개념 한 쪽
농축기 운전은 발효나 추출 등 생산 공정에서 생성물을 선택적으로 제거하거나 용액 부피를 줄여 다음 공정으로 이행 가능하게 만드는 작업이다. 공정 선택은 생성물의 물리화학적 성질과 공정 흐름에 따라 달라진다. 막 분리·원심분리·건조 등 각각의 단위 조작 목적과 제한을 이해해야 운전을 안전하고 효율적으로 수행할 수 있다.
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출제기준 단원 「농축기 운전」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 막 선택과 성질 판단 | 1 | 생성물의 소수성·친수성에 따라 적합한 막 유형을 가리기 |
| 막 성능 수치 계산 | 1 | 배제계수 정의에 값 대입해 차단률 판단하기 |
| 분리공정 목적 구분 | 1 | 수분 제거와 고액 분리 목적에 따라 적합한 단위 조작을 구분하기 |
추출발효는 발효 중 생성물을 연속적으로 제거하여 생성물이 세포 성장이나 생산성을 저해하지 않도록 하는 공정이다. 생성물의 친수성·소수성에 따라 적합한 분리막을 선택하는데, 소수성 물질인 부탄올은 소수성 비공성막을 이용해 용해도 차이를 이용하여 선택적으로 투과시킴으로써 제거가 가능하다.
막 분리 공정에서는 막의 차단 성능을 배제계수라는 지표로 평가한다. 배제계수는 R = 1 - Cp/Cb로 정의되며, 투과액 농도 Cp가 0이면 R은 1이 되어 용질이 완전히 차단되는 상태를 나타낸다. 이 정의를 통해 투과액 농도를 확인하여 막 성능 문제를 빠르게 해결할 수 있다.
원심분리 운전에서는 입자 크기와 원심가속도가 분리 효율을 결정한다. 침강 속도는 입자 직경의 제곱 및 원심가속도에 비례하고 유체의 점도에 반비례하므로 입자가 클수록 낮은 회전속도에서도 분리가 가능하다. 따라서 효모처럼 입자가 큰 생물학적 시료는 상대적으로 낮은 회전속도에서 침전시킬 수 있다.
공정의 최종 처리 단계에서는 제품의 안정화를 위해 건조가 사용된다. 세포 또는 수분을 제거하는 목적에는 건조가 적합하며, 원심분리·여과 등은 주로 고액 분리에 사용되어 수분 완전 제거에는 부적합하다는 점을 구분해야 한다.
추출발효 관련 문제에서는 생성물의 친수성·소수성을 먼저 판단하는 흐름으로 접근한다. 예를 들어 배지의 부탄올 제거는 부탄올이 소수성이므로 소수성 비공성막을 선택하는 방식이 타당하다. 막 선택 문제는 물질의 성질과 막의 분리 원리(용해도 기반 vs 체배분 기반)를 비교하여 정답을 고른다.
막 성능 수치 문제는 정의식에 값을 대입하여 해결한다. 배제계수 R = 1 - Cp/Cb에서 투과액 농도 Cp가 0이면 즉시 R = 1이라는 결론을 얻어 용질이 완전 차단되었음을 판정한다.
원심분리 관련 문제는 입자 크기 순서를 비교하여 가장 낮은 회전속도에서 분리되는 대상을 찾는다. 보기에 효모, 세균, 바이러스, DNA가 있을 경우 입자 크기가 가장 큰 효모가 가장 낮은 속도에서 분리된다는 결론을 도출한다.
추출발효란 발효와 동시에 생성물을 제거함으로써 생성물이 세포 생장을 저해하는 것을 막아 생산성을 증가시킬 수 있는 방법이다. 부탄올 발효시 배지에는 대개 2% 이하의 부탄올이 함유되어 있다. 부탄올의 물에대한 용해도는 아주 낮다. 이 부탄올을 제거하는데 가장 효율적인 막은?
정답 ② · 질문은 발효 중 생성되는 소수성 생성물인 부탄올을 배지에서 동시에 제거하기에 가장 효율적인 막을 묻고 있다. 물에 대한 용해도가 낮고 소수성인 부탄올은 소수성 비공성막을 통해 용해도 차이에 의해 선택적으로 용해·투과되므로 효과적이다.
부탄올은 소수성이므로 소수성 비공성막을 이용해 선택적으로 추출하는 것이 효율적이다.
한외여과에서 여액의 용질농도가 0일 때, 즉 물만 여과기를 통과할 때 배제계수(rejection coefficient)는?
정답 ③ · 한외여과(Ultrafiltration)와 같은 막 분리 공정에서 배제계수(Rejection coefficient, R)는 막에 의해 차단되어 여과되지 않고 남겨진 용질의 비율을 의미합니다. 수학적으로 R = 1 - (Cp/Cb) 로 정의됩니다.
배제계수 R=1-Cp/Cb에서 투과액 농도 Cp가 0이면 R=1이 되어 용질 100% 차단됨.
다음 중에서 세포수분의 제거에 이용되는 방법은?
정답 ② · 문항은 세포 수분을 제거하는 방법을 묻고 있다. 수분을 제거하는 목적에는 물의 증발이나 승화를 유도하는 건조가 직접적인 방법이며 세포 내부·외부의 수분을 줄이는 데 쓰인다.
세포 수분 제거는 물리적 수분 제거 과정인 건조가 적합하며 원심분리 등은 고액 분리에 사용된다.
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