KR20050016436A - 고 강도 초음파를 이용한 결정체 물질 제조 방법 - Google Patents

Abstract

제약 분야에서 사용하는 상당히 순수한 결정체 물질은, 물질의 포화 용액을 형성하는 단계와, 용액이 과포화 상태가 되기 위해 용액의 온도를 변화시키는 단계 및 고 강도 초음파에 의한 조사에 노출시키는 단계에서 제조 될 수 있으며, 여기에서 초음파의 주파수는 주파수들의 범위에 걸쳐서 스캔되어진다. 예를 들어, 초음파는 19.5 내지 20.5 kHz 사이에서 변화되며, 이 변화는 사인 곡선(sinusiodally)이 될 수 있다. 양호하게는, 초음파는 용액이 추가적인 조사없이 점차적으로 냉각되는 것을 허용하기 이전에 5초 이하 동안 짧게 제공된다. 상기 초음파는 벽에 부착된 초음파 변환기의 어레이를 가진 용기를 사용하여 적용될 수 있으며, 이 각각의 변환기는 용기 안에서의 분해력이 25W/litre 내지 150W/litre 사이에 있을지라도 3W/cm² 이하로 방사한다. 상기의 방법은 10 K 이하로 준안정 존(metastable zone)의 폭을 감소시킬 수 있다. 이는 특히 아스파테임(aspartame) 입자에 사용할 수 있다.

Description

고 강도 초음파를 이용한 결정체 물질 제조 방법{PRODUCTION OF CRYSTALLINE MATERIALS BY USING HIGH INTENSITY ULTRASOUND}

본 발명은 제약 분야(pharmaceuticals)에서 사용하기에 적합한 물질을 결정화시키기 위한 방법에 관한 것이다.

결정화가 일어나기 위해 과포화 용액에서 핵생성(nucleation)을 일으킬 수 있는 고 강도 초음파의 사용은 이미 공지되었으며, 이러한 목적의 장치는 예를 들어 GB 2 276 567 A 에 설명된다. 상기 방식에서 발생하는 핵생성 개시의 이점은, 용액의 순도와 용기 표면의 청결이 결정체 핵이 존재하지 않는다는 것을 의미하는 것과 같은 무균(sterile) 환경에서 매우 순수한 결정체 생산물이 형성될 때 특별한 관련이 있다. 일정 화합물이 제약에서 사용되는 것이 바람직하겠지만, 결정화시키는 것이 특별히 어렵다는 것이 발견되었다. 이는 D-포도당(D-glucose)이나 D-크실로스(D-xylose)와 같은 이당류(disaccharides)와 특별히 관련된다. 상기와 비슷한 문제는 아스파르트산(aspartic acid)과 같은 다른 유기 화합물이나, 알파-엘-아스파르틸-엘-페닐알라닌 메틸 에스테르(alpha-L-aspartyl-L-phenylalanine methyl ester)(aspartame)와 같은 화합물에서 발생한다. 이는 결정체 변경인자(crystal modifier)를 결정체 형성을 촉진하기 위해 그와 같은 화합물의 포화 용액에 첨가하는 것이 필요하다는 것을 인식하게된다. 이는 포화 용액이 결정화가 일어나기 전의 포화 온도 이하로 상당히 냉각 시켜야만 한다는 것과 같다; 몇몇 유기 물질을 보유한 과냉각(under-cooling)은 약 100°C 만큼 크게 될 수도 있다. 즉, 과포화 용액은 수개월이 될 수 있는 장기간 동안 준안정 상태(metastable state)로 남을 수 있다. 포화 용액을 초음파에 노출시키기 위해 침지된(immersed) 초음파 프로브(probe) 또는 혼(horn)이 일반적으로 사용되지만, 몇몇 캐비테이션(cavitation)이 혼의 표면에 발생하는 것이 발견되며, 이는 혼의 다소의 부식과 매우 작은 금속 입자(지름이 약 0.1 mm 라고 설명하는)가 생성되게 된다. 따라서, 상기 방법은 제약 성분으로써의 사용을 위해 결정체 물질을 형성하는 것을 수용할 수가 없을 것이다.

도 1은 배치 결정화 조사기를 도시하는 단면도.

따라서, 본 발명은 결정체 물질의 제조 방법을 제공하는데, 이 방법은, 물질의 포화 용액을 형성하는 단계와, 과포화 상태를 만들기 위해 용액의 온도를 변화시키는 단계 및 상기 용액을 고 강도 초음파로 조사(irradiation)시키는 단계를 포함하고, 상기 초음파의 주파수는 주파수들의 범위에 걸쳐서 스캐닝 되어진다.

예를 들어, 초음파는 주파수가 19.5kHz와 20.5kHz 사이에서 변화되는 주파수에서 신호를 발생시키기 위하여 작동되는 변환기(transducer)에 의해 발생될 수 있으며, 서로 다른 변환기로부터의 신호는 서로 독립적으로 변화할 수 있다. 상기 주파수는 그러한 제한 사이에서(시간에 따른) 사인 곡선(sinusiodally)으로 변화할 수 있거나, 또는 톱니 방식(sawtooth fasion)으로 변화할 수 있다. 예를 들어 이러한 조정 주파수는 2Hz 내지 50Hz 사이에 놓일 수 있으며, 통상적으로는 5Hz와 15Hz 사이이다. 초음파 주파수를 변화시키는 것은 결정화 과정을 향상시키는 것이 발견되었다.

양호하게는, 초음파는 용액이 과포화 상태가 되는 동안에만 적용되며, 결정체가 형성될 때까지만 적용되고, 그 다음 용액 내의 결정체가 조사없이 성장하는 것이 허용되는 것이다. 양호하게는, 초음파는 10초를 넘지 않는 예를 들면 2초나 3초 동안 적용되는 것이다. 상기 초음파는 5초 이하의 짧은 간격 동안에 적용되는 것이 가장 양호하며, 그 후 용액은 어떠한 결정체라도 형성되었는지를 알아보기 위해 검사된다; 만일 어떠한 결정체라도 형성되지 않았다면 초음파는 다시 짧은 간격으로 적용될 것이며, 상기 용액은 다시 검사된다. 상기 과정은 결정체가 발견될 때까지 반복되며, 이후에 초음파는 더이상 적용되지 않는다. 추가로, 초음파의 적용 에 연속되는 용액의 점차적인 냉각은 초음파 방사 기간 동안 형성되는 결정체의 성장을 이끈다. 그러므로, 상기 방법은 큰 결정체로 성장될 수 있게 한다.

다른 방법으로의 접근에 있어서, 상기 초음파의 짧은 파열(burst)은 용액의 냉각에 걸쳐서 일정 간격으로 적용될 수 있다; 이는 만일 결정체가 덩어리화하려는 경향이 있다면, 초음파의 짧은 파열은 덩어리를 깨뜨리는 것이 적절하다. 다른 방법으로 초음파는 냉각동안에 연속적으로 적용될 수 있으며, 이는 핵 형성의 원인이 될 수 있고, 또한 매우 작은 결정체의 형성을 이끌 수 있다.

초음파는 원주 방향과 세로 방향으로 모두 연장되는 어레이에서 용기의 벽에 부착된 다수의 초음파 변환기를 이용한 용기 내의 과포화 용액에 적용될 수 있으며, 각각의 변환기는 3W/cm²를 넘지 않는 범위에 방사하기 위해서 신호 발생기(signal generator)에 연결 되어있고, 상기 변환기들은 서로 충분히 조정된 관계를 갖고 있고, 변환기의 수는 용기 안에서의 파워 분해력(power dissipation)이 약 25내지 150W/litre 사이인 상당히 많은 수가 있다. 상기에서 주어진 파워 분해력의 수치는 상대적으로 결정하기 쉬울 때, 변환기에 전달되는 전기력이다. 상기 방사 용기는 WO 00/35579에 설명된다. 놀랍게도, 상기 용기에서는 벽의 표면에 아무런 캐비테이션(cavitation)이 없고 따라서, 아무런 부식도 없으며 결과적으로 아무런 금속의 작은 입자도 형성되지 않는다는 것이 발견된다. 상기 방법에 의해 제조된 결정체 물질은 첨가물이 필요하지 않고 결정화 과정에서 오염물이 발견되지 않는 매우 순수하게 제조되며, 따라서 이는 음식의 사용과 제약의 사용에 모두 적합하게 된다.

초음파의 포커싱(focusing)이 발생하지 않는다는 것을 확실히 하는 것이 바람직하며, 이는 인접한 변환기의 그룹이 연속적으로 여기되는 것에 의해 이루어 질 수 있다. 상기 용기가 원형인 곳에서는, 직경 방향으로 대향하는 변환기를 동시에 여기되는 것을 피하는 것이 특히 바람직하다. 상기 넌-포커싱(non-focusing)은 서로 다른 주파수에서 인접한 변환기나 인접한 변환기의 그룹이 여기되는 것에 의해 이루어 질 수 있다; 그리고, 특히 각각의 변환기나 변환기 그룹이 제한된 범위, 예를 들어 19.5kHz 내지 20.5kHz 사이에서 여기되는 주파수를 변화시키는 것은 이러한 이점을 제공한다.

본 발명은 추가 될 수 있고 더 특별하게 설명 될 수 있다. 예를 들면, 배치(batch) 결정화 조사기의 단면도를 보여주는 첨부된 도면을 참조할 수 있다.

도면에서 참조하고 있는, 배치(batch) 결정화 조사기(10)는 내부 지름이 0.31m이고 벽 두께가 2mm인 스테인레스(stainless-steel) 용기(12)를 포함한다. 벽의 외곽에는 사각형 어레이로 근접하게 팩된(packed) 60개의 변환기 모듈(module)(14)이 부착된다. 각각의 변환기 모듈(14)은 20kHz에서 공진하는 50W 압전기의 변환기(16)를 포함하며, 이는 벽에 연결되는 원추형으로 플레어로 된(flared) 티타늄 커플링 블럭(titanium coupling block)(18)에 부착되고, 각 블럭의 보다 넓은 단부는 지름이 63mm가 된다. 상기 변환기 모듈은 각각 12개의 모듈(14)의 5개 원주방향 링(rings)을 형성하며, 상기 커플링 블럭의 중심은 82mm의 사각 피치(pitch)가 된다. 또한 상기 조사기(10)는 3개의 신호 발생기(20)(단지 한 개만 도시함)를 통합하는데, 한 쌍의 인접한 세로 방향 열과 첫번째 쌍으로부터 떨어진 원주의 3분의 1의 다른 한 쌍들의 열에서 변환기를 구동한다. 조사기(irradiator)의 사용에서, 용기(vessel)(12)는 액체로 채워지고 용기의 온도는 냉각 자켓(cooling jacket)을 사용하여 점차적으로 냉각하며(용해도는 온도가 낮춰짐에 따라 감소한다고 가정하여), 용기(12)의 내용물은 섞이게 된다. 결과적으로, 용액은 포화 상태가 되며, 그 후 과포화 상태가 된다. 온도가 포화가 일어나는 것보다 아래인 약 10°C에 있을 때, 변환기(transducer)(20)는 짧게 여기되며, 각각의 발생기(20)는 0.8초 동안 연속적으로 여기된다. 각각의 변환기는 지름 63mm의 원 위에 50W로 방사하며, 이는 1.6W/cm²의 강도이다. 원자력 에너지는 약 31 리터인 용기(12)의 원통 체적에 걸쳐서 방사되며, 만일 모든 변환기(16)가 동시에 여기된다면, 파워 강도는 약 100 W/litre가 될 수 있다. 포커싱을 피하기 위해서, 단지 하나의 신호 발생기만이 어떠한 한번에 여기되고, 에너지 적층은 약 33 W/litre가 된다. 0.8 초 후에, 서로 다른 발생기(20)는 여기되며 기타 등등으로 된다. 2.4 초 후에 각각의 변환기는 여기되고, 초음파의 적용은 종결된다. 그 다음, 용기(12)의 내용물들은 어떠한 결정체(crystallization)가 발생하였는지를 알아보기 위해서 검사된다. 어떠한 결정체도 없다면 상기 활성화 과정은 반복된다. 일단 결정체가 발견되면, 초음파의 사용은 종결되고, 용기(12)의 온도는 점차적으로 낮춰진다.

상기 용액이 활성화 될 때, 신호 발생기(20)는 19.5 내지 20.5 kHz 사이에서 변화하는 주파수에서 신호를 발생시키며, 이 신호는 각각 서로 독립적으로 변화하는 서로 다른 신호 발생기(20)로 부터의 신호이다. 각각의 신호 발생기(20)의 주파수는 10Hz의 주파수에서 이들 주파수 제한 영역 사이의 시간에 따라 사인곡선(sinusoidally)으로 변화한다.

상기 조사기 파워 강도(power density)는 캐비테이션(cavitation)이 벽의 표면에서 발생하지 않는 것과 같다면, 용기(12)의 부식은 발생하지 않는다. 그럼에도 불구하고 파워 강도가 포화 용액에서 핵을 이루는 것을 보장하기에 충분하다.

결정화에 대한 초음파의 효과를 연구하기 위한 실험은, 하기와 같이 수행되어진다. 50°C에서 포화상태가 되는 물 10ml 당 D-크실로스(D-xylose) 25g이 포함되어 있는 D-크실로스의 수용액이 준비된다. 그 다음 상기 용액은 20°C에서 0.2 K/min의 비율로 냉각되고, 결과적으로 발생하는 고체 생산물들은 분리되어 격리된다. 제어할 때, 변환기(14)가 여기되지 않는 한 경우에; 온도가 36°C로 떨어질 때까지 결정체가 나타나지 않는다. 만일 변환기(14)가 46°C에서 시작하여, 2분의 기간 동안 여기된다면, 결정체는 43°C에서 나타난다. 만일 변환기(14)가 50°C에서 시작하여 연속적으로 여기된다면, 결과적으로 발생하는 결정체는 매우 작고, 크기에 대한 정보를 얻을 수 없다. 표 1은 고체가 처음으로 출현하는 온도 T를 주고, 또한 다른 축적 백분위(질량에 의한)에 대한 결정체 크기(in micron)를 표시함으로써 결정체 크기 분배에서의 효과를 나타낸다.

상태	T/°C	10 %	50 %	90 %
초음파 없음	36	27	67	149
2분의 초음파	43	43	106	211
초음파	46	-	-	-

용액이 50°C에서 포화상태가 되기 때문에, 이상적으로 결정체는 온도가 50°C 아래로 떨어지자마자 발생하기 시작해야만 한다. 초음파의 짧은 적용은 준안정 존(metastable zone)의 폭이 단지 약 7K (초음파의 부재시 약 14K 인 것과 비교할 때)로 현저하게 감소시킨다. 또한 이것은 형성되는 결정체 크기에 상당한 증가를 준다. 초음파의 연속적인 적용은 약 4K로, 심지어 그 이상으로 준안정 존의 폭을 감소시킨다.

상기 특정한 실험에 적용되는 상태는 본 발명의 방법과 정확하게 일치하지 않지만, 그로 인한 결과는 짧은 방사에 노출시키기 전에 용액을 약 43°C로 냉각하는 것이 적당하다는 것을 나타낸다는 것을 이해할 것이다.

본 발명의 실행에 있어서, 용액이 초음파의 짧은 사용전에 냉각되는 온도는 물질과, 솔벤트(solvent) 및 농축물에 의존하는 다른 용액에 대해 다르게 될 것이며, 따라서 실험 장치에 의해 발견되어져야 한다. 이것은 상기에서 설명된 비슷한 실험장치에 의해 확인될 수 있다. 먼저, 용액은 냉각될 때 연속적인 초음파에 노출되며, 결정체가 형성되는 온도(T, 상기의 예에서는 46°C)가 관찰된다. 그 다음 부가의 실험이 실시되며, 결정체가 초음파의 단 파동의 적용에서 형성되는 가장 높은 온도를 찾기 위해서 상기 온도 T의 약간 위아래 내에서 다른 온도들로 용액을 냉각시킨다. 통상적으로 이것은 연속적인 초음파로 발견되는 온도 T의 5K 내에 있다.

아스파테임(aspartame)은 알파-디펩티드 에스테르 엘-아스파르틸-엘-페닐알라닌 메틸 에스테르(alpha-dipeptide L-aspartyl-L-phenylalanine methyl ester)이고, 중요한 인공 저-칼로리 감미료(synthetic low-calorie sweetening agent)이다. 상기 아스파테임은 설탕보다 200배 더 달콤하고 쓴 뒷맛이 남지 않기 때문에, 넓은 범위의 제품에 사용된다. 그러나, 특히 수용액으로부터 결정체 변경인자없이 결정체로 만들기는 어렵다. 놀랍게도, 본 발명의 방법을 사용하여 직접 수용액으로부터 만족할 만한 아스파테임 결정체를 제조하는 것이 가능하다라는 것을 발견하였다. 따뜻하고 순수한 물에서 아스파테임의 포화 용액이 준비되어 용기(12)에 주입된다. 용액의 온도는 포화 상태가 되는 온도 아래인 약 10K로 점차적으로 냉각되고, 짧은 시간 동안 예를 들어 2.4s 동안 상술한 바와 같이 조사에 노출된다. 그 다음 용액은 검사되고, 만일 초음파 조사의 결과로써 결정체가 형성되었다면, 용기(12)의 온도는 몇 시간의 기간에 걸쳐서 실온까지 점차적으로 냉각된다.

상기 과정은 100um에서 250um 사이 크기의 아스파테임 결정체를 조제한다는 것이 발견되었고, 이는 예를 들어 여과에 의해 남겨지는 용액으로부터 쉽게 분리된다. 첨가물의 요구를 피함으로써, 제품의 순도가 보장된다.

초음파 방사의 결과로써 결정체가 형성되었는가를 체크하는 검사는, 작은 결정체 불꽃처럼, 용액 내부의 반짝이는 빛을 통한 눈에 의한 검사가 될 수 있다.

상기 방법이 다른 장치의 사용에 적용될 수 있다는 것은 높이 평가될 것이며, 배치(batch) 기초보다는 오히려 연속적으로 제공될 수 있다. 예를 들면 포화 용액이 점차적으로 온도가 내려가는 덕트(duct)를 따라 흐를 수 있으며, 상기 덕트는 용액이 적절한 온도에 이르게되는 위치에서 관통형 초음파 조사 모듈을 합체시키며, 따라서 용액은 이것이 모듈을 통과 할때에, 짧게 조사된다. 상기의 경우 초음파 방사 모듈의 변환기는 연속적으로 활성화되거나 펄스된(pulsed) 모드도 될 수 있다.

또 다른 적용을 할 때, 포화 용액은 결정체를 발생하기 위해서 공진될 수 있으며, 그 다음 결정체가 전체 체적(volume)에서 시드 결정체(seed crystal)로서 활동하기 위해서 용액의 보다 큰 체적에 추가될 수 있다. 예를 들어, 점차적으로 냉각되거나 안티-솔벤트(anti-solvent)가 추가된 결정화 탱크에서 약 4000 리터의 포화 용액이 될 수 있다. 충분히 과포화가 될 때에, 작은 양(예를 들어 40 l)은 탱크와 같은 온도에서 조사 챔버(irradiation chamber)(예를 들어 파이프를 통해 빨아 올리는)로 옮겨지며; 결정체가 형성될 수 있도록 초음파에 노출시키게 되며; 그리고 나서 다시 탱크로 옮겨진다. 만일 결정체가 형성되지 않았다면, 이 작동은 반복될 수 있다. 그러므로 용액의 전체 체적은 시드 결정체로 제공된다.

Claims (9)

1. 결정체 물질의 제조 방법에 있어서,

   물질의 포화 용액을 형성하는 단계와, 과포화 상태가 될 수 있도록 용액의 온도를 변화시키는 단계와, 상기 용액을 고 강도 초음파에 의해 조사(irradiation)시키는 단계를 포함하고, 상기 초음파의 주파수는 주파수들의 범위에 걸쳐서 스캐닝 되어지는 결정체 물질의 제조 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 초음파의 주파수는 상기의 범위에서 사인 곡선(sinusoidally)으로 변화되는 결정체 물질의 제조 방법.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기의 범위의 가장 높은 주파수와 가장 낮은 주파수 사이의 차이는 평균 초음파 주파수의 10% 이하인 결정체 물질의 생산 방법.
4. 제 1항 내지 제 3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 초음파는 다수의 신호 발생기에 의해 여기되는 다수의 변환기(trnasducer)에 의해 발생되며, 서로 다른 신호 발생기로 부터의 초음파 신호의 주파수는 서로 독립적으로 변화하는 결정체 물질의 제조 방법.
5. 제 1항 내지 제 4항중 어느 한 항에 있어서, 상기 초음파는 용액이 과포화 상태가 되는 동안에만 적용되며, 또한 결정체가 형성될 때까지 적용되며, 그 다음 상기 용액 내의 결정체는 조사 없이 성장하는 것이 허용되는 결정체 물질의 제조 방법.
6. 제 5항에 있어서, 상기 용액을 10초 이하 동안 초음파에 노출시키는 결정체 물질의 제조 방법.
7. 제 1항 내지 제 6항중 어느 한 항에 있어서, 초음파는 제 1항 내지 제 6항중 어느 한 항에 제공되며, 여기에서 상기 초음파는 원주 방향과 세로 방향으로 모두 연장한 어레이(array)에서 용기의 벽에 부착된 다수의 초음파 변환기를 이용하여 상기 용기 안의 과포화 용액에 적용되며, 각각의 변환기는 이 변환기가 3W/cm²를 넘지 않게 방사할 수 있도록 신호 발생기에 연결되며, 상기 변환기는 충분히 서로 근접되며, 상기 변환기의 수는 용기 안에서의 파워 분해력(power dissipation)이 25W/litre 내지 150W/litre 사이에 있는 상당히 높게되는 결정체 물질의 제조 방법.
8. 제 7항에 있어서, 인접한 변환기의 그룹들은 연속적으로 여기되는 결정체 물질의 제조 방법.
9. 제 7항 또는 제 8항에 있어서, 상기 인접한 변환기 또는 인접한 변환기의 그룹들은 서로 다른 평균 주파수에서 여기되는 결정체 물질의 제조 방법.