초음파 고-액 분리기를 이용한 현탁용액 내에 존재하는 미세입자 분리

구영한,  조규헌*

강원대학교 화학공학과

전화) 033) 250-6335   FAX 033) 251-3658

Separation of Fine Particles in Suspension, Using Ultrasonic Solid-liquid Separator

Young-Han Koo,  Gyu-Heon Cho*

Department Chemical Engineering, Kangwon National University

서론

고액분리는 생물화학공정에 있어 용액의 정제 또는 용액내에 입자로서 존재하는 물질을 얻기 위하여 많이 쓰이고 있다.  용액중의 입자들을 분리하는 전통적인 방법으로는 중력을 이용하는 자연 침강법, 원심력을 이용한 원심분리법, 응집제를 이용하는 응집법, 필터를 이용하는 여과법 등이 있다.  그러나, 이 장치들을 효율적으로 사용하기 위해서는 용액 속에 현탁되어 있는 입자들의 종류 및 물리적인 성질에 따라 쓰일 수 있는 장치의 종류 및 조작방법이 달라져야만 한다.  따라서, 용액 속에 현탁되어 있는 입자들을 분리할 수 있는 새로운 방법들이 대두되는 가운데,  초음파를 이용한 현탁용액내의 입자들을 분리하고자 하는 방법들이 연구되었다[1,2].  Beeker등[2]은 초음파 분리기를 이용하여 냉각수내의 입자를 제거하는 시도를 하였다. 또한 초음파분리기는 세포배양공학에서 많은 연구가 진행되고 있으며 특히 세포의 고농도배양을 이루기 위한 연구가 많이 진행되고 있다[3].

본 연구는 자체 제작한 초음파분리기를 이용하여 미세입자를 포함하는 현탁용액에 대하여 초음파분리기의 운전조건(유속, 입자의 농도, 전압)에 따른 분리효율의 변화를 알아보았다.

이론

초음파장에 노출된 입자가 받는 힘은 세가지로 나눌수 있다. Primary radiation force[FP]는 입자를 정재파의 velocity anti-node 또는 node지점으로 이동시킨다[4]. Anti-node 또는 node 지점으로 이동한 입자들은 secondary radiation force[FS]에 의하여 입자들이 응집한다[4].  Bernoulli force는 응집된 입자들이 초음파에 수직한 방향으로 column을 형성하게 한다[4].

초음파 분리기는 figure 1에 나타냈으며 chamber 안에서 입자가 받는 힘은 초음파 외에도 pump에 의하여 위로 끌어 올려지는 힘[Fpump], 유체에 의한 항력[FD], 입자를 아래로 침강시키는 중력[FG]과 부력[Fb]이 작용한다.  응집된 입자가 아래로 침강하기 위해서는 (1)식과 같이 중력의 힘이 나머지 다른 힘에 비하여 커야 한다

[eqn: rm F_P +F_S +F_B + F_pump +F_b ~<~F_G + F_D]                (1)

재료 및 방법

1) 실험장치 및 시약

초음파분리기는 자체 제작하였으며 2∼3 □이 주파수를 나타내는 초음파발생기와 ceramic 진동자(Tokin, 5cm) 및 반사판, 펌프로 구성되어 있으며 figure 1에 개략도를 나타내었다.  실험에 사용한 시약은 Kaolin(Aldrich, 0.1∼4□)를 사용하였다.

2) 입자의 농도 및 분리효율 측정

시료의 채취는 40□을 받았으며  입자의 농도는  membrane filter (Gelmann Science Co. pore diameter : 0.2 □)를 건조기에 100℃로 30분간 건조하여 무게를 측정한다.  그리고, 시료를 여과한 다음 건조기에 1시간 동안 건조하여 무게를 잰 값과 미리 측정한 여과지 무게를 뺀 값으로 입자의 농도를 알 수 있다.  분리효율은 (2)식에 의하여 구할 수가 있다.

[eqn: rm SE ~=~ left( 1- C_out over C_{i n} right)×100]  (%)                      (2)

결과 및 토의

실험은 초음파분리기의 운전조건(유속, 농도, 전압)에 대하여 시행하였으며 figure 2에서 시간에 따른 분리효율의 변화를 나타내었듯이 초음파를 가하였을 때 96∼98%의 분리효율을 나타냈으며 초음파를 가하지 않았을 때와 비교하면 분리효율이 1.3배 증가하였다.  유속이 분리효율에 미치는 영향(figure 3)을 보면 유속이 증가함에 따라  분리효율이 감소하였으며 초음파를 가하지 않았을 경우와 비교하면 1.5배 증가한 것을 알 수 있다.  농도가 분리효율에 미치는 영향을 보면 figure 4에서 나타냈듯이 1∼5g/L의 농도범위에서는 분리효율이 92∼94%로 나타나며, 따라서 농도는 분리효율에 영향을 미치지 않았다.  전압에 따른 분리효율의 변화는 figure 5에 나타내었다. 0∼30V의 범위에서 10V간격으로 전압을 증가하여 측정하였으며 전압이 증가할수록 분리효율도 증가함을 알 수가 있다.

Figure . Schematic representation of ultrasonic

separator.

Figure 2. Time dependent curves of separation

efficiency.

Concentration of Kaolin : 5g/□, voltage : 30V

Figure 3. Influence of flow rates on separation

efficiency.

Concentration of Kaolin : 5g/□, voltage : 30V

Figure 4. Influence of Kaolin concentration on

separation efficiency.

Flow rate : 2.0□/min

Figure 5. Influence of voltages on separation

efficiency.

Concentration of Kaolin : 5g/□,

flow rate : 2.0cm/min

Reference

1. Felix Templer, Stefan A. Sonderhoff, Phylis W. S. Pui, Douglas G. KIlburn, and James M.Piret, Biotechnology, 12, p281∼284 (1994)

2. M. C. Beeker, Wat .Res., 11, p2543∼2549 (1997)

3. J. Zheng, A. Collins, M. Chen, I. Knyazev, R. Gentz, Biotechnology and Bioengineering, 59, p351∼359 (1998)

4. Martin Groschl, Acoustica, 84, p432∼447, (1998)