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문제 정의
- 2차와 3차 실험에서는 효율이 낮은 BLUE와 RED, WHITE, BLUE로 구성된 MIXED 형태의 조명을 배제하고 RED, WHITE, 그리고 복합 LED2 (RED : BLUE = 3 : 1)로 구성된 MIXED 형태의 조명에 대해 Chlorella sp. FC-21의 배양특성에 대해 고찰하였다. 1차 실험과 달리 반응기 주변의 반사판을 추가로 설치함으로써 조도 및 광량을 증가시켜 광량 증가에 따른 배양특성에 대해 알아보았다.
- FC-21 배양에 활용하여 그 적용성을 검증하고자 하였으며, 다양한 파장의 광조건에서 Chlorella sp. FC-21의 성장특성을 관찰하여 최적성장에 필요한 파장을 찾아내고 대량생산에 필요한 운전조건을 도출하여 바이오디젤의 원료로 사용하는데 있어 가능성 및 경제성을 검증하고자 한다.
제안 방법
- FC-21의 배양특성에 대해 고찰하였다. 1차 실험과 달리 반응기 주변의 반사판을 추가로 설치함으로써 조도 및 광량을 증가시켜 광량 증가에 따른 배양특성에 대해 알아보았다. 실험에 적용된 조도 및 광량, 그리고 비증식속도와 최대 세포농도는 Table 2에 요약되어 있다.
- 본 연구에서는 Chlorella sp. FC-21을 효과적으로 배양하기 위한 광원을 선정하고자 다양한 파장의 LEDs와 혼합형식의 LEDs를 이용하여 배양을 하였으며 연구의 결과는 다음과 같다.
- Chlorella sp. FC-21의 성장 실험은 LED 빛의 파장에 따른 성장 속도를 비교하기 위해서 외부 빛을 차단한 반응시스템을 구축하였다. 광원으로는 중심 파장 660 nm로 발광하는 적색 LED, 450 nm 파장의 청색 LED, 백색 LED, 복합 LED1 (RED : WHITE : BLUE = 1 : 1 : 1), 복합 LED2(RED : BLUE = 3 : 1)로 각각 제작하였다.
- Chlorella sp. FC-21의 성장특성은 각 실험조건에 따라 100 mL 용량의 비이커에 희석한 초기배양액을 접종하여 계획한 초기농도로 맞춘 후 외부로부터의 오염을 막기 위하여 호기성 배양에 적합한 실리스토퍼를 사용하여 실험을 실시하였다.
- 또한 sparging에 따른 효과를 알아보기 위해 적색 LED 아래 4개의 코니칼 비커(운전용량 : 500 mL)를 사용하여 파라필름을 이용해 비커의 입구를 막은 후 미세 구멍을 뚫어 주었으며 4개의 반응기 중 하나의 반응기의 바닥 부분에 고정시켜 배양액이 혼합되도록 설치하였다. 이때 주입된 공기의 공급 속도는 0.
- 온도조절은 실험실에 설치된 온도조절장치를 이용하여 반응기의 온도를 21~23℃로 일정하게 유지하였다. 배양액의 온도는 수은온도계를 이용하여 측정하였다.
- 일반적으로 미세조류의 광배양에 많이 사용되는 형광등을 이용한 배양과 LEDs를 이용한 배양과의 비교를 위해 기존 형광등을 이용하여 클로렐라를 배양하였다. 배양조건은 RED LEDs를 이용한 실험조건과 같이 4,500 Lux로 조도를 조절하였다. 이때 사용된 전력은 63 W였으며 광량은 56 µmol/m2/s였다(Table 2).
- 세포 농도(cells/mL)는 성장 측정을 위해서 Hemocytometer를 이용하여 광학현미경(AE2000, Motic, China)을 통해 직접 계수하였다. 균체 건조량과 세포농도와의 관계를 알기 위해서 균체 건조량(g/L)은 50 mL의 배양액을 0.
- 앞의 실험에서 적색 LEDs가 클로렐라 배양에 가장 효과가 있으며, 공기를 주입 시 혼합효과에 의해 더욱 배양속도가 증가하는 것을 알 수 있었다. 이러한 결과를 바탕으로 위의 배양조건에서 클로렐라의 연속 배양 가능성을 확인하기 위해 반연속배양을 시도하였다. 반연속배양은 기존 클로렐라 농도가 최대치에 도달하였을 때, 용액의 일부를 새로운 용액으로 희석하여 배양하는 방법이다.
- 또한 공기중에 포함된 이산화탄소가 미세조류의 광합성에 이용되므로 광 및 에너지원 공급의 이중효과가 있다. 이에 본 연구에서는 0.35 vvm의 속도로 에어펌프를 이용하여 공기를 반응기 속에 주입하였다. 공기 주입 후 반응속도는 초기농도 2.
- 일반적으로 미세조류의 광배양에 많이 사용되는 형광등을 이용한 배양과 LEDs를 이용한 배양과의 비교를 위해 기존 형광등을 이용하여 클로렐라를 배양하였다. 배양조건은 RED LEDs를 이용한 실험조건과 같이 4,500 Lux로 조도를 조절하였다.
- 4 W로 일정하게 유지되었다. 조도와 광량은 조도계(I-346 Illuminometer, Sekonic Co., Philippines)와 광량계(MQ-306, Apogee Instruments. Inc., Logan, UT)를 사용하여 각각 측정하였다.
- 질소의 경우 NO3--N(method 10020), 인의 경우 PO43- (method 8114)을 측정하였으며 NO3--N와 PO43-의 측정 시 각각의 측정 농도는 0~30.0 mg/L, 0~45.0 mg/L였고 오차 범위는 ±0.5 mg/L, ±0.1 mg/L였다.
- 첫 번째 실험의 경우 반응기의 외부를 둘러싼 반사판을 모두 개방하여 조도와 광량을 최소값으로 설정한 후 실험을 실시하였다. 총 4가지 형식; RED, BLUE, WHITE, MIXED 형태의 LEDs를 반응조 각 단에 설치 후 배양을 실시하였다.
- 첫 번째 실험의 경우 반응기의 외부를 둘러싼 반사판을 모두 개방하여 조도와 광량을 최소값으로 설정한 후 실험을 실시하였다. 총 4가지 형식; RED, BLUE, WHITE, MIXED 형태의 LEDs를 반응조 각 단에 설치 후 배양을 실시하였다. 혼합형태의 LEDs는 RED, WHITE, BLUE LEDs 판을 각 1개씩 설치하여 운영하였다.
- 클로렐라의 초기농도가 비증식속도에 미치는 영향을 파악하기 위해 조도 4,400 Lux, 광량 116 µmol/m2/s) 세기의 RED LEDs 조명하에 초기농도 2.0×104, 1.0×105, 2.0×105인 반응기에 대해 비증식속도를 계산하였다.
- 총 3차에 걸친 희석과정에서 동일한 현상이 관찰되었다. 평균비증식속도의 경우 1차 희석전까지는 최대농도를 기준으로 증식속도를 계산하였으나, 희석 후의 증식속도는 희석후 농도를 기준으로 다음 희석까지 측정된 농도를 평균하여 평균값을 산정 한 후 증식속도를 계산하였다. 공기를 주입하지 않은 경우에는 초기농도에 상관없이 비증식속도가 희석한 횟수에 비례하여 계속 감소하는 것을 볼 수 있었다.
- 총 4가지 형식; RED, BLUE, WHITE, MIXED 형태의 LEDs를 반응조 각 단에 설치 후 배양을 실시하였다. 혼합형태의 LEDs는 RED, WHITE, BLUE LEDs 판을 각 1개씩 설치하여 운영하였다. 4개 조명시스템에 투입된 전력은 각각 68.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 미세조류는 Chlorella sp. FC-21로 한국해양 미세조류은행(KMMCC, Korea)으로부터 분양받았다. 사용된 배지는 Table 1에 나타낸 바와 같은 성분의 JM배지(Jaworski's Medium, Thompson et al.
- 반응기는 가로 60 cm, 세로 60 cm, 높이 60 cm와 가로 55 cm, 세로 35 cm, 높이 46 cm 크기로 검은색 아크릴을 이용하여 제작하였다. LED 램프는 S-tech LED사로부터 bar 형식의 LED램프를 구입하여 실험하였다(Ilsan, Kyongki, Korea). LED에 공급되는 전원은 모델 FP-60-12 파워공급기를 사용하였으며(Whawoo Tech.
- FC-21의 성장 실험은 LED 빛의 파장에 따른 성장 속도를 비교하기 위해서 외부 빛을 차단한 반응시스템을 구축하였다. 광원으로는 중심 파장 660 nm로 발광하는 적색 LED, 450 nm 파장의 청색 LED, 백색 LED, 복합 LED1 (RED : WHITE : BLUE = 1 : 1 : 1), 복합 LED2(RED : BLUE = 3 : 1)로 각각 제작하였다. 반응기는 가로 60 cm, 세로 60 cm, 높이 60 cm와 가로 55 cm, 세로 35 cm, 높이 46 cm 크기로 검은색 아크릴을 이용하여 제작하였다.
- 광원으로는 중심 파장 660 nm로 발광하는 적색 LED, 450 nm 파장의 청색 LED, 백색 LED, 복합 LED1 (RED : WHITE : BLUE = 1 : 1 : 1), 복합 LED2(RED : BLUE = 3 : 1)로 각각 제작하였다. 반응기는 가로 60 cm, 세로 60 cm, 높이 60 cm와 가로 55 cm, 세로 35 cm, 높이 46 cm 크기로 검은색 아크릴을 이용하여 제작하였다. LED 램프는 S-tech LED사로부터 bar 형식의 LED램프를 구입하여 실험하였다(Ilsan, Kyongki, Korea).
데이터처리
- 배지 내 Chlorella sp.의 성장에 필요한 성분인 질소와 인의 농도 변화를 분석하기 위해 COLORIMETER(DT/870, Hach, U.S.A.)를 사용하여 분석하였다. 질소의 경우 NO3--N(method 10020), 인의 경우 PO43- (method 8114)을 측정하였으며 NO3--N와 PO43-의 측정 시 각각의 측정 농도는 0~30.
성능/효과
- 1) 적색, 백색, 청색, 혼합1(적색1: 백색1: 청색1), 혼합2(적색3: 청색1) 형태의 LEDs를 이용한 배양 실험 결과 적색 LEDs에서의 성장속도가 가장 빠른 것으로 확인이 되었다.
- 2) 각 파장 형태의 LEDs 조명 조건에서 광량의 증가는 클로렐라의 증식속도 증가로 이어졌으나, 적색의 경우 광량의 증가에 따른 증식속도의 증가가 가장 큰 것으로 밝혀졌다.
- 22) 본 연구의 결과도 기존 연구와 유사하나 공기를 주입한 경우에는 비록 희석전의 초기비증식속도(1.09 day-1)보다는 작지만 0.11 (1차희석), 0.23 (2차희석), 0.22 (3차희석) day-1로 일정하게 유지되는 것을 알 수가 있다. 이는 같은 초기농도 및 광조건에서 실험한 결과인 0.
- 3) 적색 LEDs를 이용한 배양의 경우에서 초기 셀농도가 증가함에 따라 셀의 비증식속도는 반대로 감소하는 현상을 보였는데, 이는 각 셀의 그림자효과로 인해 광합성의 저해 현상이 발생한 것으로 판단된다. 비증식속도와는 다르게 최대 셀농도는 초기 셀농도와 비례하여 완만하게 증가하였다.
- 4) 적색 LEDs를 이용한 배양에서 공기를 주입한 경우에는 비증식속도가 1.09 day-1로 공기를 주입하지 않은 경우인 0.44 day-1에 비해 두배 이상 증가하는 것을 관찰하였다. 이는 공기 주입 시 반응기 내부의 셀의 이동을 촉진하여 반응기 외부에서 공급되는 광원이 내부의 셀에 공급이 되어 광합성이 촉진되었기 때문이며, 아울러 이산화탄소의 공급이 촉진되어 광합성에 필요한 탄소원의 공급이 원활하였기 때문이다.
- 5) 반연속배양의 경우 희석이 반복이 될수록 평균비증식속도가 지속적으로 감소하였는데, 이는 본 연구에서 사용한 희석율 50%의 경우에도 반응기 내부의 그림자효과에 의해 광합성이 원활하지 않았다는 것을 의미한다. 반연속배양에서 공기를 주입할 경우에는 초기 평균비증식속도가 1.
- 6) 적색 LEDs와 형광등을 광원으로 하여 클로렐라를 배양한 경우에는 적색 LEDs의 경우 초기 농도 2.0×105 cells/mL에서 0.42 day-1이었으나, 형광등의 경우에는 초기 농도 8.5×105 cells/mL에서 0.17 day-1로 두배 이상 감소하였다.
- Fig. 2에서와 같이 RED LEDs를 이용하여 배양할 때 가장 높은 비증식속도와 최대 세포농도를 얻을 수 있었다. 비증식속도의 경우 0.
- RED LEDs 배양 시 공기를 주입하였을 때의 비증식속도(초기농도 2.0×105)는 1.09 day-1로 형광등에 비해 2배 이상 큰 값을 가지는 것을 알 수 있었다.
- 공기 주입 후 반응속도는 초기농도 2.0×105일때 비증식속도 0.44 day-1에서 1.09 day-1로 두배 이상 증가하는 것을 관찰하였다.
- 그 결과, 균체 건조량 = 0.00000002 × 세포농도(상관관계 = 0.99)의 관계를 얻었다.
- 5) 반연속배양의 경우 희석이 반복이 될수록 평균비증식속도가 지속적으로 감소하였는데, 이는 본 연구에서 사용한 희석율 50%의 경우에도 반응기 내부의 그림자효과에 의해 광합성이 원활하지 않았다는 것을 의미한다. 반연속배양에서 공기를 주입할 경우에는 초기 평균비증식속도가 1.09 day-1로 가장 높았으나, 희석이 반복될수록 0.11, 0.23, 0.22 day-1로 감소하였으나 공기를 주입하지 않은 경우의 평균비증식속도인 0.15, 0.14, 0.07 day-1 보다는 높은 값을 보여주었다.
- 3) 적색 LEDs를 이용한 배양의 경우에서 초기 셀농도가 증가함에 따라 셀의 비증식속도는 반대로 감소하는 현상을 보였는데, 이는 각 셀의 그림자효과로 인해 광합성의 저해 현상이 발생한 것으로 판단된다. 비증식속도와는 다르게 최대 셀농도는 초기 셀농도와 비례하여 완만하게 증가하였다.
- 실험에 적용된 조도 및 광량, 그리고 비증식속도와 최대 세포농도는 Table 2에 요약되어 있다. 세가지 광원 모두에 대해서 광량이 증가할수록 비증식속도도 같이 증가하는 것을 알 수 있었다(Fig. 3).
- 앞의 실험에서 적색 LEDs가 클로렐라 배양에 가장 효과가 있으며, 공기를 주입 시 혼합효과에 의해 더욱 배양속도가 증가하는 것을 알 수 있었다. 이러한 결과를 바탕으로 위의 배양조건에서 클로렐라의 연속 배양 가능성을 확인하기 위해 반연속배양을 시도하였다.
- 초기농도가 2.0×104일때의 비증식속도는 0.74 day-1이었으나, 초기농도가 2.0×105으로 열배 증가하였을 때 비증식속도는 0.44 day-1로 감소하는 것을 알 수 있었다.
- 0×105인 반응기에 대해 비증식속도를 계산하였다. 클로렐라의 초기농도가 증가함에 따라 비증식속도는 반비례하여 감소하는 것을 알 수 있었다(Fig. 4). 이는 초기농도가 높을 경우 광합성에 필요한 광이 그림자 효과(Shading effects)에 의해 효과적으로 미세조류에 전달되지 않아 비증식속도가 감소하는 것을 의미한다.
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