개념 한 쪽
농축 공정은 목표 물질의 농도를 높이기 위해 여러 물리적·기계적 방법을 단계적으로 적용하는 공정이라고 정리한다. 막분리, 여과, 원심분리, 동결건조 등 각각의 장비와 운전조건이 목적물질의 안정성·효율성에 직접 영향을 미친다는 점을 중심으로 다룬다.
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출제기준 단원 「농축기술 및 원리」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 막형태의 표면적 비교 | 1 | 부피 대비 막 표면적이 가장 큰 모듈을 고르는 능력 |
| 농도분극 저감 방법 판별 | 1 | 농도경계층 제거에 효과적인 운전기법을 구별하는 능력 |
| 열민감 물질의 건조법 선정 | 1 | 열에 불안정한 생체물질에 적합한 건조법을 선택하는 능력 |
막분리 공정은 모듈 형태에 따라 단위 체적당 확보되는 표면적이 달라 장치 소형화와 처리 효율에 영향을 준다. 중공사막(실관형)은 속이 빈 실 모양의 다발 구조로 단위 부피당 막 표면적이 가장 크므로 같은 공간에서 더 많은 처리면적을 확보할 수 있다.
한외여과, 미세여과 등 막분리 기술은 목적에 따라 전처리와 농축 단계로 구분하여 적용한다. 입자나 큰 불순물 제거를 위해 미세여과를 먼저 수행하고, 분자량 수십 kDa 규모의 단백질이나 효소는 한외여과로 농축하는 순서를 취하는 것이 합리적이다.
막 여과 시에는 막 표면 근처의 농도분극이 발생하여 투과 성능이 저하될 수 있다. 이를 줄이기 위해 막 표면의 경계층을 교란하거나 쌓인 물질을 물리적으로 제거하는 방법을 사용한다. 교차류는 표면과 직교 성분의 흐름을 만들어 경계층을 희석하고, 맥동이나 진동은 물리적 교란으로 표면 잔류물을 떨어뜨리는 효과가 있음을 기억한다. 반면 향류는 막 표면과 평행한 흐름으로 경계층 제거 효과가 적어 농도분극 저감 수단으로 부적합하다.
여과 속도는 장치의 여과면적과 처리액의 점도 같은 물성에 크게 좌우된다. 여과면적이 커지면 유량이 늘고, 점도가 높으면 유속이 떨어지는 경향이 있어 서로 반비례하는 관계가 성립한다고 정리한다. 온도 변화가 점도에 미치는 영향으로 간접적으로 여과속도가 변할 수 있음을 염두에 둔다.
건조 공정에서 열에 민감한 바이오물질은 고온 건조로 인해 변성이 일어나므로 열을 가하지 않는 방법이 필요하다. 동결건조법은 시료를 얼린 뒤 저온·진공 상태에서 승화로 수분을 제거하므로 열 불안정한 항생물질·혈청 같은 물질의 건조에 적합하다고 정리한다.
막 모듈 선택 문제에서는 '단위 체적당 표면적'을 기준으로 실관형(중공사막)을 고르는 유형이 자주 출제된다. 예를 들어 장치 소형화가 목표인 경우 실관형을 선택하면 부피당 표면적이 최대화되어 유리하다고 판단한다.
막여과 운전에서 농도분극 저감 기법 선택 문제는 기능적 원리를 따져 해결한다. 막 표면의 농도를 희석하거나 물리적으로 제거하는 방식(교차류, 맥동, 진동)은 유효하지만, 막 표면과 평행한 흐름인 향류는 경계층 제거에 효과적이지 않으므로 배제한다.
열에 불안정 물질의 건조법 제시 문제에서는 동결건조가 정답이 된다. 항생물질이나 혈청처럼 열에 의해 변성될 우려가 있는 시료는 동결 후 승화로 수분을 제거하는 동결건조법을 적용해야 한다.
다음 한외 여과막 중 부피에 대해 표면적이 가장 큰 막형태는?
정답 ① · 한외여과막이나 미세여과막 등의 막 여과 장치는 주어진 체적(Volume) 내에서 얼마나 넓은 표면적(Area)의 막을 장착할 수 있는지가 장치의 효율을 좌우합니다. 중공사막(Hollow fiber) 형태는 속이 빈 실 모양의 아주 가는 막을 다발로 묶어 장착하는 방식으로, 단위 체적당 차지하는 막의 표면적이 매우 커서 모듈 전체 크기를 작게 제작할 수 있다는 큰 장점이 있습니다.
중공사막(실관형)은 단위 체적당 가장 큰 표면적을 제공하여 장치 소형화에 유리한 막 형태이다.
막 여과시 발생하는 농도분극현상을 줄이기 위한 방법이 아닌 것은?
정답 ④ · 질문은 막 여과 시 나타나는 농도분극을 줄이기 위한 방법 중 해당하지 않는 것을 고르는 것이다. 농도분극은 막 표면의 경계층을 제거하여 물질전달을 촉진하면 감소하므로 맥동, 진동, 교차류처럼 막 표면에서 난류나 교란을 유발하는 방법들은 효과적이다.
농도분극은 막 표면의 농도 차이를 줄이는 것이 핵심이므로, 막 표면과 평행한 흐름인 향류는 효과가 없다.
항생물질, 혈청 등 액체에 용해되어 있는 상태로서 특히 열에 불안정한 물질에 대해 사용하는 건조법은?
정답 ② · 문항은 열에 불안정한 생체물질을 건조할 때 적합한 건조법을 묻고 있다. 고온에서 변성이 일어나는 항생물질이나 혈청 등은 저온에서 얼린 후 승화로 수분을 제거하는 동결건조법이 적절하며, 이 방법은 열에 의한 변성을 최소화한다.
열에 불안정한 물질은 고온에서 변성되므로, 저온에서 물을 승화시켜 건조하는 동결건조법이 적합합니다.
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