KR20110000463A - 광합성 미생물 배양을 위한 다채널 광생물 반응기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광합성 미생물 배양을 위한 다채널 광생물 반응기에 관한 것으로서, 균주의 탐색 및 최적화 그리고 빠른 생물공정의 개발을 위해 다수의 웰을 가지는 마이크로플레이트를 기반으로 한 다채널 광생물 반응기에 관한 것이다.

본 발명의 광합성 미생물 배양을 위한 광생물 반응기는 챔버와, 챔버 내부에 설치되며 다수의 웰을 가지는 마이크로플레이트와, 챔버 내부에 설치되어 상기 마이크로플레이트 방향으로 광을 조사하는 광원과, 광원부에서 조사되는 광이 상기 웰의 내부에서 배양되는 배양액 중으로 골고루 전달될 수 있도록 상기 마이크로플레이트를 진동시키는 교반수단과, 마이크로플레이트의 온도를 조절하기 위한 온도조절부를 구비한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 다수의 웰을 가지는 다채널 마이크로플레이트를 이용하여 광합성 균주의 탐색 및 최적화 그리고 빠른 생물공정의 개발을 위한 광생물 반응기로 유용하게 이용할 수 있다. 그리고 본 발명의 광생물 반응기는 교반 및 정밀한 온도조절이 가능하여 최적의 생물반응 환경을 조성할 수 있다.

광합성 미생물, 배양기, 생물반응기, 마이크로플레이트, 편심축, 교반

Description

광합성 미생물 배양을 위한 다채널 광생물 반응기{multi-channel Photobioreactor for culturing photosynthetic microorganisms}

본 발명은 광합성 미생물 배양을 위한 다채널 광생물 반응기에 관한 것으로서, 균주의 탐색 및 최적화 그리고 빠른 생물공정의 개발을 위해 다수의 웰을 가지는 마이크로플레이트를 기반으로 한 다채널 광생물 반응기에 관한 것이다.

생물공정 기술은 정밀화학 제품의 생산, 효소와 재조합 단백질 등의 치료제의 생산이 증가함에 따라 경제적으로 중요한 기술로 급부상하였다. 21세기에 들어와서 괄목할만한 성장을 보이고 있는 생물공정기술은 미래 산업사회에서 그 기대가치가 매우 높을 것으로 예측된다.

미생물에 대한 지식이 축적되어 감에 따라 이를 인류에 유용하게 전환 조작 및 대량생산을 하려는 노력이 이루어지고 있으며, 이에 따라 특정 생물체를 조절된 환경에서 키울 수 있도록 생물반응기에 대한 연구도 활발히 이루어지고 있다. 생물반응기는 특정물질이나 세포를 생산하기 위해 또는 특정 반응을 수행하기 위해 생물체를 조절된 환경에서 키울 수 있도록 하는 반응기다.

특히, 광합성 미생물의 다양한 능력에 기인하여, 폐수의 처리, 이산화탄소의 고정화, 연료물질의 생산, 의약품, 화장품 등의 그 사용 범위가 확대되었으며, 요구도가 증가되고 있다. 하지만, 생체 중량 및 유용생산물을 대량으로 생산하기 위해서는 경제적, 기술적으로 효율적인 배양기의 개발이 절실히 필요하다.

광합성 미생물의 생체 중량 및 유용생산물 증가에 영향을 미치는 요소들은 배지의 조성, 온도, pH, 광도, 광량 등의 많은 요인들이 존재하지만, 그중에서도 광합성 미생물의 특성상 빛이 차지하는 비중은 가장 크게 존재한다. 빛의 공급의 효율성이야말로 광생물반응기를 제작하는데 중요하게 고려되어야 할 사항이다.

광생물반응기의 형태에 따라 다르지만, 일반적으로 광생물반응기의 규모가 커지면 커질수록 빛의 공급의 효율성은 떨어질 수밖에 없다. 낮은 세포 농도에 빛을 공급할 때는 큰 문제로 작용하지 않지만, 높은 세포 농도에서는 빛이 투과되는 한계가 있으며, 세포 간의 상호 간섭효과(mutual shading)로 인해 광생물반응기 표면에는 강한 광도가 공급되어도 광생물반응기 중심에는 빛이 거의 도달되지 못해 불균형적인 빛의 분포도를 갖게 된다.

특히 빛 에너지에 영향을 크게 받아 생산되는 유용생산물을 미생물로부터 생산할 경우에는 많은 빛 에너지를 공급함으로써 더욱 상기에 언급한 문제가 크게 발생할 수 있다.

최근에 광합성 미생물에 유래된 여러 고부가 산물들이 개발되면서 이를 고농도 배양하기 위한 다양한 배양 장치가 개발되고 있다. 적도 지방과 같이 기후가 온난하고 토지 비용이 저렴한 지역에서는 연못(pound) 형태나 외륜(paddl wheel)으로 배지를 순환시키는 수로(raceway) 형태의 옥외 배양법을 주로 사용하였으나, 상기 방법의 경우에는 설치비와 운영비가 적게 드는 반면 고농도 배양이 힘들고 다른 미생물에 의해 오염 가능성이 높아 목적 산물의 분리 회수 비용이 증가한다는 단점이 있다.

이를 극복하기 위하여 고농도 대량 배양에 적합한 여러 형태의 광생물반응기가 구미 선진국과 일본, 이스라엘, 호주 등을 중심으로 개발되고 있다. 널리 사용되고 있는 광생물반응기로는 외부 광원으로 태양광을 이용하는 관형 광생물반응기(tublar photobioreactor)와 판넬형 광생물반응기(thin-panel photobioreactor) 등이 알려져 있다(대한민국 등록특허 제 220310호).

한편, 국내의 경우나 일본 등과 같이 사계절의 변화가 뚜렷하고, 토지 비용이 고가인 지역에서는 내부 조명으로 광섬유, 형광램프, 발광다이오드 소자 등을 다수 설치함으로써 단위부피당 조사 표면적을 최대화할 수 있는 구조를 갖는 여러 형태의 내부조사형 광생물반응기(internally radiating photobioreactor)가 개발되어 있다(대한민국 등록특허 제 283026호).

상기 언급된 광생물반응기들은 모두 대용량으로서 생물제품 대량생산에 이용되며, 발효기의 크기로 인해 많은 시간과 노동력이 요구되어지며 값비싼 기질의 소모가 많은 단점을 지니고 있다.

반면에 광합성 미생물을 배양하기 위한 빛 에너지의 효과적인 공급, 배양액의 온도 조절 및 혼합에 관한 기술 개발은 미진한 편이다. 따라서 생물학적 생산공정을 최적화할 수 있도록 간단한 구조로 되어 있어 조작이 용이하고, 새로운 광합성 균주의 탐색이 가능하도록 소형화, 고속화 처리가 가능한 다채널 생물반응기에 대한 요구가 커지고 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 개선하고자 창출된 것으로서, 광합성 균주의 탐색 및 최적화 그리고 빠른 생물공정의 개발을 위해 다수의 웰을 가지는 다채널 마이크로플레이트를 이용하고, 교반 및 정밀한 온도조절이 가능하여 최적의 생물반응 환경을 조성할 수 있는 다채널 광생물 반응기를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 광합성 미생물 배양을 위한 광생물 반응기는 챔버와; 상기 챔버 내부에 설치되며 다수의 웰을 가지는 마이크로플레이트와; 상기 챔버 내부에 설치되어 상기 마이크로플레이트 방향으로 광을 조사하는 광원과; 상기 광원부에서 조사되는 광이 상기 웰의 내부에서 배양되는 배양액 중으로 골고루 전달될 수 있도록 상기 마이크로플레이트를 진동시키는 교반수단과; 상기 마이크로플레이트의 온도를 조절하기 위한 온도조절부;를 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 교반수단은 상기 마이크로플레이트가 고정되는 고정판과, 상기 고정판이 장착되는 진동플레이트와, 상기 진동플레이트에 결합되는 링크와, 상기 링크와 연결되어 상기 링크에 진동을 가하는 진동부를 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 진동부는 상기 챔버의 내측에 고정된 지지패널에 설치되는 모터와, 상기 모터의 구동축에 결합된 구동기어와, 상기 지지패널에 지지된 핀에 결합되어 상기 구동기어와 치합하는 제 1종동기어와, 상기 제 1종동기어와 치합하는 제 2종동 기어가 결합되며 상기 지지패널에 설치된 출력축과, 상기 출력축의 단부에 형성되되 상기 출력축의 중심에서 편심되게 형성되며 상기 링크와 연결되는 편심축을 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 온도조절부는 상기 마이크로플레이트의 상방에 설치되는 면상발열체와, 상기 챔버의 측면에 형성된 공기 유입구에 설치되어 상기 마이크로플레이트와 상기 면상발열체 사이로 외기를 유입시키는 제 1팬과, 상기 공기 유입구와 마주하는 챔버의 측면에 형성된 공기 유출구에 설치되어 내기를 유출시키는 제 2팬을 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 웰에 광을 조사한 후 상기 웰로부터 반사되는 광량을 측정하여 상기 웰의 배양액 중의 미생물의 농도를 모니터링하는 광학부;를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 광학부는 상기 마이크로플레이트의 하방에 마련된 테이블을 따라 이동하여 상기 마이크로플레이트에 마련된 다수의 웰 중 어느 하나의 웰과 대응되는 블록과, 상기 블록에 설치되어 광을 생성하는 LED모듈과, 상기 블록에 설치되며 상기 LED모듈에서 생성된 광을 상기 블록과 대응되는 웰의 바닥에 전달하는 제 1광섬유와, 상기 블록에 설치되며 상기 웰로부터 방출된 반사광을 전달하는 제 2광섬유와, 상기 블록의 하부에 설치되어 상기 제 2광섬유로부터 전달된 반사광을 검출하는 광검출기를 구비하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 다수의 웰을 가지는 다채널 마이크로플 레이트를 이용하여 광합성 균주의 탐색 및 최적화 그리고 빠른 생물공정의 개발을 위한 광생물 반응기로 유용하게 이용할 수 있다.

그리고 본 발명의 광생물 반응기는 교반 및 정밀한 온도조절이 가능하여 최적의 생물반응 환경을 조성할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 다채널 광생물배양기에 대해서 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광생물 반응기의 내부를 나타내는 단면도이고, 도 2는 도 1에 적용된 교반수단을 나타내는 분리사시도이고, 도 3은 도 2의 교반수단에 적용된 진동플레이트의 A-A'의 단면을 나타내는 단면도이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 광생물 반응기를 개략적으로 나타내는 구성도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 다채널 광생물배양기(10)는 크게 챔버(11)와, 광원(20)과, 마이크로플레이트(30)와, 온도조절부와, 교반수단을 구비한다.

챔버(11)는 내부에 일정한 크기의 수용공간이 형성된 통상적인 것으로서, 내부를 개폐할 수 있는 도어(미도시)가 설치될 수 있다. 챔버(11)의 내부에는 마이크로플레이트(30)가 장착된다. 미생물 배양에 있어서 무엇보다 중요한 변수는 온도조절인 데 본 발명에서는 목적하는 온도조절을 위해 면상발열체(40)와 팬(45)(47)을 이용하여 챔버(11)의 내부를 일정한 온도로 유지한다. 그리고 광합성 미생물이 생장하는 과정에서 필요한 빛은 챔버(11)의 상부에 설치된 광원(20)에서 조사한다. 또한, 광원(20)에서 조사된 빛이 배양액 내부로 골고루 잘 전달될 수 있도록 교반수단을 구비한다.

본 발명에서 마이크로플레이트(Micro plate)(30)는 하나의 프레임에 다수개의 웰(31)이 형성되고, 상기 형성된 다수개의 웰(31)은 각 웰에서 각종 정보를 효율적으로 검출하기 위하여 정렬형성된다. 도시된 예에서는 마이크로플레이트(30)는 24개의 웰(well)로 형성되어 있으나, 이외에도 4 내지 1536개의 웰이 형성될 수 있다.

웰(31)은 액체를 담을 수 있는 형태라면 사각기둥, 원기둥, 마름모기둥 및 시험관형 등의 어떠한 형태라도 가능하며, 광학검출을 위해 저면이 평평한 사각기둥 및 원기둥의 형태가 바람직하다. 마이크로플레이트(30) 대신에 시험관 또는 프로브(Probe)가 고정된 랙(Rack)형태를 사용할 수 있다.

그리고 각 웰(31)의 바닥에는 웰(31)에서 배양되는 광합성 미생물들의 각종정보를 광학적으로 검출할 수 있도록 광센서막이 형성될 수 있다. 광센서막은 단일 센서물질을 포함할 수 있고, 두 가지 이상의 센서물질을 포함하여 동시에 여러 가지 검출물질을 분석할 수 있다. 광센서막은 각각의 센서물질이 나노입자 및 마이크로 입자등의 소립자에 흡착, 공유결합 및 포획되어 포함되어 있다. 센서물질은 형광염료와 바이오컨주게이트 또는 형광염료와 바이오컨주게이트에 생체분자가 포접된 센서물질을 사용하여 광학적 검출방법으로 웰(31) 내의 용존산소, 이산화탄소, pH, 단당류, 다당류, 유기산, 알콜, 콜레스테롤, 콜린 및 크산틴 등의 각종정보를 모니터링할 수 있도록 한다. 형광염료는 루테니움 복합체, HPTS(8-하이드로시피렌- 1,3,6-트리설폰산트리나트륨염) 및 플루오르세인아민으로 이루어진 군에서 선택되는 형광염료를 사용하며, 루테니움을 이용한 복합체들은 특정 파장에서 형광 특성을 갖는데, 대표적으로 RuDPP(트리스(4,7-디페닐-1,10-페난트롤린)루테니움 (Ⅱ) 복합체)는 470 ㎚의 여기광을 입사시켰을 때 580 ㎚의 형광을 방출하는 특성을 지니고 있으며, 산소의 농도에 반비례하여 형광을 발생시킨다. 또한, HPTS는 이산화탄소 검출용 형광염료로 사용되며, 플루오르세인아민은 pH 검출용 형광염료로 사용되는 물질이다. 상기 센서물질을 웰(31)에 고정하는 방법은 졸-겔법을 사용하여 웰(31)에 직접 광센서막을 형성하여 고정하는 방법과 PET, PC, PES, PAR 및 PP 등의 광투과율이 높은 투명한 고분자 필름이나 실리콘레진필름 위에 졸-겔법을 사용하여 센서물질을 포함하는 광센서막을 코팅한 필름을 제조한 후 상기 필름을 접착제를 사용하여 고정하는 방법을 사용할 수 있다. 또한 상기 고정된 광센서막은 n(n은 1~100의 자연수)개로 분할하여 각각의 분할막에 서로 독립적인 센서물질을 포함하도록하여 한 개의 웰에서 n개의 서로 독립적인 광검출을 할 수 있다. 이와 같이 구성된 광센서막에 여기광을 조사하여 광세서막으로부터 방출되는 형광을 검출하여 광합성 미생물들에 대한 각종 정보를 광학적으로 검출할 수 있는 것이다.

마이크로플레이트(30)에서 배양되는 광합성 미생물로 빛을 조사하는 광원(20)에서 생성된 광은 웰(31)의 배양영역을 투과하면서 빛에너지의 감소를 가져올 수 있다. 초래되는 빛에너지 감소량은 광원(20)의 광도, 바이오매스의 농도, 미생물의 크기 및 색소함량, 빛 투과거리 등에 영향을 받게 된다.

이에, 배양시 배양영역으로 공급되는 빛에너지 공급량을 미생물의 성장에 적 정한 수준이 되도록 유지해야 한다. 배양시 빛 에너지 공급량이 너무 적으면 배양영역 내에서 유용 산물을 축적할 수 없고 균체 성장이 저해되고, 반대로 빛에너지 공급량이 너무 많으면 광합성에 사용되지 않은 빛에너지가 열에너지로 전환되어 배양액의 온도를 상승시킬 수 있다.

본 발명에 적용가능한 광원(20)으로는 발광다이오드 소자가 가장 적합하지만, 이외에도 형광램프, 할로겐 램프, 광섬유, 네온관 등 광합성에 적합한 빛(PAR: Photosynthetically ActiveRadiation)을 발하는 광원 중에서 선택된 한 개 이상의 것을 사용할 수 있다. 또한, 상기 광원들의 운전은 한 종류의 광원을 사용하거나 두 종류 이상의 광원을 복합적으로 활용할 수 있으며, 태양광을 빛에너지 공급원으로 기본적으로 이용하고, 계절적(겨울), 시간적(야간), 기상적(흐린 날) 요인 및 균체 성장과 효과적인 대사산물의 축적에 따라 모자라는 빛에너지를 추가 광원을 이용하여 불충분한 빛에너지를 공급하는 방법도 가능하다. 이러한 광원을 활용하는데 있어서, 빛에너지 공급량 및 파장, 빛에너지 공급시간 및 주기를 배양영역의 균체성장에 적합하거나, 유용산물 생산에 적합하도록 공지의 기술로 조절할 수 있다.

광원(20)에서 발생한 광이 웰(31) 내의 배양액에 골고루 전달될 수 있도록 교반수단이 마련된다. 본 발명에서는 교반수단으로서 통상적인 임펠러와 같은 고성능 교반장치가 적용되기 어렵다. 따라서 다수의 웰(31)이 형성된 소형의 마이크로플레이트(30)를 교반시키기 위한 교반수단으로서 모터에 의해 회전하는 편심축을 이용한다.

구체적으로 교반수단은 마이크로플레이트(30)가 고정되는 고정판(41)과, 상 기 고정판(41)이 장착되는 진동플레이트(43)와, 상기 진동플레이트(43)에 결합되는 링크(50)와, 상기 링크(50)와 연결되어 상기 링크(50)에 진동을 가하는 진동부를 구비한다.

고정판(41)은 내측에 마이크로플레이트(30)가 삽입되어 고정될 수 있도록 내측이 빈 사각의 액자 구조로 되어 있다. 그리고 진동플레이트(43) 역시 내측이 빈 사각의 액자 구조로 되어 있어, 고정판(41)이 상방에서 진동플레이트(43)의 내측에 결합되어 장착된다. 고정판(41)과 진동플레이트(43)는 고정나사(44)에 의해 고정된다. 진동플레이트(43)의 일측에는 진동부와 연결된 링크(50)가 결합된다.

링크(50)는 곧게 형성된 사각 바(51)의 양단에 제 1 및 제 2링(53)(55)이 형성된 구조를 가진다. 제 1 및 제 2링(53)(55)에는 일정한 크기의 관통공이 형성된다. 링크의 제 1링(53)은 고정핀(60)에 의해 진동플레이트(43)의 일측에 결합된다. 고정핀(60)은 봉형상의 본체(61)와, 본체(61)의 양단부에 연장되어 각각 형성되며 본체(61)보다 더 작은 직경을 가지는 봉형상의 제 1 및 제 2삽입부(63)(65)로 이루어진다.

링크의 제 1링(53)에는 고정핀의 본체(61)가 삽입된다. 이때 본체(61)와 제 1링(53) 사이에는 베어링(57)이 설치되어 고정핀(60)에 대하여 제 1링(53)이 회전할 수 있는 구조를 가진다. 본체(61)에 제 1링(53)이 결합된 상태에서 고정핀(60)의 제 1삽입부(63)는 진동플레이트(43)에 형성된 삽입구에 끼워져 진동플레이트에 고정된다. 그리고 고정핀(60)의 제 2삽입부(65)는 진동플레이트(43)의 하부에 결합되는 브라켓트(70)에 형성된 삽입구(71)에 끼워져 고정된다. 브라켓트(70)는 진동 플레이트(43)와 나사(75)에 의해 결합된다. 그리고 진동플레이트(43)는 챔버(11) 내부에 형성된 베이스부(13)에 진동가능하도록 지지된다. 즉, 베이스부(13)에서 상방으로 형성된 고정바(17)의 상단이 진동플레이트(43)의 하부에 마련된 장착홈(미도시)에 삽입된다. 장착홈은 진동플레이트(43)가 진동될 수 있도록 고정바(17)의 직경보다 더 크게 형성된다.

진동부(80)는 챔버(11)의 내측에 고정된 지지패널(81)(83)에 설치된다. 지지패널(81)(83)은 도시된 바와 같이 상부패널(81)과 하부패널(83)로 이루어진다. 하부패널(83)의 하부에는 전동모터(85)가 나사(87)에 의해 고정된다. 모터(85)의 구동축(86)은 하부패널(83)의 상부로 돌출되고, 돌출된 구동축(86)에는 구동기어(89)가 축결합된다. 하부패널(83)의 상면에는 구동기어(89)가 수용되는 제 1수용홈(91)이 형성된다. 그리고 제 1수용홈(91) 옆에는 구동기어(89)와 치합하는 제 1종동기어(93)가 수용되는 제 2수용홈(95)이 형성된다. 제 1종동기어(93)는 하단이 하부패널(83)에 회전가능하도록 지지되고 상단이 상부패널9810에 회전가능하도록 지지되는 핀(97)에 축결합된다. 제 2수용홈(95) 옆에는 제 1종동기어(93)와 치합하는 제 2종동기어(99)가 수용되는 제 3수용홈(101)이 형성된다. 제 2종동기어(99)는 출력축(103)에 축결합된다. 출력축(103)은 하부는 하부패널(83)에 설치된 베어링(105)에 의해 지지된다. 그리고 출력축(103)의 상부는 상부패널(81)에 설치된 베어링(107)에 의해 지지된다. 출력축(103)의 상단부에는 편심축(110)이 상방으로 연장되어 형성된다. 편심축(110)은 출력축(103)보다 더 작은 직경으로 형성되며, 출력축(103)의 중심에서 일측으로 편심되게 형성된다. 편심축(110)은 상부패널(81)에 형성된 관통공(113)으로 삽입되어 상부패널(81) 위쪽으로 돌출되도록 설치된다. 상부패널(81)과 하부패널(83)은 네 귀퉁이에 체결되는 볼트(116)에 의해 상호 결합된다. 편심축(110)은 링크의 제 2링(55)에 장착된다. 이때 제 2링(55)과 편심축(110) 사이에는 베어링(115)이 설치된다.

상기와 같은 교반수단에 의해 모터(85)가 회전함에 따라 편심축(110)과 연결된 링크(50)를 통해 마이크로플레이트(30)가 좌우로 약 1 내지 2mm씩 왕복운동을 하도록 한다. 따라서 광원(20)에서 조사된 빛은 웰(31) 내의 배양액 중으로 골고루 전달될 수 있음과 동시에 배양액과 미생물을 혼합해주고 산소전달을 높일 수 있다.

미생물의 비성장속도는 미생물이 자라는 환경에 많은 영향을 받는 데, 특히 배양온도에 의해 큰 영향을 받는다. 광생물반응기는 미생물의 성장 및 생산에 적합한 온도로 유지되어야 하는 데 반응기 내의 열전달 현상 및 온도 제어는 광생물반응기의 특성과 효율을 결정하는 중요한 요소가 된다. 대형 생물반응기의 온도는 쟈켓을 이용한 열수와 냉각수를주입하여 제어되는 데 임펠러와 같은 고성능 교반장치에 의해 배양액이 교반되기 때문에 반응기 내 배양액의 온도분포는 거의 일정하다고 볼 수 있다.

하지만 본 발명과 같이 2ml이하의 소형 광생물반응기(10)에서는 대형 생물반응기와 같이 냉각 자켓을 이용한 열순환시스템이나 임펠러의 사용이 적합하지 않다.

따라서 본 발명에서는 상술한 바와 같이 모터(85)와 편심축(110)을 이용한 교반수단을 적용함에 있어서 온도조절을 위한 온도조절부는 마이크로플레이트(30) 의 상방에 설치되는 면상발열체(40)와, 챔버(11)의 측면에 형성된 공기 유입구(141)에 설치되어 상기 마이크로플레이트(30)와 상기 면상발열체(40) 사이로 외기를 유입시키는 제 1팬(145)과, 상기 공기 유입구(141)와 마주하는 챔버(11)의 측면에 형성된 공기 유출구(143)에 설치되어 내기를 유출시키는 제 2팬(147)을 구비한다. 공기유입구(141)와 공기유출구(143)의 형성 높이는 면상발열체(40)와 마이크로플레이트(30) 사이에 위치하는 것이 바람직하다. 제 1팬(145)에서 유입되는 공기는 면상발열체(40)와 마이크로플레이트(30) 사이를 통과하여 제 2팬(147)을 통해 외부로 배출된다. 공기유입구(141)에는 항균을 위한 항균필터(42)가 설치된다.

본 발명은 이와 같이 열원으로 면상발열체(40)를 이용하고, 면상발열체940)로부터 열을 웰(31)로 전달하기 위해 팬(145)(147)을 설치하여, 팬(145)(147)으로부터 열풍이 마이크로플레이트(30)에 균일하게 분배되도록 한다. 따라서 온도편차가 낮은 균일한 온도조절이 가능하다.

한편, 본 발명은 웰(31)에 광을 조사한 후 상기 웰(31)로부터 반사되는 광량을 측정하여 상기 웰(31)의 배양액 중의 미생물의 농도를 모니터링하는 광학부(130)를 더 구비할 수 있다.

가령, 광학부(130)는 마이크로플레이트(30)의 하방에 마련된 테이블(15)을 따라 이동하여 상기 마이크로플레이트(30)에 마련된 다수의 웰 중 어느 하나의 웰(31)과 대응되는 블록(131)과, 상기 블록(131)에 설치되어 광을 생성하는 LED모듈(135)과, 상기 블록(131)에 설치되며 상기 LED모듈(135)에서 생성된 광을 상기 블록(131)과 대응되는 웰(31)의 바닥에 전달하는 제 1광섬유(137)와, 상기 블 록(131)에 설치되며 상기 웰(31)로부터 방출된 반사광을 전달하는 제 2광섬유(139)와, 상기 블록(131)의 하부에 설치되어 상기 제 2광섬유(139)로부터 전달된 반사광을 검출하는 광검출기(140)를 구비한다. 도시된 바와 같이 반사도 뿐만 아니라 용존산소, pH등의 다른 정보도 함께 검출할 수 있도록 다수의 LED모듈과, 광섬유로 이루어질 수 있다.

블록(131)은 직육면체 형상으로 베이스부(13)의 상부에 마련된 테이블(15)의 상부에 설치되어 각 웰(31)의 하부에 차례로 위치 이동한다. 블록(131)의 이동은 테이블(15)에 설치된 통상적인 X축 이동수단과 Y축 이동수단과 결합되어 전후좌우로 이동한다.

LED모듈(135)에서는 광원으로 650nm의 빛을 방출하는 고휘도 적색 LED를 이용한다. LED모듈(135)에서 생성된 광은 제 1광섬유(137)를 통해 어느 하나의 웰(31)의 바닥에 조사되고, 웰(31)로부터 반사된 반사광은 제 2광섬유(139)를 통해 광검출기(140)로 전달된다. 광섬유를 통해 광을 전달함으로써 광의 간섭을 최소화할 수 있다. 이와 같이 반사광을 측정함으로써 각 웰(31)에 배양되는 미생물의 개체수를 모니터링 할 수 있다. 미생물이 발효되면서 개체수가 증가함에 따라 발효액의 탁도가 높아지는 데, 탁도를 측정하여 세포농도를 측정하는 원리이다. 미생물이 성장함에 따라 반사도는 감소하는 것으로 나타난다. 이는 광원으로부터 입사되는 빛이 배양액 내의 미생물에 흡수되어 광검출기로 되돌아오는 빛의 양이 감소되기 때문이다. 광검출기(140)로 광증배관(Photo-multiplication Tube: PMT)를 이용한다. 이외에도 광검출기(140)로는 포토다이오드를 이용할 수 있음은 물론이다.

그리고 도시되지 않았지만 챔버(11)에는 증폭기 및 A/D컨버터, 컨트롤러 등으로 이루어진 전자회로부가 설치되어 광검출기(140)로부터 전기적 신호를 증폭하고 디지털 신호로 변환시킨다. 또한, 본 발명은 챔버(11)의 외부에 전자적으로 화면을 표시하는 디스플레이부가 마련되고, 디스플레이부의 일측에는 각종 셋팅 및 조작을 위한 조작부가 마련될 수 있다. 그리고 전원을 공급하기 위한 전원부가 더 마련된다. 전원부는 배터리를 이용하거나 외부에서 전선을 통해 인입되는 전원을 이용할 수 있다.

<실험예:온도제어실험>

최적의 온도조절시스템을 찾기 위해 열원으로서 6.25mm( 직경 ?)와 50mm길이를 가지는 소형 세라믹 히터(HLA2101, Hakko Co., Japan)와 두께 0.2mm와 길이 180mm, 폭 100mm의 면상발열체(DC180-100, Sun Tech Co., Korea)를 사용하였다.

도 5에 도시된 바와 같이 다섯 가지 형태의 온도조절시스템을 제작하여 각 시스템에 따른 온도구배를 조사하였다.

A,B,C형에서는 열원으로 세라믹히터를 사용하였다. 먼저, A형의 경우 세라믹 히터의 전면부 즉, 챔버 쪽에 직경 60mm팬을 설치하여 가열된 공기가 챔버 내부로 전달되도록 하였으며, 그 옆에 다른 팬을 설치하여 챔버 내부의 공기가 순환되도록 하였다.

B형의 경우 마이크로플레이트의 위쪽에서 가열된 공기가 유입되도록 하였으며, 공기 유입구와 유출구는 격리되어 있는 것이 특징이다. 그리고 C형태의 경우 B형태와 같이 마이크로플레이트 위쪽으로부터 공기가 유입되는데, 마이트로 플레이 트 전체면적에 대해 일정한 양의 공기가 유입되도록 제작하였다.

그리고 D와 E에서는 열원으로 면상발열체를 이용하였다. D의 경우 챔버 양쪽에서 외부공기를 유입하고 유입된 공기가 챔버 내부에 혼합되도록 하였다. 그리고 E에서는 외부로부터 유입되는 공기가 한쪽 방향으로만 흐르도록 하였다.

상기 다섯 가지 형태의 온도조절시스템의 온도분포 특성을 조사하기 위해 도 6에 도시된 바와 같이 다수의 열전대(DM6801A⁺, Victor Electronics Co., USA)를 사용하여 마이크로플레이트의 온도분포를 측정하였다. 그리고 챔버의 내부 온도는 그리고 챔버 내부에는 온도센서를 두어 35℃에서 ±1℃ 이내로 제어하였다.

각 시스템에 대한 온도 분포는 도 7 내지 도 11에 나타내었다.

세라믹히터의 우측면부 팬을 이용하여 가열공기를 불어넣어 주고 내부 공기를 순환시키는 A형의 경우 챔버 내부의 공기 온도는 평균 34.8℃였으며, 0.57의 표준 오차를 보였다. 그러나 최대 온도와 최저온도는 3℃이상의 차를 나타내 본 발명의 온도조절시스템으로는 적합하지 않은 것으로 판단되었다.

공기 유입구와 배출구가 격리되어 있는 형태인 B형의 경우에서는 평균 온도가 설정온도인 35℃보다 높은 35.96℃로 나타났으며, 평균오차는 0.15를 보였다. 또한 챔버 상단부에서 가열공기가 유입되는 형태인 C형은 평균온도 35.08℃, 표준오차 0.08, 최대온도와 최저온도의 차이가 1.2℃로 세라믹히터를 이용한 항온시스템 중 가장 좋은 온도 제어 값을 보였다.

한편, A,B,C형의 온도분포 데이터를 이용하여 유의수준을 0.01로 하여 분산 분석(ANOVA)을 실시하였을 때 P값은 0.069로 나타나, 1%의 허용오차 한계를 벗어나는 결과를 가져왔다. 세라믹 히터는 빠른 시간에 가열되어 빠른 응답을 제공하지만 많은 열을 발산하기 때문에 본 발명의 광생물반응기의 항온시스템으로는 부적합한 것으로 나타났다.

그리고 면상발열체를 이용한 D, F형의 온도분포를 보면, 면상발열체를 이용한 온도제어가 세라믹히터를 이용한 제어보다 고른 온도분포를 가지는 것을 확인할 수 있으며, D형의 경우 평균 온도 34.75℃, 표준오차 0.1, 그리고 최대온도와 최저온도의 차이가 1℃미만이었다.

그리고 E형의 경우에 평균온도 35.38℃, 표준오차 0.05, 그리고 최대온도와 최저 온도의 차이가 0.7℃ 미만으로 다섯 형태의 항온 시스템 중 가장 좋은 온도분포 특성을 보였다. 또한, 면상발열체를 이용한 항온시스템의 온도데이터를 분산분석하였을때 P값이 10^-5으로써 1%의 허용오차보다 매우 낮게 나타나 본 발명의 광생물반응기의 온도제어용 히터로서 적합한 것으로 나타났다.

이상, 본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광생물 반응기의 내부를 나타내는 단면도이고,

도 2는 도 1에 적용된 교반수단을 나타내는 분리사시도이고,

도 3은 도 2의 교반수단에 적용된 진동플레이트의 A-A'의 단면을 나타내는 단면도이고,

도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 광생물 반응기를 개략적으로 나타내는 구성도이고,

도 5는 본 발명의 실험예에서 실험한 여러가지 온도조절시스템을 보여주는 개략적인 구성도이고,

도 6은 본 발명의 실험예에서 마이크로플레이트의 온도분포를 측정하기 위해 설치된 열전대의 배치상태를 나타내는 그림이고,

도 7은 본 발명의 실험예에서 실험한 여러가지 온도조절시스템에 의한 마아크로플레이트의 온도분포를 나타내는 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

Claims (6)

1. 챔버와;

   상기 챔버 내부에 설치되며 다수의 웰을 가지는 마이크로플레이트와;

   상기 챔버 내부에 설치되어 상기 마이크로플레이트 방향으로 광을 조사하는 광원과;

   상기 광원부에서 조사되는 광이 상기 웰의 내부에서 배양되는 배양액 중으로 골고루 전달될 수 있도록 상기 마이크로플레이트를 진동시키는 교반수단과;

   상기 마이크로플레이트의 온도를 조절하기 위한 온도조절부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 광합성 미생물 배양을 위한 다채널 광생물 반응기.
2. 제 1항에 있어서, 상기 교반수단은 상기 마이크로플레이트가 고정되는 고정판과, 상기 고정판이 장착되는 진동플레이트와, 상기 진동플레이트에 결합되는 링크와, 상기 링크와 연결되어 상기 링크에 진동을 가하는 진동부를 구비하는 것을 특징으로 하는 광합성 미생물 배양을 위한 다채널 광생물 반응기.
3. 제 2항에 있어서, 상기 진동부는 상기 챔버의 내측에 고정된 지지패널에 설치되는 모터와, 상기 모터의 구동축에 결합된 구동기어와, 상기 지지패널에 지지된 핀에 결합되어 상기 구동기어와 치합하는 제 1종동기어와, 상기 제 1종동기어와 치합하는 제 2종동기어가 결합되며 상기 지지패널에 설치된 출력축과, 상기 출력축의 단부에 형성되되 상기 출력축의 중심에서 편심되게 형성되며 상기 링크와 연결되는 편심축을 구비하는 것을 특징으로 하는 광합성 미생물 배양을 위한 다채널 광생물 반응기.
4. 제 1항에 있어서, 상기 온도조절부는 상기 마이크로플레이트의 상방에 설치되는 면상발열체와, 상기 챔버의 측면에 형성된 공기 유입구에 설치되어 상기 마이크로플레이트와 상기 면상발열체 사이로 외기를 유입시키는 제 1팬과, 상기 공기 유입구와 마주하는 챔버의 측면에 형성된 공기 유출구에 설치되어 내기를 유출시키는 제 2팬을 구비하는 것을 특징으로 하는 광합성 미생물 배양을 위한 다채널 광생물 반응기.
5. 제 1항에 있어서, 상기 웰에 광을 조사한 후 상기 웰로부터 반사되는 광량을 측정하여 상기 웰의 배양액 중의 미생물의 농도를 모니터링하는 광학부;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 광합성 미생물 배양을 위한 다채널 광생물 반응기.
6. 제 5항에 있어서, 상기 광학부는 상기 마이크로플레이트의 하방에 마련된 테이블을 따라 이동하여 상기 마이크로플레이트에 마련된 다수의 웰 중 어느 하나의 웰과 대응되는 블록과, 상기 블록에 설치되어 광을 생성하는 LED모듈과, 상기 블록에 설치되며 상기 LED모듈에서 생성된 광을 상기 블록과 대응되는 웰의 바닥에 전달하는 제 1광섬유와, 상기 블록에 설치되며 상기 웰로부터 방출된 반사광을 전달 하는 제 2광섬유와, 상기 블록의 하부에 설치되어 상기 제 2광섬유로부터 전달된 반사광을 검출하는 광검출기를 구비하는 것을 특징으로 하는 광합성 미생물 배양을 위한 다채널 광생물 반응기.

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