균질화 압력과 입자 크기 감소 사이에는 어떤 관계가 있습니까?

실험실이나 생산 시설의 고압 균질화기 옆에 서 본 적이 있다면 아마도 그것이 방출하는 낮은 웅웅거림, 즉 물질을 더 작고 보다 일관된 입자로 분해하도록 설계된 프로세스를 알리는 소리를 느껴본 적이 있을 것입니다. 균질기 공급업체로서 저는 이 간단한 기계 기능이 어떻게 재료 처리의 가장 일반적인 목표 중 하나인 입자 크기 감소를 달성하는지 고객에게 안내하는 데 셀 수 없이 많은 시간을 보냈습니다. 이는 "더 많은 압력은 더 작은 입자와 같다"는 것보다 훨씬 더 미묘한 관계이며 이를 올바르게 한다는 것은 품질 표준을 충족하는 제품과 고객에게 도달하기도 전에 실패하는 제품 사이의 차이를 의미할 수 있습니다.

기본부터 시작해 보겠습니다. 균질화는 둘 이상의 비혼화성 물질(기름과 물 등)을 균일하게 분포시키거나 큰 입자를 더 작은 입자로 분해하여 안정적이고 일관된 혼합물을 만드는 과정입니다. 많은 균질화 작업의 핵심인 입자 크기 감소는 전단력과 캐비테이션이라는 두 가지 기본 메커니즘에 의존합니다. 압력은 두 가지 모두에 힘을 실어주는 엔진입니다. 시료가 고압에서 균질화기 밸브의 좁은 틈을 통과하면 극한의 속도로 가속되어 더 큰 입자를 찢어내는 전단력이 생성됩니다. 동시에, 틈 이후의 급격한 압력 강하는 액체를 기화시켜 격렬하게 붕괴되는 작은 기포(즉, 캐비테이션)를 형성합니다. 이는 마이크로 제트와 충격파를 생성하여 입자를 더욱 분해하는 과정입니다.

우리 팀이 새로운 고객에게 가장 먼저 가르치는 것은 균질화 압력에 따라 입자 크기가 선형적으로 감소하지 않는다는 것입니다. 경력 초기에 저는 약물 나노입자 제형의 크기를 200nm에서 50nm로 줄이고자 하는 제약 연구원과 함께 일했습니다. 그녀는 500bar에서 시작하여 80nm까지 결과를 얻었고 1,000bar로 압력을 두 배로 늘리면 50nm에 도달할 것이라고 가정했습니다. 대신 그녀는 65nm에 도달했습니다. 그 이유는 일단 대부분의 수성 샘플의 경우 일반적으로 약 700~800bar의 임계 압력에 도달하면 추가 압력이 비례적인 입자 크기 감소로 해석되지 않기 때문입니다. 더 낮은 압력에서 부서지기 쉬운 큰 입자는 이미 사라졌으며, 나머지 작은 입자는 추가 분해에 대한 저항력이 훨씬 더 높습니다. 해당 지점 이상으로 압력을 높이면 부정적인 영향을 미칠 수도 있습니다. 입자 응집이 발생하거나 균질기 밸브 구성 요소가 더 빨리 마모되어 일관성 없는 처리가 발생할 수 있습니다.

그렇다고 더 높은 압력이 결코 설 자리가 없다는 말은 아닙니다. 세라믹이나 일부 생물학적 조직과 같은 매우 단단한 재료의 경우 더 높은 압력은 타협할 수 없습니다. 지난 분기에 우리는 세포 내 단백질을 방출하기 위해 효모 세포벽을 파괴해야 하는 생명공학 회사와 협력했습니다. 400bar의 초기 설정에서는 목표 단백질의 30%만 방출되었습니다. 압력을 1,200bar로 올리면 방출이 92%로 증가했습니다. 하지만 여기에도 한계가 있습니다. 압력이 너무 높으면 세포 잔해가 너무 작아져서 하류 정제가 악몽이 됩니다. 작고 균일한 입자를 필터링하는 것은 약간 크고 관리 가능한 입자보다 훨씬 어렵습니다.

또한 이 관계는 압력과 밀접하게 연관되어 있는 균질화 패스 수에 따라 달라집니다. 1,000bar에서 한 번 통과하면 100nm에 도달할 수 있지만, 500bar에서 두 번 통과하면 80nm에 도달할 수 있습니다. 이는 패스당 압력이 더 낮더라도 각 패스에서 입자가 분해될 수 있는 여러 기회를 제공하기 때문입니다. 이는 장비 예산이 부족한 소규모 실험실의 핵심 사항입니다. 원하는 결과를 얻기 위해 항상 가장 높은 압력의 기계가 필요한 것은 아닙니다. 예를 들어, 당사의 통합 프로브 초음파 처리기는 더 낮은 압력에서 여러 번의 제어된 통과를 위해 설계되었으므로 소규모 배치 전체의 일관성이 가장 중요한 실험실 규모의 단백질 추출 또는 에멀젼 생성에 이상적입니다. 많은 연구자들은 기계식 밸브 압력 대신 캐비테이션에 의존하는 초음파 균질화기가 유사한 추세를 따르지만 자체적인 압력에 따른 한계가 있다는 사실을 인식하지 못합니다. 모든 샘플에서 진폭을 최대로 크랭킹하는 대신 진폭(압력과 동등한 초음파)과 처리 시간의 균형을 맞출 때 가장 잘 작동합니다.

또 다른 일반적인 오해는 입자 크기 감소가 단지 압력에 관한 것이라는 것입니다. 실제로 유체의 특성은 기계의 압력만큼 중요합니다. 예를 들어 점도는 샘플이 균질화기 간격을 통해 얼마나 쉽게 흐르는지에 영향을 미칩니다. 두꺼운 슬러리는 얇은 용액보다 주어진 압력에서 더 적은 전단력을 경험하므로 동일한 입자 크기 감소를 얻으려면 압력을 높여야 할 수도 있습니다. 온도도 중요한 역할을 합니다. 압력이 가해지면 샘플이 가열되고, 열은 입자를 부드럽게 만들어 쉽게 부서지게 만듭니다. 그러나 열이 너무 많으면 단백질이 변성되거나 민감한 물질이 분해될 수 있으므로 균질화기 작업자는 온도를 안전한 한도 내에서 유지하기 위해 압력, 유속 및 냉각의 균형을 맞춰야 합니다. 온도에 민감한 시료에는 마이크로 전처리 초음파 균질기를 권장하는 경우가 많습니다. 통합 냉각 시스템을 사용하면 진폭이 큰 처리 중에도 일관된 온도를 유지할 수 있으므로 제품 무결성을 위해 입자 크기 감소를 희생할 필요가 없기 때문입니다.

산업 응용 분야에 대해 이야기해 보겠습니다. 왜냐하면 이 관계는 실험실만을 위한 것이 아니기 때문입니다. 식품 및 음료 산업에서는 우유가 분리되는 것을 방지하기 위해 균질화 압력이 사용됩니다. 전통적인 우유 균질화는 두 가지 과정을 사용합니다. 첫 번째는 ~200bar에서 지방 소구체를 분해하고 두 번째는 ~50bar에서 균일성을 보장합니다. 낙농 공장이 두 번째 통과에서 너무 높은 압력을 사용하면 지방 소구체가 너무 작아져서 고객이 거부하는 물 같은 질감이 됩니다. 반면에, 식물성 우유(더 진하고 복잡한 매트릭스를 가지고 있음)를 만드는 공장에서는 더 큰 식물 입자를 분해하고 부드럽고 크리미한 농도를 만들기 위해 압력을 300-400bar로 높여야 할 수도 있습니다. 저는 최근 200바 균질화기를 350바 모델로 전환한 식물성 식품 제조업체와 대화를 나눴고 입자 크기가 25% 감소하여 새로운 귀리유 제품의 생산 시간이 절반으로 단축되는 것을 확인했습니다. 이것이 바로 이 문제를 해결함으로써 얻을 수 있는 실질적인 영향입니다. 압력은 제품 품질과 운영 효율성 모두에 직접적인 영향을 미칩니다.

제약 회사의 경우 입자 크기 감소는 생체 이용률에 매우 중요합니다. 입자가 작은 약물은 체내에서 더 빨리 용해되므로 200 nm에 불과한 약물의 생체 이용률은 30%인 반면 100 nm의 약물은 80%일 수 있습니다. 하지만 앞서 언급했듯이 여기에는 압력 한도가 있습니다. 작년에 한 고객은 항암제 제제 작업을 하고 있었는데, 800bar의 초기 압력에서 입자를 120nm까지 낮추었습니다. 그들은 1,000bar를 시도했지만 110nm에 도달했는데 이는 FDA 요구 사항을 충족하기에 충분하지 않았습니다. 더 높은 수준으로 올라가는 대신 공정을 조정했습니다. 입자 응집을 줄이기 위해 소량의 계면활성제를 추가하여 850bar에서 3회 통과를 사용했습니다. 그 결과 95nm가 탄생했는데, 이것이 바로 그들이 필요로 했던 것이었습니다. 이것이 바로 균질화기 공급업체로서의 경험이 모든 차이를 만들어 내는 부분입니다. 우리는 기계만 판매하는 것이 아닙니다. 우리는 고객이 가장 극단적인 방법이 아닌 가장 효과적인 방법으로 압력을 사용하는 프로세스를 설계하도록 돕습니다.

고압 기계적 균질화기의 대안으로 널리 사용되는 초음파 균질화기는 고유한 압력-입자 크기 관계를 가지고 있습니다. 밸브 간격 대신 진동 프로브를 사용하여 캐비테이션을 생성합니다. 여기서 "압력"은 프로브 진동의 진폭입니다. 웨스턴 블롯이나 DNA 추출을 위한 세포 용해와 같은 많은 응용 분야의 경우 중간 범위 진폭(약 20~30미크론)이면 표적 분자를 손상시키지 않고 세포막을 파괴하는 데 충분합니다. 세포 용해, 조직 파괴 및 균질화를 위한 Scientz-E 시리즈 초음파 균질화기 프로브 초음파 처리기는 조정 가능한 진폭 제어 기능으로 설계되었으므로 연구자는 필요한 "압력"의 정확한 양을 그 이상도 그 이하도 아닌 조절할 수 있습니다. 여기에서 진폭을 너무 높게 크랭킹하면 기계적 균질화기에 과압을 가하는 것과 마찬가지로 과열 및 샘플 품질 저하가 발생할 수 있습니다. 또한 한 번에 96개 또는 384개의 샘플을 처리해야 하는 처리량이 많은 실험실을 위한 다중 채널 프로브 초음파 처리기가 있습니다. 이 장치는 동기화된 진동을 사용하여 모든 웰에서 일관된 입자 크기를 보장합니다. 이는 단일 프로세스 방법으로는 불가능한 일입니다.

이제 이 관계를 측정하는 방법에 대한 질문을 다루겠습니다. 입자 크기 분석의 최적 표준은 크기 분포 곡선을 제공하는 동적 광산란(DLS)입니다. 평균 입자 크기(일반적으로 DLS의 Z-평균)에 대한 압력을 표시하면 낮은 압력에서는 가파른 곡선, 중간 압력에서는 더 평평한 곡선, 높은 압력에서는 안정 상태를 볼 수 있습니다. 이 정체기는 수익이 감소하는 지점이며 압력 증가를 멈추고 다른 매개변수(통과 횟수, 온도 또는 계면활성제 농도) 조정을 시작해야 하는 지점입니다. 우리는 항상 신규 고객에게 압력 구배 테스트를 실행하도록 권장합니다. 즉, 300, 500, 700, 900 및 1,100bar에서 작은 샘플을 처리한 다음 각 단계에서 입자 크기를 측정합니다. 이 테스트는 1시간도 채 걸리지 않으며 압력 안정기가 어디에 있는지 정확하게 알려주므로 불필요한 높은 압력에 시간이나 비용을 낭비하지 않고 올바른 균질화기와 공정 매개변수를 선택할 수 있습니다.

압력-입자 크기 관계가 다른 극단적인 경우도 있습니다. 예를 들어, 초기 액적 크기가 매우 작은(1미크론 미만) 유제를 처리할 때 600bar 이상으로 압력을 높이면 실제로 액적이 부서지기보다는 합쳐질 수 있습니다. 그 이유는 전단력이 너무 커서 물방울을 분리하는 대신 서로 밀어내기 때문입니다. 화장품 로션을 만드는 고객이 이 문제에 직면했습니다. 더 작은 물방울을 얻기 위해 압력을 800bar로 높였지만 대신 로션이 덩어리지게 되었습니다. 우리는 압력을 500bar로 낮추고 소량의 유화제를 추가할 것을 제안했으며 응집 없이 동일한 액적 크기를 얻었습니다. 이는 관계가 보편적이지 않음을 보여주는 좋은 예입니다. 처리하는 재료에 따라 다르므로 일반적인 압력 지침에 의존할 수 없습니다.

균질화기 공급업체로서 우리의 임무는 단순히 장비를 제공하는 것이 아니라 고객이 목표를 달성하기 위해 압력이 특정 재료와 상호 작용하는 방식을 이해하도록 돕는 것입니다. 신약 제제를 연구하는 실험실 연구원, 식물 기반 제품을 완성하는 식품 제조업체, 단백질 추출을 위해 세포를 파괴하는 생명공학 회사 등에서 중요한 점은 균질화 압력으로 인한 입자 크기 감소는 비선형 관계라는 것입니다. 낮은 압력에서 중간 압력까지 가장 큰 이득을 얻을 수 있으며, 일단 정체기에 도달하면 추가 압력은 프로세스에 도움이 되지 않으며 해를 끼칠 수도 있습니다.

압력이 입자 크기 감소에 어떤 영향을 미치는지 테스트할 준비가 되었거나 응용 분야에 맞는 균질화기를 찾고 있다면 당사 팀이 도와드리겠습니다. 우리는 프로세스 개발 지원을 제공하고, 장비에 대한 샘플 테스트를 실행하며, 소규모 실험실 초음파 장치부터 산업용 고압 균질화 장치에 이르기까지 귀하의 요구에 맞는 모델을 추천해 드릴 수 있습니다. 귀하의 특정 요구 사항에 대해 논의하려면 지금 당사 팀에 문의하십시오.

참고자료

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