KR20150084169A

KR20150084169A - 미세조류 배양을 위한 다기능성 광장치

Info

Publication number: KR20150084169A
Application number: KR1020140003889A
Authority: KR
Inventors: 김희식; 조대현; 신상윤; 오희목; 이지민
Original assignee: 한국생명공학연구원
Priority date: 2014-01-13
Filing date: 2014-01-13
Publication date: 2015-07-22
Also published as: KR101715023B1

Abstract

본 발명은 다공성의 격자구조를 이루는 매쉬부재로 형성된 패널; 및 상기 패널상에 소정간격 이격되어 복수개로 설치되어 빛을 발생시키는 발광부재; 를 포함하는 광공급 장치에 관한 것이다.

Description

미세조류 배양을 위한 다기능성 광장치{Multi functional light supplementary for microalgal culture}

본 발명은 미세조류 배양을 위한 다기능성 광장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 광합성 세균 및 미세조류의 배양을 위한 광생물 반응기에 적용되어 빛을 공급할 수 있는 미세조류 배양을 위한 다기능성 광장치에 관한 것이다.

지구온난화 및 화석 연료 고갈이라는 전지구적 차원의 환경문제가 대두됨에 따라 이를 해결하기 위한 다양한 시도들이 이루어지고 있는바, 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 미세조류종을 선별해야 하고, 이를 대량 배양할 수 있는 광생물 반응장치의 개발이 필수적이다.

현재 개발되어 있는 광생물 반응기로는 판형 반응기, 원통형 반응기, 백(bag)형 반응기 등이 있으며, 이러한 반응기는 일반적으로 반응기에 형광등을 이용하여 빛을 공급하게된다.

그러나, 형광등을 이용하여 빛을 공급할 경우 빛의 세기를 정확히 제어하기가 어렵고, 형광등을 사용하여 동일한 양의 빛을 공급하게 되면, 발열의 문제가 발생하기도 한다.

따라서, 광생물 반응기에 적용되어 빛의 세기를 제어할 수 있으며, 발열의 문제를 해결할 수 있는 광공급 장치가 필요한 실정이다.

KR 10-1235825 (등록번호)

본 발명은 광생물 반응기에 적용하여 빛의 세기를 제어하며, 발열의 문제를 해결할 수 있는 광공급 장치를 제공하고자 한다.

본 발명은 다공성의 격자구조를 이루는 매쉬부재로 형성된 패널; 및 상기 패널상에 소정간격 이격되어 복수개로 설치되어 빛을 발생시키는 발광부재; 를 포함하는 광공급 장치를 제공한다.

본 발명의 광공급 장치는 매쉬부재로 형성된 패널로 인하여 열투과성이 높아 배양기 운전시 온도 상승의 문제를 해결해 줄 수 있으며, 실험 환경의 간소화를 통하여 보다 능률적이고 정확한 빛의 공급을 가능하게 함으로써, 광합성 미생물 이용 공정의 산업화에 많은 기여를 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광공급 장치를 나타낸 도면이다.
도 2 본 발명의 일 실시예에 따른 광공급 장치를 광생물반응기에 적용한 도면이다.
도 3 본 발명의 일 실시예에 따른 광공급 장치를 광생물반응기에 적용한 도면이다.
도 4는 본 발명의 광공급 장치와 삼파장램프를 광생물배양기에 적용하였을 때를 비교한 도면이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광공급 장치를 나타낸 도면, 도 2 본 발명의 일 실시예에 따른 광공급 장치를 광생물반응기에 적용한 도면, 도 3 본 발명의 일 실시예에 따른 광공급 장치를 광생물반응기에 적용한 도면, 도 4는 본 발명의 광공급 장치와 삼파장램프를 광생물배양기에 적용하였을 때를 비교한 도면이다.

이하, 도 1 내지 도 4와 실시예를 통하여 본 발명인 광공급 장치를 상세히 설명한다.

본 발명은 광생물 반응기에 적용하여 빛의 세기를 제어할 수 있으며, 발열의 문제를 해결할 수 있는 광공급 장치(10)에 관한 것이다.

도 1에 도시된 바에 따르면, 본 발명의 광공급 장치(10)는 다공성의 격자구조를 이루는 매쉬부재(110)로 형성된 패널(100) 및 상기 패널(100)상에 소정간격으로 이격되어 복수개로 설치되어 빛을 발생시키는 발광부재(200)를 포함한다.

특히, 본 발명의 패널(100)은 매쉬부재(110)로 형성됨으로써, 지속적으로 빛을 공급하였을 때 온도 상승의 문제를 해결해 줄 수 있다.

여기서, 매쉬부재(110)라 함은 다공성의 그물이 형성되어 있는 소재를 의미한다. 상기 매쉬부재(110)는 스테인리스 스틸(stainless steel), 두랄루민(Duralumin), 황동 및 탄소강에서 선택된 어느 하나일 수 있다. 다만, 이에 한정된 것은 아니며, 열전도도와 탄성이 좋은 소재라면 어떠한 소재라도 가능하다. 일 예로 스테인리스 스틸(stainless steel)일 수 있다.

이에 더하여, 상기 매쉬부재(110)는 유연성을 갖는 패널(100)인 것이 좋다.

또한 상기 발광부재(200)는 발광부재(200)는 LED(Light emitting diode) 및 광섬유에서 선택된 어느 하나일 수 있으며, 일 예로 LED(Light emitting diode)일 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 발광부재(200)는 복수개의 발광장치가 기판에 부착되어 있는 바 형태의 발광부재(200) 일 수 있으며, 일 예로 LED가 15개 붙어 있는 LED 바 형태일 수 있다. 이에 더하여, 상기 발광부재(200)는 소정간격 이격되어 패널(100)에 부착될 수 있으며, 여기서 소정간격이라 함은 배양기 내부로 빛을 공급하기에 적당한 간격일 수 있으며, 일 예로 70mm 간격으로 10개의 발광부재(200)가 상기 패널(100)에 부착될 수 있다. 이는 적용되는 광생물반응기의 크기 또는 LED의 개수에 따라 달라질 수 있다.

또한, 본 발명은 발광부재(200)에 공급되는 전력을 온-오프하는 스위치를 구비하고, 전류 공급량을 제어하여 상기 발광부재(200)의 밝기를 조절하는 디머(310)를 포함하는 제어부(300)를 더 포함할 수 있다.

보다 구체적으로, 본 발명은 전원으로부터 상기 발광부재(200)에 공급되는 전력을 제어하는 제어부(300)를 포함하는데, 이와 같은 제어부(300)는 전력 공급을 온-오프하는 스위치를 구비하고, 전류 공급량을 제어하여 발광부재(200)의 밝기를 조절하는 디머(310)(Dimmer)를 구비한다. 추가로, 발광부재(200)의 적색(Red), 녹색(Green), 청색(Blue) 발광장치들을 선택적으로 발광시켜 다양한 색상을 외부로 발광시키도록 된 제어 회로(미 도시)와 스위치를 구비할 수 있다.

이와 같은 제어부(300)를 통하여 사용자는 온-오프 스위치를 이용하여 발광부재(200)의 발광장치들을 점등시킨 다음, 디머(310)를 이용하여 주위의 조도에 맞추어 밝기를 조절할 수 있고, 제어 회로와 색상 조절 스위치를 통하여 원하는 색상으로 외부로 표출되도록 할 수 있다. 이때, 발광장치는 LED 소자일 수 있다. 이와 같은 LED 소자들로 이루어진 발광장치는 수명이 반영구적이고 전력소비가 매우 낮아서 매우 효율적이다.

또한 본 발명의 광공급 장치(10)는 미세조류가 주입되어 배양공간이 마련된 배양용기(400)에 배치되어, 상기 배양용기(400) 내부로 빛을 제공할 수 있다. 특히, 광공급 장치(10)의 패널(100)은 유연성이 있어 배양용기(400)의 형태에 알맞게 적용될 수 있다. 일 예로, 배양용기(400)가 원통형일 경우, 도 2에 나타난 바와 같이, 배양용기(400)의 외주면을 따라 배양용기(400)를 감싸도록 적용할 수 있으며, 배양용기(400)가 직사각형일 경우에는 도 3에 나타난 바와 같이, 배양용기(400)의 일면을 따라 적용될 수 있다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실험예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 다만 하기의 실험예는 본 발명의 내용을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실험예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실험예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.

< 실험예 >

실험예 1. 패널의 종류에 따른 특성 비교

본 발명의 광공급 장치(10)의 우수성을 증명하기 위하여 4가지 종류의 패널(100)을 사용하여 광공급 장치(10)를 제작하였다.

이때, 패널(100)의 종류는 스테인리스 스틸 매쉬, 스펀지, PVC 필름 및 알루미늄 포일을 선정하였으며, 탄성, 열전도 및 심미성을 기준으로 효능을 비교분석하였다.

먼저, 상기 4가지의 소재를 1000mm × 1000mm 준비하였고, 상기 각각의 소재에 LED 소자가 15개 붙어있는 LED 바 10개를 70mm 간격으로 고정하여 광공급 장치(10)를 제작하였다.

	스테인리스 스틸 매쉬	스펀지	PVC 필름	알루미늄 포일
탄성	+++	+++	++	+
열전도	+++	-	-	+
심미성	+++	+	+++	+

그 결과, 탄성은 유연성과 회복력까지 고려하여, 스펀지가 우수하였으며, PVC 필름도 높은 유연성과 회복력이 나타난 것을 확인할 수 있었다. 또한, 알루미늄 포일의 경우는 유연성은 좋으나, 탄성이 낮았고, 스테인리스 스틸 매쉬는 탄성이 다른 재료에 비해 우수한 것을 확인할 수 있었다.

또한, 열전도는 배양기의 온도가 상승할 경우 그 열을 배출하는 정도를 비교분석하였다. 보다 구체적으로, 30℃로 설정된 배양기에 제작된 광공급 장치(10)를 설치하고 15분 동안의 온도변화를 확인하였다. 그 결과, 31.1℃ 를 기록하던 온도계는 스테인리스 스틸 메시로 형성된 광공급 장치(10)에서 15분 후에도 31.1℃로 유지되었으며, 알루미늄 포일은 32.7℃, PVC 필름은 33.2℃, 스펀지는 33.8℃ 까지 상승하였다.

심미성은 광을 투과할 수 있는 스테인리스 스틸 매쉬와 PVC 필름이 가장 우수하였다. 스펀지 또는 알루미늄 포일은 지저분하여 심미성이 낮았다.

이러한 결과를 통하여 광배양기에 적합한 광공급 장치(10)는 스테인리스 스틸 매쉬소재의 패널(100)로 이루어진 광공급 장치(10)가 가장 적합한 것을 확인할 수 있었다. 보다 구체적으로, 상기 스테인리스 스틸 매쉬는 탄성을 가지고 있고, 회복력이 높아 재사용율이 높고, 열투과성이 좋아 배양기의 작동시 온도상승 문제를 해결할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.

실험예 2. 본 발명의 광공급 장치와 삼파장램프를 광생물배양기에 적용하였을 때의 광양자량 비교

도 4는 본 발명의 광공급 장치(10)를 광생물배양기에 적용한 사진(A)과 삼파장램프(1)를 광생물배양기에 적용한 사진(B)이다.

먼저, 제작된 광 공급 장치의 규격을 정의하기 위해 LIGHT METER LI-189(LI-COR, USA)를 사용하였다. 또한, 직진성 광양자량을 측정하기 위해서는 QUANTUM probe Q20097(LI-COR,USA)을 사용하였으며, 360°의 광양자량을 측정하기 위해서는 SPHERICAL probe SPA 2178(ELI-COR, USA)을 사용하였다.

광공급 장치(10)의 광양자량을 측정한 결과, 지름 8mm의 LED 하나의 광양자량은 2μmol/m²/s 이었으며, 10개의 발광장치를 부착한 평면형 광공급 장치(10)의 광양자량은 95μmol/m²/s 이었다. 또한, 원통형으로 제조된 광공급 장치(10)를 사용할 경우 중심축에서 측정한 광양자량은 최대 518μmol/m²/s 이었으며, 최소 광양자량은 0.35μmol/m²/s 이었다. 상기 광공급 장치(10)의 광양자량의 조절은 디머(310)를 이용하여 조절할 수 있었다.

즉, 본 발명의 광공급 장치(10)의 광양자량은 최대 518μmol/m²/s 까지 조절할 수 있었다.

그러나, 삼파장램프(1)를 광생물배양기에 적용하였을 때는 상기 삼파장램프(1)에서 발생되는 열 때문에 상기 삼파장램프(1)를 생물반응기와 약 160mm가 떨어진 위치에 설치하여야 하였으며, 총 12개의 램프가 필요하였다. 또한, 50W의 삼파장램프(1)를 광생물배양기에 적용하였을 때의 중심축에서 측정한 광양자량은 최대 40 내지 50μmol/m²/s 이었으며, 광량조절은 도 4에서와 같이, 램프의 개수를 이용하여 조절하여야 했다.

여기서, 본 발명의 광공급 장치(10)는 삼파장램프(1)를 사용하였을 때보다 광양자량이 약 10배 가량 높은것을 확인할 수 있었다.

이로써, 본 발명의 광공급 장치(10)는 삼파장램프(1)를 사용하였을 때보다 밝은 빛을 낼 수 있으며, 열전도도가 낮아서 열손실이 없고, 열투과성이 높아 온도가 쉽게 상승 되지 않음을 확인할 수 있었다.

1: 삼파장램프
10: 광공급 장치
100: 패널 110: 매쉬부재
200: 발광부재
300: 제어부 310: 디머
400: 배양용기

Claims

다공성의 격자구조를 이루는 매쉬부재로 형성된 패널; 및
상기 패널상에 소정간격 이격되어 복수개로 설치되어 빛을 발생시키는 발광부재; 를 포함하는 광공급 장치.
제1항에 있어서,
상기 매쉬부재는 스테인리스스틸(stainless steel), 두랄루민(Duralumin), 황동 및 탄소강 에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광공급 장치.
제1항에 있어서,
상기 발광부재는 LED(Light emitting diode) 및 광섬유에서 선택된 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 광공급 장치.
제1항에 있어서,
상기 발광부재에 공급되는 전력을 온-오프하는 스위치를 구비하고, 전류 공급량을 제어하여 상기 발광부재의 밝기를 조절하는 디머를 포함하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광공급 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광공급 장치는 내부에 미세조류가 주입되어 배양공간이 마련된 배양용기의 외부에 배치되어, 상기 배양용기 내부로 빛을 제공하는 것을 특징으로 하는 광공급 장치.