[논문]미세조류 Scenedesmus dimorphus 연속 대량배양 운전에 있어 광 조건이 성장에 미치는 영향

주성진; 황현정; 장산; 황선진

doi:10.11001/jksww.2015.29.3.319

미세조류 Scenedesmus dimorphus 연속 대량배양 운전에 있어 광 조건이 성장에 미치는 영향
Effects of light condition in the continuous mass cultivation of microalgae Scenedesmus dimorphus 원문보기

上下水道學會誌 = Journal of Korean Society of Water and Wastewater, v.29 no.3, 2015년, pp.319 - 323

주성진 (경희대학교 환경공학과 및 환경연구센터) , 황현정 (경희대학교 환경공학과 및 환경연구센터) , 장산 (경희대학교 환경공학과 및 환경연구센터) , 황선진 (경희대학교 환경공학과 및 환경연구센터)

Abstract ▼ AI-Helper

This study investigated the effects of the light conditions on the productivity of scenedesmus dimorphus in the continuous mass cultivation system. To compare the algal productivity according to the light conditions, S. dimorphus was cultivated continuously under the wide range of light intensity(200-600 PPFD) and various light wavelength(white light and red-blue mixed light). After 100 days of cultivation under the different light intensity, the productivity of S. dimorphus increased as light intensity decreased. So, the productivity was maximized as 100 mg/L/d when light intensity was 200 PPFD. In case of light wavelength, the productivity of S. dimorphus was enhanced about 20% with the white light compared to that of the red-blue mixed light. Consequently, the optimal light conditions for the continuous mass cultivation of S. dimorphus were 200 PPFD as light intensity and white light as light wavelength.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 미세조류 S. dimorphus의 배양을 위해 연속운전 시 광도와 광 파장에 따른 생산성 평가를 통해 대량배양을 위한 적정한 광 조건을 도출하기 위한 기초연구를 수행하였으며, 그 결과는 다음과 같이 요약될 수 있다.
이에, 본 연구에서는 바이오-연료 추출을 위한 생물자원으로 주목받고 있는 미세조류 중 Scenedesmus dimorphus종의 대량배양을 위한 다양한 운전조건 중 광도와 광 파장이 생산성에 미치는 영향을 연속운전을 통해 평가하여 S. dimorphus의 배양에 적합한 광 조건을 도출하는 것을 목표로 연구를 진행하였다.

제안 방법

1과 같이 조성된 BBM 배지와 혼합하여 0.2 OD(Optical Density)가 되도록 조정한 다음, 250 mL cell culture flask를 이용하여, 온도 25˚C ± 1, PPFD(Photosynthetic photon flux density) 100μmol/m2/sec인 항온 광 배양기(Multi-thermo chamber, HB-305M)에서 20일간 계대배양을 실시하여 1.5 OD 까지 배양시킨 후 실험에 사용하였다.
pH는 9.5 ± 0.5, 온도는 25 ± 3˚C로 유지시켰으며, 초기 미세조류의 접종 량은 0.5 OD로 하였고, 미세조류의 광합성을 위한 무기탄소원 공급을 위해 공기를 0.5 VVM(Volume per Volume per Minute)으로 공급하였다.
광도에 따른 S. dimorphus의 생산성을 평가하기 위해 white 파장의 flexible LED를 이용하여 200∼600 PPFD의 광도, 그리고 광 파장에 따른 생산성을 평가하기 위해 red 와 blue 파장을 혼합한 광 파장 조건 및 white 파장을 단독으로 조사하는 두 가지 광 파장 조건을 설정하였다.
미세조류의 성장량을 측정하기 위한 지표로서 OD 와 dry weight를 측정하였다. OD는 채취한 시료를 충분히 흔들어 미세조류가 고르게 분포하도록 섞어준다음 660 nm 파장에서 Spectrophotometer(Optizen POP, Mecasys Co.
부피 5 L의 원통형 반응기를 아크릴로 제작하였으며, 정량펌프(EMP-2000EN, Korea)를 이용하여 반응기 내에 BBM 배지를 700 mL/day 로 공급하였으며, 공급된 유량만큼 동시에 유출시켜 반응기의 수위를 일정하게 유지시켰다. 반응기 내의 pH를 일정하게 유지하기 위해 pH-controller(Is-tek, Korea)를 이용하였으며, 광 조사를 위해서 flexible LED를 반응기 표면에 감는 방식으로 설치하였고, 광도는 LI-1400 Datalogger(LI-COR, USA)와 LI-193(LI-COR, USA) 센서를 이용하여 수중에서 측정하였다.
1]에 나타내었다. 부피 5 L의 원통형 반응기를 아크릴로 제작하였으며, 정량펌프(EMP-2000EN, Korea)를 이용하여 반응기 내에 BBM 배지를 700 mL/day 로 공급하였으며, 공급된 유량만큼 동시에 유출시켜 반응기의 수위를 일정하게 유지시켰다. 반응기 내의 pH를 일정하게 유지하기 위해 pH-controller(Is-tek, Korea)를 이용하였으며, 광 조사를 위해서 flexible LED를 반응기 표면에 감는 방식으로 설치하였고, 광도는 LI-1400 Datalogger(LI-COR, USA)와 LI-193(LI-COR, USA) 센서를 이용하여 수중에서 측정하였다.
Dry weight는 채취한 시료를 충분히 혼합한 후, 미리 무게를 측정한 GF/C 여과지에 10 ml를 여과한 다음에 105∼110℃ 오븐에서 2시간 이상 건조시켰다. 이후 건조가 끝난 여과지의 무게를 측정하여 건조 전후의 무게 차이를 측정하여 농도를 산출하였다(Andrew et al., 2005).

대상 데이터

본 연구에 사용된 미세조류는 S. dimorphus로 KORDI (Korea Ocean Research & Development Institute)로부터 분양받았으며, 배양을 위해 사용한 배지는 Bold's Basal Medium(BBM)으로 조성은 Table.

성능/효과

200 PPFD 조건에서 평균 dry weight는 약 480 mg/L로 가장 높게 나타났으나, 광도가 400 ∼600 PPFD로 증가함에 따라 평균 dry weight는 300 ~400 mg/L로 감소하는 경향을 나타냈다.
OD의 경우에는 white 파장이 blue와 red 혼합파장에 비해서 다소 높게 나타났으나, dry weight 변화에서는 두 조건 모두 거의 유사한 경향을 나타냈다. 각 파장별 steady-state 구간을 10일~20일째라고 본다면, 이 구간에서의 평균 dry weight는 white 파장에서 약 400 mg/L, blue와 red 혼합 파장에서 약 330 mg/L 로 white 파장이 약 20 % 높은 성장량을 나타낸 것을 알 수 있다.
광 파장에 따른 생산성을 평가한 결과, 본 연구에서는 red light와 blue light 단파장을 조사한 조건에 비해 white light 인 혼합파장을 공급할 경우 생산성이 다소 높은 것으로 나타났다.
광도를 200 ~ 600 PPFD 범위로 설정하여 S. dimorphus 의 생산성을 평가한 결과, 본 연구에서는 200 PPFD 조건에서 100 mg/L/d 로 성장률이 가장 높게 나타났으며, 200 PPFD 이상의 조건에서 광도가 증가할수록 광 저해로 인해 생산성이 차츰 감소하는 것으로 나타났다.
광도에 따른 S. dimorphus의 생산성 변화를 계산한 결과, [Fig. 3]에 나타낸 바와 같이 200 PPFD 조건에서약 100 mg/L/d 로 가장 높게 계산되었고 이후 광도의 증가에 따라 S. dimorphus의 생산성은 약 60 mg/L/d 까지 비례적으로 감소하는 것으로 나타났다.
본 연구에서는 blue와 red와 같은 단파장 보다 white light와 같은 혼합파장을 조사했기 때문에 보조색소에 의한 빛 에너지 전달률이 향상되어 white 파장의 성장량이 더 높게 나타난 것으로 사료된다.
이상의 내용으로부터, 본 실험에서는 평균 dry weight가 가장 높았던 200 PPFD 조건을 광 포화점(photo-saturation point)으로 판단할 수 있으며, 광 포화점 보다 높은 400∼600 PPFD 조건에서는 광 저해(photo-inhibition)로 인해 dry weight 및 생산성이 감소한 것으로 판단된다.

후속연구

따라서, S. dimorphus의 대량배양을 위한 적정 광도는 광 조사에 대한 소비 전력량과 생산성을 고려했을 경우 200 PPFD, 광 파장은 white light 가 본 연구에서는 가장 최적인 것으로 판단되며, photo-inhibition을 최소화하고 광 전달이 효율적으로 이루어질 수 있도록 PBR의 구조를 개선할 경우, 미세조류 성장량의 획기적인 증가를 기대할 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	미세조류는 어떤 특징으로 주목받고 있는가?	미세조류는 일반적으로 광합성 대사를 통해 성장하는 단세포 미생물로써, 이산화탄소를 탄소원으로 이용하여 탄수화물, 지질, 단백질 등의 물질을 합성할 수 있는 식물 바이오매스 자원이다. 이러한 미세조류는 대량배양을 통해서 하폐수처리, 이산화탄소 고정, 바이오 연료 및 고부가가치 산물 생산 등 환경, 에너지, 화학 분야와 같은 다양한 측면으로 이용 가능하기 때문에 미래의 청정에너지 및 소재자원으로 주목받고 있다(Oh and Oh, 2013)
	미세조류는 무엇인가?	미세조류는 일반적으로 광합성 대사를 통해 성장하는 단세포 미생물로써, 이산화탄소를 탄소원으로 이용하여 탄수화물, 지질, 단백질 등의 물질을 합성할 수 있는 식물 바이오매스 자원이다. 이러한 미세조류는 대량배양을 통해서 하폐수처리, 이산화탄소 고정, 바이오 연료 및 고부가가치 산물 생산 등 환경, 에너지, 화학 분야와 같은 다양한 측면으로 이용 가능하기 때문에 미래의 청정에너지 및 소재자원으로 주목받고 있다(Oh and Oh, 2013)
	회분식 연구의 결과는 무엇인가?	Patrick et al., (1996)에 의하면 일반적으로 미세조류를 배양하기 위한 광도는 1,000~10,000 Lux로 보고하였고, 광 주기가 길어질수록 미세조류의 성장속도와 최대 성장량이 증가하는 것으로 보고되고 있다. 또한, 광 파장이 미세조류의 대사에 미치는 영향에 대하여 연구된 바 있으며(Senger, 1984; John et al, 1953), 미세조류 Chlamydomonas reinhardtii는 red 파장에 비해서 blue 파장을 공급했을 때 세포의 크기가 더 크게 자라는 것으로 보고되었다(Oldenhof et al., 2006).

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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