대류식 시스템의 장점은 무엇인가요?

대류식 시스템에서 뛰어난 분리 효율성

동적 액체–액체 분배가 어떻게 더 높은 이론적 분리판 수를 실현하는가

대류식 시스템(counter current systems)은 연속적인 액체-액체 분배를 활용함으로써 여러 개의 평형 단계(equilibrium stages)를 형성하여, 이들이 이론적 판(theoretical plates)처럼 작용하기 때문에 물질을 더 효과적으로 분리합니다. 이러한 시스템이 전통적인 고체 상 방법과 구별되는 점은 고정 지지체(stationary supports)가 전혀 사용되지 않는다는 데 있습니다. 따라서 시료가 표면에 불가역적으로 흡착되거나 공정 중 시료 손실이 발생하는 등의 문제가 발생하지 않습니다. 대신, 모든 분리는 화합물이 액체 간에 어떻게 분배되는지에만 근거해 자연스럽게 이루어집니다. 그 결과, 타크산(taxanes)이나 다양한 플라보노이드(flavonoid) 형태처럼 일반적으로 구분하기 어려운 매우 유사한 분자들도 명확히 분리할 수 있습니다. 대류식 크로마토그래피(Counter Current Chromatography, CCC)는 일반적으로 약 3000개의 이론적 판을 달성하며, 이는 표준 HPLC가 대부분의 경우 최대 약 500개의 이론적 판에 머무르는 것보다 훨씬 높은 수치입니다. 왜 이것이 그렇게 중요한가요? 바로 이동상이 지속적으로 재생되고, 성분의 밴드(band) 확산이 적기 때문에, 훨씬 날카로운 피크와 보다 순도 높은 분획(fractions)을 얻을 수 있기 때문입니다. 그리고 복잡한 혼합물에서 활성 성분을 정밀하게 분리하려는 연구자들에게는 이러한 정밀도가 결코 대체할 수 없는 강점입니다.

사례 증거: 고속 CCC를 이용한 파클리탁셀 정제가 해상도 및 회수율 측면에서 HPLC를 능가함

고속 대류상분배 크로마토그래피(HSCCC) 방법은 구조가 불안정한 항암 화합물인 파클리탁셀을 정제할 때 뚜렷한 이점을 보여준다. 파클리탁셀은 신중한 분리 과정이 필요한 불안정한 물질이다. 연구에 따르면, HSCCC 기법을 통해 약 98%의 무손상 파클리탁셀을 회수할 수 있으며, 이는 실리카 컬럼에서 화합물이 흡착되고 분해되기 쉬운 특성으로 인해 단지 약 82~85%만 회수 가능한 표준 HPLC 방법보다 우수하다. 바카틴 III 및 10-디아세틸바카틴 III와 같은 유사 화합물로부터 파클리탁셀을 분리할 경우, HSCCC는 해상도 측면에서 약 1.5배 더 뛰어난 성능을 발휘한다. 이는 주로 HSCCC가 고체 표면 상호작용이 아닌 용액상에서 작동하기 때문이며, 또 다른 주요 장점으로는 전통적인 HPLC 공정 대비 용매 사용량이 약 60% 감소하여 전체 공정의 비용 효율성이 크게 향상된다는 점이다. 구조적 무결성을 최우선으로 고려해야 하는 민감한 천연물 실험실에서는 이러한 결과들이 HSCCC가 선호되는 정제 기술임을 명확히 입증해 준다.

고체 지지체 없이 생체분자의 구조적 무결성 유지

왜 지지체가 없는 역류 분배법이 변성 및 흡착에 의한 손실을 방지하는가

대류 크로마토그래피(counter current chromatography)는 고체 상 계면을 완전히 제거함으로써 생체분자를 그대로 보존할 수 있다. 이러한 고체 상 계면은 일반적으로 변성, 응집, 그리고 분자의 흡착 및 손실과 같은 문제를 유발한다. 기존 방법들은 실리카 또는 폴리머 수지와 같은 고체 지지체에 의존하는데, 이들에는 실제로 분자의 3차 구조를 불안정하게 만드는 소수성 부위가 존재한다. 반면 액체-액체 분배법을 사용하면 단백질, 항체, 펩타이드가 전체 정제 과정 내내 용액 상태로 유지된다. 작년 네이처(Nature)에 발표된 연구에 따르면, 고체 상 기반 방법을 사용할 때 치료용 단백질의 약 38%에서 관찰되는 비가역적 변성(비가역적 풀딩) 문제가 이 방식에서는 발생하지 않는다. 회수율은 25%에서 40%까지 향상되며, 특히 효소의 활성이 그대로 유지되고, 항체는 항원 결합 능력을 충분히 보존한다. 이 기술이 특히 가치 있는 이유는 고압이 가해지지 않으며, 막힘의 원인이 되는 다공성 재료가 없고, 분자를 파괴하는 전단력(shear force)도 전혀 발생하지 않기 때문이다. 이는 단일클론항체(monoclonal antibodies) 및 다양한 펩타이드 호르몬 등 민감한 생물학적 제제에 매우 중요하다. 이들 제제는 물리적 스트레스에 극도로 민감하여 거친 취급을 견디지 못한다.

열에 민감한 생체분자 취급 시 안정성은 매우 중요합니다. 지난해 『바이오프로세싱 저널(Journal of Bioprocessing)』에 게재된 연구에 따르면, 약 45도 섭씨의 온도와 단시간 접촉만으로도 컬럼 기반 공정에서 불가역적 응집과 같은 심각한 문제가 발생할 수 있습니다. 따라서 CCC 기술은 상온 및 상압 조건에서 작동하기 때문에 두드러진 차별성을 보입니다. 이러한 장점 덕분에 많은 실험실에서 백신 항원 정제 및 다양한 재생의학 응용 분야 등에 대류식 방법으로 전환을 시작하고 있습니다. 여기서 핵심적인 평가 요소는 단순히 회수되는 물질의 양이 아니라, 처리 후에도 분자가 기능을 유지하는지 여부이며, 이는 전체 공정의 성공 여부를 결정짓는 기준입니다.

운영 비용 및 용매 소비량 감소

프렙-HPLC 대비 유기 용매 사용량 70% 감소 – E-팩터 및 친환경 제조에 미치는 영향

역류 크로마토그래피(CCC)는 전통적인 제조용 HPLC 방법에 비해 필요 유기 용매량을 약 70% 절감합니다. 이는 단순히 용매 구매 비용 절감뿐 아니라, 용매 취급과 유해 폐기물 처리에 수반되는 추가 작업 부담도 실질적으로 줄여줍니다. 용매 사용량 감소는 화학자들이 ‘환경 요인(E Factor)’이라 부르는 지표를 CCC 공정 기준 약 24로 낮춥니다. 이는 일반적인 제조용 HPLC 기술에서 관찰되는 25~100 범위보다 훨씬 우수한 수치입니다. 용매 사용량 감소는 또 다른 장점도 있습니다. 분석 시간이 단축되고, 장비 및 시스템에 가해지는 부담이 줄어들며, 정제 과정에서 발생하는 번거로운 병목 현상도 전반적으로 완화됩니다. 예를 들어, 산업 규모의 식물성 원료 추출 공정에서 제조용 HPLC로는 보통 10리터의 용매가 소요되지만, 최근 『Journal of Chromatography Comparative Analysis』에 발표된 일부 실험 결과에 따르면 CCC를 사용하면 단지 3리터만으로 동일한 작업을 수행할 수 있습니다. 이러한 모든 개선 사항은 CCC가 대규모 적용에도 경제성을 유지하면서 동시에 환경 친화성을 확보할 수 있음을 의미합니다. 그리고 솔직히 말해, 이러한 접근 방식은 현재 제약 및 영양보충제 산업 전반에서 규제 당국이 요구하는 친환경 제조 관행과 완벽하게 부합합니다.

최소한의 분석법 재최적화로 확장 가능한 생물정제

대류식 시스템(counter current systems)은 소규모 실험실 테스트(예: 1mL 또는 10mL 샘플)에서 대규모 산업용 공정(때로는 최대 1,000리터에 이르기까지)으로의 확장 과정을 매우 간단하게 만들어 주며, 거의 추가 조정이 필요하지 않습니다. 이 마법 같은 일관성은 컬럼의 형상, 충전 밀도, 유속 등과 같은 물리적 요인에 의존하지 않고, 기본적인 분배 열역학(partition thermodynamics)에 기반하기 때문에 가능합니다. 실무적으로 이는 연구자들이 미세한 장비에서 거대한 장비에 이르기까지 동일한 용매와 유량 비율을 그대로 사용할 수 있음을 의미합니다. 실제로 많은 실험실에서는 1리터 규모의 설정에서 바로 1,000리터 규모로 공정을 이전하면서도 상비율(phase ratios), 회전 속도, 그리고 누구나 신경 쓰는 그라디언트 프로파일(gradient profiles)을 전혀 변경하지 않습니다. 이러한 일관성은 기업이 공정 검증에 보통 소요되는 시간의 약 절반을 절약할 수 있게 하며, 고비용의 재개발 단계를 피할 수 있도록 합니다. 복잡한 생물의약품, 백신, 심지어 식물 기반 의약품을 제조하는 관계자들에게는 이러한 신속한 스케일업 능력이 환자에게 제품을 더 빨리 공급할 수 있게 하고, 시장 진입 시 리스크를 줄이는 데 결정적인 역할을 합니다. 따라서 대류 크로마토그래피(counter current chromatography)는 현대 바이오정제 기술을 진지하게 다루는 모든 이들에게 매우 중요한 도구가 되었습니다.