KR20100107496A - 광화학 공정을 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광화학, 이를테면 광촉매 및/또는 광합성 공정을 위한 방법 및 장치, 특히 바람직하게는 향광성 미생물의 번식 및 생성 또는 수경배양을 위한 방법에 관한 것이다. 반응기, 특히 적어도 하나의 반응기 요소(2)를 포함하는 바이오솔라 반응기(1)가 제공된다. 반응기 요소(2)는 저부에 연결된 2개의 수직 파이프(3)에 의해 형성된다. 또한, 입구(4) 및 출구(5)는 상부 반응기 엣지에 제공된다. 반응 매질(6)의 미앤더-형상의 이동은 위에서 아래고 또는 중력 방향으로, 그리고 아래에서 위로 또는 중력 반대 방향으로 적어도 한번 수직 또는 경사지게 실시된다. 반응기 속으로 및 그로부터 반응 매질(6)의 도입 및 제거 모두는 상부 반응 매질 표면을 통해 대기로 자유롭게 그리고 압렵 없이 연속적으로 실시되고, 여기서 정수압 보상 및 레벨링으로 인해 미생물에 대한 무스트레스인 반응 매질(6)의 흐름이 형성된다.

Description

광화학 공정을 위한 방법 및 장치{Method and Device for a Photochemical Process}
본 발명은 광화학, 이를테면 광촉매 및/또는 광합성 공정을 위한 방법, 특히 반응 매질, 이를테면 수성 용액 또는 현탁액이 미앤더-형상(meander-shaped)의 방식으로 반응기에서 이동(conducted)되는, 바람직하게는 향광성(phototropic) 미생물의 번식 및 생성 또는 수경배양(hydrocultivation)을 위한 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 방법을 실시하기 위한 장치에 관한 것이다.
유리 또는 플라스틱으로 이루어진 향광성 미생물을 위한 바이오리액터(bioreactor)는 DE 41 34 813 A1에 공지되어 있다. 배지는 바이오리액터를 통해 펌핑되거나 수평적으로 위치한 웹 플레이트를 통해 미앤더 형상의 방식으로 바닥을 향해 이동된다. 또한, 난류-형성 매질이 웹에 위치한다. 이 방법에 따라서, 이산화탄소가 상부로 도입되고, 그리고 천연 또는 인공 광선이 작동하는 데 사용된다. 바이오리액터는 광원에 대해 직각으로 위치하거나 그를 추적(tracking)한다.
또한, 향광성 미생물 또는 광촉매 공정을 위한 바이오리액터는 GB 2 235 210 A 및 DE 196 44 992 C1에 공지되어 있다.
바이오리액터에서의 광촉매 폐수 처리는 EP 738 686 A1에 공지되어 있는데, 여기서 정제시킬 액체는 투명한 플라스틱으로 이루어진 다중 웹 플레이트를 통해 이동된다. 온도를 조절하기 위해서 통상의 반투명 다중 웹 플레이트를 사용할 수 있다.
또한, 적어도 3개의 벨트를 갖는 다중 웹 플레이트로 구성된 능동적 또는 수동적으로 온도 조절 가능한 태양 요소가 WO 98/18903에 기재되어 있다. 광화학 또는 광합성 공정을 위해 반응기 내의 층들이 교대로 사용된다. 이에 따라, 배지는 밀폐된 프론트와 수평적으로 위치한 웹 플레이트를 갖는 폐쇄된 반응기에서 미앤더 형상의 방식으로 저부를 향해 이동된다.
물론 아키메디안 스크루(Archimedian screw)와 다빈치(Da Vinci)의 스파이럴(spiral)이, 이를테면 Florian Manfred Gratz의 제품 "Semi-automatic Generation of Circuit and Fluid Diagrams for Mechatronic Systems" (논문, Munich Tech. Univ. 2006) ISBN 10 3-8316-0643-9가 공지되어 있다.
또한, 트로프(trough)와 발전기를 갖는 수력전기(hydropower) 스크루는 DE 195 07 149 C2에 공지되어 있다. 에너지 전환을 위한 수력전기 스크루는 DE 41 39 134 C2에 공지되어 있다.
본래, 힘의 유체정역학적(hydrostatic) 균형은 파스칼 파라독스(Pascal's paradox)라 일컬어지는 유체정역학적 파라독스로서 알려져 있다. 이는, 유체(fluid)의 충전 레벨에 따라 용기의 베이스에서 수직 압력을 일으키고 그에 따라 용기의 형상이 영향을 받지 않는 현상을 설명하는 분명한 파라독스이다.
상부가 개방되고 저부에 연결된 용기(vessel)는 상호 연결된 탱크나 상호 연결된 파이프라 불리운다. 공기압과 중력이 용기에 동일한 영향을 미침에 따라, 동종(homogeneous)의 유체는 이들 안에서 동일한 레벨을 갖는다. 이종(inhomogeneous)의 유체 경우에, 액체의 컬럼은 레벨과 관련하여 비중과 역으로 작용한다.
통상적으로, 태양 반응기에서의 이송은 상술한 방법들 중 일부에서 통상의 펌핑 방법에 의해 실시된다. 이러한 과정은, 고압, 네가티브 압력, 높은 가속 또는 스퀴징(squeezing)으로 인해 반응 매질에 있는 미생물에 대해 스트레스를 야기한다. 이러한 스트레스를 받게 되면, 대부분의 향광성 미생물은 그들의 잠재적인 광합성 능력을 상실한다. 세포들은 파괴되거나 손상되고, 및/또는 미생물은 그들에게 부여된 작용을 충분히 회복하기 전에 재생을 위한 대사 산물 및/또는 시간을 필요로 하게 된다. 마찬가지로, 대부분의 광화학 공정은, 분자들이 파괴 또는 손상되고 및/또는 그들에게 부여된 작용을 충분히 회복하기 전에 추가 시간 및/또는 산화제를 필요로 하게 됨에 따라, 이러한 스트레스 하에서 그들의 잠재적인 광촉매 능력이 떨어진다.
또한, 태양 발전 플랜트는 붐(boom)의 축 상에 매달려 있는 빌딩에 부착되는 DE 29 51 700 C2에 공지되어 있다.
본 발명의 목적은, 한편으로는 상기 단점들을 방지하고, 또 다른 한편으로는 질적으로 그리고 양적인 수율의 증가를 가져오는 상술한 형태의 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 상기 방법은, 반응 매질의 미앤더-형상의 이동이 위에서 아래로 또는 중력 방향으로 그리고 아래에서 위로 또는 중력 반대 방향으로 적어도 한번 수직 또는 경사지게 실시되는 것과, 그리고 반응 매질의 반응기 속으로 도입되고 그로부터 제거되는 것이 압력 없이 그리고 상부 반응 매질 표면을 통해 대기로 자유롭게 연속적으로 바람직하게 실시되며, 여기서 정수압 보상(hydrostatic pressure compensation) 및 레벨링(leveling)으로 인해 미생물에 대해 스트레스가 없는 반응 매질의 흐름이 형성되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따라서, 최초로 미생물을 조용하게 이동하여 생성 공정에서 어떠한 손상도 방지할 수 있게 되었다. 상부 액체 레벨의 영역에서 반응 매질의 도입을 조절함으로써, 반응기 요소를 통한 반응 매질의 유속은, 물론 채워지는 조건 하에서 한정될 수 있다. 반응 매질은 미앤더-형상의 방식으로 수직으로 상호 연결된 반응기 요소를 통해 흐른다. 반응기 요소는, 입구와 출구가 상부에 위치하도록 서로 연결된다. 반응기 요소는 상부를 향해 완전 또는 부분적으로 개방되어 있다. 전체 반응기 내에서 최소한의 높이 손실과 함께 정수압 압력 보상을 이용하여 흐름이 이루어진다. 바이오솔라 반응기 내에서 반응 매질의 무압력 및 무어프레션(pressure-free and appression-free) 이송으로 인해, 반응 공정이 가능한 한 적게 손상된다.
본 발명에 따른 방법은, 이를테면 다음 영역에 이용될 수 있다:
- 폐수의 광화학 및/또는 광합성 정제
- 향광성 미생물에 의해 CO2를 산소로 광합성 대사
- 연구 목적으로 한 향광성 미생물의 번식 및 생성
- 광화학 및/또는 광합성 공정에 관한 연구
- 식품 및 기본 식재료를 위한 향광성 미생물의 번식 및 생성
- 의약 공업의 기본 물질을 위한 향광성 미생물의 번식 및 생성
- 연료 및 연료 생산 및 발전용 기본 물질을 위한 향광성 미생물의 번식 및 생성
- 화학 공업의 기본 물질을 위한 향광성 미생물의 번식 및 생성
- 광합성 공정에서 폭발성 기체(예, 수소)를 제거하는 향광성 미생물의 번식 및 생성.
반응기 매질이 반응기 요소를 통해 흐를 때, 수반될 수 있는 미생물의 무스트레스(stress-free) 이송은 힘의 정수압 보상을 이용함으로써 가능해진다. 또한, 최적의 에너지, 제한된 광전도(conductance), 최적의 공간, 첨가제와 병행하는 공급, 제한된 온도 조절, 목표 조절, 뿐만 아니라 기체의 개선된 회수를 달성할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따라, 액체 및/또는 기체 첨가제, 이를테면 영양 용액(nutritive solution) 및/또는 산화제 및/또는 활성 물질 및/또는 공정을 촉진하는 용해된 물질의 연속식 또는 회분식(batch-by-batch) 도입은, 바람직하게는 공정 과정에서 그리고 반응기 매질의 전환 영역에서 저부 측에서 실시된다. 여기서, 영양 용액과 공정-촉진 용액의 조절 및 최적의 도입뿐만 아니라 영양 및 공정 기체의 조절 및 최적의 도입이 가능하다. 반응 매질에서의 모든 간섭(intervention)은 반응 요소의 저부측에서 바람직하게 실시된다.
본 발명의 또 다른 실시양태에 따라서, 첨가제는 첨가제를 액체 컬럼의 저단부에 도입함으로써 반응 매질에 완전 혼합되고 동일하게 분산된다. 여기서, 반응 매질의 난류가 상승 기체에 의해 형성된다.
본 발명의 또 다른 특정 개발에 따라서, 도입 가능한 첨가제는 한정된 온도에서 도입된다. 여기서, 유입 기체 및/또는 영양 용액을 통해 열 조절이 이루어진다.
본 발명의 특징에 따라서, 액체 및/또는 기체 물질이나 첨가제는 반응 매질의 전환 영역에서 저부에 도입되고, 그에 따라 다량의 액체 및/또는 기체 물질이나 첨가제가 위에서 아래로 또는 중력 방향으로 흐르는 반응 매질의 영역보다는 아래에서 위로 또는 중력 반대 방향으로 흐르는 반응 매질의 영역에 도입된다. 여기서, 거대 펌프의 조작 과정에 따라, 아래에서 위로 통과하는 파이프나 챔버 내의 액체 레벨은 "기체 리프트 효과(gas lift effect)"의 종류로서 위에서 아래로 통과하는 파이프나 챔버에 비해 상승된다. 이러한 액체 레벨의 차로 인해, 반응기의 구성에서 액체 레벨의 상승을 고려한다면, 상기 유닛의 다중 직열 연결 및 각각의 상승 파이프로의 증가된 도입의 경우에 첫번째 파이프나 챔버에 비해 마지막 파이프나 챔버의 단부에서 액체 레벨의 상승을 일으킬 수 있다. 바람직하게는 기체 첨가제를 상기와 같이 증가시켜 도입할지라도, 스트레스 없는 미생물의 이송이 가능하다.
본 발명의 또 다른 특징에 따라서, 기체 공정 생성물, 이를테면 산소가 반응 매질 표면을 통해 공정 과정에서 바람직하게 제거된다. 이러한 방식으로, 제어되고 최적화된 오염물질의 감소가 이루어질 수 있으며, 이에 따라 제거를 최적화하면 또한 기체 공정 생성물을 회수할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특정 개발에 따라서, 반응기는 태양광 조사와 일치하여 수평 태양 경로의 전체 아치에 걸쳐 회전 방식으로 안내 또는 제어된다. 이러한 방식으로, 바이오솔라 반응기용 태양광 조사의 최적화가 이루어진다. 그 결과, 상이한 바이오솔라 반응기들에서 다양한 분야의 향광성 미생물에는 소망의 번식 성공과 자연 환경 측면에서 적절한 광합성 공정을 위해 최적화된 자연광이 제공된다. 또한, 이는 낮 시간 동안 및/또는 변하는 광 조건에 따라 조절될 수 있다. 미생물에 대해 태양광 조사의 증가 및 감소 모두는 빛을 더 잘 이용하거나 또는 너무 강력한 조사로부터 보호하기 위해 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 목적은 상기 방법을 실시하기 위한 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 방법을 실시하기 위한 장치로서, 반응기, 특히 파이프를 포함하는 바이오리액터는 저부에 연결된 2개의 수직 파이프에 의해 형성된 적어도 하나의 반응기 요소로 이루어지고, 그리고 입구와 출구 모두가 상부 반응기 엣지에 제공되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 방법을 실시하기 위한 대안적인 장치로서, 반응기, 특히 웹 플레이트들이나 다중 웹 플레이트들로 이루어진 요소를 갖는 바이오리액터는, 저부가 개방된 분리 벽을 형성하는 웹 플레이트들 또는 다중 웹 플레이트에 의해 형성된 2개의 바람직한 장방형, 수직형 챔버에 의해 형성되는 적어도 하나의 반응기 요소로 이루어지고, 그리고 입구 및 출구 모두가 상부 반응기 엣지에 제공되는 것을 특징으로 한다.
반응기, 특히 바이오리액터는 투명하거나 반투명하거나 코팅되거나 코팅되지 않은 재료로 이루어질 수 있다. 마찬가지로, 파이프들이나 웹 플레이트들은 폴리메틸메타크릴레이트와 같이 빛 또는 자외선에 투과성이 있는 유리나 플라스틱으로 이루어질 수 있다. 반응기 요소는 통상적인 것뿐만 아니라 상기 요건을 만족하는 특수 제작된 부품들로부터 제조될 수 있다. 반응기 요소는, 위에서 아래로 그리고 아래에서 위로 미앤더-형상의 연속식 흐름이 보장되도록 구성된다. 반응기로 들어가고 나오는 입구와 출구는 상부 영역에 제공된다.
힘의 유체정역학적 균형으로 인해, 반응 매질은 반응기로 들어간 후 수직 미앤더에서 전체 반응기를 통해 흐른다. 최종 반응기 요소에 도달할 때, 반응 매질은 유체정역학적 바이오리액터를 떠난 후, 무압력으로 숙성 탱크나 리셉터클 또는 또 다른 반응기로 이동된다. 리셉터클로부터, 반응 매질은 스트레스 없이 마무리되거나 간헐적으로 저장되거나 또는 또 다른 공정으로 도입될 수 있다.
본 발명의 특징에 따라서, 2 이상의 반응기 요소들을 반응기 패널 속으로 연결하기 위한 분리 벽은 반응기 요소의 파이프들이나 챔버들 사이의 분리 벽보다 더 낮도록 고안된다. 그 결과 반응기 요소 내의 액체 레벨이 반응기 요소들 사이의 분리 벽보다 더 높을 때 오버플로우 또는 상호 연결 구멍이 형성된다. 반응기 요소는 상호 연결된 용기로서 설계된다. 반응기 요소들이 반응기 패널 속으로 직렬로 연결되는 형태에 의해서, 한정된 유동 경로를 형성하도록 옵션이 제공된다.
관련된 향광성 미생물 또는 광화학 요건에 적용하고 다음 파라미터에 의한 공정 결과에 따라서 전체 반응기 내에 최적의 체류 기간에 영향을 미칠 수 있다:
- 유속
- 반응기 요소의 단면
- 반응기 요소의 높이
- 도입된 비기체상 물질의 수와 조건; 취입된 기체의 상태, 수, 밀도 및 압력
- 미앤더-형상으로 이동하도록 연결된 반응기 요소들의 수
- 폐가스의 제거 가능성
- 공정 온도
- 빛에 대한 체류 기간 및 위치
- 숙성 탱크 및/또는 어두운 탱크에서의 체류 기간
이상적인 경우와 관련된 구조적 조건이 제공되는 경우, 입구로부터 출구로의 매질의 유일한 연속식 이송이 필요한 경우 전체 공정에 가능하다.
본 발명의 특정 실시양태에 따라서, 서로에 대해 직렬로 바람직하게 연결된 반응기 패널들은 서로 평행하게 반응기 속으로 배치되고, 바람직하게는 프레임형 홀딩 장치에 견고하게 장착되고, 그리고 반응기는 터닝 장치를 이용하는 적어도 하나의 바람직한 수직 축을 통해 입사광 조사와 관련하여 조절될 수 있다. 여기서 반응기는 특히 스탠딩, 서스펜션 또는 스위밍 형태로 플로트(float) 상에 제공된다. 이러한 홀딩 장치와 베어링으로 인해, 태양광 조사를 향한 랜덤한 각이 가능해질 수 있다. 광의 최적화는 태양의 경로나 추적에 따라 제어함으로써 이루어진다. 그러므로, 예를 들면, 정오 경에는 멀리 돌리거나 그늘로 특수하게 이용함으로써 조사를 감소할 수 있다.
향광성 미생물은 표면 근처의 존에서 최적의 광합성 공정만을 실행하며, 너무 많은 자외선 조사에 의해 인제스천(ingestion) 및 분리(division)로부터 손상(detracted) 됨에 따라, 반응기 요소의 외부 대역(zone)뿐만아니라 내측 모두에 이동되는 것이 유리하다.
너무 강열하게 직접 조사하는 자외선은 미생물의 성장을 손상하고 반응 매질의 온도를 이상적인 레벨 이상으로 상승시키므로 다시 냉각해야 한다.
반응 매질의 완전한 혼합으로 인해, 모든 향광성 미생물은 외벽 근처에서 반응기 요소의 광-플러드(light-flooded) 광 대역에 충분한 정도로 도달한다.
광촉매 산화를 위해, 반응기 요소 내의 외벽 근처에서 반응기 요소의 광-플러드 광 대역으로 모든 분자가 이동되는 것이 유리하다.
광원과 거의 평행한 위치나 반응기에 의한 태양광 조사의 추적은 대부분의 경우에 충분하기 때문에, 공간을 더 잘 이용할 수 있다.
또한, 거의 평행으로 조사된 빛은 부분적으로는 반응기 표면에 의해 반사되고 반대편에 위치한 반응기에 도달된다. 태양광 조사가 불량하고 지리적 위치가 나쁜 경우에, 또는 특히 빛이 필요한 향광성 미생물 또는 광촉매 공정의 경우에, 반응기는 랜덤한 각도에서 광원을 향해 위치할 수 있다.
바이오솔라 반응기로 하여금 태양을 추적할 수 있게 하는 바람직한 변형(variant)에서, 이들은 태양 요소의 상부에, 필요한 경우에는 저부에 견고하게 장착된다. 그 결과, 태양 요소가 태양 조사를 추적할 때, 반응기 패널들은 서로를 향해 그들의 위치를 변경하지 않지만, 전체적인 태양 요소는 회전된다. 투명 또는 반투명이거나 코팅 또는 무코팅된 단일 파이프에 함께 피팅되거나 편평할 수 있는 반응기 패널들은, 정지된 배지 중의 회분식 및/또는 흐르는 배지 중에 연속적으로 미생물의 번식을 위해 적당한 방식으로 구성된다.
본 발명의 또 다른 개발에 따라서, 반응기용 입사광 조사를 위한 회전 운동이 조절되는 태양 경로를 기록하기 위해 센서가 제공된다. 태양 경로는 적당한 센서에 의해 결정되며, 동시 또는 랜덤하게 형성된 회전 운동으로서 반응기 상으로 이송된다. 자연적으로, 좌표(coordinates)와 관련된 데이터, 시간 및 날짜가 또한 조정을 위해 이용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특정 개발에 따라서, 반응기를 위한 입사광 조사는 인공 발광을 통해 실시된다. 반응기는 에너지를 공급할 수 있는 방식으로 설치될 수 있고, 또한 향광성 미생물에 대해 유리한 발광(lighting) 매질이 부가될 수 있다.
본 발명의 특정 실시양태에 따라서, 다중 반응기들로 이루어진 시스템에서 입사광 조사를 위한 회전 운동은 바람직하게는 모든 반응기들에 대해 동기(synchronised)된다. 다중 반응기들로 이루어진 시스템에서, 전체 시스템의 모든 반응기의 회전은, 기본적인 어셈블리에 따라 더 뒤에 위치한 반응기가 태양광 조사와 거의 평행하게 반응기 패널들을 위치시킴으로써 쉐이딩되지 않도록, 동기될 수 있다. 이러한 방식으로, 태양의 이상적인 도입이 확보될 수 있다.
본 발명의 또 다른 개발에 따라서, 반응기 패널들 및/또는 반응기의 적어도 부분, 특히 외부 표면은 빛을 반사하도록 설계된다. 여기서, 자연 또는 인공 발광의 효과가 증가될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따라서, 첨가제, 예를 들면 영양 용액 또는 기체 및/또는 산화제 및/또는 활성 물질 및/또는 용해된 물질 또는 바람직하게는 공정 과정에서 실시된 공정 촉진 기체의 연속식 또는 회분식 도입을 위한 반응기 매질의 전환(diversion) 영역에서 반응기의 저부에 적어도 하나의 도입 입구가 제공된다.
반응 매질은 반응기 속으로 들어가지 전에 공정의 요건들이나 미생물의 필요를 만족하는 액체에 용해된 물질이 임의적으로 풍부해질 수 있고, 및/또는 통과하는 반응기 내의 유체 영양분 또는 산화제가 반응 매질에 공급될 수 있다.
광합성 과정 동안 미생물의 꾸준한 성장에 의해 야기된 반응 매질 내에서 영양분의 감소 레벨은 영양 용액의 연속식 및/또는 회분식 도입에 의해 보상될 수 있다.
안정된(steady) 반응에 의해 야기된 광화학 공정 동안 반응 매질의 감소율은 또한 추가 활성 물질의 연속식 및/또는 회분식 도입에 의해 보상될 수 있다.
유체 영양분이나 산화제의 도입을 위해, 조절 가능한 밸브를 통해 반응기 요소의 저부 측에서 공급 가능성이 생긴다. 반응 매질의 미앤더-형상의 이동 및/또는 상승하는 유체 활성 물질로 인해, 완전 혼합 및 분산이 반응기 전체 내에서 이루어진다.
자연적으로, 기체상 영양분, 산화제 또는 활성 물질이 또한 이러한 방식으로 도입될 수 있다.
도입된 기체는 기체 버블의 상승으로 인해 내부 반응기 표면을 자체적으로 세정하게 된다. 공정 과정을 체크하기 위한 샘플에 대한 회수점(withdrawal point)이 또한 반응기 요소의 저부에 제공된다.
본 발명의 특징에 따라, 바람직하게는 연속 파이프, 특히 마이크로-보어홀을 갖는 기체 파이프의 구성을 위한 보어홀이 반응기 요소 및/또는 첨가제의 도입을 위한 반응기 패널의 전환 영역에 제공된다. 보어 홀은, 반응기 매질의 기화 및 혼합이 반응기 패널의 각 반응기 요소에서 이루어지도록 기체 파이프에 배치된다.
본 발명의 특정 실시양태에 따라서, 기체 파이프에는 위에서 아래로 또는 중력 방향으로 흐르는 반응 매질의 영역에서 보다는 아래에서 위로 또는 중력 반대 방향으로 흐르는 반응 매질의 영역에서 더 큰 직경을 갖는 마이크로 보어홀 및/또는 수많은 마이크로 보어홀이 제공된다. 이러한 방식으로, 상기 "기체 리프트 효과"는 기술적인 설치에 의해 달성된다.
본 발명의 또 다른 개발에 따라서, 기체 파이프의 양 단부에 외부 및/또는 내부 나사부가 제공된다. 예를 들면, 기체 파이프들은, 이들이 유니온 너트의 수단에 의해 어셈블리를 기체밀폐적으로 폐쇄할 수 있도록 설계된다. 이들 유니온 너트중 적어도 하나에는 기체 라인을 위한 연결이 제공된다.
또한, 기체 파이프에는, 반대로 또다른 기체 파이프에 스크루될 수 있는 그의 내부 나사부를 통해 연결 피스가 제공될 수 있다.
교체를 위해, 유니온 너트는 일측에서 스크루 제거되고, 연결 파이프가 부착되며, 그리고 새로운 기체 파이프가 연결 피스의 다른 쪽 단부에 부착된다. 새로운 기체 파이프를 사용함에 따라, 교체할 기체 파이프는 어셈블리를 관통하여 밀고들어가고, 그에 따라 그 위치를 동시에 정하게 된다. 이러한 방식으로, 교체할 기체 파이프는 새로운 기체 파이프를 사용하여 기체 또는 액체의 최소 손실로서 어셈블리를 관통하여 밀고 들어가게 할 수 있다. 이러한 설계에 의해, 조작을 중단하지 않고 기체 주입 유닛의 변경이나 정비를 할 수 있거나 또는 공정을 최소한으로 손상할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따라서, 바람직하게는 공정 과정에서 실시되는 기체 공정 생성물, 이를테면 산소를 제거하기 위해 제거 출구가 제공되고, 이는 반응 매질 표면의 상부 또는 반응기 요소의 상부에 제공된다. 광합성 또는 광화학 공정에서 형성되는 대사물질과 같은 기체 공정 생성물은, 반응기 요소 내의 무압력 상태로 인해 반응 매질에 자유롭게 상승할 수 있다.
상부를 향해 완전 또는 부분적으로 개방된 반응기 요소로 인해, 기체 공정 생성물의 배출 및/또는 철회가 가능하다.
폐가스의 제거는 공정 중에 형성된 상승 버블에 의해 촉진되고 및/또는 필요한 경우 추가적으로 취입된 기체에 의해 조절된다.
본 발명의 실시양태에 따라서, 반응 매질 표면이나 반응기 요소의 상부에 제공된 제거 출구를 갖는 수집 장치는 기체 공정 생성물의 제거를 위해 제공된다. 그 결과, 기체상의 공정 생성물은 수집되고, 필요한 경우 추가적인 개발이나 폐기를 위해 제공될 수 있다. 증발 및/또는 스필링(spilling) 및 제어된 기체의 배출 및 수집으로 인한 반응 매질의 손실이 또한 봉입된 형태의 구조에 의해 가능해진다.
본 발명의 또 다른 유리한 개발에 따라서, 입구 앞 및/또는 출구 뒤에 싸이폰이 제공된다. 반응기의 유입구는 상부 영역에 위치한다. 반응 매질은 무압력 및 기체 밀폐적으로, 필요한 경우 싸이폰을 통해서 첫번째 반응기 요소로 이동될 수 있고, 그리고 무압력 및 기체 밀폐적으로, 필요한 경우 또 다른 싸이폰을 통해서 반응기 다음으로 멀리 이동될 수 있다.
본 발명의 특징에 따라서, 아키메디안 스크루 또는 다빈치 스파이럴이 반응 매질의 이송을 위한 반응기들 사이뿐만 아니라 반응기의 내부 모두에 제공된다. 이러한 구성의 경우에, 1 이상의 튜브나 웹들은 단일 또는 다수의 베어링을 갖는 축 상에서 나선형으로 권취되고, 그리고 어느 기술적 방법, 이를테면 스크루, 글루(glued) 등을 이용하여 견고하게 고정된다. 관련된 튜브나 웹은 양 단부에서 개방된다. 이송 요소는, 튜브나 웹의 저단부가 리셉터클로부터 반응 매질을 취하도록(scoop) 구성 및 지지된다. 그러나, 튜브나 웹은 반응 매질 속으로 침지되어 튜브 단부나 웹은 각 회전 시에 반응 매질의 외부에서 표면 위로 나온다.
큰 원심력을 일으키지 않는 나선형 방향으로 서서히 회전함으로써, 튜브나 웹의 더 낮은 관련 절반부 내의 반응 매질은 정수압 보상의 이용 하에 스크루의 상단부로 이송된다. 각각의 회전에 따라, 상부 절반-턴(half-turn)에 함유된 액체는 배출된 후, 본래의 리셉터클보다 더 높은 레벨에 위치하는 리셉터클 속으로 떨어진다. 이송 장치를 완전 또는 부분적으로 교대로 폐쇄함으로써, 스필링(spilling) 및/또는 기체 배출이 방지될 수 있다.
본 발명은 도면에 나타낸 예시적인 실시양태를 기본으로 더욱 상세히 설명된다.
도1은 파이프로 구성된 바이오리액터이다.
도2는 도1의 상면도이다.
도3은 도1의 측면도이다.
도4는 웨브 판으로 구성된 바이오리액터이다.
도5는 도4의 상면도이다.
도6은 도4의 측면도이다.
도7은 파이프의 개략도이다.
도8은 "기체 리프트 효과"를 이용하는 개략도이다.
도9 및 도10은 "기체 리프트 효과"를 이용하는 개략도이다.
도11은 아키메디안 스크루를 갖는 바이오리액터이다.
도12는 바이어솔라 반응기가다.
도13 및 도14는 바이오리액터 상의 태양광 조사의 개략도이다.
도1 내지 3에 따르면, 반응기, 특히 바이오솔라 반응기(1)는 저부에서 연결되는 두 개의 수직 파이프(3)로 형성되는 적어도 하나의 반응기 요소(2)를 구비한다. 상부 반응기 엣지에 입구(4) 및 출구(5)가 제공된다. 바이오솔라 반응기(1)의 조립을 위해, 다수의 반응기 요소(2)가 직렬로 접속되며, 이에 의해 출구(5)가 항시 입구(4)와 연결된다.
이 형태의 바이오솔라 반응기(1)는, 광촉매 및/또는 광합성 공정과 같은 광화학 공정을 위한 방법, 특히 바람직하게는 향광성 미생물의 번식 및 생성 또는 수경배양을 위한 방법을 위해 사용된다. 작동에 있어서, 바이오솔라 반응기(1)는 수성 용액 또는 현탁액과 같은 반응 매질(6)로 충전된다. 작동 시, 바이오솔라 반응기(1)에는 제1 입구(4)를 통해서만 공급한다. 반응 매질(6)의 전도 또는 흐름 방향은, 반응기 요소(2)에 있어서 위에서 아래로 또한 아래에서 위로 직립, 바람직하게는 수직으로 행해진다. 서로 연결된 다수의 반응기 요소(2)들이 직렬로 연결되면, 반응 매질(6)은 미앤더 형상으로 반응기를 통해 흐른다. 바이오솔라 반응기(1)로 또는 그로부터의 반응 매질(6)의 도입 또는 제거 모두는, 상부 반응 매질 표면을 통해 압력 없이 대기로 자유롭게 상부 액체 레벨 위 또는 상부 액체 레벨의 영역에 있어서 밀폐상태로, 연속적으로 행해지는 것이 바람직하다.
따라서 상기 반응기 요소(2)는 서로 연결된 파이프(3)로서 미앤더 형상으로 서로 연결되며, 이에 의해 입구(4) 및 출구(5)가 상부에 위치된다. 상기 반응기 요소(2)는 필요에 따라 상부를 향해 완전히 또는 부분적으로 개방된다. 정수압 보상 및 레벨링에 의해, 반응 매질(6)의 흐름은 입구(4)에서 반응 매질(6)을 공급함으로써 이루어진다. 이 방법에 있어서, 이는 미생물에 대해 무응력인 반응 매질(6)의 흐름이 이루어진다는 것을 의미한다. 여기에서, 자유 흐름은 어떠한 부가적 에너지의 공급 없이도 개별적 반응기 요소(2)들 간에 가능하게 된다. 반응 매질(6)은 입구(4)와 출구(5) 간의 레벨 차를 보상하기 위한 액체의 활동으로 높이 손실이 최소인 미앤더와 같이 반응기를 통해 이동한다.
바이오솔라 반응기(1)의 다른 디자인이 도4 내지 6에 도시된다. 이 바이오솔라 반응기(1)는 다수의 웨브 판들(7)을 구비한다. 이 디자인의 경우, 바람직하게는, 반응기 요소(2)는, 저부에서 개방되는 분리 벽(9)에 의해 형성되는 다수의 웨브 판들(7)로 형성되는 두 개의 장방형 수직 챔버(8)을 구비한다. 도입을 위한 입구(4) 및 출구(5) 모두가 상부 반응기 엣지에 제공된다. 두 개의 반응기 요소(2)는 도4에 도시된 예시적 실시예에서 이미 연결되어 있다.
두 개 이상의 반응기 요소(2)들이 연결되면, 그들의 분리 벽(10)은, 반응기 요소(2)의 파이프들(3) 또는 챔버들(8) 간의 분리 벽(9)보다 낮게 설계된다. 그 결과, 반응기 요소(2)의 액체 레벨이 반응기 요소들(12) 간의 분리 벽(10)보다 높을 때 오버플로우 또는 상호 연결 개구가 형성된다. 여기에서, 펌프들이 공정 단계들간에 대부분 생략될 수 있고 임의 수의 동일 또는 상이한 공정 단계들이 동일한 흐름 레벨로 서로 결합될 수 있기 때문에 에너지 소비가 최소화된다.
개별적인 반응기 요소(2)들은 투명 또는 반투명하게, 또는 필요할 경우, 차광되도록 설계될 수 있다. 예컨대 폴리메틸메타크릴레이트와 같은 자외선 투과 플라스틱 또는 유리가 재료로서 사용될 수 있다.
바이오솔라 반응기(1)는 도1 내지 3과 같은 디자인과 유사하게 충전 및 작동된다.
반응기 요소(2) 위로의 입사광 조사(보다 상세히 후술됨)에 대해, 경사진 반응기가 도6에 도시된다. 비록 반응기는 각도가 기울어졌으나, 반응 매질(6)은 일단 위에서 아래로 또는 중력의 방향으로 또한 아래에서 위로 또는 중력의 반대 방향으로 흐른다.
도1 내지 4에 따르면, 적어도 하나의 도입구(11), 예컨대 제어가능한 밸브가, 바람직하게는 공정 과정에서 실시되는, 공정을 촉진하는 기체 또는 용해 물질 및/또는 영양 용액 또는 기체 및/또는 산화제 및/또는 활성 물질과 같은 첨가제(12)의 연속식 또는 회분식 도입을 위해 반응 매질(6)의 전환 영역에 있어서의 저부측에 제공된다. 상기 방법에 따르면, 반응 매질(6)은 반응기로 들어가기 전에 CO2 또는 다른 기체에 의해 임의로 포화된다. 포화도는, 공정들의 요건에 따라 높아지거나 및/또는 반응기에 체류하는 동안 CO2 또는 다른 기체가 공급된다.
광합성 공정 동안 미생물의 안정적 성장에 의해 야기되는 반응 매질(6)에 있어서의 CO2의 감소 레벨은 CO2의 연속적 및/또는 불연속적 도입(paged introduction)에 의해 보상될 수 있다.
광합성 공정 동안 안정적 반응에 의해 야기되는 반응 매질에 있어서의 감소율은 부가적 활성 기체들의 연속적 및/또는 회분식 도입에 의해 보상될 수 있다.
도7에 따라 도입구(11)를 통해 액체 컬럼의 저부단에 첨가제들을 도입함으로써, 첨가제들이 반응 매질(6)에서 완전 혼합되고 동등하게 분포된다.
모든 분자 또는 향광성 미생물들이, 반응 매질(6)에 있어서 상기 형성된 난류로 인해, 화살표 13으로 표시된 외벽 부근의 반응기 요소(2)의 빛이 가득한(light-flooded) 광 영역으로 충분히 전도되기 때문에, 유체 및 기체와 같은 첨가제(12)의 도입은 또한 빛의 공급을 최적화한다.
유체 및 기체를 도입하면, 반응 매질(6)에 있어서 난류를 형성하며, 이에 의해 내부 반응기 표면의 연속적 세정이 기체 버블의 상승에 의해 야기되는 효과를 얻게 되는 다른 바람직한 결과를 가져온다.
더욱이, 반응 매질(6)은 또한, 유체 및 기체의 규정된 도입에 의해 가열 또는 냉각될 수 있다. 이에 따라, 도입된 첨가제(12)는 반응 매질(6)의 조절된 온도 규제를 위해 사용될 수 있다.
도8에 따르면, 액체 및/또는 기체 물질 또는 첨가제(12)가, 반응 매질(6)의 전환 영역의 저부측에 도입된다. 반응기의 특정 실시예에서, 대량의 액체 및/또는 기체 물질 또는 첨가제(12)가 중력의 방향으로 또는 위에서 아래로 흐르는 반응 매질(6)의 영역보다 중력의 반대 빙향 또는 아래에서 위로 흐르는 반응 매질(6)의 영역에 도입된다. 여기에서, 전술한 바와 같이 거대한 펌프의 작동에 따라, 아래에서 위로 통과돠는 파이프(3) 또는 챔버의 액체 레벨은 일종의 "기체 리프트 효과"로 위에서 아래로 통과되는 파이프(3) 또는 챔버에 비해 상승된다. 이 액체 레벨의 차는, 액체 레벨의 상승이 반응기의 디자인을 고려하여 이루어진 경우, 각각의 상승 파이프(3)내로의 기체의 도입 증가 및 반응기 요소(2)의 다중 직렬 연결의 경우에 첫번째 파이프(3) 또는 챔버에 비해 최종 파이프(3) 또는 챔버의 단부에서의 액체 레벨의 상승을 유도할 수 있다. 이러한 기체 첨가제(12)의 증가된 도입에도 불구하고, 미생물의 무응력 이송이 가능하게 된다.
도9에 따르면, 이와 같은 상승은 예컨대, 반응기의 기본 베이스가 동일한 정도로 상승한 경우, 직렬로 연결된 반응기 요소(2)의 동일한 구조를 갖는 반응기 디자인을 고려하여 이루어진다.
패널 축을 따른 각도로 반응기 패널(18)을 위치 설정하는 것은 "기체 리프트 효과"의 적용에 의해 다음과 같은 장점을 제공한다.
입구(4)에 있어서의 반응기 패널(18) 내로 매질이 도입되어, 반응기 패널은 패널 축을 따른 각도로 기울어지며, 이에 따라 입구(4)가 출구(5)보다 낮게 위치된다. 반응기 패널(18)의 매 두번째 파이프에서 유효한 "기체 리프트 효과"에 의해, 보다 높은 물 컬럼이 형성되고 매질은 높은 레벨에도 불구하고 다음 파이프로 흐를 수 있고 서로 연결된 베셀을 형성하여 상승한다.
상기 경사는 반응기 요소(2) 내측의 두 개의 액체 컬럼을 분리하는 웨브(9)의 역방향 넘침을 일으키지 않는 최대 각도로 선택된다.
만일 최대 가능한 각도를 초과할 경우, 매질은 파이프(3)를 통과한 후 웨브(9)에 달하게 되는 파이프로 역류하게 되고, 여기서 중력의 반대 방향으로 흐르며, 이에 따라 기체 리프트 순환의 폐 사이클을 형성한다.
반응기 패널(18)의 기울기, 기체 압력 또는 기체 량을 변경시킴으로써, "기체 리프트 효과"의 소망 구배(gradient)가 조정될 수 있으며, 이에 의해 유속의 조절이 액체의 상단의 레벨을 증가시키게 된다.
사용에 대한 다른 경우에(도10), 기체의 유입이 거의 또는 전혀 일어나지 않는 경우, 유속은 일정 각도의 기울기만큼 조절될 수도 있다.
반응 매질(6)은 입구(4)의 반응기 패널(18) 내로 도입되어, 반응기 패널이 패널 축을 따른 각도로 기울어지며, 이에 따라 입구(4)가 출구(5)보다 높게 위치된다.
이에 따라 개별적 반응기 요소들(2) 간의 레벨의 수정압 보상이 여전히 유효하지만, 반응기 패널(18)을 통하는 유속에 대한 상승 효과를 갖는 반응기 패널(18)의 개별적 반응기 요소들(2) 내에 적은 구배가 형성된다.
기울기는, 입구(4)에서 출구(5)의 방향으로 반응기 요소(2) 내측에 액체 컬럼을 분리하는 웨브(9)의 넘침을 일으키지 않는 최대 각도로 선택될 수 있으며, 이 경우에 파이프(3)에는 흐름이 형성되지 않지만, 매질은 더 올라가는 웨브(9) 위로만 흐르며 반응기 요소(2)의 매질은 정지하게 된다.
반응기 패널(18)의 기울기, 기체 압력/기체 량을 변화시킴으로써, 소망 구배가 조정될 수 있고, 이에 의해 유속의 조절이 액체의 상단의 레벨을 감소시키는 결과를 가져올 수 있다.
이에 따라, "기체 리프트 효과"는 하기 예를 통해 이용될 수 있다:
상부 물 엣지 상승의 이용:
- 침전 탱크들에 대한 부가적 높이
- 반응기들 또는 공정 단계들 간의 유동 경로를 극복하기 위한 부가적 높이
- 아래로 흘러가는 물에 의한 하이드로사이클론의 작동
- 필터 통과
- 반응 매질로부터의 생성물 분리
- 전체 시스템 내의 펌프에 대해 부가적 에너지를 이용하지 않고 매질의 재이용을 위해 재순환 시스템 통과
상부 물 엣지의 불변성의 이용:
- 이 공정의 상(phase)에 있어서 극복될 높이의 무 손실
- 유속의 양호한 조절
- 순간적으로 미량의 기체가 상기 공정에 요구될 경우, 적당한 난류(빛 제공 및 막 형성의 예방) 및 경제적 운용
상부 물 엣지의 약간 낮아짐의 이용:
- 이러한 상태의 공정에서 극복해야할 높이의 주 손실 없음(하향류 기체 리프트)
- 유속의 양호한 조절
- 난류에 요구되는 최소한의 기화(gassing) (빛 제공 및 막 형성의 예방) 및, 이에 따라 순간적으로 미량의 기체가 공정에 요구되는 경우 경제적인 운용.
그 목적은, 경제적으로 바람직한 위치에서의 기체 리프트를 제외하고 전체 시스템 내에서 매질의 흐름에 부가적인 에너지가 사용되지 않도록 전체 시스템을 제어하는 것이다
반응기 요소(2) 및/또는 반응기 패널(18)의 전환 영역에 첨가제(12)를 도입하기 위해, 보어홀(20)이 바람직하게는 연속 파이프, 특히 마이크로-보어홀(22)을 갖는 기체 파이프(21)에 제공된다. 기체상 첨가제(12)를 점점 많이 도입하기 위해, 기체 파이프(21)에는 수많은 마이크로-보어홀(22) 및/또는 위에서 아래로 또는 중력 방향으로 흐르는 반응 매질(6) 영역에서보다 아래에서 위로 또는 중력 반대 방향으로 흐르는 반응 매질(6) 영역에서 더 큰 직경을 갖는 마이크로-보어홀이 제공된다.
기체 파이프(21)를 신속히 교체하기 위해서(도 8 참조), 양 단부에 내측 및/또는 외측 나사부(23)를 제공한다. 기체 파이프(21)는, 예를 들면 유니온 너트의 수단에 의해 어셈블리를 공기 밀폐하도록 설계된다. 이들 유니온 너트 중 적어도 하나에는 기체 라인이 연결되어 있다.
또한, 기체 파이프에는 또 다른 기체 파이프(21)에 스크루될 수 있는 내부 나사부를 통해 접속 피스(24)가 제공될 수 있다.
교체를 위해, 유니온 너트는 일측에 스크루오프되고, 접속 피스(24)가 부착되며, 그리고 새로운 기체 파이프(21)가 접속 피스(24)의 타 단부에 부착된다. 새로운 기체 파이프(21)를 사용함에 있어서, 교체할 기체 파이프(21)를 어셈블리를 통해 밀어넣으면 동시에 제 위치에 들어간다. 여기서, 교체할 기체 파이프(21)는 새로운 기체 파이프(21)를 사용하여 기체 또는 액체의 최소 손실로 어셈블리를 통해 밀어넣어지도록 한다. 이러한 디자인으로 인해, 최소한의 공정 손실 또는 작업 중단없이 기체 입구 유닛을 정비 또는 변경할 수 있다.
상술한 "기체 리프트"에 대한 대체 또는 추가 선택으로서, 바이오솔라 반응기(1)에는 도 11에 따라 아키메디안 스크루(14)를 제공할 수 있다. 아키메디안 스크루(14) 또는 다빈치 스파이럴은 반응기 내측뿐만아니라 반응기 요소들 또는 반응기들 사이 모두에서 반응 매질(6)을 이송하는 작용을 한다. 입구(4)의 앞 및 출구(5)의 뒤에 각각 싸이폰(15)을 제공한다.
자연적으로, 싸이폰(15)은 아키메디안 스크루(14)로부터 독립적으로 반응기로부터 입구(4) 앞 또는 출구(5) 뒤에 위치할 수 있다. 반응 매질(6)은 싸이폰(15)을 통해 무압력으로 첫번째 반응기 요소(2)로 이동될 수 있다.
아키메디안 스크루(14) 또는 다빈치 스파이럴은 바이오솔라 반응기(1)에서의 연속적 광촉매 및 광합성 공정 및 이송을 위한 방법에서 바람직하게 사용된다. 특히, 반응 매질(6)의 이송은 레벨 차의 극복이 요구된다. 아키메디안 스크루(14) 또는 다빈치 스파이럴을 사용할 때 단일 또는 다중 무스트레스 이송이 이루어진다. 이러한 장치는 다음 이용에 사용될 수 있다:
- 동일한 반응기를 통해 반응 매질(6)을 다중적으로 통과하기 위한 이송.
- 1회 또는 다수회 통과된 숙성 탱크 및/또는 서로 다를 수 있는 일련의 반응기들 사이의 이송.
- 탱크와 어떠한 종류의 바이오리액터 사이에 교대로 반응 매질(6)의 단일 또는 다중 이송.
- 탱크들 사이의 반응 매질의 단일 또는 다중 이송.
상기에서 이미 간단히 설명한 바와 같이, 특히 연속적 광화학 또는 광합성 공정을 위한 숙성 탱크(도시하지 않음)는 바이오솔라 반응기(1)의 전 및/또는 뒤에 제공될 수 있다. 유체정역학적 숙성 탱크에는 수직 흐름을 가능하게 하는 유체정역학적 바이오리액터로서 유사한 구성을 갖는 미앤더-형상의 반응기 요소(2)를 제공한다. 향광성 미생물이 적정 온도, 영양분 및 체류 상태에서 대사의 잔류물을 배출하는 가능성만을 요하기 때문에, 숙성 탱크는 내광성 물질로 이루어질 수 있다. 더욱이, 체류 시간을 조절하고 공간을 줄이기 위해서 반응기 요소(2)에는 바이오리액터에 비례해서 큰 단면적이 이용될 수 있다.
반응 매질(6)의 소망하는 큰 무압력 또는 무가압 이송이 다음과 같이 이루어진다:
전체 이송 과정에서, 반응 매질(6)은 반응 매질(6)의 자체 중량으로 인해 이송 요소의 내측에 형성된 것 이외의 다른 압력에 놓이지 않는다. 반응 매질(6)은 저속의 회전으로 인해 상당한 원심력에 놓이지 않는다. 미생물의 증식이나 공정의 진행은 이송에 의해 중단되거나 방해받지 않는다. "아키메디안 스크루" 또는 다빈치 스파이럴에서 정수압 보상을 이용함으로써 무압력 조건이 확실히 유지된다. 공정은 스트레스, 가속 및 압력 없이 실시될 수 있다.
전체적인 이송 중에, 반응 매질(6)은 반응 매질의 자유 흐름으로 인해 이송 요소의 내측에 형성되는 것보다 더 높은 어프레션에 놓이지 않는다. 미생물의 번식이나 공정의 진행은 이송에 의해 중단되거나 방해받지 않는다. 이를테면 펌프에 의해 미생물이나 분자의 세포 벽에 대한 마모 손상이 일어나지 않는다.
아키메디안 스크루 또는 다빈치 스파이럴에 정수압 보상을 이용함으로써 무 어프레션 상태가 확실히 유지된다. 공정 과정에서 바람직하게 실시된 기체상 공정 생성물의 제거를 위해, 반응기 요소의 상부측 위 또는 반응 매질 표면 위에 제공되는 제거 출구(16)이 제공된다. 기체상 공정 생성물을 제거하기 위해, 반응기 요소의 상부측 위 또는 반응 매질(6)의 액체 레벨 위에 제공된 제거 출구(16)을 갖는 수집 장치(17)가 제공될 수 있다.
도 12에 따라서, 바이오솔라 반응기(1)는 입사광 조사에 적합하게 설계될 수 있다. 태양광 조사가 빈약한 경우, 즉 지리적 위치가 나쁜 경우 또는 특히 빛이 필요한 향광성 미생물 또는 광촉매 공정의 경우에, 바이오솔라 반응기(1)는 태양광 조사와 일치하여 수평 태양 경로의 전체 아치에 걸쳐 회전하는 방식으로 조절 또는 안내된다.
직렬로 서로 바람직하게 연결된 반응기 패널(18)은 반응기 속에 서로 거의 병열로 구성되고, 그리고 바람직하게는 프레임 형 홀딩 장치(25)에 견고하게 장착된다. 바이오솔라 반응기(1)는 터닝 장치를 이용하는 적어도 하나의 바람직한 수직 축(26)을 통해 입사광 조사와 관련하여 조절 가능하므로, 반응기는, 특히 입식, 현탁 또는 스위밍 상태에서 플로트(float) 상에 제공될 수 있다.
태양 경로를 기록하기 위해서, 센서가 제공되거나 또는 반응기에 대한 입사광을 위한 회전 운동이 조절되는 좌표, 시간 및 날짜와 관련된 데이터가 이용될 수 있다.
형태에 있어서, 반응기에 대한 입사광 조사가 또한 인공 발광을 통해 실시될 수 있다는 것을 주지해야 한다.
다중 반응기로 이루어진 시스템에서, 입사광 조사를 위한 회전 운동은 바람직하게는 모든 반응기에 대해서 동기될 수 있다. 광선을 더 잘 이용하기 위해서, 반응기 패널(18) 및/또는 반응기의 적어도 일부, 특히 외부 표면이 또한 빛을 반사하도록 설계될 수 있다.
도 13에 따라서, 반응기 요소(2)에 의해 형성된 반응기 패널(18)은, 개략적으로 나타낸 빛이나 태양광선(19)이 패널 축과 거의 직각으로 충돌(impinge)하도록 구성된다.
도 14에 따라서, 바람직하게는 서로 연결된 다중 반응기 패널(18)은, 빛이나 태양광선(19)이 태양 패널의 축과 거의 평행하게 진행하도록 제공 및 구성된다.
특별히 변경된 구조에서, 반응기 패널(18)은 상부 및/또는 하부 홀더에서 또는 홀딩 장치(25)에서 떠있거나 및/또는 직립하여 놓일 수 있다. 이러한 홀더 또는 홀딩 장치(25)는 다음 기능을 만족할 수 있다:
- 터닝 요소로서 태양광 조사를 따르게 하는 기능.
- 전체적인 시스템의 기타 부품과 관련하여 반응기를 기울게 하거나 낮추는 기능.
- 태양을 향해 반응기를 경사지게 하는 경사 기능.
- 반응기 패널(18)에 대한 지지체로서 작용.
- 미앤더-형상의 방식으로 반응기 패널(18)을 연결함.
- 개별 반응기 요소를 기체 밀폐적으로 밀봉할 수 있음.
- 패널 축을 따른 각도로 적어도 하나의 반응기 패널(18)을 기울게 함.
이 홀더는 반응기에 대한 2 이상의 반응기 패널(18)을 수용할 수 있다.
이는 최대로 공간을 이용할 수 있는 반응기의 연속적인 위치 및/또는 밀폐 위치를 가능하게 한다.
상기 방법은 빛 중의 반응기 상(phases) 및 암소에서의 체류 상의 최적의 조합뿐만아니라 무스트레스 이송을 가능하게 한다.여기서, 연속적인 단일 사이클 공정이나 개별 부품을 통한 모듈, 제어 또는 다중 통과의 셋업이 가능하다.
실제적으로 반응하기 전에, 반응 매질(6)에는 농축(enrichment) 탱크에서 출발하여 바이오반응을 지지하는 영양분 및 영양 기체를 기본적으로 공급할 수 있다. 폐기물 처리 또는 오염물질 제거의 경우에, 향광성 미생물에 대해 합리적인 최대 초기 농축은 관련 오염물질을 이용하는 반응 매질에서 이루어질 수 있다.
반응 매질(6)은 이상적으로 온도 제어될 수 있으며, 반응 목적을 위한 관련 향광성 미생물 또는 화학물질은 제한된 양으로 도입될 수 있다.
온도, 공정액 함량, 공정 기체 함량, 순환, 완전 혼합, 빛 제공, 및 대사 생성물의 방출은 이상적인 반응 조건을 유지하기 위해서 반응 매질(6) 중에서 조절될 수 있다.
상술한 방법은 다음 문제를 유리한 방법으로 해결한다:
- 태양 반응기에 있어서 연속적인 광촉매 및 광합성 공정 및 이송
- 공정에서의 조절 및 최적화된 에너지 소비
- 영양 용액 및 공정 촉진 용액의 조절 및 최적화된 도입
- 영양 기체 및 공정 기체의 조절 및 최적화된 도입
- 조절 및 최적화된 오염물질의 감소
- 기체상 공정 생성물의 최적의 제거 및 수집
- 조절 및 최적화된 빛 제공
- 광 안내에 의한 최소한의 공간 이용
- 조절 및 최적화된 공정 온도
- 반응 매질(6) 중 미생물의 무스트레스 이송
- 유속 조절.
1: 바이오솔라 반응기 2,12: 반응기 요소 3: 파이프
4: 입구 5: 출구 6: 반응 매질 7: 웨브 판
8: 챔버 9,10: 분리 벽 11: 도입구 12: 첨가제
18: 반응기 패널 19: 태양광선 25: 홀딩 장치 26: 수직 축

Claims (23)

  1. 광화학, 이를테면 광촉매 및/또는 광합성 공정을 위한 방법, 특히 반응 매질, 이를테면 수성 용액 또는 현탁액이 미앤더-형상의 방식으로 반응기에서 이동되는, 바람직하게는 향광성 미생물의 번식 및 생성 또는 수경배양을 위한 방법으로서, 반응 매질(6)의 미앤더-형상의 이동이 위에서 아래로 또는 중력 방향으로 그리고 아래에서 위로 또는 중력 반대 방향으로 적어도 한번 수직 또는 경사지게 실시되는 것과, 그리고 반응 매질(6)의 반응기 속으로 도입되고 그로부터 제거되는 것이 압력 없이 그리고 상부 반응 매질 표면을 통해 대기로 자유롭게 연속적으로 바람직하게 실시되며, 여기서 정수압 보상 및 레벨링으로 인해 미생물에 대해 스트레스가 없는 반응 매질(6)의 흐름이 형성되는 것을 특징으로 하는 광화학 공정을 위한 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 액체 및/또는 기체 첨가제(12), 이를테면 영양 용액 및/또는 산화제 및/또는 활성 물질 및/또는 공정을 촉진하는 용해된 물질의 연속식 또는 회분식 도입이, 공정 과정에서 그리고 반응 매질(6)의 전환 영역에서 저부 측에서 바람직하게 실시되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 2항에 있어서, 첨가제(12)가 첨가제(12)를 액체 컬럼의 저단부에 도입함으로써 반응 매질(6)에 완전 혼합되고 그리고 동일하게 분산되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 도입 가능한 첨가제(12)가 한정된 온도에서 도입되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 2항, 제 3항 또는 제 4항에 있어서, 액체 및/또는 기체 물질이나 첨가제(12)가 반응 매질(6)의 전환 영역에서 저부에 도입되고, 그에 따라 다량의 액체 및/또는 기체 물질이나 첨가제(12)가 위에서 아래로 또는 중력 방향으로 흐르는 반응 매질(6)의 영역보다는 아래에서 위로 또는 중력 반대 방향으로 흐르는 반응 매질(6)의 영역에 도입되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 하나에 있어서, 기체 공정 생성물, 이를테면 산소가 반응 매질 표면을 통해 공정 과정에서 바람직하게 제거되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 하나에 있어서, 반응기가 태양광 조사와 일치하여 수평 태양 경로의 전체 아치에 걸쳐 회전 방식으로 안내 또는 제어되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 반응기, 특히 파이프를 포함하는 바이오리액터가 제공되고, 반응기가 저부에 연결된 2개의 수직 파이프(3)에 의해 형성된 적어도 하나의 반응기 요소(2)로 이루어지고, 그리고 입구(4)와 출구(5) 모두가 상부 반응기 엣지에 제공되는 것을 특징으로 하는, 제 1항 내지 제 7항 중 어느 하나에 따른 방법을 실시하기 위한 장치.
  9. 반응기, 특히 웹 플레이트들이나 다중 웹 플레이트들로 이루어진 요소를 갖는 바이오리액터가 제공되고, 반응기가 저부가 개방된 분리 벽(9)을 형성하는 웹 플레이트들 또는 다중 웹 플레이트(7)에 의해 형성된 2개의 바람직한 장방형, 수직형 챔버(8)에 의해 형성되는 적어도 하나의 반응기 요소(2)로 이루어지고, 그리고 입구(4) 및 출구(5) 모두가 상부 반응기 엣지에 제공되는 것을 특징으로 하는, 제 1항 내지 제 7항 중 어느 하나에 따른 방법을 실시하기 위한 장치.
  10. 제 8항 또는 제 9항에 있어서, 2 이상의 반응기 요소들(2)을 반응기 패널(18) 속으로 연결하기 위한 분리 벽(10)이 반응기 요소(2)의 파이프들(3)이나 챔버들(8) 사이의 분리 벽(9)보다 더 낮도록 설계되고, 그 결과 반응기 요소(2) 내의 액체 레벨이 반응기 요소들(2) 사이의 분리 벽(10)보다 더 높을 때 오버플로우 또는 상호 연결 구멍이 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제 10항에 있어서, 서로에 대해 직렬로 바람직하게 연결된 반응기 패널들(18)은 서로 평행하게 반응기 속으로 배치되고, 바람직하게는 프레임형 홀딩 장치(25)에 견고하게 장착되고, 그리고 반응기는 터닝 장치를 이용하는 적어도 하나의 바람직한 수직 축(26)을 통해 입사광 조사와 관련하여 조절될 수 있고, 반응기가 특히 스탠딩, 서스펜션 또는 스위밍 형태로 플로트 상에 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제 11항에 있어서, 반응기용 입사광 조사를 위한 회전 운동이 조절되는 태양 경로를 기록하기 위해 센서가 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제 11항에 있어서, 반응기를 위한 입사광 조사가 인공 발광을 통해 실시되는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제 11항 내지 제 13항 중 어느 하나에 있어서, 다중 반응기들로 이루어진 시스템에서 입사광 조사를 위한 회전 운동이 바람직하게는 모든 반응기들에 대해 동기되는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제 11항 내지 제 14항 중 어느 하나에 있어서, 반응기 패널들(18) 및/또는 반응기의 적어도 부분, 특히 외부 표면이 빛을 반사하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제 8항 내지 제 15항 중 어느 하나에 있어서, 적어도 하나의 도입 입구(11)가 첨가제(12), 예를 들면 영양 용액 또는 기체 및/또는 산화제 및/또는 활성 물질 및/또는 용해된 물질 또는 바람직하게는 공정 과정에서 실시된 공정 촉진 기체의 연속식 또는 회분식 도입을 위한 반응기 매질의 전환 영역에서 반응기의 저부에 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제 16항에 있어서, 반응기 요소(2) 및/또는 반응기 패널(18)의 전환 영역에 첨가제를 도입하기 위해, 보어홀(20)이 바람직하게는 연속 파이프, 특히 마이크로-보어홀(22)을 갖는 기체 파이프(21)의 구성을 위해 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 제 17항에 있어서, 기체 파이프(21)에, 위에서 아래로 또는 중력 방향으로 흐르는 반응 매질(6)의 영역에서 보다는 아래에서 위로 또는 중력 반대 방향으로 흐르는 반응 매질(6)의 영역에서 더 큰 직경을 갖는 마이크로 보어홀 및/또는 수많은 마이크로 보어홀을 제공하는 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 제 16항 또는 제 17항에 있어서, 기체 파이프(21)의 양 단부에 외부 및/또는 내부 나사부(23)가 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
  20. 제 8항 내지 제 19항 중 어느 하나에 있어서, 제거 출구(16)가 바람직하게는 공정 과정에서 실시되는 기체 공정 생성물, 이를테면 산소를 제거하기 위해 제공되고, 그리고 반응 매질 표면의 상부 또는 반응기 요소(2)의 상부에 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
  21. 제 20항에 있어서, 반응 매질 표면이나 반응기 요소의 상부에 제공된 제거 출구(16)를 갖는 수집 장치(17)가 기체 공정 생성물의 제거를 위해 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
  22. 제 8항 내지 제 21항 중 어느 하나에 있어서, 싸이폰(15)이 입구(4) 앞 및/또는 출구(5) 뒤에 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
  23. 제 8항 내지 제 22항 중 어느 하나에 있어서, 아키메디안 스크루(14) 또는 다빈치 스파이럴이 반응 매질(6)의 이송을 위한 반응기들 사이뿐만 아니라 반응기의 내부 모두에 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
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