Experimental and theoretical studies on three-phase hollow fiber bioreactor have been performed. Glucose oxidation by glucose oxidase was selected as model reaction. Glucose oxidase was immobilized in the porous sponge region of the asymmetric hollow fiber by applying thin silicone coating above the sponge region of the fiber. Thus the enzyme was entrapped between the silicone membrane and thin ultrafiltration membrane. Theoretical analysis has taken into account that the diffusion of oxygen is rate-limiting. As a result, the effectiveness factor decreased with the increase of Thiele modulus. The thickness of the porous sponge region affected the effectiveness factor more than that of the silicone membrane did. Oxygen limitation occurred above the glucose concentration of 75mM. The effectiveness factor obtained experimentally was 15-25% lower than the predicted value. This may be due to the dilution by the fibers and the activity loss upon immobilization. The predictions and the experimental results were generally in good agreement within 15-25% accuracy. This confirms that the present model assuming oxygen limitation is relatively sound.
본 실험에서는 실관 생화학 반응기를 이용한 3상 반응을 이론적으로 해석하고 이를 실험적으로 입증하였다. 대상 반응으로는 포도당 산화 효소반응을 채택하였으며 실관의 다공성 지지부에 고정화된 효소의 누출을 막기위해 실관의 외벽을 125±25 μm 두께로 코팅하였다.
3 상 반응의 경우 기체의 확산이 전체 반응의 율속 단계로 작용하기 쉬우며 여기서도 이러한 산소의 확산저항을 고려하여 oxygen limitation이란 가정을 도입, 전체적인 반응속도를 산소에 대한 Michaelis - Menten 식으로 표시하여 해석하였다. 그 결과 실리콘과 실관의 다공성 지지부의 두께가 증가할수록, 또 Thiele mo dulus 가 증가할수록 유효인자는 감소하였으며 코팅두께보다는 다공성 지지부의 두께가 유효인자에 더 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.
포도당 산화효소 반응의 경우 본 계 (system) 에서는 포도당 농도가 75mM 이상일때 oxygen limitation 을 보여 주었으며 이 조건에서의 유효인자를 위에서 구한 이론치와 비교한 결과 실험치가 이론치에 비해 15~25% 정도로 낮게 나타났다. 이러한 감소는 실관의 희석효과, 고정화로 인한 효소의 intrinsic activity reduction 등의 영향인 것으로 해석된다.
하지만 실험치와 이론치의 경향이 뚜렷이 일치하고 또 15~25%의 오차 범위에서 그 유효인자 값이 서로 근사한 것으로 보아 oxygen limitation 하에서 세운 본 모형이 매우 타당함을 알 수 있다. 따라서 실관을 이용한 여타의 3 상 반응에 있어서도 기체확산이 전체반응의 율속단계로 작용할 경우 본 모형을 이용하여 간단히 수학적으로 해석할 수 있다.
