KR20030056049A - 생물반응조에서의 기액분산 효과의 증대를 위한 임펠러 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미생물 배양을 위한 생물반응조의 기액분산 효과의 증대 및 임펠러 내부에 고정화한 균체나 산소를 충전하여 배양조작을 하는 것이 가능하도록 하기 위한 교반 임펠러(BIOSTAR)를 제공하는 것으로, 다공질통(드랍트튜브) 내부에 고정화한 균체나 산소를 충전하여 배양조작을 하는 것이 기능하도록 하고 기존 생물반응조의 축 떨림이나 높은 동력소비 등으로 인해 모터가 오버히터 하는 트러블의 문제를 해소하면서 기액분산 효과의 증대를 위한 교반 임펠러(BIOSTAR)를 제공하고자 하는 것이다.

구성으로는 회전하는 다공질통의 상하방향의 중심부분으로부터 용기벽으로 향하는 강한 흐름이 용기벽에서 상하흐름으로 분할되어 다시 회전하는 다공질통의 상하방향으로부터 되풀이 유입되는 흐름 패튼이 될 수 있도록 하는 것이 요지이다.

따라서 생물반응조에서의 양호한 기액분산 효과의 증대를 위한 교반 임펠러의 개발로 안정적 미생물 배양 및 슬러지 처리를 할 수 있고, 또한 다공질통 내부에 고정화한 균체나 산소를 충전하여 배양조작을 하는 것이 가능하게 되는 것이다.

Description

생물반응조에서의 기액분산 효과의 증대를 위한 임펠러 구조{Structure of Impeller for Increase of Gas-Liquid Dispersion Effect on Bioreactor}

본 발명은 생물반응조의 기액(氣液)분산 효과 증대를 위한 임펠러 구조에 관한 것으로, 일반적으로 교반조작은 화학공업이나 바이오 관련 공업 등에서 폭넓게이용되는 조작으로 교반조에서의 여러 가지 특성에 관한 연구가 실험적 혹은 수치계산으로부터 많이 행하여져 왔다.

종래에 자주 사용되어진 바이오 리엑터에는 크게 나누어 다음과 같은 4종류의 방식이 있다.

첫째는 충전형 바이오 리엑터로서, 일반적으로는 칼럼에 고정화효소나 고정화 균체를 충전하여 전화당 등의 연속적 생성에 이용하는 방식이다. 효소나 미생물균체의 고정화 담체에는 알킨산 겔이나 세라믹 등의 다공질 물질이 이용된다.

둘째는 에어리프트형 바이오 리엑터인데, 일반적으로 반응조 내에 부유하는 고정화질소나 고정화 균체 그리고 미생물 균체 등이 강제적인 에어레이션이나 균체 그 자체가 발생하는 가스로 일어난 상,하 순환류에 의해 교반 된다.

셋째는 진동형 바이오 리엑터로서, 일반적으로는 시험관이나 플라스크를 진동장치에 장착하여 왕복 혹은 원운동에 의해 교반한다. 임펠러에 의한 기액교반을 이용하는 배양의 전 배양이나 전단에 약한 식물세포의 배양에 잘 이용된다. 특히 미생물 균체의 기액교반 배양의 전 배양에 잘 이용된다.

넷째는 교반형 바이오 리엑터로서, 일반적으로는 퍼멘트라 부르는 배양조이다. 종래 시판의 퍼멘트의 임펠러는 디스크터빈 임펠러나 경사패덜 임펠러가 주로 사용되었으나 최근에는 막스블렌드(Maxbliend) 임펠러, 플루존 등의 대형 임펠러 등이 개발되어 시판되고 있다.

보통 교반조의 사용자인 일반화학 메이커나 바이오 관련 메이커에서의 교반조작은 일반적으로 반응이나 배양을 수반함과 동시에 종래는 난류 균일상계의 취급이 비교적 많고 교반조건에 의한 문제는 거의 생기지 않았기 때문에 교반기술에 대한 인식은 반드시 높다고는 말할 수 없었다.

그러나 근래 다종다양한 새로운 화학제품이나 바이오 의약품이 개발되어 교반조작의 다양화나 고품질을 요구하는 사용자로부터 교반기술에 대한 중요성이 재인식되고 있고, 또한 여러 가지 임펠러의 연구개발이 각 교반기 메이커에서 행하여지고 있으나 현재 사용중인 생물반응조는 연속적인 배양시 컨트롤이 잘되기도 하고 안되기도 하며, 높은 산소이동 용량계수를 얻을 수 없는 단점이 있다.

또한 종래의 교반을 위한 장치에서는 모타의 회전속도가 상당히 높아야 하고 오랜 시간 교반작용을 실시하여야 하기때문에 미생물 배양을 위한 생물반응조에서의 축(모터에 의한 회전축) 떨림 현상이나 모터가 과열하는 트러블등에 대한 프로세스적인 측면에서 많은 단점이 있는 실정이다.

종래의 교반장치에서는 교반이 양호하게 되어도 축 떨림 현상이나 높은 동력소비로 모터가 과열되는 트러블이 발생하는 경우가 있다. 이를 해결하기 위해 반응조를 관찰한 결과 흐름 패튼이 일정한 것을 알았다.

그것은 난류중 회전하는 다공질통(Draft Tube)의 상, 하 방향의 중심부로부터 용기벽으로 향하는 강한 흐름이 용기벽에서 상, 하 흐름으로 분할되어 다시 회전하는 다공질통의 상, 하 방향으로부터 되풀이되어 유입되는 흐름 패튼이었다.

그래서 그 흐름을 더욱 강제적으로 일으키기 위해서는 회전하는 다공질통의 상, 하에 강제적으로 정류를 촉진하는 역 피치프로펠러 임펠러 혹은 피치패들 임펠러를 설치하였다. 이렇게 함으로써 축 떨림 현상이나 높은 동력소비로 모터가 과열되는 트러블의 발생이 없도록 하는데 소기의 목적하는 바가 있다. 또한 다공질통 내부에 고정화한 균체나 산소를 충전하여 배양조작을 하는 것이 가능하다.

도 1은 본 발명에 의한 임펠러가 설치된 드랍트튜브의 단면도

도 2은 도 1의 평면도

도 3는 본 발명에 의한 임펠러의 작용상태도

***도면중 주요 부분에 대한 부호의 설명***

1: 상부 임펠러

1': 하부 임펠러

2: 드랍트 튜브

3: 순환구멍

4: 생물반응조

5: 회전축

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위하여 난류중 회전하는 다공질통(Draft Tube)의 상, 하 방향의 중심부로부터 용기벽으로 향하는 강한 흐름이 용기벽에서 상하흐름으로 분할되어 다시 회전하는 다공질통의 상, 하 방향으로부터 되풀이되어 유입되는 흐름 패튼이 되도록 역 피치프로펠러 임펠러 혹은 피치패들 임펠러를 설치함으로써 축 떨림 현상이나 높은 동력소비로 모터가 과열되는 트러블의 발생이 없도록 강구하였다.

본 발명의 생물반응조의 기액분산 효과 증대를 위한 임펠러 구조에 관한 바람직한 구성 및 작용을 이하 부수되는 도면과 관련하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 의한 드랍트 튜브를 도시한 단면도로서 측면에 다수개의 순환구멍(3)이 형성된 드랍트 튜브(2)의 내부에는 상부 임펠러(1)와 하부 임펠러(1')를 구성하되, 그 구성예의 하나로서 상부에는 역 피치프로펠러 임펠러를 구성하고 하부에는 피치패들 임펠러를 구성하는 것이다.

다른 구성 예로는 드랍트 튜브(2)의 상부에 피치패들 임펠러를 설치할 수 있고 하부에 역 피치프로펠러 임펠러를 설치하는 구성을 택할 수도 있으며 이때도 작용은 같다고 할 수 있다.

상부 임펠러(1)인 역 피치프로펠러 임펠러나 하부 임펠러(1')인 피치패들 임펠러는 액을 드랍트 튜브(2) 내부로 빨아들이도록 드랍트 튜브(2) 상하에 고정되어 모타의 회전축(5)이 회전을 하면 드랍트 튜브(2)와 같이 회전하도록 되어있다.

이러한 드랍트 튜브(3)의 각 부분에서 가장 특징적인 순환구멍(3; Mesh)부분의 형상이나 면적의 변화가 교반능력에 영향을 미치므로 이러한 조건을 만족시키기 위한 구체적인 실시예를 살펴보면 다음과 같다.

1. 사용한 다공질통(드랍트 튜브)의 재질은 스테인레스제 펀칭 메탈이다.

2. 순환구멍(Mesh부분)의 크기는 1mm ∼ 100mm이다.

3. 순환구멍의 형태 즉 Mesh 부분의 형태는 원, 타원, 삼각, 사각, 오각, 육각, 팔각 등 다양하게 구성할 수 있다.

4. 드랍트 튜브의 재질은 아크릴, 스테인레스, 구리, 철, 유리, 금망 등으로 할 수 있다.

5. 드랍트 튜브의 크기는 지름 2cm ∼ 20cm이고 높이 3cm ∼ 30cm 사이의 크기이다.

6. ε(개공율) = 구멍의 총표면적/드랍트 튜브의 총표면적----->0.1∼0.9사이이다.

7. 역피치프로펠러 임펠러의 각도는 5°∼ 85°사이다.

8. 피치패들 임펠러의 각도는 5°∼ 85°사이다.( θ=π/6)

9. 역피치프로펠러 임펠러 및 피치패들 임펠러는 다공질통의 위, 아래에 각각 부착한다.

도 3은 본 발명에 의한 임펠러의 독특한 흐름패튼을 도시한 것으로, 상부의 역 피치프로펠러 임펠러 혹은 피치패들 임펠러로부터는 아래방향으로, 하부의 역 피치프로펠러 임펠러나 피치패들 임펠러로부터는 위 방향으로 액을 빨아들이는 것으로, 드랍트 튜브 중앙부에서 액의 충돌이 일어나 측면의 드랍트 튜브(2)의 순환구멍(3)으로 토출되는 흐름패튼이 되고 있다.

이때 생기는 높은 전단력에 의해 기포가 세분화되어 양호한 기액분산을 얻을 수 있다. 따라서 이러한 본 발명의 임펠러는 높은 산소이동을 요구하는 미생물등의 배양조작에서 바이오 리엑트로서 실용화 할 수 있다.

전단에 현저하게 약한 겔을 포괄하여 회전시키는 반응용기로 겔에 미생물이나 식물세포를 고정화하여 그 겔을 다공질의 물질에 포괄시켜 겔에 전단력이 미치지 않도록 하여 대량 직접배양을 가능하도록 하는 것이다. 통상의 디스크터어빈 임펠러 등의 교반 임펠러와 같이 균체나 산소를 배양액 중에 분산시켜 배양하는 것도 가능하다.

이상 설명한 바와 같은 본 발명에 의하면 임펠러의 독특한 흐름 패튼은 상부의 역 피치프로펠러 임펠러(또는 피치패들 임펠러)로부터는 아래 방향으로, 하부의 피치패들 임펠러(또는 역피치프로펠러 임펠러)로부터는 위 방향으로 액을 유입시키는 것으로, 드랍트 튜브 중앙부에서 액의 충돌이 일어나 측면의 드랍트 튜브의 뚫린 구멍부분으로 토출되는 순환류의 흐름형태가 된다.

이때 발생하는 높은 전단력에 의해 기포가 세분화되어 양호한 기액분산을 얻는 것이 가능하며, 따라사 모터의 회전속도나 회전력을 크게하지 않아도 원하는 교반작용을 얻을 수 있으므로 축 떨림 현상이나 높은 동력소비로 모터가 과열되는 트러블의 발생이 없도록 하는 효과가 있다.

이러한 교반 임펠러는 높은 산소이동을 요구하는 미생물 등의 배양조작에서 바이오 리액터로서 실용화시킬 수 있으며, 이 교반 임펠러는 그 구조상 드랍트 튜브 내부에 고정화한 균체나 효소를 충전하여 배양조작을 행할 수도 있고 일반적으로 많이 사용하는 디스크터빈, 패들 임펠러 등과 같이 균체나 효소를 배양액 중에 분산시키서 배양할 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 생물반응조에서의 교반을 위해 사용되는 임펠러를 구성함에 있어서, 측면에 다수개의 순환구멍(3)이 형성되는 드랍트 튜브(2)를 구성하고 드랍트 튜브(2)의 상부와 하부에는 상부 임펠러(1)와 하부 임펠러(1')를 역피치프로펠러 임펠러 또는 피치패들 임펠러로 구성하여 드랍트 튜브(2)와 함께 회전토록 함으로써, 역피치프로펠러 임펠러 또는 피치패들 임펠러가 액을 드랍트 튜브(2)의 내부로 유입시킨 후 순환구멍(3)으로 배출되도록 구성함을 특징으로 하는 생물반응조에서의 기액분산 효과의 증대를 위한 임펠러 구조.