한외여과기(ultrafilteration) 원리

0. 한외여과는 언제 쓰일까?

 

세포 내 효소의 분리정제 단계에서 쓰인다. (그외 한외여과자체는 많은 산업에서 쓰인다)

 

전체적인 정제 process:

발효 및 세포배양 --> 세포제거 및 농축(여과, 원심분리 등) --> 세포파쇄 --> 세포 잔해제거 --> 단백질 침전 --> 한외여과 --> 액체 크로마토그래피 --> 용매 침전 --> 투석 --> 동결건조

여기서 한외여과는 제약, 화학, 식품산업에서 백신, 발효 생성물, 효소 등의 단백질 분리에 많이 사용되는 분리방법으로 보통 침전 공정에 이어서 주로 사용된다. 

 

 

1. 막을 통과하는 입자의 크기를 이용한 분리공정

 

분리 공정에서 막을 통과하는 입자의 크기를 이용해 압력을 걸어 액체는 통과시키분리 공정에서 막을 통과하는 입자의 크기를 이용해 압력을 걸어 액체는 통과시키고 고체 입자는 통과시키지 않는 원리를 이용 여기에 미세여과>한외여과>삼투압순으로 분리대상물의 크기가 작아진다

	분리 대상 크기	대상물
미세여과	0.1~10 um	균제거 세포분리
한외여과	1nm ~1 um	단백질, 효소, 다당류 등 고분자 물질 분리, 농축
역삼투	10Å 이내	배양액으로부터 염, 산 및 염기의 제거

 

2. 한외여과기의 막구조

막구조가 비대칭형 구조로 미세여과보다 더 작은 입자를 분리할 수 있는데, 활성층과 지지층으로 구성된다. 
여과막 재질에는 고분자와 무기소재로 나눌 수 있고 주로 polysulfone, polyethersulfone이 사용되며 polyacrylnitrile이 비교적 최근에 개발되었다. 

• Polyethersulfone(★): 내열성, 내화학성에서 우수한 특성을 보유하고 있으며 친수성 멤브레인으로 단백질 흡착이 적고 알칼리성에 안정적이다(가장 많이 쓰여서 별을 달았다!)
• Polyacrylnitrile: 친수성소재, 내용제성과 내화학성 우수, 단백질 흡착이 적게 일어남
• Polysulfone: 내저항성이 다소 약하나 내열성, 내산성 등 우수한 기계적 성질

여기서 막, membrane을 우리는 cassette라고 한다!!

 

 

 

3. 한외여과 원리

체적flux는 세공지름과 압력차에 비례함
Jv: 체적flux, n:단위 면적당 세공수, d:막의 지름(세공지름), I:막의길이, η: 침투용액의 점도, Δp:막사이의 압력차
*세공 내 용질의 흡착 또는 침전이 없고 세공 내로 투과하는 흐름이 층류(일정하게 흐름)라는 가정을 포함했기때문에 실제로 압력차에 따라 선형적으로 flux가 증가하지 않음.
초기에는 압력이 증가함에 따라 체적flux가 선형적으로 증가하지만 어느 정도의 압력이 되면 농도분극현상으로 더 이상 증가하지 않음

 

*TMP(transmembrane pressure)

Difference in pressure between the feed/retentate and permeate stream
Represents the driving force for transfer of material across the filter

 

*초기여과능과 TMP
Membrane 사용 후 세척 후 초기여과능과 TMP를 이용하여 membrane의 세척 정도를 확인 가능

 

 

 

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