KR20030018197A - 미세조류의 대량배양을 위한 단위 장치형 광생물 반응기 - Google Patents

Abstract

지금까지 대부분 미세 조류 유래의 고부가가치 물질의 생산 공정은 대형 연못과 같은 실외형 배양시설이었다. 이러한 실외형 배양시설은 높은 오염의 가능성과 낮은 세포의 농도 등의 심각한 문제가 있어 이를 해결할 수 있는 실내형 배양시설의 개발이 필요하게 되었다. 실내형 배양시설로 실험실 규모에서 고농도의 배양과 대량 배양이 성공하였다고 할지라도 상업적인 생산을 시도할 경우에는 생산 규모의 확대가 필요하다.

본 발명은 빛의 효율적인 전달 뿐 만 아니라 규모의 증대 및 축소 시 별도의 장치 및 투자가 필요하지 않은 단위 장치형 광생물 반응기를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 실내형 배양시설은 기존의 실외형 배양시설에 비해 투자비 및 운영비가 높지만, 고부가가치의 물질의 생산에 높은 경제성 및 상업성을 부여하는 장치가 될 수 있을 것으로 기대된다.

Description

미세조류의 대량배양을 위한 단위 장치형 광생물 반응기 {A modular photobioreactor used in large-scale microalgal cultures}

본 발명은 미세조류의 대량 배양을 위한 단위 장치형 광생물 반응기에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 본 발명은 빛의 효율적인 전달 뿐 만 아니라 규모의 확대 및 축소 시 별도의 장치 및 투자가 필요하지 않은 단위 장치형 광생물 반응기에 관한 것이다.

전 세계적으로 미세 조류로부터 유래된 다양하고 유용한 고부가가치 물질들이 발견되어지고 있으며 이런 물질들의 대량 생산에는 반드시 고농도 배양이 필요하게 된다. 현재 생산되어지고 있는 배양 시스템은 주로 대형 연못과 같은 실외형 배양시설을 이용한 대량 배양으로 여기에는 여러 가지 문제점들이 있다. 예를 들면 오염, 분리 및 정제를 어렵게 하는 낮은 세포 농도, 불규칙한 광도 및 기후조건, 넓은 배양 면적 필요, 인건비, 많은 기질량(특히 질소원), 높은 수질 요구 등의 문제들이다.

특히, 오염의 문제에 있어서 다양한 종류의 원생 동물들에 의한 포식, 다른 광합성 미생물 혹은 기타 미생물에 의한 기질의 고갈 등은 매우 심각하여 생산된 제품을 농축시키는 별도의 고가 장치가 필요한 실정이다. 그러므로, 현재 세계 각국에서 연구되고 있는 공정들은 주로 실내형 고농도 배양 광생물 반응기로서 작은 크기의 반응기를 통해 대형 연못에서의 생산량과 같거나 또는 더 많은 양을 생산하며 농도 또한 매우 높은 고품질의 제품을 생산하고자 하는 것이다.

그러나, 고농도 배양에서는 항상 빛의 투과도에 의한 문제가 있어, 일반적인 미생물 배양 장치의 3차원적 규모 확대와는 달리, 광생물 반응기의 경우, 빛이 투과하는 축은 늘일 수 없고, 따라서 2차원적인 규모 확대가 이루어져야 한다.

현재 개발되어져있는 광생물 반응기로는 일반 교반형 반응기, 판형 반응기, 관형 반응기, 컬럼형 반응기 등이 있으나 이런 종류의 반응기로는 규모 확대가 어렵거나, 새로운 대형 반응기를 다시 제작해야 한다는 문제가 발생한다.

이에 본 발명에서는 반응기를 각각의 단위 장치로 나누어 필요에 따라 탈부착함으로써 쉽게 대형화 등의 규모의 조정이 가능하도록 설계된, 미세조류의 대량배양을 위한 단위 장치형 광생물 반응기를 제공하는데 그 목적이 있다.

즉, 본 발명은 기존의 광생물 반응기들 중 가장 광 효율이 좋다고 인정되어지는 판형 반응기를 기본으로 하여 연결 가능한 각 단위장치를 제작하고, 이를 하나의 반응기로 연결시킴으로써 광생물 반응기의 규모확대의 어려움을 극복하고자 하는데 그 목적이 있는 것이다.

또한, 본 발명은 빛의 효율적인 전달 뿐 만 아니라 규모의 증대 및 축소 시 별도의 장치 및 투자를 필요로 하지 않는데 그 목적이 있는 것이다.

도 1는 본 발명에 따른 단위 장치형 광생물 반응기의 사시도이다.

도 1b는 본 발명에 따른 형광등이 설치된 단위 장치형 광생물 반응기의 사시도이다.

도 2a는 본 발명에 따른 단위 장치형 광생물 반응기의 정면도이다.

도 2b는 본 발명에 따른 형광등이 설치된 단위 장치형 광생물반응기의 정면도이다.

도 3a는 본 발명에 따른 형광등이 설치된 단위 장치형 광생물 반응기의 측면 단면도이다.

도 3b는 본 발명에 따른 형광등이 설치된 단위 장치형 광생물 반응기를 실제 연결한 장치의 측면 단면도이다.

도 4는 클로렐라의 경우 배양액 표면광도와 광원 사이의 거리가 실제 세포의 증식에 주는 영향을 나타낸 것이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 --- 반응기11 --- 제 1반응실

12 --- 제 2반응실13 --- 배지 주입구

14 --- 배지 배출구15 --- 기체 주입구

16 --- 기제 배출구17 --- 형광등(광원)

18 --- 개스킷

본 발명의 미세조류의 대량 배양을 위한 단위 장치형 광생물 반응기는 빛의 투과도를 높이기 위한 상대적으로 한 축이 짧은 판형 광생물반응기의 병렬연결로 구성되어 있음을 특징으로 한다.

즉, 본 발명에 따른 미세조류의 대량배양을 위한 단위 장치형 광생물 반응기는 배양하고자 하는 미세 조류를 수용하고 있으며, 2개의 반응실로 분리되어 있되 이들의 하부가 서로 연통되어 있는 제 1반응실과 제 2반응실; 상기 제 1반응실에 있는 미세 조류에 영양소를 공급하기 위하여 상기 제 1반응실 상부 측면에서 외부 방향으로 확장되어 있으며, 연속되어지는 다른 반응기의 제 2반응실의 배지 배출구와 연결되어지도록 된 배지를 주입하기 위한 배지 주입구; 제 2반응실의 상부 측면에서 외부 방향으로 확장되어 있으며, 연속되어지는 다른 반응기의 제 1반응실의 배지 주입구와 연결되어지도록 된 배지를 배출하기 위한 배지 배출구; 상기 제 1반응실과 제 2반응실의 바닥면에서 외부 방향으로 확장되어 있는 상기 반응실 내부로 기체를 공급하기 위한 기체 주입구; 상기 제 1반응실과 제 2반응실의 정상부에서 외부 방향으로 확장되어 있는 상기 반응실 내부의 기체를 외부로 배출하기 위한 기체 배출구; 및 상기 제 1반응실과 제 2반응실의 사이에 있는 공간에 설치되는 탈부착이 용이한 다수의 광원으로 이루어진 단위 장치를 여러개 밀착되게 병렬연결이 가능하도록 구성된 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 첨부 도면에 의거하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부 도면 중 도 1a는 본 발명에 따른 미세 조류의 대량 배양을 위한 단위 장치형 광생물 반응기(10)의 개략적인 사시도로서, 상기 반응기(10)는 미세 조류를수용하고 있는 제 1반응실(11)과 제 2반응실(12)로 분리되어 있으며, 이들의 하부는 서로 연통되어 있다.

상기 제 1반응실(11)의 측면 상부에는 그 내부에 수용되어 있는 미세 조류에 영양소를 공급하기 위하여 배지 주입구(13)가 외부 방향으로 확장되어 있다. 이 배지 주입구(13)는 병렬로 연결되어지는 다른 반응기의 제 2반응실의 배지 배출구와 연결되어지게 된다.

상기 제 2반응실(12)의 측면 상부에는 상기 배지 주입구(13)를 통해 주입된 배지가 미세 조류에 영양소를 공급한 후 외부로 배출되어지도록 배지 배출구(14)가 설치되어 있다.

그리고, 상기 제 1반응실(11)과 제 2반응실(12)의 바닥면에는 해당 반응실(10)로 기체를 공급하기 위한 기체 주입구(15)가 외부 방향으로 확장되어 있으며, 정상부에는 상기 반응실(10) 내부의 기체를 외부로 배출하기 위한 기체 배출구(16)가 외부 방향으로 확장되어 있다.

따라서, 본 발명에 따르면, 배지 주입구(13)를 통해 주입된 배지가 미세 조류에 영양소를 공급하고, 배지 배출구(14)를 통해 나온 배지는 다음에 연결된 단위 장치로 보내진다. 기체 주입구(15)를 통하여 주입되는 기체는 공기를 바로 사용하거나, 이산화탄소(CO₂)공급이 필요할 때에는 과량의 이산화탄소(5-20%)를 혼합한 기체를 사용한다. 이러한 기체는 연소배기가스를 이용할 수도 있다. 광생물반응기를 통과한 기체는 기체 배출구(16)를 통해 배출된다.

첨부 도면 중 도 1b는 본 발명에 따른 반응기(10)의 제 1반응실(11)과 제 2반응실(12) 사이의 공간에 형광등이 설치된 단위 장치형 광생물반응기의 개략적인 사시도로서, 통상적인 형광등 갓에 형광등을 끼우는 방식이거나 또는 반응기의 구조상 단지 올려놓기만 하면 되므로 광원(17)의 탈착 및 부착이 수월하도록 구성되어 있으며, 광원의 수를 조절함으로서 광도를 쉽게 조절할 수 있게 되어 있다.

첨부 도면 중 도 2a는 단위 장치형 광생물 반응기(10)의 정면도를 나타낸 것으로 주입된 기체와 그에 따른 배지의 흐름이 도시되어 있다. 즉,도 2a에서 중앙의 화살표는 배지의 흐름을 나타낸 것이고, 양쪽의 화살표는 기체의 흐름을 나타낸 것이며, 중앙의 동그라미는 기포를 나타낸 것이다. 본 반응기(10)의 하단부의 형태는 테이퍼 형태(상광하협)를 하고 있으므로 유체의 흐름이 없는 영역(일명, 데드 죤(Dead Zone))이 적어짐으로써 대부분의 미세조류의 배양시 매우 중요한 문제점인 세포의 침전을 최소화할 수 있게 된다.

첨부 도면 중 도 2b는 형광등(17)이 설치된 단위 장치형 광생물 반응기의 정면도를 나타낸 것이다.

첨부 도면 중 도 3a는 형광등이 설치된 단위 장치형 광생물 반응기(10)의 측면 단면도를 나타낸 것이다. 실제 반응기 설계에 있어서 가장 중요한 것은 광효율이며, 이것은 배양하고자 하는 미세조류가 최고 세포증식속도를 갖게되는 광도를 주기 위한 광원과 광원 사이의 거리, 즉 각 단위 장치 사이의 거리가 광생물 반응기의 광효율을 결정한다는 것이다. 왜냐하면 일반적으로 광원과 실제 빛을 받는 세포사이의 거리에 따라 광도가 일반적으로 다음의 식에 의존하기 때문이다.

여기서는 실제 각 세포가 받는 광도,는 배양액의 표면광도,는 배양액과 세포과의 거리,는 빛이 지나는 부분의 세포농도,는 비흡광도를 나타낸다. 뿐만 아니라 배양액의 표면광도는 광원과 배양액 표면과의 거리에 대하여 다음의 상관관계를 갖는다.

여기서f _F는 광원 자체의 고유값,는 광원과 배양액 사이의 거리,은 광원과 반응기의 형태에 의해 결정되는 형태값,는 주위의 광도이다. 따라서 두 식을 합하면

가 되고 이는 세포가 실제 받는 광도는 광원과 배양액 표면과의 거리, 그리고 배양액 표면과 세포와의 거리에 관계한다는 것을 알 수 있다.

따라서, 본 발명과 같은 형태의 단위 장치형 광생물 반응기(10)는 대량 배양을 위해 부피 확대를 하더라도 빛을 받는 면적을 유지함으로서 그 성능의 저하를 야기하지 않는 것이 가장 큰 장점이라 할 수 있다. 일반적으로 상업적 목적의 실내형 광생물 반응기에서는 예외 없이 형광등을 광원으로 이용하는데 이는 매우 경제적이며, 장시간 안정적인 광도를 주기 때문이다.

본 발명의 광생물 반응기에서도 형광등을 기본 광원(17)으로 하며, 이때 광도는 광원 사이의 거리가 짧을수록 높아진다. 예를 들어 시아노세균 (cyanobacteria)나 클로렐라(Chlorella)와 같은 단순 미세 조류의 경우에는 일반적으로 광도가 높을수록 세포 증식 속도가 높아지다가, 일정 광도가 넘으면 강한 빛에 의해 생장을 저해받는다.

그러므로, 광원 사이의 거리는 세포의 증식속도와 관련하여 적당하게 조정되어야 한다. 또한, 사용하는 미세조류의 종류와 같은 미세조류라도 필요에 따라 광도를 조절할 필요가 있으므로, 광원사이의 거리 및 광도는 사용하는 미세조류의 종과 목적에 따라 기초실험 및 전술한 계산에 의하여 구할 수 있다. 광원사이의 거리는 생산성에 직접적인 영향을 주는 전체 체적과도 관계되므로 계산에 의하여 최적값을 찾는 것이 필요하다. 형광등 등의 광원은 광도의 조절이 어려우므로, 필요에 따라 새로운 형태의 평면광원이나 작은 발광소자의 연속적인 배열에 의한 판형광원 등을 사용할 수도 있다.

첨부 도면 중 도 3b는 형광등(17)이 설치된 단위 장치형 광생물 반응기(10)를 실제 병렬로 연결한 장치의 측면 도면으로서 각 단위 장치들은 연결부위에서 개스킷(18)으로 밀폐되어 무균상태가 유지된다. 각 단위 장치의 재질은 투명도와 세포의 흡착문제를 고려하여 유리나 폴리카보네이트(polycarbonate) 또는 폴리아크릴아마이드(polyacylamide) 등으로 한다.

첨부 도면 중 도 4는 클로렐라의 경우 배양액 표면광도와 광원 사이의 거리가 실제 세포의 증식에 주는 영향을 나타낸 것이다. 그림에 표시된 바대로 표면광도가 증가함에 따라, 광원사이의 거리가 짧아짐에 따라, 세포의 증식속도가 증가함을 알 수 있다.

미세 조류에 의한 고농도 배양 시 그 생산량을 증가시키려하거나 감소시키려할 때 간단한 탈착 및 부착으로 생산량을 조절할 수 있으며 겹겹이 붙이는 방식으로 공간적 효율성을 높일 수 있으며, 미세조류의 농도가 높아져도 빛의 투과도를 유지할 수 있는 기하학적 형태를 가지고 있다. 또한 광도를 조절하거나 광원의 유지보수를 위하여 배양 중 광원을 교체할 필요가 있을 때 쉽게 교체가 가능하고 무균상태를 유지하는데도 유리하다. 어떤 미세 조류의 종에서는 세포증식 광도와 대사 산물의 축적 광도가 다른 경우가 있다. 이러한 경우 광도의 조절은 필수적이며 본 발명은 이에 매우 알맞은 반응기이다.

본 발명에 의하면, 빛의 효율적 전달 뿐 아니라 규모의 증대 및 축소 시 별도의 장치 및 투자가 필요하지 않다는 것이 가장 중요한 장점이라고 할 수 있다. 현재 미세 조류에서 발견된 다양한 유용 물질, 예를 들어 아스탁산틴(astaxanthin)이나 파이코빌리프로테인(phycobiliprotein) 등은 대부분 실외형 배양 시설에서 낮은 농도로 생산되어지고 있는데, 본 발명의 실내형 배양 시설에서 고농도로 대량생산이 가능하다면 같은 생산량으로 약 20 ~ 100배 가격의 고부가가치 생산 장치가 될 것으로 기대된다.

Claims (6)

1. 배양하고자 하는 미세 조류를 수용하고 있으며, 2개의 반응실로 구획되어 있고, 그들의 하부가 서로 연통되어 있는 제 1반응실(11)과 제 2반응실(12);

   상기 제 1반응실(11)에 있는 미세 조류에 영양소를 공급하기 위하여 상기 제 1반응실(11) 상부 측면에서 외부 방향으로 확장되어 있으며, 연속되어지는 다른 반응기의 제 2반응실(12)의 배지 배출구와 연결되어지도록 된 배지를 주입하기 위한 배지 주입구(13);

   제 2반응실(12)의 상부 측면에서 외부 방향으로 확장되어 있으며, 연속되어지는 다른 반응기의 제 1반응실(11)의 배지 주입구(13)와 연결되어지도록 된 배지를 배출하기 위한 배지 배출구(14);

   상기 제 1반응실(11)과 제 2반응실(12)의 바닥면에서 외부 방향으로 확장되어 있는 상기 반응실 내부로 기체를 공급하기 위한 기체 주입구(15);

   상기 제 1반응실(11)과 제 2반응실(12)의 정상부에서 외부 방향으로 확장되어 있는 상기 반응실 내부의 기체를 외부로 배출하기 위한 기체 배출구(16); 및

   상기 제 1반응실(11)과 제 2반응실(12)의 사이에 있는 공간에 설치되는 탈부착이 용이한 다수의 광원(17)으로 이루어진 단위 장치를 여러개 밀착되게 병렬연결이 가능하도록 구성된 것을 특징으로 하는 미세조류의 대량배양을 위한 단위 장치형 광생물 반응기(10).
2. 제 1항에 있어서, 상기 제 1반응실(11)과 제 2반응실(12)의 바닥면은 미세 조류의 배양시 세포의 침전 문제를 감소시킬 수 있도록 테이퍼 형상을 갖도록 구성된 것을 특징으로 하는 미세조류의 대량배양을 위한 단위 장치형 광생물 반응기(10).
3. 제 1항에 있어서, 상기 광원(17)은 형광등인 것을 특징으로 하는 미세조류의 대량배양을 위한 단위 장치형 광생물 반응기(10).
4. 제 3항에 있어서, 상기 형광등(17)은 평면 광원이나 작은 발광 소자의 연속적인 배열에 의한 판형 광원을 사용하여서 되는 것을 특징으로 하는 미세조류의 대량배양을 위한 단위 장치형 광생물 반응기(10).
5. 제 1항에 있어서, 상기 단위 장치의 연결 부위는 개스킷(18)으로 밀폐시켜서 연결하는 것을 특징으로 하는 미세조류의 대량배양을 위한 단위 장치형 광생물 반응기(10).
6. 제 1항에 있어서, 상기 단위 장치의 재질은 유리, 폴리카보네이트 또는 폴리아크릴아마이드로 제작하는 것을 특징으로 하는 미세조류의 대량배양을 위한 단위 장치형 광생물 반응기(10).