바이오 공정 필터 사이징 테스트(Filter Sizing Test) 원리와 사례

바이오 의약품 제조 공정에서 필터는 불순물 제거, 세포 분리, 멸균 여과, 농축 및 투석 등 다양한 단계에서 핵심적인 역할을 수행합니다. 특히, 필터의 효율성과 경제성을 최적화하기 위해서는 필터 사이징 테스트(Filter Sizing Test)가 필수적입니다. 필터 사이징은 단순히 크기를 결정하는 것을 넘어, 공정의 특성과 요구 사항에 가장 적합한 필터 종류, 면적, 그리고 재질을 과학적으로 선정하는 과정입니다.

본 글에서는 바이오 공정 필터 사이징 테스트의 중요성, 주요 평가 항목, 일반적인 절차, 그리고 고려해야 할 핵심 요소들을 바이오 공정 전문가의 시각에서 심도 있게 다루고자 합니다.

1. 필터 사이징 테스트의 중요성

필터 사이징은 공정의 효율성, 경제성, 그리고 제품 품질에 직접적인 영향을 미치기 때문에 매우 중요합니다.

• 공정 효율성: 부적절한 필터 사이즈는 잦은 필터 막힘, 과도한 역압, 낮은 유속으로 이어져 공정 시간이 지연되고 생산성이 저하됩니다.

• 경제성: 너무 큰 필터는 불필요한 비용 증가를 초래하고, 너무 작은 필터는 필터 교체 주기를 단축시켜 운영 비용을 높입니다.

• 제품 품질 및 안전성: 필터는 최종 제품의 순도와 멸균성을 보장하는 최후의 방어선입니다. 올바른 필터 선택은 제품의 안전성과 효능을 직접적으로 보증합니다.

• 규모 확장(Scale-up) 용이성: 초기 단계에서 정확한 사이징 테스트를 수행하면, 생산 규모가 확장될 때 시행착오를 줄이고 예측 가능한 성능을 얻을 수 있습니다.

• 공정 위험 감소: 필터 막힘과 같은 예상치 못한 문제 발생 시, 공정 지연뿐만 아니라 배양액 오염, 제품 손실 등 심각한 위험을 초래할 수 있습니다.

2. 필터 사이징 테스트의 주요 평가 항목

성공적인 필터 사이징을 위해서는 다음의 주요 항목들을 평가하고 최적화해야 합니다.

2.1. 유속(Flux) 및 처리량(Throughput)

• 유속: 단위 필터 면적당 흐르는 유체의 양 (예: L/min/m²). 이는 필터의 투과성과 공정 운전 압력에 따라 달라집니다.

• 처리량: 필터가 막히기 전까지 처리할 수 있는 총 유체의 양 (예: L/m²). 이는 필터의 수명과 직결되며, 주로 필터에 축적되는 오염 부하에 의해 결정됩니다.

2.2. 압력 강하(Pressure Drop) 및 역압(Back Pressure)

• 필터 전후의 압력 차이. 필터 막힘이 진행될수록 압력 강하는 증가하며, 이는 펌프 부하 증가 및 필터 파손의 위험으로 이어질 수 있습니다.

2.3. 제품 회수율(Product Recovery)

• 필터 내에 흡착되거나 필터 자체에 남아 손실되는 제품의 양을 최소화해야 합니다. 특히 고가 단백질 의약품의 경우, 소량의 손실도 큰 경제적 영향을 미칩니다.

2.4. 입자 제거 효율(Particle Removal Efficiency) 및 미생물 제거 효율(Microbial Removal Efficiency)

• 필터의 공극 크기(Pore Size)에 따라 특정 크기 이상의 입자나 미생물을 얼마나 효과적으로 제거하는지 평가합니다. 멸균 여과(Sterile Filtration)의 경우 LRV(Log Reduction Value)가 핵심 지표입니다.

2.5. 필터 수명(Filter Lifetime) 및 막힘 특성(Fouling Characteristics)

• 필터가 최적의 성능을 유지할 수 있는 시간 또는 처리량입니다. 공정 유체의 점도, 고형물 농도, 유기물 부하 등에 따라 필터 막힘 속도가 달라집니다.

3. 필터 사이징 테스트의 일반적인 절차

필터 사이징 테스트는 일반적으로 실험실 규모에서 시작하여 점진적으로 규모를 확장하는 방식으로 진행됩니다.

3.1. 랩 스케일(Lab Scale) 평가 (Small-Scale Filtration Test)

1. 샘플 준비: 실제 공정과 동일하거나 대표적인 특성을 가진 샘플 유체(배양액, 버퍼 등)를 준비합니다.

2. 필터 선정: 다양한 공극 크기, 재질, 형태(멤브레인, 뎁스 필터 등)의 소형 필터 디스크(예: $25-47\text{ mm}$ 직경) 또는 카트리지를 준비합니다.

3. 운전 조건 설정: 공정의 예상 유속, 압력, 온도 등을 모사하여 실험 조건을 설정합니다.

4. 필터링 수행: 각 필터에 대해 일정량의 샘플을 통과시키면서, 유속, 압력 강하, 처리량, 탁도(Turbidity) 변화, 제품 회수율 등을 측정합니다.

5. 데이터 분석:

   • 처리량 대 압력 그래프(Flux vs. Volume or Pressure vs. Volume): 필터 막힘 패턴을 확인합니다.

   • 선형성 및 비선형성: 필터 막힘의 원인(표면 막힘, 내부 막힘 등)을 분석하고, Darcy's Law와 같은 여과 모델을 적용합니다.

   • 제품 품질 분석: 필터를 통과한 샘플의 미생물, 입자, 단백질 농도 등을 분석하여 필터의 성능을 평가합니다.

6. 예비 필터 선정: 랩 스케일 데이터를 바탕으로 가장 적합한 필터 종류와 대략적인 면적을 추정합니다.

3.2. 파일럿 스케일(Pilot Scale) 또는 데모 스케일(Demo Scale) 테스트

1. 스케일업(Scale-up): 랩 스케일에서 얻은 데이터를 바탕으로 실제 공정 유량을 처리할 수 있는 규모의 필터 카트리지 또는 모듈을 선택합니다.

   • 선형 스케일업(Linear Scale-up): 랩 스케일에서 측정한 단위 면적당 처리량(L/m²)을 목표 공정 유량에 곱하여 필요한 총 필터 면적을 산출합니다.

   • 예시: 랩 스케일 필터 디스크(유효 면적 0.001 m2)가 10 L를 처리했다면, 처리량은 $10\text{ L}/0.001{\text{ m}}^2=10,000{\text{ L/m}}^2$입니다. 만약 공정에서 1000 L를 처리해야 한다면, 최소 $1000\text{ L}/10,000{\text{ L/m}}^2=0.1{\text{ m}}^2$의 필터 면적이 필요합니다.

2. 실제 조건 모사: 실제 공정에서 사용될 유량, 압력, 온도, 주기 등을 최대한 유사하게 모사하여 테스트를 진행합니다.

3. 성능 검증: 랩 스케일에서 예측한 성능(유속, 처리량, 압력 강하, 제품 회수율)이 실제 파일럿 규모에서 재현되는지 확인합니다.

4. 경제성 분석: 필터 가격, 교체 주기, 폐기 비용 등을 고려하여 최적의 필터 시스템을 결정합니다.

4. 필터 사이징 시 고려해야 할 핵심 요소

4.1. 유체 특성(Fluid Characteristics)

• 점도(Viscosity): 유속에 직접적인 영향을 미칩니다. 고점도 유체는 더 큰 필터 면적이나 높은 압력이 필요합니다.

• 입자 부하(Particle Load): 필터 막힘의 주원인입니다. 사전 여과(Pre-filtration) 단계의 중요성이 커집니다.

• 단백질 농도 및 특성: 필터 표면에 단백질 흡착 또는 응집을 유발하여 막힘을 가속화하거나 제품 손실을 일으킬 수 있습니다.

• pH 및 온도: 필터 재질의 화학적 안정성 및 유체 점도에 영향을 미칩니다.

4.2. 공정 운전 조건(Process Operating Conditions)

• 목표 유량(Target Flow Rate): 단위 시간당 처리해야 할 유체의 양입니다.

• 최대 허용 압력(Maximum Allowable Pressure): 필터 및 시스템이 견딜 수 있는 최대 압력으로, 이를 초과하면 필터가 손상될 수 있습니다.

• 운전 주기(Operating Cycle): 연속 공정인지 배치 공정인지, 필터 교체 주기는 얼마나 되는지 등.

• 세척 및 재사용(Cleaning and Re-use): 필터의 세척 용이성과 재사용 횟수도 경제성에 중요한 요소입니다.

4.3. 필터 재질 및 종류(Filter Material and Type)

• 재질: 폴리설폰(PS), 폴리에테르설폰(PES), 폴리프로필렌(PP), 나일론(Nylon), PTFE(테플론) 등 유체의 화학적 특성과 호환되어야 합니다.

• 종류:

  • 뎁스 필터(Depth Filter): 입자를 필터 매질 내부에서 포집하며, 높은 입자 부하에 적합합니다 (예: 세포 제거).

  • 멤브레인 필터(Membrane Filter): 표면에서 입자를 포집하며, 정밀한 공극 크기로 멸균 여과에 사용됩니다 (예: 0.2μm 필터).

  • 접선 흐름 필터(Tangential Flow Filter, TFF): 멤브레인 표면을 따라 유체가 흐르며 막힘을 줄여 농축 및 투석에 사용됩니다.

4.4. 규제 요건(Regulatory Requirements)

• GMP(Good Manufacturing Practice): 필터의 적합성 및 안정성을 보장해야 합니다.

• 멸균 유효성(Sterilization Validation): 멸균 여과 필터의 경우, 필터의 미생물 제거 능력을 검증해야 합니다 (Bubble Point Test, Integrity Test).

• 생체 적합성(Biocompatibility): 필터 재질이 제품에 유해한 물질을 침출하지 않는지 확인해야 합니다.

5. 결론

바이오 공정 필터 사이징 테스트는 단순한 '크기 맞추기'를 넘어, 복잡한 바이오 공정 환경에서 필터가 최적의 성능을 발휘하고 공정의 효율성, 경제성, 안전성을 동시에 확보하기 위한 필수적인 과학적 과정입니다. 랩 스케일에서 파일럿 스케일로, 그리고 최종 생산 스케일로 진행되는 단계별 접근은 위험을 최소화하고 성공적인 스케일업을 보장합니다.

따라서 바이오 공정 전문가는 유체 특성, 운전 조건, 필터 재질 및 규제 요건 등 다각적인 측면을 면밀히 분석하고, 체계적인 테스트를 통해 각 공정 단계에 가장 적합한 필터 솔루션을 도출해야 합니다. 이는 고품질의 바이오 의약품을 효율적이고 안정적으로 생산하는 데 있어 가장 중요한 기반이 될 것입니다.