개념 한 쪽
분리정제 공정에서 장비와 방법은 물질의 크기, 열민감성, 전하 특성 등 물리·화학적 성질에 따라 선택한다는 원리가 핵심이다. 막분리, 세포 파쇄, 건조 및 원심분리 장비는 각기 다른 작동 원리로 특정 목표물질을 회수하거나 농축한다는 점을 이해해야 한다.
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출제기준 단원 「분리원리 및 기술」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 막형태의 표면적 비교 | 1 | 부피 대비 막의 표면적이 가장 큰 형식을 가리기 |
| 농도분극 저감법 구별 | 1 | 막 표면의 농도분극을 줄이는 적절한 방법을 가리기 |
| 열에 민감한 물질의 건조법 | 1 | 열에 불안정한 액체시료에 적합한 건조법을 가리기 |
막분리 장치는 단위 부피당 확보 가능한 막 표면적에 따라 장치 소형화와 처리 효율이 결정된다는 원리를 가진다. 속이 빈 실 모양을 다발로 구성한 실관형(중공사막)은 동일 부피에서 가장 큰 표면적을 제공하므로 소형화에 유리하다는 점을 기억한다.
한외여과는 분자량 수천에서 수만 단위의 용질을 분리하거나 농축하는 데 적합하고, 미세여과는 전처리로 큰 입자나 불순물을 제거하는 역할을 수행한다는 공정적 분업 개념을 이해한다. 막분리 공정은 전처리→농축의 순서를 통해 처리 효율을 높인다는 흐름을 따른다.
막 여과 과정에서는 막 표면에 용질이 축적되어 막 성능을 저하시키는 농도분극이 발생한다고 한다. 이 현상을 줄이려면 막 표면의 물질을 물리적으로 교란하거나 교환하는 방식이 필요하고, 교차류·맥동·진동은 이를 완화하는 반면 향류는 효과가 적다는 점을 구별한다.
세포 파쇄 장비는 작동 원리별로 구분해야 한다는 점을 이해한다. 초음파 분쇄기는 용액 내에서 공동 현상을 유도하여 충격파로 세포벽과 세포막을 물리적으로 파쇄하는 방식이고, French 압착기는 고압을 이용하고 Bead mill은 비드를 이용한 마찰을 이용한다는 차이를 구분한다.
열에 민감한 생체물질의 건조에는 저온에서 승화로 수분을 제거하는 동결건조법이 적합하다는 원리를 기억한다. 고온 건조법은 단백질 등 열에 약한 물질을 변성시킬 수 있으므로 동결건조를 선택하는 기준이 된다는 점을 이해한다.
원심분리기의 처리량과 운전특성은 장비의 배출 방식과 연속성에 따라 달라진다는 원리를 파악한다. 노즐분리기는 연속 배출이 가능하므로 대량 처리에 유리하다는 점을 구분한다.
막분리 관련 문제는 표면적 대 부피 비율과 농도분극 저감 기술의 원리를 묻는 형태가 자주 출제된다는 점을 염두에 둔다. 예컨대 동일한 체적에서 막의 표면적이 가장 넓은 형태를 묻는 문제가 나오면 '실관형(중공사막)'을 선택한다.
농도분극을 줄이는 방법을 고르는 문제에서는 교차류, 맥동, 진동이 올바른 저감 수단이고, 향류는 막 표면의 경계층 제거에 효과적이지 않으므로 오답으로 판단한다.
건조법 관련 문제에서는 물질의 열안정성을 먼저 판단한 뒤 동결건조가 필요한 경우를 식별한다. 항생물질이나 혈청처럼 열에 불안정한 물질은 동결건조를 선택하는 것이 원리적으로 맞다.
세포 파쇄 장비를 고르는 문제에서는 초음파 분쇄기가 공동 현상을 이용해 물리적 파쇄를 수행한다는 키워드를 기억하면 유리하다.
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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