KR100755734B1 - 용매의 반복적인 팽창-수축에 의한 물질의 가공방법 - Google Patents

용매의 반복적인 팽창-수축에 의한 물질의 가공방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 용매의 손실이 비교적 거의 없이 용매를 용매 상태로부터 반용매(antisolvent) 상태로 반복적으로 전환시키는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법은 다량의 용질 물질을 최소량의 용매로 가공하기 위해 사용된다.
반용매, 이산화탄소, 용해 친화력, 팽창, 수축, 함침.

Description

용매의 반복적인 팽창-수축에 의한 물질의 가공방법{Material processing by repeated solvent expansion-contraction}
본 발명은 일반적으로 가공 단계를 수행하는 데에 필요한 용매의 양을 감소시키면서 최소량의 용매를 사용하여 다량의 용질을 가공함으로써 화학적 가공을 용이하게 하는 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 수축, 결정화, 침착, 피복, 함침 및 화학 반응의 수행시 용매의 재순환 방법에 관한 것이다. 더욱 특히, 본 발명은 유기 용매 중의 기체상 유체 농도를 조정하여 유기 용매 중의 용질의 용해도를 조절하기 위한 방법에 관한 것이다. 바람직한 양태에서, 기체상 유체의 농도를 반복적으로 조정함으로써, 용매를 선택적으로 팽창 및 수축시키고 유체의 활성을 용매의 활성으로부터 반용매(antisolvent)의 활성으로 전환시킨다.
용매를 사용한 물질의 가공에 대한 수많은 방법이 당해 분야에 공지되어 있다. 용매는 추출, 결정화 또는 침전 및 반응을 비제한적으로 포함하는 다수의 목적을 위해 물질을 가용화시키는 데에 사용된다. 다량의 용매가 매년 화학 공정, 특히 약제 산업에서 사용된다. 이러한 많은 용매가 가공 단계 동안에 오염되기 때문에, 동시에 다량의 용매가 매년 처리되어야 한다. 많은 용매가 잠재적으로 독성이기 때문에, 이들 물질의 처리는 화학 및 약제 산업에 많은 문제를 일으킨다.
용매는 일반적으로 자연 상태에서 액체이다. 그러나, 특히 기체가 임계 상태인 경우, 기체가 용매로서 사용된다. 용매로서 기체의 사용은 용이하게 처리되는 장점을 제공하며, 알맞은 기체가 사용되는 경우에 많은 유기 용매보다 낮은 독성을 갖는다.
이들의 임계 온도 및 임계 압력보다 높은 온도와 압력으로 동시에 유지되는 경우, 기체는 임계 상태로 존재한다. 임계 상태에서 많은 기체는, 이들이 기체와 액체 사이의 점도 및 확산성을 갖는 액체의 밀도에 매우 근접한 밀도를 나타내기 때문에, 특히 양호한 추출 성능을 갖는다. 임계 기체의 많은 용도에 대한 광범위한 논의는 문헌[참조: McHugh and Kurkonis, Supercritical Fluid Extraction (Buttersworth-Heinemann 1994)]에서 찾을 수 있다.
임계 상태의 기체를 사용한 물질의 결정화 방법은 임계 용액 급속 팽창(RESS: Rapid Expansion of Supercritical Solutions) 기술로 공지되어 있다. RESS에서, 재결정화되는 고체 물질을 추출 용기에 충전시키고, 가용성의 적합한 임계 용액 중에 충전물을 통과시킨다. 기체와 용해된 고체로 이루어진 고압 스트림은 용해된 충전물을 방출하며, 압력 감소/유동 조절 밸브 또는 노즐을 통해 저압 기체 매질로 감압된다. 갑작스런 감압 및 용매력의 손실로 인해, 입자는 침전되고 수집기 중에 수집된다. RESS 이면의 핵심 개념은 작은 마이크로입자 또는 나노입자 형성을 유도하는 용질이 용해된 압축 용매의 급속한 팽창이다[참조: Tom and Debenedetti, 22 J. Aerosol Science 555-584, 1991].
임계 유체 급속 팽창은 전형적으로 매우 높은 과포화비를 초래한다[참조: Mohamed et al., 35 AICHE Journal 325-328, 1989]. 또한, 고체 물질을 아임계 또는 임계 유체 중에 고압에서 용해시킨 다음, 서서히 압력을 감소시키면서 고체 용액 시스템과 이의 환경 사이의 열 전달을 최소화시켜 양호한 형태를 갖는 다양한 고체 물질의 결정을 생성시킬 수 있음이 기록되어 있다[참조: 미국 특허 제4,512,846호]. RESS 재결정화 기술은 약제학적 제제를 포함하는 다수의 화합물을 재결정화시키는 데에 사용되었다[참조: 미국 특허 제4,978,752호]. 또한, 이러한 기술은 기질 위에 피복물 및 필름을 침착시키는 데에 사용되었으며[참조: 미국 특허 4,582,731호], 승압에서 임계 유체 용액 중에서 고체 물질을 용해시킨 다음, 비교적 저압의 영역으로 구멍을 통해 용액을 급속하게 팽창시킴으로써 고체 필름 침착 및 미세 분말 형성을 위한 방법이 기재되어 있다[참조: 미국 특허 제4,970,093호 및 제5,734,305호].
RESS 기술은 무독성 기체 중에 용해되는 않는 많은 화합물로 제한된다. 이러한 문제를 극복하기 위해, 기체 반용매(GAS: gas antisolvent) 기술로 언급되는 재결정 기술이 제안되었다. GAS에서, 재결정화되는 고체 용질을 먼저 적합한 유기 용매 중에 용해시킨다. 이어서, 유기 용매 중에 높은 용해도를 가지며 용질에 대한 친화력이 거의 없는 적합한 기체를, 재결정화가 발생하는 데에 충분한 기체가 용액으로 흡수될 때까지 유기 용매 중에 통과시킨다. 따라서 당해 기체는 반용매로서 작용한다. 용매로의 기체의 흡수는 액체의 팽창과 용질의 침전을 초래한다. 고전적인 배치 또는 연속적인 GAS 재결정화, 및 입자 크기의 조절을 강화하기 위한 대안적인 접근에서, 재결정화는 임계 유체로 충전된 챔버 또는 임계 유체의 연속적인 스트림으로 재결정화되는 용질을 함유하는 용액을 연속적을 분무하는 것으로 이루어진 임계 반용매(SAS: supercritical antisolvent) 재결정화에 의해 수행될 수 있다[참조: Yeo et al. Biotechnology and Bioengineering, 1993, Vol. 41, p. 341]. 기타 대안으로는 용액이 방울로 분해되어 결정 수율을 개선시키는 높은 마찰력[참조: PCT WO 제95/01221호] 또는 고주파 파장[참조: 미국 특허 제5,833,891호]가 효과적이다.
또한, RESS와 GAS 기술은 모두 크기 감소를 이루기 위해 사용되었다[참조: Larson and King, 2 Biotechnol. Progress 73-82(1996) 및 미국 특허 제5,833,891호(1998년 11월 허여)]. 크기를 감소시키기 위한 이러한 기술은 크기 감소에 해롭지 않은 통상적인 밀링(milling)이 효과적이다. 또한, 많은 화합물은 통상적인 밀링 가공에서 극도로 불안정하다. 평균 입자 크기가 1㎛보다 작은 한정된 입자 크기 분포가 임계 분무에 의해 수득된다[참조:; Donsi et al., 65 Acta. Helv. 170-173(1991)].
많은 기체상 유체가 유기 용매에 가용성이다(여기서, "기체상 유체"는 (1) 대기압 및 비교적 알맞은 온도(≤200℃)0에서 기체인 유체 또는 유체의 혼합물, 또는 (2) 임계 유체로서 사용되는 미리 공지된 유체를 의미한다). 이러한 유체는 선택된 용매 중에서 적어도 부분적으로 가용성이며, 액체, 기체 또는 임계 상태로 사용되어 용매 중의 고체 물질의 용해도를 감소시킬 수 있다. 이산화탄소(CO2)는 대부분의 유기 용매에 높은 가용성을 나타낸다. 일찌기 1950년대에, 문헌[참조: Francis A.W., J. Phys. Chem, 58, 1099-1114, 1954)에서는 많은 종류의 유기 용매 중에서의 액체 CO2의 용해도를 기록하고 있다. 문헌들[참조: Gallager et al., Am. Chem. Symp. Series No. 406, 1989; 및 Krukonis et al., 미국 특허 제5,360,478호]에는 모두 유기 용매 중에 용해시켜 유기 용매로부터 CO2 불용성 니트로구아나딘을 결정화시키는 기체상 CO2의 능력의 개발을 기록하고 있다. 문헌[참조: Rouanet et al., 미국 특허 제5,864,92333호]에는 유기 용매로부터 에어로겔 물질을 결정화시키는 유사한 배치 방법을 기록하고 있다.
현재 사용되는 배치식 및 연속식 재결정화, 추출, 분쇄 등은 다수의 단점을 갖는 유기 용매와 결합된 기체상 유체를 사용하여 가공된다. 이중 하나는, 현재 배치식 및 연속식 방법은 유기 용매의 효과적인 동일 반응계 재순환을 제공하지 않는다. 재결정화에 이어서, 용질 고갈된 용매는 용질을 재용해시키거나 추가의 재결정화를 허용하는 동일 반응계에서의 재순환이 되지 않는다. 이러한 방법은 특히 저용해도 약제를 가공하는 경우 지극히 비효율적이다. 예를 들면, 특히 유기 용매 중에서 10mg/㎖의 용해도를 갖는 약제에서, 약제 100g을 가공하기 위해 최소한 10ℓ의 용매가 요구된다. 따라서, 다량의 유기 용매가 소비되며, 환경 비친화적, 고비용적 및 산업적으로 매력적이지 않은 방법이다.
발명의 요약
본 발명은 용매의 손실을 최소화시키는 가공 용기 중에서 압력을 조절함으로써 용매로부터 반용매로 유기 용매와 기체상 유체의 혼합물의 전환을 기본으로 하는 용매의 재순환 방법을 통해, 최소량의 용매를 사용하여 비교적 다량의 용질 물질을 가공하는 방법을 제공한다. 용매로부터 반용매로의 전환은 팽창 동안에 감소되며 수축 동안에 증가되는 용질의 용해도를 사용한 혼합물의 반복적인 팽창 및 수축과 연관된다. 용매는 수축된 용매 중에 이의 용해도가 초과되는 용질 물질을 함유하는 영역으로 수축된다. 압력을 조심스럽게 반복적으로 조절함으로써, 액체 상을 용매 상태(용질의 용해가 우세함)와 반용매 상태(용질 또는 반응 생성물의 결정화 또는 기타 침착이 우세함) 사이를 교대로 발생시켜, 용매에 대한 요구를 최소한으로 줄이면서 다양한 약제 및 화합물에 대해 용해 성분의 추출, 용질의 결정화 및 용질 또는 반응 생성물의 침착을 최대화시킬 수 있는 것으로 밝혀졌다. 어떠한 팽창-수축 사이클 내에서도 용매의 손실을 최소화하면서 용매를 반복적으로 팽창 및 수축시킬 수 있음이 추가로 밝혀졌다. 또한, 용매 팽창이 가공 용기내의 액체의 위치의 변화에 의해 성취되기 때문에, 용질 용해 영역으로부터 결정화 영역을 분리할 수 있음이 밝혀졌다. 추가적으로, 용매 또는 용액이 가용화되지 않은 물질을 보유하는 필터 매질을 통해 팽창시킬 수 있으며, 재결정화 또는 침전된 물질을 보유하는 필터 매질을 통해 수축시킬 수 있음이 밝혀졌다.
또한, 본 발명은 비교적 유기 용매를 거의 사용하지 않고, 통상적으로 충분한 양의 유기 용매를 요구하는 다수의 화학적 공정을 일으키기 위한 방법을 제공한다(이로써, 환경 친화적인 공정을 제공한다). 본 발명은 가공 용기를 충전시키고, 가공 단계를 수행하는 데에 요구되는 용매의 양을 사실상 감소시키는 능력을 제공하며, 유기 용매를 거의 사용하지 않고 다량의 물질의 가공을 허용한다.
용매 팽창-수축의 방법은 추출, 결정화 및 분별 결정화, 피복, 용매 정제, 화학 반응, 함침, 개선된 약제 물질의 벌크 물리적 특성, 제형 개발이 갖는 문제점의 극복, 약제 물질 가공의 촉진 및 세척과 같은 약제학, 화학 및 기타 산업 분야에서 다양한 제품에 사용될 수 있다.
재결정화의 경우, 본 발명은 비교적 소량의 용매를 사용하여 다량의 물질을 가공하고, 다양한 약제 물질의 마이크로입자 및 나노입자를 제조하는 데에 사용될 수 있다. 재결정화에서, 가공되는 고체 물질은 전형적으로 고압 용기중에 용매에 인접하여 또는 용매 중에 놓인다. 수축 상태에서, 용매/기체상 유체 혼합물의 용매 비율은 비교적 높으며, 혼합물은 특정 용질을 안정화시킨다. 기체상 유체의 용질 용액 또는 바람직하게는 현탁액으로의 공급 또는 펌핑은 혼합물 중의 이의 농도의 증가 및 액체 상의 팽창의 원인이 된다. 팽창된 액체는 용해되지 않은 물질을 보유하는 필터 매질을 통과시켜 제조한다. 또한, 기체상 유체의 펌핑은 용기 압력을 증가시키고, 액체 중의 기체상 유체의 용해도를 증가시키는 원인이 된다. 기체상 유체 용해도의 증가는 용질 용해도의 감소의 원인이 되어, 용액이 과포화되게 한다. 용질 결정화는 충분한 과포화가 존재하는 경우에 수행된다. 높은 과포화에서, 다량의 용질이 재결정화된다.
용기 내의 용매 혼합물의 위치의 변화와 결합되어 재결정화가 수행됨에 따라, 결정화된 용질은 필터, 바스켓 또는 이의 수축된 상태에서 용매의 위치와는 별도의 영역에 존재할 수 있다. 결정화에 이어서, 액체 위의 기체 상을 용기 외부로 흐르게 하여 용기의 압력을 감소시킴으로써 액체의 수축을 수행한다. 이는 액체 중의 기체상 유체가 증발되고 액체가 수축되는 원인이 된다. 이는 낮은 기체상 유체 농도를 가지며 낮은 용질 농도를 갖는 신선하고 정제된 용매는 용질 물질과 다시 접촉한다. 용질 용해는 용기 중에 존재하는 용질, 예를 들면, 용기 바닥 또는 현탁액 중의 과량의 용질, 또는 각각의 수축에 이어서 용기 중의 용액에 첨가된 용질을 더욱 용해시키기 위해 다시 수행된다. 당해 조작은 모든 이용가능한 용질 또는 이의 상당 부분을 용해하거나, 필터 상의 재결정화된 용질을 침착시키기 위해 필요한 만큼 수회 반복된다. 일반적으로, 당해 방법은 적어도 용질의 상당 부분이 재결정화될 때까지 반복된다. 여기서, "상당 부분"은 일반적으로 용해된 용질의 약 50% 이상, 바람직하게는 약 80% 이상, 더욱 바람직하게는 99% 이상을 의미한다. 필요한 경우, 압력 감소 동안에 용매의 손실을 만회하기 위해 약간의 용질을 첨가할 수 있다. 이러한 재결정화 방법은 특히 비교적 소량의 약제를 가공하기 위해 다량의 용매가 요구되는 저용해도 약제를 가공하는 데에 효과적이다. 용매 팽창 속도 및 팽창 정도는 입자 크기와 같은 결정화 물질의 특성을 조절하는 데에 사용될 수 있다. 가공의 마지막에서, 수축된 상태의 용매는 용질을 거의 함유하지 않으며, 소비된 용매는 용매 및 용매 처리 비용을 절감하기 위해 동일한 용질을 가공하는 데에 재사용될 수 있다.
유기 용매 또는 임계 유체와 연관된 통상적인 가공보다 나은 본 발명의 주된 장점은 (1) 비교적 다량의 물질을 가공하기 위해 소량의 용매를 사용할 수 있다는 점(동일한 용매를 용질 물질의 가공에서 동일 반응계에서 반복적으로(20회 이상 가능) 사용할 수 있다); (2) 본 방법의 단순성 및 유연성이 약제학 및 화학 산업의 신규한 제품에 대해 개방되어 있다는 점; (3) 고체 또는 유기 용액 조작이 당해 방법 전체에 걸쳐 최소화되었다는 점; (4) 당해 방법이 용매의 재사용 가능성 및 유출된 기체상 유체 및 용매의 재순환을 제공한다는 점; 및 (5) 당해 방법이 전형적으로 상응하는 임계 유체 방법보다 비교적 낮은 압력(일반적으로 35℃에서 ≤90bar)을 사용한다는 점(따라서, 상응하는 방법과 비교한 경우 자본 및 조작 비용이 절감된다)이다.
도 1은 본 발명의 양태를 수행하기 위해 사용되는 장치를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 양태를 수행하기 위해 사용되는 장치를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 양태를 수행하기 위해 사용되는 장치를 도시한 것이다.
도 4는 35℃에서 CO2를 사용한 에탄올 5㎖의 팽창 및 수축에서 압력의 영향을 나타낸 것이다.
도 5는 35℃에서 CO2를 사용한 DMSO 5㎖의 팽창 및 수축에서 압력의 영향을 나타낸 것이다.
도 6은 수축 기간 동안에 35℃에서 CO2를 사용한 에탄올 5㎖ 및 DMSO 5㎖의 상대적인 팽창을 나타낸 것이다.
도 7은 수축 기간 동안에 35℃에서 CO2를 사용한에탄올 10㎖ 및 DMSO `0㎖의 상대적인 팽창을 나타낸 것이다.
도 8은 35℃에서 CO2를 사용하여 반복적으로 팽창 및 수축시킨 DMSO 15㎖의 용적, 팽창 수준 및 압력을 나타낸 것이다.
도 9는 35℃에서 CO2를 사용하여 반복적으로 팽창 및 수축시킨 에탄올 15㎖의 용적, 팽창 수준 및 압력을 나타낸 것이다.
도 10은 에탄올 약제 용액의 팽창 및 수축을 반복시킴으로써 아세트아미노펜으로 피복된 스테인레스 스틸 비드(bead)의 사진이다.
유기 용매 중의 기체상 유체의 용해도는 일반적으로 압력을 상승시킴으로써 증가된다. 유기 용매 중의 기체상 유체의 용해는 전형적으로 액체 혼합물의 용적을 증가시킴으로써 성취된다. 이러한 원리의 적용 면에서, 용매/기체상 유체 액체 상이 용매 활성을 나타내는 혼합물을 반용매 활성을 나타내는 혼합물 또는 그 반대로 반복적으로 전환시킬 수 있음이 밝혀졌다. 유체를 용기로 펌핑시킴에 의한 압력의 증가는 용매를 팽창시킨다. 반대로, 대부분 기체상 유체로 이루어진 기체 상의 용기 외부로의 배출에 의한 압력의 감소는 용매를 수축시킨다.
바람직하게는, 용매가 매우 높은 수준으로 팽창되는 압력의 조건에서 조작하는 경우, 본 발명의 팽창된 용매/기체상 유체 액체 상의 압력 조절은 액체 상이 용기의 용적을 완전하게 채우지 않고, 가공 전체적으로 액체 혼합물과 기체 상의 접촉을 유지시키기 위해 수행된다. CO2가 기체상 유체로서 사용되는 경우, CO2가 유기 용매 중에 완전히 용해되는 압력에서도, 용적은 용질 결정화가 어떠한 목적하는 기간에 수행되도록 작은 범위 내에서 압력을 조절함으로써 조절될 수 있다.
본 발명의 충분한 조작이 수행되기 위해, 추출시키고, 결정화시키고, 침착되는 용질 물질은 용매 중에서보다 기체상 유체 중에서 더욱 낮은 용해도를 가져야만 하며, 당해 공정에서 사용되는 용매에 대해 충분한 용해도를 나타내어야 한다. 바람직하게는, 압력 감소는 가체 상을 용기 외부의 액체 상으로 배출시켜 수행되며, 기체 상 속의 용매의 용해도가 비교적 낮기 때문에 용매의 손실이 거의 없다. 일반적으로, 압력은 상당량의 기체상 유체가 액체 상으로부터 배출되는 수준, 예를 들면, 기체상 유체의 약 50% 이상, 바람직하게는 약 80% 이상, 더욱 바람직하게는 약 99% 이상이 배출되는 수준으로 감소된다. 용매가 거의 함유되지 않은 기체상의 제거는 용기 압력 및 액체 상 속의 기체상 유체의 농도를 감소시키고 액체를 수축시킨다. 액체 상은 기체상 유체와 혼합하기 전의 원래의 용적에 가까운 수준으로 반복적으로 수축시킬 수 있다.
본 발명에서 사용되는 바람직한 기체상 유체는 산화질소, 트리플루오로메탄, 에탄, 에틸렌, 프로판, 설푸르 헥사플루오라이드, 프로필렌, 부탄, 이소부탄, 펜탄 및 이들의 혼합물을 포함한다. 그러나, 당해 분야의 전문가들에 의해 인지된 바와 같이, 유기 용매 중에 비교적 높은 용해도를 갖는 모든 기타 기체상 유체가 사용될 수도 있다. 독성 및 반응성이 낮기 때문에, 특히 바람직한 기체상 유체는 CO2이다.
본 발명에서 사용되는 용매는 유기 및 무기 용매 모두를 포함한다. 바람직하게는 유기 용매가 사용된다. 본 발명에서 사용될 수 있는 유기 용매는 에탄올, 메탄올, 아세톤, 프로판올, 이소프로판올, 디클로로메탄, 에틸 아세테이트, 디메틸 설폭사이드(DMSO), 헥산 및 이들의 혼합물을 포함하지만, 이로써 제한되지는 않는다. 또한, 기체상 유체가 물/용매 혼합물 중에 가용성인 경우, 물이 용매/기체 혼합물 중에 존재할 수도 있다. 예를 들면, CO2가 기체상 유체로서 사용되는 경우, 60% 에탄올/물 혼합물 중의 CO2 용해도가 50%일 수 있기 때문에 물이 에탄올 중에 존재할 수 있다.
본 발명의 하나의 적용은 화학 반응(들)과 연관된 공정이다. 이러한 경우, 본 발명의 방법에서 사용되는 모든 반응 혼합물의 조성물은, 물론, 연관된 특정 용질, 용매 및 반응물(또는 생성물/중간체)에 의존한다.
당해 분야의 전문가들에 의해 이해된 바와 같이, 본 발명의 방법은 연관된 화학적 종 및 수행되는 방법의 특성에 따라 상이한 적합한 온도 및 압력에서 수행된다. 대부분의 유기 용매 중에서 CO2의 경우, 0 내지 50℃의 온도 및 20 내지 100bar의 압력 범위가 적합하다.
다수의 유기 용매가 대기압 하에서 기체상 유체와 혼합하기 전의 원래의 용적의 수 배(30배 이하)로 반복적으로 팽창되고, 원래의 용적으로 반복적으로 수축시킬 수 있음이 밝혀졌다. 팽창 속도와 팽창 수준은 각각 기체상 유체를 사용한 압축 속도 및 팽창된 상태의 압력 조정에 의해 조절된다. 결정화된 용질은 필터, 바스켓 또는 기타 포획 장치에 보유될 수 있다. 입자가 액체 혼합물 중에서 결정화되기 때문에, 형성된 입자를 포획하는 집진기는 일반적으로 필요치 않다. 필요한 경우, 분리된 모든 결정 물질을 건조시키기 위해 반용매가 사용될 수 있다.
용매/기체상 유체 액체 상은 용질 용해도가 팽창된 액체에서 보다 사실상 높은 수준으로 다시 수축된다. 수축된 액체는 팽창된 액체보다 실질적으로 적은 반용매를 함유한다. 용매의 수축은 결정화 용기 외부로 액체 용기 위의 기체상을 배출시킴으로써 성취된다. 또한, 용매 팽창 및 수축은 팽창 상 동안에 기체 상을 액체로 압축시키고, 수축 상 동안에 액체 상의 압력 및 기체상 유체 함량을 감소시키는 가공 용기 내에서 운동 피스톤의 사용을 통해 사실상 기체상 유체 또는 용매의 손실없이 수행하는 것이 가능하다.
전형적으로, 유출 기체는 비교적 소량의 용매를 함유해야 하며, 특히 저압 및 저온에서 조작되는 경우에 사실상 용매를 함유하지 않아야 한다(예를 들면, CO2/에탄올 대기로부터의 유출물 중의 에탄올 농도는 35℃ 및 약 70bar의 압력에서 3% 미만이어야 하며, DMSO와 같은 저휘발성 용매의 낮은 농도가 예측된다). 하나의 바람직한 양태에서, 팽창은 사실상 모든 용해 물질이 재결정화될 때까지 수행되며, 수축은 팽창 전의 결정화 용기에서의 본래의 용질/용매 수준과 같은 지점까지 수행된다. 팽창-수축 방법은 대부분 또는 모든 용질이 사용되고, 사용된 보유 시스템중에 회수될 때까지 반복하는 것이 바람직하다. 바람직하게는 3배 이상, 더욱 바람직하게는 5배 이상, 가장 바람직하게는 10배 이상으로 팽창-수축 방법을 반복한다. 유출 유기 용매를 냉 트랩 중에서 고효율로 회수한 다음, 당해 공정으로 재순환시킬 수 있으며, 유출 기체와 별도로 또는 함께 재순환시킬 수 있다.
팽창의 수준은 주어진 압력에서 압력을 증가시키고 온도를 감소시켜 증가시킨다. 60bar 이하의 압력 및 35℃ 이상의 온도에서 CO2의 경우, 압력은 비교적 높지 않으며(일반적으로 300% 미만), 용적은 압력을 조절할 필요없이 주어진 압력에서 비교적 일정하게 유지된다. 예를 들면 압력이 60 내지 90bar 이상인 경우, 압력의 소폭 증가는 액체 용적의 급격한 증가를 초래할 수 있으며, 다량의 기체상 유체가 액체 중에 용해됨을 나타낸다.
대부분의 유기 용매에 대해 비팽창 상태에서 35℃에서의 CO2에 대한 바람직한 조작 범위는 약 0 내지 약 60bar인 반면, 팽창된 상태에서는 사실상 완전한 결정화를 위해 약 50 내지 약 90bar, 더욱 바람직하게는 약 70 내지 약 90bar이다. 물론, 팽창을 조절할 수 있는 용액의 경우에 압력 범위는 용매의 온도 및 특성에 따라 변화시킬 수 있다. 이러한 범위 내의 특정 지점에서, 팽창 속도는 높아지며 액체는 용기의 용량에 도달할 수 있다. 용기의 상부에 액체 수준이 도달하면, 용기 내의 압력 감소는 용기로부터의 용매의 제거를 필요로 할 수 있다. 소량의 CO2 배출 및 펌핑을 통한 좁은 범위 내에서의 압력의 단순한 미세 조정 또는 변화는 전형적으로 용기의 상부 아래의 위치에서 액체의 수준을 거의 일정하게 유지시키기에 충분하다. 이는 목적하는 기간 동안 결정화를 수행하도록 하는 수단을 제공한다. 이러한 압력 범위에서 많은 용매 중의 CO2의 용해도의 급격한 변화로 인해, ±1 bar 내의 미세 조정이 일정한 용적을 유지시키는 데에 충분하게 된다. 광범위한 범위의 압력 조정이 가능하며, 예를 들면, 액체 수준이 비교적 넓은 범위로 변화되는 경우 60 내지 100bar의 팽창 압력이 가능하다. 기체상 유체 농도 및 팽창 수준은 광범위한 범위로 조절될 수 있다. 대략 3%의 용매 및 97%의 기체상 유체를 함유하는 팽창 액체를 초래하는 팽창 전 유기 용매의 원래 용적의 35배 이하의 팽창 수준이 수득될 수 있다. 용매가 기체상 유체를 거의 함유하지 않는 경우, CO2와 혼합하기 전의 원래의 용매 용적으로의 수축이 가능하다. 따라서, 용매는 CO2를 거의 함유하지 않는 용매로부터 유기 용매를 거의 함유하지 않는 용매, 즉 용매로부터 반용매로 연속적으로 전환시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 방법은 조절된 크기 및 형태를 갖는 결정상 물질을 생성하는 데에 사용될 수도 있다. 과포화를 신속하게 증가시키는 능력은 더 작은 마이크로입자 및 나노입자의 약제 물질을 제조하는 데에 사용될 수 있으며, 저용해도 약제의 생물유용성을 개선시킬 수 있는 입자는 흡입용으로 적합한 약제 분말로서 유용하게 사용될 수 있다. 본 발명의 방법은 추가로 단백질과 같이 분쇄하기 곤란한 약물을 가공하는 데에 유용하다.
일련의 몇몇 팽창 용기 또는 필터 매질에 의해 분리된 몇몇 영역이 포함된 팽창 용기 모두에서 사용될 수 있는 효과적인 재결정화 방법은 크기 또는 기타 결정상 특성에 따르는 결정상 물질을 분획화시키는 데에 사용된다. 이러한 경우, 팽창 동안에, 팽창 용기 중의 액체 수준이 비교적 낮은 경우에 제1 결정을 나타내기 시작한다(이 영역에서, 약제 농도가 비교적 높아짐에 따라, 핵형성 뿐만 아니라 성장 속도가 증가될 수 있다). 용액을 추가로 팽창시킴에 따라, 용액 중의 기체상 유체 농도는 증가하지만, 용질 농도는 감소한다. 이는 결정 크기, 형태, 불순물 프로파일 및 기타 특성에 영향을 줄 수 있는 핵형성 및 성장 속도의 변화를 초래할 수 있다. 용액 팽창에 따르는 결정화 조건의 역동적인 변화는 관심있는 특정 특성에 따르는 결정의 분획화를 촉진시킬 수 있다.
결정화에 더불어, 기재된 방법은 최소량의 용매를 사용하여 조성물로부터 물질을 추출하는 효과적인 추출법을 제공한다. 당해 방법은 동물 및 식물 공급원으로부터의 천연 생성물을 포함하는 매우 극성이거나 고분자량의 물질을 추출하는 데에 특히 유용한 것으로 밝혀졌다. 추출 방법에서, 추출되는 물질은 그대로 추출되거나, 유기 용매 중에서 추출된다. 추출 후, 용매는 물질을 침전 또는 결정화시키기 위해 팽창된다. 결정화된 물질은 바스켓 또는 기타 포획 수단에 의해 필터 물질 상에서 포획된다. 포획기는 추출되는 물질로부터 멀리 위치시키는 것이 바람직하다. 이어서, 용매 혼합물을 기질 물질 수준으로 수축시켜 추출용 신선한 용매를 수득한다. 조작은 조성물 중의 추출가능한 물질의 대부분이 격감할 때까지, 예를 들면, 상기 물질이 조성물 중에 사실상 없어질 때까지 반복한다. 본원에서, "사실상 없음"은 조성물이 약 50% 미만, 바람직하게는 약 10% 미만, 가장 바람직하게는 약 1% 미만의 물질을 함유함을 의미한다. 이러한 추출 방법은 예를 들면, 약제 물질의 정제를 위해 효과적으로 사용될 수 있다. 불순물 또는 약제가 유기 용매 및 CO2 중에 용해되는 경우, 용액을 유지시키면서 약제 또는 불순물을 각각 순수한 형태로 재결정화시킬 수 있다.
유기 용매 또는 유기 용매와 기체상 유체의 혼합물의 사용을 포함하는 통상적인 추출 방법보다 나은 본 발명의 추출 방법의 장점은 (1) 유기 용매 및 기체의 최소량의 소비, 비교적 낮은 조작 온도 및 압력이 당해 방법의 환경 친화력을 강화시키며, 조작 및 자본을 감소시킨다는 점, (2) 용매력 및 선택성이 수축된 용매의 기체량을 조절함으로써 용이하게 조정될 수 있다는 점, (3) 당해 공정에서 전형적으로 사용되는 압력이 개질제를 사용한 통상적인 임계 유체 추출법보다 낮다는 점, (4) 용매가 추출에 재사용될 수 있다는 점, 및 (5) 전형적으로, 추출물이 거의 또는 전혀 손실되지 않는다는 점(유출물은 조작이 비교적 낮은 온도 및 압력에서 수행되기 때문에 사실상 용질을 함유하지 않는다 -- 용질이 임계 CO2/개질제 중에 용해되기 때문에 임계 유체 추출에서 용질의 손실이 발생하며, 낮은 압력에서 팽창시킨 다음에 추출물을 포획할 필요가 있다)을 포함한다.
또한, 본 발명의 방법은 정제, 산제, 금속 물질, 플라스틱 물질, 식품 또는 기타 물질과 같은 기질을 피복시키는 데에 사용될 수도 있다. 이러한 양태에서, 물질을 피복 물질을 함유하는 팽창된 용액과 접촉시킨다. 선택된 기체상 유체에 불용성인 경우, 피복 물질 침전물 또는 결정을 기질의 표면과 접촉시킨다. 팽창-수축 방법은 목적하는 양의 피복제가 기질 위에 침착될 때까지 반복한다. 임의로, 피복물을 팽창 및 수축 단계 사이에서 사용되는 기체를 사용하여 건조시킬 수 있다. 정제 및 산제는 건조 동안에 기체를 사용하여 유체 상태를 유지시켜, 정제 및 입자의 밀집을 예방할 수 있다.
본 발명의 기타 용도는 다공성 물질의 함침 및 세척을 포함한다. 함침에서, 물질은 매트릭스의 공극내에 축적되며, 팽창-수축 방법은 매트릭스가 물질로 적절하게 함침될 때까지 반복된다. 물론, 적당한 함침은 함침의 목적 및 의도, 및 함침되는 매트릭스 및 물질의 형태에 따른다. 당해 분야의 전문가는 상황에 따라 어떤 것이 적합한 지를 용이하게 결정할 수 있다. 그러나, 일반적으로 적합한 함침률은 약 50%이다. 함침은 다공성 캐리어내에 저용해도 약제의 작은 입자를 혼입시키기 위한 수단을 제공한다. 반면, 세척은 외부 표면, 내부 표면 또는 틈새로부터 소량의 오염물을 제거하는 것과 관련된다.
본 발명은 오염된 물질을 목적하는 생성물로부터 제거하기 위한 방법을 제공한다. 오염된 물질은 약제 물질 분말, 캡슐, 유리 용기, 의류, 전자 부품 또는 심지어 위험물 폐기 드럼에서도 발견될 수 있다. 오염된 물질은 추진기 또는 기타 혼합 수단을 사용하여 교반을 유지시킬 수 있다. 이러한 세척 방법을 수행하기 위해, 제거되어야 할 오염물은 팽창된 용매 중에 용해시키는 것이 바람직하다. 당해 방법은 팽창된 용매를 사용하여 오염물(저농도)을 추출함을 의미한다. 이어서, 오염물을 수축 상 동안에 용매와 함께 제거한다. 수축은 오염된 물질로부터 액체 상을 제거하기 위해 수행되며, 기본적으로 건조된 기체 상과 접촉시켜 오염 물질을 방출한다. 하나 이상의 팽창-수축 사이클을 필요로 하지만, 팽창-수축 사이클은 오염된 물질로부터 오염물이 적합하게 제거될 때까지 반복할 수 있다. 물론, 적합한 제거는 오염물, 이의 용도 및 형태에 따라 고려된다. 당해 분야의 전문가는 상황에 따라 어떤 것이 적합한 지를 용이하게 결정할 수 있다. 그러나, 일반적으로 적합한 제거는 상황에 따라 오염물의 약 90% 이상, 바람직하게는 약 95% 이상, 더욱 바람직하게는 약 99% 이상이 제거됨을 의미한다. 오염물 농도가 일반적으로 낮아지기 때문에 용매를 재사용할 수 있다. 병, 캔 및 드럼과 같은 컨테이너는 팽창 용액이 들어가도록 이의 입구 끝부분과 접촉시켜 이들을 팽창 용기로 주입함으로써 세척시킬 수 있다. 밀봉되거나 밀폐된 컨테이너는 용매가 자유롭게 투과하여 저장기 밖으로 배출되는 몇몇 위치를 관통시킴으로써 세척할 수 있다. 이러한 방법은 공극 및 틈새와 같은 물질의 도달하기 어려운 영역을 세척하는 데에 특히 효과적이다.
의류의 경우에서, 당해 방법은 소량의 용매를 사용하여 다량의 의류를 세척하는 장점을 제공한다. 이어서, 용매를 일단의 의류(사람과의 접촉을 최소화시킨)를 처리하기 위해 재순환시킬 수 있다. 용매 및 반용매의 손실을 감소시키기 위해, 세척한 다음, 의류의 낮은 수준 아래로 약간 수축시킬 수 있다. 의류는 용매를 수용하는 용기와는 별도의 용기 또는 장치 중에 수용하는 것이 바람직하다. 세척은 수행되는 팽창 용기내에서 최종적인 건조 및 압력 감소 이전에 목적하는 정도로 반복시킬 수 있다. 용매의 반복된 팽창 및 수축은 높은 질량 전이 속도를 초래하는 용액과 더러워지거나 오염된 물질 사이의 계면의 회복을 허용한다. 또한, 계면활성제가 추출 속도를 강화시키기 위해 사용될 수 있다.
또한, 본 발명은 화학 반응 시스템에 적용시킬 수 있음이 밝혀졌다. 반응물이 용매/기체상 유체 혼합물 중에 용해되지만, 반응물 사이의 반응 생성물(들)은 용해되지 않는 반응에 특히 유용하다. 반응물 및 반응 생성물과 비반응성인 기체상 유체를 사용하는 것이 바람직하지만, 의무적인 것은 아니다. 또한, 이러한 방법은 부산물의 형성을 최소화시키는 데에 사용될 수 있다. 이러한 방법에서, 용매는 반응물을 용해시키는 데에 사용된다. 균일한 반응 시스템에서, 용액을 팽창시켜 필터, 바스켓 또는 분리 용기 상에서 생성물을 침전시킨다. 촉매적 반응의 경우, 반응 혼합물을 촉매 베드와 접촉시켜 반응을 개시하고, 생성 혼합물을 팽창시켜 보유 장치상에서 생성물을 침전시킨다. 이어서, 용매 혼합물을 다시 수축시켜 반응물을 용해시키고/용해시키거나 촉매 베드와 접촉시키고, 완료될 때까지 조작을 반복한다. 또한, 본 발명은 알킬화와 같은 촉매 반응의 속도를 개선시키는 데에 사용될 수 있다. 이러한 경우, 반응은 팽창된 용매/기체상 유체 매질 중에서 수행된다. 이어서, 유체 혼합물을 팽창 및 수축시키기 위해 압력 조정이 사용된다. 수축에 의해 촉매내의 반응 생성물 또는 바람직하지 않은 부산물 또는 촉매 코킹 또는 막힌 물질이 촉매를 이탈하게 된다. 팽창은 촉매 공극에서 반응물(들)이 활성 촉매 부분을 투과시켜 반응 속도를 증가시킨다.
도 1에 설명한 바와 같이, 단일 용기가 추출 및 결정화 등의 방법을 수행하는 데에 사용될 수 있다. 이 경우, 용액, 또는 바람직하게는 용질 기질과 유기 용액의 현탁액은 용질 용해 챔버 속에 존재한다. 이들은 추진기 또는 기타 혼합 형태를 사용하여 혼합시켜 용질 용해 속도를 증가시키는 것이 바람직하다. 당해 용액을 기체상 유체, 바람직하게는 CO2를 사용하여 팽창시킨다. 용액을 필터 매질을 통해 용기의 팽창/결정화 구획, 즉 팽창/결정화 챔버로 팽창시킨다. 특정 수준에 도달할 때, 용기의 용해 구획 뿐만 아니라 결정화 구획 내에서 실질적인 결정화를 개시한다. 재결정화된 용질을 필터 상에 보유시킨다. 이어서, 용질이 필터를 통해 용질 용해 챔버를 통과할 때까지 감압 밸브를 열어 수축을 수행한다. 팽창-수축 단계의 마지막에서, 잔여 용매를 용기의 밖으로 배출하고, 기체상 유체를 재결정화 물질을 건조시키기 위해 사용할 수 있다.
용기의 용질 용해 구획 내에서의 용매 팽창의 개시뿐만 아니라 팽창 속도 면에서, 팽창되는 용매의 범위 및 결정화 구획의 크기는 결정화가 결정화 구획 내에서 대부분 발생하도록 최적화시켜야 한다. 용질이 이의 가용성 한계에 근접하게 수축된 유체 내에서 용해되는 경우, 액체는 사실상 액체가 충전되는 용질 용해가 발생하는 챔버의 수준으로 수축되는 것이 바람직하다. 이는 당해 공정의 팽창 상 동안에 용해 챔버 내에서 다량으로 결정화가 발생하는 것을 예방한다. 용질이 이의 포화점 아래로 수축된 용매 중에 용해되는 경우, 결정화를 수행하기 전에 실질적인 팽창양에 도달할 수 있다. 용매와 기체상 유체 혼합물의 낮은 점도로 인해, 필터 매질을 통한 고속의 용매 팽창이 가능하다. 이는 가공 용기의 결정화 구획에서 대부분의 결정화를 수행할 수 있다. 기체상 유체 및/또는 불활성 기체는 팽창 단계를 개시하기 전에 목적하는 압력 이하로 용기의 상부를 통해 신속하게 공급될 수 있다. 이는 팽창을 비교적 고압으로 개시하며, 용액을 용기의 결정화 구획으로 신속하게 팽창시키는 원인이 된다. 대안적으로, 가능한 경우, 수축 단계 말기의 압력을 압력의 작은 증가를 사용하여 액체의 급격한 상승을 발생시키는 압력에 근접시키는 것이 바람직하다. 이는 결정화 구획으로의 신속한 팽창을 허용하며, 결정화 구획내에서 다량의 용질 물질을 결정화시킬 수 있다.
수축 속도는 용매의 손실의 원인이 되며 재결정화 물질의 재용해을 일으킬 수 있는 기체 상내의 액체 방울의 반출을 피하도록 충분히 느려야 한다. 필터 매질은 결정화 구획으로부터 용해 구획으로의 액체의 신속한 흐름을 허용하는 것이 바람직하다. 표면 장력의 원인이 되는 필터 상의 액체 물질의 생성을 방지하기 위해, 액체 수준이 필터 매질에 도달하는 경우 수축 단계는 늦춰져야 한다. 필터 표면의 기체상 유체는 잔여 용매를 증발시키거나 필터를 통해 액체를 배출하는 데에 사용될 수 있다. 용해 용기 중의 과량의 용질은 용매와 직접 접촉하는 고체 미립자 물질로서, 또는 다공성 또는 미세다공성 백(bag) 중에 고체 물질로서 존재할 수 있다. 대안적으로, 수축 용매를 거의 포화시키기에 충분한 용질 물질은 각각 팽창-수축 상에 따라 용해 구획으로 공급할 수 있다.
다양한 형태가 고려될 수 있다. 예를 들면, 도 2에 설명한 바와 같이, 용질 용해 구획은 그 자체가 분리 용기일 수 있다. 팽창시, 결정화 용기는 분리 밸브를 사용하여 용질 용해 용기로부터 분리될 수 있다. 이어서, 용질 용해 용기 압력을 감압 밸브를 열어 감압시킬 수 있다. 용질 용해 용기 중의 용액을 팽창시킴으로써 다음 사이클을 개시할 수 있다. 대안적으로, 분리 밸브는 결정화 용기 중의 용매/기체상 유체 혼합물을 용질 용해 용기로 다시 흐르게 한 다음, 용질 용해 용기로부터 결정화 용기로 팽창시키기 위해 개방할 수 있다. 이러한 대안적인 방법은 재결정화된 용질 물질을 용해되지 않는 비교적 높은 기체상 유체 함량 용액과 항상 접촉시키는 장점을 갖는다. 표면 장력으로 인해, 액체가 축적되고 재결정화된 입자를 재용해시킬 수 있는 경우, 수축 단계의 마지막에서 재결정화된 입자, 특히 필터의 표면 상에서 입자를 건조시키기 위해 반용매를 사용할 수 있다. 반용매 또는 불활성 기체는 입자 수집 필터 및 가용화되지 않은 입자용 필터를 통해 수축된 액체를 가압하여 액체를 여과시키는 것을 보조하기 위해 사용될 수 있다.
사용될 수 있는 기타 대안적인 방법은 용해 용기로 팽창된 액체를 재순환시키는 한편, 재결정화된 입자를 필터 챔버 내의 필터 상에서 포획하기 위한 펌프의 사용을 포함한다(도 3). 이 경우, 용질 물질은 다공성 컨테이너 중에 유지되거나, 용해-팽창-결정화 용기 중으로 정기적으로 충전된 다음 각각 팽창-수축 순환된다. 먼저, 팽창은 반용매를 용해-팽창-결정화 용기로 공급함으로써 수행된다. 재결정화된 입자는 펌프를 사용하여 시스템 전체로 팽창된 액체를 재순환시켜 필터 챔버로 직접 공급된다. 재순환은 대부분의 재결정화 입자가 필터 챔버에서 수집될 때까지 계속된다. 이어서, 필터 챔버를 밸브를 닫아 필터 챔버의 업스트림과 다운스트림을 직접 분리하고, 용해 및 결정화 용기 중의 액체를 수축시켜, 용질을 수축된 액체 중에 용해시킨다. 이어서, 당해 방법을 모든 용질 물질이 재결정화될 때까지 반복한다.
용기는 수평으로, 기울이거나 또는 기타 위치로 세팅시킬 수 있다. 결정화된 물질은 수축된 상태의 용매와는 별도의 영역에서 수집되는 것이 바람직하다. 또한, 반용매를 공급하거나, 용매와 접촉시키는 것이 바람직하다. 고체 몰질이 용매와 직접 접촉하지 않는 경우, 용매를 용매와 동일한 용기 또는 분리된 용기 중에서 고체 물질과 접촉할 때까지 팽창시켜 용질 용해를 수행할 수 있다.
실시예 1
용매 팽창-수축 방법에서 용매 수준의 조절 능력
본 발명은 CO2의 방출 또는 주입을 통해 압력을 증가 또는 감소시킴으로써 셀의 관점에서 용매의 용적의 조절을 허용하는 것으로 알려져 있다. 어떠한 온도에서도 용매의 수준은 용기의 상부 아래의 모든 위치 또는 압력의 작은 변화를 사용하여 목적하는 범위에서 유지시킬 수 있음이 밝혀졌다. 이는 증가된 압력을 사용하여 팽창이 갑자기 증가하는 조건에서 조작되는 경우에도 성취되었다. 또한, 용매의 주된 감소가 발생하기 전에 용매를 수회 팽창 및 수축시킬 수 있음이 관찰되었다. 특정 단일 팽창-수축 사이클내에서의 용매 손실은 비교적 작은 것으로 보이며, DMSO와 같은 저휘발성 용매의 사용 또는 낮은 온도에서 조작함으로써 최소화시킬 수 있다. 또한, 증기상을 통한 용매 손실은 재순환시킬 수 있으며, 이로써 다수의 팽창-수축 사이클이 허용된다.
실시예 2
용매 팽창-수축 기술
용매 팽창 및 수축 실험은 사파이어 윈도우의 길이를 따라 장착된 80㎖ 들이 고압 관측 셀을 사용하여 수행하였다. 주입 밸브는 CO2 공급 구획으로부터 관측 셀을 분리시키고/시키거나 관측 셀로 CO2를 허용하는 데에 사용하였다. 배출 밸브는 관측 셀내의 증기 상을 함유시키고/시키거나 관측 셀에서 배출되는 데 사용하였다.
관측 셀 내의 위치와 연관된 용적은 관측 셀의 외부에 밴드 테입 상에 기록하였다. 에탄올 또는 DMSO를 먼저 용기에 부었다. 이어서, 용기를 오븐에 넣었다. 열 평형화 후, 일단의 CO2를 용기의 바닥 및 용매를 통해 흐르게 하였다. 배출 밸브를 off 위치로 유지시킨다. 이어서, 액체의 용적을 기록하였다. 수준이 안정화된 후, 추가의 CO2를 관측 셀로 주입하고, 새로운 압력에서 새로운 수준을 측정하였다. 액체 수준은 몇분 내에 안정화되었다. 관측 셀밖으로의 증기량의 증가를 허용함으로써 발생되는 수축은 유체 수준이 관측 셀 윈도우의 상위 수준에 근접하는 경우에 개시되었다. 액체 용적은 각각 압력의 증가된 감소량에 따라 기록되었다. 액체 용적의 안정화는 몇분 후에 나타난다.
도 4 및 도 5는 35℃에서 압력을 사용한 에탄올 및 DMSO 각각 5㎖의 용적의 변화를 설명한다. 압력의 증가 동안에 용매 팽창(하위 곡선)뿐만 아니라, 압력의 감소 동안에 용매의 수축(상위 곡선)이 나타난다. 상대적인 팽창은 팽창된 용적과 초기 용적의 차이를 초기 용적으로 나누고 100을 곱한 값으로 정의된다.
특히 DMSO를 사용하는 경우 팽창 동안에 액체를 안정화시키는 데에 더욱 긴 시간이 요구된다. DMSO는 대부분의 유기 용매보다 비교적 높은 점도(2.0cp)를 가지며, 이에 따라 용매로의 CO2 질량 이동 비율이 낮다. 평형상태 팽창 수준은 평형화를 추가의 시간 동안에 수행하거나, 일정한 압력에서 용매 중의 어떠한 변화도 관찰되지 않을 때까지 용매를 통해 CO2를 연속적으로 흐르게 함으로써 수득되었다. 후자는 증기 상으로의 용매 손실을 유도할 수 있다. 액체의 혼합은 액체 상으로의 CO2의 질량 이동 비율을 개선시키는 데에 사용될 수 있다. 혼합의 부재 하에, 평형화 팽창 수준은 팽창된 상태로부터 출발시키고, 서서히 압력을 감소시킴으로써 더욱 신속하게 도달할 수 있다.
높은 용적은 액체가 과포화 상태로 출발하기 때문에 수축 상 동안에 기록되며, 압력을 감소시켜 포화 상태를 진행시킨다. 따라서, 모든 압력에서의 용적은 평형화 수준 밑으로 떨어지지 않는다. 안정된 용적은 액체-증기 계면 밖으로 어떠한 CO2 기포도 관찰되지 않는 경우에 도달하였다. 따라서, 수축 곡선은 평형화 곡선과 밀접한 것으로 고려될 수 있다. 도 6 및 도 7은 용매를 각각 5㎖ 및 10㎖ 사용하는 경우에 대한 에탄올 및 DMSO의 수축 곡선을 조합한 것이다. 예측된 바와 같이, 이들 곡선은 유사하다(CO2는 각각의 유기 용매 중에서 유사한 용해도를 나타낸다).
도 8은 DMSO 팽창-수축 사이클 10회 전체의 용적, 용적 팽창 및 압력의 변화를 나타낸다. 용적의 증가 및 팽창은 압력 증가 단계 동안에 발생하였다. 용적 감소 및 수축은 압력 감소 단계 동안에 발생하였다. 도 8은 DMSO가 반복적으로 비교적 높은 용적으로 팽창되며, 35℃에서 CO2를 사용하여 본래의 용적 15㎖에 가깝게 다시 수축될 수 있음을 나타낸다. 수축(하위의 다이어몬드 표시) 후의 DMSO의 용적은 10회의 팽창-수축 사이클 전체적으로 거의 일정하다. 따라서, DMSO는 용매의 손실이 거의 없이 용매로부터 반용매로 반복적으로 변화될 수 있으며, 용매를 재순환시키고, 용매의 소비를 감소시키는 본 발명의 유용성을 입증하였다. 각 단계 및 사이클 기간은 거의 일정하거나 다양할 수 있다. 용매 중의 용질의 존재는 일반적으로 팽창-수축 프로파일에 거의 영향을 주지 않으며, 현저하게 증가된 용매의 손실은 예측되지 않는다.
도 9는 에탄올이 반복적으로 비교적 높은 용적으로 팽창되며, 35℃에서 CO2를 사용하여 본래의 용적 15㎖에 가깝게 다시 수축될 수 있음을 나타낸다. 그러나, 수축된 액체의 용적 감소(하부 다이아몬드 표시)에 의해 지시된 바와 같은, 몇번의 팽창-수축 사이클 후의 에탄올의 일부 손실이 주목할만 하다. 또한, 에탄올은 DMSO보다 더욱 휘발성이며, 이에 따라 증기 상의 정화로부터의 에탄올 손실이 더욱 분명해진다. 10회의 팽창-수축 사이클 후, 에탄올의 본래의 양의 약 2/3이 관측 셀 중에 여전히 존재하며, 이는 휘발성 용매가 효율적으로 재순환될 수 있음을 나타낸다. 용매 손실은 온도 감소, 팽창되는 액체 수준의 감소 또는 수축되는 액체 수준의 증가에 의해 감소시킬 수 있다. 에탄올의 경우에서, 비교적 소량(4㎖ 이하)의 제2 경량 액체 상이 팽창된 액체 상에서 관찰되었다.
실시예 3
용매 팽창-수축에 의한 추출
액체 및 고체 물질을 세척 또는 추출하기 위한 팽창된 용매의 성능을 시험하였다. 다공성 필터 페이퍼 중의 고체 약제 물질 또는 필터 페이퍼 중에 흡수된 액체 윤활제를 개방형을 통해 유리 튜브(내부 지름 0.21inch, 길이 7.5inch) 중에 충전시킨다. 이어서 다공성 스토퍼를 튜브로 주입하여 페이퍼가 그 자리에 고정되도록 하였다. 이어서, 튜브를 거꾸로 관측 셀에 주입하였다. 페이퍼의 수준은 에탄올보다 높게 유지시킨다. 이어서, 관측 셀을 오븐에 넣는다. 열 평형화 후, CO2를 관측 셀에 공급하였다. 에탄올/CO2 혼합물을 윤활제 및 약제의 위치까지 팽창시킨 다음, 페이퍼의 수준 이하로 감압시켜 수축시킨다. 당해 방법을 여러 차례 반복하였다. 윤활제와 개발 약제 후보(X)의 추출 결과를 표 1에 나타낸다.
추출된 물질 용매의 초기량(㎖) 온도(℃) 팽창/수축 횟수 초기량(g) 잔여량(g)
LPM 오일 5 35 20 0.1191 0.1059
X 10 35 10 0.209 0.147
X 10 50 6 0.2047 0.176
표 1의 결과는 용매 팽창-수축 방법이 물질의 추출 및 추출되지 않은 잔여물의 방출에 사용될 수 있음을 입증한다. 추가로 비교적 휘발성의 에탄올은 매우 많은 횟수로 팽창 및 수축시킬 수 있음을 나타낸다. 35℃에서 약제 (X)를 사용한 실험에서, 실험 말기에 8㎖의 용매가 남는다. LPM 오일과 연관된 실험 및 에탄올 5㎖만을 사용한 실험에서, 최종 팽창 단계의 마지막에서, 용매는 기체/임계 상에서 거의 완전하게 용해되는 것으로 나타난다.
실시예 4
용매 팽창-수축에 의한 추출, 재결정화 및 피복
아세트아미노펜(2g) 및 에탄올(5㎖)을 10㎖ 스테인레스 스틸 용기에 충전시켰다. 유리솜 및 와이어메쉬를 용기 중에 약제를 함유시키기 위한 필터 매질로 사용하였다. 이어서, 관측 셀의 하부 절반까지 작은 2mm 스테인리스 스틸 비드를 따른다. 이어서, 용기의 한쪽 말단에 관측 셀의 주입 밸브를 연결하였다. 이어서, CO2를 관측 셀로 용기를 통해 흐르게 하였다. 용매를 반복적으로 CO2를 사용하여 팽창시킨 다음 다시 수축시켰다.
팽창 시, 에탄올 용액을 아세트아미노펜으로 과포화시켜 비드 상에 결정화시켰다. 수축은 용매로부터 CO2를 제거함으로써 수행하였다. 수축된 용매는 추가의 아세트아미노펜을 용해시킬 수 있었다. 추가의 팽창은 용매 중에 CO2 농도를 증가시켜 아세트아미노펜을 결정화시킴으로써 수행하였다. 반복적인 팽창-수축이 스테인레스 스틸 비드 상에 아세트아미노펜을 더욱 침착시키는 효과를 갖는 것으로 밝혀졌다. 도 10은 아세트아미노펜으로 피복된 스테인레스 스틸 비드의 광학 사진이다.
실시예 5
용매 팽창-수축에 의해 재결정화
에탄올 10㎖를 관측 셀에 부었다. 아세트아미노펜 220mg을 유리 튜브에 충전시켰다. 튜브 내의 공간으로 약제를 함유시키고, 팽창 용매 중에 모든 약제 입자의 반출을 억제하는 여과 매질로서 폴리프로필렌 울을 사용하였다. 이어서, 튜브를 2mm 스테인레스 스틸 볼과 함께 관측 셀과 용매 중에 삽입하였다. 반복적인 팽창 및 수축 후, 약제 8mg만이 유리 튜브에 잔류하였다. 거의 모든 약제는 스테인레스 스틸 볼 상 또는 관측 셀 상부 절반에서 튜브에 수집되었다. 재결정화된 물질을 재용해시키는 경향이 있는 액체-증기 계면으로부터 액체의 분출을 피하기 위해, 증기 상의 정화 속도를 CO2 1분당 약 2ℓ로 제한하였다. 에탄올의 경우에 팽창 전에 30분 이상 약제를 용해시켰다.
본 발명은 바람직한 양태 및 실시예를 고려하여 기술되었으며, 동시에 당해 분야의 전문가는 첨부된 청구범위에 의해 정의된 바와 같이 본 발명의 범주 및 취지로부터 분리됨 없이 본 발명을 수행할 수 있는 다양한 변형 및/또는 변화를 용이하게 수행할 것이다.

Claims (26)

  1. 용질을 용질의 용해에 대한 친화력을 갖는 액체 용매에 용해시켜 용매/용질 액체 상을 형성시키는 단계(a),
    기체상 유체를 용매/용질 액체 상에 용해시켜 용매/용질/기체상 유체 액체 상을 형성시키는 단계(b),
    용매/용질/기체상 유체 액체 상을, 가용화되지 않은 용질 입자를 보유할 수 있는 필터를 포함하는 보유 매질을 통해 팽창시키는 단계(c),
    용질 및 용질 침전물의 용해에 대한 친화력이 소실될 때까지 용매/용질/기체상 유체 액체 상이 팽창할 정도의 농도로 기체상 유체를 용해시키는 단계(d),
    침전된 용질을, 필터를 포함하는 보유 매질(당해 보유 매질은 단계(c)에서 사용한 보유 매질과 동일하거나 상이할 수 있다)에 보유시키는 단계(e) 및
    기체상 유체의 50% 이상이 배출되어 용질의 용해에 대한 친화력을 갖는 액체 상을 수득하는 시점까지 액체 상의 압력을 감소시키는 단계(f)를 포함하는, 용질의 가공방법.
  2. 제1항에 있어서, 기체상 유체가 이산화탄소임을 특징으로 하는, 용질의 가공방법.
  3. 제1항에 있어서, 용질이 약제학적 약물 물질 또는 약제학적 약물 물질의 합성시의 중간 생성물을 포함함을 특징으로 하는, 용질의 가공방법.
  4. 제1항에 있어서, 단계(a) 내지 단계(f)를 1회 이상 반복하는 단계를 추가로 포함함을 특징으로 하는, 용질의 가공방법.
  5. 제1항에 있어서, 단계(a) 내지 단계(f)를 3회 이상 반복하는 단계를 추가로 포함함을 특징으로 하는, 용질의 가공방법.
  6. 상부, 하부 및 상부와 하부를 연결하는 종축 부분을 갖는 봉입물 속에 하우징되어 있는 용액 속에 용해된 물질을 당해 용액으로부터 재결정화하는 방법으로서,
    용액 중의 용해된 물질 및 기타 성분과 반응하지 않는 기체상 유체를 용액에 주입하여, 봉입물의 종축 부분을 따라 용액의 용적을 팽창시켜, 봉입물의 상부보다 낮고 하부보다 높은 지점에서, 용액에 용해된 물질을 결정화시키는 단계(a),
    기체상 유체가 기체상 유체-주입 용액으로부터 방출되고 기체상 유체-주입된 용액의 용적이 단계(a)에서 용해된 물질의 결정화 지점보다 낮은 수준으로 수축될 때까지 봉입물의 종축 부분을 따라 단계(a)의 기체상 유체-주입된 용액의 압력을 감소시키는 단계(b),
    과량의 물질이 봉입물의 하부에 존재하거나 봉입물 내에 현탁액으로 존재하는 경우, 과량의 물질 또는 이의 분획을 수축된 용액에 용해시키는 단계(c) 및
    물질의 50% 이상이 재결정화될 때까지 단계(a) 내지 단계(c)를 반복하는 단계(d)를 포함함을 특징으로 하는, 용액 속에 용해된 물질을 당해 용액으로부터 재결정화하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 기체상 유체가 이산화탄소임을 특징으로 하는, 용액 속에 용해된 물질을 당해 용액으로부터 재결정화하는 방법.
  8. 제6항에 있어서, 용액 물질이 약제학적 약물 물질 또는 약제학적 약물 물질의 합성시의 중간 생성물을 포함함을 특징으로 하는, 용액 속에 용해된 물질을 당해 용액으로부터 재결정화하는 방법.
  9. 물질을 물질의 용해에 대한 친화력을 갖는 액체 용매와 접촉시켜 용매/물질 액체 상을 형성시키는 단계(a),
    기체상 유체를 용매/물질 액체 상에 용해시켜, 기체상 유체가 용매/물질/기체상 유체 액체 상이 물질과 물질 침전물의 용해에 대한 친화력이 손실될 정도의 농도로 용해되어 있는 용매/물질/기체상 유체 액체 상을 형성시키는 단계(b),
    액체 상 속의 기체상 유체의 50% 이상이 배출되어 물질의 용해에 대한 친화력을 갖는 액체 상이 수득될 때까지 용매/물질/기체상 유체 액체 상의 압력을 감소시키는 단계(c) 및
    조성물이 물질을 함유하지 않을 때까지 단계(a) 내지 단계(c)를 반복하는 단계(d)를 포함하는, 조성물로부터 물질의 추출방법.
  10. 제9항에 있어서, 기체상 유체가 이산화탄소임을 특징으로 하는, 조성물로부터 물질의 추출방법.
  11. 제9항에 있어서, 물질이 약제학적 약물 물질 또는 약제학적 약물 물질의 합성시의 중간 생성물을 포함하는, 조성물로부터 물질의 추출방법.
  12. 물질을 물질의 용해에 대한 친화력을 갖는 액체 용매에 용해시켜 용매/물질 액체 상을 형성시키는 단계(a),
    기체상 유체를 용매/물질 액체 상에 용해시켜 용매/물질/기체상 유체 액체 상을 형성시키는 단계(b),
    기질과 용매/물질/기체상 유체 액체 상을 접촉시키는 단계(c),
    기체상 유체를, 용매/물질/기체상 유체 액체 상이 기질에서 물질 및 물질 침전물의 용해에 대한 이의 친화력이 소실될 정도의 농도로 용매/물질/기체상 유체 액체 상에 지속적으로 용해시키는 단계(d),
    기체상 유체의 50% 이상이 배출되어 물질의 용해에 대해 친화력을 갖는 액체 상이 수득될 때까지 용매/물질/기체상 유체 액체 상의 압력을 감소시키는 단계(e) 및
    기질이 물질로 부분적으로 또는 완전히 피복될 때까지 단계(a) 내지 단계(e)를 반복하는 단계(f)를 포함하는, 물질을 기질 위에 피복하는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 기체상 유체가 이산화탄소임을 특징으로 하는, 물질을 기질 위에 피복하는 방법.
  14. 제12항에 있어서, 물질이 약제학적 약물 물질 또는 약제학적 약물 물질의 합성시의 중간 생성물을 포함하는, 물질을 기질 위에 피복하는 방법.
  15. 물질의 용해에 대한 친화력을 갖지만 매트릭스에는 친화력을 갖지 않는 액체 용매에 물질을 용해시켜 용매/물질 액체 상을 형성시키는 단계(a),
    기체상 유체를 용매/물질 액체 상에 용해시켜 용매/물질/기체상 유체 액체 상을 형성시키는 단계(b),
    매트릭스와 용매/물질/기체상 유체 액체 상을 접촉시키는 단계(c),
    용매/물질/기체상 유체 액체 상이 물질의 용해에 대한 이의 친화력이 소실될 정도의 농도로 용해되고 물질이 용매/물질/기체상 유체 액체 상으로부터 배출되어 매트릭스에 함침될 때까지, 기체상 유체를 용매/물질/기체상 유체 액체 상에 지속적으로 용해시키는 단계(d),
    기체상 유체의 50% 이상이 배출되어 물질의 용해에 대해 친화력을 갖는 액체 상이 수득될 때까지 용매/물질/기체상 유체 액체 상의 압력을 감소시키는 단계(e) 및
    매트릭스가 물질로 적절하게 함침될 때까지 단계(a) 내지 단계(e)를 반복하는 단계(f)를 포함하는, 물질을 매트릭스에 함침시키는 방법.
  16. 제15항에 있어서, 기체상 유체가 이산화탄소임을 특징으로 하는, 물질을 매트릭스에 함침시키는 방법.
  17. 제15항에 있어서, 물질이 약제학적 약물 물질 또는 약제학적 약물 물질의 합성시의 중간 생성물을 포함함을 특징으로 하는, 물질을 매트릭스에 함침시키는 방법.
  18. 기체상 유체를 액체 용매에 용해시켜 팽창된 용매/기체상 유체 액체 상을 형성시키는 단계(a),
    용매/기체상 유체 액체 상을 오염물과 접촉시키는 단계(b),
    오염물을 용매/기체상 유체 액체 상에 용해시켜 용매/기체상 유체/오염물 액체 상을 형성시키는 단계(c),
    용매/기체상 유체/오염물 액체 상으로부터 기체상 유체의 50% 이상이 배출되어 제품으로부터 기체상과 접촉하는 제품을 방출시키는 수준으로 액체 상을 수축시키는 시점까지 압력을 감소시키는 단계(d) 및
    오염물이 제품으로부터 적절하게 제거될 때까지 단계(a) 내지 단계(d)를 반복하는 단계(e)를 포함하는, 제품으로부터 오염물의 제거방법.
  19. 제18항에 있어서, 기체상 유체가 이산화탄소임을 특징으로 하는, 제품으로부터 오염물의 제거방법.
  20. 제18항에 있어서, 제품이 표면, 컨테이너 또는 틈새로부터 선택됨을 특징으로 하는, 제품으로부터 오염물의 제거방법.
  21. 제20항에 있어서, 표면, 컨테이너 또는 틈새가 의류, 분말, 병, 캔, 드럼, 다공성 물질, 전기 부품 또는 기계 부품을 포함함을 특징으로 하는, 제품으로부터 오염물의 제거방법.
  22. 하나 이상의 반응물을 액체 용매에 용해시켜 용매/반응물 액체 상을 형성시키는 단계(a),
    반응 생성물에 대한 친화력이 낮은 기체상 유체를 용매/반응물 액체 상에 용해시켜 용매/반응물/기체상 유체 액체 상을 형성시키는 단계(b),
    기체상 유체를, 용매/반응물/기체상 유체 액체 상이 반응 생성물에 대한 용해 친화력이 소실되지만 반응물에 대한 용해 친화력은 소실되지 않는 정도의 농도로 용매/반응물/기체상 유체 액체 상에 지속적으로 용해시켜 반응 생성물을 침전시키는 단계(c),
    침전된 반응 생성물을 보유 매질에 보유시키는 단계(d) 및
    액체 상 속의 기체상 유체의 50% 이상이 배출되어 반응물과 반응 생성물의 용해에 대한 친화력을 갖는 액체 상이 수득될 때까지 용매/반응물/기체상 유체 액체 상의 압력을 감소시키는 단계(e)를 포함하는, 반응 생성물을 제조하기 위한 화학 반응의 수행방법.
  23. 제22항에 있어서, 기체상 유체가 이산화탄소임을 특징으로 하는, 반응 생성물을 제조하기 위한 화학 반응의 수행방법.
  24. 제22항에 있어서, 반응물 또는 반응 생성물이 약제학적 약물 물질 또는 약제학적 약물 물질의 합성시의 중간 생성물을 포함함을 특징으로 하는, 반응 생성물을 제조하기 위한 화학 반응의 수행방법.
  25. 제22항에 있어서, 단계(a) 내지 단계(e)를 1회 이상 반복하는 단계를 추가로 포함함을 특징으로 하는, 반응 생성물을 제조하기 위한 화학 반응의 수행방법.
  26. 제22항에 있어서, 단계(a) 내지 단계(e)를 3회 이상 반복하는 단계를 추가로 포함함을 특징으로 하는, 반응 생성물을 제조하기 위한 화학 반응의 수행방법.
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