PAT(Process Analytical Technology)을 활용한 동결건조공정 제어

눈에 보이지 않는 공정을 읽는 눈 PAT

우리가 일상에서 만나는 많은 의약품이나 바이오 제품은 액체 상태가 아니라 가루나 고체 형태로 만들어집니다. 변질을 막고 오랫동안 보관하기 위해서입니다. 이 과정에서 가장 널리 쓰이는 기술이 바로 동결건조입니다. 제품을 꽁꽁 얼린 뒤 진공 상태에서 수분을 날려 보내는 방식이지요. 하지만 이 과정은 시간이 아주 오래 걸리고 에너지가 많이 들며 중간에 무슨 일이 일어나는지 눈으로 직접 보기 어렵다는 단점이 있었습니다. 옛날에는 정해진 시간에 따라 기계를 작동시켰고 수분이 다 날아갔는지 확인하려면 제품을 꺼내서 부수거나 검사해야 했습니다.

이러한 한계를 극복하기 위해 등장한 개념이 바로 PAT입니다. 공정 분석 기술이라는 뜻을 가진 이 기술은 제조 과정이 진행되는 동안 실시간으로 품질과 상태를 측정하고 제어하는 시스템을 말합니다. 동결건조에 PAT를 적용한다는 것은 마치 의사가 환자의 맥박과 체온을 실시간으로 모니터링하며 수술을 진행하는 것과 같습니다. 기계가 스스로 제품의 상태를 파악하고 가장 알맞은 시점에 온도나 압력을 조절하기 때문에 실패 확률을 획기적으로 낮출 수 있습니다.

동결건조공정이 까다로운 이유

동결건조는 크게 얼리는 단계와 물기를 빼내는 두 가지 건조 단계로 나뉩니다. 이 과정은 매우 미세한 차이로도 결과물이 완전히 망가지기 쉽습니다. 단백질이나 백신 같은 바이오 의약품은 열에 약해서 조금만 온도가 올라가도 구조가 망가져 효능을 잃어버립니다. 반대로 너무 차갑게 유지하면 건조 속도가 지나치게 느려져서 시간과 비용 낭비가 심해집니다.

특히 건조 과정에서 제품의 가장자리가 녹아내리는 현상을 붕괴라고 부르는데 이 현상이 일어나면 약품의 모양이 일그러지고 수분이 제대로 제거되지 않아 쓸모없게 됩니다. 지금까지는 이 붕괴를 막기 위해 아주 보수적으로 안전하게만 기계를 돌렸습니다. 그러다 보니 완제품을 만드는 데 며칠씩 걸리기 일쑤였습니다. 공정이 어떻게 돌아가는지 실시간으로 알 수 없었기 때문에 발생한 일입니다.

실시간으로 공정을 지켜보는 다양한 기술들

PAT 시스템은 다양한 센서와 측정 장비를 통해 동결건조기 내부를 들여다봅니다. 현장에서 자주 쓰이는 대표적인 기술들을 살펴보면 다음과 같습니다.

• 질량분석기는 챔버 내부의 수증기 양을 실시간으로 측정하여 물기가 얼마나 남았는지 알려줍니다.

• 무선 온도 센서는 제품 바이알 내부의 온도를 직접 재어 얼음이 녹기 직전의 한계 온도를 파악합니다.
• 저항 측정법은 제품이 얼어 있는 상태의 전기 저항 변화를 감지하여 건조가 끝나는 시점을 정확히 알려줍니다.
• 근적외선 분광법은 빛을 이용하여 제품 내부의 수분 잔여량을 비파괴 방식으로 실시간 측정합니다.

이러한 도구들은 단순히 데이터를 보여주는 것에 그치지 않고 동결건조기의 제어 시스템과 연결됩니다. 예를 들어 센서가 제품의 온도가 위험 수준에 접근했다고 판단하면 시스템이 알아서 진공도를 낮추거나 온도를 살짝 내려서 제품을 보호합니다. 인간의 손길 없이도 기계가 스스로 판단하고 조치를 취하는 것입니다.

비용을 아끼고 품질을 높이는 실용적인 접근

새로운 기술을 도입한다고 하면 비용부터 걱정하는 경우가 많습니다. 하지만 PAT를 활용한 동결건조 제어는 장기적으로 볼 때 오히려 비용을 크게 아껴주는 효자 노릇을 합니다. 가장 큰 이유는 실패로 인해 버려지는 불량품이 극적으로 줄어들기 때문입니다.

고가의 바이오 원료로 약을 만들다가 한 번 실패하면 수천만 원에서 수억 원에 달하는 손실이 발생합니다. PAT는 이러한 사고를 미연에 방지합니다. 또한 건조 시간이 불필요하게 길어지는 것을 막아주기 때문에 전력 소비량을 줄이고 장비 가동 회전율을 높일 수 있습니다. 하루 이틀 걸리던 공정이 몇 시간 단축된다면 공장의 생산성은 그만큼 올라갑니다. 초기 센서 설치 비용이 들더라도 생산 효율성 향상과 폐기물 감소로 얻는 이익이 훨씬 큽니다.

현장에서 흔히 하는 오해와 진실

이 기술에 대해 현장 실무자들이 자주 오해하는 부분들이 있습니다. 그 진실을 명확하게 짚어볼 필요가 있습니다.

일부에서는 PAT를 도입하면 복잡한 데이터 분석가가 상주해야 하므로 인건비가 더 든다고 생각합니다. 하지만 요즘의 PAT 소프트웨어는 사용자 인터페이스가 매우 직관적으로 만들어져 있어서 기존 작업자들도 조금만 교육을 받으면 쉽게 다룰 수 있습니다. 데이터를 사람이 일일이 해석하는 것이 아니라 시스템이 자동으로 분석하여 경고를 주거나 조치 방안을 제시하기 때문입니다.

또 다른 오해는 한 번 설정하면 모든 제품에 똑같이 적용할 수 있다는 생각입니다. 동결건조는 약물의 성분에 따라 얼는 점과 마르는 속도가 천차만별입니다. 따라서 신약 개발 단계부터 해당 물질에 맞는 임계값을 찾아내고 거기에 맞추어 PAT 설정값을 미세 조정하는 과정이 반드시 필요합니다. 완제품의 특성을 이해하는 것이 기술 도입의 성공을 결정짓는 열쇠입니다.

성공적인 도입을 위한 실천 지침

현장에서 이 기술을 성공적으로 안착시키기 위해서는 몇 가지 실용적인 단계를 거쳐야 합니다. 무작정 비싼 장비부터 사들인다고 해결되는 문제가 아닙니다.

• 현재 사용 중인 동결건조 공정의 병목 구간과 가장 빈번하게 발생하는 불량 원인을 먼저 분석해야 합니다.
• 모든 공정에 한 번에 적용하려 하지 말고 가장 중요한 핵심 측정 장비 한두 가지부터 시범적으로 도입해봅니다.
• 측정된 데이터가 어떤 의미를 가지는지 팀원들과 함께 공부하고 공유하는 사내 교육을 병행합니다.
• 규제 기관의 기준에 맞추어 데이터가 신뢰성 있게 기록되고 관리되는지 철저하게 검증합니다.

이러한 단계적 접근을 통해 데이터 기반의 의사결정 문화가 자리를 잡게 되면 공정의 재현성이 높아지고 어떤 환경에서도 균일한 품질의 제품을 안정적으로 생산할 수 있게 됩니다.

자주 묻는 질문

기존에 쓰던 오래된 동결건조기에도 이 시스템을 설치할 수 있나요

가능합니다. 기존 장비의 제어 판넬을 완전히 바꾸지 않고도 외부 센서와 모니터링 장비를 추가하는 방식으로 Retrofit 작업을 진행할 수 있습니다. 다만 장비의 연식이나 구조에 따라 연동 범위가 다를 수 있으므로 전문 엔지니어와 사전 상담이 필수적입니다.

데이터 수집 주기는 어느 정도가 적당한가요

제품의 특성과 공정 단계에 따라 다릅니다. 급격한 변화가 일어나는 초기 승화 구간에서는 수초에서 수분 단위로 촘촘하게 데이터를 수집하고 안정된 후기 건조 단계에서는 주기를 넓혀서 시스템 부하를 줄이는 것이 일반적입니다.

규제 기관 감사나 실사 시에 유리하게 작용하나요

그렇습니다. 최근의 의약품 제조 규정은 과학적 근거와 데이터에 기반한 공정 관리를 강력하게 요구합니다. PAT를 통해 실시간으로 수집된 방대한 데이터는 공정이 완벽하게 통제되고 있음을 증명하는 가장 강력한 증거 자료가 되므로 실사 대응이 훨씬 수월해집니다.