KR20000046481A - 광생물반응기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광합성 미생물을 고농도로 대량배양할 수 있는 광생물반응기에 관한 것으로서, 미생물 배양액을 담을 수 있는 챔버를 형성하는 외부재킷; 상기 외부재킷 내에 설치되어 배양액의 순환로를 형성하는 상하단이 개방된 수직원통형상의 투명한 내부도관; 상기 내부도관의 하단부와 소통하여 공기나 다른 기체를 상향 공급함으로써 상기 내부도관 내부에서 배양액의 상향유동을 야기하는 폭기장치; 및 상기 내부도관의 내면 또는 외면에 상기 배양액의 순환을 방해하지 않도록 설치되어 배양액의 전면에 빛에너지를 조사하는 하나 이상의 발광체;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

광생물반응기
본 발명은 광합성 미생물의 배양에 사용되는 장치, 보다 상세하게는 광합성에 필요한 빛에너지를 보다 효율적으로 배양액 내부로 공급하여 광합성 미생물을 고농도로 대량배양할 수 있는 광생물반응기에 관한 것이다.
시아노박테리아(Cyanobacteria)나 조류와 같은 광합성 미생물을 배양하는 방법은 크게 옥외배양법과 광생물반응기를 이용하는 방법으로 나눌 수 있다. 옥외배양법의 경우는 연못(pond) 형태나 외륜(paddle wheel)으로 배지를 순환시키는 수로(raceway)형태를 예로 들 수 있는데, 설치비나 운영비가 적게 드는 반면 고농도의 배양이 힘들고 다른 미생물에 의해 오염되기 쉬워 광합성 산물의 회수비용이 증가한다는 단점이 있다.
따라서, 1980년대부터는 관형 광생물반응기(tubular photobioreactor)와 같은 새로운 형태의 광생물반응기가 개발되어 주로 저가의 바이오매스를 대량생산하는 용도로 사용되기 시작하였다. 그러나, 1990년대에 들어서면서 생물공학기술의 발달과 함께 광합성 미생물을 이용한 고부가가치 물질의 생산이 가능하게 되고, 특히 생물학적 CO2고정화 공정에 광합성 미생물의 고농도 대량배양 기술이 필수적으로 요구됨에 따라 배양효율이 높은 광생물반응기에 대한 수요가 증대되고 있는 실정이다.
광생물반응기가 일반적인 생물반응기와 구별되는 특징은 광합성에 필요한 빛에너지를 광합성 미생물이 성장하는 배양액 내부로 충분히 전달할 수 있어야 한다는 점이다.
빛에너지는 비어-람버트 법칙(Beer-Lambert's Law)에 따라 광원에서 멀어질수록 그리고 배양액 내부의 균체농도가 증가할수록 지수적으로 감소하므로 배양액 표면으로 빛이 조사되는 양을 증가시킬 필요가 있다. 그러나, 과도한 빛에너지는 균체성장을 저해시킬 뿐만 아니라 광합성에 사용되지 않은 빛에너지는 열에너지로 전환되어 배양액의 온도를 상승시키게 된다. 따라서, 효율적인 광생물반응기가 되기 위해서는 상술한 바와 같은 빛저해현상(light inhibition)을 야기하지 않는 광도의 빛에너지를 배양액의 최대 표면적에 노출시킬 수 있고, 배양액 내부로의 빛투과 거리를 최소화할 수 있어야 하며, 암처(dark site)에 존재하는 균체들을 배양액의 혼합을 통하여 충분한 빛에너지가 공급되는 지역으로 쉽게 이동시킬 수 있어야 한다.
현재 유럽이나 이스라엘 등지에서 개발되고 있는 광생물반응기는 판형 광생물반응기(thin-panel photobioreactor)로서, 빛투과 거리를 최소화하기 위하여 좁고 긴 직사각형 파이프를 조밀하게 밀착시켜 루프를 만들고, 루프 중간의 한 부분을 세워 공기부양을 통해 배양액을 순환시키는 구조를 갖고 있다. 그러나, 판형 광생물반응기는 소용량 고농도 배양에는 유리하지만 대용량으로 배양하는 경우에는 반응기 구조가 복잡하기 때문에 대규모화가 곤란하다는 단점이 있다.
한편, 일본에서 개발되고 있는 광생물반응기는 배양액 내부에 직접 광섬유나 직관 형광램프와 같은 발광체가 설치되도록 하여 단위부피당 조사 표면적을 최대로 할 수 있는 구조를 갖고 있다. 그러나, 광섬유를 이용하는 광생물반응기의 경우에는 고가의 재료비와 빛전달의 한계성으로 인하여 실용화되지 못하고 있으며, 직관 형광램프를 이용한 교반형 광생물반응기는 그 형태가 일반적인 생물반응기와 유사하여 제작이 용이하나, 대량 배양시 공기부양식 생물반응기(airlift bioreactor)에 비해 기계적 교반을 위한 에너지 요구량이 현저하게 증가한다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 기계적 교반이 필요없는 공기부양식 생물반응기의 내부도관을 개량하여 배양액 내부로 빛에너지를 효율적으로 공급함으로써 광합성 미생물의 고농도 대량배양에 적합한 광생물반응기를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 광생물반응기의 구조를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1의 광생물반응기에 사용된 발광형 내부도관의 구조를 나타내는 측면도 및 평면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광생물반응기의 구조를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 4는 도 3의 광생물반응기에 사용된 발광형 내부도관의 구조를 나타내는 측면도 및 평면도이다.
도 5a 및 도 5b는 도 1의 광생물반응기를 이용하여 광합성 미생물을 배양한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6은 도 3의 광생물반응기를 이용하여 광합성 미생물을 배양한 결과를 나타내는 그래프이다.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
1... 가스주입구
2... 직관 형광램프를 이용한 발광형 내부도관
3... 폭기장치
4... 외부재킷
5... 전자안정기
6... 직관 형광램프
7... 내부도관
8... 투명관
9... 전선
10... 광섬유를 이용한 발광형 내부도관
11... 고효율 광원
12... 광섬유
본 발명은 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여
미생물 배양액을 담을 수 있는 챔버를 형성하는 외부재킷;
상기 외부재킷 내에 설치되어 배양액의 순환로를 형성하는 상하단이 개방된 수직원통형상의 투명한 내부도관;
상기 내부도관의 하단부와 소통하여 공기나 다른 기체를 상향 공급함으로써 상기 내부도관 내부에서 배양액의 상향유동을 야기하는 폭기장치; 및
상기 내부도관의 내면 또는 외면에 상기 배양액의 순환을 방해하지 않도록 설치되어 배양액의 전면에 빛에너지를 조사하는 하나 이상의 발광체;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광생물반응기를 제공한다.
즉, 본 발명의 광생물반응기는 종래의 공기부양식 생물반응기에서 배양액의 흐름만을 유도하는 내부도관 대신, 발광체로서의 역할과 내부도관으로서의 역할을 동시에 수행할 수 있도록 발광체가 구비된 내부조사형 내부도관을 사용하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명에 의한 광생물반응기는 일반적인 공기부양식 반응기와 마찬가지로 폭기장치에 의해 내부도관의 내부로 상향 주입되는 공기나 다른 기체가 배양액을 상향유동시킨 후 내부도관의 외벽을 따라 하향유동하게 함으로써 별도의 교반기 없이도 배양액의 순환이 가능하며, 투명한 내부도관의 내면 또는 외면에 발광체를 도입함으로써 배양액 내부로의 빛투과 거리를 최소화하였으며, 배양액의 최대 표면적에 빛에너지가 전달될 수 있도록 한다.
발광형 내부도관에 설치되는 발광체는 유체의 흐름을 방해하지 않으면서 배양액을 골고루 조사할 수 있도록 일정간격을 유지하도록 내부도관에 설치되며, 직관 형광램프, 광섬유, 네온관, 발광 다이오드 소자 등을 예로 들 수 있다.
특히, 발광체로서 직관 형광램프를 사용하는 경우에는 직관 형광램프와 배양액이 직접 접촉하는 것을 방지하기 위하여 직관 형광램프를 투명 재킷으로 감쌀 필요가 있다. 또한, 대용량 배양과 같이 직관 형광램프의 발열량이 많은 경우에는 상기 투명 재킷을 이중재킷으로 하여 냉각수가 흐를 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
발광체의 위치와 개수는 배양하고자 하는 광합성 미생물의 광합성 특성에 따라 결정되는데, 필요한 빛에너지의 양이 증가할수록 발광체의 개수를 증가시키는 것이 바람직하고, 정다각형의 형태를 이루면서 서로 대칭이 되도록 발광체를 위치시키는 것이 바람직하다.
발광체로서 광섬유를 이용하는 경우는 측광이 가능하도록, 즉 배양액의 내부에 빛을 골고루 발산할 수 있도록 설치하여 내부도관 고유의 역할과 발광체로서의 역할을 동시에 수행할 수 있도록 하여야 하기 때문에 내부도관의 외면을 따라 광섬유 다발을 감는 것이 바람직하다. 광섬유 다발에 빛에너지를 공급하는 광원으로는 태양광 집광기나 고성능 할로겐 램프와 같은 고효율 광원을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 또다른 실시예에 의한 내부조사형 광생물 반응기는 옥외배양시 태양광을 이용할 수 있도록, 그리고 실내배양의 경우에도 반응기의 외부에 형광등을 설치하여 빛을 조사함으로써 미생물의 배양효율을 향상시킬 수 있도록 외부재킷을 투명 이중재킷으로 제작할 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 예시하고자 하나, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것에 불과하며 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 내부조사형 광생물 반응기로서, 4개의 직관 형광램프(6)를 이용한 발광형 내부도관(2)이 설치된 경우이다. 도 2는 도 1의 광생물반응기에 설치된 발광형 내부도관(2)의 구조를 보다 상세하게 나타내는 측면도 및 평면도이며, 직관 형광램프(6)가 투입된 4개의 투명관(8)이 내부도관(7)의 내면을 따라 일정간격을 두고 설치된다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 내부조사형 광생물반응기로서, 광섬유다발(12)을 이용한 발광형 내부도관(10)이 설치된 경우이다. 도 4는 도 3의 광생물반응기에 설치된 발광형 내부도관(10)의 구조를 보다 상세하게 나타내는 측면도 및 평면도이다. 내부도관(7)의 외면을 따라 광섬유 다발(12)이 감겨 있다. 광섬유 다발의 말단에는 고효율 광원(11)이 설치되고, 내부도관(7)의 외면을 따라 회전하는 광섬유의 굴절부분을 따라 측광이 가능하다.
〈실시예 1-6〉
광합성 미생물로는 시아노박테리아의 일종인 시네코커스(Synecoccus sp. PCC 6301) 균주를 사용하였으며, 영양배지로는 알렌(M.M. Allen)이 개발한 BG-11을 사용하였고, 배양온도는 30℃, 통기량은 7ℓ/min로 유지하면서 7ℓ크기의 공기부양식 광생물반응기에서 회분식 배양을 수행하였다.
반응기 및 발광형 내부도관의 구조는 도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같다. 17W의 직관 형광램프를 사용하였고, 투명관(8) 표면에서의 광도는 296μ㏖/m2/sec이었다. 직관 형광램프의 개수를 각각 1, 2, 3, 4, 6, 8 개로 변화(실시예 1-6)시키면서 배양시간 경과에 따른 균체농도와 pH 변화를 측정하였다.
도 5a는 실시예 1-6의 배양결과를 나타낸 것이며, 도 5b는 발광형 내부도관에 설치된 직관형광램프의 개수에 따른 최대균체농도(max. cell concentration)과 균체성장속도(linear growth rate)의 변화를 그래프로 나타내었다. 최대균체농도와 균체성장속도는 직관 형광램프의 개수가 증가할수록 따라서 증가하다가 포화상태에 도달하게 되며, 최대균체농도의 경우는 직관 형광램프가 4개 이상인 경우, 균체성장속도의 경우는 3개 이상인 경우 포화상태에 도달하였다.
따라서, 직관 형광램프를 설치한 발광형 내부도관을 사용하여 대량의 유용산물을 얻고자 하는 경우는 4개의 직관 형광램프를 정사각형 형태로 설치하는 것이 바람직하며, 생물학적 CO2고정화와 같이 균체의 성장속도가 중요한 경우에는 적어도 3개 이상의 직관 형광램프가 필요하며, 그 이상에서는 에너지 효율면에서는 손해를 보게된다..
〈실시예 7〉
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같은 형태의 광생물반응기는 광섬유를 이용한 발광형 내부도관을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1-6에서 사용한 것과 동일한 균주를 동일한 방법으로 배양하였다. 도 3의 고효율 광원으로는 400W의 고성능 할로겐 램프를 사용하였고, 광섬유는 16번의 회전을 주어 굴절부분을 따라 측광을 유도하였다. 이 경우 발광형 내부도관 중심에서의 광도는 71.1μ㏖/m2/sec로 측정되었다.
배양시간 경과에 따른 균체농도와 pH를 측정한 결과를 도 6의 그래프로 나타내었다. 배양결과 균체농도는 0.16g/L에서 0.40g/L 까지 증가시킬 수 있었으며 pH 도 균체성장에 따라 8.5에서 9.6까지 증가하다가 균체성장이 저해를 받음에 따라 감소함을 알 수 있다. 실시예 7의 결과가 실시예 3 내지 6의 결과보다 저조한 것은 배양액에 조사된 광도 차이에서도 알 수 있듯이 빛의 조사량이 충분하지 않았기 때문인 것으로 판단된다. 따라서, 광섬유로부터의 측광을 보다 효과적으로 유도될 수 있도록 하거나, 옥외배양을 통한 태양광의 조사 또는 반응기의 외부에 형광등을 조사함으로써 보다 우수한 배양결과를 기대할 수 있다.
본 발명에 의한 광생물반응기는 폭기장치에 의해 내부도관의 내부로 상향 주입되는 공기나 다른 기체가 배양액을 상향유동시킨 후 내부도관의 외벽을 따라 하향유동하게 함으로써 별도의 교반기 없이도 배양액의 순환이 가능하며, 투명한 내부도관의 내면 또는 외면에 발광체를 도입함으로써 순환하는 배양액 내부로의 빛투과 거리가 최소화되고 배양액의 최대 표면적에 빛에너지가 전달될 수 있기 때문에 광합성 미생물의 고농도 대량배양에 적합하다.

Claims (8)

  1. 미생물 배양액을 담을 수 있는 챔버를 형성하는 외부재킷;
    상기 외부재킷 내에 설치되어 배양액의 순환로를 형성하는 상하단이 개방된 수직원통형상의 투명한 내부도관;
    상기 내부도관의 하단부와 소통하여 공기나 다른 기체를 상향 공급함으로써 상기 내부도관 내부에서 배양액의 상향유동을 야기하는 폭기장치; 및
    상기 내부도관의 내면 또는 외면에 상기 배양액의 순환을 방해하지 않도록 설치되어 배양액의 전면에 빛에너지를 조사하는 하나 이상의 발광체;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광생물 반응기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 발광체는 직관 형광램프, 광섬유다발, 네온관 및 발광다이오드소자 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 광생물반응기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 발광체로서 복수개의 직관 형광램프를 사용하는 경우에는 정다각형의 대칭형태를 이루도록 상기 내부도관의 내면을 따라 일정간격을 두고 수직으로 설치하는 것을 특징으로 하는 광생물반응기.
  4. 제3항에 있어서, 상기 직관 형광램프가 배양액과 직접 접촉하지 않도록 투명재킷으로 감싸진 것을 특징으로 하는 광생물반응기.
  5. 제4항에 있어서, 상기 투명재킷이 냉각수를 흘려보낼 수 있는 이중재킷인 것을 특징으로 하는 광생물반응기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 발광체가 광섬유다발인 경우, 상기 내부도관의 외면을 따라 일정 간격으로 감아 회전시킴으로써 굴절부분을 따라 측광이 나오도록 한 것을 특징으로 하는 광생물반응기.
  7. 제6항에 있어서, 광섬유다발의 빛에너지 공급원으로 태양광집광기 또는 고성능 할로겐 램프를 설치하는 것을 특징으로 하는 광생물반응기.
  8. 제1항에 있어서, 상기 외부재킷이 투명 이중재킷이어서 반응기 외부에서의 추가적인 빛에너지 조사가 가능한 것을 특징으로 하는 광생물반응기.
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