KR20210099619A - 미생물 성장을 위한 바이오리액터 - Google Patents

미생물 성장을 위한 바이오리액터 Download PDF

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KR20210099619A
KR20210099619A KR1020217020586A KR20217020586A KR20210099619A KR 20210099619 A KR20210099619 A KR 20210099619A KR 1020217020586 A KR1020217020586 A KR 1020217020586A KR 20217020586 A KR20217020586 A KR 20217020586A KR 20210099619 A KR20210099619 A KR 20210099619A
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gas
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bioreactor
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유하-페카 피캐넨
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솔라 푸즈 오와이
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Abstract

미생물의 성장을 위한 바이오리액터(100)가 개시되며, 이것은 반응 챔버(102) 및, 상기 반응 챔버 내부에 배치된 드래프트 튜브(210)를 포함하고, 상기 드래프트 튜브는 적어도 하나의 가스 유입부(104, 106,108), 제 1 단부에 있는 반응 혼합물을 위한 유입부 및, 제 2 단부에 있는 반응 혼합물을 위한 유출부를 구비한다. 바이오리액터는 반응 챔버내에서 반응 혼합물의 유동(224)을 발생시키는 수단 및, 드래프트 튜브를 둘러싸는, 반응 챔버 내부에 배치된 적어도 제 1 블레이드 구조체(226A, 226B)를 포함한다.

Description

미생물 성장을 위한 바이오리액터
본 개시 내용은 전체적으로 바이오리액터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 미생물을 성장시키기 위한 바이오리액터에 관한 것이다.
미생물은 인간과 동물의 삶의 질을 지원하고 개선하는데 중요한 역할을 한다. 또한 미생물은 수많은 식품 및 제약 화합물의 생산을 지원하고, 생리적 과정을 돕고, 하수 및 폐수를 처리하고 여러 제조 및 연구 과정에서 정기적으로 사용된다. 따라서 통제된 물리적 및 화학적 환경에서 우수한 제조 관행을 준수하는 공정을 사용하여 성장한 미생물은 여러 분야에서 필요하다. 전형적으로, 미생물의 적절한 성장을 위해 이러한 통제된 환경을 보장하도록 바이오리액터가 사용된다.
일반적으로, 미생물은 바이오리액터에서의 적절한 성장을 위하여, 가스, 열, pH, 압력 및 영양소들의 혼합물과 같이, 최적으로 균형 잡힌 환경 조건들이 필요하다. 가스 발효와 같은 여러 공정에서, 미생물은 액체 상(liquid phase)에서 성장한다. 전형적으로, 이러한 액체는 주로 물과 영양소를 포함하며, 수소(H2), 산소 (O2) 및 이산화탄소(CO2)와 같은 가스가 더 제공된다. 그러나, 전술한 기체를 액체에 용해시키기 위해 상당한 양의 에너지가 사용된다. 더욱이, 가스의 일부는 용해되지 않은 채로 남을 수 있다. 차후에, 가스의 그러한 부분은 미생물에 의해 사용되지 않으므로, 가스 이용을 위한 에너지 효율은 부정적인 영향을 받는다.
전형적으로, 가스는 바이오리액터 저부로부터 바이오리액터에 포함된 액체로, 정해진 압력에 의해 펌핑된다. 차후에, 가스는 바이오리액터의 바닥으로부터 바이오리액터의 상부로 상승한다. 또한, 가스는 일반적으로 가스가 저부로부터 상부로 올라가는 시간에 미생물에 의해 사용된다. 따라서 기체가 저부로부터 상부로 올라가는 데 걸리는 시간과 미생물이 가스를 사용할 수 있는 확률 사이의 비례 관계 때문에, 기체가 저부로부터 상부로 상승하는데 걸리는 시간을 최대화할 필요성이 있다. 또한, 바이오리액터의 저부로 펌핑되는 가스는 액체 내부에 가스 포말을 형성한다. 차후에, 미생물이 가스 분자를 취할 수 있는 면적을 최대화하기 위하여, 가스 포말의 크기는 최소화해야한다.
통상적으로, 바이오리액터는 가스를 액체에 살포하기 위해 반응 챔버의 바닥에 구현된 가스 스파저(gas sparger)를 포함하고,이어서 Rushton 터빈 (즉, 방사형 유동 임펠러)을 사용하여 가스 포말을 파괴한다. 그러나, 바이오리액터에서 Rushton 터빈을 사용하면 반응 챔버내에 액체가 없는 구역(liquid free zone) (캐비테이션이라고도 함)이 형성되고 터빈의 에너지 효율이 감소할 수 있다. 또한, 액체에서 기체의 체류 시간을 증가시키기 위하여, U-튜브 구성과 같은 상이한 기하학적 배치가 사용된다. 상세하게는, U-튜브 구성에서, 액체는 펌프를 사용하여 대형의 U 자형 파이프를 통해 순환된다. 더욱이, U-튜브 구성은 액체의 혼합을 위한 정적 혼합기(static mixer)의 사용을 포함할 수 있다. 더욱이, 바이오리액터의 구현은 다양한 에어리프트 반응기(airlift reactor)의 설계를 포함할 수있다. 그러한 에어리프트 반응기 설계에서, 액체를 통해 상승하는 가스는 액체를 반응기의 라이저 섹션(riser section) 위로 움직인다; 그 후, 액체로부터 분리된 가스 및 가스 분말 없는 액체는 반응기의 하강 섹션(down comer section)을 통해 복귀한다. OKTOP®이라는 Outotec Oyj의 바이오리액터의 구현예에서, 드래프트 튜브 및 믹서 모터에 연결된 펌핑 교반기가 사용된다. 이러한 구현예에서, 액체는 드래프트 튜브의 펌핑 교반기를 사용하여 움직인다. 이러한 펌핑, 혼합 및 살포 시스템은 바이오리액터에서 액체 안의 가스의 적절한 혼합을 보장한다. 그러나, 이러한 시스템은 포유류 세포와 같이 느리게 성장하는 배양물의 성장만을 지원할 수 있지만, 집약적인(intensive) 미생물의 성장은 지원하지 않는다.
따라서, 전술한 설명에 비추어, 기존의 바이오리액터 설계와 관련된 단점을 극복 할 필요가 있다.
본 개시 내용은 미생물 성장을 위한 바이오리액터를 제공하기 위한 것이다. 본 발명은 바이오리액터 내부의 반응 혼합물에서 가스의 저 용해(low dissolution) 및 짧은 체류 시간에 대한 현존하는 문제의 해법을 제공하려고 한다. 본 개시 내용의 목적은 종래 기술에서 발생하는 문제를 적어도 부분적으로 극복하고, 미생물의 최적 성장을 위하여 반응 혼합물 안에서 가스의 더 오랜 체류 시간을 달성하는 바이오리액터의 효율적이고 강력한 디자인을 제공하는 해법을 제공하기 위한 것이다.
하나의 양상에서, 본 발명의 일 실시예는 미생물을 성장시키기 위한 바이오리액터를 제공하며, 이것은 반응 매체 및 미생물을 포함하는 반응 혼합물을 함유하는 반응 챔버를 구비하고, 상기 반응 챔버는 제 1 단부, 제 2 단부, 상기 제 1 단부에서의 내측 표면과 상기 제 2 단부에서의 내측 표면 사이의 거리에 의해 정의된 내측 높이(Hr) 및 내측 직경(Dr)을 포함하고,
반응 챔버 내측에 배치된 드래프트 튜브(draft tube)로서,
제 1 단부, 제 2 단부 및 상기 제 1 단부를 상기 제 2 단부에 연결하는 측벽,
Dr 보다 작은 내측 직경(Dd),
제 1 단부와 제 2 단부 사이의 거리에 의해 정의되고 Hr 보다 작은 높이(Hd),
적어도 하나의 가스 유입부,
드래프트 튜브의 제 1 단부에 있는 반응 혼합물을 위한 유입부 및,
드래프트 튜브의 제 2 단부에 있는 반응 혼합물을 위한 유출부를 가지는, 드래프트 튜브;
반응 챔버내에 반응 혼합물의 유동을 발생시키는 수단;
반응 챔버 내측에 배치되어 드래프트 튜브를 둘러싸고 복수개의 블레이들을 포함하는 적어도 제 1 블레이드 구조체로서, 상기 복수개의 블레이드들은,
반응 챔버의 높이에 의해 정해지는 방향에 대하여 20 도 내지 40 도의 각도(α1), 또는
반응 챔버의 높이에 의해 정해지는 방향에 대하여 320 도 내지 340 도의 각도(α2)중 적어도 하나로 배치되는, 적어도 하나의 제 1 블레이드 구조체;
반응 매체를 위한 적어도 하나의 유입부; 및,
성장한 미생물을 가진 매체를 회수하기 위한 적어도 하나의 유출부;를 포함한다.
본 개시 내용의 실시예는 종래 기술의 상기 언급된 문제들을 실질적으로 제거하거나 적어도 부분적으로 해결하고,액체의 결합(binding)을 위한 넓은 표면적으로 제공하는 작은 크기의 가스 포말 생성을 가능하게 함으로써, 반응 혼합물과 가스의 적절한 혼합을 보장한다.
본 개시의 추가적인 양상, 장점, 특징 및 목적은 첨부된 청구 범위와 관련하여 해석되는 예시적인 실시예의 도면 및 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
본 개시 내용의 특징은 첨부된 청구 범위에 의해 정의된 본 개시 내용의 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 조합으로 결합될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
위의 요약 및 예시적인 실시예에 대한 다음의 상세한 설명은 첨부된 도면과 함께 읽을 때 더 잘 이해된다. 본 개시를 예시하기 위해, 본 개시의 예시적인 구성은 도면들에 도시되어 있다. 그러나, 본 개시 내용은 여기에 개시된 특정 방법 및 수단에 제한되지 않는다. 더욱이, 당업자는 도면이 축척대로 도시되지 않음을 이해할 것이다. 가능한 한, 동일한 요소는 동일한 번호로 표시된다.
본 개시의 실시예들은 이제 다음의 도면을 참조하여 단지 하나의 예로서 설명될 것이다:
도 1 은 본 개시 내용의 실시예에 따른, 미생물 성장을 위한 바이오리액터의 개략도이다.
도 2 는 본 개시 내용의 실시예에 따른, 축 X-X 를 따른 바이오리액터의 횡단면도의 개략도이다.
도 3 은 본 발명의 실시예에 따른, 적어도 하나의 블레이드 구조체로 둘러싸인 드래프트 튜브의 개략도이다.
도 4 는 본 개시의 실시예에 따른, 제 1 블레이드 구조체 및 제 2 블레이드 구조체의 개략도이다.
도 5 는 본 개시 내용의 또 다른 실시예에 따른, 미생물 성장을 위한 바이오리액터의 예시적인 구현예의 개략도이다.
도 6 은 본 개시 내용의 실시예에 따른, Y-Y' 축을 따른 바이오리액터의 횡단면도에 대한 개략도이다.
도 7, 도 8A-B 및 도 9 는 본 개시 내용의 다양한 실시예에 따른 미생물 성장을 위한 바이오리액터의 다양한 예시적 구현예의 개략도이다.
첨부된 도면에서, 밑줄이 그어진 숫자가 위치하는 항목 또는 밑줄이 있는 숫자가 인접한 항목을 나타내도록, 밑줄이 그어진 숫자가 이용된다. 밑줄이 없는 숫자는 밑줄이 없는 숫자를 항목에 연결하는 선에 의해 식별되는 항목과 관련된다. 숫자에 밑줄이 없고 연관된 화살표가 첨부된 경우, 밑줄이 없는 숫자는 화살표가 가리키는 일반 항목을 식별하도록 사용된다.
다음의 상세한 설명은 본 개시의 실시예들 및 그것들이 구현될 수 있는 방법들을 예시한다. 본 개시를 수행하는 일부 모드가 개시되었지만, 당업자는 본 발명을 수행하거나 실시하기 위한 다른 실시예가 또한 가능하다는 것을 인식할 것이다.
하나의 양상에서, 본 발명의 일 실시예는 미생물을 성장시키기 위한 바이오리액터를 제공하며, 이것은 반응 매체 및 미생물을 포함하는 반응 혼합물을 함유하는 반응 챔버를 구비하고, 상기 반응 챔버는 제 1 단부, 제 2 단부, 상기 제 1 단부에서의 내측 표면과 상기 제 2 단부에서의 내측 표면 사이의 거리에 의해 정의된 내측 높이(Hr) 및 내측 직경(Dr)을 포함하고,
반응 챔버 내측에 배치된 드래프트 튜브(draft tube)로서,
제 1 단부, 제 2 단부 및 상기 제 1 단부를 상기 제 2 단부에 연결하는 측벽,
Dr 보다 작은 내측 직경(Dd),
제 1 단부와 제 2 단부 사이의 거리에 의해 정의되고 Hr 보다 작은 높이(Hd),
적어도 하나의 가스 유입부,
드래프트 튜브의 제 1 단부에 있는 반응 혼합물을 위한 유입부 및,
드래프트 튜브의 제 2 단부에 있는 반응 혼합물을 위한 유출부를 가지는, 드래프트 튜브;
반응 챔버내에 반응 혼합물의 유동을 발생시키는 수단;
반응 챔버 내측에 배치되어 드래프트 튜브를 둘러싸고 복수개의 블레이들을 포함하는 적어도 제 1 블레이드 구조체로서, 상기 복수개의 블레이드들은,
반응 챔버의 높이에 의해 정해지는 방향에 대하여 20 도 내지 40 도의 각도(α1), 또는
반응 챔버의 높이에 의해 정해지는 방향에 대하여 320 도 내지 340 도의 각도(α2)중 적어도 하나로 배치되는, 적어도 하나의 제 1 블레이드 구조체;
반응 매체를 위한 적어도 하나의 유입부; 및,
성장한 미생물을 가진 매체를 회수하기 위한 적어도 하나의 유출부;를 포함한다.
본 발명은 미생물 성장을 위한 상기의 바이오리액터를 제공한다. 미생물은 다양한 적용예를 가지는데, GMP (Good Manufacturing Practices)하에서 성장할 때, 식품, 제약, 화장품 등을 포함하는 적용예를 가진다. 바이오리액터는 미생물의 최적의 성장을 위해 미생물에 의한 가스와 영양소의 효율적인 사용을 보장한다. 본 발명의 바이오리액터는 액체상으로 제공된 가스 포말의 크기를 감소시키고 반응 혼합물의 유동을 발생시킴으로써 가스 및 액체에 대한 더 긴 체류 시간을 가능하게 하며, 상기 반응 혼합물은 바이오리액터의 반응 챔버에 걸쳐 고르게 되어 있는 액체, 영양소 및 미생물을 포함한다. 이와 관련하여, 바이오리액터는 적어도 하나의 블레이드 구조체를 포함하고, 바람직스럽게는 복수개의 블레이드 구조체를 채용하는데, 이것은 (몇개의 블레이드 구조체가 사용될 때) 바이오리액터내의 상이한 위치들에 배치되고, 큰 가스 포말을 파괴하고, 가스 포말을 반응 혼합물과 혼합하고, 반응 챔버 안에 반응 혼합물의 유동을 발생시키기 위한 것이다. 유익하게도, 블레이드 구조체는 반응 혼합물의 가스 및 액체 상의 효율적인 혼합을 위해 반응 혼합물을 시계 방향 및 시계 반대 방향인 서로 다른 방향으로 회전시키기 위해 바이오리액터의 높이에 대하여 각도를 가지고 배치된 복수의 블레이드를 포함한다. 더욱이, 유리하게는, 바이오리액터는 성장시 미생물의 효율적인 회수를 제공하여 성장하는 미생물을 위한 전체적인 에너지 효율적인 바이오리액터를 제공한다.
본 개시 내용 전체에 걸쳐, 용어 "바이오리액터"는 정의되고 제어된 물리적 및 화학적 조건 하에서, 세포 배양, 미생물 성장 및 이로부터 약학적인 이해 관계의 생체 분자의 생산을 위해 필요한 생물학적 및/또는 생화학적 반응을 위한 용기(vessel)를 지칭한다. 약학적 이해 관계의 생체 분자는 백신, 약물, 호르몬, 효소, 항체, 생물 약제, 플라스미드 DNA, 바이러스, 파지(phage), 단백질, 펩타이드 및 지질을 포함하는 그룹으로부터 선택되지만 이들에 제한되지는 않으며, 이들은 우수 의약품 제조 관리 기준(good manufacturing practice; GMP)하의 우수 제조 관리 기준을 준수하는 프로세스를 사용하여 성장된다. 바이오리액터는 예를 들어 실린더형, 원추형, 컵보이달(cuboidal) 또는 입방형(cubical) 같은 형태를 가질 수 있다. 또한, 바이오리액터의 체적은 그것의 용도에 따라 선택되며, 예를 들어 10 리터, 100 리터, 200 리터, 1000 리터, 5000 리터, 10000 리터, 20000 리터, 50000 리터, 100000 리터 또는 200000 리터가 될 수 있다. 바이오리액터는 바이오리액터의 내용물에 불활성인 물질로 제작 될 수 있다. 하나의 예에서, 제조에 사용되는 재료는 스테인리스 스틸(예를 들어, type 304, 316 또는 316L), 기타 적절한 금속 또는 합금, 유리 재료, 섬유, 세라믹, 플라스틱 재료 및/또는 이들의 조합일 수 있다. 더욱이, 제조 재료는 전형적으로 방수성이고, 미생물 농도(micro organism concentration), 바이오매스 생산, 교반력, 에어레이션 힘(aeration forces), 작동 압력, 온도등과 같은, 다양한 생물학적, 생화학적 및/또는 기계적인 프로세스의 마모 효과를 견딜 수 있을 정도로 강력하다.
본 명세서에서, 지칭된 부분이 한 쪽 단부 또는 양쪽 단부들을 가지고 있지 않는 한, 상세하게 설명되지 않을지라도 높이 및 직경은 내측 높이와 내측 직경을 각각 의미하며, 즉, 내측 높이는 외측 높이와 같다. 내측 높이는 내측에서 측정된 부분의 2 개 단부들 사이의 거리를 의미하고, 내측 직경은 측벽의 내측 표면들 사이의 거리이다. 실린더형이 아닌 부분을 사용하는 경우, 내경은 높이 방향에 직각인 가장 큰 치수를 나타낸다.
미생물 생육용 바이오리액터는 반응 매체와 미생물을 포함하는 반응 혼합물을 담기 위한 반응 챔버를 포함한다. 반응 챔버는 생물학적 및/또는 생화학적 반응이 수행되는, 바이오리액터 내부의 용기이다. 또한, 반응 챔버는 제 1 단부, 제 2 단부, 제 1 단부의 내측 표면과 제 2 단부의 내측 표면 사이의 거리에 의해 정의되는 내측 높이(Hr) 및 내측 직경(Dr)을 가진다. 일 실시예에 따르면, 반응 챔버는 제 1 단부, 즉 상부 표면 및 제 2 단부, 즉 저부 표면을 가지는 실린더 형상이다. 선택적으로, 반응 챔버의 내측 높이(Hr), 즉, 제 1 단부에 있는 내측 표면과 제 2 단부에 있는 내측 표면 사이의 거리는 200-550 밀리미터의 범위, 바람직하게는 300-500 밀리미터의 범위, 보다 바람직하게는 340-410 밀리미터의 범위에 있을 수 있다. 내부 높이 (Hr)는 예를 들어 200, 210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280, 290, 300, 310, 320, 330, 340, 350, 360, 370, 380, 390, 400, 410 또는 420 mm에서 최대 240, 250, 260, 270, 280, 290, 300, 310, 320, 330, 340, 350, 360, 370, 380, 390, 400, 410, 420, 430, 440, 450 , 460, 470, 480, 490, 500, 510, 520, 530, 540 또는 550 mm 일 수 있다. 선택적으로, 반응 형의 내측 직경 (Dr), 즉, 측벽의 내측 표면들 사이의 거리는 120 내지 350 밀리미터의 범위 일 수 있고, 바람직하게는 170 내지 300 밀리미터의 범위 일 수 있고, 더하게는 220 내지 260 밀리미터의 범위에 있을 수있다. 따라서 내측 직경(Dr)은 예를 들어 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180, 190, 200, 210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280, 290 또는 300 mm 로부터 최대 140, 150, 160, 170, 180, 190, 200, 210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280, 290, 300, 310, 320, 330, 340 또는 350 mm 일 수 있다. 더 큰 반응 챔버에 대하여, 치수는 당연이 비례하여 증가한다.
본 명세서 전체에 걸쳐 "반응 혼합물"이라는 용어는 미생물의 성장을 위해 사용되는 반응 챔버 내부의 성분을 지칭한다. 반응 혼합물은 반응 매체과 미생물을 포함한다. 반응 매체는 영양소가 있거나 없는 액상을 포함하며 미생물의 영양소 및 성장 매체로서의 역할을 한다. 액체 상(liquid phase)은, 물, 예를 들어 역삼투압 또는 증류를 이용하여 정수된 물, 해수, 염분이 섞인 물(brackish water), 유제품에서 유출된 물, 염분을 함유한 매체(saline media) 및/또는 이들의 조합과 같은 재생 과정의 물을 포함하는 그룹으로부터 선택될 수 있다. 액체 상은 탄소, 마그네슘, 칼륨, 인, 황, 철, 아연, 망간, 질소 (예를 들어, (용해성, 불용성 또는 가수 분해된) 암모니아, 요소, 질산염, 아질산염, 아미노산, 단백질의 형태의) 질소, 동물 부산물, 유제품 폐기물, 효모, 지방산, 알코올, 다당류, 미네랄, 비타민, 성장 인자, 산, 염기, 항생제, 소포제, 계면 활성제 등을 포함하는, 첨가된 영양제를 포함할 수 있다.
반응 혼합물은 최적의 성장 조건 하에서 더 많은 미생물을 생성하기 위한 출발 물질로서 작용하는 미생물의 접종물(inoculum)을 포함하는 것이 이해될 것이다. 본 명세서 전체에서 "미생물"이라는 용어는 조류, 박테리아, 시아노박테리아, 효모, 진균, 고세균 등을 지칭한다. 바이오리액터는 미생물의 성장에 필요한 정의되고 제어된 생리학적 조건을 제공한다. 더욱이, 바이오리액터는 식물 세포, 균류(fungus), 하이브리도마 세포주(hybridoma cell lines) 등을 포함하는 진핵 세포를 배양하는데 사용될 수 있다. 처음에, 바이오리액터는 무균적으로 유지된 미생물 배양물로부터의 접종물의 체적으로써 시드(seed)된다. 미생물은, 이후의 사용을 위하여 차후에 수확되도록, 미생물 성장의 부산물 또는 바이오 매스와 관련된 최적의 성장을 달성하는 시간 기간 동안 환경에서 성장할 수 있다. 선택적으로 반응 챔버의 반응 혼합물은 반응 챔버 부피의 0.5 내지 20 % 범위에 있다. 선택적으로, 반응 혼합물은 무균 조건 하의 멸균 셰이크 플라스크(sterile shake flask)에서와 같이, 바이오리액터 외부에서 준비되고, 다음에 무균 조건 하의 반응 챔버로 전달된다.
바이오리액터는 반응 챔버 내부에 배치된 드래프트 튜브(draft tube)를 포함한다. 본 명세서에서 사용되는 "드래프트 튜브"는 액체 상(liquid phase)의 채널(channel)을 형성하기 위하여 반응 챔버 내부에 설치된 도관을 의미한다. 또한 드래프트 튜브는 액체 상의 순환을 개선하고 기포 유착(bubble coalescence)을 줄이며, 반응 챔버 전체에서 액체 상의 가스 혼합 효율을 증가시킨다. 드래프트 튜브에는 제 1 단부, 제 2 단부 및, 제 1 단부를 제 2 단부에 연결하는 측벽을 가진다. 제 1 단부는 드래프트 튜브의 상단 또는 상부 단부에 관련되고, 제 2 단부는 드래프트 튜브의 저부 단부에 관련되고, 측벽은 드래프트 튜브의 제 1 단부를 드래프트 튜브의 제 2 단부에 연결한다. 바람직하게, 드래프트 튜브의 제 1 단부 및 제 2 단부는 개방되어, 드래프트 튜브의 중공 실린더 형상을 제공한다. 선택적으로, 드래프트 튜브는 스테인리스 스틸(예를 들어, 304, 316 또는 316L 유형), 다른 적절한 금속 또는 합금, 유리 재료, 섬유, 세라믹, 플라스틱 재료 및/또는 이들의 조합으로 제작될 수 있다. 더욱이, 제조 재료는 전형적으로 방수성이고, 미생물 농도, 바이오 매스 생산, 압력, 교반력, 에어레이션의 힘(aeration forces), 온도 등과 같은 다양한 생물학적, 생화학적 및/또는 기계적 프로세스의 마모 효과를 견딜 정도로 충분히 강하다.
드래프트 튜브는 내측 직경 (Dd)을 가지며, 여기서 Dd는 Dr보다 작으며, 높이 (Hd)는 제 1 단부와 제 2 단부 사이의 거리로 정의되며, 여기서 Hd는 Hr보다 작다. 드래프트 튜브는 반응 챔버 내에 둘러싸여 있기 때문에, 드래프트 튜브의 내측 직경(Dd) 및 높이(Hd)는 반응 챔버의 내측 직경(Dr) 및 내측 높이(Hr)보다 작다는 것을 알 수 있다. 선택적으로, 드래프트 튜브의 내측 직경(Dd)는 50 내지 250 밀리미터의 범위, 바람직하게는 70 내지 180 밀리미터의 범위, 더 바람직하게는 90 내지 130 밀리미터의 범위에 있을 수 있다. 따라서 내측 직경(Dr)은 예를 들어 50, 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180, 190 또는 200 mm 로부터 최대 80, 90, 100, 110, 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180, 190, 200, 210, 220, 230, 240 또는 250 mm 까지일 수 있다. 더 큰 반응 챔버의 경우 치수는 그에 따라 증가한다.
일 실시 예에 따르면, 드래프트 튜브의 높이 (Hd)는 150 내지 400 밀리미터, 선택적으로 200 내지 350 밀리미터, 더 선택적으로 250 내지 300 밀리미터의 범위에 있을 수 있다. 예를 들어, 드래프트 튜브의 높이(Hd)는 150, 160, 170, 180, 190200, 210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280, 290, 300, 310, 320, 330, 340, 350, 360 또는 370mm 로부터, 최대 180, 190, 200, 210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280, 290, 300, 310, 320, 330, 340, 350, 360, 370, 380, 390 또는 400 mm 까지일 수 있다. 다시, 더 큰 반응 챔버에 대하여, 이러한 치수는 그에 따라 스케일이 커진다.
일 실시예에 따르면, 드래프트 튜브의 내측 직경(Dd)는 111mm 이고, 반응 챔버의 내측 직경(Dr)은 240mm이며, 따라서 드래프트 튜브의 단면적은 반응 챔버의 단면적의 21 % 이다. 이러한 비율은 예를 들어 15 내지 50 % 일 수 있다. 드래프트 튜브의 높이(Hd)는 275mm이고, 반응 챔버의 액체 높이는 350mm 이다. 이러한 경우에, 액체 레벨은 대략적으로 드래프트 튜브 위의 높이에 위치하며, 이 높이는 드래프트 튜브 반경의 절반(약 27mm)이고, 드래프트 튜브 아래의 유격(clearance)은 드래프트 튜브 반경의 약 75 % 이다.
드래프트 튜브는 적어도 하나의 가스 유입부를 더 포함한다. 선택적으로, 가스는 압력 하에서 가스를 저장하는 가스 공급원으로부터 적어도 하나의 가스 유입부로 유동한다. 가스는 공기, 산소, 이산화탄소, 일산화탄소, 질소, 수소, 불활성 가스, 질소 산화물, 메탄 등일 수 있다. 더 선택적으로, 가스는 압축된 상태로 사용될 수 있고 반응 혼합물에 살포될 수 있다. 더욱이, 적어도 하나의 가스 유입부로의 가스 흐름 속도는 바람직하게는 당업계에 공지된 콘트롤러 장치에 의해 제어된다. 콘트롤러 장치는 적어도 하나의 가스 유입부 및, 차후의 드래프트 튜브로의 원하는 가스 유동 속도를 달성하기 위해 가스 유동 속도를 조절한다. 선택적으로 가스의 유량은 0.1 내지 2 volume/minute 범위일 수 있다. 선택적으로, 적어도 하나의 가스 유입부는 드래프트 튜브의 측벽에 제공된다. 적어도 하나의 가스 유입부는 적어도 하나의 가스 유입부에 대응하는 적어도 하나의 연결 개구를 통해 드래프트 튜브의 내부로 가스를 공급한다. 상세하게는, 적어도 하나의 가스 입구의 단부들은 개방되고 각각 커넥터를 통해 드래프트 튜브에 있는 개별의 연결 개구에 연결된다. 일 실시예에서, 반응 혼합물의 유량은 0.1 내지 2 volume/minute 범위일 수 있다. 예를 들어, 만약 바이오리액터에 있는 반응 혼합물의 체적이 15 리터이면, 유량은 15 liter/minute 일 수 있다. 이것은 드래프트 튜브 내부에서 2.5cm/s의 유속으로 이어진다.
선택적으로, 적어도 하나의 가스 유입부는 가스 기포를 발생시키는 다수의 개구를 포함하는 노즐을 포함한다. 예를 들어 스파저(sparger)와 같은 노즐은 적어도 하나의 가스 유입부의 단부에서 돌출부 역할을 하며, 적어도 하나의 가스를 가스 기포로서 액체내에 분산시키기 위해 작은 구멍과 같은 다수의 개구를 포함한다. 상세하게는, 적어도 하나의 가스는 내부의 연결 개구를 통해 드래프트 튜브의 하부 부분, 즉 드래프트 튜브의 제 1 단부와 제 2 단부 사이의 영역에 살포된다. 노즐의 다수의 개구부를 통해 살포된 가스는 작고 큰 포말(bubble)들의 조합을 생성한다. 노즐에 있는 개구들 직경은 예를 들어 0.5-200 ㎛, 바람직하게는 1-30 ㎛, 더 바람직하게는 3-10 ㎛ 일 수 있다. 일 실시예에서, 가스 기포의 형상은 튜브형, 구형, 반구형, 타원형, 반 타원형 및/또는 이들의 조합 중 임의의 것일 수 있다. 직경은 예를 들어 0.5, 1, 2, 3, 5, 7, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 100, 105, 110, 115, 120, 125 또는 130 μm 로부터 최대 1, 2, 3, 5, 7, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55 , 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 100, 105, 110, 115, 120, 125, 130, 135, 140, 145, 150, 155, 160, 165, 170, 175, 180 , 185, 190, 195 또는 200 μm일 수 있다. .
본 명세서 전체에서 "살포하다", "살포된" 또는 "살포하는"은 스파저(sparger) (또는 디퓨저 또는 노즐)를 사용하여 가스를 액체 상으로 주입하는 과정을 지칭한다. 살포는 발효, 오존화(ozonation), 산화, 수소화 등과 같은 응용 분야에서 추가 반응을 위해, 에어레이션(aeration)및 탄산화(carbonation)에서와 같이, 액체 안으로 가스를 용해시키는 데 사용할 수 있다. 대안으로서, 살포는 스트리핑 적용예(stripping applicaton)에서와 같이 액체 상으로부터의 오염물을 제거하기 위해 사용될 수 있다. 일반적으로 스파저는 다양한 유형, 크기, 구성 및 제조 재료들을 사용하여 제조된다. 스파저(sparger)는 스테인리스 강, 다른 적절한 금속 또는 합금, 유리 재료, 섬유, 세라믹, 플라스틱 재료 및/또는 이들의 조합의 그룹으로부터 선택된 상이한 재료들로부터 제작될 수 있다. 또한, 스파저의 선택은 배양 공정의 유형에 의해 더 지배되는데, 즉, 연속 또는 배치(batch), 가스 흐름 속도, 반응 챔버의 체적, 교반력(agitation forces), 에어레이션의 힘(aeration forces), 작동 압력, 온도 등과 같은 다양한 생물학적, 생화학적 및/또는 기계적 프로세스의 연마 효과에 의해 더 지배된다.
선택적으로, 드래프트 튜브는 적어도 2 개의 가스 유입부를 포함하며, 이것은 더 선택적으로는 드래프트 튜브의 측벽에 제공된다. 적어도 2 개의 가스 입구는 산소, 이산화탄소, 일산화탄소, 질소, 수소, 불활성 가스, 질소 산화물, 메탄 등의 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 가스 각각을 공급하도록 제공될 수 있다. 일 예에서, 제 1 가스 유입부는 예를 들어 수소와 같은 제 1 가스를 공급하고, 제 2 가스 유입부는 예를 들어 산소와 같은 제 2 가스를 공급한다. 대안으로서, 가스 혼합물은 적어도 2 개의 가스 유입부중 하나 또는 양쪽 모두를 통해 공급될 수 있다. 선택적으로, 2 개의 가스 유입구는 드래프트 튜브의 제 1 단부로부터 동일한 거리에서 직경상으로 대향되게 배치된다. 드래프트 튜브의 제 1 단부로부터의 직경상 대향하는 배치 및 동일한 거리는 드래프트 튜브의 전체 단면에 걸쳐 가스 기포의 균일한 분포를 보장한다는 점이 이해될 것이다. 상세하게는, 두 개의 가스 유입구의 돌출부는 드래프트 튜브의 측벽에 있는 두 개의 개구부 각각에서 드래프트 튜브 내부의 액체 상으로 해당 가스를 분사하고, 동시에 드래프트 내부에 있는 가스 포말의 상방향 유동을 생성한다. 더욱이, 드래프트 튜브의 제 1 단부로부터의 동일한 거리는, 그 안에 살포된 가스의 오직 제 1 유형만으로 액체 상의 범위가 포화되게 두지 않으면서, 적어도 2 개의 가스의 동등한 혼합을 보장한다.
선택적으로, 드래프트 튜브는 적어도 3 개의 가스 유입부들을 포함하는데, 이것은 다시 선택적으로 드래프트 튜브의 측벽상에 제공되고, 드래프트 튜브의 제 1 단부로부터 동일 거리에서 원주상으로 등간격으로 배치된다. 적어도 3 개의 가스 유입부는 산소, 이산화탄소, 일산화탄소, 질소, 수소, 불활성 가스, 질소 산화물, 메탄 등의 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 가스 각각을 공급하기 위해 제공될 수 있다. 일 예에서, 제 1 가스 유입부는 예를 들어 수소와 같은 제 1 가스를 공급하고, 제 2 가스 유입부는 예를 들어 산소와 같은 제 2 가스를 공급하고, 제 3 가스 유입부는 예를 들어 이산화탄소와 같은 제 3 가스를 공급한다. 대안으로서, 가스들의 혼합물은 적어도 하나의 가스 유입부중 전부 또는 그 어느 것을 통해서도 공급될 수 있다. 선택적으로, 3 개의 가스 유입부는 원주 방향으로 등간격으로 그리고 드래프트 튜브의 제 1 단부로부터 동일한 거리에 배치된다. 원주 방향으로의 등간격 배치 및 드래프트 튜브의 제 1 단부로부터의 동일한 거리는 드래프트 튜브의 전체 단면에 걸쳐 가스 기포의 균일한 분포를 보장한다는 점을 이해할 수 있다. 상세하게는, 적어도 3 개의 가스 유입구의 돌출부는 드래프트 튜브의 측벽에 있는 3 개의 개구들 각각으로부터 드래프트 튜브 내부의 액체 상으로 상응하는 가스를 살포하고, 동시에 드래프트 튜브 안에서 가스 기포의 상방향 유동을 생성한다. 더욱이, 드래프트 튜브의 제 1 단부로부터의 동일한 거리는 적어도 3 가지 개스들의 동등한 혼합을 보장하는데, 이것은 그 안에 살포된 제 1 유형의 개스만으로 액체 상의 범위가 포화되지 않게 하면서 이루어진다.
대안으로서, 적어도 하나의 가스 유입부는 드래프트 튜브의 제 1 단부에 인접하여 제공될 수 있다. 그러한 경우에, 적어도 하나의 가스 유입부는 가스를 드래프트 튜브 내부로 공급하여 적어도 하나의 개구를 통하여 드래프트 튜브 안으로 지나가게 한다.
드래프트 튜브는 제 1 단부에 반응 혼합물을 위한 유입부를 더 포함한다. 미생물은 성장을 위하여 반응 혼합물과 공기(또는 가스)를 필요로 하며, 예를 들어 이산화 탄소를 생성하도록 산소를 필요로 한다는 점이 이해된다. 따라서, 바이오 리액터는 반응 챔버 안의 조절된 액체 유동 및 적어도 하나의 가스와, 반응 챔버로부터의 사용된 반응 혼합물 및 과잉의 가스들의 유출을 보장하도록 설계된다. 더욱이, 바이오리액터는 반응 혼합물의 적절한 혼합, 즉, 반응 혼합물에서의 적어도 하나의 가스와 액체 상의 혼합을 보장하도록 설계된다. 또한, 반응 혼합물에 가스를 주입하면 기체 포말과 반응 혼합물의 액체 상이 혼합되는 결과를 가져온다 (이하 "기체-액체 혼합물"이라 칭함). 선택적으로, 반응 혼합물은 반응 혼합물의 새로운 공급원으로부터 드래프트 튜브상의 제 1 단부에 있는 반응 혼합물을 위한 유입부로 유동하는데, 상기 새로운 공급원은 선택적으로는 바이오리액터의 외측에 배치되고, 반응 혼합물을 저장한다. 대안으로서, 반응 혼합물은 순환을 통해 반응 챔버의 반응 혼합물로부터 드래프트 튜브상의 제 1 단부에 있는 반응 혼합물을 위한 유입부로 유동한다.
선택적으로, 드래프트 튜브는 드래프트 튜브 내측에 배치된 반응 혼합물을 혼합하기 위한 임펠러를 더 포함한다. 본원에서 사용되는 용어 "임펠러"는 블레이드의 회전에 의해 반응 혼합물의 액체 상을 움직이기 위한 회전 장치를 지칭한다. 상세하게는, 임펠러는 회전 중심으로부터 외측으로 액체 상의 압력과 유동을 증가시킴으로써, 드래프트 튜브에서 가스와 혼합하는 반응 혼합물의 액체 상의 효율을 증가시킨다. 선택적으로, 임펠러는 적어도 하나의 가스 유입부에서보다 드래프트 튜브의 제 1 단부에 더 가깝게 배치된다. 임펠러는 드래프트 튜브의 제 1 단부에 더 가깝게 배치되어 반응 혼합물의 일부를 수용하고, 드래프트 튜브로부터의 반응 혼합물이 반응 챔버로 유동하여 그 안의 반응 혼합물과 혼합되기 전에 액체 상에서 가스의 적절한 혼합을 보장한다는 점이 이해된다. 또한, 임펠러는 반응 혼합물이 정해진 방향으로 유동하게 하며, 즉, 드래프트 튜브 내부에서 아래쪽으로, 그리고 드래프트 튜브 외부에서 위쪽으로 유동하게 하며, 특히 드래프트 튜브의 측벽과 반응 챔버의 벽 사이로 흐르도록 배치되어, 반응 혼합물과 가스의 적절한 혼합을 보장한다. 더욱이, 반응 혼합물의 적절한 혼합은 바이오 리액터 혼합 시스템과 가스 주입 시스템 (예 : 살포 시스템)의 조합에 의해 보장된다. 임펠러의 회전 속도는 예를 들어 100 내지 1000 rpm 일 수 있고, 400 내지 600 rpm 일 수 있다. 선택적으로 임펠러는 임펠러를 회전시키는 엔진과 함께 배치된다. 일 실시예에서, 풀리는 임펠러의 교반 축(agitation axle)의 (반응 챔버 외측의) 매달린 단부에 배치된다. 또한, 풀리는 임펠러에 회전 운동을 제공하기 위해 벨트 구동부에 의해 엔진의 모터 샤프트에 결합된다. 더욱이, 엔진의 모터 샤프트는 구동부로서 작용하고, 임펠러의 교반 축은 피구동부로서의 작용한다. 벨트 구동부는 고효율(90 % 초과)로 동력을 전달한다는 것이 이해될 것이다.
임펠러가 전형적으로 드래프트 튜브의 제 1 단부에 더 가깝게 배치되기 때문에, 부착을 위해 반응 혼합물의 액체 상에 대해 더 많은 표면적을 제공하는 더 작은 가스 포말은 드래프트 튜브의 제 2 단부를 향하여 아래로 이동한다는 점이 이해된다. 또한, 더 큰 가스 포말은 더 작은 가스 포말에 비해 더 부력이 있으므로 드래프트 튜브 안에서 상승하는 경향이 있다. 그러나, 더 큰 가스 포말은 반응 혼합물의 효율적인 혼합을 위해 임펠러에 의해 더 작은 가스 포말로 나뉘어진다.
드래프트 튜브는 제 2 단부에 반응 혼합물을 위한 유출부를 더 포함한다. 드래프트 튜브는 드래프트 튜브로부터 반응 챔버로의 반응 혼합물의 유동을 조절하고 반응 챔버 전체에서 전단력과 압력의 균형을 맞춘다. 특히, 기체-액체 혼합물은 드래프트 튜브의 제 2 단부를 향해 그리고 반응 챔버에 있는 반응 혼합물의 나머지와의 추가적인 혼합을 위해 반응 챔버로 움직인다. 상세하게는, 드래프트 튜브의 제 2 단부에 있는 반응 혼합물의 유출부는 반응 챔버에 있는 반응 혼합물에 대한 가스-액체 혼합물의 공급을 가능하게 한다. 또한, 드래프트 튜브가 반응 챔버의 반응 혼합물의 일부를 둘러싸고 캐비테이션을 방지하기 때문에, 드래프트 튜브의 높이(Hd)는 캐비테이션을 방지하는데 중요한 역할을 한다.
바이오리액터는 반응 매체를 위한 적어도 하나의 유입부를 포함한다. 미생물은 성장을 위해 반응 혼합물을 사용한다는 점을 이해할 수 있다. 따라서, 바이오 리액터는 반응 챔버 안의 조절된 액체 유동 및 적어도 하나의 가스와, 반응 챔버로부터의 사용된 반응 혼합물 및 과잉의 가스들의 유출을 보장하도록 설계된다. 특히, 반응 매질은 반응 매질의 공급원으로부터 반응 매질을 위한 적어도 하나의 입구로 공급된다. 반응 매체를 위한 적어도 하나의 유입부는 영양소가 있거나 없는 멸균 액체 상을 포함하는 새로운 반응 매체를 반응 챔버에 제공한다. 일 예에서, 반응 매질은 Luria Broth 매체일 수 있다. 지연 단계(lag phase) (즉, 미생물의 성장 단계)에서, 반응 챔버는 반응 혼합물로부터의 영양분 및 가스와 관련하여 대부분의 에너지를 사용하는 미생물로 포화되고, 바이오리액터의 작동 비용을 증가시키면서 바이오리액터의 효율성을 낮춘다. 따라서 바이오리액터의 작동을 복구하려면 성장한 미생물의 제거가 필요하다.
바이오리액터는 성장한 미생물이 있는 매체를 회수하기 위한 적어도 하나의 유출부를 포함한다. 선택적으로, 일단 미생물 배양이 최적의 성장을 달성하면, 미생물을 반응 챔버로부터 수확할 수 있다. 선택적으로, 성장된 미생물을 회수하기 위한 하나 이상의 유출부는 반응 챔버의 제 1 단부, 즉 반응 챔버의 상부에 배치된다. 미생물 성장은 반응 혼합물에 비해 가볍기 때문에, 성장한 미생물의 층은 반응 혼합물의 표면에서 수확될 수 있다. 특히, 반응 혼합물 표면 위의 반응 챔버의 나머지 체적에는 과잉 가스로 채워진다. 이와 관련하여, 성장된 미생물이 있는 매체를 회수하기 위한 적어도 하나의 유출부는 반응기 챔버로부터 성장된 미생물을 가진 매체를 회수하는데 사용된다. 더욱이, 성장된 미생물을 가진 매체를 회수하기 위한 적어도 하나의 유출부는 또한 벤팅(venting)에 의하여, 반응 챔버로부터 과잉 가스를 제거하기 위해 사용될 수 있다.
바이오리액터는 드래프트 튜브를 둘러싸는 반응 챔버 내측에 배치된 적어도 하나의 블레이드 구조체를 더 포함하고, 여기서 적어도 하나의 블레이드 구조체는 반응 챔버의 높이에 의해 정의되는 방향에 대한 각도(α1) 또는 반응 챔버의 높이에 의해 정의되는 방향에 대한 각도(α2)중 적어도 하나로 배치된 복수개의 블레이드를 포함하고, 상기 각도 α1은 20 내지 40 도이고, 상기 각도 α2는 320 내지 340 도 이다. 이것은 또한 제 1 블레이드 구조체로 호칭된다.
일 실시예에 따르면, 바이오리액터는 드래프트 튜브를 둘러싸는 반응 챔버 내측에 배치된 제 2 블레이드 구조체를 더 포함한다. 제 2 블레이드 구조체는 제 1 블레이드 구조체로부터 거리 L1에 배치된다. 이 경우, 제 1 블레이드 구조체는 반응 챔버의 높이에 의해 정의된 방향에 대해 각도 α1로 배치된 복수의 블레이드를 포함하고, 상기 각도 α1은 20 내지 40 도이고, 제 2 블레이드 구조체는 반응 챔버의 높이에 의해 정의된 방향에 대해 각도 α2로 배치된 복수의 블레이드를 포함하고, 상기 각도 α2는 320 내지 340도 이다. (상기 뿐만 아니라) 다음 설명에서, "하나의 블레이드 구조체"가 언급된 경우, 설명은 제 1 및 제 2 블레이드 구조체 모두에 대해 유효하다. 더욱이, 바이오리액터는 특히 크기가 큰 경우 반응 챔버 내부에 배열되고 드래프트 튜브를 둘러싸는 추가 블레이드 구조 (3, 4, 5 등)를 포함할 수 있다. 가장 바람직하게는 블레이드 구조체의 블레이드 각도는, 반응 챔버 내에서 반응 혼합물의 이동을 증가시키기 위하여, 2 개의 연속적인 블레이드 구조체들의 각도가 상이하도록 되어있다.
더욱이, 그러한 경우에 제 1, 제 2 및 추가 블레이드 구조체는 동일하거나 또는 상이한 거리에 배치될 수 있다. 선택적으로, 제 1 블레이드 구조체와 제 2 블레이드 구조체 사이의 거리 L1 은 반응 챔버의 내부 높이 Hr 의 약 5 내지 25 % 일 수 있다. 2 개의 블레이드 구조체 사이의 다른 거리에 대해서도 동일한 것이 독립적으로 적용된다. 예를 들어, 거리는 반응 챔버 내측 높이 Hr 의 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 15, 17 또는 20 % 로부터 최대 6, 7, 8, 9, 10, 12, 15, 17, 20, 22 또는 25 % 일 수 있다. 하나 이상의 블레이드 구조체가 사용되는 경우, 이들은 전형적으로 서로 거리를 두고 배치되는데, 여기서 블레이드 구조체들의 2 개 세트 사이의 거리는 동일하거나 다를 수 있다.
각도 α1은 예를 들어 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32 또는 34 도로부터 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38 또는 40 도까지 일 수 있다. 각도 α2는 예를 들어 320, 322, 324, 326, 328, 330, 332 또는 334 도로부터 최대 또는 322, 324, 326, 328, 330, 332, 334, 336, 338 또는 340 도일 수 있다. 상이한 블레이드 구조체의 각도들은 동일하거나 상이할 수 있다.
적어도 하나의 블레이드 구조체는 드래프트 튜브 또는 반응 챔버의 높이 방향에 직각으로 배열된다. 더욱이, 드래프트 튜브를 둘러싸는 적어도 하나의 블레이드 구조체는 반응 챔버 내부에 드래프트 튜브의 설치를 지원하며, 여기서 적어도 하나의 블레이드 구조체의 외측 원주는 반응 챔버의 측벽에 부착되고 내측 원주는 대응하는 평행한 장소에서 드래프트 튜브의 측벽에 고정된다. 또한, 드래프트 튜브를 둘러싸는 적어도 하나의 블레이드 구조체는 드래프트 튜브의 제 2 단부에서 반응 혼합물을 위한 유출부로부터 기체-액체 혼합물을 수용한다. 드래프트 튜브를 둘러싸는 적어도 하나의 블레이드 구조체는 기체 액체 혼합물의 체류 시간을 더 길게 할 수 있으며, 미생물이 성장하는데 사용할 수 있는 더 높은 가스 농도를 제공한다.
적어도 하나의 블레이드 구조체는 복수의 블레이드를 포함한다. 복수개의 블레이드는 적어도 하나의 블레이드 구조체의 지지 장치상에 배치될 수 있다. 적어도 하나의 블레이드 구조체의 지지 장치는, (적어도 하나의 블레이드 구조체가 드래프트 튜브의 높이 방향에 직각으로 배치되므로) 반응 챔버의 내측 높이에 의해 또는 드래프트 튜브의 높이에 의해 정의된 방향에 대하여 그리고/또는 적어도 하나의 블레이드 구조체 각각에 대하여 각도 α로 배치된 복수의 개구를 가진다. 더욱이, 복수의 개구는 지지 장치 상에 배치된 복수의 블레이드에 대응하고, 복수의 블레이드가 개구안에 고정될 수 있게 한다. 대안으로서, 복수의 블레이드는 용접과 같이 당업계에 공지된 임의의 다른 방법에 의해 지지 장치 상에 배치될 수 있다.
복수의 블레이드는 반응 챔버의 높이에 의해 정의된 방향에 대하여, 각도 α1 으로 배치되며, 상기 각도 α1 은 20 도 내지 40 도이다. 예를 들어, 각도 α1은 20˚, 25˚, 30˚ 또는 35˚로부터 25˚, 30˚, 35˚ 또는 40˚ 까지 일 수 있다. 대안으로서, 복수의 블레이드는 반응 챔버의 높이에 의해 정의된 방향에 대해 각도 α2로 배치되며, 각도 α2는 320도 내지 340도로 배치된다. 예를 들어, 각도 α2는 320˚, 325˚, 330˚ 또는 335˚로부터 최대 325˚, 330˚, 335˚ 또는 340˚까지일 수 있다. 일 예에서, 적어도 하나의 블레이드 구조체의 블레이드는 반응 챔버의 높이에 의해 정의된 방향에 대하여 30˚ 또는 330˚ 각도로 배치된다. 만약 각도 α1 또는 α2가 0˚이면 블레이드는 반응 혼합물의 방향을 변경하지 않고, 만약 각도 α1 또는 α2가 90˚이면 블레이드는 반응 혼합물의 움직임을 금지하며, 따라서, 각도 α1 및 α2는 각각 20˚ 내지 40˚ 및 320˚ 내지 340˚이며, 반응 챔버 전체에 걸쳐 반응 혼합물의 효율적인 흐름을 제공하고 반응 혼합물이 방향을 변경하도록 강제한다.
특히, 블레이드의 각도는 임펠러의 속도에 따르며, 블레이드의 각도는 임펠러의 속도에 비례한다. 일 예에서, 만약 임펠러가 저속으로 회전하면 블레이드의 각도는 낮아야 하고, 예를 들어 만약 임펠러의 속도가 100m/s이면 블레이드의 각도는 20 도일 수 있어서, 블레이드를 손상시키거나 어떠한 방해도 없이 반응 혼합물이 블레이드를 통과할 수 있게 한다. 다른 예에서, 만약 임펠러의 속도가 초당 500 미터 (m/s) 라면, 블레이드의 각도는 반응 혼합물이 블레이드를 통과할 수 있도록 40˚가 될 수 있어서 반응 혼합물과 가스의 적절한 혼합을 일으키는 증가된 체류 시간을 가지면서 반응 혼합물은 블레이드를 통과할 수 있다. 본원에서 사용된 용어인 "체류 시간"은 물질이 바이오리액터에서 소비되는 시간을 의미한다. 일 예에서, 기체 액체 혼합물에서 가스 포말의 체류 시간은 10 내지 30 분 범위일 수 있다. 더 작은 가스 포말은 큰 가스 포말에 비해 더 큰 표면적을 가지며 따라서 더 긴 체류 시간을 가진다는 것이 이해된다. 예를 들어, 직경 2mm의 가스 포말은 체류 시간이 20 분이고, 직경이 1mm 인 가스 포말은 30 분의 더 긴 체류 시간을 가진다.
선택적으로, 적어도 하나의 블레이드 구조체는 30 내지 60 개의 블레이드를 포함한다. 예를 들어, 적어도 하나의 블레이드 구조체에서 블레이드의 수는 30, 35, 40, 45 또는 55 개의 블레이드로부터 최대 35, 40, 45, 50, 55 또는 60 개의 블레이드일 수 있다. 만약 몇 개의 블레이드 구조체가 사용된다면, 동일한 수 또는 상이한 수의 블레이드를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 2 블레이드 구조체의 블레이드 수는 30, 35, 40, 45 또는 55 개의 블레이드로부터 최대 35, 40, 45, 50, 55 또는 60 개의 블레이드일 수 있다. 더욱이, 적어도 하나의 블레이드 구조체의 각각의 블레이드는 드래프트 튜브 및/또는 반응 챔버의 높이에 의해 정의된 방향에 대해 동등한 각도로 기울어져 있으며, 따라서 적어도 하나의 블레이드 구조체에 걸쳐서 기체 액체 혼합물의 균일한 분포를 가져온다. 또한, 적어도 하나의 블레이드 구조체는 3 개의 부품으로 제조될 수 있으며, 각각의 부품은 고정된 수의 블레이드를 포함한다. 선택적으로 각각의 부품은 10 내지 20 개의 블레이드로 구성된다. 예를 들어, 적어도 하나의 블레이드 구조체의 각각의 부분은 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 또는 19 개의 블레이드로부터 최대 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 또는 20 개 까지의 블레이드를 포함할 수 있다. 다시, 하나 보다 많은 블레이드 구조체가 사용되는 경우, 이들 각각은 하나 이상의 부분을 포함할 수 있고, 각각의 부분은 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 또는 19 개로부터 최대 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 또는 20 개 까지의 블레이드와 같은 적절한 수의 블레이드를 포함할 수 있다. 일 예에서, 각각의 부분이 14 개의 블레이드를 포함하는 경우, 적어도 하나의 블레이드 구조체는 총 42 개의 블레이드를 가질 것이다.
드래프트 튜브의 높이(Hd)에 기초하여, 바이오리액터는 복수의 블레이드 구조체를 포함할 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 바이오리액터는 드래프트 튜브를 둘러싸고 반응 챔버 내부에 배치된 2 개, 3 개 또는 그 이상의 블레이드 구조체를 포함할 수있다. 더욱이, 그러한 경우에 복수의 블레이드 구조체는 서로로부터 멀어지게 미리 정해진 거리에 배치될 수 있다. 특히, 복수의 블레이드 구조체들 사이의 미리 정의된 거리는 동일하거나 또는 상이할 수 있다. 예를 들어, 위에서 언급된 바와 같이, 하나의 블레이드 구조체는 인접한 블레이드 구조체로부터의 거리 L1 에 배치될 수 있고, 즉 다른 블레이드 구조로부터의 거리 L2 에 배열 될 수있고, 계속 그렇게 될 수 있다. 더욱이, L1은 L2와 같거나 작거나 클 수 있다. 선택적으로, 블레이드 구조체 및 인접한 블레이드 구조체 사이의 거리 L1은 반응 챔버의 내측 높이 Hr 의 약 5-25 % 일 수 있다. 그 어떤 2 개 블레이드 구조체들 사이의 그 어떤 다른 거리에 대해서도 동일한 것이 독립적으로 적용된다. 예를 들어, 거리는 반응 챔버의 내측 높이 Hr 의 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12,15, 17 또는 20 % 로부터, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 15, 17, 20, 22 또는 25 % 까지일 수 있다.
일 실시예에서, 제 1 블레이드 구조체는 기체 액체 혼합물이 시계 방향으로 흐르게 하고, 제 2 블레이드 구조체는 기체 액체 혼합물이 반시계 방향으로 흐르게 한다. 제 1 블레이드 구조체 및 제 2 블레이드 구조체의 배치는 기체 액체 혼합물의 더 오랜 체류 시간을 가능하게 하여, 미생물이 성장하는데 이용할 수 있는 기체 액체 혼합물에서의 더 높은 가스 농도를 가능하게 한다.
바이오리액터는 반응 챔버 내에서 반응 혼합물의 유동을 생성하기 위한 수단을 더 포함한다. 상세하게는, 반응 챔버 내에서 반응 혼합물의 유동을 생성하기 위한 수단은 반응 매질을 위한 적어도 하나의 유입부로부터 드래프트 튜브로 그리고 다시 반응 챔버로 액체 유동을 지향시키도록 작동 가능하다.
선택적으로, 반응 챔버 내에서 반응 혼합물의 유동을 생성하기 위한 수단은 펌프이고, 드래프트 튜브는 드래프트 튜브의 높이 방향에 직각으로 배치된 적어도 하나의 내측 블레이드 구조체를 포함한다. 또한, 내측 블레이드 구조체는 드래프트 튜브의 높이에 의해 정의된 방향에 대하여 각도 αd1 로 배치된 복수의 블레이드를 포함하며, 각도 αd1 은 20 도 내지 40 도이다. 선택적으로, 펌프는 반응 혼합물을 회전시킴으로써 액체 유동을 반응 챔버로 지향시키도록 작동 가능하다. 보다 선택적으로, 펌프는 새로운 반응 매체를 드래프트 튜브에 제공하는 반응 매체를 위한 적어도 하나의 유입부로부터 반응 혼합물을 수용하며, 여기에서 임펠러는 액체 유동을 드래프트 튜브로 아래로 더 지향시킨다. 펌프가 사용되는 경우, 전력은 예를 들어 0.3 내지 0.8kW 와 같이, 0.1 내지 5kW 가 될 수 있다.
선택적으로, 드래프트 튜브는 드래프트 튜브의 높이 방향에 직각으로 배치된 적어도 하나의 내측 블레이드 구조체를 포함하고, 적어도 하나의 내측 블레이드 구조체는 드래프트 튜브의 높이에 의해 정의된 방향에 대하여 각도 αd1 로 배치된 복수의 블레이드를 포함하고, 상기 각도 αd1 는 20˚ 내지 40˚ 이다. 선택적으로, 복수의 블레이드는 적어도 하나의 내측 블레이드 구조체의 지지 장치상에 배치된다. 적어도 하나의 내측 블레이드 구조체의 지지 장치는 내측 블레이드 구조체에 대하여 및/또는 드래프트 튜브의 높이에 의해 정의된 방향에 대하여 각도 α 로 배치된 복수의 개구를 가질 수 있다. 예를 들어, 복수의 개구는 적어도 하나의 내측 블레이드 구조체중 하나에 대하여 각도 αd1 로 배치된다. 더욱이, 복수의 개구는 지지 장치 상에 배치된 복수의 블레이드에 대응하고, 복수의 블레이드가 개구안에 고정될 수 있게 한다. 대안으로서, 복수의 블레이드는 용접과 같이 당업계에 공지된 임의의 다른 방법에 의해 지지 장치 상에 배치될 수 있다. 적어도 하나의 내측 블레이드 구조체의 복수의 블레이드는 드래프트 튜브의 높이에 의해 정의된 방향에 대해 각도 αd1로 배치되고, 각도 αd1은 20˚ 내지 40˚이다. 예를 들어, 각도 αd1은 20˚, 25˚, 30˚ 또는 35˚ 로부터 25˚, 30˚, 35˚ 또는 40˚ 까지일 수 있다.
또한, 적어도 하나의 내부 블레이드 구조체는 임펠러를 통해 추진되는 드래프트 튜브 안에 포함된 기체 및 액체 상의 적절한 혼합을 향상시킨다. 내측 블레이드 구조체의 블레이드는 각도 αd1 로 고정 될 수 있고, 각도는 20˚, 25˚, 30˚ 또는 35˚ 로부터 최대 25˚, 30˚, 35˚ 또는 40˚ 까지일 수 있다. 만약 각도 αd1이 0˚ 이라면, 블레이드는 임펠러에 의해 지향되는 바에 따라서 반응 혼합물의 방향을 변경하지 않는다. 만약 각도 αd1이 90˚ 이라면, 블레이드는 임펠러에 의해 지향되는 바와 같이 반응 혼합물의 움직임을 억제하고, 따라서 20˚ 내지 40˚ 이 되는 각도 αd1 은 기체 포말과 액체 상의 효율적인 혼합을 제공하고, 결과적으로 반응 챔버 전체에 걸친 반응 혼합물의 유동을 제공한다.
선택적으로, 적어도 하나의 내측 블레이드 구조체는 독립적으로 30 내지 60 개의 블레이드를 포함한다. 예를 들어, 적어도 하나의 내부 블레이드 구조체에 있는 블레이드의 수는 30, 35, 40, 45 또는 55 개의 블레이드로부터 최대 35, 40, 45, 50, 55 또는 60 개의 블레이드까지 일 수 있다. 더욱이, 적어도 하나의 내측 블레이드 구조체의 각각의 블레이드는 드래프트 튜브의 높이에 의해 정의된 방향에 대해 동일한 각도로 기울어져 있고, 따라서 적어도 하나의 내측 블레이드 구조체 전체를 통해 기체-액체 혼합물의 고른 분포를 가져온다. 더욱이, 적어도 하나의 내부 블레이드 구조체는 3 개의 부분으로 제조될 수 있으며, 각 부품은 고정된 수의 블레이드를 포함한다. 선택적으로 각각의 부분은 10 내지 20 개의 블레이드로 구성된다. 예를 들어, 적어도 하나의 내부 블레이드 구조체의 각각의 부분은 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 또는 19 개의 블레이드로부터 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 또는 20 개까지의 블레이드를 포함할 수 있다. 일 예에서, 각각의 부분이 14 개의 블레이드를 포함하는 경우, 적어도 하나의 내측 블레이드 구조체는 총 42 개의 블레이드를 가질 것이다.
선택적으로, 드래프트 튜브는 서로로부터 거리를 두고 배치된 두 개의 내측 블레이드 구조체를 포함하고, 두 개의 내측 블레이드 구조체의 블레이드들은 드래프트 튜브의 높이에 의해 정의된 방향에 대하여 상이한 각도로 배치된다. 선택적으로, 두 개의 내측 블레이드 구조체는 서로로부터 Ld1 거리에서 임펠러의 교반축 둘레에 배치된다. 선택적으로, 거리 Ld1은 드래프트 튜브 높이 Hd의 약 5 내지 25 % 일 수 있다. 더욱이, 2 개의 내측 블레이드 구조체의 복수의 블레이드들은 드래프트 튜브의 높이에 의해 정의된 방향 및 이전의 블레이드 구조체에 대하여 상이한 각도로 배치된다. 예를 들어, 만약 2 개의 내측 블레이드 구조체중 하나의 복수의 블레이드들이 30˚의 각도를 가진다면, 2 개의 내부 블레이드 구조체중 제 2 의 복수의 블레이드들은 드래프트 튜브의 높이에 의해 정의된 방향에 대해 20˚ 각도를 가진다.
선택적으로, 드래프트 튜브는 3 개 이상의 내측 블레이드 구조체를 포함하고, 각각의 인접한 내측 블레이드 구조체의 블레이드들은 드래프트 튜브의 높이에 의해 정의된 방향에 대하여 상이한 각도로 배치된다. 따라서 3 개 이상의 내측 블레이드 구조체는 서로로부터 거리 Ld1에서 임펠러의 교반 축 둘레에 배치된다. 선택적으로, 거리 Ld1은 드래프트 튜브 높이 Hd의 약 5-25 % 일 수 있다. 3 개 이상의 내측 블레이드 구조체가 사용될 때, 이들은 일반적으로 서로 거리를 두고 배치되고, 두 개의 연속적인 블레이드 구조체들 사이의 거리는 동일하거나 상이할 수 있다. 또한, 3 개 이상의 내부 블레이드 구조체의 블레이드들은 드래프트 튜브의 높이에 의해 정의된 방향 및 이전의 내측 블레이드 구조체에 대해 상이한 각도로 배치된다. 예를 들어, 만약 3 개 이상의 내측 블레이드 구조체중 하나의 블레이드들이 30 도의 각도를 가진다면, 드래프트 튜브의 높이에 의해 정의된 방향에 대하여, 제 2 내측 블레이드 구조체의 블레이드들은 20 도의 각도를 가질 수 있고, 제 3 내측 블레이드 구조체의 블레이드들은 10 도의 각도를 가질 수 있다 (또는 다시 30 도를 가질 수 있으며, 두 개의 연속적인 내부 블레이드 구조체들은 상이한 각도를 가지는 것이 바람직스럽다).
특히, 드래프트 튜브의 높이에 의해 정의된 방향에 대하여 그리고 이전의 내측 블레이드 구조체에 대하여 상이한 각도로 배치된 2 개 또는 3 개 이상의 내측 블레이드 구조체의 배치는, 가스-액체 혼합물이 2 개 또는 3 개 이상의 내측 블레이드 구조체를 통과하면서, 상이한 방향들로 유동하게 하며, 결국 가스-액체 혼합물의 더 오랜 체류 시간을 가능하게 하고, 미생물이 성장하는데 이용될 수 있는 가스-액체 혼합물에서의 더 높은 가스 농도를 가능하게 한다.
선택적으로, 드래프트 튜브의 측벽에 선택적으로 제공되는 적어도 하나의 가스 유입부는 적어도 하나의 내측 블레이드 구조체보다 드래프트 튜브의 제 2 단부에 더 가깝게 배치된다. 일 실시예에서, 드래프트 튜브의 측벽에 제공된 적어도 하나의 가스 유입부는, 2 개의 내측 블레이드 구조체가 사용될 때, 2 개의 내부 블레이드 구조체들 사이에 배치된다. 적어도 하나의 가스 유입부는 임펠러 아래에 그리고 2 개의 내측 블레이드 구조체 사이에 배치되어, 적절한 혼합을 위해 드래프트 튜브에 의해 둘러싸인 반응 혼합물의 액체 상으로 가스 포말을 분사할 수 있음을 이해하게 된다. 더욱이, 적어도 하나의 가스 유입부를 드래프트 튜브의 제 2 단부에 더 가깝게 배치하는 것은 임펠러에 의해 지향된 바와 같은 액체 유동의 반대 방향으로, 즉 드래프트 튜브 위쪽으로의 가스 포말의 유동을 보장한다. 특히, 상기 구성은 적어도 하나의 내측 블레이드 구조체에 의해 반응 챔버 전체에 가스-액체 혼합물의 유동이 분산되고 체류 시간이 증가되는 것을 보장한다.
일 실시예에서, 드래프트 튜브의 높이 방향에 직각으로 배치된 적어도 하나의 내측 블레이드 구조체를 포함하는 펌프 및 드래프트 튜브와는 별도로, 드래프트 튜브를 둘러싸는 반응 챔버 내측에 배치된 적어도 하나의 블레이드 구조체 및 임펠러도 반응 챔버 내에서 반응 혼합물의 유동을 발생시킨다. 앞서 언급된 바와 같이, 임펠러는 정의된 방향으로 반응 혼합물 또는 가스-액체 혼합물 유동을 만들도록 배치되는데, 예를 들어, 반응 챔버의 벽과 드래프트 튜브의 측벽 사이에서, 드래프트 튜브의 내측에서는 하방향으로 그리고 드래프트 튜브의 외측에서는 상방향으로 상기 유동을 만들도록 배치된다. 가스 액체 혼합물은 드래프트 튜브의 높이 방향에 직각으로 배치된 적어도 하나의 내측 블레이드 구조체를 통해 유동한다. 상세하게는, 적어도 하나의 내부 블레이드 구조체는, 체류 시간을 증가시키고 또한 더 효율적인 방식으로 반응 챔버 전체에 걸쳐 가스 포말을 고르게 분포시키기 위하여, 가스 액체 혼합물의 이동 방향을 변경시키도록 배치된다. 보다 상세하게는, 드래프트 튜브를 둘러싸는 반응 챔버 내측에 배치된, 적어도 하나의 내측 블레이드 구조체 및 적어도 하나의 블레이드 구조체는, 이전의 것과 비교하여, 인접한 블레이드 구조체들이 가스-액체 혼합물을 상이한 방향으로 유동하도록 지향시키게끔 제공되는데, 바람직하게는 이전의 방향에 비교하여 대략 90 도의 각도인 방향 또는 대향하는 방향으로 지향시키게끔 제공된다. 임펠러 및 복수의 블레이드 구조체들은, 드래프트 튜브를 둘러싸는 반응 챔버의 내측에 배치된, 임펠러, 적어도 하나의 내측 블레이드 구조체 및, 적어도 하나의 블레이드 구조체 각각에서의 블레이드 방향들에 따라서 시계 방향 및/또는 시계 반대 방향으로 유체가 움직이도록 배치된다는 점이 이해된다.
선택적으로, 바이오리액터는 반응 챔버 내부의 가스 또는 반응 챔버 내부의 반응 혼합물 중 적어도 하나를 반응 챔버로부터 드래프트 튜브로 순환시키기 위한 순환 유닛을 더 포함한다. 유리하게는, 순환 유닛은 반응 챔버 내부의 가스 또는 반응 챔버 내부의 반응 혼합물 중 적어도 하나의 무한 공급을 제공한다. 또한 순환 유닛은 바이오리액터를 보다 에너지 효율적이고 비용 효율적으로 만든다. 선택적으로 순환 유닛은 바이오리액터 외부에 설치된다. 대안으로서, 순환 유닛은 부분적으로는 바이오리액터 내부에, 그리고 부분적으로는 바이오리액터 외부에 제공 될 수 있다 (즉, "내부 순환 유닛"). 일 예에서, 순환 유닛은 동일한 양의 가스를 가진 반응 혼합물과 가스의 축적을 유지하는 시간(retentin time)을 증가시킨다.
내부 순환 유닛은 특히 바이오리액터의 연속 배양에서 반응 챔버 내부의 가스 및 반응 챔버 내부의 반응 혼합물 중 적어도 하나의 실질적인 순환을 보장하여야 한다는 점이 이해될 것이다. 순환 유닛은 전기, 펌프, 이젝터 구조(ejector structure), 모터 등을 사용하여 작동될 수 있음을 이해할 수 있다.
일 구현예에서, 순환 유닛은 가스 펌프를 통해 구현된다. 그러한 구현예에서, 순환 유닛은 반응 챔버로부터 드래프트 튜브로 반응 챔버 내부의 가스를 순환시킨다. 반응 챔버 내부의 가스는, 여전히 반응 혼합물 내부에 있는 가스가 아니라 반응 혼합물로부터 자유로워지는 가스를 지칭한다는 점이 이해될 것이다. 선택적으로, 새로운 가스 유입부와 재순환 가스 유입부가 드래프트 튜브의 측벽에 제공된다. 새로운 가스 유입부 및 재순환 가스 유입구는 바람직하게는 직경상 대향하는 점이 이해될 것이다.
바이오리액터는 축에 연결된 터빈을 포함할 수 있고, 상기 축(axle)은 가스 순환을 위해 교반 샤프트에 연결된다. 다른 실시예에 따르면, 바이오리액터 가스 순환을 위한 외측 펌프를 포함한다.
다른 구현예에서, 순환 유닛은 따라서 자체 흡기 에어레이터(self-aspirating aerator)와 같은 터빈을 통해 구현된다. 그러한 구현에서, 순환 유닛은 반응 챔버로부터 드래프트 튜브로 반응 챔버 내부의 가스를 순환시킨다. 선택적으로 터빈은 반응 챔버의 제 1 단부 아래에 (즉, 남아 있는 체적 안에) 제공되며, 즉, 과잉 가스가 수집되는 곳에 제공된다. 터빈은 만곡된 블레이드를 포함할 수 있고, 중심 축 또는 중공형의 교반 축(hollow agitation axle)을 중심으로 특정 속도로 회전할 수 있다. 터빈이 회전함에 따라 내측 챔버 내측에 (블레이드들의 중심에서) 저압 영역을 생성하는 원심력을 생성하여 추가 압력 입력이 필요성이 제거된다. 이러한 저압의 생성은 가스의 중공 교반 축 내부로의 흡입을 초래하며, 이것은 임펠러의 중공형 교반 축으로 이어지고, 수집 가스를 그 안으로 민다. 더욱이, 선택적으로, 순환 유닛이 터빈을 통해 구현될 때, 적어도 하나의 가스 유입부는 반응 챔버의 제 1 단부에 그리고 터빈으로 제공된다. 터빈은 새롭고 과잉된 (또는 재활용된) 가스를 수집하고 임펠러의 교반 축에 의하여 드래프트 튜브로 그것을 함께 도입한다. 임펠러의 교반 축은 새롭고 재활용된 가스를 드래프트 튜브에 제공하기위한 구멍 또는 개구를 포함한다는 것을 알 수 있을 것이다. 선택적으로, 임펠러의 교반 축에 있는 개구들에는 스파저(sparger)들이 제공되는데, 이것은 드래프트 튜브에서 반응 혼합물의 액체 상에 작은 포말들을 살포하기 위한 것이다. 특히 터빈은 반응 혼합물의 밀도와 점도에 따라 사양(specification)이 다를 수 있다. 터빈은 스테인리스 스틸 (예를 들어, 304, 316 또는 316 L 유형), 플라스틱 재료 및/또는 이들의 조합으로 제작될 수 있다. 유리하게는 순환 유닛이 터빈을 사용하는 그러한 구현예에서, 스파저는 덜 필요하며, 그에 의해서 시스템 비용이 절감된다. 또한, 유리하게는, 이러한 구현예는 반응 혼합물의 온도 증가를 초래하지 않는다.
또 다른 구현예에서, 순환 유닛은 공통 이젝터 구조체에 부착된 액체 순환 펌프를 통해 구현된다. 공통적인 이젝터 구조체 가스 흡입과 노즐을 포함한다. 따라서 바이오리액터는 적어도 하나의 가스 유입부에 연결된 이젝터 구조체를 포함할 수 있다. 액체 순환 펌프는 공통 이젝터 구조체의 노즐에 의하여 반응 챔버 내측에서 반응 혼합물을 순환시키고, 공통 이젝터 구조체의 가스 흡입은 반응 챔버 내측의 가스 순환을 가능하게 함을 이해할 수 있다. 선택적으로 액체 순환 펌프는 바이오리액터 외측에 제공되고 공통 이젝터 구조체는 드래프트 튜브의 제 1 단부에 제공된다. 또한, 드래프트 튜브 내로 새로운 가스를 공급하기 위한 적어도 하나의 가스 유입부는 드래프트 튜브의 측벽에 제공될 수있다. 일 실시예에서, 그러한 구현예에 의해, 반응 혼합물과 적어도 하나의 가스의 혼합의 대부분은 액체 순환 펌프 및 공통 이젝터 구조체에 의해 달성된다. 따라서 드래프트 튜브에 임펠러를 설치하지 않아도 되며, 따라서 시스템을 보다 비용 효율적으로 만들 수 있다.
선택적으로, 바이오리액터는 적어도 하나의 센서를 더 포함한다. 작동중인 적어도 하나의 센서는 미생물 성장을 위한 반응 챔버 내의 포말 형성, 온도, 액체 유동, 가스 유동, 가스 레벨 및/또는 액체 레벨과 같은 성장 조건을 나타내는 적어도 하나의 성장 파라미터를 판단한다. 적어도 하나의 센서는 발포체 형성 센서(foam forming sensor), 온도 센서, 액체 유동 센서, 가스 유동 센서, 가스 레벨 센서 및 액체 레벨 센서로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다. 선택적으로, 적어도 하나의 센서는 pH 센서 및 바이오매스 센서(biomass sensor)를 포함할 수 있다. 가스 레벨 센서는 작동시에, 반응 챔버 내의 가스 혼합물, 이산화탄소 가스, 산소 가스, 질소 가스, 메탄 가스, 이산화황 가스, 일산화탄소 가스 중 적어도 2 개의 상대 농도를 판단할 수 있다. 발포체 형성 센서(foam forming sensor)는 작동시 반응 챔버 내의 발포체 형성을 판단한다. 온도 센서, pH 센서 및 바이오매스 센서는 작동시 반응 챔버 내의 온도, pH 및 바이오 매스를 각각 판단한다. 액체 유동 제어 센서와 가스 유동 제어 센서는 작동시에 반응 챔버 내의 액체 유동 속도와 가스 흐름 속도를 각각 판단한다. 액체 레벨 센서는 작동 중에 반응 챔버 내의 액체 레벨을 판단한다.
선택적으로, 적어도 하나의 센서는 적어도 하나의 조절기에 통신 가능하게 결합된다. 적어도 하나의 조절기는 작동시에 미생물의 성장을 위하여, 반응 챔버 안에서의 가스 및 액체 레벨, 발포체 형성, 가스 레벨, 온도, pH, 바이오매스 및 액체 유동과 같은 성장 조건을 나타내는 적어도 하나의 성장 파라미터를 조절한다. 적어도 하나의 조절기는 가스 레벨 조절기, 온도 조절기, 액체 유동 제어 조절기, 가스 유동 제어 조절기, 액체 레벨 조절기, pH 조절기 및 바이오 매스 조절기를 포함하는 그룹으로부터 선택된다. 가스 레벨 조절기는, 미생물의 성장에 적절한 반응 챔버내의 개스들의 균형을 달성하기 위하여, 작동시에 반응 챔버내의 이산화탄소 가스, 산소 가스, 질소 가스, 메탄 가스, 이산화황 가스, 일산화탄소 가스 및 가스 혼합물 중 적어도 2 개의 상대 농도를 조절할 수 있다. 온도 조절기, pH 조절기 및 바이오 매스 조절기는 작동시에 반응 챔버 내의 온도, pH 및 바이오 매스를 각각 조절한다. 액체 유동 제어 조절기 및 가스 유동 제어 조절기는 작동시에 반응 챔버 내에서 액체 유동과 가스의 속도를 각각 조절함으로써, 2 개의 상들, 즉, 액체 및 가스 상들의 적절한 혼합을 위한 증가된 체류 시간이 달성된다. 액체 레벨 조절기는 작동 중에 반응 챔버 내의 액체 레벨을 조절한다.
선택적으로 센서와 조절기는 작동시에 컨트롤러와 통신 가능하게 결합된다. 컨트롤러는 작동시에 미생물의 성장에 필요한 파라미터 중 하나 이상과 관련된 정보를 얻는다. 컨트롤러는 적어도 하나의 센서로부터 성장 조건을 나타내는 적어도 하나의 센서 신호를 수신하고, 획득된 적어도 하나의 성장 파라미터를 수신된 적어도 하나의 센서 신호와 비교하여, 미생물 성장을 위한 반응 챔버내에서의 적어도 하나의 성장 파라미터의 조절을 위하여 적어도 하나의 조절기에 대한 적어도 하나의 명령을 발생시킨다. 조절기는 작동시 컨트롤러로부터 명령을 더 수신하고 반응 챔버 안에서 적어도 하나의 성장 파라미터를 조절함으로써 적어도 하나의 성장 파라미터를 조절한다. 선택적으로, 미생물 성장에 최적인 성장 조건을 나타내는 적어도 하나의 성장 파라미터는 데이터베이스로부터 얻어지며, 여기서 데이터베이스는 컨트롤러에 통신 가능하게 결합된다. 더욱이, 데이터베이스는 데이터 또는 그것의 조직화된 본체가 제시되는 방식에 관계없이 디지털 정보의 조직화된 본체(organized body)와 관련된다. 보다 선택적으로는, 데이터베이스는 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어 및/또는 이들의 그 어떤 조합일 수도 있다. 예를 들어, 디지털 정보의 조직화된 본체는 테이블, 맵(map), 그리드(grid), 패킷(packet), 데이터그램(datagram), 파일, 문서(document), 목록(list)의 형태 또는 그 어떤 다른 형태일 수도 있다. 데이터베이스는 임의의 데이터 저장 소프트웨어 및 필요한 시스템을 포함할 수 있다. 보다 선택적으로, 컨트롤러는 통신 네트워크를 통해 데이터베이스에 통신되게 결합된다. 일 예에서, 통신 네트워크는 셀룰러 네트워크, 단거리 라디오 (예를 들어, Bluetooth®와 같은), 인터넷, 무선 근거리 통신 네트워크 및 적외선 근거리 통신 네트워크 또는 이들의 임의의 조합을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다.
또한, 적어도 하나의 센서는 작동시에 연속적으로 또는 간헐적으로 성장 조건을 나타내는 적어도 하나의 성장 파라미터를 판단한다. 유익하게도, 적어도 하나의 센서는, 생산 시간 내내 연속적으로 또는 미리 정해진 시간 지속 기간에 반응 챔버 내의 성장 조건을 나타내는 적어도 하나의 성장 파라미터의 약간의 변화를 판단하도록 구성된 자동화 센서 장치(automated sensor arrangement)이며, 상기 미리 정해진 시간 기간은 30 분, 1 시간, 2 시간, 1 일 등 중 적어도 하나의 간극(gap)에서의 시간 간격과 같은 것이다. 더욱이, 적어도 하나의 센서에 의해 판단된 성장 조건을 나타내는 적어도 하나의 성장 파라미터에서의 그러한 변화는 컨트롤러에 의해 연속적으로 수신되거나, 또는 그러한 변화를 판단하는 미리 정해진 시간 기간에 수신된다. 더욱이, 컨트롤러는 미생물 성장을 위한 반응 챔버 내의 적어도 하나의 성장 파라미터를 조절하기 위해 적어도 하나의 조절기에 적어도 하나의 명령을 제공하도록 작동 가능하다. 선택적으로, 작동중인 컨트롤러는 적어도 하나의 명령을 레귤레이터(regulator)에 연속적으로 또는 간헐적으로 제공한다. 상세하게는, 콘트롤러는, 연속적으로 또는 적어도 하나의 명령을 콘트롤러로부터 수신하는 미리 정해진 시간 지속 기간에, 반응 챔버 안의 적어도 하나의 성장 파라미터를 조절하도록 적어도 하나의 명령을 레귤레이터에 제공하게끔 작동 가능하다.
일 실시예에서, 반응 챔버내의 조절된 성장 조건은, 25 % 내지 85 % 범위, 최적으로는 40 % 내지 80 % 의 범위, 보다 최적으로는 55 % 내지 70 %의 범위에 있는 유입 가스에서의 수소 농도, 5 % 내지 50 %의 범위, 최적으로는 10 % 내지 40 %의 범위 및, 보다 최적으로는 15 % 내지 25 % 범위의 유입 가스에서의 이산화탄소의 농도, 섭씨 10 도 내지 섭씨 75 도의 범위, 최적으로는 섭씨 25 도 내지 섭씨 45 도 범위의 온도, 섭씨 3 도 내지 섭씨 10 도의 범위, 최적으로는 섭씨 5.5 도 내지 섭씨 7.5 도 범위의 pH, 0.5 내지 60 g/L (cell dry weight)의 범위, 최적으로는 20 내지 40 g/L 의 범위에서의 바이오매스(biomass), 반응 챔버 체적의 리터 당 0.005 L/h 내지 반응 챔버 체적의 리터 당 0.5 L/h 의 범위, 최적으로는 반응 챔버 체적의 리터당 0.01 L/h 내지 반응 챔버 체적의 리터 당 0.1 L/h 의 범위에서의 반응 혼합물의 유량, 반응 챔버 체적의 리터 당 50 mL/min 내지 반응 챔버 체적의 리터 당 2000 mL/min 의 범위, 최적으로는 반응 챔버 체적의 리터 당 60 mL/min 내지 반응 챔버 체적의 리터 당 200 mL/min 의 범위인 유입 개스의 유량 및, 반응 챔버 안에서의 70 % 내지 100 % 범위, 최적으로는 80 % 내지 90 % 범위인 액체 레벨을 포함할 수 있다.
선택적으로, 가스는 적어도 하나의 가스 유입부로 가스를 전달하기 전에, 미생물의 성장을 위한 최적의 온도 범위로 가스 공급 유닛에서 가열 또는 냉각될 수 있다. 대안으로서, 가스는 파이프 주위에 워터 재킷을 제공하고 그 안에 온수 또는 냉수를 공급함으로써 가열 또는 냉각될 수 있다.
선택적으로, 미생물 배양 공정은 연속 배양 공정 또는 배치 유형(batch type) 배양 공정 중 어느 하나일 수 있다. 연속 배양 공정은 반응 혼합물 및/또는 가스의 바이오리액터로의 추가 및 동시에 바이오리액터로부터의 성장된 미생물 및 과잉 가스의 제거를 필요로 할 수 있다. 배치 유형의 배양 공정(batch type culture process)은, 반응 혼합물 및/또는 가스를 바이오리액터에 추가하지 않으면서 그리고 공정이 마무리된 후에(또는 미리 정해진 목표에 도달한 후에) 바이오리액터로부터 과잉의 가스 및 성장한 미생물을 제거하지 않으면서, 미리 정해진 시간 기간 동안 하나의 배치(batch)를 만들고 가동시킬 것을 필요로 한다.
다른 양상에서, 본 발명의 실시예는 미생물의 성장을 위한 방법을 제공하며, 이것은: 반응 매체 및 미생물을 포함하는 반응 혼합물의 제공 단계;
적어도 하나의 가스의 제공 단계;
적어도 2 개의 방향에서 적어도 하나의 가스 및 반응 매체를 유동시킴으로써 반응 매체와 적어도 하나의 가스를 혼합시키는 단계; 및
성장한 미생물 및/또는 과잉의 가스를 회수하는 단계를 포함한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 미생물 성장을 위한 바이오리액터(100)를 외부에서 도시한 개략도가 도시되어 있다. 바이오리액터(100)는 반응 챔버(102), 가스 유입부(104, 106 및 108) 및 성장된 미생물의 회수를 위한 유출부(110)를 포함한다. 바이오리액터(100)는 센서(112)를 더 포함한다.
도 2 를 참조하면, 본 개시 내용의 일 실시예에 따라서, 축 X-X' 를 따르는 도 1 의 바이오리액터(100)의 단면도가 개략적으로 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 반응 챔버(102)는 내측 직경(Dr), 제 1 단부(202), 제 2 단부(204), 및 제 1 단부(202)와 제 2 단부(204) 사이의 거리에 의해 정의되는 내측 높이(Hr)를 포함한다. 바이오리액터(100)는 반응 챔버(102) 내부에 배치된 드래프트 튜브(210)를 포함하고, 이것은 제 1 단부(212), 제 2 단부(214) 및 제 1 단부(212)를 제 2 단부(214)에 연결하는 측벽(216)을 가진다. 드래프트 튜브(210)는 내측 직경(Dd), 제 1 단부(212)와 제 2 단부(214) 사이의 거리에 의해 정의되는 높이(Hd), 적어도 하나의 가스 유입부(104 및 106), 제 1 단부(212)에서의 반응 혼합물을 위한 유입부(개방된 상부) 및, 제 2 단부(214)(개방 된 하단)에서의 반응 혼합물을 위한 유출부를 가진다. 적어도 하나의 가스 유입부(104, 106)는 드래프트 튜브(210)로 개방된 단부에서, 측벽(216)상에 노즐(222)을 포함한다. 더욱이, 드래프트 튜브(210)는 드래프트 튜브(210) 내부에 배치된 반응 혼합물을 혼합하기 위한 임펠러(218)를 더 포함한다.
도 2 에 도시된 바와 같이, 반응 챔버(102)는 또한 반응 챔버(102) 내에서 반응 혼합물의 흐름(화살표 224 로 도시됨)을 발생시키기 위한 수단(미도시)을 가진다. 반응 챔버(102)는 또한 반응 챔버 내부에 배치되고 드래프트 튜브를 둘러싸는 제 1 블레이드 구조체(226A, 226B) 및 제 2 블레이드 구조체(228A, 228B)를 포함한다. 또한, 제 1 블레이드 구조체(226A)는 제 2 블레이드 구조체(228A)로부터의 거리(L1)에 배치되고, 제 1 블레이드 구조체(226B)는 제 2 블레이드 구조(228B)로부터 거리(L2)에 배치된다. 더욱이, 진전된 가스(evolved gases)로 채워진 잔여 체적(236) 및 반응 혼합물의 상승 레벨(234)은 반응 챔버(102)에 도시된다. 잔여 체적(236)은 반응 챔버(102)의 제 1 단부(202)와 반응 챔버(102) 내부의 반응 혼합물의 상승 레벨(234) 사이에 위치한다.
도 3 을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라서, 제 1 블레이드 구조체(226A, 226B) 및 제 2 블레이드 구조체(228A, 228B)에 의해 둘러싸인 드래프트 튜브(210)의 개략도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 제 1 블레이드 구조체(226A, 226B)는 복수의 블레이드를 갖는 제 1 블레이드 유형(302)을 포함한다. 또한, 제 2 블레이드 구조체(228A, 228B)는 복수의 블레이드를 갖는 제 2 블레이드 유형(304)을 포함한다. 다른 블레이드 구조체는 교번하는 순서(alternate order)로 배치된다. 도 3 은 또한 가스 유입부(104, 106 및 108), 드래프트 튜브(210) 및 노즐(222)을 도시한다.
도 4 를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따라서, 제 1 블레이드 구조체(226A) 및 제 2 블레이드 구조(228A)의 개략도가 도시되어있다. 도시된 바와 같이, 제 1 블레이드 구조체(226A)는 반응 챔버의 높이(Hr)에 의해 정의된 방향에 대해 각도(α1)로 배치된 복수의 블레이드를 갖는 제 1 블레이드 유형(302)을 포함한다. 또한, 각도(α1)은 높이(Hr)로 정의되는 방향에 대해 33˚이다. 더욱이, 제 2 블레이드 구조체(228A)는 반응 챔버(102)의 높이(Hr)에 의해 정의된 방향에 대해 각도(α2)로 배치된 복수의 블레이드를 갖는 제 2 블레이드 유형(304)을 포함한다. 또한, 각도(α2)는 높이(Hr)로 정의되는 방향에 대해 327˚이다. 더욱이, 제 1 블레이드 구조체(226A) 및 제 2 블레이드 구조체(228A)는 지지체(402 및 404) 상에 배치되는데, 각각의 블레이드는 406 및 408 과 같은 개구에 부착된다. 또한, 제 1 블레이드 구조체(226A) 및 제 2 블레이드 구조체(228A)는 화살표(224)로 도시된 반응 혼합물의 흐름을 지향시킨다.
도 5 를 참조하면, 본 개시 내용의 다른 실시예에 따라서, 미생물 성장을 위한 바이오리액터(500)의 예시적인 구현예의 개략도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 바이오리액터(500)는 가스를 제공하기 위한 가스 유입부(504,506, 508) 및 반응 챔버(502)를 가진다. 바이오리액터(500)는 또한 액체 유입부(512)를 통해 반응 챔버(502) 내로 반응 혼합물을 순환시키고 유출부(514)를 통해 반응 챔버(502)로부터 배출되도록 작동 가능한 펌프(510)를 가진다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따라서, 축 Y-Y' 를 따른 도 5의 바이오리액터(500)의 단면도의 개략적인 예시가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 바이오리액터(500)는 반응 챔버(502), 액체 유입부(512) 및 유출부(514)와, 유입부(602) 및 드래프트 튜브(604)를 구비하고, 상기 드래프트 튜브는 내측 블레이드 구조체(606A, 606B, 606C, 606D)의 세트 및 외측 블레이드 구조체(610, 612, 614, 616)의 세트를 포함한다. 펌프(510)는 내측 블레이드 구조체(606A, 606B, 606C, 606D)의 세트 및 외측 블레이드 구조체(610, 612, 614, 616)의 세트 안에서 반응 혼합물을 순환시킨다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따라서, 미생물 성장을 위한 바이오리액터(700)의 예시적인 구현예의 개략도가 도시되어 있다. 바이오리액터(700)는 반응 챔버(702)를 포함한다. 반응 챔버(702)는 드래프트 튜브(704), 가스 유입부(706A 및 706B), 가스 유출부(708) 및 임펠러(710)를 포함한다. 반응 챔버(702)는 또한 제 1 단부(712) 및 제 2 단부(714)를 포함한다. 반응 챔버(702)는 반응 챔버(702) 내부에 배치되고 드래프트 튜브(704)를 둘러싸는 블레이드 구조체(716)를 더 포함한다. 바이오리액터(700)는 또한 임펠러(712)에 결합된 모터 샤프트(718)를 포함한다. 또한, 모터 샤프트(718)는 임펠러(712)를 회전시킨다. 바이오리액터(700)는 가스 유출부(710)로부터 가스 유입부(708)를 통해 드래프트 튜브(704)로 가스를 순환시키기 위해 반응 챔버(702) 외부에 배치된 펌프(720)를 더 포함한다.
도 8a 및 8b 를 참조하면, 본 발명의 다른 실시에에 따라서, 미생물 성장을 위한 바이오리액터(800)의 예시적인 구현예의 개략도가 도시되어 있다. 바이오리액터(800)는 반응 챔버(802)를 포함한다. 반응 챔버(802)는 드래프트 튜브(804), 가스 유입부(806) 및 임펠러(808)를 포함한다. 반응 챔버(802)는 또한 제 1 단부(810) 및 제 2 단부(812)를 포함한다. 반응 챔버(802)는 또한 반응 챔버(802) 내부에 배치되고 드래프트 튜브(804)를 둘러싸는 블레이드 구조체(814)를 포함한다. 바이오리액터(800)는 임펠러(808)에 결합된 모터 샤프트(816)를 더 포함한다. 또한, 모터 샤프트(816)는 임펠러(808)의 중공형 교반 축(agitation axle, 818)을 회전시킨다. 바이오리액터(800)는 터빈(820)을 더 구비하며, 이것은 반응 혼합물의 상승 레벨(820) 위에 배치되고 중공형 교반 축(818)을 통해 임펠러(808)에 결합되고 모터 샤프트(816)에 의해 회전된다. 또한, 터빈(820)은 반응 혼합물의 상승 레벨(822) 위에서 수집된 가스를 흡입하고, 유출부(824)를 통해 임펠러(808) 아래로 가스를 순환시킨다. 도 8b에 도시된 바와 같이, 터빈(820)의 평면도는 터빈(820)의 블레이드(826) 둘레를 감싸는 가스의 움직임을 도시한다.
도 9를 참조하면, 본 개시 내용의 다른 실시예에 따른 미생물 성장을 위한 바이오리액터(900)의 예시적인 구현예의 개략도가 도시되어 있다. 바이오리액터(900)는 반응 챔버(902)를 포함한다. 반응 챔버(902)는 드래프트 튜브(904) 및 가스 유입부(906)를 포함한다. 반응 챔버(902)는 또한 반응 챔버(902) 내부에 배치되고 드래프트 튜브(904)를 둘러싸는 블레이드 구조체(908)를 포함한다. 또한, 드래프트 튜브(904)는 드래프트 튜브(904) 내측에 배치된 내부 블레이드 구조체(910)를 포함한다. 바이오리액터(900)는 공통 이젝터 구조체(914)를 통해 반응 챔버(902)로부터 드래프트 튜브(904)로 반응 혼합물을 순환시키기 위해 반응 챔버(902) 외부에 배치된 펌프(912)를 더 포함한다. 도시된 바와 같이, 공통 이젝터 구조체(914)는 가스 흡입부(916) 및, 노즐(918)을 포함한다. 또한, 반응 혼합물은 공통 이젝터 구조체(914)의 노즐(918)로부터 배출된다. 특히, 흡입 압력은 반응 혼합물의 유동에 의해 가스 흡입부(916)에서 생성되어, 둘러싸는 가스가 공통 이젝터 구조체(914)로 흡입되는 결과를 가져온다. 따라서, 반응 혼합물과 가스의 혼합물은 드래프트 튜브(904)로 순환된다.
상기에 설명된 본 발명의 실시예에 대한 변형은 첨부된 청구 범위에 의해 정의된 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 가능하다. 본 개시 내용을 설명하고 청구하는데 사용된 "구비하는", "포함하는", "함유하는", "가지는", "~인"과 같은 표현은 배타적이지 않은 방식으로 해석되도록 의도되며, 즉, 존재하는 것으로 명시되지 않은 항목, 구성체 또는 요소들을 허용하도록 의도된다. 단수에 대한 언급은 또한 복수와 관련된 것으로 해석되어야 한다.
100. 바이오리액터 102. 챔버
110. 유출부 104.106.108. 가스 유입부
202. 제 1 단부 204. 제 2 단부

Claims (18)

  1. 반응 매체 및 미생물을 포함하는 반응 혼합물을 함유하는 반응 챔버(100)를 구비하는, 미생물 성장을 위한 바이오리액터(100)로서, 상기 반응 챔버는 제 1 단부(202), 제 2 단부(204), 상기 제 1 단부에서의 내측 표면과 상기 제 2 단부에서의 내측 표면 사이의 거리에 의해 정의된 내측 높이(Hr) 및, 내측 직경(Dr)을 포함하고,
    반응 챔버 내측에 배치된 드래프트 튜브(draft tube, 210)로서,
    제 1 단부(212), 제 2 단부(214) 및 상기 제 1 단부를 상기 제 2 단부에 연결하는 측벽(216),
    반응 챔버의 내측 직경(Dr) 보다 작은 내측 직경(Dd),
    제 1 단부와 제 2 단부 사이의 거리에 의해 정의되고, 반응 챔버의 높이(Hr) 보다 작은 높이(Hd),
    적어도 하나의 가스 유입부(104, 106,108),
    드래프트 튜브의 제 1 단부에 있는 반응 혼합물을 위한 유입부 및,
    드래프트 튜브의 제 2 단부에 있는 반응 혼합물을 위한 유출부를 가지는, 드래프트 튜브(210);
    반응 챔버내에 반응 혼합물의 유동(224)을 발생시키는 수단;
    반응 챔버 내측에 배치되어 드래프트 튜브를 둘러싸고 복수개의 블레이들을 포함하는 적어도 제 1 블레이드 구조체(226A, 226B)로서, 상기 복수개의 블레이드들은,
    반응 챔버의 높이에 의해 정해지는 방향에 대하여 20 도 내지 40 도의 각도(α1), 또는
    반응 챔버의 높이에 의해 정해지는 방향에 대하여 320 도 내지 340 도의 각도(α2)중 적어도 하나로 배치되는, 적어도 하나의 제 1 블레이드 구조체(226A, 226B);
    반응 매체를 위한 적어도 하나의 유입부; 및,
    성장한 미생물을 가진 매체를 회수하기 위한 적어도 하나의 유출부(110);를 포함하는, 바이오리액터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    드래프트 튜브(210)를 둘러싸고, 반응 챔버(102) 내측에 배치된 제 2 블레이드 구조체(228A, 228B)를 더 포함하고,
    제 2 블레이드 구조체는 제 1 블레이드 구조체(226A, 226B)로부터 거리 L1에 배치되고;
    제 1 블레이드 구조체는 반응 챔버의 높이에 의해 정의된 방향에 대하여 각도 α1로 배치된 복수의 블레이드들을 포함하며, 상기 각도 α1 은 20도 내지 40도이고;
    제 2 블레이드 구조체는 반응 챔버의 높이에 의해 정의되는 방향에 대하여 각도 α2로 배치된 복수의 블레이드들을 포함하고, 상기 각도 α2는 320도 내지 340도인, 바이오리액터.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 바이오리액터(100)는, 반응 챔버 내측의 가스 및 반응 챔버 내측의 반응 혼합물중 적어도 하나를 반응 챔버(102)로부터 드래프트 튜브(210)로 순환시키기 위한 순환 유닛(700, 800, 900)을 더 포함하는, 바이오리액터.
  4. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
    하나 이상의 가스 유입부(104, 106, 108)는 드래프트 튜브(210)의 측벽(216)상에 제공되는, 바이오리액터.
  5. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 가스 유입부(102, 104, 108)는 가스 포말을 생성하기 위한 다수의 개구를 구비한 노즐(222)을 포함하는, 바이오리액터.
  6. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
    성장한 미생물을 포함하는 매체를 회수하기 위한 적어도 하나의 유출부(110)는 반응 챔버(102)의 제 1 단부(202)에 배치되는, 바이오리액터.
  7. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
    드래프트 튜브(210)는 드래프트 튜브 내측에 배치된 반응 혼합물의 혼합을 위한 임펠러(218)를 더 포함하는, 바이오리액터.
  8. 제 7 항에 있어서,
    임펠러(218)는 적어도 하나의 가스 유입부(104, 106)보다 드래프트 튜브(210)의 제 1 단부(212)에 더 인접하게 배치되는, 바이오리액터.
  9. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
    축(axle)에 연결된 터빈(820)을 포함하고, 상기 축은 가스의 순환을 위해 교반 축(agitation shaft)에 연결되는, 바이오리액터.
  10. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    가스 순환을 위한 외부 펌프(720)를 포함하는, 바이오리액터.
  11. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
    반응 챔버(102) 내에서 반응 혼합물의 유동(224)을 발생시키는 수단은 펌프(510)이고, 드래프트 튜브(210)는 상기 드래프트 튜브의 높이 방향에 직각으로 배치된 적어도 하나의 내측 블레이드 구조체(606, 608)를 포함하고, 내측 블레이드 구조체(606A, 606B, 606C, 606D)는 드래프트 튜브의 높이에 의해 정의된 방향에 대하여 αd1 의 각도로 배치된 복수의 블레이드를 포함하고, 상기 αd1의 각도는 20 도 내지 40 도인, 바이오리액터.
  12. 제 11 항에 있어서,
    드래프트 튜브(210)는 서로로부터 거리를 두고 배치된 2 개의 내측 블레이드 구조체(606A, 606B)를 포함하고, 2 개의 내측 블레이드 구조체들의 블레이드들은 드래프트 튜브(210)의 높이에 의해 정의된 방향에 대하여 상이한 각도들로 배치되는, 바이오리액터.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    드래프트 튜브(210)는 3 개 이상의 내측 블레이드 구조체(606A, 606B, 606C, 606D)를 포함하고, 각각의 인접한 내측 블레이드 구조체의 블레이드들은 드래프트 튜브(210)의 높이에 의해 정의된 방향에 대하여 상이한 각도들로 배치되는, 바이오리액터.
  14. 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 가스 유입부(104, 106, 108)는 적어도 하나의 내측 블레이드 구조체(606A, 606B, 606C, 606D)보다 드래프트 튜브(210)의 제 2 단부(214)에 더 인접하게 배치되는, 바이오리액터.
  15. 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 가스 유입부(104, 106, 108) 및/또는 액체 유입부(512)에 연결된 이젝터 구조체(ejector structure, 914)를 포함하는, 바이오리액터.
  16. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 블레이드 구조체(226A, 226B, 228A, 228B) 및 각각의 내측 블레이드 구조체(606A, 606B, 606C, 606D)는 독립적으로 30 내지 60 개의 블레이드를 포함하는, 바이오리액터.
  17. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 센서(112)를 더 포함하는, 바이오리액터.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 센서(112)는 포말 형성 센서, 온도 센서, 액체 유동 센서, 가스 유동 센서, 가스 레벨 센서 및 액체 레벨 센서로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 바이오리액터.

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