KR20030092000A - 미세 및 초미세 입자를 형성하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

미세 및 초미세 입자를 형성하기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

GAS 공정을 사용하여 물질의 미세 및 초미세 입자를 형성하기 위한 장치가 기술되는데, 장치는 입자 형성 용기(22) 및 물질의 용액과 초임계 유체를 입자 형성 용기(22)로 도입하기 위한 수단을 포함하고, 용제가 초임계 유체에 의하여 용액으로부터 추출되고 그리고 미세 및 초미세 입자의 침전이 발생하도록 상기 수단은 용액의 요동을 이송하기 위한 중앙 오리피스(39)와, 순수 초임계 유체의 유동 또는 변경제와 혼합된 초임계 유체의 유동을 이송하기 위한 개별적인 복수 개의 외곽 오리피스(41)를 구비하는 노즐(27)을 포함한다. 또한, 이러한 장치를 실행하는 공정이 기술된다.

Description

미세 및 초미세 입자를 형성하기 위한 장치 및 방법{Apparatus and method for micron and submicron particle formation}
대다수의 산업은 다양한 용도의 미세 및 초미세 입자(micron and submicron particles)의 생산에 관심이 있다. 초미세 입자를 생성하는 장치 및 방법에 관한 요구는 특히 약학 분야에서 대두된다.
생체 이용률(bioavailability) 개선의 필요성이나 또는 특정 약학 형태(점비(nasal), 안약(ophthalmic), 주사 가능 의약품(injectables), 변형 방출형(modified release))에 대한 요구 사양 등과 같은, 제약에 있어서 약제를 미세 파우더로 해야하는 몇 가지 이유가 있다.
입자 크기를 감소시키는 전통적인 방법(분쇄(grinding), 밀링(milling), 분무 건조(spray drying), 동결 건조(freeze drying))는 수많은 단점, 특히 생리 활성 원리(biological active principles)에 관한 단점을 수반한다. 예를 들어, 동결 건조의 초기 단계 동안, 약제(단백질) 및 완충제(buffer) 그리고 다른 성분은 pH 및 이온 세기(ionic strength)의 변화 유도에 집중하는 경향이 있다; 이는 단백질 변성을 야기할 수 있다. 분무 건조에 있어, 이 기법의 주요 한계는 본질적으로 높은 비용, 열 분해(thermal degradation) 및 낮은 수율을 지닌 저효율 그리고 높은 수준의 잔여 수분 등이다.
지난 10여 년 간, 초임계 유체 기법(supercritical fluid techniques)(RESS, GAS, SEDS, PGSS)을 사용함으로써 미세 및 초미세 입자를 형성하기 위한 다양한 공정이 제안되었다.
이러한 공정은 1 마이크론보다 작은 지름을 갖는 동종 입자(homogeneous particles)를 얻는 것을 가능하게 하기 때문에, 이들 공정은 상당한 주목을 받았다. 추가적으로 이들 공정은 파우더의 크기와 형태(morphology)의 매우 우수한 제어를 가능하게 하고, 화합물은 기계적 및 열적 충격에 영향을 받지 않으며, 그리고 얻어진 파우더에는 용제(용매, solvent)가 없다.
초임계 유체에 의한 마이크로-입자를 얻기 위한 두 개의 공정은 높은 이익을 얻는다: 초임계 용액 급속 팽창 공정(Rapid Expansion of Supercritical Solutions(RESS) process)(톰, 제이.더블유.(Tom, J.W.), 데버네데티, 피이.지이.(Debenedetti, P.G.) "초임계 용액 급속 팽창에 의한 생분해성 고분자 미소 구체 및 마이크로 입자의 형성(The formation of bioerodible polymeric microsphere and micro particles by rapid expansion of supercriticalsolutions) BioTechnol. Prog. 1991, 7, 403-411.) 및 가스 역용제 재결정 공정(Gas Anti-Solvent recrystallization (GAS) process)(갤러거, 피이.엠.(Gallagher, P.M.), 코페이, 엠.피이.(Coffey,M.P.), 크루코니스, 브이.제이.(Krukonis,V.J.), 클라수티스, 엔.(Klasutis,N.), Am. Chem. Symp. Seri., 1989, No.406).
RESS 공정에서, 관심 물질(substance of interest)은 초임계 유체에 용해될 수 있고 그리고 용액은 노즐을 통하여 입자 형성 용기에 분무된다: 초임계 용액의 급속 팽창은 용질(solute)의 침전을 야기한다. 몇몇 적용예에서는, 초임계 유체에 임계하 용제(subcritical solvent)(변경제 ,modifier)를 첨가하는 것이 가능하다.
이러한 기법의 단점은, 변경제가 사용되는 경우조차도 단지 몇몇 화합물만이 초임계 유체에 충분히 용해 가능하다는 점이다. 게다가, 노즐을 통한 초임계 용액의 급속 팽창은 초임계 유체의 동결과 노즐의 봉쇄를 야기할 수 있다.
GAS 공정에서, 관심 용질(solute of interest)은 초임계 유체와 혼합 가능한 액체 용제(liquid solvent)에 용해되는 반면, 용질(solute)은 초임계 유체에 용해되지 않는다.
용액은 노즐을 통하여 초임계 유체로 가압된 입자 형성 용기로 분사된다. 용액과 초임계 유체 간의 신속하고 밀접한 접촉은 초임계 유체에서의 용액으로부터 용제(solvent)를 추출시키고 그리고 마이크로 입자로서 용질의 침전을 유도한다. 변경제를 사용함으로써 초임계 유체에 액체 용제의 용해도를 증대시키는 것이 가능하다. GAS 공정은 RESS 공정의 단점을 극복하고 공정 파라미터의 보다 우수한 조정을 가능하게 한다.
GAS 공정의 중요한 단계는 용액과 초임계 유체를 혼합하는 단계이다: 신속하고 밀접하게 결합하는 혼합을 얻기 위해서, 용액은 작은 비말(droplets)로서 초임계 유체에 분산되는 것이 요구된다. 우수한 혼합을 얻기 위하여, 용액과 초임계 유체를 입자 형성 용기로 분사하도록 다양한 장치가 제안된다.
0.1㎜ 내지 0.2㎜ 사이의 지름을 구비하는 단순한 모세관 노즐(capillary nozzle)이 먼저 제안되었다(딕슨 디이.제이.(Dixon D.J.) 및 존스톤 케이.피이.(Johnston K.P.), 압축 액체 역용제로 침전에 의한 미세 다공성 중합체 섬유와 유향 근섬유의 형성(Formation of microporous polymer fibers and oriented fibrils by precipitation with a compressed fluid antisolvent), J. App. Polymer Sci., 50, 1929-1942, 1993).
이러한 장치는 모세관 출구에서 압력을 운동 에너지로 불충분한 변환을 유도하는, 그 길이를 따른 큰 압력 강하를 나타낸다.
데베네데티 피티.지이, 림 지이.비이.(Lim G.B.), 프루동 아알.케이(Prud'Homme R.K.)(미국 특허 제 006063910호, 2000년 5월 16일)는 단백질 마이크로 입자를 형성하는데 GAS 공정을 사용한다. 이 경우, 상이한 유입구에 의하여 도입되는 초임계 유체를 함유하는 입자 형성 용기 내부에 20 마이크론의 지름과 240 마이크론의 길이를 구비하는 레이저 드릴 가공된 백금 디스크(laser drilled platinum disc))를 통하여 단백질 용액이 분무된다. 레이저-드릴 가공된 백금 디스크는 3㎜의 외측 지름, 0.24㎜의 두께를 구비하고, 그리고 오리피스의 지름은 20 마이크로미터이다. 이 기법은, 초임계 유체로 이산화 탄소를 사용하여 에탄올/물(9:1v/v) 용액으로부터 카탈라아제(catalase)와 인슐린(insulin)(0.01%w/v)의 입자를 형성하는데 사용된다. 실험은 8.8㎫와 35℃에서 실행된다; 초임계 유량은 약 36g/min이고 용액 유량은 약 0.35cc/min이다.
모세관 노즐과 비교하여, 레이저 드릴 가공 디스크는 한가지 주요한 장점을 제공한다: 오리피스의 길이와 지름 간의 비가 압력 강하를 최소화시키고 그리고 에너지 압력이 거의 완전하게 운동 에너지로 변환된다는 점이다; 이러한 방식에 있어서, 매우 큰 용액 비율과 매우 작은 비말을 얻을 수 있다.
이러한 공정에 있어서, 초임계 유체 유입구는 최적화되지 않는다: 용액 분사는 적은 난류로 초임계 유체의 거의 정적 대기에서 일어난다.
수브라매니암 비이.(Subramaniam B.), 사임 에스.(Saim S.), 라쥬스캬 아알.에이.(Rajewskj R. A.), 스텔라 브이(Stella V.)(압축 역용제로 분사되는 유기 용액으로부터 재결정화에 의한 입자 마이크로화 및 나노화에 대한 방법(Methods for particle micronization and nanonization by recrystallization from organic solutions sprayed into a compressed antisolvent), 미국 특허 제 5874029호, 1999년 2월 23일)는 용액을 입자 형성 용기로 분사하는데 시판되는 동축 수렴-발산 노즐(coaxial convergent-divergent nozzle) 사용을 개시한다. 노즐은 가스 팽창을 위한 수렴-발산 통로와 내부 동축 모세관 튜브를 구비한다. 동축 모세관 튜브를 통하여 분사되는 용액은 팽창 가스에 의하여 에너지화된다. 수렴-발산 노즐에서 팽창하는 가스는 초음속에 도달할 수 있다.
노즐 내에서 아음속으로부터 초음속으로의 속도 전이는 용액의 분산과 용액과 초임계 유체 사이의 혼합을 강화하는 마하 디스크의 형성을 유도한다. 수브라매니암 등은 에너지화 가스로서 헬륨 또는 초임계 유체와 같은 불활성 가스를 제안한다. 인용된 예에서, 저자들은 에너지화 가스로 초임계 유체를 사용한다.
초음속에 도달하도록 에너지화 가스의 매우 큰 압력 강하(약 40㎫)가 요구되는 경우조차도, 발명자는 보다 온건한 조건에서 약 40bar(약 4㎫)의 압력 강하를 사용하여 작동시킴으로 이들은 초음속에 도달할 수 없다. 그럼에도 불구하고, 이들은 전형적인 GAS 공정에 비하여 상당한 개선을 갖는다.
실험적으로 이들은 나노입자(0.5-1㎛) 범위에서 파우더를 얻는 캠포테신(campothecin)과 하이드로코르티손(hydrocortisone)을 재결정화한다.
이러한 기법의 장점은 초임계 유체가 매우 미세한 비말을 얻기 위하여 용액 분무를 개선한다는 점이다; 또 다른 장점은 노즐 유출구의 매우 작은 트랙트에서 발생하는 용액과 초임계 유체 사이의 밀접한 혼합때문이다.
이러한 기법의 단점은 용액과 초임계 유체 사이의 혼합은 입자 형성 용기로 진입하기 전에 발생한다는 점이다: 이러한 상황은 유체가 입자 형성 용기로 진입하기 전에 입자 형성을 유도할 수 있고 그리고 후속적으로 노즐 차단을 유도할 수 있다.
한나 엠.(Hanna M.), 요크 피이(York P.)(국제 특허 출원 제 96/00610, 1996년 1월 11일)는 SEDS(Solution Enhanced Dispersion by Supercritical Solution)이라 명명된 초임계 유체 기법에 의하여 매우 작은 입자를 형성하는데 새로운 방법과새로운 장치를 제안한다.
이러한 공정은 새로운 동축 노즐에 기초한다: 용액은 지름이 0.25㎜인 내부 모세관을 통하여 팽창한다; 초임계 유체는 원추형으로 테이퍼진 단부를 구비하는 외부 동축 통로를 통하여 팽창한다; 단부에서의 원추형 영역의 지름은 약 0.2㎜이다. 초임계 유체와 용액 간의 혼합은 동축 영역에서 발생한다. 또한 이는 쓰리 웨이 노즐(thress way nozzle) 사용을 제안한다: 부가된 방식에서 혼합을 개선하기 위하여 변경제가 공급될 수 있다. 이들은 수용성 화합물의 작은 입자, 즉 설탕(젖당(Lactose), 엿당(Maltose), 트레할로제(Trehalose) 및 자당(Sucrose))과 단백질(R-TEM 베타-락타메스(R-TEM beta-lactamase))의 침전을 위해 SEDS 기법을 적용한다.
변경제(메탄올 또는 에탄올)는 용액과 함께 또는 상이한 유입구를 통하여 입자 형성 용기로 도입된다.
이러한 노즐은 우수하고 밀접한 혼합을 가능하게 한다: 초임계 유체와 용액 사이의 제 1 접촉은 원추 형상의 단부에서 발생하는데, 두 개의 유체는 노즐 유출구에서 빠른 속도로 분출되고 초임계 유체는 입자 형성 용기 내 작은 비말로 분쇄되는 액체 용액을 에너지화한다.
이러한 기법의 단점은, 입자 형성 용기로 진입하기 전에 초임계 유체와 용액 사이의 접촉과 관련된다; 파우더의 침점이 노즐 내에서 발생할 수 있어 결국 노즐 차단을 유발한다.
노즐 유출구에서의 이러한 초임계 유체 속도는 매우 큰 오리피스 지름에 의하여 제한된다.
본 발명은 유체 역용제 침전법(fluid antisolvent precipitation)을 사용하여 화학 화합물의 초미세 입자(very fine particles)를 형성하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하지만 배타적이지 않게는, 본 발명은 예를 들어 약학 관심(pharmaceutical interest)의 단백질과 같은 단백질의 마이크로 입자를 형성하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 바람직한 구현예는 다음 도면을 참조하여 예로서 기술된다:
도 1은 본 발명에 따른 공정을 실행하는데 사용되는 장치의 개략적인 흐름도를 도시하고;
도 2는 본 발명에 따른 공정을 실행하는데 사용된 노즐의, 도 3의 A-A 선을 따라 취해진 개략적인 단면도로, 노즐의 일부가 원으로 확대되어 도시되는 도면이고;
도 3은 도 2의 선 B-B 상의 노즐의 단면도이고;
도 4 및 도 5는 각각 도 2 및 도 3과 유사한 더욱 상세한 도면을 도시하고;
도 6은 노즐 장치의 단면도를 도시하고;
도 7 및 도 8은 예 1의 조건하에서 생성된 SIGMA ALP의 SEM 현미경 사진을 도시하고;
도 9, 10 및 11은 예 2의 조건하에서 생성된 SIGMA 리소자임(SIGMA lysozyme)의 SEM 현미경 사진을 도시하고;
도 12 및 도 13은 예 3의 조건하에서 생성된 트레할로스(trehalose)의 현미경 사진을 도시하고;
도 14는 예 3의 조건하에서 생성된 트레할로스의 입자 크기 분포를 도시하는 도표이다.
본 발명의 설명(statements of invention)
"초임계 유체"라는 용어는 유체의 임계 압력 및 임계 온도에서의 또는 그 이상에서의 유체를 의미한다.
"용제(solvent)"라는 용어는 물질과 용액을 형성할 수 있는 액체를 의미한다.
"물질"이란 용어는 용제에서 용해 가능하고 초임계 유체에서 실질적으로 용해 불가능한 약학 관심 고체를 의미한다.
"변경제"란 용어는 초임계 유체에서 용제의 용해도를 강화하는 화학 성분을 의미한다.
본 발명의 목적은 상기한 종래 기술의 단점을 극복하는 것이다.
특히, 본 발명의 목적은 물질의 미세 파우더를 얻는 공정과 그리고 초임계 유체와 물질 용액을 밀접하게 혼합하는 장치를 제공하는 것이다.
일면에서 보면, 본 발명은 GAS 공정을 사용하여 물질의 미세 및 초미세 입자 형성하기 위한 장치를 제공하며, 상기 장치는 입자 형성 용기와 물질의 용액 및 초임계 유체를 상기 입자 형성 용기에 도입하기 위한 수단을 포함하는 장치로, 상기 수단이 각각 용액과 초임계 유체용 개별적인 유출구를 구비하는 노즐을 포함하여 사용시 용액과 초임계 유체 간의 접촉이 상기 개별적인 유출구 하류의 입자 형성 용기에서 발생하는 것을 특징으로 한다.
다른 일면에서 보면, 본 발명은, GAS 공정을 사용하여 입자의 미세 및 초미세 입자를 형성하기 위하여 물질의 용액과 초임계 유체를 입자 형성 용기로 도입하기 위한 노즐을 제공하는 것인데, 사용시 용액과 초임계 유체 간의 접촉이 개별적인 유출구의 하류에서 먼저 일어나도록, 상기 노즐은 각각 용액과 초임계 유체용으로 개별적인 유출구를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또 다른 일면에서 보면, 본 발명은, 용제가 미세 및 초미세 입자에 의하여 용액으로부터 추출되고 그리고 미세 및 초미세 입자의 침전이 발생하도록, 상기 입자 형성 공정은 순수하거나 변경제와 혼합된 초임계 유체, 그리고 용액을 노즐을 통하여 제어 가능한 압력과 온도로 입자 형성 용기에 공급하는 단계를 포함하는, GAS 공정을 사용하여 물질의 미세 및 초미세 입자 형성하기 위한 공정을 제공하는 것인데, 초임계 유체와 용액은 각각 노즐의 개별적인 유출구를 통하여 공급되고 초임계 유체와 용액 간의 접촉은 개별적인 유출구 하류의 입자 형성 용기에서 처음으로 발생하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 공정은, 용액의 입자 형성 용기로의 공통 도입 또는 용제에 물질, 초임계 유체, 그리고 바람직하게는 변경제의 침전을 포함한다. 변경제는 용제에 그리고 초임계 유체에 혼합 가능한 화합물이다. 변경제는 용제가 초임계 유체로 거의 용해 불가능한 경우 또는 낮은 용해도를 갖는 경우에 사용된다.
초임계 유체에서의 용제의 용해도가 낮을 때, 변경제의 사용은 용액과 초임계 유체 사이의 보다 우수한 혼합을 가능하게 한다.
변경제가 사용되는 경우, 변경제 유량과 용액 유량의 비는 초임계 유체에서용제의 용해도를 높게 증가시키도록 선택되어야 한다. 변경제는 초임계 유체와 함께, 용액과 함께, 또는 부분적으로는 초임계 유체와 함께 그리고 부분적으로는 용액과 함께 도입될 수도 있다; 변경제를 도입하는 방식은 용제의 추출과 그리고 형성된 입자의 구조에 상당한 영향을 미친다.
이산화 탄소를 초임계 용제로 사용하고 그리고 변경제로서 에탄올을 사용하여 수용성 용액으로부터 파우더를 침전시키기 위하여, 초임계 유량과 변경제 유량 간의 비는 약 7인 반면, 변경제 유량과 용액 유량 간의 비는 약 20이다.
즉, 어떤 경우 물질 용액과 그리고 초임계 유체 및 변경제의 혼합은 개별적으로 입자 형성 용기에 도입된다. 변경제와 초임계 유체는 입자 형성 용기로 도입되기 전에 혼합된다. 대안적으로, 도입되기 전에 변경제가 용액과 혼합될 수도 있다. 공정의 또 다른 경우, 변경제는 부분적으로는 용액과 그리고 부분적으로는 초임계 유체와 함께 입자 형성 용기에 도입된다.
용제가 초임계 유체와 혼합될 수 있으면, 초임계 유체와 용제 내 물질의 용액은 개별적으로 입자 형성 용기에 도입되어, 용액과 초임계 유체의 혼합 그리고 초임계 유체에 의한 용제의 추출이 발생한다.
물질은 용제 내에서 그리고 변경제 내에서는 용해 가능하고 초임계 유체 내에서는 실질적으로 용해 불가능한 약학 화합물이 바람직하다.
입자 형성 용기 내에서 물질 용액은 초임계 유체 및 변경제의 혼합제와 또는 순수 초임계 유체와 혼합된다. 이러한 방식으로 용제는 용액으로부터 추출되고 그리고 물질은 미세한 입자로서 침전된다.
미세한 입자 형성에 대한 공정의 중요한 점은 초임계 유체와 용액의 혼합이라는 점이다: 급속하고 밀접한 혼합은 작은 지름을 구비하는 입자의 침전을 야기하고 그리고 높은 파우더 수율이 얻어지는 것을 가능하게 한다.
우수한 혼합을 가지기 위해서, 용액은 작은 비말의 형태로 초임계 유체로 분사되어야 하고, 그러므로 질량 전달에 대한 높은 계면 영역을 제공하고 그리고 용액 비말 내 초임계 유체의 확산에 대한 짧은 경로를 제공하고 그리고 용질(solute) 입자의 성장을 방해한다. 게다가, 용액과 초임계 유체 간의 질량 전달률의 강화는 보다 적절한 온도와 압력 조건 하에서 작동을 가능하게 한다. 본 발명은 이러한 작동을 허용한다.
게다가, 초임계 유체의 유량과 용액의 유량 간의 높은 비율은 이들의 접촉 순간에서의 용액에 대한 초임계 유체의 큰 초과의 생성을 허용하고, 초임계 유체의 용액으로의 그리고 용제의 초임계 유체로의 질량 전달에 대한 구동력을 향상시킨다.
상기 지적된 바와 같이, 용액의 매우 작은 비말을 얻기 위하여 용액의 초임계 유체로의 우수한 분산을 구비하는 것이 필요하다.
형성된 용액 비말(droplets)의 크기는 혼합 영역 내 유체 동역학 조건에 의하여 그리고 점성도, 표면 장력, 밀도와 같은 용액과 초임계 용제의 물리적 특성에 의하여 결정된다. 이러한 특성은 초임계 유체에 대한 온도와 압력에 의하여 상당히 개선된다.
노즐 유출구에서의 용액과 초임계 유체의 속도는 질량 유량과 유출구 지름에관련된다. 더욱이, 용액과 초임계 유체의 에너지 압력은 최소한의 에너지 손실을 가지고 운동 에너지로 변환되어야 한다.
이러한 목표를 달성하기 위하여, 노즐이 설계된다.
용액과 순수한 또는 변경제와 혼합된 초임계 유체는 노즐에 의하여 병행 유동(co-current flow)으로 입자 형성 용기에 도입되는데, 이는 초임계 유체와 용액에 대한 개별적인 유출구를 제공한다. 용액과 초임계 유체 간의 접촉은 노즐 유출구 하류의 입자 형성 용기 내에서 처음 발생한다. 이는 형성된 입자에 의한 노즐 차단의 가능성을 최소화한다. 초임계 유체와 용액의 개개의 배출은 입자 형성 용기 내에서 팽창하고 혼합될 수 있다.
유출구는, 예를 들어 중앙 라인에서 약 3㎜의 간격으로 서로 인접하게 배치되는 것이 바람직하다. 유출구는 동일 평면 상에 있는 것이 바람직하다.
노즐은 한 개의 중앙 유출구와 복수 개의 외곽 유출구를 구비하는 것이 바람직하다. 중앙 유출구는 용액의 유동을 이송하도록 제공될 수 있고 그리고 외곽 유출구는 초임계 유체의 유동을 이송하도록 제공될 수도 있다. 복수 개의 외곽 유출구를 제공함으로써, 초임계 유체와 용액의 혼합이 증진된다.
외곽 유출구들은 중앙 유출구로부터 동일한 거리로 배치되는 것이 바람직하다. 그러므로 이들은 동일한 반경 상에 있을 수도 있고, 등각으로 이격되는 것이 바람직하다. 다시 말하자면, 이는 혼합을 돕는다.
유출구는 개별적인 튜브 또는 이와 유사한 것의 단부에 있을 수도 있다. 하지만, 노즐 바디를 관통하는 개개의 통로 하류 단부에 유출구가 제공되는 것이 바람직하다. 통로는 예를 들어 레이저 드릴링 가공될 수도 있다. 노즐 바디는 디스크일 수도 있다. 그러므로 바람직한 장치는 중앙에 유출구를 구비하고 그리고 중심으로부터 동일한 거리에 그리고 원주를 따라 균일하게 이격되는 둘 또는 그 이상의 유출구를 구비하는 디스크 형태의 노즐을 포함한다. 모든 유출구는 입자 형성 용기의 내부와 소통된다. 용액은 중앙 유출구를 통하여 입자 형성 용기로 도입되는 것이 바람직한 반면, 순수한 또는 변경제를 구비하는 초임계 유체는 외곽 유출구를 통하여 도입되는 것이 바람직하다.
노즐 바디의 통로들은 사용시 각각 초임계 유체와 용액이 공급되는 상류 단부를 구비한다. 바람직하게는, 노즐 바디에는 이를 관통하는 통로의 개별적인 상류 단부를 밀봉식으로 분리하기 위한 시일이 제공된다. 그러므로, 노즐 바디의 사용은 이상적인 치수(dimension)를 구비하는 통로의 드릴링 또는 다른 형성화 하는 것이 유체 유동을 최적화하는 것을 가능하게 하는 반면, 이러한 통로는 상류 단부에서 서로 밀봉될 수 있다. 중앙 유출구와 이로부터 외측을 향하여 반경 방향으로 이격된 복수 개의 유출구의 경우에, 시일은 환형(예를 들어, O-링)일 수도 있고 그리고 중앙 유출구의 반경 방향으로 외측을 향하여 그리고 복수 개의 외곽 유출구의 반경 방향으로 내측을 향하여 배치될 수도 있다. 다른 환형 시일은 복수 개의 외곽 유출구의 반경 방향으로 외측을 향하여 제공되는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 시일 또는 각각의 시일이 노즐 바디의 요홈부에, 예를 들어 환형 요홈부에 수용된다.
노즐 바디는, 협소 지름의 하류 부분에 공급하는 넓은 지름의 상류 부분을포함하는 각각의 유동용 통로를 구비하는 것이 바람직하다. 압력의 운동 에너지로의 보다 우수한 변환을 얻도록 이 부분을 따른 압력 강하를 감소시키기 위하여, 협소 지름 부분이 단축될 수 있다. 이는, 상당한 압력 강하를 구비하는 노즐의 전체 길이를 따라 협소 지름이 유지되는 본래 동축 관형 장치인 종래 기술의 노즐의 문제점을 극복한다.
유출구는 노즐의 원추형으로 테이퍼진 부분의 정점 하류에 제공되는 것이 바람직하다. 관통하는 통로를 갖는 노즐 바디를 구비하는 바람직한 실시예에서, 통로는 이들 원추형으로 테이퍼진 부분으로 형성될 수도 있다. 그러므로 통로는 그 상류 단부에서 예를 들어 1㎜의 상대적으로 넓은 지름 부분을 구비할 수도 있는데, 이 부분에는 예를 들어 20 마이크론까지의 협소 지름 부분으로 협소해지는 원추형으로 테이퍼진 부분이 뒤따를 수도 있다. 협소 지름 부분은 여기서 "오리피스"로 언급된다. 넓은 부분과 원추형 부분은 예를 들어 기계적으로 드릴 가공될 수도 있는 반면, 협소 부분 또는 오리피스는 레이저 드릴 가공될 수도 있다. 유동 방향으로 노즐 바디가 예를 들어 5㎜의 비교적 두꺼울 수 있어, 오리피스의 길이를 과도하게 길게 하지 않고 용이하게 다룰 수 있도록, 넓은 부분의 길이가 오리피스의 길이보다 상당히 길다. 넓은 부분의 길이는 예를 들어 오리피스 길이의 적어도 5배, 보다 바람직하게는 10배정도 길 수 있다.
대안적인 장치에 있어서, 협소한 지름을 구비하는 오리피스는 노즐 바디의 전체 두께를 거쳐 연장될 수 있으나, 이는 노즐 바디가 (유동 방향으로) 얇아야 해서 다루기 어렵기 때문에 바람직하지 않다.
용액 및 초임계 유체의 팽창은 오리피스의 하류에서 발생한다. 바람직한 오리피스는 5 내지 10의 범위의 길이 대 지름 비를 특징으로 한다. 이는 압력 에너지 손실을 최소화하는 그리고 압력 에너지를 운동 에너지로 효율적으로 변환하는 모세관에 대한 장점이다.
노즐은 0.02㎜ 내지 0.1㎜ 범위의 지름을 갖는 오리피스를 구비하는 것이 바람직하고, 그리고 0.02㎜ 내지 0.04㎜ 범위의 지름을 갖는 오리피스를 구비하는 것이 더욱 바람직하다. 이러한 치수는 용액과 초임계 유체 모두에 대하여 오리피스 유출구에서 매우 빠른 속도를 얻는 것을 가능하게 한다.
바람직한 구현예에서, 복수 개의 초임계 유체 유출구는 용액 유출구 주변에 매우 짧은 거리(약 3㎜)로 배치된다: 두 개의 상 사이의 큰 계면 표면과 용제의 초임계 유체로의 신속한 추출을 제공한다면, 이러한 형상은 용액이 초임계 유체에 의하여 에너지화되는 것을 가능하게 하여, 용액을 매우 미세한 비말로 분산하는 것을 강화한다. 이러한 현상은 특히 유출구에서의 초임계 유체 속도가 음속에 도달하거나 또는 음속보다 빠른 경우 특히 효과적이다. 초임계 유체 속도가 음속에 도달하거나 음속보다 빠른 경우, 용액을 매우 미세한 비말로 분산을 일으키는 마하 디스크가 형성된다. 이러한 현상은 공지되어 있고 그리고 이는 RESS 공정(맷슨 디이.더블유.(Matson D.W.), 풀튼 제이.엘.(Fulton J.L.), 피터슨 아알.씨이.(Petersen R.C.), 스미스 아알.디이.(Smith R.D.), "초임계 유체 요액의 급속 팽창:파우더, 박막, 및 화이버의 용질 형성(Rapid exansion of supercritical fluid solutions: solute formation of powders, thin films, and fibers), Ind. Eng. Chem. Res.,1997,26, 2298-2306)에서 널리 사용된다.
초임계 유체 속도가 작지만 음속의 크기 정도인 경우조차도, 용액 분산의 상당한 증대가 얻어진다(수브라매니암 비이.(Subramaniam B.), 사임 에스.(Saim S.), 라쥬스캬 아알.에이.(Rajewskj R. A.), 스텔라 브이.(Stella V.) 압축 역용제에 분무된 유기 용액으로부터 재결정화에 의하여 입자의 마이크로화 및 나노화 방법(Methods for particle micronization and nanonization by recrystallization from organic solutions sprayed into a compressed antisolvent). 미국 특허 제 5874029, 1999년 2월 23일).
실제 유체의 수렴-발산 노즐을 통한 단열 팽창동안 초임계 유체가 음속에 도달하는 하류 압력(통상적으로 임계 압력이라 불림)은 다음 관계식에 의하여 상류 압력에 관계된다:
여기서, P는 상류 압력이고, Pc는 하류 압력이며 k는 Cp와 Cv(각각, 초임계 유체의 일정 체적에서의 정압 비열 및 정적 비열) 사이의 비이다. 예를 들어 초임계 유체가 k=4.81인 이산화 탄소이고 하류 압력이 10㎫인 경우, 음속에 도달하기 위해서는 상류 압력은 38.4㎫이어야 하고, 다시 말하면 28.4㎫의 압력 강하가 요구된다.
하지만, 약 4㎫의 압력 강하로 40℃에서 10㎫의 하류 압력에 대한 음속 크기 정도의 초임계 유체 속도를 얻는 것이 가능하다.
유체의 음속은 압력과 온도에 상당히 의존한다: 초임계 영역에서의 이산화 탄소에 대한 음속의 최소 값은 40℃와 8㎫에서 208m/s이다. 상기 언급된 현상의 장점을 얻기 위하여, 이산화 탄소가 초임계 유체로서 사용되는 경우 이러한 작동 조건 주변에서 작동하는 것이 편리하다.
본 발명의 장치에 대하여 사용되는 바람직한 노즐은 레이저 드릴 가공된 오리피스를 구비한다. 오리피스 유출구에서의 초임계 유체 속도는 오리피스 상류의 초임계 유체 통로 섹션(섹션 1) 및 오리피스 유출구의 섹션(섹션 2) 사이에서 에너지 평형으로부터 추정될 수 있다. 에너지 손실을 무시한 에너지 평형은 다음 방정식을 통하여 연산될 수 있다.
여기서, H1과 H2는 각각 오리피스 상류와 하류에서의 초임계 유체의 비엔탈피이다; ρ1과 ρ2는 각각 오리피스 상류와 하류에서의 초임계 유체의 밀도이다; v1과 v2는 각각 오리피스 상류 및 하류에서의 초임계 유체의 속도이다.
초임계 용제로서 이산화 탄소를 사용하고 변경제로서 에탄올을 사용하는 GAS 공정으로 수용성 용액으로부터 미세 파우더를 생산하는 경우, 최적 작동 조건은 8-12㎫의 압력과 35-50℃의 온도 내에 있다. 실험 테스트를 실행하기 위해 사용되는 실험 장치에 있어서, 초임계 유체 질량 유량은 30g/min, 용액 유량은 0.2g/min, 그리고 변경제 질량 유량은 4g/min이었는데, 초임계 유체 대 변경제의 질량 유량비는 7로 그리고 변경제 대 용액의 질량 유량비는 20으로 그리고 노즐 유출구에서의 초임계 유체 속도는 약 300m/s로 설정했다.
상기에 대한 대안으로서, 초임계 유체는 에탄, 에틸렌, 프로판, 황 헥사 플루오라이드(sulfur hexafluoride), 산화 질소(nitrous oxide), 클로로트리플루오로메탄(chlorotrifluoromethane), 모노플루오로메탄(monofluoromethane), 크세논(xenon) 및 이들의 혼합물일 수 있다; 약학 화합물 용액의 용제는 에탄올(ethanol), 메탄올(methanol), DMSO, 이소프로판올(isopropanol), 아세톤(acetone), THF, 아세트 산(acetic acid), 에틸렌클리콜(ethyleneglycol), 폴리에틸렌클리콜(polyethyleneglycol), 질소(N), 질소-디메틸아닐린(N-dimethylaniline)과 같은 용해 가능한 초임계 유체일 수 있다. 동일한 용제가 약학 화합물의 수용성 용액이 채택되는 경우 변경제로서 사용될 수 있다.
도 1에 있어서, 도시된 장치는 입자 형성 용기(particle formation vessel, 22)를 포함한다. 이 용기는 적절한 체적을 구비하는 표준 반응 용기이다. 입자 형성 용기의 온도는 가열 자켓(heating jacket, 21)을 통하여 일정하게 유지된다. 입자 형성 용기 내 압력은 마이크로 계량 밸브(micro metering valve, 25)를 통하여 제어된다.
입자 형성 용기 내 온도와 압력은 열전쌍(thermocouple, 29)과 압력 변환기(pressure transducer, 30)에 의하여 측정된다.
형성된 입자는 필터(23)에 의하여 보유된다. 필터는 스테인레스 스틸 바스켓으로, 그 하부는 소결된 스테인레스 스틸 디스크(0.5 미크론)로 제조된다. 제 2 필터(24)(0.5 미크론)는 입자 형성 용기 출구에 장착된다.
초임계 유체(supercritical fluid)는 실린더(3)로부터 추출되고, 냉각기(4)에 의하여 응축되어 펌프(8)에 의하여 라인(34)을 거쳐 입자 형성 용기로 펌핑된다. 입자 형성 용기로 유입되기에 앞서, 초임계 유체는 예열기(14)와 가열기(17)를 통하여 원하는 온도로 가열된다. 또한, 예열기(14)는 맥동 감쇠기(pulsation damper)로서 작동한다. 또한, 초임계 유체는 필터(15)(0.5 미크론)를 통하여 필터링된다.
초임계 유체는 침전 용기(precipitation vessel)로 유입되기 전 초임계 유체의 온도와 압력은 각각 열전쌍(28)과 압력 변환기(43)를 통하여 측정된다.
변경제(modifier)는 탱크(2)로부터 추출되어, 펌프(9)에 의하여 라인(34)으로 펌핑되고 입자 형성을 위해 진입하기 전에 초임계 유체와 혼합된다. 또한, 변경제는 필터(12)(0.5 미크론)를 통하여 필터링된다.
라인(34)에는 릴리프 밸브(16)가 구비된다.
용액(solution)은 탱크(1)로부터 추출되어, 펌프(10)에 의하여 라인(6)을 거쳐 입자 형성 용기로 펌핑된다. 또한, 용액은 필터(13)(0.5 미크론)를 통하여 필터링된다.
공정의 또 다른 개조로, 변경제가 부분적으로는 용액과 함께, 그리고 부분적으로는 초임계 유체와 함께 입자 형성 용기로 도입될 수도 있다.
순수한 또는 변경제와 혼합된 초임계 유체와, 그리고 용액은 노즐(27)을 통하여 입자 형성 용기(22)로 공급된다.
입자 형성 용기(22)의 하류에서, 초임계 유체, 변경제 및 용제(solvent)의 혼합제는 필터(23)에 의하여 앞서 보유되지 않은 입자를 보유하는 필터(24)(0.5 미크론)를 통하여 필터링된다. 초임계 유체, 변경제 및 용제의 혼합제는 마이크로 계량 밸브(25)를 통하여 감압되고, 분리기(separator, 26) 내에서 초임계 용제가 변경제 및 용제와 분리되어, 질량 유량계(mass flow meter, 31)에 의하여 유량(flow rate)이 측정되고 배출된다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 공정을 실행하는데 사용되는 노즐을 도시한다. 이 노즐은 본 발명에 따른 공정의 특이한 특징이다.
노즐은 용액과, 그리고 순수한 또는 변경제와 혼합된 초임계 유체를 입자 형성 용기에 병행류(co-current flow)로 도입하는 것을 가능하게 한다.
노즐은 초임계 유체용 그리고 용액용의 개별적인 유출구를 제공한다. 노즐은 스테인레스 스틸 또는 다른 적절한 재료로 제조될 수도 있다.
노즐(27)은, 디스크(36) 형태로 그 중앙에 오리피스(39)를 그리고 중앙으로부터 동일한 거리에 원주를 따라 균일하게 이격된 둘 또는 그 이상의 오리피스(41)를 갖는 노즐 바디를 구비한다. 오리피스는 입자 형성 용기의 내부와 소통된다. 용액은 중앙 오리피스를 거쳐 입자 형성 용기로 도입되고, 그리고 순수한 또는 변경제를 구비한 초임계 유체는 외곽 오리피스를 거쳐 입자 형성 용기로 도입된다.
용액용 통로(37)는 지름(D3)의 구멍을 포함한다. 구멍의 단부는 원추 형상(40)을 구비한다. 원추형 단부(40)의 정점에는 레이저 드릴링된 오리피스(39)가 있다. 중앙 오리피스의 길이(L1)는 지름(D1)의 5 내지 10배이다. 오리피스 유출구에서 용액의 원하는 속도를 얻도록 하는 방식으로 지름(D1)이 선택될 수 있다.
초임계 유체용 통로(38)는 지름(D4)의 구멍이다. 각각의 구멍 단부는 원추형상(42)을 갖는다. 원추형 단부(42)의 정점에는 레이저 드릴링된 오리피스(41)가 있다. 오리피스의 길이(L2)는 지름(D2)의 5 내지 10배이다. 지름(D2)은 오리피스 유출구에서 초임계 유체의 원하는 속도를 얻도록 하는 방식으로 선택될 수 있다.
오리피스(39 및 41)의 길이(L1 및 L2)와 지름(D1 및 D2) 간의 비는 최소 에너지 손실로 설정되도록 그리고 에너지 압력을 동적 에너지로 변환함으로써 보다 높은 속도를 얻도록 선택된다.
도 4 및 도 5에는, 본 발명에서 사용된 노즐이 상세하게 도시되어 있다. 오리피스는 0.02㎜까지의 지름으로 드릴링될 수 있다. 실험 테스트를 수행하는데 사용된 노즐은 지름이 0.02 내지 0.04㎜ 범위인 오리피스를 구비한다.
본 발명의 또 다른 구현예에서, 하나 또는 그 이상의 외곽 오리피스는 이들의 축(축선)이 중앙 오리피스의 축으로 수렴하는 방식으로 드릴링된다. 중앙 오리피스 축과 함께 외곽 오리피스 축에 의하여 형성되는 각도는 1 내지 30°사이에서 이루어진다.
노즐(27)의 디스크(36) 상부 표면에는, 중앙 통로(37)의 유입구 단부 주변에서 연장되는 내측 환상 요홈부(50)와, 그리고 다른 통로(38)의 유입구 단부 주변에서 연장된 외측 환상 요홈부(52)가 형성된다.
도 6은 노즐(27)의 어셈블리를 도시한다. 디스크(36)의 환상 요홈부(50)는 제 1 O-링 시일(54)을 수용하고, 외측 환상 요홈부(52)는 제 2 O-링 시일(56)을 수용한다. 디스크(36)는 컵(58) 내에 수용되는데, 이 컵(58)은 노즐 블록(60)도 수용하며, 노즐 블록의 하단부는 제 2 O-링 시일(56)과 맞물린다. 노즐 블록 길이의하부 부분에 걸쳐, 노즐 블록(60)에는 상단부에서 횡 보어(64)와 소통되는 중앙 하부 보어(62)가 제공된다. 노즐 블록의 상부 부분에 걸쳐 노즐 블록(60)은 중앙 상부 보어(66)를 구비한다. 노즐 샤프트(68)는 중앙 상부 및 하부 보어(66, 62)를 따라 연장되고 그리고 제 1 O-링 시일(54)과 맞물리는 하부 단부를 구비한다. 노즐 샤프트(68)에는 중앙 샤프트 보어(70)가 형성된다. 보통 노즐 블록(60)의 상부 부분을 밀봉하도록 또 다른 시일(도시 안됨)이 노즐 샤프트(68) 주변에 제공될 것이다.
사용시에, 액체 용액이 중앙 샤프트 보어(70)로 공급되고 이로부터 디스크(36)를 관통하는 중앙 통로(37)의 유입구 단부로 공급된다. 중앙 샤프트 보어(70)와 디스크(36) 사이의 연결부는 제 1 O-링 시일(54)에 의하여 실링된다. 초임계 유체, 선택적으로는 변경제를 구비한 초임계 유체는 중앙 하부 보어(62)와 소통되는 횡 보어(64)에 공급되고 이로부터 디스크(36)를 관통하는 통로(38)로 공급된다. 중앙 하부 보어(62)와 통로(38) 간의 연결부는 제 1 O-링 시일(54)에 의하여 내측으로 밀봉되고 그리고 제 2 O-링 시일(57)에 의하여 외측으로 밀봉된다.
용액은 중앙 오리피스(39)로부터 고속으로 분출되고 그리고 초임계 유체와 접촉하는 미세한 비말(飛沫, droplets)로 분쇄된다. 초임계 유체의 속도가 실온에서의 음속 크기 정도로 매우 빠르다면, 용액 액체 제트의 분쇄는 오리피스(41)로부터 분출되는 초임계 유체에 의하여 크게 향상된다. 용액 액체 제트의 분쇄를 향상시키는 초임계 유체의 효과는 중요한 것으로, 생성물의 형상, 크기 및 수율을 결정한다.
실험 과정
초 임계 유체는 펌프(8)를 통하여 침전 용기(precipitation vessel)로 공급되는데, 펌프(8)는 초임계 유체 유량 설정을 가능하게 한다. 노즐 오리피스를 통한 팽창으로 인한 온도 하강을 고려하여, 라인(35)를 유동하는 초임계 유체의 온도는 가열기(17)에 의하여 입자 형성 용기 내측의 온도보다 높은 수치로 설정된다. 그런 후, 변경제가 펌프(9)를 통하여 초임계 유체에 사전 설정된 유량으로 추가된다. 정상 상태 조건을 이루는 경우, 용액은 펌프(10)를 통하여 입자 형성 용기 내로 펌핑된다.
일정한 양의 용액이 입자 형성 용기로 공급된 후, 펌프(9 및 10)는 정지되고 침전 파우더에 용제와 변경제가 없을 때까지 초임계 유체만이 입자 형성 용기로 공급된다.
입자 형성 용기는 감압되고 그리고 파우더는 복귀된다.
예
다음 예는 본 발명에 따른 방법을 사용하여 실행되었다. 사용된 장치는 도 1에 도시된 바와 유사하다.
예 1
알카린 포스파타아제(alkaline phospahtase, ALP) 입자 조제
본 예에서, 본 발명의 방법은 알카린 포스파타아제(ALP)를 사용하여 단백질 파우더(protein powder)를 조제하는데 사용된다.
탈이온수(deionized water)의 농도 0.2%w/w의 ALP 용액(시그마 화학 제품,SIGMA chemicals)이 사용된다. 이산화 탄소(carbon dioxide)와 에탄올(ethanol)이 각각 초임계 유체와 변경제로서 사용된다.
용액은 펌프(10)에 의하여 0.2g/min의 유량으로 입자 형성 용기 내로 공급된다. 초임계 이산화 탄소는 펌프(8)에 의하여 30g/min의 유량으로 공급되고, 에탄올은 펌프(9)에 의하여 4g/min의 유량으로 라인(34)에 공급되어 입자 형성 용기에 진입하기 전에 초임계 이산화 탄소와 혼합된다.
초임계 유체는 노즐의 네 개의 외곽 오리피스를 통하여 입자 형성 용기 내로 분사되는데, 이들 오리피스는 각각 지름이 0.04㎜이다. 용액은 노즐의 중앙 오리피스를 통하여 입자 형성 용기 내로 분사되는데, 중앙 오리피스의 지름은 0.04㎜이다. 모든 오리피스의 길이는 0.2㎜이다.
입자 형성 용기 내 온도와 압력은 T=40℃ 및 P=10.0㎫로 유지된다. 침전 입자는 입자 형성 용기 바닥의 필터(23)에서 수집되는 반면, 초임계 유체, 변경제 및 물은 대기압하의 실린더(26) 내로 수집된다.
변경제를 구비하는 이산화탄소와 용액은 240min 동안 공급되고, 후에 용액 공급이 중단되고, 침전 파우더로부터 미량의 용제와 변경제를 추출하기 위하여 순수 이산화탄소가 입체 형성 용기 내로 공급된다. 전형적으로, 드라이 파우더를 얻기 위하여 입자 형성 용기는 두 체적의 이산화탄소로 세척된다.
감압후에, 입자 형성 용기는 개방되고 그리고 파우더가 회수된다.
수집된 파우더의 수율은 약 70%이다.
SEM 현미경 사진(도 7, 도 8)은 얻어진 파우더가 1㎛보다 작은 등가 지름을갖고 그리고 협소한 크기 분포를 가지고 있다는 것을 도시한다.
ALP의 발견된 잔여 효소 활동은 처리되지 않은 상업용 시약에 비하여 90%이다.
예 2
리소자임 입자 조제
본 예에서, 본 발명의 방법은 리소자임(Lysozyme)을 사용하는 단백질 파우더를 조제하는데 사용된다.
탈 이온수의 0.2%w/w 농도의 리소자임 용액(시그마 화학 제품, SIGMA chemicals)이 사용된다. 이산화탄소와 에탄올이 각각 초임계 유체와 변경제로서 사용된다.
용액은 펌프(10)에 의하여 0.2g/min의 유량으로 입자 형성 용기로 공급된다. 초임계 이산화탄소는 펌프(8)를 통하여 30g/min의 유량으로 공급되고, 에탄올은 펌프(9)에 의하여 4g/min의 유량으로 라인(34)으로 공급되며 그리고 입자 형성 용기로 진입되기 전에 초임계 이산화탄소와 혼합된다.
초임계 유체는 노즐의 네 개의 외곽 오리피스를 통하여 입자 형성 용기로 분사되는데, 각각의 오리피스의 지름은 0.04㎜이다. 모든 오리피스의 길이는 0.2㎜이다.
입자 형성 용기 내 온도와 압력은 각각 40℃와 10.0㎫로 유지된다.
침전 입자는 입자 형성 용기의 바닥의 필터(23)에서 수집되고, 반면 결국 침전된 초임계 유체, 변경제, 물 및 용질(solute)은 대기압에서 실린더(26)로 수집된다.
일정한 양의 용제가 입자 형성 용기로 공급된 후, 펌프(9 및 10)는 정지되고 그리고 초임계 유체만이 침전 파우더를 건조시키기 위하여 입자 형성 용기로 공급된다: 일반적으로, 이는 드라이 파우더를 얻기 위하여 입자 형성 용기 체적의 약 두 배를 필요로 한다.
이런 점에서, 입자 형성 용기를 감압하고, 개방하여 파우더를 회수하는 것이 가능하다.
회수된 파우더의 수율은 90%이었다.
SEM 현미경 사진(도 9, 10, 11)은 1㎛보다 작은 등가 지름과 협소한 크기 분포를 구비하는 것을 도시한다.
ALP의 발견된 잔여 효소 활동은 처리되지 않은 상업적 시약에 비하여 94%이었다.
예 3
트레할로스 입자 조제
본 예에서, 본 발명의 방법은 수성 용액으로부터 트레할로스 파우더를 조제하는데 사용된다.
탈 이온수에 2%w/w 농도의 트레할로스 디하이드레이트(trehalose dihydrate)(SIGMA 화학약품) 용액이 사용된다. 이산화탄소와 에탄올은 각각 초임계 유체와 변경제로서 사용된다.
용액은 펌프(10)에 의하여 0.2g/min의 유량으로 입자 형성 용기(22)에 공급된다. 초임계 이산화탄소는 펌프(8)에 의하여 30g/min의 유량으로 공급되고, 에탄올은 4g/min의 유량으로 펌프(9)에 의하여 라인(34)으로 공급되어 이는 입자 형성 용기로 진입하기에 앞서 초임계 이산화탄소와 혼합된다.
초임계 유체는 노즐의 네 개의 외곽 오리피스를 통하여 입자 형성 용기로 분사되는데, 이들 각각의 오리피스의 지름은 0.04㎜이다. 용액은 지름이 0.04㎜인 노즐의 중앙 오리피스를 통하여 입자 형성 용기 내로 분사된다. 이들 모든 오리피스의 길이는 0.2㎜이다.
입자 형성 용기 내의 온도와 압력은 각각 40℃와 10.0㎫로 유지된다.
침전 입자는 입자 형성 용기 바닥의 필터(23)에 수집되고, 반면 초임계 유체, 변경제, 물 및 궁극적으로 침전되지 않은 용제는 대략 대기압으로 실린더(26) 내로 수집된다.
일정한 양의 용제가 입자 형성 용기로 공급된 후, 펌프(9 및 10)는 정지되고 그리고 초임계 유체만이 침전 파우더를 건조시키기 위하여 입자 형성 용기로 공급된다: 일반적으로 이는 드라이 파우더를 얻기 위하여 입자 형성 용기의 체적의 약 두 배의 체적이 필요하다.
이런 점에서, 입자 형성 용기를 감압하고, 개방하여 파우더를 회수시키는 것이 가능하다.
회수된 파우더의 수율은 80%이었다.
도 12 및 도 13은 얻어진 파우더의 SEM 현미경 사진이다.
도 14에 도시된 입자 크기 분포는 에어로사이저 mo. 3225(Aerosizer mo.3225(TSI-Amherst)를 사용하여 결정되고 그리고 1.89㎛의 평균 크기를 부여한다.
본 발명은 다소 폭넓은 범위로 이해될 수도 있다. 즉, 광범위한 일 면에 따르면, 본 발명은 GAS 공정을 사용하여 재료의 미세 및 초미세 입자 형성용 장치로서, 입자 형성 용기와 재료의 용액 및 초임계 유체를 상기 입자 형성 용기로 도입하기 위한 수단을 포함하는 입자 형성용 장치를 제공하는데, 상기 수단이 용액과 초임계 유체에 대한 각각의 개별적인 출구를 구비하는 노즐을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 광범위한 일면에 따르면, 본 발명은 재료의 용액과 초임계 유체를 GAS 공정을 사용하여 상기 재료의 미세 및 초미세 입자 형성을 위한 입자 형성 용기로 물질의 용액 및 초임계 유체를 도입하기 위한 노즐을 제공하는 것으로, 상기 노즐은 용액의 유동을 운송하기 위한 중앙 유출구를, 그리고 순수 초임계 유체의 유동 또는 변경제와 혼합된 초임계 유체의 유동을 운송하는 다수 개의 외곽 유출구를 포함하는 것을 특징한다.
본 발명의 또 다른 광범위한 일면에 따르면, 본 발명은 GAS 공정을 사용하여 재료의 미세 및 초미세 입자 형성용 공정을 제공하는데, 상기 공정은 용제가 초임계 유체 의하여 용액으로부터 용제가 추출되고 미세 및 초미세 입자의 침전이 발생하도록, 순수 또는 변경제와 혼합된 초임계 유체와 용액을 노즐의 개별적인 출구를 통하여 제어되는 압력과 온도의 입자 형성 용기로 공급되는 단계를 포함한다.

Claims (24)

  1. GAS 공정을 사용하여 물질의 미세 및 초미세 입자 형성하기 위한 장치로서, 입자 형성 용기(22)를 그리고 상기 입자 형성 용기(22)로 상기 물질의 용액과 초임계 유체를 도입하기 위한 수단을 포함하는 미세 및 초미세 입자 형성용 장치에 있어서,
    상기 수단은 각각 상기 용액용 그리고 상기 초임계 유체용의 개별적인 유출구(39, 41)를 갖는 노즐을 포함하여, 통상 상기 용액과 상기 초임계 유체 간의 접촉은 상기 개별적인 유출구 하류의 상기 입자 형성 용기 내에서 발생하는 미세 및 초미세 입자 형성 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 노즐(27)은 한 개의 중앙 유출구(39)와 복수 개의 외곽 유출구(41)를 구비하고, 상기 중앙 유출구(39)는 용액 유동을 이송하도록 제공되고, 그리고 상기 외곽 유출구(41)는 순수 초임계 유체의 유동을 이송하는 미세 및 초미세 입자 형성 장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 외곽 유출구(41)는 상기 중앙 유출구(39)로부터 동일한 거리로 배치되는 미세 및 초미세 입자 형성 장치.
  4. 제 1항, 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기 유출구는 노즐 바디(36)를 관통하는 개별적인 통로(37, 38)의 하류 단부에 제공되는 미세 및 초미세 입자 형성 장치.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 노즐 바디(36)에는 이를 관류하는 상기 통로의 개개의 상류 단부를 밀봉식으로 구별하기 위한 시일(54)이 제공되는 미세 및 초미세 입자 형성 장치.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 시일(54)은 상기 노즐 바디의 요홈부(50)에 수용되는 미세 및 초미세 입자 형성 장치.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유출구(39, 41)는 상기 노즐(27)의 원추형으로 테이퍼진 부분(40, 42)의 정점의 하류에 제공되는 미세 및 초미세 입자 형성 장치.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유출구는 오리피스(39, 41)의 하류 단부에 있고, 상기 오리피스의 지름은 0.02㎜ 내지 0.1㎜ 사이, 바람직하게는 0.02㎜ 내지 0.04㎜이며, 그리고 상기 오리피스의 길이 대 지름의 비는 5 내지 10인 미세 및 초미세 입자 형성 장치.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유출구는 축선 범위, 상기 축선 사이에 형성된 각이 1°내지 30°사이가 되도록 드릴링된 오리피스(39, 41)의 하류 단부에 있는 미세 및 초미세 입자 형성 장치.
  10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 노즐(27)을 통하여 상기 입자 형성 용기(22) 내에 변경제를 도입하기 위한 수단을 더 포함하는 미세 및 초미세 입자 형성 장치.
  11. 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서, 개개의 유출구는 변경제와 혼합된 용액 유동을 이송하는 미세 및 초미세 입자 형성 장치.
  12. 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서, 개개의 유출구는 변경제와 혼합된 초임계 유체 유동을 이송하는 미세 및 초미세 입자 형성 장치.
  13. GAS 공정을 사용하여 물질의 미세 및 초미세 입자 형성을 위해 입자 형성 용기내에 상기 물질의 용액과 초임계 유체를 도입하기 위한 노즐에 있어서,
    상기 노즐은 각각의 상기 용액과 상기 초임계 유체용 개별적인 유출구(39, 41)를 포함하여, 사용시 상기 용액과 상기 초임계 유체 간의 최초 접촉이 상기 개별적인 유출구 하류에서 발생하는 것을 특징으로 하는 노즐.
  14. 제 13항에 있어서, 용액의 유동을 이송하기 위한 중앙 유출구(39)와, 그리고순수 초임계 유체의 유동 또는 변경제와 혼합된 초임계 유체의 유동을 이송하기 위한 복수의 외곽 유출구(41)를 포함하는 노즐.
  15. GAS 공정을 사용하여 물질의 미세 및 초미세 입자를 형성하기 위한 방법으로서, 상기 용제가 상기 초임계 유체에 의한 용액으로부터 추출되고 그리고 미세 및 초미세 입자의 침전이 발생하도록 순수 또는 변경제와 혼합된 초임계 유체 및 용액을 노즐(27)을 통하여 제어된 압력과 온도의 입자 형성 용기로 공급하는 단계를 포함하는 미세 및 초미세 입자 형성용 방법에 있어서,
    상기 초임계 유체 및 상기 용액은 상기 노즐의 개별적인 유출구(39, 41)를 통하여 개별적으로 공급되고, 동시에 상기 초임계 유체와 상기 용액 간의 접촉은 상기 개별적인 유출구의 하류 상기 입자 형성 용기내에서 처음 발생하는 것을 특징으로 하는 미세 및 초미세 입자 형성용 방법.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 용액은 변경제와 혼합되어 상기 입자 형성 용기내로 도입되는 미세 및 초미세 입자 형성용 방법.
  17. 제 15항 또는 제 16항에 있어서, 상기 용액은 약학적 관심 화합물을 포함하는 수용성 용액이고, 상기 초임계 유체는 이산화탄소이며, 상기 변경제는 에탄올인 미세 및 초미세 입자 형성용 방법.
  18. 제 17항에 있어서, 상기 입자 형성 용기내 압력은 상기 이산화탄소의 임계 압력 내지 30㎫ 사이, 더욱 바람직하게는 8㎫ 내지 12㎫ 사이에 있고, 그리고 상기 입자 형성 용기내 온도는 30℃ 내지 80℃ 사이, 더욱 바람직하게는 40℃ 내지 50℃ 사이에 있는 미세 및 초미세 입자 형성용 방법.
  19. 제 18항에 있어서, 상기 이산화탄소와 변경제의 질량 유량비는 2 내지 40 사이이며, 바람직하게는 6 내지 8 사이이고, 상기 변경제와 상기 수용성 용액의 질량 유량비는 5 내지 40, 바람직하게는 10 내지 25인 미세 및 초미세 입자 형성용 방법.
  20. 제 19항에 있어서, 상기 개별적인 노즐 유출구에서의 상기 이산화탄소 속도는 상기 입자 형성 용기내 온도와 압력에서의 상기 이산화탄소의 음속의 크기 정도인 미세 및 초미세 입자 형성용 방법.
  21. 제 15항 또는 제 16항에 있어서, 상기 용액은 약학적 관심의 화합물과 그리고 상기 초임계 유체에 용해 가능하며 에탄올, 메탄올, DMSO, 이소프로판올, 아세톤, THF, 아세틱 산(acetic acid), 에틸렌글리콜(ethyleneglycol), 폴리에틸렌글리콜(polyethleneglycol), 질소(N), 질소-디메틸아닐린(N-dimethylaniline)으로부터 선택된 용제를 포함하는 미세 및 초미세 입자 형성용 방법.
  22. 제 15항 또는 제 16항에 있어서, 상기 초임계 유체는 에탄(ethane), 에틸렌(ethylene), 프로판(propane), 황 헥사플루오라이드(sulfur hexafluoride), 산화 질소(nitrous oxide), 클로로트리플루오로메탄(chlorotrifluoromethane), 모노플루오로메탄(monofluoromethane), 크세논(xenon) 및 이들의 혼합물로부터 선택되는 미세 및 초미세 입자 형성용 방법.
  23. 제 15항 또는 제 16항에 있어서, 상기 변경제는 에탄올, 메탄올, DMSO, 이소프로판올, 아세톤, THF, 아세틱 산(acetic acid), 에틸렌글리콜(ethyleneglycol), 폴리에틸렌글리콜(polyethleneglycol), 질소(N), 질소-디메틸아닐린(N-dimethylaniline)으로부터 선택되는 미세 및 초미세 입자 형성용 방법.
  24. 제 1항 내지 제 12항 중의 어느 한 항에 따른 장치를 사용하여 실행되는 제 15항 내지 제 23항 중의 어느 한 항에 따른 미세 및 초미세 입자 형성용 방법.
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