KR20110095989A

KR20110095989A - 미세조류 급속배양방법 및 환경변이 지질화장치

Info

Publication number: KR20110095989A
Application number: KR1020100015455A
Authority: KR
Inventors: 김영남
Original assignee: 김영남
Priority date: 2010-02-20
Filing date: 2010-02-20
Publication date: 2011-08-26

Abstract

본 발명은 미세조류의 저비용 고효율의 배양방법을 제시하며, 바이오디젤의 원료에 적합한 지질함량이 높은 바이오메스(미세조류)를 수득하여 자연순환되는 재생에너지를 얻기 위한 것으로, 대표도면에 표시된 바와 같은 과정으로 최종 산물인 바이오디젤까지의 전체적인 생산과정 중에서 가장 핵심적인 역량이 필요한 배양장 설비 및 형질전환을 유도하여 미세조류내의 고지방산을 얻기 위한 장치의 생산과정을 통해 지질함량이 높은 미세조류의 생산방법을 제공하는 것을 특징으로 한다.

Description

미세조류 급속배양방법 및 환경변이 지질화장치{ Culture methods of microalgae and Environmental variation to transfer lipids}

본 발명은 배양액이 흐르도록 유도하는 미세조류 배양못(Raceway Pond)에 PC(렉산)투명막을 씌워 자외선(85%이상)의 차단 과 배양액의 최적온도(25~27도)유지, 고휘도 LED(발광다이오드)를 설치하여 일몰 후에도 광합성을 유도, 미세조류(microalgae)의 성장에 최적환경을 조성함으로 분화속도를 촉진, 미세조류를 급속배양하는 방법 및 수확한후 미세조류(biomass)를 질소원 미네랄 등을 인위적으로 차단하여 스트레스를 가함으로 미세조류가 생존모드(종족보존)로 변이 될 수 있도록 유도, 지질의 함량(80%)을 높이는 것을 목적으로 하는 방법이다.

미세조류는 25억년~30억년전에 출현하여 탁월한 환경적응 능력과 폭발적인 번식력으로 현재까지 그종을 유지하는 지구상의 가장 오래된 생물이자 독립영양 유기체로서 각종 산업에서 미세조류에서 추출한 유용물질로 대체의약품, 건강식품, 화장품, 사료, 연료 등을 생산하는 목적으로 사용되어 왔으며 연구 등을 통해 고부가가치의 유용한 물질들이 추가적으로 발견되어 지고 있어 그 활용범위 및 가치가 더욱 확대되어 지고 있다.

최근 들어 무분별한 화석연료의 사용으로 연료의 고갈 및 산업체의 CO₂배출로 인한 지구온난화의 가속화가 화석연료를 대체할 수 있는 신재생에너지 개발에 많은 투자와 관심이 집중되어 연구가 활발히 이루어지고 있다.

미세조류의 폭발적인 번식능력은 지상식물의 30배가 넘는 바이오매스 생산성을 갖는다. 이와 같이 생산성이 높은 미세조류에서 바이오디젤(biodiesel)의 원료 및 고부가가치를 지닌 추가적인 부산물을 수득하기 위한 것으로, 더 자세하게는 지질함량이 높은 녹조류 중 클로렐라(chlorella-지방질 14~22%)의 대량배양을 통해 화석연료 고갈에 따른 대체에너지 및 지구온난화의 주범인 co₂ 배출 저감을 이끌어 내기 위한 기술이다.

연료를 얻기 위한 좀 더 명확하게는 바이오디젤(biodiesel)의 원료를 생산하기 위한 미세조류의 배양방법으로는 옥외배양(Pond-open system)과 광생물반응기(Photo bio reactor-close system)를 이용하는 것으로 나누어 볼 수 있다. 옥외배양은 주로 호수 및 연못(pond)의 형태를 갖춘 반응시설로서 일조량이 많은 일부 국가에서 이미 상용화되어있는 배양방법이다.

상기 형태의 옥외배양 시설은 초기 설비 및 운영관리 비용이 저렴한 장점이 있으나 기후 조건 및 일조량, 경쟁종의 침투 및 오염, 빛의 조사율의 한계, 낮은 세포농도 등의 문제들을 안고 있어 배양장소가 매우 제한적이다.

이러한 문제들로 1980년대 이후 외부와 차단된 밀폐형 광생물반응기(PBR)를 통한 배양방법들이 개발되어 왔다.

현재 개발되어 있는 형태로는 교반형 반응기, 관형 반응기, 판형 반응기, 칼럼형 반응기 등이 있으며 고농도 배양을 위한 필수 조건인 빛의 확보 및 빠른 배양을 유도하기 위한 새로운 기술방법이 계속 연구개발되어 오고 있다.

널리 이용되고 있는 미세조류 배양용 광생물반응기로는 외부광원으로 태양광을 이용하는 관형 미세조류 배양용 광생물반응기와 판넬형 미세조류 배양용 광생물반응기 등이 알려져 있다. 상기 반응기는 태양광에 노출되는 조사 면적을 최대화하고 배양액 내부로의 빛 투과 거리를 짧게 하기 위하여, 좁고 긴 직사각형 또는 원통형 파이프를 조밀하게 밀착시켜 배양액을 순환시키는 구조를 갖는다.

상기에서 언급한 태양광에 의존하기에는 지리적·기후적 조건에서 낮의 길이가 짧아 장시간 빛의 확보가 어렵거나 성장과정에 미세조류의 자기-차광 현상을 방지하기 위해 반응기 내부에 인공광을 만들어 광의 확보를 하여야 하는데 기존의 내부 광원으로써 형광등 등의 광원을 사용하는 경우, 연속적으로 장치를 작동하여야 하고 이에 따라 전기(에너지)를 과도하게 사용하므로 효율적이지 못하다는 문제점이 있어 최근에는 LED(발광다이오드)를 이용한 기술이 접목되어 지고 있다.

이와 같이 광생물반응기는 빛의 투과율 확보가 배양에 있어 필수적인 요인으로 태양광으로 부터 부족한 광원을 LED광에 의존하기에는 반응기의 구조 및 형태상 비용적 측면이나 배양면적에 제한이 있어 대량생산을 위해서는 많은 수의 반응기가 설치되어야 하기 때문에 초기비용의 부담이 크며, 우리나라와 같이 추운 겨울이 존재하는 지역에서는 반응기 파이프 외벽과 외부온도와의 직접적인 마찰로 인해 미세조류의 배양온도를 고르게 유지하기에는 다소 무리가 따른다.

이상과 같이 옥외배양방법에 비해 상기의 광생물반응기는 형태 및 구조상 미세조류의 배양량이 상당히 제한적이며 설비 비용 및 운영관리 비용에 대한 부담이 있어 상업적 규모의 배양설비로서는 적합하지 않다.

이는 현재의 바이오디젤 또는 바이오에탄올의 원료로써 차지하는 생산원가를 고려해 볼 때 그리 실용적이지 못한 방법이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 대량생산이 가능한 옥외배양방법의 이점과 고농도의 배양이 가능한 광생물반응기의 이점을 살린 배양방법을 제공함과 동시에 성장한 미세조류를 환경변이 과정를 거치게 함으로써 최대 지질함량을 80%까지 가능하여 생산원가가 저렴한 미세조류배양장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 생산원가가 저렴한 대량배양 및 고농도의 배양이 가능하며 성장한 미세조류의 지질함량을 늘리기 위한 장치로서 아래와 같은 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 배양시설은 옥외배양의 형태를 가진 구조로 순환형 연못(raceway pond)으로 조성되어 미세조류의 대량배양에 적합한 구조를 갖는다.

배양장 배후에 축산분료(70%)와 음식물쓰레기(30%)를 혼합, 혐기소화시켜 바이오가스(메탄)를 발생, 포집후 메탄가스를 태워 열병합발전을 일으키는 바이오가스발전설비를 둔다. 발전설비로부터 생산된 전력은 미세조류배양장의 수차와 LED조명설비, 미세조류의 수확기 동력원으로 쓴다. 또한 폐열수는 동절기 배양장의 배양액의 온도조절에 활용한다, 발전설비에서 메탄가스를 태우고 남는 탄소(C)원,혐기소화후 남는 부산물인 부스타(액상비료-P+N+K)는 배양장의 미세조류의 먹이(미네랄)원으로 쓴다.

상기배양장에 배양장 한 끝에 투명 렉산(PC)으로 하우스형태인 운용시설을 설치하여 미세조류의 수확기 설치, 액상비료(미네랄) 분사식 공급장치시설, 환경변이시설설치, 원심건조장치를 설치하고 인력이 배치되 운용관리한다.

상기의 배양장(연못)에 수차를 장치하여 미세조류의 물의 순환을 유도함으로써 미세조류의 자리 및 위치이동으로 고른 빛의 조사권을 확보할 수 있으며 성장한 미세조류가 바닥에 침전되는 현상을 막아 고른 성장 또한 유도할 수 있다.

상기배양장에 2개의 파이프라인을 설치해 1개의 파이프라인에는 배양장하부까지 연결하는 ∪자 형태의 작은 파이프라인과 연결하여 발전설비로부터 생산된 탄소를 배양장에 공급한다, 이때 하부로부터 공급되는 탄소는 미세조류의 수직이동을 유도하여 미세조류의 배양 조건을 최적화시킨다.나머지 1개의 파이프라인은 광합성작용을 통해 발생하는 산소(용존산소가 많으면 광합성을 방해한다)를 배양장으로부터 배출해주는 기능을 갖는다.

배양연못의 상단부는 폴리카보네이트(Polycarbonate)를 이용한 투명 돔형의 밀폐된 구조로 조성하여 경쟁종의 침투 및 오염으로부터 미세조류를 보호하며, 미세조류의 성장(광합성)에 가장 큰 영향을 미치는 광원 중에서 미세조류의 광합성작용을 방해하는 자외선(가시광선)을 차단하여 줌으로써 조류의 성장을 촉진시켜 높은 세포농도를 가질 수 있도록 하였다. 이와 같이 상기의 돔형의 구조물은 내부 공기층의 온실효과를 유발하여 우리나라와 같이 추운 겨울이 존재하는 지역에 적합한 구조를 갖는다.

흐린 날 또는 야간에도 지속적인 광합성(명반응)작용으로 빠른 성장을 유도하도록 돔형구조물 상단부 중앙에 적색 LED광을 이용하여 추가적인 광원을 얻으며, 식물 및 미세조류의 광합성에 가장 효과적인 적색 LED광(바이오디젤에 유용한 불포화지방산인 올레익산 1.5배 증가)을 조사시킴으로써 24시간 조류의 빠른 성장을 유도하여 미세조류의 성장을 촉진시 킬 수 있다. 또한 배양장 하부에 발광페인트를 칠해 상부에서 조사된 적색led광원을 반사시켜 더 많은 광원을 얻는다.

상기의 구성과 조건하에서 수확된 미세조류는 밀폐된 사각 투명탱크에 물과 1:1로 혼합하여 투입한 후 먹이원(질소, 미네랄)을 차단하고 내부온도를 31도~33도 유지한 상태에서 활성산소를 투입 광합성을 유도하여 미세조류의 생존전략(종족보존)에 의해 스스로 형질전환을 유도하여 단백질 등의 영양원을 지방으로의 변이를 촉진시켜 최대 80%의 지방함량이 가능하도록 조건을 조성함으로써 바이오디젤의 원료의 양을 최대로 늘릴 수 있도록 발명되었다.

본 발명을 통해 미세조류의 대량생산과 기후조건에 상관없이 고농도의 미세조류 생산이 가능하고 미세조류에 함유된 지질지방을 최대로 늘려 생산원가가 저렴한 바이오디젤의 원료로서, 식용 곡물 자원들과의 경쟁 없이 상업적으로 미세 조류를 생산이 가능하며 2차적 부산물인 유박(Oil Cake)의 활용도와 가치가 우수하여 미래에너지 및 자원으로서 상업적 활용 가치가 매우 높다.

도 1은 실시 예에 따른 배양설비를 개략적으로 나타내는 평면도
도 2는 실시 예에 따른 배양설비를 개략적으로 나타내는 우측단면도
도 3은 도 2의 일부를 개략적으로 나타내는 측단면도
도 4는 도 1의 수차배치를 개략적으로 나타내는 모식도
도 5는 도 2의 배양설비 내에 장치되는 파이프라인의 단면도
도 6은 폴리카보네이드(PC)의 설치단면도
도 7은 LED설치 단면도
도 8은 성장한 미세조류만 선별하여 수확하는 장치단면도
도 9는 환경변이 장치의 단면도

이하, 본 발명의 첨부된 도면을 참고로 하여 상기와 같은 목적, 특징 및 장점 등을 실시 예를 통해 상세하게 설명한다.

도 1과 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 미세조류 배양장의 평면도 및 우측면도를 나타낸 것이다.

먼저, 도 1에 도시된 본 발명의 미세조류 배양장은 무한 순환이 가능한 형태의 순환형 연못(raceway pond)의 구조로서 4개의 트랙구조를 가지며 한 방향(시계방향)으로 순환형 구조를 가진다. 설치되는 배양배지 조건 및 기타 여건에 따라 2개의 트랙구조를 가지기도 한다. 연못의 깊이는 태양광에 노출되는 조사범위를 고려해 최대 48cm이하로 담수 하여 시공한다.

도 2에 도시된 바와 같이 트랙은 지상바닥면으로부터 상층에 설치되어 조성되게 함으로써 태양광의 조사면적을 최대로 확보했다. 또한, 도 3에 도시된 바와 같이 바닥면은 맨 하부에 발포(發泡)스티렌 수지(11)의 단열재를 깔고 부직포(bonded fabric)등(12)의 단열재를 추가로 깔아 2중으로 조성한다. 이는 지하의 냉기를 차단하여 담수 된 연못의 보온을 유지하고 외부물질과의 접촉을 차단하며 또한 배양 배지의 결빙과 해빙으로 인한 갈라짐으로부터 설비장치를 보호하기 위한 것이다. 상기의 단열재 위에 마감재로 폴리우레탄 소재의 단단한 특수비닐(13)로 트랙 전체를 감싸는 형태로 시공한다. 이렇게 하여 담수 된 물과 미세조류의 유출을 막으면서 비용을 절감할 수 있다. 또한, 시공된 특수비닐 바닥면 위에 자체 발광이 가능한 무독성 발광페인트(14)를 도료 하여 시공함으로써 빛의 반사에 의한 조사율을 높이도록 조성한다.

담수 된 물(배양액)과 미세조류의 흐름을 원활히 유도하기 위해 도 4에 도시된 바와 같이 연못의 크기에 따라 일정간격(75M)으로 다수의 수차(21)를 설치하여 지속적이면서 유속이 일정한 순환이 이루어지도록 한다.

도 5에 도시된 바와 같이 상부의 파이프라인이 좌·우측 모두 연못의 트랙을 따라 일자형으로 장치되는데 원통형의 파이프 라인(31a)에 2m간격으로 보조 구멍을 내어 보조 파이프라인(32a)을 결합하여 하부의 바닥면에 ∪자 형태로 조성되며 바닥 파이프 라인(33a)에 일정간격으로 배출 구멍(34a)을 내어 미세조류의 영양원인 탄소 및 더운 공기층을 넣어 줌으로써 담수 된 물의 온도를 유지시켜 준다. 이와 같이 조성된 파이프 라인은 좌측과 우측의 사용용도가 달리 되는데 좌측 라인(31a)은 탄소가스를 공급해 주는 역활을 담당하는 대신 우측 라인(31b)은 미세조류의 성장중에 발생하는 용존산소를 흡입배출하는 산소배출구 역활을 하게 된다.

도 6에 도시된 바와 같이 상단부는 투광성과 기계적 강도가 뛰어나면서 비용이 저렴한 폴리카보네이트 소재의 투명하우스를 타원형으로 조성한다. 투명하고 빛이 잘 투과되어야 하므로, 이러한 조건을 만족한다면 다른 재질로도 하우스를 조성할 수 있다.

상기의 하우스 상단 중앙부분에도 7에 도시된 바와 같이 LED광(51)을 배치하여 흐린날 또는 야간에 빛의 조사를 가능하게 하여 미세조류가 지속적으로 성장을 할 수 있도록 조성한다. 여기에서, LED광은 미세조류의 광합성 작용시 중요한 역할을 담당하는 광원인 적외선 파장으로 적색광을 사용하는 것이 고농도 세포성장에 중요하며 적색등과 청색(20%)등이 번갈아 교차 발광하게 조성하는 것도 미세조류의 종에 따라 더 효과적일 수 있다.

상기와 같이 조성된 연못의 코너에도 8에 도시된 바와 같이 그물형태의 거름망(61)을 장치하여 성장한 조류(7~15μ)가 유속의 흐름에 따라 이동중에 자연적으로 걸러지게 하여 중앙의 원통형의 수거통(62)에 포집 될 수 있도록 조성하여 수시로 수거가 가능하게 조성한다.

상단부에는 트랙에 가로지르는 파이프 라인(63)에 각각의 노즐을 장착하여 액상부스터를 분사형으로 지속적인 공급이 가능하도록 조성한다.

상기와 같은 일련의 작업중에 수거된 미세조류는 도 9에 도시된 바와 같이 폴리카보네이트 소재의 투명한 밀폐 진공용기에 물과 함께 1:1로 희석시켜 투입한 후 미세조류의 자리이동이 가능하도록 교반장치(71)를 장치하여 조성하여야 한다. 교반과정에 미세조류가 전체적으로 고르게 빛에 노출되게 하여 생존모드(아사)상태의 조건을 만들어 단백질류에서 지질 지방함량으로의 변이가 가능하도록 하여야 조성한다.

상기와 같이 조성된 본 발명의 배양설비에서 성장 및 수확, 환경변이 과정을 거친 미세조류는 대표도에 예시된 바와 같이 기계의 물리적 압착에 의해 오일과 부산물인 유박으로 분리되어 지고, 채유 된 오일은 바이오디젤의 원료가 되며 부산물인 유박(cake)은 재처리 과정을 거쳐 고급사료나 화장품의 원료로 사용되어지게 된다.

본 발명에서 소개된 배양장 구성시의 각각의 소재들은 특정 소재로만 제한을 두는 것은 아니며, 본 발명의 주된 범위는 조성되는 방법 및 절차와 전체적인 구성에 있다.

상기의 배양시설을 통해 생산비가 저렴한 미세조류의 대량배양이 이루어진다면 기존 화석연료의 고갈에 따른 대체에너지로서 활용도가 우수하며, 산업체의 이산화탄소 배출의 저감을 획기적으로 줄이는 등, 고유가 문제, 환경오염문제 등에 커다란 기여를 할 수 있을 것으로 본다. 뿐만 아니라 유용한 물질이 많아 우주식으로도 잘 알려진 2차 산물인 유박(Oil Cake)로 고부가가치의 건강보조식품, 미용재료, 신의약물질, 기능성 사료(성장촉진인자인 CGF물질이 성장기 어류나 동물의 성장을 도와줘 자연성장 시보다 20%이상 성장을 촉진한다)로 국민 건강에 도움을 주며 인류의 부족한 식량문제, 농어촌의 사료문제 해결에 일조할 수 있다

11 : 발포(發泡)스틸렌 수지 12 : 부직포(bonded fabric)
13 : 폴리우레탄 특수비닐 14 : 발광 페인트
21 : 목(木)재질의 수차 31a : 65Ø 파이프 라인(탄소공급)
32a : 25Ø 보조 파이프라인 33a : 20Ø 바닥면 하부 파이프 라인
34a : 탄소 배출구 31b : 65Ø 파이프 라인(산소배출)
32b : 20Ø 보조 파이프라인 33b : 20Ø 바닥면 하부 파이프 라인
34b : 용존 산소 배출구 51 : 고휘도 적색 LED광
61 : 미세조류 거름(천)망 62 : 미세조류 수거통
63 : 액상부스터 파이프 라인 71 : 미세조류 교반기

Claims

미세조류를 상업적으로 대량배양함에 있어서 돔형 렉산하우스에 의한 배양액의 수온유지방법 및 바이오가스 발전설비로부터의 동력(전기력)조달 및 탄소원, 먹이원(액상비료)의 조달방법 및 LED 적색광을 조사함으로 명반응의 광합성을 유도하여 미세조류의 배양극대화 방법과 성장한 미세조류만을 선별수확하는 방법 및 밀폐된 투명탱크에서 질소원, 먹이원을 차단함으로 형질의 변이를 유도하여 바이오디젤의 원료인 지질함량을 극대화하는 방법 과 미세조류를 대량배양함에 있어서 배양액의 수평이동(수차)과 수직이동(탄소공급)을 유도하여 미세조류의 배양환경을 최적화하여 자연환경에서보다 4배 이상 분화를 촉진, 성장시켜 바이오메스(Biomass)의 생산을 극대화하는 방법