KR101335389B1 - 이산화탄소 혼합 유도장치가 설치된 광생물반응기 및 이를 이용한 미세조류 배양방법 - Google Patents

이산화탄소 혼합 유도장치가 설치된 광생물반응기 및 이를 이용한 미세조류 배양방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이산화탄소 혼합 유도장치가 설치된 광생물반응기 및 이를 이용한 미세조류 배양방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 챔버 내부로 공급되는 이산화탄소의 외부 배출을 최대한 줄이면서 미세조류와의 혼합을 활성화하여 광합성 효율을 향상시킬 수 있는 이산화탄소 혼합 유도장치가 설치된 광생물반응기 및 이를 이용한 미세조류 배양방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 이산화탄소 혼합 유도장치가 설치된 광생물반응기는, 상부에 밀폐 가능하게 덮개가 구비되고 내부에 미세조류 및 배양액이 수용되어 있는 챔버와; 상기 챔버의 내부에 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소공급부와; 상기 챔버의 내부로 공급되었던 이산화탄소에서 미세조류의 광합성 작용에 의해 생성된 산소가 배출되는 산소배출부와; 상기 챔버의 내부에 다단 설치되어 미세조류와 이산화탄소의 혼합을 유도하는 이산화탄소 혼합 유도장치를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

이산화탄소 혼합 유도장치가 설치된 광생물반응기 및 이를 이용한 미세조류 배양방법{Photobioreactor with apparatus for inducing mixing of carbon dioxide and method for cultivation of microalgae using the same}
본 발명은 이산화탄소 혼합 유도장치가 설치된 광생물반응기 및 이를 이용한 미세조류 배양방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 챔버 내부로 공급되는 이산화탄소의 외부 배출을 최대한 줄이면서 미세조류와의 혼합을 활성화하여 광합성 효율을 향상시킬 수 있는 이산화탄소 혼합 유도장치가 설치된 광생물반응기 및 이를 이용한 미세조류 배양방법에 관한 것이다.
전 세계적으로 석유, 천연가스 등의 고갈, 수급체계의 불안정성 등의 고유가 위기가 조성되고 있으며, 이와 더불어 기후변화, 환경파괴 등의 생태계 보호를 위하여 화석에너지의 사용 제한이 가시화되고 있는 실정이다.
이에 따라 세계 각국은 신재생에너지 개발은 물론, 기존의 화력발전의 효율 증대와 친환경 제고에 힘을 기울이고 있으며 바이오매스의 이용도 각광을 받고 있다.
최근에는 바이오연료 생산에 따른 곡물자원의 가격 인상과 식량자원에 관한 우려로 미세조류 이용 연구가 바이오연료 생산에 초점을 맞추어 광합성 미생물의 유전체, 유전자 등 기초 연구뿐만 아니라, 미생물 개량, 반응기, 시스템 연구 등 응용연구가 대규모로 진행되고 있다.
특히 고활성 조류를 개발하기 위해 고효율 광생물반응기 및 고농도 배양기술의 개발이 시도되고 있으며, 미세조류와 같은 광합성 미생물을 배양하는 방법은 크게 옥외배양법과 광생물반응기를 이용하는 방법으로 나눌 수 있다.
옥외배양법의 경우는 연못형태나 외륜으로 배지를 순환시키는 수로형태를 예로 들 수 있는데, 설치비나 운영비가 적게 드는 반면, 고농도의 배양이 힘들고 다른 미생물에 의해 오염되기 쉬워 광합성 산물의 회수비용이 증가한다는 단점이 있다.
따라서, 광합성 미생물을 이용한 고부가가치 물질의 생산이 가능하게 되고, 특히 생물학적 CO2 고정화 공정에 광합성 미생물의 고농도 대량배양 기술이 필수적으로 요구됨에 따라 배양효율이 높은 광생물반응기에 대한 수요가 증대되고 있는 실정이다.
본 발명의 배경기술로는 한국등록특허 제0439971호(2002. 9. 18. 출원)의 "기포탑 광생물반응기"가 알려져 있으며, 상기 기포탑 광생물반응기는 미생물 배양액을 담을 수 있는 챔버를 형성하는 투명 외부컬럼과, 상기 외부컬럼의 중심에 설치되어 배양액의 전면에 빛에너지를 조사하는 발광체와, 상기 발광체를 배양액과 분리하고 열교환이 가능한 투명재킷과, 상기 투명재킷의 외부 표면에 설치되어 배양액의 상승부와 하강부를 구분하는 방법으로 순환로를 형성하는 배플 플레이트 및, 상기 배플 플레이트로 구분되는 한쪽 부분의 하단부에서 기체를 상향 공급하여 배양액의 상향유동을 야기하는 폭기장치를 포함하는 것이다.
따라서, 상기 폭기장치에 의해 투명 배플 플레이트의 한쪽 부분으로 상향 주입되는 공기 또는 다른 기체가 배양액을 상향 유동시킨 후 반대쪽으로 하향유동하게 함으로써 별도의 교반기 없이도 배양액의 순환이 가능하며, 투명한 배플 플레이트에 발광체를 도입함으로써 순환하는 배양액 내부로의 빛투과 거리가 최소화되고 배양액의 최대 표면적에 빛에너지가 전달될 수 있기 때문에 광합성 미생물의 고농도 대량배양에 적합하다.
그러나, 종래의 광생물반응기는 챔버 내부로 공급되는 이산화탄소가 상승하면서 배출구로 곧바로 배출되므로 미세조류에 이산화탄소의 전달이 제대로 이루어지지 않아 미세조류와의 혼합이 어렵기 때문에 광합성 효율이 저하되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 챔버 내부에 이산화탄소 혼합 유도장치를 다단으로 설치하여 챔버 내부로 공급된 이산화탄소를 챔버 내부에 잔존시켜 미세조류와의 혼합을 유도하는 이산화탄소 혼합 유도장치가 설치된 광생물반응기 및 이를 이용한 미세조류 배양방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 이산화탄소 혼합 유도장치가 설치된 광생물반응기는, 상부에 밀폐 가능하게 덮개가 구비되고 내부에 미세조류 및 배양액이 수용되어 있는 챔버와; 상기 챔버의 내부에 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소공급부와; 상기 챔버의 내부로 공급되었던 이산화탄소에서 미세조류의 광합성 작용에 의해 생성된 산소가 배출되는 산소배출부와; 상기 챔버의 내부에 다단 설치되어 미세조류와 이산화탄소의 혼합을 유도하는 이산화탄소 혼합 유도장치를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 이산화탄소 혼합 유도장치가 설치된 광생물반응기 및 이를 이용한 미세조류 배양방법은, 챔버 내부에 다단으로 설치되고 길이 신장을 조절하여 설치 개수를 늘릴 수 있는 이산화탄소 혼합 유도장치에 챔버 내부로 공급되는 이산화탄소가 충돌하면서 챔버 내 배양액에 체재하는 시간을 증가시킴으로써, 챔버 내 미세조류와의 혼합을 활성화하여 광합성 효율을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 이산화탄소 혼합 유도장치가 설치된 광생물반응기를 도시한 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 이산화탄소 혼합 유도장치를 도시한 확대도.
도 3은 본 발명에 따른 이산화탄소 혼합 유도장치의 다른 일예를 도시한 도면.
도 4는 도 3에 따른 이산화탄소 혼합 유도장치의 설치상태를 도시한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 이산화탄소 혼합 유도장치의 또 다른 일예를 도시한 사시도.
도 6은 도 5에 따른 이산화탄소 혼합 유도장치를 도시한 단면도.
도 7은 도 5에 따른 이산화탄소 혼합 유도장치의 설치상태를 도시한 도면.
본 발명에 따른 이산화탄소 혼합 유도장치가 설치된 광생물반응기는, 상부에 밀폐 가능하게 덮개가 구비되고 내부에 미세조류 및 배양액이 수용되어 있는 챔버와; 상기 챔버의 내부에 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소공급부와; 상기 챔버의 내부로 공급되었던 이산화탄소에서 미세조류의 광합성 작용에 의해 생성된 산소가 배출되는 산소배출부와; 상기 챔버의 내부에 다단 설치되어 미세조류와 이산화탄소의 혼합을 유도하는 이산화탄소 혼합 유도장치를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 이산화탄소 혼합 유도장치는 중앙에 관통홀이 형성되고 상기 관통홀에 걸림턱이 형성되며 이산화탄소의 통과를 위한 다수의 통공이 형성되는 유도판과, 상기 유도판의 하부에 형성되는 지지대로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 지지대는 상기 관통홀의 직경과 동일한 직경으로 형성되는 수직봉으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 지지대는 외주면을 따라 수직방향으로 자바라 형태의 주름이 반복 형성되는 주름관과, 상기 주름관의 하부에 형성되는 봉 형상의 지지구로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 지지대는 상기 유도판의 하부에 고정되는 원통형의 지주와, 상기 지주의 외부에 신장 가능하게 삽입 설치되는 가변대로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 이산화탄소공급부는 외부에 구비된 이산화탄소저장조와, 상기 이산화탄소저장조에 연결되어 상기 챔버에 삽입되는 공급배관과, 상기 공급배관의 일측에 설치되어 이산화탄소를 챔버 내부로 공급하도록 펌핑하는 펌프로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 산소배출부는 상기 챔버에 연결 삽입되어 외부로 연장되는 배출배관과, 상기 배출배관의 일측에 설치되어 이산화탄소에서 분해된 산소를 외부로 배출하도록 펌핑하는 펌프로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광생물반응기를 이용하는 미세조류 배양방법에 있어서, 챔버 내부에 다단으로 설치된 이산화탄소 혼합 유도장치에 의해 챔버 내부에 이산화탄소를 체재시켜 챔버 내 미세조류와의 혼합을 향상시키도록 유도하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 이산화탄소 혼합 유도장치가 설치된 광생물반응기를 도시한 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 이산화탄소 혼합 유도장치를 도시한 확대도이며, 도 3은 본 발명에 따른 이산화탄소 혼합 유도장치의 다른 일예를 도시한 도면이고, 도 4는 도 3에 따른 이산화탄소 혼합 유도장치의 설치상태를 도시한 도면이며, 도 5는 본 발명에 따른 이산화탄소 혼합 유도장치의 또 다른 일예를 도시한 사시도이고, 도 6은 도 5에 따른 이산화탄소 혼합 유도장치를 도시한 단면도이며, 도 7은 도 5에 따른 이산화탄소 혼합 유도장치의 설치상태를 도시한 도면이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 이산화탄소 혼합 유도장치가 설치된 광생물반응기는 상부에 밀폐 가능하게 덮개(11)가 구비되고 내부에 미세조류 및 배양액이 수용되어 있는 챔버(1)와, 상기 챔버(1)의 내부에 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소공급부(2)와, 상기 챔버(1)의 내부로 공급되었던 이산화탄소에서 미세조류의 광합성 작용에 의해 생성된 산소가 배출되는 산소배출부(3)와, 상기 챔버(1)의 내부에 다단 설치되어 미세조류와 이산화탄소의 혼합을 유도하는 이산화탄소 혼합 유도장치(4)를 포함하여 구성된다.
한편, 본 발명에서는 광합성을 향상시키기 위한 광원, 배양액 공급부 및 배출부 등의 구성이 도시되어 있지 않지만, 이는 통상적으로 광생물반응기에 포함되는 공지기술이므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
상기 챔버(1)는 투명의 플라스틱 또는 유리 재질이거나 비닐 재질로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 덮개(11)에는 상기 이산화탄소공급부(2)와 산소배출부(3)가 관통되도록 각각의 홀이 형성된다. 상기 덮개(11)는 마개 또는 체결 락이 형성된 커버 등을 사용하는 것이 바람직하며, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 이산화탄소공급부(2)는 외부에 구비된 이산화탄소저장조(21)와, 상기 이산화탄소저장조(21)에 연결되어 상기 챔버(1)에 삽입되는 공급배관(22)과, 상기 공급배관(22)의 일측에 설치되어 이산화탄소를 챔버(1) 내부로 공급하도록 펌핑하는 펌프(23)로 이루어진다.
상기 산소배출부(3)는 상기 챔버(1)에 연결 삽입되어 외부로 연장되는 배출배관(31)과, 상기 배출배관(31)의 일측에 설치되어 이산화탄소에서 분해된 산소를 외부로 배출하도록 펌핑하는 펌프(32)로 이루어진다.
상기 이산화탄소 혼합 유도장치(4)는 중앙에 관통홀(411)이 형성되고 상기 관통홀(411)에 걸림턱(412)이 형성되며 이산화탄소의 통과를 위한 다수의 통공(413)이 형성되는 유도판(41)과, 상기 유도판(41)의 하부에 형성되는 지지대(42)로 이루어진다.
상기 유도판(41)은 챔버(1)의 형상에 따라 다양한 형상으로 이루어질 수 있으며, 원형 형상으로 이루어지는 것이 바람직하다. 재질은 합성수지 또는 금속으로 이루어지며, 무게가 가벼운 합성수지 재질을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 유도판(41)에는 도면에는 도시되어 있지 않지만, 이산화탄소공급부(2) 및 산소배출부(3)가 관통되도록 통과구멍이 형성된다.
상기 유도판(41)의 중앙에 형성된 관통홀(411)은 이산화탄소 혼합 유도장치(4)의 다단 설치가 가능하도록 지지대(42)의 직경과 동일하거나 크게 형성된다.
상기 통공(413)은 상기 관통홀(411)을 제외한 나머지 부분에 다수로 형성되며, 1차로 유도판(41)에 이산화탄소가 충돌하고 난 후 상기 통공(413)을 통해 통과하면서 이산화탄소와 미세조류의 혼합을 향상시키게 된다.
상기 지지대(42)는 상기 관통홀(411)의 직경과 동일한 직경으로 형성되는 수직봉(421)으로 이루어진다. 따라서, 이산화탄소 혼합 유도장치(4)의 다단 설치 시 하부에 위치한 이산화탄소 혼합 유도장치(4)의 유도판(41)에 형성된 관통홀(411)에 상기 지지대(42)를 삽입하고 관통홀(411)에 형성된 걸림턱(412)에 의해 걸리게 함으로써, 다단 적층이 가능하다.
특히, 상기 이산화탄소 혼합 유도장치(4)의 설치 개수가 많을수록 이산화탄소가 챔버(1) 내부에서 오래 머물러 있기 때문에 미세조류의 광합성을 향상시킬 수 있는 것이다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 지지대(42)는 외주면을 따라 수직방향으로 자바라 형태의 주름이 반복 형성되는 주름관(422)과, 상기 주름관(422)의 하부에 형성되는 봉 형상의 지지구(423)로 이루어질 수 있다. 상기 주름부(422)는 연질의 합성수지 재질로 이루어지고 지지구(423)는 경질의 합성수지 재질로 이루어지며 물빠짐을 위해 중앙에 통공이 형성되는 것이 바람직하다.
따라서, 상기 주름관(422)이 길이가 신장되므로 적절한 높이로 유도판(41)을 지지할 수 있으며, 필요에 따라 주름관(422)을 가압시켜 길이를 짧게 함으로써, 이산화탄소 혼합 유도장치(4)를 다단으로 설치할 수 있다.
도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 지지대(42)는 상기 유도판(41)의 하부에 고정되는 원통형의 지주(424)와, 상기 지주(424)의 외부에 신장 가능하게 삽입 설치되는 가변대(425)로 이루어질 수 있다. 상기 지주(424) 및 가변대(425)는 합성수지 또는 금속 재질로 이루어지며, 금속에 비해 물에 부식이 잘 되지 않는 합성수지 재질로 이루어지는 것이 더 바람직하다.
상기 가변대(425)는 상기 지주(424)에 헐거움이 아닌 억지끼움으로 조립되게 하여 외부 압력에 의해 쉽게 움직이지 않도록 한다.
따라서, 서로 다른 직경으로 이루어진 지주(424)와 가변대(425)는 잡아당기면 길이가 신장되고 반대로 밀면 원상태로 복귀되는 낚시대 구조로서, 상기 가변대(425)를 하부로 잡아당기면 길이가 늘어남에 따라 상기 지지대(42)를 원하는 높이로 조절할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 이산화탄소 혼합 유도장치가 설치된 광생물반응기는 챔버(1) 내부에 이산화탄소 혼합 유도장치(4)가 다단으로 설치됨에 따라 챔버(1) 내부로 공급되는 이산화탄소가 상기 이산화탄소 혼합 유도장치(4)에 충돌하면서 이산화탄소의 챔버(1) 내 배양액에 체재하는 시간을 증가시킴으로써, 챔버 내 미세조류와의 혼합을 활성화하여 광합성 효율을 향상시키게 된다.
이하, 상기와 같이 구성된 광생물반응기를 이용한 본 발명에 따른 미세조류의 배양방법을 간단히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 미세조류 및 배양액이 수용되어 있는 챔버(1) 내부에 이산화탄소를 공급한다.
이때, 이산화탄소공급부(2)의 공급배관(22)을 통해 공급된 이산화탄소는 챔버(1)의 하부에서 상부로 상승한다.
챔버(1) 내부에 다단으로 설치된 이산화탄소 혼합 유도장치(4)에 의해 이산화탄소의 챔버(1) 내 배양액에 체재하는 시간을 증가시켜 챔버(1) 내 미세조류와의 혼합을 향상시키도록 유도하게 된다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양한 자명한 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형의 예들을 포함하도록 기술된 청구범위에 의해서 해석되어져야 한다.
1 : 챔버
11 : 덮개
2 : 이산화탄소공급부
21 : 이산화탄소저장조
22 : 공급배관
23 : 펌프
3 : 산소배출부
31 : 배출배관
32 : 펌프
4 : 이산화탄소 혼합 유도장치
41 : 유도판
411 : 관통홀, 412 : 걸림턱, 413 : 통공
42 : 지지대
421 : 수직봉, 422 : 주름관, 423 : 지지구, 424 : 지주, 425 : 가변대

Claims (10)

  1. 상부에 밀폐 가능하게 덮개(11)가 구비되고 내부에 미세조류 및 배양액이 수용되어 있는 챔버(1)와;
    상기 챔버(1)의 내부에 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소공급부(2)와;
    상기 챔버(1)의 내부로 공급되었던 이산화탄소에서 미세조류의 광합성 작용에 의해 생성된 산소가 배출되는 산소배출부(3)와;
    상기 챔버(1)의 내부에 다단 설치되어 미세조류와 이산화탄소의 혼합을 유도하는 이산화탄소 혼합 유도장치(4)를 포함하여 구성되며,
    상기 이산화탄소 혼합 유도장치(4)는 중앙에 관통홀(411)이 형성되고 상기 관통홀(411)에 걸림턱(412)이 형성되며 이산화탄소의 통과를 위한 다수의 통공(413)이 형성되는 유도판(41)과, 상기 유도판(41)의 하부에 형성되는 지지대(42)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 혼합 유도장치가 설치된 광생물반응기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 지지대(42)는 상기 관통홀(411)의 직경과 동일한 직경으로 형성되는 수직봉(421)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 혼합 유도장치가 설치된 광생물반응기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 지지대(42)는 외주면을 따라 수직방향으로 자바라 형태의 주름이 반복 형성되는 주름관(422)과, 상기 주름관(422)의 하부에 형성되는 봉 형상의 지지구(423)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 혼합 유도장치가 설치된 광생물반응기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 지지대(42)는 상기 유도판(41)의 하부에 고정되는 원통형의 지주(424)와, 상기 지주(424)의 외부에 신장 가능하게 삽입 설치되는 가변대(425)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 혼합 유도장치가 설치된 광생물반응기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 이산화탄소공급부(2)는 외부에 구비된 이산화탄소저장조(21)와, 상기 이산화탄소저장조(21)에 연결되어 상기 챔버(1)에 삽입되는 공급배관(22)과, 상기 공급배관(22)의 일측에 설치되어 이산화탄소를 챔버(1) 내부로 공급하도록 펌핑하는 펌프(23)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 혼합 유도장치가 설치된 광생물반응기.
  7. 제1항에 있어서, 상기 산소배출부(3)는 상기 챔버(1)에 연결 삽입되어 외부로 연장되는 배출배관(31)과, 상기 배출배관(31)의 일측에 설치되어 이산화탄소에서 분해된 산소를 외부로 배출하도록 펌핑하는 펌프(32)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 혼합 유도장치가 설치된 광생물반응기.
  8. 제1항, 제3항 내지 제7항 중 어느 한 항의 광생물반응기를 이용하는 미세조류 배양방법에 있어서, 챔버 내부에 다단으로 설치된 이산화탄소 혼합 유도장치에 의해 챔버 내부의 배양액에 이산화탄소의 체재시간을 증가시켜 챔버 내 미세조류와의 혼합을 향상시키도록 유도하는 것을 특징으로 하는 미세조류 배양방법.
  9. 제1항, 제3항 내지 제7항 중 어느 한 항의 광생물반응기에 미세조류를 투입하여 배양하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세조류 생산방법.
  10. 삭제
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