생물공정으로부터 제품을 생산하기 위해서는 여러 단계의 최적화 과정이 수반되지만, 현재의 생물공정의 개발은 대량처리 기술의 제약으로 생물반응기를 이용하여 배지조성이 미생물 생장과 제품생산에 미치는 영향을 평가하기 어렵다. 일반적으로 생물반응기는 시스템의 부피가 크고 고가의 장비로서 미생물 배양의 최적화를 위해 다채널로 구성하여 동시에 실험을 하기는 쉽지 않다. 그러므로 빠른 처리속도와 저가의 다채널 생물공정 기술을 개발하기 위해 본 논문에서는 광학 온라인 모니터링 시스템이 갖추어진 다채널 소형생물반응기 시스템(MABOOMS)을 개발하고 연구하였다.
우선 광증배관과 LED 기반의 형광검출 시스템을 개발하고, 그 특성을 연구하였다. 제작되어진 형광검출 시스템은 고휘도 LED를 광원으로 사용하였는데, 14.5에서 25 nm의 매우 좁은 FWHM값을 지니고 있어 형광물질, Ru(dpp)₃2+와 HPTS를 여기할 수 있는 충분한 에너지를 방출하였다. 개발된 형광검출 시스템을 이용하여 Ru(dpp)₃2+와 HPTS용액의 형광세기를 측정하였을 때 각각 0.01 mg/mL, 10 μM 이하의 낮은 농도에서도 검출이 가능하였으며, 시스템의 온도변화에 무관하게 일정한 측정값을 나타내었다. MABOOMS의 교반속도를 80~720 rpm으로 변화시켰을 때 산소전달속도는 약 113 mmol O₂/(mL·hr)로 나타났으며, 산소전달계수는 약 600 1/hr으로 거의 변화가 없었다. 이는 기존의 중·대형 생물반응기에서보다 약 2배에 가까운 산소전달계수를 보인 것으로 외부에서 강제적인 공기유입 없이 미생물을 발효시킬 수 있을 정도로 충분함을 보였다. 또한 면상발열체를 이용한 다채널 소형생물반응기의 항온 성능은 오차가 0.001%로써 매우 낮은 값을 보였으며, 설정온도를 1℃미만의 오차로 제어가 가능하였다.
MABOOMS를 위한 형광센서막의 제조와 특성을 연구하였다. MTMS 졸-겔 기반의 광학 용존산소 검출용 센서막과 광학 pH 검출용 센서막을 제조하였으며, 선택적 이산화탄소 기체 투과막인 실리콘막을 센서 외막으로 구성하고 poly-HEMA를 사용한 광학 용존이산화탄소 검출용 센서를 제조하여 물리·화학적 특성을 조사하였다. 광학 용존산소 검출용 센서막은 pH 변화에 약 7% 미만의 오차를 보였으며, 이온강도가 증가할수록 형광세기가 감소하였다. 또한 측정온도가 10℃ 상승 할 경우 센서의 감도는 5% 감소하였다. 광학 pH검출용 센서막의 경우 pH 3에서 pH 10까지의 검출범위를 나타내고, 낮은 이온강도에서 높은 선형성을 보였다. 광학 용존이산화탄소 센서의 경우, 21.3 mg/L에서 425.59 mg/L의 길은 용존이산화탄소 농도 범위에서 사용할 수 있으며, pH, 이온강도 그리고 외부온도 변화에는 영향을 받지 않았다.
MABOOMS의 성능을 평가하기 위해 시스템의 교반속도 및 온도에 대한 미생물의 생장특성을 고찰하였다. 용존산소농도, pH, 용존이산화탄소농도 그리고 세포농도(반사도) 검출용 광학센서막이 웰 바닥면에 코팅된 24-웰 마이크로플레이트 기반 생물반응기를 이용하여 대장균과 고초균의 발효실험을 하면서 용존산소농도, pH, 용존이산화탄소농도 그리고 세포농도의 온라인 모니터링을 실시하였다. 대장균과 고초균의 발효 중 용존산소농도, pH, 용존이산화탄소농도 그리고 세포농도의 모니터링은 중·대형 생물반응기 및 진탕배양기를 이용한 발효와 거의 유사한 모니터링 결과를 얻을 수 있었다.
MABOOMS를 이용하여 대장균과 고초균의 발효배지의 최적화를 위한 모의실험을 수행하였다. 광학센서를 이용한 모니터링에 용존산소농도, pH 그리고 세포농도의 변화 곡선은 각각의 미생물 즉, 대장균과 고초균의 성장경향과 매우 유사하게 나타나 실제 미생물 배지최적화 실험에 적용할 수 있음을 확인하였다.