KR102640991B1 - 역방향 순환 방식을 이용한 미세조류 배양장치 및 이를 이용한 배양방법 - Google Patents
역방향 순환 방식을 이용한 미세조류 배양장치 및 이를 이용한 배양방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 역방향 순환 방식에 의해 미세조류를 순환시켜 미세조류의 종류에 상관없이 미세조류의 배양 효율 및 배양 수율이 향상되고, 배양챔버의 상태를 LED 램프로 시각화하여 비상시 대응이 용이할 뿐만 아니라 에너지 절감 효과가 있는 미세조류 배양장치 및 이를 이용한 배양방법을 개시한다.
Description
본 발명은 역방향 순환 방식을 이용한 미세조류 배양장치 및 이를 이용한 배양방법에 관한 것이다.
미세조류는 이산화탄소를 제거하고 산업적으로 유용한 다양한 이차 대사물질을 생산해 내는 광합성 미생물로 생물산업분야에서 주목 받고 있는 유용한 자원이다.
미세조류를 이용한 BT(Biotechnology) 산업은 이산화탄소 고정화 및 바이오 에너지 생산을 통한 지구온난화 방지와 함께 유용물질의 생산을 통한 식품, 화장품, 의약품 산업 등 다양한산업에 활용이 가능한 다양한 장점을 가지고있어 현재 전세계적인 연구가 지속되어가고 있는 실정이며, 미래의 저 탄소녹색성장 시대를 이끌어갈 차세대 기반 산업이라고 할 수 있다
미세조류의 생산은 이산화탄소의 공급 및 광합성을 통해 이루어지며, 이를 이용한 다양한 방법이 제시되고 있다.
특허문헌1은 저장조없이 유로로만 이루어진 배양장치에서 미세조류의 배양을 개시하고 있다. 상기 유로 내 분사부를 통해 기체를 공급하여 배관 바닥에 미세조류의 침전없이 배양이 가능하다는 이점을 언급하고 있다. 그러나 이러한 장치는 모든 유로에 기체를 공급해야하기 때문에 높은 전력이 사용되어야 하고, 저장조가 없어 배양되는 미세조류의 양이 제한적일 수 밖에 없다.
특허문헌2에서는 배양조와 순환유로를 갖는 배양장치를 언급하고 있다. 상기 순환유로는 수직 이중관 및 수평 이송관으로 구성되며 미세조류 각 개체가 균일하고 원활하게 배양될 수 있다고 개시하고 있다. 그러나 이러한 장치는 수직 이중관의 하부에서 상부로 미세조류가 이송되어야 하고, 이를 위해 폭기용 산기부재가 필요하기 때문에 상대적으로 높은 전력이 요구된다.
본 출원인은 저전력으로 미세조류를 다량으로 배양하기 위해 기포의 상승 작용에 의한 유체 이동의 아이디어에 착안하여 본 발명을 개발하였다.
구체적으로, 미세조류를 대량으로 생산하기 위한 배양챔버와, 순환유로 및 순환튜브로 구성되는 순환부재를 설치하되, 상기 순환부재를 통한 미세조류의 역순환을 기포를 이용하여 상기 배양챔버의 내외부에서 미세조류의 다양한 순환이 이루어지도록 하였다. 이렇게 기포를 이용하여 미세조류의 순환이 이루어짐에 따라 장치 작동에 사용하는 에너지를 절감할 수 있었다. 또한, 배양장치 및 순환부재 내 다양한 광원 및 센서를 설치하여 24시간 미세조류의 성장이 가능하고, 실시간으로 배양상태를 확인할 수 있도록 하였다.
본 발명의 목적은 미세조류 배양장치 및 이를 이용한 미세조류 배양방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 미세조류 배양장치는 미세조류가 배양되는 배양챔버; 배양된 미세조류의 역방향 순환을 수행하기 위한 순환부재; 상기 미세조류 성장을 위해 광원을 공급하기 위한 광원부재; 및 상기 미세조류 성장 및 순환을 위해 이산화탄소를 포함하는 혼합 기체를 공급하기 위한 기체공급부재;를 구비한다.
상기 순환부재는 배양챔버의 측면에 위치하여 미세조류의 역방향 순환을 위한 순환유로와, 상기 배양챔버의 내측에 위치하여 상기 미세조류의 역방향 순환을 위한 순환튜브를 구비한다.
상기 배양챔버는 공기 배출을 위해 타공이 상부측에 형성되고, 미세조류의 순환유로로의 유입을 위한 유도 경사부가 하부 바닥면에 형성된다.
상기 순환유로는 수평 유로 및 수직 유로가 순차적으로 조합된 단일 유로이고, 이의 일측 말단에 유입구와 형성되고, 타측 말단에 연통관이 형성된다.
상기 유입구는 배양챔버의 하부에 위치하고, 이의 내부 공간에 수평 방향으로 연장 후 상기 유입구의 개방부가 상기 배양챔버의 바닥 방향으로 꺽인 구조를 갖는다.
상기 연통관은 배양챔버의 상부에 위치하고, 이의 내부 공간으로 수평 연장된 구조를 가지며, 일측이 순환유로와 연결되고 타측이 순환튜브와 연결된다.
상기 순환튜브는 배양챔버의 내부 공간에 위치하고, 양측이 개방된 중공 구조를 가지며 수직 방향으로 연장 형성된 형태를 갖는다.
상기 기체공급부재는 기체공급관, 기체저장탱크 및 펌프를 구비한다.
상기 기체공급관은 배양챔버 내부 공간에 수직 방향으로 설치하되, 유입구의 일측 상부와 연통된다.
상기 기체공급관에 공급되는 기체는 공기 및 이산화탄소의 혼합 기체이다.
상기 광원부재는 배양챔버의 내부 공간에 설치된 순환튜브 내 수직 방향으로 설치한다.
상기 배양장치는 pH센서, 온도센서 및 조도센서 중 어느 하나 이상을 구비하한다.
상기 배양장치는 센서로부터 측정된 pH, 온도 및 조도 변화를 시각화하기 위한 표시부재를 더욱 구비한다.
또한, 본 발명은 이산화탄소를 공급하여 광합성을 통해 배양액 내에서 미세조류를 배양하되, 순환유로에 이산화탄소 및 공기의 혼합 기체를 공급하여 미세조류의 역방향 순환과 순환튜브를 통한 미세조류의 역방향 순환이 이루어지는 미세조류 배양방법을 제공한다.
본 발명에 따른 미세조류 배양장치는 순환유로와 순환튜브라는 순환부재를 구비하고, 미세조류의 성장시 요구되는 이산화탄소와 공기를 주입하여 기포에 의해 미세조류의 방향 순환을 일으킨다. 상기 순환유로 및 순환튜브에서는 미세조류의 역방향 순환이 이루어져, 배양챔버의 내외부에서 다양한 방식으로 순환이 가능하다.
상기 순환유로 내부로 미세조류가 유입되는 유입구의 형태를 배양챔버의 하부 방향에 개방부가 존재하도록 설계하고, 상기 배양챔버 하부에 유도 경사부를 배치하여 미세조류의 역방향 순환이 자연스럽게 이루어질 수 있다.
또한, 역방향 순환을 일으키는 기포의 경우 순환유로의 관절에 부딪혀 자동적으로 미세기포 형태로 쪼개져 이산화탄소의 미세조류의 흡수를 도울 수 있다.
더불어, 순환튜브의 사용으로 인해 순환보조작용이 이루어져, 배양챔버의 크기 및 부피에 관계없이 미세조류의 역순환이 원활하게 수행될 수 있다.
이러한 장치는 종래 미세조류의 순환을 위해 사용되는 산기관 등의 장치 대비 매우 낮은 에너지가 요구되어, 저전력으로 미세조류의 순환을 원활하게 하며, 별도의 교반장치를 필요로하지 않는다.
또한, 본 발명의 미세조류 배양장치는 시간 및 날씨에 관계없이 지속적인 광합성이 가능하여 미세조류의 성장을 가능케 한다. 상기 미세조류 배양장치는 미세조류의 종류에 상관없이 미세조류의 배양 효율 및 배양 수율이 향상될 수 있다.
또한, 배양장치 내 센서와 연결된 LED 램프를 장착하여 상기 LED 램프의 색상만 육안으로 보고 변화량 감지하여 상태 변화 관찰 및 비상시 조치가 용이하여 미세조류의 생산성을 증가시킬 수 있다.
또한, 최적 조건의 미세조류를 배양하기 보다는 적정범위에서 미세조류의 성장을 가능케하며, 지속적 온도 조절로 인한 에너지 절감 효과가 있다.
더불어, 최대한 자연 채광으로 배양하고, 최소 조도 미달시 하부 챔버 내 광원을 자동으로 작동시켜 이또한 에너지 절감 효과를 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 미세조류 배양장치를 보여주는 도면이다.
도 2는 배양챔버를 보여주는 도면이다.
도 3은 순환부재를 보여주는 도면이다.
도 4는 순환유로를 통과하는 미세조류의 흐름을 보여주는 도면이다.
도 5는 유입구에 유입되는 미세조류의 흐름을 보여주는 도면이다.
도 6은 기체공급부재 및 광원부재를 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 미세조류 배양장치를 이용한 미세조류 배양의 순환을 보여주는 도면이다.
도 8은 일 구현예에 따른 미세조류의 배양을 보여주는 사진이다.
도 9는 다른 구현예에 따른 미세조류의 배양을 보여주는 사진이다.
도 2는 배양챔버를 보여주는 도면이다.
도 3은 순환부재를 보여주는 도면이다.
도 4는 순환유로를 통과하는 미세조류의 흐름을 보여주는 도면이다.
도 5는 유입구에 유입되는 미세조류의 흐름을 보여주는 도면이다.
도 6은 기체공급부재 및 광원부재를 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 미세조류 배양장치를 이용한 미세조류 배양의 순환을 보여주는 도면이다.
도 8은 일 구현예에 따른 미세조류의 배양을 보여주는 사진이다.
도 9는 다른 구현예에 따른 미세조류의 배양을 보여주는 사진이다.
본 발명은 역방향 순환 방식에 의해 미세조류를 순환시켜 미세조류의 종류에 상관없이 미세조류를 배양할 수 있는 배양장치 및 배양방법을 개시한다.
배양장치
미세조류 배양장치는 배양챔버, 순환부재, 광원부재, 및 기체공급부재를 구비한다. 이러한 구성을 갖는 배양장치를 도면을 참조하여 설명한다. 도 1은 본 발명에 따른 미세조류 배양장치를 보여주는 도면이고, 도 2는 배양챔버를 보여주는 도면이다.
배양챔버(100)는 내부에 미세조류 및 배양액을 수용하여 외부로부터 공급되는 이산화탄소와 광원에 의한 광합성을 통해 상기 미세조류를 배양하기 위한 공간을 제공한다.
배양챔버(100)의 형태는 원통형 형태, 원뿔 형태, 절두원추 형태, 테이퍼링 형태, 다각형 프리즘 형태, 타원 횡단면을 갖는 테이퍼링 형태, 다각형 횡단면을 갖는 테이퍼링 형태, 원통형 부분 및 테이퍼링 부분을 갖는 형태 및 원뿔형 또는 테이퍼 부분 및 반구형 부분을 갖는 형태 및 이들의 임의의 조합으로부터 선택된다.
배양챔버(100)의 상부는 외부와 연통되어 있으며, 공기 배출을 위해 타공(102)이 형성된다. 상기 타공(102)을 통해 역방향 순환을 위해 유입되는 공기 및 미세조류의 광합성에 의해 생성된 공기의 배출이 이루어진다. 필요한 경우 상기 배양챔버(100)의 상부에 공기정화용 필터(미도시)를 설치할 수 있다.
배양챔버(100)의 하부 바닥면에는 순환부재에 미세조류를 원활히 공급하고, 미세조류의 회수를 원활히 하기 위한 유도 경사부(104)가 설치된다. 상기 유도 경사부(104)는 순환유로(200)의 유입구(202)에 가까운 측면으로부터 낮아지는 경사면을 형성하며, 이때 경사각은 70~80°범위로 한다.
배양챔버(100)는 육안으로 확인이 용이하고, 광조사가 가능하도록 유리 또는 플라스틱과 같은 투명 재질로 제작한다.
배양챔버(100)의 하부 일측면에는 미세조류의 회수를 위한 회수 탱크(미도시)와 연결되는 회수관(106)이 위치한다. 상기 회수관(106)은 미세조류의 회수 탱크와 배관 연결되며, 내부에 마이크론 필터가 장착될 수 있다.
도 3은 순환부재를 보여주는 도면이다.
순환부재는 배양챔버(100) 내 광생물 반응에 의한 미세조류의 배양을 보다 더 효과적으로 수행하기 위해 설치한다.
순환부재는 두 가지 형태로 설치될 수 있으며, 배양챔버(100)의 측면에 위치하여 미세조류의 역방향 순환을 위한 순환유로(200)와, 상기 배양챔버(100)의 내측에 위치하여 상기 미세조류의 역방향 순환을 위한 순환튜브(220)를 구비한다. 상기 순환유로(200)와 순환튜브(220)를 통해 배양챔버(100)의 내외부에서 다양한 방식으로 순환이 이루어질 수 있도록 한다.
순환유로(200)는 배양챔버(100)의 측면에 위치하며 배양된 미세조류가 역방향으로 순환되는 유로이다.
순환유로(200)의 일측 말단은 미세조류의 유입을 위한 유입구(202)가 연결되고, 타측 말단에는 상기 순환유로(200)를 통과한 미세조류가 순환튜브(220)내로 이송되기 위한 연통관(204)이 연결된다.
순환유로(200)는 수평 유로와 수직 유로가 순차적으로 조합된 형태이다. 일 구현예에 따르면, 상기 수평 유로와 수직 유로가 번갈아가며 형성된 단일 유로이다. 다른 구현예에 따르면, 상기 수평 유로와 수직 유로 사이에 분기점이 형성된 복수 유로일 수 있다. 저전력으로 역방향의 순환이 원활이 이루어지기 위해서는 단일 유로가 보다 적합하다.
도 1에서는 수평6단 유로와 수직5단 유로로 구성된 것을 도시하였다. 즉, 수평 유로의 갯수는 2n일때 수직 유로의 갯수는 2n-1개로 형성한다. 이때 n의 갯수는 배양챔버(100)의 용량에 따라 달라질 수 있으며, 그 크기가 커질수록 달라질 수 있다. 이때, 수평 유로의 길이, 수직 유로의 높이 또한 설계자에 의해 달라질 수 있으며, 이는 저전력으로 유입되는 기체에 의해 역방향 순환이 충분히 이루어질 수 있도록 설계한다. 특히, 유입구(202)와 연통관(204)이 수직 유로로 연결될 경우 역방향 순환이 원활이 이루어지지 않을 수 있어, 상기 유입구(202)와 연통관(204)과 연결되는 유로는 수평 유로인 것이 바람직하다.
기존 미세조류의 순환을 위한 유로를 채용한 다양한 장치가 있으며, 이들 대부분은 수직 유로를 채용하고 있다. 수직 유로의 경우 역방향으로 미세조류를 순환시키기 위해서는 많은 에너지가 소비된다는 단점이 있다. 일부 기술에서 수직 유로에 산기관을 이용하여 기포를 이용한 순환을 제시하고 있으나, 미세조류에 의해 산기관의 일부가 막힐 우려가 있다. 기존 수평 및 수직 유로가 교차된 교차 유로는 미세조류의 순환에 유리하다는 이점이 있으나 이또한 높은 에너지가 소모된다.
도 4는 순환유로(200)를 통과하는 미세조류의 흐름을 보여주는 도면이다. 도 4를 보면, 기포에 의해 미세조류가 역방향으로 이송된다. 이때 별도의 기계적인 외력의 인가없이 순환유로(200)의 관절 영역과 부딪히면서 기포가 터지고, 이는 작은 기포로 쪼개진다. 이러한 쪼개짐은 순환유로(200)의 관절 영역을 지날 때마다 발생한다. 상기 작게 쪼개진 기포는 미세조류의 이산화탄소의 흡수를 더욱 높이는 역할을 한다. 이러한 내용은 지그재그형 유로나 나선형 유로에서는 기대할 수 없는 효과로, 미세조류의 이산화탄소의 흡수를 높일 수 있다는 점에서 도 3에서 제시한 형태가 가장 바람직하다.
유입구(202)는 순환유로(200)와 배양챔버(100)를 연통시키면서, 상기 배양챔버(100) 내 미세조류를 순환유로(200) 내부로 유입시키기 위해 설치된다. 상기 유입구(202)는 배양챔버(100)의 하부에 위치하고, 이의 내부 공간에 수평 방향으로 연장 후 상기 유입구(202)의 개방부가 배양챔버(100)의 바닥 방향으로 꺽인 구조를 갖는다. 그 결과 상기 유입구(202)의 횡단면은 'ㄱ'자형를 갖는다. 도면에 나타낸 바와 같이, 유입구(202)의 개방부와 소정 거리 이격하여 순환튜브(220)가 배치되는데, 상기 순환튜브(220)를 통해 하부 방향으로 이동되는 미세조류 및 배양챔버(100) 내 미세조류는 유도 경사부(104)에 의해 다시 유입구(202)로 쉽게 이송될 수 있다.
도 5는 유입구(202)에 유입되는 미세조류의 흐름을 보여주는 도면이다.
유입구(202)에 유입되는 기체는 미세조류 유체의 흐름을 따라 그대로 순환유로(200)로 주입되며, 상기 유입구(202)의 하부로 이송(즉, 흐름의 역방향)되지 않는다.
연통관(204)은 배양챔버(100)의 상부에 위치하고, 이의 내부 공간으로 수평 연장된 구조를 갖는다. 상기 연통관(204)은 일측 말단이 순환유로(200)와, 타측 말단이 순환튜브(220)와 연결되어, 상기 순환유로(200)와 순환튜브(220)를 연통시킨다. 그 결과 상기 순환유로(200)를 통해 역방향으로 순환된 미세조류는 상기 연통관(204)을 통해 배양챔버(100)가 아닌 순환튜브(220)에 유입된다.
순환튜브(220)는 배양챔버(100)의 내부 공간에 위치하고, 양측이 개방된 중공 구조를 가지며, 수직 방향으로 연장 형성된 형태를 갖는다. 상기 순환튜브(220)의 상부 일측면은 연통관(204)의 개방부와 연통되어 역방향으로 순환된 미세조류를 순환튜브(220) 내로 이송되도록 한다.
순환튜브(220)로 이송된 미세조류는 기포에 의해 순환튜브(220)의 하부, 즉 배양챔버(100)의 바닥 방향으로 이송된다. 즉, 다시한번 미세조류의 역방향 순환이 이루어진다. 이러한 순환튜브(220)의 존재는 기존 배양챔버와 순환유로로만 이루어진 배양장치와는 차별되는 것으로, 상기 순환튜브(220)로 인해 배양챔버(100)의 내외부에서 미세조류의 역방향 순환이 다양하게 이루어질 수 있다.
배양챔버(100)의 바닥 방향으로 이송된 미세조류는 다시 순환튜브(220)에 근접 형성된 유입구(202)로 유입되어 순환유로(200)로 다시 이송된다. 그 결과, 순환유로(200) 및 순환튜브(220) 두 가지 부재를 통해 배양챔버(100) 내 성장된 미세조류의 순환이 쉽게 이루어진다. 따라서, 본 발명의 배양장치는 순환튜브(220)의 사용으로 인해 순환보조작용이 이루어져, 배양챔버(100)의 크기 및 부피에 관계없이 미세조류의 역방향 순환이 원활하게 수행될 수 있다.
한편, 순환튜브(220)로 유입된 기포는 공기와 이산화탄소를 포함하고, 상기 공기 및 이산화탄소는 상기 순환튜브(220)의 상측 개방부를 통해 배양챔버(100)의 상부 측으로 배출되고, 일부는 상기 순환튜브(220)의 하부로 이송된다.
순환튜브(220)의 하측 개방부는 순환유로(200)와 연통되는 유입구(202)와 이격하여 형성되고, 상기 하측 개방부가 상기 유입구(202)의 개방부보다 아래쪽에 위치하도록 길게 형성된다. 이를 통해 상기 순환튜브(220)를 통과한 미세조류가 다시 유입구(202)로 쉽게 유입되어 역방향 순환이 이루어지게 된다.
순환튜브(220)의 형태는 원통형, 직사각형, 다각형 등 그 형태가 다양하게 제작될 수 있으며, 도면에서와 같이 원통형으로 제작할 수 있다.
기체공급부재는 배양챔버(100) 내 미세조류의 성장을 위한 이산화탄소와 공기를 공급하기 위해 설치된다.
기체공급부재는 기체공급관(300), 기체저장탱크(미도시) 및 펌프(미도시)로 구성된다.
기체공급관(300)은 이산화탄소와 공기를 배양챔버(100) 내로 공급하는 것이 아니라, 미세조류의 배양 및 순환 기능을 동시에 수행하기 위해 순환유로(200)의 유입구(202)와 연결된다. 상기 유입구(202)에 연결된 기체공급관(300)은 이산화탄소와 공기의 혼합 기체가 미세조류의 액체층(즉, 배양액)에 진입하는 순간 기포를 발생시키며, 이 기포의 상승하고자 하는 힘에 의해 상기 순환유로(200) 내로 미세조류가 유입되는 미세조류의 이동을 일으킬 수 있다. 이러한 기포에 의한 미세조류의 이동은 낮은 에너지를 사용하므로 저전력으로 미세조류의 역방향 순환을 충분히 가능케한다.
도 6은 기체공급관(300) 및 광원부재(400)를 설명하기 위한 도면이다.
기체공급관(300)은 이산화탄소와 공기의 혼합 기체를 직접 순환유로(200)로 공급하기 위해 배양챔버(100) 내부 공간에 수직 방향으로 설치하되, 유입구(202)의 일측 상부와 연통되도록 한다. 상기 유입구(202)의 상부 측에 혼합 기체가 공급되어야 기체공급관(300)으로부터 공급되는 혼합 기체가 유입구(202)의 개방부로 빠져나오지 않고, 자연스럽게 상부로 이송되어 순환유로(200)로 공급됨으로써 미세조류의 역방향 순환을 가능케 한다.
기체공급관(300)은 도 6에서와 같이 배양챔버(100) 내부 공간에 수직 방향으로 설치될 수 있으나, 이는 하나의 예시이며 수평 방향으로 설치가 가능하다. 다만, 이 경우에도 상기 기체공급관(300)이 유입구(202)의 일측 상부와 연통되도록 한다.
기체저장탱크(미도시)는 기체공급관(300)과 배관 연결되며, 이산화탄소와 공기를 각각 저장하는 저장탱크이다. 각 저장탱크로부터 펌프를 이용하여 이산화탄소 및 공기의 혼합 기체를 기체공급관(300)으로 이송한다.
펌프(미도시)는 기체저장탱크로부터 기체공급관(300)에 혼합 기체를 일정 속도로 주입하기 위한 것이다. 상기 펌프에 의해 혼합 기체를 주입하여 일정 속도로 미세조류가 유로를 따라 역방향으로 순환되도록 한다. 혼합 기체의 유량은 배양챔버(100)의 크기, 유로의 길이, 유로를 순환하는 미세조류의 양에 따라 달라질 수 있다. 일례로, 3.5L 부피의 배양챔버(100)일 경우 분당 12~500mL의 유량으로 공기를 공급하고, 이때 순환유로(200)의 직경은 φ30(30mm)로 제작한다.
이때 펌프의 전력은 태양에너지, 즉 태양열 판과 축전지에 의해 공급될 수 있다.
광원부재(400)는 미세조류 성장을 위해 광원을 공급하는 역할을 한다.
광원부재(400)는 배양챔버(100)의 내부 공간에 설치된 순환챔버(220) 내 수직 방향으로 연장된 형태로 설치되며, 미세조류에 고른 에너지를 공급할 수 있도록 한다.
미세조류의 광합성은 최대한 자연 채광으로 배양하고, 최소 조도 미달시 하부 챔버 내 광원을 작동시켜 에너지를 절감한다. 상기 광원은 미세조류 내부에 존재하는 엽록체의 광반응에 적합한 파장을 공급하기 위한 것이다. 광원부재(400)는 태양광 LED 램프일 수 있다.
광원부재(400)는 하나 또는 복수개의 광원이 설치될 수 있다. 복수 개의 광원을 설치할 경우 상기 광원은 밝기에 따라 복수 개의 광원이 순서대로 켜지고 꺼진다. 이때 붉은 파장, 파란 파장, 삼파장을 조도에 따라 변화시킨다. 이러한 조도에 따른 광원 설치에 의해 시간이나 날씨에 관계없이 연속적인 광합성을 유도하고, 광원을 최소 조도 미달시에만 사용하기 때문에 미세조류의 광합성에 사용하는 광에너지를 보다 더 절감할 수 있다.
이때 광원부재(400)의 전력은 태양에너지, 즉 태양열 판과 축전지에 의해 공급될 수 있다.
본 발명의 배양장치는 최적 조건의 미세조류를 배양하기 위해 각종 센서를 구비할 수 있다.
사용 가능한 센서는 수위 센서(501), pH 센서(503), 온도 센서(505), 조도센서(507), 미세조류감지 센서(미도시), 탁도 센서(미도시) 등일 수 있다.
수위 센서(501)는 배양챔버(100)의 상부 일측에 설치되며, 이와 연결된 알람을 추가로 설치할 수 있다. 상기 수위 센서(501)는 배양액의 수위를 측정하기 위한 것으로, 미세조류의 성장이 완료되거나, 배양액이 과도한 경우 자동 알람이 이루어져 미세조류를 회수하거나, 배양액의 유량 조절을 수행한다. 일 구현예에 따르면 배양액의 수위를 조절하기 위한 수위 센서(501)로서 역할을 한다. 본 발명에서 배양챔버(100) 내 배양액의 수위는 연통관(204)과 순환튜브(220) 사이에 위치하도록 한다.
pH 센서(503)를 통해 배양액의 pH를 측정하고, 제어부로부터 혼합 기체, 즉 이산화탄소의 공급량, 및 공급속도를 조절한다. 상기 pH 센서(503)는 순환튜브(220)의 일측 상부에 설치될 수 있다.
온도 센서(505)는 통해 배양액의 온도를 측정하고, 제어부로부터 가열부에 ON/OFF 신호를 인가하여 배양액의 온도를 조절한다. 상기 온도 센서(505)는 순환튜브(220)의 일측 상부에 설치될 수 있다.
조도 센서(507)는 배양챔버(100)에 인가되는 광량을 측정하여 필요한 경우 광원들의 ON/OFF를 조절한다. 상기 조도 센서(507)는 순환튜브(220)의 일측 하부에 설치될 수 있다.
미세조류 감지 센서(미도시)는 배양액 내 미세조류가 방출하는 빛의 양을 측정하여 상기 미세조류의 생장을 확인한다. 이에 필요한 경우 이산화탄소, 온수, 배양액, 조도 등의 공급 여부를 결정한다. 일례로, 미세조류 감지 센서는 녹조류(green algae) 감지 센서의 경우 시아노박테리아(Cyanobacteria)의 생장을 감지하여 배양챔버(100) 내 생장 상황을 유추할 수 있다. 일례로, 상기 미세조류 감지 센서는 배양 챔버(100) 또는 순환튜브(220)의 일측 상부에 설치될 수 있다.
탁도 센서(미도시)는 배양액의 탁도(turbidity)를 측정하여 미세조류의 농도를 일정하게 유지시겨 배양액의 공급속도 및 배출 속도를 제어한다. 일례로, 상기 탁도 센서는 배양 챔버(100) 또는 순환튜브(220)의 일측 상부에 설치될 수 있다.
본 발명의 배양장치는 배양챔버(100)의 센서로부터 측정된 pH 및 온도 변화를 시각화하기 위한 표시부재로서 LED 램프를 구비한다.
표시부재는 배양챔버(100)나 순환부재 중 어느 하나의 위치에 설치될 수 있d으며, 도 1에 도시한 바와 같이 순환유로(200)에 pH 표시부재(511) 및 온도 표시부재(513)을 설치할 수 있다.
표시부재(511, 513)는 육안으로 쉽게 확인하기 위해 각각의 수평 유로에 온도 LED와, pH LED를 각각 설치한다. 이에 따라 최적 조건의 조류를 배양하기 보다는 적정범위에서 미세조류의 성장을 가능케하며, 지속적 온도 조절로 인한 에너지 절감 효과가 있다.
일 구현예에 따르면, 하기와 같이 설정될 수 있다.
- pH: 6(red), 7(yellow), 8(green), 9(blue), 10이상(white)
- 온도: 18도이하(white), 18도~24도까지(green), 24도~29도까지(yellow), 30도 이상(red)
이러한 시각적인 설정으로 인해 변화량 감지하여 상태 변화 관찰 및 비상시 조치 가능해진다.
배양방법
전술한 바의 미세조류 배양장치를 이용한 미세조류의 배양방법은 다음과 같다.
먼저, 배양챔버(100) 내부로 미세조류 및 배양액을 주입한다.
배양액은 냉수 또는 온수일 수 있다. 일 구현예에 따르면 발전소로부터 유래되는 온배수일 수 있으며, 상기 온배수는 입자상 물질을 제거한 후 공급되는 것일 수 있다. 또한, 필요한 경우 수돗물 또는 지하수를 필터하여 공급할 수 있다.
배양액은 필요한 경우 탄소원 또는 영양염을 첨가할 수 있다.
탄소원은 유기 탄소원으로, 비제한적인 예로, 당류 (sugar), 유기산, 유기산의 염, 알코올, 셀룰로스 가수분해물 및 전분 가수분해물(淀粉水解物, glucidtemns) 중 하나 이상; 예를 들어, 글루코스, 레불로스, 아세트산, 소듐 아세테이트, 락트산, 에탄올, 메탄올 및 셀룰로스 가수분해물 중 하나 이상, 바람직하게는 글루코스를 포함한다.
영양염은 질소원, 인원 및 탄소원 중 하나 이상이 사용된다.
필요한 경우 배양액은 온도 조절을 위해 온수를 투입할 수 있다.
다음으로, 배양장치 내 장착된 센서로부터 조도, 온도, pH 및 미세조류 생장 정보를 얻고, 배양액이 일정 수준의 조도, 온도, pH를 유지하도록 한다.
다음으로, 이산화탄소 및 공기를 포함하는 혼합 기체를 순환부재의 유입구(202)로 주입하여, 순환유로(200) 및 순환튜브(220)로의 배양액의 순환이 이루어지도록 한다.
이산화탄소는 발전소로부터 발생되는 배기기체가며, 상기 발전소 배기기체 중의 이산화탄소 농도를 높이고, 또한 배양된 조류를 후적용하는 데 있어서의 유해성을 줄이는 측면에서, 이산화탄소로는 발전소로부터 발생되는 배기기체를 탈진, 탈황, 탈질소 및 탈염소 중의 적어도 2이상의 단계를 포함하는 정화처리를 거친 것을 사용할 수 있다. 본 발명의 일 구현예에서는 이산화탄소로는 정화처리 후 미세분진 제거공정을 더 거친 것을 사용할 수 있다.
다음으로, 조도를 확인 후 필요한 경우 광원부재(400)을 ON하여 광합성에 필요한 빛을 공급하여 미세조류를 배양한다.
배양은 15 내지 40℃, 바람직하게는 25 내지 35℃의 온도에서 수행되며; 미세조류 현탁액은 pH가 6 내지 11, 바람직하게는 7 내지 9이다. 광합성 자가영양 배양 또는 혼합영양 배양의 경우, 이용가능한 조도는 1000 내지 200000 lux, 바람직하게는 5000 내지 150000 lux이다.
상기 조류는 미세조류(microalgae)일 수 있고, 상기 미세조류는 남조류(Cyanobacteria), 크립토조류(Cryptophyta), 황금색조류(Chrysophyta), 유글레나조류(Euglenophyta), 규조류(Bacillariophyta), 갈조류(Phaeophyta), 홍조류(Rholophyta), 녹조류(Chlorophyta), 차축조류(Charophyta), 또는 이 중 둘 이상의 혼합물일 수 있다.
녹조류는 클라미도모나스 속(Chlamydomonas sp.), 보트리오코커스 속(Botryococcus sp.), 스키조키트리움 속(Schizochytrium sp.), 센데스무스 속(Scenedesmus sp.), 프림네시움 속(Prymnesium sp.), 암피디니움 속(Amphidinium sp.), 코엘라스트룸 속(Coelastrum sp.), 테트라셀미스 속(Tetraselmis sp.), 테트라시스티스 속(Tetracystis sp.), 프로토시폰 속(Protosiphion sp.), 히드로딕티온 속(Hydrodictyon sp.) 페디마스트룸 속(Pediastrum sp.), 클로로코쿰 속(Chlorococcum sp.), 울로트릭스 속(Ulothrix sp.), 오에도고니움 속(Oedogonium sp.), 클로렐라 속(Chlorella sp.), 스티게오클로니움 속(Stigeoclonium sp.), 프리츠쉬엘라 속(Fritschiella sp.), 스피로기라 속(Spirogyra sp.), 지그네마 속(Zygnema sp.) 또는 클라도포라속(Cladophora sp.)일 수 있다.
남조류는 마이크로시스티스 속(Microcystis sp.), 노스톡 속(Nostoc sp.), 톨리포트릭스 속(Tolypothrix sp.), 올로시라 속(Aulosira sp.), 아나베나 속(Anabaena sp.), 플랑크토트릭스 속(Planktothrix sp.), 실린드로스페르뭄 속(Cylindrospermum sp.), 피쉐렐라 속(Fischerella sp.), 글로에오트리치아 속(Gloeotrichia sp.), 노둘라리아 속(Nodularia sp.), 오실라토리아 속(Oscillatoria sp.), 아파니조메논 속(Aphanizomenon sp.), 린그비아 속(Lyngbya sp.), 라피이돕시스 속(Rhaphidiopsis sp.), 크리소스포룸속(Chrysosporum sp.) 쿠스디도트릭스 속(Cuspidothrix sp.), 시네코쿠스 속(Synecoccus sp.), 실린드로스페롭시스 속(Cylindrospermopsis sp.), 돌리코스페르뭄 속(Dolichospermum sp.), 포르미디움 속(Phormidium sp.), 티코네마 속(Tychonema sp.), 워로니치니아 속(Woronichinia sp.), 또는 아르트로스피라 속(Arthrospira sp.)일 수 있다.
바람직하기로, 녹조류는 클로렐라 속에 속하는 클로렐라 피레노이도스(Chlorella pyrenoidosa), 클로렐라 미누티시마(Chlorella minutissima), 클로렐라 버라이어블리스(Chlorella variabilis), 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris)의 4종을 포함한다.
바람직하기로, 남조류는 아르트로스피라 속에 속하는 스피루리나이고, 이는 아르트로스파라 플라텐시스(Arthrospira platensis), 아르트로스파리 푸지포미스(Arthrospira fusiformis), and 아르트로스피라 맥시마(Arthrospira maxima)의 3종을 포함한다.
미세조류의 배양이 완료되면, 회수부를 통해 미세조류를 회수한다.
상기 회수는 배양챔버(100)에 연결된 회수관(106)을 통해 미세조류의 회수 탱크(미도시)에 이송 라인을 통해 이루어진다.
미세조류를 회수하는 방법은 한정되지 않으나, 예를 들면, 회수부는 필터. 세척 후 그 내부를 냉동 또는 건조하는 냉동수단 또는 건조수단(미도시)를 구비하여 미세조류가 부착 또는 포획된 미세조류를 냉동 또는 건조시키고 이에 회전, 초음파 또는 진동을 가하여 포획 또는 부착된 미세조류를 회수할 수 있다.
도 8은 일 구현예에 따른 미세조류의 배양을 보여주는 사진이고, 도 9는 다른 구현예에 따른 미세조류의 배양을 보여주는 사진이다.
도 8은 3.5L 용량의 배양챔버(100)를, 도 9는 46L 용량의 배양챔버(100)를 각각 제작하였고, 이에 적합하도록 나머지 구성 요소 등을 설계하여 미세조류를 배양하였다. 이때 각 장치의 순환유로(200)의 부피 및 직경을 설계하고, 미세조류의 역순환이 가능하도록 기포의 공급 속도를 조절한다. 상기 순환유로(200)의 부피는 배양챔버(100)의 부피 대비 30부피% 내지 50 부피%, 35부피% 내지 45 부피%, 바람직하기로 38 부피% 내지 41 부피%로 설계하고, 혼합기체의 공급 속도는 각각 분당 12~500mL(450mL), 23mL~10L(5L) 으로 조절하여 역순환이 충분히 일어남을 확인하였다. 이는 미세조류의 양에 따라 혼합기체의 양을 조절함으로써 미세조류가 적을 경우 적은 용량으로도 순환이 가능하다는 장점을 가지고 있다.
도 8 및 도 9의 장치는 각각 3.5L 및 46L로 약 10배 가량의 부피 차이를 갖는 배양챔버(100)를 사용하여 미세조류의 역방향 순환이 일어난다. 이는 유입구(202)의 형태를 배양챔버의(100) 하부 방향에 개방부가 존재하도록 설계하고, 상기 배양챔버(100) 하부에 유도 경사부(104)를 배치하여 미세조류의 역방향 순환이 자연스럽게 이루어질 수 있기 때문이다.
또한, 3.5L 부피의 배양챔버의 경우 상대적으로 적은 부피를 가짐에 따라 역순환이 쉽게 진행되나, 동일한 장치라 할지라도 46L의 큰 부피에서의 미세조류의 역순환이 용이하지 않을 수 있다. 그러나 본 발명의 장치는 순환유로(200)뿐만 아니라 순환튜브(220)을 사용하여 배양챔버(100)의 크기 및 부피에 관계없이 미세조류의 역순환을 원활하기 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 미세조류 배양장치는 낮은 에너지만으로 미세조류의 순환이 이루어지며 미세조류의 성장을 돕고, 시간 및 날씨에 관계없이 지속적인 광합성이 가능하여 미세조류의 성장을 가능케 한다. 상기 미세조류 배양장치는 미세조류의 종류에 상관없이 미세조류의 배양 효율 및 배양 수율이 향상될 수 있다. 특히, 또한, 역방향 순환을 일으키는 기포의 경우 순환유로의 관절에 부딪혀 자동적으로 미세기포 형태로 쪼개져 이산화탄소의 미세조류의 흡수를 증가시켜 미세조류의 배양 효율 및 수율을 보다 더 향상시킬 수 있다.
또한, 배양장치 내 센서와 연결된 LED 램프를 장착하여 상기 LED 램프의 색상만 육안으로 보고 변화량 감지하여 상태 변화 관찰 및 비상시 조치가 용이하여 미세조류의 생산성을 증가시킬 수 있다.
또한, 최적 조건의 미세조류를 배양하기 보다는 적정범위에서 미세조류의 성장을 가능케하며, 지속적 온도 조절로 인한 에너지 절감 효과가 있다.
더불어, 최대한 자연 채광으로 배양하고, 순환튜브(220) 내 광원을 작동시켜 이또한 에너지 절감 효과를 확보할 수 있다.
지금까지 본 발명에 따른 해수를 이용한 미세조류의 배양장치 및 배양방법에 관한 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 실시 변형이 가능함은 자명하다.
그러므로 본 발명의 범위에는 설명된 실시예에 국한되어 전해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
즉, 전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 그 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 배양챔버 102: 타공
104: 유도 경사부 106: 회수관
200: 순환유로 202: 유입구
204: 연통관 220: 순환튜브
300: 기체공급관
400: 광원부재
501: 수위센서 503: pH센서
505: 온도센서 507: 조도센서
511: pH 표시부재 513: 온도 표시부재
104: 유도 경사부 106: 회수관
200: 순환유로 202: 유입구
204: 연통관 220: 순환튜브
300: 기체공급관
400: 광원부재
501: 수위센서 503: pH센서
505: 온도센서 507: 조도센서
511: pH 표시부재 513: 온도 표시부재
Claims (9)
- 미세조류가 배양되는 배양챔버;
배양된 미세조류의 역방향 순환을 수행하기 위한 순환부재;
상기 미세조류 성장을 위해 광원을 공급하기 위한 광원부재; 및
상기 미세조류 성장 및 순환을 위해 이산화탄소 및 공기를 포함하는 혼합 기체를 공급하기 위한 기체공급관을 포함하는 기체공급부재;를 구비하고,
상기 순환부재는 배양챔버의 측면에 위치한 순환유로 및 이와 일측 연통되며 상기 배양챔버의 내측에 위치한 순환튜브를 구비하고,
상기 순환유로는 수평유로 및 수직유로가 순차적으로 조합된 단일 유로이고, 상기 배양챔버 일측 하부 측면에 직접 연결되는 수평유로의 일측 말단에 미세조류 유입을 위한 유입구가 형성되며, 상기 배양챔버의 일측 상부 측면에 직접 연결되는 수평유로의 타측 말단에 미세조류의 이송을 위한 연통관이 형성되고,
상기 순환튜브는 양측이 개방된 중공 구조를 가지며, 수직 방향으로 연장 형성되며, 상부 일측면이 상기 순환유로의 연통관의 개방부와 연통되고,
상기 기체공급관은 상기 배양챔버 내부 공간에 수직 방향으로 설치하되, 상기 순환유로 유입구의 일측 상부와 연통되고,
상기 기체공급관으로부터 상기 순환유로의 유입구에 혼합 기체를 공급하고, 상기 혼합 기체에 의해 형성된 기포로 인해 상기 순환유로 및 순환튜브를 통한 미세조류의 역방향 순환이 이루어지며,
상기 순환유로 내 미세조류의 역방향 순환을 위한 펌프를 구비하지 않고, 상기 순환튜브 내 산기관을 구비하지 않는, 미세조류 배양장치. - 제1항에 있어서,
상기 배양챔버는 공기 배출을 위해 타공이 상부측에 형성되고, 미세조류의 순환유로로의 유입을 위한 유도 경사부가 하부 바닥면에 형성되는, 미세조류 배양장치. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 기체공급부재는 기체저장탱크 및 펌프를 구비하는, 미세조류 배양장치. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 배양장치는 pH센서, 온도센서 및 조도센서 중 어느 하나 이상을 구비하는, 미세조류 배양장치. - 제1항에 있어서,
상기 배양장치는 센서로부터 측정된 pH, 온도 및 조도 변화를 시각화하기 위한 표시부재를 더욱 구비한, 미세조류 배양장치. - 이산화탄소를 공급하여 광합성을 통해 배양액 내에서 미세조류를 배양하되,
미세조류의 역방향 순환이 펌프가 아닌 기포에 의해 이루어지고, 기체 공급관으로부터 상기 이산화탄소 및 공기의 혼합 기체를 상기 순환유로 유입구의 일측 상부에 직접 공급하여 상기 순환유로와 순환튜브를 통해 미세조류의 역방향 순환이 이루어지는, 제1항의 미세조류 배양장치를 이용한 미세조류 배양방법.
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|---|---|---|---|
| KR1020230058334A KR102640991B1 (ko) | 2023-05-04 | 2023-05-04 | 역방향 순환 방식을 이용한 미세조류 배양장치 및 이를 이용한 배양방법 |
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| KR (1) | KR102640991B1 (ko) |
Citations (5)
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| KR20070118643A (ko) * | 2005-03-15 | 2007-12-17 | 톰 하퍼 | 식물성 플랑크톤 기재의 영양약제 및 그의 제조 방법 |
| KR20140019614A (ko) * | 2012-08-06 | 2014-02-17 | 인하대학교 산학협력단 | 미세조류 반응장치 및 배양방법 |
| KR20170098465A (ko) * | 2016-02-22 | 2017-08-30 | 주식회사 은진산업 | 화분용 보급형 스마트 생장감지 모듈 |
| KR20200021704A (ko) | 2018-08-21 | 2020-03-02 | 농업회사법인 주식회사 스피루리나팜스 | 수직 이중관을 이용한 미세조류 광 배양장치 및 이를 갖는 농수산업용 융복합 건축 구조물 |
| KR20200046557A (ko) | 2018-10-25 | 2020-05-07 | 주식회사 엠에이바이오 | 미세조류 광배양장치 |
-
2023
- 2023-05-04 KR KR1020230058334A patent/KR102640991B1/ko active IP Right Grant
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|---|
| Khor 등. Microalgae cultivation in offshore floating photobioreactor: state-of-the-art, opportunities and challenges. Aquacultural Engineering. 2022년, 98, 102269 1부.* * |
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