KR20020023016A

KR20020023016A - 글루코사민염산염의 제조방법

Info

Publication number: KR20020023016A
Application number: KR1020000055672A
Authority: KR
Inventors: 김형석; 신용규; 김종만; 이원문; 서동석
Original assignee: 신용규; 주식회사 바이오 신소재
Priority date: 2000-09-22
Filing date: 2000-09-22
Publication date: 2002-03-28
Also published as: KR100401910B1

Abstract

본 발명은 글루코사민염산염(Glucosamine Hydrochloride)의 효율적인 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 키틴에 황산 또는 염산과 같은 무기산과 과산화수소를 첨가하고, 마이크로파를 조사하여 키틴을 가수분해한 후, 한외여과막, 나노막, 이온교환수지, 역삼투막 등의 분리막을 사용하여 분리, 정제하여 고순도의 글루코사민염산염을 효율적으로 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

글루코사민염산염의 제조방법 {PREPARATION OF GLUCOSAMINE HYDROCHLORIDE}

글루코사민염산염은 관절 연골에서 발견되는 성분이며, 당(Glucose)과 아민이 연결된 형태로 신체의 뼈, 연골, 손톱 등의 재료로 사용되는 물질이다. 특히 연골의 정상적인 생성을 촉진시킬 뿐만 아니라, 신진대사에 도움을 주고, 손상된 연골에 영향을 주어 원상으로 회복시키는 역할을 하며, 관절기능을 향상시키고, 통증을 완화시켜 준다. 글루코사민은 급성뿐만 아니라 만성형태의 류마티스, 관절염등의 치료와 골관절세포의 신진대사 장애로부터 기인하는 병적조건 등의 치료에 탁월한 효과가 있는 것으로 알려져 있다.

현재 글루코사민은 일반적으로 다음과 같은 방법으로 제조되고 있다. 키틴에 고농도의 염산을 첨가하여 장시간 가수분해하고, 실온에서 8 내지 48시간 동안 결정화한 후에 여과 및 원심분리하고 에탄올 등으로 세척한다. 세척 후 용액을 진공상태로 수분을 증발시켜 농축, 건조하여 글루코사민염산염을 제조한다.

상술한 기존의 공정은 설치공간 및 장비에 많은 비용이 소요되고 전자동 연속운동이 어려우며 유지보수가 쉽지 않다. 뿐만 아니라 부유물질의 완전한 분리 및 제거가 쉽지 않아 고순도의 글루코사민염산염을 높은 수득율로 회수하기 힘들다는 단점이 있다.

한편, 키토산을 가수분해하는 과정에서 초음파 또는 마이크로파를 조사하여 가수분해반응을 촉진하는 방법이 이용되고 있으나, 이들 종래기술들은 고분자 키틴또는 키토산의 사슬을 부분적으로 가수분해하여 올리고당을 포함하는 저분자 키틴 또는 저분자 키토산의 제조방법에 관한 것으로 단당체인 고순도의 글루코사민염산염만을 효율적으로 제조하는 데에는 한계점이 있다.

마이크로파는 300MHz 내지 300GHz의 주파수를 가지는 전자기파의 일종으로서 통신시스템, 레이다, 의료진단, 원격탐사, 가열 등에 널리 응용되고 있다. 특히, 가정용 전자렌지는 2.45GHz의 주파수를 가지는 마이크로파를 이용하여 전기적 극성을 가지는 물분자를 함유한, 즉 수분을 함유한 음식물을 가열하여 데우거나 요리하는 데에 사용되고 있다. 마이크로파는 음식물의 가열이외에도 물분자처럼 전기 쌍극자를 형성하고 있는 극성분자들을 회전운동 시키기에 적당한 주파수에 해당하므로 화학반응에 있어서 반응물 중에 극성분자들이 존재할 때 분자의 회전운동을 도와주어 반응 촉매와 같이 활성화에너지를 공급하는 역할을 한다. 이러한 마이크로파의 성질을 이용하여 키틴의 가수분해 반응시 마이크로파를 반응기에 조사하게 되면 반응속도를 빠르게 하여 반응시간을 단축시킬 수 있다.

산, 알칼리 수용액 모두 분자단위(예를 들어 황산분자, 염산분자, 수산화나트륨분자, 물분자)에서는 극성을 지닌 저분자상태이므로 외부에서 마이크로파를 조사하게 되면 마이크로파의 진동하는 전기장에 따라 이들 극성을 지닌 분자들이 쉽게 따라 움직이게 되고, 이렇게 분자들이 활발한 운동성을 지니도록 함으로써 화학 반응성을 높여 가수분해를 촉진할 수 있다.

또한, 상기 가수분해를 촉진하기 위한 수단으로써 일반적으로 가정용 전자렌지등에 사용되는 고정주파수의 마이크로파를 사용하고 있으나, 고정주파수의 마이크로파는 금속으로 이루어진 반응기 내부의 금속벽에서 반사되는 전자기파와 중첩되어 나타나는 현상으로 인해 불균일한 가열을 가져오므로 뜨겁게 가열된 부분이 있는 반면, 가열되지 않은 부분도 존재하게 되어 반응을 고르게 촉진할 수 없다는 문제점이 있다.

막(Membrane)은 대개 분자크기에 따라 물질을 분리하는 도구이다. 막을 제조공정에 이용하였을 경우 에너지 소비가 적고, 상변화와 고온처리 등이 수반되지 않는 장점이 있기 때문에 환경처리와 많은 화학공업의 분리공정들을 대체할 수 있는 기술이다. 막분리는 막이 가진 미세공의 형태 및 크기와 막의 물리적, 화학적 특성, 막분리 대상물질의 형태 및 크기에 따라 압력, 농도, 전위차등의 추진력을 이용하여 행해질 수 있다.

이러한 막분리는 분리하는 용질의 크기에 따라 한외여과막, 나노막, 역삼투막 등이 이용될 수 있다. 이 중 나노막은 미세다공막이라고도 하며 고분자 사슬의 크기에 준하는 막으로서 주로 분자량 300 내지 10,000까지의 유기물을 분리, 회수하는 데 이용한다.

본 발명은 키틴에 황산 또는 염산과 같은 무기산과 과산화수소를 첨가하고, 마이크로파를 조사하여 가수분해하고, 마이크로필터, 한외여과막, 나노막, 이온교환수지, 역삼투막 등을 사용한 여러단계의 분리, 정제과정을 거쳐 고순도의 글루코사민염산염을 효율적으로 제조하는 방법을 제공하고자 한다.

특히, 본 발명은 키틴의 가수분해 반응을 촉진하는 수단을 제공하여 강산과강알칼리의 사용량을 줄여 과다한 화학물질의 사용에 따른 환경오염을 방지하고, 효율적인 분리, 정제 수단을 제공하여 부유물질과 바이러스 및 세균을 완전제거하여 고순도의 글루코사민염산염을 제조하는 방법을 제공하고자 한다.

도 1은 본 발명에 따른 바람직한 글루코사민염산염의 제조공정도.

도 2는 온도와 압력에 따른 한외여과의 분자량분리를 나타낸 도표.

도 3은 나노여과에 의해 글루코사민염산염에 함유된 염의 농도와 배제율(% Rejection)을 나타낸 도표.

도 4는 막재질에 따른 나노여과의 글루코사민염산염의 수득율을 나타낸 도표.

도 5는 온도와 압력에 따른 나노여과의 회수율을 나타낸 도표.

도 6은 나노막을 사용한 분리 전후의 TDS도표 (TDS : 전체용존고형물질, Total Dissolved Solid).

도 7은 이온교환수지 처리 전후의 글루코사민염산염용액의 TDS도표 (TDS : 전체용존고형물질, Total Dissolved Solid).

본 발명은 키틴에 황산 또는 염산과 같은 무기산과 과산화수소를 첨가하고, 마이크로파를 조사하여 고분자키틴을 가수분해하는 단계, 한외여과막 (Ultra Filtration)을 사용하여 분자량 1,000이상 또는 기타 미반응된 고분자 키틴을 분리, 정제하는 단계, 나노막(Nano Filtration)을 사용하여 글루코사민염산염을 분리하는 단계, 이온교환(Ion Exchange)수지를 사용하여 염등의 불순물을 분리, 정제하는 단계, 역삼투막을 사용하여 수분 및 기타 불순물을 분리, 정제하는 단계로 이루어진 글루코사민염산염의 제조방법에 관한 것이다.

이하 첨부한 도면 및 도표를 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

새우나 게껍질로부터 준비한 키틴을 황산 혹은 염산과 같은 무기산과 0.007 내지 0.2% 농도의 과산화수소를 첨가하여 가수분해한다.

상기 과산화수소와 같은 산화제는 가수분해반응을 촉진시키지만 농도가 높으면 색상에 갈변이 생기고, 쓴 맛이 나기 때문에 대략 0.03% 농도가 바람직하다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면 상기 가수분해과정에서 반응성을 촉진하기 위하여 반응에 따른 적정온도가 되도록 가열해주는 것 이외에 0.434 내지 18GHz 주파수의 마이크로파를 조사하여 각 반응물의 반응성을 촉진시킬 수 있다.

표 1은 각 주파수대의 고정주파수와 가변주파수 및 조사시간에 따른 글루코사민 염산염의 수득율을 나타낸 것으로 동일한 조건으로 가수분해할 경우 가변주파수의 마이크로파를 조사할 때 가장 높은 수득율로 글루코사민염산염을 제조할 수 있음을 보여주고 있다.

<표 1>

염산농도(%)	과산화수소농도(%)	마이크로파(GHz)	조사 시간(min)	글루코사민·염산염 수득율(%)
28	0.03	가변주파수 (6내지 18)	10	72
			20	75
			30	80
			40	90
			50	91
28	0.03	2.45	10	13
			20	26
			30	39
			40	48
			50	55
28	0.03	1.415	10	12
			20	24
			30	36
			40	45
			50	53
28	0.03	0.915	10	11
			20	23
			30	34
			40	43
			50	50
28	0.03	0.434	10	9
			20	21
			30	32
			40	41
			50	49

고정주파수대의 마이크로파는 금속으로 이루어진 반응기 내부의 금속벽에서 반사되는 전자기파와 중첩되어 나타나는 현상으로 인해 불균일한 가열을 가져오므로 뜨겁게 가열된 부분이 있는 반면, 가열되지 않는 부분도 존재하게 된다.

가변주파수의 마이크로파는 고정된 주파수의 마이크로파와 달리 주파수를 연속적으로 변화시키는 것이 가능한 마이크로파로써 마이크로파 발생장치의 일종인 진행파관(Travelling Wave Tube)을 사용하여 발생시킬 수 있다. 예를 들면, 가정용 전자렌지에 사용되는 마그네트론은 2.45GHz의 마이크로파를 발생시키는데 반하여 진행파관은 광대역 주파수에 해당하는 가변주파수의 마이크로파를 발생시킬 수 있다. 따라서 진행파관에서 발생되는 가변주파수를 사용하여 고정주파수대의 마이크로파를 사용하였을 경우 반응기 내부에서 가열작용이 고르지 못했던 단점을 극복할 수 있다.

표 2는 여러 반응조건의 가수분해에 따른 글루코사민염산염의 수득율과 반응시간을 나타낸 것이다.

<표 2>

40∼100℃ 염산(농도 28%)+과산화수소(농도 0.03%)	40∼100℃ 염산(농도 28%)+과산화수소(농도 0.03%)+마이크로파(주파수 6 내지 18GHz의 가변주파수)
반응시간 (hr)	수득율 (%)	반응시간 (min)	수득율 (%)
1	45	10	72
2	53	20	75
3	75	30	80
4	82	40	90

표 2는 반응온도를 40∼100℃로 하고, 28% 농도의 염산과 0.03% 농도의 과산화수소를 첨가하고, 6GHz 내지 18GHz의 가변주파수를 조사하여 키틴을 가수분해하는 경우 가장 높은 수득율로 글루코사민염산염을 제조할 수 있음을 보여주고 있다.

본 발명의 또 다른 특징은 상기 가수분해물을 효율적으로 분리, 정제하여 순도높은 글루코사민염산염을 제조하는 데 있는 바, 이하 상세하게 설명한다.

상술한 가수분해 과정을 마친 후, 중화과정을 수행한다. 이때, NaOH 등을 포함하는 알칼리용액으로 pH는 4.0 내지 5.0으로 중화하는 것이 바람직하다. 중화과정을 마친 후 염등 기타 불순물의 제거를 보다 효율적으로 하고 글루코사민염산염의 순도를 높이기 위하여 다음과 같은 여러 단계의 분리, 정제과정을 순차적으로 수행한다.

1차 분리,정제 : 한외여과막(Ultra Filtration)을 사용한 분리, 정제

나노막을 사용하여 글루코사민염산염을 분리, 정제하기 이전의 준비단계로써 분획분자량(MWCO)이 1,000인 한외여과막을 사용하여 분자량 1,000이상 또는 기타 미반응된 고분자 키틴을 분리, 제거한다.

한외 여과막을 사용한 분리, 정제의 결과는 여과막으로 유입되는 유입액의 압력과 온도에 따라 분리되는 분자량에 차이가 있다. 도 2는 온도와 압력에 따른 한외여과의 분자량분리를 나타낸 것이다. 이는 유입압력에 대한 여과막 특성상 막과 여과막사이의 층류형성에 의한 농도 분극현상에 의해 나타나며 온도에 따른 특성으로 Skin층의 확대에 기인한다고 볼 수 있다.

상기 한외여과막을 통한 분리, 정제과정은 10 내지 100PSI의 압력으로 순환량 95%, 유입온도 25℃로 조정하여 수행하는 것이 바람직하다.

2차 분리, 정제 : 나노막(NaNO Filtration)을 사용한 분리, 정제

한외여과막을 사용하여 분리된 분자량 1,000이하의 저분자 당에 대하여 순수한 글루코사민염산염만을 분리하기 위하여 분획분자량(MWCO)이 300인 나노막을 사용하여 여과를 수행한다.

나노막을 사용한 분리, 정제는 막의 재질, 유출압력, 유입온도에 따라 그 정제율이 다르다.(도 3, 도 4, 도 6)

본 발명의 나노막을 사용한 분리, 정제과정은 폴리아마이드(Polyamide) 나노막을 통하여 100 내지 300PSI의 압력으로 유입온도 18℃, 유입pH 4.5 내지 5.0으로 조정하여 수행하는 것이 바람직하다. 유입액에 대한 분리액의 비는 1:0.7로 분획분자량은 300이하이다.

글루코사민염산염의 분리에 있어서 분리액중에 포함되어 있는 염(Salt)의 영향에 의한 가리움효과(Shielding effect)를 나타내어 이온평형을 이룰 수 있도록 한다. 가리움효과란 양이온 하나가 막을 투과하기 위해서는 음이온 하나와 같이 투과하여야 하므로 전하와 음이온간의 반발력차이는 양이온 투과를 결정하는 중요한 요소로 양이온 농도가 작을때는 막전하가 충분히 음이온을 반발할 수 있으므로 배제율이 낮아지게 되는 현상으로 글루코사민염산염 분리에 있어서 분획분자량과 회수율에 영향을 미치는 요소이다.

3차 분리, 정제 : 이온교환수지(Ion Exchange)를 사용한 분리, 정제

잔류 무기산등 기타 염을 분리하여 순도 높은 글루코사민염산염을 제조하기 위하여 이온교환수지를 사용한 분리, 정제 과정을 수행한다.

상기 이온교환수지 과정은 이온교환 유속을 10 내지 50m/hr로 하여 수행하는 것이 바람직하다.

4 단계 : 역삼투막을 통한 분리, 정제

한외여과공정, 나노여과공정, 이온교환공정을 거친 순수한 글루코사민염산염분말을 취하기 위한 방법으로는 일반적으로 냉동동결 건조와 스프레이 건조를 수행하지만, 본 발명에서는 건조에 투입되는 용액에 함유된 수분량에 따라 많은 비용이 소요되므로 건조에 투입하기 전에 수분량을 감소시키고, 잔여 불순물을 분리, 제거하여 고순도의 글루코사민염산염을 제조하기 위하여 역삼투막을 사용한 분리, 정제과정을 수행한다.

상기 역삼투막을 사용한 분리, 정제 과정은 유입온도 25℃, 유입압력 300PSI로 조정하여 수행하는 것이 바람직하다.

역삼투막을 사용한 분리, 정제 과정을 마친 농축수의 분획분자량은 250으로 나노막을 사용한 분리, 정제후의 분획분자량과 동일하며, 수분의 함량은 50%이하로 감소한다. 또한 분리된 여과액의 분획분자량은 50으로 이는 분자량 50이하의 각종이온을 함유한 저분자 부산물로 이를 분리함으로써 글루코사민염산염의 순도를 증가시킬 수 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하나 본 발명이 이에 의해 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1> 키틴 가수분해

도 1은 본 발명에 따른 글루코사민염산염의 제조공정도이다.

교반팬이 장치된 반응기에 물 1,000ml에 대하여 고분자 키틴(점도 1,000cps, 분자량 240,000 내지 250,000) 20g을 함께 넣고, 항온조를 이용하여 60℃에서 30분간 교반하고, 각각의 농도가 28%, 0.03%되도록 하여 염산과 과산화수소를 첨가하여키틴을 6시간동안 용해하였다.

상기 용해과정을 마친 후, 가변주파수 마이크로파 발생기를 사용하여 6 내지 18GHz의 가변주파수를 조사하여 1시간동안 키틴을 가수분해하였다.

<실시예 2> 1차 분리, 정제

가수분해 후 2N 수산화나트륨을 첨가하여 용액의 pH를 4.0 내지 5.0으로 조정하고, 1㎛의 마이크로필터를 통해 불순물을 제거하고 냉각탱크에서 1시간 동안 냉각하였다.

냉각을 마친 용액을 PM-1(ROMI COM, USA) 분획분자량 1,000의 Hollow Fiber Type 한외여과막을 통하여 유입압력 75PSI, 유입온도 25℃, 순환량 95%로 여과하여 분자량 1,000 이상 및 기타 미반응된 고분자 키틴을 분리하였다.

<실시예 3> 2차 분리, 정제

1 단계 분리, 정제를 마친 용액을 NF45-8040(FILMTEC, USA) 분획분자량 300의 Spiral Wind Type 폴리아마이드(Polyamide)나노막을 통하여 유입압력 200PSI, 유입온도 18℃, 각 막 (Membrane)당 10%의 회수율로 여과하여 글루코사민염산염을 저장탱크로 회수하였다.

나노막을 사용한 분리, 정제 전후의 염류제거율은 도 6과 같다.

<실시예 4> 3차 분리, 정제

지름 30cm의 관에 높이 1,000mm로 HCR수지(DOW, USA)를 컬럼 충전한 이온교환수지를 통하여 저장탱크로 회수한 용액을 Master Flex XD-150(Blue white, USA)를 이용하여 30m/hr의 유속으로 유입하여 남아있는 염을 분리하였다.

이온교환수지 처리후의 글루코사민염산염용액의 TDS도표는 도 7과 같다. (TDS : 전체용존고형물질, Total Dissolved Solid)

<실시예 5> 4차 분리, 정제

3 단계 분리, 정제에서 염을 제거한 용액을 마이크로필터를 통해 여과한 후, BW-300 (FILMTEC, USA) Spiral Wind Type, Poly amide 역삼투막을 통해 유입압력 300PSI, 유입온도 25℃로 여과하여 수분을 감소시키고, 저분자 부산물을 분리하였다.

여과를 마친 용액을 건조기를 통해 건조하여 순백색의 글루코사민염산염 분말 18.2g을 회수하였다.

상술한 바와 같이 본 발명은 키틴에 황산 또는 염산과 같은 무기산과 과산화수소를 첨가하고, 마이크로파를 조사하여 가수분해하고, 마이크로필터, 한외여과막, 나노막, 이온교환수지, 역삼투막 등을 사용한 여러단계의 분리, 정제과정을 거쳐 고순도의 글루코사민염산염을 높은 수득율로 제조하는 방법을 제공하고자 한다.

본 발명에 따른 글루코사민염산염의 제조방법은 낮은 비용으로 고순도의 글루코사민염산염을 높은 수득율로 회수할 수 있을 뿐만 아니라, 강산과 강알칼리의 사용량을 줄여 환경오염을 방지할 수 있다.

Claims

키틴에 황산 또는 염산과 같은 무기산과 과산화수소를 첨가하고, 마이크로파를 조사하여 고분자키틴을 가수분해하여 글루코사민염산염을 제조하는 방법.
제 1항에 있어서, 마이크로파의 주파수는 가변주파수인 것을 특징으로 하는 글루코사민염산염의 제조방법.
제 1항 내지 제 2항에 있어서, 과산화수소의 농도는 0.03%인 것을 특징으로 하는 글루코사민염산염의 제조방법.
키틴을 가수분해하여 제조한 글루코사민염산염을 나노막을 사용하여 정제하는 방법.
제 4항에 있어서, 한외여과막을 사용하여 정제하는 것을 추가로 포함하는 글루코사민염산염의 정제방법.
제 4항 내지 제 5항에 있어서, 이온교환수지를 사용하여 정제하는 것을 추가로 포함하는 글루코사민염산염의 정제방법.
제 4항 내지 제 6항에 있어서, 역삼투막을 사용하여 정제하는 것을 추가로 포함하는 글루코사민염산염의 정제방법.
제 4항 내지 제 7항에 있어서, 나노막은 분획분자량이 300인 것을 특징으로 하는 글루코사민염산염의 정제방법.
제 4항 내지 제 8항에 있어서, 나노막은 폴리아마이드(Polyamide)를 재질로 하는 것을 특징으로 하는 글루코사민염산염의 정제방법.
제 5항 내지 제 9항에 있어서, 한외여과막은 분획분자량이 1,000인 것을 특징으로 하는 글루코사민염산염의 정제방법.
키틴에 황산 또는 염산과 같은 무기산과 과산화수소를 첨가하고, 마이크로파를 조사하여 고분자키틴을 가수분해하는 단계;

한외여과막(Ultra Filtration)을 사용하여 기타 미반응된 고분자 키틴을 분리, 정제하는 단계;

나노막(Nano Filtration)을 사용하여 글루코사민염산염을 분리, 정제하는 단계;

이온교환(Ion Exchange)수지를 사용하여 염등의 불순물을 분리, 정제하는 단계;

역삼투막을 사용하여 수분 및 기타 불순물을 분리, 정제하는 단계로 이루어진 글루코사민염산염의 제조방법.
제 11항에 있어서, 마이크로파의 주파수는 가변주파수인 것을 특징으로 하는 글루코사민염산염의 제조방법.