Drowning-out 결정화에서 메탄올을 이용한 L-Alanine의 결정 형상 제어에 대한 연구

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

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

김주석, 김예훈, 함승주

연세대학교 화학공학과

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

Joo-Seok Kim, Ye Hoon Kim, Seungjoo Haam

Dept. of  Chemical Engineering, Yonsei University

서론

일반적으로 결정을 이루는 물질들은 결정의 형태에 따라 용해도, 격자에너지, 녹는점 등의 물리화적인 특성이 달라진다. 특히 약효를 가지고 있는 유기물들은 결정의 형상에 따라 약효가 달라지므로 이것들의 결정화에서는 결정의 형상 제어가 매우 중요하다.  결정화에서 결정화하고자 하는 물질과 비슷한 첨가제나 용매의 사용함으로써 결정성장에 방해를 유발함으로 결정형태를 변화시킬 수가 있는데 이러한 것들에 의한 효과를 tailor-made effect[1,2] 라고 한다. L-alanine의 결정화에서, hydrophobic 한 아미노산인 L-phenylalanine과 L-Leucine을 소량 첨가함으로써, tailor made additive의 효과로 침상형의 결정을 얻었고[3,4], □-rhamnose monohydrate의 결정화에서 메탄올을 용매로 사용함으로써, pyramidal 하던 결정이 bipyramidal 한 형태로 변화하였고, methanol이 tailor made solvent의 역할을 하였다[5]. 여기서 첨가제나 용매들은 결정 성장 시 특정한 결정면의 성장을 방해함으로서 결정 형상의 많은 영향을 준다. 그러나 첨가제에 의한 결정형상의 변화는 소량의 첨가물이 결정의 순도에 영향을 줄 수 있다. 따라서 본 연구에서는 기존의 첨가제 대신 용매를 이용한 결정형상 변화를 실험하였다.

L-alanine은 비필수아미노산으로써, 아미노산류 중에 비교적 간단한 구조를 가지고, 발효 혹은 합성에 의해서 만들어진다. 이것의 결정형태는 단사방정결정형태를 가지고 있다. L-alanine 결정화에서 결정 형상의 변화를 줄 수 있는 용매를 선택에 tailor-made effect를 고려서 알콜류를 용매로 선정하였다. L-alanine의 경우 알콜류에서는 낮은 용해도를 가지고 있어서 알콜류를 이용해서 drowning-out crystallization을 할 수 있었다. 여러 가지 저급알콜을 선정해서 실험을 해본 결과 methanol이 가장 적합한 용매라고 판단하였다. Methanol의 경우 결정화 공정 중에서 결정형태를 변화시키는 용매로 일반적인 drowning-out crystallization 공정에 가장 많이 쓰이는 용매 중하나이다.. 그리고 methanol은 L-alanine이 가지고 있는 메틸기와 유사한 형태를 가지고 있다. 일반적으로 유기물의 경우 분자내의 수소결합이 분자의 형태의 많은 영향을 준다. 이러한 점을 고려해서 아미노산의 카르복실기와 아민기가 알콜의 OH기가 수소결합에 의해서 결정 성장에 영향을[6] 미칠 수 있을 것이다.  본 실험에서 메탄올을 결정형태를 변화시킬 수 있는 용매로 선정하였다.

본 연구에서는 methanol을 이용한 L-alanine의 drowning-out crystallization에서 결정화를 batch와 semi-batch의 방법을 사용해서 과포화도의 변화가 결정형상과 입도 분포에 미치는 영향을 알아보았다.

실험

1. 물질

본 연구에서는 사용한 시료들은 L-Alanine, and Methanol으로 L-alanine은 ACS grade로, Methanol은 HPLC grade로 Sigma-Aldirich 사에서 구입하였고, 실험에서 사용한 물은 Four-Holder Water Purification System (Cole-Parmer)으로 만든 순수를 사용해서 실험을 하였다.

2. 실험장치

실험장치는 Fig.1과 같이 batch 형태와 semi-batch형태로 설치하였다. Semi-batch 형태의 반응기에서는 peristaltic pump를 이용해 methanol을 일정한 속도로 투입시켰다. 교반은 EYELA Z-1000의 Mechanical stirrer로, 반응기는 1L 크기로 반응기 내부의 직경은 10cm이고 4-baffle의 double jacket의 형태로 제작하여 사용하였다.

(a)

(b)

Fig. 1. Experimental setup for Drowing-out Crystallization

(a) batch type (b) semi-batch type

(1. Thermostat Circulator 2. Mechanical stirrer 3. Crystallizer 4. Peristaltic pump 5. Feed tank)

3. 실험

L-alanine 용액은 30g L-alanine을 물 200g에 녹여서 25℃ 포화용액을 제조했다.  Batch 에서는 10g, 30g, 60g, 70g, 100g, 200g의 methanol량을 변화시키면서 실험하였고, 시간에 따라서 9개의 sample을 얻었다. Semi-batch 에서는 Methanol 200g을 일정한 속도로 투입하면서 교반을 하였다. 주입속도는 peristaltic pump를 이용하여 3mL/min으로 하였다. 둘다 교반속도는 500rpm으로 고정하고 실험을 하였고, 온도는 25±0.1℃를 유지하면서 실험을 하였다. 용해도는 25℃에서 100mL의 cell에서 물과 methanol의 조성에 따른 용해도를 측정하였고, Induction period도 동일한 cell에서 3g의 L-alanine을 20g에 녹여서 methanol량을 달리 하면서 핀 조명을 이용하여 핵 생성을 확인하고 측정하였다. 결정화가 끝난 후 aspirator로 filtering한 후 60℃ dry oven에서 2일 동안 건조 후 광학현미경(CSB-HP3)과 SEM(Akashi Sx40A)으로 결정 형상과 크기를 관찰하였다.

결과

일반적인 냉각법으로 결정화시킨 L-alanine 결정의 형태는 단사방정의 형태다. 그러나 Methanol을 사용해서 결정화 한 결과 기존의 첨가제인 L-leucine과 L-phenylalanine의 효과와 비교한 결과, 같은 침상형의 L-alanine의 결정을 얻을 수 있었다. 이것은 methanol이 L-alanine 결정 성장에 tailor made solvent로 작용하여 수평방향의 성장을 저해함으로써, 침상형의 결정이 생성되었다.

물과 methanol의 혼합용매에서의 L-alanine의 용해도를 측정한 결과 fig. 2.에서와 같이 methanol의 양이 증가함에 따라 용해도가 지수적으로 감소하였다. methanol의 조성이 50%이하에서는 용해도가 급격하게 감소했고, 50%이상에서는 용해도 변화에 많은 영향을 주지는 못하였다. 순수한 methanol에서 0.1mg이하가 녹았다. 따라서 순수한 methanol에서는  거의 녹지 않는다고 볼 수 있었다.

Induction period를 측정한 결과 L-alanine의 결정 성장은 두 가지로 나눌 수 있었다. Fig. 3. 에서 상대포화도 125%를 경계로 낮은 과포화도가 핵 성생을 일으키는 heterogeneous  nucleation 영역과 높은 과포화도에 의해서 결정핵성성에 영향을 미치는 homogeneous nucleation 영역이 나타났다.

Batch 방식에서도 methanol의 양에 따라서 생성된 결정의 aspect ratio를 측정해 본 결과 fig. 4. 에서와 같이 27%이상에서 결정의 형태적 특성을 나타내는 aspect ratio가 4에서 8로 급격하게 증가하였다. Batch방식으로 결정화한 L-alanine의 결정길이는 약 50□정도 나왔다.

Semi-batch에서는 200□의 결정이 생성되었다. 20g의 methanol이 들어갈 때까지 결정이 성장되지 않다가 급격하게 성장이 되었다. batch에서는 급격한 과포화도 생성으로 인해서 결정의 크기가 작으나 semi-batch에서는 이와 반대 현상을 일으킴으로써, batch보다 결정 크기가 크게 나왔다. 두 가지 방식으로 결정화한 L-alanine의 결정 입도 분포를 비교해 본 결과 fig. 5에서와 같이 semi-batch에서는 80□와 230□의 두 개의 peak가 나왔다. 이것은 semi-batch에서 용매가 계속 투입됨에 따라서, 과포화도의 변화에 따른 결정의 지속적인 성장으로 인해서 batch에서와는 달리 bimodal한 peak를 보였다.

Drowning-out으로 얻은 L-alanine 결정은 fig. 6. (b) 와 같이 기존의 단사방형에서 높은 aspect ratio를 가진 침상형의 결정을 얻을 수 있었다. 그리고 semi-batch 방식이 batch 방식보다 결정의 형태변화를 뚜렷하게 알 수 있었다. 이것은 결정성장에 이용되는 methanol이 tailor made additive의 역할을 하였다는 것을 알 수 있었다. 용매의 분자형태 즉 L-alanine의 methyl기와 같은 구조를 지니는 methanol에 의해서 수평방향 결정성장을 저해함으로써, 결정의 형태의 변화가 있었다. 용매의 량의 증가에 따른 결정 형태를 본 결과, 높은 aspect ratio를 가지므로 methanol의 양이 증가함에 따라서, 결정성장을 저해하고, 결정형태를 변화시킨다는 것을 알 수 있다.

결론 및 토의

용해도의 변화를 통해 결정을 생성시키는 drowning-out 공정에 의한 L-alanine의 결정화에서 용매의 량과 반응형태에 따라 결정 형태와 크기가 달라지는 것을 알 수 있었다. 기존의 additive인 L-luecine과 L-phenylalanine과 같은 효과를 확인하였다. 그리고 tailor made additive 효과와 수소결합을 가질 수 있는 작용기에 의한 결정 성장 저해와 결정 형상변화를 볼 수 있었다[6].

참고문헌

1. I. WEISSBUCH, L. ADDADI, M. LAHAV, L. LEISEROWITZ, Molecular Recognition at Crystal Interfaces, Science, Vol 253, 637-645, (1991)

2. 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)

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

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

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

6. Allan S. Myerson, Handbook of Industrial Crystallization, Butterworth-Heinemann, 1992

Fig. 2. Solubility of L-alanine in co-solvent

Fig. 3. Induction period of  L-alanine crystal

Fig. 4. Mean aspect ratio of L-alanine crystal

Fig. 5. L-alanine crystal size distribution

(a)

(b)

Fig. 6. SEM of L-alanine drowning-out crystallized form methanol (a) batch (b)semi-batch