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pISSN 1225-7117 eISSN 2288-8268

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Research Paper

Korean Society for Biotechnology and Bioengineering Journal 2023; 38(3): 169-176

Published online September 30, 2023 https://doi.org/10.7841/ksbbj.2023.38.3.169

Copyright © Korean Society for Biotechnology and Bioengineering.

가스 버블의 특성이 (+)-dihydromyricetin 분별침전에 미치는 영향

Effect of Gas Bubble Characteristics on Fractional Precipitation of (+)-dihydromyricetin

Hyunji Oh and Jin-Hyun Kim*

1Department of Chemical Engineering, Kongju National University, Cheonan 31080, Korea

Correspondence to:Tel: +82-41-521-9361, Fax: +82-41-521-9353
E-mail: jinhyun@kongju.ac.kr

Received: June 7, 2023; Revised: July 26, 2023; Accepted: August 2, 2023

There is an urgent need to elucidate how the introduction of cavitation bubbles or gas bubbles during precipitation improves the precipitation efficiency. In this study, the role of the bubble surface according to the gas flow rate and air sparger pore size in the gas bubble-based fractionation of (+)-dihydromyricetin, a natural bioactive compound, was investigated. As the gas flow rate increased and the air sparger pore size decreased, the bubble surface increased. At gas flow rates of 0.5 to 1.5 L/min, the yield and rate constant increased to be 1.7 to 1.9 and 2.6 to 5.5 times (air sparger pore size 10 μm), 1.4 to 1.8 and 1.9 to 4.7 times (30 μm), and 1.3 to 1.8 and 1.4 to 4.2 times (43 μm) higher than those obtained in the conventional precipitation. In addition, the changes in activation energy decreased as the bubble surface increased. The mechanism, by which nucleation could be induced seems to be heterogeneous due to the bubble surface provided.

Keywords: (+)-Dihydromyricetin, gas bubble-assisted fractional precipitation, air sparger pore size, gas flow rate, bubble surface, kinetics

(+)-Dihydromyricetin [(+)-ampelopsin] (Fig. 1)은 Hovenia dulcisAmpelopsis grossedentata로부터 유래한 항산화 활성(antioxidant activity)을 가진 대표적 생리활성물질 (bioactive component) 이다 [1,2]. 이는 기능성 플라보노이드 (flavonoid)로써 항염증, 항종양, 혈당 강하, 간 보호 활성 등과 같은 약리학적 효과가 뛰어나다 [3,4]. 또한 A. grossedentata 유래 (+)-dihydromyricetin의 고혈압 억제 효과, 에탄올에 의한 근육 이완 억제 효과, 에탄올의 체내 대사 촉진 효과 및 항 알러지 효능에 대해 보고되고 있다 [5,6]. 최근에는 불안감으로 인한 신경 염증 개선 효과가 밝혀졌으며 이로 인해 (+)-dihydromyricetin이 불안장애의 새로운 치료제 개발 가능성이 제시되었다 [7]. 이외에도 의약품과 식품 분야에 (+)-dihydromyricetin의 응용 가능성에 대한 많은 연구가 진행되고 있어 그 수요는 계속 늘어날 것으로 기대된다. 글로벌 (+)-dihydromyricetin 시장 규모는 2020년 약 5,500만 달러에서 2027년까지 8,000만 달러에 달할 것으로 예상되며, 2027년까지 연평균 성장률 5.6%를 기록할 것으로 전망된다 [8].

Figure 1. The structure of (+)-dihydromyricetin (chemical formula: C15H12O8, molecular weight: 320.25).

식물 유래 생리활성물질인 (+)-dihydromyricetin은 식품 및 의약품의 원료로 널리 사용되고 있는데, 기능성 식품이나 의약품 원료로 사용하기 위해서는 상업화 과정에서 유용 성분의 대량 분리 및 정제는 필수적으로 요구된다. 고순도 정제를 위한 고성능 액체 크로마토그래피 (high performance liquid chromatography, HPLC) 적용 공정에 있어 전처리 과정이 없을 경우 산업적 대량생산을 위한 스케일-업(scale-up)뿐만 아니라 원가절감에도 많은 어려움이 있다[5]. 따라서 HPLC에 의한 (+)-dihydromyricetin의 고순도 정제를 위하여 효과적인 전처리 공정이 절실히 필요하다.

분별침전 (fractional precipitation)은 용해도 차이를 이용하여 (+)-dihydromyricetin을 효과적으로 전처리 및 정제할 수 있는 매우 간단하고 효과적인 방법이다. 2008년 (+)-dihydromyricetin을 높은 순도 ( > 83.2%)로 정제 가능한 분별침전 공정이 최초로 개발되었으나 침전에 많은 시간 (~32 h)이 소요되어 대량생산에 적용하기에는 한계가 있다[9]. 이후에 침전시간 단축을 위해 유리 구슬, 이온교환수지, 친수성 고분자 물질을 이용하여 반응액 부피당 표면적을 증가시킨 분별침전이 시도되었다. 하지만 여전히 많은 침전시간 (~16 h)이 소요될 뿐만 아니라 첨가된 표면적증가물질의 회수 및 비용 문제가 발생한다 [10,11]. 최근에는 초음파 및 음압에 의해 발생하는 캐비테이션 버블 또는 가스 버블을 분별침전 공정에 도입하여 핵 생성 속도를 증가시켜 침전 효율을 향상시킬 수 있는 연구들이 수행되고 있다 [12-14]. 이들 연구에서는 버블의 표면 자체가 핵 생성 위치로 작용하여 핵 생성을 위한 자유 에너지 장벽을 낮추어 침전 효율이 향상되는 것으로 설명하고 있다 [15]. 하지만 여전히 분별침전 동안 캐비테이션 버블 또는 가스 버블 도입으로 인한 침전 효율 향상에 대해 명확한 기작과 효과가 밝혀진 바는 없다. 따라서 본 연구에서는 가스 버블 기반 분별침전에서 가스 유량과 에어 스파저 기공 크기를 달리하여 침전 용액에서 버블 크기와 수를 관찰하고 버블 표면이 (+)-dihydromyricetin의 침전 효율에 미치는 영향을 조사하고 이를 바탕으로 침전 과정에서 버블의 역할을 보다 명확하게 규명하고자 하였다. 또한 가스 버블 기반 분별침전의 동역학적 해석과 확산 계수 결정을 통하여 버블 크기(표면 크기)에 따른 침전 특성을 정량적으로 파악하였다.

2.1. (+)-Dihydromyricetin 시료

본 연구에서 사용한 (+)-dihydromyricetin (순도: 54.84%)은 Guilin Natural Ingredient, Inc. (Guilin, China)로부터 구입하였다.

2.2. 가스버블 기반 분별침전

(+)-Dihydromyricetin 시료 (순도: 54.84%)를 메탄올 (0.1 g/mL)에 녹인 후 증류수 (메탄올/증류수 비 = 1:9, v/v)를 교반 (335 rpm) 하에 5초에 0.028 mL씩 떨어뜨려 침전을 유도하였다. 반응기 부피는 100 mL이며 반응액 부피는 40 mL이었다. 에어 펌프 (SH-A2, Amazonpet, Korea), 유량계 (RMA-11-SSV, Dwyer, U.S.A), 에어 스파저 (air sparger)를 연결하여 침전 용액에 가스 (공기)를 주입하였다. 가스 유량 (0.5, 1.0, 1.5 L/min), 에어 스파저 기공 크기 (10, 30, 43 μm), 조업 시간 (1, 5, 10, 20, 30분)을 달리하여 5℃에서 분별침전을 수행하였다. 분별침전에서 버블의 역할에 대해 좀 더 자세히 조사하기 위하여, 가스버블 기반 분별침전 (가스 유량 0.5 L/min, 에어 스파저 기공 크기 43 μm) 용액에 표면적증가물질로 지름 2 mm 유리 구슬 (Glastechnique Mfg, Germany)을 각각 1, 2, 4, 8 g씩 첨가하여 추가 실험을 수행하였다. 가스버블 기반 분별침전의 개략도를 Fig. 2에 나타내었다. 침전 후 여과 (150 mm, Whatman, Buckinghamshire, UK)를 통해 얻은 침전물은 진공 건조오븐 (UP-2000, EYELA, Japan)에서 24시간 건조한 후 HPLC로 (+)-dihydromyricetin 함량을 측정하였다. (+)-Dihydromyricetin의 수율은 식 (1)을 이용하여 계산하였다.

Figure 2. Schematic diagram of gas bubble-assisted fractional precipitation (A) and gas bubble-assisted fractional precipitation with glass beads (B).

Yield(%)=Quantity of (+)-dihydromyricetin in precipitateQuantity of (+)-dihydromyricetin in sample×100

2.3. 가스 버블 크기 측정

분별침전 용매인 메탄올 수용액 (메탄올/증류수 비= 1:9, v/v)에 가스를 주입하고 발생되는 버블을 카메라로 촬영한 후 전자 현미경 (SV-35 Video Microscope System, Some Tech, Korea)의 IT-Plus System (Some Tech, Korea)에서 버블 크기를 측정하였다. 에어 스파저 기공 크기 10 μm, 30 μm, 43 μm일 때 버블 50개의 지름을 측정하여 평균값으로 크기를 얻었다.

2.4. HPLC 분석

(+)-Dihydromyricetin의 함량은 HPLC 시스템 (SCL-10 AVP, Shimadzu, Japan)과 C18 컬럼 (4.6 × 250 mm, 5 μm, Osaka Soda, Japan)을 사용하여 분석하였다. 이동상은 20% 아세토나이트릴이며 등용매 용리 (isocratic mode)에서 유속 1.0 mL/min으로 흘려주었다. 시료 주입량은 30 μL이며 274 nm에서 UV에 의해 검출하였다 [8]. Guilin Natural Ingredient, Inc. (Guilin, China)로부터 정품 시료 (순도: 98%)를 구입하여 표준으로 사용하였다.

2.5. 침전물 형태 및 크기 확인

가스 버블을 도입한 분별침전에서 얻은 침전물의 형태 및 크기를 조사하기 위해 전자현미경 (SV-35 Video Microscope System, Some Tech, Korea)을 사용하였다 [10]. (+)-Dihydromyricetin 침전물을 고배율 (x200)에서 관찰하였으며 침전물의 크기는 IT-Plus system을 이용하여 비디오 이미지에서 측정하였다 [11].

2.6. 확산 계수 추정

분별침전 용매(A)에 확산되는 (+)-dihydromyricetin 분자(B)의 확산 계수는 Stokes-Einstein 식으로부터 계산하였으며, 식(2)와 같이 나타낼 수 있다 [16].

DAB=kT6πr0η

여기에서 k는 Boltzmann constant (1.38 × 10−23 J/K), r0는 (+)-dihydromyricetin 분자 반경, η는 용액의 역학 점도(dynamic viscosity), T는 용액의 절대 온도이다. 용액의 점도는 점도계(Viscolite 700, Hydromotion, UK)를 이용하여 측정하였다.

2.7. 동역학적 해석

Johnson-Mehl-Avrami-Komolgorov (JMAK) 식은 결정화 또는 침전 공정에서 주로 사용되며 핵 생성 (nucleation)과 입자성장 (particle growth) 과정에서 등온 상전이(isothermal phase-transformation)의 동역학을 다룬다. JMAK 식은 식(3)과 같다 [13,14].

X(t)=1ektn

(3)을 선형화하면 다음과 같이 표현할 수 있다.

logln11X(t)=nlogt+logk

여기에서 X(t)는 어떤 시간 t에서의 침전 수율, k는 속도 상수, n은 결정의 구조 및 결정 핵 생성의 특성을 묘사하는 avrami 지수이다. n과 k는 log(ln(11X(t))대 log t를 플로팅하여 얻은 직선의 기울기와 절편으로부터 각각 계산하였다. JMAK 모델의 적합성은 결정 계수(coefficient of determination, r2)로 판단하였다 [17].

3.1. 가스 버블 기반 분별침전에서 가스 유량 및 에어 스파저 기공 크기의 영향

먼저 가스 유량과 에어 스파저 기공 크기에 따른 침전 용액에서 버블의 평균 지름을 측정하여 Table 1에 정리하였다. 가스 유량 0.5, 1.0, 1.5 L/min에서 각각 2.51, 2.70, 2.89 mm (에어 스파저 기공 크기 :10 μm), 3.64, 3.81, 3.90 mm (30 μm), 4.49, 4.64, 4.86 mm (43 μm) 이었다. 동일한 에어 스파저 기공 크기에서 가스 유량이 증가할수록 버블 크기와 버블 수가 증가하였다. 또한 일정한 가스 유량에서 에어 스파저 기공 크기가 증가할수록 버블 크기는 증가하고 버블 수는 감소하였다. 이러한 양상은 이전 연구 결과와 유사하였다 [18]. 결과적으로 에어 스파저 기공 크기가 감소할수록 가스 유량이 증가할수록 더 작고 많은 버블이 생성되어 버블 표면은 증가하였다. 이를 바탕으로 가스 유량과 에어 스파저 기공 크기를 통해 버블 크기 및 수를 달리하여 분별침전을 수행한 결과를 Fig. 3에 나타내었다. 가스 버블을 도입하지 않은 전통적 분별침전 (대조군)의 경우 침전 시간이 30분 경과하였을 때 (+)-dihydromyricetin 수율은 50.53%이었다. 반면 가스 버블을 도입한 분별침전의 경우에는 가스 유량이 0.5 L/min일 때 에어 스파저 기공 크기에 따른 수율은 84.85% (10 μm), 71.58% (30 μm), 67.59% (43 μm), 가스 유량 1.0 L/min에서 92.65% (10 μm), 83.23% (30 μm), 78.70% (43 μm), 가스 유량 1.5 L/min에서는 95.76% (10 μm), 90.74% (30 μm), 89.34% (43 μm)이었다. 대조군 및 가스 버블 기반 분별침전에서 침전물의 순도는 86.89-92.17% 정도로 큰 차이는 없었다(data not shown). 침전 시간 30분에서 (+)-dihydromyricetin의 수율을 비교하였을 때 가스 버블 도입 시 대조군에 비해 수율은 1.34-1.90배 증가하였다. 특히 가스 유량이 증가하고 에어 스파저 기공 크기가 감소할수록 (버블 크기가 감소할수록) 침전시간 대비 수율은 더 증가하였다. 이러한 결과로부터 버블의 표면이 침전 효율 향상에 핵심적 역할을 함을 알 수 있었다.

Figure 3. Effect of precipitation time on the yield of (+)-dihydromyricetin. (A) gas bubble-assisted fractional precipitation at gas flow rate of 0.5 L/min; (B) gas bubble-assisted fractional precipitation at gas flow rate of 1.0 L/min; (C) gas bubble-assisted fractional precipitation at gas flow rate of 1.5 L/min.

Table 1 Bubble size measured photographically in conjunction with image-processing techniques at different gas flow rates and air sparger pore sizes

Gas flow rate (L/min)Air sparger pore size (μm)Mean bubble diametera (mm)
0.5102.51 ± 0.06
302.70 ± 0.06
432.89 ± 0.05
1.0103.64 ± 0.10
303.81 ± 0.11
433.90 ± 0.09
1.5104.49 ± 0.15
304.64 ± 0.21
434.86 ± 0.19

aData are shown as mean bubble diameter ± SD.



3.2. 분별침전에서 표면적증가물질의 영향

가스 버블 분별침전에서 버블 표면의 역할을 보다 명확하게 조사하고자 표면적증가물질인 유리 구슬을 이용하여 추가 실험을 수행하였다. 유리 구슬은 버블과 유사하게 반응액 내에서 표면을 제공해주고 반응액 부피당 표면적을 증가시켜주는 역할을 한다. 앞서 가스 버블 분별침전에서 효율이 가장 낮았던 가스 유량 0.5 L/min, 에어 스파저 기공 크기 43 μm 조건에 지름 2 mm인 유리 구슬을 각각 1, 2, 4, 8 g씩 넣어 실험을 수행하였다. 이 때 침전 용액 부피 당 표면적 비(surface area per volume of precipitation solution, S/V)는 유리구슬 1, 2, 4, 8 g일 때 각각 0.00465, 0.00930, 0.01860, 0.03720 mm−1이었다. S/V에 따른 분별침전의 결과를 Fig. 4에 나타내었다. 대조군의 수율은 67.59% (침전시간 : 30분)이었으며, 유리 구슬을 첨가한 경우 S/V에 따른 수율은 각각 71.57% (0.00465 mm−1), 75.32% (0.00930 mm−1), 81.22% (0.01860 mm−1), 87.14% (0.03720 mm−1)이었다. 대조군에 비해 유리 구슬을 첨가하였을 때 수율은 증가하였고, S/V가 증가할수록 수율도 크게 증가하였다. 침전 후 (+)-dihydromyricetin의 순도는 85.45-90.84%였다 (data not shown). 일반적으로 많은 수의 입자를 불균질 핵생성 위치(heterogeneous nucleation sites)로 첨가하면 균질 핵생성 (homogeneous nucleation)은 크게 억제될 수 있다 [19]. 또한 유리 구슬을 첨가함으로써 확산 속도 및 확산 계수는 감소한다 [20,21]. 이렇게 물질 전달 효과가 크게 제한됨에도 불구하고 침전 효율이 오히려 향상되는 것은 핵 생성 위치로 작용하는 버블 표면 자체가 침전 과정에서 더 지배적인 역할을 하기 때문이다. 이는 가스 버블을 도입한 결정화에서 버블의 크기가 작을수록 또는 버블을 추가할수록 핵 생성 유도 시간이 감소하여 더 많은 결정이 형성되는 결과와 유사하다 [15,22]. 이러한 결과로부터 버블의 표면이 침전 과정에서 핵 생성 위치로 작용하며 분별침전의 수율 증가에 결정적인 역할을 하는 것을 알 수 있었다. 이를 바탕으로 가스 버블 기반 분별침전에서 버블 표면의 역할을 Fig. 5에 제안하였다.

Figure 4. Effect of precipitation time on the yield of (+)-dihydromyricetin in gas bubble-assisted fractional precipitation with glass beads at gas flow rate of 0.5 L/min and air sparger pore size of 43 μm.

Figure 5. A proposed role of bubble surface in gas bubble-assisted fractional precipitation of (+)-dihydromyricetin.

3.3. (+)-Dihydromyricetin의 입자크기 및 확산계수 계산

침전물의 입자 크기와 침전 용액의 점도를 측정하고 확산계수 (diffusion coefficient, DAB)를 계산하여 Table 2에 나타내었다. 대조군에서 침전물의 입자 크기는 19.298 μm이었다. 반면 가스 유량 0.5, 1.0, 1.5 L/min에서 입자 크기는 각각 8.330, 5.835, 4.780 μm (10 μm), 11.017, 7.425, 7.201 μm (30 μm), 13.783, 8.947, 7.63 μm (43 μm)이었다. 대조군에 비해 입자크기는 가스 유량 0.5-1.5 L/min에서 2.3-4.0배 (10 μm), 1.8-2.7배 (30 μm), 1.4-2.5배 (43 μm) 감소하였다. 가스 유량이 증가하고 에어 스파저 기공 크기가 감소할수록 입자 크기는 감소하는 경향을 보였다. 일반적으로 원료의약품 (active pharmaceutical ingredient, API)의 입자 크기 감소로 제형 시 용해속도 (dissolution rate), 약물 분산의 균일성 (uniformity of drug dispersion), 경구 생체 이용률 (oral bioavailability) 등을 향상시킬 수 있어 의약품의 활용도가 높아진다 [23]. (+)-Dihydromyricetin의 확산 양상을 좀 더 정량적으로 조사하기 위하여 Stokes-Einstein 식을 이용하여 확산 계수를 계산하였다. 대조군과 가스 버블 분별침전 용액의 점도는 모두 1.2 cp로 측정되었다. 대조군에서 DAB는 0.878 × 10-10 cm2/s이었다. 가스 버블을 도입한 경우 DAB는 가스 유량 0.5-1.5 L/min에서 2.036-3.548 × 10−10 cm2/s (10 μm), 1.539-2.355 × 10−10 cm2/s (30 μm), 1.231-2.222 × 10−10 cm2/s (43 μm)로 대조군 대비 최대 4.0배 증가하였다. 반면 유리 구슬을 첨가한 분별침전의 경우 확산 속도와 확산 계수는 감소함에도 불구하고 수율은 오히려 증가하였는데, 이는 유리 구슬이 핵 생성에 필요한 표면을 제공해주기 때문이다 [19-21].

Table 2 Effect of gas flow rate and air sparger pore size on viscosity, mean particle size, and diffusion coefficient

Gas flow rate (L/min)Air sparger pore size (μm)Viscositya, η (cp)Mean particle sizea, r0 (μm)Diffusion coefficienta, DAB (×10-10 cm2/s)
-Control1.2 ± 0.119.298 ± 3.5070.878 ± 0.135
0.5101.2 ± 0.18.330 ± 1.0412.036 ± 0.226
3011.017 ± 3.1791.539 ± 0.345
4313.783 ± 3.8341.231 ± 0.268
1.0101.2 ± 0.15.835 ± 0.9902.907 ± 0.422
307.425 ± 2.4972.284 ± 0.575
438.947 ± 1.4011.896 ± 0.257
1.5101.2 ± 0.14.780 ± 0.3973.548 ± 0.272
307.201 ± 1.5872.355 ± 0.425
437.635 ± 1.7982.222 ± 0.423

aData are shown as η, r0, and DAB ± SD.



3.4. 가스 버블 기반 분별침전 공정의 동역학적 해석

일반적으로 침전 입자의 생성과정은 핵 생성과 성장 단계로 나누어지므로 실험 결과값을 JMAK식에 적용하여 침전 시간에 따른 (+)-dihydromyricetin의 침전 양상을 동역학적으로 해석하였다. JMAK식을 분별침전에 적용 하기 위하여 식(4)를 사용하여 log(ln(11X(t)) 대 logt를 플로팅 하였다. 기울기와 절편으로부터 JMAK 지수(n)와 속도상수(k)를 구하여 결정 계수(r2)와 함께 Table 3, 4에 나타내었다. 대조군에서 n값은 0.3242 이었으며, 가스 버블을 도입한 분별침전에서 n값은 0.2436-0.3736이었다. 속도상수 k는 대조군의 경우 0.2105 min-1이었으며, 가스 유량 0.5 L/min에서 0.2880-0.5454 min-1 (43-10 μm), 1.0 L/min에서 0.5397-0.8272 min-1 (43-10 μm), 1.5 L/min에서 0.8874-1.1580 min-1 (43-10 μm) 이었다. 가스버블을 도입하였을 때 대조군에 비해 k는 증가하였으며 가스 유량이 높을수록, 에어 스파저 기공 크기가 작을수록 k는 증가하였다. 특히 가스 유량 1.5 L/min, 에어 스파저 기공 크기 10 μm의 경우 대조군에 비해 k는 5.5배로 가장 많이 증가하였다. 이러한 결과는 버블의 크기가 작을수록 표면적이 증가할 뿐만 아니라 침전 용액에서 체류하는 시간도 증가하기 때문으로 판단된다 [24,25]. 또한 유리 구슬을 첨가한 분별침전에서 대조군(가스 유량 0.5 L/min, 에어 스파저 기공 크기 43 μm)의 k는 0.2880 min-1이었으며 유리 구슬을 1, 2, 4, 8 g씩 첨가한 경우 각각 0.3320, 0.3959, 0.5750, 0.8374 min-1으로 대조군에 비해 유리 구슬을 첨가할수록 (표면적이 증가할수록) k는 증가하였다. 이를 통해 가스 버블의 표면이 침전속도에 영향을 미침을 재확인할 수 있었다.

Table 3 Values of kinetic parameters for the gas bubble-assisted fractional precipitation of (+)-dihydromyricetin at different gas flow rates and air sparger pore sizes

Gas flow rate (L/min)Air sparger pore size (μm)naka (min-1)ΔEaa,b (J/mol)r2
-Control0.3242 ± 0.02010.2105 ± 0.0275-0.9676
0.5100.3361 ± 0.00510.5454 ± 0.0261−2201.6 ± 17.60.9629
300.3176 ± 0.00720.3961 ± 0.0289−1461.9 ± 12.10.9711
430.3736 ± 0.01040.2880 ± 0.0240−724.9 ± 9.90.9679
1.0100.3040 ± 0.01590.8272 ± 0.0305−3164.9 ± 20.00.9413
300.2781 ± 0.00110.6398 ± 0.0334−2570.8 ± 16.60.9543
430.2882 ± 0.00310.5397 ± 0.0257−2177.3 ± 17.60.9689
1.5100.2551 ± 0.03001.1580 ± 0.0319−3942.8 ± 22.10.9155
300.2436 ± 0.00970.9884 ± 0.0446−3576.6 ± 18.20.9659
430.2626 ± 0.00650.8874 ± 0.0457−3327.3 ± 16.80.9832

aData are shown as n, k and DEa ± SD.

bDEa = Ea, gas bubble – Ea, control



Arrhenius식을 이용하여 가스 유량 및 에어 스파저 기공 크기에 따른 활성화 에너지 변화량 (ΔEa= ΔEa,gas bubble−ΔEa,control)을 계산하여 Table 3, 4에 정리하였다. 가스 버블 도입 시 ΔEa는 가스 유량 0.5-1.5 L/min에서 −3942.8 ~−2201.6 J/mol (10 μm), −3576.6~−1461.9 J/mol (30 μm), −3327.3~−724.9 J/mol (43 μm)이었다. 유리 구슬을 1, 2, 4, 8 g씩 첨가할 경우 ΔEa는 각각 −328.8, −735.9, −1598.9, −2468.3 J/mol이었다. 가스 유량이 증가하고 에어 스파저 기공 크기가 작을수록 또는 유리구슬 첨가에 의해 부피당 표면적이 증가할수록 활성화에너지 변화량은 감소하였다. 이러한 결과는 초음파 캐비테이션을 도입한 (+)-dihydromyricetin 분별침전(ΔEa = −9,655 ~ −5,543 J/mol, 80-540 W) [14]과 가스 버블을 도입한 파클리탁셀 분별침전(ΔEa =−29,500~−20,900 J/mol, 1.15-9.41 L/min)에서 결과와 유사하다[26]. 결국 캐비테이션 버블 또는 가스버블의 표면적이 증가할수록 반응에 필요한 에너지가 감소하고 반응속도는 증가하여 침전 효율이 향상되기 때문이다 [15]. 모든 조건에서 r2 >0.75이므로 JMAK 모델이 (+)-dihydromyricetin의 분별침전 공정에 적합함을 알 수 있었다.

Table 4 Values of kinetic parameters for the gas bubble-assisted fractional precipitation of (+)-dihydromyricetin with different amounts of glass beads

Amounts of glass beads (g)naka (min-1)ΔEaa,b (J/mol)r2
10.3662 ± 0.00690.3320 ± 0.0267−328.8 ± 17.90.9754
20.3418 ± 0.00120.3959 ± 0.0245−735.9 ± 13.90.9731
40.3060 ± 0.00100.5750 ± 0.0344−1598.9 ± 13.40.9943
80.2655 ± 0.00860.8374 ± 0.0429−2468.3 ± 11.60.9639

aData are shown as n, k and DEa ± SD.

bDEa = Ea, gas bubble – Ea, control


본 연구에서는 (+)-dihydromyricetin의 가스 버블 기반 분별침전에서 가스 유량과 에어 스파저 기공 크기를 달리하여 침전 용액에서 버블 양상을 관찰하고 버블 표면의 역할에 대해 조사하였다. 전통적 분별침전에 비해 가스 버블 도입 시 수율은 가스 유량 0.5-1.5 L/min에서 에어 스파저 기공 크기 10 μm, 30 μm, 43 μm에 따라 각각 1.7-1.9배, 1.4-1.8배, 1.3-1.8배, 확산 계수는 2.3-4.0배, 1.8-2.7배, 1.4-2.5배, 속도 상수는 4.2-5.5배, 2.6-3.9배, 1.4-2.6배 증가하였다. 유리 구슬 1, 2, 4, 8 g씩 첨가한 가스 버블 기반 분별침전에서 수율은 유리 구슬을 첨가하지 않은 대조군 대비 각각 1.1, 1.1, 1.2, 1.3배, 속도 상수는 1.2, 1.4, 2.0, 2.9배 증가하였다. 가스 버블 분별침전에서 버블 혹은 유리 구슬로 인해 표면적이 증가할수록 활성화 에너지는 감소로 반응에 필요한 에너지가 감소하여 침전 효율은 증가하였다. 가스 버블 분별침전에서 불균질 핵생성 위치로 작용하는 버블 표면 자체가 핵심적 역할을 하기 때문이다.

이 성과는 정부 (과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임 (Grant Number: 2021R1A2C1003186).

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