KR20020074030A - 생물학적 이산화탄소 고정화를 위한 내부조사형광생물반응기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 생물학적 이산화탄소 고정화인 광합성 반응이 일어나는 광생물반응기에 관한 것으로서, 본 발명에 의한 광생물반응기는, 상기 광생물반응기 내부에 구비되어 상기 광생물반응기 내부에 빛에너지를 공급하는 복수개의 광원들; 상기 광생물반응기의 하단에 구비되어 이산화탄소 함유 기체를 상기 광생물반응기로 유입시키는 기체유입부; 상기 광생물반응기의 상단에 구비되어 상기 광생물반응기에서 발생하는 기체 및 상기 기체유입부로부터 유입된 이산화탄소 중 사용되지 않고 남은 기체를 상기 광생물반응기 외부로 방출하는 기체방출부; 및 상기 광생물반응기의 온도를 일정 범위내로 유지시키기 위한 항온유지수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 광생물반응기는, 빛 조사 면적을 극대화함으로써 이산화탄소를 효과적으로 제거할 수 있을 뿐 아니라, 용이하게 스케일-업(scale-up)될 수 있으므로, 산업적 이용가치가 높다.

Description

생물학적 이산화탄소 고정화를 위한 내부조사형 광생물반응기{An internally illuminated photobioreactor for biological CO2 fixation}

본 발명은 생물학적 이산화탄소 고정화인 광합성 반응이 일어나는 광생물반응기에 관한 것이다.

일반적으로 이산화탄소 고정화를 목적으로 광합성 미생물을 배양하는 장치는, 크게 옥외에서 대량배양을 하는 것(open system)과 광생물반응기를 이용하는것(closed system)으로 나눌 수 있다. 연못(pond)형을 포함하는 옥외 대량 배양장치의 경우, 초기 투자비가 적고 유지관리가 용이한 장점은 있으나, 배양장치 내부로 효과적인 빛 전달이 이루어지지 않아 균체의 성장속도가 느리고 균체의 성장 수율이 낮으며, 많은 양의 이산화탄소를 제거하기 위해서는 넓은 설치 공간이 필요한 단점을 가지고 있다.

이러한 옥외 대량 배양장치의 문제점들을 해결하기 위해, 1980년대부터 광생물반응기 개발에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 광생물반응기는 옥외 대량 배양장치에 비해 초기 투자비와 관리 유지비가 상대적으로 높은 단점이 있으나, 높은 균체성장속도를 기대할 수가 있고 운전조건 조절이 용이하다는 장점이 있다.

그러나, 기존에 행해진 대부분의 광생물반응기에 관한 연구들은 실험실 규모에만 그쳤으며, 파일럿 규모(pilot scale)로의 적용에 대한 연구가 극히 미비하였다. 그 이유는 광생물반응기를 스케일-업(scale-up) 할 때, 빛 조사 면적(S/V, 체적 당 면적)을 최대로 하여 광합성 미생물의 성장에 필요한 빛에너지를 효율적으로 공급하는 문제를 해결하기가 어렵기 때문이다. 실제로 일부 광생물반응기의 경우 실험실 규모에서는 높은 균체 성장 속도를 보이다가 스케일-업 후에는 오히려 균체의 성장이 감소하는 경향을 보였다. 그러므로 높은 이산화탄소 고정화 효율을 보이면서, 동시에 스케일-업이 용이한 광생물반응기 형태가 요구된다.

본 발명은, 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 광생물반응기 내부의 조사 효율을 향상시킴으로써 높은 이산화탄소의 고정화율을 보이는 동시에 스케일-업이 용이한 광생물반응기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 본 발명에 의한 광생물반응기의 투시도이다.

도 2는 본 발명에 의한 광생물반응기의 횡단면도이다.

도 3은 본 발명에 의한 광생물반응기 내 반응 기본단위의 횡단면도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1: 몸체2: 광원

3: 냉각 코일4: 산기석

5: 가스공급부6: 임의 지점

7: 가스배출부8: 기본단위

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 생물학적 이산화탄소 고정화 반응인 광합성 반응이 일어나는 광생물반응기는,

상기 광생물반응기 내부에 구비되어 상기 광생물반응기 내부에 빛에너지를 공급하는 복수개의 광원들; 상기 광생물반응기의 하단에 구비되어 이산화탄소 함유 기체를 상기 광생물반응기로 유입시키는 기체유입부; 상기 광생물반응기의 상단에 구비되어 상기 광생물반응기에서 발생하는 기체 및 상기 기체유입부로부터 유입된 이산화탄소 중 사용되지 않고 남은 기체를 상기 광생물반응기 외부로 방출하는 기체방출부; 및 상기 광생물반응기의 온도를 일정 범위내로 유지시키기 위한 항온유지수단을 포함하는 것임을 특징으로 한다.

상기 본 발명에 의한 광생물반응기에 있어서, 상기 복수개의 광원들은, 각 광원간의 간섭이 최소화되도록 각 광원간의 거리를 최대한 이격시키도록 배열되는 것임을 특징으로 한다.

상기 본 발명에 의한 광생물반응기에 있어서, 상기 복수개의 광원들은, 유리관을 포함하는 광합성에 무해한 재료로 만들어진 자켓(jacket)에 의해 각 광원이 둘러싸인 것임을 특징으로 한다.

상기 본 발명에 의한 광생물반응기에 있어서, 상기 광생물반응기는, 상기 기체유입부를 통하여 광생물반응기로 유입되는 기체가 통과되는 산기석을 상기 광생물반응기 내부에 더 포함하는 것임을 특징으로 한다.

상기 본 발명에 의한 광생물반응기에 있어서, 상기 항온유지수단은, 냉각 코일 또는 물-자켓(jacket)으로 구성되는 것임을 특징으로 한다.

광생물반응기의 기본원리는 균체의 광합성 작용을 이용하여 이산화탄소를 포함하는 혼합가스 내의 이산화탄소를 고정화하는 것이므로, 광생물반응기에 의한 광합성의 효율을 높이기 위해서는, 광합성에 이용되는 빛에너지가 광생물반응기에 효율적으로 공급되어야 하는 바, 본 발명은 빛 조사 면적(S/V, 체적 당 면적)이 극대화되도록, 반응기 내부에 광원을 설치하였다. 빛에너지는 광원으로부터의 거리의 제곱승에 반비례하므로, 광생물반응기 내부에 광원을 설치하여 광원으로부터의 거리를 단축시킴으로써, 빛 조사 면적이 극대화된다.

광원은, 효율적인 이산화탄소 고정화라는 목적에 반하지 않고 반응기가 수용할 수 있는 한도 내에서 다수를 채용하는 것이 바람직하나, 광원간의 간격은, 두 개 이상의 광원으로부터 기원하는 두 개 이상의 파동이 겹쳐질 때 다른 세기의 파동이 되는 간섭효과가 발생한다는 점을 고려하여, 이러한 간섭효과가 최소화하도록 하여야 한다. 즉 음양의 값을 가지는 파동량이 벡터적으로 합성되어 파동량, 즉 빛에너지의 양이 크게 달라진다는 점을 고려하여야 한다. 따라서, 본 발명에 의한 광생물반응기 내부에 구비된 복수개의 광원들은, 각 광원간의 간섭이 최소화되도록 각 광원간의 거리를 최대한 이격시키도록 배열된다.

광원이 배양액에 직접 접촉할 경우 과도한 빛에너지로 인하여 엽록소가 파괴되거나, 또는, 광원으로부터 발산된 열에너지로 인하여 광합성 효소 작용이 저해되거나 균체 자체가 파괴될 우려 등이 있으므로, 광원을 유리관 등 광합성에 무해한재킷으로 감쌀 필요가 있다. 재킷을 이중으로 하여 냉각수가 흐를 수 있도록 하는 것도 바람직하다.

광합성의 효율에 영향을 미치는 또 하나의 요인은, 광합성에 이용되는 이산화탄소의 농도이다. 본 발명은 이산화탄소 함유 기체를 반응기 내부로 효과적으로 전달하고, 아울러, 이산화탄소 등 광합성 반응에 필요한 물질 등의 농도 구배를 최소화하기 위하여, 광생물반응기의 하단에 이산화탄소 함유기체를 광생물반응기로 유입시키는 기체유입부를 두었으며, 광생물반응기의 상단에는 광합성 반응이 일어난 후 남은 기체가 외부로 방출되는 기체방출부를 두었다. 이러한 구성은, 기체가 반응기의 하단으로부터 상단으로, 수직 방향으로 전달되도록 함으로써, 1차적으로는 기체전달 효율을 증가시킬 뿐 아니라, 나아가, 상기와 같은 기체의 흐름이 반응기 내의 배양액의 환류를 유도하여 온도 구배 및 배양액 내 물질들의 농도 구배를 최소화시키기 때문에, 특정 지점에만 광합성 친화적인 조건이 집중되어 불균등하게 광합성 반응이 일어나는 현상을 억제한다.

상기 기체유입부를 통하여 반응기로 유입된 기체가 산기석을 통과하여 효과적으로 배양액에 전달될 수 있도록, 산기석을 광생물반응기 내부에 설치하는 것이 더욱 바람직하다.

광합성의 효율에 영향을 미치는 또 하나의 요인은, 광합성 반응이 일어나는온도이다. 광합성 반응은 효소에 의해 매개되는 반응이므로, 온도의 증가에 따라 가 반응속도가 증가하나, 어느 온도 이상에서는 효소가 파괴되기 때문에 반응속도가 감소한다. 그러므로, 균체가 배양되는 광생물반응기 내부의 온도를 일정 범위로유지시킬 필요가 있는 바, 본 발명에 의한 광생물반응기는 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 광생물반응기 외부에 냉각 코일 또는 물-자켓을 설치하여 항온을 유지하도록 하였다. 항온 범위는 배양 균체의 종류에 따라 달라진다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 하기와 같은 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

광합성 균주로는 클로렐라 속 HA-1 균주(Chlorella sp. HA-1)를 사용하였고, 초기 배양 농도는 0.2-0.5 g/L로 하여 40 L 크기의 광생물반응기에서 회분식 배양을 수행하였다.

본 실시예에서 사용된 광생물반응기의 구조는 도 1 및 도 2에 나타난 바와 같다.

각 지름 4cm의 18W 슬림라이트(2)를 광원으로 사용하였다. 각 광원(2)을 유리관으로 감싸서 반응기 내부에 설치하였다. 유리관에 둘러싸인 각 광원의 구조(8)는 도 3에 나타난 바와 같다. 광원을 둘러싼 각 유리관의 반지름은 4.5cm로 하였다.

반응기의 외부에는 냉각 코일(3)을 설치하여 생물반응기를 25-30 ℃의 항온상태로 유지하였다.

반응기 하부로 연결된 기체유입부(5)를 통하여, 10 % 이산화탄소 농도의 이산화탄소 함유 혼합 기체를 1VVM(air volume/working volume/min)의 속도로 광생물반응기 내부로 유입시켰다. 유입된 혼합 기체는 생물반응기 하부에 위치된산기석(4)을 통과하여 반응기 내부로 균일하게 분배되었다. 유입된 혼합 기체 중 광합성으로 소비되지 않은 기체 및 광합성 반응의 산물로 나온 기체는 생물반응기 상단에 연결된 기체방출부로 배출된다.

균체의 성장속도가 지수 성장기 및 선형 성장기를 거쳐 정지기에 이르렀을 때, 배양을 중지하고 균체를 회수하여 건조세포량을 측정하였다. 세포의 원소 분석 결과를 바탕으로 간접적으로 이산화탄소 고정화속도를 환산할 수 있었다.

비교예 1

클로렐라 속 HA-1 균주(Chlorella sp. HA-1)를 40 L 크기의 외부 조사형 생물반응기에서 배양하여 이산화탄소 고정화속도를 측정하였다. 다른 조건은 실시예 1과 같다.

비교예 2

난노클로리시스 속 NANNO-2(Nannochlorisis sp. NANNO-2)를 370 L 크기의 연못(pond)에서 배양하여 이산화탄소 고정화속도를 측정하였다. 다른 조건은 실시예 1과 같다.

표 1은 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2에서 측정된 이산화탄소 고정화속도를 비교한 것이다.

	실시예 1	비교예 1	비교예 2
반응기 형태	내부조사형생물반응기	외부조사형생물반응기	연못
반응기 크기	40 L	3 L	370 L
사용 균체	클로렐라 속 HA-1 균주(Chlorella sp. HA-1)	클로렐라 속 HA-1 균주(Chlorella sp. HA-1)	난노클로리시스 속 NANNO-2(Nannochlorisis sp. NANNO-2)
이산화탄소고정화속도(g CO2/m2일)	782	435	59

상기 표 1의 결과에 나타난 바와 같이, 본 발명에 의한 광생물반응기를 이용하여 이산화탄소를 고정화할 경우, 종래의 기술에 비하여 이산화탄소 고정화율이 월등히 우수함을 알 수 있었다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 광생물반응기는, 광생물반응기 내부의 조사 효율을 향상시킴으로써 높은 이산화탄소의 고정화율을 보이는 동시에 스케일-업이 용이한 효과가 있다.

즉, 본 발명에 의한 광생물반응기는, 효율적인 이산화탄소 고정화 및 용이한 스케일-업이 가능하다는 점에서, 산업적 이용가치가 높다.

Claims (5)

1. 생물학적 이산화탄소 고정화인 광합성 반응이 일어나는 관형의 광생물반응기에 있어서,

   상기 광생물반응기 내부에 구비되어 상기 광생물반응기 내부에 빛에너지를 공급하는 복수개의 광원들;

   상기 광생물반응기의 하단에 구비되어 이산화탄소 함유 기체를 상기 광생물반응기로 유입시키는 기체유입부;

   상기 광생물반응기의 상단에 구비되어 상기 광생물반응기에서 발생하는 기체 및 상기 기체유입부로부터 유입된 이산화탄소 중 사용되지 않고 남은 기체를 상기 광생물반응기 외부로 방출하는 기체방출부; 및

   상기 광생물반응기의 온도를 일정 범위내로 유지시키기 위한 항온유지수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 광생물반응기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 복수개의 광원들은, 각 광원간의 간섭이 최소화되도록 각 광원간의 거리를 최대한 이격시키도록 배열되는 것임을 특징으로 하는 광생물반응기.
3. 제1항에 있어서,

   상기 복수개의 광원들은, 유리관을 포함하는 광합성에 무해한 재료로 만들어진 자켓(jacket)에 의해 각 광원이 둘러싸인 것임을 특징으로 하는 광생물반응기.
4. 제1항에 있어서,

   상기 기체유입부를 통하여 광생물반응기로 유입되는 기체가 통과되는 산기석을 상기 광생물반응기 내부에 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광생물반응기.
5. 제1항에 있어서,

   상기 항온유지수단은, 냉각 코일 또는 물-자켓으로 구성되는 것임을 특징으로 하는 광생물반응기.