KR101891738B1 - 끈 다발을 포함하는 생물학적 가스 전환 반응기 및 이를 사용한 생물학적 가스 전환 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소가 함유된 기체를 에너지원 및 탄소원으로 활용하여 유용물질을 생산하는 생물학적 가스 전환 시스템에서 탄소 함유 기체와 미생물의 접촉을 활발히 하여 미생물의 생장과 유용물질 생산성을 향상시킬 수 있는 생물학적 가스 전환 반응기에 관한 것으로, 수분 함유 효과가 우수한 끈다발을 반응기 내부에 설치하고 이의 표면으로 배양액을 흐르게 하여 얇은 액체 계면을 형성함으로써 배양액과 배양액 내 미생물이 탄소 함유 기체에 충분히 노출될 수 있도록 기체와 액체 간의 접촉 면적을 넓힐 수 있어, 기체 전달 효율이 공정의 성능을 좌우하는 생물학적 탄소 함유 기체 전환 방법에서 간단한 구조만으로 탄소 함유 기체를 탄소 전환 미생물에 효과적으로 공급할 수 있는 장점이 있다.

Description

끈 다발을 포함하는 생물학적 가스 전환 반응기 및 이를 사용한 생물학적 가스 전환 방법 {A biological gas conversion reactor with string bundles and a biological gas conversion method therewith}

본 발명은, 탄소가 함유된 기체를 에너지원 및 탄소원으로 활용하여 유용한 물질을 생산할 수 있는 생물학적 가스 전환 시스템에서 탄소 함유 기체와 미생물의 접촉이 보다 원활하고 효과적으로 이루어질 수 있도록 함으로써, 미생물의 생장과 유용물질 생산성을 향상시킬 수 있는 특징을 갖는 생물학적 가스 전환 반응기 및 이러한 생물학적 가스 전환 반응기를 사용한 생물학적 가스 전환 방법에 관한 것이다.

일산화탄소(CO)나 메탄(CH₄) 가스 등과 같이 탄소가 함유된 기체는 다양한 수송용 연료나 화학소재로 전환될 수 있는 장점을 포함하면서 동시에 가격이 저렴하므로, 석유 이후의 차세대 탄소 자원으로 인식되고 있다.

자연계에 존재하는 미생물 중 일부는 이러한 기체를 에너지원 및 탄소원으로 활용하여 생장하는 특성을 갖고 있는데, 대표적으로 일산화탄소를 소모하는 아세토젠 미생물 혹은 메탄을 소모하는 메탄자화균 등을 들 수 있다.

최근, 분자생물학이나 대사공학, 합성생물학 등 다양한 유전공학적 기술들의 발전으로 탄소 함유 기체를 효과적으로 전환할 수 있는 고성능 미생물 촉매 설계에 대한 토대가 마련되고 있으나, 실제 경제성이 있는 제품의 생산을 위해서는 이러한 미생물 촉매들을 효율적으로 활용할 수 있는 장치 및 공정의 개발이 뒷받침되어야할 필요성이 더욱 중요하게 요구되고 있다.

탄소 함유 기체를 생물학적으로 전환하는 기술은, 전통적인 바이오매스(Biomass) 이용 기술에 비하여 목적하는 유용물질의 농도와 생산 속도가 모두 낮은 단점이 있다. 이러한 문제점은 기본적으로 수용액에서 탄소 함유 기체의 용해도가 낮은 점에 기인하는데, 우수한 미생물이 발굴된다 하더라도 충분한 물질전달 성능 없이는 생산성 향상에 한계가 존재하게 된다.

예를 들어 연구 논문으로 보고된 종래의 기술에 따르면, 탄소 함유 기체를 이용하는 클로스트리디움 융달라이 미생물의 탄소 이용 속도는 당류로부터 에탄올을 생산하는 사카로마이세스 속과 비교하였을 때 큰 차이가 없는 것으로 보고되었다(K. T. Klasson et al., Fuel 72, 1673-1678, 1993).

이는 탄소 함유 기체를 이용하는 공정의 낮은 성능이 미생물 고유의 특성에서 유래하기보다는, 기체의 전달에 의한 것이므로 효율적인 반응기 설계 및 활용이 이루어질 경우 대폭적인 성능 향상이 가능할 수 있음을 간접적으로 시사하는 것으로 해석된다.

일반적으로 생물 전환 공정에서는 미생물 농도가 증가하게 되면 기질 공급속도가 제한 인자(Controlling Parameter)가 된다. 당류를 기질로 사용하는 전통적인 생물 전환 공정에서는 배지의 공급 속도와 배출 속도를 조절하여 반응기 내 기질 농도를 비교적 용이하게 유지할 수 있지만, 일산화탄소나 메탄과 같은 기체 기질을 사용하는 경우에는 기체의 낮은 밀도 및 용해도로 인하여 배양기 내에서 농도를 일정하게 유지하기 어려운 공정상의 문제점이 존재한다. 이러한 한계점을 해결하기 위하여 배양액 내부에 대한 기체 기질의 전달속도를 조절하는 방법이 연구되었지만, 충분한 해결 방법이 보고되지는 않고 있다.

기체와 미생물간의 물질전달 성능 향상을 위하여 교반조 반응기에서 교반 속도를 증가시키는 방법, 계면활성제 등의 첨가제를 사용하여 기-액 계면의 특성을 조절하는 방법, 기계적인 방법으로 미세기포를 제조하여 기-액 접촉면적을 향상하는 방법, 시스템 내에 압력을 인가하여 기체의 용해도를 증가시키는 방법 등이 제안되었지만, 이러한 방법들은 공정 비용 상승을 유발하는 단점이 존재한다.

특히 교반조 반응기에서 교반 속도를 증가시킬 경우, 기체의 분쇄가 활발해지므로 비표면적의 증가로 인한 물질전달 효과의 상승이 가능해지지만, 물리적인 교반을 위해 추가적인 기계적 에너지가 요구된다.

첨가제를 사용하여 기-액 계면의 특성을 조절하는 방법의 경우에는 별도의 첨가제를 필요로 하기 때문에 미생물 세포의 활성에 악영향을 미칠 수 있고, 전환 공정이 종료된 후 잔류 첨가제로 인해 정제공정에서 공정의 부하를 증가시킬 수 있다.

또한, 미세기포를 사용하는 방법은, 기포의 표면적을 증가하여 물질전달계수를 향상시킬 수 있으나, 앞서 살펴본 교반 속도를 증가시키는 경우와 마찬가지로, 미세기포를 제조하기 위하여 강한 전단응력 등의 에너지를 요구하는 단점이 있다.

압력 인가에 의한 용해도 향상 방법은 비교적 간단하게 기체와 액체간의 전달 구동력을 증가시킬 수 있으나, 시스템 전체를 고압으로 유지해야 하는 운전상의 단점이 존재한다.

기존의 교반조 침지형 반응기 이외에 막을 사용한 생물학적 가스 전환 시스템도 보고되었다. 이러한 방법의 일례로는, 기체를 잘 투과하는 막을 반응기에 삽입하고, 막을 통해 기체를 공급함으로써 기-액 접촉 효율을 향상시키는 것으로, 기존 침지형 반응기의 단점을 상당 부분 해소할 수 있으나, 이물질에 의한 막 오염 문제가 발생할 수 있고, 막을 통하여 기체가 배양액으로 확산될 때 저항이 발생하므로 기체 공급 부위의 압력을 막 내부의 배양액 부위보다 높게 해야 하는 단점이 존재한다.

이러한 종래 기술의 문제점을 보다 효과적으로 해결하기 위해, 본 발명자들은 공급되는 탄소 함유 기체와 배양액 내의 미생물 간의 접촉 효율을 향상시키기 위하여 예의 노력한 결과, 수분 함유 효과가 우수한 끈 다발을 반응기 내부에 설치하고 이의 표면으로 배양액을 흐르게 하여 기체와 액체 사이의 계면을 최소화함으로써, 물질전달 효율을 크게 향상시킬 수 있음을 실험적으로 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.

"Biological conversion of coal and coal-derived synthesis gas", K. T. Klasson, M. D. Ackerson, E. C. Clausen, J. L. Gaddy. Fuel 72 (1993) 1673

본 발명은 종래 기술이 갖는 에너지 과다 투입, 첨가제 등의 사용으로 인한 세포 활성에 대한 악영향, 복잡한 장치 구성 등의 문제점을 해결하기 위하여 고안되었다. 좀 더 구체적으로 본 발명에서는 적은 에너지 투입과 간단한 장치 형태만으로 탄소 함유 기체가 배양액 내에 효과적으로 전달될 수 있도록 기체와 배양액 간의 접촉 면적을 넓히는 방법을 제공하고 있다.

앞서 살펴본 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시 형태에 따른 생물학적 가스 전환 반응기는, 반응기 상단에 위치하여, 미생물이 포함된 배양액(4)을 공급하는 배양액 공급부(1); 반응기 하단에서 공급되는 탄소 함유 기체(10)가, 배양액 공급부(1)를 통해 공급되는 배양액(4)과 향류(counter current) 흐름으로 접촉하는 기-액 접촉부(2); 및 상기 기-액 접촉부(2)를 거쳐 탄소 함유 기체(10)와 배양액(4)의 접촉이 이루어진 후, 상기 배양액(4) 모여 배출되는 배양액 저장부(3);를 포함하며, 상기 기-액 접촉부(2)에는 상기 배양액(4)과 탄소 함유 기체(10)의 물질 전달을 증가시키기 위해, 상기 배양액(4)이 따라 흐를 수 있는 복수의 끈(6)이 존재하는 것을 특징으로 한다.

상기 배양액 공급부(1)와 기-액 접촉부(2)의 사이에는 상부 타공판(5)이 위치하고, 상기 상부 타공판(5)에 형성된 복수의 구멍들 사이로 상기 끈(6)이 설치되는 것이 바람직하고, 상기 타공판(5)에 형성된 홀(hole)과 끈(6)의 틈(9) 사이로 배양액(4)이 흘러내리면서, 상기 끈(6)을 따라 배양액의 액체 필름이 형성되는 것이 바람직하다.

이때, 본 발명에서 사용되는 상기 끈(6)은 친수성 재질이며, 공급되는 배양액(4)을 흡수할 수 있는 재질인 것이 바람직한데, 더욱 바람직하게는 면, 펄프, 친수성 고분자, 다공성 부직포 혹은 이들이 조합된 혼합 재질로부터 선택될 수 있다.

본 발명의 다른 실시 형태로는 생물학적 가스 전환 반응 방법을 들 수 있는데, 반응기 상단에 위치하는 배양액 공급부(1)를 통해 미생물이 포함된 배양액(4)을 공급하는 배양액 공급 단계; 반응기 하단에서 공급되는 탄소 함유 기체(10)가 기-액 접촉부(2)에서 상기 배양액(4)과 향류(counter current) 흐름으로 접촉하는 기-액 접촉 단계; 및 상기 기-액 접촉부(2)의 아래에 위치하는 배양액 저장부(3)를 통해, 탄소 함유 기체(10)와 배양액(4)의 접촉이 이루어진 배양액(4) 모여 배출되는 단계;를 포함하고, 상기 기-액 접촉부(2)에는 상기 배양액(4)과 탄소 함유 기체(10)의 물질 전달을 증가시키기 위해, 상기 배양액(4)이 따라 흐를 수 있는 복수의 끈(6)이 위치하는 것이 바람직하다.

본 발명은 기체 전달 효율이 공정의 성능을 좌우하는 생물학적 탄소 함유 기체 전환 방법에서 탄소 함유 기체를 탄소 전환 미생물에 효과적으로 공급할 수 있는 기체 전달 장치 및 기체 전달 방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 수분 함유 효과가 우수한 끈 다발과 이를 포함하는 반응기로 구성되어, 간단한 구조만으로 탄소 함유 기체를 배양액 및/또는 배양액 내 미생물에 공급할 수 있어, 에너지 투입량이 적으면서 동시에 장치의 설치 비용 및 운전 비용을 절감할 수 있는 생물학적 탄소 함유 기체 전환 방법을 제공할 수 있는 효과가 있다.

본 발명에서 제공하는 반응기를 사용하여 일산화탄소, 메탄 가스 등의 탄소 함유 기체로부터 다양한 연료 또는 화학소재를 저렴하게 제조할 수 있는 장점이 존재한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 끈 다발을 포함한 생물학적 탄소 함유 기체 전환 반응기의 개략도를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 끈 다발의 반응기 내 배치 형태를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 3과 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 끈 다발의 형태를 도식적으로 나타낸 것이다.

본 발명의 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용 효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 명세서에 첨부된 도면에 의거한 이하의 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다. 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세하게 설명한다.

본 명세서에서 개시되는 실시예들은 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 해석되거나 이용되지 않아야 할 것이다. 이 분야의 통상의 기술자에게 본 명세서의 실시예를 포함한 설명은 다양한 응용예를 갖는 것이 당연하다. 따라서, 본 발명의 상세한 설명에 기재된 임의의 실시예들은 본 발명을 보다 잘 설명하기 위한 예시적인 것이며 본 발명의 범위가 실시예들로 한정되는 것을 의도하지 않는다.

어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

본 발명은 기-액 접촉 효율이 우수한 반응기 및 이를 사용하여 적은 에너지만으로 탄소 함유 가스를 배양액과 배양액 내 미생물에 공급하는 가스 전달 장치와 방법을 제공한다. 좀 더 구체적으로는, 배양액과 배양액 내 미생물이 탄소 함유 기체에 충분히 노출될 수 있도록 기체와 액체 간의 접촉 면적을 넓히기 위해, 수분 함유 효과가 우수한 끈 다발을 반응기 내부에 설치하고, 이러한 끈 다발의 표면으로 배양액이 흐르도록 유도하여, 끈 다발의 표면에 얇은 액체 계면을 형성함으로써 기체와 액체 사이의 계면을 최소화시키는 것을 특징으로 포함한다.

이러한 끈 다발의 표면에 얇은 액체 계면이 형성되도록 제작된 반응기는 액체 필름의 두께가 얇고, 기체와의 접촉이 활발해지므로 탄소 함유 기체가 배양액 및/또는 배양액 내 미생물에 효율적으로 전달되는 기술적 특징을 구현할 수 있다.

또한, 반응기 상부에서 액체가 빠져나와 흐르는 구멍과 끈 직경 사이의 차이를 이용함으로써 끈 표면을 흐르는 액체 필름의 두께를 조절하여 탄소 함유 기체와 배양액 간의 접촉을 제어할 수 있으며, 수분에 대한 함유 효과가 우수한 끈 재질을 이용하여 배양액이 끈 외부로 빠져나가는 현상을 방지함으로써 탄소 함유 기체와 배양액이 접촉하는 계면을 안정적으로 유지할 수 있다.

본 발명은 수분 함유 효과가 우수한 끈다발을 포함한 생물학적 탄소 함유 기체 전환 반응기를 제공한다.

도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 끈 다발로 구성된 생물학적 탄소 함유 기체 전환 반응기는, 배양액을 공급하는 배양액 공급부(1), 탄소 함유 기체(10)와 배양액이 접촉하는 기-액 접촉부(2), 반응이 종료된 후 배양액을 배출하는 배양액 저장부(3)를 포함한다. 상기 기-액 접촉부(2) 내에서 탄소 함유 기체(10)는 배양액(4)과 반대 방향으로 흐르는 향류(counter current) 흐름 방향으로 공급되는 것이 바람직하다.

배양액 공급부(1)를 통해 외부로부터 공급되는 배양액(4)이 일정한 유량으로 공급될 수 있는데, 상기 배양액(4)의 공급 유량은 미생물의 생장, 탄소 함유의 전환율에 따라 조절될 수 있다.

배양액 공급부(1)와 기-액 접촉부(2) 사이는 상부 타공판(5)에 의하여 분리되는데, 상부 타공판(5)의 구멍 사이로 끈(6)을 설치하여 공급된 배양액(4)이 끈을 따라 흘러내리도록 한다.

상기 배양액 공급부(1) 하부에는 배양액(4)이 타공판 전체에 고르게 퍼져서 흘러내리도록 액체 분배 장치인 타공판(5)이 설치될 수 있다. 상기 타공판(5)의 개수는 특별히 한정되지 않으나, 배양액(4)인 액체의 흐름이 원활하고 기-액 접촉면적이 충분히 커질 수 있도록 배치되어야 한다.

본 발명에서 사용되는 끈(6)은, 수분 함유 효과가 우수하여 공급되는 배양액(4)을 잘 흡수할 수 있는 재질로 구성되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 면, 펄프, 친수성 고분자 혹은 이들이 조합된 혼합 재질 등이 선택될 수 있다. 특히, 수분 함유 효과를 증진시키기 위해 공극이 많이 포함된 다공성 부직포가 사용되는 것이 더욱 바람직하다.

또한, 미생물과의 친화성이 높은 재질을 사용할 경우에는, 미생물이 끈(6)의 표면에 부착됨으로써, 미생물의 유출 없이 반응기 내에 집적화되어 반응이 보다 더 원활하게 수행될 수 있다. 끈(6)의 재질이 미생물과 친화성이 높은 친수성의 재질일 경우, 끈(6)의 표면이 미생물이 흡착될 수 있는 면적을 제공할 뿐만 아니라, 상호 인력이 작용하여 미생물이 끈(6)의 표면에 고정될 수 있게된다.

배양액 공급부(1)에는 반응 후의 기체(7)가 원활하게 배출될 수 있도록 배기 장치(8)가 추가로 더 설치될 수 있다. 배양액 공급부(1)를 통해 공급되는 배양액(4)은, 끈(6)에 스며들어 흘러내리거나, 끈(6)과 타공판(5)에 형성된 구멍(hole)의 틈(9) 사이로 흘러내리면서, 기-액 접촉부(2)에서 기-액 접촉부(2)의 하단으로부터 공급되는 탄소 함유 기체(10)와 접촉한다.

상기 탄소 함유 기체(10)의 분당 유량은 전체 반응기 부피 대비 0.01 내지 5가 바람직한데, 분당 유량이 전체 반응기 부피 대비 0.01 보다 낮을 경우에는 미생물의 처리 성능 대비 적은 양의 탄소 함유 기체가 공급되므로 기-액 접촉부(2) 상단 영역에서는 탄소 성분이 고갈되어 생산성이 저하되게 될 수 있으며, 분당 유량이 전체 반응기 부피 대비 5 보다 클 경우에는 미생물의 성능 대비 과다한 양의 탄소 함유 기체가 공급되므로 미반응 탄소 성분이 증가하게 되어 반응 효율이 저하된다.

끈(6)을 따라 흐르는 액체 필름의 두께는 상부 타공판(5)과 끈(6) 사이의 틈(9) 간격에 의해서 조절될 수 있는데, 0.01 내지 5 mm의 범위가 바람직하다.

배양액의 흐름에 의해 끈 표면에 형성되는 액체 필름의 두께가 0.01 mm 미만인 경우에는, 기-액 접촉부(2)로 배양액이 흐르는 과정에서 저항이 증가하여 원활한 배양액(4)의 흐름이 방해될 수 있다. 반대로 액체 필름의 두께가 5 mm를 초과할 경우에는 충분한 기체 전달 효과가 발생하기 어려워지고, 끈(6)과의 인력이 약해져, 배양액(4)이 끈(6)을 따라 흐르지 않고 비산될 수 있기 때문이다.

상기 끈(6)은 반응기 내에 여러 가지 다양한 형태로 설치할 수 있는데, 이러한 다양한 형태로 반응기 내에 배치되는 끈(6)을 따라 배양액(4)이 원활히 흐르도록 한다.

이러한 끈(6)의 배치는 도 2에 도시된 바와 같이 수직 또는 기울어진 형태로 배치되는 것이 모두 가능하며, 이들이 반응기 내에서 혼합되어 배치되는 것도 가능하다. 또한, 좀 더 탄소 함유 기체(10)와의 접촉면을 증대시키기 위하여 도 3 혹은 도 4와 같이 나선형 혹은 골이 있는 물결 모양으로 설치되는 것도 가능하며, 이들이 혼합되어 배치되는 것도 가능하다.

상부 타공판(5)과 하부 타공판(11) 사이에 위치하는 기-액 접촉부(2)에는 복수 개의 끈(6)이 도 1과 같이 직선 형태로 배치될 수 있지만, 상기 도 2, 도 3 또는 도 4에 제시된 것처럼 기울어진 형태, 혹은 나선형, 물결 모양 등의 형태를 가질 수 있으며, 이러한 끈(6)이 다양한 형태로 유지될 수 있도록, 복수 개의 끈(6)들을 고정할 수 있는 스페이서를 사용하는 것도 가능하다. 이러한 끈(6)들의 위치 고정을 위한 스페이서는 특별한 재질이나 형태로 한정되지 아니하며, 기-액 접촉부(2)에는 복수 개의 끈(6)들이 생물학적 가스 전환 과정 중에서 배양액(4) 혹은 탄소 함유 기체(10)의 흐름으로 인해 상기 끈(6)들이 움직이지 않도록 고정할 수 있는 구조이면 특별히 한정되지 않을 뿐만 아니라, 생물학적 가스 전환 반응에 참여하거나 영향을 주지 않는 재질(예를 들어 고분자 수지 등)이라면 특별히 한정되지 않고 사용될 수 있다.

이렇게 기-액 접촉부(2)에서 탄소 함유 기체(10)와 충분히 접촉한 배양액(4)은 기-액 접촉부(2)와 배양액 저장부(3) 사이의 하부 타공판(11)을 통해 배양액 저장부(3)로 이동된다.

상기 기-액 접촉부(2)와 배양액 저장부(3) 사이의 하부 타공판(11)은 기체와 접촉한 후 배양액이 원활히 흐를 수 있는 정도이면 충분하며, 배양액 공급부(1)와 기-액 접촉부(2) 사이의 상부 타공판(5)과 동일한 형태를 갖는 것도 가능하다.

도면에 도시되지는 않았지만, 배양액 저장부(3)로 흐르는 배양액(12)은 반응의 방식에 따라 펌프를 사용하여 배양액 공급부(1)로 재순환하거나 반응기 외부로 유출되어 수득될 수 있다.

이하에서는, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 앞서 이미 언급한 바와 같이 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

[ 실시예 1] 생물학적 기체 전환 반응기 제조

가로 5.7센티미터, 높이 34.5센티미터의 원기둥 형태의 생물학적 기체 전환 반응기를 제작하였다. 배양액 공급부는 높이가 4센티미터이고 공급부 바닥으로부터 1센티미터 위치에 배양액 공급라인을 설치하였다. 배양액 공급부 내에서 배양액이 고르게 분포되어 기-액 접촉부에 공급될 수 있도록 배양액 공급부 내에 스폰지 형태의 액체 분배기를 장착하였다. 배양액 공급부와 기-액 접촉부 사이에는 0.4센티미터의 직경을 갖는 구멍이 20개 존재하는 타공판을 설치하였다.

기-액 접촉부는 길이가 25센티미터이고, 접촉부 바닥으로부터 1센티미터 위치에 기체 공급라인을 설치하였다. 또한, 반응 온도를 조절하기 위하여 기-액 접촉부 외부에 냉각수 또는 온수를 공급할 수 있는 쟈켓을 설치하였다.

기-액 접촉부 하단에는 높이 5.5센티미터의 배양액 저장부를 연결하였으며, 기-액 접촉부와 배양액 저장부를 구분하도록 0.4 센티미터의 직경을 갖는 구멍이 20개 존재하는 타공판을 설치하였다.

[ 실시예 2]

면 재질 끈다발을 포함하는 생물학적 기체 전환 반응기의 물질 전달 성능 평가

직경 0.3175센티미터의 면 재질로 이루어진 끈 20개를 실시예 1에서 제작한 반응기에 설치하고 증류수와 공기를 사용하여 물질전달계수를 측정함으로써 물질전달 성능을 평가하였다. 과량의 질소를 공급하여 산소를 제거한 증류수를 배양액 공급부로 공급하고, 기-액 접촉부 하단에서 공급하는 공기와 접촉하여 산소를 용해시킨 후, 배양액 저장부 하단에서 수득하는 액체의 용존산소농도를 측정하였다. 충분한 시간이 지나면 공기와 접촉한 증류수는 일정한 용존산소농도를 갖게 되는데, 아래 식(1)에 의하여 물질전달계수를 계산할 수 있다.

물질전달계수 = D * C_s / (C^*-C_s) (1)

상기 식 (1)에서 D는 희석속도로서 기체 유량을 액체 부피 또는 기-액 접촉부의 부피로 나눈 값이다. C_s는 정상상태에 도달한 후의 증류수 내 용존산소 농도이며, C^*는 포화 용존산소 농도이다.

실험 결과, 동일한 액체 유속에서는 정상상태의 용존산소농도가 동일한 값에 도달하고 있어 본 발명에 의한 반응기가 안정적으로 운전됨을 알 수 있었다.

기체 유량 1 vvm (분당 기-액 접촉부 부피당 공급 기체 부피)에서 다양한 액체 유량으로 운전한 결과, 하기의 표 1에서 확인되듯이 희석속도가 61.7 h^-1일 때 기-액 접촉부 기준으로는 205.67 h^-1, 증류수 부피 기준으로 2,498.90 h^-1에 달하는 높은 물질전달계수를 얻을 수 있었다.

액체유량, 1/h	물질전달계수(kLa), 1/h
	System 부피 기준	용액 부피 기준
12.3	112.57±6.32	1,367.73±76.75
18.5	112.40±6.87	1,365.67±83.53
30.9	127.48±4.06	1,548.92±49.35
43.2	150.86±2.02	1,832.95±24.60
61.7	205.67±21.83	2,498.90±265.26

[ 비교예 ]

끈 다발을 포함하지 않는 생물학적 기체 전환 반응기의 물질전달 성능 평가

실시예 1에서 제작한 반응기에 별도의 끈다발을 포함하지 않고 증류수와 공기를 사용하여 물질전달계수를 측정함으로써 물질전달 성능을 평가하였다. 실시예 2와 동일한 방법으로 물질전달계수를 측정한 결과, 희석속도가 12.3 h^-1일 때 기-액 접촉부 기준으로 34.92 h^-1, 희석속도가 61.7 h^-1일 때 기-액 접촉부 기준으로 70.18 h^-1에 불과하여 본 발명의 효과를 확인할 수 있었다.

[ 실시예 3]

펄프부직포 재질 끈다발을 포함한 생물학적 기체 전환 반응기의 물질전달 성능평가

직경 0.3175센티미터의 펄프 부직포로 이루어진 끈 20개를 실시예 1에서 제작한 반응기에 설치하고 증류수와 공기를 사용하여 물질전달계수를 측정함으로써 물질전달 성능을 평가하였다. 실시예 2와 동일한 방법으로 물질전달계수를 측정한 결과, 하기의 표 2에서 확인되듯이 희석속도가 61.7 h^-1일 때 기-액 접촉부 기준으로는 309.22 h^-1, 증류수 부피 기준으로 3,757.03 h^-1에 달하는 높은 물질전달계수를 얻을 수 있었다.

액체유량, 1/h	물질전달계수(kLa), 1/h
	System 부피 기준	용액 부피 기준
12.3	126.71±2.31	1,539.56±28.08
18.5	168.30±10.69	2,044.90±129.87
30.9	204.55±8.49	2,485.33±103.13
43.2	239.99±12.88	2.915.85±156.49
61.7	309.22±13.99	3,757.03±170.04

이상 본 발명의 바람직한 실시예 및 응용예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 응용예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 구별되어 이해되어서는 안 될 것이다.

1: 배양액 공급부 2: 기-액 접촉부
3: 배양액 저장부 4: (공급) 배양액
5: 상부 타공판 6: 끈
7: 기체 8: 배기 장치
9: 틈 10: 탄소 함유 기체
11: 하부 타공판 12: (배출) 배양액

Claims (10)

1. 생물학적 가스 전환 반응기에 있어서,
   반응기 상단에 위치하여, 미생물이 포함된 배양액(4)을 공급하는 배양액 공급부(1);
   반응기 하단에서 공급되는 일산화탄소 혹은 메탄의 탄소 함유 기체(10)가, 배양액 공급부(1)를 통해 공급되는 배양액(4)과 향류(counter current) 흐름으로 접촉하는 기-액 접촉부(2); 및
   상기 기-액 접촉부(2)를 거쳐 탄소 함유 기체(10)와 배양액(4)의 접촉이 이루어진 후, 상기 배양액(4)이 모여 배출되는 배양액 저장부(3);를 포함하고,
   상기 기-액 접촉부(2)에는 상기 배양액(4)과 탄소 함유 기체(10)의 물질 전달을 증가시키기 위해, 상기 배양액(4)이 따라 흐를 수 있는 복수의 끈(6)들이 위치하며,
   상기 복수의 끈(6)들은 공급되는 배양액(4)을 흡수할 수 있는 친수성 재질인, 면, 펄프, 친수성 고분자, 다공성 부직포 혹은 이들이 조합된 혼합 재질로 구성되고,
   상기 끈(6)들은, 나선형 혹은 물결 모양의 형태로 배치되며,
   이러한 끈(6)들이 형태를 유지할 수 있도록, 복수의 끈(6)들을 고정하는 스페이서가 포함되는 것을 특징으로 하는, 생물학적 가스 전환 반응기.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 배양액 공급부(1)와 기-액 접촉부(2)의 사이에는 상부 타공판(5)이 위치하고, 상기 상부 타공판(5)에 형성된 복수의 구멍들 사이로 상기 끈(6)이 설치되는 것을 특징으로 하는, 생물학적 가스 전환 반응기.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 타공판(5)에 형성된 홀(hole)과 끈(6)의 틈(9) 사이로 배양액(4)이 흘러내리면서, 상기 끈(6)을 따라 배양액의 액체 필름이 형성되는 것을 특징으로 하는, 생물학적 가스 전환 반응기.
   
4. 삭제
5. 삭제
6. 생물학적 가스 전환 반응 방법에 있어서,
   반응기 상단에 위치하는 배양액 공급부(1)를 통해 미생물이 포함된 배양액(4)을 공급하는 배양액 공급 단계;
   반응기 하단에서 공급되는 일산화탄소 혹은 메탄의 탄소 함유 기체(10)가 기-액 접촉부(2)에서 상기 배양액(4)과 향류(counter current) 흐름으로 접촉하는 기-액 접촉 단계; 및
   상기 기-액 접촉부(2)의 아래에 위치하는 배양액 저장부(3)를 통해, 탄소 함유 기체(10)와 배양액(4)의 접촉이 이루어진 배양액(4)이 모여 배출되는 단계;를 포함하고,
   상기 기-액 접촉부(2)에는 상기 배양액(4)과 탄소 함유 기체(10)의 물질 전달을 증가시키기 위해, 상기 배양액(4)이 따라 흐를 수 있는 복수의 끈(6)들이 위치하고,
   상기 복수의 끈(6)들은 공급되는 배양액(4)을 흡수할 수 있는 친수성 재질인, 면, 펄프, 친수성 고분자, 다공성 부직포 혹은 이들이 조합된 혼합 재질로 구성되고,
   상기 끈(6)들은, 나선형 혹은 물결 모양의 형태로 배치되며,
   이러한 끈(6)들이 형태를 유지할 수 있도록, 복수의 끈(6)들을 고정하는 스페이서가 포함되는 것을 특징으로 하는, 끈 다발을 사용한 생물학적 가스 전환 방법.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 배양액 공급부(1)와 기-액 접촉부(2)의 사이에는 상부 타공판(5)이 위치하고, 상기 상부 타공판(5)에 형성된 복수의 구멍들 사이로 상기 끈(6)이 설치되는 것을 특징으로 하는, 끈 다발을 사용한 생물학적 가스 전환 방법.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 타공판(5)에 형성된 홀(hole)과 끈(6)의 틈(9) 사이로 배양액(4)이 흘러내리면서, 상기 끈(6)을 따라 배양액의 액체 필름이 형성되는 것을 특징으로 하는, 끈 다발을 사용한 생물학적 가스 전환 방법.
   
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