4-1. 결론
1. 용암해수를 이용한 스피룰리나 배양 연구(각주:선행연구제목)
○ 본 연구에 사용된 Spirulina maxima Cy 23(Setchell and Gardner)는 한국미세조류배양센 터(Korea Marine Microalgae Culture Center)에서 분양을 받았고, 한국해양과학기술원 (안산본원)에서 Spirulina Medium, Modified 배지(그림 3-13)를 영양원으로 하여 배양 연구를 진행 하였다. 해수는 제주테크노파크 용암해수사업단에서 제공받은 용암해수(Magma Seawater, MS), 미네랄수, 탈염수를 이용하였고 각각의 성분조성은 [표 3-16]에 나타내었다.
[그림 3-13] 스피룰리나 배지 및 변형 배지의 조성별 구분
분 석 항 목 (단위 : mg/L)
용암해수* RO탈염수** ED미네랄수***
평균
Na(나트륨) 10796 4.26 559
Mg(마그네슘) 1319 0.15 1245
Ca(칼슘) 406 0.10 311
K(칼륨) 416 0.36 15.65
Br(브롬) 62.0 <0.01 8.30
Sr(스트론튬) 7.547 <0.001 6.429
Zn(아연) 0.009 <0.001 0.01
Fe(철) 0.002 <0.01 0.09
Mn(망간) 0.001 <0.001 0.002
V(바나듐) 0.023 <0.01 0.017
Se(셀레늄) 0.009 <0.01 0.01
Ge(게르마늄) <0.001 <0.001 <0.001
Si(SiO2)(규소-규산염) 9.110 <0.01 8.40
Cu(구리) 0.005 <0.001 0.008
Mo(몰리브덴) 0.008 <0.001 0.002
SO42-(황산이온) 2405 0.36 1104
Cl-(염소이온) 21806 8.03 4340
B(보론) 3.982 0.35 4.310
F(불소) 0.958 <0.01 0.959
[표 3-16] 용암해수, 탈염수, 미네랄수의 성분조성 비교(자료:제주테크노파크 용암해수산업화지원센터)
*
용암해수: 바닷물이 투수성이 좋은 화산암반층에 의해 자연 여과되면서 육지 지하로 흘러든 지하 수로서 담수지하수와의 밀도차이에 의해 서로 섞이지 않으며(Ghyben- Herzberg원리) 담수층 아 래에 존재하는 염지하수
** RO탈염수: 물이 이동으로 용질의 농도가 높은 염수측에 작용하는 압력을 삼투압이라하며 반대로
삼투압보다 높은 외부 압력을 가하면 물은 용질의 농도가 낮은 담수쪽으로 이동하는 역삼투압 원 리를 이용하여 용암해수에 용해되어 있는 용질(이온, 분자 등)을 제거한 탈염수(담수)
*** ED미네랄수: 전기투석을 이용한 고형물을 분리하는 방법으로서, 이온교환막의 작용에 의하여 양 이온은 음극으로, 음이온은 양극으로 향하여 이동에 따라 Na, C 등의 1가 양이온 및 음이온의 제 거된 ED수
가 . 용암해수 원수 혼합 배양액 적정 비율 연구
○ 삼각 플라스크에서 용암해수와 증류수의 비율은 그림 [3-14]의 방법으로 제조한 후 스피 룰리나를 접종하였으며, 인큐베이터 내에서 교반기를 지속적으로 이용하여 미세조류가 정 체되어 바닥에 침전 되는 것을 방지하였다. 바이오매스는 배양액 20mL을 GF/C 여과지 (Whatman)에 필터링하여 드라이오븐(60℃)에 건조시킨 후 여과 전과 후의 무게를 측정 하여 계산하였다. 수온과 pH의 변화는 매일 오전 11시에 각각 측정하였다. 배양실험실 내부 실온(30~35℃) 환경에서 L:12h, D:12h의 명암 조건을 조성하였으며, 에어브로워를 이용하여 배양액을 연속적으로 순환시키며 30일간 지속적인 배양을 진행하였다.
[그림 3-14] 용암해수와 증류수 배지 조성
○ 30일 동안 배양실험을 한 결과, 증류수만을 이용하여 배양액을 제조한 control 실험구가 0.9 g/L로 가장 높은 성장률을 나타내었다. 용암해수 혼합 배지 상등액을 이용하여 배양 한 그룹 가운데서는 MS-C(용암해수 40%) 실험구가 0.87 g/L로 가장 높은 생체량을 기 록 하였으며, MS-A(용암해수 20%)에서는 0.55 g/L, MS-B(용암해수 30%)는 0.68 g/L 의 생체량을 나타내었다(그림 3-15). Spirulina medium, Modified 배지를 용암해수와 혼 합하여 제조하면 용암해수와 배지의 탄산칼슘 성분과 결합이 이루어지며 점차 배양액 내 에 침전물이 생기는 현상이 발생하게 된다. 이러한 현상은 배양액 내에서 스피룰리나의 정상적인 성장을 저해하는 요소가 되는 것을 확인하였다. 이에 용암해수 배합 양을 감소 시켜 스피룰리나의 성장을 증가시키기 위한 추가실험을 진행하였다.
[그림 3-15] 용암해수/증류수 혼합 조건별 바이오매스 변화
나 . 저농도 용암해수 원수 혼합 배양액 적정 비율 연구
[그림 3-16] 용암해수와 탈염수 배지 조성
○ 고농도 용암해수 원수를 사용했을 때의 문제점들을 보완하기 위해 고농도 용암해수 원수 대신 저농도 용암해수를 기본으로 한 배지를 조제하여 탈염수로 농도를 조절하면서 배양 실험을 수행하였다(그림 3-16). 미세조류 배양실험실 환경에서 실내온도는 30~35℃를 유 지 하였으며, 형광등(주광색)은 타이머를 이용하여(L: D, 12: 12)의 명암 환경을 조성하 였다. 성장률을 알아보기 위해 배양액을 GF/C 여과지(Whatman)에 필터링 하고, 드라이 오븐(60℃)에 24시간 건조시켜 전과 후의 무게를 비교하여 바이오매스를 계산하였다. 5일 에 1회 바이오매스를 측정하였으며 30일간 연속 배양 연구를 진행하였다.
[그림 3-17] 용암해수/탈염수 혼합 조건별 바이오매스 변화
○ 용암해수 원수를 저농도로 희석하여 배양액을 제조한 실험한 그룹에서는 MS-1(용암해수 1%)에서 1.55 g/L 로 가장 높은 생체량을 보였다. 나머지 그룹에서의 성장률도 유의하게 나타났으며 다른 용암해수 희석 실험과 비교하여 높은 성장률을 나타내었다. 미량의 용암 해수 성분을 탈염수와 혼합하여 배지를 제조하게 되면 침전물이 생기는 것을 방지하는 동 시에 일반 증류수에 비해 높은 성장률을 나타내는 것을 확인 할 수 있었다.
다 . 미네랄수 혼합 배양액 적정 비율 연구
○ 고농도 용암해수 원수를 사용했을 때의 문제점들을 보완하기 위해 용암해수 원수 대신 미 네랄수를 기본으로 한 배지를 조제하여 탈염수로 농도를 조절하면서 배양실험을 수행하였 다. 고농도의 용암해수 원수에서 문제가 발생되었었기 때문에 [그림 3-18]의 조성과 같이 저농도의 미네랄수를 기반으로 하여 배양액을 제조한 후 스피룰리나 성장 연구를 진행하 였다. 미네랄수를 각각 2, 4, 6, 8, 10%로 희석하기 위해 증류수 대신 탈염수를 이용하였 고 Spirulina medium 배지를 첨가하여 배양액을 제조하였으며, 배양액에 스피룰리나를 접종하여 30일간 연속배양 연구를 진행했다. 바이오매스는 배양액 20mL을 GF/C 여과지 (Whatman)에 필터링하고, 드라이오븐(60oC)에 24시간 건조시킨 후 여과 전과 후의 무게 를 측정하여 계산하였다. 조명(형광등)은 타이머를 이용하여 L:12h, D:12h 명암 환경 조 건으로 에어브로워를 이용하여 연속순환시켰다. 본 연구를 통해 최적 성장이 가능한 미네 랄수와 탈염수의 혼합 비율을 조사하였다.
[그림 3-18] 미네랄수와 탈염수 배지 조성
○ 모든 실험구가 control 보다 높은 성장률을 나타내었으며. 그 중 MR-4 의 실험구가 2.0 g/L 로 가장 높은 생체량을 나타내었다. MR-6 실험구의 생체량은 1.5 g/L, MR-8에서는 1.8 g/L, MR-10 실험구는 1.9 g/L이 생체량을 나타내었다. 이 연구를 통해 저농도 용암 해수 뿐만 아니라 미네랄수를 이용해도 스피룰리나의 성장이 잘 이루어진다는 것을 확인 하였다.
[그림 3-19] 미네랄수/탈염수 혼합 조건별 바이오매스 변화
라 . 400, 800L 급 배양연구
○ Lab scale 규모의 실험에서는 용암해수 1, 2, 3%의 그룹과 미네랄수 2, 4, 6%의 그룹이 비교적 높은 성장률을 나타내었다. 동일한 조건에서 중간 배양 단계인 400, 800 L 급으 로 증가했을 때에도 유의한 생체량 변화를 보이는지 확인하기 위해 본 연구를 진행하였 다. 400, 800 L 원형수조에 용암해수, 미네랄수와 탈염수를 혼합한 후 스피룰리나를 접종 하여 배양연구를 진행하였다. 생체량은 배양액 20 mL을 GF/C 여과지(Whatman)에 필터 링하고, 드라이오븐(60℃)에 24시간 건조시킨 후 여과 전과 후의 무게를 측정하여 계산하 였다. 배양액의 순환을 위해 에어브로워를 이용하여 24시간 연속적으로 순환시켰으며, 배 양 종료 후 스피룰리나를 수확하여 분석연구에 이용하였다(그림 3-20).
[그림 3-20] 800L 배양 수조에서 용암해수/탈염수 혼합 조건별 바이오매스 변화
[그림 3-21] 400L 배양 수조에서 미네랄수/탈염수 혼합 조건별 바이오매스 변화
○ [그림 3-20]은 800L급 배양조에서 용암해수와 탈염수를 혼합하여 배양한 스피룰리나의 생체량을 나타내고 있다. 본 연구에서는 용암해수 2% 혼합액을 이용하여 배양한 그룹 (MS-2)에서 최대 생체량은 0.79±0.05 g/L이며, 평균 생체량은 0.54±0.22 g/L로 다른 그룹에 비해 가장 높은 성장을 보였다. 그리고 탈염수만을 이용한 그룹(control)은 최대 0.71 g/L, 평균 0.49±0.2 g/L, MS-1 그룹은 최대 0.7 g/L, 평균 0.5±0.1 g/L, MS-3 그룹에서는 최대 0.73 g/L, 평균 0.5±0.1 g/L로 유의한 생체량을 나타내었다. 그림 3-21 는 400L급 배양조에서 미네랄수와 탈염수를 혼합하여 배양한 스피룰리나 생체량을 나타 내고 있다. 미네랄수 혼합액을 이용한 실험 그룹에서는 MR-6 실험구가 최대 생체량은 0.81±0.1 g/L이며, 평균 생체량은 0.51 g/L로 가장 높은 성장을 보였다. MR-2 실험구 는 최대 생체량이 0.67 g/L, 평균 생체량은 0.47±0.2 g/L로 실험 그룹 가운데 가장 낮은 성장을 보였다. control 실험구와 MR-4 그룹에서의 최대 생체량은 0.72 g/L, 0.7 g/L이 며, 평균 생체량은 각각 0.46±0.2 g/L, 0.48±0.2 g/L로 유의한 성장을 나타내었다.
[그림 3-22] 스피룰리나 400, 800 L 대량배양 실험 환경
마 . 20ton 급 대량배양 연구
○ 본 연구에서 대량배양 적용을 위해 사용한 유리온실의 미세조류 배양 플랜트(그림 3-23) 의 외부 측면은 4 mm의 유리와 내부 공기 유동을 고려한 4-way 슬라이드 측창, 지붕은 8 mm 두께의 강화유리와 자연환기를 위한 천장 자동개폐 시스템 장치가 설치되어 있고, 수로형 수조의 크기는 10,000 (W) x 3,250 (L) x 550 (H) mm이며, 지면에서 수조 벽 상부까지의 높이는 250 mm이다(그림 3-24). 미세조류 배양수의 수심은 400 mm를 유지 하였으며, 동절기 수온 유지를 위해 수로형 수조의 콘크리트 바닥에는 보일러 배관을 매 설하여 가온하였다.
[그림 3-23] 미세조류 배양 플랜트
[그림 3-24] 수로형 대량배양 시설 구조
○ 스피룰리나의 대량배양을 위하여 플랜트 실온(23~30℃)에서 Spirulina Medium, Modified 을 이용해 5L 삼각 플라스크에 계대배양 하였다. 이 후 300L 원형 실린더 수조에서 중간 배양을 한 후 20ton 수로형 수조에 접종하였다. 20ton 수로형 수조에서도 동일한 성분의 Spirulina Medium, Modified 배지를 영양원으로 사용하였고, 용암해수가 1% 비율이 되 도록 혼합하여 대량배양을 수행하였다. 배양수를 유동 혼합시키는 수차의 속도는 15 rpm 을 유지하였다. 생체량은 배양액 20 mL을 전공펌프를 이용하여 GF/C 여과지(Whatman) 에 필터링(3반복)하여 24시간 동안 드라이오븐(65℃)에 건조시킨 후 무게를 측정하여 생 체량을 측정하였다. 35일간 배양한 스피룰리나 샘플은 Tubular Separator 를 이용하여 15,000 rpm의 조건에서 7시간 동안 2일간 연속적으로 작동하여 배양수내 샘플을 전부 수확하였다(그림 3-25). 수확된 샘플은 생화학적 분석을 위해 -50℃의 냉동고에 보관하 였고, 이 후 동결건조기를 사용하여 동결 건조하였다.