소형 UPLC 장치 - 분석 실험실에서의 생산성 향상을 위한 솔루션

Haydonekerk

가격압력과 치열한 경쟁 그리고 엄격한 규제 요구 때문에, 빠른 성장과 심한 규제 속에 있는 과학자와 연구원이 돌파구를 찾는 데 어려움을 겪는다. 해당 분야로는 제약, 생명과학, 생화학, 산업 그리고 환경산업 등이 포함된다.

기업이 성공하는 데 있어 과학 실험실에서의 생산성 향상이 무엇보다 중요해졌다. 고성능 액체 크로마토그래피 장비(chromatography instruments), 질량 분석기(mass spectrometers), 열분해기 및 레올 로지 장비 (rheology instruments)의 선두 제조업체 Waters(Waters Corporation)는 이를 인지하고 있다. 그뿐만 아니라 전 세계 도처에 있는 분석 실험실의 주요 공급업체로서, Waters는 혁신적인 솔루션을 제공하며 고객이 화학적 분석 비결을 잘 이해할 수 있도록 노력하고 있다.

분리 과학(Separation Science)에서 새로운 범주의 창조

Waters의 명성은 분리 과학의 범주인 ACQUITY Ultra Performance Liquid Chromatography™(UPLC)의 출시로 인해 두드러졌다. UPLC는 널리 인정되는 화학 분리 기술 HPLC(High Performance Liquid Chromatography)에 비해 획기적인 개선점을 보였으며, 증가된 해상도와 민감도 및 속도를 제공함으로써 생산성을 크게 향상했다.

새로운 시스템은 1.7미크론 입자의 힘을 사용해서 HPLC 장비보다 9배 높은 처리량, 3배 높은 루틴 감도(routine sensitivity), 2배 큰 분해능 또는 피크 용량을 제공한다.

이 외에도 UPLC 프로세스는 분석 프로세스에서 샘플 당 시간과 비용을 줄여준다. Waters의 UPLC 시스템은 각 샘플을 분석하는 데 1분이 아닌 최소 분석 시간을 15초로 단축한다. 샘플 당 75%의 시간 감소는 실험실에서 분석한 수백만 개의 샘플 수를 곱했을 때, 극적인 시간 절약과 프로세스 개선의 결과를 가져온다.
 

설계 과제 : 적은 면적으로 높은 성능 달성

ACQUITY 시스템의 성능이 제품을 개발한 Waters의 엔지니어에게 유일한 설계기준은 아니었다. 경영진은 전통적인 HPLC 시스템보다 훨씬 작은 설치공간을 제공하고, 실험실의 벤치 공간을 적게 차지하는 시스템을 구상했다. 소형 풋 프린트는 사용자가 다양한 모듈을 쉽게 쌓고 정리할 수 있어야 한다. Waters의 엔지니어는 완성된 기본 시스템으로써 샘플 매니저와 UPLC 탐지기 및 고압 펌프 등으로 구성되기를 바랐다. 대용량 샘플 구성 도우미를 포함한 몇 가지 업그레이드도 제공될 것이다.

목표를 달성하기 위해서는 샘플 플레이트 21개를 추가로 보유한 메인 장치와, 옵션 모듈의 더 작은 내부 구성 부품을 사용해야 했다.

Waters의 ULPC 프로젝트 수석 엔지니어인 Ken Plant에 따르면, 처음에는 약 8년 전에 개발한 메커니즘의 변형인 수제 솔루션을 고안했다. 솔루션은 Z회전 운동을 대체할 XYZ 운동을 만들었고, 구형 모델에서 지원이 잘됐다.

그러나 기성품인 풀리와 벨트 시스템으로는 원하는 소형 풋 프린트에 끼우는 게 간단하지 않았다.

솔루션 : Haydon Kerk에서 맞춤형 모션 컨트롤

Ken Plant의 동료는 자동화 업계에 일했을 때 Haydon Kerk Motion 회사와 같이 일한 적이 있으며, Haydon Kerk이 메커니즘에 대한 소형화와 신용을 바탕으로 최적의 조합을 제공할 수 있을 것이라고 했다.

Haydon Kerk는 Waters의 엔지니어에게 샘플 매니저(sample manager)를 생산할 수 있는 구성 요소를 제시했다. 이는 UPLC 시스템의 핵심 요소로써 회사의 축소된 요구 사항을 충족하고 향상된 속도와 성능을 제공해야 한다.

Plant는 “Haydon Kerk은 최고의 성능데이터 세트를 보유하고 있었습니다. 다른 공급 업체가 기성품을 판매하는 동안 Haydon Kerk의 맞춤형 제품은 고객의 요구에 대응할 수 있는 맞춤형과 유연성을 허용했습니다. 우리는 Haydon Kerk이 엔지니어와 협력해서 구성 요소를 정의하고 시스템에 통합할 수 있다는 점이 인상 깊었습니다.”라고 전했다.

Haydon Kerk의 애플리케이션 엔지니어는 “Haydon Kerk는 혁신적인 솔루션을 제공하는 것에 자부심을 갖고 있습니다. Waters는 제품과 자원을 효과적으로 활용했으며 어려운 설계 과제에 대한 주목할 만한 솔루션을 얻었습니다.”라고 말했다.

Haydon Kerk 구성 요소는 샘플 매니저 내에서 XYZ 로봇 메커니즘을 구동하는 데 사용된다. 메커니즘은 각 샘플 플레이트에서 액체 샘플을 채취하는 바늘을 지탱한다.

ACQUITY 암(arm)은 X 및 Y 이동을 달성하기 위해 Kerk ¼-inch 리드 스크루와 두 개의 특수 Kerk 너트를 통합했으며, Z모션은 Kerk 스플라인축 두 개와 스플라인 부싱을 통해 수행됐다.

선택적인 샘플 도우미에는, ½-인치 리드 스크루와 앤티-백래시 너트를 사용해 Z축 모션을 생성했다. 따라서 로봇 머신은 21개의 샘플 플레이트를 샘플 매니저가 원하는 곳으로 운반할 수 있다.

스플라인 샤프트는 서로 평행하게 움직인다. 맞춤 스플라인 부싱이 특징이고 두 축의 구동축을 위한 구동 메커니즘을 제공한다. 제품은 육각 샤프트 또는 사각 샤프트가 사용되는 애플리케이션을 위한 훌륭한 대안이다

(Waters의 기존 메커니즘에는 사각 샤프트가 사용됨). 어셈블리는 Kerkite? 복합 폴리머 부싱과 결합된 Haydon Kerk의 경량 합금강 스플라인 샤프트를 사용한다. 샤프트는 독점적인 저 마찰 Kerkote TFE 코팅으로 처리됐다.

Ken Plant의 말에 따르면, Haydon Kerk의 제품은 매우 긴 마모 수명을 제공한다. 이는 크로마토 그래피 시스템이 매우 높은 수준의 신뢰성에서 작동해야 하므로 중요한 고려사항이다. 지속적인 가동 시간은 고객에게 매우 중요하다.

결과 : 소형 패키지 최적 조합

UPLC의 출시는 세계의 수많은 고객으로부터 칭찬을 받으면서 큰 성공을 거뒀다. Waters의 고객인 Novartis Pharmaceuticals Corporation의 Anton D. Jerkovich 박사는 “ACQUITY UPLC는 제약 업계의 고속 LC 방법 개발을 위한 선택이 될 것입니다.”라고 말했다.

ACQUITY 시스템의 성공은 판매 수치에도 반영된다. Waters는 1,000개 이상의 코어 유닛을 판매했으며 판매량은 계속 증가할 것으로 예상된다.

자료 제공 : Haydonekerk(www.haydonkerkpittman.com)