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문제 정의
- 본 연구에서는 후처리 비용이 많이 들고, 환경에 치명적인 영향을 주는 화학적 공정을 대신하고, 일반적인 기계적 방법과 다르게 처리 과정이 간단하고, 대량수확이 가능한 친환경적인 공정인 초음파를 이용하여 미세 조류 세포막을 파쇄하는 연구를 수행하였다.
제안 방법
- 균체 내의 산과 염기 처리를 하였을 때 균체의 pH 값 변화에 따라 세포 파쇄 효율에 어떠한 영향을 미치 는지에 대해 실험을 수행하였다. pH 5.33 ~ 10.11범위에서 네 가지 종류의 조건에서 실험을 수행하였다.
- 일반적으로 저온에서 보다 고온에서 산과 염기 처리(Acid & Alkali treatment)를 하였을 때 세포벽 구조가 유연해져 세포 파쇄에 영향을 미친다. 균체 내의 산과 염기 처리를 하였을 때 균체의 pH 값 변화에 따라 세포 파쇄 효율에 어떠한 영향을 미치 는지에 대해 실험을 수행하였다. pH 5.
- 실험에 사용된 미세조류는 평판형광생물반응기에서 배양된 Chlorella sp.를 균주로 사용하였고, 배양에 사용된 배지는 고압 멸균기를 이용하여 121 에서 20분동안 멸균하여 냉각시킨 TAP(Tris-Acetate-Phosphate) media를 사용하였다.
- 최적의 성장 조건에서 배양된 Chlorella sp.를 저주파 초음파를 이용하여 세포막을 파쇄하는 실험을 수행 하였다. 먼저, 최적의 성장을 위한 조도 조건을 실험적 으로 구하였고, 초음파 장치의 최적의 파쇄 효율 조건을 구하기 위해 후속 실험을 수행하였다.
- 를 저주파 초음파를 이용하여 세포막을 파쇄하는 실험을 수행 하였다. 먼저, 최적의 성장을 위한 조도 조건을 실험적 으로 구하였고, 초음파 장치의 최적의 파쇄 효율 조건을 구하기 위해 후속 실험을 수행하였다. 후속 실험의 변수 값으로는 초기 균체 농도, 초음파 출력 파워, 초기 균체 용량, 균체의 pH값 등 네 가지를 선택하였으며, 실험계획법을 이용하여 가장 좋은 파쇄 효율을 구하기 위한 연구를 수행하였다.
- 평판형광생물반응기에서 조도 값의 변화에 따른 Chlorella sp.성장 실험을 수행한 결과, 성장 속도가 가장 빠르고, 성장 기간이 제일 긴 조도 값은 8,000 lux 로 나타났으며, 이 조도 값에서 수학적 근사 모델을 이용하여 비성장 속도(specific growth rate)를 예측하 였다 [2] . 균주에 대한 성장 모델은 Table 1에 나타낸 바와 같이 Logistic 모델과 Gompertz 모델을 사용하여 근사화하였다.
- 파쇄 공정에 사용된 미세조류는 평판형 광생물반응 기에서 배양된 미세조류를 사용하였고, 미세조류의 성장 환경을 제어하기 위해 배양기 내에 센서를 배치하여 계측한 결과를 바탕으로 성장곡선을 모델링하였다.
- 평판형광생물반응기에서 TAP media를 사용하여 배양된 미세조류 Chlorella sp.에 대해 최적의 성장 곡선을 측정하고, 회귀 모델을 통하여 미세조류의 성장률을 근사화하였다. 최적의 조도 조건을 먼저 결정하였고, 초기 균체 농도, 초음파 출력 파워, 초기 균체 용량, 균체의 pH값 등 네 가지 변수를 변화시키며 초음파 장치의 최적의 파쇄 효율 조건을 구하는 실험을 수행하였다.
- 의 비성장률(specific growth rate)을 예측하기 위해 Logistic 모델과 Gompertz 모델 2가지의 모델을 사용하여 성장 모델을 근사화 하여 성장모델을 예측하였다.
- 평판형광생물반응기에서 배양한 Chlorella sp.의 초기 균체 농도에 따라 저주파를 이용하여 세포막 파쇄 실험을 수행하였다. 초기 균체 농도에 따른 파쇄 효율 변화를 Fig.
- 저주파 장치를 이용하여 미세조류 파쇄 효율을 연구하기 위해 초기 균체 농도(microalgae concentration), 초기 균체 용량(capacity), 출력 파워, 균체 pH값 등 네 가지의 변수를 변화시키면서 각 변수가 파쇄 효율에 미치는 영향을 실험을 통하여 연구하였다. 변수들의 실험 범위는 Table 2에 나타내었다.
- 는 독립변수 제곱항의 계수를 나타낸다. 직교 배열을 적용하여 총 16가지의 배합 조건에서 실험을 수행하였다.
- 초기 균체 농도가 파쇄 효율에 미치는 영향에 대하여 실험한 결과 가장 높은 파쇄 효율과 균체 농도의 변화를 나타낸 광학 밀도(OD) 2.57값을 고정 변수로 하였으며, 초음파 장치의 출력 파워 변화에 따른 파쇄 효율을 분석하기 위해 다섯 가지 출력 파워 값에 따른 실험을 수행하였다. Fig.
- 에 대해 최적의 성장 곡선을 측정하고, 회귀 모델을 통하여 미세조류의 성장률을 근사화하였다. 최적의 조도 조건을 먼저 결정하였고, 초기 균체 농도, 초음파 출력 파워, 초기 균체 용량, 균체의 pH값 등 네 가지 변수를 변화시키며 초음파 장치의 최적의 파쇄 효율 조건을 구하는 실험을 수행하였다. 본 논문의 결론을 정리하면 다음과 같다.
- 최적의 파쇄 효율 조건을 구하기 위해 초기 균체 농도에 대한 최적의 조건인 광학 밀도 2.57과 초음파 장치의 출력 파워에 대한 최적 조건인 54 W(60%)의 결과 값을 고정 하여 최적의 파쇄 효율을 나타내는 용기 내의 초기 균체 용량 조건을 구하기 위해 실험을 수행하였다.
- 파쇄 공정에 사용된 미세조류는 평판형 광생물반응 기에서 배양된 미세조류를 사용하였고, 미세조류의 성장 환경을 제어하기 위해 배양기 내에 센서를 배치하여 계측한 결과를 바탕으로 성장곡선을 모델링하였다.
- 먼저, 최적의 성장을 위한 조도 조건을 실험적 으로 구하였고, 초음파 장치의 최적의 파쇄 효율 조건을 구하기 위해 후속 실험을 수행하였다. 후속 실험의 변수 값으로는 초기 균체 농도, 초음파 출력 파워, 초기 균체 용량, 균체의 pH값 등 네 가지를 선택하였으며, 실험계획법을 이용하여 가장 좋은 파쇄 효율을 구하기 위한 연구를 수행하였다.
대상 데이터
- 미세조류 Chlorella sp.의 최적의 파쇄 효율을 연구하기 위해 본 실험에 사용된 저주파 장치(Low Frequency Non-Focused Ultrasound, LFNFU)는 500 Watts, 20 kHz의 범위에서 사용되도록 제작되었다. Fig.
이론/모형
- 성장 실험을 수행한 결과, 성장 속도가 가장 빠르고, 성장 기간이 제일 긴 조도 값은 8,000 lux 로 나타났으며, 이 조도 값에서 수학적 근사 모델을 이용하여 비성장 속도(specific growth rate)를 예측하 였다 [2] . 균주에 대한 성장 모델은 Table 1에 나타낸 바와 같이 Logistic 모델과 Gompertz 모델을 사용하여 근사화하였다. 여기에서, a, b, c는 수학적 파라미터 이고, A는 최대 개체 수, μm는 비성장 속도, 그리고 λ는 지체 시간이다.
성능/효과
- 4. 초음파 장치의 출력 파워에 따른 파쇄 효율 실험을 수행한 결과 모든 조건에 대해서 초음파 조사 30분이후에는 파쇄 효율이 80% 이상으로 양호한 결과를 나타내었다. 높은 출력 값인 54 W(60%)에서는 급격하게 세포 파쇄 효율이 증가하였고, 세포 파쇄 효율에 가장 큰 영향을 주는 변수로 판단하였다.
- 5. 실험에 사용된 초음파 장치의 최적의 균체 용량에 대해 실험을 수행하였고, 초기 균체 용량이 150 ml일 때 가장 높은 파쇄 효율 결과를 나타내었다.
- 6. 초기 균체의 산과 염기 처리가 세포막 파쇄에 어떠한 영향을 미치는지 알아보기 위해 다섯 가지의 조건으로 실험을 수행한 결과, 균체의 pH 의 값이 염기성을 띄었을 경우 산성의 경우 보다 세포막이 유연해져 파쇄 효율이 높아지는 결과를 나타내었고, 파쇄 효율에 따라 광학밀도 변화량도 비례하게 변화하는 결과를 나타내었다.
- 54일 때, 초음파 처리 과정 중다른 실험 조건보다 가장 짧은 시간에 높은 세포 파쇄 효율을 보였으나, 초음파 조사 시간이 경과됨에 따라 다른 조건들에 비해 낮은 파쇄 효율 결과를 나타내었다. 가장 높은 성장과 높은 광학밀도 값을 나타낸 농도 3.66과 3.96의 경우에 두 변수가 비슷하게 초기 조사 시간에는 높은 농도로 입자의 인력이 강해 다른 조건에 비해 파쇄 효율이 떨어졌으나, 초음파 조사 시간이 경과 할수록 인력이 약해져 점차 파쇄 효율이 증가하는 결과를 나타내었다.
- 산성의 경우에는 세포막이 단단해져 파쇄 효율이 낮아졌으며, 파쇄 효율에 따라 광학밀도 변화량도 현저히 낮아지는 결과를 나타내었다. 가장 높은 파쇄 효율은 중성 구간인 pH 7.95의 범위구간에서 가장 높은 결과를 나타내었다. Fig.
- 균체의 pH값이 염기를 띄었을 경우에 세포막이 유연해져 세포 파쇄 효율이 증가하였고, 강염기인 pH 10.11의 경우 초음파 처리 초기에 가장 급격한 파쇄 효율을 나타내었지만, 초음파 처리시간이 경과함에 따라 파쇄 효율은 중성인 구간보다 낮은 파쇄 효율을 나타내 었다. 산성의 경우에는 세포막이 단단해져 파쇄 효율이 낮아졌으며, 파쇄 효율에 따라 광학밀도 변화량도 현저히 낮아지는 결과를 나타내었다.
- 5에 나타내었다. 균체의 성장이 비교적 작은 초기 균체 농도가 1.54일 때, 초음파 처리 과정 중다른 실험 조건보다 가장 짧은 시간에 높은 세포 파쇄 효율을 보였으나, 초음파 조사 시간이 경과됨에 따라 다른 조건들에 비해 낮은 파쇄 효율 결과를 나타내었다. 가장 높은 성장과 높은 광학밀도 값을 나타낸 농도 3.
- 네 가지 실험 중에서 중간의 성장과 광학밀도를 가진 OD 2.57에서 가장 빠르고 높은 파쇄 효율을 나타내 었으며, 초음파 조사 시간이 경과하여도 가장 높은 파쇄 효율을 나타내었다. 초음파를 조사하여 파쇄를 진행 중에 균체 광학밀도 변화 과정을 Fig.
- 초음파 장치의 출력 파워에 따른 파쇄 효율 실험을 수행한 결과 모든 조건에 대해서 초음파 조사 30분이후에는 파쇄 효율이 80% 이상으로 양호한 결과를 나타내었다. 높은 출력 값인 54 W(60%)에서는 급격하게 세포 파쇄 효율이 증가하였고, 세포 파쇄 효율에 가장 큰 영향을 주는 변수로 판단하였다.
- 를 사용하여 초기 균체 농도에 대한 초음파 파쇄 실험을 수행하였고, 실험 결과 네가지 조건 중에서 초기 광학밀도 2.57의 구간에서 가장 높은 파쇄 효율을 나타내었다.
- 2에 나타내 었다. 실험 결과 네 가지 종류의 조도 변화 중 최대 광학밀도(@OD680)는 조도 값 8,000 lux 근방에서 4.33으로 측정되었고, 이때 성장률이 가장 좋은 것으로 측정되었다.
- 실험 결과 모든 출력 파워 조건에서 초음파 조사 시간 10분 이내에 급격한 파쇄 효율의 증가가 나타났다.출력 파워 값이 비교적 낮은 33 W(40%) ~ 42W(50%)의 경우 초기 초음파 조사 시간부터 최종 60분의 조사 시간이 경과 할 때까지 낮은 파쇄 효율을 나타내었다.
- 9는 초기 용량 변화에 따른 파쇄 효율을 나타 내었다. 실험 결과 용기 내의 초기 균체 용량을 150 ml로 파쇄공정을 진행할 경우에 파쇄 초기부터 파쇄 효율이 급격히 증가하였고, 초기 용량이 200 ml와 300 ml로 증가 시켰을 경우 현저히 낮은 파쇄 효율 결과를 나타내었다.
- 초기 균체의 농도, 출력 파워, 초기 용량, pH의네 가지의 변수에서 초음파 장치를 이용한 세포 파쇄 효율에 대해 최적의 조건을 찾는 실험을 수행하였고, 초기 pH에 대한 실험 결과를 제외한 나머지 3 가지 조건에 대해 모든 결과 값이 초음파 조사 시간이 30분이 지난 후에는 파쇄 효율이 75%가 넘는 양호한 결과를 나타내었다. Fig.
- 성장곡선을 모델링 하였다. 총 네가지 조건의 조도 값에서 각각 세포 농도와 광학 밀도를 측정하여 비교하였고, 그 결과 조도 8,000 lux에서 가장 높은 성장률을 나타내었으며 균체의 최대 광학밀도 값은 4.33이 관찰되 었다.
- 출력을 54 W(60%)이상 초과하여 주었을 경우에는 초음파장치 프루브 팁(probe tip)의 온도가 갑자기 상승하여 파쇄 시스템에 오버로드가 발생하였다. 총 다섯 가지의 실험 조건에서 초음파 조사 시간 20분이 경과 한 이후에는 모든 조건에서 세포 파쇄 효율이 80% 이상 나타나는 양호한 결과를 나타내었으며, 출력 파워 값이 54 W(60%)에서 초기 조사 시간부터 세포 파쇄 효율이 눈에 띄게 증가하는 결과를 나타내었다.
- 8에 장치의 출력 파워 값에 따른 초음파 조사중 광학밀도의 변화를 나타내었다. 출력 파워 값에 대한 균체의 광학 밀도의 변화량은 모든 조건에서 초음파 조사 시간이 경과함에 따라 점차 감소하였고, 가장 높은 파쇄 효율을 나타낸 54 W(60%)에서 균체의 광학 밀도 변화 값도 비례하여 가장 크게 변화하는 결과를 나타내었다. 파쇄 효율이 높은 48 W(55%) ~ 54 W(60%)의 구간에서는 균체의 광학 밀도 값도 크게 감소하여 파쇄가 비교적 잘 이루어졌음을 알 수 있다.
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