KR20150010127A - 미세조류 배양용 측부 순환식 평판형 광생물반응기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미세조류 배양용 측부 순환식 평판형 광생물반응기에 관한 것으로서, 미세조류를 배양하기 위한 광생물반응기의 여러 형태 중 평판형을 채택하여 최대의 부피당 높은 광접촉 표면적 비를 구현하고, 광센서를 통해 미세조류의 성장에 따른 빛의 감도의 변화를 이용해서 미세조류의 성장을 측정하도록 하며, 반응기 상부 가장자리에 설치된 pH 센서를 이용하여 pH 값을 실시간으로 측정하고, 외부에 연결된 산과 염기를 통해서 일정한 값을 유지하는 pH 보정이 실시간으로 가능하며, 측부 순환(Side-circulation) 방식을 통해 광생물 응기 내의 양분과 미세조류의 혼합이 적절하게 이루어지도록 하고, 회분식(batch) 배양 방식과 연속식(Continuous) 배양 방식 모두를 적용 가능한 구조를 갖도록 하는 효과를 가지게 된다.

Description

미세조류 배양용 측부 순환식 평판형 광생물반응기{FLAT-PANEL PHOTOBIOREACTOR WITH SIDE-CIRCULATION SYSTEM FOR CULTIVATION OF MICROALGAE}

본 발명은 광생물반응기에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 평판형으로 설계된 광생물반응기 내에서 배양액을 순환시켜 미세조류와 영양분의 고른 분포 및 최적화된 이산화탄소 혼합가스의 공급이 이루어질 수 있도록 하는 미세조류 배양용 측부 순환식 평판형 광생물반응기에 관한 것이다.

주지된 바와 같이, 미세조류는 고부가가치 산물이자 바이오디젤 생산 목적으로 각광받는 바이오 에너지원으로, 식물처럼 광합성을 통하여 성장 및 물질 대사를 하는 특성을 가지고 있다.

광생물반응기는 상기한 특성을 가진 미세조류를 최적의 조건으로 배양하는 시스템을 제공한다. 광생물반응기는 주로 그 형상에 따라 분류하는데 그 중 평판형광생물반응기는 빛의 고른 투과와 반응기 부피에 비해서 넓은 표면적 비를 가지는 장점이 있어 광합성을 하는 미세조류의 배양에 있어 원형 등 다른 형태의 광생물반응기 보다 광에너지를 효율적으로 사용할 수 있다.

한편, 미세조류 배양을 위한 광생물반응기는 다른 반응기 시스템과 마찬가지로 회분식(Batch), 연속식(Continuous), 그리고 두 배양 시스템을 혼합한 반 회분식(Semi-batch)과 반 연속식(Semi-continuous) 등으로 구분된다.

회분식(Batch)의 경우 초기 일정량의 배양액을 공급한 이후 추가적으로 배양액을 공급하지 않고 미세조류를 성장 및 수확하는 시스템으로, 미세조류를 단계별로 라이프사이클(life cycle)을 확인할 수 있다는 장점이 있으나 원하는 배양조건을 임의로 지정하기가 어렵고 실험의 재현성이 낮다는 단점이 있다.

또한, 연속(Continuous) 배양의 경우 꾸준히 새로운 배양액을 공급하면서 동시에 수확도 하여 배양 시스템의 용량과 셀의 농도를 일정하게 유지하는 시스템으로, 특정 조건을 유지한 채로 오랜 시간 동일한 생물 현상을 관찰할 수 있다는 점에서 높은 생물학적 재현성이 있으나 시스템을 유지하는 데 있어서 센서를 비롯한 많은 유지 장비들을 필요로 하는 단점이 있다.

미세조류는 박테리아(Bacteria)와 같은 여타 미생물과 비교해 균주의 농도, 빛, pH, 영양분 공급, 그리고 혼합가스의 공급 등의 각 배양요소들이 서로 다른 배양요소들에 영향을 미치는 등 복잡하고 더 까다로운 배양조건을 제공해 주어야 한다.

미세조류는 대부분 그 성장에 있어서 적합한 빛 에너지의 공급을 필요로 하고 필요한 대사 에너지보다 높은 빛 에너지가 공급될 시 광 억제 기작에 의해서 그 성장이 억제되고 사멸할 수 있다.

이처럼, 미세조류가 성장하고 농도가 높아지게 되면 광생물반응기를 투과할 수 있는 광량이 달라짐에 따라, 성장과 관련된 최적의 광량을 광생물반응기 안으로 공급하기 위해서는 미세조류의 농도를 일정하게 유지할 필요가 있으나 이를 정확하게 반영할 수 있는 시스템이 부족한 실정이다. 더욱이, 탁도를 측정할 수 있는 상업용 탁도기가 개발되어 있기는 하지만 대부분 고가이고 광생물반응기의 내부에 설치되기 때문에 유지 및 관리가 어려운 단점이 있다.

미세조류의 세포 내 신진 대사 능력은 산도(pH)에 따라 크게 달라지는데, 종에 따라 성장에 적합한 산도(pH)의 값이 다르고 빛의 경우와 마찬가지로 산과 염기에 대한 내성의 한계를 벗어난 경우 성장이 억제되거나 사멸한다. 미세조류의 종에 따라 적정 산도(pH)는 pH 2~3사이의 강한 산성에서 pH 8~9 사이의 염기성까지 다양하다. 따라서 광생물반응기는 넓은 범위의 산도(pH) 조절이 가능하도록 설계되어야 한다.

그리고, 광생물반응기를 설계함에 있어 가장 중요하게 고려해야 할 요소로 반응기 내부의 물질 전달을 우선시한다. 미세조류는 그 종류에 따라 편모, 섬모가 달려 스스로 움직일 수 있는 종이 있는 반면 혼자 움직일 수 있는 능력이 제한되어 있는 종도 많이 존재한다.

따라서 광생물반응기 내에서 미세조류 셀(cell)들은 적합한 교반을 유도하는 혼합 장치가 없을 경우 아래로 가라앉는 경향을 보이는데, 이는 불균일한 성장과 공간 활용 및 영양분 사용의 비효율성을 초래하게 된다.

이처럼, 혼합 장치의 부재로 인한 내부의 물질전달이 고르지 않을 경우 미세조류가 양분을 충분히 섭취할 수 없어 잘 성장하지 못하고 죽는다. 반응기 내에 균일한 물질 이동을 보장하기 위한 순환 장치의 설치는 광생물반응기에 있어 또 하나의 중요한 요소로 여겨진다.

상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 평판형으로 설계된 광생물반응기 내에서 이산화탄소 혼합가스를 산기시켜 배양액을 측부 순환 방식으로 순환시키도록 유도함으로써 미세조류와 영양분의 고른 분포 및 최적화된 이산화탄소 혼합가스의 공급이 이루어질 수 있도록 하는 미세조류 배양용 측부 순환식 평판형 광생물반응기를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 탁도 센서보다 저렴한 광센서를 이용해 광생물반응기 내부를 투과하는 빛의 감도를 측정하여 미세조류의 농도를 일정하게 유지할 수 있도록 함으로써 미세조류 배양에 필요한 최적의 광량을 광생물반응기 내로 공급할 수 있도록 하는 미세조류 배양용 측부 순환식 평판형 광생물반응기를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 광생물반응기 내부의 배양액에 대한 산도(pH)를 측정하여 미세조류의 배양에 필요한 산도(pH)를 일정하게 유지 및 조절 가능하도록 하는 미세조류 배양용 측부 순환식 평판형 광생물반응기를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 광생물반응기 내의 배양액을 이산화탄소 혼합가스를 산기시켜 배양액의 측부 순환을 유도함으로써 새로운 배지를 공급할 때 반응기 하단부가 아닌 상부층에서 공급하더라도 쉽게 외부로 쓸려 나가지 않고 순환하는 배양액 내에 균일하게 혼합될 수 있도록 하고 아울러 배출 배관을 통해 광생물반응기 내부의 설정된 수위 이상의 배양액을 상기 배양액 상측에 포집된 혼합가스와 함께 배출되도록 하는 오버 플로우(Overflow) 방식으로 배양된 미세조류를 연속식으로 자동 수확할 수 있도록 하는 미세조류 배양용 측부 순환식 평판형 광생물반응기를 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 미세조류 배양용 측부 순환식 평판형 광생물반응기는 미세 조류 배양액을 담도록 내부 수용 공간이 형성되고 부피에 비해서 넓은 광접촉 표면적 비를 가지는 평판형의 광생물반응기; 상기 광생물반응기의 일측 상부면을 관통하며 연장 설치되어 상기 배양액 내에 배지를 이송 공급하는 배지 공급 배관; 상기 광생물반응기의 상기 배지 공급 배관 연결부와 대각 방향의 타일측 하부 측벽면을 관통하며 내부로 연장 설치되어, 상기 광생물반응기 내부의 타일측 하부에서 이산화탄소 혼합가스를 산기시켜 상기 배양액 내에 상기 이산화탄소 혼합가스를 공급함과 아울러 상기 배양액의 측부 순환을 유도하는 혼합가스 산기 배관; 및 상기 광생물반응기의 타일측 상부 측벽면을 관통하며 연장 설치되어, 상기 광생물반응기 내부의 기설정된 수위 이상의 배양액과 함께 상기 배양액 상측에 포집된 혼합가스를 배출하는 배출 배관;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 광생물반응기는 상기 혼합가스 산기 배관 연결부에 대향하는 하부 일측 모서리부가 상기 배양액의 측부 순환을 보조할 수 있도록 기설정된 경사각을 가지고 모따기 되거나 라운드(round)지게 유도 경사부가 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 광생물반응기는 내측 바닥면에 기설정된 간격을 두고 복수의 산기공들이 형성된 상기 혼합가스 산기 배관의 삽입 단부가 수용되도록 배관 수용홈이 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 광생물반응기 내부의 배양액의 탁도를 측정하기 위한 탁도 측정기를 더 포함할 수 있고, 상기 탁도 측정기는 상기 광생물반응기를 이루는 제1 투광면에 부착되어 대향하는 제2 투광면을 통해 투과된 광량을 측정하는 광센서로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 광센서는 상기 혼합가스 산기 배관에 대향하는 상기 제1 투광면 일측에 설치되는 것이 보다 바람직하다.

또한, 상기 광생물반응기 내부의 상기 배양액의 산도를 측정하기 위한 산도 측정기를 더 포함할 수 있고 상기 산도 측정기는 상기 광생물반응기의 상기 배지 공급 배관 연결부에 인접하게 관통 형성되며 상기 배양액 내에 삽입되게 설치되는 pH 감지 센서로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 pH 감지 센서를 통해 감지된 산도에 따라 상기 배양액의 산도를 조절하기 위한 산도 조절 수단;을 더 포함할 수 있고, 상기 산도 조절 수단은 상기 광생물반응기의 상측을 관통하며 상기 배양액 내에 산을 공급하도록 연결되는 산 주입 배관; 및 상기 광생물반응기의 상기 산 주입 배관 연결부에 인접하게 관통하며 상기 배양액 내에 염기를 공급하도록 하는 염 주입 배관;을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

상기한 본 발명의 미세조류 배양용 측부 순환식 평판형 광생물반응기에 따르면, 미세조류의 배양을 위한 다양한 광생물반응기 중 빛을 받는 모든 표면에서 동일하고 일정한 빛의 세기를 받을 수 있는 장점을 가진 평판형 형태로 이루어짐과 아울러 혼합가스 산기 배관을 통해 상기 광생물반응기 내부의 일측 하부에서 이산화탄소 혼합가스를 산기시켜 상기 배양액이 측부 순환 방식으로 강제 순환되도록 유도함으로써 광생물반응기 내의 배양액에 미세조류와 영양분의 고른 분포 및 최적화된 이산화탄소 혼합가스의 공급이 이루어질 수 있도록 하는 효과를 갖는다.

또한, 본 발명의 미세조류 배양용 측부 순환식 평판형 광생물반응기에 따르면, 배출 배관을 통해 상기 광생물반응기 내부의 기설정된 수위 이상의 배양액과 함께 상기 배양액 상측에 포집된 혼합가스를 배출할 수 있는 오버 플로우(Overflow) 방식을 적용하여 배양된 미세조류를 자동 수확할 수 있어 연속식 배양이 가능해지도록 하는 효과를 갖는다.

또한, 본 발명의 미세조류 배양용 측부 순환식 평판형 광생물반응기에 따르면, 상기 혼합가스 산기 배관 연결부에 대향하는 하부 일측 모서리부를 기설정된 경사각을 가지고 모따기되거나 라운드지게 형성함으로써, 광생물반응기 내에서 모따기된 경사면이나 라운드진 경사 곡면을 따라 배양액이 좀더 원활하게 순환될 수 있도록 측부 순환 흐름을 보조할 수 있도록 하는 효과를 갖는다.

또한, 본 발명의 미세조류 배양용 측부 순환식 평판형 광생물반응기에 따르면, 상기 광생물반응기의 내측 바닥면에 기설정된 간격을 두고 복수의 산기공들이 형성된 상기 혼합가스 산기 배관의 삽입 단부가 수용되도록 배관 수용홈을 형성하여, 혼합가스 산기 배관에 의해 광생물반응기 내부 바닥에 셀들이 퇴적되는 것을 방지함과 아울러 배양액의 순환 흐름이 방해 받지 않고 원활하게 이루어질 수 있도록 하는 효과를 갖는다.

또한, 본 발명의 미세조류 배양용 측부 순환식 평판형 광생물반응기에 따르면, 탁도 측정기 및 산도 측정기를 통해 광생물반응기 내부의 배양액의 탁도 및 산도를 실시간으로 측정하여 미생물의 배양에 적합한 탁도 및 산도를 일정하게 유지 및 조절할 수 있도록 하는 효과를 갖는다.

또한, 본 발명의 미세조류 배양용 측부 순환식 평판형 광생물반응기에 따르면, 탁도 센서보다 더 저렴한 광센서를 이용해 광생물반응기 내부를 투과한 광량을 감지하여 광생물반응기 내부의 탁도를 측정할 수 있도록 하고, 광센서를 이산화탄소 혼합가스가 산기되지 않는 쪽의 투광면 일측에 설치되도록 함으로써 산기된 이산화탄소 혼합가스의 기포들에 의한 간섭을 피할 수 있도록 하는 효과를 갖는다.

또한, 본 발명의 미세조류 배양용 측부 순환식 평판형 광생물반응기에 따르면, 배기 공급 배관을 통해 추가적인 동력 장치 없이 배지를 광생물반응기의 상측에서 드롭(drop)시켜 공급하도록 하거나, 또는 배지 공급 펌프와 같은 추가적인 동력 장치를 사용하여 광생물반응기로 공급되는 배지 공급량을 제어하여 회분식 또는 연속식으로 미세조류를 배양할 수 있도록 하는 효과를 갖는다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 미세조류 배양용 측부 순환식 평판형 광생물반응기를 도시한 개략도이다.
도 2는 도 1의 광생물반응기를 분리하여 확대 도시한 정단면도이다.
도 3은 도 2의 광생물반응기의 유도 경사부에 대한 변형예를 도시한 부분 정단면도이다.
도 4는 도 1의 광생물반응기의 바닥면 형상을 도시한 평단면도이다.
도 5는 도 1의 혼합가스 산기 배관의 광생물반응기 삽입 단부 형상을 도시한 부분 확대 사시도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 미세조류 배양용 측부 순환식 평판형 광생물반응기를 도시한 개략도이다.

도 1을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 미세조류 배양용 측부 순환식 평판형 광생물반응기(1)는 광생물반응기(10), 배지 공급 배관(30), 혼합가스 산기 배관(20), 배출 배관(40), 탁도 측정기(70), 산도 측정기(50) 및 산도 조정 수단(60)을 포함하여 구성된다.

도 2는 도 1의 광생물반응기를 분리하여 확대 도시한 정단면도이고, 도 3은 도 2의 광생물반응기의 유도 경사부에 대한 변형예를 도시한 부분 정단면도이다.

도 1과 함께 도 2를 참조하여 설명하면, 광생물반응기(10)는 미세 조류 배양을 위한 배양액(15)을 수용하도록 내부 수용 공간이 형성되고 광합성을 하는 미세조류의 배양을 위해 고른 빛의 투과도를 높이기 위해 부피에 비해서 넓은 광접촉 표면적 비를 가지는 평판형으로 이루어지는 것이 바람직하다.

이를 위해 본 실시예에서 광생물반응기(10)는 기설정된 두께를 가지는 중공의 사각틀 형상의 몸체 프레임(11)과, 상기 몸체 프레임(11)의 전, 후 양측에 나사 체결되어 빛의 투과가 가능하게 투광면을 이루는 투광평판들(12, 13)로 이루어지는 것을 예시한다.

여기서, 광생물반응기(10)의 무게를 경량화시킬 수 있도록 몸체 프레임(11)은 PVC(Polyvinyl Chloride) 재질로 이루어지고, 투광평판(12, 13)은 미세조류의 배양에 적합한 빛의 투과율을 같도록 투명한 PC(Polycarbonate) 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.

이처럼, 광생물반응기(10)가 PVC와 PC 재질로 이루어짐으로써, 가볍고 저가이며 충격에 대한 내성이 유리보다 높아 대용량배양을 위한 반응기의 제작에 적합하고, 과초산을 사용하여 화학적 멸균이 가능하도록 구성할 수 있게 된다.

배지 공급 배관(30)은 상기 광생물반응기(10)의 바디 프레임(11) 좌측 상부면(11a)을 관통하며 배지 저장 탱크(31)를 연결하도록 연장 설치되어, 배지 저장 탱크(31) 내에 저장된 저장된 배지(31: Medium)를 광생물반응기(10) 내로 공급할 수 있도록 한다.

한편, 배지 공급 배관(30) 상에는 배지 공급 펌프(33)와 같은 추가적인 동력 장치를 사용하여 광생물반응기(10) 내로 공급되는 배지(32) 공급량을 제어하여 광생물반응기(10) 내에서 회분식 또는 연속식으로 미세조류를 배양할 수 있도록 하는 것을 예시한다.

그러나 본 발명이 이에 반드시 한정되는 것은 아니며 배기 공급 배관(30)을 통해 추가적인 동력 장치 없이 배지를 광생물반응기(10)의 상측에서 물방울(drop) 형태로 떨어트려 공급하도록 구성함으로써 전기 사용이 힘든 옥외 배양시에도 적용 가능하도록 한다.

혼합가스 산기 배관(20)은 상기 광생물반응기(10)의 상기 배지 공급 배관(30) 연결부와 대각 방향의 우측 측벽면(11b) 하부를 관통하며 내부로 삽입되게 연장 설치되어, 상기 광생물반응기(10) 내부의 우측 하부에서 공급된 이산화탄소 혼합가스를 다수의 기포(25) 형태로 산기시키도록 한다.

따라서, 상기 배양액(15) 내에 미세조류 배양에 필요한 상기 이산화탄소 혼합가스를 균일하게 공급할 수 있도록 함과 아울러 일측에서 산기된 이산화탄소 혼합가스 기포(25)들이 연속적으로 부상하면서 상기 배양액(15)의 상승 흐름(15a)을 유도하는 배양액(15)이 측부 순환(Side-Circulation) 방식으로 순환이 이루어질 수 있도록 한다.

즉, 광생물반응기(10) 내부의 우측에서 이산화탄소 혼합가스를 산기시켜 배양액(15)의 상승 흐름(15a)을 유도하게 되면 이와 상반되게 광생물반응기(10) 내부의 좌측에서는 자중에 의해 상대적으로 압력이 낮아진 우측 하부를 채우도록 하는 하강 흐름(15b)이 발생하게 되어 결국, 광생물반응기(10) 내부를 채우는 배양액(15) 전체가 연속적인 선순환 구조를 이루며 순환하게 된다.

한편, 상기 광생물반응기(10)는 상기 혼합가스 산기 배관(20) 연결부에 대향하는 좌측 하부 모서리부를 기설정된 경사각을 가지고 직선 형태로 모따기하여 유도 경사부(16)가 형성되도록 한다.

상기 유도 경사부(16)는 광생물반응기(10) 내에서 좌측의 하강 흐름(15b)을 따라 하측으로 이동하는 배양액(15)이 경사면을 따라 산화탄소 혼합가스에 의해 상승 흐름(15a)을 유도되는 우측 하부로 좀더 잘 흘러갈 수 있도록 유체의 흐름을 가이드하여 광생물반응기(10) 내에서 사역(Dead-Zone)이 발생하지 않고 배양액 전체가 상승과 하강의 연속적인 타원형의 선순환 흐름을 이루며 측부 순환(Side-Circulation) 방식을 통해 유동할 수 있게 보조해 주는 역할을 한다.

한편, 본 실시예에서 유도 경사부(16)가 기설정된 경사각을 가지고 직선 형태로 모따기된 것을 예시하나 본 발명이 이에 반드시 한정되는 것은 아니며, 도 3에 도시한 바와 같이, 좀더 완만하고 부드럽게 유체의 흐름을 가이드할 수 있도록 기설정된 기울기의 곡률을 가지고 라운드진 형태로 변형하여 적용될 수 있음은 당연하다.

도 4는 도 1의 광생물반응기의 바닥면 형상을 도시한 평단면도이고, 도 5는 도 1의 혼합가스 산기 배관의 광생물반응기 삽입 단부 형상을 도시한 부분 확대 사시도이다.

도 4 및 도 5를 참조하여 설명하면, 상기 혼합가스 산기 배관(20)의 광생물반응기(10)의 삽입 단부에는 전술한 바와 같이 광생물반응기(10)의 좌측 일부에서 배양액(15)의 측부 순환을 유도하도록 이산화탄소 혼합 가스를 산기시키기 위한 복수의 산기공들(21)이 기설정된 간격을 두고 관통 형성되도록 구성된다.

그리고, 광생물반응기(10)의 몸체 프레임(11) 바닥면(11c) 내측에는 상기 혼합가스 산기 배관(20)의 삽입 단부가 수용될 수 있게 산기 배관 수용홈(11e)이 형성된다.

여기서, 상기 산기 배관 수용홈(11e)의 폭과 깊이는 각각 상기 혼합가스 산기 배관(20)의 삽입 단부 직경에 상당하고, 길이는 전술한 바와 같이 배양액(15)의 측부 순환을 유도하도록 우측 단부로부터 광생물반응기(10)의 전체폭의 1/2 이하로 형성되는 것이 바람직하다.

이처럼, 상기 광생물반응기(10)의 몸체 프레임(11) 바닥면(11c)에 산기 배관 수용홈(11e)을 형성하도록 함으로써, 혼합가스 산기 배관(20)의 삽입 단부에 의해 광생물반응기(10) 내부 바닥에 셀들이 바닥면에 퇴적되는 것을 방지함과 동시에 혼합가스 산기 배관(20)의 삽입 단부에 의해 순환되는 배양액(15)의 순환 흐름이 방해되지 않도록 한다.

다시, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 배출 배관(40)은 상기 광생물반응기(10)의 우측 측벽면(11b) 상부을 관통하며 미세조류 수확 용기를 연결하도록 연장 설치되어, 미세조류 수확 탱크(41) 내부로 상기 광생물반응기(10) 내부에서 설정된 수위 이상의 배양액(15)과 함께 상기 배양액(15) 상측에 포집된 혼합가스를 배출하도록 한다.

여기서, 배출 배관(40)은 광생물반응기(10) 내에 채워진 배양액(15)의 작업량(Working volume)에 해당하는 높이로 설치되어, 광생물반응기(10) 내부를 채우는 배양액(15)의 작업량(Working volume)이 설정치를 항상 일정하게 유지할 수 있도록 한다.

이처럼, 배출 배관(40)을 통해 상기 광생물반응기(10) 내부의 상기 배양액(15) 상측에 포집된 혼합가스와 함께 기설정된 수위 이상의 배양액(15)을 배출하도록 하는 오버 플로우(Overflow) 방식을 통해 자동 배출되며 배양된 미세조류를 수확할 수 있도록 하여 미세조류의 연속식 배양이 가능하도록 한다.

상기한 미세조류의 연속식 배양은 배양액의 탁도(Turbidity)가 증가함에 따라 새로운 배양액이 배양용기에 공급되는 개방연속배양의 일종인 터비도스탯(Turbidostat) 방식으로 이루어지게 된다.

즉, 셀의 성장이 두드러져 광생물반응기(10) 내부의 배양액(15)의 탁도가 올라갈 경우 배지 공급 배관(30)을 통해 새로운 배지를 공급하고, 그에 따라 늘어나는 부피만큼의 오래된 배양액(15)을 배출 배관(40)을 통해 자동으로 배출되도록 함으로써, 광생물반응기(10) 내부의 셀들은 신선한 배지를 공급 받으면서 계속 분화 및 성장할 수 있고, 이와 동시에 다 자란 미세조류의 셀들을 자동으로 수확할 수 있도록 하는 것이다.

한편, 본 실시예에서는 배출 배관(40)을 통해 배출된 배양액(15)에 포함된 미세조류는 미세조류 수확 탱크(41)의 입구를 막는 마개를 통과해 미세조류 수확 탱크(41) 내부에 담겨 자동으로 수확이 이루어지게 되고 이와 함께 미세조류 수확 탱크(41) 내부로 배출된 혼합 가스는 다시 가스 회수 배관(45)을 통해 추가 분리 배출과정을 거쳐 회수되도록 한다.

한편, 상기 광생물반응기(10) 내부를 채우는 배양액(15)의 탁도는 상기한 탁도 측정기를 통해 측정하도록 한다.

본 실시예에서 탁도 측정기는 기재작되어 사용되는 탁도 센서 보다 더 저렴한 광센서(70)로 이루어지는 것을 예시한다.

상기 광센서(70)는 상기 광생물반응기(10)의 제1 투광면을 이루는 전면 투명기판(12) 외측에 부착되어 이에 대향하며 제2 투광면을 이루는 후면 투광기판(13)을 통해 투과된 광량을 측정하도록 한다.

여기서, 광센서(70)는 배양액(15) 내에 이산화탄소 혼합가스가 산기되지 않는 전면 투광기판(12)의 좌측의 높이 방향 중심부에 설치되도록 하여, 배양액(15)이 탁도 측정을 위해 투과 광량을 측정시 산기된 이산화탄소 혼합가스의 기포(25)들에 의한 간섭을 피할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

따라서, 본 실시예서는 배양액(15) 내에 산기된 이산화탄소 혼합가스의 기포(25)들이 섞이지 않는 유체순환부위에 광센서(70)를 부착하여 미생물의 성장에 따른 투과하는 빛의 세기의 감쇠를 광생물반응기(10) 반대쪽에서 측정하여 배지 공급 배관(30)을 통해 공급되는 배지(32) 공급량을 통해 광생물배양기(10) 내의 균주 농도를 일정하게 유지할 수 있게 된다.

한편, 본 발명의 미세조류 배양용 측부 순환식 평판형 광생물반응기는 상기한 광센서(70)를 이용한 온라인(On-line) 농도 측정 방식을 적용해 미세조류의 연속식 배양 시스템을 구축할 수 있음은 당연하다.

또한, 상기 광생물반응기(10) 내부를 채우는 배양액(15)의 산도를 산도 측정기를 통해 측정하고, 산도 조절 수단(60)을 통해 미세조류의 배양에 적합한 배양액의 산도를 조절할 수 있도록 한다.

본 실시예에서 상기 산도 측정기는 pH 감지 센서(50)로 이루어지며, pH 감지 센서(50)는 상기 광생물반응기(10)의 상기 배지 공급 배관(30) 연결부에 인접하게 몸체 프레임(11)의 상측면(11a)을 관통하며 고무 오링(O-ring)과 나사탭을 이용해 외부와 격리되는 구조로 장착되고 그 하단부가 배양액(15)의 pH를 측정할 수 있게 상기 배양액(15) 내에 삽입되도록 설치된다.

여기서, pH 감지 센서(50)가 배양액(15) 내에 삽입되는 잠김 깊이는 상기한 광생물반응기(10)의 작업량을 감안하여 센서 길이의 1/2 이상으로 이루어지는 것이 바람직하다.

그리고, 산도 조절 수단(60)은 상기 광생물반응기(10)의 상측을 관통하며 상기 배양액(15) 내에 산(HCl)을 공급하도록 연결되는 산 주입 배관(61) 및 상기 광생물반응기(10)의 상기 산 주입 배관(61) 연결부에 인접하게 관통하며 상기 배양액(15) 내에 염기(NaOH)를 공급하도록 하는 염 주입 배관(62)으로 구성되는 것을 예시한다.

여기서, 산 주입 배관(61) 및 염 주입 배관(62)의 실링은 이들을 이루는 실리콘 배관의 자체 볼륨을 이용한 맞춤형 통공을 통해서 구현할 수 있다.

따라서, pH 감지 센서(50)를 통해 측정된 배양액(15)의 pH 값이 미세조류의 배양에 필요한 설정 값의 범위를 벗어난 경우에, 산 주입 배관(61) 또는 염 주입 배관(62)을 통해 산(HCl) 또는 염기(NaOH)를 추가하여 배양액(15)의 미세조류의 배양에 적합한 pH 값의 설정 범위 내로 조절할 수 있게 된다.

한편, 산 주입 배관(61) 및 염 주입 배관(62)을 통해 공급되는 산(HCl)과 염기(NaOH)의 투입량은 pH 감지 센서(50)와 연동하며 산 주입 배관(61) 및 염 주입 배관(62)에 각각 설치되는 이송 펌프들(미도시)을 통해 조절할 수 있다.

따라서, 본 실시예의 미세조류 배양용 측부 순환식 평판형 광생물반응기(1)는 미세조류를 배양하기 위한 광생물반응기의 여러 형태 중 평판형을 채택하여 최대의 부피당 높은 광접촉 표면적 비를 구현하고, 광센서(70)를 통해 미세조류의 성장에 따른 빛의 감도의 변화를 이용해서 미세조류의 성장을 측정하도록 하며, 반응기 상부 가장자리에 설치된 pH 감지 센서(50)를 이용하여 pH 값을 실시간으로 측정하고, 외부에 연결된 산과 염기를 통해서 일정한 값을 유지하는 pH 보정이 실시간으로 가능하며, 측부 순환(Side-circulation) 방식을 통해 광생물반응기(10) 내의 양분과 미세조류의 혼합이 적절하게 이루어지도록 하며, 회분식(batch) 배양 방식과 연속식(Continuous) 배양 방식 모두에 적합한 구조를 갖도록 하는 효과를 갖는다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형 또는 변경하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

10: 광생물반응기 11: 몸체 프레임
11a: 상측면 11b: 우측 측벽면
11c: 바닥면 11d: 자측 측벽면
11e: 산기 배관 수용홈 12: 제1 투광평판(투광면)
13: 제2 투광평판(투광면) 15: 배양액
15a: 상승 흐름 15b: 하강 흐름
16: 유도 경사부 20: 혼합가스 산기 배관
21: 산기공 30: 배지 공급 배관
31: 배지 저장 탱크 32: 배지
33: 배지 공급 펌프 40: 배출 배관
41: 미세조류 수확 탱크 45: 가스 회수 배관

Claims (7)

1. 미세 조류 배양액을 수용하도록 내부 수용 공간이 형성되고 부피에 비해서 넓은 광접촉 표면적 비를 가지는 평판형의 광생물반응기;
   상기 광생물반응기의 일측 상부면을 관통하며 연장 설치되어 상기 배양액 내에 배지를 이송 공급하는 배지 공급 배관;
   상기 광생물반응기의 상기 배지 공급 배관 연결부와 대각 방향의 타일측 하부 측벽면을 관통하며 내부로 연장 설치되어, 상기 광생물반응기 내부의 타일측 하부에서 이산화탄소 혼합가스를 산기시켜 상기 배양액 내에 상기 이산화탄소 혼합가스를 공급함과 아울러 상기 배양액의 측부 순환을 유도하는 혼합가스 산기 배관; 및
   상기 광생물반응기의 타일측 상부 측벽면을 관통하며 연장 설치되어, 상기 광생물반응기 내부의 기설정된 수위 이상의 배양액과 함께 상기 배양액 상측에 포집된 혼합가스를 배출하는 배출 배관;을 포함하는 미세조류 배양용 측부 순환식 평판형 광생물반응기.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 광생물반응기는,
   상기 혼합가스 산기 배관 연결부에 대향하는 하부 일측 모서리부가 상기 배양액의 측부 순환을 보조할 수 있도록 기설정된 경사각을 가지고 모따기되거나 라운드지게 유도 경사부를 형성하는 미세조류 배양용 측부 순환식 평판형 광생물반응기.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 광생물반응기는,
   내측 바닥면에 기설정된 간격을 두고 복수의 산기공들이 형성된 상기 혼합가스 산기 배관의 삽입 단부가 수용되도록 배관 수용홈이 형성되는 미세조류 배양용 측부 순환식 평판형 광생물반응기.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 광생물반응기 내부의 배양액의 탁도를 측정하기 위한 탁도 측정기를 더 포함하고,
   
   상기 탁도 측정기는,
   상기 광생물반응기를 이루는 제1 투광면에 부착되어 대향하는 제2 투광면을 통해 투과된 광량을 측정하는 광센서로 이루어지는 미세조류 배양용 측부 순환식 평판형 광생물반응기.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 광센서는,
   상기 혼합가스 산기 배관에 대향하는 상기 제1 투광면 일측에 설치되는 미세조류 배양용 측부 순환식 평판형 광생물반응기.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 광생물반응기 내부의 상기 배양액의 산도를 측정하기 위한 산도 측정기를 더 포함하고,
   
   상기 산도 측정기는,
   상기 광생물반응기의 상기 배지 공급 배관 연결부에 인접하게 관통 형성되며 상기 배양액 내에 삽입되게 설치되는 pH 감지 센서로 이루어지는 미세조류 배양용 측부 순환식 평판형 광생물반응기.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 pH 감지 센서를 통해 감지된 산도에 따라 상기 배양액의 산도를 조절하기 위한 산도 조절 수단;을 더 포함하고,
   
   상기 산도 조절 수단은,
   상기 광생물반응기의 상측을 관통하며 상기 배양액 내에 산을 공급하도록 연결되는 산 주입 배관; 및
   상기 광생물반응기의 상기 산 주입 배관 연결부에 인접하게 관통하며 상기 배양액 내에 염기를 공급하도록 하는 염 주입 배관;을 포함하는 미세조류 배양용 측부 순환식 평판형 광생물반응기.

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