KR100834110B1 - 상류 충전탑 세포재순환 장치가 장착된 다단계 ｃｓｔｒ생물반응기 시스템 - Google Patents

상류 충전탑 세포재순환 장치가 장착된 다단계 ｃｓｔｒ생물반응기 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 상류 충전탑 세포재순환 장치가 장착된 다단계 CSTR 생물반응기 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, (a) 생물반응기 내의 세포를 재순환시켜 고농도화 하기 위한 상류 충전탑이 장착된 제1 생물반응기 및 (b) 상기 제1 생물반응기로부터 일부 세포, 기질 및 생성물이 상기 충전탑을 통해 도입되어 추가적인 반응이 수행되며, 생물반응기 내의 배양 후 잔여물을 배출하기 위한 상류 충전탑이 장착된 제2 생물반응기 및 순차적 추가 생물반응기를 포함하는 다단계 CSTR(Continuous Stirred Tank Reactor) 생물반응기 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 생물반응기 내부에 상류 충전탑 세포재순환 장치를 장착하여 다단계 배양을 시행함으로써, 혐기성 혹은 호기성 미생물 발효에 의해 생산되는 알코올, 유기산, 항생제 및 재조합 단백질의 생산성을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 고농도의 최종 생산물을 수득할 수 있어, 결과적으로 미생물 공정의 생산성 및 경제성을 개선시킬 수 있다.
상류, 재순환, 다단계, 생물반응기

Description

상류 충전탑 세포재순환 장치가 장착된 다단계 ＣＳＴＲ 생물반응기 시스템{Multi-Stage CSTR Bioreactor with Internal Upflow Packed-Bed Cell Recycle}
도 1은 상류 충전탑 세포재순환 장치를 이용한 3단계 생물반응기를 나타낸 것이다.
도 2는 상류 충전탑 세포재순환 장치를 이용해 에탄올 고농도 연속 배양을 시행하여, 시간에 따른 외부로 유출되는 균체의 상대농도, 및 포도당, 균체 및 알코올의 농도를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 상류 충전탑 세포재순환 장치가 장착된 다단계 CSTR 생물반응기 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, (a) 생물반응기 내의 세포를 재순환시켜 고농도화 하기 위한 상류 충전탑이 장착된 제1 생물반응기 및 (b) 상기 제1 생물반응기로부터 일부 세포, 기질 및 생성물이 상기 충전탑을 통해 도입되어 추가적인 반응이 수행되며, 생물반응기 내의 배양 후 잔여물을 배출하기 위한 상류 충전탑이 장착된 제2 생물반응기 및 추가 생물반응기를 포함하는 다단계 CSTR(Continuous Stirred Tank Reactor) 생물반응기 시스템에 관한 것이다.
미생물은 대사과정에서 인간에게 유용하면서도 다양한 물질들을 생산한다. 우리가 일상적으로 섭취하는 알코올, MSG(Monosodium L-Glutamate), 페니실린, 세척제로 이용되는 각종 효소, 라이신과 같은 아미노산, 젖산, 초산 및 유전자 재조합에 의한 인간성장호르몬 및 인슐린과 같은 다양한 물질들이 미생물 발효를 통하여 생산되고 있다.
일반적으로, 상기 물질들은 대부분 회분식(batch) 또는 유가배양식(fed-batch)의 운용방식으로 생산된다. 이러한 운용방식은 우선 반응조에 배지를 채우고 이를 멸균한 후, 세균을 접종하여 일정기간 동안 배양한 다음, 배양이 끝난 후 회수한 세균을 정제하는 공정을 거친다. 상기 공정의 특징은 포도당 등의 기질을 최대한 소모시켜 수율을 높임으로써 산물의 최종농도를 최대화하는데 있으며, 다시 말해, 기질전환률, 산물의 수율 및 최종농도의 최대화에 그 목표를 두고 있다.
그러나, 회분식 또는 유가배양식은 규정된 크기의 반응조에서 단위시간에 얼마나 많은 산물을 생산할 수 있는지에 대한 문제를 간과하고 있다. 즉, 회분식 또는 유가배양식은 전술한 바와 같은 여러 단계의 공정을 거치기 때문에, 비효율적이고, 그에 따라 생산성이 낮다.
최근에는, 이러한 문제점을 극복하고자 촉매로 채워진 충전탑에 기질을 연속적으로 흘려보내는 방식을 채택함으로써, 효율성 및 생산성을 향상시킨 화학공정을 이용하기도 하지만, 미생물을 고정화시키는 방식을 사용할 경우에는 미생물의 과다발현으로 인하여 충전탑의 막힘 현상일 발생할 수 있다.
따라서, 대부분의 발효공정은 고정화보다는 부유배양(suspension)으로 생산물을 제조하는 방법을 이용한다. 그러나, 이러한 부유배양법으로 연속발효를 수행할 경우는 균체의 씻김현상(washout) 때문에 생산성을 높이는데 한계가 있다.
한편, 반응기의 단위부피에서 균체의 증식률(dX/dt)은 다음 수식으로 표현할 수 있다.
dX/dt = D(X1-X0) + (μ-kd)X [1]
이때, D는 희석율(dilution rate)이며, X는 균체농도이고, X0는 반응기로 유입되는 균체농도이며, X1은 반응기로부터 유출되는 균체농도이고, μ는 균체의 생성속도이며, kd는 사멸속도이다.
여기서, 균체의 씻김현상을 방지하기 위해서는 (μ-kd)X가 D(X1-X0)보다 커야한다. 그러나, 생산성은 DX에 비례하는 바, 균체의 씻김현상을 방지하기 위하여, D를 작게 운전할 경우에 생산성이 저하되게 된다. 따라서, 생산성 향상을 위하여, 반응기에서 유출되는 흐름에서 균체를 회수하는 다양한 방법이 고안되었다.
균체를 회수하는 방법으로는 침전법 또는 다공성 미세섬유(hollow fiber)를 이용하는 방법이 있다. 현재 두 방법 모두 도시하수의 처리에는 사용되고 있으나, 생물공정에서는 각각 느린 침전속도와 막 표면에 미생물이 붙는 현상 때문에 사용되지 못하고 있다. 이때, 생산성을 높이기 위해서는 수식 [1]의 "DX"를 증가시키 면서 연속운전을 하여야 하는데, 상기와 같은 이유로 아직까지 고농도 연속배양이 실현되지 못하고 있다(Shuler, M.L. and Kargi, F., Bioprocess Engineering , Basic concepts, Prentice Hall , 2002).
최근에는 세포배양 반응기에 배치된 생체적합 거대다공성 세라믹 입자의 충진층을 통하여 반응매개체를 흘려보냄으로써 세포를 배양하는 장치 및 방법이 공개된 바 있으며, 종래기술에서 매개체의 유용성 증대 및 비용절감 효과를 위하여, 매개체가 재순환되어야만 했던 문제점을 해결하여 노폐물의 생성률을 현저하게 감소시켰으나, 충진물질로서 거대 다공성 세라믹 입자를 입수하기가 용이하지 않다는 단점이 있다 (미국특허 5,262,320).
또한, 종래의 충진층을 포함하는 생물반응기에 비해 경제적으로 충진물질을 입수하고, 회수율을 증가시키기 위하여, 다공성 생물반응기를 지지재료로 충진한 다음, 반응 매개체의 방사방향 흐름을 이용하여 세포를 배양하는 방법이 개발되었다 (미국특허 4,833,083). 상기 세포배양 방법은 세포, 세포배양, 효소, 효소시스템 등을 사용하는 생물학적 또는 치료학적으로 중요한 물질의 상업적 생산에 대규모로 적용가능한 장점 있으나, 여전히 세포배양 공정의 효율은 개선되지 못하고 있다.
이 밖에도, 반응관 내에서 접촉입자들로 구성된 충진층과 주입되는 액상가스와의 접촉을 촉진하는 공정(미국특허 4,559,132), 세포-분비 프로테인(cell-secreted protein)을 회수하기 위한 동물 세포의 시험관내(in vitro) 배양방법(미국특허 5,102,790), 고형의 세포 매트릭스의 충진층에서 점성의 세포를 배양하기 위한 프로세스 및 시스템(미국특허 5,260,211) 및 음이온성 다당류 겔 또는 다전해질(polyelectrolyte)막을 함유하는 고정된 베드(bed) 내에 위치하는 미소다공성 비드(bead)에서 세포를 배양하는 방법(한국특허출원 10-1990-14794)과 같이 세포배양과 관련한 다양한 시도가 계속되고 있다.
한편, 높은 생산성을 가지는 세포배양 방법 중 하나인 고농도 연속운전은 회분식 또는 유가배양식에 비하여 산물의 농도가 낮아 실용성 및 공정의 안정성이 떨어진다는 단점이 있다(Lee, C.W. and Chang, H.N., Biotechnol Bioeng , 29:1105, 1987).
따라서, 당업계에서는 상기의 문제점을 해결하기 위하여, 생산성 뿐만 아니라 생산물의 농도도 동시에 향상시킬 수 있는 세포배양 대한 기술개발이 절실하게 요구되고 있다.
이에, 본 발명자들은 상기 종래기술의 문제점을 개선하고자 예의 노력한 결과, 반응기 내에 상류 충전탑 세포재순환 장치를 장착하고, 상기 반응기를 다단계로 운전하여 고농도의 생산물을 수득함으로써, 미생물 배양을 보다 경제적이고 생산적으로 할 수 있다는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명의 목적은 상류 충전탑 세포재순환 장치가 장착된 다단계 CSTR 생물반응기 시스템을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 생물반응기 내의 세포를 재순환시켜 고농도화 하기 위한 상류 충전탑이 장착된 제1 생물반응기 및 (b) 상기 제1 생물반응기로부터 일부 세포, 기질 및 생성물이 상기 충전탑을 통해 도입되어 추가적인 반응이 수행되며, 생물반응기 내의 배양 후 잔여물을 배출하기 위한 상류 충전탑이 장착된 제2 생물반응기를 포함하는 다단계 CSTR(Continuous Stirred Tank Reactor) 생물반응기 시스템을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 충전탑 내부의 충전물은 활성탄, 세라믹 및 고분자 입자로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 충전탑의 공극률은 28~70%인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명은 또한, (a) 생물반응기 내의 세포를 재순환시켜 고농도화 하기 위한 상류 충전탑이 장착된 제1 생물반응기, (b) 상기 제1 생물반응기로부터 일부 세포, 기질 및 생성물이 상기 충전탑을 통해 도입되어 추가적인 반응이 수행되며, 생물반응기 내의 세포를 재순환시켜 고농도화 하기 위한 상류 충전탑이 장착된 제2 생물반응기 및 (c) 상기 제2 생물반응기로부터 일부 세포, 기질 및 생성물이 상기 충전탑을 통해 도입되어 추가적인 반응이 수행되며, 생물반응기 내의 배양 후 잔여물을 배출하기 위한 상류 충전탑이 장착된 제3 생물반응기를 포함하는 3단계 CSTR 생물반응기 시스템을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 충전탑 내부의 충전물은 활성탄, 세라믹 및 고분자 입자로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 충전탑의 공극률은 28~70%인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명은 (a) 생물반응기 내의 세포를 재순환시켜 고농도화 하기 위한 상류 충전탑이 장착된 제1 생물반응기, (b) 상기 제1 생물반응기로부터 일부 세포, 기질 및 생성물이 상기 충전탑을 통해 도입되어 추가적인 반응이 수행되며, 생물반응기 내의 배양 후 잔여물을 배출하기 위한 상류 충전탑이 장착된 제2 생물반응기 및 (c) 상기 제1 및 제2 생물반응기에 산소를 공급하는 순수산소 재생장치를 포함하는 호기성 미생물 배양용 2단계 CSTR 생물반응기 시스템을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 충전탑 내부의 충전물은 활성탄, 세라믹 및 고분자 입자로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 충전탑의 공극률은 28~70%인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명은 또한 (a) 생물반응기 내의 세포를 재순환시켜 고농도화 하기 위한 상류 충전탑이 장착된 제1 생물반응기, (b) 상기 제1 생물반응기로부터 일부 세포, 기질 및 생성물이 상기 충전탑을 통해 도입되어 추가적인 반응이 수행되며, 생물반응기 내의 세포를 재순환시켜 고농도화 하기 위한 상류 충전탑이 장착된 제2 생물반응기, (c) 상기 제2 생물반응기로부터 일부 세포, 기질 및 생성물이 상기 충전탑을 통해 도입되어 추가적인 반응이 수행되며, 생물반응기 내의 배양 후 잔여물을 배출하기 위한 상류 충전탑이 장착된 제3 생물반응기 및 (d) 상기 제1, 제2 및 제3 생물반응기에 산소를 공급하는 순수산소 재생장치를 포함하는 호기성 미생물 배양용 3단계 CSTR 생물반응기 시스템을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 충전탑 내부의 충전물은 활성탄, 세라믹 및 고분자 입자로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 충전탑의 공극률은 28~70%인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명은 상기 CSTR 생물반응기 시스템을 이용한 혐기성 미생물 배양방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 CSTR 생물반응기 시스템을 이용한 호기성 미생물 배양방법을 제공한다.
이하 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명은 상류 충전탑을 이용하여 연속적으로 세포배양을 하기 위한 다단계 CSTR 생물반응기 시스템에 관한 것으로, 기존의 미생물공정에 많이 활용되었던 침전방식 또는 다공성미세실관으로 세포를 재순환하는 방법에 비하여 충전탑을 이용함으로써 고농도로 세포를 배양하고, 다단계 공정을 이용하여 생산성을 향상시키는 것을 특징으로 한다.
종래의 충전탑(packed bed)은 물질을 흡착하거나 또는 미세 입자를 제거하는데 많이 사용되어 왔다. 즉, 탑의 하부를 향하여 흡착물질 또는 미세입자를 포함한 유체를 흘려보내면, 이들이 충전탑을 채운 입자에 흡착물질 또는 미세입자가 흡착 되거나, 갇히게 되어 대부분 제거된다. 상기 제거과정은 침전, 표면거부(surface rejection) 및 심부제거(depth filteration)을 거쳐 수행되며, 이때, 충전층이 포화상태에 도달하여 압력이 증가해서 유체가 흐르지 못하게 되면, 충전탑은 역세척이라는 방법에 의해 재생되어 다시 사용되었다.
본 발명에 있어서, 충전탑은 막(membrane)과 같은 역할을 한다. 막은 표면에서 세포의 통과를 차단하고 배양액만 빠져나가게 하는 특성이 있으며, 이때, 막은 세포를 100% 차단한다. 반면, 충전탑은 세포의 90~99%를 차단한다는 점에서 다소 차이가 있다.
본 발명의 다단계 CSTR 생물반응기 시스템은 다수 개의 반응기를 포함하며, 각 반응기에는 상류 충전탑 세포재순환 장치가 장착되어 있다. 또한, 세포가 호기성 미생물일 경우에는, 고순도의 산소를 공급하기 위하여 외부에 순수산소 재생장치를 설치하는 것을 특징으로 한다 (도 1).
본 발명의 다단계 CSTR 생물반응기 시스템은, 제1 생물반응기에서 배양된 미생물의 대부분이 제1 생물반응기에 잔여하고, 일부는 상류 충전탑 세포재순환 장치를 통하여 제2 생물반응기로 도입되는 과정을 포함한다. 이때, 제1 생물반응기에서 소모되지 않고 잔여한 기질 및 생성물도 동시에 제2 생물반응기로 도입되며, 필요시에, 제2 생물반응기로 새로운 기질이 투입되어 생산성을 보다 향상시킬 수 있다. 제2 생물반응기에서 제3 생물반응기로의 공정도 상기와 같은 방식으로 수행되어, 생산성이 향상된 다단계 미생물 배양시스템을 구성하게 된다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
실시예 1: 상류 충전탑을 장착한 생물반응기 시스템에서 세포재순환 실험
균주는 Saccharomyces cerevisiae(ATCC 24858)을 사용하였고, 기질은 100g/L의 포도당 용액을 사용하여, 상류 충전탑을 장착한 생물반응기 시스템에서의 세포재순환 실험을 수행하였다. 이때, 부피가 2L인 반응기에는 길이 480mm 및 내부직경 13mm인 유리관에 활성탄(직경 0.8~2mm)를 공극율이 32%가 되도록 충전된 충전탑이 장착되어 있으며, 온도 30℃ 및 pH 6.5로 유지하면서 D(희석률)=0.1/h으로 하여 반응시스템을 운전하였다.
포도당의 농도는 반응초기에 100g/L로 시작하여 약 10시간 만에 거의 소모되어 10g/L~20g/L까지 변화하다가, 100시간 근처부터는 거의 0g/L으로 되어, 완전 소모되었음을 알 수 있었다 (도 2).
반응기 내부의 균체농도는 100시간까지 10g/L까지 유지되다가 그 이후에 증가하기 시작하여 80g/L까지 증가하였고, 알코올 농도는 10시간부터 250시간까지 거의 40g/L로 유지되었다. 외부로 유출되는 균체의 상대농도(Xe/X %)는 90시간까지 100~60%까지 유지되다가, 100시간 근처에서 거의 0%로 감소하는바, 충전탑이 막의 역할을 하여 유출되는 균체가 거의 없음을 알 수 있었다. 그러나 균체가 계속 충전탑 내에 쌓일 것이므로, 균체가 140, 200 및 230시간 근처에서 작은 피크(peak) 형태로 외부로 배출되었다. 결국, 100시간부터 상류 충전탑이 막(membrane)과 같은 역할을 성공적으로 수행함을 확인할 수 있었다 (도 2).
실시예 2: 충전탑 내의 공극률에 따른 미생물 제거효율
실시예 1에서, 활성탄의 공극율을 28%이하로 낮추면 미생물이 100% 제거되고, 공극율이 70% 이상이 되면 미생물은 거의 제거되지 않았다. 또한 공극율이 28% 이하가 되면 충전탑이 완전히 미생물로 가득 차게 되어 충전탑의 운전이 불가능해졌다. 따라서, 충전탑 내의 공극률이 28~70%일 때, 미생물 제거효율이 가장 높음을 알 수 있었다.
실시예 3: 충전물질에 따른 미생물 제거효율
실시예 1에서, 동일한 조건 하에 충전탑의 충전물질로서 돌을 사용하였을 경우는 미생물제거율이 0.5%, 잘게 자른 다공성 미세섬유를 사용하였을 경우는 미생물제거율이 3%, 세라믹을 사용하였을 경우는 미생물제거율이 6%, 활성탄을 사용하였을 경우는 미생물제거율이 94%였다. 결과적으로, 충전탑의 충진물질로서 활성탄을 사용할 경우에 미생물제거율이 가장 우수함을 확인하였다.
실시예 4: 희석률과 기질농도의 관련성
실시예 1에서, 희석율을 0.1/h에서 0.5/h로 변화시키면 기질은 여전히 거의 다 소모가 되며, 생산성은 희석율만큼 증가한다. 반면 포도당의 농도를 100g/L, 150g/L 및 200g/L로 순차적으로 증가시키면, 포도당의 농도가 150g/L까지는 낮은 희석율에서 거의 소모가 되나, 0.4/h 및 0.5/h과 같이 높은 희석율에서는 잔여 기질이 발생하며, 포도당의 농도가 200g/L일 경우에는 포도당의 소모가 거의 되지 않아 대부분 외부로 배출되었다. 따라서 제1 생물반응기, 제2 생물반응기, 또는 필요에 따라 제3 또는 그 이상의 반응기를 설치할 경우는 각 반응조의 기질농도 및 공급율을 최적화하는 것이 중요하다.
실시예 5: 다단계 CSTR 생물반응기 시스템의 성능
제1 생물반응기에서, 실시예 1과 동일한 조건하에 희석율 0.5/h로 생물반응기 시스템을 운전하면, 정상상태에서 알코올 농도는 42g/L, 균체농도 87g/L 및 생산성은 21.5g/L가 되었다. 이어서 제2 생물반응기에서, 추가로 기질의 역할을 하는 글루코즈(glucose)를 100g/L로 공급하면, 정상상태에서 알코올 농도는 87g/L이고, 생산성은 거의 변동이 없었다.
결과적으로, 본 발명에 따른 다단계 CSTR 생물반응기 시스템이 고생산성을 유지하면서도, 생산물의 농도를 회분식의 생산물의 농도와 거의 동일하게 유지할 수 있는 성능을 가짐을 확인할 수 있었다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 반응기 내의 미생물을 고농도화 하기 위한 상류 충전탑 세포재순환 장치 및 상기 세포재순환 장치가 장착된 다수 개의 반응기를 포함하는 다단계 CSTR 생물반응기 시스템을 제공하는 효과가 있다. 본 발명에 따르면, 생물반응기 내부에 상류 충전탑 세포재순환 장치를 장착하여 다단계 발효를 시행함으로써, 혐기성 혹은 호기성 미생물 발효에 의해 생산되는 알코올, 유기산, 항생제 및 재조합 단백질의 생산성을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 고농도의 최종 생산물을 수득할 수 있어, 결과적으로 미생물 공정의 생산성 및 경제성을 개선시킬 수 있다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따 라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (20)

  1. 다음을 포함하는 2단계 CSTR 생물반응기 시스템:
    (a) 제1 생물반응기 내에서 세포의 유출을 차단함과 동시에 배양공정 중 일부 세포를 함유하는 배양물을 제2 생물반응기로 도입하기 위한 제1 상류 충전탑이 내부에 장착된 제1 생물반응기; 및
    (b) 상기 제1 생물반응기와 직렬로 연결되고, 상기 제1 생물반응기로부터 일부 세포를 함유하는 배양물이 도입되어 배양이 수행되며, 제2 생물반응기 내의 세포를 제외한 배양물을 배출하기 위한 제2 상류 충전탑이 내부에 장착된 제2 생물반응기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 상류 충전탑 내부의 충전물은 활성탄, 세라믹 및 고분자 입자로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 2단계 CSTR 생물반응기 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 충전탑의 공극률은 28~70%인 것을 특징으로 하는 2단계 CSTR 생물반응기 시스템.
  4. 다음을 포함하는 3단계 CSTR 생물반응기 시스템:
    (a) 제1 생물반응기 내에서 세포의 유출을 차단함과 동시에 배양공정 중 일부 세포를 함유하는 배양물을 제2 생물반응기로 도입하기 위한 제1 상류 충전탑이 내부에 장착된 제1 생물반응기;
    (b) 상기 제1 생물반응기와 직렬로 연결되며, 상기 제1 생물반응기로부터 일부 세포를 함유하는 배양물이 도입되어 배양이 수행되며, 제2 생물반응기 내에서 세포의 유출을 차단함과 동시에 배양공정 중 일부 세포를 함유하는 배양물을 제3 생물반응기로 도입하기 위한 제2 상류 충전탑이 내부에 장착된 제2 생물반응기; 및
    (c) 상기 제2 생물반응기와 직렬로 연결되고, 상기 제2 생물반응기로부터 일부 세포를 함유하는 배양물이 도입되어 배양이 수행되며, 제3 생물반응기 내의 세포를 제외한 배양물을 배출하기 위한 제3 상류 충전탑이 내부에 장착된 제3 생물반응기.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1, 제2 및 제3 상류 충전탑 내부의 충전물은 활성탄, 세라믹 및 고분자 입자로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 3단계 CSTR 생물반응기 시스템.
  6. 제4항에 있어서, 상기 제1, 제2 및 제3 충전탑의 공극률은 28~70%인 것을 특징으로 하는 3단계 CSTR 생물반응기 시스템.
  7. 생물반응기에서 세포의 유출을 차단함과 동시에 배양공정 중 세포를 제외한 배양물을 배출하기 위한 상류 충전탑이 내부에 장착된 생물반응기를 포함하는 단일 CSTR 생물반응기 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 상류 충전탑 내부의 충전물은 활성탄, 세라믹 및 고분자 입자로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 단일 CSTR 생물반응기 시스템.
  9. 제7항에 있어서, 상기 상류 충전탑의 공극률은 28~70%인 것을 특징으로 하는 단일 CSTR 생물반응기 시스템.
  10. 다음을 포함하는 호기성 미생물 배양용 2단계 CSTR 생물반응기 시스템:
    (a) 제1 생물반응기 내에서 세포의 유출을 차단함과 동시에 배양공정 중 일부 세포를 함유하는 배양물을 제2 생물반응기로 도입하기 위한 제1 상류 충전탑이 내부에 장착된 제1 생물반응기;
    (b) 상기 제1 생물반응기와 직렬로 연결되고, 상기 제1 생물반응기로부터 일부 세포를 함유하는 배양물이 도입되어 배양이 수행되며, 제2 생물반응기 내의 세포를 제외한 배양물을 배출하기 위한 제2 상류 충전탑이 내부에 장착된 제2 생물반응기; 및
    (c) 상기 제1 및 제2 생물반응기에 산소를 공급하는 순수산소 재생장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제1 및 제2 상류 충전탑 내부의 충전물은 활성탄, 세라믹 및 고분자 입자로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 2단계 CSTR 생물반응기 시스템.
  12. 제10항에 있어서, 상기 제1 및 제2 상류 충전탑의 공극률은 28~70%인 것을 특징으로 하는 2단계 CSTR 생물반응기 시스템.
  13. 다음을 포함하는 호기성 미생물 배양용 3단계 CSTR 생물반응기 시스템:
    (a) 제1 생물반응기 내에서 세포의 유출을 차단함과 동시에 배양공정 중 일부 세포를 함유하는 배양물을 제2 생물반응기로 도입하기 위한 제1 상류 충전탑이 내부에 장착된 제1 생물반응기;
    (b) 상기 제1 생물반응기와 직렬로 연결되며, 상기 제1 생물반응기로부터 일부 세포를 함유하는 배양물이 도입되어 배양이 수행되며, 제2 생물반응기 내에서 세포의 유출을 차단함과 동시에 배양공정 중 일부 세포를 함유하는 배양물을 제3 생물반응기로 도입하기 위한 제2 상류 충전탑이 내부에 장착된 제2 생물반응기;
    (c) 상기 제2 생물반응기와 직렬로 연결되고, 상기 제2 생물반응기로부터 일부 세포를 함유하는 배양물이 도입되어 배양이 수행되며, 제3 생물반응기 내의 세포를 제외한 배양물을 배출하기 위한 제3 상류 충전탑이 내부에 장착된 제3 생물반응기; 및
    (d) 상기 제1, 제2 및 제3 생물반응기에 산소를 공급하는 순수산소 재생장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제1, 제2 및 제3 상류 충전탑 내부의 충전물은 활성탄, 세라믹 및 고분자 입자로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 3단계 CSTR 생물반응기 시스템.
  15. 제13항에 있어서, 상기 제1, 제2 및 제3 상류 충전탑의 공극률은 28~70%인 것을 특징으로 하는 3단계 CSTR 생물반응기 시스템.
  16. 다음을 포함하는 호기성 미생물 배양용 단일 CSTR 생물반응기 시스템:
    (a) 생물반응기에서 세포의 유출을 차단함과 동시에 배양공정 중 세포를 제외한 배양물을 배출하기 위한 상류 충전탑이 내부에 장착된 생물반응기; 및
    (b) 상기 생물반응기에 산소를 공급하는 순수산소 재생장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 상류 충전탑 내부의 충전물은 활성탄, 세라믹 및 고분자 입자로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 단일 CSTR 생물반응기 시스템.
  18. 제16항에 있어서, 상기 상류 충전탑의 공극률은 28~70%인 것을 특징으로 하는 단일 CSTR 생물반응기 시스템.
  19. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 CSTR 생물반응기 시스템을 이용하는 것을 특징으로 하는 혐기성 미생물의 배양방법.
  20. 제10항 내지 제18항 중 어느 한 항의 CSTR 생물반응기 시스템을 이용하는 것을 특징으로 하는 호기성 미생물의 배양방법.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101220498B1 (ko) 2011-02-28 2013-01-10 한국과학기술원 유기산을 원료로 하여 미생물의 체내산물을 생산하는 방법

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EE05731B1 (et) 2012-05-16 2014-12-15 Tallinna Tehnikaülikool Bioreaktorite süsteem ja meetod mikroorganismide füsioloogilise seisundi kloonimiseks
BR102012029731A2 (pt) * 2012-11-22 2018-07-31 Cnpem Centro Nac De Pesquisa Em Energia E Materiais processo e equipamento para fermentação contínua multiestágio com recuperação, reativação e reciclo de fermento para obtenção de vinhos com alto teor alcoólico
WO2016004252A1 (en) * 2014-07-03 2016-01-07 Renature, Inc. Biodigestion reactor, system including the reactor, and methods of using same
FI126781B (en) 2015-05-25 2017-05-31 Neste Corp Methods for the continuous production of products from microorganisms
CN108884428B (zh) 2016-01-26 2023-04-11 勃林格殷格翰国际公司 对连续流动搅拌釜反应器细胞培养***的连接灌注
WO2022248476A1 (en) * 2021-05-25 2022-12-01 Dsm Ip Assets B.V. Fed-batch fermentation process

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR870002252A (ko) * 1985-08-05 1987-03-30 앙드레롱지 연속발효장치
US4833083A (en) 1987-05-26 1989-05-23 Sepragen Corporation Packed bed bioreactor
KR20020013186A (ko) * 2000-08-11 2002-02-20 한상배 생물막담체
KR100403997B1 (ko) 2001-07-16 2003-11-03 박균배 액상물 고속발효장치
KR20040070850A (ko) * 2003-02-04 2004-08-11 한국과학기술원 순수산소를 이용한 유용물질 제조방법 및 폐수처리방법

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4559132A (en) * 1981-10-05 1985-12-17 Chevron Research Company Upflow packed bed catalytic reactor with periodic bed expansion
US5102790A (en) * 1988-12-19 1992-04-07 Baxter International Inc. Method for culturing animal cells
US5019512A (en) * 1989-03-17 1991-05-28 Baxter International Inc. Spin filter for removing substantially cell-free culture medium from suspension cell culture system
US5260211A (en) * 1989-12-07 1993-11-09 Snow Brand Milk Products Co., Ltd. Process for cultivating adhesive cells in a packed bed of solid cell matrix
US4965495A (en) * 1990-04-30 1990-10-23 Rca Licensing Corporation Parabolic voltage generating circuit
US5262320A (en) * 1990-06-18 1993-11-16 Massachusetts Institute Of Technology Cell-culturing apparatus and method employing a macroporous support
KR100329019B1 (ko) * 1999-04-13 2002-03-18 윤덕용 유기산의 고효율 생산방법
US6544788B2 (en) * 2001-02-15 2003-04-08 Vijay Singh Disposable perfusion bioreactor for cell culture

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR870002252A (ko) * 1985-08-05 1987-03-30 앙드레롱지 연속발효장치
US4833083A (en) 1987-05-26 1989-05-23 Sepragen Corporation Packed bed bioreactor
KR20020013186A (ko) * 2000-08-11 2002-02-20 한상배 생물막담체
KR100403997B1 (ko) 2001-07-16 2003-11-03 박균배 액상물 고속발효장치
KR20040070850A (ko) * 2003-02-04 2004-08-11 한국과학기술원 순수산소를 이용한 유용물질 제조방법 및 폐수처리방법

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101220498B1 (ko) 2011-02-28 2013-01-10 한국과학기술원 유기산을 원료로 하여 미생물의 체내산물을 생산하는 방법

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