KR20160088265A - 미세조류 고밀도배양을 위한 배양액살균, 공기압축, 공기냉각, 이산화탄소 자동공급, 밀폐 수직 광 생물 배양, 수확, 건조장치 와 이를 이용한 이산화탄소의 바이오 매스 전환고정, 대기 및 수질정화 방법을 제공하는 것을 특징으로 한다 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미세조류가 잘 자랄 수 있는 최적 환경을 조성한 장치로 마이크로 공기 방울 발생장치를 이용한 경쟁 미세조류 및 미생물 살균장치, 대기중의 이산화탄소 및 산소를 배양액에 주입하기 위한 공기압축 및 압력균일화장치, 수온이 높은 시기에 배양액의 적정수온을 유지하기 위한 공기냉각장치, 광합성을 촉진하기 위한 이산화탄소 자동공급장치, 오염원의 차단 및 이산화탄소 및 산소의 용해도를 높이기 위한 밀폐 수직형 광 생물배양장치, 중공사막을 이용한 고효율 수확장치, 공기압축시 발생하는 폐열을 재사용한 열풍건조장치 와 이를 이용한 이산화탄소의 바이오 매스 전환고정, 대기 및 수질정화방법에 관한 것이다.
상기와 같은 본 발명품에 따르면 하수종말처리장에서 발생 되는 질소, 인이 다량 함유된 폐수를 마이크로 공기 방울 발생장치를 이용하여 살균 처리하고 이를 미세조류배양액으로 사용하여 미세조류를 배양한 후에 중공사막을 통과시켜 바이오 매스 (미세조류)만을 수확하고 정화된 물은 하천으로 배출하거나 마이크로 공기 방울 발생장치를 이용하여 살균 재처리하여 배양액으로 재사용 비용을 절감하고 수질환경을 개선할 수 있다.
공기압축 및 압력균일화장치는 대기중에 존재하는 이산화탄소, 산소, 질소 등을 압축시켜 일정한 압력으로 배양기 내로 공급함으로 미세조류 성장에 필요한 인자를 제공할 뿐만 아니라 대기환경을 개선할 수 있다. 밀폐수직구조인 광 생물 배양기는 광합성 인자인 빛의 투과율을 높이고 대기중의 경쟁종이나 오염원을 차단하고 이산화탄소 등 위 성장인자들이 쉽게 용해되도록 하고 광합성 이후 대사물 인 산소가 상부 배출관을 통해 대기로 방출되는 구조이다.
위와 같이 질소, 인이 다량 함유된 오염된 폐수나 대기중에 있는 이산화탄소와 같은 공해물질을 미세조류의 성장인자로 활용하여 비용을 절감하고 환경을 보호할 뿐만 아니라 미세조류의 배양과 수확이 간편해 매일 매일 고밀도 고순도로 수확을 할 수 있다.

Description

미세조류 고밀도배양을 위한 배양액살균, 공기압축, 공기냉각, 이산화탄소 자동공급, 밀폐 수직 광 생물 배양, 수확, 건조장치 와 이를 이용한 이산화탄소의 바이오 매스 전환고정, 대기 및 수질정화 방법을 제공하는 것을 특징으로 한다{Culture medium sterilized for microalgae high density culture, and the air compression, air cooling, carbon dioxide automatically supplied, sealed Vertical Photobioractor, harvesting, drying apparatus and characterized in that to provide a carbon dioxide biomass conversion fixed, air and water purification method using the same.}

본 발명은 미세조류의 효율적인 배양 및 수확장치와 이를 이용한 이산화탄소의 바이오 매스로 전환고정하여 대기정화 및 유기성 폐수인 하수의 질소, 인을 생물학적으로 처리, 하수를 정화하는 방법에 관한 것이다.

광합성 미생물인 미세조류는 원시지구인 20~30억년 이전에 지구에 출현하여 강한 번식능력과 생명력을 바탕으로 초기 지구에 가득했던 탄소들을 광합성을 통해 유기물로 전환하고 그 대사물질인 산소를 배출, 동물이 출현하게 한 장본인으로 현재까지 그 종을 유지해 오고 있다.

근래에 지구환경은 화석연료의 남용으로 인하여 에너지 고갈과 더불어 온실가스의 과다방출로 인한 지구온난화 영향으로 큰 위기에 봉착해 있다는 것은 부인할 수 없는 현실이다. 이에 이산화탄소방출을 감소하고 화석연료의 사용량을 줄이기 위하여 생물 유래의 바이오에너지가 바람직한 대체에너지로 주목을 받고 있다. 이에 탄소 중립의 재생 바이오연료는 머지않은 미래에 기존의 화석연료인 수송용 연료를 대체해야 할 강력한 필요성이 있다 하겠다.

바이오연료는 다른 재생에너지와 비교하여 저장이 쉬울 뿐만 아니라 기존의 내연기관에 직접 사용이 가능하며 일반 디젤과도 혼합하여 사용가능하고, 독성이 없는 생분해성 물질이다. 현재 대부분의 바이오 디젤은 팜 오일 또는 유채 등의 유지함량이 많은 식물로부터 생성해 왔다. 그러나 이러한 식물유래 바이오 디젤은 지속가능성의 문제를 야기하고 있다. 가령 유채로부터 10억 톤의 바이오 디젤을 얻기 위해서는 한반도의 면적에 해당하는 토지가 필요하다. 이를 가공하는 과정에서 총 생산 가능한 에너지의 반 이상이 소비되고 있다. 이러한 문제들이 바로 최근 미세조류로부터 바이오 디젤을 생산하는 연구 및 개발에 주목을 하게 되는 이유가 되고 있다.

미세조류를 이용하는 데는 많은 장점이 있다. 이들은 일반 식물과 비교하여 매우 높은 생산성을 보여주고 있다. 미세조류의 생장률은 빠른 것은 매 3시간 반마다 분열하여 2배를 이룬다. 이산화탄소 외에 암모니아와 질산염, 인산염 등의 오염물질을 제거하여 폐수처리에 이용도 가능하다. 또한, 배양된 미세조류에서는 화석연료를 대체 할 뿐만 아니라 항산화제 등의 유용한 천연물질 생산도 가능하여 각종 석유화학제품의 대안으로 떠오르고 있으며 이들을 추출한 후, 부산물은 사료 또는 퇴비로도 활용이 가능하며 다양한 목적에서 매우 유용한 원료로 주목을 받고 있는 것이다.

그러나 미세조류를 대량 배양하기 위해서는 여러 기술적 난제들도 내포하고 있는데, 전체공정에서 미세조류의 배양과 관련한 공정이 전체비용의 50% 이상을 차지하고 있으며, 이후 수확, 농축, 건조, 물질분리추출 등의 과정이 뒤따르고 있다. 배양방법으로는 종래 대한민국 등록특허 제10-0679989호 (배양이 내부에 설치된 수로형 미세조류 옥외 배양 연못), 대한민국 공개특허 제10-2012-0014387호(미세조류 대량배양을 위한 광 생물 반응기 및 이를 이용한 미세조류 배양방법) 등이 있으나, 종래 수로형 연못(raceway pond) 배양시스템, 광 생물 반응기(Photobioreactor)는 넓은 설치면적과 고가의 초기 설치비용이 필요하고 초기시설비용인 적은 수로형 연못은 조류의 바이오필름 형성과 긴 배양기간으로 인해 수율이 감소하고 수확은 화학제재인 응집제를 사용함으로 2차적 수질오염문제가 발생한다. 생산수율이 좋은 광 생물 반응기는 조류의 벽면부착을 막기 위한 흐름을 유도하기 위해 수평적 구조로만 만들 수밖에 없다는 한계가 있다. 수평적 구조는 대기 중에 이산화탄소를 넣어주기 어려울 뿐만 아니라 광합성 결과 물질인 산소를 배출시킬 수 없다는 한계가 있어 산소중독으로 인한 생산량 증대의 한계가 있다.

결국, 미세조류를 상용화하기 위해서는 초기 시설비용이 적고, 미세조류성장 인자(빛, 이산화탄소, 질소, 인, 소량의 미네랄)를 저비용으로 제공함으로써 소요되는 비용을 획기적으로 줄일 수 있는 저비용 고효율의 복합기술개발이 매우 시급하다 할 것이다.

지금까지 미세조류배양을 위한 배양액 원수의 처리 중 가장 핵심인 살균처리를 위해서 염소계열의 산화제(미산성, 차아 염소산나트륨 등)를 이용하여 왔는데, 친환경적이 아니며 경제성 및 THM, HAA 등의 인체에 해로운 이차부산물 생성문제를 해결할 수 있는 대체기술이 필요하다.

좁은 면적에서 4계절 다량의 미세조류를 토착 미세조류에 의한 오염 없이 저비용 고효율로 배양할 수 있는 배양장치와 효과적으로 수확할 수 있는 장치 및 이를 유기적으로 지원할 수 있는 압축공기 생성기, 배양액의 공급, 수확할 수 있는 배관 등과 같은 설비와 미세조류의 생장조건을 최적화시켜 생산량을 극대화할 수 있는 설비의 개발이 요구된다.

생산성을 극대화 하기위해선 기존의 수로형 연못(raceway pond) 배양시스템이나 광 생물 반응기(Photobioreactor)와 같은 BATCH TYPE(접종 후 피크에 도달하면 일시에 수확하는 방식)이 아닌 매일매일 연속적인 수확을 통해 초고도성장 농도를 유지, 광 조건과 영양분 등 성장조건의 최적화가 가능한 방법이어야 한다.

위와 같은 기술을 이용한 이산화탄소의 바이오 매스로 전환을 통한 공기정화와 하수에 다량 함유한 질소, 인을 생물학적으로 처리, 수질을 정화하는 장치 등의 기술이 요구된다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 기후와 상관없이 4계절 배양이 가능하도록 비닐온실을 조성하여 모든 배양관련 설비를 온실 안에 조성한다. 하수의 토착 미세조류나 세균 등을 제거하고 수직 광 생물배양기를 살균소독하기 위한 방법으로 마이크로 버블을 배양액 원수에 적용하여 물속의 고형물을 버블에 의해 부상시켜 효과적으로 제거함은 물론, 강력하고 친환경적인 산화물질인 오존을 원수에 투입하여 용존된 오존과 버블이 물속에 확산 되어 표류하다 수압에 의해 터지면서 버블내의 오존분자가 깨지면서 발생 되는 하이드록실 라디칼(OH-)을 이용하여 짧은 시간 내에 배양액 원수를 정화하고 완벽하게 살균 처리함으로 염소계열의 산화제를 대체 할 수 있다.

광합성의 중요 인자인 대기 중의 이산화탄소 및 질소와 산소를 공기압축기로 10bar로 압축하여 여러 단계의 마이크로 필터를 통과시켜 대기 중 경쟁종이나 세균 등을 걸러낸다. 이렇게 정화된 압축공기는 배관을 통해 각 배양기 하부의 배관을 통해 24시간 제공함으로써 햇빛이 있는 낮 시간에는 대기 중에 350ppm 존재하는 이산화탄소를 광합성에 이용하게 하고, 빛이 없는 야간에는 미세조류가 호흡에 필요한 대기 중 산소를 제공함으로 최상의 생장조건을 만들어준다. 또한, 수직으로 배양기를 조성함으로 하부 배관으로 투입된 압축공기가 위로 공기방울을 형성하며 부상하여 자연적인 파동이 만들어진다. 이는 미세조류가 벽면에 부착하는 것을 방지할 뿐만 아니라 공기의 이산화탄소 및 질소 등이 쉽게 배양액에 녹을 수 있도록 유도된다. 최적의 생장조건하에 급속한 성장이 이루어진 후에 농도가 진해 빛이 차단되는 피크에 도달하면 24시간 주기로 1/2량을 수확하여 빛 흡수에 적합한 최적배양농도를 유지하고 수확량과 같은 양의 배양액을 성장에 필요 인자인 영양분을 넣어 보충한다.

이와 같은 방법으로 기후와 관계없이 4계절 좁은 면적에서도 고밀도 배양을 이룰 수 있다.

대기 중 이산화탄소와 질소 등을 무상으로 이용 대기환경을 개선하고 하수처리수의 질소, 인을 배양액으로 이용하여 수질정화의 효과도 볼 수 있다.

공해의 원인물질들을 미세조류배양에 자원으로 활용함으로 자원의 선순환을 유도하고 생산비용을 극소화하여 사업성을 확보할 수 있다.

그동안 미세조류배양의 가장 큰 난제인 배양액오염으로 인한 생산성 저하문제를 친환경적 방법인 오존과 하이드록실 라디칼(OH-)로 살균하고 배양기를 밀폐구조로 대기 중 경쟁조류나 오염원으로부터 보호, 최적의 성장조건을 제공한다.

수직구조로 인해 수확과 배양액 공급이 용이하여 24시간을 주기로 수확, 최적의 빛 조건을 조성 생산성을 극대화할 수 있다.

수확된 미세조류는 중공사막을 통과시켜 물과 미세조류를 분리, 물은 다시 마이크로 공기방울 발생장치로 살균한 이후에 배양액으로 재사용한다. 농축된 미세조류는 압축기에서 버려지는 열풍을 이용 건조비용을 최소화한다.

도 1은 본 발명에 따른 효율적인 미세조류 배양을 위한 시설장치의 사시도
도 2는 본 발명에 따른 미세조류배양을 위한 온실하우스의 정면도 와 배면도
도 3은 본 발명에 따른 미세조류배양을 위한 온실하우스의 측면도
도 4는 본 발명에 따른 미세조류배양을 위한 온실하우스의 단면도
도 5는 본 발명에 따른 미세조류배양을 위한 온실하우스의 실제설치사진 1
도 6은 본 발명에 따른 미세조류배양을 위한 온실하우스의 실제설치사진 2
도 7은 본 발명에 따른 미세조류배양을 위한 온실하우스의 실제설치사진 3
도 8은 본 발명에 따른 배양액 살균을 위한 마이크로 공기방울 발생장치의 구조도
도 9는 본 발명에 따른 배양액 살균을 위한 마이크로 공기방울 발생장치의 실제설치사진
도 10은 본 발명에 따른 배양액 및 공기(이산화탄소, 질소)공급배관의 실제설치사진 1
도 11은 본 발명에 따른 배양액 및 공기(이산화탄소, 질소)공급배관의 실제설치사진 2
도 12는 본 발명에 따른 공기 압축기의 실제설치사진 1
도 13은 본 발명에 따른 공기 압축기의 실제설치사진 2
도 14는 본 발명에 따른 압축공기의 압력을 조절하는 탱크 및 공기냉각장치의 실제설치사진
도 15는 본 발명에 따른 이산화탄소 자동공급장치의 실제설치사진
도 16은 본 발명에 따른 수직형 광 생물배양기의 모식도
도 17은 본 발명에 따른 수직형 광 생물배양기의 실제설치사진 1
도 18은 본 발명에 따른 수직형 광 생물배양기에 장치된 공기압 조절장치 실제설치사진
도 19는 본 발명에 따른 수직형 광 생물배양기의 실제설치사진 2
도 20은 본 발명에 따른 수직형 광 생물배양기의 실제설치사진 3
도 21은 본 발명에 따른 수직형 광 생물배양기의 구성도
도 22는 본 발명에 따른 수직형 광 생물배양기의 일별 성장 그래프
도 23은 본 발명에 따른 수직형 광 생물배양기의 월간 성장 그래프
도 24는 본 발명에 따른 중공사막 미세조류 수확장치의 모식도
도 25는 본 발명에 따른 중공사막 미세조류 수확장치의 측면도
도 26은 본 발명에 따른 중공사막 미세조류 수확장치의 실제설치사진
도 27은 본 발명에 따른 중공사막 미세조류 수확장치의 운용 결과에 따른 실제사진
도 28은 본 발명에 따른 미세조류건조장치의 실제설치 사진
도 29는 본 발명에 따른 미세조류건조장치의 건조 이후 내부사진
도 30은 본 발명에 따른 미세조류건조장치의 건조 이전과 건조 이후(사진 오른쪽)의 사진
도 31은 본 발명에 따른 온실 하우스의 자동제어 시스템의 설치사진.

이하 본 발명을 상세히 기술한다.

본 발명은 미세조류 유래 바이오 매스를 오염 없이 연속적이며 경제적으로 대량생산하는 방법에 관한 것이다.

미세조류는 광합성을 통해 유기화합물을 만드는 1차 생산자로 생산물인 바이오 매스는 화석연료의 액체에너지를 대체 할 뿐만 아니라 색소동화물질은 강력한 항산화능력으로 의약품 등의 유용한 친환경 천연물질 생산도 가능하고 각종 석유 화학제품의 대안으로 떠오르고 있으며 영양학적으로 완전식품으로 식량이나 건강보조식품으로 이용되고 있다. 유용물질을 추출한 후, 부산물은 사료 또는 비료 활용이 가능하고 최근엔 유기농자재로 식물의 성장촉진이나 병충해방제에 이용되고 있다.

미세조류를 배양함에 있어 필수적으로 필요한 4가지 요소인 물, 이산화탄소, 빛, 영양염 중에 가장 중요한 물(배양액)을 어떻게 처리하느냐가 양질의 미세조류를 대량으로 생산하는 플랜트의 성패를 가늠한다.

미세조류 배양액으로는 지하수, 호숫물, 강물, 바닷물 등이 주로 이용되는데 21세기 들어 급속한 산업발전으로 인해 심각한 대기, 수질 및 토양환경 오염이 초래되었다. 이로 인해 원수 그대로 사용하지 못하고 최대한 물속의 이물질, 독성물질, 잔여 항생제 등을 제거하고 여타 미생물들을 완벽하게 살균처리를 하여야 한다.

지금까지 미세조류 배양을 위한 원수의 처리 중 가장 핵심인 살균처리를 위해서 염소계열의 산화제(차아 염소산나트륨)를 이용하여 왔는데 친환경적이 아니며 보관성, 경제성 및 THM, HAA 등의 인체에 해로운 이차부산물 생성문제로 미세조류 대량배양에 걸림돌이 되고 있다. 이에 본 발명(대표도 2)은 마이크로 버블을 배양액 원수에 적용하여 물속의 고형물을 효과적으로 제거함은 물론, 강력하고 친환경적인 산화물질인 오존을 투입, 오존과 버블이 물속에 확산 되며 표류하다 수압에 의해 터지면서 생성되는 하이드록실 라디칼(OH-)을 이용하여 짧은 시간 내에 배양액 원수를 정화하고 완벽하게 살균 처리할 수 있다.

본 미세조류 배양액 처리를 위한 마이크로 버블 장치의 구성 및 성능은 아래와 같음.

1) 구성;

- 펌프: 5~10톤/시간

- 투입가스: 공기, 산소, 오존

2) 성능;

- 버블 크기: <20마이크론 미터

- 가스 용존율: >80%

- 허용 고형물 크기: <5mm

살균 정수된 배양액은 펌프에 의해 연결된 배관(대표도 3a)을 통해 수직으로 나열된 배양기(대표도 5)에 주입된다.

중간배양기에서 배양된 미세조류를 배양기 하부에 설치된 배관을 통해 접종한 후에 적정량(배양액 원수의 0.5%)의 영양염을 주입한다.

공기압축기(대표도 4a)에 의해 압축된 공기는 압력균일화(고압 탱크)장치(대표도 4b)에 일시 보관되고, 설정된 압력으로 공기냉각기(대표도 4c)의 마이크로 필터(5 마이크로 1개, 1 마이크로 1개)에 의해 대기중에 있을 수 있는 미세먼지나 토착 미세조류(경쟁종)를 걸러내어 정화한다.

정화된 공기(이산화탄소, 질소, 산소 포함)는 공급배관(대표도 3b)을 통해 이동되어 배양기(대표도 5) 하단에 설치된 미세조절장치의 필터를 통과하며 2차로 정화된 이후 배양기에 투입된다.

투입된 공기는 공기방울을 형성 상부로 부상하며 파동을 만든다. 이로 인해 미세조류가 성장하며 배양기 벽면에 부착되어 빛을 차단하는 현상을 방지해준다. 이뿐만 아니라 배양액이 좌우, 수직으로 이동하며 빛(성장인자)과의 접촉기회를 더 많이 주어성장이 촉진된다.

피크(50,000,000 cells/ml)에 도달하면 배양액의 1/2을 24시간 주기로 회수(수확)한다. 이를 통해 광합성에 필요한 빛의 흡수에 적합한 최적배양농도(25,000,000 cells/ml)를 유지하고 수확량과 같은 양의 배양액을 성장에 필요 인자인 영양염을 넣어 보충한다.

이를 계속 반복배양하면 아래 실시 예를 통해 확인하듯이 생산량을 극대화 시킬 수 있는 발명이다.

하부배관을 통해 회수된 배양액(고밀도로 생장한 미세조류)은 역삼투압 원리를 이용한 중공사막 분리장치(대표도 6)를 통해 물과 미세조류를 분리수확한다.

이후 물은 다시 마이크로 버블 장치(대표도 2)를 통해 살균 정수되어 배양기로 재이용된다.

수확물인 고농도 미세조류는 공기압축 할 때 발생하는 열을 이용한 건조장치(대표도 7)를 통해 수분을 건조시킨다.

이하, 실시한 예를 들어 본 발명을 상세히 설명하고자 한다. 예는 본 발명들을 실험하기 위하여 제작 설치하여 1달간 시험운용한 결과들이다. 실시 예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로써, 본 발명의 범위가 이들 실시 예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게는 상식으로 여겨질 것이다.

실시예 ;

본 실험은 저온 해양성 미세조류인 Nannochloropsis sp.를 대상으로 발명자 김영남 개발한 수직형 고효율 광배양기를 통한 생산성 평가를 목적으로 2톤의 배양액으로 옥외생장실험을 진행하였다. 한 달간 진행된 실험에서, 0.1%의 CO²를 주입한 배양에서는 하루평균 0.953g/L의 생산성을 나타냈으며, 공기만을 주입했을 경우에는 0.574g/L의 생산성을 나타냈다. 온도의 분포는 최저 20⁰C에서 최고 31⁰C에 이르렀으며, 이 범위에서 온도에 따른 생산성의 변화는 크게 차이가 없는 것으로 나타났다. 빛의 세기는 최저 5,000럭스에서 최고 4만 럭스 내외로 조사되었으며, 빛의 세기와 미세조류의 생장에 매우 밀접한 관련이 있는 것으로 밝혀졌다. 한편, 본 실험에서 시도된 개발된 배양기를 통한 가압부상에 의한 조류의 배양방법은 효과가 매우 높은 것으로 나타났다.

본 실험에 이용된 균주는 한국해양 미세조류은행에서 분양받은 Nannochloropsis sp. (KMMCC-290)로서 균주의 배양은 CONYWY배지를 사용하였다 (Cuillard and Ryther, 1962). 분양받은 균주는 25⁰C의 배양조건에서 액체 및 고체 배양하여 균주를 보관 또는 접종용 균주로 사용하였다.

옥외배양실험을 위한 실험장치는 기본적으로 배양기와 공기압축기, 이산화탄소 주입기, 배양액혼합기 및 배양액수확기로 구성되어 있다 [Fig 1], 배양기는 특수 폴리카보네이트로 제작된 길이 4,000mm, 직경 140mm의 투명 파이프를 한 Line에 20조씩 연결하여 두 Line을 배치하고 마이크로 버블 장치(OH-)로 멸균한 해수 2,000L를 주입하였다. 각 Line의 1 mL당 대략 5.0 x 10⁷ cells로 총 배양액인 2,000L의 1/10인 200L를 접종하였다. 접종 후 8시간이 경과 한 후, 질소 및 기타 무기영양원으로 살균 처리한 우뇨(Cow's urine)를 0.5%의 농도로 주입하여 연속 배양하였다. 한 Line은 대기중의 공기를 (0.03%의 이산화탄소 포함) 공기압축기를 통하여 공급하였으며, 다른 Line에는 액화된 이산화탄소 0.1%를 혼합하여 주입하였다.

접종된 배양액은 접종 이후 초기 5일간은 공기압축기의 밸브를 조절하여 배양액이 각 배양 파이프를 연결한 상부의 PVC관에 도달하지 않도록 최적화된 상태로 배양, 6일째에 접어들어 하부에 연결된 배관을 통하여 배양액의 50%인 1,000L를 배출시켜 수확하였다, 이후, 각 Line에서 방출된 배지와 동일한 양인 500L의 새로운 배지를 보충하여 매 24시간 마다 이를 반복하며 30일간 연속적으로 배양기를 가동 하였다.

[Fig. 1] The schematic diagram of photobioreactor for the culture of Nannochloropsis sp.

고농도로 수확한 1,000L의 배양액은 중공사막을 이용하여 농축하였으며, 약 30분경과 후 농축된 미세조류는 담수를 이용하여 2회에 걸쳐 탈염과정을 수행하였다. 탈염된 미세조류는 건조기(Oven dryer)를 이용해 수분함량 4% 이하로 건조 시킨 후 총 건조중량을 구하여 균체량을 결정하였다.

각 배양액으로부터 채취한 시료는 적당량을 희석한 후 혈구계수기(hemacytometer)를 이용하여 균수를 측정하였으며, 측정된 균수는 총 건조중량으로 나누어 균주당 건조중량을 결정하였다.

참고로 배양시 600Lux~300,000Lux를 측정할 수 있는 휴대용 조도계(Lux meter)을 이용하여 조도를 측정하였으며 단위는 Lux로 나타내었다.

무기영양원 첨가전 세균의 숫자는 공기만을 주입한 Line (A line)과 0.1%의 탄소를 혼합주입한 Line (B line)의 경우 각각, 0.55 - 0.60 x 10⁷ cells로 나타나 초기 적당한 희석률을 반영하고 있었으며, 접종 2일째부터 수확하기 전까지 양쪽 Line 모두에서 매일 2배가량의 세포수가 증가하여 수확 1일전인 접종 5일째 접어들어서는 각각 2.6 x 10⁷ cells 과 4.8 x 10⁷ cells을 보여주었다. 예상한 바와 같이 A line과 비교하여 탄소를 주입한 B line에서 세균의 증가속도가 빠르게 나타나 수확 전 세균의 숫자에서 약 2배가량의 차이가 발생 하였다.[Fig 2.]

[Fig 2.] Batch type growth of Nannochloropsis sp. in 2 tons of vertical photobioreactor (vPBR). A line ; air injected, B line ; 0.1% CO² injected.

세포의 수확은 접종 6 일차부터 시도하였다. 이는 과거의 실험을 통해서 약 120에서 150시간이 경과 할 즈음 지수성장기의 정점에 도달하였기에 이 기간을 기점으로 배양액을 추출하기로 결정한 것이다. 따라서, 6일차부터 매 24시간 마다 수확을 위하여 배양액을 추출하였으며, 이때 추출된 배양액은 전체 2,000L의 50%인 1,000L로 결정하였다. 이는 50%의 추출 직후 새로운 배양액으로 재 보충시, 24시간이 경과 한 후 최적의 배양상태에 도달했기 때문에 취한 결과이다.

6 일차 추출 직전 배양기 내 세포의 농도는 A line과 B line에서 각각 1ml당 3.5 x 10⁷ cells 과 6.1 x 10⁷ cells로 나타났다.

최초 접종후 지수성장기의 정점에 들어섰다고 판단되는 6일째부터 1,000L의 배양액을 추출하고 동일한 양의 새로운 배양액을 첨가하면서 25일간 연속적으로 배양하였다. 생장률을 분석하기 위하여 접종 초기 및 추출 직전의 배양액으로부터 세포 수를 측정하였으며, 또한 추출된 미세조류의 세포의 수 및 건 중량을 구하여 세포의 개당 무게를 결정하였고, 이로부터 일 평균 세균수 및 성장률 등을 분석하였다 [Fig 3. & Table 1].

[Fig 3.] Cell number of continuously-grown Nannochloropsis sp.in vertical photobioreactor (vPBR). A line ; air injected, B line; 0.1% CO² injected.

0.1%의 CO2가 첨가된 B line의 경우, 추출 직전의 1ml당 일 평균 균체의 수는 총 균체의 수를 25일로 나누어 6.35 x 10⁷ cells/ml의 값을구하였다.

한편, 배양기내 성장률의 계산은 지수성장기 세포의 생장률에 적용되는 다음의 식을 이용하여 구하였다.

세포의 생장률을 구하기 위한 공식 : N = N_o2ⁿ

위 공식에서 N은 t시간이 경과 한 후 세균의 수를 말하며, N₀는 최초 세균의 수를 뜻한다. 소문자 n은 t 시간내 총 세대수를 뜻한다. 위 공식에 Log함수를 대입하면 다음과 같다.

LogN = LogN₀ + nLog2 이 되며 총 세대수 n은 LogN - LogN₀ ÷ Log2(0.301)이 된다.

여기에서, 최초 세균수 N₀는 가압부상된 100L의 고농축 배양액을 추출한 직후, 동일한 양의 새로운 배지를 첨가한 2톤의 배양기 내 총 세균수가 되며, t 시간이 경과 한 후의 세균수 N은 배지 첨가 후 24시간이 경과한 추출 직전의 총 세균수가 된다.

B line에서의 초기 세균수와 추출 직전의 총 세균수는 다음과 같으며, 이에 따라 총 세대수 n은 약 4.40세대가 된다.

초기 균체수 N₀ = 3.0 x 10⁶ cells/ml

수확직전의 균체수 N = 6.35 x 10⁷ cells/ml

총 세대수 n = LogN - LogN₀ ÷0.301 ≒ 4.40

한편, 세포의 비 성장률(specific growth rate) k의 값은 0.301/g로 나타내는데, 여기서 g는 generation time, 즉 배가 시간을 말한다. 배가 시간(double time)은 총 배양시간을 세대수로 나눈 값이며, B line의 g값은 24시간을 세대수인 4.4로 나누게 됨에 따라 약 5.45시간이 된다. 따라서 B line에서 세포의 비 성장률 k는 0.301을 5.45시간으로 나눠 약 0.055의 값이 나왔다.

g = t/n = 24시간/4.4세대 ≒ 5.45

k = 0.301/g = 0.301/5.45 ≒ 0.055

공기만을 주입한 A Line의 경우에는 희석 후 초기 균체수가 2.8 x 10⁶ cells/ml로 집계됨에 따라 총 세대수는 약 3.77세대로, generation time은 약 6.37시간, 비성장률 k의 값은 0.047로 나타났다.

한편, B line의 일 평균 건조 균체량은 수확한 100L의 균체를 건조하여 구한 중량값이 1,800g으로 계상됨에 따라, 이를 총 균체수로 나눈 결과, 각 세포당 건조중량은 약 0.015μg/cell로 추정하였으며, 이를 일평균 균체수 6.35 x 10⁷ cells/ml x 2.000L로 곱하여 B line의 1L당 일 평균 균체량은 0.953g/L로 나왔으며, 이산화탄소를 공급하지 않은 A line의 균체량은 0.574g/L로 계상 되었다.

본 실험은 2014년 9월 한 달간 강릉지역에서 실험한 결과로써 이 지역의 최저기온은 20⁰C 내외였고, 한낮 최고기온은 30⁰C를 넘어감에 따라 배양액의 온도를 최대한 25⁰C에서 30⁰C 이내로 유지하기 위하여 배양액의 온도가 29⁰C를 상회 할 경우에는 냉각된 공기를 주입하여 최고온도가 30⁰C를 넘지 않도록 조절하였다. 실험기간 동안 배양액의 최저온도는 20⁰C를 기록하였고, 최고온도는 31⁰C에 이르렀다. Fig 4. 에서 보는 바와 같이 실험기간 내 온도의 변화가 세포의 증가에 크게 영향을 미치지 않고 있음을 알 수 있는데, 이는 온도의 범위가 25⁰C ±5⁰C로 그 변화폭이 그리 크지 않았기 때문으로 판단된다.

[Fig 4.] Correlation between cell number and temperature during the culture

미세조류의 생장에 영향을 미치는 환경요인 중에서 빛의 역할은 매우 중요하다. 본 실험에서도 이 같은 빛의 영향력을 보여주는 결과를 얻을 수 있었다. 실험이 이루어진 2014년 9월경, 강릉지역의 날씨는 흐린 날과 맑은 날이 거의 반반으로 나타났다. 비가 오거나 흐린 날에는 빛의 세기는 약 5,000럭스에서 3만 럭스 내외로 조사되었으며, 맑은 날에는 한낮에는 30만 럭스가 상회 하는 것으로 조사되었다. 빛의 강도가 너무 높을 경우에는 광 포화도로 인해 광합성이 중단될 수 있으며, 또한 복사열에 의해서 배양액의 온도가 증가하여 저온성 해양미생물인 Nannochloropsis sp.의 생장을 억제할 수 있기 때문에 햇빛이 강한 맑은 날에는 그늘막을 설치하여 빛의 세기를 2만-3만 럭스로 유지하였다.

접종후 6일째부터 실험종료일인 30일째까지 미세조류의 생장을 관찰해본 결과, Fig 5.에서 보는 바와 같이 빛의 세기와 조류의 생장에는 매우 밀접한 관계가 있음을 알 수 있었다.

또한, 0.1%의 탄소를 주입한 경우에 공기만을 주입한 경우보다 더욱 가파른 생장률을 보이고 있음을 알 수 있었다.

[Fig 5.] Correlation between cell number and illumination during the culture

본 실험을 통해 하이드록실 라디칼(OH-)은 배양액 원수 내의 독성물질을 분해함으로써 재사용이 가능하다.

밀폐 수직형 광 생물 배양방법은 경제성과 기술성, 친환경성을 골고루 갖춘 미세조류 배양 및 수확시스템이 확립될 것으로 기대하고 있다.

한편, 본 생장성 실험에서 이산화탄소와 빛은 생장의 주요요소로 작용하고 있음이 밝혀졌으며, 이에, 차후에는 생장에 필요한 이산화탄소의 최적농도와 공급방법, 그리고 빛과 관련하여 빛의 세기 및 특정 영역대의 빛의 파장이 생장에 미치는 영향 등을 연구하여 더 높은 생산성을 추구하고자 한다.

이상, 본 발명내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 실질적인 발명의 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의해 정의된다고 할 것이다.

해당사항 없음.

Claims (14)

1. 마이크로 공기방울(버블)발생장치를 이용한 배양액 살균장치, 대기중의 이산화탄소 및 산소를 배양액에 주입하기 위한 공기압축 및 압력균일화장치, 수온이 높은 시기에 배양액의 적정수온을 유지하기 위한 공기 냉각장치, 광합성을 촉진하기 위한 이산화탄소 자동 공급장치, 오염원의 차단 및 이산화탄소 및 산소의 용해도를 높이기 위한 밀폐 수직 관형 광 생물배양장치, 중공사막을 이용한 고효율 수확장치, 공기압축시 발생하는 폐열을 재사용한 열풍 건조장치와 이들을 이용한 이산화탄소의 바이오 매스 전환고정, 대기 및 수질정화방법에 관한 것
2. 1항에 있어서,
   마이크로 공기방울 발생장치의 수산기(OH Radical)를 이용한 지하수나 하수종말처리장의 처리 수에 있을 수 있는 경쟁 미세조류 및 미생물 살균(미세조류배양액 제조)장치.
3. 1항에 있어서,
   공기압축장치를 이용해 대기중의 이산화탄소 및 산소를 12 bar로 압축하는 장치 및 공기의 압력을 균일화(탱크)하는 장치 및 압축된 기체를 배양액에 주입하기 위한 배관, 기체역류방지장치.
4. 1항에 있어서,
   수온이 높은 시기 미세조류 종별 최적 수온을 유지하기 위한 공기냉각장치.
5. 1항에 있어서,
   급속성장기에 광합성을 촉진하기 위한 배양액의 pH 인식센서를 통한 액화 이산화탄소 자동 공급장치.
6. 5항에 있어서,
   미세조류종이 민물 미세조류 일 때 배양액의 pH가 7.26 이상일 때 이산화탄소 자동공급하고 7.26 이하 일 때 이산화탄소를 자동차단하는 장치.
   미세조류종이 해수 미세조류 일 때 배양액의 pH이 8.30 이상일 때 이산화탄소 자동공급하고 8.30 이하 일 때 이산화탄소를 자동차단하는 장치.
7. 1항에 있어서
   압축공기를 장치 하부에 주입함으로 기체가 공기방울 형태로 수직상승 하며 배양액에 파동을 가해 배양기 벽면에 미세조류가 부착되는 것이 방지되며 이로 인해 광합성 인자인 빛의 투과율을 높이고, 성장인자인 이산화탄소 , 질소 및 산소의 용해도가 높아져 광합성이 촉진되고 광합성 이후 대사물 산소를 상부 배출관을 통해 대기로 즉각 방출시키는 밀폐 수직형 광생물 배양장치.
8. 7항에 있어서,
   기체의 압력을 미세조절하기 위한 장치
9. 8항에 있어서,
   연결된 동종 동형의 수직 광 생물 배양 관들이 공기의 미세조절을 통해 부상력만으로 배양액이 상호 교환되며 흐름이 유도되는 장치.
10. 1항에 있어서,
    광 생물 배양기에서 배관을 통해 수확한 고밀도 미세조류를 중공사막을 이용해 물과 바이오 매스로 분리 수확하는 장치
11. 10항에 있어서,
    분리된 물은 공기 방울 발생장치를 이용, 살균 후 배양액으로 재사용 하는 장치
12. 10항에 있어서,
    수확된 바이오 매스 (농축된 미세조류)를 3항의 공기압축장치에서 발생하는 폐열을 이용, 열풍 건조 시키는 장치.
13. 1항에 있어서,
    이들을 이용한 이산화탄소의 바이오 매스 전환고정, 대기 및 수질정화방법에 관한 것
14. 13항에 있어서,
    4계절 연중 효율적 미세조류배양을 위한 최적화 비닐온실 및 그 운용 장치.

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