KR20180066119A - 광합성 배양물을 위한 자체 전원식 라이트 - Google Patents

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KR20180066119A
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마리아 테레사 구티에레즈-윙
진우 최
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보드 오브 슈퍼바이저스 오브 루이지애나 스테이트 유니버시티 앤드 애그리컬추얼 앤드 메카니컬 컬리지
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Abstract

자체 전원식 라이트 시스템을 통하여 하나 이상의 광합성 배양물의 생산성을 증가시키기 위한 방법 및 시스템의 다양한 예가 제공된다. 일 예에서, 시스템은 방수성 케이싱 및 방수성 케이싱 내에 봉입된 라이트 모듈을 포함한다. 방수성 케이싱은 하나 이상의 광합성 배양물을 포함하는 배양 탱크 내에 중립적으로 부유되도록 구성된다. 다른 예에서, 방법은 배양 탱크 내에 자체 전원식 라이트 시스템을 배치하는 것을 포함하고, 자체 전원식 라이트 시스템은 배양 탱크 내에서 중립적으로 부유된다. 방법은 배양 탱크 내에 물의 난류를 유발하는 것을 더 포함하고, 자체 전원식 라이트 시스템은 배양 탱크 내의 물의 난류를 통하여 자체 전원식 라이트 시스템의 라이트에 전력 공급하기 위해 에너지를 수확한다.

Description

광합성 배양물을 위한 자체 전원식 라이트
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 본 명세서에 그대로 참조로서 합체되어 있는 2015년 10월 7일 출원된 발명의 명칭이 "광합성 배양물을 위한 자체 전원식 라이트(SELF-POWERED LIGHTS FOR PHOTOSYNTHETIC CULTURES)"인 계류중인 미국 가출원 제62/238,274호의 우선권 및 이익을 청구한다.
바이오제품으로서 미세조류(microalgae) 및 남조세균(cyanobacteria)과 같은 광합성 미생물에 대한 관심이 최근에 상당히 늘어나고 있다. 이 관심은 화석 연료와 연계된 가격 변동 및 안전 위험에 의해 증진되어 왔다. 연료의 비용을 감소시키기 위한 요구는 바이오연료보다 경제적으로 더욱 더 매력적일 수 있는 다른 미세조류 바이오제품에서 관심이 증진되어 왔다. 이들 제품은 다른 무엇보다도 약제, 영양보조제, 비료, 사료(feeds), 식품 첨가제, 및 색소를 포함할 수 있다.
미세조류 생산성은 최대 2,470 내지 12,345 gal oil(hectare·yr)-1을 갖고, 다른 농작물의 생산성보다 높지만, 이를 경쟁적이게 하기 위해 처리되어야 할 필요가 있는 몇몇 제한이 존재한다. 바이오연료 및 다른 바이오제품의 사용에 있어서의 주요 장애 중 하나는 광의 가용성이다[1-3]. 이용 가능한 자연광을 사용하는 옥외에서 유지되는 배양물에 있어서, 배양물의 깊이 및 따라서 생산성은 주어진 영역에서 광 침투 및 가용성에 의해 제한된다. 인공광으로 유지되는 배양물에 있어서, 조명을 위한 에너지는 미세조류 바이오매스(biomass) 생산의 비용의 상당한 부분일 수 있는 데, 몇몇 경우에 비용의 50% 이상에 도달한다[4-7]. 광량 이외에, 파장 분포가 또한 미세조류 바이오매스 생산에 영향을 미친다. 파장이 바이오매스 생산성 뿐만 아니라, 또한 그 조성에 영향을 미친다는 것이 판명되어 있다.
다수의 전략이 광의 비용을 감소시키고 미세조류의 면적 생산성을 증가시키기 위해 탐구되어 왔다. 이들 전략 중에는, 박층 광생물 반응기, 도파로를 갖는 적층형 반응기, 관형 광생물 반응기, 잠수형 라이트 스트립(light strip) 및 다수의 다른 것들이 있다. 이들 방법 중 어느 것도 기본 조명 문제점: 1) 자연광을 사용하는 배양물에 있어서, 단위 면적당 광에너지의 고정된 제한된 가용성, 일일 주기(diurnal cycle)(밤/낮) 및 광 침투의 깊이; 및 2) 인공광에 의한 배양에 있어서, 조명 및 광 침투를 제공하기 위한 전기 에너지의 비용을 극복하지 못한다.
본 개시내용의 실시예는 물 이동으로부터 에너지를 수확하도록 구성된 광합성 유기체의 배양을 위해 사용된 자체 전원식 라이트 시스템에 관련된다.
일 실시예에서, 다른 무엇보다도, 하나 이상의 광합성 배양물의 생산성을 증가시키기 위한 시스템은 방수성 케이싱 및 방수성 케이싱 내에 봉입된 라이트 모듈을 포함한다. 방수성 케이싱은 하나 이상의 광합성 배양물을 포함하는 배양 탱크 내에 중립적으로 부유되도록 구성된다.
이들 실시예의 하나 이상의 양태에서, 라이트 모듈은 발광 다이오드(LED) 및 배터리를 포함할 수 있고, LED는 배터리에 의해 전력 공급된다. 이들 실시예의 하나 이상의 양태에서, 라이트 모듈은 LED 및 전력 수확 디바이스를 포함할 수 있고, LED는 전력 수확 디바이스에 의해 전력 공급된다. 이들 실시예의 하나 이상의 양태에서, 전력 수확 디바이스는 하나 이상의 전자기 구성요소를 포함할 수 있다. 이들 실시예의 하나 이상의 양태에서, 전력 수확 디바이스는 하나 이상의 압전 구성요소를 포함할 수 있다. 이들 실시예의 하나 이상의 양태에서, 전력 수확 디바이스는 저 주위 모션 주파수에서 동작 가능할 수 있다. 이들 실시예의 하나 이상의 양태에서, 전력 수확 디바이스는 배양 탱크 내의 물 난류에 의해 유발된 방수성 케이싱의 이동에 응답하여 에너지를 수확할 수 있다. 물 난류는 폭기(aeration)에 의해 유발될 수 있다. 물 난류는 기계적 교반에 의해 유발될 수 있다. 물 케이싱은 투명할 수 있다. 하나 이상의 양태에서, 라이트 모듈의 적어도 일부는 형광성 페인트 또는 형광성 염료 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 다른 무엇보다도, 방법은 배양 탱크 내에 자체 전원식 라이트 시스템을 배치하는 것으로서, 자체 전원식 라이트 시스템은 배양 탱크 내에서 중립적으로 부유되는 것인, 자체 전원식 라이트 시스템을 배치하는 것; 및 배양 탱크 내에 물의 난류를 유발하는 것을 포함한다. 자체 전원식 라이트 시스템은 배양 탱크 내의 물의 난류를 통하여 자체 전원식 라이트 시스템의 라이트에 전력 공급하기 위해 에너지를 수확한다. 이들 실시예의 하나 이상의 양태에서, 배양 탱크는 하나 이상의 광합성 배양물을 포함할 수 있다. 이들 실시예의 하나 이상의 양태에서, 라이트는 발광 다이오드(LED)를 포함할 수 있고, 자체 전원식 라이트 시스템은 물의 난류를 통하여 에너지를 수확하도록 구성된 전력 수확 디바이스를 더 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 다른 무엇보다도, 시스템은 하나 이상의 광합성 배양물을 갖는 배양 탱크, 및 배양 탱크 내에 배치된 자체 전원식 라이트 시스템으로서, 자체 전원식 라이트 시스템은 배양 탱크 내에서 중립적으로 부유되는 것인, 자체 전원식 라이트 시스템을 포함한다. 이들 실시예의 하나 이상의 양태에서, 자체 전원식 라이트 시스템은 방수성 케이싱 내에 봉입된 발광 다이오드(LED)에 결합된 전력 수확 디바이스를 포함한다. 이들 실시예의 하나 이상의 양태에서, 방수성 케이싱은 투명할 수 있다. 이들 실시예의 하나 이상의 양태에서, 전력 수확 디바이스는 하나 이상의 전자기 구성요소를 포함한다. 이들 실시예의 하나 이상의 양태에서, 전력 수확 디바이스는 하나 이상의 압전 구성요소를 포함한다. 이들 실시예의 하나 이상의 양태에서, 전력 수확 디바이스는 배양 탱크 내의 적어도 물의 난류에 의해 유발된 자체 전원식 라이트 시스템의 이동을 통하여 LED에 전력 공급하기 위해 에너지를 수확한다. 이들 실시예의 하나 이상의 양태에서, 물의 난류는 폭기를 통하여 유발된다. 이들 실시예의 하나 이상의 양태에서, 물의 난류는 기계식 교반을 통하여 유발된다. 이들 실시예의 하나 이상의 양태에서, 자체 전원식 라이트 시스템의 적어도 일부는 형광성 페인트 또는 형광성 염료 중 적어도 하나를 포함한다.
본 개시내용의 다른 디바이스, 시스템, 방법, 특징 및 장점은 이하의 도면 및 상세한 설명의 검토시에 당 기술분야의 숙련자에게 명백하거나 명백해질 것이다. 모든 이러한 부가의 디바이스, 시스템, 방법, 특징 및 장점은 본 설명 내에 포함되고, 본 개시내용의 범주 내에 있고, 첨부된 청구범위에 의해 보호되는 것으로 의도된다.
본 개시내용의 다수의 양태는 이하의 도면을 참조하여 더 양호하게 이해될 수 있다. 도면의 구성요소는 반드시 실제 축척대로 도시되어 있는 것은 아니고, 본 개시내용의 원리를 명백하게 예시할 때 강조가 부여되어 있다. 더욱이, 도면에서, 유사한 도면 부호는 다수의 도면 전체에 걸쳐 대응 부분을 나타낸다.
도 1은 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 라이트 시스템의 사시도의 예이다.
도 2는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 도 1의 라이트 시스템의 분해도의 예이다.
도 3은 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 도 1의 라이트 시스템의 라이트 모듈의 개략도의 예이다.
도 4a 및 도 4b는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 도 1의 라이트 시스템의 전력 수확 디바이스의 개략도의 예이다. 도 4a는 전자기 구성요소를 갖는 전력 수확 디바이스를 도시하고 있다. 도 4b는 압전 구성요소를 갖는 전력 수확 디바이스를 도시하고 있다.
도 5는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 도 1의 라이트 시스템의 정류 회로의 개략도의 예를 도시하고 있다.
도 6은 전원이 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 배터리를 포함하는, 도 1의 라이트 시스템의 예시적인 라이트 모듈의 사시도를 도시하고 있다.
도 7은 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 배양 탱크 내에 배치된 도 1의 라이트 시스템의 사시도를 도시하고 있다.
배양 탱크 내의 물 이동으로부터 에너지를 수확하도록 구성된 광합성 유기체의 배양을 위해 사용된 자체 전원식 라이트 시스템을 위한 시스템 및 방법이 본 명세서에 개시된다. 이제, 유사한 도면 부호가 다수의 도면 전체에 걸쳐 유사한 부분을 지시하고 있는 도면에 도시되어 있는 바와 같은 실시예의 설명을 상세히 참조할 것이다. 본 개시내용은 설명된 특정 실시예에 한정되는 것은 아니라, 이와 같이 물론 다양할 수도 있다. 본 명세서에 사용된 용어는 단지 특정 실시예를 설명하는 목적에 소용되고, 본 개시내용의 범주는 단지 첨부된 청구범위에 의해서만 한정되는 것은 아니기 때문에, 한정이 되도록 의도된 것은 아니다.
값의 범위가 제공되면, 그 범위의 상한 및 하한과 그 언급된 범위 내의 임의의 다른 언급된 또는 중간값 사이의 명백히 달리 지시되지 않으면 하한의 단위의 1/10까지의 각각의 중간값은 본 개시내용 내에 포함된다. 이들 더 작은 범위의 상한 및 하한은 더 작은 범위에 독립적으로 포함될 수도 있고, 또한 본 개시내용 내에 포함되어, 언급된 범위 내의 임의의 구체적으로 배제된 한계치를 받게 된다. 언급된 범위가 한계치 중 하나 또는 모두를 포함하면, 이들 포함된 한계치 중 어느 하나 또는 모두를 배제하는 범위가 또한 본 개시내용에 포함된다.
이하의 예는 어떻게 본 명세서에 개시되고 청구된 방법을 수행하고 구조체를 사용하는지의 완전한 개시 및 설명을 당 기술분야의 숙련자들에게 제공하기 위해 설명된다. 수(예를 들어, 양, 온도 등)에 관하여 정확성을 확실하게 하기 위한 시도가 이루어졌지만, 몇몇 오차 및 편차가 고려되어야 한다. 달리 지시되지 않으면, 부는 중량부이고, 온도는 ℃이고, 압력은 기압 또는 거의 기압이다. 표준 온도 및 압력은 20℃ 및 1 기압으로서 정의된다.
본 개시내용의 실시예를 상세히 설명하기 전에, 달리 지시되지 않으면, 본 개시내용은 이러한 것들이 다양할 수 있기 때문에, 특정 재료, 반응제, 반응 물질, 제조 프로세스, 치수, 주파수 범위, 용례 등에 한정되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 본 명세서에 사용된 용어는 단지 특정 실시예를 설명하는 목적이고, 한정이 되도록 의도된 것은 아니라는 것이 또한 이해되어야 한다. 본 개시내용에서, 단계들은 논리적으로 가능한 경우에 상이한 시퀀스로 실행될 수 있는 것이 또한 가능하다. 본 개시내용의 실시예는 본 명세서에 설명된 예 이외의 측정치를 수반하는 부가의 실시예에 적용될 수 있는 것이 또한 가능한데, 이들 실시예는 한정이 되도록 의도된 것은 아니다. 본 개시내용의 실시예가 본 명세서에 설명된 예 이외의 다른 측정 기술과 조합되거나 통합될 수 있는 것이 더욱이 가능한데, 이들 실시예는 한정이 되도록 의도된 것은 아니다.
명세서 및 첨부된 청구범위에 사용될 때, 단수 형태의 표현은 문맥상 명백히 달리 지시되지 않으면, 복수의 지시대상을 포함한다는 것이 주목되어야 한다. 따라서, 예를 들어, "지지부"의 언급은 복수의 지지부를 포함한다. 본 명세서 및 이어지는 청구범위에서, 반대의 의도가 명백하지 않으면, 이하의 의미를 갖도록 정의될 것인 다수의 용어가 참조될 것이다.
본 개시내용의 실시예는 대응 본문 및 도면과 관련하여 설명되지만, 본 개시내용을 이들 설명의 실시예에 한정하려는 의도는 없다. 반대로, 의도는 본 개시내용의 실시예의 사상 및 범주에 포함되는 모든 대안, 변형 및 등가물을 커버하는 것이다.
광합성 유기체의 배양을 위한 종래의 라이트 시스템은 이하의 조명 문제점: 1) 자연광을 사용하는 배양에 있어서, 단위 면적당 광에너지의 고정된 제한된 가용성, 일일 주기(밤/낮) 및 광 침투의 깊이가 존재하고; 및 2) 인공광에 의한 배양에 있어서, 조명 및 광 침투를 제공하기 위한 전기 에너지의 비용이 존재하는 문제점을 극복하지 못한다.
본 개시내용은 자체 전원식 발광 다이오드(LED) 기반 중립적 부력 라이트 시스템을 통해 이들 문제점을 처리한다. 본 개시내용의 라이트 시스템은 이들의 생산성을 증가시키고 배양물 깊이의 제한을 감소시키기 위해 미세조류/남조세균 배양에 사용될 수 있는 자체 전원식 광원을 야기한다. 라이트 시스템은 원하는 제품을 얻기 위해 목표 종에 의해 더 효율적으로 이용될 수 있는 파장에서 광을 전달하도록 미세 조정될 수 있는 효율적인 LED 기반 라이트와 결합하여, 배양물을 현탁 상태로 유지하는 데 요구되는 이동을 이용하는 에너지 수확 디바이스를 각각 통합한 하나 이상의 부유 유닛을 포함한다.
주위 환경으로부터의 에너지 채집(scavenging) 및 수확은 가능하게는 배터리의 사용을 제거할 수 있는 데, 이는 센서 네트워크와 같은 자립형 디바이스 용례를 가능하게 하면서, 폐기된 배터리에 의해 유발되는 환경 오염 및 유지보수의 비용을 감소시킨다. 태양 전지가 잘 알려진 에너지 수확 디바이스이지만, 이는 현재 용례를 위해 실용적이지 않다. 대안으로서, 주위 모션 및 진동이 전기로 변환되면 유망하고 풍부한 에너지원일 수 있다[8]. 과거 수년에 걸쳐, 기계 시스템 또는 자동차에 의해 발생된 고주파수 진동 또는 공진으로부터 소규모 에너지 수확 디바이스를 개발하려는 연구 시도가 존재해 왔다[9, 10]. 그럼에도 불구하고, 실제 용례에서, 저주파수 모션으로부터 에너지를 수확하는 것이 웨어러블/휴대형 전자 디바이스, 해양 및 환경 모니터링 센서 네트워크, 및 다른 옥외 또는 군사 용도를 위해 더 중요하고 유용하다. 채집된 에너지는 일반적으로 작을 것이지만, 소규모 전자 센서 및 저전력 LED 조명을 위해 적합할 수 있다.
본 개시내용의 라이트 시스템은 조류 배양물을 현탁 상태로 유지하는 데 요구되는 물 이동으로부터 에너지를 수확할 수 있다. 종래의 시스템은 재충전식 시스템의 형태로 또는 콘센트(outlet)에 직접 플러그 접속되어 이들의 전력을 얻기 위해 전기에 의존한다. 본 개시내용의 자체 전원식 라이트는 조명을 위한 전기 소비를 최소로 감소시킨다. 본 개시내용의 다양한 실시예에 따르면, 광원은 배양 구조체에 부착되지 않고, 배양물의 전체 깊이 전체에 걸쳐 분산된다. 종래의 인공 조명 가용 옵션은 배양물의 상부에 걸려 있거나 또는 다수의 라이트의 어레이로 고정된 위치에 잠수되어 있다. 본 개시내용의 분산된 중립적 부유 라이트는 배양물 깊이의 제한을 제거하고, 연속적으로 재사용될 수 있다. 부가적으로, 본 개시내용의 라이트 시스템 유닛은 임의의 특수 인프라구조 또는 설비를 필요로 하지 않는다. 라이트 시스템 유닛은 수로(raceway), 연못, 또는 바이오 반응기를 포함하여, 임의의 형상의 탱크 내에 사용될 수 있다. 종래의 제안은 배양 시스템의 기하학 형상 및 용량에 따라 계산되어야 한다.
본 개시내용의 라이트 시스템은 예를 들어, 미세조류, 남조세균, 규조, 섬질 조류, 및/또는 기타 등등과 같은 임의의 광합성 유기체의 배양을 위해 사용될 수 있다. 미세조류/남조세균 바이오매스의 부산물의 농도는 상이한 파장 분포를 갖는 라이트의 사용을 통해 조작될 수 있다(예를 들어, 대략 620 내지 700 ㎚ 또는 400 내지 480 범위의 라이트가 몇몇 종에서 성장률을 증가시킬 수 있고, 반면에 약 490 내지 550의 범위에서는 엽록소 함량을 증가시킬 수 있음). 상이한 컬러의 라이트가 미세조류에 의해 생성된 색소 및 지질의 농도 및 유형에 영향을 미칠 수 있다[4, 6, 12, 13]. 본 개시내용의 시스템은 예를 들어, 폐쇄형 반응기, 지하 시설, 심층 배양(deep culture) 및/또는 전통적인 방법으로 수용될 수 없는 다른 시스템과 같은, 자연광이 제한된 또는 자연광을 갖지 않는 환경에서 배양으로 확장될 수 있다. 다양한 실시예에서, 본 개시내용의 라이트 시스템은 에너지 비용을 거의 또는 전혀 갖지 않고, 유일한 라이트 시스템으로서 또는 예를 들어, 자연광, 오버헤드 라이트 및/또는 기타 등등과 같은 다른 조명 전략의 보완물로서 사용될 수 있다.
도 1은 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 라이트 시스템의 예를 제공한다. 본 개시내용의 라이트 시스템은 밀봉된 방수성 케이싱(14) 내에 봉입되어 배치된 라이트 모듈(12)을 포함하는 하나 이상의 유닛(10)을 포함한다. 도 3에 관하여 더 상세히 설명되는 바와 같이, 라이트 모듈(12)은 광원(18)에 결합된 전원(16)을 포함한다. 라이트 시스템 유닛(10)의 케이싱(14)은 라이트 모듈(12)을 수납하도록 치수 설정된 방수성 투명 케이싱을 포함한다. 케이싱(14)은 미세조류 배양물 내에 중립적으로 부유하는 것이 가능한 투명 폴리머 재료 및/또는 다른 적합한 재료를 포함할 수 있다. 광원(18) 및 전원(16)을 포함하는 라이트 모듈(12)은 방수성 케이싱(14) 내에 배치된다.
도 2는 케이싱(14) 내에 배치된 라이트 모듈(12)의 분해도의 예를 도시하고 있다. 특히, 도 2는 케이싱의 상부 부분(20) 및 라이트 모듈(12)이 그 내부에 배치되어 있는 케이싱(14)의 하부 부분(22)을 도시하고 있다. 상부 부분(20) 및 하부 부분(22)은 서로 연결되어 밀봉된 폐쇄체를 형성하여, 이에 의해 액체가 밀봉된 케이싱(14)의 내부 내로 진입할 수 있는 것을 방지하도록 구성된다. 몇몇 실시예에서, 접착제 재료가 상부 부분(20)을 하부 부분(22)에 연결하는 이음매 주위에 배치될 수도 있어 밀봉부가 확실한 것을 또한 보장하여, 밀봉된 케이싱(14)의 내부 내로 액체가 진입하는 능력을 제거한다.
이제, 도 3을 참조하면, 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 라이트 모듈(12)의 개략도의 예가 도시되어 있다. 라이트 모듈(12)은 광원(18)에 결합된 전원(16)을 포함한다. 광원(18)은 발광 다이오드(LED) 및/또는 다른 적합한 광원을 포함할 수 있다. 광원(16)은 전력 수확 디바이스(26)(도 4a 및 도 4b), 배터리(28)(도 6), 배터리와 전력 수확 디바이스의 조합, 및/또는 다른 적절한 전원을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 광원은 이해될 수 있는 바와 같이 원하는 파장에 대해 조정하도록 형광성 페인트 또는 염료에 의해 부분적으로 착색될 수 있다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 전력 수확 디바이스(26)를 포함하는 전원(16)의 개략도의 예가 도시되어 있다. 전원(16)은 낮은 주위 모션 주파수(예를 들어, 0.1 Hz 내지 100 Hz)에서 동작 가능하도록 구성된 전력 수확 디바이스(26)를 포함한다. 전력 수확 디바이스(26)는 전자기 채집 방법(도 4a), 압전 전력 채집 방법(도 4b), 및/또는 임의의 다른 적절한 채집 방법에 따라 동작 가능하도록 구성될 수 있다. 도 4a는 전자기 구성요소(30)(예를 들어, 일반적인 전자기 코일, 패러데이 전자기 코일, 테슬라 전자기 코일, 정전형 전극, 마찰전기형 전극 등)를 포함하는 전력 수확 디바이스(26)를 도시하고 있고, 도 4b는 압전 구성요소(32)(예를 들어, 압전 필름, 압전 나노와이어, 압전 나노와이어 포레스트 등)를 포함하는 전력 수확 디바이스(26)를 도시하고 있다. 전자기 구성요소(30) 또는 압전 구성요소(32)를 사용하여, 전력 수확 디바이스(26)는 라이트 시스템 유닛(10)의 이동으로부터 에너지를 발생하고 광원(18)에 전력을 제공하도록 구성된다.
몇몇 실시예에서, 전력 수확 디바이스(26)는 신속 원형 제작 기술을 사용하여 제작된 소형화된 비틀림 스프링 구조체 및 예를 들어, 네오디뮴 자석(NdFeB) 및/또는 다른 적절한 희토류 자석과 같은 소형(예를 들어, 약 3 ㎜ 직경 및 약 1 ㎜ 두께) 자석을 포함하는 전자기 구성요소(30)를 포함한다. 전력 수확 디바이스(26)는 마이크로제조된 마이크로코일, 집에서 제조된 코일(house-made coil), 기성품 소형화 코일 및/또는 다른 적절한 코일을 더 포함할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 전력 수확 디바이스(26)는 약 1 ㎤(1 ㎝×1 ㎝×1 ㎝)으로 치수 설정된다. 전자기 유도가 교류(AC)를 제공하기 때문에, 전하 저장 디바이스(예를 들어, 커패시터)를 갖는 간단한 정류 회로가 광원에 전력 공급하기 위해 직류(DC) 전력을 얻는 데 필요할 것이다. 채집된 전압은 극히 낮을 수 있기 때문에, 통상의 정류 및 조절 회로는 전력 관리 문제를 극복하는 데 적합하지 않을 수도 있다.
도 5는 극저 전압 변환을 위한 2단계 전압 변환을 나타내고 있는 간단한 정류 회로(34)의 예를 도시하고 있다. 2단계 전압 변환의 제1 단계는 최대 약 500 내지 1,000 ㎷ 또는 10배로 착신 AC 신호(38)를 부스팅하기 위해 마이크로변환기(36)를 사용하는 AC/AC 전압 승압이다. 증폭된 신호(40)는 이어서 광원(18)을 파워업하는 데 사용될 수 있는 DC 출력 전압(44)을 발생하기 위해 표면 장착형 전자 전압 변환기 회로(42)에 공급될 것이다. 몇몇 실시예에서, 전원(16)은 수확 디바이스(26) 및 배터리(28)를 조합하여 포함한다. 몇몇 실시예에서, 배터리(28)는 재충전식일 수 있고, DC 출력 전압(44)은 이어서 광원(18)에 전력 공급하는 데 사용되는 배터리(28)를 충전하는 데 사용될 수도 있다.
실험에서, IC를 갖는 전력 정류 회로(34)(예를 들어, 미국 캘리포니아주 밀피타스 소재의 Linear Technology Corp.로부터의 LTC3109)가 시뮬레이션된 AC 전류를 정류하기 위해 시험되었다. 결과는 정류 회로(34)가 광원(18)을 턴온하는 데 충분한, 교류 AC 전압 입력을 갖는 최대 약 4.1 V의 출력 DC 전압을 생성할 수 있다는 것을 나타내고 있다. 제조된 디바이스는 실제 이벤트를 모방하는 모션 주파수(주위 모션) 및 인가된 가속도(또는 관성력)의 다양한 조건에서 특징화될 수 있다. 전력 발생은 마이크로와트(㎼) 범위일 수 있지만, 공진기 구조체 및 치수를 최적화함으로써 전력 레벨을 더 향상시키는 것이 가능하다.
전원(16)의 바람직한 실시예는 주위 모션(예를 들어, 배양 탱크 내의 유닛의 이동) 및/또는 인가된 가속도(예를 들어, 관성력)에 관련된 것으로부터 에너지를 수확하는 전력 수확 디바이스(26)를 포함하지만, 전원(16)은 다양한 실시예에 따른 배터리(28)를 포함할 수 있다. 도 6은 광원(18)을 전력 공급하는 배터리(28)를 포함하는 라이트 모듈(12)을 도시하고 있다.
도 7은 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 배양 탱크(46) 내에 배치된 본 개시내용의 라이트 시스템 유닛(10)의 예를 도시하고 있다. 배양 탱크(46)는 수로, 연못, 또는 바이오 반응기를 포함하여, 이해될 수 있는 바와 같이 임의의 유형 및 형상의 배양 탱크를 포함한다. 라이트 시스템 유닛(10)은 배양 탱크(46) 내에 배양물과 함께 자유 부유할 수 있다. 배양 탱크(46) 내의 물의 이동은 활발한 폭기, 기계적 교반(예를 들어, 패들), 및/또는 조류 배양을 위한 적절한 난류를 생성하기 위한 다른 적합한 방법에 의해 유발될 수도 있다. 라이트 시스템 유닛은 물의 이동에 응답하여 이동하기 때문에, 전원(16)은 광원(18)에 전력 공급하는 데 사용된 에너지를 유닛의 주위 에너지를 통하여 발생한다.
라이트의 유형 및 세기가 미세조류/남조세균 배양물의 성장 및 조성에 영향을 미친다는 것이 양호하게 문서로 기록되어 있다. 본 개시내용의 현탁된 라이트 시스템 유닛(10)의 효과를 시험하기 위해, 관심의 미세조류 및 남조세균 종은 배양 탱크(46) 내에서 0.1의 광학 밀도로 접종될(inoculated) 수 있다. 배양물은 광학 밀도가 평탄역에 도달할 때까지 Bold's Basal 배지 내에 유지될 수 있다[14]. 성장률은 광학 밀도에 기초하여 추정될 수 있다. 광학 밀도 대 건식 바이오매스의 캘리브레이션 곡선이 시간에 따른 바이오매스 증가를 추정하기 위해 준비될 수 있다. 색소 함량(선택된 종에 따라, 엽록소 또는 피코시아닌)은 분광 분석 및/또는 형광법에 의해 측정될 수 있다. 바이오매스 및 지질 생산성이 추정될 수 있다. 광 분포 및 세기에 대한 바이오매스 밀도의 효과가 측정될 수 있다. 이 작업의 결과는, 이해되는 바와 같이, 배양 밀도 및 성장률에 기초하여, 요구된 현탁된 라이트의 수 및 세기를 지시할 수 있다. 광학 밀도는 640 ㎚의 파장에서 분광분석계에 의해 측정될 수 있다(HACH 6000). 영양소는 분광분석법으로 측정될 수 있다(HACH 6000). pH, 온도, 및 ORP가 프로브로 측정될 수 있다(HACH).
비, 농도, 양, 및 다른 수치 데이터는 범위 포맷으로 본 명세서에 표현될 수도 있다는 것이 주목되어야 한다. 이러한 범위 포맷은 편의 및 간략성을 위해 사용된 것이고, 따라서 범위의 한계치로서 명시적으로 언급된 수치값을 포함할 뿐만 아니라, 또한 각각의 수치값 및 하위범위가 명시적으로 언급되는 것처럼 그 범위 내에 포함된 모든 개별 수치값 또는 하위범위를 포함하는 것으로 탄력적인 방식으로 해석되어야 한다는 것이 이해되어야 한다. 예시를 위해, "약 0.1% 내지 약 5%"의 농도 범위는 약 0.1 wt% 내지 약 5 wt%의 명시적으로 언급된 농도뿐만 아니라, 또한 지시된 범위 내의 개별적인 농도(예를 들어, 1%, 2%, 3%, 및 4%) 및 하위 범위(예를 들어, 0.5%, 1.1%, 2.2%, 3.3%, 및 4.4%)를 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 실시예에서, 용어 "약"은 수치값의 중요한 숫자에 따라 전통적인 어림을 포함할 수 있다. 게다가, 구문 "약 'x' 내지 'y'"는 "약 'x' 내지 약 'y'"를 포함한다.
본 개시내용의 단지 몇몇 실시예가 본 명세서에 도시되어 있고 설명되어 있지만, 다양한 수정 및 변경이 본 개시내용의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않고 본 개시내용에 이루어질 수 있다는 것이 당 기술분야의 숙련자들에게 명백할 것이다. 첨부된 청구범위의 범주 내에 있는 모든 이러한 수정 및 변경이 이에 의해 수행되도록 의도된다.
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10 : 유닛 12 : 라이트 모듈
14 :케이싱 16 : 전원
18 : 광원 20 : 상부 부분
22 : 하부 부분 26 : 전력 수확 디바이스
28 : 배터리 30 : 전자기 구성요소
32 : 압전 구성요소 36 : 마이크로변환기

Claims (20)

  1. 하나 이상의 광합성 배양의 생산성을 증가시키기 위한 시스템으로서,
    방수성 케이싱; 및
    상기 방수성 케이싱 내에 봉입된 라이트 모듈
    을 포함하고, 상기 방수성 케이싱은 하나 이상의 광합성 배양물을 포함하는 배양 탱크 내에 중립적으로 부유되도록 구성되는 것인 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 라이트 모듈은 발광 다이오드(LED) 및 배터리를 포함하고, 상기 LED는 상기 배터리에 의해 전력 공급되는 것인 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 라이트 모듈은 LED 및 전력 수확 디바이스를 포함하고, 상기 LED는 상기 전력 수확 디바이스에 의해 전력 공급되는 것인 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 전력 수확 디바이스는 하나 이상의 전자기 구성요소를 포함하는 것인 시스템.
  5. 제3항에 있어서, 상기 전력 수확 디바이스는 하나 이상의 압전 구성요소를 포함하는 것인 시스템.
  6. 제3항에 있어서, 상기 전력 수확 디바이스는 저(低) 주위 모션 주파수에서 동작 가능한 것인 시스템.
  7. 제3항에 있어서, 상기 전력 수확 디바이스는 상기 배양 탱크 내의 물 난류(亂流)에 의해 유발된 상기 방수성 케이싱의 이동에 응답하여 에너지를 수확하는 것인 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 물 난류는 폭기에 의해 유발되는 것인 시스템.
  9. 제7항에 있어서, 상기 물 난류는 기계적 교반에 의해 유발되는 것인 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 방수성 케이싱은 투명한 것인 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 라이트 모듈의 적어도 일부는 형광성 페인트 또는 형광성 염료 중 적어도 하나를 포함하는 것인 시스템.
  12. 배양 탱크 내에 자체 전원식 라이트 시스템을 배치하는 단계로서, 상기 자체 전원식 라이트 시스템은 상기 배양 탱크 내에서 중립적으로 부유되는 것인, 자체 전원식 라이트 시스템을 배치하는 단계; 및
    상기 배양 탱크 내에 물의 난류를 유발하는 단계
    를 포함하고, 상기 자체 전원식 라이트 시스템은 상기 배양 탱크 내의 물의 난류를 통하여 상기 자체 전원식 라이트 시스템의 라이트에 전력 공급하기 위해 에너지를 수확하는 것인 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 배양 탱크는 하나 이상의 광합성 배양물을 포함하는 것인 방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 라이트는 발광 다이오드(LED)를 포함하고, 상기 자체 전원식 라이트 시스템은 물의 난류를 통하여 에너지를 수확하도록 구성된 전력 수확 디바이스를 더 포함하는 것인 방법.
  15. 하나 이상의 광합성 배양물을 포함하는 배양 탱크; 및
    상기 배양 탱크 내에 배치된 자체 전원식 라이트 시스템으로서, 상기 자체 전원식 라이트 시스템은 상기 배양 탱크 내에서 중립적으로 부유되는 것인, 자체 전원식 라이트 시스템
    을 포함하는 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 상기 자체 전원식 라이트 시스템은 방수성 케이싱 내에 봉입된 발광 다이오드(LED)에 결합된 전력 수확 디바이스를 포함하는 것인 시스템.
  17. 제16항에 있어서, 상기 전력 수확 디바이스는 하나 이상의 전자기 구성요소 또는 하나 이상의 압전 구성요소 중 적어도 하나를 포함하는 것인 시스템.
  18. 제16항에 있어서, 상기 전력 수확 디바이스는 적어도 상기 배양 탱크 내에서의 물의 난류에 의해 유발된 상기 자체 전원식 라이트 시스템의 이동을 통하여 상기 LED에 전력 공급하도록 에너지를 수확하는 것인 시스템.
  19. 제18항에 있어서, 상기 물의 난류는 폭기 또는 기계적 교반을 통하여 유발되는 것인 시스템.
  20. 제15항에 있어서, 상기 자체 전원식 라이트 시스템의 적어도 일부는 형광성 페인트 또는 형광성 염료 중 적어도 하나를 포함하는 것인 시스템.
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