멸균 공정 밸리데이션 (Validation of Sterilization Processes) - 개요 및 설계시 고려 사항

지금부터 멸균 공정에 대한 전반적인 validation 접근 방법 및 예시에 대하여 이야기 할 것이다.

해당 주제는 아무리 요약한다고 해도, 내용이 방대함에 따라 몇 회에 나눠서 글을 작성할 계획이다.

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[Introduction/Background]

비경구 제조의 핵심요소는 무균이다. 이에 따라 비경구 제품에서는 무균 공정의 검증이 매우 중요하다고 할 수 있다.

 

무균을 위한 멸균 방법에는 주로 아래와 같은 5가지가 인정되며, 타당한 검증자료가 있다면 아래의 5가지 이외에도 인정이 될 수 있다.

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Steam (moist heat)

Dry heat

Gas (mostly medical device industry)

Ionizing radiation (mostly medical device industry)

Filtration

 

각 멸균 방법에는 장점과 단점이 존재 한다. 그러나 EU GMP 및 WHO에서는 가능한 경우 습열 멸균(Steam Sterilization)이 가장 효과적임으로 이을 선택하기를 권장한다.

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추가적으로 방사선 멸균의 경우 자외선에 의해 DNA 이중 가닥의 결합이 끊어지고, 각 가닥 내의 인접해 있는 2개의 Thymine 분자 간 비정상적인 결합으로 인해 DNS의 복제가 저해 됨으로 더 이상 성장하지 못하고 사멸되는 원리를 이용 하며, 일반적으로 250 ~ 265nm 파장 범위가 많이 사용되고, 264nm 부근의 파장이 멸균에 가장 효율적이라고 알려져 있다.

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그러나, 대부분의 제품이 방사선에 민감하고, 이에 대한 영향을 평가 하기 어려움에 따라 일반적으로 사용하는 방법이 아니다. 단, 방사선 멸균의 경우 시간이 매우 짧고, In line으로 다수의 제품 멸균에 용이함에 따라 자재 및 장갑, 무균복 등은 방사선 멸균을 선호하고 있다. 다음에는 방사선 멸균에 대하여 다뤄 보도록 하겠다.

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무균제품의 제조는 매우 까다로우며, 무균에 대한 정의를 먼저 이해해야 한다. 무균(Sterility)는 미생물이 전혀 없는 상태이며, 배지로 시험할 때 성장하는 미생물의 부재로 정의 할 수 있다. 그러나, 절대 무균은 존재하지 않으며, 현재 과학기술로 확인 할 수 있는 방법은 없다. 그렇기 때문에 이는 확률적인 의미 임을 알아야 한다.

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무균제품 제조의 목표는 제품의 모든 것이 멸균된 것이어야 하며, 이에 대한 멸균 공정은 Validation 되어 있어야 한다. (Validation이란 미리 정해진 Process가 정해진 Specification을 충족하는 것을 지속적으로 제조한다는 문서화된 증거를 이야기 한다.)

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습열멸균(Steam Sterilization)을 이용한 무균 제품 제조를 위한 가이드라인 및 규정은 1890년도를 시작으로 매우 많이 발전하고 규제화 되었으며, 기술의 발전으로 아직도 계속 개정이 진행 중이다.

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1890 –First modern steam sterilizer designed by Charles Chamberland

1900 = Steam sterilization widely used in pharmaceutical and food industries Several instances of sterility failure –deaths, product recalls

1970s –methods for validation of steam cycles evolved

1978 –cGMP finalized

1978 –PDA Technical Monograph No. 1 published (the most frequently mentioned document when the steam cycle validation in the world) *revised in 2007

1980 –U.K. MCA HTM-10 published. Currently HTM-2010

1987 –US FDA Aseptic Processing Guideline published. *revised in 2004

1994 –US FDA Guidance for Industry for the Submission Documentation for Sterilization Process Validation

2004 -FDA, Guidance for Industry, Sterile Drug Products produced by aseptic processing –Current Good Manufacturing Practice

2007 –PDA Technical Report No. 1 Revised 2007, Validation of Moist Heat Sterilization Processes: Cycle Design, Development, Qualification and Ongoing Control

And more....

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[Steam Sterilizer Design Considerations]

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가장 먼저 Steam Sterilizer에 대한 설계 및 고려사항에 대하여 이야기 해 보도록 하겠다.

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Steam Sterilizer에 대하여 전 세계적으로 따르고 있는 것은 EN(European Norm) 285이며, 이에 대한 주요 내용을 간략히 요약해 보면 아래와 같다.

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포화 증기를 사용해야 하며, 과열된 증기를 사용하면 안 된다.

멸균기에는 청정증기를 사용해야 한다.

Air removal - 공기 / 증기 혼합물은 포화 증기보다 잠열이 적으며, Air bubble은 멸균을 방해 한다.

공정에 대한 온도와 압력은 모두 모니터링 되어야 한다.

먼저, Steam Sterilizer는 일반적으로 제품과 직접 접촉하는 부분에 사용을 함에 따라 청정증기(Pure Steam)을 사용하는 것은 당연하다. 또한, 포화된 증기를 사용하여야 하는데, 이는 EN 285에 기술되어 있는 Steam Quality Test를 먼저 이해할 필요가 있다.

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EN285의 Steam Quality란 아래의 세가지 조건에 충족해야 하며, On-going Maintenance 및 Revalidation에서 상세히 다루도록 하겠다.

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Non condensable Gas (기준: 3.5% 이하)

Dryness (기준: 0.90 이상)

Superheat (기준: 0.90 이상)

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그럼 멸균에 직접적인 영향을 미치는 Autoclave Chamber 내부의 공기 제거 방법에 대하여 이야기 해보도록 하겠으며, 이를 위한 방법은 3가지 방법이 존재 한다.

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중력 변위 (Gravity displacement) – 차가운 공기는 Steam보다 무거움으로 파이프를 통해 적절한 속도로 증기를 주입하고 배수 라인에서 온도를 측정함으로 Chamber 내부의 공기가 제거 되었는지 확인 할 수 있으며, 이에 대한 Cycle은 아래와 같다.

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Pre-vacuum cycle - 진공 펌프를 사용하여 8 ~ 10분 간 15 ~ 20 mm Hg로 감압을 함으로 Chamber 내부의 공기가 제거 되었는지 확인 할 수 있으며, 이에 대한 Cycle은 아래와 같다.

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Pulsing cycle - 스팀 펄스와 진공(보통 3 ~ 5 펄스)을 사용하여 챔버에서 공기를 제거하는 가장 효율적인 방법으로 이에 대한 Cycle은 아래와 같다.

위와 같이 Chamber 내부의 공기는 멸균에 치명적인 영향을 미칠 수 있으므로 이에 대한 검증이 필수 적이다.

 

또한, 멸균은 멸균 기간 중 온도가 매우 중요 하다. 이를 이해하기 위하여 일반적인 Cycle은 아래와 같다.

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이 부분에 대한 용어의 정의는 HTM(Health Technical Memorandum)2010에 따라 아래와 같이 이야기 할 수 있다.

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평형 시간(Equilibration time) – 챔버 내 모든 부분에서 멸균 조건 달성을 위하여 경과하는 기간

유지 시간(Holding time) – 챔버의 모든 부분이 멸균 온도 기준 내에 유지되는 기간으로 보통 평형 시간 직후로 본다.

Plateau 기간 – 평형 시간과 유지 시간을 합한 것.

살균 온도 대역(Sterilization temperature band) – 유지 시간 동안 부하 전체에 적용되는 온도 범위. 이 온도는 최소 허용 온도 (살균 온도) 및 최대 허용 온도로 표시되며 가장 가까운 섭씨 온도로 표시됩니다.

 

이 기간 중 특히 멸균 구간의 Cycle 및 기준에 대한 것은 아래와 같다.

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상기와 같은 온도에 적합할 수 있도록 Cycle 개발 및 검증이 되어야 할 것이다.

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* 다음글에서는 미생물학적 관점으로 Steam Sterilizer에 대하여 이야기 해 보도록 하겠다.