Anti-solvent 이용한 drowning-out 결정화에서 L-Alanine의 Morphology 변화

김주석, 김예훈, 함승주

연세대학교 화학공학과

Morphology control of L-alanine crystals produced by drowning-out crystallization using Anti-solvent

Joo-Seok Kim, Ye-Hoon Kim, Seungjoo Haam

Dept. of  Chemical Engineering, Yonsei University

서론

L-alanine은 뇌, 신경계 그리고 근육의 조직과 세포에 의해 연료로 사용되고, 간 기능 강화, 포도당과 유기산을 대사 시키고 몸에서 일어나는 KREBS ENERGY CYCLE을 통하여 에너지를 저장, 에너지로 전환하는 과정에서 매우 중요한 역할을 한다. 그리고 식품첨가제로 널리 이용되고 있다. 결정화에서 첨가제들은 결정화 메커니즘에 변화를 일으켜, 결정 형상과 크기에 많은 영향을 준다. 대표적인 예로 adipic acid에서 소량의 계면활성제는 판상형 결정을 침상형 결정으로 결정형태를 바꾸어준다. L-alanine의 결정화에서 소량의 L-leucine 과L-phenylalaine이 결정 형상에 영향을 준다.[1-2] 결정 형상과 크기에 영향을 미치는 첨가제는 tailor made additive(결정화하려는 화합물과 분자구조가 유사한 화합물)라고 한다. 이러한 것들은 결정이 성장할 때, 결정의 표면에서 결정을 성장 혹은 억제를 시키는데, 어느 특정한 면에 작용하므로 결정형태가 침상형 또는 판상형의 결정을 얻을 수 있다. 이러한 첨가제나 용매에 의해서 결정의 형상의 변화로 결정의 크기, 격자에너지, 용해도, 생물학적 활성, 그 외 여러 가지 물리화학적 물성들이 변하는데 특히 약효를 가지고 있는 성분들에서는 결정형태에 따라서 생물학적인 활성이 달라진다. 그리고 이러한 결정 형상 제어를 이용해서 유기결정들의 형상을 제어할 수 있다.

본 실험에서는 L-alanine을 가지고 drowning-out 결정화 공정에서 anti-solvent의 탄소수가 증가함에 따라 결정 형상과 크기 변화를 보았다.

실험

1. 물질

본 연구에서는 사용한 시료들은 L-Alanine, and alcohols (methanol, ethanol, n-propanol)등으로 모든 시약은 ACS grade로 Sigma-Aldirich 사에서 구입하였고, 실험에서 사용한 물은 Four-Holder Water Purification System (Cole-Parmer)으로 정제해서 사용하였다.

2. 실험장치

실험장치는 Fig.1과 같이 설치했으며, peristaltic pump를 이용해 anti-solvent를 일정한 속도로 투입시켰다. 반응기는 100mL 크기의 double jacket의 형태로 제작하여 사용하였다.

Fig. 1 Experimental setup for Drowing-out Crystallization (1. Circulator 2. Water bath 3. Pump 4. Magnetic stirrer 5. Magnetic bar 6. Storage)

3. 실험

L-alanine 용액은 10g L-alanine을 물 60g에 녹여서 25℃ 포화용액을 제조했다. Anti-solvent 20g을 투입하여 실험을 했다. Anti-solvent의 종류를 바꾸어가면서, 실험하였다. 주입속도는 peristaltic pump를 이용하여 3mL/min으로 하였다.

교반속도는 500rpm으로 고정하고 실험을 하였고, 온도는 25±0.1℃를 유지하면서 실험을 하였다. Anti-solvent가 전부 투입된 후 한 시간동안 aging time을 두었다.  결정이 완전히 성장된 후 aspirator로 filtering한 후 60℃ dry oven에서 2일 동안 건조 후 광학현미경으로 결정 형상과 크기를 관찰하였다.

결과 및 토의

첨가제나 anti-solvent를 사용하지 않은 결정화로 얻어진 L-alanine의 결정의 형태는 단사방정의 형태다. 그러나 anti-solvent를 이용함으로써 결정의 형태가 변하였다. 기존의 첨가제인 L-leucine과 L-phenylalanine의 효과와 비교한 결과, 같은 침상형의 L-alanine의 결정을 얻을 수 있었다. 이것은 결정성장에 이용되는 anti-solvent가 tailor made additive의 역할을 하였다는 것을 알 수 있었다.

용매의 분자형태 즉 anti-solvent의 탄소 수에 따라서 결정의 형태와 크기가 변하였고, 기존의 단사방형이 아닌 침상형의 결정을 얻을 수 있었다. 탄소수가 적은 메탄올에서는 결정형태가 크게 나왔고, 상대적으로 탄소수가 많은 n-propanol에서는 결정형태가 작고 응집이 생겼다.

수용액상의 L-alanine의 결정화에서 첨가제에 의한 결정 성장 형태를 보면, Fig. 2. 에서와 같이 첨가제가 한쪽 방향으로의 결정성장을 저해함으로써 단사방정형태의 결정이 침상형의 결정으로 바뀐다. 이러한 효과를 알콜류의 용매로서 확인하였다. Fig. 3.의 (b), (c), (d)를 보면 결정 평균 크기는 메탄올 약 98□, 에탄올 약 64□, 프로판올 약 14□이다. 용매의 분자구조, 즉 탄소수의 증가에 따른 결정 형태와 크기를 본 결과, 탄소수가 증가함에 따라서, 결정성장을 저해한다는 것을 알 수 있다.

결론

용해도의 변화를 통해 결정을 생성시키는 drowning-out 공정에 의한 L-alanine의 결정화에서 결정 형태와 크기가 달라지는 것을 알 수 있었다. 그리고 anti-solvent로 쓰인 알콜류의 탄소수가 증가에 따라 결정 크기의 변화를 알 수 있었다. 기존의 additive인 L-luecine과 L-phenylalanine과 같은 효과를 확인하였다.

참고문헌

1. David Lechuga-ballestros, Nair Rodriguez-Hornedo,: "Growth and Morphology of L-Alanine Crystals : Influence of Additive Adsorption", Pharmaceutical Research, 10,  1008-1014, (1993)

2. David Lechuga-ballestros, Nair Rodriguez-Hornedo, The influence of additives on the growth kinetics and mechanism of L-alanine crystals, International Journal of Pharmacetics, 115, 139-149, (1995)

3. Meir Lahav, Leslie Leiserowitz., The effect of solvent on crystal growth and morphology. Chemical Engineering Science, 56, 2245-2253, (2001)

4. H. TAKIYMA, T. OTUSHATA and M. MATSUOKA. Morphology of NaCl Crystals in Drowning-out Precipation Operation, Trans IchemE, 76, Part A, 809-814, (1998)

5. A.  Dompoulau, A Michaelides, S. Skoulika, D. Kovala-Demertzi., Crystallization of an unstable molecular compound using a tailor-made additive, Journal of Crystal Growth, 191, 166-168, (1998)

(a)

(b)

Fig. 2 L-alanine Crystal grown form aqueous solution

(a) without additive (b)with additive

(a)

(b)

(c)

(d)

Fig. 3.	L-alanine Crystal by cooling crystallization (a) non-additive

L-alanine Crystal by drowning-out crystallization

(b)methanol (c)ethanol (d)n-propanol