개념 한 쪽
분리·정제공정 장비는 생산물의 분리, 정제, 안정화 단계를 담당하며 목적에 따라 막분리, 원심분리, 추출, 건조 등의 방법을 선택한다. 각 장비의 작동 원리와 적용 기준을 이해하면 공정 설계와 문제 해결에 유리하다.
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출제기준 단원 「분리ㆍ정제공정 장비」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 용질의 성질에 따른 막 선택 | 1 | 소수성 생성물의 분리에 적합한 막 유형을 골라야 한다 |
| 배제계수 계산 | 1 | 배제계수 정의에 Cp값을 대입해 차단률을 계산해야 한다 |
| 수분 제거와 공정 순서 판단 | 1 | 세포 수분 제거에 쓰이는 공정과 분리→정제→건조 순서를 구분해야 한다 |
연속식 배지 살균법은 배지를 펌프로 흐르게 하여 고온에서 짧은 시간 동안 처리하는 방식으로 열교환 효율이 좋아 살균 시간이 짧고 운전 주기를 줄일 수 있다. 연속식은 자동화에 유리하고 초기 설비비가 큰 특성이 있으므로 '빠름/자동화/고비용'의 키워드로 기억한다.
추출발효 상황에서 소수성 생성물인 부탄올을 배지에서 선택적으로 제거하려면 소수성 비공성막을 이용한다. 비공성막은 공극에 의한 체분리가 아니라 용질의 막에 대한 용해도 차이를 이용하여 소수성 물질을 선택적으로 투과시키므로 부탄올과 같이 물에 대한 용해도가 낮은 성분 분리에 적합하다.
막 분리 공정에서 배제계수(R)는 R = 1 - Cp/Cb로 정의하고, 투과액 농도 Cp가 0이면 R=1이 되어 용질이 완전히 차단된 상태를 의미한다. 이 관계식을 이용해 투과 성능을 판단하고 Cp와 Cb의 값을 확인하는 것이 핵심이다.
세포 수분의 제거와 같은 수분 제거 공정은 건조(예: 동결건조 등)가 일반적으로 사용된다. 분리→정제→후처리(건조)의 공정 흐름을 기억하면 단위 조작의 목적을 구분하여 적절한 장비를 선택할 수 있다.
투과증발은 얇은 막을 통과시키며 액체 혼합물을 분리하는 방법으로, 운전 방식으로는 진공식·기체흐름식·열구동식 등이 있다. 반면 가압식은 기체 분리막 공정에서 주로 사용하는 방식이므로 투과증발의 구동 방식으로 보지 않는다. 또한 초임계 CO2 추출은 이산화탄소를 용매로 이용하는 친환경적 추출법으로 식품 공업 등에서 활용되는 점을 기억한다.
원심분리에서는 침강 속도가 입자 크기와 원심가속도에 따라 결정된다. 스토크스 법칙 관점에서 침강 속도는 입자 직경의 제곱 및 원심력에 비례하고 액체의 점도에 반비례하므로 입자가 클수록 낮은 회전속도에서 분리되며, 효모와 같은 큰 입자는 DNA나 바이러스보다 낮은 속도로 침전된다.
막 분리 관련 문제는 물질의 친수성·소수성 특성과 막의 작동 원리를 묻는 경우가 많다. 예를 들어 부탄올처럼 소수성인 생성물을 제거하려면 소수성 비공성막을 선택하는 것이 옳다. 배제계수 문제는 R = 1 - Cp/Cb 공식을 바로 쓰고 Cp가 0이면 R이 1이라는 점을 적용하면 답을 빨리 얻을 수 있다.
원심분리 관련 문제는 입자 크기와 필요한 회전속도의 관계를 이용하여 판단한다. 가장 낮은 회전속도에서 분리되는 것은 가장 큰 입자인 효모이고, DNA는 가장 높은 속도가 필요함을 근거로 보기들을 비교한다.
투과증발의 구동 방식 문제는 액체 분리에서 사용되는 진공식·기체흐름식 등을 떠올리고, 가압식은 기체 분리에 해당하므로 해당하지 않는 선택지를 찾는 방식으로 풀이한다.
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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