KR850001312B1 - 연속격막 생화학반응기에서 순환한외 여과 유도방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

연속격막 생화학반응기에서 순환한외 여과 유도방법

제 1 도는 본 발명의 외부교대압력을 이용한 순환한외 여과 유도방법.

제 2(a)도는 본 발명의 입구측 맥동류에 의한 순환한외 여과 유도방법.

제 2(b)도는 본 발명의 출구측 맥동류에 의한 순환한외 여과 유도방법.

제 3 도는 본 발명의 반연속 펌프조작에 의한 순환한외 여과 유도방법.

제 4(a)도는 종래의 실관 효소반응기(AM/10)의 사시도.

제 4(b)도 제 4(a)도의 구조를 도시하는 개략도.

본 발명을 연속격막 생화학반응기에서 반응효율을 증가시키기 위하여 순환한외 여과를 유도하는 방법에 관한 것이다.

다시 말하면 본 발명은 한외 여과성막이 있는 생화학 반응기에서 연속공급된 기질과 반응생성물의 전달을 촉진함으로써 반응기 효율을 증가시키기 위하여 막의 좌우에 압력차를 시간에 따라 교대로 가함으로써 한외여과를 좌에서 우로, 우에서 좌로 교대로 일으켜 순환한외 여과를 유도하는 방법에 관한 것이다. 여기에서 격막 생화학반응기라 함은 다공성 격막을 사용하여 격막의 세공보다 큰 생화학촉매를 격막의 한쪽에 두어 유출되지 못하게 함으로써 생화학촉매를 재사용할 수 있는 장점을 가진 반응기이며 이에는 실관 여러가닥을 묶은 실관반응기(hollow fiber)와 한외여과기(ultrafiltration cell)가 이에 속한다. 또한 생화학촉매라 함은 생화학반응을 일으킬 수 있는 효소 또는 세포를 뜻한다. 다시 설명하면 생화학촉매는 크기 때문에 막을 통과할 수 없고 기질이나 반응물만이 막을 통과할 수 있다.

종래의 격막생화학 반응기를 이용한 공지의 방법은 다음과 같다.

(1) 실관 격막반응장치에서 효소를 실관막 지지부에 고정시키고 기질을 실관 내부로 흘려보내는 방법(Waterland 등, AICHE J., 20, 50, 1974)

(2) 실관 내부에 효소를 고정시키고 실관 외부에 기질용액을 흘려보내는 방법(Rony, Biotech. Bioeng., 13, 431, 1971)

(3) 한외여과기를 사용하여 효소와 기질을 섞은 후 반응물만 격막을 빠져나가게 하는 방법(Butterworth 등, Biotech. Bioeng., 12,615, 1970)이 있다.

(1)과 (2)의 방법은 확산에 의해 기질과 반응물이 격막을 통과하여야 하므로 확산속도가 늦어져서 반응속도가 떨여지는 단점이 있었고, (3)의 방법은 격막의 표면에 생화학 촉매가 침적됨으로 하여 한외 여과속도가 시간에 따라 감소하므로 장시간 사용할 수 없는 단점이 있었다.

또한 (1)과 (2)의 발명의 단점을 개선하기 위해 최근 연구된 바로는 격막생화학반응기에 순환압력을 가하여 확산에 의해 반응속도가 제한되는 결점을 제거하려 했다.

즉, (4) 격막으로 분리된 양실(chamber) 중 한쪽에 효소를 넣고 다른 한쪽에 기질용액을 넣어 실증 한쪽에 압력을 교대로 가하여 기질과 생화학촉매의 접촉빈도를 증가시켜 효율을 증가시키는 방법(Furusaki 등, J.Chem. Eng. Japan, 10,233, 1977)

(5) 실관반응기의 바깥에 세포를 넣고 실관반응기 내부에 압력을 교대로 가하며 영양분을 공급하는 방법(Ku 등, Biotech. Bioeng. 23, 79, 1981) 등이 있으나, (4)와 (5)의 방법은 순환압력을 가함으로써 확산에 의한 효율저하를 향상시키려 했다는데 의미가 있으나 연속식이 아닌 회분식에 비해 생산성이 낮으며, 순환압력방법은 연속시으로 운영하기에는 어려운 문제점이 많은 실정이다.

본 발명자들은 이러한 제결점을 제거하기 위하여 오랜 연구와 시험 끝에 확산저항을 없애고 종전의 입류와 출류가 없는 회분식 방법이 아닌 연속식 방법으로도 운영이 가능한 여러 종류의 한의 여과방법을 도입하여 반응효율을 향상시키는 새로운 방법을 발명하였다. 즉 본 발명자들은 단위시간에 격막을 통과하는 기질의 양이 한외 여과량에 의해 좌우되며 반응기의 효율은 이에 상응하여 증가함을 발명하여 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 방법을 보다 구체적으로 도면에 의하여 설명하면 다음과 같다.

제 1(a)도와 같이 격막(M)의 좌우 두 구획, 기질(S) 측(I)과 생화학촉매(C)인 효소 또는 세포측(II)에 각각 솔레노이드밸브(V)를 붙이고, 두 밸브에 교대로 압력을 가해 한외여과기 좌우로 순환적으로 발생하게 한다. 이때 기질(S)은 정속펌프(P₁)에 의해 공급되고 다른 정속펌프(P₂)에 의해 같은 양이 제거되고, 시간(t)에 따른 유량(Q)변화는 출구유량(a)이나 입구유량(b) 공히 없다. 이리하여 기질(S)측 (I)에 반응물(P)가 생성되는 것으로 외부교대압력에 의한 순환한외 여과의 유도방법이다.

또한 제 2(a)도와 같이 기질(S)측 (I)입구에 2개의 정속펌프(P₁)(P₂)를 놓고 출구에 1개의 정속펌프(P₂)를 설치한다. 입구의 두 펌프를 단속적으로 작동시켜 유량(Q)을 시간(t)에 따라 두 단계(X)(Y)로 변화시킨다. 입구에 고유량 펌프가(P₁) 작동하면 출구의 정속유량과 입구의 정속유량의 차이가 실관측에서 효소실쪽으로 이동하며 입구의 저유량펌프(P'₁)가 작동하면 출구의 정속유량과의 차이가 효소실에서 실관측으로 이동하여 바깥으로 나가게 된다. 따라서 입구의 유량변화는 그림 4(c)도에서 처럼 주기적으로 변하게 하여 한외여과를 하며, 입구의 어느 펌프가 움직이느냐에 따라 한외여과의 방향이 정해진다. 이 때 기질(S)측 (I)은 부피가 일정한 밀폐용기이므로 입구유량(b)과 출구유량(a) 차이만큼 한외여과되어 반응물(P)이 생성된다.

제 2(b)도는 출구측에 2개의 펌프(P₂)(P'₂)를 놓고 입구측에 1개의 펌프(P₁)를 놓고 한외여과를 유도하는 방법으로 한외여과의 방법은 제 2(a)도와 같으며, 한외여과의 방향이 제 2(a)도의 역방향으로, 이들은 맥동류에 의한 순환한외 여과의 유도방법이다.

제 3 도는 출구와 입구에 각각 1대의 펌프를 설치하고, 2대를 교대로 작동시키는 반연속조작을 나타내고 있다. 즉 기질(S)측 (I)에서 효소 또는 세포측(II)으로 한외여과시킬 때는 입구펌프(P₁)를 가동시키고 출구펌프(P₂)를 정지시킨다. 한편 반응생성물(P)을 제거하기 위해서는 입구펌프를 정지시키고 출구펌프를 가동한다. 두 펌프의 유량은 같아서 효소 또는 세포측(II) 용액의 부피는 한 주기를 통해 평균하면 일정하게 되는 반연속식 펌프조작에 의한 순환한외 여과의 유도방법이다.

이와 같은 본 발명의 방법을 사용하면 전화율 증가가 5-6%의 현저한 효과를 얻을 수가 있었다.

다음은 본 발명의 실시예이나 본 발명의 범위를 본 실시예에만 국한하는 것은 아니다.

[실시예 1]

실관막장치(아미콘 회사제품, 모델 HIPIO)를 격막생화학반응기로 하여 연속 조업하였다. 효소로는 250유니트 베키-갈락토시데이즈, 기질로는 0.9밀리몰 오르소-니트로페닐-베티-디-갈락토피나노자이드(ONPG)를 사용했다. 출구펌프의 유량은 44㎖/분, 주기는 2분, 그리고 한외여과량은 20㎖/분이었다. 순환한외 여과가 있을 때 기질의 전화율은 44%였고, 한외여과가 없이 확산만에 의한 기질의 전화율은 38%였다. 따라서 6%의 전화율 증가가 있었다.

[실시예 2]

격막 생화학 반응기로 실리관막 장치(아미콘 회사제로 모델 HIP5)를 사용하고 실시예 1과 같은 연속 조업을 하였다. 효소는 25유니트 베타-갈락토시데이즈, 기질로는 0.3밀리몰 오앤피지(ONPG)를 사용했다. 출구펌프의 유량은 44㎖/분, 주기는 4분, 그리고 한외여과량은 5㎖/분이었다. 순환한외 여과가 있을 때 기질의 전화율은 15%였고, 확산만에 의한 전화율은 10%였다. 따라서 전화율 증가는 5%였다.

Claims (2)

1. 격막으로 기질실(I)과 세포실(II)의 두 구획으로 분리한 한외여과기에 있어서, 기질실(I)에 기질(S)을 공급하는 정속펌프(P₁)와 제거하는 정속펌프(P₂)를 설치하고, 기질실(I)과 세포실(II)에 각각 솔레노이드 밸브를 설치하여 교대로 작동시켜 기질실과 세포에 연속 순환적으로 압력이 생기게 함을 특징으로 하는 순화한외 여과 유도방법.
2. 제 1 항에 있어서, 기질실(I)의 입구에 정속펌프(P₁)(P'₁)를 출구에 정속펌프(P₂)를 설치하여 정속펌프(P₁)(P'₁)를 교대로 작동시키는 맥동류에 의한 순화한외 여과 유도방법.

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