KR101797356B1 - 알지네이트 필름과 광섬유를 포함하는 미세조류 배양 시스템 및 이의 제조 방법 - Google Patents

알지네이트 필름과 광섬유를 포함하는 미세조류 배양 시스템 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 미세조류를 함유하는 알지네이트 필름을 포함하는 1 이상의 배양층, 및 상기 배양층의 적어도 일면에 적층되고 광섬유를 포함하는 1 이상의 광원층을 포함하는 미세조류 배양 시스템에 관한 것이다. 구체적으로는, 상기 미세조류 배양 시스템은 미세조류가 포함된 알지네이트 필름 표면에 광섬유를 결합시켜, 빛을 균일하게 조사하여 미세조류의 생산량을 향상시키며 오염으로부터 강한 공간집약적 미세조류 배양 시스템 및 이를 포함하는 광생물반응기를 제공한다.

Description

알지네이트 필름과 광섬유를 포함하는 미세조류 배양 시스템 및 이의 제조 방법{MICROALGAE CULTIVATING SYSTEM COMPRISING ALGINATE FILMS AND ILLUMUNATING FABRICS AND PREPARING METHOD THEREOF}
본 발명은 미세조류를 함유하는 알지네이트 필름을 포함하는 1 이상의 배양층 및 광섬유를 포함하는 1 이상의 광원층을 포함하는 미세조류 배양 시스템에 관한 것이다.
광합성을 하는 미생물에는 미세조류, 시아노박테리아(cyanobacteria) 등이 있다. 이들은 이산화탄소, 태양에너지 및 미네랄을 이용하여 광합성 색소를 통해 광합성을 하는 단세포 생물이다. 지구상에는 약 4만 종의 미세조류와 2천 종의 시아노박테리아가 존재하며, 바이오연료, 식품·화장품·의약품의 원료, 동물 사료, 식물 비료 등에 사용된다. 각 세포에 대하여 배양 환경을 다양한 조건으로 조성하는 경우, 세포의 증식 속도 및 세포 내 생성 물질의 질과 비율이 달라지므로, 유용 물질을 수득하기 위한 조건을 찾기 위하여 다양한 시도들이 이뤄지고 있다.
미세조류의 고농도 배양을 목적으로 광생물 반응기에 대한 연구가 지속되는한편, 다양한 배양 형태의 광생물 반응기가 개발되고 있다. 지금까지 알려진 광생물 반응기에는, 외부형으로서 개방형 연못 시스템(open ponds system), 밀폐형으로서 관형(tubular), 수직 원추형(vertical column), 내부조명형(internally illuminated), 판형(flat-plate), 부착형(attached) 등이 있다.
미세조류 배양에 사용되고 있는 알지네이트(alginate) 비드는 원하는 세포를 비교적 안정하게 키울 수 있으며, 바이오매스 및 유용물질 함량증대에 영향을 미치는 박테리아 등의 미생물과 공동배양(co-culture)이 용이하므로 여러 연구가 시도되고 있다. 특히, 알지네이트 비드에 미세조류를 배양할 경우, 균의 오염 및 교차오염을 방지하는 효과가 있으며 알지네이트 용액을 양이온 용액을 이용하여 굳히는 과정에서 다양한 형상으로 제작이 용이한 것으로 알려져 있다. 최근에는 알지네이트 필름을 사용하여 그 내부에서 미세조류를 고정화하여 다양한 목적으로 배양하는 시도들이 보고되었다.
한국 특허공개 제10-2015-0136673호는 직물-하이드로겔 복합분리막 상에 미세조류를 배양하는 방법을 개시하고 있으나, 이는 조류에 빛이 일정하게 조사되지 않고 오염에 취약하다는 단점이 있다. 또한, 한국 특허공개 제2011-0098622호는 미세조류 배양시 광합성에 필요한 빛을 효과적으로 제공하는 광생물반응기를 개시하고 있으나, 오염에 취약하고 생산된 미세조류를 분리하는 데에 어려움이 있다. 따라서, 상기 문제점을 개선하는 광생물반응기에 대한 요구가 계속되고 있다.
대한민국 특허공개 제10-2015-0136673호 대한민국 특허공개 제10-2011-0098622호
본 발명은 미세조류를 함유하는 알지네이트 필름을 포함하는 1 이상의 배양층 및 광섬유를 포함하는 1 이상의 광원층을 포함하는 미세조류 배양 시스템을 제공한다. 구체적으로는, 미세조류를 함유하는 알지네이트 필름을 포함하는 1 이상의 배양층, 및 상기 배양층의 적어도 일면에 적층되고 광섬유를 포함하는 1 이상의 광원층을 포함하는 미세조류 배양 시스템, 이를 포함하는 광생물반응기, 및 이의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 양상은 미세조류를 함유하는 알지네이트 필름을 포함하는 1 이상의 배양층, 및 상기 배양층의 적어도 일면에 적층되고 광섬유를 포함하는 1 이상의 광원층을 포함하는 미세조류 배양 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 미세조류 배양 시스템은 광원층에 연결되는 외부전극을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 알지네이트 필름은 0.01 내지 50중량%의 미세조류를 함유할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 알지네이트 필름은 알지네이트 용액과 염수 용액 사이에서 발생하는 가교 결합에 의하여 형성되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 알지네이트 용액은 0.2 내지 50%의 알지네이트 이온을 함유할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 광섬유는 직조된 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 1 이상의 상기 배양층과 1 이상의 상기 광원층은 교대로 적층될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 미세조류 배양 시스템은 상기 광원층이 적층된 상기 배양층의 이면에 스테인리스 체(stainless sieve)를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 일 양상은 상기 미세조류 배양 시스템을 포함하는 광생물반응기를 제공한다.
본 발명의 일 양상은 (a) 미세조류를 알지네이트 용액과 혼합하는 단계; (b) 흡습성 멤브레인을 염수 용액으로 적시는 단계; (c) 상기 흡습성 멤브레인의 표면에 알지네이트 용액을 부어 알지네이트 필름을 제조하는 단계; 및 (d) 상기 알지네이트 필름 표면 상에 광직물을 적층시키는 단계를 포함하는 미세조류 배양 시스템의 제조 방법을 제공하며, 상기 단계 (a) 내지 (d)를 1회 이상 반복될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 미세조류 배양 시스템의 제조 방법은 (e) 상기 흡습성 멤브레인을 제거하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 일 양상은 상기 미세조류 배양 시스템의 제조 방법으로 제조되는 미세조류 배양 시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 미세조류 배양 시스템 및 이를 포함하는 광생물반응기를 사용하는 경우, 미세조류 배양시 각 개체에 빛을 균일하게 조사할 수 있어 유사 크기의 반응기에 비하여 미세조류의 증식 속도가 향상된다. 또한, 미세조류가 알지네이트 필름 중에 내재하므로, 배양시 외부로부터의 오염을 방지할 수 있으며, 배지의 사용량을 줄일 수 있고, 사용된 배지를 특별한 처리 없이 재활용하는 것도 가능하며 적은 양의 유용 물질을 사용하더라도 미세조류 개체에 있어서 고농도로 처리되는 효과를 얻을 수 있다. 나아가, 미세조류의 배양시 및 수확시에도 별도의 탈수과정을 거치지 않고 배지 교환 및 수확이 가능하다. 알지네이트 필름을 이용한 배양 시스템은 유연성을 가지므로 한계 내에서 다양한 형태로 구부리거나 접을 수 있으며, 이에 따라 미세조류 배양에 필요한 공간을 초집약적으로 활용할 수 있게 한다.
도 1은 본 발명에 따른 미세조류 배양 시스템의 일 구현예를 도식적으로 나타낸다.
도 2는 복수 개의 배양층 및 광원층을 교대로 적층하여 제조된 본 발명에 따른 미세조류 배양 시스템의 일 구형예를 도식적으로 나타낸다.
도 3은 배양 배지에 광생물반응기 모듈을 넣었을 때 이온 투과 효율을 향상시키기 위하여 복수 개의 알지네이트 필름 및 광섬유를 스테인리스 체 위에 올려 제조된 본 발명에 따른 미세조류 배양 시스템의 일 구형예를 도식적으로 나타낸다.
도 4는 본 발명에 흡습성 멤브레인을 제거한 형태의 본 발명에 따른 미세조류 배양 시스템의 일 구현예를 도식적으로 나타낸다.
도 5는 본 발명에 따른 미세조류 배양 시스템을 둥글게 말아서(a) 및 접어올려(b) 공간집약적 형태로 변형시킨 미세조류 배양 시스템의 모습을 나타낸다.
도 6은 여러 형태의 미세조류 배양 시스템을 배지로 채워진 배양조 안에 넣어 배양하는 모습을 나타낸다.
도 7은 본 발명에 따른 미세조류를 함유하는 알지네이트 필름의 모습(a), 상기 알지네이트 필름 위에 광섬유를 덮은 후 빛을 공급한 모습(b)을 나타낸다.
본 발명은 미세조류를 함유하는 알지네이트 필름을 포함하는 1 이상의 배양층, 및 상기 배양층의 적어도 일면에 적층되고 광섬유를 포함하는 1 이상의 광원층을 포함하는 미세조류 배양 시스템에 관한 것이다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "미세조류"는 가시한계를 넘어선 미세크기의 조류를 지칭하며, 엽록소를 이용하여 광합성을 하는 단세포 생물로서, 규조, 녹조, 남조, 시아노박테리아, 부착 조류 등을 포함한다. 본 발명에 따른 알지네이트 필름에는 상기 미세조류가 균일하게 분포되어 있으며, 0.01 내지 50중량%의 미세조류를 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "알지네이트 필름"은 알지네이트 용액과 염수 용액 사이에서 발생하는 가교 결합에 의하여 형성되는 네트워크 구조를 갖는 복합막을 지칭한다. 상기 알지네이트 용액은 알지네이트를 함유하는 화합물, 예컨대 소듐 알지네이트, 칼륨 알지네이트 등을 용매, 바람직하게는 증류수에 용해시킴으로써 제조되며, 0.2 내지 50%의 알지네이트 이온을 함유할 수 있다. 상기 염수 용액은 2가의 금속 이온, 바람직하게는 칼슘 이온을 함유하는 용액으로서, CaCl2, 등을 용매, 바람직하게는 증류수에 용해시킴으로써 제조된다. 알지네이트 필름은 두께에 제한이 없으며 필요에 따라 자유롭게 조절할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "배양"은 미세조류를 영양조건을 포함한 외적 조건(온도, 빛, 삼투압의 물리적 환경조건 또는 산소, 이산화탕소, 영양물질, 수소이온, 산화환원전위 등의 화학적 환경조건)을 제어하여, 인공적으로 조절한 환경조건에서 생육, 구체적으로 생활, 발육 또는 증식시키는 조작 또는 수단을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "배양층"은 상기 미세조류를 함유하는 알지네이트 필름을 포함하는 층으로서, 외부로부터의 조사되는 빛 및 광생물반응기 중의 배양 배지로부터의 영양물질 공급을 통하여 알지네이트 필름 중의 존재하는 미세조류가 배양되는 층을 의미한다. 배양층은 알지네이트 필름을 제조하는 과정에서 사용되는 흡습성 멤브레인을 추가로 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "광섬유"는 연결된 외부전극 또는 광원으로부터 공급된 빛을 전달하거나 자체적으로 직접 발광이 일어나는 섬유를 지칭하며, 상기 광섬유를 이용하여 직조함으로써 직물형태로서 면발광이 일어나도록 하는 것이 보다 바람직하다. 이는 기존 자연광 또는 인공조명을 사용하는 것보다 발열의 문제 및 빛의 조사각에서 자유롭다는 장점이 있다. 광섬유의 일말단을 일루미네이터 등 빛 공급 수단에 연결하거나 외부 전원에 연결하여 빛을 공급받을 수 있다.
본 발명에 따른 미세조류 배양 시스템에 있어서, 광원층은 배양층의 어느 일면 또는 양면에 적층될 수 있으며, 1 이상의 배양층 및 1 이상의 광원층은 순서를 정하지 아니하고 적층될 수 있다. 1 이상의 배양층과 1 이상의 광원층은 교대로 적층될 수 있으며, 이 경우 모든 배양층에 대하여 동일 또는 유사한 양의 빛을 조사할 수 있다.
하나의 배양층과 하나의 광원층이 적층된 모듈마다 스테인리스 체를 추가로 포함할 수 있다(도 3 참조). 본 명세서 사용되는 용어 "스테인리스 체"는 스테인리스 재질의 구조체로서 광직물, 알지네이트 필름 및 흡습성 멤브레인으로 이루어진 단위체와 인접한 다른 단위체와의 간격을 생성하기 위한 구조체를 의미한다. 이 경우 배양 배지가 필름 상하로 원활히 순환할 수 있어 이온 투과효율을 보다 향상시킨다.
본 발명에 따른 미세조류 배양 시스템은 사용되는 광생물반응기 및/또는 배양조의 크기에 따라 알맞은 크기로 절단되어 사용될 수 있다.
알지네이트 필름을 포함하는 배양층 및 광섬유를 포함한 광원층을 이용한 배양 시스템은 유연성을 가지므로, 배양층과 광섬유가 적층되어 제조된 미세조류 배양 시스템은 그 알지네이트 필름이 영구히 손상되지 않는 한계 내에서 다양한 형태로 구부리거나 접을 수 있으며, 이에 따라 미세조류 배양에 필요한 공간을 초집약적으로 활용할 수 있다. 구체적으로, 판형의 상기 미세조류 배양 시스템을 말아 롤 형태로 변화시키거나 판형의 상기 미세조류 배양 시스템을 지그재그식으로 접은 형태로 변화시킬 수 있으며(도 5 참조), 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 미세조류 배양 시스템을 포함하는 광생물반응기를 제공한다.
본 발명에 따른 미세조류 배양 시스템의 제조 방법은 (a) 미세조류를 알지네이트 용액과 혼합하는 단계; (b) 흡습성 멤브레인을 염수 용액으로 적시는 단계; (c) 상기 흡습성 멤브레인의 표면에 알지네이트 용액을 부어 알지네이트 필름을 제조하는 단계; 및 (d) 상기 알지네이트 필름 표면 상에 광섬유를 적층시키는 단계를 포함한다. 상기 미세조류 배양 시스템의 제조 방법은 (e) 상기 흡습성 멤브레인을 제거하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 "흡습성 멤브레인"은 용액을 흡수시키기에 용이한 재질의 막 형태의 것을 지칭하며, 구체적으로는 여과지, 나일론 메쉬 시트(nylon mesh sheet)를 포함한다.
이하 1 이상의 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 1 이상의 실시예를 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
제조예 1. 알지네이트 용액 및 염화칼슘 용액의 제조
소듐 알지네이트 분말을 증류수에 용해시킨 1% 알지네이트 용액과 CaCl2 분말을 증류수에 용해시킨 1M CaCl2 용액을 제조하였다. 이를 121℃에서 15분 동안 오토클레이브하고 하루 동안 냉장고에서 식힌 후, 이하 실험에서 사용하였다.
실시예 1. 미세조류가 포함된 알지네이트 필름의 제조 1
미세조류인 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris) 1g을 상기 알지네이트 용액 50mL에 균일하게 혼합하였다. 상기 CaCl2 용액으로 적신 여과지 위에 상기 미세조류가 혼합된 알지네이트 용액을 붓고 15분 동안 방치한 후 들어올렸다. 상기 여과지 위에 가교가 덜 된 상기 미세조류를 함유하는 알지네이트 용액을 흘려보낸 후, CaCl2 용액에 살짝 넣어 윗면을 굳혔다. 마지막으로, 증류수로 잔류하는 양이온을 씻어내었다.
실시예 2. 세포가 포함된 하이드로겔 필름의 제조 2
미세조류인 클로렐라 불가리스 1g을 상기 알지네이트 용액 50mL에 균일하게 혼합하였다. CaCl2 용액에 적신 1μm 나일론 메쉬 시트위에 상기 미세조류를 함유하는 알지네이트 용액을 붓고 15분 동안 방치한 후 들어올렸다. 그로부터 10분 후, 증류수로 잔류하는 양이온을 씻어내었다.
실시예 3. 세포가 포함된 하이드로겔 필름의 제조 3
미세조류인 클로렐라 불가리스 1g을 상기 알지네이트 용액 50mL에 균일하게 혼합하였다. CaCl2 용액에 적신 1μm 나일론 메쉬 시트를 3D 프린터로 제조한 틀 바닥에 고정시키고 알지네이트 용액을 붓고 15분 동안 방치한 후 들어올렸다. 상기 메쉬 시트 표면에 가교가 덜 된 상기 미세조류를 함유하는 알지네이트 용액을 흘려보낸 후, CaCl2 용액을 스프레이로 분사하였다. 마지막으로, 증류수로 잔류하는 양이온을 씻어내었다.
실시예 4. 세포가 포함된 하이드로겔 필름의 제조 4
미세조류인 클로렐라 불가리스 1g을 상기 알지네이트 용액 50mL에 균일하게 혼합하였다. CaCl2 용액에 적신 여과지에 1cm 두께로 알지네이트 용액을 부었다. 그 표면 위에 CaCl2 용액에 적신 여과지를 올려 10분 간 방치한 후, 증류수로 잔류하는 양이온을 씻어내었다.
실시예 5. 광직물을 포함하는 미세조류 배양 시스템의 제조
미세조류인 클로렐라 불가리스 1g을 상기 알지네이트 용액 50mL에 균일하게 혼합하였다. CaCl2 용액에 적신 1μm1 나일론 메쉬 시트 위에 알지네이트 용액을 붓고 30분 동안 방치하였다. 증류수로 표면에 잔류하는 양이온을 씻어낸 후, 이 알지네이트 필름 표면 위에 동일 크기의 광직물을 덮은 후 외부 전극을 연결하였다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (12)

  1. 미세조류를 함유하는 알지네이트 필름을 포함하는 1 이상의 배양층, 및 상기 배양층의 적어도 일면에 적층되고 광섬유를 포함하는 1 이상의 광원층을 포함하는 미세조류 배양 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원층에 연결되는 외부전극을 추가로 포함하는 미세조류 배양 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 알지네이트 필름은 0.01 내지 50중량%의 미세조류를 함유하는 것인 미세조류 배양 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 알지네이트 필름은 알지네이트 용액과 염수 용액 사이에서 발생하는 가교 결합에 의하여 형성되는 것인 미세조류 배양 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 알지네이트 용액은 0.2 내지 50%의 알지네이트 이온을 함유하는 것인 미세조류 배양 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 광섬유는 직조된 것인 미세조류 배양 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    1 이상의 상기 배양층과 1 이상의 상기 광원층은 교대로 적층되어 있는 것인 미세조류 배양 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원층이 적층된 상기 배양층의 이면에 스테인리스 체(stainless sieve)를 추가로 포함하는 것인 미세조류 배양 시스템.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 미세조류 배양 시스템을 포함하는 광생물반응기.
  10. (a) 미세조류를 알지네이트 용액과 혼합하는 단계;
    (b) 흡습성 멤브레인을 염수 용액으로 적시는 단계;
    (c) 상기 흡습성 멤브레인의 표면에 알지네이트 용액을 부어 알지네이트 필름을 제조하는 단계; 및
    (d) 상기 알지네이트 필름 표면 상에 광직물을 적층시키는 단계
    를 포함하고, 상기 단계 (a) 내지 (d)를 1회 이상 반복하는 것인 미세조류 배양 시스템의 제조 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    (e) 상기 흡습성 멤브레인을 제거하는 단계를 추가로 포함하는 미세조류 배양 시스템의 제조 방법.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 따른 방법으로 제조되는 미세조류 배양 시스템.
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JP2003514568A (ja) 1999-11-23 2003-04-22 スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー 微生物の増殖および貯蔵のための装置

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