KR200202700Y1 - 발효기용 상부구동형 교반기 시스템 - Google Patents

Abstract

1. 청구범위에 기재된 고안이 속한 기술분야

본 고안은 발효기용 상부구동형 교반기 시스템에 관한 것임.

2. 고안이 해결하려고 하는 기술적 과제

본 고안은 상부구동형 발효기의 단점들을 개선해서 직결식이면서도 저속구동이 가능하고, 모터의 상부탈착이 간편하며, 발효조의 밀봉을 보다 향상시키고 아이들 하우징의 분해조립이 간단한 발효기용 상부구동형 교반기 시스템을 제공하는 것임.

3. 고안의 해결방법의 요지

본 고안은, 모터주축에 영구자석을 매설시킨 로터와 홀센서를 이용하여 모터의 저속제어를 가능하게 하고, 모터주축과 교반기주축을 유연커플링과 결합구로 연결하고 잠금나사를 이용해 상부탈착을 간편하게 하였으며, 아이들 하우징에 스테인레스 베어링을 사용하여 밀봉성 및 내구성, 내부식성을 향상시켰음.

4. 고안의 중요한 용도

일반적으로 생물발효공정 및 화학반응공정등에서 발효생산물을 얻기 위해 사용하는 발효기의 상부구동형 교반기 시스템으로 사용됨.

Description

발효기용 상부구동형 교반기 시스템 {Top driving agitation system for fermenter}

일반적인 생명산업에서 미생물을 이용하여 발효생산물을 얻기 위해서는 살균된 배양액 내에 미생물을 넣고 배양할 수 있는 발효기를 이용한다, 생물발효공정나 화학반응공정에서 사용되는 발효기는 원하는 반응을 최적의 상태에서 정확하게 유지하기 위해서는 발효조내의 온도, pH, 용존산소량, 영양물질의 농도 등과 같은 환경변수를 적절히 조절해 주어야만 한다. 이러한 환경변수와 미생물의 발효대사활동을 최대로 만들어 주기 위해서는 배양액을 적절히 교반시켜 주어야 한다. 발효기의 교반기 시스템은 구동용 모터와 동력전달장치, 교반기 주축, 임펠러등으로 구성된다. 발효조내의 배양액을 교반시키는 것은 일반적인 발효반응에서 산소가 필요하기 때문에, 발효조 외부에서 배양액속으로 공급하는 공기나 산소를 세분 및 분산시켜 배양액중의 산소공급속도를 높이고, 배양액 전체를 적절히 혼합하여 균일한 상태의 최종 발효생산물질을 얻기 위함이다.

기존 발효기의 교반기 시스템을 구동모터의 장착위치에 따라 분류해 보면 하부구동형과 상부구동형의 두가지로 나눌 수 있다. 첫 번째의 하부구동형은 발효조의 바깥쪽 하부에 구동모터를 위치시키고 자석(외부 구동자석)을 장착시킨 모터 구동축과, 또한 반대극성을 가지는 자석(내부 구동자석)을 장착시킨 발효조 안쪽의 교반기 주축 사이의 자력에 의해 구동모터의 동력이 전달되는 원리를 이용한다. 이때 배양액의 외부 잡균오염을 방지하기 위해 일반적으로 구리와 같은 비자성금속 격리판을 사용하여 발효조의 내부와 외부를 완전히 분리시키며, 이때 외부와 내부 구동자석은 격리판을 경계로 모터의 토크를 잘 전달시키기 위해 최대한 밀착시켜 주어야 한다. 이러한 하부구동형 발효기는 공정이 끝난 후 발효조를 쉽게 분리하여 생성물질을 회수할 수 있고, 또한 상부구동형에 비해 발효조의 세척을 쉽게 할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 이러한 하부구동형 발효기는 교반기 주축의 내부 구동자석과 발효조의 쳄버사이에 좁은 틈새가 만들어지므로 마찰열의 발생 및 큰 배양세포의 파괴가 일어나고, 구동토크가 크지 않으므로 점성이 큰 배양액의 구동이 어렵고, 장시간 사용에 따른 자력의 약화에 따른 구동토크의 감소 및 구동모터쪽의 외부 구동자석의 교체가 어려운 점등의 단점들이 있다.

두 번째의 상부구동형 교반기 시스템은 발효조의 상부판 하우징에 구동 모터와 동력전달장치, 교반기 주축을 연결해서 사용하는 시스템으로 일반적으로 메커니컬 실을 사용해서 발효조의 내부와 외부를 차단을 시켜준다. 이러한 상부구동형 교반기 시스템은 첫 번째의 하부구동형의 단점인 교반중 배양물질이 파괴되는 현상을 없고, 발효조의 용량에 따라 적당한 구동모터를 쉽게 설치할 수 있으며, 발효조의밑판을 원형으로 제작할 수 있으므로 교반의 사각지대가 발생하지 않는다는 장점이 있다. 그러나 상부구동형 시스템은 모터를 발효조의 상부판에 설치해야 하므로 모터와 교반기와의 분해결합이 복잡하고, 발효조의 내부와 외부를 메커니컬 실을 사용해 밀봉을 시켜주므로 밀봉이 완전하지 못하고, 또한 발효조의 세척시 메커니컬 실을 해체시켜주어야 하는 복잡한 작업이 수반된다는 단점이 있다. 이러한 상부구동형 시스템은 모터주축과 교반기주축과 연결시키는 방법에 따라 벨트를 사용하는 벨트식(일본의 발효기 제품에서 많이 사용)과 직접 연결시키는 직결식이 있다. 벨트식은 저속구동이 가능하다는 장점이 있으나 800 rpm이상의 고속구동이 불가능하다는 결정적인 단점이 있고, 직결식은 고속구동이 가능하고 장비가 간단해지지만, 100 rpm 이하의 저속에서 맥동현상이 발생하므로 안정된 저속구동이 어렵다는 단점이 있다. 그러나 전통적으로 상부구동형 발효기가 하부구동형에 비해 훨씬 많이 제작 및 사용되고 있으며, 따라서 상술한 여러 가지 단점들을 해결하는 것이 매우 중요한 문제로 대두되고 왔다.

상술한 바와 같이 종래의 상부구동형과 하부구동형의 교반기 시스템은 각각 장단점이 있으므로, 본 고안의 목적은 일반적으로 많이 사용하는 상부구동형 교반기 시스템을 가지는 발효기의 여러가지 단점들을 개선해서 직결식이면서도 저속구동이 가능하고, 모터와 동력전달장치와의 상부탈착이 간편하며, 발효조의 내부와 외부사이의 밀봉을 보다 향상시키고 아이들 하우징의 분해조립이 간단한 발효기용 상부구동형 교반기 시스템을 개발하는 것이다.

일반적으로 모터의 속도제어에서 100 rpm이하에서는 맥동현상이 일어남에 따라 속도제어가 매우 어려운 것으로 알려져 있다. 그러나 발효기의 교반 임펠러의 속도는 50 rpm의 저속에서 1500 rpm의 고속제어가 안정적이고 연속적으로 해 주어야만 사용자의 입장에서 교반속도를 임의로 변경시켜 원하는 발효실험을 할 수 있다. 모터의 속도제어를 위해서는 상당히 비싼 타코메타를 부가적으로 부착할 수 있으나, 마찬가지로 모터의 저속제어에는 큰 영향을 미치지 못한다. 따라서 본 고안에서는 다수의 영구자석을 매설한 타코메타용 로터를 개조한 DC 모터의 주축 뒷부분에 체결하고, 홀센서를 이용하여 30-50 rpm의 저속에서부터 1500 rpm의 고속까지 연속적이고 안정적인 모터의 속도제어를 가능하게 하고자 한다.

또한 구동모터와 동력을 2개의 유연커플링과 플라스틱연결구를 사용하여 모터주축과 교반기 주축을 간편하게 연결시킬 수 있는 시스템을 고안하고자 한다. 이에 따라 발효조의 상부에서 구동모터의 탈착을 간편하게 함으로서 여러종류의 발효조를 동일한 구동모터와 컨트롤러를 사용해서 발효실험을 할 수 있도록 고안하였다. 따라서 사용자의 입장에서는 용량이 다른 발효조를 여러개 구입하여 한 개의 구동모터와 컨트롤러를 이용하여 다양한 발효실험을 할 수 있을 것이다.

발효공정중 외부의 잡균오염을 방지하기 위해서는 발효조의 내부와 외부의 밀봉이 중요한 문제가 되므로, 스테인레스 베어링을 사용하여 아이들 하우징속의 발효기 주축을 지지해 줌으로서 내구성 및 부식저항, 밀봉성의 향상을 이룰 수 있을 것이다. 또한 동력전달장치가 되는 아이들 하우징의 분해 및 결합이 간편하게 되도록 설계하는 것은 사용자의 입장에서 아이들하우징의 세척시 상당히 중요한 문제가 된다.

제 1 도는 본 고안의 발효기용 상부구동형 교반기 시스템의 전체 사시도

제 2 도는 구동모터와 아이들 하우징의 연결 조립도

제 3 도는 본 고안 제 2 도에서의 아이들 하우징 A-A'라인의 확대 종단면도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1: 발효조, 2: 상부판, 5: 교반기 주축, 10: 구동 모터, 14: 모터 주축,

15: 타코메타용 로터, 18: 홀센서, 19a 및 19b: 유연커플링,

30: 어댑터 하우징, 50: 아이들 하우징, 54: 스테인레스 베어링

상술한 바와 같은 본 고안의 목적을 달성하기 위해서 교반용 DC 모터의 앞/뒷덮개판을 개조하여 나사홈을 만들고, 이를 어댑터하우징과 연결한 후, 이를 발효조의 상부판에 설치되는 동력전달장치인 아이들 하우징의 교반기 주축과 연결하기 위해 유연커플링과 플라스틱연결구를 이용하여 모터의 주축과 교반기의 주축이 직결식으로 연결시켜 동력이 전달되게 하였다. 이때 모터의 탈착을 자유롭게 하기 위해서 어댑터하우징에 1개이상의 잠금나사를 만들어 줌으로서 모터가 구동할 때 흔들림없이 동력전달이 가능하도록 고안하였다.

직결식으로 일반적인 DC 모터를 장착하였을 때는 100 rpm 이하에서는 안정적인 속도제어가 어려운 문제를 해결하기 위해서 모터의 주축 뒷부분에 여러개의 영구자석을 매설한 로터를 타코메타로 사용하고, 이때 홀센서를 이용하여 속도를 제어함으로서 30-50 rpm 범위의 매우 낮은 속도에서도 정확한 속도제어가 가능하도록 하였다.

발효공정중 외부 대기로부터의 잡균오염을 방지하기 위해서는 발효조의 밀봉이 매우 중요한 문제이다. 이를 위해서 발효조의 상부판과 렌치나사로 연결되는 아이들 하우징에 스테인레스 베어링을 사용함으로서 베어링의 수명을 연장시키고, 부식을 방지하며, 밀봉을 보다 잘 해 줄 수 있으므로 외부 잡균의 오염을 방지할 수 있는 효과를 기대할 수 있다. 또한 아이들 하우징내의 교반기 주축을 밀봉하기 위해서 오일실과 스테인레스 베어링, 스페이서 실린더등으로 연결하고, 외경용 멈춤링과 내경용 멈춤링을 사용하여 안정적으로 교반기주축이 회전할 수 있게끔 설계하였다.

본 고안에 따른 발효기용 상부구동형 교반기 시스템을 도면을 참조하여 하기에서 보다 상세하게 살펴본다.

도 1 은 본 고안에 의한 상부구동형 교반기 시스템을 갖춘 발효조의 전체 사시도를 보여주고 있다. 일반적인 유리나 파이렉스등으로 만들어진 발효조(1)를 4개정도의 상하부판연결봉(4)를 이용해 발효조의 상부판(2)과 하부판(3)을 연결시키게된다. 상부판(2)에는 온도센서, pH센서, 공기공급장치(air sparger), 접종물(inoculum), 샘플링등을 할 수 다수의 포트(8)들이 설치되어 있고, 상부판의 중앙부분에는 구동모터(10)의 동력을 다수의 교반용 임펠러(6) 및 거품제거용 임펠러(7)가 연결되어 있는 교반기 주축(5)에 전달하면서 내외부 밀봉을 시켜주는 역할을 하는 아이들 하우징(50)을 다수의 렌치나사로 고정시켜준다. 구동모터(10)와 아이들 하우징(5)은 어댑터하우징(30)에 의해 연결되어 있다.

도 2 는 구동모터(10)와 아이들하우징(50)의 연결 조립도를 보여주고 있다. DC 모터(10)의 앞/뒷덮개판을 개조하여 나사홈(13a 및 13b)을 만들어, 구동모터(10)를 모터의 뒷덮개(11)과 어댑터 하우징(30)을 서로 결합할 수 있도록 한다. 저속에서 모터의 속도제어를 위해서 모터주축(14)의 뒷부분에 나사구멍을 만들고, 모터속도를 측정 및 제어할 수 있는 타코메타용 로터(15)를 볼트(17)을 이용해 모터주축(14)에 체결한다. 타코메타용 로터(15)는 원형으로 만들었으며 원둘레 방향으로 일정하게 다수의 영구자석(16)을 매설한 후, 로터의 아랫부분에 홀센서(18)를 장착하고, 홀센서(18)의 신호는 구동모터의 전원과 함께 다심전선(12)을 통해 발효기의 컨트롤러로 전달됨으로서, 모터속도를 저속 및 고속에서도 정밀하게 제어하게 된다. 보다 정밀한 속도제어를 위해서는 타코메타용 로터(15)에 매설한 영구자석(16)의 수를 늘려줄 수도 있다.

구동모터(10)의 동력을 전달하기 위해 모터 주축(14)과 교반기 주축(5)에 각각 유연커플링(19a 및 19b)을 무두볼트로 고정시켰으며, 두 개의 유연커플링(19a 및 19b)은 플라스틱 연결구(20)에 의해 결합되게 된다.

구동모터(10)를 아이들 하우징(50)과 결합하기 위해서는 먼저 모터주축(14)의 유연커플링(19a)을 플라스틱 연결구(20)와 결합한 후, 어댑터 하우징(30)과 구동모터(10)의 앞부분을 나사홈(13)을 이용해 돌려서 결합시킨다. 그 다음 잠금나사(31)을 열어놓은 상태에서 모터와 결합된 어댑터하우징(30)을 아이들 하우징(50)의 상부에 위치한 하우징 연결부(32)에 적절히 회전시키면서 밀어넣으면 플라스틱 연결구(20)와 교반기 주축의 유연커플링(19b)의 요철부를 간편하고 정확하게 결합시킬 수 있다. 그 후 잠금나사(31)를 홈으로 형성된 잠금나사 고정부(33)에 위치시켜 적당한 힘으로 조여주면 구동모터(10)를 아이들 하우징(50)과 단단하게 결합시킬 수 있다. 이러한 잠금나사(31)와 잠금나사 고정부(33)는 발효조의 교반시 구동모터의 흔들림 방지와 안정성 향상을 위해서 각각 한 개이상 설치할 수도 있다.

도 3 은 도 2 에서의 아이들 하우징(50)의 A-A'라인의 확대 종단면도를 나타내고 있다. 교반기 주축(5)는 두 개의 스테인레스 베어링(54)으로 지지되며, 두 베어링 사이의 간격을 일정하게 유지하기 위해서 스페이서실린더(55)를 사용한다. 또한 베어링이 밖으로 밀리는 것을 방지하기 위해 교반기 주축(5)에 외경용 멈춤링(53a 및 53b)을 두 베어링의 바깥쪽에 설치한다. 발효조(1)의 내부와 외부의 밀봉을 위해서는 오일 실(52)을 설치하며 교반기 주축(5)과 오일 실 사이의 윤활을 위해서 실리콘 그리스(grease)를 소량 투입한다. 스테인레스 베어링(54) 및 오일 실들의 설치가 끝나면 내경용 멈춤링(51)을 교반기 주축에 설치하여 아이들 하우징(50)의 조립이 완료된다. 아이들 하우징의 분해 및 조립은 위의 방법으로 간편하고 쉽게 할 수 있으며, 스테인레스 베어링을 사용하였으므로 밀봉성의 향상, 부식저항의 향상, 수명의 향상을 기대할 수 있다. 아이들 하우징은 발효조의 상부판(2)의 중앙부분에 4개의 렌치 볼트(56)로 고정되며 밀봉을 위해 오링(57)을 설치한다.

상기와 같이 제조된 본 고안의 발효기용 상부구동형 교반기 시스템을 하기에 상세히 기술한다. 구동모터(10) 속도의 저속 및 고속제어를 위해서 모터주축(14)의 뒷부분에 여러개의 영구자석(16)을 매설한 타코메타용 로터(15)의 아랫부분에 홀센서(18)을 위치시킴으로서, 30-50 rpm의 저속에서부터 1500 rpm의 고속까지 안정성 있고 연속적있는 모터의 속도제어가 가능하게 된다. 모터의 주축(14)과 교반기 주축(5)을 2개의 유연커플링(19a 및 19b)과 플라스틱 연결구(20)를 사용하여 쉽게 결합될 수 있도록 하며, 발효조의 교반시 구동모터(10)의 안정성을 확보하기 위해 어댑터 하우징(30)의 잠금나사(31)를 하우징 연결부(32)에 홈으로 만들어진 잠금나사고정부(33)에 고정시키게 된다. 또한 발효조의 내부와 외부의 밀봉성의 향상과 분해/결합을 간편하게 하기 위해서 교반기 주축(5)을 2개의 스테인레스 베어링(54)으로 지지하며 베어링 사이는 스페이서 실린더(55)를 삽입시키고, 2개의 외경용 멈춤링(53a 및 53b)을 베어링의 외부에 장치하고 양쪽 바깥쪽에 오일 실(52)을 위치시켜서 아이들 하우징(50)에 결합시키고 최종적으로 내경용 멈춤링(51)을 설치하게 된다. 발효조 상부판(2)의 중앙부분에 여러개의 렌치나사(56)를 이용하여 아이들 하우징(50)을 결합시키고, 이때 오링(57)을 이용하여 발효조의 밀봉을 시켜주게 된다.

상술한 바와 같이 본 고안에 의한 발효기용 상부구동형 교반기 시스템은 다음과 같은 효과를 나타내게 된다.

첫째, 가격이 상당히 비싼 타코메타를 대체해서 영구자석을 매설한 로터를 이용하여 모터의 저속 및 고속제어가 가능하므로 매우 경제적이고 효율적이다.

둘째, 구동모터를 상부에서 발효조의 상부판과 쉽게 분해 및 결합이 쉽게 하였고, 또한 잠금나사와 잠금나사 고정부를 이용해 구동모터의 안정성 및 흔들림 방지를 달성하였다. 따라서 본 고안에서 개발된 상부구동형 교반기 시스템을 사용할 때 한 개의 구동모터와 컨트롤러를 이용하여 발효조의 용량이 다른 여러개의 발효조를 공동으로 사용할 수 있으므로 사용자의 입장에서 경제적으로 발효실험을 할 수 있다. 또한 소형 발효조의 경우 쉽게 상부 구동모터를 분해한 후 발효조 전체를 멸균기에 넣고서 쉽게 멸균처리를 할 수 있으며, 구동모터의 교환 및 수리가 손쉽게 된다.

셋째, 아이들 하우징에 스테인레스 베어링을 사용함으로서 수명의 향상, 내부식성의 향상, 밀봉성의 향상을 향상시킴으로서 외부로부터의 잡균오염을 방지하고, 간편하게 분해 조립이 가능하도록 아이들 하우징을 개선함으로서 세척시 분해 및 조립이 간편하게 되는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 생물발효공정을 위해 사용하는 발효기에 있어서,

   구동모터의 모터주축(14)과 교반기 주축(5)에 결합된 유연커플링(19a 및 19b)과, 상기 커플링을 연결시키는 플라스틱 연결구(20)와, 구동모터(10)을 고정하기 위한 잠금나사(31)를 아이들 하우징(50)에 고정시키는 것을 특징으로 하는 발효기용 상부구동형 교반기 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   모터주축(14)의 뒷부분에 다수의 영구자석(16)을 매설시킨 로터(15)와, 로터에 근접시킨 홀센서(18)를 이용해 구동모터(10)의 속도제어를 하는 것을 특징으로 하는 발효기용 상부구동형 교반기 시스템.
3. 제 1 항에 있어서,

   아이들 하우징(50)내의 교반기 주축(5)을 지지하기 위해 스테인레스 베어링(54)을 이용하는 것을 특징으로 한 발효기용 상부구동형 교반기 시스템.
4. 제 1 항에 있어서,

   잠금나사(31)를 아이들 하우징(50)의 잠금나사 고정부(33)에 결합시키는 것을 특징으로 한 발효기용 상부구동형 교반기 시스템.