KR20230002301A - 기체-액체 반응기를 위한 통합형 가스 도입 및 교반 유닛 - Google Patents

기체-액체 반응기를 위한 통합형 가스 도입 및 교반 유닛 Download PDF

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KR20230002301A
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파트리크 본가르츠
모리츠 마이어
마티아스 베슬링
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레이니쉬-웨스트펠리쉐 테크니쉐 호크슐레 (알더블유티에이치) 아아켄
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Abstract

본 발명은 반응기 내에 위치된 액체에 공정 가스를 버블 없이 도입하기 위한 가스공급 유닛에 관한 것이며, 상기 가스공급 유닛은 적어도
- 서로 이격되고 적어도 부분적으로 서로 고정된 중공 섬유를 포함하는 적어도 2개의 2차원 가스-전도 확산막을 통해 서로 연결된 2개의 가스 수용 챔버인, 공정 가스를 수용하기 위한 제1 가스 수용 챔버 및 그로부터 이격된 제2 가스 수용 챔버;
- 가스 수용 챔버 중 적어도 하나 상의 가스 공급부용 수납부;
- 가스 수용 챔버 중 적어도 하나 상의 샤프트용 수납부
를 포함하고,
반응기 내 액체에 가스를 공급하기 위한 가스공급 유닛은 가스 공급부 수납부를 통해 공정 가스가 제공될 수 있고, 샤프트용 수납부를 통해 회전 동작이 설정될 수 있으며, 액체 중에서 가스공급 유닛의 회전 동작을 통해 반응기 내에 대류 흐름을 형성할 수 있다. 또한, 본 발명은 공정 액체에 가스를 공급하는 방법, 본 발명에 따른 가스공급 유닛을 포함하는 기체-액체 반응기 및 생물학적 배양물에 공정 가스를 공급하기 위한 본 발명에 따른 가스공급 유닛의 사용에 관한 것이다.

Description

기체-액체 반응기를 위한 통합형 가스 도입 및 교반 유닛
본 발명은 반응기 내에 위치된 액체에 공정 가스를 버블 없이 도입하기 위한 가스공급 유닛(gassing unit)에 관한 것이며, 상기 가스공급 유닛(gassing unit)은 적어도
- 서로 이격되고 적어도 부분적으로 서로 고정된 중공 섬유(hollow fibers)를 포함하는 적어도 2개의 2차원 가스-전도 확산막(diffusion membranes)을 통해 서로 연결된 2개의 가스 수용 챔버인, 공정 가스를 수용하기 위한 제1 가스 수용 챔버 및 그로부터 이격된 제2 가스 수용 챔버;
- 가스 수용 챔버 중 적어도 하나 상의 가스 공급부용 수납부(receptacle);
- 가스 수용 챔버 중 적어도 하나 상의 샤프트용 수납부
를 포함하고,
반응기 내 액체에 가스를 공급하기 위한 가스공급 유닛은 가스 공급부 수납부를 통해 공정 가스가 제공될 수 있고, 샤프트용 수납부를 통해 회전 동작이 설정될 수 있으며, 액체 중에서 가스공급 유닛의 회전 동작을 통해 반응기 내에 대류 흐름을 형성할 수 있다. 또한, 본 발명은 공정 액체에 가스를 공급하는 방법, 본 발명에 따른 가스공급 유닛을 포함하는 기체-액체 반응기 및 생물학적 배양물에 공정 가스를 공급하기 위한 본 발명에 따른 가스공급 유닛의 사용에 관한 것이다.
보다 지속가능한 제조 방법을 통한 중요한 기본 재료들의 신뢰할만한 제조는 오늘날 점차 대중의 관심이 집중되고 있다. 이 접근방식은 제조 방법에 관해서뿐만 아니라, 계획된 사용 기간 후 사용된 물질의 특성까지도 확장된다. 이것은 특히 최근 수 십년 간 석유로부터 합성된 다수의 화학물질 부류에 있어서, 대안적이며 생물학적인 제조 변이체가 현재 점차 개발중이라는 사실로 인해 입증되며, 보다 자원- 및 에너지-효율적인 제조 과정에 더하여, 더 빠른 분해능과 같은 개선된 화학적 및 생물학적 특성을 제조된 물질에 전달하는 것도 기대된다.
이 접근방식은 특히 계면활성제 생체분자(biomolecules)에 대해 추구되고 있는데, 이들 물질은 환경에 지속적으로 영향을 미칠 수 있고, 예를 들어 미용 또는 제약 제품 분야에서 부가되는 가치는 현재 여전히 높은 제조 비용을 상쇄할 정도이기 때문이다. 보다 환경 친화적인 제조 대안은 산소 투입하에 영양 배지로서 재생가능한 원료를 사용한 생물학적 시스템의 발효 과정에 기초한다. 그러나, 단백질 및 계면활성제의 생물합성(biosynthesis)시 일반적으로 발효장치에서 상당한 폼 형성(foaming)이 있다는 것이 단점이며, 이것은 성능 및 전체적인 공정 흐름에 유해한 영향을 미친다. 지금까지 이들 시스템에 가스를 공급하기 위해 선택된 방법은 버블 가스공급(bubble gassing)을 수행하고, 이어서 교반기나 폼 형성 방지제의 사용에 의해 버블을 파괴하는 것이었다. 이것은 바이오매스의 손실 없이 버블이 없는 발효를 보장한다. 그러나, 버블 파괴를 포함하는 버블 가스공급은 단점이 있는데, 추가 제어 변수가 공정 제어를 복잡하게 하고, 기계적인 폼 파괴는 에너지 측면에서 공정 비용을 증가시킨다. 폼 억제제도 지속가능한 대안이 되지 못하는데, 하류 공정 흐름에서 추가의 정제가 공정 비용에 큰 영향을 미치기 때문이다. 이와 관련하여, 기존의 발효 방법(fermentation methods) 및 거기 사용된 장비는 폼 형성이 없는 단순하며 재현가능한 발효 과정을 보장하기 위해 개선이 필요하다.
또한, 발효 액체에 버블 없이 가스를 공급하는 것에 대한 일부 접근방식들을 특허 문헌에서 찾을 수 있다.
예를 들어, DE 10 2006 008 687 A1은 특히 생명공학 및 특히 세포 배양에서 액체에 가스를 공급하는 과정을 설명하며, 여기서는 튜브, 실린더 또는 모듈과 같은 하나 이상의 침지된 막 표면을 통해 가스 교환이 이루어지고, 이 막 표면이 액체 중에서 임의의 회전 진동 운동을 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한, DE 44 046 00 C1은 담체 물질(carrier material) 상에서 반응기에 고정된 미생물에 버블 없이 가스를 공급하기 위한 과정을 개시하며, 여기서는 산소 함유 가스가 한 쪽에 적용되는 막을 통해 담체 물질의 상류에서 산소가 풍부한 수성 용액에 의해 미생물을 가진 담체 물질가 유동된다.
다른 특허 문헌인 DE 41 42 502 A1에는 수성 액체에 수소를 버블 없이 도입하는 과정이 개시되며, 여기서는 막을 통해 수성 액체에 수소가 도입된다. 이 과정은 a) 다공성 폴리머로 형성된 지지 구조, 및 b) 적어도 하나의 비다공성 폴리머 층을 포함하는 막을 사용하는 것을 특징으로 하며, 수성 액체는 비다공성 폴리머 층의 측면에서 막과 접촉하고 있다.
선행기술에 공지된 이러한 해결방식은 상이한 생성물 특성을 갖는 시스템들에 대해서, 특히 공정 액체에 공정 가스를 공급하는 것의 효율성 측면에서 그리고 특히 폼 형성의 신뢰할만한 방지 측면에서 개선을 위한 추가의 잠재력을 제공할 수 있다.
따라서, 본 발명의 과제는 선행기술에 공지된 단점을 적어도 부분적으로 극복하는 것이다. 특히, 본 발명의 과제는, 공급 동안 폼 형성의 상당한 감소와 함께, 특히 공정 액체에 효율적이고 균일한 가스 공급을 특징으로 하는, 가스공급 유닛 및 그것을 구비한 기체-액체 반응기를 제공하는 것이다.
상기 과제는 본 발명에 따른 가스공급 유닛, 본 발명에 따른 기체-액체 반응기, 본 발명에 따른 공정 및 본 발명에 따른 사용에 관한 각각의 독립항의 특징들에 의해 해결된다. 본 발명의 바람직한 구체예들이 종속항, 발명의 설명 또는 도면에 설명되며, 종속항, 발명의 설명 또는 도면에 설명되거나 제시된 추가의 특징들은 문맥상 분명히 반대 개념을 나타내지 않는 한 개별적으로 또는 임의의 조합으로 본 발명의 목적을 구성할 수 있다.
본 발명에 따라서, 상기 과제는 반응기 내에 위치된 액체에 공정 가스를 버블 없이 도입하기 위한 가스공급 유닛에 의해 해결되며, 상기 가스공급 유닛은 적어도
- 서로 이격되고 적어도 부분적으로 서로 고정된 중공 섬유를 포함하는 적어도 2개의 2차원 가스-전도 확산막(gas-conducting diffusion membranes)을 통해 서로 연결된 2개의 가스 수용 챔버인, 공정 가스를 수용하기 위한 제1 가스 수용 챔버 및 그로부터 이격된 상태의 제2 가스 수용 챔버;
- 가스 수용 챔버 중 적어도 하나 상의 가스 공급부용 수납부;
- 가스 수용 챔버 중 적어도 하나 상의 샤프트용 수납부
를 포함하고,
반응기 내 액체에 가스를 공급하기 위한 가스공급 유닛은 가스 공급부 수납부를 통해 공정 가스가 제공될 수 있고, 샤프트용 수납부를 통해 회전 동작이 설정될 수 있으며, 액체 중에서 가스공급 유닛의 회전 동작을 통해 반응기 내에 대류 흐름이 형성될 수 있다.
놀랍게도 상기 설계는 매우 효율적이고 탄력적인 가스공급-교반기 조합을 가져오는 것으로 밝혀졌으며, 다양한 (생물)반응기(bioreactor)에서 광범위한 가스공급 용도에 적합하다. 공정 액체에 공정 가스를 도입하는 것은 굉장히 균일하고 부드럽게 수행된다. 표면에서 가스공급과 교반이 동시에 일어나기 때문에, 특히 많은 양의 공정 가스가 교환 표면을 통해 액체에 균일하게 도입될 수 있다. 이것은 특히 액체 내에서 일정한 움직임을 갖기 때문에 확산 공정 가스로부터 항상 능동적으로 자유로운 중공 섬유로 이루어진 막 교환 표면이 사용되기 때문이다. 따라서, 한편으로 본 발명에 따른 설계에서 사용된 중공 섬유 막은 지금까지 알려진 것보다 전체적으로 더 큰 교환 표면의 구현을 가능하게 하고, 다른 한편으로 막 표면에서 전단력을 받는 가스들의 동시 이동에 의해 가스 버블의 부착에 의한 확산 차단이 완전히 회피됨으로써 선행기술의 해결방식보다 훨씬 더 효율적으로 사용된다. 또한, 이 설계는 매우 견고하며, 공정 가스의 중앙 공급 및 가스 수용 챔버에 공정 가스의 균일한 분포가 이루어지고, 단단히 고정된 중공 섬유를 통해 높은 속도 및 강한 대류 흐름이 생성될 수 있다. 가스공급과 교반의 조합은 또한 중공 섬유가 공정 액체에 의해 간접적으로 또한 능동적으로 이리저리 유동되는 것을 보장한다. 모듈 자체는 데드 스페이스(dead spaces)가 생성되지 않으며, 이것은 공급의 효율성 및 액체 가스공급의 균일성에 기여한다. 또, 전단력은 버블 크기를 작게 유지한다. 따라서, 공급의 균일성, 많은 가스량(sheer amount of gas) 및 동시 전단력에 의한 버블 크기의 제어가 액체 매질에서 버블 및/또는 폼 형성을 상당히 방지하기 때문에, 예를 들어 폼-촉진 물질의 제조시, 살아있는 배양물을 사용한 훨씬 어려운 발효 작업들조차 다뤄질 수 있다. 가스공급 유닛은 또한 직렬 연결된 임의의 수의 가스공급 유닛으로 구성될 수 있으며, 이것은 개별 모듈의 세정 및 멸균을 촉진하고, 더 큰 반응기 부피로의 규모확장을 가능하게 한다.
본 발명에 따른 가스공급 유닛은 반응기에서 액체에 공정 가스를 버블 없이 도입하는데 적합하다. 반응기의 공정 액체는 동시에 교반되고, 본 발명에 따른 가스공급 유닛에 의해 공정 가스가 공급된다. 이것은 공정 가스가 가스공급 유닛을 통해서 연속적으로 또는 시간 간격을 두고 비연속적으로 공정 액체에 도입된다는 것을 의미한다. 공정 가스의 도입은 적어도 일시적으로 그리고 공급 시점에서 반응기 내 액체에서 공정 가스의 농도를 증가시킨다. 가능한 공정 가스는 산소, 질소, 이산화탄소, 일산화탄소, 수소, 또는 유사 가스 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 전형적으로, 공정 가스는 공정 유체에서 추가의 화학 반응을 수행하기 위한 반응물(reactants)을 형성한다. 본 발명에 따른 구조는 공정 가스가 버블 없이 공정 유체에 공급되는 것을 허용한다. 본 발명의 맥락에서, 버블이 없다는 것은 특히 공정 가스의 버블 크기가 막 표면에서 육안으로 버블이 보이지 않는 또는 상당히 보기 어려운 범위 내에 있다는 것을 의미한다. 예를 들어, 버블 크기는 수 마이크로미터 정도이다. 본 발명에 따른 설계는 특히 공정 과정 동안 공정 액체의 표면에 폼의 형성이나 부착을 방지한다. 반응기 내의 액체는, 예를 들어 수성 용액, 분산액 또는 에멀젼일 수 있다. 그러나, 수성 시스템에만 제한되는 것은 아니다. 비수성 액체 시스템도 버블 없이 가스가 공급될 수 있다.
가스 공급 유닛은 적어도 공정 가스를 수용하기 위한 제1 가스 수용 챔버 및 그로부터 이격된 제2 가스 수용 챔버를 포함한다. 공정 가스는 가스 공급 라인을 통해 2개의 가스 수용 챔버 중 하나로 공급되고 그 안에 균일하게 분포될 수 있다. 가스 수용 챔버는 공정 가스용 저장소를 형성하며, 막에 직접 공급하는 것과는 달리, 가능한 압력 변동을 상쇄할 수 있다. 다음에, 이 가스 수용 챔버로부터 중공 섬유막을 통해서 제2 가스 수용 챔버로 공정 가스가 공급되며, 이때 2개의 수용 챔버 사이의 거리는 반응기 치수, 중공 섬유의 길이 및 기계적 안정성, 원하는 가스 투입량 및 원하는 유동 역학에 따라서 선택될 수 있다. 이러한 가스 수용 챔버는, 예를 들어 금속 또는 플라스틱으로 제조될 수 있고, 회전 대칭을 가질 수 있다. 2개의 가스 수용 챔버는 또한 중공 섬유막용 수납부를 가지며, 이 수납부는 각 중공 섬유막의 독립적 고정을 허용한다. 중공 섬유막을 위한 수납부는, 예를 들어 가스 수용 챔버 표면의 홈으로 구성될 수 있고, 여기에 중공 섬유막이 기계적으로 클램핑되거나 접착됨으로써 가스 수용 챔버에 기밀 방식(gas-tight manner)으로 연결될 수 있다.
2개의 가스 수용 챔버는 서로 이격되고 적어도 부분적으로 고정된 중공 섬유로 만들어진 적어도 2개의 2차원 가스-전도 확산막을 통해서 서로 연결된다. 따라서, 공정 가스는 가스 수용 챔버를 통해서 액체로 도입되는 것이 아니라, 2개의 가스-수용 챔버에 연결된 중공 섬유막을 통해 가스-전도 방식(gas-conducting manner)으로 도입된다. 중공 섬유는 개별적으로 사용되지 않는다. 몇 개의 중공 섬유가 나란히 또는 앞뒤로 배치되며, 이로써 중공 섬유 배치에 의해 평평한 막이 형성된다. 추가의 막 안정화를 위해, 또한 개별 중공 섬유가 추가의 기계적 수단에 의해 서로에 대해 고정될 수 있다. 예를 들어, 개별 중공 섬유는 중공 섬유에 대해 수직으로 또는 대략 수직으로 이어진 가스 미운반 실 또는 섬유로 된 직물의 형태로 서로에 대해 안정화될 수 있다. 예를 들어, 바람직하게 1개, 더 바람직하게 2개, 더 바람직하게 3개의 비활성 폴리머 실 형태의 고정장치(fixations)가 중공 섬유막 cm당 삽입될 수 있고, 이 실이 중공 섬유의 위아래를 교대로 통과하여 중공 섬유를 서로에 대해 고정시킨다. 확산막 또는 미세여과막은 가스가 먼저 막으로 확산된 다음, 중공 섬유 쉘 통과 후 공정 액체로 확산되는 막이다. 이 막은 치밀하거나 다공성일 수 있으며, 막(membrane)의 다공도는 충분한 유동하에 막의 바깥쪽에서 농도 양극화(polarization)를 방지하고, 도입되는 가스의 버블 형태의 아웃개싱(outgassing)을 방지하는 범위 내이다. "치밀"하지 않은 막의 가능한 기공 크기는 20nm 내지 20μm의 범위일 수 있다. "치밀한" 확산막은 다층 구조를 가질 수 있다. 이것은 공정 액체가 막으로 들어가는 것 또는 필요한 경우 막으로의 원치않는 가스 역확산을 방지하기 위한 추가의 층을 허용한다. 또한, 층상 복합 구조는 치밀한 재료의 극도로 얇은 필름이, 예를 들어 PMP, TMCTS 또는 PDMS/실리콘의 활성층인 다공성 PMP와 같은 기계적으로 강한 층 상에 지지될 수 있도록 보장한다. 이러한 얇고 치밀한 층은 사용된 가스의 투과성에 중요하다. 가능한 가장 얇은 층은 높은 물질 전달(mass transfer)을 보장한다. 치밀한 막에 있어, 막을 통한 물질 전달율(ratio of mass transfer)과 그 두께는 반비례한다. 그러나, 얇은 활성층은 일반적으로 기계적으로 불안정하며, 캐리어, 소위 말하는 지지체가 필요하다. 가능한 다공성인 지지체는 공정 유체에의 가스 도입에 대해 무시할 수 있는 저항성을 가진다. 사용될 수 있는 중공 섬유는, 예를 들어 PMP(폴리메틸펜텐)로 이루어질 수 있고, 0.2mm 내경 및 0.38mm 외경을 가질 수 있다. 또, 내경 약 0.3mm 외경 약 0.5mm의 PDMS(폴리디메틸실록산)/실리콘 막을 사용하는 것도 가능하다. 바람직하게, 개별 중공 섬유로부터 평면 막 배치를 형성하기 위해, 50개 초과, 더 바람직하게 100개 초과, 더 바람직하게 500개를 초과하는 중공 섬유가 나란히(옆으로) 또는 앞뒤로 배치된다. 평면 배치는 2개의 이격된 직접 인접하지 않은 중공 섬유 사이의 면적의 바람직하게 40% 초과, 더 바람직하게 50% 초과, 더 바람직하게 60%를 초과하는 양이 추가의 중공 섬유로 덮이는 경우를 가져온다. 이러한 평면 배치는, 예를 들어 상기 언급된 치수의 중공 섬유를 가스 수용 챔버 상에서 0.05mm 이상 2.5mm 이하, 더 바람직하게 0.1mm 이상 1mm 이하만큼 서로 이격된 거리에 고정함으로써 달성될 수 있다. 가스는 가스 수용 챔버를 통해서 서로 합체되어 막을 형성한 중공 섬유로 흐르고, 추진력에 따라서는, 섬유의 바깥쪽에서 액체상으로 빠져나간다.
가스공급 유닛은 적어도 2개의 확산막을 포함한다. 이것은 가스 수용 챔버에서 시작하여 연속 가스 경로에 있는 몇 개의 중공 섬유로 된 하나의 막이 제2 가스 수용 챔버까지 공정 액체 내로 연장될 뿐만 아니라, 서로 이격된 몇 개의 중공 섬유로 된 적어도 2개의 막이 제1 가스 수용 챔버에 배치되어 별도의 가스 경로를 통해서 공정 액체에 가스를 공급할 수 있다는 것을 의미한다. 바람직하게, 제1 가스 수용 챔버로부터 공정 액체 내로 연장되어 배치된 중공 섬유들로 된 10개 초과, 더 바람직하게 50개 초과, 더 바람직하게 100개를 초과하는 개별 막 영역이 있을 수 있다.
개별 중공 섬유는 가스 수용 챔버 상에서 특별히 설계된 장치에서 중공 섬유를 기계적으로 클램핑함으로써, 또는 가스 수용 챔버에 막을 접합시킴으로써 가스 수용 챔버에 연결될 수 있다. 바람직하게, 개별 중공 섬유 막이 가스 수용 챔버에 접합될 수 있다.
가스 공급부를 위한 수납부가 가스 수용 챔버 중 하나에 위치된다. 가스 수용 챔버는 반응기를 통과하는 공급 라인을 통해서 외부로부터 공정 가스가 공급될 수 있다. 이 목적을 위해, 외부 가스원이 호스 또는 모세관 시스템을 통해 가스 수용 챔버를 향해 반응기의 내부로 공급될 수 있다. 호스 또는 모세관은 이 목적을 위해 설계된 가스 수용 챔버의 수납부에 연결될 수 있다. 이것은, 예를 들어 피팅부품(fitting)에 의해 기밀 방식으로 행해질 수 있다. 바람직하게, 무플랜지 페룰(flangeless ferrule)을 구비한 미터법 기준의 무플랜지 평판 연결 요소(flangeless flat bottom connecting elements)가 피팅부품으로 사용될 수 있다. 피팅부품은, 예를 들어 금속 또는 플라스틱, 예를 들어 PEEK로 제조될 수 있다. 피팅부품은 가스 수용 챔버의 중심에 또는 중심이 아닌 곳에 배치될 수 있고, 유익하게는 가스 수용 챔버에서 중공 섬유막과 대면하는 측면에 배치된다. 가스 공급 유닛의 작동 모드에 따라서, 단지 하나의 가스 수용 챔버 또는 두 가스 수용 챔버에 모두 가스 공급부를 위한 수납부가 장착될 수 있다. 특히, 두 가지 모드로 가스공급 유닛이 작동되는 것이 가능하다. 한편, 가스 공급부는 "교차-흐름"(cross-flow) 모드, 또는 "데드-엔드"(dead-end) 모드로 작동될 수 있다. "데드-엔드" 모드에서, 가스는 가스공급 유닛의 가스 수용 챔버로만 운반된다. 이 방식에서는, 예를 들어 나머지의(다른) 가스 수용 챔버에서, 도입되지 않은 공정 가스의 배출을 위한 픽업이 필요하지 않다.
샤프트용 수납부가 가스 수용 챔버 중 하나에 위치된다. 가스 공급 유닛을 움직이는데 필요한 기계적 에너지의 투입을 위해, 가스 수용 챔버 중 하나는 샤프트를 수용하기 위한 장치를 포함한다. 샤프트는 반응기를 통해서 안내되어 드라이브 또는 기어박스에 연결될 수 있고, 이것은 샤프트의 회전 동작을 설정할 수 있다. 회전 샤프트는 또 가스공급 유닛의 회전을 야기하며, 평면 중공 섬유막을 가로질러 공정 유체를 이동시킬 수 있다. 샤프트 및 가스공급 유닛의 이동은 한 방향으로만 또는 바람직하게는 양 방향(두 방향)으로 이루어질 수 있다. 따라서, 가스공급 유닛에서 상이한 속도를 갖는 일정한 회전 방향 또는 교대하는 회전 방향이 구현될 수 있다.
가스공급 유닛은 반응기 내의 액체에 가스를 공급하기 위해 가스 공급부 흡입구(유입구, intake)를 통해 공정 가스가 공급될 수 있으며, 이로써 가스공급 유닛은 샤프트용 흡입구를 통한 회전 동작이 설정될 수 있고, 액체 중에서 가스공급 유닛의 회전 동작을 통해 반응기 내에 대류 흐름이 형성될 수 있다. 가스 및 샤프트 흡입구를 통해 기계적 에너지와 공정 가스가 가스공급 유닛에 전달될 수 있다. 중공 섬유막을 통해서는 공정 가스가 공정 액체 내로 방출되고, 가스공급 유닛의 회전 동작을 통해서, 그리고 실제로 평평한 중공 섬유막의 회전 동작을 통해서, 반응기의 액체 내에 지향된 흐름(directed flow)이 생성된다.
가스공급 유닛의 바람직한 구체예에서, 가스 수용 챔버에 대한 확산막의 돌출부는 원형의 원호모양 기하구조(기하학적 구조)를 가질 수 있다. 반응기 액체 내에 균일한 유동 프로파일을 형성하고 가스공급 유닛 내에서 개별 중공 섬유의 균일한 오버플로우(overflow)을 위해, 개별 중공 섬유는 직선으로 배치되는 것보다 가스 수용 챔버 상에서 길이방향(종방향) 및 가로방향(횡방향)으로 서로 이격되어 배치되는 것이 특히 적합한 것으로 입증되었다. 따라서, 평면 막 설계의 체계 내에서, 배치된 중공 섬유는 직선이 아닌 곡선 표면을 가진다. 유동 프로파일의 개선 및 균일성에 더하여, 이 설계는 또한 중공 섬유막 표면에서 생기는 가스 버블에 대한 균일한 전단력에 의해 액체로의 가스 진입을 개선하는데 특히 기여할 수 있다. 특히, 막의 표면에서 더 큰 가스 버블의 발생이 지연되거나 방지될 수 있다. 원형 원호모양 기하구조의 가능한 구체예가 도면에 도시된다. 바람직하게, 원형 원호(circular arc)는 1 m-1 이상 100 m-1 이하, 더 바람직하게 5 m-1 이상 70 m-1 이하의 곡률을 가질 수 있다.
가스 공급 유닛의 추가의 바람직한 구체예에서, 가스 공급부용 수납부 및 샤프트용 수납부는 단지 하나의 가스 수용 챔버에만 배치될 수 있다. 반응기 내의 유동 프로파일(flow profile)을 균등화하기 위해, 가스 흡입구 및 구동 샤프트를 위한 연결부가 단지 하나의 가스 수용 챔버의 중심에 배치되는 것이 특히 유익한 것으로 입증되었다. 더 바람직하게, 가스 수납부와 샤프트 수납부는, 예를 들어 중공 샤프트의 형태로 함께 설계될 수 있고, 이로써 두 수납부 모두 가스공급 유닛 상의 하나의 연결부 내에 위치되게 된다. 이것은 가스공급 유닛 상의 기계 구성요소의 수를 감소시키는데 도움이 될 수 있다. 또한, 이 조합 포트는 바람직하게 가스공급 유닛의 중심에 설계될 수 있다. 바람직하게, 가스공급 유닛은 가스 수용 챔버 중 하나에 있는 단지 하나의 조합된 수납부를 통해서 공정 가스와 필요한 운동 에너지가 동시에 공급될 수 있다. 이로써 가스공급 유닛의 유동 프로파일을 특히 균질하게 유지할 수 있고, 장치 연결을 위한 노력을 줄일 수 있다. 또한, 후자는 가스 공급 유닛의 개선된 세정성 및 멸균성에 기여할 수 있다.
가스공급 유닛의 더 바람직한 양태 내에서, 2개의 가스 수용 챔버는 각각 원통형 모양일 수 있으며, 하나 이상의 기계적 지지체에 의해 서로 연결될 수 있다. 회전 대칭인 원통형 기하구조는 대부분의 반응기 기하구조에서 가능한 가장 효율적인 대류 흐름을 형성하는데 특히 유익한 것으로 밝혀졌다. 가스 수용 챔버의 이러한 설계에 의해, 매우 균일하고 강한 흐름이 가스공급 유닛과 반응기 내에서 재현 가능하게 유도될 수 있고, 이것은 공정 액체에 공정 가스의 특히 양호한 공급에 기여한다. 중공 섬유막을 통해 2개의 가스 수용 챔버의 서로에 대한 상대적 위치를 고정하는 것에 더하여, 하나 이상의 기계적 지지체를 통해 2개의 가스 수용 챔버의 서로에 대한 상대적 위치를 고정하는 것도 유익한 것으로 입증되었다. 이러한 조치는 높은 속도에서 가스공급 유닛의 동기화 및 원치않는 진동을 감소시킬 수 있다. 바람직하게, 지지체는 원통형으로 설계된 2개의 가스 수용 챔버의 중심을 통해서 안내될 수 있다. 이러한 구체예는 가스공급 유닛 내에서, 특히 개별 중공 섬유막 사이의 유동 프로파일을 개선할 수 있다.
가스공급 유닛의 바람직한 특징에 따라, 적어도 하나의 유지 원반(retaining disk)이 기계적 지지체 상에서 2개의 가스 수용 챔버 사이에 배치될 수 있으며, 이것은 확산막을 기계적으로 유지하도록 설계된다. 다수의 상이한 반응기 기하구조 내에서 거울-대칭 대류 흐름의 형성을 위해, 지지체 상에서 2개의 가스 수용 챔버 사이에 유지 원반이 배치되는 것이 특히 유익한 것으로 입증되었고, 이때 중공 섬유막과 기계적으로 접촉한다. 중공 섬유막은 유지 원반에 의한 기계적 고정에 의해 "느슨하게" 고정될 수 있거나, 또는 유지 원반에 의해 하강 라인(fall line)으로부터 신축되거나 비틀릴 수 있다. 전자의 경우, 중공 섬유막을 제자리에 고정함으로써, 예를 들어 가스공급 유닛의 더 높은 순환 속도로 인해 막 손상의 위험 없이 더 큰 기계적 힘이 구현될 수 있다. 더 취약한 중공 섬유가 전체적으로 사용될 수 있다. 그러나, 막을 고정하는 기계적 일에 더하여, 유지 원반은 달성가능한 유동 기하구조에도 영향을 미칠 수 있다. 개별 중공 섬유막은 가스 수용 챔버와의 연결에 의해 미리 정해진 기하구조로부터 선택적으로 편향(deflection)되거나 비틀릴 수 있다. 이 편향은 막의 평면 기하구조를 변화시키고, 유체에 특별한 대류 패턴을 야기할 수 있다. 이 방식으로, 특정한 가스공급 작업 및 반응기 기하구조를 나타내도록 막이 조정될 수 있다.
가스공급 유닛의 바람직한 구체예에서, 가스 수용 챔버로부터 공정 가스를 수송하도록 기계적 지지체가 구성될 수 있다. 가스 공급 유닛에 대하여, 교차-흐름 작동(cross-flow operation)시 개선된 공급이 가능한 가장 컴팩트한 설계를 달성하기 위해, 기계적 지지체가 중공 샤프트 형태를 취하는 것이 특히 적합한 것으로 입증되었고, 중공 샤프트는 또한 가스 수용 챔버 내외로 공정 가스를 운반할 수 있다.
가스 공급 유닛의 더 바람직한 구체예에서, 가스 수용 챔버의 단면적에 대한 전체 중공 섬유 단면적의 면적 비율은 5% 이상 45% 이하일 수 있다. 제안된 설계에 의해, 선행기술의 해결방식과 비교하여 상당히 큰 공정 가스 교환 면적을 구비한 컴팩트한 가스공급 유닛이 제공될 수 있다. 이러한 큰 교환 면적은 낮은 버블 형성 경향을 나타낼 뿐만 아니라 가스공급 유닛의 보다 유리한 유동 거동을 형성할 수 있다. 전체 중공 섬유 단면적은 단일 중공 섬유 단면적에 가스 수용 유닛 상에 배치된 섬유의 수를 곱함으로써 계산된다. 가스 수용 챔버의 단면적은 공정 가스가 공급된 가스 수용 챔버의 면적에 유래한다. 가스 수용 챔버가 공정 가스 공급의 부족으로 인해 중공 섬유 막이 부착될 수 없는 중심 또는 외곽 표면을 갖는 경우, 가스 수용 챔버가 이러한 표면을 포함한다 해도 이 표면은 상기 비율에 기여하지 않는다. 바람직한 구체예에서, 면적 비율은 7.5% 이상 20% 이하, 더 바람직하게 10% 이상 15% 이하일 수 있다. 가스공급 교환 면적과 가스 수용 챔버의 상기한 비율 내에서, 다량의 공정 가스가 균질한 유동 조건하에 도입될 수 있다.
가스공급 유닛의 더 바람직한 구체예에서, 가스공급 유닛의 부피로 나눈 중공 섬유의 표면적으로 표시되는, 가스공급 유닛의 부피에 대한 확산막의 충전 밀도는 0.1 cm-1 이상 7.5 cm-1 이하일 수 있다. 이 경우, 중공 섬유의 전체 표면적은 공정 액체에 자유롭게 접근가능한 중공 섬유의 수 및 표면적을 사용하여 계산될 수 있다. 원통형 기하구조나 원통형이 아닌 기하구조의 경우, 가스공급 유닛의 전체 부피는 가스 수용 챔버들 사이에서 공정 액체에 접근가능한 가스공급 유닛의 부피를 통해서 얻어진다. 본 발명에 따른 설계를 사용하여, 매우 높은 활성 가스공급 면적이 작은 공간에 수용될 수 있고, 이로써 매우 큰 반응기 부피가 효율적으로 제공될 수 있으며, 동시 교반과 함께 공정 가스 유량도 증가된다. 바람직하게, 상기 비는 또한 0.25 cm-1 이상 6 cm-1 이하, 더 바람직하게 0.5 cm-1 이상 3 cm-1 이하일 수 있다.
또한, 본 발명에 따라서, 반응기 내에서 공정 액체에 가스를 공급하는 방법이 제공되며, 여기서 가스 도입은 본 발명에 따른 가스공급 유닛을 통해서 수행된다. 본 발명에 따른 가스공급 유닛을 통해 공정 액체에 가스를 공급하는 공정 단계는 몇 가지 공정상의 이점을 가질 수 있다. 이 공정 단계에서 많은 양의 공정 가스가 유체 부피에 균질하게 제공될 수 있고, 교반과 가스공급의 조합에 의해 가스 도입이 버블 없이 또는 아주 작은 버블 크기하에 구현될 수 있다. 유체 경계(fluid boundary)와의 직접 접촉 및 막 표면으로부터 버블의 즉각적 전단으로 인해, 중공 섬유의 표면에서 농도 양극화에 의해 야기된 확산 억제가 회피되고, 정지 상태의 배치와 달리, 모든 섬유의 균일한 동작으로 인해 반응기에 더 큰 액체 부피(liquid volume)가 공급된다. 특히, 이 공정 단계 내에서 대류의 제어된 형성으로 인해, 반응기 및 가스공급 유닛 내에서 데드 존(dead zones)이 방지될 수 있다.
상기 방법의 바람직한 구체예에서, 가스공급 유닛의 최외각 가장자리에서 막 표면의 회전 속도는 0.1 m/s 이상 5 m/s 이하일 수 있다. 본 발명에 따른 셋업에 의해, 본질적으로 기계적으로 불안정한 확산막조차도 액체 중에서 높은 전단 속도(shear rate)하에 작동될 수 있다. 이론과 결부되지는 않지만, 이것은 이격된 중공 막 표면들이 지나면서 또는 위에서 유동되고, 이로써 액체의 모션 펄스(motion pulse)의 단지 일부만 흡수한다는 사실로 인한 것이다. 유익하게, 이것은 확산된 공정 가스의 스트리핑(stripping) 및 기계적 응력의 감소를 가져온다. 가스공급 유닛의 속도는 가스 수용 챔버의 면적 치수와 가스공급 유닛의 회전 속도에 의해 조정될 수 있다. 가스공급 유닛의 중앙으로부터 가장 멀리있는 중공 섬유에 대해, 이 중공 섬유는 최대 회전 속도(rotation speed)를 나타낸다. 따라서, 가스공급 유닛의 더 안쪽에 놓인 중공 섬유는 낮은 순환 속도(circulation speed)를 가진다. 더 바람직하게, 가스공급 유닛의 최외각 가장자리에서 막 표면의 궤도 속도(orbital velocity)는 0.25 m/s 이상 4 m/s 이하, 더 바람직하게 0.5 m/s 이상 3 m/s 이하일 수 있다.
또한, 본 발명에 따라서, 기체-액체 반응기가 제공되며, 이 기체-액체 반응기는 적어도 외부 반응기 쉘, 구동 유닛, 가스 공급부 및 본 발명에 따른 가스공급 유닛을 포함한다. 본 발명에 따른 반응기는 공정 가스에 의한 공정 액체의 버블이 없는 가스공급을 위한 기체-액체 반응기이다. 본 발명의 맥락에서, 기체-액체 반응기는 외부 쉘에 의해 한정되며, 외부 쉘은 스틸 또는 유리로 이루어질 수 있고, 예를 들어 내부에 상이한 충전 수준의 공정 액체로 채워질 수 있는 공간이 형성되어 있다. 특히, 유익하게는 PP, PC, PET, LDPE, EVA, PVDC 및 이들 플라스틱의 복합 시스템과 같은 플라스틱으로 제조된 일회용 반응기의 사용이 또한 가능하다. 이러한 액체에 더하여, 공정 액체는 또한 반응물, 현탁된 세포 또는 유기체, 염, pH 조절제 또는 다른 물질 등 다른 성분들을 포함할 수 있다. 공정 액체는, 예를 들어 수성 용액, 분산액 또는 에멀젼의 형태일 수 있다. 가스공급 유닛은 가스 흡입구를 통해 공정 가스 공급 라인에 연결될 수 있다. 공정 가스는 가스 보틀(gas bottle)과 같은 추가의 저장소에 존재할 수 있고, 제어 밸브를 통해 제어된 방식으로 전달될 수 있다. 제어 유닛에 의해, 가스공급 유닛으로의 가스 흐름 및 가스 조성이 조정될 수 있다. 예를 들어, 가스 밸브에 의해, 가스공급 유닛의 막의 내측과 막 외측에 있는, 예를 들어 발효 육즙 형태의 공정 액체 사이의 막횡단 압력(transmembrane pressure)이 조정될 수 있다. 육즙에 투입되는 가스는 일반적으로 막황단 압력에 비례하여 규모가 조정된다. 가스가 내측의 막을 지나/통해 연속하여 흐른다면 "교차-흐름(cross-flow)" 작동 모드가 설정된다. "플러시(flush)"의 맥락에서 막 내강의 일시적인 과도한 흐름도 가능하다; 이 목적을 위해, "데드-엔드(dead-end)" 작동 모드로 가스 밸브가 개방된다. 이것은 공정에서 나온 가스, 예를 들어 고전적인 호기성 발효에서 나온 CO2가 농도 구배를 따라서 막으로 들어가고 거기서 농축되는 경우 특히 유용하다. 이러한 농축은 공급되는 가스의 부분 가스 압력을 감소시키고 추진력을 낮추기 때문에 가스 공급부의 전체적인 성능이 저하될 수 있다. 또한, 기공을 통해 막으로 들어간 응축된 물도 이러한 신속/간헐적 방식으로 배출될 수 있다. "데드-엔드" 가스공급의 특히 주목할만한 이점은 화학양론적으로 단지 이들 가스 분자만 "도입"되어 사용되고, 이 과정에서 또한 대사된다는 것이다. 이것은 (생물)공정(bioprocess)의 경제적 효율성과 관련된다. 이러한 최소한의 구성요소에 더하여, 반응기는 물론 다른 내부장치도 구비할 수 있다. 예를 들어, 센서, 공급 및 배출 라인, 가열기 및/또는 냉각 장치와 같은 추가의 구성요소가 반응기 내부에 배치되는 것이 가능하다. 가열 또는 냉각 장치는 반응기 외부에도 배치될 수 있다.
기체-액체 반응기의 바람직한 구체예에서, 반응기는 가스공급 유닛에 더하여 추가의 교반 유닛을 구비하지 않는다. 가스공급 유닛 내부에 위치된 공정 액체의 균질한 혼합과 함께 특히 효율적인 유동 프로파일을 형성하기 위해, 공정 액체에 지정된 흐름(배향된 흐르)을 생성하는 활발히 움직이는 장치가 반응기에 더 구비되지 않는 것이 적합한 것으로 입증되었다. 이러한 경우, 공정 액체는 특별히 지정된 방식으로 중공 섬유 주변을 유동할 수 있고, 이로부터 확산하는 공정 가스는 대부분 전단력을 받을 수 있다. 추가의 활성 교반기 유닛은 달성가능한 대류의 대칭을 교란할 수 있고, 공정 액체의 단위 부피당 가스 투입량에 차이를 가져올 수 있다.
기체-액체 반응기의 추가의 바람직한 구체예에서, 적어도 하나의 흐름 차단기(flow breaker)가 반응기 쉘과 가스 수용 챔버 사이에 배치될 수 있다. 대류 흐름의 매우 대칭적인 설계에 더하여, 본 발명에 따른 가스 공급부 및 교반 유닛을 통해서 유도된 대류를 반응기의 특정 영역에서 흐름 차단기에 의해 재배향하는 것이 유용할 수 있다. 이것은 특정 반응기 기하구조에 대한 보다 좋은 적합성에 기여할 수 있다. 흐름 차단기는 가스공급 유닛과 반응기 벽 사이에, 또한 가스공급 유닛과 반응기 바닥 및 뚜껑 사이에 위치될 수 있다. 특히 바람직하게, 적어도 하나의 흐름 차단기는 가스 공급 유닛과 반응기 뚜껑 사이에 설치될 수 있다. 또한, 흐름 차단기는 원반 모양일 수 있다. 특히 가스공급 유닛의 교환 면적이 크고 순환 속도가 빠른 경우, 흐름 차단기는 반응기의 헤드 가스 스페이스로부터 제어되지 않는 가스 흡수를 방지하는데 도움이 될 수 있다. 특히, 가스공급 유닛의 방향으로 공정 액체가 원추화(coning)되는 것이 효과적으로 방지된다. 바람직하게, 원반 모양 흐름 차단기는 가스공급 유닛의 상부 가장자리에서 액체 레벨까지 거리의 1/4 이상 3/4 이하가 되는 높이에 도입될 수 있다.
또한, 본 발명에 따라서, 공정 용액에 현탁된 또는 반응기의 내부 또는 가스와 유닛에 부착된 생물학적 배양물에 공정 가스를 공급하기 위한 본 발명에 따른 기체-액체 반응기의 사용이 제공된다. 예를 들어 박테리아 또는 진균 형태의 생물학적 배양물은 원칙적으로 생물반응기에서 두 가지 다른 방식으로 증식될 수 있다. 먼저, 유기체는 예를 들어 현탁액의 형태로 용액 중에 있을 수 있거나, 또는 표면에 부착될 수 있다. 생물막(biofilm)으로서의 배양은 원칙적으로 본 발명에 따른 반응기 또는 가스공급 유닛의 벽에서 일어날 수 있다. 후자의 경우, 본 발명에 따른 가스공급 유닛이 바람직한데, 동적 가스공급 및 교반 조건하에 더 균일한 영양물 공급이 보장될 수 있기 때문이다. 이와 관련하여, 더 높은 수율과 더 빠른 전환이 달성될 수 있다. 본 발명에 따른 반응기 설계는 수성 발효 배지에서의 미생물 증식에 특히 적합한 것으로 입증되었다. 본 발명에 따른 반응기 설계는 전체 반응기 부피에서의 혼합 중 아주 작은 부분만이 가스공급 유닛에 의해 영향받는 상태에서, 표적화되고 재현가능한 적합한 가스량이 반응 배지(reaction medium)에 도입될 수 있도록 한다. 혼합이 덜 이루어지는 데드 존이 없고, 필요한 공정 가스, 예를 들어 산소가 공정 액체의 전체 부피에 걸쳐서 균일하고 신속하게 분포될 수 있다. 미생물은 반응기 내에서 증식될 수 있는 살아있는 유기체이다. 본 발명에 따른 공정의 추가의 이점에 대해서는 본 발명에 따른 가스공급 유닛의 이점을 명시적으로 참조한다.
또한, 본 발명에 따라서, 영양 배지의 박테리아에 산소를 공급하기 위한 기체-액체 반응기의 사용이 제공된다. 특히, 본 발명에 따른 반응기는 영양 배지 내의 박테리아에 산소를 공급하기 위해 사용될 수 있다. 박테리아는 특히 영양 배지에서의 성장 단계에 따라서 다양한 공정 가스 요건을 나타낸다. 이러한 경우, 도입된 산소의 균질한 분산 및 균일한 분포가 특히 어려운데, 영양 배지에 적은 양의 산소와 많은 양의 산소를 선택적으로 도입할 수 있도록 가스공급 시스템이 충분한 저장량을 가져야 하기 때문이다. 이러한 경우, 예를 들어 막횡단 압력이 매우 유연해서, 적은 양은 재현가능하게 도입될 수 있고, 많은 양은 버블링 없이 도입될 수 있어야 한다. 사용될 수 있는 박테리아의 일례는 물, 토양 또는 식물에서 발생하는 그람-음성 막대형 박테리아인 슈도모나스푸티다(Pseudomonas putida, P. putida)이다. 독일에서 실험용 균주인 P. putida KT2440은 S1 유기체로 분류되며 GRAS 상태를 가진다. 산업생명공학에 있어서, P. putida KT2440은 지극히 관심있는 유기체인데, 다양한 대사를 나타낼 뿐만 아니라 유기 용매에 대해 뚜렷한 내성을 지니기 때문이다. 또, P. putida는 이종성 유전자 발현을 위한 인기있는 유기체이며, 글루코오스에서 높은 성장 속도를 나타낸다.
사용에 관한 추가의 바람직한 양태에서, 폼-형성 물질을 생성하도록 생물학적 배양물이 구성될 수 있다. 특히 폼-형성 물질, 및 이러한 특별한 생물계면활성제(biosurfactants)는 이들 계면활성제가 본래 특히 강한 폼 형성에 기여하기 때문에 통상적인 반응기에서는 발효가 특히 어렵다. 생물계면활성제의 일례는 생체촉매(biocatalysts)에 의해 생성된 표면-활성 분자인 람노리피드(rhamnolipids)이다. 이들 생물계면활성제는 석유계 계면활성제와 달리 빠르게 생물학적으로 대사될 수 있다는 생태학적 이점을 가지므로 환경에 더 적합하다. 이들은 본 발명에 따른 가스공급 유닛을 구비한 본 발명에 따른 반응기에서 특히 유익하게 생성될 수 있다. 다양한 미생물에 의해 생성된 다른 생물계면활성제들도 존재한다. 이들은 특히 효모에 의해 생성된 소포로리피드(sophorolipid)를 포함한다. 소포로리피드는 당지질(glycolipid)에 속한다. 또한, 바실루스섭틸리스(Bacillus subtilis)에 의해 생성되는 서펙틴(surfactin)과 같은 리포펩타이드(lipopeptides) 부류에 속하는 계면활성제도 있다. 서펙틴은 주로 의료 분야에서 사용된다. 이들은 본 발명의 가스공급 유닛을 사용하여 폼이 거의 또는 전혀 없이 생성될 수 있다.
사용에 관한 바람직한 구체예에서, 막 면적(cm2)을 반응기 충전 부피(cm3)로 나눈 것으로 표시되는, 반응기 충전 부피에 대한 확산막의 막 면적은 0.05 cm-1 이상 1.0 cm-1 이하일 수 있다. 특히 생물반응기에서의 세포 배양 및 생체분자의 합성에 있어서, 상기한 막 면적 대 반응기 부피의 비가 특히 유익한 것으로 입증되었다. 이 비에 의해, 바이오매스의 양이 상당히 다른 상이한 성장 단계들에 공정 가스가 충분히 공급될 수 있으며, 이로써 세포 증식 초기에도 공정 가스 투입에 대해 충분히 제어능이 제공된다. 이러한 설계에 의해, 공정 가스의 매우 제어가능한 양이 필요에 따라 공급될 수 있고, 막횡단 브릿지(transmembrane bridges)가 충분히 작을 때 후기 성장 단계에서 적합한 양이 공급될 수 있다.
본 발명에 따른 목적의 추가의 이점 및 유익한 구체예가 도면에 예시되고 하기 실시예에서 설명된다. 도면은 단시 설명을 위한 것이며 어떤 식으로도 본 발명을 제한하지 않는다는 것이 주지되어야 한다.
1. 가스 수용 챔버의 본 발명에 따른 구체예의 상면도
2. 가스 수용 챔버의 본 발명에 따른 다른 구체예의 상면도
3. 가스공급 유닛의 본 발명에 따른 구체예의 측면도
4. 가스공급 유닛의 본 발명에 따른 구체예의 정면도
5. 본 발명에 따른 가스공급 유닛의 개략적 단면도
6. 본 발명에 따른 가스공급 유닛의 단면도
7. 본 발명에 따른 가스공급 유닛을 구비한 본 발명에 따른 반응기의 개략적 단면도
8. 가능한 대류 흐름 프로파일을 포함하는, 본 발명에 따른 가스공급 유닛을 구비한 본 발명에 따른 반응기의 개략적 정면도
9. 직렬 연결된 2개의 가스공급 유닛으로 구성된 본 발명에 따른 가스공급 유닛의 개략적 정면도
10. 직렬 연결된 2개의 가스공급 유닛으로 구성된 본 발명에 따른 가스공급 유닛의 개략적 측면도
11. 매질 공급부를 구비한 2개의 직렬 연결된 가스공급 유닛으로 구성된 본 발명에 따른 가스공급 유닛의 개략적 정면도
12. 매질 공급부를 구비한 본 발명에 따른 2개의 직렬 연결된 가스공급 유닛을 구비한 본 발명에 따른 반응기의 개략적 정면도
13. 가능한 대류 흐름 프로파일을 포함하는, 본 발명에 따른 직렬 연결된 2개의 가스공급 유닛을 구비한 본 발명에 따른 반응기의 개략적 정면도
14. 본 발명에 따른 가스공급 유닛의 개략적 분해도
도 1은 가스 수용 챔버(1)의 상면도를 개략적으로 도시한다. 가스 수용 챔버(1)는 원통형이고, 공정 가스용 수납부(4) 및/또는 샤프트용 수납부(4)를 포함하는 내부 영역으로 분할된다. 이 수납부(4)를 통해서 가스 수용 챔버(1)에 공정 가스와 기계 구동 에너지가 공급된다. 공정 가스는 수납부(4)로부터 사다리꼴 연결편(5)을 통해 실제 가스 수용 챔버(1)로 전도된다. 가스 수용 챔버(1)는 폐쇄된 표면(2)을 가지며, 여기에 확산막(도면에 도시되지 않음)을 수용하기 위한 상응하는 홈(3)이 제공된다. 중공 섬유 형태의 확산막은 홈(3)에 클램핑되거나 접착될 수 있고, 확산막이 가스 수용 챔버(1)의 내부로 연장됨으로써, 수납부(4)로부터 연결편(5)을 통해서 가스 수용 챔버(1)의 실제 내부 안으로 최대 중공 섬유 막까지 연속 가스 전도 경로(gas-conducting path)가 만들어질 수 있다. 홈(3)은 확산막 고정 표면(3)이라고 할 수도 있다. 확산막 고정 표면(3)의 기하구조는 확산막의 평면 구조를 결정한다. 이 구체예에서, 확산막 고정 표면(3)은 원호모양 구조를 가지며, 결과적으로 이들 홈에 고정된 중공 섬유도 마찬가지로 전체적으로 원호모양 막 표면을 가진다. 상부 및 하부 가스 수용 챔버(1)는 거울 이미지 구조를 가질 수 있다. 그러나, 두 가스 수용 챔버(1) 중 하나는 추가 공정 수단을 위하여 수납부를 갖지 않는 것도 가능하다. 작동 중 가스 수용 챔버(1)는 하부측 또는 상부측의 커버에 의해 공정 매질(process media)이 직접 접근하는 것으로부터 보호될 수 있다.
도 2는 도 1과 비교하여 본질적으로 동일한 구성을 도시하며, 가스 수용 챔버(2)의 표면, 확산막 고정 수단(3), 공정 가스 및/또는 샤프트(4) 수용 수단, 및 가스 수용 챔버와 가스 수용 수단(4)의 연결부(5)를 나타낸다. 도 1과 달리, 개별 원통형 중공 섬유가 확산막 고정 표면(3)에 삽입된 것을 나타내고 있다. 따라서, 표면이 연속적인 평면 막이 아니고, X 및 Y 방향으로 서로 엇갈린 많은 개별 중공 섬유로 형성됨으로써 확산막 고정 표면(3)의 원호모양 구조를 추종한다는 것이 분명하다. 이와 관련하여, 원호모양 기하구조는 확산막에 대한 결과이다. 두 가스 수용 챔버(1)에서 중공 섬유의 고정에 더하여, 개별 중공 섬유는 또한 서로에 대해 기계적으로 고정될 수 있다(도면에 도시되지 않음). 이러한 추가 고정은, 예를 들어 중공 섬유의 대칭축에 수직인 막으로 직조되거나 편조된(braided) 섬유에 의해 달성될 수 있다. 따라서, 중공 섬유와 추가 고정 섬유의 격자가 형성되고, 이것은 추가 고정 지점의 수의 함수 및 추가 섬유의 기계적 특성의 함수로서 확산막의 필요한 기계적 하중 용량에 맞게 조정될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 가스 공급 유닛(10)의 구체예를 도시한다. 이 도면에서는 전체 가스 공급 유닛(10)을 볼 수 있다. 가스 공급 유닛(10)에는 공급 라인(9)을 통해 공정 매질 공정 가스 및 에너지가 공급된다. 공급 라인은 제1 가스 수용 챔버(1)(도면에 도시되지 않음)의 가스 공급부/샤프트용 수납부(4)를 향해서 개방된다. 이런 점에서 가스 수용 챔버(1)에는 상부 커버가 제공된다. 가스 수용 챔버(1)로부터 개별 확산막(6)이 연장되며, 이것은 전체적으로 제1 가스 수용 챔버(1)(이 도면에서 상부에 도시됨)에서 하부 가스 수용 챔버(1)까지 연장된다. 이 도면에서, 특히 확산막(6)의 평면 설계를 볼 수 있으며, 이것은 중공 섬유의 특정한 배치에 의해 달성된다. 확산막(6)은 제1 가스 수용 챔버(1)에서 제2 가스 수용 챔버(1)까지 연장되고, 유지 원반(7)에 의해 중앙에서 제자리에 고정된다. 따라서, 가스 수용 챔버(1) 사이에서 개별 확산막(6)의 가스 전도가 중단되지 않는다. 확산막(6)은 유지 원반(7)에 의해서만 고정되거나, 그것의 원래 위치로부터 편향되거나, 또는 기계적으로 인장될 수 있다. 따라서, 유지 원반(7)은 개별 확산막(6)의 배향을 변화시킬 수 있고, 이것은 당연히 가스공급 유닛(10)의 달성가능한 대류에 영향을 미친다. 이 도면에서, 흐름 차단기(8)가 또한 도시되는데, 이것은 반응기 헤드 스페이스 방향으로 가스공급 유닛(10)의 위에 배치된다. 이 흐름 차단기(8)는 선택사항이며, 특히 가스공급 유닛(10)의 회전 속도가 매우 높을 때 반응기 액체에 소용돌이(vortex) 형성을 방지할 수 있다. 이것은 버블 형성의 추가 감소에 기여할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 가스 공급 유닛(10)의 정면도를 도시한다. 가스 공급 유닛(10)에는 공급 라인(9)을 통해 공정 매질 공정 가스 및 기계적 에너지가 공급된다. 공급 라인은 제1 가스 수용 챔버(1)(도면에 도시되지 않음)의 가스 공급부/샤프트용 수납부 내로 개방된다. 가스 수용 챔버(1)로부터 개별 확산막(6)이 연장되며, 이것은 전체적으로 상부 가스 수용 챔버(1)에서 하부 가스 수용 챔버(1)까지 연장된다. 확산막(6)은 제1 가스 수용 챔버(1)에서 제2 가스 수용 챔버(1)까지 연장되고, 유지 원반(7)에 의해 중앙에서 제자리에 유지된다. 이 도면에서, 흐름 차단기(8)가 또한 도시되는데, 이것은 반응기 헤드 스페이스 방향으로 가스공급 유닛(10)의 위에 배치된다.
도 5는 본 발명에 따른 가스 공급 유닛(10) 내의 매질 공급의 일례를 도시한다. 가스 공급 유닛(10)은 가스 공급부/샤프트용 수납부(4)에서 가스 수용 챔버(1)에 연결된 중공 샤프트(9)에 의해 구동된다. 샤프트는 기계적 에너지와 공정 가스를 가스 수용 챔버(1)로 수송한다. 가스 공급부용 수납부(4)와 가스 수납부 내부-가스 수납부 연결부를 통해서 가스 수납부 내부(11)로 가스가 인도된다. 개별 중공 섬유막(6)이 가스 수용 챔버(1) 상에 배치되어 가스 수용 챔버 내부(11)로 연장된다. 이로써 가스 수용 챔버 내부(11)를 통해서 중공 섬유막에 공정 가스가 공급되고, 이것은 확산막(6)의 중공 섬유를 통해서 나머지 하나의 가스 수용 챔버(1)로 전도된다. 공정 가스는 확산막(6)의 중공 섬유로부터 공정 액체로 이동할 수 있고, 이로써 액체에 공정 가스가 공급된다. 이로써 두 가스 수용 챔버(1)는 기계적 지지체(12)를 통해 서로 더 연결된다. 이 지지체는 순수한 기계적 지지 이외에 다른 기술적 기능을 위해 사용될 수 있다. 이 구체예에서, 제2 (하부) 가스 수용 챔버(1)는 공정 가스용 수납부(4)를 포함한다. 막(6)의 외부로 확산되지 않은 공정 가스는 중공 샤프트 형태의 지지체(12)를 통해 가스공급 유닛(10)의 외부로 안내된다. 따라서, 가스공급 유닛(10)은 "교차-흐름" 모드로 작동된다. 일반적으로, 공정 가스는 기계적 지지체로서도 작용할 수 있는 중앙의 중공 샤프트(12)를 통해 방출 및 공급될 수 있다. 특히, 후자의 설계는 필요한 연결 지점의 수를 감소시킬 수 있다.
도 6은, 도 5와 마찬가지로, 본 발명에 따른 가스 공급 유닛(10) 내의 매질 흐름을 도시한다. 가스 공급 유닛(10)에 수납부(4)에 의해 공정 가스 및/또는 기계적 에너지가 공급된다. 수납부(4)는 가스 수용 챔버(1)에 연결되고, 이로써 공정 가스가 가스 수용 챔버 내부(11)에 공급된다. 개별 중공 섬유막(6)이 가스 수용 챔버(1) 상에 배치되어 그 안으로 연장된다. 이로써 가스 수용 챔버 내부(11)를 통해서 중공 섬유막에 공정 가스가 공급되고, 이것은 확산막(6)의 중공 섬유를 통해서 나머지 하나의 가스 수용 챔버(1)로 전도(전달)된다. 공정 가스는 확산막(6)의 중공 섬유로부터 공정 액체로 이동할 수 있고, 이로써 액체에 공정 가스가 공급된다. 이로써 두 가스 수용 챔버(1)는 기계적 지지체(12)를 통해 서로 더 연결되며, 기계적 지지체(12)는 선택적으로 공정 가스를 안내할 수도 있다. 이 구체예에서, 제2 (하부) 가스 수용 챔버(1)는 공정 가스용 수납부(4)를 포함한다. 막(6)의 외부로 확산되지 않은 공정 가스는 기계적 지지체(12)의 가스 라인을 통해 가스공급 유닛(10)의 외부로 안내된다. 이 구체예에서, 가스공급 유닛(10)은 "교차-흐름" 모드로 작동될 수 있다. 따라서, 일반적으로, 공정 가스의 공급(4) 및 배출이 중공 샤프트 형태의 중앙의 기계적 지지체(12)를 통해 행해질 수 있다. 특히, 후자의 설계는 필요한 연결 지점의 수를 감소시킬 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 가스공급 유닛(10)을 내부에 구비한 본 발명에 따른 생물반응기(20)를 도시한다. 반응기(20)는 공정 액체로 충전되며, 공정 액체는 최대 공정 액체 수준(21)까지 반응기(20)에 존재한다. 가스공급 유닛(10)은 중공 샤프트(9) 형태의 공정 가스/기계적 에너지 공급부에 의해 반응기(20)에 고정되고 반응기(20)를 통해서 움직인다. 가스공급 유닛(10)의 추가 구성은 도 5에 대한 설명을 참조할 수 있다. 또한, 추가의 흐름 차단기 또는 컨덕터(8)가 반응기 벽(22)에 또는 반응기(20)의 액체 부피(volume) 내에 배치되는 것도 가능하며(도면에 도시되지 않음), 이로써 추가의 흐름 차단기(8)가 공정 액체의 대류에 영향을 미칠 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 가스공급 유닛(10)을 구비한 본 발명에 따른 하나의 가능한 반응기(20)의 설계를 도시한다. 이 도면에서, 반응기(20) 내에 형성될 수 있는 한 가지 가능한 대류 흐름이 도시된다. 대류 흐름은 반응기(20) 및 가스공급 유닛(10)의 기하학적 구조의 함수로서 유동 거동을 시뮬레이션한 결과이다. 이 도면에서, 가스공급 유닛(10)이 매우 대칭적인 대류 흐름의 형성을 초래한다는 것을 볼 수 있으며, 이로써 특히 가스공급 유닛(10)의 내부 역시 공정 액체에 의해 이리저리 능동적으로 유동된다. 특히, 후자는 확산막(6)을 통해서 공정 액체에 공정 가스를 특히 효율적으로 도입하는데 기여할 수 있다. 개별 중공 섬유(6) 주변에서 공정 액체의 대류는 특히 중공 섬유(6)의 표면에서 전단된 작은 가스 버블을 형성하며, 이로써 공정 가스를 공정 액체에 공급할 수 있다. 이것은 또한 중공 섬유의 표면에서 버블 크기가 작게 유지되는 것을 보장한다.
도 9는 모듈 커플링(31)을 통해서 결합된 2개의 개별 가스공급 유닛(10)으로 구성된 직렬 연결된 가스공급 유닛(30)을 도시한다. 모듈 커플링(31)을 통해 공정 가스와 기계적 운동이 상부 가스공급 유닛(10)에서 하부 가스공급 유닛(10)으로 전달된다. 몇 개의 가스공급 유닛(10)을 서로 연결함으로써 상이한 기하구조 및 크기를 갖는 반응기에 매우 효율적으로 공정 가스가 공급될 수 있다. 이로써 가능한 적은 수의 연결부 및 신뢰할 수 있는 예측가능한 대류 흐름을 갖는 설계가 얻어진다. 이것은 특히 직렬 연결된 가스 공급 유닛(30)을 통해서 더 큰 반응기(20)로의 규모확장이 쉽게 수행될 수 있다는 것을 의미한다.
도 10은 도 9의 구체예의 또 다른 투시도를 도시한다.
도 11은 직렬 연결된 2개의 가스공급 유닛(10)의 배치에서 매질 공급의 일례를 도시한다. 가스공급 유닛(10)은 가스 공급부/샤프트용 수납부(4)에서 가스 수용 챔버(1)에 연결된 중공 샤프트(9)에 의해 구동된다. 가스 공급부용 수납부(4) 및 가스 수납부 내부 챔버 가스 수납부 연결부(5)를 통해서, 개별 중공 섬유막(6)을 통해 나머지 하나의 가스 수납부 챔버(1)로 가스가 공급된다. 제2 가스 수용 챔버(1)로부터 잔류 공정 가스가 모듈 커플링(31)을 통해서 제2 가스공급 유닛(10)으로 이동할 수 있다. 2개의 가스 공급 유닛(10) 사이의 모듈 커플링(31)은 개별 가스 공급 유닛(10)들 사이에서 기계적 구동 에너지의 전달과 공정 가스의 전달을 모두 가능하게 한다.
도 12는 2개의 개별 가스공급 유닛(10)으로 구성된 직렬 연결된 2개의 가스공급 유닛(30)을 구비한 본 발명에 따른 반응기(20)의 구체예를 도시한다. 몇 개의 가스 공급 유닛(10)을 직렬 연결함으로써, 특히 종횡비(애스펙트 비)가 큰 반응기(20)에도 공정 가스가 신뢰성 있게 공급될 수 있다.
도 13은 직렬 연결된 2개의 가스공급 유닛(30)을 구비한 반응기(20)의 가능한 유동 프로파일을 도시한다. 이로써 전체 반응기 면적에 걸쳐서 그리고 직렬 연결된 가스공급 유닛(30) 내에서 공정 액체의 균일한 대류가 얻어진다.
도 14는 본 발명에 따른 가스 공급 유닛(10)의 분해도를 도시한다. 가스 공급 유닛(10)은, 예를 들어 수납부(4)에서 가스 수용 챔버(1)에 연결된 중공 샤프트(도면에 도시되지 않음)에 의해 구동되고 공정 가스가 공급될 수 있다. 샤프트는 유닛에 기계적 힘을 제공하고, 공정 가스를 가스 수용 챔버(1)로 수송한다. 개별 중공 섬유막(6)이 가스 수용 챔버(1) 상에 배치되어 가스 수용 챔버 내부(11)로 연장된다. 이로써 가스 수용 챔버 내부(11)를 통해서 중공 섬유막에 공정 가스가 공급되고, 이것은 확산막(6)의 중공 섬유를 통해 나머지 (하부) 가스 수용 챔버(1)로 전도된다. 공정 가스는 확산막(6)의 중공 섬유로부터 공정 액체로 이동(통과)할 수 있고, 이로써 액체에 공정 가스가 공급된다. 이로써 두 가스 수용 챔버(1)는 기계적 지지체(12)를 통해 서로 더 연결된다. 이 지지체(12)는 순수한 기계적 지지 이외에 다른 기술적 기능을 위해 사용될 수 있다. 이 구체예에서, 제2 (하부) 가스 수용 챔버(1)는 공정 가스용 수납부(4)를 포함한다. 막(6)의 외부로 확산되지 않은 공정 가스는 기계적 지지체(12)의 중공 샤프트를 통해 다시 가스공급 유닛(10)의 외부로 인도된다. 이 구체예에서, 가스공급 유닛(10)은 "교차-흐름" 모드로 작동된다. 일반적으로, 수납부(4)를 통해 한쪽 또는 양쪽 가스 수용 챔버(1)의 외주변에 연결된 기계적 지지체(12)의 중앙 중공 샤프트를 통해 공정 가스가 내외부로 공급될 수 있다. 특히, 후자의 구체예는 필요한 연결 지점의 수를 감소시킬 수 있고, 컴팩트한 설계에 기여할 수 있다. 또한, 이 구체예에서 개별 가스 수용 챔버(1)가 커버판에 의해 위아래에서 보호될 수 있다는 것을 볼 수 있다.
참조 부호:
1: 가스 수용 챔버
2: 가스 수용 챔버 표면적
3: 확산막 고정 표면
4: 가스 공급부/샤프트용 수납부
5: 가스 흡입구 내부 - 가스 흡입구 연결부
6: 확산막
7: 유지 원반
8: 흐름 차단기
9: 공정 가스/기계적 에너지 공급부
10: 가스공급 유닛
11: 가스 수용 챔버 내부
12: 지지체
20: 기체-액체 반응기
21: 공정 액체 레벨(수준)
22: 반응기 쉘
30: 직렬 배치된 가스공급 유닛
31: 모듈 커플링

Claims (15)

  1. 반응기(20) 내에 위치된 액체에 공정 가스를 버블 없이 도입하기 위한 가스공급 유닛(10)으로서, 가스공급 유닛(10)이 적어도
    - 서로 이격되고 적어도 부분적으로 서로 고정된 중공 섬유(6)를 포함하는 적어도 2개의 2차원 가스-전도 확산막(6)을 통해 서로 연결된 2개의 가스 수용 챔버(1)인, 공정 가스를 수용하기 위한 제1 가스 수용 챔버 및 그로부터 이격된 제2 가스 수용 챔버(1);
    - 가스 수용 챔버(1) 중 적어도 하나 상의 가스 공급부용 수납부(4);
    - 가스 수용 챔버(1) 중 적어도 하나 상의 샤프트(9)용 수납부(4)
    를 포함하며,
    반응기(20) 내 액체에 가스를 공급하기 위한 가스공급 유닛(10)은 가스 공급부 수납부(4)를 통해 공정 가스가 제공될 수 있고, 샤프트(9)용 수납부(4)를 통해 회전 동작이 설정될 수 있으며, 액체 중에서 가스공급 유닛(10)의 회전 동작을 통해 반응기(20) 내에 대류 흐름을 형성할 수 있는 것을 특징으로 하는 가스공급 유닛(10).
  2. 청구항 1에 있어서, 가스 수용 챔버(1)에 대한 확산막(6)의 돌출부는 원형 원호모양 기하구조를 갖는 것을 특징으로 하는 가스공급 유닛.
  3. 선행 청구항 중 어느 하나에 있어서, 가스 공급부용 수납부(4) 및 샤프트(9)용 수납부(4)는 단지 하나의 가스 수용 챔버(1)에만 배치되는 것을 특징으로 하는 가스공급 유닛.
  4. 선행 청구항 중 어느 하나에 있어서, 2개의 가스 수용 챔버(1)는 각각 원통형 모양을 가지며, 하나 이상의 기계적 지지체(12)를 통해서 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 가스공급 유닛.
  5. 청구항 4에 있어서, 적어도 하나의 유지 원반(7)이 기계적 지지체(12) 상에서 2개의 가스 수용 챔버(1) 사이에 배치되고, 이것은 확산막(6)을 기계적으로 유지하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 가스공급 유닛.
  6. 청구항 4 또는 5에 있어서, 기계적 지지체(12)는 가스 수용 챔버(1)로부터 공정 가스를 수송하도록 조정되는 것을 특징으로 하는 가스공급 유닛.
  7. 선행 청구항 중 어느 하나에 있어서, 가스 수용 챔버의 단면적에 대한 전체 중공 섬유 단면적의 면적 비율은 5% 이상 및 45% 이하인 것을 특징으로 하는 가스공급 유닛.
  8. 선행 청구항 중 어느 하나에 있어서, 가스공급 유닛(10)의 부피로 나눈 중공 섬유의 표면적으로서 표시되는, 가스공급 유닛(10)의 부피에 대한 확산막(6)의 충전 밀도는 0.1 cm-1 이상 및 7.5 cm-1 이하인 것을 특징으로 하는 가스공급 유닛.
  9. 청구항 1 내지 8 중 어느 하나에 따른 가스공급 유닛(10)에 의해 가스 투입이 행해지는 것을 특징으로 하는, 반응기(20) 내의 공정 액체에 가스를 공급하는 방법.
  10. 청구항 9에 있어서, 가스공급 유닛(10)의 최외각 가장자리에서 막 표면(6)의 회전 속도는 0.1 m/s 이상 및 5 m/s 이하인 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 적어도 외부 반응기 쉘(22), 구동 유닛, 가스 공급부(9) 및 청구항 1 내지 8 중 어느 하나에 따른 가스공급 유닛(10)을 포함하는 기체-액체 반응기(20).
  12. 청구항 11에 있어서, 반응기(20)는 가스공급 유닛(10) 이외의 다른 교반 유닛을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 기체-액체 반응기.
  13. 청구항 12에 있어서, 적어도 하나의 흐름 차단기(8)가 반응기 쉘(22)과 가스 수용 챔버(1) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 기체-액체 반응기.
  14. 공정 용액에 현탁된 또는 반응기 내부 또는 가스공급 유닛에 부착된 생물학적 배양물에 공정 가스를 공급하기 위한 청구항 11 내지 13 중 어느 하나에 따른 기체-액체 반응기(20)의 사용.
  15. 청구항 14에 있어서, 생물학적 배양물은 폼-형성 물질을 생성하도록 조정되는 것을 특징으로 하는 사용.
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