멸균 공정에 대한 전반적인 validation 접근 방법 및 예시에 대하여 이어서 이야기 할 것이다.
[Full (Initial) Validation of Steam Cycles]
이번에는 Steam cycle에 대한 Validation에 대하여 이야기 해 보도록 하겠다.
먼저, Validation을 실시하기에 앞서 아래와 같은 전제조건이 확인 되어야 한다.
IQ & OQ of Autoclave are executed and completed
Calibration of all sensors (temperature/pressure)
Perform leak test
Perform air removal test
SOP(s) for operation and maintenance of autoclave
Pre-approved validation protocols
또한 Validation 실시를 위한 아래의 측정장비가 준비 되어야 한다.
Wire Thermocouples –Type T (copper/constantan) Teflon coated
Traceable (e.g. NIST) temperature reference probe
Heating bath (dry block)
Data logger (multi channel)
Biological Indicators
Media for inoculation of BIs
Incubator for incubation of BIs
멸균의 중요 항목은 온도 이다. 때문에 위의 측정장비 중에 온도 측정을 위한 측정장비가 매우 중요하며, 이는 통상 아래와 같은 것들을 사용 한다.
Type T (copper/constantan) with Teflon coated –for steam sterilizer, up to 200oC
Type T (copper/constantan) with Kapton coated –for dry heat sterilizer, up to 375oC
Type J (Iron/constantan) with Glass –for dry heat sterilizer
Red wire is always negative according to ANSI specification
2 different grade –Standard Limits of Error and Special Limits of Error, (*Premium or Ultra-Premium Grade?)
Solid core wire and stranded wire –Stranded wire is more reliable
Type T is more accurate than Type J
상기 측정을 위한 장비(센서)는 아래와 같은 요구사항이 충족되어야 한다.
thermal sterilization의 Validation에서 가장 중요한 것은 온도 측정임에 따라 이를 위한 측정장비가 매우 중요 하다. 필요한 온도 uniformity가 1 ℃이상이면 온도 측정장비는 측정 된 공정 변수 보다 3배 이상 정확해야 한다. 이는 전체 시스템 정확도가 0.33 ℃이상 이어야 한다는 것을 의미 한다.
For D = 1 min, and Z = 10 min의 경우 121 ℃에서 측정 된 1 ℃오차의 영향은 치사율 계산에서 약 25%의 오차를 초래 한다.
일반적인 Thermocouple은 아래와 같은 두 가지 타입이 존재하며, 측정을 위한 위치를 고려하여 선택 하여야 한다.
또한 대용량 비경구 (≥100 ml)의 경우, 열의 전달이 가장 느린 영역을 파악하기 위해 유효성 검사 이전의 Container mapping study를 고려 해야 하며, 일반적으로 가장 느린 영역은 제품의 기하학적 중심과 제품 하단 사이에 있다.
Thermocouple의 경우 사용 Validation에 사용하기 전에 보정(pre-calibration) 및 validation에 사용한 후 교정(post-calibration)을 하여야 한다. 또한, 직선성을 확인하기 위하여 측정하고자 하는 온도를 포함하여 최소 3 point 이상에서 교정을 실시 하여야 한다.
일반적인 교정 point는 아래와 같다.
Autoclave -Low: 90 ℃ , High: 130 ℃ , mid: 121 ℃
Dry heat sterilizer –Low: 170oC, High: 280oC, Mid: 250℃
Dry heat tunnel –low: 170oC, High: 350oC, Mid: 300℃
그럼 Full validation은 언제 실시해야 할까? 그것은 회사의 정책마다 차이가 있을 수는 있겠지만, 통상적으로 아래와 같은 이슈가 발생하게 되면 Full validation을 실시하는 것이 바람직하다.
새로운 멸균기의 적용 시
Loading patterns의 변경이 있을 시
Autoclave 성능에 영향을 미칠 수 있는 유지보수 시 (critical maintenance e.g., controller change)
멸균 대상 물질이 추가 될 때
이제 Validation을 실시하기에 앞서, 각 가이드 및 규정에서 요구하는 기준을 알아 보도록 하자. 해당 가이드 및 규정은 해석의 오류를 방지하기 위하여 원문을 그대로 기술 하였음을 참조 바란다.
또한 각 가이드 및 규정에서 요구하는 바는 일부 상이한 점이 존재 한다. 이는 각 회사의 목적 및 기준에 따라 적절하게 선택하는 것이 바람직하다.
[Proposed LVP –GMP (1976)]
§212.240 -A manufacturing process for terminal sterilization of a large volume parenteral drug product has been shown to deliver an F0 of 8 or more.
§212.240 (b) –Heat Distribution Studies –Such studies shall be performed on every sterilizer, for each loading configuration, and for every container size. Enough studies shall be performed to confirm that heat distribution in each autoclave is uniform and reproducible. Each study shall employ a minimum of 10 temperature sensors (calibrated both before and after the study) that are exposed to the sterilizing medium inside of the sterilizer. Heat distribution studies shall be repeated whenever there is any change in the loading pattern or any change in the sterilizer that may affect heat distribution.
§212.240 (c) –Heat Penetration Studies –Such studies shall be performed on each size container within the sterilizing medium to be utilized during production. Such studies shall be performed on large volume parenteral drug products at least as viscous as the most viscous solution to be packaged in the container studies. The studies shall be designed to determine the location of the slowest heating point in the container and to indicate how much time is required to bring the solution at the point to the prescribed processing temperature. Each study shall employ a minimum of 10 containers each with a suitable biological indicator and a temperature sensor submerged in fluid at the previously determined optimal location. In lieu of testing each rigid container size, interpolation may be employed for products in rigid containers if data are available to support interpolation on the types and sizes of container involved. Heat penetration studies shall be performed on every container size for products in non-rigid containers. Sufficient studies shall be performed to determine whether or not the prescribed F0 is delivered consistently throughout the sterilizer. The data employed to calculate the F0value shall be those data derived beginning when the sterilizer environment has stabilized as shown by reproducible heat distribution studies and the specified sterilizer temperature has been achieved and ending when cooling is initiated.
[FDA –Guidance for Industry –Sterile Drug Products (2004)]
Empty chamber studies evaluate numerous locations throughout a sterilizing unit (e.g., steam autoclave, dry heat oven) or equipment train (e.g., large tanks, immobile piping) to confirm uniformity of conditions (e.g., temperature, pressure). These uniformity or mapping studies should be conducted with calibrated measurement devices.
Heat penetration studies should be performed using the established sterilizer loads. Validation of the sterilization process with a loaded chamber demonstrates the effects of loading on thermal input to the items being sterilized and may identify difficult to heat or penetrate items where there could be insufficient lethality to attain sterility. The placement of biological indicators at numerous positions in the load, including the most difficult to sterilize places, is a direct means of confirming the efficacy of any sterilization procedure. In general, the biological indicator should be placed adjacent to the temperature sensor so as to asses the correlation between microbial lethality and predicted lethality based on thermal input. When determining which articles are difficult to sterilize, special attention should be given to the sterilization filters, filling manifolds, and pumps. Some other examples include certain locations of tightly wrapped or densely packed supplies, securely fastened load articles, lengthy tubing, the sterile filter apparatus, hydrophobic filters, and stopper load.
The sterilizer validation program should continue to focus on the load areas identified as most difficult to penetrate or heat.
Temperature and pressure monitoring devices for heat sterilization should be calibrated at suitable intervals. The sensing devices used for validation studies should be calibrated before and after validation runs.
Lots of additional requirements…
[USP 28, <1211> Sterilization and sterility assurance of compendial articles]
A typical acceptable range of temperature in the empty chamber is ±1 ℃ when the chamber temperature is not less than 121℃.
[EU GMP Annex 1 –Manufacture of Sterile Medicinal Products (2003)]
Before any sterilization process is adopted its suitability for the product and its efficacy in achieving the desired sterilizing conditions in all parts of each type of load to be processed should be demonstrated by physical measurements and by biological indicators where appropriate. The validity of the process should be verified at scheduled intervals, at least annually, and whenever significant modifications have been made to the equipment.
Validated loading patterns should be established for all sterilization processes.
[Canada GMP –Process Validation: Moist Heat Sterilization for Pharmaceuticals (2001)]
The Overkill method is used when the product can withstand excessive heat treatment such as an F0 ≥ 12 without adverse effect.
Heat distribution runs using an empty chamber may be performed during equipment operational qualification.
Heat penetration studies should also be performed on maximum and minimum chamber load configurations.
[Singapore –Guidance Notes on Validation of Terminal Moist Heat Sterilization (2004)]
Heat distribution studies should include two phases: 1) heat distribution in an empty autoclave chamber and 2) heat distribution in a loaded autoclave chamber. Identify the location of the cool spot and the effect of the load size and/or configuration of the cool spot location on a reproducible basis. The difference in temperature between the coolest spot and the mean chamber temperature should be not greater than±2.5oC.
Full Validation
그렇다면 Full validation은 어떤 항목을 검증해야 할까? 이는 일반적으로 아래의 항목이 포함되어야 한다.
Thermocouples을 이용한 empty chamber 3 run
Thermocouples을 이용하여 각 loading pattern (maximum load)에 대한 사전 검증
Thermocouples 및 BI를 사용하여 worst case loading pattern (maximum load)에 대한 3 run
Thermocouples 및 BI를 사용하여 worst case loading pattern (minimum load)에 대한 3 run
Empty chamber
Validation의 가장 첫 단계인 Empty chamber는 아래와 같이 진행 할 수 있다.
Empty chamber에 기하학적으로 10개 이상의 thermocouples을 배치
일반적으로 thermocouples은 autoclave의 racks에 부착.
Thermocouple은 autoclave의 controlling temperature sensor에 추가.
Thermocouple은 autoclave의 vent filters에 추가 (if applicable).
이것에 대한 일반적인 허용기준은 아래와 같다.
각 열전대의 F0 value가 12
기준 Thermocouple와 controlling temperature sensor 사이의 멸균 주기 중간 지점 차이 1℃ 이하
sterilization cycle의 중간 지점에서 Thermocouple은 Chamber 내부의 Thermocouple의 평균과 1 ℃ 이상 차이가 나면 안됨.
Slow to heat study
각 Loading pattern에 대한 Slow to heat study를 아래와 같이 1회 진행 한다.
Worst case 인 Maximum load.
최소 10개의 thermocouples을 기하학적으로 분배하여 장비나 용기 내부에 배치
Autoclave controlling temperature sensor 근처에 추가로 thermocouples 를 배치
autoclave vent filters에 thermocouples를 추가 배치 (해당하는 경우).
autoclave loading pattern에 대한 반복.
이에 대한 일반적인 허용기준은 아래와 같다.
각 열전대의 F0 value가 12 이상
멸균 주기에서 Thermocouple와 controlling temperature sensor 사이의 멸균 주기 중간 지점 차이 1℃ 이하
Final run
Final run의 경우 일반적으로 최대 및 최소 Loading을 대상으로 아래와 같이 3회 진행하는 것이 일반적이다.
Final run의 경우 최저 F0 값을 나타내는 Loading pattern을 선택
Worst case의 경우 maximum loading을 가하여 Loading
최소 10개의 thermocouples를 기하학적으로 분배하여 장비나 용기 내부에 배치.
각 thermocouples 근처에 Biological indicator를 배치.
Autoclave controlling temperature sensor 근처에 추가 thermocouples를 배치
추가 thermocouples 및 Biological indicator를 autoclave vent filters 안에 배치 (해당하는 경우).
Minimum loading를 사용하여 반복하고 장비 내부에 thermocouples 및 Biological indicator 1개를 배치.
이에 대한 Overkill cycle에서의 일반적인 허용기준은 아래와 같다.
각 thermocouples에 대하여 F0 값은 12 이상
멸균 주기 동안 기준 thermocouples와 control sensor 간 차이가 1℃ 이하
모든 Biological indicator는 배양 후 성장 없음을 확인
Pre-vacuum cycle
앞에서 이야기 한 바와 같이 위의 온도관련 외에 Chamber 내부의 공기 제거 상태를 확인 하는 것은 매우 중요하며, 이는 일반적으로 Bowie-Dick을 이용하여 확인한다.
위와 같은 Validation의 모든 활동 및 결과는 명확하게 문서화 되어야 하며, 최종 패키지는 품질부서책임자의 승인을 득하여야 한다.
Summary
조금 두서 없는 글이지만, 위의 사항을 요약하자면 아래와 같다.
Calibrate thermocouples before start of validation (pre-calibration).
Perform 3 empty chamber heat distribution runs with thermocouples.
Perform 1 slow-to-heat run on each maximum loading pattern with thermocouples.
Determine worst case loading pattern based on slow-to-heat run results and use for final validation runs.
Perform 3 maximum load final runs on worst case load using thermocouples and biological indicators.
Perform 3 minimum load final runs on worst case using thermocouples and biological indicator.
Perform air removal test (if the cycle is pre-vacuum).
Perform post-calibration check with mid single point at 121℃.
Document all studies and have approved by Quality Control.
또한, PIC/S recommendations on the Validation of Aseptic Processes에 따른 주의 사항은 아래와 같다.
Equipment should be wrapped and loaded into the autoclave in such a way to facilitate the removal of air from items in the load.
Sterilization of filters, housings and tubing might cause problems.
Problems are usually identified by slow heat up times inside the equipment compared to the chamber temperature. If there is a temperature lag of several minutes then this is usually indicative of entrapped air. The steam will heat up the entrapped air but sterilizing conditions will not be obtained as saturated steam will be not be present.
Only porous load steam autoclaves with a vacuum system to withdraw entrapped air should be used for sterilizing equipment
Passive displacement autoclaves (no vacuum to withdraw entrapped air) would normally not be appropriate because of the difficulties in air removal from the load.
또한, EU GMP, WHO GMP에 따른 주의 사항은 아래와 같다.
The items to be sterilized, other than products in sealed containers, should be wrapped in a material which allows removal of air and penetration of steam but which prevents recontamination after sterilization. All parts of the load should be in contact with the sterilizing agent at the required temperature for the required time.
In many pharmaceutical companies in Korea are using aluminum foil to wrap the material. Aluminum foil will be a barrier and make to hard for penetrating the steam thus the sterilization will not be obtained effectively.
Bio-shield paper and/or autoclavable pouch (Tyvek) should be used to wrap the material.
이 글에서는 멸균 밸리데이션에 관련하여 이야기 해 보았다.
다음 글에서는 멸균 설비의 유지보수 및 재밸리데이션에 대하여 이야기 해 보도록 하겠다.