[보고서]바이오 소재의 장기 저장을 위한 저온/동결 건조 원천 기술 개발

장영수

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바이오 소재의 장기 저장을 위한 저온/동결 건조 원천 기술 개발

보고서상세정보
과제명	바이오 소재의 장기 저장을 위한 저온/동결 건조 원천 기술 개발
주관연구기관	국민대학교 KookMin University
연구책임자	장영수
보고서유형	최종보고서
발행국가	대한민국
언어	한국어
발행년월	2017-05
과제시작년도	2016
주관부처	산업통상자원부 Ministry of Trade, Industry and Energy
등록번호	TRKO201800040235
과제고유번호	1415145764
사업명	기계산업핵심기술개발사업
DB 구축일자	2018-09-22
키워드	저온진공건조.진공 동결 건조.다단냉동사이클.저 GWP 냉매.바이오 소재.생물 활성.폴리감마글루탐산.PGA.

초록
▼

핵심기술
바이오 소재(폴리감마글루탐산)의 고품질 장기보존을 위한 드럼식 진공 동결 건조 원천기술 개발과 바이오 소재 품질 평가 기술 개발

최종목표
1. 드럼식 진공 동결 건조 원천 기술 개발
● 드럼식 진...

핵심기술
바이오 소재(폴리감마글루탐산)의 고품질 장기보존을 위한 드럼식 진공 동결 건조 원천기술 개발과 바이오 소재 품질 평가 기술 개발

최종목표
1. 드럼식 진공 동결 건조 원천 기술 개발
● 드럼식 진공 동결 건조기 제작 및 건조 실험 수행
● 수치해석 기술을 이용하여 진공 동결 건조 과정을 시뮬레이션하고, 이를 통해 최적 건조 조건 도출

2. 제습제 코팅 열교환기를 이용한 저온 진공 동결 건조
● 기존의 PGA 진공 동결 건조 과정을 대체할 수 있는 저온건조 기술 적용
● 제습제를 코팅한 열교환기를 이용하여 동일한 콜드트랩 온도에서도 높은 건조 능력을 보여, 에너지 소비 절감 가능성 확인

3. Low-GWP 또는 자연 냉매를 사용한 이원 냉동 사이클 최적설계 제어 기술
● 진공 동결 건조기 적용 가능 Low GWP 및 자연 냉매 선정
● Low GWP 및 자연 냉매 적용 냉동 사이클의 최적 설계

4. 건조 완료물의 품질 평가 기술 개발
● 건조 완료물의 생물 활성도, pH, 점도 등의 안정성을 확인할 수 있는 평가 기술 개발
● PGA 건조 완료품의 가속시험 및 장기 보존 평가 실험을 수행, 건조 완료물의 장기저장 품질을 평가함

개발내용 및 결과
1. 드럼식 진공 동결 건조 원천 기술 개발
● 드럼식 진공 동결 건조기를 제작하여 건조 능력을 평가
● 건조능력 평가 결과 : 정량적 목표 달성

2. PGA 진공 동결 건조 과정의 최적화를 위한 수치해석 모델 개발
● 1차원 수치해석 모델을 이용하여 진공 동결 과정 해석
● 건조 조건에 따라 달라지는 내부 다공 구조 변화를 수치해석 모델에 반영, 신뢰성 높은 수치해석 모델을 개발
● 수치해석 모델은 건조 완료 시간을 10% 오차 범위에서 예측함
● 건조 조건에 따라 달라지는 소요시간 대비 습득량을 이용하여 최적 건조 조건 도출

3. 제습제 코팅 열교환기를 이용한 저온 진공 건조 기술
● 콜드 트랩을 제습제 코팅 열교환기로 대체하여 에너지 소비량과 건조 완료까지 소요시간을 평가
● 가열판 온도와 콜드 트랩 온도, 시료 두께, 제습제 유무에 따라 변하는 건조 소요 시간을 측정
● 제습제를 적용 하였을 때, 약 12% 이상 건조 소요 시간이 단축됨
● 건조능력 평가 결과 : 정량적 목표 달성

4. Low-GWP 또는 자연 냉매를 사용한 이원 냉동 사이클 최적 설계 제어 기술
● 냉매 조합 및 성분비에 따른 COP, GWP, 인화성을 분석한 결과 다음의 냉매를 제안함

● 최적 제어를 위한 캐스케이드 온도와 냉매 유량비, 압축기 체적비의 최적 설계 제어 조건 제시
● 캐스케이드 온도 상관관계식: T_cas = a₀ + a₁T_c + a₂T_e 식 (1)
● 압축기 체적비 상관관계식: V_r = (a₀T_c + a₁)T_e^{(a₂T_c + a₃)} 식 (2)

5. PGA 건조 완료물의 품질 평가 기술
● PGA의 품질 규격 및 검증과 안정성 평가를 위해 pH, 점도, 미생물 수, 평균 분자량, 함량, 면역 활성 측정을 시험항목으로 정하여 평가 방법 확립

● 가속 시험 평가 결과, 실험 개시일로부터 6개월간 가속 조건하에서 PGA의 pH, 점도, 평균 분자량, 함량의 변화가 거의 없었음
● 1차 건조품의 가속시험 결과 6개월간의 가속 조건에서 면역활성과 항바이러스 활성이 90% 이상 유지되었으며 매우 안정적으로 보존 되었음
● pH, 점도, 평균 분자량, 함량 및 미생물수의 변화 역시 거의 없음을 알 수 있음

● 장기보존 시험 평가 결과, 실험 개시일로부터 12개월간 장기 보존 조건하에서 면역 활성 및 항바이러스 활성이 90% 이상 안정적으로 유지됨을 확인

기술개발 배경
● 건조 대상인 폴리감마글루탐산(poly-γ-glutamic acid; γ-PGA)은 한국의 전통 식품인 청국장에서 발효시킨 미생물로 안전성이 검증된 기능 소재임

● γ-PGA를 이용한 자궁경부상피이형성증(CIN1) 치료제는 2016년 3월 임상 2b상을 종료하고 임상 3상 준비에 들어갔으며, 백신 보조제가 개발되어 연구가 진행 중

● 현재 생리활성의 유지와 제형의 변화를 줄이기 위해 동결건조 방식이 사용되고 있으나, 제조 시간과 비용을 단축시키기 위한 제조공정 개선이 필요한 실정

● 진공 동결 건조는 건조 완료물의 성분 및 형태의 변화가 적지만 비용이 높은 단점을 가지고 있음
● PGA 진공 동결 건조 과정 원천 기술을 개발하여 건조 과정의 경제성 확보가 필요함

핵심개발 기술의 의의
● 드럼식 진공 동결 건조기는 PGA의 고점도 특성을 고려한 건조 기법으로, 공정 과정의 경제성을 향상시켜 바이오 산업 발전에 기여 가능
● 제습제가 코팅된 열 교환기를 콜드 트랩으로 대체 사용함으로써, 포집 온도를 높여 에너지 소비 절감 가능
● 동결 건조기에 적용 가능한 친환경 냉매를 선정하고 최적 설계 자료 제시
● PGA에 최적화된 건조 기술 개발로 PGA 건조물의 품질 및 경제성 향상

적용 분야
● 원통형 진공 동결 건조 및 저온 건조 기술은 PGA 이외에도, 고온에서 건조가 불가능한 다양한 바이오 소재 및 식품 건조에 사용 가능함
● Low-GWP 또는 자연 냉매를 이용한 이원 냉동 사이클 최적 설계 기술은 진공 동결 건조기 이외에도 증발온도 –80℃를 요구하는 이원 냉동기에 적용 가능하며, Non-ODP 및 Low GWP로 진행되는 냉매 규제 대비책으로 활용 가능함

(출처 : 최종보고서 초록 6p)

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참고문헌

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