[기술정보] 연구실용 반응기, 어떻게 설계해야 할까요?

관리자
2023-11-09
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(주)플로켐 Newsletter│OCT 2023

연구실용 반응기, 어떻게 설계해야 할까요?


안녕하세요, 이화학 연구 솔루션 전문 기업인 (주)플로켐 입니다. (주)플로켐은 매주 마지막주 화요일, 고객 여러분들께 도움이 될 수 있는 기술 정보를 정리하여 뉴스레터로 보내드리고 있습니다. 이번달 주제는 연구실용 반응기로, 연구에 딱 맞는 반응기를 어떻게 설계하고 구성해야 하는지 실제 사례를 기반으로 살펴보고자 합니다.

어떤 실험실에서든 반응기는 화학 연구 및 개발의 초석입니다. 반응기는 연구실에서 활용하는 기초단계의 소량 시스템부터 Pilot 스케일, 더 나아가 생산까지 모든 프로세스를 아우르는 장비로, 실험 절차의 재현성, 안전성 및 효율성이 매우 중요합니다. 반응기의 재질, 디자인, 기능 등 다양한 측면에서 연구에 적합한 반응기를 어떻게 설계할 수 있는지 자세히 살펴봅니다.


1 / Requirement 정립


실험실에서 진행하는 반응에 있어서 전체적인 연구의 Requirement를 분명하게 파악하는 것이 가장 중요합니다. 아래 내용에 대해 생각해보시면 진행하시고자 하는 반응을 이해하는데 도움이 될 것입니다.

  • 반응 유형 : 예발열 반응, 흡열 반응 등 각 반응의 유형을 파악해야 합니다.
  • 온도 범위 : 온도 제어의 정확성과 안전성은 반응 결과에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 필요한 용량의 온도 조절을 충분히 할 수 있도록 설계가 필요합니다.
  • 반응량 : 반응기의 크기는 반응물 및 생성물의 부피에 비례해야 하며, 교반에 필요한 공간을 확보해야 합니다.
  • 화학적 호환성 : 반응기의 재료가 사용되는 화학 물질에 반응하지 않도록 하는 것이 중요하며, 모든 Seal과 연결부의 내화학성을 확인하여 보다 오래 사용할 수 있는지 검토해야 합니다.

2 / 재질 선택


실험실 반응기의 재질 선택은 매우 중요합니다. 유리와 폴리머가 일반적이지만 반응의 성격과 활용되는 화학 물질에 따라 재질을 선택하는 것이 중요합니다.

  • 유리 : 투명성과 내화학성으로 인해 유기 합성시 선호되는 재질입니다.
  • 폴리머 : 내식성 또는 특정 화학적 호환성이 필요할 때 자주 사용됩니다.
  • 맞춤형 PTFE 반응기 - 맞춤형 PTFE 용기 : PTFE 재질은 Seal이나 부속품에서도 많이 사용되며, 특수한 경우에 주문 제작 할 수도 있습니다.


반응기 자체의 재질 뿐만 아니라, Seal 및 O-ring 등 다양한 부품의 재질 선택도 중요합니다. 물질의 누출 및 유출을 방지하려면 올바른 O-Ring 및 커넥터의 사양이 필수적입니다.


3 / 반응기 설계


설계 단계는 반응기가 형태를 갖추기 시작하는 단계입니다. 제조업체 또는 전문 엔지니어링 팀과 협력하면 특정 요구 사항에 맞게 반응기를 맞춤화하는 데 도움이 될 수 있습니다. 주요 고려 사항은 다음과 같습니다.

  • 반응기 모양 및 크기 : 반응기 모양은 믹싱 및 열 전달에 영향을 미칩니다. 일반적인 모양에는 원통형, 스쿼틀 및 구형이 포함되지만 일부 제조업체는 완전 맞춤형 유리 제품을 제공합니다.
  • 구성 : Inlet 및 Outlet, 드레인, 커넥터 등 세부 사항을 살펴보아야 합니다. 반응기 커버 구성도 신중하게 고려해야 합니다.
  • 통합 기능 : 온도 제어, 혼합, 샘플링 및 추가 포트, 자동화 소프트웨어 등이 있습니다.

4 / 사용자에 최적화된 기능


실험실 반응기에 전체적인 제어 시스템을 통합하면 연구를 훨씬 더 간편하고 안전하게 진행할 수 있습니다. 모니터링 시스템과 결합된 자동 온도 제어 및 추가 제어 기능을 통해 운영에 필요한 시간과 노력을 간소화할 수 있습니다. 또한 데이터 수집 및 제어를 위한 소프트웨어와 하드웨어를 통합하면 실시간으로 데이터를 수집하여 반응의 효율성을 높이고 결과를 향상시킬 수 있습니다.


5 / 제조 및 조립: 정밀도가 핵심입니다


설계가 완료되면 제어되는 실험실 반응기가 제조 단계에 들어갑니다. 여기에는 자격을 갖추고 경험이 풍부한 기술자의 세심한 프로세스가 포함됩니다. 산업 표준과 엄격한 품질 관리 조치를 준수하면 반응기의 수명과 신뢰성이 보장됩니다.


6 / 테스트 및 검증


반응기 사용 전에 반드시 엄격한 테스트를 통해 아래 사항을 확인해야 합니다.

  • 온도 제어 : 반응기가 지정된 범위 내에서 작동하는지 확인합니다.
  • 효율성 : 최적의 반응 결과를 위해 반응물의 균일한 혼합을 보장합니다.
  • 유지 관리 및 안전 : 정기적인 검사, 세척, 안전 프로토콜 준수가 필수적입니다. 화학 물질 취급, 반응기 작동, 적절한 주기의 Seal, 부품 교체 및 잠재적 위험 해결에 대한 지침이 포함됩니다.

7 / 실제 사례 - Almac Science, UK


Almac Group의 계열사인 영국 Almac Science는 고급 중간체 및 활성 의약품 성분(API) 개발을 위한 통합 서비스를 제공하는 신뢰할 수 있는 기업입니다. 50년 이상의 경험을 바탕으로 Almac Science는 기술 전문성, 광범위한 시설, 혁신적인 솔루션으로 업계에서 명성을 쌓아왔습니다.

Richard Ward, Principal Chemist at Almac Sciences with the Asynt ReactoMate ATOM lab reactors and Julabo temperature control solutions.

효율적인 확장 프로세스의 중요성을 인식한 Almac Science는 초기에 Asynt와 협력하여 250mL~1,000mL 범위의 벤치탑 규모 실험실 반응기를 도입했습니다. Almac Science의 수석 화학자 Richard Ward는 다음과 같이 설명합니다.


“Asynt가 설계하고 공급한 소규모 맞춤형 실험실 반응기를 모델링 소프트웨어와 결합하면, 제조 단계로 확장하기 전에 프로세스를 시뮬레이션하고 검증할 수 있습니다. 이러한 접근 방식은 시간과 비용을 절약할 뿐만 아니라 확장된 프로세스의 제조 성공에 대한 자신감도 높여줍니다.”

연구용 유리반응 시스템 도입 이후, Almac Science는 10~20L 범위의 더 큰 맞춤형 실험실 반응기를 도입하였습니다. 이 Pilot Sclae 반응 시스템을 통해 Almac Science는 수백 개의 반응기에서 대규모 반응을 수행할 수 있었습니다.


“Asynt가 제공하는 대형 맞춤형 반응기를 통해 재결정화 및 공기/수분에 민감한 유기 금속 시약 처리 등 광범위한 작업을 수행할 수 있습니다. Asynt 반응기와 Julabo 온도 제어 장치의 조합을 활용하여 확장 전에 프로세스를 모델링하고 개선하여 궁극적으로 실험실에서 더 큰 규모로 생산할 수 있게 되었습니다."


실험실 운영을 더욱 최적화하기 위해 Almac Science는 더 큰 용량의 실험실 반응기(5, 10 및 20L)를 도입하는데 Asynt의 ReactoMate ATOM 스탠드를 선택했습니다. 사용자 친화적인 시스템을 통해 반응기 높이를 쉽게 조정할 수 있어 고형물 충전 시 향상된 안전성과 편의성을 제공합니다.


오늘 소개해드린 반응 시스템은 국내 다양한 제약사, 국가기관 부설 연구소 등에 납품되어 그 품질과 효율성을 입증받았습니다. (주)플로켐은 영국 Asynt사의 공식 대리점으로, 우수한 품질의 반응 시스템을 고객 여러분께 소개해드리고 있습니다. 유리반응기 뿐만 아니라 Flow Reactor, 광반응기, 멀티반응기 등 다양한 반응 시스템과 관련하여 궁금하신 부분이 있으시다면, (주)플로켐으로 문의주세요.

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