영진코퍼레이션

[1] Peshkovsky, S.L., Peshkovsky, A.S., High capacity ultrasonic reactor system.
Industrial Sonomechanics, LLC, U.S. Patent No.: 8,651,230 (2014),
International Application No.: PCT/US2008/068697 (2008).

[2] Peshkovsky, A.S., Peshkovsky, S.L., and Bystryak, S.,
Scalable high-power ultrasonic technology for the production of translucent
nanoemulsions. Chem. Eng. Process., 2013, 69: p. 77-82.

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Background

의료용 대마 추출물이란, 마약으로 분류되는 대마에서 환각효과가 없는 CBD (cannabidiol) 만을 추출하여 뇌전증, 자폐증, 치매 등 난치병 환자에게 의료목적으로 투여하는 의약품이다. CBD(cannabidiol)은 뇌전증 치료 효과가 뛰어난 신약성분으로서, 우리나라에서도 2018년 11월 23일에 ‘마약류 관리에 관한 법률 일부개정법률안’ 이 국회 본회의를 통과하며 합법화되었다.

이 개정안은 현재 공무 또는 학술연구 목적으로만 사용할 수 있는 대마를 일반인이 의료 목적으로도 사용할 수 있도록 허용하는 것을 주요 골자로 하고 있다.

의료용 대마 추출물 (CBD, cannabidiol) 은 물에 녹지 않는 불용성 성분으로 생체 내에서 소화 및 흡수율 (생체 이용율, bioavailability) 이 6~20% 로 매우 낮다. 따라서 CBD 를 치료에 사용하더라도 기대하는 수준의 치료 효과가 나타나지 않는 한계가 있다. 이러한 낮은 생체이용율 값은 emulsion 화 과정을 통해 매우 높은 값 (exceptionally high bioavailability) 으로 조정할 수 있다.

Emulsion 은 서로 섞이지 않는 물과 기름이 균일하게 분산된 분산액으로 이를 통해 불용성 성분이 물에 녹는 성질 (water-compatible) 을 가지게 된다. 따라서 불용성 성분이 생체 내에서 흡수되는 효과가 증가한다.

일반적인 emulsion 의 경우, 분산 직후에는 분산 system 이 안정하게 유지되다가 시간의 흐름에 따라 점차 원래의 상태로 되돌아가려는 demixing 현상에 의해 물과 기름으로 분리된다.

이렇게 층분리가 쉽게 나타나는 emulsion 은 상품으로서의 가치가 없다. 이러한 현상은 emulsion 내 droplet size, 분산 기술, 분산제의 종류에 의해 억제할 수 있다. 특히, droplet size 가 100 nm 이하인 nanoemulsion 을 제조하면 demixing 현상이 수개월에서 수년까지 연장될 뿐만 아니라 CBD 의 생체이용율을 50~75% 으로 증가시켜 고품질의 제품을 얻을 수 있다.

1. Why ISM’s Barbell Horn Ultrasonic Technology?

CBD nanoemulsion 의 제조에 초음파 분산장비를 사용하는 이유는 droplet 이 100 nm 이하 크기로 되기까지 필요한 shear force, impact energy, cavitation energy 를 충분히 공급할 수 있기 때문이다. 그 중 cavitation energy 는 초음파 분산 결과에 가장 큰 영향을 미치는 요소이다. Cavitation 현상은 probe 의 끝에서 발생하는 진동의 진동폭 즉, amplitude 와 비례하여 발생하고, amplitude 의 크기가 클수록 더 큰 에너지가 발생하여 나노 수준의 매우 작은 입자를 가진 제품을 생산할 수 있다.

그러나 초음파 분산장비는 다음의 이유로 대량 생산에 적합하지 않다.

-	Probe 직경 증가 시 amplitude 감소 : 처리 용량 증가 시 처리 에너지가 감소되어 소용량에서 확인한 분산효과를 대용량에서 기대할 수 없다.

-	Transducer 냉각장치가 공냉식으로 장시간 처리 시 장비에 무리를 준다

초음파 분산장비의 한계는 Sonomechanics 사에서 개발한 특수한 기술로 극복되었고 (아래), 이 기술은 총 3개의 미국 특허를 보유하고 있다.

[특허 1] 고출력 초음파 probe

1.	직경 45 mm 의 대용량 probe 를 사용하고도 amplitude 가 100 um 로 유지되어 대용량 처리 시에도 고출력의 초음파 에너지를 안정하게 공급하는 세계 최초의 기술

2.	probe 의 상하 방향으로 2개의 cavitation zone 발생 (그림) 하여 물질을 분산.유화 시키므로 기존에 하나의 cavitation zone 을 이용할 때보다 짧은 시간에 더 많은 양의 product 를 처리 가능

[특허 2] 수냉식 transducer : 장시간 운전 가능, 방폭 환경에서 사용 가능

[특허 3] flow cell : 초음파 처리 면적에 정밀하게 맞춘 구조로 대용량 처리에도 불구하고
균일한 초음파 에너지 처리 가능

Sonomechanics 사 고출력 초음파 장비는 위 3가지 특허 기술을 통해 최대 3,000 L/h 의 대용량 처리가 가능하다. 고출력 초음파 probe 는 기존 초음파 probe 의 직경이 25 mm 인 것에 비해 매우 큰 45 mm 직경에서 100 um의 고출력 초음파 에너지를 안정하게 공급하도록 세계 최초의 대량생산용 초음파 분산장비에 사용되었다. 또한 수냉식 transducer 를 사용하여 장시간 운전이 가능하고, 방폭 환경에서도 사용이 가능하다.

이 연구에서는 Sonomechanics 사 고출력 초음파 장비를 이용하여 CBD nanoemulsion 제조 방법을 최적화한 후, pilot scale 로 scale up 하여 고품질의 CBD nanoemulsion 의 대량 생산이 가능한 지 확인하였다.

2. Materials

- Terpene Rich Hemp Oil Concentrate (55 % CBD) supplied by CBD American Shaman
- Olive oil
- 유화제
1. 합성 유화제 : Tween 80 및 Span 80 (Sigma Aldrich, St. Louis, MO)
2. 자연유래 유화제 : Quillaja Saponin (Q-Naturale, HLB = 13.5) supplied by Inquredion
(Bridgewater, NJ)

3. Experimental conditions

이 연구에서는 실험실 및 파일럿 규모의 고출력 초음파 장비를 사용하여 scale up 을 진행하였고, 분산 후 0.45 um 필터를 사용하였다. 시험 조건은 다음과 같다.

Scale	Laboratory	Pilot
Model	LSP-500	BSP-1200
Probe diameter (mm)	12.7	35
Amplitude (um)	90	90
Volume of sample (mL)	25	6,000

4. Formulation Optimization

CBD nanoemulsion 을 가장 효과적이고, 효율적으로 생산하기 위해 실험용 초음파장비 (LSP-500) 를 사용하여 CBD nanoemulsion 의 조성 및 처리 조건을 최적화하였다.

Step 1. Required HLB Screening and Adjustment.

일반적으로 emulsion 은 기름 성분의 분산상 (dispersed phase) 과 물 성분의 연속상 (continuous phase) 의 2개의 상이 균일하게 분산된 용액이며, 기름 성분을 물에 안정하게 분산하기 위해 유화제를 사용한다.

HLB (Hydrophilic Lipophilic Balance) 란 유화제에서 친수성이 차지하는 비율과 불용성이 차지하는 비율을 0~20 까지 수치화한 값으로 수용성 유화제는 HLB 가 높고, 불용성 유화제는 HLB 가 낮다. 특정 유화제가 기름과 물의 경계면에서 작용할 때 각 물질에 더 높은 친화도를 가지고 droplet 을 형성한다면, 매우 작은 크기의 droplet 도 안정하게 유지된다. 따라서 분산안정성이 높은 emulsion 을 제조하기 위해서는 유화제의 HLB 값과 용액의 분산상 및 연속상의 특성 확인이 중요하다.

이 실험에서는 자연유래 유화제와 합성 유화제를 사용하여 만든 emulsion 을 비교하였고, 이를 위해 각 유화제의 HLB 값과 용액의 분산상 및 연속상의 특성에 따라 변화하는 droplet 의 크기를 확인하였다. 자연유래 유화제인 Quillaja Saponin 의 HLB 값은 13.5 이며, 합성 유화제는 두가지 성분 (Tween 80, Span 80) 을 혼합하여 사용하므로 HLB screening procedure 를 통해 사용 비율의 최적화가 필요하다 [2].

Fig. 1 은 분산액에 사용한 합성 유화제 Tween 80 및 Span 80 를 서로 다른 비율로 조제하여 8가지의 서로다른 HLB 값을 가지도록 한 후 분산 후 형성된 droplet 크기를 확인한 결과이다. 또한, 용매로 사용한 올리브 오일의 불용성 정도에 따라 유화제와의 친화도가 변화되므로 올리브 오일의 농도가 3.6 및 7.2% 일 때의 변화를 확인하였다

Figure 1. Screening for the Required HLB value of the hemp oil concentrate in olive oil.
The following concentrations were constant: total surfactant (Tween 80 + Span 80) = 4.5 %,
hemp oil concentrate = 5.4 %. Olive oil concentrations were 3.6 % (red line) and 7.2 % (blue line).

올리브 오일 농도가 3.6%일 때의 최저 평균 입도 (d50=140 nm) 는 HLB 가 약 12일 때 확인되었고, 7.2%올리브 오일을 사용했을 때에는 HLB 12~15 로 더 넓은 구간동안 확인되었다.

Quillaja Saponin 의 HLB 값인 13.5 를 포함하는 7.2% 올리브 오일을 사용하는 것이 두가지 종류의 유화제를 비교하기에 유리한 것을 확인하였다.

Step 2. Carrier oil 농도 최적화

Step 1 에서 최적의 합성 유화제 HLB 값 및 올리브 오일 농도를 확인하였다. Step 2 에서는 자연유래 유화제인 Quillaja Saponin 을 사용하여 제조한 분산액의 올리브 오일 농도에 따른 입도 변화를 확인하였다 (Fig. 2).

Figure 2. The effect of olive oil concentration on the median droplet size (d50).
The following concentrations were constant: Quillaja Saponin from Q-Naturale = 4.5 %
(based on 14 % Saponin content in Q-Naturale, HLB = 13.5), hemp oil concentrate = 5.4%..

그 결과, 올리브 오일의 농도가 약 4~10.5% 구간에서 가장 낮은 입도 (d50=110 nm) 가 나타나 step 1 에서 확인한 7.2% 의 농도 조건의 적용이 가능하였다. 따라서 7.2% 를 최적의 조건으로 설정하였다.

Step 3. Quillaja saponin 농도 최적화

Step 2 에서 사용한 Quillaja saponin 의 첨가량은 4.5% 로 비교적 많은 양이 사용되었으나, 최소량의 유화제만 사용하여 emulsion 을 제조하도록 Step 3 에서 Quillaja saponin 의 최적의 사용량을 확인하였다.

Figure 3. The effect of Quillaja Saponin concentration on the median droplet size (d50).
The following concentrations were constant: hemp oil concentrate = 5.4 %, olive oil = 7.2 %.

Quillaja saponin 의 첨가량이 3% 일 때부터 최소 입도 (d50=110 nm) 에 도달하였고, Quillaja saponin 의 농도를 증가시키더라도 더 이상 입도가 감소하지 않음을 확인하였다.

5. Final formulation

3단계의 step 을 통해 확인한 최적의 CBD nanoemulsion 제조 비율은 다음과 같다.
- Terpene Rich Hemp Oil Conc. (55% CBD) : 5.4% (CBD 농도= 3% or 30 mg/ml).
- Olive oil : 7.2%.
- Quillaja Saponin* : 3%
- Water : 91.6% (18.4% coming from Q-Naturale).

Quillaja saponin은 자연유래 유화제로서 널리 사용되나, 제품에 강한 쓴맛을 준다. NanostabilizerTM 는 자연유래 유화제로 구성되어 FDA 인정 식품첨가 안전물질 (GRAS; Generally recognized as safe) 로써 Quillaja saponin 의 대체 시 제품의 맛에 영향을 주지 않고, 최대 20~40 nm의 초미세 nanoemulsion 제조까지 가능한 강력한 유화력을 제공한다.

6. Scale-up Production Phase

위 Formulation Optimization 에서 실험실 규모 초음파 장비 (LSP-500) 를 사용하여 CBD nanoemulsion 의 제조 비율을 최적화하였다. 이를 토대로 파일럿 규모 고출력 초음파 분산장비 (BSP-1200) 를 사용하여 scale-up 하였고, 동일한 조건에서 19.2 배 더 많은 양을 처리하고도 평균 입도 (d50) 110 nm 의 고품질의 CBD nanoemulsion 이 제조됨을 확인하였다.

고품질의 CBD nanoemulsion 은 평균 입도가 매우 작기 때문에 다음의 효과를 얻을 수 있다.

- 불용성의 CBD 성분의 생체이용률 (bioavailability) 이 대폭 증가하여, 치료 효과가 높다.
- 분산안정성이 매우 높은 이유로 유통기한이 길다.
- 분산안정성이 높으므로 물, 로션 등에 첨가하더라도 치료 효과가 안정하게 유지된다.

이 연구에서 확인했듯이 Sonomechanics 사 고출력 초음파 장비는 고유의 특허 기술을 통해 개발한 고출력 초음파 probe 를 사용하여 소용량에서 확인한 결과를 대용량에서 동일하게 얻을 수 있다. (자세한 설명은 1. Why ISM’s Barbell Horn Ultrasonic Technology 참고)