Supercritical AntiSolvent(SAS)법에서 입자크기에 대한

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

Jet Breakup과 flow rates가 미치는 영향

이정우, 임종성, 이윤우

국가지정 초임계유체연구실, 한국과학기술연구원

The Effects of Jet Breakup and flow rates on particle size

in Supercritical AntiSolvent (SAS) precipitation

Jeong Woo Lee, Jong Sung Lim, Youn-Woo Lee

National Research Lab. for supercritical fluid, KIST

서론

약물송달시스템이나 난용성 약물에 있어 마이크로 또는 나노사이즈의 입자가 매우 유용하기 때문에 미세입자를 만드는 방법들에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다. 이 중 초임계 이산화탄소를 역용매로 이용한 방법은 상대적으로 까다로운 운전조건으로 인해 여러 생체재료에 대해 적용하기가 쉽지 않지만 고온의 운전조건, 넓은 입자분포, 잔존용매 등 기존의 입자  제조 방법들이 가지고 있는 단점들을 효과적으로 극복할 수 있음을 많은 문헌들을 통해 알 수 있다. 따라서 초임계유체를 이용한 방법이 이런 문제점을 해결할 수 있는 대안으로서 주목을 받고 있으며 현재까지 다양한 대상물질로 초임계를 이용한 여러 가지 연구가 진행되어지고 있다. 다만, SAS법을 분석, 이해하는데 있어, 많은 문헌들의 연구결과가 아직 충분하지가 않다. 본 연구는 이산화탄소를 역용매로 이용한 SAS 방법에 있어 용액의 Jet breakup과 용액 및 역용매의 상대적인 유량의 비가   입자의 크기 결정에 있어 어떠한 역할을 하고 있는지 살펴보고 있다.

이론

초임계 이산화탄소를 역용매로 이용한 SAS 법은 고분자나 단백질 같은 용질이 녹아있는 용액에 초임계 이산화탄소가 확산되어 들어가면서 용매의 아주 빠른 팽창을 유도

Fig. 1. The principle of SAS precipitation process.

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

함으로써 용질에 대한 용매의 용해도를 떨어뜨려 용질과 용매의 분리에 바탕을 두고 있다. 이 초임계 역용매방법이 가능하기 위해서, 역용매인 이산화탄소는 용질에 대해서는 아주 낮은 용해도를 가져야 하고 용매와는 서로 잘 섞여야 한다. Fig. 1 에서 보이는 것처럼, 노즐을 통해서 solution이 분사되면 작은 미세 방울로 쪼개어지고 이 각각의 방울들에 초임계 이산화탄소가 확산되어 들어감에 따라 방울들이 팽창되어 과포화상태가 이루어지고  용질의 nucleation이 시작된다. 즉, SAS process는 용액의 Jet breakup 과 이를 통해 이루어진 droplet의 안팎으로 이루어지는 용매와 역용매의 mass transfer두 단계로 요약될 수 있다.

실험

용질과 용매로는 분자량 220,000인 L-PLA와 CH2Cl2를 이용했다. 초임계 이산화탄소의 밀도에 따른 Jet breakup의 형태를 보기 위해서, 온도는 25□에서 45□까지, 압력은 80bar에서 150bar 사이에서 변화시켰다. 용액과 역용매의 상대 유량의 비의 결과를 보기 위해서는 35□, 100bar로 고정시켰다. 그리고 용액의 유량은 약 0.4 ml/min에서 5.4 ml/min까지, 이산화탄소의 유량은 25□ 기준으로 약 20 □/min에서 25□/min사이에서 변화시켰다. CH2Cl2내의 PLA 농도는 0.1 wt%에서 4 wt%까지 변화시키면서 실험을 진행했다.   Fig. 2 는 침전기 내부 관찰이 가능한 34 ml 장치와 bench scale의 500 ml 장치의 개요를 나타내고 있다.

(a)                                           (b)

Fig. 2. Schematic of experimental apparatus  (a) 35 ml, (b) 500 ml.

먼저 heat exchanger를 거쳐 초임계 온도에 도달하게 하고 back pressure regulator로 압력을 조절해서 precipitator 내부를 초임계 상태로 만든 후, nozzle (I.D. 254 □)을 통해서 solution을 precipitator 내부 상단에서 분사시켰다. solution pump  로는 reciprocating pump(Milton roy)를 이용했다. 생성된 particle은 filter에서 걸러지고 나머지 용매와 이산화탄소는 back pressure regulator를 거쳐서 depressurizing tank에서 각각 분리되는 continuous 방식으로 실험을 진행했다. solution이 다 분사된 후, particle에 남아 있을 수 있는 잔존 용매를 제거하기 위해 계속해서 이산화탄소로  washing하는 순서를 거쳤다.

결과 및 토론

Fig. 3 은 초임계 이산화탄소의 밀도에 따른 Jet breakup의 형태를 보여주고 있다. 밀도가 증가할수록 미세한 입자 제조에 유리한 Jet breakup을 예상할 수 있다. 그러나

Fig. 3. The shape of Jet breakup according to the density of CO2.

CO2의 밀도가 높을수록 즉, 압력이 높을수록 atomization이 잘되어 확산면적이 넓어지지만, CO2와 용매로 사용된 CH2Cl2 사이의 확산이 용이하지 않다. 따라서 높은 CO2의   밀도조건에서 확산속도가 느려서 nucleation 속도가 낮아지고 입자의 크기가 커질 것이라 예상된다. Fig. 4는 CO2의 유량은 고정시켰을 때, solution의 유량에 따른 침전기 내부에서의 모습을 나타내고 있다. solution이 노즐로부터 분사되면서, 용매와 역용매의 밀도 차에 따른 interface의 위치가 solution의 유량의 증가와 함께 침전기의 상부에서   형성됨을 알 수 있다. (a) 경우, 용액이 분사되자마자 침전기 내부에서 homogenization 되는 것을 볼 수 있었지만 (d)의 경우 interface가 nozzle에 상당히 근접해 있어, 충분한 Jet breakup과 이후 일어나는 상호확산에 영향을 미침을 볼 수 있었다.

(a) 0.37 ml/min    (b) 1.50 ml/min    (c) 2.10 ml/min    (d) 2.98 ml/min

Fig. 4. The position of surface between two regions according to the solution

flow rate

Fig. 5는 solution의 유량의 변화에 따라 생성된 L-PLA particle을 보여주고 있다.  세 개의 SEM image는 모두 5000배율을 가지고 있다. solution의 유량이 증가할수록 particle의 크기가 증가했음을 알 수 있다. 이는 앞에서 언급한 높은 solution 유량이 Jet breakup과 상호확산에 영향을 끼친 Fig. 4의 결과와 일치한다.

(a) 0.37 ml/min            (b) 1.2 ml/min             (c) 5.4 ml/min

Fig. 5. The particles produced with the increase of solution rate at the condition of        35oC, 100 bar, and 0.3 wt% solution concentration.

Crystallization을 nucleation과 growth 두 과정으로 볼 때, 보다 작은 크기의 입자가 생성되기 위해서는 nucleation은 빠르게 일어나며 growth는 느리게 일어나는 조건을 갖추어야 한다. solution의 유량이 작은 경우에는 이 두 가지를 모두 만족 시켜준다. 즉, solution 유량이 작다는 것은 solvent와 solute가 적은 양으로 침전기 내부로 들어간다.  유입되는 solvent의 양이 적을수록 상대적으로 역용매인 CO2가 많아지고 이는 nucleation이 일어나기 위한 빠른 supersaturation에 유리한 조건이 된다. 또한 solute 역시 적게 들어감으로써, 입자가 growth 하기가 쉽지 않게 된다. atomization 역시 용매와 역용매의 확산 면적을 넓혀주는 역할로 nucleation 속도에 중요한 역할을 담당한다.

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참고문헌