KR20160124614A

KR20160124614A - 미세조류 대량생산을 위한 광생물반응기

Info

Publication number: KR20160124614A
Application number: KR1020150055540A
Authority: KR
Inventors: 이철균; 박한울; 임상민; 김필한; 이종찬; 정대우
Original assignee: 인하대학교 산학협력단
Priority date: 2015-04-20
Filing date: 2015-04-20
Publication date: 2016-10-28
Also published as: KR101692269B1

Abstract

본 발명은 배양 대상 광합성 미생물과 환경수(environmental water)를 구획하는 장벽으로 둘러 싸여 있고, 상기 장벽의 전부 또는 일부가 선택적 투과성 장벽으로 구성된, 광합성 미생물 배양에 적합한 배양용기; 상기 배양용기의 바닥에 설치된 지지대; 및 상기 지지대 양 말단에서 줄로 연결되어 수면 위로 부상하는 부력재로 구성된 진동장치를 포함하는, 광생물반응기를 제공한다.

Description

미세조류 대량생산을 위한 광생물반응기{A photobioreactor for mass production of microalgae}

본 발명은 광생물반응기에 관한 것으로 더 상세하게는 미세조류 대량생산을 위한 광생물반응기에 관한 것이다.

광합성 단세포 미생물은 광합성을 통하여 단백질, 탄수화물, 지방등 다양한 유기물을 생산이 가능하다. 특히 최근에는 기능성 다당류, 카로테노이드, 비타민, 불포화지방산등 고부가가치 산물의 생산 뿐만 아니라 지구 온난화의 주범이 이산화탄소 제거의 목적에 최적 생물체로 평가 받고 있다. 또한, 유한한 에너지원인 화석연료를 대체할 생물학적 에너지 생산에도 큰 관심을 받고 있는데, 이는 미세조류가 이산화탄소를 고정하여 생체에 지질로 축적 하는 것이 가능한데 따른 것이다. 이렇게 축적된 지질을 이용한 바이오 디젤 등 바이오에너지 생산에 많은 연구가 진행되고 있다. 그러나 미세조류를 이용한 이산화탄소의 제거 또는 바이오 에너지의 제조와 같은 유용한 산물을 실용화하기 위해서는 광합성 미생물의 고농도 배양, 대량배양, 또는 고농도 대량배양이 필요하다. 따라서 규모가 큰 배양설비의 구축과 관련된 기술을 비롯한 저비용으로도 고농도의 배양이 가능하면서도 규모의 확대가 용이한 배양기술의 개발이 절실히 요구되고 있다.

대한민국 공개특허 제2013-0037421호는 선택적 투과성 장벽(selectively-permeable barrier)을 장착한 광생물반응기를 개시하고 있다.

그러나 상기 선행기술들의 경우, 배양 시간 경과에 따라서 선택적 투과성 장벽의 망목이 막혀 해수의 유출입 속도가 감소하고 생산성이 떨어지는 문제가 발생한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 투수도가 향상된 선택적 투과성 장벽 장착 광생물반응기를 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일 관점에 따르면, 배양대상 광합성 미생물과 환경수(environmental water)를 구획하는 장벽으로 둘러 싸여 있고, 상기 장벽의 전부 또는 일부가 선택적 투과성 장벽으로 구성된, 광합성 미생물 배양에 적합한 배양용기; 상기 배양용기의 바닥에 설치된 지지대; 상기 지지대 양 말단에서 줄로 연결되어 수면 위로 부상하는 부력재; 및 상기 지지대 양 말단에서 줄로 연결되어 수면 아래로 잠기는 무게추로 구성된 진동장치를 포함하는, 광생물반응기가 제공된다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 투수도가 높은 선택적 투과성 장벽을 장착한 광생물반응기를 이용한 효율적인 광합성 미생물 생산효과를 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 투과성 장벽이 장착된 광생물반응기(100)의 개략적인 구조를 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 투과성 장벽이 장착된 광생물반응기(100)의 측면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 투과성 장벽이 장착된 광생물반응기(100)의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 투과성 장벽이 장착된 광생물반응기(100)의 진동장치(180)의 변형예를 나타낸 사진이다.
도 5는 본 발명의 광생물반응기(100) 내부의 부력재와 무게추를 점연결 또는 선연결한 장치에 의한 광합성 미생물의 성장을 분석하는 실험예를 나타낸 그림이다.
도 6은 본 발명의 광생물반응기(100) 내부의 부력재와 무게추를 점연결 또는 선연결하여 해수면에 설치한 모습을 나타내는 사진이다.
도 7은 본 발명의 광생물반응기(100) 내부의 부력재(110)와 무게추(130)를 점연결 또는 선연결한 장치에 의한 투수도를 분석한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 광생물반응기(100) 내부의 부력재(110)와 무게추(130)를 점연결 또는 선연결한 장치에 의한 광합성 미생물의 성장을 분석한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 광생물반응기(100)의 부력/무게 비율을 달리하여 투수성을 비교분석한 그래프이다.

용어의 정의:

본 문서에서 사용되는 용어 "장벽(barrier)"은 배양용기의 외부와 배양 대상인 광합성 미생물이 포함된 배양용기의 내부를 공간적으로 구분하는 구조물을 의미한다.

본 문서에서 사용되는 용어 "선택적 투과성 장벽(selective permeability barrier)"은 메쉬(mesh) 시트 또는 타공 시트로 구성되어 삼투현상에 의해 특정 분자만 선택적으로 투과되는 것이 아니라, 물, 기체 및 영양성분 등 고분자를 포함한 대부분을 물질의 자유로운 통과는 가능하나 광합성 미생물과 같은 세포의 자유로운 확산은 제한한다는 것을 의미하며, 세포의 일부는 상기 장벽을 통과할 수도 있으나, 장벽을 사이로 세포 농도가 평형상태를 이루지는 않는다.

본 문서에서 사용되는 "타공 시트(perforated sheet)"는 판상의 재질에 인위적으로 천공을 하여 구멍이 형성된 시트를 의미하며, 상기 판상의 재질은 필름일 수 있고, 상기 필름은 불투과성 막 또는 반투과성막일 수 있다. 상기 타공 시트는 인위적으로 천공함으로써, 상기 메쉬 시트와 동일한 효과를 제공할 수 있다.

본 문서에서 사용되는 용어 "미세조류(microalgae)"는 바다에 서식하는 식물성 플랑크톤으로, 흔히 적조를 일으키는 코클로디니움 같은 플랑크톤 역시 미세조류에 속한다. 해양 바이오에너지 연구가 주목하는 미세조류는 특히 지질, 즉 기름 성분이 풍부한 미세조류 종(種)이다. 크기는 10μm(미크론, 1m의 100만분의 1)정도, 머리카락 굵기의 10분의 1 안팎이다.

본 문서에서 사용되는 용어 "광합성 미생물"는 광합성을 할 수 있는 녹조류, 홍조류 및 남조류를 의미하며, 일반적으로 클로렐라, 클라디도모나스(Chlamydomonas), 해마토코커스(Haematococous), 보트리오 코커스(Botryococcus), 세네데스무스(Scenedesmus), 스피룰리나(Spirulina) 테트라셀미스(Tetraselmis) 및두날리엘라(Dunaliella)등을 배양한다. 상기 미세조류는 배양용기 내에서 카로테노이드, 균체, 파이코빌리프로테인, 지질, 탄수화물, 불포화지방산 및 단백질 등을 생산한다.

본 문서에서 사용되는 용어"망목 크기(opening size)"는 메쉬 구조상의 서로 교차하여 짜여진 위사와 경사 사이의 공간의 크기 또는 타공시트에 이루어진 천공의 크기를 의미한다.

본 문서에서 사용되는 용어"환경수(environmental water)" 발명의 광생물 반응기가 투입되어 배양이 수행되는 공간의 물을 의미하며, 해수, 담수 및 기수를 포함하고, 인공적으로 조성한 저수조 또는 연못의 물도 포함될 수 있다.

발명의 상세한 설명:

본 발명의 일 관점에 따르면, 배양대상 광합성 미생물과 환경수(environmental water)를 구획하는 장벽으로 둘러 싸여 있고, 상기 장벽의 전부 또는 일부가 선택적 투과성 장벽으로 구성된, 광합성 미생물 배양에 적합한 배양용기; 상기 배양용기의 바닥에 설치된 지지대; 및 상기 지지대 양 말단에서 줄로 연결되어 수면 위로 부상하는 부력재로 구성된 진동장치를 포함하는, 광생물반응기가 제공된다.

상기 광생물반응기에 있어서, 상기 지지대 양 말단에서 줄로 연결되어 수면 아래로 잠기는 무게추로 구성된 진동장치가 추가로 포함될 수 있다.

상기 광생물반응기에 있어서, 상기 선택적 투과성 장벽은 생분해성 고분자 또는 난분해성 고분자로 제조될 수 있다. 상기 생분해성 고분자는 폴리카프로락톤(poly(epsilon-caprolactone)), 폴리락트산(poly lactic acid), 폴리락트산-폴리카프로락톤 공중합체(poly(lactic-co-glycolic acid), 셀룰로오스(cellulose), 메틸셀룰로오스(methyl cellulose), 에틸셀룰루로오스(ethyl cellulose), 초산셀룰로오스(cellulose acetate), 니트로셀룰로오스(nitrocellulose), 커들란(curdlan), 폴리글루탐산(polyglutamic acid), 폴리라이신(polylysine), 폴리히드록시 알카노에이트(polyhydroxy alkanoate), 폴리에틸렌 글리콜(polyethylen glycol), 폴리글리콜산(poly(glycolic acid)) 또는 폴리에스테르(polyester)일 수 있고 상기 난분해성 고분자는 테프론(teflon, polytetrafluoroethylene), 폴리올레핀(polyolefine), 폴리아마이드(polyamides), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 실리콘(silicon), 폴리메틸 메타아크릴레이트(poly methly methacrylate), 폴리스티렌(polystyrene), 에틸렌-비닐 아세테이트 코폴리머, 폴리에틸렌-말레 안하이드리드 코폴리머, 폴리아미드(polyamide), 폴리(비닐 클로라이드), 폴리(비닐 플로라이드), 폴리비닐 이미다졸(poly(vinyl imidazole)), 클로로술포네이트 폴리올레핀(chlorosulphonate polyolefin), 폴리에틸렌 테트라프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 나일론(nylon), 저밀도 폴리에틸렌(low density polyethylene, LDPE), 고밀도 폴리에틸렌(high density polyethylene, HDPE), 아크릴(acryl), 폴리에테르케톤(polyetheretherketone), 폴리이미드(polyimide), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리우레탄(polyurethane) 또는 폴리에틸렌 옥시드(poly(ethylene oxide))일 수 있다.

상기 광생물반응기에 있어서, 상기 지지대는 선형 또는 막대형의 형상을 갖을 수 있고 상기 지지대의 소재는 금속, 목재, 플라스틱, 고무, 유리 또는 암석일 수 있다.

상기 부력재는 상기 지지대의 양 말단에 각각 적어도 1개 이상이 연결되어 부력을 유지할 수 있고 상기 부력재는 상기 지지대의 양 말단에 동시에 연결될 수 있으며 상기 부력재는 스티로폼, 부표, 나무조각, 투명 유리관 또는 플라스틱 통일 수 있다.

상기 무게추는 상기 지지대의 양 말단 동시에 연결되되 상기 양 말단과 등거리를 유지할 수 있고 상기 배양용기는 상부가 개방된 개방형 배양용기일 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.

명세서 전체에 걸쳐서, 막, 영역 또는 기판과 같은 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "상에", "연결되어", "적층되어" 또는 "커플링되어" 위치한다고 언급할 때는, 상기 하나의 구성요소가 직접적으로 다른 구성요소 "상에", "연결되어", "적층되어" 또는 "커플링되어" 접촉하거나, 그 사이에 개재되는 또 다른 구성요소들이 존재할 수 있다고 해석될 수 있다. 반면에, 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "직접적으로 상에", "직접 연결되어", 또는 "직접 커플링되어" 위치한다고 언급할 때는, 그 사이에 개재되는 다른 구성요소들이 존재하지 않는다고 해석된다. 균일한 부호는 균일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.

본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제 1 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제 2 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.

또한, "상의" 또는 "위의" 및 "하의" 또는 "아래의"와 같은 상대적인 용어들은 도면들에서 도해되는 것처럼 다른 요소들에 대한 어떤 요소들의 관계를 기술하기 위해 여기에서 사용될 수 있다. 상대적 용어들은 도면들에서 묘사되는 방향에 무게추가하여 소자의 다른 방향들을 포함하는 것을 의도한다고 이해될 수 있다. 예를 들어, 도면들에서 소자가 뒤집어 진다면(turned over), 다른 요소들의 상부의 면 상에 존재하는 것으로 묘사되는 요소들은 상기 다른 요소들의 하부의 면 상에 방향을 가지게 된다. 그러므로, 예로써 든 "상의"라는 용어는, 도면의 특정한 방향에 의존하여 "하의" 및 "상의" 방향 모두를 포함할 수 있다. 소자가 다른 방향으로 향한다면(다른 방향에 대하여 90도 회전), 본 명세서에 사용되는 상대적인 설명들은 이에 따라 해석될 수 있다.

본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.

이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.

도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 선택적 투과성 장벽이 장착된 광생물반응기(100)를 개략적으로 도시한 사시도이다. 도 1에 도시된 바와 같이 배양 대상인 광합성 미생물과 환경수를 공간적으로 구분하기 위해 광생물반응기(100)의 바닥면이 선택적 투과성 장벽(150)으로 구성되어 있다. 선택적 투과성 장벽(150)은 환경수, 기체 및 영양성분의 자유로운 출입이 가능하며, 광합성 미생물의 자유로운 확산은 차단되는 것을 특징으로 한다. 또한 환경수의 유입이 가능함으로써, 광합성 미생물의 성장이 요구되는 영양성분의 공급 및 광합성 미생물 성장과정에서 배출되는 노폐물이 환경수와 함께 제거될 수 있다. 이는 별도의 영양공급 장치 및 정화장치 등이 요구되지 않기 때문에 비용, 시간 및 노동력을 절감하는 효과를 제공한다. 아울러 광합성 미생물의 광합성 과정에서 필요한 이산화탄소 공급 및 발생하는 산소의 배출이 선택적 투과성 장벽(150)을 통하여 이루어질 수 있고 광합성 미생물이 관리가능한 제한적인 배양용기 내에서 배양됨에 따라, 광합성 미생물의 대량 번식에 따른 환경오염을 방지할 수 있으며, 대량 배양된 광합성 미생물의 수확이 용이하다는 장점을 갖는다. 특히 본 발명의 일 실시예 따른 선택적 투과성 장벽(150)이 장착된 광생물반응기(100)는 내부의 부력재(미도시)와 하부에 설치하는 무게추(미도시)를 연결하여 투수도를 향상시킴으로써 배양 시간이 지남에 따라서 광합성 미생물 또는 기타 부유물에 의해 선택적 투과성 장벽의 망목이 막혀 환경수의 유출입 속도가 감소하고 생산성이 떨어지는 문제를 획기적으로 개선하였다. 이에 대한 설명은 도 2 내지 3에서 상세히 설명하기로 한다. 상기 환경수는 해수, 담수, 기수 또는 별도의 저장조로부터 이송된 물일 수 있다.

상기 선택적 투과성 장벽(150)는 물, 영양성분, 가스 및 광합성 미생물의 배설물의 자유로운 유입 및 유출이 가능하며, 광합성 미생물의 자유로운 확산이 차단되는 것을 특징으로 한다. 상기 선택적 투과성 장벽(150)는 고분자로 이루어진 섬유로 제조될 수 있고 상기 고분자는 생분해성 고분자 또는 난분해성 고분자일 수 있다. 상기 생분해성 고분자로는 폴리카프로락톤(poly(epsilon-caprolactone)), 폴리락트산(poly lactic acid), 폴리락트산-폴리카프로락톤 공중합체(poly(lactic-co-glycolic acid), 셀룰로오스(cellulose), 메틸셀룰로오스(methyl cellulose), 에틸셀룰루로오스(ethyl cellulose), 초산셀룰로오스(cellulose acetate), 니트로셀룰로오스(nitrocellulose), 커들란(curdlan), 폴리글루탐산(polyglutamic acid), 폴리라이신(polylysine), 폴리히드록시 알카노에이트(polyhydroxy alkanoate), 폴리에틸렌 글리콜(polyethylen glycol), 폴리글리콜산(poly(glycolic acid)) 또는 폴리에스테르(polyester)일 수 있다.

또한, 상기 난분해성 고분자로는 테프론(teflon, polytetrafluoroethylene), 폴리올레핀(polyolefine), 폴리아마이드(polyamides), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 실리콘(silicon), 폴리메틸 메타아크릴레이트(poly methly methacrylate), 폴리스티렌(polystyrene), 에틸렌-비닐 아세테이트 코폴리머, 폴리에틸렌-말레 안하이드리드 코폴리머, 폴리아미드(polyamide), 폴리(비닐 클로라이드), 폴리(비닐 플로라이드), 폴리비닐 이미다졸(poly(vinyl imidazole)), 클로로술포네이트 폴리올레핀(chlorosulphonate polyolefin), 폴리에틸렌 테트라프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 나일론(nylon), 저밀도 폴리에틸렌(low density polyethylene, LDPE), 고밀도 폴리에틸렌(high density polyethylene, HDPE), 아크릴(acryl), 폴리에테르케톤(polyetheretherketone), 폴리이미드(polyimide), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리우레탄(polyurethane) 또는 폴리에틸렌 옥시드(poly(ethylene oxide))일 수 있으나 타공 시트와 같이 기체, 물, 영양성분의 자유로운 통과가 허용되고 광합성 미생물의 자유로운 확산이 차단되는 소재라면 어느 것이라도 사용가능하다.

상기 광생물반응기(100)의 형태는 일반적으로 원형, 타원형, 원뿔형 및 원통형 등의 형태로 제조될 수 있으나 광합성 미생물을 수용할 수 있는 구조라면 어떤 형상이든 가능하다. 또한, 상기 광생물반응기(100) 장벽의 전부 또는 일부분이 선택적 투과성 장벽으로 제조될 수 있으며, 입체적인 형상을 유지하며 부유를 위하여 불투과성 또는 반투과성의 투명 또는 반투명 재질을 이용하여 제조될 수 있다. 예컨대 광합성 미생물을 수용한 플라스틱 용기의 일 단면을 선택적 투과성 장벽(150)를 이용하여 봉입하는 경우, 플라스틱 용기의 부력에 의하여 해수면 근처에 부유할 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 광생물반응기(100)의 측면도를 도시하고 있다. 도 2에 도시된 바와 같이 광생물반응기(100) 내부와 외부에 환경수의 유입으로 진동을 유발하는 진동장치(180)가 설치되어 있다. 상기 진동장치(180)의 구조는 환경수가 유입되면 광생물반응기(100) 바닥면에 설치된 지지대(120)의 상부 양쪽 끝으로부터 연결된 상부 연결선(115)에 의해 부력재(110)가 설치되고 상기 지지대(120)의 하부 양쪽 끝으로부터 연결된 하부 연결선(115)에 의해 무게추(130)가 연결되어 상기 광생물반응기(100) 하부를 지지하게 된다. 상기 지지대의 소재는 금속, 목재, 플라스틱, 고무, 유리 또는 암석일 수 있고 상기 진동장치(180)를 지지할 수 있는 어떠한 소재도 사용 가능하다.

상기 진동장치(180)의 원리는 상기 부력재(110)는 광생물반응기(100) 하부에 설치되는 무게추(130)와 지지대(120)를 통해 연결되어 파도가 광생물반응기(100)를 통과함에 따라 광생물반응기 내 배양액에 물결이 발생하고 파도의 마루가 지나갈 때 상기 부력재(110)가 선택적 투과성 장벽(150)을 들어올리며 파도의 골이 지나갈 때에는 상기 무게추(130)가 상기 선택적 투과성 장벽(150)을 끌어내려 진동시키기 때문에 상기 선택적 투과성 장벽(150)의 전체 또는 일부가 진동함에 따라 망목을 막고 있던 부유물질 또는 미세조류 세포의 분산을 유도하고 망목의 축적 현상을 지연시키기 때문에 진동장치(180)가 설치되지 않은 종래의 광생물반응기와 비교하여 물과 영양염의 투수도(permeability)가 훨씬 높게 유지되며 결론적으로 광합성 미생물의 생산성이 크게 증대되는 효과를 나타낸다. 상기 광생물반응기(100)는 상기 진동장치(180) 또는 별도의 부양수단에 의해 수면 위에 떠 있거나, 침강수단(예컨대 무게추)에 의해 수면 아래에 소정의 깊이로 가라앉도록 고안되어 환경수의 출입이 원활하게 이루어진다.

도 2에는 본 발명의 광생물반응기(100)의 구조를 이해하는데 도움이 주고자 참고예로 2개의 부력재(110)와 1개의 무게추(130)를 설치하여 도시하였으나 환경수의 종류, 유속(velocity of flow) 및 수심(depth of water)과 같은 환경조건이나 광생물반응기의 크기 또는 구조에 따라 다수의 부력재(110)와 무게추(130)를 설치하여 본 발명의 효과를 극대화할 수 있다. 이에 대한 변형예는 도 4에서 자세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 광생물반응기(100)의 평면도를 도시하고 있다. 도 3과 같이 광생물반응기(100)의 상부구조는 환경수의 유입을 차단하는 사각형의 구조면(140)이 형성되어 있고 내부에는 부력재(110)와 상기 부력재(110)를 연결하는 지지대(120)가 설치되어 있다. 상기 부력재(110)의 위치는 평면상에서 광생물반응기(100) 내부의 가로 양방향, 세로 양방향, 대각선 방향 또는 중앙에 설치 가능하나 본 발명의 효과 향상을 위해서는 광생물반응기(100) 내부에 어떠한 위치라도 설치 가능하다. 또한 상기 부력재(110)의 소재는 환경수 유입시 부력을 유지하는 투명 또는 불투명 소재 모두 사용가능하나 투명한 소재로 사용할 경우 빛이 배양액 깊숙히 침투하도록 도와주는 효과로 인해 미세조류를 고농도로 배양할 때 단위 면적당 빛 사용 효율 및 생산성을 증가시킬 수 있다. 상기 부력재(110)는 부력을 유지하는 수단으로 스티로폼, 부표, 나무조각, 투명 유리관 또는 플라스틱 통을 이용할 수 있고 상기 부력재(110)의 소재는 테프론(teflon, polytetrafluoroethylene), 폴리올레핀(polyolefine), 폴리아마이드(polyamides), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 실리콘(silicon), 폴리메틸 메타아크릴레이트(poly methly methacrylate), 폴리스티렌(polystyrene), 에틸렌-비닐 아세테이트 코폴리머, 폴리에틸렌-말레 안하이드리드 코폴리머, 폴리아미드(polyamide), 폴리(비닐 클로라이드), 폴리(비닐 플로라이드), 폴리비닐 이미다졸(poly(vinyl imidazole)), 클로로술포네이트 폴리올레핀(chlorosulphonate polyolefin), 폴리에틸렌 테트라프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 나일론(nylon), 저밀도 폴리에틸렌(low density polyethylene, LDPE), 고밀도 폴리에틸렌(high density polyethylene, HDPE), 아크릴(acryl), 폴리에테르케톤(polyetheretherketone), 폴리이미드(polyimide), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리우레탄(polyurethane) 또는 폴리에틸렌 옥시드(poly(ethylene oxide))일 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 광생물반응기(100)의 진동장치(180)가 점연결 또는 선연결되는 변형예를 나타내고 있다. 우선 제1진동장치(180a)는 광생물반응기(100) 중앙에 짧은 지지대(120)의 양말단에서 상부 연결선(115)으로 연결된 하나의 부력재(110) 및 하부 연결선(135)으로 연결된 하나의 무게추(130)로 구성되어 있다. 제2진동장치(180b)는 세로 양방향에 설치된 2개의 짧은 지지대(120) 상부에 부력재(110)가 설치되고 각각의 하부에 무게추(130)가 선 연결되어 있는 형태이다. 제3진동장치(180c)는 부력재(110)가 세로 양방향으로 설치되어 있고 상기 부력재(110)와 무게추(130)가 지지대(120)에 선 연결된 형태이고 제4진동장치(180d)는 부력재(110)가 가로 양방향으로 설치되어 있고 상기 부력재(110)와 무게추(130)가 지지대(120)에 선 연결된 형태이다. 제4진동장치(180d)의 지지대(120)는 부력재(110)가 가로 양방향으로 설치되어 있으므로 지지대(120)의 길이도 제3진동장치(180c)의 지지대(120) 보다 훨씬 짧게 구성되어 있다. 상기 진동장치(180)의 목적은 환경수 유입에 따라 투수도 향상 또는 영양염의 투과성 향상을 통한 광합성 미생물의 생산성 증가에 있으므로 설치 환경조건에 따라 다른 구조로 변형이 가능하다. 도 4의 진동장치(180)간의 가장 큰 차이는 부력재(110)와 무게추(130) 사이에 연결하는 지지대(120)의 존재인데 상기의 차이가 투수도에 어떠한 영향을 미치는지 하기 실험예 1을 통해 설명한다.

이하, 실험예를 통하여 본 발명을 더 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실험예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실험예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

실험예 1: 광합성 미생물의 투과성 측정

본 발명 일 실시에 따라 제조된 광생물반응기(100)를 해수면에 직접 설치하여 투수도 향상 여부를 관찰하였다.

구체적으로, 실험군은 진동장치(180)가 점으로 연결된 점 연결 실험군, 진동장치(180)가 선으로 연결된 선 연결 실험군 및 아무런 장치도 설치하지 않은 대조군으로 분류하고 총 6리터의 해수를 수용할 수 있는 광생물반응기(100)를 제작하였다(도 5). 상기 광생물반응기(100)에 광합성 미생물의 한 종류인 테트라셀미스 종이 1 g/L의 농도로 포함되어있는 자연해수 배양액을 넣고 해수면에 설치한 뒤 실험을 진행하였다(도 6). 10분경과 후 광생물반응기(100) 내에 남아있는 배양액의 양을 계량하여 광생물반응기(100)의 투수도를 평가하였고 해당 실험을 6번 반복하였다.

그 결과, 진동장치(180)가 점으로 연결된 점 연결 실험군, 진동장치(180)가 선으로 연결된 선 연결 실험군의 투수도는 대조군과 비교하여 각각 31% 및 60% 향상되었음을 관찰하였다. 따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 진동장치(180)가 점 또는 선연결된 광생물반응기(100)는 투수도를 유지 및 증가시키며 이에 따라 광합성 미생물 생산성을 높일 수 있다는 효과를 입증하였다(도 7 및 8). 또한 진동장치(180)에 설치된 부력재(110)와 무게추(130)의 부력/무게 비율을 달리하여 투수성을 비교분석하였다. A 실험군은 무게추(130) 없이 부력재(110)만 설치하였고, B 실험군은 부력과 무게의 비율이 5:1, C 실험군은 부력과 무게의 비율이 1:1로 조정하여 투수도를 평가하였다.

그 결과, 상기 분류에 따른 투수성에 대한 유효한 차이는 나타나지 않았다(도 9).

본 발명은 도면에 도시된 실시예 및 실험예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

100: 광생물반응기
110: 부력재
120: 지지대
130: 무게추
140: 구조면
150: 선택적 투과성 장벽
180: 진동장치

Claims

배양 대상 광합성 미생물과 환경수(environmental water)를 구획하는 장벽으로 둘러 싸여 있고, 상기 장벽의 전부 또는 일부가 선택적 투과성 장벽으로 구성된, 광합성 미생물 배양에 적합한 배양용기;
상기 배양용기의 바닥에 설치된 지지대; 및
상기 지지대 양 말단에서 줄로 연결되어 수면 위로 부상하는 부력재로 구성된 진동장치를 포함하는, 광생물반응기.
배양 대상 광합성 미생물과 환경수(environmental water)를 구획하는 장벽으로 둘러 싸여 있고, 상기 장벽의 전부 또는 일부가 선택적 투과성 장벽으로 구성된, 광합성 미생물 배양에 적합한 배양용기;
상기 배양용기의 바닥에 설치된 지지대;
상기 지지대 양 말단에서 줄로 연결되어 수면 위로 부상하는 부력재; 및
상기 지지대 양 말단에서 줄로 연결되어 수면 아래로 잠기는 무게추가 추가로 구성된 진동장치를 포함하는, 광생물반응기.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 선택적 투과성 장벽은 생분해성 고분자 또는 난분해성 고분자로 제조된, 광생물반응기.
제3항에 있어서,
상기 생분해성 고분자는 폴리카프로락톤(poly(epsilon-caprolactone)), 폴리락트산(poly lactic acid), 폴리락트산-폴리카프로락톤 공중합체(poly(lactic-co-glycolic acid), 셀룰로오스(cellulose), 메틸셀룰로오스(methyl cellulose), 에틸셀룰루로오스(ethyl cellulose), 초산셀룰로오스(cellulose acetate), 니트로셀룰로오스(nitrocellulose), 커들란(curdlan), 폴리글루탐산(polyglutamic acid), 폴리라이신(polylysine), 폴리히드록시 알카노에이트(polyhydroxy alkanoate), 폴리에틸렌 글리콜(polyethylen glycol), 폴리글리콜산(poly(glycolic acid)) 또는 폴리에스테르(polyester)인, 광생물반응기.
제3항에 있어서,
상기 난분해성 고분자는 테프론(teflon, polytetrafluoroethylene), 폴리올레핀(polyolefine), 폴리아마이드(polyamides), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 실리콘(silicon), 폴리메틸 메타아크릴레이트(poly methly methacrylate), 폴리스티렌(polystyrene), 에틸렌-비닐 아세테이트 코폴리머, 폴리에틸렌-말레 안하이드리드 코폴리머, 폴리아미드(polyamide), 폴리(비닐 클로라이드), 폴리(비닐 플로라이드), 폴리비닐 이미다졸(poly(vinyl imidazole)), 클로로술포네이트 폴리올레핀(chlorosulphonate polyolefin), 폴리에틸렌 테트라프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 나일론(nylon), 저밀도 폴리에틸렌(low density polyethylene, LDPE), 고밀도 폴리에틸렌(high density polyethylene, HDPE), 아크릴(acryl), 폴리에테르케톤(polyetheretherketone), 폴리이미드(polyimide), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리우레탄(polyurethane) 또는 폴리에틸렌 옥시드(poly(ethylene oxide))인, 광생물반응기.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 지지대는 선형 또는 막대형의 형상을 갖는, 광생물반응기.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 지지대의 소재는 금속, 목재, 플라스틱, 고무, 유리, 밧줄 또는 암석인, 광생물반응기.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 부력재는 상기 지지대의 양 말단에 각각 적어도 1개 이상이 연결되어 부력을 유지하는, 광생물반응기.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 부력재는 상기 지지대의 양 말단에 동시에 연결되는, 광생물반응기.
제9항에 있어서,
상기 부력재는 스티로폼, 부표, 나무조각, 투명 유리관 또는 플라스틱 통인, 광생물반응기.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 무게추는 상기 지지대의 양 말단 동시에 연결되되 상기 양 말단과 등거리를 유지하는, 광생물반응기.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 배양용기는 상부가 개방된 개방형 배양용기인, 광생물반응기.