Polymer filter nozzle을 이용한 RESS공정

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

박희진, 곽현, 배성렬

한양대학교 화학공학과

RESS process with polymer filter nozzle

Hee-Jin Park, Hyun Kwak, Seong-Youl Bae

Dept. of Chemical Eng. Hanyang University

서 론

입자크기나 입자의 입도분포가 균일한 분말을 제조하는 기술은 재료분야, 의약, 식품, 고분자, 정밀화학산업 등에서 핵심요소 기술중의 하나이다. 이에 초임계 유체를 미세입자 제조공정에 응용할 경우 기존의 방법에 비해 좁은 입도분포의 미세입자를 쉽게 얻을 수 있을 뿐 아니라 미세입자로 만들기 어려운 의약품, 고분자, 염료, 화약 등 여러 가지 물질의 미세입자를 얻을 수 있다. 또한 초임계 유체를 이용하여 입자를 생성하는 공정은 상온 부근에서 입자크기 및 입도분포를 조절할 수 있는 단위조작으로 부반응 등을 피할 수 있는 장점이 있다[1-3].

실험을 통해 초임계 이산화탄소를 이용한 RESS공정에서 nozzle의 형태의 변화를 통해 acetylsalicylic acid의 입도크기와 입도분포 변화를 관찰하였다.

이 론

1. 초임계 유체의 정의

일반적으로 액체와 기체의 두 상태가 서로 분간할 수 없게 되는 임계상태에서의 온도와 이 때의 증기압을 임계점이라고 한다. 일반적으로 기체는 임계온도 이하로 온도를 내리지 않는 한 아무리 압력을 가하여도 액화되지 않는다. 따라서 초임계 유체란 "임계온도와 임계압력 이상에서 있는 유체"로 정의 되며 기존의 용매에서는 나타나지 않는 독특한 특징을 갖고 있다.

2. 초임계 유체의 특징

초임계 유체는 밀도를 이상기체에 가까운 희박상태에서부터 액체밀도에 가까운 고밀도 상태까지 연속적으로 변화시킬 수 있기 때문에 유체의 평형물성(용해도, entrainer효과), 전달물성(점도, 확산계수, 열전도도) 뿐만 아니라 용매화 및 분자 clustering 상태를 조절할 수 있다.

따라서 이러한 물성조절의 용이성을 반응과 분리 등의 공정에 이용하면 단일 용매로 여러 종류의 액체 용매에 상응하는 용매 특성을 얻을 수 있다. 즉 압력과 온도를 변화시킴으로써 물성을 원하는 상태로 조절할 수 있다. 또한 상온에서 기체상태인 물질을 초임계 유체로 선정하는 경우에는 잔존용매의 문제를 해결할 수 있다.

이산화탄소와 같이 인체에 무해하고 환경오염에 미치는 영향이 작은 용매를 사용하게 되면 무독성, 환경친화성 공정개발이 가능하다.

3. RESS(Rapid Expansion of Supercritical Solution)

RESS 공정은 화학물질이 용해되어 있는 초임계 유체가 팽창되면 solvent strength가 현저하게 감소함으로써 용해되어 있던 용질이 석출되는 현상에 기초를 두고 있다. 초임계 유체가 대상물질을 포함하고 있는 고압의 장치에 들어가서 대상물질을 용해시키고 그 용액은 노즐을 통해 분사되어진다. 초임계 상태에서 기체 상태로의 급격한 감압을 통해 열전달 속도에 지배를 받지 않고 단지 음속의 속도에서 매우 높은 과포화도를 가지므로 나노에서 마이크로 크기의 범위를 가진 정제된 입자를 얻을 수 있다[4].

실 험

본 연구에서 사용된 시료는 99.5%순도의 acetylsalicylic acid로 Sigma-Aldrich에서 구입하여 사용하였다. 제작 사용된 장치의 개략도는 다음과 같다.

Fig. 1. The schematic diagram of RESS apparatus.

유체의 저장, 가압, 수송하는 부분과 용질을 추출, 용해하는 부분, 그리고 용질을 포함한 초임계 유체를 팽창, 감압하는 세 부분으로 이루어져 있다. 실험변수는 extractor의 온도와 압력, pre-expansion의 온도, nozzle의 형태에 맞춰 행해져왔다. 특히 nozzle의 안쪽에 직경 14□, 두께 50□인 polyethersulfone(PES) film(sumimoto, Japan)을 장착하여 기존의 tapper, capillary, frit nozzle에서의 결과와 비교하고자 하였다.

nozzle 부분의 개략도는 다음과 같다.

Fig. 2. Expansion device.

입자의 특성분석은 입도분석기(LPA-3000, Otsuka electronics, Japan)로 입자의 크기와 입도분포를 분석하였다.

결과 및 토론

RESS 공정의 많은 실험변수들이 감압 팽창에 따른 결과물로서 입자의 형태를 결정한다. 팽창되기 전후의 압력과 온도, 노즐의 형태와 내경 그리고 팽창되기 전의 용액의 농도 등이 팽창공정에 중요한 역할을 한다.

초임계 상태의 이산화탄소를 사용하는 RESS공정을 이용하여 acetylsalicylic acid를 석출시킴으로써 미세입자를 제조하였다. Extractor의 조건은 45℃, 200bar인 초임계 상태를 만들고, pre-expansion의 조건은 70℃로 하였다. Nozzle의 형태를 변수로 하여 입자크기 및 입도분포를 분석하였다.

RESS 공정에서 급팽창이 이루어지는 노즐의 내경과 dimension도 생성되는 입자에 미치는 영향이 매우 클 것으로 예상된다. 내경이 100□인 동일한 nozzle에 polymer film(polyethersulfone)을 사용유무에 따라 입도분포가 다음 그림과 같이 나타내었다.

Fig. 3. The size distribution of acetylsalicylic acid.

Fig. 4. The size distribution of acetylsalicylic acid with polymer filter nozzle.

polymer film을 사용함으로써 같은 조건에서 보다 작은 입도크기 및 입도분포가 이루어짐을 관찰할 수 있다. 이는 입도크기의 reduction 및 입도분포의 조밀성을 향상시키기 위해 polymer filter nozzle을 사용함으로써 한 대안이 될 수 있다.

참고문헌

1. C. Domingo, E. M. Berends, G. M. van Rosmalen, J. of Supercritical Fluids            10(1997) 39-55

2. C. Domingo, E. M. Berends, G. M. van Rosmalen, J. of Crystal Growth                166(1996)989-995

3. Bala Subramaniam, Roger A. Rajewski, and Kirk Snavely, J. of Pharmaceutical        Science Vol. 86, No. 8, August 1997

4. Dean W. Matson, John L. Fluton, Robert C. Petersen, and Richard D. Smith, Ind.      Eng. Chem. Res. 1987, 26, 2298-2306