KR20110024563A - Photobioreactor and microalgae culture method, and microalgae harvesting method by using that - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 광생물반응기와 이를 이용한 미세조류 배양법 및 수확법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이산화탄소의 저감과 바이오디젤의 생산에 유용한 미세조류의 고밀도 대량 배양 및 저비용 수확을 위한 광생물반응기와 이를 이용한 미세조류 배양법 및 수확법에 관한 것이다.The present invention relates to a photobioreactor and a microalgae cultivation method and harvesting method using the same, and more particularly, a photobioreactor for high-density cultivation and low-cost harvesting of microalgae useful for the reduction of carbon dioxide and production of biodiesel It relates to microalgal culture and harvesting method.
일반적으로 세네데스무스(Scenedesmus sp.)는 축산폐수에 포함된 질소, 인, 중금속 등 오염물질의 생물학적 제거 공정에 오래전부터 널리 이용된 미세조류로서, 풍부한 단백질과 필수아미노산, 미네랄 및 필수지방산 등을 함유하여, 애완동물의 사료, 수산양식용 사료첨가제 및 건강보조식품 등으로 이용되고 있다[Kim, M.K., et al., 2007, Enhanced production of Scenedesmus spp. (green microlalgae) using a new medium containing fermented swine wastewater].Generally, scenedesmus sp. Is a microalgae that has been widely used for biological removal process of pollutants such as nitrogen, phosphorus and heavy metals in livestock wastewater, and contains abundant proteins, essential amino acids, minerals and essential fatty acids. It is used as a pet food, aquaculture feed additive, and dietary supplement. [Kim, MK, et al., 2007, Enhanced production of Scenedesmus spp. (green microlalgae) using a new medium containing fermented swine wastewater].
특히, 최근 연구에 따르면 세네데스무스는 고농도의 이산화탄소 조건에서도 성장이 우수하여 이산화탄소를 고농도로 함유하고 있는 연소배가스를 사용한 배양이 용이하며, 대기 중으로 배출되는 이산화탄소를 저감할 뿐만 아니라, 조체 내에 높은 지질함량을 축적하는 능력을 가지고 있음으로 인하여 바이오디젤의 원료원으로 많은 주목을 받고 있는 미세조류로서, 생물공학 연구의 주요 대상이 되고 있다[Morais, M.G., et al., 2007, Isolation and selection of microalgae from coal fired thermoelectric power plant form biofixation of carbon dioxide].In particular, recent studies have shown that Senedmusmus grows well even at high concentrations of carbon dioxide, making it easy to cultivate using flue gas containing high concentrations of carbon dioxide, and not only reduce carbon dioxide emitted into the atmosphere, but also high lipids in the body. It is a microalgae that has attracted much attention as a source of biodiesel due to its ability to accumulate content, and has been a major target of biotechnology research [Morais, MG, et al., 2007, Isolation and selection of microalgae]. from coal fired thermoelectric power plant form biofixation of carbon dioxide].
이러한 세네데스무스의 증식은 균주에 따라 차이를 보이지만, 최적 온도조건을 25-30℃의 범위로 하여 호지 및 생물학적 폐수처리 시설에서 대량 배양되는 것이 일반적이나, 균일한 교반 및 원활한 가스교환이 이루어지지 않아서 고밀도 배양이 어려운 문제가 있다.The growth of Senedmus mousse varies depending on the strain, but it is generally cultivated in ponds and biological wastewater treatment facilities with optimal temperature range of 25-30 ° C, but uniform stirring and smooth gas exchange are not achieved. There is a problem that high density culture is difficult.
이에 따라 미세조류의 배양 시 필수 공정인 교반 공정은 자석교반기(magnetic stirrer) 및 수차 등과 같은 별도의 교반 장치에 의해 이루어지며, 이로 인해 미세조류의 생산비용이 증가하는 단점이 있다.Accordingly, the stirring process, which is an essential process when culturing the microalgae, is made by a separate stirring device such as a magnetic stirrer and aberration, and thus, there is a disadvantage in that the production cost of the microalgae increases.
또한, 배양된 미세조류의 수확에 있어서 소요되는 비용은 미세조류 생산을 위한 전체 비용의 1/3 이상을 차지하며, 원심분리 및 침전 등과 같은 복잡한 생산 공정을 단순화하기 어려워 경제적 생산이 어려운 문제가 있다. In addition, the cost of harvesting the cultured microalgae accounts for more than one third of the total cost for microalgae production, and it is difficult to simplify complex production processes such as centrifugation and sedimentation. .
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 광합성의 탄소원이 포함된 가스원을 배양조에 직접 공급하여 별도의 교반 수단 없이 단순히 폭기에 의해 미세조류를 고르게 분산시켜 빛의 이용을 원활하게 하여 고농도 배양의 미세조류를 생산할 수 있는 광생물반응기와 이를 이용한 배양법 및 수확법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been invented to solve the above problems, by directly supplying a gas source containing a carbon source of photosynthesis directly to the culture tank to distribute the microalgae evenly by simply aeration without a separate stirring means to facilitate the use of light The purpose of the present invention is to provide a photobioreactor capable of producing microalgae of high concentration culture, a culture method and a harvesting method using the same.
특히, 본 발명은 광합성의 탄소원이 포함된 가스원으로 연소배가스를 이용하여 연소배가스 내성의 미세조류인 세네데스무스를 배양하는 광생물반응기와 이를 이용한 배양법 및 수확법을 제공하는데도 그 목적이 있다.In particular, an object of the present invention is to provide an optical bioreactor for cultivating the sensedus mousse which is a combustion algae resistant microalgae using combustion flue gas as a gas source containing a carbon source of photosynthesis, and a culture method and a harvesting method using the same.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 깔때기 형상의 배양조; 상기 배양조의 하단에 결합되는 가스주입관; 상기 배양조의 상단에 탈착 가능하게 구비되는 마개; 상기 마개를 관통하여 일단부가 상기 배양조 내에 배치되는 가스배출관;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 광생물반응기를 제공한다.The present invention to achieve the above object is a funnel-shaped culture tank; A gas injection pipe coupled to the lower end of the culture tank; A stopper provided detachably at an upper end of the culture tank; It provides a photobioreactor comprising a; through the stopper one end is a gas discharge pipe disposed in the culture tank.
또한, 본 발명은 상기 광생물반응기를 이용하는 미세조류 배양법에 있어서,In addition, the present invention in the microalgae culture method using the photobioreactor,
배양액에 광합성의 탄소원이 포함된 가스원을 상향으로 유동되게 공급하여, 미세조류가 섞인 배양액을 교반하는 것을 특징으로 하는 미세조류 배양법도 제공한다.The microalgae culture method is also provided by supplying a gas source including a carbon source of photosynthesis to the culture fluid to flow upward, and agitating the culture solution mixed with microalgae.
본 발명에 따른 광생물반응기와 이를 이용한 배양법 및 수확법은 미세조류의 배양을 위하여 별도의 교반 수단 없이 광합성의 탄소원이 포함된 가스원을 배양조 내에 직접 공급하여 광합성 가스원의 폭기에 의해 배양액의 균일한 교반을 유도함으로써 조체를 고르게 분산시켜 빛의 이용 효율을 증대하고, 가스 교환이 원활하게 이루어져 미세조류의 고밀도 배양을 용이하게 한다.The photobioreactor according to the present invention and the culturing method and harvesting method using the same according to the present invention supply the gas source containing the photosynthetic carbon source directly into the culture tank without any agitation means for culturing the microalgae, and thus, By inducing uniform agitation, the granules are evenly distributed to increase the light utilization efficiency, and the gas exchange is smoothly performed, thereby facilitating the high density cultivation of the microalgae.
특히, 연소배가스에 대한 내성을 가진 세네데스무스 속의 미세조류 배양시 연소배가스를 이용함으로써, 연소배가스에 포함된 고농도의 이산화탄소가 미세조류의 광합성의 탄소원으로 이용되므로 대기 중으로 배출되는 이산화탄소를 저감할 수 있어 환경 친화적이다.In particular, by using combustion flue gas when cultivating microalgae in the genera of Senedesmus, which is resistant to combustion flue gas, the high concentration of carbon dioxide contained in the flue flue gas is used as a carbon source for photosynthesis of the microalgae, thereby reducing carbon dioxide emitted to the atmosphere. There is environmental friendly.
또한, 본 발명은 배양 완료 후 미세조류의 수확을 위한 응집 공정시 연소배가스를 이용하여 응집액의 신속한 혼합을 유도함으로써, 별도의 교반 수단 없이 조체의 침강 속도를 증가시켜 배양된 미세조류를 신속하고 간편하게 수확할 수 있으며, 이와 같은 수확 공정의 단순화로 인하여 미세조류의 생산비용이 감소되는 효과가 있다.In addition, the present invention by inducing a rapid mixing of the flocculation liquid using the combustion flue gas during the aggregation process for harvesting the microalgae after the completion of the culture, to increase the settling speed of the tank without additional agitation means to quickly and cultured microalgae Can be harvested easily, due to the simplification of the harvesting process has the effect of reducing the production cost of microalgae.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 단수의 표현은 문맥상 명백히 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention, as used in the singular and the plural unless the context clearly indicates otherwise.
본 발명의 실시예로는 다수 개가 존재할 수 있으며, 설명에 있어서 종래의 기술과 동일한 부분에 대하여 중복되는 설명은 생략되는 것도 있다.There may be a plurality of embodiments of the present invention, and overlapping descriptions of the same parts as in the prior art may be omitted.
본 발명은 광생물반응기(photobioreactor)와 이를 이용한 배양법 및 수확법에 관한 것으로, 광합성의 탄소원이 포함된 가스원(이하, 광합성 가스원이라 함)을 이용한 폭기에 의하여 배양액을 균일하게 교반하게 되며, 특히 고농도의 이산화탄소를 함유한 연소배가스를 이용하여 배양액의 균일한 교반을 유도하여, 연소배가스 내성의 미세조류를 고밀도로 대량 배양할 수 있다.The present invention relates to a photobioreactor, a cultivation method and a harvesting method using the same, and uniformly stirs the culture solution by aeration using a gas source (hereinafter referred to as a photosynthetic gas source) including a carbon source of photosynthesis, In particular, by using the combustion flue gas containing a high concentration of carbon dioxide to induce uniform agitation of the culture solution, it is possible to cultivate a large density of combustion algae resistant microalgae.
이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 광생물반응기의 일실시예를 개략적으로 보여주는 구성도이다.1 is a schematic view showing an embodiment of a photobioreactor according to the present invention.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 광생물반응기는 배양액에 잠긴 미세조류의 배양이 이루어지는 깔때기 형상(funnel-type)의 배양조(11)와, 이 배양조(11)의 상단부에 탈착가능하게 결합되는 마개(13)와, 상기 배양조(11)의 하단에 연결되는 가스주입관(15) 및 상기 마개(13)를 수직방향으로 관통하여 장착되는 가스배출관(17)을 포함하여 구성될 수 있다.As shown, the photobioreactor according to the present invention is detachably coupled to a funnel-
본 발명에서 배양조(11)는 테이퍼지게 형성되어 하단부로 갈수록 직경이 점차 좁아지게 되며, 이 배양조(11)의 하단부에 가스주입관(15)이 결합되어, 이 가스주입관(15)으로 주입되는 광합성 가스원은 상향으로 공급되고 배양액은 상향 유동 을 하게 된다.In the present invention, the
상기 가스배출관(17)은 그 일단부가 상기 배양조(11) 내에 위치하게 되고, 타단부가 배양조(11)의 외부에 배치하게 된다.One end of the
그리고, 상기 가스주입관(15)와 가스배출관(17)으로의 광합성 가스원의 주입과 배출을 위한 공급수단(미도시) 및 흡입수단(미도시)이 별도로 구성되는 것이 가능하다.In addition, supply means (not shown) and suction means (not shown) for injecting and discharging the photosynthetic gas source into the
또한, 본 발명은 배양조(11)로 주입되는 광합성 가스원의 공급량을 조절함과 동시에 배양액과 층상으로 분리된 배양완료된 조체를 이 배양액으로부터 간편하게 분리 배출하기 위하여, 상기 배양조(11)와 가스주입관(15) 사이에 조절밸브(19)를 설치한다.In addition, the present invention is to control the amount of photosynthetic gas source injected into the culture tank (11) and at the same time to easily discharge the cultured crude separated in culture and layered from the culture medium, the culture tank (11) and gas
이러한 광생물반응기(특히, 배양조(11))는 빛의 투과를 최대화하고 강한 빛에 의한 광생물반응기 본체의 부식을 방지하기 위하여, 유리 재질을 이용하여 제작되는 것이 바람직하다.Such a photobioreactor (particularly, the culture tank 11) is preferably made of a glass material in order to maximize the transmission of light and to prevent corrosion of the photobioreactor body by strong light.
본 발명에서 가스주입관(15)은 연소배가스의 주입용 뿐만 아니라 배양된 조체의 수확용으로도 사용되는데, 이러한 연소배가스의 주입과 조체의 배출 및 수확을 위하여, 이 가스주입관(15)은 실리콘 재질의 관으로 구비되는 것이 바람직하다.In the present invention, the
본 발명에 따른 광생물반응기는 예를 들어, 마개(13)에서 하단까지 길이를 약 470㎜로 하고, 30㎜ 길이의 마개(13)와 100㎜ 길이의 가스주입관(15)의 길이를 제외한 배양조(11)의 길이를 340㎜로 하고, 이 배양조(11) 상단부의 최대 지름을 140㎜, 하단부의 최소 지름을 5㎜ 하며, 체적을 약 2ℓ로 하여 제작할 수 있다. 이러한 경우 실제 사용가능한 배양 용적은 약 1.5ℓ가 된다.For example, the photobioreactor according to the present invention has a length of about 470 mm from the
이하, 상기와 같이 구성된 광생물반응기를 이용한 본 발명에 따른 미세조류의 배양 방법 및 수확 방법을 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the culture method and harvesting method of the microalgae according to the present invention using the photobioreactor configured as described above are as follows.
먼저, 일정량의 배양액이 담긴 배양조(11)에 연소배가스를 직접 주입한다.First, the combustion flue gas is directly injected into the
이때, 배양조(11)의 하단에 구비된 가스주입관(15)을 통해 연소배가스는 배양조(11)의 하단에서 상단 측으로 공급되어 상향으로 유동된다.At this time, the combustion flue gas is supplied to the upper end from the lower end of the
그리고, 조절밸브(19)의 개폐 정도를 조정하여 공급되는 배양액의 주입 압력 혹은 속도를 조절할 수 있다.Then, by adjusting the opening and closing degree of the
그럼, 가스주입관(15)을 통과한 연소배가스에 의해 배양액이 균일하게 교반되고, 배양액의 균일한 교반을 통해 배양조로 투과되는 빛이 배양액에 고르게 전달된다.Then, the culture solution is uniformly agitated by the combustion flue gas passing through the
이에 따라 별도의 교반 수단 없이 미세조류의 고밀도 배양이 이루어진다.Accordingly, high density culture of microalgae is performed without a separate stirring means.
그리고, 본 발명은 배양된 조체를 수확하기 위하여, 상기 마개(13)를 탈착하여 응집제를 주입한 다음, 이 응집제의 교반을 유도하기 위하여 다시 연소배가스를 배양조(11) 안으로 주입한다.And, in order to harvest the cultured crude, the
그럼, 연소배가스의 주입에 의해 배양액과 응집제가 균일하게 혼합되어 조체의 침강 속도가 증가하게 되고, 결국 미세조류가 배양액과 분리되어 이 배양액의 하단부에 모이게 된다.Then, by injecting the combustion flue gas, the culture medium and the flocculant are uniformly mixed to increase the settling velocity of the crude body, and finally, the microalgae are separated from the culture medium and collected at the lower end of the culture medium.
바람직하게는, 배양조(11)에 응집제를 1차로 주입하고 연소배가스를 공급하 여 배양액을 교반시킨 다음, 일정 시간 정치 후 이 배양액에 2차로 응집제를 첨가하고 다시 연소배가스를 주입하여 배양액을 교반시킴으로써, 보다 신속하고 원활한 응집 반응을 유도하도록 한다.Preferably, the coagulant is first injected into the
이렇게 모인 미세조류는 상기 조절밸브(19)를 열면 하중에 의해 가스주입관(15)을 통해 배양조(11) 밖으로 배출되게 된다.The collected microalgae are discharged out of the
본 발명의 배양과정 및 수확과정에서 주입된 연소배가스는 가스배출관(17)으로 자연 배출되며, 연소배가스의 원활한 배출을 위한 흡입수단의 흡입작용을 통해 배출될 수도 있다.Combustion flue gas injected during the culturing and harvesting process of the present invention is naturally discharged to the
또한, 상기 조절밸브(19)를 이용하여 가스주입관(15)으로 공급되는 연소배가스와 배출되는 미세조류의 주입량 및 배출량(혹은 주입 속도 및 배출 속도) 등을 조절할 수 있다.In addition, the
본 발명에 따라 배양하게 되는 미세조류는 그 종류에 의해 제한되는 것은 아니나, 제3세대 생물디젤(biodiesel)의 원료로 판단되어지는 지질을 높은 함량으로 함유하고, 고농도의 이산화탄소를 함유한 연소배가스에 내성을 가진 세네데스무스 속의 미세조류를 배양 및 수확하여 생산하는데 이용하는 것이 바람직하다.The microalgae to be cultured according to the present invention is not limited by the type, but contains a high content of lipids, which are considered to be raw materials of the third generation biodiesel, and contains a high concentration of carbon dioxide in a combustion flue gas. It is preferable to use to culture, harvest and produce microalgae of the genus Genesismus resistant.
연소배가스 내성의 미세조류는 고농도의 이산화탄소에 대한 내성을 가지는 미세조류로서, 광합성시 이산화탄소를 이용하여 성장하는 것이 가능하다.The microalgae of the combustion flue gas resistance is a microalgae having a high concentration of carbon dioxide resistance, it is possible to grow using carbon dioxide during photosynthesis.
이하, 실시예와 비교예를 들어 본 발명을 구체적으로 기술할 것이나, 이 실시예들로 인해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니며, 본 실험에서 미세조류로는 세네데스무스를 사용하였고, 광합성 가스원으로 연소배가스를 이용하였다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples and comparative examples, but the scope of the present invention is not limited by these examples. In this experiment, a microalgae was used as a fine algae, and photosynthesis gas was used. Combustion flue gas was used as a source.
그리고, 광생물반응기를 이용한 세네데스무스 속의 배양실험에 사용한 세네데스무스(Scenedesmus sp.)는 한국생명공학연구원 생물자원센터로부터 분양받아 사용하였다.In addition, Scenedesmus sp. Used in the culture experiment of the genus Sendesmus using a photobioreactor was used by the Korea Institute of Bioscience and Biotechnology.
실시예 1Example 1
세네데스무스의 배양액은 하기 표 1과 같은 조성의 BG11 배지를 사용하였다. As a culture solution of Senedmusmus was used BG 11 medium of the composition shown in Table 1.
세네데스무스의 배양조건으로는, 광원은 형광등을 광생물반응기의 본체 후면에서 조사하여 광도가 150 μmol E/m2/s 가 되도록 하였고, 온도가 약 25℃로 유지되는 항온실에서 실시하였다. As a cultivation condition of Senedmusmus, the light source was irradiated with a fluorescent lamp from the rear of the main body of the photobioreactor so that the luminous intensity is 150 μmol E / m 2 / s, it was carried out in a constant temperature room maintained at about 25 ℃.
그리고, 광합성의 탄소원으로는 이산화탄소가 5.5% 함유된 실제 연소배가스를 0.3 v/v/m으로 공급하여, 8일 동안 배양하였다.As the carbon source of photosynthesis, an actual combustion flue gas containing 5.5% of carbon dioxide was supplied at 0.3 v / v / m and cultured for 8 days.
비교예 1Comparative Example 1
본 발명에 따른 깔때기형 광생물반응기의 생산성을 비교하기 위하여, 기존의 미세조류 배양을 위한 광생물반응기로서, 2ℓ의 체적을 가지는 유리병과 관형 광생물반응기에서 실시예 1과 동일한 BG11 배지와 배양조건으로 세네데스무스를 8일 동안 배양하였다.In order to compare the productivity of the funnel-type photobioreactor according to the present invention, as a photobioreactor for conventional microalgae culture, cultured with the same BG 11 medium as in Example 1 in a glass bottle and a tubular photobioreactor having a volume of 2 L The condition was incubated for 8 days Cenedesmus.
실시예 1 및 비교예 1에 있어서, 본 발명에 따른 깔때기형 광생물반응기와 기존의 관형 광생물반응기에서는 교반에 필요한 별도의 장치(혹은 교반 수단) 없이 광생물반응기 본체의 하단에서 연소배가스를 직접 주입하여 세네데스무스를 교반하였으며, 유리병의 경우에는 연소배가스를 유리병 본체의 상부로부터 관을 이용하여 배양액의 하단에 직접 공급하였고, 자석교반기를 이용하여 배양액을 교반하였다.In Example 1 and Comparative Example 1, in the funnel-type photobioreactor and the conventional tubular photoreactor according to the present invention, combustion flue gas is directly applied at the bottom of the photobioreactor body without a separate device (or agitation means) required for stirring. Injected and stirred the snemus mousse, in the case of a glass bottle, the combustion flue gas was directly supplied from the top of the glass bottle body to the bottom of the culture medium using a tube, and the culture solution was stirred using a magnetic stirrer.
실험예 1Experimental Example 1
상기 실시예 1과 비교예 1의 배양 결과를 비교하기 위하여, 각 광생물반응기에서 수확한 세네데스무스를 동일한 조건으로 건조시킨 다음, 각 세네데스무스의 건조중량 및 생산성을 비교하였다.In order to compare the culture results of Example 1 and Comparative Example 1, after the senmus mousse harvested in each photobioreactor was dried under the same conditions, the dry weight and productivity of each cendes mousse was compared.
그 결과, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 깔때기형 광생물반응기에서 배양한 세네데스무스의 건조중량이 배양 초기부터 높게 나타났으며, 배양기간 동안 우수한 고밀도 배양을 보였다.As a result, as shown in Figure 2, the dry weight of the sensedmus cultivated in the funnel-type photobioreactor according to the present invention appeared high from the beginning of the culture, showed excellent high-density culture during the culture period.
도 2는 다양한 형태의 광생물반응기를 이용하여 배양한 세네데스무스의 성장 곡선을 나타낸 그래프이고, 도 3은 본 발명에 따른 깔때기형 광생물반응기에 연소배가스를 공급하여 세네데스무스를 8일 동안 배양한 사진이다.Figure 2 is a graph showing the growth curve of the sensedmus cultivated using various types of photobioreactor, Figure 3 is a supply of flue gas to the funnel-type photobioreactor according to the present invention for eight days It is a photograph cultured.
최종적으로 8일 동안 깔때기형 광생물반응기에서 배양된 세네데스무스의 건조중량이 1.9 g/L로 가장 높았던 반면, 유리병과 관형 광생물반응기에서 배양된 세네데스무스의 건조중량은 각각 1.1 g/L와 1.0 g/L로 비슷하였다.Finally, the dry weight of Sededmus cultivated in the funnel-type photobioreactor was the highest at 1.9 g / L for 8 days, while the dry weight of Sededmus cultivated in the vial and tubular photoreactor was 1.1 g / L, respectively. And 1.0 g / L.
세네데스무스의 생산성에 있어서도, 깔때기형 광생물반응기가 약 0.2 g/L/d로 유리병과 관형 광생물반응기의 0.1 g/L/d에 비하여 2배 정도 높았다.In the productivity of Cedencemus, the funnel-type photobioreactor was about 0.2 g / L / d, which was about twice as high as the 0.1 g / L / d of the vial and tubular photoreactor.
따라서 기존의 광생물반응기에 비하여 본 발명에 따른 깔때기형 광생물반응기를 이용하여 미세조류 특히 세네데스무스의 고밀도 배양이 가능하다고 판단된다.Therefore, it is judged that high density culture of microalgae, especially Cedes mousse, is possible using the funnel-type photobioreactor according to the present invention as compared to the conventional photobioreactor.
실험예 2Experimental Example 2
상기의 깔때기형과 관형 광생물반응기 및 유리병을 이용하여 고밀도 배양된 세네데스무스의 조체 내에 만들어진 지질(바이오디젤의 원료)의 함량을 비교하였다.The contents of lipids (raw materials of biodiesel) made in the densely-cultured densed mousse of the funnel and tubular photoreactor and the vial were compared.
각각의 세네데스무스의 조체 내에 만들어진 지질 함량을 정량하기 위하여, 핵산을 용매로 하고 속슬렛 추출기(soxhlet extractor)를 이용하여 9시간 동안 추출한 다음 정량하였다.In order to quantify the lipid content produced in each of the genesis of Senedmusmus, nucleic acid was used as a solvent and extracted for 9 hours using a soxhlet extractor.
도 4는 다양한 형태의 광생물반응기를 이용하여 배양한 세네데스무스로부터 추출한 지질의 함량을 비교하여 보여주는 그래프로서, 배양된 세네데스무스의 지질함량을 확인할 수 있다.Figure 4 is a graph showing the comparison of the content of lipids extracted from the cultured senmus mousse cultured using various types of photobioreactor, it can confirm the lipid content of cultivated senedmus mousse.
그 결과, 총 지질함량은 깔때기형 광생물반응기에서 배양된 세네데스무스가 건조중량의 8.7%(w/w)로 가장 높았으며, 유리병에서 배양된 세네데스무스의 경우 7.2%(w/w)로 본 발명의 깔때기형 광생물반응기와 유사한 결과를 보인 반면, 관형 광생물반응기에서 배양된 세네데스무스의 경우 3.7%(w/w)로 매우 낮았다.As a result, the total lipid content was highest in the fungus-type photobioreactor, Senedmus, 8.7% (w / w) of dry weight, 7.2% (w / w) in the case of Genesmus in glass bottles ) Showed similar results to the funnel-type photobioreactor of the present invention, while it was very low as 3.7% (w / w) for the sensedus cultured in the tubular photoreactor.
그리고, 관형 광생물반응기에서 배양된 세네데스무스의 경우 지질 함량이 다른 광생물반응기에 비하여 매우 낮은 것은, 본 발명에 따른 깔때기형 광생물반응기와 달리, 연소배가스가 주입되는 가스주입관보다 넓은 광생물반응기의 하단부(혹은 관형의 배양조)로 인하여 하단에서 공급되는 연소배가스가 고르게 전달되지 못하고, 결국 배양액의 교반이 원활하게 이루어지지 않아서 광생물반응기 본체(혹은 배양조)의 측면에 조체가 쌓이는 현상이 발생하게 되며, 이로 인하여 이산화탄소의 이용이 상대적으로 적은 이유가 있는 것으로 판단된다.And, in the case of Senedmus cultivated in the tubular photobioreactor, the lipid content is very low compared to other photobioreactors, unlike the funnel-type photobioreactor according to the present invention, a wider light than the gas injection pipe is injected combustion gas Due to the lower end (or tubular culture tank) of the bioreactor, the combustion flue gas supplied from the lower end is not evenly delivered, and thus, the tank is accumulated on the side of the photobioreactor main body (or the culture bath) because the agitation of the culture solution is not performed smoothly. The phenomenon occurs, and it is considered that there is a reason why the use of carbon dioxide is relatively low.
이는 본 발명에 따른 깔때기형 광생물반응기에서 배양된 세네데스무스의 지질함량이 가장 높은 것으로부터 추정할 수 있다.This can be estimated from the highest lipid content of Senedmus cultivated in the funnel-type photobioreactor according to the present invention.
상기에 생산량과 지질함량의 실험 결과에서 보여지는 바와 같이, 본 발명에 따른 깔때기형 광생물반응기는 배양조 내로 공급되는 연소배가스에 의하여 배양액의 교반이 원활하게 일어나게 되어 세네데스무스의 이산화탄소 및 빛의 이용 효율이 향상되어 고밀도 배양이 용이할 것으로 판단되었으며, 지질의 축적률도 증대된 결과를 얻었다.As shown in the experimental results of the production and lipid content above, the funnel-type photobioreactor according to the present invention is agitated smoothly by the combustion flue gas supplied into the culture tank of the carbon dioxide and light of It was judged that the utilization efficiency was improved and the high density culture was easy, and the accumulation rate of lipid was also increased.
실시예 2Example 2
배양된 세네데스무스를 간편하고 신속하게 수확하기 위하여, 깔때기형 광생물반응기의 배양조에 응집제를 투입하여 처리한 다음, 연소배가스를 공급하여 배양액을 균일하게 교반하여 신속한 응집 반응을 유도하였다.In order to easily and quickly harvest the cultivated Senedus mousse, a coagulant was added to the culture tank of the funnel-type photobioreactor, and then treated with a flue gas to induce a rapid aggregation reaction by uniformly stirring the culture solution.
이를 위하여, 깔때기형 광생물반응기에서 건조중량 0.72 g/L로 배양된 세네데스무스 배양액 500 ml에 보조 응집제로 CaCl2(5%,w/w)를 20 ml 첨가하고, 연소배가스를 4 L/min(8 vvm)의 유량으로 공급하여 30초 간 교반한 후 30초 간 정치하였다. To this end, 20 ml of CaCl 2 (5%, w / w) was added as a coagulant to 500 ml of Senedmus mousse culture incubated at 0.72 g / L dry weight in a funnel-type photobioreactor, and 4 L / of combustion flue gas was added. The mixture was supplied at a flow rate of min (8 vvm), stirred for 30 seconds, and allowed to stand for 30 seconds.
여기에 FeCl3(5%, w/w)를 2 ml 첨가하고 위와 동일한 조건 및 과정으로 연소배가스를 이용한 응집반응을 수행하였다. 2 ml of FeCl 3 (5%, w / w) was added thereto, and the coagulation reaction was performed using the combustion exhaust gas under the same conditions and procedures.
도 5의 a는 보조응집제인 CaCl2와 FeCl3를 첨가하고 연소배가스를 이용하여 교반한 후 응집반응이 일어난 사진으로서, 보조 응집제에 의하여 플록(flock)이 형성되기는 하지만 그 크기가 작아서 침강시간이 많이 소요되는 결과를 보였다. 따라서 플록의 크기를 크게 만들기 위하여 보조응집제를 처리한 응집반응 후 Paenibacillus polymixa AM9으로부터 생산된 바이오폴리머(biopolymer)의 원액을 1/5로 희석하여 10 ml 첨가한 후 연소배가스를 1 L/min(2 vvm)의 유량으로 공급하여 1 분간 교반하였다. 5a is a photograph of the coagulation reaction after adding the coagulant CaCl 2 and FeCl 3 and stirring using the combustion flue gas, although flocs are formed by the coagulant, but the sedimentation time is small. It took a lot of results. Therefore, in order to increase the size of flocs, after coagulation reaction with coagulant, dilution of 1/5 of the stock solution of the biopolymer produced from Paenibacillus polymixa AM9 was added to 10 ml, and the combustion flue gas was 1 L / min (2 vvm) was supplied at a flow rate and stirred for 1 minute.
도 5의 b는 바이오폴리머를 첨가한 후 연소배가스를 공급하여 교반시킨 직후의 사진이고, 도 5의 c는 전체 연소배가스에 의한 교반을 정지한 후 3분간 정치하여 조체가 침강에 의해 배양액과 완벽하게 분리된 사진이다.Figure 5b is a photograph immediately after the addition of the biopolymer after supplying and stirring the combustion flue gas, Figure 5c is after stopping the agitation by the entire combustion flue gas and left standing for 3 minutes to complete the solid with the culture solution by the settling It is a separate picture.
도 5의 c에서 배양액 내의 세네데스무스가 침강되어 도 3에 비하여 배양액이 투명해진 것이 관찰되었다. In FIG. 5C, it was observed that the sensedmus in the culture was settled and the culture was transparent as compared with FIG. 3.
미세조류는 배양 후 정치(定置)하여 자연침강에 의하여 조체를 모으는 것이 일반적이나, 정치시간이 24시간 이상 소요되어 미세조류의 수확이 신속하게 이루어지지 못하는 반면, 본 발명에 따른 수확법의 응집반응을 이용하면 10분 이내에 미세조류가 배양액으로부터 분리되어 신속하고 간편하게 수확이 가능하다. Microalgae are generally settled after cultivation to collect the algae by natural sedimentation, but it takes more than 24 hours to harvest the microalgae quickly, whereas the aggregation of the harvesting method according to the present invention Using the microalgae is separated from the culture within 10 minutes can be harvested quickly and simply.
응집반응의 효율을 측정하기 위해 응집반응 전/후의 배양액 상층의 광학밀도(OD, optical density)를 680 nm 파장에서 측정하였으며, 정확도를 높이기 위하여 2회 반복실험을 수행하였다. 응집효율은 다음 수식으로 계산하였다. In order to measure the efficiency of the aggregation reaction, the optical density (OD, optical density) of the culture medium before and after the aggregation reaction was measured at a wavelength of 680 nm, and two repeated experiments were performed to increase the accuracy. Coagulation efficiency was calculated by the following formula.
응집효율(%)=(반응 전 OD - 반응 후 OD) / 반응 전 OD X 100Coagulation efficiency (%) = (OD before reaction-OD after reaction) / OD X 100 before reaction
계산 결과, 본 발명의 광생물반응기에서 연소배가스를 이용한 응집효율은 93% 이상으로 매우 높았으며, 연소배가스를 이용한 본 발명의 응집 수확법은 배양된 미세조류를 신속하고 간편하게 수확할 수 있으며, 생산공정을 단순화할 수 있다.As a result of the calculation, the flocculation efficiency using combustion flue gas in the photobioreactor of the present invention was very high as 93% or more, and the flocculation harvesting method of the present invention using combustion flue gas can quickly and easily harvest cultured microalgae and produce The process can be simplified.
그리고, 이렇게 연소배가스를 이용하여 연소배가스 내성의 미세조류인 세네데스무스를 배양함으로써, 이산화탄소가 광합성의 탄소원으로 이용되어 대기 중으로 배출되는 이산화탄소를 저감시킬 수 있게 된다.In addition, by cultivating the sensedus mousse of the combustion algae resistance microalgae using the combustion flue gas, it is possible to reduce the carbon dioxide emitted into the atmosphere by using carbon dioxide as a carbon source of photosynthesis.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 광생물반응기와 이를 이용한 배양법 및 수확법은 연소배가스 외에도 일반 미세조류의 생산을 위한 이산화탄소나 공기 등의 가스를 이용한 폭기에 의하여 배양액의 균일한 교반을 유도하는 것이 가능하며, 이를 통하여 연소배가스 내성의 미세조류 뿐만 아니라 일반적인 미세조류의 생산을 가능하게 할 수 있다.As described above, the photobioreactor according to the present invention and the cultivation method and harvesting method using the same according to the present invention is to induce uniform agitation of the culture solution by aeration using a gas such as carbon dioxide or air for the production of general microalgae in addition to the combustion flue gas. It is possible through this, it is possible to enable the production of general microalgae as well as microalgae of combustion exhaust gas resistance.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.While the invention has been shown and described with respect to certain preferred embodiments thereof, the invention is not limited to these embodiments, and has been claimed by those of ordinary skill in the art to which the invention pertains. It includes all the various forms of embodiments that can be implemented without departing from the spirit.
도 1은 본 발명에 따른 광생물반응기의 일실시예를 개략적으로 보여주는 구성도1 is a schematic view showing an embodiment of a photobioreactor according to the present invention
도 2는 다양한 형태의 광생물반응기를 이용하여 배양한 세네데스무스의 성장 곡선을 나타낸 그래프Figure 2 is a graph showing the growth curve of Senedmus cultivated using various types of photobioreactor
도 3은 본 발명에 따른 깔때기형 광생물반응기에 연소배가스를 공급하여 세네데스무스를 8일 동안 배양한 사진Figure 3 is a photo of incubating for eight days the sensedmus by supplying the combustion flue gas to the funnel-type photobioreactor according to the present invention
도 4는 다양한 형태의 광생물반응기를 이용하여 배양한 세네데스무스로부터 추출한 지질의 함량을 비교하여 보여주는 그래프Figure 4 is a graph showing the comparison of the content of lipids extracted from the cinemusmus cultured using various types of photobioreactors
도 5는 광생물반응기에서 세네데스무스를 배양한 후 보조응집제와 바이오폴리머(biopolymer)를 사용하여 응집 반응시킨 사진Figure 5 is a photocoagulation reaction using a coagulant and a biopolymer after incubating the sendes mousse in a photobioreactor
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
11 : 배양조11: culture tank
13 : 마개13: stopper
15 : 가스주입관15: gas injection pipe
17 : 가스배출관17: gas discharge pipe
19 : 조절밸브19: regulating valve
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