KR940010108B1 - 반경방향 분산기를 이용한 기포탑 반응기 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

반경방향 분산기를 이용한 기포탑 반응기
제 1 도는 반경방향 분산기가 설치된 기포탑 반응기의 단면도.
제 2 도는 반경방향 기체 분산기의 사시도.
제 3 도는 반경방향 공기 분산기와 단일기체분사판 단면도.
제 4 도는 여러개의 반경방향 기체 분산기가 설치된 복합기체 분산판의 단면도.
제 5 도는 본 발명에 의한 반응기의 물질전달 계수를 종래의 반응기의 물질전달 계수와 비교하여 나타낸 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 기체 분산기 2 : 분산기의 나사
3 : 기체 분산기 설치판 4 : 기포탑
5 : 플랜지 6 : 기체의 주입구
7 : 나사구멍 8 : 반응기 뚜껑
9 : 기체의 배출구 10 : 센서 및 반응물의 주입구
11 : 기체주입판과 반응기 지지대 12 : 단일기체 분산기 설치판
13 : 기체 통로 14 : 볼트 구멍
본 발명은 생물 반응이나 기상-액상간의 반응과 관련된 여러 화학공정에서의 반응기의 성능을 향상시키기 위한 반경방향 기체 분산기를 갖는 기포탑 반응기에 관한 것이다.
일반적으로 기포탑은 석유화학, 생명공학, 여러종류의 화학공정분야에서 광범위하게 사용되고 있다. 기포탑은 교반 반응기나 종래의 여러종류의 반응기에 비하여 구조가 간단하고, 높은 물질 전달과 열전달속도를 갖고, 운전 비용이 작은 장점이 있다. 지금까지 물질전달과 열전달과 같은 기포탑 반응기의 성능을 향상시키기 위하여 내부, 외부 순환 에어리프트(airlift) 반응기와 같은 여러 종류의 기포탑이 개발되었다. 종래의 기포탑 반응기들의 기상 분산기는 다공판, 오리피스(orifice), 신터드 판(sintered plate)등을 사용하여 기체를 반응기의 하단에서 수직방향으로 분산하고 있다.
기포탑 반응기는 기체의 유입량이 증가하여 대형 기포가 형성되면, 기포의 상승속도가 빠르기 때문에 기체의 체류시간이 감소하여 반응기의 수율이 감소하는 단점이 있다. 또한, 액상의 점도가 증가함에 따라 반응기에서의 기포 크기가 증가하게 되어 기-액 계면적이 급격하게 감소하여 반응기의 물질전달 속도가 감소하는 경향이 있다. 따라서, 이러한 문제를 극복하고, 우수한 성능의 기포탑 반응기를 개발하기 위해서는 기포 크기가 작고, 기상체류 시간이 긴 반응기의 개발이 필요하다.
따라서, 본 발명의 주 목적은 상기의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 반경방향 기상 분산기를 갖는 기포탑 반응기를 이용하므로써, 높은 기상 유량에서도 기포 크기가 작고, 체류시간이 길어 물질전달과 열전달, 반응 수율이 높은 우수한 반응기를 제공함에 있다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 제공되는 본 발명은 생물 반응이나 기상-액상간의 반응과 관련된 여러화학 공정에서의 반응기의 성능을 향상시키기 위한 반경방향 기체 분산기를 갖는 기포탑 반응기에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 설명하면 본 발명의 기포탑 반응기는 기포탑과, 다공벽과 하부 개방단을 가지며 수직배향으로 기포탑내에 배열되어 반경방향으로 기체 분산하기 위한 1개 이상의 실린더형 반경방향 기체분산기와, 기체 분산기의 하부 개방단과 대응 연통하는 기체 주입구를 가지며 기체 분산기가 설치되는 기체 분산기 설치대와, 기체 배출구와 센서 및 반응물 주입구가 제공되는 반응기 뚜껑을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 반경방향 분산기는 바람직하게 소결 스텐레스강(sintered stainless steel)으로 제작되며, 실린더형으로 분산기 자체에 빈 공간이 있어 공기실(air chamber)로 작용하기 때문에 종래의 반응기와는 달리 공기실이 필요없거나, 작은 규모의 공기실만이 소요된다. 또한, 종래의 판형 기체 분산기와는 달리 분산기에 나사가 부착되어 있어 쉽게 설치와 교환이 가능하다. 그리고, 종래의 기포탑 반응기에서는 분산기의 면적이 반응기의 직경에 제한을 받지만, 본 발명에서의 분산기는 반응기의 직경에 관계없이 적당한 크기의 분산기를 선정함으로서 분산기의 면적을 자유롭게 조절이 가능하다. 따라서, 반응물의 수율을 향상시키기 위하여 긴 기상 체류 시간이 필요하다면, 적당한 크기의 직경과 높이를 갖는 반경방향 분산기를 선정하여 기체의 상승 속도와 크기를 조절함으로서 긴 기상 체류시간을 얻을 수 있어 높은 수율을 얻을 수 있다. 특히, 전술한 바와같이 높은 기상 유입 속도에서나 높은 액상 점도에도 작은 기포를 발생시키고, 체류 시간을 증대시킴으로서 반응기의 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
전기한 본 발명의 목적 및 특징들은 일예로서 도시한 첨부 도면에 의하여 기술되는 다음의 설명을 고려함으로써 더욱 상세하게 이해할 수 있을 것이다.
제 1 도는 본 발명에 일 실시예에 의한 기포탑 반응기의 구성을 보인 것이고, 제 2 도와 제 3 도는 기체 분산기의 설치 예를 도시한 것이다. 제 1 도에 도시한 바와 같이 본 발명에 의한 기포탑 반응기는 반경방향으로 기체를 액상 반응물에 균일하게 분산하는 기체 분산기(1), 분산기 나사(2), 기체 분산기를 설치할 수 있는 기체 분산기 설치대(3), 기포탑(4), 플랜지(5), 분산기를 받침대의 조립할 수 있는 나사가 형성된 기체 주입구(6), 기체의 배출구(9)와 센서 및 반응물의 주입구(10)를 갖는 반응기 뚜껑(8)등으로 구성되어 있다.
제 1 도에서 기포탑 반응기(4)의 크기는 사용 용량에 따라 가변적이지만, 일반적으로 기포탑의 높이와 직경의 비는 10:1 이상으로 설계하는 것이 바람직하다. 제 1 도에서 처럼 한개의 분산기(1)만을 사용하는 경우는 반응기의 직경이 작은 경우에 주로 사용한다. 제 2 도에 도시한 바와같이 분산기 자체가 공기실로 작용하기 때문에 종래의 기포탑 반응기와는 달리 별도의 공기실이 필요없다. 제 3 도의 본 발명의 예에서, 대형 반응기의 경우에는 한개의 분산기만을 사용할 수도 있지만, 여러개의 반경방향 기체 분산기를 일정한 간격으로 동시에 설치하여 기체를 분산시키는 방법이 효과적이다. 제 4 도에 도시한 바와같이 여러개의 반경방향 분산기(1)를 사용할 경우에는 각 분산기로 공기를 주입하기 위한 최소한의 통로(13)만이 필요하고, 공기실 없이 약 5mm정도의 기체통로(13)만으로도 충분하다.
본 발명에 의한 반경방향 기체 분산기를 갖는 기포탑 반응기의 사용에 따른 작용 효과를 실시예를 들어 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따르는 반응기의 성능 조사를 하기 위하여 일반적으로 사용되는 물질전달 계수와 기상 체류량, 기포의 크기와 기-액상 간의 물질전달 계면적 등의 관점에서 종래의 여러 형태의 기포탑 반응과 비교하였다. 본 발명의 실시예에서 사용된 기포탑(4) 반응기의 규격은 직경은 120mm, 높이는 2.5m, 반경방향 분산기(1)의 평균 공극 크기는 5μm이고, 길이가 150mm, 직경 38.1mm이며, 동일한 크기의 일반적인 기포탑에서의 판형 분산기의 표면적이 113㎠인데 반하여 본 발명에서 사용된 반경방향 분산기(1)의 표면적은 180㎠로 판형 분산기의 약 1.6배이다. 그리고 분산기의 나사는 6.3mm이다. 이와같은 규격들은 사용용도에 따라 가변적으로 조절이 가능하므로 확대 사용이 가능하다. 본 실시예에서 액상으로는 사상균배양과 같은 비뉴톤 유체의 특성을 보이는 CMC (carboxy methyl cellouse) 용액을 사용하였다. 본 발명에 의한 반경방향 분산기를 갖는 기포탑 반응기의 경우에 기상체류량이 종래의 반응기들에 비하여 1.5-3배 이상 높은 값을 갖으며, 제 5 도에 도시한 바와 같이 반응기의 성능을 결정하는 물질전달 계수의 경우 동일한 조건하에서 본 발명에 의한 반응기의 경우 종래의 반응기에 비하여 1.5-3배 이상의 높은 물질 전달 속도를 갖는다. 또한, 대부분의 조업 범위에서 기포의 크기가 매우 작고 기-액간의 높은 물질전달 계면적을 제공한다. 결과적으로 본 발명에 의하여 기포탑 반응기의 성능을 급격하게 향상시키는 효과를 갖게 된다.
실제로 본 발명에 의한 반응기를 사상균인 리조푸스 올리고스포로우스(Rhizopus oligosporous)를 사용하여 리파제를 생산한 결과 교반 반응기와는 달리 교반에 사상균 (mycelium)에 손상이 없고, CMC 용액을 사용한 경우와 마찬가지로 높은 점도와 고농도의 세포농도에서도 높은 물질전달 성능을 갖어, 미생물이 필요로 하는 충분한 양의 산소의 공급이 이루어진다. 이처럼 물질전달의 제한을 받지 않기 때문에 높은 리파제 생산속도를 갖는다.
결과적으로 본 발명에 의한 반경방향 분산기를 갖는 기포탑 반응기는 동물 세포, 식물세포 및 사상균과 같이 교반에 의한 전단응력에 약한 세포의 배양에 적합하고, 미생물을 이용한 생체 고분자(biopolymer)의 생산이나 슬러리 용액을 사용하는 반응과 같이 액체의 높은 점도를 갖는 반응의 경우에도 높은 물질전달 속도를 갖기 때문에 많은 양의 산소를 요구하는 미생물의 배양을 위한 반응기로 적합하다. 또한 긴 기상의 체류 시간을 필요로 하는 흡착반응과 같은 일반적인 화학반응을 위한 반응기로 활용이 가능하다.

Claims (1)

  1. 생물반응 또는 기액반응을 위한 기포탑 반응기에 있어서, 상기 반응기는 높이 대 직경의 비가 10:1 이상인 기포탑; 다공벽과 하부 개방단을 가지며 표면적이 상기 기포탑 단면적보다 1.6배 이상이고 수직배향으로 상기 기포탑내에 배열되어 반경방향으로 기체 분산하기 위한 1개 이상의 실린더형 반경방향 기체 분산기; 상기 기체 분산기의 하부개방단과 대응 연총하는 기체 주입구를 가지며 기체 분산기가 설치되는 기체분산기 설치대; 및 기체 배출구와 센서 및 반응물 주입구가 제공되는 반응기 뚜껑을 포함하는 것을 특징으로 하는 기포탑 반응기.
KR1019910015018A 1991-08-29 1991-08-29 반경방향 분산기를 이용한 기포탑 반응기 KR940010108B1 (ko)

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