KR20030018196A - 미세조류의 대량배양을 위한 발광 터빈 장치가 설치된교반형 광생물 반응기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미세 조류에 의한 고농도 배양시 LED 또는 직사각형 형광 광원을 이용한 동적 내부 광원과 기존의 터빈 교반형 생물 반응기를 이용하여 동적 내부 광원에 의한 광효율의 극대화와 터빈 교반형 반응기의 매우 높은 혼합 효율을 동시에 얻을 수 있는 미세 조류의 대량 배양을 위한 발광 터빈 장치가 설치된 교반형 광생물 반응기를 제공하는데 있다.

본 발명의 발광 터빈 장치가 설치된 교반형 광생물 반응기는 이러한 측면에서 미세 조류의 고농도 배양과 그 1차, 2차의 대사산물 생산에 매우 효율적인 시스템이다.

Description

미세조류의 대량배양을 위한 발광 터빈 장치가 설치된 교반형 광생물 반응기 {Stirred tank photobioreactors with illuminated turbine impellers used in large-scale microalgal cultures}

본 발명은 미세조류의 대량배양을 위한 발광 터빈 장치가 설치된 교반형 광생물 반응기에 관한 것이다.

전 세계적으로 미세 조류로부터 유래된 다양한 유용한 물질이 발견되어지고 있으며, 이런 물질들의 대량 생산에는 반드시 고농도 배양이 필요하게 된다. 현재 생산되어지고 있는 배양 시스템은 주로 대형 연못을 이용한 대량 배양으로 여기에는 여러 가지 문제점들이 있다.

예를 들면, 오염, 생산성 저하, 넓은 배양 면적의 필요, 인건비, 많은 기질량(특히, 질소원), 높은 수질 및 수량의 요구 등의 문제들이다.

특히, 오염의 문제에 있어서, 다양한 종류의 원생 동물들에 의한 포식, 다른 광합성 미생물에 의한 기질의 고갈 등은 매우 심각하여 그 산업 생산성이 거의 없다.

그러므로, 현재 세계 각국에서 연구되고 있는 공정들은 주로 고농도 배양용 광생물 반응기로서 작은 크기의 반응기를 통해 고농도 배양을 함으로써 대형 연못에서의 생산량과 같거나 또는 더 많은 양을 생산하고, 유용 물질의 농도도 더 높은 고품질의 제품을 생산하고자 하는 것이다.

현재 개발되어져 있는 광생물 반응기로는 일반 교반형 반응기, 판형 반응기, 관형 반응기, 컬럼형 반응기 등이 있으나, 모든 종류의 반응기는 빛의 효율적인 전달이 반응기 설계에 있어서 가장 중요한 점이 되고 있다.

세포의 농도가 낮을 때에는 배지, 기체 주입 등이 세포의 증식에 가장 중요한 요인이 되지만, 고농도에 도달하면 광도가 가장 중요한 인자가 된다. 왜냐하면 농도가 높아질수록 빛의 투과 길이가 짧아지기 때문이다.

그러나, 현재까지 고안된 대부분의 미세조류용 광생물 반응기들은 이러한 점을 극복하지 못하였고, 그 때문에 여타의 미생물용 생물 반응기에 비하여 그 생산 효율이 떨어졌다.

그래서 본 발명에서와 같은 내부 광원을 이용한 광생물 반응기가 최근에 연구되어지고 있으며, 각각의 형태에 있어서 장단점을 갖고 있다. 우선, 광섬유를 이용한 반응기는 광효율은 좋으나 세포가 광섬유 표면에 부착하는 문제가 발생하며, 형광등 등의 고정광원을 내부광원으로 이용한 경우는 완전혼합을 이루기가 어려워 세포의 침전이 발생할 수 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 동적 내부 광원을 이용함으로서 세포의 흡착과 침전 문제를 동시에 해결하고자 하였으며, 또한 본래의 목적인 빛의 효율적인 전달 또한 용이하도록 설계하고자 한 것이다.

즉, 본 발명은 동적 내부 광원을 이용하여 빛의 효율성을 극대화하고, 기존의 생물 반응기들 중 가장 광범위하게 이용되어지고 있는 터빈 교반형 반응기를 기본으로 하여 새로운 반응기를 제작하지 않고, 기존의 반응기를 개조함으로서 설치비를 줄이고자 하는데 그 목적이 있다.

또한, 각 단위 발광 터빈 장치는 쉽게 분리가 가능하도록 함으로써 수리를 할 때나 광원 교체 시 추가로 소요되는 비용도 최소화하는데 그 목적이 있다.

도 1은 발광 터빈 장치가 설치된 일반적인 광생물 반응기의 사시도이다.

도 2a는 본 발명에 따른 LED가 설치된 발광 터빈 장치의 정면도이다.

도 2b는 본 발명에 따른 형광등이 설치된 발광 터빈 장치의 정면도이다.

도 3은 본 발명에 따른 LED가 설치된 단위 발광 터빈 장치의 후면 배선도이다.

도 4a는 본 발명에 따른 LED가 설치된 단위 발광 터빈 장치의 단면도이다.

도 4b는 본 발명에 따른 형광등이 설치된 발광 터빈 장치의 단면도이다.

도 5는 본 발명에 따른 광생물반응기와 일반적인 광생물반응기에 의한 미세조류 배양의 결과를 나타낸 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 --- 교반형 광생물 반응기2 --- 발광 터빈 장치

3 --- 교반축 4 --- 주전선

5 --- 단위 발광 터빈 장치의 후면부 배선7 --- 투명판

6 --- 단위 발광 터빈 장치의 외판8 --- 광원

본 발명의 미세조류의 대량 배양을 위한 발광 터빈 장치가 설치된 교반형 광생물 반응기는 미생물을 배양하기 위한 동적 내부 광원으로서 발광다이오드 또는 형광등이 여러개의 단위 장치로 구성되어 있는 발광 터빈 장치, 상기 발광 터빈 장치가 고정되어 있으면서 이를 회전시키기 위한 교반축, 상기 교반축에 부착되어 있으면서 상기 발광 터빈 장치에 전원을 공급하기 위한 주전선으로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 사용하는 광원은 팩키징이 있는 발광다이오드의 배열, 팩키징이 없는 발광다이오드 소자만의 배열, 직사각형 형광등의 배열, LCD의 백라이트등으로 사용되는 소자와 같은 소형 판형 광원이 바람직하고, 상기 광원의 크기는 10 mm 이하, 광도는 보통 200 ??mol/m²s 이상이 되도록 하며, 10,000 시간 이상에서의 운전이 가능한 것이 좋다.

본 발명에서의 상기 발광 터빈 장치는 광원이 유리 또는 플라스틱 재질로 된 투명판과, 세포의 부착이 쉽게 되지 않고 멸균 가능한 폴리카보네이트 재질로 된 외판으로 밀봉되어 있는 것을 바람직하다.

이러한 본 발명을 첨부도면에 의거하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 발광 터빈 장치가 설치된 일반적인 광생물 반응기의 사시도를 나타낸것이다. 즉, 참조 부호 1은 일반적인 터빈 교반형 반응기이고, 참조 부호 2는 상기 반응기(1)에 설치되어 있는 발광 터빈 장치이다.

본 발명은 일반적인 광생물 반응기(1)와는 달리 동적 내부 광원을 사용함으로써 광 효율과 혼합도를 동시에 높일 수 있는 장점이 있다. 이때 터빈의 교반 속도는 세포의 침전과 세포의 손상을 면밀히 조사하여 결정하여야 하며 방해판(baffle)은 도시하지 않았으나, 교반속도에 따라 설치할 수도 있다.

또한, 발광 터빈 장치의 광도가 요구하는 수준에 도달하지 못한 경우에는 추가로 외부 광원을 설치함으로써 좀 더 높은 세포 성장 속도를 기대할 수 있으며, 특별한 경우 추가 내부 광원을 방해판으로 설치함으로써 광생물 반응기의 효율을 극대화할 수 있다.

첨부 도면 중 도 2a와 2b는 본 발명에 따른 발광 터빈 장치의 정면도로서, 발광 터빈 장치(2)은 교반축(3)에 고정되어 회전되며, 주전선(4)으로부터 전력을 공급받게 된다. 발광 터빈 장치(2)은 일반적인 미생물 배양용 터빈과 마찬가지로 여러 개의 단위 장치로 구성되며, 각각의 단위 장치는 수리가 용이하도록 분리 가능하게 설계되어 있다. 이 때 광원은 여러 가지를 사용할 수 있는 바, 대형 광생물 반응기에는 도 2b에서와 같이 형광등을 사용할 수도 있고, 상대적으로 소형인 광생물 반응기에는 도 2a에서와 같이 발광다이오드(LED: light-emitting diode)를 광원으로 사용할 수 있으며, 요즘 새로운 기술로 떠오르는 LCD의 백라이트등으로 사용되는 소자와 같은 소형 판형 광원을 사용할 수도 있다.

특히, LED를 사용한 경우에는 여러 가지 장점들을 얻을 수 있다. 즉, 그 하나는 LED자체의 높은 전력 효율이다. LED는 특별한 파장의 빛을 내는 단일 파장 광원으로서 많은 연구가 되어져 있으며, 특히 붉은색쪽의 단일파장을 내는 LED는 그 효율이 형광등 보다도 높다. 광효율이 높기 때문에 대부분의 에너지는 빛으로 전환되고 열발생이 매우 적으므로 낮은 온도를 선호하는 종(種)이 많은 미세 조류의 배양에서 LED는 탁월한 성능을 나타내게 된다. 어떤 광합성 생물종은 단일파장의 빛에서 그 대사 활성이나 세포의 분화가 잘 이루어지지 않는 경우가 있으나 광합성 색소가 선택적으로 흡수하는 680 nm의 파장에서는 대부분 정상적인 대사 활동을 갖는 경우가 많다.

특별한 종인 경우, 방해판형 내부광원이나 외부 광원을 설치하여 다른 파장을 공급함으로서 그 활성을 유지시킬 수 있는데, 이는 680 nm 이외의 파장의 빛은 매우 적은 양만 있어도 세포성장이 정상적으로 이루어지기 때문이다.

첨부 도면 중 도 3은 LED를 이용한 단위 발광 터빈 장치의 후면부 배선(5)의 예를 나타낸 것으로 도면에 의하면, 총 49개(7 x 7)의 광원이 설치된 것으로 예시되어 있다. 광원의 특성은 터빈의 두께를 고려하여 그 크기(예를 들면, 10 mm 이하)가 작아야 하며, 원하는 만큼의 광도(예를 들면, 보통 200 ??mol/m²s 이상)를 주어야 하고, 장시간(예를 들어, 10,000 시간 이상) 운전이 가능해야 한다.

또한, 배양 중 광도를 조절할 필요가 있을 때 전압을 바꿔줌으로써 쉽게 처리가 가능해야 한다. 현재 이용 가능한 광원으로는 LED가 이러한 내부광원으로서 가장 이상적인 광원으로 생각되며 680 nm의 LED의 경우 광원의 집적도에 따라 다르겠으나 최대 광도를 쉽게 3,000 ??mol/m²s 이상으로 만들 수 있으므로 미세조류의 고농도 배양에도 최적이며, 세포의 농도가 낮을 경우에는 전압 조절을 통해 쉽게 광도를 변화시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에서 사용하는 LED는 크기가 매우 작으며, 장시간의 운전에도 매우 안정적인 광도를 준다. 현재 디스플레이 분야 등 LED 시장이 넓어져 많은 연구기관에서 LED에 대한 기술개발을 하고 있으므로 단가가 상당히 하락할 것이며, 이에 따라 앞으로 미세 조류의 고농도 배양을 위한 광생물 반응기 분야에서 주요한 광원으로 부상할 가능성이 있다.

본 발명에서의 각 단위 발광 장치들은 수명이 매우 길어 거의 수리가 필요없지만, 각각 독립적인 배선구조를 가지고 있고 조립식으로 구성되어 있어, 발광장치의 이상시 특정 단위만의 독립적인 탈착 및 교체에 의한 수리가 가능하다는 장점이 있다. 또한, 투명한 플라스틱 재질의 팩키징이 없는 발광체만으로 이런 판형 광원을 만들 경우, 매우 높은 광도를 2 mm 이하의 얇은 광원으로 만들 수 있는 장점이 있어, 다양한 형태의 광생물 반응기에 응용될 수 있다.

첨부 도면 중 도 4a와 4b는 단위 발광 터빈 장치(2)의 단면도를 나타낸 것으로서 본 발명의 발광 터빈 장치(2)는 투명판(7)과 외판(6)으로 밀봉되어 있고, 투명판은 유리 또는 폴리카보네이트(polycarbonate)와 같이 투광도, 안정성, 내열성, 가공성이 좋은 플라스틱 재질을 이용한다. 또, 외판(6)과 주전선(4) 등 배양액과 접촉되어 있는 부품들은 세포의 부착이 쉽게 되지 않고 멸균 가능한 재질이어야 한다. 이러한 재질의 재료로는 탄소가 함유된 폴리카보네이트가 가장 유용한 것으로 알려져 있으며, 성형 및 절삭이 쉽기 때문에 제작비용이 적게 드는 장점이 있다. 또한 집적되어있는 광원(8)에서 발생하는 열이 쉽게 배양액 내로 전달될 수 있는 구조이므로 별도의 냉각 시스템이 필요치 않다.

본 발명에 따른 미세 조류의 대량 배양을 위한 발광 터빈 장치가 설치된 교반형 광생물 반응기는 동적 내부 광원을 이용한 광효율의 극대화와 터빈 교반형 반응기의 매우 높은 혼합 효율을 동시에 얻을 수 있다.

또한, 특수한 형태의 새로운 광생물 반응기를 설계, 제작함으로서 발생하는 추가 비용을 줄일 수 있으며, 높은 혼합도로 세포의 부착 및 침전 문제를 쉽게 해결할 수 있다.

특히, 가장 중요한 점은 배양 중 광도의 조절이 실시간으로 가능하다는 것으로 이는 LED와 같이 전압으로 광도의 조절이 가능한 광원을 사용함으로 가능하게 된 것이다.

본 발명에서는 광원으로서 LED 등의 광원을 기본으로 설계되었으며 주로 효율이 매우 높은 광원이다. 배양 중 광도의 조절은 고가의 유용 물질들을 합성하는 일부 미세 조류의 경우에 있어서 임계 광도 이상의 빛을 받으면 오히려 세포 성장이 억제되어지는 것으로 알려져 있고, 따라서 빛의 투과 길이를 고려한 광도의 세밀한 조절이 필요하다. 현재까지 알려진 대부분의 광원은 고정된 광도를 주거나 또는 초기 광도는 바꿀 수 있다 하더라도 배양 중의 광도조절은 거리 조절이나 광분산 장치를 이용하지 않으면 불가능하였다. 이러한 측면에서 LED는 이상적인 광원으로 인정받고 있으며, 이를 이용하면 상업적인 규모의 생산시설에서 가장 효율적인 전력으로 높은 광효율을 얻을 수 있고 광도와 세포증식간의 면밀한 수학적 모델링을 통해서 세포농도를 극대화할 수 있다.

첨부 도면 중 도 5는 일반적인 광생물반응기(normal photobioreactor 또는 normal PBR)와 본 발명에 의해 최적화된 광생물반응기(optimized photobioreactor 또는 PBR)에서의 미세조류중 녹조류인 클로렐라의 생장을 나타낸 것이다. 도 5에서 보는 바와 같이, 일반적인 광생물반응기에서는 약 10⁷cells/mL의 농도밖에 자라지 못하지만, 본 발명의 결과인 동적 내부 광원에 의한 광효율의 극대화를 이룰 경우, 약 100배 이상의 생장이 가능하여 최대 4x10⁹cells/mL까지 생장함을 알 수 있다.

또한, 현재로선 대부분의 미세 조류들의 유용 물질들이 다양한 종류의 생리 활성 천연 색소이므로 이러한 색소의 특성상 높은 광도에서만 합성이 촉진되는 것으로 알려져 있기 때문에 생산 목표 물질의 합성 유도에도 매우 큰 장점이 있다.

따라서, 본 발명의 발광 터빈 장치가 설치된 교반형 광생물 반응기는 이러한 측면에서 미세 조류의 고농도 배양과 그 1차, 2차의 대사산물 생산에 매우 효율적인 시스템이다.

Claims (5)

1. 미생물을 배양하기 위한 동적 내부 광원으로서 발광다이오드 또는 형광등이 여러개의 단위 장치로 구성되어 있는 발광 터빈 장치(2), 상기 발광 터빈 장치(2)가 고정되어 있으면서 이를 회전시키기 위한 교반축(3), 상기 교반축(4)에 부착되어 있으면서 상기 발광 터빈 장치(2)에 전원을 공급하기 위한 주전선(4)으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 미세조류의 대량 배양을 위한 발광 터빈 장치가 설치된 교반형 광생물 반응기(1).
2. 제 1항에 있어서, 상기 광원은 팩키징이 있는 발광다이오드의 배열, 팩키징이 없는 발광다이오드 소자만의 배열, 직사각형 형광등의 배열, LCD의 백라이트등으로 사용되는 소자와 같은 소형 판형 광원으로 하는 것을 특징으로 하는 미세조류의 대량 배양을 위한 발광 터빈 장치가 설치된 교반형 광생물 반응기(1).
3. 제 1항에 있어서, 상기 반응기에는 추가로 발광 방해판이나 외부 광원이 되어 있는 것을 특징으로 하는 미세조류의 대량 배양을 위한 발광 터빈 장치가 설치된 교반형 광생물 반응기(1).
4. 제 1항에 있어서, 상기 광원은 그 크기를 10 mm 이하로 하고, 광도는 보통200 ??mol/m²s 이상이 되도록 하며, 10,000 시간 이상에서의 운전이 가능한 것을 특징으로 하는 미세조류의 대량 배양을 위한 발광 터빈 장치가 설치된 교반형 광생물 반응기(1).
5. 제 1항에 있어서, 상기 발광 터빈 장치(2)는 광원이 유리 또는 플라스틱 재질로 된 투명판(7)과 세포의 부착이 쉽게 되지 않고 멸균 가능한 폴리카보네이트 재질로 된 외판(6)으로 밀봉되어 있는 것을 특징으로 하는 미세조류의 대량 배양을 위한 발광 터빈 장치가 설치된 교반형 광생물 반응기(1).