KR20230135533A - Cultivating method of Haematococcus pluvialis using solar cells and light guide panel - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 태양전지 및 도광판을 이용한 헤마토코쿠스 플루비알리스 배양방법에 관한 것으로, 칼슘매개 바이오광물화를 통해 이산화탄소(CO2) 고정과 오메가-3 지방산(ω-3 FA) 및 아스타잔틴의 생산성을 동시에 향상시키는 기술에 관한 것이다. The present invention relates to a method for cultivating Haematococcus pluvialis using a solar cell and a light guide plate, which fixes carbon dioxide (CO 2 ) and extracts omega-3 fatty acid (ω-3 FA) and astaxanthin through calcium-mediated biomineralization. It is about technology that simultaneously improves productivity.
화석 연료의 사용에 따라 배출된 대규모 온실가스는 지구 온난화 현상을 야기하고 있다. 이에 이산화탄소 감축을 위한 이산화탄소 포집 및 저장 기술(CCS, Carbon Capture & Sequestration) 개발이 전 세계적으로 활발히 진행 중이다. CCS 기술은 화력발전소를 비롯한 다양한 탄소 배출원에서 방출되는 다량의 이산화탄소를 고농도로 포집한 후 지중이나 해저에 주입하여 대기로부터 격리시키는 방법이다. 이러한 CCS 기술은 단기간에 대량의 이산화탄소를 저감하는 효과가 있으나, 안정적인 저장 문제, 위치 선정 및 높은 설치비용 등으로 인해 실질적인 CCS의 현실화가 어려운 상황이다. 따라서 CCS 기술과 달리 이산화탄소를 저장이 아닌 산업적 용도로 직접 활용하거나 부가가치가 높은 물질로 전환하는 CCU(Carbon Capture & Utilization) 기술이 각광받고 있고, 국내에서도 이산화탄소를 다양한 고부가 물질로 전환하는 공정 개발이 시도되고 있다. 그 중에서도 광합성 미생물인 미세조류를 활용한 이산화탄소의 생물학적 전환 공정은 이산화탄소 감축과 동시에 바이오연료, 바이오플라스틱, 의약품 등 다양한 고부가 물질 생산이 가능한 경제적인 이산화탄소 저감 기술로 주목받고 있다. 식물성 플랑크톤이라 불리는 미세조류는 광합성을 하는 수중 단세포 생물로 에너지 및 산업 소재 생산과 동시에 온실가스 저감이 가능하기 때문에 그 잠재력이 매우 큰 바이오매스 자원으로 관심을 받고 있으며 에너지·화학·환경 분야를 중심으로 미래에 그 이용가치가 확대될 전망이다.Large-scale greenhouse gases emitted from the use of fossil fuels are causing global warming. Accordingly, the development of carbon dioxide capture and storage technology (CCS, Carbon Capture & Sequestration) to reduce carbon dioxide is actively underway around the world. CCS technology is a method of capturing large amounts of carbon dioxide emitted from various carbon emission sources, including thermal power plants, at high concentrations and injecting them into the ground or seafloor to isolate them from the atmosphere. Although this CCS technology has the effect of reducing large amounts of carbon dioxide in a short period of time, it is difficult to realize actual CCS due to problems with stable storage, location selection, and high installation costs. Therefore, unlike CCS technology, CCU (Carbon Capture & Utilization) technology, which directly utilizes carbon dioxide for industrial purposes rather than storing it or converts it into high-value-added materials, is receiving attention, and attempts are being made in Korea to develop processes to convert carbon dioxide into various high-value-added materials. It is becoming. Among them, the biological conversion process of carbon dioxide using microalgae, a photosynthetic microorganism, is attracting attention as an economical carbon dioxide reduction technology that can simultaneously reduce carbon dioxide and produce various high value-added materials such as biofuel, bioplastics, and pharmaceuticals. Microalgae, called phytoplankton, are single-celled underwater organisms that photosynthesize and are attracting attention as a biomass resource with great potential because they can produce energy and industrial materials and reduce greenhouse gases at the same time, focusing on the fields of energy, chemistry, and the environment. Its use value is expected to expand in the future.
에너지 분야에서 미세조류는 모든 바이오디젤 생산 작물 중 오일 생산성이 가장 우수하다. 대두, 유체, 해바라기, 오일팜 등은 재배 주기가 4 ~ 8개월인 반면, 미세조류는 매일 수 배로 증식하여 1일 단위로 재배가 가능하며 단위 무게 당 지방 함량도 높아 연간 오일 생산량이 대두의 100배 이상이다. 또한, 식량자원의 에너지화라는 비판에서 자유로운 생명자원으로, 석유계 디젤과 유사한 물성을 가진 바이오 연료를 생산할 수 있다.In the energy field, microalgae have the highest oil productivity among all biodiesel producing crops. While soybeans, oil, sunflower, and oil palm have a cultivation cycle of 4 to 8 months, microalgae multiply several times every day and can be cultivated on a daily basis. The fat content per unit weight is also high, so the annual oil production is 100% that of soybeans. It's more than double. In addition, it is possible to produce biofuel with physical properties similar to petroleum diesel as a living resource free from criticism of turning food resources into energy.
화학 분야에서 미세조류는 다양한 유용물질을 생산할 수 있는 장점이 있으며, 현재 식품 분야를 중심으로 산업화되어 있고, 향후 바이오케미컬 및 바이오플라스틱 분야로 산업화가 확대될 전망이다.In the chemical field, microalgae have the advantage of being able to produce a variety of useful substances, and are currently industrialized mainly in the food field, and industrialization is expected to expand to the biochemical and bioplastic fields in the future.
환경 분야에서 미세조류는 상기에 기술한 것처럼 이산화탄소 저감이 가능하다는 측면에서 가장 큰 관심을 받고 있으며 세계적으로 관련 연구가 지속적으로 진행되고 있다. 미세조류는 바이오매스 중량의 2배 정도의 이산화탄소를 흡수할 수 있으며 이는 육상 식물 대비 10 ~ 50배 높은 흡수 효율 수치에 해당한다. 또한, 미세조류는 특정한 토양이나 수질을 가리지 않고 배양이 가능하다. 이에 관련 기업들은 이산화탄소 저감 및 공장폐수 정화 사업에 미세조류를 활용하려는 시도를 확대하고 있다.In the environmental field, microalgae are receiving the greatest attention in terms of their ability to reduce carbon dioxide, as described above, and related research is continuously being conducted around the world. Microalgae can absorb about twice the weight of carbon dioxide as biomass, which corresponds to an absorption efficiency that is 10 to 50 times higher than that of terrestrial plants. Additionally, microalgae can be cultured regardless of specific soil or water quality. Accordingly, related companies are expanding their attempts to use microalgae in carbon dioxide reduction and factory wastewater purification projects.
다양한 미세조류 중에서도 고부가가치 산물인 아스타잔틴(astaxanthin)을 생산하는 헤마토코쿠스 플루비알리스(Haematococcus pluvialis)가 최근 각광을 받고 있다. 헤마토코쿠스 플루비알리스로부터 추출 가능한 카로테노이드인 아스타잔틴은 항산화 효과가 매우 우수하고, 생체 활성이 있는 3S, 3S' form이므로 인체에 사용 가능하며 그 경제적 효과도 매우 우수하다. 이에 하기 선행기술문헌의 특허문헌에 개시된 바와 같이, 아스타잔틴 생산량을 극대화하기 위해 헤마토코쿠스 플루비알리스의 생물학적 특성 및 배양 공정, 아스타잔틴 생산을 위한 하부 공정에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. Among various microalgae, Haematococcus pluvialis produces astaxanthin, a high value - added product. pluvialis ) has recently been in the spotlight. Astaxanthin, a carotenoid that can be extracted from Haematococcus pluvialis, has an excellent antioxidant effect, can be used in the human body as it is in the bioactive 3S and 3S' forms, and has excellent economic effectiveness. Accordingly, as disclosed in the patent document of the prior art document, much research is being conducted on the biological characteristics and culture process of Haematococcus pluvialis and the downstream process for astaxanthin production in order to maximize astaxanthin production. there is.
다만, 헤마토코쿠스의 전체적인 광배양 공정은 성장단계(growth stage, green stage)와 스트레스를 (염, 빛, 온도 등) 가하여 고부가가치 물질을 축적시키는 유도단계(induction stage, red stage)로 나누어지는데, 유도단계에 최소 1.5달 정도의 시간이 소요되므로 전체적으로 아스타잔틴 생산성이 낮다. 또한, 상업적 스케일의 바이오매스를 생산하기 위해 옥외 대량배양 장치 배양을 하다 보면 빛 공급이 원활한 낮에도 구조적 한계로 인해 반응기마다 조사되는 광량에 차이가 있고 이로 인해 반응기별 성장성에 차이가 발생하게 된다. 헤마토코쿠스는 일반적으로 최적의 광량 (성장단계 : 50 ~ 100 μ E/㎡/s, 유도단계 : 150 ~ 300 μ E/㎡/s)으로 지속해서 빛을 받으며 배양되어야 하는데 옥외 시스템의 특징상 밤에는 빛을 활용하지 못하는 문제가 있다.However, the overall photoculture process of Haematococcus is divided into a growth stage (growth stage, green stage) and an induction stage (induction stage, red stage) in which high value-added substances are accumulated by applying stress (salt, light, temperature, etc.). However, since the induction stage takes at least 1.5 months, overall astaxanthin productivity is low. In addition, when cultivating in an outdoor mass culture device to produce biomass on a commercial scale, there is a difference in the amount of light irradiated to each reactor due to structural limitations even during the day when light supply is smooth, resulting in differences in growth performance for each reactor. Haematococcus generally must be cultured under continuous light at the optimal amount of light (growth stage: 50 to 100 μ E/m2/s, induction stage: 150 to 300 μ E/m2/s), but due to the characteristics of the outdoor system, There is a problem of not being able to utilize light at night.
이에 종래 헤마토코쿠스 플루비알리스 배양 기술의 문제점을 해결하기 위한 방안이 절실히 요구되고 있다. Accordingly, there is an urgent need for a method to solve the problems of conventional Haematococcus pluvialis culture technology.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 측면은 칼슘 매개 바이오광물화와, 도광판(light guide panel)과 융합된 태양전지 시스템을 도입하여 고함량의 아스타잔틴 및 오메가-3을 함유한 바이오매스를 생산하는 헤마토코쿠스 플루비알리스 배양방법을 제공하는 데 있다.The present invention is intended to solve the problems of the prior art described above. One aspect of the present invention is to introduce a solar cell system combined with calcium-mediated biomineralization and a light guide panel to produce a high content of astaxanthin and The aim is to provide a method for cultivating Haematococcus pluvialis to produce biomass containing omega-3.
또한, 본 발명의 다른 측면은 바이오광물화를 통해 생산되는 탄산칼슘을 성장단계부터 고광도의 헤마토코쿠스 배양조건에 활용하여 바이오매스와 아스타잔틴 생산성을 최대화하는 헤마토코쿠스 플루비알리스 배양방법을 제공하고자 한다.In addition, another aspect of the present invention is Haematococcus pluvialis cultivation, which maximizes biomass and astaxanthin productivity by utilizing calcium carbonate produced through biomineralization under high-light Hematococcus culture conditions from the growth stage. We would like to provide a method.
본 발명의 실시예에 따른 헤마토코쿠스 플루비알리스 배양방법은 (a) 제1 반응기 내의 제1 배양액에 이산화탄소(CO2)를 공급하여, 탄산수소 이온(HCO3 -)을 생성하는 단계; (b) 상기 이산화탄소가 공급되는 상기 제1 배양액에, 헤마토코쿠스 플루비알리스(Haematococcus pluvialis)를 접종하는 단계; 및 (c) 상기 헤마토코쿠스 플루비알리스가 접종된 상기 제1 배양액에, 칼슘 이온(Ca2 +)을 첨가하여 탄산칼슘(CaCO3)을 생성하면서, 태양전지로부터 생산된 전력에 의해 작동되는 광원을 이용해 광배양하는 단계;를 포함한다.The Haematococcus pluvialis culturing method according to an embodiment of the present invention includes the steps of (a) supplying carbon dioxide (CO 2 ) to the first culture medium in a first reactor to generate hydrogen carbonate ions (HCO 3 - ); (b) inoculating Haematococcus pluvialis into the first culture medium supplied with carbon dioxide; and (c) adding calcium ions (Ca 2+ ) to the first culture medium inoculated with Haematococcus pluvialis to generate calcium carbonate (CaCO 3 ) and operating by power generated from a solar cell. It includes the step of photoculturing using a light source.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 헤마토코쿠스 플루비알리스 배양방법에 있어서, 상기 (b) 단계에서, 상기 헤마토코쿠스 플루비알리스의 접종량은 0.2 g/L 이상일 수 있다.Additionally, in the H. pluvialis culturing method according to an embodiment of the present invention, in step (b), the inoculum amount of H. pluvialis may be 0.2 g/L or more.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 헤마토코쿠스 플루비알리스 배양방법에 있어서, 상기 (c) 단계에서 첨가되는 상기 칼슘 이온의 농도는 0.5 ~ 3.5 mM일 수 있다.Additionally, in the Haematococcus pluvialis culturing method according to an embodiment of the present invention, the concentration of the calcium ion added in step (c) may be 0.5 to 3.5 mM.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 헤마토코쿠스 플루비알리스 배양방법에 있어서, 상기 광원은, 상기 태양전지로부터 생산된 전력을 이용해 빛을 생성하는 LED; 및 상기 LED에서 생성된 상기 빛을 확산시키는 도광판(light guide panel);을 포함할 수 있다.Additionally, in the Haematococcus pluvialis culturing method according to an embodiment of the present invention, the light source includes: an LED that generates light using power generated from the solar cell; and a light guide panel that diffuses the light generated by the LED.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 헤마토코쿠스 플루비알리스 배양방법에 있어서, 상기 제1 반응기는 다수 개로, 서로 이격 배열되고, 서로 근접 배치된 어느 하나의 상기 제1 반응기와 다른 하나의 상기 제1 반응기 사이마다 상기 광원이 배치될 수 있다.In addition, in the Haematococcus pluvialis culturing method according to an embodiment of the present invention, the first reactors are plural, arranged to be spaced apart from each other, and one of the first reactors and the other one of the first reactors are arranged close to each other. The light source may be disposed between each first reactor.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 헤마토코쿠스 플루비알리스 배양방법에 있어서, 상기 (c) 단계는, 상기 칼슘 이온을 첨가하고, 20 ~ 60 μE/㎡/s의 광도로 제1 광배양하는 단계; 및 상기 제1 광배양 단계 후에, 100 ~ 150 μE/㎡/s의 광도로 제2 광배양하는 단계;를 포함할 수 있다.In addition, in the Haematococcus pluvialis culture method according to an embodiment of the present invention, step (c) includes adding the calcium ions and performing first photoculture at a light intensity of 20 to 60 μE/m2/s. steps; And after the first photo-cultivation step, a second photo-cultivation step at a light intensity of 100 to 150 μE/m2/s may be included.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 헤마토코쿠스 플루비알리스 배양방법에 있어서, 상기 제1 광배양으로 상기 헤마토코쿠스 플루비알리스의 세포 밀도가 1.0 g/L 이상에 다다를 때에, 상기 제2 광배양 단계를 수행할 수 있다.In addition, in the Hematococcus pluvialis culture method according to an embodiment of the present invention, when the cell density of the Hematococcus pluvialis reaches 1.0 g/L or more in the first photoculture, the first photoculture 2 Photoculture steps can be performed.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 헤마토코쿠스 플루비알리스 배양방법에 있어서, 상기 (c) 단계의 상기 칼슘 이온은, 상기 제1 배양액에 염화칼슘(CaCl2)이 공급되어 첨가될 수 있다.Additionally, in the Haematococcus pluvialis culturing method according to an embodiment of the present invention, the calcium ions in step (c) may be added by supplying calcium chloride (CaCl 2 ) to the first culture medium.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 헤마토코쿠스 플루비알리스 배양방법에 있어서, (d) 상기 (c) 단계에서 생성된 상기 탄산칼슘을 회수하는 단계; 및 (e) 제2 반응기 내의 제2 배양액에, 회수된 상기 탄산칼슘을 첨가하고, 상기 헤마토코쿠스 플루비알리스를 광배양하는 단계;를 더 포함할 수 있다.Additionally, in the method for cultivating Haematococcus pluvialis according to an embodiment of the present invention, (d) recovering the calcium carbonate produced in step (c); and (e) adding the recovered calcium carbonate to the second culture medium in the second reactor and photoculturing the Haematococcus pluvialis.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 헤마토코쿠스 플루비알리스 배양방법에 있어서, 상기 (e) 단계는, 100 μE/㎡/s 이상의 광도에서 광배양할 수 있다.Additionally, in the Haematococcus pluvialis culture method according to an embodiment of the present invention, step (e) may be photocultured at a light intensity of 100 μE/m2/s or more.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.The features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description based on the accompanying drawings.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Prior to this, terms or words used in this specification and claims should not be construed in their usual, dictionary meaning, and the inventor may appropriately define the concept of the term in order to explain his or her invention in the best way. It must be interpreted with meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that it is.
본 발명에 따르면, 칼슘 매개 바이오광물화 기술을 통하여 미세조류로부터 고부가가치 유용물질인 아스타잔틴과 오메가-3을 동시에 생산할 수 있으며, 태양전지에 의해 생산된 전기에너지를 활용하여 빛이 없는 조건하의 옥외 배양시스템에서도 그 생산성을 극대화할 수 있다. According to the present invention, astaxanthin and omega-3, which are high value-added useful substances, can be produced simultaneously from microalgae through calcium-mediated biomineralization technology, and electrical energy produced by solar cells can be used to produce biomineralization under conditions without light. Productivity can also be maximized in outdoor culture systems.
또한, 도광판을 활용하여, LED에서 방출되는 빛을 평면 광으로 변환하고 균일하게 높은 밝기로 확산시킬 수 있으므로, 단위면적당 배양규모를 확대할 때에 태양의 위치 변화에 따른 반응기들끼리의 가림 현상을 극복하여 반응기별 생산성 차이를 해소할 수 있고, 많은 양의 태양전지판을 설치할 필요가 없어서 경제성 측면에서 유리하다.In addition, by using a light guide plate, the light emitted from the LED can be converted into flat light and diffused uniformly with high brightness, thereby overcoming the blocking phenomenon between reactors due to changes in the position of the sun when expanding the culture scale per unit area. Thus, differences in productivity between reactors can be resolved, and there is no need to install a large amount of solar panels, which is advantageous in terms of economic efficiency.
결국, 바이오광물화와 함께 도광판을 활용한 태양전지가 융합된 시스템은 고부가가치물질인 아스타잔틴과 오메가-3를 동시에 생산할 수 있다는 측면에서 기존과 비교할 수 없는 경제적 효과를 기대할 수 있으며 동일한 면적에서 종래 광배양을 통해 저감하였던 이산화탄소량보다 더 많은 양을 저감할 수 있는 부수적인 효과도 달성할 수 있다. Ultimately, a system that combines bio-mineralization with solar cells using a light guide plate can be expected to have an economic effect that is incomparable to the existing one in that it can simultaneously produce high value-added substances astaxanthin and omega-3, and can be used in the same area. It is also possible to achieve a secondary effect of reducing a greater amount of carbon dioxide than was previously reduced through photoculture.
한편, 바이오매스뿐만 아니라 탄산칼슘을 동시에 생성하고, 이를 헤마토코쿠스의 고광도 배양에 사용하여 빛이 강한 여름철에 헤마토코쿠스의 효율적인 배양 전략으로 활용할 수 있다.Meanwhile, it produces not only biomass but also calcium carbonate at the same time, and can be used for high-light cultivation of Haematococcus as an efficient culture strategy for Haematococcus in the summer when light is strong.
도 1 내지 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 헤마토코쿠스 플루비알리스 배양방법을 도시한 모식도이다.
도 3a는 성장단계에서 주입한 CaCl2 농도별 바이오매스 농도(g/L)를 나타내는 그래프이다.
도 3b는 성장단계에서 주입한 CaCl2 농도별 아스타잔틴 함량(%)를 나타내는 그래프이다.
도 4는 3mM의 CaCl2 주입에 따른 바이오광물화를 통해 생성된 탄산칼슘의 농도(mg L-1)를 나타내는 그래프이다.
도 5는 3mM의 CaCl2 주입에 따른 배양 시작일과 최종일의 배양액에 존재하는 칼슘 농도(mM)의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 6은 3mM의 CaCl2 주입에 따른 세포외 탄산탈수소(carbonic anhydrase) 효소의 활성도(unit 106 cells-1)를 나타내는 그래프이다.
도 7은 바이오광물화를 융합한 헤마토코쿠스 플루비알리스 배양방법에서 저감되는 이산화탄소의 양(g L-1 day-1)을 나타내는 그래프이다.
도 8a는 바이오광물화가 융합된 헤마토코쿠스 플루비알리스 배양방법으로 4번의 반연속 배양을 60일 동안 진행하였을 때 사이클마다 축적되는 탄산칼슘이 바이오매스 생산(g L- 1)에 미치는 영향을 분석한 실험 결과이다.
도 8b는 바이오광물화가 융합된 헤마토코쿠스 플루비알리스 배양방법으로 4번의 반연속 배양을 60일 동안 진행하였을 때 사이클마다 축적되는 탄산칼슘이 아스타잔틴 함량(%)에 미치는 영향을 분석한 실험 결과이다.
도 9는 바이오광물화가 융합된 헤마토코쿠스 플루비알리스 배양 공정에 태양전지와 도광판을 추가로 활용한 배양방법을 도시한 모식도이다.
도 10a는 태양전지를 이용해 낮 동안 태양에너지를 전기에너지로 변환하여 축전지에 충전한 후 LED를 24시간 사용하는 동안의 전력량을 나타내는 그래프이다.
도 10b는 LED를 24시간 사용하는 동안의 태양에너지의 전류를 나타내는 그래프이다.
도 10c는 LED를 24시간 사용하는 동안의 태양전지 전압, 충전 전압, 및 부하 전압을 나타내는 그래프이다.
도 10d는 LED를 24시간 사용하는 동안의 축전지 용량을 나타내는 그래프이다.
도 11a는 헤마토코쿠스 플루비알리스 배양방법에 있어서 도광판을 반응기 사이마다 배치한 사진이다.
도 11b는 바이오광물화, LED 작동 및 도광판 설치 여부에 따른 바이오매스 생산량(g L-1)을 나타내는 그래프이다.
도 11c는 바이오광물화, LED 작동 및 도광판 설치 여부에 따른 아스타잔틴 함량(%)을 나타내는 그래프이다.
도 11d는 바이오광물화, LED 작동 및 도광판 설치 여부에 따른 오메가-3 함량(%)을 나타내는 그래프이다.
도 12는 바이오광물화, LED 및 도광판이 결합한 헤마토코쿠스 플루비알리스의 옥외배양에서 생산되는 탄산칼슘의 농도(mg L-1)를 나타내는 그래프이다.
도 13은 바이오광물화, LED 및 도광판이 결합한 헤마토코쿠스 플루비알리스의 옥외배양에서 생산되는 오메가-3 함량(%)를 나타내는 그래프이다.
도 14는 바이오광물화, LED 및 도광판이 결합한 헤마토코쿠스 플루비알리스의 옥외배양에서 생산되는 지방산을 나타내는 표이다.
도 15는 바이오광물화, LED 및 도광판이 결합한 헤마토코쿠스 플루비알리스의 옥외배양에서 생산되는 아스타잔틴 함량(%)를 나타내는 그래프이다.
도 16a는 광 공급 시간에 따른 이산화탄소 저감량, 바이오매스 생산성, 아스타잔틴 생산성을 나타내는 표이다.
도 16b는 태양광만을 사용한 경우, 낮에는 태양광을 사용하고 저녁에는 LED를 사용한 경우, 낮에는 태양광과 도광판을 사용하고 저녁에는 LED와 도광판을 함께 사용한 경우에 각각 소모되는 전기에너지, 이산화탄소 방출량 및 이산화탄소 저감량을 나타내는 표이다.
도 17a는 성장단계에서의 헤마토코쿠스 플루비알리스 배양 시 중간 광도의 빛(40 μE m-2 s- 1)을 조사하면서 다양한 농도의 탄산칼슘을 주입하였을 때의 바이오매스 생산량(g L-1)을 나타내는 그래프이다.
도 17b는 성장단계에서의 헤마토코쿠스 플루비알리스 배양 시 강한 광도의 빛(100 ~ 150 μE m-2 s- 1)을 조사하면서 다양한 농도의 탄산칼슘을 주입하였을 때의 바이오매스 생산량(g L-1)을 나타내는 그래프이다.
도 17c는 성장단계에서의 헤마토코쿠스 플루비알리스 배양 시 강한 광도의 빛(100 ~ 150 μE m-2 s- 1)을 조사하면서 다양한 농도의 탄산칼슘을 주입하였을 때의 아스타잔틴 농도(mg L-1)을 나타내는 그래프이다.
도 18a는 PPPA 시스템과 PLPA 하이브리드 시스템으로 각각 28일 동안 옥외배양한 경우의 바이오매스 생산량(g L-1)을 나타내는 그래프이다.
도 18b는 PPPA 시스템과 PLPA 하이브리드 시스템의 옥외배양 0일차, 10일차, 28일차의 아스타잔틴 함량(%)과 광합성 효율을 나타내는 그래프이다.
도 18c는 PPPA 시스템과 PLPA 하이브리드 시스템으로 각각 28일 동안 옥외배양한 경우의 총 오메가-3 및 지방산의 생산량(mg L-1), 및 총 오메가-3 및 지방산의 생산성(mg L-1 day-1)을 나타내는 그래프이다.Figures 1 and 2 are schematic diagrams showing a method for cultivating Haematococcus pluvialis according to an embodiment of the present invention.
Figure 3a is a graph showing biomass concentration (g/L) for each CaCl 2 concentration injected in the growth stage.
Figure 3b is a graph showing astaxanthin content (%) according to CaCl 2 concentration injected in the growth stage.
Figure 4 is a graph showing the concentration (mg L -1 ) of calcium carbonate produced through biomineralization according to the injection of 3mM CaCl 2 .
Figure 5 is a graph showing the change in calcium concentration (mM) present in the culture medium on the starting and final days of culture according to the injection of 3mM CaCl 2 .
Figure 6 is a graph showing the activity (unit 10 6 cells -1 ) of extracellular carbonic anhydrase enzyme according to injection of 3mM CaCl 2 .
Figure 7 is a graph showing the amount of carbon dioxide (g L -1 day -1 ) reduced in the Haematococcus pluvialis culture method incorporating biomineralization.
Figure 8a shows the effect of calcium carbonate accumulated in each cycle on biomass production (g L - 1 ) when four semi-continuous cultures were performed for 60 days using the Haematococcus pluvialis culture method incorporating biomineralization. These are the analyzed experimental results.
Figure 8b is an analysis of the effect of calcium carbonate accumulated in each cycle on astaxanthin content (%) when four semi-continuous cultures were performed for 60 days using the Haematococcus pluvialis culture method incorporating biomineralization. This is the result of the experiment.
Figure 9 is a schematic diagram showing a culture method using solar cells and a light guide plate additionally in the Haematococcus pluvialis culture process incorporating biomineralization.
Figure 10a is a graph showing the amount of power while using the LED for 24 hours after converting solar energy into electric energy during the day using a solar cell and charging it in a storage battery.
Figure 10b is a graph showing the current of solar energy while the LED is used for 24 hours.
Figure 10c is a graph showing solar cell voltage, charging voltage, and load voltage while the LED is used for 24 hours.
Figure 10d is a graph showing the storage battery capacity while the LED is used for 24 hours.
Figure 11a is a photograph of a light guide plate arranged between reactors in the Haematococcus pluvialis culture method.
Figure 11b is a graph showing biomass production (g L -1 ) depending on biomineralization, LED operation, and light guide plate installation.
Figure 11c is a graph showing astaxanthin content (%) depending on biomineralization, LED operation, and light guide plate installation.
Figure 11d is a graph showing omega-3 content (%) depending on biomineralization, LED operation, and light guide plate installation.
Figure 12 is a graph showing the concentration (mg L -1 ) of calcium carbonate produced in outdoor culture of Haematococcus pluvialis combining biomineralization, LED, and light guide plate.
Figure 13 is a graph showing the omega-3 content (%) produced in outdoor culture of Haematococcus pluvialis combining biomineralization, LED, and light guide plate.
Figure 14 is a table showing fatty acids produced in outdoor culture of Haematococcus pluvialis combined with biomineralization, LED, and light guide plate.
Figure 15 is a graph showing the astaxanthin content (%) produced in outdoor culture of Haematococcus pluvialis combining biomineralization, LED, and light guide plate.
Figure 16a is a table showing carbon dioxide reduction, biomass productivity, and astaxanthin productivity according to light supply time.
Figure 16b shows the electric energy consumed and carbon dioxide emissions when only solar light is used, when solar light is used during the day and LED is used in the evening, and when solar light and light guide plate are used during the day and LED and light guide plate are used together in the evening. and a table showing the amount of carbon dioxide reduction.
Figure 17a shows the biomass production (g L - ) when various concentrations of calcium carbonate were injected while irradiating light of medium intensity (40 μE m -2 s - 1 ) when culturing Haematococcus pluvialis in the growth stage. This is a graph showing 1 ).
Figure 17b shows the biomass production (g) when various concentrations of calcium carbonate were injected while irradiating strong light (100 to 150 μE m -2 s -1 ) when culturing Haematococcus pluvialis in the growth stage. This is a graph showing L -1 ).
Figure 17c shows the concentration of astaxanthin when various concentrations of calcium carbonate were injected while irradiating strong light (100 to 150 μE m -2 s -1 ) when culturing Haematococcus pluvialis in the growth stage ( This is a graph showing mg L -1 ).
Figure 18a is a graph showing biomass production (g L -1 ) when cultured outdoors for 28 days with the PPPA system and the PLPA hybrid system, respectively.
Figure 18b is a graph showing astaxanthin content (%) and photosynthetic efficiency on days 0, 10, and 28 of outdoor culture of the PPPA system and the PLPA hybrid system.
Figure 18c shows the production of total omega-3 and fatty acids (mg L -1 ), and the productivity of total omega-3 and fatty acids (mg L -1 day -1) when cultured outdoors for 28 days with the PPPA system and the PLPA hybrid system, respectively . This is a graph showing 1 ).
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.The objectives, specific advantages and novel features of the present invention will become more apparent from the following detailed description and preferred embodiments taken in conjunction with the accompanying drawings. In this specification, when adding reference numbers to components in each drawing, it should be noted that identical components are given the same number as much as possible even if they are shown in different drawings. Additionally, terms such as “first” and “second” are used to distinguish one component from another component, and the components are not limited by these terms. Hereinafter, in describing the present invention, detailed descriptions of related known technologies that may unnecessarily obscure the gist of the present invention will be omitted.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.
도 1 내지 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 헤마토코쿠스 플루비알리스 배양방법을 도시한 모식도이다.Figures 1 and 2 are schematic diagrams showing a method for cultivating Haematococcus pluvialis according to an embodiment of the present invention.
도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 헤마토코쿠스 플루비알리스 배양방법은, 제1 반응기 내의 제1 배양액에 이산화탄소(CO2)를 공급하여, 탄산수소 이온(HCO3 -)을 생성하는 단계, 이산화탄소가 공급되는 제1 배양액에, 헤마토코쿠스 플루비알리스(Haematococcus pluvialis)를 접종하는 단계, 및 헤마토코쿠스 플루비알리스가 접종된 제1 배양액에, 칼슘 이온(Ca2 +)을 첨가하여 탄산칼슘(CaCO3)을 생성하면서, 태양전지로부터 생산된 전력에 의해 작동되는 광원을 이용해 광배양하는 단계를 포함한다.As shown in Figures 1 and 2, the Haematococcus pluvialis culture method according to an embodiment of the present invention supplies carbon dioxide (CO 2 ) to the first culture medium in the first reactor to produce hydrogen carbonate ions ( Step of producing HCO 3 - ), in the first culture medium supplied with carbon dioxide, Haematococcus pluvialis ( Haematococcus pluvialis ), and adding calcium ions (Ca 2+ ) to the first culture medium inoculated with Haematococcus pluvialis to generate calcium carbonate (CaCO 3 ), and using the power produced from the solar cell. It includes the step of photoculturing using a light source operated by.
본 발명은 미세조류인 헤마토코쿠스 플루비알리스(Haematococcus pluvialis)를 배양하여 오메가-3 지방산 및 아스타잔틴을 동시에 생산하고 그 생산성을 향상시키는 기술에 관한 것이다. 종래에는 헤마토코쿠스 플루비알리스로부터 아스타잔틴과 오메가-3를 생산하는 방법이 달랐고, 그 생산성도 매우 낮았는바, 이에 대한 문제 해결방안으로서 본 발명이 안출되었다.The present invention relates to the microalgae Haematococcus pluvialis ( Haematococcus pluvialis ) to simultaneously produce omega-3 fatty acids and astaxanthin and improve their productivity. Previously, the method of producing astaxanthin and omega-3 from Haematococcus pluvialis was different, and the productivity was very low, so the present invention was developed as a solution to this problem.
구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 헤마토코쿠스 플루비알리스 배양방법은, 이산화탄소 공급 단계, 헤마토코쿠스 플루비알리스 접종 단계, 및 칼슘 이온 첨가 및 광배양 단계를 포함한다. Specifically, the H. pluvialis culturing method according to an embodiment of the present invention includes a carbon dioxide supply step, a H. pluvialis inoculation step, and calcium ion addition and photoculture steps.
이산화탄소 공급 단계는 미세조류인 헤마토코쿠스 플루비알리스를 광배양하기 위해서 제1 배양액에 이산화탄소를 공급하는 공정이다. 여기서, 제1 배양액은 소정의 반응기에 채워질 수 있다. 또한, 제1 배양액은 헤마토코쿠스 플루비알리스의 생장을 가능하게 하는 한 특별한 제한은 없고, 일례로 탄소 결핍 자가영양 배지(autotrophic medium)를 사용할 수 있다. 이산화탄소 공급은 4 ~ 6 %(v/v) 이산화탄소가 포함된 공기(air)를 공급하거나, CO2 인큐베이터를 이용할 수 있다. 또한, 발전소 등의 산업시설로부터 배출되는 이산화탄소 함유 배기가스를 배양액에 공급할 수도 있다. 이렇게 이산화탄소가 배양액에 공급되면, 물과 이산화탄소가 반응하므로 수소 이온과 탄산수소 이온(HCO3 -)이 생성된다. 이산화탄소의 공급은 일시적, 또는 지속적으로 이루어질 수 있다. 따라서, 후술하는 칼슘 이온 첨가 및 광배양 단계(S400)에까지 이산화탄소가 계속적으로 공급될 수 있다.The carbon dioxide supply step is a process of supplying carbon dioxide to the first culture medium to photoculture the microalgae Haematococcus pluvialis. Here, the first culture medium may be filled into a predetermined reactor. In addition, the first culture medium is not particularly limited as long as it enables the growth of Haematococcus pluvialis, and for example, a carbon-deficient autotrophic medium can be used. Carbon dioxide can be supplied by supplying air containing 4 to 6% (v/v) carbon dioxide, or by using a CO 2 incubator. Additionally, carbon dioxide-containing exhaust gas emitted from industrial facilities such as power plants can be supplied to the culture medium. When carbon dioxide is supplied to the culture medium, water and carbon dioxide react to produce hydrogen ions and hydrogen carbonate ions (HCO 3 - ). The supply of carbon dioxide can be temporary or continuous. Therefore, carbon dioxide can be continuously supplied until the calcium ion addition and photoculture step (S400), which will be described later.
헤마토코쿠스 플루비알리스 접종 단계에서는 이산화탄소가 공급된 제1 배양액에 헤마토코쿠스 플루비알리스를 접종한다. 헤마토코쿠스 플루비알리스는 항산화 효과가 우수하고 생체 활성이 있는 산물로서 아스타잔틴을 생성하는 미세조류이다. 헤마토코쿠스 플루비알리스 세포는 영양분이 풍부하고 낮은 광 조건에서는 세포 분열이 주로 일어나며, 영양분이 고갈되고 높은 광 스트레스를 받을 때에 세포 내부에 항산화성이 높은 카로테노이드인 아스타잔틴이 2차 대사산물로서 축적된다. 카로테노이드는 보통 성장단계(growth stage)에서는 낮은 수준이지만, 유도단계(induction stage)에서 그 함량이 점차 증가하는 것으로 알려져 있다. In the Haematococcus pluvialis inoculation step, Haematococcus pluvialis is inoculated into the first culture medium supplied with carbon dioxide. Haematococcus pluvialis is a microalgae that has excellent antioxidant effects and produces astaxanthin as a bioactive product. Haematococcus pluvialis cells are rich in nutrients and cell division mainly occurs under low light conditions, and when nutrients are depleted and high light stress occurs, astaxanthin, a carotenoid with high antioxidant properties, is produced as a secondary metabolite inside the cells. It is accumulated as. Carotenoids are usually at a low level in the growth stage, but their content is known to gradually increase in the induction stage.
여기서, 헤마토코쿠스 플루비알리스의 접종량은 0.2g/L 이상이 적절하다. 왜냐하면, 접종량이 0.2 g/L 미만일 때에는 후술하는 바이오광물화를 위한 칼슘 이온 주입 시 성장성이 저해될 수 있기 때문이다.Here, the appropriate inoculation amount of Haematococcus pluvialis is 0.2 g/L or more. This is because, when the inoculum amount is less than 0.2 g/L, growth potential may be impaired when calcium ions are injected for biomineralization, which will be described later.
칼슘 이온 첨가 및 광배양 단계에서는 칼슘 이온(Ca2 +)의 첨가를 통해 바이오광물화를 유도하면서, 광배양한다. 헤마토코쿠스 플루비알리스는 탄산탈수소 효소(Carbon Anhydrase, CA)를 가지는데, CA는 물과 이산화탄소가 반응하여 수소 이온과 탄산수소 이온을 생성하는 반응의 촉매제로 작용한다. 여기서, 이산화탄소 공급 단계에서 생성된 탄산수소 이온과 제1 배양액에 첨가된 칼슘 이온이 반응하여 탄산칼슘(CaCO3)을 생성하게 된다. In the calcium ion addition and photoculture step , biomineralization is induced through the addition of calcium ions (Ca 2+ ) and photoculture is performed. Haematococcus pluvialis has Carbon Anhydrase (CA), which acts as a catalyst for the reaction where water and carbon dioxide react to produce hydrogen ions and hydrogen carbonate ions. Here, the hydrogen carbonate ions generated in the carbon dioxide supply step and the calcium ions added to the first culture medium react to produce calcium carbonate (CaCO 3 ).
바이오광물화를 유도하기 위한 칼슘 이온은 염화칼슘(CaCl2)을 공급함으로써 주입될 수 있다. 다만, 칼슘 이온을 주입하기 위해서 반드시 염화칼슘을 공급해야 하는 것은 아니고, Ca(OH)2, Ca(NO3)2·4H2O, Ca(CH3COO)2·H2O, CaSO4·2H2O 등과 같이 배양액에 용해되어 칼슘 이온을 공급할 수 있는 공지의 모든 칼슘염을 사용할 수 있다. 이때, 첨가되는 칼슘 이온의 농도는 바이오매스, 아스타잔틴 및 오메가-3의 생산성에 영향을 미치므로, 그 농도는 0.5 ~ 3.5 mM, 바람직하게는 2.5 ~ 3.5 mM이 적절하다. Calcium ions to induce biomineralization can be injected by supplying calcium chloride (CaCl 2 ). However, it is not necessary to supply calcium chloride to inject calcium ions, and Ca(OH) 2 , Ca(NO 3 ) 2 ·4H 2 O, Ca(CH 3 COO) 2 ·H 2 O, CaSO 4 ·2H All known calcium salts that can supply calcium ions by dissolving in the culture medium, such as 2O , can be used. At this time, since the concentration of added calcium ions affects the productivity of biomass, astaxanthin, and omega-3, the appropriate concentration is 0.5 to 3.5 mM, preferably 2.5 to 3.5 mM.
한편, 광배양 공정은 성장단계, 및 유도단계에 따라 서로 다른 광도 조건에서 이루어질 수 있다. 세포분열이 주로 일어나는 성장단계에서는 20 ~ 60 μE/㎡/s의 광도로 제1 광배양하고, 아스타잔틴이 축적되는 유도단계에서는 100 ~ 150 μE/㎡/s의 광도로 제2 광배양할 수 있다. 여기서, 칼슘 이온은 성장단계(제1 광배양 단계)에서 주입될 수 있다. 성장단계에서 유도단계로의 진입은 헤마토코쿠스 플루비알리스의 형태적 변화 내지 배양액 내 질소원 고갈 여부로서 판단할 수 있다. 또한, 배양액 내 헤마토코쿠스 플루비알리스의 세포 밀도가 1.0 g/L 이상일 때에 유도단계를 진행할 수 있으므로, 칼슘 이온을 첨가하고 제1 광배양으로 헤마토코쿠스 플루비알리스의 세포 밀도가 1.0 g/L 이상에 다다를 때에, 상기 광도로 제2 광배양 단계를 수행할 수 있다.Meanwhile, the photoculture process may be performed under different light intensity conditions depending on the growth stage and induction stage. In the growth stage, when cell division mainly occurs, the first photoculture is performed at a light intensity of 20 to 60 μE/m2/s, and in the induction stage when astaxanthin accumulates, the second photoculture is performed at a light intensity of 100 to 150 μE/m2/s. You can. Here, calcium ions can be injected in the growth stage (first photoculture stage). Entry from the growth stage to the induction stage can be judged by morphological changes in Haematococcus pluvialis or depletion of nitrogen sources in the culture medium. In addition, the induction step can be performed when the cell density of Haematococcus pluvialis in the culture medium is 1.0 g/L or more, so calcium ions are added and the cell density of Haematococcus pluvialis is 1.0 through the first photoculture. When reaching g/L or more, a second photoculture step can be performed at the above light intensity.
칼슘 이온을 첨가하는 경우에 탄산칼슘과 물이 생성되므로 배양액의 pH가 감소하게 되고, 이산화탄소가 용해되어 탄산수소 이온과 수소 이온이 지속적으로 생성되므로, pH가 3 ~ 4.5 정도로 감소하게 된다. 바이오광물화는 pH 7.5 ~ 8.5, 바람직하게는 pH 7.7 ~ 8.0에서 진행되므로, 배양액에 염기성 용액을 첨가하여 배양액의 pH를 7.5 ~ 8.5로 유지할 수 있다. 여기서, 염기성 용액으로는 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 암모니아(NH4OH), 수산화칼슘(Ca(OH)2), 및 수산화마그네슘(Mg(OH)2)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상이 용해된 용액일 수 있다. When calcium ions are added, calcium carbonate and water are produced, so the pH of the culture medium decreases. Carbon dioxide is dissolved and hydrogen carbonate ions and hydrogen ions are continuously produced, so the pH decreases to about 3 to 4.5. Since biomineralization proceeds at pH 7.5 to 8.5, preferably pH 7.7 to 8.0, the pH of the culture medium can be maintained at 7.5 to 8.5 by adding a basic solution to the culture medium. Here, the basic solution is selected from the group consisting of sodium hydroxide (NaOH), potassium hydroxide (KOH), ammonia (NH 4 OH), calcium hydroxide (Ca(OH) 2 ), and magnesium hydroxide (Mg(OH) 2 ). Any one or more may be dissolved in a solution.
한편, 광배양은 태양전지로부터 생산된 전력에 의해 작동되는 광원을 이용하여 수행된다. 태양전지는 태양에너지를 전기에너지로 변환하는 장치로서, 태양전지판을 구성하여 태양광 발전에 활용된다. 특히, 옥외배양의 경우, 밤에는 태양광을 사용하지 못하므로, 태양전지에서 생산된 전기에너지를 활용하여 광배양을 할 수 있다. 본 발명에 따른 광원은 태양전지로부터 생산된 전력으로 이용해 빛을 생성하는 LED를 사용할 수 있다. 이때, 태양전지로부터 생산된 전기에너지는 축전기에 저장되고, LED는 축전기에 저장된 전기에너지를 전원으로 사용할 수 있다. 다만, 태양전지로부터 전기에너지를 생산하기 위해서는 초기 시스템을 구축에 고비용이 소요되고, 옥외배양 전체를 운용하는데 한계가 있으므로, 본 발명에 따른 광원은 LED에 추가적으로 도광판(light guide panel, LGP)을 사용할 수 있다. 도광판은 LED에서 생성된 빛을 확산시키는 부재로서, 내부에 특수 가공을 통해 형성된 미세 패턴을 구비함으로써, 빛의 산란을 유도한다. 다수의 제1 반응기가 배열된 대규모 옥외배양 시, 그 반응기마다 LED를 이용해 빛을 조사하기 위해서는 대규모의 전기에너지를 생산할 수 있는 태양광 발전 시스템이 구축되어야 하지만, 도광판을 통해 LED에서 생성된 빛을 균일하게 반응기에 조사할 수 있으므로, 태양광 발전 시스템 구축에 필요한 비용을 줄일 수 있고, 태양의 위치 변화에 따라 반응기들끼리의 가림 현상으로 인해 반응기별로 생산성에 차이가 발생하는 것을 방지 내지 최소화할 수 있다.Meanwhile, photoculture is performed using a light source operated by power generated from solar cells. A solar cell is a device that converts solar energy into electrical energy and is used for solar power generation by forming a solar panel. In particular, in the case of outdoor culture, sunlight cannot be used at night, so light culture can be performed using the electrical energy produced by solar cells. The light source according to the present invention can use an LED that generates light using power generated from a solar cell. At this time, the electric energy produced from the solar cell is stored in the capacitor, and the LED can use the electric energy stored in the capacitor as a power source. However, in order to produce electrical energy from solar cells, high costs are required to build the initial system and there are limitations in operating the entire outdoor culture, so the light source according to the present invention uses a light guide panel (LGP) in addition to LED. You can. The light guide plate is a member that diffuses the light generated by the LED, and has a fine pattern formed inside it through special processing to induce scattering of light. In the case of large-scale outdoor culture with multiple first reactors arranged, a solar power generation system capable of producing large-scale electrical energy must be built in order to irradiate light using LEDs for each reactor, but the light generated from LEDs must be transmitted through a light guide plate. Since the reactor can be irradiated uniformly, the cost required to build a solar power generation system can be reduced, and differences in productivity between reactors due to the blocking phenomenon between reactors due to changes in the sun's position can be prevented or minimized. there is.
도 2를 참고로, 다수의 반응기(PBR)가 서로 배열되는 대규모 옥외배양 시, 반응기 어레이에서 어느 하나의 반응기가 다른 반응기를 가리는 가림 현상(shading effect)이 발생하는바, 이를 해결하기 위하여 본 발명의 다른 실시예(PLPA 시스템)로서, 다수 개의 제1 반응기가 서로 이격 배열되고, 서로 근접 배치된 어느 하나의 제1 반응기와 다른 하나의 제1 반응기 사이마다 LED 및 도광판으로 구성된 광원을 배치할 수 있다. 여기서, 서로 근접 배치된 하나의 제1 반응기와 다른 하나의 제1 반응기 사이는, 서로 근접 배치된 어느 하나의 제1 반응기의 열과 다른 하나의 제2 반응기의 열 사이를 포함한다. Referring to FIG. 2, during large-scale outdoor culture in which multiple reactors (PBRs) are arranged together, a shading effect occurs in which one reactor obscures another reactor in the reactor array. To solve this problem, the present invention As another embodiment (PLPA system), a plurality of first reactors are arranged spaced apart from each other, and a light source composed of an LED and a light guide plate can be placed between one first reactor and the other first reactor arranged close to each other. there is. Here, the distance between one first reactor and the other first reactor arranged close to each other includes between the row of one first reactor and the row of the other second reactor arranged close to each other.
한편, 칼슘 이온 첨가 및 광배양 단계를 통해 고함량의 아스타잔틴 및 오메가-3가 헤마토코쿠스 플루비알리스 세포에 축적되면, 헤마토코쿠스 플루비알리스를 탄산칼슘과 분리하여 회수할 수 있다. 여기서, 헤마토코쿠스 플루비알리스와 탄산칼슘은 밀도차이에 의해 분리될 수 있다. 예를 들어, 원심분리기를 이용하여 헤마토코쿠스 플루비알리스와 탄산칼슘을 분리할 수 있다. 이때, 탄산칼슘은 졀정화된 상태로 존재하기 때문에 추가적인 화학물질의 주입 없이도 쉽게 분리가 가능하다.On the other hand, when a high content of astaxanthin and omega-3 accumulate in H. pluvialis cells through the addition of calcium ions and the photoculture step, H. pluvialis can be separated from calcium carbonate and recovered. there is. Here, Haematococcus pluvialis and calcium carbonate can be separated by density difference. For example, Haematococcus pluvialis and calcium carbonate can be separated using a centrifuge. At this time, since calcium carbonate exists in a crystallized state, it can be easily separated without the injection of additional chemicals.
탄산칼슘이 회수되면, 제2 반응기 내의 제2 배양액에, 회수된 탄산칼슘을 첨가하여 헤마토코쿠스 플루비알리스를 광배양할 수 있다. 여기서, 탄산칼슘은 성장단계에서 첨가될 수 있고, 100 μE/㎡/s 이상의 고광도에서 광배양될 수 있다. 탄산칼슘은 이방성 특성을 가지므로, 강한 빛을 산란시켜 특정 영역에만 가해지던 강한 빛을 모든 영역의 세포에 골고루 조사될 수 있게 한다. 이러한 탄산칼슘을 이용한 고광도 배양은 특히 빛이 강한 여름철 헤마토코쿠스 플루비알리스 배양 전략으로 활용할 수 있다.When calcium carbonate is recovered, Haematococcus pluvialis can be photo-cultured by adding the recovered calcium carbonate to the second culture medium in the second reactor. Here, calcium carbonate can be added at the growth stage and photocultured at high light intensity of 100 μE/m2/s or more. Because calcium carbonate has anisotropic properties, it scatters strong light, allowing strong light that was only applied to a specific area to be evenly irradiated to cells in all areas. This high-light culture using calcium carbonate can be used as a culture strategy for Haematococcus pluvialis, especially in summer when light is strong.
이하에서는 실험예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through experimental examples.
실험예 1. 광합성 생물 반응과 광물화 공정을 위한 구성 요소들의 제작 과정Experimental Example 1. Manufacturing process of components for photosynthetic biological reaction and mineralization process
이산화탄소가 용해될 수 있는 양을 최대화하고 바이오광물화를 위해 5% 이산화탄소를 함유한 가스를 직접 배양액 내에 공급해야 하므로 500mL(가로: 5cm, 높이: 60cm) 매스실린더 8개를 준비하였다.To maximize the amount of carbon dioxide that can be dissolved and to supply gas containing 5% carbon dioxide directly into the culture medium for biomineralization, eight 500mL (width: 5cm, height: 60cm) mass cylinders were prepared.
실험예 2. 구성 요소들의 세부 제작 과정Experimental Example 2. Detailed manufacturing process of components
준비된 매스실린더의 주입구를 막고 가스 주입과 샘플링을 할 수 있기 위해 실리콘 재질의 다용도 입/출구를 사용하였다. 가스 라인과 샘플링 라인을 설치하기 위해 실리콘 재질의 다용도 입/출구에 2~3mm의 구멍을 내고 2개의 테플론 튜브를 매스실린더 높이에 맞게 절단하여 만들어진 구멍 안으로 넣어주었다. 가스가 공급되는 테플론 튜브의 하단에는 stone 스파저를 연결하여 이산화탄소가 5% 포함된 에어(air)를 공급하였다. A multi-purpose inlet/outlet made of silicone was used to block the inlet of the prepared mass cylinder and allow gas injection and sampling. To install the gas line and sampling line, a 2-3mm hole was made in the multi-purpose inlet/outlet made of silicone, and two Teflon tubes were cut to match the height of the mass cylinder and inserted into the created hole. A stone sparger was connected to the bottom of the Teflon tube through which gas was supplied, and air containing 5% carbon dioxide was supplied.
실험예 3. 미세조류 광배양 과정Experimental Example 3. Microalgae photoculture process
배지는 NIES-C를 사용하였으며 450ml 씩 매스실린더에 주입한 후 에어레이션(aeration)을 진행하였다. 이후 10mM의 KOH를 주입한 후 pH를 7.5 ~ 8 사이로 설정하였다. 이는 KOH의 완충 효과로 이산화탄소가 지속적으로 공급되어도 pH가 7.5에서 8 사이로 유지되게 하기 위한 것이다. 미세조류는 Haematococcus pluvialis를 사용하였으며 초기 접종량은 바이오매스 기준 0.2 g L- 1으로 하였으며 매스실린더에서 각각 6 ~ 8일간의 성장단계에서는 40 μ E m-2 s- 1으로, 10 ~ 12일간의 유도단계에서는 100 ~ 150 μ E m-2 s- 1으로 빛을 조사하였다. 매스실린더의 최종 배양 부피는 500mL로 하였다.NIES-C was used as the medium, and 450 ml each was injected into the mass cylinder and aeration was performed. Afterwards, 10mM KOH was injected and the pH was set between 7.5 and 8. This is to ensure that the pH is maintained between 7.5 and 8 even when carbon dioxide is continuously supplied due to the buffering effect of KOH. Microalgae are Haematococcus pluvialis was used, and the initial inoculation amount was 0.2 g L - 1 based on biomass, and in the mass cylinder, it was 40 μE m -2 s - 1 in the growth stage of 6 to 8 days, and 100 to 100 μE m -2 s - 1 in the induction stage of 10 to 12 days. Light was irradiated at 150 μE m -2 s -1 . The final culture volume of the mass cylinder was 500 mL.
실험예 4. 성장단계(Growth stage)에서의 바이오매스 공정Experimental Example 4. Biomass process in growth stage
조건마다 2개의 매스실린더를 사용하였으며, 우선 셀을 접종함과 동시에 빠른 시간 안에 바이오광물화를 유도하기 위해 최적의 CaCl2 농도를 찾기 위한 실험을 진행하였다. 최적의 CaCl2 농도를 찾기 위해 매스실린더에서 1mM부터 4mM까지 넣어주면서 바이오광물화를 진행하고, 16일 동안 배양하였고, 그 결과를 도 3a 내지 도 3b에 나타냈다. 도 3a는 성장단계에서 주입한 CaCl2 농도별 바이오매스 농도(g/L)를 나타내는 그래프이고, 도 3b는 성장단계에서 주입한 CaCl2 농도별 아스타잔틴 함량(%)를 나타내는 그래프이다.Two mass cylinders were used for each condition, and experiments were conducted to find the optimal CaCl 2 concentration to induce biomineralization in a short time while inoculating cells. To find the optimal CaCl 2 concentration, biomineralization was performed by adding 1mM to 4mM in a mass cylinder and cultured for 16 days, and the results are shown in Figures 3A to 3B. Figure 3a is a graph showing biomass concentration (g/L) by CaCl 2 concentration injected in the growth stage, and Figure 3b is a graph showing astaxanthin content (%) by CaCl 2 concentration injected in the growth stage.
실험 결과, 3mM에서 가장 높은 바이오매스 농도(biomass concentration, g L-1)을 가진다는 것을 확인하였고, 그 이상 주입할 경우 오히려 성장에 저해가 된다는 것 역시 확인할 수 있었다(도 3a 참고). 또한, 아스타잔틴 함량 또한 3 mM CaCl2를 주입하여 바이오광물화를 진행하였을 때 가장 높았다(도 3b 참조). 성장단계(growth stage)에서의 광물화를 진행하기 위해 CaCl2를 주입해본 결과 초기 농도가 낮으면 1mM에서조차 성장성이 저해된다는 것을 통해 초기 헤마토코쿠스 농도는 최소 0.2 g L-1 이상이어야 한다는 걸 알 수 있었다. As a result of the experiment, it was confirmed that the highest biomass concentration (g L -1 ) was found at 3mM, and it was also confirmed that injection beyond that inhibited growth (see Figure 3a). In addition, the astaxanthin content was also highest when biomineralization was performed by injecting 3 mM CaCl 2 (see Figure 3b). When CaCl 2 was injected to proceed with mineralization in the growth stage, growth was inhibited even at 1mM when the initial concentration was low, showing that the initial hematococcus concentration should be at least 0.2 g L -1 or more. Could know.
또한, 탄산칼슘이 헤마토코쿠스 플루비알리스로부터 생산되는지를 확인하기 위하여, CaCl2를 주입하지 않고 헤마코토쿠스 플루비알리스를 배양한 경우 및 헤마토코쿠스 플루비알리스를 접종하지 않은 배양액과 접종한 배양액에 각각 3mM CaCl2를 주입한 경우의 탄산칼슘 농도 및 그 변화를 측정하고, 그 결과를 도 4 및 5에 나타냈다. 도 4는 3mM의 CaCl2 주입에 따른 바이오광물화를 통해 생성된 탄산칼슘의 농도(mg L- 1)를 나타내는 그래프이고, 도 5는 3mM의 CaCl2 주입에 따른 배양 시작일과 최종일의 배양액에 존재하는 칼슘 농도(mM)의 변화를 나타내는 그래프이다. In addition, in order to confirm whether calcium carbonate is produced from H. pluvialis, when H. pluvialis was cultured without injecting CaCl 2 and when H. pluvialis was not inoculated, the culture medium was Calcium carbonate concentration and its change were measured when 3mM CaCl 2 was injected into each of the inoculated cultures, and the results are shown in Figures 4 and 5. Figure 4 is a graph showing the concentration (mg L - 1 ) of calcium carbonate produced through biomineralization according to the injection of 3mM CaCl 2 , and Figure 5 is a graph showing the concentration in the culture medium on the start and last days of culture according to the injection of 3mM CaCl 2 This is a graph showing the change in calcium concentration (mM).
3mM의 CaCl2 주입하고 헤마토코쿠스를 배양한 경우에 생산된 탄산칼슘 농도는 20.85mg L-1이었다. 바이오광물화를 시키지 않고 헤마토코쿠스 배양을 진행하였을 때의 탄산칼슘의 농도를 측정해본 결과 3.4mg L- 1으로 거의 존재하지 않았다. 또한, 헤마토코쿠스 접종을 하지 않은 배양액을 가지고 3mM CaCl2를 주입하여 바이오광물화를 유도하였을 때 탄산칼슘의 농도는 1.0mg L- 1으로 나타났다. 그 결과를 종합하면, 헤마토코쿠스로부터 바이오광물화가 부분적으로 발생하여 탄산칼슘이 생성되는 것을 확인할 수 있었다(도 4 참조). 칼슘 농도의 변화가 없는 헤마토코쿠스 배양액과 다르게 바이오광물화된 헤마토코쿠스의 칼슘 농도를 측정하였을 때도 3.64 mM에서 3.39 mM로 생산되는 탄산칼슘의 농도만큼 감소하는 것을 확인할 수 있었다(도 5 참조). When 3mM CaCl 2 was injected and Haematococcus was cultured, the concentration of calcium carbonate produced was 20.85 mg L -1 . When the concentration of calcium carbonate was measured when Haematococcus culture was performed without biomineralization, it was almost non-existent at 3.4 mg L - 1 . Additionally, when biomineralization was induced by injecting 3mM CaCl 2 into a culture medium without Haematococcus inoculation, the concentration of calcium carbonate was found to be 1.0 mg L - 1 . Summarizing the results, it was confirmed that biomineralization partially occurred from Haematococcus and calcium carbonate was produced (see Figure 4). Unlike the Haematococcus culture medium in which there was no change in calcium concentration, when the calcium concentration of biomineralized Haematococcus was measured, it was confirmed that the concentration of calcium carbonate produced decreased from 3.64mM to 3.39mM (Figure 5 reference).
도 6은 3mM의 CaCl2 주입에 따른 세포외 탄산탈수소(carbonic anhydrase) 효소의 활성도(unit 106 cells-1)를 나타내는 그래프이고, 도 7은 바이오광물화를 융합한 헤마토코쿠스 플루비알리스 배양방법에서 저감되는 이산화탄소의 양(g L-1 day-1)을 나타내는 그래프이다.Figure 6 is a graph showing the activity of extracellular carbonic anhydrase enzyme (unit 10 6 cells -1 ) according to injection of 3mM CaCl 2 , and Figure 7 is a graph showing Haematococcus pluvialis fused with biomineralization. This is a graph showing the amount of carbon dioxide (g L -1 day -1 ) reduced in the culture method.
도 6을 참고로, 바이오광물화는 세포외 탄산탈수소(carbonic anhydrase) 효소에 의해 이산화탄소가 탄산수소 이온으로 빠르게 전환되어 유도되는데 바이오광물화가 실제로 CaCl2를 주입하였을 때 높은지를 확인해본 결과 CaCl2를 주입하지 않았을 때보다 137배 높았으며, 이산화탄소 고정 효율도 46.3% 우수하다는 것을 확인하였다 (도 7 참조).Referring to Figure 6, biomineralization is induced by the rapid conversion of carbon dioxide into hydrogen carbonate ions by the extracellular carbonic anhydrase enzyme. As a result of checking whether biomineralization was actually high when CaCl 2 was injected, it was found that CaCl 2 It was confirmed that it was 137 times higher than when not injected, and the carbon dioxide fixation efficiency was 46.3% superior (see Figure 7).
실험예 5. 헤마토코쿠스 플루비알리스의 바이오광물화 반연속 공정 Experimental Example 5. Semi-continuous process of biomineralization of Haematococcus pluvialis
도 8a는 바이오광물화가 융합된 헤마토코쿠스 플루비알리스 배양방법으로 4번의 반연속 배양을 60일 동안 진행하였을 때 사이클마다 축적되는 탄산칼슘이 바이오매스 생산(g L-1)에 미치는 영향을 분석한 실험 결과이고, 도 8b는 바이오광물화가 융합된 헤마토코쿠스 플루비알리스 배양방법으로 4번의 반연속 배양을 60일 동안 진행하였을 때 사이클마다 축적되는 탄산칼슘이 아스타잔틴 함량(%)에 미치는 영향을 분석한 실험 결과이다.Figure 8a shows the effect of calcium carbonate accumulated in each cycle on biomass production (g L -1 ) when four semi-continuous cultures were performed for 60 days using the Haematococcus pluvialis culture method incorporating biomineralization. This is the result of the analyzed experiment, and Figure 8b shows the astaxanthin content (%) of calcium carbonate accumulated in each cycle when four semi-continuous cultures were performed for 60 days using the Haematococcus pluvialis culture method incorporating biomineralization. This is the result of an experiment analyzing the effect on .
배양에 공급되는 대부분의 이산화탄소는 배양액 내에 탄산수소 이온으로 존재하므로 이산화탄소 저감을 위해서는 특히 스케일업 측면에서 배양액의 재사용이 필수적이다. 이를 위해 바이오광물화 공정을 4배치 진행을 하였을 때, 2번째 배양부터 헤마토코쿠스의 바이오매스 손실이 발생하는 것을 확인할 수 있었으며 이는 4번째 배양 후 손실이 30.1%까지 발생하는 걸 알 수 있었다(도 8a 참조). 아스타잔틴 함량 역시 탄산칼슘을 제거하였을 때 24% 이상 증가하는 것을 확인하였다(도 8b 참조). 생산된 탄산칼슘은 배양 후 분리하여 고광도 조건에서의 헤마토코쿠스 배양(실험예 8)에 활용하였다.Most of the carbon dioxide supplied to the culture exists as hydrogen carbonate ions in the culture medium, so reusing the culture medium is essential to reduce carbon dioxide, especially in terms of scale-up. For this purpose, when the biomineralization process was performed in 4 batches, it was confirmed that biomass loss of Haematococcus occurred from the 2nd culture, and the loss occurred up to 30.1% after the 4th culture ( see Figure 8a). It was confirmed that the astaxanthin content also increased by more than 24% when calcium carbonate was removed (see Figure 8b). The produced calcium carbonate was separated after culturing and used for culturing Haematococcus under high-light conditions (Experimental Example 8).
실험예 6. 태양전지와 도광판이 융합된 헤마토코쿠스 플루비알리스의 바이오광물화 공정Experimental Example 6. Biomineralization process of Haematococcus pluvialis with solar cell and light guide plate fused
헤마토코쿠스를 대량배양하기 위해 옥외에서 비닐 소재 광생물반응기를 활용하여 배양할 경우 일정한 빛을 공급하는 데 한계가 발생한다. 시간에 따른 빛의 세기가 바뀌며 저녁에는 빛의 공급이 중단되기 때문에, 배양 기간이 길어지며 일정한 아스타잔틴을 함유한 바이오매스를 지속해서 생산하는 것이 어려웠다. 또한, 대량배양 시스템상 반응기들끼리 가림 현상이 발생하여 모든 반응기에 같은 광량이 빛을 조사하는 것 또한 어려워 동일 배치 생산을 진행하기도 곤란했다. 따라서, 태양광이 안정적으로 공급되는 시간(09시 ~ 16시)에 태양전지를 활용하여 전기를 저장하여 24시간 LED를 활용하여 소모되는 전기 비용 없이 빛을 공급할 수 있는 시스템을 도 9와 같이 구축하였다. 도 9는 바이오광물화가 융합된 헤마토코쿠스 플루비알리스 배양 공정에 태양전지와 도광판을 추가로 활용한 배양방법을 도시한 모식도이고, 도 10a는 태양전지를 이용해 낮 동안 태양에너지를 전기에너지로 변환하여 축전지에 충전한 후 LED를 24시간 사용하는 동안의 전력량을 나타내는 그래프, 도 10b는 LED를 24시간 사용하는 동안의 태양에너지의 전류를 나타내는 그래프, 도 10c는 LED를 24시간 사용하는 동안의 태양전지 전압, 충전 전압, 및 부하 전압을 나타내는 그래프, 도 10d는 LED를 24시간 사용하는 동안의 축전지 용량을 나타내는 그래프이다.When cultivating Haematococcus outdoors using a vinyl photobioreactor to mass-culture, there are limitations in supplying constant light. Because the intensity of light changes over time and the supply of light is cut off in the evening, the cultivation period is prolonged and it is difficult to continuously produce biomass containing a certain amount of astaxanthin. In addition, in the mass culture system, reactors were obscured from each other, making it difficult to irradiate the same amount of light to all reactors, making it difficult to produce the same batch. Therefore, a system was built as shown in Figure 9 that stores electricity using solar cells during the time when sunlight is stably supplied (09:00 to 16:00) and uses LEDs 24 hours a day to supply light without consuming electricity costs. did. Figure 9 is a schematic diagram showing a culture method using solar cells and a light guide plate additionally in the Haematococcus pluvialis culture process incorporating biomineralization, and Figure 10a shows solar energy converted into electrical energy during the day using solar cells. A graph showing the amount of power while the LED is used for 24 hours after conversion and charging in the storage battery. Figure 10b is a graph showing the current of solar energy while the LED is used for 24 hours. Figure 10c is a graph showing the current of solar energy while the LED is used for 24 hours. 10D, a graph showing the solar cell voltage, charging voltage, and load voltage, is a graph showing the storage battery capacity while the LED is used for 24 hours.
도 10a 내지 도 10d과 같이 저녁 동안 태양에너지가 없어 충전 전력, 충전 전류는 ‘0’에 다다르고 축전지 용량은 낮 동안 저장한 에너지가 충분하여 24시간 사용하기에 적합하며 낮 동안 태양에너지를 끌어오므로 최대에 도달했다. 또한, 부하 전력, 부하 전류, 태양전지 전압, 충전 전압 그리고 부하 전압은 계속 작동되고 있으므로 떨어지지 않고 일정했다. 그리고 낮 동안 태양전지를 통해 태양에너지를 전기에너지로 변환하여 축전지에 에너지를 저장하면서 24시간 LED의 전원을 켜면 에너지가 LED에 사용되므로 저녁 동안 용량은 많이 떨어졌다. 이때 LED는 0에 다다르지 않고 약 10 ~ 15 mAh까지 다다르는 것을 볼 수 있는데 이것은 축전지에 저장된 전기에너지가 충분하다는 것을 보여준다. 그리고 낮 동안은 저장할 수 있는 태양에너지가 많기 때문에 다시 축전지에 전기에너지가 저장되어 용량은 최대 (100 mAh)에 다다랐다. As shown in Figures 10a to 10d, there is no solar energy during the evening, so the charging power and charging current reach '0', and the storage battery capacity is suitable for 24-hour use as the energy stored during the day is sufficient, and solar energy is drawn during the day. reached the maximum. Additionally, the load power, load current, solar cell voltage, charging voltage, and load voltage did not drop and were constant as it was continuously operated. Also, during the day, solar energy is converted into electric energy through solar cells and the energy is stored in the storage battery. When the LED is turned on 24 hours a day, the energy is used by the LED, so the capacity drops significantly during the evening. At this time, you can see that the LED does not reach 0 but reaches about 10 to 15 mAh, which shows that the electrical energy stored in the storage battery is sufficient. And since there is a lot of solar energy that can be stored during the day, the electric energy is stored in the storage battery again, reaching the maximum capacity (100 mAh).
태양전지를 구축하기 위한 초기 비용이 상당하므로 배양의 규모가 증가함에 따라 모든 반응기를 태양전지를 활용하여 배양하는 것은 한계가 존재하기 때문에 공급되는 빛을 효과적으로 분산시킬 수 있는 우수한 도광판을 활용한 LED 공급 기술을 개발하여 배양에 최적인 빛을 일정하게 공급하여 고농도의 아스타잔틴을 함유한 바이오매스를 고속으로 생산하는 경제적인 공정시스템을 개발하였다. 도 11a는 헤마토코쿠스 플루비알리스 배양방법에 있어서 도광판을 반응기 사이마다 배치한 사진이고, 도 11b는 바이오광물화, LED 작동 및 도광판 설치 여부에 따른 바이오매스 생산량(g L-1)을 나타내는 그래프, 도 11c는 바이오광물화, LED 작동 및 도광판 설치 여부에 따른 아스타잔틴 함량(%)을 나타내는 그래프, 도 11d는 바이오광물화, LED 작동 및 도광판 설치 여부에 따른 오메가-3 함량(%)을 나타내는 그래프이다.Since the initial cost to build a solar cell is significant, as the scale of cultivation increases, there is a limit to cultivating all reactors using solar cells. Therefore, LEDs are supplied using an excellent light guide plate that can effectively disperse the supplied light. By developing technology, we have developed an economical process system that produces biomass containing a high concentration of astaxanthin at high speed by consistently supplying optimal light for cultivation. Figure 11a is a photograph of a light guide plate placed between reactors in the Haematococcus pluvialis culture method, and Figure 11b shows biomass production (g L -1 ) depending on biomineralization, LED operation, and light guide plate installation. 11C is a graph showing astaxanthin content (%) depending on biomineralization, LED operation, and light guide plate installation, and FIG. 11D is a graph showing omega-3 content (%) depending on biomineralization, LED operation, and light guide plate installation. This is a graph representing .
도 11a와 같이, 서로 근접 배치되어 마주보는 반응기(매스실린더) 사이마다 도광판(LGP)을 설치하여, 한 번에 마주보는 반응기에 빛을 조사할 수 있도록 최적화된 하이브리드 (바이오광물화, LED, LGP) 공정시스템을 구축하고, 우선 매스실린더에서 헤마토코쿠스 배양을 진행하였다. 여기서 태양전지는 옥외에서 충전해 사용하였으며 태양전지에서 생성된 전기에너지로 LED를 작동시켰다. 배양을 진행하였을 때 LED와 LGP를 활용하여 24시간 빛을 공급하는 하이브리드 시스템에서 바이오매스 양과 아스타잔틴 함량이 모두 우수하였다. 바이오매스는 대조군(control) 대비 52.5% 증가하였으며(도 11b 참조), 아스타잔틴 함량은 74.34% 증가하였다(도 11c 참조). 여기서 가장 중요한 부분은 오메가-3 함량이 24.26% 증가하였으며 그 중에서도 EPA 함량이 증가했을 뿐만 아니라 일반 배양시스템에서는 축적되지 않았던 DHA가 1% 함유되어 고부가 유용물질 중에서도 가장 좋은 물질을 생산해냈다는 점이다(도 11c 참조). EPA, DHA 고함유 오메가-3는 최근 $12,540,000/ton으로 아스타잔틴($7,000,000/ton)보다도 시장 가격이 우수하다. As shown in Figure 11a, a light guide plate (LGP) is installed between reactors (mass cylinders) that are placed close to each other and are optimized to irradiate light to the facing reactors at once (biomineralization, LED, LGP) ) A process system was established, and Haematococcus culture was first performed in a mass cylinder. Here, solar cells were charged and used outdoors, and the electric energy generated by the solar cells operated the LED. When cultivating, both the amount of biomass and the astaxanthin content were excellent in a hybrid system that supplied light for 24 hours using LED and LGP. Biomass increased by 52.5% compared to the control (see Figure 11b), and astaxanthin content increased by 74.34% (see Figure 11c). The most important part here is that the omega-3 content increased by 24.26%, and among them, the EPA content increased as well as 1% of DHA, which was not accumulated in the general culture system, producing the best substance among high value-added useful substances (Figure 11c). Omega-3 with high EPA and DHA content has a recent market price of $12,540,000/ton, which is superior to that of astaxanthin ($7,000,000/ton).
실험예 7. 광합성생물반응기를 활용한 옥외배양에서의 하이브리드 공정Experimental Example 7. Hybrid process in outdoor culture using photosynthetic bioreactor
판교 한국지역난방공사 옥외배양시설에서 하이브리드 시스템을 구축하여 배양을 진행하였다. 100리터 반응기에서 배양이 진행되었으며 반응기 내로 한국지역난방공사에서 공급되는 3 ~ 5% 이산화탄소가 포함된 배가스를 주입하였다. 도 12는 바이오광물화, LED 및 도광판이 결합한 헤마토코쿠스 플루비알리스의 옥외배양에서 생산되는 탄산칼슘의 농도(mg L-1)를 나타내는 그래프, 도 13은 바이오광물화, LED 및 도광판이 결합한 헤마토코쿠스 플루비알리스의 옥외배양에서 생산되는 오메가-3 함량(%)를 나타내는 그래프, 도 14는 바이오광물화, LED 및 도광판이 결합한 헤마토코쿠스 플루비알리스의 옥외배양에서 생산되는 지방산을 나타내는 표, 도 15는 바이오광물화, LED 및 도광판이 결합한 헤마토코쿠스 플루비알리스의 옥외배양에서 생산되는 아스타잔틴 함량(%)를 나타내는 그래프, 도 16a는 광 공급 시간에 따른 이산화탄소 저감량, 바이오매스 생산성, 아스타잔틴 생산성을 나타내는 표, 도 16b는 태양광만을 사용한 경우, 낮에는 태양광을 사용하고 저녁에는 LED를 사용한 경우, 낮에는 태양광과 도광판을 사용하고 저녁에는 LED와 도광판을 함께 사용한 경우에 각각 소모되는 전기에너지, 이산화탄소 방출량 및 이산화탄소 저감량을 나타내는 표이다.A hybrid system was constructed and cultured at the Korea District Heating Corporation's outdoor culture facility in Pangyo. Cultivation was carried out in a 100 liter reactor, and exhaust gas containing 3 to 5% carbon dioxide supplied by Korea District Heating Corporation was injected into the reactor. Figure 12 is a graph showing the concentration (mg L -1 ) of calcium carbonate produced in outdoor culture of Haematococcus pluvialis combined with biomineralization, LED, and light guide plate, and Figure 13 is a graph showing the concentration of calcium carbonate (mg L -1 ) produced in outdoor culture of Haematococcus pluvialis combined with biomineralization, LED, and light guide plate. A graph showing the omega-3 content (%) produced in outdoor culture of Haematococcus pluvialis combined, Figure 14 is a graph showing the omega-3 content (%) produced in outdoor culture of Haematococcus pluvialis combined with biomineralization, LED, and light guide plate. A table showing fatty acids, Figure 15 is a graph showing the astaxanthin content (%) produced in outdoor culture of Haematococcus pluvialis combined with biomineralization, LED and light guide plate, Figure 16a is a graph showing carbon dioxide according to light supply time A table showing reduction amount, biomass productivity, and astaxanthin productivity, Figure 16b shows the case of using only solar light, using solar light during the day and using LED in the evening, using solar light and light guide plate during the day, and using LED and light guide in the evening. This table shows the electrical energy consumed, carbon dioxide emissions, and carbon dioxide reduction when light guide plates are used together.
배양 결과 탄산칼슘 농도는 5.6배 정도 높았으며(도 12 참조) 오메가-3 함량도 2.67배 높은 것을(도 13 참조) 확인할 수 있었다. 오메가-3 중에서도 역시 EPA 함량이 일반 배양조건보다 2.7배 높았으며 축적되지 않았던 DHA 또한 1.14%로 축적되었다(도 14 참조). 아스타잔틴 함량은 대조군(control) 대비 54.7%로 증가하였다(도 15 참조). 결론적으로 헤마토코쿠스는 24시간 빛을 일정하게 조사했을 때가 태양광만 활용할 때보다 이산화탄소 저감량이 105.4%로 증가하였으며 바이오매스와 아스타잔틴 생산성은 각각 130.4%, 82.3%씩 증가한다는 것을 확인할 수 있었다(도 16a 참조). 또한, 태양광과 함께 LED를 사용하면 전기에너지와 이산화탄소 배출량이 증가하기 때문에 스케일이 커짐에 따라 한계가 존재한다. 따라서, 이를 도광판과 함께 사용하였을 때 전기에너지와 이산화탄소 배출량을 6.51 배씩 감축시킬 수 있었으며 태양전지로인해 도광판에 사용되는 전기에너지까지 태양에너지로 사용할 수 있었다(도 16b 참조).As a result of the culture, it was confirmed that the calcium carbonate concentration was about 5.6 times higher (see Figure 12) and the omega-3 content was also 2.67 times higher (see Figure 13). Among omega-3s, the EPA content was 2.7 times higher than under normal culture conditions, and DHA, which had not been accumulated, was also accumulated to 1.14% (see Figure 14). Astaxanthin content increased to 54.7% compared to the control (see Figure 15). In conclusion, it was confirmed that when Haematococcus was exposed to constant light for 24 hours, the carbon dioxide reduction increased by 105.4% compared to when only sunlight was used, and biomass and astaxanthin productivity increased by 130.4% and 82.3%, respectively. (See Figure 16a). Additionally, using LED with solar power increases electrical energy and carbon dioxide emissions, so there are limits as scale increases. Therefore, when used with a light guide plate, electrical energy and carbon dioxide emissions could be reduced by 6.51 times, and even the electric energy used in the light guide plate could be used as solar energy due to the solar cell (see Figure 16b).
실험예 8. 성장단계에서 탄산칼슘를 주입한 헤마토코쿠스 플루비알리스 배양공정Experimental Example 8. Haematococcus pluvialis culture process injected with calcium carbonate in the growth stage
성장단계에서의 헤마토코쿠스 플루비알리스 배양 시, 광도를 달리하고, 다양한 농도의 탄산칼슘을 주입하였다. 탄산칼슘은 실험예 5의 바이오광물화를 통해 생성된 탄산칼슘을 활용하였다. 도 17a는 성장단계에서의 헤마토코쿠스 플루비알리스 배양 시 중간 광도의 빛(40 μE m-2 s- 1)을 조사하면서 다양한 농도의 탄산칼슘을 주입하였을 때의 바이오매스 생산량(g L-1)을 나타내는 그래프, 도 17b는 성장단계에서의 헤마토코쿠스 플루비알리스 배양 시 강한 광도의 빛(100 ~ 150 μE m-2 s- 1)을 조사하면서 다양한 농도의 탄산칼슘을 주입하였을 때의 바이오매스 생산량(g L-1)을 나타내는 그래프, 도 17c는 성장단계에서의 헤마토코쿠스 플루비알리스 배양 시 강한 광도의 빛(100 ~ 150 μE m-2 s- 1)을 조사하면서 다양한 농도의 탄산칼슘을 주입하였을 때의 아스타잔틴 농도(mg L-1)을 나타내는 그래프이다.When cultivating Haematococcus pluvialis in the growth stage, the light intensity was varied and various concentrations of calcium carbonate were injected. Calcium carbonate produced through biomineralization in Experimental Example 5 was used. Figure 17a shows the biomass production (g L - ) when various concentrations of calcium carbonate were injected while irradiating light of medium intensity (40 μE m -2 s - 1 ) when culturing Haematococcus pluvialis in the growth stage. 1 ), a graph showing FIG. 17b, when various concentrations of calcium carbonate were injected while irradiating strong light (100 to 150 μE m -2 s - 1 ) during culturing of Haematococcus pluvialis in the growth stage. A graph showing the biomass production (g L -1 ) of FIG . 17c shows the various This is a graph showing the astaxanthin concentration (mg L -1 ) when calcium carbonate was injected.
탄산칼슘은 이중산란 현상을 유발하기 때문에 강한 광도의 빛이 가해졌을 때 강한 빛을 여러 개의 중간 광도 빛으로 분산시킬 수 있다는 것을 배양 결과 확인하였다. 실제로 일반적인 배양조건의 빛을 조사하였을 때는 탄산칼슘의 양에 따른 바이오매스의 변화는 거의 없었다(도 17a 참조). 하지만 성장단계에서부터 강한 빛이 조사하게 되면 일반적인 헤마토코쿠스 세포들은 2일 만에 사멸하였지만 2mM의 탄산칼슘을 세포 접종과 함께 주입하였을 때에는 바이오매스 생산량과 아스타잔틴 함량이 가장 우수했다(도 17b, 17c 참조). Because calcium carbonate causes a double scattering phenomenon, the culture results confirmed that when light of high intensity is applied, the strong light can be dispersed into several medium intensity lights. In fact, when light was irradiated under general culture conditions, there was little change in biomass depending on the amount of calcium carbonate (see Figure 17a). However, when strong light was irradiated from the growth stage, typical Haematococcus cells died in 2 days, but biomass production and astaxanthin content were the best when 2mM calcium carbonate was injected along with cell inoculation (Figure 17b) , see 17c).
실시예 9. 옥외배양에서의 PLPA 하이브리드 시스템Example 9. PLPA hybrid system in outdoor culture
도 2를 참고로, 면적당 배양규모를 증가시키기 위해, 다수의 광생물반응기(PBR)를 고밀도로 배열(PPPA 시스템)한 결과, 중간에 낀 광생물반응기는 가림 효과로 인해 빛을 거의 공급 받지 못한다. 따라서 광생물반응기 사이마다 도광판을 배치하고, LED로 빛을 공급하며 바이오광물화를 유도하는 PLPA 하이브리드 시스템을 구축하였다. 또한 LED의 전기 에너지는 낮 동안 모은 태양전지로부터 공급되어 추가적인 전기 에너지를 사용하지 않았다. 도 18a는 PPPA 시스템과 PLPA 하이브리드 시스템으로 각각 28일 동안 옥외배양한 경우의 바이오매스 생산량(g L-1)을 나타내는 그래프, 도 18b는 PPPA 시스템과 PLPA 하이브리드 시스템의 옥외배양 0일차, 10일차, 28일차의 아스타잔틴 함량(%)과 광합성 효율을 나타내는 그래프, 도 18c는 PPPA 시스템과 PLPA 하이브리드 시스템으로 각각 28일 동안 옥외배양한 경우의 총 오메가-3 및 지방산의 생산량(mg L-1), 및 총 오메가-3 및 지방산의 생산성(mg L-1 day-1)을 나타내는 그래프이다.Referring to Figure 2, in order to increase the culture scale per area, as a result of arranging multiple photobioreactors (PBRs) at high density (PPPA system), the photobioreactors in the middle receive little light due to the blocking effect. . Therefore, a PLPA hybrid system was constructed by placing light guide plates between photobioreactors and supplying light with LEDs to induce biomineralization. Additionally, the LED's electrical energy was supplied from solar cells collected during the day, so no additional electrical energy was used. Figure 18a is a graph showing biomass production (g L -1 ) when outdoor cultured for 28 days with the PPPA system and the PLPA hybrid system, respectively, and Figure 18b is a graph showing the 0th and 10th days of outdoor culture of the PPPA system and the PLPA hybrid system. A graph showing the astaxanthin content (%) and photosynthetic efficiency on the 28th day, Figure 18c shows the total production of omega-3 and fatty acids (mg L -1 ) when cultured outdoors for 28 days with the PPPA system and the PLPA hybrid system, respectively. , and a graph showing the productivity of total omega-3 and fatty acids (mg L -1 day -1 ).
밀도 있는 광생물반응기 배치에서 PLPA 하이브리드 시스템의 바이오매스 생산량(g/L), 아스타잔틴 함량(%), 10일차 광합성 효율(μmol/mg/Chl/min), 총 오메가-3 생산성(mg/L/day) 그리고 총 지방산 생산성(mg/L/day)을 PPPA 시스템과 비교한 결과 각각 3.34 배, 3.30 배, 2.17 배, 4.12배, 3.43배 증가하여 효율적인 시스템인 것을 확인하였다.Biomass production (g/L), astaxanthin content (%), photosynthetic efficiency at 10 days (μmol/mg/Chl/min), and total omega-3 productivity (mg/L) of the PLPA hybrid system in a dense photobioreactor batch. L/day) and total fatty acid productivity (mg/L/day) were compared with the PPPA system, increasing by 3.34 times, 3.30 times, 2.17 times, 4.12 times, and 3.43 times, respectively, confirming that it was an efficient system.
이상 본 발명을 구체적인 실시예 및 실험예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.Although the present invention has been described in detail through specific examples and experimental examples, this is for detailed explanation of the present invention, and the present invention is not limited thereto, and those with ordinary knowledge in the field within the technical spirit of the present invention It is clear that modifications and improvements are possible.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속한 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.All simple modifications or changes of the present invention fall within the scope of the present invention, and the specific scope of protection of the present invention will be made clear by the appended claims.
Claims (10)
(b) 상기 이산화탄소가 공급되는 상기 제1 배양액에, 헤마토코쿠스 플루비알리스(Haematococcus pluvialis)를 접종하는 단계; 및
(c) 상기 헤마토코쿠스 플루비알리스가 접종된 상기 제1 배양액에, 칼슘 이온(Ca2+)을 첨가하여 탄산칼슘(CaCO3)을 생성하면서, 태양전지로부터 생산된 전력에 의해 작동되는 광원을 이용해 광배양하는 단계;를 포함하는 헤마토코쿠스 플루비알리스 배양방법.
(a) supplying carbon dioxide (CO 2 ) to the first culture medium in the first reactor to generate hydrogen carbonate ions (HCO 3 - );
(b) inoculating Haematococcus pluvialis into the first culture medium supplied with carbon dioxide; and
(c) Calcium ions (Ca 2+ ) are added to the first culture medium inoculated with Haematococcus pluvialis to generate calcium carbonate (CaCO 3 ), and operated by power generated from a solar cell. A Haematococcus pluvialis culturing method comprising the step of photoculturing using a light source.
상기 (b) 단계에서, 상기 헤마토코쿠스 플루비알리스의 접종량은 0.2g/L 이상인 헤마토코쿠스 플루비알리스 배양방법.
In claim 1,
In step (b), the inoculum amount of Haematococcus pluvialis is 0.2 g/L or more.
상기 (c) 단계에서 첨가되는 상기 칼슘 이온의 농도는 0.5 ~ 3.5 mM인 헤마토코쿠스 플루비알리스 배양방법.
In claim 1,
A method for cultivating Haematococcus pluvialis wherein the concentration of the calcium ion added in step (c) is 0.5 to 3.5 mM.
상기 광원은,
상기 태양전지로부터 생산된 전력을 이용해 빛을 생성하는 LED; 및
상기 LED에서 생성된 상기 빛을 확산시키는 도광판(light guide panel);을 포함하는 헤마토코쿠스 플루비알리스 배양방법.
In claim 1,
The light source is,
LED that generates light using power generated from the solar cell; and
A Haematococcus pluvialis culture method comprising a light guide panel that diffuses the light generated by the LED.
상기 제1 반응기는 다수 개로, 서로 이격 배열되고,
서로 근접 배치된 어느 하나의 상기 제1 반응기와 다른 하나의 상기 제1 반응기 사이마다 상기 광원이 배치되는 헤마토코쿠스 플루비알리스 배양방법.
In claim 4,
A plurality of first reactors are arranged to be spaced apart from each other,
A method of cultivating Haematococcus pluvialis wherein the light source is disposed between one of the first reactors and the other first reactor disposed close to each other.
상기 (c) 단계는,
상기 칼슘 이온을 첨가하고, 20 ~ 60 μE/㎡/s의 광도로 제1 광배양하는 단계; 및
상기 제1 광배양 단계 후에, 100 ~ 150 μE/㎡/s의 광도로 제2 광배양하는 단계;를 포함하는 헤마토코쿠스 플루비알리스 배양방법.
In claim 1,
In step (c),
Adding the calcium ions and performing first photoculture at a light intensity of 20 to 60 μE/m2/s; and
After the first photoculture step, a second photoculture step at a light intensity of 100 to 150 μE/m2/s. Haematococcus pluvialis culture method comprising a.
상기 제1 광배양으로 상기 헤마토코쿠스 플루비알리스의 세포 밀도가 1.0 g/L 이상에 다다를 때에, 상기 제2 광배양 단계를 수행하는 헤마토코쿠스 플루비알리스 배양방법.
In claim 6,
A H. pluvialis culturing method in which the second photo-culture step is performed when the cell density of H. pluvialis reaches 1.0 g/L or more through the first photo-culture.
상기 (c) 단계의 상기 칼슘 이온은, 상기 제1 배양액에 염화칼슘(CaCl2)이 공급되어 첨가되는 헤마토코쿠스 플루비알리스 배양방법.
In claim 1,
The calcium ion in step (c) is a Haematococcus pluvialis culture method in which calcium chloride (CaCl 2 ) is supplied to the first culture medium.
(d) 상기 (c) 단계에서 생성된 상기 탄산칼슘을 회수하는 단계; 및
(e) 제2 반응기 내의 제2 배양액에, 회수된 상기 탄산칼슘을 첨가하고, 상기 헤마토코쿠스 플루비알리스를 광배양하는 단계;를 더 포함하는 헤마토코쿠스 플루비알리스 배양방법.
In claim 1,
(d) recovering the calcium carbonate produced in step (c); and
(e) adding the recovered calcium carbonate to the second culture medium in the second reactor and photoculturing the H. pluvialis.
상기 (e) 단계는, 100 μE/㎡/s 이상의 광도에서 광배양하는 헤마토코쿠스 플루비알리스 배양방법.
In claim 9,
The step (e) is a method of cultivating Haematococcus pluvialis by photoculturing at a light intensity of 100 μE/m2/s or more.
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KR20190120876A (en) | 2018-04-17 | 2019-10-25 | 고려대학교 산학협력단 | Method for Preparing Astaxanthin Comprising Biological Pretreatment and Chemical Extraction of Haematococcus pluvialis |
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2023
- 2023-03-16 KR KR1020230034370A patent/KR20230135533A/en unknown
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