KR101090881B1 - 멤브레인 생물반응기 - Google Patents

멤브레인 생물반응기 Download PDF

Info

Publication number
KR101090881B1
KR101090881B1 KR1020067026646A KR20067026646A KR101090881B1 KR 101090881 B1 KR101090881 B1 KR 101090881B1 KR 1020067026646 A KR1020067026646 A KR 1020067026646A KR 20067026646 A KR20067026646 A KR 20067026646A KR 101090881 B1 KR101090881 B1 KR 101090881B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
membrane
nutrient
gas
biolayer
bioreactor
Prior art date
Application number
KR1020067026646A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20070053662A (ko
Inventor
안소니 패트릭 앤드류 테일러
킴 수잔 피니
존 바틀렛
피터 제임스 홀던
Original Assignee
오스트레일리언뉴클리어사이언스앤드테크놀로지오거나이제이션
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from AU2004902629A external-priority patent/AU2004902629A0/en
Application filed by 오스트레일리언뉴클리어사이언스앤드테크놀로지오거나이제이션 filed Critical 오스트레일리언뉴클리어사이언스앤드테크놀로지오거나이제이션
Publication of KR20070053662A publication Critical patent/KR20070053662A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101090881B1 publication Critical patent/KR101090881B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M29/00—Means for introduction, extraction or recirculation of materials, e.g. pumps
    • C12M29/04—Filters; Permeable or porous membranes or plates, e.g. dialysis
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M29/00—Means for introduction, extraction or recirculation of materials, e.g. pumps
    • C12M29/20—Degassing; Venting; Bubble traps

Landscapes

  • Organic Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
  • Immobilizing And Processing Of Enzymes And Microorganisms (AREA)
  • Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)
  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)

Abstract

본 발명은 지지체에 의해 강화된 겔을 포함하는 멤브레인을 제공한다. 멤브레인은 서로 마주보는 면이 있으며, 상기 면 사이에 두께를 가지고 있다. 겔은 서로 마주보는 면을 왕래하며 상기 멤브레인을 통해 영양소 액을 확산시킨다. 멤브레인-지지 구조체 및 상기 멤브레인-지지 구조체상에 지지되는 본 발명에 따른 멤브레인을 포함하는 생물반응기가 제공된다.
멤브레인, 생물반응기, 지지물질, 바이오층

Description

멤브레인 생물반응기{MEMBRANE BIOREACTOR}
본 발명은 멤브레인 생물반응기(membrane bioreactor), 멤브레인 생물반응기용 멤브레인의 제조방법 및 멤브레인 생물반응기의 사용방법에 관한 것이다.
멤브레인 생물반응기는 생물학적 물질에 제공되는 물질을 전환하기 위해 멤브레인과 결합하여 생물학적 물질을 사용하며, 의약품, 항체 또는 백신 성분과 같은 유용한 물질의 제조, 유기 폐기물의 바이오메스(biomass) 또는 바이오연료(biofuel)로의 생물전환(bioconversion), 또는 독성 화학물질을 불활성 또는 비-생물학적으로 이용가능하지 않은 형태로 분해 및 중금속의 침전 또는 환원/산화와 같은 생물학반응에 사용될 수 있다.
광범위하게 말해서, 현존하는 생물반응기는 기계적 교반식 생물반응기, 공기압 교반식 생물반응기 또는 비교반식 생물반응기로 분류할 수 있다. 기계적 교반식 생물반응기로는 폭기-교반식, 회전드럼식 생물반응기 및 스핀필터식 생물반응기가 있다. 공기압 교반식 생물반응기는 주입식 생물반응기 및 에어-리프트식 생물반응기를 포함한다. 비교반식 생물반응기로는 가스상 생물반응기, 산소-투과성 멤브레인 폭기식 생물반응기 및 오버레이(overlay) 폭기식 생물반응기가 있다.
공기압 교반식 생물반응기는 용해된 산소를 바이오메스에 충분히 제공하기 위해 함유된 액상 배지를 통해 공기를 주입하는 폭기 배출구가 장착된 배트(vat)를 구성한다. 이러한 반응기는 바이오메스와 공정 리쿼 잔액이 잘 혼합되도록 임펠러, 프로펠러 및 패들과 같은 다양한 시스템을 사용한다. 용기 측면에서 바이오메스를 긁어내고 부착물을 최소화하고 바이오메스 잔액이 공정 액체와 접촉할 수 있도록 패들이 사용된다. 그러나 이러한 시스템은 혼합 및 스크래핑과 관련된 전단력이 연약한 배양물에 손상을 주어 생물학적 활성의 감소를 가져와 궁극적으로 생산성의 감소를 가져오는 단점이 있다. 게다가, 비교적 밀도가 있는 바이오메스의 존재는 반응 배지의 점도를 증가시켜 혼합 효능 및 공정 스트림 내의 산소 분자 및 다른 가스의 확산속도를 감소시킨다. 산소의 이용가능성 감소는 바이오메스의 활성을 감소시키고, 많은 세포들이 자연계에 존재할 때(예, 혈액 중 침지시 기체-고체 계에서 또는 동물세포의 경우) 더 이상 기능을 발휘하지 못하게 한다.
조직 배양시스템에는 주입식 생물반응기 및 배양기 또는 회전드럼 중의 다양한 침수(submerged) 표면-성장 시스템이 있다. 이들 시스템의 단점은 산소의 흡입이 비교적 낮아서 일단 소량의 바이오메스가 생장하기 시작하면 용해된 산소의 생물학적 이용가능성이 제한을 받는다는 것이다. 용해된 산소의 낮은 이용가능성은 많은 형태의 세포가 배양되는 것을 막아, 많은 세포 라인이 산소를 더욱 쉽게 이용할 수 있는 신체 내에서 제 기능을 다하지 못한다.
충전 칼럼 시스템에서, 세포는 칼럼에 충전되는 고리, 구형 또는 안장형상 또는 다각형과 같은 다양한 형상의 비활성 물질 상에 고정화된다. 칼럼에 공급되기 전에 영양 스트림에 산소가 주입된다. 이들 시스템의 단점은 영양소 스트림 중의 산소의 용해도에 의해 세포가 제한을 받는다는 것이다. 점적 형태 및 산소의 제한을 받는 세포들은 바이오메스의 두께와 관련이 있다. 또 다른 단점은 세포의 성장이 팩킹의 엉김 및 칼럼의 막힘을 가져올 수 있다는 것이다. 비용 또한 이러한 고도의 공학적인 버전에 문제점이다.
멤브레인 시스템은 다음 3가지의 광범위한 부류 중 하나로 분류될 수 있다.
형태 1: 기체-액체 계면 멤브레인 생물반응기는 멤브레인의 가스 면(gas side)에 활성 바이오메스를 지지하는데 사용되는 다공성 멤브레인 호스트를 포함한다. 멤브레인의 다른 면은 압력하에 멤브레인으로 펌핑되어 들어오는 공정 액체(process liquor)와 접촉한다. 이러한 공정에 대한 소결 세라믹 멤브레인이 보고되었다(Canto 외, 사이언스 앤드 엔지니어링 저널, 1998-2, 2). 소결식 세라믹 멤브레인은 비교적 불투수성이어서 액체는 가압되어 멤브레인으로 통과한다. 이러한 형태의 생물반응기가 지니는 단점은 반응기가 가동될 때 압력이 높아지기 때문에 파손을 막기 위해 멤브레인 및 하우징의 크기를 제한하여야 한다는 것이다. 영양분의 낮은 이용가능성(활성 멤브레인의 비교적 낮은 총 다공성에 기인한)은 바이오메스의 성장을 제한하여 비교적 낮은 생성물 수율을 야기한다는 것이다. 이러한 형태의 다른 예는 WO90/02170에 기술되어 있다. 이 특허는 외부에 바이오층(바이오필름)을 가진 중공형의 섬유질 멤브레인에 관해 기술하고 있다. 사용시, 액체는 멤브레인의 루멘(lumen)을 통과하며, 공기는 멤브레인을 둘러싸는 지지 매트릭스(support matrix)를 통과하여 바이오 필름에 제공된다. 이러한 시스템의 단점은 상당한 막전위(transmembrane) 압력이 요구되므로 그 압력으로 인한 손상을 막기 위해 멤브레인 주위로 지지 매트릭스가 필요하다는 것이다. 집중 지지 매트릭스/바이오필름/멤브레인 시스템의 구조는 복잡하다. 더욱이, 지지 매트릭스는 사용시 바이오필름으로부터 나온 세포와 충돌하여 바이오필름을 통과하는 산소 및 영양분의 확산속도를 감소시킬 수 있다.
형태 2:
배양물은 종종 무산소 조건하에서 멤브레인의 액체 면(liquid side)에서 자란다. 일례로, 액체 배지와 접촉하는 바이오필름을 고정화하기 위해 다공성 중공-섬유질 멤브레인이 사용되고, 산소-함유 가스가 멤브레인의 다른 면에 제공된다.(JP2003251381 아사히 카제이 코포레이션). 두 번째 특허방법에서는 수소가 새어 나가는 것을 막고자 한쪽 끝을 밀봉하고 액체에 불침투성인 중공형 섬유에 수소를 가압하여 도입한다. 물이 섬유를 둘러싸며, 바이오필름은 액체에서 용해된 산화된 화학물질을 제거하기 위해 세포의 전자공여체로서 용해된 수소를 사용하는 멤브레인의 액체 면 상에서 성장한다.(US6387262, 노스웨스턴 유니버시티). 이러한 시스템의 단점은 가스가 가압하에 멤브레인으로 공급되어야 하므로 가압 및 압축된 가스를 수용할 값비싼 장치가 필요하다는 것이다. 더욱이, 특수 멤브레인은 가격이 비싸고 이들을 제조하는데 복잡한 장치를 필요로 한다.
형태 3:
배양물을 액상에 부유시켜 성장시키고 멤브레인 필터를 사용하여 액체를 여과한다. 대부분의 멤브레인 생물반응기는 형태 3이다. 이러한 종류의 생물반응기의 단점은 에어-리프트 및 조직배양식 생물반응기의 단점과 유사하며 생성물질을 함유 하는 액체를 분리하기 위해 사용되는 멤브레인에 생물부착(biofouling)을 겪는 단점이 있다.
그러므로 종래의 시스템보다 저렴하고, 내구성이 있으며 높은 생물학적변환 (bioconversion) 속도를 제공할 수 있는 생물반응기가 요구되었다.
발명의 목적
본 발명의 목적은 상기의 단점을 적어도 하나 이상 극복하거나 실질적으로 개량하는데있다. 또 다른 목적은 상기의 필요성을 적어도 부분적으로 만족하는 것이다.
발명의 요약
본 발명의 첫 번째 목적은 생물반응기에 유용한 멤브레인을 제공하는 것으로 상기 멤브레인은
- 영양소 면(nutrient side)과 가스 면(gas side)을 가지며, 가스 면에 인접한 멤브레인의 가스 면에 고정화된 바이오층을 지지할 수 있으며 ;
- 영양소 면으로부터 고정화 바이오층으로 영양소 액을 확산시킬 수 있으며;
- 고정화 바이오층으로부터 존재하는 세포를 제거할 수 있도록 접근하기 쉽다.
멤브레인은 평면 또는 관형일 수 있다. 멤브레인은 나노다공성(nanoporous), 중립다공성(mesoporous) 또는 미소다공성(microporous) 또는 나노스케일 및/또는 메조스케일 및/또는 마이크로스케일 기공의 결합체일 수 있다. 멤브레인은 지지물질 예를 들어, 직물 또는 비직물 섬유물질 또는 비-섬유질 다공성 물질을 포함할 수 있다. 지지물질은 니트 물질, 직물 물질, 압축섬유 물질, 루스(loose)물질, 팰트 물질 또는 기타 적당한 물질일 수 있다. 지지물질은 겔 내부 또는 겔 외부 즉 지지물질의 표면에 존재할 수 있다. 지지물질은 친수성 또는 소수성일 수 있으며, 그 표면에 시징(sizing)이 있거나 없을 수 있다. 지지물질은 폴리머(예: 폴리에스테르, 폴리아미드, 아크릴, 폴리올레핀 등), 무기(예: 유리섬유), 천연섬유(셀룰로오스 또는 변성 셀룰로오스, 면 등) 또는 몇몇 기타 물질일 수 있다. 지지물질은 그 위에 나노다공성 고체 또는 겔(gel)을 가질 수 있다. 나노다공성 고체 또는 겔은 친수성 또는 소수성일 수 있다. 그것은 유도된 졸-겔일 수 있다. 멤브레인은 영양소 면(nutrient side)의 영양소 액(nutrient solution)으로부터 나온 가스면(gas side)의 가스를 분리할 수 있다. 멤브레인은 외부의 압력을 가하지 않고도 영양소 면으로부터 나온 영양액을 고정화 바이오층으로 확산시킬 수 있다. 멤브레인은 가스 면(gas side)상에 지지 매트릭스를 가지고 있지 않을 수 있다. 멤브레인은 액체 면(liquid side)에 다공성 또는 미소기공 층을 지닌 하이브리드(hybrid) 멤브레인일 수 있다.
바이오층은 박테리아, 균류, 동물 또는 식물세포, 원생동물 또는 기타 생물학적 물질을 포함한다. 세포는 원핵세포(prokaryotic) 또는 진핵세포(eukaryotic)일 수 있다. 동물세포는 예를 들어 포유류 세포일 수 있다. 바이오층은 의약품, 항체, 백신 성분, 식품, 세포, 효소 또는 기타 물질을 생산할 수 있다. 특정 생성물을 생산하기 위해서는 적당한 바이오층(즉, 바이오층을 포함하는 세포 등) 그 바이오층에 적당한 영양소 액을 선택하는 것이 필요하다. 바이오층이 포유류 세포이면, 소수성 실리카를 포함하는 소수성 멤브레인을 사용하는 것이 필요하다. 소수성 실리카로는 메틸화, 옥틸화 또는 페닐화 실리카가 있다.
멤브레인은 지지체로 강화된 겔(gel)을 포함하며, 이 멤브레인은 서로 마주보는 면(surfaces)을 가지며, 상기 면 사이의 두께로 겔은 상기 마주 보는 면을 왕래하며 멤브레인을 통해 영양소 액이 확산되도록 한다.
첫 번째 구체예로, 멤브레인은 가스 면 및/또는 가스 면에 인접한 멤브레인 내에 고정화 바이오층을 가지고 있다. 멤브레인은 외부의 압력을 가하지 않고도 영양소 면으로부터 나온 영양액을 고정화된 바이오층으로 확산시킬 수 있다. 특히, 멤브레인은 지지체로 강화된 겔을 포함하며, 멤브레인은 영양소 면(nutrient face), 가스 면 (gas face) 및 면 사이에 두께를 가지며, 상기 멤브레인은 가스 면상 및 가스 면에 가까운 멤브레인에서 선택된 위치에 고정화된 바이오층을 가지며 이로 인해 겔은 영양소 면 및 바이오층을 왕래하며 영양소 면을 통하여 영양소 액을 바이오층으로 확산시킨다.
또 다른 구체예로, 멤브레인은 영양소 면 및 가스 면을 가지며, 나노다공성 고체 또는 겔을 지닌 섬유질의 지지물질을 포함한다. 나노다공성 고체 또는 겔로는 실리카 겔, 티타니아 겔, 지르코니아 겔, 알루미나 겔 또는 2개 이상의 실리카, 티타니아, 지르코니아 및 알루미나(예: 실리카-알루미나 겔)를 포함하는 혼합 겔, 또는 한천(agar), 아가로스(agarose), 알긴산칼슘, 펙틴,또는 기타 생체고분자(biopolymer)등이 있다. 본 발명의 구체예에 의한 멤브레인의 제조방법은 하기의 단계를 포함한다:
- 나노다공성 고체 또는 겔을 생성할 수 있는 전구체 액(precursor liquid)을 지지 물질로 주입하는 단계; 및
- 지지 물질 상 및/또는 물질 내에 나노다공성 고체 또는 겔을 생성하여 멤브레인을 형성하는 단계.
상기 공정은 또한 주입 단계에 앞서 지지 물질을 알칼리성 수용액, 산성 수용액, 산성 가스 또는 물 플라즈마(plasma)에 노출시키는 단계를 포함할 수 있다. 전구체 액의 예로는 콜로이드성 실리카, 또는 알긴산 칼슘 또는 한천 또는 아가로스 또는 펙틴 또는 기타 천연 또는 합성 폴리머, 또는 이들의 혼합물 용액 또는 현탁액이 있다. 주입공정은 상기 지지 물질을 전구체 액에 침지(immersing)시킨 후 전구체 액으로부터 지지 물질을 제거하거나 전구체 액을 지지 물질로 통과시키거나 또는 기타 적당한 주입방법을 포함한다. 나노다공성 고체 또는 겔의 생성방법은 전구체 액의 특성에 따라 달라지나 지지 물질에 주입된 적어도 일부분의 전구체 액을 증발시키고, 지지물질에 주입된 전구체 액의 pH를 바꾸고, 지지 물질중의 전구체 액의 온도를 바꾸거나 지지 물질중의 나노다공성 고체 또는 겔을 침전시키기 위해 지지 물질중의 전구체 액을 침전제에 노출시키는 공정을 포함한다.
또 다른 구체예로, 멤브레인은 영양소 면 및 가스 면을 가지며,
- 나노다공성 고체 또는 겔을 지닌 섬유상 지지 물질 및,
- 가스 면 및/또는 가스 면에 인접한 멤브레인 내에 고정화된 바이오층을 포함한다.
상기의 멤브레인은 외부의 압력을 가하지 않고도 영양소 면으로부터 나온 영양액을 고정화된 바이오층으로 확산시킬 수 있으며, 상기 멤브레인은 상기 고정화 바이오층으로부터 세포를 제거할 수 있도록 접근이 가능하다. 멤브레인은 가스 면상에 지지 매트릭스를 가지고 있지 않다.
본 발명의 두 번째 목적은
- 멤브레인-지지 구조체; 및
- 상기 멤브레인-지지 구조체상에 지지된 본 발명의 첫 번째 목적에 의한 멤브레인을 포함하는 생물반응기를 제공하는 것이다.
멤브레인-지지 구조체는 멤브레인의 한 부분이 멤브레인의 다른 부분에 평행한 형태로 존재하여 두 개의 부분 사이에 내부 영역을 한정할 수 있는 형태로 배열된 멤브레인을 지지할 수 있다. 멤브레인-지지 구조체는 하나 이상의 멤브레인을 지지할 수 있다. 생물반응기가 하나 이상의 멤브레인을 포함하는 경우, 멤브레인은 서로 평행하거나 서로 비-평행할 수 있다. 2개 이상의 평면상 멤브레인이 쌍으로 배열되어 각 쌍은 파우치 또는 편상 튜브 또는 2개의 멤브레인 쌍 사이에 내부 영역을 한정하는 기타 모양을 형성할 수 있도록 결합된다. 멤브레인은 영양소 면에서 영양소 액으로부터 나온 가스 면의 가스를 분리할 수 있는 형태로 배열된다. 생물반응기는 멤브레인 사이의 거리 또는 멤브레인의 다른 부분 사이의 거리를 유지시키기 위해 하나 이상의 스페이서(spacer)를 가진다. 스페이서는 영양소 액이 멤브레인의 면으로부터 누출되는 것을 방지한다.
생물반응기는 멤브레인의 영양소 면으로 영양소 액이 지나가는 입구를 가지고 있으며, 또한 영양소 면으로부터 영양소 액을 제거하기 위한 출구가 있다. 입구는 입구 다기관(manifold)에 연결되며 출구는 출구 다기관에 연결된다.
액체 예를 들어, 영양소 액을 출구에서 입구로 리사이클링 하기 위한 리사이클링 시스템이 있다. 리사이클링 시스템은 산소가 액체에 접근하는 것을 막을 수 있다. 리사이클링 시스템은 하나 이상의 펌프, 공급 라인, 공급 라인 밸브, 배출 라인, 배출 라인 밸브, 공급 탱크 및 배출 탱크를 포함한다.
생물반응기는 부가적으로 적어도 부분적으로 멤브레인을 둘러싸는 용기를 포함하며, 적어도 부분적으로 멤브레인-지지 구조체를 둘러싼다. 용기는 멸균가능하며 가스가 용기로 들어오도록 가스 입구를 가지며 가스가 용기 밖으로 배출되도록 하는 가스 출구를 가지고 있다. 생물반응기는 멤브레인을 수용하기 위한 하우징을 포함하며, 선택적으로 멤브레인 지지 구조체를 포함한다. 하우징은 멸균가능하며, 가스 입구와 가스 출구를 갖는다. 멤브레인 선택적으로 멤브레인 지지 구조체는 용기 또는 하우징으로부터 제거가 가능하다. 멸균가능한 하우징은 바이오층, 멤브레인 또는 생물반응기의 다른 부분의 오염을 방지하는데 유용하다.
영양소 액으로부터 산소를 제거하기 위한 산소 제거기가 선택적으로 있다. 탈산기는 탈산소기(deoxygenator) 또는 진공 탈기장치(degasser)와 같은 가스 제거기이며, 영양소 액을 통하여 산소가 거의 없는 가스를 버블링 시키기 위한 주입 장치를 포함한다.
생물반응기는 멤브레인으로부터 고형분(solid matter)을 제거하는 장치를 갖는다. 고형분은 예를 들어 생물반응기의 생성물이나 바이오층의 일부분일 수 있다. 제거장치는 교반기, 스크레이퍼, 블로어 또는 기타 적당한 장치일 수 있다.
구체예로, 생물반응기는
- 멤브레인-지지 구조체;
- 멤브레인이 멤브레인-지지 구조체에 의해 수직으로 지지되며, 각각의 멤브레인은 멤브레인 쌍 사이에 내부 영역을 한정할 수 있도록 다른 멤브레인의 쌍에 대응하여 배향되는 본 발명의 첫 번째 목적에 따른 한 쌍의 멤브레인; 및
- 각각의 멤브레인 쌍의 가스 면상 및/또는 가스 면에 인접한 각각의 멤브레인 쌍 내에 고정화된 바이오층을 포함한다.
멤브레인은 평면상이거나 관형일 수 있다. 각각의 멤브레인은 파우치 또는 편상 튜브 또는 환형을 형성할 수 있도록 다른 멤브레인 쌍에 대응하여 배향되거나 멤브레인 쌍 사이에 내부 영역을 한정하는 다른 형태로 배향될 수 있다. 멤브레인 쌍은 서로 결합되거나 결합되지 않을 수 있다. 영양소 면이 멤브레인 쌍의 내부 영역에 인접할 수 있다. 2개의 멤브레인 쌍 사이의 특정한 거리를 유지하기 위해 적어도 하나의 스페이서가 존재한다. 생물반응기는 하나 이상의 멤브레인 쌍을 포함한다. 하나 이상의 멤브레인 쌍이 평행 또는 연속적으로 연결되거나 일부는 평행으로 일부는 연속적으로 연결될 수 있다.
다른 구체예로, 생물반응기는
- 멤브레인-지지 구조체;
- 멤브레인-지지 구조체에 의해 수직으로 지지되는 본 발명의 첫번째 목적에 의한 관형 멤브레인; 및
- 가스 면 및/또는 가스 면에 인접한 멤브레인 내에 고정화된 바이오층을 포함한다
영양소 면은 관형 멤브레인의 내부에 위치할 수 있으며, 가스 면은 멤브레인의 외부에 있을 수 있다. 관형 멤브레인은 관형 멤브레인의 반대편 면 사이의 거리를 유지하기 위해 적어도 하나의 스페이서를 갖는다. 관형 멤브레인은 내부 영역이 관형 멤브레인 및 내부 지지 사이로 한정될 수 있도록 관형 멤브레인에 중심을 갖는 내부 지지를 갖는다. 이 경우, 관형 멤브레인과 내부 지지 사이의 거리를 유지하기 위해 적어도 하나의 스페이서가 존재한다. 생물반응기는 하나 이상의 관형 멤브레인을 가질 수 있다. 하나 이상의 관형 멤브레인은 평행 또는 연속적으로 연결되거나 일부는 평행으로 일부는 연속적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 다른 구체예에서, 생물반응기는
- 멤브레인-지지 구조체;
- 멤브레인 2개 부분 사이에서 내부 영역을 한정할 수 있도록 멤브레인의 한 부분이 멤브레인의 다른 부분에 평행하게 배열된 형태로 멤브레인-지지 구조체에 의해 지지되는 본 발명의 첫 번째 목적에 따른 평면상 멤브레인; 및
- 멤브레인의 가스 면 및/또는 가스 면에 인접한 멤브레인 내에 고정화된 바이오층을 포함한다.
멤브레인의 영양소 면은 내부 영역에 인접할 수 있다. 2개의 멤브레인 사이의 거리를 유지하기 위해 적어도 하나의 스페이서가 존재한다.
다른 구체예에서, 생물반응기는
- 멤브레인-지지 구조체;
- 멤브레인이 영양소 면에 있는 영양소 액으로부터 가스 면에 있는 공기를 분리하고, 멤브레인이 영양소 면에 인접한 다수의 내부 영역을 한정하는 형태로 배열된 멤브레인-지지 구조체에 의해 지지되는 본 발명의 첫 번째 목적에 따른 평면상의 멤브레인,
- 멤브레인의 가스 면 및/또는 가스 면에 인접한 멤브레인 내에 고정화된 바이오층,
- 입구 다기관에 연결되며, 영양소 액을 내부 영역으로 들어오도록 하는 다수의 입구,
- 내부영역으로부터 영양소 액을 제거하기 위한 다수의 출구,
- 출구로부터 입구 다기관으로 영양소 액을 리사이클링시키기 위한 리사이클링 시스템,
- 멤브레인으로부터 고형분 제거를 위한 스크레이퍼(scraper),
- 공기 입구와 공기 출구를 가지며, 멤브레인과 멤브레인 지지 구조체를 수용하는 멸균가능한 하우징을 포함한다.
멸균가능한 하우징으로는 그린-하우스 또는 유리-하우스 또는 챔버(chamber), 및 빛을 바이오층에 들여 보낼 수 있는 챔버가 있다.
본 발명의 세 번째 목적은 하기의 단계를 포함하는 가스 면 및/또는 가스 면에 인접한 멤브레인 내에 고정화된 바이오층을 가지는 멤브레인의 제조방법을 제공하는 데 있다.
- 영양소 면으로부터 나온 영양소 액을 생물학적 물질로 확산시킬 수 있는 멤브레인의 영양소 면으로부터 떨어져 나온 멤브레인에 생물학적 물질을 고정화시키는 단계; 및
- 생물학적 물질이 가스 면 및/또는 가스 면에 인접한 멤브레인에 고정화된 바이오층을 생성할 수 있는 조건으로 멤브레인의 영양소 면에 영양소 액을 제공하고, 멤브레인의 가스 면을 가스에 노출시키는 단계.
상기의 멤브레인은 생성된 상기 고정화 바이오층으로부터 세포를 제거할 수 있도록 접근이 가능하다. 멤브레인은 가스 면상에 지지 매트릭스를 가지고 있지 않다.
가스는 산소를 함유하는 가스, 예를 들어 공기 또는 산소 또는 산소와 질소, 이산화탄소, 또는 헬륨과 같은 다른 가스와의 혼합물이다. 멤브레인에 손상을 주지 않는 가스가 바람직하다.
생물학적 물질은 세포, 포자 또는 기타 생물학적 물질을 포함한다. 세포는 원핵세포(prokaryotic) 또는 진핵세포(eukaryotic)일 수 있다. 동물세포는 예를 들어 포유류 세포일 수 있다. 바이오층은 의약품, 항체, 백신 성분, 식품, 세포, 효소 또는 기타 물질을 생산할 수 있다.
영양소 액은 생물학적 물질을 위한 영양소를 함유하는데, 이의 특성은 생물학적 물질에 따라 달라진다. 영양소 액은 또한 전해질, 염류, 완충액, 생물변환 또는 생분해용 화합물과 같은 하나 이상의 다른 성분을 포함할 수 있다.
멤브레인은 평면 또는 관형일 수 있다. 멤브레인은 나노다공성, 중립다공성 또는 미소다공성 또는 나노스케일 및/또는 메조스케일 및/또는 마이크로스케일 기공의 결합체일 수 있다. 멤브레인은 지지물질 예를 들어, 직물 또는 비직물 섬유질 물질 또는 비-섬유질 다공성 물질을 포함할 수 있다. 지지물질은 나노다공성 고체 또는 겔일 수 있다. 멤브레인은 생물반응기의 작업 조건하에서는 생분해되지 않는 물질 또는 물질들로 만들어진다. 멤브레인은 외부의 압력을 가하지 않고도 영양소 면으로부터 나온 영양소 액을 생물학적 물질로 확산시킬 수 있다.
멤브레인의 영양소 면에 영양소 액을 제공하는 단계동안, 일부 생물학적 물질은 멤브레인의 영양소 면에서 성장할 수 있다. 그 결과, 이 단계 동안 영양소 면을 따라 스크레이퍼를 움직이는 것이 유리한다. 움직임은 연속적이거나 간헐적일 수 있다. 움직임은 영양소 면으로부터 생물학적 물질을 제거하여, 인접한 멤브레인의 영양소 면이 생물학적 물질의 성장으로 인해 서로 달라붙는 것을 막아준다. 스크레이퍼는 인접한 멤브레인의 영양소 면을 분리하기 위한 스크레이퍼이다.
고정화 단계는 적어도 일부의 다수 세포 및/또는 포자가 멤브레인에 부착되도록 멤브레인을 다수의 세포 및/또는 포자에 노출시키는 것을 포함한다. 상기 노출은 멤브레인을 세포 및/또는 포자를 함유하는 담체에 노출시키는 것으로, 상기 담체는 액체 예를 들어, 수용액 또는 가스, 증기, 에어로졸 또는 스프레이이다. 상기 노출은 스프레이, 관개, 스와빙(swabbing), 블로잉 또는 가스 면에 세포 및/또는 포자를 이송하는 기타 노출방법을 포함한다.
영양소 액의 제공단계는 영양소 액으로부터 산소를 제거하는 공정을 포함한다. 산소 제거 단계는 탈가스 예를 들어, 영양소 액에 진공을 걸거나 영양소 액을 통하여 산소가 거의 없는 가스를 버블링하는 것을 포함한다,
구체예에서, 고정화 단계는 하기의 단계를 포함한다.
- 나노다공성 고체 또는 겔을 생성할 수 있는 전구체 액을 지지 물질로 주입하는 단계; 및
- 지지 물질 상 및/또는 물질 내에 나노다공성 고체 또는 겔을 생성하여 멤브레인을 형성하는 단계.
고정화 단계는 주입단계 이전에 지지 물질을 알칼리 수용액 또는 물 플라즈마에 노출시키는 단계를 포함한다. 전구체 액은 생물학적 물질 예를 들어, 다수의 세포 및/또는 포자를 포함하며, 그 결과 나노다공성 고체 또는 겔 생성공정은 멤브레인 내에 적어도 일부 생물학적 물질(예: 세포 및/또는 포자)를 고정화시킨다. 고정화 단계는 초기에 기술한 바와 같은 멤브레인을 다수의 세포 및/포자에 노출시키는 것을 추가로 포함할 수 있다. 전구체 액의 예로는 콜로이드성 실리카, 또는 알긴산 칼슘 또는 한천 또는 아가로스 또는 펙틴 또는 기타 천연 또는 합성 폴리머, 또는 이들의 혼합물 용액 또는 현탁액이 있다. 주입공정은 상기 지지 물질을 전구체 액에 침지시킨 후 전구체 액으로부터 지지 물질을 제거하거나 전구체 액을 지지 물질로 통과시키거나 또는 기타 적당한 주입방법을 포함한다. 나노다공성 고체 또는 겔의 생성방법은 전구체 액의 특성에 따라 달라지나 지지 물질에 주입된 적어도 일부분의 전구체 액을 증발시키고, 지지물질에 주입된 전구체 액의 pH를 바꾸고, 지지 물질중의 전구체 액의 온도를 바꾸거나 지지 물질중의 나노다공성 고체 또는 겔을 침전시키기 위해 지지 물질중의 전구체 액을 침전제에 노출시키는 공정을 포함한다.
또 다른 구체예로, 본 발명은 하기의 단계를 포함하는 가스 면 및/또는 가스 면에 인접한 멤브레인 내에 고정화된 바이오층을 가지는 멤브레인의 제조방법을 제공하는데 있다.
- 나노다공성 고체 또는 겔을 생성할 수 있는 전구체 액을 지지 물질로 주입하는 단계;
- 지지 물질 상 및/또는 물질 내에 나노다공성 고체 또는 겔을 생성하여 멤브레인을 형성하는 단계;
- 적어도 일부의 다수 세포 및/또는 포자가 멤브레인에 부착되도록 멤브레인의 가스 면을 다수의 세포 및/또는 포자에 노출시키는 단계; 및
- 세포 및/또는 포자가 가스 면 및/또는 가스 면에 인접한 멤브레인에 고정화된 바이오층을 생성할 수 있는 조건으로 멤브레인의 영양소 면에 영양소 액을 제공하고, 멤브레인의 가스 면을 가스에 노출시키는 단계.
또 다른 구체예로, 본 발명은 하기의 단계를 포함하는 가스 면 및/또는 가스 면에 인접한 멤브레인 내에 고정화된 바이오층을 가지는 멤브레인의 제조방법을 제공하는데 있다.
- 생물학적 물질을 함유하며, 나노다공성 고체 또는 겔을 생성할 수 있는 전구체 액을 지지 물질로 주입하는 단계;
- 지지 물질 상 및/또는 물질 내에 나노다공성 고체 또는 겔을 생성하여 멤브레인을 형성하여 멤브레인상 및 또는 멤브레인 내에 생물학적 물질을 고정화시키는 는 단계; 및
- 생물학적 물질이 가스 면 및/또는 가스 면에 인접한 멤브레인에 고정화된 바이오층을 생성할 수 있는 조건으로 멤브레인의 영양소 면에 영양소 액을 제공하고, 멤브레인의 가스 면을 가스에 노출시키는 단계.
또 다른 구체예로, 본 발명은 하기의 단계를 포함하는 가스 면 및/또는 가스 면에 인접한 멤브레인 내에 고정화된 바이오층을 가지는 멤브레인의 제조방법을 제공하는데 있다.
- 생물학적 물질을 함유하며, 나노다공성 고체 또는 겔을 생성할 수 있는 전구체 액을 지지 물질로 주입하는 단계;
- 지지 물질중의 콜로이드성 실리카를 산성화하여 멤브레인을 생성하고, 멤브레인중의 세포 및/또는 포자를 고정화하는 단계; 및
- 세포 및/또는 포자가 가스 면 및/또는 가스 면에 인접한 멤브레인에 고정화된 바이오층을 생성할 수 있는 조건으로 멤브레인의 영양소 면에 영양소 액을 제공하고, 멤브레인의 가스 면을 가스에 노출시키는 단계.
또한, 가스 면 및/또는 가스 면에 인접한 본 발명의 세 번째 공정으로 제조된 멤브레인에 고정화된 바이오층을 가지는 멤브레인이 제공된다.
본 발명의 네 번째 목적은 멤브레인-지지 구조체상에 본 발명의 첫 번째에 따른 멤브레인을 올려놓는 단계를 포함하는 생물반응기의 제조방법이 제공된다.
구체예로, 상기 공정은 가스 면상 및/또는 가스 면에 인접한 멤브레인 내에 고정화된 바이오층을 가지며, 영양소 면으로부터 나온 영양소 액을 고정화 바이오층으로 확산시킬 수 있어, 고정화 바이오층으로부터 세포를 제거할 수 있도록 접근이 가능한 본 발명의 첫 번째에 따른 맴브레인을 멤브레인-지지 구조체에 올려 놓는 단계를 포함한다. 멤브레인은 가스 면상에 지지 매트릭스가 없다.
다른 구체예에서, 본 발명의 공정은 하기 단계를 포함한다.
- 멤브레인의 영양소 면에 고정화된 생물학적 물질을 가지며, 영양소 면으로부터 나온 영양소 액을 생물학적 물질로 확산시킬 수 있으며, 고정화 바이오층으로부터 세포를 제거할 수 있도록 접근이 가능한 멤브레인을 멤브레인-지지 구조체에 올려놓는 단계; 및
- 생물학적 물질이 가스 면 및/또는 가스 면에 인접한 멤브레인에 고정화된 바이오층을 생성할 수 있는 조건으로 멤브레인의 영양소 면에 영양소 액을 제공하고, 멤브레인의 가스 면을 가스에 노출시키는 단계.
영양소 액은 실질질으로 무산소이다. 멤브레인은 가스 면상에 지지 매트릭스가 없다.
다른 구체예에서, 본 공장은 하기의 단계를 포함한다.
- 영양소 면과 가스 면을 자지며, 가시 면상 및 가스면에 인접한 멤브레인 내에 고정화된 바이오층을 지지할 수 있으며, 영양소 면으로부터 나온 영양소 액을 고정화 바이오층으로 확산시킬 수 있는 멤브레인을 멤브레인-지지 구조체에 올려 놓는 단계;
- 영양소 면으로 떨어져 나온 멤브레인 중의 생물학적 물질을 고정화시키는 단계; 및
- 생물학적 물질이 가스 면 및/또는 가스 면에 인접한 멤브레인에 고정화된 바이오층을 생성할 수 있는 조건으로 멤브레인의 영양소 면에 영양소 액을 제공하고, 멤브레인의 가스 면을 가스에 노출시키는 단계. 이것에 의해 멤브레인은 고정화 바이오층으로부터 나온 세포를 제거할 수 있도록 접근이 가능하다. 멤브레인은 가스 면상에 지지 매트릭스가 없다.
고정화 단계는 적어도 일부의 다수 세포 및/또는 포자가 멤브레인에 부착되도록 멤브레인을 다수의 세포 및/또는 포자에 노출시키는 것을 포함한다. 상기 노출은 멤브레인을 세포 및/또는 포자를 함유하는 담체에 멤브레인을 노출하는 것을 포함하며, 담체는 수용액과 같은 액체이거나, 가스, 증기 에어로절 또는 스프레이이다. 상기 노출은 스프레이, 관개(irrigating), 스와빙(swabbing), 블로잉(blowing) 또는 가스 면에 세포 및/또는 포자를 이송하는 기타 노출방법을 포함한다.
다른 구체예에서 본 공정은 하기의 단계를 포함한다.
- 멤브레인-지지 구조체에 지지 물질을 올려놓는 단계;
- 나노다공성 고체 또는 겔을 생성할 수 있는 전구체 액을 지지 물질로 주입하는 단계;
- 지지 물질 상 및/또는 물질 내에 나노다공성 고체 또는 겔을 생성하여 멤브레인을 형성하는 단계;
- 가스 면 및/또는 가스 면에 인접한 멤브레인에 고정화된 바이오층을 생성할 수 있는 조건으로 멤브레인의 영양소 면에 영양소 액을 제공하고, 멤브레인의 가스 면을 가스에 노출시키는 단계. 이것에 의해 멤브레인은 고정화 바이오층으로부터 나온 세포를 제거할 수 있도록 접근이 가능하다. 멤브레인은 가스 면상에 지지 매트릭스를 가지고 있지 않다.
본 발명의 구체적인 공정은
- 전구체 액은 다수의 세포 및/또는 포자를 포함하며, 멤브레인에 적어도 일부분의 세포 및/또는 포자를 고정화하는 나노다공성 고체 또는 겔을 생성하는 단계; 또는
- 멤브레인을 다수의 세포 및/또는 포자(전술한바 와 같이)에 노출시키는 것은 영양소 액을 제공하는 단계 이전에 실시하는 단계; 또는 둘 다 포함한다.
영양소 액은 실질적으로 무산소이다.
본 발명의 다섯 번째 목적은 하기 단계를 포함하는 본 발명의 제2 목적에 따른 생물반응기의 가동방법을 제공하는데 있다.
- 멤브레인의 영양소 면을 영양소 액에 노출시키는 단계;
- 바이오층을 가스에 노출시키는 단계; 및
- 멤브레인의 영양소 면으로부터 바이오층으로 영양소 액을 확산시키는 단계.
영양소 액을 확산시키는 단계는 외부의 압력을 가하지 않고 실시된다. 상기 방법은 또한 가스를 바이오층으로 통과시키는 것을 포함한다. 상기 가스는 바이오층이 호기성 종(aerobic species)을 포함하는 경우, 산소를 함유하는 가스, 예를 들어 공기 또는 산소 또는 산소와 질소, 이산화탄소, 또는 헬륨과 같은 다른 가스와의 혼합물이다. 가스는 바람직하게는 멤브레인에 손상을 주어서는 아니 된다.
영양소 액은 바이오층을 위한 영양소를 함유하며, 이것의 특성은 바이오층의 특성에 따라 달라진다. 영양소 액은 또한 전해질, 염류, 완충액 등과 같은 하나 이상의 다른 성분을 포함할 수 있다. 영양소 액은 실질적으로 무산소이다. 상기 방법은 영양소 액이 멤브레인을 통과하지 않는 배치식(batch method)이거나 영양소 액이 멤브레인을 통과하는 연속식(continuous method)일 수 있다. 생물반응기의 가동방법은 의약품, 항체, 백신 성분, 음식 물질, 세포, 효모 제조를 위한 것이거나, 영양소 액 중의 바람직하지 않은 성분을 제거, 분해하거나 전환할 목적으로 사용된다.
상기 방법은 또한 영양소 액으로부터 산소를 제거하는 단계를 포함한다. 탈산소 단계는 탈기(degassing), 예를 들어 영양소 액에 진공을 가하거나, 영양소 액을 통해 산소가 희박한 가스를 버블링하는 것을 포함한다. 산소 제거단계는 영양소 면을 영양소 액에 노출하기 전에 이루어진다.
상기 방법은 부가적으로 생물반응기에서 생성물을 분리하는 뎨를 포함한다. 상기 분리는 영양소 액으로부터 생성물을 분리하거나, 가스 면으로부터 고형분 물질을 수득하는 것을 포함한다. 고형분은 예를 들어, 세포, 포자, 균사(hyphae) 또는 단백질, 다당류 및 폴리머(중합체)와 같은 세포로부터 생성된 물질을 포함하는 기타 생물학적 물질을 포함한다.
구체예에서 본 방법은 하기의 단계를 포함한다.
- 가스 면 및/또는 가스 면에 인접한 멤브레인에 고정화된 바이오층을 가지며, 고정화 바이오층으로부터 세포를 제거할 수 있도록 접근이 가능한 멤브레인의 영양소 면을 영양소 액에 노출시키는 단계,
- 바이오층을 산소를 함유한 가스에 노출시키는 단계,
- 멤브레인의 영양소 면으로부터 바이오층으로 영양소 액을 확산키는 단계,
- 제 1기간 동안 멤브레인을 영양소 액에 노출시키는 단계,
- 멤브레인의 영양소 면에 제 2액을 도입하는 단계,
- 제 2 기간 동안 멤브레인을 제 2액에 노출시키는 단계, 및
- 제 2액으로부터 생성물을 분리시키는 단계.
상기 멤브레인은 가스 면상에 지지 매트릭스를 가지고 있지 않다. 제 2액은 영양소를 함유하지 않은 액이거나, 식염수 또는 완충액일 수 있다. 제 1 기간은 약 1시간 내지 1일이며, 제 2 기간은 약 12시간 내지 12일이다.
다른 구체예에서, 본 방법은 하기의 단계를 포함한다.
- 가스 면 및/또는 가스 면에 인접한 멤브레인에 고정화된 바이오층을 가지며, 고정화 바이오층으로부터 세포를 제거할 수 있도록 접근이 가능한 멤브레인의 영양소 면을 영양소 액에 노출시키는 단계,
- 바이오층을 산소를 함유한 가스에 노출시키는 단계, 및
- 영양소 액으로 부터 생성물을 분리시키는 단계.
상기 멤브레인은 가스 면상에 지지 매트릭스를 가지고 있지 않다.
또 다른 구체예에서, 본 방법은 하기의 단계를 포함한다.
- 가스 면 및/또는 가스 면에 인접한 멤브레인에 고정화된 바이오층을 가지며, 고정화 바이오층으로부터 세포를 제거할 수 있도록 접근이 가능한 멤브레인의 영양소 면을 영양소 액에 노출시키는 단계,
- 영양소 면으로부터 바이오층으로 영양소 액을 확산키는 단계,
- 바이오층을 산소를 함유한 가스에 노출시키는 단계, 및
- 바이오층으로부터 고형분 생성물을 제거하는 단계.
상기 멤브레인은 가스 면상에 지지 매트릭스를 가지고 있지 않다. 제거단계는 스크레이핑 또는 쉐이킹 또는 블로잉 또는 바이오층으로부터 고형분 생성물을 분리하는 기타 적당한 수단을 포함한다.
가스 면상 및/또는 가스 면에 인접한 멤브레인에서 바이오층을 생성하거나, 또는 가스 면상 및/또는 가스 면에 인접한 멤브레인에서 바이오층의 생성물을 생성하기 위해 영양소 면에서 실질적으로 무산소 영양소 액과 함께 사용될 때 본 발명의 생물반응기가 또한 제공된다. 생성물은 의약품, 항체, 백신 성분, 식품, 세포, 효소 또는 다른 물질일 수 있으며, 생물반응기는 액으로 나온 물질을 유용하거나 비독성-형태의 물질로 전환할 수 있다.
본 발명의 바람직한 형태는 지금부터 본 명세서에 첨부된 도면을 참조하여 실시에에 의해 설명될 것이다,
도 1은 본 발명에 따른 멤브레인의 개략도이고;
도 2는 본 발명에 따른 바이오층을 가지는 멤브레인의 제조공정을 나타낸 개략도이고;
도 2a는 본 발명에 따른 고정화된 바이오층을 가지는 멤브레인의 다른 제조공정을 나타낸 개략도이고;
도 3은 본 발명에 따른 생물반응기에 대한 개략도이고;
도 3a는 도 3에 나타낸 생물반응기에 사용되는 입구 다기관의 개략도이고;
도 3b는 본 발명에 따른 생물반응기의 출구에서 입구까지 액을 리사이클하기 위한 리사이클링 시스템의 개략도이고;
도 3c는 본 발명에 따른 생물반응기의 출구에서 입구까지 액을 리사이클하기 위한 다른 리사이클링 시스템의 개략도이고;
도 3d는 본 발명에 따른 다른 생물반응기의 개략도이고;
도 4는 본 발명에 따른 다른 생물반응기의 개략도이고;
도 5는 본 발명에 따른 또 다른 생물반응기의 개략도이고;
도 5a는 본 발명에 따른 또 다른 생물반응기의 개략도이고;
도 6은 실시예 1의 생물반응기에서 P. 크리소게눔의 시간에 대한 페니실린 농도를 나타낸 그래프이고;
도 7은 실시예 1의 주입식 생물반응기에서 P. 크리소게눔의 시간에 대한 페니실린 농도를 나타낸 그래프이고;
도 8은 실시예 1의 생물반응기에서 A. 니가의 시간에 대한 탄수화물 농도를 나타낸 그래프이고;
도 9는 실시예 1의 주입식 생물반응기에서 A. 니가의 시간에 대한 탄수화물 농도를 나타낸 그래프이고;
도 10은 유리 지지체를 사용한 실시예2의 생물반응기에서 P. 크리소게눔의 시간에 대한 탄수화물 농도, pH 및 페니실린 농도를 나타낸 그래프이고;
도 10은 유리 지지체를 사용한 실시예 2의 생물반응기에서 P. 크리소게눔의 시간에 대한 탄수화물 농도, pH 및 페니실린 농도를 나타낸 그래프이고;
도 11은 폴리에스테르 지지체를 사용한 실시예 2의 생물반응기에서 P. 크리소게눔의 시간에 대한 탄수화물 농도, pH 및 페니실린 농도를 나타낸 그래프이고;
도 12는 면 지지체를 사용한 실시예 2의 생물반응기에서 P. 크리소게눔의 시간에 대한 탄수화물 농도, pH 및 페니실린 농도를 나타낸 그래프이고;
도 13은 폴리에스테르-면 지지체를 사용한 실시 예2의 생물반응기에서 P. 크리소게눔의 시간에 대한 탄수화물 농도, pH 및 페니실린 농도를 나타낸 그래프이고;
도 14a는 면 지지체를 사용한 실시예 2의 생물반응기에서 A. 니가의 시간에 대한 탄수화물 농도를 나타낸 그래프이고; 도 14b-d는 유리 지지체를 없음, 한천, 알긴산 칼슘 및 실리카 겔과 같은 여러 가지의 겔 물질과 사용한 실시예 2의 생물반응기에서 A. 니가의 시간에 대한 탄수화물 농도를 나타낸 그래프이고;
도 15는 유리 지지체 및 실리카 겔을 사용한 실시예 2의 생물반응기에서 A. 니가의 시간에 대한 여러 가지 영양소 액 성분의 농도를 나타낸 그래프이고;
도 16은 실시예 3의 연속식 생물반응기 및 참고를 위해 동일한 멤브레인 물질을 사용한 배치 시스템에서의 탄수화물의 소비 및 pH를 나타낸 그래프이고;
도 17은 용해된 고형분, 실시예 4의 맥아 추출물 배양액으로부터 P 및 N의 동시 제거에 따른 NMB중의 A. 니가의 성장에 대한 시간에 따라 측정된 여러 가지 변수를 나타낸 그래프이고;
도 18은 실시예 4의 NMB에서 생장한 A. 니가에 의해 맥아 추출물 배양액으로부터 여러 가지 원소들의 제거를 나타낸 시간에 따른 여러 가지 원소들의 농도를 나타낸 그래프이고;
도 19는 NMB 및 실시예5의 쉐이크-플라스크 배양물 중의 A. 페록시던스(ferroxidans)에 의해 제1철 이온을 제2철 이온으로 전환시 시간에 따른 제1철 이온의 농도를 나타낸 그래프이고;
도 20은 영양소 스트림이 멤브레인의 하단부로부터 공급되는 본 발명에 따른 생물반응기를 나타낸 개략도이다.
바람직한 구체예의 상세한 설명
본 발명의 생물반응기는 멤브레인 생물생물기, 나노파티클(nanoparticle) 멤브레인 생물반응기, 하이브리드 기관 및 오르가노이드(organoid)일 수 있다. 생물반응기는 바이오메스 제조장치 또는 화학물질 제조장치, 또는 오염물질 제거장치일 수 있으나 이것으로 제한하지는 않는다. 생물반응기는 실리카 겔과 같은 나노파티클 겔을 지니며 멤브레인 지지 구조체로 지지되는 다공성 또는 섬유상 물질로 된 멤브레인을 포함한다. 생물반응기는 하나 이상의 멤브레인을 지니며, 약 1 내지 20,000개의 멤브레인, 또는 약 1 내지 1,000개 또는 약 1 내지 100게 또는 약 1 내지 50개 또는 약 1 내지 20개 또는 약 1 내지 10개 또는 약 100 내지 20,000개 또는 약 1,000 내지 20,000개 또는 약 10,000 내지 20,000개 또는 약 2 내지 10,000개 또는 약 10 내지 5,000개 또는 약 20 내지 1,000개 또는 약 50 내지 500개 또는 약 100 내지 200의 멤브레인을 가질 수 있으며, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 120, 140, 160, 180, 200, 250, 350, 400, 450, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1500, 2000, 2500, 3000, 3500, 4000, 4500, 5000, 6000, 7000, 8000, 9000, 10000, 12000, 14000, 16000, 18000 또는 20000개의 멤브레인을 가질 수 있다. 각각의 멤브레인은 약 10cm2 내지 10m2의 면적을 지니며, 약 10cm2 내지 1m2 또는 약 10 내지 500cm2, 10 내지 100cm2, 10 내지 50cm2, 100 내지 500cm2, 500cm2 내지 1m2, 1 내지 10m2, 1 내지 5m2, 5 내지 10m2, 또는 500cm2 및 5m2, 및 약 10, 50, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900cm2의 면적을 갖거나 또는 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 5, 6, 7, 8, 9 또는 10m2의 면적을 갖거나 10m2 이상 예를 들어, 15, 20, 25 또는 30m2 또는 그 이상의 면적을 가질 수 있다. 멤브레인이 평면상 멤브레인이면, 쌍(pairs) 또는 질(gills)로 배열될 수 있다. 멤브레인 쌍은 약 1 내지 5,000 또는 약 1 내지 1,000 또는 약 1 내지 500 또는 약 1 내지 100 또는 약 1 내지 50 또는 약 1 내지 10, 또는 약 2 내지 10,000 또는 약 5 내지 5,000 또는 약 10 내지 1,000 또는 약 50 내지 500 또는 약 1,000 내지 10,000 또는 약 5,000 내지 10,000쌍, 및 약 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 25, 30, 35, 40, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1500, 2000, 2500, 3000, 3500, 4000, 4500, 5000, 6000, 7000, 8000, 9000, 10000, 12000, 14000, 16000, 18000 또는 20000쌍일 수 있다. 일 구체예에서, 멤브레인 쌍 즉, 질은 수직 방향으로 서로 평행하게 매달려 있다. 멤브레인은 평면상이어서 쌍이 평평한 튜브의 형태이거나, 관형 또는 원형이어서 쌍은 멤브레인 사이에 환상(環狀) 영역을 한정한다. 멤브레인 쌍은 멤브레인 사이에 루멘(lumen)을 한정하기 위해 적어도 일부분의 멤브레인 원주 가장자리 주위로 결합될 수 있다. 다른 구체예에서, 멤브레인 튜브는 적당한 스페이서와 함께 매달려 있다. 그래서, 본 발명은 액체 스트림을 수용하며, 멤브레인 사이에 평면상 루멘을 한정하도록 서로 밀접하게 평행으로 배치된 실질적으로 평면상인 2개의 멤브레인을 포함하는 생물반응기를 제공한다. 루멘으로부터 떨어진 멤브레인의 면(faces)은 바이오층을 가진다. 멤브레인 및 루멘은 수직으로 배향되어, 액체 스트림은 중력에 의해 루멘을 통해 하향 전송된다. 2개의 멤브레인은 가장자리에서 결합되어 파우치 구조체를 형성한다. 로드(rod)나 바(bar)와 같은 수직 부재인 스크레이퍼의 형태로 멤브레인 사이에 위치한 스페이서가 존재한다. 스페이서는 내부에 홀을 가지고 있어, 움직일 때, 멤브레인 사이의 영역에 있는 영양소 액이 홀을 따라 통할 수 있게 한다. 이 스페이서는 가동성이며 멤브레인 사이 를 이동할 수 있다. 스페이서는 이동시 멤브레인의 영양소 면에 부착된 세포를 제거할 수 있도록 배치된다. 스페이서는 로드(rod)나 바(bar)와 같은 수직 부재이며 스크레이퍼의 형태로 존재한다. 스페이서는 멤브레인의 영양소 면에 접착된 세포를 제거하기 위하여 스페이서를 이동시키는 스페이서 이동 장치와 결합된다. 이 이동가능한 스페이서는 2개의 멤브레인에 달라붙어 루멘의 형성을 방해하는 겔 층(gel layer)를 부수어 겔로 도핑된 2개의 별개 멤브레인의 생성 공정을 도와준다. 다른 구체예에서, 멤브레인 튜브는 지지체에 대해 같은 축(내부 또는 외부)에 위치하여 멤브레인과 지지체 사이의 거리를 유지한다. 또 다른 구체예에서, 멤브레인은 2개의 멤브레인 부분(portions) 사이에 내부 영역을 한정할 수 있도록 멤브레인의 한 부분이 멤브레인의 다른 부분에 평행하게 배열된다. 예를 들어, 멤브레인은 콘서티나(concertina) 형태로 존재할 수 있다. 멤브레인의 제조기간 동안 생물학적 물질에 전구체 액을 포함시킴으로써 적당한 생물학적 물질로 멤브레인을 도핑하거나 멤브레인이 제조된 후 생물학적 물질로 접종할 수 있다.
멤브레인은 평행 또는 연속적으로, 또는 일부는 평행으로, 일부는 연속적으로 연결될 수 있다. 연속 연결인 경우에, 제 1 멤브레인(멤브레인 쌍)의 영양소 면으로부터 나온 액체 제거용 출구는 제 2 멤브레인(멤브레인 쌍)의 영양소 면 액체공급용 입구에 연결된다. 출구에서 입구로 액체를 펌핑하는 펌프가 존재할 수 있다. 평행 연결의 경우, 액체를 멤브레인의 영양소 면으로 공급하는 입구는 출구 다기관에 연결되며, 멤브레인의 영양소 면으로부터 나온 액체를 제거하는 출구는 출구 다기관에 연결될 수 있다.
멤브레인은 수직, 비-수평 또는 수평에 대해 제로(0) 각도가 아닌 상태로 배향되며, 가스 영역 또는 영역(멤브레인의 가스 면에 인접한)으로부터 영양소 영역(예: 루멘) 또는 영역(멤브레인의 영양소 면에 인접한)을 분리할 수 있다. 영양소 액은 상기 멤브레인(들)로부터 공급되며, 멤브레인의 영양소 면(들)을 따라 흐른다. 영양소 액은 노즐이나 다른 입구 장치에 의해 멤브레인으로 통과할 수 있다. 영양소 액은 영양소 액 및 실질적으로 무산소 가스를 포함하는 스프레이를 사용하여 멤브레인 상에 스프레이된다. 수평면에 대한 멤브레인의 각도는 약 30 내지 90°, 또는 약 40 내지 90°, 60 내지 90° 또는 약 45 내지 60°, 및 약, 30, 45, 60, 75 또는 90°이다. 멤브레인은 영양소 면의 영양소 액과 가스 면의 가스 사이에 배치되며, 상기 영양소 액과 가스는 멤브레인과 접촉한다. 가스 면의 가스 압력은 영양소 액이 멤브레인을 통하여 가스 영역으로 들어가지 않을 정도로 충분하다. 그 압력은 영양소 면의 영양소 액의 압력과 동일하거나 훨씬 크다. 압력은 약 0.8 내지 1.2atm, 또는 약 0.9 내지 1.1 또는 0.9 내지 1 또는 1 내지 1.1atm, 및 약, 0.8, 0.9, 1, 1.1atm,또는 1.2atm이며, 약 0, 0.05, 0.1, 0.15 또는 0.2, 또는 약 0 내지 0.2, 0 내지 0.1, 0 내지 0.05 또는 0.05 내지 0.15atm, 또는 몇몇 환경에서는 0.2atm 보다 클 수 있다.
본 발명의 멤브레인은 많은 배향으로 사용될 수 있다. 멤브레인의 바이오층이 호기성 세포 또는 미생물 또는 포자를 포함하면, 멤브레인의 영양소 면은 실질적으로 무산소이고, 가스 면은 산소를 함유하는 가스를 갖는다. 산소-함유 가스는 약 5 내지 100w/w%의 산소를 함유하거나 약 10 내지 100, 15 내지 100, 20 내지 100, 30 내지 100, 50 내지 100, 75 내지 100, 10 내지 50, 10 내지 30, 10 내지 20, 15 내지 50, 15 내지 25 또는 20 내지 50w/w% 산소, 및 약 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85,90, 95, 또는 100w/w% 산소를 함유할 수 있다.앞서 언급하였듯이, 하나의 배향에서 한 쌍의 멤브레인은 멤브레인 사이에 루멘을 한정한다. 루멘을 따라 흐르는 영양소 액은 바이오층이 영양소 액으로부터 산소를 흡수할 때 산소를 고갈하여 실질적으로 무산소 상태가 된다. 영양소 액은 루멘을 따라 흐르기 전에 탈산소기를 사용하여 탈산소될 수 있다. 다른 배향에서, 멤브레인은 2개의 챔버로 분리되며, 제 1 가스 챔버는 산소를 함유하는 가스가 들어있고, 멤브레인의 가스 면에 노출되며, 제 2 챔버는 무산소이며, 멤브레인의 영양소 면에 노출된다. 제 2 챔버는 고정되거나 멤브레인을 통과하는 영양소 액으로 충진되어 있다. 제 2 챔버는 영양소 액에 무산소 가스를 함유하거나 영양소 액은 제 2 챔버내에 멤브레인의 영양소 면을 따라 흐르며, 상기 제 2 챔버는 무산소 가스를 함유하여 제 2 챔버내의 영양소 액은 무산소이다. 상기 스프레이용 무산소 가스를 사용하여 제 2 챔버내의 멤브레인에 영양소 액을 스프레이 할 수 있다. 제 1 챔버는 상부 챔버이고, 제 2 챔버는 하부 챔버이거나, 또는 제 1 챔버는 하부 챔버이고, 제 2 챔버는 상부 챔버(멤브레인이 수평)이거나, 또는 제 1 챔버 및 제 2 챔버는 나란히 놓여 멤브레인이 수직으로 형성될 수 있다. 수평 멤브레인의 경우, 특히 제 2 챔버가 상부인 경우, 영양소 액의 하중이 멤브레인을 왜곡하거나 손상하지 않도록 멤브레인을 지지하기 위한 지지 구조체일 수 있다. 양자택일하여. 멤브레인의 가스 면이 대기중에 노출되어 있어, 산소를 함유하는 경우 제 1 챔버가 없을 수 있다. 바이오층의 성장을 촉진하기 위해 멤브레인의 가스 면을 통과한 주위의 산소 농도보다 높은 농도를 함유한 가스를 통과시키는 것이 유리하다. 다른 배향에서, 멤브레인은 수평이고, 멤브레인의 가스 면과 접촉하는 산소를 함유하는 가스가 있는 상부 챔버와, 멤브레인의 영양소 면과 접촉하는 무산소인 영양소 액이 들어 있는 하부 챔버로 분리된다. 영양소 액은 탈산소기를 이용하여 탈산소화의 결과로 무산소일 수 있다. 양자택일하여, 하부 챔버가 부피가 작으면, 멤브레인의 바이오층에 의해 소비되어 하부 챔버 중의 영양소 액에 산소가 고갈될 수 있다. 영양소 액 및 산소함유 가스 중 하나 또는 둘 다 멤브레인을 통과할 수 있다. 다른 배향에서, 멤브레인 및 고형분 표면 사이에 루멘이 한정되도록 멤브레인은 고형분 표면(폴리머 물질 또는 스테인리스 스틸, 알루미늄과 같은 금속)에 밀접하여 평행으로 배치된다. 멤브레인은 수직 또는 상기에서 정의한 수평면에 어떤 한 각도일 수 있다. 루멘을 따라 흘러간 영양소 액은 바이오층이 영양소 액으로부터 산소를 흡수하고, 실질적으로 무산소 상태가 되면 산소가 고갈된다. 영양소 액은 루멘을 따라 흐르기 전에 탈산소기에 의해 탈산소화될 수 있다. 다른 배향에서, 멤브레인은 영양소 챔버의 일 부분을 형성하여, 멤브레인의 가스 면은 영양소 챔버의 외부에 위치하고, 영양소 면은 영양소 챔버의 내부에 위치한다. 영양소 챔버는 본문에서 기술한 탈산소기에 의해 무산소로 유지된다. 영양소 액이 멤브레인을 통과하여 흐르는 경우, 중력 또는 펌핑에 의해 흐르거나, 멤브레인을 포함하는 생물반응기의 일 부분이 회전하여 원심력의 영향으로 영양소 액이 멤브레인을 통과하게 하거나 어떤 다른 힘에 의해 흐를 수 있다. 멤브레인이 수평이 아닌 경우, 영양소 액은 위로부 터 아래로, 또는 어떤 다른 방향으로 흐를 수 있다. 다른 배향에서, 영양소 액은 수평이 아닌, 선택적으로 수직 배향으로 멤브레인을 통할 수 있다. 이 배향에서, 영양소 액은 멤브레인의 하부에서 상부로 영양소 챔버내의 멤브레인을 따라 흐를 수 있다. 이것은 영양소 챔버에서 가스를 쉽게 배제시켜 멤브레인의 영양소 면에서 무산소 조건을 유지하기가 용이하게 된다. 본 발명의 생물반응기의 몇몇 가동 방식에서, 멤브레인 상의 바이오층 이외에 영양소 액에 존재하는 비드(bead)에 캡슐화된 혐기성 세포가 존재할 수 있다. 그래서 영양소는 무산소 영양소 액에 켑술화된 무산소 세포 및 멤브레인의 바이오층의 세포 및/또는 포자를 필요로 하는 산소에 의해 물질대사된다. 비드(bead)는 막힘을 피할 정도로 충분히 작으며, 영양소 액에 현탁액으로 남아 있기에 충분한 비중을 가질 수 있다. 비드의 크기는 약 1 내지 100미크론, 또는 약 1 내지 50, 1 내지 10, 10 내지 500, 50 내지 100 또는 10 내지 500미크론, 및 약 1, 2, 3, 4, 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 또는 100미크론, 또는 이보다 크거나 작을 수 있으며, 이는 부분적으로 캡슐화된 세포의 크기에 따라 달라진다. 비드의 비중은 약 0.8 내지 1.2 또는 약 0.8 내지 1 또는 1 내지 1.2 또는 0.9 내지 1.1 및 약 0.8, 0.9, 1, 1.1 또는 1.2 또는 이보다 크거나 작을 수 있으며, 이는 부분적으로 영양소 액의 비중에 따라 달라진다. 캡슐화된 혐기성 세포는 영양소 액 중의 영양소가 캡술화된 세포로 접근할 수 있는 겔 또는 다공성 물질인 캡술화제에 의해 캡술화된다. 캡술화제는 하이드로젤, 무기 젤, 유기 젤, 다공성 세라믹, 다공성 폴리머 또는 영양소에 침투가능한 기타 캡슐화제일 수 있다. 이 방식에서 비드는 멤브레인을 통해 재순환되며 생물반응기로부 터 빠져나가지 못하게 할 수 있다, 이는 필터를 사용하여 이룰 수 있다. 혐기성 세포를 캡슐화함으로써, 멤브레인의 영양소 면에 군체의 형성을 막을 수 있으며, 멤브레인을 통한 영양소 액이 멤브레인의 가스면 상의 바이오층으로 확산되는 것을 제한한다.
상기의 모든 설명 및 방법에서 멤브레인은 멤브레인-지지 구조체 예를 들어, 지지 프레임, 케이싱, 하우징, 구조, 비계 또는 다른 기타 지지 구조체에 의해 유지될 수 있다. 멤브레인은 멤브레인-지지 구조체에 걸리도록 탑재되거나 멤브레인 지지 구조체내에 가둬지거나 어떤 다른 방법으로 멤브레인 지지 구조체에 탑재된다. 멤브레인-지지 구조체는 내부에 그루브(groove)나 체널을 구비하여 멤브레인이 그루부로 연결되어 내부의 영양소 액을 둘러싸는 고체 구조물을 포함할 수 있다. 그래서 후자의 안대로 가동시, 바이오층을 가지는 멤브레인의 가스 면이 그루브로부터 떨어지고, 멤브레인의 영양소 면이 그루브쪽을 마주본다. 그루브를 통해 흐르는 영양소 액은 영양소 면을 통해 바이오층으로 확산되며 대사산물은 그루브로 확산한다. 이 선택에서, 멤브레인 직물, 섬유와 같은 내부 지지체 또는 다른 지지체, 또는 내부 지지체가 없을 수 있다. 멤브레인은 추가적인 지지를 제공하기 위해 섬유를 가질 수 있다. 그루브는 고체 물질로 연결하며, 각 그루브의 2개의 마주보는 면상에 겔 멤브레인을 가질 수 있다. 멤브레인-지지 구조체는 멤브레인이 완전한 상태를 유지할 수 있도록 충분한 지지체를 제공할 수 있다. 상기 어느 설명에서, 영양소 액은 리사이클링 시스템을 사용하여 멤브레인을 순환할 수 있다. 리사이클링 시스템은 영양소 액으로부터 산소를 배제시키고, 탈산소기를 이용하여 영양소 액으로부터 산소를 제거할 수 있다.
폐수 및 유사한 적용에 있어서, 폐수 중의 원하는 함량의 물질을 제거하기 위해 충분한 접촉시간을 얻기 위하여 한 번 이상 생물반응기의 멤브레인을 통과한 폐수(영양소 액)를 리사이클링하는 것이 필요하다. 접촉시간은 약 1분 내지 10일이며 바이오층의 특성, 제거될 물질의 특성 및 농도 및 기타 요인에 따라 달라진다. 접촉시간은 약 1분 내지 1일, 1분 내지 12시간 1분 내지 1시간 30분, 1분 내지 15분, 1시간 내지 10일, 1일 내지 5일, 5시간 내지 10일, 1시간 내지 1일, 12시간 내지 24시간 또는 6 내지 12시간 및 약 1, 2, 3, 4, 5, 6, 12, 18, 24, 30 또는 45분, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 12. 12. 15. 18 또는 21시간, 또는 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 또는 10일 또는 10일 이상일 수 있다. 따라서 폐수는 약 1 내지 100회 멤브레인을 통해 리사이클링될 수 있으며, 멤브레인의 크기, 유속, 제거될 물질의 특성 및 농도, 바이오층의 특성 및 기타 용인에 따라 달라진다. 폐수는 약 1 내지 500, 1 내지 200, 1 내지 100, 1 내지 50, 1 내지 10, 10 내지 1000, 100 내지 1000, 500 내지 1000, 10 내지 500, 10 내지 100, 100 내지 500, 50 내지 100 또는 10 내지 500회 리사이클링되거나, 약 1, 2, 3, 4, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900 또는 1,000회 리사이클링된다. 제거될 물질의 농도를 측정하기 위해 검출기가 리사이클링 시스템에 존재한다. 그래서, 검출기로 측정시, 물질이 예정된 농도까지 떨어질 때까지 폐수는 리사이클링된다. 검출기의 특성은 제거될 물질의 특성에 따라 달라진다. 검출기는 농도검출기, pH 검출기, 이온 농출 탐침기 또는 기타 다른 형태의 검출기일 수 있다.본 발명에 따른 생물반응기는 중금속을 함유한 스트림으로부터 중금속을 분리하는데 사용될 수 있다. 그것은 폐수 스트림 또는 기타 스트림일 수 있다. 중금속은 예를 들면 추출, 연소 또는 기타 적당한 공정에 의해 바이오층에서 분리되어 회수될 수 있다.
본 발명의 멤브레인의 바이오층에 사용될 수 있는 미생물 및 세포의 예로는 P. 크리소게눔, A.페록시던스, A. 니가, A.오리재(예: var. 오리재, IFO30113 균주), a.소야, 인간의 주요 섬유아세포 등이 있다. 멤브레인은 접근가능한 정열로 가스 면 상에 지지 매트릭스를 가지고 있지 않을 수 있다. 고정화된 바이오층으로부터 세포를 제거하는 것은 음식으로서 세포를 사용하거나 바이오층의 과잉 성장을 막기 위한 것이다. 가동시, 바이오층은 바이오층을 통하여 영양소 액의 확산이 느려져 생성물의 생성 속도, 영양소 액으로부터 바람직하지 않은 성분의 제거속도를 감소시키는 범위로 성장할 수 있다. 그러므로, 수용할만한 생성속도 또는 제거속도를 위해 충분한 산소 및/또는 영양소 액의 확산속도를 얻기 위해서는 일부 바이오층을 제거하는 것이 바람직하다. 멤브레인은 바이오층으로부터 고형분 생성물을 분리하기 위해 스크레이핑 또는 쉐이킹 또는 블로잉 장치 또는 기타 다른 적당한 수단에 접근할 수 있다. 그래서, 고형분 생성물은 적어도 하나의 스크레이핑 또는 쉐이킹 또는 블로잉을 포함하는 공정에 의해 제거될 수 있다. 양자택일하여, 고형분 생성물은 영양소를 바이오층에 제공하지 않거나 배양물이 모든 영양소를 소비할 수 있도록 함으로서 바이오층이 성장하지 못하도록 생물반응기를 가동시켜 제거할 수 있다. 이 경우, 소정의 바이오층의 형태의 경우에, 바이오층은 임의로 멤브레인으 로부터 분리되거나 스크레이핑 또는 쉐이킹 또는 블로잉에 의해 더욱 쉽게 제거될 수 있다.
가동시, 멤브레인을 통해 멤브레인의 가스 면상에서 성장하는 바이오층으로 영양소를 전달하기 위해 영양소 액이 멤브레인의 영양소 면에 제공되거나 보다 적은 범위로 멤브레인의 기공 조직으로 제공된다. 거의 모든 바이오메스가 멤브레인의 가스 면 상 및 내부에서 성장하므로 효과적으로 고정화되고 영양소 액으로부터 분리된다. 비교적 무산소인 영양소 액은 영양소 액내에서 바이오층의 세포 또는 기타 생물학적 물질의 성장을 지연시켜 생물부착을 감소시킨다. 실제로 세포가 없는 영양소 액이 다른 형태의 생물반응기에 의해 생성된 세포를 실은 유출액보다 공정처리가 쉽다. 영양소 액의 확산은 외부의 압력 없이 일어날 수 있다. 이것은 멤브레인의 영양소로부터 멤브레인 및 바이오층을 지지하는 지지 구조체가 필요하지 않게 하며 이러한 압력을 적용하는 장치를 필요로 하지 않는다.
하나의 가동방식으로, 생물반응기의 바이오층은 호기성 미생물 또는 세포를 포함한다. 이 방법에서, 산소를 함유하는 가스가 멤브레인의 가스 면에 제공되며, 산화성 물질(예: 탄수화물, 아미노산, 철(II)염)을 포함하는 영양소 액이 영양소 액이 실질적으로 무산소인 멤브레인의 영양소 면에 제공된다. 이것은 멤브레인에 제공되기전 영양소 액으로부터 산소를 제거하거나 바이오층이 신속히 영양소 액에 초기에 존재하는 산소를 소비하여 이후에 실질적으로 무산소 상태로 남을 수 있는 형태로 영양소 액을 멤브레인에 제공함으로써 이룰 수 있다. 생물반응기의 형태, 영양소 액의 특성, 바이오층 등의 특성에 따라 달라지지만 영양소 액에 초기에 존 재하는 산소는 처음에 약 10cm 또는 3, 2, 1 또는 0.5cm(또는 다른 길이)의 멤브레인에서 소비될 수 있으며 나머지 멤브레인은 실질적으로 무산소 영양소 액에 누출된다.
다른 가동방식에서, 생물반응기의 바이오층은 혐기성 미생물 또는 세포를 포함한다. 이 방법에서, 멤브레인의 가스 면에 무산소 가스가 제공될 수 있다. 무산소 가스는 수소, 메탄, 질소산화물, 질소 또는 다른 무산소 가스, 또는 이들의 결합체일 수 있다. 무산소 가스는 비-산화성 가스 및 환원성 가스 및 산화성 가스일 수 있다. 이 방식에서, 영양소 스트림은 설페이트(sulphate), 질산염 또는 환원성 물질의 혼합물을 포함할 수 있다. 가동시, 이 방식에서, 바이오층은 영양소 스트림의 환원성 물질을 환원시키고 무산소 가스를 산화시킨다. 환원성 물질의 환원은 영양소 스트림으로부터 바람직하지 않은 용질을 제거함으로써 불용성 물질(예: 금속 황화물)을 생성할 수 있다.
다른 가동방식에서, 멤브레인은 멤브레인의 가스 면에 호기성 세포 또는 미생물을 포함하는 제 1 바이오층과, 멤브레인의 영양소 면에 혐기성 새포 또는 미생물을 포함하는 제 2 바이오층을 갖는다. 이 방법은 질소를 생성하기 위해 암모니아 및 질산염의 동시적인 질산화 및 탈질화에 사용될 수 있다. 이것은 폐수처리 및 수산양식에 사용될 수 있다.
가동시, 바이오메스는 멤브레인의 가스면 상에 가스를 함유하는 산소에 노출된다. 종래기술의 많은 생물반응기에서, 바이오메스는 영양소 액에 위치하고 있어서 바이오메스에 산소를 제공하기 위해 영양소 액의 산소화 또는 호기화가 필요하 였다. 이것은 이들 생물반응기의 비용을 많이 증가시킨다. 본 발명의 생물반응기 디자인은 이러한 산소화 또는 호기화의 필요성을 제거하였다. 본 발명에 따른 생물반응기에서 멤브레인 쌍(멤브레인 사이로 영양소 액이 통과하는 루멘을 한정하는)은 멤브레인 중의 바이오메스에 산소를 제공하기 위해 멤브레인 쌍 사이에 공기를 통과시키기에 충분한 공간으로 분리될 수 있다. 공간은 확산이 일어나기에 충분하다. 공간을 통해 가스를 통과시키기 위해 별도의 부가적인 장치 없이 확산, 대류, 바람 또는 기타 수단에 의해 가스(예: 공기)가 공간을 통해 통과시키거나 멤브레인 쌍의 멤브레인의 가스면을 따라 가스가 통과할 수 있도록 블로어, 가스 순환기 또는 다른 수단에 의해 통과시킬 수 있다. 공간은 멤브레인의 크기에 따라 달라진다. 공간의 폭(멤브레인 쌍 사이의)은 약 2 내지 100mm, 또는 약 2 내지 50, 2 내지 20, 약 2 내지 10, 약 5 내지 50, 약 5 내지 20, 약 5 내지 10, 10 내지 100, 50 내지 100, 80 내지 100, 10 내지 50, 10 내지 20 또는 8 내지 10mm, 및 약 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95 또는 100mm 또는 폭이 100mm 이상이다.
많은 가동방식에서, 본 발명의 생물반응기는 영양소 스트림이 실질적으로 무산소인 상태에서 가동한다. 이것은 멤브레인의 영양소 면에 산소를 필요로 하는 세포 및 포자의 성장을 제한한다. 이것은 무산소 영양소 액을 기술하지 않았고, 실제로 영양소 공급 스트림이 무산소임을 조치하지 않은 기존에 알려진 많은 생물반응기와 차별이 되는 본 발명의 특징이다. 예를 들어, 일본 JP10-179138호는 영양소 스트림이 스트림의 다른 면에 바이오층을 가진 멤브레인을 따라 흐르는 생물반응기 를 기술하고 있다. 그러나, 이 생물반응기에서 영양소 스트림이 멤브레인에 가해지고 이것을 따라 흐를때 영양소 스트림의 산화를 방지할 예방조치가 없었으며, 무산소임에 대해 언급하지도 않았다. 본 발명에서 사용된 멤브레인은 바이오층에 세포가 통과할 수 없는데 이는 멤브레인의 영양소 면에 세포가 성장하는 것을 막는 유일한 수단이기 때문이다. 대조하여, 본 발명에서는 세포, 포자 등이 영양소 액의 무산소 특성에 의해 멤브레인의 멤브레인 면에서 성장하는 것이 억제되기 때문에 멤브레인의 절대적인 완전함은 중요하지가 않다. 이것은 JP10-179138의 멤브레인과 비교하여 본 발명은 저가의 멤브레인 사용이 가능하게 한다.
생물반응기는 영양소 액이 공기에 노출되지 않는 방식으로 가동된다. 이것은 2개의 멤브레인 사이에 영양소 액을 통과시키거나, 단일 멤브레인의 2개 부분 사이를 통과시키거나, 또는 지지체가 2개의 평행한 멤브레인 사이에 위치하고 있어, 유출된 영양소 액에 용해된 산소가 바이오층에 의해 쉽게 소모되고, 비교적 무산소인 영양소 액이 남을 수 있는 지지체와 담체 사이에 영양소 액을 통과시켜 얻을 수 있다. 이러한 방법으로, 영양소 스트림은 값비싼 주입장치 및/또는 탈산소 장치의 필요없이 대개 무산소로 남게 된다. 양자택일하여, 질소, 이산화탄소, 헬륨, 아르곤 또는 다른 비-산소화 가스 또는 이들의 혼합물과 같은 실질적으로 산소가 없는 분위기에서 영양소 액을 멤브레인에 통과시킬 수 있다. 예를 들어, 멤브레인은 수직으로 걸려 있으며, 가스 면에 산소-함유 가스를 지니며, 질소 분위기로 덮여진 영양소 면을 따라 조금씩 흐른다. 선택적으로 비교적 무산소 상태를 유지하기 위한 형태로 영양소 액으로부터 나온 산소를 제거하기 위한 산소 제거기가 존재할 수 있 다. 산소 제거기(oxygen remover)는 진공 탈기장치를 포함하는 탈기장치이며, 영양소 액을 통하여 산소가 거의 없는 가스를 버블링하기 위한 주입장치를 포함할 수 있다. 산소가 거의 없는 가스는 질소, 이산화탄소, 헬륨, 아르곤 또는 산소가 거의 함유하지 않은 다른 편리한 가스일 수 있다. 중량 또는 부피%로 약 5% 이하, 또는 4, 3, 2, 1, 0.5 또는 0.1% 이하의 산소 또는 약 0, 0.1, 0.5, 1, 2, 3, 4, 또는 5% 산소를 가질 수 있다. 영양소 액이 산소 제거기를 통과한 후 약 10 이하, 또는 약 5, 1, 0.1, 0.05 또는 0.01ppm 이하의 산소 농도 또는 약, 0.01, 0.05, 0.1, 0.5, 1, 5 또는 10ppm의 산소농도를 갖거나 약 10% 이하의 산소 포화농도, 또는 약 5, 2, 1, 0.5 또는 0.1% 이하 또는 약 0, 0.1, 0.5, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 또는 10%의 를 산소 포화농도를 가질 수 있다. 산소 제거기는 입구, 입구 다기관, 출구, 출구 다기관 또는 영양소 액을 수용하기 위한 저장조 또는 반응생물기 중의 어떤 다른 부재에 위치할 수 있으며, 하나 이상의 산소 제거기가 존재하며, 각각은 상기한 위치 어느 것에 위치한다.
출구로부터 입구로 영양소 액을 리사이클링하기 위한 리사이클링 시스템이 존재할 수 있다. 리사이클링 시스템은 과잉의 산소가 영양소 액으로 들어오는 것을 차단할 수 있다. 리사이클링 시스템은 하나 이상의 펌프, 펌프 입구 라인, 펌프 출구 라인, 공급 라인,공급 라인 밸브, 출구 라인, 출구 라인 밸브, 공급 탱크 및 출구 탱크를 포함할 수 있다. 예를 들어 리사이클링 시스템은,
- 영양소 액 펌핑용 펌프,
- 펌프에서 입구 다기관으로 이어지는 펌프 출구 라인,
- 출구 다기관에서 펌프로 이어지는 펌프 입구 라인,
- 액체를 반응생물기로 유입하는 공급 라인 밸브가 달린 공급 라인, 및
- 생물반응기로부터 유체를 제거하기 위한 출구 라인 밸브가 달린 출구 라인을 포함할 수 있다.
리사이클링 시스템은 영양소 액을 수용할 저장조를 가지고 있다. 저장조는 컨테이너, 비이커, 병, 챔버 또는 용기이다.
본 발명의 생물반응기는 영양소 액이 영양소를 함유하지 않는 제 2 액체 예를 들어, 식염수 및/또는 완충액으로 대체되어도 생성물을 계속해서 생산하는 것으로 발견되었다.결국, 본 발명에 따른 생물반응기의 가동방법은 제 1 기간동안 영양소 액을 멤브레인의 영양소 면으로 공급하고, 이어서 제 2 기간 동안 영양소를 함유하지 않은 제 2 액체를 멤브레인으로 공급한다. 그래서, 실질적으로 세포가 없고 영양소가 없는 용액이 보다 쉽게 생성물을 분리하는 공정을 위해 제공된다. 후자의 방법에서, 제 1 기간은 바이오층의 특성 및 생물반응기의 가동조건에 따라 달라진다. 제 1 기간은 약 1시간 내지 1일 또는 약 1시간 내지 18시간 또는 약 1 내지 12시간 또는 또는 약 1 내지 6시간 또는 약 1 내지 3시간 또는 약 1 내지 2시간 또는 약 6시간 내지 1일 또는 약 12시간 내지 1일 또는 약 18시간 내지 1일 또는 약 3시간 내지 18시간 또는 약 6시간 내지 12시간, 및 약 1, 2, 3, 4, 5, 6, 12, 18 또는 24시간일 수 있다. 제 2 기간은 바이오층의 특성 및 생물반응기의 가동조건에 따라 달라진다. 제 2 기간은 약 12시간 내지 12일 또는 약 12시간 내지 8일 또는 약 12시간 내지 4일 또는 약 12시간 내지 2일 또는 약 12시간 내지 1일 또는 약 1 내지 12일 또는 약 4 내지 12일 또는 약 8 내지 12일 또는 약 1 내지 6일 또는 약 2 내지 4일이거나 약 12 또는 18시간 또는 약 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 또는 12일이다.
바이오층의 안정 및 효율적인 가동을 증진하기 위하여, 바이오층은 특정온도로 유지된다. 온도는 바이오층의 특성에 따라 달라지는데 이는 다른 생물학적 물질들이 다른 온도에서 최적으로 실시되기 때문이다. 온도는 생물반응기의 가동기간 동안 다소 변할 수 있다. 온도는 약 -5 내지 120℃ 또는 -5 내지 0℃ 또는 0 내지 100℃ 또는 0 내지 50℃ 또는 0 내지 20℃ 또는 0 내지 100℃ 또는 20 내지 120℃ 또는 50 내지 120℃ 또는 90 내지 120℃ 또는 10 내지 45℃ 또는 10 내지 35℃ 또는 10 내지 25℃ 또는 20 내지 55℃ 또는 30 내지 55℃ 또는 40 내지 55℃ 또는 15 내지 45℃ 또는 17 내지 42℃ 또는 20 내지 40℃ 또는 20 내지 30℃ 또는 30 내지 40℃, 및 약 -5, 0, 5, 10, 15, 17, 20, 25, 28, 30, 35, 37, 40, 42, 45, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 110 또는 120℃이다. 온도는 바이오층과 접촉하는 공기 또는 유출액에 의해 바람직한 온도로 유지될 수 있다.
생물반응기는 멤브레인의 영양소 면에 있는 액체로부터 회수가능한 가용성 생성물 예를 들어, 의약품, 항체, 백신 성분 또는 기타 화학약품을 제조할 목적 또는 멤브레인의 가스 면으로부터 회수가능한 고형분 예를 들어 식품 또는 세포를 제조하거나 영양소 액으로부터 바람직하지 않은 성분을 제거할 목적으로 가동될 수 있다. 부가적으로 또는 선택적으로, 생물반응기는 생물전환(예 생물학적 산소 요구량(BOD)를 줄이기 위한 탄수화물의 물질대사), 오염물질의 적재를 줄이기 위한 금 속이온의 생물환원 또는 생물산화, 황, 인 또는 질소 성분의 제거 또는 바이오층에 금속이온과 같은 성분의 생물흡수에 의해 영양소 스트림의 오염물질과 같은 바람직하지 않은 성분(예: C, N, S, P, Mn, Mg, Ca, Zn, 중금속)을 제거하는데 사용될 수 있다. 이것은 폐수의 처리, 액체 스트림으로부터 금속이온의 생물흡수 및 채광 회수 및 생물학적 정화에 적용될 수 있다.
멤브레인-지지 구조체는 멤브레인 또는 하나 이상의 멤브레인을 가지는 생물반응기의 경우 본 발명의 모든 멤브레인을 지지하는데 적합한 것일 수 있다. 구조체는 프레임, 브래킷, 케이싱, 하우징, 랙 또는 비계일 수 있다. 구조체는 금속, 에를 들어 알루미늄, 철강, 스테인리스 스틸, 티타늄 또는 기타 적당한 금속 또는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리메틸렌, 폴리메틸 메타크릴레이트 또는 폴리카보네이트와 같은 적당한 경질의 플라스틱일 수 있다. 멤브레인-지지 구조체는 수직 위치 또는 수평 위치로 지지될 수 있다. 멤브레인-지지 구조체는 생물반응기내의 멤브레인의 움직임을 돕기 위해 롤러와 모터를 포함할 수 있다.
본 발명의 멤브레인은 나노다공성, 중립다공성 또는 미소다공성 또는 나노스케일 및/또는 메조스케일 및/또는 마이크로스케일 기공의 결합체일 수 있다. 멤브레인은 세포 또는 포자가 바이오층을 통과할 수 있게 하거나 세포 또는 포자가 바이오층을 통과할 수 없도록 할 수 있다. 본 발명에 따른 멤브레인은 나노다공성 고체 또는 겔을 가지고 있지 않지만 멤브레인은 후술하는 지지 물질 및 후술하는 나노다공성 고체 또는 겔을 가질 수 있다. 멤브레인은 중량% 또는 부피% 기준으로 약 0 내지 90% 나노다공설 겔을 포함하거나 약 10 내지 90% 또는 약 10 내지 50% 또는 약 10 내지 30% 또는 약 30 내지 90% 또는 약 50 내지 90% 또는 약 70 내지 90% 또는 약 20 내지 80% 또는 약 30 내지 70% 또는 약 40 내지 60중량 또는 부피% 나노다공성 겔, 또는 약 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 또는 90중량% 또는 부피% 나노다공성 겔을 포함할 수 있다. 멤브레인의 두께는 약 0.1 내지 10mm이며, 약 0.1 내지 5mm 두께 또는 약 0.1 내지 2mm 또는 약 0.1 내지 1mm 또는 약 1 내지 10mm 또는 약 5 내지 10mm 또는 0.5 내지 5mm 또는 약 1 내지 5mm 또는 약 1 내지 2mm, 및 약 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 5, 5.5, 6, 7, 8, 9 또는 10mm이다. 멤브레인이 제조되고, 나노다공성 물질내의 세포의 분포는 초기에 대략 균질하다. 그러나 가동시, 가동조건이 가스 면 및/또는 가스면에 인접한 세포의 성장을 촉진하므로, 멤브레인의 다른 영역내의 세포성장을 둔화시킬 수 있다. 이것은 가동중의 멤브레인이 가스면 및/또는 가스면에 가까운 세포의 농도가 높아짐에 따라 비-균질적인 분포를 가지게 한다,
나노다공성 고체 또는 겔은 세포에 손상을 가하지 않고 세포를 분산시키는데 적합한 전구체 액으로부터 제조될 수 있는 적당한 물질을 포함한다. 나노다공성 고체 또는 겔은 실리카, 티타니아, 지르코니아, 알루미나 또는 2개 이상의 실리카, 티타니아, 지르코니아 및 알루미나(예: 실리카-알루미나 겔)를 포함하는 혼합 겔, 또는 한천, 아가로스, 알긴산칼슘, 펙틴,또는 기타 생체고분자를 포함한다. 게다가, 나노다공성 무기 겔은 에시디티오바실러스/페록시던스의 작용 결과로서 멤브레인상에 전개하는 페리하이드라이트(ferrihydrite)로 구성된다.
나노다공성 고체 또는 겔은 약 40 내지 90%, 또는 약 40 내지 75% 또는 약 40 내지 60% 또는 약 50 내지 90% 또는 약 60 내지 90% 또는 약 70 내지 90% 또는 약 50 내지 80% 또는 약 60 내지 70%, 및 약 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85 또는 90%이다. 기공(pore)은 평균 직경이 약 1nm 내지 10미크론, 또는 약 1nm 내지 1미크론 또는 약 1 내지 500nm 또는 약 1 내지 100nm 또는 약 1 내지 50nm 또는 약 1 내지 10nm 또는 약 100nm 내지 10미크론 또는 약 500nm 내지 10미크론 또는 약 1 내지 10미크론 또는 약 10nm 내지 1미크론 또는 약 50 내지 500nm 또는 약 100 내지 200nm, 및 평균직경이 약 1, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 75, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 600, 700, 800, 900nm 또는 약 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 또는 10미크론이다. 나노다공성 고체 또는 겔은 그 기공에 액체를 함유하며 있으며, 액체는 수용액이다. 수용액은 생물학적 물질을 위한 영양소를 함유하며, 생물학적 물질에 의해 생성된 생성물을 함유할 수 있으며, 전해질, 염류, 비타민류, 성장 요소 및/또는 용해된 가스와 같은 기타 성분을 함유할 수 있다.
바이오층은 바이오필름일 수 있다. 바이오층은 세포, 포자 또는 기타 생물학적 물질 또는 이들의 결합물일 수 있다. 바이오층은 항생물질, 의약품, 항체, 백신, 화학약품, 식품, 세포 또는 호르몬과 같은 원하는 생성물을 생산할 수 있으며, 페니실린을 생산할 수 있는 페니실리움 크리소게눔을 포함할 수 있다. 양자택일하여, 바이오층은 납과 같은 금속을 흡수(금속이온의 형태로)하거나, 폐기물질을 제거하거나 유출액의 오염제거를 할 수 있으며 이의 예로는 탄수화물 물질을 제거할 수 있는 아스퍼질러스 니가가 있다. 바이오층은 생물반응기 중의 가스에 노출될 수 있도록 멤브레인 및/또는 멤브레인내 및 멤브레인의 가스 면 및/또는 가스면 내에 위치한다. 그래서, 생물반응기는 영양소 스트림으로서 멤브레인의 영양소 면으로 제공되는 가스 스트림으로부터 또는 멤브레인의 가스 면상의 바이오층에 제공되는 가스 스트림으로부터 원하는 생성물을 생산하거나, 오염물질 또는 원하지 않는 물질을 제거할 수 있다. 예를 들어, 미생물은 가스 스트림으로부터 오염물질(예: 오존, H2S, SO2 등)을 제거하는데 도움을 줄 수 있다. 이 경우, 멤브레인의 가스 면은 가스 챔버 또는 하우징에 배치되며 오염물질의 농도가 바람직한 수준으로 떨어질 때까지 충분한 시간 동안 재순환된다.
지지물질은 멤브레인의 가동 조건하에서 비-생분해성인 물질로 제조될 수 있다. 지지물질은 친수성 또는 소수성이며, 다공성 물질, 직물 또는 부직 섬유상 물질 또는 스폰지형 물질 또는 지지체의 제 1면과 제 2면을 연결하는 홀(hole)을 가진 어떤 다른 물질을 포함한다. 예를 들어, 지지물질은 직물 또는 부직 섬유상 물질 또는 비-섬유상 다공성 물질일 수 있다. 섬유상 물질은 유리섬유 메트 또는 면일 수 있으며 비-섬유상 다공성 물질은 개방-셀 기포체와 같은 메크로다공성이거나 중립다공성 및/또는 미소다공성일 수 있다. 경질 또는 탄성일 수 있다. 지지체의 다공성은 약 40% 내지 90% 또는 약 40% 내지 60% 또는 약 50% 내지 90% 또는 약 60% 내지 90% 또는 약 70% 내지 90% 또는 약 50% 내지 80% 또는 약 60% 내지 70% . 및 약 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85 또는 90%일 수 있다. 지지체의 홀은 약 10 내지 200미크론 또는 약 10 내지 100미크론 또는 약 100 내지 200미크론 또는 약 100 내지 200미크론 또는 약 50 내지 150미크론, 및 약, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 150 또는 200미크론일 수 있다. 직물 또는 부직물은 약 10 내지 100스트랜드/cm 또는 약 20 내지 100스트랜드/cm, 또는 약 40 내지 100스트랜드/cm 또는 약 60 내지 100스트랜드/cm, 또는 약 10 내지 60스트랜드/cm 또는 약 10 내지 40스트랜드/cm 또는 약 25 내지 70스트랜드/cm 또는 약 30 내지 60스트랜드/cm 또는 약 35 내지 50스트랜드/cm 또는 약 35 내지 45스트랜드/cm, 및 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95 또는 100스트랜드/cm일 수 있다. 스트랜드(strand)의 두께는 약 20 내지 1,000미크론 또는 약 20 내지 500미크론 또는 약 20 내지 200미크론 또는 약 20 내지 100미크론 또는 약 100 내지 500미크론 또는 약 200 내지 500미크론 또는 약 300 내지 500미크론, 또는 약 50 내지 400미크론 또는 약 100 내지 300미크론 또는 약 500 내지 1,000미크론 또는 약 750 내지 1,000미크론 또는 약 500 내지 750미크론, 및 20, 30, 40, 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 600, 700, 800, 900 또는 1,000미크론일 수 있다. 지지체는 유리섬유 매트, 직물유리 매트, 폴리에스테르, 미소다공성 폴리올레핀(예를 들어, 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌), 미소다공성 플루오로폴리머(폴리비닐리덴플루오라이드 또는 폴리테트라플루오로에틸렌), 면, 폴리에스테르-면, 실크, 울, 소결유리, 소결금속 또는 어떤 다른 다공성 및 섬유상 물질일 수 있다.
지지물질은 친수성 물질일 수 있다. 사용 전에 표면을 보다 친수성으로 만들기 위해 표면을 세척할 수 있다. 처리에 대한 상세한 것은 물질의 특성에 따라 다 를 수 있다. 예를 들어, 지지물질을 수산화칼륨 용액에 노출시키는 단계를 포함하는 처리공정이 사용될 수 있다. 알칼리 용액은 약 0.1 내지 5M, 또는 약 0.1 내지 1M 또는 약 0.1 내지 0.5M 또는 약 0.5 내지 5M 또는 약 1 내지 5M 또는 약 3 내지 5M 또는 약 0.5 내지 2M, 및 약 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5 또는 5M일 수 있다. 직물 유리 매트(또는 다른 유리섬유)를 포함하는 지지물질의 처리시, 노출 단계는 약 12 내지 48시간 또는 약 18 내지 36시간 또는 약 20 내지 28시간 또는 약 12 내지 24시간 또는 약 12 내지 18시간 또는 약 24 내지 48시간 또는 약 36 내지 48시간, 및 12, 18, 24, 30, 36, 42 또는 48시간일 수 있다. 그러나 면, 폴리에스테르-면 또는 폴리에스테르를 포함하는 지지물질을 처리할 때는 노출 단계는 지지물질의 손상을 막기 위해 훨씬 짧아져야 하는데, 약 1 내지 48분 또는 약 1 내지 10분 또는 약 1 내지 5분 또는 약 1 내지 20분 또는 약 15 내지 20분 또는 약 2 내지 15분 또는 약 3 내지 10분 또는 약 4 내지 7분, 및 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 14, 16, 18 또는 20분일 수 있다. 지지물질을 물 플라즈마(RF 제너레이터에서 생성될 수 있다)에 노출시키는 다른 처리가 사용될 수 있다. 노출은 약 1 내지 20분 또는 약 1 내지 10분 또는 약 1 내지 5분 또는 약 10 내지 20분 또는 약 15 내지 20분 또는 약 2 내지 15분 또는 약 3 내지 10분 또는 약 5 내지 8분, 및 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 14, 16, 18 또는 20분일 수 있다. 예를 들어, 13.56 mH RM에서 가동하는 40 W 라디오주파스 플라즈마 제너레이터중에서 약 5.0 x 10-2밀리바로 물 플라즈마중에서 6분간 지지물질을 에칭하여 그 표면을 수산화하여 더욱 습윤성으로 만들 수 있다. 양자택 일하여 오븐을 사용하여 유리 물질 상의 소수성 물질을 태워 더욱 친수성으로 만들 수도 있다. 오븐의 온도는 약 300 내지 700℃ 또는 약 300 내지 500℃ 또는 약 300 내지 400℃ 또는 약 500 내지 700℃ 또는 약 500 내지 600℃ 또는 약 400 내지 600℃, 및 400, 450, 500, 550, 600, 650, 700℃일 수 있다. 유리 지지물질의 소수성 물질을 태우는데 필요한 시간은 약 5분 내지 36시간, 또는 약 10분 내지 24시간 또는 약 30분 내지 18시간 또는 약 1분 내지 12시간 또는 약 2분 내지 6시간 또는 약 5분 내지 1시간 또는 약 5분 내지 30분 또는 약 10분 내지 30분 또는 약 1분 내지 36시간 또는 약 6분 내지 24시간 또는 약 12분 내지 24시간 또는 약 18분 내지 24시간, 및 약 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40 또는 50분 또는 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 12, 18, 24, 30 또는 36시간일 수 있다.
전구체 액은 세포에 손상을 주지 않고 세포를 분산시키는데 적합한 액체로, 나노다공성 물질을 손상 없이 세포나 지지체로 전환 시킬 수 있다. 전구체 액의 예로는 알칼리성 콜로이드 용액이 있다. 이들 용액은 통상 pH가 약 10이나 약 9 내지 11 또는 약 9.5 내지 10.5 또는 약 9 내지 10 또는 약 10 내지 11, 및 pH가 9, 9.5, 10, 10.5 또는 11일 수 있다. 콜로이드성 실리카 용액 중의 실리카의 고형분 농도는 중량/중량(w/w) 기준으로 약 30% 또는 약 15 내지 50% 또는 약 20 내지 45% 또는 약 25 내지 40% 또는 약 30 내지 35% 또는 약 15 내지 40% 또는 약 15 내지 30% 또는 약 25 내지 50% 또는 약 35 내지 50%이거나 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45 또는 50w/w%이거나 부피/부피(v/v) 기준으로 약 17%이거나 약 10 내지 20% 또는 약 12 내지 20% 또는 약 15 내지 20% 또는 약 16 내지 20% 또는 약 10 내지 18% 또는 약 10 내지 16% 또는 약 10 내지 14% 또는 약 12 내지 19% 또는 약 14 내지 18% 또는 약 16 내지 17%이거나 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 또는 20부피/부피%일 수 있다.
나노다공성 고형분 또는 겔에 고정화되는 세포는 전구체 액에 분산된다. 전구체 액 중의 세포의 농도는 약 101 내지 1012cfu/ml 또는 약 101 내지 105cfu/ml 또는 약 101 내지 103cfu/ml 또는 약 109 내지 1012cfu/ml 또는 약 1010 내지 1012cfu/ml 또는 약 105 내지 109cfu/ml 또는 약 106 내지 108cfu/ml 또는 약 5*106 내지 5*107cfu/ml 또는 약 106 내지 108cfu/ml 또는 약 5*107cfu/ml 내지 5*108cfu/ml 또는 약 105 내지 107cfu/ml 또는 약 5*105 내지 5*106cfu/ml 또는 약 101, 약 102, 약 103,약 104, 약 105, 약 106, 약 107, 약 108, 약 109, 약 1010, 약 1011, 약 1012cfu/ml일 수 있다.
나노다공성 고체 또는 겔로는 실리카 겔, 티타니아 겔, 지르코니아 겔, 알루미나 겔 또는 2개 이상의 실리카, 티타니아, 지르코니아 및 알루미나(예: 실리카-알루미나 겔)를 포함하는 혼합 겔, 또는 한천, 아가로스(agarose), 알긴산칼슘, 펙틴, 또는 기타 생체고분자(biopolymer)등이 있다. 혼합 겔은 1단계로서, 대응되는 알콕사이드의 혼합물을 가수분해하는 공정에 의해 제조될 수 있는데 예를 들면 실리카-티타니아 겔은 테트라알콕시실란(예: 테트라메톡시실란 Si(OMe)4 TMOS)를 테트 라알킬티타네이트(예: 테트라메틸티타네이트 Ti(OMe)4 TMOS)로 가수분해하여 제조된다. 양자택일하여, 겔은 트리알콕시실란 예를 들어 메틸 트리메톡시실란 또는 기능성 알킬알콕시실란(예: 메타크릴로일옥시프로피트리메톡시실란)을 사용하여 제조된다. 전구체 액은 나노다공성 고체 또는 겔 중에서 pH를 변화시키거나(예 산성화) 상기 전구체 액으로부터 휘발성 액체를 증발시켜 전환될 수 있다. 증발은 가열 및/또는 가스를 전구체 액을 가지는 지지물질로 통과시키는 것을 포함한다. 가열은 휘발성 액체를 증발시키는데 충분한 온도일 수 있으나 내부의 세포 및/또는 포자의 지지물질이 변질되는 것을 막을 수 있는 온도이어야 한다. 온도는 약 30 내지 90℃ 또는 약 30 내지 80℃, 약 30 내지 60℃, 약 30 내지 40℃, 약 50 내지 80℃ 및 약 40 내지 60℃이며, 약 30, 40, 50, 60, 70, 80 또는 90℃ 또는 지지물질 및 어떤 세포 및/포자가 온도에 견딜 수 있다면 90℃ 이상일 수 있다. 충분한 양의 휘발성 액체가 증발하면 지지물질 상 및/또는 내에 나노다공성 고체 또는 겔의 생성을 야기할 할 수 있다.
그래서, 전구체액인 졸(예: 하이드로졸)을 지지물질에 주입하면 지지물질에서 졸의 특성에 따라 달라지는 적당한 졸-겔 공정에 의해 겔화가 일어나는데, 겔화는 하나 이상의 pH 조절, 온도 조절, 휘발성 액체의 증발, 시약에 노출 및 금속이온과의 침전을 포함할 수 있다.
제조공정의 일 구체예에서, 내부에 다수의 홀(hole)을 갖는 지지물질이 분산된 세포를 갖는 콜로이드성 실리카 용액에 노출되고, 홀 중의 콜로이드성 실리카 용액의 pH가 감소하여 지지물질의 홀에 고정화된 세포를 갖는 나노다공성 실리카 겔을 생성한다. pH는 약 4 내지 8 또는 pH는 약 4 내지 8, 또는 약 5 내지 7 또는 약 4 내지 7 또는 4 내지 6 또는 5 내지 8 또는 6 내지 8 및 약 4, 4.5, 5, 5.5, 6, 6.5, 7, 7.5 또는 8로 줄어든다. pH 감소단계는 벌크 전구체액으로부터 나온 홀 중의 전구체액을 지니는 지지체를 제거하고, 지지체를 원하는 pH를 갖는 수용액에 침지시키는 단계를 포함한다. 양자택일하여 콜로이드성 실리카 용액의 pH를 상술한 대로 약 4 내지 8로 조절한다. 이어서, 겔화 전, 세포를 콜로이드성 실리카 용액에 첨가하고 용액을 지지물질에 주입한다. 이러한 대안 공정은 pH 환경에 민감한 세포를 가지고 사용하는 경우 특히 유용하다.
전구체 액의 다른 예로는 알긴산나트륨 수용액 또는 한천 또는 아가로스가 있다. 전구체 액 중의 용질이 농도는 전구체액이 지지체에 주입되기에 적합한 점도가 되어야 한다. 농도는 분자량, 용질의 특성 및 지지물질의 특성(기공크기 또는 메쉬크기)를 포함하는 요인에 따라 달라진다. 농도는 중량 또는 부피%로 약 0.5% 내지 40% 또는 약 0.5% 내지 30%, 약 0.5% 내지 20%, 약 0.5% 내지 15%, 약 0.5% 내지 10%, 약 0.5% 내지 5%, 약 1% 내지 10%, 약 1% 내지 5%, 약 5% 내지 40%, 약 10% 내지 40%, 약 15% 내지 40%, 약 20% 내지 40%, 약 30% 내지 40%, 약 5% 내지 30%, 또는 약 10% 내지 20% 및 약 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1, 2, 3, 4, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35 또는 40%중량 또는 부피%이다. 수용액의 일부분의 물이 증발하면 지지물질 상의 겔로서 용질의 침전을 가져온다. 나노다공성 고체 또는 겔이 한천을 포함하는 경우, 전구체액은 겔을 용해시키기 위하여 한천의 겔 온도 이상의 온도로 수용액과 함께 한천을 가열하여 제조된다. 겔 온도는 한천의 등급에 따라 달라지나 약 25 내지 70℃일 수 있다. 바람직하게는 한천의 등급은 용해가 시작되는 온도에서 세포가 손상되지 않을 정도의 충분히 낮은 겔 온도에서 선택된다. 겔 온도는 편리하게는 약 50℃ 이하이며, 약 45℃ 이하 또는 40℃ 이하 및 약 30, 35, 40, 45 또는 50℃일 수 있다. 전구체 액 중의 한천의 농도는 중량 또는 부피%로 약 0.5% 내지 5%, 또는 약 0.5% 내지 4% 또는 약 0.5% 내지 3% 또는 약 0.5% 내지 2% 또는 약 1% 내지 3%, 또는 약 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1, 2, 3, 4 또는 5중량 또는 부피%이다. 전구체액으로 주입된 지지물질을 냉각하면 지지물질 중의 한천 겔의 침전을 야기시킨다. 한천의 겔 온도가 너무 높아 세포에 손상을 가져오면 상술한 바와 같이 한천 겔은 전구체 액 중에 세포 없이 지지물질에 생성될 수 있으며, 결과의 멤브레인은 멤브레인 생성 후에 세포와 함께 배양된다. 나노다공성 고체 또는 겔이 알긴산칼슘을 포함하는 경우, 전구체 액은 알긴산 수용액 또는 알긴산나트륨과 같은 가용성 알긴산염일 수 있다. 알긴산의 농도는 중량 또는 부피%로 약 1% 내지 10% 또는 약 1% 내지 5% 또는 약 1% 내지 3% 또는 약 5% 내지 10% 또는 약 7% 내지 10% 또는 약 2% 내지 7% 또는 약 3% 내지 5% 및 약 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 또는 10중량 또는 부피%이다. 그래서 전구체 액이 주입된 지지체를 물에 불용성인 알긴산염의 금속이온 용액(예: 칼슘) 침지시키면 알긴산칼슘과 같은 불용성 알긴산염이 지지체 물질에 침전된다. 알긴산염의 예로는 알긴산칼슘이 있으며, 이 용액의 농도는 중량 또는 부피%로 약 1 내지 5% 또는 약 1 내지 4% 또는 약 1 내지 3% 또는 1, 2, 3, 4중량 또는 부피%이다.
제 1도를 참조하여, 멤브레인(10)은 영양소 면(12) 및 가스 면(14)를 가지며, 내부에 나노다공성 겔(18)을 가지는 섬유상 지지 물질(16)을 포함한다. 고정화 바이오층(20)은 가스면(14) 및 가스 면(14)에 인접한 멤브레인(10)에 위치한다. 섬유상 지지 물질(16)은 사이즈제(sizing agent)가 없는 직물 유리 섬유 메쉬를 포함하며, 나노다공성 겔(18)은 나노다공성 실리카 겔을 포함한다. 바이오층(20)은 가스 면(14)에 인접한 멤브레인(10) 및 가스면상 또는 가스면에 인접한 균류(24)에 내장된 균류(22)를 포함한다. 균류(22) 및 (24)는 페니실린을 생산할 수 있는 페니실리움 크리소게눔(Penicillium chrysogenum)이다.
가동시, 멤브레인(10)은 영양소 면(12)으로부터 영양소 액(26)을 고정화 바이오층(20)으로 화살표(21)의 방향으로 확산시킨다. 바이오층(20)의 표면(28)에 공기가 제공되어 균류(22) 및 (24)의 성장을 촉진하여, 그 결과 바이오층(20)에 의해 생성물(예: 페니실린)이 제조된다. 영양소 액(26) 및 멤브레인(10) 내의 균류의 성장은 이들 영역에서의 비교적 무산조 조건으로 인하여 떨어진다. 생성물은 멤브레인(10)을 통하여 바이오층(20)으로부터 화살표(23)의 방향으로 확산된다.
도 2는 바이오층을 가지는 멤브레인의 제조방법을 설명한 도면을 나타낸다. 도 2를 참조하여, 지지물질(16)은 유리섬유 직물 메팅과 같은 섬유상 메쉬이다. 사용 전, 사이즈제 및 기타 오염균이 있는 지지물질(16)의 표면을 깨끗이 처리하여 그 표면을 더욱 친수성으로 만든다. 처리는 지지물질(16)을 알칼리 수용액 예를 들어, 약 1M의 수산화칼륨용액에 약 24시간 동안 노출시키는 것을 포함한다. 멤브레인의 제조공정은 초기에 pH가 약 10이고, 30%w/w의 고형분 함량을 가지는 콜로이드성 실리카 용액을 약 1 내지 5N 또는 약 1 내지 3N 또는 약 3 내지 5N 또는 약 2 내지 5N 또는 약 1, 2, 3, 4 또는 5N인 황산 또는 염산과 같은 미네랄 산 용액을 첨가하여 pH를 약 6으로 조절한다. 균류(22) 예를 들어, P. 크리소게눔을 첨가하여 총괄 카운트가 약 109 cfu/ml되도록 하여 전구체 액(30)을 제조한다. 전구체 액(30)중에 지지물질(16)을 침지시켜 지지물질(16) 내로 전구체 액(30)이 주입되도록 한다. 전구체 액(30)의 pH가 약 6으로 조절된 후, 통상 약 30분 이내에 겔화가 되므로 겔화가 되기 전에 전구체 액(30)으로부터 지지물질(16)을 제거하는 것이 필요하다. 전구체 액(30)으로부터 지지물질(16)을 제거하면 주입된 전구체 액(30)이 남아 있는다. 대기 조건하에서 정치시키면, 전구체 액(30)이 지지물질(16) 내에서 겔화되어 대략 균일하게 분포되고, 내부에 나노다공성 겔(18)을 가지는 균류(22)를 가지는 멤브레인(32)를 형성한다. 영양소 액(34)를 멤브레인(32)의 영양소 면(12)에 제공하여 영양소 액(34)이 멤브레인(32)에 침투하도록 한다. 가스 면(14)을 공기에 노출시켜 액으로 충진된 기공때문에 실질적인 정도까지 멤브레인(32)에 공기가 침투하지 못하게 한다. 이것은 가스면 또는 가스 면(14)에 인접한 균류(22)의 성장을 촉진하고, 멤브레인(32)의 산소화가 덜된 영역에서의 성장을 막는다. 그래서, 초기에 균류(22)의 균형잡힌 분포를 가지는 멤브레인(32)은 비균형 분포로 발전하여 가스 면(14)에 균류(22)를 포함하는 바이오층(20)을 가지는 멤브레인(10)을 가져온다.
도 2a는 고정화 층을 가지는 멤브레인의 다른 제조방법을 설명한 도면이다. 도 2a에서 멤브레인은 지지체(16)을 포함한다. 지지물질(16)은 면과 같은 섬유상 메쉬이며, 스프레이(70)은 내부에 균류(22)를 가지는 작은 물방울(72)을 포함한다. 지지물질(16)의 가스 면(14)를 스프레이(70)에 노출시키면, 균류(22)가 가스 면(14)에 침착하며, 일부 균류(22)는 지지체(16)을 침투한다. 멤브레인의 영양소 면(12)을 영양소 액(78)에 노출시켜 액(78)이 지지물질(16)을 통하여 균류(22)로 확산되도록 하여 지지물질(16) 내의 공기를 대체한다. 이것은 가스 면(14) 또는 가스면에 인접한 균류(22)의 성장을 촉진시키고, 멤브레인(32)의 산소화가 덜된 영역에서의 성장을 막는다. 이것은 가스 면(14)상에 부분적으로 가스면 내에 위치한 바이오층(20)의 생성을 가져온다
도 3을 참조하여, 생물반응기(50)는 멤브레인-지지 구조체(52) 및 지지체(52)에 의해 수직으로 지지되는 멤브레인(10)을 포함한다. 각각의 멤브레인(10)은 평면상이며, 다른 멤브레인(10)과 평행하게 세워진다. 멤브레인(10)은 쌍으로 배열되며 각 쌍은 평평한 튜브를 형성하도록 결합된다. 이의 단면도가 도시되어 있다. 각각의 멤브레인(10)에는 고정화된 바이오층(20)을 가지고 있어 영양소 액이 여기로 확산될 수 있다. 바이오층(20)은 페니실린을 생산할 수 있는 P. 크리소게눔과 같은 균류를 포함한다. 생물반응기(50)은 각각의 멤브레인 쌍 사이의 거리를 유지시키기 위한 스페이서(54)를 가지고 있다. 각각의 멤브레인(10)은 바이오층(20)으로 나온 과잉의 바이오메스를 제거하기 위한 스크레이퍼(56)를 가지고 있다. 생물반응기(50)는 멤브레인(10)의 영양소 면으로 영양소 액이 들어오는 입구(58)와 각각의 멤브레인 쌍 사이로부터 나온 영양소 액을 제거하기 위한 출구(60)를 가지고 있다. 입구(58)은 입구 다기관(62)에 연결되며, 출구(60)는 출구 다기관(64)에 연결된다.
가동시, 영양소 액은 입구 다기관(62) 및 입구(58)를 통하여 공급된다. 영양소 액은 바이오층(20)의 균류에 적합한 영양소 액이며, 탄수화물을 함유한다. 생물반응기(50)는 호기성 환경에 위치하고 있어 바이오층(20)은 공기에 노출된다. 영양소 액은 멤브레인을 통해 바이오층(20)으로 확산된다. 바이오층(20)은 페니실린과 같은 바람직한 생성물을 생성하는데 필요한 조건으로 제공된다. 이 생성물은 멤브레인(10)을 통하여 확산 되며, 출구(60) 및 출구 다기관(64)을 통하여 영양소 액 중의 생물반응기(50)를 빠져나온다. 배출된 영양소 액은 원하는 생성물의 분리를 위해 회수된다. 바이오층(20)이 너무 두꺼워져서 그만큼 생성물의 생산이 산소의 결핍으로 지연되면, 스크레이퍼(56)는 바이오층의 고형분을 제거하기 위해 바이오층(20) 아래로 내려온다. 다른 가동방법으로 상술한 바와 같이 영양소 액이 멤브레인(10)으로 약 12 내지 24시간의 제 1 기간 동안 제공된다. 제 1 기간 이후 식염수 액을 입구 다기관(62) 및 입구(58)를 통하여 제 2 기간 동안 멤브레인(10)으로 제공되며 바이오층(50) 중의 영양소 액을 대체한다, 제 2 기간은 약 1 내지 5일이다. 제 2기간 동안 바이오층(20)은 상술한 원하는 생성물을 생성한다. 생성물은 멤브레인을 통하여 확산되며, 입구(60) 및 입구 다기관(64)을 통하여 식염수중의 생물반응기(50)를 빠져나온다. 배출된 식염수 액으로부터 원하는 생성물의 분리는 쉽게 이루어진다.
도 3a는 도 3에 도시된 생물반응기에 사용되는 입구 다기관을 나타낸다. 도 3a에서 다기관 입구(63)는 산소 제거기(65)로 통한다. 산소 제거기는 어떤 편리한 산소 제거기로 진공 탈기장치와 같은 탈기장치(degasser)를 포함하거나 질소 또는 이산화탄소와 같이 산소가 거의 없는 가스를 영양소 액을 통하여 버블링하기 위한 주입식 장치를 포함할 수 있다. 다기관 파이프(67)는 탈산소기(65)를 입구(58)에 연결한다. 가동시, 영양소 액은 다기관 입구(63)를 통하여 5ppm 이하의 낮은 농도로 산소를 제거하는 산소 제거기(65)로 제공된다. 이어서, 비교적 무산소의 영양소 액이 다기관 파이프(67)를 통과하여 생물반응기(도시하지 않았음)의 멤브레인으로 영양소 액을 공급하는 입구(58)를 통과한다.
도 3b는 본 발명에 따른 생물반응기의 출구에서 입구까지 액을 리사이클링하기 위한 리사이클링 시스템을 나타낸 것이다. 도 3b에서 공급라인 밸브(620)는 생물반응기(50, 도3에는 도시하였으나 3b에는 도시하지 않았음)의 입구 다기관(62), 공급라인(630) 및 펌프 출구 파이프(640)에 연결된 3방향 밸브이다. 출구 라인 밸브(650)는 생물반응기(50, 도3)의 출구 다기관(64), 출구 라인(660) 및 펌프 입구 파이프(670)에 연결된 3방향 밸브이다. 정상적인 생물반응기(50)의 가동시, 공급라인 밸브(620)는 파이프(640)에서 다기관(62)으로 액체가 통과하되 라인(630)은 밀폐되도록 설정되며, 출구라인 밸브(650)는 다기관(64)에서 파이프(670)로 액체가 통과하되 라인(660)은 밀폐되도록 설정된다. 이러한 설정에서, 펌프(610)는 파이프(670) 및 (640)을 경유하여 출구 다기관(64)에서 입구 다기관(62) 유체를 펌핑하며, 라인 (630) 및 (640) 통해서는 어떠한 액체도 통과하지 않는다. 액체를 생물반응기(50)에 첨가하기 위해 예를 들어, 생물반응기의 가동시, 밸브(620)는 액체가 라인(630)에서 입구 다기관으로는 통과하되 파이프(640)로는 통과하지 않도록 설정된다. 유사하게, 생물반응기(50)으로부터 액체를 제거하기 위하여, 예를 들어, 생물반응기에서 생성물을 분리하기 위해 액체를 분리기로 통과시키는 경우, 밸브(650)는 출구 다기관에서 출구 라인(660)으로는 통과하되 파이프(670)로는 통과하지 못하도록 설정된다.
도 3c는 본 발명에 따른 생물반응기의 출구에서 입구까지 액을 리사이클링하기 위한 또 다른 리사이클링 시스템을 나타낸 것이다. 도 3c에서 펌프(710)은 펌프 입구 파이프(720) 및 펌프 출구 파이프(730)를 가진다. 펌프 출구 파이프(730)는 공급탱크(740)로 연결된다. 공급라인(750)은 탱크(740)로 연결되는 밸브(760)로 장착된다. 탱크(740)는 생물반응기(50, 도3에는 도시하였으나 3c에는 도시하지 않았음)의 입구 다기관(62)에 연결된다. 생물반응기(50)의 출구 다기관(64)은 펌프 입구 파이프(720) 및 출구 라인(780)에 연결되며, 출구 라인 밸브(790)이 장착된 출구 탱크(770)에 연결된다. 탱크(740) 및 (770)은 선택적으로 탱크내의 액체로부터 산소의 유입을 차단하는 장치를 가질 수 있다. 이러한 장치는 불활성 가스 주입기, 리드, 가동성 플런저 또는 기타 적당한 장치를 포함할 수 있다. 정상적인 생물반응기(50)의 가동에서, 공급라인 밸브(760)는 라인(750)을 통해 액체가 탱크(740)로 유입되는 것을 막기 위해 차단되며, 출구라인 밸브(790)은 출구라인(780)을 통해 액체가 탱크(770)로 배출되는 것을 막기 위해 차단된다. 이러한 설정에서, 액체는 탱크(740)에서 입구 다기관(62)로 흐르며, 출구 다기관(64)를 경유하여 탱크(770)로 돌아온다. 펌프(710)은 탱크(770)의 액체를 펌핑하여 파이프(720) 및 (730)을 통하여 탱크(740)로 보낸다. 생물반응기의 가동시, 생물반응기(50)에 액체를 첨가하려면, 밸브(760)가 열려 액체는 라인(750)으로부터 탱크(740)로 통과한다. 유사하게, 생물반응기에서 생성물을 분리하기 위해 분리기로 액체를 통과하는 경우, 생물반응기(50)에서 액체를 제거하려면, 밸브(790)가 개방되어 액체는 탱크(770)로부터 출구라인(780)으로 통과할 수 있다.
도 3d는 본 발명에 따른 다른 생물반응기를 나타낸 것이다. 이 생물반응기는 연속적으로 배열된 멤브레인 쌍을 가지고 있다. 도 3d에서, 생물반응기(800)는 멤브레인-지지 구조체(810) 및 멤브레인 쌍(820), (821) 및 (82)와 그 위에 지지되는 멤브레인 (830)과 (831), (832)와 (833) 및 (834)와 (835)을 가지고 있다. 멤브레인 쌍(820), (821) 및 (822)는 각각 내부영역 (836), (837) 및 (838)을 가지고 있다. 입구(840)는 멤브레인 쌍(822)의 내부영역(836)에 연결되며, 출구(850)은 쌍(822)의 내부영역(838)에 연결된다. 연결 파이프(860)는 내부영역(836) 및 (837)을 연결하며, 펌프(870)이 비치되며, 연결 파이프(865)는 내부영역(837) 및 (838)을 연결하며, 펌프(875)가 비치된다. 가동시, 영양소 액은 파이프(840)를 통과하여 내부영역(836)으로 들어오며, 멤브레인 (830) 및 (831)을 통하여 바이오층으로 확산한다.(도시하지 않았음) 생성물은 멤브레인을 통하여 내부영역(836)으로 확산한다. 이어서, 영양소 액은 파이프(860)를 통해 내부영역(836)으로 통과하고, 펌프(870)에 의해 펌핑되어 내부영역(837)으로 들어가며, 멤브레인 (830) 및 (831)에 대해 상술한 바와 같이 멤브레인 (832) 및 (833)을 통해 확산한다. 파이프(865)를 통하여 내부영역(837)을 나온 영양소 액은 펌프(875)에 의해 펌핑되어 내부영 역(838)으로 들어가며, 멤브레인 (830) 및 (831)에 대해 상술한 바와 같이 멤브레인 (834) 및 (835)을 통해 확산한다. 최종적으로, 멤브레인 (830) 내지 (835)에 의해 생성된 어떤 생성물을 함유하는 영양소 액은 출구(850)를 통해 배출된다. 영양소 액은 도 3b 및 도 3c에 도시한 것과 같은 리사이클링 시스템을 통해 리사이클링될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 다른 생물반응기를 나타낸 개략도이다. 도 4의 상부는 생물반응기(80)의 측면도이고, 하부는 생물반응기의 수직 단면도를 나타낸다. 생물반응기(80)는 멤브레인-지지 구조체(81) 및 멤브레인-지지 구조체(81)에 의해 지지되는 멤브레인(10)을 포함한다. 멤브레인(10)은 그 위에 지지된 바이오층(20)을 가지고 있다. 멤브레인 지지 구조체(81)는 시계방향으로 회전가능한 롤러(82) 및 천공이 있는 롤러(84)를 구비하고 있다. 적어도 하나의 롤러(82) 및 (84)는 멤브레인(10)을 화살표(86) 방향으로 움직이기 위해 모터(85)로 구동된다. 멤브레인-지지 구조체(81)는 멤브레인(10)의 부분(88)들이 다른 부분(90)들과 평행하게 유지되어 이들 사이의 내부영역(92)을 한정할 수 있는 형태로 배열된 멤브레인(10)을 지지한다. 생물반응기(80)는 천공 롤러(84)를 경유하여 내부영역(92)으로 영양소 액이 들어오는 입구(93)와 내부영역(92)으로부터 영양소 액을 제거하기 위한 출구(94)를 구비하고 있다. 입구(93)는 입구 다기관(96) 및 천공 롤러(84)에 연결된다. 생물반응기(80)은 멤브레인(10)으로부터 고형분 물질을 제거하기 위한 스크레이퍼(98)를 구비하고 있다.
가동시, 영양소 액은 입구 다기관(96) 및 입구(93)를 통해 천공 롤러(84)로 공급된다. 영양소 액은 바이오층(20)의 세포에 적합한 영양소 액이며, 탄수화물을 함유할 수 있다. 생물반응기(80)는 호기성 환경에 위치하며, 바이오층(20)을 공기에 노출시킨다. 영양소 액은 롤러(84)를 나와 내부영역(92)을 통과하며, 멤브레인(10)을 통해 바이오층(20)으로 확산된다. 그래서, 원하는 생성물, 예를 들어 페니실린을 제조하는데 필요한 조건으로 바이오층(20)이 제공된다. 이 생성물은 멤브레인(10)을 통해 영역(92)으로 확산되며, 출구(94)를 통하여 영양소 액 중에서 생물반응기(80)를 빠져나온다. 나온 영양소 액은 원하는 생성물을 분리하기 위해 회수된다. 바이오층(20)이 너무 두꺼워져서 그만큼 생성물의 생산이 산소의 결핍으로 지연되는 경우에는 모터(85)를 가동하여 멤브레인(10)을 화살표(86) 방향으로 이송시킨다. 이어서, 바이오층(20)에 형성된 과잉의 바이오메스를 제거하기 위해 배치된 스크레이퍼(98)가 멤브레인(10)을 지나간다. 과잉의 바이오메스는 사용 또는 추가 공정을 위해 회수된다. 다른 가동 방식으로, 모터(85)를 저속으로 연속적으로 가동시켜, 바이오메스를 제거하는데 필요한 충분한 시간동안 멤브레인상에 성장하는 바이오층(20)을 가지는 멤브레인(10)의 일부분에 스크레핑을 위해 스크레이퍼(98)가 지나간다. 예를 들어, 바이오층(20)의 성장에 적당한 조건으로 노출되는 멤브레인(10) 총 길이를 L이라 하고, 바이오층(20)이 충분히 성장한 바이오메스를 제거하는데 필요한 시간을 T라 하고, 모터(85)에 의해 구동되는 롤러(82)의 둘레를 C미터라고 하면, 모터(85)는 롤러(82)를 L/(T*C) 시간당 회전수로 회전시킨다.
도 5는 본 발명에 따른 다른 생물반응기의 개략도이다. 도 5의 상부는 생물반응기(100)의 측면도이고, 하부는 생물반응기의 수평 단면도를 나타낸다. 생물반 응기(100)는 멤브레인-지지 구조체(102), 및 멤브레인-지지 구조체(102)의 부재인 입구 환체(107)과 출구 환체(109) 사이에서 지지되는 내부 멤브레인(104) 및 외부 멤브레인(106)을 포함한다. 멤브레인(104) 및 (106)은 관형이며, 같은 축을 가지며, 이들 사이의 내부영역(108)을 한정한다. 입구 환체(107)와 출구 환체(109)의 천공은 영역(108)에 개방되어 있어 액체가 환체(107)로부터 나온 영역(108)으로 및 영역(108)로부터 환체(109)내로 통하게 한다. 멤브레인(104) 및 (106)은 각각 이들의 가스 면(124) 및 (126)상에 세포를 포함하는 고정화된 바이오층(120) 및 (122)을 가지고 있다. 스페이서(105)는 멤브레인(104) 및 (106) 사이의 거리를 유지하기 위해 내부 영역(108)에 위치하고 있다. 생물반응기(100)는 입구 환체(107)를 경유하여 영역(108)으로 영양소 액이 들어오는 입구(110)와 출구 환체(109)를 경유하여 영역(108)으로부터 영양소 액을 제거하기 위한 출구(112)를 구비하고 있다. 생물반응기(100)는 바이오층(120) 및 (122)로부터 고형분 물질을 제거하기 위한 스크레이퍼(114) 및 (115)를 구비하고 있다. 멤브레인(104) 및 (106)의 바이오층(120) 및 (122)로부터 생성된 과잉의 바이오메스를 제거하는 것을 돕기 위해 스크레이퍼(114) 및 (115)에 대해 멤브레인(104) 및 (106)을 회전시키기 위한 모터(116)가 제공된다.
가동시, 영양소 액은 입구(110)를 통해 입구 환체(107)로 공급된다. 영양소 액은 바이오층(120) 및 (122)의 균류에 적합한 영양소 액이며, 탄수화물을 함유할 수 있다. 생물반응기(100)는 호기성 환경에 위치하며, 바이오층(120) 및 (122)을 공기에 노출시킨다. 영양소 액은 입구 환체(107)를 나와 영역(108)으로 통과하며, 멤브레인(104) 및 (106)을 통해 바이오층(120) 및 (122)으로 각각 확산된다. 그래서, 원하는 생성물을 제조하는데 필요한 조건으로 바이오층(120) 및 (122)이 제공된다. 이 생성물은 멤브레인(104) 및 (106)을 통해 영역(108)으로 확산되며, 출구 환체(109) 및 출구(112)를 통하여 영양소 액 중에서 생물반응기(100)를 빠져나온다. 배출된 영양소 액은 원하는 생성물을 분리하기 위해 회수된다. 바이오층(120) 및 (122)이 너무 두꺼워져서 생성물의 생산이 산소의 결핍으로 그만큼 지연되는 경우에는 모터(116)가 가동하여 멤브레인(104) 및 (106)을 수직축으로 회전시킨다. 이어서, 바이오층(120) 및 (122)에 형성된 과잉의 바이오메스를 제거하기 위해 배치된 스크레이퍼(114) 및 (115)가 멤브레인(104) 및 (106)을 지나간다. 과잉의 바이오메스는 사용 또는 추가 공정을 위해 회수된다. 다른 가동 방식으로, 모터(116)를 저속으로 연속적으로 가동시켜, 바이오메스를 제거하는데 필요한 충분한 시간동안 멤브레인상에 성장하는 바이오층(120) 및 (122)을 가지는 멤브레인(104) 및 (106)의 부분에 스크레핑을 위해 스크레이퍼(114) 및 (116)이 지나간다.
도 5a는 본 발명에 따른 또 다른 생물반응기의 개략도이다. 도 5a의 상부는 생물반응기(200)의 측면도이고, 하부는 생물반응기의 수평 단면도를 나타낸다. 생물반응기(200)는 멤브레인-지지 구조체(202), 지지 구조체(202)의 부재인 내부 지지체(204) 및 멤브레인-지지 구조체(202)의 부재인 입구 환체(107)과 출구 환체(109) 사이에서 지지되는 멤브레인(106)을 포함한다. 내부 지지체(204)는 영양소 액에 불침투성인 물질을 포함하는 비다공성 지지체이며, 스테인리스 스틸 또는 폴리카보네이트와 같은 몇몇 적당한 경질의 폴리머 물질을 포함할 수 있다. 멤브레인 (106)은 관형이며, 내부 지지체(204)와 같은 축을 가지며, 내부 영역(108)은 이들 사이를 한정한다. 입구 환체(107)와 출구 환체(109)의 천공은 영역(108)에 개방되어 있어 액체가 환체(107)로부터 영역(108)으로 및 영역(108)로부터 환체(109)내로 통하게 한다. 멤브레인(106)은 가스 면(126)상에 균류를 포함하는 고정화된 바이오층(122)을 가지고 있다. 스페이서(105)는 멤브레인(106)과 내부 지지체(204) 사이의 거리를 유지하기 위해 내부 영역(108)에 위치하고 있다. 생물반응기(200)은 입구 환체(107)를 경유하여 영역(108)으로 영양소 액이 들어오는 입구(110)와 출구 환체(109)를 경유하여 영역(108)으로부터 영양소 액을 제거하기 위한 출구(112)를 구비하고 있다. 생물반응기(200)는 바이오층(120)으로부터 고형분 물질을 제거하기 위한 스크레이퍼(115)를 구비하고 있다. 멤브레인(106)의 바이오층(122)으로부터 생성된 과잉의 바이오메스를 제거하는 것을 돕기 위해 스크레이퍼(115)에 대해 멤브레인(106)을 회전시키기 위한 모터(116)가 제공된다.
가동시, 영양소 액은 입구(110)를 통해 입구 환체(107)로 공급된다. 영양소 액은 바이오층(122)의 균류에 적합한 영양소 액이며, 탄수화물을 함유할 수 있다. 생물반응기(200)는 호기성 환경에 위치하며, 바이오층(122)을 공기에 노출시킨다. 영양소 액은 입구 환체(107)를 나와 영역(108)으로 통과하며, 멤브레인(106)을 통해 바이오층(122)으로 확산된다. 그래서, 원하는 생성물을 제조하는데 필요한 조건으로 바이오층(122)이 제공된다. 이 생성물은 멤브레인(106)을 통해 영역(108)으로 확산되며, 출구 환체(109) 및 출구(112)를 통하여 영양소 액 중에서 생물반응기(200)를 빠져나온다. 배출된 영양소 액은 원하는 생성물을 분리하기 위해 회수된 다. 바이오층(122)이 너무 두꺼워져서 생성물의 생산이 산소의 결핍으로 그만큼 지연되는 경우에는 모터(116)가 가동하여 멤브레인(106)을 수직축으로 회전시킨다. 이어서, 바이오층(122)에 형성된 과잉의 바이오메스를 제거하기 위해 배치된 스크레이퍼(115)가 멤브레인(106)을 지나간다. 과잉의 바이오메스는 사용 또는 추가 공정을 위해 회수된다. 다른 가동 방식으로, 모터(116)를 저속으로 연속적으로 가동시켜, 바이오메스를 제거하는데 필요한 충분한 시간동안 멤브레인상에 성장하는 바이오층(122)을 가지는 멤브레인(106)의 부분에 스크레핑을 위해 스크레이퍼(115) 가 지나간다.
도 20을 참조하여, 생물반응기(300)는 가스 면(315)상에 바이오층(310)을 지닌 멤브레인(305)을 포함한다. 멤브레인(305)의 영양소 면(320)은 영양소 챔버(330) 중의 영양소 액(325)에 노출되며, 바이오층(310)은 챔버(330) 밖의 공기와 접촉한다. 멤브레인(305)는 필요하다면 도시하지 않았지만 지지 매트릭스에 의해 지지되거나 자체-지지할 수 있다. 영양소 액(325)은 액 중에 부유된 캡슐화된 혐기성 세포(도시하지 않음)를 선택적으로 가질 수 있다. 생물반응기(300)는 또한 재순환기(예: 펌프)(340)에 의하여 화살표(338) 방향으로 멤브레인(305)를 통과한 영양소 액(325)을 리사이클링하기 위한 리사이클링 시스템(335)을 갖는다. 이 방향으로 리사이클링함으로서, 챔버(330)는 가스 공간이 없이 유지된다. 리사이클링 시스템(335)은 영양소 액(325)으로부터 산소를 제거하기 위한 탈산소기(345)를 구비할 수 있다. 시스템(330)은 또한 밸브(355)가 장착된 입구(350)와 밸브(365)로 장착된 출구(360)를 가지며, 존재하는 캡슐화된 혐기성 세포가 생물반응기(300)에 남아 있 지 않도록 필터(370)를 선택적으로 구비할 수 있다. 생물반응기(300)는 또한 챔버(330)을 통하여 리사이클링된 영양소 액을 수용하기 위해 산소 침입이 차단된 저장조(380)를 가지고 있다. 검출기(390)가 제공되어 영양소 액(325) 성분의 농도를 검출한다. 그래서 가동시, 영양소는 밸브(355)가 개방되고 밸브(365)가 차단된 입구(350)를 통하여 생물반응기(300)로 유입된다. 밸브(355)가 닫히고 영양소 액(325)이 화살표(338) 방향으로 저장조(380) 및 챔버(330)을 통하여 재순환한다. 영양소 스트림(325)이 탈산소기(345)에 의해 무산소로 유지된다. 챔버(330)에서 영양소는 멤브레인(305)의 영양소 면(320)을 통하여 물질대사되는 바이오층(310)으로 확산되어 바람직한 생성물을 생성하거나 또는 영양소 액(325)으로부터 불필요한 물질을 제거한다. 바이오층(310)은 외부에 노출된 챔버 밖의 공기로부터 물질대사에 필요한 산소를 얻는다. 대사산물 즉, 바람직한 생성물이 챔버(330)로 확산되며, 영양소 액(325)과 함께 리사이클링된다. 캡슐화된 혐기성 세포는 영양소가 캡슐화제를 통해 캡슐화된 세포로 확산할 때 대사산물을 생성하기 위해 영양소 스트림의 성분들을 물질대사시킨다. 검출기(390)는 바이오층의 생화학반응이 충분히 진행되었을때, 영양소 액 성분의 농도가 예정된 농도로 떨어지거나 또는 대사산물의 농도가 예정된 농도로 증가하는 경우에 측정한다. 영양소 액(325)은 밸브(365)를 통해 생물반응기(300)로부터 제거될 수 있다. 캡슐화된 혐기성 세포는 필터(370)에 의해 생물반응기(300)에 보유된다. 생성물(대사사물)을 별도로 영양소 액(325)에서 회수한다. 검출기는 밸브(365)를 자동으로 열거나 작업자가 수동으로 밸브(365)를 개방할 수 있도록 시그널을 줄 수 있다. 양자택일로, 밸브는 예정된 시간 이후에 수동 으로 또는 자동으로 개방될 수 있다.
적용
본 발명의 생물반응기는 많은 것에 응용될 수 있다. 이들 적용의 예로는 다음과 같다.
● 항체, 기타 의약품 및 화장품의 제조;
● 하수 처리;
● 생화학표백 및 기타 채광 응용;
● 생합성(산업 및 연구용 식품 및 화학약품)
● 탄소, 질소, 인 및 금속 이온 제거를 위한 2급 및 3급 폐수 처리;
● 독성 폐수의 생물학적 정화;
● 오염된 음용수의 정화;
● 동물 및 식물 조직의 배양;
● 배양된 호기성 세포가 사용되는 분야;
● 식품의 발육(우주산업용);
● 생합성용 동물 조직의 사용;
● 연료 제조용(바이오연료) 유기물질의 회수;
● 인공 기관 및 이식, 및 호르몬의 생합성 및 기타 포유류-유도된 의약품용 동물 조직의 배양;
이점
본 발명의 생물반응기는 종래기술보다 많은 이점을 제공한다. 이들 이점은 다음과 같다.
● 고다공성 멤브레인- 바이오층이 고다공성 멤브레인에 지지된다. 이것은 이러한 목적(예: 세라믹 멤브레인 생물반응기)으로 사용된 다른 멤브레인에 의해 제공된 것보다 높은 영양소의 이용가능성을 갖는다.
● 저가의 멤브레인- 비교적 무산소 조건에 의해 멤브레인의 영양소 면에서 바이오메스가 성장하는 것을 제한받기 때문에, 바이오메스로 미생물이 침투하는 것을 막기 위해 충분히 작은 기공을 가진 멤브레인이 필요하지 않다. 결국, 종래의 멤브레인-표면-액-배양 생물반응기에서 사용된 것보다 저가의 멤브레인이 사용될 수 있다.
● 제조가 쉬운 멤브레인- 본 발명의 멤브레인은 저렴한 것을 별문제로 하더라도 단순한 기술 및 저가의 쉽게 이용가능한 장치를 사용하여 제조될 수 있다. 멤브레인을 빠르게 만들 수 있다. 이것은 필요시 1회용 품목으로 멤브레인을 사용할 수 있게 해준다
● 박막의 잘-분산된 바이오층- 용해된 산소 및 영양소의 확산 거리가 비교적 짧아서 바이오층에 충분한 양의 대사산물이 공급될 수 있다.
● 공랭식- 반응기 어셈블리는 자연 대류로 냉각될 수 있어 냉방에 따른 비용이 들지 않는다.
● 저중량- 본 발명의 생물반응기를 지지하기 위해 어떠한 주요 빌딩 구조물이 필요하지 않아 쉽게 배치할 수 있다.
● 저가- 성분들이 저렴하고 쉽게 이용가능하다.
● 대기압에서 가동- 개발되는 생물학적 공정이 모두 대기압에서 가동되므로 값비싼 구조물을 필요로 하지 않는다.
● 배양물이 생물반응기 멤브레인의 가스면 상에서 성장한다- 이것은 바이오층과 가스상 사이의 접촉 면적을 증가시키고 영양소 액으로부터 바이오층을 효과적으로 제거할 수 있다.
● 양면이 사용가능- 단일면 시스템에 비교하여 시스템의 표면적을 증가시킨다.
● 탄력성있는 멤브레인- 멤브레인을 내구성 있고 거의 원하는 형태로 배치가 가능하다.
● 생성물의 쉬운 분리- 바이오층은 영양소 액으로부터 항상 분리된다.
● 저가의 운전비
● 특수한 전문적인 지식을 필요하지 않음- 시스템은 단순하므로 시스템을 가동하는데 최소의 교육만 요구된다.
● 자동화 가능성
● 높은 생산율- 종래 생물반응기보다 높은 생산율(타입 1 세라믹 멤브레인 생물반응기보다 2등급 크고, 페니실린 제조용 에어-리프트 생물반응기 형태보다 40배 빠르다)
● 바이오층의 폭넓은 선택- 박테리아, 효모, 균류, 동물 및 식물 세포에 적합
● 최소공간- 멤브레인은 수직으로 달 수 있다.
● 높은 생산수율- 사용된 물질 단위당 높은 수율
● 바이오층의 빠른 성장 속도
● 연속 흐름- 연속식 공정에 편리한 연속 모드로 사용될 수 있다.
● 재생가능- 바이오층은 효과적으로 세척가능하며 여러번 재사용/리사이클링이 가능하다.
● 높은 가스 전달- 고정화된 배양물의 완전한 기능을 용이하게 한다.
● 탄력성 있는 반응기 구조- 멤브레인에 손상을 가하지 않고 변형이 가능하다.
● 비교적 드문 정지시간으로 새로운 바이오메스 배치로 가동할 수 있다.
● 영양소 첨가 및 생성물의 생성 사이에 짧은 래그 타임(동시발생의 1차 및 2차 대사작용)
● 개선된 바이오층의 수명
● 동시 2차 및 3급 처리
● 빠른 배양 재성장에 이은 바이오메스 제거시 바이오메스의 쉬운 분리
[실시예 1]
페니실린 생합성 및 탄수화물 소비 분석
밀폐-시스템 나노파티클 멤브레인 생물반응기
4개의 파우치를 90 X 80mm 크기로 직물 유리섬유로 제조한 후 알루미늄 포일 리드로 덮여진 1000ml 비이커에 부유된 스테인레스 스틸 프레임 상에서 조립하였다. 상요된 직물 유리 매트는 cm당 22개의 스트랜드(strand)를 가지며 중량이 80g/m2이었다. 습윤성 유리를 제조하기 위해 후술하는 방법으로 플라즈마 에칭하였다. 이어서, 모든 기술은 무균에 처리되고 클래스II 바이오세이프티 캐비넷에서 실시되었다. pH 10의 40ml의 감마선-멸균 콜로이드성 실리카 용액(BindzilTM, Eka Chemicals)을 유니버셜 인디케이터(universal indicator) 및 4.0M의 HCL(염산)을 사용하여 pH를 6으로 조절하고 겔화를 시작하였다. 8.0 X 1010cfu/ml을 함유하는 4.0ml의 P. 크리소게눔 포자 현탁액을 겔화 실리카 졸에 첨가하였다. 10.0ml의 콜로이드성 실리카를 동일한 방법으로 pH를 6으로 조절하고 9.0 X 1010cfu/ml을 함유하는 1.0ml의 A. 니가 포자 현탁액으로 도핑하였다. 약 8.0, 10.0 및 12.0ml의 P. 크리소게눔-도핑처리된 콜로이드성 실리카를 3개의 유리 파우치에 각각 침지시켰다. 약 8.0ml의 A. 니가를 도핑한 콜로이드성 실리카를 4번째 파우치에 침지하였다. 맥아 추출물 3.0g/l; 펩톤 5.0g/l; 효모추출물 3.0g/l; 및 글루코스 10g/l를함유하는 위커함스(Wickerham's) 맥아 효소 추출물 배양액(MYEB) 100ml를 각각의 파우치를 루멘에 첨가한 후에 모든 파우치를 겔화시키고 재분산을 막기 위해 20℃에서 밤새 에이징(aging)하였다. 초기에 나노파티클 멤브레인 생물반응기(NMBs)는 누수하였으며 유출액은 유출 속도보다 빠른 유속을 갖는 연동펌프(peristaltic pump)를 경유하여 루멘으로 복귀하여, 루멘은 항상 충만되었다. 파우치의 상부 10mm까지 배양액으로 충진하여, 각각의 면에 80 x 80mm의 배양면적을 만들어, 총 128cm2의 배양 멤브레인을 얻었다. 파우치를 28℃에서 배양하였다. 각각의 생물반응기(NMB)로 부터 1.0ml의 샘플을 매일 채취하고 탄수화물 농도 및 pH를 분석하였다. 디스크-확산 분석법을 경우하여 페니실린 생산을 위해 P.크리소게눔 배양물도 시험하였다. MYEB를 4일 마다 제거하였다. 100ml의 멸균 0.85% 식염수를 사용하여 각각의 생물반응기를 1시간동안 세척하였다. 식염수를 샘플링하고 페니실린(P. 크리소게눔만) 분석하고 나머지는 폐기하였다. NMB중의 100ml의 신선한 MYEB로 바꾸고 다음 배치를 시작하였다. 각 배치가 시작할 때마다 1.0ml의 샘플을 채취하였다. 주입식 생물반응기(후술함) 중의 P. 크리소게눔 배양물을 제외하고는, 각각의 배치를 4일간 지속하였다. 8번의 배치 후, 신선한 MYEB로 다음 배치를 시작하기 전, 스패튤라(spatula)로 NMB로부터 바이오메스를 무균적으로 스크레핑하였다.
주입식 생물반응기( Sparged Bioreactors , SB )
2개의 주입식 생물반응기(SB)를 2개 구멍이 있는 마개를 지닌 500ml 스코트(Schott) 병으로부터 조립하였다. 각 용기의 바닥에 있는 100ml의 MYEB를 통해 약 1.0L/min의 속도로 하나의 튜브에 무균 여과 공기를 주입하였다. 다른 튜브에는 방출을 위해 다른 필터를 통하여 공기 유출을 실시하였다. 생물반응기를 1.0ml의 포자 현탁액(상술한 P. 크리소게눔 및 A. 니가)으로 접종하고 28℃에서 배양하였다. 매일 1.0ml의 샘플을 채취하고 상기에서 나노파티클 멤브레인 생물반응기에 대해 상술한 바와 같이 분석하였다. 주입식 생물반응기 중의 P. 크리소게눔에 대해, 페니실린 농도가 떨어질 때 배치를 중단하였다.
표 1: 여러 가지 생물반응기에서 배양된 P. 크리소게눔의 물질대사 변수
생물반응기 배치 Yp Yp /s Rp 래그 [COH]pen
NMB 1 16.8 1.2 0.18 43 14.6
2 44.3 3.4 0.64 0 13.8
3 30.7 2.4 0.32 0 13.1
4 55.8 4.3 0.59 0 13.6
5 52.8 4.3 0.54 0 13.1
6 50.4 3.9 0.72 0 13.8
7 33.9 2.8 0.34 0 12.9
8 47.3 3.8 0.49 0 13.4
9 69.3 5.2 0.88 0 14.1
SB 1 28.6 2.0 0.14 113 0.7
2 9.8 1.3 0.14 46 4.4
CMB* 1 2.2 0.4 0.014 98 0.8
Yp : 페니실린의 수율(㎍/㎖)
Yp /s : 소비한 탄수화물로 나눈 Yp(㎍/㎎)
Rp : 페니실린 생성 속도(㎍/mlh)
래그 : 새로운 배지의 첨가부터 페니실린 생성이 시작할 때까지 걸리는 시간(h)
[COH]pen : 페니실린 생성 시작시 탄수화물의 농도
NMB : 나노파티클-멤브레인 생물반응기
SB : 주입식 생물반응기
* : 종래기술 데이터
표 2: NMB 및 주입식 생물반응기( SB )에서 배양된 A. 니가의 물질대사 변수
생물반응기 배치 Tp Rs
NMB 1 47 0.30
2 21 0.57
3 21 0.63
4 26 0.52
5 21 0.60
6 25 0.50
7 21 0.60
SB 1 66 0.22
2 45 0.24
3 46 0.26
4 72 0.17
5 69 0.17
6 71 0.17
7 116 0.10
Tp : 탄수화물 제거에 필요한 데시멀 리덕션 타임(Decimal reduction time)
Rs : 탄수화물 소비속도(㎎/mlh)
SB : 주입식 생물반응기
도 6 및 도 7을 비교하면, 본 발명의 생물반응기는 재생을 필요로 하기 전에 훨씬 많은 생성 사이클을 가지며, 각각의 사이클에서 탄수화물 소비 및 페니실린 생성 속도는 대응되는 주입식 생물반응기보다 훨씬 빠르다는 것을 나타내고 있다.도 8과 도 9를 비교하여 보면 본 발명에 따른 생물반응기 중의 A. 니가의 경우, 탄수화물 소비속도는 대응되는 주입식 생물반응기보다 훨씬 빠르고, 생물반응기는 눈에 보일만한 성능의 저하 없이 사이클을 반복할 수 있다는 나타내고 있다.
[실시예 2]
물질 분석
다른 물질들
4개의 파우치(90 x 80mm)를 직물 유리섬유(실시예 1에서 기술), 면(칼리코), 폴리에스테르 및 폴리에스테르-면(70/30) 블랜드로부터 조립하였다. 각 물질의 섬유 밀도는 직물 유리물질 20 strands/cm; 면(칼리코) 20 strands/cm; 폴리에스테르 26strands/cm; 및 폴리에스테르-면(70/30) 24 strands/cm이다. 파우치를 20℃에서 15분간 1.0M의 KOH 용액으로 세척 후, 린스 및 오븐 건조하였다. 40ml의 감마선 멸균 콜로이드성 실리카(실시예 1에서 기술)에 0.2M의 유니버셜 인디케이터를 첨가하였다. 약 0.6ml의 4M HCL(염산)을 가하여 pH를 6으로 조절하였다. 이어서 콜로이드성 실리카를 7 x 107 cfu/ml를 함유하는 P. 크리소게눔 포자 현탁액으로 도핑하였다. 현탁액을 각각의 파우치에 침지시켜 포화시켰다. 미세한 위브 직물이 쉽게 포화되었으며 미세한 멤브레인을 생성하였다. 각각의 파우치에 80ml의 MYEB(실시예 1에서 기술)를 첨가하기 전에 파우치를 밤새 에이징(aging)하였다. 탄수화물, 페니실린 및 pH분석을 위해 1.0ml의 샘플을 매일 채취하였다. 4일 후, MYEB를 제거한 후 새로운 MYEB로 대체하고 다시 배양하기 전에 생물반응기를 멸균 0.85% 식염수로 1시간 세척하였다.
4개의 다른 파우치에 대한 결과치는 도 10 내지 13에 도시하였으며, 모든 파우치에 대한 탄수화물 소비 속도를 비교할 수 있으며, 모든 파우치에서, 페니실린 생성은 연속 배치에서 개선되었다. 이것은 멤브레인 상의 바이오층의 성장에 기인한 것이다. 도 10 내지 13의 데이터로부터 폴리에스테르 파우치가 다른 파우치보다 낮은 수준의 페니실린을 생성하였다.
다른 겔( Gels )
3개의 유리 파우치 및 1개의 면 파우치(90 x 80 mm)를 KOH 용액에 세척하고 오븐 건조하였다. 면 파우치(NMB1)에는 겔을 첨가하지 않는 대신 7 x 106cfu/ml을 함유하는 A. 니가 포자 현탁액 1.0ml로 스왑(swab, 멸균면봉)하였다. T0에서 5.0ml의 MYEB 만을 파우치에 첨가하였다. 10ml의 MYEB를 매일 첨가하였다. 3일 후에 MYEB를 80ml의 신선한 MYEB로 대체하고, 리턴 튜브를 연동펌프(peristaltic pump)에 부착및 조립하고 상부층까지 오버플로하였다. 즉시 방수가 되었는데, 이는 바이오메스가 별개의 나노다공성 겔 없이 생물반응기에서 멤브레인으로 가동할 수 있다는 것을 보여준다. 유리 파우치를 한천 한천(NMB2), 알긴산칼슘(NMB3) 및 콜로이드성 실리카(NMB4)로 도핑하였다.
10ml의 뜨거운 1.5% 한천 용액을 유리 파우치에 침지시킨 후 20℃에서 냉각하여 겔화하였다. 파우치를 7 x 106cfu/ml를 함유하는 A. 니가 포자 현탁액 0.1ml로 스왑하였다. 80ml의 MYEB로 충진하고, 28℃에서 배양하였다.
두 번째 유리 파우치를 알긴산 칼슘으로 도핑하였다. 유니버셜 인디케이터 및 0.2㎛ 여과 1M NaOH용액을 사용하여 5.0ml의 4% 알긴산의 pH를 6으로 조절하였다. 졸(sol)을 유리 파우치에 침지시키고, 4% CaCl2H20 용액 중에 세척하여 알긴산을 겔화하였다. 파우치를 0.1ml의 A.니가 포자 현탁액으로 스왑하고, 80ml의 MYEB를 첨가하였다.
세 번째 유리 파우치를 0.1ml의 A. 니가 포자 현탁액을 함유하는 콜로이드성 실리카로 도핑하고 80ml의 MYEB를 가하기 전에 밤새 에이징하였다.
모든 파우치를 28℃에서 배양하였다. 4일 경과 후 모든 파우치 중의 MYEB를 대체하였다.
결과를 도 14에 나타내었다. 이로부터, 서로 다른 겔은 매우 유사하게 실행되었다. 겔이 없는 파우치조차도 1차 배치(batch) 후 겔을 가진 파우치와 비교할만한 정도의 속도로 탄수화물을 소비하였다.
나노파티클 멤브레인 생물반응기에서 배양된 A. 니가에 의한 원소 흡수
유리 지지체중에 지지된 실리카 겔을 가진 겔 분석중의 나노파티클 멤브레인 생물반응기로부터 3.0ml의 샘플을 채취하여 유도 결합 플라즈마 방출 분광업(ICP-AES)를 이용한 원소 분석을 하였다. ICP-AES는 AIM 오토샘플러와 함께 바리안 비스타(Varian Vista) ICP-AES를 사용하여 3.0ml의 질산으로 증해시킨 샘플 상에서 실시하였다. 배치가 시작할 때와 끝날때, CNS(탄소/질소/황) 분석을 위해 50ml의 샘플을 채취하였다. CNS 분석은 오븐 건조시킨 50ml의 배양액 샘플로 실시하였으며, Leco CNS-2000으로 분석하였다. 한 번의 배치(3일) 후에, 소비한 배양액을 생물반응기에서 제거하였다. 40ml의 1% CuSO4 용액을 NMB1에 첨가하였으며, 79.2ml의 MYEB 및 0.1%의 CuSO4; 0.2%의 ZnSO4 .7H2O; 0.2%의 MnSO4 .H2O; 0.2%의 NiCl2를 함유하는 0.8ml의 금속 용액을 pH 4.00에서 PbCl2로 포화시키고, NMB2 및 NMB3에 첨가하였으며, 80ml의 금속 용액을 NMB4에 첨가하였다.
결과를 도 15에 도시하였다. 이 결과는 탄수화물의 소비는 용액 중의 칼륨, 인, 칼슘 및 마그네슘의 손실에 대개 평행하다는 것을 나타낸다. 아연 농도는 매우 낮은 출발 농도에서 시작하였지만 비교할만한 시간에 걸쳐 떨어졌으며, 황 농도의 감소는 다른 분석대상물만큼 황의 농도가 떨어지지 않았지만 비교할만한 시간에 걸쳐 발생하였다. 유리 지지체에서 지지되는 실리카 겔을 가지는 생물반응기상에서 성장한 A. 니가의 2차 배치 배양물에 대한 CNS 분석결과 23시간 내에 77%의 총 탄소, 61%의 총 질소 및 65%의 총 황을 소비하였다.
[실시예 3]
연속 유동성 나노파티클 멤브레인 생물반응기
연속 유동성 나노파티클 멤브레인 생물반응기 미니어처를 스테인리스 스틸 저장조(80 x 30 x 25 mm) 및 상부면 100mm 가까이 있는 슬릿을 통해 연장된 저장조에서 조립된 스테인리스 스틸 비계로 제조하였다. A.니가-도핑된 콜로이드성 실리카 및 직물 유리 섬유 매트로 구성되며, 가장자리에서 접합한 한 쌍의 멤브레인을 비계에서 조립하였다. 2개의 호스를 부착하여 이들이 멤브레인 쌍에 의해 한정된 박막 루멘으로 유입되게 하였다. 저장조의 상부에 있는 슬릿내로 유입된 멤브레인 쌍의 바닥부와 2개 호스의 다른 단부를 상부면의 2개의 구멍을 통해 저장조로 삽입시킨다. 호스를 연동 펌프에서 조립하고, 저장조와 비계를 알루미늄 포일 리드가 씌어진 1000ml 비이커에서 하우징한다. NMB를 60ml의 MYEB로 충진한 후 28℃에서 배양하였다. 탄수화물 및 pH 분석을 위해 1.0ml의 샘플을 매일 채취하였으며 4일 후에 MYEB를 대체하였다. 결과를 도 16에 도시하였다. 데이터는 첫 번째 배치는 배 치 반응기보다 연속식 유동 반응기에 대해 느린 탄수화물 소비를 제공하였으나 연속식 배치는 배치식 반응기와 비교할만하다는 것을 나타낸다. 바이오층은 연속식 유동 시스템으로 설정하기 위해 보다 느려지지만, 일단 설정이 되면 고정 배치 시스템에서도 실시될 수 있는 것으로 나타났다.
유리섬유 매트의 제조
2가지 방법으로 실리카 겔을 접착하기 위해 직물 유리 파우치를 프라임(prime) 처리한다. 즉, 히드록실이 없는 라디칼(이하 참조); 및 1M의 수산화칼륨(KOH) 욕으로 20℃에서 15분간 물-플라즈마 에칭한다. 13.56 mH RM에서 가동하는 40 W RF-플라즈마 발생기에서 5.0 x10- 2밀리바로 유지되는 물 플라즈마중에서 6.0분간 파우치를 에칭하여 이들의 표면이 습윤성을 갖도록 수산화하였다. 이 기술은 실시예 1에 사용되었으며, KOH 용액 중에 침지시키는 방법은 실시예 2 및 3에 사용되었다. 오븐을 사용하여 유리 매트에서 소수성 사이즈제를 태워서 매트 표면을 습윤성있게 할 수 있다는 것도 파악되었다. 또한, 수증기 존재하여 UV-조사를 실시하여 유리 물질을 습윤성을 갖게 할 수 있다는 것도 알게 되었다. 유리섬유 매트 또한 사이징(sizing)을 제거하기 위해 1시간 동안 진한 질산으로 처리할 수 있다.
[실시예 4]
폐수 처리
페수액으로부터 화학약품 회수를 시뮬레이션하기 위해, 시뮬레이션할 폐수로서 A. 니가를 맥아 추출물 배양액(30.0 g/L)으로 30℃에서 8개의 파우치-형 NMB중 에서 성장시켰다. 매일 간격을 두고, 전체 NMB를 로스-온-이그니션(loss-on-ignition) 분석을 하여 바이오메스 부하량을 측정하였다. 액체 배양액을 110℃에서 탈수하여 용해된 고형분의 함량을 측정하고, 동일한 용액 샘플을 ICP-AES 및 CNS로 분석하여 시뮬레이션한 폐수 중의 서로 다른 원소들의 함량을 측정하였다. 결과를 도 17 및 도 18에 나타내었다.
[실시예 5]
생화학표백 및 생체 내 변화
에시디티오바실러스 페록시던스를 쉐이크 플라스크 배양물(100r.p.m의 110ml 배지) 및 파우치형 NMB(100ml 배양액을 함유하는 126cm2)에서 FeSO4.7H2O의 형태로 3.8 및 23.0 g/L Fe2 +를 지닌 DSMZ #670 배지 중에서 30℃로 배양하였다. 각각의 배치(3-4일) 후에 용액을 NMB에서 배출하고, 100ml의 새로운 배지로 교체하고 이전 배치로부터 채취한 10ml로 접종하였다. 배양물의 Fe3 + 농도를 분석하였다. 결과를 시간에 따른 Fe3 + 변화를 나타낸 도 19에 도시하였다.
[실시예 6]
포유류 조직배양
마우스 유방암 세포 라인 MAT 및 B16과 햄스터 섬유아세포 세포 라인 V79를 1리터당 100ml의 태아 소 혈청, 0.292g의 L-글루타민, 63mg의 페니실린 및 100mg의 스트렙토마이신을 함유하는 RPMI 1640 배지에서 배양하였다. 세포를 5.0% CO2를 함 유하는 가습 분위기에서 37.0℃에서 배양하였다. 세포를 72cm2의 배양된 멤브레인을 가지는 50ml의 배지를 함유하는 실리카 겔로 도핑한 직물 유리 물질로 구성된 파우치형 NMB 및 10ml의 배지를 함유하는 24cm2의 조직배양 플라스크에서 배양하였다. 세포를 트립신 EDTA 용액으로 채취하고 트리판 블루(trypan blue)로 착색하고, 혈구계산기로 계산하였다. 시험한 모든 세포 라인에 대한 NMB의 외부면에서의 세포 성장은 빈약했는데(표 3), 이는 탈수화, 독성 산소 중 또는 이 두 가지에 기인한다. 또한, 실리카가 너무 친수성인 것도 이유인데, 포유류 조직은 메틸화(소수성) 실리카 겔 상에서만 성장하는 것으로 알려지고 있다.
표 3: NMB 및 조직 배양 플라스크 중의 포유류 조직
배양 용기 조직배양
MAT B16 V79
NMB
가스 면( cells / cm 2 ) 2.2 x 104 8.3 x 104 2.8 x 105
액상 면( cells / cm 2 ) 7.2 x 105 3.3 x 105
루멘( cells / ml ) 9.0 x 106 2.9 x 106
비이커 베이스 * ( cells / cm 2 ) 3.9 x 106 1.5 x 105
TCF
플라스크 베이스( cells / cm 2 ) 3.6 x 106 4.2 x 107 1.6 x 107
NMB: 나노파티클 멤브레인 생물반응기;
*: NMBssm 비이커 중에 부유되며, 액상 배지를 비이커 내로 스며들고,
연동펌프를 통해 파우치로 돌아온다.
TCF: 조직 배양 플라스크
본 발명의 생물반응기는 항체, 기타 의약품 및 화장품의 제조; 하수 처리; 생화학표백 및 기타 채광 응용; 생합성(산업 및 연구용 식품 및 화학약품); 탄소, 질소, 인 및 금속 이온 제거를 위한 2급 및 3급 폐수 처리; 독성 폐수의 생물학적 정화; 오염된 음용수의 정화; 동물 및 식물 조직의 배양; 배양된 호기성 세포가 사용되는 분야; 식품의 발육(우주산업용); 생합성용 동물 조직의 사용; 연료 제조용(바이오연료) 유기물질의 회수; 인공 기관 및 이식, 및 호르몬의 생합성 및 기타 포유류-유도된 의약품용 동물 조직의 배양 등에 적용될 수 있다.

Claims (43)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 지지체에 의해 강화된 겔을 포함하며, 멤브레인은 영양소 면, 가스 면 및 상기 면 사이에 두께를 가지며, 상기 멤브레인은 가스면 상 및 가스 면에 인접한 멤브레인에서 선택된 위치에 고정화된 바이오층을 가지며, 겔은 상기 영양소 면과 바이오층 사이를 왕래하고 바이오층을 통하여 영양소 액을 확산하게 하는 것을 특징으로 하는 멤브레인.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 바이오층은 박테리아, 균류, 동물세포, 포유류 세포, 식물세포, 원생동물, 기타 생물학적 물질, 원핵세포 및 진핵세포로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 멤브레인.
  6. 멤브레인 지지 구조체; 및
    멤브레인-지지 구조체상에 지지된 멤브레인을 포함하며, 상기 멤브레인은 영양소 면, 가스 면 및 상기 면 사이에 두께를 가지며, 상기 멤브레인은 가스면 상 및 가스 면에 인접한 멤브레인에서 선택된 위치에 고정화된 바이오층을 가지며, 상기 멤브레인은 영양소 면으로부터 나온 영양소 액을 고정화된 바이오층으로 확산시키고, 상기 멤브레인-지지 구조체는 하나 이상의 멤브레인을 지지하며, 상기 멤브레인은 쌍으로 배열되어 각 쌍이 두 개의 멤브레인 쌍 사이에 내부영역을 한정할 수 있도록 결합되는 것을 특징으로 하는 생물반응기.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 두 개의 멤브레인 쌍 사이의 내부영역은 두 개의 멤부레인의 각각의 영양소 면에 인접하고 있는 것을 특징으로 하는 생물반응기.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 영양소 액은 사용시 무산소인 것을 특징으로 하는 생물반응기.
  9. 멤브레인 지지 구조체; 및
    수직으로, 수평이 아니게 수평면에 대해 제로(O) 각이 아닌, 수평면에 대해 30° 내지 90°, 수평면에 대해 45° 내지 90°, 수평면에 대해 60° 내지 90°, 수평면에 대해 45° 내지 60°, 수평면에 대해 30°, 수평면에 대해 45°, 수평면에 대해 60°, 수평면에 대해 75° 및 수평면에 대해 90°의 각으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 방향으로 멤브레인-지지 구조체 상에 지지된 멤브레인을 포함하며, 상기 멤브레인은 영양소 면, 가스 면 및 상기 면 사이에 두께를 가지며, 상기 멤브레인은 가스 면 및 가스 면에 인접한 멤브레인으로부터 선택된 위치에 고정화된 바이오층을 가지며, 상기 멤브레인은 영양소 면으로부터 나온 영양소 액을 고정화된 바이오층으로 확산시키며, 상기 멤브레인-지지 구조체는 멤브레인 및 비-다공성 지지체 사이에 내부영역을 한정하도록 배치된 비-다공성 지지체를 포함하며, 상기 비-다공성 지지체는 영양소 액에 불침투성인 물질을 포함하는 생물반응기.
  10. 멤브레인 지지 구조체; 및
    하나의 지지체에 의해 강화된 겔을 포함하는 멤브레인을 포함하며, 상기 멤브레인은 영양소 면, 가스 면 및 상기 면 사이에 두께를 가지며, 상기 멤브레인은 가스면 상 및 가스 면에 인접한 멤브레인에서 선택된 위치에 고정화된 바이오층을 가지며, 겔이 영양소 면과 바이오층 사이를 왕래하며, 영양액을 영양소 면을 통해 바이오층으로 확산시키게 하고, 상기 멤브레인은 상기 멤브레인-지지 구조체상에서 지지되는 것을 특징으로 하는 생물반응기.
  11. 제 6 항에 있어서, 상기 멤브레인은 수직으로 지지되는 것을 특징으로 하는 생물반응기.
  12. 멤브레인 지지 구조체; 및
    멤브레인-지지 구조체상에 지지된 평면상 멤브레인을 포함하며, 상기 멤브레인은 영양소 면, 가스 면 및 상기 면 사이에 두께를 가지며, 상기 멤브레인은 가스면 상 및 가스 면에 인접한 멤브레인에서 선택된 위치에 고정화된 바이오층을 가지며, 상기 멤브레인은 영양소 면으로부터 나온 영양소 액을 고정화된 바이오층으로 확산시키고, 상기 멤브레인-지지 구조체는 상기 멤브레인의 한 부분이 상기 멤브레인의 다른 부분에 평행하여, 상기 두 부분 사이에 내부 영역을 한정하는 형태로 배열된 멤브레인을 지지하는 것을 특징으로 하는 생물반응기.
  13. 제 6 항에 있어서, 상기 두 개의 멤브레인 각 쌍 사이의 거리를 유지하기 위해 하나 이상의 스페이서를 가지는 것을 특징으로 하는 생물반응기.
  14. 제 6 항에 있어서, 상기 영양소 액을 멤브레인의 영양소 면으로 유입하는 입구, 멤브레인의 영양소 면으로부터 나온 영양소 액을 제거하기 위한 출구, 및 출구로부터 입구까지 영양소 액을 리사이클링하기 위한 리사이클링 시스템을 구비하는 것을 특징으로 하는 생물반응기.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 리사이클링 시스템은 산소가 액체로 접근하는 것을 방지할 수 있는 것을 특징으로 하는 생물반응기.
  16. 제 6 항에 있어서, 영양소 액으로부터 산소를 제거하기 위한 산소 제거기를 포함하는 것을 특징으로 하는 생물반응기.
  17. 제 6 항에 있어서, 멤브레인으로부터 고형분 물질을 제거하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 생물반응기.
  18. 지지물질을 포함하며 및 영양소 액을 영양소 면으로부터 생물학적 물질로 확산시킬 수 있는 멤브레인의 상기 영양소 면에서부터 떨어져서, 상기 멤브레인 상에 상기 생물학적 물질을 고정화시키고; 상기 고정화는 멤브레인을 다수의 세포 또는 포자에 노출시켜 적어도 일부의 다수 세포 또는 포자가 여기에 부착되도록 하고; 및 상기 영양소 액을 상기 멤브레인의 영양소 면으로 공급하고, 생물학적 물질이 가스 면의 고정화된 바이오층에 생성될 수 있는 조건으로 멤브레인의 가스 면을 가스에 노출시키고, 상기 멤브레인은 생성된 고정화된 바이오층으로부터 세포를 제거할 수 있도록 접근이 가능한 단계를 포함하는 가스면상에 고정화된 바이오층을 가지는 멤브레인의 제조방법.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 영양소 액은 무산소인 것을 특징으로 하는 멤브레인의 제조방법.
  20. 제 18 항에 있어서, 상기 가스는 산소를 함유하는 것을 특징으로 하는 멤브레인의 제조방법.
  21. 제 18 항에 있어서, 상기 멤브레인은 나노다공성 멤브레인, 중립다공성 멤브레인, 미세기공 멤브레인 및 하나 이상의 나노스케일, 메조스케일 및 마이크로스케일 기공의 결합체를 갖는 멤브레인으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 멤브레인의 제조방법.
  22. 제 18 항에 있어서, 상기 멤브레인은 지지체에 의해 강화된 겔을 포함하며, 상기 멤브레인은 서로 마주보는 면을 가지며, 상기 면 사이에 두께가 있어서 겔은 서로 마주보는 면을 왕래하며 상기 멤브레인을 통해 영양소 액이 확산되는 것을 특징으로 하는 멤브레인의 제조방법.
  23. 제 18 항에 있어서, 상기 영양소 제공 단계는 영양소 액으로부터 산소 제거를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤브레인의 제조방법.
  24. 제 18 항에 있어서, 상기 고정화 단계는 나노다공성 고체 또는 겔을 생성할 수 있는 전구체 액을 상기 지지 물질 내로 주입하고; 및 상기 지지물질에서 나노다공성 고체 또는 겔을 생성하여 멤브레인을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤브레인의 제조방법.
  25. 제 24 항에 있어서, 상기 전구체 액은 다수의 세포 또는 포자를 포함하며, 나노다공성 고체 또는 겔의 생성공정은 멤브레인 내의 적어도 일부의 세포 또는 포자를 고정화시키는 것을 특징으로 하는 멤브레인의 제조방법.
  26. 제 24 항에 있어서, 지지물질의 표면을 세척하기 위한 목적, 지지물질의 표면을 더욱 친수성으로 만들기 위한 목적, 및 사이즈제 및 기타 오염물질의 표면을 세척하기 위한 목적으로 구성된 군으로부터 선택된 목적을 위해, 주입단계 이전에, 상기 지지물질을 알카리 수용액, 산성 수용액, 산성 가스 또는 물 플라즈마에 노출시킴으로써 상기 지지물질을 처리하는 단계를 부가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 멤브레인의 제조방법.
  27. 제 24 항에 있어서, 상기 전구체 액은 콜로이드성 실리카를 포함하며, 나노다공성 고체 또는 겔의 생성단계는 지지체에 주입된 전구체 액의 pH를 변화시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 멤브레인의 제조방법.
  28. 멤브레인 지지 구조체; 및
    상기 멤브레인-지지 구조체상에 지지되며, 영양소 면, 가스 면 및 상기 면 사이에 두께를 가지며, 및 고정화된 바이오층을, 가스면 상 및 가스 면에 인접한 멤브레인에서 선택된 위치에서 가지는 멤브레인을 포함하는 생물 반응기로서, 상기 멤브레인은 영양소 액을 영양소 면에서부터 고정화된 바이오층으로 확산시키고, 및 상기 멤브레인-지지 구조체는 하나 이상의 멤브레인을 지지하며, 상기 멤브레인은 쌍으로 배열되어 각 쌍이 두 개의 멤브레인 쌍 사이에 내부영역을 한정할 수 있도록 결합되는 생물 반응기를 가동하는 방법에 있어서, 상기 방법은
    상기 멤브레인의 영양소 면을 영양소 액에 노출시키고, 바이오층을 가스에 노출시키고, 및 상기 영양소 액을 상기 멤브레인의 영양소 면에서부터 상기 바이오층으로 확산시키는 것을 포함하는 생물반응기의 가동방법.
  29. 제 28 항에 있어서, 상기 영양소 액은 무산소인 것을 특징으로 하는 생물 반응기의 가동방법.
  30. 제 28 항에 있어서, 상기 영양소 액의 확산은 외부의 압력없이 실시되는 것을 특징으로 하는 생물 반응기의 가동방법.
  31. 제 28 항에 있어서, 상기 가스는 산소를 함유하는 것을 특징으로 하는 생물 반응기의 가동방법.
  32. 제 28 항에 있어서, 상기 멤브레인의 영양소 면을 영양소 액에 노출시키는 단계는 영양소 면을 통과한 영양소 액을 리사이클링하는 것을 포함하는 특징으로 하는 생물 반응기의 가동방법.
  33. 제 28 항에 있어서, 상기 영양소 액은 멤브레인을 통하여 멤브레인의 가스 면에 인접한 가스 영역으로 통과하지 않는 것을 특징으로 하는 생물 반응기의 가동방법.
  34. 제 28 항에 있어서, 상기 바이오층 및 영양소 액의 조성물은 의약품 제조, 항체 제조, 백신 성분의 제조, 음식물질의 제조, 세포 제조, 효모 제조로 구성되는 그룹으로부터 선택된 목적 및 영양소 액중의 성분을 제거, 분해하거나 전환할 목적으로 선택되는 것을 특징으로 하는 생물 반응기의 가동방법.
  35. 제 28 항에 있어서, 상기 바이오층 및 상기 영양소 액의 조성은 항생제 또는 백신 제조를 위해 선택되는 것을 특징으로 하는 생물 반응기의 가동방법.
  36. 제 28 항에 있어서, 영양소 액으로부터 산소를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 생물 반응기의 가동방법.
  37. 제 28 항에 있어서, 상기 생물 반응기의 생성물을 분리하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 생물 반응기의 가동방법.
  38. 제 37 항에 있어서, 상기 분리단계는 영양소 액으로부터 생성물을 분리하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 생물 반응기의 가동방법.
  39. 제 37 항에 있어서, 상기 분리단계는 가스 면으로부터 고형분 물질을 채취하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 생물 반응기의 가동방법.
  40. 제 28 항에 있어서,
    제 2 액체를 멤브레인의 영양소 면에 도입하고,
    제 2 기간 동안 멤브레인을 제 2 액체에 노출시키고,
    제 2 액체로부터 생성물을 분리하는 것을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 생물 반응기의 가동방법.
  41. 제 18 항에 있어서, 상기 멤브레인은 지지체에 의해 강화된 겔을 포함하며, 상기 멤브레인은 서로 마주보는 면을 가지며, 상기 면 사이에 두께가 있어서 겔은 서로 마주보는 면을 왕래하며 상기 멤브레인을 통해 영양소 액이 확산되는 것을 특징으로 하는 멤브레인의 제조방법.
  42. 제 28 항에 있어서, 상기 멤브레인은 지지체에 의해 강화된 겔을 포함하며, 상기 멤브레인은 서로 마주보는 면을 가지며, 상기 면 사이에 두께가 있어서 겔은 서로 마주보는 면을 왕래하며 상기 멤브레인을 통해 영양소 액이 확산되는 것을 특징으로 하는 생물 반응기의 가동방법.
  43. 삭제
KR1020067026646A 2004-05-18 2006-12-18 멤브레인 생물반응기 KR101090881B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
AU2004902629A AU2004902629A0 (en) 2004-05-18 Membrane Bioreactor
AU2004902629 2004-05-18
PCT/AU2005/000713 WO2005111193A1 (en) 2004-05-18 2005-05-18 Membrane bioreactor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20070053662A KR20070053662A (ko) 2007-05-25
KR101090881B1 true KR101090881B1 (ko) 2011-12-08

Family

ID=35394156

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020067026646A KR101090881B1 (ko) 2004-05-18 2006-12-18 멤브레인 생물반응기

Country Status (11)

Country Link
US (1) US7951555B2 (ko)
EP (1) EP1751269B1 (ko)
JP (2) JP5647760B2 (ko)
KR (1) KR101090881B1 (ko)
CN (1) CN1989236B (ko)
CA (1) CA2566841C (ko)
IL (1) IL179311A (ko)
MX (1) MXPA06013421A (ko)
NZ (1) NZ551783A (ko)
WO (1) WO2005111193A1 (ko)
ZA (1) ZA200609979B (ko)

Families Citing this family (33)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
MX2008002633A (es) * 2005-08-25 2008-09-26 A2Be Carbon Capture Llc Metodo, aparato y sistema para produccion de biodiesel a partir de algas.
CA2629910C (en) 2005-11-17 2013-04-23 Australian Nuclear Science And Technology Organisation Sewage treatment
US8119394B2 (en) * 2006-03-14 2012-02-21 University Of Rochester Cell culture devices having ultrathin porous membrane and uses thereof
MX2010007319A (es) 2008-01-03 2010-10-26 Proterro Inc Microorganismos fotosinteticos transgenicos y fotobioreactor.
WO2009152175A1 (en) * 2008-06-09 2009-12-17 Solix Biofuels, Inc. Permeable membranes in film photobioreactors
KR20150126739A (ko) 2008-09-15 2015-11-12 제넨테크, 인크. 세포 오스몰농도를 조절하기 위한 조성물 및 방법
US8211692B2 (en) * 2008-10-24 2012-07-03 Coskata, Inc. Bioconversion process using liquid phase having to enhance gas phase conversion
CN201313899Y (zh) * 2008-10-27 2009-09-23 宋秋兰 一种新型循环式填充床反应器
KR20100088894A (ko) * 2009-02-02 2010-08-11 에이엠바이오 (주) 멤브레인 생물반응기를 이용한 고농도 유산균의 생산방법 및 유산균 동결건조 분말의 제조방법
EP2377918A1 (en) * 2010-04-16 2011-10-19 ETH Zurich Process for the direct production of fermentation products from biomasses in a biofilm reactor
CN102939143B (zh) * 2010-05-21 2016-05-11 朗泽科技新西兰有限公司 醇产生方法
US20110318778A1 (en) * 2010-06-29 2011-12-29 Petersen Gert Bjoern Organic Substrate Treatment System
KR101913874B1 (ko) * 2010-11-10 2018-10-31 인리젠 장기 확대를 위한 주사가능 제제
BR112013015179B1 (pt) * 2010-12-22 2020-03-24 Toray Industries, Inc. Métodos para produzir um produto químico por fermentação contínua
DE102011082451B4 (de) * 2011-09-09 2013-05-23 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Sensorelement und Verfahren zum Versorgen und Erfassen von biologischem Material mit Nährstoffen
US9884295B2 (en) 2012-10-08 2018-02-06 Doosan Heavy Industries & Construction Co., Ltd. Membrane bioreactor system using reciprocating membrane
CL2012002854A1 (es) * 2012-10-11 2014-03-14 Biosigma Sa Capsulas de microorganismos biomineros viables, con alginato e iones de hierro; metodo de inoculación de microorganismos biomineros que comprende agregar dichas capsulas a un medio que se desea inocular; metodo de biolixiviacion de minerales que controla la inoculación de microorganismos biomineros.
CN105229163B (zh) * 2013-05-21 2023-03-17 3M创新有限公司 纳米结构化孢子载体
CN103463899B (zh) * 2013-10-03 2015-07-15 南京侨兴环保设备有限公司 一种室内湿式除尘净化装置
US9790459B2 (en) 2014-02-18 2017-10-17 University Of Utah Research Foundation Periodic symmetry defined bioreactor
CA2943288A1 (en) 2014-04-23 2015-10-29 Biogill Environmental Pty Limited Water biotreatment unit
CN104556349B (zh) * 2014-12-11 2016-11-30 浙江海洋学院 一种外源植物营养强化原水生物预处理工艺
CN105238684A (zh) * 2015-09-23 2016-01-13 曹晨 一种甲烷氧化菌制备反应器
AU2017227612C1 (en) 2016-03-01 2023-02-16 The Fynder Group, Inc. Filamentous fungal biomats, methods of their production and methods of their use
CN105784943B (zh) * 2016-03-31 2018-03-27 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 一种模拟旋转式生物膜反应器运行状态的装置及方法
MX2020002249A (es) 2017-08-30 2020-10-08 The Fynder Group Inc Productos alimenticios comestibles y diseño de biorreactor.
US20210114903A1 (en) * 2018-03-28 2021-04-22 Sekisui Chemical Co., Ltd. Sheet laminate, method for manufacturing gas supply body, gas supply body, supply body unit, and wastewater treatment device
EP3861098A4 (en) * 2018-10-01 2022-07-06 Membio Inc. CELL CULTURE BIOREACTOR
SG11202108709PA (en) 2019-02-27 2021-09-29 The Fynder Group Inc Food materials comprising filamentous fungal particles and membrane bioreactor design
EP3715499A1 (en) * 2019-03-29 2020-09-30 Picosun Oy Substrate coating
JP2022538816A (ja) 2019-06-18 2022-09-06 ザ・フィンダー・グループ・インコーポレイテッド 真菌織物材料および皮革類似物
CN111482091B (zh) * 2020-05-18 2022-10-21 浙江长兴求是膜技术有限公司 一种高性能的mabr中空纤维复合膜制备方法
KR102501732B1 (ko) * 2022-07-06 2023-02-21 주식회사 에너그린 비위생 매립지 정비를 위한 반응성 차수구조물

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5981211A (en) 1988-05-23 1999-11-09 Regents Of The University Of Minnesota Maintaining cells for an extended time by entrapment in a contracted matrix

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4948728A (en) * 1985-09-03 1990-08-14 California Institute Of Technology Monolith reactor containing a plurality of flow passages and method for carrying out biological reactions
JPH0763354B2 (ja) * 1987-06-30 1995-07-12 リサーチ コーポレイション テクノロジーズ インコーポレイテッド 親水性隔膜と疎水性隔膜とで形成した区画室を備える細胞成長リアクタ
JP2619885B2 (ja) * 1987-11-02 1997-06-11 テルモ株式会社 細胞培養方法およびその装置
JPH0292270A (ja) * 1988-09-30 1990-04-03 Terumo Corp 細胞培養装置
US4937196A (en) * 1989-08-18 1990-06-26 Brunswick Corporation Membrane bioreactor system
DE4206585C2 (de) * 1992-03-03 1994-11-24 Augustinus Dr Med Bader Vorrichtung zur Massenkultur von Zellen
CN2133586Y (zh) * 1992-09-02 1993-05-19 江苏省食品发酵研究所 固定化微生物细胞和酶的膜状载体的制造装置
CN2132750Y (zh) * 1992-09-02 1993-05-12 江苏省食品发酵研究所 固定化微生物细胞和酶的膜状载体
CN1059599C (zh) * 1996-12-27 2000-12-20 中国科学院水生生物研究所 蛙病毒疫苗
CN1263097A (zh) * 2000-01-11 2000-08-16 亓平言 一种从发酵滤液中提取青霉素的工艺
US6387262B1 (en) 2000-06-05 2002-05-14 Northwestern University Hollow-fiber membrane biofilm reactor for autohydrogenotrophic treatment of water
US6379922B1 (en) * 2000-09-20 2002-04-30 National Science Council Membrane enzyme reactor containing a plurality of biocatalyst-immobilized sheets
WO2002094979A2 (en) * 2001-05-24 2002-11-28 Synexa Life Sciences (Proprietary) Ltd Production of secondary metabolites
JP2005034069A (ja) * 2003-07-16 2005-02-10 Fuji Photo Film Co Ltd バイオリアクター及びそれを用いた細胞培養方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5981211A (en) 1988-05-23 1999-11-09 Regents Of The University Of Minnesota Maintaining cells for an extended time by entrapment in a contracted matrix

Also Published As

Publication number Publication date
KR20070053662A (ko) 2007-05-25
CA2566841C (en) 2012-06-19
CA2566841A1 (en) 2005-11-24
CN1989236A (zh) 2007-06-27
EP1751269B1 (en) 2014-10-29
ZA200609979B (en) 2008-06-25
CN1989236B (zh) 2012-05-16
EP1751269A1 (en) 2007-02-14
JP5639098B2 (ja) 2014-12-10
NZ551783A (en) 2009-07-31
IL179311A0 (en) 2007-03-08
EP1751269A4 (en) 2010-02-03
WO2005111193A1 (en) 2005-11-24
JP2007537734A (ja) 2007-12-27
JP2012105678A (ja) 2012-06-07
US7951555B2 (en) 2011-05-31
IL179311A (en) 2013-03-24
JP5647760B2 (ja) 2015-01-07
MXPA06013421A (es) 2007-03-01
US20080044850A1 (en) 2008-02-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101090881B1 (ko) 멤브레인 생물반응기
AU777290B2 (en) Culture chamber
Robertson et al. Dual aerobic hollow‐fiber bioreactor for cultivation of Streptomyces aureofaciens
EP0411658A2 (en) Method for culturing cells
US7560274B1 (en) Culture chamber
US20180028982A1 (en) Container with biofilm formation-inhibiting microorganisms immobilized therein and membrane water treatment apparatus using the same
Qin et al. Confined encapsulation of living cells in self-assembled fiber macrospheres with micro/nanoporous polymer shells for the transformation of contaminants to green energy
Wang et al. A porous microcapsule membrane with straight pores for the immobilization of microbial cells
JPH012567A (ja) 生物反応装置
AU2005243606B2 (en) Membrane bioreactor
Geng et al. Novel porous polyethersulfone beads as matrix to immobilize Comamonas testosteroni sp. bdq06 in quinoline biodegradation
JPH01222768A (ja) バイオリアクター
Paje et al. Degradation of benzene by a Rhodococcus sp. using immobilized cell systems
CN116119836B (zh) 一种处理有毒污水中的有机污染物的生物反应器及其用法
CN105712498B (zh) 一种含酚废水的生物处理装置
CN105176962A (zh) 一种将生物酶固定在陶瓷填料中的方法
US6033896A (en) Process of separation of cells from liquid by adsorption onto fiber
CN111620430B (zh) 基于金属薄膜催化的中空纤维膜反应器及制造方法和应用
CN116731862A (zh) 开放式旋转变力场中空纤维生物反应器
JPH05308954A (ja) 発酵方法
JPH11333487A (ja) 微生物保持担体
JPH11333481A (ja) 微生物保持装置
KR20130006174A (ko) 발효 장치 및 이를 이용한 발효 방법

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
AMND Amendment
J201 Request for trial against refusal decision
B701 Decision to grant
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20141120

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20151030

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20161028

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20171027

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20181115

Year of fee payment: 8