KR20050081766A - Continuous photo bioreactor for carbon dioxide removal and mass production of microalgae - Google Patents

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Abstract

제 1측면에 따른 본 발명은 미세조류의 생육을 위한 반연속식 또는 연속식 광반응기에 있어서, 반응기내로 미세조류의 생육을 위한 배지를 공급하는 배지 공급부, 배지의 플럭 흐름을 유도하기 위해 반응기 내부에 설치되는 다수의 격벽, 반응기내로 이산화탄소를 공급하는 산기부, 반응기 내부 또는 외부에 설치되어 반응기내에 광을 제공하는 광원을 포함함을 특징으로 하는 이산화탄소의 저감 및 미세조류의 대량생산을 위한 광반응기를 제공한다.The present invention according to the first aspect is a semi-continuous or continuous photoreactor for the growth of microalgae, the medium supply unit for supplying the medium for the growth of microalgae into the reactor, the reactor to induce the flow of the flow of the medium Reduction of carbon dioxide and mass production of microalgae, characterized in that it comprises a plurality of partitions installed inside, an acid base unit for supplying carbon dioxide into the reactor, a light source installed inside or outside the reactor to provide light in the reactor Provide a photoreactor.

또한, 제 2측면에 의한 본 발명은 미세조류의 생육을 위한 연속식 또는 반연속식 광반응기에 있어서, 반응기내로 미세조류의 생육을 위한 배지를 공급하는 배지공급부, 반응기를 명소와 암소로 구분하고, 상기 명소 또는 암소의 일방에 반응기 내부에서 배지를 상기 명소와 암소를 교대하여 순환시키는 내부순환장치, 반응기내로 이산화탄소를 공급하는 산기부, 반응기 내부 또는 외부에서 반응기내로 광을 제공하는 광원을 포함함을 특징으로 하는 이산화탄소의 저감 및 미세조류의 대량생산을 위한 광반응기를 제공한다. In addition, the present invention according to the second aspect is a continuous or semi-continuous photoreactor for the growth of microalgae, medium supply unit for supplying a medium for the growth of microalgae into the reactor, the reactor is divided into spots and cows And an internal circulation device for alternately circulating the medium in the reactor to one of the spots or cows, an acid base unit for supplying carbon dioxide into the reactors, and a light source for providing light into the reactors from inside or outside the reactors. It provides a photoreactor for reducing carbon dioxide and mass production of microalgae, characterized in that it comprises a.

Description

이산화탄소의 저감 및 미세조류의 대량생산을 위한 연속식 광반응기 {Continuous Photo Bioreactor for Carbon Dioxide Removal and Mass Production of Microalgae} Continuous Photo Bioreactor for Carbon Dioxide Removal and Mass Production of Microalgae

본 발명은 미세조류를 배양할 수 있는 광반응기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 지구 온난화의 원인인 이산화탄소를 효과적으로 제거함과 동시에, 미세 조류를 대량으로 배양할 수 있는 연속식 광반응기에 관한 것이다.The present invention relates to a photoreactor capable of culturing microalgae, and more particularly, to a continuous photoreactor capable of culturing microalgae in large quantities while effectively removing carbon dioxide, which is a cause of global warming.

과학의 빠른 발전으로 인하여 발생한 자연 환경 훼손 등의 부작용에 대하여 지구촌의 관심이 증대하고 있다. 특히, 지구의 평균 기온을 상승시켜 해수면 상승을 초래하고, 엘니뇨 (EL-Nino) 현상과 같은 이상 기후의 발생을 증가시키고 있는 지구 온난화 현상에 많은 관심이 모아지고 있다. 지구 온난화는 대기 중에 존재하는 온실 효과 가스 (Greenhouse effect gas)가 주범인 것으로 알려져 있는데, 대표적인 온실 효과 가스에는 CO2, N2O, CH4 등이 있고, 이들 중 화석 연료의 연소에서 대량 발생하는 이산화탄소가 가장 큰 영향 (전체의 55% 이상)을 주고 있는 것으로 알려져 있다. 한편, 1994년 3월 "기후변화협약 (FRAME WORK CONVENTION on CLIMATE CHANGE)"이 발효된 이후로 이산화탄소 배출량 감축을 위한 국제적 논의가 진행되고 있으며, 배출되는 이산화탄소를 효율적으로 제어 및 제거할 수 있는 기술 개발에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 우리 나라의 경우는 전체 연료 사용량 중 화석 연료 의존도가 90%에 가까우며 온실가스 배출이 세계 배출량의 1.8% (1997년 세계 11위)로서 꾸준히 증가하고 있는데, 2010년 이산화탄소 배출량이 1990년도 보다 약 7%가 증가할 것으로 예상되어, OECD 가입국으로서 이산화탄소 배출량을 감축하는 국가적이고, 광범위한 조치의 시행이 불가피한 상황이다.The interest of the global village is increasing about side effects such as damage to the natural environment caused by the rapid development of science. In particular, much attention has been paid to global warming, which raises the global average temperature, causing sea level rise and increasing the occurrence of abnormal climates such as EL-Nino. Global warming is known to be caused by the Greenhouse effect gas in the atmosphere. Representative greenhouse gases include CO 2 , N 2 O, and CH 4 . It is known that carbon dioxide has the greatest influence (more than 55% of the total). On the other hand, since the "FRAME WORK CONVENTION on CLIMATE CHANGE" came into force in March 1994, international discussions on carbon dioxide emission reduction have been under way, and the development of technology to efficiently control and remove the carbon dioxide emitted. There is an active research on. In Korea, fossil fuel dependence is close to 90% of the total fuel consumption, and greenhouse gas emissions are steadily increasing as 1.8% of the world's emissions (11th in the world in 1997). Is expected to increase, and as a member of the OECD, it is inevitable to implement national and broader measures to reduce carbon dioxide emissions.

산업 활동에 저해를 일으키지 않고 이산화탄소를 제어하는 방법으로는 물리·화학적 제어 방법, 생물학적 고정화 방법, 해양 저장법 등이 사용되고 있는데, 생물학적 방법은 자연계의 탄소 순환을 이용하는 것으로 가장 환경 친화적인 방법으로 알려져 있으며 1980년대 중반 이후로 일본 및 유럽 등에서 활발한 연구가 이루어지고 있다. 특히 이 방법은 광합성효율이 고등 식물에 비해 우수하고 상온·상압에서 반응이 진행되는 장점을 가지고 있다. 그러나 고농도·대량 배양의 어려움, 광범위한 부지의 필요성, 반응기의 스케일업 (scale-up)으로 인한 고정화 효율 저하, 생산된 바이오매스(biomass)의 처분 등이 문제점으로 지적되고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 고농도·대량 배양이 가능한 반연속식 또는 연속식 배양 시스템의 개발이 필요하며, 광 활용 효율의 저하를 방지하며 장기간 지속적으로 이산화탄소를 고정화할 수 있는 공정의 개발이 필수적이고, 생산된 바이오매스를 적절히 재활용하여 또 다른 폐기물이 생성되는 것을 예방할 수 있어야 한다. 미세조류의 대량 배양을 위한 광반응기 (photo-bioreactor)의 중요한 환경인자로는 광도, 온도, pH, CO2 농도, 질소, 인 등의 영양 물질이 있는데, 이 중에서 다른 환경 인자보다도 광도에 대한 중요성을 인식하여 미세조류가 필요로 하는 빛을 적절히 공급하기 위한 다양한 연구가 진행되었다.Physical and chemical control methods, biological immobilization methods, and marine storage methods are used to control carbon dioxide without disturbing industrial activities. Since the mid-1990s, active research has been conducted in Japan and Europe. In particular, this method has the advantage that photosynthetic efficiency is superior to higher plants and that the reaction proceeds at room temperature and atmospheric pressure. However, problems such as high concentration and mass cultivation difficulties, necessity of extensive site, deterioration of immobilization efficiency due to scale-up of reactor, disposal of produced biomass have been pointed out as problems. In order to solve this problem, it is necessary to develop a semi-continuous or continuous culture system capable of high concentration and large-scale cultivation, and to develop a process for preventing carbon deterioration of efficiency and fixing carbon dioxide continuously for a long time. Appropriate recycling of the produced biomass should prevent other waste from being produced. Important environmental factors of photo-bioreactor for mass cultivation of microalgae are nutrients such as light intensity, temperature, pH, CO 2 concentration, nitrogen and phosphorus, among which the importance of light intensity is higher than other environmental factors. Recognizing this, various studies have been conducted to properly supply the light required by microalgae.

우리 나라와 비슷한 기후조건을 가진 일본에서는 "The Green Planet Project"라는 프로젝트를 진행하였는데, 통산성 (Ministry of International Trade and Industry) 주도 하에 1989년부터 지구상의 CO2 발생량을 매년 2,000억톤씩 감소시키는 것을 목표로 하고 있다. 세부 연구내용으로는 지구전체의 환경산업과 기술에 관한 정보수집, CO2 고정화, 환경오염 측정 센서 개발, 생분해성 플라스틱의 개발 등이 있으나, 가장 중점을 둔 분야는 박테리아나 조류배양을 통한 CO2의 고정화 방법이라고 할 수 있다. 국외에서는 1990년대 초반부터 일본을 중심으로 생물학적 이산화탄소 고정화의 기초 연구가 많은 연구자들에 의해서 활발하게 전개되었다. 한편, 우리 나라의 광 반응기를 이용한 생물학적 이산화탄소 고정화 기술의 발전은 미국, 일본 등에 비하여 약 10년 정도 뒤쳐져 있는 실정이다. 한편, 이스라엘, 태국과 같이 넓은 부지를 이용하여 대규모로 배양하는 경우에는 고급 기술이 필요하지는 않지만, 우리 나라와 같이 이용할 수 있는 국토면적이 제한된 경우에는 적합하지 않은 방법으로 사료된다. 하기 표 1에는 동일한 양의 이산화탄소를 제거하기 위해 필요한 부지 면적을 바이오매스의 종류에 따라 나타내었다. 이를 참조하면, 미세조류를 이용한 이산화탄소의 고정화방법이 적은 부지를 이용하여 효율적으로 이산화탄소를 제거할 수 있는 방법으로 사료 된다 (Tokyo Electric Company, 일본, 1994).In Japan, which has climate conditions similar to those of our country, we have carried out a project called "The Green Planet Project", which has led to the reduction of global CO 2 emissions by 200 billion tons per year since 1989 under the Ministry of International Trade and Industry. Aim. Detailed research contents include collecting information on environmental industries and technologies around the globe, immobilizing CO 2 , developing environmental pollution measuring sensors, and developing biodegradable plastics, but the most important areas are CO 2 through bacteria and algae culture. It can be said that the immobilization method of. Overseas, basic research on biological carbon dioxide immobilization has been actively conducted by many researchers in Japan since the early 1990s. On the other hand, the development of the biological carbon dioxide immobilization technology using the photoreactor of our country is about 10 years behind the United States, Japan and the like. On the other hand, if a large-scale cultivation using a large site, such as Israel and Thailand, advanced technology is not required, but it is considered to be an unsuitable method when the available land area is limited like our country. Table 1 below shows the site area required to remove the same amount of carbon dioxide according to the type of biomass. Referring to this, it is considered that the carbon dioxide immobilization method using the microalgae can remove the carbon dioxide efficiently using a lot of sites (Tokyo Electric Company, Japan, 1994).

<표 1> 자연계의 다양한 이산화탄소 고정화 효율<Table 1> Various CO2 Immobilization Efficiency in Nature

바이오매스 (biomass)Biomass 소요 면적 (km2)Area required (km 2 ) 소나무Pine tree 2,1002,100 대형조류 (macroalgae) Macroalgae 900900 열대 우림 Rainforest 600600 사탕수수sugar cane 400400 미세조류 (microalgae)Microalgae 140140

※ 산정기준: 100MW 석탄화력발전소에서 배출되는 이산화탄소의 90% 제거 ※ Estimation criteria: 90% of CO2 emitted from 100MW coal-fired power plant

따라서, 우리 나라 실정에 맞는 생물학적 이산화탄소 고정화 공정에서 가장 중요한 연구의 방향은 광합성을 통해 이산화탄소를 고정화하는 미세조류의 고농도 및 대량 기술의 확립에 있다. 하기 표 2에는 여러 종류의 생물학적 이산화탄소 고정화 공정을 비교해 놓았다 (환경부, "이산화탄소의 화학적 및 생물학적 고정화 기술", 1997). 여기서 알 수 있듯이 광섬유 반응기를 사용한 경우가 이산화탄소 고정화 효율은 가장 좋지만 소요 비용이 커서 설치가 어려우며, 연못형 반응기의 경우에는 설치비용은 저렴하지만 넓은 부지가 필요하고 고정화 효율이 낮은 단점이 있다. 따라서 1990년대 이후의 대부분의 연구는 소요되는 비용 및 부지도 적고, 고정화 효율도 높은 관형 반응기를 사용하여 진행되었고, 일부 광섬유 반응기를 사용하여 미세조류를 고농도로 배양한 결과도 보고 되었지만, 설치비 및 운영비용이 비싸고, 대규모 설치가 어려운 문제점이 있어서 아직까지 실용화되지 못하고 있다. Therefore, the most important research direction in the biological carbon dioxide immobilization process for our country is the establishment of high concentration and mass technology of microalgae to immobilize carbon dioxide through photosynthesis. Table 2 below compares the different types of biological carbon dioxide immobilization processes (Ministry of Environment, "Chemical and Biological Immobilization Techniques of Carbon Dioxide", 1997). As can be seen here, the use of an optical fiber reactor is the best carbon dioxide immobilization efficiency, but the required cost is difficult to install, and in the case of a pond type reactor, the installation cost is low, but a large site is required and the immobilization efficiency is low. Therefore, most of the research since the 1990s was carried out using a tubular reactor with a low cost, a lot of land, and a high immobilization efficiency, and a result of culturing microalgae at a high concentration using some optical fiber reactors was reported, but the installation cost and operation Costs are high, and large-scale installation has a problem that has not been practical yet.

그 결과 지금까지 개발되어진 배양기술들은 공통적으로 미생물이 고농도일 때 반응기내로의 효율적인 빛 공급의 어려움, 반응기의 스케일업 (scale up)으로 인한 효율저하 등의 문제점을 지니고 있었다. 또한 광합성 미생물을 배양할 때 대표적으로 사용하는 방법이 회분식 (batch)과 연속식 (continuous) 배양인데, 회분식 배양의 경우 미세조류가 성장기 (growth phase)를 지나고 나면, 조류의 성장이 정체기 (stationary phase)에 접어들게 되어, 성장기 이후에는 조류에 의한 이산화탄소의 고정화가 거의 이루어지지 않는다. 반면 이러한 단점을 보완할 수 있는 연속, 반연속식 배양의 경우에는 장기간 운전도 가능할 뿐만 아니라, 실질적인 대량 배양이 가능하다. 한편, 이산화탄소를 고정화하고 성장한 미세조류는 적절히 재활용하지 않으면 또 다른 폐기물로 발생되어 환경에 악영향을 끼치게 된다. 따라서 외국에서는 생물연료로 사용하거나 동식물의 사료로 활용하는 방안에 대해서도 활발히 연구가 진행되고 있다. 그러나 아직까지 우리 나라에서는 이산화탄소 고정화에 초점을 두고 고농도 미세조류의 배양을 위한 광 반응기 및 운전 기술 개발에 많은 연구를 수행하였고, 생산된 미세조류의 처리 및 사용에 관해서는 연구가 미진한 상태이다. As a result, the culture technologies developed so far have problems such as difficulty in efficient light supply into the reactor when the microorganisms are high in concentration and efficiency decrease due to scale up of the reactor. In addition, the typical method for culturing photosynthetic microorganisms is batch and continuous culture. In the case of batch culture, when the algae passes the growth phase, the growth of algae is a stationary phase. ), Almost no immobilization of carbon dioxide by algae after the growth phase. On the other hand, in the case of continuous, semi-continuous culture that can compensate for these disadvantages, not only long-term operation is possible, but also substantial mass culture is possible. On the other hand, the microalgae immobilized and grown carbon dioxide is generated as another waste if not properly recycled will adversely affect the environment. Therefore, studies are being actively conducted on the use of biofuel or animal and animal feed in foreign countries. However, many studies have been conducted in the development of photoreactor and operation technology for the cultivation of high concentration microalgae, focusing on the immobilization of carbon dioxide in Korea, and the research and treatment of the produced microalgae is insufficient.

<표 2> 이산화탄소 고정화 방법의 효율 비교<Table 2> Efficiency Comparison of Carbon Dioxide Immobilization Methods

반응기 형태Reactor mode CO2 고정화속도(g CO2/m2/day)CO 2 fixation rate (g CO 2 / m 2 / day) 소요부지Site 설치비용Installation cost 운전비용Operation cost 연못형 (Pond) Pond 4040 대규모Large-scale 거의 없음Almost none 낮음lowness 관형 (Tubular) Tubular 8080 좁은 공간Narrow space 낮음lowness 높음height 광섬유 (Optical fiber) Optical fiber 160160 좁은 공간Narrow space 높음height 매우 높음Very high

본 발명은 상기 종래 기술이 지니는 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 그 주된 목적은 화석연료를 사용하는 산업체에서 발생하는 이산화탄소를 연속식으로 직접 고정화하는 것이 가능하고, 양질의 영양성분과 높은 열량을 함유하고 있어 동물 또는 치어의 사료로서 제공될 수 있는 미세조류 (유글레나 등) 바이오메스를 제공함이 가능한 광반응기를 제공함에 있다. The present invention has been made to solve the problems of the prior art, the main object of the present invention is to directly fix the carbon dioxide generated in the industry using fossil fuel in a continuous, high-quality nutrients and high calories The present invention provides a photoreactor capable of providing a microalgae (euglena, etc.) biomass that can be contained and used as feed for animals or fry.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 제 1측면에 따른 본 발명은 미세조류의 생육을 위한 연속식 또는 반연속식 광반응기에 있어서, 반응기내로 미세조류의 생육을 위한 배지를 공급하는 배지 공급부, 배지의 플럭 흐름을 유도하기 위해 반응기 내부에 설치되는 다수의 격벽, 반응기내로 이산화탄소를 공급하는 산기부, 반응기 내부 또는 외부에 설치되어 반응기내에 광을 제공하는 광원을 포함함을 특징으로 하는 이산화탄소의 저감 및 미세조류의 대량생산을 위한 광반응기를 제공한다.The present invention according to the first aspect for solving the technical problem is a continuous or semi-continuous photoreactor for the growth of microalgae, the medium supply unit for supplying the medium for the growth of microalgae into the reactor, the medium of Reduction and reduction of carbon dioxide, characterized in that it comprises a plurality of partitions installed inside the reactor to induce the flow of the flow, an acid base unit for supplying carbon dioxide into the reactor, a light source installed inside or outside the reactor to provide light in the reactor and It provides a photoreactor for mass production of microalgae.

또한, 제 2측면에 의한 본 발명은 미세조류의 생육을 위한 연속식 또는 반연속식 광반응기에 있어서, 반응기내로 미세조류의 생육을 위한 배지를 공급하는 배지 공급부, 반응기를 명소와 암소로 구분하고, 상기 명소 또는 암소의 일방에 반응기 내부에서 배지를 상기 명소와 암소를 교대하여 순환시키는 내부순환장치, 반응기내로 이산화탄소를 공급하는 산기부, 반응기 내부 또는 외부에서 반응기내로 광을 제공하는 광원을 포함함을 특징으로 하는 이산화탄소의 저감 및 미세조류의 대량생산을 위한 광반응기를 제공한다.In addition, the present invention according to the second aspect is a continuous or semi-continuous photoreactor for the growth of microalgae, medium supply unit for supplying a medium for the growth of microalgae into the reactor, the reactor is divided into spots and cows And an internal circulation device for alternately circulating the medium in the reactor to one of the spots or cows, an acid base unit for supplying carbon dioxide into the reactors, and a light source for providing light into the reactors from inside or outside the reactors. It provides a photoreactor for reducing carbon dioxide and mass production of microalgae, characterized in that it comprises a.

제 2측면에 따른 본 발명은 바람직하게는 상기 내부순환장치가 체인 스크레이퍼인 광반응기를 제공한다.The present invention according to the second aspect preferably provides a photoreactor wherein the internal circulation device is a chain scraper.

제 1 및 제 2측면에 따른 본 발명은 바람직하게는 상기 산기부에서 공급되는 이산화탄소의 농도가 0.035∼15%(V/V)인 광반응기를 제공한다.The present invention according to the first and second aspects preferably provides a photoreactor with a concentration of 0.035 to 15% (V / V) of carbon dioxide supplied from the acid group.

제 1 및 제 2측면에 따른 본 발명은 바람직하게는 상기 반응기내의 수리학적 체류시간은 3∼10일로 정해지는 광반응기를 제공한다.The present invention according to the first and second aspects preferably provides a photoreactor in which the hydraulic residence time in the reactor is determined to be 3-10 days.

제 1 및 제 2측면에 따른 본 발명은 바람직하게는 상기 산기부가 반응기의 하부에 설치되어지는 광반응기를 제공한다.The present invention according to the first and second aspects preferably provides a photoreactor in which the acid groups are installed at the bottom of the reactor.

이하, 본 발명의 내용을 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, the content of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예로서 제시되는 제 1측면에 따른 광반응기의 구성도로서, 광반응기(11)는 광원(12), 산기부(13), 격벽(14), 가스혼합기(15), 가습기(16), 배지공급수단인 배지공급펌프(17)를 포함하고 있다.1 is a block diagram of a photoreactor according to a first aspect of the present invention, which is presented as a preferred embodiment of the present invention, wherein the photoreactor 11 includes a light source 12, an diffuser 13, a partition 14, and a gas mixer 15. ), A humidifier 16, and a medium supply pump 17, which is a medium supply means.

배양되어지는 미세조류는 양질의 영양성분과 높은 열량을 함유하고 있어 동물 또는 치어의 사료로서 활용이 가능한 종인 한 특별한 한정을 요하지는 아니하나, 바람직하게는 유글레나가 좋다.The microalgae to be cultured contain high-quality nutrients and high calories, and thus do not require any special limitation as long as they are species that can be used as feed for animals or fry, but preferably euglena.

광원(12)은 광반응기(11)의 내부로 광을 전달할 수 있으면 충분하고, 특정한 위치에 둘 것을 요하지는 아니한다. 따라서, 광반응기(11)의 내부 또는 외부의 어느 위치에 설치되어도 무방하다. 또한, 광원은 자연광원 또는 인공광원이어도 무방하지만, 인공광원이 상기 반응기에는 보다 적합하고 이의 예로는 식물 재배용 형광램프가 있다.The light source 12 is sufficient to be able to transmit light into the photoreactor 11 and does not need to be placed in a specific position. Therefore, it may be provided at any position inside or outside the photoreactor 11. In addition, the light source may be a natural light source or an artificial light source, but an artificial light source is more suitable for the reactor, and an example thereof is a fluorescent lamp for plant cultivation.

산기부(13)는 가습기(16)를 통과한 이산화탄소를 포함하는 가스를 반응기 내부로 공급하는 부위이며, 바람직하게는 광반응기(11)의 하부에 설치하여 미세조류가 침전되는 것을 방지하는 것이 좋다. 가습기(16)를 두는 이유는 혼입되는 공기가 100% 습도로 포화되어 광반응기에 공급되었을 때 배지를 증발시키는 것을 방지하여 줄 수 있기 때문에서이다.The acidizer 13 is a portion for supplying a gas containing carbon dioxide that has passed through the humidifier 16 into the reactor, and is preferably installed under the photoreactor 11 to prevent the microalgae from being precipitated. . The reason why the humidifier 16 is provided is that it is possible to prevent evaporation of the medium when the entrained air is saturated to 100% humidity and fed to the photoreactor.

격벽(14)는 광반응기(11)의 내부에 일정간격으로 설치되며, 배지펌프(17)로부터 공급되는 배지가 상기 광반응기의 내부에서 원활한 플럭 흐름 (plug flow)을 유도한다.The partition wall 14 is installed at a predetermined interval inside the photoreactor 11, and the medium supplied from the medium pump 17 induces a smooth plug flow in the inside of the photoreactor.

도 1을 참조하여 광반응기의 동작을 설명하면 다음과 같다. 배지는 배지공급 펌프(17)로부터 반응기의 내부로 유입되며, 배지의 흐름은 격벽(14)에 의해 유도되어 원활하게 반응기 내부를 흐르게 된다. 이때 배지의 흐름속도는 미세조류가 광반응기내에 머무르는 수리학적 체류시간(HRT)이 3∼10일 범위내에 위치하도록 조절하는 것이 바람직하다.The operation of the photoreactor will be described with reference to FIG. 1. The medium is introduced into the reactor from the medium supply pump 17, and the flow of the medium is guided by the partition 14 to smoothly flow inside the reactor. At this time, the flow rate of the medium is preferably adjusted so that the hydraulic residence time (HRT) in which the microalgae stays in the photoreactor is in the range of 3 to 10 days.

배지의 조성은 배양에 제공되는 구체적인 미세조류에 따라 상이할 수 있다. 본 발명에 의하면 미세조류로서 유글레나 글라실리스 (Euglena gracilis Z)가 사용되는 경우, 최적의 배지조성으로서 하기 표 3의 수정된 크라머-마이어(Cramer-Myers) 배지가 선정되었다.The composition of the medium may differ depending on the specific microalgae provided to the culture. According to the present invention, when Euglena gracilis Z is used as the microalgae, the modified Cramer-Myers medium of Table 3 was selected as the optimum medium composition.

<표 3> 배지조성<Table 3> Badge Composition

성분ingredient 농도(g/ℓ)Concentration (g / ℓ) 광물 및 비타민Minerals and vitamins 농도(mg/ℓ)Concentration (mg / ℓ) (NH4)2SO4 (NH 4 ) 2 SO 4 1.01.0 Fe2(SO4)3ㆍ7H2OFe 2 (SO 4 ) 3 ㆍ 7H 2 O 3.03.0 KH2PO4 KH 2 PO 4 1.01.0 MnCl2ㆍ4H2OMnCl 2 4H 2 O 1.81.8 MGSO4ㆍ7H2OMGSO 4 7H 2 O 0.20.2 CoSO4ㆍ7H2OCoSO 4 7H 2 O 1.51.5 CaCl2ㆍ2H2OCaCl 2 2H 2 O 0.020.02 ZnSO4ㆍ7H2OZnSO 4 ㆍ 7H 2 O 0.40.4 EDTA-3Naㆍ2H2OEDTA-3Na.2H 2 O 0.80.8 Na2MoO4ㆍ2H2ONa 2 MoO 4 .2H 2 O 0.20.2 -- -- CuSO4ㆍ5H2OCuSO 4 ㆍ 5H 2 O 0.020.02 -- -- 비타민 B1 Vitamin B 1 0.10.1 -- -- 비타민 B12 Vitamin B 12 0.00050.0005

초기 미세조류의 접종은 특별한 한정을 요하지는 아니하나, 본 발명에서는 별도로 준비된 예비 배양조에서 2주간 배양하여 광반응기 내 총 배지 부피의 3∼5%로 식종되었다.Inoculation of the initial microalgae does not require any particular limitation, but in the present invention, it was incubated for 2 weeks in a preliminary culture tank prepared separately and planted at 3 to 5% of the total medium volume in the photoreactor.

이산화탄소는 산기부(13)를 통해 광반응기 내부로 전달된다. 이산화탄소는 미세조류의 배양만을 목적으로 하는 경우에는 순수한 이산화탄소를 공급하고, 배기가스 중의 이산화탄소를 처리하고자 하는 목적을 수반하는 경우에는 배기가스 등에포함된 이산화탄소(CO2)가 이용될 수 있다.Carbon dioxide is delivered into the photoreactor through the acid unit 13. If carbon dioxide is intended only for the cultivation of microalgae, pure carbon dioxide may be supplied, and carbon dioxide (CO 2 ) contained in the exhaust gas may be used when accompanied with the purpose of treating carbon dioxide in the exhaust gas.

이산화탄소와 공기가 각각의 유량계를 거쳐 가스혼합기(15)로 공급되며, 혼합된 가스는 유량계를 거쳐 가습기(16)로 공급된다. 가습기(16)에서 공급되는 이산화탄소의 농도는 바람직하게는 0.035∼15%(V/V), 보다 바람직하게는 8∼12%(V/V)의 범위가 되도록 유량계 또는/및 가스혼합기에서 조절되어질 수 있다.Carbon dioxide and air are supplied to the gas mixer 15 via each flow meter, and the mixed gas is supplied to the humidifier 16 via the flow meter. The concentration of carbon dioxide supplied from the humidifier 16 is preferably adjusted in the flowmeter or / and the gas mixer so as to be in the range of 0.035 to 15% (V / V), more preferably 8 to 12% (V / V). Can be.

미세조류의 배양시에 요구되는 광도는 사용되는 구체적인 미세조류에 따라 상이할 수 있다. 대부분의 미세조류에 대하여 적합한 광도는 이미 "이산화탄소의 화학적 및 생물학적 고정화 기술"(환경부, 1997) 등의 문헌에 공개되어 있다. 본 발명에서는 유글레나를 배양하는 경우로서 형광램프가 사용되었으며, 광도는 480 μmol/㎡/s로 하였으나, 반드시 이에 한정될 필요는 없다.The brightness required at the time of culturing the microalgae may vary depending on the specific microalgae used. Suitable luminosity for most microalgae has already been published in the literature, such as "Chemical and Biological Immobilization Techniques of Carbon Dioxide" (Ministry of Environment, 1997). In the present invention, a fluorescent lamp was used as a case of culturing euglena, and the luminance was set to 480 μmol / m 2 / s, but is not necessarily limited thereto.

배지와 탄소원으로 되는 이산화탄소의 광반응기내로의 공급을 통해 광반응기(11) 내에서는 유글레나가 수리학적 체류시간(HRT) 동안 성장하며, 상기 기간동안 성장된 후의 바이오매스는 원심분리 등의 방법을 통해 분리하여 동물 또는 치어의 사료로서 제공되어진다.Euglena grows during the hydraulic retention time (HRT) in the photoreactor 11 by supplying carbon dioxide, which is a medium and carbon source, into the photoreactor. Separately served as feed for animals or fry.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예로서 제시되는 제 2측면에 따른 광반응기의 구성도로서, 광반응기(21)는 광원(22), 산기부(23), 내부순환장치(24), 압축기(25), 배지공급펌프(26)를 포함하며, 상기 반응기(21)은 광이 제공되는 명소(27)와 광이 차단된 부위인 암소(28)로 구분되고 있다. 2 is a block diagram of a photoreactor according to a second aspect of the present invention, which is presented as a preferred embodiment of the present invention, wherein the photoreactor 21 includes a light source 22, an diffuser unit 23, an internal circulation device 24, and a compressor ( 25), and a medium supply pump 26, wherein the reactor 21 is divided into a spot 27 where light is provided and a cow 28 that is a light blocked portion.

광원(22)은 광반응기의 명소(27)로 광을 전달할 수 있으면 충분하고, 특정한 위치에 둘 것을 요하지는 아니한다. 따라서, 광반응기(11)의 내부 또는 외부의 어느 위치에 설치되어도 무방하다. 또한, 광원은 자연광원 또는 인공광원이어도 무방하지만, 자연광원이 상기 반응기에서는 보다 적합하다.The light source 22 is sufficient to be able to transmit light to the sights 27 of the photoreactor, and does not need to be placed in a specific location. Therefore, it may be provided at any position inside or outside the photoreactor 11. The light source may be a natural light or an artificial light source, but a natural light source is more suitable in the reactor.

산기부(23)는 압축기(25)에서 공급되는 이산화탄소를 포함하는 가스를 반응기 내부로 공급하는 부위이며, 바람직하게는 광반응기(21)의 하부에 설치하여 미세조류를 부상시켜 반응기 하부에 침전되는 것을 방지한다. 이때 이산화탄소를 포함하는 가스는 보일러 등에서 경유를 연소한 결과 나오는 배기가스 등이 이용될 수 있다.The diffuser 23 is a portion for supplying a gas containing carbon dioxide supplied from the compressor 25 into the reactor, and is preferably installed in the lower portion of the photoreactor 21 to float the microalgae to precipitate in the lower portion of the reactor. To prevent them. At this time, the gas containing carbon dioxide may be used as the exhaust gas resulting from the combustion of light oil in a boiler or the like.

광반응기(21)는 명소(27)와 암소(28)로 구분되어 있으며, 광원은 상기 명소(27)로만 공급되고 있다. 명소에는 배지를 순환시키는 내부순환장치(24)가 구비되어 있다. 내부순환장치의 대표적인 예로는 체인 스크레이퍼(chain scraper)가 있으며, 각각의 스크레이퍼가 순환하면서 배지를 순환시킨다. 명소에서 광에너지를 공급받은 미세조류는 주로 암소에서 성장을 하게 되고, 초기접종 이래 광반응기내에서 미세조류가 포화농도에 이를 때까지 배양된다. 미세조류는 HRT 기간 동안 명소와 암소를 순환하면서 빠른 성장을 하게 된다.The photoreactor 21 is divided into a spot 27 and a cow 28, and a light source is supplied only to the spot 27. The attraction is equipped with an internal circulation device 24 for circulating the medium. A typical example of the internal circulation device is a chain scraper, and each scraper circulates the medium while circulating. Microalgae, which are supplied with light energy from the spot, grow mainly in cows, and are cultured in the photoreactor until the saturation concentration is reached in the photoreactor since the initial inoculation. Microalgae grow rapidly as they cycle through sights and cows during the HRT.

본 발명에 따른 광반응기를 이용하여 미세조류를 배양하면, 기존의 회분식 배양에서와 비교할 때 동일한 조건에서 20∼40% 정도의 배양효율이 증가되어짐을 확인할 수 있다.(도 5 참조) When culturing the microalgae using the photoreactor according to the present invention, it can be seen that the culture efficiency of about 20 to 40% is increased under the same conditions as compared to the conventional batch culture (see Fig. 5).

이하 본 발명의 내용을 실시예에 의해 보다 상세하게 설명하기로 한다. 다만 이들 실시 예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시되는 것일 뿐 본 발명의 권리범위가 이들 실시 예에 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 아니된다.Hereinafter, the content of the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, these examples are only presented to understand the content of the present invention, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to these embodiments.

<실시예 1> 미세조류의 최적 배양 조건 도출Example 1 Derivation of Optimal Culture Conditions of Microalgae

본 실험에서 사용한 미세조류 균주는 빛을 통해 성장에 필요한 에너지를 공급 받고, 외부에서 탄소원을 공급해 주어야 하는 유글레나 글라실리스 (Euglena gracilis Z)이며, 균주를 지속적으로 보존하기 위해 진탕 플라스크에서 개량된 크라머-마이어(Cramer-Myers) 배지 (표 3 참조)를 이용하여 온도는 27℃로 유지하고 이산화탄소를 10% (V/V) 농도로 공급하여 순수 배양하였다.The microalgae strain used in this experiment is Euglena gracilis Z, which must be supplied with energy for growth through light and supply carbon source from the outside. The temperature was maintained at 27 ° C. using Cramer-Myers medium (see Table 3), and carbon dioxide was supplied at a concentration of 10% (V / V) to incubate purely.

우선 공급되는 이산화탄소 농도 변화에 따른 미세조류의 성상 변화를 알아보기 위해 다른 환경 조건은 고정하고 이산화탄소를 공기와 혼합하여 농도를 0.035%∼15% 범위 내에서 조절하고, 회분식 배양을 실시하였다. 그 결과 도 3에서와 같이 최적의 배양을 위한 이산화탄소 농도는 10%인 것으로 조사되었다. First, in order to examine the changes in the properties of the microalgae according to the change in the carbon dioxide concentration supplied, other environmental conditions were fixed, and the carbon dioxide was mixed with air to adjust the concentration within the range of 0.035% to 15%, and the batch culture was performed. As a result, as shown in FIG. 3, the concentration of carbon dioxide for optimum culture was found to be 10%.

<실시예 2> 연속식 광 반응기의 효율 평가Example 2 Evaluation of Efficiency of Continuous Photoreactor

광 반응기 내부에 격벽을 설치한 경우 (도 1 참조)에는 인공 광원 (식물 배양용 형광등)을 사용하여 광도를 480 μmol/㎡/s로 유지하였으며, 이산화탄소 농도는 10%로 고정하고 수리학적 체류시간을 3일에서 10일까지 변화시켜 가면서 연속 배양 하였을 때, 도 4와 같이 수리학적 체류시간이 6일까지는 수리학적 체류시간이 증가함에 따라 미세조류의 농도도 증가하였지만, 수리학적 체류시간 8일 이상에서는 미세조류 농도의 차이가 크지 않았다.In the case where the partition wall was installed inside the photoreactor (see FIG. 1), the light intensity was maintained at 480 μmol / m2 / s using an artificial light source (plant cultivation fluorescent lamp), and the carbon dioxide concentration was fixed at 10% and the hydraulic residence time When the culture was continuously changed from 3 to 10 days, the concentration of microalgae increased as the hydraulic retention time increased up to 6 days as shown in FIG. 4, but the hydraulic retention time was more than 8 days The difference in microalgae concentration was not large.

한편, 명ㆍ암 영역이 보다 뚜렷하게 구분되도록 광 반응기를 개선하여 미세조류가 이러한 명ㆍ암 영역을 순환하며 성장하도록 하는 내부순환장치를 추가한 경우(도 2 참조)에는 자연광원 (태양)을 이용하였는데 광도는 평균적으로 450 μmol/㎡/s로 유지되었고, 수리학적 체류시간을 3일에서 10일까지 변화시켜 가면서 연속 배양 하였다. 이때 이산화탄소원으로는 경유를 사용하는 보일러로부터 배출되는 배기가스 (emission gas)를 이용하였는데, 이러한 배기가스는 CO2 11%, NOx 26 ppm, SOx 5 ppm 총 부유먼지 126 ㎍/㎥로 구성되어 있었다. 그 결과 도 5와 같이 수리학적 체류시간이 증가함에 따라 미세조류의 농도도 지속적으로 증가하는 것으로 관찰되었다.On the other hand, natural light source (sun) is used when an internal circulator is added to improve the light reactor so that the light and dark areas are more clearly distinguished so that the microalgae grow in the light and dark areas. The brightness was maintained at an average of 450 μmol / ㎡ / s, and was continuously cultured by changing the hydraulic retention time from 3 to 10 days. At this time, emission gas emitted from a boiler using diesel oil was used as a carbon dioxide source, and this exhaust gas was composed of 11% of CO 2 , 26 ppm of NOx, and 5 ppm of SOx. . As a result, as the hydraulic residence time increases as shown in Figure 5 it was observed that the concentration of microalgae continues to increase.

이러한 연속식 배양 결과를 기존의 회분식 배양 결과와 비교해 보면 하기 표 4에 나타낸 바와 같이 동일한 배양 조건에서 회분식 배양시의 미세조류 농도와 비교해 보았을 때, 내부 격벽이 설치된 광 반응기의 경우에는 미세조류 농도가 23% 증가하였고, 명ㆍ암 영역이 구분된 광 반응기의 경우는 35%가 증가한 것으로 조사되었다. When comparing the results of the continuous culture with the results of the conventional batch culture, as shown in Table 4 below, the microalgal concentration in the case of the photoreactor in which the inner partition is installed is compared with the microalgal concentration in the batch culture under the same culture conditions. It was increased by 23%, and the increase of 35% in the case of the photoreactor divided into light and dark areas.

<표 4> 새로운 개념의 광 반응기에 의한 미세조류 배양 효율 향상<Table 4> Improvement of microalgae cultivation efficiency by new concept photoreactor

배양 방법Culture method 광 반응기 형태Photoreactor mode 운전 기간Driving period HRTHRT 최종 미세 조류 농도Final microalgal concentration 회분식Batch 일반 관형General tubular 6일6 days -- 0.60 ± 0.1 g/L0.60 ± 0.1 g / L 연속식Continuous 격벽 설치 (100L)Bulkhead installation (100L) 24일24 days 6일6 days 0.74 ± 0.1 g/L0.74 ± 0.1 g / L 연속식Continuous 명ㆍ암 교차 (1,000L)Light and dark cross (1,000L) 24일24 days 6일6 days 0.81 ± 0.2 g/L0.81 ± 0.2 g / L

<실시예 3> 생산된 미세조류 바이오메스의 활용성 평가Example 3 Evaluation of the utility of the produced microalgal biomass

한편, 연속식 배양을 통해 6일 동안 성장한 유글레나를 건조하여 원소분석을 실시한 결과, 하기 표 5와 같이 전체 건조 무게의 약 65%가 탄소로 이루어져 있음을 알 수 있었고, 본 실험에서 사용한 미세조류가 혼합 공기로 공급되는 이산화탄소에서 탄소원을 공급받아 성장하였으므로 성장 기간 동안에 1g 이산화탄소 가스로부터 약 0.42g의 새로운 미세조류가 합성되는 것으로 조사되었다.Meanwhile, as a result of performing elemental analysis by drying the euglena grown for 6 days through continuous culture, it was found that about 65% of the total dry weight was composed of carbon as shown in Table 5 below. Since the carbon source was grown from carbon dioxide supplied to the mixed air, about 0.42 g of new microalgae were synthesized from 1 g of carbon dioxide gas during the growth period.

또한, 배양된 미세조류의 각종 구성 성분과 열량을 조사하여 하기 표 6에 나타내었다. 그 결과 약 47%의 단백질과 15%의 지방 성분 등을 포함하고 있는 것으로 조사되었으며, 겉보기 대사 열량 (apparent metabolizable energy)은 약 4,700 cal/g로 조사되어 동물, 치어 등의 사료로 충분히 활용될 수 있다고 판단되었다.In addition, various components and calories of the cultured microalgae were investigated and shown in Table 6 below. As a result, it was found that it contains about 47% protein and 15% fat component, and the apparent metabolizable energy is about 4,700 cal / g, which can be utilized as feed for animals and fry. It was judged that.

<표 5> 연속 배양된 유글레나 미세조류의 세포 구성 성분Table 5 Cell Components of Euglena Microalgae Cultured Continuously

구성 성분Component 평균 값Average value CC 64.8%64.8% HH 7.7%7.7% OO 13.7%13.7% NN 13.8%13.8% 분자식Molecular formula C6.28H8.95ON1.15 C 6.28 H 8.95 ON 1.15

<표 6> 연속 배양된 유글레자 미세조류의 영양가Table 6 Nutritional Value of Continuously Cultured Eugleza Microalgae

구성 성분Component 평균 값Average value 조단백질Crude protein 46.75%46.75% 조지방Crude fat 15.19%15.19% 조섬유Crude fiber 0.33%0.33% 조회분View minutes 4.96%4.96% 수분moisture 3.49%3.49% 대사가능 에너지Metabolic energy 4,676 cal/g4,676 cal / g

본 발명에 의하면 이산화탄소를 효과적으로 제거함과 동시에, 미세 조류를 대량으로 배양할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 광반응기는 화석연료를 사용하는 산업체에서 발생하는 이산화탄소를 연속식으로 직접 고정화하는 것이 가능하고, 이를 통해 지구 온난화가스인 이산화탄소를 저감할 수 있을 뿐만 아니라, 부산물로 생산되는 미세조류(유글레나 등) 바이오메스는 양질의 영양성분과 높은 열량을 함유하고 있어 동물 또는 치어의 사료로서 활용되어질 수 있다.According to the present invention, while effectively removing carbon dioxide, microalgae can be cultured in large quantities. Therefore, the photoreactor according to the present invention can directly fix carbon dioxide generated in an industry using fossil fuel in a continuous manner, thereby reducing carbon dioxide, which is a global warming gas, and being produced as a byproduct. Algal (euglena, etc.) biomes contain high-quality nutrients and high calories and can be used as feed for animals or fry.

도 1은 제 1측면에 따른 본 발명의 바람직한 실시예로서 제시되는 광반응기의 구성도1 is a block diagram of a photoreactor presented as a preferred embodiment of the present invention according to the first aspect

도 2는 제 2측면에 따른 본 발명의 바람직한 실시예로서 제시되는 광반응기의 구성도2 is a block diagram of a photoreactor presented as a preferred embodiment of the present invention according to a second aspect

도 3은 이산화탄소 농도변화에 따른 미세조류의 성장변화 관찰도3 is a growth observation of the microalgae according to the change in carbon dioxide concentration

도 4는 본 발명의 제 1측면에 따른 광반응기를 대상으로 수행한 미세조류 배양효율을 측정한 결과 그래프Figure 4 is a result of measuring the microalgae culture efficiency performed in the photoreactor according to the first aspect of the present invention

도 5는 본 발명의 제 2측면에 따른 광반응기를 대상으로 수행한 미세조류 배양효율을 측정한 결과 그래프5 is a graph showing the result of measuring the microalgae culture efficiency performed on the photoreactor according to the second aspect of the present invention

<도면의 주요부분에 대한 부호설명><Code Description of Main Parts of Drawing>

11,21: 광반응기 12,22: 광원11,21: photoreactor 12,22: light source

13,23: 산기부 14: 격벽13,23: footnote 14: bulkhead

15: 가스혼합기 16: 가습기15: Gas Mixer 16: Humidifier

17,26: 배지공급펌프 24: 내부순환장치17, 26: medium supply pump 24: internal circulation device

25: 공기 압축기25: air compressor

Claims (6)

미세조류의 생육을 위한 연속식 또는 반연속식 광반응기에 있어서, 반응기내로 미세조류의 생육을 위한 배지를 공급하는 배지 공급부, 배지의 플럭 흐름을 유도하기 위해 반응기 내부에 설치되는 다수의 격벽, 반응기내로 이산화탄소를 공급하는 산기부, 반응기 내부 또는 외부에 설치되어 반응기내에 광을 제공하는 광원을 포함하는 이산화탄소의 저감 및 미세조류의 대량생산을 위한 광반응기In the continuous or semi-continuous photoreactor for the growth of microalgae, a medium supply for supplying a medium for the growth of microalgae into the reactor, a plurality of partitions installed inside the reactor to induce the flow of the flow of the medium, Photoreactor for reducing carbon dioxide and mass production of microalgae including an acid base unit for supplying carbon dioxide into the reactor, a light source installed inside or outside the reactor to provide light in the reactor 미세조류의 생육을 위한 연속식 또는 반연속식 광반응기에 있어서, 반응기내로 미세조류의 생육을 위한 배지를 공급하는 배지공급부, 반응기를 명소와 암소로 구분하고, 상기 명소 또는 암소의 일방에 반응기 내부에서 배지를 상기 명소와 암소를 교대하여 순환시키는 내부순환장치, 반응기내로 이산화탄소를 공급하는 산기부, 반응기 내부 또는 외부에서 반응기내로 광을 제공하는 광원을 포함하는 이산화탄소의 저감 및 미세조류의 대량생산을 위한 광반응기In the continuous or semi-continuous photoreactor for the growth of microalgae, a medium supply unit for supplying a medium for the growth of microalgae into the reactor, the reactor is divided into a spot and a cow, the reactor in one of the spot or cow Reduction of microalgae and microalgae, including an internal circulation device for circulating the medium alternately between the spot and the cow, an acid base unit for supplying carbon dioxide into the reactor, and a light source for providing light into the reactor from inside or outside the reactor. Photoreactor for Mass Production 제 2항에 있어서, 내부순환장치는 체인 스크레이퍼임을 특징으로 하는 광반응기The photoreactor of claim 2, wherein the internal circulation device is a chain scraper. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 산기 장치에서 공급되는 이산화탄소의 농도는 0.035∼15%(V/V)로 정함을 특징으로 하는 광반응기The photoreactor according to claim 1 or 2, wherein the concentration of carbon dioxide supplied from the acidifier is set at 0.035 to 15% (V / V). 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 반응기내의 수리학적 체류시간은 3∼10일로 정함을 특징으로 하는 광반응기The photoreactor according to claim 1 or 2, wherein the hydraulic retention time in the reactor is set to 3 to 10 days. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 산기부는 반응기의 하부에 설치되어짐을 특징으로 하는 광반응기The photoreactor according to claim 1 or 2, wherein the acid group is installed at the bottom of the reactor.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100786141B1 (en) * 2007-08-30 2007-12-18 농업회사법인 주식회사 자연지기 Apparatus of culture medium production and microbe culture
US8940531B2 (en) 2011-09-02 2015-01-27 Hyundai Motor Company System for culturing and recovering micro algae
CN113862113A (en) * 2021-09-10 2021-12-31 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 Photobioreactor for microalgae culture and application

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