Oleaginous microalga Nannochloropsis gaditana (N. gaditana) is a promising candidate as a biofuel precursor owing to its fast growth rate and high lipid content. In this study, stepwise development of a novel photobioreactor-based cultivation system is established to increase lipid productivity of N. gaditana. At first, profiles of solar irradiation wavelength were adjusted using three different fluorescent dyes to enhance blue, red, and green light spectrum. Enhancement of blue (400-500 um) and red (550-700 um) wavelengths was discovered to be effective in increasing biomass productivity by 35.1 % and 40.3 %, respectively. Lipid productivity was also increased more than 25 % using fluorescent dyes for blue- and red-targeted. Meanwhile, when incident light was suddenly switched from enriched red to green light, lipid content immediately increased by 24.2 % compared to control. Secondly, a new concept of cultivation system was developed by connecting four flat-panel photobioreactors (PBRs) in serial arrangement, thereby operating as one integrated chemostat reactor. This multi-stage continuous cultivation system, as a whole, naturally creates gradients of nutrient/biomass/lipid concentrations. Thus, a fourth reactor was able to discharge a concentrated biomass (1.11 g L^{-1}) along with high lipid content (30.0 % FAME). Moreover, cells grown under this system showed 46.1 % higher lipid productivity than that of conventional single-reactor system. Finally, the wavelength shift strategy was applied to multi-stage continuous cultivation PBRs. Each PBR operated as growth-promoting/lipid-promoting/lipid-accumulating unit. Growth promotion of N.gaditana was established by enriched red light, resulted in 24.2 % higher biomass and enriched green light allowed 45.9 % total lipid as a product. This novel cultivation system developed in this study marked 1.96-fold enhanced lipid productivity compared to that of conventional PBR, suggesting a potential application for biofuel production industry.
본 연구에서는 미세조류 나노클로롭시스 가디타나 종의 지질 생산성을 향상시키기 위한 광생물반응기 기반의 새로운 배양 시스템을 도입하였다. 태양광 중 파랑과 빨강을 강화한 형광 염료를 통해 바이오매스 생산성을 대조군 대비 각각 35.1 %와 40.3 % 향상시켰다. 이 때 지질 생산성은 25 % 이상 증가하는 효과를 보였다. 한편, 배양 도중 초록 파장을 갑자기 강화하였을 때 지질 함량이 기존 대비 24.2 % 증가하였다. 다음으로, 네 개의 평판형 광생물반응기를 직렬 연결하여 하나의 통합 연속 배양 공정을 개발하였다. 각 단 사이에 발생한 영양분 함량/세포 농도/지질 함량의 차이를 통해 마지막 단에서는 높은 지질 함량(30.0 % FAME)을 가진 농축 바이오매스(1.11 g L^{-1})가 생산되었다. 또한 기존 공정과 비교하여 같은 희석배수에서 46.1 % 높은 지질 생산성을 기록하였다. 최종적으로 파장 변환 전략을 다단 연속 배양 공정에 접목하였다. 각 단을 성장 유도/지질 유도/지질 축적 유닛으로 구별하여 각기 다른 형광 염료를 적용하였다. 빨강 파장을 강화하여 성장 유도 유닛에 적용 시 바이오매스가 기존 대비 24.2 % 증가하였다. 초록 파장을 강화하여 지질 유도 유닛에 적용하였을 경우 최종 지질 함량이 45.9 %까지 늘어났다. 본 배양 공정을 기존 광생물반응기와 비교하여 지질 생산성이 1.96배 증가함을 확인하였으며, 이에 추후 바이오연료 생산 현장에 적용할 수 있을 것으로 기대한다.
