KR102207349B1 - 생물반응기용 스파저 어셈블리 - Google Patents

생물반응기용 스파저 어셈블리 Download PDF

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KR102207349B1
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Abstract

본 발명은 생물반응기용 스파저 어셈블리에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스파저의 탈부착이 가능하도록 함으로써, 스파저 조립 및 분리, 세척 작업을 용이하게 하며, 스파저의 형태를 다양하게 변경할 수 있어 생물반응기 공정의 효율을 높일 수 있는 생물반응기용 스파저 어셈블리에 관한 것이다. 본 발명의 생물반응기용 스파저 어셈블리는 종래의 스파저 형식의 생물반응기와 달리 스파저 교환이 용이하여 생물반응기 운영 시 미생물의 생장조건에 맞는 스파저를 이용할 수 있으며, 이에 따라 바이오 에너지 및 바이오 기반 화학물질 생산을 효율적으로 수행할 수 있다.

Description

생물반응기용 스파저 어셈블리{Sparger Assembly for bioreactor}
본 발명은 생물반응기용 스파저 어셈블리에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스파저의 탈부착이 가능하도록 함으로써, 스파저 조립 및 분리, 세척 작업을 용이하게 하며, 스파저의 형태를 다양하게 변경할 수 있어 생물반응기 공정의 효율을 높일 수 있는 생물반응기용 스파저 어셈블리에 관한 것이다.
[이 발명을 지원한 국가연구개발사업]
과제고유번호: 20150581
부처명: 해양수산부
연구관리 전문기관: 한국해양과학기술진흥원
연구사업명: 해양수산생명공학기술개발
기여율: 50/100
연구과제명: 고효율 수소 생산을 위한 고압 수성가스 전환 생물반응기
주관기관명: 한국에너지기술연구원
연구기간: 2015.12.01. ~ 2020.01.31.
[이 발명을 지원한 국가연구개발사업]
과제고유번호: NRF-2017M3D3A1A01036923
부처명: 과학기술정보통신부
연구관리 전문기관: 한국연구재단
연구사업명: C1 가스 리파이너리 사업
연구과제명: 메탄자화균을 이용한 고효율 메탄전환 숙신산 생산 균주 개발
기여율: 40/100
주관기관명: 한국에너지기술연구원
연구기간: 2017.04.01. ~ 2020.12.31.
[이 발명을 지원한 국가연구개발사업]
과제고유번호: 20173010092460
부처명: 산업통상자원부
연구관리 전문기관: 한국에너지기술평가원
연구사업명: 신재생에너지기술개발사업
연구과제명: 일산화탄소 기반 합성가스를 이용한 바이오알콜 생산기술 개발
기여율: 10/100
주관기관명: 광주과학기술원
연구기간: 2017.12.01. ~ 2020.11.30.
일반적으로 일산화탄소(CO)와 같은 C1 가스를 기질로 하여 바이오 수소(H2)를 생산하는 생물 공정의 경우에는, 물에 잘 녹는 당(Sugar)을 사용하는 전통적인 발효 공정과 다르게 기질(가스)의 물에 대한 용해도가 낮아, 수소 생산성을 향상시키기 위해서는 가스의 물질전달 속도를 높이기 위한 별도의 노력이 필요하다.
따라서 가스 발효 생산성의 한계를 가져오는 기질의 물질전달 속도를 개선하기 위한 많은 연구들이 진행되고 있다. 기-액 생물반응기의 생산성에 영향을 주는 물질전달 속도 반응식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112019030443749-pat00001
C*: Saturation concentration of the dissolved gas
Ct: Concentration of dissolved gas
그 중 가스전달계수인 KLa는 생물반응기 내 배지의 양, 배지의 점성, 압력, 온도, 표면장력, 에어레이션(Aeration) 등의 영향을 받아 변할 수 있으며 크게는 생물 반응기 내 교반(Agitation)에 따라 영향을 받는다.
보통 임펠러(Impeller)를 사용하는 생물반응기의 경우 KLa를 증가시키는 방법으로 교반을 증가 시키는데, 구체적으로 임펠러의 모양 및 회전수, 반응기 내에서의 임펠러 위치를 조절하여 KLa 값을 증가시킨다. 그러나, 이와 같은 방법은 임펠러를 가동하기 위한 동력 사용 비용 증가 및 임펠러 사용시 발생하는 전단(Shear)에 의해 미생물에 안 좋은 영향을 주는 문제가 있다.
이러한 문제점들을 보완하기 위해 에어리프트(Airlift) 타입의 생물반응기는 교반을 위해 임펠러를 대신하여 스파저(Sparger)를 사용한다. 그러나, 종래의 에어리프트 타입의 생물반응기의 경우 일체형으로 이루어져 스파저 교환이 어렵고, 분리 또한 어려워 스파저 기공 사이에 낀 잔여물들을 세척하는데 문제가 있다. 또한, 생물공정 시 각각의 미생물에 따라 미생물에 따라 요구되는 생장환경과 최적의 조건이 다름에도 불구하고, 이러한 조건들을 맞추기 위한 스파저의 기공 사이즈 및 평판형 또는 환형 등의 스파저의 형태 변경이 불가능한 문제점이 있다.
대한민국 등록특허 제10-1880129호
Chemical Engineering Science, 137 (2015), pp. 243-253
본 발명의 목적은 생물반응기 사용시 스파저를 사용함에 있어서 손쉬운 탈부착이 가능한 생물반응기용 스파저 어셈블리를 제공함으로써, 스파저의 조립 및 교체의 용이성, 스파저 세척 작업의 간편함을 제공하고자 한다.
또한, 다양한 스파저의 형태와 스파저의 기공 크기를 변경할 수 있게 하여 미생물을 이용한 생물반응기 공정의 효율성을 향상시키고자 한다.
본 발명의 일 실시 형태에 따른 생물반응기용 스파저 어셈블리는, 내부에 생물체가 배양되는 공간(110)이 형성된 상단부(100); 및 상기 상단부(100)의 하부에 탈부착이 가능하도록 결합된 하단부(200);를 포함한다.
상기 하단부(200)는, 상기 하단부(200)의 상부에 형성되어 상기 상단부(100)에 가스를 공급하는 가스공급부(210); 상기 가스공급부(210)의 하부에 형성되며, 배지를 공급받아 상기 상단부(100)로 배지를 공급하는 배지순환부(220); 상기 배지순환부(220)의 하부에 형성되며 상기 상단부(100)로부터 폐액을 공급받아 폐액통으로 폐액을 배출하는 폐액순환부(230); 및 상기 폐액순환부(230)의 하부에 형성되는 가스배출라인(240);를 포함하고, 상기 가스공급부(210)는, 내부에 공간이 형성된 가스챔버(211); 상기 가스챔버(211)의 측면에 형성된 가스주입구(213); 상기 가스챔버(211) 상부에 형성된 가스공급홀(215); 및 상기 가스공급홀(215)에 설치되는 스파저(217);를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 배지순환부(220)는, 상기 배지순환부(220) 일측면에 형성되는 배지투입구(221); 및 상기 배지순환부(220) 측면에 형성되는 배지토출구(223);를 포함하며, 상기 폐액순환부(230)는, 상기 폐액순환부(230) 일측면에 형성되는 폐액공급구(231); 및 상기 폐액순환부(230) 측면에 형성되는 폐액배출구(233);를 포함할 수 있다.
상기 상단부(100)는, 상기 상단부(100)의 측면 하부에 형성되는 배지공급구(120); 및 상기 상단부(100)의 측면에 형성되는 폐액토출구(130);를 포함하며, 상기 배지공급구(120)는 관을 통해 상기 배지토출구(223)와 연결되고, 상기 폐액토출구(130)는 관을 통해 상기 폐액공급구(231)와 연결되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 상단부(100)의 하부 외측에는 플랜지부(140)가 형성되고, 상기 가스챔버(211)의 상부 외측에는 상기 플랜지부(140)에 대응되는 플랜지(219)가 형성되어, 상기 상단부(100)와 하단부(200)는 플랜지 결합될 수 있다.
상기 스파저(217)는 소결 합금(Sintered metal)로 형성될 수 있으며, 상기 스파저(217)에는 0.1 ~ 10㎛ 직경의 미세공극들이 형성되는 것이 바람직하고, 상기 스파저(217)는 평판형 또는 환형일 수 있다.
상기 가스공급부(210)는, 상기 가스공급홀(215)과 스파저(217) 사이에 위치하는 개스킷을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 생물반응기용 스파저 어셈블리는 종래의 스파저 형식의 생물반응기와 달리 스파저 교환이 용이하며 세척과 분리가 효율적이어서, 생물반응기 운영 시 미생물의 생장조건에 맞는 스파저를 이용할 수 있으며, 이에 따라 바이오 에너지 및 바이오 기반 화학물질 생산을 효율적으로 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 생물반응기용 스파저 어셈블리를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 생물반응기용 스파저 어셈블리의 하단부의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 생물반응기용 스파저 어셈블리의 하단부의 정면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 생물반응기용 스파저 어셈블리의 스파저의 정면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 생물반응기용 스파저 어셈블리의 하단부의 평면도이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 통해 상세히 설명하기에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 된다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 발명의 출원 시점에서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 존재할 수 있음을 이해하여야 한다.
본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
각 단계들에 있어 식별부호(제1, 제2, 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 실시될 수도 있고 실질적으로 동시에 실시될 수도 있으며 반대의 순서대로 실시될 수도 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 생물반응기용 스파저 어셈블리에 대하여 도면을 참조하여 좀 더 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 생물반응기용 스파저 어셈블리를 도식적으로 나타낸 것이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 하단부의 사시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 하단부의 측면도이다.
도 1 내지 3을 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 생물반응기용 스파저 어셈블리는 내부에 생물체가 배양되는 공간(110)이 형성된 상단부(100); 및 상기 상단부(100)의 하부에 탈부착이 가능하도록 결합된 하단부(200);를 포함한다. 본 발명에 따른 생물반응기용 스파저 어셈블리는 종래의 스파저 형식의 생물반응기와 달리 상단부(100)에 하단부(200)가 탈부착이 가능하여 스파저 교환이 용이하며 스파저의 세척과 분리가 효율적이어서, 생물반응기 운영 시 미생물의 생장조건에 맞는 스파저를 이용할 수 있으며, 이에 따라 바이오 에너지 및 바이오 기반 화학물질 생산을 효율적으로 수행할 수 있다.
상기 상단부(100)는, 도 1에 도시된 것과 같이, 생물체가 배양될 수 있도록 내부에 공간(110)이 형성되며, 상기 공간(110)으로 액상의 배지가 공급될 수 있도록 상기 상단부(100)의 측면 하부에는 배지공급구(120)가 형성된다.
또한, 생물체가 배양되는 과정에서 형성되는 폐액을 배출할 수 있도록, 상기 상단부(100)의 측면에는 하나 이상의 폐액토출구(130)가 형성되며, 후술할 하단부(200)와 결합할 수 있도록 상기 상단부(100)의 하부 외측에는 플랜지부(140)가 형성될 수 있다.
이러한 상단부(100)는 내염성과 부식에 강한 스테인레스 스틸 재질로 이루어질 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 필요에 따라, 상단부(100) 내부에서 생물체가 배양되는 과정을 용이하게 관찰할 수 있도록 상기 상단부(100)의 측부로 투명창이 형성될 수 있으며, 이러한 투명창은 고압상황을 대비하여 강화유리로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하단부(200)는, 도 2 및 3에 도시된 것과 같이, 하단부(200)의 상부에 형성되어 상기 상단부(100)에 가스를 공급하는 가스공급부(210); 상기 가스공급부(210)의 하부에 형성되며, 배지를 공급받아 상기 상단부(100)로 배지를 공급하는 배지순환부(220); 상기 배지순환부(220)의 하부에 형성되며 상기 상단부(100)로부터 폐액을 공급받아 폐액통으로 폐액을 배출하는 폐액순환부(230); 및 상기 폐액순환부(230)의 하부에 형성되는 가스배출라인(240);를 포함한다.
상기 가스공급부(210)는, 내부에 공간이 형성된 가스챔버(211); 상기 가스챔버(211)의 측면에 형성된 가스주입구(213); 상기 가스챔버(211) 상부에 형성된 가스공급홀(215); 및 상기 가스공급홀(215)에 설치되는 스파저(217);를 포함하여, 생물체가 배양되는 상단부(100)에 일산화탄소(CO) 등과 같은 생물체가 필요로 하는 가스를 공급한다.
상기 가스주입구(213)를 통해 외부로부터 가스챔버(211)로 일산화탄소(CO) 등과 같은 생물체가 필요로 하는 가스를 공급한 후, 가스챔버(211) 상부에 형성된 가스공급홀(215) 및 스파저(217)를 통해 생물체가 배양되는 상단부(100)의 내부 공간(110)으로 가스를 공급한다.
또한, 상기 상단부(100)와 하단부(200)가 탈부착 될 수 있도록, 도 2 및 3에 도시된 것과 같이, 가스챔버(211)의 상부 외측에는 상단부(100)의 플랜지부(140)에 대응하는 플랜지(219)가 형성되어 상단부(100)와 하단부(200)가 플랜지 결합될 수 있다.
이와 같이, 상기 상단부(100)와 하단부(200)가 플랜지 결합할 때, 상단부(100)와 하단부(200) 사이의 기밀을 향상시키기 위해, 상기 플랜지부(140)와 플렌지(219) 사이에 개스킷(Gasket)을 위치시켜 프랜지 결합할 수 있다. 이러한 개스킷(gasket)은 실리콘 또는 테프론으로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 배지순환부(220)는, 도 2 및 3에 도시된 것과 같이, 상기 배지순환부(220) 일측면에 형성되는 배지투입구(221) 및 상기 배지순환부(220) 측면에 형성되는 배지토출구(223)를 포함할 수 있다.
상기 배지투입구(221)를 통해 외부의 배지탱크로부터 생물체 배양에 필요한 배지를 배지순환부(220)로 공급할 수 있다. 또한, 상기 배지토출구(223)는, 도 1에 도시된 것과 같이, 상단부(100)의 배지공급구(120)와 관(320)을 통해 연결되어, 배지순환부(220)로 공급된 배지를 상단부(100)로 공급할 수 있다.
상기 폐액순환부(230)는, 도 2 및 3에 도시된 것과 같이, 상기 폐액순환부(230) 일측면에 형성되는 폐액공급구(231) 및 상기 폐액순환부(230) 측면에 형성되는 폐액배출구(233)을 포함할 수 있다.
상기 폐액공급구(231)는, 도 1에 도시된 것과 같이, 상단부(100)의 폐액토출구(130)와 관(310)을 통해 연결되어, 생물체가 배양되는 과정에서 발생하는 폐액을 상단부(100)로부터 폐액순환부(230)로 공급할 수 있다. 또한, 상기 폐액배출구(233)을 통해 폐액순환부(230)로 공급된 폐액을 외부의 폐액탱크로 토출할 수 있다.
상기 폐액순환부(230)의 하부에는 가스배출라인(240)이 형성될 수 있다. 이러한 가스배출라인(240)을 통해 상기 하단부(200)의 하부에 고인 용액이나 생물체가 필요로 하는 가스와 조성이 다른 가스를 배출할 수 있다. 또한, 필요에 따라, 생물체가 배양되는 상단부(100)의 내부 공간(110)의 pH를 조절하기 위해 상기 가스배출라인(240)을 통해 산, 염기 용액을 주입할 수도 있다.
상기 스파저(217)는 소결 합금(Sintered metal)으로 형성될 수 있으며, 약 0.1 ~ 10㎛ 직경의 미세공극들이 형성되는 것이 바람직하다. 이러한 스파저(217)는 생물체가 배양되는 상단부(100) 내로 가스가 적정 크기의 미세 기포 형태로 산기되어 공급되도록 하는 역할을 한다.
상기 스파저(217)의 형태는 도 4(a)에 도시된 것과 같이 평판형 이거나, 도 4(b)에 도시된 것과 같이 중심에 홀(217a)이 형성된 환형일 수 있다.
도 5(a)는 평판형의 스파저가 설치된 하단부의 평면도이고, 도 5(b)는 환형의 스파저가 설치된 하단부의 평면도이다.
스파저(217)의 형태가 환형인 경우에는, 도 5(b)에 도시된 것과 같이, 스파저(217)의 중심에 형성된 홀(217a)에 드래프트튜브관(218)이 삽입될 수 있다. 이와 같이, 드래프트튜브관(218)이 삽입되는 경우에는, 배지순환부(220)로 공급된 배지를 배지토출구(223)과 관(320)을 통하지 않고 드래프트튜브관(218)을 통해 직접 상단부(100) 내부로 주입할 수 있다. 또한, 생물체가 배양되는 과정에서 발생한 폐액을 폐액토출구(130)와 관(310)을 통하지 않고 드래프트튜브관(218)을 통해 직접 폐액순환부(230)로 공급하여 폐액을 배출할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 생물반응기용 스파저 어셈블리는, 상기 스파저(217)와 하단부(200)의 기밀을 향상시키기 위해, 상기 가스공급홀(215)과 스퍼자(217) 사이에 위치하는 개스킷(Gasket)을 더 포함할 수 있다. 이러한 개스킷은 실리콘이나 테프론으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 생물반응기용 스파저 어셈블리는 상단부(100)와 하단부(200)의 결합과 분리가 용이하므로, 배양되는 생물체에 따라 적합한 기공 사이즈를 갖는 스파저나 적합한 형상(평판형, 환형)을 갖는 스파저로 교체할 수 있어, 바이오 에너지 및 바이오 기반 화학물질 생산을 효율적으로 수행할 수 있는 장점이 있다.
이상, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 당연하다 할 것이다.
100: 상단부 110: 공간
120: 배지공급구 130: 폐액토출구
140: 플랜지부 200: 하단부
210: 가스공급부 211: 가스챔버
213: 가스주입구 215: 가스공급홀
217: 스파저 218: 드래프트튜브관
219: 플랜지 220: 배지순환부
221: 배지투입구 223: 배지토출구
230: 폐액순환부 231: 폐액공급구
233: 폐액배출구 240: 가스배출라인
310,320: 관

Claims (8)

  1. 내부에 생물체가 배양되는 공간(110)이 형성된 상단부(100); 및 상기 상단부(100)의 하부에 탈부착이 가능하도록 결합된 하단부(200);를 포함하고,
    상기 하단부(200)는,
    상기 하단부(200)의 상부에 형성되어 상기 상단부(100)에 가스를 공급하는 가스공급부(210); 상기 가스공급부(210)의 하부에 형성되며, 배지를 공급받아 상기 상단부(100)로 배지를 공급하는 배지순환부(220); 상기 배지순환부(220)의 하부에 형성되며 상기 상단부(100)로부터 폐액을 공급받아 폐액통으로 폐액을 배출하는 폐액순환부(230); 및 상기 폐액순환부(230)의 하부에 형성되는 가스배출라인(240);를 포함하고,
    상기 가스공급부(210)는, 내부에 공간이 형성된 가스챔버(211); 상기 가스챔버(211)의 측면에 형성된 가스주입구(213); 상기 가스챔버(211) 상부에 형성된 가스공급홀(215); 및 상기 가스공급홀(215)에 설치되는 스파저(217);를 포함하며,
    상기 배지순환부(220)는, 상기 배지순환부(220) 일측면에 형성되는 배지투입구(221); 및 상기 배지순환부(220) 측면에 형성되는 배지토출구(223);를 포함하고,
    상기 폐액순환부(230)는, 상기 폐액순환부(230) 일측면에 형성되는 폐액공급구(231); 및 상기 폐액순환부(230) 측면에 형성되는 폐액배출구(233);를 포함하는 것을 특징으로 하는, 생물반응기용 스파저 어셈블리.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 상단부(100)는, 상기 상단부(100)의 측면 하부에 형성되는 배지공급구(120); 및 상기 상단부(100)의 측면에 형성되는 폐액토출구(130);를 포함하며,
    상기 배지공급구(120)는 관을 통해 상기 배지토출구(223)와 연결되고,
    상기 폐액토출구(130)는 관을 통해 상기 폐액공급구(231)와 연결되는 것을 특징으로 하는, 생물반응기용 스파저 어셈블리.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 상단부(100)의 하부 외측에는 플랜지부(140)가 형성되고, 상기 가스챔버(211)의 상부 외측에는 상기 플랜지부(140)에 대응되는 플랜지(219)가 형성되어,
    상기 상단부(100)와 하단부(200)는 플랜지 결합되는 것을 특징으로 하는, 생물반응기용 스파저 어셈블리.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 스파저(217)는 소결 합금(Sintered metal)로 형성된 것을 특징으로 하는, 생물반응기용 스파저 어셈블리.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 스파저(217)에는 0.1 ~ 10㎛ 직경의 미세공극들이 형성된 것을 특징으로 하는, 생물반응기용 스파저 어셈블리.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 스파저(217)는 평판형 또는 환형인 것을 특징으로 하는, 생물반응기용 스파저 어셈블리.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 가스공급부(210)는, 상기 가스공급홀(215)과 스파저(217) 사이에 위치하는 개스킷을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 생물반응기용 스파저 어셈블리.
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