaxanthin)일 수 있다. 예를 들면, 미세조류에 태양광 파장대 중 적생광과 청색광의 조사 비율을 1:3으로 할 경우 55.1 mg/L의 아스타잔틴의 생산량을 얻을 수 있고, 적생광과 청색광의 조사 비율을 2:2로 할 경우 50.3 mg/L의 생산량을 얻을 수 있으며, 적생광과 청색광의 조사 비율을 3:1로 할 경우 36.3mg/L의 생산량을 얻을 수 있다. 즉, 배양 섹터(110)별로 다른 목표 물질을 생산하기 위한 미세조류를 수용하고, 배양 섹터(110)별로 다른 광 파장대를 조사하여 목표로 하는 생산 물질의 생산량을 향상시킬 수 있다.
반응 유닛(101, 102, 103, 104)은 각 배양 섹터(110, 120, 130, 140)별로 동일한 형상으로 형성되며, 제1 배양 섹터(110)에 포함된 반응 유닛(101)을 대표로 설명하기로 한다.
반응 유닛(101)은 칼럼형(column type)으로 형성될 수 있다. 참고로, 반응 유닛(101)은 전술한 바와 같이, 판형(plate type), 고리형(annular type), 튜브형(tubular type), 포대형(sack type)으로 형성될 수도 있다.
칼럼형 반응 유닛(101)은 지면으로부터 수직의 방향으로 배치되고, 상부 또는 하부가 지지 프레임(미도시)에 의해 지지된다.
반응 유닛(101)은 지지 프레임(1)에 의해 복수개가 일방향으로 정렬 배치될 수 있다. 여기서, 미리 정해진 반응 유닛(101)의 개수로 배양 섹터(110, 120, 130, 140)가 구성된다. 예를 들면, 배양 섹터(110, 120, 130, 140) 별로 3개씩의 반응 유닛(101)이 포함될 수 있다.
반응 유닛(101)은 광 투과성의 형상층(shaping layer) 및 미리 정해진 대역의 파장 변환 소재를 포함하는 파장변환층(wavelength converting layer)을 포함한다. 참고로, 파장변환층은 각 배양 섹터(110)별로 다른 대역의 파장 변화 소재를 포함할 수 있다. 도 6에서 파장변환층은 필름(101a, 102a, 103a, 104a) 타입으로 형성된 것을 예로 들어 설명한다.
반응 유닛(101)의 광 투과성 형상층은 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리 염화비닐(PVC) 유리 등의 재질 중 어느 하나의 재질로 이루어질 수 있다. 반응 유닛(101)의 형상층의 재질에 따라서 상부 및 하부가 지지 프레임(1)에 고정될 수도 있고, 하부 또는 상부 중 어느 하나에만 고정될 수도 있다. 예를 들면, 반응 유닛(101)은 폴리 염화비닐(PVC)로 형성될 경우 지지 프레임(1)의 상부에만 고정될 수도 있고, 상부 및 하부에 고정될 수도 있다.
반응 유닛(101)의 파장변환층은 필름층(film layer)(101a)과, 접착층(bonding layer)을 포함한다.
필름층(101a)은 파장 변환 소재를 포함하고, 유연성(flexible)의 재질로 형성된다. 필름층(101a)의 파장 변환 소재(물질)는 무기형광체, 양자점, 페로브스카이트(perovskite) 중 적어도 하나일 수 있다.
필름층(101a)에 포함된 양자점은 광원(예를 들면, 태양광)을 조사하면 입자의 크기, 모양 및 재료에 따라 특정한 빛을 방출한다. 즉, 필름층(101a)은 양자점을 이용해 입사된 광원을 다양한 파장대로 변환하여 방출한다.
예를 들면, 필름층(101a)은 양자점을 통해 적색, 청색, 녹색 중 적어도 하나의 광원을 방출할 수 있다. 예를 들면, 필름층(101a)는 양자점을 통해 전술한 바와 같이, 미세조류의 성장 단계에 따라 제1 파장 대역 내지 제4 파장 대역 중 하나의 광원을 방출할 수 있다. 반응 유닛(101)은 수용된 미세조류의 종, 건강 상태, 목표 생산 물질에 따라 제1 파장 대역 내지 제4 파장 대역 중 어느 하나의 파장 대역의 광원을 방출하기 위한 필름층(101a)이 형성될 수도 있다.
제1 배양 섹터(110)의 반응 유닛(101)에 형성된 필름층(101a)은 제1 파장 대역을 변환하는 양자점이 포함되고, 제2 배양 섹터(120)의 반응 유닛(102)에 형성된 필름층(102a)은 제2 파장 대역을 변환하는 양자점이 포함되며, 제3 배양 섹터(130)의 반응 유닛(103)에 형성된 필름층(103a)은 제3 파장 대역을 변환하는 양자점이 포함되고, 제4 배양 섹터(140)의 반응 유닛(104)에 형성된 필름층(104a)은 제4 파장 대역을 변환하는 양자점이 포함될 수 있다.
접착층(bonding layer)은 반응 유닛(101)의 형상층에 파장변환층을 부착시키기 위한 것이다, 접착층의 일면에는 점착성의(sticky)의 물질이 형성된다.
일 예로, 반응 유닛(101)의 파장변환층은 필름층(101a)과, 접착층 대신에 전술한 파장변환물질(소재)이 도료/안료 형태로 형성되어 반응 유닛(101)의 형상층 표면에 도포될 수도 있다.
다른 일 예로, 반응 유닛(101)은 제조 단계에서 미리 정해진 대역의 파장 변환 소재의 혼합물이 포함된 상태로 성형 가공하여 제작될 수도 있다. 예컨대, 반응 유닛(101)의 제조 조성물이 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리 염화비닐(PVC) 유리 등 하나일 때, 해당 조성물과 미리 정해진 대역의 파장 변환 소재를 혼합하여 제조할 수도 있다.
제1 배양 섹터(110) 내지 제4 배양 섹터(140)는 전송관(P)을 통해 서로 연결된다. 전송관(P)의 미리 지정된 위치에는 유체의 이동을 조절하는 제어밸브(미도시)가 구비될 수도 있다. 전송관(P)의 일측에는 제어 펌프(control pump)가 구비된다.
배양 섹터들(110, 120, 130, 140)에서 미세조류의 이동 순서를 살펴보면, 제3 배양 섹터(130)의 반응 유닛(103)에 수용된 미세조류는 제어 펌프의 동작에 따라서 전송관(P)을 통해 제4 배양 섹터(140)의 반응 유닛(10)으로 이동된다. 이어서, 제2 배양 섹터(120)의 반응 유닛(102)에 수용된 미세조류는 제어 펌프의 동작에 따라서 전송관(P)을 통해 제3 배양 섹터(130)의 반응 유닛(103)으로 이동된다. 다음으로 제1 배양 섹터(110)의 반응 유닛(101)에 수용된 미세조류는 제어 펌프의 동작에 따라서 전송관(P)을 통해 제2 배양 섹터(120)의 반응 유닛(102)으로 이동된다.
참고로, 제4 배양 섹터(140)의 반응 유닛(104)은 범퍼용기(미도시)가 포함된 범퍼 섹터(미도시)가 연결될 수 있다. 예컨대, 제3 배양 섹터(130)의 반응 유닛(103)에 수용된 미세조류가 제4 배양 섹터(140)로 이동되기 전에, 제4 배양 섹터(140)의 반응 유닛(104)에 수용된 미세조류는 범퍼 섹터의 범퍼용기로 이동되고, 제4 배양 섹터(140)의 반응 유닛(104)은 제3 배양 섹터(130)의 반응 유닛(103)으로부터 미세조류가 이동되기 전까지 빈 상태로 유지된다.
제어 펌프는 미리 설정된 주기로 동작될 수도 있고, 관리자의 지시에 의해 동작될 수도 있으며, 자동화된 알고리즘에 의해 동작될 수도 있다.
지지 프레임(1)은 복수의 반응 유닛(101)들을 지지한다. 지지 프레임(1)에 의해 지지되는 반응 유닛(101)들은 복수의 배양 섹터(110, 120, 130,140)로 구획될 수 있다.
예컨대, 도 7에서처럼, 지지 프레임(1, 2, 3, 4)이 복수개로 구성된 경우, 지지 프레임(1, 2, 3, 4) 각각에 복수의 반응 유닛(101, 102, 103, 104)들이 지지되고, 지지 프레임(1)별로 배양 섹터(110, 120, 130, 140)가 구획될 수도 있다. 이때, 제1 전송관(P1)은 동일한 배양 섹터에 포함된 반응 유닛들(101, 102, 103, 104)들을 연결하고, 제2 전송과(P2)은 제1 전송관(P1)들은 연결한다.
제어 펌프가 동작되면 미세조류는 제1 전송관(P1)과 제2 전송과(P2)을 통해 배양 섹터(110, 120, 130, 140) 간에 이동된다.
도 8은 본 발명의 시스템에서 미세조류의 성장 단계 순으로 제공되는 광 파장대역을 나타낸 도면이고, 도 9 내지 도 12는 성장 단계별 광 파장대역의 확대도이다.
실시예1에서 미세조류의 성장 단계는 4단계(STEP1~4)로 분류하여 정의한다.
성장단계1에서는 미세조류에 초기 적응을 위한 광 파장대역을 제공하고, 성장단계2는 바이오매스 생산성 향상을 위한 광 파장대역을 제공하며, 성장단계3에서는 자체 음영으로 인한 광저해를 방지하는 광 파장대역을 제공하며, 성장단계4에서는 특정 성분/색소를 강화하는 광 파장대역을 제공한다.
성장단계 별 광 파장대역은 전술한 배양 섹터 별 반응 유닛에 형성된 파장변환물질(소재) 즉, 양자점을 이용해 입사된 광원을 다양한 파장대로 변환하여 반응 유닛의 내부로 제공한다.
도 8 및 도 9에서 보듯, 미세조류의 성장단계1에서는 미세조류 세포의 초기 적응을 위해서는 빛의 충격을 피하고 지연 단계를 단축하기 위한 적절한 광 파장대역을 제공한다.
성장단계1에서는 400 내지 700 nm의 적색 광 파장대를 제공할 수 있으며, 보다 구체적으로 450 내지 470 nm의 청색 광 파장대, 530 내지 560 nm의 녹색 광 파장대, 650 내저 670 nm의 적색 광 파장대를 제공할 수도 있다.
도 8 및 도 10에서 보듯, 미세조류의 성장단계2에서는 바이오매스 생산성 향상을 위한 광 파장대역을 제공한다. 이 단계에서 제공되는 광 파장대역은 성장률과 미세조류의 대사에 중요한 역할을 한다.
성장단계2에서 청색 광 파장대를 제공받은 미세조류는 세포 분열 과정의 지연으로 인해 세포의 크기가 적색 광 파장대를 제공받은 미세조류보다 더 큰 것으로 나타난다.
성장단계2에서는 350 내지 800 nm의 적색 광 파장대를 제공할 수 있으며, 보다 구체적으로 350 내지 400 nm의 UV 광 파장대, 450 내지 470 nm의 청색 광 파장대, 650 내지 670 nm의 적색 광 파장대, 710 내지 750 nm의 원적색 광 파장대를 제공할 수도 있다.
도 8 및 도 11에서 보듯, 미세조류의 성장단계3에서는 자체 음영으로 인한 광저해를 방지하는 광 파장대를 제공한다.
성장단계3에서는 미세조류의 성장으로 인해 반응 유닛 내에서 상위 레이어에 위치된 미세조류에 의해 자체 음영 처리되어 하위 레이어에 위치된 미세조류는 광원의 침투량이 감소될 수 있다. 성장단계3에서는 이러한 자체 음영 처리를 방지하기 위해 반응 유닛 내부로 깊숙히 침투 가능한 광 파장대를 제공한다.
성장단계3에서는 350 내지 800 nm의 적색 광 파장대를 제공할 수 있으며, 보다 구체적으로 350 내지 400 nm의 UV 광 파장대, 450 내지 470 nm의 청색 광 파장대, 530 내지 560 nm의 녹색 광 파장대, 650 내지 670 nm의 적색 광 파장대, 710 내지 750 nm의 원적색 광 파장대를 제공할 수도 있다.
성장단계4에서는 미세 조류의 특정 성분/색소를 강화하기 위한 광 파장대를 제공한다.
예컨대, 녹조류는 엽록소-a와 엽록소-b를 3:1의 비율로 함유하고 있다. 엽록소-a는 430nm(청색/보라색 빛) 및 660nm에서(깊은 빨간색 빛) 흡수 피크를 가지고 있으며, 엽록소-b는 460nm 청색광 및 630nm 적색광에서 흡수 피크를 갖는다.
즉, 성장단계4에서는 미세조류가 가지고 있는 색소에 따라 그 색소를 강화하기 위한 광 파장대를 제공함으로써 목표 생산 물질의 생산 효율을 향상시킬 수 있다.
예를 들면, 미세조류의 종이 Haematococcus pluvialis이고 목표 생산 물질이 아스타잔틴인 경우, 성장단계4에서는 청색 광 파장대를 제공할 경우 더욱 높은 아스타잔틴 수치를 얻을 수 있다.
도 13은 광 파장대에 따른 미세조류의 성장과 아스타잔틴의 생산 관계를 나타낸 도면이다.
도 13에서 보듯, 미세조류의 종이 Haematococcus pluvialis일 때, 적생광과 청색광의 조사 비율을 1:3으로 할 경우 55.1 mg/L의 아스타잔틴의 생산량을 얻을 수 있고, 적생광과 청색광의 조사 비율을 2:2로 할 경우 50.3 mg/L의 생산량을 얻을 수 있으며, 적생광과 청색광의 조사 비율을 3:1로 할 경우 36.3mg/L의 생산량을 얻을 수 잇는 것으로 나타났다. 적색과 청색 광 파장대의 혼합(1:3 비율)으로 얻은 최대 바이오매스는 1.48g/L이었고, 그 다음으로 청색, 적색 광 파장이 각1.36g/L, 1.06g/L이다.
도 14는 본 발명의 제2 실시예에 따른 파장변환을 이용한 미세조류 배양 시스템을 설명하기 위한 개략도이다.
도 15를 참조하면, 시스템은 복수의 반응 유닛들을 포함하는 복수의 배양 섹터와, 제어 펌프(P)와 및 컨트롤러(300)를 포함한다. 그리고 시스템은 카메라(C), 광센서(S1) 및 온도센서(S2) 중 적어도 하나를 포함한다.
실시예2의 반응 유닛들, 배양 섹터들 및 제어 펌프(P)는 실시예1과 동일하므로 중복된 설명을 생략하고, 카메라(C), 광센서(S1), 온도센서(S2) 및 컨트롤러(300)에 대해서 설명한다.
실시예2에서는 제1 배양 섹터(210) 및 제2 배양 섹터(220)가 구비된 것을 예로 들어 설명하지만, 배양 섹터의 개수는 한정하지 않는다.
카메라(C)는 미세조류가 수용된 반응 유닛을 촬영한다. 카메라(C)는 반응 유닛 각각을 근접 촬영할 수 있는 개수(예를 들면, 반응 유닛의 개수)로 설치될 수도 있고, 배양 섹터 각각을 촬영할 수 있는 개수(예를 들면, 배양 섹터의 개수)로 설치될 수도 있다. 바람직하게 카메라(C)의 설치 비용을 절감하기 위해 카메라(C)의 개수는 배양 섹터의 개수와 동일한 개수로 설치되거나 하나의 카메라(C)가 설치될 수도 있다.
광센서(S1)는 반응 유닛 별 광 투과율을 감지한다.
온도센서(S2)는 반응 유닛 내부의 온도를 측정한다.
컨트롤러(300)는 카메라(C)의 영상, 광 투과율 및 온도 중 적어도 하나를 기초로 상기 미세조류 반응 유닛 안의 미세조류 배양 상태를 판단한다.
예컨대, 컨트롤러(300)는 카메라(C)의 영상을 통해 반응 유닛 내부의 색상을 판별하고, 반응 유닛 내부의 색상이 미리 설정된 기준에 부합하면 관리자의 지시 입력 또는 자동화된 알고리즘에 의해 제어펌프(P)(미도시)에 이송 명령을 전송한다.
여기서, 미리 설정된 기준은 미세조류의 성장 단계 변화, 건강 상태 등일 수 있다. 예컨대, 컨트롤러(300)는 카메라(C)의 영상에서 제1 배양 섹터(210)에 포함된 반응 유닛의 내부 색상이 변화되면 해당 반응 유닛의 미세조류가 성장한 것으로 판단하고, 제어펌프(P)를 제어하여 제1 배양 섹터(210)에 포함된 반응 유닛 내부의 미세조류를 제2 배양 섹터(220)에 포함된 반응 유닛의 내부로 이송시킨다.
참고로, 미세조류가 제1 배양 섹터(210)에서 제2 배양 섹터(220)로 전송되는 전송관에 제어밸브가 구비된 경우, 컨트롤러(300)는 제어펌프(P)와 제어밸브의 동작을 연동시켜 제어할 수도 있다.
컨트롤러(300)가 제1 배양 섹터(210)에 포함된 반응 유닛 내부의 미세조류를 제2 배양 섹터(220)에 포함된 반응 유닛의 내부로 이송시키는 미리 설정된 기준에 대해 더 설명하면, 광센서(S1)의 측정 값에서 광 투과율이 변화되면 해당 반응 유닛의 미세조류가 성장한 것으로 판단할 수도 있다. 또한, 컨트롤러(300)는 반응 유닛 내부의 온도가 변화되면 해당 반응 유닛의 미세조류가 성장한 것으로 판단할 수도 있다.
한편, 제1 배양 섹터(210)와 제2 배양 섹터(220)에 포함된 반응 유닛에는 미세조류를 배양하기 위한 양액을 공급하기 위한 양액공급기(미도시)가 더 구비될 수 있다.
상기 양액공급기는 컨트롤러(300)에 의해 제어될 수 있다.
컨트롤러(300)는 미리 설정된 기준에 부합한 반응 유닛에 양액을 공급한다. 예컨대, 컨트롤러(300)에서 양액공급기를 제어하기 위한 미리 설정된 부합은 카메라(C)로 촬영된 영상에서 반응 유닛 내부의 색상이 변화되거나, 광센서(S1)에서 측정된 광투과율이 변화되거나, 온도센서(S2)에서 측정된 반응 유닛 내부의 온도변화일 수 있다.
예컨대, 컨트롤러(300)는 반응 유닛 내부의 색상값이 +1되면 미세조류가 성장한 것으로 판단하고, 반응 유닛 내부의 색상값이 -1되면 반응 유닛 내부의 양액이 부족한 것으로 판단할 수도 있다.
이상에서는 본 발명에 관한 몇 가지 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명은 다음의 R&D 프로젝트 수행 중에 도출된 것이다.
- 프로젝트 고유번호: 1545024479
- 프로젝트 번호 : 421008-04
- 부처명: 농림축산식품부, 과학기술정보통신부, 농촌진흥청
- 연구관리 전문기관: 농림식품기술기획평가원, 재단법인 스마트팜연구개발사업단
- 연구사업명: 스마트팜 다부처 패키지 혁신기술개발사업
- 연구과제명: 수출용 고온다습형 스마트 온실 패키지 모델 개발
- 기여율: 1/1
- 프로젝트 수행기관: (주)쉘파스페이스
- 연구기간: 2022. 1. 1 ~ 2022. 12. 31
Claims (16)
- 제1파장의 파장변환물질이 이용된 미세조류 반응 유닛들(algae reacting units)을 포함하는 제1 배양 섹터(first grow sector);
제2파장의 파장변환물질이 이용된 미세조류 반응 유닛들을 포함하는 제2 배양 섹터(second grow sector); 및
제어 조건이 달성되면, 상기 제1 배양 섹터의 미세조류를 전송관을 통해 상기 제2 배양 섹터로 이동시키기 위한 제어 펌프(control pump);
상기 미세조류 반응 유닛의 영상을 획득하는 카메라; 및
상기 카메라의 촬영 영상을 기초로 상기 미세조류 반응 유닛 안의 미세조류 배양 상태를 판단하고, 판단된 배양 상태가 미리 설정된 기준에 부합하면 관리자의 지시 입력 또는 자동화된 알고리즘에 의해 상기 제어펌프에 이송 명령을 전송하는 컨트롤러를 포함하고,
상기 제1파장과 제2파장은 배양 대상의 성장 단계에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 파장변환을 이용한 미세조류 배양 시스템. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 미세조류 반응 유닛은,
폐쇄형 유닛(closed type unit)으로서, 판형(plate type), 칼럼형(column type), 고리형(annular type), 튜브형(tubular type), 포대형(sack type) 중 어느 하나의 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 파장변환을 이용한 미세조류 배양 시스템. - 제3항에 있어서,
상기 미세조류 반응 유닛은,
광 투과성의 형상층(shaping layer)과, 미리 정해진 대역의 파장 변환 소재를 포함하는 파장변환층(wavelength converting layer)을 포함하여 이루어지는 파장변환을 이용한 미세조류 배양 시스템. - 제4항에 있어서,
상기 파장변환층은,
파장 변환 소재를 포함하는 유연성의(flexible) 필름층(film layer)과, 상기 형상층(shaping layer)에 부착되기 위한 점착성의(sticky) 접착층(bonding layer)을 포함하는 파장변환을 이용한 미세조류 배양 시스템. - 제4항에 있어서,
상기 파장변환층은,
파장변환물질이 상기 형상층(shaping layer)에 도포됨으로써 형성되는 파장변환을 이용한 미세조류 배양 시스템. - 제3항에 있어서,
상기 미세조류 반응 유닛은,
광 투과성의 형상 소재와 미리 정해진 대역의 파장 변환 소재의 혼합물을 성형 가공하여 제작되는 것임을 특징으로 하는 파장변환을 이용한 미세조류 배양 시스템. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 파장변환물질은,
무기형광체, 양자점, 페로브스카이트(perovskite) 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 파장변환을 이용한 미세조류 배양 시스템. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
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