[논문]8자 진동교반에 의한 교반조내 유동상태 및 물질전달 특성

이영세; 카토 요시히토

doi:10.9713/kcer.2015.53.2.174

8자 진동교반에 의한 교반조내 유동상태 및 물질전달 특성
Characteristics of Flow Pattern and Mass Transfer in a Shaking Vessel with Figure-Eight Circulating Motion 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.53 no.2, 2015년, pp.174 - 180

이영세 (경북대학교 나노소재공학부) , 카토 요시히토 (일본 명고옥공업대학 생명물질공학과)

초록
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8자 진동교반조에 대해 실험적으로 유동상태를 관찰하여 혼합 가시화, 소요동력, 고-액 및 기-액 물질이동에 대한 여러가지의 특성을 측정하였다. 진동수가 증가하면 유동상태, 혼합시간 소요동력 및 물질이동계수는 규칙적으로 변하지 않으므로 조작조건의 선정이 중요하다. 어떤 진동수에서라도 Fr = 0.095 이상에서는 실험적으로 명확하게 되었다. 이때 교반조내 유체는 선회류형으로 되어 혼합에 적합한 상태가 되고, 8자 진동교반에서의 최적 조작범위는 왕복 진동교반 보다도 넓었다. 8자 진동교반과 기존의 선회진동교반내의 고-액간 물질이동계수는 완전히 같은 식으로 상관되었다. 또한 기-액간 물질이동용량계수도 기존의 선회진동교반에서의 식과 같은 형태의 상관식으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

The flow pattern and the solid-liquid mass transfer coefficient in figure-eight shaking vessels were observed by experimental method. The flow patterns, mixing time, power consumption and mass transfer coefficient in the figureeight shaking vessels changed irregularly with increase in the shaking frequency. Any frequency, even in the Fr = 0.095 or more became clear experimentally. The region of the optimum operating condition of the figure-eight shaking was larger than that of the reciprocal shaking. The solid-liquid mass transfer coefficient was correlated with the same correlation as that of the rotary shaking vessel of existing. The gas-liquid mass transfer coefficient of the figure-eight shaking vessel was also correlated with the same type of correlation as that of the rotary shaking vessel of existing.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한 8자 진동교반에 관한보고는 거의 없는 실정이므로 본 연구에서는 기존의 회전 진동교반과 왕복 진동교반에 관한 알려진 여러 가지 방법 및 상관식[13,22]을 8자 진동교반에 적용하여 유동상태, 혼합시간 소요동력 및 물질이동계수를 측정하여 보다 고기능성의 진동교반조작을목적으로혼합과정의가시화에의한최적조작조건,교반소요동력, 고-액간물질이동계수및기-액간물질이동용량계수에 대해 검토 하였다.
회전 진동교반과 왕복 진동교반에 관한 알려진 여러 가지 방법을 8자 진동교반에 적용하여 유동상태, 혼합시간 소요동력 및 물질이동계수를 측정하여 보다 고기능성의 진동교반 조작을 목적으로 여러가지 검토 및 실험을 한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

교반액은 이온교환수를 이용하였고 실험은 전처리로서 질소를 통기하여 탈산소화하고 교반액중 시간에 따른 용존산소량의 변화를 용존산소농도계로 측정하였다. 데이터 수집 시스템(KEYENCE사 NR-2000)을 이용하여 데이트를 컴퓨터에 저장하였다.
교반조의 기능을 평가하는 가장 일반적인 지표는 혼합시간의 측정인데 8자 진동교반의 혼합시간은 왕복 진동교반과 마찬가지로 상당히 복잡한 변화를 나타내기 때문에 본 연구에서는 혼합과정의 가시화로 한정하였다. 혼합과정의 가시화는 교반조에서 극히 일반적으로 이용하는 요드와 치오황산나트륨의 반응에 의한 탈색법을 이용하였다.
교반액은 이온교환수를 이용하였고 실험은 전처리로서 질소를 통기하여 탈산소화하고 교반액중 시간에 따른 용존산소량의 변화를 용존산소농도계로 측정하였다. 데이터 수집 시스템(KEYENCE사 NR-2000)을 이용하여 데이트를 컴퓨터에 저장하였다. 시간에 따른 변화 데이트로부터 물질이동용량계수 K_La를 산출하였다.
또한 Fig. 9에 N>NJS에 있어서의 실험 데이터를 임펠러 교반에 대한 과거의 상관식과 비교했다.
데이터 수집 시스템(KEYENCE사 NR-2000)을 이용하여 데이트를 컴퓨터에 저장하였다. 시간에 따른 변화 데이트로부터 물질이동용량계수 K_La를 산출하였다. 셀은 교반조 상부로부터 삽입할 때 흐름에 미치는 영향이 작도록 교반조 벽면 아래로 삽입하여 측정했다.
필요한 용존산소량을 유지하기 위해서는 배양생물의 산소소비 속도를 상회하는 산소공급 속도가 필요하다. 실험은 액 중으로 통기하지 않고 자유표면만을 통하여 공기중으로부터 교반액으로 산소이동에 대한 물질이동용량계수를 측정하였다. 기-액 계면의 물질이동용량계수는 용존산소농도계(DKK사 DOL-10)를 이용하여 측정하였다[15].
0 mol·m^-3으로 하였다. 이온교환에 의한 전기전도도를 시간에 따른 변화로 측정하여 물질이동계수를 구하였다.
교반소요동력은교반조내에서일어나는현상을이동현상론적으로 정리하기위한가장중요한지표이다. 진동교반소요동력은임펠러를 갖춘 교반조의 소요동력과 같이 회전우력으로부터 측정하는 것이 불가능하기 때문에 실질 소비동력으로부터 측정했다. 소비동력 측정은전력측정기(닛치전기 digital power hight test 3183)를이용하였다.

대상 데이터

교반액은 이온교환수를 사용하였으며, 고체입자는 이온교환수지(AMBERLITE® IR-118, 밀도: 1210 kg/m3 , 입경: 750 mm)를 교반액 중의 고체입자량은 1.0 wt%로 하였다.
8자 진동교반기는 TAITEC사의 NR-80을 이용하였다. 교반용기는 투명한 아크릴제 평저원통조를 사용하였으며 교반액은 이온교환수 혹은 여러 가지 점도를 가진 CMC 용액 및 글리세린을 이용하였다. 액 높이는 교반조 직경과 같게 하였다.

이론/모형

1 및 Table 1에 나타내었다. 8자 진동교반기는 TAITEC사의 NR-80을 이용하였다. 교반용기는 투명한 아크릴제 평저원통조를 사용하였으며 교반액은 이온교환수 혹은 여러 가지 점도를 가진 CMC 용액 및 글리세린을 이용하였다.
a의 상관식은 전 교반소요동력을 이용하여 상관하는 방법과 임펠러의 교반소요동력과 기포 흡입시동력을각각변수로서이용하는상관법으로나눌수있다. k_La 을 계산 방법은 Lee 등[27,28]이 나타낸 방법을 이용하여 수정하여 계산하였다.
실험은 액 중으로 통기하지 않고 자유표면만을 통하여 공기중으로부터 교반액으로 산소이동에 대한 물질이동용량계수를 측정하였다. 기-액 계면의 물질이동용량계수는 용존산소농도계(DKK사 DOL-10)를 이용하여 측정하였다[15].
본 연구에서는 Kato 등[15]의 이온교환법에 의해 물질이동계수를 측정했다. 교반액은 이온교환수를 사용하였으며, 고체입자는 이온교환수지(AMBERLITE® IR-118, 밀도: 1210 kg/m³ , 입경: 750 mm)를 교반액 중의 고체입자량은 1.
소비동력 측정은전력측정기(닛치전기 digital power hight test 3183)를이용하였다. 전력강하의 외란을 최소한으로 억제하기 위해 안정기(YAMABISHI ELECTRIC(주) S-130-15)를 사용하였다.
교반조의 기능을 평가하는 가장 일반적인 지표는 혼합시간의 측정인데 8자 진동교반의 혼합시간은 왕복 진동교반과 마찬가지로 상당히 복잡한 변화를 나타내기 때문에 본 연구에서는 혼합과정의 가시화로 한정하였다. 혼합과정의 가시화는 교반조에서 극히 일반적으로 이용하는 요드와 치오황산나트륨의 반응에 의한 탈색법을 이용하였다.

성능/효과

실선은 Kato 등[15]의 선회진동교반에서의 고-액간 물질이동계수에 관한 식이다. 8자 진동교반에서도 진동수 N가 N_JS이상의 범위에서는 선회 진동교반에서의 상관식으로 잘 상관되는 것을 알았다. N_JS 값이 2.
지금까지 보고된 적 없었던 8자 진동교반은 상당히 흥미로운 특성이 있다는 것을 알았다. 8자 진동교반을 이용하여 액체를 혼합할때 진동수 대한 소요동력, 혼합시간, 물질이동계수는 규칙적으로 변화하지 않으므로 조작조건의 선정에 매우 신중해야 함을 알았다. 어떤 진동수에서라도 대략 Fr = 0.
11에 진동수와 기-액간 물질이동용량계수의 관계를 나타내었다. 거동은 왕복 진동교반의 데이터와 거의 같고 8자 진동교반에서는 복잡한 유동상태의 변화 때문에 기-액간 물질이동용량계수도 복잡하게 변동하는 것을 알았다. 게다가 같은 회전수에서는 선회 진동교반보다 큰 K_La가 얻어지고 안정한 선회류가 발생하는 범위에서 (N_tr2<N<N_tr3) 8자 진동교반의 기-액간 물질이동용량계수의 데이터 는 선회 진동교반과 절편이 다를 뿐 거의 평행하였다.
또 이때 교반조내 유체는 선회류형이 되고 혼합에 기여하는 흐름은 선회류인 것을 알았다. 게다가 액 혼합에 적합한 조작범위가 왕복 진동교반보다도 넓은 것을 알았다. 또한 8자진동교반에서 고-액간 물질이동계수는 진동수 N가 N_JS이상의 범위에서는 다음 상관식으로 잘 상관되었다.
기-액간물질이동용량계수도정수항은다르지만선회진동교반식과 같은 형태의 상관식으로 나타남을 알았다.
선회 진동교반에서는 진동수의 증가에 따라 소요동력은 단조롭게 증가하는데 8자 진동교반과 왕복 진동교반에서는 교반조내의 유동상태가 매우 격렬하기 때문에 선회 진동교반의 거동과는 상당히 다른 결과를 나타내었다. 또한 8자 진동교반에서는 모터를 2개 이용하고 있기 때문에 동일 진동수에 대하여 다른 방식과 비교하여 조작조건에 따라 흐트러짐이 있지만 약 2배의 동력을 나타내고 있음을 알았다.
또한 8자 진동교반의 진폭 b를 변화시켜도 기-액간 물질이동용량 계수에는 그다지 영향을 미치지 않는 것을 알았다. 진동수가 N_tr2<N<N_tr3즉 안정한 선회류가 발생하고 있는 범위에서는 물질이 동용량계수는 동력의 0.
또한 왕복진동교반과 같은 모양으로 8자 진동교반에서도 고점도 영역에서는 N_tr1는 확인되지 않고 진행파로부터 안정한 선회류로 직접 이행하는 현상이 관찰되었다. Re 수가 1 이하의 경우에는 교반조내 유체의 혼합은 한도에 접근해 더 이상 혼합이 곤란하다고 사료된다.
Sumino 등[9,10]은 로타리 진동기에 부착한 삼각플라스크의 소요동력을 처음으로 온도법으로 측정하였다. 이때 동시에 벽면의 전열계수도 측정하였고 유리 플라스크를 이용한 경우 기상 측의 전열계수가 지배적으로 나타남을 알았다.
지금까지 보고된 적 없었던 8자 진동교반은 상당히 흥미로운 특성이 있다는 것을 알았다. 8자 진동교반을 이용하여 액체를 혼합할때 진동수 대한 소요동력, 혼합시간, 물질이동계수는 규칙적으로 변화하지 않으므로 조작조건의 선정에 매우 신중해야 함을 알았다.
진동수가 Ntr2<N<Ntr3 즉 안정한 선회류가 발생하고 있는 범위에서는 물질이 동용량계수는 동력의 0.4승에 비례하는 결과를 얻을 수 있고 선회 진동교반의 상관식의 정수항만을 변경하는 것으로 8자 진동교반의 기-액간 물질이동용량계수 상관식을 얻었다.
5에 나타내었다. 현저한 b의 영향은 볼 수 없었지만 왕복진동보다 혼합에 적합한 영역이 넓다는 것을 알았다. 따라서 Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	교반조내 유체는 운동이 변화가 기점이 되는 진동수를 기준으로 혼합시간이 어떻게 변화하는가?	그러나 이때 교반조내 유체는 선회류의 방향을 불규칙하게 반전 시키는 불안정한 거동을 나타내기 때문에 진동수의 증가에 따른 혼합시간은 서서히 증가하는데 어떤 진동수에 도달하면 교반조내의 유체는 안정한 회전운동을 하고 진동수가 증가함에 따라서 선회류는 강하게 되어 혼합시간이 감소되었고 어떤 진동수를 넘으면 선회류는 소실되어 다시 혼합시간은 증가하였다. 교반조내 유체의 운동이 변화하는 기점이 되는 진동수는 Fr 수와 Re 수로 정리할 수 있고 그 진동수는 교반조의 고유 진동수와 밀접한 관계가 있다고 발표하였다.
	완전부유화한계속도에 의한 혼합의 촉진은 어떤 변인에 의해 성능이 달라지는가?	많은 생물반응기는 통기하에서 조작되고 있고 그 효율을 결정하는 것은 기포로부터 배양액으로의 산소이동속도, 배양액으로부터 균체 혹은 각종 세포로의 산소나 영양분의 이동속도 및 전단속도에 의해서 결정되어진다. 이러한 혼합의 촉진은 시간, Red 의 변화, 교반소요동력, 흡입 시 동력 및 임펠러간 거리의 변화에 따라 혼합의 촉진이 달라지므로 이에 대한 연구가 더 필요하다.
	진동교반조작이란?	진동교반조작은 생물을 취급하는 실험실에서 스크리닝이나 배양에서 사용되고 있는 조작인데 그 조작조건을 선정할 때 근거가 되는 데이터나 이론은 바이오 분야의 일부 문헌에 나타나 있고 교반기의 조작은 경험적으로 이루어지고 있을 뿐이다. 배양분야의 문헌을 살펴보면 오래전에 Smith와 Johnson[1]의 이론으로 250 rpm의 로타리 교반기를 이용하여 세균을 배양하고 그 수율을 산소흡수속도와 관련지어 보고했다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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