KR102558908B1 - Fractional precipitation method performed by introducing negative pressure cavitation in purifying paclitaxel - Google Patents

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Abstract

본 발명은 파클리탁셀 정제 시 음압 캐비테이션을 도입하여 수행되는 분별침전방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 미가공 파클리탁셀을 포함하는 시료에 특정 조건의 음압 캐비테이션을 도입하여 종래의 분별침전보다 단축되고 단순화된 공정을 통해 단시간에 고수율로 파클리탁셀을 수득할 수 있는 분별침전방법 및 이를 이용한 파클리탁셀의 정제방법을 제공한다.The present invention relates to a fractional precipitation method performed by introducing negative pressure cavitation in the purification of paclitaxel, and more particularly, to a fractional precipitation method capable of obtaining paclitaxel in high yield in a short time through a simplified and shorter process than the conventional fractional precipitation by introducing negative pressure cavitation under specific conditions to a sample containing raw paclitaxel, and a method for purifying paclitaxel using the same.

Description

파클리탁셀 정제 시 음압 캐비테이션을 도입하여 수행되는 분별침전방법 {Fractional precipitation method performed by introducing negative pressure cavitation in purifying paclitaxel}Fractional precipitation method performed by introducing negative pressure cavitation in purifying paclitaxel}

본 발명은 파클리탁셀 정제 시 음압 캐비테이션을 도입하여 수행되는 분별침전방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 미가공 파클리탁셀을 포함하는 시료에 특정 조건의 음압 캐비테이션을 도입하여 종래의 분별침전보다 단축되고 단순화된 공정을 통해 단시간에 고수율로 파클리탁셀을 수득할 수 있는 분별침전방법 및 이를 이용한 파클리탁셀의 정제방법을 제공한다.The present invention relates to a fractional precipitation method performed by introducing negative pressure cavitation in the purification of paclitaxel, and more particularly, to a fractional precipitation method capable of obtaining paclitaxel in high yield in a short time through a simplified and shorter process than the conventional fractional precipitation by introducing negative pressure cavitation under specific conditions to a sample containing raw paclitaxel, and a method for purifying paclitaxel using the same.

파클리탁셀(C47H51NO14)은 주목(yew tree)의 표피에서 발견된 디테르페노이드 알칼로이드(diterpenoid alkaloid)이다. 이 분자는 미세소관(microtubule)의 안정성 향상으로 해중합(depolymerization)을 저해하여 종양 세포에서 세포 사멸(apoptosis)을 유도한다. 독특한 약리 효과(pharmacological effect)를 가진 파클리탁셀은 난소암, 유방암, 두경부암(head and neck cancer), 카포시종양(kaposi's sarcoma), 비소세포성 폐암(non-small cell lung cancer) 치료에 널리 사용되고 있으며, 파클리탁셀의 적응증 확대와 처방법 개발로 그 수요는 계속 늘어날 전망이다. 파클리탁셀의 주요 생산 방법에는 주목으로부터 직접 추출, 전구체(precursor)를 이용한 반합성, 식물체로부터 유도된 캘러스(callus)를 이용한 식물세포배양이 있다. 이들 중 식물세포배양은 외부 인자(기후, 환경)의 영향을 받지 않고, 생물반응기에서 일정한 품질의 파클리탁셀을 안정적으로 생산할 수 있는 장점이 있다.Paclitaxel (C 47 H 51 NO 14 ) is a diterpenoid alkaloid found in the epidermis of the yew tree. This molecule induces apoptosis in tumor cells by inhibiting depolymerization by enhancing microtubule stability. Paclitaxel, which has a unique pharmacological effect, is widely used in the treatment of ovarian cancer, breast cancer, head and neck cancer, kaposi's sarcoma, and non-small cell lung cancer, and the demand for paclitaxel is expected to continue to increase as indications for paclitaxel expand and prescription methods are developed. The main production methods of paclitaxel include direct extraction from yew, semi-synthesis using precursors, and plant cell culture using callus derived from plants. Among them, plant cell culture has the advantage of stably producing paclitaxel of constant quality in a bioreactor without being affected by external factors (climate, environment).

식물세포배양에서 파클리탁셀은 대부분 바이오매스(식물세포)에 축적되어 있으며 여러 단계의 추출, 전 처리 및 최종 정제를 통해 파클리탁셀이 생산된다. 특히 전 처리 공정은 최종 정제 비용에 많은 영향을 미친다. 따라서 전 처리 공정을 통하여 시료의 순도를 가능하면 높여 주어야 최종 정제, 특히 HPLC를 이용한 정제에서의 비용을 줄일 수 있다.In plant cell culture, paclitaxel is mostly accumulated in biomass (plant cells), and paclitaxel is produced through several steps of extraction, pretreatment, and final purification. In particular, the pretreatment process has a great influence on the final purification cost. Therefore, the purity of the sample should be increased as much as possible through the pretreatment process to reduce the cost of final purification, especially purification using HPLC.

분별침전(fractional precipitation)은 파클리탁셀의 용해도 차이를 이용한 간단하고 효율적인 전 처리 방법이다. 2000년 식물세포 유래 파클리탁셀의 분별침전 방법이 최초로 보고되었으며[김 등의 "Fractional precipitation for paclitaxel pre-purification from plant cell cultures of Taxus chinensis," Biotechnol. Lett. 22 1753-1756 (2000)], 이후 분별침전 조건(용매, 온도, 시료 특성)의 최적화로 높은 순도의 파클리탁셀을 고수율로 얻을 수 있었다[김 등의 "A novel prepurification for paclitaxel from plant cell cultures," Process Biochem. 37 679-682 (2002); "Optimal temperature control in fractional precipitation for paclitaxel pre-purification," Process Biochem. 41 276-280 (2006)]. 하지만 분별침전은 저온에서 장시간 조업이 이루어지기 때문에 경제성 측면에서 파클리탁셀 대량생산 공정에 적용하기에 한계가 있다. 이러한 문제점을 개선하기 위하여, 유리 비드(glass beads) 또는 이온교환수지를 이용하여 침전기 내부 표면적(surface area per working volume, S/V)을 증가시킴으로써 침전 효율을 향상시키려는 연구가 시도되었다[김 등의 "Fractional precipitation for paclitaxel pre-purification from plant cell cultures of Taxus chinensis," Biotechnol. Lett. 22 1753-1756 (2000); 김 등의 "A novel prepurification for paclitaxel from plant cell cultures," Process Biochem. 37 679-682 (2002); 김 등의 "Optimal temperature control in fractional precipitation for paclitaxel pre-purification," Process Biochem. 41 276-280 (2006)]. 더 나아가, 침전 시 시료 순도와 함량 조절을 통해 침전 효율을 향상시키려는 연구도 수행되었다[김 등의 "Evaluation of the effect of crude extract purity and pure paclitaxel content on the increased surface area fractional precipitation process for the purification of paclitaxel," Process Biochem. 47 2388-2397 (2012)]. 이러한 연구들을 통해 긴 침전 시간을 어느 정도 단축시켰지만, 파클리탁셀의 대량 생산 공정에 적용하기에는 여전히 미흡한 실정이다. 2014년에는 침전 용액(메탄올-증류수 혼합물)의 극성 조절에 의해 침전 시간을 단축시켰지만, 과도한 증류수 첨가로 파클리탁셀 순도가 오히려 감소하였다[김 등의 "Improved fractional precipitation method for purification of paclitaxel," Process Biochem. 49 1370-1376 (2014)]. 최근에는 초음파를 이용한 분별침전으로 기존의 긴 침전 시간을 획기적으로 개선하였다[김 등의 "Ultrasound-assisted fractional precipitation of paclitaxel from Taxus chinensis cell cultures," Process Biochem., 87, 238-243 (2019)]. 즉, 침전 과정에 초음파를 도입함으로써 핵 생성 속도(nucleation rate)를 증가시켜 침전 시간을 단축할 수 있었다. 이러한 결과는 초음파 캐비테이션(ultrasonic cavitation)에 기인하는 것으로, 캐비테이션 버블(cavitation bubbles)이 압축(compression)과 팽창(expansion) 과정에서 결국 불안정 해져서 파열(collapse)되어 침전 용액의 마이크로젯(microjets), 강열한 국소 가열, 고압 충격파(shock waves)가 발생되기 때문으로 설명되고 있다[Schueller B. S. 등의 "Ultrasound Enhanced Adsorption and Desorption of Phenol on Activated Carbon and Polymeric Resin," Ind. Eng. Chem. Res. 40 4912-4918 (2001)]. 초음파 분별침전의 경우 조업 시간을 절감할 수 있으나, 추가 장치 및 에너지 비용이 발생하고 공정이 복잡할 수 있다. 따라서, 공정 효율성뿐만 아니라 공정 편리성(convenient)과 실행 가능성(feasibility)이 담보되는 새로운 분별침전 기술이 여전히 필요한 실정이다. 따라서, 본 발명에서는 캐비테이션 기반 분별침전 기술(cavitation-based fractional precipitation technique)에서 아이디어를 착안하여 바이오매스로부터 파클리탁셀의 효율적 회수를 위한 새로운 그린(green) 음압 캐비테이션 분별침전 공정을 개발하고자 하였다.Fractional precipitation is a simple and efficient pretreatment method using the difference in solubility of paclitaxel. In 2000, the fractional precipitation method of plant cell-derived paclitaxel was first reported [Kim et al., "Fractional precipitation for paclitaxel pre-purification from plant cell cultures of Taxus chinensis ," Biotechnol. Lett. 22 1753-1756 (2000)], and then optimizing the fractionation conditions (solvent, temperature, sample characteristics) to obtain high purity paclitaxel in high yield [Kim et al., "A novel prepurification for paclitaxel from plant cell cultures," Process Biochem. 37 679-682 (2002); "Optimal temperature control in fractional precipitation for paclitaxel pre-purification," Process Biochem. 41 276-280 (2006)]. However, since fractional precipitation is operated at low temperatures for a long time, there is a limit to its application to the mass production process of paclitaxel in terms of economic feasibility. In order to improve these problems, studies to improve precipitation efficiency by increasing the surface area per working volume (S / V) of the precipitator using glass beads or ion exchange resins have been attempted [Kim et al., "Fractional precipitation for paclitaxel pre-purification from plant cell cultures of Taxus chinensis ," Biotechnol. Lett. 22 1753-1756 (2000); Kim et al., "A novel prepurification for paclitaxel from plant cell cultures," Process Biochem. 37 679-682 (2002); Kim et al., "Optimal temperature control in fractional precipitation for paclitaxel pre-purification," Process Biochem. 41 276-280 (2006)]. Furthermore, studies were also conducted to improve precipitation efficiency by adjusting sample purity and content during precipitation [Kim et al., "Evaluation of the effect of crude extract purity and pure paclitaxel content on the increased surface area fractional precipitation process for the purification of paclitaxel," Process Biochem. 47 2388-2397 (2012)]. Although the long precipitation time has been reduced to some extent through these studies, it is still insufficient for application to the mass production process of paclitaxel. In 2014, the precipitation time was shortened by adjusting the polarity of the precipitation solution (methanol-distilled water mixture), but the purity of paclitaxel rather decreased due to the excessive addition of distilled water [Kim et al., "Improved fractional precipitation method for purification of paclitaxel," Process Biochem. 49 1370-1376 (2014)]. Recently, the existing long precipitation time has been dramatically improved by fractional precipitation using ultrasound [Kim et al., "Ultrasound-assisted fractional precipitation of paclitaxel from Taxus chinensis cell cultures," Process Biochem., 87 , 238-243 (2019)]. That is, by introducing ultrasound into the precipitation process, the precipitation time could be shortened by increasing the nucleation rate. This result is attributed to ultrasonic cavitation, and it is explained that cavitation bubbles eventually become unstable and collapse during the process of compression and expansion, resulting in microjets of the precipitated solution, intense local heating, and high-pressure shock waves [Schueller BS et al., "Ultrasound Enhanced Adsorption and Desorption of Phenol on Activated Carbon and Polymeric Resin," Ind. Eng. Chem. Res. 40 4912-4918 (2001)]. In the case of ultrasonic fractional precipitation, operation time can be reduced, but additional equipment and energy costs may occur and the process may be complicated. Therefore, there is still a need for a new fractional precipitation technology that ensures not only process efficiency but also process convenience and feasibility. Therefore, the present invention conceived an idea from the cavitation-based fractional precipitation technique to develop a new green negative pressure cavitation fractional precipitation process for efficient recovery of paclitaxel from biomass.

본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 파클리탁셀 정제 시 음압 캐비테이션 도입을 통해 분별침전시간을 획기적으로 단축시킬 뿐만 아니라, 파클리탁셀의 평균 입자 크기를 감소시킴으로써 제형화 시 약물의 용해 속도(dissolution rate), 약물 분산의 균일성(uniformity of drug dispersion) 및 경구적 생체 이용률 등을 향상시킬 수 있는, 분별침전방법 및 이를 이용한 파클리탁셀의 정제방법을 제공하는데 목적이 있다.The present invention has been devised to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a fractional precipitation method and a method for purifying paclitaxel using the same, which not only dramatically shortens the fractional precipitation time through the introduction of negative pressure cavitation when purifying paclitaxel, but also improves the dissolution rate, uniformity of drug dispersion, and oral bioavailability of the drug when formulated by reducing the average particle size of paclitaxel.

상술한 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 파클리탁셀 정제 시 음압 캐비테이션을 도입하여 수행되는 분별침전방법을 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention provides a fractional precipitation method performed by introducing negative pressure cavitation during paclitaxel purification.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 분별침전방법은 파클리탁셀을 포함하는 시료를 수용성 유기용매와 혼합하고 물을 첨가한 후 음압 캐비테이션을 도입하는 것일 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the fractional precipitation method may be to mix a sample containing paclitaxel with a water-soluble organic solvent, add water, and then introduce negative pressure cavitation.

본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 수용성 유기용매는 C1 내지 C4의 알코올 및 메틸렌 클로라이드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종을 포함하는 것일 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the water-soluble organic solvent may include one selected from the group consisting of C 1 to C 4 alcohol and methylene chloride.

본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 물은 수용성 유기용매와 물의 부피비가 50:50 내지 20:80이 될 때까지 첨가할 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the water may be added until the volume ratio of the water-soluble organic solvent and water is 50:50 to 20:80.

본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 음압 캐비테이션 도입은 -260 mmHg 내지 -50 mmHg의 음압을 가하여 캐비테이션 버블을 발생시키는 것일 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the introduction of negative pressure cavitation may generate cavitation bubbles by applying a negative pressure of -260 mmHg to -50 mmHg.

본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 음압 캐비테이션 도입은 1분 내지 10분 동안 수행될 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the negative pressure cavitation introduction may be performed for 1 minute to 10 minutes.

본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 분별침전방법은 상온에서 이루어질 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the fractional precipitation method may be performed at room temperature.

본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 음압 캐비테이션을 도입하여 분별침전을 수행한 후의 파클리탁셀 평균 입자 크기는 10 μm 내지 20 μm로 줄일 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the average particle size of paclitaxel after fractional precipitation by introducing the negative pressure cavitation can be reduced to 10 μm to 20 μm.

다른 측면에서, 본 발명은 다음의 a) 내지 e) 단계를 포함하는 파클리탁셀 정제방법을 제공한다:In another aspect, the present invention provides a method for purifying paclitaxel comprising the following steps a) to e):

a) 택서스속(Taxus genus) 식물체의 세포 배양액으로부터 바이오매스를 수득하는 단계;a) obtaining biomass from a cell culture medium of a Taxus genus plant;

b) 유기용매 추출을 수행하는 단계;b) performing organic solvent extraction;

c) 액체-액체 추출을 수행하는 단계;c) performing liquid-liquid extraction;

d) 흡착제를 처리하는 단계; 및d) treating the adsorbent; and

e) 전술한 분별침전방법을 수행하는 단계.e) performing the fractional precipitation method described above.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 a) 단계의 바이오매스는 택서스속 식물체, 이의 세포, 이의 세포 조각(cell debris) 및 이의 세포 배양액으로 이루어진 군에서 선택한 1종 이상을 포함할 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the biomass in step a) may include at least one selected from the group consisting of a taxus genus plant, its cells, its cell debris, and its cell culture medium.

본 발명의 음압 캐비테이션을 이용한 분별침전방법 및 이를 포함하는 파클리탁셀의 정제방법은 종래의 음압 캐비테이션을 도입하지 않은 전통적인 분별침전방법에 비해 침전 시간을 획기적으로 단축시키면서, 동일한 조업시간 대비 파클리탁셀 수율을 현저하게 증가시킬 수 있다. 또한, 분별침전을 위한 저온 보관이 필요치 않으며, 에너지를 효율적으로 활용하면서도 적은 자본 투자로 더 빠르고 효과적인 침전을 수행할 수 있어 파클리탁셀의 대량생산을 위한 공정에 적합하다. 더불어, 파클리탁셀의 평균 입자 크기를 감소시킴으로써 제형화 시 약물의 용해 속도(dissolution rate), 약물 분산의 균일성(uniformity of drug dispersion) 및 경구적 생체 이용률 등을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.The fractional precipitation method using negative pressure cavitation and the method for purifying paclitaxel including the method of the present invention dramatically shorten the precipitation time compared to the conventional fractional precipitation method without introducing negative pressure cavitation, and significantly increase the yield of paclitaxel compared to the same operation time. In addition, it does not require low-temperature storage for fractional precipitation, and it is suitable for the process for mass production of paclitaxel because it can perform faster and more effective precipitation with less capital investment while efficiently utilizing energy. In addition, by reducing the average particle size of paclitaxel, there is an advantage in improving the dissolution rate, uniformity of drug dispersion, and oral bioavailability of the drug during formulation.

도 1(A)는 파클리탁셀의 정제 시 음압을 도입하지 않은 전통적인 분별침전방법을 나타낸 개략도이고, 도 1(B)는 파클리탁셀 정제 시 음압 캐비테이션을 도입한 분별침전방법을 나타낸 개략도이다.
도 2는 대기압 (0 mmHg) 및 음압 (-50 mmHg, -100 mmHg, -150 mmHg 및 -200 mmHg)이 파클리탁셀 수율에 미치는 영향을 나타낸 그래프이다.
FIG. 1(A) is a schematic diagram showing a traditional fractional precipitation method without introducing negative pressure during purification of paclitaxel, and FIG. 1(B) is a schematic diagram showing a fractional precipitation method using negative pressure cavitation during purification of paclitaxel.
Figure 2 is a graph showing the effect of atmospheric pressure (0 mmHg) and negative pressure (-50 mmHg, -100 mmHg, -150 mmHg and -200 mmHg) on the yield of paclitaxel.

상술한 바와 같이, 종래에는 분별침전 시 용매, 온도 및 시료 특성 등의 조건을 최적화하거나, 침전기 내부 표면적 증가, 침전 용액의 극성 조절 또는 초음파 처리 등의 방법으로 침전 효율을 향상시키고자 하는 다양한 시도가 있었으나, 저온에서의 장시간 조업, 과도한 증류수의 첨가로 인한 파클리탁셀 순도 감소, 추가 장치의 필요성, 에너지 비용 발생 및 공정의 복잡성 등의 문제로 인해 파클리탁셀의 대량생산을 위한 공정에 적용하기에는 한계가 있었다.As described above, in the past, various attempts have been made to improve precipitation efficiency by optimizing conditions such as solvent, temperature, and sample characteristics during fractional precipitation, increasing the inner surface area of the precipitator, adjusting the polarity of the precipitation solution, or ultrasonic treatment.

이에, 본 발명에서는 바이오매스로부터 파클리탁셀의 효율적 회수를 위한 새로운 그린(green) 음압 캐비테이션 분별침전 공정을 개발하고 주요 공정 변수(음압 및 조업 시간)를 최적화함으로써, 상술한 문제의 해결방안을 모색하였다. 본 발명에 따른 음압 캐비테이션을 도입한 분별침전방법은 종래의 분별침전보다 단축되고 단순화된 공정을 거쳐 높은 순도의 파클리탁셀을 단시간에 고수율로 수득할 수 있고, 별도의 저온 보관이 필요치 않으므로, 파클리탁셀의 대량생산을 위한 공정에 적합하다.Therefore, in the present invention, a solution to the above problems was sought by developing a new green negative pressure cavitation fractionation precipitation process for efficient recovery of paclitaxel from biomass and optimizing the main process parameters (negative pressure and operating time). The fractional precipitation method employing negative pressure cavitation according to the present invention can obtain high-purity paclitaxel in high yield in a short time through a shorter and simplified process than conventional fractional precipitation, and does not require separate low-temperature storage, so it is suitable for a process for mass production of paclitaxel.

따라서, 본 발명의 제1 측면은 파클리탁셀 정제 시 음압 캐비테이션을 도입하여 수행되는 분별침전방법에 관한 것이다.Accordingly, a first aspect of the present invention relates to a fractional precipitation method performed by introducing negative pressure cavitation when purifying paclitaxel.

통상적으로 바이오매스로부터의 파클리탁셀 추출 및 정제방법은 용매추출, 액체-액체 추출, 흡착제 처리, 헥산침전 및 분별침전의 단계로 구성된다. 바이오매스를 이용하여 용매추출, 액체-액체 추출, 흡착제 처리, 헥산 침전 및 분별침전을 거치면 시료의 순도는 각각 0.5-0.7%, 6-9%, 9-10%, 21-27%, 46-61% 정도로 향상된다. 이러한 전처리 공정을 통해 불순물은 다량 제거되었고, 미가공 파클리탁셀(crude paclitaxel)의 순도는 매우 증가하여 최종 HPLC 공정에 적합하게 되었다. 그러나, 분별침전은 침전에 많은 시간(~3 일)이 소요되고 저온(0-4℃)에서 침전이 이루어지기 때문에 경제성 측면에서 파클리탁셀 대량생산 공정에 적용하기에 한계가 있었다.Conventionally, the method for extracting and purifying paclitaxel from biomass consists of solvent extraction, liquid-liquid extraction, adsorbent treatment, hexane precipitation, and fractional precipitation. After solvent extraction, liquid-liquid extraction, adsorbent treatment, hexane precipitation, and fractional precipitation using biomass, the purity of the sample is improved to 0.5-0.7%, 6-9%, 9-10%, 21-27%, and 46-61%, respectively. A large amount of impurities were removed through this pretreatment process, and the purity of crude paclitaxel was greatly increased, making it suitable for the final HPLC process. However, since the fractional precipitation takes a lot of time (~ 3 days) for precipitation and the precipitation is performed at low temperature (0-4 ° C), there is a limit to its application to the mass production process of paclitaxel in terms of economic feasibility.

본 발명자들은, 파클리탁셀 정제에 있어서 분별침전방법에 음압 캐비테이션을 도입하는 경우 침전시간을 획기적으로 단축시킬 수 있다는 것을 확인하였다.The present inventors have confirmed that the precipitation time can be drastically reduced when negative pressure cavitation is introduced into the fractional precipitation method in the purification of paclitaxel.

이에 따라, 본 발명의 분별침전방법은 파클리탁셀을 포함하는 미가공의 시료를 수용성 유기용매와 혼합하고 물을 첨가한 후 음압 캐비테이션을 도입하는 것으로 수행된다.Accordingly, the fractional precipitation method of the present invention is performed by mixing a raw sample containing paclitaxel with a water-soluble organic solvent, adding water, and then introducing negative pressure cavitation.

본 발명의 분별침전방법에 있어서, 시료를 수용성 유기용매에 용해하는 것은 수용성 유기용매에 시료를 균일하게 분산할 수 있는 함량으로 용해하는 것이라면 특별히 제한하지 않으나, 바람직하게는 수용성 유기용매에 순수 파클리탁셀의 함량이 0.1% 내지 1%(w/v)가 되도록 용해시킬 수 있다.In the fractional precipitation method of the present invention, the dissolution of the sample in the water-soluble organic solvent is not particularly limited as long as the sample is dissolved in the water-soluble organic solvent in an amount capable of uniformly dispersing the sample, but preferably, the pure paclitaxel may be dissolved in the water-soluble organic solvent so that the content is 0.1% to 1% (w / v).

상기 수용성 유기용매는 통상적으로 식물체에서 유효성분을 추출하기 위해 사용하는 유기용매라면 특별히 제한하지 않으나, 바람직하게는 C1 내지 C4의 알코올 및 메틸렌 클로라이드로 이루어진 군 중 1종 이상을 포함할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 메탄올을 포함할 수 있다.The water-soluble organic solvent is not particularly limited as long as it is an organic solvent commonly used to extract active ingredients from plants, but preferably includes at least one of the group consisting of C 1 to C 4 alcohol and methylene chloride, and more preferably methanol.

그 다음으로, 시료를 수용성 유기용매에 용해시킨 후 수용성 유기용매와 물의 부피비가 50:50 내지 20:80 (v/v)이 될 때까지 물을 첨가하여 분별침전을 수행한다. 이때, 물은 증류수를 사용할 수 있고, 교반 하에 한 방울씩 떨어뜨려 첨가하는 것이 바람직하다.Next, after dissolving the sample in a water-soluble organic solvent, fractional precipitation is performed by adding water until the volume ratio of the water-soluble organic solvent and water is 50:50 to 20:80 (v/v). At this time, distilled water may be used as the water, and it is preferable to add it dropwise while stirring.

교반 속도는 100 내지 400 rpm으로 이루어질 수 있다. 만약, 100 rpm 미만의 속도로 교반할 경우, 침전 용액에서 물질전달이 저하되어 교반으로 인해 수득할 수 있는 이점인 파클리탁셀 침전 속도가 느려 파클리탁셀 침전 시간이 증가하는 문제가 발생할 수 있으며, 400 rpm을 초과하는 속도로 교반할 경우, 과도한 혼합으로 에너지 효율뿐만 아니라 조업 효율이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.The stirring speed may be 100 to 400 rpm. If stirring at a speed of less than 100 rpm, mass transfer in the precipitate solution is lowered, and the paclitaxel precipitation speed, which is an advantage obtained by stirring, may increase the paclitaxel precipitation time. In the case of stirring at a speed of more than 400 rpm, excessive mixing may cause a problem of lowering energy efficiency as well as operational efficiency.

상기 물의 첨가량은 수용성 유기용매와 물의 부피비가 50:50 내지 20:80이 될 때까지 혼합할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 수용성 유기용매와 물의 부피비가 47:53 내지 35:65로 혼합할 수 있다.The amount of water added may be mixed until the volume ratio of the water-soluble organic solvent and water is 50:50 to 20:80, and more preferably, the volume ratio of the water-soluble organic solvent and water is 47:53 to 35:65.

물을 첨가하는 것이 완료되면, 음압 캐비테이션을 도입한다.When the water addition is complete, negative pressure cavitation is introduced.

본 발명에서, 용어 "음압 (negative pressure)"은 대기압 (760 mmHg)보다 낮은 압력을 말한다. 따라서, 본 발명의 분별침전방법에 있어서, 상기 음압은 대기압 760 mmHg보다 낮은 압력을 지칭하며, 예를 들어 500 mmHg 내지 710 mmHg의 압력을 포함하나, 이에 한정되지 않는다.In the present invention, the term "negative pressure" refers to a pressure lower than atmospheric pressure (760 mmHg). Therefore, in the fractional precipitation method of the present invention, the negative pressure refers to a pressure lower than the atmospheric pressure of 760 mmHg, and includes, for example, a pressure of 500 mmHg to 710 mmHg, but is not limited thereto.

본 발명의 분별침전방법에 있어서, 상기 음압 캐비테이션 도입은 전술한 범위의 음압을 가하여 캐비테이션 버블을 발생시킴으로써 수행될 수 있다.In the fractional precipitation method of the present invention, the introduction of negative pressure cavitation may be performed by generating cavitation bubbles by applying a negative pressure in the above-mentioned range.

본 발명에서 용어 "음압 캐비테이션(negative pressure cavitation)은 음압으로 야기되는 캐비테이션으로, 액체-고체 시스템(liquidsolid system)에 도입되어 추출 용매와 매트릭스 사이의 교류(turbulence), 충돌(collision) 및 물질 전달을 증가시킨다.In the present invention, the term "negative pressure cavitation" is cavitation caused by negative pressure, which is introduced into a liquid-solid system to increase turbulence, collision, and mass transfer between the extraction solvent and the matrix.

본 발명의 구체적인 일실시예에서는 파클리탁셀의 정제 시 분별침전을 수행하는데 있어서 음압이 미치는 영향을 평가하기 위해, 0 mmHg, -50 mmHg, -100 mmHg, -150 mmHg 및 -200 mmHg로 음압 조건을 달리하여 각각의 조건에서 조업 시간에 따른 파클리탁셀 회수율을 평가하였다. 이때, 0 mmHg, -50 mmHg, -100 mmHg, -150 mmHg 및 -200 mmHg의 음압 조건은 각각 대기압 760 mmHg, 710 mmHg, 660 mmHg, 610 mmHg 및 560 mmHg의 압력 조건에서 분별침전이 수행되었음을 의미한다. 도 2에서 확인되는 바와 같이, 음압 도입 없이 전통적 분별침전이 수행된 대조군에서는 20분의 조업 시간에도 불구하고 69.5%의 낮은 파클리탁셀 수율을 나타내었으나, -50 mmHg 내지 -200 mmHg의 음압을 가하여 분별침전을 수행한 경우 1분 내지 10분의 짧은 조업 시간만으로도 74.4% 내지 98.6%의 매우 높은 파클리탁셀 수율을 나타내었다. 특히, -200 mmHg의 음압을 도입하여 분별침전을 수행하는 경우 1분이라는 매우 짧은 조업 시간에 대부분의 파클리탁셀을 회수(>97%)하는 것이 가능하여, 분별침전 수율과 분별침전에 소요되는 조업시간이 대조군에 비해 획기적으로 개선됨을 알 수 있었다.In a specific embodiment of the present invention, in order to evaluate the effect of negative pressure on fractional precipitation during purification of paclitaxel, negative pressure conditions were varied to 0 mmHg, -50 mmHg, -100 mmHg, -150 mmHg, and -200 mmHg, and the recovery rate of paclitaxel according to operating time was evaluated under each condition. At this time, the negative pressure conditions of 0 mmHg, -50 mmHg, -100 mmHg, -150 mmHg and -200 mmHg mean that the fractional precipitation was performed under atmospheric pressure conditions of 760 mmHg, 710 mmHg, 660 mmHg, 610 mmHg and 560 mmHg, respectively. As confirmed in FIG. 2, in the control group where traditional discernment precipitation was performed without the introduction of negative pressure, it showed a low paclitaxel yield of 69.5% despite the 20 -minute operation time.However, a short operation time of -50 mmHg to -200 mmHg is applied to discern, 74.4% to 98.6% even in short operation time of 1 minute to 10 minutes. Very high paclitaxel yield was shown. In particular, when fractional precipitation was performed by introducing a negative pressure of -200 mmHg, it was possible to recover most of the paclitaxel (> 97%) in a very short operation time of 1 minute, and thus the fractionation yield and fractionation operation time were significantly improved compared to the control group.

따라서, 본 발명의 분별침전방법에 있어서, 음압 캐비테이션 도입은 500 mmHg 내지 710 mmHg의 압력 조건, 즉 -260 mmHg 내지 -50 mmHg의 음압을 가하여 캐비테이션 버블을 발생시킴으로써 수행될 수 있다. 바람직하게 상기 음압 캐비테이션 도입은 500 mmHg 내지 680 mmHg의 압력 조건, 즉 -260 mmHg 내지 -80mmHg의 음압을 가하여 캐비테이션 버블을 발생시킴으로써 수행될 수 있다. 만일, 500 mmHg 미만의 압력에서 분별침전을 수행하는 경우, 침전 용액의 증발로 조업이 어려워 지는 문제점이 발생할 수 있고, 710 mmHg를 초과하는 압력에서 분별침전을 수행하는 경우, 대기압에서 분별침전을 수행하였을 때와 비교하여 파클리탁셀 회수율 증가 효과가 미미할 수 있다. 따라서, 파클리탁셀 정제 시 분별침전의 효율을 극대화하기 위해서는 상기 범위 내의 음압에서 분별침전을 수행하는 것이 바람직하다.Therefore, in the fractional precipitation method of the present invention, the introduction of negative pressure cavitation may be performed by generating cavitation bubbles by applying a pressure condition of 500 mmHg to 710 mmHg, that is, a negative pressure of -260 mmHg to -50 mmHg. Preferably, the negative pressure cavitation introduction may be performed by generating cavitation bubbles by applying a pressure condition of 500 mmHg to 680 mmHg, that is, a negative pressure of -260 mmHg to -80 mmHg. If the fractional precipitation is performed at a pressure of less than 500 mmHg, the operation may become difficult due to evaporation of the precipitation solution, and when the fractional precipitation is performed at a pressure exceeding 710 mmHg, the effect of increasing the recovery rate of paclitaxel may be insignificant compared to when the fractional precipitation is performed at atmospheric pressure. Therefore, in order to maximize the efficiency of fractional precipitation when purifying paclitaxel, it is preferable to perform fractional precipitation at a negative pressure within the above range.

이때, 상기 음압 캐비테이션 도입은 1분 내지 10분 동안 수행될 수 있다. -100 mmHg 이상의 음압이 도입되는 경우, 즉 660 mmHg 이하의 압력에서 분별침전이 수행되는 경우, 5분 이하의 시간 동안 음압 캐비테이션을 도입하는 것만으로도 >97%의 높은 회수율로 파클리탁셀을 수득할 수 있다. At this time, the introduction of the negative pressure cavitation may be performed for 1 minute to 10 minutes. When a negative pressure of -100 mmHg or more is introduced, that is, when fractional precipitation is performed at a pressure of 660 mmHg or less, paclitaxel can be obtained with a high recovery rate of >97% simply by introducing negative pressure cavitation for 5 minutes or less.

다만, 음압 캐비테이션을 이용한 분별침전이 1분 미만으로 수행되는 경우, 파클리탁셀을 충분히 회수하지 못할 수 있고, 10분을 초과하여 수행되는 경우, 시간 경과에 따른 파클리탁셀 회수율 증가 효과가 미미하여 불필요한 조업 시간의 증가를 야기할 수 있다.However, when the fractional precipitation using negative pressure cavitation is performed for less than 1 minute, paclitaxel may not be sufficiently recovered, and when it is performed for more than 10 minutes, the effect of increasing the recovery rate of paclitaxel over time is insignificant, resulting in an unnecessary increase in operating time.

본 발명의 다른 구체적인 일실시예에서는, 본 발명에 따른 음압 캐비테이션을 도입한 분별침전방법과 음압 캐비테이션을 도입하지 않은 종래의 전통적인 분별침전방법의 조업 시간을 비교하였다. 표 1에서 확인되는 바와 같이, 본 발명에 따른 음압 캐비테이션을 이용한 분별침전방법은 종래의 다양한 분별침전방법에 비해 조업 시간이 획기적으로 단축되었음에도 불구하고, 파클리탁셀을 높은 회수율로 수득할 수 있어, 파클리탁셀의 대량생산공정에 효과적으로 적용될 수 있다.In another specific embodiment of the present invention, the operating time of the fractional sedimentation method introducing negative pressure cavitation according to the present invention and the conventional fractional sedimentation method without introducing negative pressure cavitation were compared. As confirmed in Table 1, the fractional precipitation method using negative pressure cavitation according to the present invention can obtain paclitaxel at a high recovery rate even though the operation time is significantly reduced compared to various conventional fractional precipitation methods, and thus can be effectively applied to the mass production process of paclitaxel.

본 발명의 분별침전방법은 특별히 고안된 음압 캐비테이션 장치 없이 시판되는 진공 조절기 (vacuum controller) 및 진공 펌프 (vacuum pump)만을 이용하여 용매 내로 음압을 가하는 방식으로 수행될 수 있다.The fractional precipitation method of the present invention can be performed by applying negative pressure into the solvent using only a commercially available vacuum controller and vacuum pump without a specially designed negative pressure cavitation device.

본 발명의 음압 캐비테이션을 이용한 분별침전방법은 장치를 최소화 및/또는 단순화함으로써, 초음파를 이용한 분별침전의 한계였던 공정의 복잡성, 장치의 위험성 및 많은 에너지 소모에 의한 고비용 문제를 획기적으로 개선할 수 있다.The fractional precipitation method using negative pressure cavitation of the present invention minimizes and/or simplifies the device, thereby dramatically improving the complexity of the process, the risk of the device, and the high cost due to high energy consumption, which were limitations of the fractional precipitation using ultrasonic waves.

본 발명의 분별침전방법은 상온에서 이루어질 수 있다. 파클리탁셀 정제 시 종래의 분별침전방법은 0 ℃ 내지 4 ℃의 저온에서 이루어져 경제성 측면에서 파클리탁셀 대량생산 공정에 적용하기에 한계가 있었다.The fractional precipitation method of the present invention may be performed at room temperature. In the case of paclitaxel purification, the conventional fractional precipitation method is performed at a low temperature of 0 ° C to 4 ° C, so there is a limit to its application to the mass production process of paclitaxel in terms of economic feasibility.

그러나, 본 발명의 파클리탁셀 정제 시 수행되는 분별침전방법은 상온에서 미가공 파클리탁셀을 포함하는 시료에 음압 캐비테이션을을 도입하여 수행되므로, 분별침전을 위한 저온 보관을 필요로 하지 않아 대량생산 공정에 적용하기에 적합하다.However, since the fractional precipitation method performed in the purification of paclitaxel of the present invention is performed by introducing negative pressure cavitation to a sample containing raw paclitaxel at room temperature, it does not require low-temperature storage for fractional precipitation, so it is suitable for application to a mass production process.

본 발명에서, 용어 "상온"은 0 ℃ 내지 30 ℃의 온도 범위를 포함하며, 바람직하게는 5 ℃ 내지 30 ℃, 보다 바람직하게는 10 ℃ 내지 30 ℃일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In the present invention, the term "room temperature" includes a temperature range of 0 °C to 30 °C, preferably 5 °C to 30 °C, and more preferably 10 °C to 30 °C, but is not limited thereto.

본 발명의 파클리탁셀 정제방법에서, 음압 캐비테이션을 도입하여 분별침전을 수행한 후의 파클리탁셀 평균 입자 크기는 10 μm 내지 20 μm로 줄일 수 있다.In the paclitaxel purification method of the present invention, the average particle size of paclitaxel after fractional precipitation by introducing negative pressure cavitation can be reduced to 10 μm to 20 μm.

표 2에서 확인되는 바와 같이, 음압 도입이 없는 전통적인 분별침전을 수행한 경우 평균 입자 크기는 52.529 μm로 측정된 반면, 음압을 도입하였을 때 침전 1~10 분에서 평균 입자 크기는 15.868 μm로 측정되어, 음압을 도입할 경우 평균 입자 크기가 3.3배 감소하였다. 이를 통해, 파클리탁셀의 평균 입자 크기를 감소시킴으로써 제형화 시 약물의 용해 속도(dissolution rate), 약물 분산의 균일성(uniformity of drug dispersion) 및 경구적 생체 이용률 등을 향상시킬 수 있다.As confirmed in Table 2, the average particle size was measured at 52.529 μm when conventional fractionation precipitation without introduction of negative pressure was performed, whereas the average particle size was 15.868 μm at 1 to 10 minutes of precipitation when negative pressure was introduced. The average particle size was reduced by 3.3 times when negative pressure was introduced. Through this, by reducing the average particle size of paclitaxel, it is possible to improve the drug dissolution rate, uniformity of drug dispersion, and oral bioavailability during formulation.

본 발명의 제2 측면은 전술한 분별침전방법을 이용한 파클리탁셀 정제방법에 관한 것이다.A second aspect of the present invention relates to a method for purifying paclitaxel using the aforementioned fractional precipitation method.

본 발명의 파클리탁셀 정제방법은 상기 분별침전방법을 수행하기 전에 a) 택서스속(Taxus genus) 식물체의 세포 배양액으로부터 바이오매스를 수득하는 단계; b) 유기용매 추출을 수행하는 단계; c) 액체-액체 추출을 수행하는 단계; 및 d) 흡착제를 처리하는 단계를 수행할 수 있다.The paclitaxel purification method of the present invention includes the steps of a) obtaining biomass from a cell culture medium of a taxus genus plant before performing the fractional precipitation method; b) performing organic solvent extraction; c) performing liquid-liquid extraction; and d) treating the adsorbent.

본 발명의 파클리탁셀 정제방법에 있어서, 상기 a) 단계의 택서스속(Taxus genus) 식물체의 세포 배양액으로부터 수득한 바이오매스는 택서스속 식물체, 이의 세포, 이의 세포 조각(cell debris) 및 이의 세포 배양액으로 이루어진 군 중에서 선택한 1종 이상을 포함할 수 있다.In the method for purifying paclitaxel of the present invention, the biomass obtained from the cell culture solution of a taxus genus plant in step a) may include at least one selected from the group consisting of a taxus genus plant, its cells, its cell debris, and its cell culture solution.

또한, 상기 택서스속 식물체는 택서스 브레비폴리아(Taxus brevifolia), 택서스 카나덴시스(Taxus canadensis), 택서스 쿠스피다타(Taxus cuspidata), 택서스 바카타(Taxus baccata), 택서스 글로보사(Taxus globosa), 택서스 플로리다나(Taxus floridana), 택서스 월리치아나(Taxus wallichiana), 택서스 메디아(Taxus media) 또는 택서스 치넨시스(Taxus chinensis) 등이 포함될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In addition, the Taxus brevifolia, Taxus canadensis, Taxus cuspidata, Taxus baccata , Taxus globosa , Taxus floridana , Taxus wallichiana , Taxus media ( Taxus media ) or Taxus chinensis ( Taxus chinensis ), etc. may be included, but is not limited thereto.

상기 바이오매스를 수득하는 단계는 통상적으로 식물세포배양액으로부터 바이오매스를 수득하는 방법이라면 특별히 제한하지 않는다.The step of obtaining the biomass is not particularly limited as long as it is a method of obtaining biomass from a conventional plant cell culture medium.

본 발명의 파클리탁셀 정제방법에 있어서, 상기 b) 단계의 유기용매 추출은 통상적으로 식물체에서 유효성분을 추출하기 위해 사용하는 유기용매를 사용하는 것이라면 특별히 제한하지 않으나, 바람직하게는 C1 내지 C4의 알코올을 포함할 수 있다.In the method for purifying paclitaxel of the present invention, the organic solvent extraction in step b) is not particularly limited as long as an organic solvent commonly used for extracting an active ingredient from a plant is used, but preferably contains a C 1 to C 4 alcohol.

상기 유기용매의 구체적인 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 메틸렌 클로라이드에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있으며, 바이오매스로부터 파클리탁셀을 가급적 많이 회수할 수 있는 유기용매로 바람직하게는 메탄올을 사용할 수 있다.As a specific example of the organic solvent, one or a mixture of two or more selected from methanol, ethanol, propanol, and methylene chloride may be used, and methanol may be preferably used as an organic solvent capable of recovering as much paclitaxel from biomass as possible.

나아가, 상기 유기용매 추출의 조건은 통상적으로 식물체에서 유효성분을 추출하는 방법에서 사용할 수 있는 조건이라면 특별히 제한하지 않으나, 바람직하게는 20 ℃ 내지 45 ℃에서 30분 내지 2시간 동안 수행할 수 있다.Furthermore, the conditions for the organic solvent extraction are not particularly limited as long as they are conditions that can be used in a method of extracting an active ingredient from a plant, but it can be preferably carried out at 20 ° C to 45 ° C for 30 minutes to 2 hours.

더불어, 상기 용매 추출은 1회 내지 수회 반복 수행할 수 있으며, 바람직하게는 2회 이상, 더욱 바람직하게는 3회 내지 5회 반복 수행할 수 있고, 이후 수득된 추출액은 감압상태 하에서 농축한 뒤 건조하여 액체-액체 추출단계에 사용할 수 있다.In addition, the solvent extraction may be repeated once to several times, preferably twice or more, more preferably three to five times, and then the obtained extract is concentrated under reduced pressure and then dried. It can be used in the liquid-liquid extraction step.

본 발명의 파클리탁셀 정제방법에 있어서, 상기 c) 단계의 액체-액체 추출은 통상적으로 비극성 유기용매와 극성 유기용매의 상분리를 이용하여 파클리탁셀에 함유되어 있는 극성 불순물을 제거하는 방법이라면 특별히 제한하지 않는다.In the paclitaxel purification method of the present invention, the liquid-liquid extraction in step c) is not particularly limited as long as it is a method for removing polar impurities contained in paclitaxel by using a phase separation of a non-polar organic solvent and a polar organic solvent.

예를 들어, 상기 비극성 유기용매는 메틸렌 클로라이드, 에틸아세테이트 및 에테르로 이루어진 군 중에서 선택한 1종 이상의 화합물을 포함할 수 있다. 또한, 상기 극성 유기용매는 C1 내지 C4의 알코올로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.For example, the non-polar organic solvent may include one or more compounds selected from the group consisting of methylene chloride, ethyl acetate and ether. In addition, the polar organic solvent may include at least one selected from the group consisting of C 1 to C 4 alcohols.

또한, 상기 액체-액체 추출은 1회 내지 수회 반복 수행할 수 있으며, 바람직하게는 2회 이상, 더욱 바람직하게는 3회 내지 5회 반복 수행할 수 있다.In addition, the liquid-liquid extraction may be repeated one to several times, preferably two or more times, more preferably three to five times.

나아가, 만약 극성 유기용매가 C1 내지 C4의 알코올인 경우, 비극성 유기용매로 메틸렌 클로라이드를 사용하는 것이 바람직하고, 메틸렌 클로라이드는 알코올 농축액의 20 내지 30 %(v/v)로 바람직하게 사용될 수 있으며, 과도한 메틸렌 클로라이드의 사용은 후속 공정에 많은 부담을 초래하게 된다.Furthermore, if the polar organic solvent is a C 1 to C 4 alcohol, it is preferable to use methylene chloride as the non-polar organic solvent, and methylene chloride is preferably used in an amount of 20 to 30% (v/v) of the alcohol concentrate, and excessive use of methylene chloride causes a lot of burden in subsequent processes.

본 발명의 파클리탁셀 정제방법에 있어서, 상기 d) 단계의 흡착제 처리는 타르 등의 불순물을 제거하기 위해 실리카계 흡착제를 사용하는 것이 바람직하며, 실리카계 흡착제를 사용하는 경우, 바이오매스 유래 왁스, 타르 등의 불순물을 효과적으로 제거할 수 있으며, 파클리탁셀의 순도 및 정제공정의 효율성을 높이는데 효과적이다.In the paclitaxel purification method of the present invention, it is preferable to use a silica-based adsorbent to remove impurities such as tar in the adsorbent treatment in step d). In the case of using the silica-based adsorbent, impurities such as biomass-derived wax and tar can be effectively removed, and it is effective in increasing the purity of paclitaxel and the efficiency of the purification process.

또한, 상기 d) 단계의 흡착제는 상기 c) 단계에서 수득된 미가공 파클리탁셀 추출물:흡착제의 비율이 1:0.5 내지 1:2.5 (w/w)가 되도록 처리할 수 있다. 상기 흡착제는 20 ℃ 내지 60 ℃에서 30분 동안 처리할 수 있고, 이후 여과지로 여과하여 감압상태에서 건조할 수 있다.In addition, the adsorbent in step d) may be treated so that the ratio of the raw paclitaxel extract obtained in step c) to the adsorbent is 1:0.5 to 1:2.5 (w/w). The adsorbent may be treated at 20 °C to 60 °C for 30 minutes, then filtered with a filter paper and dried under reduced pressure.

본 발명의 파클리탁셀 정제방법은 흡착제를 처리한 후, 헥산 침전 단계를 생략하고 분별침전단계를 수행할 수 있다. 통상적으로 바이오매스로부터의 파클리탁셀 추출 및 정제방법은 용매추출, 액체-액체 추출, 흡착제 처리, 헥산 침전 및 분별침전의 단계로 구성되지만, 파클리탁셀 정제 시 음압 캐비테이션을 도입한 분별침전을 수행하는 경우, 헥산 침전 단계를 생략하더라도 종래의 정제방법과 유사한 순도의 파클리탁셀을 단시간에 고수율로 수득할 수 있다.In the paclitaxel purification method of the present invention, after treating the adsorbent, the hexane precipitation step may be omitted and the fractional precipitation step may be performed. Conventionally, a method for extracting and purifying paclitaxel from biomass is composed of solvent extraction, liquid-liquid extraction, adsorbent treatment, hexane precipitation, and fractional precipitation. However, in the case of performing fractional precipitation by introducing negative pressure cavitation during paclitaxel purification, paclitaxel having a purity similar to that of the conventional purification method can be obtained in a high yield in a short time even if the hexane precipitation step is omitted.

따라서, 본 발명의 파클리탁셀 정제방법은 종래의 용매추출, 액체-액체 추출, 흡착제 처리 및 헥산 침전 단계에서 헥산 침전 단계를 생략함으로써 공정의 복잡성을 간소화하여 파클리탁셀의 대량 생산에 매우 유용하게 활용될 수 있다.Therefore, the paclitaxel purification method of the present invention omits the hexane precipitation step from the conventional solvent extraction, liquid-liquid extraction, adsorbent treatment, and hexane precipitation steps, thereby simplifying the complexity of the process and can be very usefully used for mass production of paclitaxel.

이하, 본 발명을 실시예를 통해 보다 상세하게 설명한다. 단, 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 이하에서 기술하는 특정 실시예 및 설명은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발 명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. However, the present invention can have various changes and various forms, and the specific embodiments and descriptions described below are only intended to aid understanding of the present invention, and are not intended to limit the present invention to specific disclosed forms. It should be understood that the scope of the present invention includes all modifications, equivalents and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

바이오매스 준비biomass preparation

택서스 치넨시스(Taxus chinensis)로부터 기원된 현탁액 세포(Suspension cells)는 24 ℃, 암조건(darkness condition)의 수정된 갬보그 B5 배지 (Gamborg's B5 medium)에서 150 rpm으로 교반하여 배양하였다 [김 등의 "Ultrasound-assisted fractional precipitation of paclitaxel from Taxus chinensis cell cultures," Process Biochem., 87, 238-243 (2019); 김 등의 "Adsorption kinetics, mechanism, isotherm, and thermodynamic analysis of paclitaxel from extracts of Taxus chinensis cell cultures onto Sylopute," Biotechnol. Bioproc. Eng., 24, 513-521 (2019)]. 세포 배양 후, 데칸터 (decanter; Westfalia, CA150 Claritying Decanter)와 고속원심분리기(α-Laval, BTPX205GD-35CDEEP)를 이용하여 배양액으로부터 식물세포(바이오매스)를 회수하였다.Suspension cells derived from Taxus chinensis were cultured by stirring at 150 rpm in a modified Gamborg's B5 medium at 24 ° C. under dark condition [Kim et al., "Ultrasound-assisted fractional precipitation of paclitaxel from Taxus chinensis cell cultures," Process Biochem., 87 , 238-24 3 (2019); Kim et al., "Adsorption kinetics, mechanism, isotherm, and thermodynamic analysis of paclitaxel from extracts of Taxus chinensis cell cultures onto Sylopute," Biotechnol. Bioproc. Eng ., 24 , 513-521 (2019)]. After cell culture, plant cells (biomass) were recovered from the culture medium using a decanter (Westfalia, CA150 Claritying Decanter) and a high-speed centrifuge (α-Laval, BTPX205GD-35CDEEP).

음압 캐비테이션을 이용한 분별침전 및 파클리탁셀 함량 분석Fractional precipitation using negative pressure cavitation and analysis of paclitaxel content

2-1. 분별침점을 위한 시료 준비2-1. Sample preparation for differential acupuncture points

실시예 1에서 회수한 바이오매스와 메탄올을 1:1 (w/v) 비율로 혼합하여 추출한 후, 메틸렌 클로라이드를 첨가(추출액의 25%)하여 액-액 추출(liquid-liquid extraction)을 수행하였다. 상 분리(phase separation)를 통해 하층인 메틸렌 클로라이드 층으로 파클리탁셀을 회수하여 농축 및 건조하였다. 건조된 미가공 추출물(crude extract)에 흡착제(Sylopute)를 처리하고 여과하였다. 여과액을 30 ℃ 감압 하에서 건조하고, 실리카-겔 60N (Timely, Japan) 컬럼(용출: 디클로로메탄에 용해된 1.5%(v/v) 메탄올)을 통해 정제하였다. 이를 통해 얻은 시료(순도: 20.47%)를 음압 캐비테이션을 이용한 분별침전에 사용하였다.After extracting by mixing the biomass recovered in Example 1 with methanol at a ratio of 1:1 (w/v), liquid-liquid extraction was performed by adding methylene chloride (25% of the extract). Paclitaxel was recovered as a lower methylene chloride layer through phase separation, and concentrated and dried. The dried crude extract was treated with an adsorbent (Sylopute) and filtered. The filtrate was dried under reduced pressure at 30 °C and purified through a silica-gel 60N (Timely, Japan) column (eluent: 1.5% (v/v) methanol dissolved in dichloromethane). The sample (purity: 20.47%) obtained through this was used for fractional precipitation using negative pressure cavitation.

2-2. 음압 캐비테이션 분별침전(negative pressure cavitation fractional precipitation)2-2. Negative pressure cavitation fractional precipitation

음압이 없는 전통적 분별침전과 음압 캐비테이션 분별침전 공정의 개략도를 도 1에 나타내었다. 분별침전을 위해 실시예 2-1에서 수득된 미가공 파클리탁셀(순도: 20.47%)을 메탄올에 녹이고 (메탄올에 용해된 순수 파클리탁셀 함량: 0.5%, w/v), 상온에서 메탄올:물의 비율(v/v)이 61.5:38.5가 될 때까지 증류수를 교반(335 rpm) 하에 한 방울씩 떨어뜨렸다. 음압 영향을 조사하기 위하여, 진공조절기(vacuum controller unit; EYELA NVC-3000, Japan)와 다이아프램 진공 펌프(diaphragm vacuum pump; EYELA NVP-1000, Japan)를 이용하여 침전 용액 내로 음압을 가하였다. 침전온도 5 ℃에서 음압(0 mmHg, -50 mmHg, -100 mmHg, -150 mmHg 또는 -200 mmHg)을 달리하여 파클리탁셀 침전 효율에 미치는 영향을 조사하였다. 또한, 조업 시간(1분, 5분, 10분 또는 20분)을 각각 변화시켜 침전 시간, 파클리탁셀 수율 및 순도를 확인하였다. 침전 후 침전물을 여과지(185 mm, ADVANTEC)로 감압 여과하여 40 ℃에서 24 시간 동안 진공오븐(UP-2000, EYELA, Japan)에서 건조하였다. 건조된 침전물의 파클리탁셀 함량은 HPLC로 분석하였다.A schematic diagram of the traditional fractionation precipitation without negative pressure and the negative pressure cavitation fractionation precipitation process is shown in FIG. 1 . For fractional precipitation, crude paclitaxel (purity: 20.47%) obtained in Example 2-1 was dissolved in methanol (pure paclitaxel content dissolved in methanol: 0.5%, w/v), and distilled water was added dropwise under stirring (335 rpm) until the methanol:water ratio (v/v) reached 61.5:38.5 at room temperature. To investigate the effect of negative pressure, negative pressure was applied into the precipitation solution using a vacuum controller unit (EYELA NVC-3000, Japan) and a diaphragm vacuum pump (EYELA NVP-1000, Japan). The effect of varying the negative pressure (0 mmHg, -50 mmHg, -100 mmHg, -150 mmHg or -200 mmHg) on the precipitation efficiency of paclitaxel at a precipitation temperature of 5 °C was investigated. In addition, the operation time (1 minute, 5 minutes, 10 minutes or 20 minutes) was changed to confirm the precipitation time, paclitaxel yield and purity. After precipitation, the precipitate was filtered under reduced pressure with a filter paper (185 mm, ADVANTEC) and dried in a vacuum oven (UP-2000, EYELA, Japan) at 40 °C for 24 hours. The paclitaxel content of the dried precipitate was analyzed by HPLC.

2-3. 파클리탁셀 함량 분석2-3. Analysis of paclitaxel content

실시예 2-1 및 2-2에서 수득된 각 시료에서 파클리탁셀의 함량 분석을 위해 HPLC (high performance liquid chromatography) 시스템 (SCL-10AVP, Shimadzu, Japan)과 캅셀팩 C18 (Capcell Pak C18; 250×4.6 mm, Shiseido, Japan) 컬럼을 사용하였다. 이동상은 증류수와 아세토니트릴 혼합 용액(65/35~35/65, v/v, 구배용매조성법)이며, 유속은 1.0 mL/분이었다. 시료 주입량은 20 μL이며 227 nm에서 UV로 검출하였다. 표준 파클리탁셀 시료 (순도: 97%)는 시그마-알드리치 (Sigma-Aldrich)로부터 구입하여 사용하였다.To analyze the content of paclitaxel in each sample obtained in Examples 2-1 and 2-2, a HPLC (high performance liquid chromatography) system (SCL-10AVP, Shimadzu, Japan) and a Capsule Pak C 18 (Capcell Pak C 18 ; 250 × 4.6 mm, Shiseido, Japan) column was used. The mobile phase was a mixed solution of distilled water and acetonitrile (65/35 to 35/65, v/v, gradient solvent composition method), and the flow rate was 1.0 mL/min. The sample injection amount was 20 μL and was detected by UV at 227 nm. A standard paclitaxel sample (purity: 97%) was purchased from Sigma-Aldrich and used.

음압 변화(0 mmHg, -50 mmHg, -100 mmHg, -150 mmHg, -200 mmHg)에 따른 분별침전 수행 결과를 도 2에 나타내었다. 도 2에서 확인되는 바와 같이, 음압 -50 mmHg 내지 -200 mmHg에서 파클리탁셀 수율은 74.4% 내지 98.6%이었다. 음압이 증가할수록 파클리탁셀의 수율이 증가하였다. 반면 전통적 분별침전(대조군)에서는 분별침전 20분에서 파클리탁셀 수율은 69.5%로, 음압을 도입한 분별침전에 비해 매우 낮은 수율을 나타내었다. 또한, 음압 -50 mmHg 내지 -200 mmHg에서 분별침전에 소요되는 시간은 각각 1 내지 10분이었다. 특히, 음압 -200 mmHg에서 침전할 경우 짧은 조업 시간(1분)에 대부분의 파클리탁셀을 회수(>97%)할 수 있었다. 이를 통해 분별침전 수율과 분별침전에 소요되는 시간은 대조군에 비해 획기적으로 개선되었음을 확인할 수 있었다. 음압에 따른 침전물의 파클리탁셀 순도는 34 내지 41% 정도로 순도 차이는 거의 없었다(데이터 미도시). 이러한 결과는 기존의 고분자물질을 이용한 분별침전의 연구 결과와도 유사함을 알 수 있었다 [Kim 등의 "Decreasing particle size of paclitaxel using polymer in fractional precipitation process," Korean Chem. Eng. Res. 54 278-283 (2016)].The results of fractional precipitation according to negative pressure changes (0 mmHg, -50 mmHg, -100 mmHg, -150 mmHg, -200 mmHg) are shown in FIG. 2 . As confirmed in FIG. 2 , the yield of paclitaxel was 74.4% to 98.6% at negative pressures of -50 mmHg to -200 mmHg. As the negative pressure increased, the yield of paclitaxel increased. On the other hand, in the traditional fractionated precipitation (control group), the yield of paclitaxel at 20 minutes of fractionated precipitation was 69.5%, which was very low compared to the fractionated precipitation using negative pressure. In addition, the time required for fractional precipitation at negative pressures of -50 mmHg to -200 mmHg was 1 to 10 minutes, respectively. In particular, when precipitating at negative pressure -200 mmHg, most paclitaxel could be recovered (>97%) in a short operation time (1 minute). Through this, it was confirmed that the fractional precipitation yield and the time required for fractional precipitation were significantly improved compared to the control group. The purity of paclitaxel in the precipitate according to the negative pressure was about 34 to 41%, and there was little difference in purity (data not shown). These results were found to be similar to the results of research on fractional precipitation using conventional polymer materials [Kim et al., "Decreasing particle size of paclitaxel using polymer in fractional precipitation process , " Korean Chem. Eng. Res. 54 278-283 (2016)].

2-4. 종래의 분별침전과 음압 캐비테이션을 이용한 분별침전의 침전 시간 비교2-4. Comparison of settling time between conventional fractionation and fractionation using negative pressure cavitation

파클리탁셀의 분별침전에 대한 이전 연구와 본 연구의 결과를 비교하여 표 1에 나타내었다. 표면적 증가물질(surface area-increasing materials)로 유리 비드(glass bead) 또는 이온교환수지(ion exchange resin)를 이용한 분별침전[1. 김 등의 "Improvement of fractional precipitation process for pre-purification of paclitaxel," Process Biochem., 44 736-741 (2009); 2. 김 등의 "Effect of reactor type on the purification efficiency of paclitaxel in the increased surface area fractional precipitation process," Sep. Purif. Technol. 99 14-19 (2012)]과 표면적 증가물질을 이용하지 않는 전통적 분별침전[3. 김 등의 "Fractional precipitation for paclitaxel pre-purification from plant cell cultures of Taxus chinensis," Biotechnol. Lett. 22 1753-1756 (2000); 4. 김 등의 "A novel prepurification for paclitaxel from plant cell cultures," Process Biochem. 37 679-682 (2002); 5. 김 등의 "Optimal temperature control in fractional precipitation for paclitaxel pre-purification," Process Biochem. 41 276-280 (2006)]에서 침전 시간은 각각 ~12 시간 및 ~72 시간이었다. 침전 용액(메탄올-증류수 혼합물)에서 증류수의 비를 증가시킨 분별침전[6. 김 등의 "Improved fractional precipitation method for purification of paclitaxel," Process Biochem. 49 1370-1376 (2014)]에서 침전 시간은 ~0.5 시간이었다. 또한, 초음파 캐비테이션 분별침전[7. 김 등의 "Ultrasound-assisted fractional precipitation of paclitaxel from Taxus chinensis cell cultures," Process Biochem., 87, 238-243 (2019)]에서 침전 시간은 0.08 내지 0.50 시간이었다. 본 발명에서 고안된 음압 캐비테이션을 이용한 분별침전의 침전 시간은 0.02 내지 0.16 시간이었다. 즉, 음압을 도입함으로써 분별침전의 조업 시간을 획기적으로 단축하여 기존 분별침전에서의 문제점인 긴 침전시간을 현저하게 단축시킬 수 있었다.Table 1 compares the results of previous studies on the fractional precipitation of paclitaxel with those of this study. Fractional precipitation using glass beads or ion exchange resin as surface area-increasing materials [1. Kim et al., "Improvement of fractional precipitation process for pre-purification of paclitaxel," Process Biochem. , 44 736-741 (2009); 2. Kim et al., "Effect of reactor type on the purification efficiency of paclitaxel in the increased surface area fractional precipitation process," Sep. Purif. Technol. 99 14-19 (2012)] and traditional fractional precipitation without using surface area increasing materials [3. Kim et al., "Fractional precipitation for paclitaxel pre-purification from plant cell cultures of Taxus chinensis ," Biotechnol. Lett. 22 1753-1756 (2000); 4. Kim et al., "A novel prepurification for paclitaxel from plant cell cultures," Process Biochem. 37 679-682 (2002); 5. Kim et al., "Optimal temperature control in fractional precipitation for paclitaxel pre-purification," Process Biochem. 41 276-280 (2006)], the settling times were -12 hours and -72 hours, respectively. Fractionated precipitation by increasing the ratio of distilled water in the precipitation solution (methanol-distilled water mixture) [6. Kim et al., "Improved fractional precipitation method for purification of paclitaxel," Process Biochem. 49 1370-1376 (2014)], the settling time was ~0.5 h. In addition, ultrasonic cavitation fractionated precipitation [7. In Kim et al., "Ultrasound-assisted fractional precipitation of paclitaxel from Taxus chinensis cell cultures," Process Biochem., 87 , 238-243 (2019)], the precipitation time was 0.08 to 0.50 hours. The settling time of fractional precipitation using negative pressure cavitation designed in the present invention was 0.02 to 0.16 hours. That is, by introducing a negative pressure, the operation time of the fractionation was drastically shortened, and the long precipitation time, which was a problem in the existing fractionation, could be remarkably shortened.

파클리탁셀의 분별침전 시 음압 캐비테이션 도입 여부에 따른 분별침전 시간 비교Comparison of fractionation time according to whether or not negative pressure cavitation was introduced during fractional precipitation of paclitaxel 문헌번호document number 분별침전방법Fractional precipitation method 메탄올:증류수 비율 (v/v)Methanol:distilled water ratio (v/v) 저장 온도
(℃)
storage temperature
(℃)
표면 영역 증가 물질surface area increasing material 분별침전 시간
(hr)
fractionation settling time
(hr)
1One 표면적 증가물질 첨가Add surface area increaser 61.5:38.561.5:38.5 낮은 온도
(0-4)
low temperature
(0-4)
유리 비드glass bead ~12~12
22 표면적 증가물질 첨가Add surface area increaser 61.5:38.561.5:38.5 낮은 온도
(0-4)
low temperature
(0-4)
이온교환수지ion exchange resin 6-126-12
3,4,53,4,5 3. 분별침전조건 최적화
4. 흡착제 처리
(활성 점토)
5. 온도 조절
3. Optimization of fractional sedimentation conditions
4. Adsorbent treatment
(activated clay)
5. Temperature control
61.5:38.561.5:38.5 낮은 온도
(0-4)
low temperature
(0-4)
없음doesn't exist ~72~72
66 메탄올:증류수
비율 변화
Methanol: distilled water
rate change
50:50-20:8050:50-20:80 낮은 온도
(0-4)
low temperature
(0-4)
없음doesn't exist ~0.5~0.5
77 초음파 캐비테이션ultrasonic cavitation 61.5:38.561.5:38.5 낮은 온도
(5)
low temperature
(5)
없음doesn't exist 0.08-0.500.08-0.50
본원발명original invention 음압 캐비테이션negative pressure cavitation 61.5:38.561.5:38.5 낮은 온도
(5)
low temperature
(5)
없음doesn't exist 0.02-0.160.02-0.16

이러한 결과는 초음파 캐비테이션 분별침전에서와 마찬가지로 음압 캐비테이션 버블 자체가 핵 생성(heterogeneous nucleation) 위치(sites)로 작용하여 핵 생성을 위한 자유 에너지 장벽을 낮추어 침전이 빨라지는 것으로 보인다. 더불어 음압 캐비테이션 버블(negative pressure cavitation bubbles)의 붕괴(collapse)에 의해 생성되는 충격파(shock waves)와 마이크로젯(microjets)으로 인해 균질 핵 생성(homogeneous nucleation)이 촉진되기 때문으로 판단된다.These results suggest that, as in ultrasonic cavitation fractionation, the negative pressure cavitation bubbles themselves act as sites for heterogeneous nucleation, lowering the free energy barrier for nucleation and accelerating sedimentation. In addition, it is believed that this is because homogeneous nucleation is promoted due to shock waves and microjets generated by the collapse of negative pressure cavitation bubbles.

음압 캐비테이션을 이용한 분별침전의 특성 확인Confirmation of the characteristics of fractionated sedimentation using negative pressure cavitation

3-1. 침전물의 크기 측정3-1. Sediment size measurement

분별침전의 특성을 보다 정량적으로 조사하기 위해, 첫 번째로 음압을 이용하지 않는 전통적 분별침전(대조군)과 음압 캐비테이션을 이용한 분별침전에서 침전물의 입자 크기를 측정하였다.In order to investigate the characteristics of the fractionation sedimentation more quantitatively, first, the particle size of the precipitate was measured in the traditional fractionation (control group) without negative pressure and the fractionation using negative pressure cavitation.

구체적으로, 실시예 2-2의 분별침전에서 수득한 침천물의 형태와 크기를 조사하기 위하여, 전자현미경(SV-35 Video Microscope System, Some Tech, Korea)을 사용하였다[김 등의 "Kinetic and thermodynamic characteristics of fractional precipitation of (+)-dihydromyricetin," Process Biochem. 53 224-231 (2017)]. 침전물을 고배율(x200)에서 관찰하였으며, 침전물의 크기는 IT-Plus System (Some Tech, Korea)을 사용하여 비디오 이미지에서 측정하였다.Specifically, in order to examine the shape and size of the precipitate obtained in the fractional precipitation of Example 2-2, an electron microscope (SV-35 Video Microscope System, Some Tech, Korea) was used [Kim et al., "Kinetic and thermodynamic characteristics of fractional precipitation of (+)-dihydromyricetin," Process Biochem. 53 224-231 (2017)]. The precipitate was observed at high magnification (x200), and the size of the precipitate was measured from video images using the IT-Plus System (Some Tech, Korea).

3-2. 확산 계수 추정(Estimation of diffusion coefficient)3-2. Estimation of diffusion coefficient

분별침전의 특성을 보다 정량적으로 조사하기 위해, 두 번째로 음압을 이용하지 않는 전통적 분별침전(대조군)과 음압 캐비테이션을 이용한 분별침전에서 침전 용액의 점도와 파클리탁셀의 확산 계수를 측정하였다.In order to investigate the characteristics of fractionation more quantitatively, secondly, the viscosity of the precipitation solution and the diffusion coefficient of paclitaxel were measured in the conventional fractionation (control) without negative pressure and the fractionation using negative pressure cavitation.

분별침전 용매(A)에 확산되는 파클리탁셀 분자(B)의 확산 계수는 스토크스-아인슈타인 방정식(Stokes-Einstein equation)으로부터 계산하였으며, 식 1과 같이 나타낼 수 있다. The diffusion coefficient of the paclitaxel molecule (B) diffusing into the fractionation precipitation solvent (A) was calculated from the Stokes-Einstein equation and can be expressed as Equation 1.

[식 1][Equation 1]

상기 식 1에서, k는 볼츠만 상수(Boltzmann constant, )이고, 는 파클리탁셀 분자 반경, 는 용액의 동적 점도성(dynamic viscosity), T는 용액의 절대 온도를 나타낸다. 용액의 점도는 점도계(Viscolite 700, Hydromotion, UK)를 이용하여 측정하였다. In Equation 1, k is the Boltzmann constant (Boltzmann constant, )ego, is the paclitaxel molecular radius, is the dynamic viscosity of the solution, and T is the absolute temperature of the solution. The viscosity of the solution was measured using a viscometer (Viscolite 700, Hydromotion, UK).

상이한 음압에서 파클리탁셀의 분별 침전에 대한 운동 매개변수의 값Values of kinetic parameters for fractional precipitation of paclitaxel at different negative pressures 분별침전 유형Fractionated sedimentation type 평균 입자 크기
(μm)
average particle size
(μm)
점도성 (g/cm·s)Viscosity (g/cm s) 확산계수, ()diffusion coefficient, ( )
대조군*control group* 52.52952.529 1.21.2 6.3486.348 음압 캐비테이션 버블 이용
(-200 mmHg)
Using negative pressure cavitation bubbles
(-200 mmHg)
15.86815.868 0.90.9 28.02028.020

*음압 도입 없음 (대기압 760 mmHg)*No introduction of negative pressure (atmospheric pressure 760 mmHg)

표 2에서 확인되는 바와 같이, 대조군과 음압 도입이 있는 분별침전 용액의 점도는 각각 1.2 및 0.9 g/cm·s로 측정되었다. 음압 도입이 없는 분별침전에서 평균 입자 크기는 52.529 μm로 측정된 반면, 음압을 도입하였을 때 침전 1~10 분에서 평균 입자 크기는 15.868 μm로 측정되어, 음압을 도입할 경우 평균 입자 크기가 3.3배 감소함을 알 수 있었다. 일반적으로 원료의약품의 입자크기 감소는 제형화(formulation) 시, 용해 속도(dissolution rate), 약물 분산의 균일성(uniformity of drug dispersion), 경구적 생체 이용률(oral bioavailability) 등을 향상시키는 장점을 가진다. 분별침전방법에 따른 확산 양상(diffusion behavior)을 조사하기 위하여, 스토크스-아인슈타인 방정식을 이용하여 파클리탁셀 확산계수 (diffusion coefficient)를 계산한 결과, 표 2에 나타난 바와 같이 음압이 없는 전통적 분별침전(대조군)의 경우 값은 6.348인 반면, 음압 캐비테이션을 도입한 분별침전의 경우 값은 으로 확인되어, 음압 도입으로 확산계수 값이 4.4배 증가함을 알 수 있었다. 분별침전에서 확산 계수의 증가는 균질 핵 생성(homogeneous nucleation)에 중요하게 영향을 미친다. 이는 음압 캐비테이션 버블(negative pressure cavitation bubbles)의 붕괴(collapse)에 의한 캐비테이션 현상(cavitational phenomena)인 강열한 국소 가열(hotspots), 고압 충격파(shock waves) 및 마이크로젯(microjets) 때문으로 판단된다.As confirmed in Table 2, the viscosities of the control and fractionation solutions with negative pressure were measured as 1.2 and 0.9 g/cm·s, respectively. The average particle size was measured to be 52.529 μm in fractionation sedimentation without introducing negative pressure, whereas the average particle size was measured to be 15.868 μm in 1 to 10 minutes of sedimentation when negative pressure was introduced, indicating a 3.3-fold decrease in average particle size when negative pressure was introduced. In general, reducing the particle size of drug substances has the advantage of improving dissolution rate, uniformity of drug dispersion, oral bioavailability, etc. during formulation. To investigate the diffusion behavior according to the fractional precipitation method, the diffusion coefficient of paclitaxel was calculated using the Stokes-Einstein equation. As a result of calculating (diffusion coefficient), as shown in Table 2, in the case of traditional fractionated sedimentation (control group) without negative pressure value is 6.348 On the other hand, in the case of fractional precipitation using negative pressure cavitation value is , and the diffusion coefficient with the introduction of negative pressure It was found that the value increased by 4.4 times. In fractional precipitation, the increase in diffusion coefficient has a significant effect on homogeneous nucleation. This is believed to be due to intense local heating (hotspots), high-pressure shock waves and microjets, which are cavitational phenomena caused by the collapse of negative pressure cavitation bubbles.

3-3. 동역학적 모델(Kinetic model)3-3. Kinetic model

일반적으로 침전 입자의 생성과정은 핵 생성(nucleation)과 성장(growth) 단계로 나누어 진다. 결정화 또는 침전 공정에 주로 사용되는 Johnson-Mehl-Avrami-Komolgorov (JMAK) 식은 핵 생성(nucleation)과 입자성장(particle growth) 과정에서 등온 상전이(isothermal phase-transformation)의 동역학을 다루고 있으며, 식 2와 같이 표현된다.In general, the generation process of sediment particles is divided into nucleation and growth stages. The Johnson-Mehl-Avrami-Komolgorov (JMAK) equation, which is mainly used in crystallization or precipitation processes, deals with the kinetics of isothermal phase-transformation in the nucleation and particle growth processes and is expressed as Equation 2.

[식 2][Equation 2]

식 2를 선형화하여 식 3을 얻을 수 있다.Equation 3 can be obtained by linearizing Equation 2.

[식 3][Equation 3]

식 3을 이용하여 를 플로팅(plotting)하고, 직선의 기울기와 절편으로부터 n과 k를 각각 얻었다.Using Equation 3 big was plotted, and n and k were obtained from the slope and intercept of the straight line, respectively.

여기서, X는 침전물 분율, t는 시간, k는 속도 상수, n은 결정의 구조 및 결정 핵 생성의 특성을 묘사하는 Avrami 지수이다.where X is the precipitate fraction, t is time, k is the rate constant, and n is the Avrami index describing the structure of the crystal and the nature of crystal nucleation.

파클리탁셀의 분별침전공정에서 동역학적 모델(JMAK 모델)의 유효성 확인을 위하여 결정 계수(coefficient of determination, )를 이용하였다. 결정 계수는 1에 가까울수록 실험값과 계산값 사이의 오차가 작음을 의미한다.To confirm the validity of the kinetic model (JMAK model) in the fractional precipitation process of paclitaxel, the coefficient of determination (coefficient of determination, ) was used. The closer the coefficient of determination is to 1, the smaller the error between the experimental value and the calculated value.

도 2의 실험 데이터를 JMAK 식에 적용하여 침전시간에 따른 파클리탁셀의 침전 양상을 동역학적으로 해석하였다.The experimental data of FIG. 2 was applied to the JMAK equation to kinetically analyze the precipitation pattern of paclitaxel according to the precipitation time.

JMAK 식을 분별침전에 적용하기 위해 식 2를 기반으로 대 log t를 플로팅하였다(데이터 미도시). 직선의 기울기와 절편으로부터 계산된 JMAK 지수(n)와 속도 상수(k)를 결정계수(r2)와 함께 표 3에 나타내었다. n 값은 0.2166 (control), 0.0406~0.2407 (-50~-200 mmHg)이었다. k 값(min-1)은 0.6140 (control), 1.3183~3.7120 (-50~-200 mmHg)이었다. 대조군 대비 음압(-50~-200 mmHg)을 이용한 분별침전의 경우, 속도 상수는 각각 2.147~6.046배 증가하였다. 아레니우스식 (Arrhenius equation) [김 등의 "Kinetic and thermodynamic characteristics of microwave-assisted extraction for the recovery of paclitaxel from Taxus chinensis," Process Biochem. 76 187-193 (2019)]을 이용하여 음압(-50~-200 mmHg)에 따른 활성화에너지 변화량(ΔEa=ΔEa,negative pressure-ΔEa,control)을 계산한 결과, ΔEa 값은 -1767~-4161 J/mol이었다. 즉, 음압을 이용하여 분별침전을 수행하는 경우 활성화 에너지 감소 효과 있었다. 이러한 결과로부터, 분별침전에 음압을 도입함으로써 활성화 에너지(반응이 진행되기 위해 필요한 최소한의 에너지)를 감소시킬 수 있으며, 이로 인해 침전 속도를 증가시킬 수 있었다. 동역학적 해석 결과, JMAK 모델이 높은 r2 값(>0.828)을 가져 파클리탁셀 분별침전 공정에 적합함을 알 수 있었다.Based on Equation 2 to apply the JMAK equation to the fractional precipitation versus log t was plotted (data not shown). Table 3 shows the JMAK exponent (n) and rate constant (k) calculated from the slope and intercept of the straight line along with the coefficient of determination (r 2 ). The n values were 0.2166 (control) and 0.0406 to 0.2407 (-50 to -200 mmHg). The k values (min -1 ) were 0.6140 (control) and 1.3183 to 3.7120 (-50 to -200 mmHg). In the case of fractional precipitation using negative pressure (-50 to -200 mmHg) compared to the control group, the rate constants increased by 2.147 to 6.046 times, respectively. Arrhenius equation [Kim et al., "Kinetic and thermodynamic characteristics of microwave-assisted extraction for the recovery of paclitaxel from Taxus chinensis ," Process Biochem. 76 187-193 (2019)] as a result of calculating the activation energy change (ΔE a =ΔE a, negative pressure -ΔE a, control ) according to negative pressure (-50 ~ -200 mmHg), the ΔE a value was -1767 ~ -4161 J / mol. That is, when fractional precipitation was performed using negative pressure, there was an effect of reducing activation energy. From these results, it was possible to reduce the activation energy (minimum energy required for the reaction to proceed) by introducing negative pressure into the fractionation precipitation, thereby increasing the precipitation rate. As a result of the kinetic analysis, it was found that the JMAK model had a high r 2 value (>0.828) and was suitable for the fractional precipitation process of paclitaxel.

평균 입자 크기 및 확산도에 대한 음압 캐비테이션 버블의 영향Effect of Negative Pressure Cavitation Bubbles on Average Particle Size and Diffusivity 음압(mmHg)Sound pressure (mmHg) nn kk ΔEa (J/mol)
(Ea,negative pressure-Ea,control)
ΔE a (J/mol)
(E a , negative pressure -E a , control )
r2 r 2
대조군control group 0.21660.2166 0.61400.6140 -- 0.9260.926 -50-50 0.16010.1601 1.31831.3183 -1767-1767 0.8900.890 -100-100 0.24070.2407 1.83951.8395 -2537-2537 0.8900.890 -150-150 0.17380.1738 2.37632.3763 -3129-3129 0.9360.936 -200-200 0.04060.0406 3.71203.7120 -4161-4161 0.8280.828

Claims (10)

파클리탁셀 정제 시 음압 캐비테이션을 도입하여 수행되는 분별침전방법으로서,
파클리탁셀을 포함하는 시료를 메탄올과 혼합하고 물을 첨가한 후 -260 mmHg 내지 -100 mmHg의 음압을 가하여 캐비테이션 버블을 발생시킴으로써, 1 내지 5분 동안 음압 캐비테이션을 도입하여 분별침전방법이 수행되고,
상기 분별침전방법의 수행 후 97%를 초과하는 파클리탁셀이 회수되는, 분별침전방법.
As a fractional precipitation method performed by introducing negative pressure cavitation in the purification of paclitaxel,
A fractional precipitation method is performed by mixing a sample containing paclitaxel with methanol, adding water, and then applying negative pressure of -260 mmHg to -100 mmHg to generate cavitation bubbles, introducing negative pressure cavitation for 1 to 5 minutes,
After performing the fractional precipitation method, more than 97% of paclitaxel is recovered.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 물은 메탄올과 물의 부피비가 50:50 내지 20:80이 될 때까지 첨가하는 것을 특징으로 하는 분별침전방법.The fractional precipitation method according to claim 1, wherein the water is added until the volume ratio of methanol to water is 50:50 to 20:80. 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 분별침전방법은 상온에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 분별침전방법.The fractional precipitation method according to claim 1, wherein the fractional precipitation method is performed at room temperature. 제1항에 있어서, 상기 음압 캐비테이션을 도입하여 분별침전을 수행한 후의 파클리탁셀 평균 입자 크기는 10 μm 내지 20 μm로 감소되는 것을 특징으로 하는 분별침전방법.The fractionated precipitation method according to claim 1, wherein the average particle size of paclitaxel after the fractional precipitation is performed by introducing negative pressure cavitation is reduced to 10 μm to 20 μm. 다음의 a) 내지 e) 단계를 포함하는 파클리탁셀 정제방법:
a) 택서스속(Taxus genus) 식물체의 세포 배양액으로부터 바이오매스를 수득하는 단계;
b) 유기용매 추출을 수행하는 단계;
c) 액체-액체 추출을 수행하는 단계;
d) 흡착제를 처리하는 단계; 및
e) 제1항, 제4항, 제7항 및 제8항 중 어느 한 항의 분별침전방법을 수행하는 단계.
Paclitaxel purification method comprising the following steps a) to e):
a) obtaining biomass from a cell culture medium of a Taxus genus plant;
b) performing organic solvent extraction;
c) performing liquid-liquid extraction;
d) treating the adsorbent; and
e) performing the fractional precipitation method of any one of claims 1, 4, 7 and 8.
제9항에 있어서, 상기 a) 단계의 바이오매스는 택서스속 식물체, 이의 세포, 이의 세포 조각(cell debris) 및 이의 세포 배양액으로 이루어진 군에서 선택한 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 파클리탁셀 정제방법.10. The method of claim 9, wherein the biomass in step a) comprises at least one species selected from the group consisting of a taxus genus plant, its cells, its cell debris, and its cell culture medium.
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