KR20040001367A

KR20040001367A - 오뚝이(∞) 모양용기에 공기혼합과 자화에너지와볼텍스(Valtax)를 이용한 동.식물세포 및 미생물 배양기

Info

Publication number: KR20040001367A
Application number: KR1020020036531A
Authority: KR
Inventors: 전민현
Original assignee: 전민현
Priority date: 2002-06-27
Filing date: 2002-06-27
Publication date: 2004-01-07

Abstract

본 발명은 생명공학분야에서 사용되는 동.식물 세포배양과 미생물을 배양하는 방법중 자화공기를 공급 분사각도를 다변화 하고 배양액을 중앙에 위치한 분출용 믹싱파이프와 배양공기구 중앙부에 위치한 나선형 유도기를 따라 하강하면서 또다른 볼텍스(Valtax) 운동으로 상승 팽창하는 냉과 하강 응집하는 열을 최대로 활용하며 필요에 따라서는 자력을 발생하여 세포의 융합을 최적화 하고 중앙유동부에 광원을 두어 광합성 미생물 배양을 최적화하며 세포 및 미생물 배양상태를 관찰 할수 있는 볼록랜즈에 영상용 카메라를 부착하여 피시(PC)에 연결하여 자동제어 및 데이타(Data)를 분석하여 배양조건을 최적화 시키는 지능형 배양기로 동.식물세포.그리고 유효미생물배양.및 버섯의 액체 균사배양등에 다양한 방법으로 사용될 수 있는 특징으로 되어 있다

Description

오뚝이(∞) 모양용기에 공기혼합과 자화에너지와 볼텍스(Valtax)를 이용한 동.식물세포 및 미생물 배양기{a tumbler shape and magnetic air agitation. bio voltax energy fermenter}

동식물의 세포 및 미생물을 공업적으로 이용하기 위하여 큰 용기에 배지를 넣고 살균하여 균주 및 세포를 접종하여 대량 배양시킬 목적으로 사용되어 왔다

그 방법으로는 호기형과 혐기형 심부배양형과 표면배양형 통기교반형 기포탑형 유동충형 충전탑형등의 여러 형식이 이용되어 왔다

이들의 배양기에는 증자 살균 냉각 공기조절장치 제균설비등이 부착되어 이용되어 1세기가 지나도록 이용되고 있다 여기에는 혼합특성이 좋지 않고 동력비가 많이 들고 높은 산소공급속도를 요구되고 증발손실이 많으며 공정제어가 표준화되지 못하고 수동적인 방법으로 운영되며 수율이 떨어지는 단면이 있다

그러나 21세기는 생명공학의 시대로 이러한 부수적인 설비들이 새롭게 개발되어야 될 것이며 종래의 기술을 한 차원 뛰어 넘어야 배양기술을 이용한 생명공학 제품이 대량 생산될 수 있는 실정에 있다

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 동력교반장치가 없으면서 단위 부피당 높은 산소 흡수 속도를 만족시키고 세포및 미생물 성장에 적합한 새로운 조성의 공기를 공급함으로써 산소비율이 높고 배양액의 높은 순환율로 혼합을 해결하고 상승 팽창하는 냉과 하강 응집하는 열을 이용하여 세균을 억제하고 배양액 내부에 빛을 공급하여 고농도의 광합성 미생물까지 배양할 수 있도록 한 것이다

또한 자화공기를 공급하고 배양액 배지에 자력을 주어 세포의 활성화에 도움을 주어 성장 속도를 빠르게 하며 배양미생물의 세포내 대사활성의 변동 환경을 최적의 조건으로 조절하여 목적생산물의 생성을 재현하려고 하는 방법이다

세포 및 미생물내의 생리활성 물질의 상호관계를 파악하고 환경인자를 관찰 측정 피드백(feedback)하여 제어계통에서 배양조건을 최적화 하여 지능형 배양기를 탄생시키고자 하는 것이다

도1 은 본 기계의 구성도

도2 은 배양용기 내부에 있는 좌우방향으로 비틀리고 분할되어 혼합 교반되는 장치

도3 은 구성요소(element)의 수에 따른 분할수 도표

도4 은 자화공기 분사장치

도5 은 나선형 볼텍스(voltax)유도기에 의한 배양액 흐름 모습

도6 은 두용기중앙부에 위치한 자력발생기. 오목렌즈를 이용한 광원공급장치. 돋보기이를 이용한 감시용 카메라

도7 은 자화공기 공급장치

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

101. 배양기 몸체 103. 내부냉각용 쟈켓 106. 배지투입구

201 스팀공급라인 203 공기공급라인 209 물공급 밸브

212 응축수회수밸브 216 샘플밸브 219 배양액회수밸브

222 산공급 밸브 301 온도쎈서 303 피에치쎈서

303 디오쎈서 401 에어분쇄관 403 산탱크

501 에어공급노즐 502 자화공기공급장치 503 에어필터

본 발명 배양기에 구성은 몸체가 달걀 모양의 형태가 상하로 두개가 합쳐져 오뚝이나 무한데(∞)의 모습처럼 구조가 되어 있고 두개가 합쳐지는 중앙에는 자석과 빛을 공급하는 장치가 부착되어 있다(도면 1참조)

내부에는 긴 원통형 모양의 장치로 공기를 보급하면서 움직이는 부분이 없이 배지가 관내를 통과하면서 연속적으로 혼합되는 교반장치가 있으며 관내에 좌우방향으로 180 ° 비틀린 구성요소(Element)가 각각 90 °로 내장되어 있어 배지유체가 구성요소를 통과할 때 유체는 구성요소 형상대로 좌우 방향으로 비틀리고 분할되어 혼합 교반되는 장치이다(도면 2참조)

유체는 구성요소 1개를 통과할 때마다 2등분된다 따라서 분할 수는 기하급수적으로 증가되어 20개의 구성요소를 통과할 때는 약 100만 등분으로 분할된다 구성요소 수를 n이라고 하면 분할 수 v = 2ⁿ또한 관내 단면적을 A라고 하면 분할면적 a = A/2ⁿ로 구성요소가 좌방향 우방향으로 교차 배열되어 있음으로 진행중의 유체는 안밖으로 뒤바뀜 작용을 하게된다 또한 배지는 관의 중심부에서 관의 내측면으로 내측면에서 다시 중심부로 이동하는 작용을 되풀이한다(도면 3참조)

이때 하단의 자화공기분사장치(도면 4참조)는 배지의 침전을 방지하고 공기분사 노즐(nozzle)에 의하여 주위의 배지를 흡입하게 되며 이 흡입 배지와 공기가 혼합되어 분산 확산되며 배지와 공기 같은 모든 유체들의 자연스러운 운동은 온도차에 의해서 발생하기 때문애 계란형태의 용기 안에서는 파형 나선형의 활력 넘치는 유체의 흐름이 유도되고 안정적으로 지속된다 또한 배양용기 내부에 있는 좌우방향으로 비틀리고 분할되어 혼합교반되는 장치를 통과하여 상부에 도달한 배지액은 다시 하부용기로 이동한다 이때 상부와 하부의 양용기의 중앙부에 위치한 나선형 볼텍스 유도기를 따라 하부 용기로 이동하면서 중앙부의 양면에 있는 자력발생기(도면 6참조)를 만나 새로운 생자기장(Bio magnetism)와 결합하면서 와류 형태로 이동한다

여기에 이용되는 배지입자는 양극성을 지니고 상부용기에서 하부용기로 낙하하는 동안 세찬 회전력을 일으키기는 볼텍스로 부터 다음 사항을 유추 할 수 있다 여러가지 볼텍스의 진동들이 조화를 이루면서 여러 겹으로 중첩되면 이들은 상호반응하여 회전반경이 극히 작고 회전속도가 엄청나게 빠른 극한 상황에 이르게 되는데 여기서 전기장과 자기장 혹은 생자기장과 같은 생명의 신에너지가 창출된다 지금까지 사용되는 배양기는 볼텍스가 없으나 본 발명은 볼텍스를 만들어주며 상.하운동을 진행하므로 원주에서 축상의 운동(도면 5참조)은 유인 통합.창조.적분의 형태를 취하며 마찰이 줄어드는 과정이라 정의할 수 있으며 출발시의 직경이 1이고 휘감겨 들어가는 통로 상에서의 초기 마찰을 1이라고 할 때 직경이 1/2로 줄면 저항은 (1/2)²= 1/4로 줄어들고 회전주기 혹은 회전속도는 두배로 증가한다 이러한 용액배지는 자신이 축척한 에너지를 미생물 혹은 동.식물 세포에게 방전하고 세포나 미생물은 이를 충분히 흡수하여 자신의 성장을 위한 고귀한 에너지로 활용한다

이러한 예를 들어보면 11년주기로 나타나는 태양 흑점이 최고치를 기록한 여섯 해에는 주요한 유행성 감기가 나타나곤 했다 이것들은 태양의 자기장이 양이거나 지구를 향하고 있을 때 박테리아가 빨리 성장하고 음일 때 느려진 다는 것을 1975년 매사추세츠 대학의 리처드 블레이크모어(Richard Blakemore)는 모든 세포중 가장 단순한 박테리아 중의 어떤 것이 자기적 감각을 갖고 있다는 것을 발표하여 생물학계를 놀라게 했던 일이 있으며 여기에는 각 박테리아 속에는 마치 흑옥(黑玉)으로 만든 사슬과 같이 자철광 결정이 줄지어 있었다 얇은 막에 둘러싸여 있는 이 결정들은 하나의 자석 역할을 하는 가장작은 조각으로 자석의 분자같은 것이다 라고 발표 했으며 1984년 호놀룰루에 있는 하와이 대학의 동물학자 마이클 워커(Michael Walker)가 이끄는 연구팀은 참치와 연어의 뼈에서 자성물질 결정을 분리해 냈다 그 결정들은 자 철광산에서 나오는 것과는 달리 생체고유의 독특한 모양을 하고 있었다 풍부한 신경 말단들이 그 자기 감각 조직으로 들어가고 있었고결정들은 자기 감각 박테리아에서와 거의 같이 사슬로 조직되어 있다고 발표하였다

여러 의학계 논문에서 알 수 있듯이 전기장이 세포의 성장에 있어서 가장 강력한 자극제라는 것이 명백해졌으며 음의 전류로 성장을 유도할 수 있는 것과 마찬가지로 양의 전류로 성장을 억제 할 수 있다는 것을 알 수 있다

또한 맨하부에 있는 자화공기 분사장치를 통하여 분사되는 자화공기를 살펴보면 공기 속의 산소는 자력선에 반응하는 성질을 가지고 있으므로 와류형의 원통형에 자석을 배열하여 통과시키면 보통산소보다도 반응성 높은 산소를 얻을 수 있다 보통의 산소보다도 최외각 전자의 궤도가 크고 그로인해 중심에 있는 핵의 구속력이 작아져 최외각 전자가 가진 전기적 에너지 일부가 밖으로 나온다 이 때문에 보통산소와 비교해 다른분자와 반응하는 힘이 강해진다

그러므로 많은 산소를 요구하는 호기성 미생물 배양기나 동.식물 세포배양기에서는 큰효과를 본다 또한 용기의 중앙부에 있는 광원공급장치로 빛을 필요한 광미생물이나 동.식물세포에 빛의량을 조절하여 공급한다 빛의 공급장치는 오목렌즈를 부착하여 빛의 파장을 넘게 조사하며 전압을 조정하여 빛의 밝기를 조절하며 필요량의 조도는 룩스메타로 확인한다 (도면 6참조)

또한 반대편에 있는 감시용 점검구에는 돋보기를 부착하여 내부를 확대하여 볼 수 있도록 하였으며 감시용 카메라를 PC에 연결하고 배양기 내부에 부착되어 있는 PH. DO. Pt 쎈서와 룩스메타를 통하여 배양상태를 점검하면서 PC의 자동 프로그램으로 배양기의 배양조건을 최적상태로 만든다

본 발명은 이러한 논리에 근거하여 개발되었으며 일반적인 미생물 배양기는이러한 과정이 없음으로 세포나 미생물에게 충분한 에너지를 흡수시키지 못한다 여기에 전체적인 작용을 보면 배양용기에 배지를 80%정도 채워 용기 외벽에 있는 자켓에 스팀을 공급 가열하여 온도를 121℃로 1시간 살균하고 냉각수를 공급하여 상온으로 조절하여 투입구(106)를 통하여 필요한 균주나 세포를 접종하고 하부용기의 노즐을 통하여 자화공기를 공급하며 상부 배출용 밸브를 작동 외부 유출공기량을 조절하며 교반상태를 보면서 PH를 조절하며 배양조건을 만족시키도록 유도한다 이때 모든 Sensor나 계측기를 통하여 PC로 정보를 전달하고 여기에 정하여진 프로그램으로 제어를 하며 필요에 따라서는 Sample Line(216)를 통하여 체취하여 중간을 확인하며 최적의 상태로 운전한다 여기서 배양된 미생물이나 동.식물의 세포는 하부밸브를 이용 회수하여 사용한다

본 발명은 21세기의 생명공학 시대에 맞추어 많은 연구기관 산업체에서 보다더 기능이 향상된 동.식물 세포배양기와 미생물 배양기를 필요로 하고 있다 여기에는 1세기 동안 변함없이 사용하여온 기기 들만을 이용하여서는 효율적으로 생명공학을 이용한 제품을 생산하는데는 미흡하다고 생각되는데 본 발명품은 자화공기가 분출용 믹싱 파이프를 통하여 상부의 용기에 분출하므로 배양액을 상하 유동하게 함으로써 별도의 교반기 없이도 배양액의 순환이 이루어지므로 세포배양시 교반기에 의하여 세포가 파괴되는 것을 방지하고 내면에 사각지대가 없기 때문에 세포가 죽으면서 분비하는 유해물질이 잔존하는 것을 근본적으로 방지 할 수 있고 자기력을 발생하여 세포 융합을 최적화 하여 슛율이 향상되며 배양기의 상하 중앙부에 고효율 광원을 주무로써 순환하는 배양액 내부로의 빛투과 거리가 최소화되므로 광합성 미생물의 고농도 배양에도 적합하다 이를 이용하여 제약 및 식품회사 유기농업을 하고자 하는 농가 및 이와 관련된 학계 및 연구기관에 획기적으로 이용될 것이다

Claims

오뚝이 모양에 배양액을 담고 미생물. 동.식물세포를 배양 할 수 있는 용기 상기 용기는 상부와 하부가 달걀모양으로 상부에 하나 하부에 하나씩 두개를 부착한 모습의 형태를 취하고 있으며 본 모양의 형태는 도면 1과 같으며 이와 유사한 용기형태
제1항에 있어서 자화공기를 이용하여 공기를 분사 공급하는 장치
제1항에 있어서 자화공기와 배양액을 혼합하는 장치
제1항에 있어서 두용기가 접합하는 중앙부에 설치한 자력발생장치
제1항에 있어서 두용기가 접합하는 중앙부에 설치한 볼텍스 유도장치
두용기가 접하는 중앙부에 설치한 광원 보급장치
제1항에 부터 제6항 까지 관련된 전체플렌트에 관한 일체의 설비구조