KR20120083746A

KR20120083746A - 미세조류 배양용 광생물 반응장치

Info

Publication number: KR20120083746A
Application number: KR1020110005058A
Authority: KR
Inventors: 고대영
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2011-01-18
Filing date: 2011-01-18
Publication date: 2012-07-26

Abstract

본 발명은 미세조류 배양용 광생물 반응장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 빛에너지 이용 효율을 높이고 CO₂ 기체의 배지 내(內) 이동경로 및 체류시간을 증가함으로써 미세조류 균체의 성장을 촉진하고 이산화탄소 고정을 최대화한 미세조류 배양용 광생물 반응장치에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은, 미세조류 균체와 배지가 주입되는 반응물 유입구와 이산화탄소 가스가 주입되는 가스 유입구를 갖는 반응기 본체; 상기 반응기 본체의 내부공간을 구획하여 이산화탄소의 이동경로를 증가시키기 위한 하나 이상의 격벽; 상기 반응기 본체 내부에서 이산화탄소 가스를 미세기포화하기 위한 분리막; 상기 반응기 본체 내부에 설치되어 빛을 내부조사하는 광원;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 미세조류 배양용 광생물 반응장치를 제공한다.

Description

미세조류 배양용 광생물 반응장치 {PHOTO-BIOREACTOR FOR CULTURING MICRO ALGAE}

본 발명은 미세조류 배양용 광생물 반응장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 빛에너지 이용 효율을 높이고 CO₂ 기체의 배지 내(內) 이동경로 및 체류시간을 증가함으로써 미세조류 균체의 성장을 촉진하고 이산화탄소 고정을 최대화한 미세조류 배양용 광생물 반응장치에 관한 것이다.

지구온난화 및 화석 연료 고갈이라는 전지구적 차원의 환경문제가 대두됨에 따라 이를 해결하기 위한 다양한 시도들이 이루어지고 있는 바, 그 중 생물학적 CO₂ 저감 기술로서 미세조류의 광합성 작용을 활용한 CO₂의 고정 및 바이오디젤 생산 기술은 상온/상압에서 가능하며 자연계의 탄소순환 원리를 이용한다는 장점때문에 온실가스 저감을 위한 가장 현실적인 대안으로 검토되고 있다.

미세조류의 광합성 작용을 활용한 기술이 성공적인 대안이 되기 위해서는, 우선 CO₂ 흡수능이 뛰어난 미세조류 종을 선별해야 하고, 이를 대양 배양할 수 있는 광생물 반응장치의 개발이 필수적이다.

일반적으로 미세조류 배양장치는 크게 옥외에서 배양하는 오픈 폰드 시스템(Open pond System)과 밀폐된 반응장치를 활용하는 클로즈드 시스템(Closed System)으로 나눌 수 있다.

오픈 폰드 시스템(Open pond system)은 개방형 수로 또는 연못을 이용하는 것으로, 초기 투자비가 저렴하다는 장점이 있으나 단위 부피당 생산량이 적어서 넓은 설치 공간이 필요하며, 미세조류 성장에 필요한 영양분, 온도, pH 등 반응인자를 제어하기 곤란한 단점이 있다. 이러한 옥외 배양장치의 단점을 극복하기 위해 작은 크기의 반응장치에 미세조류의 고밀도 성장을 가능하게 하는 클로즈드 시스템(Closed system)에 대한 연구가 활발해지고 있다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 종래의 미세조류 배양장치는 크게 영양분 공급기, 미세조류 광생물 반응장치, 수확기 등으로 구성된다. 상기 영양분 공급기는 미세조류 성장에 필요한 영양분과 물을 공급하는 장치이며, 미세조류 광생물 반응장치는 미세조류가 자연광/인공광 등의 광원을 통해 광합성 작용을 하도록 함으로써 CO₂를 고정하는 장치이다. 그리고, 상기 수확기는 성장된 미세조류를 분리하는 장치로서, 생성된 바이오매스를 적절히 처리하여 바이오디젤을 생산하기 위한 설비와 연결될 수 있다.

이 중 상기 미세조류 광생물 반응장치는 실제 CO₂ 고정화가 이루어지는 장치로서, 생물학적 CO₂ 고정장치의 가장 핵심이 되는 부분이다. 미세조류는 보통 배양 초기 농도에서 최종 농도까지 성장하기까지 9~10일 정도 소요되는데(도 2 참조), 이렇게 미세조류의 성장 속도가 느린 원인은 물에 대한 CO₂의 낮은 용해도로 인하여 CO₂ 기체를 단순히 버블로 반응장치에 주입하게 되면 배지(영양분) 내(內) CO₂ 체류시간이 감소하여 미세조류와 CO₂의 접촉시간이 줄어들기 때문이다.

또한, 미세조류가 고밀도로 성장함에 따라 균체 상호간의 빛가림 현상으로 인하여 외부 광원에 대한 광투과도가 낮아져서 광합성에 필요한 광량이 줄어들어 미세조류 성장에 한계가 존재하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 이산화탄소를 미세기포화하여 배지 내 포화속도를 증가시킴과 동시에, 반응기 본체 내부에 격벽을 설치하여 반응기 본체 내 이산화탄소의 이동경로 및 체류시간을 연장하고, 광원을 반응기 본체 내부에 설치하여 빛에너지 이용 효율을 향상시킨 미세조류 배양용 광생물 반응장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 미세조류 균체와 배지가 주입되는 반응물 유입구와 이산화탄소 가스가 주입되는 가스 유입구를 갖는 반응기 본체; 상기 반응기 본체의 내부공간을 구획하여 이산화탄소의 이동경로를 증가시키기 위한 하나 이상의 격벽; 상기 반응기 본체 내부에서 이산화탄소 가스를 미세기포화하기 위한 분리막; 상기 반응기 본체 내부에 설치되어 빛을 내부조사하는 광원;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 미세조류 배양용 광생물 반응장치를 제공한다.

바람직하게, 상기 분리막은 0.4 ㎛ 이하의 포어(pore)를 갖는 구조임을 특징으로 한다.

또한 바람직하게, 상기 반응기 본체 내부에는 미세조류 균체의 유동을 유도하기 위한 교반기가 하나 이상 설치되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 광원은 광합성 활성영역대 파장의 빛을 조사할 수 있는 LED 램프인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 반응기 본체에는 반응기 본체에서 배출되는 이산화탄소 가스를 가스 유입구로 유도하기 위한 가스 순환관이 설치된 것을 특징으로 한다.

상기 분리막은 인접한 격벽 사이를 연결하는 구조로 하나 이상 설치되고, 그 중 하나는 가스 유입구가 위치된 반응기 본체의 내벽면에 설치되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 격벽은 반응기 본체의 상하 내벽면에 교번 배치되어 지그재그 구조의 이산화탄소 이동경로를 형성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 미세조류 배양용 광생물 반응장치에 의하면 미세조류 배양시 배지 내 CO₂ 의 체류시간이 증가하고 광이용 효율이 향상되는 등으로 인해 미세조류의 성장 및 이산화탄소 고정을 최대화하는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 종래 미세조류 배양장치의 배양 공정을 개략적으로 나타낸 도면
도 2는 종래 일반적인 미세조류의 성장 곡선을 나타낸 도면
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 미세조류 배양용 광생물 반응장치를 도시한 구성도
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세조류 배양용 광생물 반응장치를 나타낸 도면
도 5는 일반적인 엽록소 활성영역대 파장을 나타낸 그래프

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세하게 설명하도록 한다.

본 발명은 미세조류 배양용 광생물 반응장치에 관한 것으로, 기존 클로즈드 시스템(Closed system)의 일환으로서 빛에너지 이용 효율을 높이고 CO₂ 기체의 배지 내(內) 이동경로 및 체류시간을 증가시킨 광생물 반응장치를 제시한다.

본 발명의 일실시예에 따른 광생물 반응장치는, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 일정 체적의 내부공간을 갖는 반응기 본체(11), 상기 반응기 본체(11) 내부의 이산화탄소 가스를 미세기포화하기 위한 분리막(21), 상기 반응기 본체(11)의 내부공간을 구획하여 이산화탄소의 이동경로를 증가시키기 위한 하나 이상의 격벽(23) 및 상기 반응기 본체(11)에 내설되어 광합성 작용을 위한 빛을 반응기 본체(11) 내부에서 직접 공급, 조사하는 광원(22)을 포함하여 구성된다.

본 실시예에서, 상기 반응기 본체(11)는 사각 형상의 단면을 갖는 육면체로 구성되고, 그 길이방향의 일측 단부에는 초기 농도의 미세조류 균체와 배지(미세조류 성장에 필요한 영양분과 물로 이루어짐)가 주입되는 반응물 유입구(12) 및 CO₂ 기체가 주입되는 가스 유입구(13)가 구성된다.

상기 반응기 본체(11) 내부에는 가스 유입구(13)를 통해 유입되는 이산화탄소 기체를 미세기포화하기 위해 상기 가스 유입구(13)와 연결되는 분리막(21)이 설치된다.

상기 분리막(21)은 가스 유입구(13)가 위치된 반응기 본체(11)의 내벽면에 설치될 뿐만 아니라, 도 3과 같이 반응기 본체(11) 내에서 격벽(23)에 의해 형성되는 이산화탄소의 이동경로 상에 임의의 위치에도 설치되어 반응기 본체(11) 내에 유입되어 이동하는 이산화탄소 기체를 미세기포화한다.

예컨대, 상기 분리막(21)은 도 3 및 도 4와 같이 인접한 격벽(23)을 가로지러 연결하는 구조로 설치되며, 인접한 격벽(23) 사이에 적어도 하나 이상 설치됨이 바람직하다.

상기 분리막(21)은 이산화탄소 가스를 미세기포화하기 위해 다수의 포어(pore)를 갖는 형태로 이루어지며, 상기 포어 사이즈는 0.4㎛ 이하인 것이 바람직하다.

종래 광생물 반응장치의 경우, 이산화탄소 가스를 단순히 산기관을 통해 기포화(bubble)함으로 인해 배지 내 이산화탄소 가스의 체류시간이 충분치 못하고 짧아서 미세조류 균체의 광합성 작용이 활발하게 일어나지 못하는 반면, 본 발명에 따른 광생물 반응장치에서는 상기와 같이 미세 크기의 포어를 갖는 분리막(21)을 이용하여 이산화탄소 가스를 미세기포화함에 따라 반응기 본체(11) 내 이산화탄소 가스의 체류시간이 연장됨으로써 미세조류 균체의 활발한 광합성 작용을 도모할 수 있게 된다.

또한, 상기 반응기 본체(11) 내부에는 이산화탄소 가스의 이동경로를 연장하기 위해 다수의 격벽(23)이 상호 이격되게 설치된다.

상기 격벽(23)은 반응기 본체(11)의 종단면 혹은 횡단면을 부분적으로 구획하기 위한 패널 형상으로 구성 설치되어, 이산화탄소 가스 및 배지의 이동이 가능한 통로를 형성하게 된다.

예컨대, 상기 격벽(23)은 한정된 내부공간을 가지는 반응기 본체(11) 내에서 이산화탄소 가스의 이동경로를 증가시켜 그 체류시간을 연장하기 위해, 도 3과 같이 반응기 본체(11)의 상하 내벽면에 교번 배치되어 장착됨으로써 지그재그 구조의 이산화탄소 이동경로를 형성한다.

보통 원통형의 반응기 본체로 이루어진 광생물 반응장치는 이산화탄소의 이동경로를 증가시키기 위해선 그에 비례하여 반응기 본체의 길이를 연장하여 형성해야 하는 반면, 본 발명의 광생물 반응장치는 직육면체 형태의 반응기 본체(11) 내에 상기 격벽(23)을 설치하여 공간 활용을 최대화하여 이산화탄소 가스의 이동경로를 효과적으로 증가시킴으로써 이산화탄소 이용 효율을 향상시킬 수 있다.

아울러, 상기 반응기 본체(11) 내부에는 광합성 반응을 위한 빛에너지를 반응기 본체 내부에서 직접 공급하기 위한 광원(22)이 다수 설치된다.

상기 광원(22)은 광합성(혹은 엽록소) 활성영역대 파장의 빛을 조사하는 LED 램프(22)로 구성되며, 바람직하게 반응기 본체(11) 내부의 각 격벽(23)마다 하나 이상 설치되어 미세조류 균체가 성장함에 따른 미세조류 간의 상호 빛가림 현상을 최소화하도록 한다.

예컨대, 상기 LED 램프(22)는 격벽(23)의 앞뒤 일면 혹은 양면에 모두 위치하도록 장착될 수 있으며, 또한 도 5에 도시된 바와 같이 엽록소의 생성 및 활동을 활성화하는 영역대의 파장은 각기 450㎚와 660㎚ 부근이므로 청색 및 적색을 발하는 LED 램프(22)를 적용하여 광합성 활성영역대 파장의 빛을 반응기 본체(11)에 내부조사하도록 할 수 있다.

종래 기술에 따라 광생물 반응장치 외부에서 빛을 조사할 경우, 광이용 효율을 높이기 위해 투명한 재질 등으로 소재를 한정하여 제작해야 하고, 미세조류가 성장함에 따라 미세조류 간 상호 빛가림 현상 및 장치 표면 오염 등으로 인해 광이용 효율이 저하될 수 있다.

반면, 전술한 바와 같이, 광합성 활성영역대 파장의 빛을 공급할 수 있는 광원(22)을 반응기 본체(11) 내부에 설치하여 내부조사함으로써 광이용 효율을 증가시키고 광합성 효율을 높일 수 있다.

또한, 상기 반응기 본체(11) 내부에는 격벽(23) 사이에 미세조류 균체의 순환 유동을 유도하기 위한 교반기(24)가 하나 이상 설치 구성된다.

본 발명에 따른 광생물 반응장치에 있어, 반응물 유입구(12)를 통해 주입된 배지는 보통 반응기 본체(11) 내부에 가득 채워지며, 여기서 상기 교반기(24)는 이산화탄소의 이동경로, 예컨대 각 격벽(23) 사이에 설치되어 배지를 적절히 교반시켜 미세조류 균체의 유동을 일으키고, 이를 통해 미세조류 균체와 이산화탄소의 접촉빈도를 높여서 광합성 효율을 증대시킬 수 있다.

또한, 상기 반응기 본체(11)는 그 길이방향의 타측 단부(반응물 유입구 맞은 편)에 반응기 본체(11) 내에서 성장된 미세조류의 배출을 위한 반응생성물 배출구(31)와 광합성 반응 후 남은 이산화탄소 가스의 배출을 위한 가스 순환관(32)이 설치 구성된다.

상기 가스 순환관(32)은 가스 유입구(13)에 연결 구성되어, 반응기 본체(11)에 유입된 이산화탄소 가스 중 광합성 반응에 사용되지 않고 남은 이산화탄소 가스를 가스 유입구(13)로 유도하여 이산화탄소 가스의 순환을 유도한다.

한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 광생물 반응장치의 반응기 본체(11)에는 필요에 따라 좌우 길이방향을 따라 하나 이상의 반응물 유입구(12)와 가스 유입구(13)가 더 설치 구성될 수 있다.

그리고, 도면으로 도시하지는 않았으나, 가스 순환관(32)이나 반응생성물 배출구(31) 또한 반응기 본체(11)의 길이방향으로 따라 다수로 설치 구성될 수 있다.

이와 같이 구성된 광생물 반응장치를 이용하여 미세조류를 배양하면, 배지 내 이산화탄소의 포화속도를 증가시키고, 반응기 본체(11) 내 이산화탄소 가스의 체류시간을 연장하며, 미세조류 균체 내 엽록소의 활동을 활성화시키는 파장 영역대의 빛을 내부조사함과 동시에 적절한 교반으로 미세조류 균체의 유동을 유도하여 반응기 본체(11) 내 광이용 효율을 높임으로써 미세조류 균체의 성장을 촉진하고 이산화탄소 고정을 최대화할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 광생물 반응장치에서 이루어지는 미세조류 균체의 배양 과정을 살며보면, 먼저 반응물 유입구(12)를 통해 미세조류 균체를 투입한 배지를 반응기 본체(11) 내부에 가득 채우고, 가스 유입구(13)를 통해 이산화탄소 가스를 주입한다.

상기 가스 유입구(13)로 유입되는 이산화탄소 가스는 지그재그 구조로 형성된 이산화탄소 이동경로에 설치된 다수의 분리막(21)을 통과하면서 0.4㎛ 이하로 미세기포화되며, 이로 인해 일반 가스버블보다 배지 내 포화속도는 단축되고 반응기 본체(11) 내 체류시간은 증가하게 된다.

상기 반응기 본체(11)에 유입된 미세조류는 교반기(24)의 교반 작동에 의해 유동됨과 동시에 격벽(23)에 설치된 LED 램프(22)를 통해 반응기 본체(11) 내부에서 방출되는 빛을 직접 조사받아 광합성 반응을 진행하게 된다.

이때, 기존에 비해 길어진 이산화탄소 이동경로(격벽(23)으로 구획 형성된 통로)를 따라 이동함에 의해 미세조류 균체와 이산화탄소 간의 접촉빈도가 증가하게 되고 광합성 효율이 향상되어 미세조류의 성장 및 이산화탄소 고정을 최대화할 수 있다.

특히, 이산화탄소 가스는 격벽(23)으로 구분된 통로를 따라 이동하면서 각 분리막(21)을 통과할 때마다 반복적으로 미세기포화되어 반응기 본체(11) 내 이산화탄소 가스의 체류시간을 연장하고, 이산화탄소와 미세조류 균체의 접촉빈도를 증가시켜 활발한 광합성 작용을 돕게 된다.

11 : 반응기 본체
12 : 반응물 유입구
13 : 가스 유입구
21 : 분리막
22 : 광원(LED 램프)
23 : 격벽
24 : 교반기
31 : 반응생성물 배출구
32 : 가스 순환관

Claims

미세조류 균체와 배지가 주입되는 반응물 유입구와 이산화탄소 가스가 주입되는 가스 유입구를 갖는 반응기 본체;
상기 반응기 본체의 내부공간을 구획하여 이산화탄소의 이동경로를 증가시키기 위한 하나 이상의 격벽;
상기 반응기 본체 내부에서 이산화탄소 가스를 미세기포화하기 위한 분리막;
상기 반응기 본체 내부에 설치되어 빛을 내부조사하는 광원;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 미세조류 배양용 광생물 반응장치.
청구항 1에 있어서,
상기 분리막은 0.4 ㎛ 이하의 포어(pore)를 갖는 구조임을 특징으로 하는 미세조류 배양용 광생물 반응장치.
청구항 1에 있어서,
상기 반응기 본체 내부에는 미세조류 균체의 유동을 유도하기 위한 교반기가 하나 이상 설치되는 것을 특징으로 하는 미세조류 배양용 광생물 반응장치.
청구항 1에 있어서,
상기 광원은 광합성 활성영역대 파장의 빛을 조사할 수 있는 LED 램프인 것을 특징으로 하는 미세조류 배양용 광생물 반응장치.
청구항 1에 있어서,
상기 반응기 본체에는 반응기 본체에서 배출되는 이산화탄소 가스를 가스 유입구로 유도하기 위한 가스 순환관이 설치된 것을 특징으로 하는 미세조류 배양용 광생물 반응장치.
청구항 1에 있어서,
상기 분리막은 인접한 격벽 사이를 연결하는 구조로 하나 이상 설치되고, 그 중 하나는 가스 유입구가 위치된 반응기 본체의 내벽면에 설치되는 것을 특징으로 하는 미세조류 배양용 광생물 반응장치.
청구항 1에 있어서,
상기 격벽은 반응기 본체의 상하 내벽면에 교번 배치되어 지그재그 구조의 이산화탄소 이동경로를 형성하는 것을 특징으로 하는 미세조류 배양용 광생물 반응장치.