다단계 멤브레인 공정이 필요합니다: 유청 분획은 일반적으로 단백질을 유지하고 농축하기 위한 한외여과(UF)로 시작하며, 그 후 역삼투(RO), 투석 여과 또는 두 가지 모두를 사용하여 유당이 풍부한 투과액을 처리합니다. 이후 스트림이 발효되는 경우, 미세여과(MF)를 통해 세포를 제거하고, 전기 투석, 이온 교환 및 탄소 흡착을 통해 추가적인 탈염 및 탈색을 수행합니다.
이 공정은 선택적 단위 조작의 순서로 설계되어야 하며, 각 멤브레인 단계는 다음 단계를 위한 제어된 공급물을 생산해야 합니다. 멤브레인은 일차적인 크기 기반 분리를 담당하며, 전기 투석, 이온 교환 및 흡착은 멤브레인만으로는 안정적으로 제공할 수 없는 이온 및 색상 사양을 달성합니다.
단일 멤브레인 단계가 불충분한 이유
복합 스트림에는 다양한 성분군이 포함되어 있습니다
유청에는 단백질, 유당, 무기염류, 물, 미생물 및 색소 형성 화합물이 포함되어 있습니다. 이러한 성분들은 분자 크기, 전하 및 화학적 거동이 다르므로, 단일 멤브레인으로는 모든 분획을 높은 순도로 효율적으로 회수할 수 없습니다.
각 단계는 다음 단계를 보호해야 합니다
첫 번째 분리는 더 미세한 정제가 시작되기 전에 가장 큰 가치 있는 분획을 제거하거나 농축해야 합니다. 이는 후속 멤브레인의 부하를 줄이고 이후 제품의 품질과 회수율을 향상시킵니다.
제품 순도에는 크기 배제 이상의 것이 필요합니다
멤브레인 여과는 크기에 따른 성분 분리에 효과적이지만, 염류, 이온성 불순물, 색상 및 일부 용해된 오염 물질은 전기 구동 분리, 선택적 수지 또는 흡착이 필요할 수 있습니다.
권장되는 유청 분획 구성
1단계: 단백질 회수를 위한 한외여과(UF)
공정은 한외여과로 시작하며, 이는 유청 단백질을 유지하면서 유당, 물 및 용해된 무기질의 대부분을 통과시킵니다.
UF 농축액은 유청 단백질 농축물 또는 관련 단백질이 풍부한 제품으로 농축됩니다. UF 투과액은 별도의 처리를 위해 유당과 무기질이 풍부한 스트림이 됩니다.
2단계: 단백질 세척을 위한 투석 여과(Diafiltration)
단백질 농축액에서 유당과 무기질을 추가로 제거해야 할 경우 투석 여과를 UF와 통합할 수 있습니다. 농축액에 물을 추가하면서 투과액을 지속적으로 제거하여 더 작은 용질을 멤브레인 밖으로 씻어냅니다.
이를 통해 별도의 대량 분리 단계 없이 더 깨끗한 단백질 분획을 얻을 수 있습니다.
3단계: 유당 스트림 농축을 위한 RO
유당이 풍부한 UF 투과액은 역삼투(RO)를 통해 처리하여 물을 제거하고 용해된 고형물을 농축할 수 있습니다. RO는 완전한 탈염 단계라기보다 주로 농축 작업입니다.
RO 농축액은 후속 유당 회수 또는 발효의 효율성을 향상시킬 수 있으며, RO 투과액은 검증 후 재사용이 가능한 비교적 고형분이 낮은 물 스트림입니다.
4단계: 발효 (해당되는 경우)
유당 스트림이 생물학적으로 전환되는 경우, 발효는 유기체와 제품에 적합한 상류 농축 및 조절 단계 이후에 이루어져야 합니다.
생성된 발효액에는 세포, 잔류 영양소, 염류 및 기타 용해된 화합물과 함께 원하는 발효 제품이 포함되어 있습니다. 이 발효액은 새로운 정화 및 정제 순서가 필요합니다.
5단계: 세포 제거를 위한 미세여과(MF)
적절한 경우 공칭 기공 크기가 약 0.45 마이크로미터인 미세여과를 사용하여 발효액에서 미생물 세포와 부유 고형물을 제거할 수 있습니다.
MF 투과액에는 용해된 제품과 더 작은 불순물이 포함됩니다. MF 농축액에는 농축된 세포와 유지된 입자상 물질이 포함되어 있으며, 공정에 따라 회수, 재활용 또는 폐기될 수 있습니다.
6단계: 이온 탈염을 위한 전기 투석
전기 투석은 이온 선택적 멤브레인과 인가된 전기장을 사용하여 하전된 종을 제거합니다. 따라서 정화 후 용해된 이온 함량을 줄이는 데 적합합니다.
MF 이후의 위치는 부유 고형물과 세포가 전기 투석 스택을 오염시키는 것을 방지하는 데 도움이 됩니다. 필요한 탈염 정도는 제품 사양과 하류 공정에 따라 다릅니다.
7단계: 폴리싱을 위한 이온 교환
이온 교환은 잔류 이온 불순물에 대해 더 선택적인 폴리싱 단계를 제공합니다. 대량의 염 부하가 이미 감소된 전기 투석 후에 배치할 수 있습니다.
이온 교환을 너무 일찍 사용하면 수지 소비와 재생 수요가 증가할 수 있습니다. 수지 선택 및 작동 순서는 제품 결합, pH 및 경쟁 이온도 고려해야 합니다.
8단계: 탈색을 위한 탄소 흡착
활성탄 흡착은 멤브레인 여과나 이온 분리로 충분히 제거되지 않는 색소체 및 특정 용해된 유기 불순물을 제거할 수 있습니다.
탄소 처리는 제품 손실을 제한하도록 제어되어야 합니다. 제품 회수 전에 탄소 미분을 제거하기 위해 최종 정화 또는 여과 단계가 필요할 수 있습니다.
파일럿 플랜트 배치 방법
독립적이지만 연결 가능한 멤브레인 모듈 사용
실용적인 파일럿 플랜트에는 구성 가능한 펌프, 압력 제어, 공급 탱크, 투과액 수집 및 농축액 재순환 기능을 갖춘 별도의 UF, RO 및 MF 모듈이 포함되어야 합니다.
이를 통해 각 단계를 독립적으로 테스트한 다음, 하나의 고정된 작동 조건에 얽매이지 않고 순차적으로 연결할 수 있습니다.
모든 스트림에 대한 전용 수집 장치 제공
플랜트는 UF 농축액과 투과액, RO 농축액과 투과액, MF 농축액과 투과액을 별도로 수집해야 합니다. 이러한 스트림은 잠재적인 제품, 재활용 스트림 또는 폐기물 스트림이며, 그 구성에 따라 공정의 경제적 타당성이 결정됩니다.
단계 간 조절(Conditioning) 포함
단계 간 조절에는 희석, pH 조정, 온도 제어, 고형물 제거 또는 농축 조정이 포함될 수 있습니다. 멤브레인 플럭스, 선택성, 오염 및 제품 안정성은 공급 조건에 크게 의존하므로 이러한 제어가 중요합니다.
질량 균형 및 제품 품질 측정
파일럿 시스템은 유량, 압력, 온도, 전도도, 총 고형물, 단백질, 유당, 무기질 함량, 색상 및 관련 미생물 또는 발효 지표를 추적해야 합니다.
단계의 성공 여부는 단순히 높은 투과 플럭스를 생성하는 것이 아니라, 전체적인 성분 회수율과 순도를 향상시킬 때 결정됩니다.
상충 관계 이해
더 높은 순도는 회수율을 낮출 수 있음
강력한 투석 여과, 탈염 또는 흡착은 순도를 향상시킬 수 있지만 가치 있는 제품을 폐기물이나 측면 스트림으로 이동시킬 수 있습니다. 따라서 회수율과 순도는 함께 최적화되어야 합니다.
멤브레인 오염이 성능을 좌우할 수 있음
단백질, 세포, 콜로이드 및 색소체는 멤브레인을 오염시키고 플럭스를 감소시킬 수 있습니다. 안정적인 성능을 확립하려면 전처리, 교차 흐름 작동, 세척 프로토콜 및 현실적인 공급물 테스트가 필요합니다.
RO와 전기 투석은 역할이 다름
RO는 물을 우선적으로 제거하여 스트림을 농축합니다. 전기 투석은 하전된 종을 제거하므로, 이들을 상호 교환 가능한 작업으로 취급하면 불완전한 공정 설계로 이어질 수 있습니다.
단계가 많을수록 복잡성이 증가함
다단계 플랜트는 추가 펌프, 탱크, 제어 장치, 세척 절차 및 분석 모니터링이 필요합니다. 추가된 복잡성은 각 단계가 제품 가치나 공정 안정성에 측정 가능한 기여를 할 때만 정당화됩니다.
폴리싱 중 제품 손실 가능성
이온 교환 및 탄소 흡착은 불순물뿐만 아니라 대상 분자도 제거할 수 있습니다. 대규모 장비를 지정하기 전에 돌파(breakthrough) 모니터링, 수지 선택, 흡착 테스트 및 회수 연구가 필요합니다.
목표에 맞는 올바른 선택
올바른 설정은 어떤 분획이 주요 제품인지, 그리고 어떤 순도 사양을 충족해야 하는지에 따라 달라집니다.
- 주요 초점이 단백질 회수인 경우: UF를 주요 농축 단계로 사용하고, 단백질 농축액에서 유당과 무기질 제거가 필요할 때 투석 여과를 추가하십시오.
- 주요 초점이 유당 농축인 경우: RO로 UF 투과액을 처리하고, 더 낮은 염 함량이 필요할 때 투석 여과 또는 적절한 하류 탈염 단계를 사용하십시오.
- 주요 초점이 발효 제품인 경우: 세포 제거를 위해 발효 후 MF를 배치하고, 이온 및 색상 사양에 따라 전기 투석, 이온 교환 및 탄소 흡착을 수행하십시오.
- 주요 초점이 공정 개발인 경우: 독립적인 멤브레인 단계, 완전한 스트림 수집, 단계 간 조절 및 성분 수준의 질량 균형 분석을 갖춘 모듈식 파일럿 플랜트를 사용하십시오.
잘 설계된 분획 공정은 각 멤브레인 및 폴리싱 작업에 하나의 특정 분리 작업을 할당하여, 단일 단위 조작이 전체 스트림 화학을 해결하도록 강요하지 않고도 높은 회수율과 순도를 가능하게 합니다.
요약 표:
| 공정 단계 | 주요 기능 | 주요 결과물 또는 이점 |
|---|---|---|
| 한외여과 (UF) | 단백질 유지 및 농축 | 단백질이 풍부한 농축액 및 유당이 풍부한 투과액 |
| 투석 여과 | 단백질에서 유당 및 무기질 세척 | 더 높은 순도의 단백질 분획 |
| 역삼투 (RO) | 물 제거 및 용해된 고형물 농축 | 농축된 유당 스트림 |
| 발효 | 유당을 목표 제품으로 전환 | 발효액 |
| 미세여과 (MF) | 세포 및 부유 고형물 제거 | 정화된 제품 스트림 |
| 전기 투석 | 용해된 이온 함량 감소 | 탈염된 스트림 |
| 이온 교환 | 잔류 이온 불순물 폴리싱 | 더 높은 순도의 제품 |
| 탄소 흡착 | 색소체 및 용해된 유기물 제거 | 탈색된 제품 스트림 |
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