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원심증발농축기

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목차

1. 개요

원심증발농축기는 시료의 용매를 제거하는 데 사용되는 장치이다. 1800년대 후반에 개발되었으며, 진공, 원심력, 가열을 이용하여 용매를 증발시킨다. 회전하는 회전실, 진공 장치, 응축기, 냉각기로 구성되며, 회전 속도, 온도 등을 디지털로 제어할 수 있다. 원심력을 이용하여 시료의 "튀는" 현상을 방지하며, 고성능 모델은 끓는점이 높은 용매도 제거할 수 있다. 주요 제조사로는 Savant, Martin Christ, Labconco Corp., EYELA, Genevac 등이 있다.

2. 역사

원심 증발기는 1800년대 후반에 처음 등장했다. 1875년 콘래드 웬델(Conrad Wendel)과 윌리엄 플로리히(William Florich)는 원심 증발기 개선에 대한 미국 특허(US158764)를 받았다.[1]

현대적인 의미의 원심증발농축기는 1960년대에 미국의 Savant사에서 개발되었으며, 'SpeedVac'이라는 브랜드로 시장을 선도하고 있다. 이 외에도 독일의 Martin Christ, 미국의 Labconco Corp., 일본의 EYELA, 영국의 Genevac 등이 잘 알려진 제조사이다.

3. 디자인 및 원리

원심증발농축기는 시료가 담긴 용기를 고속으로 회전시키는 회전실, 시스템 내부를 진공 상태로 만드는 진공 펌프, 증발된 용매를 액화시켜 회수하는 응축기(콜드 트랩), 그리고 냉각 장치 등으로 구성된다. 기본적인 원리는 회전증발농축기와 같이 압력을 낮추어 용매의 끓는점을 낮추는 것이지만, 고속 회전을 통해 발생하는 원심력을 이용하여 용매가 갑자기 끓어 넘치는 돌비 현상을 효과적으로 방지하는 것이 핵심적인 차이점이다. 이러한 특성 덕분에 다이메틸 설폭사이드(DMSO)나 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)과 같이 일반적인 방법으로는 제거하기 어려운 고비점 용매도 시료의 손상 없이 제거할 수 있다. 현대의 장비들은 대부분 회전 속도, 온도, 압력 등을 정밀하게 제어하는 기능을 갖추고 있다.

3. 1. 디자인

원심증발농축기는 시료가 회전하는 회전실, 진공을 유지하는 진공장치(진공 펌프), 증발된 용매를 수집하는 응축기(콜드 트랩), 그리고 냉매를 공급하는 냉각기로 구성된다. 현대적인 모델 대부분은 회전 속도나 냉각기 온도 등을 디지털 방식으로 제어할 수 있다.

기본적인 작동 원리는 회전증발농축기와 유사하지만, 가장 큰 차이점은 시료를 고속으로 회전시켜 발생하는 원심력을 이용해 돌비 현상(bumping)을 방지한다는 점이다. 시료 용기를 회전시킬 때 생기는 원심력은 용매 증발 과정에서 발생하는 거품이 아래 방향으로 터지도록 유도하여 시료가 갑자기 끓어 넘치는 것을 막는다. 최신 장비는 진공을 서서히 걸면서 최대 500 G에 달하는 원심력을 가할 수 있는데, 이러한 방식이 돌비 현상 방지에 효과적이라는 사실은 1990년대 말 영국의 Genevac사에 의해 입증되었다.

효율적인 작동을 위해 일반적으로 진공 펌프는 시료가 놓이는 원심 분리 챔버에 연결되며, 증발된 용매를 효과적으로 회수하기 위해 진공 펌프와 챔버 사이에 콜드 트랩 형태의 응축기가 설치된다. 일부 고효율 시스템에서는 펌프 배기구에도 콜드 트랩을 추가로 설치하기도 한다.

충분히 강력한 진공 펌프를 사용하고 회전실을 적절히 가열하면, 일반적인 회전증발농축기로는 제거하기 어려운 DMSO나 NMP와 같이 끓는점이 높은 용매도 효과적으로 제거할 수 있다. 이 외에도 증발 과정을 가속화하고 민감한 시료를 보호하기 위한 다양한 기술들이 개발되어 적용되고 있다.

3. 2. 작동 원리

원심증발농축기는 시스템 내부의 압력을 낮추는 방식으로 작동한다. 압력이 감소하면 시스템 내 용매의 끓는점도 함께 낮아진다. 압력이 충분히 낮아져 용매의 끓는점이 시료가 담긴 용기의 온도보다 낮아지면, 용매는 끓기 시작하여 증발한다. 이 원리를 통해 시료 자체를 손상될 수 있는 높은 온도까지 가열하지 않고도 용매를 빠르게 제거할 수 있다. 고성능 시스템의 경우, 다이메틸 설폭사이드(DMSO)나 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)과 같이 끓는점이 매우 높은 용매를 제거하는 과정에서도 시료의 온도를 항상 40°C 이하로 유지할 수 있다.

기본적인 원리는 회전증발농축기와 유사하지만, 원심증발농축기는 시료를 고속으로 회전시키면서 발생하는 원심력을 이용하여 돌비 현상(bumping, 튀는 현상)을 방지하는 것이 핵심적인 차이점이다. 시료 용기를 회전시킬 때 발생하는 원심력은 용매 내부에 압력 구배를 형성하여 용매가 위에서부터 아래 방향으로 끓도록 유도한다. 또한, 증발 과정에서 생기는 거품이 아래쪽으로 터지도록 만들어 시료가 갑자기 끓어 넘치는 돌비 현상을 효과적으로 막는다.

가장 발전된 시스템은 진공을 서서히 적용하면서 최대 500 x 중력(500 G)에 해당하는 원심력을 가할 수 있다. 이러한 방식이 돌비 현상을 효과적으로 방지한다는 사실은 1990년대 후반 제네박(Genevac)사에 의해 입증되었고 특허로 등록되었다.[2] 강력한 진공 펌프를 사용하고 회전실을 적절히 가열하면, 일반적인 회전증발농축기로는 제거하기 어려운 DMSO나 NMP 같은 고비점 용매도 효과적으로 제거할 수 있다.

4. 주요 제조사

1960년대 미국의 Savant사에서 처음 개발되었으며, SpeedVac이라는 브랜드로 시장을 주도하고 있다. 그 외에도 독일의 Martin Christ, 미국의 Labconco Corp., 일본의 EYELA, 영국의 Genevac 등이 주요 제조사로 꼽힌다.

참조

[1] 특허 Centrifugal Evaporators https://worldwide.es[...]
[2] 웹사이트 Dri-Pure Sample Integrity Protection System http://www.pld.fi/su[...] Genevac Technology 2007-11-07


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