WO2014163426A1 - 광합성 미생물 대량배양을 위한 광생물 반응기 - Google Patents

광합성 미생물 대량배양을 위한 광생물 반응기 Download PDF

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WO2014163426A1
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photobioreactor
culture
photosynthetic
water
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이철균
김지훈
임상민
성동호
허동희
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인하대학교 산학협력단
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Definitions

  • the present invention relates to a photobioreactor for culturing photosynthetic microorganisms, and more particularly, to provide a mass culture of photosynthetic microorganisms using a barrier that allows free passage of water, gas, and nutrients, but restricts free diffusion of the photosynthetic microorganisms. It relates to a photobioreactor for.
  • Photosynthetic single-cell microorganisms can produce various organic materials such as proteins, carbohydrates and fats through photosynthesis. Recently, not only the production of high value-added products such as functional polysaccharides, carotenoids, vitamins and unsaturated fatty acids, but also the main culprit of global warming has been evaluated as the optimal organism for the purpose of carbon dioxide removal. There is also great interest in the production of biological energy to replace fossil fuels, a finite energy source, because microalgae are able to fix carbon dioxide and accumulate lipids in living organisms. Many studies are being conducted on bioenergy production such as biodiesel using the accumulated lipids.
  • the photobioreactor using the semi-permeable membrane has a problem that the cost of the semi-permeable membrane is high, durability is low, and material exchange through the semi-permeable membrane is limited, thereby making it difficult to secure economic feasibility.
  • the present invention has been made to solve various problems including the above problems, and an object thereof is to provide an optical bioreactor for mass cultivation of photosynthetic microorganisms in terms of cost, time, efficiency, and space.
  • these problems are exemplary, and the scope of the present invention is not limited thereby.
  • the photobioreactor comprising a culture vessel capable of carrying a photosynthetic microorganism to be cultured and a liquid for dispersing the photosynthetic microorganism, all or at least part of the culture vessel is water, gas And a barrier capable of free passage of nutrients but limited free diffusion of the photosynthetic microorganisms.
  • the photosynthetic microorganism may be dispersed and cultured in the liquid.
  • the barrier can be freely passed through water, gas and nutrients, but can be prepared using a material that limits the diffusion of photosynthetic microorganisms, for example a mesh sheet or a perforated sheet.
  • the mesh sheet may be made of a fabric structure.
  • Mesh sheet made of a fabric structure is not limited to the passage of gas, water, nutrients, the free diffusion of photosynthetic microorganisms is limited, can be economically and conveniently applied to mass production of photosynthetic microorganisms.
  • the opening size of the mesh sheet may be adjusted according to the size of the photosynthetic microorganism to be cultured, for example, the mesh size is 0.1 ⁇ m to 200 ⁇ m, 0.1 ⁇ m to 100 ⁇ m, 0.2 ⁇ m to 50 ⁇ m, 0.5 ⁇ m to 25 ⁇ m, 0.5 ⁇ m to 22 ⁇ m, 1 ⁇ m to 20 ⁇ m, 3 ⁇ m to 18 ⁇ m, 4 ⁇ m to 16 ⁇ m.
  • the mesh size is 50% to 300%, 70 to 250%, 85% to 200%, 90% to 160%, 100% to 150%, 100% to 140%, of the size of photosynthetic microorganism to be cultured. 100% to 130% or 110% to 120%.
  • the mesh sheet may be woven from a fiber made of a polymer.
  • the polymer may be a biodegradable polymer or a hardly degradable polymer.
  • the biodegradable polymer may be polycaprolactone (poly ( ⁇ m-caprolactone)), polylactic acid (poly (lactic acid)), polylactic acid-polycaprolactone copolymer (poly (lactic-co-glycolic acid)), cellulose ( cellulose, methyl cellulose, ethyl cellulose, cellulose acetate, curdlan, polyglutamic acid, polylysine, polyhydroxy alkano Eight (polyhydroxy alkanoate), polyethylene glycol (polyethylen glycol), poly (glycolic acid), and may be one or two or more selected from the group consisting of polyester (polyester), but is not limited thereto.
  • the hardly decomposable polymers include teflon (teflon, polytetrafluoroethylene), polyolefin (polyolefine), polyamide (polyamides), polyacrylate (polyacrylate), silicon (silicon), polymethyl methacrylate (poly methly methacrylate), polystyrene (polystyrene), ethylene-vinyl acetate copolymer, polyethylene-maleic anhydride copolymer, polyamide, poly (vinyl chloride), poly (vinyl fluoride), polyvinyl imidazole Chlorosulphonate polyolefin, polyethylene terephthalate (PET), nylon (nylon), low density polyethylene (LDPE), high density polyethylene (HDPE), acryl, Polyetheretherketone, polyimide, polycarbonate, polyurethane, poly Ethylene oxide (poly (ethylene oxide)), but as can be alone or in combination of two or more selected from the group consisting
  • the mesh sheet differs from the semipermeable membrane in that the semipermeable film is limited in permeability to macromolecular substances of a certain size such as proteins, whereas the mesh sheet is free of large molecules except for cell-sized substances. It is good. Even if the cultivation of photosynthetic microorganisms of a size smaller than the mesh size of the mesh sheet, the inventors do not spread the photosynthetic microorganisms outside the culture vessel, and the free passage of nutrients, water and gas, including nutrients necessary for cultivation The surprising facts demonstrated that these mesh sheets could be usefully applied to the mass culture of photosynthetic microorganisms.
  • other parts except the mesh sheet of the culture vessel may be made of a translucent or impermeable transparent or translucent material.
  • the perforated sheet is distinguished from conventional semipermeable membranes in that it is manufactured by artificially punching an impermeable or semipermeable polymer membrane.
  • the perforated sheet may be produced by irregular or regular perforation using a polymer mill on the polymer membrane.
  • the size of the pore can be adjusted according to the size of the photosynthetic microorganism to be cultured, for example, the size of the pore is 0.1 ⁇ m to 200 ⁇ m, 0.1 ⁇ m to 100 ⁇ m, 0.2 ⁇ m to 50 ⁇ m, 0.5 ⁇ m to 25 ⁇ m, 0.7 ⁇ m to 22 ⁇ m, 1 ⁇ m to 20 ⁇ m, 3 ⁇ m to 18 ⁇ m, 4 ⁇ m to 16 ⁇ m.
  • the pore size is 50% to 300%, 70 to 250%, 85% to 200%, 90% to 160%, 100% to 150%, 100% to 140% of the size of the photosynthetic microorganism to be cultured. , 100% to 130% or 110% to 120%.
  • the impermeable polymer membrane is teflon (polytetrafluoroethylene), polyolefin (polyolefine), polyamides (polyamides), polyacrylates (polyacrylate), silicon (silicon), polymethyl methacrylate (poly methly methacrylate), polystyrene (polystyrene) , Ethylene-vinyl acetate copolymer, polyethylene-maleic anhydride copolymer, polyamide, poly (vinyl chloride), poly (vinyl fluoride), polyvinyl imidazole, chlorosulfo Chlorosulphonate polyolefin, polyethylene terephthalate (PET), nylon (nylon), low density polyethylene (LDPE), high density polyethylene (HDPE), acryl, polyetherketone (polyetheretherketone), polyimide, polycarbonate, polyurethane, polyethyl Oxide (poly (ethylene oxide)), but as can be alone or in
  • the semi-permeable polymer membrane is selected from the group consisting of cellulose, methyl cellulose, ethyl cellulose, cellulose acetate, poly (vinyl alcohol), cellophane, nitrocellulose and polyester. It may be composed of a species or two or more hydrophilic polymers, and may be composed of a polymer fiber and a composite material constituting the hydrophilic polymer and the impermeable polymer membrane.
  • one or more injection holes may be provided in the culture vessel, and the injection holes may be provided with opening and closing means, such as a zipper, a zipper bag, a valve, a check valve, a tube stopper, an adhesive tape, a clip, Or pincers.
  • opening and closing means such as a zipper, a zipper bag, a valve, a check valve, a tube stopper, an adhesive tape, a clip, Or pincers.
  • the culture vessel may be floated on the water surface by the support means, or settled to a predetermined depth below the water surface by the settling means.
  • the support means may be a flotation device such as a buoy separately installed outside the culture vessel, or may be an air injection tube shape extending from the culture vessel without being separately installed.
  • the settling means may be a weight connected to the lower portion of the culture vessel so that the culture vessel is locked to a certain depth below the water surface, it may be an underwater structure installed in the water or the bottom surface.
  • the culture vessel may be a closed culture vessel or an open culture vessel with an open top, and the open culture vessel may have a raceway-type pond structure, and a culture medium circulation device for circulation of the culture medium. It may be further provided.
  • the open culture vessel may comprise an upper frame and a barrier connected to the upper frame to accommodate photosynthetic microorganisms, all or part of the barrier is free of water, gas and nutrients Passage is possible, but the material is limited to free diffusion of the photosynthetic microorganisms, the open culture vessel may further include a vertical frame and a lower frame.
  • the upper frame may be made of buoyant material, or may be further provided with a flotation means, and when the upper frame is made of buoyant material, a plastic frame containing a gas which may be hollow or provide air or buoyancy. Or a tube. If necessary, the barrier can be accommodated in the upper frame, the depth of the culture vessel can be adjusted.
  • one end of the culture vessel may be connected to the flotation means and the other end may be connected to the settling means.
  • one surface of the culture vessel may be designed to control the light energy supplied to the photosynthetic microorganism by the light blocking region.
  • the light blocking region has an optical filter function, so that only a wavelength of a portion of the sunlight supplied to the photobioreactor can be selectively transmitted or blocked.
  • the wavelength region may be classified into a blue, red, or green series among solar wavelengths.
  • the wavelength region to be transmitted or blocked may be appropriately selected depending on the type of photosynthetic microorganism to be cultured.
  • the film having the optical filter function may be prepared by mixing a chemical component capable of absorbing light wavelengths in a specific wavelength region in a plastic or polymer material. Such chemical components may be included in the pigment pigment.
  • the culture vessel may be designed to rotate about an axial direction by a force of wind or water by a wing attached to one side of the culture vessel.
  • the wings may comprise two or more wings extending in different directions and may cross each other.
  • the wing may have a bend so that the culture vessel rotates about a vertical axis.
  • a photosynthetic microbial culture comprising an aqueous phase structure carrying the photobioreactor.
  • the aquatic structure includes a partition wall and a frame connected between the frame and the frame to prevent the loss of the photobioreactor, the partition wall to be separated from the inside and the culture.
  • the partition wall may be made of various materials such as plastic, wood, plywood, net, but is preferably made of a net considering the aspect of cost and free communication of environmental water.
  • the photosynthetic microbial culture thus formed has a structure similar to a cage cage.
  • the frame formed on the surface of the water structure may be attached to the support means for floating the water structure on the water surface.
  • the support means may adjust the buoyancy in consideration of conditions such as nutrients and solar energy required for the culture of photosynthetic microorganism to be cultured.
  • the flotation means may be made of styrofoam, a vacuum inside, plastic barrel containing air or a gas capable of providing buoyancy, and may be made of a variety of materials, and may be formed in a form overlaid on the upper frame, or the upper frame may be a separate floating means. It may also be connected to.
  • the support means When the support means is overlaid on the upper frame, the support means may be a working space used when the worker performs the work in the culture.
  • the water structure may be designed to be provided with a worker support means for the operator to perform management work.
  • the worker support means serves as a support for a worker to perform work thereon, and may be connected to the support means or to an underwater or water facility separately from the support means.
  • the photobioreactor may not be provided with a support means or may be provided with a support means. If the photobioreactor is not provided with a support means, the depth of the bottom surface of the dendritic structure may be appropriately adjusted to counter the change in cell concentration or light intensity so that the photobioreactor does not sink too deep below the water surface.
  • the step of preparing the photobioreactor And injecting photosynthetic microorganisms and culture medium into one or more of the photobioreactors and then throwing them into the culture site to perform photosynthesis.
  • the photosynthetic microorganisms may be dispersed and cultured in a culture medium that does not contain a carrier.
  • FIG. 1 is an exemplary view schematically showing a photobioreactor according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 and 3 is an exemplary view schematically showing a photobioreactor according to a second embodiment of the present invention.
  • FIGS. 4 and 8 are exemplary views schematically showing a photobioreactor according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is an exemplary view schematically showing a photobioreactor according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is an exemplary view schematically showing a photobioreactor according to a fifth embodiment of the present invention.
  • 11 and 12 are schematic views showing a photobioreactor according to a sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is an exemplary view schematically showing a photobioreactor according to a seventh embodiment of the present invention.
  • 14 to 17 is an exemplary view schematically showing a photobioreactor according to an eighth embodiment of the present invention.
  • FIGS. 18 and 19 are exemplary views schematically showing a photobioreactor according to a ninth embodiment of the present invention.
  • 20 and 21 are exemplary diagrams schematically showing a photosynthetic microbial culture center according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 22 is a photograph taken by a scanning electron microscope the structure of the mesh sheet according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 23 is a photograph showing an experimental procedure for checking whether photosynthetic microorganisms are eluted in a photobioreactor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 24 is a graph illustrating the results of analyzing the size and particle number of the cell particles in the culture vessel in order to confirm whether photosynthetic microorganisms are eluted out of the culture vessel of the photobioreactor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 25 is a view illustrating the size of cell particles in an external tank containing a culture vessel after culturing cells for a certain period of time to confirm whether photosynthetic microorganisms are eluted out of the culture vessel of the photobioreactor according to an embodiment of the present invention. And a result of analyzing the particle number.
  • FIG. 26 is a photograph showing an experimental procedure for comparing the growth of the photosynthetic microorganisms according to the type of semi-permeable membrane and the mesh sheet used in the preparation of the photobioreactor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 27 is a graph comparing the growth of the photosynthetic microorganisms according to the type of semi-permeable membrane and the mesh sheet used in the preparation of the photobioreactor according to an embodiment of the present invention:
  • ⁇ , ⁇ nylon mesh sheet
  • ⁇ , ⁇ 50 kDa cut-off semi-permeable membrane
  • 29 is an exemplary view schematically showing a photobioreactor according to an embodiment of the present invention used when culturing algae in an actual sea.
  • FIG. 30 is a photograph of a non-permeable plastic container used for culturing algae in a real sea using a photobioreactor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 31 is a schematic diagram schematically showing an experimental design for culturing algae in a real sea using a photobioreactor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 32 is a graph showing the temperature change of the atmosphere and sea water when cultivating algae in the real sea using a photobioreactor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 33 is a graph showing daily average luminance (PAR) when cultivating algae in an actual sea using an optical bioreactor according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 34 is an embodiment of the present invention.
  • Using a photobioreactor according to the present invention is a graph showing the light irradiation time when the algae incubated in the sea.
  • FIG. 35 is a graph showing the calculated cell concentration when the photosynthetic microorganism is cultured in the actual ocean using the photobioreactor according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 36 is a photobioreactor according to an embodiment of the present invention. It is a graph showing the biomass weight calculated when the photosynthetic microorganism was cultured in the actual ocean using.
  • FIG. 37 is a graph comparing the nitrate permeability according to the reuse of the mesh sheet used in the photobioreactor according to an embodiment of the present invention with the photobioreactor prepared using a semipermeable membrane.
  • permeable refers to a phenomenon in which only a few substances can selectively pass through the interface, such as membranes or plates, and most materials can pass through. permeable “and” nonpermeable "where most of the material cannot pass through.
  • translucent refers to the passage of a portion of light at the boundary of a boundary, such as a membrane or plate, and “transparent” through which most of the light passes. And “opaque” where the passage of light is substantially blocked.
  • carrier refers to a structure that spatially separates the outside of the culture vessel and the inside of the culture vessel containing the photosynthetic microorganism to be cultured.
  • "Free passage of water, gas, and nutrients, but limited diffusion of photosynthetic microorganisms” is not the only permeation of certain molecules by osmotic phenomena, but most of them including polymers such as water, gas and nutrients Free passage of material is possible, but it means that free diffusion of cells, such as photosynthetic microorganisms, is limited, and some of the cells may pass through the barrier, but the cell concentrations do not equilibrate across the barrier.
  • the barrier can be, for example, a mesh sheet or a perforated sheet.
  • the mesh sheet includes a structure in which warp and weft yarns cross each other up and down like a woven fabric, and are woven in a pattern such as plain weave, twill weave or runner weave, or a layered structure. It can be manufactured by changing the type or processing method of the sheet material used, such as pile structure, blade structure, etc., means a sheet manufactured by applying the technology used in the manufacture of textile fabrics.
  • perforated sheet means a sheet in which holes are formed by artificially drilling a plate-like material.
  • the plate-like material may be a film, and the film may be an impermeable film or a semi-permeable film. Can be.
  • the perforated sheet can be artificially perforated to provide the same effect as the mesh sheet.
  • nutrients are substances that organisms consume for nutrition, organonutrients such as carbohydrates, fats, proteins and vitamins, except for oxygen for respiration, carbon dioxide and water for photosynthesis, and iron, sodium Inorganic salts such as salts, potassium salts, phosphates and magnesium salts.
  • environment water means water in a space where the photobiological reactor of the present invention is added and cultured, and includes seawater, fresh water and brackish water, and artificially formed reservoirs or ponds. Water may also be included.
  • free passage or “free diffusion” refers to a state in which a specific substance can pass through the two spaces separated by the barrier without any limitation, and the passage of the concentration of a specific substance between both spaces. This is a difference-free concept, and diffusion refers to the migration of certain substances from high to low concentrations.
  • free diffusion is limited means that certain substances that are present in an overwhelmingly high concentration in one of two spaces separated by the barrier will diffuse in the absence of the barrier, but across the barrier conditions In situations where the diffusion into is substantially limited, some of the movement of the material does not rule out. Thus, the term “free diffusion is limited” may be used in the same concept as “diffusion is substantially limited.”
  • opening size refers to the size of the space between the wefts and warp yarns interwoven with each other on the mesh structure.
  • photosynthetic microorganism refers to green algae, red algae and cyanobacteria capable of photosynthesis, for example, chlorella, Chlamydomonas , Haematococous, Botryococcus , may be a three or four etc. death mousse (Scenedesmus), Spirulina (Spirulina), tetra-cell Miss (Tetraselmis), two flying it Ella (Dunaliella), but is not limited to such.
  • the photosynthetic microorganisms can produce metabolites such as carotenoids, cells, phycobiliproteins, lipids, carbohydrates, unsaturated fatty acids, and proteins in culture vessels.
  • FIG. 1 is an exemplary view schematically showing a photobioreactor according to a first embodiment of the present invention.
  • the photobioreactor for mass culture of photosynthetic microorganisms using the mesh sheet according to the present invention can maximize the growth of photosynthetic microorganisms at a minimum cost, thereby efficiently mass-producing photosynthetic microorganisms.
  • the floating or underwater is settled to a predetermined depth on the water surface, thereby providing an effect of overcoming the spatial constraints required for mass production.
  • a barrier for spatially distinguishing unsynthesized photosynthetic microorganisms and environmental water is a mesh sheet. It comprises a culture vessel 110 made of (111).
  • the mesh sheet can be used as long as it is a material that allows free passage of gas, water, and nutrients and blocks free diffusion of photosynthetic microorganisms, such as perforated sheets.
  • the mesh sheet is free to enter and exit the environmental water, gas and nutrients, characterized in that the free diffusion of photosynthetic microorganisms or contaminating microorganisms is blocked. More specifically, by allowing the inflow of environmental water, waste products discharged during the process of supplying nutrients requiring growth of photosynthetic microorganisms and photosynthetic microorganism growth can be removed together with the environmental water. This provides cost, time and labor savings since a separate nutrition and purification device is not required. In addition, carbon dioxide supply and oxygen discharge required in the photosynthesis process of the photosynthetic microorganism may be made through the mesh sheet.
  • the photosynthetic microorganism is cultivated in a controllable limited culture vessel, it is possible to prevent environmental pollution due to mass propagation of the photosynthetic microorganism, and has the advantage of easy harvesting of the photosynthetic microorganism mass cultured.
  • the photobioreactor manufactured using the mesh sheet 111 according to the first embodiment of the present invention enhances the growth of photosynthetic microorganisms by 1.5 to 2 times compared to the photobioreactor prepared using the conventional semi-permeable membrane. It has been provided with the effect of reducing the production efficiency of photosynthetic microorganisms significantly.
  • the mesh sheet is capable of free inflow and outflow of excretion of water, nutrients, gas and photosynthetic microorganisms, characterized in that free diffusion of photosynthetic microorganisms is blocked, for example, the mesh sheet is to be woven from fibers made of a polymer Can be.
  • the polymer may be a biodegradable polymer or a hardly degradable polymer.
  • the biodegradable polymers include polycaprolactone (poly (epsilon-caprolactone)), polylactic acid (poly lactic acid), polylactic acid-polycaprolactone copolymers (poly (lactic-co-glycolic acid), cellulose, Methyl cellulose, ethyl cellulose, cellulose acetate, nitrocellulose, curdlan, polyglutamic acid, polylysine, polyhydride It may be one or two or more selected from the group consisting of hydroxy alkanoate, polyethylen glycol, polyglycolic acid, and polyester, but is not limited thereto. It doesn't work.
  • the hardly decomposable polymers include teflon (teflon, polytetrafluoroethylene), polyolefin (polyolefine), polyamide (polyamides), polyacrylate (polyacrylate), silicon (silicon), polymethyl methacrylate (poly methly methacrylate), polystyrene (polystyrene), ethylene-vinyl acetate copolymer, polyethylene-maleic anhydride copolymer, polyamide, poly (vinyl chloride), poly (vinyl fluoride), polyvinyl imidazole Chlorosulphonate polyolefin, polyethylene terephthalate (PET), nylon (nylon), low density polyethylene (LDPE), high density polyethylene (HDPE), acryl, Polyetheretherketone, polyimide, polycarbonate, polyurethane, poly Ethylene oxide (poly (ethylene oxide)), but as can be alone or in combination of two or more selected from the group consisting
  • the culture vessel manufactured using the mesh sheet only needs to have a shape capable of accommodating photosynthetic microorganisms, for example, it may be manufactured in the form of a circle, an ellipse, a cone, a cylinder, and the like, and the shape thereof is not particularly limited. .
  • all or a portion of the barrier of the culture vessel may be made of a mesh sheet, maintaining a three-dimensional shape may be prepared using an impermeable or semi-transparent transparent or translucent material for floating.
  • the plastic container may float near sea level due to the buoyancy of the plastic container.
  • FIG. 2 is an exemplary view schematically showing a photobioreactor according to a second embodiment of the present invention.
  • the photobioreactor 102 includes the culture vessel 110 of the first embodiment, and has a tube shape extending from the culture vessel 110.
  • the support means 120 may be further provided.
  • the tube-shaped support means may be formed of the same or heterogeneous material as the main material of the culture vessel, it is preferable to be formed of the same material in consideration of the manufacturing process.
  • the tube-shaped flotation means may be formed by heating and pressing the edge of the balloon-shaped culture vessel formed by injecting air.
  • the culture vessel 110 portion is surrounded by the support means 120, all or part of the culture vessel 110 may be replaced by a mesh sheet 111.
  • 3 is a sectional view of the photobioreactor 102 according to the second embodiment.
  • the support means is a conventional styrofoam, buoys, hollow bins, such as an object may be connected through the connecting means to the culture vessel (see Fig. 10).
  • FIG 3 is an exemplary view schematically showing a photobioreactor 103 according to a third embodiment of the present invention.
  • connection means 130 is connected to the culture vessels according to an embodiment of the present invention, or if it can be fixed by connecting the culture vessel and the support means, regardless of the shape or material. For example, ropes or chains can be used.
  • the culture vessel 110 may be connected vertically, in this case, the support means 120 is provided only in the culture vessel of the uppermost stage, the culture vessel (110 ', 110 ") connected to the bottom of the culture vessel of the uppermost support means
  • the photobiological reactor 103 includes a plurality of culture vessels 110 in the supporting means 120 connected to each other without a separate connection means. Can be connected in series (Fig. 5) or in series or in parallel (Fig. 6)
  • a plurality of culture vessels 110 that do not have a support means is floating connection means 130 ') Can be connected to the annular (Fig. 7) or the front, rear, left and right (Fig.
  • the floating connecting means 130' is a material that can be supported for floating to the water surface of the culture vessel 110, for example, Buoys, styrofoam, a vacuum inside or a gas that can provide air or buoyancy inside It may be composed of a plastic container or a tube, etc.
  • the support means 120 may be additionally provided in the culture vessel 110 (not shown).
  • the culture vessel for example, when cultivating one or more photosynthetic microorganisms can be installed in the sea by connecting the culture vessel up and down.
  • a floating connection means of adjusting buoyancy so that the left and right or annular connection, the buoyancy is adjusted to be located in the depth range through which the sunlight required for culturing the photosynthetic microorganism to be cultured.
  • FIG. 9 is a schematic view showing a photobioreactor 104 according to a fourth embodiment of the present invention.
  • the photobioreactor 104 includes the culture vessel 110 of the first embodiment, but the culture vessel 110 may be settled at an appropriate depth. To this end, it may further include one or more sedimentation means 140 connected to the culture vessel (110).
  • the settling means 140 may be, for example, weight, and may be a structure installed on the bottom surface or in the water.
  • FIG. 10 is an exemplary view schematically showing a photobioreactor 105 according to a fifth embodiment of the present invention.
  • the photobioreactor 105 includes the culture vessel 110 according to the first or second embodiment, but the culture vessel 110. It further comprises a flotation means 120 and the settling means 140 connected to.
  • the support means 120 may be connected to one end of the culture vessel 110 through the connecting means 130
  • the sedimentation means 140 may be connected to the other end of the culture vessel (110).
  • the flotation means 120 and the settling means 140 can adjust the degree of flotation and settling of the culture vessel.
  • FIG. 6 is an exemplary view schematically showing a photobioreactor 106 according to a sixth embodiment of the present invention.
  • the photobioreactor 106 including the culture vessel 110 according to the first embodiment, opening and closing connected to the culture vessel 110 And further comprises means 150.
  • the opening and closing means 150 is provided on one end surface of the culture vessel 110, so that the photosynthetic microorganisms can be supported in the culture vessel 110, the zipper (Fig. 11), a zipper bag or a valve ( 12) may be provided in the same form.
  • FIG. 13 is an exemplary view schematically showing a photobioreactor 107 according to a seventh embodiment of the present invention.
  • the photobioreactor 107 according to the seventh embodiment of the present invention includes the culture vessel 110 according to the first embodiment, and is provided on one surface of the culture vessel 110.
  • the light blocking region 160 is further included.
  • the light blocking region 160 is provided on one end surface of the culture vessel 110, and is designed to control the amount or wavelength of light energy transferred to the photosynthetic microorganism to be cultured. Can be.
  • FIG. 8 is an exemplary view schematically showing a photobioreactor 108 according to an eighth embodiment of the present invention.
  • the photobioreactor 108 according to the eighth embodiment of the present invention is characterized by having a rocking structure in which the culture vessel 110 can swing by waves or wind.
  • the culture vessel 110 may further include a wing 170 connected to the culture vessel in the rocking structure.
  • Wing 170 is attached to the lower or upper surface of the culture vessel, it is designed to rotate around the vertical direction by the force of the wind or water.
  • One or two wings 70 may be attached to the lower or upper surface of the culture vessel by crossing one or two, and may be designed in a curved shape to widen the cross-sectional area where the wind reaches and to facilitate the rotation.
  • the swinging structure may be reflected in the shape of the culture vessel 110 itself.
  • both sides of the culture vessel 110 is elongated to have a wing 170, such as a pinwheel can swing the culture vessel 110 by waves or wind.
  • a wing 170 such as a pinwheel
  • the directions of the two wings 170 protruding for efficient rocking of the culture vessel 110 are 180 degrees to each other.
  • the swinging structure is attached to the shaft 112 penetrating the culture vessel and rotates in the culture vessel in conjunction with the outer rotary blade 170 'and the outer rotary blade 170' rotated by waves or wind. It may be configured as an inner rotary blade 170 ".
  • the outer rotary blade 170 ' may be any shape as long as the structure can be rotated by the flow of water or wind, such as a pinwheel, a propeller, a watermill.
  • FIG. 18 and 19 schematically show an optical bioreactor 109 according to a ninth embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is an exemplary view of a caged photobioreactor
  • FIG. 19 is a view of FIG. 19. Exemplarily shows a raceway-type photobioreactor.
  • the photobioreactor 109 may have an open culture vessel 110 ′ with an open top surface.
  • the culture vessel 110 ′ may be composed of an upper frame 113 and a barrier connected thereto, and part or all of the barrier may allow free passage of gas, water, and nutrients such as mesh sheets or perforated sheets.
  • it can be composed of the material 111 is limited free diffusion of photosynthetic microorganisms.
  • the upper frame 113 may have any shape as long as it can form a three-dimensional structure of an open container 110 'such as a polygon, a circle, an oval, or the like, and the barrier may be formed on the upper frame 113. It may be connected in the form of (not shown).
  • a vertical frame 114 and / or a lower frame 115 connected to the upper frame 113 may be additionally provided.
  • the upper frame 113 is rectangular, and the four frames of the rectangle are provided with the lower frame 115 connecting the vertical frame 114 and the vertical frame 114 to each other.
  • the open culture vessel 110 ′ having the bottom wall 116 and four side walls 117 connected to each other between the frames will be described in detail.
  • Some or all of the bottom wall 116 is limited to free diffusion of photosynthetic microorganisms, such as mesh sheets and perforated sheets, and is made of a material 111 that allows free passage of gas, water, and nutrients.
  • the bottom wall 116 is made of an impermeable film material that can substantially trap photosynthetic microorganisms.
  • the bottom wall 116 is made of an impervious film material, and some or all of the four side walls 117 are limited to free diffusion of photosynthetic microorganisms, such as mesh sheets or perforated sheets, and are limited to gases, water, nutrients, etc.
  • a material 111 that can pass freely the bottom wall 116, all four sidewalls 117 is limited to the free diffusion of photosynthetic microorganisms, such as mesh sheets and perforated sheets, gas, water, nutrients, etc. It may be made of a material 111 that can pass freely.
  • the open culture vessel 110 ′ may be difficult to rise above the water surface, a separate supporting means 120 may be provided on all or part of the upper frame 113.
  • the open culture vessel 110 ′ may have a structure in which the upper frame 113 itself is made of a flotation material, or the support means 120 is directly or indirectly connected to the upper frame 113.
  • the upper frame 113 of the culture vessel 110 ′ may be composed of one or more tubes into which air is injected, or may be made of a hollow plastic mold.
  • stimulation means such as styrofoam, a plastic barrel containing a vacuum or air or buoyancy therein may be attached to the side or bottom of the upper frame 113.
  • Worktops may be added to the upper frame 113 to facilitate the inoculation or recovery of photosynthetic microorganisms.
  • the work bench may be omitted. If necessary, the bottom wall 116 or four sidewalls 117 can be accommodated in the upper frame 113, the depth of the culture vessel (110 ') can be adjusted.
  • the bottom wall 116 or four sidewalls 117 are accommodated into the upper frame 113, so that the depth of the culture vessel 110 'may be small, In clear weather, the bottom wall 116 or four sidewalls 117 may be withdrawn from the upper frame 113 to increase the depth of the culture vessel 110 ′.
  • the photobioreactor 209 may include a raceway pond-type open culture vessel 210 that is installed to float on the water surface as shown in FIG. 19. .
  • a partition wall 218 is installed in the middle of the raceway pond-type open culture vessel 210 to have a structure in which the culture solution can rotate in one direction.
  • a culture medium circulation device 219 such as aberration or a pump may be further provided.
  • the culture medium rotating device 219 can be basically rotated by wind or waves, and additionally provided with a motor (not shown) for supplying rotational power by a separate power source such as a battery or a solar generator for continuous rotation in one direction.
  • the basic structure of the raceway pond type culture vessel 210 is similar to the open culture vessel 110 ′ shown in FIG. 18.
  • the raceway pond-type open culture vessel 210 may be composed of an upper frame 213 formed in an elliptical shape, an elliptical shape or a circular shape extending in a longitudinal direction, and a barrier connected to the upper frame 213.
  • it may be further provided with a vertical frame 214 and / or lower frame 215 connected to the upper frame 213. .
  • the upper frame 213 is an elliptical shape extending in the longitudinal direction, and the vertical frame 214 and the vertical frame 214 connected to each other below the elliptical upper frame 213 are connected to each other.
  • a raceway pond type culture vessel 210 having a bottom frame 215 and a bottom wall 216 and a side surface 217 connecting between the frame and the frame will be described in detail.
  • Some or all of the bottom wall 216 is limited to free diffusion of photosynthetic microorganisms, such as mesh sheets and perforated sheets, and is made of a material 211 which allows free passage of gas, water, and nutrients. It may be made of an impermeable film material that can substantially trap photosynthetic microorganisms.
  • the bottom wall 216 is made of an impervious film material, and part or all of the side wall 217 is limited to free diffusion of photosynthetic microorganisms, such as mesh sheets or perforated sheets, and free of gases, water, nutrients, and the like. It can be made of a material 211 that can pass through, the bottom surface 216, side walls 217 are all limited to free diffusion of photosynthetic microorganisms, such as mesh sheets and perforated sheets, free passage of gas, water, nutrients, etc. It can be made of a material 211 possible. Since the raceway pond-type open culture vessel 210 having such a structure may be difficult to rise above the water surface, a separate support means 220 may be provided on all or part of the upper frame 213.
  • the raceway pond-type open culture vessel 210 may have a structure in which the upper frame 213 itself is made of a flotation material, or the support means 220 is directly covered with the upper frame 213.
  • the upper frame 213 of the raceway pond culture vessel 210 may be composed of one or more tubes in which air is injected, or may be made of a hollow plastic frame. Worktops may be added to the upper frame 213 to facilitate the inoculation or recovery of photosynthetic microorganisms.
  • the work bench may be omitted.
  • the cost of using a culture vessel consisting of a barrier, in which the upper part is opened and all or a part of the side and / or bottom surface is free to allow gas, water, and nutrients to pass freely, and free diffusion of photosynthetic microorganisms is limited.
  • Significant savings, free exchange of gases, and smooth removal of wastes generated during photosynthesis and the supply of nutrients from the environmental water allow for more efficient cultivation of photosynthetic microorganisms.
  • FIG. 20 and 21 are schematic diagrams showing a photosynthetic microbial culture plant according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 20 illustrates a case of including a photobioreactor having no support means
  • FIG. 21 shows a support means. The case including the equipped photobioreactor is illustrated.
  • Photosynthetic microbial culture in accordance with an embodiment of the present invention is to facilitate the recovery after cultivation without loss by fixing a plurality of culture vessels capable of culturing photosynthetic microorganisms in a specific position on the surface, Reactor 1100 and may include a water structure 1200 supporting the same.
  • the water phase structure 1200 is connected between the culture center upper frame 1210 and the culture center upper frame 1210 to prevent the loss of the photobioreactor 1100 to distinguish the interior and exterior of the culture center 1000. It includes a fence 1220. As shown in FIG.
  • the photosynthetic microbial culture center 1000 has a culture center vertical frame 2011 that is sunk below the surface, in addition to the culture center upper frame 1210 that floats above the water surface.
  • a culture center lower frame 1212 the culture center upper frame 1210 may have any shape as long as it can form a culture vessel 1110 such as a polygon, a circle, an oval, etc.
  • the fence 1220 is connected to the culture center upper frame 1210 like a garden cloth (not shown), the culture center vertical frame 1211 and the culture center lower frame 1212 may be omitted.
  • the fence 1220 may be made of various materials such as plastic, wood, plywood, net, but is preferably made of a net in consideration of cost and free communication of environmental numbers.
  • the photosynthetic microbial culture 1000 formed as described above has a structure similar to a cage cage.
  • the culture center upper frame 1210 formed on the water surface of the waterborne structure 1200 may be provided with a culture center support means 1213 for allowing the waterborne structure 1200 to float on the water surface.
  • the culture center supporting means 1213 may adjust the buoyancy in consideration of conditions such as nutrients and solar energy required for culturing the photosynthetic microorganism to be cultured.
  • the culture center support means 1213 may be made of a variety of styrofoam, hollow plastic tubs, and may be formed in a form overlaid on the culture center upper frame 1210, or a separate connection means to the culture center upper frame 1210 Can be connected by.
  • the water structure 1200 may be designed to be provided with a worker support means (not shown) for the operator to perform management work.
  • the worker support means serves as a support on which the worker can perform work thereon, and is connected to the culture support means 1213 or separate from the culture support means 1213 in an underwater or aquatic facility (not shown). Can be connected to.
  • the worker support means itself is made of a flotation material, it can replace the culture center support means 1213. That is, when the support means (not shown) made of the buoyant material is written on the culture upper frame 1210, the culture support means 1213 may be omitted.
  • the culture top frame 1210 is made of a material, such as a buoyant material, such as a tube or a hollow plastic frame
  • the culture center support means 1213 and worker support means are omitted.
  • the photobioreactor 1000 may not be provided with a support means or may be provided with a support means.
  • the depth of the bottom surface 1221 of the water phase structure 1200 may be appropriately adjusted so that the photobioreactor 1000 does not sink too deep below the water surface.
  • the photobioreactor 1100 is provided with a support means, as shown in FIG. 21, the bottom surface 1221 and the culture center lower frame 1212 of the water phase structure 1200 may be omitted.
  • a culture vessel was prepared by attaching a mesh sheet made of PET, polyester and nylon to the bottom of a total volume of 100 ml plastic container, and 0.5 g / L photosynthetic microorganism ( Tetraselmis sp) with a wet weight inside the culture vessel. .) 60 ml was added and suspended in a plastic container containing 1 L of f / 2-Si medium, and then the photosynthetic microorganisms were eluted outside the culture vessel made of a mesh sheet.
  • the oepning size of nylon and PET is 5 ⁇ m and the polyester is 15 ⁇ m.
  • the photosynthetic microbes will grow using an external medium.
  • the temperature was maintained at 20 ° C., and a luminous intensity of 100 ⁇ E / m 2 / s was supplied using a fluorescent lamp.
  • photosynthetic microbial concentrations outside and inside the reactor were checked using a coulter counter (model: multi-sizer 3, Beckman Inc., USA). The results obtained by scanning electron microscopy of the nylon, polyester and PET mesh sheets and the semi-permeable membrane having a fractional molecular weight (Cuf-off value) of 6-8 kDa used in the above experiment are shown in FIG. 22.
  • the characteristics of the mesh sheet used and the volume of the culture solution contained in the culture vessel are as shown in Table 1 below.
  • one surface of the plastic container was blocked using PET as a mesh sheet, the photosynthetic microorganism was injected and cultured in the container, and the elution of the photosynthetic microorganism was confirmed.
  • the cell size and distribution of the photosynthetic microorganisms in the culture vessel are shown in FIG. 24, and it was confirmed that photosynthetic microorganisms having an average size of about 11 ⁇ m were distributed in the culture vessel.
  • cells of about 5 ⁇ m or less were observed, but it was confirmed that the cultured photosynthetic microorganisms were not eluted from the culture vessel (see FIGS. 24 and 25).
  • the photosynthetic microorganism was actually cultured using a culture vessel made of a mesh sheet, and the photosynthetic microorganism was cultured using a cellulose semipermeable membrane as a control.
  • a cellulosic material 50 kDa molecular weight cut off semipermeable membrane (product number 132544, spectrumlabs, USA) was attached to the same area, and experiments were performed to compare the growth of photosynthetic microorganisms.
  • the medium was periodically exchanged once daily, and was supplied at 100 ⁇ E / m 2 / s for 24 hours using a fluorescent lamp during the culture, and the culture temperature was 20 ° C. And were incubated for 18 days. On the 0, 3, 6, 9, 12, 15, and 18 days of culture, about 1-2 ml of the culture solution was collected through the sampling port provided at the upper part of the incubator, and the growth of the cells and the nitrogen concentration of the culture solution were measured.
  • the present inventors measured the permeability of nutrients in a culture vessel made of a mesh sheet, and cultured photosynthetic microorganisms using a cellulose semipermeable membrane as a control thereto.
  • Nutrients permeability was measured by the permeation rate of nitrate, an important factor in photosynthetic microbial culture, and the nutrient permeability of the mesh sheet was measured in seawater containing nitrates in concentrations of 100, 200 and 400 mg / L in a square tank.
  • seawater containing nitrates in concentrations of 100, 200 and 400 mg / L in a square tank.
  • a square plastic container containing 100 ml of seawater containing no nitrate was suspended in a water tank, and a change in concentration difference of nitrates entering the plastic container from the water tank was measured over time.
  • the present inventors installed a photobioreactor according to an embodiment of the present invention in Youngheung Island marine culture, incubated Tetraselmis sp. At this time, the same photosynthetic microorganisms were cultured in an optical bioreactor prepared using an impermeable membrane and a semipermeable membrane together with the incubator prepared using the mesh sheet according to the embodiment of the present invention.
  • the photobiological incubator has a structure as shown in FIG. 29, and used a plastic container as described in FIG. 30, and puts photosynthetic microorganisms inside the culture vessel using a non-permeable membrane or a semi-permeable membrane for the bottom side of the mesh sheet or a comparison. (See Figures 30 and 31).
  • the non-permeable membrane used was polyethylene, and mesh sheets were PET, nylon, and polyester, and 4 g / L sodium bicarbonate was used to supply three times the f / 2-Si medium and carbon source. bicarbonate) was added, and a semi-permeable membrane (SPM) was used as the 6-8 kDa and 15 kDa fractional molecular weight semi-permeable membranes (product number 132544, spectrumlabs, USA). .
  • SPM semi-permeable membrane
  • FIG. 32 The temperature, water temperature, measured water temperature and measured temperature of the Yeongheungdo Ocean Culture Plant during the incubation of Tetraselmis sp. For 9 days are shown in FIG. 32. Photosynthetic microorganisms were set to 0 hours for the start of culture. In addition, daily average light intensity (PAR, photosnythetically active radiation) and light irradiation time at the time of incubation are summarized in FIGS. 33 and 34. In summary, during the photosynthetic microbial culture, the average water temperature was 9.9 ° C, the average temperature was 4.2 ° C, the average brightness was 295.5 ⁇ E / m 2 / s, and the average light irradiation time was 7.4 hours (Fig. 32, Fig. 33 and Fig. 34).
  • PAR photosnythetically active radiation
  • the growth level of photosynthetic microorganisms in the photobiological incubator was determined based on the cell concentration and biomass of the photosynthetic microorganisms. 10 6 , 1.77 X 10 6 cells / ml (Fig. 35), and the biomass weight was also increased by 1.14 ⁇ 1.48 times when using the mesh sheet of polyester and PET material compared to 15 kDa using a semi-permeable membrane (Fig. 36). What was unique was that the 6-8 kDa semipermeable membrane with a low cut off value was the lowest value compared to the control with the impermeable membrane (see Table 3).
  • Tetraselmis sp In order to measure the reuse efficiency of the mesh sheet according to an embodiment of the present invention to recover the mesh sheet used in Experimental Example 4, Tetraselmis sp. The strains were cultured in the Youngheung Island marine culture apparatus for 9 days, and the transfer efficiency of nitrate was measured. In this case, as a control, 6-8 kDa and 15 kDa fractional molecular weight semi-permeable membranes of the cellulose material used in Experimental Example 4 were used as washing or non-washing conditions. In addition, an unused membrane was used for comparison to the entire experiment.
  • washing was soaked in each tank used for flowing tap water in a tank filled with 1 L tap water in a 2 L tank for about 5 minutes, and the front and back of the membrane were flowed by hand without using a separate cleaning tool. Washed in tap water.
  • Tetraselmis sp Tetraselmis sp. After culturing the strain for 9 days and comparing the membrane migration rate of the nitrate in the same manner as in Experimental Example 3, as shown in Figure 37 prepared using the reused polyester and PET mesh sheet according to an embodiment of the present invention Compared to the semi-permeable membrane, the photobiotic incubator had superior nitrate permeation efficiency, and the permeation efficiency was increased by simply washing in tap water without any treatment. This result means that the mesh sheet according to an embodiment of the present invention can be reused through a simple process of rinsing in tap water, and the industrial availability is excellent.
  • the photobioreactor according to an embodiment of the present invention enables low-cost, high-efficiency cultivation of microalgae, as well as the production of food using microalgae, as well as the production of useful products derived from microalgae such as astaxanthin and biodiesel. It can be used for production.

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Abstract

본 발명은 경제적이며, 효율적인 광합성 미생물의 대량생산을 위한 배양해야 할 광합성 미생물 및 상기 광합성 미생물을 분산시키기 위한 액체를 담지할 수 있는 형상유지 가능한 배양용기를 포함하는 광생물 반응기에 있어서, 상기 배양용기의 전부 또는 적어도 일부는 물 및 영양성분의 통과는 가능하나 상기 광합성 미생물의 확산이 제한되는 장벽(barrier)으로 구성된 광생물 반응기를 제공한다.

Description

광합성 미생물 대량배양을 위한 광생물 반응기
본 발명은 광합성 미생물 배양용 광생물 반응기에 관한 것으로서, 더 상세하게는 물, 기체 및 영양성분의 자유로운 통과는 가능하나 상기 광합성 미생물의 자유로운 확산이 제한되는 장벽(barrier)을 이용한 광합성 미생물 대량배양을 위한 광생물 반응기에 관한 것이다.
광합성 단세포 미생물은 광합성을 통하여 단백질, 탄수화물, 지방등 다양한 유기물을 생산이 가능하다. 특히 최근에는 기능성 다당류, 카로테노이드, 비타민, 불포화지방산등 고부가가치 산물의 생산 뿐 만아니라 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 기술이 필수적으로 요구되고 있다.
종래부터 실내 또는 육상에 설치되는 여러 형태의 광생물 반응기가 광합성 미생물을 배양하기 위한 배양설비로 사용되었으나, 조명수단, 배지 및 가스의 공급, 및 혼합수단 등과 같은 광합성 미생물 배양설비 제작 및 유지 보수, 운영에 많은 비용이 요구되어, 상업화에 필요한 대규모의 설비를 구축하는 것은 용이하지 않았다. 따라서, 광합성 미생물의 상업적인 규모의 대량배양을 위해서는 경제성 확보가 무엇보다 중요한 선결과제이며 저비용으로도 고농도의 배양이 가능하면서도 규모의 확대가 용이한 배양기술의 개발이 절실히 요구되고 있다. 이에, 바다나 호수와 같은 수상 또는 수중에서 반투과막을 이용하여 광합성 미생물을 배양하려는 시도가 등장하였으며, 이러한 기술로는 일본공개특허공고 제2007-330215호, 한국 등록특허 제991373호 등이 있다.
그러나, 상기와 같은 반투과막을 이용한 광생물 반응기는 반투과막의 비용이 비싸고, 내구성이 떨어질 뿐만 아니라, 반투과막을 통한 물질교환이 제한적이어서 경제성을 확보하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 비용, 시간, 효율 및 공간적인 측면에서 효율적인 광합성 미생물 대량 배양을 위한 광생물 반응기를 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 배양해야 할 광합성 미생물 및 상기 광합성 미생물을 분산시키기 위한 액체를 담지할 수 있는 배양용기를 포함하는 광생물 반응기에 있어서, 상기 배양용기의 전부 또는 적어도 일부는 물, 기체 및 영양성분의 자유로운 통과는 가능하나 상기 광합성 미생물의 자유로운 확산이 제한되는 장벽(barrier)으로 구성된 광생물 반응기가 제공된다.
상기 광합성 미생물은 상기 액체 내에 분산되어 배양되는 것일 수 있다.
상기 장벽은 물, 기체 및 영양성분의 자유로운 통과가 가능하나, 광합성 미생물의 확산이 제한되는 소재를 이용하여 제조될 수 있으며, 예를 들어 메쉬 시트 또는 타공 시트일 수 있다.
상기 메쉬 시트는 직물 구조로 이루어질 수 있다. 직물구조로 이루어진 메쉬 시트는 기체, 물, 영양염류의 통과에는 제한이 없으나, 광합성 미생물의 자유로운 확산이 제한되어, 경제적이고 편리하게 광합성 미생물의 대량생산에 적용될 수 있다.
상기 광생물 반응기에 있어서, 상기 메쉬 시트의 망목 크기(opening size)는 배양하고자 하는 광합성 미생물의 크기에 따라 조절될 수 있는데, 예컨대, 상기 망목 크기는 0.1 μm 내지 200 μm, 0.1 μm 내지 100 μm, 0.2 μm 내지 50 μm, 0.5 μm 내지 25 μm, 0.5 μm 내지 22 μm, 1 μm 내지 20 μm, 3 μm 내지 18 μm, 4 μm 내지 16 μm일 수 있다. 선택적으로, 상기 망목 크기는 배양하고자 하는 광합성 미생물의 크기의 50% 내지 300%, 70 내지 250%, 85% 내지 200%, 90% 내지 160%, 100% 내지 150%, 100% 내지 140%, 100% 내지 130% 또는 110% 내지 120%일 수 있다.
상기 광생물 반응기에 있어서, 상기 메쉬 시트는 고분자로 이루어진 섬유로 직조될 수 있다. 상기 고분자는 생분해성 고분자 또는 난분해성 고분자일 수 있다. 상기 생분해성 고분자로는 폴리카프로락톤(poly(μm-caprolactone)), 폴리락트산(poly (lactic acid)), 폴리락트산-폴리카프로락톤 공중합체(poly(lactic-co-glycolic acid)), 셀룰로오스(cellulose), 메틸셀룰로오스(methyl cellulose), 에틸셀룰루로오스(ethyl cellulose), 초산셀룰로오스(cellulose acetate), 커들란(curdlan), 폴리글루탐산(polyglutamic acid), 폴리라이신(polylysine), 폴리히드록시 알카노에이트(polyhydroxy alkanoate), 폴리에틸렌 글리콜(polyethylen glycol), 폴리글리콜산(poly(glycolic acid)), 및 폴리에스테르(polyester)로 구성된 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
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), 폴리에틸렌 옥시드(poly(ethylene oxide))으로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
상기 메쉬 시트가 반투과성 막(semipermeable membrane)과 다른 점은 반투과성 필름은 단백질 등 일정 크기 이상의 대분자(macromoleucle) 물질에 대한 투과성이 제한되는 반면 메쉬 시트는 세포 크기의 물질을 제외한 대분자의 투과가 자유롭다는 점이다. 심지어 본 발명자들은 메쉬 시트의 망목 크기보다 작은 크기의 광합성 미생물을 배양하는 경우조차도 광합성 미생물이 배양용기 외부로 확산되지 않고, 배양에 필요한 영양염류를 포함한 영양성분, 물 및 기체의 통과가 자유롭게 이루어진다는 놀라운 사실을 확인함으로써, 이들 메쉬 시트가 광합성 미생물의 대량배양에 유용하게 적용할 수 있음을 입증하였다.
상기 광생물 반응기에 있어서, 상기 배양용기의 메쉬 시트를 제외한 다른 부분은 반투과성 또는 불투과성의 투명 또는 반투명 재질로 제조될 수 있다.
상기 타공 시트는 불투과성 또는 반투과성 고분자 막에 인위적으로 구멍을 뚫어서 제조된 것이라는 점에서 통상의 반투과성 막과 구분된다. 상기 타공 시트는 고분자 막에 마이크로 천공장치를 이용하여 불규칙적이거나 규칙적으로 천공함으로써 제조될 수 있다. 이 때 상기 구멍의 크기는 배양이 되어야 할 광합성 미생물의 크기에 따라 조절될 수 있는데, 예컨대, 상기 구멍의 크기는 0.1 μm 내지 200 μm, 0.1 μm 내지 100 μm, 0.2 μm 내지 50 μm, 0.5 μm 내지 25 μm, 0.7 μm 내지 22 μm, 1 μm 내지 20 μm, 3 μm 내지 18 μm, 4 μm 내지 16 μm일 수 있다. 선택적으로, 상기 구멍의 크기는 배양하고자 하는 광합성 미생물의 크기의 50% 내지 300%, 70 내지 250%, 85% 내지 200%, 90% 내지 160%, 100% 내지 150%, 100% 내지 140%, 100% 내지 130% 또는 110% 내지 120%일 수 있다.
상기 불투과성 고분자 막은 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), 폴리에틸렌 옥시드(poly(ethylene oxide))으로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
상기 반투과성 고분자 막은 셀룰로오스, 메틸셀룰로오스, 에틸셀룰로오스, 초산셀룰로오스, 폴리비닐알콜(poly(vinyl alcohol)), 셀로판(cellophane), 니트로셀룰로오스(nitrocellulose) 및 폴리에스테르(polyester)로 구성되는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 친수성 폴리머로 구성될 수 있고, 상기 친수성 폴리머와 상기 불투과성 고분자 막을 구성하는 고분자 섬유와 복합소재로 구성될 수 있다.
상기 광생물 반응기에 있어서, 상기 배양용기에 하나 이상의 주입구가 구비될 수 있으며, 상기 주입구는 개폐수단을 구비할 수 있는데, 예컨대 지퍼, 지퍼백, 밸브, 첵밸브, 튜브마개, 부착식 테이프, 클립, 또는 집게핀 형태일 수 있다.
상기 광생물 반응기에 있어서, 상기 배양용기는 부양수단에 의해 수면 위에 떠 있거나, 침강수단에 의해 수면 아래에 소정의 깊이로 가라앉도록 할 수 있다. 이때, 상기 부양수단은 상기 배양용기 외부에 별도로 설치된 부표와 같은 부양장치일 수도 있고, 별도로 설치되지 않고 상기 배양용기에서 연장되어 형성된 공기주입식 튜브형상일 수도 있다. 아울러, 상기 침강수단은 상기 배양용기가 수면 아래 일정한 깊이로 잠겨있도록 배양용기 하부에 연결된 무게추일 수도 있고, 수중 또는 수저면에 설치된 수중구조물일 수 있다.
이 경우, 상기 배양용기는 폐쇄형 배양용기 또는 상면이 개방된 개방형 배양용기일 수 있고, 상기 개방형 배양용기는 경주로(raceway) 형태의 연못 구조를 가질 수 있으며, 배양액의 순환을 위한 배양액 순환장치를 추가로 구비할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 개방형 배양용기는 상부 프레임 및 상기 상부 프레임에 연결되어 광합성 미생물을 수용하는 장벽을 포함할 수 있으며, 상기 장벽의 전부 또는 일부는 물, 기체 및 영양성분의 자유로운 통과는 가능하나 상기 광합성 미생물의 자유로운 확산이 제한되는 소재로 구성되며, 상기 개방형 배양용기는 추가적으로 수직 프레임 및 하부 프레임을 포함할 수 있다. 상기 상부 프레임은 부양성 소재로 구성되거나, 부양수단을 추가로 구비할 수 있고, 상기 상부 프레임이 부양성 소재로 구성되는 경우, 속이 진공이거나 공기 또는 부력을 제공할 수 있는 기체가 포함된 플라스틱 틀 또는 튜브일 수 있다. 필요에 따라, 상기 장벽은 상기 상부 프레임에 수용가능함으로써, 상기 배양용기의 깊이가 조절될 수 있다.
또한, 상기 배양용기의 일말단은 상기 부양수단에 연결되고 타말단은 상기 침강수단에 연결될 수도 있다.
상기 광생물 반응기에 있어서, 상기 배양용기의 일면은 광차단 영역에 의해 광합성 미생물에 공급되는 광에너지가 조절되도록 고안될 수 있다. 상기 광차단 영역은 광필터 기능이 있어, 광생물 반응기로 공급되는 태양광 중 일부 영역의 파장만이 선택적으로 투과 또는 차단될 수 있도록 한다. 상기 파장영역은 예를 들어, 태양광 파장 가운데 청색, 적색 또는 녹색 계열 등으로 분류되는 것일 수 있다. 이때, 투과 또는 차단되는 파장 영역은 배양되는 광합성 미생물의 종류에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 이러한 광필터 기능을 가진 막은 플라스틱 또는 고분자 재질에 특정 파장영역의 광파장을 흡수할 수 있는 화학성분을 혼합하여 제조한 것일 수 있다. 이러한 화학성분은 색소안료에 포함될 수 있다.
상기 광생물 반응기에 있어서, 상기 배양용기의 한 면에 부착된 날개에 의해 바람 또는 물에 의한 힘에 의해 상기 배양용기가 축방향을 중심으로 회전하도록 고안될 수 있다. 상기 날개는 서로 다른 방향으로 연장(extended)되어 있는 두 개 이상의 날개를 포함하여 구성될 수 있으며, 서로 교차될 수 있다. 또한, 상기 날개는 배양용기가 수직방향 축을 중심으로 회전하도록 굴곡을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 일 관점에 따르면, 상기 광생물 반응기를 담지하고 있는 수상 구조물을 포함하는 광합성 미생물 배양장이 제공된다.
상기 수상 구조물은 상기 광생물 반응기의 망실을 방지하기 위해 가설된 프레임과 프레임 사이를 연결한 격벽을 포함하며, 상기 격벽에 의해 상기 배양장 내부와 외부가 구분되도록 한다. 상기 격벽은 플라스틱, 나무, 합판, 그물 등 다양한 소재로 구성될 수 있으나, 비용의 측면과 환경수의 자유로운 소통을 고려할 때 그물로 이루어진 것이 바람직하다. 이와 같이 형성된 광합성 미생물 배양장은 일종의 가두리 양식장과 유사한 구조를 갖게 된다. 한편, 상기 수상구조물의 수면 위에 형성된 프레임에는 상기 수상 구조물을 수면 위에 떠있게 하기 위한 부양수단이 부착될 수 있다. 상기 부양수단은 배양되는 광합성 미생물의 배양에 필요로 하는 영양염류 및 태양 에너지 등의 조건을 고려하여 부력을 조절할 수 있다. 상기 부양수단은 스티로폼, 내부가 진공이거나, 공기 또는 부력을 제공할 수 있는 기체가 포함된 플라스틱 통 다양한 소재로 제조될 수 있고, 상부 프레임에 덧씌워진 형태로 구성되거나, 상부 프레임이 별도의 부상수단에 연결될 수도 있다. 상기 부양수단이 상부 프레임에 덧씌워진 경우, 상기 부양수단은 작업자가 배양장에서 작업을 수행할 때 사용되는 작업공간이 될 수도 있다. 아울러, 수상 구조물은 작업자가 관리 작업을 할 수 있는 작업자 지지수단이 구비되도록 고안될 수 있다. 상기 작업자 지지수단은 작업자가 그 위에서 작업을 수행할 수 있는 지지체의 역할을 수행하며, 상기 부양수단에 연결되거나 혹은 부양수단과 별도로 수중 또는 수상 시설물에 연결될 수 있다. 이때, 상기 광생물 반응기는 부양수단을 구비하지 않은 것 또는 부양수단을 구비한 것일 수 있다. 광생물 반응기가 부양수단을 구비하지 않은 경우에는 광생물 반응기가 수면 아래로 너무 깊이 가라앉지 않도록 상기 수상구조물의 바닥면의 깊이를 세포의 농도나 광도의 변화에 대앙하기 위해 적절히 조절할 수 있다.
본 발명의 다른 일 관점에 따르면, 상기 광생물 반응기를 준비하는 단계; 및 하나 이상의 상기 광생물 반응기에 광합성 미생물 및 배양배지를 주입한 후 광합성을 수행하도록 상기 배양장에 투척하는 단계를 포함하는, 광합성 미생물의 배양방법이 제공된다.
상기 배양방법에 있어서, 상기 광합성 미생물은 담체가 포함되지 않은 배양배지 내에서 분산되어 배양될 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 경제적이며 효율적으로 광합성 미생물을 대량 배양할 수 있는 광생물 반응기를 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 광생물 반응기를 개략적으로 도시한 예시도이다.
도 2 및 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 광생물 반응기를 개략적으로 도시한 예시도이다.
도 4 내 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 광생물 반응기를 개략적으로 도시한 예시도이다.
도 9는 본 발명의 제4실시예에 따른 광생물 반응기를 개략적으로 도시한 예시도이다.
도 10은 본 발명의 제5실시예에 따른 광생물 반응기를 개략적으로 도시한 예시도이다.
도 11 및 12는 본 발명의 제6실시예에 따른 광생물 반응기를 개략적으로 도시한 예시도이다.
도 13은 본 발명의 제7실시예에 따른 광생물 반응기를 개략적으로 도시한 예시도이다.
도 14 내지 17은 본 발명의 제8실시예에 따른 광생물 반응기를 개략적으로 도시한 예시도이다.
도 18 및 19는 본 발명의 제9실시예에 따른 광생물 반응기를 개략적으로 도시한 예시도이다.
도 20 및 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 광합성 미생물 배양장을 개략적으로 도시한 예시도이다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 메쉬 시트의 구조를 주사 전자현미경으로 촬영한 사진이다.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 광생물 반응기의 광합성 미생물 용출여부를 확인하기 위한 실험 과정을 촬영한 사진이다.
도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 광생물 반응기의 배양용기 외부로 광합성 미생물이 용출되었는지의 여부를 확인하기 위하여, 배양용기 내의 세포 입자의 크기 및 입자수를 분석한 결과 그래프이다.
도 25는 본 발명의 일 실시예에 따른 광생물 반응기의 배양용기 외부로 광합성 미생물이 용출되었는지의 여부를 확인하기 위하여, 일정기간 세포를 배양 후 배양용기를 수용하고 있는 외부 수조 내의 세포 입자의 크기 및 입자수를 분석한 결과 그래프이다.
도 26은 본 발명의 일 실시예에 따른 광생물 반응기 제조에 이용된 메쉬 시트와 반투과막 종류에 따른 광합성 미생물의 성장성을 비교하기 위한 실험 과정을 촬영한 사진이다.
도 27은 본 발명의 일 실시예에 따른 광생물 반응기 제조에 이용된 메쉬 시트와 반투과막 종류에 따른 광합성 미생물의 성장성을 비교한 그래프이다:
●, △: 폴리에스터 메쉬 시트;
○, ■: 나일론 메쉬 시트;
▼, □: 50 kDa 분획분자량(Cut-off) 반투과막;
f/2: f/2 배양배지; 및
NSW: 근사 해수(near seawater).
도 28은 본 발명의 일 실시예에 따른 광생물 반응기의 영양염류 투과성을 확인한 그래프이다.
도 29는 실제 바다에서 조류를 배양시 이용한 본 발명의 일 실시예에 따른 광생물 반응기를 개략적으로 도시한 예시도이다.
도 30은 본 발명의 일 실시예에 따른 광생물 반응기를 이용하여 실제 바다에서 조류를 배양시 이용한 비투과성 플라스틱 용기를 촬영한 사진이다.
도 31은 본 발명의 일 실시예에 따른 광생물 반응기를 이용하여 실제 바다에서 조류를 배양하기 위한 실험 설계를 개략적으로 나타낸 개요도이다.
도 32는 본 발명의 일 실시예에 따른 광생물 반응기를 이용하여 실제 바다에서 조류를 배양하였을 때의 대기 및 해수의 온도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 33은 본 발명의 일 실시예에 따른 광생물 반응기를 이용하여 실제 바다에서 조류를 배양하였을 때의 일평균 광도(PAR, photosynthetically active radiation)를 나타내는 그래프이고, 도 34는 본 발명의 일 실시예에 따른 광생물 반응기를 이용하여 실제 바다에서 조류를 배양하였을 때의 광조사 시간을 나타내는 그래프이다.
도 35는 본 발명의 일 실시예에 따른 광생물 반응기를 이용하여 실제 해양에서 광합성 미생물을 배양하였을 때의 산출된 세포농도를 나타내는 그래프이고, 도 36은 본 발명의 일 실시예에 따른 광생물 반응기를 이용하여 실제 해양에서 광합성 미생물을 배양하였을 때의 산출된 생체균체중량을 나타내느 그래프이다.
도 37은 본 발명의 일 실시예에 따른 광생물 반응기에 사용한 메쉬 시트의 재사용에 따른 질산염 투과성을 반투과성 막을 이용하여 제조한 광생물 반응기와 비교한 그래프이다.
본 문서에서 사용되는 용어를 정의하면 하기와 같다.
본 문서에서 사용되는 "반투과(semipermeable)"는 막(membrane) 또는 판(plate) 등 경계면을 경계로 일부 물질만 선택적으로 통과할 수 있는 현상을 의미하며, 대부분의 물질이 통과 가능한 "투과(permeable)" 및 대부분의 물질의 통과가 불가능한 "불투과(nonpermeable)"에 대응된다.
본 문서에서 사용되는 "반투명(translucent)"는 막(membrane) 또는 판(plate) 등 경계면을 경계로 빛의 일부가 통과하는 현상을 의미하며, 거의 대부분의 빛이 통과되는 "투명(transparent)"및 빛의 통과가 실질적으로 차단되는 "불투명(opaque)"와 대응된다.
본 문서에서 사용되는 "장벽(barrier)"은 배양용기의 외부와 배양 대상인 광합성 미생물이 포함된 배양용기의 내부를 공간적으로 구분하는 구조물을 의미한다. "물, 기체 및 영양성분의 자유로운 통과가 가능하나, 광합성 미생물의 확산이 제한된다"는 것은 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. 반투과막의 경우 기체의 통과가 제한되며, 대분자 물질의 상당수는 아예 통과를 하지 못한다는 점에서 상기 "물, 기체 및 영양성분의 자유로운 통과가 가능하나, 광합성 미생물의 확산이 제한되는 장벽"과 구분된다. 상기 장벽은 예를 들어 메쉬(mesh) 시트 또는 타공 시트일 수 있다.
본 문서에서 사용되는 메쉬 시트는 직물(woven fabric)과 같이 경사와 위사가 서로 아래위로 교차하여 짜여진 형태의 구조를 포함하여, 예를 들어 평직, 능직, 주자직 등의 패턴으로 직조되거나, 겹조직, 파일 조직, 익조직 등과 같이 사용되는 시트재질의 종류 또는 가공방법을 달리하여 제조될 수 있으며, 섬유 직물의 제조에 이용되는 기술이 적용되어 제조된 시트를 의미한다.
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 "영양성분(nutrient)"은 생물이 영양을 위해 섭취하는 물질로서 호흡을 위한 산소, 광합성을 위한 이산화탄소 및 물을 제외한 탄수화물, 지방, 단백질 및 비타민과 같은 유기영양소와 철, 나트륨염, 칼륨염, 인산염, 마그네슘염 등 무기염류를 포함한다.
본 문서에서 사용되는 "환경수(environmental water)"는 본 발명의 광생물 반응기가 투입되어 배양이 수행되는 공간의 물을 의미하며, 해수, 담수 및 기수를 포함하고, 인공적으로 조성한 저수조 또는 연못의 물도 포함될 수 있다.
본 문서에서 사용되는 "자유로운 통과" 또는 "자유로운 확산"은 장벽을 사이로 구분되는 두 공간 사이에 특정 물질이 아무런 제한 없이 통과할 수 있는 상태를 의미하며, 통과는 양 공간 사이의 특정 물질의 농도의 차이와 무관한 개념이고, 확산은 특정 물질이 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 현상을 의미한다.
본 문서에서 사용되는 "자유로운 확산이 제한되는"은 장벽을 기준으로 구분되는 두 공간 중 한 곳에 압도적으로 높은 농도로 존재하는 특정 물질이 장벽이 존재하지 않을 경우 확산이 되나, 장벽이 있는 조건에서는 건너편으로의 확산이 실질적으로 제한되는 상황으로, 일부 물질의 이동이 일어나는 것을 배제하지는 않는다. 따라서, 상기 "자유로운 확산이 제한되는"은 "확산이 실질적으로 제한되는"과 동등한 개념으로 사용될 수 있다.
본 문서에서 사용되는 "망목 크기(opening size)"는 메쉬 구조상의 서로 교차하여 짜여진 위사와 경사 사이의 공간의 크기를 의미한다.
본 문서에서 사용되는 "광합성 미생물"은 광합성을 할 수 있는 녹조류, 홍조류, 남조류를 의미하며, 예를 들어, 클로렐라, 클라디도모나스(Chlamydomonas), 해마토코커스(Haematococous), 보트리오 코커스(Botryococcus), 세네데스무스(Scenedesmus), 스피룰리나(Spirulina), 테트라셀미스(Tetraselmis), 두날리엘라(Dunaliella) 등 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이때 상술한 광합성 미생물은 배양용기 내에서 카로테노이드, 균체, 파이코빌리프로테인, 지질, 탄수화물, 불포화지방산, 단백질 등 대사물질을 생산할 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 도면에 도시된 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 도면에 도시된 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 광생물 반응기를 개략적으로 도시한 예시도이다.
본 발명에 따른 메쉬 시트를 이용한 광합성 미생물 대량배양을 위한 광생물 반응기는 최소의 비용으로 광합성 미생물의 성장성을 극대화함으로써, 광합성 미생물을 효율적으로 대량 생산할 수 있다. 또한, 수면에 부유식 또는 수중이 소정 깊이로 가라앉도록 설치됨으로써, 대량 생산에 필요한 공간적 제약을 극복하는 효과를 제공한다.
본 발명의 제1실시예에 따른 광생물 반응기(101)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 미배양 대상인 광합성 미생물과 환경수를 공간적으로 구분하기 위한 장벽의 전부 또는 일부가 메쉬(mesh) 시트(111)로 제조된 배양용기(110)를 포함한다. 메쉬 시트는 타공 시트와 같이 기체, 물, 영양성분의 자유로운 통과가 허용되고 광합성 미생물의 자유로운 확산이 차단되는 소재라면 어느 것이라도 사용가능하다.
구체적으로, 상기 메쉬 시트는 환경수, 기체 및 영양성분의 자유로운 출입이 가능하며, 광합성 미생물이나 오염성 미생물의 자유로운 확산은 차단되는 것을 특징으로 한다. 보다 구체적으로, 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. 또한, 광합성 미생물의 광합성 과정에서 필요한 이산화탄소 공급 및 발생하는 산소의 배출이 메쉬 시트를 통하여 이루어질 수 있다. 나아가 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 제1실시예에 따른 메쉬 시트(111)를 이용하여 제조된 광생물 반응기는 종래의 반투과막을 이용하여 제조된 광생물 반응기에 비하여 광합성 미생물의 성장을 1.5~2배 가량 증진시키는 효과를 제공하고 있어, 광합성 미생물의 생산 효율을 현저하게 개선시켰다.
상기 메쉬 시트는 물, 영양성분, 가스 및 광합성 미생물의 배설물의 자유로운 유입 및 유출이 가능하며, 광합성 미생물의 자유로운 확산이 차단되는 것을 특징으로 하며, 예컨대, 상기 메쉬 시트는 고분자로 이루어진 섬유로 직조될 수 있다. 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)), 및 폴리에스테르(polyester), 로 구성된 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
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), 폴리에틸렌 옥시드(poly(ethylene oxide))으로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
상기 메쉬 시트를 이용하여 제조된 배양용기는 광합성 미생물을 수용할 수 있는 형상을 가지기만 하면 되는데, 예컨대, 원, 타원형, 원뿔형, 원통형 등의 형태로 제조될 수 있으며, 그 형상이 특별히 제한되지 않는다.
또한, 상기 배양용기의 장벽의 전부 또는 일부분이 메쉬 시트로 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 메쉬 시트를 이용하여 봉입하는 경우, 플라스틱 용기의 부력에 의하여 해수면 근처에 부유할 수 있다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 광생물 반응기를 개략적으로 도시한 예시도이다.
본 발명의 제2실시예에 따른 광생물 반응기(102)는, 도 2에 도시한 바와 같이, 제1실시예의 배양용기(110)를 포함하되, 배양용기(110)로부터 연장되어 형성된 튜브 형상의 부양수단(120)을 추가적으로 구비할 수 있다. 상기 튜브 형상의 부양수단은 배양용기의 주재질과 동일하거나 이질적인 소재로 형성될 수 있으며, 제조공정을 고려할 때 동일한 소재로 형성되는 것이 바람직하다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 공기가 주입되어 형성된 풍선 형태의 배양용기의 가장자리를 가열압착하여 접착시킴으로써 튜브형상의 부양수단을 형성할 수 있다. 이 경우, 배양용기(110) 부분은 부양수단(120)에 둘러싸인 형태가 되고, 배양용기(110)의 전부 또는 일부는 메쉬 시트(111)로 치환될 수 있다. 도 3은 제2실시예에 따른 광생물 반응기(102)의 단면도를 나타내는 도이다.
한편 부양수단은 통상적인 스티로폼, 부표, 속이 빈 통 등의 물체로서 배양용기에 연결수단을 통해 연결된 것일 수 있다(도 10 참조).
도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 광생물 반응기(103)를 개략적으로 도시한 예시도이다.
본 발명의 제3실시예에 따른 광생물 반응기(103)는, 도 3에 도시한 바와 같이, 제1실시예의 배양용기(110)를 포함하되, 상기 배양용기(110)에 연결된 하나 이상의 연결수단(130)을 추가로 포함할 수 있다. 연결수단(130)은 본 발명의 일실시예에 따른 배양용기를 서로 연결하거나, 배양용기와 부양수단을 연결하여 고정할 수 있는 것이라면, 형상이나 재질을 불문한다. 예컨대, 밧줄이나 쇠사슬 같은 것을 사용할 수 있다. 배양용기(110)는 수직상으로 연결될 수 있는데, 이 경우 부양수단(120)은 최상단의 배양용기에만 구비되고, 상기 최상단의 배양용기의 아래쪽에 연결된 배양용기(110', 110")는 부양수단(120)을 구비하지 않는다(도 4). 선택적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 광생물 반응기(103)는 복수의 배양용기(110)가 별도의 연결수단 없이 서로 연결된 부양수단(120)에 의해 직렬(도 5) 또는 직병렬(도 6)로 연결될 수 있다. 선택적으로 도 7 및 8에 도시된 바와 같이, 부양수단을 구비하지 않은 복수의 배양용기(110)가 부유식 연결수단(130')에 의해 환형(도 7) 또는 전후좌우(도 8)로 연결될 수 있는데, 부유식 연결수단(130')은 배양용기(110)의 수표면으로의 부상을 위해 부양이 가능한 재질, 예컨대, 부표, 스티로폼, 속이 진공이거나 내부에 공기 또는 부력을 제공할 수 있는 기체가 포함된 플라스틱 통 또는 튜브 등으로 구성될 수 있다. 이 경우 배양용기(110)에 부양수단(120)이 추가로 구비될 수도 있다(미도시). 여하튼, 이러한 배양용기의 연결 방식은 배양되는 광합성 미생물의 종류 및 상기 배양용기를 설치하는 해양 환경에 따라 변경될 수 있으며, 예를 들어 하나 이상의 광합성 미생물을 배양하는 경우에는 상하로 배양용기를 연결하여 바다에 설치할 수 있다. 또한, 한 종류의 광합성 미생물을 배양하는 경우에는 좌우 또는 환형으로 연결하여, 배양하는 광합성 미생물의 배양에 요구되는 태양광이 투과되는 수심 범위에 위치할 수 있도록 부력이 조정된 부유식 연결수단을 이용할 수 있다.
도 9는 본 발명의 제4실시예에 따른 광생물 반응기(104)를 개략적으로 도시한 예시도이다.
본 발명의 제4실시예에 따른 광생물 반응기(104)는, 도 9에 도시한 바와 같이, 제1실시예의 배양용기(110)를 포함하되, 배양용기(110)가 적절한 수심에서 가라앉아 있을 수 있도록, 배양용기(110)에 연결된 하나 이상의 침강수단(140)을 추가로 포함할 수 있다. 침강수단(140)은 예컨대, 무게추일 수 있고, 수저면 또는 수중에 설치된 구조물일 수 있다.
도 10은 본 발명의 제5실시예에 따른 광생물 반응기(105)를 개략적으로 도시한 예시도이다.
본 발명의 제5실시예에 따른 광생물 반응기(105)는, 도 10에 도시된 바와 같이, 제1실시예 또는 제2실시예에 따른 배양용기(110)를 포함하되, 배양용기(110)에 연결된 부양수단(120)과 침강수단(140)을 추가로 포함한다. 예컨대, 부양수단(120)이 배양용기(110)의 일말단에 연결수단(130)을 통해 연결되고, 침강수단(140)이 배양용기(110)의 타말단에 연결될 수 있다. 부양수단(120)과 침강수단(140)을 통해 배양용기의 부양정도 및 침강정도를 조절할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제6실시예에 따른 광생물 반응기(106)를 개략적으로 도시한 예시도이다.
본 발명의 제6실시예에 따른 광생물 반응기(106)는, 도 11 및 12에 도시된 바와 같이, 제1실시예에 따른 배양용기(110)를 포함하되, 배양용기(110)에 연결된 개폐수단(150)을 추가로 포함한다. 예컨대, 개폐수단(150)이 배양용기(110)의 일단면에 구비되어, 광합성 미생물이 배양용기(110) 내에 담지될 수 있도록 고안되었으며, 개폐가 용이하도록 지퍼(도 11), 지퍼백 또는 벨브(도 12)와 같은 형태로 구비될 수 있다.
도 13은 본 발명의 제7실시예에 따른 광생물 반응기(107)를 개략적으로 도시한 예시도이다.
본 발명의 제7실시예에 따른 광생물 반응기(107)는, 도 13에 도시된 바와 같이, 제1실시예에 따른 배양용기(110)를 포함하되, 배양용기(110)의 일단면에 구비된 광차단 영역(160)을 추가로 포함한다. 예컨대, 광차단 영역(160)이 배양용기(110)의 일단면에 구비됨으로써, 배양하는 광합성 미생물에 전달되는 광에너지의 양 또는 파장을 조절할 수 있도록 고안되었으며, 패턴과 같은 형태로 배양기에 구비될 수 있다.
도 8은 본 발명의 제8실시예에 따른 광생물 반응기(108)를 개략적으로 도시한 예시도이다.
본 발명의 제8실시예에 따른 광생물 반응기(108)는, 파도나 바람에 의해 배양용기(110)가 요동할 수 있는 요동구조를 가진 것을 특징으로 한다. 예컨대, 도 14에 도시된 바와 같이, 제1실시예에 따른 배양용기(110)를 포함하되, 상기 요동구조로 배양용기에 연결된 날개(170)를 추가로 포함할 수 있다. 날개(170)가 배양용기의 아랫면 또는 윗면에 부착되어, 바람 또는 물에 의한 힘에 의해 상기 배양용기가 수직방향을 중심으로 회전하도록 고안되었다. 날개(70)는 하나 또는 두 개가 교차되어 배양용기의 아랫면 또는 윗면에 부착될 수 있으며, 도 15에 도시된 바와 같이 바람이 닿는 단면적을 넓혀 회전이 용이하도록 곡선형으로 고안될 수 있다. 아울러, 상기 요동구조는 배양용기(110) 자체의 형상에 반영될 수 있다. 예컨대 도 16에 도시된 바와 같이, 배양용기(110)의 양 측면이 신장되어 바람개비와 같은 날개(170)를 갖추어 파도나 바람에 의해 배양용기(110)를 요동시킬 수 있다. 이 때, 배양용기(110)의 효율적인 요동을 위해 돌출된 양 날개(170)의 방향이 서로 180도를 이루는 것이 바람직하다. 선택적으로, 상기 요동구조는 배양용기를 관통하는 축(112)에 부착되어 파도나 바람에 의해 회전하는 외측 회전날개(170')와 상기 외측 회전날개(170')와 연동되어 배양용기 내부에서 회전하는 내측 회전날개(170")로 구성될 수 있다. 외측 회전날개(170')의 형상은 바람개비, 프로펠라, 물레방아 등 물의 흐름이나 바람에 의해 회전할 수 있는 구조라면 어느 것이라도 무방하다.
도 18 및 19는 본 발명의 제9실시예에 따른 광생물 반응기(109)를 개략적으로 도시한 예시도,로 도 18은 가두리형 광생물 반응기를 예시적으로 도시한 것이고, 도 19는 도 19는 레이스웨이형 광생물 반응기를 예시적으로 도시한 것이다.
본 발명의 제9실시예에 따른 광생물 반응기(109)는 도 18 및 19에 도시된 것과 같이, 상면이 개방된 개방형 배양용기(110')를 가질 수 있다. 이 경우, 배양용기(110')는 상부 프레임(113)과 이에 연결된 장벽으로 구성될 수 있으며, 상기 장벽의 일부 또는 전부는 메쉬 시트 또는 타공 시트와 같은 기체, 물, 영양성분의 자유로운 통과가 가능하고 광합성 미생물의 자유로운 확산이 제한되는 소재(111)로 구성될 수 있다. 상부 프레임(113)은 직사각형, 정사각형 등 다각형, 원형, 타원형 등 개방형 배용용기(110')의 입체적 구조를 형성시킬 수 있는 형태라면 어느 형태라도 가질 수 있고, 상기 장벽은 상부 프레임(113)에 뜰채와 같은 형태로 연결될 수 있다(미도시). 선택적으로 개방형 배양용기(110')의 체적을 극대화하고 구조의 안정을 위해, 상부 프레임(113)에 연결된 수직 프레임(114) 및/또는 하부 프레임(115)를 추가적으로 구비할 수 있다. 이하, 도 18에 도시된 것 같이 상부프레임(113)이 직사각형이고, 상기 직사각형의 네 모서리에 수직 프레임(114)와 상기 수직 프레임(114)를 서로 연결하는 하부 프레임(115)를 갖추고 이들 프레임과 프레임 사이를 연결하고 있는 바닥벽(116) 및 전후좌우 네 측벽(117)을 구비한 개방형 배양용기(110')에 대하여 상세히 설명한다. 바닥벽(116)의 일부 또는 전부가 메쉬 시트나 타공 시트와 같이 광합성 미생물의 자유로운 확산만 제한되고, 기체, 물, 영양 성분 등의 자유로운 통과가 가능한 소재(111)로 이루어져 있고, 그 외의 부분은 광합성 미생물을 실질적으로 가둘 수 있는 불투과성 필름 소재로 이루어질 수 있다. 선택적으로 바닥벽(116)은 불투과성 필름 소재로 구성되고, 네 측벽(117)의 일부 또는 전부가 메쉬 시트나 타공 시트와 같이 광합성 미생물의 자유로운 확산만 제한되고, 기체, 물, 영양 성분 등의 자유로운 통과가 가능한 소재(111)로 이루어질 수 있으며, 바닥벽(116), 네 측벽(117) 모두가 메쉬 시트나 타공 시트와 같이 광합성 미생물의 자유로운 확산만 제한되고, 기체, 물, 영양 성분 등의 자유로운 통과가 가능한 소재(111)로 이루어질 수 있다. 이와 같은 구조를 갖는 개방형 배양용기(110')는 수면 위로의 부상이 곤란할 수 있기 때문에, 별도의 부양수단(120)을 상부 프레임(113)의 전부 또는 일부에 구비할 수 있다. 선택적으로, 개방형 배양용기(110')는 상부 프레임(113) 자체가 부양성 소재로 구성되거나, 상부 프레임(113)에 직간접적으로 부양수단(120)이 연결된 구조를 가질 수 있다. 전자의 경우, 배양용기(110')의 상부 프레임(113)은 공기가 주입된 하나 이상의 튜브로 구성되거나, 속이 빈 플라스틱 틀로 이루어질 수 있다. 후자의 경우 스티로폼, 내부가 진공이거나 공기 또는 부력을 제공할 수 있는 기체가 포함된 플라스틱 통 등의 부양수단이 상부 프레임(113)의 측면이나 하단에 부착될 수 있다. 상부 프레임(113)에 작업자가 광합성 미생물을 접종 또는 회수 작업을 용이하게 하기 위한 작업대가 부가될 수 있다. 선택적으로, 상부 프레임(113)이 직접 부양수단이 되거나 상부 프레임(113)에 부양수단(120)이 덧씌워진 경우, 상기 작업대는 생략될 수 있다. 필요에 따라, 바닥벽(116) 또는 네 측벽(117)은 상부 프레임(113)에 수용가능함으로써, 배양용기(110')의 깊이가 조절될 수 있다. 즉, 태양광이 약한 계절이나 흐린 날씨에는 바닥벽(116) 또는 네 측벽(117)이 상부 프레임(113) 내로 수용됨으로써 배양용기(110')의 깊이가 작질 수 있고, 태양광이 강한 계절이나 맑은 날씨에는 바닥벽(116) 또는 네 측벽(117)이 상부 프레임(113)으로부터 인출되어 배양용기(110')의 깊이가 커질 수 있다.
아울러, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 광생물 반응기(209)는 도 19에 도시된 바와 같이 수면 위에 부양하도록 설치가 되는 경주로(raceway) 연못형 개방형 배양용기(210)을 포함할 수 있다. 이 경우 도 19에 도시된 바와 같이, 경주로 연못형 개방형 배양용기(210)의 가운데에는 격벽(218)이 설치되어 배양액이 한쪽 방향으로 회전할 수 있는 구조를 가질 수 있다. 이 경우 배양액의 원활한 회전을 위해 수차나 펌프 등 배양액 순환장치(219)가 추가로 구비될 수 있다. 배양액 회전장치(219)는 기본적으로 바람이나 파도에 의해 회전할 수 있고, 한 방향으로의 지속적인 회전을 위해 배터리 또는 태양광 발전기 등 별도의 전원에 의해 회전력을 공급하는 모터(미도시)를 추가적으로 구비할 수 있다. 상기 경주로 연못형 개방형 배양용기(210)의 기본적인 구조는 도 18에 도시된 개방형 배양용기(110')와 유사하다. 경주로 연못형 개방형 배양용기(210)는 타원형, 길이 방향으로 신장된 타원형 또는 원형으로 형성된 상부 프레임(213) 및 상기 상부 프레임(213)에 연결된 장벽으로 구성될 수 있다. 이 때, 경주로 연못형 개방형 배양용기(210)의 체적을 극대화하고 구조의 안정을 위해, 상부 프레임(213)에 연결된 수직 프레임(214) 및/또는 하부 프레임(215)를 추가적으로 구비할 수 있다. 이하, 도 19에 도시된 것 같이 상부프레임(213)이 길이 방향으로 신장된 타원형이고, 상기 타원형 상부 프레임(213) 아래쪽으로 연결된 수직 프레임(214) 및 상기 수직 프레임(214) 사이를 서로 연결하는 하부 프레임(215)을 갖추고 이들 프레임과 프레임 사이를 연결하고 있는 바닥벽(216)과 측멱(217)을 갖춘 형태의 경주로 연못형 개방형 배양용기(210)에 대하여 상세히 설명한다. 바닥벽(216)의 일부 또는 전부가 메쉬 시트나 타공 시트와 같이 광합성 미생물의 자유로운 확산만 제한되고, 기체, 물, 영양 성분 등의 자유로운 통과가 가능한 소재(211)로 이루어져 있고, 그 외의 부분은 광합성 미생물을 실질적으로 가둘 수 있는 불투과성 필름 소재로 이루어질 수 있다. 선택적으로 바닥벽(216)은 불투과성 필름 소재로 구성되고, 측벽(217)의 일부 또는 전부가 메쉬 시트나 타공 시트와 같이 광합성 미생물의 자유로운 확산만 제한되고, 기체, 물, 영양 성분 등의 자유로운 통과가 가능한 소재(211)로 이루어질 수 있으며, 바닥면(216), 측벽(217) 모두가 메쉬 시트나 타공 시트와 같이 광합성 미생물의 자유로운 확산만 제한되고, 기체, 물, 영양 성분 등의 자유로운 통과가 가능한 소재(211)로 이루어질 수 있다. 이와 같은 구조를 갖는 경주로 연못형 개방형 배양용기(210)는 수면 위로의 부상이 곤란할 수 있기 때문에, 별도의 부양수단(220)을 상부 프레임(213)의 전부 또는 일부에 구비할 수 있다. 선택적으로, 경주로 연못형 개방형 배양용기(210)는 상부 프레임(213) 자체가 부양성 소재로 구성되거나, 상부 프레임(213)에 직접 부양수단(220)이 덧씌워진 구조를 가질 수 있다. 전자의 경우, 경주로 연못형 배양용기(210)의 상부 프레임(213)은 공기가 주입된 하나 이상의 튜브로 구성되거나, 속이 빈 플라스틱 틀로 이루어질 수 있다. 상부 프레임(213)에 작업자가 광합성 미생물을 접종 또는 회수 작업을 용이하게 하기 위한 작업대가 부가될 수 있다. 선택적으로, 상부 프레임(213)이 직접 부양수단이 되거나 상부 프레임(213)에 부양수단(220)이 덧씌워진 경우, 상기 작업대는 생략될 수 있다.
상기와 같이 상부가 개방되고 측면 및/또는 바닥면의 전부 또는 일부가 기체, 물, 영양성분의 자유로운 통과가 가능하고, 광합성 미생물의 자유로운 확산이 제한되는 장벽으로 구성되는 배양용기를 사용할 경우 원가가 크게 절감되고, 기체의 교환이 더욱 자유롭고, 광합성 과정에서 생성된 노폐물의 제거와 환경수로부터 영양성분의 공급이 원활하기 때문에, 보다 효율적으로 광합성 미생물의 배양이 가능하다.
도 20 및 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 광합성 미생물 배양장을 개략적으로 도시한 예시도로 도 20은 부양수단을 구비하지 않은 광생물 반응기를 포함한 경우를 예시한 것이고, 도 21은 부양수단을 구비한 광생물 반응기를 포함한 경우를 예시한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광합성 미생물 배양장(1000)은 광합성 미생물을 배양할 수 있는 복수의 배양용기를 수면에 특정 위치에 고정하여 망실 없이 배양한 후 회수를 용이하게 하기 위한 것으로서, 광생물 반응기(1100) 및 이를 담지하고 있는 수상 구조물(1200)을 포함할 수 있다. 수상 구조물(1200)은 광생물 반응기(1100)의 망실을 방지하기 위해, 배양장 상부 프레임(1210) 및 상기 배양장 상부 프레임(1210) 사이를 연결하여 배양장(1000)의 내부와 외부를 구분하는 울타리(1220)를 포함한다. 도 20에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 광합성 미생물 배양장(1000)은 수면 위로 부상되어 있는 배양장 상부 프레임(1210) 외에, 수면 아래로 가라앉아 있는 배양장 수직 프레임(2011) 및 배양장 하부 프레임(1212)를 추가로 구비할 수 있는데, 배양장 상부 프레임(1210)은 정사각형, 직사각형 등 다각형, 원형, 타원형 등 배양용기(1110)을 입체적으로 형성할 수 있는 것이라면 어떠한 형태라도 가질 수 있고, 울타리(1220)가 뜰채와 같이 배양장 상부 프레임(1210)에 연결될 경우에는(미도시) 배양장 수직 프레임(1211) 및 배양장 하부 프레임(1212)은 생략이 가능하다. 울타리(1220)는 플라스틱, 나무, 합판, 그물 등 다양한 소재로 구성될 수 있으나, 비용의 측면과 환경수의 자유로운 소통을 고려할 때 그물로 이루어진 것이 바람직하다. 이와 같이 형성된 광합성 미생물 배양장(1000)은 일종의 가두리 양식장과 유사한 구조를 갖게 된다. 한편, 상기 수상 구조물(1200)의 수면 위에 형성된 배양장 상부 프레임(1210)에는 수상 구조물(1200)을 수면 위에 부상시킬 수 있게 하기 위한 배양장 부양수단(1213)이 구비될 수 있다. 배양장 부양수단(1213)은 배양되는 광합성 미생물의 배양에 필요로 하는 영양염류 및 태양 에너지 등의 조건을 고려하여 부력을 조절할 수 있다. 배양장 부양수단(1213)은 스티로폼, 내부가 빈 플라스틱 통 다양한 소재로 제조될 수 있고, 배양장 상부 프레임(1210)에 덧씌워진 형태로 구성되거나, 배양장 상부 프레임(1210)에 별도의 연결수단에 의해 연결될 수 있다. 아울러, 수상 구조물(1200)은 작업자가 관리 작업을 할 수 있는 작업자 지지수단(미도시)이 구비되도록 고안될 수 있다. 상기 작업자 지지수단은 작업자가 그 위에서 작업을 수행할 수 있는 지지체의 역할을 수행하며, 배양장 부양수단(1213)에 연결되거나 혹은 배양장 부양수단(1213)과 별도로 수중 또는 수상 시설물(미도시)에 연결될 수 있다. 한편, 상기 작업자 지지수단은 그 자체로 부양성 소재로 구성되어, 배양장 부양수단(1213)을 대체할 수 있다. 즉, 부양성 소재로 된 지지수단(미도시)이 배양장 상부 프레임(1210)에 씌여질 경우, 배양장 부양수단(1213)은 생략될 수 있다. 한편, 도 21에 도시된 것과 같이, 배양장 상부 프레임(1210)이 부양성 소재, 예컨대, 튜브 또는 속이 빈 플라스틱 틀과 같은 소재로 구성되는 경우 배양장 부양수단(1213)과 작업자 지지수단은 생략될 수 있다. 광생물 반응기(1000)는 부양수단을 구비하지 않은 것 또는 부양수단을 구비한 것일 수 있다. 광생물 반응기(1000)가 부양수단을 구비하지 않은 경우에는 광생물 반응기(1000)가 수면 아래로 너무 깊이 가라앉지 않도록 수상 구조물(1200)의 바닥면(1221)의 깊이를 적절하게 조절할 수 있다. 다만, 광생물 반응기(1100)가 부양수단을 구비하고 있는 경우에는 도 21에 도시된 바와 같이, 수상 구조물(1200)의 바닥면(1221)과 배양장 하부 프레임(1212)은 생략될 수 있다.
상기와 같이 광합성 미생물 배양장을 이용하여 본 발명의 일 실시예에 따른 광생물 반응기를 가둬서 배양을 할 경우, 특별한 고정장치가 없더라도 광생물 반응기의 망실을 방지할 수 있고, 광생물 반응기의 투하 및 회수가 용이할 수 있다.
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: 메쉬 시트로 제조된 광생물 반응기의 해양 광합성 미생물 투과성 측정
해양 광합성 미생물이 메쉬(mesh) 시트를 통해 용출 여부를 확인하고자 실험을 실시하였다. 총 부피가 100 ml 플라스틱 용기의 하단에 각각 PET, polyester 및 nylon으로 제작된 메쉬 시트를 부착하여 배양용기를 제작하였고, 배양용기 내부에 생체중량(wet weight)으로 0.5 g/L 광합성 미생물(Tetraselmis sp.) 60 ml를 넣고, 1 L의 f/2-Si 배지가 담긴 플라스틱 용기에 부유시킨 후, 광합성 미생물이 메쉬 시트로 제조된 배양용기 외부로 용출되는지의 여부를 확인하고자 하였다. 나일론 및 PET의 망목(oepning size)는 5 μm이며, 폴리에스테르는 15 μm이다. 만약 광합성 미생물이 메쉬 시트 외부로 유출된다면 광합성 미생물은 외부의 배지를 이용하여 성장할 것이다. 광합성 미생물 배양시 온도는 20℃로 유지시켰으며, 광도 100 μE/m2/s을 형광등을 이용하여 공급하였다. 배양 5일 후에 반응기 외부와 내부의 광합성 미생물 농도를 coulter counter(model: multi-sizer 3, Beckman Inc., USA)를 이용하여 광합성 미생물 농도를 확인하였다. 상기 실험에 사용한 나일론, 폴리에스터 및 PET 메쉬 시트 및 6-8 kDa의 분획 분자량(Cuf-off value)을 갖는 반투과막에 대하여 주사 전자현미경으로 촬영한 결과는 도 22에 도시되어 있다.
이때, 사용한 메쉬 시트의 특성 및 배양용기 내에 수용된 배양액의 부피는 하기 표 1에 기재된 바와 같다.
도 23에 나타난 바와 같이 메쉬 시트로 PET를 이용하여 플라스틱 용기의 일면을 막고, 상기 용기 내에 광합성 미생물을 주입하고 배양하며, 광합성 미생물의 용출여부를 확인하였다. 그 결과, 배양용기 내부의 광합성 미생물의 세포 크기 및 분포도는 도 24와 같이 나타나며 배양용기 내에 평균크기가 약 11 μm의 광합성 미생물이 분포하고 있는 것을 확인할 수 있었으며, 배용용기 외부에는 도 25에 나타난 바와 같이 약 5 μm 이하의 세포가 관찰되었으나, 배양한 광합성 미생물이 배양용기로부터 용출되지 않은 것을 확인할 수 있었다(도 24 및 도 25 참조)
표 1
길이(m) 폭(m) 표면적(m2) 두께(m) 배양액 부피(m3)
나일론(nylon) 0.065 0.045 0.002925 0.000100 0.00006
폴리에스테르(polyester) 0.065 0.045 0.002925 0.000065 0.00006
PET 0.065 0.045 0.002925 0.000033 0.00006
실험예 2: 메쉬 시트로 제조된 광생물 반응기를 이용한 광합성 미생물의 성장수준 측정
메쉬 시트로 제조된 배양용기를 이용하여 실제로 광합성 미생물을 배양하였으며, 이에 대한 대조군으로 셀룰로오스 재질의 반투과막을 이용하여 광합성 미생물을 배양하였다.
2 L의 수용액을 수용하는 플라스틱 수조 2개에 f/2-Si와 인천 해수의 용존된 질소, 인 농도와 유사한 조건을 만들기 위해 f/2 배지를 1/30로 희석한 근사 해수(near seawater, NSW)를 각각 1 L씩 제조하여 넣었으며, polyester, nylon 재질의 메쉬 시트(0.003 m2)를 플라스틱 반응기 하단에 부착하였으며, 생체중량(wet weight)으로 0.05 g/l의 광합성 미생물을 접종한 배양액 100 ml를 플라스틱 용기에 넣고, 수조에 부유시키며 광합성 미생물을 배양하였다(도 26). 대조구로 셀룰로오스 재질, 50 kDa의 분획분자량(molecular weight cut off) 반투과막(product number 132544, spectrumlabs, USA)을 같은 넓이로 부착하여 실험을 실시하여 광합성 미생물의 성장성을 비교하였다. 배양용기 내부와 외부의 영양염의 농도차를 일정하게 유지하기 위하여 배지는 매일 1회씩 주기적으로 교환하였으며, 배양시 형광등을 이용하여 24 시간 100 μE/m2/s로 공급하였고, 배양온도를 20℃로 유지하고 18일 동안 배양하였다. 배양 0, 3, 6, 9, 12, 15 및 18일째에 배양기 상부에 구비된 샘플링 포트를 통하여 약 1~2 ml의 배양액을 채취한 후, 세포의 성장성과 배양액의 질소 농도를 측정하였다.
그 결과, 도 27에 나타난 바와 같이, 배지의 종류에 상관없이 대조구인 셀룰로오스 반투과막에 비하여 폴리에스테르 또는 나일론 메쉬 시트를 이용한 경우, 광합성 미생물의 성장이 우수한 것을 확인할 수 있었다. 구체적으로 광합성 미생물의 생체 중량은 대조구인 50 kDa 셀룰로오스 반투과막에 비해 f/2에서 배양한 것은 약 25% 성장성이 더 우수하였으며, 근사 해수가 들어 있는 수조에서는 약 60~80% 더 성장성이 우수한 것으로 나타났다(도 27 참조). 이러한 결과는 배양용기 외부 수조에 있는 영양염들이 반투과막에 비해 메쉬 시트에 대하여 높은 투과성을 가지고 있으며, 이에 따라 광합성 미생물의 성장을 촉진할 수 있다는 것을 입증한 것이다.
실험예 3: 메쉬 시트로 제조된 광생물 반응기의 염 투과성 측정
이어, 본 발명자는 메쉬 시트로 제조된 배양용기로 영양염의 투과성을 측정하였으며, 이에 대한 대조군으로 셀룰로오스 재질의 반투과막을 이용하여 광합성 미생물을 배양하였다.
영양염 투과성은 광합성 미생물 배양에 있어 중요인자인 질산염의 투과속도로 측정하였으며, 메쉬 시트의 영양염 투과성 측정 방법으로는 사각 수조에 100, 200, 400 mg/L 농도의 질산염이 포함된 해수(2 L)를 제조하고, 질산염의 들어있지 않은 해수 100 ㎖이 담긴 사각 플라스틱 용기를 수조에 부유시킨 후, 수조에서 플라스틱 용기로 들어오는 질산염의 농도차의 변화를 시간에 따라 측정하였다.
그 결과, 하기 표 2 및 도 28에 나타난 바와 같이 셀룰로오스 반투과막에 비하여 나일론, 폴리에스테르 및 PET 재질의 메쉬 시트를 통하여 질산염 성분이 배양용기 내부로 약 30 배 정도 더욱 잘 투과되는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 경향성은 반투과막에서는 동일하게 나타나지 않았는데, 반투과막의 경우 3.5 kDa, 6~8 kDa, 15 kDa 및 50 kDa으로, 분획분자량(molecular weight cut off)을 증가시키더라도, 투과량이 증가하지 않았으며, 최대값이 메쉬 시트의 1/28의 수준에 불과했다. 이러한 결과는 반투과막 만으로는 광합성 미생물을 환경수에서 직접 배양하는 것에 한계가 있음을 보여주는 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 메쉬 시트로 제조된 배양용기가 광합성 미생물의 용출 없이, 성장에 필요한 영양염류를 광합성 미생물에 공급함으로써 효과적으로 광합성 미생물의 생산성을 증가시킬 수 있음을 입증하는 것이다.
표 2
NO3-transfer rate(mg/l/min) Estimated Max. NO3-transfer rate (mg/m2/day) Estimated Max. NO3-transfer rate (g/m2/day)
3.5 kDa 반투과막 0.0291 154 0.154
6-8 kDa 반투과막 0.0257 136 0.136
15 kDa반투과막 0.0325 172 0.172
50 kDa반투과막 0.0352 187 0.187
나일론(Nylon) 메쉬 시트 0.1866 5512 5.512
폴리에스테르(Polyester) 메쉬 시트 0.1869 5522 5.522
P.E.T 메쉬 시트 0.1835 5420 5.420
　
실험예 4: 메쉬 시트로 제조된 광생물 반응기를 이용한 광합성 미생물의 해양 배양시의 성장성 측정
본 발명자는 본 발명의 일 실시예에 따른 광생물 반응기를 영흥도 해양 배양장에 설치하고, Tetraselmis sp.(KCTC12236BP)를 9일 동안 배양하며, 균주의 성장 및 질소원의 투과정도를 확인하였다. 이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 메쉬 시트를 이용하여 제조한 배양기와 함께, 불투과막(polyethylene) 및 반투과막을 이용하여 제조한 광생물 반응기에 동일 광합성 미생물을 배양하였다. 광생물 배양기는 도 29에 나타난 바와 같은 구조를 가지며, 도 30에 기재된 바와 같은 플라스틱 용기를 이용하였으며, 밑면을 메쉬 시트 또는 비교를 위하여 비투과막 또는 반투과막을 이용하여 광합성 미생물을 배양용기 내부에 넣었다(도 30 및 31 참조). 구체적으로 사용한 비투과막은 폴리에틸렌(polyethylene)을 이용하였으며, 메쉬 시트로는 PET, 나일론, 폴리에스테르를 이용하였고, 3배의 f/2-Si 배지와 탄소원 공급을 위해 4 g/L의 중탄산나트륨(sodium bicarbonate)을 첨가하여 배양하였으며, 반투과막(semipermeable membrane, SPM)으로는 셀룰로오스 재질의 6~8 kDa 및 15 kDa 분획분자량 반투과막(product number 132544, spectrumlabs, USA)을 이용하였다(도 31).
Tetraselmis sp.를 9일 동안 배양하는 동안 영흥도 해양 배양장의 기온, 수온, 실측 수온 및 실측 기온은 도 32에 나타난 바와 같다. 광합성 미생물을 배양 시작일을 0 시간으로 정했다. 또한, 배양시의 일평균 광도(PAR, photosnythetically active radiation) 및 광조사 시간은 도 33 및 도 34에 정리하였다. 정리하면, 광합성 미생물 배양기간 동안 평균 수온은 9.9℃였고, 평균 기온은 4.2℃였으며, 평균 광도는 295.5 μE/m2/s였고, 평균 광조사 시간은 7.4시간이었다(도 32, 도 33 및 도 34 참조).
광생물 배양기 내부의 광합성 미생물의 성장수준은 광합성 미생물의 세포농도와 생체중량을 기준으로 판단하였으며, 폴리에스테르 및 PET 소재의 메쉬 시트를 이용하여 제조한 배양기를 이용한 경우 광합성 미생물의 성장이 각각 1.68 X 106, 1.77 X 106 cells/ml로 증가하였고(도 35), 생체균체중량 역시 폴리에스테르 및 PET 소재의 메쉬 시트를 사용한 경우가 반투과막을 사용한 15 kDa 경우보다 1.14~1.48 배 증가하였다(도 36). 독특한 점은 낮은 제한치(cut off value)를 갖는 6-8 kDa 반투과막의 경우 불투과성 막을 사용한 대조군에 비해 낮은 가장 낮은 값을 나타냈다(표 3 참조).
표 3
day 9 control Polyester P.E.T 6-8 kDa 15 kDa
생체중량(g/l) 0.79 0.78 0.81 0.55 0.71
세포농도(cells/ml) 1.70E+06 1.68E+06 1.77E+06 1.29E+06 1.60E+06
실험예 5: 메쉬 시트로 제조된 배양용기의 재사용 효율 측정
본 발명의 일 실시예에 따른 메쉬 시트의 재사용 효율을 측정하기 위하여 상기 실험예 4에서 이용한 메쉬 시트를 회수하여, 이를 세척 또는 비세척한 조건에서 Tetraselmis sp. 균주를 9일 동안 영흥도 해양 배양장치에서 배양하며, 질산염의 이동효율을 측정하였다. 이때, 대조군으로는 실험예 4에서 이용한 셀룰로오스 재질의 6~8 kDa 및 15 kDa 분획분자량 반투과막을 세척 또는 비세척 조건으로 사용하였다. 또한, 전체 실험에 대한 비교를 위하여 사용하지 않은 막을 이용하였다. 구체적으로 세척은 흐르는 수돗물에 사용한 각각의 막을 2 L의 수조에 1 L의 수돗물을 채운 수조에 약 5분간 담갔으며, 약 1분간 막의 앞면과 뒷면을 별도의 세척도구를 사용하지 손을 이용하여 흐르는 수돗물에 세척하였다.
Tetraselmis sp. 균주를 9일 동안 배양하며, 실험예 3과 동일한 방법으로 질산염의 멤브레인 이동율을 비교한 결과, 도 37에 나타난 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 재사용된 폴리에스테르 및 PET 메쉬 시트를 이용하여 제조된 광생물 배양기는 반투과막에 비해서도 질산염 투과효율이 우수하였으며, 별도의 처리 없이 단순히 수돗물에 세척함으로써 투과효율이 증가하였다. 이러한 결과는 본 발명의 일 실시예에 따른 메쉬 시트는 수돗물에 헹구는 간단한 과정을 통해서 재사용이 가능함을 의미하며, 산업적 이용 가능성이 매우 우수하다는 것을 의미한다.
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.
본 발명의 일 실시예에 따른 광생물 반응기는 미세조류의 저비용 고효율 배양을 가능하게 하여, 미세조류를 이용한 식품의 생산은 물론, 아스타잔틴과 같은 미세조류 유래의 유용 산물의 생산과 바이오디젤의 생산 등에 활용될 수 있다.

Claims (24)

  1. 배양해야 할 광합성 미생물 및 상기 광합성 미생물을 분산시키기 위한 액체를 담지할 수 있는 형상유지 가능한 배양용기를 포함하는 광생물 반응기에 있어서, 상기 배양용기의 전부 또는 적어도 일부는 물, 기체 및 영양성분의 자유로운 통과는 가능하나 상기 광합성 미생물의 확산이 제한되는 장벽(barrier)으로 구성된, 광생물 반응기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 장벽은 메쉬 시트 또는 타공 시트인, 광생물 반응기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 메쉬 시트는 직물구조로 이루어진, 광생물 반응기.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 메쉬 시트의 망목 크기(opening size)는 0.1 μm 내지 200 μm인, 광생물 반응기.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 메쉬 시트는 고분자로 이루어진 섬유로 직조되는, 광생물 반응기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 고분자는 생분해성 고분자 또는 난분해성 고분자인, 광생물 반응기.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 배양용기의 메쉬 시트 또는 타공 시트를 제외한 부분은 반투과성 또는 불투과성의 투명 또는 반투명 재질로 제조되는, 광생물 반응기.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 타공 시트는 불투과성 고분자 막, 반투과성 고분자 막 또는 이의 혼합 고분자 막에 0.1 내지 200 μm 크기의 미세구멍이 타공되어 제조된, 광생물 반응기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 배양용기에 하나 이상의 주입구가 구비되는, 광생물 반응기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 주입구는 지퍼, 지퍼백, 벨브, 튜브마개, 부착식 테이프, 클립, 또는 집게핀 형태의 개폐수단을 구비한, 광생물 반응기.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 배양용기는 부양수단에 의해 수면 위에 떠 있거나, 침강수단에 의해 수면 아래에 소정의 깊이로 가라앉도록 고안된, 광생물 반응기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 부양수단은 상기 배양용기에서 연장되어 형성된 공기주입식 튜브 형상인, 광생물 반응기.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 침강수단은 상기 배양용기가 수면 아래 일정한 깊이로 잠겨있도록 배양용기 하부에 연결된 무게추 또는 수중 또는 수저면에 설치된 수중구조물인, 광생물 반응기.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 배양용기의 일말단은 상기 부양수단에 연결되고, 타말단은 상기 침강수단에 연결되는, 광생물 반응기.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 배양용기는 상부가 개방된 개방형 배양용기인, 광생물 반응기.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 개방형 배양용기는 경주로(raceway) 연못형 개방형 배양용기인, 광생물 반응기.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 배양용기의 일면은 광차단 영역에 의해 광합성 미생물에 공급되는 광에너지가 조절되도록 고안된, 광생물 반응기.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 배양용기의 아랫면 또는 윗면에 부착된 날개에 의해 바람 또는 물에 의한 힘에 의해 상기 배양용기가 수직방향을 중심으로 회전하도록 고안된, 광생물 반응기.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항의 광생물 반응기를 담지하고 있는 수상 구조물을 포함하는, 광합성 미생물 배양장.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 수상 구조물은 복수의 서로 연결된 프레임과 상기 프레임 사이를 연결한 울타리를 포함하는, 광합성 미생물 배양장.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 수상 구조물은 수면위에 띄워져 설치되어 부력을 제공하는 부양수단이 구비된, 광합성 미생물 배양장.
  22. 제19항에 있어서,
    상기 수상 구조물은 작업자가 관리 작업을 할 수 있는 작업자 지지수단이 구비된, 광합성 미생물 배양장.
  23. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항의 광생물 반응기를 준비하는 단계; 및
    하나 이상의 상기 광생물 반응기에 광합성 미생물 및 배양배지를 주입한 후 광합성을 수행하도록 환경수에 투척하는 단계를 포함하는, 광합성 미생물의 배양방법.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 광합성 미생물은 담체가 포함되지 않은 배양배지 내에서 분산되어 배양되는, 광합성 미생물의 배양방법.
PCT/KR2014/002919 2013-04-05 2014-04-04 광합성 미생물 대량배양을 위한 광생물 반응기 WO2014163426A1 (ko)

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