응집은 액체 또는 용액 내 작은 입자의 집합을 촉진하여 플록으로 알려진 더 큰 클러스터를 형성하는 데 사용되는 기본 공정입니다.
이 공정은 일반적으로 입자 군집을 촉진하고 입자의 충돌 및 부착을 돕는 역할을 하는 응집제로 알려진 특수 화학물질을 첨가하여 달성됩니다. 응집은 많은 산업 및 자연 시스템에서 중요하며 액체에서 고체를 분리하고 물과 기타 액체를 정화할 수 있게 해줍니다.
응집이란 무엇입니까?
응집과 응고의 차이점은 무엇입니까?
응집과 응고는 불순물과 이물질을 제거하기 위해 종종 함께 사용되는 두 가지 공정입니다.
응고는 응집제로 알려진 화학물질을 물, 버퍼 또는 용매에 첨가하여 입자를 불안정하게 만들고 서로 군집하게 하는 과정을 수반합니다. 이 공정에는 일반적으로 "플록"이라고 하는 입자의 생성이 포함되지만 보다 정확하게는 응집물로 특성화됩니다. 응집물은 침전 또는 여과를 통해 용해성 성분(대개 물)으로부터 보다 쉽게 분리됩니다.
응집은 응고 중에 생성된 작은 응집물을 취하여 "플록(Floc)"이라고 하는 더 큰 응집물로 결합하는 것입니다. 이 공정은 일반적으로 입자의 응집을 촉진하는 특수 화학물질인 응집제를 추가하여 달성됩니다.
본질적으로 응고는 입자 응집(aggregation)의 초기 단계인 반면, 응집(flocculation)은 더 크고 보다 쉽게 제거 가능한 응집된 플록을 생성하는 후속 단계입니다. 두 공정 모두 물 또는 기타 용해성 공급원에서 불순물 및 이물질을 제거하는 데 매우 중요합니다.
1단계: 응고
응고제는 액체에 현탁된 미세 입자의 응집 또는 군집을 촉진하는 데 사용되는 제제입니다. 응고는 분산된 입자의 전하를 중화하기 위해 응집제를 첨가하는 화학 공정입니다. 작은 서브미크론 규모의 생물학적 및 화학 분자는 종종 응집 및 침전을 방해하는 음의 표면 전하를 가지고 있습니다(1a).
화학 응고제는 입자에 흡착되고 음전하를 중화시킬 수 있습니다. 중화 또는 때때로 산성 pH로의 적정을 통해 입자가 서로 달라붙어 마이크로 플록으로 알려진 안정적이고 잘 부유하는 서브미크론 규모의 응고제 입자가 형성됩니다(1b).
화학 응집제를 적절한 분산하여 입자 충돌 및 군집 형성을 촉진하려면 신속한 혼합이 필요합니다(1c). 결합된 입자는 여전히 매우 작아 육안으로는 볼 수 없습니다.
2단계: 응집
응집은 정지한 서브미크론 규모의 응집제 군집의 크기를 증가시켜 분리하기 쉽게 만듭니다. 이를 위해서는 일반적으로 고분자 폴리머 또는 기타 이온 응집제를 부드럽게 혼합하고 사용해야 합니다. 응집제는 응고제 입자를 흡수하여 표면 속성을 변화시키고 플록 형성을 촉진하기 위해 간격을 메웁니다(2a). 입자를 가까이 가져가면 반 데르 발스 인력의 유효 범위가 증가하여 응집에 필요한 에너지 장벽이 줄어듭니다. 이를 통해 느슨하게 채워진 플록 그룹을 형성할 수 있습니다.
부유하는 매크로 플록(macro floc)이 형성될 때까지 플록의 응집, 결합 및 강화가 일어납니다(2b). 적절한 입자 중량, 크기 및 상호작용 강도가 주어지면 침전이 발생합니다. 큰 매크로 플록(macroflocs)은 혼합에 매우 민감하며, 한 번 강한 전단력에 의해 절단되면 다시 형성되기가 어렵거나 불가능합니다.
응집은 눈송이와 해저 퇴적물이 형성되는 과정에서 자연적으로 발생하지만 생명공학, 석유, 펄프 및 제지, 폐수 및 광산업에서도 의도적으로 적용됩니다.
응집이 왜 중요합니까?
산업 분야에서의 Application
바이오 제약
생존력이 높은 전체포유류 세포는 크기와 분포로 인해 종종 여과하기 쉽습니다. 특히 박테리아 및 이스트 시스템의 미생물 세포는 모노머 세포 단위보다 훨씬 작습니다. 생존력이 낮고 평균 입자 크기가 작은 미생물 세포 또는 포유류 세포의 과도한 바이오매스(biomass)는 필터를 막아 여과 속도를 늦추는 작은 세포 조각을 많이 생성할 수 있습니다. 응집은 전체 입자 수를 줄이면서 입도 분포를 증가시켜 여과를 개선하고 상청액에서 세포 물질을 효율적이고 비용 효율적으로 분리하는 데 사용됩니다. 세포 배양이 발효 매트릭스의 다른 세포 구조 또는 미세 환경 내에서 발현되는 여러 산물 및/또는 부산물을 생산하는 경우에도 응집이 적용될 수 있습니다. 예를 들어 막 결합, 막간 공간 또는 상청액 발현뿐만 아니라 폴리머에 흡착되거나 심지어 유제와 같은 다중 위상 캡처에서 흡수되는 생성물이 있습니다.
수처리 및 폐수 처리
폐수에는 상당량의 부유 미립자 물질이 함유되어 있을 수 있으며, 이 경우에는 종종 침전에 오랜 시간이 걸립니다. 응집수 처리는 침전을 촉진시키고 효율적인 고체, 액체 분리를 보장합니다. 대량의 폐수를 신속하게 처리할 수 있으므로 폐수를 보관하는 데 필요한 시간과 공간을 줄여 환경에 미치는 영향을 최소화합니다.
펄프 및 제지산업
셀룰로오스 섬유는 펄프 및 종이의 주성분 중 하나이지만 수용 가능한 종이 제품에 필요한 시트 속성을 얻기 위해서는 접착제, 포화제 및 충진제가 필요합니다. 응집은 탈수 공정 중에 섬유, 충전제 및 기타 첨가제를 결합하여 고체 물질을 빠르게 분리하고 대량으로 생산할 수 있도록 하는 방식으로 자주 적용됩니다.
귀금속 채광
생성물 스트림에는 종종 순수한 생성물을 얻기 위해 분리해야 하는 다양한 종류의 금속이 포함되어 있습니다. 개별 금속의 선택적 침전(precipitation)은 잔류 액체로부터의 신속한 분리를 보장하기 위해 대개 응집 및 침전(sedimentation)을 수반합니다.
효율적인 응집 공정을 위한 핵심 고려사항
공정 파라미터 및 다운스트림 성능
응집은 효율적인 운영을 위해 개발 및 최적화를 필요로 하는 중요한 단위 작업입니다. 주요 고려 사항 및 공정 파라미터는 다음과 같습니다.
- 응집제 또는 응고제 유형 및 농도
- 혼합 강도, 전단 응력 및 혼합 시간
- 분주 속도, 위치 및 온도
- 고체 농도
- 입자 크기 및 개수
- 다운스트림 성능 분석:
- 응집의 완전성(kinetics)
- 고체 제거를 위한 처리 시간 및 노력
- 액상 순도(잔류 응집제 측정 포함)
- 여과 용량 및 효율성
- 이물질 또는 부산물의 필터 막 통과
응집 중인 액체
응집제, 버퍼 및 계면활성제
응집제 첨가
응집은 주로 응고 및 입자 응집을 시작하기 위해 첨가되는 화학 작용제의 유형 및 투여량에 의해 결정됩니다. 이차 동인에는 보다 전통적인 물리적 파라미터(예: 혼합, 온도 등)가 포함됩니다. 액체 응집제 안정성, 혼합 동역학(kinetics), 균질성 및 최종 농도의 특성화는 보다 분명한 입자 엔지니어링 목표(예: 입도 분포 및 개수)에서만큼이나 공정 특성화 중에도 중요합니다. 첨가된 응집제 또는 부형제는 응집 결과뿐만 아니라 공정 동역학(kinetics) 및 규제 영향에 대해서도 특성화되어야 합니다.
현장(In-situ) ATR-FTIR 및 라만 분광법은 여러 응집제 또는 첨가제를 동시에 추적하고 실시간으로 정량화할 수 있는 강력한 다중 속성 분석법입니다. 이러한 분광광도계 데이터를 입자 분포 및 동역학(kinetics)에 대한 정보와 결합하면 이상적이고 종종 최소한으로 필요한 응집제량을 결정하여, 다운스트림 제거에 대한 부담을 최소화하는 데 도움이 될 수 있습니다. 버퍼 및 계면활성제 또한 정확하게 특성화하고 실시간으로 제어할 수 있습니다.
응집제 제거
공정에 응집을 포함시키기로 한 결정은 첨가된 응집제, 계면활성제 또는 공정 중간 생성물을 완전히 제거하기 위한 다운스트림 요건과 상당한 절충안을 수반합니다. 이러한 요건으로 인해 종종 공정 시간이 추가되고 가공 첨가제의 부재를 정량화하거나 검증하는 데 필요한 추가 분석 방법이 필요합니다. 따라서 응집제, 응고제, 계면활성제 또는 기타 성분의 첨가량을 최소화하는 것이 유리합니다.
ATR-FTIR 분광법또는 라만 분광법과 같은 인라인 방법이 크로마토그래피 전후에 통합될 때, 생성물, 응집제 및 첨가제의 정량적 물질 전달(mass-transfer) 측정도 결정할 수 있습니다. 이는 오프라인 분석 방법에 대한 잠재적인 보완책이 될 수 있습니다.
입자 메커니즘의 이해
응집 및 파손
현장(In-situ) 입도 분포 도구를 통해 과학자는 개별 크기 등급의 추세를 추적하고 안정적인 상태에서 교반되는 입자의 거동을 실시간으로 관찰할 수 있습니다. 응집제가 첨가되면 미립자의 수는 크게 감소하고 큰 플록의 수는 급격하게 증가합니다. 결국 교반기의 전단력이 플록을 파괴하기 시작합니다. 큰 입자 개수는 감소하고 작은 입자 개수는 다시 증가합니다.
응집 입자 메커니즘을 이해하면 차선의 공정 성능, 다운스트림 생산 과제 및 규격을 벗어난 제품의 근본 원인을 파악하는 데 도움이 됩니다. 자세한 현장 입자 데이터를 확보하는 것은 효과적인 공정 최적화, 품질 중심 설계(QbD) 및 효율적인 제조의 첫 번째 단계입니다.
혼합 강도 및 전단
플록 파손의 역학(kinetics)
응집에는 부드러운 교반이 필요합니다. 플록 유형마다 다른 강도를 가지고 있으므로 특정한 플록 시스템에 대해 어떤 rpm 범위가 적합한지 이해하는 것이 특히 중요합니다. 현장 입도 분포 도구는 플록이 생성되고 다양한 속도로 교반될 때 작은 입자 크기 등급이 어떻게 변하는지에 대한 통찰력을 제공합니다. 빠른 교반은 플록을 분해하며, 미립자의 수가 응집 전과 거의 동일한 수준으로 증가할 수 있습니다. 천천히 교반하면 대부분의 플록이 손상되지 않습니다. 현장 입도 분석기 이미지는 이러한 결과를 뒷받침하며 낮은 rpm에서 더 큰 플록을 보여줍니다.
혼합 강도와 전단 최적화는 플록 파손을 방지하는 성공적인 전략입니다. 플록 파손은 응집의 취지에 어긋나고 여과 시간을 증가시키므로 피해야 합니다. 여과 속도 및 케이크 탈수는 최적의 응집 지점에서 가장 빠릅니다. 이 지점에서 벗어나면 생성물, 생성물 품질 및 제조 비용에 영향을 미칩니다.
혼합 구역 체류 시간(MZRT)
이상적인 구간(Window)
다양한 산업 분야에서, 응집 공정은 동적 또는 정적 혼합기를 사용하여 배치 또는 연속 모드로 실행됩니다. 두 가지 모드의 핵심적인 공정 파라미터 중 하나는 혼합 구역 체류 시간(MZRT)입니다. 이 경우 최적의 응집 시점은 응집제 주입 후 1:38분입니다.
이 도구는 현장 입도 분석기를 사용하여 플록이 완전히 발달하고 플록 파손이 곧 주요 공정이 될 것임을 보여줍니다. 또한 개별 크기 등급의 트렌드는 최적의 응집점을 시각화하고 작은 입자의 수가 허용 가능한 최소치에 도달하는 MZRT-구간을 정의합니다.
MZRT-구간 바깥에서의 작용은 플록이 아직 완전히 형성되지 않았거나 플록 파손이 이미 플록 크기 및 최적의 공정 성능을 저하시키고 있다는 것을 의미합니다. 두 경우 모두 작은 자유 입자가 많으므로 최적이 아니며 오직 MZRT-구간만이 원하는 제품 및 공정 성능을 보장합니다. MZRT-구간은 각 입자, 응집제 시스템마다 다르며 현탁액 조성, 혼합 강도 및 응집제 유형에 따라 조정이 필요합니다.
최상의 응집제 선택 방법은 무엇입니까?
응집 스크리닝
화학 회사들은 응집 성능을 향상시키는 새롭고 혁신적인 응집제를 끊임없이 개발하고 있습니다. 그러나 모든 응집제가 모든 입자 시스템에 적합한 것은 아닙니다. 특정 시스템 내에서 성능을 테스트하고 확인하여 최고의 응집제가 사용되도록 보장합니다. 입도 분석기로 다음을 확인할 수 있습니다.
- 응집제 A는 약한 응집 성능을 나타내며, 시스템 내의 소형 입자의 양을 거의 감소시킬 수 없습니다.
- 응집제 B는 상당한 양의 소형 입자들을 포착합니다. 그러나, 응집 반응 속도가 느리고 플록 파손율은 최적의 응집점보다 높습니다.
- 응집제 C는 빠른 응집 반응 속도, 거의 모든 미립자의 포착 및 최적의 응집점 이상의 인상적인 플록 안정성을 가지고 전체적으로 우수한 성능을 나타냅니다.
현장 입도 분석기는 다양한 응집제의 응집 성능을 실시간으로 모니터링할 수 있습니다. 이를 통해 과학자와 엔지니어는 응집제 선택 및 응집 공정 최적화 동안 사실에 근거한 결정을 내릴 수 있습니다.
응집 공정 최적화를 위한 기기
- PVM® 입도 분석기 — 플록의 형성, 성장 및 안정성 연구
- FBRM® 입도 분석기 — 다양한 응집제 및 공정 조건이 플록의 크기, 모양 및 구조에 미치는 영향 연구
- 자동 화학 합성 반응기 — 온도, pH, 혼합 강도 및 응집제 첨가율과 같은 다양한 공정 파라미터를 정밀하게 제어
- 공정 개발 소프트웨어, 모델링 및 시뮬레이션 — 다양한 공정 조건에서 플록의 크기, 모양 및 침전 속도 예측
반응기 및 PAT 제어
iC Suite™
통합 접근 방식은 분광법, 입자 시스템 특성화, 정밀한 반응기 제어 및 열량 측정을 위한 실험실에서 공장 Application까지의 과정을 지원합니다. 더 보기
주요 Application: 지속적인 응집 – 항체 채집
공정 피드백 및 직교 분석
완전히 지속적이며 통합된 제품 트레인이 실현되기 전에 지속적인 세포 제거를 위한 효율적이고 유연하며 비용 효율적인 방법을 개발해야 합니다. 저자는 심층 여과를 통해 결합된 응집에 의한 세포 분리를 위해 통합되고 지속적인 일회용 설정의 개발 및 검사에 대해 설명합니다.
ParticleTrack 측정은 인라인으로 수행되었으며 0.0375% pDADMAC을 추가한 후에 관형 반응기(정적 혼합)의 출구에 배치되었습니다. ParticleTrack(FBRM)은 플록 크기를 모니터링하고 시간에 따른 압력과 중첩될 때 압력의 발생에 따른 포화도 및 트렌드를 필터링하기 위한 접근법을 나타냅니다. 평가된 다양한 방법 및 응집제 유형은 총 제약품 물질의 수율, 순도, 그리고 고분자량 지수(HMWI)에 대한 다양한 결과를 나타냅니다. 이러한 결과는 또한 선택한 플록 유형에 따른 다양한 입도 분포와 상관 관계를 보여 주었습니다.
이 데이터는 플록 시약 농도, 혼합력 또는 순수도, 혼합 공명 시간, 온도, 그리고 시작 조건, 전체 세포 액체 배지의 구성과 같은 기타 응집 파라미터와 상관 관계를 보여 주는 이전의 출판물을 기반으로 합니다. 응집을 사용하여, ParticleTrack(FBRM)이 연속 항체 수확을 가능하게 하는 데 매우 적합했던 기존 여과 트레인에 비해 필요한 심층 여과 면적을 4배 줄이는 데 성공했습니다.
Burgstaller, D., Krepper, W., Haas, J., Maszelin, M., Mohoric, J., Pajnic, K., Jungbauer, A., & Satzer, P. (2018b). Continuous cell flocculation for recombinant antibody harvesting. Journal of Chemical Technology & Biotechnology, 93(7), 1881–1890. https://doi.org/10.1002/jctb.5500
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FAQ
응집 관련 자주 묻는 질문
응집의 정의는 무엇입니까?
응집은 액체의 작은 입자가 함께 모여 플록이라고 불리는 더 크고 군집된 덩어리를 형성하는 과정입니다. 이는 자연적으로 또는 응집제라고 불리는 특정 화학물질의 첨가를 통해 발생할 수 있습니다. 자연 응집에서 액체의 작은 입자는 중력, 브라운 운동 또는 정전기력과 같은 다양한 요인으로 인해 함께 모일 수 있습니다. 이러한 입자들이 서로 충돌하고 달라붙으면서 더 큰 덩어리를 형성하기 시작하면 결국 액체에서 침전될 수 있습니다.
응집은 플록 형성을 촉진하는 물질인 응집제를 첨가하여 유도할 수도 있습니다. 이러한 화학물질은 입자 표면의 전하를 중화시켜 서로 끌어당겨 더 큰 덩어리를 형성하게 합니다. 응집제는 폐수 처리, 광업을 비롯해 액체에서 고체를 분리해야 하는 기타 산업에서 일반적으로 사용됩니다. 플록이 형성되면 침전, 여과 또는 원심분리 등 다양한 방법을 통해 액체에서 플록을 분리할 수 있습니다. 생성된 액체는 종종 응집 전보다 훨씬 더 투명하고 취급하기 쉽습니다.
수처리에서 응집이란 무엇입니까?
응고-응집 공정은 일반적으로 폐수 처리에서 탁도와 박테리아를 제거하는 데 사용됩니다. 응집은 부유 입자가 서로 결합하여 "플록"으로 알려진 큰 덩어리 입자를 형성하도록 유도합니다. 이러한 플록은 쉽게 표면으로 떠오르거나 바닥에 침전되어 분리 속도를 높일 수 있는 효율적이고 비용 효과적인 수단을 제공합니다.
응고와 응집의 차이점은 무엇입니까?
응고와 응집은 부유 입자를 안정적으로 유지하는 힘을 극복하기 위해 차례로 사용하는 별개의 두 가지 공정입니다. 입자의 전하는 응고에 의해 중화되지만 응집에 의해 서로 결합하고 성장할 수 있으므로 액체에서 입자를 쉽게 제거할 수 있습니다. 응집 대 응고에 대해 자세히 알아보십시오.
응집 현탁액이란 무엇입니까?
응집 현탁액은 입자가 함께 모여 플록이라고 불리는 더 큰 클러스터 또는 집합체를 형성하는 액체 내 고체 입자의 혼합물 또는 분산을 말합니다. 이러한 플록은 액체 전체에 균일하게 분포되어 있지 않고 반 데르 발스나 입자 사이의 브릿징(bridging)과 같은 약한 물리적 힘에 의해 함께 유지됩니다. 현탁액에서 플록이 형성되면 고체 입자가 침전되거나 분리되어 액체상에서 쉽게 제거하거나 여과할 수 있습니다. 응집은 폐수 처리, 광업 및 화학 처리를 포함한 다양한 산업에서 일반적으로 액체에서 부유 물질의 분리 및 정화를 용이하게 하기 위해 사용됩니다.