I. 원심분리는 발효액 농축에 흔히 사용되는 방법입니다. 적절한 장비 선택은 세포 회수율, 세포 생존율, 생산 효율에 직접적인 영향을 미칩니다. 관형, 디스크, 수평 스크류 원심분리기는 가장 일반적으로 사용되는 세 가지 유형의 원심분리 장비입니다. 구조와 작동 원리가 다르기 때문에 적용 분야 또한 매우 다양합니다. 본 논문은 발효액 농축에 참고할 수 있도록 실제 경험과 문헌 고찰을 바탕으로 세 가지 유형의 원심분리기의 원리, 구조 및 선택 방법을 공유합니다.
II. 세 가지 유형의 원심분리기는 모두 중력이 아닌 원심력을 이용하여 밀도가 다른 성분(세포와 발효액)을 신속하게 분리하는 핵심 작동 원리를 가지고 있습니다. 그러나 구조 설계의 차이로 인해 분리 효율, 처리 용량 및 적용 시나리오가 다릅니다.
1. 관형 원심분리기는 "고속 및 높은 분리 계수"가 특징입니다. 구조적으로 관형 원심분리기는 회전 드럼, 공급관, 오버플로우관, 구동 시스템 및 케이싱으로 구성됩니다. 회전 드럼은 직경이 작고(일반적으로 50~150mm) 길이가 긴 가느다란 관으로, 액체의 분리 경로를 효과적으로 연장하여 분리 효과를 향상시킵니다. 액체는 하단 공급구를 통해 고속으로 회전하는 관형 드럼으로 공급됩니다. 드럼 회전 속도는 10,000~25,000 r/min에 달하여 매우 강력한 원심력을 발생시킵니다. 이로 인해 밀도가 높은 세균 세포는 드럼의 내벽으로 빠르게 침전되고, 맑은 액체는 내벽을 따라 상승하여 상단 오버플로우 포트를 통해 배출되어 세균 세포와 맑은 액체가 분리됩니다. 관형 원심분리기는 구조가 콤팩트하고 설치 공간이 작으며, 세균 생존율에 미치는 영향을 최소화하는 부드러운 분리 공정을 제공합니다. 고형분 함량이 낮고(≤5%) 점도가 낮은 발효액을 농축하는 데 적합하며, 특히 파일럿 규모 및 소규모 생산에서 활성이 높은 세균 세포를 수집하는 데 적합합니다.
2. 디스크 원심분리기는 대규모 산업 생산에 널리 사용되는 장비입니다. 구조적으로 핵심 구성 요소는 회전 드럼과 디스크 어셈블리입니다. 드럼은 원통형이며, 그 안에 수십 개에서 수백 개의 원뿔형 디스크가 쌓여 좁은 통로를 형성합니다. 또한, 공급 장치, 슬래그 배출 메커니즘 및 이송 시스템을 갖추고 있습니다. 원리는 드럼 내부에 여러 겹으로 쌓인 디스크가 분리 면적을 넓히고 침전 거리를 단축하는 것입니다. 공급액이 드럼에 들어가면 원심력에 의해 박테리아는 디스크 표면을 따라 드럼 바닥으로 침전되고, 맑은 액체는 위쪽으로 배출되어 연속적인 공급 및 배출이 가능합니다. 관형 원심분리기와 비교하여 디스크 원심분리기는 처리 용량이 크고 자동화 수준이 높으며, 적절한 분리 계수(3000~10000 r/min)와 부드러운 전단력을 제공합니다. 박테리아 생존율을 보장하면서 대규모 발효액의 연속 분리 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 고형분 함량이 2~10%인 공급액 처리에 적합하며, 박테리아 분말의 산업 생산에 선호되는 장비입니다.
3. 수평 스크류 원심분리기는 스크류 공급 및 연속 침전 원리를 이용합니다. 공급액은 공급관을 통해 고속으로 회전하는 드럼으로 유입됩니다. 원심력에 의해 박테리아 세포는 드럼의 내벽에 침전됩니다. 드럼과 다른 속도로 회전하는 스크류 피더는 침전된 박테리아 세포를 드럼의 원뿔형 끝부분에 있는 배출구로 밀어내고, 깨끗한 액체는 드럼의 반대쪽 끝에 있는 오버플로우 포트를 통해 배출되어 연속적인 분리 및 배출이 가능합니다. 수평 스크류 원심분리기는 드럼, 스크류 피더, 공급 장치, 차동 기어 및 케이싱으로 구성됩니다. 드럼은 한쪽 끝은 원통형이고 다른 쪽 끝은 원뿔형인 수평 원통형 모양입니다. 스크류 피더는 드럼과 일정한 속도 차이를 두고 회전하며 배출을 담당합니다. 수평 스크류 원심분리기의 장점으로는 높은 처리량과 불순물이 많은 고형분 함량(5~20%)의 공급액을 처리할 수 있다는 점이 있습니다. 그러나 전단력이 비교적 높아 박테리아 세포의 생존율에 영향을 미칠 수 있습니다. 주로 발효액의 조분리 또는 높은 세균 활성도가 요구되지 않는 대규모 생산 환경에서 사용됩니다.
III. 그렇다면 이 세 가지 유형의 원심분리기 중에서 어떻게 선택해야 할까요? 선택은 생산 규모, 공급액의 특성, 포자 보호 요구 사항을 고려하여 각 장비 유형의 특성을 종합적으로 판단해야 합니다. 소규모 실험실 또는 파일럿 생산 환경에서 높은 세균 생존율과 낮은 고형분 함량의 공급액 처리가 필요한 경우, 관형 원심분리기가 적합하며, 세균 보호를 위해 냉장 시스템(4°C)을 함께 사용할 수 있습니다. 대규모 산업 생산 환경에서 연속 운전이 필요하고 중간 정도의 고형분 함량을 가진 공급액을 처리해야 하는 경우, 효율성과 세균 활성도의 균형을 고려하여 디스크 원심분리기가 적합합니다. 공급액에 불순물이 많고 고형분 함량이 높으며 세균 생존율이 높지 않아도 되는 경우에는 수평 스크류 원심분리기를 사용하여 처리 비용을 절감할 수 있습니다.
