[논문]라만 분광법을 이용한 지질생산 미세조류 Scenedesmus obliquus 성장 평가

유용진; 이건우; 백동현; 김진우; 김호섭

doi:10.5762/kais.2020.21.5.223

라만 분광법을 이용한 지질생산 미세조류 Scenedesmus obliquus 성장 평가
Growth Evaluation of Lipid Production Microalgae Scenedesmus obliquus using Raman Spectroscopy 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.5, 2020년, pp.223 - 229

유용진 (선문대학교 나노과학과) , 이건우 (선문대학교 나노과학과) , 백동현 (선문대학교 차세대반도체기술연구소) , 김진우 (선문대학교 식품과학과) , 김호섭 (선문대학교 나노과학과)

초록
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최근 3세대 바이오매스라고 알려진 미세조류를 이용하여 생산되는 바이오디젤은 기존의 교통수단에 사용되는 화석연료를 대체할 수 있는 유일한 재생에너지로 알려져 있다. 미세조류 중에서도 Scenedesmus obliquus는 다른 미세조류 대비 성장이 빠르고 건조세포무게 대비 지질을 40-50 % 축적이 가능하여 바이오디젤 생산에 있어 야외 및 대규모 재배에 적합한 지질생산 우수 종으로 알려져 있다. 미세조류를 이용한 바이오디젤 생산을 위해서는 높은 바이오매스 생산량 확보가 선행되어야 하며 배양공정의 제어를 위해 효과적인 세포 질량 측정 및 분석이 필요하다. 본 연구는 S. obliquus를 75일 동안 배양하며 흡광도, 현미경 이미지, 라만 분광법 등으로 미세조류의 성장 변화를 측정하고, 측정된 값들에 대한 상관관계를 관찰하였다. 배양 60일과 배양 75일 기간에, 흡광도의 변화량이 3 % 미만인 반면, 현미경으로 관찰한 미세조류의 숫자는 3배 이상 증가하였다. 또한, 라만 분광법으로 측정된 결과에서는 β-카로틴에 해당하는 997 cm^-1, 1148 cm^-1, 1515 cm^-1의 강한 피크값이 측정되었으며, 배양 기간 동안 β-카로틴의 피크값은 초기보다 3배 이상 증가하는 것이 관찰되었다. 따라서 라만 분광법을 이용하면 미세조류 배양에서 세포 내 성장 물질과 성장 정도를 알아내어 높은 바이오매스를 생산할 수 있을 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

Biodiesel produced using microorganisms, which are recognized as the third-generation biomass, is among the various known renewable energy sources that can replace fossil fuels used in conventional transportation. Scenedesmus obliquus has been identified as an excellent species for biodiesel production, as it grows faster and can accumulate up to 40-50 percent of the dry cell weight. Enhancing production using S. obliquus requires measuring the cell mass for controlling the cultivation process. In the current study, S. obliquus was cultured for 75 days, and growth changes of the microalgae were measured by absorbance, microscopic imaging, and Raman spectroscopy. Between days 60 to 75 of culture, the change in absorbance was observed to be less than 3%, whereas the number of microalgae observed microscopically was more than three times higher. Moreover, the Raman spectroscopy results showed three strong peak values of β-carotene at 997 cm-1, 1148 cm-1, and 1515 cm-1, with peak values of β-carotene showing greater than 3-fold increase during the culture period. Therefore, we predict that application of Raman spectroscopy will help in identifying the growth elements and growth degree in microalgae culture during increased biomass production.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. The SEM images present S. obliquus growth
그림 Fig. 2. Spectrum of LED light
그림 Fig. 3. The optical microscope images of cultured microalgae for (a) 10, (b) 26, (c) 60, (d) 75 days
표 Table 1. Table of modified bold's basal medium (MBBM)
그림 Fig. 4. Cell size by the culture days (10, 26, 60, and 75 days)
그림 Fig. 5. Microalgae growth graphs in MBBM culture medium.
그림 Fig. 6. Raw raman spectra of S. obliquus on culture solution, day 10, day 15, day 60, and day 65.
그림 Fig. 7. The peak values at day 15, day 60, and day 65 were based on day 10.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 흡광도, 현미경 이미지, 그리고 라만 스펙트럼 등의 방법으로 고농도 배양을 통한 아스타잔틴 생산증대를[13] 위해 세포량을 측정하고 흡광도와 라만 결과 비교를 통해 상호 관계를 분석하고 성장 특성을 조사하였다.

제안 방법

미세조류의 한 종류인 S. obliquus를 75일 동안 배양 하며 흡광도(O.D.), 현미경 이미지, 라만 분광계 등으로 미세조류의 성장 변화를 관찰하였다. 배양 기간(75일) 동안 흡광도의 변화는 0.

대상 데이터

미세조류의 성장을 위한 영양소는 Modified Bold’s Basal Medium (MBBM) 배지를 사용하였다[14]. MBBM 배지는 Table 1에서 보는 바와 같이 16가지 배양성분으로 조성되어 있으며, 배양성분 중에서 NaNO₃는 전체 39.
본 연구에서 사용된 미세조류는 초승달 모양을 가지고 있는 S. obliquus LIMS-PS-0871로서 해양과학기원 해양시료도서관 (JeJusi, Korea)로부터 분양받아 사용하였다. Fig.

이론/모형

미세조류의 성장은 UV/Vis 분광기 (Optizen 2120UV, Mecacy, Korea)를 이용하여 680 nm에서 측정한 흡광도 방법, 현미경 (FLUOVERT FS, LEITZ, Germany) 으로 측정한 이미지로 개체량 숫자 측정 방법, 그리고 532 nm 파장 레이저를 이용한 라만 스펙트럼 (LabRAM HR800, Horiba, Japan)방법 등으로 측정하였다.

성능/효과

배양 초기의 라만 피크값들이 유사한 비율로 증가하는 시점이 최대 배양 시점으로 판단된다. 또한, 미세조류는 배양 시간이 증가함에 따라 β-카로틴 증가가 대부분을 차지하고 있는 것을 보인다. 배양일 10일을 기준으로 β-카로틴의 피크값은 3배 이상 증가함을 확인하였다.
라만 분광계의 측정 결과에서, β-카로틴에 해당하는 3개의 스펙트럼 피크값 997 cm⁻¹ , 1148 cm⁻¹ , 1515 cm⁻¹ 에서 측정되었으며, 배양 기간의 증가에 따라 스펙트럼 피크값의 세기가 증가하였다. 배양 초기의 라만 피크값들이 유사한 비율로 증가하는 시점이 최대 배양 시점으로 판단된다.
또한, 미세조류는 배양 시간이 증가함에 따라 β-카로틴 증가가 대부분을 차지하고 있는 것을 보인다. 배양일 10일을 기준으로 β-카로틴의 피크값은 3배 이상 증가함을 확인하였다. 이러한 실험 결과를 토대로 S.
80의 값이 측정되었다. 흡광도의 변화량이 2.9 % 정도인 배양 60일과 배양 75일에 사이에 미세조류의 세포 수가 3배 이상이 증가하는 것이 보인다.

후속연구

배양일 10일을 기준으로 β-카로틴의 피크값은 3배 이상 증가함을 확인하였다. 이러한 실험 결과를 토대로 S. obliquus의 대량 배양을 위한 기초자료로써 유용하게 이용될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대기 중 이산화탄소를 감소시키는 가장 대표적인 방법은 무엇인가?	대기 중 이산화탄소를 감소시키는 가장 대표적인 방법은 식물에 의한 광합성인데 민물 또는 바닷물에서 성장하는 미세조류는 육상식물보다 태양에너지 이용 효율이 25배 높고 빠르게 성장하여 바이오매스 생산성이 5-10배 높으며 이산화탄소 고정능력도 15배가량 높다고 알려졌다. 미세조류 종과 배양 조건에 따라 건체 중량 대비 80 % 이상의 지질 축적이 가능하며 이산화탄소를 이용한 바이오디젤과 같은 유용물질 생산에 있어 육상식물보다 우수한 3세대 바이오매스로 알려졌다[4-5].
	흡광도 비교법과 같은 기존의 분광 광도법이 갖고 있는 단점은?	미세조류는 chlorophyll, carotenoid 또는 phycobilin과 같은 색소를 함유하고 있는데 이러한 색소는 특정 파장을 흡수하는 특징을 가져 세포 농도 측정을 위해 분광 광도계를 사용하는 흡광도 비교법이 널리 사용되고 있다[6]. 하지만 기존의 분광 광도법은 세포 성장의 실시간 측정이 어렵고 세포 농도가 짙어질수록 측정의 정확도가 떨어지는 단점을 가지고 있다. 미생물 성장 측정에 있어 라만 분광법을 이용한 측정이 새롭게 적용되고 있는데, 라만 분광법은 분자의 진동운동을 측정해서 물질의 특성을 분석하는 방법으로 전처리와 손상 없이 시료 분석이 가능하다[7-12].
	지구온난화의 주범으로 알려진 온실가스에는 어떠한 것들이 있는가?	19세기 이후 급속한 산업화로 인해 화석연료의 사용량이 급증하면서 화석연료의 연소과정에서 발생하는 이산화탄소, 메탄, 프레온 가스 등의 온실가스 발생이 급증하여 지구온난화와 같은 인류를 위협하는 환경 문제들이 발생하고 있다. 지구온난화의 주범으로 알려진 온실가스는 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 아산화질소(N2O), 수소화불화탄소(HFCs), 과불화탄소(PFCs), 육불화황(SF6)을 지칭한다. 2016년 국내 온실가스 총 배출량 695백만톤중 이산화탄소(CO2)가 638백만 톤으로 90 % 이상을 차지하여 온실가스 저감을 위해서 이산화탄소 배출량 감소가 먼저 수행되어야 한다[1].

참고문헌 (18)

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저자의 다른 논문 :

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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