접선유동여과(Tangential Flow Filtration)를 이용한 안료 분리

20,000가지가 넘는 색상 라이브러리로 구성된 팬톤 매칭 시스템(Pantone Matching System)으로 가장 잘 알려진 미국 기업 팬톤(Pantone)은 피치 퍼즈(Peach Fuzz)를 2024년 올해의 색상으로 선정했습니다. 오렌지와 핑크 사이에 자리잡은 따뜻하고 포근한 색상으로 묘사되는 이 색상은 달콤하고 바람이 잘 통하는 톤은 일년 내내 패션, 홈 데코, 뷰티, 심지어 포장까지의 컨셉에 영향을 미칠 것입니다. 그러나 영감에서 실현으로 전환하려면 잉크, 염료와 같은 제품에서 화장품, 심지어 식품 및 의약품에 이르기까지 색상을 지정하기 위해서는 안료가 파생되어야 합니다. 이러한 색소는 자연적으로 발생하는 원료로부터 추출되거나 화학적으로 합성될 수 있습니다.

색소 분리 및 정제

천연 유래 색소는 식물에서 추출할 수 있으며 박테리아, 곰팡이, 효모, 조류와 같은 미생물에 의해 생성되기도 합니다[1][2]. 대규모 미생물 배양을 통해 산업용으로 사용할 수 있는 색소를 대량으로 생산할 수 있습니다[2]. 안료는 전통적인 용매 추출, 마이크로파 보조 추출, 초음파 보조 추출, 가압 액체 추출, 펄스 전기장 보조 추출, 초임계 유체 추출을 포함한 여러 용매 기반 추출 방법을 통해 천연 자원(예: 식물, 미생물)에서 추출됩니다. , 효소 보조 추출[3]. 이러한 공정에 유기 용매의 대규모 사용에 대한 제한 사항과 환경적 우려가 커지면서 공융 용매[4][5] 또는 이온성 액체[6]를 사용하는 것을 포함하여 "친환경 방법"이 개발되어 현재 진행 중입니다. 천연 유래 원료 외에도 색소는 화학적으로 합성될 수 있습니다[7][8][9]. 종종 이러한 합성 화합물은 자연 유래 색소를 모방합니다. 과일에서 추출되었거나 조류에서 생산되었는지 여부에 관계없이 색소는 다운스트림 적용을 위해 정제되어야 하며 컬럼 크로마토그래피를 통해 다른 분자로부터 분리할 수 있고 겔 여과 또는 막 여과를 통해 추가로 정제할 수 있습니다.

접선 흐름 여과

접선 흐름 여과(TFF) 또는 직교류 여과는 용액이 필터 평면에 수직으로 흐르는 "막다른" 여과가 아닌 각도(즉, 접선 방향)로 막 필터에 용액을 적용하는 것을 포함합니다[10]. 압력 차이로 인해 투과물은 필터를 통과하고 보유액은 그대로 유지됩니다. 많은 응용 분야에서 단일 통과 TFF를 사용하지만 보유물은 막을 다시 통과하여 손실을 크게 줄일 수도 있습니다. 제품 손실 감소 외에도 이 생물공정 방법의 또 다른 중요한 이점은 적용 각도로 인해 막에 물질이 축적되지 않기 때문에 막 오염이 감소한다는 것입니다. 접선 흐름 여과를 사용할 때 고려해야 할 몇 가지 요소는 다음과 같습니다.

• 막 유형(예: 기공 크기, 공급 용액과의 재료 호환성)

• 적용 매개변수(예: 온도, 공급 용액 적용 ​​속도)

• 유지보수 요구사항(예: 멤브레인 청소/교체 빈도, 기기 유지보수) 

멤브레인의 종류

TFF를 위한 일반적인 멤브레인 모듈에는 세라믹 , 중공 섬유 또는 카세트가 포함됩니다. 각각에는 장점과 단점이 있습니다. 색소분리에는 중공섬유(Hollow Fiber)가 가장 일반적으로 사용된다. 중공사막은 대용량을 수용할 수 있고 용매에 더 부드럽지만 더 제한된 범위의 용매에 적합하고 다른 막 모듈보다 수명이 짧습니다. 중공사막은 폴리이미드, 폴리아닐린, 폴리벤즈이미다졸, 폴리아크릴로니트릴 등을 포함한 다양한 폴리머로 만들어질 수 있습니다[11-13].

애플리케이션 매개변수

전단 응력에 노출되면 안료를 포함한 용액의 생체 분자가 손상될 수 있습니다. TFF에서 전단 응력은 선택한 멤브레인과 용액 적용 ​​속도 및 각도에 따라 결정됩니다. 중공사막 모듈은 가장 낮은 전단 응력을 전달할 수 있습니다. 속도 외에도 pH는 pH가 용해도에 큰 영향을 미치기 때문에 모니터링하고 최적화해야 하는 또 다른 매개변수입니다. 이는 또한 막의 오염 또는 응집 속도에 영향을 미칠 수 있습니다. 멤브레인과 속도를 선택할 때 용액의 점도도 고려해야 합니다. 점성이 높은 용액에는 더 큰 직경의 중공사막이 필요합니다.

유지

TFF를 사용하면 멤브레인 오염률이 줄어들지만 필터는 여전히 정기적으로 청소 및/또는 교체해야 합니다. 적절한 세척 방법은 멤브레인 구성뿐만 아니라 멤브레인을 오염시키는 오염물질에 따라 달라집니다[14]. TFF용 중공사막을 세척하기 위한 몇 가지 기계적 및 화학적 프로토콜이 있습니다[14].

안료 분리를 위한 접선 흐름 여과의 이점

안료는 지속 가능한 대규모 안료 생산이 필요한 여러 산업 분야에서 활용됩니다. 겔 여과 크로마토그래피에 의한 정제는 시료 용량이 낮기 때문에 대규모 응용 분야에서는 실현 가능한 옵션이 아닙니다[15]. 접선유동여과에서는 공급액을 연속적으로 투입할 수 있어 대용량 여과가 가능하다. 접선 유동 여과는 안료 정제를 위해 쉽게 확장할 수 있는 젤 및 기타 막 기반 여과 방법에 대한 매우 효율적인 대안입니다. 

참고자료:

1. Pailliè-Jiménez ME, Stincone P, Brandelli A. 미생물 기원의 천연 색소. 프론트 서스테인 푸드 S. 2020;4.

2. Rajendran P, Somasundaram P, Dufossé L. 미생물 색소: 친환경 추출 기술 및 일부 산업 응용. J 몰 구조. 2023;1290.

3. Miranda PHS, Dos Santos AC, De Freitas BCB, Martins GAD, Boas EVDV, Damiani C. 아마존 과일의 색소 추출 방법과 안정성에 대한 과학적 접근 방식. 동향 식품 과학 기술. 2021;113:335-45.

4. Mesquita LD, Contieri LS, Sosa FHB, Pizani RS, Chaves J, Viganó J 등. 공융 용매와 가압 액체 추출을 고체상 추출과 인라인으로 결합하여 브라질 베리 폐기물에서 안토시아닌을 회수, 정제 및 안정화합니다. 그린화학. 2023;25(5):1884-97.

5. Devi M, Moral R, Thakuria S, Mitra A, Paul S. 기존 추출 매체의 친환경 대체물인 소수성 심층 공융 용매: 예 및 기술. 액스 오메가. 2023;8(11):9702-28.

6. 벤츄라 SPM, 실바 FAE, Quental MV, Mondal D, Freire MG, Coutinho JAP. 생체 활성 화합물의 이온성 액체 매개 추출 및 분리 공정: 과거, 현재, 미래 동향. 화학 개정판. 2017;117(10):6984-7052.

7. Li LQ, Feng L, Xiao Y, Xie WQ, Sun XQ. NIR 반사율이 높은 황색 안료(Li0.4RE0.6Al0.6)1/2MoO4–BiVO4의 합성 및 특성 분석. Acs Sustain Chem Eng. 2021;9(49):Cp33-16616.

8. Maruoka K, Suzuki R, Kamishima T, Koseki Y, Dao ATN, Murafuji T, 외. 락타리우스 인디고(Lactarius indigo)에서 분리한 청색 색소인 아줄렌 유도체의 종합 합성 및 이의 수성 분산액의 착색제 적용. JAgr식품화학. 2023;71(30):11607-14.

9. Vyhnal CR, Mahoney EHR, Lin Y, Radpour R, Wadsworth H. 예술의 안료 합성 및 색상 분석: 고등학교 및 대학 화학 학생을 위한 응용 과학의 예. J화학교육. 2020;97(5):1272-82.

10. Agrawal P, Wilkstein K, Guinn E, Mason M, Martinez CIS, Saylae J. 접선 흐름 여과 검토: 제약 산업의 공정 개발 및 응용. 조직 프로세스 리소스 개발 2023;27(4):571-91.

11. Loh XX, Sairam M, Steinke JH, Livingston AG, Bismarck A, Li K. 유기 용매 나노여과용 폴리아닐린 중공사. Chem Commun (캠). 2008(47):6324-6.

12. Tham HM, Wang KY, Hua D, Japip S, Chung TS. 한외여과에서 나노여과까지: 유기 용매 나노여과용 히드라진 가교 폴리아크릴로니트릴 중공사막. J 막 과학. 2017;542:289-99.

13. Goh KS, Chong JY, Chen Y, Fang W, Bae TH, Wang R. 저압 유기 용매 나노여과용 박막 복합 중공 섬유 막. J 막 과학. 2020;597.

14. Gul A, Hruza J, Yalcinkaya F. 정밀여과막의 파울링 및 화학적 세척: 미니 리뷰. 폴리머(바젤). 2021;13(6).

15. O'Fagain C, 커민스 PM, O'Connor BF. 젤 여과 크로마토그래피. 방법 Mol Biol. 2011;681:25-33.

16. What is Tangential Flow Filtration and how can it benefit your process? By. biopharmadynamics