KR101773759B1 - 여과 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 처리하고자 하는 매체, 특히 여과하기 위한 발효액을 공급하기 위한 하나 이상의 공급 라인(2)이 연결되는 프로세스 탱크(1)를 구비하는 여과 장치를 이용한 여과 방법에 관한 것으로서, 상기 프로세스 탱크(1)는 하나 이상의 여과 배열체(9)가 내부에 배치되고 하나 이상의 드레인을 구비하며, 상기 프로세스 탱크(1)는 여과 완료 후 농축물이 방출될 때까지 상기 프로세스 탱크(1) 내에 상기 농축물이 남아 있는 상태로 상기 여과하고자 하는 매체의 여과가 실행되는 방식으로 되어 있고, 상기 여과 방법은 a) 상기 프로세스 탱크(1)를 상기 여과하고자 하는 매체로 충진하고, 상기 하나 이상의 멤브레인 여과 배열체(9)에 예정된 막투과 압력 - 특히 일정한 막투과 압력(TMP) - 또는 일정한 투과 유동을 생성시키는 단계와, b) 고체 물질의 질량 분율, 특히 바이오매스 분율에 대한 예정된 한계치에 도달할 때까지 상기 프로세스 탱크(1) 내의 상기 매체 특히 상기 발효액을 여과시키는 단계를 포함한다.

Description

여과 방법 및 장치 {FILTRATION METHOD AND DEVICE}

본 발명은 유체 매체, 특히 발효액을 여과하기 여과 방법 및 여과 장치에 관한 것이다.

농축물과 투과물을 제공하는 교차 유동 여과에 의해 발효액과 같은 유체 매체를 여과하는 기술이 그 자체로 공지되어 있다.

바이오기술 매체는 종종 상당한 주의의 취급을 요구하는 민감한 제품이므로, 유체 매체, 특히 발효액을 여과하기 위한 여과 방법 및 장치에 대한 요구가 있으며, 이러한 방법과 장치에 의해 마찬가지로 실제 여과가 특히 부드러운 방식으로 실행된다. 또한, 이 방법은 일정한 성능과 높은 생산 수율을 보장하기 위해 임계 유동 조건 이하로 실행되어야 한다.

종래 기술 문헌은 다음과 같다.

미국특허 제5,254,250호

미국특허 제7,162,622호

미국특허공개 제2008-0073264호

미국특허 제6,461,503호

일본특허공개 제05-220499호의 요약

일본특허공개 제06-238134호의 요약

일본특허공개 제07-289861호의 요약

일본특허공개 제09-323030호의 요약

미국특허 제6,461,503호가 종래 기술 문헌으로 인용된다. 이 문헌에서, 여과하려는 매체는 용기 내에 배치되며 회전하고 단면이 중첩하는 필터 디스크에 의해 여과되며, 투과물 및 농축물이 용기로부터 연속해서 배출된다. 용기의 크기는 용기 내의 여과 배열체의 크기에 대략 대응된다. 이 용기는 필터 디스크에서의 유동 조건에 부합되며 대체로 용기의 상류에 배치되는 프로세스 탱크를 통해 충진된다.

이러한 배경을 감안하여, 본 발명의 목적은 유체 매체, 특히 발효액을 여과하는 방법 및 장치를 제공하는 것이며, 이러한 방법 및 장치에 의해 비교적 낮은 장비 비용과 낮은 또는 임계의 유동 조건(낮은 막투과 압력) 하에서 물품에 대해 특히 조심스러운 방식으로 여과를 실행시킬 수 있다.

본 발명의 목적은 청구범위 제1항의 요지에 의해 달성된다. 본 발명은 또한 청구범위 제14항의 여과 장치와 제24항 내지 제26항의 요지를 제공한다.

본 발명의 하나의 특징적인 장점은 그 부품들이 독립적으로 그 자체로 요구되는 프로세스 탱크 및 여과 배열체가 프로세스 탱크 안으로 직접 하나 이상의 여과 배열체를 통합함으로써 결합된다는 사실로 고려될 수 있다. 프로세스 탱크 및 하나 이상의 여과 배열체는 여기 기재의 의미로 무펌프(pump-free) "여과 장치"라는 것을 함께 형성하며, 이것은 프로세스 탱크 내에 정해진 유동 조건을 발생시키기 위한 교반 장치에 의해 및/또는 프로세스 탱크 내에 일정하고, 바람직하게 낮으며 균일한 막투과 압력을 생성시키기 위한 장치에 의해 유리하게 보충된다. 이러한 설명의 문맥 상, 상호 연결된 복수의 여과 장치가 여과 시스템을 형성한다. 용어 "막투과 압력(transmembrane pressure)"은 여과되지 않은 측, 즉 농축물 측과 여과물 측, 즉 투과물 측 사이의 압력차를 가리키는데 사용된다.

응축된 바이오매스와 투과물 모두는 필요하다면 추가의 프로세스를 거칠 수 있는 가치있는 물질을 형성할 수 있다.

여과 장치는 이하에 "프로세스 탱크"로 기재하는 탱크형 용기를 구비하는데, 이 용기는 바람직하게 모든 둘레로 폐쇄되며 그 안으로 하나 이상의 빈 공급 라인이 연결되고 내부에 필터 배열체, 바람직하게 적어도 하나의 멤브레인 필터 배열체(membrane filter arrangement)가 배치되며, 한편 폐쇄 밸브에 의해 유출이 되고, 폐쇄 밸브가 해제될 때까지 여과 동안 농축물의 유출이 중단되게 한다.

본 발명은 바람직하게 밀폐된 프로세스 탱크 내에서 특히 주의하여 처리되는 매우 넓은 범위의 매체, 특히 동식물 기반 발효액, 바람직하게 동물 세포, 특히 포유류 세포를 조심스럽게 여과하기에 상당히 적합하다.

이 구성은 단일 배양(single-batch) 또는 유가 배양(fed-batch) 발효로서 또는 연속적인 발효 프로세스로서 구성될 수 있다. 세라믹 필터 디스크는 (스팀-) 경화형 (오토클레이브(autoclaved)) 디스크로서 구성될 수 있기 때문에, 프로세스 또는 발효 탱크 내에 직접 여과 장치를 배치할 수도 있다.

여기서, 바람직하게 먼저 농축이 실시된 후, 유출되는 액체를 다른 액체로 대체함으로써 와싱(washing)의 의미에서 디아필터레이션(diafiltration)이 실시된다. 프로세스 탱크는 이후 비워지고 여과 장치와 함께 세척된다.

여과 방법은 일정한 막투과 압력(TMP) 또는 일정한 투과 유동으로 실시될 수 있다. 일정한 투과 유동이 선택되면, 농축 사이클 동안 또는 농축 단계 동안 막투과 압력이 상승한다. 따라서, 투과 유동은 막투과 압력이 최대 허용 온도를 초과하지 않도록 적절하고 정밀하게 형성되어야 한다.

이 장치에 관해, 일 변경예에 따른 하나 이상의 여과 배열체는 바람직하게 액주(liquid column)가 매체에 의해 직접 생성되는 방식으로 프로세스 탱크 내에 배치되고 구성되며 여과하려는 매체에 의해 충진될 수 있고, 이러한 액주는 멤브레인 필터 디스크에서 예컨대 0.2 bar 초과, 특히 0.3 bar의 일정한 막투과 압력을 생성시킨다.

대안으로 및/또는 추가로서, 일정한 막투과 압력은 가스와 같은 액체에 의해 프로세스 탱크를 압축함으로써 또한 생성될 수 있다. 상기한 압력 범위는 발효액의 여과에 특히 유리함이 입증되었다. 이것은 대응하여 높은 액주를 생성시킴으로써 간단한 방법으로 달성될 수 있고, 이 결과 프로세스 탱크는 바람직하게 수 미터 높이를 갖는다. 다른 여러 방법, 예컨대 흡입에 의해 프로세스 탱크로부터 여과물을 제거함으로써 또는 진공에 의해 압력차를 생성시키는 것을 고려할 수도 있다. 프로세스 탱크로부터의 배출은 바람직하게 폐쇄가능하도록 구성된다.

본 발명의 유리한 실시예들은 종속항들에 명시되어 있다. 특히, 방법 청구항에 기재된 유리한 방법 변경예를 달성할 수 있게 된다.

여과 배열체의 중공 샤프트는 수평으로 배치되는 것이 바람직한데, 이 경우, 멤브레인 필터 디스크를 갖는 중공 샤프트는 멤브레인 필터 디스크의 외주로부터 프로세스 탱크 안으로 돌출하는 것이 바람직하다. 이러한 여과 배열체에 의해, 여과 시스템은 특히 접근과 핸들링이 용이하며, 액주에 의해 막투과 압력이 발생되는 경우 액주 내의 압력차가 여과 장치의 높이에 걸쳐 비교적 작다.

대안으로, 멤브레인 필터 디스크와 함께 중공 샤프트를 수직으로 정렬하고 프로세스 탱크의 하단부 또는 상단부로부터 프로세스 탱크 안으로 이들 중공 샤프트를 돌출시키는 것도 적절할 수 있다. 이러한 구성은 복수의 여과 배열체가 프로세스 탱크 내의 빽빽한 공간에 함께 밀착되게 수용될 수 있다는 장점을 제공한다. 그러면, 교반 장치가 각각의 양 단부 즉, 상단부 또는 하단부에 대응하는 방식으로 바람직하게 배치된다.

단계 c)에서 여과하는 동안, 특히 상기 디아필터레이션 동안 0.2 bar 초과의 필터 디스크에서의 일정한 막투과 압력이 유지되며, 보다 바람직하게, 단계 c)에서 여과하는 동안, 특히 상기 디아필터레이션 동안 5 bar 미만, 특히 1 bar 미만의 필터 디스크에서의 일정한 막투과 압력이 유지된다.

여기서, 일정한 막통과 압력은 특히 프로세스에 기술적으로 실시가능하며 용인되는 허용량 한계를 말한다. 일정한 투과 유량도 마찬가지로 프로세스에 기술적으로 실시가능하며 용인되는 허용량 한계를 말한다.

아래에, 도면을 참조하여 도해의 실시예에 의해 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 여과 장치의 개략도이고,
도 2는 도 1의 복수의 여과 장치를 갖는 여과 시스템을 개략적으로 도시하는 도면이며,
도 3 내지 도 8은 도 1의 여과 시스템을 사용하는 본 발명에 따른 여과 방법의 연속적인 단계를 개략적으로 도시하는 도면이다.

도 1은 도 2에 도시된 종류의 전체 여과 시스템의 바람직하게 일부분을 형성하는 여과 장치를 도시한다.

이 여과 시스템은 이어서 예컨대 바이오기술로 생산되는 의약품과 같은 바이오기술 제품의 생산을 위한 종래의 제조 시스템(여기에 도시 안함)의 부분을 형성한다.

여과 장치는 여과 배열체(9)와 일괄 작동식(in batch operation)으로 여과되는 매체를 수용하기 위해 모든 측이 밀폐되고 그 안으로 빈 하나 이상의 공급 라인(2, 3)이 연결되는 탱크형 용기(1)(이하, '프로세스 탱크(1)'라 한다)를 구비한다.

이 공급 라인(2) 중 적어도 하나는 프로세스 탱크(1) 안으로 발효액(fermentation broth)을 공급하는데 사용된다.

한편, 동일한 공급 라인 또는 다른 공급 라인(3)은 세척 작업, 특히 현장 세척(CIP, cleaning in place)을 수용하기 위해 프로세스 탱크(1) 내부로 세척액을 도입할 수 있게 한다.

선택적인 추가의 공급 라인(4)은 공기 또는 가스, 특히 불활성 가스를 적절하다면 압축하여 프로세스 탱크(1)에 공급하게 할 수 있으며, 이러한 압축을 위해 공급 라인 내로 밸브(5)가 삽입된다.

도 1에 추가로 도시하였듯이, 프로세스 탱크(1)에는 예컨대 교반 장치(6)와 같이 프로세스 탱크(1) 내에 유동을 발생시키는 장치가 추가로 제공되는 것이 바람직하다.

또한, 프로세스 탱크(1)는 바람직하게 하부 수직 단부에 적어도 하나의 드레인(7)을 구비하며, 이 드레인(7)에 의해 프로세스 탱크(1)가 비워진다. 드레인(7) 내에 드레인 밸브(8)가 삽입된다.

더욱이, 프로세스 탱크(1) 내에는 적어도 하나의 멤브레인 여과 배열체(9)가 배치되며, 이러한 여과 배열체(9)는 이어서 적어도 하나의 드라이브로부터의 적어도 하나, 둘 또는 그 이상의 회전식 샤프트(11)를 구비한다. 여기서, 드라이브는 플랜지 플레이트(10) 상에 배치된다.

이 샤프트(11)는 중공 샤프트로 구성되며, 여과된 액체 또는 여과물이 이 중공 샤프트를 통과하여 밸브(13)를 갖는 배출 라인(12)을 통해 탱크의 외부로 배출된다. 이 샤프트(11)에는 각각의 멤브레인 필터 디스크(14)가 배치된다.

만약 축방향으로 이격된 멤브레인 필터 디스크(14)를 갖는 단지 하나의 중공 샤프트가 제공된다면, 추가의 고정식 샤프트가 제공될 수 있으며, 하나의 중공 샤프트 상의 멤브레인 필터 디스크에서 적합한 유동 조건을 생성시키기 위해 이러한 방법으로 멤브레인 필터 디스크 사이의 공간 안으로 돌출하는 (여과 작동 없는) 고정식 디스크가 고정식 샤프트 상에 배치된다(여기에 도시하지 않음).

여과 배열체의 모듈 구조에 의해 제품에 따라 최적의 작동을 제공하기 위해 필요한 여과 영역이 채택될 수 있다.

각각의 경우에 2개의 중공 샤프트를 결합하여 구동시키는 것이 유리하다. 플랜지 플레이트(10) 또한 용기(프로세스 탱크) 내의 개구를 폐쇄시키는 기능을 하는데, 이 개구를 통해 프로세스 탱크(1) 안으로 수평하게 멤브레인 필터 디스크가 삽입된다. 예컨대, 그 외주 둘레로 분포되는 방식으로 프로세스 탱크 내에 2 이상의 개구를 제공하는 것을 생각해 볼 수 있으며, 이들 개구는 조건에 따라 프로세스 탱크 안으로 적절한 개수의 여과 배열체를 선택적으로 삽입하는데 사용될 수 있다(여기에 도시하지 않음).

샤프트(11) 각각에는 이 샤프트 상에 축방향으로 이격되는 방식으로 배치되는 복수의 멤브레인 필터 디스크(14)가 제공되며, 선택된 배치는 하나의 샤프트(11) 상의 멤브레인 필터 디스크(14a)와 다른 샤프트(11) 상의 멤브레인 필터 디스크(14b)가 적어도 단면으로 방사상으로 배치되는 것이다. 멤브레인 필터 디스크는 미국특허 제6,461,503호에 개시된, 중공 샤프트 안으로 개방된 내부 중공 챔버를 갖는 구조체를 가질 수 있다. 이들 멤브레인 필터 디스크는 또한 미국특허 제6,461,503호에 개시된 종류의 물질로 이루어질 수 있다. 따라서, 용어 "멤브레인 필터(membrane filter)"는 지나치게 협소한 의미로 해석되어선 안된다.

선택된 도해된 실시예에서, 수직 방향으로 구조물 지나치게 연장하지 않고 프로세스 탱크(1) 내에 샤프트(11)가 양호하게 수용될 수 있기 위해서, 그리고 샤프트(11)가 단지 비교적 작은 수직 높이에 걸쳐서 연장되어 여과 배열체의 높이에 걸쳐 여과되는 액체의 압력차가 비교적 작게 되는 것을 보장하기 위해, 이러한 방식으로, 샤프트(11)가 바람직하게 수평으로 배치된다.

도 1에 의하면, 프로세스 탱크(1) 내에 단지 하나의 여과 배열체(9)가 배치된다.

그러나, 예컨대 상술한 바와 같은 방식으로 프로세스 탱크(1) 내에 복수의 여과 배열체(9)를 배치하는 것도 또한 가능하다. 선택된 배열은 여과 배열체의 영역의 멤브레인 필터 디스크의 여러 지점에서 비교적 일정한 막투과 압력이 지배적인 것을 보장한다. 필수적인 막투과 압력은 액주(liquid column)에 의해 및/또는 진공 및 투과 배압(permeate backpressure)에 의해 가스에 의한 가압화에 의해 발생될 수 있다(도 1에서 V13).

이러한 종류의 도해적인 실시예가 도 2에 도시되어 있으며, 여기서 각각의 프로세스 탱크(1)에 대해 2개의 멤브레인 여과 배열체(9)가 도시된다.

멤브레인 여과 배열체(9) 각각이 2개 이상의 중공 샤프트(11)를 구비하는 것을 또한 고려해 볼 수 있는데, 이 여과 배열체(9)에는 상호 중첩하는 멤브레인 필터 디스크(14)가 제공된다.

도 2에 의하면, 박막 여과 배열체(9)는 바람직하게 원통형 구조인 수직으로 배치된 프로세스 탱크의 바닥 영역에 각각 배치된다.

바람직한 실시예에서, 프로세스 탱크(1)는 수 미터의 높이를 갖는다. 이것은 (복수의) 여과 배열체(9) 위로 적어도 3미터의 발효액으로 채우기에 상당히 충분하다. 프로세스 탱크(1)의 직경은 바람직하게 1 m 초과, 특히 1.5 m 초과이다.

따라서, 도 1의 도시는 프로세스 탱크(1) 내에서 여과 배열체의 바람직한 수평 및 수직 배열을 나타낸다.

이 여과 배열체(9)는 다음과 같이 작동한다:

여과되는 매체가 회전하는 멤브레인 필터 디스크(14)를 지나 유동하며, 멤브레인 필터 디스크(14)의 중공 챔버로 여과물이 유입되고, 중공 샤프트(11)와 그 출구에 연결된 배출 라인(12)을 통해 탱크 외부로 배출되는데, 이 멤브레인 필터 디스크(14)는 예컨대 미국특허 제6,461,503호에 개시된 바와 같은 이중 디스크로서 구성된다.

여과 프로세스 동안 포집된 미립자는 멤브레인 필터 디스크(14) 상에 그 자체로 층을 형성하게 되지만, 이것은 멤브레인 필터 디스크(14)의 적어도 부분적인 방사상 중첩과 멤브레인 필터 디스크(14)의 회전으로 인해 발생되는 유동 상태와 난류(turbulence)에 의해 멤브레인 필터 디스크(14)로부터 적어도 부분적으로 제거되어, 긴 시간에 걸쳐 여과 효과가 유지되는 것을 보장한다.

그러나, 미국특허 제6,361,503호와 대조적으로, 농축물의 유출을 제공하지 않는 대신, 여과되는 매체가 여과되어 투과물(permeate)이 즉시 배출되는 반면, 농축물이 추가의 여과 중에 프로세스 탱크(1) 내에 유지된다. 대신에, 농축물이 오로지 여과의 완료 시에만 프로세스 탱크(1)로부터 방출된다. 여과되는 동안 프로세스 탱크 내에 농축물이 남아 있기 때문에, 프로세스 탱크 내의 고체의 응축이 증가된다. 선택적으로, 여과되는 동안 액체가 더 추가될 수 있다.

개별적으로 배치된 필터에 대해 펌핑 작동을 할 필요가 없는데, 이 펌핑 작동은 제품에 응력을 부여하며 이 펌핑 작동 동안 세포 손상(cell damage)의 위험이 존재한다. 마찬가지로 이 방법에서 상류의 펌핑 작동을 방지하기 위해, 프로세스 탱크(1) 위에 상류의 반응 탱크 또는 탱크들을 배치하는 것이 권장되며, 프로세스 탱크(1) 안으로 직접적인 중력의 제공을 허용한다.

상기한 이유에 대해, 무-펌프(pump-free) 여과 장치의 진정한 연속 작동을 그 자체로 갖는 것이 불가능하고 오로지 배치 작동(batch operation)이 가능하다. 그럼에도 불구하고 산업상 유용한 연속 시스템을 제공하기 위해, 도 1에 도시된 바와 같은 다수의 여과 장치를 연결하여 전체 여과 시스템을 형성한 다음 서로에 대해 오프셋(offset)을 가지면서 프로세스 탱크(1) 내에서의 여과를 실행하는 것이 유리하다. 이러한 오프셋의 변형예를 아래에 설명한다. 그러나, 대안의 오프셋 배치를 고려할 수 있다.

여과 시스템은 바람직하게 도 1에 도시된 복수의 여과 장치를 포함한다. 이러한 구성은 유사-연속 작동(quasi-continuous operation)을 허용하기 때문에 특히 효과적임이 증명되었고, 이것은 산업상 프로세스에서 특히 유리하다.

도 2에 도시된 특히 바람직한 도해적인 실시예에서, 프로세스 탱크(1)를 각각 갖는 여과 장치와 프로세스 탱크 내에 배치된 2개의 멤브레인 필터 디스크가 함께 연결되어 전체 여과 시스템을 형성하며, 이들은 공통 공금 및 공통 드레인 라인에 연결되고, 이들 라인 각각은 차단될 수 있는 개별의 프로세스 탱크에 분기되어 있다.

도 2에는, 단순화를 위해 도면부호 FV1, FV2 및 FV3로 표시되며 적어도 하나의 여과 배열체(9)를 갖는 프로세스 탱크(1) 중 하나를 각각 구비하는 3개의 여과 장치를 갖는 여과 시스템이 도시되어 있다.

다른 도면들과 마찬가지로, 이 도면은 주로 본 발명에 따른 방법을 도해하고자 하는 것이므로, 교반 장치(6), 가스 공급 라인(4) 및 일부 다른 상세부와 같은 상세부는 도 2에 도시하지 않는다.

본 발명에 따른 방법에서, 도면 부호 FV1으로 표시된 여과 장치의 프로세스 탱크(1)는 공급 라인(2)을 통해 발효액으로 충진된다(도 3 참조).

바람직한 실례에 의하면, 예컨대 2 m의 직경과 약 5 m의 높이를 갖는 여과 장치(FV1)의 프로세스 탱크(1)는, 충진 동안 프로세스 탱크(1) 내에 형성된 액주에 의해 예컨대 멤브레인 필터 디스크(14) 또는 여과 배열체(9)의 영역에서 약 0.3 bar의 일정한 막투과 압력(TMP)을 달성하기 위해 멤브레인 여과 배열체(9)의 상부 에지 위로 적어도 3 m의 높이까지 충진된다. 농축 도중에 떨어지는 수위는 정수두(hydrostatic pressure)에서의 변화를 가져오게 하고, 이것은 가스 압력의 적용에 의해 보상될 수 있다. 예컨대 효모 배양물로 이루어지는 발효액에 대해 공급율은 초기에 약 4.5 내지 5 ㎥/h 이다.

아래에 간단히 % V/V라고 하는 바이오매스의 백분율(V(바이오매스)/V(발효액))은 예컨대 시작 시에 1 내지 45%이다.

여과 장치(FV1)의 프로세스 탱크(1)가 일단 충진되면, 멤브레인 여과 장치(9)가 작동하기 시작한다. 프로세스 중에, 발효액은 교반 장치(6)에 의해 혼합된다. 교반 장치를 구동시키기 위해 여과 배열체(9)의 드라이브를 이용하는 것을 고려할 수 있다. 이 경우, 교반 수단은 중공 샤프트(11)의 연장부로서 배치될 것이다.

멤브레인 필터 디스크(14)에 의해 여과를 통해 보유되는 물질 즉, 농축물이 탱크 내에 초기에 남는다. 다른 한편, 투과물은 배출 라인(12)을 통해 배출되어 유동한다. 필요하다면, 이것은 프로세스로부터 획득되며 추가의 프로세싱을 거치게 되는 가치있는 물질을 형성한다(도 4)

발효액 내의 바이오매스 부피율은 여과 시스템의 연속된 작동에 의해 증가되며, 바람직하게 내부로 유동하는 추가의 발효액에 의해 프로세스 탱크로부터 액체의 유출 체적의 연속적인 대체를 수반한다-도 4 참조. 이러한 여과는 발효액 내에서의 농축된 바이오매스 부피율이 예컨대 40-90% V/V, 바람직하게 60-70% V/V에 도달할 때 까지 계속된다. 농축 프로세스 동안 추가의 발효액을 첨가하는 것이 절대적으로 필요한 것은 아니다.

투과물은 배출 라인(12)을 통해 배출된다. 빈 배출 라인(12)은 중간 탱크(15)로 결합하는데, 이 중간 탱크(15)는 예컨대 추가의 여과 단계와 같은 추가의 프로세싱 단계의 상류에 선택적으로 배치될 수 있는 선택적인 중간 탱크로서 기능한다.

추가의 여과 단계로부터의 프로세스 워터가 중간 탱크 내에 일시적으로 저장될 수 있다. 예컨대, 아래에 설명하는 후속되는 와시형(wash-type) 디아필터레이션 단계(diafiltration step)의 경우에, 공급 라인(16)을 통해 탱크(1) 안으로 적어도 부분적으로 일시적으로 저장된 워터를 복귀시키는 것을 고려할 수 있다.

발효액의 농축은 예컨대 50% V/V 이상의 바이오매스 분율에 대응하는 예정된 바이오매스 농축 한계치까지 계속된다.

이러한 값에 도달 하자마자, 와시형 디아필터레이션으로서 실행되는 다른 여과 단계가 여과 장치(FV1)에서 개시된다(도 5 참조).

이러한 디아필터레이션 동안, 프로세스 탱크(1)에 추가의 발효액이 첨가되지 않지만, 유출되는 투과물은 일부의 다른 액체에 의해, 바람직하게 필요하다면 적합하게 처리된 투과물로부터의 버퍼(buffer) 또는 프로세스 워터에 의해 적어도 부분적으로 대체된다(프로세싱 단계는 여기에 도시 안됨). 이러한 프로세스 동안, 예컨대 0.3 bar와 같이 특정된 일정한 막투과 압력이 멤브레인 필터 디스크(14)에서 추가로 바람직하게 유지된다. 역시 디아필터레이션 동안, 농축물은 초기에는 배출되지 않고 오로지 적절한 세척 작동 후에 배출되며, 이 액체는 내부에 유동하는 추가의 액체로 대체된다.

멤브레인 필터 디스크(14)에서의 막투과 압력은 상기한 2개의 여과 단계 동안 바람직하게 0.1 bar 초과, 특히 바람직하게 0.2 bar 초과, 그리고 매우 바람직하게 0.2 내지 0.3 bar로 유지된다. 바람직한 프로세스 탱크 반경은 2 m 초과, 바람직하게 3 m 초과이다.

도 5에서는, 여과 장치(FV1)의 프로세스 탱크(1)에서의 디아필터레이션과 동시에, 도면부호 FV2로 표기된 제 2 여과 장치의 프로세스 탱크(1)의 충진이 도 3에 따른 공급 라인(3)에 의해 개시된다.

도 6에 도시된 바와 같이, 발효액을 갖는 프로세스 탱크(1)의 동시적인 보충으로 발효액의 여과와 농축에 의해 여과 장치(FV2)의 프로세스 탱크(1)의 충진이 이어서 진행된다. 여과 장치(FV1)에서의 디아필터레이션이 계속된다.

모든 여과 단계에서, 프로세스 탱크(1) 내에서의 액체의 이동은 바람직하게 혼합에 의해 발생된다.

도 7에서 볼 수 있듯이, 여과 장치(FV1)에서의 디아필터레이션은 예컨대 어떤 한계값에 도달되면 디아필터레이션의 완료로 결국 중지된다.

여과 장치(FV1)는 이후 비워지며, 먼저 실시되는 농축된 바이오매스가 비워지고(도 7: 7b), 이 후에 실시되는 여과 배열체(CIP)와 프로세스 탱크의 세척 후에 비워질 수 있고(도 8: 7a), 이것은 2개의 상이한 드레인(7a, 7b)에 의해 개략적으로 도시되어 있다. 바이오매스는 필요한 경우 추가의 사용을 위해 놓아 둔다.

이러한 실례에 의하면, 디아필터레이션은 여과 장치(FV2)에서 동시에 개시된다. 여과 장치(FV3)의 프로세스 탱크(1)의 충진이 추가로 개시된다. 도 8에서 볼 수 있듯이, 이때 CIP(현장 세척)가 여과 장치(FV1)에서 개시되는 한편, 여과 장치(FV2)에서 디아필터레이션이 계속 진행되며 여과 장치(FV3)에서 농축의 여과 단계가 개시되는데, 바람직하게 보충적인 발효액의 동시적인 첨가가 수반된다.

도 1 내지 도 8에 따라 수행되는 단계들은 이러한 방식으로 유사-연속 작동을 허용하기 위해 3개의 여과 장치에서 오프셋 방식으로 차례로 실행된다.

따라서, 여과 장치(FV1), 여과 장치(FV2) 및 여과 장치(FV3)는 다음의 방법의 단계로 서로에 대해 오프셋 방식으로 차례로 작동된다:

a) 막투과 압력(TMP)이 예정된 범위 내에 있을 때까지 먼저 프로세스 탱크(1)가 각각의 경우에 충진된다;

b) 그러면 멤브레인 여과 배열체(9)에 의해 프로세스 탱크(1) 내에서 발효액의 여과가 실행되는 한편, 예컨대, 예정된 바이오매스 분율(% V/V)에 도달할 때 까지, 추가의 발효액이 유입됨으로써, 투과물로서 유출되는 액체의 부피가 동시에 보충된다;

c) 이후, 와시형 디아필터레이션이 실행되며, 발효액의 보충 유동이 중단되고 유출되는 액체는 예컨대 추가의 여과와 같은 추가의 프로세싱 작동에 의해 투과물로부터 분리되었던 워터 특히 와시액(wash water)으로 대체된다.

d) 이후, 프로세스 탱크로부터 농축물이 방출되고, 필요하다면, 프로세스 탱크(1)가 세척된다.

이들 단계들은 바람직하게 여러 여과 장치에서 오프셋을 가지면서 실시된다.

본 발명이 여기에 한정되지 않겠지만, 도 2 내지 도 8은 바람직한 여과 시스템을 도시한다.

따라서, 필요하다면 상술한 오프셋을 가지면서 또는 필요하다면 경미하게 상이한 오프셋을 가지면서 프로세스 단계 a) 내지 단계 d)를 실행하기 위해 그리고 3개 이상의 여과 장치를 병렬로 작동하는 것 또한 고려할 수 있을 것이다.

그러나, 오로지 3개의 프로세스 탱크(1)와 따라서 3개의 여과 장치를 가지고서 유사 연속 작동을 역시 달성할 수 있다.

장치에 대한 낮은 경비(적은 수의 펌프 및 용기), 순조로운 프로세싱, 멤브레인 필터 디스크에서 일정하게 유지되는 낮은 압력, 그리고 여과 장치(FV1), 여과 장치(FV2), 여과 장치(FV3)의 3개의 프로세스 탱크(1)에서의 낮은 유량이 특히 유리하다.

1: 탱크
2, 3: 공급 라인
4: 공급라인
5: 밸브
6: 교반 장치
7: 드레인
8: 드레인 밸브
9: 여과 배열체
10: 플랜지 플레이트
11: 샤프트
13: 밸브
14, 14a: 멤브레인 필터 디스크
15: 중간 탱크
16: 공급 라인

Claims (34)

1. 여과하고자 하는 발효액(fermentation broth)의 공급을 위한 하나 이상의 공급 라인(2)이 연결되는 프로세스 탱크(1)를 구비하는 여과 장치를 이용한 여과 방법으로서,
   상기 프로세스 탱크(1)에는 하나 이상의 여과 배열체(9)가 내부에 배치되고, 상기 프로세스 탱크(1)는 하나 이상의 드레인을 구비하며, 상기 프로세스 탱크(1)는, 여과 완료 후 농축물이 방출될 때까지, 상기 프로세스 탱크(1) 내에 상기 농축물이 남아 있는 상태로 여과하고자 하는 발효액의 여과가 실행되도록 설계되고,
   a) 상기 프로세스 탱크(1)가 여과하고자 하는 발효액으로 충진되고, 상기 하나 이상의 멤브레인 여과 배열체(9)에 예정된 막투과 압력 또는 일정한 투과 유동이 생성되는 단계, 및
   b) 고체 물질의 질량 분율에 대한 예정된 한계치에 도달할 때까지, 상기 프로세스 탱크(1) 내의 발효액이 상기 멤브레인 여과 배열체(9)에 의해 여과되는 단계
   를 포함하는 여과 방법에 있어서,
   c) 고체 물질의 질량 분율에 대한 예정된 한계치에 도달할 때까지, 유입되는 추가의 매체에 의해 투과물로서 유출되는 액체의 부피가 보충되는 동시에, 상기 단계 b)에서 상기 프로세스 탱크(1) 내의 상기 발효액이 상기 여과 배열체(9)에 의해 여과되는 단계,
   d) 고체 물질의 질량 분율에 대한 예정된 한계치에 도달할 때까지, 프로세스 탱크 내의 발효액을 하나 이상의 여과 배열체를 통하여 여과하는 단계 동안 막투과 압력은 일정하게 유지되는 단계,
   e) 상기 단계 b)로부터의 상기 프로세스 탱크(1) 내의 상기 발효액에 와시형 디아필터레이션(wash-type diafiltration)에 의한 추가의 여과가 이루어지고, 이 시점까지 계속 발생될 수 있는 발효액의 보충 유동을 중단시키고, 상기 프로세스 탱크로 와싱액을 추가함으로써 유출되는 투과물을 대체하는 단계,
   f) 이어서 잔류 액체를 상기 프로세스 탱크로부터 방출하는 단계, 및
   g) 상기 프로세스 탱크(1)를 세척하는 단계를 포함하고,
   상기 여과 단계 또는 단계들이 적어도 하나 또는 복수의 여과 배열체에 의해 실행되며: 상기 여과 배열체는 적어도 하나, 둘 또는 그보다 많은 중공 샤프트(11)를 구비하고, 상기 중공 샤프트 각각에는 복수의 멤브레인 필터 디스크(14)가 배치되며, 상기 적어도 하나 또는 그 보다 많은 중공 샤프트(11)에는 적어도 하나의 드라이브(drive)가 할당되고, 상기 프로세스 탱크(1)로부터 상기 중공 샤프트(11)를 통해 투과물이 배출되고,
   상기 멤브레인 필터 디스크에서의 막투과 압력은,
   가스에 의한 가압, 및 상기 멤브레인 필터 디스크 상부의 액주 중 적어도 하나에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는,
   여과 방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 단계 a)에서의 여과 동안 상기 프로세스 탱크 내에서의 일정한 막투과 압력이 유지되거나,
   상기 단계 e)에서의 디아필터레이션 동안 상기 프로세스 탱크 내에서의 일정한 막투과 압력이 유지되거나, 또는
   상기 단계 a)에서의 여과 동안 상기 프로세스 탱크 내에서의 일정한 막투과 압력이 유지되고 그리고 상기 단계 e)에서의 디아필터레이션 동안 상기 프로세스 탱크 내에서의 일정한 막투과 압력이 유지되는
   것을 특징으로 하는,
   여과 방법.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 단계 e)에서의 대체에 사용되는 액체는 추가의 처리 작업에 의해 상기 투과물로부터 회수되는 워터인 것을 특징으로 하는,
   여과 방법.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 프로세스 탱크 내의 액체는 상기 여과 배열체를 적어도 커버하는 것을 특징으로 하는,
   여과 방법.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 단계 e)에서 여과 동안 멤브레인 필터 디스크(14)에서의 막투과 압력이 0.2 bar 초과로 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는,
   여과 방법.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 단계 e)에서 여과 동안 멤브레인 필터 디스크(14)에서의 막투과 압력이 1 bar 미만으로 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는,
   여과 방법.
   
7. 복수의 여과 장치를 갖는 여과 시스템에 의해 여과하려는 매체의 여과를 실행하는 여과 방법에 있어서,
   제 1 항의 방법의 단계들이 복수의 여과 장치에서 서로에 대해 오프셋(offset)을 가지면서 실행되는 것을 특징으로 하는,
   여과 방법.
   
8. 제 1 항에 따른 방법을 실행하기 위한 여과 장치로서,
   상기 여과 장치가 프로세스 탱크(1)를 구비하며, 상기 프로세스 탱크(1) 내로 여과하고자 하는 발효액을 공급하기 위한 하나 이상의 공급 라인(2)이 연결되고, 상기 프로세스 탱크(1) 내에는 하나 이상의 멤브레인 여과 배열체(9)가 배치되며, 상기 여과 배열체(9)는 적어도 하나, 둘 또는 그 보다 많은 중공 샤프트(11)를 구비하고, 상기 중공 샤프트(11) 상에는 복수의 멤브레인 필터 디스크(14)가 배치되며, 상기 적어도 하나 또는 그 보다 많은 중공 샤프트(11)에는 하나 이상의 드라이브(drive)가 할당되고, 상기 프로세스 탱크(1)로부터 상기 중공 샤프트(11)를 통해 투과물이 배출되며, 상기 프로세스 탱크(1)는 하나 이상의 드레인을 구비하고, 상기 프로세스 탱크(1)는, 여과 완료 후 농축물이 방출될 때까지, 상기 프로세스 탱크(1) 내에 상기 농축물이 남아 있는 상태로 여과하고자 하는 상기 발효액의 여과가 실행될 수 있도록 설계되고,
   상기 여과 배열체는 상기 프로세스 탱크의 외주에 배치되고, 그리하여 상기 멤브레인 필터 디스크를 갖는 상기 중공 샤프트(11)가 상기 외주로부터 상기 프로세스 탱크 안으로 돌출하고,
   상기 멤브레인 필터 디스크에서의 막투과 압력은,
   가스에 의한 가압, 및 상기 멤브레인 필터 디스크 상부의 액주 중 적어도 하나에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는,
   여과 장치.
   
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 발효액이 상기 멤브레인 필터 디스크(14)에 0.2 bar 초과, 1 bar 미만의 막투과 압력을 생성시키는 액주를 형성하도록, 상기 탱크가 여과하려는 상기 발효액으로 충진될 수 있게끔, 상기 여과 배열체(9)가 상기 프로세스 탱크 내에 배치되는 것을 특징으로 하는,
   여과 장치.
   
10. 제 8 항에 있어서,
    상기 프로세스 탱크(1)는 상기 농축물을 위한 폐쇄가능한 드레인(8)을 구비하는 것을 특징으로 하는,
    여과 장치.
    
11. 제 8 항에 있어서,
    여과 배열체 각각은 복수의 중공 샤프트(11)를 구비하며, 상기 멤브레인 필터 디스크(14)는 단면에서 적어도 방사상으로 중첩하는 방식으로 상기 중공 샤프트(11) 상에 배치되는 것을 특징으로 하는,
    여과 장치.
    
12. 제 8 항에 있어서,
    상기 프로세스 탱크(1) 내에 교반 장치(6)가 배치되는 것을 특징으로 하는,
    여과 장치.
    
13. 제 8 항에 있어서,
    상기 중공 샤프트(11)는 수평으로 정렬되는 것을 특징으로 하는,
    여과 장치.
    
14. 제 8 항에 있어서,
    여과 배열체(9) 각각은 상기 프로세스 탱크 내의 개구를 통해 상기 프로세스 탱크 안으로 도입될 수 있고, 상기 프로세스 탱크 내의 개구 각각은 플랜지 플레이트(10)에 의해 폐쇄가능하며, 상기 플랜지 플레이트(10) 상에 상기 여과 배열체(9)가 고정되는 것을 특징으로 하는,
    여과 장치.
    
15. 제 8 항에 있어서,
    상기 여과 배열체는 상기 프로세스 탱크의 하단부에 배치되어, 상기 멤브레인 필터 디스크를 갖는 상기 중공 샤프트(11)가 하단부로부터 상기 프로세스 탱크 안으로 돌출하는 것을 특징으로 하는,
    여과 장치.
    
16. 제 8 항에 있어서,
    상기 여과 배열체는 상기 프로세스 탱크의 상단부에 배치되어, 상기 멤브레인 필터 디스크를 갖는 상기 중공 샤프트(11)가 상단부로부터 상기 프로세스 탱크 안으로 돌출하는 것을 특징으로 하는,
    여과 장치.
    
17. 제 8 항에 기재된 여과 장치가 2개 이상 서로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는,
    여과 시스템.
    
18. 제 8 항에 기재된 여과 장치 3개를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    여과 시스템.
    
19. 제 17 항에 있어서,
    발효액을 여과하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는,
    여과 시스템.
    
20. 제 1 항에 있어서,
    상기 질량 분율은 바이오매스 분율인 것을 특징으로 하는,
    여과 방법.
    
21. 제 5 항에 있어서,
    상기 여과는 디아필터레이션인 것을 특징으로 하는,
    여과 방법.
    
22. 제 6 항에 있어서,
    상기 여과는 디아필터레이션인 것을 특징으로 하는,
    여과 방법.
    
    
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