KR20160102728A

KR20160102728A - 다양한 형상의 집광부를 구비하는 광생물 반응기용 광튜브

Info

Publication number: KR20160102728A
Application number: KR1020150025167A
Authority: KR
Inventors: 정문근
Original assignee: 에스케이이노베이션 주식회사
Priority date: 2015-02-23
Filing date: 2015-02-23
Publication date: 2016-08-31
Also published as: KR101663109B1

Abstract

본 발명은 다양한 형상의 집광부를 구비하는 광생물 반응기용 광튜브에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광튜브의 상단부에 다양한 형상의 집광부를 구비하여 외부의 빛을 효과적으로 광생물 반응기 내부로 전달하는 광생물 반응기용 광튜브에 관한 것이다.
본 발명에 따른 다양한 형상의 집광부를 구비하는 광생물 반응기용 광튜브는 상부에 설치된 다양한 형상의 집광부에 의하여 많은 양의 외부 빛을 광생물 반응기로 공급 가능하므로, 효율적인 광합성 자기영양 생물의 배양에 유용하다.

Description

다양한 형상의 집광부를 구비하는 광생물 반응기용 광튜브{Light Tube With Various Shape Light Collector for Photobioreactor}

본 발명은 다양한 형상의 집광부를 구비하는 광생물 반응기용 광튜브에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광튜브의 상단부에 다양한 형상의 집광부를 구비하여 외부의 빛을 효과적으로 광생물 반응기 내부로 전달하는 광생물 반응기용 광튜브에 관한 것이다.

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.

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.

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.

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.

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.

특히 광합성 자기영양 생물을 효율적으로 생산하기 위하여, 고효율 광합성 자기영양 생물 반응기 및 고농도 배양기술의 개발이 시도되고 있다.

미세조류와 같은 광합성 자기영양 생물을 배양하는 방법은 크게 옥외 배양법과 광합성 자기영양 생물 반응기를 이용하는 방법으로 나눌 수 있다.

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.

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.

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.

이에, 본 발명자들은 상기 문제점을 해결하기 위하여 예의 노력한 결과, 상부에 다양한 형상의 집광부를 구비한 광튜브를 완성하였으며, 상기 광튜브를 이용하여 광생물 배양 실험을 실시한 결과, 기존의 광튜브에 비하여 광 효율이 우수하다는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 목적은 다양한 형상의 집광부를 구비하는 광생물 반응기용 광튜브를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기 광튜브를 구비하는 광생물 반응기를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 광생물 반응기를 이용한 광합성 자기영양생물의 배양방법을 제공한다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 광생물 반응기를 구비하는 광생물 배양 시스템 을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 광생물 반응기에 삽입되며, 액체 또는 고체로 채워진 광튜브에 있어서, 상기 광튜브의 상단부에 구형, 반구형, 육면체형, 원추형 또는 피라미드형의 집광부를 구비하며, 상기 집광부는 광생물 반응기 외부로 노출되는 것을 특징으로 하는 다양한 형상의 집광부를 구비하는 광생물 반응기용 광튜브를 제공한다.

본 발명은 또한,

반응기;

상기 반응기 중심부에 위치하며, 광원을 공급하는 광튜브가 삽입될 수 있는 광튜브 삽입용 관통부;

상기 광튜브 삽입용 관통부에 삽입되는 상기 광튜브;

상기 반응기 하측부에 설치되어 가스를 공급하는 가스 투입부; 및

상기 반응기 상부에 설치되어 기체를 배출하는 가스 배출구;

를 포함하는 광생물 반응기를 제공한다.

본 발명은 또한

(a) 배지와 광산란 입자를 혼합하여 공급하는 단계; 및

(b) 반응기로 가스를 공급하여 상기 광산란 입자와 배지를 유동시키며, 광튜브에서 빛을 공급하여 광합성 자기영양 생물을 증식하는 단계를 포함하는 광합성 자기영양생물 배양 방법을 제공한다.

본 발명은 또한,

원통형의 반응기;

상기 반응기 중심부에 광원을 공급하는 광튜브가 삽입될 수 있는 광튜브 삽입용 관통부;

상기 광튜브 삽입용 관통부에 삽입되는 상기 광튜브;

상기 반응기 하측부에 설치되어 가스를 공급하는 가스 투입부;

상기 가스 투입부로부터 공급된 가스에 의하여 상하로 유동하는 배지; 및

상기 배지 내에 존재하며, 상기 광튜브에서 입사되는 빛을 산란시키는 광산란 입자;

를 포함하는 광생물 배양 시스템을 제공한다.

본 발명에 따른 다양한 형상의 집광부를 구비하는 광생물 반응기용 광튜브는 상부에 설치된 다양한 형상의 집광부에 의하여 많은 양의 외부 빛을 광생물 반응기로 공급 가능하므로, 효율적인 광합성 자기영양 생물의 배양에 유용하다.

도 1은 본 발명에 사용되는 플레넬 렌즈와 그 원리를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 내부에 기체가 채워진 광 산란층을 가지며, 상부에 플레넬 렌즈를 구비하는 광생물 반응기용 광튜브를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 외부가 원통형인 광생물 반응기를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 외부가 원추형인 광생물 반응기를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 외부 및 광원부 삽입용 관통부가 원추형인 광생물 반응기를 도시한 것이다.
도 6은 반사용 거울을 구비하는 광튜브와 이의 작동원리를 도시한 것이다.
도 7은 내부에 반투과성 실린더와 광다이오드 광원을 가지며, 내부에 광산란 입자를 가지는 광튜브를 도시한 것이다.
도 8은 다양한 모양의 집광부를 가지는 광튜브를 도시한 것이다.
도 9는 내부에 기체가 채워진 산란층과 액체층을 연속적으로 가지는 광튜브의 도면이다.
도 10은 내부에 기체가 채워진 산란층과 액체층을 연속적으로 가지는 광튜브의 실험 사진이다.
도 11은 본 발명에 의한 광튜브를 구비하는 광생물 반응기의 사진으로 (a)는 전체적인 모습, (b)는 상단부를 확대한 사진이다.
도 12는 하단부에 확산용 베플(Baffle)을 가지는 내부에 기체가 채워진 산란층과 액체층을 연속적으로 가지는 광튜브의 도면이다.

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.

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.

본 발명자들은 광합성 자기영양 생물의 배양효율을 높이기 위한 방안으로, 광튜브를 반응기 중앙에 위치하여 효율을 높이고, 기존의 반사경이 아닌 배지에 광산란 입자를 혼합하여 광원의 빛을 산란시켜 공급하여 균일한 빛 공급이 가능하도록 하였으며, 광튜브의 상단부에 다양한 모양의 집광부를 설치하는 것으로 다량의 빛을 광튜브를 통하여 광생물 반응기로 공급함으로써 광합성 자기영양 생물의 배양 효율이 향상되도록 하였다. 또한 광튜브를 사용하여 반응기 중앙부에 추가적인 광원을 공급하므로 좀 더 효율적으로 광생물 반응기의 운전이 가능하도록 하였다.

따라서, 본 발명은 일 관점에서, 광생물 반응기에 삽입되며, 액체 또는 고체로 채워진 광튜브에 있어서, 상기 광튜브의 상단부에 구형, 반구형, 육면체형, 원추형 또는 피라미드형의 집광부를 구비하며, 상기 집광부는 광생물 반응기 외부로 노출되는 것을 특징으로 하는 다양한 형상의 집광부를 구비하는 광생물 반응기용 광튜브에 관한 것이다.

본 발명에 있어서, 상기 광튜브(100)는 상단부가 구형, 반구형, 육면체형, 원추형 또는 피라미드형의 집광부를 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다. 집광부(110)는 외부에 노출되어 외부 광원을 흡수하는 역할을 한다. 이때 집광부(110)는 흡수 효율을 높이기 위하여 다양한 모양으로 구성될 수 있으며, 광튜브 하단부(120)와 동일하지 않은 모양으로 제작되는 경우 광튜브가 반응기 내부로 일정 깊이 이하로 내려가지 않도록 하는 역할을 동시에 수행할 수 있다.

본 발명에서, 용어 ‘광튜브’는 폴리머(polymer) 또는 유리로 제작되는 원통형 또는 각형의 관으로, 봉형으로 제작되거나 중심부가 비워진 튜브형으로 제작되며, 튜브형의 경우 내부에 액체 또는 고체가 채워지는 관을 의미한다. 상기 광튜브는 일측면이 빛에 노출되어 있으며(집광부), 타측면은 빛을 공급하기 위한 장치에 삽입되게 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 액체상 또는 고체상에 포함될 수 있다.

본 발명에서 용어 “플레넬 렌즈(Fresnel Lens)”는 평면 렌즈의 일종으로 일반적인 렌즈가 크기가 커질수록 무게가 늘어나는 단점을 개선하기 위하여 개발되었다. 이 플레넬 렌즈는 도1에 나타난 바와 같이, 중심부를 기준으로 각 렌즈요소가 동심원상으로 배치되며, 각 렌즈요소는 볼록렌즈를 동심원상으로 잘라낸 부분에서 렌즈 전면부의 각도를 이루는 부분을 제외하고 삭제한 형상을 가진다. 즉 플레넬 렌즈는 볼록렌즈를 동심원상으로 잘라낸 다음, 전면부가 평면상이 되도록 배치하고 후면부분을 평평하게 갈아낸 형상을 가진다. 이때 플레넬의 각 동심원상 렌즈는 전면부에서 입사되는 빛을 각각 다른 각도로 회절시키게 되며, 각 동심원상 렌즈의 회절각도는 렌즈의 중심을 향하고 있으므로 볼록렌즈와 동일한 초점을 가지게 된다.

본 발명에서 상기 플레넬 렌즈는 집광부의 최상단부에 위치하며, 광생물 반응기 외부로 노출되어 있어 외부의 빛을 모아 광튜브를 통해 광생물 반응기로 전달하는 역할을 하게 된다. 또한 상기 플라넬 렌즈는 유연한 재질로 제작되어, 다양한 모양을 가지는 광생물 반응기 상단에 적용 가능하지만 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명에 있어서 상기 광튜브(100)는 액체가 채워진 액체층 또는 고체층(170)의 중간부분에 기체가 채워진 광 산란층(180)이 1~10개가 액체층 또는 고체층(170)과 교대로 설치되는 것을 특징으로 하는 광생물 반응기용 광튜브인 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 광튜브(100)는 액체 또는 고체로 채워져 있으며, 중간부분에 기채로 채워진 광 산란층(180)을 추가로 가질 수 있다. 이 기체로 채워진 광 산란층(180)에서는 밀도차이에 의하여 입사된 빛이 외부로 퍼져나가게 되며, 이에 따라 각 광 산란층(180)은 광생물 반응기에 빛을 공급하는 역할을 할 수 있다. 또한 이러한 광 산란층의 위치와 수량을 조절하여 광생물 반응기에 반사되어 들어가는 빛의 양을 위치에 따라 조절 가능하다. 이때 광 산란층(180)이 촘촘하게 배치되면 다른 부분보다 많은 양의 빛이 반사되며, 광 산란층(180) 사이의 간격이 멀어지면 상대적으로 반사되는 빛의 양이 적어지게 된다.

본 발명에 있어서, 상기 광산란부는 하부로 갈수록 두께가 두꺼워 지는 것을 특징으로 할 수 있다. 광산란부는 두께에 따라 산란되는 빛의 세기가 변화하게 된다. 광산란부의 두께가 얇은 경우 더 강하게 빛을 산란하게 되며, 두꺼운 경우 약하게 빛을 산란하게 된다. 따라서 광산란부의 두께를 조절하여 각 위치에 따른 빛의 세기를 설계가자 조절할 수 있으며, 이에 따라 투입된 빛을 광생물 반응기 깊은 곳까지 방출하여, 생육을 원활하게 할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 광튜브(100)는 액체 또는 고체가 채워진 광튜브이며, 광튜브 내에 채워진 액체 또는 고체에 광산란 입자(160)가 포함된 것을 특징으로 할 수 있다. 광튜브는 광원에서 나오는 빛을 효율적으로 산란시키기 위하여 내부를 액체 또는 고체로 채우게 되며, 이때 액체는 물, 솔벤트, 오일등이 사용될 수 있으며 사용되는 빛의 파장이나 강도에 따라 조성을 조절할 수 있다. 또한 물이 내부 액체로 사용되는 경우 물의 변질을 막기 위하여 표백제나 방부제와 같은 화학물질을 소량 첨가하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 광튜브는 집광부(110)와 하단부(120)의 경계면으로부터 하단부(120)의 10~50%를 가리는 반사용 거울(130)을 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다. 광튜브는 일부가 외부에 노출되어(집광부, 110) 외부의 광원을 광튜브 내로 받아들이며 이 받아들인 광원을 반응기 내부에 삽입되는 광튜브 하단부(120)로 난반사하게 된다. 이때 하단부의 상측면은 방출되는 빛의 양이 가장 많으며 하단부로 갈수록 빛의 양이 줄어들게 되어 반응기의 효율을 저하시킬 수 있다. 따라서 방출되는 빛의 양이 가장 많은 광튜브의 하단부 상측면에 반사용 거울(130)을 설치하여 광튜브 하단부(120) 전체에 균일하게 빛이 방사되도록 하여 광생물 반응기의 효율을 극대화 시킬 수 있다.

본 발명에서, 용어 ‘집광부’는 광튜브 삽입시 빛을 흡수하기 위하여 외부에 노출되는 광튜브의 부분을 의미하며, 용어 ‘하단부’는 반응기 내부로 삽입되는 광튜브의 부분을 의미한다.

본 발명에 있어서, 상기 광튜브(100)는 액체가 채워진 광튜브이며, 광튜브 내에 채워진 액체에 광산란 입자가 포함된 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 광튜브(100)는 내부에, (a) 반투과성 유리로 제조되는 실린더(150); 및 (b) 상기 실린더 내부에 설치되는 광다이오드 광원(140)을 추가로 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. 광튜브(100)에서 외부의 광원을 반사하여 내부로 공급하지만, 외부의 광원이 약해지는 경우 광생물 반응기의 효율이 저하 될 수 있다. 그러므로 광튜브 내부에 광다이오드(LED) 광원(140)을 설치하여 외부 광원이 약하더라도 광생물 반응기의 효율을 높일 수 있다. 이때 광다이오드 광원(140)를 사용하지 않는 경우 광다이오드 광원(140)이 반사되어 들어오는 빛을 방해하여 광튜브(100)의 효율을 저하 시킬 수 있으며, 광튜브 내의 액체로 인하여 파손될 수 있다. 따라서 이러한 것을 막기 위하여 광다이오드 광원(140)은 반투과성 유리로 제작되는 반투과성 실린더(150)에 삽입되어 광튜브에 설치된다. 상기 반투과성 유리는 외부에 반사처리가 되어 있어 내부에서 광원이 작동할 때에는 일반적인 유리처럼 내부의 빛을 외부로 투과하지만, 내부의 광원이 작동하지 않는 경우 외부의 빛을 반사하게 된다. 따라서 상기 반투과성 유리로 제작되는 반투과성 실린더(150)는 광다이오드 광원(140) 가동시 투명해져서 광다이오드의 빛을 외부로 방사하며, 광다이오드 광원(140) 미작동시 거울처럼 외부의 빛을 반사하므로 광튜브의 효율이 저하되는 것을 막을 수 있다. 또한 광다이오드 광원(140)을 광튜브 내의 액체와 분리하여 광다이오드가 손상되는 것을 막는 역할을 한다.

본 발명에 있어서, 광원은 외부에서 공급되는 광원과 더불어 반응기 중심부에 위치한 광튜브(100)에서 추가로 공급되는 것을 특징으로 할 수 있다. 외부 광원은 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 반응기 중앙부(201)에 광튜브(100)를 삽입하여 외부에서 공급되는 빛이 광튜브를 통해서 반응기(200) 내부로 확산 하도록 할 수 있다.

본 발명은 다른 관점에서

반응기;

상기 광튜브 삽입용 관통부에 삽입되는 상기 광튜브;

를 포함하는 광생물 반응기에 관한 것이다.

본 발명에 있어서, 상기 광튜브 삽입용 관통부(201)는 반응기 중심에 위치하는 것을 특징으로 하는데, 이에 따라 상기 광튜브 삽입용 관통부(201)에 삽입되는 광튜브(100) 역시 반응기 중심에 위치하게 된다.

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.

반면, 본 발명에서는 내부를 부유하는 광산란 입자(220)를 이용하여 빛을 반응기 내부에서 산란시킬 뿐 아니라, 반응기 중심에 위치한 광튜브 삽입용 관통부(201)에 광튜브(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.

본 발명에 있어서, 상기 반응기(200)는 원통형이 바람직하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 통상적인 다양한 입체모양의 반응기가 제한 없이 사용될 수 있지만, 광튜브에서 공급되는 빛을 효율적으로 분배하기 위하여 원통형으로 제작되는 것이 바람직하다.

상기 반응기(200)는 폴리카보네이트, 유리, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리프로필렌 등의 투명한 재질로 이루어져 광튜브(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.

본 발명에서, ‘원통형 반응기’는 상단부와 하단부가 동일한 지름을 가지는 실린더형의 반응기를 의미하며, ‘원추형 반응기’는 상단부와 하단부의 지름이 달라 벽면이 일정한 경사를 가지는 실린더형의 반응기를 의미하는 것으로, 원추형 반응기는 원통형 반응기의 일종이다.

본 발명에 있어서, 상기 반응기는 상측면의 지름이 하측면의 지름보다 작아 외면부가 경사진 원추형의 반응기(200)인 것을 특징으로 할 수 있다(도 2 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.

이러한 관점에서, 본 발명에 있어서, 상기 광튜브 삽입용 관통부(201)는 하측면으로 갈수록 직경이 작아지도록 경사진 것을 특징으로 할 수 있다. 이는 광튜브 삽입용 관통부(201)에 광튜브(100)가 삽입되는 경우, 광튜브 쪽의 광튜브 삽입용 관통부(201)에서도 빛에 의한 파울링(fuoling)이 일어나게 되므로 이를 방지하지 위한 것으로, 광튜브(100)가 삽입되는 광튜브 삽입용 관통부(201)도 일정한 경사를 가지도록 하여 파울링을 방지 할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 반응기에는 광튜브 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 광튜브 삽입용 관통부의 벽면 모두에서의 파울링을 보다 효율적으로 방지할 수 있다.

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).

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 0.01~1000μm, 바람직하게는 약 0.1~100μm이며, 가스투입부의 재질은 금속, 고분자 등 어떠한 것이라도 사용가능하다.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

본 발명에 있어서, 상기 반응기는 하단부에 확산용 베플(Baffle)을 가지는 것을 특징으로 할 수 있다. 베플은 반응기의 하단부에 설치되어 광생물 반응기 내부의 배지 및 광합성 자기영양생물과 공급되는 가스를 혼합해주는 역할을 한다. 베플은 광합성 자기영양생물에 필요한 투입영양소, 내부에서 추가로 생성된 광합성 자기영양생물, 열에너지 및 화학물등을 효율적으로 혼합하여, 광생물 반응기 내부를 균등하게 하는 역할을 수행할 수 있다. 도 12에 나타난 바와 같이 배플을 설치하는 경우 하단부에만 집중되어 있던 혼합가스의 속도(Velocity)가 측면으로 적절히 배분되고 있으며, 와류의 세기(Turbulence)역시 더욱 강하게 나타나서 추가적인 혼합이 잘 이루어지는 것을 알 수 있다. 이때 베플은 다공성의 원판을 사용하는 것이 바람직하지만 반응기의 조건, 크기에 따라 내부를 혼합 가능한 수단이라면 제한 없이 사용가능하다.

본 발명은 다른 관점에서,

원통형의 반응기;

상기 광튜브 삽입용 관통부에 삽입되는 상기며 광튜브;

를 포함하는 광생물 배양 시스템에 관한 것이다.

본 발명은 또 다른 관점에서,

(a) 배지와 광산란 입자를 혼합하여 공급하는 단계; 및

(b) 반응기로 가스를 공급하여 상기 광산란 입자와 배지를 유동시키며, 광튜브에서 빛을 공급하여 광합성 자기영양 생물을 증식하는 단계.

를 포함하는 상기 광생물 반응기를 이용한 광합성 자기영양 생물의 배양방법에 관한 것이다.

본 발명에 있어서, 상기 광합성 자기영양 생물은 미세조류 또는 시아노 박테리아인 것을 특징으로 할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

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.

100 : 광튜브
110 : 집광부
120 : 광튜브 하단부
130 : 반사용 거울
140 : 광다이오드 광원
150 : 반투과성 실린더
160 : 광튜브 내부 광산란 입자
170 : 액체층
180 : 기체로 채워진 광 산란층
190 : 플레넬 렌즈
200 : 반응기
201 : 광튜브 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
400 : 외부광원
410 : 공급되는 빛
500 : 확산용 베플(Baffle)

Claims

광생물 반응기에 삽입되며, 액체 또는 고체로 채워진 광튜브에 있어서,
상기 광튜브의 상단부에 구형, 반구형, 육면체형, 원추형 또는 피라미드형의 집광부를 구비하며,
상기 집광부는 광생물 반응기 외부로 노출되는 것을 특징으로 하는 다양한 형상의 집광부를 구비하는 광생물 반응기용 광튜브.
제1항에 있어서, 상기 집광부는 최상단부에 플라넬 렌즈를 구비하는 것을 특징으로 하는 광생물 반응기용 광튜브.
제1항에 있어서, 상기 광튜브의 중간 부분에 기체로 채워진 광산란부를 구비하는 것을 특징으로 하는 광생물 반응기용 광튜브.
제1항에 있어서, 상기 광튜브 내부에 채워진 액체 또는 고체에 광산란 입자가 포함된 것을 특징으로 하는 광생물 반응기용 광튜브.
제1항에 있어서, 상기 액체는 물, 솔벤트, 오일 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 광생물 반응기용 광튜브.
제1항에 있어서, 상기 광튜브는 내부에,
(a) 반투과성 유리로 제조되는 실린더; 및
(b) 상기 실린더 내부에 설치되는 광다이오드 광원;
을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 광생물 반응기용 광튜브.
제1항에 있어서, 상기 광튜브는 기체가 채워진 광산란부 1~10개가 액체층 또는 고체층과 교대로 설치되는 것을 특징으로 하는 광생물 반응기용 광튜브.
제7항에 있어서, 상기 광산란부는 위치에 따라 각층의 두께가 다른 것을 특징으로 하는 광생물 반응기용 광튜브.
제1항에 있어서, 상기 광튜브는 집광부와 하단부의 경계면으로부터 하단부의 10~50%를 가리는 반사용 거울을 구비하는 광생물 반응기용 광튜브.
반응기;
상기 반응기 중심부에 위치하며, 광원을 공급하는 광튜브가 삽입될 수 있는 광튜브 삽입용 관통부;
상기 광튜브 삽입용 관통부에 삽입되는 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 광튜브;
상기 반응기 하측부에 설치되어 가스를 공급하는 가스 투입부; 및
상기 반응기 상부에 설치되어 기체를 배출하는 가스 배출구;
를 포함하는 광생물 반응기.
제10항에 있어서, 상기 반응기는 원통형 또는 상단부의 지름이 하단부의 지름보다 작은 원추형을 이루는 것을 특징으로 하는 광생물 반응기.
제11항에 있어서, 상기 광튜브 삽입용 관통부 및 광튜브는 하측면으로 갈수록 직경이 작아지는 형태인 것을 특징으로 하는 광생물 반응기.
제10항에 있어서, 상기 반응기는 배지를 공급하는 배지 투입부 및 상기 반응기 하측에 설치되어 배지를 배출하는 배지 배출구를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 광생물 반응기.
제10항에 있어서, 상기 반응기는 상기 가스 투입부에 가스를 공급하는 가스 공급부를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 광생물 반응기.
제11항에 있어서, 상기 반응기는 가스투입부가 상기 반응기 하단부, 외주면을 따라 설치되어 공급되는 가스가 반응기의 경사진 외면부를 따라 상승하는 것을 특징으로 하는 광생물 반응기.
제12항에 있어서, 상기 반응기는 가스 투입부가 상기 반응기 하단부에 설치되며,
광튜브 삽입용 관통부의 벽면에 대응되는 내주면 및/또는 반응기 외부 벽면에 대응되는 외주면을 따라 설치된 것을 특징으로 하는 광생물 반응기.
제10항에 있어서, 상기 가스 투입부에 의해 공급된 가스에 의하여 상하로 유동하는 배지 및 상기 배지와 혼합되어 상기 광원부에서 입사되는 빛을 산란시키는 광산란 입자를 추가로 함유하여 광합성 자기영양 생물의 배양이 가능한 것을 특징으로 하는 광생물 반응기.
제17항에 있어서, 상기 광산란 입자는 유리분말, 금속분말, 반사도금된 고분자분말 및 반사도금된 유리분말로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 광생물 반응기.
제17항에 있어서, 상기 광산란 입자는 0.8g/mL 내지 1.2g/mL의 밀도를 가지는 것을 특징으로 하는 광생물 반응기.
제17항에 있어서, 상기 광합성 자기영양 생물은 미세조류 또는 시아노박테리아인 것을 특징으로 하는 광생물 반응기.
제10항에 있어서, 상기 반응기는 하단부에 확산용 베플(Baffle)을 가지는 것을 특징으로 하는 광생물 반응기
다음의 단계를 포함하는 제10항의 광생물 반응기를 이용한 광합성 자기영양 생물의 배양방법:
(a) 배지와 광산란 입자를 혼합하여 공급하는 단계; 및
(b) 반응기로 가스를 공급하여 상기 광산란 입자와 배지를 유동시키며, 광튜브에서 빛을 공급하여 광합성 자기영양 생물을 증식하는 단계.
제22항에 있어서, 상기 광합성 자기영양 생물은 미세조류 또는 시아노박테리아인 것을 특징으로 하는 광합성 자기영양 생물의 배양방법.
원통형의 반응기;
상기 반응기 중심부에 광원을 공급하는 광튜브가 삽입될 수 있는 광튜브 삽입용 관통부;
상기 광튜브 삽입용 관통부에 삽입되는 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 광튜브;
상기 반응기 하측부에 설치되어 가스를 공급하는 가스 투입부; 및
상기 반응기 상부에 설치되어 기체를 배출하는 가스 배출구;
상기 가스 투입부로부터 공급된 가스에 의하여 상하로 유동하는 배지; 및
상기 배지 내에 존재하며, 상기 광튜브에서 입사되는 빛을 산란시키는 광산란 입자;
를 포함하는 광생물 배양 시스템.