개념 한 쪽
발효액에서 생성물을 얻기 위해서는 먼저 배지 내 불용성 고형물과 세포 잔사를 제거하는 전처리를 수행한다. 이후 농축·정제·건조 같은 단계로 이어지며, 각 단계에서는 목적물의 물리화학적 성질에 맞는 분리 원리를 적용한다. 세포 파쇄와 추출, 크로마토그래피, 결정화 등 다양한 단위조작을 목적과 물질 특성에 따라 선택한다.
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출제기준 단원 「배양액 및 생산균주 분리」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 정제 공정 순서 판단 | 1 | 발효액 정제의 초기 전처리 순서를 고르기 |
| 분쇄장치 원리 구별 | 1 | 초음파 분쇄기와 다른 파쇄 장치의 작동 원리를 가리기 |
| 실험장비 용도 판별 | 1 | 추출 장비로 분액깔대기를 선택하는 이유를 판별하기 |
발효액 정제의 첫 단계는 발효액 내에 섞인 세포와 불용성 입자 등 고형물을 제거하는 것이다. 이 전처리를 거치지 않으면 후속 장비가 막히거나 정제 효율이 떨어지므로 고형물 제거가 우선한다. 그 다음에 농축, 오염물질 제거, 최종 건조의 순서로 공정을 진행한다.
세포를 파쇄하여 세포내 물질을 얻어야 할 때에는 파쇄 원리에 따라 장비를 선택한다. 초음파 분쇄기는 용액에 고주파 초음파를 조사하여 공동 현상을 일으키고, 이로 인한 충격파가 세포벽과 세포막을 물리적으로 파쇄한다. French 압착기는 고압 압착으로 파쇄하고, Bead mill은 작은 비드를 이용한 마찰로 파쇄한다. 원심분리기는 파쇄 장비가 아니며 분리 용도로 사용한다.
액체-액체 추출은 두 용매의 분배계수 차이를 이용하여 물질을 이동시키는 방법이다. 이때 사용하는 전형적인 실험장비는 분액깔대기이며, 밀도 차이에 의해 층을 형성하고 하층액을 배출하는 구조를 가진다. 추출은 물질의 크기보다는 용해성(녹는 성질)에 의존하므로 크기 기반 분리와는 구별된다.
최종 정제 단계에서는 결정화를 통해 용액상의 물질을 고체 결정으로 만들어 불순물을 제거하고 순도를 높인다. 결정화는 고농도 운전에서 효율적이며, 저농도 운전 시 단위비용이 증가하고 분리인자가 낮아지는 경향이 있다.
크로마토그래피의 분리 원리는 서로 다르므로 목적에 맞게 선택해야 한다. 소수성 상호작용을 이용하려면 역상 크로마토그래피를 사용하며, 젤 여과는 크기에 기반한 분리, 친화성 크로마토그래피는 특정 결합력을 이용한다.
발효액을 처리할 때 먼저 세포와 고형물을 제거하지 않으면 크로마토그래피 컬럼이나 막 여과 장치가 막혀 후속 정제가 불가능해진다. 세포내 효소를 얻기 위해서는 초음파 분쇄기의 공동 현상 메커니즘을 떠올려 초음파 장비를 선택하고, 용매간 추출이 필요하면 분액깔대기를 사용하여 분배계수 차이에 의해 성분을 이동시키는 방식으로 진행한다. 최종적으로 고순도 항생제와 같은 생성물은 결정화로 마무리하여 순도를 확보한다.
발효액으로부터 효소를 분리하고 정제하는데 수반되는 주요 단계 중 맨 처음에 수행하여야 할 단계는?
정답 ① · 문항은 효소 정제 공정에서 가장 먼저 수행해야 할 주요 단계를 묻고 있다. 발효액을 그대로 정제하면 큰 고형물이나 세포 잔사로 인해 후속 장비가 막히거나 성능이 저하되므로 먼저 세포와 불용성 입자 등 고체를 제거하는 전처리를 수행한다.
효소 정제 전처리 단계는 불용성 고형물 및 세포 잔사를 먼저 제거하는 것이다.
다음 실험장비 중 추출실험장치는?
정답 ② · 문항은 추출 실험장치를 고르는 문제이다. 액체-액체 추출에서 서로 섞이지 않는 두 액체의 층을 분리하고 하층을 배출하는 장비가 분액깔대기이며, 밀도 차이를 이용한 분리가 핵심 기능이다.
두 액체의 밀도 차이를 이용해 성분을 분리하는 추출 실험장비는 분액깔대기이다.
다음 중 분리에 영향을 미치는 주요인자가 물질의 크기(size)가 아 닌 것은?
정답 ④ · 문제는 분리법들 중에서 분리 원리가 물질의 크기가 아닌 것을 고르는 것이다. 한외여과와 젤 크로마토그래피는 분자 크기 차이를 기반으로 하고 역삼투도 물질의 크기·크기 유사성에 따라 투과가 제한되므로 크기 기반 분리에 해당한다.
분리 원리는 크기, 전하, 용해도 등인데, 추출은 분배계수 차이를 이용하므로 크기 분리가 아니다.
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