52(1)-09(최윤이117).fm

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1 Korean Chem. Eng. Res., 52(1), 8-16 (2014) PISSN X, EISSN 총설 LED 광원을활용한미세조류의배양 김대근 최윤이, *, ** 전북대학교생물공정공학과 전북전주시덕진구백제대로 567 *LED 농생명융합기술연구센터 전북익산시고봉로 79 전북대학교익산캠퍼스 ** 전북대학교생리활성소재과학과 전북전주시덕진구백제대로 567 (2013 년 9 월 27 일접수, 2013 년 12 월 5 일수정본접수, 2013 년 12 월 12 일채택 ) Microalgae Cultivation Using LED Light Dae Geun Kim and Yoon-E Choi, *, ** Department of Bioprocess Engineering, Chonbuk National University, 567 Baekje-daero, deokjin-gu, Jeonju-si, Jeonbuk , Korea *LED Agri-bio Fusion Technology Research Center, Chonbuk National University, Iksan Campus, 79 Gobong-ro, Iksan-si, Jeonbuk , Korea **Department of Bioactive Material Sciences, Chonbuk National University, 567 Baekje-daero, deokjin-gu, Jeonju-si, Jeonbuk , Korea (Received 27 September 2013; Received in revised form 5 December 2013; accepted 12 December 2013) 요 약 미세조류는이산화탄소를제거하고산업적으로유용한다양한이차대사물질을생산해내는광합성미생물로생물산업분야에서주목받고있는유용한자원이다. 이러한미세조류를실내에서효과적으로배양하기위해서는무엇보다도효율적인광원이필수적이다. 최근발달하는 LED 광원은광원의크기가작고, 에너지효율이우수하며, 특정파장만조사할수있다는점등의다른인공광원과차별되는많은장점을가지고있다. LED 광원을미세조류의배양에적용하는연구는최근에와서야점차시도되고있는실정이며, 아직까지실험실규모의실험과대표적인특정종위주의결과들만나오고있어, LED 광원을미세조류의산업적인배양에적용하기위해서는더많은세부적인연구결과가요구된다. 하지만 LED 조명을미세조류배양분야에적용하는것은효과적인접근으로생각되며, BT(Bio Technology) 산업에새로운지평을열것으로생각된다. 따라서본고에서는최근연구되고있는 LED 광원을이용한미세조류의배양현황및그가능성에대해서조사하고, 향후나아갈방향에대해서기술해보았다. Abstract Microalgae have been considered as a promising microorganism in the field of bio-industry due to their abilities to fix carbon dioxide as well as biosynthesize valuable secondary metabolites. Of many lighting sources for microalgal cultivation, LED (Lighting Emitting Diode) has been emerged as the appropriate choice with multiple advantages over the conventional bulbs. However, it is only in recent years that we have witnessed the possibility of application of LED into microalgae cultivation system. LED will serve as an evolutionary lighting source for microalgae cultivation system and open the frontier for integrative bio-industries. In this paper, we present the comprehensive review on the recent trends of LED applications into microalgal biotechnology. Key words: LED, Microalgae, Photobioreactor, Microalgae Culture, LED Developments To whom correspondence should be addressed. yechoi@jbnu.ac.kr 이논문은 KAIST 양지원교수님의정년을기념하여투고되었습니다. This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License ( which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. 8

2 LED 광원을활용한미세조류의배양 9 1. 서론 18세기영국의산업혁명이후화석연료를바탕으로급속도로성장한산업기술의발달은인류의삶을윤택하게만들어준최대의업적이기도하지만, 화석연료를사용함으로인한결과물로발생하는대기중이산화탄소농도의증가역시결코피할수없는부산물이었다. 이렇게축적된이산화탄소는지구밖으로나가는복사열을붙잡아두는역할을해지구온난화현상을일으켜전지구적인급격한기후변화를유발시키게되었고, 그결과최근세계각지에서는해수면의상승뿐만이아니라, 유래없는홍수와가뭄, 허리케인과같은일상적이지않은자연재해가연이어일어나고있다. 따라서전세계적으로더이상의지구온난화를막기위해에너지사용을줄이거나, 탄소로부터자유로운효율적인에너지원을찾는연구가계속이루어지고있다 [20]. 조류는대기나수중의이산화탄소와물을원료로광에너지를이용하여유기물을합성하고산소를생산하는광합성을통해생장하는생물로, 육안관찰이가능한미역, 김등의대형조류와현미경으로관찰되는클로렐라, 스피루리나등의미세조류로구분이된다. 그중미세조류는지구상에수십만종이존재하는것으로알려져있으며학계에등록된미세조류수만 6천여종으로생물학적으로높은다양성을가진다 [37]. 이러한미세조류는단세포성생물로일반적인지상의고등식물에비해서 4~20배정도유기물생산성이높으며, 이러한유기물생산과정중에온실가스인이산화탄소의높은수준의고정화가가능한것으로알려져있어, 최근지구온난화문제가떠오름에따라그해결책중하나로주목을받고있다 [9]. 특히이러한미세조류는그생물학적인다양성을지니는만큼종류에따라서세포내지질함량이높아바이오디젤로사용할수도있는종, 산업적으로가치를지니는불포화지방산, 단백질, 비타민, 카로티노이드계통의이차대사물질등다양한유용물질들을생산해내는종등종별로아주다양한특징을가지고있어, 미세조류의종다양성에기초를두어다양한연구가진행되고있다 [1,5,12,13,20,48]. 미세조류의활용은근대이전의단순한식량대체자원에서부터기초적건강보조식품으로, 나아가서는생리활성물질등다양한고부가가치유용물질생산및미세조류바이오에너지생산으로점차그범위가확대되어가고있는추세다. 따라서미세조류를이용한 BT(Biotechnology) 산업은이산화탄소고정화및바이오에너지생산을통한지구온난화방지와함께유용물질의생산을통한식품, 화장품, 의약품산업등다양한산업에활용이가능한다양한장점을가지고있어현재전세계적인연구가지속되어가고있는실정이며, 미래의저탄소녹색성장시대를이끌어갈차세대기반산업이라고할수있다. 광합성은미세조류의생육에있어서중요한생화학과정이며, 이를통하여빛에너지를화학에너지로변환시킨다. 미세조류를산업적으로상용화하기위해서는먼저반응기등을통한대량배양을통해원활한바이오매스생산이이루어져야하는데, 미세조류는광합성을통해생장하는생물이기때문에대량배양을위해서는빛의원활하고효율적인공급이필수적으로이루어져야한다. 따라서미세조류의산업적응용을위한가장중요한핵심인자는빛의공급이며, 이러한빛을공급하는과정에서모든전체생물공정의대부분의비용이발생한다고하겠다. 현재세계적으로이러한비용을줄이기위해서다양한연구들이진행되고있는데, 그중하나로주목받는광원이바로발광다이오드즉 LED(Light Emitting Diode) 이다. 이러한 LED는칼륨, 인, 비소등을재료로한다이오드에전류를흘리면빛을발하는성질을이용해서만든것으로, 여타의형광등및백열등에비해 10~100배의긴수명과전력소비량이낮고고효율, 친환경적이라는지대한장점을가지고있어주목받고있다 [44]. 하지만 LED를식물및미세조류와같은광합성을하는생물에적용하는연구는이제막주목받고있는초기단계로아직까지산업적인응용을위해고려해야될부분이남아있다. 따라서본고에서는 LED 및미세조류산업에대한기본적인연구배경을바탕으로 LED를이용한미세조류배양산업의융합에대하서간략하게소개하고자한다. 2. LED 조명과미세조류 2-1. 광원과 LED 세계최초로전기를이용한광원인백열등은에디슨이발명한지 100여년이지난지금도형광등과함께전세계적으로많이이용되고있는광원중하나이다. 백열등은특유의따스하고아늑한분위기와전기회로가없이빠르고간편하게점등할수있으며, 아주저렴한가격대를가지고있다는뛰어난장점을가지고있다. 하지만이러한백열등은에너지효율이매우낮아형광등의 1/5 수준밖에되지않으며, 이말뜻은같은전력량으로계산했을때형광등을쓴다면백열등을쓰는것보다전력량을 80% 나아낄수있다는뜻이된다. 따라서이렇게에너지효율이낮은백열등은지구온난화시대에맞지않는광원으로서백열등을대신해 LED와같은다른고효율광원으로대체한다면상당한규모의온실가스를줄일수있다는결론이나온다. LED(Lighting Emission Diode, 발광다이오드 ) 는 1960년미국의 GE에의해처음개발된전류를흘려보내면빛이발생하는반도체다. 초기에는밝기와연색성이낮아서사용성이낮았지만, 청색 LED 및백색 LED가개발되고 2000년대초반부터 LED의성능이급속하게향상되고가격이급락하면서오히려청색, 적색등원하는특정파장 (wavelength) 만조사할수있는 LED조명은 BT분야에있어서는장점으로인정받아차세대광원으로연구되기시작했다 [47]. 이렇게 LED가차세대광원으로주목받는이유에는 LED조명이가지는고효율, 환경친화적, 긴수명, 공간효율성등의장점과함께 LED광원의보급화를막았던단점인낮은광출력과높은가격문제가, Fig. Fig. 1. A comparison of light-emitting diode costs and light output versus time [7].

3 10 김대근 최윤이 1에서나타낸소위하이츠의법칙 (Haitz s Law) 에따라점차적으로단점이개선되어졌기때문이다 [7]. LED광원은백열등전력소비량의 20% 수준에불과하며, 광원효율이 100 lm/w 정도로형광등과비슷한값을보인다. 특히 LED조명은약 8만시간의수명으로, 백열등약 1천시간보다약 80~ 100배, 형광등약 2만시간보다약 4배의긴수명을가지고있어경제성을가진다. 무엇보다 LED칩의크기는대략 0.25 mm 2 로쌀알크기보다작다. 그리고이칩을포함해패키지로제작해도넓이가 21 mm 2, 높이가 5mm 미만의크기로아주작은완성품이나온다. 이는백열등과형광등의큰부피에비해서 LED조명이가지는큰장점으로예를들어실내에서미세조류를배양하는광반응기의경우기존에형광등을사용할때는광원의특성상외부조사밖에이루어질수없어가동시광원의전달효율이크게떨어졌지만, LED조명의경우광반응기내부에조명을설치해서가동하거나반응기외벽에붙여서사용해도될정도로공간을절약할수있어광원의효율을크게높일수있다 [8]. 또한디지털조명인 LED는기존아날로그조명에비해서세밀한지능형제어가가능한장점이있다. 여타다른산업분야와는다르게식물과미세조류같은식물체의생장에적용하기위해서는미세조류의종류와미세조류의성장에맞게조명의세기및파장을다르게적용할필요가있는데, 기존의조명은조명하나당한정된크기와사용되는안정기의가격때문에공간적, 비용적인면에서다양하게적용하기가어려웠다. 하지만 LED조명은칩하나하나의크기가매우작고, 좁은공간에다양한파장의칩을조합할수있어다양한파장과밝기그리고디밍 (Dimming) 등의조절이자유롭게이루어질수있다. 따라서 LED조명은기존의형광등보다공간적으로작게차지하면서도광출력뿐만이아니라청색, 적색등원하는특정파장만필요에따라서조사할수있어미세조류와같은광합성생물의배양에매우적합할것으로판단된다 LED광원을이용한미세조류연구동향미세조류는미생물계에속하나분해자의역할을하는것이아니라대기중의이산화탄소를흡수해광에너지를받아들여식물처럼광합성을하여유기물질을생성해내는독립영양을하는생산자이다. 미세조류는서식환경에따라물에떠다니는식물플랑크톤 (phytoplankton) 과토양등에부착하여서식하는부착미세조류 (benthic microalgae) 로구분되며토양, 담수, 기수, 해수등다양한환 Fig. 2. Commercially important metabolic pathways in microalgae [35]. Fig. 3. The effect of LED light on microalgae growth. 경에서적응해서서식한다. 일반적으로남조류를제외한미세조류는진핵세포로구성되어식물의생리적기작과매우유사하나, 고등식물보다는세포분열및성장의주기가매우짧고빠르게분열하여유기물생산성이우수해 Fig. 2에서나타낸것처럼단백질, 지질, 당질, 비타민, 색소와같은산업적으로유용한고부가가치물질들을다량생산해낼수있는가능성을가지고있다 [5,35]. LED조명을이용해서광합성생물을재배하려는시도는식물에서먼저시작되었으며, 다양한파장에서식물체의반응을조사한결과가보고되고있다. 식물체는광을흡수하는많은광수용체들을가지고있으며, 주요발달단계에따라서적합한파장이각기달라, 조사한파장에따른식물체의반응이달리나타난다는결론을얻었다 [42]. 아직초기단계이지만식물과유사한광합성대사를하는미세조류에있어서도파장에따른성장에미치는연구들이이루어지고있으며, Fig. 3에나타낸것처럼미세조류에서도각기다른세포의변화가나타나는것이명확하지는않지만일부확인되고있다 [28,36,38]. Table 1에는미세조류의종류와생성하는다양한영양성분과각종유용물질인생리활성물질을나타내었다. 생성하는유용물질의종류는미세조류의종만큼이나매우다양하며, 이러한다양한생리활성물질을이용해서인체의면역증강, 간기능회복, 뇌졸증과백내장개선등의연구와광합성색소를이용한항산화제, 항염제, 항세균제, 항진균제, 항바이러스제등의기능을이용하기위한연구가활발히이루어지고있다. 특히 LED조명의특정광도, 파장과 pulse 등을배양단계에맞게적절하게조사해서미세조류를배양한다면, 광합성색소 (chlorophyll 등 ) 와항산화물질, 지질과같은유용생리활성물질의합성을증진하도록유도할수있음이최근연구가되어가고있다 [15,31,44]. 세포내지질함량이높아바이오디젤로사용하기우수한종으로알려진 Botryococcus braunii 종의경우적색, 청색그리고녹색의 LED파장에서따라서세포내지질및탄수화물의함량에변화를줄수있음이확인되었으며 [4], Dunaliella salina의경우청색과적색 LED파장의파장비율이 25:75의조건에서성장효율이증진되는것을확인하였으며, 특히단일적색파장을이용해배양한다면카로티노이드의일종인베타카로틴의함량을증진시킬수있음이확인되었다 [18]. 이렇듯 LED의조명을이용하면미세조류의유용물질의함량을증진시킬수있는긍정적인연구결과들이나타나고있지만, 아직까지 LED파장에대해연구가되고있는미세조류의수가많지않아, 다양한유용미세조류에대해서 LED광원에서의배양에대해지속적으로연구해나가는것은가장먼저해결되어야할매우중요한문제이다. 유용한미세조류별 LED파장에대한다양한

4 LED 광원을활용한미세조류의배양 11 Table 1. Products synthesized by microalgae Purpose Microalgae Products Dunaliella salina β-carotene Antioxidant Haematococcus pluvialis Astaxanthin, cantaxanthin, lutein Chlorella vulgaris Cantaxanthin, astaxanthin Chlorella pyrenoidosa Lutein, violaxanthin Haematococcus pluvialis, H. lacustris, Chlorella. zofingiensis, C. vulgaris Astaxanthin Anti-Inflammatory Gyrodinium impudicum p-kg03 Chlorella stigmatophora Hydrosoluble components, sterols Phaeodactylum tricornutum Eicosapentaenoic acid Haematococcus pluvialis Short chain fatty acids Skeletonema costatum Unsaturated, saturated long chain fatty acids Euglena viridis Organic extracts Askeletonema costatum Extra-metabolites Chlamydomonas reinhardtii, Chlorella vulgaris Methanolic and hexanolic extracts Antimicrobial Peridinium bipes Water-soluble extract Goniodoma pseudogoniaulax Goniodomin A Gambierdiscus toxicus Polyether compounds (gambieric acids A and B) Prorocentrum lima Polyether compounds Dinophysis fortii, Staurastrum gracile, Pleurastrum terrestre, Methanol extracts Dictyosphaerium pulchellum, Klebsormidium crenulatum Chlorococcum HS-101 α-linolenic acid Chlorokybus atmophyticus Acetone extract Navicula directa Polysaccharide Antiviral Gyrodinium impudicum p-kg03 exopolysaccharide Dunaliella primolecta Pheophorbide a-, b-like compounds Chlorella autotrophica Sulfated polysaccharides Antitumoral Haematococcus pluvialis Astaxanthin Peridinium bipes Diadinochrome A, B, diatoxanthin/cynthiaxanthin 연구결과가확보된다며, 결국미세조류별맞춤형 LED배양이가능해상기에서술된다양한기능성생리활성물질을효율적으로생산할수있도록만들것이며, 이는결국막대한부가가치를창출할수있는바이오소재산업의중요기술이될가능성이높다. 또한편미세조류는빛을통해광합성을할때성장을위해서수중의질소와인을사용하게되는데, 이러한원리를이용해서미세조류를하폐수의고도처리에적용해, 폐수를정화하고이와함께대량생산된바이오매스를바이오에너지, 비료등으로재활용하여사용하고자하는연구도다양하게이루어지고있다 [22,41]. 특히최근에는안정적으로바이오매스및이차대사물질을생성하고다양한폐수의고도처리의효율을높이기위해서 LED조명을적용한다양한연구들이시도되고있다 [19,45]. 대표적인폐수처리미세조류인 Chlorella vulgaris의경우다양한 LED파장및광량의조건에서배양했을때적색 LED파장에서가장높은성장율을보였으며, 특히조사하는 LED파장에따라질소와탄소같은영양소의제거효율이다른것으로나타났다 [19,46]. 또한 C. vulgaris와 Spirulina platenesis와같은미세조류는구리, 납, 카드뮴, 아연등의중금속에대해높은수준의흡착능력이있음도밝혀져있는데, 이를통해질소와인뿐만이아니라폐수중의중금속처리의활용에대한연구또한병행해서진행되고있는실정이다 [3,26]. 따라서미세조류를이용한폐수처리시설에 LED광원을접목한다면, 목적하는폐수내의질소및탄소와같은영양물질의함량에따라각기다른파장을이용해적용이가능할것으로판단된다. 또한폐수내중금속의제거에 LED조명을이용해미세조류의바이오매스생산성을높여배양한다면화학적으로 새로운물질을합성할필요가없고, 중금속의제거효율이높을뿐만아니라흡착용량도대단히크며중금속이온에대한선택성도비교적높아지는장점이있어융합에따른긍정적효과가기대되는분야중하나이다. 또한미세조류는수산양식어의먹이사슬에매우중요한역할을담당하고있다. 양식어의치어단계에사용되는대표적인먹이생물로동물플랑크톤인알테미아 (Artemia) 와윤충 (Rotifer), 요각류 (Copepod) 등이주로사용되고있는데이러한동물플랑크톤의일차적먹이로클로렐라와테트라셀미스, 스피루리나같은미세조류가많이사용된다 [2,29]. 이때윤충과요각류가알테미아보다치어의먹이로사용되기에영양학적으로우수하지만, 배양이어렵고편리성이떨어져알테미아가주로사용되는실정이다. 따라서알테미아를영양학적으로보강하기위해영양물질을첨가해배양한미세조류를먹여영양성분을강화하는일차적인처리를하게되는데, LED조명을이용해영양성분이강화되도록미세조류를배양한다면다른영양성분의구매로인한추가적지출없이효과적으로영양강화된먹이생물을확보할수있을것으로판단된다. 또한전복이나이매패류종묘의초기먹이생물로부착성규조류가많이이용되는데이들의생태특성상대량으로배양하기어려워공급에많은어려움이있었다 [34]. 일반적으로규조류는녹조류와다르게생장에적합한광합성파장영역이다르다 [33,39]. 따라서이러한특징을이용 LED조명을사용해최적파장을찾고또한 LED파장에따른성장의특징들을확인하기위한연구도이루어졌으며, 규조류의일종인 Cyclotella nana와 Thalassiosira pseudonana의경우청색파장에서배양이촉진되는것을확인하였

5 12 김대근 최윤이 Fig. 4. Future prospects of microalgal market value [16]. Fig. 5. Design of the raceway pond (a) and a tubular photobioreactor (b)[10,25]. 으며, 또한 Dunaliella tetiolecta의경우녹색파장에서성장이억제되는것이보고되었다 [17,39]. 이러한연구들을통해볼때 LED광원을이용해서규조류의대량배양에접목하는것또한효과적인접근법으로생각된다. 특히최근연이은해양대량원유유출사고와일본원자력발전소오염수누출사고등으로인해해양식품에대한불신이지속적으로높아져앞으로육상양식을기반으로하는수산양식산업은계속발달해나갈것으로판단된다. 결국이러한산업이성공적으로발달되기위해서는반드시먹이생물및사료생물로사용될미세조류의대량배양과사료화에대한연구가뒷받침되어야할것이며이러한미세조류의대양배양의핵심키역시 LED조명에서찾을수있을것으로판단된다. 따라서지금까지의내용을종합해볼때 LED를적용한미세조류대량배양산업은전세계적으로문제가되고있는이산화탄소감소에의한지구온난화해결및강과호소및연안수역의하폐수처리와같은환경적인문제뿐만이아니라, 인체에유용한다양한생리활성물질생산을통한의약품산업및바이오에너지생산및수산양식어의먹이까지다양한분야에걸쳐서연관되어있는잠재력이높은 BT와 IT융합산업으로판단되며, 이러한 LED기반고밀도대량배양기술, 수확및물질전환기술등의핵심기술의발전에따라 Fig. 4에서보는것처럼다양한분야에서대규모시장을형성하게될것이다 [16]. 3. 미세조류대량배양미세조류는고등식물에비해서배양장치가비교적단순하고차지하는토지면적이작다는점에서유리하다. 하지만미세조류를배양하기위해서는온도, ph, 혼합방식, 영양염공급등의다양한인자들이효과적인성장을위해서확보되어야하며, 또한미세조류의성장에따라발생하는산소및 2차대사물질의축적이나상호간섭에필요한요소들을명확히확인해야효율을높일수있다 [6]. 하지만무엇보다도광합성을기반으로하는생명체이니만큼사용되는광원및광량, 광도의조절이배양에가장핵심적인기술이라말할수있다. 따라서미세조류에효과적으로광원을공급하기위해배양장치에대한다양한연구들이진행되어온것은산업화를향한당연한수순이라고볼수있다. 현재까지미세조류를대량으로배양하기위해사용되는광원에는주로태양광, 형광등, 할로겐금속램프와같은전체스펙트럼의인공광원이사용되고있으나최근 LED광원이급속도로발달함에따라이러한광원들을 LED광원으로대체하려는시도가많이이루어지고있다 전체스펙트럼광원기반미세조류대량배양장치전통적으로전체스펙트럼인태양광을이용해서미세조류를배양하는시도는오래전부터진행되어왔으며, 연못이나인공적으로큰구덩이를파서만든간단한노지배양방식과밀폐형광반응기를이용해옥외배양하는방법이대표적이다. 노지배양 (open pond) 방식은화학적합성과같은다른생산방법들에경쟁력을가지도록하기위해비교적저렴하게만들어진단순개방형배양기를뜻하는것으로 Fig. 5a에서나타낸수로형연못 (raceway pond) 방식이이중가장효과적인방법으로알려져있다 [25]. 주된배양광원이태양광을이용한광합성이기때문에수로의깊이는약 0.3에서 0.5 m 정도이내로해야하며, 수로의깊이가깊어지면배양시빛의투과율이급격히낮아져효율이떨어지기때문에대량배양을위해서는넓은면적의설치장소가요구된다. Matsumoto et al. 은 Nannochloropsis salina 종을사용, 화력발전소의배출가스를이용하여수로형연못배양을실시하였다. 이때최종적인미세조류의생산성은 42 g/m 2 /day로나타났으며, 이산화탄소의평균이용률은 54% 로공급되는이산화탄소의많은부분이대기중으로손실돼광합성효율이낮은것을확인할수있었다. 특히사용한수로형연못배양조설치에약 8,900 ha 의넓은토지면적이필요한것으로나타났다 [30]. 밀폐형배양장치는긴관또는얇고넓은판형태의투명한플라스틱또는유리재질로만들어진형태가일반적이며, 연구목적에따라돔 (dome) 형, 나선 (spiral) 형등의특이형태도존재하고있다. 이러한대부분의광생물반응기는 Fig. 5b에서나타낸것처럼배지저장기 (medium reservoir) 와광수집기 (solar collector or tubular array) 로구성이되며, 비용의절감을위해태양광을주된광원으로이용한다 [10]. 광수집기는태양광을잘받을수있는형태로유리재질의투명관을병렬로연결하며, 이방법역시태양광의투과를위해서관진경은 0.1 m 이내로제작해야한다. 미세조류는광합성을통해유기물과함께산소를생산, 방출하게되는데특히한낮에강한광선과함께밀폐형배양장치내부에증가한산소농도는미세조류의세포에광산화저해 (photooxidative damage) 를주게되어광합성의효율을떨어뜨려성장에저해를주게된다. Molina et al. 은 200L 규모의관형광생물반응기를제작해유용규조류인 Phaeodactylum tricornutum의옥외배양을실시하여 32 g/m 2 /day의높은생산성을얻을수있었지만, 실험시강한광선에의한광산화 (photooxiation) 작용이나타나미세조류의생산성이감소되는것을확인할수있어태양광을이용한밀폐형광반응기의경우태양광의강도의조절과산소농도의조절이무엇보다중요한과제임을확인할수있었다 [32].

6 LED 광원을활용한미세조류의배양 13 따라서상기에언급한대로태양광을이용해서미세조류를배양하는방법은배양의특성상상부에서만빛에너지를받을수있기때문에광반응기의형태및깊이가제한적일수밖에없으며, 광량을조절할수없고기후의영향을많이받아, 산업적인신뢰성있는생산을보장할수없다. 이를보조하기위해장치에별도의형광등과같은인공광원을설치하기도하지만이는설치비용을높이며, 효율이떨어져다른대안이요구되는실정이다. 특히태양광을이용하는특성상반응기는외부에노출될수밖에없는데이는미세조류를배양하는지역적인영향을많이받을수밖에없어사계절이있거나, 외부의온도의변화가급변하는지역에서는적용이어려워한계가있다 LED기반미세조류대량배양장치 LED를기반으로하는실내밀폐형배양은이제연구되기시작한초기단계이지만, 앞에서언급한대로미세조류의성장에적합한맞춤형파장과광량을제공할수있다는장점과광원의크기가작아광반응기에다양하게적용할수있다는장점때문에 LED광원을적용해미세조류배양의효율을높이기위한다양한시도가이루어지고있다. 그방법중가장기본적인것은바로수중광원이다. 일반적으로형광등과같은기존의광원은광원의특성상침수에매우약하기때문에반응기외부에서조사해주는방법을사용할수밖에없었다. 하지만이러한방법은광전달효율을낮추고광이용의효율을높이기위해많은양의조명이필요하게되는단점이있었다. 최근 LED조명을이용함에따라간단한방수처리를통해 Fig. 6처럼 LED 조명을직접광반응기내부로넣어광효율을높이는연구들이진행되기시작했다 [40]. 이러한방식은직접반응기내부로들어감에따라빛의이용효율이높아져이전보다적은전력을소모함에도더많은바이오매스생산량을얻을수있게되었다. 이러한 LED광원기반밀폐형광반응기는초기설비투자비용및운전비용이높지만생산성과재현성이높아, 고부가가치기능성물질생산에초점을맞추는것이유리할것으로알려져있다. 이에따라최근강력한항산화물질로세계적으로주목받고있는아스타잔틴을생산하는미세조류인 Haematococcus pluvialis의배양에 LED를적용하고자하는연구가많이진행되고있으며, 현재 LED를이용한광생물반응기를제작해배양시기를단축시켜배양의효율을높이거나, 청색 LED와 같은강력한 LED광원을이용해아스타잔틴의생산효율도높일수있음이보고되고있다 [27]. 특히 H. pluvialis에관한연구는다양하게이루어지고있는데, 배양시 LED광의파장을적색 LED와청색 LED 를연속적으로이용해서, 적색 LED로성장을증가시키고청색 LED 를이용해서아스타잔틴의함량을높여바이오매스효율및아스타잔틴의함량을높이는연구결과가보고되었다 [23]. 또한 LED광원을이용배양시광원을 flashing하는효과를주어배양에사용해성장및아스타잔틴함량을높을수있다는연구결과도보고되었다 [24]. 따라서 H. pluvialis에대해선행된 LED광원을이용한다양한연구결과들은 LED기반광반응기를통해미세조류의성장및유용이차대사물질의함량을증가시킬수있다는긍정적결과로사료된다. 한편 LED만을유일한광원으로이용하지않고 LED와태양광을복합적으로이용하고자하는연구도진행되고있다. 바로광반응기와노지배양의장점만을조합해배양의효율을높이고자하는시도로 Fig. 7에서보는것처럼 LED를선택적으로이용해배양의효율을높이고자하였다. 이런방식은주로하폐수및식물공장의폐양액과같은물질을대상으로해, 질소와인의고도처리를함과동시에미세조류의바이오매스를효과적으로회수해저렴한바이오매스를생산을기반으로미세조류바이오디젤의산업화경쟁력을낮추는데주된목적을두고있다. 이방식은태양광의단점을 LED조명으로보완해그효율을높이고, 빠른시간내에하수의고도처리가가능하도록구상되었으며, 현재식물공장내방출되는폐양액을대상으로연구가진행중에있다. 아직미세조류광반응기에 LED조명을적용해서배양하는기술은아직초기단계이며, 대부분실험실수준의결과만나타내고있다. 하지만 LED를적용해서미세조류를배양하는연구의질적수준이우수하며, LED를이용한미세조류배양시바이오매스생산량증 Fig. 6. A tubular photobioreactor with LEDs inside. Fig. 7. New design photobioreactor with open ponds (a) and red LED (b) for wastewater treatment.

7 14 김대근 최윤이 가및이차대사물질함량증대도촉진된다는긍정적인결과들이나타나고있어, 미세조류를산업적으로대량배양함에있어서 LED조명의적용은적합한방법으로판단된다. 특히최근에는 100L 이상의비교적큰규모의 LED를적용한광반응기의연구들도진행되고있어앞으로그효율은더욱높아질것으로판단된다 LED광원기반미세조류배양장치의연구의방향상기에언급한대로미세조류의배양에있어서빛에너지는가장중요한에너지원이며, 따라서빛에너지가광합성을통해화학에너지로전환되는효율을높여주는것이미세조류의배양에있어서가장중요한핵심이라고할수있겠다. 미세조류의배양에있어서주로고려해야할빛에너지인자는광량 (light intensity) 과광질 (spectral quality) 이며, 지금까지사용되어온인공광원인형광등과할로겐램프등은광량의조절은가능했지만광질즉빛의파장의조절은어려워이와관련된연구가많이이루어지지않았다. 최근의 LED조명을이용한연구결과들은주로 LED파장에따른미세조류의성장효율에대한연구결과들이주로나타나고있으며, 특히단일파장아래에서의성장을확인하는결과들이많이이루어지고있다 [19,24,45]. 상기에언급한대로미세조류는 Table 1 같은다양한이차대사물질을생산할수있으며, 생산하는물질역시미세조류의종류에따라서다양하다. 또한미세조류를배양할때조사하는 LED파장에따라서이차대사물질의생산효율이달라질수있음이확인되었으며, 그특징은이차대사물질의종류와배양하는종마다다르게나타난다 [18,23,24]. 따라서 LED광원을이용해서다양한파장에서배양시미세조류의배양특징및생리적변화에대한많은실험결과들이요구되지만 Chlorella vulgaris, Haematococcus pluvialis, Botryococcus braunii와같은많이알려진특정미세조류에만한정적으로연구결과들이보고되고있다 [4,11,23,46]. 따라서아직도 LED 파장에대해서다양한종의성장및대사과정에대한연구의결과들은부족한실정이며, 이러한연구들이선행될때 LED광원을이용한광생물반응기의효율을더욱극대화할수있을것이다. LED광원은그특징상광원의사이즈가작고좁은공간에다양한파장의칩을조합할수있어다양한파장과밝기그리고디밍 (Dimming) 등의조절이자유롭게이루어질수있다 [8]. 일반적으로광반응기내부에서미세조류를배양시낮은광량조건에서는광량이증가함에따라미세조류의성장효율도일정하게증가하지만, 높은광량조건에서는광량이증가하면광저해 (photoinhibition) 를받아광효율이떨어지게된다 [12]. 반면반응기내미세조류의농도가높아지거나광원과배양액과의거리가멀경우에는미세조류스스로에의해서빛의차단이발생하는 self-shading 현상이나타나광효율이떨어지게된다 [43]. 따라서배양시광반응기내부에서배양액과광원과의거리와배양액내미세조류의농도에따라서광원의세기를유동적으로조절할필요가있으며, 이것은 LED기반광반응기만가질수있는효율적인장점이다. 이미녹조류인 H. pluvialis의경우배양시 LED광원의 frequency를조절하는것이미세조류의성장에영향을줄수있다는것이보고되었다 [24]. 하지만아직까지배양기내세포농도에따른파장의세기및파장에관련된내용에관해서는단편적인연구결과밖에이루어지고있지않아미세조류의대량배양장치의효과적인설계를위해선가장먼저반응기내광원의위치및배양하는세포농도에따른적정광량및파장에대한연구가지속적으로이루어져야할것으로판단된다. 4. 결론 LED조명은기존조명과달리아주좁은범위의파장을선택적으로조사할수있으며, 기존의광원이가지지못하는다양한장점을가지고있어배양하고자하는목적미세조류에따라최적배양파장만을조사할수있다. 이를통해미세조류의광합성효율을높이고목적하는이차대사물질의생산을높일수있는등목적에따른맞춤형배 양이가능할것으로판단된다. 특히 LED는아주작은크기의칩사이즈로장소에거의관계없이적용이가능하며, 광출력과에너지효율이높고비교적발열이낮아광반응기와같은대량배양장치의내부에근접설치가가능하여광이용효율을크게높일수있다. 또한긴수명과강한내구성으로유지보수비를절약할수있어현미세조류배양조명을대체할수있는신광원이라할수있겠다. 하지만아직까지보편상용화되기위해서는몇가지해결해야할문제점들이남아있다. 기술적으로는, 초기설치비용을절약할수있는더욱값싼 LED조명의개발이시급하며, 이와함께효과적인대량배양을위한광효율이높은 LED기반광반응기구조의설계또한함께이루어져야할것이다. 또한연구적으로는, 배양하는미세조류별최적배양광량및이차대사물질을증가시킬수있는파장및광량에대한지속적인데이터베이스가함께구축되어야할것이다. 경제적으로는, 아직까지초기단계에머물러있는미세조류배양산업을효과적으로성장시키기위해서석유화학산업이발달했던것처럼미세조류바이오화학공업의발달이병행되어야할것이다. LED조명을기반으로한미세조류배양시스템으로하폐수의고도처리를통해미세조류바이오매스를얻고, 얻은바이오매스에서고부가가치이차대사물질은분리해의약품과화장품원료로, 단백질부분은가축의사료로, 지질부분은바이오디젤로사용되는방식으로버려지는부분이없이접근한다면, 미세조류기반산업은조금더경쟁력을가질수있게될것이다. 또한이러한접근방식을근간으로하는한미세조류대량배양 LED조명시스템의구축은미세조류산업화를앞당길좋은해결책이될것이다. 감 본연구는 산업통상자원부, 한국산업기술진흥원, 호남지역사업평가원 의 광역경제권선도산업육성사업 으로수행된연구결과입니다. 또한이논문은 2012년정부 ( 교육과학기술부 ) 의재원으로 ( 재 ) 차세대바이오매스연구단 ( 글로벌프론티어연구개발사업 ) 의지원을받아수행된연구입니다 (( 재 ) 차세대바이오매스연구단 ). 사 References 1. Apel, K. and Hirt, H., Reactive Oxygen Species: Metabolism, Oxidative Stress, and Signal Transduction, Annu. Rev. Plant Biol., 55, 373(2004). 2. Arumugam, P., Inbakandan, D., Ramasamy, M. and Murugan, M., Encapsulated Spirulina Powder Feed for the Nutritional Enrichment of Adult Brine Shrimp (Artemia salina), J. Appl. Aquac., 25, 265(2013). 3. Azizkhani, M., Baghestani, M., Bagheri, H. and Nikmanesh, M., A Review on the Application of Two Microalgae (Chlorella vul-

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