Process Engineering's Key Role In Sterile Injectable Facility Design
무균 주사제 의약품은 의약품 제조 분야에서 가장 높은 수준의 정밀성과 관리 역량이 요구되는 영역이다. 백신, 인슐린, 항암제, 항생제, 첨단 바이오의약품, 단일클론항체, 혈장 유래 제제, 그리고 최근 확대되고 있는 세포·유전자 치료제에 이르기까지, 이들 제품은 모두 절대적인 무균성과 일관된 품질이 요구된다.
주사제 의약품은 혈류나 조직에 직접 투여되기 때문에 인체의 자연적인 방어 체계를 거치지 않는다. 그만큼 작은 오류도 환자 안전에 직결될 수 있어, 제품 품질 확보는 무엇보다 중요한 과제가 된다. 이에 따라 무균 공정 전략 수립, 오염 관리 체계 구축, 클린룸 설계, 유틸리티 시스템 구성, 자동화 수준 결정, 그리고 전 생애주기에 걸친 설비의 신뢰성 확보까지 폭넓은 설계 요소들이 유기적으로 검토되어야 한다.
공정 엔지니어는 작업자, 품질 부서, 각 분야의 전문가들과 협업하여 원자재가 최종 무균 완제의약품으로 전환되는 전 과정을 이해한다. 또한 각 단위공정에서 노출 위험이 어떻게 변화하는지, 그리고 잠재적 실패가 무균성 상실, 엔도톡신 오염, 데이터 완전성(Data Integrity) 문제 등으로 어떻게 이어질 수 있는지를 분석한다.
공정 엔지니어링은 단순히 설비 설계를 보조하는 기능이 아니다. 오히려 시설 설계와 운영 전반이 준수해야 할 기술적·규제적 기준을 설정하는 핵심 축이라 할 수 있다.
공정 엔지니어링과 인프라 설계를 긴밀히 통합함으로써, 규제 요구사항과 제품 특성을 반영한 효율적이고 확장 가능하며 지속 가능한 무균 주사제 생산시설을 구현할 수 있다. 본 글에서는 이러한 무균 주사제 시설 설계에 있어 핵심적으로 고려해야 할 요소와 주요 과제를 살펴본다.
공정 설계 엔지니어링: 주요 고려사항
공정 엔지니어는 최종 사용자, 환경안전보건(EHS), QA/QC 부서와 협력하여 프로젝트 전반을 이끄는 핵심 기술 전략가이자 의사결정 책임자 역할을 수행한다. 이들은 시설 설계의 기준이 되는 핵심 공정 요구사항을 정의하며, 이는 프로젝트 전체의 방향을 결정짓는 출발점이 된다.
이러한 요구사항은 제품의 특성, 공정상의 필요조건, 그리고 운영 전략을 기반으로 도출되며, 무균 주사제 생산시설의 설계에 직접적인 영향을 미친다. 각각의 요소는 시설 레이아웃, 클린룸 등급 설정, 장비 선정, 자동화 전략 수립, 그리고 장기적인 운영 효율성에 이르기까지 설계 전반에 구체적으로 반영된다.
주요 고려사항은 다음과 같다.
• 1. 생산능력 및 처리량(Capacity and Throughput)
연간 수요(연간 Stock Keeping Unit 수), 배치 규모, 캠페인 생산 기간, 단일 제품 시설인지 다품목 생산시설인지 여부 등을 검토해야 한다. 이러한 요소는 전체 설비 규모와 운영 전략을 결정짓는 기본 전제가 된다.
• 2. 제형·라인 구성 전략(Format Philosophy)
바이알, 프리필드시린지, 카트리지 등 각 제형별로 전용 충전 라인을 운영할 것인지, 또는 여러 제형을 하나의 조합 라인에서 처리할 것인지에 대한 전략을 수립해야 한다. 이는 투자비, 유연성, 생산 전환 효율성에 직접적인 영향을 미친다.
• 3. 제품 용기 유형(Product Container Type)
사용되는 1차 용기(바이알, 시린지, 카트리지)의 특성에 따라 공정 흐름, 설비 구성, 오염 관리 전략이 달라진다.
• 4. 공정 스케줄(Process Schedule)
동시 작업 여부, 피크 생산 수요, 장비 점유율 등을 고려하여 설비 활용도를 최적화해야 한다. 이는 병목 발생 가능성과 운영 효율성에 직결된다.
• 5. 용기 준비 전략(Container Preparation Strategy)
즉시 사용 가능한 RTU(Ready-to-Use, 세척 및 멸균 완료) 용기를 사용할 것인지, 또는 사내에서 세척·탈발열원 처리·멸균을 수행하는 벌크 용기를 사용할 것인지 결정해야 한다. 선택에 따라 설비 구성과 클린룸 요구사항이 크게 달라진다.
• 6. 최종 제형(Final Dosage Forms)
무균 액상 제제인지, 동결건조(Freeze-dried) 또는 분무건조(Spray-dried) 제제인지에 따라 공정 설계와 장비 구성이 달라진다.
• 7. 제품 특성(Product Characteristics)
독성 물질, 고활성 물질, 생물학적 활성 물질 등 제품의 위험도에 따라 격리 수준, 작업자 보호 대책, 폐기물 관리 전략이 달라진다.
• 8. 오염 관리 기술(Contamination Control Technology)
아이솔레이터(Isolator) 또는 제한 접근 차단 시스템(RABS, 개방형 또는 폐쇄형)을 적용할지 결정해야 한다. 이는 무균 보증 수준과 운영 복잡성에 중요한 영향을 미친다.
• 9. 공정 아키텍처(Process Architecture)
개방형 시스템과 밀폐형 시스템 중 어떤 방식을 채택할지, 그리고 일회용 장비(Single-use)와 다회용 장비(Multi-use)를 어떻게 조합할지에 대한 전략이 필요하다.
• 10. 규제 및 장비 이해(Regulatory and Equipment Knowledge)
목표 시장별 규제 요구사항을 이해하고, 충전·건조 기술에 대한 전문 지식을 확보해야 한다. 이는 설계 단계에서부터 허가 전략과 직결된다.
• 11. 멸균 전략(Sterilization Strategy)
무균 주사제는 일반적으로 두 가지 방식 중 하나로 제조된다. 하나는 사후 멸균(Terminal Sterilization) 방식이며, 다른 하나는 무균 공정(Aseptic Processing) 방식이다. 각 전략은 제품 특성과 안정성, 공정 가능성에 따라 선택된다.
사후 멸균(Terminal Sterilization)
사후 멸균은 제품이 다음과 같은 멸균 조건을 견딜 수 있을 때 적용할 수 있다.
• 습열 멸균(Moist Heat Sterilization)
• 건열 멸균(Dry Heat Sterilization)
• 방사선 멸균(Radiation Sterilization)
• 공정 요구사항에 따른 에틸렌옥사이드(Ethylene Oxide, EO) 멸균
사후 멸균은 충전 및 밀봉이 완료된 최종 용기 상태에서 멸균을 수행하는 방식으로, 제품이 열·방사선·가스 등의 물리적·화학적 스트레스를 견딜 수 있는 경우에 적합하다.
규제 및 오염관리 측면에서 볼 때, 사후 멸균은 무균 공정(Aseptic Processing)에 비해 더 높은 무균보증수준(Sterility Assurance Level, SAL)을 확보할 수 있으며, 시설 설계 또한 상대적으로 단순하게 구성할 수 있다는 장점이 있다.
무균 공정(Aseptic Processing)
제품이 열이나 방사선에 민감하여 사후 멸균을 적용할 수 없는 경우에는 무균 공정을 통해 제조해야 한다.
무균 공정의 핵심 목적은 제조 전 과정에서 무균 상태를 지속적으로 유지하는 것이다. 이를 위해 최종 제품 용액은 검증된 멸균 등급 필터를 사용하여 여과 멸균되며, 일반적으로 공극 크기 ≤0.22 µm의 필터가 사용된다. 고위험 적용, 매우 소량 배치, 또는 특수한 경우에는 ≤0.1 µm 필터가 적용되기도 한다. 이러한 여과는 엄격히 통제된 무균 환경에서 수행되어야 한다.
무균 공정은 사후 멸균 방식에 비해 시설 설계, 환경 관리, 작업자 관리, 오염 통제 전략 전반에 걸쳐 훨씬 높은 수준의 관리와 통제를 요구한다. 작은 설계 오류나 운영상의 미흡함도 곧바로 무균성 상실로 이어질 수 있기 때문에, 보다 정교하고 체계적인 접근이 필수적이다.
토목·건축 설계 시 고려사항
무균 주사제 생산시설은 일반적인 건축물과 달리 ‘외부에서 내부로’ 설계되는 것이 아니라, 공정을 중심으로 내부에서부터 외부로 설계된다. 이 과정에서 공정 엔지니어는 시설의 기본 개념을 수립하고, 토목·건축 설계가 따라야 할 경계조건과 설계 기준을 정의하는 핵심 역할을 수행한다.
프로젝트 초기 단계부터 공정 엔지니어가 참여하면, 수직형, 스텝형, 수평형 등 공정 흐름 철학에 따른 레이아웃을 명확히 설정할 수 있다. 또한 GMP 요구사항, 자재 및 작업자 동선, 청정 구역과 비청정 구역의 분리, 공정 중 QC 실험실과 중앙제어실의 위치, 생산 구역과 지원 구역 간 인터페이스 구성과 같은 의사결정은 건물의 규모와 구조 설계에 직접적인 영향을 미친다.
장비의 크기, 유지보수 공간, 운전 하중 등 정확한 장비 데이터는 적정 실 크기 산정과 구조 설계의 기초가 된다. 특히 바닥 하중 안전성 확보와 공정 장비의 진동 제어는 구조 설계 단계에서 반드시 반영되어야 할 요소이다.
또한 유틸리티 배관 경로, 설치 접근성, 유지보수 동선 등을 초기 단계에서 결정하면 향후 운영 중단을 최소화할 수 있다. 더불어 관찰 통로(viewing corridor), 화물용 승강기, 자재 이송 시스템과 같은 설비도 조기에 정의해야 안전하고 규정을 준수하며 효율적인 시설 운영이 가능하다.
HVAC 설계 시 고려사항
제약용 HVAC 시스템은 제조 공정에 대한 충분한 이해와 제품 특성, 그리고 이에 수반되는 운영 리스크를 기반으로 설계되어야 한다. 공정 엔지니어링 부서에서 HVAC 설계 부서로 제품 및 작업자 관련 위험요소를 명확하고 조기에 전달하는 것이 중요하며, 이를 통해 규정을 충족하면서도 목적에 적합한(Fit-for-purpose) HVAC 시스템을 구현할 수 있다.
프로젝트 초기 단계에서 협업이 이루어지면, 구역 등급 분류, 자재 및 작업자 에어락 구성, 부분 재순환 적용 구역과 전량 배기 구역의 구분, 유사 공간의 그룹화 등 HVAC 설계에 직접적인 영향을 미치는 건축적·운영상 요소를 명확히 정의할 수 있다.
이러한 결정 사항은 요구 공기 교환 횟수(Air Change Rate), 급·배기 풍량, 차압 관리 등 핵심 설계 파라미터에 중대한 영향을 미친다.
또한 구역 등급, 오염 관리 기술 적용 수준, 실 압력 존 설정, 공정 장비에서 발생하는 발열량과 같은 공정 기반 입력값을 정확히 정의해야 적정한 HVAC 설계가 가능하다.
따라서 HVAC 시스템은 최대 가동 조건과 최악의 운영 시나리오를 기준으로 설계되어야 하며, 특히 인원이 집중되는 피크 상황에서도 안정적인 온·습도와 차압 환경을 유지할 수 있어야 한다.
유틸리티 설계 시 고려사항
무균 주사제 제조에 사용되는 유틸리티 시스템은 공정 요구사항, 제품 품질 기준, 그리고 운영의 연속성을 충분히 이해한 상태에서 설계되어야 한다. 유틸리티는 제조 공정을 지원하는 역할과, 공정에 직접 참여하는 역할이라는 두 가지 핵심 기능을 수행한다.
먼저 제품 접촉 유틸리티(Process-Contact Utilities)는 제품 또는 제품 접촉 표면과 직접 접촉하며, 제품 품질에 직접적인 영향을 미친다. 여기에는 주사용수(WFI), 청정 증기(Pure Steam), 질소·아르곤·공정용 압축공기와 같은 공정 가스가 포함된다. 이러한 유틸리티는 중요한 품질 요소로 간주되며, 관련 약전 기준과 규제 요구사항을 충족하도록 설계·생산·저장·분배되어야 한다. 이를 통해 일관된 품질, 무균성, 시스템 완전을 확보할 수 있다.
반면 공정 지원 유틸리티(Process-Support Utilities)는 제품과 직접 접촉하지는 않지만, 제조 및 지원 설비의 안정적이고 통제된 운전을 위해 필수적이다. 계장용 압축공기, 냉수, 냉각수, 온수, 상수, 공장 증기 등이 이에 해당한다. 비록 간접적이지만, 이러한 유틸리티의 가용성, 품질, 신뢰성은 공정 조건의 안정성 유지와 운영 중단 방지에 결정적인 역할을 한다.
유틸리티는 시간대별(시간당), 일일, 배치 단위로 수요를 분석해야 하며, 피크 부하, 동시 운전 조건, 세척 및 멸균(SIP/CIP) 주기, 향후 증설 가능성까지 고려해야 한다. 이러한 평가를 바탕으로 유틸리티 생산·저장·분배 시스템의 적정 용량을 산정한다.
결국 공정 중심의 유틸리티 설계는 단순히 생산을 중단 없이 유지하기 위한 수단을 넘어, 장기적인 규제 적합성 확보, 비용 효율성 향상, 그리고 운영의 회복탄력성(Operational Resilience) 확보를 위한 핵심 요소라 할 수 있다.
배관 설계 시 고려사항
제약 프로젝트에서 효과적인 배관 설계와 3D 모델 개발을 위해서는 공정에 대한 깊이 있는 이해가 필수적이다. 공정을 정확히 이해해야 유체의 흐름 경로를 명확히 정의할 수 있고, 장비를 각 실 공간 내에 적절히 배치할 수 있으며, 유틸리티 드롭 포인트, 배수 연결부, 벤트 라인, 필수 안전장치의 위치도 정확히 설정할 수 있다.
배관 설계에 착수하기 전, 공정 부서는 장비의 전체 치수, 노즐 크기와 방향, 유틸리티 및 배수 연결 위치 등 상세 장비 데이터를 제공해야 한다. 이러한 정보는 배관 설계의 기초 자료가 되며, 누락 시 설계 변경과 시공 리스크로 이어질 수 있다.
또한 배관 및 튜빙의 규격(공칭 지름), 연결 방식, 보온 요구사항, 재질 등도 명확히 정의되어야 한다. 이는 배관 설치 공간 확보, 지지 구조물 배치, 유지보수 접근성 확보, 건물 내 효율적인 배관 루트 설계에 필수적인 요소이다.
공정 이송 라인, 제품 접촉 유틸리티, 공정 지원 유틸리티에 대해서는 전용 배관 샤프트 또는 배관 통로를 설계 초기 단계에서부터 계획하는 것이 바람직하다.
특히 배관 시스템의 적절한 구획화와 분리는 매우 중요하다. 이를 통해 전기 케이블 트레이, HVAC 덕트와 같은 다른 설비와의 간섭이나 공간 충돌을 예방할 수 있으며, 이는 실제 프로젝트 수행 단계에서 자주 발생하는 문제를 사전에 차단하는 데 기여한다.
전기 설계 시 고려사항
제약 제조시설의 전기 시스템은 공정 장비, 유틸리티, 그리고 각종 지원 설비에 안정적인 전력을 공급하여, 연속적이고 규정을 준수하는 운영이 가능하도록 설계되어야 한다.
총 연결 부하(Total Connected Load)와 최대 피크 수요(Maximum Peak Demand)는 전기 설계의 핵심 결정 요소이다. 이를 정확히 산정하기 위해서는 공정의 운전 모드, 가동 주기, 동시 운전 여부에 대한 이해가 필요하다. 이러한 공정 기반 정보는 연결 부하, 실제 운전 부하, 피크 부하를 구분하여 정의하는 데 활용되며, 이는 곧 전력 설비의 용량 선정과 시스템 구성에 직접적인 영향을 미친다.
디젤 발전기, 무정전 전원장치(UPS)와 같은 비상 전원 시스템은 핵심 공정 장비와 주요 지원 설비를 보호하기 위해 필수적이다. 비상 전원의 적용 범위와 유지 시간은 공정의 중요도와 리스크 수준에 따라 사전에 명확히 정의되어야 한다.
또한 방폭 구역(Hazardous Area)에서는 공정 장비와 관련 전기 설비를 구역 등급에 맞게 적절히 분류하고, 방폭형(Explosion-proof) 또는 본질안전형(Intrinsically Safe) 장비로 선정해야 한다. 이는 관련 규격과 구역 분류 기준을 철저히 반영하여 설계되어야 한다.
마지막으로 제어반, 전기 패널, 배전반, UPS 설비의 위치와 구획 분리는 공정·건축·전기 엔지니어 간의 긴밀한 협의를 통해 초기 단계에서 확정되어야 한다. 이를 통해 안전하고 유지보수가 용이하며, 규정을 충족하는 전기 설계를 구현할 수 있다.
자동화 설계 시 고려사항
제조 공정에 대한 명확한 이해는 제어 전략, 시스템 경계, 자동화 로직을 정의하는 데 필수적이다. 이러한 요소는 무균 보증, 제품 품질, GMP 준수에 직접적인 영향을 미친다.
개별 공정 장비 수준에서 공정 엔지니어는 공정 의도(Process Intent), 중요 공정 변수(Critical Parameters), 규제 요구사항이 원제작사(OEM)에 정확히 전달되도록 한다. 이를 통해 자동화 시스템이 단순히 장비를 구동하는 수준을 넘어, 제조 공정을 의도한 대로 정확히 수행하도록 구현한다.
제어 시스템(PLC, DCS, SCADA 등) 수준에서는 정상 및 비정상 운전 조건에서 무엇을 제어·모니터링·인터록해야 하는지를 공정 지식에 기반해 정의한다. 설정값(Setpoint), 알람, 시퀀스, Fail-safe 동작은 자동화 시스템이 장비를 운전하는 기능을 넘어, 무균성·제품 품질·데이터 완전성을 능동적으로 보호하도록 설계되어야 한다.
또한 공정 엔지니어는 환경 모니터링 시스템(EMS), 빌딩 관리 시스템(BMS), 자동 자재 이송 시스템 설계에도 참여하여, 공정 노출 수준·오염 위험·자재 흐름과 기능이 일치하도록 조정한다.
기업 및 실행 단계에서는 ERP 및 MES 시스템 구축에도 핵심적인 입력 정보를 제공한다. 배치 레시피, 공정 순서, 작업자 지침, 공정 중 관리 항목(In-process Control), 홀드 포인트, 전자 기록 체계 등을 정의함으로써, 제조 전 생애주기에 걸친 일관된 실행, 데이터 완전성 확보, 완전한 추적성을 보장한다.
공정 장비 설계 시 고려사항
최종 사용자가 제품 특성, 공정 조건, 목표 생산량을 명확히 정의하면, 우리의 전문성은 이러한 의도를 효율적인 현실로 구현하는 데 초점을 맞춘다.
공정 지식은 단순한 공정 설계를 넘어, 장비 설계와 관련 기술에 대한 깊이 있는 이해로 확장되어야 한다. 공정 엔지니어는 적합한 기술을 평가·선정하는 데 핵심적인 역할을 수행하며, 원제작사(OEM)와 긴밀히 협력하여 장비 설계가 제품 및 공정 요구사항과 정합되도록 조율한다.
OEM의 조기 참여와 지속적인 협업은 여러 측면에서 큰 이점을 제공한다. 장비 설계를 최적화할 수 있을 뿐만 아니라, 공정실 설계의 완성도 향상, 유틸리티 연결 지점의 명확화, 상·하위 공정 장비와의 원활한 연계, 규제 요구사항 충족, 그리고 향후 확장성과 기술 발전을 고려한 ‘미래 대비형’ 시설 구현이 가능해진다.
요약
모든 프로젝트는 고유한 특성을 가지며, 하나의 획일적인 설계 방식으로 접근할 수 없다. 공정 지식은 프로젝트의 ‘두뇌’와 같은 역할을 하며, 개념설계(Conceptual Design)부터 기본설계(Basic Design), 상세설계(Detailed Design)에 이르기까지 전 단계에서 의사결정을 이끄는 핵심 동력이다.
그 진정한 가치는 ‘적시에, 적절한 이해관계자에게, 정확한 정보를 제공하는 것’에 있다. 이를 통해 불확실성을 줄이고, 근거 기반의 합리적인 의사결정을 가능하게 한다.
강력한 공정 엔지니어링 리더십이 뒷받침되지 않는다면 무균 주사제 생산시설을 물리적으로 구축하는 것은 가능할지라도, 전 생애주기에 걸쳐 신뢰성 있고 규정을 준수하며 경제적으로 운영하는 데에는 상당한 어려움이 따를 것이다.
