KR20210106112A - 바이오광물화를 이용한 헤마토코쿠스 플루비알리스 생산방법 - Google Patents

바이오광물화를 이용한 헤마토코쿠스 플루비알리스 생산방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 바이오광물화를 이용한 헤마토코쿠스 플루비알리스 생산방법에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 헤마토코쿠스 플루비알리스 생산방법은 (a) 배지에 이산화탄소를 공급하여, 탄산수소 이온(HCO3 -)을 생성하는 단계(S100), (b) 이산화탄소가 공급되는 상기 배지에, 헤마토코쿠스 플루비알리스(Haematococcus pluvialis)를 접종하는 단계(S200), (c) 헤마토코쿠스 플루비알리스가 접종된 상기 배지에, 아세트산나트륨(sodium acetate)를 첨가하고, 제1 광배양하는 단계(S300), 및 (d) 아세트산나트륨이 첨가된 상기 배지에, 칼슘 이온(Ca2 +)을 첨가하여 탄산칼슘(CaCO3)을 생성하고, 제2 광배양하는 단계(S400)를 포함한다.

Description

바이오광물화를 이용한 헤마토코쿠스 플루비알리스 생산방법{Method for preparation of Haematococcus pluvialis using biomineralization}
본 발명은 바이오광물화를 이용한 헤마토코쿠스 플루비알리스 생산방법에 관한 것으로, 헤마토코쿠스 플루비알리스의 혼합영양(mixotrophic) 배양에서 바이오광물화를 통한 오염 제어를 이용해 높은 셀 밀도와 고함량의 아스타잔틴을 함유한 바이오매스를 생산하는 기술에 관한 것이다.
화석 연료의 사용에 따라 배출된 대규모 온실가스는 지구 온난화 현상을 야기하고 있다. 이에 이산화탄소 감축을 위한 이산화탄소 포집 및 저장 기술(CCS, Carbon Capture & Sequestration) 개발이 전 세계적으로 활발히 진행 중이다. CCS 기술은 화력발전소를 비롯한 다양한 탄소 배출원에서 방출되는 다량의 이산화탄소를 고농도로 포집한 후 지중이나 해저에 주입하여 대기로부터 격리시키는 방법이다. 이러한 CCS 기술은 단기간에 대량의 이산화탄소를 저감하는 효과가 있으나 안정적인 저장 문제, 위치 선정 및 높은 설치비용 등은 국내에서 실질적인 CCS의 현실화를 막는 장애 요인이다. 따라서 CCS 기술과 달리 이산화탄소를 저장이 아닌 산업적 용도로 직접 활용하거나 부가가치가 높은 물질로 전환하는 CCU (Carbon Capture & Utilization) 기술이 각광받고 있고, 국내에서도 이산화탄소를 다양한 고부가 물질로 전환하는 공정 개발이 시도되고 있다. 그중에서도 광합성 미생물인 미세조류를 활용한 이산화탄소의 생물학적 전환 공정은 이산화탄소 감축과 동시에 바이오연료, 바이오플라스틱, 의약품 등 다양한 고부가 물질 생산이 가능한 경제적인 이산화탄소 저감 기술로 주목받고 있다. 식물성 플랑크톤이라 불리는 미세조류는 광합성을 하는 수중 단세포 생물로 에너지 및 산업 소재 생산과 동시에 온실가스 저감이 가능하기 때문에 그 잠재력이 매우 큰 바이오매스 자원으로 관심을 받고 있으며 에너지·화학·환경 분야를 중심으로 미래에 그 이용가치가 확대될 전망이다.
에너지 분야에서 미세조류는 모든 바이오디젤 생산 작물 중 오일 생산성이 가장 우수하다. 대두, 유체, 해바라기, 오일팜 등은 재배 주기가 4 ~ 8개월인 반면, 미세조류는 매일 수 배로 증식하여 1일 단위로 재배가 가능하며 단위 무게 당 지방 함량도 높아 연간 오일 생산량이 대두의 100배 이상이다. 또한, 식량자원의 에너지화라는 비판에서 자유로운 생명자원으로, 석유계 디젤과 유사한 물성을 가진 바이오 연료를 생산할 수 있다.
화학 분야에서 미세조류는 다양한 유용물질을 생산할 수 있는 장점이 있으며, 현재 식품 분야를 중심으로 산업화되어 있고, 향후 바이오케미컬 및 바이오플라스틱 분야로 산업화가 확대될 전망이다.
환경 분야에서 미세조류는 상기에 기술한 것처럼 이산화탄소 저감이 가능하다는 측면에서 가장 큰 관심을 받고 있으며 세계적으로 관련 연구가 지속적으로 진행되고 있다. 미세조류는 바이오매스 중량의 2배 정도의 이산화탄소를 흡수할 수 있으며 이는 육상 식물 대비 10 ~ 50배 높은 흡수 효율 수치에 해당한다. 또한, 미세조류는 특정한 토양이나 수질을 가리지 않고 배양이 가능하다. 이에 관련 기업들은 이산화탄소 저감 및 공장폐수 정화 사업에 미세조류를 활용하려는 시도를 확대하고 있다.
미세조류의 배양 방법으로는 자가영양(autotrophic), 종속영양 (heterotrophic), 혼합영양(mixotrophic) 방식이 있다. 자가영양 조건에서의 배양은 이산화탄소를 고정화하여 탄소원으로 사용하는 방식으로 빛 에너지를 이용하여 유기 화합물을 합성한다. 이 방법은 고함량의 지질 등을 함유한 바이오매스를 생산할 수 있는 장점이 있지만, 배양기간이 길다는 단점을 가지고 있다. 종속영양 조건에서의 배양은 추가적인 탄소원을 제공하고 이를 에너지원으로 사용하는 방식으로 배양 기간이 짧아 생산성이 높지만, 높은 함량의 고부가가치 물질을 얻는 데에 한계가 있고 박테리아나 곰팡이 등과 같은 오염에 취약하다. 혼합영양 조건은 자가영양과 종속영양 조건을 융합한 것으로 빠른 기간 내에 고함량의 고부가가치 물질을 함유한 바이오매스를 생산해 낼 수 있지만, 오염에 취약하여 스케일 업(scale up)에 한계가 있다. 이러한 각각의 배양 방식은 미세조류 조건에 맞추어 채택되고 있지만, 생물공정의 특성상 단위 면적당 이산화탄소 저감 속도가 느리기 때문에, 대량의 이산화탄소를 처리해야 하는 온실가스 대량배출업체 입장에서는 미세조류 기반 바이오매스화 공정에 있어서 이산화탄소 저감능력(capacity)이 중요하다.
미세조류는 고부가가치 산물을 생산하기 때문에 이산화탄소 저감 공정에 경제성을 부여한다. 미세조류로부터 생산된 고부가가치 산물은 하부 공정(downstream process)을 거쳐 추출 및 분리되며, 상업적으로 의약품, 건강기능식품, 화장품 등에 널리 활용될 수 있다. 특히, 미세조류인 헤마토코쿠스 플루비알리스(Haematococcus pluvialis)로부터 추출 가능한 카로테노이드인 아스타잔틴(astaxanthin)은 항산화 효과가 매우 우수하고, 생체 활성이 있는 3S, 3S' form이므로 인체에 사용 가능하며 그 경제적 효과도 매우 우수하다. 이에 하기 선행기술문헌의 특허문헌에 개시된 바와 같이, 아스타잔틴 생산량을 극대화하기 위해 헤마토코쿠스 플루비알리스의 생물학적 특성 및 배양 공정, 아스타잔틴 생산을 위한 하부 공정에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.
그러나 헤마토코쿠스 플루비알리스의 종래 배양의 경우에는 배양 공정에서 필연적으로 공존하는 바이러스, 곰팡이 등에 의한 오염으로 인해 바이오매스와 아스타잔틴 함량에 손실이 발생하는 문제가 있다.
이에 헤마토코쿠스 플루비알리스의 배양에서 오염 제어를 통해 고함량의 아스타잔틴을 함유한 순수 바이오매스를 고밀도로 제조할 수 있는 방안이 절실히 요구되고 있는 상황이다.
KR 10-2019-0120876 A
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 측면은 헤마토코쿠스 플루비알리스(Haematococcus pluvialis) 배양에 있어 혼합영양 조건을 도입하고 바이오광물화를 통해 오염인자를 제거함으로써 고함량의 아스타잔틴을 함유한 순수 바이오배스를 얻음과 동시에 탄산칼슘을 획득할 수 있는 헤마토코쿠스 플루비알리스 생산방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 실시예에 따른 헤마토코쿠스 플루비알리스 생산방법은 (a) 배지에 이산화탄소를 공급하여, 탄산수소 이온(HCO3 -)을 생성하는 단계; (b) 상기 이산화탄소가 공급되는 상기 배지에, 헤마토코쿠스 플루비알리스(Haematococcus pluvialis)를 접종하는 단계; (c) 상기 헤마토코쿠스 플루비알리스가 접종된 상기 배지에, 아세트산나트륨(sodium acetate)를 첨가하고, 제1 광배양하는 단계; 및 (d) 상기 아세트산나트륨이 첨가된 상기 배지에, 칼슘 이온(Ca2 +)을 첨가하여 탄산칼슘(CaCO3)을 생성하고, 제2 광배양하는 단계;를 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 헤마토코쿠스 플루비알리스 생산방법에 있어서, 상기 (c) 단계에서 첨가된 상기 아세트산나트륨의 농도는 5 ~ 15 mM일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 헤마토코쿠스 플루비알리스 생산방법에 있어서, 상기 (d) 단계에서 첨가된 상기 칼슘 이온의 농도는 8 ~ 18 mM일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 헤마토코쿠스 플루비알리스 생산방법에 있어서, 상기 (d) 단계의 칼슘 이온은, 상기 배지에 염화칼슘(CaCl2)이 공급되어 첨가될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 헤마토코쿠스 플루비알리스 생산방법에 있어서, 상기 (c) 단계에서 상기 헤마토코쿠스 플루비알리스의 세포 밀도가 1.0 g/L 이상일 때에, 상기 (d) 단계를 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 헤마토코쿠스 플루비알리스 생산방법에 있어서, 상기 (a) 단계 내지 상기 (c) 단계 중 적어도 어느 하나 이상의 단계에서 생성된 박테리아, 곰팡이, 및 상기 헤마토코쿠스 플루비알리스를 제외한 기타 미세조류 중 적어도 어느 하나 이상이, 상기 탄산칼슘에 의해 캡슐화되어 사멸될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 헤마토코쿠스 플루비알리스 생산방법에 있어서, 상기 헤마토코쿠스 플루비알리스의 제타포텐셜(zeta potential) 값이, 상기 (c) 단계에서 -30 ~ -34 eV이고, 상기 (d) 단계에서 -6 ~ -10 eV일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 헤마토코쿠스 플루비알리스 생산방법에 있어서, 상기 헤마토코쿠스 플루비알리스 세포 표면에 생성된 상기 탄산칼슘은, 상기 헤마토코쿠스 플루비알리스의 크기 증가를 유도하고, 크기가 증가한 상기 헤마토코쿠스 플루비알리스 세포 표면에서 분리될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 헤마토코쿠스 플루비알리스 생산방법에 있어서, 상기 (d) 단계에서, 상기 배지에 염기성 용액을 첨가하여, 상기 배지의 pH를 7.5 ~ 8.5로 유지할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 헤마토코쿠스 플루비알리스 생산방법에 있어서, 상기 (d) 단계 이후에, 배양된 상기 헤마토코쿠스 플루비알리스를 상기 탄산칼슘과 분리하여 취득하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
종래 헤마토코쿠스 플루비알리스(Haematococcus pluvialis) 배양은 오염문제로 인해 상업적 실패를 거듭해왔으나, 본 발명에 따르면 바이오광물화를 통해 그 실패를 극복하여 고함량의 아스타잔틴을 함유한 순수 바이오매스를 대량 생산하고, 기존의 광배양 대비 이산화탄소 저감 효율을 증대시킬 수 있다.
또한, 바이오광물화에 의해 생성된 탄산칼슘과 바이오매스를 분리함으로써, 탄산칼슘의 활용으로 인한 경제적 효과를 기대할 수 있다.
도 1 내지 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 헤마토코쿠스 플루비알리스 생산방법의 순서도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 헤마토코쿠스 플루비알리스 생산방법에서 바이오광물화를 설명하기 위한 모식도이다.
도 4는 성장단계에서 아세트산나트륨의 농도에 따른 헤마토코쿠스 플루비알리스 바이오매스 생산량(g/L)을 나타내는 그래프이다.
도 5 내지 도 6은 성장단계에서 염화칼슘의 농도에 따른 헤마토코쿠스 플루비알리스 바이오매스 생산량(g/L)을 나타내는 그래프이다.
도 7은 10 mM 아세트산나트륨이 성장단계에서 주입된 후, 유도단계에서 주입된 염화칼슘 농도별 헤마토코쿠스 플루비알리스 바이오매스 생산량(g/L)을 나타내는 그래프이다.
도 8은 10 mM 아세트산나트륨이 성장단계에서 주입된 후, 유도단계에서 주입된 염화칼슘 농도별 아스타잔틴 축적량(g/L) 및 함량(%)을 나타내는 그래프이다.
도 9는 매스실린더에 이산화탄소를 직접 투입하는 airlift 방식하에서 아세트산나트륨과 염화칼슘 농도별 헤마토코쿠스 플루비알리스 바이오매스의 생산량(g/L)을 나타내는 그래프이다.
도 10은 매스실린더에 이산화탄소를 직접 투입하는 airlift 방식하에서 아세트산나트륨과 염화칼슘 농도별 아스타잔틴 축적량(g/L) 및 함량(%)을 나타내는 그래프이다.
도 11은 바이오광물화가 도입되지 않은 배양(좌) 및 바이오광물화가 도입된 배양(우)에서 생산된 헤마토코쿠스 플루비알리스 바이오매스의 사진이다.
도 12는 박테리아, 곰팡이 및 갈조류로 오염된 헤마토코쿠스 플루비알리스, 및 상기 오염인자가 바이오광물화로 인해 사멸된 후 생성된 경질 탄산칼슘과 헤마토코쿠스 플루비알리스 바이오매스를 나타내는 사진이다.
도 13은 표면에 오염인자(곰팡이)가 부착된 헤마토코쿠스 플루비알리스 세포의 주사전자현미경(SEM) 이미지이다.
도 14 내지 도 15는 바이오광물화가 진행되는 동안의 헤마토코쿠스 플루비알리스 세포의 주사전자현미경(SEM) 이미지이다.
도 16은 인위적으로 곰팡이를 주입한 헤마토코쿠스 플루비알리스 세포의 주사전자현미경(SEM) 이미지이다.
도 17은 도 16에 따른 곰팡이가 주입된 헤마토코쿠스 플루비알리스 세포에 바이오광물화를 유도하지 않고 배양하는 유도단계에서의 주사전자현미경(SEM) 이미지이다.
도 18 내지 도 20은 도 16에 따른 곰팡이가 주입된 헤마토코쿠스 플루비알리스 세포에 바이오광물화를 유도하고 배양하는 유도단계에서의 주사전자현미경(SEM) 이미지이다.
도 21은 곰팡이에 의한 바이오광물화 진행을 나타내는 주사전자현미경(SEM) 이미지이다.
도 22는 갈조류에 의한 바이오광물화 진행을 나타내는 주사전자현미경(SEM) 이미지이다.
도 23은 박테리아에 의한 바이오광물화 진행을 나타내는 현미경 이미지, 및 형광 세기를 측정한 그래프이다.
도 24는 Percoll을 사용하여 헤마토코쿠스 플루비알리스 바이오매스와 경질 탄산칼슘을 분리하는 과정, 및 분리된 바이오매스와 탄산칼슘의 주사전자현미경(SEM) 이미지를 나타내는 도면이다.
도 25는 도 24에서 분리된 순수 헤마토코쿠스 플루비알리스를 자가영양 조건에서 15일 동안 배양한 후의 바이오매스 생산량(g/L), 및 아스타잔틴 함량(%)을 나타내는 그래프이다.
도 26은 대용량 원심분리기를 사용하여 헤마토코쿠스 플루비알리스 바이오매스와 경질 탄산칼슘을 분리하는 과정, 및 분리된 바이오매스와 탄산칼슘의 주사전자현미경(SEM) 이미지를 나타내는 도면이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.
도 1 내지 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 헤마토코쿠스 플루비알리스 생산방법의 순서도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 헤마토코쿠스 플루비알리스 생산방법에서 바이오광물화를 설명하기 위한 모식도이다.
도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 헤마토코쿠스 플루비알리스 생산방법은 (a) 배지에 이산화탄소를 공급하여, 탄산수소 이온(HCO3 -)을 생성하는 단계(S100), (b) 이산화탄소가 공급되는 상기 배지에, 헤마토코쿠스 플루비알리스(Haematococcus pluvialis)를 접종하는 단계(S200), (c) 헤마토코쿠스 플루비알리스가 접종된 상기 배지에, 아세트산나트륨(sodium acetate)를 첨가하고, 제1 광배양하는 단계(S300), 및 (d) 아세트산나트륨이 첨가된 상기 배지에, 칼슘 이온(Ca2+)을 첨가하여 탄산칼슘(CaCO3)을 생성하고, 제2 광배양하는 단계(S400)를 포함한다.
본 발명은 미세조류인 헤마토코쿠스 플루비알리스(Haematococcus pluvialis)를 배양하여 바이오매스를 생산하는 방법에 관한 것이다. 지구 온난화에 따른 온실 가스 처리 기술의 필요성이 증대됨에 따라 미세조류를 이용한 이산화탄소의 생물학적 전환 기술의 연구가 전 세계적으로 진행되고 있다. 미세조류는 고부가가치 산물을 생산하기 때문에 이산화탄소 저감 공정에 경제성을 부여한다. 특히, 헤마토코쿠스 플루비알리스는 항산화 효과가 우수하고 생체 활성이 있는 산물로서 아스타잔틴을 생성한다. 헤마토코쿠스 플루비알리스 세포는 영양분이 풍부하고 낮은 광 조건에서는 세포 분열이 주로 일어나며, 이때 세포는 운동성이 있는 flagellate 구조를 가진다. 그러나 영양분이 고갈되고 높은 광 스트레스를 받을 때 세포는 운동성을 잃고 단단한 포자(cyst) 구조를 형성한다. 이때 산화 스트레스에 대한 방어 메커니즘으로서 헤마토코쿠스 플루비알리스 세포 내부에 항산화성이 높은 카로테노이드인 아스타잔틴이 2차 대사산물로서 축적된다. 카로테노이드와 클로로필 b는 보통 성장단계(growth stage)에서 0.2 정도이나, 유도단계(induction stage)에서 카로테노이드 함량이 점차 증가하는 것으로 알려져 있다.
유도단계에서 헤마토코쿠스 플루비알리스 세포는 포자 구조를 형성하고, 아스타잔틴을 내부에 축적할 뿐 아니라, 세포벽 구조가 발달하게 된다. 헤마토코쿠스 플루비알리스 포자 세포의 세포벽은 3중으로 구성되어 있는데, 가장 외부에 아세트산분해(acetolysis)에 저항성을 가진 algaenan으로 이루어진 trilaminar sheath, 만노오스와 셀룰로오스의 균일한 조성으로 이루어진 secondary wall, 그리고 만노오스와 셀룰로오스의 불균일한 조성으로 이루어진 tertiary wall로 이루어져 있다.
이러한 특성을 가지는 헤마토코쿠스 플루비아리스의 종래 배양은 자가영양 조건에서 이루어지는데, 이 조건에서는 바이러스, 곰팡이 기타 미세조류에 의한 오염이 필연적이므로, 바이오매스와 아스타잔틴 함량에 손실이 발생하게 된다. 이에 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 방안으로서 본 발명에 따른 헤마토코쿠스 플루비아리스 바이오매스 생산방법이 안출되었다.
구체적으로, 본 발명에 따른 헤마토코쿠스 플루비아리스 바이오매스 생산방법은, 이산화탄소 공급 단계(S100), 헤마토코쿠스 플루비알리스 접종 단계(S200), 아세트산나트륨 첨가 및 제1 광배양 단계(S300), 칼슘 이온 첨가 및 제2 광배양 단계(S400)를 포함한다.
이산화탄소 공급 단계(S100)는 미세조류인 헤마토코쿠스 플루비알리스를 광배양하기 위해서 배지에 이산화탄소를 공급하는 공정이다. 여기서, 배지는 소정의 반응 용기에 채워질 수 있다. 또한, 배지는 헤마토코쿠스 플루비알리스의 생장을 가능하게 하는 한 특별한 제한은 없고, 일례로 탄소 결핍 자가영양 배지(autotrophic medium)를 사용할 수 있다. 이산화탄소 공급은 4 ~ 6 %(v/v) 이산화탄소가 포함된 공기(air)를 공급하거나, CO2 인큐베이터를 이용할 수 있다. 또한, 배기가스를 배지에 공급할 수도 있다. 이렇게 이산화탄소가 배지에 공급되면, 물과 이산화탄소가 반응하므로 수소 이온과 탄산수소 이온(HCO3 -)이 생성된다. 이산화탄소의 공급은 일시적, 또는 지속적으로 이루어질 수 있다. 따라서, 칼슘 이온 첨가 및 제2 광배양 단계(S400)에까지 이산화탄소가 계속적으로 공급될 수 있다.
헤마토코쿠스 플루비알리스 접종 단계(S200)에서는 이산화탄소가 공급된 상기 배지에 헤마토코쿠스 플루비알리스를 접종한다.
아세트산나트륨 첨가 및 제1 광배양 단계(S300)는 접종된 헤마토코쿠스 플루비알리스를 성장시키는 공정이다. 여기서, 광배양을 통해 헤마토코쿠스 플루비알리스 세포가 성장하게 된다. 이때, 에너지원으로서 아세트산나트륨(sodium acetate)이 첨가된다. 따라서, 본 발명은 이산화탄소를 고정화하여 탄소원으로 사용하는 자가영양 조건과 추가적인 에너지원(아세트산나트륨)을 제공하는 종속영양 조건이 융합된 혼합영양 조건에서 헤마토코쿠스 플루비알리스를 배양한다. 이에 본 발명에 따르면 단기간 내에 고함량의 아스타잔틴을 함유한 바이오매스를 대량 생산할 수 있다.
성장단계에서 배지에 첨가된 아세트산나트륨의 농도는 5 ~ 15 mM일 수 있다. 바람직하게는 10 mM이 적합하다. 이러한 아세트산나트륨의 함량 조건에서 효과적으로 바이오매스 및 아스타잔틴의 생산량을 증대시킬 수 있다.
여기서, 제1 광배양은 광도 10 ~ 30 μE/㎡/s의 광 조사 하에서 이루어질 수 있다. 성장단계에서는 영양분이 풍부하고 낮은 광 조건이 유지되므로, 헤마토코쿠스 플루비알리스 세포는 활발하게 세포 분열을 하며, 이때 세포는 운동성이 있는 flagellate 구조를 가진다.
칼슘 이온 첨가 및 제2 광배양 단계(S400)는, 유도단계로서, 헤마토코쿠스 플루비알리스를 광배양한다. 여기서, 유도단계인 제2 광배양은 제1 광배양에 비해 상대적으로 광도가 높은 광 조건에서 배양이 이루어진다. 일례로, 40 ~ 60 μE/㎡/s의 광이 조사될 수 있다. 유도단계에서는 전술한 바와 같이, 배지에 이산화탄소가 지속적으로 공급될 수 있지만, 아세트산나트륨은 첨가되지 않는다. 이렇게 영양분이 고갈되고 높은 광 스트레스를 받는 유도단계에서 헤마토코쿠스 플루비알리스 세포는 운동성을 잃고 단단한 포자(cyst) 구조를 형성하게 되며, 산화 스트레스에 대한 방어 메커니즘으로서 세포 내에 아스타잔틴의 축적을 유도할 수 있다.
여기서, 유도단계의 진입은 헤마토코쿠스 플루비알리스의 형태적 변화 내지 배지 내 질소원 고갈 여부로서 판단할 수 있다. 또한, 배지 내 헤마토코쿠스 플루비알리스의 세포 밀도가 1.0 g/L 이상일 때에 유도단계를 진행할 수 있다.
유도단계까지 진행되는 동안에, 특히 성장단계에서 아세트산나트륨을 첨가하는 혼합영양 조건에서의 탄소원으로 인해, 배지 내에 박테리아, 곰팡이, 및 헤마토코쿠스 플루비알리스를 제외한 기타 미세조류(예를 들면, 갈조류 등) 중 적어도 어느 하나 이상이 존재하게 된다. 이러한 미생물은 오염인자로서 바이오매스 및 아스타잔틴의 생산 손실을 야기한다. 이에 본 발명에서는 칼슘 이온(Ca2 +)의 첨가를 통해 바이오광물화를 유도함으로써 오염인자를 제거한다. 미생물은 탄산탈수소 효소(Carbon Anhydrase, CA)를 가지는데, CA는 물과 이산화탄소가 반응하여 수소 이온과 탄산수소 이온을 생성하는 반응의 촉매제로 작용한다. 여기서, 생성된 탄산수소 이온은 배지에 첨가된 칼슘 이온과 반응하여 탄산칼슘(CaCO3)을 생성하게 된다. 도 3의 (a)는 유도단계에서 곰팡이 등과 같은 오염인자가 헤마토코쿠스 플루비알리스 세포의 표면에 달라붙어 그 세포의 성장을 저해하는 것(상측)과 바이오광물화에 의해 세포 표면에 붙은 곰팡이 등이 탄산칼슘에 의해 사멸하는 것(하측)을 도시한다. 또한, 도 3의 (b)는 세포 표면에 붙은 탄산칼슘이 떨어져나가는 원리를 도시한다. 이를 참고로, 유도단계에서 곰팡이, 박테리아, 기타 미세조류 등의 미생물이 번식하는데, 곰팡이들은 주로 헤마토코쿠스 플루비알리스 세포의 표면에 달라붙고(도 3의 (a) 상측 참조), 박테리아와 기타 미세조류는 배지 내에서 헤마토코쿠스 플루비알리스 세포와 공존하며 그 세포의 성장을 저해한다. 이에 본 발명에서는 칼슘 이온을 첨가함으로써 오염 제어를 수행한다. 여기서, 바이오광물화, 즉 칼슘 이온과 탄산수소 이온에 의한 결정화가 유도되기 때문에, 곰팡이 등과 같은 미생물은 탄산칼슘 결정에 의해 캡슐화되고, 이로 인해 영양분이 고갈되어 종국적으로 사멸하게 된다(도 3의 (a) 하측 참조). 한편, 헤마토코쿠스 플루비알리스 또한 CA를 가지지만 바이오광물화로 인해 사멸하지 않는다. 왜냐하면, 헤마토코쿠스 플루비알리스의 제타포텐셜(zeta potential) 값이 성장단계에서는 -30 ~ -34 eV이지만 유도단계에서는 -6 ~ -10 eV으로 변하기 때문이다. 이러한 제타포텐셜 값의 변화로 인해 헤마토코쿠스 플루비알리스의 표면에 칼슘 이온이 결합되는 것이 어려워지므로, 표면에 탄산칼슘이 거의 생성되지 않는다. 세포 표면에 일부 탄산칼슘이 생성되더라도, 그 세포는 이를 스트레스 요소(stress factor)로 인식하여 세포벽을 두껍게 하기 때문에, 세포 표면이 안정화되지 않아 탄산칼슘이 세포 표면에서 분리된다. 즉, 세포 표면에 생성된 탄산칼슘은 헤마토코쿠스 플루비알리스의 크기 증가를 유도하고, 이로 인해 세포 표면에서 떨어져 나간다(도 3의 (b) 참조). 또한, 곰팡이는 헤마토코쿠스 플루비알리스의 세포벽의 당단백질을 인지하여 세포 표면에 결합하는데, 탄산칼슘에 의해 캡슐화되어 곰팡이가 사멸하게 되면, 세포와 곰팡이 사이의 결합이 끊어지면서 탄산칼슘도 그 세포로부터 분리된다. 나아가, 배지 내의 박테리아와 기타 미세조류가 사멸하게 되면 헤마토코쿠스 플루비알리스의 광합성 효율이 증대되어 헤마토코쿠스 플루비알리스의 크기 증가를 유도하므로, 헤마토코쿠스 플루비알리스 세포 표면에 결합된 탄산칼슘이 쉽게 분리된다. 여기서, 배지 내의 탄산칼슘은 수중에서 광반사를 일으키므로, 헤마토코쿠스 플루비알리스의 광합성 효율 증대에도 기여할 수 있다. 이와 같은 바이오광물화에 의해 헤마토코쿠스 플루비알리스를 제외한 미생물은 사멸하게 되므로, 바이오매스의 생산량이 증가하고, 동시에 아스타잔틴이 고함량으로 바이오매스에 축적된다.
바이오광물화 기반의 오염 제어를 위한 칼슘 이온은 염화칼슘(CaCl2)을 공급함으로써 주입될 수 있다. 다만, 칼슘 이온을 주입하기 위해서 반드시 염화칼슘을 공급해야 하는 것은 아니고, Ca(OH)2, Ca(NO3)2·4H2O, Ca(CH3COO)2·H2O, CaSO4·2H2O 등과 같이 배지에 용해되어 칼슘 이온을 공급할 수 있는 공지의 모든 칼슘염을 사용할 수 있다. 이때, 배지에 첨가된 칼슘 이온의 농도는 8 ~ 18 mM일 수 있고, 바람직하게는 10 mM이 적합하다.
한편, 염화칼슘을 넣어 주는 경우에 탄산칼슘과 물이 생성되므로 배지의 pH가 감소하게 된다. 또한, 이산화탄소가 용해되어 탄산수소 이온과 수소 이온이 지속적으로 생성되므로, pH는 3 ~ 4.5 정도로 감소하게 된다. 바이오광물화는 pH 7.5 ~ 8.5, 바람직하게는 pH 7.7 ~ 8.0에서 진행되므로, 유도단계에서 배지에 염기성 용액을 첨가하여 배지의 pH를 7.5 ~ 8.5로 유지할 수 있다. 여기서, 염기성 용액으로는 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 암모니아(NH4OH), 수산화칼슘(Ca(OH)2), 및 수산화마그네슘(Mg(OH)2)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상이 용해된 용액일 수 있다.
한편, 상기 유도단계를 거치면서 고함량의 아스타잔틴이 헤마토코쿠스 플루비알리스 세포에 축적되면, 헤마토코쿠스 플루비알리스를 상기 탄산칼슘과 분리하여 취득할 수 있다. 여기서, 헤마토코쿠스 플루비알리스와 탄산칼슘은 밀도차이에 의해 분리될 수 있다. 일실시예로서, 원심분리기를 이용하여 헤마토코쿠스 플루비알리스와 탄산칼슘을 분리할 수 있다. 이때, 탄산칼슘은 졀정화된 상태로 존재하기 때문에 추가적인 화학물질의 주입 없이도 쉽게 분리가 가능하다.
종합적으로, 종래 헤마토코쿠스 플루비알리스(Haematococcus pluvialis) 배양은 오염문제로 인해 상업적 실패를 거듭해왔으나, 본 발명에 따르면 바이오광물화를 통해 그 실패를 극복하여 고함량의 아스타잔틴을 함유한 순수 바이오매스를 대량 생산하고, 기존의 광배양 대비 이산화탄소 저감 효율을 증대시킬 수 있다. 또한, 바이오광물화에 의해 생성된 탄산칼슘과 바이오매스를 분리함으로써, 탄산칼슘의 활용으로 인한 경제적 효과를 기대할 수 있다.
이하에서는 실험예를 통해 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
실험예 1: 실험장비 및 방법
일차적으로 최적의 조건을 찾기 위해 250 ㎖ 플라스크 25개를 준비하였다. 하지만, 플라스크를 사용할 경우 이산화탄소의 용해될 수 있는 양이 적어지고 airlift 방식에 도입을 해야 하므로, 플라스크에서의 최적화 실험을 마친 후 500 ㎖(가로 : 5cm, 높이 : 60cm) 매스실린더 14개를 준비하였다.
준비된 매스실린더의 주입구를 막고 가스 주입과 샘플링을 할 수 있기 위해 실리콘 재질의 다용도 입/출구를 사용하였다. 가스라인과 샘플링 라인을 설치하기 위해 실리콘 재질의 다용도 입/출구에 2 ~ 3 mm의 구멍을 내었고 2개의 테플론 튜브를 매스실린더 높이에 맞게 절단하여 만들어진 구멍 안으로 넣어주었다. 가스가 공급되는 테플론 튜브의 하단에는 stone 스파저를 연결하여 이산화탄소가 5% 포함된 air를 공급하였다. 플라스크 실험의 경우 5% CO2 인큐베이터서 배양을 진행하였다.
배지는 NIES-C를 사용하였으며 플라스크에서는 HEPES를 사용하여 버퍼 역할을 하게 했다. 250 ㎖ 플라스크에 100 ㎖씩 주입한 후 인큐베이터에 넣어 배양을 진행하였다. 매스실린더에서는 450 ㎖씩 주입한 후 aeration을 진행하였다. 이후 10 mM의 KOH를 주입한 후 pH를 7.5 ~ 8 사이로 맞추었다. 주입된 KOH의 완충 효과로 이산화탄소가 지속적으로 공급되어도 pH는 7.5 ~ 8 범위 내로 유지될 수 있다. 미세조류는 Haematococcus pluvialis를 사용하였으며 초기 접종량은 바이오매스 기준 0.05 g/L로 하였으며 플라스크와 매스실린더에서 각각 6 ~ 7일간의 성장단계에서는 20 μE/m2/s 으로, 7 ~ 8일간의 유도단계에서는 50 μE/m2/s으로 조사하였다. 매스실린더의 최종 배양 부피는 500 ㎖로 하였다.
샘플링은 매일매일 동일한 시간에 진행했고, 샘플에는 바이오매스와 탄산칼슘이 동시에 존재하기 때문에 각각을 측정할 수 있는 방법이 필요했다. 이를 해결하기 위해 10 mL를 샘플링하여 원심분리기(centrifuge)를 이용해 배지를 제거한 후 pH 8인 증류수로 세척을 3번 진행하였다. 다시 원심분리기를 돌려 5 mL는 바이오매스와 탄산칼슘이 동시에 존재했을 때의 무게를 측정하였으며 나머지 5 mL은 상층액을 제거한 후 pH 5이하의 증류수(HCl로 조절) 35 mL을 넣은 후 30초에서 60초 동안 voltexing을 했다. 이때, 탄산칼슘이 염산과 반응하여 CaCl2와 이산화탄소를 생성하게 된다. 이를 다시 원심분리기를 돌리어 상층액을 제거한 후 pH 8 증류수로 세척을 함으로써 탄산칼슘을 제거하였다.
실험예 2: 성장단계에서의 아세트산나트륨 및 염화칼슘 최적화 실험
셀을 접종함과 동시에 빠른 시간 안에 바이오매스를 얻을 수 있는 종속영양 배양의 장점을 도입하고자 아세트산나트륨을 넣어주었다. 최적의 아세트산나트륨 농도를 찾기 위해 플라스크에 1 mM부터 10 mM까지 주입하면서 배양을 진행하고, 바이오매스 생산량을 분석하였다.
도 4는 성장단계에서 아세트산나트륨의 농도에 따른 헤마토코쿠스 플루비알리스 바이오매스 생산량(g/L)을 나타내는 그래프이다. 도 4를 참고로, 10 mM의 아세트산나트륨을 주입한 경우에 바이오매스 생산량이 가장 높은 것을 확인하였다. 도 4의 그래프에 도시되지는 않았지만 그 이상 주입한 경우에는 오히려 성장에 저해가 되었다. 매스실린더에 적용하였을 때에도 10 mM 아세트산나트륨에서 바이오매스 생산량은 최대가 되었다.
성장단계에서 바이오광물화를 진행하기 위해 0 ~ 30 mM CaCl2를 각각 주입하고 바이오매스 성장성을 확인하였다. 도 5 내지 도 6은 성장단계에서 염화칼슘의 농도에 따른 헤마토코쿠스 플루비알리스 바이오매스 생산량(g/L)을 나타내는 그래프이다. 도 5를 참고로, 1 mM의 CaCl2를 주입한 경우에서조차 성장성이 저해되었다. 도 6을 참고하면, CaCl2는 기존의 질소 고갈(N-starvation)과 다르게 유도단계에 10 mM를 넣었을 때에 바이오매스 생산성이 가장 높다. 이에, 유도단계에서 CaCl2를 주입하는 것으로 최적화하였다.
실험예 3: 유도단계에서의 염화칼슘 최적화 실험
플라스크에서 유도단계에 주입되는 최적의 CaCl2 농도를 찾기 위해 실험을 진행하였다. 성장단계에서 배지 내 아세트산나트륨의 농도를 10 mM로 하고, 바이오매스 생산량(g/L) 기준 1.1 g/L에서 CaCl2를 0 ~ 30 mM로 주입하여 광물화를 진행하였다. 이때, KOH를 추가적으로 주입하여 배지의 pH를 7.7 ~ 8.0으로 유지하였다. 이에 따른 결과는 도 7 및 도 8에 나타냈다. 도 7은 10 mM 아세트산나트륨이 성장단계에서 주입된 후, 유도단계에서 주입된 염화칼슘 농도별 헤마토코쿠스 플루비알리스 바이오매스 생산량(g/L)을 나타내는 그래프이고, 도 8은 10 mM 아세트산나트륨이 성장단계에서 주입된 후, 유도단계에서 주입된 염화칼슘 농도별 아스타잔틴 축적량(g/L) 및 함량(%)을 나타내는 그래프이다. 도 7 및 도 8을 통해 알 수 있는 바와 같이, 성장단계에서 배지 내 아세트산나트륨의 농도가 10 mM이고, 유도단계에서 CaCl2 농도가 10 mM일 때에 바이오매스 생산량 및 아스타잔틴 축적량 내지 함량이 가장 높았다.
플라스크에서처럼 성장단계에 10mM의 아세트산나트륨과 유도단계에서 바이오매스 생산량이 1.1g/L 일 때, 1, 5, 10 mM의 CaCl2를 주입하여 매스실린더에서의 바이오매스와 아스타잔틴 함량을 분석하고, 도 9 및 도 10에 그 결과를 나타냈다. 도 9는 매스실린더에 이산화탄소를 직접 투입하는 airlift 방식하에서 아세트산나트륨과 염화칼슘 농도별 헤마토코쿠스 플루비알리스 바이오매스의 생산량(g/L)을 나타내는 그래프이고, 도 10은 매스실린더에 이산화탄소를 직접 투입하는 airlift 방식하에서 아세트산나트륨과 염화칼슘 농도별 아스타잔틴 축적량(g/L) 및 함량(%)을 나타내는 그래프이다. 그 결과도 플라스크 실험과 동일하게 성장단계에서의 아세트산나트륨의 농도가 10 mM이고, 유도단계에서의 CaCl2 농도가 10 mM일 때에 바이오매스 생산량 및 아스타잔틴 축적량(도 10의 (a) 참조) 내지 함량(도 10의 (b) 참조)이 가장 높게 나타났다.
도 11은 바이오광물화가 도입되지 않은 배양(좌) 및 바이오광물화가 도입된 배양(우)에서 생산된 헤마토코쿠스 플루비알리스 바이오매스의 사진이다. 도 11의 좌측의 기존 자가영양 조건에서의 배양을 통해 회수한 바이오매스의 양과, 우측의 바이오광물화를 도입한 배양을 통해 회수한 바이오매스의 양을 비교한 결과, 바이오광물화를 도입하여 회수한 바이오매스 양의 상대적으로 더 많았고, 이 경우에 0.074 g/L의 탄산칼슘이 함유되어 있었다.
실험예 4: 바이오광물화를 통한 오염 제어 확인
바이오광물화에 의해 곰팡이나 박테리아, 갈조류에 의한 오염이 제어되는지 확인하기 위해서, 상기 실험예 3에 따라 10 mM의 아세트산나트륨을 성장단계에 주입한 후에 CaCl2를 주입하지 않은 경우와, 유도단계에서 10 mM CaCl2를 주입한 경우 각각에 대하여 원심분리를 실행하였다. 도 12는 박테리아, 곰팡이 및 갈조류로 오염된 헤마토코쿠스 플루비알리스, 및 상기 오염인자가 바이오광물화로 인해 사멸된 후 생성된 경질 탄산칼슘과 헤마토코쿠스 플루비알리스 바이오매스를 나타내는 사진이다. 도 12의 좌측에서 확인되듯이, CaCl2를 주입하지 않은 경우에는 헤마토코쿠스 플루비알리스 세포들은 곰팡이, 박테리아, 갈조류에 의해 오염이 되었다. 반면, CaCl2를 주입한 도 12의 우측 사진을 보면, 상층액의 곰팡이 등이 사멸되었고, 바닥에 흰색의 탄산칼슘을 확인할 수 있었다. 이로써 곰팡이, 박테리아, 기타 미세조류들이 바이오광물화에 의해 탄산칼슘을 생성하면서 영양분 고갈(캡슐화)로 인해 사멸함을 알 수 있다.
주사전자현미경(SEM)을 사용하여 CaCl2를 주입하기 전과 후의 헤마토코쿠스 플루비알리스 세포를 관찰하였다. 도 13은 표면에 오염인자(곰팡이)가 부착된 헤마토코쿠스 플루비알리스 세포의 주사전자현미경(SEM) 이미지이고, 도 14 내지 도 15는 바이오광물화가 진행되는 동안의 헤마토코쿠스 플루비알리스 세포의 주사전자현미경(SEM) 이미지이다. 도 13을 참고로, 바이오광물화가 진행되기 전에는 헤마토코쿠스 플루비알리스 세포 표면에 곰팡이가 부착되어 오염이 진행되었으며, 이때 세포 사이즈는 31.2 ㎛이었다. 도 14는 CaCl2를 주입하고 2일이 경과한 후의 세포 이미지로, 세포 표면에 부착된 곰팡이에 의해 바이오광물화가 일어나 탄산칼슘이 생성되고, 곰팡이들이 세포 표면에 떨어져 나간 것을 확인할 수 있다. 이때, 세포 사이즈는 41.4 ㎛이었다. 도 15는 CaCl2를 주입하고 2일이 경과한 때의 세포 이미지를 나타낸다. 여기서, 세포 사이즈는 45.9 ㎛로 증가하였다. 이를 통해 곰팡이가 제거됨에 따라 세포의 사이즈가 증가된다는 것을 알 수 있다.
곰팡이들이 헤마토코쿠스 플루비알리스에 미치는 영향, 및 바이오광물화가 일어날 때에 결정화되는지를 확인하였다. 이를 위해서, 인위적으로 곰팡이를 헤마토코쿠스 플루비알리스 세포에 주입하고, 주사전자현미경(SEM)을 통해 관찰하였다. 도 16은 인위적으로 곰팡이를 주입한 헤마토코쿠스 플루비알리스 세포의 주사전자현미경(SEM) 이미지이다. 여기서, 곰팡이들이 헤마토코쿠스 플루비알리스 세포 표면에 달라붙는 것을 확인할 수 있다. 도 17은 도 16에 따른 곰팡이가 주입된 헤마토코쿠스 플루비알리스 세포에 바이오광물화를 유도하지 않고 배양하는 유도단계에서의 주사전자현미경(SEM) 이미지로서, 곰팡이가 헤마토코쿠스 플루비알리스 세포를 공격하는 모습을 관찰할 수 있다. 도 18 내지 도 20은 도 16에 따른 곰팡이가 주입된 헤마토코쿠스 플루비알리스 세포에 바이오광물화를 유도하고 배양하는 유도단계에서의 주사전자현미경(SEM) 이미지이다. 도 18에서는 바이오광물화에 의해 곰팡이들이 결정화되는 것을 알 수 있고, 도 19에 의해 주입된 곰팡이들이 전부 탄산칼슘으로 전환되었다는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 20을 통해 탄산칼슘과 헤마토코쿠스 플루비알리스 세포 사이에 아무런 에너지 소비 없이 분리가 일어남을 확인하였다.
곰팡이와 갈조류에 대해 바이오광물화를 진행시키고 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하였다. 도 21은 곰팡이에 의한 바이오광물화 진행을 나타내는 주사전자현미경(SEM) 이미지이고, 도 22는 갈조류에 의한 바이오광물화 진행을 나타내는 주사전자현미경(SEM) 이미지이다. 도 21 내지 도 22로부터, 곰팡이와 기타 미세조류(갈조류)에 의해 바이오광물화가 일어나고, 이를 통해 헤마토코쿠스 플루비알리스 세포를 제외한 세포들이 제거 분리될 수 있음을 알 수 있다.
도 23은 박테리아에 의한 바이오광물화 진행을 나타내는 현미경 이미지, 및 형광 세기를 측정한 그래프이다. 박테리아에 의한 바이오광물화를 확인하기 위해서, 박테리아를 염색하고 어느 하나에는 염화칼슘을 첨가하지 않고, 다른 하나에는 염화칼슘을 첨가하여 배양하면서 현미경으로 관찰하였다. 그 결과, 염화칼슘을 첨가하지 않은 경우는 박테리아가 계속 관찰되었으나, 염화칼슘을 첨가한 경우에는 바이오광물화에 의해 박테리아가 관찰되지 않았다. 또한, 박테리아를 광물화 없이 배양할 경우 세포를 염색함으로써 얻어질 수 있는 형광 값이 계속해서 증가하지만 광물화를 진행할 경우에는 형광 값이 0에 수렴하는 것을 통해 박테리아가 사멸하고 있다는 것을 알 수 있다. 박테리아와 헤마토코쿠스 플루비알리스가 동시에 존재하고 있을 때 또한, 광물화를 진행할 경우 박테리아의 형광 값이 0에 수렴한다는 것을 알 수 있다.
실험예 4: 바이오매스와 탄산칼슘 분리
도 24는 Percoll을 사용하여 헤마토코쿠스 플루비알리스 바이오매스와 경질 탄산칼슘을 분리하는 과정, 및 분리된 바이오매스와 탄산칼슘의 주사전자현미경(SEM) 이미지를 나타내는 도면이다. 도 24를 참고로, 유리 바이알에 percoll 8ml을 주입한 후 1시간 동안 원심분리기를 돌린 후에, 탄산칼슘이 포함된 헤마토코쿠스 플루비알리스를 주입하고, 다시 원심분리를 하였다. 여기서, percoll보다 밀도가 낮은 헤마토코쿠스 플루비알리스는 상층액으로, 밀도가 높은 경질 탄산칼슘은 하층액으로 분리된다.
위의 방법으로 분리된 헤마토코쿠스 플루비알리스를 자가영양 조건에서 15일 동안 배양하고 바이오매스 생산량을 측정하고, 그 결과를 도 25에 나타냈다. 도 25는 도 24에서 분리된 순수 헤마토코쿠스 플루비알리스를 자가영양 조건에서 15일 동안 배양한 후의 바이오매스 생산량(g/L), 및 아스타잔틴 함량(%)을 나타내는 그래프이다. 여기서, 자가영양 조건에서 아세트산나트륨 및 염화칼슘을 첨가하지 않고 배양한 기존의 헤마토코쿠스 플루비알리스, 박테리아로 오염된 헤마토코쿠스 플루비알리스, 곰팡이로 오염된 헤마토코쿠스 플루비알리스를 동일 조건으로 배양하여, 바이오매스 생산량을 비교하였다. 그 결과, percoll을 사용한 위의 방법에 의해 분리한 헤마토코쿠스 플루비알리스를 재배양하는 경우에 바이오매스 생산량 및 아스타잔틴 함량이 가장 높게 나타났다.
percoll을 사용하는 상기 분리 방식은 바이오매스의 양이 적은 경우에 적합하고, 바이오매스의 양이 많은 경우에는 연속형 원심분리기를 사용하여 분리할 수 있다. 도 26은 대용량 원심분리기를 사용하여 헤마토코쿠스 플루비알리스 바이오매스와 경질 탄산칼슘을 분리하는 과정, 및 분리된 바이오매스와 탄산칼슘의 주사전자현미경(SEM) 이미지를 나타내는 도면이다. 도 26을 참고로, 매스실린더에서 생산한 탄산칼슘이 포함된 헤마토코쿠스 플루비알리스 바이오매스를 대용량 원심분리기를 사용하여 분리하였다. 이때, 바이오매스는 수분을 함유하지만, 탄산칼슘은 결정으로 되어 있어서 손쉽게 분리가 가능했다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속한 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

Claims (10)

  1. (a) 배지에 이산화탄소를 공급하여, 탄산수소 이온(HCO3 -)을 생성하는 단계;
    (b) 상기 이산화탄소가 공급되는 상기 배지에, 헤마토코쿠스 플루비알리스(Haematococcus pluvialis)를 접종하는 단계;
    (c) 상기 헤마토코쿠스 플루비알리스가 접종된 상기 배지에, 아세트산나트륨(sodium acetate)를 첨가하고, 제1 광배양하는 단계; 및
    (d) 상기 아세트산나트륨이 첨가된 상기 배지에, 칼슘 이온(Ca2 +)을 첨가하여 탄산칼슘(CaCO3)을 생성하고, 제2 광배양하는 단계;를 포함하는 헤마토코쿠스 플루비알리스 생산방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 (c) 단계에서 첨가된 상기 아세트산나트륨의 농도는 5 ~ 15 mM인 헤마토코쿠스 플루비알리스 생산방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 (d) 단계에서 첨가된 상기 칼슘 이온의 농도는 8 ~ 18 mM인 헤마토코쿠스 플루비알리스 생산방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 (d) 단계의 칼슘 이온은, 상기 배지에 염화칼슘(CaCl2)이 공급되어 첨가되는 헤마토코쿠스 플루비알리스 생산방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 (c) 단계에서 상기 헤마토코쿠스 플루비알리스의 세포 밀도가 1.0 g/L 이상일 때에, 상기 (d) 단계를 수행하는 헤마토코쿠스 플루비알리스 생산방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 (a) 단계 내지 상기 (c) 단계 중 적어도 어느 하나 이상의 단계에서 생성된 박테리아, 곰팡이, 및 상기 헤마토코쿠스 플루비알리스를 제외한 기타 미세조류 중 적어도 어느 하나 이상이, 상기 탄산칼슘에 의해 캡슐화되어 사멸되는 헤마토코쿠스 플루비알리스 생산방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 헤마토코쿠스 플루비알리스의 제타포텐셜(zeta potential) 값이, 상기 (c) 단계에서 -30 ~ -34 eV이고, 상기 (d) 단계에서 -6 ~ -10 eV인 헤마토코쿠스 플루비알리스 생산방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 헤마토코쿠스 플루비알리스 세포 표면에 생성된 상기 탄산칼슘은, 상기 헤마토코쿠스 플루비알리스의 크기 증가를 유도하고, 크기가 증가한 상기 헤마토코쿠스 플루비알리스 세포 표면에서 분리되는 헤마토코쿠스 플루비알리스 생산방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 (d) 단계에서, 상기 배지에 염기성 용액을 첨가하여, 상기 배지의 pH를 7.5 ~ 8.5로 유지하는 헤마토코쿠스 플루비알리스 생산방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 (d) 단계 이후에, 배양된 상기 헤마토코쿠스 플루비알리스를 상기 탄산칼슘과 분리하여 취득하는 단계;를 더 포함하는 헤마토코쿠스 플루비알리스 생산방법.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023219458A1 (ko) * 2022-05-13 2023-11-16 고려대학교 산학협력단 미세조류를 활용한 이산화탄소 저감 방법

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180000427A (ko) * 2016-06-23 2018-01-03 고려대학교 산학협력단 이산화탄소 대량 저감 및 고부가 유용물질 생산을 위한 광물화-미세조류 광배양 연속식 융합 공정 시스템
KR20190120876A (ko) 2018-04-17 2019-10-25 고려대학교 산학협력단 헤마토코쿠스 플루비알리스의 생물학적 전처리 및 화학적 추출을 포함하는 아스타잔틴의 제조방법

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101554536B1 (ko) * 2014-04-17 2015-09-21 고려대학교 산학협력단 계면활성제를 이용한 해마토코쿠스 플루비알리스의 순수 배양을 위한 오염 제어 기술 개발
KR101725976B1 (ko) * 2014-04-17 2017-04-26 고려대학교 산학협력단 고온에서 성숙포자 접종 및 철이온매개 하버-바이스 반응에 의한 해마토코쿠스 플루비알리스 내 아스타잔틴 생산량 증진방법
CN105755088B (zh) * 2016-05-18 2019-05-10 彭小伟 诱导雨生红球藻生产虾青素的方法
CN106399108B (zh) * 2016-09-28 2020-01-07 山东金晶生物技术有限公司 一种简便高效的雨生红球藻营养细胞培养和采收方法
CN106566775B (zh) * 2016-10-21 2020-04-07 青岛科海生物有限公司 含高活力雨生红球藻细胞制备方法
CN108410939B (zh) * 2018-07-12 2020-05-01 烟台大学 一种提高雨生红球藻中虾青素含量的方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180000427A (ko) * 2016-06-23 2018-01-03 고려대학교 산학협력단 이산화탄소 대량 저감 및 고부가 유용물질 생산을 위한 광물화-미세조류 광배양 연속식 융합 공정 시스템
KR20190120876A (ko) 2018-04-17 2019-10-25 고려대학교 산학협력단 헤마토코쿠스 플루비알리스의 생물학적 전처리 및 화학적 추출을 포함하는 아스타잔틴의 제조방법

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Biocatalysis and Agricultural Biotechnology, vol.12, pp.152~158(2017)* *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023219458A1 (ko) * 2022-05-13 2023-11-16 고려대학교 산학협력단 미세조류를 활용한 이산화탄소 저감 방법

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