KR20020017712A - 외부 순환형 생물반응장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 생물공학분야의 식ㆍ동물세포 및 고정화 제조물에 의한 이차대사 산물을 생성하는 외부순환형 생물반응장치에 관한 것으로, 생물 반응기의 통기부 하단에 배플(baffle)을 설치함으로써 통기부내의 유동체의 흐름을 나선형으로 유도하여 유동체 혼합에 필요한 높은 통기속도에서 고정화 제조물의 마모를 제거할 수 있고 산소전달 속도와 유체혼합을 향상시킬 수 있도록 되어 있으며, 또한 이중통기장치의 사용으로 압축공기 사용시 부족한 용존 산소를 소량의 순수산소를 사용하여 효과적으로 충족시킬 수 있도록 구성하였다.

이와 같은 본 발명을 이용하여 연속 배양방식을 채택하면 식ㆍ동물세포 및 고정화 제조물에 의한 이차대사산물의 생산성 향상과 기존의 생물반응기보다 장치의 소형화를 이룰 수 있고 순환식 배양으로 폐수를 재사용하므로 폐수의 발생을 감소시키며 간단한 분리ㆍ정제장치를 함께 설치하여 설비면적의 감소를 이룰 수 있다.

Description

외부 순환형 생물반응장치{externally circulated air-lift bioreactor}

본 발명은 생물공학분야의 식ㆍ동물세포 및 고정화 제조물에 의한 이차대사 산물을 생성하는 외부순환형 생물반응장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 생물반응기의 통기부 하단에 배플(baffle)을 설치함으로써 통기부내의 유동체의 흐름을 나선형으로 유도하여 유동체 혼합에 필요한 높은 통기속도에서 고정화 제조물의 마모를 제거할 수 있고 산소전달 속도와 유체혼합을 향상시킬 수 있도록 되어 있고 이중통기장치의 사용으로 압축공기 사용시 부족한 용존 산소를 소량의 순수산소를 사용하여 효과적으로 충족시킬 수 있도록 한 외부 순환형 생물반응장치에 관한 것이다.

일반적으로 생화학반응을 수행하는 생물반응기는 기존의 발효조와 생체촉매계를 이용한 반응기를 모두 포함하지만 대부분이 후자를 지칭하고 있다. 생물반응기는 고정화 방법상의 분류로서 불용성 고체에 촉매를 고정화하는 방법과 고체막이나 액체막을 사용하여 촉매를 고정화하는 방법으로 구분될 수 있다. 전자의 경우 소입자, 시트, 판, 막, 튜브 및 섬유상 등이 촉매로 구성되는 고체-액체 또는 고체-액체-기체의 반응계로서 연속식 반응기의 일반적인 형태이고, 후자의 경우 한외여과막(UF) 모듈과 반응조를 결합시킨 것이 일반적이다.

또한, 조업상 분류로는 연속식, 회분식, 반연속식으로 대별될 수 있으며 생물반응기의 장점으로서 소형화할 수 있는 연속식이 바람직하다.

그리고, 형태별로는 교반식 생물반응기, 충진형 생물반응기, 유동식 생물반응기, 고액 분리기를 장착한 생물반응기 그리고 한외 여과막 생물반응기로 분류할 수 있다.

현재까지 고정화계반응기의 실용화는 주로 연속식의 충진식 생물반응기가 산업적 규모로 운전되고 있다.

그러나, 연속식의 충진형 생물반응기의 대부분이 고체-액체로 구성된 단단계 반응공정이나 생세포고정화 제조물을 이용한 다단계 반응공정에는 고체-액체-기체의 3상계가 균질하게 공존하는 생물반응기가 필요하다. 특히 호기성 촉매의 반응에는 산소의 공급이 효율적으로 수행되어야 하기 때문에 교반식 또는 유동식등의 적절한 생물반응기의 선택이 요구된다.

한편, 알지네이트 겔을 담체로 사용한 생세포 고정화 제조물의 성공적이고 실질적인 이용을 위해서는 상기 기술된 반응기중 산소의 공급을 효율적으로 전달하고 유동특성이 온순하여야 하며, 장기조업시 고정화 제조물들의 기계적인 마모가 없어야 하는 특성을 갖추어야 한다. 이러한 절대적인 요구조건을 충족시킬 수 있는 적합한 반응기로서 현재 통기식 생물반응기가 사용되고 있다.

전통적인 통기식 반응기에서는 전체적인 유체혼합이 일정하지 않으므로 축방향의 농도구배가 발생한다. 이를 개선하기 위한 대체방법으로 내부순환형 또는 외부 순환형의 통기식 생물반응기가 개발되었다. 이들 반응기에서 유체의 흐름은 통기부와 순환부로 구볕된 두 개의 영역에서 각기 다른 기체포집의 능력 차이에 의해서 발생되는 분산 밀도차에 의해 발생한다.

통기식 반응기의 유동학적 특성상 효율적인 유체혼합을 위해서는 통기부내 기포의 비계면(specific interfacial area)과 기체포집율(gas hold up)이 작아야 하며, 이러한 현상은 기체에서 액체로의 산소전달속도를 감소시킨다. 그러므로 통기식 반응조에서 발효 배양시 목적하는 공정의 특성에 맞는 상기 두 가지 모순되는 변수들 중 하나를 기준으로 선택하는 것이 일반적이다.

특히, 알지네이트 담체를 이용하는 경우 조업시 고정화 제조물의 마모에 의한 촉매활성의 저하가 발생되므로 산소전달과 유체혼합의 상호 모순된 변수들을 충족시킬 수 있도록 생물반응기를 설계해야 한다. 이러한 변수들을 효과적으로 수용할 수 있는 반응조로써 생물반응기가 적합하다고 판단되며 특히, 통기부와 순환부에서 각각의 유속 및 유체의 흐름을 독립적이며 임의로 조절하기 쉽고 보다 다양한 통기 장치의 설계가 가능하고 정률(定率)증가(Scale-up)시 유체 혼합 특성이 그대로 적용될 수 있는 등의 장점이 있어야 한다.

그러나, 외부순환형 생물반응기를 이용하여 동ㆍ식물성 생세포 고정화 제조물의 호기적 배양에 응용하려는 연구는 산소요구도가 낮은 동식물세포 배양에 일부 이루어졌다. 그러나 산소요구도가 높은 대사산물의 생성, 특히 균사를 형성하는 미생물을 이용하여 이차 대사산물을 생산하는 고정화 조제물 배양에 관하여는 알려진 바가 거의 없다. 또한 종래 기술은 낮은 생산성 및 수율, 대규모 설비의 무균 조작이 필요하고, 열/물질 전달의 낮은 효율, 과다한 공업용수 등이 필요하다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 그 목적은 높은 생산성 및 수율과, 배양액의 순환 공급이 가능하며, 분리ㆍ정제장치의 간편화와, 순환전단응력(shear stress)을 감소시키고 산소전달속도와 유체혼합을 향상시키며 산소손실을 절감하여 배양시 거품발생을 감소시킬 수 있는 외부 순환형 생물반응장치를 제공함에 있다.

이러한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 배양액에 공기가 포집되도록 하고 배양액에 나선형 흐름을 가하기 위한 통기부와, 통기부와 연결된 통로를 갖고 내부에서 이산화탄소(CO₂)탈기와 통기부로의 재순환을 위한 순환부와, 생물반응장치에서 얻어지는 생산물이나 배양물을 배출시켜 주는 배출구와, 분리정제 공정이나 재사용을 위한 주입구로 구성된 특징을 갖는다.

도 1 은 본 발명에 따른 생물반응장치의 요부를 나타내는 도면

도 2 는 본 발명에 따른 생물반응장치의 전체구성을 나타내는 도면

도 3 은 본 발명에 따른 생물반응장치의 통기부 밑바닥의 다공성 스텐레스판 중앙에 설치된 탕화판의 구조를 나타내는 평면도

* 도면의 주요부분에 대한 부호설명 *

26 : 통기부 28 : 순환부

30 : 배출구 20 : 주입구

24 : 배플 22 : 공기주입구

32 : 교반모터 34 : 교반날개

42 : 탈기부 40 : 탕화판

36 : 패들

이하 본 발명에 따른 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

첨부도면 도1은 본 발명에 따른 생물반응장치의 주요 기능부위를 개략적으로 나타낸 도면으로서, 이에 도시된 바와 같이 부호 20은 배양액 주입구를 나타낸 것으로 미생물의 생육배지나 영양배지를 주로 공급하는 기능을 하게 되며, 부호 22는 공기 주입구(air inject)로서 공기펌프와 연결되어 미생물의 증식과 대사활성에 필요한 공기를 공급하며 이중통기장치의 사용으로 압축공기 사용시 부족한 용존산소를 소량의 순수산소를 사용하여 효과적으로 충족시킬 수 있도록 구성하였다. 부호 24는 배플(baffle)로서 액체와 고체의 유동체 흐름을 전체적으로 방향성이 있는 나선형으로 유도하여 고정화 제조물과 배양액간의 이동속도에 차이가 발생하지 않도록 하며 높은 통기속도에서 고정화 제조물의 마모현상을 감소시키고 균사를 형성하는 미생물이 고정화된 제조물의 배양에 적합하도록 구성된 것이다. 또한, 축방향 흐름과 유동체의 나선형 흐름의 교차로 인한 교반효과와 증진에 기인하며 이러한 흐름의 특성은 담체 표면에서의 물질이동저해를 제거함으로써 물질전달효과가 증가하며, 균체 증식이 담체 내부로 한정되도록 하는 효과를 준다.

부호 26은 통기부(riser section)로서 배양액에 공기가 포집되는 부분으로 배양액은 나선형 흐름을 가지게 되며, 부호 28은 순환부(down commer section)로서 그 내부에서는 이산화탄소(CO₂)탈기와 통기부(26)로의 재순환이 일어난다. 생세포나 고정화 제조물의 통기부 및 순환부내의 순환속도는 거의 일치하나 산소전달이 양호한 통기부내에서 잔류하는 시간이 조금은 더 길다. 부호 30은 배출구(Production outlet)로서 생물반응장치에서 얻어지는 생산물이나 배양물을 배출시켜 주는 기능을 하게 되며, 분리정제 공정이나 재사용을 위해 다시 주입구(20)로 연결되어진다.

부호 32는 교반모터(agitated motor)로서 교반날개(34)와 패들(36)에 동력을 전달하는 기능을 하게 되며, 부호 38은 콘덴서(colldenser)로서 배양액의 휘발이나 거품 생성에 의한 유출을 최소화하는 기능을 담당하게 되고, 부호 34는 교반날개(turbine type)로서 아래부분으로 액체를 보낼 수 있도록 하강방향으로 방향성(wave)을 주는 동시에 통기부에서 나선형 흐름으로 순환부에 도달하는 배양물에 하강력을 주어 진체적인 흐름을 원활히 하며 통기부에서의 기포의 상승속도와 순환부에서의 배양물의 하강속도가 일치되도록 하는 기능을 담당하게 된다. 부호 40은 탕화판(sintered metal sparger)으로 통기부 하단의 다공성 스텐레스판 중앙에 위치하게 되며, 이를 통해 순수 산소를 미세한 입자로 공급하여 고정화 제조물을 배양할 때 적은 양의 순수산소를 이용하여 배약액중의 용존 산소 농도를 정밀하게 제어하는 기능을 하게 된다.

부호 42는 탈기부(CO₂outlet)로서 미생물 반응기내에서 미생물 대사활성에 의해 생성되는 이산화탄소(CO₂)가 빠져나오는 곳이며, 부호 36은 패들(Paddle)로서 교반모터(32)에 교반날개(34)와 함께 연결되어 있으며 배양액에서 미생물의 대사활성에 의해 생기는 물질(단백질)에 기포가 포집되어 발생되는 거품을 제어하는 장치이다. 부호 44는 항온부(heating & cooling)로서 배양액의 온도를 미생물의 최적 증식과 최적 대사 활동의 온도가 되도록 일정하게 유지하는 기능을 담당하게 된다.

첨부도면 도2는 본 발명에 따른 생물반응장치의 전체구성을 나타내는 도면으로서, 이에 도시된 바와 같이 배양조(50; seed culture tank)에서 종자 배양(seed culture) 또는 고정화담체를 제조하여 생물반응장치의 발효조(52)로 이동시켜서 배양을 하며 배양 조건을 생물반응장치 콘트롤러(54)가 pH, Do, Temp등을 제어한다.

또한, 건조 물탱크(56; drying water tank)는 발효조에 주입되는 공기를 가스-액체형으로 바꾸기 위해 멸균수를 담아놓는 용기이며 에어필터 탱크(58)에서 공기가 정화되어 건조 물탱크(56)로 이동하며, 증발기(60)는 전체 발효 공정 전에 용기들의 멸균을 위해 설치되는 장치이며, 이 증발기(60)의 가동을 증발기 콘트롤 박스(62)로 압력, 온도, 시간 등을 제어한다.

에어 콘푸레셔(64)와 에어 블로워는 주발효조에 공기 공급 및 증발기(60)에서 나오는 스팀을 발효조에 불어넣어 주는 역할을 한다. 그리고 기질(基質)공급용기(68)는 미생물의 생육 및 이차대사산물의 생산에 원천 물질을 담아 발효조로 공급하는 역할을 하며 수거 발효액 저장용기(66)는 발효가 끝난 배지를 다시 수거하여 사용할 수 있도록 하기 위한 용도로 설치한 탱크이며 여기에서 시료채취를 할 수 있고 이 탱크에서 분리ㆍ정제장치(72)로 연결된다. 재순환 발효액 저장용기(70)는 분리ㆍ정제장치(72)중에 여과 후 여액을 재사용하기 위해 수거하여 수거 발효액 저장용기(66)로 보내는 탱크이다. 모든 공정이 끝나면 최종적으로 제품(74)이 생산된다.

첨부도면 도3은 본 발명에 따른 생물반응장치의 통기부(26) 밑바닥의 다공성 스텐레스판 중앙에 설치된 탕화판(40; sintered metal sparger)의 구조를 나타내는 평면도로서, 예컨대, 120㎛로 구멍이 난 다공성판(40a)으로 통기부 하단의 다공성 스텐레스판(40b) 중앙에 위치하여 이를 통해 순수 산소를 미세한 입자로 공급하여 고정화 제조물을 배양할 때 적은 양의 순수산소를 이용하여 배양액중의 용존 산소 농도를 정밀하게 제어할 수 있다.

또, 호기성 고정화 생세포계를 구성하는 고체-액체-기체 3상의 배양물을 균질한 유동체로 유지하기 위해서는 적절한 교반과 정교한 산소의 공급이 만족되도록 하여야 한다. 이때 고정화제물의 기계적 강도를 고려하여 대사활성이 최대로 나타나도록 하는 반응기의 설계 및 조업이 요구된다. 반응기에서 고정화제조물은 입자와 입자 또는 입자와 반응기 구조물과의 접촉으로 인해 마모가 일어나며, 담체표면 가까이 균체를 함유하고 있는 촉매의 손실로 인한 대사활성의 저하가 우려된다.

본 발명에 따른 생물반응장치는 발효조는 생세포 및 고정화 제조물이 마모되지 않는 동시에 생물반응기 내부에 정체된 영역이 없는 균질한 교반을 할 수 있으며 이를 의해 통기부의 하단에 배플(24)을 설치했으며 배플이 설치되지 않은 통기부내 기포의 흐름은 축방향으로 진행되지만 배플이 설치된 액체와 고체의 유동체 흐름은 전체적으로 방향성이 있는 나선형으로 유지된다. 또한, 배플이 설치된 순환형 생물반응기에서는 배플이 없는 반응기보다 높은 통기속도에서 고정화 제조물의 마모현상이 저조하므로 균사를 형성하는 미생물이 고정화된 제조물의 배양에도 적합하다.

통기부(26)에서는 기포의 상승속도와 순환부(28)에서의 배양물의 하강속도가 일치하며 통기부내 배양물의 회전수는 평균 2.5회전이며 이는 산소전달이 양호한 통기부내에서 잔류하는 시간이 종래의 생물반응기보다 길다는 것을 뜻한다.

또한, 축방향 흐름과 유동체의 나선형 흐름간의 교차로 인한 교반효과의 증진이 있으며 이러한 흐름의 특성은 고정화 제조물의 담체 표면에서의 물질이동 저해를 제거함으로써 물질전달 효과가 증가하여 균체를 담체 내부로 증식시킨다. 그리고 다공성 스텐레스판 중앙에 탕화판(40)을 설치하여 탕화판을 통해 순수산소를 이용하여 배양액중의 용존 산소 농도를 정밀하게 제어할 수 있다. 그리고 탈기부가 통기부 상단에 위치하고 그곳에 교반모터(32)와 콘덴서(38)를 설치하여 다른 생물반응기보다 동물성, 식물성 생세포나 고정화 제조물의 배양시 거품발생이 심각하지 않다. 또한 장기간의 조업이 가능하며 최종물질의 비가역적 생성반응으로 목표물질의 고농도 생산이 가능하고 목적물질의 분리 정제 설비의 간편화 및 배양액이 순환공급이 가능하다.

이하 본 발명에 따른 작용을 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부도면 도1 내지 도3에 도시된 바와 같이 통기식 생물반응기에서는 고정화조제물의 투입양을 일정하게 유지하였을 때 통기속에 의해서 마모의 정도가 달리 나타났다. 전통적인 순환형 생물반응기에서 다공성 스텐레스판을 통하여 압축공기를 주입하였을 때 0.34vvm(superficial gas velocity, 12.0cm/min)이 마모를 피하는 최대로 허용할 수 있는 통기속도임이 관찰되는데 이것은 종래의 통기식 반응조의 통기속도가 3vvm 내지 10vvm임에 비해 상당히 낮은 값이며, 고정화제조물의 기계적강도가 취약함을 보여주는 것이다.

기존의 순환형 생물반응기는 배양물이 통기부와 순환부가 만나는 하단접속부에서 압축공기에 의해 난류가 형성되며, 통기부내부에 와류를 발생시킴으로서 부분적으로 정체된 흐름을 갖도록 한다. 이러한 흐름은 고정화제조물을 효과적으로 균일하게 교반시킬 수 없는 것으로 판단되며, 솜털상의 고정화 촉매 출현에 관여한다.

따라서, 상기 본 발명은 생세포 및 고정화 제조물이 마모되지 않는 동시에 생물반응기 내부에 정체된 영역이 없는 균질한 교반을 시도하기 위해서 통기부(26)의 하단에 배플(24)이 설치된 통기부(26)내 기포의 흐름은 축방향으로 진행한 반면 액체와 고체의 유동체흐름은 전체적으로 방향성이 있는 나선형으로 유도되었다. 배플이 실치된 순환형 생물반응기에서는 배플(24)이 없는 반응기보다 높은 통기속도에서 고정화제조물의 마모현상을 관찰할 수 없었으며, 고정화제조물의 배양결과 솜털형 고정화촉매가 나타나지 않았다. 따라서 나선형 흐름을 갖는 통기식 순환형 생물반응기가 균사를 형성하는 미생물의 고정화된 제조물의 배양에 적합하다는 결론에 도달하였다.

나선형흐름을 갖는 생물반응기의 유동특성을 관찰하기 위해 고정화제조물의 통기부(26) 및 순환부(28)내의 고정화제조물의 순환속도를 측정한 결과 통기부에서는 기포의 상승속도와 순환부에서의 배양물의 하강속도가 일치하였으나, 통기부내 유동체의 상승속도는 다소 느리게 나타났다. 또한 통기부내 배양물의 회전수는 평균 2.5회전이며 이는 산소전달이 양호한 통기부내에서 잔류하는 시간이 증가하였음을 의미 한다.

실제조업이 가능한 통기 속도범위내에서 산소전달계수(oxygen transfer coefficient)를 측정한 결과 고정화제조물이 투입되지 않은 경우에 비해 투입된 경우가 더 높은 값을 보여 주었는데 이것은 고정화제조물의 존재로 인해 기체와 액체간의 산소전달이 영향을 받았다는 증거이며, 축방향 흐름과 유동체의 나선형 흐름간의 교차로 인한 교반효과의 증진에 기인한 것으로 판단된다. 또한, 이러한 흐름의 특성은 담체표면에서의 물질이동저해를 제거함으로써 물질전달효과가 증가하여 균체를 담체내부로 증식시킨 것이다.

배플(24)이 설치된 순환형생물반응기에서 고정화제조물의 마모가 발생하지 않도록 하며 유동체를 균일하게 교반하는 최대통기속도인 0.3vvm에서 배양하였다.

고정화 배양물은 시간에 비례적으로 이차대사산물을 축적하였으나 생성속도는 느리게 진행되었으며, 배양과정중 순수산소를 공급한 결과 이차대사산물 생성속도가 현저히 증가하였다. 이것은 순환형 생물반응기의 산소전달 속도가 고정화제조물의 산소 요구량을 만족시켜주지 못하였음을 의미하며, 산소전달속도를 향상시킬필요가 있었다.

통기식 순환형 생물반응기에 고정교반기를 장착하거나 기포분산체를 사용하여 산소전달을 향상시켰다는 보고가 있으나 이들의 사용은 전술한 고정화제조물의 마모를 가속시키는 결과를 초래하였다. 그러므로, 기계적 방법에 의한 개선에는 제약이 있으며, 현재 순수산소를 사용하였을 경우 가장 좋은 결과를 보여주고 있다.

그러나, 기존의 생물반응기를 사용할 때 순수산소를 공급하는 방식에 있어서 압축공기의 공급량에 해당하는 속도로 공급하여야 하므로 경제적인 측면에서 손실을 유발하였다.

그러므로, 다공성 스텐레스판 중앙에 탕화판(40)을 설치하여 이 탕화판(40)을 통해 순수 산소를 미세한 입자로 공급하여 고정화 제조물을 배양한 결과 적은 양의 순수산소를 이용하여 배양액중의 용존산소농도를 정밀하게 제어할 수 있었다. 특히 이차대사산물의 배양시 생산배지중의 산소 고갈은 대사활성에 중대한 영향을 미치므로 정확히 조절될 필요가 있다.

배플(24)과 이중통기장치가 설치된 이 생물반응기에서 고정화제조물의 배양특성을 살펴보면 배양종료시 균체의 배양액으로의 유출이 없었으며 마모된 흔적도 발견되지 않았다.

본 생물 반응기에서 이차대사산물의 생산능력을 플라스크배양 및 생세포액내 배양결과와 비교해 보면 생물반응기에서의 이차대사산물의 최종농도 및 생성속도는 생세포 액내배양의 그것들에 비해 각각 4.6배 그리고 3.2배 증가하였다.

결론적으로 상기의 생물반응시스템을 이용하여 이차대사산물의 생산을 위해종래의 액내 배양방식을 고정화 생세포 배양방식으로 전환할 수 있다는 가능성을 보여 주었고 목표물질의 고농도 생산이 가능하고 장기간의 조업이 가능하며 분리ㆍ정제설비의 간편화 및 배양액의 순환공급이 가능하다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 생물반응장치를 이용하여 이차대사산물의 생산을 위해 종래의 액내 배양방식을 고정화 생세포 배양방식으로 전환할 수 있는 효과가 있으며, 고정화제조물의 배양에 적합한 생물반응기로서 대사산물의 생산성을 향상시킬 수 있고, 회분식 배양방법을 연속식 배양으로 조업할 수 있도록 함으로써 분리정제공정과 일괄 연결된 효율적인 생산공정으로 적용할 수 있다.

또한, 높은 생산성 및 수율, 대규모 설비의 무균 조작이 불필요 하고, 열/물질 전달의 높은 효율, 과다한 공업용수의 불필요, 폐기물의 재이용이 가능하며 운전요원의 축소, 생산단가의 절감, 제품품질의 균일화, 설비의 원단위 향상, 장치의 소형화 그리고 조업의 간편화를 꾀할 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 배양액에 공기가 포집되도록 하고 배양액에 나선형 흐름을 가하기 위한 통기부(26)와, 통기부(26)와 연결된 통로를 갖고 내부에서 이산화탄소(CO₂)탈기와 통기부(26)로의 재순환을 위한 순환부(28)와, 생물반응장치에서 얻어지는 생산물이나 배양물을 배출시켜 주는 배출구(30)와, 분리정제 공정이나 재사용을 위한 주입구(20)로 구성된 것을 특징으로 하는 외부 순환형 생물반응장치
2. 제 1 항에 있어서, 액체와 고체의 유동체 흐름을 전체적으로 방향성이 있는 나선형으로 유도하여 고정화 제조물과 배양액간의 이동속도에 차이가 발생하지 않도록 하고, 높은 통기속도에서 고정화 제조물의 마모현상을 감소시키고 균사를 형성하는 미생물이 고정화된 제조물의 배양에 적합하고 축방향 흐름과 유동체의 나선형흐름의 교차로 인한 교반효과 증진을 도우며, 물질전달효과가 증대시켜 균체 증식이 담체 내부로 한정되도록 하는 배플(24)을 통기부(26) 내부의 공기주입구(22) 안쪽에 추가로 설치된 것을 특징으로 하는 외부 순환형 생물반응장치.
3. 제 1 항에 있어서, 아래부분으로 액체를 보낼 수 있도록 하강방향으로 방향성을 부여하여 통기부에서 나선형 흐름으로 순환부(28)에 도달하는 배양물에 하강력을 주어 전체적인 흐름을 원활히 하며 통기부에서의 기포의 상승속도와 순환부에서의 배양물의 하강속도가 일치하도록 하는 기능배양액에 공기가 포집되는 부분에서 배양액은 나선형 흐름을 가지며 상기 순환부(28)로 이동하여 순환부에서는 이산화탄소(CO₂)탈기와 통기부(26)로의 재순환이 일어나며 생세포나 고정화 제조물의 통기부(26) 및 순환부내의 순환속도가 일치하도록 작용하는 교반모터(32)와 교반날개(34)가 구비되고, 그 상단에 탈기부(42)가 추가로 구비된 것을 특징으로 하는 외부 순환형 생물반응장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 통기부(26) 하단의 다공성 스텐레스판 중앙에 위치하여 순수 산소를 미세한 입자로 공급하고 생세포 및 고정화 제조물을 배양할 때 적은 양의 순수 산소를 이용하여 배양액중의 용존 산소 농도를 정밀하게 제어하는 탕화판(40)이 추가로 구비된 것을 특징으로 하는 외부 순환형 생물반응장치.
5. 제 3 항에 있어서, 상기 교반날개(34)가 설치된 교반모터(32)의 축에 설치되고 배양액에서 미생물의 대사활성에 의해 생기는 물질(단백질)에 기포가 포집되어 발생되는 거품을 제어하는 패들(36)이 추가로 구비된 것을 특징으로 하는 외부 순환형 생물반응장치.