KR101960658B1 - 에너지 절감형 멸균방식을 적용한 미생물 배양장치 및 이에 의한 미생물 배양방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미생물 배양기의 살균 및 멸균방식에 대한 구조와 이를 이용한 미생물의 배양방법에 대한 것으로, 멸균을 위한 물의 가열 과정이 배양탱크의 외부에서 급속 가열하는 직접가열방식과, 배양탱크 외부면에 유체를 이용한 간접가열방식을 병행하여, 에너지 절감을 구현함과 동시에 배양 배지의 열분해를 막아 효율적이고 신뢰성 높은 미생물 배양과정을 구현할 수 있다.

Description

에너지 절감형 멸균방식을 적용한 미생물 배양장치 및 이에 의한 미생물 배양방법{Automatic culture apparatus of microorganism and its method}

본 발명은 미생물 배양기의 살균 및 멸균방식에 대한 구조와 이를 이용한 미생물의 배양방법에 대한 것이다. 더욱 상세하게는 의약, 화학, 환경, 에너지, 식품, 화장품 등의 분야에서 활용하기 위해 미생물을 인공적으로 대량 배양하기 위한 장치의 멸균 및 살균 방식에 관한 것으로 장치의 구조와 운전방식의 개선을 통해 멸균 과정에서 과소비되는 에너지 및 장시간 운전 문제를 효과적으로 극복하면서 배지의 성분파괴를 최소화하고 최적의 미생물을 배양할 수 있는 기술에 관한 것이다.

농업이나 축산업에서는 퇴비 제조나 토양 개질 또는 사료 제조시 미생물을 투여하여 작물의 생산을 촉진하거나 병충해를 방지하고 가축의 성장을 촉진시킴과 아울러 질병을 예방하는 효과를 기대하고 있다.

이러한 미생물에는 광합성 미생물, 호기성 미생물, 혐기성 미생물 등 다양한 종류가 있는데, 통상적으로 다량의 미생물을 얻기 위해서는 미생물 배양기를 이용하게 된다.

현재 개발되어 있는 종래의 일반적인 미생물 배양기는 배양조 내에 배지와 원수를 투입한 후 멸균을 위해 적정온도(예를 들면 121℃)와 일정시간(예를 들면 15분) 동안 가열하게 되고, 멸균을 완료하면 이를 다시 냉각시켜 미생물이 배양되는 적절한 온도(예를 들면 30℃)로 맞추게 된다.

공정상 멸균과정이 필요한 이유는 배양탱크 내의 수용공간(105)과 미생물 생육에 필요한 배지(영양원), 물, 공기에 있는 불필요한 미생물을 사전에 사멸하여 순수 미생물(종균 미생물)만을 배양하기 위해서이다.

이때 멸균을 위한 배양조의 가열시 배양조 내에 히터를 직접 삽입하여 사용하고 있다. 그런데, 히터의 작동에 소요되는 전력의 소모량이 커서 비경제적이고, 히터가 국부적으로 설치됨에 따라 살균 및 배양이 균일하게 이루어지지 않는 문제점이 있다. 또, 살균을 완료한 후 배양조의 온도를 미생물 배양에 적절한 온도(약 30℃)로 낮추기 위하여 배양조 내에 다수의 급수관을 설치하고 이 급수관에 냉수를 공급하는 형태로 실시되고 있는데, 급수관을 배양조 내부에 설치함에 따라 그 구조가 복잡하고, 급수관이 국부적으로 설치됨에 따라 배양조 내의 온도가 균일하지 않게 되는 문제점이 있다.

이에 배양액의 가열구조를 효율화하기 위한 방안으로, 한국등록특허 제10-0866985호를 통해 본 출원인은 외부에서 교반된 배양약을 자동으로 순환하는 방식의 배양장치를 제안하였다.

다만, 한국등록특허 제10-0866985호에 따른 장치는 미생물 배양을 위한 사전 멸균처리를 수행함에 있어서, 도 1의 과정과 같이 배양탱크 내에 분말배지를 토입하고 물을 공급(예를 들어, 1000L)를 수용한 후, 스팀보일러를 통해 스팀을 주입하여 멸균하는 과정을 수행하게 된다.

히터로 물을 가열하여 발생한 스팀으로 배양조를 가열하는 이유는 배양조 내부와 접촉하는 배양액(배지)이 고온으로 인해 눌러 붙어 성분이 파괴되는 현상을 방지하기 위한 것으로 배지는 주요 구성성분이 단백질과 당질로 이루어져 있는데 150℃ 이상에서 열분해 되는 단백질 파괴를 방지하여 미생물 생장에 필요한 영양소를 충분히 공급하기 위해서이다.

이는 배양액의 가열과는 다른 과정으로, 원하는 미생물의 배양을 위해 수행하는 사전 멸균처리에 해당한다. 이러한 과정은 배양탱크 내에 있는 물에 포함되는 미생물과, 분말배지에 포함되는 미생물을 완전히 사멸시키기 위해 수행되는 것으로, 일반적으로 배양탱크 내의 물의 온도를 121℃까지 가열 후, 이를 15분 정도 유지시키는 과정을 통해 수행되게 된다(물 1000리터 기준).

그러나 이러한 사전 멸균작업을 위해 수행되는 물의 가열 과정에 매우 많은 에너지와 가열 시간(물 1000리터 기준, 121℃ 가열시, 약 2시간 이상 소요)이 필요하여 대량생산에 한계를 보이고 있다.

이에, 미생물 배양을 위해 소요되는 에너지 절감과 유용 미생물 보급확대를 구현할 수 있는 장치의 개선이 필요하게 되었다.

한국등록특허 제10-0866985호

본 발명의 실시예들은 상술한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 미생물 배양을 위한 사전 처리 과정인 멸균 공정시 과소비 되는 에너지인 전기와 물의 사용량을 줄이고, 멸균시간을 현저하게 절감하여 미생물 생산 원가는 절약하여 농축산용 유용 미생물의 양산화를 구현할 수 있는 미생물 배양장치 및 방법을 제공하는 데 있다.

상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 실시예에서는, 도 3에 도시된 도면에서와 같이, 내부에 배양 수용공간(105)을 형성하며, 다수의 개소에 개폐기작에 의한 외부 연통부를 구비하는 배양탱크(100); 상기 배양탱크의 외주면에 밀착되어 배치되며, 내부가 중공되어 연통되는 구조로 유체를 가이드하는 자켓부(200); 상기 배양탱크(100)의 외부에 배치되어, 공급되는 물을 급속가열하는 유체가열부(300); 상기 유체가열부(300)에서 가열되는 물과 상기 자켓부(200)에 있는 고온의 물을 상기 배양탱크(100)의 상기 수용공간(105)로 유도하는 물배관부(400); 및 상기 유체가열부(300)에서 가열되는 물을 상기 자켓부(200)로 유도하는 배관부(500);를 포함하는 에너지 절감형 미생물 배양장치를 제공할 수 있도록 한다.

특히, 상기 자켓부(200)는, 상기 배관부(500)을 통해 유입되는 고온의 유체를 인입하는 인입부(510)와, 상기 자켓부(200)에 체류하여 상기 배양탱크 내부를 간접가열한 유체를 배출하는 배출부(520)를 구비하며, 상기 배출부(520)를 통해 배출되는 유체를 상기 유체가열부(300)으로 순환시키는 순환부(530)를 포함하는, 에너지 절감형 미생물 배양장치로 구현할 수 있다.

나아가, 상기 유체가열부(300)는, 공급되는 물이 체류 및 경유하는 수용모듈(310); 및 상기 수용모듈(310)에 열에너지를 인가하는 발열모듈(320)을 포함하여 구성될 수 있다.

이 경우, 상기 발열모듈(320)은, 상기 수용모듈(310)의 외주에 배치되는 유도 코일과, 상기 유도코일에 고주파 전류를 인가하여 열에너지를 발생시키는 고주파유도방식의 발열모듈인, 에너지 절감형 미생물 배양장치로 구현할 수 있다.

또한, 상기 에너지 절감형 미생물 배양장치는, 상기 배양탱크(100)의 외측에 구비되는 교반모터(M)와, 상기 교반모터(M)와 연결되어 상기 배양탱크 내부로 인입되는 샤프트에 구현되는 교반기(120);를 더 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 상기 자켓부(200)의 외표면에 밀착하여 배치되는 보온모듈(180);을 더 포함하는 에너지 절감형 미생물 배양장치로 구현할 수 있다.

상술한 본 발명의 실시예에 따른 에너지 절감형 미생물 배양장치를 이용하여 미생물을 배양하는 방법은 다음과 같은 과정으로 구현될 수 있다.

우선, 배양탱크에 미생물 배양을 위한 분말배지를 투입하는 1단계; 상기 배양탱크 내에 미생물 배양을 위한 기준 물량(A)의 총량의 일부(a)를 투입하는 2단계; 상기 배양탱크의 외주면에 배치된 자켓부에 고온의 유체를 주입하여 배양탱크 내부를 간접 가열하여 배지를 멸균하는 3단계; 상기 기준 물량(A)의 잔여 량(A-a)를 유체가열부를 통해 직접가열하고, 가열되어 자켓부(200)와 배관에 있는 상기 배양탱크로 공급하는 4단계; 상기 배양탱크를 냉각 후, 미생물 종균을 접종하여 배양하는 5단계; 배양된 미생물을 저장조로 이송하는 6단계;를 포함하는 에너지 절감형 미생물 배양장치를 이용한 미생물의 배양방법.

이 경우, 상기 3단계의 간접 가열에 이용되는 고온의 유체는 유체가열부(300)와 자켓을 물이 순환하면서 적정온도에 도달하며, 상기 4단계의 경우 이미 고온으로 가열된 자켓부(200)와 배관의 물을 이용하여 투입한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 배지, 물, 수용공간을 멸균하기 위해 가열하는 것인데, 멸균 대상 중 간접가열이 필요한 배지의 특성을 고려해서 가열하는 과정을 분할하여 수행될 수 있도록 한다.

즉, 미생물 배양을 위한 멸균배지와 멸균수를 마련하기 위해, 배지와 물을 가열하는 과정을 분할하여 구현함으로써, 배지 멸균을 위해 물을 가열하는 시간을 대폭 단축하여 배양시간의 절감과 가열에 드는 전력을 절감하는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 멸균을 위한 물과 배지의 가열 과정이 배양탱크의 외부에서 급속 가열하는 직접가열방식과, 배양탱크 외부면에 유체를 이용한 간접가열방식을 병행하여, 배지의 열분해를 막아 효율적이고 신뢰성 높은 미생물 배양과정을 구현할 수 있는 장점이 있다.

또한, 열전달 매개체로 고온의 유체를 이용함으로써, 열전달률을 높여 간접가열 속도가 빠르고, 간접가열에 이용된 물을 배양탱크 내부로 투입해 배양에 필요한 멸균수로 활용하기 때문에 물의 재활용율을 높여 에너지 절감을 구현할 수도 있다.

나아가, 본 발명은 의학, 화학, 환경, 에너지, 식품, 화장품 등 바이오 자원 분야에서 유용 미생물을 인공적으로 대량 배양하기 위한 제조장비 범위에 포함되며, 해당 장비로 생산한 유용 미생물은 주로 농축산 분야에서 해충방제 및 잡초제거, 생산성 강화, 질병예방 목적으로 기존 화합물을 대체하여 친환경 농약, 친환경 비료, 동물용 사료 등의 용도로 적용될 수 있다.

도 1은 종래의 미생물 배양방법의 과정을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 미생물 배양장치를 이용한 미생물 배양방법을 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 미생물 배양장치의 구조를 도시한 요부 개념도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 미생물 배양장치의 유체가열부의 일예를 도시한 개념도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 메쉬형 발열체의 다양한 구현예시 이미지를 도시한 것이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 본 발명의 바람직할 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 절감형 멸균방식을 적용한 미생물 배양장치 및 이에 의한 미생물 배양방법을 도시한 블록도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 미생물 배양장치의 구조를 도시한 요부 개념도이다.

본 발명의 요지는 배지의 영양성분 열분해로 인한 영양소 파괴를 방지하기 위해 스팀으로 배양탱크를 외부를 가열하여 탱크 내부의 물을 가열하는 간접 고압증기 멸균법을 적용하며, 필요한 물의 총량(1000ℓ)의 물 전체를 간접가열하는 경우의 에너지 사용량과 운용시간의 장기화를 보완할 수 있도록 하여 에너지 절감과 미생물 대량 생산비용을 현저하게 낮출 수 있도록 하는 배양장치 및 방법을 제안하는 데 있다.

본 발명의 실시예에 따른 미생물 양장치를 이용한 미생물 배양방법은 배양탱크에 미생물 배양을 위한 분말배지를 투입하는 1단계, 상기 배양탱크 내에 미생물 배양을 위한 기준 물량(A)의 총량의 일부(a)를 투입하는 2단계, 상기 배양탱크의 외주면에 배치된 자켓부에 고온의 유체를 주입하여 배양탱크 내부를 간접 가열하여 배지를 멸균하는 3단계, 상기 기준 물량(A)의 잔여 량(A-a)를 유체가열부를 통해 직접가열하고, 가열되어 자켓부(200)와 배관에 있는 상기 배양탱크로 공급하는 4단계와, 상기 배양탱크를 냉각 후, 미생물 종균을 접종하여 배양하는 5단계; 배양된 미생물을 저장조로 이송하는 6단계를 포함하여 수행될 수 있다.

즉, 본 발명의 실시예에 따른 미생물 배양장치를 이용한 미생물 배양방법은 미생물의 배양 전에 멸균을 위한 배지 및 물의 멸균을 위한 가열 공정을 일부 물은 배양탱크에 수용하여 자켓가열부를 통해 간접가열을 수행하고, 나머지 물은 외부의 유체 가열부를 통해 급속 가열하여 배양탱크에 투입하는 방식으로 분할 가열함으로써, 배양배지의 열변성을 방지함과 동시에 가열을 위한 시간을 단축시킬 수 있도록 한다. 나아가, 열전달 매개체로 고온의 유체를 이용함으로써, 열전달률을 높여 간접가열 속도가 빠르고, 간접가열에 이용된 물을 배양탱크 내부로 투입해 배양에 필요한 멸균수로 활용하기 때문에 물의 재활용율을 높여 에너지 절감을 구현할 수도 있다.

이하에서는, 도 3의 구조에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 미생물 배양장치의 주요 구조 및 작용을 설명하기로 한다.

도 3에 도시된 것과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 미생물 배양장치는 내부에 배양 수용공간(105)을 형성하며, 다수의 개소에 개폐기작에 의한 외부 연통부를 구비하는 배양탱크(100), 상기 배양탱크의 외주면에 밀착되어 배치되며, 내부가 중공되어 연통되는 구조로 유체를 가이드하는 자켓부(200), 상기 배양탱크(100)의 외부에 배치되어, 공급되는 물을 급속가열하는 유체가열부(300), 상기 유체가열부(300)에서 가열되는 물과 상기 자켓부(200)에 있는 고온의 물을 상기 배양탱크(100)의 상기 수용공간(105)로 유도하는 물배관부(400) 및 상기 유체가열부(300)에서 가열되는 물을 상기 자켓부(200)로 유도하는 배관부(500)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 배양탱크(100)은 내부가 중공되는 구조의 수용공간(105)가 마련되며, 전체적으로 밀폐구조를 구현할 수 있도록 한다. 이 경우, 다수의 개소에 밸브나 개폐형 출구를 구비하는 외부 연통부(이를테면, 배양액 배출부(190), 가스 인입부(510), 종균투입부(140), 물급수부(130) 등)가 마련될 수 있다.

또한, 상기 배양탱크(100)의 외표면에는 내부에 물의 수위를 확인할 수 있는 수위확인창(160)을 구비할 수 있으며, 도시되지는 않았으나, 배양탱크 내부의 상태를 확인하기 위한 다양한 검출기(압력센서, 산도센서 등)가 추가로 배치될 수 있다.

아울러, 상기 배양탱크(100)의 상부에는 교반 모터(M)가 배치되며, 상기 교반 모터(M)의 샤프트는 상기 배양탱크(100)의 수용공간 내부로 연장되며, 상기 샤프트에는 수용되는 물과 배지의 혼합물을 교반할 수 있는 교반기(120)가 장착될 수 있도록 한다. 교반모터의 배치 위치는 다양한 방식으로 변형하여 배치될 수 있으며, 교반기의 형상 역시 통상의 범주에서 다양하게 설계 변경이 가능하다.

상기 자켓부(200)는 상기 배양탱크(100)의 외주면에 밀착하여 구현된다. 상기 자켓부(200)는 상기 배양탱크(100)의 외주면에 추후 미생물 배양을 위한 기준물량(A)의 총량과 분말배지가 혼합되는 수위를 형성할 수 있는 영역의 높이 까지 전체 배양탱크를 둘러싸는 구조로 구현되며, 내부는 중공되어 가스 자켓부(200)의 내부에 유체가 자유롭게 이동할 수 있도록 구현될 수 있다. 상기 자켓부(200)에는 후술하는 유체가열부(300)에서 발생한 고온의 유체를 배관부(500)을 통해 인입부(510)를 경유하여 수용하게 된다. 이렇게 수용되는 고온의 유체는 자켓부(200)의 내부에 수용되어 배양탱크 내부의 배양액(물+분말배지)를 간접 가열하게 된다.

이러한 가열 방식은 분말배지에 직접 열을 가하는 방식이 아닌바, 150℃ 이상의 고온의 물체와 배지가 직접 접촉하는 것을 방지하고, 서서히 온도가 상승하게 되는 간접적인 가열로 분말배지의 열분해를 막을 수 있게 된다.

나아가, 상기 자켓부(200)의 외표면에 밀착하여 배치되는 보온모듈(180)을 구비하여 자켓부(200)의 열이 외부로 발산하는 것이 아니라 배양 탱크 내부로 전달될 수 있도록 한다.

이후, 유체는 자켓부(200)의 일측에 마련되는 배출부(520)을 통해 배관라인인 순환부(530)를 통해 상기 유체가열부(300)으로 회귀할 수 있도록 한다. 이는 열에너지를 상실한 유체를 다시 가열하여 순환함으로써, 물 자원의 재활용율을 높일 수 있도록 하는 장점이 구현된다. 도시되지 않았지만, 순환과정을 위한 순환모터가 순환부(530) 상에 더 구비될 수 있다.

상기 유체가열부(300)는 외부의 물 공급원으로 부터 공급되는 물 또는 상기 자켓부(200)에서 회귀한 물을 급속가열하는 기능을 수행한다. 상기 유체가열부(300)는 배양탱크에 공급되어야 하는 총 물의 기준 물량(A)에서 간접가열에 필요한 물의 양(a)을 제외한 나머지 량(A-a)를 배양탱크의 외부에서 직접 가열하게 된다.(이를테면, 멸균작업에 이용되는 총 물의 양을 1000ℓ라고 하는 경우, 최초 분말배지에 혼합되는 물의 양을 50ℓ먼저 배양탱크에 투입하여 간접가열하고, 나머지 950ℓ는 외부에서 급속 가열하여 배양탱크로 공급하게 한다.)

이 경우, 외부에서 직접 가열하게 되는 물(위의 예에서, 950ℓ)은 1회 가열로 목표온도에 도달하도록 구현할 수 있으나, 가열을 위한 과다한 전력소모와 설비를 증설하지 않고 최소한의 설비구조로 가열을 구현하기 위해서는, 배양탱크 내에 투입전 목표 온도에 도달하기 까자 유체 가열부와 자켓을 순환하면서 목표온도를 높이고 이후 목표온도에 도달하면 배양탱크로 공급할 수 있도록 구현하는 것이 바람직하다. 즉, 물(950리터)는 유체가열부 통과하여 자켓부로 순환하면서 100도 이상으로 가열하고 적정온도 도달시 배관 조작을 통해 배양탱크로 넣는 투입할 수 있다.(이후, 배지+물(예 50리터) 멸균 이후 직접 가열된 물(950리터)을 배양탱크로 혼합한 배지혼합액은 유체가열부로 순환시키지 않도록 한다. 이는, 유체가열부의 히터가 고온(직접가열)이기 때문에 배지의 영양소가 열분해될 수 있기 때문이다.)

예를 들어 유체가열부를 1회 통과시 50℃ 온도가 증가한다면 상온 20℃->70℃->120℃->170℃ 이런식으로 순환하면서 증가시킬 수 있다. 본 발명의 실시예에에서는 간접가열에 필요한 온도를 140~150℃, 직접 가열 되어 배양탱크에 주입하는 물의 온도는 100~125℃로 하여 진행할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는, 상기 자켓부 가열시 순환하는 유체는 물과 같은 액체로 적용할 수 있으며, 이러한 유체 적용 장점은 기체인 스팀보다 액체가 열전달률이 높아 가열 속도가 빠르고, 잠열이 남아있는 유체를 재사용하므로서 에너지 효율을 높일 수 있다.

이러한 방식은 배지의 열분해를 막기 위해 배양에 필요한 총 물의 량과 배지를 배양탱크 내에서 일괄적으로 스팀을 이용해 간접가열하는 방식에서 벗어나, 대부분의 물을 외부에서 급속으로 직접가열하고, 선행하여 배양탱크에서 일부의 물을 이용해서 일정온도로 가열하고, 후에 혼합하는 방식으로 구현함으로써, 가열에 소모되는 시간과 전력을 절감할 수 있게 한다.

종합하면, 본 발명은 미생물 배양을 위한 멸균공정에서 고압증기 멸균법(Autoclave)을 적용하는 경우, 필요한 물의 총량(예, 물 1000리터)와 배지 총량(예, 20리터) 전체를 한번에 간접 가열하는 경우 발생하는 에너지 소모량과 시간을 줄이기 위해, 간접가열이 필요한 배지와 직접가열이 가능한 물로 분리하여 가열하므로서 전체를 간접가열해서 발생하는 낮은 효율을 개선할 수 있도록 한다.

즉, 본 발명에 따른 장치 및 방법은 외부 히터로 물을 가열하여 발생한 증기(예 150℃)를 배양탱크 외부 자켓으로 순환시켜 증기의 열로 배양탱크 내부의 물(예 1,000ℓ)과 배지(예 20ℓ)를 일괄적으로 121℃까지 가열하는 간접 고압증기 멸균법을 개량하여, 150℃ 이상일 때 열분해로 영양소 파괴 문제가 발생하여 직접가열을 할 수 없어 간접가열이 필요한 배지와 직접가열이 가능한 물로 분리하여 가열하고 시간차를 두고 혼합함으로써, 전체의 물과 배지를 일괄적으로 간접가열하기 때문에 발행하는 불필요한 에너지와 시간을 절약 할 수 있도록 한다.

도 3에 도시된 것과 같이, 유체가열부(300)에서 가열된 물은 물배관부(400)을 통해 이동하고, 물급수부(130)를 통해 배양탱크로 공급될 수 있다.

또한, 상기 유체가열부(300)에서 발생하는 고온의 유체는 분리하여 배관부(500)를 통해 유도되어 간접가열을 위한 자켓부(200) 내부로 유도되게 된다.

이러한 상기 유체가열부(300)는, 공급되는 물이 체류 및 경유하는 수용모듈(310) 및 상기 수용모듈(310)에 열에너지를 인가하는 발열모듈(320)을 포함하여 구성될 수 있다. 즉, 본 발명의 유체가열부에 적용될 수 있는 순간 가열 방식의 모듈로는 공지된 급속 가열기의 기술구성을 모두 채용할 수 있다.

이를테면, 순간온수기에 적용되는 히트파이프를 이용하여 급속가열하는 구조나, 온수보일러에 적용되는 판히터를 적용하는 급속 가열방식의 구조 등의 가열구조를 적용할 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 실시예로서 유체가열부는 공급되는 물이 체류 및 경유하는 수용모듈(310) 및 상기 수용모듈(310)에 열에너지를 인가하는 발열모듈(320)의 구조에서, 상기 수용모듈(310)의 외주에 배치되는 유도 코일과, 상기 유도코일에 고주파 전류를 인가하여 열에너지를 발생시키는 고주파유도방식의 발열모듈을 이용하여 구성할 수 있다.

도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예로서 고주파유도방식의 발열모듈을 이용한 유체가열부의 구성 및 작용을 설명한다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 메쉬형 발열체의 다양한 구현예시 이미지를 도시한 것이다.

외부의 물공급원(미도시)에서 공급되는 물(X1)은 내부에 물이 체류 및 통과할 수 있는 구조의 수용모듈(310)을 경유할 수 있도록 한다. 상기 수용모듈(310)은 전 후가 개방되고 내부에 비어 있는 구조의 절연소재의 물질로 구성될 수 있으며, 일예로, SUS, 테프론, 유리, 세라믹이나 합성수지 재질로 구현될 수 있다. 상기 수용모듈(310)의 내부에는 자성체 재질의 구조물로 고주파 유도에 의한 발열이 이루어질 수 있는 발열체 구조물로 구현될 수 있다(도 5 참조). 이러한 발열체 구조물(발열모듈)은 유체인 물이 경유하며 가열될 수 있도록 유체의 이동이 자유로는 메쉬구조나 메쉬형 원통구조로 구현될 수 있다.상기 수용모듈의 외부에는 유도코일(315)이 권취되어 있으며, 공진인버터(330)를 통해 고주파 전류가 상기 유도코일(315)에 인가되면, 발열모듈에 와전류손과 히스테리손이 발생하며 발열작용이 구현되게 된다.

상기 공진인버터(330)의 경우, 입력전압이 증가할 수록 비례하여 발열량이 증가하게 되며, 주파수가 높을 수록 침투 깊이는 작아지며 가열은 발열체의 표면에 집중되게 된다. 따라서, 발열체의 직경을 고려하여 50KHz 대역의 주파수를 사용할 수 있다.

수용모듈(310)의 길이를 50cm, 직경 10cm, 공진인버터의 인가 주파수 50KHz, 유체의 유량 물 20L/min으로 하고, 전류 750A로 한 경우, 상온인 20℃물이 인입(X1)되어 배출(X2) 시의 온도가 70℃로 상승하게 됨을 확인하였다. 이 경우, 발열체는 도 5의 구조와 같이, 수용모듈의 내 표면과 5mm 이격되는 구조로 배치되도록 하고, 스테인리스 재질의 0.1mm*0.1mm의 메쉬가 구현되는 발열체를 적용하였다.

본 실시예에서 상기 발열체는 재질은 SUS300, SUS400 계열 사용, 메쉬구조로 제작한 판과 주름있게 절곡한 판(전류밀도는 적층판의 두께가 얇을수록 높음 0.1~1mm)을 겹친 후에 원형구조(스파이럴 형상)로 둘둘 감는 방법으로 구현하였다.

이상의 구조로 가열을 수행하는 경우, 투입전 대비 1회 통과시 50도의 온도 상승의 효과를 구현할 수 있으며, 원하는 온도로 상승시키기 위해서는, 반복 순환을 통해 적정온도에 이를 수 있도록 하는 작동과정을 구현할 수 있음은 상술한 바 있다.

이와 같은 고주파 유도 가열방식의 유체가열부의 구성은 하나의 실시예로 적용될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 배양장치에 위 고주파유도 가열방식의 유체가열부 구성을 통해 미생물 배양을 다음과 같이 실시할 수 있다.

배양탱크 내에 분말 배지를 투입한다(20kg/20ℓ).

이후, 배양탱크에 배지기 충분히 용해될 수 있는 물의 양을 급수한다. 이 경우 배양에 필요한 기준 물의 양을 1000ℓ하는 경우, 50ℓ의 물을 투입한다.

이후, 배지 멸균을 위한 간접 가열이 수행된다. 방식은 자켓부에 고온의 스팀을 주입하여 121℃로 가열하고, 배지를 멸균하는 과정이 수행되고, 멸균을 완료한다.

이후, 물 950ℓ를 자켓부와 배관에 있는 고온의 물을 배양탱크에 주입하고, 부족한 물을 유도가열부와 자켓부로 순환시켜 일정온도가 되면 다시 배양탱크에 주입하는 과정을 물 950ℓ가 될 때까지 반복한다.

이후, 자켓부에 냉각수를 순환시키면서 배양탱크를 2시간 정도 냉각하여 미생물의 배양환경을 조정하고, 미생물 종균을 종균투입구를 통해 배양탱크에 투입한다. 이후 배양(48시간)을 수행하고, 배양탱크 하부의 토출부를 통해 토출된 배양결과물을 저장탱크로 이송한다.

이상의 멸균방법을 정리하면 다음과 같다.

1. 배지+물(50리터) 멸균 방법 : 유체가열부 물 가열 --> 자켓 --> 유체가열부 물 가열 순환을 반복하여 배양탱크 내부 온도 121도 가열 15분 유지

2. 물 950리터 채우는 방법 : 자켓과 배관에 가열된 고온의 물을 배양탱크 내부로 일부이송 --> 유체가열부 물가열 자켓 순환 --> 배양탱크 내부로 일부이송

이상의 미생물 배양방법에 대한 일 실시예를 통해 보면, 배지의 멸균을 위해 간접 가열되는 물은 총 가열이 필요한 물의 양의 0.05% 만을 이용하여 수행하게 되는바, 멸균을 위한 가열 시간 및 물의 양을 현저하게 줄일 수 있게 된다.

즉, 간접가열이 필요한 최소한의 물만을 분리하므로서 효율를 높였으며, 간접 가열에 이용되는 자켓부의 고온의 유체를 버리지 않고 배양에 필요한 멸균수로 재사용하여 이용하게 되는바, 에너지를 현저하게 절감할 수 있다.

이후, 직접가열방식으로 가열된 물을 투입하여 잔여 물 내에 있는 멸균과정이 수행하게 하는바, 신속한 멸균과정 및 배양과정이 수행될 수 있게 된다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

100: 배양탱크
200: 자켓부
300: 유체가열부
400: 물배관부
500: 배관부

Claims (7)

1. 에너지 절감형 미생물 배양장치를 이용하여 미생물을 배양하는 방법에 있어서,
   배양탱크에 미생물 배양을 위한 분말배지를 투입하는 1단계;
   상기 배양탱크 내에 미생물 배양을 위한 기준 물량(A)의 총량의 일부(a)를 투입하는 2단계;
   상기 배양탱크의 외주면에 배치된 자켓부에 고온의 유체를 주입하여 배양탱크 내부를 간접 가열하여 배지를 멸균하는 3단계;
   상기 기준 물량(A)의 잔여 량(A-a)를 상기 배양탱크 외부에 배치된 유체가열부를 통해 직접가열하고, 가열되어 자켓부와 배관에 있는 상기 배양탱크로 공급하는 4단계;
   상기 배양탱크를 냉각 후, 미생물 종균을 접종하여 배양하는 5단계;
   배양된 미생물을 저장조로 이송하는 6단계;
   를 포함하는 에너지 절감형 미생물 배양장치를 이용한 미생물의 배양방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 3단계의 간접 가열에 이용되는 고온의 유체는, 상기 4단계의 유체가열부를 순환하면서 적정온도로 가열되며, 열에너지를 상실한 유체를 재가열하여 이용하며,
   상기 4단계의 배양탱크로 공급되는 물의 일부분은, 상기 3단계에서 간접가열을 위해 자켓부를 순환하였던 물을 멸균수로 재이용하는 것인,
   에너지 절감형 미생물 배양장치를 이용한 미생물의 배양방법.
   
3. 청구항 1에 있어서, 상기 에너지 절감형 미생물 배양장치는,
   내부에 배양 수용공간(105)을 형성하며, 다수의 개소에 개폐기작에 의한 외부 연통부를 구비하는 배양탱크(100);
   상기 배양탱크의 외주면에 밀착되어 배치되며, 내부가 중공되어 연통되는 구조로 유체를 가이드하는 자켓부(200);
   상기 배양탱크(100)의 외부에 배치되어, 공급되는 물을 급속가열하는 유체가열부(300);
   상기 유체가열부(300)에서 가열되는 물과 상기 자켓부(200)에 있는 고온의 물을 상기 배양탱크(100)의 상기 수용공간(105)로 유도하는 물배관부(400); 및
   상기 유체가열부(300)에서 가열되는 물을 상기 자켓부(200)로 유도하는 배관부(500);
   를 포함하는 에너지 절감형 미생물 배양장치를 이용한 미생물의 배양방법.
   
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 자켓부(200)는,
   상기 배관부(500)을 통해 유입되는 유체를 인입하는 인입부(510)와,
   상기 자켓부(200)에 체류하여 상기 배양탱크 내부를 간접가열한 유체를 배출하는 배출부(520)를 구비하며,
   상기 배출부(520)를 통해 배출되는 유체를 상기 유체가열부(300)으로 순환시키는 순환부(530)를 포함하는,
   에너지 절감형 미생물 배양장치를 이용한 미생물의 배양방법.
   
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 유체가열부(300)는, 공급되는 물이 체류 및 경유하는 수용모듈(310); 및
   상기 수용모듈(310)에 열에너지를 인가하는 발열모듈(320);을 포함하는,
   에너지 절감형 미생물 배양장치를 이용한 미생물의 배양방법.
   
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 발열모듈(320)은,
   상기 수용모듈(310)의 외주에 배치되는 유도 코일과,
   상기 유도코일에 고주파 전류를 인가하여 열에너지를 발생시키는 고주파유도방식의 발열모듈인,
   에너지 절감형 미생물 배양장치를 이용한 미생물의 배양방법.
   
7. 청구항 3에 있어서,
   상기 에너지 절감형 미생물 배양장치는,
   상기 배양탱크(100)의 외측에 구비되는 교반모터(M)와, 상기 교반모터(M)와 연결되어 상기 배양탱크 내부로 인입되는 샤프트에 구현되는 교반기(120);
   상기 자켓부(200)의 외표면에 밀착하여 배치되는 보온모듈(180);
   를 더 포함하는 에너지 절감형 미생물 배양장치를 이용한 미생물의 배양방법.

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