KR20160000206A

KR20160000206A - Photo-Bioreactor for Cultivation of Photosynthesis Autotrophic Organisms

Info

Publication number: KR20160000206A
Application number: KR1020140077296A
Authority: KR
Inventors: 차예리; 조재훈; 정문근
Original assignee: 에스케이이노베이션 주식회사
Priority date: 2014-06-24
Filing date: 2014-06-24
Publication date: 2016-01-04

Abstract

The present invention relates to a photobioreactor which maximizes light efficiency by including light scattering particles in the interior of the designed conical reactor in order that the light source is supplied from the center, and reduces fouling by gas rising along an inclined wall. The photobioreactor according to the present invention can culture light organisms due to excellent light-efficiency, and is useful for efficient culture of photoautotroph through preventing fouling by gas rising along a conical wall.

Description

[0001] The present invention relates to a photo-bioreactor for culturing a photosynthetic autotrophic organism,

본 발명은 반응기 중심부에서 광원이 공급될 수 있도록 설계된 원추형의 반응기 내부에 광 산란 입자를 구비하여 광효율을 극대화시키고, 기울어진 벽면부를 따라 상승하는 가스에 의하여 파울링(fouling)이 저감되는 것을 특징으로 하는 광합성 자기영양 생물 배양을 위한 광생물 반응기에 관한 것이다.The present invention is characterized in that light scattering particles are provided inside a conical reactor designed to be supplied with a light source at the center of the reactor to maximize the light efficiency and fouling is reduced by the gas rising along the tilted wall portion To a photobioreactor for culturing a photosynthetic autotrophic organism.

세계적으로 석유, 천연가스 등의 고갈, 수급체계의 불안정성 등의 고유가 위기가 조성되고 있으며, 이와 더불어 기후변화, 환경파괴 등의 생태계 보호를 위하여 화석에너지의 사용 제한이 가시화되고 있다. 따라서 세계 각국은 신재생에너지 개발은 물론, 기존의 화력발전의 효율 증대와 친환경 제고에 힘을 기울이고 있으며 광생물 등을 이용한 생물학적 에너지 생산기술이 기존의 화석에너지를 대체할 수 있는 기술로 각광을 받고 있다.Global oil and natural gas depletion and instability of the supply and demand system are being created. In addition, restrictions on the use of fossil fuels are becoming apparent in order to protect ecosystems such as climate change and environmental destruction. As a result, countries around the world are making efforts to increase the efficiency of existing thermal power generation as well as new and renewable energy, and to raise the environment friendly. Biological energy production technology using photobiore is attracting attention as a technology to replace existing fossil energy have.

광합성 자기영양 생물은 물, 이산화탄소와 햇빛을 이용하여 성장이 가능하며, 황무지, 해안가, 바다 등 어디서든 배양할 수 있어 기존 육상작물과 토지나 공간 측면에서 상호 경쟁하지 않는다. 광합성 자기영양 생물은 배양조건에 따라 생체 내에 많은 양의 지질(최대 70%)을 축적하며, 단위 면적당 오일(지질) 생산량이 콩과 같은 기존 식용작물에 비해 50-100배 이상 높아 대체 생물 원유로서의 가능성이 매우 높다. 미세조류 등 광합성 자기영양 생물을 원료로 생산한 바이오 디젤은 기존 경유에 비해 미세분진, 황화합물 등의 오염물질 배출을 크게 줄일 수 있어 친환경 자동차 연료로 적합하다.Photosynthetic autotrophic organisms can grow using water, carbon dioxide and sunlight, and they can be cultivated anywhere in wastelands, coasts, and oceans, and they do not compete with existing land crops in terms of land or space. Photosynthetic autotrophic organisms accumulate large amounts of lipids (up to 70%) in vivo according to culture conditions, and the oil (lipid) production per unit area is 50-100 times higher than conventional edible crops such as soybeans, The possibility is very high. Biodiesel, which is produced from photosynthetic autotrophic organisms such as microalgae, can reduce pollutants such as fine dust and sulfur compounds as compared with conventional diesel fuel, and is suitable as an environment friendly vehicle fuel.

또한 최근 들어 바이오연료 생산에 따른 곡물자원의 가격인상과 식량자원에 관한 우려로, 광합성 자기영양 생물의 이용 연구가 수송용 바이오연료 생산에 초점을 맞추게 되었으며, 이에 따라 광합성 자기영양 생물의 유전체, 유전자 등 기초 연구뿐만 아니라, 미생물 개량, 반응기, 시스템 연구 등 응용연구가 대규모로 진행되고 있다.In recent years, due to the increase in prices of cereal resources due to the production of biofuels and concerns about food resources, research on the use of photosynthetic autotrophic organisms has focused on the production of biofuels for transportation, In addition to basic research such as microbial improvement, reactor and system research, application research is proceeding on a large scale.

이러한 광합성 자기영양 생물은 대량으로 배양할 수 있으며, 식용작물과 달리 매일 수확할 수 있다. 더불어 광합성 자기영양 생물은 화력발전소 등의 부생가스내 고농도 이산화탄소(15% 수준)를 직접 흡수해 성장할 수 있으므로 이산화탄소 저감 효과도 크다. 또한 광합성 자기영양 생물은 고부가가치의 의약품, 색소, 화장품, 단백질과 탄수화물의 영양원, 및 정밀 화학약품 등의 잠재력 있는 생산 원료로써 큰 관심을 받고 있으며, 지금까지 광합성 자기영양 생물로부터 제조되는 카로틴(Carotene), 아스타잔틴(Astaxanthin), 항암 약물(Anticancer drugs), 약학 단백질(Pharmaceutical proteins) 등 다양한 제품들이 전 세계적으로 판매되고 있다.These photosynthetic autotrophic organisms can be cultivated in large quantities and, unlike edible crops, can be harvested on a daily basis. In addition, the photosynthetic autotrophic organisms can grow directly by absorbing the high concentration of carbon dioxide (15% level) in the by-product gas such as thermal power plants, so the effect of reducing carbon dioxide is also great. In addition, the photosynthetic autotrophic organisms have attracted great interest as potential production materials of high value added medicines, colorants, cosmetics, nutrients of proteins and carbohydrates, and fine chemicals. Carotene (Carotene ), Astaxanthin, anticancer drugs, and pharmaceutical proteins are being sold all over the world.

광합성 자기영양 생물을 이용한 고부가가치 제품 생산기술은 크게 (1) 광합성 자기영양 생물 배양, (2) 수확, (3) 유용물질 추출, (4) 제품 전환 등 4개 공정으로 구성된다. 이들 중 광합성 자기영양 생물의 배양 공정이 전체 공정의 경제성 측면에서 매우 중요하다. 예를 들면, 미세조류 바이오 연료 생산기술의 경우 전체 공정에 대한 미세조류 배양, 수확, 오일 추출, 바이오디젤 전환공정이 차지하는 비용은 각각 42%, 22%, 20%, 16% 정도이다.The production technology of high value added products using photosynthetic autotrophic organisms consists of four processes: (1) photosynthetic self-nutrient culture, (2) harvesting, (3) extraction of useful materials, and (4) product conversion. Among them, the cultivation process of photosynthetic autotrophic organisms is very important in terms of economic efficiency of the entire process. For example, in the case of microalgae biofuel production, microalgae cultivation, harvesting, oil extraction, and biodiesel conversion processes account for 42%, 22%, 20% and 16% of the total process, respectively.

특히 광합성 자기영양 생물을 효율적으로 생산하기 위하여, 고효율 광합성 자기영양 생물 반응기 및 고농도 배양기술의 개발이 시도되고 있다.In particular, in order to efficiently produce photosynthetic autotrophic organisms, the development of high efficiency photosynthetic autotrophic bioreactors and high concentration culture techniques has been attempted.

미세조류와 같은 광합성 자기영양 생물을 배양하는 방법은 크게 옥외 배양법과 광합성 자기영양 생물 반응기를 이용하는 방법으로 나눌 수 있다. Methods for culturing photosynthetic autotrophic organisms, such as microalgae, can be divided into two groups: outdoor culture and photosynthetic bioreactor bioreactors.

옥외 배양법의 경우는 연못 형태나 외륜으로 배지를 순환시키는 수로 형태를 예로 들 수 있는데, 설치비나 운영비가 적게 드는 반면, 고농도의 배양이 힘들고 다른 미생물에 의해 오염되기 쉬워 광합성 산물의 회수비용이 증가한다는 단점이 있다. 이에 따라 광합성 자기영양 생물의 고농도 배양이 가능하고, 다른 미생물에 의한 오염이 방지될 수 있다는 장점을 가지는 광합성 생물반응기에 대한 연구가 주로 이루어지고 있다.In the case of the outdoor culture method, for example, in the form of a pond or a water channel circulating the medium through the outer ring, it is difficult to cultivate a high concentration and to be contaminated by other microorganisms, thereby increasing the cost of recovering the photosynthetic product There are disadvantages. Accordingly, researches on photosynthetic bioreactors having the advantage that high concentration of photosynthetic autotrophic organisms can be cultivated and pollution by other microorganisms can be prevented is mainly performed.

대한민국 등록특허 제1319241호에서는 태양광을 이용한 광생물 반응기가 개시되어 있다. 이 광생물 반응기는 태양광을 집광하여 집광패널과 반응기 사이에 설치된 광섬유를 따라서 평판형의 반응기에 공급하여 조류를 성장시키는 장치로, 태양광을 광원으로 사용하므로 비용이 저렴하고, 다량의 광섬유를 사용하는 경우 반응기 내부를 균일하게 태양광을 공급 가능하여 광조사 효율을 높일 수 있다. 하지만 광섬유는 제작비용이 높고, 일정이상의 굴곡을 가지는 경우 깨지는 형상이 발생하므로 최급이 불편하며, 광섬유의 광 투과율이 낯아 효율적인 배양이 어렵다는 단점을 가진다.Korean Patent No. 1319241 discloses a photobioreactor using solar light. This photobioreactor concentrates sunlight and feeds it to a flat plate reactor along an optical fiber installed between a condensing panel and a reactor to grow algae. It uses solar light as a light source, so it is inexpensive and uses a large amount of optical fiber It is possible to uniformly supply sunlight to the interior of the reactor, thereby increasing the light irradiation efficiency. However, the optical fiber has a disadvantage in that it is difficult to efficiently cultivate the optical fiber due to its high optical transmittance.

대한민국 등록특허 제986732호에서는 원통형의 모양을 가지는 광생물 반응기가 개시되어 있다. 이 반응기는 원통형으로 적층된 광원을 사용하여 광생물 반응기의 효율을 극대화 하고 있지만 광원의 종류가 제한되며, 광원을 적층함에 따라 반응기내 차지하는 부피가 커져서 효율이 저하되는 단점이 있다.Korean Patent No. 986732 discloses a photobioreactor having a cylindrical shape. This reactor maximizes the efficiency of the photobioreactor by using a cylindrical stacked light source, but it has a disadvantage in that the type of the light source is limited and the volume occupied in the reactor becomes larger as the light source is stacked, thereby decreasing the efficiency.

이에, 본 발명자들은 상기 문제점을 해결하기 위하여 예의 노력한 결과, 반응기내 배지에 빛을 반사하는 미세입자를 포함시킴으로써, 입사되는 빛이 산란되어 광생물 반응기의 효율과 운전 편의성이 증대되는 것을 확인하였으며, The present inventors have made intensive efforts to solve the above problems, and as a result, it has been confirmed that the efficiency of the photobioreactor and the ease of operation are increased by including incident light in the reactor by including fine particles reflecting light in the reactor.

특히, 반응기 중심부에서 광원이 공급되도록 설계된 원추형의 반응기 내부에 광 산란 입자를 구비하여 광효율을 극대화시키고, 기울어진 벽면부를 따라 상승하는 가스에 의하여 파울링(fouling)이 저감되는 것을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.Particularly, it is confirmed that the light scattering particles are provided inside the conical reactor designed to supply the light source at the center of the reactor to maximize the light efficiency, and the fouling is reduced by the gas rising along the tilted wall portion. It was completed.

본 발명의 목적은 반응기 중심부에서 광원이 공급되며, 배지에 광산란 입자를 포함함으로써 광효율이 증가되며, 원추형으로 제작되어 파울링(fouling)을 저감할 수 있는 광합성 자기영양 생물 배양을 위한 광생물 반응기를 제공하는데 있다.It is an object of the present invention to provide a photo-bioreactor for photosynthetic self-nutrient culture capable of reducing the fouling and conical shape by increasing the light efficiency by supplying the light source at the center of the reactor, .

상기 목적을 달성하기 위하여, In order to achieve the above object,

본 발명은 상측면의 지름이 하측면의 지름보다 작아 외면부가 경사진 원추형의 반응기; The present invention relates to a cone-shaped reactor in which the outer diameter of the upper side is smaller than the diameter of the lower side,

상기 반응기 중심부에 위치하며, 광원을 공급하는 광원부가 삽입될 수 있는 광원부 삽입용 관통부;A penetration portion for inserting the light source portion, which is located at the center of the reactor and into which the light source portion for supplying the light source can be inserted;

상기 광원부 삽입용 관통부에 삽입되는 광원부; A light source unit inserted into the light source unit insertion portion;

상기 반응기 하측부에 설치되어 가스를 공급하는 가스 투입부; 및 A gas inlet provided at a lower side of the reactor to supply gas; And

상기 반응기 상부에 설치되어 기체를 배출하는 가스 배출구;A gas outlet installed at an upper portion of the reactor to discharge a gas;

를 포함하는 광생물 반응기를 제공한다.
And a photocatalytic reactor.

본 발명은 또한, The present invention also relates to

(a) 배지와 광산란 입자를 혼합하여 공급하는 단계; 및 (a) mixing the medium and light scattering particles and supplying them; And

(b) 반응기로 가스를 공급하여 상기 광산란 입자와 배지를 유동시키며, 광원부를 통해 빛을 공급하여 광합성 자기영양 생물을 증식하는 단계;(b) supplying gas to the reactor to flow the light scattering particles and the medium, and supplying light through the light source to propagate the photosynthetic autotrophic organism;

를 포함하는 상기 광생물 반응기를 이용한 광합성 자기영양 생물의 배양방법을 제공한다.
The present invention provides a method for culturing a photosynthetic autotrophic organism using the photobioreactor.

본 발명은 또한, The present invention also relates to

상측면의 지름이 하측면의 지름보다 작아 외면부가 경사진 원추형의 반응기; A conical reactor whose outer diameter is less than the diameter of the lower side and whose outer surface is inclined;

상기 가스 투입부로부터 공급된 가스에 의하여 상하로 유동하는 배지; 및 A medium flowing up and down by the gas supplied from the gas inlet; And

상기 배지 내에 존재하며, 상기 광원부에서 입사되는 빛을 산란시키는 광산란 입자;Light scattering particles present in the medium and scattering light incident from the light source;

를 포함하는 광생물 배양 시스템을 제공한다.Lt; RTI ID = 0.0 > biochemical < / RTI > culture system.

본 발명에 따른 광생물 반응기는 광효율이 우수하여 고농도로 광생물을 배양이 가능하며, 원추형의 벽면을 따라 상승하는 가스가 파울링(fouling)을 방지하여 운전의 편의성이 증대되어 효율적인 광합성 자기영양 생물의 배양에 유용하다.The photobioreactor according to the present invention is excellent in light efficiency and can cultivate a photobioregulator at a high concentration. The gas rising along a conical wall surface is prevented from fouling, so that the convenience of operation is increased and an efficient photosynthetic self- . &Lt; / RTI >

도 1은 본 발명에 따른 외부가 원추형인 광생물 반응기를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 외부 및 광원부 삽입용 관통부가 원추형인 광생물 반응기를 도시한 것이다.1 shows a photobioreactor having an external conical shape according to the present invention.
FIG. 2 shows a photobioreactor according to the present invention in which the penetration portion for inserting the outer and light portions is a conical shape.

다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술 분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.Unless otherwise defined, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. In general, the nomenclature used herein is well known and commonly used in the art.

기존의 광생물 반응기는 일측면에 위치한 광원에서 빛을 공급하며, 타측면에 다른 광원이나 반사장치를 배치하여 반응기 내부에 균일하게 빛을 공급해 왔다. 하지만 이런 방식은 광원의 빛이 반응기가 아닌 외부로 세어나가게 되어 빛의 이용률이 떨어지며, 내부에 균일하게 빛을 공급하지 못해서 광합성 자기영양 생물의 생장 효율이 떨어지는 문제가 있다. 또한 벽면에 발생하는 조류에 의한 파울링(fouling)으로 인하여 효율이 저하 되는 문제점을 가지고 있다.Conventional photobioreactors supply light from a light source located at one side, and other light sources or reflection devices are disposed on the other side to uniformly supply light to the inside of the reactor. However, this method has a problem that the light utilization efficiency is lowered because the light of the light source is counted to the outside, not the reactor, and the efficiency of the growth of the photosynthetic autotrophic organisms declines because the light can not be uniformly supplied to the interior. Also, there is a problem that efficiency is lowered due to fouling caused by algae generated on the wall surface.

본 발명자들은 광합성 자기영양 생물의 배양효율을 높이기 위한 방안으로, 광원을 반응기 중앙에 위치하여 효율을 높이고, 기존의 반사경이 아닌 배지에 광산란 입자를 혼합하여 광원의 빛을 산란시켜 공급하여 균일한 빛 공급이 가능하도록 하여 광합성 자기영양 생물의 배양 효율이 향상되도록 하였다. 또한 반응기의 벽면을 경사지게 제작하며, 반응기의 기울어진 벽면을 따라 가스가 상승하게 하여 벽면에서의 조류발생을 최소화하여 파울링을 억제하도록 하였다.The present inventors have proposed a method for enhancing the efficiency of cultivation of photosynthetic autotrophic organisms by locating a light source at the center of the reactor to increase efficiency and mixing light scattering particles in a medium that is not a conventional reflector, To improve the culture efficiency of photosynthetic autotrophic organisms. In addition, the walls of the reactor are made oblique and the gas is raised along the inclined wall surface of the reactor to minimize the generation of algae on the wall surface, thereby suppressing fouling.

따라서, 본 발명은 일 관점에서, Thus, the present invention, in one aspect,

상기 반응기 중심부에 광원을 공급하는 광원부가 삽입될 수 있는 광원부 삽입용 관통부;A penetration part for inserting a light source part into which a light source part for supplying a light source to the center of the reactor can be inserted;

를 포함하는 광생물 반응기에 관한 것이다.
To a photobioreactor.

본 발명에 있어서, 상기 반응기는 상측면의 지름이 하측면의 지름보다 작아 외면부가 경사진 원추형의 반응기(200)인 것을 특징으로 할 수 있다(도 1 참조). 기존의 대부분의 반응기는 벽면이 수직으로 되어 있어 외부의 빛을 가장 많이 흡수하는 것을 목표로 하고 있다. 하지만 이런 수직형 벽면의 문제점은 벽면에 생기는 조류에 의한 파울링(fouling)으로 이는 오히려 광생물 반응기의 효율을 저하시키는 주범이 되고 있다. 하지만 본 발명에 의한 광생물 반응기는 원추형으로 제작되며, 상측면의 직경이 하측면보다 작아 벽면이 일정한 경사를 가지고 있으며, 이 경사진 벽면을 따라 공급되는 가스 버블(213)이 상승하게 된다. 이때 공급되는 가스 버블(213)이 경사진 벽면을 따라 상승하면서 벽면에 인접한 배지를 혼합하게 되며, 이에 따라 벽면에 부착되는 조류의 양을 최소화할 수 있다.In the present invention, the reactor may be a conical reactor 200 whose outer diameter is less than the diameter of the lower side and whose outer surface is inclined (see FIG. 1). Most existing reactors have vertical walls, which aims to absorb most of the external light. However, the problem of such a vertical wall surface is the fouling caused by the algae on the wall surface, which is detrimental to the efficiency of the photobioreactor. However, the photobioreactor according to the present invention is manufactured in a conical shape, and the diameter of the upper side is smaller than the lower side, so that the wall surface has a constant inclination, and the gas bubble 213 supplied along the inclined wall surface rises. At this time, the supplied gas bubble 213 rises along the inclined wall surface to mix the medium adjacent to the wall surface, thereby minimizing the amount of algae adhering to the wall surface.

이러한 관점에서, 본 발명에 있어서, 상기 광원부 삽입용 관통부(201)는 하측면으로 갈수록 직경이 작아지도록 경사진 것을 특징으로 할 수 있다. 이는 광원부 삽입용 관통부(201)에 광원부(100)가 삽입되는 경우, 광원부 쪽의 광원부 삽입용 관통부(201)에서도 빛에 의한 파울링(fuoling)이 일어나게 되므로 이를 방지하지 위한 것으로, 광원부(100)가 삽입되는 원부 삽입용 관통부(201)도 일정한 경사를 가지도록 하여 파울링을 방지 할 수 있다. In this respect, in the present invention, the penetration portion 201 for inserting the light source portion may be inclined so that the diameter becomes smaller toward the lower side. This is to prevent fouling due to light also in the penetration part 201 for inserting the light source part of the light source part when the light source part 100 is inserted into the penetration part 201 for inserting the light source part. 100 is inserted is also inclined to prevent fouling.

또한, 본 발명에 따른 반응기에는 광원부 삽입용 관통부(201)의 벽면을 따라 가스 버블이 상승하도록 하기 위한 내주면부 가스투입부(214)와 반응기의 외주면을 가스 버블이 상승하도록 하기 위한 외주면부 가스투입부(215)가 이중으로 설치될 수 있으며, 이에 따라 반응기 위주면 및 광원부 삽입용 관통부의 벽면 모두에서의 파울링을 보다 효율적으로 방지할 수 있다. In addition, the reactor according to the present invention includes an inner circumferential portion gas inlet 214 for raising the gas bubble along the wall surface of the penetrating portion 201 for inserting the light source portion, and an outer circumferential portion gas It is possible to prevent the fouling of the main surface on the reactor and the wall surface of the penetrating portion for inserting the light source unit more effectively.

상기 내주면부 가스투입부(214)는 광원부 삽입용 관통부의 벽면에 대응되도록 설치되며, 외주면부 가스투입부(215)는 반응기 위부 벽면에 대응되도록 설치될 수 있다(도 2 참조).
The inner circumferential portion gas inlet 214 may be provided to correspond to the wall surface of the penetrating portion for inserting the light source portion, and the outer circumferential portion gas inlet 215 may be provided to correspond to the upper wall of the reactor.

본 발명에 따른 가스 투입부(210), 내주면부 가스투입부(214) 및 외주면부 가스투입부의 상측면에는 공급된 가스가 배지 내로 공급될 수 있는 미세한 기공을 가지고 있다. 바람직한 기공의 크기는 약 0.01~1000 m, 바람직하게는 약 0.1~100 m, 바람직하게는 이며, 가스투입부의 재질은 금속, 고분자 등 어떠한 것이라도 사용가능하다.
The gas inlet 210, the inner circumferential surface gas inlet 214, and the upper surface of the gas inlet of the outer circumferential portion according to the present invention have fine pores through which the supplied gas can be supplied into the medium. The preferable pore size is about 0.01 to 1000 m, preferably about 0.1 to 100 m, preferably, and the material of the gas inlet portion may be any metal, polymer, or the like.

본 발명에 있어서, 상기 광원부 삽입용 관통부(201)는 반응기 중심에 위치하는 것을 특징으로 하는데, 이에 따라 상기 광원부 삽입용 관통부(201)에 삽입되는 광원부(100) 역시 반응기 중심에 위치하게 된다. In the present invention, the penetration part 201 for inserting the light source part is located at the center of the reactor, so that the light source part 100 inserted into the penetration part 201 for inserting the light source part is also located at the center of the reactor .

기존의 다른 광생물 반응기는 대부분 일측면에 광원부를 가지며, 타측면에 거울과 같은 반사장치를 사용하여 광원에서 오는 빛을 반사하게 된다. 일측면에 광원을 가지는 경우, 내부의 광합성 자기영양 생물이 광원쪽 벽면에 밀집하게 되어 빛을 차단할 수 있으므로 타측면에 반사장치를 사용하여 내부 배지에 광합성 자기영양 생물이 균일하게 퍼지도록 한다. Other conventional photobioreactors have a light source on one side and reflect light from the light source by using a reflection device such as a mirror on the other side. When a light source is provided on one side, a photosynthetic autotrophic organism is concentrated on a wall surface of a light source to block light, so that a photosensitized autotrophic organism spreads in the internal medium using a reflection device on the other side.

반면, 본 발명에서는 내부를 부유하는 광산란 입자(220)를 이용하여 빛을 반응기 내부에서 산란시킬 뿐 아니라, 반응기 중심에 위치한 광원부 삽입용 관통부(201)에 광원부(100)을 설치하여 사방으로 빛을 방사하게 되며, 배지(300)에 혼합되어 있는 광산란 입자(220)를 이용하여 반응기(200) 내부에 균일하게 빛을 공급하므로, 기존의 반응기들에 비해 광효율이 극히 우수하다는 장점이 있다. 또한, 벽면부에 광합성 자기영양 생물이 밀집하여 광원을 차단하는 현상을 줄일 수 있으며, 이에 따라 반응기의 효율도 상승하게 된다.
In the present invention, light is scattered in the reactor using floating light scattering particles 220, and the light source unit 100 is installed in the penetration part 201 for inserting the light source part located at the center of the reactor, And the light scattering particles 220 mixed in the medium 300 are used to uniformly supply light to the inside of the reactor 200. There is an advantage that the light efficiency is extremely excellent as compared with the conventional reactors. In addition, the phenomenon that the photosynthetic autotrophic organisms are concentrated on the wall surface to block the light source can be reduced, thereby increasing the efficiency of the reactor.

본 발명에 있어서, 상기 광원부(100)는 발광다이오드 또는 광튜브인 것을 특징으로 할 수 있다. 광원부(100)는 인공조명이나 자연광을 이용할 수 있지만 자연광은 일조시간과 양이 균일하지 않아 인공조명과 함께 사용하는 것이 바람직하다. 또한 인공조명 중 파장의 조절이 쉬우며, 광변환 효율이 우수한 광다이오드(LED)를 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 또한 자연광을 이용하여 빛을 공급하는 경우 반응기 중앙부(201)에 광튜브를 삽입하여 외부에서 공급되는 빛이 광튜브를 통해서 반응기(200) 내부로 확산 하도록 할 수 있다.In the present invention, the light source unit 100 may be a light emitting diode or an optical tube. The light source unit 100 may use artificial light or natural light, but it is preferable that the natural light is used together with artificial light because the time and amount of sunlight are not uniform. Further, it is more preferable to use a photodiode (LED) which is easy to control the wavelength in artificial light and has excellent light conversion efficiency. In addition, when light is supplied using natural light, a light tube may be inserted into the reactor central part 201 so that light supplied from the outside may be diffused into the reactor 200 through the optical tube.

본 발명에서, 용어 광튜브는 폴리머(polymer) 또는 유리로 제작되는 원통형 또는 각형의 관으로, 봉형으로 제작되거나 중심부가 비워진 튜브형으로 제작되며, 튜브형의 경우 내부에 액체가 채워지는 관을 의미한다. 상기 광튜브는 일측면이 빛에 노출되어 있으며, 타측면은 빛을 공급하기 위한 장치에 삽압되게 되는데, 본 발명에서는 타측면이 광원부 삽입용 관통부에 삽입될 수 있다. 이때 노출된 일측면에 빛이 공급되면, 빛은 광튜브 내부를 난반사하여 타측면부 까지 공급되며, 외면이 투명하게 제작되므로 일측면에서 입사된 빛은 타측면 외면을 통하여 공급되게 된다. 상기 광튜브 내부에는 광튜브 내의 빛의 산란을 최대화하기 위하여 광산란입자가 광튜브 내 액체 상에 포함될 수 있다.
In the present invention, the term optical tube is a cylindrical or prismatic tube made of a polymer or glass, made of a rod-like or tube-shaped tube having a hollow center, and a tubular tube filled with liquid. The light tube has one side exposed to light and the other side inserted into a device for supplying light. In the present invention, the other side can be inserted into the penetrating part for inserting the light source. At this time, when light is supplied to one exposed side, the light is reflected to the other side by diffusing the inside of the optical tube, and since the outer surface is made transparent, the light incident from one side is supplied through the outer surface of the other side. Inside the light tube, light scattering particles may be included in the liquid in the light tube to maximize light scattering within the light tube.

본 발명에 있어서, 상기 반응기(200)는 원통형이 바람직하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 통상적인 다양한 입체모양의 반응기가 제한 없이 사용될 수 있지만, 광원부에서 공급되는 빛을 효율적으로 분배하기 위하여 원통형으로 제작되는 것이 바람직하다. In the present invention, the reactor 200 is preferably cylindrical, but it is not limited thereto. Various conventional solid-state reactors can be used without limitation. However, in order to efficiently distribute the light from the light source, .

상기 반응기(200)는 폴리카보네이트, 유리, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리프로필렌 등의 투명한 재질로 이루어져 광원부(100)에서 나오는 빛이 투과하여 배지(300)와 혼합되어 있는 광합성 자기영양 생물을 성장시키게 된다. 또한 외부의 환경과 격리되어 광합성 자기영양 생물을 배양해야 하기 때문에 열린 곳이 없는 폐쇄형으로 제작된다.
The reactor 200 is made of a transparent material such as polycarbonate, glass, polyethylene terephthalate, polypropylene or the like, and grows a photosynthetic autotrophic organism mixed with the medium 300 through the light from the light source 100. In addition, since it is necessary to cultivate photosynthetic autotrophic organisms isolated from the outside environment, it is made into a closed type without open space.

본 발명에 있어서, 상기 반응기(200)의 측면에는 배지가 공급되는 배지 투입부(202)를 가지며, 하측 일측면에는 배양이 완료된 배지(300)를 배출할 수 있는 배지 배출구(203)를 가지는 것을 특징으로 할 수 있다. 본 발명의 배지는 광합성 자기영양 생물의 양분이 포함되어 있으며, 상기 배지 투입부(202)에서 투입되어 내부에 잔류하고 있는 기존의 배지(300)와 혼합되어 광합성 자기영양 생물을 성장시킨다. In the present invention, the reactor 200 has a culture medium input part 202 through which a culture medium is supplied and a culture medium discharge port 203 through which the cultured medium 300 can be discharged, . The medium of the present invention contains nutrients of photosynthetic self-organisms and is mixed with the existing medium 300 which is introduced into the medium input part 202 and is remained therein to grow the photosynthetic autotrophic organism.

일정량 이상의 광합성 자기영양 생물이 발생하면 하측부 일측면에 위치하는 배지 배출구(203)를 열어 일정량의 배지를 회수하여 광합성 자기영양 생물을 수득하는 회분식(batch system) 또는 반회분식(fed-batch system)의 형태, 또는 또한 이런 방법 외에도 측면의 배지 투입구(202)에서 배지를 투입하면서 일정 속도로 배지 배출구(203)에서 배출하는 연속식(continuous system)으로 운전될 수도 있다.
When a certain amount of photosynthetic autotrophic organisms are generated, a batch system or a fed-batch system for obtaining photosynthetic autotrophic organisms by opening a discharge outlet 203 located at one side of the lower side and collecting a predetermined amount of the medium, Or may be operated in a continuous system in which the medium is discharged from the discharge port 203 at a constant speed while the medium is discharged from the discharge port 202 at the side.

본 발명에 있어서, 상기 반응기(200)는 하측부에서 가스를 공급하는 가스 투입부(210), 가스 투입부(210)에 가스를 투입하는 가스 공급부(211), 반응기 상측면에 위치하는 가스 배출부(212)를 가지는 것을 특징으로 할 수 있다. 광합성 자기영양 생물은 공기를 공급하여 배양하는 것이 일반적이지만, 일부 혐기성 조류의 경우 공기가 공급되면 오히려 생장을 방해하게 되므로 산소를 제거한 질소, 헬륨, 네온, 아르곤, 제논등의 불활성 가스를 이용하여 배양할 수 있다. 이러한 광합성 자기영양 생물의 광합성 작용은 이산화탄소와 빛을 이용하여 영양분과 산소를 생성하는 과정이며, 상기 이산화탄소를 공급하기 위하여 시판되는 이산화탄소를 구입하여 사용하거나, 발전소의 배기가스, 제철소의 배기가스, 화학공정의 이산화탄소 배출가스등을 사용할 수 있다. 또한 각 광합성 자기영양 생물의 특성에 따라 상기 가스를 혼합하여 사용할 수 있으며, 온도 상승을 위하여 수증기를 혼합하여 공급할 수 있다. In the present invention, the reactor 200 includes a gas inlet 210 for supplying gas at a lower portion thereof, a gas supply portion 211 for introducing gas into the gas inlet 210, (212). &Lt; IMAGE > Although photosynthesis autotrophic organisms are generally cultured by supplying air, some anaerobic algae may interfere with their growth if air is supplied. Therefore, inactivated gases such as nitrogen, helium, neon, argon, can do. The photosynthetic activity of these photosynthetic self-feeding organisms is the process of producing nutrients and oxygen by using carbon dioxide and light. To purchase the carbon dioxide, it is necessary to purchase commercially available carbon dioxide, or to use the exhaust gas of the power plant, Carbon dioxide emission gas of the process can be used. Also, the gas can be mixed according to the characteristics of each photosynthetic autotrophic organism, and water vapor can be mixed and supplied for the purpose of raising the temperature.

본 발명에 있어서, 상기 가스투입부는 광원부 삽입용 관통부(201)의 벽면을 따라 가스 버블이 상승하도록 하기 위한 내주면부 가스투입부(214)와 반응기의 외주면을 가스 버블이 상승하도록 하기 위한 외주면부 가스투입부(215)로 모두 가스를 공급할 수 있는 형태로 설치될 수 있으며, 이에 따라 반응기 위주면 및 광원부 삽입용 관통부의 벽면 모두에서의 파울링을 보다 효율적으로 방지할 수 있다.
In the present invention, the gas introducing portion includes an inner circumferential portion gas introducing portion 214 for allowing the gas bubbles to rise along the wall surface of the penetrating portion 201 for inserting the light source portion, an outer circumferential surface portion It is possible to prevent the fouling of the main surface on the reactor and the wall surface of the penetrating portion for inserting the light source unit more effectively.

본 발명에 있어서, 상기 반응기(200)는 상기 가스 투입부(210)에 의해 공급된 가스 버블(213)에 의하여 상하로 유동하는 배지(300) 및 상기 배지(300)와 혼합되어 상기 광원부(100)에서 입사되는 빛을 산란시키는 광산란 입자(220)를 추가로 함유하여 광합성 자기영양 생물의 배양이 가능한 것을 특징으로 할 수 있다. 기존의 광생물 반응기는 일측면으로 입사된 빛을 타측면의 거울을 이용하여 반사시켜 반응기 내부의 광합성 자기영양 생물에 공급하였지만, 광합성 자기영양 생물의 양이 많아질수록 빛의 입사면과 반사면의 광조차이가 커져서 광합성 자기영양 생물의 증식을 방해하게 된다. 하지만 본 발명은 반응기(200) 내부 배지(300)에 광산란 입자(220)를 혼합하여 입사되는 빛을 산란시켜, 모든 방향에서 균일하게 광합성 자기영양 생물에 빛을 공급 할 수 있다.In the present invention, the reactor 200 includes a medium 300 flowing up and down by a gas bubble 213 supplied by the gas inlet 210, and a medium 300 mixed with the medium 300, The light-scattering particles 220 scatter light incident from the light-scattering particle 220, and can be used for culturing a photosynthetic autotrophic organism. Conventional photobioreactors reflect light incident on one side by using mirrors on the other side and supply them to photosynthetic autotrophic organisms inside the reactor. However, as the amount of photosynthetic autotrophic organisms increases, Of photosynthetic autotrophic organisms is increased. However, according to the present invention, the light scattering particles 220 are mixed with the inner medium 300 of the reactor 200 to scatter incident light, thereby uniformly supplying light to the photosynthetic self-feeding organisms from all directions.

본 발명에 있어서, 상기 광산란 입자(220)는 유리분말, 금속분말, 반사도금된 고분자분말 및 반사도금된 유리분말로 구성된 군에서 선택되는 1종이상의 입자로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 광산란 입자(220)는 빛을 산란할 수 있는 입자로 구성된다. 유리분말은 유리로 입사된 빛이 굴절되면서 사방으로 산란되며, 다른 금속분말이나 반사도금 분말은 외면에 반사된 빛이 사방으로 산란하게 된다. In the present invention, the light scattering particles 220 may be composed of one or more particles selected from the group consisting of glass powder, metal powder, polymer powder subjected to reflection plating, and glass powder coated with reflection. The light scattering particles 220 are composed of particles capable of scattering light. The glass powder is refracted by the glass and scattered in all directions. The other metal powder and the reflection plating powder scatter the light reflected on the outer surface in all directions.

본 발명에 있어서, 상기 광산란 입자(220)는 0.8g/mL 내지 1.2g/mL의 밀도를 가지는 것을 특징으로 할 수 있다. 광산란 입자(220)는 공급되는 배지의 주성분인 물과 비슷한 밀도(1g/mL)를 가져 반응기 내부에서 바닥으로 가라앉지 않고 배지(300) 내부를 부유하게 된다. 또한 하측면에서 공급되는 가스(213)에 의하여 배지가 항상 유동상태로 움직이게 되므로, 배지(300) 내부의 광산란 입자(220)가 바닥으로 가라앉지 않게 된다.
In the present invention, the light scattering particles 220 may have a density of 0.8 g / mL to 1.2 g / mL. The light scattering particles 220 have a density (1 g / mL) similar to that of water, which is the main component of the medium to be supplied, and float inside the medium 300 without sinking to the bottom of the reactor. In addition, since the medium always moves in a fluid state by the gas 213 supplied from the lower side, the light scattering particles 220 inside the medium 300 do not sink to the bottom.

본 발명은 다른 관점에서, The present invention, in another aspect,

를 포함하는 광생물 배양 시스템을 제공한다.
Lt; RTI ID = 0.0 > biochemical < / RTI > culture system.

본 발명은 다른 관점에서, The present invention, in another aspect,

를 포함하는 상기 광생물 반응기를 이용한 광생물의 배양방법을 제공한다.
The present invention also provides a method for culturing an organism using the photobioreactor.

본 발명에 있어서, 상기 광합성 자기영양 생물은 미세조류 또는 시아노 박테리아인 것을 특징으로 할 수 있으나, 이에 국한되는 것은 아니다.
In the present invention, the photosynthetic autotrophic organisms may be microalgae or cyanobacteria, but the present invention is not limited thereto.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to specific embodiments thereof, those skilled in the art will appreciate that such specific embodiments are merely preferred embodiments and that the scope of the present invention is not limited thereto will be. Accordingly, the actual scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.

100 : 광원부
200 : 반응기
201 : 광원부 삽입용 관통부
202 : 배지 투입부
203 : 배지 배출구
210 : 가스 투입부
211 : 가스 공급부
212 : 가스 배출구
213 : 가스 또는 가스 버블
214 : 내주면부 가스 투입부
215 : 외주면부 가스 투입부
220 : 광산란 입자
300 : 배지 100:
200: reactor
201: penetration part for inserting the light source part
202:
203: Badge outlet
210: gas inlet
211: gas supply unit
212: gas outlet
213: gas or gas bubble
214: inner circumferential portion gas input portion
215: outer circumferential portion gas input portion
220: Light scattering particles
300: Badge

Claims

A conical reactor whose outer diameter is less than the diameter of the lower side and whose outer surface is inclined;
A penetration portion for inserting the light source portion, which is located at the center of the reactor and into which the light source portion for supplying the light source can be inserted;
A light source unit inserted into the light source unit insertion portion;
A gas inlet provided at a lower side of the reactor to supply gas; And
A gas outlet installed at an upper portion of the reactor to discharge a gas;
And a photocatalytic reactor.

The photobioreactor according to claim 1, wherein the light source unit is a light emitting diode or an optical tube.

3. The photobioreactor according to claim 2, wherein the optical tube is a liquid-filled optical tube, and the liquid filled in the optical tube contains light scattering particles.

The photobioreactor according to claim 1, wherein the penetration portion and the light source portion for inserting the light source portion have a smaller diameter toward the lower side.

[2] The photobioreactor according to claim 1, wherein the reactor further comprises a medium feeder for feeding the medium and a discharge port for discharging the medium.

The photobioreactor according to claim 1, wherein the reactor further comprises a gas supply unit for supplying gas to the gas inlet.

2. The photobioreactor according to claim 1, wherein the gas introducing portion is installed along the lower end portion and the outer circumferential surface of the reactor, and the supplied gas rises along the inclined outer surface portion of the reactor.

2. The reactor according to claim 1, wherein the gas inlet is installed at a lower end of the reactor,
And the outer peripheral surface corresponding to the inner peripheral surface corresponding to the wall surface of the penetrating portion for inserting the light source portion and / or the outer wall surface of the reactor.

2. The method according to claim 1, further comprising: a medium flowing up and down by the gas supplied by the gas inlet; and a light scattering particle mixed with the medium to scatter light incident from the light source, Wherein the photocatalytic activity of the photobioreactor is controlled.

10. The photobioreactor according to claim 9, wherein the light scattering particles are at least one selected from the group consisting of a glass powder, a metal powder, a reflective plated polymer powder, and a reflection plated glass powder.

10. The photobioreactor according to claim 9, wherein the light scattering particles have a density of 0.8 g / mL to 1.2 g / mL.

10. The photobioreactor according to claim 9, wherein the photosynthetic autotrophic organism is a microalgae or a cyanobacteria.

A method for culturing a photosynthetic autotrophic organism using the photobioreactor according to any one of claims 1 to 12, comprising the steps of:
(a) mixing the medium and light scattering particles and supplying them; And
(b) supplying a gas to the reactor to flow the light scattering particles and the medium, and supplying light from the light source to multiply the photosynthetic autotrophic organism.

14. The method of claim 13, wherein the photosynthetic autotrophic organism is a microalgae or a cyanobacterium.

A conical reactor whose outer diameter is less than the diameter of the lower side and whose outer surface is inclined;
A penetration part for inserting a light source part into which a light source part for supplying a light source to the center of the reactor can be inserted;
A light source unit inserted into the light source unit insertion portion;
A gas inlet provided at a lower side of the reactor to supply gas; And
A gas outlet installed at an upper portion of the reactor to discharge a gas;
A medium flowing up and down by the gas supplied from the gas inlet; And
Light scattering particles present in the medium and scattering light incident from the light source;
Lt; / RTI >