전자 공급을 이용한 미세조류의 배양 방법 및 이를 이용한 배양 장치{A METHOD FOR CULTIVATION OF MICORALGAE USING THE ELECTRON SUPPLY AND A APPARATUS USING THEREOF}
본 발명은 미세조류를 배양하는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 광이 없는 상태에서 미세조류를 배양하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
최근 산업체 배출 CO₂가 지구 온난화의 주범으로 지목됨에 따라 CO₂를 고정화하기 위해 미세조류를 활용하려는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 미세조류는 광합성을 통하여 생장에 필요한 에너지를 얻는 광합성 미생물로서, 광합성을 할 때에 CO₂를 고정하고 그에 수반되는 많은 기작들을 통해 다양한 생산물을 만들어내기 때문에 최근 제3세대 바이오 에너지 생산 균주로 크게 각광을 받고 있다. 또한, 미세조류는 다양한 능력에 기인하여 폐수의 처리, 이산화탄소의 고정화 등의 역할을 수행할 수 있으며 연료물질, 화장품, 사료, 식용 색소와 의약용 원료 물질 등의 유용 물질을 생산하는 목적으로 사용되어 왔고 이와 관련된 새로운 기작이나 유용물질들이 지속적으로 발견되어 그 활용범위를 넓혀 가고 있다. 특히 남세균은 유전체 정보가 알려져 있고 유전자 조작이 비교적 용이하여, 에탄올과 부탄올을 비롯한 다양한 종류의 바이오 에너지 생산 연구에 널리 이용되고 있다. 그러나 미세조류 바이오 에너지 생산기술이 상용화되기 위해서는 배양에서 수확으로 이어지는 전체 공정의 비용절감이 반드시 필요하다. 특히 배양공정은 태양에너지를 주 에너지원으로 하는 미세조류의 특성상 시공간적인 제약이 많고 태양에너지가 닿지 못하는 내부의 성장속도가 느려 고농도의 미세조류를 얻는데 어려움이 있어 후단의 수확 공정의 어려움을 초래하게 된다. 미세조류의 생체 중량 및 유용생산물 증가에 영향을 미치는 요인들은 배지의 조성, 온도, pH, 광도, 광량 등으로 다양하지만, 그 중에서도 광합성 미세조류의 특성상 빛이 차지하는 비중이 가장 크다. 현재 개발되어 있는 미세조류 생산을 위한 광생물 반응기의 형태로는 일반 교반형 반응기, 판형 반응기, 관형 반응기, 칼럼형 반응기 등이 있고, 이러한 모든 종류의 반응기 설계는 빛의 효율적인 전달을 중점으로 두고 있다. 보다 효율적으로 빛을 전달하기 위해 내부광원을 이용한 미세조류 배양용 광생물 반응기도 개발되고 있으나, 높은 미세조류 농도를 얻기 위하여 과도하게 많은 전기에너지를 사용함으로 효율적이지 못하다는 문제점이 있다. 광생물 반응기로는 대한민국 특허 제1585638호, 제945153호, 제1464350호 등에서 개시된 반응기가 있으며, WO2011/035166호에서는 광에 의한 부작용을 최소화하기 위해서 조절된 태양광을 사용하는 장치를 개시하고 있다.
본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 광합성 미세조류를 배양할 빛의 전달, 시공간적인 제약, 단가 등의 제약으로 광원을 사용할 수 없는 상태에서도 미세조류를 배양하는 방법을 제공하는 것이다. 본 발명에서 해결하고자 하는 다른 과제는 광합성 미세조류를 배양할 빛의 전달, 시공간적인 제약, 단가 등의 제약으로 광원을 사용할 수 없는 상태에서도 미세조류를 배양할 수 있으면서도, 광원의 사용이 용이한 경우에는 광원과 병행하여 사용할 수 있는 새로운 미세 조류 배양 방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에 미세조류 배양 방법은 전기화학반응을 이용하여 전자를 미세조류의 에너지원으로 제공하여 성장시키는 것을 특징으로 한다. 이론적으로 한정된 것은 아니지만, 전극에서 미생물로 전자가 공급되면 미생물 표면의 전자 전달 물질이 그 전자를 받아드려 세포 내부의 환원반응을 진행하게 된다. 광합성 반응은 빛에 의하여 고에너지 전자가 세포 내부에서 생성된 뒤 그 전자를 통해 에너지를 얻는 반응이므로, 전자를 전극을 통해서 세포 외부에서 전달하게 되면 미세 조류의 성장이 가능하게 된다. 본 발명에 있어서, 전자는 전극을 이용하여 미세조류에 공급될 수 있으며, 바람직하게는 전극을 미세조류를 포함하는 배양액에 침지시키고, 전압을 인가하여 이루어질 수 있다. 본 발명에 있어서, 상기 전극은 전자를 공급할 수 있는 물질을 의미하는 것으로 이해되며, 철, 구리, 금, 은 백금와 같은 금속 전극과 탄소, 세라믹, 제올라이트와 같은 비금속 전극이 사용될 수 있다. 본 발명에 있어서, 상기 전극은 판재, 막대, 실, 폼, 망과 같은 다양한 형태로 사용될 수 있으며, 특별히 제한되지 않는다. 본 발명에 있어서, 상기 전압은 전자를 방출하여 배양되는 미세 조류를 성장시키는 전압이 인가되는 것이 바람직하다. 상기 미세조류를 성장시키는 전압은 전압이 인가된 상태에서 시간에 따라 미세조류의 농도가 상승하는 전압을 의미하는 것으로 이해된다. 이는 지나치게 높은 전압에 의해서, 미세조류가 사멸되거나 미세조류의 성장이 저해되는 것을 방지하기 위한 것이며, 바람직하게는 전극 표면에서의 전기 분해를 방지할 수 있도록 1V 이하, 더욱 바람직하게는 0.8V 이하로 인가되는 것이 좋다. 본 발명에 있어서, 상기 미세조류는 광합성을 이용할 수 있는 모든 미생물을 의미하는 것으로 이해된다. 본 발명에 있어서, 상기 미세조류는 한정되어 있지 않지만 엽록체를 포함하는 미세조류인 것이 유리하고, 바람직하게는 녹조류나 남조류일 수 있으며, 바람직하게는 전자 전달이 잘 일어나는 남세균을 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 본 발명의 바람직한 실시에 있어서, 남세균은 시네코시스티스 균주 PCC 6803 ( Synechocystis sp. PCC6803, 이하 시네코시스티스)를 이용할 수 있다. 사용 가능한 녹조류와 다른 남조류는 본 발명에서 참고문헌으로 도입되는 WO2011/035166호를 참고할 수 있다. 본 발명의 실시에 있어서, 상기 미세조류는 진탕 배양될 수 있으며, 미세조류의 생장을 활발하게 하기 위해서 이산화탄소를 추가로 공급할 수 있으며, 미세조류의 성장 중에서 추가적으로 빛을 공급할 수 있다. 본 발명은 일 측면에 있어서, 반응조, 양극 전극, 음극 전극, 미세조류를 포함하는 전해질, 및 상기 전극들에 전압을 인가하는 전원으로 이루어지며, 상기 전극에는 미세조류를 성장시키는 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 미세조류 배양 장치를 제공한다. 본 발명의 실시에 있어서, 상기 반응조는 1실의 단일 반응조와 2실이상의 복수의 반응조를 가질 수 있으며, 회분식 또는 반회분식, CSTR과 같은 연속식의 반응조도 가능하다. 반응조는 이온교환막으로 구분되어 있을 수 있다. 본 발명에 있어서, 상기 배양 장치는 진탕에 의해서 미세조류를 성장시키며, 미세조류의 성장에 필요한 충분한 이산화탄소를 공급할 수 있는 이산화탄소 공급 장치를 더 포함할 수 있다. 본 발명에 있어서, 상기 배양 장치에는 전자전달에 의한 성장과 함께 미세조류는 광합성에 의한 성장이 가능하도록 광원을 더 포함할 수 있다. 상기 광원은 반응조의 내부 또는 외부에 설치될 수 있다. 상기 반응조는 반응조 외부에 설치되는 광원이나 태양광이 반응조 내부를 비출 수 있도록, 적어도 일부가 투명한 반응조인 것이 바람직하다. 본 발명의 실시에 있어서, 미세조류를 성장을 위한 베지는 BG11을 포함하는 다양한 베지를 활용할 수 있으며, 각종 폐수와 같은 유기성 폐자원 또한 활용할 수 있다. 또한, 미세조류는 단일종만을 이용하거나 여러 미세조류가 섞인 혼합종을 이용할 수 있다.
본 발명은 전극에서 나온 전자를 빛에너지를 대체한 미세조류의 에너지원으로 제공함으로써 미세조류 바이오매스를 효율적으로 성장시킬 수 있는 방법을 제공한다. 광합성 미세조류를 키울 때 반드시 광원을 확보할 필요가 없어 배양 시 시공간적 제약이 줄어들며, 혹은 빛이 있는 환경과 연계하여 고농도 미세조류 조건에서 빛만으로 충분한 광합성 효율을 달성 할 수 없어 생장이 제한될 때 전자를 이용하여 미세조류의 성장을 촉진 시킴으로써 고농도의 미세조류를 생산하여 보다 많은 미세조류 바이오 메스를 얻을 수 있다.
도 1은 본 실시 예에 사용된 반응기의 구조를 나타내는 구조도 이다.
도 2은 미세조류를 생산하는 반응기의 구체적인 형태를 보여주는 사진이다.
도 3는 시네코시스티스를 반응기에 넣어 1V 조건에서 24시간 간격으로 농도의 변화를 확인한 결과이다.
도 4은 시네코시스티스를 성장시키기 위한 BG11베지의 상세 조성이다.
이하, 실시예를 통해서 본 발명을 상세하게 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니며, 본 발명을 예시하기 위한 것임을 유념하여야 한다. 실시예. 1 실형 전기화학 반응 시스템을 이용한 전하 공급을 통한 시네코시스티스 생장 전하 공급을 통한 시네코시스티스 성장을 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다. 먼저, 시네코시스티스를 도 4에서 기재된 조성을 가지는 BG11 배지에서 3일간 광 배양한 뒤, 여기에서 25mg 만큼 원심 분리(13000 rpm)하여 접종원으로 활용하였다. 다음, 도 1에 도시된 바와 같이, 반응조(100)에 양극(200)과 음극(300), 및 전원(400)이 설치된 배양 장치에 멸균된 100mL BG11 배지에 25mg의 시네코시스티스를 접종하여 투입하였다. 탄소 막대 전극을 이용하여 1V의 전압을 주입하였다. 실험은 온도 30℃ 교반속도 50rpm 조건에서 진행되었으며, 커버를 이용하여 빛을 차단하여 암조건을 유지하였다. 성장변화를 측정하기 위하여 24시간 간격으로 1mL의 셈플을 체취 하여 분광계(spectrometer)를 이용하여 720 nm에서 Optical density (OD720)를 측정하였으며, 아래와 같은 식을 이용하여 세포 농도를 계산하였다 (Cell Density = 세포 농도 (mg/L), OD720= 매시간 측정한 OD720값): 도 3에서 도시된 바와 같이, 시네코시스티스는 시간이 지남에 따라 점점 증가하여 14일째에 368mg/L에 도달하였다. |
