발효 기술은 이미 전통적인 양조(술, 식초)의 범주를 넘어 현대 생명공학의 핵심 기둥으로 진화했습니다. 현대 생물 산업에서 발효액에 대해 수행하는 고체-액체 분리 공정은 여과, 원심분리 등의 물리적 수단을 이용하여 부유 고체 입자와 불순물(균체, 세포, 세포 파편, 단백질 및 그 응집체 등)을 정밀하게 제거하는 과정을 의미합니다. 이 중 여과는 가장 기본적인 단위 조작으로, 그 효율과 정밀도가 후속 공정의 제품 품질을 직접적으로 결정합니다.
발효 공정 여과에 영향을 미치는 요인
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▶ 작동 원리
넓은 의미에서 발효 공정은 주로 상류 공정, 발효 공정(중류), 하류 공정으로 구성됩니다[1]. 여기서 하류 공정은 발효액에서 목표 제품을 분리하고 정제하는 공정 과정을 말하며, 그 복잡성은 종종 최종 제품의 품질과 비용을 결정합니다. 하류 공정은 크게 네 가지 주요 단계를 포함합니다:
• 고체-액체 분리(원심분리, 여과, 침전 등)
• 세포 파쇄(초음파, 고압 전단, 효소 분해 등)
• 단백질 정제(침전, 크로마토그래피, 한외여과 등)
• 제품 완제품 처리(진공 건조, 동결 건조 등)
목표 생성물이 세포 내부에 존재하는지 외부에 존재하는지에 따라, 발효액 고체-액체 분리의 주요 목적은 일반적으로 두 가지입니다:
여과 기술에서, 고체 입자의 형상, 크기 및 밀도는 여과의 차단 효과, 침강 속도 및 여액 청정도(투명도)를 결정합니다. 그러나 생물 발효에서 여과 속도는 균체 크기의 영향을 받을 뿐만 아니라, 배지 조성, 소포제, 발효 주기 및 전처리 등의 조건에도 제약을 받습니다. 이 중 균주 특성과 발효액 점도의 영향이 가장 현저합니다[2].
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▶ 유체 역학적 분석
유체 역학적 관점에서, 고전적인 여과 미분 방정식(Ruth 방정식)[3]에 따르면:
여기서,
여과 케이크 부피와 여액 부피 사이에는 다음과 같은 관계가 존재합니다:
이를 유도하여 보다 직관적인 물리적 의미를 가진 여과 속도 공식을 얻을 수 있습니다:
이 공식은 각 매개변수가 여과 속도에 미치는 영향을 명확히 보여줍니다:
✓ 여과 속도는 여과 면적(F) 및 여과 압력 차이(Δp)에 비례합니다.
✓ 여과 속도는 여액 점도(μ)에 반비례합니다.
✓ 여과 케이크 비저항(r0)이 클수록, 여과 케이크층(l)이 두꺼울수록 여과 속도는 느려집니다.
그러나 생물 물질의 특수성으로 인해, 실제 산업 생산의 상황은 위의 이상적 모델보다 훨씬 복잡합니다.
발효액 여과 및 분리의 복잡성과 도전 과제
생물 발효액은 대부분 고점도, 고고형분 함유 시스템으로, 단순한 물리적 분리는 종종 효율 저하, 수율 저하 및 활성 손실 증가와 같은 난제에 직면합니다.
웅카이(Shinkai) 솔루션: 고성능 생물 발효 여과 기술
웅카이는 “장비 구조 업그레이드”와 “공정 매개변수 최적화” 두 가지 측면에서 접근하여, 여과 면적 확대, 동적/정적 교차 흐름 여과 도입 및 자동화 제어를 통해 처리 능력을 강화하고, 정밀한 선정 및 공정 설계를 통해 고점도, 쉽게 막힘 및 활성 유지의 난제를 해결합니다.
▶ 정밀 선정 및 장비 업그레이드
웅카이 바이오는 고성능 소결 금속 여재를 선호하며, 이를 통해 기존 폴리머 여재를 대체합니다.
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