RESS(Rapid Expansion of Supercritical Solution)공정을 이용한

Anthracene 미세 입자 제조

정진우, 곽 현, 배성렬

한양대학교 화학공학과

Preparation of Anthracene Fine Particles Using RESS Process

Jin-Woo Jung, Hyun Kwak, Seong-Youl Bae

Department of Chemical Engineering, Hanyang University

서론

최근 NT, BT 열풍에 힘입어 재료 분야와 의약 분야 등을 중심으로 미세 입자와 입도 분포를 제어하는 기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 기존의 미세 입자 제조 공정으로는 기계적 분쇄(Ball-milling, Grinding, Crushing)와 용액 침전 등의 방법이 있으나 입자 크기나 입도 분포, 적용 범위, 또한 유기용매의 사용으로 인한 환경 오염 문제 등의 한계가 있는 것이 사실이다. 초임계 유체를 미세 입자 제조 공정에 응용할 경우 기존의 방법에 비해 좁은 입도 분포의 미세 입자를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 미세 입자로 만들기 어려운 의약품, 고분자, 염료, 화약 등 여러 가지 물질의 입자를 얻을 수 있다. 초임계 유체를 이용한 미세 입자 제조 방법으로는 RESS(Rapid Expansion of Supercritical Solution), SAS(Supercr- tical Anti Solvent), PGSS(Particle from Gas Saturated Solution)가 있다. 이 중 RESS공정은 용질을 초임계 상태의 유체에 용해시킨 후 Nozzle을 통하여 급속히 팽창시키면 Supersaturation이 발생하여 용해되어 있던 용질이 석출되는 현상을 이용한 것이다.

초임계 유체는 임계온도와 압력 이상에서 존재하는 유체로, 액체에 상응하는 밀도와 기체에 상응하는 확산계수를 가지기 때문에 물질 전달을 촉진시킨다. 또한 단일상에서 온도와 압력을 변화시켜  밀도를 연속적으로 조절할 수 있기 때문에 차세대 용매로 기대되고 있다. 액체와 기체의 중간적인 성질을 가지는 초임계 유체는 기존의 방법으로 분리하기 힘든 물질의 추출 및 정제에 많은 연구가 이루어져 왔고, 최근에는 폐수 처리, 건조, 반도체 웨이퍼 세정, 고분자 중합, 의약품 제조, 초임계 chromatography에 이르기까지 매우 넓은 분야에 응용되고 있다.

초임계 유체 중 가장 일반적으로 이용되고 있는 것은 초임계수(Tc=374℃, Pc= 220bar)와 초임계 CO2(Tc=31℃, Pc=73bar)이다. 이 중 초임계 CO2는 무독성, 낮은 임계 온도와 압력, 그리고 저렴한 가격 때문에 널리 이용되고 있다. 하지만 CO2에 용해될 수 있는 대상 물질이 제한적이기 때문에 이에 대한 연구가 절실히 필요하다. 따라서 이 분야에서 친이산화탄소 보조 용매를 고안하는 연구가 핫이슈로 떠오르고 있다.

J. H. Kim과 Thomas E. P.[1]등은 Drug Delivery System에 응용될 수 있는 L-PLA를 Naproxen으로 Encapsulation하였고, C. Domingo 등[2]은 Benzoic acid에 Salicyilc acid, Phenanthrene을 Co-solute로 사용하여 Ternary System에 대해 연구하였다. Dean W. Matson 등[3]은 H2O와 Ethanol, Pentane 등을 용매로 사용하여 SiO2, GeO2, Polystyrene 등의 입자를 제조하였다.

본 연구에서는 초임계 CO2를 이용하여 Anthracene의 미세 입자를 제조하였으며, 공정 변수(온도, 압력 등)를 조절하여 입자의 크기와 입도 분포를 조절하였다.

실험

본 연구에서 제작 사용한 실험 장치의 개략도는 Fig. 1에 나타내었다. 유체의 저장, 가압, 수송하는 부분과 용질을 추출, 용해하는 부분, 그리고 용질을 포함한 초임계 유체를 팽창, 감압하는 세 부분으로 이루어져 있다. 저장 탱크에서 나온 CO2는 Cryostat(저온유지장치)를 지나면서 액화된 후, 고압펌프를 통해서 Air bath 내의 Extractor로 유입된다. Extractor는 Autoclave Engineers사에서 제작한 Cone closure tubing reactor(P/N CC2.94SS20, 29.4ml)를 사용하였다. Extractor에서 유체가 역류하는 것을 방지하기 위해 Extractor 전단에 Check valve를 달았다. Extractor에는 Anthracene이 충진되어 있고 가압시 유체와 함께 빠져나가는 것을 방지하기 위해  Extractor 내에는 Glass wool을, Extractor 뒤에는 Line filter를 이중으로 설치하였다. Extractor의 압력은 Back pressure regulator(Tes- com, P/N 26-1722-24)로 조절하여 원하는 압력을 유지하였다.

Micro metering valve로 CO2의 유량을 조절하였고, Crystallizer 전까지 초임계 조건을 유지시키기 위하여 Heating tape을 감아 온도를 제어하였다. 감압, 팽창이 되는 Crystallizer 내부의 Nozzle에는 과냉각에 따른 Plugging을 방지하기 위한 별도의 가열장치를 설치하였다. Mertering valve에서도 팽창에 따른 온도강하가 일어날 수 있어 별도의 가열이 필요하였다. Crystallizer 내부에서 생성된 입자는 Metal filter를 통해 걸러지고, 대기 중으로 배출되는 CO2는 Flow-meter로 측정하면서 일정한 실험 조건을 유지하였다.

실험 방법은 먼저 Extractor 내에 시료를 채우고, Extractor와 Crystallizer 전 까지 가열하여 원하는 온도를 유지한다. 고압펌프로 CO2를 가압하여 원하는 압력에 도달하면 Shut-off valve를 열고, Micro-metering valve로 흐르는 유량을 조절한다. 유체의 흐름에 따른 Nozzle과 Metering valve의 온도강하를 Tempera- ture controller로 보정하고, Back pressure regulator로 원하는 실험압력을 조절하면서  System의 일정 조건을 유지한다. Flow가 정상상태에 도달한 후부터 일정 시간동안 입자를 포집하고, Shut-off valve를 잠근 후에 Filter부분만을 분리하여 생성된 입자를 채취한다. 생성된 입자의 분석은 입도분석기(Malvern Inst- rument Ltd, Mastersizer)로 입자의 크기와 입도 분포를 분석하고, SEM으로 입자의 형태를 눈으로 확인하였다.

결과 및 고찰

초임계 상태의 CO2를 사용하는 RESS 공정을 이용하여 유기화합물을 석출시킴으로써 미세 입자를 제조하였다. Extractor의 온도는 50℃에서 80℃까지, 압력은 150bar에서 300bar까지 50bar 간격을 두었다. Pre-expansion 온도는 Extractor에서 분사되는 Nozzle까지 과냉각을 방지하기 위하여 60℃에서 80℃까지를 변수로 택하였다. Nozzle 내부에서 결정이 생성되는 것을 방지하기 위하여 적당한 온도의 Nozzle의 Heating이 중요하였다. Nozzle은 내경 100, 200, 300□m의 세 가지를 제작하여 실험하였다. Fig. 2와 3은 원료 물질과 70℃, 250bar에서 100□m의 Nozzle로 분사하여 석출된 입자를 SEM으로 비교한 결과이다. 200□m정도의 불규칙한 형상을 가지던 원료물질이 초임계 RESS 공정을 통하여 균일한 미세 입자로 얻을 수 있었다. Fig. 4와 5는 입도분석기로 평균입자 크기와 입도 분포를 나타낸 결과이다. 그림에서 알 수 있듯이 평균입자 크기 200□m의 넓은 입도 분포를 가지던 원료물질이 평균입자크기 3∼4□m의 매우 좁은 분포를 가지는 미세 입자로 얻어짐을 알 수 있었다.

이와 같이 초임계 상태의 CO2를 RESS공정에 이용하여 공정변수(압력, 온도 등)을 조절함으로써 기존의 입자 제조 공정보다 미세하고 좁은 입도 분포를 가지는 Solvent-free의 입자를 얻을 수 있었다.

Fig. 1. Schematic diagram of RESS apparatus

Fig. 2. SEM image of

raw material

Fig. 3. SEM image of

recrystallized particle

Fig. 4. Size distribution of raw material

Fig. 5. Size distribution of recrystallized particle

참고문헌

1. J. H. Kim, Thomas E. Paxton, David L. Tomasko, "Microencapsulation of     Naproxen Using Rapid  Expansion of Supercritical Solutions", Biotechnol.      Prog. 12, 650-661(1996)

2. C. Domingo, F. E. Wubbolts, R. Rodriguez-Clemente, G. M. van Rosmalen    "Rapid Expansion of Supercritical Ternary Systems: Solute+Cosolute+CO2",    4th ISSF, 59-62 (1997)

3. Dean W. Matson, John L. Fulton, Robert C. Petersen, Richard D. Smith,      "Rapid Expansion of Supercritical Fluid Solutions: Solute Formation of        Powders, Thin Film, and Fibers", Ind. Eng. Chem. Res. 26, 2298-2306(1987)

4. Bala Subramaniam, Roger A. Rajewski, Kirk Snavely, "Pharmaceutical         Processing with Supercritical Carbon Dioxide", Journal of Pharmaceutical      Sciences, vol. 86, No. 8(1997)

5. Simon Mawson, Keith P. Johnson, James R. Combes, Joseph M. Desimone,     "Formation of Poly(1,1,2,2-tetrahydrofluorodecyl acrylate) Submicron Fibers    and Particles from Supercritical Carbon Dioxide Solutions", Macromolecules,    28, 3182-3191(1995)