KR20150106725A - 수산화나트륨과 이산화탄소를 이용한 미세조류용 배지에 탄소고정방법 및 이를 이용한 미세조류의 배양방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미세조류용 배지에 NaOH로 전처리하고 CO₂를 공급하여 이산화탄소를 NaHCO₃ 또는 Na₂CO₃의 형태로 고정화하는 단계와, 이렇게 미세조류 배지에 고정화된 이산화탄소를 고정화한 배지에 탄산을 영양원으로 미세조류를 접종하여 배양하는 단계로 구성된다.
본 발명은 NaOH를 이용하여 배지의 pH를 13로 조절하므로 화학적 멸균이 이루어지고, 무기탄소원인 이산화탄소 가스를 배지에 공급하여 탄소를 고정화하므로 멸균된 배지로부터 미세조류나 시아노박테리아를 생산할 수 있다. 또한 이산화탄소의 화학적 고정을 통해 미세조류를 배양하므로 직접적인 미세조류 배양과정에서 일어나는 생물학적 이산화탄소 고정화공정보다 효율성이 좋다

Description

수산화나트륨과 이산화탄소를 이용한 미세조류용 배지에 탄소고정방법 및 이를 이용한 미세조류의 배양방법{carbon fixation method in medium of microalgae using sodium hydroxide and carbon dioxide and microalgae cultivation method using them}

본 발명은 수산화나트륨과 이산화탄소를 이용한 미세조류용 배지에 탄소고정 및 이를 이용한 미세조류 배양방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 미세조류용 배지에 수산화나트륨(NaOH)으로 전처리하고 이산화탄소(CO₂)를 공급하여 이산화탄소를 탄산수소나트륨(NaHCO₃) 또는 중탄산나트륨(Na₂CO₃)의 형태로 고정화하는 단계와,이렇게 미세조류 배지에 고정화된 이산화탄소를 고정화한 배지에 미세조류를 접종하여 배양하는 단계로 구성된다.

생물학적으로 이산화탄소를 배지에 고정하는데는 CO₂의 용해도가 낮아 대기로 손실되는 이산화탄소 양이 많기 때문에 이를 고정시키기 어려운 문제점이 있다

이산화탄소고정(carbon dioxide fixation)은 생물이 이산화탄소를 흡수해서 유기물로 전환되는 것으로 기구의 차이에 기초하여 무기영양생물이 하는 광합성 ·세균형광합성 및 화학합성과 무기영양생물 및 유기영양생물에서 모두 볼 수 있는 이산화탄소 암정으로 크게 나뉜다. 광합성과 세균형광합성은 모두 동화에 필요한 에너지를 빛으로부터 얻는다는 것은 같지만, 전자는 그 때 산소를 발생한다는 점에서 구별된다. 화학합성은 무기물의 산화에너지를 이용하여 이산화탄소 고정을 하는 경우를 가리킨다. 또한 유기영양을 하는 세균이나 동물조직에서도 CO₂첨가 반응에 의 한유기화합물의 탄소수의 증가가 알려져 이를 이산화탄소 암고정이라고 한다. 무기영양생물에는 이산화탄소고정과 그것에 이어지는 CO₂수용체의 재생을 가능케하는 회로(回路)가 존재한다. 이들회로로는 환원적 오탄당 인산회로· C₄ 경로·다육식물 유기산 대사·환원적 카르본산회로 등이 알려져 있다

산업혁명 이후 대두된 온실가스에 의한 지구온난화와 기후변화는 과학, 환경분야 뿐만 아니라 국제경제와 정치분야에서도 중요한 이슈로 계속 등장하고 있다. 특히 온실가스 발생량의 68%를 차지하는 이산화탄소는 주요 온실가스원 중에 하나로 알려지면서 이산화탄소의 배출방법이나 제거에 큰 관심이 집중되고 있다. 이산화탄소의 제거방법에는 물리적, 화학적 탄소고정방법이 개발되어 있으나, 대부분 에너지 소모가 크고, 넓은 공간이 필요하며, 탄소고정 후 물질의 자원화가 어렵다. 따라서 에너지효율을 높이면서 친환경적인 이산화탄소 고정방법의 개발에 필요성이 극대화되고 있는 실정이다. 이를 위한 대안으로 광합성을 하는 미세조류와 시아노박테리아를 이용한 미생물학적 고정법이 최근 새롭게 주목을 받고 있다. 미세조류와 시아노박테리아는 전세계적으로 널리 분포되어 있고, 성장속도가 육상식물 보다훨씬 빠르며, 환경적응력이 좋아 이산화탄소 고정에 유리하며, 운영비용 또한 낮다. 탄산 이온 형태로 고정화된 이산화탄소는 미세조류나 시아노박테리아의 성장에 필요한 탄소원으로 바이오연료, 의약품, 화장품, 영양식품의 원료로 쓰이는 미세조류나 시아노박테리아의 Biomass 생산에 활용될 수 있다.

하지만, 미세조류에 의한 생물학적 이산화탄소 고정속도는 물리적, 화학적 탄소고정 방법에 비해 낮기 때문에, 미세조류 성장에 필요한 충분한 탄소원을 공급하면서 동시에 대기로 손실되는 이산화탄소의 양을 줄이는 기술의 개발이 필요하다. 본 발명에 관련된 종래기술로는 한국특허공개번호 10-2013-0093418(이산화탄소 고정방법 및 이를 위한 조성물)은 홍조 단괴 유래 미생물을 농화배양하는 단계; 및 상기 농화배양된 미생물을 오염수에 처리하고 반응시킴으로써, 오염수 내의 용존 이산화탄소를 탄산염 광물로 고정시키는 단계를 포함하는 오염수 내 용존 이산화탄소의 고정방법을 제공한다. 한국특허공개번호 10-2013-0036505(천적미생물의 방역이 가능한 미세조류를 이용한 이산화탄소 고정장치)는 투광관 내부에 설치되는 광학적 방역수단을 이용해 미세조류의 성장을 방해하는 박테리아 또는 아메바 등의 천적 미생물들에 대한 성장억제 또는 방역을 수행하도록 함으로써 미세조류에 의한 이산화탄소 고정효율을 향상시킬 수 있다. 공개번호 10-2011-0111150(미세조류 이용한 이산화탄소 고정화방법)은 광배양기의 재질을 비닐재질로 제조하고, 각 단계의 최적화 조건을 확립하여 상기 비닐 재질의 광배양기를 포함한 광생물반응기를 이용한 이산화탄소 고정방법을 제공한다.

그러나 이들 종래기술은 본 발명과 기술적구성이 다른 것으로 본 발명과 같 이 미세조류용 배지에 수산화나트륨으로 전처리하고 이산화탄소를 공급하여 고농도의 이산화탄소를 탄산수소나산트륨 또는 중탄산나트륨의 형태로 고정화하는 고이고정된 inorganic carbon source를 미세조류를 이용하여 organic carbon source로 전환하여 얻은 biomass를 에너지원이나 대체식품으로 이용하고자 하는 점에서 다른 것이다.

본 발명은 이산화탄소의 고정화 효율을 높이고, 이산화탄소의 공기 중 손실을 낮추어 산업화 과정에서 나오는 이산화탄소의 양을 감축시키는 환경적인 측면과 고정화된 이산화탄소를 미세조류 배양에 접목하여 효율적으로 미세조류를 성장시키고 잠정적으로 얻어지는 biomass를 재생에너지나 대체식품으로 활용하는 데 있다.

생물학적으로 미세조류에 의한 이산화탄소의 고정속도는 물리적 또는 화학적인 이산화탄소의 고정속도에 비해 느리기 때문에, 미세조류에 성장에 필요한 충분한 양의 탄소원을 이산화탄소를 공급하면서 배지 속에 액화시켜 중탄산의 형태로 공급함으로써 동시에 대기로 손실되는 이산화탄소의 양을 줄이는 기술이 필요하다.

본 발명은 미세조류 및 시아노박테리아를 키우기 위하여 배지를 먼저 수산화나트륨으로 전처리하고 이산화탄소를 불어넣어 중탄산의 형태로 미세조류용 배지에 고정화한다. 또한, 미세조류 및 시아노박테리아를 배양하기 위해 필요한 배지를 수산화나트륨을 이용하여 무균처리하고 이산화탄소를 이용하여 중화시킨 후,직접적으로 미세조류 및 시아노박테리아의 배양에 사용함으로써 고부가가치 물질 생산이나 바이오디젤 생산에 쓰이는 미세조류를 배양하는 데 사용하고자 하는 친환경적인 고효율 이산화탄소 고정화공정을 만들고자 한다. 따라서 본 발명은 미세조류용 배지에 수산화나트륨(NaOH)으로 전처리하고 이산화탄소(CO₂)를 공급하여 이산화탄소를 탄산수소나트륨(NaHCO₃) 또는 중탄산나트륨(Na₂CO₃)의 형태로 고정화하는 단계와, 이렇게 미세조류 배지에 고정화된 이산화탄소를 고정화한 배지에 미세조류를 접종하여 배양하는 단계로 구성된다.

본 발명은 NaOH를 이용하여 배지의 pH를 12-14로 조절하므로 화학적 멸균이 이루어지고, 무기탄소원인 이산화탄소 가스를 배지에 공급하여 탄소를 고정화하므로 멸균된 배지로부터 미세조류나 시아노박테리아를 생산할 수 있다. 또한 이산화탄소의 화학적 고정을 통해 미세조류를 배양하므로 직접적인 미세조류 배양과정에서 일어나는 생물학적 이산화탄소 고정화 공정보다 효율성이 좋다.

도 1은 2 M NaOH로 전처리한 Zarrouk 배지에 (2 L volume) 10% 이산화탄소를 공급하면서 pH의 변화와 배출되는 CO₂ 양의 변화를 측정하였다. 처음 1시간 동안은 배기가스에서 CO₂가 검출되지 않았으나 시간이 흐름에 따라 NaOH에 의한 CO₂의 화학적 처리량이 점점 포화되어 간다.
반응시간이 길어질수록 pH는 하강하여 반응시간 10시간에서 pH 8수준을 유지하며, 이산화탄소는 반응시간 동시간 부근에서 포화되어 초기 유입농도 10%를 나타내는 것을 알 수 있다.
도 2는 시간에 따른 CO₂의 처리량을 표시하였다. 이산화탄소가 반응 초기에는 25mmol 이었으며 50 % 이상의 이산화탄소 처리 효율이 초기반응 후 7시간 동안 유지되었다.
도 3은 이러한 NaOH와 CO₂ 처리공정을 통해서 서로 다른 pH 조건에서 (pH 8, pH 9)준비된 Zarrouk 배지에서는 스피룰리나 배양과 관련하여 커다란 성장곡선의 차이를 Original Zarrouk와 비교하여 찾을 수 없었다.

본 발명은 미세조류용 배지에 NaOH로 전처리하고 CO₂를 공급하여 이산화탄소를 NaHCO₃ 또는 Na₂CO₃의 형태로 고정화하는 단계와, 이렇게 미세조류 배지에 고정화된 이산화탄소를 고정화한 배지에 탄산을 영양원으로 미세조류를 접종하여 배양하는 단계로 구성된다.

<실시예 1>

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 스피룰리나 생산에 필요한 Zarrouk 배지에서 그 성분원소 중에 하나인 NaHCO₃ 또는 Na₂CO₃를 제외한 상태로 2M-NaOH로 전처리하여, pH 13으로 맞추어 배지를 무균처리하였다. Zarrouk 배지는 다음과 같이 구성된다. 2.87×10^-3M K₂HPO⁴, 2.94×10^-2M NaNO₃, 5.74 ×10^-3 M K₂SO₄, 1.71×10^-2 M NaCl, 8.11×10^-4 M MgSO₄, 2.72×10^-4M CaCl₂, 3.60×10^-5 M FeSO4, 2.15×10^-4Na₂EDTA, 3.48×10^-9M ZnSO₄, 8.97×10^-9 M MnSO₄, 1.62×10^-7 H₃BO₃, 3.44×10^-9M Co(NO₃)2, 4.13×10^-9 M Na₂MoO₄, 2.00×10^-11 M CuSO₄, and 3.69×10^-9 and Cyanocobalamin (vitamin B12).

무균화된 Zarrouk 배지에 10 % CO2를 CO2의 공급속도는 분당 200 ml 공급하여 수산화나트륨과 이산화탄소의 화학반응에 의해 중탄산(NaHCO3 또는 Na2CO3) 형태로 탄소고정화되고, 미세조류 및 시아노박테리아가 배양에 필요한 충분한 탄소원의 공급과 적정한 pH를 유지시키는 데 활용된다. 배지의 pH가 높아진 상태에서 이산화탄소를 공급함으로써 pH를 낮추기 위한 에너지 소모가 없고, 이산화탄소는 CO2가스상태에서 NaHCO3의 무기탄소원으로 바뀌어 액상에서 이산화탄소의 화학적고정이 일어나게 되어 미세조류가 이용할 수 있다.

<실시예2>

균주는 Synechocystis sp.PCC 6803를 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 배양하여 이산화탄소는 CO₂ 가스상태에서 NaHCO₃의 무기탄소원으로 바뀌어 액상에서 이산화탄소의 화학적 고정이 일어나는 것을 확인하였다.

본 발명은 NaOH에 의해 배지의 pH가 높아져 살균이 불필요하고, 이산화탄소를 공급함으로써 pH가 낮아지므로 에너지 소모가 없다. 또한 NaOH와 CO₂는 탄산나트륨의 무기탄소원으로 바뀌어 액상에서 이산화탄소의 화학적 고정이 일어나게 되어 미세조류가 이용할 수 있으므로 환경적인 측면과 더불어 산업상 이용가능성이 크다.

Claims (2)

1. 미세조류용 배지에 수산화나트륨으로 전처리하고 이산화탄소를 공급하여 탄산염 형태로 고정화하는 단계와, 상기 탄산염 형태로 고정화된 미세조류용 배지에미세조류를 접종하여 배양하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 수산화나트륨과 이산화탄소를 이용한 미세조류용 배지에 탄소고정 및 이를 이용한 미세조류의 배양방법
   
2. 제 1항에 있어서, 미세조류 배지에 고정된 탄산염은 탄산수소나트륨 (NaHCO₃) 또는 중탄산나트륨(Na₂CO₃)인 것을 특징으로 하는 수산화나트륨과 이산화탄소를 이용한 미세조류용 배지에 탄소고정 및 이를 이용한 미세조류의 배양방법
   

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