KR100666879B1 - 공기 부양식 대형 생물반응기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 식물세포 및 조직을 대량으로 배양할 수 있도록 고안된 공기 부양식 생산용 생물반응기에 관한 것이다.

더욱 상세하게는 챔버상부는 볼록한 접시형태의 구형으로, 챔버중앙부는 실린더형으로, 챔버하부는 반구형으로, 챔버저부는 실린더형태의 컬럼으로 이루어진 수직원통형의 반응챔버를 형성하고 상부와 중부에는 개폐 맨홀이 구비되어 있고, 저부에는 다공성 판으로 된 기체분산기와 하부 사방 측면에는 다수개의 보조공기 주입구와 침적방지용 기체분산기를 설치하여 배지 내 산소공급과 배양체의 하부 침적을 방지하고, 상부 일측면에는 빛이 투과될 수 있도록 형성된 다수의 조명창과 반응챔버의 상, 중앙, 하부 일측면에는 생육과정을 관찰 할 수 있도록 형성된 다수의 투시창을 설치하고, 저부 컬럼의 일측면에는 접종구와 배출구를 설치하여 배지 및 식물체를 투입하고 배출할 수 있도록 하였으며, 저부 일측면에 온도를 체크할 수 있는 온도계를 설치하고, 상부에는 냉각수 공급 장치를 설치하여 생육적온을 유지하도록 하였으며, 내부 상단부터 하단벽면에는 이동할 수 있는 내부 사다리를 설치한 것으로서 본 발명은 식물 세포 및 조직의 생물반응기 배양을 위한 증식 조건 중 적정 배지, 당 농도, 생장조절물질, 공기 공급량, 접종 밀도, 배양 온도 등과 같은 최적 증식 조건을 확립하고 기존의 소형 생물반응기를 산업화하여 기후 및 환경조건에 영향을 받지 않고 고부가가치의 식물체를 연 중 생산할 수 있도록 한 효율적인 배양기의 형태를 제공한 것이다.

식물 세포, 인삼, 장뢰삼, 산삼, 부정근, 생물반응기, 사포닌

Description

공기 부양식 대형 생물반응기{AIR-LIFT TYPE PRODUCTION LARGE SCALE BIOREACTOR}

도 1은 본 발명에 따른 인삼, 장뢰삼, 산삼 부정근 생산에 대한 공정도

도 2은 본 발명에 따른 대형 생물반응기의 구성도

도 3는 본 발명에 따른 대형 생물반응기의 평면 구성도

도 4는 본 발명에 따른 냉각수 공급장치의 구성도

도 5는 본 발명에 따른 대형 생물반응기 내의 유체 및 기체의 흐름도

< 도면 중 주요 부분에 대한 부호설명 >

1:	생물반응기	2:	반응챔버
3:	챔버상부	4:	챔버중앙부
5:	챔버하부	6:	챔버저부
7:	챔버저부 컬럼	8:	개폐 맨홀
9:	조명창	10:	투시창
11:	주 공기 주입구	12:	기체 분산기
13:	공기 배출구	14:	접종구
15:	배지 배출구	16:	온도게이지
17:	압력계	18:	내부 사다리
19:	보조 공기 주입구	20:	침적방지용 기체분산기
21:	냉각수 공급장치	22:	냉각수 주입구
23:	냉각수 분사구	24:	냉각수 공급장치 지지대
25:	주 기체 상승부	26:	보조 기체 상승부
27:	기체 분리부	28:	기체 하강부
29:	기체 순환부

본 발명은 식물세포 및 조직을 배양할 수 있도록 고안된 생물반응기에 관 것으로서, 더욱 상세하게는 인삼, 장뢰삼 및 산삼 등의 부정근 생장에 미치는 환경 요인들을 규명하여 대량 생산시킬 수 있도록 한 공기 부양식 대형 생물반응기에 관한 것이다.

인삼, 장뢰삼 및 산삼은 아시아 동북부 산간에 자생하는 다년생 초본식물로서 오갈피과 (五加科, Araliaceae)의 인삼속 (Panax)으로 분류되며 예로부터 질병의 치료와 병의 회복 촉진에 놀라운 효능을 발휘해왔으며 지금까지 과학적으로 밝혀진 대표적인 효능으로는 항암성, 항산화성, 항당뇨성, 혈압조절작용, 동맥경화 및 고혈압 예방, 두뇌 기능의 강화, 면역기능 강화 등이 보고 되고 있다. 이러한 인삼의 유효 성분군으로는 진세노사이드(ginsenoside)라고 불리는 인삼 사포닌을 들 수 있으며 이는 주로 다마란네(dammarane)계 비배당체와 각각 다른 수의 몇 가지 당류로 구성된 트리터펜 그리코사이드(triterpene glycoside)로서 근부 및 지상부에서 약 30여 종류가 밝혀져 있다. 또한 사포닌 이외의 폴리아세틸렌, 페놀성물질, 산성다당체, 활성펩타이드 및 알칼로이드 등이 알려져 있다. 이와 같은 우수한 약효에도 불구하고 인삼은 다년생식물로써 그 세대기간이 4~6년으로 길며, 연작이 불가능하여 재배가능 면적이 점차 줄어들고 있으며 해가림이라는 특수한 시설조건 하에서만 재배가 가능하기 때문에 재배인삼을 이용하여 약품 및 화장품 원료, 건강음료 등을 제조할 경우 제조원가가 높아지는 등 산업적으로 응용하기에는 많은 문제점을 가지고 있다.

따라서 고가의 약용 인삼, 장뢰삼 및 산삼을 기후에 장애를 받지 않고 연중 대량 생산을 하기 위한 방법으로 이들의 뿌리 조직으로부터 부정형의 세포괴인 캘러스를 얻고 이를 각종 영양 배지 및 환경 조건에서 배양한 후 천연 인삼, 장뢰삼 및 산삼과 동일한 유효성분을 다량 함유한 부정근의 생산에 관한 연구가 이루어져 왔으며, 많은 결과들이 전문 학회지에 발표되고 있다 (Yu. K.W., E.J. Hahn, and K.Y. Paek. 2000. Production of ginseng adventitious roots using bioreactor. Korean J. Plant Tiss. Cult.27:309-315 및 Kim Y.S. 2002. Production of ginsenoside through bioreactor cultures of adventitious roots in ginseng (Panax ginsengC.A. Meyer). Ph.D. thesis, Chungbuk National Univesity, Cheongju, Korea.).

그러나 이들 실험의 대부분은 소형 생물반응기에 있어서의 물리ㆍ화학적 요인 분석에 관한 것이 대부분이고 대형 생물반응기를 이용한 인삼, 장뢰삼 및 산삼 부정근의 생산에 관한 연구 결과는 거의 없는 실정이다.

특히 생물반응기를 이용한 부정근의 생산은 배양과정에서 뿌리가 배지 수면 위로 떠오르고 서로 집합체를 이루거나 배양기 하부에 침적되고 엉키는 현상이 발생되는데 이런 현상이 나타나는 부정근에게는 산소와 양분의 공급이 원활하지 못하게 되며 결과적으로 부정근의 활력이 저하되고 결국 생산자가 요구하는 최종 산물을 얻 을 수 없는 문제점이 발생된다.

본 발명은 식물세포 및 조직을 대량으로 배양할 때 발생되는 문제점을 감안하여 발명한 것으로서, 반구형의 하부구조와 실린더형의 중앙부 구조를 가진 반응챔버를 형성하여 배양기의 용적을 최대한 크게 하고 챔버저부에 컬럼을 설치하여 배지 내 산소전달계수를 높이고, 반응챔버의 상부와 중앙부에 개폐맨홀을 설치하여 식물체의 수확을 용이하게 하고 챔버저부 컬럼에 다공성 판으로 된 기체분산기를 설치하여 배지 내 산소공급을 원활하게 하였으며, 배양 도중 식물체가 침적 될 수 있는 하부 사방 측면에 침적방지용 기체분산기를 설치하여 배양체의 하부 침적과 엉킴 현상을 사전에 방지하고, 챔버상부에 냉각수 공급 장치를 설치하여 생육적온을 유지하도록 한 것으로서 본 발명은 식물 세포 및 조직의 생물반응기 배양을 위해서 필요한 배지, 당 농도, 생장조절물질, 공기 공급량, 접종 밀도, 배양 온도 등과 같은 환경요인들을 규명하여 최적 배양 조건을 확립하고, 기존의 소형 생물반응기를 산업화하여 기후 및 환경 조건에 영향을 받지 않고 고부가가치의 식물체를 연 중 생산할 수 있도록 한 효율적인 배양기의 형태를 제공한 것이다.

본 발명의 생물반응기는 식물세포 및 조직을 대량으로 배양할 수 있는 공기부양식 생산용으로 반응챔버의 형상이 수직원통형으로, 상기 반응챔버의 챔버상부 에는 볼록한 접시형태의 구형으로 개폐 맨홀과 조명창, 그리고 온도 하강을 위한 냉각수 공급 장치가 설치되고, 반응챔버의 챔버중앙부에는 개폐 맨홀과 투시창이 설치된 실린더형이며, 반응챔버의 챔버하부는 다수개의 보조 공기 주입구와 다공성 판으로 된 다수개의 침적방지용 기체분산기가 구비된 반구형으로 구성되고, 반응챔버의 챔버저부는 컬럼으로 구성되고, 주 공기 주입구와 기체 분산기가 구성되어 있어 식물세포 및 조직을 대량으로 배양하기에 용이하다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면들에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 생물반응기의 구성도이다.

상기 반응챔버(2)의 챔버상부(3)는 지름과 높이의 비가 10:1인 볼록한 접시형태의 구형으로, 챔버상부(3)의 일측면에 빛이 투과될 수 있도록 형성된 다수의 조명창(9-1, 9-2)이 구비되고, 또한 생물반응기 내로 공급된 공기가 배출되는 공기 배출구(13)와 압력을 체크할 수 있도록 설치된 압력계(17)가 구비되어 있고, 챔버상부(3)의 일측면에 식물세포 및 조직을 수확하기 위한 각각의 개폐 맨홀(8-1)과 배양 식물체의 생육과정을 관찰 할 수 있도록 형성된 투시창(10-1)이 구성되고, 반응챔버(2)의 챔버상부(3)에 생육적온을 유지하기 위한 냉각수 공급 장치(21)가 설치된다.

반응챔버(2)의 챔버중앙부(4)는 지름과 높이의 비가 1.2:1인 실린더형으로, 챔버중앙부(4)의 일측면에 식물세포 및 조직을 수확하기 위한 각각의 개폐 맨홀(8-2)과 일측면에는 배양 식물체의 생육과정을 관찰 할 수 있도록 형성된 투시창(10-2)이 구성된다.

반응챔버(2)의 챔버하부(5)는 지름과 높이의 비가 2:1인 반구형으로, 상기 챔버하부(5) 1/2 지점 사방 측면에 다수개의 보조 공기 주입구(19)와 다공성 판으로 된 다수개의 침적방지용 기체분산기(20)를 설치하여 배양체의 침적과 엉킴 현상을 방지할 수 있도록 구성되고, 일측면에는 배양 식물체의 생육과정을 관찰 할 수 있도록 형성된 투시창(10-3)이 구성된다. 반응챔버(2) 상, 중앙, 하부 일측면에는 내부 상단부터 하단벽면에 이동할 수 있는 다수개의 내부 사다리(18)가 설치된다.

반응챔버(2)의 챔버저부(6)는 지름과 높이의 비가 1.3:1인 실린더형태의 컬럼(7)으로, 일측면에는 배지 및 식물체를 투입할 수 있도록 된 접종구(14) 및 배지 및 식물체를 배양기 밖으로 배출할 수 있도록 된 배지 배출구(15)가 구비되고 또한 일측면에는 온도를 체크할 수 있도록 설치된 온도게이지(16)가 구비된다.

또한 챔버저부(6) 하단에는 주 공기 주입구(11)와 배지 내 산소공급을 극대화 할 수 있도록 다공성 판(0.2~5μm pore 크기)으로 된 기체 분산기(12)로 구성된다.

상기 냉각수 공급 장치(21)는 도3과 도4에 도시한 바와 같이 냉각수 주입구(22)를 통하여 냉각수가 유입되고 냉각수 공급장치 지지대(24) 위에 설치된 냉각수 분사구(23)를 통하여 냉각수를 배양기 표면에 살수처리 함으로써 배지 온도를 하강시킬 수 있으며 내부 온도는 챔버저부(6) 일측면에 설치된 온도게이지(16)를 통해 확인을 할 수 있다.

도5는 대형 생물반응기 내의 유체 및 기체의 흐름도를 도시한 것으로 챔버저부(6)의 주 공기 주입구(11)와 기체 분산기(12) 및 챔버하부(5)의 보조 공기 주입구(19- 1, 19-2)와 다공성 판으로 된 다수개의 침적방지용 기체분산기(20-1, 20-2)를 통하여 공기가 반응챔버(2) 내부로 주입되고, 25는 유체의 상승기류가 일어나는 주 기체 상승부이고, 26은 보조 기체 상승부이며, 27은 생물반응기의 윗부분으로 유체의 순환과 기체의 분리가 일어나는 기체 분리부이고, 28은 유체 및 기체의 하강 흐름이 일어나는 하강부이며, 29는 유체 순환과 기체의 순환이 일어나는 기체 순환부를 나타낸다.

이와 같이 된 본 발명의 목적을 달성하기 위해서 발명된 공기 부양식 대형 생물반응기를 이용하여 인삼, 장뢰삼, 산삼 부정근을 대량생산하기 위한 제조공정을 살펴보기로 한다.

본 발명에 따른 생물반응기를 이용한 부정근의 생산 공정은 도1에 도시된 바와 같이 다음 단계로 이루어진다.

(1) 모 식물체(인삼, 장뢰삼, 산삼)를 선정하여 살균 및 접종하는 단계

: 선정된 뿌리 절편을 살균하여 식물생장호르몬이 첨가된 배지에 접종한다.

(2) 캘러스의 유도 및 증식 단계

: 뿌리 절편에서 캘러스를 유도하고 계대배양을 통해 캘러스를 증식시킨다.

(3) 부정근의 유도 및 증식 단계

: 다량 증식된 캘러스에서 부정근을 유도하고 계대배양을 통해 부정근을 증식시킨다.

(4) 소형 생물반응기 내 배양 단계

: 5~20L 규모의 소형 생물반응기를 이용하여 부정근을 배양하고 생장에 필요한 여러 환경요인들을 규명한다.

(5) Seed 배양용 생물반응기 내 배양 단계

: 대형 생물반응기의 접종량(seed)을 확보하기위해 1~3톤 규모의 생물반응기에서 부정근을 배양한다.

(6) 대형 생물반응기 내 배양 단계

: 3톤 이상 규모의 대형 생산용 생물반응기에서 부정근을 배양한다.

(7) 수확 및 성분 분석 단계

: 대형 생물반응기에서 일정기간 동안 배양한 후 수확 및 건조과정을 거친 후 생장량과 이차대사산물의 함량을 조사한다.

이하에서는, 대형 생물반응기를 이용한 부정근의 생산 공정을 구체적으로 설명한다.

소형 생물반응기에서 자란 부정근은 seed 배양용 생물반응기에서 30~35일간 배양과정을 더 거친 후 챔버저부(6)에 설치된 접종구(14)를 통해 내부로 이송된다.

부정근의 생장에 필요한 배지는 각종 무기염과 당, 식물생장호르몬 등을 포함하고 있으며 일반적으로 배양 부피는 전체 배양기 용적의 70~80% 에 해당되며 챔버저부(6)에 설치된 접종구(14)를 통해 생물반응기에 투입된다.

부정근의 생장에 필요한 산소의 공급은 표면여과기를 이용하여 공기 중의 미생물을 제거한 후 챔버저부(6)에 위치한 기체분산기(12)를 통해 이루어지며 챔버상부에 위치한 공기배출구(13)를 통해 유입된 공기가 밖으로 배출됨으로써 내부압력을 하강시킬 수 있으며 내부압력은 상부에 위치한 압력계(17)로 확인할 수 있다.

부정근은 배지와 함께 생물반응기의 내부를 순환하게 되는데 유체의 상승기류가 일어나는 주 기체 상승부(25)를 따라 배지 수면 부위로 상승하고 기체 분리부(27)와 하강부(28)를 따라 배양기 하부로 이동한 후 기체 순환부(29)를 거쳐 다시 상승 하게 된다.

부정근의 생육과정을 살펴보면, 배양 7~10일경 부정근의 측근발생이 활발히 이루어지고 대략 20일 경에는 25~30개의 측근이 약 1~1.5cm 가량 신장하며, 25~30일 경에는 2~2.5cm 가량 자란 부정근이 배지 표면 위로 서서히 떠오르는 현상이 발생하는데 이때 공기주입량을 0.05~0.3vvm 내외로 조절하여 배지 표면 위로 떠오른 부정근을 다시 배지와 함께 교반이 되도록 한다. 또한 배양기간 도중 반응챔버하부에 부정근이 침적되고 서로 엉키는 현상이 발생되는데 챔버하부 1/2 지점에 설치된 다수개의 침적방지용 기체분산기(20)를 통해 공기를 계속 분사해 줌으로써 부정근이 반응챔버 내의 보조 기체 상승부(26)와 주 기체 상승부(25), 그리고 하강부(28)를 따라 계속 순환 될 수 있도록 하여 부정근의 침적과 엉킴 현상을 사전에 방지할 수 있다.

한편, 부정근의 생장 과정에서 발생하는 대사열과 교반에 의해서 생기는 마찰열에 의해 배지 온도가 생육적온인 20~22℃ 이상으로 상승을 하게 되는데 이로 인해 부정근이 고온 장애를 받아 생장량이 감소된다. 부정근의 배양도중 배지 온도가 상승할 경우 챔버상부에 설치된 냉각수 공급 장치(21)를 이용하여 15~18℃의 냉각수를 배양기 표면에 살수처리 함으로써 배지 온도를 하강시킬 수 있으며 내부 온도는 챔버저부 일측면에 설치된 온도게이지(16)를 통해 확인을 할 수 있다.

생물반응기 내에서 생장하고 있는 부정근은 반응챔버의 상, 중앙, 하부 일측면에 설치된 투시창(10)을 통하여 육안으로 관찰할 수 있으며 부정근의 생육상태에 따라 산소공급, 배지 첨가 등을 조절할 수 있다.

상기와 같은 조건 하에서 약 50일간의 배양기간을 거치면서 인삼, 장뢰삼, 산삼 부정근을 대량으로 생산하게 되는데 부정근은 챔버중앙부에 설치된 개폐 맨홀(8-2)을 통해 수확되며 일부 부정근은 챔버저부 일측면에 설치된 배출구(15)를 통해 배지와 함께 빠져나오게 되고 반응챔버(2)에 계속 물을 보충해주면서 부정근의 배출이 용이하도록 한다.

수확된 부정근은 상수도로 3회 이상 세척한 후 표면의 물기를 충분히 제거하여 생체 중을 측정하고 열풍건조기(신흥 Auto COM SHB-720, (주)신흥기업사)를 이용하여 50~60℃ 온도 조건하에서 16~20시간 동안 건조 시켜 수분을 완전히 제거한 후 건물 중을 측정한다.

이하, 실시 예를 통하여 본 발명의 특징적인 구성을 구체적으로 설명하고자 한다. 단, 이들 실시 예는 본 발명의 예시일 뿐, 본 발명의 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

<대형 생물반응기를 이용한 부정근의 생산>

부정근을 대형 생물반응기에 접종하고 이들 조직을 일정기간 내에 최대 증식되도록 물리ㆍ화학적 환경 조건을 갖추어 주는 것이 가장 효율적이고 생산비도 절감할 수 있는 방법이므로 다음과 같이 최적 배양 조건을 규명하기 위한 실험을 실시하였다.

1. 부정근의 최적 배양 조건의 선정

부정근의 생장과 이차대사산물의 함량에 영향을 미치는 다양한 물리ㆍ화학적 환경 요인들을 규명하고, 생물반응기를 이용한 대량 생산체계를 확립하고자 본 실험을 수행하였으며 그 결과, 배지의 무기물 농도는 1.0~1.5 MS, 당 농도는 5.0~7.5%, 호르몬 농도는 IBA 5.0~10mg/l, 배지 pH 5.8~6.0, 배양온도 20±1℃, 공기공급량은 배양 초기에 0.05vvm에서 시작하여 2주 간격으로 유량을 증가시켜 배양 말기에는 0.2vvm으로 공기를 공급하고 부정근의 사포닌 함량을 증가시키기 위해 배양 40일째 elicitor를 처리하여 8~10일 후에 부정근을 수확하는 2단계 배양 시스템이 부정근의 최적 배양 조건인 것으로 나타났다.

2. 접종량이 부정근의 생장과 이차대사산물의 함량에 미치는 영향

식물세포 및 조직배양에서 배양체의 접종량은 식물생장 및 이차대사산물의 생산에 영향을 주는 중요한 요인으로 작용한다. 대형 생물반응기에 부정근을 각각 50kg 과 100kg 씩 접종하여 48일간 배양한 후 생장량과 사포닌 함량을 조사하여 그 결과를 표 1에 나타내었다.

초기 생체 접종량(kg)	생체 중(kg)	건물 중 (kg)	사포닌함량 (mg/g 건물 중)
50	850	85.4	29.70
100	1100	119.2	27.52

표 1. 부정근의 접종량이 생장에 미치는 영향

표 1에서 알 수 있듯이 부정근의 생산량은 접종량을 100kg 으로 하였을 때 높게 나타났었고, 반면에 사포닌 함량은 접종량을 50kg 으로 하였을 때 다소 높게 나타났다. 이러한 결과는 인삼(Panax ginseng) (Thanh N.T., 2005. Factors affecting cell growth and ginsenoside production in Panax ginseng C.A. Meyer. Ph.D. thesis, Chungbuk National Univesity, Cheongju, Korea.) 의 세포 배양에서도 찾아 볼 수 있는데, Thanh은 상대적으로 높은 접종량이 인삼 세포의 생장을 증가 시키고, 반면에 사포닌 함량은 낮은 접종량에서 높게 나타났다고 보고하였다.

3. 침적 방지용 기체분산기가 부정근의 생장에 미치는 영향

생물반응기를 이용한 배양에 있어서 식물 세포 및 조직은 챔버하부에 침적되고 서로 집합체를 이루거나 엉기는 경향이 있는데 이는 배양 식물체에 산소 및 양분의 공급을 저해하는 요인이 된다. 본 실험은 상기의 문제점을 해결하기 위해 고안된 침적방지용 기체분산기의 효과를 알아보기 위해 부정근을 기본형 생물반응기와 침적방지용 기체분산기가 설치된 생물반응기에 각각 배양한 후 생장량을 조사하고 그 결과를 표 2에 나타내었다.

표 2. 침적 방지용 기체분산기가 부정근의 생장에 미치는 영향.

생물반응기 형태	생체 중(kg)	건물 중 (kg)	사포닌함량 (mg/g 건물 중)
기본형 생물반응기	860	86.2	29.49
침적방지용 기체분산기가 설치된 생물배양기	920	92.6	31.06

표 2의 결과에서 알 수 있듯이 침적방지용 기체 분산기가 설치된 생물배양기가 생체 중 및 건물 중 증가에 효과적이었으며 사포닌 함량 증가에도 양호한 것으로 나타났다. 기본형 생물반응기의 경우 배양기간 도중 챔버하부에 부정근이 침적되고 서로 엉키는 현상이 발생되었는데, 충분한 양의 산소와 양분을 공급 받지 못한 부정근은 활력이 저해되고 결국 생장이 억제된 것으로 보여 진다. 반면 다수개의 침 적방지용 기체분산기가 설치된 생물반응기의 경우에는 공기를 계속 분사해 줌으로써 부정근의 침적과 엉킴 현상을 사전에 방지하여 뿌리로의 충분한 양의 산소와 양분이 공급되어 생장이 촉진된 결과로 보여진다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 인삼, 장뢰삼, 산삼부정근의 대량증식 방법은 생체 중 및 건물 중의 생산량도 높고 사포닌 함량을 극대화시킬 수 있는 획기적인 대량 생산 방법임을 확인할 수 있다.

상기 본 발명의 생물반응기 내부 구조 및 재료는 반복적인 멸균작업과 세척에 견딜 수 있어야하며 배양되는 식물체와 배양액에 접촉하는 재료는 반응성과 흡수성이 없어야 하고 150~180℃에서 약 3 atm의 압력까지 견딜 수 있어야 하므로 부식 방지용 스테인리스 스틸을 사용한다.

산업적인 규모의 생물반응기에서는 산소공급과 교반에 따른 유체역학적 스트레스, 그리고 배양체의 하부 침적 및 엉킴 현상 방지가 중요한 설계요건이 되며 최근 배양체의 생장에 유리한 환경 조건을 갖춰주기 위해 다양한 배양기의 형태 및 부착물들이 개발되고 있으며, 배양기에는 스팀, 공기, 배지 및 배양 식물체의 이송라인 등이 포함되며, 교반기, 온도계, 압력계, pH 센서, DO센서 등이 부착된다.

공기 부양식 생물반응기는 배양기 내의 유체 및 기체의 흐름특성에 따라 4부분으로 나눌 수 있는데, 공기가 주입되고 유체의 상승기류가 일어나는 부위를 ‘기체 상승부(25, 26)’ 라 하고, 유체 및 기체의 하강흐름이 일어나는 부위를 ‘기체 하강부(28)’ 라 하며, 배양기의 윗부분으로 유체 순환과 기체의 분리가 일어나는 부위 를 ‘기체 분리부(27)’ 라 하고, 배양기의 바닥부분으로 유체 및 기체의 순환이 일어나는 부위를 ‘기체 순환부(29)’ 라 한다.

생물반응기에 공기를 주입하기 위하여 다양한 종류의 기체분산기가 사용되고 있으며, 기체분산기의 종류에 따라 기상 체류량, 기포의 크기, 기체 상승속도, 액상 순환속도, 액상의 혼합 시간 등이 많은 영향을 받는다.

본 발명의 챔버저부와 하부에 설치된 다공성 판(0.2~5μm의 pore 크기)으로 된 기체분사기(12, 20)를 사용할 경우 기포크기가 작고 기포의 분포가 균일하고 높은 산소전달을 얻을 수 있어서 식물세포 및 조직배양에 유리하다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명의 생물반응기는 반드시 인삼, 장뢰삼, 산삼 부정근의 대량 생산에만 이용되는 것이 아니고 다른 식물 세포배양 및 미생물 배양에도 적용할 수 있게 된다. 이렇게 된 본 발명의 생물반응기는 인삼, 장뢰삼, 산삼의 효능보다 2~3배 높은 부정근을 단 기간에 대량 생산 함으로써 소비자의 욕구를 충족시킬 수 있도록 발명한 것이다.

이와 같이 본 고안의 대형 생물반응기를 이용하여 인삼, 장뢰삼, 산삼 등의 부정근을 단기간 내에 대량생산할 수 있도록 함으로써 부가가치가 높은 부정근을 기후 및 환경조건에 영향을 받지 않고 연중 공급할 수 있다. 본 발명은 반구형의 하부구조와 실린더형의 중앙부 구조를 가진 수직원통형의 반응챔버를 형성하여 배 양기의 용적을 최대한 크게 하였고 챔버상부와 중앙부에 개폐 맨홀을 설치하여 식물체의 수확을 용이하게 하고, 챔버저부에 다공성 판으로 된 기체 분산기와 실린더형의 컬럼를 설치하여 배지 내 산소공급을 원활하게 하여 뿌리의 산소 이용을 촉진시키고, 배양 도중 식물체가 침적 될 수 있는 하부 사방 측면에 다수개의 침적방지용 기체분산기를 설치하여 배양체의 하부 침적과 엉킴 현상을 사전에 방지하고, 냉각수 공급장치를 통해 생육적온을 유지함으로서 생육에 바람직한 조건을 부여할 수 있게 된다. 특히, 본 발명에 있어서의 냉각수 공급장치는 냉각 기능은 물론 냉각 자켓이나 냉각 코일에 비해 구성과 크기가 단순하여 생물반응기 제작비용 절감에 큰 도움을 줄 수 있다. 결국, 인삼, 장뢰삼, 산삼 부정근의 생산을 대형 생물반응기를 통해 상업적인 측면에서 확립할 수 있고 다양한 수요층에 저렴한 가격으로 공급할 수 있는 효과를 갖는다.

Claims (4)

1. 식물세포 및 조직을 대량으로 배양할 수 있는 생물반응기에 있어서,

   식물세포 및 조직이 배양되는 공간인 수직원통형상의 반응챔버;

   상기 반응챔버(2)의 챔버상부(3)에는 볼록한 접시형태의 구형으로 온도 하강을 위한 냉각수 공급 장치(21);

   상기 반응챔버(2)의 챔버중앙부(4)에는 실린더형으로 개폐 맨홀(8-2)과 배양관찰을 위한 투시창(10-2);

   상기 반응챔버(2)의 챔버하부(5)는 반구형으로 다수개의 보조 공기 주입구(19)와 다공성 판으로 된 다수개의 침적방지용 기체분산기(20); 및

   상기 반응챔버(2)의 챔버저부(6)는 실린더형의 컬럼(7)으로 구성되어, 주 공기 주입구(11)와 기체 분산기(12)로 구성된 것을 특징으로 하는 공기 부양식 생산용 생물반응기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 챔버상부(3)는 지름과 높이의 비가 10:1인 볼록한 접시형태의 구형으로, 챔버상부의 일측면에 빛이 투과될 수 있도록 형성된 다수개의 조명창(9)이 구비되고, 공기 배출구(13)와 압력을 체크할 수 있도록 설치된 압력계(17)가 구비되고, 챔버상부의 일측면에 식물세포 및 조직을 수확하기 위한 각각의 개폐 맨홀(8-1)과 상기 챔버상부(3) 중앙에 생육적온을 유지하기 위한 냉각수 공급 장치(21)로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 공기 부양식 생산용 생물반응기.
3. 제 1항에 있어서,

   반응챔버의 챔버하부(5)는 지름과 높이의 비가 2:1인 반구형으로, 상기 챔버하부 1/2 지점 사방 측면에 다수개의 보조 공기 주입구(19)와 다공성 판으로 된 다수개의 침적방지용 기체분산기(20)를 설치하여 배양체의 침적과 엉킴 현상을 방지할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 공기 부양식 생산용 생물반응기.
4. 제1항에 있어서,

   챔버저부(6)는 지름과 높이의 비가 1.3:1인 실린더형태의 컬럼(7)으로, 배지 및 식물체를 투입할 수 있도록 된 접종구(14) 및 배지 및 식물체를 배양기 밖으로 배출할 수 있도록 된 배지 배출구(15)가 구비되고, 일측면에는 온도를 체크할 수 있도록 설치된 온도게이지(16)와 상기 챔버저부컬럼(7) 하단에 주 공기 주입구(11)와 배지 내 산소공급을 극대화 할 수 있도록 다공성 판다공성 판(0.2~5μm pore 크기)으로 된 기체 분산기(12)로 구성된 것을 특징으로 하는 공기 부양식 생산용 생물반응기.

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