접선유동 여과 (Tangential Flow Filtration)
쉽게 풀면
일반적인 여과는 필터에 액체를 수직으로 통과시키기 때문에 시간이 지나면 필터가 막히기 쉽습니다. 접선유동 여과는 액체를 필터 표면과 나란한 방향으로 계속 흘려보내면서 일부만 필터를 통과시키는 방식으로, 필터 표면에 찌꺼기가 쌓이는 것을 줄여줍니다. 강물이 둑을 따라 흐르면서 일부만 스며 나가는 모습에 비유할 수 있습니다.
왜 중요한가
대량의 세포배양액이나 정제 중간산물을 효율적으로 농축하고 세정해야 하는 바이오공정에서, 막힘 없이 연속적으로 처리할 수 있는 접선유동 여과는 산업적 규모 확장에 필수적인 기술로 다뤄집니다.
어떤 절차인가
- 시료(공급액)를 펌프로 막 표면과 평행하게 순환시킵니다. 공급액의 일부는 막을 통과해 투과액(permeate)이 되고, 막을 통과하지 못한 부분은 보유액(retentate)으로 남아 순환합니다.
- 막 양쪽의 압력차(막간차압, TMP)가 투과의 추진력입니다. 흔히 TMP = (공급 압력 + 보유액 출구 압력)/2 − 투과 압력으로 계산합니다.
- 표면을 따라 흐르는 전단이 막에 쌓이는 물질을 계속 쓸어내 농도분극과 케이크 층을 줄입니다. 수직으로 거르는 데드엔드 여과보다 막힘이 느립니다.
- 용도에 따라 두 방식으로 운전합니다. 농축은 투과액을 계속 빼서 보유액 부피를 줄이는 것이고, 정용여과(diafiltration)는 투과로 빠진 만큼 새 완충액을 넣어 부피를 일정하게 두고 작은 용질을 씻어내거나 완충액을 바꾸는 것입니다(Zeman & Zydney, 1996).
막은 기공 크기에 따라 미세여과(대략 0.1~10 μm, 세포·큰 입자)와 한외여과(분자량 컷오프 기준, 단백질·바이러스 등)로 나뉘며, 한외여과막은 보통 목표 단백질 분자량보다 충분히 작은 컷오프를 고릅니다(경험칙으로 3~6배 낮게 잡는 설명이 흔하며 규칙이 아니라 출발점입니다).
언제 쓰고 무엇을 얻나
| 목적 | 쓰는 방식 |
|---|---|
| 단백질 용액 농축 | 한외여과 막으로 투과액을 빼며 보유액 부피 감소 |
| 완충액 교환·염 제거 | 정용여과(새 완충액을 같은 속도로 보충) |
| 세포 수확·청징 | 미세여과 막 사용 |
| 바이러스/나노입자 정제 중간 단계 | 막 종류와 공정 조건에 따라 보유 또는 통과시킴 |
가상의 예(계산) 공급 압력 3.0 bar, 보유액 출구 1.0 bar, 투과 쪽 0 bar라면 TMP = (3.0 + 1.0)/2 − 0 = 2.0 bar입니다. 100 L를 10 L로 농축하면 부피 농축 배수(VCF)는 100/10 = 10입니다. 완전히 통과하는 작은 용질(체거름계수 S = 1)을 정용여과로 제거할 때 남는 비율은 e^(−N)이며(N은 교환한 부피 수, diavolume), N = 3이면 약 5.0%, N = 5이면 약 0.7%가 남습니다. 막이 이 용질을 약간 붙잡는 경우(S = 0.9)에는 N = 3에서 약 6.7%가 남아 더 느리게 줄어듭니다. 관찰 배제율은 R = 1 − C투과/C공급이며, 투과액 농도가 공급액의 2%라면 R = 0.98입니다.
투과 속도(flux)는 TMP를 올리면 처음엔 비례해 늘지만, 어느 압력 이상에서는 농도분극 때문에 더 늘지 않는 구간에 이르는 것으로 알려져 있어(van Reis & Zydney, 2007) 운전점은 이 곡선을 보고 정합니다.
논문에는 이렇게 적는다
- 막의 재질, 기공 크기 또는 분자량 컷오프, 막 면적, 유로 형태(카세트·중공사)를 적습니다.
- 운전 조건을 공급 유속(또는 전단율), TMP, 온도, 목표 VCF, 정용여과 부피 수로 정리하고, 투과 속도와 시간에 따른 변화(막 오염 여부)를 곡선으로 제시합니다.
- 성능 지표로 회수율(수율), 용질 제거율, 단백질 응집·손상 여부, 막 세정 후 투과도 회복률을 보고합니다.
- 막 오염(fouling)은 완전히 없어지지 않으므로 세정 방법과 재사용 횟수를 함께 적습니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
실제 논문에서
이 용어를 직접 쓴 국내 논문 문장을 아직 수집하지 못했습니다. 수집되는 대로 출처와 함께 싣겠습니다.
예시 문장
아래는 용어의 쓰임을 보여 주려고 만든 예시로, 실제 논문에서 가져온 문장이 아닙니다.
최종 크로마토그래피 단계에 앞서 단백질 용액을 농축하기 위해 접선유동 여과를 사용했다는 내용입니다.
목표 분자량 컷오프에 따라 접선유동 여과에 사용할 막의 기공 크기를 선택했다는 설명입니다.
조금 더 깊게 보면
접선유동 여과는 막의 분자량 컷오프에 따라 미세여과(microfiltration)와 한외여과(ultrafiltration)로 나뉘며, 사용하는 막 재질과 기공 크기에 따라 세포, 바이러스, 단백질 등을 선택적으로 걸러낼 수 있습니다.
공정 중 막을 가로지르는 압력 차(transmembrane pressure)와 유속을 조절하여 여과 속도와 막 오염 정도의 균형을 맞추는 것이 중요합니다.
막을 가로지르는 압력차와 막 표면을 따라 흐르는 유속의 비율을 조절하면 여과 속도와 막 오염 정도의 균형을 맞출 수 있어, 이 두 변수의 조합이 공정 최적화의 핵심 변수로 다뤄집니다.
주의할 점
접선유동 여과 역시 시간이 지나면 막 표면에 물질이 쌓이는 파울링(fouling) 현상이 발생할 수 있어 완전히 막힘에서 자유로운 것은 아니라는 점에 유의해야 합니다.
헷갈리기 쉬운 용어
여과 방식과 막 공정의 이름이 겹쳐 쓰입니다.
| 용어 | 무엇을 가리키나 | 구분 기준 |
|---|---|---|
| 교차흐름 여과 | 액체를 막 표면과 평행하게 흘리는 여과 방식 전반 | 접선유동 여과와 같은 방식을 가리키는 다른 이름으로 쓰임 |
| 한외여과·정용여과 | 한외여과 막으로 농축(UF)하고 완충액을 바꾸는(DF) 조작 | 접선유동은 흐름 방식, 한외여과는 막의 분리 범위 |
| 막 오염 | 막에 물질이 쌓여 투과도가 떨어지는 현상 | 접선유동은 이를 줄이는 방식이지 완전히 막지는 못함 |
참고 문헌
- Zeman, L. J., & Zydney, A. L. (1996). Microfiltration and Ultrafiltration: Principles and Applications. Marcel Dekker.
- van Reis, R., & Zydney, A. (2007). Bioprocess membrane technology. Journal of Membrane Science, 297(1–2), 16–50.
- Baker, R. W. (2012). Membrane Technology and Applications (3rd ed.). Wiley.
표의 기준값은 위 문헌에 근거한 관례이며, 분야·학술지마다 다른 기준을 쓸 수 있습니다.