분무건조기 한 대로 고체분산체 3종을 만든 연구: 난용성 약물 용해도 개선 공정 정리
분무건조기 한 대로 고체분산체 3종을 만든 연구: 난용성 약물 용해도 개선 공정 정리
핵심 요약
고체분산체(Solid Dispersion, SD)는 약물을 고분자 담체(carrier)에 균질하게 분산시킨 고체 제형으로, 난용성 약물의 용해도를 높이는 대표적인 방법이다.
경상국립대학교 연구진은 실험실용 미니 분무건조기 한 대로 성질이 다른 공급액 세 가지(현탁액·혼합액·용액)를 처리해, 서로 다른 고체분산체 세 종(SA·SW·SE)을 만들었다.
같은 분무건조기라도 무엇이 만들어지는지는 공급액 설계와 공정 조건(온도·공급 유속)이 결정한다.
분무건조기 하나로 서로 다른 제약 원료를 만들 수 있을까
결론부터 말하면 가능하다. 분무건조기(Spray Dryer)는 액체 공급액을 미세한 액적으로 뿌린 뒤 순간적으로 건조해 분말로 바꾸는 장비다. 이때 공급액에 약물과 담체가 어떤 상태로 들어 있느냐에 따라 최종 입자의 구조가 달라진다.
이를 실제로 보여 준 국내 연구가 있다. 경상국립대학교 연구진은 난용성 약물인 실로도신(Silodosin)을 모델 약물로 정하고, 같은 분무건조기에서 제조 방식만 바꿔 고체분산체의 특성을 비교했다(Journal of Powder Materials, 2024).
연구 설계: 담체로 PVA를 고른 이유
연구진은 여러 친수성 고분자 용액에서 실로도신의 용해도를 비교한 뒤, 담체로 PVA(폴리비닐알코올, Polyvinyl Alcohol)를 골랐다. PVA는 물에는 잘 녹지만 일반 유기용매에는 녹지 않는다. 그래서 용매만 바꿔도 구조가 다른 고체분산체를 만들 수 있다고 본 것이다.
세 가지 고체분산체는 모두 실험실 규모의 미니 분무건조기 한 대로 제조했고, 결과물은 모두 백색 분말이었다. 방식마다 다른 점은 공급액의 상태, 그리고 그에 맞춰 설정한 입구 온도와 공급 유속이었다.
공급액 상태에 따른 고체분산체 3종 비교
구분 | 공급액 상태 | 분무건조 중 형성 메커니즘(연구진 해석) |
|---|---|---|
SA (표면부착) | 현탁액: 약물 결정이 분산된 상태 | PVA가 약물 결정 표면에 부착 |
SW (용매습윤) | 혼합액 | 녹아 있던 약물이 PVA 표면에 부착 |
SE (용매증발) | 용액: 약물과 PVA가 모두 녹은 상태 | 미세 액적에서 용매가 순간 증발해 구형에 가까운 입자 형성 |
이 결과에서 읽을 수 있는 점은 분명하다. 분무건조기는 단순히 액체를 분말로 바꾸는 건조 장비가 아니라, 공급액 설계와 공정 조건 설정을 통해 제형의 구조를 결정하는 개발 도구다.
왜 고체분산체가 필요한가: 난용성 약물의 흡수 문제
난용성 약물(Poorly Water-Soluble Drug)은 물에 잘 녹지 않는 약물을 말한다. 대표적인 예로 이트라코나졸(Itraconazole), 카르바마제핀(Carbamazepine), 펠로디핀(Felodipine)이 있다.
경구 투여 약물이 약효를 내려면 먼저 위액이나 장액에 녹아야 위장관 막을 통과해 흡수될 수 있다. 용해도가 낮은 약물은 이 단계에서 충분히 녹지 못해 흡수가 제한된다. 그래서 신약 개발에서는 용해도가 핵심 지표로 쓰인다.
Ron Liu의 『Water-Insoluble Drug Formulation』에서는 신약 개발 과정에서 생기는 문제의 약 40%가 용해도에서 비롯된다고 설명한다. 용해도를 높이는 방법에는 공결정(Co-crystal) 형성, 자가나노유화 약물전달 시스템(SNEDDS), 고체분산체 제조 등이 있다.
비정질 고체분산체(ASD)가 더 잘 녹는 원리
비정질 고체분산체(Amorphous Solid Dispersion, ASD)는 약물이 결정이 아닌 비정질(무정형) 상태로 고분자 담체 안에 분산된 고체분산체다.
결정성 약물은 녹을 때 결정 격자를 깨는 에너지가 필요하다. 비정질 약물에는 이 에너지 장벽이 없다. 또 입자가 작아지면 표면적이 늘어나 더 빨리 녹는다. 따라서 고체분산체 공정의 핵심은 두 가지로 요약된다. 약물의 결정성을 없애는 것, 그리고 입자 크기를 줄이는 것이다.
SCHEDIO APTSol 분무건조기: 공정 개발에서 양산까지
고체분산체 개발 단계에서는 앞의 연구처럼 공급액 구성과 공정 조건(온도·유속)을 바꿔 가며 반복 시험한다. 씨엔지유니티(C&G Unity)는 스위스 SCHEDIO의 APTSol 분무건조기를 한국 공식 파트너로 공급한다.
APTSol 분무건조기의 특징은 다음과 같다.
산업용 설계의 소형화: 산업 규모 장비의 설계를 소형화한 구조여서, 공정 개발 단계에서 확보한 조건을 양산 스케일업까지 이어 갈 수 있다.
멀티 구성: 분무건조(병류·역류), 분무응고(Spray Congealing), 드리핑(Dripping) 구성을 모두 지원한다. 분무응고 구성은 ASD, 고용체(Solid Solution), 맛 차폐(Taste Masking)에, 드리핑 구성은 무용매 공정에 쓸 수 있다.
DoE 기반 공정 개발: 모든 모델의 소프트웨어에 습도 모니터링 시스템이 내장되어 있다. 건조 성능을 실시간으로 기록하고 실험계획법(Design of Experiments, DoE) 모델을 바로 만들 수 있다.
규제 대응 소프트웨어: 21 CFR Part 11 기준에 부합하는 감사 추적(Audit Trail)과 자동 배치 리포트를 지원한다.
R&D 운영 소프트웨어 기능
기능 | 내용 |
|---|---|
실시간 트렌드 모니터링 | 모든 SCHEDIO 분무건조기에 적용, 공정을 지속적으로 추적하고 최적화 |
사용자 관리 | 다중 사용자 레벨, 무제한 사용자 등록, 고객사 SCADA 중앙 로그인 연동 옵션 |
자동 배치 리포트 | 21 CFR Part 11 대응 감사 추적, OneDrive 업로드 또는 SCADA 연동 |
레시피 관리 | 상위 권한 사용자가 공정 레시피를 무제한 업로드·관리해 자동화 공정을 일관되게 운영 |
확장성 | APT부터 APT 30까지 라인업으로 R&D에서 양산까지 전환 |
타사 장비 이전 지원 | 다른 브랜드 장비의 공정 이전 및 스케일업 기술 지원 |
모델별 사양 (SCHEDIO APTSol APT 시리즈)
Technical Details | APT 2 | APT 5 | APT 5+ | APT 30 |
|---|---|---|---|---|
Evaporation rate (kg/h) | 2 | 5 | 8 | 30 |
Max inlet temperature (°C) | 220 | 300 | 300 | 300 |
Heating capacity (kW) | 4 | 13 | 17.5 | 45 |
Fan capacity max. (50 mbar) | 110 | 150 | 180 | 380 |
Nozzle type | Two fluid | Two fluid / Rotary | Two fluid / Rotary | Two fluid / Rotary |
Space requirements (L × W × H, cm) | 115 × 80 × 210 | 250 × 120 × 270 | 280 × 220 × 330 | 380 × 250 × 400 |
Weight (kg) | 240 | 550 | 650 | 1100 |
Spray congealing option | ○ | ○ | ○ | ○ |
Spray congealing capacity (kg/h) | 2.5 | 9 | 16 | 50 |
증발 용량 기준으로 APT 2는 2 kg/h, APT 5는 5 kg/h, APT 5+는 8 kg/h, APT 30은 30 kg/h다.
자주 묻는 질문 (FAQ)
Q. 비정질 고체분산체(ASD)와 일반 고체분산체는 무엇이 다른가?
고체분산체는 약물이 고분자 담체와 균질하게 섞인 고체 형태 전체를 가리킨다. 그중 약물이 결정 없이 비정질 상태로 분산된 것이 비정질 고체분산체(ASD)다. ASD는 결정 격자를 깰 에너지가 필요 없어 용해에 유리하다.
Q. 분무건조로 고체분산체를 만들 때 결과를 좌우하는 변수는 무엇인가?
공급액 상태(현탁액·혼합액·용액), 입구 온도, 공급 유속이다. 경상국립대 연구에서는 이 세 변수를 조합해 분무건조기 한 대로 SA·SW·SE 세 종류의 고체분산체를 얻었다.
Q. 실험실 규모에서 찾은 분무건조 조건을 양산에 그대로 적용할 수 있나?
장비 설계가 다르면 조건을 다시 최적화해야 하는 경우가 많다. SCHEDIO APTSol은 산업용 장비 설계를 소형화한 구조이고 APT 2부터 APT 30까지 라인업을 갖춰, 개발 단계 조건을 스케일업으로 이어 가도록 설계되었다.
Q. 제약 R&D용 분무건조기를 고를 때 확인할 항목은?
21 CFR Part 11 대응 소프트웨어(감사 추적, 배치 리포트), DoE를 위한 공정 데이터 기록 기능, 노즐 선택 범위(이중유체·회전식), 스케일업 경로를 확인해야 한다.
Q. APTSol에서 노즐은 어떻게 고르나?
APT 2는 이중유체(Two fluid) 노즐을 쓴다. APT 5 이상 모델은 이중유체 노즐과 회전식(Rotary) 분무기 중에서 고를 수 있다. 분무건조는 병류(co-current)와 역류(counter-current) 구성을 모두 지원한다.
데모 테스트 문의
씨엔지유니티는 원료 특성에 맞는 노즐 선택부터 파일럿 테스트, 스케일업까지 지원한다.
문의: info@cngunity.com / 02-407-3711
참고문헌
이수만, 송다영, 김경수, 「다양한 고체분산체 제조방법으로 제조한 실로도신 함유 고체분산체의 비교 및 특성분석」, Journal of Powder Materials, 2024. https://doi.org/10.4150/jpm.2024.00143
Ron Liu, Water-Insoluble Drug Formulation. https://www.perlego.com/book/1512005/waterinsoluble-drug-formulation-pdf