일반기술

기포탑 광생물반응기 및 이를 이용한 광합성 미생물의 배양 방법

광합성 미생물을 고농도로 대량배양할 수 있는 광생물 반응기 및 이를 이용한 광합성 미생물의 배양방법으로서, 기포탑 광생물반응기는 별도의 교반기 없이도 배양액의 순환이 가능하며 순환하는 배양액 내부로의 빛투과 거리가 최소화되고 배양액의 최대 표면적에 빛 에너지가 전달될 수 있어 광합성 미생물의 고농도 대량배양에 적합하다. 광합성 미생물에서 유래된 여러 고부가 산물들이 개발되면서 이를 고농도 대량배양하기 위한 다양한 광생물 반응기가 선진국을 중심으로 개발되고 있다. 사계절이 뚜렷하고 토지비용이 고가인 일본, 한국에는 내부조명으로 광섬유, 형광램프, 발광다이오드 소자 등을 다수 설치함으로써 단위부피당 조사 표면적을 최대화할 수 있는 구조를 갖는 여러 형태의 내부조사형 광생물반응기가 개발되었다. 그러나 광생물반응기를 이용한 광합성 미생물의 배양은 옥외배양에 비해 소용량 고농도 배양에는 유리하나 대용량으로 배양하는 경우 반응기 구조의 복잡성으로 고가의 설치비와 운전비 때문에 대규모화가 곤란한 단점 때문에 고부가가치 물질의 생산에 제한적으로 활용되고 있다. 현재 국내에서 개발된 광생물반응기는 원통형 내부도관을 발광체로 이용한 공기부양식과 교반기를 발광체로 이용한 발광터빈형이 알려져 있고, 가장 간단한 구조를 가지면서 대용량의 미생물 배양에 적합하고 태양광에 대한 조사면적이 넓은 기포탑 생물반응기를 기본으로 광합성 미생물을 배양하기 위한 빛에너지의 효과적 공급, 배양액의 온도조절, 혼합에 관한 기술은 미비한 실정이다. 또 광생물반응기의 운전방법으로서 태양광을 이용할 수 있고 계절별, 주야간의 빛에너지 공급량 및 온도변화를 극복할 수 있는 광합성 미생물의 고농도 대량배양기술 개발이 요구된다. 이에 배양액 내부로 빛에너지를 효율적으로 공급하고 배양액의 온도를 조절하기에 적합한 광생물반응기 및 이를 이용한 배양방법을 개발한 것으로서 광생물반응기가 별도의 교반기 없이도 배양액의 순환이 가능하며 순환하는 배양액 내부로의 빛투과 거리가 최소화되고 배양액의 최대 표면적에 빛에너지가 전달될 수 있어 광합성 미생물의 고농도 대량배양에 적합함을 확인하였다.광합성에 필요한 빛에너지를 효율적으로 배양액 내부로 공급하여 광합성 미생물을 고농도로 대량배양할 수 있는 광생물 반응기와 이를 이용한 대량배양방법이다. 미생물 배양액을 담을 수 있는 챔버를 형성하는 수직원통형의 투명 외부컬럼, 이 중심에 설치된 빛에너지를 조사하는 발광체, 이 발광체를 배양액과 분리하고 열교환이 가능한 투명 재킷, 투명재킷의 외부표면에 설치되어 배양액의 상승부와 하강부를 구분하여 순환로를 형성하는 판 형태의 배플 플레이트 및 배양액의 상향유동을 야기하는 폭기장치로 구성된 기포탑 광생물반응기 이다. 기존의 기포탑 생물 반응기를 광합성 생물체의 배양에 적용하기 위해 반응기의 중심에 빛에너지 공급을 위한 발광체, 배양액의 순환을 유도하는 배플 플레이트, 온도조절을 위한 열교환기 기능을 부가하는 특징을 가진다.폭기장치에 의해 투명 배플 플레이트의 한쪽 부분으로 상향 주입되는 공기 또는 다른 기체가 배양액을 상향 유동시킨 후 반대쪽으로 하향 유동하게 함으로써 별도의 교반기 없이 배양액의 순환이 가능하고, 투명한 배플 플레이트에 발광체를 도입함으로써 순환하는 배양액 내부로의 빛 투과거리가 최소화되고 배양액의 최대 표면적에 빛에너지가 전달될 수 있기 때문에 광합성 미생물의 고농도 대량배양이 가능하다.광합성 미생물에서 유래된 고부가가치의 산물을 대량배양생산하기 위한 scale-up, 최적화 연구가 활발히 진행되면서 외국의 생물반응기 제품을 대체하고 있다. 기존 화학합성 기술에 비해 환경오염을 유발하지 않는 생산기술로서 생명공학산업의 급속한 발전과 더불어 그 수요가 점차 늘고 있다.