펩타이드 합성 후 필수 단계: 농축, 용매 제거 및 용매 회수

최근 몇 년간 펩타이드 의약품, 기능성 펩타이드, 화장품 활성 펩타이드, 펩타이드 중간체의 개발 및 산업화가 급속히 가속화되고 있다. 기존 소분자 화합물에 비해 펩타이드는 일반적으로 구조가 더 복잡하고 분자량이 더 크며 열에 더 민감하다. 펩타이드 생산이 실험실 연구 단계에서 시험 생산 및 산업 규모로 전환됨에 따라 하류 공정의 중요성이 점차 커지고 있다.

펩타이드 합성은 단지 첫 번째 단계일 뿐이다. 정제, 농축, 용매 제거, 용매 회수, 건조 등 과정은 최종 제품의 품질, 수율, 운영 효율성 및 생산 비용에 직접적인 영향을 미친다.

 

고체상 펩타이드 합성(SPPS)으로 제조된 펩타이드, 특히 준비형 HPLC 정제 후에는 희석된 농도의 대량 분획이 자주 생성된다. 따라서 아세토니트릴, 물 및 기타 용매를 효율적으로 제거하면서 열적 노출을 최소화하는 것이 펩타이드 규모 확대 과정에서 핵심 과제가 된다.

1. 펩타이드 하류 공정이 어려운 이유는 무엇인가?

일반적인 SPPS 공정은 탈보호, 결합, 세척, 절단, 여과, 조제품 처리, HPLC 정제, 농축 및 동결건조를 포함한다.

그러나 준비형 HPLC 후에 채취된 분획은 단순한 ‘펩타이드 용액’이 아니다. 이들은 일반적으로 다량의 물과 아세토니트릴을 함유하며, 때로는 소량의 산성 개질제와 함께 존재하지만, 목표 펩타이드 농도는 상대적으로 낮다.

이로 인해 여러 가지 일반적인 공정상 어려움이 발생한다.

어려움 1: 큰 HPLC 분획 부피로 인한 동결건조 부하 증가

예비 정제용 HPLC에서는 일반적으로 물과 아세토니트릴을 이동상으로 사용하여 기울기 용출을 수행한다. 목표 펩타이드는 여러 분획에 걸쳐 회수될 수 있으므로, 전체 액체 부피가 크고 펩타이드 농도는 상대적으로 낮아진다.

이러한 분획을 동결건조기에 바로 공급할 경우, 동결 및 승화 부하가 크게 증가한다. 이로 인해 동결건조 사이클이 연장되고, 귀중한 장비 용량이 점유된다.

실용적인 해결책은 동결건조 전에 와이프드 필름 증발 공정을 도입하는 것이다.

진공 상태에서는 용매의 끓는 온도가 낮아진다. 공급액은 와이퍼 시스템에 의해 지속적으로 얇은 막 형태로 분포되며, 이 과정에서 아세토니트릴과 일부 물이 급격히 기화되지만, 펩타이드는 주로 농축된 액체 상에 남는다.

이 방식은 동결건조기로 유입되는 액체 부피를 줄이고, 용매 제거 부담의 일부를 보다 효율적인 사전 농축 단계로 이전시킨다.

과제 2: 펩타이드는 열에 민감함

일부 펩타이드는 온도, pH, 산화 조건에 민감합니다. 기존의 배치식 증발 공정에서는 물질이 가열된 용기 내에서 오랜 시간 머무를 수 있습니다.

농도가 높아짐에 따라 점도와 국소 농도도 함께 상승할 수 있습니다. 장시간 가열은 펩타이드의 분해, 응집, 변색 또는 활성 저하 위험을 높일 수 있습니다.

펩타이드 농축 시 목표는 단순히 온도를 높여 증발 속도를 빠르게 하는 것이 아닙니다. 보다 적절한 접근법은 증발 온도를 낮추고 체류 시간을 최소화하는 것입니다.

와이프드 필름 증발기는 진공 상태에서 작동하며, 가열면 위의 액체 막을 지속적으로 갱신합니다. 이를 통해 열전달 효율이 향상되고, 휘발성 용매가 비교적 온화한 조건 하에서도 신속하게 증발할 수 있어, 펩타이드가 가열 구역에 머무는 시간이 줄어듭니다.

과제 3: 아세토니트릴 소비량 증가로 인한 용매 회수 필요성 급증

아세토니트릴은 제조용 펩타이드 HPLC의 유기 이동상으로 광범위하게 사용된다. 생산 규모가 실험실 수준에서 시험 및 양산 수준으로 확대됨에 따라 아세토니트릴 소비량이 크게 증가할 수 있다.

모든 아세토니트릴/물 혼합물을 폐액으로 직접 처리할 경우, 용매 소비량과 폐기물 처리 부담이 모두 증가한다.

적절한 공정의 경우, 병합 공정 경로를 고려할 수 있다:

스크레이퍼 필름 증발 → 응축 → 용매 회수 → 진공 증류

스크레이퍼 필름 증발기는 펩타이드 함유 용액에서 아세토니트릴 및 물과 같은 휘발성 성분을 먼저 제거한 후, 생성된 증기를 응축하여 회수한다.

더 높은 순도의 아세토니트릴이 요구될 경우, 회수된 용매 혼합물을 증류 탑에서 추가 정제할 수 있다.

이 구성 방식은 목표 펩타이드를 장시간 증류 조건에 노출시키지 않으면서, 증류 시스템이 그에 가장 적합한 작업—즉, 용매 분리 및 정제—를 수행할 수 있도록 한다.

도전 과제 4: 펩타이드 공정은 단순히 한 가지 매개변수 세트를 복사할 수 없음

다양한 펩타이드는 분자량, 아미노산 서열, 초기 농도, 용매 조성, 점도, 발포 경향, 결정화 행동, 열 민감도 등에서 상당한 차이를 보일 수 있음

따라서 온도, 진공도, 공급 속도, 농축 비율의 고정된 조합을 모든 펩타이드 시스템에 일괄적으로 적용할 수 없음

고부가가치 물질의 경우, 더 신뢰할 수 있는 확장 방식은 다음과 같음:

물질 시험 → 매개변수 검증 → 중간 규모 확장 → 양산 설비 설계

시험을 통해 공급액 조성, 아세토니트릴/물 비율, 처리 용량, 최대 허용 온도, 목표 농축 비율, 진공도, 공급 속도, 와이퍼 작동 조건 등의 요인을 평가할 수 있음

이를 통해 보다 큰 시스템으로 이행하기 전에 안정적인 운영 범위를 확립할 수 있음

2. YHCHEM의 펩타이드 후처리 접근법

일반적인 펩타이드 하류 공정에서, 와이프드 필름 증발기는 HPLC 정제 후에 대량의 저농도 분획을 처리하기 위해 설치된다.

주요 임무는 진공 상태에서 얇은 막 형성과 짧은 체류 시간을 이용해 용매를 신속히 제거하고 전농축하는 것이다. 이 과정은 열적 손상을 최소화한다.

응축된 아세토니트릴/물 혼합물은 추가적인 용매 정제 또는 회수가 필요할 경우 증류 시스템으로 보내질 수 있다.

특정 특수 시스템의 경우, 높은 비등점과 열민감성, 그리고 충분한 휘발성을 갖춘 유기 성분이 포함되어 있을 때는 물질의 실제 물리적 특성에 따라 분자 증류도 평가될 수 있다.

그러나 대부분의 펩타이드는 상대적으로 높은 분자량과 극도로 낮은 휘발성을 가지므로, 분자 증류는 일반적으로 목표 펩타이드를 직접 정제하는 주요 방법으로 사용되지 않는다.

핵심은 분자 증류, 와이프드 필름 증발 및 증류 장비를 단순히 직렬로 연결하는 것이 아니라, 각 단위 공정이 그 고유한 특성에 가장 적합한 분리 작업을 수행하도록 하는 것이다.

3. 펩타이드 농축에 와이프드 필름 증발을 사용해야 하는 이유는 무엇인가?

용매 제거에는 회전 증발기, 기존의 배치식 진공 증발기, 와이프드 필름 증발기 등 여러 유형의 장비를 사용할 수 있다.

회전 증발기

회전 증발기는 소규모 실험실 배치에서 유연하고 편리하지만, 처리량이 증가함에 따라 배치 용량, 처리 시간, 연속성 및 용매 회수 효율이 한계 요인이 될 수 있다.

배치식 진공 증발기

배치식 진공 증발은 더 큰 용량을 처리할 수 있으나, 가열 및 농축 과정 전체에서 전체 배치가 반응기 내에 유지된다. 열에 민감하고 고가치인 펩타이드 원료의 경우, 장시간 열 노출을 신중하게 제어해야 한다.

와이프드 필름 증발기

얇은 막 증발기에서는 원료를 증발 표면 위에 지속적으로 얇은 막 형태로 분포시킨다. 진공 작동과 결합하면 빠른 열 전달과 용매 증발이 가능하다.

펩타이드 농축을 위한 주요 장점은 다음과 같다:

저온 증발
진공 상태에서는 아세토니트릴, 물 및 기타 휘발성 용매의 끓는점이 낮아져 보다 온화한 조건에서 농축이 가능하다.

짧은 체류 시간
원료는 가열된 배치 반응기 내에 오랜 시간 머무르는 대신 증발 구역을 신속하게 통과한다.

효율적인 열 전달
와이퍼가 액체 막을 지속적으로 갱신하여 열 전달 저항을 줄이고 증발 효율을 향상시킨다.

연속 처리
지속적인 공급 및 배출 방식으로 인해, 이 증발기는 상류의 HPLC 분획 수집 및 하류의 응축, 용매 회수, 동결 건조 공정과 쉽게 연계할 수 있다.

편리한 용매 수거
제거된 아세토니트릴과 물은 응축되어 수거되며, 이후 추가 분리 및 회수에 사용될 수 있다.

4. 규모 확대는 단순히 장비 크기를 키우는 것 이상이다

그램 단위 실험실 실험에서 킬로그램 단위 또는 그 이상의 펩타이드 생산으로 전환하는 것은 반응기 용량을 늘리는 것만으로 해결되지 않는다.

공정 자체를 확대해야 한다.

핵심 공정 변수에는 체류 시간, 열전달 면적, 진공 안정성, 응축 용량, 공급 속도, 농축 비율, 종료 지점 제어 등이 있다.

회전 증발기(rotary evaporator)는 소규모 실험실 배치에서는 우수한 성능을 보일 수 있으나, 액체 부피가 수십 리터에서 수백 리터로 증가하면 처리 시간, 열적 이력, 용매 회수 요구 사항이 크게 달라질 수 있다.

고부가가치 펩타이드 원료의 경우, 장비는 고정된 장비 구성에 원료를 맞추는 방식이 아니라, 원료와 공정 요구 사항에 따라 설계되어야 한다.

YHCHEM은 재료 시험 및 공정 매개변수 검증에서부터 시범 규모 확대 및 연속식 장비 설계에 이르기까지 전 과정 개발을 중점적으로 수행한다. 증발 면적, 진공 시스템, 응축기 용량, 장비 구성, 자동화 수준은 실제 공정 요구 사항에 따라 선택할 수 있다.

5. 적용 사례: 펩타이드 정제 분획의 농축

중국 동부 지역에 위치한 한 기업이 고체상 합성과 제조용 HPLC 정제를 기반으로 한 펩타이드 공정의 규모 확장을 진행 중이었다.

배치 크기가 증가함에 따라 펩타이드 함유 제조용 HPLC 분획의 부피도 급격히 증가하였다. 이러한 분획은 다량의 물과 아세토니트릴을 포함하였으나, 펩타이드 농도는 상대적으로 낮은 상태였다.

해당 기업은 이전에 전처리 농축 단계에서 기존의 배치식 증발 방식을 사용하였다. 그러나 처리량이 증가함에 따라 농축 시간이 길어지고, 열 노출이 증가하며 동결건조 부하도 높아졌다. 또한 회수된 아세토니트릴/물 혼합물은 효과적인 재활용 경로가 부족하였다.

자료 분석 및 초기 공정 시험 결과를 바탕으로 하류 공정을 다음과 같이 조정하였다.

HPLC 정제 → 와이프드 필름 증발 → 펩타이드 농축액 → 동결건조

와이프드 필름 증발 과정에서 진공 상태를 유지함으로써 용매의 증발 온도를 낮출 수 있다. 원료액은 빠르게 얇은 막 형태로 분포되어, 비교적 짧은 체류 시간 내에 아세토니트릴과 일부 물이 제거되며, 펩타이드는 주로 농축된 중질 상에 남는다.

증발된 용매는 응축되어 회수된다. 필요 시 추가적인 진공 증류 장치를 활용하여 회수된 아세토니트릴/물 혼합물을 보다 정밀하게 분리할 수 있다.

이 공정은 동결건조기에서 용매 제거를 담당하던 상당한 부분을 와이프드 필름 증발기로 이전함으로써, 동결건조 단계로 유입되는 액체량을 줄이고 전반적인 공정 연속성을 향상시킨다.

이렇게 도출된 공정은 다음과 같이 요약할 수 있다.

저온 펩타이드 농축을 위한 와이프드 필름 증발 + 용매 회수를 위한 증류 + 최종 제품 제조를 위한 동결건조

각 단위 공정은 서로 다른 기능을 수행하며, 불필요한 열 노출을 줄이는 동시에 향후 대규모 확장에 대한 실용적인 기반을 제공한다.

참고: 본 예시는 대표적인 펩타이드 하류 공정 시나리오를 기반으로 한다. 실제 장비 구성 및 운전 조건은 원료 조성, 처리 용량, 제품 특성, 실험 결과에 따라 결정해야 한다.