KR20160055301A - 미세조류의 지방산 함량 증대 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미세조류(microalgae)의 생장을 촉진하는 방법에 관한 것이다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 미세조류를 배양하는 과정에서 적색 빛과 청색 빛을 섬광형태로 조사하는 단계를 포함함으로써 미세조류의 생장을 촉진할 뿐만 아니라 미세조류의 지질 함량을 증가시키는 방법을 제공함으로써, 기존의 유전자 제어방법, 새로운 종의 발굴 등에 소요되는 시간 및 비용 문제를 극복하고 간편하고 경제적인 방법을 미세조류의 생장 및 지질 함량을 증대시킬 수 있어 바이오 연료, 건강보조식품, 제약 등 다양한 산업에서 활용할 수 있는 효과가 있다.

Description

미세조류의 생장을 촉진하는 방법{METHOD OF PROMOTING MICROALGAE GROWTH}

본 발명은 미세조류(microalgae)의 생장을 촉진하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 미세조류를 배양하는 과정에서 적색 빛과 청색 빛을 섬광형태로 조사하는 단계를 포함함으로써 미세조류의 생장을 촉진할 뿐만 아니라 미세조류의 지질 함량을 증가시키는 방법에 관한 것이다.

미세조류는 바이오연료 중 하나인 바이오디젤을 생산할 수 대체 자원일 뿐만 아니라, 생장 시, 이산화탄소를 이용하기 때문에 지구온난화를 개선할 수 있는 특징을 가지고 있다. 특히, 화석연료의 고갈과 환경오염 문제 대두로 인하여 대체에너지원을 찾는 연구가 이루어져 왔으며, 대체 자원으로서 대두, 콩, 코코넛, 사탕수수, 옥수수 등 대체작물을 이용한 바이오연료 생산에 대한 연구가 진행되었다. 그러나 작물을 재배하는 공간의 부족, 기후를 만족하는 지역의 한계성 및 식용으로 이용성 등의 문제점이 대두되고 있다. 이런 문제들을 개선하기 위하여 미세조류로부터 얻어지는 지질을 이용한 바이오연료 생산에 대한 관심이 증가하였다. 이를 위하여, 미세조류 배양 시, 지질의 함량을 증대시키기 위한 방법으로 새로운 미세조류 종 발견, 영양원의 공급 제어를 통한 세포 내의 지질 함량 증대를 유도 등의 시도와 미세조류의 증식 속도를 증가시키기 위하여 광량 변화, 다양한 종류의 광원 공급 및 반응기의 형태 변화 등에 대한 연구가 진행되었다. 그러나 이와 같은 배양 방법은 효과적으로 미세조류의 증식 및 지질 생산 증대를 유도할 수 없을 뿐만 아니라, 생산성이 크게 떨어져서 생산 단가 증대 및 제한적인 공급의 문제점을 발생하는 실정이다.

다양한 유용물질을 생산하는 미세조류는 식품, 비료, 화장품 및 제약 산업에 유용하게 사용되고 있다. 하지만, 다양한 유용물질 생산은 일반적으로 배양기의 선택, 영양원 공급 및 광량 증대 등 획일적인 기존의 배양 방법을 통하여 미세조류를 배양하기 때문에 비용 대비 생산성이 크게 떨어지고 있다. 또한, 특정한 유용물질을 얻기 위한 기타 방법으로 유전공학적 접근을 통한 미세조류의 배양 및 신규 미세조류 종의 발견 등을 통한 연구가 진행되어 왔다. 상기와 같은 배양 방법 및 접근은 비효율적 배양 방법으로서 연구기간 및 비용 증대 등의 문제점으로 이어질 수 있다.

한편, 관련 선행기술로는 한국등록특허 제10-1382955호(발광다이오드를 이용한 미세조류 배양장치), 한국등록특허 제10-1129716호(발광 다이오드로 빛을 조사시켜 미세조류로부터 지질 및 특정 지방산을 생산하는 방법) 등이 있다.

본 발명자는 미세조류(microalgae)를 배양함에 있어서 적색 빛과 청색 빛을 섬광형태로 조사할 경우에 미세조류의 생장을 촉진할 뿐만 아니라 미세조류의 지질 함량을 증가시킬 수 있다는 것을 실험적으로 확인함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.

결국 본 발명의 목적은 적색 빛과 청색 빛을 섬광형태로 조사하여 미세조류(microalgae)의 생장을 촉진하는 방법을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 적색 빛과 청색 빛을 섬광형태로 조사하여 미세조류(microalgae)를 배양하는 단계를 포함하는 미세조류의 지질 함량을 증가시키는 방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 적색 빛 및 청색 빛을 섬광형태로 조사하여 미세조류(microalgae)의 생장을 촉진하는 방법을 제공한다.

상기 조사되는 적색 빛과 청색 빛의 비율이 1 내지 9 : 9 내지 1인 것을 특징으로 한다.

상기 적색 빛 및 청색 빛을 1분당 5 내지 120회 섬광형태로 조사하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 적색 빛 및 청색 빛을 섬광형태로 조사하여 미세조류(microalgae)를 배양하는 단계를 포함하는 미세조류의 지질 함량을 증가시키는 방법을 제공한다.

상기 적색 빛과 청색 빛을 섬광의 형태로 대수기(exponential phase) 시점부터 조사하는 것을 특징으로 한다.

상기 조사되는 적색 빛과 청색 빛의 비율이 1 내지 9 : 9 내지 1인 것을 특징으로 한다.

상기 적색 빛 및 청색 빛을 1분당 5 내지 120회 섬광형태로 조사하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 미세조류를 배양하는 과정에서 적색 빛과 청색 빛을 섬광형태로 조사하는 단계를 포함함으로써 미세조류의 생장을 촉진할 뿐만 아니라 미세조류의 지질 함량을 증가시키는 방법을 제공함으로써, 기존의 유전자 제어방법, 새로운 종의 발굴 등에 소요되는 시간 및 비용 문제를 극복하고 간편하고 경제적인 방법을 미세조류의 생장 및 지질 함량을 증대시킬 수 있어 바이오 연료, 건강보조식품, 제약 등 다양한 산업에서 활용할 수 있는 효과가 있다.

도 1 은 본 발명의 미세조류 생장을 촉진 및 미세조류의 지질함량을 증가시키기 위해 사용된 배양장치.
도 2 는 발명의 미세조류 생장을 촉진 및 미세조류의 지질함량을 증가시키기 위해 사용된 배양장치의 실제 사진.
도 3 은 섬광형태의 광에너지 적용에 따른 미세조류의 성장을 확인한 그래프(OD : optical density, 분석파장 : 658㎚)
도 4 는 미세조류 배양 후 정체기(stationary phase) 도달 후에 섬광형태의 광에너지 적용에 따른 미세조류의 성장을 확인한 그래프.
도 5 는 미세조류 배양 후 대수기(exponential phase) 도달 후에 섬광형태의 광에너지 적용에 따른 미세조류의 성장을 확인한 그래프.
도 6 은 미세조류 배양 초기부터 섬광형태의 광에너지 적용에 따른 미세조류의 지방산 함량 분석 결과.
도 7 은 미세조류 배양 후 정체기(stationary phase) 도달 후에 섬광형태의 광에너지 적용에 따른 미세조류의 지방산 함량 분석 결과.
도 8 은 미세조류 배양 후 대수기(exponential phase) 도달 후에 섬광형태의 광에너지 적용에 따른 미세조류의 지방산 함량 분석 결과.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 미세조류(microalgae)를 배양하는 과정에서 적색 빛과 청색 빛을 섬광형태로 조사하는 단계를 포함함으로써 미세조류의 생장을 촉진할 뿐만 아니라 미세조류의 지질 함량을 증가시키는 방법을 제공한다.

한편, 상기 적색 빛과 청색 빛은 1 내지 9 : 9 내지 1의 비율로 섬광의 형태로 조사할 수 있으며, 섬광은 1분당 5 내지 120회로 조사될 수 있다.

미세조류가 생장하는데 필요한 빛을 주기적이고 간헐적으로 공급 및 제어함에 있어서, 미세조류의 배양시 시간 경과에 따라 다르게 섬광을 적용하여 총 지방산의 생산을 증대시키는 것이다. 또한, 유용한 특정 지방산 생산을 증대시킬 수 있는 효과를 가져온다. 이와 같은 방법은 지질 생산이 가능한 미세조류 인 Acutodesmus obliquus KGE30을 포함하고, 그 밖에 색소, 의약품의 원료, 탄수화물, 정밀화학약품 등을 생산할 수 있는 다양한 종의 미세조류에 적용이 가능하다. 본 발명에서 미세조류를 배양하기 위한 배양기는 도 1.에 도시한 바와 같이 glass tube(100), light shield(200), LED(적색 및 청색 광원공급부, 300), 미세조류(400), controller(500)를 포함하여 구성될 수 있다. 한편, 실제 미세조류 배양 실험을 위해 제작한 본 발명에서 사용된 배양기는 도 2.에 나타낸 바와 같다.

본 발명은 미세조류의 총 지방산 생산 증대 및 특정 지방산의 생산을 유도할 수 있어, 바이오디젤 등을 생산할 수 있는 산업에 응용할 수 있고, 바이오디젤의 품질 향상에도 기여할 수도 있다. 미세조류의 총 지방산 생산 증대와 특정 지방산의 생산 증대를 유도시키는 것과 동시에 폐수 내의 질소, 인을 제거하는 폐수 처리에 응용도 가능하다. 또한, 도코사핵사엔산(docosahexanenoic acid (DHA)), 에이코사펜타엔산 (eicosapentaenoic acid (EPA)) 등을 포함한 오메가3 지방산 생산 증대를 유도하여 건강보조식품 및 제약 산업에도 응용할 수 있다.

다시 말해서, 선택적으로 특정 색소, 단백질 및 약리작용을 하는 물질 등 기타 고부가가치 유용물질의 생산 증대를 유도하여 식품 및 제약 산업에 응용할 수 있다. 본 발명은 기존의 획일화되고, 복잡한 미세조류 배양 방법을 보완하고, 미세조류 배양 시, 필요한 광원을 단순하고, 효과적으로 조사하는 차별성을 두어 미세조류가 생산하는 총 지방산 및 특정 지방산의 생산을 증대시킬 수 있는 방법에 관한 것이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

실시예 1. 섬광형태의 광에너지 적용이 가능한 미세조류 배양장치 및 실험조건

(1) 본 발명의 미세조류의 생장촉진 및 지질함량을 증가시키는 방법에 관한 실험적 검증을 위하여 도 2.에 도시한 바와 같은 미세조류 배양장치를 제작하여 실험을 실시하였다.

(2) 미세조류 배양장치에 사용된 미세조류 배양기는 유리재질의 실린더에 76ml의 인공폐수(BG-11)와 전 배양된 Acutodesmus obliquus KGE30 4ml을 접종하여 배양하였다. 각 미세조류 배양기에는 탄소원 공급을 위해 2ml의 sodium carbonate (0.1 g/l) 추가 공급하였고, 각 미세조류 배양기 주변에 LED(Blue(450nm)와 Red(660nm))를 각 3 EA씩 혼합 설치하여, 1000 Lux의 광원을 조사하였다. 본 실험은 28℃로 유지된 BOD 인큐베이터 내에서 18일 동안 배양 하였다.

(3) 미세조류 배양 시, 다양한 패턴의 광에너지를 적용하기 위하여 실시한 섬광 조건은 하기 표 1.에 나타내었다. 연속적으로 광원을 차단 (Cons. D.)과 연속적인 광원 공급 (Cons. L.) 및 분당 섬광 주기 (FT0.75, FT1, FT3.75, FT5, FT10 및 FT120)를 다르게 적용 하였다. 섬광 주기는 다르게 적용하였으나, 총 광량은 동일하게 적용하였다. 이는 Duty cycle로 표현되며, 총 점등 및 소등 시간은 각각 30초가 되도록 조절하였다.

실험예 1. 미세조류 배양 초기부터 섬광형태의 광에너지를 적용한 섬광 조건에 따른 미세조류 성장 확인

도 3.은 섬광을 미세조류 배양 초기부터 적용하여, 섬광 조건에 따른 미세조류 성장을 비교한 그래프이다. 미세조류는 18일 동안 배양하였으며, 2일 간격으로 OD분석을 통하여 성장 변화를 확인하였다. 연속적으로 광원을 조사한 경우, 광스트레스를 적용한 경우보다 초기부터 높은 성장률을 나타냈다. 그러나 배양 14일 이후에는 섬광조건 FT1, FT5, FT10에서 최대 성장을 나타냈다. 또한, 섬광 조건에 따라 미세조류 성장에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 그 중에서 FT10은 계속적으로 미세조류가 성장하는 경향을 나타냈으며, 최종 배양 후, 연속적으로 광원을 조사한 경우보다 약 1.2배 높은 성장을 나타냈다. 또한, 섬광을 적용하면 미세조류에 미치는 자극으로 인하여 미세조류 성장에 최적화된 조건이 있는 것으로 판단된다. 이는 섬광이 스트레스로 작용하여, 미세조류 성장에 영향을 미치는 것으로 판단된다.

실험예 2. 미세조류 배양 후 정체기(stationary phase) 도달 후에 적용한 섬광 조건에 따른 미세조류의 성장 확인

도 4. 는 미세조류 배양 후, 성장 정체기에 도달했을 때, 섬광을 적용하여 섬광 조건에 따른 미세조류 성장을 비교한 그래프이다. 미세조류는 18일 동안 배양하였으며, 2일 간격으로 OD분석을 통하여 성장 변화를 확인하였다. 도 3.의 결과를 바탕으로 최대 성장을 나타냈던 일부의 섬광 조건을 선택하였다. 도 4.의 결과와 같이, 정체기에 도달한 경우, 섬광 조건에 따른 미세조류 성장에는 큰 차이가 나타나지 않았다. 이와 같은 결과는 미세조류 성장 정체기에는 자극으로부터 성장과 관련된 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다.

실험예 3. 미세조류 배양 후 대수기(exponential phase) 도달 후에 섬광을 적용한 미세조류의 성장 확인

도 5.은 미세조류 배양 후, 성장이 최대로 증가하는 대수기에 도달했을 때, 섬광을 적용하여 섬광 조건에 따른 미세조류 성장을 비교한 그래프이다. 미세조류는 18일 동안 배양하였으며, 2일 간격으로 OD분석을 통하여 성장 변화를 확인하였다. 도 3.의 결과를 바탕으로 최대 성장을 나타냈던 일부의 섬광 조건을 선택하였다. 도 5.의 결과와 같이, 미세조류가 최대로 성장하는 시점에서 섬광 조건을 적용하면, 섬광 조건에 따라 미세조류의 성장도 차이가 나타났다. FT1 섬광 조건의 경우, 최대 성장을 나타냈으며, 최소 성장을 나타낸 FT10의 섬광 조건에 비하여 약 1.3배 높은 성장을 나타냈다. 또한, 섬광의 속도를 빠르게 적용할수록 미세조류의 성장 촉진하지 못하는 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는 미세조류의 성장이 활발히 진행될 때, 섬광등의 광스트레스 자극으로부터 성장을 촉진 및 억제하는 영향을 미치지 것으로 판단된다.

실험예 4. 미세조류 배양 초기부터 섬광을 적용한 경우의 지방산 함량 분석

도 6.은 섬광을 미세조류 배양 초기부터 적용하여 섬광 조건에 따른 지방산 함량을 비교한 그래프이다. 지방산 함량은 FT5, FT10의 섬광 조건을 적용한 경우, 연속적으로 광원을 조사한 경우 (지방산 함량: 6.12 mg/l)보다 높은 함량 (지방산 함량: 7.02, 7.09 mg/l)을 나타냈다. 또한, 섬광을 적용한 경우 대부분에서 연속적으로 광원을 조사한 경우보다 C18:1n9t 및 C18:3n6의 함량이 증대되는 것으로 나타났다. 특히, FT10의 경우, C18:1n9t 및 C18:3n6의 함량은 42%, 28% 증대 되었다.

실험예 5. 미세조류 배양 시 정체기(stationary phase) 도달 후에 섬광을 적용한 섬광조건에 따른 지방산 함량 분석

도 7.은 미세조류 배양 후, 성장 정체기에 도달했을 때, 섬광을 적용한 후, 확인한 지방산 함량을 비교한 그래프이다. 지방산 함량은 FT5, FT10, FT120의 섬광 조건을 적용한 경우, 연속적으로 광원을 조사한 경우 (지방산 함량: 6.12 mg/l)보다 높은 함량 (지방산 함량: 9.42, 8.54, 8.41 mg/l)을 나타냈다. 또한, 도 6의 결과와 유사하게 섬광을 적용한 경우, C16, C18:1n9c 및 C18:3n6의 함량이 증대되는 것으로 나타났다. 특히, FT5의 경우, C16, C18:1n9c 및 C18:3n6의 함량은 1.6 ~ 2.8배 이상 높게 나타났다.

실험예 6. 미세조류 배양 시 대수기(exponential phase)에서 섬광을 조사한 후의 지방산 함량 분석

도 8.은 미세조류 배양 후, 성장이 최대로 증가하는 대수기에 도달했을 때, 섬광을 적용한 후 분석한 지방산 비교 그래프이다. 지방산 함량은 섬광 조건을 적용한 경우, 연속적으로 광원을 조사한 경우보다 낮은 함량을 나타냈다. 그러나, 섬광을 적용한 경우, 연속광원 조사 시에 나타나지 않았던 C22:1n9의 함량 (지방산 함량: 2.74 mg/l)이 증대되는 것으로 나타났다. 이처럼 섬광을 적용하는 시점에 따라 특정 지방산의 증대 및 총 지방산의 증대를 유도할 수 있다. 이와 같은 결과는 광스트레스 및 적용 시점에 따라 미세조류의 성장 및 지방산 생산이 촉진되었고, 동시에 미세조류의 지방산 생산에 있어서, 특정 지방산의 증대에도 영향을 끼친 것으로 판단된다. 다시 말해서, LED (Blue 및 Red)로 부터 빛을 일정 주기로 조사하는데 있어서, 특정 시점에 자극을 주면 미세조류가 생산하는 지방산의 생산량 및 특정 지방산의 생산을 증대 시킬 수 있다. 이는 미세조류가 생산하는 지질 및 단백질 등의 유용 물질을 효과적이고, 경제적으로 생산할 수 있어, 바이오연료, 의약품 및 건강식품 등 고부가가치 산업에 이용할 수 있다. 또한, 미세조류의 생장을 촉진함으로써, 질소와 인을 포함하는 고농도 폐수의 처리에도 이용이 가능하다.

이상, 본 발명내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의해 정의된다고 할 것이다.

Claims (7)

1. 적색 빛 및 청색 빛을 섬광형태로 조사하여 미세조류(microalgae)의 생장을 촉진하는 방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 조사되는 적색 빛과 청색 빛의 비율이 1 내지 9 : 9 내지 1인 것을 특징으로 하는 미세조류(microalgae)의 생장을 촉진하는 방법.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 적색 빛 및 청색 빛을 1분당 5 내지 120회 섬광형태로 조사하는 것을 특징으로 하는 미세조류(microalgae)의 생장을 촉진하는 방법.
   
4. 적색 빛 및 청색 빛을 섬광형태로 조사하여 미세조류(microalgae)를 배양하는 단계를 포함하는 미세조류의 지질 함량을 증가시키는 방법.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 적색 빛과 청색 빛을 섬광의 형태로 대수기(exponential phase) 시점부터 조사하는 것을 특징으로 하는 미세조류의 지질 함량을 증가시키는 방법.
   
6. 제 4 항에 있어서,
   상기 조사되는 적색 빛과 청색 빛의 비율이 1 내지 9 : 9 내지 1인 것을 특징으로 하는 미세조류의 지질 함량을 증가시키는 방법.
   
7. 제 4 항에 있어서,
   상기 적색 빛 및 청색 빛을 1분당 5 내지 120회 섬광형태로 조사하는 것을 특징으로 하는 미세조류의 지질 함량을 증가시키는 방법.
   
   
   
   

Images