KR20110111150A - 미세조류 이용한 이산화탄소 고정화 방법 - Google Patents

미세조류 이용한 이산화탄소 고정화 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 미세조류를 이용한 이산화탄소 고정화 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비닐 재질의 광배양기를 포함하는 광생물반응기를 이용하여 스피루리나 플라텐시스 NIES 39(Spirulina platensis NIES 39, KCTC AG30033)의 배양을 통해 이산화탄소를 고정화하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 기존 광생물반응기의 단점으로 지적되는 고가의 시설비용에 관한 문제를 해결하기 위하여, 광배양기의 재질을 비닐 재질로 제조하고, 각 단계의 최적화 조건을 확립하여 상기 비닐 재질의 광배양기를 포함한 광생물반응기를 이용한 이산화탄소 고정법을 제공함으로써, 토지 면적이 좁고, 4계절을 가진 기후 조건을 갖는 우리나라에서 효과적으로 이산화탄소를 고정화함으로써 이산화탄소를 저감할 수 있는 효과적인 방법을 제공한다.

Description

미세조류 이용한 이산화탄소 고정화 방법{METHOD FOR CARBON DIOXIDE FIXATION USING MICROALGAE}
본 발명은 미세조류를 이용한 이산화탄소 고정화 방법에 관한 것이다.
오늘 날 전 지구적인 환경문제로 대두되고 있는 지구온난화는 인구증가와 더불어 지난 100여 년간 사용해 온 화석연료의 연소과정에서 생기는 이산화탄소와 각종 온실가스가 주원인인 것으로 알려져 있다. 구체적으로, 대기 중에 이산화탄소와 각종 온실가스의 축적으로 지구에서 방출되는 적외선을 흡수하여 지구의 기온이 상승하고, 이로 인해 극지방의 빙하가 녹아 해수면이 상승하는 등의 많은 환경문제가 야기되는 것으로 보고되고 있다.
최근 전 세계적으로 이러한 문제를 인식하여, 이를 해결하기 위한 국제적인 대책이 제시되고 있다. 일 예로, 상기 문제를 해결하기 위한 제도적인 노력으로 UN 기후협약이나 발리 기후협약을 통해 탄소배출에 대한 세금을 부과하여 이산화탄소 저감을 유도하는 등의 정책이 논의되고 있다.
이러한 국제적인 대책과 함께, 배출된 온실가스 특히 이산화탄소를 감소시키려는 다양한 기술 개발이 시도되고 있다.
현재까지 개발된 이산화탄소를 처리하기 위한 기술은 주로 흡착법이나 막 분리법 같은 물리적 방법과 이산화탄소를 화학적 수단 또는 생물학적 수단을 이용하여 유용물질로 전환하는 고정화 기술 등이 있다.
특히, 상기 기술 중에서 생물학적 수단을 이용한 이산화탄소 고정화 기술은 자연계의 탄소순환 메커니즘을 이용하는 것으로써 가장 환경친화적인 방법으로 평가되고 있다. 상기 생물학적 방법 중 최근 미세조류를 이용한 방법 즉, 미세조류 및 시아노박테리아와 같은 광합성 미생물을 배양함으로써 직접적으로 발전소, 제철소 등의 배기가스를 정화하는 방법에 대한 관심이 증대되고 있다.
상기 미세조류 중 남조류에 속하는 Spirulina platensis는 완전식품으로 단백질, 탄수화물, 지질, 무기질, 비타민 및 섬유질를 함유하고 있어 필수 영양소가 고루 갖춰진 건강보조식품으로서 많은 사람들에게 관심을 받고 있다. 또한 광합성 색소인 클로로필 a를 함유하고 있어 식품이나 음료의 천연색소로 이용되며, 의약품의 원료로서도 이용 가능하다.
따라서, 광합성을 통해 이산화탄소를 고정화 할 수 있는 상기 미세조류는 지구 온난화 문제 및 대체 식량원의 생산으로 인한 식량 문제를 동시에 해결할 수 있다는 측면에서 주목 받고 있다. 일 예로, 상기 Spirulina platensis를 배양함으로써 1차적으로 산업체의 이산화탄소를 처리하고, 2차적으로 상기 배양된 균체를 회수하여 건강보조식품이나 식품 첨가물, 사료로 이용함으로써 식량 문제를 해결할 수 있을 것으로 예상된다.
상기 미세조류, 구체적으로 Spirulina platensis를 이용한 생물학적 방법은 낮은 초기투자비, 상온 상압 조업에 따른 저렴한 운전비 등의 경제성 면에서 큰 장점을 지니고 있어 이에 대한 폭 넓은 연구의 필요성이 증대되고 있다.
상기 배기가스에는 10 내지 20%에 해당하는 고농도의 이산화탄소가 포함되어 있으며, 이는 대기 중의 이산화탄소 농도의 약 500배에 해당되는 농도이다. 이러한 고농도 이산화탄소 환경에서는 광합성의 활성이 저하되기 때문에 이산화탄소 고정화효율 증진 및 고농도의 이산화탄소 농도에 내성을 가지는 미세조류 균주의 선별과 개량 등 많은 연구가 수행되고 있다.
또한, 상기 미세조류의 배양에서 광합성에 필요한 빛과 균체의 항상성을 유지하기 위한 온도가 가장 중요한 요소이다. 따라서, 우리나라와 같이 연중 기온의 변화가 뚜렷하고, 일조량이 자주 변하는 경우에는 이산화탄소 고정화효율을 증진시키기 위한 광생물반응기(Photobioreactor, PBR)에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
상기 광생물반응기의 경우 균체성장 및 유용물질 생산에 필요한 조건들을 조절함으로서 생산성을 극대화하는 시스템이기 때문에 연교차가 크고 부지확보에 어려움을 겪고 있는 우리나라에 적합하다고 할 수 있다.
상기 광생물반응기는 우수한 생산성을 가진 반면에 낮은 초기투자비와 상온 상압 조업에 따른 저렴한 운전비라는 기존 생물학적 방법과 달리 초기 시설비와 운용비가 비싸다는 단점을 가지고 있다. 따라서, 상기 광생물반응기에서 미세조류를 배양하여 이산화탄소를 고정화하는 방법의 실용화를 위해서는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 노력이 요구된다.
상기와 같은 노력의 하나로, 광생물반응기의 배양기를 내구성과 투과성이 확보되면서도 설비단가를 낮출 수 있는 비닐 재질, 구체적으로 폴리에틸렌(polyethylene)이나 폴리프로필렌(polyprophylene)로 제작하는 기술이 제시되고 있다. 또한, 고농도의 이산화탄소에 대한 내성을 가지고 있는 균주의 개발과 관련하여, 고농도의 이산화탄소에서도 일정 수준 이상의 광합성능이 유지되는 균주로 Spirulina platensis NIES 39 등이 보고되어 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기와 같은 종래 기술의 단점을 극복하고, 우리나라의 환경에 적합하면서도 친환경적이고 효율적인 방법으로 이산화탄소를 고정화하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 미세조류를 배양하는 단계를 포함하는 이산화탄소 고정화 방법을 제공한다.
보다 상세하게는, 본 발명은 a) 미세조류를 전 배양하는 단계; b) 상기 전 배양된 미세조류를 비닐 재질의 광배양기를 포함하는 광생물반응기에서 배양하는 단계 및 c) 상기 광배양기에 이산화탄소를 주입하는 단계를 포함하는 이산화탄소 고정화 방법에 관한 것이다
우리나라는 토지 면적이 좁고 4계절을 가진 기후여서, 일반 노지(open pond)에서 배양하는 방법으로 이산화탄소를 고정하는 방법의 경우 그 적용이 제한되는 실정으로, 주로 광생물반응기(Photobioreactor, PBR)를 이용한 방법이 적용되고 있다. 상기 광생물반응기는 고가의 장비이므로 생물학적 이산화탄소 고정화 기술의 장점이 낮은 초기투자비라는 점을 고려하면, 상기 광생물반응기를 이용한 방법의 상용화와 관련하여 광생물반응기의 제조원가의 절감이 요구된다. 이와 관련하여, 상기 광생물반응기에 포함되는 광배양기를 저렴한 소재인 비닐소재, 구체적으로 폴리에틸렌(polyethylene)이나 폴리프로필렌(polyprophylene)으로 재작하는 것과 관련된 연구가 진행중이다.
본 발명의 발명자들은 기존 강화유리 등으로 제작된 광배양기의 경우 광생물반응기의 비용이 증가한다는 문제점을 가지므로 이를 해결하기 위하여 연구하던 중, 폴리에틸렌 재질의 광배양기를 포함하는 광생물반응기를 이용하여 미세조류, 구체적으로 Spirulina platensis NIES 39를 배양하여 이산화탄소를 고정할 수 있는 최적의 조건을 확인하여, 상기 조건에 의할 경우 폴리에틸렌 재질의 광배양기를 이용하여도 기존 광생물반응기에서와 같이 효율적인 이산화탄소 고정이 가능하다는 것을 확인하여 본 발명을 완성하였다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에 있어서, 광생물반응기란 반응실 또는 반응용기에 해당하는 광배양기를 포함하는 반응기로, 구체적으로 미세조류 및 배양액이 유입되는 투입구, 공기 주입구 및 배기구가 구비되며 내부에서 미세조류가 배양될 수 있는 광배양기 및 상기 광배양기 내부로 상기 광배양기에 구비된 공기 주입구를 통하여 이산화탄소를 공급할 수 있는 이산화탄소 공급장치를 포함할 수 있고, 상기 광배양기는 비닐 재질, 구체적으로 폴리에틸렌(polyethylene) 또는 폴리프로필렌(polyprophylene) 재질로 제작될 수 있으며, 상기 공기 주입구 및 배기구는 유리관으로 제작될 수 있고, 미세조류의 배양에 필요한 광원을 추가로 포함하거나 태양광을 모아 광원부로 전달하는 장치를 더욱 포함할 수 있다.
본 발명의 이산화탄소 고정화 방법은 광배양기를 포함하는 광생물반응기를 이용한 미세조류 배양을 통해 이산화탄소를 고정하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 광배양기를 포함하는 광생물반응기를 이용한 미세조류 배양을 통해 이산화탄소를 고정하는 방법은 미세조류를 전 배양하는 단계; b) 상기 전 배양된 미세조류를 비닐 재질의 광배양기에 포함된 배양 배지에 접종하는 단계; 및 c) 상기 광배양기에 이산화탄소를 주입하면서 상기 광배양기를 포함하는 광생물반응기에서 미세조류를 배양하는 단계를 포함하는 이산화탄소 고정화 방법일 수 있다.
상기 전 배양하는 단계의 미세조류는 스피루리나 속(Spirulina sp.) 조류일 수 있고, 바람직하게는 스피루리나 플라텐시스(Spirulina platensis) 조류일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 기탁번호 KCTC AG30033를 갖는 스피루리나 플라텐시스 NIES 39(Spirulina platensis NIES 39, KCTC AG30033)일 수 있다.
상기 스피루리나 속 조류는 남조식물 흔들말과의 조류로, 사이아노박테리아의 일종이다. 에티오피아가 원산지이며 클로렐라 등과 함께 미래의 단백질원으로 주목되고 있다. 청록색으로 나선형이며, 해수 또는 염도가 높고 강한 알칼리성을 지닌 열대지방의 더운 물에서 잘 번식한다.
상기 스피루리나 플라텐시스는 중량을 기준으로 단백질 60~70%, 지질 6~9% 및 탄수화물 15~20%를 포함하고, 비타민레ケ誰核섬유소 등을 함유하고 있으며, 카로티노이드, 클로로필 및 피코사이아닌 등의 색소가 들어 있는 것으로 보고되어 있다. 또한, 상기 스피루리나 플라텐시스는 필수아미노산을 모두 함유하고 있고, 필수지방산인 리놀렌산, 감마리놀렌산도 풍부하며, 소화흡수율이 95%이상으로 소화가 잘 되는 장점이 있고, 면역강화기능 및 방사능 치료 효과가 있는 것으로 보고 되어 건강기능성식품 또는 대체식품으로의 이용될 수 있다.
상기 스피루리나 플라텐시스 NIES 39(Spirulina platensis NIES 39, KCTC AG30033)를 전 배양하는 조건과 관련하여, 온도 조건은 34 ℃ 내지 36 ℃, 바람직하게는 35 ℃일 수 있고, 상기 pH 조건은 pH 9 내지 pH 10, 바람직하게는 pH 9.3 내지 pH 9.7일 수 있으며, 상기 조도 조건은 4,000 lux 내지 8,000 lux, 바람직하게는 4,000 lux 내지 5,000 lux일 수 있다.
상기 배양 조건에서 광주기 조건은 24시간 중에 광원을 통하여 빛을 조사하는 명반응기 및 빛이 조사되지 않는 암반응기의 기간의 비율은 11 : 13(명반응(Light, L) : 암반응(Darkness, D)) 내지 16 : 8, 바람직하게는 12 : 12 내지 15 : 9, 더욱 바람직하게는 13 : 11 내지 15 : 9일 수 있다.
상기 광원은 태양광 또는 인위적으로 빛을 낼 수 있는 광원, 일 예로 형광등, LED, OLED 등일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 스피루리나 플라텐시스 NIES 39(Spirulina platensis NIES 39, KCTC AG30033)의 배양배지는 알칼리성 배양 배지일 수 있고, 바람직하게는 최적 배양 조건의 측면에서 탄소원 및 질소원을 특정 농도 범위로 포함된 알카리성 배양 배지일 수 있다. 보다 상세하게, 상기 탄소원의 농도, 구체적으로 NaHCO3의 농도는 전체 배지를 기준으로 14 g/L 내지 25 g/L, 바람직하게는 15 g/L 내지 22 g/L, 더욱 바람직하게는 16 g/L 내지 19 g/L 의 농도일 수 있고, 상기 질소원의 농도, 구체적으로 NaNO3의 농도는 전체 배지를 기준으로 1.8 g/L 내지 3.5 g/L, 바람직하게는 2 g/L 내지 3.2 g/L, 더욱 바람직하게는 2.3 g/L 내지 2.7 g/L의 농도일 수 있다.
상기 배양 배지에 접종하는 단계에서 상기 비닐 재질은 폴리에틸렌(polyethylene) 또는 폴리프로필렌(polyprophylene)일 수 있다. 또한, 상기 광배양기는 비닐 재질, 구체적으로 폴리에틸렌(polyethylene) 또는 폴리프로필렌(polyprophylene) 재질을 적절한 길이로 절단한 후, 배양액이 흐르지 않도록 접합하고, 유리 재질의 공기 주입구 및 배기구를 부착하는 방법으로 제조될 수 있다.
상기 배양 배지는 본 발명의 목적이 미세 조류의 배양을 통한 이산화탄소의 고정이란 측면에서 탄소원이 제외된(free C-source) 배지일 수 있고, 바람직하게는 질소원으로 NaNO3을 전체 배지를 기준으로 1.8 g/L 내지 3.5 g/L, 바람직하게는 2 g/L 내지 3.2 g/L, 더욱 바람직하게는 2.3 g/L 내지 2.7 g/L 포함하는 배지일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 질소원으로 NaNO3을 포함하고, 무기염류와 관련하여, K2HPO4, K2SO4, NaCl, MgSO4, CaCl2, H3BO3, MnSO4, ZnSO4, FeSO4, Na2MoO4 및 CuSO4로 이루어진 군 중에서 선택된 1종 이상을 포함한 배지일 수 있다.
상기 배양배지에 접종되는 전 배양된 미세 조류의 양은 건조 균체량(Dry cell weight, DCW) 및 배양 배지의 부피를 기준으로 0.4 g/L 내지 0.6 g/L, 바람직하게는 0.45 g/L 내지 0.55 g/L일 수 있다. 상기 건조 균체량이란 항량된 여과지(paper filter)를 이용하여 여과된 균체를 105 ℃에서 3 시간 동안 건조시켜 측정된 무게를 의미한다. 상기 단위 g/L는 미세 조류의 건조 균체량(g)/배양 배지 전체 부피(L)를 의미한다.
상기 미세조류를 배양하는 단계에서 상기 이산화탄소의 주입 조건과 관련하여, 상기 광배양기에 공급 또는 주입되는 기체 중 이산화탄소의 농도 즉, 상기 공급되는 기체 전체 부피에 대한 이산화탄소의 농도(v/v)는 3%(v/v) 내지 7%(v/v), 바람직하게는 4%(v/v) 내지 6%(v/v)일 수 있고, 상기 공급되는 기체의 유속은 0.05 vvm 내지 0.15 vvm, 바람직하게는 0.075 vvm 내지 0.125 vvm, 더욱 바람직하게는 0.09 vvm 내지 0.11 vvm일 수 있다.
또한, 광 조사 조건과 관련된 상기 이산화탄소 주입 조건과 관련하여, 상기 이산화탄소를 포함한 기체는 광주기와 관련하여, 광원을 통하여 빛을 조사하는 명반응기, 구체적으로 상기 광배양기에 빛을 조사하는 기간에만 이산화탄소를 주입할 수 있다. 상기 명반응기는 동일한 조도로 빛을 조사하는 기간을 의미하고, 상기 명반응기에 대응하는 암반응기는 인공적 또는 자연적으로 빛을 조사하지 않는 조건, 즉 광배양기에 조사되는 빛을 차단하는 기간을 의미한다.
또한, 상기 이산화탄소를 포함한 기체의 주입은 3시간 내지 7시간, 바람직하게는 3시간 30분 내지 5시간 간격으로 주입할 수 있으며, 상기 시간 간격으로 주입하는 경우 상기 이산화탄소를 포함한 기체의 주입 기간은 5분 내지 15분, 바람직하게는 7분 내지 12분, 더욱 바람직하게는 9분 내지 11분일 수 있다. 또한, 상기 이산화탄소를 포함한 기체의 총 주입량과 관련하여, 상기 이산화탄소의 주입량은 24시간 동안 1L의 배양 배지에 이산화탄소의 농도가 5%인 기체를 기준으로 120 ml 내지 200 ml 또는 125 ml 내지 175 ml 또는 150 ml일 수 있다.
본 발명의 실시예에서 확인된 바에 따라, 이산화탄소의 주입은 이산화탄소 고정화 효율이란 측면에서, 동일한 이산화탄소를 주입하는 경우에도 명반응기에 일정 시간 간격 일 예로, 3시간 내지 7시간 간격으로 전체 공기 중 이산화탄소의 농도는 5%인 공기를 0.1 vvm의 유체공급속도로 5분 내지 15분 정도 주입하는 것이 바람직하다.
상기 광생물반응기에서 상기 스피루리나 플라텐시스 NIES 39(Spirulina platensis NIES 39, KCTC AG30033)를 배양하는 조건과 관련하여, 온도 조건은 34 ℃ 내지 36 ℃, 바람직하게는 35 ℃일 수 있고, 상기 pH 조건은 pH 9 내지 pH 10, 바람직하게는 pH 9.3 내지 pH 9.7일 수 있으며, 상기 조도 조건은 4,000 lux 내지 8,000 lux, 바람직하게는 4,000 lux 내지 7,000 lux, 더욱 바람직하게는 4,500 lux 내지 6,500 lux일 수 있다. 상기 조도는 광배양기의 용량에 따라 조절될 수 있고, 일 예로 상기 광배양기의 용량이 커지는 경우(scale-up) 광배양기에 조사된 빛을 균체가 이용하는 효율인 균체의 빛 이용률이 저하될 수 있으므로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자의 측면에서 적절하게 조절할 수 있다.
상기 배양 조건에서 광주기 조건은 24시간 중에 광원을 통하여 빛을 조사하는 명반응기 및 빛이 조사되지 않는 암반응기의 기간의 비율은 10 : 14(명반응기(Light, L) : 암반응기(Darkness, D)) 내지 15 : 9, 바람직하게는 11 : 13 내지 14 : 10, 더욱 바람직하게는 11 : 13 내지 13 : 11일 수 있다.
상기 광생물반응기는 상기 비닐 재질의 광배양기, 이산화탄소 공급장치 및 광원을 포함하는 것일 수 있고, 추가로 태양광을 모아 광원부로 전달하는 장치, 광원의 세기 및 조사 여부를 조절하는 제어부, 이산화탄소를 포함하는 기체의 공급 조건(유속 및 주입 시기)을 조절하는 이산화탄소 공급장치의 제어부 또는 광배양기의 온도나 pH를 조절하는 조절부를 더욱 포함할 수 있다.
일 예로, 본 발명은 광배양기를 포함하는 광생물반응기를 이용한 미세조류 배양을 통해 이산화탄소를 고정하는 방법에 있어서, 스피루리나 플라텐시스 NIES 39(Spirulina platensis NIES 39, KCTC AG30033)를 34 ℃ 내지 36 ℃의 온도 조건, pH 9 내지 pH 10의 pH 조건, 4,000 lux 내지 5,000 lux의 조도 조건에서 전 배양하는 단계; 상기 전 배양된 스피루리나 플라텐시스 NIES 39(Spirulina platensis NIES 39, KCTC AG30033)를 비닐 재질의 광배양기에 포함된 배양 배지에 접종하는 단계; 및 상기 광배양기에 공급되는 기체의 이산화탄소의 농도가 공급되는 기체의 부피를 기준으로 4%(v/v) 내지 6%(v/v)인 기체를 0.075 vvm 내지 0.125 vvm의 유속으로 주입하면서 상기 광배양기를 포함하는 광생물반응기에서 스피루리나 플라텐시스 NIES 39를 배양하는 단계를 포함하는 이산화탄소 고정화 방법일 수 있다.
본 발명은 광생물반응기의 제조원가를 감축할 수 있는 비닐 재질의 광배양기에서도 이산화탄소를 효율적으로 고정화할 수 있는 조건을 제시하고 있으므로, 본 발명의 제조방법에 의할 경우 경제적이면서도 환경친화적인 방법으로 이산화탄소를 고정할 수 있어, 본 발명은 이산화탄소 저감 및 대체 탄소원의 생산이란 측면에서 우수한 효과가 인정된다.
상기에서 기술한 바와 같이, 기존 광생물반응기는 우수한 생산성을 가진 반면에 초기 시설비와 운용비가 비싸다는 단점을 가지고 있어 실용화가 제한되고 있었다. 특히, 토지 면적이 좁고, 4계절을 가진 기후 조건을 갖는 우리나라에서는 일반 노지에서 미세조류를 배양하는 방법의 적용이 제한되므로, 이산화탄소를 고정하는 방법으로 광생물반응기에 대한 실용화 연구의 필요성이 더욱 강조되고 있다.
본 발명은 상기 광생물반응기의 단점으로 지적된 고가의 시설비용에 관한 문제를 해결하기 위하여, 광배양기의 재질인 유리나 아크릴 등을 비닐 재질로 대체하여 설비단가를 절감하는 방법을 제공하였을 뿐만 아니라, 상기 비닐 재질의 광배양기에서 이산화탄소를 고정화할 수 있는 최적화 조건을 제공하여, 상기 비닐 재질의 광배양기가 기존 광배양기를 대체할 수 있도록 배양 조건을 제공하였으므로, 효과적인 방법으로 이산화탄소를 고정화함으로써 이산화탄소를 저감할 수 있는 방법을 제공한다는 측면에서 산업적 효과 및 환경적 효과가 매우 크다 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 520nm에서 측정된 배지의 O.D.값(A 520 )과 건조 균체량의 상관관계를 구하기 위해 측정된 검량선(Calibration curve)을 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배양 온도에 따른 본 발명의 미세 조류의 성장 정도를 확인하기 위하여, 배양 기간에 따른 건조 균체량을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배양 배지의 초기 pH에 따른 본 발명의 미세 조류의 성장 정도를 확인하기 위하여, 배양 기간에 따른 건조 균체량을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배양 배지에 조사된 조도에 따른 본 발명의 미세 조류의 성장 정도를 확인하기 위하여, 배양 기간에 따른 건조 균체량을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배양 배지에 조사된 조도에 따른 본 발명의 미세 조류의 클로로필 생성 정도를 확인하기 위하여, 배양 기간에 따른 클로로필 생성 정도를 확인한 그래프로, 도 5a는 배양 기간에 따른 클로로필 생성량을 나타낸 그래프이고, 도 5b는 배양 기간에 따른 미세 조류의 건조 균체 g 당 클로로필 생산량을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배양 배지의 영양성분, 구체적으로 탄소원 및 질소원에 따른 본 발명의 미세 조류의 성장 정도를 확인하기 위하여, 배양 기간에 따른 건조 균체량을 나타낸 그래프로, 도 6a는 탄소원인 NaHCO3의 배지 내 농도에 따른 건조 균체량을 나타낸 그래프이고, 도 6b는 질소원인 NaNO3의 배지 내 농도에 따른 건조 균체량을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광배양기에 주입되는 기체의 이산화탄소 농도 및 주입되는 기체의 유속(flow rate)에 따른 이산화탄소 고정화 정도를 확인하기 위하여, 배양 기간에 따른 건조 균체량을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 광배양기에 주입되는 기체의 이산화탄소 농도 및 주입되는 기체의 유속(flow rate)에 따른 이산화탄소 고정화 정도를 확인하기 위한 그래프로, 도 8a는 주입되는 기체의 이산화탄소 농도 및 주입되는 기체의 유속에 따른 이산화탄소 고정량(amount of fixed CO2)을 나타낸 그래프이고, 도 8b는 주입되는 기체의 이산화탄소 농도 및 주입되는 기체의 유속에 따른 이산화탄소 고정화속도(CO2 fixation velocity, R CO2)을 나타낸 그래프이며, 도 8c는 주입되는 기체의 이산화탄소 농도 및 주입되는 기체의 유속에 따른 이산화탄소 고정화효율(CO2 fixation efficiency, FE CO2)을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 광주기와 관련된 이산화탄소 공급 조건에 따른 이산화탄소 고정화 정도를 확인하기 위한 그래프로, 도 9a는 광주기와 관련된 이산화탄소 공급 조건에 따른 균체량을 나타낸 그래프이고, 도 9b는 광주기와 관련된 이산화탄소 공급 조건에 따른 이산화탄소 고정량을 나타낸 그래프이며, 도 9c는 광주기와 관련된 이산화탄소 공급 조건에 따른 고정화속도를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 특정 광주기(명반응)에서 이산화탄소 공급 조건에 따른 이산화탄소 고정화 정도를 확인하기 위한 그래프로, 도 10a는 이산화탄소의 공급 간격(공급량)에 따른 균체량을 나타낸 그래프이고, 도 10b는 이산화탄소의 공급 간격(공급량)에 따른 이산화탄소 고정량을 나타낸 그래프이며, 도 10c는 이산화탄소의 공급 간격(공급량)에 따른 고정화속도를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
< 실시예 >
실시예 1: 균주 및 배지
1-1. 균주의 배양
본 실시예에서 사용한 미세 조류인 Spirulina platensis NIES 39(KCTC AG30033)는 한국생명공학연구원 생물자원센터로부터 분양받아 사용하였다.
상기 균주의 배양은 300 mL 플라스크(flask)를 이용하여 배양하였고, 배양액의 부피(working volume) 200 mL, 교반속도 180 rpm, 초기 접종 농도 0.50 g/L 및 14 : 10(명반응(Light, L) : 암반응(Darkness, D))의 광주기 조건으로 배양하였다. 상기 명반응은 형광등을 이용하여 배양액에 조사함으로써 수행하였다.
1-2. 배양에 사용된 배지
상기 Spirulina platensis NIES 39(KCTC AG30033)의 배양에 사용된 배지는 알칼리성 무기배지인 SOT 816 배지(SOT medium)를 사용하였고, 구체적인 배지의 조성은 하기 전 배양 단계의 최적화 조건을 확인하기 위한 배지의 경우는 표 1과 같고, 최적 이산화탄소 고정화 조건을 확인하기 위한 배지의 경우는 표 2와 같다. 상기 각각의 배지는 하기 표 1에 기재된 SOT-1 600ml와 SOT-2 400ml를 혼합하여 전체 배지 1,000 ml를 제조하고, 추가로 필요한 배지는 SOT-1와 SOT-2를 6:4(SOT-1 : SOT-2)로 혼합하여 제조하거나, 하기 표 1에 기재된 SOT-1를 하기 표 2의 SOT-3으로 대체하여 상기 SOT-3 600ml와 SOT-2 400ml를 혼합하여 전체 배지 1,000 ml를 제조하고, 추가로 필요한 배지는 하기 표 2의 조정의 SOT-3와 SOT-2를 6:4(SOT-1 : SOT-2)로 혼합하여 제조한 후, 121 ℃에서 15분간 멸균한 후, 냉각하여 사용하였다.
Figure pat00001
Components Amount
SOT-3
(Distilled water 600 Ml)		 NaHCO3 -
K2HPO4 0.5 g
NaHCO3 2.5g
실시예 2: 최적 전 배양 조건의 확립
상기 미세 조류인 Spirulina platensis NIES 39(KCTC AG30033)의 최적 전 배양 조건을 확인하기 위하여, 온도, pH, 광주기 및 배지 내 포함된 영양성분의 종류에 따른 균체량 및 클로로필 함량을 측정하였다. 하기 최적 조건 측정을 위한 각 실험은 3회 반복으로 그 정확성을 확립하였고, 각각의 측정 값은 상기 3회 반복하여 측정된 결과의 평균값을 기재하였다.
2-1. 최적 배양 온도의 측정
상기 Spirulina platensis NIES 39(KCTC AG30033)의 최적 배양 온도를 확인하기 위하여, 초기 pH 9.0 및 조도 2,500 lux에서 탄소원 및 질소원 농도를 각각 16.8 g/L 및 2.5 g/L으로 조절하고, 온도 조건을 25 ℃, 30 ℃ 및 35 ℃의 온도 조건으로 온도 조건만을 달리하여 12일 동안 배양하였다. 상기 탄소원은 NaHCO3이고 상기 질소원은 NaNO3이다.
상기 배양 후, 균체량은 O.D.값을 이용하여 측정하였고, 그 결과를 도 2에 나타내었다.
상기 균체량 측정과 관련하여, 상기 균체량 측정을 위한 O.D.값은 UV/Vis spectrophotometer(Optizen 2120UV, Mecacy Ltd., 대한민국)를 이용하여 520 nm에서 측정하였고, 건조 균체량(Dry cell weight, DCW, g/L)은 항량된 여과지(paper filter)를 이용하여 여과된 균체를 105 ℃에서 3 시간 동안 건조시켜 그 무게를 측정하였다. 상기 O.D.값과 건조 균체량의 상관관계식은 각각의 측정값을 이용하여 산출하였으며, 그 결과는 하기 수학식 1과 도 1과 같다. 상기 y는 건조 균체량으로 상기 y의 단위는 g/L이고, 상기 x는 520 nm에서 측정된 O.D.값(A520)을 의미한다.
Figure pat00002
상기 도 2에 나타낸 바와 같이, 25 ℃의 경우 균체량의 증가 정도가 낮게 나타나, 배양기간 동안 낮은 성장을 한 것으로 확인되었고, 30 ℃와 35 ℃의 경우 배양 6일째까지는 비슷한 성장 정도를 나타내었으나, 6일 이후에는 성장 정도가 현저하게 차이가 나타나, 12일이 경과한 후 35 ℃ 조건에서 균체의 최종 건조 균체량이 1.56 g/L(균체 건조 중량/배지 부피)로 나타나, 가장 우수한 것으로 확인되었다.
2-2. 최적 배양 pH 의 측정
상기 Spirulina platensis NIES 39(KCTC AG30033)의 최적 배양 pH를 확인하기 위하여, pH에 따른 균체량의 증가 정도를 측정하였다. 상기 배양 조건으로 온도 조건은 상기 실시예 2-1에서 최적 온도 조건으로 확인된 35 ℃로 하였고, 조도는 2,500 lux으로 하였으며, 탄소원 및 질소원 농도를 각각 16.8 g/L 및 2.5 g/L으로 고정하고, 초기 pH 조건을 pH 8.0 내지 pH 11.0의 구간에서 pH 8.0부터 pH를 pH 0.5씩 증가시키면서 pH 조건만을 달리하여 12일 동안 배양시켰다. 상기 pH의 조절은 1 N NaOH 또는 1 N HCl을 이용하여 수행하였고, pH meter(720P, Istek Inc., 대한민국)를 사용하여, pH를 측정하여 확인하였다.
상기 배양 후, 균체량은 상기 실시예 2-1의 방법으로 O.D.값을 이용하여 측정하였고, 그 결과를 도 3에 나타내었다.
상기 도 3에 나타낸 바와 같이, 초기 pH가 pH 9.0 내지 pH 10.0의 조건에서 우수한 균체 생산량을 나타내었고, pH 9.5에서 가장 우수한 균체 생산량을 보이는 것으로 확인되었다. 일반적으로 본 발명의 미세 조류인 S. platensis의 경우 알칼리에 내성을 지니고 있어 pH 9.0 내지 pH 11.0에서 우수한 성장을 한다고 알려져 있었으나, 본 실험의 결과 본 실험의 대상 균주인 Spirulina platensis NIES 39(KCTC AG30033)는 pH 10.5 이상의 알칼리 조건에서 급격히 성장이 감소하는 것으로 확인되어 종래 보고 결과가 상이한 것으로 확인되었다. 또한, 알칼리 조건에 해당되지만, pH 8.5 이하의 조건에서도 성장이 급격히 감소하는 것으로 확인되었다. 이러한 최적 성장 pH의 조건은 Spirulina platensis NIES 39(KCTC AG30033) 특이적인 것으로 예상되었다.
2-3. 최적 조도의 측정
상기 Spirulina platensis NIES 39(KCTC AG30033)의 최적 배양 조도 조건을 확인하기 위하여, 조도에 따른 균체량의 증가 정도 및 클로로필 함량을 측정하였다. 상기 배양 조건으로 온도 조건은 상기 실시예 2-1에서 최적 온도 조건으로 확인된 35 ℃로 하였고, pH 조건은 상기 실시예 2-2에서 최적 pH 조건으로 확인된 pH 조건 중 pH 9로 하였으며, 탄소원 및 질소원 농도를 각각 16.8 g/L 및 2.5 g/L으로 고정하고, 조도 조건을 2,500 lux, 4,500 lux, 6,500 lux 및 7,500 lux로 달리하여 12일 동안 배양시켰다. 상기 조도의 조절은 Luxmeter(TES-1332A, TES Electrical Electronic corp., 대만)를 이용하여 수행하였다.
상기 배양 후, 균체량 및 클로로필 함량을 측정하였고, 상기 균체량 측정은 상기 실시예 2-1에 기재된 O.D.값을 이용하여 측정하는 방법으로 수행하였으며, 그 결과를 도 4에 나타내었다.
상기 클로로필 측정과 관련하여, 클로로필 추출은 P. C. Chen의 방법(P. C. Chen, Ph. D. Dissertation, Gottingen Univ(1979))을 응용하여 사용하였다. 구체적으로, 1 mL의 배양액을 여과지(paper filter)로 여과하여 균체를 분리한 후, 메탄올로 추출하였다. 상기 균주는 원심분리를 하여도 쉽게 가라앉지 않아 균체의 완전한 분리가 어렵기 때문에 여과지를 이용하여 균체를 분리하였다. 상기 여과된 균체를 microtube에 넣고 추출용액인 메탄올을 1 mL 첨가한 후, 60 ℃ 조건에서 30분 동안 추출을 수행하고, 0 ℃ 조건에서 5분간 냉각시킨 뒤 650 nm 및 665 nm에서 흡광도를 측정하였다. 상기 측정결과를 하기 수학식 2에 대입하여 전체 클로로필 함량을 계산하였으며, 그 결과를 도 5에 나타내었다. 상기 y는 클로로필 함량으로 상기 y의 단위는 mg/L이고, 상기 a는 650 nm에서 측정된 흡광도(A650)를 의미하며, 상기 b는 665 nm에서 측정된 흡광도(A665)를 의미한다.
Figure pat00003
상기 도 4에 나타낸 바와 같이, 2,500 lux에 비하여 4,500 lux 내지 7,500 lux가 균체 생산량이 약 3배 정도 높아 우수한 것으로 확인되었고, 최종 측정 결과 7,500 lux에서의 균체 생산량이 가장 많았고, 4,500 lux 및 6,500 lux에서 유사한 균체 생산량을 나타내었으며, 특히 조도에 의한 에너지 소비를 고려하면, 4,500 lux가 소요된 에너지 대비 가장 우수한 균체 생산량을 나타내는 것으로 확인되었다.
또한, 조도가 클로로필 함량에 미치는 영향과 관련하여, 상기 도 5a에 나타낸 바와 같이, 4500 lux의 조건에서 가장 높은 클로로필 함량 29.53 mg/L이 생산되었으며, 이는 2500 lux의 조건에서 클로로필 함량과 비교하여 2배 정도 높은 결과이다. 상기 도 4에서 가장 우수한 균체 생산량이 확인되었던 7500 lux의 경우, 클로로필 생산량은 25.75 mg/L으로 4500 lux의 조건에 비해 다소 감소되는 것으로 확인되었다.
또한, 조도가 균체 g당 클로로필 생산량에 미치는 영향과 관련하여, 상기 도 5b에 나타낸 바와 같이, 2500 lux의 조건과 4500 lux의 조건에서는 유의적 차이를 나타내지 않았으나, 이후 조도가 증가할수록 균체 g당 클로로필 생산량이 저하되는 것으로 확인되었다.
상기 결과로부터, 높은 균체 성장량, 에너지 효율 및 높은 클로로필 생산 효율이란 측면에서 모두 가장 우수한 것으로 확인된 조도 조건인 4500 lux가 상기 미세 조류를 배양하기 가장 최적인 조건으로 확인되었다.
2-4. 최적 배지 조성의 측정
상기 Spirulina platensis NIES 39(KCTC AG30033)의 최적 배지 조성을 확인하기 위하여, 탄소원 및 질소원의 농도에 따른 균체량의 증가 정도를 측정하였다. 상기 배양 조건으로 온도 조건은 상기 실시예 2-1에서 최적 온도 조건으로 확인된 35 ℃로 하였고, pH 조건은 상기 실시예 2-2에서 최적 pH 조건으로 확인된 pH 9.5로 하였으며, 조도 조건은 상기 실시예 2-3에서 최적 조도 조건으로 확인된 4,500 lux에서 실험을 진행하였고, 탄소원 및 질소원 농도는 NaHCO3와 NaNO3의 농도를 SOT 배지를 기준으로 각각 16.8 g/L 및 2.5 g/L을 기준 농도로 하여, 상기 물질의 농도를 0, 상기 기준 농도의 25%, 50%, 200% 및 400%로 달리하여 12일 동안 배양시켰다.
상기 배양 후, 균체량을 측정하였고, 상기 균체량 측정은 상기 실시예 2-1에 기재된 O.D.값을 이용하여 측정하는 방법으로 수행하였으며, 그 결과를 도 6에 나타내었다.
상기 도 6에 나타낸 바와 같이, 탄소원 및 질소원이 각각 16.8 g/L 및 2.5 g/L인 경우에서 건조 균체량이 1.77 g/L인 것으로 확인되어 가장 우수한 것으로 확인되었으며, 탄소와 질소 성분이 포함되지 않는 경우에는 급격히 성장이 저하되어 탄소와 질소 성분이 상기 미세 조류의 성장에 중요한 인자로 작용하는 것으로 확인되었으며, 상기 도 6a 및 도 6b의 결과에 따라 탄소 및 질소 함량이 너무 높은 경우에도 성장이 저해될 수 있는 것으로 확인되었다.
탄소원 및 질소원도 에너지로 환산될 수 있는 것이므로, 높은 균체 성장량과 에너지 효율이란 측면에서 가장 우수한 것으로 확인된 탄소원(NaHCO3) 및 질소원(NaNO3)의 함량은 16.8 g/L 및 2.5 g/L인 것으로 확인되었다.
실시예 3: 최적 이산화탄소 고정화 조건의 확립
상기 미세 조류인 Spirulina platensis NIES 39(KCTC AG30033)의 최적 이산화탄소 고정화 조건을 확인하기 위하여, 이산화탄소의 농도 및 유속, 주입되는 이산화탄소량 및 광원의 조사조건에 따른 이산화탄소 고정화율을 측정하였다. 하기 최적 조건 측정을 위한 각 실험은 3회 반복으로 그 정확성을 확립하였고, 각각의 측정 값은 상기 3회 반복하여 측정된 결과의 평균값을 기재하였다.
3-1. 최적 배양 이산화탄소 주입 조건의 측정
상기 Spirulina platensis NIES 39(KCTC AG30033)의 배양 조건은 상기 실시예 2에서 확인된 배양 조건을 기초로, 배양하면서 최적 배양 이산화탄소 주입 조건을 측정하였다.
상기 균주는 1L 플라스크(flask)에서 배양액(working volume)을 600 ml를 넣고, 교반속도 180 rpm, 초기 접종 농도 0.50 g/L 및 12 : 12(명반응(Light, L) : 암반응(Darkness, D))의 광주기 조건으로 전 배양하였다. 상기 전 배양 조건은 온도 35 ℃, 초기 pH 9.5±0.2, 조도 6,500 lux이었고, 상기 배양 시, 미량의 이산화탄소가 함유된 일반 공기(air)를 주입하면서 배양하였다.
상기 균주의 초기 접종 농도는 0.50g/L이었고, 상기 명반응은 형광등을 이용하여 조사하는 방식으로 수행하였다. 상기 일반 공기의 주입에 따라 배양액 증발이 일어남으로써 손실된 배양액의 부피는 멸균된 증류수를 이용하여 보정하였고, 이산화탄소의 주입에 따른 pH의 변화는 6N-NaOH를 이용하여 보정하였다. 상기 배지는 무기배지인 상기SOT 816 배지를 변형하여 C source를 제외한 SOT-C 배지(상기 표 1의 SOT-1의 조성을 SOT-3으로 대체한 조성을 갖는 배지)를 사용하였다.
상기 전 배양된 균주를 이용하여 이산화탄소를 고정한 과정은 비닐 소재로 제작된 광배양기를 포함하는 광생물반응기에서 수행하였다. 상기 광배양기는 폴리에틸렌(Polyethylene, PE)을 이용하여 적절한 길이로 절단하고, 배양액이 흐르지 않도록 아래쪽을 접합하여 광생물반응기 내에 광배양기가 수직형으로 장착된 수직형 광배양기 형태로 제조하였다. 상기 광배양기에는 각각 유리관으로 제작된 공기(air 또는 CO2)주입구, 검체 채취구(sampling port) 및 배기구를 구비하도록 제작하였다.
상기 제작과정에서 폴리에틸렌을 제외한 다른 재질로 구성된 부분은 121 ℃에서 15분간 멸균을 수행하였고, 광배양기 제작과정 또한 멸균된 환경에서 수행하였다. 또한, 상기 폴리에틸렌 재질의 광배양기의 내부를 샘플링(sampling)하여 오염균의 존재 여부를 확인한 결과, 오염균은 검출되지 않았다. 상기 결과로부터 본 발명의 실시에 사용된 광생물반응기는 무균 상태인 것으로 판단하고 실험을 진행하였다.
상기 폴리에틸렌 재질의 광배양기에 배양액(working volume)을 500 ml를 넣고, 상기 전 배양된 균주를 초기 접종 농도 0.6 g/L로 접종한 후, 온도 조건 35 ℃, 조도 조건 6500 lux 내지 7000 lux, pH 조건 pH 9.5 ± 0.2 및 12 : 12(명반응(Light, L) : 암반응(Darkness, D))의 광주기 조건으로 실험을 수행하였다. 상기 배양배지는 무기배지인 상기SOT 816 배지를 변형하여 C source를 제외한 SOT-C 배지를 사용하였고, 상기 공기 주입구로 주입되는 기체는 0.2 ㎛의 필터를 통과시켜 기체에 포함된 오염균을 배재시킨 후, 주입하였다.
또한, 이산화탄소의 고정화 데이터는 C source를 제외한 SOT-C 배지를 사용하기 때문에, C source가 존재하지 않아 상기 미세 조류가 완벽하게 독립영양적으로 성장한다고 가정하고 측정하였다. 상기 이산화탄소의 고정화 데이터 즉, 이산화탄소의 고정화율을 측정은 하기와 같은 방법으로 수행하였다.
미세조류의 성장으로부터 고정화된 이산화탄소의 양(
Figure pat00004
, g/L)은 특정시간에서의 균체농도(X, g/L) 또는 최고농도(X max , g/L), 초기 균체농도(X 0 , g/L), 조류의 탄소함량 (
Figure pat00005
, 0.507 g carbon/g DCW), 유출수 내의 균체농도(X out , g/L) 및 이산화탄소의 분자량 (
Figure pat00006
, 44 g/mol)과 탄소의 원자량(Mc, 12 g/mol)의 비로부터 하기 수학식 3을 이용하여 나타낼 수 있다.
Figure pat00007
또한, 이산화탄소의 고정화속도(
Figure pat00008
, g/L/day)는 배양과정에 있어서 균체의 탄소함량이 일정하다는 가정하에 상기 수학식 3을 미분한 하기 수학식 4를 이용하여 나타낼 수 있다.
Figure pat00009
또한, 이산화탄소 고정화율(FE CO2 )은 주입한 이산화탄소량을 산정하여 고정화된 이산화탄소량과의 백분율로 나타낼 수 있으며, 주입한 이산화탄소량은 중량으로 환산하여 측정하였다. 상기 이산화탄소량, 즉 이산화탄소의 부피를 중량으로 환산하기 위해서 Van der Waals의 이상기체 보정식을 응용하였고, 보다 구체적으로 0℃ 및 1기압에서의 이상기체 방정식을 35℃ 및 1기압의 실제 기체방정식으로 보정하여 사용하였다. 상기 실체 기체방정식에 의해 보정된 상기 미세 조류의 최적배양 조건인 35 ℃ 및 1기압에서의 이산화탄소 1mol의 실제기체부피는 25.3 L으로 계산되었다.
상기 주입되는 기체의 이산화탄소의 농도 및 상기 주입되는 기체의 유속을 조절하면서, 이산화탄소의 고정화 정도를 측정하여 그 결과를 표 3과 도 7 및 도 8에 나타내었다. 상기 이산화탄소의 농도는 0.038%, 5% 및 10%이었고, 상기 공기의 유속은 0.1vvm 및 0.2vvm이었다. 상기 vvm(volume of air/volume of flulid/minute)은 광배양기에 1분간 유입되는 공기의 양을 의미하며, 상기 배양액이 500ml이므로, 상기 조건에서 1vvm은 발효기 안에 공기가 1분 동안 500ml 유입되는 것을 의미한다.
이산화탄소 농도(%) 유속(vvm) Xmax(g/L) F CO2 (gCO2/L) R CO2 (gCO2/L/day) FE CO2 (%)
0.038 0.2 1.596 2.064 0.159 -
0.1 1.349 1.766 0.136 -
5 0.2 1.982 3.192 0.246 41.218
0.1 2.542 3.819 0.294 98.615
10 0.2 2.196 3.369 0.259 21.748
0.1 2.677 4.056 0.312 52.372
상기 도 7에 나타낸 바와 같이, 각 조건에 따른 성장양상은 전체적으로 13일을 기점으로 성장이 저하되는 것으로 확인되었으므로, 13일까지의 배양 결과(X max )를 기준으로 최적 조건을 검토하였다. 상기 도 7 및 도 8과 표 3에 나타낸 바와 같이, 균체농도는 이산화탄소 함량이 높을수록 증가하는 것으로 확인되었으나, 효율의 측면인 고정화율의 경우 특정 조건 즉, 이산화탄소의 농도가 5%이고, 유속이 0.2 vvm인 경우에 가장 효율적인 것으로 확인되었다.
구체적으로, 상기 도 7, 도 8a, 도 8b 및 표 3에 나타낸 바와 같이, 균체농도는 이산화탄소 농도가 0.038%인 경우에는 유속이 빠른 경우에 균체농도가 증가하는 것으로 확인되었고, 이와 관련 고정화된 이산화탄소의 양과 이산화탄소의 고정화속도도 증가하는 것으로 확인되었으나, 이산화탄소의 농도가 증가된 5% 및 10%의 경우에는 유체 속도가 느린 경우 균체농도, 고정화된 이산화탄소의 양 및 이산화탄소의 고정화속도가 증가하는 것으로 확인되었다.
보다 구체적으로, 균체의 성장과 비례하기 때문에 성장양상과 같은 경향을 나타내는 고정화량과 고정화속도의 경우, 이산화탄소 농도가 10%이고, 유체 속도가 0.1 vvm인 경우에 이산화탄소 고정화량이 4.056 g/L로 가장 높은 것으로 확인되었고, 고정화속도의 경우에도 0.312 g/L/day로 가장 높게 나타났다. 상기 결과에 의하면 이산화탄소 농도가 10%이고, 유체 속도가 0.1 vvm인 조건의 경우 대기 중의 공기(air)를 주입한 실험군에 비해서 약 두 배 가량 높은 수치가 확인되었다.
또한, 상기 도 8c 및 표 3에 나타낸 바와 같이, 이산화탄소 고정화율의 경우 균체성장이 가장 높았던 조건인 이산화탄소 농도가 10%이고, 유체 속도가 0.1 vvm인 조건에서 52.372%로 주입한 이산화탄소량과 비교하여 절반정도의 탄소만이 고정화된 반면, 이산화탄소 농도가 5%이고, 유체 속도가 0.1 vvm인 조건에서 98.615%로 주입한 이산화탄소를 거의 대부분 이용한 것으로 나타났다.
상기 결과에 의하면, 공급되는 공기의 유속과 관련해서는 0.1 vvm이 바람직한 것으로 확인되었다. 구체적으로, 일정 농도 이상의 이산화탄소 농도에서는 유체 속도가 느린 경우 5% CO2 농도의 공기를 0.2 vvm의 유속으로 공급한 경우와 10% CO2 농도의 공기를 0.1 vvm의 유속으로 공급한 경우, 시간당 공급된 이산화탄소의 양은 300 ml로 동일하지만, 이산화탄소 고정화율은 약 4.5배 정도에 해당하는 현저하게 차이가 나는 것으로 확인되었다. 이는 일정 농도 이상의 이산화탄소를 포함하는 공기의 경우에는 공급된 이산화탄소가 충분히 액상으로 녹아 들어갈 수 있도록 천천히 공급해야 하며, 너무 빠른 유속으로 공급하는 경우에는 이산화탄소가 배양액으로 용해되지 아니하여 균체가 필요로 하는 탄소원을 충분하게 공급하지 못하기 때문인 것으로 예상되었다.
또한, 공급되는 공기의 이산화탄소의 농도는 5%가 바람직한 것으로 확인되었다. 동일한 유체속도인 0.1 vvm으로 기체를 공급하는 경우에 상기한 바와 같이, 이산화탄소의 농도가 5%인 경우 고정화량이 3.819 g/L이고, 고정화속도가 0.294 g/L/day로 나타났으나, 이산화탄소의 농도가 10%인 경우 고정화량이 4.056 g/L이고, 고정화속도가 0.312 g/L/day로 이산화탄소 농도가 10%인 경우 더 높은 것으로 나타났다. 그러나, 공급된 이산화탄소 양에 대한 대비 값 즉, 이산화탄소 고정화 효율을 나타내는 고정화율의 경우 이산화탄소 농도가 5%인 경우 98.615%를 나타낸 반면, 이산화탄소 농도가 10%인 경우 52.372%를 나타내어 이산화탄소 농도가 5%인 경우 현저하게 높은 것으로 확인되었다. 상기 결과로부터 이산화탄소의 농도는 5%인 것이 바람직한 것으로 확인되었다.
상기 결과는 이산화탄소의 농도가 너무 높은 경우에는 공급된 이산화탄소의 고정화 정도에 한계가 있다는 점을 제시한다. 본 발명의 이산화탄소 고정화 방법이 향후 온실가스 저감을 위해 사용될 수 있다는 점을 고려할 때, 본 발명의 최적 이산화탄소 고정화 조건과 관련하여 공급되는 기체의 이산화탄소의 농도가 5%이고, 기체의 공급 유속이 0.1 vvm인 것이 가장 우수한 것으로 평가되었다.
3-2. 최적 광 조사 조건의 측정
상기 Spirulina platensis NIES 39(KCTC AG30033)의 최적 광 조사 조건을 확인하기 위하여, 광 조사 조건에 따른 이산화탄소의 공급을 달리하면서 균체량, 이산화탄소 고정화량 및 이산화탄소 고정화속도의 증가 정도를 측정하였다. 상기 미세 조류의 전 배양 조건, 광생물 배양기 및 배양 조건과 배양방법은 상기 실시예 3-1의 조건 및 방법으로 수행하였고, 균체량, 이산화탄소 고정화량 및 이산화탄소 고정화속도의 측정 및 계산도 상기 실시예 3-1의 방법으로 수행하였다. 상기 배양 조건 중, 공급되는 기체와 관련된 조건은 실시예 3-1에서 최적 조건으로 확인된 조건인 부피를 기준으로 공급되는 기체 중 이산화탄소의 농도가 5%(v/v)이고, 유체의 공급 속도가 0.1vvm이었다.
상기 광 조사 조건과 관련하여, 우선적으로 광주기에 따라 이산화탄소 공급을 달리할 경우의 이산화탄소 고정화 정도를 확인하기 위해 각각의 조건에서 균체량, 이산화탄소 고정화량 및 이산화탄소 고정화속도를 측정하였으며, 그 결과를 도 9에 나타내었다. 상기 광주기에 따른 이산화탄소 공급은 명반응인 경우에만 이산화탄소를 공급하는 경우(Light), 암반응인 경우에만 이산화탄소를 공급하는 경우(Dark) 및 항상 이산화탄소를 공급하는 경우(Continuous)로 구분하여 실험을 수행하였다.
상기 도 9에 나타낸 바와 같이, 명반응 즉, 광배양 기간 동안만 이산화탄소를 공급(Light)하는 경우, 균체량이 3.406 g/L이고, 이산화탄소 고정화량이 5.186g인 것으로 확인되어 가장 우수한 것으로 확인된 반면, 암반응 기간 동안만 이산화탄소를 공급(Dark)하는 경우, 균체량이 2.056 g/L이고, 이산화탄소 고정화량이 2.676g인 것으로 확인되어 상기 명반응에서 암반응에 비하여 약 2배에 가까운 이산화탄소 고정이 수행되는 것으로 확인되었다. 또한, 상기 명반응 동안만 이산화탄소를 공급하는 경우(Light)가 항상 이산화탄소를 공급하는 경우(Continuous) 보다 균체량, 고정화량 및 고정화속도 모두에서 우수한 것으로 확인되어, 명반응에만 이산화탄소를 공급하는 것이 가장 바람직한 것으로 확인되었다. 상기 결과로부터 미세 조류를 이용한 이산화탄소 고정은 미세 조류의 광합성이 활발하게 수행되는 광반응 기간에 더 효율적으로 수행되는 것으로 해석되었다.
또한, 상기 광 조사 조건과 관련하여 상기 도 9에 나타낸 결과에 기초하여, 상기 명반응 동안만 이산화탄소를 공급하는 경우(Light)에 이산화탄소의 공급을 어느 정도 지속적으로 공급하는 것이 바람직한지 확인하기 위해 각각의 조건에서 균체량, 이산화탄소 고정화량 및 이산화탄소 고정화속도를 측정하였으며, 그 결과를 도 10에 나타내었다. 상기 공급 조건과 관련하여, 광주기인 12시간 동안, 2시간 간격, 4시간 간격, 6시간 간격 및 12시간 간격으로 각각 10분간 이산화탄소의 농도가 5%(v/v)인 기체를 0.1 vvm의 유속으로 공급하면서, 각각의 균체량, 이산화탄소 고정화량 및 이산화탄소 고정화속도를 측정하는 방법으로 실험을 수행하였다.
상기 도 10에 나타낸 바와 같이, 4시간 간격으로 기체를 공급하는 경우에 균체량이 3.215 g/L이고, 이산화탄소 고정화량이 4.905g인 것으로 확인되어 가장 우수한 것으로 확인되었고, 상기 수치에 의하면 4시간 간격으로 기체를 공급한 경우 12시간 간격으로 기체를 공급한 경우에 비하여 약 2배에 가까운 이산화탄소 고정이 수행되는 것으로 확인되었다. 상기 6시간 간격으로 공급한 경우에 비하여 12시간 간격으로 공급한 경우 균체량, 고정화량 및 고정화속도가 낮은 것으로 확인되어, 6시간 간격 및 12시간 간격의 경우 이산화탄소의 공급량이 부족하여, 균체량의 증가 정도가 낮은 것으로 예상되었다. 한편, 4시간 간격에 비하여 이산화탄소가 풍부하게 공급된 2시간 간격으로 이산화탄소를 공급한 경우는 상기 4시간을 공급한 경우의 약 60%에 정도에 불과한 이산화탄소 고정이 수행되는 것으로 확인되었다. 이는 과다한 이산화탄소의 공급으로 인한 약간의 성장 저해효과가 나타났기 때문인 것으로 예상되었다. 따라서, 공급되는 이산화탄소의 양이 미세조류가 탄소원으로 이용할 수 있는 양에 비하여 과다한 양인 경우 오히려 이산화탄소의 고정에 부적절한 것으로 평가되었다.
상기한 결과를 종합하면, 광조건 및 이에 따른 이산화탄소의 공급과 관련하여 명반응 즉, 빛을 조사하는 조건에서 4시간 간격으로 이산화탄소의 농도가 5%(v/v)인 기체를 0.1 vvm의 유속으로 10분간 공급하는 것이 가장 바람직한 것으로 평가되었다.

Claims (3)

  1. 광배양기를 포함하는 광생물반응기를 이용한 미세조류 배양을 통해 이산화탄소를 고정하는 방법에 있어서,
    스피루리나 플라텐시스 NIES 39(Spirulina platensis NIES 39, KCTC AG30033)를 34 ℃ 내지 36 ℃의 온도 조건, pH 9 내지 pH 10의 pH 조건, 4,000 lux 내지 5,000 lux의 조도 조건에서 전 배양하는 단계;
    상기 전 배양된 스피루리나 플라텐시스 NIES 39(Spirulina platensis NIES 39, KCTC AG30033)를 비닐 재질의 광배양기에 포함된 배양 배지에 접종하는 단계; 및
    상기 광배양기에 공급되는 기체의 이산화탄소의 농도가 공급되는 기체의 부피를 기준으로 4%(v/v) 내지 6%(v/v)인 기체를 0.075 vvm 내지 0.125 vvm의 유속으로 주입하면서 상기 광배양기를 포함하는 광생물반응기에서 스피루리나 플라텐시스 NIES 39를 배양하는 단계
    를 포함하는 이산화탄소 고정화 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 비닐 재질은 폴리에틸렌(polyethylene) 또는 폴리프로필렌(polyprophylene)인 이산화탄소 고정화 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스피루리나 플라텐시스 NIES 39를 배양하는 단계는 34 ℃ 내지 36 ℃의 온도 조건, pH 9 내지 pH 10의 pH 조건 및 4,000 lux 내지 8,000 lux의 조도 조건에서 수행하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 고정화 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN103255048A (zh) * 2013-04-19 2013-08-21 北京科技大学 海水体系钝顶螺旋藻生物矿化固定二氧化碳装置及方法

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