초임계유체를 이용한 천연물 및 정밀화학물질의 분리정제

변 상 요

아주대학교 화학·생물공학부

Isolation and Purification of Natural Products and Fine Chemicals

with Supercritical Fluids

Sang Yo Byun

School of Chemical Engineering and Biotechnology, Ajou University

서론

청정공학은 미래 산업사회 전반에 필요한 학문으로서 여러분야에 적용되고 있다. 청정공학 기술 개발이 가장 활발한 곳이 separation 분야라 할 수 있다. 화학 산업, 생물산업 전분야에서 필요로 하는 clean separation technology 는 다양하지만 크게 초임계 유체(supercritical fluid) 이용 분야와 막(membrane)분리 분야로 구분되고 있다. 막분리 기술은 오랜 기간 기술 개발이 이루어졌고 적용 분야도 다양하지만 초임계 유체를 이용하는 clean separation 기술은 최근 산업적 적용 분야가 넓어지면서 기술 개발이 활발한 분야이다.

초임계 유체는 임계점 이상의 온도 및 압력을 가지는 물질의 상태를 기체 또는 액체와 구분하기 위하여 설정된 용어이다. 초임계 유체는 임계점 부근에서 각종 물성이 큰 폭으로 변화하는데 특히 밀도의 변화가 각종 물질을 용해하는 능력과 깊은 관계가 있다. 초임계 유체의 밀도는 액체의 밀도와 비슷하지만 점도는 기체의 그것처럼 낮다. 확산 계수는 액체의 값보다 수백 또는 수천 배 정도 크다. 이러한 물성치 비교를 통하여 초임계 유체는 액체와 기체의 장점을 모두 가지고 있다는 것을 알 수 있다. 초임계 유체가 용매로 쓰인다면, 용매의 용해력은 용매의 밀도와 밀접하 관계를 갖고 있어 액체와 비슷한 밀도를 가지는 초임계 유체는 일반 액체 용매와 마찬가지로 액체나 고체를 용해하는 능력을 갖게 된다. 또한 압력과 온도를 변화시킴으로서 용해력을 조절할 수 있고 추출 후에 추출 용매와 용질을 쉽게 분리할 수 있다. 초임계 유체는 점도가 기체처럼 작으므로 시료 침투력이 좋아 추출 효율이 향상되고, 확산계수가 크므로 평형에 빨리 접근할 수 있는 특징을 가지는 등, 초임계 유체를 추출에 이용할 때 기존의 용매추출과 비교하여 여러 가지 장점을 지니고 있다.

초임계 유체 추출의 기본 원리인 용해력은 밀도와 깊은 관계가 있다. 넓은 밀도 범위를 가지는 초임계 유체의 독특한 성질은 넓은 범위의 용매 특성을 보이는 것으로 나타날 수 있다. 초임계 유체를 이용하는 추출 공정은 크게 초임계 유체에 의하여 목적 성분을 추출하는 추출과정과 초임계 유체를 분리하여 목적 성분을 회수하는 분리과정으로 이루어진다. 추출과정은 대개 extraction vessel에서 정해진 온도, 압력의 초임계 유체가 시료와 접촉하여 시료중의 목적 성분을 초임계 유체로 용해시키는 과정이다. 이 추출과정에서 operation condition (주로 압력, 온도)을 조절함으로서 초임계 유체의 용해력 변화를 주어서 시료 중의 특정 성분을 선택적으로 추출할 수 있는 점이 초임계 유체 추출의 가장 큰 장점이라할 수 있다. 또한 추출 압력, 온도 외에도 초임계 유체의 polarity 에 따라 entrainer를 첨가하여 초임계 유체의 추출 능력을 더욱 넓힐 수도 있다. 추출 과정에서 목적 성분을 함유하고 있는 초임계 유체는 분리 과정에서 목적 성분과 분리된다.

초임계 유체 추출은 여러 가지 독특한 장점을 갖는다. 이는 추출시 목적 물질(용질)이 초임계 유체롤 이동하는 현상을 용질 분자가 고밀도 응축상(condensed phase) 로부터 저밀도 팽창상(expanded phase) 인 초임계 유체로 이동하는 상호 작용의 용해현상(dissolution) 이라고도 볼 수 있다. 이와 같이 초임계 유체 추출은 용매 추출(extration)과 증류(distillation) 의 원리가 복합적으로 적용되기 때문에 여러 가지 독특한 장점을 갖는다(2). 중요한 장점을 열거하면, ① 압력, 온도의 조작에 의해 고밀도 상태에서 저밀도 상태의 어떤 조건 설정도 가능하기 때문에 분획, 분리 등의 선택성이 뛰어나서 고순도의 제품을 얻을 수 있다. ② 추출 용매를 손실 없이 거의 완전하게 회수할 수 있고 잔존 용매가 없는 정제물을 얻을 수 있다. ③ 비교적 저온에서 추출함으로써 열에 의한 손상을 피할 수 있다. ④ 환경을 오염시키지 않는 무공해 공정이 가능하고, 무해 무취이고, 인화성이 없는 초임계 이산화탄소는 의약품이나 식품 향신료의 추출 처리에 적합하다. ⑤ 초임계 유체의 점도가 작으므로 시료에의 침투성이 좋아서 추출 효율이 높으며 또한 확산 계수가 크므로 추출 속도가 빠르다. ⑥ Entrainer를 첨가하여 목적 물질의 용해도를 증대시켜 추출 효율을 높일 수 있다. ⑦ 시료와 초임계 유체의 밀도 차이가 크고 초임계 유체의 점도가 낮으로 추출 잔유물과 용매의 분리가 용이하다. ⑧ 초임계 유체의 용해력을 조절하여 추출물을 분류정제 (fractionation)할 수 있다. 따라서 화학적 성질과 volatility 가 유사한 성분도 동이하게 분리할 수 있다.

초임계 유체가 크로마토그래피에 처음 이용된 것은 1962 년 Klesper 등이 고압 GC 에 초임계 유체를 mobile phase 로 적용한 경우라 할 수 있다. 그 후 여러 연구 그룹에서 Supercritical Fluid Chromatography(SFC)에 대한 연구가 진행되어 왔다. 초임계 유체를 크로마토그래피에 적용하여 얻을 수 있는 가장 큰 장점은 초임계 유체의 물성, 즉 낮은 점도와 높은 확산 계수로 표시되는 transport 물성과 우수한 용해력을 들 수 있다. 게다가 용해력(solubility) 과 선택성(selectivity)을 압력과 modifier 조절로서 변화시킬 수 있는 장점도 가지고 있다. 물론 mobile phase 로서 이산화탄소가 주로 사용되는 것이 환경 문제 및 경제성에 관련된 장점이 될 수도 있지만 한편으론 mobile phase 의 다양성이 떨어지는 단점으로도 작용하고 있다.

Capillary column에 이어 일반 HPLC column (내경 2∼6 mm)을 이용하는 SFC에 관한 연구가 1982 연도 Gere, Board 및 McManigill 등에 의하여 진행되었다. 여전히 분리 속도는 HPLC 보다 월등히 우수하였다. 그러나 초임계 유체의 용매 특성상 HPLC 용매를 사용할 때보다 resolution 은 떨어질 수 있지만, 이는 초임계 유체에 modifier를 적절히 첨가하고 또한 ion pairing agent 의 적절한 사용으로 최근에는 아주 우수한 결과를 얻고 있다. SFC 의 HPLC 에 대한 또 하나의 장점은 크로마토그래피 분리 후 용매와 용질의 자동적 분리로서 HPLC 와 같이 크로마토그래피 후 용매 용질 분리 공정이 불필요해지는 것이다. 이러한 SFC 의 다양한 장점은 최근 산업용 HPLC를 대신하는 산업용 SFC (PSFC, preparetive SFC) 에 그대로 응용되고 있다. 산업용 HPLC 의 낮은 분리 속도, 과다한 용매 사용 등의 대표적인 문제점을 해소할 뿐 아니라, 초임계 유체의 기본 특성인 저온 추출정제, 환경을 오염시키지 않는 무공해 공정이 가능한 점 등의 장점이 부각되면서 식품, 의약품 등의 생물산업 전 분야에 그 활용성이 증대되고 있다.

실험

초임계유체를 이용한 천연물 및 정밀화학물질 분리정제를 위한 실험 장치는 초임계유체 추출(SFE) 장치 및 초임계유체 크로마토그래피(SFC) 장치로서 이들을 동시에 활용할 수 있는 On-line coupled SFE/SFC장치는 그림 1과 같다.

그림 1. On-line coupled SFE/SFC

초임계 CO2를 이용한 항암제 Paclitaxel의 고순도 정제

주목 수피나 배양된 주목 세포에 주로 존재하는 paclitaxel은 현재 다단계 (약 19단계)유기 용매를 이용하는 추축 정제 과정을 통하여 공급되고 있다. 이러한 추출 정제 과정은 여러 단계의 복잡한 과정을 거치기 때문에 추출 정제 효율이 높지 못한 문제점을 가지고 있다. 또한 많은 종류의 독성 유기 용매가 사용되기 때문에 유기 용매 잔류에 의한 안전성 문제도 포함하고 있는 실정이기 때문에 초임계유체를 이용하는 추출 방법이 대안으로 제시되었다. 그러나 SFE 방법에 의한 paclitaxel 추출에는 한가지 문제점이 있는데 그것은 추출 용매로 이용되는 이산화탄소 초임계 유체와 taxol 간의 선택성이 좋지 않아 추출물내에서 paclitaxel의 조성비는 1 % 에도 미치치 못한다. 이렇게 1차 추출시 추출물내의 paclitaxel의 함량이 낮으면 이어지는 정제 공정이 매우 복잡해지고, 이 복잡한 공정에는 독성 유기 용매 사용을 피할 수 없게 때문에 전반적으로 볼 때 SFE 방법의 장점이 희석될 수도 있다.

Paclitaxel처럼 이산화탄소 초임계 유체에 선택성이 떨어지는 물질들의 추출정에는 SFE/SFC 방법을 동시에 적용하는 것이 바람직하다. SFE에 의하여 고효율로 추출은 되었지만 추출물 내에 낮은 함량으로 존재할 때 이 추출물을 직접 SFC column에 loading 하고 fractionation하여 효율적인 정제를 할 수있다. SFE/SFC 방법을 적용하면 일반적인 초임계 유체 추출 정제 방법이 갖는 장점외에도 on-line 연속 공정이 가능하기 때문에 효율 향상을 기대할 수 있었다.

초임계 CO2 크로마토그래피에 의한 EPA/DHA의 정제

어유(fish oils)와 같은 식품 속에 많이 함유된 □-3 계통의 EPA, DHA, 그리고 다른 고도불포화 지방산들이 심장순환계 질병 및 특정한 종양의 발육 억제 등에 치료효과가 있는 것으로 알려져 있다. 이들 물질들은 그 동안 주로 식품에 첨가되어 활용되어 왔으나, 근래에 들어 의약품으로 이용하기 위하여 이들의 고순도 정제가 요구되고 있다. 이들을 정제할 수 있는 방법들은 매우 다양한데, crystallization 이나 distillation과 같은 방법들은 고순도 정제가 힘들고, HPLC 방법은 정제 비용이 비싸다는 단점이 있다. 그러나 초임계유체를 이용하는 SFC 방법은 위의 문제점들을 해결할 수 있는 방법으로 최근 큰 관심을 끌고 있다.

이산화탄소를 용매로하는 초임계유체 크로마토그래피 (SFC) 방법을 이용하여 어유로부터 EPA 및 DHA를 고순도로 분리정제하는 연구를 하였다. 질산은 칼럼을 이용하는 초임계 이산화탄소의 초기 압력조건 변화가 저 지방산의 용해도 및 분리도에 미치는 영향을 조사하였는데 압력이 증가될수록 저지방산의 용해도는 증가되었고, 반면에 EPA와의 분리도는 감소하는 경향을 나타내었다. EPA의 분리정제 효율을 높이기 위해 초임계 이산화탄소에 대한 단계별 밀도구배 방법을 적용하였다. 적용 결과 초기에 저지방산이 먼저 분리되었고, 계속해서 92.1∼97.8% EPA 순도를 갖는 분획들을 얻을 수 있었다. 순도가 높은 3개의 분획의 평균 순도는 95.6%이었고 회수율은 30%에 달하였다.

초임계유체 크로마토그래피에 의한 Fullerene(C60, C70) 정제

신소재 fullerene은 90년대 초반부터 superconductivity 및 윤활제로서 그 활용가치가 매우 높이 평가되면서 그의 추출 뿐 아니라 고순도 정제의 필요성이 크게 대두되고 있다. 따라서 벤젠, 톨루엔 또는 trichlorobenzene 등의 유기용매를 이용한 추출과 n-hexane 또는 n-hexane/toluene 혼합용매를 이용하는 column chromatography 방법에 의한 정제기술이 개발되었고 prep-scale LC를 이용하여 고 순도 fullerene을 일부 생산하여 연구 및 산업적 목적으로 이용하고 있다. 그러나 상기 정제 방법은 인력과 시간을 많이 필요로하는 낡은 방법이고 독성 유기용매를 사용하여 2차적인 환경오염 문제를 발생시키는 등 개선의 여지가 많아서 보다 편리하고, 안전성이 높고, 비용을 절감할 수 있으며 독성 유기용매의 사용을 줄일 수 있는 정제 방법의 개발이 요구되고 있었다. SFC는 이러한 요구를 충족시킬 수 있는 정제 방법으로서 on-line process가 가능하고, 초임계 운전조건의 최적화를 통하여 여러 fullerene을 선택적으로 정제할 수 있으며, 사용하는 초임계유체인 이산화탄소와 톨루엔의 초임계 임계 조건이 합리적이며, scale-up이 용이하다는 등의 많은 장점이 있어 큰 관심의 대상이 되고 있다.

초임계유체를 이용한 Isoflavone의 분리정제

여러 연구를 통해서 아시아인들의 콩 소비가 여러 질병의 발병율을 낮추는 것과 관계가 있다는 것이 알려지고 있다. 이는 콩과식물에 상대적으로 많이 존재하는 isoflavone가 중요한 역할을 하는 것이 알려지고 있으며 이들에 대한 관심이 크게 증가하였다. 현재 국내에서 isoflavone 분리 정제의 가장 좋은 원료(source)는 식용 대두유 추출이 끝난 대두 부산물(대두박)이라 할 수 있지만 적절한 추출 정제 방법이 개발되지 않았기 때문에 isoflavone이 다량 포함되어 있는 대두 부산물은 가축 사료로 이용되는 안타까운 실정이다. 아직까지 isoflavone을 추출하는데는 유기용매 방법이 이용되고 있다.  그러나 이 방법은 독성 유기용매의 사용에 따른 잔류 독성물질 및 환경문제, 에너지 다소비 공정, 및 추출 후 부산물을 사료로 사용할 수 없는 등의 문제점이 있기에 현재로선 국내 업체에선 생산 원가 등을 고려하여 이들의 추출을 포기하고, 대부분 가축 사료 속에 사장시켜왔었다. 따라서, isoflavone을 효과적으로 추출할 수 있고 추출 후 부산물을 가축 사료로 재활용이 가능한 공정개발이 절실히 요구되고 있었는데 초임계유체를 이용하는 방법이 여러 면에서 우수한 장점을 나타내며 훌륭한 대안이 되고 있다.

참고문헌

1. 변상요: 생물화공, 10(3), 54(1996)

2. 조병관, 변상요 : 한국생물공학회지, 14(1), in press(1999)

3. 유병삼, 변상요 : 한국생물공학회지, 14(1), in press(1999)