KR101323560B1 - 바이오 반응기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 바이오 반응기에 관한 것이다. 본 발명에 따른 바이오 반응기는 호기성 세포의 배설물이나 사멸 세포의 유기물로 인하여 암모니아나 아질산 같은 물질이 발생하여 오염시키는 것을 방지할 수 있도록 호기성 세포가 필요로 하는 산소를 공급할 때, 기포의 표면장력에 의해서 유기물을 제거하게 된다. 따라서 쾌적한 배양환경을 조성할 수 있는 효과가 있다.

Description

바이오 반응기{BIOREACTOR}
본 발명은 바이오 반응기에 관한 것이다.
바이오 반응기(Bioreactor)는 특정물질이나 세포를 생산하기 위해 또는 특정반응을 수행하기 위해 생물체를 조절된 환경하에서 키울 수 있도록 만든 장치로써, 키우려는 생물체 및 원하는 생산물의 생물학적, 생화학적인 특성, 물리, 화학적 성질뿐만 아니라 이들 특성에 따른 전체 공정 등을 고려하여 설계하게 된다.
이러한 바이오 반응기를 구성적인 측면으로 분류하면, 교반식 탱크형(Stirred tank), 막형 반응기형(Membrane bioreactor), 회전 원반식형(Rotating disk bioreactor), 에어 리프트형(Air-lift), 충전탑 형 등으로 분류할 수 있다.
또한 운용방식으로 분류하면, 회분식(Batch), 연속식(Continuous), 유가배양식(Fed-batch), 고농도 연속식(Continuous with high cell densitiy), 추출발효식 (Extractive fermentation) 등으로 분류할 수 있으며, 생화학 반응단계의 복잡성에 따라 분류하면, 효소반응, 미생물, 동물, 식물 세포, 동물, 식물체 등으로 분류할 수 있다.
이 중에서 바이오 반응기로 가장 널리 사용되고 있는 것은 교반식 탱크형(Stirred tank)과 연속식(Continuous)을 결합한 연속교반탱크반응기(Continuous Stirred Tank Reactor: 이하 CSTR)로써, 도 1은 일반적인 연속교반탱크반응기(CSTR)를 나타낸 것이다.
즉 도 1에 따르면, 종래 바이오 반응기는 탱크(Reactor Tank)의 상부 중앙에 모터의 회전에 의해 회전하는 교반시스템(Agitation system)이 설치되어 배양액(Medium)과 세포(Cell)를 연속하여 교반하게 된다.
이때 호기성 세포는 산소의 공급을 필요로 하므로, 상기 탱크의 내부 하측에 수중폭기장치(Submerged aerator)를 설치하여 호기성 세포가 필요로 하는 산소를 공급하고 있다.
따라서 이와 같이 구성된 바이오 반응기를 통해 호기성 세포를 배양토록 하고 있으며, 이후 탱크의 하부에 형성된 배출구(Effluent)를 통해 외부로 배출하여 정제과정을 거쳐 백신이나 약으로 제조되도록 하고 있다.
통상적으로 바이오 반응기에서 배양하는 모든 호기성 세포는 배양과정에서 배설물이나 사멸 세포의 유기물로 인하여 암모니아나 아질산 같은 물질을 발생시키게 된다.
따라서 호기성 세포의 배설물이나 사멸 세포의 유기물을 외부로 배출해야 암모니아나 아질산 같은 물질의 발생을 방지할 수 있는데 종래의 바이오 반응기는 단순히 배양액을 자주 교체하는 방법만을 실시하고 있어 과다한 배양액의 소모와 충분 세포배양을 통해 효율적인 물질생산이 이루어지는데 여러 가지 문제점이 있다.
더욱 큰 문제는 배양액을 교체하는 방법이 근본적인 해결책이 아닌 미봉책에 불과하다는 것인데, 즉 배양액을 교체하기 전까진 탱크 내에 호기성 세포의 배설물이나 사멸 세포의 유기물이 쌓일 수밖에 없어 지속적으로 탱크 내부를 오염시켜 세포배양에 지장을 초래하고 있다.
또한 호기성 세포가 배출하는 이산화탄소로 인하여 수소 이온농도 지수(pH)가 낮아져 원활한 세포배양에 문제를 초래하게 되며, 이 경우 화학처리를 통해 수소 이온농도 지수(pH)를 조절하고 있어 세포에 좋지않은 영향을 줄 수 있다.
다른 한편으로 종래의 바이오 반응기는 앞서 살펴보았듯이, 교반시스템(Agitation system)이 탱크(Reactor Tank)의 상부 중앙에 설치되고, 수중폭기장치(Submerged aerator)가 상기 탱크 내부의 하측에 설치되어 있어 기포의 상승에 따라 호기성 세포가 탱크 내부의 상층부로 이동하여 작은 세포 덩어리가 생성되어 충분한 영양공급이 되지 않아 사멸하게 되며, 이는 오염의 원인으로 작용하고 있다. 그리고 기포의 상승으로 인한 수면의 출렁임이 발생할 수 있다.
또한 동일 이유로 종래의 바이오 반응기는 호기성 세포가 탱크 내부의 하층부, 즉 교반시스템(Agitation system)을 통한 교반이 원활하게 이루어지지 않는 일종의 사각지대에도 작은 세포 덩어리가 생성되어 충분한 영양공급이 되지 않아 사멸하게 되며, 이 역시 오염의 원인으로 작용하고 있다.
따라서 본 발명은 종래 바이오 반응기에 암모니아나 아질산 같은 물질이 발생할 수밖에 없는 근본적인 문제를 해결하고, 나아가 배양과정에서 호기성 세포의 사멸이 발생하여 오염원으로 작용하는 문제를 해결하기 위한 것이다.
본 발명의 목적은, 세포배양과정에서 발생하는 세포의 배설물과 사멸 세포의 유기물을 용이하게 제거할 수 있도록 한 바이오 반응기를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해,
본 발명은 배양액과 호기성 세포가 투입되는 입구가 형성되고, 상기 입구를 통해 투입된 배양액과 호기성 세포가 배출되는 출구가 구비되며, 내부에 배양공간이 형성된 탱크;
상기 탱크의 하부에 구비된 교반기;
상기 탱크 외부로 노출되는 오물배출구가 상부에 형성되고, 배양액이 순환 가능하도록 개구부 및 배수구가 형성되어 배양공간에 구비된 용기;
상기 용기 내부에 구비되어 산소를 공급하는 수중폭기장치;
상기 오물배출구에 구비되어 오물을 수집하고 배출하는 컬렉션 컵; 및
상기 용기의 외부에 설치되어 호기성 세포가 용기 내로 유입되는 것을 차단하는 세포차단네트;
를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 오물배출구는 개구부보다 협소하게 형성된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 용기의 하단에는 개구부를 확장시키기 위한 확장부가 라운드 형성된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 바이오 반응기는 탱크의 외부에서 용기에 설치된 에어 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 바이오 반응기는 탱크 내의 배양액을 인출하여 외부에서 탄산과 혼합한 후 상기 탱크 내에 공급하기 위한 탄산가스혼합기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 탄산가스혼합기는 세포차단네트의 내부에서 배양공간과 연결되어 배양액을 인출하는 인출부 및 상기 세포차단네트의 외부에서 배양공간과 연결되어 배양액을 공급하는 공급부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 기포의 표면장력을 이용하여 호기성 세포의 배설물이나 사멸 세포의 유기물을 용이하게 외부배출함으로써, 종래와 같이, 배양액을 자주 교체할 필요가 없어 배양액을 절약할 수 있고, 최종 회수 배양액의 양을 줄일 수 있어 정제시에도 시간과 비용을 절약할 수 있다.
또한 산소공급시 수면의 출렁임이 없이 원활한 공급이 가능하다. 그리고 기포를 따라 세포가 상승하면서 탱크 상층부에 달라붙어 세포층을 이루거나 교반이 원활하게 이루어지지 않아 탱크의 하층부에 세포층이 형성되어 호기성 세포가 영양부족 등의 이유로 사멸하는 것을 용이하게 방지할 수 있는 부가적인 효과가 있다.
도 1은 종래 바이오 반응기를 나타내 보인 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 바이오 반응기의 실시 예를 나타내 보인 개략도.
도 3은 본 발명에 따른 컬렉션 컵의 실시 예를 확대하여 나타내 보인 개략도.
도 4는 도 1에 따른 바이오 반응기에 탄산가스혼합기가 설치된 것을 실시 예로 나타내 보인 개략도.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 바이오 반응기(1)는 호기성 세포를 배양하기 위한 장치로써, 대표적인 호기성 세포인 CHO세포(Chinese hamster ovary cell)를 배양하는 것을 실시 예로 하게 된다.
여기서 상기 CHO세포를 간략하게 설명하면, CHO세포는 햄스터(명주쥐)난 소유래의 주화세포로, 사이클릭 AMP와 테스트스테론, 프로스타글란민 등에 의해 형태학적 및 화학적ㆍ변화를 일으키고 있으며, 이를 통해 생산된 단백을 정제하여 의료용 백신이나 약으로 사용하게 된다.
이러한 CHO세포는 탱크(Reactor Tank) 내에 배양액과 함께 투입되어 배양되는데, 이를 위해 상기 탱크(10)는 도 2에서 보듯이, 배양액과 CHO세포가 투입되는 입구(11)가 상부에 형성되고, 상기 입구(11)를 통해 투입된 배양액과 CHO세포가 배양되는 배양공간(13)이 내부에 형성되며, 상기 배양공간(13)에서 배양된 배양액과 CHO세포를 외부 배출하기 위한 출구(12)가 하부에 구비된다.
이때 상기 출,입구(11)(12)는 외부 이물질, 즉 먼지 등의 탱크(10) 내 침투를 용이하게 방지할 수 있도록 일 방향 개폐구조로 형성된다. 즉 상기 탱크(10)를 일종의 밀폐구조로 형성한 후 CHO세포를 배양하게 되는 것이다.
이러한 탱크(10)의 하부에는 교반기(Agitation system)가 설치된다. 상기 교반기(20)는 실시 예로써, 임펠러(Impeller) 및 이를 회전시키기 위한 모터(Motor)로 구성된다. 상기 임펠러(21)는 탱크(10)의 내부 하측에 바닥면과 거리를 두고 설치되며, 상기 탱크(10)의 외부에 모터(22)가 설치되어 전원공급시 상기 임펠러(21)를 회전시켜 배양액과 CHO세포를 교반하게 된다. 그리고 상기 모터(22)를 통해서는 바이오 반응기(1)를 받쳐 지지토록 하게 된다.
한편 상기 탱크(10)에는 바이오 반응기(1)의 외부로 노출되는 오물배출구(31)가 상부에 형성되고, 배양액이 순환되는 개구부(32) 및 배수구(33)가 형성되어 배양공간(13)에 구비된 용기(30)가 설치된다.
상기 용기(30)는 CHO세포가 필요로 하는 산소공급시 기압 차에 의해 배수구(33)와 개구부(32)를 통해 배양액이 순환되는 과정에서 상기 배양액에 포함된 CHO세포의 배설물이나 사멸 세포의 유기물을 오물배출구(31)를 통해 외부로 연속 배출하여 제거하게 된다.
상기 용기(30)는 실시 예로써, 합성수지를 원통형으로 형성하여 탱크(10)의 상부 중앙에 설치하게 된다. 따라서 바이오 반응기(1)의 외부로 노출되는 용기(30)의 상부가 오물배출구(31)로서 기능을 하게 되고, 하부가 배양액이 유입되는 개구부(32)로서 기능을 하게 된다.
또한 상기 오물배출구(31)와 개구부(32) 사이에 배수구(33)를 형성하여 배양액을 순환시키는 순환구조를 형성하게 되는데, 상기 배수구(33)는 배양액의 수면 반대편, 즉 하부방향을 향하도록 형성되어 배양액의 용이한 순환을 유도함과 함께 수면의 출렁임을 방지토록 하게 된다.
이때 상기 용기(30)는 상부, 즉 오물배출구(31)로 갈수록 좁아지게 형성하여 개구부(32)에 비해 상기 오물배출구(31)가 협소해지도록 하게 되는데, 이를 통해 병목현상을 유발하여 상기 오물배출구(31)를 통한 오물의 배출이 용이하게 이루어지도록 하게 된다.
상기 용기(30)의 다른 실시 예는 앞선 실시 예와 동일하게 형성하되, 용기(30)의 하단에 확장부(34)를 형성하게 된다. 상기 확장부(34)는 용기(30)의 하단을 외측으로 라운드 형성하여 일종의 나팔모양을 갖게 함으로써, 상기 용기(30)의 하부에 형성되며, 이러한 확장부(34)를 통해 배양액의 용이한 순환을 유도하게 된다.
한편 상기 용기(30)의 내부에는 수중폭기장치(Submerged aerator)가 설치되어 CHO세포가 필요로 하는 산소를 공급하게 된다. 그리고 상기 용기(30)의 상부에 형성된 오물배출구(31)에는 컬렉션 컵(Collection Cup)이 구비되어 상기 오물배출구(31)를 통해 배출된 오물을 수집하고 배출하게 되며, 외부에 세포차단네트(60)가 구비되어 세포의 유입을 차단하게 된다.
상기 수중폭기장치(40)는 실시 예로써, 산소통(41) 및 이와 연결된 호스 등의 산소공급호스(42)으로 구성되어 상기 산소공급호스(42)의 일단을 용기(30)의 내부에 배치하게 된다. 따라서 상기 용기(30)의 내부에 배치된 산소공급호스(42)을 통해 산소를 공급하게 되는데, 이 과정에서 기포, 즉 작은 공기방울을 만들어 표면장력에 의해 부유물을 공기방울에 의해 만들어진 거품에 달라붙게 하여 컬렉션 컵(50)에 모이게 하여 제거하게 된다.
이때 공기방울의 크기를 작게 할수록 표면적을 넓히고, 용기를 따라 수면으로 올라가는 시간을 길게 하여 최대한 배양액과 공기방울의 접촉시간이 오래되도록 한다. 즉 용기의 구경이 넓을수록, 그리고 높이가 높을수록 접촉시간이 길어져 더 효과적인 제거가 가능하다.
이러한 수중폭기장치(40)가 설치된 용기(30)에는 산소가 과포화하는 것을 방지하기 위한 산소제거용 에어 필터(Air Filter)가 설치된다. 상기 산소제거용 에어 필터(43)는 실시 예로써 탱크(10)의 외부에서 용기(30)에 설치하되, 배양액의 수면 위로 설치하여 용기 내의 산소를 제거하여 과포화하는 것을 방지하게 된다.
상기 수중폭기장치(40)와 함께 용기(30)에 구비되는 컬렉션 컵(50)은 실시 예로써, 도 3에서 보듯이, 오물배출구(31)의 상부에 컵을 뒤집어 놓은 형상의 튜브(Tube)를 결합하여 수집된 오물의 거품이 꺼지지 않고 담겨진 후 꺼지도록 하게 된다.
이때 상기 컬렉션 컵(50)에는 밸브(51)를 설치하여 거품이 꺼진 오물을 외부배출하게 되는데, 오물배출과정에서 외부 이물질이 침투하지 않도록 일 방향 밸브인 체크 밸브를 설치하여 사용하게 된다.
또한 상기 주중폭기장치(40)와 달리 용기(30)의 외부에 설치되는 세포차단네트(60)는 그 실시 예로써, 바닥부(61) 및 이를 둘러싼 측벽부(62)으로 구성되고, 상기 바닥부(61) 및 측벽부(62)에 CHO세포보다 작은 미세구멍이 배열형성된 상태로 상기 용기(30)를 감싸며 설치됨으로써, 배양액은 자유롭게 통과시키되 CHO세포의 침투는 차단하게 된다.
따라서 상기 세포차단네트(60)를 포함하여 앞서 설명한 용기(30), 수중폭기장치(40) 및 컬렉션 컵(50)의 상호 작용을 통해 배양액에 포함되는 오물, 즉 CHO세포의 배설물이나 사멸 세포의 유기물을 바이오 반응기(1)의 외부로 배출하여 암모니아나 아질산 같은 물질이 발생하는 것을 차단하게 되어 결과적으로 쾌적한 배양환경을 조성할 수 있게 되는 것이다.
한편 본 발명에 따른 바이오 반응기(1)에는 이산화탄소(C02)로 인해 수소 이온농도 지수(pH)가 낮아지지 않도록 탄산가스혼합기(70)가 설치된다. 상기 탄산가스혼합기(70)는 탄산가스통(70a)으로부터 탄산가스(CO3)를 주입받아 내부에서 배양액과 혼합함으로써, 수소 이온농도 지수(pH)를 보완하게 된다.
즉 배양액에는 이미 칼슘이 첨가되어 있으므로, 탄산가스(CO3) 공급으로 CaCO3(앙금)+ H2O + CO2 -> Ca(HCO3)2(화합물)을 이루어 이산화탄소(C02)감소로 수소 이온농도 지수(pH)가 조절 가능하다.
상기 탄산가스혼합기(70)는 실시 예로써, 도 4에서 보듯이, 탄산가스(CO3)의 용이한 주입을 위해, 또한 탱크(10)의 내부온도(28℃)보다 낮은 실온(18℃)에서 탄산가스(CO3)를 배양액에 공급할 수 있도록 상기 탱크(10)의 외부에 설치하되, 두 개의 호스를 통해 상기 탱크(10)와 연결하여 배양액을 인출하거나 탄산가스(CO3)가 공급된 배양액을 재공급하게 된다.
상기 두 개의 호스 중 하나는 배양액을 외부로 인출하기 위한 인출부(71)로서의 기능을 하게 되는데, 상기 인출부(71)는 세포차단네트(60)의 내부에서 배양공간(13)과 연결하여 배양액의 인출 과정에서 CHO세포가 함께 인출되는 것을 차단하게 된다.
또한 두 개 호스 중 다른 하나는 배양액을 공급하기 위한 공급부(72)로서의 기능을 하게 되는데, 상기 공급부(72)는 세포차단네트(60)의 외부에서 배양공간(13)과 연결토록 하게 된다.
따라서 이러한 인출부(71)와 공급부(72)를 통해 탄산가스혼합기(70)가 배양공간(13)과 연결됨으로써, 앞서 설명한 탄산가스(CO3) 공급으로 수소 이온농도 지수(pH)를 조절하여 효과적인 부유물 제거가 가능하다. 또한 수소 이온농도 지수(pH)가 높을수록 온도가 낮을수록 배양액에서 표면장력이 커지므로, 부유물의 배출효과가 향상된다.
여기서 상기 탄산가스혼합기(70)에는 수중폭기장치(40)에 설치된 것과 동일한 기능을 하는 탄산가스제거용 에어 필터(Air Filter)가 설치된다. 즉 상기 탄산가스제거용 에어 필터(73)는 탄산가스혼합기(70)의 외부에 설치되어 탄산가스(CO3)가 과포화하는 것을 방지하게 된다.
한편 상기 본 발명에 따른 바이오 반응기(1)는 탱크(10)에 센서(14)가 설치될 수 있다. 상기 센서(14)는 일종의 시스템 모니터로써 작동하게 되며, 이를 통해 외부에서 세포배양 및 운전상태 등을 수시로 모니터할 수 있게 된다.
1 - 바이오 반응기 10 - 탱크
11 - 입구 12 - 출구
13 - 배양공간 20 - 교반기
21 - 임펠러 22 - 모터
30 - 용기 31 - 오물배출구
32 - 개구부 33 - 배수구
34 - 확장부 40 - 수중폭기장치
41 - 산소통 42 - 산소공급호스
50 - 컬렉션 컵 51 - 밸브
60 - 세포차단네트 61 - 바닥부
62 - 측벽부 70 - 탄산가스혼합기
71 - 인출부 72 - 공급부

Claims (6)

  1. 배양액(Medium)과 호기성 세포가 투입되는 입구가 형성되고, 상기 입구를 통해 투입된 배양액과 호기성 세포가 배출되는 출구가 구비되며, 내부에 배양공간이 형성된 탱크(Reactor Tank);
    상기 탱크의 하부에 구비된 교반기(Agitation system);
    상기 탱크 외부로 노출되는 오물배출구가 상부에 형성되고, 배양액이 순환 가능하도록 개구부 및 배수구가 형성되어 배양공간에 구비된 용기;
    상기 용기 내부에 구비되어 산소를 공급하는 수중폭기장치(Submerged aerator);
    상기 오물배출구에 구비되어 오물을 수집하고 배출하는 컬렉션 컵(Collection Cup); 및
    상기 용기의 외부에 설치되어 호기성 세포가 용기 내로 유입되는 것을 차단하는 세포차단네트;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 반응기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 오물배출구는 개구부보다 협소하게 형성된 것을 특징으로 하는 바이오 반응기.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 용기의 하단에는 개구부를 확장시키기 위한 확장부가 라운드 형성된 것을 특징으로 하는 바이오 반응기.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 바이오 반응기는 탱크의 외부에서 용기에 설치된 산소가스제거용 에어 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 반응기.
  5. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오 반응기는 탱크 내의 배양액을 인출하여 외부에서 탄산과 혼합한 후 상기 탱크 내에 공급하기 위한 탄산가스혼합기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 반응기.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 탄산가스혼합기는 세포차단네트의 내부에서 배양공간과 연결되어 배양액을 인출하는 인출부 및 상기 세포차단네트의 외부에서 배양공간과 연결되어 배양액을 공급하는 공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 반응기.
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