의약용 진공 동결건조기의 자동제어 = Automatic control of pharmaceutical vacuum freeze dryer

국문 초록 (Abstract)

진공동결건조공정은 의약품의 제조 및 건조와 관련한 의약품 산업 그리고 고품질 식품과 관련한 식품산업 등 다양한 분야에 적용되고 있다. 이 공정은 승화의 원리에 입각한 건조공정으로서 피건조물은 다른 건조방식에 의한 건조물에 비해 열변성에 안정하고 다공성에 의한 우수한 복원성 등의 효과를 얻을 수 있다. 이 같은 필요성에도 불구하고 공정기술은 피건조물의 품질을 더욱 좋게 만들어야 한다는 점과 건조기의 작동 중에 소모되는 에너지의 절감 차원에서 개선되어야 할 것이다.
본 연구에서 개발된 새로운 제어 알고리즘에서는 건조공정 시간을 단축시켰으며 가나마이신의 건조공정에서 장해요소인 collapse현상을 규명하여 이를 방지하였다. 개발된 알고리즘에서 주로 고려한 두 가지 논리는 다음과 같다. 첫째로 승화경계면의 온도는 가나마이신의 공융점 이하로 유지되어야 한다. 또한 둘째로 피건조물의 온도 변화는 건조기의 선반온도의 변화보다 크지 않아야 한다. 첫 번째 논리는 제어에 적합하도록 수치적으로 확정하였으며 두 번째 논리는 이와 관계된 기존의 이론들을 이용하였다. 건조된 물질의 품질을 확인하기 위해 물리적인 성질과 화학적인 성질로 나누어 실험하였다. 먼저 물리적인 성질은 미세구조를 관찰하였고, 재수화를 통한 용해도를 측정하였으며 화학적인 성질 즉 약리효과를 살피기 위해서는 미생물에 의한 항균/항생능력 등을 검토하여야 하나 가나마이신의 경우 흡광도 측정이 미생물에 의한 실험결과와 별반 차이가 없다는 기존의 연구에 의거하여 흡광도 측정을 시행하였다.
이에 사용한 시료는 크게 네 가지의 알고리즘에 의한 결과물로서 caseⅠ은 선반목표온도를 공융점 이상으로 삼았을 경우이고, caseⅡ는 목표온도를 공융점 이하로 삼았을 경우이며 caseⅢ과 Ⅳ는 목표 온도를 본 연구에서 개발한 새로운 알고리즘에 의거한 경우이며 caseⅤ와 Ⅵ는 앞의 경우보다 제한요소를 주었을 경우이다. 실험결과, 경제적인 면을 고려하지 않을 경우에는 물성이 가장 우수한 것이 caseⅡ로 나타났으나 건조시간 및 생산비용 등을 고려할 경우에는 caseⅢ, Ⅳ의 경우도 적합함을 확인할 수 있었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Freeze drying is being applied in the wide range of pharmaceutical and food industries. It is a process to dry the substances by sublimation, thus providing thermal stabilities, instant wetting, intact porosity, etc. In spite of its necessities, the technology is still needed to improve to the level to which it ensures the qualities of the dried products and energy saving in operation of the drier.
A new control algorithm was developed to reduce drying time, ensuring that the collapse of kanamycin, which obstructs the drying process,, is prevented. Two key logics used in the algorithm are as follows. First, the sublimation interface temperature should be below the eutectic temperature of kanamycin and second, the magnitude of temperature changes of the substance should never be exceeded that of the shelf of the dryer. The first logic was mathematically proved to be suitable for the control, and the suitability of the second logic was derived from reviewing the existing theories related. The qualities of the dried materials were determined in terms of micro structure, solubility in water and medicine effects. Four cases studies were tried to evince the propriety of the algorithm. Case Ⅱ was the best in the qualities of dried kanamycin without considering the drying time.

목차 (Table of Contents)

• 목차 = ⅳ
• 국문요약 = ⅱ
• 1. 서론 = 1
• 2. 문헌고찰 = 5
• 가. 서론 = 5
• 나. 동결건조의 발달 = 9
• 다. 동결건조의 원리 = 10
• 1) 동결 = 11
• 가) 결정화(Crystallization) = 11
• 나) 유리전이(Glass transition) = 12
• 다) 재결정화(Re-crystallization), Annealing = 15
• 2) 1차 건조 = 16
• 3) 2차 건조 = 16
• 라. 동결 건조기의 구성 원리 = 17
• 1) 장비의 원리 = 17
• 2) Stoppering 시스템 = 19
• 3) 냉각 시스템 = 20
• 가) 순환 유체의 선택 = 20
• 4) 진공 시스템 = 22
• 5) 제어 시스템 = 22
• 가) 프로그램형 논리제어기(Programmable Logic Controller, PLC) = 23
• 마. 자동화 = 24
• 바. 인공지능(AI ; artificial intelligence) = 25
• 1) 인공지능의 정의 = 25
• 2) 인공지능의 응용분야 = 26
• 가) 자연언어의 이해 = 27
• 나) 정리의 증명 = 28
• 다) 패턴인식 = 28
• 라) 정보의 기억과 검색 = 29
• 마) 전문가 시스템 = 29
• 바) 로보틱스와 컴퓨터 영상인식 = 30
• 사) 자동화 프로그램 = 31
• 아) 제5세대 컴퓨터 = 32
• 자) 유형인식 문제 = 32
• 차) 신경망 = 33
• 카) 컴퓨터 비전 = 34
• 3. 재료 및 방법 = 35
• 가. 실험재료 = 35
• 나. 동결건조 장치 = 36
• 1) 동결건조 시스템의 구성 = 36
• 2) 제어기(Controller) 제원 = 40
• 가) 통신모듈 = 40
• (1) 데이터 전송 방식 = 40
• (2) 비동기방식 = 40
• (3) 프레임(Frame) 형태 = 41
• 나) A/D 모듈 = 44
• 다) D/A 모듈 = 44
• 라) 온도 모듈 = 45
• 다. 동결건조기 자동제어를 위한 소프트웨어의 구성 = 46
• 1) PLC의 데이터 수집 = 46
• 2) PLC의 제어 출력 = 46
• 3) PC와 PLC의 통신 = 48
• 가) 송수신 프레임 정리 = 49
• 나) 프레임 편집기로 송수선 프레임 작성 = 49
• 다) 송수신 프레임 Cnet 모듈로 다운로드 후 동작 런 = 50
• 라) 통신프로그램 다운로드 = 50
• 마) PC에서 PLC로의 명령수행 요구 = 50
• 4) PC 시스템과 프로그래밍 = 51
• 라. 동결건조기 자동제어를 위한 하드웨어 구성 = 51
• 1) Controller = 51
• 2) 계측과 제어부 = 53
• 가) 온도측정 = 53
• 나) 압력측정 = 53
• 다) 제어부의 구성 = 53
• 마. 공융온도 측정 = 54
• 바. 동결건조기 자동제어를 위한 소프트웨어의 구성 = 54
• 1) 자동제어 알고리즘(algorithm) = 54
• 가) 주요 건조 메카니즘 = 55
• 나) 각 알고리즘에 따른 동결건조 = 57
• 바. 미세구조 관찰 = 57
• 사. 용해도 측정 = 57
• 아. 안정성 평가 = 58
• (1) 화학적 검사 방법(spectrophotometric assay) = 59
• (가) Buffer 용액 제조 = 59
• (나) Acetylacetone-formaldehyde 용액 제조 = 60
• (다) 분광광도 측정 = 60
• 4. 결과 및 고찰 = 61
• 가. 진공동결건조기 자동제어를 위한 하드웨어 및 소프트웨어 = 61
• 1) 하드웨어 = 61
• 2) 소프트웨어 = 64
• 가) PLC = 64
• 나) PC = 64
• 나. 선반온도의 PI 제어 = 69
• 1) P값의 효과 = 74
• 2) I값의 효과 = 76
• 3) P-I값 조합의 효과 = 78
• 다. 공융점이 품질에 미치는 영향 = 82
• 1) 동결곡선에 의한 공융점 측정 = 82
• 2) DSC에 의한 공융점 측정 = 84
• 3) 공융점이 피건조물의 품질에 미치는 영향 = 88
• 마. 인공지능제어 = 96
• 1) 다단계 제어 = 96
• 2) 인공지능 제어 알고리즘 = 99
• 가) 선반과 피건조물의 온도 거동 = 99
• 나) 제어 알고리즘 = 103
• 3) 지식기반 제어의 성능평가 = 105
• 4) 제어방식에 따른 용해도 측정 = 119
• 가) 용해도 = 119
• 5) 안정성 평가 = 128
• 가) 가나마이신의 표준곡선 = 128
• 나) 각 case에 따른 가나마이신의 안정성 = 128
• 5. 결론 = 132
• 6. 참고문헌 = 134
• Abstract = 147