우시 장화 제약 설비의 원뿔형 교반 너트셰 필터 건조기("3-in-1 장비")의 장점

요약: 본 논문에서는 우시 장화 제약 장비(Wuxi Zhanghua Pharmaceutical Equipment)의 원뿔형 교반 너트셰 필터 건조기("쓰리인원" 장비)의 기본 구조 및 작동 원리를 살펴보고, 청정 등급 제품을 예로 들어 원료의약품(API) 생산에 있어 이 장비의 장점을 제품 순도, 공정 적응성, 자동화 및 실시간 모니터링, 다방향 CIP의 네 가지 측면에서 논의한다.

핵심어: 원추형 교반식 너트셰 필터 건조기("쓰리인원" 장비); API 생산; 장점; 새로운 GMP

0. 소개

AIP(활성 의약품 원료) 생산 공정에서 결정화 후 물질 이동으로 인한 물질 손실 및 환경 오염을 줄이기 위해 여과, 세척 및 건조 공정을 하나의 장비에서 완료하는 것이 일반적이며, 이를 줄여서 "쓰리인원(Three-in-One)" 장비라고 합니다. 의약품 생산에 가장 흔히 사용되는 쓰리인원 장비는 평저형이며, 무균 API 생산에 유리한 점이 분명하지만, 원형 평저의 경우 여과 면적이 작아 측면 배출(물질 잔류 발생), 건조 성능 저하, 건조 과정 중 물질 이동량 부족, 열 전달 효율 저하, 건조 한계 등의 단점도 존재합니다.

원뿔형 교반식 너트셰 필터 드라이어(이하 "원뿔형 '쓰리인원'")의 시제품 ​​개발은 1993년경에 시작되었습니다. 국내 "쓰리인원" 장비의 장단점을 종합적으로 분석한 결과, 5세대를 거쳐 현재의 클린 등급 모델로 개발되었으며, 원료의약품(API) 생산에 10년 이상 성공적으로 사용되고 있습니다.

중국에서 환경 의식이 높아지고 원료의약품(API) 생산 품질 기준이 강화됨에 따라 원뿔형 "쓰리인원(Three-in-One)" 장비는 상당한 이점을 제공합니다. 본 논문에서는 우시 장화 제약 장비(Wuxi Zhanghua Pharmaceutical Equipment)의 클린 등급 원뿔형 "쓰리인원" 장비를 예로 들어 기본 구조와 작동 원리를 간략히 소개하고, 원료의약품 생산에 있어 쓰리인원 장비의 장점을 중점적으로 살펴봅니다.

1. 우시 장화 제약 장비의 원뿔형 "3-in-1" 기본 구조 및 작동 원리

원뿔형의 "쓰리인원" 장비는 고체-액체 분리 및 여과, 필터 케이크 세척 및 재료 건조 공정을 포함한 일련의 공정을 하나의 장비로 완료할 수 있습니다.

1.1 기본 구조

API 생산용 청정 등급 원뿔형 "쓰리인원"을 예로 들면, 주요 구조는 그림과 같다.

그림 1. 클린 그레이드 원뿔형 "쓰리인원" 구조

a - 방진 메커니즘 b - 방폭형 변속 메커니즘

c - 랙 메커니즘 d - 스프레이 메커니즘

e - 교반용 주축 및 내장형 열교환 시스템

f - 본체 g - 보조 유지보수 메커니즘

h - 필터링 메커니즘 i – 자동 하향 팽창 배출 밸브

자세한 내용:

a는 방진 메커니즘으로, 클린 구역의 요구 사항을 충족하고 변속기 부품으로 인한 먼지 오염을 방지하는 데 도움이 됩니다.

b는 방폭형 동력 전달 장치로, 방폭형 주 모터와 감속기를 포함합니다. 강화된 기어 감속기는 동력 전달 용량을 강화하고 장비의 안정적인 작동을 보장합니다.

c는 랙 메커니즘으로, 메인 샤프트에 클린 등급 기계식 씰이 적용되었으며 다중 지지 구조로 되어 있습니다.

d는 재료 세척 및 CIP용 구성 요소를 포함하는 분무 메커니즘입니다.

e는 교반을 위한 주축이며, 리본형 현수식 교반 메커니즘(바닥에 지지대가 없음)을 사용하는 내장형 열교환 시스템을 갖추고 있습니다.

f는 열교환 재킷과 외부 단열 부품을 포함하는 장비의 본체입니다.

g는 보조 유지보수 메커니즘으로, 원뿔형 부품의 상하 이동을 도와 분해 및 유지보수를 용이하게 합니다.

h는 여과 매체 및 역 CIP(RCIP) 구성 요소를 포함하는 여과 메커니즘입니다.

본 제품은 완전 자동 작동이 가능한 자동 하향 팽창 배출 밸브입니다. 평평한 바닥을 가진 밸브 커버를 사용하여 자재가 쌓일 사각지대가 없으며, 현장에서 완벽하게 청소할 수 있습니다.

1.2 작동 원리

우시 장화 제약 장비의 원뿔형 "쓰리인원"에는 간헐적 공정 흐름이 적용되며, 일반적인 작동 공정은 그림 2에 나타낸 바와 같이 "공급-여과-세척-건조-배출-CIP"입니다.

1.2.1 필터링

일반적으로 장비는 압력 여과 또는 진공 여과 방식을 채택하는데, 재료 및 여과 케이크의 특성에 따라 이 두 방식에는 큰 차이가 있으므로 소규모 테스트를 통해 확인해야 합니다.

1.2.2 건조

진공 건조 공정 중, 장비에는 열매체 순환 시스템이 내장되어 있습니다. 열매체를 주입하는 동시에 진공 펌핑을 통해 리본형 교반 메커니즘이 회전하여 재료를 들어 올려 모든 방향으로 뒤집어 완전한 열 교환을 실현하며, 진공 온라인 샘플러를 통해 재료의 건조 상태를 모니터링할 수 있습니다.

1.2.3 배출

건조 공정이 완료되고 장비 내부 환경의 압력이 정상으로 돌아오면 배출 밸브를 열고 교반 메커니즘이 정방향으로 회전하여 대부분의 재료를 배출하고, 남아있는 소량의 잔류물은 교반 메커니즘이 역방향으로 회전하면서 배출됩니다.

1.2.4 청소

배출이 완료되면 장비는 여러 방향으로 세척됩니다. 세척 시스템은 내부와 리본형 교반 메커니즘을 세척하고, RCIP 시스템은 잔류층, 여과 매체 및 밸브를 세척하며, CIP 시스템은 밸브 커버와 연결 노즐을 세척합니다.

그림 2. 원뿔형 "쓰리인원"의 작동 흐름도

우시 장화 제약 장비의 원뿔형 "쓰리인원" 장비가 원료의약품 생산에 제공하는 2가지 장점

새로운 GMP 규정은 원료의약품(API) 생산 및 관련 장비에 대한 요구 사항을 더욱 강화했습니다. 장비는 API의 품질과 생산 안정성을 보장하는 데 핵심적인 역할을 한다는 것은 자명합니다. 본 글에서는 새로운 GMP 규정의 관련 요구 사항과 결합하여 원뿔형 "쓰리인원(Three-in-One)" 설비가 API 생산에 제공하는 이점에 대해 설명합니다.

2.1 높은 제품 순도

2.1.1 재료에 불순물이 혼합되어서는 안 됩니다.

재료가 투입된 후, 재료에 직접 노출되는 장비 부품에는 기능성 노즐, 내벽, 교반 메커니즘, 여과 메커니즘, 여과액 통로, 여과 구성 요소 및 배출 밸브 메커니즘이 포함됩니다. 이 중 교반 메커니즘을 제외한 나머지 부품은 모두 고정되어 있습니다. 적절한 재료를 사용하고 올바른 제조 공정을 거치면 이러한 부품들은 공정에 이물질을 유입시키지 않습니다. 그러나 교반 메커니즘은 회전합니다. 첫째, 우수한 밀봉 성능을 위해 주축에 클린 등급의 기계식 씰을 사용해야 합니다. 기계식 씰 내부에 격리 공간을 설치하여 환경이나 기계식 씰 자체에서 발생할 수 있는 불순물이 장비 내부로 유입되는 것을 방지합니다. 둘째, 부유 개념으로 설계된 원뿔형 "쓰리인원" 교반 메커니즘은 바닥에 회전축이 없으므로 불순물에 의한 오염 가능성을 근본적으로 제거합니다.

2.1.2 안전하고 깨끗한 환경 보장

이 장비는 완벽하게 밀폐되어 있어 공정 중 제품의 청결을 보장할 뿐만 아니라 생산 환경도 보호합니다. 특히 휘발성이 강하거나 위험한 용액을 사용하는 공정의 경우, 이 장비는 환경과 작업자의 안전을 확보할 수 있습니다.

리본형 교반 메커니즘은 상하 이동이 없는 축 고정 구조를 사용하여 장비와의 안정적이고 안전한 거리를 유지함으로써 정기적인 유지 보수 없이도 생산 안전성을 보장합니다.

2.2 적응성의 이점

2.2.1 높은 필터링 효율

(1) 넓은 여과 면적: "쓰리인원"의 여과 매체는 그림 3과 같이 탱크 벽에 원뿔형으로 장착되어 있습니다. 내경이 약 1m인 장치의 크기를 예로 들면 표준 원뿔형 여과 면적은 약 1.6m²이고 유효 여과 면적은 동일한 직경을 가진 평평한 바닥의 "쓰리인원"보다 약 3배입니다.

그림 3. 원뿔형 "쓰리인원" 필터의 필터 매질 구조

(2) 여과 케이크의 작은 공칭 두께: 여과 이론에 관한 많은 연구가 있습니다. 재료 입자의 특성 차이가 크기 때문에 여과 속도에 영향을 미치는 요인이 많습니다. Darcy의 법칙과 Poiseuille 방정식에 기반한 반경험적 모델은 여과 케이크의 두께가 여과 속도에 반비례하는 요인 중 하나임을 밝혀냈습니다[1]: 적절한 여과 매체를 선택하면 여과 케이크 층이 형성되어 적절한 시간 내에 안정적인 가교 역할을 하여 여과 성능을 향상시킬 수 있습니다. 여과 케이크 층이 얇을수록 여과 속도가 빨라집니다.

(3) 원뿔형 "쓰리인원"에서 여과 매체와 교반 메커니즘 사이의 거리는 여과 케이크의 공칭 두께이다. 리본형 교반 메커니즘은 내부 케이크를 지속적으로 교체하고, 여과 매체 표면에 남아 있는 얇은 여과 케이크 층은 안정적인 여과 강화층을 형성한다. 동시에 교체 과정은 여과 케이크의 틈새를 매끄럽게 하고 안정적인 압력 차이를 생성하여 수분 함량이 낮은 여과 케이크를 얻을 수 있다.

2.2.2 효율적인 세척

원뿔형 "쓰리인원"의 내부 리본형 교반 메커니즘은 적정량의 세척액을 첨가하면 재료를 신속하게 재펄프화할 수 있습니다. 여과 케이크와 세척액의 철저한 접촉은 세척 및 교체 효율을 크게 향상시킵니다. 일반적인 블레이드형 및 앵커형 교반 메커니즘과 비교했을 때, 리본형은 재펄프화 성능이 훨씬 뛰어납니다.

2.2.3 넓은 열 전달 면적 및 효율적인 건조

원뿔형 "쓰리인원"은 본체(고효율 열전달 재킷 장착)의 열전달 면적과 내부 전체 교반 열전달 면적을 포함하여 넓은 열전달 면적을 자랑합니다. 이처럼 초대형 열교환 면적은 건조 성능을 보장할 뿐만 아니라, 더욱 중요한 것은 열교환 면적을 효율적으로 활용할 수 있도록 해준다는 점입니다. 재료와 열교환 부품 사이의 접촉면은 건조 성능에 있어 가장 중요한 요소입니다.

원뿔형 "쓰리인원"에 적용된 리본형 교반 메커니즘은 재료 혼합 성능이 더 우수합니다. 리본형 교반 메커니즘은 바닥에서 위로 회전하며 재료를 들어 올린 후 다시 바닥으로 떨어지는 긴 이동 경로를 갖습니다. 그림 4는 원뿔형 "쓰리인원"에서의 재료 혼합 성능 시뮬레이션 결과를 보여줍니다. 소프트웨어를 사용하여 실제 재료의 이동 상태를 시뮬레이션했으며, 밝은 색 입자를 추적 샘플로 선택했습니다.

5m³ 원뿔형 "쓰리인원" MX-F-II 혼합 메커니즘 설계를 예로 들면, 공급 계수는 40%, 회전 속도는 35r/min이며, 시료는 단시간 내에 균일하게 이동하며 열교환 표면과 접촉할 수 있습니다. 다양한 재료에 대해 혼합 성능과 결정 형상 요구 사항을 고려하여 설계 데이터베이스에 다양한 유형이 있으며, 맞춤형 장비 제작도 가능합니다. 특수한 경우에는 교반 메커니즘에 해당 요구 사항을 충족하는 장치를 추가로 장착할 수 있으며, 예를 들어 응집이 심한 재료의 경우 강제 파쇄 장치를 장착할 수 있습니다.

그림 4. 원뿔형 "쓰리인원" 재료 혼합 성능 시뮬레이션

2.3 자동화 및 실시간 모니터링

대규모 의약품 생산 과정에서 단일 장비의 작동 과정을 수동으로 제어할 경우 필연적으로 오류가 발생할 수 있습니다. 공정 흐름 측면에서 배치 간 제품 일관성을 보장하기 위해 원뿔형 "쓰리인원(Three-in-One)" 장비는 자동 제어가 가능하고 조작이 간편하며 중앙 제어 시스템(PLC 또는 DCS 등)과 통합이 용이하여 장비 작동에 필요한 노동력을 크게 줄이고 생산 효율을 향상시키며 제품의 고품질 및 안정성을 효과적으로 보장합니다.

또한, 공정 흐름 제어를 위해 장비 내부의 제품 상태를 모니터링하는 것도 매우 중요합니다. 내부에 장착된 샘플러는 건조 공정 중 진공 상태에서 온라인으로 작동하여 생산 연속성을 보장하고 건조 성능을 효과적으로 모니터링할 수 있습니다.

2.4 다방향 CIP

원뿔형 "쓰리인원" 장비는 원료의약품(API) 생산을 위해 재료와 직접 접촉하는 내부 부품을 연마하여 표면 조도 Ra≤0.4 μm를 유지합니다. 한 배치 생산이 완료되면 배출이 진행됩니다. 장비 하단이 원뿔형으로 설계되어 배출구가 가장 낮은 위치에 있어 재료가 쌓이는 사각지대가 없습니다. 배출 밸브를 열면 정회전 혼합 메커니즘 내의 대부분의 재료가 원활하게 배출됩니다(밸브 개방 시 재료가 무분별하게 배출되는 것을 방지하기 위해 교반 메커니즘이 일정 부분 완충 역할을 하며, 재료가 회전하면 중력에 의해 자동으로 배출됩니다). 배출 후반부에는 교반 메커니즘의 역회전이 재료를 밀어내는 역할을 하여 장비 내에 남아있는 재료를 거의 모두 배출합니다.

잔류물이 소량으로 남는 문제를 해결하기 위해 보조 청소 프로그램이 있습니다.

(1) 장비의 내부 CIP는 맞춤형 스프레이 링에 모든 방향으로 구멍이 있어 장비의 내벽과 헤드의 노즐 부분도 제자리에서 세척할 수 있습니다. 또한, 리본형 교반 메커니즘은 재료의 특성에 따라 다양한 낙하 각도를 선택할 수 있습니다. 공정이 완료되면 대부분의 재료는 배출되고 소량의 잔류물은 샤워 노즐로 세척할 수 있습니다.

(2) 여과 매체용 역세척(RCIP) 프로그램: 잔류물 문제를 해결하기 위해 대부분의 API 생산 공정에서는 금속 다층 소결판을 여과 매체로 사용합니다. 리본의 외측 가장자리와 여과 매체 사이의 안전 간격은 최종 잔류물이 발생하는 곳이며, 그 양은 재료의 특성에 따라 달라집니다. 그림 5에서와 같이 RCIP 메커니즘은 여과 매체와 여과액 채널 사이에 위치합니다. RCIP는 짧은 거리(일반적으로 2~3cm) 내에서 수행되며, 세척 압력은 0.6MPa에 도달할 수 있습니다. 잔류층은 일반적으로 전체적으로 부착되어 있으며, 부분 세척 후 교반 메커니즘의 마찰에 의해 분쇄될 수 있습니다. 동시에 CIP는 여과 매체를 효과적으로 세척하고 매우 미세하거나 점성이 높은 재료의 경우 각 배치별 여과율을 유지할 수 있습니다. 여과 매체의 교체 및 유지 보수와 관련하여, 원뿔형 "쓰리인원"은 리프팅 시스템, 원뿔 리프팅 부품 등을 포함한 보조 유지 보수 메커니즘을 갖추고 있어 조작 및 유지 보수가 용이합니다.

그림 5 - 원뿔형 "쓰리인원" 필터의 필터 매체

역세척(RCIP)의 개략도

3. 결론

원뿔형 "쓰리인원(Three-in-One)"은 시장 수요를 충족하기 위해 탄생했으며 다수의 국가 특허를 획득했습니다. 20년 이상 개발 및 적용되어 온 이 장비는 원료의약품(API) 생산 규정 준수를 위한 클린 등급 원뿔형 버전이 5세대에 이르렀으며, 구조 설계부터 적용까지 제약 산업의 관련 규제 요건을 철저히 준수하여 10년 이상 제약 회사에서 사용되고 있습니다. 환경 의식이 높아지고 API 시장이 확대됨에 따라 제약 설비의 업그레이드는 필수적입니다. 원뿔형 "쓰리인원"은 제품 품질을 크게 향상시키고 생산 환경을 보호하며 기업에 상당한 이점을 제공할 것입니다.