다양한 분야에서 초여과 장비의 적용 범위 분석

초여과는 새로운 막 분리 기술입니다. 미세여과, 초여과 등 모든 막 분리 방법 중에서, 역삼투압삼투, 전기투석, 기체막 분리 등의 방법 중에서 초여과는 가장 광범위하게 적용되고 가장 성숙한 기술입니다.

초여과 기술은 식품, 음료, 주류, 의약품, 섬유, 인쇄 및 염색, 표면 코팅(전기영동 도료), 제지, 식수, 농촌 용수 개선 및 전자 제품과 같은 경공업 분야에서 이미 성숙한 응용 분야를 갖고 있습니다. 응용 분야에는 전기영동 도료 회수, 의약품 발열원 제거, 단백질 분리 및 농축, 전분 회수 등이 있습니다. 물 정화 식품 가공, 음료 및 주류용수 정화, 탁도 제거 및 완제품 투명화, 각종 생산수에서 콜로이드 제거, 탁도 및 부유물질 함량 감소, SDI 감소, 각종 박테리아 및 바이러스 제거, 휴믹산 및 기타 고분자 유기물 제거, COD 및 BOD 감소, 색도 및 기름 함량 감소, 폐수에서 유용물질 회수 등에 사용됩니다.

I. 음용수(수돗물)에 대한 초여과 기술의 적용

정부는 최근 식수 사업에 큰 관심을 기울이고 상당한 지원을 제공해 왔습니다. 이는 도시 수돗물뿐만 아니라 농촌 식수 사업에도 적용됩니다. 농촌 수질 개선은 중앙 정부에서 지방 정부에 이르기까지 구체적인 정책 추진을 통해 이루어지고 있습니다. 초여과 기술은 농촌 지역의 안전한 식수 문제를 해결하는 데 있어 장비 투자 비용이 저렴하고 자동화가 간편하며 수질이 안정적이라는 절대적인 장점을 가지면서, 세균, 미생물, 불순물이 없는 깨끗한 식수를 생산할 수 있습니다.

II. 식품 산업에서의 초여과 응용

1. 주스 및 음료 산업 1980년대 이후, 사과 주스, 오렌지 주스, 배 주스, 포도 주스, 레몬 주스, 토마토 주스 등 과일 및 채소 주스의 생산 및 가공에 초여과와 같은 막 분리 기술이 해외에서 사용되어 살균, 정제 및 농축 효과를 얻고 있습니다. 기존 방식과 비교하여 이 공정은 다음과 같은 여러 장점을 제공합니다. 운영 및 인건비 절감; 과일 및 채소 주스의 향미 성분과 지용성 성분 보존으로 신선한 농산물에 가까운 맛과 제품 품질 향상; 미생물 및 과잉 효소 제거로 침전물 발생 없이 장기 보관 가능; 자동화 제어로 인한 안정적인 운영으로 더욱 일관된 제품 품질 생산 가능.

현재 중국에서는 초여과 기술이 여러 새로운 과일 및 채소 주스 음료 생산에 적용되고 있습니다. 보고서에 따르면 초여과를 이용해 정제한 주스는 다른 방법에 비해 품질이 현저히 우수하고 가공 비용도 낮은 것으로 나타났습니다. 예를 들어, 수박 주스는 초여과 과정을 거치면 주요 영양소인 당류, 유기산, 비타민 C를 90% 이상 보존할 수 있습니다. 또한, 초여과는 살균 효과도 있어, 초여과 처리된 수박 주스는 99.9% 이상의 높은 살균율을 보여 저온살균 없이도 음료 및 식품에 대한 국가 위생 기준을 충족합니다.

2. 차 음료 가공에 있어 초여과법의 적용
차는 특유의 향과 풍미, 그리고 다양한 건강 효능 덕분에 전 세계에서 두 번째로 많이 소비되는 음료가 되었습니다. 기존의 차 정제 방법(저온 침전 및 흡착 제거, 이온 킬레이션, 전이 용해, 침전제법, 산화법 등)과 비교했을 때, 초여과법은 다른 첨가물을 사용하지 않는 순수 물리적 정제 방법으로 식품 산업에 매우 유리합니다. 동시에 초여과 기술은 차의 폴리페놀, 아미노산, 카페인과 같은 유효 성분을 최대한 보존하면서 색, 향, 맛에 미치는 영향을 최소화하고 투명도를 유지할 수 있습니다. 또한 홍차의 풍미 성분도 상당 부분 보존합니다. 더욱이 초여과 공정은 20~30℃의 저온에서 압력 구동 방식으로 진행되기 때문에 열에 민감한 차를 정제하는 데 특히 적합합니다. 저온 초여과를 통해 차의 품질을 더 오랫동안 안정적으로 유지할 수 있습니다. 차 다당류는 차의 중요한 활성 성분 중 하나로, 혈당 강하, 항응고, 항혈전, 저산소증 내성 증진, 면역력 강화 등의 약리학적 효능을 지니고 있습니다. 현재 차 다당류에 대한 연구가 광범위하고 심도 있게 진행되고 있습니다.

3. 유제품 가공 산업

현재 초여과 기술은 주로 원유 농축, 탈지유 농축, 유청 사전 농축, 원유 정제, 단백질 및 펩타이드 분리, 그리고 치즈 생산 과정에서 발생하는 유청 폐수로부터 유당, 지방, 단백질을 회수하는 데 적용되고 있습니다. 이 기술은 에너지 절약, 단백질 변성 감소, 제품 품질 향상, 유제품에서 다양한 성분 추출 등의 특징을 가지며, 기존 가공 기술로는 따라올 수 없는 상당한 이점을 제공합니다.

가장 일반적으로 사용되는 유청 농축 및 분리 공정은 한외여과입니다. 한외여과를 통해 단백질 함량이 35%~85%인 유청 단백질 분말을 얻을 수 있습니다. 농축된 상을 완전여과를 통해 지속적으로 희석하면 단백질 함량이 더욱 높은 유청 단백질 분말을 얻을 수 있습니다. 또한, 한외여과와 역삼투 기술을 결합한 기술을 도입하면 유청 단백질을 농축하는 동시에 막 투과액에서 유당과 회분을 제거할 수 있어 건조 유청 전체의 활용 범위를 크게 확장할 수 있습니다. 한외여과와 역삼투 기술의 도입으로 유청 단백질의 품질이 크게 향상됩니다. 기존 공정으로 생산된 제품과 비교했을 때 단백질 함량은 거의 4배 높고, 유당 함량은 약 40% 감소합니다.

4. 유지 산업: 초여과 기술을 오일의 탈검 및 탈색 공정에 적용하면 탈검과 탈색을 단일 공정으로 통합하여 기존 방식의 여러 단계를 줄이고 오일 수율을 크게 높일 수 있습니다. 또한 표백 점토 사용량과 폐표백 점토 처리 비용을 절감하고 표백 점토에 흡착되는 중성 오일 손실을 최소화할 수 있습니다. 대두 단백질 제조와 같은 오일 부산물 가공에서 초여과 멤브레인을 사용하면 분자량이 큰 단백질은 걸러내고 분자량이 작은 단백질은 통과시킬 수 있습니다. 분자량 차단값이 20,000~30,000인 폴리설폰아미드 멤브레인을 사용하면 대두 단백질 농축물을 제조할 수 있습니다. 이 멤브레인은 단백질 보유율이 최대 95%에 달하며, 농축 후 단백질 회수율은 93.9%로 산 침전법보다 높습니다. 동시에, 막 분리 기술로 추출한 대두 단백질 분리물의 용해도, 발포성, 유화성 및 오일 흡수성은 전통적인 "알칼리 용해 및 산 침전법"으로 생산한 대두 단백질 분리물보다 모두 우수하다.

5. 양조 산업에서 생산되는 바이주는 종종 에틸 팔미테이트, 에틸 리놀레이트 등의 물질을 함유하고 있는데, 이러한 물질들은 알코올에는 용해되지만 물에는 용해되지 않습니다. 알코올 함량과 온도가 낮아지면 이러한 물질들의 용해도가 감소하여 바이주가 탁해지고 제품 품질에 영향을 미칩니다. 이러한 탁한 물질들은 입자 크기가 작고 비중이 낮아 기존 방식으로는 정제가 어렵지만, 초여과(ultrafiltration)를 통해 바이주의 품질을 보장할 수 있습니다[7]. 원심분리를 대체하는 초여과는 화학 시약을 첨가하지 않고도 와인을 정제하여 맑은 와인을 생산하고 에탄올 함량을 낮출 수 있습니다. 여과는 맥주 생산에서 중요한 단계로, 효모, 단백질, 폴리페놀 화합물과 같은 미량의 물질을 제거하여 맥주의 생물학적 및 비생물학적 안정성을 향상시키는 것을 목표로 합니다. 면화박이나 규조토를 통해 여과한 맥주를 생맥주라고 하는데, 일주일 정도 보관하면 탁해집니다. 열 살균 맥주는 저온 살균 맥주라고도 하며, 일반적으로 60~90일 동안 보관할 수 있지만 생맥주만큼 맛이 뛰어나지는 않습니다. 초여과 공정은 맛과 유통기한 문제를 모두 해결할 수 있습니다. 이에 상응하는 가공 기술 및 공정은 크게 여과 공정과 정제제 처리 공정의 두 가지 유형으로 분류할 수 있습니다.

III. 제약 산업에서의 초여과 응용

한약재 성분의 추출 및 정제에 있어서 초여과법의 활용

최근 식품 산업에서 초여과 기술의 활용이 확대됨에 따라, 많은 사람들이 이 기술의 다양한 장점을 접하고 숙달하게 되었습니다. 이제 사람들은 초여과 기술을 식품 산업에만 국한하지 않고, 한약재 성분인 클로로겐산의 추출 및 정제 공정과 같은 다른 분야에도 적용하려는 움직임을 보이고 있습니다.

IV. 대규모 산업 기업에서의 초여과 적용

초여과 기술은 석유, 화학, 제철소, 발전소, 탄광 등 대규모 산업 분야에서 매우 성숙하게 활용되고 있습니다. 초기에는 기존 수처리 공정에 초여과를 접목하여 적합한 순수를 생산하는 데(예: 발전소 및 제철소의 보일러 급수) 사용되었고, 이후 산업 생산 공정수의 정화 및 재활용(예: 응축수, 냉각수, 순환수, 화학 용수)에 적용되었으며, 더 나아가 산업 폐수 및 하수의 처리 및 재사용(예: 타이위안 철강 그룹의 폐수 재사용 및 유전 재주입수)에 이르기까지 대규모 산업의 다양한 공정 단계에 스며들어 있습니다.

V. 재활용수, 하수 및 폐수의 처리 및 재사용 분야에서의 응용

1. 산업 폐수 처리에서 초여과 기술은 전기영동 코팅 폐수에서 페인트를 회수하는 데 사용될 수 있으며, 현재 전 세계 자동 전기영동 코팅 생산 라인에서 널리 사용되고 있습니다.

2. 도시 하수 처리에서 초여과 기술은 도시 및 가정 하수 처리에 사용됩니다. 500가구 이상이 거주하는 신축 주거 건물에서는 초여과 처리된 생활하수를 변기 물 내림에 사용하는 것과 같은 소규모 물 재활용이 가능하며, 이를 통해 가정용수 사용량을 40%까지 줄일 수 있습니다.

3. 해수 담수화와 관련하여, 중국의 해수 오염 실태를 고려하여 대규모 사업 추진이 진행 중이며, 주로 역삼투막의 정상적인 수명을 보장하기 위해 초여과막을 전처리 공정에 활용하고 있습니다.