KR20110096243A - 특정 파장의 필터기능이 있는 해양 미세조류 대량배양을 위한 광생물 반응기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 해양 미세조류를 대량으로 배양할 수 있도록 하는 광생물 반응기에 관한 것으로서, 바다에 부유식으로 설치되어 해양 미세조류를 격리된 상태로 대량배양하기 위한 광생물 반응기에 있어서, 해양 미세조류를 수용하는 배양공간을 제공하도록 입체적으로 형성되는 배양용기; 및 상기 배양용기를 태양광에 노출될 수 있도록 해수면 근처에 위치시키기 위해, 상기 배양용기에 연결되는 부양 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 유리, 플라스틱, 반투과막재질등으로 제작된 해양 미세조류 대량배양을 위한 광생물 반응기를 제공함으로써, 공간적 제약으로부터 해방되어 수평적인 대규모화와 더불어 수직적 규모 확대 또한 가능하며, 용이하고도 경제성 있는 미세조류의 대량배양을 가능하게 한다. 배양기의 플라스틱, 유리, 반투과막 재질에 특정 파장이나 영역만을 투과하거나 차단하도록 도색이나 코팅하거나, 재질에 색소를 혼합하는 방법으로 미세조류에 특정 광파장이나 광파장 영역의 에너지를 공급하거나 차단함으로서, 미세조류로부터 균체나 지방산, 단백질, 탄수화물등의 생산하고자하는 산물의 농도를 증가시키는 발명이다. 따라서, 바이오 에너지를 포함하는 유용산물의 대량생산과 더불어 양적으로 의미 있는 이산화탄소의 제거 또한 가능하게 하며, 특정 파장을 이용한 대사산물 생산을 가능케 하여, 상업적인 대량생산의 걸림돌을 제거하는 효과를 얻을 수 있도록 한다.

Description

특정 파장의 필터기능이 있는 해양 미세조류 대량배양을 위한 광생물 반응기{PHOTOBIOREACTOR WITH LIGHT WAVELENGTH FILTER FOR MARINE MICROALGAL MASS CULTURES}
본 발명은 해양 미세조류를 대량으로 배양할 수 있도록 하는 광생물 반응기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 특정 광파장이나 영역만을 투과하거나 차단하는 필터기능이 있는 해양 미세조류 대량배양을 위한 광생물 반응기에 관한 것이다.
근래 들어, 기능적 다양성으로 인해 광합성 미생물이나 미세조류에 관한 관심이 높아지고 있으며, 다양한 분야에서 그 연구의 범위가 넓어지고 있다. 미세조류는 광합성 능력을 보유함에 따라 지구온난화와 같은 환경 문제로 인해 최근 큰 관심의 대상이 되고 있는 이산화탄소 절감에 관한 연구에 활발히 사용되고 있으며, 화석연료의 고갈에 대비한 지속가능한 에너지원으로 주목되고 있는 바이오 디젤, 바이오 에탄올 및 수소가스 등과 같은 바이오에너지의 생산과 관련된 연구에도 활용되고 있다.
하지만, 미세조류를 이용한 양적으로 의미 있는 이산화탄소의 제거나, 바이오에너지와 같은 유용한 산물의 대량생산을 위해서는 반드시 미세조류 배양이 대규모적이고 고농도로 이루어져야 한다. 따라서 규모가 큰 배양설비의 구축과 관련된 기술이 필수적으로 요구되고 있는 실정이다.
종래에는 실내에 설치되는 여러 형태의 광생물 반응기가 미세조류를 배양하기 위한 배양설비로 사용되고 있다. 이와 같은, 광생물 반응기는 대부분 빛의 투과성을 증대시키고 멸균처리가 가능한 고가의 파이렉스(pyrex)와 같은 유리나 이를 응용한 재질로 만들어지고, 인공적인 조명수단이 갖추어져야 함에 따라, 제작을 위해 많은 자본과 기술이 투자되어야 하며, 제작 후에도 유지보수와 운영에 많은 비용을 필요로 한다. 이와 같은 광생물 반응기는 규모를 확대하는데 많은 비용이 필요할 뿐만 아니라 넓은 공간을 필요로 함에 따른 공간적 제약 또한 수반된다. 나아가, 미세조류 배양을 위한 배지를 조제하여 공급해주고 주기적으로 교환해주어야 하며, 미세조류가 성장하면서 배출하는 배설물과 성장을 방해하는 대사산물을 제거해주어야 한다. 즉, 제작비용과 공간적 제약에 더하여 관리 및 운영에 많은 인력과 장비 및 비용을 필요로 하는 문제점이 있다.
따라서 상업적인 대량배양을 위해서는 경제성 확보가 무엇보다 중요한 선결조건일 수밖에 없다는 점을 고려하면, 규모 확대 시 제작과 유지보수에 많은 비용이 소요되고, 넓은 공간을 필요로 하며, 조명수단의 가동과 배지의 조제 및 배지의 교환과 관련된 운영비용이 수반되는, 종래기술에 따른 광생물 반응기를 활용한 미세조류의 배양은, 연구목적의 소규모 배양용으로는 적절할지 몰라도, 경제성을 고려하지 않을 수 없는 상업적인 대규모 배양용으로는 현실적으로 적절한 방안이라 할 수 없을 것이다.
이와 같이, 비용 및 공간과 관련된 문제들은, 바이오에너지를 포함하는 유용한 산물을 생산하거나 이산화탄소를 제거하기 위해 미세조류가 활용되는 것을 어렵게 하는 큰 걸림돌이 되고 있으며, 따라서 저렴하고 용이하게 미세조류를 대량으로 배양할 수 있는 배양기술의 개발이 절실히 필요한 실정이라 하겠다.
특히 미세조류를 배양함에 있어 광 관련인자가 무엇보다도 중요하며, 생산비 측면에서도 가장 높은 비중을 차지한다. 광 인자로서는 광파장(light wavelength)과 광도(light intensity)를 고려하여 미세조류를 배양하여야한다. 특히 광파장의 경우 특정 광파장이나 영역을 공급함으로서, 균체의 농도와 미세조류로부터 생산하는 대사산물의 농도를 향상시키는 것이 가능하다. 미세조류는 광합성을 위하여 엽록소(chlorophyll)과 다양한 색소를 가지고 있다. 일반적으로 광합성에 사용되는 파장은 300~700 nm이며, 녹조류에서는 주로 적색이나 청색 영역의 광에너지를 흡수하여 광합성에 사용되게 된다(도 15 참조). 또한 자외선에 오랜 시간 노출되게 되면 성장성이 저해된다고 보고되고 있다. 따라서 미세조류의 성장성을 높이고 불필요한 파장을 제거하려면, 특정 파장만을 조사하는 것이 더욱 효율적일 것이다. 이것은 특정 파장만을 조사하는 발광다이오드를 이용하여 미세조류를 배양하였을 때 확연한 결과를 얻을 수 있다. 또한 베타-카르틴(β-cartene), 루테인(lutein), 아스타잔틴(astaxanthin)과 같은 고가의 카로테노이드(carotenoids)를 미세조류로부터 생산할 때에 특정 파장만을 공급하게 되면, 그 생산성이 높아지는 결과를 얻을 수 있었다.
상기 결과에 근거하여 미세조류에 특정 한 광파장을 공급하거나 차단하면 세포의 성장성이나 유도 생산하고자 하는 산물의 농도를 향상시킬 수 있다. 또한, 특정 광파장이나 영역을 공급함으로써, 균체의 농도와 미세조류로부터 생산하는 대사산물의 농도를 향상시키는 것이 가능하다. 현재까지의 연구는 특정한 광파장을 공급하기 위하여 발광다이오드나 특정 광파장 영역을 공급하는 인공광원이 주로 사용되었지만, 이러한 방법 역시도 별도의 인공광원이 설비된 제한적인 배양 방법이라 하겠다.
또한 플라스틱이나 고분자 재질의 제조 기술의 향상과 도색이나 안료의 이용하거나, 코팅을 통하여 특정 파장만을 필터링하는 기술이 상업화되어 있다. 도색이나 코팅과정에서의 안료나 색소의 경우 유기, 무기 안료모두 사용이 가능하며, 색상에 따라 표 1의 화학성분을 혼합하여 제작하는 것이 가능하다. 이에 국한되는 것은 아니며, 특정 파장의 투과나 차단이 가능하다면 다양한 화학성분의 조성물의 적용이 가능하다. 이를 미세조류 배양에 적용하여 광파장을 태양광으로부터 필터나 조절이 가능하다.
이에, 본 발명자들은 자연광원을 이용한 광생물 반응기에 대한 연구에 노력하던 중, 자연광원인 태양광으로부터 특정 광파장이나 영역을 선택적으로 투과 또는 차단할 수 있는 필터를 장착하여, 별도의 인공광원을 설비하지 않아도 특정 파장의 에너지를 자유롭게 공급이나 차단할 수 있게 함으로써 본원 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 공간적 제약에서 자유로우며, 규모확대가 용이하도록 바다에서 미세조류 대량 배양을 위한 광생물 반응기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 광필터배양용기를 이용하여 태양광 중 특정 파장만을 선택적으로 투과 또는 차단하여 특정 파장의 광에너지만을 미세조류에 공급함으로써 광파장이나 영역에 따른 균체나 특정 대사산물의 생산을 증대시켜, 대량배양 및 고농도 대사산물의 생산을 가능하게 하는 광생물 반응기를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 바다에 부유식으로 설치되어 해양 미세조류를 격리된 상태로 대량배양하기 위한 광생물 반응기로서,
태양광 범위 내의 파장 또는 영역 중 일부를 선택적으로 투과 또는 차단할 수 있으며, 해양 미세조류를 수용하는 배양공간을 제공하도록 입체적으로 형성되는 광필터배양용기; 및
상기 광필터배양용기를 태양광에 노출될 수 있도록 해수면 근처에 위치시키기 위해, 상기 광필터배양용기에 연결되는 부양 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 해양 미세조류 대량배양을 위한 광생물 반응기를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 광필터배양용기는 유리, 플라스틱, 반투과막 및 광투과성 재질로 이루어지는 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 재질로 된 것을 특징으로 하는 광생물 반응기를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 광필터배양용기는 도색, 코팅 또는 색소 혼합을 통해 제작된 것을 특징으로 하는 광생물 반응기를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 광필터배양용기는 크롬산납(PbCrO4), 황색산화철(FeO(OH) 또는 Fe2O3 ·H2O), 카드뮴옐로 (CdS 또는 CdS + ZnS), 티타늄옐로(TiO2·NiO·Sb2O3), 크롬오렌지(PbCrO4·PbO), 몰리브데늄오렌지(PbCrO4 ·PbMoO4 ·PbSO4), 적색산화철(Fe2O3), 광명단(Pb3O4), 카드뮴레드(CdS + CdSe), 망간바이올렛(NH4MnP2O7), 감청(Fe(NH4)Fe(CN)6·xH2O), 군청(Na6 ~8Al6Si6O24S2 ~4), 코발트블루(CoO·Al2O3), 크롬그린(크롬산납 + 감청) 및 에메랄드 그린(Cu(CH3CO2)2Cu(AsO2)2)으로 이루어지는 안료 군에서 선택되어지는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합에 의한 도색, 코팅 또는 색소 혼합을 통해 제작된 것을 특징으로 하는 광생물 반응기를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 광필터배양용기가 태양광의 범위 내에서 한 영역의 파장대 만을 투과하도록 하는 것을 특징으로 하는 광생물 반응기를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 광필터배양용기가 태양광의 범위 내에서 한 영역의 파장대 만을 차단하도록 하는 것을 특징으로 하는 광생물 반응기를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 광필터배양용기가 태양광의 범위 내에서 두 영역 이상의 파장대가 투과하도록 상기 광필터배양용기의 필터 구역을 수평 또는 수직적으로 순차 배열하여 파장의 비율 조절이 가능한 것을 특징으로 하는 광생물 반응기를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 광필터배양용기의 막이 태양광의 범위 내에서 두 영역 이상의 파장대가 투과하도록 필터 구역을 격자 모양으로 배열하여 파장의 비율 조절이 가능한 것을 특징으로 하는 광생물 반응기를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 광필터배양용기의 내부 또는 외부에 배치되어 상기 광필터배양용기의 입체적 형상을 유지하는 형상유지 틀을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 광생물 반응기를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 광필터배양용기와 상기 부양 수단은 길이조절이 가능한 하나 이상의 로프로 연결되며, 상기 광필터배양용기의 하부에 매달리는 무게추를 추가적으로 포함하여, 상기 무게추 및 상기 로프 길이를 조절함으로써 상기 광필터배양용기가 설치되는 수심을 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 광생물 반응기를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 광필터배양용기의 하부에 연결되는 기체공급관 및 상기 기체공급관을 통해 외부공기를 상기 광필터배양용기에 공급하는 기체공급수단을 추가적으로 포함하여, 기포에 의한 혼합작용으로 상기 광필터배양용기 내에서 해양 미세조류가 고르게 분산될 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 광생물 반응기를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 광필터배양용기는 역원추형으로 형성되며, 꼭지점에 상기 기체공급관 및 상기 무게추가 연결되는 것을 특징으로 하는 광생물 반응기를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 광필터배양용기는 상부의 수직원통형 부분과 하부의 역원추형 부분을 갖도록 형성되며, 상기 역원추형부분의 꼭지점에 상기 기체공급관 및 상기 무게추가 연결되는 것을 특징으로 하는 광생물 반응기를 제공한다.
또한, 본 발명은 둘 이상의 상기 광필터배양용기가 상하로 배열되도록 연결되며, 상기 무게추는 최하부에 위치하는 광필터배양배양용기를 포함하는 하나 이상의 상기 광필터배양용기에 하나 이상 매달리는 것을 특징으로 하는 광생물 반응기를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 부양 수단, 상기 광필터배양용기 및 상기 무게추 중 어느 하나에 매달린 상태에서 해저면에 고정되어 이동범위를 제한하는 고정수단을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 광생물 반응기를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 광필터배양용기의 상층부, 중층부, 하층부에 각각 다른 파장이 투과하도록 하는 것을 특징으로 하는 광생물 반응기를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 부양 수단이 서로 소정의 간격으로 유지되는 한 쌍 이상의 연결지점을 구비하며, 상기 광필터배양용기는 길이가 길고 폭이 좁은 형상으로 형성되고, 길이방향 양단부가 쌍을 이루는 상기 연결지점에 하나 이상의 로프로 각각 연결되어 상기광필터배양용기가 파도나 해수의 이동에 의해 자유롭게 뒤집힐 수 있는 것을 특징으로 하는 광생물 반응기를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 광필터배양용기는 길쭉한 원통형으로 형성되어 해수면과 나란하게 뉘어진 형태로 상기 부양수단에 연결되는 것을 특징으로 하는 광생물 반응기를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 광필터배양용기는 중앙의 원통형 부분과 이 원통형 부분의 양단에 한 쌍의 원추형 부분을 갖도록 형성되며, 각 원추형 부분의 꼭지점에 각각 상기 로프가 연결되는 것을 특징으로 하는 광생물 반응기를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 부양 수단에 매달린 상태에서 해저면에 고정되어 이동범위를 제한하는 고정수단을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 광생물 반응기를 제공한다.
본 발명은 상기와 같은 특정 파장 및 영역의 투과 또는 차단 기능이 있는 해양 미세조류 대량배양을 위한 광생물 반응기를 제공함으로써, 비교적 손쉽게 태양광 중의 특정 파장이나 영역을 사용이나 차단할 수 있으며, 바다 위에 설치함으로써 공간적 제약으로부터 해방되어 수평적인 대규모화와 더불어 수직적 규모 확대 또한 가능하며, 용이하고도 경제성 있는 미세조류의 대량배양을 가능하게 한다. 또한, 특정 파장이나 영역만을 공급하거나 차단하여 미세조류를 배양함에 따라 광 파장에 따라 균체의 생산성을 높이고, 유용한 대사산물의 고농도 대량생산이 가능하다. 따라서 바이오 에너지를 포함하는 유용산물의 대량생산과 더불어 양적으로 의미 있는 이산화탄소의 제거 또한 가능하게 하는, 상업적인 대량생산의 난제를 해결하는 효과를 얻을 수 있도록 한다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광생물 반응기를 개략적으로 도시한 예시도이다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 광생물 반응기를 개략적으로 도시한 예시도이다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 광생물 반응기를 개략적으로 도시한 예시도이다.
도 12는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 광생물 반응기를 개략적으로 도시한 예시도이다.
도 13은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 광생물 반응기를 개략적으로 도시한 예시도이다.
도 14는 본 발명의 제 6 실시예에 따른 광생물 반응기를 개략적으로 도시한 예시도이다.
도 15는 본 발명의 광파장에 따른 미세조류 색소의 흡광도를 나타낸 그림이다.
본 발명에 따른 특정 파장이나 영역의 투과나 차단기능이 있는 해양 미세조류 대량배양을 위한 광생물 반응기는 대규모화에 따른 공간적 제약을 획기적으로 극복할 수 있는 바다에 설치된다. 즉, 바다에 부유식으로 설치되어 해양 미세조류를 격리된 상태로 대량배양하기 위한 용도로 사용된다. 본 발명에 따른 광생물 반응기는 한가지 이상의 광파장이나 영역을 투과하거나 차단하는 것이 가능하다. 미세조류의 종에 따라 흡수하는 파장이 다르며, 광파장이나 영역에 따라 대사 산물의 농도와 생장이 달라진다. 또한 자외선과 같은 유해파장으로 인하여, 생장이 저해되는 현상이 나타남으로, 효과적인 배양을 위해 특정 파장이나 영역을 투과시켜 조사하거나, 유해한 파장을 차단하는 기능이 있는 광필터배양용기를 이용하여 배양하게 된다.
본 발명은 바다에 부유식으로 설치되어 해양 미세조류를 격리된 상태로 대량배양하기 위한 광생물 반응기로서,
태양광 범위 내의 파장 또는 영역 중 일부를 선택적으로 투과 또는 차단할 수 있으며, 해양 미세조류를 수용하는 배양공간을 제공하도록 입체적으로 형성되는 광필터배양용기; 및
상기 광필터배양용기를 태양광에 노출될 수 있도록 해수면 근처에 위치시키기 위해, 상기 광필터배양용기에 연결되는 부양 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 해양 미세조류 대량배양을 위한 광생물 반응기를 제공한다.
상기 광필터배양용기는 유리, 플라스틱, 반투과막 및 광투과성 재질로 이루어지는 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 재질에 도색 또는 코팅을 하거나, 색소를 혼합하여 제작될 수 있다.
상기 도색 또는 코팅 과정에서의 안료나 색소의 경우 유기, 무기 안료 모두 사용이 가능하며, 색상에 따라 표 1의 화학성분을 혼합하여 제작하는 것이 가능하나 이에 한정되지 아니하고, 특정 파장의 투과나 차단이 가능하다면 다양한 화학성분의 조성물의 적용이 가능하다.
안료 종류 색상에 따른 화학성분
노란색 안료 크롬산납(PbCrO4), 황색산화철(FeO(OH) 또는 Fe2O3 ·H2O), 카드뮴옐로 (CdS 또는 CdS + ZnS), 티타늄옐로(TiO2·NiO·Sb2O3)
주황색 안료 크롬오렌지(PbCrO4·PbO), 몰리브데늄오렌지(PbCrO4 ·PbMoO4 ·PbSO4)
빨간색 안료 적색산화철(Fe2O3), 광명단(Pb3O4), 카드뮴레드(CdS + CdSe)
보라색 안료 망간바이올렛(NH4MnP2O7)
파란색 안료 감청(Fe(NH4)Fe(CN)6·xH2O), 군청(Na6 ~8Al6Si6O24S2 ~4), 코발트블루(CoO·Al2O3)
초록색 안료 크롬그린(크롬산납 + 감청), 에메랄드 그린(Cu(CH3CO2)2Cu(AsO2)2)
상기 광필터배양용기는 태양광의 범위 내에서 한 영역의 파장대 만을 투과 또는 차단하도록 제작될 수 있고, 나아가 상기 광필터배양용기는 태양광의 범위 내에서 두 영역 이상의 파장대가 투과하도록 상기 광필터배양용기의 필터 구역을 수평 또는 수직적으로 순차 배열하거나 특정 파장 투과부분을 혼합, 또는 격자 모양으로 교차배열하여 미세조류가 받는 특정 파장의 비율 조절이 가능하도록 제작될 수 있다.
상기 광필터배양용기는 플렉서블(flexible)한 유리, 플라스틱, 반투과막 또는 광투과성 재질등으로 제작할 경우, 상기 광필터배양용기의 내부 또는 외부에 배치되어 상기 광필터배양용기의 입체적 형상을 유지하는 형상유지 틀이 추가적으로 포함될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 광필터배양용기와 상기 부양 수단은 길이조절이 가능한 하나 이상의 로프로 연결되며, 상기 광필터배양용기의 하부에 매달리는 무게추를 추가적으로 포함하여, 상기 무게추 및 상기 로프 길이를 조절함으로써 상기 광필터배양용기가 설치되는 수심을 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 광생물 반응기를 제공한다.
또한, 본 발명은 둘 이상의 상기 광필터배양용기가 상하로 배열되도록 연결되며, 상기 무게추는 최하부에 위치하는 광필터배양배양용기를 포함하는 하나 이상의 상기 광필터배양용기에 하나 이상 매달리는 것을 특징으로 하는 광생물 반응기를 제공한다.
상기 광생물 반응기에는 기포에 의한 혼합작용으로 상기 광필터배양용기 내에서 해양 미세조류가 고르게 분산될 수 있도록 하기 위해, 상기 광필터배양용기의 하부에 연결되는 기체공급관 및 상기 기체공급관을 통해 외부공기를 상기 광필터배양용기에 공급하는 기체공급수단을 추가적으로 포함될 수 있다.
상기 광필터배양용기는 역원추형으로 형성되며, 꼭지점에 상기 기체공급관 및 상기 무게추가 연결될 수 있고, 나아가 상기 광필터배양용기는 상부의 수직원통형 부분과 하부의 역원추형 부분을 갖도록 형성되며, 상기 역원추형부분의 꼭지점에 상기 기체공급관 및 상기 무게추가 연결될 수 있다. 또한, 상기 광필터배양용기는 상기 광필터배양용기의 상층부, 중층부, 하층부에 각각 다른 파장이 투과하도록 제작될 수 있다.
또한, 상기 광생물 반응기에는 상기 부양 수단, 상기 광필터배양용기 및 상기 무게추 중 어느 하나에 매달린 상태에서 해저면에 고정되어 이동범위를 제한하는 고정수단이 추가적으로 포함될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 부양 수단이 서로 소정의 간격으로 유지되는 한 쌍 이상의 연결지점을 구비하며, 상기 광필터배양용기는 길이가 길고 폭이 좁은 형상으로 형성되고, 길이방향 양단부가 쌍을 이루는 상기 연결지점에 하나 이상의 로프로 각각 연결되어 상기광필터배양용기가 파도나 해수의 이동에 의해 자유롭게 뒤집힐 수 있는 것을 특징으로 하는 광생물 반응기를 제공한다.
상기 광필터배양용기는 길쭉한 원통형으로 형성되어 해수면과 나란하게 뉘어진 형태로 상기 부양수단에 연결될 수 있고, 나아가 상기 광필터배양용기는 중앙의 원통형 부분과 이 원통형 부분의 양단에 한 쌍의 원추형 부분을 갖도록 형성되며, 각 원추형 부분의 꼭지점에 각각 상기 로프가 연결될 수 있다.
또한, 상기 광생물 반응기에는 상기 부양 수단에 매달린 상태에서 해저면에 고정되어 이동범위를 제한하는 고정수단이 추가적으로 포함될 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부되는 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 단, 하기 실시예 및 도면은 본 발명을 구체적으로 예시하는 것이며, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광생물 반응기를 개략적으로 도시한 예시도이다. 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광생물 반응기는, 도 1에 도시한 바와 같이, 광필터배양용기(10-1)와, 상기 광필터배양용기(10-1)를 태양광에 노출될 수 있도록 해수면 근처에 위치시키기 위해 상기 광필터배양용기(10-1)와 연결되는 부양 수단(30)을 포함한다.
구체적으로, 광필터배양용기(10-1)는 해양 미세조류를 수용하는 배양공간을 제공하도록 입체적으로 형성된다. 그리고 광필터배양용기(10-1)은 그 재질이 플렉서블(flexible)한 유리, 플라스틱 및 반투과막일 경우 그 내부 또는 외부에 배치되어 광필터배양용기(10-1)의 입체적 형상을 유지하는 형상유지 틀(20)을 더 포함하는 것이 가능하며, 배양공간을 안정적으로 유지할 수 있도록 한다. 특히, 상기 광필터배양용기(10-1)의 재질이 특정 파장 필터기능이 있는 반투과막의 경우 미세조류가 성장하면서 배출하는 배설물과 성장을 방해하는 대사 산물이 해수에 녹아서 배출되는 해수와 함께 자연스럽게 제거됨에 따라, 배설물과 성장을 방해하는 대사 산물을 제거하기 위한 별도의 정화작업을 필요로 않으며, 배지의 교환 또한 필요로 하지 않는다. 나아가, 해수에 녹아있는 이산화탄소 역시 미세조류의 성장과정에서 일어나는 광합성에 사용되며, 광합성의 산물로 발생하는 산소는 반투과막을 통과하여 대기 중으로 배출될 수 있다. 상기 광필터배양용기(10-1)의 형태는 배양하고자 하는 미세조류의 특성과 배양 규모에 따라 자유로운 변형이 가능하다.
상기 광필터배양용기(10-1)가 유리, 플라스틱, 해수의 출입이 가능한 가운데 해양 미세조류의 투과가 차단되는 반투과막등의 광투과성이 있는 다양한 재질에 특정 파장이나 영역을 투과 혹은 차단하는 기능을 갖춘 해양 미세조류 배양기라는 것이 본 발명의 가장 주요한 특징이라 할 수 있다. 상기 광필터배양용기(10-1)는 상기 재질에 코팅, 도색 혹은 색소를 혼합하여 제작되고, 특정 파장이나 영역이 투과나 차단할 수 있도록 제작된다. 이렇게 제작된 광필터배양용기(10-1)는 미세조류에 특정 파장만 공급하거나 차단함으로써, 미세조류의 균체 생산을 향상시키는 것이 가능하며, 광 파장에 따라 대사산물의 생산량을 증가시키는 것이 가능하다. 투과 또는 차단하고자 하는 광파장이나 영역의 경우 배양하고자 하는 미세조류의 광파장에 따른 광에너지 효율성에 따라 적색, 청색, 녹색등의 파장이나 영역을 투과시켜 공급하는 것이 가능하다.
상기 부양 수단(30)은 광필터배양용기(10-1)를 태양광에 노출될 수 있도록 해수면 근처에 위치시키기 위한 것으로서, 도 1에 도시한 바와 같이, 서로 떨어져 배치되는 한 쌍의 부양 부재(35) 및 상기 한 쌍의 부양 부재(35)를 소정의 간격을 유지하는 상태로 연결하는 연결프레임(37)으로 구성될 수 있다. 다만, 부양 수단(30)은 상기와 같은 형태에 국한되지 않으며, 광필터배양용기(10-1)의 형상과 크기에 따라 다양한 변형이 가능하다 할 것이다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 광생물 반응기를 개략적으로 도시한 예시도이다. 본 발명의 제 2 실시예에 따른 광생물 반응기는, 도 2에 도시한 바와 같이, 제1 실시예와 마찬가지로 광필터배양용기(10-2) 및 부양 수단(30)을 포함하되, 광필터배양용기(10-2)와 부양 수단(30)은 길이조절이 가능한 하나 이상의 로프(25)로 연결된다.
상기 광필터배양용기(10-2)는 태양광의 범위 내에서 한 영역의 파장대 만을 투과 또는 차단하도록 제작될 수 있고, 나아가 상기 광필터배양용기(10-2)는 태양광의 범위 내에서 두 영역 이상의 파장대가 투과하도록 상기 광필터배양용기(10-2)의 필터 구역을 수평 또는 수직적으로 순차 배열하거나 특정 파장 투과부분을 혼합, 또는 격자 모양으로 교차배열하여 미세조류가 받는 특정 파장의 비율 조절이 가능하도록 제작될 수 있다.
상기 광필터배양용기(10-2)는 플렉서블(flexible)한 유리, 플라스틱, 반투과막 또는 광투과성 재질등으로 제작할 경우, 상기 광필터배양용기(10-2)의 내부 또는 외부에 배치되어 상기 광필터배양용기(10-2)의 입체적 형상을 유지하는 형상유지 틀이 추가적으로 포함될 수 있다.
나아가 상기 제 2 실시예에 따른 광생물 반응기는, 부양 수단(30)에 매달리도록 연결된 상태에서 해저면에 고정되어 이동범위를 제한하는 고정수단(70)을 더 포함한다. 이와 같은 고정수단(70)은 광생물 반응기가 해수의 이동에 따라 이동하는 것을 방지하여 관리가능한 제한적인 영역을 벗어나지 않도록 하기 위한 것으로서, 비중이 높은 재질로 만들어지는 것이 바람직하며, 닻(anchor)과 유사하게 해저면에 쉽게 고정될 수 있는 형상으로 형성되는 것이 바람직하나 이에 한정되지 않는다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 광생물 반응기를 개략적으로 도시한 예시도이다. 본 발명의 제 3 실시예에 따른 광생물 반응기는, 도 3에 도시한 바와 같이, 원통형으로 형성되는 광필터배양용기(10-3)와 부양 수단(30)을 포함한다. 또한, 제2 실시예와 마찬가지로,광필터배양용기(10-3)와 부양 수단(30)은 길이조절이 가능한 하나 이상의 로프(25)로 연결되며, 광필터배양용기(10-3)의 하부에 매달리는 무게추(60)를 포함한다.
상기 제 3 실시예에 따른 광생물 반응기는 광필터배양용기(10-3)의 하부에 연결되는 기체공급관(40), 및 상기 기체공급관(40)을 통해 외부공기를 광필터배양용기(10-3)에 공급하는 기체공급수단(50)을 추가적으로 포함한다. 따라서 기체공급시 광필터배양용기(10-3) 내부의 배양공간은 기포에 의한 혼합작용으로 광필터배양용기(10-3) 내에서 해양 미세조류가 고르게 분산될 수 있도록 하여, 해양 미세조류의 배양환경이 양호하게 유지될 수 있도록 한다. 물론, 해류나 조석간만의 차 등으로 인한 해수의 유동에 의해 광필터배양용기(10-3)는 자연적으로도 양호한 혼합효과를 얻을 수 있는 경우가 많다. 따라서 상기와 같은 기체공급은 필요에 따라 더욱 바람직한 혼합작용이 요구될 경우에 선택적으로 채택되는 것이 바람직하다.
상기 광필터배양용기(10-3)는 태양광의 범위 내에서 한 영역의 파장대 만을 투과 또는 차단하도록 제작될 수 있고, 나아가 상기 광필터배양용기(10-3)는 태양광의 범위 내에서 두 영역 이상의 파장대가 투과하도록 상기 광필터배양용기(10-3)의 필터 구역을 수평 또는 수직적으로 순차 배열하거나 특정 파장 투과부분을 혼합, 또는 격자 모양으로 교차배열하여 미세조류가 받는 특정 파장의 비율 조절이 가능하도록 제작될 수 있다.
상기 광필터배양용기(10-3)는 플렉서블(flexible)한 유리, 플라스틱, 반투과막 또는 광투과성 재질등으로 제작할 경우, 상기 광필터배양용기(10-3)의 내부 또는 외부에 배치되어 상기 광필터배양용기(10-3)의 입체적 형상을 유지하는 형상유지 틀이 추가적으로 포함될 수 있다.
나아가 상기 제 3 실시예에 따른 광생물 반응기에서, 기체공급관(40)과 무게추(60)는 모두 원통형으로 형성되는광필터배양용기(10-3)의 꼭지점에 연결되며, 제2 실시예와 달리, 고정수단(70)은 광필터배양용기(10-3)의 꼭지점에 매달리도록 연결된 상태에서 해저면에 고정되어 이동범위를 제한한다.
도 12는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 광생물 반응기를 개략적으로 도시한 예시도이다. 본 발명의 제 4 실시예에 따른 광생물 반응기는, 도 4에 도시한 바와 같이, 원통형으로 형성되며 해수면과 나란하게 뉘어진 형태로 배치되며, 상하로 서로 나란하게 배열되는 특정 파장의 필터 기능이 있는 3개의 광필터배양용기(10-4)를 포함한다. 상기 광필터배양용기(10-4)의 수는 제한되지 않지만, 광필터배양용기(10-4)가 너무 깊은 곳에 위치할 경우 미세조류의 광합성에 필요한 태양광이 도달할 수 없다는 것을 고려하여, 적절한 깊이 이내에 위치하도록 제한될 필요가 있을 것이다.
구체적으로, 상기 광필터배양용기(10-4)들 중 최하부에 위치하는 광필터배양용기(10-4)를 포함하는 하나 이상의 광필터배양용기(10-4)에 매달리는 하나 이상의 무게추(60)를 포함한다. 도 4에는 최하부에 위치하는 광필터배양용기(10-4)와 중간에 위치하는 광필터배양용기(10-4)에만 무게추(60)가 매달리는 형태의 광생물 반응기가 도시되고 있지만, 최하부에 위치하는 광필터배양용기(10-4)에만 또는 모든 광필터배양용기(10-4)에 무게추(60)가 매달리는 형태 또한 가능하다 할 것이다. 즉, 최하부에 위치하는 광필터배양용기(10-4)에는 전체적인 배열형태 및 균형유지를 위해 무게추(60)가 필수적으로 매달리도록 구성해야 하지만, 나머지 광필터배양용기(10-4)에는 선택적으로 채택될 수 있다는 것이다.
도 13은 본 발명의 제5 실시예에 따른 광생물 반응기를 개략적으로 도시한 예시도이다. 본 발명의 제 5 실시예에 따른 광생물 반응기는, 도 5에 도시한 바와 같이, 길쭉한 원통형으로 형성되어 해수면과 나란하게 뉘어진 형태로 부양 수단(30)에 연결되는 광필터배양용기(10-5)를 포함한다. 이 경우, 광필터배양용기(10-5)는 파도나 해수의 이동에 의해 더욱 자유롭게 뒤집힐 수 있는 상태가 된다 할 수 있을 것이다.
도 14는 본 발명의 제 6 실시예에 따른 광생물 반응기를 개략적으로 도시한 예시도이다. 본 발명의 제6 실시예에 따른 광생물 반응기는, 도 6에 도시한 바와 같이, 중앙의 원통형 부분(17)과 이 원통형 부분의 양단에 한 쌍의 원추형 부분(19)을 갖도록 형성되며, 각 원추형 부분(19)의 꼭지점에 연결되는 로프(25)를 통해 부양수단(30')에 연결되는 광필터배양용기(10-6)를 포함한다. 상기 광필터배양용기(10-8)는, 상기 제 5 실시예에 따른 광필터배양용기(10-5)의 경우와 비교해서도, 파도나 해수의 이동에 의해 더욱 자유롭게 뒤집힐 수 있는 상태가 된다 할 수 있을 것이다.
상기 제 6 실시예에 따른 광생물 반응기 광생물 반응기는, 도 6에 도시한 바와 같이, 부양 수단(30')의 길이방향 규모확대와 더불어, 부양 수단(30')에 다수 쌍의 연결고리(39)를 구비하도록 하고, 쌍을 이루는 연결고리(39)에 각각 광필터배양용기(10-6)를 연결하는 방식으로 용이하게 규모확대가 가능함을 보여주고 있다. 별도로 도시하지는 않았지만, 부양 수단(30')의 폭방향 규모확대 또한 가능하며, 따라서 상업적인 대량배양을 위한 규모확대가 가능함을 예상할 수 있을 것이다.
상기과 같은 본 발명에 따른 특정파장의 필터기능이 있는 해양 미세조류 대량배양을 위한 광생물 반응기는, 다음과 같은 방식으로 미세조류 대량배양에 활용될 수 있을 것이다.
우선, 해양에서 배양할 수 있는 모든 미세조류에 적용될 수 있을 것이다. 즉, 특히 바이오 에너지를 생산하기 위한 목적의 상업적인 미세조류 대량배양에 적합하며, 이 과정에서 지구온난화와 관련된 환경문제의 주범인 이산화탄소를 양적으로 의미를 갖는 정도로 소비함에 따라 친환경적이라 할 수 있다.
또한, 인공광원으로부터 나오는 특정 광파장을 사용하지 않고, 광필터배양용기의 재질에 도색이나 코팅, 혹은 색소 혼합등을 통하여 무한한 자연광원인 태양광 중 특정 파장을 차단하거나 투과함으로써, 파장의 선택을 용이하게 한다. 이를 통해 미세조류로부터 생산되는 대사산물의 농도를 획기적으로 향상시키는 것이 가능하다.
또한, 플라스틱과 같은 재질의 이용시 제작비용이 종래기술의 광생물 반응기에 비하여 현저히 저렴하고, 무엇보다 넓은 바다를 설치장소로 활용할 수 있음에 따라, 미세조류의 대량배양에 필수적인 규모확대의 걸림돌로 작용하였던 경제적 제약과 공간적 제약을 한 번에 해소할 수 있다. 즉, 일반적으로 광생물 반응기에서 가장 중요한 것 중 하나가 광에너지의 효율적 전달이고, 이러한 점은 광생물 반응기의 규모확대를 어렵게 하는 요인 중 하나라는 것을 고려했을 때, 본 발명에 따른 광생물 반응기는 부피당 표면적의 비율이 높아도, 즉 규모확대가 이루어져도 부피당 표면적의 비율을 거의 무한하게 확장할 수 있는 바다에 설치됨에 따라 수평적 규모확대가 매우 용이하다 할 수 있을 것이다.
나아가, 수직적 규모 확대가 가능함에 따라, 수심에 따라 다른 종류의 미세조류를 동시에 배양할 수도 있다. 즉, 광필터배양용기가 배치되는 깊이의 조절을 통해 미세조류의 생장이나 생산하고자 하는 대사산물의 생산에 적합한 조건을 확보할 수 있다.
지구는 육지보다 바다의 면적이 현저히 넓으며, 대한민국 역시 삼면이 바다로 둘러싸여 있음에 따라, 해양자원의 개발이 국가의 미래에 끼치는 영향은 대단하다 할 수 있을 것이다. 즉, 본 발명에 따른 특정 파장의 필터기능이 있는 해양 미세조류 대량배양을 위한 광생물 반응기는, 상대적으로 좁은 국토면적에 비하여 넓은 해양을 이용하여 국토이용효율을 극대화할 수 있는 무한한 활용가치를 갖는다 할 수 있을 것이다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이 같은 특정 실시예에만 한정되지 아니하며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.
이하, 도면의 주요 부분에 대한 부호를 설명한다.
10-1, 10-2, 10-3, 10-4, 10-5, 10-6: 광필터배양용기
20: 형상유지 틀 25: 로프
30, 30': 부양 수단 35: 부양 부재
37: 연결 프레임 39: 연결고리
40: 기체공급관 50: 기체공급수단
60: 무게추 70: 고정수단

Claims (20)

  1. 바다에 부유식으로 설치되어 해양 미세조류를 격리된 상태로 대량배양하기 위한 광생물 반응기로서,
    태양광 범위 내의 파장 또는 영역 중 일부를 선택적으로 투과 또는 차단할 수 있으며, 해양 미세조류를 수용하는 배양공간을 제공하도록 입체적으로 형성되는 광필터배양용기; 및
    상기 광필터배양용기를 태양광에 노출될 수 있도록 해수면 근처에 위치시키기 위해, 상기 광필터배양용기에 연결되는 부양 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 해양 미세조류 대량배양을 위한 광생물 반응기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 광필터배양용기는 유리, 플라스틱, 반투과막 및 광투과성 재질로 이루어지는 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 재질로 된 것을 특징으로 하는 광생물 반응기.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 광필터배양용기는 도색, 코팅 또는 색소 혼합을 통해 제작된 것을 특징으로 하는 광생물 반응기.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 광필터배양용기는 크롬산납(PbCrO4), 황색산화철(FeO(OH) 또는 Fe2O3 ·H2O), 카드뮴옐로 (CdS 또는 CdS + ZnS), 티타늄옐로(TiO2·NiO·Sb2O3), 크롬오렌지(PbCrO4·PbO), 몰리브데늄오렌지(PbCrO4 ·PbMoO4 ·PbSO4), 적색산화철(Fe2O3), 광명단(Pb3O4), 카드뮴레드(CdS + CdSe), 망간바이올렛(NH4MnP2O7), 감청(Fe(NH4)Fe(CN)6·xH2O), 군청(Na6~8Al6Si6O24S2~4), 코발트블루(CoO·Al2O3), 크롬그린(크롬산납 + 감청) 및 에메랄드 그린(Cu(CH3CO2)2Cu(AsO2)2)으로 이루어지는 안료 군에서 선택되어지는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합에 의한 도색, 코팅 또는 색소 혼합을 통해 제작된 것을 특징으로 하는 광생물 반응기.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 광필터배양용기가 태양광의 범위 내에서 한 영역의 파장대 만을 투과하도록 하는 것을 특징으로 하는 광생물 반응기.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 광필터배양용기가 태양광의 범위 내에서 한 영역의 파장대 만을 차단하도록 하는 것을 특징으로 하는 광생물 반응기.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 광필터배양용기가 태양광의 범위 내에서 두 영역 이상의 파장대가 투과하도록 상기 광필터배양용기의 필터 구역을 수평 또는 수직적으로 순차 배열하여 파장의 비율 조절이 가능한 것을 특징으로 하는 광생물 반응기.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 광필터배양용기는 태양광의 범위 내에서 두 영역 이상의 파장대가 투과하도록 필터 구역을 격자 모양으로 배열하여 파장의 비율 조절이 가능한 막인 것을 특징으로 하는 광생물 반응기.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 광필터배양용기는 상층부, 중층부, 하층부에 각각 다른 파장이 투과하도록 하는 것을 특징으로 하는 광생물 반응기.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 광필터배양용기의 내부 또는 외부에 배치되어 상기 광필터배양용기의 입체적 형상을 유지하는 형상유지 틀을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 광생물 반응기.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 광필터배양용기와 상기 부양 수단은 길이조절이 가능한 하나 이상의 로프로 연결되며,
    상기 광필터배양용기의 하부에 매달리는 무게추를 추가적으로 포함하여,
    상기 무게추 및 상기 로프 길이를 조절함으로써 상기 광필터배양용기가 설치되는 수심을 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 광생물 반응기.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 광필터배양용기의 하부에 연결되는 기체공급관 및 상기 기체공급관을 통해 외부공기를 상기 광필터배양용기에 공급하는 기체공급수단을 추가적으로 포함하여,
    기포에 의한 혼합작용으로 상기 광필터배양용기 내에서 해양 미세조류가 고르게 분산될 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 광생물 반응기.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 광필터배양용기는 역원추형으로 형성되며,
    상기 역원추형부분의 꼭지점에 상기 기체공급관 및 상기 무게추가 연결되는 것을 특징으로 하는 광생물 반응기.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 광필터배양용기는 상부의 수직원통형 부분과 하부의 역원추형 부분을 갖도록 형성되며,
    상기 역원추형부분의 꼭지점에 상기 기체공급관 및 상기 무게추가 연결되는 것을 특징으로 하는 광생물 반응기.
  15. 제 10항에 있어서,
    둘 이상의 상기 광필터배양용기가 상하로 배열되도록 연결되며,
    상기 무게추는 최하부에 위치하는 광필터배양배양용기를 포함하는 하나 이상의 상기 광필터배양용기에 하나 이상 매달리는 것을 특징으로 하는 광생물 반응기.
  16. 제 10항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부양 수단, 상기 광필터배양용기 및 상기 무게추 중 어느 하나에 매달린 상태에서 해저면에 고정되어 이동범위를 제한하는 고정수단을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 광생물 반응기.

  17. 제 9항에 있어서,
    상기 부양 수단이 서로 소정의 간격으로 유지되는 한 쌍 이상의 연결지점을 구비하며,
    상기 광필터배양용기는 길이가 길고 폭이 좁은 형상으로 형성되고,
    길이방향 양단부가 쌍을 이루는 상기 연결지점에 하나 이상의 로프로 각각 연결되어,
    상기 광필터배양용기가 파도나 해수의 이동에 의해 자유롭게 뒤집힐 수 있는 것을 특징으로 하는 광생물 반응기.
  18. 제 16항에 있어서,
    상기 광필터배양용기는 길쭉한 원통형으로 형성되어 해수면과 나란하게 뉘어진 형태로 상기 부양수단에 연결되는 것을 특징으로 하는 광생물 반응기.
  19. 제 17항에 있어서,
    상기 광필터배양용기는 중앙의 원통형 부분과 이 원통형 부분의 양단에 한 쌍의 원추형 부분을 갖도록 형성되며,
    각 원추형 부분의 꼭지점에 각각 상기 로프가 연결되는 것을 특징으로 하는 광생물 반응기.
  20. 제 16항 내지 제 18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부양 수단에 매달린 상태에서 해저면에 고정되어 이동범위를 제한하는 고정수단을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 광생물 반응기.

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