개념 한 쪽
최종산물의 물리·화학적 특성은 공정 선택과 운전 조건을 결정하므로 생산 품질과 효율에 직접 영향을 준다. 본 개념에서는 막분리의 형태와 농도분극, 건조법의 상변화 원리, 살균 방식의 운전 특성 등을 정리한다.
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출제기준 단원 「최종산물 물리ㆍ화학적 특성」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 막 모듈 형태 판별 | 1 | 주어진 조건에서 단위 부피당 표면적이 가장 큰 막 형태를 고르기 |
| 농도분극 저감 방법 판정 | 1 | 막 여과의 농도분극을 줄이는 방법과 부적합한 방법을 가려내기 |
| 건조법 매칭 | 1 | 열에 불안정한 물질에 적합한 건조법을 선택하기 |
연속식 배지 살균법은 배지를 펌프로 흐르게 하며 고온에서 단시간에 살균하는 방식이다. 이 방식은 열교환 효율이 좋아 열 이용이 효율적이고 살균 시간이 짧아 운전 주기를 단축할 수 있으며 자동화에 유리하나 초기 설비비가 큰 특성이 있다.
막분리 장치에서 동일 부피에 대해 확보할 수 있는 막 표면적은 막의 형태에 따라 달라진다. 실관형(중공사막)은 속이 빈 가는 실 모양의 막을 다발로 사용하므로 단위 체적당 표면적이 가장 커 장치 소형화에 유리하다. 평판형·관형·나선감김형은 각각 표면적 대 부피 비율이 실관형보다 낮다.
막 여과에서는 막 표면에 용질이 축적되는 농도분극 현상이 발생한다. 이를 줄이려면 막 표면의 농도를 교란하거나 제거하는 방법이 필요하다. 교차류·맥동·진동은 막 표면과의 상호작용을 통해 경계층을 교란하여 분극을 완화하는 반면, 향류는 막 표면과 평행한 흐름으로 경계층 제거에 효과가 약하여 농도분극 저감 방법으로 부적합하다.
열에 불안정한 생체물질(예: 항생물질, 혈청 등)은 고온에서 단백질 변성이 발생하므로 저온에서 수분을 제거하는 방법이 필요하다. 동결건조법은 시료를 먼저 얼린 뒤 진공 하에서 얼음을 승화시켜 수분을 제거하므로 열 변성을 최소화하면서 건조할 수 있는 방법이다.
여과 공정의 기본적 변수 관계는 직관적으로 이해할 수 있다. 여과속도는 여과기 표면적에 비례하고 여액의 점도에 반비례하므로 표면적을 늘리거나 점도를 낮추면 여과속도가 증가한다. 온도를 낮추면 점도가 증가하여 여과속도가 감소한다.
공정 설계에서는 단계별 장비 역할을 이해해야 한다. 예컨대 분자량 50 kDa 효소의 농축에서는 미세여과로 전처리하여 큰 입자와 불순물을 제거한 뒤 한외여과로 목표 단백질을 농축하는 순서가 적절하다. 역삼투는 용매 분리를 위한 공정으로 단백질 농축의 주 단계로는 부적합하다.
대표적 장비·공정 선택 문제: 분자량 50,000 Da 효소를 농축하려면 전처리 → 농축 순서를 고려한다. 전처리로 미세여과를 먼저 적용해 큰 입자와 불순물을 제거한 뒤 한외여과로 단백질을 농축한다는 순서가 적절하다고 판단한다.
살균 방식 비교 문제 예시: 회분식과 연속식 중 연속식은 열교환 효율이 좋아 고온 단시간 살균이 가능하고 자동화에 유리하므로 '빠름/자동화/고비용' 조합을 키워드로 판단한다. 반대로 회분식은 가열·냉각에 시간이 오래 걸리는 특성이 있음을 근거로 오답을 소거한다.
막분리 농도분극 문제 예시: 제시된 선택지 중 향류가 막 표면과 평행한 흐름이라는 설명을 근거로 농도분극 저감 방법으로 부적절하다고 판정한다. 교차류·맥동·진동은 표면 교란 또는 물질 이동 촉진을 통해 분극을 완화하므로 정답에서 제외한다.
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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