초음파를 이용한 현탁물질의 분리

황성호, 구윤모

인하대학교 공과대학 생물공학과

Separation of Suspended Particles Using Ultrasonic Wave

Sung-Ho Hwang, Yoon-Mo Koo

Department of Biological Engineering, Inha University

서론

본 연구는 미생물을 포함한 현탁 입자들의 회수나 filtration, perfusion system 에서의 retention 등을 수행하는데 있어서 고체의 막을 사용하지 않고, 전기적인 힘인 초음파를 이용하여 분리가 가능하도록 하는 장치의 적용에 대한 내용이다.이 장치는 초음파 발진기(generator),  초음파  진동자(transducer), 반사막(reflector),

acoustic chamber 그리고 cooling chamber로 구성되어 있으며, figure 1 에 나타내었다.  이 장치의 분리효율에 가장 큰 영향을 주는 것은 초음파의 진동수(freq-

uency), 진동자와 반사막사이의 거리, 분리기 내부로의 입자 유입속도 그리고 진동자와 반사막간의 평행관계유지이다. 본 연구에서는 1.3 MHz와 3 MHz의 초음파를 사용하여 대장균과 빵효모 그리고, 고분자 입자인 polyaniline의 분리효율에 대해 연구하였다. 이 초음파를 이용한  분리기는  매우  적은  전력을  소모하며  간단한  장치만으로  영구적인 filtration 기능이 수행 가능한 기기이다. 이 초음파 분리기를 사용함으로써 기존의 고체막을 사용할 때 야기되었던 많은 문제점을 극복할 수 있다. 예를 들어, 고체막을 장기간 사용할 때 막의 막힘 현상으로 막을 교체 해야하는 번거로움을 줄일 수 있으며, 막의 오염 또한 방지할 수 있다. 그리고 기존의 세포 회수방법의 하나인 원심분리가 발효기의 in-line system에 적용이 어려운 반면에 이 초음파 분리기는 적용이 가능하며, 미생물을 고정화하는 장치로 이용하여 발효기의 in-line clarification과 perfusion system에 적용이 가능하다.  따라서 세포나 세포외 산물(extracellular product)의 회수에 적용하여 ultr-

afiltration과 microfiltration을 이용하는 공정의 대체가 가능할 것으로 판단된다.

이론

초음파에 의한 분리는 진동자에 의해 발생한 초음파의 정상파(ultrasonic stan-

ding wave)에 의해 이루어지는데 이 초음파의 정상파는 서로 반대방향에서 나오는 두 개의 독립적인 진행파(travelling wave)가 합쳐짐으로써 만들어지며 figure 2 에 나타내었다. 초음파의 정상파는 두 개의 독립적인 초음파 진동자나 초음파 진동자와 반사막으로 구성된 곳에서 형성된다. 초음파의 정상파는 마디(node)와 골(anti-node)부분을 가지게 되는데 이러한 초음파 정상파의 pressure amplitude는 골부분에서 가장 크며 마디에서 최소값을 갖고 하나의 파장에 두 번씩 나타나게 된다. 이때 진행상(propagating phase)에 존재하는 particle, cell, droplet 또는 bubble의 불연속성(discontinuity) 때문에 sound field에는 position-dependent acoustic potential energy가 생긴다. 이러한 현상에 의해 현탁입자들은 acoustic potential energy가 가장 낮은 곳으로 이동하여 모이게 된다. 미생물의 경우에는 일반적으로 파장의 절반의 위치마다 존재하는 pressure node에 모이게 된다. 이렇게 에너지 차이가 발생하게되고 에너지가 낮은 마디 부분으로 미생물 등 현탁입자들이 모이게 되어 응집을 형성하게 되고 이렇게 형성된 응집체(aggregates)가 침전이 되면서 분리가 일어나는 것이다. 그러므로, 초음파의 정상파에 의해 현탁액은 acoustic chamber내에서 윗상은 비교적 맑은 액을 형성하고 아래상은 현탁입자들이 침전되는 이상계(two phase)형식을 띄며 분리가 일어난다.

T: Transducer    R: Reflector

Fig. 1. Schematic diagram of the acoustic        Fig. 2. Entrapment of particles

separator using ultrasonic wave.	in acoustic chamber.

실험

사용균주 및 현탁입자

대장균은  E. coli  TG1/pDG7□를  이용하였으며  LB 배지에서  종균배양(seed cul- ture)과 본배양(main culture)을 9시간씩 하여 얻은 균체를 사용하였다. 이 대장균의 평균 크기는 1.8 □이다. 빵효모는 Sigma 社의 건조상태의 Saccharomyces cerevisiae(bakers yeast) Type 1 을 증류수에 현탁시켜 사용하였다. 이 빵효모의 평균 크기는 4.8 □이다. 고분자 물질인 polyaniline은 본교의 고분자공학과로부터 제공받았으며 고분자 입자의 크기는 1.0∼90 □로 매우 다양한 크기 분포를 가진 것이었다.

초음파 발진기 및 진동자

1.3 MHz와 3 MHz의 초음파 발생에는 일반적 상업용 제품이 아닌 자체 제작한(강원대학교 전기공학과) 초음파 발진기를 사용하였으며 진동자는 36 kHz의 진동수를  갖는  진동자(piezoelectric ceramic transducer, □= 60 mm,  Tokin,  Japan)를 사용하였다.

분리효율의 측정

Peristaltic pump를 이용하여 현탁액을 acoustic chamber로 유입시킨 후 초음파를 발생시켜 분리가 일어나게 하여 윗상의 비교적 맑은액을 일정 속도로 유출시켰다. 분리효율은 유입농도와 유출농도를 비교하여 측정하였으며, 다음과 같이 정의하였다. E = (1 - C0/Ci)×100, 여기서 Ci는 acoustic chamber로 유입되는 particle의 농도이며 C0는 acoustic chamber를 거친 후 나온 particle의 농도이다. 대장균과 빵효모의 농도는 spectrophotometer를 이용하여 각각 600 nm와 520  nm에서 흡광도로 그 농도를 측정하였으며, polyaniline의 농도는 입자의 건조 중량을 이용하여 측정하였다.

결과 및 토론

초음파 진동수의 영향

각각 다른 초음파 진동수에 대해 분리가 가능한 현탁입자를 알아보기 위해 일정 초음파에서 크기가 다른 현탁입자들의 분리효율을 측정하였으며 그 결과를  figure 3 에 도시하였다. 입자의 크기분포가 다양한 polyaniline particle의 경우에는 초음파를 적용하지 않았을 경우에도 70%의 비교적 높은 분리효율을 보였으며 1.3 MHz의 초음파를 적용하였을 때 10% 정도의 분리효율증가를 보였고, 3 MHz의  초음파에서는  99%에  가까운  분리효율을  보였다.  Bakers  yeast(S. cerevi- siae)의 경우에는 1.3  MHz와 3 MHz의 초음파를 적용하였을 때 모두가 초음파를 적용하지 않았을 때보다 4 배 이상의 높은 분리효율을 보였다.

E. coli의 경우에는 초음파를 적용하지 않았을 경우에는 5% 미만의 분리효율을 보였으며 1.3 MHz의 초음파에서도 분리가 잘 일어나지 않았다. 3 MHz의 초음파를 적용하였을 때 60%의 분리효율을 보였다.

초음파의 진동수가 높을수록 초음파 정상파의 파장간 거리가 작아지며 그만큼 현탁입자들이 모일 수 있는 반파장의 거리가 작아지게되어 여과가능한 입자의 크기는 작아진다. 즉 정상파의 pressure amplitude에서 파장의 절반의 위치마다 존재하는 pressure node의 간격이 좁아지게되어 높은 진동수에서는 낮은 진동수보다 크기가 작은 현탁입자들의 포집(entrapment)이 가능하여 입자들이 응집체를 형성 할 수 있어 분리가 가능한 것이다. 이러한 결과는 figure 3  에 나타난 바와 같이 입자 크기 분포가 다양한 polyaniline의 경우에 1.3 MHz에서 3 MHz보다 낮은 분리효율을 보이는데 이는 1.0∼3.0 □ 크기의 입자들이 1.3 MHz의 정상파에서는 포집되지 않고 그대로 유출되었기 때문이다. 입자크기가 4.6∼5.0 □로 균일한 빵효모의 경우에는 1.3 MHz와 3 MHz의 초음파 모두에서 포집이 되어 높은 분리효율을 보였다. 입자크기가 1.8 □인 대장균의 경우에는 polyaniline의 작은 입자와 마찬가지로 1.3 MHz의 초음파에서는 대부분이 포집되지 않고 유출되었으며 3  MHz의 초음파에서는 높은 분리효율을 보이지는 않았으나 세포의 포집으로 인해 세포들이 응집되어 분리가 일어나는 것을 알 수 있다.

진동자와 반사막간 거리의 영향

진동자와 반사막 사이의 거리의 영향을 관찰하기 위해 일정농도의 현탁액을 유입시키고 3 MHz의 초음파를 적용하여 진동자와 반사막사이의 거리의 변화를 주며 분리효율을 측정하였으며 그 결과를 figure 4  에 도시하였다. 빵효모(8g/L)와 대장균(OD600 = 4.60) 모두 진동자와 반사막간 거리가 증가할수록 분리효율은 감소하는 것을 볼 수 있었다. 이것은 초음파의 정상파 형성이 거리가 짧아질수록 잘되며 sound field에 생성되는 position-dependent acoustic potential energy가 크기 때문에 거리가 짧아질수록 높은 분리효율을 보이는 것으로 판단된다.

현탁액 유입속도의 영향

분리효율에 중요한 영향을 주는 인자로 형성된 현탁입자의 응집체를 강제로 유출시키지 않는 유입속도를 측정하기 위하여 실험한 결과를 figure 5  에 도시하였다. 유입속도가 낮을수록 분리효율은 증가하였으며 진동자와 반사막사이의 거리가 짧을수록 높은 분리효율을 보이는 현탁액의 유입속도(flow rate)가 증가하였다. 이 유입속도는 실제로 발효기로부터 세포나 세포외 산물을 회수하는데 있어서도 연속공정의 가능성을 결정하는데 매우 중요한 인자이다.

참고문헌

1. Coakley, W.T.,: Trends in Biotechnology, 15, 506(1997).

2. Groschl, M.,: Acoustica, 84, 432(1998).

3. Jekel, M. and Spengler, J.,: Ultrasonics, 38, 624(2000).