실리카겔을 이용한 반코마이신 결정화 시간 단축
김성재, 김진현*
공주대학교화학공학부
Received: April 29, 2014 / Revised: July 9, 2014 / Accepted: July 9, 2014
서 론
반코마이신은그람양성세균의세포벽합성을억제하여세 균을괴사시키는당펩타이드계최초의항생물질로
1956
년Eli Lilly
사에 의해 보르네오 지역 토양에서 분리된Amycolatopsis orientalis (Streptomyces orientalis, Nocardia orientalis)
로부터발견되었다[4, 16].
반코마이신은메티실린에 내성을 갖는 황색 포도상 구균
(Methicillin Resistance
Staphylococcus aureus, MRSA)
치료에효과적이며,
페니실 린또는세팔로스포린에알레르기가있는심내막염치료에널리사용되고있다
.
또한MRSA
감염에최우선의치료제로서인공삽입물을이용하여시술하는심장수술과정형외과 수술
,
뇌실복강연결술(ventriculoperitoneal shunt)
과같은 뇌수술 시 예방적 치료 목적으로도 많이 사용되고 있다[7, 14].
미생물발효로부터얻어진반코마이신을정제하기위해서는여러단계의분리및정제공정을거치게된다
.
현 재미국및유럽약전에등재된반코마이신의경우반코마이신의함량
,
전체불순물의함량및각각의불순물함량을엄격하게규정하고있다
.
미국의경우USP (United States
Pharmacopeia)
에서제시하는HPLC
분석법에의하여반코마이신의함량이
88%
이상되어야하며,
반코마이신을제외한물질중에서함량이
4%
를초과하는물질이존재하지않 아야한다[15].
유럽의경우EP (European Pharmacopoeia)
에서는반코마이신의함량이93%
이상이며, USP
와마찬가 지로반코마이신외의함량이4%
를초과하는물질을엄격 히규제하고있다.
이러한규제를충족시키기위해여러단 계의분리및정제공정이필요한데,
일반적으로항생제와 같이고순도로정제된의약품생산공정에서최종정제단 계로결정화공정을많이도입하고있다.
결정화기술은액 체혹은기체혼합물로부터고체를생성석출시키는방법[5, 8]
으로,
혼합물로부터특정물질의분리및정제뿐만아니라결정성물질의물성과형상을조절하는분야의핵심기 술에해당된다
.
용액으로부터최초로형성되는최소단위의 결정입자를핵이라하며핵생성은액상에서과포화에의해 핵이생성되는균일핵생성(homogeneous nucleation)
과외 부표면(
외부불순물입자,
반응기벽,
교반장치등)
의도움을 받아핵이생성되는불균일핵생성으로구분된다.
균일핵 생성은높은과포화도에의해자발적으로핵생성을유도할 수있으므로핵생성속도가매우빠르다.
이에반해불균일The Reduction of Crystal Formation Time of Vancomycin Using Silica Gel
Sung-Jae Kim and Jin-Hyun Kim*
Department of Chemical Engineering, Kongju National University, Cheonan 331-717, Republic of Korea
We investigated the effects of silica gels on the reduction of the crystallization time for the purification of vancomycin. The shortest crystallization time for vancomycin was obtained when silica gel with a pore diameter of 40-60 Å and with a particle diameter of 230-400 mesh was used as the material. The use of silica gel as a surface area increasing material dramatically reduced the crystallization time four fold (6 h) when compared with the results where the surface area had not been similarly increased. In addition, the crystal size of vancomycin was decreased with the addition of silica gel. This improved crystallization process has a significant effect on the convenience and feasibility of the purification step for vancomycin.
Keywords: Vancomycin, crystallization, silica gel
*Corresponding author
Tel: +82-41-521-9361, Fax: +82-41-554-2640 E-mail: jinhyun@kongju.ac.kr
© 2014, The Korean Society for Microbiology and Biotechnology
핵생성의경우상대적으로낮은과포화도로인하여핵생 성속도가매우느리다
.
일반적으로생물제품과같이용해도 가비교적높은용질의경우과포화도를높이는데한계가있 으며,
많은경우불균일핵생성에의해결정입자의형성이 이루어진다[10].
반코마이신의경우에도핵생성시간이매 우오래걸리고,
반응기의표면적증가물질의영향으로핵 생성속도가단축되므로불균일핵생성이라할수있다.
결 정화는최종제품의품질을고도화할뿐아니라고부가가치 의제품을생산하는기술로에너지소모가적으며환경친화 적이다.
또한고정투자비가낮고,
공정이단순하기때문에응용분야가넓다
[6].
반코마이신결정화공정에서주요공정변수들
(
용매,
보관온도/
시간,
전도도, pH,
온도,
교반속도,
초 기농도등)
을최적화하여고순도,
고수율로반코마이신을생산할수있는방법이
2010
년에보고되었다[14].
그러나반코마이신결정생성에많은시간
(~24
시간)
이소요되어결정화 에의한반코마이신대량생산공정에서생산성을저하시키 는원인이되었다.
이러한단점을보완하고자2011
년과2012
년에유리구슬또는이온교환수지를이용한반응액부피당 표면적(surface area per volume of reaction solution)
을증 가시킨결정화공정을개발하여반코마이신의결정생성시간을
~12
시간까지단축시킬수있었다[11, 12].
본연구에서는반응액부피당표면적이증가된반코마이신결정화공정 에서새로운표면적증가물질인실리카겔을이용하여반코 마이신결정화시간을획기적으로단축시킬수있는가능성 을조사하였다
.
또한실리카겔의물리적특성에따른영향을 조사하여반코마이신결정화효율을극대화하고자하였다.
재료 및 방법
반코마이신 시료
본실험에사용된반코마이신은토양으로부터분리한미
생물인
N. orientalis
배양을통하여얻었다.
발효액으로부터균체를제거하고
,
반코마이신을함유한발효배양액을정제하였다
[13].
양이온교환수지와음이온교환수지및다공성양이온교환수지를연속통과하여암모니아로용출한뒤
,
알 루미나및약산성양이온교환수지를이용하여색소및단 백질등의불순물을제거한염산염형태의반코마이신(
순도: 88%)
을얻어결정화공정에이용하였다[14].
결정화 방법
결정화공정은결정화장치내부의여러표면
(
결정장치 벽면,
교반기표면등)
에서결정이생성되어성장함을알수 있는데,
이는결정화장치벽면,
교반기표면등이결국결 정화에필요한표면적을제공하는요소로작용하기때문이다
.
표면적이증가된결정화공정의개략도를Fig. 1
에나타내었다
.
먼저시료(
반코마이신순도: 88%)
를1 N
염산으로pH 2.5,
전도도는염화나트륨을이용해20 ms/cm
로조절한증류수에용해하였다
.
염화나트륨는pH
에영향을주지않기 때문에pH
부터조절하였다.
기존문헌[14]
에보고된최적의교반속도
(640 rpm)
하에서아세톤을반코마이신용액에떨어뜨렸다
.
교반을중단하고표면적증가를위해실리카겔을 첨가하고10
oC
에보관하여결정을유도하였다.
반코마이신 결정화에미치는실리카겔의물리적특성(
표면적,
기공부피,
기공지름,
입자크기)
에따른영향을조사하기위하여8
종류 의실리카겔(Sigma-Aldrich, USA)
을이용하였으며Table 1
에 각각의 물리적 특성을 나타내었다.
동일한 기공부피(0.1185 cm
3/g)
와표면적(60.75 m
2/g)
에따른영향을확인하 기위하여각각의실리카겔의무게를조정하여결정화실험 을수행하였다.
결정화6, 9
시간동안보관하여결정을유도 하였고,
생성된반코마이신결정을여과지(150 mm, Whatman,
Buckinghamshire, UK)
로여과와동시에아세톤으로세척하여결정표면에불순물을제거하였다
.
반코마이신 결정 형태 및 크기 분석
반코마이신결정형태및크기측정을위하여전자현미경
(SV-35 Video Microscope System, Some Tech., Korea)
을 사용하였다.
결정화공정을통해얻은반코마이신입자를고 배율(
×500)
에서관찰하였다.
관찰된반코마이신입자는IT- Plus system (Some Tech., Korea)
에서동화상으로확인하였으 며이를통해반코마이신결정의형태와크기를확인하였다.
SEM 분석
Scanning Electron Microscope (MIRA LMH, Tescan,
Czech)
을사용하여다양한배율에서결정화공정을통하여얻어진 반코마이신 결정 형태와 입자표면을 관찰하였다
. Acceleration voltages
는20 kV
로하고시료의양은약1 mg
을사용하였다.
Fig. 1. Schematic diagram of increased surface area crystal-
lization using silica gel for purification of vancomycin. The
crystallizer size and experimental volume are 90 ml and 13.5 ml,
respectively.
결과 및 고찰
반코마이신결정화에서표면적증가물질로이온교환수지를
사용하면표면적증가가없는경우
(control)
에비해결정생성에소요되는시간을
2
배(12
시간)
정도단축시킬수있었다.
이는표면적증가물질이결정화에필요한표면적을효과적으로제공하는요소로작용하기때문이다
[12].
본연구에서는새로운표면적증가물질로실리카겔을이용하여반코마이신 의결정화에소요되는시간을획기적으로단축시키고자하 였다
.
표면적증가물질인실리카겔의주요물리적특성(
입자 크기,
표면적,
기공부피,
기공지름)
변화에따른영향을조사하기위하여
,
물리적특성이다른8
종류의실리카겔(Table
1)
을이용하여결정화실험을수행하였다. 0.1 g/4.5 ml
로반 코마이신을녹인결정화용액에각각의실리카겔을첨가하 여반코마이신을결정화하고여과및건조후전자현미경을 통하여결정을확인하였다.
동일한표면적
(60.75 m
2)
에서결정화실험을수행한후생성된결정을전자현미경으로관찰한결과를
Fig. 2A
에나타 내었다.
동일한표면적임에도불구하고silica gel 4
와silica gel 6
의경우결정화6
시간, silica gel 3
의경우결정화9
시 간에서결정이성공적으로생성된반면나머지실리카겔에서는결정이생성되지않았다
. Silica gel 1-5
로부터반코마이신결정생성
/
성장은실리카겔의입자크기에많이의존함 을알수있었다. Silica gel 4(
입자크기: 230-400 mesh)
를이 용한경우반코마이신결정이가장빨리생성됨을알수있 었다.
실리카겔을첨가한반코마이신결정화공정에서첨가 한실리카겔의입자크기가감소할수록(silica gel 1-4)
결정 생성시간이감소하는경향을보였지만silica gel 5
는silica
gel 4
보다입자가작음에도불구하고결정화6
시간에서뚜렷한결정이생성되지않았다
.
이러한현상에대한원인을파악하기위하여
, silica gel 5
의경우결정화 시간을연장(~15
시간)
하여반코마이신결정화양상을조사하였다.
결정 화15
시간에서반코마이신결정이생성되었지만실리카겔이결정입자가지사이에끼어있음을확인할수있었다
.
즉,
너무작은입자크기를가진실리카겔은반코마이신결정성 장을오히려저해하는원인이됨을알수있었다.
또한입자 크기를동일하게하고기공지름을달리한실험(silica gel 4
와silica gel 6-8
을이용한실험)
에서는silica gel 4
와silica
gel 6
을사용하였을때가장빨리반코마이신결정이생성되었다
.
즉,
반코마이신결정화시간단축측면에서표면적 증가물질인실리카겔의기공지름은40-60 Å
범위가적절함 을알수있었다.
표면적증가가없는기존결정화방법[14]
과비교해보면표면적증가물질
(
실리카겔)
을첨가한경우1.5- 2.5
배정도더작은반코마이신입자(<150 mm radius)
를얻 을수있었다.
이러한결과는실리카겔표면에서포화도가 높아져핵생성속도가빨라지고결정핵생성이증가하며침전물의크기는더작아지는것이다
[2, 9, 10, 17].
결정화과정에서임계자유에너지와임계반경의크기는과포화농도의 함수로표시되어있는데과포화농도가증가할수록임계자 유에너지는낮아지고임계반경은작아진다
.
이것은결정핵생성의
barrier
가낮아져쉽게그리고빨리결정핵생성이이루어질수있음을의미한다
[10].
동일한기공부피
(0.1185 cm
3)
에서결정화실험을수행한후생성된결정모양을
Fig. 2B
에나타내었다.
표면적을동일하게하였을경우와마찬가지로
silica gel 4
와6
의경우결 정화6
시간, silica gel 3
의경우결정화9
시간에서결정이생 성되었다.
이상의결과로부터실리카겔의표면적과기공부 피는반코마이신결정화효율에영향을미치지않음을알수 있었다.
즉,
반코마이신의결정화에영향을미치는실리카겔 특성은기공지름과입자크기라는것을알수있었고,
입자크 기와기공지름은각각230-400 mesh, 40-60 Å
이적절하였다
. Silica gel 4
를이용한반코마이신결정화전후에실리카겔의표면을
SEM
분석한결과,
반코마이신결정화전에는실리카겔의표면이매끄러운상태인반면결정화후에는실
리카겔의표면은매우거칠어져있었다
(data not shown).
결정화후에실리카겔표면에는많은입자들이생성
/
성장되었Table 1. Physical properties of silica gels.
Type Particle size mesh
( µm)
Pore diameter (Å)
Pore volume (cm
3/g)
Surface area (m
2/g)
Silica gel 1 35-60 (203-447) 60 0.76 525
Silica gel 2 60-100 (140-203) 60 0.75 480
Silica gel 3 70-230 (65-185) 60 0.80 550
Silica gel 4 230-400 (35-65) 60 0.79 405
Silica gel 5 >400 (<35) 60 0.60 500
Silica gel 6 230-400 (35-65) 40 0.45 570
Silica gel 7 230-400 (35-65) 100 0.89 352
Silica gel 8 230-400 (35-65) 150 1.15 300
Fig. 2. Video microscope images of vancomycin crystals obtained through the crystallization process at a fixed (A) surface area
(60.75 m
2) and (B) pore volume (0.1185 cm
3) of silica gel. The box drawn with a solid line indicates the crystal structure of vancomycin
obtained through the crystallization process. Scale bar indicates 100 µm.
음을알수있었다
.
이러한현상은반코마이신과실리카겔의 표면결합력에의하여실리카겔표면에서반코마이신이과 포화도가상대적으로증가되어많은결정입자가생성되는것으로판단된다
[1].
결국실리카겔표면에서의과포화도증가로반코마이신결정생성이촉진되고이로인하여결정화 효율이향상되는것으로사료된다
. Silica gel 4
와silica gel 6
을첨가하였을때반코마이신결정이생성된전자현미경측 정결과를재확인하기위하여SEM
측정을수행하였다.
전자 현미경으로관찰한결과와마찬가지로SEM
분석을통해서도반코마이신결정이성공적으로생성됨을확인할수있었
다
(Fig. 3).
실리카겔첨가량에따른영향을조사하기위하여,
0.1 g/4.5 ml (1 ml
증류수+ 3.5 ml
아세톤)
농도의반코마이 신용액에silica gel 4
첨가량(0.075, 0.150, 0.225 g)
을달리 하여실험을수행하였다.
결정화6, 9, 12
시간에서silica gel 4
의양에따른결정모양을Fig. 4
에나타내었다. Silica gel
4
를0.075 g
첨가한경우결정화9
시간에서결정이생성되는반면
silica gel 4
를0.150, 0.225 g
첨가한경우결정화6
시간에서결정이생성되었다.
또한반코마이신결정입자의Fig. 3. SEM images of vancomycin crystals. (A) Silica gel 4, (B) Silica gel 6.
Fig. 4. Video microscope images of vancomycin crystals obtained at various amounts of silica gel 4. Scale bar indicates 100 µm.
크기는첨가한
silica gel 4
의양이증가할수록감소함을확 인할수있었다.
이러한현상은표면적증가물질인실리카겔 증가에의해입자성장이더많이저해받기때문으로판단 된다[2, 3].
요 약
본연구에서는 반응액 부피당 표면적
(surface area per volume of reaction solution)
이증가된반코마이신결정화 공정에서표면적증가물질인실리카겔의영향을조사하였다.
표면적증가물질로실리카겔을사용한경우,
반코마이신결 정화시간단축측면에서표면적증가물질인실리카겔의기 공지름은40-60 Å,
입자크기230-400 mesh
범위가적절함 을알수있었다.
또한실리카겔의첨가량이증가할수록반 코마이신의결정크기가감소함을확인할수있었다.
실리카 겔을표면적증가물질로사용함으로써표면적증가물질이 없을때보다결정화에소요되는시간을4
배정도단축시킬 수있었다.
이러한개선된결정화방법은반코마이신정제 효율향상에상당히기여할것으로판단된다.
References