KR20120027552A - 액체, 특히 생명공학에서의 액체, 특히 세포 배양물에 기체 도입 및 그로부터 기체 제거를 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기체 교환이 어떠한 유형이든(튜브, 실린더 등) 한 유형의 하나 이상의 액중 막 영역을 이용하여 일어나고 이 막 영역이 액체 중에서 회전 진동 운동을 생성하는, 액체, 특히 생명공학에서의 액체, 특히 세포 배양물에 기체의 무기포 생성을 위한 방법 및 장치에 관한 것이고, 이는 중점적으로 다루는 문제를 해결한다. 도 1은 이러한 배열 및 운동의 한 예를 개략적으로 보여주고, 이 경우 막 영역은 회전자 샤프트 (2) 상에 수직으로 회전 방향 (3)에 대해 직각으로 배열되는 막 튜브 (1)에 의해 형성된다. 회전 진동 운동의 경우에는, 막 영역이 처음에는 한 회전 방향으로 운동하고, 이 운동은 어떠한 방식으로도 구성될 수 있다. 한 예는 막 영역을 특정 각가속도로 특정 각속도까지 가속하고, 이 후에는 막 영역이 그 각속도로 특정 시간 동안 운동하는 것이다. 이어서, 막 영역이 정지할 때까지 막 영역을 일정 감속도로 제동을 건다. 이어서, 일정 정지 시간 후, 적절하다면, 막 영역이 다른 회전 방향으로 운동한다. 이 운동은 이미 기술한 운동의 거울상일 수 있거나, 또는 다르게 구성될 수 있다.

Description

액체, 특히 생명공학에서의 액체, 특히 세포 배양물에 기체 도입 및 그로부터 기체 제거를 위한 방법 및 장치{PROCESS AND APPARATUS FOR INTRODUCTION OF GAS INTO AND DEGASSING OF LIQUIDS, IN PARTICULAR IN BIOTECHNOLOGY AND ESPECIALLY OF CELL CULTURES}
본 발명은 액체, 특히 생명공학에서의 액체, 특히 세포 배양물의 무기포 기체 처리(gassing)를 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
액체의 기체 처리에 의해 기체의 유입 및 탈착이 일어난다. 적당한 산소 공급 및 이산화탄소 제거는 특히 배지에 세포 배양물의 공급 및 증식의 경우에 문제를 만든다.
그러나, 세포 배양물은 제약 산업에서, 예를 들어 항체 및 단백질 제조에서 훨씬 더 중요한 위치를 차지한다. 세포 배양물은 번역 후 변형으로 고도로 글리코실화된 단백질을 제조할 수 있는 능력을 가지기 때문에 특히 더 복잡한 물질의 제조에 예정된다.
세포 배양물은 그들이 배양되는 반응기(및 용기)에 대해 특별한 요건을 둔다. 예를 들어, 고전단력은 세포벽이 없는 세포의 세포막을 손상시키기 때문에 고전단력을 피하는 것이 필요하다. 전단력은 예를 들어 교반기에서, 또는 기체 기포가 액체 표면에서 터질 때 생긴다. 또, 세포가 거품과 함께 부유하는 경향이 있기 때문에 거품 형성도 피해야 한다. 거품 층에는 부적당한 배양 조건이 존재한다. 또, 거품 방지 수단의 이용은 결국은 워크업 동안 세포 손상 또는 수율 손실을 초래하거나, 또는 워크업 경비 증가를 초래할 수 있다.
표면 기체 처리는 위에서 개요한 요건 중 일부를 참작한 세포 배양물 기체 처리의 한 유형이다. 표면 기체 처리 동안, 액체 표면 위, 즉 반응기 기체 공간과 액체 사이 계면에서 기체 흡수 및 탈착이 일어난다. 일반적으로 극소량의 액체 부피를 기체 처리하는 데는 표면 기체 처리를 이용하는 것이 가능하기 때문에, 표면 대 부피 비에 의존해서 액중 기체 처리가 빈번히 이용된다. 유기포 기체 처리와 무기포 기체 처리를 구별하는 것은 가능하다. 그러나, 기포가 발생하는 기체 처리의 모든 유형은 액체 표면에서 거품이 형성된다는 점 또는 기체 기포가 터진다는 점과 같은 위에서 기술한 불리한 점을 갖는다. 게다가, 기체 기포를 예를 들어 교반기에 의해 분포 및/또는 분산시키는 것이 필요하다. 그러나, 이것은 또다시 전단력을 생성한다. 일반적으로는 기포를 생성하는 기체 처리에 의해서 필요한 기체 전달 속도를 달성할 수 있지만, 이것이 동시에 세포 손상을 초래한다는 것이 사실이다.
무기포 기체 처리는 기체 교환이 액중 막 표면에서 일어난다는 사실에 의해 문제를 해결한다. 이 경우, 기체 처리는 폐쇄 기공 또는 개방 기공 막을 이용해서 수행한다. 이들은 교반기에 의해 움직이는 액체 중에 배열된다. 실리콘은 다공성 중합체와 비교할 때 그 자체가 튜브 물질임을 입증하였다. 그 이유는 높은 기체 투과율, 높은 열 안정성, 및 50 m 이하의 튜브 단편의 길이에 균질하게 분포되는 멸균 후에도 보존되는 튜브 성질 때문이다. 튜브 단편의 큰 튜브 길이는 튜브 고정자의 시간 소모적 제조를 단축시키는 목적에 맞다. 실리콘 튜브는 일반적으로 한 번 사용된 후에 폐기된다.
종전의 막 기체 처리의 경우의 불리한 점은 비교적 낮은 물질 전달 계수이다(H.J. Henzler, J. Kauling: "Oxygenation of cell cultures" Bioprocess Engineering 9 (1993), 61-75 페이지). 높은 물질 전달 속도를 달성하기 위해서는, 생체반응기에 적절한 수의 막 표면을 설치하는 것이 필요하다. 그러나, 이것은 설계 및 취급(탑재, 멸균, 세정, 부적당하게 혼합된 영역 생성)과 관련해서 많은 비용이 든다. 게다가, 동력 투입량이 증가될 수 있다. 물질 전달 계수가 동력 투입량의 함수이기 때문에, 이것은 물질 전달 속도 증가를 초래할 수 있다. 그러나, 그 잠재성은 더 높은 동력 투입량에 기인하는 세포에 대한 전단 부하에 의해 제한된다.
이들 경계 조건은 상응하는 막 기체 처리가 더 낮은 동력 투입량 및/또는 낮은 전단 부하와 함께 동시에 높은 물질 전달 계수에 도달해야 한다는 요건으로 귀착한다. 제 2의 조건은 반응기 공간의 혼합이 계속해서 적당하게 수행된다는 것이다. 이것은 한편으로는 세포의 침강을 방지하고, 다른 한편으로는 액체가 충분히 짧은 혼합 시간 내에 혼합되는 것을 가능하게 한다.
이것을 달성하기 위해, 예를 들어 EP 0172478 A1에는 지금까지 실제로 승인을 얻을 수 없었던 방법 및 장치를 기술하였다. 여기에 관련된 것은 바스켓 상에 감긴 막 튜브이고, 이 바스켓은 생체반응기 내부에서 자연적 회전 없이 편심 운동을 수행한다. 그러나, 이것은 편심 장치를 필요로 한다. 반응기에, 다시 말해서 멸균 영역 내부에 편심 운동 기계 장치가 반드시 제공되어야 한다. 한편으로, 이것은 결국은 편심 장치의 멸균시 문제를 일으키고, 다른 한편으로, 이것은 멸균 영역의 오염 위험성의 끊임없는 원천이다. 게다가, 기계적으로 복잡한 유지를 필요로 하는 편심 장치 같은 장치를 멸균 영역에 설비하는 것은 아무런 의미가 없다. 편심 장치의 필요 및 그와 관련된 문제가 이 특허의 응용을 방해하였다고 추정할 수 있다. 따라서, 본 발명의 목적은 손상을 주지 않고 세정하기 쉬운 방식으로 수행되는 효과적인 세포 배양물의 무기포 기체 처리를 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
놀랍게도, 본 발명자들은 설정한 목적이 요망되는 어떠한 유형의 막 표면(튜브, 실린더, (* 아직 공개되지 않음) 등)이든 하나 이상의 액중 막 표면에서 기체 교환이 일어나고, 상기 막 표면이 액체 중에서 임의적인 회전 및 진동 운동을 수행하는 것인, 액체, 특히 생명공학에서 이용되는 액체, 특히 세포 배양물의 기체 처 방법에 의해 달성된다는 것을 발견하였다.
이러한 배열 및 운동의 한 예가 도 1에 개략적으로 도시되어 있고, 이 경우, 막 표면은 회전 방향 (3)에 대해 횡단하는 방식으로 회전자 샤프트 (2)에 수직으로 배열되는 막 튜브 (1)에 의해 형성된다.
회전 및 진동 운동 동안, 막 표면은 처음에는 한 회전 방향으로 운동하고, 이 운동은 요망되는 어떠한 구성도 가질 수 있다. 한 예는 막 표면을 특정 각가속도로 특정 각속도까지 가속하고, 이 후에는 막 표면이 그 각속도로 특정 시간 동안 운동하는 것이다. 이어서, 막 표면을 일정 감속도로 제동을 걸어서 정지시킨다. 일정 정지 시간 후, 적절하다면, 다른 회전 방향으로의 운동이 뒤따른다. 이 운동은 이미 기술한 운동의 거울상으로서 일어날 수 있거나, 또는 약간 다른 구성일 수 있다.
회전 및 진동 운동은 이 경우에 다음 이점을 준다:
Figure pat00001
구동 모터를 적절하게 제어함으로써 실행하기 쉽다.
Figure pat00002
설계 및 기계 관점에서, 예를 들어 EP 0172478 A1에 게재된 더 복잡한 운동과 대조적으로 추가 요건이 없다.
Figure pat00003
목표로 정한 운동의 변형에 의해 막 표면 상으로의 유동이 최적이 되도록 운동을 최적화하는 것이 가능하다. 물질 전달 계수가 막 표면 상으로의 유동의 함수이기 때문에, 각 경우에서 막 표면이 액체에 대해 가능한 한 높은 상대 속도를 나타내는 운동이 최적이다. 그러나, 액체가 또한 막 표면에 의해 가속된다. 만일 막 표면이 한 방향으로만 회전한다면, 이것은 일정 시간 후 액체의 동시 회전을 일으킬 것이고 따라서 물질 전달이 일어나지 않거나/여전히 아주 경미하게 일어날 것이다. 막 표면과 액체 사이에 상대 속도를 발생시키기 위해 배플이 필요할 것이다. 대조적으로, 회전 및 진동 운동의 경우에는, 막 표면의 주기적 운동 반전에 의해 액체의 영구적 동시 회전이 방지된다. 사리에 맞는 운동은 다음과 같은 것으로 생각된다: 예를 들어, 낮은 동력 투입량/낮은 전단 부하와 함께 액체에 대한 상대 속도가 가능한 한 높도록 하는 방식으로 막 표면의 가속. 막 표면의 추가의 가속이 예를 들어 지나치게 높은 속도에 도달하거나 또는 액체가 요망되지 않는 정도로 동시회전하기 때문에 사리에 맞지 않는다면, 막 표면을 감속시킨다. 이 경우, 운동은 또다시 낮은 동력 투입량/낮은 전단 부하와 함께 액체에 대한 상대 속도가 가능한 한 높도록 지시되어야 한다. 감속시 막 표면이 액체의 각속도를 갖는 가능한 한 짧은 기간을 제외하고는, 그 밖에는 항상 높은 상대 속도가 존재한다. 뒤따르는 운동 반전 및 거울상 운동 실행시, 상응하는 사태가 한번 더 일어난다. 이 경우, 액체가 막 표면보다 더 느리게 감속하고 여전히 "지행"하기 때문에, 막 표면이 정지 상태일 때조차도 운동 반전시 상대 속도가 여전히 존재한다. 도 2에 이러한 운동 사이클이 별 모양으로 설비된 막 튜브의 위치, 그의 각속도, 및 이 운동 순서를 생성하는 토크에 관하여 도시되어 있다. 도 2의 위쪽 도표는 막 튜브가 감긴 회전자의 위치를 예로서 나타낸다. 표시된 기간(약 8 - 12 초)이 회전 및 진동 운동 순서에 상응한다. 이 경우, 회전자는 한 회전 방향에서 결정되는 180 °운동을 달성하고, 다시 반대 방향으로 운동한다. 관련된 각속도가 도 2의 아래쪽 도표에 도시되어 있다. 게다가, 이것은 구동 스핀들에 대해 측정한 토크를 나타내고, 공회전 토크는 감한 것이다. 표시 공회전 토크는 액체가 없는 동일 용기에서 동일 운동 순서로 회전자를 구동하는 데 필요한 토크를 표시한다. 따라서, 플롯팅된 토크는 액체에 대해 작용하는 토크에 상응한다. 그것은 막 표면 둘레의 유동과 상관 있을 수 있다. 이 예에서, 토크의 프로파일은 대략 상자 모양이다. 따라서, 어느 기간 동안, 부호가 매우 짧은 시간 이내에서 변할 때까지 토크가 대략 같은 값을 갖는다. 이것은 토크의 부호가 변하는 짧은 기간을 제외하고는 막 표면 둘레의 유동이 균일한 구성이고 양호하다는 것을 예시한다.
Figure pat00004
막 표면의 회전 및 진동 운동의 추가의 이점은 막 표면 상으로의 유동을 생성하기 위한 별도의 교반기 또는 혼합기가 제거된다는 사실이다. 막 표면 제공 및 막 표면 상으로의 유동 생성을 이렇게 통합함으로써 국지적으로 높은 동력 투입량 및 국지적으로 높은 전단 부하를 갖는 대역을 피하게 된다. 그렇지 않으면, 이들이 예를 들어 교반기 블레이드의 바깥 말단 뒤에 생성된다. 게다가, 다른 시스템에서는, 교반기 블레이드가 한쪽에 부착된 막 표면을 주기적으로 지나간다는 점에서 막 표면 상으로의 유동이 공시적으로 불규칙하게 일어난다. 본원에 기술된 본 발명의 경우, 대조적으로, 동력 투입량이 공간적으로 더 균일한 방식으로 일어나고, 막 표면 상으로의 유동에 직접적으로 도움이 된다.
Figure pat00005
본 발명의 구성의 방법 및 장치는 목표로 정한 액체 운동이 막 표면의 모든 지점에서 일어나게 하고, 따라서 액체에 대한 막 표면의 상대 운동 때문에 더 높은 정의된 물질 전달이 일어나게 한다.
Figure pat00006
따라서, 본 발명의 방법 및 본 발명의 장치는 전체적으로 통상의 방법 및 장치의 경우보다 물질 전달과 물질 전달을 생성하는 데 필요한 기계적 동력 투입량의 비가 더 좋다.
요건으로서 산소 공급 조절은 회전 및 진동 운동을 변화시킴으로써 달성할 수 있다. 운동 변화는 막 표면 둘레에 유동 변화를 초래하고, 이것은 또한 물질 전달의 변화도 초래한다.
요건으로서 산소 공급 조절은 막 표면 내부 공간 안으로 유동하는 기체 성분의 기체 농도 변화 및/또는 기체 또는 기체 혼합물 압력 변화를 조절함으로써 수행될 수 있다. 막 표면 내부 공간 밖으로의 유동 조절 가능성도 유사한 것으로 판명된다.
적당한 압력이 막 표면에 적용될 때, 후자는 또한 액체 중에 미세기포 또는 기체 기포를 생성하는 데 이용될 수 있다. 이것은 유기포 기체 처리에 내성이 있는 강건한 세포주의 경우에 유리하다. 이렇게 함으로써, 물질 전달 계수가 증가될 수 있다.
예를 들어, 다양한 직경 및 벽 두께의 비다공성 실리콘 튜브가 막 표면으로서 적당하다. 상기 벽 두께는 바람직하게는 내경 ~1 ㎜(외경 ~1.4 ㎜의 경우) 내지 내경 ~2 ㎜(외경 ~3 ㎜의 경우)의 범위에 있다. 튜브 직경 및 총 튜브 길이의 변수는 응용에 적당한 물질 전달을 보장하도록 선택되어야 한다.
물질 전달은 그 중에서도 특히, 반응기 액체 부피에 대한 막 표면의 비에 의해 결정된다(부피 특이적 물질 전달 표면). 이 경우, 흔한 값은 동물 세포 배양물의 경우 25 m-1 내지 45 m-1이다. 본 발명에서, 부피 특이적 물질 전달 표면은 0.1 m-1 내지 150 m-1, 바람직하게는 1 m-1 내지 100 m-1, 특히 바람직하게는 5 m-1 내지 75 m-1이다.
그러나, 물질 전달은 튜브 내의 기체상으로부터 튜브 둘레의 액체상으로의 물질 전달 계수, 및 상응하는 구동 농도 구배에 의해 결정된다. 이에 기인하는 내부 막 압력의 작업 매개변수는 막을 통하는 요망되는 물질 유동으로부터 생기고, 두 개의 한계값에 의해 경계가 정해진다. 한편, 실리콘 튜브의 물질 적재능은 특정 내부 막 압력만을 허용하고, 다른 한편, 압력이 낮을 때는 아마도 기포가 막의 외부 표면에 요망되지 않는 정도로 이미 형성될 것이다.
내부 막 압력은 다음 매개변수의 적절한 설정으로부터 생긴다: 막을 통하는 부피 유동, 및 막 튜브 선단의 압력, 및 막 튜브 후단의 압력. 결과로서 생기는 다른 작업 매개변수, 다시 말해서, 액체상의 기체 농도가 작업 조건 및 배양 조건으로부터 생긴다.
세포 배양 기술에서 통상적으로 행하는 완충제 CO2 평형을 이용한 pH 값 설정은 보통 CO2 필요량을 내습(incoming) 기체 안에 혼합함으로써 달성할 수 있다.
또, 유리한 것은 본 발명의 방법 및 본 발명의 장치가 미세담체 배양물의 무기포 기체 처리에 적당하다는 점이다.
또, 유리한 것은 본 발명의 방법 및 본 발명의 장치가 투석 응용, 예를 들어 최적화된 발효 공정 제어에 적당하다. 발효 동안에 생성된 대사 산물 및/또는 부산물은 투석에 의해 제거될 수 있다. 일부 대사 산물 및/또는 부산물은 특정 농도 범위에서 독성 효과를 가지거나 또는 특정 농도 범위에서 발효에 불리한 효과를 가지기 때문에 부분적으로 요망되지 않는다. 이것은 예를 들어 성장 또는 산물 형성을 억제함으로써 수행될 수 있다. 게다가, 적절하다면, 대산 산물 및/또는 부산물은 하류 공정에서 실제 산물로부터 분리될 수 있고, 결과적으로 수고 및 비용이 증가한다. 투석은 배양 공간으로부터 대사 산물 및/또는 부산물 제거 가능성을 제공한다(R. Portner, H. Markl: "Dialysis cultures" Applied Microbiology and Biotechnology 50 (1998), 403-141 페이지). 예를 들어 대사물질 같은 저분자량 성분은 투석막을 통해 확산할 수 있고, 한편, 세포 및 산물은 배양 공간에 머무른다. 투석액은 투석막의 배양 공간 반대쪽에 위치한다. 투석액의 (연속) 교환에 의해 저분자량 성분이 제거된다. 게다가, 배양 공간에서보다 더 높은 농도의 투석액의 성분들(예를 들어, 기질)을 도입할 가능성도 또한 있다. 따라서, 배양 공간에 계량 주입함으로써 성분들을 특이적으로 교체하는 것이 가능하다. 위에서 기술한 투석 응용과 관련되는 투석막은 예를 들어 모듈 형태로 회전자에 설비할 수 있다. 이러한 설비는 하나 이상의 막 표면 대신에 또는 그 밖에 그에 추가하여 수행할 수 있다.
본 발명의 장치는 하기 특징을 가짐을 특징으로 한다:
이 장치는 용기, 예를 들어 생체반응기의 내부에서 운동할 수 있는 회전가능하게 탑재된 회전자를 포함한다. 회전자는 그것이 생체반응기 내부에서 막 표면, 예를 들어 튜브, 실린더, 모듈 등을 운반할 수 있는 방식으로 구성된다.
회전가능하게 탑재된 회전자는 구동소자에 의해 생체반응기 외부로부터 회전 및 진동 방식으로 운동하도록 설정될 수 있다. 구동소자로부터 반응기 내부의 회전자로 필요한 구동 토크의 전달은 자기 커플링에 의해 수행될 수 있거나, 또는 회전자 샤프트가 회전 밀봉부에 의해 생체반응기의 하우징을 통하여 안내되어 구동소자에 직접 커플링된다. 자기 커플링 이용은 그것이 회전 밀봉부 없이도 명백하게 멸균 공간과 비멸균 공간을 서로 분리하기 때문에 멸균성 관점에서 특히 유리하다.
회전 및 진동 운동을 발생하기 위한 구동으로서, 모터에 의해 이용할 수 있는 동력이 회전자의 관성 운동 및 유체에도 불구하고 규정된 운동 사이클을 갖는 진동 운동을 수행하기 위해 회전자를 사용하는 데 충분하여야 한다. 따라서, 회전자의 관성 모멘트 및 유체의 힘의 효과 둘 모두가 구동소자의 설계에 결정적이다. 모터의 적당한 회전 속도가 주어지면, 기어는 필요한 토크를 제공하는 가능성을 제공한다. 예를 들어, 편심 구동이 구동 구성으로서 고려된다. 편심 구동은 통상의 구동 모터의 균일한 회전을 출력 샤프트의 회전 및 진동 운동으로 전환시킨다. 또, 본 발명의 장치를 위한 구동 구성으로 고려되는 것은 예를 들어 스테핑 모터(stepping motor) 같은 자유롭게 프로그래밍가능한 위치지정 구동이다. 이러한 자유롭게 프로그래밍가능한 구동 시스템의 이점은 막의 회전 및 진동 운동이 넓은 범위 내에서 공정의 요건에 적합화될 수 있다는 사실에 있고, 반면 편심 구동은 일반적으로 제한된 조정 가능성만을 갖는다.
회전 속도, 토크 및 기어 비 같은 구동소자의 매개변수는 각 응용에 맞게 자유롭게 선택할 수 있고, 규모에 의존한다. 생명공학 분야 응용을 위해서는, 보통, 매개변수를 0.01 W m-3 내지 4000 W m-3 액체 부피, 바람직하게는 약 1000 W m-3의 부피 특이적 동력 투입량을 생성하도록 맞춘다.
세포 배양물의 부피 특이적 동력 투입량은 보통 0.01 내지 100 W m-3이다.
게다가, 매개변수는 세포 배양 응용을 위해 1 m s-1, 더 좋게는 0.15 m s-1의 회전자와 액체 사이의 상대 속도를 생성하도록 맞추어야 한다.
기어와 모터 사이의 연결로부터 생기는 응력을 흡수하기 위해, 보통, 기어는 경미한 샤프트 어긋남 또는 샤프트의 경미한 정렬불량을 흡수하는 요망되는 어떠한 비틀림방지 커플링에 의해서도, 예를 들어 벨로즈(bellows) 커플링에 의해서 회전자에 연결된다.
유리한 것은 막 표면을 설비하기 위한 장치의 설계가 세포 배양물의 특별한 상태, 예를 들어 세포 응집에 쉽게 적합화될 수 있다는 점이다. 이것은 예를 들어 막 표면의 유형 및 배열에 의해 수행될 수 있다.
회전자는 응용에 필요한 수의 회전자 팔을 가지고, 이것은 응용에 의존해서 1 내지 64 개, 바람직하게는 2 내지 32 개, 특히 바람직하게는 4 내지 16 개의 회전자 팔이다. 회전자 팔의 수를 선택하는 문제는 나중에 더 상세히 설명할 것이다. 회전자 팔은 선형(예를 들어, 도 1, 8, 9, 10) 또는 분지형일 수 있고, 이 경우에는 바람직하게는 선형 또는 Y 모양(예를 들어, 도 11)일 수 있고, 바람직하게는 홀더에 별 모양 방식으로 배열된다. 별 모양 배열 이외에 추가의 어떠한 요망되는 배열도 생각해낼 수 있다. 별 모양 배열 또는 분지형 별 모양 배열 또는 굽은 별 모양 배열(예를 들어, 도 7)의 이점은 액체 부피 중에 막 표면의 매우 균일한 분포, 막 표면 상으로의 효과적 유동, 및 양호한 혼합이다. 회전자 팔은 회전자 샤프트에 대칭적 또는 비대칭적으로 탑재되고, 반응기 공간 내부에 배열된다. 막 표면, 바람직하게는 막 튜브는 각 회전자 팔에 규칙적 또는 불규칙적 간격으로 예를 들어 감거나, 매달거나, 또는 스냅 락을 이용하거나 또는 문헌에 공지된 다른 방법에 의해 체결된다.
장치의 한 특별한 설계에서는, 2 개의 감기(winding) 팔이 하나의 회전자 팔을 형성한다. 막 표면, 바람직하게는 막 튜브가 이들 감기 팔에 규칙적 간격으로(도 13 참조) 또는 불규칙적 간격으로(도 13에 상응함; 하지만, 회전자 팔의 모든 함몰부에 막 튜브가 제공되지는 않음) 수평으로 또는 수직으로(예를 들어, 수직 감기의 경우에는 도 12의 (9), (10)의 감기 팔) 감는다.
이제, 회전자가 회전하면, 막 튜브가 반응기 내의 유체에 의해 운동하고, 이렇게 함으로써 접선 방향으로 유동한다. 막 튜브 상으로의 유동에 관해서, 동일한 각속도가 주어지면, 내습 유동은 일반적으로 막 튜브의 위치의 함수로서 회전자 샤프트로부터의 방사상 거리가 증가함에 따라 증진된다. 그 이유는 마찬가지로 증가하는 원주 속도 때문이다. 양호한 내습 유동과 관련해서는 외부에 가능한 한 멀리서 가능한 한 많은 막 튜브를 설치하는 것이 바람직하다. 이 요구를 충족시키는 한가지 가능성은 샤프트 둘레의 회전자 팔의 수를 증가시키는 것에 있다. 그러나, 팔의 수를 증가시키는 것은 혼합 및 막 상으로의 유동에 부정적 효과를 준다(팔 사이에 더 적은 혼합 구획 생성). 이 밖에, 팔의 수를 증가시키는 것은 설치 및 철거시 튜브를 감고 풀 때 회전자 취급을 어렵게 한다. 또, 공간 때문에 팔의 수가 많아짐에 따라 팔을 샤프트에 체결하는 것이 문제가 더 커지게 된다.
기체 공급 및 제거를 위해 회전 및 진동 막 표면을 공급하는 것은 바람직하게는 회전 밀봉부를 이용하거나 또는 유연성 튜브를 이용하여 정지해 있는 주변물, 예를 들어 반응기 뚜껑으로부터 수행하는 것이 바람직하다. 회전 밀봉부는 세정 및 멸균에 어려움을 발생할 수 있기 때문에 대부분은 세포 배양 기술에서 요망되지 않는다. 이것은 막 표면이 순수 회전 방식으로만, 다시 말해서 운동 방향의 반전 없이 운동하는 장치와 비교할 때 본 발명의 장치의 이점이다. 운동 방향의 반전이 없으면, 튜브는 회전이 증가함에 따라 훨씬 더 강하게 뒤틀리고 종국에는 파괴될 것이다. 전후 운동 때문에, 회전 및 진동 막 표면의 경우에는 유연성 튜브의 순 비틀림이 없다. 물론, 이것은 전후 운동이 일정 기간 운동이 완료된 후에 운동의 출발점에 막 표면이 위치하도록 하는 방식으로 맞춰진다는 것을 전제로 삼는다.
감긴 막 튜브를 갖는 장치의 추가의 이점은 막 표면, 예를 들어 막 튜브의 장력을 변화시킬 수 있다는 점이다(도 3). 최적의 장력은 막 표면 내부 공간 안으로 유동하는 기체 또는 기체 혼합물의 압력, 막 표면 내부 공간 밖으로 유동하는 기체 또는 기체 혼합물의 압력, 및 막 표면 내부 공간의 기하, 유동 저항 및 변형(이것은 예를 들어 막 튜브의 경우에는 유입 압력, 유출 압력, 내경, 막 튜브의 수 및 곡률의 기하, 및 곡률의 변형임)의 매개변수의 도움으로 얻어진다(H.N.Qi, C.T. Goudar, J.D. Michaels, H.-J.Henzler, G.N.Jovanovic, K.B. Konstantinov: "Expermental and Theoretical Analysis of Tubular Membrane Aeration for Mammalian Cell Bioreactors" Biotechnology Progress 19(2003), 1183-1189 페이지). 막 튜브의 경우, 튜브 장력의 감소는 결국은 운동 중에 튜브의 증폭된 편향으로 이른다. 튜브의 큰 편향은 그 둘레의 유동을 개선하고, 따라서 물질 전달 계수를 개선한다. 응용 유형에 의존해서, 장력은 한편으로는 막 튜브가 장기간 안정성 있게 체결되고, 다른 한편으로는 바람직하게는 유동을 움직여서 수 ㎜ 편향될 수 있도록 선택되어야 한다. 막 표면을 운반하는 고정자 및 액체의 운동을 보장하는 회전자를 포함하는 통상의 격막 기체 처리 시스템의 경우에는, 막 튜브의 장력이 너무 낮을 때는 막 튜브가 회전자와 접촉하여 파괴될 위험이 있기 때문에, 이 이점이 실현될 수 없거나 또는 겨우 실현될 수 있다. 이러한 손상은 본 발명의 장치에서는 일어날 수 없는데, 그 이유는 반응기에 운동하는 부품이 오직 하나 있고 그것이 동시에 막 표면 자체를 운반하기 때문이다.
본 발명의 장치의 특별한 실시태양에서는, 감기 팔을 지탱하기 위한 장치 사이의 수직 공간이 확대되기 때문에 튜브 장력이 변할 수 있다(도 12와 비교). 막 튜브 장력의 정밀한 설정은 예를 들어 조임 장치 (8)의 스크류의 회전에 의해 가능하다.
튜브 장력의 감소는 감기 팔에 막 튜브를 고정하는 데 문제를 일으킨다. 낮은 튜브 장력의 경우, 막 튜브에 대한 동력의 큰 효과는 막 튜브가 감기 팔로부터 아래로 미끄러져 내리게 할 수 있다. 이 문제를 대비하기 위해, 감기 팔의 표면에 예를 들어 외부 쓰레드를 제공한다. 별법으로, 예를 들어 튜브가 외부에서 팔 아래로 미끄러져 내리는 것을 방지하는 웹을 감기 팔 외부에 제공하는 것이 가능하다. 이 경우, 감긴 막 튜브가 쓰레드 상의 어떠한 가능한 거스러미(burr)에 의해서도 손상되지 않도록 하는 것이 보장되어야 한다. 게다가, 별 모양 홀더의 감기 팔 상의 외부 쓰레드는 튜브 감기를 변화시킬 가능성을 제공한다. 예를 들어, 튜브를 감을 때, 쓰레드 함몰부를 하나 걸러서 또는 둘 걸러서만 사용하는 것이 가능할 것이다. 이렇게 함으로써, 개별 막 튜브 사이에 한정된 간격을 설정하는 것이 가능하다.
이러한 시스템의 경우 혼합이 문제없지 않다는 것이 상기 특허 EP 0172478 A1에서 이미 명백히 하였다. 혼합과 관련해서는, 본 발명의 운동 안내가 진동 회전자 운동 때문에 더 유리하다. 축 혼합을 강제로 행할 수 있는 한가지 가능성은 막 표면의 각을 설정하는 것이다(도 4).
이렇게 함으로써, 운동하는 막의 회전축에 대해 평행인 방향에서 반응기 내부의 액체의 교환이 특히 개선된다. 예를 들어, 막 튜브의 입사각은 장치(예를 들어, 도 12의 (9) 또는 (10))의 요망되는 어떠한 방사상 회전에 의해서도 변할 수 있다. 설계와 관련해서, 장치 (9,10)은 바람직하게는 서로 독립적으로 및 서로에 관해서 가변적으로 회전할 수 있다.
장치의 추가의 한 구성에서는, 교정 소자(straightening element)가 회전자 샤프트 상에 탑재되어 있다(도 5 및 6 뿐만 아니라 12의 부호 (4) 비교). 이들 교정 소자는 감기 팔로서 구조되거나, 또는 2 개의 막대를 포함한다. 이들은 그들이 튜브를 한쪽에서 적절하게 지지하거나 또는 그것을 조각하도록 반응기 공간 내부에 배열된다.
혼합을 개선할 수 있는 추가의 가능성은 유동 저항 때문에 생기는 막 표면의 편향이 한 회전 방향에서 제한된다는 사실에 의해 교정 소자에 의해 제공된다(예를 들어, 도 5의 교정 소자 (4)에 의해). 이렇게 함으로써, 한 회전 방향에서 막 표면의 편향은 반대 방향에서보다 더 강하고, 이 때문에 이 방향에서 액체의 운반이 더 약하게 일어난다. 회전 및 진동 회전자의 두 운동 방향에서 불균등한 액체 운반은 결국은 한 방향에서 순운반이 일어나게 되고, 따라서 액체가 더 잘 혼합되게 된다.
막 표면의 편향이 한 회전 방향에서 제한되게 하는 교정 소자는 막 튜브의 길이에 걸쳐서 균일하게 또는 불균일하게 분포될 수 있다. 이들 소자는 요망되는 효과가 달성되도록 반응기에 배열된다("실시예" 부분에서 예시된 실험 장치 및 제시된 측정 결과 참조). 예를 들어, 이들 장치가 반응기의 하부 1/3에만 위치할 때, 상이한 높이에서의 유동 저항은 상이하다. 본 발명의 장치의 진동 회전 운동의 경우, 이것은 회전축에 대해 평행한 방향에서 액체의 추가 혼합이 일어나게 한다.
한쪽으로의 편향에 대해 막 튜브를 지지할 수 있는 가능성(또, 도 5 비교) 이외에, 혼합을 촉진할 수 있는 추가의 가능성, 즉 막 튜브를 조각할 수 있는 가능성(예를 들어, 한쪽이 불룩함; 도 6 참조)이 있다. 조각은 두 운동 방향의 유동 패턴의 비대칭을 생성한다. 예를 들어, 설계 관점에서, 지지 또는 조각은 도 12로부터의 교정 소자 (4)를 이용함으로써 가능하다. 한 회전 방향에서 막 표면의 편향의 범위를 정하는 교정 소자 (4)는 막 튜브의 길이에 걸쳐서 균일하게 또는 불균일하게 분포될 수 있다. 이 장치는 바람직하게는 교정 소자가 높이 및 정렬이 가변될 수 있게 탑재될 수 있도록 형성된다. 예를 들어, 그것은 2 개의 그러브 스크류(grub screw)를 풀거나 체결함으로써 샤프트 상의 요망되는 어느 곳에라도 놓고 고정할 수 있다.
본 발명의 추가의 한 개량된 장치에서, 반응기 내부에 정지 배플을 설비함으로써 물질 전달 및 혼합이 추가로 증가될 수 있다. 이들은 막 표면의 회전 및 진동 운동으로 인해 생성되는 유동을 교란한다.
장치의 한 특별한 구성에서, 혼합은 진동 및 회전 막 장치가 회전 대칭을 갖지 않는다는 사실에 의해서 개선된다. 따라서, 예를 들어, 막 표면이 감기는 도 1의 회전자 팔의 별 모양 배열의 경우, 갭이 생기도록 하나 이상의 팔을 빼내는 것이 가능하다. 이것은 회전 대칭을 파괴하기 때문에 당연히 반응기에서 액체의 혼합을 개선한다. 이 비대칭 배열의 추가의 이점은 생긴 갭에 센서, 침지 튜브 등을 수용할 수 있고 이렇게 함으로써 기체 처리 장치의 운동을 방해하지 않을 수 있는 가능성이다. 물론, 이것은 막 진동의 진폭이 액중 장치(센서, 침지 튜브 등)와 막 사이에 어떠한 접촉도 일어나지 않을 정도로 충분히 작을 때에 한하여 적용된다.
추가로 혼합을 개선하기 위해, 특히 입자(미세담체, 세포 또는 세포 응집체)가 신뢰성 있게 현탁되는 것을 보장하기 위해, 막 표면 이외에, 이들 입자의 침강을 방지하기 위해 예를 들어 교반기 블레이드, 패들 또는 기타와 같은 유동 안내 소자 및 혼합 소자를 진동 및 회전 장치에, 특히 반응기 기부 근처에 설비할 수 있다(도 6의 교반기 (5) 비교).
혼합을 개선할 수 있는 추가의 가능성은 회전자 팔을 회전자 샤프트 둘레에 회전 방향 중 한 방향으로 굽은 방식으로 설계하는 것에 있다(도 7). 이것은 회전시 두 회전 방향에서 방사상 혼합이 강제로 일어나게 한다.
추가로, 장치에 한 회전 방향에서 회전자 샤프트 둘레에 접선 방향으로 회전자 팔을 설비함으로써 혼합을 개선하는 것이 가능하다(도 8의 (6) 비교). 이 경우에도 역시 회전시 두 회전 방향에서 방사상 혼합이 강제로 일어난다. 게다가, 회전자 팔의 접선 방향 배열의 결과로 막 표면이 없는 실린더형 영역이 자동으로 생성된다는 사실에 의해서 회전축 영역에서의 혼합이 개선된다.
혼합을 개선할 수 있는 또 다른 가능성은 용기에 회전자 샤프트를 편심으로 설비하는 것에 있다(도 9 참조). 그 이유는 막 표면이 없는 영역과 함께 유동 비대칭 때문이다.
그와 독립적으로, 두 회전 방향을 갖는 회전자 샤프트를 용기 중앙에 명백히 설비함으로써, 뿐만 아니라 회전자 샤프트가 편심을 가짐으로써(도 10의 (7) 비교) 혼합이 개선될 수 있다. 그 이유는 회전자 운동시 영구적으로 변하는 막 표면이 없는 가변성 영역과 함께 유동 비대칭 때문이다.
액체의 막 기체 처리를 위한 통상의 장치의 경우와 달리, 본 발명의 장치의 경우에는, 반응기에 부피 당 가능한 한 균일하게 막 표면을 분포시킬 수 있는 가능성이 있다(도 11). 이것은 공간적으로 균질한 기체 흡수 및 탈착이 일어나게 하고, 이는 세포 배양 기술에서 특히 요망되는 것이다.
목표는 바람직하게는 설계가 개별 부품의 가변적이고 단순한 조립을 가능하게 하는 것이다. 따라서, 바람직하게는 회전자 팔을 개별적으로 제거하는 것이 가능하다. 이것은 회전자에 탑재하기 전에 쌍을 이루는 팔에 막 튜브를 감을 수 있는 가능성을 생성한다. 따라서, 쌍을 이루는 팔들은 또한 회전자로부터 개별적으로 철거될 수 있다. 개개의 쌍을 이루는 팔에 막 튜브를 독립적으로 감는 것을 가능하게 하기 위해 감기 보조도구가 구조될 수 있다.
반응기에 설비되는(예를 들어, 매질 또는 알칼리/산 공급을 위해, 또는 수거를 위해 또는 샘플 채취를 위해) 침지 튜브는 회전자가 이용할 수 있는 반응기 부피를 감소시킨다. 이것은 예를 들어 반응기에 수용될 수 있는 막 표면 감소를 수반할 수 있다. 이것을 막을 수 있는 한가지 가능성은 침지 튜브 또는 그 밖에 프로브 또는 다른 반응기 내부부품을 회전자에 통합시키는 것이다. 따라서, 이들 부품도 또한 운동하게 되는데, 그러나 이것은 일반적으로 불리하다. 반대로, 이렇게 함으로써, 공급된 물질의 더 좋은 분포, 또는 액체의 대표적 회수, 예를 들어 수거, 또는 더 대표적 측정을 갖는 것이 가능하다.
회전자의 관성 모멘트가 가능한 한 작도록 회전자의 중량이 낮은 것이 바람직하다. 제공되어야 하는 구동소자의 동력이 낮은 관성 모멘트에 의해 감소할 수 있다. 그 결과, 따라서 본 발명의 장치는 적당한 안정성과 함께 가능한 한 가볍게 제작되는 것이 바람직하다.
액체, 특히 생명공학에서의 액체, 특히 세포 배양물의 무기포 기체 처리를 위한 방법 및/또는 장치는 바람직하게는 각각의 최적 온도에서 일어난다. 이것은 미생물 또는 세포 배양물의 경우 보통은 최적 배양 온도이다.
도 1은 용기에서 막 표면에 의해 액체를 기체 처리 및 기체 제거하기 위한 회전 및 진동 운동을 개략적으로 나타낸 도면. 여기서, 막 표면은 회전자에 감긴 막 튜브 (1)에 의해 형성됨. 상기 막 표면은 회전자 샤프트(2)를 중심으로 두 회전 방향 (3)으로 회전함.
도 2는 막 표면에 의해 액체를 기체 처리 및 기체 제거하기 위한 회전 및 진동 운동의 위치, 각속도 및 토크를 나타내는 도면. 여기서, 막 표면은 회전자에 감긴 막 튜브에 의해 형성됨.
도 3은 막 표면, 예를 들어 막 튜브의 장력 σ를 변화시킬 수 있는 가능성을 가짐을 특징으로 하는 장치의 개략도. 여기서, 막 표면은 회전자에 감긴 막 튜브에 의해 형성됨.
도 4는 막 표면의 입사각을 변화시킬 수 있는 가능성을 가짐을 특징으로 하는 장치의 개략도. 여기서, 막 표면은 회전자에 감긴 막 튜브 (1)에 의해 형성됨.
도 5는 한 회전 방향에서 교정 소자 (4)에 의해 유동 저항으로 인한 막 표면의 편향을 제한할 수 있는 가능성을 가짐을 특징으로 하는 장치의 개략도. 여기서, 막 표면은 회전자에 감긴 막 튜브 (1)에 의해 형성됨.
도 6은 더 좋은 혼합을 목적으로 교정 소자 (4)에 의해 적절하게 막 표면을 형상화할 수 있고/있거나 유동 안내 및 혼합을 위한 교반기 블레이드/패들 (5) 또는 다른 장치를 설비할 수 있는 가능성을 가짐을 특징으로 하는 장치의 개략도. 여기서, 막 표면은 회전자에 감긴 막 튜브 (1)에 의해 형성됨.
도 7은 회전 방향 (3) 중 한 방향으로 굽은 방식으로 회전자 샤프트 (2) 둘레에 회전자 팔을 설계함으로써 혼합을 개선시킬 수 있는 가능성을 가짐을 특징으로 하는 장치의 개략도. 여기서, 막 표면은 회전자에 감긴 막 튜브 (1)에 의해 형성됨.
도 8은 장치 (6)의 회전자 팔을 회전 방향 (3) 중 한 방향에서 회전자 샤프트 (2)에 접선 방향으로 설비함으로써 혼합을 개선시킬 수 있는 가능성을 가짐을 특징으로 하는 장치의 개략도. 여기서, 막 표면은 회전자에 감긴 막 튜브 (1)에 의해 형성됨.
도 9는 두 회전 방향 (3)을 갖는 회전자 샤프트 (2)를 용기에 편심 설비함으로써 혼합을 개선시킬 수 있는 가능성을 가짐을 특징으로 하는 장치의 개략도. 여기서, 막 표면은 회전자에 감긴 막 튜브 (1)에 의해 형성됨.
도 10은 두 회전 방향 (3)을 갖는 회전자 샤프트 (2)가 용기의 중앙에 명백히 설비되지만 편심 (7)을 갖는다는 사실에 의해 혼합을 개선시킬 수 있는 가능성을 가짐을 특징으로 하는 장치의 개략도. 여기서, 막 표면은 회전자에 감긴 막 튜브 (1)에 의해 형성됨.
도 11은 두 회전 방향 (3)을 갖는 회전자 샤프트 (2) 둘레에 부피 당 가능한 한 균일하게 막 표면을 분포시킬 수 있는 가능성을 가짐을 특징으로 하는 장치의 개략도. 여기서, 막 표면은 회전자에 감긴 막 튜브 (1)에 의해 형성됨.
도 12는 막 튜브가 감기지 않은 본 발명의 현존하는 개량된 장치의 개략도 및 사진.
도 13은 회전자 팔에 막 튜브 감기의 예를 보여주는 사진.
도 14는 막 튜브를 이용한 방법 및 장치의 물질 전달 계수 k를 통상의 튜브 고정자 상의 막 튜브와 비교해서 부피 특이적 동력 투입량 P/V의 함수로서 도시한 도표.
도 15는 다양한 진폭 ymax에 대해 부피 특이적 동력 투입량 P/V를 등가 회전 속도 f의 함수로서 도시하는 도표.
도 16은 다양한 진폭 ymax 에 대해 부피 특이적 및 모멘트 특이적 동력 투입량 PB/V를 등가 회전 속도 f의 함수로서 도시하는 도표.
도 17은 다양한 진폭 ymax에 대해 운동 특이적 뉴톤 수 NeB를 레이놀즈 수 Re의 함수로서 도시하는 도표.
도 18은 다양한 진폭 ymax에 대해 Y 모양 회전자 팔의 경우의 물질 전달 계수 k를 부피 특이적 동력 투입량 P/V의 함수로서 도시하는 도표.
참조 부호 목록
1 - 막 튜브
2 - 회전자 샤프트
3 - 회전 방향
4 - 한 회전 방향에서 막 튜브의 편향을 제한하는 교정 소자
5 - 교반기
6 - 회전자 팔을 접선 방향으로 배열하기 위한 장치
7 - 회전자 샤프트의 편심
8 - 막 튜브 장력을 설정하기 위한 조임 장치
9,10 - 막 튜브가 감긴 감기 팔을 별 모양으로 지탱하기 위한 위 아래의 장치
σ - 튜브 장력
본 발명의 특별한 개량된 장치 및 그의 설계 양상을 제한 없이 아래에 상세히 기술한다.
도 12는 막 튜브가 감기지 않은 회전자의 개략적 설계 및 사진을 나타낸다. 기본적인 설계 부품을 도시하였다.
막 튜브 상으로의 접선 방향 유동을 보장하기 위해, 막 튜브를 유동 방향에 대한 횡단 방향으로 설비하였다. 이것은 반응기의 반응기 기부 위 및 액면 아래의 별 모양 장치를 각각 상상함으로써 실행하였다. 막 튜브를 도 12에 나타낸 장치 (9) 및 (10)의 각각의 8 개의 회전자 팔에 감았다.
도 13은 이 목적으로 회전자 팔에 막 튜브의 가능한 감기를 나타내는 한 예를 보여준다. 이 경우에는, 막 튜브를 간격 없이 감기 팔에 감았다. 이 예에서는, 25 m 길이의 튜브 및 12.5 m 길이의 튜브를 각 팔에 감았다. 이와 같이 감는 경우에는, 회전자 팔에서 새로운 튜브 길이가 시작하는 곳이면 어디에든 반드시 갭이 있다.
이제, 회전자가 회전하면, 막 튜브가 반응기 내의 유체에 의해 운동하고, 따라서 접선 방향 내습 유동을 받아들인다. 막 튜브의 내습 유동에 관해서, 동일한 각속도가 주어지면, 내습 유동은 막 튜브의 위치의 함수로서 일반적으로 회전자 샤프트로부터의 방사상 거리가 증가함에 따라 개선된다. 그 이유는 원주 속도가 똑같이 증가하기 때문이다. 따라서, 그 목표는 양호한 내습 유동과 관련해서 가능한 한 멀리 밖에 가능한 한 많은 수의 막 튜브를 설치하는 것이다. 이 요구를 충족시킬 수 있는 한 가지 가능성은 샤프트 둘레의 팔의 수를 증가시키는 데에 있다. 그러나, 팔의 수를 증가시키는 것은 혼합 및 막의 내습 유동 둘 모두에 부정적 효과를 갖는다(팔 사이에 혼합이 덜 일어나는 구획을 생성함). 이 밖에, 팔의 수의 증가는 튜브를 감고 풀 때 뿐만 아니라 설치 및 제거 시에 회전자의 취급에 지장을 준다. 또, 팔의 수가 많아짐에 따라 공간적 이유 때문에 샤프트에 팔 체결이 점점 더 문제가 된다. 8 개의 팔의 수는 위에서 개요한 쟁점과 관련해서 분별 있는 절충안인 것으로 보인다.
도 12의 시스템은 막 튜브 장력 설정에 관해서 자유도를 갖는 것이 바람직하다. 튜브 장력은 물질 전달 성능에 영향을 줄 수 있도록 하기 위해 가변적이어야 한다. 자유 진동하는 튜브는 따라서 더 효과적으로 이리저리 유동하여 더 좋은 물질 전달을 보장하여야 한다. 튜브 장력은 회전자 팔을 지탱하기 위한 장치 사이에 수직 공간을 증가시킴으로써 변화시킬 수 있다. 클램핑 블록에서 스크루를 회전시킴으로써 클램핑 블록에서 클램핑 스크루를 아래로 느슨하게 푼 후 튜브 장력의 정밀한 설정이 가능하다.
이미 언급한 바와 같이, 튜브 장력은 가변적 양이다. 튜브 장력의 감소는 팔에 막 튜브를 고정하는 데 문제를 발생시킨다. 낮은 튜브 장력이 주어지면, 튜브에 대한 힘의 큰 효과는 막 튜브가 팔에서 미끄러져 내리게 할 수 있다. 이 문제에 대항하기 위해, 팔의 표면에 외부 쓰레드를 제공하였다. 이 경우에는 감긴 막 튜브가 쓰레드의 어떠한 가능한 거스러미에 의해서도 손상되지 않았다는 것을 염두해 둘 필요가 있다. 게다가, 감기 팔 상의 외부 쓰레드는 튜브 감기를 변화시킬 수 있는 가능성을 제공한다. 예를 들어, 튜브를 감을 때 함몰부를 하나 걸러서 또는 둘 걸러서만 이용하는 것이 가능할 것이다. 이렇게 함으로써, 개별 막 튜브 사이에 한정된 간격을 설정하는 것이 가능하다.
상기 특허 EP 0172478 A1에서 이러한 시스템의 경우에 혼합이 문제없지 않다는 것을 이미 알려주었다. 혼합에 관해서, 본 발명의 운동 안내가 진동 회전자 운동을 기초로 하여 더 유리하다. 축 혼합을 강제로 하게 할 수 있는 한가지 가능성은 막 표면의 각을 설정하는 것이다. 도 12의 적어도 하나의 장치 (9) 및 (10)(또, 도 4 비교)을 임의로 방사상으로 회전시킴으로써 막 튜브의 입사각을 변화시킬 수 있었다. 설계 관점에서, 두 장치를 서로 독립적으로 및 서로에 대해 가변적으로 회전시키는 것이 가능하여야 한다.
혼합을 촉진시킬 수 있는 추가의 가능성은 편향에 대하여 한쪽에서 막 튜브 (1)을 지지하거나(또, 도 5 비교), 또는 그들을 조각하는(예를 들어 한쪽이 불룩함; 또, 도 6 참조) 것이다. 조각은 두 운동 방향의 유동 패턴의 비대칭을 생성한다. 설계 관점에서, 지지 및/또는 조각은 도 12의 장치 (4)를 이용함으로써 가능하다. 이들 장치는 그들이 높이 및 정렬 둘 모두에 관해서 가변적으로 탑재될 수 있도록 형성하였다. 그들은 두 그러브 스크류를 풀거나 또는 체결함으로써 샤프트에 요망되는 대로 놓고 고정할 수 있었다.
도 12에 나타낸 개별 부품의 설계는 취급 가능성을 단순화하는 것을 의도한다. 따라서, 회전자 팔은 개별적으로 제거될 수 있다. 이것은 회전자에 탑재하기 전에 쌍을 이루는 팔에 막 튜브를 감을 수 있는 가능성을 유발시킨다. 따라서, 쌍을 이루는 팔은 또한 회전자로부터 개별적으로 철거될 수 있다. 개개의 쌍을 이루는 팔에 막 튜브를 독립적으로 감는 것을 가능하게 하기 위해 감기 보조도구를 설계하였다.
회전자의 관성 모멘트가 가능한 한 작도록 하기 위해서는 회전자의 중량이 가능한 한 낮아야 한다. 구동소자에 제공될 동력이 작은 관성 모멘트에 의해 감소될 수 있다. 따라서, 설계 관점에서, 본 발명은 충분한 안정성과 함께 가능한 한 가볍게 형성하였다.
본 발명의 특별한 개량된 장치는 반응기 내경이 400 ㎜이고 높이 대 직경 비가 2:1인 100 L의 액체 부피를 갖는 세포 배양물 생체반응기를 기체 처리하는 목적에 맞다. 중앙 회전자 샤프트는 16 ㎜의 직경을 가지고, 회전자는 360 ㎜의 외경을 가졌다. 감기 팔은 14 ㎜의 직경을 갖도록 설계하였다. 내경 2 ㎜ 및 외경 3 ㎜의 막 튜브가 미끄러져 내리는 것을 방지하기 위해 피치 3 ㎜의 적당한 쓰레드를 감기 팔에 감았다.
2500 m-1의 최대 회전 속도, 6 Nm의 최대 토크 및 1:12의 기어 비를 갖는 스테핑 모터를 본 발명의 도시된 개량된 장치에서 회전자 구동소자로 이용하였다. 기어와 회전자 사이의 연결로부터의 응력을 흡수하기 위해 기어는 벨로우즈 커플링에 의해 회전자에 연결하였다.
아래의 목표는 본 발명의 특별한 개량된 장치의 선택된 측정 결과를 간단하게 예시하고 논의하는 것이다. 이 때문에, 위에서 개요한 장치를 이용한 방법을 30 m-1의 부피 특이적 물질 교환 면적 a의 경우의 물질 전달 계수 k(산소에 대해) 및 부피 특이적 동력 투입량에 대해 측정하였다. 참고로, 통상의 튜브 고정자 상의 동일한 막 튜브에 대해서 동일한 일이 일어났다(참고: 24 m-1의 부피 특이적 물질 교환 면적). 도 14는 물질 전달 계수 k를 부피 특이적 동력 투입량 P/V의 함수로 도시하였다. 비교해 볼 때, 본 발명의 방법 및 본 발명의 장치를 이용함으로 인해 물질 전달 계수 k가 증가한다는 것을 알 수 있다. 따라서, 10 W m-3의 동력 투입량의 경우 물질 전달 계수가 약 30% 더 높았다. 내경 1 ㎜, 외경 1.4 ㎜ 및 튜브 길이 약 1200 ㎜인 막 튜브를 이용하면, 이 동력 투입량의 경우에 약 70%의 물질 전달 계수 증가를 얻을 수 있다(결과는 도시하지 않음).
본 발명의 방법 및 본 발명의 장치를 이용하는 경우, 더 많은 부피 특이적 물질 교환 면적 a가 이용될 수 있기 때문에 부피 특이적 물질 전달 계수 ka를 개선시키는 것이 가능하다. Y 모양 팔(도 11 참조)의 부피 특이적 물질 전달 계수 ka를 부피 특이적 동력 투입량의 함수로서 측정 시리즈 "막 튜브를 이용한 방법 및 장치"와 비교해서 조사하는 경우(도 14 참조), 추가로 사용된 부피 특이적 물질 교환 면적 a가 약 127%인 경우에 부피 특이적 물질 전달 계수 ka는 57% 더 높았다. 내경 1 ㎜, 외경 1.4 ㎜, 및 튜브 길이 약 1200 ㎜의 막 튜브의 경우, 추가로 사용된 부피 특이적 물질 교환 면적 a가 약 146%인 경우에 물질 전달 계수 ka는 224% 증가할 수 있다(결과는 도시하지 않음).
회전자 운동에 관한 조사를 아래에 일부 제공하였다. 이 경우, 변하는 매개변수는 진동의 진폭 및 가속도이다. 이제까지 제시된 측정 시리즈는 180
Figure pat00007
의 진폭(180
Figure pat00008
왔다 갔다 왕복; 도 2 비교)에 대해 기록하였다. 이렇게 처음 주어진 정의가 또한 시스템에 가장 적당한 변수를 나타내는지를 명백하게 하기 위해, 이전 결과의 비교를 가능하도록 하기 위해 20
Figure pat00009
, 90
Figure pat00010
및 270
Figure pat00011
의 진폭 ymax에 대해 동력 투입량 및 물질 전달에 관한 조사를 수행하였다. 모든 측정은 Y 모양 회전자 팔을 이용하여 수행하였다.
0 - 200 W m-1의 부피 특이적 동력 범위에서 등가 회전 속도를 180
Figure pat00012
로부터 벗어나는 진폭에 대해 측정하였다. 이 측정의 결과를 도 15에 도시하였다.
결과를 더 효과적으로 비교하기 위해 다음 사항을 고찰하였다.
어떤 운동의 등가 회전 속도 f는 180
Figure pat00013
의 진폭에 대해 기간 T로부터 정의된다. 이것은 한 시스템이 운동 사이클을 처음부터 끝까지 한번 완주하기 위해 필요한 시간이다.
Figure pat00014
등가 회전 속도 f는 진동 시스템이 360
Figure pat00015
를 처음부터 끝까지 한번 완주하는 데 필요한 시간과 관련 있다. 180
Figure pat00016
의 진폭 ymax을 이용하는 이전에 이용되었던 진동의 경우, 이것은 시스템이 갔다(+180
Figure pat00017
) 왔다(-180
Figure pat00018
) 왕복 운동할 경우 자동으로 360
Figure pat00019
를 거치는 한에서는 용이하였다. 기간(또는 한 운동 사이클을 위한 시간)은 360
Figure pat00020
를 처음부터 끝까지 한번 완주하는 데 드는 시간과 자동으로 동일하다.
이제, 180
Figure pat00021
가 아닌 진폭을 이용할 경우에는, 이것은 더 이상 적용되지 않았다. 그러면, 360
Figure pat00022
를 처음부터 끝까지 한번 완주하기 위한 필요한 사이클의 수를 기술하는 계수 z를 이용하여 운동 사이클의 기간 T를 360
Figure pat00023
운동으로 전환시키는 것이 필요하다.
Figure pat00024
동일한 것이 각각의 진폭 관련 동력 투입량에 대해 적용되고, 이것은 따라서 운동 특이적 동력 투입량 PB로 정의된다.
Figure pat00025
도 16에 다양한 진폭에 대해 등가 회전 속도 f에 관한 부피 특이적 및 운동 특이적 동력 투입량 PB/V을 결정한 결과를 도시하였다. 모든 운동은 유사한 동력 투입량 특성을 나타낸다는 것을 알 수 있다. 부피 특이적 및 운동 특이적 동력 투입량이 상응하는 등가 회전 속도에 따라 증가하였다. 이것으로부터 공식화된 정의가 옳다는 것을 추론할 수 있다. 얻은 측정 결과가 360
Figure pat00026
운동에 관한 것인 경우, 이 시스템에 의한 동력 투입량이 진폭 값에 의존한다는 것을 알 수 있다.
한 시스템의 규모 확대 및 규모 축소를 수행할 수 있도록 하기 위해서는, 시스템을 무차원 방식으로 기술할 수 있는 것이 필요하다. 각 교반 시스템은 무차원 뉴톤 수(Newton number) 또는 그 밖에 동력 수(power number)를 가짐을 특징으로 한다. 뉴톤 수는 교반기 유형 및 발생하는 유동의 함수이다. 뉴톤 수를 레이놀즈 수의 함수로 여기는 경우, 교반 시스템의 특징인 동력이 얻어진다. 와류 유동 영역에서는 일정한 특징적인 뉴톤 수가 설정된다. 이때 목표는 진동 시스템에 대한 이러한 표현 및 특징적 기술이 이러한 방식으로 가능한지를 검사하는 것이다. 다음 방정식을 이용해서 계산을 행하였다.
Figure pat00027
도 17은 레이놀즈 수가 증가함에 따라 운동 특이적 뉴톤 수가 증가한다는 것을 도시하였다. 이 시스템을 진폭과 독립적으로 무차원 방식으로 기술할 수 있음이 명백하다.
교반 시스템으로서 기능하는 장치 및 방법을 특성화한 후, 기체 처리 시스템으로서의 기능을 특성화하기 위해 실험을 수행하였다. 물질 전달 측정을 3 개의 선택된 진폭 20
Figure pat00028
, 90
Figure pat00029
및 270
Figure pat00030
에 대해 수행하고, 180
Figure pat00031
진동의 결과를 기준으로 하여 비교해서 고려하였다. 측정 결과를 도 18에 도시하였다. 모든 측정 결과가 180
Figure pat00032
진동의 값의 +/- 10%의 영역에 배열된다는 것이 명백하다. 여기서, 가장 좋은 결과는 20
Figure pat00033
진폭을 이용한 측정 시리즈에 의해 얻어졌다. 270
Figure pat00034
진폭의 경우의 측정 시리즈는 다른 시리즈와 다소 상이한 추이를 나타내었다. 여기서는 동력 투입량에 대한 물질 전달의 의존도가 더 약하였다.

Claims (1)

  1. 액체의 기체 처리를 위한 장치에서 기체 교환을 위한 회전가능하게 탑재된 회전자의 용도.
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