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문제 정의
- 식물조직배양에 있어서는 1980년대 이후 일본 등에서 바이오리액터를 이용한 식물의 부정배나 캘러스 등의 생산연구가 수행되었으며, 국내에서는 임업연구원에서의 산삼배양, 충북대학교에서의 거베라 및 인삼 대량증식에 바이오리액터를 이용한 연구가 수행되었다. 본 연구에서는 바이오리액터를 이용하여 나리구근의 대량생산을 검토하기 위하여 바이오리액터내 배양액의 pH, DO의 농도를 온라인으로 제어할 수 있는 시스템을 시작하였으며, 실제 배양시 배양경과에 따른 배양액의 농도변화를 계측하였다.
제안 방법
- (가) pH 제어 pH의 제어는 그림 3과 같이 사전에 프로그램화된 설정값과 측정된 값을 비교하여 산(HCl, 0.1N)과 염기(NaOH, 0.1N) 용액을 바이오리액터내로 주입하여 제어하도록 하였다. 산·염기 용액주입용 펌프에는 스테핑 모터를 사용한 정량펌프를 이용하여 설정시간만큼 산·염기 용액이 주입되도록 하였다.
- pH 와 DO 농도의 계측은 각 바이오리액터내에 전극을 삽입하고 전극으로부터의 신호를 아날로그 멀티플렉서를 통해서 하나의 트랜스미터에서 신호를 처리하였다. pH 전극은 2~12, DO 전극은 0~20ppm의 범위에서 측정이 가능하며 양 전극 모두 고압멸균(121℃, 40분, 2bar)의 공정에서도 내구성을 가지며, 연속적으로 4개월 이상 사용할 수 있는 것을 선택하였다.
- 또한 생장을 지속시킬 수 있는 하한용존산소량과 공기부양에 따른 물리적 스트레스를 최소화할 수 있는 공기 주입량을 고려하여야한다. 따라서 배양기간의 경과에 따른 생장량을 추정하여 그 시점에서의 적당한 공기 주입량을 결정한 후, 공기량 조절밸브를 제어하여 주입 공기량을 제어하도록 하였다.
- 배양 경과에 따른 경시간격별 농도의 계측을 위해서 pH와 DO 농도는 바이오리액터내에 주입된 전극을 통하여 on-line으로 계측하였으며, 주요 무기이온성분은 1개월 간격으로 샘플링하여 측정 분석하였다.
- 배양시 배양액의 pH, DO 농도를 제어하기에 앞서 관행적으로 배양할 때의 배양경과에 따른 배양액의 성분을 측정하였다. 경시간격별 배양액의 측정에 사용된 공시작물은 Oriental hybrid 'Casa Blanca'로 국내에서 가장 많이 재배되고 있는 나리품종중 하나이다.
- 배양액 성분중 pH와 DO는 시작 시스템을 이용하여 on-line으로 측정하였으며, 무기이온성분은 배양액을 샘플링하여 측정하였다. 측정 무기이온은 구근의 비대에 많은 영향을 끼치는 암모니아태 질소, 질산태 질소를 중심으로 측정하였으며 각각 Indophenol blue 법, 자외선 홉광도법을 이용하여 분석하였다.
- 가. 복수의 바이오리액터내 배양액의 pH, DO 농도를 전극을 이용하여 on-line으로 계측하며, 농도의 계측값과 목표값을 비교하여 피드백으로 제어할 수 있는 시스템을 개발 하였다.
- 식물조직배양용 바이오리액터내 배양액의 pH, DO 농도를 on-line으로 계측하고 제어하기 위한 시스템을 개발하여 시스템의 성능시험과 경시간격별 배양액의 농도변화를 계측하였으며, 주요 연구결과는 다음과 같다.
대상 데이터
- 그림에서와 같이 시작시스템은 하나의 제어시스템으로 여러 대의 바이오리액터를 동시에 제어할 수 있도록 구성하였다. 본 연구에 이용한 바이오리액터는 콘타입 형상으로 용량은 202이며 고압멸균이 가능하도록 pyrex 재질로 제작한 것을 채택하였다.
- 경시간격별 배양액의 측정에 사용된 공시작물은 Oriental hybrid 'Casa Blanca'로 국내에서 가장 많이 재배되고 있는 나리품종중 하나이다. 본 연구에서는 Casa Blanca 구근의 비대배양에 바이오리액터를 사용하였으며, 배양기간은 통상 4개월 정도 소요된다. 배양 배지는 MS기본배지에 sucrose 6%, 활성탄 1%를 첨가하여 암환경에서 배양하였다.
이론/모형
- 배양액 성분중 pH와 DO는 시작 시스템을 이용하여 on-line으로 측정하였으며, 무기이온성분은 배양액을 샘플링하여 측정하였다. 측정 무기이온은 구근의 비대에 많은 영향을 끼치는 암모니아태 질소, 질산태 질소를 중심으로 측정하였으며 각각 Indophenol blue 법, 자외선 홉광도법을 이용하여 분석하였다.
성능/효과
- pH 와 DO 농도의 계측은 각 바이오리액터내에 전극을 삽입하고 전극으로부터의 신호를 아날로그 멀티플렉서를 통해서 하나의 트랜스미터에서 신호를 처리하였다. pH 전극은 2~12, DO 전극은 0~20ppm의 범위에서 측정이 가능하며 양 전극 모두 고압멸균(121℃, 40분, 2bar)의 공정에서도 내구성을 가지며, 연속적으로 4개월 이상 사용할 수 있는 것을 선택하였다. 그림 2는 pH 및 DO 의 측정구조를 나타낸 것이다.
- 8 까지 떨어졌다. 나리구근의 배양에서 최적 pH 농도는 5.0~6.0이며, 통상 배지의 조제시에는 pH 농도를 5.8로 조절하지만, 배지의 조제시 활성탄을 첨가하고 고압멸균 공정을 거치는 과정에서 pH 농도가 배지조제시보다 약간 떨어지는 것으로 나타났다. 또한 배양액의 DO 농 도는 배양 초기 6.
- 질산태질소의 경우 배양초기 510ppm에서 4주후 490ppm, 8주 후 480ppm으로 암모니아태 질소에 비해서 많은 흡수가 이루어지지 않아, 나리 구근의 비대에는 암모니아태 질소성분이 많은 영향을 미치는 것으로 추정된다. 또한 배양초기에 암모니아태 질소의 홉수가 질산태질소보다 많이 이루어져 구근으로부터 H* 이온을 유출시킴으로 pH의 값이 떨어지는 것으로 나타났다.
- 오염에 의해서 균이 증식을 시작한 후 1시간이 내에 배양액의 pH 농도는 급격하게 떨어져 정상상 태에서의 배양과 뚜렷히 구별되었다. 배양액에는 활성탄이 첨가되어 있어 육안으로 오염감염 여부를 판단하기 이해서는 배양개시 후 2~4주일이 지난 후 냄새와 부유물 등으로 오염감염 여부를 판단할 수 있으나 pH 농도의 급격한 변화로부터 오염감염의 여부를 사전에 미리 파악할 수 있을 것으로 나타났다.
- 나. 배양액의 농도변화를 계측한 결과 pH는 배양초기 5.0에서 배양이 경과됨에 따라 서서히 떨어져 2개월 후에는 3.8까지 떨어지는 것으로 나타났다.
- 다. 배양액의 성분중 배양초기에는 암모니아태 질소의 흡수가 질산태질소보다 많이 이루어져 구근으로부터 H+이온을 유출시킴으로 pH의 값이 떨어지는 것으로 나타났다.
- 오염에 의해서 균이 증식을 시작한 후 1시간이 내에 배양액의 pH 농도는 급격하게 떨어져 정상상 태에서의 배양과 뚜렷히 구별되었다. 배양액에는 활성탄이 첨가되어 있어 육안으로 오염감염 여부를 판단하기 이해서는 배양개시 후 2~4주일이 지난 후 냄새와 부유물 등으로 오염감염 여부를 판단할 수 있으나 pH 농도의 급격한 변화로부터 오염감염의 여부를 사전에 미리 파악할 수 있을 것으로 나타났다.
- 라. 오염이 발생한 리액터내의 배양액 성분은 pH의 값이 3이하로 떨어졌으며, 이로부터 배양액의 오염경보를 할 수 있는 것으로 나타났다.
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