KR101382955B1 - 발광다이오드를 이용한 미세조류 배양장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 발광다이오드를 이용한 미세조류 배양장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배양조 내부에 발광다이오드(LED)를 광원으로 하는 광섬유(optical fiber)를 설치하여, 광원이 배양조 전체에 고르게 전달될 수 있도록 한 발광다이오드를 이용한 미세조류 배양장치에 관한 것으로, 내부에 미세조류 및 배양액이 수용되어 있는 배양조와; 상기 배양조의 내부에 설치되어 빛을 조사하는 광원부와; 상기 배양조의 내부에 연결되어 이산화탄소가 공급되는 이산화탄소 공급부와; 상기 광원부에 연결되어 상기 이산화탄소 공급부를 통해 공급된 이산화탄소를 배양조 내부로 배출시키는 이산화탄소 배출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

발광다이오드를 이용한 미세조류 배양장치{Apparatus for microalgae cultivation using a underwater light sources}
본 발명은 수중광원을 이용한 미세조류 배양장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배양조 내부에 발광다이오드(LED) 또는 발광다이오드를 광원으로 하는 광섬유(optical fiber)를 설치하여, 광원이 배양조 전체에 고르게 전달될 수 있도록 한 수중광원을 이용한 미세조류 배양장치에 관한 것이다.
조류(藻類)란 일반적으로 '광합성을 하는 산소발생형 광합성 생물 중에서 육상식물(이끼식물, 양치류식물, 종자식물)을 제외한 모든 것'으로 '조류를 정의하는 것은 불가능하다.'라고 주장하는 연구자들이 있을 정도로 조류는 다양한 생물의 집합이다.
조류(藻類)는 크게 나누어 대형조류(Macroalgae)로 불리는 눈에 보이는 크기와 미세조류(식물성 플랑크톤)로 불리는 현미경으로 밖에 볼 수 없는 작은 크기, 두 가지로 나눌 수 있다. 미세조류는 육상식물과 동일한 구조로 광합성을 한다. 또한 생산능력은 육상식물보다도 높은 경우가 많고, 대부분 직경 10㎛ 정도의 단세포 생물이며, 주로 무성(無性)으로 2분열하여 증식한다. 미세조류는 식물보다도 CO2 흡수 능력이 높아 생육이 빠르며 계절성이 없기 때문에 온도조건이 맞으면 연간 생육이 가능하다. 미세조류는 극동지역인 남극 얼음 아래에도 생존하며, 불모의 땅인 사막에도 존재한다.
또한 토양 속이나 담수, 해수, 그리고 공기 중이나 나무줄기에도 존재하며 어디에나 생식하고 있으나, 유감스럽게도 조류의 정체는 아직 밝혀져 있지 않은 부분이 많다. 현재 지구상에 존재하는 것으로 추정되는 미세조류의 수는 20만~1,000만종이나 되며, 보고된 것은 약 4만종으로 대단히 적어 미세조류는 아직 미지의 생물군이라고도 말하고 있다.
미세조류는 종래의 양식생물의 먹이가 되는 동물플랑크톤의 기초먹이 생물로 사용하기 위해서 대량번식하였다. 최근에는다른 육상식물에 비해 증식속도가 빠르고, CO2 흡수 능력이 월등히 뛰어나며, 담수 해수 등의 수계 조건에서 재배되므로 육상보다 재배가능 면적이 넓어 미세조류 재배를 이용하여 온실가스 감축을 위한 새로운 방법으로 제시되고 있다.
특히 정부는 국제기후변화협약(UNFCCC)에 대비해 국내 산업을 유지ㆍ보호하기 위해 해조류를 이산화탄소 흡수원으로 국제협약에서 인증 받을 수 있도록 추진하고 있다. 바이오에너지는 열이나 전기 등의 에너지를 생산하는 풍력, 태양광, 태양열 등 무형의 재생에너지와는 달리 형태를 가지므로 에너지의 저장성이 우수하다는 장점이 있고, CO2 감축에도 효과가 클 것으로 기대되며, 그 외에 조류는 식량과 경쟁하지 않는다는 점, 식물재배와 달리 열대림 등의 환경파괴를 유발하지 않는다는 점 등의 이점이 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.
미세조류는 단일세포의 광합성 생물로 3~30μm의 크기에 담수나 해수에서 서식한다. 이산화탄소를 흡수하고 산소를 배출하며, 오일 및 유용물질을 함유하고 있다. 미세조류는 육상식물에 비해 성장률이 매우 빠르고, 대량으로 고농도 배양이 가능하며, 극한 환경에서도 성장이 가능하다는 장점을 가진다. 미세조류는 사용 가능한 오일 성분이 바이오매스의 30~70%에 달하므로, 기존 작물에 비해 높은 연료 생산성을 나타낸다. 미세조류는 다른 작물과 토지나 공간 측면에서 상호 경쟁하지 않으므로, 현재 식량 자원의 가격 상승 및 산림 파괴 등 2차적인 환경 문제를 일으키지 않는다. 따라서 미세조류 이용 바이오디젤 생산기술은 단위면적 당 높은 생산성을 나타내어 자원 확보가 용이하고 식량 자원과의 경쟁이 없으므로 국내 실정에 적합하다고 할 수 있다.
따라서, 광합성 미생물을 이용한 고부가가치 물질의 생산이 가능하게 되고, 특히 생물학적 이산화탄소 고정화 공정에 광합성 미생물의 고농도 대량배양 기술이 필수적으로 요구됨에 따라 배양효율이 높은 미세조류 배양장치에 대한 수요가 증대되고 있는 실정이다.
한편 광섬유는 광학섬유라고도 하며, 광섬유를 여러 가닥 묶어서 케이블로 만든 것을 광케이블이라고 하며 통신분야뿐만 아니라 최근에는 디스플레이등의 분야에서도 그 사용이 늘어나고 있다. 광섬유는 합성수지를 재료로 하는 것도 있으나, 주로 투명도가 좋은 유리로 만들어지며, 구조는 보통 중앙의 코어(core)라고 하는 부분을 주변에서 클래딩(cladding)이라고 하는 부분이 감싸고 있는 이중원기둥 모양을 하고 있다. 그 외부에는 충격으로부터 보호하기 위해 합성수지 피복을 1∼2차례 입혀 완성된다. 보호피복을 제외한 전체 크기는 지름 백∼수백㎛(1㎛ = 1/1000mm)로 되고, 코어 부분의 굴절률이 클래딩의 굴절률보다 높게 되어 있어서, 빛이 코어 부분에 집속되어 잘 빠져나가지 않고 진행할 수 있게 되어 있다.
코어의 지름이 수㎛인 것을 단일모드 광섬유, 수십㎛인 것을 다중(多重) 모드 광섬유라 하고, 코어의 굴절률 분포에 따라 계단형, 언덕형 광섬유 등으로 나누며, 광섬유는 외부의 전자파에 의한 간섭이나 혼신(混信)이 없고 도청이 힘들며, 소형, 경량으로서 굴곡에도 강하며, 하나의 광섬유에 많은 통신회선을 수용할 수 있고 외부환경의 변화에도 강하다. 더구나 재료인 유리의 원료는 대단히 풍부하므로 효용도가 높다.
이상에서 설명되는 바와 같이 종래 배양조를 사용하여, 특히 1톤 이상의 배양조를 이용하여 양식어류의 먹이생물 또는 바이오에너지를 생산하기 위한 원료로서 미세조류를 배양하는 경우, 광합성을 위한 광원이 배양조 상부에 설치되어 조사되나, 방사된 광원은 미세조류의 증가와 함께 배양조의 하부까지 도달하지 않고 배양조의 상부에서만 극소량이 산란 및 흡수되는 문제점이 있었다, 또한, 미세조류의 증가는 광합성을 위한 CO2 부족현상이 발생하여 광합성 효율이 저하되는 문제점이 있었다.
이를 해결하기 위해 본 발명에서는 미세조류의 배양에 사용되는 광원을 상기와 같은 광섬유 등의 수중광원으로 대체하여 수중에서 안전하게 광을 방사시켜 기존의 배양기보다 단위면적당 세포수를 증가시켜 보다 저비용으로 고효율을 만들어낼 수 있는 대량배양기를 제공하고자 한다.
국내 특허공보 제10-2008-0111843호는 침지형(Submerged) 분리막 생물반응기(Membrane Bio-Reactor: MBR)에 대한 것으로, 처리조 내에 중공사(hollow fiber) 형태의 분리막을 가지는 침지형 분리막 모듈과, 침지형 분리막 모듈의 외둘레를 둘러싸도록 배치되는 원통형 관과, 상기 원통형 관 내부로 공기를 공급하는 노즐(nozzle)이나 산기관(porous diffuser)이 구비된 구성을 개시하고 있다. 국내출원번호 10-2001-0022926 미세조류용 고밀도 배양장치에 관한 것으로, 상부에 뚜껑)을 구비하고 내부에 채워진 배양수상에 pH센서와 분산기가 설치된 투명한 아크릴재질의 배양수조와, 상기 배양수조가 다수개가 장착되고 그 배양수조에 빛을 공급하는 다수의 형광등이 구비된 배양수조틀 에어와 이산화탄소를 혼합하여 상기 분산기를 통해 배양수조에 공급함으로써 배양수의 pH를 조절하는 pH조절기, 상기 pH조절기에 에어필터를 매개로 정화된 에어를 연속적으로 공급하는 에어펌프 및, 상기 pH조절기에 이산화탄소를 공급하는 CO2 탱크를 포함하여, 미세조류의 광합성에 필요한 이산화탄소와 산소를 혼합하여 공급함으로써 세포의 배양수에 pH를 안정적으로 조절할 수 있게 된다. 또한 국내공개특허공보 제10-2010-0083948호는 자외선 조사를 이용한 조류 배양장치 및 배양방법에 관한 것으로 최적의 자외선 조사량을 방출하여 타 세균에 의한 조류의 증식을 억제하며 조류의 높은 배양효율을 유지할 수 있는 조류 배양장치 및 이를 이용한 조류 배양방법에 관한 구성이 개시되어있고, 조류 배양장치는 (a) 배양환경을 유지시키는 장치, (b) 배양을 촉진하는 교반이 가능한 장치, (c) 배양기, 및 (d) 자외선램프를 포함하는 조류 배양장치로서, 상기 자외선램프가 배양 가능한 조류에 따라 최적의 자외선 조사량을 방출하도록 조절하는 회로를 통해, 단위시간 동안 단위면적당 일정량의 조사량으로 동일한 간격으로 특정시간 작동되는 것을 특징으로 한다. 국내 공개특허공보 제10-2011-0096377호에는 미세조류로부터 오일 추출 및 바이오디젤 전환 방법에 관한 것으로, 미세조류로부터 오일을 추출하여 바이오디젤을 생산시, 추출된 오일에 존재하여 바이오디젤 전환 반응을 저해하는 현상을 가지는 엽록소를 바이오디젤 전환 반응 전에 미리 제거함으로써 바이오디젤 전환율을 증가시키는 방법을 개시하고 있다. 그러나 상기 배양기들에 관한 기술은 광원이 배양기의 바깥부분에 장착되어있고, 광원으로 종래의 형광등과 같은 인공광원을 사용한다는 점과 배양조의 내부에 연결되어 이산화탄소가 공급되는 이산화탄소 공급부와; 상기 광원부에 연결되어 상기 이산화탄소 공급부를 통해 공급된 이산화탄소를 배양조 내부로 배출시키는 이산화탄소 배출부를 포함하며, 배양조 상부에는 밀폐된 뚜껑이 장착되어 배양조 내부로 배출시킨 이산화탄소를 배출배관과 펌프를 통해 배양조 밖으로 배출하여 재사용하는 구성에서 본 발명의 목적, 구성과는 차이를 보인다.
본 발명은 1 ton 이상의 대형수조에서 먹이생물(미세조류)을 배양할 때, 통상 광원을 수조 상부에 설치하여 주사하므로, 광은 먹이생물의 증가와 함께 수조의 하부면 까지 도달하지 않고 극히 수조 상부층에서 산란 및 흡수되어진다. 또한 수조 측면에서 광원을 주사하더라도, 수조의 용량 및 미세조류의 서식 밀도 증가에 따라 광은 수조 중앙까지 도달하지 않는다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로, 배양조 내부에 발광다이오드(LED)를 광원으로 하는 광섬유(optical fiber)를 설치하여, 미세조류의 증가에도 불구하고 광원이 배양조 전체에 고르게 전달되게 하는 발광다이오드를 이용한 미세조류 배양장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 배양조의 배양액 용량에 따라 광원을 단계별로 조절하여 광원 조사량을 조절할 수 있는 발광다이오드를 이용한 미세조류 배양장치를 제공함으로서 미세조류에 따라 파장의 복수 주사 및 조도의 조절이 가능한 발광다이오드를 이용한 미세조류 배양장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 발광다이오드를 이용한 미세조류 배양장치는, 내부에 미세조류 및 배양액이 수용되어 있는 배양조와; 상기 배양조의 내부에 설치되어 빛을 조사하는 광원부와; 상기 배양조의 내부에 연결되어 이산화탄소가 공급되는 이산화탄소 공급부와; 상기 광원부에 연결되어 상기 이산화탄소 공급부를 통해 공급된 이산화탄소를 배양조 내부로 배출시키는 이산화탄소 배출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 내부에 미세조류 및 배양액이 수용되어 있는 배양조와 상기 배양조의 내부 중심에 수직으로 설치되는 지지대와, 상기 지지대와 연결되어 배양조의 내부 수중으로 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소 공급부와 지지대에 다단으로 조립된 지지몸체의 외면에 방사상으로 연결되는 광섬유 또는 발광다이오드로 구성되는 광원부, 배양조 상부에는 밀폐된 뚜껑이 장착되어 배양조 내부로 배출시킨 이산화탄소를 배출배관과 펌프를 통해 배양조 밖으로 배출하여 재사용함으로서 상기 본 발명의 목적을 달성 시킬 수 있다.
본 발명에 따른 발광다이오드를 이용한 미세조류 배양장치는, 미세조류의 증가에도 불구하고 광원이 배양조 전체에 고르게 전달되게 함으로써, 미세조류에 이산화탄소의 공급을 원활하게 하여 광합성 효율이 증대됨에 따라 미세조류를 대량으로 배양시킬 수 있다.
또한, 배양조의 배양액 용량에 따라 광원을 단계별로 조절하여 광원 조사량을 조절함으로써, 미세조류의 생장을 촉진시키는 효과가 있으며, 미세조류의 종류에 따라 적절한 파장을 가지는 빛을 조명하여 배양기간을 단축시킴에 따라 미세조류의 생산이 증대되어 경제적인 이득을 얻을 수 있는 효과가 있다.
도 1은 기존의 먹이생물을 대량배양 장치를 나타낸 사진을 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 미세조류 배양장치를 도시한 사시도를 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따른 미세조류 배양장치를 도시한 단면도로서 이산화탄소 공급부가 측면에 형성된 형태를 나타낸다.
도 4은 본 발명에 따른 미세조류 배양장치를 도시한 단면도로서 이산화탄소 공급부가 중앙에 형성된 형태를 나타낸다.
도 5은 본 발명에 따른 광섬유와 광원으로 발광다이오드를 이용한 광섬유 봉의 일 예를 나타낸 사진이다.
도 6은 광섬유를 사용한 디스플레이 일 예를 나타낸 사진이다.
본 발명에 따른 발광다이오드를 이용한 미세조류 배양장치는, 내부에 미세조류 및 배양액이 수용되어 있는 배양조와; 상기 배양조의 내부에 설치되어 빛을 조사하는 광원부와; 상기 배양조의 내부에 연결되어 이산화탄소가 공급되는 이산화탄소 공급부와; 상기 광원부에 연결되어 상기 이산화탄소 공급부를 통해 공급된 이산화탄소를 배양조 내부로 배출시키는 이산화탄소 배출부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 배양조 상부에는 밀폐된 뚜껑이 장착되어 배양조(1) 내부로 배출시킨 이산화탄소를 배출배관과 펌프를 통해 배양조 밖으로 배출하여 재사용하는 것을 특징으로 한다.
상기 광원부는 상기 배양조의 내부 중심에 수직으로 설치되는 지지대와, 상기 지지대에 다단으로 조립된 지지몸체의 외면에 방사상으로 연결되며 외면에 일정 간격으로 다수의 광섬유 또는 투명튜브에 발광다이오드가 일렬로 구비되어 있는 발광체로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 광섬유과 발광다이오우드에 구현되는 파장은 보라, 청색, 녹색, 적색, 백색 중에서 선택되는 하나 이상의 파장으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이산화탄소 공급부는 배양조의 내부에 연결되어 이산화탄소가 공급되게 하는 것으로, 상기 배양조에 연결되는 공급배관과, 상기 공급배관의 일측에 설치되어 이산화탄소를 이산화탄소 배출부의 배출관 내부로 공급하도록 펌핑하는 펌프로 이루어진다.
또한, 상기 이산화탄소 배출부는 외면에 다수의 이산화탄소 배출공이 형성되어 있는 링 형태의 배출관으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예로서 내부에 미세조류 및 배양액이 수용되어 있는 배양조와 배양조의 내부 중심에 수직으로 설치되는 지지대와 상기 지지대와 연결되어 배양조의 내부 수중으로 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소 공급부, 지지대에 다단으로 조립된 지지몸체의 외면에 방사상으로 연결되는 광섬유 또는 발광다이오드로 구성되는 광원부 및 배양조 상부에는 밀폐된 뚜껑이 장착되어 배양조 내부로 배출시킨 이산화탄소를 배출배관과 펌프를 통해 배양조 밖으로 배출하여 재사용하는 구성으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 이산화탄소 공급부는 외면에 다수의 이산화탄소 배출공)이 형성되어 있는 링 형태의 배출관으로 구성되는 이산화탄소 배출부와 연결되며, 이산화탄소 공급부와 연결된 이산화탄소 배출부는 지지대를 중심으로 회전할 수 있도록 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발광다이오드를 이용한 미세조류 배양장치의 배양조 바닥과 뚜껑의 내부에는 빛을 반사하는 거울이 장착된 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 도 1은 기존의 먹이생물을 대량배양 장치를 나타낸 사진으로 상부에 광원이 장치된 모습이 보인다. 도 2는 본 발명에 따른 발광다이오드를 이용한 미세조류 배양장치를 도시한 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 미세조류 배양장치를 도시한 단면도로서 이산화탄소 공급부가 측면에 형성된 형태를 나타낸다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 발광다이오드를 이용한 미세조류 배양장치는 배양조(1), 광원부(2), 이산화탄소 공급부(3), 이산화탄소 배출부(4)를 포함한다.
상기 배양조(1)는 내부에 미세조류 및 배양액이 수용되어 있는 것으로, 배양조(1) 내부에 광원부(2)를 설치함으로써, 미세조류 배양 시 미세조류에 빛을 효과적으로 전달하여 미세조류가 최적의 광합성을 할 수 있도록 함으로써 미세조류의 대량배양이 가능하다. 배양조(1)의 상부에는 덮개가 개폐 가능하게 설치되는 것이 바람직하며, 배양조(1)는 원형의 형태로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 배양조의 재질은 투광성과 기계적 강도가 뛰어난 강화유리, 폴리카보네이트 또는 아크릴 계열의 재질로 이루어지는 것이 바람직하고, 배양조(1)에는 미세조류 및 배양액을 공급하기 위한 공급관(미도시)이 연결된다. 미세조류 배양장치의 사용방법은 배양조(1)에 해수 또는 담수를 넣고 필요한 미세조류를 접종한다. 접종되는 미세조류의 예는 다음 표 1과 같다.
미세조류 배양장치의 배양조에 접종 가능한 미세조류의 일 예
미생물 오일 함량 (wt%, dry)
Microalgae
(미세조류)		 Botryococcus braunii
Cylindrotheca sp.
Nitzschia sp.
Schizochytrium sp.
Chlorella sp. 		25-72
16-37
45-47
50-77
30-50
표 1에 나타낸 미세조류 외에도 아나시스티스 니둘란스(Anacystis nidulans), 안키스트로데스무스(Ankistrodesmus sp.), 비둘리파아 우리타(Biddulpha aurita), 보트리오코커스 브라우니(Botryococcus braunii), 체토세로스(Chaetoceros sp.), 치라미도모나스 애플라나타(Chlamydomonas applanata), 치라미도모나스 레인하드티(Chlamydomonas reinhardtii), 크로렐라(Chlorella sp.), 크로렐라 엘립소디아(Chlorella ellipsoidea), 크로렐라 에멀소니(Chlorella emersonii), 크로렐라 프로토더코이데스(Chlorella protothecoides), 크로렐라 프레노이도사(Chlorella pyrenoidosa), 크로렐라 소로키니아나(Chlorella sorokiniana), 크로렐라 뷸가리스(Chlorella vulgaris), 크로렐라 미누티시마(Chlorella minutissima), 클로로코쿠 리토레일(Chlorococcu littorale), 클로텔라 크립티카(Cyclotella cryptica), 시린드로데카(Cylindrotheca sp.),두날리엘라 바르다윌(Dunaliella bardawil), 두날리엘라 살리나(Dunaliella salina), 두날리엘라 테르티오렉타(Dunaliella tertiolecta), 두날리엘라 프리모렉타(Dunaliella primolecta), 짐노디움(Gymnodinum sp.), 헤머노모나스 카테라에(Hymenomonas carterae), 이소크리시스 갈베나(Isochrysis galbana), 이소크리시스(Isochrysis sp.), 마이크로시스티스 아에루기노사(Microcystis aeruginosa), 마이크로모나스 푸실라(Micromonas pusilla), 모노두스 서브테라네우스(Monodus subterraneous), 나노클로리스(Nannochloris sp.), 나노클로롭시스(Nannochloropsis sp.), 나노클로롭시스 아토무스(Nannochloropsis atomus), 나노클로롭시스 살리나(Nannochloropsis salina), 나비쿨라 필리쿨로사(Navicula pelliculosa), 니츠시아(Nitzschia sp.), 니츠시아 클로스테리움(Nitzscia closterium), 니츠시아 팔레아(Nitzscia palea), 오시스티스 폴리모피아(Oocystis polymorpha), 아우로코커스(Ourococcus sp.), 오실라토리아 루베스켄스(Oscillatoria rubescens), 파브로바 루테리(Pavlova lutheri), 패오닥트리움 트리코누툼(Phaeodactylum tricornutum), 피크노코커스 프로바솔리(Pycnococcus provasolii), 피라미노나스 코르다타(Pyramimonas cordata), 시조키토리움(Schizochytrium sp.), 스피눌라 플라텐시스(Spirulina platensis), 스테파노디스커스 미누투루스(Stephanodiscus minutulus), 스티코커스(Stichococcus sp.), 시네드라우르나(Synedra ulna), 스케네데스무스 오브리쿼스(Scenedesmus obliquus), 스켈레나스트럼 그라시레(Selenastrum gracile), 스켈레토노마 코스타럼(Skeletonoma costalum), 테트라셀미스 출리(Tetraselmis chui), 테트라셀미스 마쿠라타(Tetraselmis maculata), 테트라셀미스(Tetraselmis sp.), 테트라셀미스 수에시카(Tetraselmis suecica), 탈라시오스트라 프세우도모나(Thalassiostra pseudomona), 아나배나(Anabaena sp.), 칼로드릭스(Calothrix sp.), 카마에시폰(Chaemisiphon sp.), 코로코시디옵시스(Chroococcidiopsis sp.), 차노데세(Cyanothece sp.),실린더로스페멈(Cylindrospermum sp.), 데모카펠라(Dermocarpella sp.), 피셔렐라(Fischerella sp.), 글로에오캅사(Gloeocapsa sp.), 믹소사시나(Myxosarcina sp.), 노스톡(Nostoc sp.), 오스실라토리아(Oscillatoria sp.), 포르미디움 코리움(Phormidium corium), 플레우로캅사(Pleurocapsa sp.), 프로콜로코코스(Prochlorococcus sp.), 페세우다나바에나(Pseudanabaena sp.), 시네코코스(Synechococcus), 시네코시스티스(Synechocystis sp.), 톨리포트릭스(Tolypothrix sp.), 제노코코스(Xenococcus sp.) 등의 미세조류 종을 대량 배양 가능하다.
광원부(2)에서는 접종된 미세조류에 필요한 광원을 조사시키며, 이산화탄소 공급부(3)를 통해 미세조류가 광합성을 할 수 있도록 이산화탄소를 해수 또는 담수에 녹여준다. 미세조류가 사용하고 남은 이산화탄소 또는 광합성으로 생성된 산소는 배출부(4)를 통하여 배양조 밖으로 배출되며 배출된 이산화탄소와 산소는 산소와 이산화탄소를 분리하여 이산화탄소만을 다시 이산화탄소 공급부로 공급하는 과정을 포함한다. 이때 배양조의 덮개를 덮은 상태에서 수중에 잠긴 광원을 점등함으로 광원으로부터 방사된 빛을 유효하게 이용하기 위해서는 배양조의 외벽, 바닥 및 뚜껑의 내부를 반사 가능한 거울형 아크릴 판으로 제작하는 것이 바람직하다.
이산화탄소 배출부(4)는 외면에 다수의 이산화탄소 배출공(411)이 형성되어 있는 링 형태의 배출관(41)으로 구성되며, 이산화탄소가 방출되지 않는 경우 배출공 내부에 물이 스며드는 것을 방지하기 위해 방수를 위해 고어 텍스 등의 기능성 섬유를 사용할 수 있고, 또한 유체를 한쪽 방향으로만 유동시키고, 유체가 정지했을 때 밸브바디가 유체의 배압으로 닫혀서 역류방지를 위한 체크밸브 등이 사용될 수 있다.
도 4은 본 발명에 따른 미세조류 배양장치를 도시한 단면도로서 이산화탄소 공급부가 중앙에 형성된 형태를 나타낸다. 도 4에서 나타낸 배양장치는 이산화탄소 공급부가 중앙의 지지대관과 직접 연결된 상태를 나타낸 것으로 내부에 미세조류 및 배양액이 수용되어 있는 배양조(1)와 배양조(1)의 내부 중심에 수직으로 설치되는 지지대(21)와, 상기 지지대(21)와 연결되어 배양조(1)의 내부 수중으로 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소 공급부(3)와 지지대(21)에 다단으로 조립된 지지몸체(22)의 외면에 방사상으로 연결되는 광섬유(24) 또는 발광다이오드로 구성되는 광원부 및 배양조 상부에는 밀폐된 뚜껑이 장착되어 배양조(1) 내부로 배출시킨 이산화탄소를 배출배관과 펌프를 통해 배양조 밖으로 배출하여 재사용하는 것을 특징으로 한다.
배양장치를 이산화탄소 공급부가 중앙의 지지대관과 직접 연결된 상태로 형성하는 것은 이산화탄소 공급부와 연결된 이산화탄소 배출부를 지지대를 중심으로 하여 회전할 수 있도록 형성하기 위한 것으로 이로서 일정 수심의 일정 위치에서만 이산화탄소를 공급하던 것을 배양조 내에 전체적으로 공급 가능하도록 할 수 있게 되며, 회전에 따라 배양조 내의 용수가 혼합되는 효과를 갖게 된다. 회전을 위해서는 배양조 바깥에 위치한 이산화탄소 공급부를 모터로 회전할 수 있도록 통상의 기어장치 및 배관장치를 설치할 필요가 있다.
도 4에서 나타낸 배양조 역시 덮개를 덮은 상태에서 수중에 잠긴 광원을 점등함으로 광원으로부터 방사된 빛을 유효하게 이용하기 위해서는 배양조의 외벽, 바닥 및 뚜껑의 내부를 반사 가능한 거울형 아크릴 판으로 제작하는 것이 바람직하다.
도 5은 본 발명에 따른 수중 인공광원으로 발광다이오드의 예를 나타낸 사진이다. 도 6은 광섬유를 사용한 디스플레이 예를 나타낸 사진이다. 상기 광원부(2)는 배양조(1)의 내부에 설치되어 빛을 조사하는 역할을 하며, 광원부(2)는 배양조(1)의 내부 중심에 수직으로 설치되는 지지대(21)와, 지지대(21)에 다단으로 조립된 지지몸체(22)의 외면에 방사상으로 연결되며, 빛을 수중으로 보내기 위해 광섬유를 일정 길이로 구성하여 빛을 전달할 수 있도록 봉형상으로 제작 가능하고, 다른 방법으로는 투명의 튜브관에 일정 간격으로 다수의 발광다이오드(23)가 구비된 발광장치가 사용될 수 있다. 인공광원이 광섬유(24)로 구성되는 경우, 컨트롤박스에서 파장별 광원을 조사시켜줌으로서 조사된 빛은 광섬유를 매개로하여 수중으로 전달된다.
상기와 같이 구성된 광원부(2)는 발광다이오드(23) 또는 발광다이오드를 광원으로 하는 광섬유(24)를 분수형으로 설치하여, 먹이생물이 증가하여도 광원이 배양조(1) 전체에 고루 전달되게 함으로써, 미세조류에 이산화탄소의 공급을 원활하게 하여 광합성 효율을 증대시킬 수 있는 것이다.
광원부(2)는 배양액의 수위에 따라 발광다이오드(23)를 포함하는 분수형 광섬유(24)를 증가시키거나 감소시킬 수 있으며, 이산화탄소 또한 방출할 수 있게 하여 미세조류의 광합성에 따라 부족해질 수 있는 이산화탄소를 보충한다. 배양조(1)의 배양액 용량에 따라 상기 지지몸체(22)를 1단 또는 다단으로 조립할 수 있어 필요에 따라 광 조사량을 조절하여 경제적으로 이용 가능하게 한다.
한편, 미세조류가 단일 종이 아닌 여러 종에 응용되기 위해서는 파장의 가변이 필요하다. 광섬유(24)에 구현되는 파장은 보라, 청색, 녹색, 적색, 백색 중에서 단일 파장 또는 2개 이상의 파장으로 이루어지며, 복수주사 및 조도의 조절도 가능하다. 상기 보라, 청색, 녹색, 적색, 백색의 파장 및 조도의 변화에 따라 미세조류의 생장에 영향을 미치게 되며, 따라서 배양조(1) 내에서 미세조류를 배양할 때 미세조류의 생장에 따라 적절한 파장을 가지는 빛을 조명하면 효율적으로 미세조류를 배양할 수 있다.
광섬유(24)는 상단이 상기 지지몸체(22)의 외면에 고정되고, 하단이 이산화탄소 배출부(4)의 배출관(41)의 외면에 고정되는 것이다. 광섬유(24)를 대신하여 투명한 튜브에 발광다이오드를 일정간격으로 배열한 발광체를 사용할 수 있다.
이산화탄소 공급부(3)는 상기 배양조(1)의 내부에 연결되어 이산화탄소가 공급되게 하는 것으로, 배양조(1)에 연결되는 공급배관(31)과, 상기 공급배관(31)의 일측에 설치되어 이산화탄소를 이산화탄소 공급부의 공급배관(31)을 통해 배양조 내부로 공급하도록 펌핑하는 펌프(32)로 이루어진다.
또한 이산화탄소 배출부(4)는 외면에 다수의 이산화탄소 배출공(411)이 형성되어 있는 링 형태의 배출관(41)으로 구성되며, 이산화탄소가 방출되지 않는 경우, 배출공 내부에 물이 스며드는 것을 방지하기 위해 방수를 위해 고어텍스 등의 기능성 섬유를 사용할 수 있고, 또한 유체를 한 방향으로만 유동시키고, 유체가 정지했을 때 밸브바디가 유체의 배압으로 닫혀서 역류방지를 위한 체크밸브 등이 사용될 수 있다.
또한, 이산화탄소 배출부(4)는 상기 광원부(2)에 연결되어 상기 이산화탄소 공급부(3)를 통해 공급된 이산화탄소를 배양조(1) 내부로 배출시키는 역할을 하며, 이산화탄소 배출부(4)는 외면에 다수의 이산화탄소 배출공(411)이 형성되어 있는 링 형태의 배출관(41)으로 구성된다. 상기 배출관(41)은 상기 광섬유(24)들의 단부와 연결되게 함으로써 배양조(1) 내부 전체에 고르게 이산화탄소를 배출시킨다.
산소배출부(5)는 상기 배양조(1)를 뚜껑으로 밀폐한 경우 내부로 공급되었던 이산화탄소를 미세조류가 광합성작용에 의해 분해하여 탄소를 섭취하고 산소를 방출하는 경우 이를 빼내기 위한 것으로, 일측이 상기 배양조(1)의 내부에 연결되고 타측이 외부로 연장되는 배출배관(51)과, 상기 배출배관(51)의 일측에 설치되어 이산화탄소에서 분해된 산소를 외부로 배출하도록 펌핑하는 펌프(52)로 이루어진다.
상기 이산화탄소 공급부(3) 및 산소배출부(5)는 상기 배양조(1)의 상부에 연결되는 것이 바람직하고, 공급배관(31) 및 배출배관(51)의 일측에는 이산화탄소의 공급 및 산소 배출을 조절하기 위해 각각의 밸브(미도시)가 설치될 수 있다.
상기와 같이 미세조류 배양장치를 준비하여 미세조류 배양장치에 배양액과 미세조류를 접종하여 이산화탄소 공급부를 통해 이산화탄소를 공급시켜 배양된 미세조류는 일정기간 침전, 원심분리 등을 이용하여 수확하는 단계를 갖는다.
미세조류 수확 기술로 원심분리(centrifugation), 여과(filtration), 응집(flocculation) 기술 등이 사용될수 있으며, 원심분리 기술은 미세조류 수확기술로 많이 활용되고 있으나 대용량을 처리하기에는 시간이 많이 소요되며 에너지 비용이 높고, 기기가 비싼 단점이 있다. 여과기술의 경우 크기가 마이크로미터(μm) 단위로 매우 작은 미세조류에 의해 쉽게 막혀 연속적인 운전이 매우 어려우며 대용량에 적용하기가 쉽지 않다. 반면 양이온성 화학물질 첨가에 따른 응집 및 침전을 이용한 미세조류 수확기술은 반응속도가 매우 빠르며 대용량의 미세조류 배양액에 쉽게 적용할 수 있다. 또한 간단한 교반장치만 필요하여 여과 및 원심분리 기술에 비해 설치비 및 운전비가 저렴하다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시 예를 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 : 배양조
2 : 광원부
21 : 지지대
22 : 지지몸체
23 : 발광다이오드
24 : 광섬유
3 : 이산화탄소 공급부
31 : 공급배관
32 : 펌프
4 : 이산화탄소 배출부
41 : 배출관
411 : 이산화탄소 배출공
5 : 산소배출부
51 : 배출배관
52 : 펌프

Claims (12)

  1. 내부에 미세조류 및 배양액이 수용되어 있는 배양조(1)와;
    상기 배양조(1)의 내부 수중에 설치되어 빛을 조사하는 광원부(2)와;
    상기 배양조(1)의 내부 수중에 연결되어 이산화탄소가 공급되는 이산화탄소 공급부(3)와;
    상기 광원부(2)에 연결되어 상기 이산화탄소 공급부(3)를 통해 공급된 이산화탄소를 배양조(1) 내부로 배출시키는 이산화탄소 배출부(4)를 포함하며;
    상기 이산화탄소 배출부(4)는 링 형태의 배출관(41)으로 구성되고 외면에 다수의 이산화탄소 배출공(411)이 형성되고, 배출공은 배출관 내부로 물이 스며드는 것을 방지하기 위한 기능성 섬유 또는 역류방지를 위한 체크밸브가 형성된 것을 특징으로 하는 수중 광원을 이용한 미세조류 배양장치.
  2. 제1항에 있어서, 배양조 상부에는 밀폐된 뚜껑이 장착되어 배양조(1) 내부로 배출시킨 이산화탄소를 배출배관과 펌프를 통해 배양조 밖으로 배출하여 재사용 하는 것을 특징으로 하는 수중 광원을 이용한 미세조류 배양장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 광원부(2)는 상기 배양조(1)의 내부 중심에 수직으로 설치되는 지지대(21)와, 상기 지지대(21)에 다단으로 조립된 지지몸체(22)의 외면에 방사상으로 연결되는 광섬유(24) 또는 발광다이오드로 구성되는 것을 특징으로 하는 수중 광원을 이용한 미세조류 배양장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 광섬유(24) 또는 발광다이오드에 구현되는 파장은 보라, 청색, 녹색, 적색, 백색 중에서 선택되는 하나 이상의 파장으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수중 광원을 이용한 미세조류 배양장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 이산화탄소 공급부(3)는 상기 배양조(1)에 연결되는 공급배관(31)과, 상기 공급배관(31)의 일측에 설치되어 이산화탄소를 이산화탄소 배출부(4)로 공급하도록 펌핑하는 펌프(32)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수중 광원을 이용한 미세조류 배양장치.
  6. 내부에 미세조류 및 배양액이 수용되어 있는 배양조(1)와;
    상기 배양조(1)의 내부 중심에 수직으로 설치되는 지지대(21)와, 상기 지지대(21)와 연결되어 배양조(1)의 내부 수중으로 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소 공급부(3)와;
    지지대(21)에 다단으로 조립된 지지몸체(22)의 외면에 방사상으로 연결되는 광섬유(24) 또는 발광다이오드로 구성되는 광원부;
    배양조 상부에는 밀폐된 뚜껑이 장착되어 배양조(1) 내부로 배출시킨 이산화탄소를 배출배관과 펌프를 통해 배양조 밖으로 배출하여 재사용 하는 것을 특징으로 하는 수중 광원을 이용한 미세조류 배양장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 이산화탄소 공급부는 이산화탄소 배출부(4)와 연결되는 링 형태의 배출관(41)으로 구성되고 외면에 다수의 이산화탄소 배출공(411)이 형성되고, 배출공은 배출관 내부로 물이 스며드는 것을 방지하기 위한 기능성 섬유 또는 역류방지를 위한 체크밸브가 형성된 것을 특징으로 하는 수중 광원을 이용한 미세조류 배양장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 이산화탄소 공급부와 연결된 이산화탄소 배출부는 지지대를 중심으로 회전할 수 있도록 형성된 것을 특징으로 하는 수중 광원을 이용한 미세조류 배양장치.
  9. 제2항 또는 제6항에 있어서, 배양조의 바닥과 뚜껑의 내부에는 빛을 반사하는 거울이 장착된 것을 특징으로 하는 수중 광원을 이용한 미세조류 배양장치.
  10. a) 제1항 또는 제6항의 수중 광원을 이용한 미세조류 배양장치를 준비하는 단계;
    b) 상기 미세조류 배양장치에 배양액과 미세조류를 접종하여 배양하는 단계;
    c) 배양장치의 이산화탄소 공급부를 통해 이산화탄소를 공급시키는 단계;
    d) 일정시간 배양 후, 미세조류를 응집시켜 수확하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 수중광원을 이용한 미세조류 배양장치를 이용한 미세조류 배양방법.
  11. 제10항에 있어서 접종되는 미세조류는 아나시스티스 니둘란스(Anacystis nidulans), 안키스트로데스무스(Ankistrodesmus sp.), 비둘리파아 우리타(Biddulpha aurita), 보트리오코커스 브라우니(Botryococcus braunii), 체토세로스(Chaetoceros sp.), 치라미도모나스 애플라나타(Chlamydomonas applanata), 치라미도모나스 레인하드티(Chlamydomonas reinhardtii), 크로렐라(Chlorella sp.), 크로렐라 엘립소디아(Chlorella ellipsoidea), 크로렐라 에멀소니(Chlorella emersonii), 크로렐라 프로토더코이데스(Chlorella protothecoides), 크로렐라 프레노이도사(Chlorella pyrenoidosa), 크로렐라 소로키니아나(Chlorella sorokiniana), 크로렐라 뷸가리스(Chlorella vulgaris), 크로렐라 미누티시마(Chlorella minutissima), 클로로코쿠 리토레일(Chlorococcu littorale), 클로텔라 크립티카(Cyclotella cryptica), 시린드로데카(Cylindrotheca sp.),두날리엘라 바르다윌(Dunaliella bardawil), 두날리엘라 살리나(Dunaliella salina), 두날리엘라 테르티오렉타(Dunaliella tertiolecta), 두날리엘라 프리모렉타(Dunaliella primolecta), 짐노디움(Gymnodinum sp.), 헤머노모나스 카테라에(Hymenomonas carterae), 이소크리시스 갈베나(Isochrysis galbana), 이소크리시스(Isochrysis sp.), 마이크로시스티스 아에루기노사(Microcystis aeruginosa), 마이크로모나스 푸실라(Micromonas pusilla), 모노두스 서브테라네우스(Monodus subterraneous), 나노클로리스(Nannochloris sp.), 나노클로롭시스(Nannochloropsis sp.), 나노클로롭시스 아토무스(Nannochloropsis atomus), 나노클로롭시스 살리나(Nannochloropsis salina), 나비쿨라 필리쿨로사(Navicula pelliculosa), 니츠시아(Nitzschia sp.), 니츠시아 클로스테리움(Nitzscia closterium), 니츠시아 팔레아(Nitzscia palea), 오시스티스 폴리모피아(Oocystis polymorpha), 아우로코커스(Ourococcus sp.), 오실라토리아 루베스켄스(Oscillatoria rubescens), 파브로바 루테리(Pavlova lutheri), 패오닥트리움 트리코누툼(Phaeodactylum tricornutum), 피크노코커스 프로바솔리(Pycnococcus provasolii), 피라미노나스 코르다타(Pyramimonas cordata), 시조키토리움(Schizochytrium sp.), 스피눌라 플라텐시스(Spirulina platensis), 스테파노디스커스 미누투루스(Stephanodiscus minutulus), 스티코커스(Stichococcus sp.), 시네드라우르나(Synedra ulna), 스케네데스무스 오브리쿼스(Scenedesmus obliquus), 스켈레나스트럼 그라시레(Selenastrum gracile), 스켈레토노마 코스타럼(Skeletonoma costalum), 테트라셀미스 출리(Tetraselmis chui), 테트라셀미스 마쿠라타(Tetraselmis maculata), 테트라셀미스(Tetraselmis sp.), 테트라셀미스 수에시카(Tetraselmis suecica), 탈라시오스트라 프세우도모나(Thalassiostra pseudomona), 아나배나(Anabaena sp.), 칼로드릭스(Calothrix sp.), 카마에시폰(Chaemisiphon sp.), 코로코시디옵시스(Chroococcidiopsis sp.), 차노데세(Cyanothece sp.),실린더로스페멈(Cylindrospermum sp.), 데모카펠라(Dermocarpella sp.), 피셔렐라(Fischerella sp.), 글로에오캅사(Gloeocapsa sp.), 믹소사시나(Myxosarcina sp.), 노스톡(Nostoc sp.), 오스실라토리아(Oscillatoria sp.), 포르미디움 코리움(Phormidium corium), 플레우로캅사(Pleurocapsa sp.), 프로콜로코코스(Prochlorococcus sp.), 페세우다나바에나(Pseudanabaena sp.), 시네코코스(Synechococcus), 시네코시스티스(Synechocystis sp.), 톨리포트릭스(Tolypothrix sp.), 제노코코스(Xenococcus sp.) 중에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 수중 광원을 이용한 미세조류 배양장치를 이용한 미세조류 배양방법.
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