십자류 여과방식

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1. 개요
2. 작동 원리
3. 기존 여과 방식과의 비교
- 3.1. 장점
4. 산업 응용 분야
5. 성능 향상 기술
6. 유량 계산
참조

1. 개요

십자류 여과 방식은 공급액이 필터 막을 가로질러 접선 방향으로 통과하면서 막의 기공보다 작은 물질은 투과액으로, 큰 물질은 잔류물로 분리하는 여과 방식이다. 이는 막 표면에 입자가 쌓이는 것을 줄여 막힘 현상을 방지하고 장기간 안정적인 여과 성능을 유지하게 해준다. 기존 수직 여과 방식과 비교하여 막 수명이 길고, 고농도 슬러리 처리에 유리하며, 수처리, 단백질 정제 등 다양한 산업 분야에 적용된다. 성능 향상을 위해 역세척, 교번 접선 흐름, 현장 세척 등의 기술이 사용되며, 농축, 투석 여과 등의 공정도 수행된다. 십자류 여과 시스템의 유량은 막간 압력, 막 저항, 케이크 저항, 액체 점도 등의 요소에 의해 결정된다.

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십자류 여과방식
기본 정보
중공사막의 단면
정의	막을 가로질러 공급 흐름(feed stream)의 일부가 통과하는 분리 기술
다른 이름	접선 흐름 여과(tangential flow filtration, TFF)
적용 분야	생명공학 화학 식품 및 음료 폐수 처리
작동 원리
핵심	압력차를 이용한 분리
특징	공급 흐름이 막 표면을 따라 흐름
결과	투과물(permeate)과 잔류물(retentate)로 분리
장점
높은 효율	막 오염 감소
적용 가능 범위	다양한 분리 공정에 적용 가능
단점
복잡성	일반 여과보다 복잡한 시스템 요구
에너지 소비	압력 유지를 위한 에너지 필요
종류
막 재질	고분자 세라믹
막 형태	평판막 관형막 중공사막
활용 예시
생명공학	단백질 분리 및 정제
폐수 처리	오염 물질 제거 및 용수 재활용
참고 문헌

2. 작동 원리

십자류 여과 방식에서 공급액은 투과액 측에 대해 양의 압력으로 필터 막을 가로질러 (접선 방향으로) 통과한다. 막 기공 크기보다 작은 물질의 일부는 투과액 또는 여과액으로 막을 통과하고, 나머지는 막의 공급액 쪽에 잔류물로 남아 있다.

십자류 여과 방식에서는 막을 가로지르는 유체의 접선 방향 움직임으로 인해 필터 표면에 갇힌 입자들이 쓸려 나가게 된다. 이는 십자류 필터가 막힘 없이 비교적 높은 고형물 부하에서도 지속적으로 작동할 수 있다는 것을 의미한다. 이러한 흐름 방식은 막 표면에 오염 물질이 쌓이는 것을 방지하여 막힘 현상을 줄이고, 장기간 안정적인 여과 성능을 유지할 수 있도록 한다.

3. 기존 여과 방식과의 비교

기존의 수직 여과(dead-end filtration) 방식은 공급액이 막 표면에 수직으로 흐르기 때문에 오염 물질이 막 표면에 쉽게 쌓여 막힘 현상이 빠르게 발생한다. 반면, 십자류 여과는 접선 방향 흐름을 통해 오염 물질을 지속적으로 제거하므로 막 수명이 길고, 고농도 슬러리 처리에도 유리하다.

여과 케이크 형성을 방지하여 전체적인 액체 제거율이 높게 달성된다.^[3] 공정 공급물은 이동 가능한 슬러리 형태로 유지되어 추가 처리에 적합하다.^[3] 제품 슬러리의 고형물 함량은 광범위하게 변화될 수 있다.^[3] 입자를 크기별로 분별할 수 있으며,관상 핀치 효과를 활용한다.^[3]

3. 1. 장점

십자류 여과는 여과 케이크 형성을 방지하여 전체적인 액체 제거율이 높게 달성된다.^[3] 공정 공급물은 이동 가능한 슬러리 형태로 유지되어 추가 처리에 적합하다.^[3] 제품 슬러리의 고형물 함량은 광범위하게 변화될 수 있다.^[3] 입자를 크기별로 분별할 수 있으며,관상 핀치 효과를 활용한다.^[3]

4. 산업 응용 분야

십자류 막 여과 기술은 전 세계 산업에서 널리 사용되고 있다.^[2] 여과막은 용도에 따라 고분자 또는 세라믹일 수 있으며, 역삼투, 나노여과, 한외여과, 정밀여과에 사용된다. 물을 정화할 때, 이는 전통적인 증발 방식에 비해 매우 비용 효율적일 수 있다.

단백질 정제에서, 횡류 여과(TFF)라는 용어는 막을 사용한 십자류 여과를 설명하는 데 사용된다.^[2]

산업용 여과 장치에서 재순환 배관은 공급 배관 또는 투과액 배관보다 상당히 크다. 이러한 파이프 크기는 장치를 통과하는 액체의 비율과 직접적으로 관련이 있다. 전용 펌프는 고체 성분이 풍부한 잔류물이 공정의 다음 부분으로 옮겨지기 전에 공급물을 장치 주변으로 여러 번 재순환시키는 데 사용된다.

십자류 여과 기술은 수처리, 단백질 정제, 식품 가공, 화학 공업 등 다양한 산업 분야에 적용된다.

5. 성능 향상 기술

5. 1. 역세척 (Backwashing)

역세척은 보조 펌프를 사용하여 막간 압력을 주기적으로 역전시켜 투과액이 공급액으로 다시 흐르게 함으로써 막 표면의 오염층을 제거하는 방법이다.^[4] 스파이럴형 막에는 적용할 수 없으며, 대부분의 응용 분야에서 일반적인 방법은 아니다.^[4]

5. 2. 교번 접선 흐름 (Alternating Tangential Flow, ATF)

다이어프램 펌프는 교대 접선 흐름을 생성하여 잔류 입자를 제거하고 막 오염을 방지하는 데 사용된다. 레플리젠은 ATF 시스템의 가장 큰 생산 업체이다.

5. 3. 현장 세척 (Clean-in-Place, CIP)

현장 세척(Clean-in-Place, CIP) 시스템은 일반적으로 광범위한 사용 후 막에서 오염 물질을 제거하는 데 사용된다. CIP 공정은 세제, 차아염소산나트륨(표백제)과 같은 반응성 물질, 구연산 및 수산화나트륨(NaOH)과 같은 산 및 알칼리를 사용할 수 있다.

Clean-in-place 시스템을 사용하는 사람 — 클린-인-플레이스 시스템을 사용하는 흰색 작업복을 입은 사람

차아염소산나트륨(표백제)은 일부 막 공장에서 공급수에서 제거해야 한다. 표백제는 박막 막을 산화시켜 막을 정격 거부 수준에서 더 이상 성능을 발휘하지 못하고 교체해야 하는 지점까지 저하시키기 때문이다. 표백제는 나선형으로 감긴 막이 공장에 장착되기 전에 초기 시스템 시작 시 수산화나트륨 CIP에 추가하여 시스템을 소독하는 데 도움이 될 수 있다. 또한 차아염소산나트륨에 대한 내성이 나선형으로 감긴 막보다 훨씬 높은 다공성 스테인리스 스틸 (Graver) 막의 CIP에 사용된다.

부식제와 산은 가장 자주 주요 CIP 화학 물질로 사용된다. 부식제는 유기 오염을 제거하고 산은 미네랄을 제거한다. 효소 용액은 막 공장에서 유기 오염 물질을 제거하는 데 도움을 주기 위해 일부 시스템에서도 사용된다.

pH와 온도는 CIP 프로그램에 중요한데, pH와 온도가 너무 높으면 막이 저하되고 유속 성능이 저하되며, 너무 낮으면 시스템이 제대로 세척되지 않는다. 각 응용 분야마다 CIP 요구 사항이 다르다. 예를 들어, 유제품 역삼투압(RO) 공장은 수질 정화 RO 공장보다 더 엄격한 CIP 프로그램이 필요할 가능성이 크다. 각 막 제조업체는 해당 제품에 대한 CIP 절차에 대한 자체 지침을 가지고 있다.

5. 4. 농축 (Concentration)

투과액을 제거하여 잔류액 내 고형물 농도를 높이는 공정이다. 유체의 부피는 투과액 흐름이 발생하도록 하여 감소한다. 용매, 용질 및 막 기공 크기보다 작은 입자는 막을 통과하는 반면, 기공 크기보다 큰 입자는 유지되어 농축된다. 생물 공정 응용 분야에서 농축 후에는 다이아필트레이션이 수행될 수 있다.

5. 5. 투석 여과 (Diafiltration)

잔류액에 용매를 추가하여 투과액 내 가용성 성분을 제거하는 공정이다.^[4] 슬러리에서 투과액 성분을 효과적으로 제거하기 위해, 시스템 내 부피가 일정하게 유지되도록 투과액 유속과 동일한 속도로 신선한 용매를 공급하여 투과액 부피를 대체할 수 있다. 이는 가용성 성분을 제거하기 위한 여과 케이크 세척과 유사하다.^[4] 희석 및 재농축을 "투석 여과"라고도 한다.^[4]

5. 6. 공정 흐름 차단 (Process Flow Disruption, PFD)

투과액 출구를 일시적으로 차단하여 막간 압력을 0으로 설정하는 방법이 있다. 이는 두 번째 펌프 없이 오염층의 마모를 증가시킨다. 공정 흐름 차단(PFD)은 오염 물질 제거에 역세척만큼 효과적이지는 않지만, 유리할 수 있다.

6. 유량 계산

십자류 여과 시스템의 플럭스 또는 유량은 다음 식으로 나타낸다.^[4]

: $J = \frac{\Delta P}{(R_{\rm m} + R_{\rm c}) \mu}$

여기서:

$J$ : 액체 플럭스
$\Delta P$ : 막간 압력 (역삼투막의 경우 삼투압의 영향도 포함해야 함)
$R_{\rm m}$ : 막의 저항 (전체적인 다공성과 관련)
$R_{\rm c}$ : 케이크의 저항 (가변적; 막 오염과 관련)
$\mu$ : 액체 점도

R_{\rm m}

및

R_{\rm c}

는 유도 과정에서 막 표면적의 역수를 포함한다. 따라서, 플럭스는 막 면적이 증가함에 따라 증가한다.

참조

_[1] 논문 Terminology for membranes and membrane processes (IUPAC) http://old.iupac.org[...] 1996-06
_[2] 웹사이트 Millipore Technical Library: Protein Concentration and Diafiltration by Tangential Flow Filtration http://www.millipore[...]
_[3] 논문 Development Studies of crossflow filtration 1984-06
_[4] 서적 Coulson and Richardson's Chemical Engineering (Volume 2) Butterworth-Heinemann
_[5] 저널 Terminology for membranes and membrane processes (IUPAC) http://old.iupac.org[...] 1996-06

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