초록 ▼

3. 기술개발 결과요약

최종목표
⦁경제적 목표: 신규인력 고용 1인
⦁기술적 목표:
미세조류로부터 생리활성물질 생산용 LED 스마트팜 구축을 위한 ICT 융합시스템 개발을 위하여 카로티노이드 고생산 균주 확보 및 형질전환 생산성 향상, 미세조류 성장 최대화 위한 배지조건 및 배양조건 최적화 연구, 카로티노이드 정량법 및 소재화 공정 연구 등이다. 또한 미세조류 배양 특성 파악 위한 연속식 배양장치 개발을 위한 배양 조건도출, LED 최적의 광원 제공을 위한 미세 조류 배양용 LED 모듈 및 연속식배양장치

3. 기술개발 결과요약

최종목표
⦁경제적 목표: 신규인력 고용 1인
⦁기술적 목표:
미세조류로부터 생리활성물질 생산용 LED 스마트팜 구축을 위한 ICT 융합시스템 개발을 위하여 카로티노이드 고생산 균주 확보 및 형질전환 생산성 향상, 미세조류 성장 최대화 위한 배지조건 및 배양조건 최적화 연구, 카로티노이드 정량법 및 소재화 공정 연구 등이다. 또한 미세조류 배양 특성 파악 위한 연속식 배양장치 개발을 위한 배양 조건도출, LED 최적의 광원 제공을 위한 미세 조류 배양용 LED 모듈 및 연속식배양장치 설계 등을 포함하고 있다.

개발내용 및 결과
미세조류로부터 생리활성물질 생산용 LED 스마트팜 구축을 위한 ICT 융합시스템 개발을 위한 정량적 목표는 모두 달성 되었으며 외부기관으로부터 시험 인증을 받음. 세부 개발 내용과 결과는 다음과 같다.
1. 카로티노이드 정량법 확립: 총 카로티노이드 분석법 확립과 서울대 공동기기센터와 교차 카로티노이드 생산 확인 및 공인성적서 확보. 카로티노이드의 일종인 아스타잔틴 HPLC 분석 및 MASS 결과 동등 확인(배양액 1리터 25일 배양 기준으로 카로티노이드 생산량은 60.2와 58.5 mg/L로 97 % 이상의 정확도를 보였음
2. 선정된 미세조류에서 추출할 수 있는 카로티노이드의 농도 (카로티노이드함량 50mg/L): H. pluvialis 균주 배양 시 카로티노이드 60.2 mg/L을 생산 함
3. 기능식품소재 허용 용매를 이용한 추출 (물, 주정, 아세톤, 이산화탄소) 적용: 최적배양-건조-추출-동결건조 소재화 공정 확립: 아세톤 용매+물리적 파쇄를 통한 H. pluvialis 균주로부터 카로티노이드 추출 및 동결건조물 확보함
4. 카로티노이드 생산 증대(형질 전화된 미세조류에서 생산된 카로티노이드의 농도 (1차년도 100 mg/L, 2차년도 200 mg/L): 배지조성 중 1성분 첨가 및 제거를 통해 222.4 mg/L 카로티노이드를 확보함
5. 배지조성 최적화(3종의 영양성분 (N.P.K)이 최적화된 배지에서 생산되는 카로티노이드의 농도(250 mg/L): 17개 배지 성분 추가/결실 및 통계학적 최적화 실험 카로티노이드 299.5 mg/L을 확보함
6. 배양조건 최적화(카로티노이드 정량법/소재화 공정확립, 350 mg/L): 이산화탄소 폭기 조절 및 추출조건 최적화와 추출조건 최적화를 통해 카로티노이드 농도 426.3 mg/L을 달성함
7. 배양조건 최적화 LED 광원 최적화를 통해 카로티노이드 426.3 mg/L을 달성함
8. 흐름제어 연속식 배양기 공정 개발을 통한 세포량 확보 (2차년도 350 mg/L): 건조세포량 7 g/L 이상 확보함: 9.56 g/L (Haematococcus), 8.9 g/L (Scenedesmus)으로 426.3 mg/L으로 목표를 달성함
9. 흐름제어 연속식 공정을 위한 ISMC 시스템 개발: 대량 생산용 계단식 연속 공정을 위한 배양기 개발 (카로티노이드 505.7 mg/L 확보: 9.56 mg/L x 5.29 %)
· 미세조류 배양용 LED모듈 설계 및 특성 분석: 시뮬레이션을 통한 LED 모듈 설계 및 제작 LED 광원의 스펙트럼 측정 및 분석
· 점등/소등 기능의 LED 제어 모듈 개발: LED 미세조류의 생리활성물질 생성을 최적화을 위한 LED의 점등/소등을 위한 회로 개발
· 미세조류 배양 특성 파악 위한 연속식 배양장치 설계 및 배양 조건도출: 3단, 6단 배양장치 실험에서 성장에 필요한 온도 (25℃), 배지공급, LED 광원, pH(7) 및 CO₂ 공급을 위한 조건 등 도출함
· LED광원의 광양자 밀도 분포 측정 및 분석: LED광원에서 방출하는 빛의 조도 (Lux) 와 광양자 밀도 분포 (μmol/m²s)를 측정하여 조도와 광양자 밀도 분포에 대한 관계식 10^{[log(조도)-1.768]}을 도출함
· 대량생산이 가능한 미세조류 스마트팜 구축을 위한 ICT융합의 ISMC 시스템이 개발됨. pH (7.0± 0.2), 온도 (23.0 ± 0.5), CO₂(606.43ppm ± 0.42%), LED 조도 (1000 lux ± 1.7%) 등의 제어로 1일 20리터 생산이 가능함
· 식품안전 용매를 이용한 상업화 적합형 추출공정 개발 및 소재화 기술 확보 (카로티노이드 426.3 mg/L, 자외선 차단 소재 및 도료)

기술개발배경
미세조류를 이용하여 생리활성물질(카로티노이드)의 높은 생산성을 확보할 시, 육상식물 대비 고부가가치 창출이 가능하여 기존 식물공장의 경제성 문제 극복이 가능하다. 미세조류는 기존의 식물과 같이 광합성을 통해 탄소를 축적한다는 점은 동일하여 식물공장에서 배양이 가능하나 육상식물과 달리 민물·해수 수중부에서 성장한다는 점에서 기존의 육상식물 식물공장과는 다른 배양공정 구성이 필요하다. 미세조류 스마트팜 구축에 있어 미세조류는 육상식물과 성장환경과 생리활성물질 생산 조건이 다름으로 미세조류에 특화 된 배양 최적조건을 도출하고 적용해야한다.
미세조류 배양에 있어 ICT 기술을 이용한 LED 광원 제어기술, 배양 환경 실시간 모니터링 및 제어기술 도입을 통해 카로티노이드 생산성 향상이 가능하다. 더불어 이산화탄소 저감에 탄소배출권 시장에서 굴뚝 산업체의 크레딧 확보가 가능한 사업으로 시장 규모 확대 및 환경문제 해결을 위해 필요한 기술로 평가하고 있다.

핵심기술개발의 의의
본 연구에서 개발된 핵심기술은 미세조류 스마트팜의 효율성 증대를 위해 BT-ICT의 첨단 기술이 융복합된 친환경 융합기술로서 신성장동력 산업으로 성장할 만한 충분한 잠재력을 가지고 있다.
미세조류 배양을 통한 이산화탄소 저감 및 고부가가치 바이오소재 생산 기술 개발과 내재화를 통한 고부가가치 핵심 소재 개발로 지속적으로 발전 가능하다고 할 수 있다.

적용분야
미세조류배양은 야외노지와 광반응기를 이용한 배양법 위주로 이루어져 식물공장형 ICT 융합 미세조류 스마트팜은 전무한 상태이다. 기능성·식의약 소재 생산 및 고부가가치 산물 생산이 가능한 미세조류 배양용 이용 스마트팜에 적용가능하며 나아가 고부가가치 식품, 화장품 및 의료용 소재로서 소량 다품종 개발로 중소기업에 적합한 품목으로 평가된다.

(출처 : 요약 6p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 보고서 요약(초록) ... 4
• 연구개발사업 주요 연구 성과 ... 11
• 목차 ... 15
• 제 1 장 서론 ... 17
• 제 1 절 개발기술의 중요성 및 필요성 ... 17
• 1. 식물공장 산업 성장 한계점 ... 17
• 2. 미세조류공장 필요성 ... 17
• 3. 미세조류공장 이용 고부가가치 산물 생산 ... 18
• 4. BT-ICT융합 미세조류 스마트팜 신시장 개척 ... 18
• 제 2 절 국내·외 관련 기술의 현황 ... 19
• 1. 국내 관련 기술의 현황 ... 19
• 2 국외 관련 기술의 현황 ... 20
• 제 3 절 기술개발 시 예상되는 기술적·경제적 파급 효과 ... 21
• 제 2 장 기술개발 내용 및 방법 ... 22
• 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 22
• 1. 기술 개발의 최종 목표 ... 22
• 2. 기술 개발의 평가방법 ... 23
• 제 2 절 개발 내용 및 개발 범위 ... 24
• 1. 카로티노이드 정량법 확립 ... 24
• 2. 카로티노이드 고생산 균주 선정 ... 26
• 3. 카로티노이드 생산 ... 32
• 4. 배지조성 최적화 ... 34
• 5. 배양조건 최적화 ... 40
• 6. 미세조류 배양용 LED 모듈 연구 ... 45
• 7. 흐름제어 연속식 공정 개발 ... 69
• 8. 흐름제어 연속식 ISMC 시스템 ... 80
• 9. 미세조류 스마트팜 ... 102
• 10. 소재화 공정 ... 105
• 11. 미세조류 (H. pluvialis) 추출물 이용 자외선 차단 소재 개발 ... 112
• 제 3 장 결과 및 사업화 계획 ... 115
• 제 1 절 연구개발 최종 결과 ... 115
• 1. 연구개발 추진 일정 ... 115
• 2. 연구개발 추진 실적 ... 116
• 3. 기술개발 결과의 유형 및 무형 성과 ... 117
• 제 2 절 연구개발 추진 체계 ... 133
• 제 3 절 시장 현황 및 사업화 계획 ... 134
• 1. 기술개발 관련 시장 현황 ... 134
• 2. 사업화 계획 및 마케팅 전략 ... 134
• 3. 사업화에 따른 수익성 자체분석 결과 ... 136
• 별첨1. 성과활용현황 및 계획 ... 137
• 별첨2. 성실이행 서약서 ... 140
• 별첨3. 자체보안관리진단표 ... 141
• 끝페이지 ... 142