KR102279833B1 - 충진층의 부피 조절이 가능한 생물 반응기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 내부에 수용공간을 구비한 챔버부; 상기 챔버부의 내부에 상기 챔버부의 중심축과 수직한 평면에 배치되고, 상기 챔버부의 중심축 방향으로 이동 가능한 상부 고정부 및 하부 고정부; 및 상기 챔버부 내부에서, 상기 상부 고정부와 하부 고정부 사이의 공간에 형성되고, 복수의 담체를 포함하는 충진층; 을 포함하는 생물 반응기를 제공한다.

Description

충진층의 부피 조절이 가능한 생물 반응기{Bio-reactor capable of controlling volume of packed layer}
본 발명은 미생물 배양이 가능한 생물 반응기에 대한 것이다.
미생물은 체내에 다양한 효소를 가지고 있으며 이를 통해 기질 물질들을 고부가 산물로 전환하거나 오염물질들을 분해할 수 있다. 생물반응기는 미생물 및 효소를 대량 배양하거나, 생물학적 반응 속도 증대를 위하여 사용되어 왔다. 특히, 생물 반응기 내의 물리적 성능을 개선하거나, 화학, 생물학적 특성을 추가하여 목적 대사물질의 생산 수율 및 생산 속도를 증가시키는 연구가 활발히 진행되어 왔다.
생물 반응기란 미생물 혹은 효소를 촉매로 사용하여 반응물을 생산물로 전환하는 장치로, 생물 반응장치라고도 한다. 생물은 체내에서 각종 효소를 이용하여 기질 물질을 분해하며 최종 대사 산물을 합성하는데, 그 분해나 합성반응은 대부분 상온·상압에서 이루어지며 미생물이 보유한 효소 및 대사 경로에 따라 반응물과 생성물이 달라진다.
생물학적 반응을 이용하는 경우, 동일한 반응물과 생성물을 가지는 반응 상에서 가격이 비싼 귀금속 촉매를 사용하거나, 고온·고압의 물리화학적 공정을 사용할 필요가 없으며 공정 진행 후 발생되는 폐기물 또한 환경 독성이 적다는 장점을 가진다.
이와 같이 생물 반응기는 자원·에너지 절약이 가능할 뿐 아니라 매연·유해물질·소음공해도 발생하지 않는 장점을 가진다.
생물 반응기에 사용되는 생체촉매는 효소, 미생물, 동물세포 및 식물세포가 있으며 이 생체촉매를 현탁(suspension)화 또는 고정화(immobilized)하여 사용한다. 생물 반응기를 설계할 때 고려해야 하는 중요한 사항은 기질(substrate)을 생성물로 전환시키는 속도(conversion rate), 생성물 수율(product yield), 생성물 농도, 생산성(productivity)을 높이는 것이다.
기존의 담체를 이용한 생물 반응기의 경우, 일반적으로 담체가 반응기 액체 내부를 무작위하게 움직이면서 떠다니게 되고, 이러한 경우, 담체간 충돌에 의해서 담체에 형성된 바이오필름을 탈착 시키고, 그 결과 반응기 내부의 생체촉매 농도 또한 감소하게 되는 문제가 있다.
특히, 기체를 이용한 가스발효공정의 경우 기질 가스를 반응기 밑단에서 액상으로 공급하게 되는데, 이때 높은 가스 유속으로 인하여 액상의 난류도, 전단력이 증대되고 그 결과, 담체의 흔들림이 증가하여 바이오필름 탈착이 더 심해진다. 또한, 담체가 반응기 상단으로 떠올라 액상과 분리되어 공정의 기질 가스 전환 능력이 감소하며, 물리적으로도 공정 운전상 문제를 야기할 가능성이 크다.
한국공개특허 제10-2011-0043642호
본 발명의 일 과제는 부피를 조절할 수 있는 충진층을 포함하는 생물 반응기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 일 과제는 상기 생물 반응기를 이용한 미생물 배양방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 양태는 내부에 수용공간을 구비한 챔버부; 상기 챔버부의 내부에 상기 챔버부의 중심축과 수직한 평면에 배치되고, 상기 챔버부의 중심축 방향으로 이동 가능한 상부 고정부 및 하부 고정부; 및 상기 챔버부 내부에서, 상기 상부 고정부와 하부 고정부 사이의 공간에 형성되고, 복수의 담체를 포함하는 충진층; 을 포함하는 생물 반응기를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 충진층은 상기 상부 고정부 및/또는 하부 고정부의 위치를 조절함으로써 이의 부피를 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 생물 반응기는 고정부 조절장치를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 생물 반응기는 기체 공급장치를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 생물 반응기는 유입구 및 배출구를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 생물 반응기는 기체 공급로 및 기체 유출로를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 생물 반응기는 상기 기체 유출로에서 분지되어 상기 기체 공급로에 연결되는 기체 재순환라인을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 생물 반응기는 센서를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 센서는 pH, 산화환원전위, 용존산소, 탁도, 형태 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 측정을 위한 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 생물 반응기는 상기 챔버부 내부 상면에 위치한 액체 분배장치를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 양태는 내부에 수용공간을 구비한 챔버부; 상기 챔버부의 내부에 상기 챔버의 중심축과 동일한 축상에 위치하고, 상기 챔버부의 측벽과 이격되어 순환부를 형성하는 격벽부; 상기 챔버부의 중심축과 수직한 평면에 배치되고, 상기 격벽부 내부에 위치한 상부 고정부 및 하부 고정부; 및 상기 격벽부의 내부 공간 및 상기 상부 고정부와 하부 고정부 사이의 공간에 형성되고, 복수의 담체를 포함하는 충진층; 을 포함하고, 상기 순환부는 상기 챔버부의 측벽과 상기 격벽부의 이격된 공간에 형성되는 것을 특징으로 하는 생물 반응기를 제공한다.
본 발명의 일 양태는 내부에 수용공간을 구비한 챔버부; 상기 챔버부의 내부에 상기 챔버부의 중심축과 동일한 축상에 위치하고, 상기 챔버부의 측벽과 이격되어 순환부를 형성하는 격벽부; 및 상기 챔버부의 중심축과 수직한 평면에 배치되고, 상기 격벽부의 외벽과 챔버부의 내벽 사이의 공간에 위치하는 상부 고정부 및 하부 고정부; 상기 챔버부의 내벽과 상기 격벽부의 외벽사이의 공간 및 상기 상부 고정부와 하부 고정부 사이의 공간에 형성되고, 복수의 담체를 포함하는 충진층; 을 포함하고, 상기 순환부는 상기 격벽부 내부의 공간에 형성되는 것을 특징으로 하는 생물 반응기를 제공한다.
본 발명의 일 양태는 본 발명의 일 실시예에 의해 제공된 생물 반응기를 이용한 미생물 배양방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 미생물 배양방법은 회분식, 연속식, 반 회분식 중 하나의 방법으로 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 충진층의 부피조절이 가능한 생물 반응기를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따라 제공되는 생물 반응기는 운전 시 담체를 충진층 내부에 가둠으로써, 생물 반응기 운전중 담체간 충돌 및 액상 난류에 의한 바이오필름의 탈착 빈도를 줄여, 반응기 내부의 생체촉매 농도의 감소를 방지한다.
특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 생물 반응기는 높은 유속으로 공급되는 기체에 의해 바이오필름이 탈착되거나, 담체가 상단으로 떠오르게 되어 반응 빈도가 낮아지는 것을 방지할 수 있다.
또한, 충진층의 부피조절이 가능한바, 생물 반응기의 부피조절이라는 간단한 공정만으로 적정한 양의 담체를 사용하여, 생물 반응기 내부에서 일어나는 전반적인 대사를 조절할 수 있기 때문에, 반응물로부터 원하는 산물의 수율을 증대시킬 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1의 a 및 b는 본 발명의 일 실시예에 의한 생물 반응기들의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 상부 고정부 및 하부 고정부의 상면의 확대도이다.
도 3, 도 4, 도 5의 a 및 b는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 의한 생물 반응기의 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 미생물 배양시, 균체 성장 및 생산물의 생성 양상을 나타낸 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 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 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 생물 반응기(1a 및 1b)의 모식도이다.
도 1의 a)를 참조하면, 상기 생물 반응기(1a)는 내부에 수용공간을 구비한 챔버부(100); 상기 챔버부(100) 내부에 상기 챔버부(100)의 중심축과 수직한 평면에 배치되고, 상기 챔버부(100)의 중심축 방향으로 이동 가능한 상부 고정부(210) 및 하부 고정부(220); 및 상기 챔버부(100) 내부에서, 상기 상부 고정부(210)와 하부 고정부(220) 사이의 공간에 위치하고, 복수의 담체(700)를 포함하는 충진층(200); 을 포함한다.
상기 챔버부(100)는 상기 생물 반응기(1a)의 외형을 이루며, 상기 생물 반응기(1a)의 내부 구성을 수용하는 역할을 한다.
상기 챔버부(100)의 재질은 멸균이 가능한 재질, 예를 들면, 유리, 엔지니어링 플라스틱, 세라믹, 고분자, 스텐리스 스틸, 기타 합금 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나, 예를 들면, 스텐리스 스틸일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 생물 반응기(1a)는 상부 고정부(210) 및 하부 고정부(220)를 포함한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한, 상기 상부 고정부(210) 및/또는 하부 고정부(220)의 상면에 대한 확대도이다.
도 2를 참조하면, 상기 상부 고정부(210) 및 하부 고정부(220)는 크기가 서로 다른 복수의 구멍, 예를 들면, 제 1 구멍(211) 및 제 2 구멍(212)을 포함할 수 있다.
상기 복수의 구멍은 크기에 따라, 용도가 상이할 수 있다. 상기 제 1 구멍(211)은 상기 제 2 구멍(212)에 비해 상대적으로 크기가 작을 수 있다. 상기 제 1 구멍(211)은 충진층(200)에 포함된 담체(700)보다 크기가 작을 수 있고, 상기 제 1 구멍(211)의 크기는 2 가지 이상일 수 있다.
상기 제 1 구멍(211)의 직경은, 충진층(200)에 포함된 담체(700)보다 크기가 작은 범위, 예를 들면, 1 mm 내지 10 mm일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들면, 상기 상부 고정부(210) 및 하부 고정부(220)의 제 1 구멍(211)은 충진층(200)에 포함된 담체(700)보다 크기가 작으므로, 담체(700)는 상기 상부 고정부(210) 및 하부 고정부(220)를 통과하여 이동하지 못하나, 상기 챔버부(100) 내부의 배양액 및 기체는 통과할 수 있다. 이로써, 상기 제 1 구멍(211)은 상기 챔버부(100) 내부에 기체 및 배양액을 순환할 수 있도록 한다.
상기 제 2 구멍(212)은 상기 제 1 구멍(211)에 비해 상대적으로 크기가 클 수 있다. 상기 제 2 구멍(212)은 상기 상부 고정부(210) 및 하부 고정부(220)의 구조에 있어서 생략될 수 있다.
상기 상부 고정부(210) 및 하부 고정부(220)는 상기 챔버부(100) 내부에 형성되는 충진층(200) 내에 담체(700)를 고정하여, 상기 담체(700)의 움직임을 제한하는 역할을 한다.
상기 담체(700)의 움직임을 효과적으로 제한하기 위하여, 상기 상부 고정부(210) 및 하부 고정부(220)의 측면부와 상기 챔버부(100)의 내벽과의 간격은 상기 담체(700)의 직경보다 작은 것이 바람직하며, 예를 들면, 상기 충진층(200)의 단면의 넓이 및 모양과 상기 상부 고정부(210) 및 하부 고정부(220)의 내부 단면의 넓이 및 모양은 동일하여, 상기 상부 고정부(210) 및 하부 고정부(220)의 측면부와 상기 챔버부(100)의 내벽과의 간격이 거의 존재하지 않을 수 있다.
상기 상부 고정부(210) 및 상기 하부 고정부(220)의 재질은 멸균이 가능한 재질, 예를 들면, 유리, 엔지니어링 플라스틱, 세라믹, 고분자, 스텐리스 스틸, 기타 합금 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나, 예를 들면, 스텐리스 스틸일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 상부 고정부(210) 및 상기 하부 고정부(220)는 동일한 재질일 수 있다.
상기 생물 반응기(1a)는 고정부 조절장치(230)를 더 포함할 수 있고, 상기 상부 고정부(210) 및 하부 고정부(220)는 상기 고정부 조절장치(230)를 통하여 상기 챔버부(100)의 중심축 방향의 양방향으로 이동할 수 있다.
상기 고정부 조절장치(230)는 상기 상부 고정부(210) 및 상기 하부 고정부(220)를 상기 챔버부(100) 내부에서 이동 및 지지하는 역할을 한다. 상기 고정부 조절장치(230)은 상기 챔버부(100) 내부에서 상기 상부 고정부(210)의 상부 및 하부 고정부(220)의 하부와 연결되어 있을 수 있고, 예를 들면, 상기 상부 고정부(210) 및 하부 고정부(220)를 관통하여 이동할 수 있게 하는 장치일 수 있다.
상기 고정부 조절장치(230)는 관형태, 막대형태, 와이어형태, 직육면체형태, 판형태 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나의 형태일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 고정부 조절장치(230)는, 예를 들면, 상기 상부 고정부(210) 및 상기 하부 고정부(220)를 관통하는 막대 형태일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 상부 고정부(210) 및/또는 상기 하부 고정부(220)는 상면에 상기 고정부 조절장치(230)의 단면과 동일한 형상 및 넓이의 넓이의 제 2 구멍(212)을 포함할 수 있고, 이를 통하여 상기 고정부 조절장치(230)는 상기 상부 고정부(210) 및 상기 하부 고정부(220)을 관통할 수 있다.
상기 충진층(200)는 담체(700)를 포함하며, 상기 이동이 가능한 상부 고정부(210) 및/또는 하부 고정부(220)의 이동에 의하여 위치와 부피가 결정된다.
상기 담체(700)는 정육면체형태, 직사면체형태, 구형태, 튜브형태 및 이들의 조합으로 구성된 어느 하나, 예를 들면, 정육면체 형태일 수 있고, 상기 담체(700)의 부피는 상기 제 1 구멍(211)의 직경보다 크기가 큰 범위, 예를 들면, 0.5cm3 내지 2cm3, 예를 들면, 1cm3일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 담체(700)의 재질은 폴리우레탄, 폴리에틸렌, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐알코올, 폴리프로필렌, 폴리설포네이트, 폴리카보네이트, 폴리아미드, 폴리아세탈, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 변성 폴리페닐렌옥사이드, 셀룰로오스, 다공성유리, 세라믹, 점토볼, 제올라이트 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나, 예를 들면, 폴리우레탄일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 담체(700)가 담지된 상기 충진층(200)의 밀도는 생성물의 수율을 조절하는 조절인자가 될 수 있다. 상기 담체(700)가 담지된 충진층(200)의 밀도가 너무 낮으면, 상기 기체 공급장치(300)에서 높은 유속의 기체를 공급하는 경우, 기체의 상승에 의한 배양액 및 담체의 흔들림이 증가하여 바이오필름 탈착이 더 심해지고 담체(700)가 반응기 상단으로 떠올라 공정 운전이 어려울 수 있다. 반대로, 상기 담체(700)가 담지된 충진층(200)의 밀도가 너무 높으면, 기체 및 배양액의 순환을 방해할 수 있다. 따라서, 상기 담체(700)가 담지된 충진층(200)은 적절한 밀도를 필요로 한다.
본 발명의 생물 반응기(1a)는, 상기 고정부 조절부(230)을 통한 상기 상부 조절부(210) 및 하부 조절부(220)를 이동시키는 간단한 조절만으로, 상기 충진층(200)의 부피를 조절하여, 상기 담체(700)가 담지된 충진층(200)의 밀도를 조절할 수 있다는 장점이 있다.
상기 생물 반응기(1a)는 유입구(410) 및 배출구(420)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 유입구(410) 및 배출구(420)는 상기 챔버부(100)의 측면에 위치할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 유입구(410)는 상기 생물 반응기(1a)의 운전을 위하여 필요한 액체, 예를 들면, 배양액을 챔버부(100) 내부로 주입할 수 있는 통로로 이용가능 하다.
예를 들면, 상기 생물 반응기(1a)를 회분식으로 운전하는 경우, 상기 유입구(410)는 생물 반응기(1a) 운전 초기에 배양액을 주입하는 통로로 이용될 수 있고, 운전 중에는 차단될 수 있다.
예를 들면, 상기 생물 반응기(1a)를 연속식으로 운전하는 경우, 상기 유입구(410)는 생물 반응기(1a)의 운전 중 계속하여 배양액을 주입하는 통로로 이용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 배출구(420)는 상기 생물 반응기(1a)의 운전 후 생성되는 생성물, 예를 들면, 발효액을 챔버부(100) 외부로 유출할 수 있는 통로로 이용할 수 있다.
예를 들면, 상기 생물 반응기(1a)를 연속식으로 운전하는 경우, 상기 배출구(420)는 생물 반응기(1a) 운전 중 계속 하여 발효액을 외부로 유출할 수 있는 통로로 이용가능 하다. 따라서, 상기 유입구(410)에서는 배양액이 계속하여 주입되고, 상기 배출구(420)에서는 발효액이 계속하여 유출되어, 상기 챔버부(100)내부의 배양액의 양을 일정하게 유지하며, 새로운 배양액을 공급받아, 미생물은 사멸하지 않고, 계속하여 배양될 수 있다.
상기 생물 반응기(1a)는 기체 공급로(310) 및 기체 유출로(320)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 기체 공급로(310)는 상기 챔버부(100)의 하부에 위치할 수 있고, 상기 기체 유출로(320)은 상기 챔버부(100)의 상부에 위치할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 기체 공급로(310)는 기체를 공급하여, 챔버부(100) 내부의 기체의 일부를 챔버부(100) 하부에서 상부로 이동시키는 역할을 한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 기체 공급로(310)에서 공급되는 기체는 CO, CO2, H2, O2 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나, 예를 들면 CO, CO2, H2가 혼합된 혼합기체(syngas)일 수 있다.
예를 들면, 상기 기체 공급로(310)는 새로운 기체를 공급하고, 공급된 기체는 상기 챔버부(100) 내부의 기체 공급장치(300)를 통과하고, 하부 고정부(220)를 통과하여 충진층(200)에서 담체(700)와 접촉할 수 있다. 이어서, 상기 기체는 상기 상부 고정부(210)를 통과하고, 상기 기체 유출로(320)를 통하여 챔버부(100)의 외부로 유출될 수 있다.
상기 기체 공급로(310)는 계속 하여 새로운 기체를 공급하고, 상기 기체는 상기 기체 유출로(320)을 통하여 제거되므로, 챔버부(100) 내부의 기체의 양을 일정하게 유지하여 발효반응을 진행할 수 있다.
상기 생물 반응기(1a)는 기체 공급장치(300)을 더 포함할 수 있다.
상기 기체 공급장치(300)는 상기 기체 공급로(310)에서 공급되는 기체를 미세한 기포의 형태로 변환하여 챔버부(100) 내부로 공급하는 역할을 한다.
상기 기체 공급장치(300)는 미세 기공을 포함한 재질, 예를 들면, 세라믹 필터, 세라믹 멤브레인, 중공사 멤브레인, 평판형 멤브레인, 다공성 스테인리스 판 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택되는 어느 하나, 예를 들면, 세라믹 필터를 포함할 수 있다.
상기 기체 공급장치(300)는 관형태, 막대형태, 와이어형태, 육면체형태, 판형태 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나, 예를 들면, 막대형태일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 기체 공급장치(300)는 하나 이상일 수 있고, 상기 챔버부(100)의 중심축과 수직한 평면방향으로 위치할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 기체 공급장치(300')는 하나 이상일 수 있고, 상기 챔버부(100')의 중심축과 평행한 방향으로 위치할 수 있다(도 1의 b) 참조).
상기 생물 반응기(1a)는 기체 재순환라인(330)을 더 포함할 수 있다.
상기 기체 유출로(320)에서 분지되어 상기 기체 공급로(310)에 연결되는 기체 재순환라인(330)은 상기 챔버부(100)의 외부에 위치한다. 상기 기체 유출로(320)에서 상기 챔버부(100)의 외부로 빠져나가는 기체 중 일부는 상기 기체 재순환라인(330)을 통하여 상기 기체 공급로(310)를 통하여 다시 챔버부(100)의 내부로 유입할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 기체 재순환라인(330)은 연동펌프 및 밸브(미도시)를 더 포함할 수 있으며, 상기 연동펌프 및 밸브를 통하여 상기 챔버부(100)내부로 유입되는 기체의 유속을 조절할 수 있다.
상기 기체 재순환라인(330)을 통하여 기체는 재순환이 가능하며, 이러한 기체의 재순환을 통하여 기체 표면의 유속을 증대하는 것이 가능하다.
상기 생물 반응기(1a)는 센서(미도시)를 더 포함할 수 있고, 상기 센서는 상기 챔버부(100)내부의 pH, 산화환원전위, 용존산소, 탁도, 형태 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 측정이 가능한바, 상기 센서를 통하여 최적의 배양조건을 제공할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 생물 반응기(2)의 모식도이다.
도 3을 참조하면, 상기 생물 반응기(2)는 내부에 수용공간을 구비한 챔버부(2100); 상기 챔버부(2100) 내부에 상기 챔버부(2100)의 중심축과 수직한 평면에 배치되고, 상기 챔버부(2100)의 중심축 방향으로 이동 가능한 상부 고정부(2210) 및 하부 고정부(2220); 및 상기 챔버부(2100) 내부에서, 상기 상부 고정부(2210)와 하부 고정부(2220) 사이의 공간에 위치하고, 복수의 담체(2700)를 포함하는 충진층(2200); 유입구(2410) 및 배출구(2420); 상기 챔버부(2100)내부의 상면에 위치한 액체 분배장치(2430)를 포함한다.
본 실시예의 내용 중 상기 실시예와 대응되는 부분은 상기 실시예에서 기재된 내용으로 갈음하고, 상기 실시예와 차별적인 부분을 중심으로 기재한다.
상기 액체 분배장치(2430)는 상기 챔버부(2100) 외부의 상기 액체수직순환라인(2440)과 연결되어 상기 챔버부(2100) 상부에 위치하며, 상기 챔버부(2100)내부에 액체, 예를 들면, 배양액을 주입시키는 역할을 한다.
상기 액체 분배장치(2430)은 상기 챔버부(2100)내부 단면적에 액체를 고르게 주입할 수 있는 샤워 헤드장치, 예를 들면, 제트-루프, 오리피스 튜브를 포함 할 수 있다.
상기 생물 반응기(2)는 상기 배출구(2420)에서 분지되어 상기 액체 분배장치(2430)에 연결되는 액체수직순환라인(2440)을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 유입구(2410)를 통하여 주입된 배양액은 상기 유출구(2420)를 통하여 상기 챔버부(2100)의 외부로 유출될 수 있다.
이때, 상기 유출구(2420)를 통하여 유출된 배양액 중 일부는 상기 액체수직순환라인(2440)을 통하여 챔버부(2100)의 상부에 위치한 액체 분배장치(2430)로 이동될 수 있고, 상기 액체 분배장치(2430)에 의하여 다시 챔버부(2100) 내부로 주입되어, 상기 상부 고정부(2210), 상기 충진층(2200)을 차례로 통과하여 기체-액체 물질전달 표면적을 증가시켜 생산성을 증가시킬 수 있다.
구체적으로, 상기 액체는 상기 충진층(2200)의 상부로 주입되며, 담체(2700) 표면을 통하여 이동하며 액체 표면적을 증가시킬 수 있고, 이로 인하여 기체-액체 표면적도 증가할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 생물 반응기(3)의 모식도이다.
도 4를 참조하면, 상기 생물 반응기(3)는 내부에 수용공간을 구비한 챔버부(3100); 상기 챔버부(3100)의 내부에 상기 챔버부(3100)의 중심축과 동일한 축상에 위치하고, 상기 챔버부(3100)의 측벽과 이격되어 순환부(3500)를 형성하는 격벽부(3600); 상기 챔버부(3100)의 중심축과 수직한 평면에 배치되고, 상기 격벽부(3600) 내부에 위치한 상부 고정부(3210) 및 하부 고정부(3220); 상기 격벽부(3600) 내부 공간 및 상기 상부 고정부(3210)와 하부 고정부(3220) 사이의 공간에 위치하고, 복수의 담체(3700)를 포함하는 충진층(3200); 을 포함하고, 상기 순환부(3500)은 상기 챔버부(3100)의 측벽과 상기 격벽부(3600)의 이격된 공간에 형성될 수 있다.
본 실시예의 내용 중 상기 실시예와 대응되는 부분은 상기 실시예에서 기재된 내용으로 갈음하고, 상기 실시예와 차별적인 부분을 중심으로 기재한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 생물 반응기(3)에서 상기 충진층(3200)는 상기 격벽부(3600)의 내부 공간 및 상기 상부 고정부(3210)와 하부 고정부(3220)사이의 공간에 위치한다.
상기 격벽부(3600)는 상기 챔버부(3100)의 중심축과 동일한 축상에 위치하고, 상기 챔버부(3100)의 측벽과 이격되어 순환부(3500)를 형성하여야 하므로, 상기 격벽부(3600)의 단면의 직경은 상기 챔버부(3100)의 단면의 직경보다 작은 것이 바람직하다.
또한, 상기 격벽부(3600)의 내부에 충진층(3200)이 존재하므로, 이를 수용할 수 있는 공간을 가질 수 있다.
참고를 위하여, 도 4 중 청색 화살표로 생물 반응기(3) 내의 액체의 흐름을 도시한다. 예를 들면, 상기 기체 공급장치(3300)를 통해 주입되는 기체의 흐름에 의하여 상기 챔버부(3100) 내부의 배양액은 상승한다. 상기 상승한 배양액은 상기 하부 고정부(3220), 상기 충진층(3200), 상기 상부 고정부(3210)를 차례로 통과하고, 상기 순환부(3500)을 통하여 하강한다. 상기 하강한 배양액은 격벽부(3600) 내측으로 이동한 후, 상기 기체 공급장치(3300)를 통해 주입되는 기체의 유속에 의하여 또 다시 상승한다.
상기 순환부(3500)를 통하여 배양액이 순환하고, 이를 통하여, 충진층(3200)내의 미세 기포의 체류시간 및 배양액의 상하 혼합물 증대로 인하여 충진층(3200)내의 동질성을 증가시켜, 배양액 유속의 증대로 영양분 전달 및 확산률을 증가시킨다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 생물 반응기(4a 및 4b)의 모식도이다.
도 5의 a)를 참조하면, 상기 생물 반응기(4a)는 내부에 수용공간을 구비한 챔버부(4100); 상기 챔버부(4100)의 내부에 상기 챔버부(4100)의 중심축과 동일한 축상에 위치하고, 상기 챔버부(4100)의 측벽과 이격되어 순환부(4500)를 형성하는 격벽부(4600); 및 상기 챔버부(4100)의 중심축과 수직한 평면에 배치되고, 상기 격벽부(4600)의 외벽과 챔버부(4100)의 내벽 사이의 공간에 위치하는 상부 고정부(4210) 및 하부 고정부(4220); 상기 챔버부(4100)의 내벽과 상기 격벽부(4600)의 외벽사이의 공간 및 상기 상부 고정부(4210)와 하부 고정부(4220) 사이의 공간에 형성되고, 복수의 담체(4700)를 포함하는 충진층(4200); 를 포함하고, 상기 순환부(4500)는 상기 격벽부(4600) 내부의 공간에 형성될 수 있다.
본 실시예의 내용 중 상기 실시예와 대응되는 부분은 상기 실시예에서 기재된 내용으로 갈음하고, 상기 실시예와 차별적인 부분을 중심으로 기재한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 생물 반응기(4a)에서 상기 순환부(4500)는 상기 격벽부(4600)의 내부에 위치한다.
참고를 위하여, 도 5 중 청색 화살표로 생물 반응기(4a 및 4b) 내의 액체의 흐름을 도시한다. 예를 들면, 상기 기체 공급장치(4300)를 통해 주입되는 기체의 흐름에 의하여 상기 순환부(4500) 내부의 배양액은 상승한다. 상기 상승한 배양액은 상기 상부 고정부(4210)로 이동한 후, 상기 상부 고정부(4210)를 통과하고, 하강하여 충진층(4200)을 통과하며 하강한다. 상기 충진층(4200)을 통과한 배양액은 하부 고정부(4220)를 통과한 후, 다시 기체 공급장치(4300)를 통해 주입되는 기체의 흐름에 의하여, 상기 순환부(4500)를 통하여 상승하게 된다.
본 발명의 일 양태는 본 발명의 일 실시예에 따른 생물 반응기를 이용한 미생물 배양방법을 제공한다.
상기 생물 반응기를 이용한 미생물 배양방법은, 담체가 포함된 생물 반응기 내부를 멸균하고, 멸균된 신규 배양액을 채운 후, 배양하고자 하는 미생물을 접종한 후, 상기 생물 반응기를 운전함으로써 이루어 진다.
상기 미생물 배양방법은 회분식, 연속식, 반 회분식 중 하나의 방법으로 수행할 수 있다.
상기 회분식방법은 초반에 배양액을 유입한 후, 반응이 일어나는 동안에는 생성물이나 배양액의 유출 및 유입이 없는 방법이다. 회분식방법은 소규모 운전이나 완전히 개발되지 않은 새로운 공정의 시험, 고가의 생성물 제조, 연속조작으로 전환하기 용이하지 않은 공정들에 적합하다.
상기 연속식방법은 새로운 배양액을 계속적으로 유입하고, 생성물과 미생물을 포함한 반응기 내 배양액을 유출하여 미생물을 배양하는 방법으로 신규 미생물의 생장을 극대화시킬 수 있는 장점이 있다.
상기 반 회분식방법은 주기적으로 일정 부피의 새로운 배양액을 유입하고 생성물을 포함한 반응기 내 배양액을 유출하여 미생물을 배양하는 방법이다. 상기 반 회분식방법은 연속식방법과 비교하여 배양액 내 생성물 농도 조절 및 반응기 내부의 균체 농도 조절이 가능하므로 생성물의 수율 증대에 유리하다.
본 발명의 생물 반응기(1 내지 4)는 상기 세가지 방법의 미생물 배양방법을 모두 수행할 수 있고, 예를 들면, 반 회분식 방법으로 미생물 배양을 수행할 수 있다.
실시예
실시예 1. 미생물 배양
본 발명의 일 실시예에 따른 생물 반응기, 구체적으로 도 1의 구성을 갖는 생물 반응기를 이용하여 반 회분식 방법으로 미생물 배양을 실시하였다.
일산화탄소 기질 조건에서 에탄올을 생산하는 혐기성 박테리아인 Clostridium autoethanogenum DSM10061을 모델균주로 선정하고, 배양액은 하기의 표 1에 기재된 조성으로 준비하였다:
[표 1]
Figure 112019048029153-pat00001
지름이 10 μm 내지 16 μm의 구멍을 포함하는 기체 주입장치를 반응기의 내부 바닥에 설치하였다. 배양 배지 및 1 cm3의 폴리우레탄 담체 24.12 g이 포함된 반응기 및 배지가 담긴 컨테이너를 121 ℃에서 15 분간 멸균 시켰다. 배지가 담긴 컨테이너를 냉각시킨 후 1 %의 K2HPO4와 0.2 %의 비타민 용액을 배지에 주입하였다.
반응기의 상부를 합성가스(CO와 CO2의 비율은 8: 2)를 사용하여 플러싱한 후, 연축 펌프를 통해 2 L의 새로운 배양액을 공급하였다.
160 ml 밀폐 용기에 표 1의 조성의 배양액 60 ml를 넣은 뒤 나머지 부피는 일산화탄소로 1기압 가압하고, Clostridium autoethanogenum DSM10061을 37 ℃, 180 rpm 에서 배양하였다. 그 후, 대수 성장기(mid-log) 균체를 포함한 양액 60 ml를 반응기 운전 접종원으로 사용하였고, 생물 반응기의 운전 중, MES 완충액의 첨가를 배제하고, 이틀에 한번씩 반응기 내부 배양액의 양의 25 % 내지 50 %의 비율로 새로운 배양액을 공급하고, 발효액을 수득하였다. 배양 기간 동안, 배양액의 pH는 4.6 N 의 NaOH로 조절하고, 가스 내부 순환 속도를 연동 펌프를 이용하여 50 rpm 내지 100 rpm으로 유지하였다.
실험예 1. 균체 성장 및 생산물 생성양상
상기 실시예 1의 미생물 배양방법에 의해 균체의 성장 및 생산물을 확인하였다.
세포농도는 UV-VIS 분광광도계(V-730, Jasco, 일본)를 사용하여 600 nm에서의 광학 밀도로부터 수득하였다.
열전도도 검출기(GC-TCD, ACME6100, 영린기기, 한국)를 사용하여 가스 크로마토그래피를 수행하고, 이로부터 기체를 정량화하였다. 열전도도 검출기를 작동시키기 위해 오븐 운전프로그램과 설정조건을 사용했다.
불꽃이온화 검출기(GC-FID, ACME6100, 영린기기, 한국)를 이용한 가스 크로마토그래피를 이용하여 액체 대사 산물을 분석하였다. 상기 가스 크로마토그래피에 샘플 용액 2 μl를 사용하였고, 에탄올 및 아세트산 각각을 함유한 표준용액을 순차적으로 희석하고 분석하여, 검정 곡선을 수득하였다.
실험결과, 대수 성장기(log phase) 이후에도 균체의 생장 및 생산물 생산이 꾸준하게 유지됨을 확인 할수 있었다. (도 6; 흑색 원: 균체의 성장양상; 남색 원: 아세트산의 생성 양상; 옥색 원: 에탄올의 생성 양상)
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. 예를 들면, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (14)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 내부에 수용공간을 구비한 챔버부;
    상기 챔버부의 내부에 상기 챔버부의 중심축과 동일한 축상에 위치하고, 상기 챔버부의 측벽과 이격되어 순환부를 형성하는 격벽부;
    상기 챔버부의 중심축과 수직한 평면에 배치되고, 상기 격벽부 내부에 위치한 상부 고정부 및 하부 고정부; 및
    상기 격벽부의 내부 공간 및 상기 상부 고정부와 하부 고정부 사이의 공간에 형성되고, 복수의 담체를 포함하는 충진층;
    을 포함하고, 상기 순환부는 상기 챔버부의 측벽과 상기 격벽부의 이격된 공간에 형성되고,
    상기 상부 고정부 및 하부 고정부를 관통하여 연결되는 고정부 조절장치를 포함하고,
    상기 상부 고정부 및/또는 하부 고정부는 상기 고정부 조절장치에 지지되어 이동하며 위치를 조절함으로써 담체가 포함된 충진층의 밀도 및 부피를 조절하는 것을 특징으로 하는 생물 반응기.
  12. 내부에 수용공간을 구비한 챔버부;
    상기 챔버부의 내부에 상기 챔버부의 중심축과 동일한 축상에 위치하고, 상기 챔버부의 측벽과 이격되어 순환부를 형성하는 격벽부; 및
    상기 챔버부의 중심축과 수직한 평면에 배치되고, 상기 격벽부의 외벽과 챔버부의 내벽 사이의 공간에 위치하는 상부 고정부 및 하부 고정부;
    상기 챔버부의 내벽과 상기 격벽부의 외벽사이의 공간 및 상기 상부 고정부와 하부 고정부 사이의 공간에 형성되고, 복수의 담체를 포함하는 충진층;
    을 포함하고, 상기 순환부는 상기 격벽부 내부의 공간에 형성되고,
    상기 상부 고정부 및 하부 고정부를 관통하여 연결되는 고정부 조절장치를 포함하고,
    상기 상부 고정부 및/또는 하부 고정부는 상기 고정부 조절장치에 지지되어 이동하며 위치를 조절함으로써 담체가 포함된 충진층의 밀도 및 부피를 조절하는 것을 특징으로 하는 생물 반응기.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항의 생물 반응기를 이용한 미생물의 배양방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 미생물 배양방법은 회분식, 연속식 및 반 회분식 중 하나의 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 미생물 배양 방법.
KR1020190055111A 2019-05-10 2019-05-10 충진층의 부피 조절이 가능한 생물 반응기 KR102279833B1 (ko)

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