동국대학교 약학대학 정성훈 교수님의 세미나를 듣고 잊기전에 강의 내용을 정리하고자 한다.
Basic Concepts on Lyophilization
Lyophilization 동결건조는 국가에 따라 불리우는 이름이 다르다. Lyophilization, Freeze drying 등으로 불리우는데 같은 공정을 지칭하는 단어들이다.
Lyophilization(동결건조)
용액상태에서 불안정한 물질은 주로 수분에 불안정한 물질인 경우가 많기 때문에, 이 경우 동결건조를 해주면 제품의 안정성 기간이 늘어날 수 있다.
- 동결건조는 제조공정 설계에 필수 요소이다.
- 용액상태에서 불안정한 물질을 안정화 하기위해 이용하는 공정이다.
- 용기에 충전된 용액을 동결한 후, 동결상태에서 승화시켜서 건조를 얻는 공정이다.
- 공정은 3단계로 구성된다[1단계: 동결(Freezing), 2단계: 1차건조(Primary Drying), 3단계: 2차건조(Secondary Drying)]
- 1차 Primary Drying은 승화(Sublimation)을 이용하여 건조된다.
- 2차 Secondary Drying은 Desorption을 통해 건조된다.
상기 그림에서 A,B,C,D 를 거치며 동결건조가 진행된다.
A–>B 는 온도를 낮추는 Freezing(동결)과정이며, B–>C 는 압력을 낮추어 기화시키는 1차건조, C–>E는 온도를 상승시키는 2차건조이다.
C–>D또한 압력을 더 낮춤으로써 2차 건조를 할 수 있지만, 압력을 낮추는 것은 온도를 올리는 것 보다 에너지와 비용, 시간이 더 많이 들기 때문에 잘 이용되지 않는다.
하기 그림은 시간에 따른 온도 변화와 압력 변화를 나타내는 그래프이다. 동결건조가 진행될 때 발생하는 일반적인 온도와 압력 상태곡선이다.
Lyophilizer Overveiw
상기 그림은 동결건조기 내부 모식도이다. 동결건조기는 크게 선반 파트와 콘덴서 파트로 나뉠 수 있다. 선반파트에 선적된 제품+용기를 얼린 후, 콘덴서 파트로 승화시킴으로써 동결건조를 진행하게 된다. 이 때, 선반파트에서 승화된 수증기들은 콘덴서 파트로 넘어가는 환경이 잘 이루어져 있어야 한다. 이 환경의 중요한 핵심은 선반파트보다 콘덴서 파트의 수증기압이 낮아야 한다는 점이다. 선반파트보다 콘덴서파트의 수증기압을 낮추는 방법은 다양하게 있다.
- 선반 파트의 수증기압 높이기: 온도 증가
- 콘덴서 파트의 수증기압 낮추기: 압력 내리기, 콘덴서 온도 낮추기
Lyophilization_승화에 영향을 미치는 요소들
1차 건조가 빠르게 진행될수록 전체 건조시간이 빨라지며 동결건조 전체 효율이 좋아진다.
이 때, 승화에 영향을 미치는 것에는 다음과 같은 요소들이 있다.
- 바닥 선반에서 전달되는 전도열
- 윗 선반에서 전달되는 복사열
- 공기중의 대류열
- 선반과 용기 사이의 열 전달 계수
- 건조물의 얼음 결정 상태
- 수증기압
상기 6가지 이외의 더 구체적인 것들이 있을 수 있지만, 크게 고려해야 할 부분은 상기 6가지 요소이다.
상기 요소들 중 건조물의 얼음 결정 상태에 대해 추가적으로 알아보았다.
Freezing of Aqueous System
액체에서의 안정성은 분자 운동성에 비례하게 되는데, 고체에서는 -30℃ ~ -40℃ 까지 내려가는 온도 변화 동안 제품이 노출되는 환경에 따라 안정성이 달라진다. 즉 어는동안 발생하는 상변이 과정이 건조 상태의 안정성에 가장 큰 영향을 미치게 된다.
동결상태는 결정형 동결제형과, 무정형 동결제형이 있다. 결정형 동결제형은 Eutetic formation이라고 하며, 무정형 제형은 Metastable glass, Amorphose formation, Glass formation 등으로 불린다.
결정성이 있는 물질은 Eutetic formation을 형성하게 되며 이 상태를 만드는 온도를 Eutetic temperature(Te)라 한다. Te는 Thermal or Thermoelectric analysis 를 이용해 온도를 측정한다.
결정성이 없는 물질은 Glass formation을 형성하게 되며 이 상태를 만드는 온도를 Glass temperature(Tg) 라고 한다. Tg 역시 Thermal or Thermoelectric analysis 를 이용해 온도를 측정한다. 그리고 동결건조에서 Tg 값은 잔류 수분의 값에 따라 영향을 받기 때문에 항상 일정한 것은 아니다. 이렇게 변동성이 있고 공정에 따라 다른 Tg에 프라임을 붙여 Tg’ 라 부른다.
상기 사진은 Tg’ 또는 Te를 확인하는 Thermal analysis를 진행하는 사진이다. 왼쪽의 동결제형에서 점차 온도를 높여가며 동결제형의 붕괴온도(Collapse temperature)를 찾는다. 이 붕괴온도가 곧 Tg’ 또는 Te라 볼 수 있다. 그리고 Thermal analysis의 종류에는 DSC(differential scanning calorimetry), DEA(Dielectric analysis), DTA(Differential thermal analysis), TEA(Thermoelectric analysis), FDM(Freeze-Dry Microscopy) 등이 있다.
Ice melting 온도가 붕괴온도라 볼 수 있고, 이 시점의 온도를 정확하게 파악하여 동결건조에 적용해야 한다. 용액이 동결제형이 되는 온도를 정확하게 알고, 그보다 약 3~5℃ 정도 낮은 온도로 온도를 셋팅 해 놓고 동결단계를 진행한다면 에너지 절약 및 건조 시간을 단축할 수 있다. 단, Glass formation은 간혹 10 ~ 50% unfrozen water 상태로 있을 수 있기 때문에, 얼지 않은 물이 1% 미만으로 떨어질 수 있도록 공정을 조절 해야 한다.
Eutetic and Glasses
- 1차 건조와 2차 건조에 차이가 크다
- 동결건조 사이클 Development를 할 때 두 성상에 대해 깊이 고민해야한다.
- Tg 온도가 Te 온도보다 낮다. 따라서 1차건조를 보통 Tg 보다 낮게 설정한다.
Eutetic and Glasses
Eutetic 성상은 건조 속도가 일반적으로 매우 빠르다. Glasses 성상은 일반적으로 건조 속도가 느리다. 그 이유는 결정의 크기와 공간 때문인데, 결정형이 클수록 결정과 결정 사이에 공간이 존재하게 되고, 얼음의 승화시 수증기가 빠져나갈 공간으로 작용하게 되기 때문이다. 반면에 무정형은 일정한 공간이 없기 때문에 승화가 일어나기 매우 어렵고 건조물의 결과물 자체도 갈라지거나 건조물 중간이 비어있거나 하는 등 모양이 불규칙하고 깨끗하지 않은 경우가 많다. 그리고 무정형의 경우 unfrozen water에 의해 낮은 압력에서 끓어오름이 발생하면 고무전 가까이까지 제품이 튈 수 있다.
Freeze phase concern
용액이 동결되는 단계에서 고려해야 할 사항을 정리하면 다음과 같다. 모두 승화에 유리할 수 있는 환경을 조성하기 위해 고려하는 사항이며, 또는 승화 환경를 결정에 맞추어 조절하여 효율적인 건조 공정이 이루어질 수 있도록 고려해야 하는 사항이다.
Ice nucleation
Ice crystal growth
Solute concentration
Formation of glassses
Solute crystallize(Pure crystals)
Formation of eutetics
Nucleation
결정화 단계는, 현대에 중요하게 고려되는 사항이다. 예전에는 건조단계를 고려하느라 결정화 단계를 크게 고려하지 않았다.
두가지 타입의 결정화 단계가 있다.
- Homogeneous Nucleation: 동시에 발생하여 진행되는 결정화
- Heterogeneous Nucleation: 온도와 시간이 제각기 다른 결정화
보통 동결건조를 진행할 때, 온도를 낮추는 과정에서 동일한 온도에 동시에 결정화가 진행되는 것이 아니다. 일부는 과냉각이 발생하며 결정화가 느리게 진행된다. 그리고 결정화 속도와 위치(동결건조기 내 제품의 위치)에는 상관관계가 없기 때문에 컨트롤 하기가 매우 어렵다.
그러나 요즘은 다양한 방식으로 결정화를 control 하고 있다. 제품의 품질 상향에 매우 중요한 요소이기 때문에 많은 기업에서 각자의 방식들을 발명해 냈으며, 많은 방식들이 대부분 특허에 걸려있어서 사용할 수 없다. 단, 그 기술을 구매해서 사용하면 된다.
결정화 단계의 컨트롤을 진행하지 않는다면 제각각의 온도에서 결정화가 진행 될 것이고, 모두 동결제형을 만들기 위해 온도를 Tg 이하로 많이 낮은 온도로 낮추어야 한다. 이는 온도를 낮추는데 사용되는 에너지 및 시간이 소요될 뿐 아니라, 이렇게 동결된 제품은 승화 속도도 제각각이기 때문에 1차 및 2차 건조의 시간도 증가하게 된다. 이러한 이유 때문에 공정의 효율 측면에서 결정화 단계가 컨트롤되어야 한다. 그리고 결정화 컨트롤이 진행된다면 유사한 크기의 유사한 결정이 생성되기 때문에 제품의 배치 내 품질이 균일해지고 결국 전체적인 제품 품질의 향상이 유도된다.
Annealling
결정화 단계를 컨트롤할 수 있도록 도와주는 단계로써 sample을 Tg 이상(단, Te 혹은 MP보다는 낮은 온도)에서 일정시간 warming 해주는 단계이다. 이 단계는 결정의 크기를 균일하게 해주며 1차 건조시 더 높은 온도에서 건조가 진행될 수 있도록 해준다. mannitol 및 glycine 사용시 무정형으로 생성될 수 있는 동결제형을 결정형으로 바꾸어주는 역할을 한다.
Primary drying
제품의 동결단계 이후 1차 건조 단계가 시작된다. 제품이 붕괴되지 않은 최고의 온도에서 건조를 진행한다. 이 때, 앞서 결정화가 균일하게 진행 되었다면 1차 건조 온도를 더욱 높일 수 있어서 전체 공정의 효율성이 높아질 수 있다. 그리고 1차 건조시 영향을 받는 요소는 앞서 말한 6가지이며, 선반파트에서 콘덴서 파트로 수증기가 이동하기 유리한 환경을 만들어 주는 것이 동결건조 전체 효율을 높이는데 가장 중요한 요소이다.
- 바닥 선반에서 전달되는 전도열
- 윗 선반에서 전달되는 복사열
- 공기중의 대류열
- 선반과 용기 사이의 열 전달 계수
- 건조물의 얼음 결정 상태
- 수증기압
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