식품산업에서 막 분리 공정의 원리와 개념(역삼투,한외여과,미세여과)

 

 

 

1. 막 분리의 등장

 1963년 Loeb와 Sourirajan에 의해 획기적으로 발전한 분리막 공정은 분리에 있어서 효과적이고, 경제적이며 신뢰할 만한 공정으로 자리잡았다. 현재 물질 분리를 위해 증류, 추출, 흡수, 흡착, 재결정 등의 다양한 분리 공정이 이용되고 있다. 

그러나 이러한 분리 공정들은 다량의 에너지소비 및 공간 이용의 비효율성 등의 문제가 야 기되고 있으므로 에너지 절약형 첨단 분리공정으로서 고분자 분리막을 이용한 분리공정의 중요 성이 대두되고 있다. 고분자 분리막은 선택적 분리기능 및 효율적인 물질투과 능력을 갖고 있어 화학, 환경, 의료, 바이오택 산업, 식품공업등에 이르기까지 그 산업적 수요가 날로 확대되고 있다. 특히 공업 및 농업 폐수, 독성 산업 폐기물 등 환경오염 물질의 분리제거를 위해서 고분자 분리막을 이용한 막분리 공정의 활용 빈도가 괄목한 증대를 보일 것으로 예상된다.

 

 

2. 막분리 공정(membrane seperation)의미

막의 선택적 투과성을 이용해 상변화 없이 분리하는 기술로 두 물질의 농도가 다를 때 물질의 혼합을 피해 농도차 유지해 분리하는 것이다.

 

 

3. 막의 분류 
세공막(macroporous membrane)

세공막은 구멍의 지름이 0.1～10μm정도이고 분자크기가 매우 큰 거대분자나 콜로이드, 미세입자등을 분리하는데 이용되는 막이다. 이 막의 특성은 이온이나 물같은 용매를 쉽게 통과 할수 있다. 

 

미세공막(microporous membrane) 

미세공막은 구멍의 지름이 50Å～500Å정도인 미세공이 있어 주로 유기혼합물이나 쿤센(Knudsen)흐름에 의한 기체분리에 사용된다. 

 

비공성막(nonporous membrane)

비공성막은 미세공이 존재하지 않는 막을 말하며, 무기성 결정간의 간격이 존재하여 이간격이 10Å정도 되는 막을 말한다. 따라서 비공성막은 미세구멍을 통해 물질이 투과되는 것이 아니라 분자 사이에 난 간격을 통해 물질이 투과 된다. 역삼투막, 기체분자 등이 용해되어 확산되는 고분자막, 금속막이 이 부류에 속한다. 아래에 몇 가지 전형적인 작은 입자, 분자 그리고 이온의 크기를 나타내었다

 

 

3. 막을 이용한 분리공정 원리
막을 이용한 분리공정에는
(1) 막을 통과하는 '입자 크기'를 이용한 것

(2) 막을 통한 ' 확산속도' 차이를 이용것 두가지로 크게 나눈다

=> 즉 '물질에 따라 막을 통한 이동속도'가 다르기 때문에 가능한 기술

 

 

4.막을 통과하는 입자의 크기를 이용한 분리공정
막을 사이에 두고 압력을 걸어서 액체는 통과시키고 고체 입자는 통과시키지 않는 원리를 이용한 방법이다. 

이런 분리공정에는 미세여과한외여과, 역삼투등이 있다.

 

1) 미세여과(microfiltration)

- 분리막 중 미세다공이 가장 크다. (한외여과,역삼투보다 상대적으로 더 크다.)

- 대칭형(symmetric)의 세공구조

- 공정 지름이 0.1～10㎛ 정도의 고체입자를 분리한다. => 콜로이드 등 고체입자 분리

- 삼투압을 극복할 필요가 없기 때문에  낮은 압력에서도 실행될 수 있다.

-  미세여과는 주로 발효공정(fermentation), 의학(medical), 전기분야(electronics)및 음료산업분야에 사용.

   그 중 가장 많이 쓰이는곳은 음료수의 살균과 초순수의 정제공정

   ex) 균 제거, 세포분리, 발효공정, 음료수 살균

 
2) 한외여과 (ultrafiltration)

- 액체 중에 용해되거나 분산된 물질을 입자크기나 분자량크기별로 분리할수 있는 공정.

- 미세여과와 역삼투의 중간 영역의 1nm～0.1μm인 입자를 분리한다

- 비대칭형구조의 치밀한 층구조로 되어있어 미세여과보다 더 작은 입자를 분리해 낼수 있다.

- 미세여과보다는  막 오염이 심하다 

- 초기에는 압력이 증가함에따라 선형적으로 증가하나 어떤 압력을 지나서는 농도분극(concentration polarization)현상    때문에 더 이상 증가하지 않는다. (농도분극현상이란 막에 의해 배제된 용질이 막표면에 쌓이는 현상이다.)

-  대상물질이 분자량이 큰 물질이므로 용액내의 삼투압은 무시할수 있어서 낮은 압력으로 운전된다.

 

 [친화성 막분리(affinity - membrane)공정]  
- 특정한 단백질과 결합할 수 있는 항체(antibody)를 부착시켜 친화성 운반체 (affinity   carrier)를 형성. 이렇게 결합된      입자는 다른 단백질에 비하여 크기가 크므로 막분리를 하면 다른 단백질로부터 쉽게 분리된다.

- 원하는 단백질은 막분리에 의하여 순수하게 분리 시킬 수 있다

- 친화성 운반체는 다시 재사용할 수 있다.

 

4) 역삼투압 (reverse osmosis)

- 극초미세여과로 지름이 약 10Å이내인 분자 또는 이온 분리에 쓰이는 방법

 ex) 도시 폐수나,석유화학공장,  펄프 및 제지공장, 식품공장등에서 배출되는 폐수의 처리

- 역삼투는 용질의 농도가 높은 곳-> 낮은곳으로 압력을 가해 보내는 방법.

  (삼투현상(osmosis)은 반투과성막을 사이에 두고 용매가 용질의 농도가 낮은쪽-> 높은쪽으로 통과하는 현상)

역삼투의 산업이용

 

5. 분리막의 장단점

- 분리막을 이용한 공정은 상대적으로 낮은 에너지가 필요

 (원심분리, 일반적인 여과(filtration), 선별(screening), 응집제에 의한 침전방법과 같은 일반적인 분리 공정과는 다르게) 

- 응집제와 같은 첨가물을 넣어줄 필요가 없다

- 사용자에게 편리하게 적용이 가능하고 

- 재생 가능하며, 부가적인 처리 없이 폐기가 가능해 친환경적

- 분리막의 가격이 비싸다

- 막오염으로 인한 짧은 수명