KR19980025294A - 내부순환형 광 생물반응기 및 이를 이용한 광합성 미생물의 배양방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광합성에 의해 생육하는 미생물을 배양하기 위한 생물반응기 및 이를 이용한 광합성 미생물의 배양 방법에 관한 것으로 광 생물 반응기의 주 문제점인 낮은 광 활용 효율과 온도 조절 문제를 해결하기 위한 내부 순환형 광 생물반응기 및 이를 이용한 광합성 미생물의 배양방법에 관한 것이다.

종래 사계절이 있는 나라에서는 외부의 기온에 따라서 내부의 온도를 유지할수 없어서 광합성 미생물의 배양이 불가능하였다.

따라서 본 발명은 광합성 미생물을 배양하기 위한 수직 관형 반응기의 내부에 형성된 순환관에 열 교환기를 설치하여 외부 기온에 관계없이 내부의 온도를 조절할수 있도록 하며 광합성 미생물이 순환되도록 구성시키며, 순환관의 하측으로 순환공을 형성하여 광합성 미생물이 순환되도록 구성하고 순환관의 하측 외부에서 수직 관형 반응기의 하측에 순환공이 형성된 공기 순환판을 설치하여 수직 관형 반응기의 벽으로 공기가 공급되도록 구성하고, 순환관은 수직 관형 반응기 직경의 1/3 지점에 설치하여 외부의 기온에 관계없이 광합성 미생물의 배양이 가능하도록 하는 것이다.

Description

내부순환형 광 생물반응기 및 이를 이용한 광합성 미생물의 배양방법

본 발명은 광합성에 의해 생육하는 미생물을 배양하기 위한 생물반응기 및 이를 이용한 광합성 미생물의 배양 방법에 관한 것으로 광 생물 반응기의 주 문제점인 낮은 광 활용 효율과 온도 조절 문제를 해결하기 위한 내부순환형 광 생물반응기 및 이를 이용한 광합성 미생물의 배양방법에 관한 것이다.

미세조류의 배양은 사료, 식용 색소와 의약용 원료 물질등의 유용 물질을 생산할 목적으로 활용되고 있다.

최근 산업체 배출 CO₂가 지구 온난화의 주범으로 지목됨에 따라 CO₂를 고정화하기 위해 미세조류를 활용하려는 연구가 활발하게 진행되고 있다.

현재 상용화된 미세조류 배양조는 모두 호수 형태의 반응기어서 미국, 호주, 이스라엘등 일부 국가에서만 실제 사용되고 있으며 반응기 설치에 필요한 부지의 확보가 어려운 일본, 우리나라등에서는 적용이 곤란한 실정이다.

또한 미세조류 배양에 적합한 온도는 약 25℃ - 35℃로서 사계절이 있는 우리나라의 경우 1년중 수개월(5월초 - 10월초)동안만 미세조류의 옥외 배양이 가능하여 공정의 경제성이 낮은 문제점이 있다.

죄근 부지의 확보가 어려운 장소에서 사용 가능한(즉 단위 면적당 미세조류 생육속도가 높은) 반응기를 개발하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

원통형 관을 수직으로 한 수직 관형 반응기는 그 기하학적 형태 때문에 동일한 양의 미세조류를 생산하는데 필요한 부지 면적이 호수형 반응기에 비에 1/20 또는 그 이하 이어서 단위면적당 균체 생산성이 그 만큼 높아 우리나라와 같이 유휴 부지가 없는 나라에서 특히 실용화 가능성이 높은 것으로 판단되다.

이러한 수직 관형 반응기를 사용하여 대규모 미세조류 배양 공정을 옥외에 설치, 운전하기 위해서는 해결해야만 하는 문제점이 많이 있다.

첫째, 옥외 배양의 경우 미세 조류 배양 온도는 외부 기온에 따라 변하므로 배양 온도를 미세조류의 생육에 적합한 온도인 25℃ - 35℃로 유지하여야 한다.

그러나 현재까지 개발된 모든 미세조류 배양조는 온도 조절 기능이 없어 겨울이 없는 지역에서만 상업 운전중이다.

우리나라와 같이 겨울이 있는 지역에서는 현재 개발된 미세조류 배양조의 적용은 곤란한 실정이다.

둘째, 반응기내 미세조류의 농도가 높아지면 균체 자체에 의한 그림자 효과로 인해 반응기 안쪽에 있는 균체는 바깥쪽에 있는 균체에 비해 빛을 흡수할수 있는 기회가 적다.

따라서 모든 미생물이 균일하게 빛에 노출될수 있도록 반응기를 설계하는 것이 반응기의 미세조류 생산성을 높일수 있는 것이다.

그러나 현재까지의 기술은 가스를 공급하는데 따른 배지의 교반과 교반의 결과로 미세조류 균체는 무작위적으로 빛을 접하게 하여 미세조류 균체 농도가 높아지면서 빛의 활용 효율이 떨어져 균체 생산성이 점차 감소하게 되는 문제점이 있다.

그러므로 미세조류의 농도가 높은 경우에도 빛의 활용 효율을 높이기 위해서는 모든 미세조류가 균일하게 빛에 노출될수 있는 장치를 필요로 한다.

기존의 관형 반응기에서는 반응기내 온도를 조절하기 위해 반응기 외벽에 자켓을 부착하고 온도 조절을 위한 온/냉수를 자켓에 공급하는 방법이 사용되고 있으나, 이러한 시스템은 광합성 미생물의 배양에서는 미생물의 생육에 필수 에너지원인 빛의 투과율을 30%이상 감소시켜 광합성 미생물의 생육 속도를 그만큼 떨어뜨리는 문제점이 있다.

본 발명은 반응기 내부에 열교환기를 설치하고 교환기의 형태를 균체기 순환되도록 순환 관(drught tube)의 형태로 한 공기 부양식 반응기(air-lift reactor)를 설치하여 외부의 기온에 관계없이 내부 온도를 최적 값으로 조절하여 전천후 운전이 가능하다는 점과 동일한 배양 조건에서 높은 농도의 미세조류 배양시 순환관이 장착되지 않은 수직 관형 반응기에 비해 미세조류의 생육속도를 약 20%이상 높일 수 있는 것이다.

미세조류는 일정 세기 이상의 빛을 흡수하면 잉여 빛을 체내에 저장하여 빛의 공급이 중단되더라도 단시간 광합성을 계속할 수 있다.

또한 태양 빛의 세기는 미세조류가 소화할수 있는 최대 빛의 세기에 약 20배에 달하는 것이어서 반응기내 미세조류를 태양 빛에 일정시간 노출시킨후 빛이 없는 곳으로 이동 시키면 빛이 없어도 균체내에 저장된 잉여 빛에너지를 활용하여 잉여 빛에너지를 소진할 때 까지 광합성을 하며 성장할 수 있다.

따라서 그동안 반응기내의 태양 빛을 충분히 흡수하지 못한 다른 균체를 태양 빛에 노출시킬 수 있어 빛의 활용 효율을 그만큼 증가시킬수 있다.

본 발명은 반응기내에 미생물 배양 배지의 온도조절을 위한 열교환기를 설치하여 반응기내의 온도가 광합성 미생물의 배양에 적합한 온도로 유지되도록 한다.

본 발명은 균체의 빛 활용 효율을 높이기 위해 열 교환기의 형태를 균체가 순환될 수 있도록 순환관의 형태로 하여 계절에 관계없이 옥외 배양이 가능한 것이다.

도 1 은 본 발명의 광 생물반응기의 설치상태도

도 2 는 본 발명의 내부순환형 광 생물반응기의 운전원리를 나타낸 설치상태

도

도 3 은 본 발명의 기포탑 반응기와 내부순환형 광 생물반응기에서의 균주의 생육속도를 표시한 그래프

도 4 는 본 발명의 내부순환형 광 생물반응기의 온도를 기록한 그래프

도 5 는 본 발명의 겨울철 옥외에서 광 생물반응기를 이용한 균주의 생육실험 결과에 대한 그래프

1 : 반응기 2 : 열 교환기

3 : 공기 분산판 4 : 공기 주입구

5 : 항온 순환기 6 : 유량조절밸브

7 : 냉,온수 주입구 13 : 순환관

14 : 순환공 15 : 공기 주입공

본 발명에 적용 가능한 미생물은 대사 활동에 빛이 필요한 모든 광합성 미생물이며, 본 발명에서 예시한 특정 미생물에 국한되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 내부 순환형 수직 관형 반응기의 실시예인 도 1 과 도 2 에 의하여 설명하기로 한다.

반응기내 균체의 빛에 노출될 기회를 높이기 위해 미생물이 수직 관형 반응기(1)안에서 순환할 수 있도록 순환관(13)을 형성하고 순환관(13)의 저면으로 순환공(14)을 설치하였다.

빛에 노출될 때 이산화탄소 가스는 순환관(13)의 외부로 공급되도록 수직 관형 반응기(1)의 하측에서 공기 주입구(4)를 설치하여 순환관(13)의 하측은 차단되고 외측에서 광합성의 효율을 높이도록 하기 위하여 수직 관형 반응기(1)의 벽을 따라 상승하도록 공기 주입구(15)를 형성한 공기 분산판(3)을 설치하였다.

순환관(13)에는 열 교환기(2)를 설치하되 내부가 중공상태이며 상측의 냉,온수 배출구(9)를 설치하여 항온 순환기(5)에 연결하고 항온 순환기(5)에서 유량조절밸브(6)를 통하여 하측의 냉,온수 주입구(7)에 연결한다.

수직 관형 반응기(1)의 벽에는 써모커플(8)을 설치하여 온도조절기(10)에 연결하고 이를 온도기록계(11)에 연결하여 반응기내의 온도를 냉,온수로 조절할 수 있도록 한다.

이러한 구성으로 이루어진 본 발명은 수직 관형 반응기(1)는 공기 주입구(4)를 통하여 공기가 공급되면서 공기 분산판(3)의 공기 주입구(15)에 의하여 순환관(13)의 외부로 공급되면 빛에 노출될 때 이산화탄소 가스는 광합성의 효율을 높이도록 하였고, 수직 관형 반응기(1)의 벽을 따라 상승하며 충분한 미생물을 흡수한 광합성 미생물은 순환관(13)의 상단에서 내부로 들어가게된다.

그러나 순환관(13)의 내부에 들어가게되며 내부에서는 빛의 공급이 차단되지만 빛에 노출됐을 때 균체내에 저장한 잉여 빛 에너지를 사용하여 생육활동을 계속할 수 있게된다.

순환관(13)의 하단에 도달한 미세조류 균체는 순환공(14)을 통하여 외부로 이동되어 다시 태양 빛에 노출돼 생육에 필요한 빛을 흡수할 수 있다.

따라서 수직 관형 반응기(1)내의 모든 균체는 순환하며 빛에 균일하게 노출돼 빛의 활용효율을 높일 수 있다.

이와 같은 기능은 미세조류 균체의 농도가 높을 때 특히 유용하다.

미세조류의 농도가 1g/1일 때 태양 빛이 투과할수 있는 깊이는 약 3 ~ 4cm에 불과하다.

따라서 충분한 빛이 공급 가능하도록 반응기 내벽과 순환관 외부벽의 간격은 약 2 ~ 4cm일 때 가장 적합한 것으로 나타났다.

순환관의 경우 관이 반응기 직경의 1/3 지점에 있을 때 미생물의 생육 속도가 가장 높았다.

실시예1

파이렉스(Pyrex) 유리 재질의 8L 수직관형 반응기(내경 12cm × 높이 80cm)에서 분리한 클로렐라 변이주 KR-1(특허 출원중)을 배양하였다.

배지는 KNO₃5g, MgSO₄7H₂O 2.5g, KH₂PO₄1.25g, 미량 시약 1ml를 증류수 1L에 용해하여 만들었다.

미량 시약은 NaFeEDTA 14.5㎎, H₃BO₃2.86㎎, MnSO₄7H₂O 2.5㎎, ZnSO₄7H₂O 0.222㎎, CuSO₄5H₂O 0.079㎎, Na₂MoO₄0.021㎎를 1L의 증류수에 용해하여 제조하였다.

배지 5L를 고압 멸균솥에서 멸균하여 반응기에 넣고 클로렐라 KR - 1을 접종하여 배양하였다.

빛은 형광등으로 공급하였으며 반응기에 공급된 빛 에너지의 양은 180㎛ol/㎡-sec, 이산화탄소 가스는 0.3vvm으로 공급하였으며 배지온도는 25℃로 유지하며 7일간 배양하였다.

미생물의 생육정도는 배양액을 분리하여 수확한후 105℃에서 24시간 건조후 측정하여 준비한 세포 건조 중량을 기준한 흡광도-건조중량의 표준 곡선에 의해 나타냈다.

본 발명의 반응기를 이용한 경우 동일한 조건에서 운전한 내부 순환관을 넣지 않은 단순 기포탑 반응기(bubble column)에 비해 약 1.2배 높았다.([도 3] 참고)

실시 예 2. 광 생물반응기의 온도 조절 실험.

8L(내경 12㎝ × 높이 80㎝)와 20L(내경 20㎝ × 80㎝) 수직 관형 반응기를 외부 기온이 -5℃-10℃인 겨울에 옥외에서 온도 조절 실험을 하였다.

두 반응기 모두 항온조의 온도와 순환 유속을 적절하게 조정하므로서 외부 기온에 관계없이 반응기내 온도를 미세조류 배양에 적합한 30℃-35℃로 유지할 수 있었다.([도 4] 참고)

실시 예 3. 광 생물반응기에서 광합성 미생물의 옥외 배양 실험.

겨울에 옥외에서 8L와 20L의 수직 관형 반응기를 사용하여 햇빛을 이용하며 클로렐라 KR - 1을 배양하였다.

앞에 기술한 조성외 배지를 사용하였으며 10% CO₂가스를 0.3vvm의 유량으로 공급하였다.

동일한 운전 조건에서 온도 조절없이 배양한 경우 미생물의 생육이 전혀 이루어지지 않은데 비해 내부 순환관이 장착된 8L와 20L 반응기에서는 7일 배양시 각각 배양 말기의 균체농도가 3.34g/L와 2.22g/L로 평균 균체 생산성으로 환산하면 각각 0.39g/L-일과 0.23g/L-일이었다.([도 5] 참고)

이러한 균체 생산성은 온도 조절이 잘 되는 실내에서 25℃로 유지하며 배양하였을 때 얻은 평균 균체 생산성 0.404g/L-일(8L 반응기 기준)과 차이가 거의 없어 겨울철에도 옥외에서 미세조류 배양이 성공적으로 이루어졌음을 보여준다.

본 발명은 미세조류 배양 반응기의 수직 관형으로하여 공정의 설치에 필요한 단면적을 대폭 줄였으며, 반응기의 내부에서 순환되면서 반응기의 벽을 따라서 상승하며 충분한 빛을 흡수한후 순환관 내부로 들어가면 빛은 차단되지만 빛에 노출됐을 때 균체내에 저장한 잉여 빛 에너지를 사용하여 생육활동을 계속할 수 있도록 하는 것이다.

본 발명은 열 교환기를 설치하여 내부의 온도를 배양에 적합한 온도로 제어할수 있는 것이어서 외부 기온이나 계절에 관계없이 옥외 배양이 가능하며 미세조류 배양 공정의 적용 가능성을 획기적으로 향상시킨 것이다.

Claims (5)

1. 광합성 미생물을 배양하기 위한 수직 관형 반응기의 내부에 형성된 순환관에 열 교환기를 설치하여 외부 기온에 관계없이 내부의 온도를 조절할수 있도록 하며 광합성 미생물이 순환되도록 구성시킨 내부 순환 수직 광 생물반응기.
2. 제 1 항에 있어서, 순환관의 하측으로 순환공을 형성하여 광합성 미생물이 순환되도록 구성시킨 내부 순환 수직 광 생물 반응기.
3. 제 1 항에 있어서, 순환관의 하측 외부에서 수직 관형 반응기의 하측에 순환공이 형성된 공기 순환판을 설치하여 수직 관형 반응기의 벽으로 공기가 공급되도록 구성시킨 내부 순환 수직 광 생물 반응기.
4. 제 1 항에 있어서, 순환관은 수직 관형 반응기 직경의 1/3 지점에 설치하는 내부 순환 수직 광 생물 반응기.
5. 수직 관형 반응기의 내부에 순환관을 설치하여 열 교환기에 의해 25℃ ∼ 30℃의 온도를 유지하면서 하측에서 공기를 공급하여 미생물이 열 교환기를 순환 하도록 하여 광합성 미생물의 고 농도 배양이 가능하도록 하는 내부 순환 수직 관형 반응기를 이용한 광합성 미생물의 배양방법.