제약업의 경우 대량 자재의 취급에서부터 제분, 입화, 정제화, 캡슐화, 코팅 및 심지어 패키징까지 대부분의 공정 단계에서 분진이 발생합니다. 이러한 분진은 매우 미세하기 때문에 높고 먼 곳까지 표류하여 시설 곳곳의 표면과 틈새에 쌓일 가능성이 있습니다.
따라서 다음과 같은 몇 가지 문제를 일으킬 수 있습니다. cGMP 문제, 병렬 공정에서의 교차 오염, 유해 먼지를 처리하는 동안 직원의 노출, 가연성 분진으로 인한 폭연 가능성 등이 있습니다. 공정 분진을 제대로 처리하지 않거나 억제하지 않으면 엄청난 OSHA 벌금을 부과받거나, 세척으로 인한 가동 중지 시간이 발생하거나, 심각한 경우 부상 또는 인명 손실로 이어질 수 있습니다. 위험이 너무 높기 때문에 필트레이션 옵션은 물론, 효율을 개선하고 청결을 유지하며 공장을 보호하는 기술에 대해 잘 알고 있어야 합니다(그림 1 참조).
깨끗한 미세섬유 레이어 필터
표면에 먼지를 포집한 미세섬유 레이어 필터
집진기 하우징 설계의 진화
집진 기술은 지난 수십 년 동안 크게 발전해 왔으며, 집진기 하우징 또는 캐비닛 설계의 개선이 가장 두드러졌습니다. 오늘날의 분말 처리 시설에서는 한때 건물 일부를 차지하던 전통적인 백하우스 집진기를 더 이상 볼 수 없습니다. 기술의 혁신으로 장비가 발전되어, 한때 요구되었던 거대한 장치가 줄어들게 되었습니다. 이러한 장치는 내재적인 상향 흐름의 비효율성을 보였을 뿐만 아니라 하루 동안의 유지 관리를 위한 가동 중지, 운영 비용 절감을 위한 전반적인 옵션 제한 등의 문제가 있었습니다. 기존의 백하우스 장비에서 벗어난 주요 변화는 1970년대 중반에 시작되었으며, 이 시기에 최초의 카트리지 집진기와 필터가 도입되었습니다.
공정에서 미세먼지 또는 가벼운 먼지가 발생하는 제조업체는 카트리지 집진기를 이용하여 집진 설비를 공장 내부에 배치했습니다. 이제 유지 관리 담당자는 지붕에 올라가거나 집진 설비에 직접 들어가지 않고도 집진 설비를 수리할 수 있게 되었습니다. 따라서 가동 중지 시간 유지 관리가 감소하고, 공정의 운영 성능과 효율이 향상되었습니다.
그러나 초기 카트리지 집진기의 설계는 백하우스 집진기 설계와 크게 다르지 않았습니다. 카트리지가 수직으로 설치되어 있고(예: 필터 백) 여전히 낮은 공기 흐름이 집진기 캐비닛에 유입되어 분진 재유입이 발생하고 백하우스에서도 기타 성능 비효율이 발견되었습니다.
이러한 초기 집진기는 오래된 백하우스 기술을 넘어서는 발전이었지만, 여전히 개선이 필요했습니다. 1980년대 초 즈음, 새로운 설계 개선으로 집진기 성능은 더욱 향상되었습니다. 이 새로운 설계에서는 하향식 공기 흐름 설계를 통합해 중력을 활용하여 기류에서 먼지를 제거했습니다.
EPA 연구에 의해 지원되고 미국 산업위생전문가협의회(ACGIH)의 승인을 받은 하향 기류 설계는 가장 효율적인 카트리지 집진기 하우징 설계로 인정받았습니다. 또한 낮은 압력 강하로 효율 한계를 타파하고 분진 재유입 문제를 해결함으로써 입자가 호퍼로 쉽게 떨어질 수 있는 전체 디자인이 탄생했습니다.
공기 흐름 분석
그렇다면 캐비닛 하우징 설계나 공기 흐름의 방향은 운영 성능에 어떤 영향을 미칠까요? 어차피 가장 중요한 것은 필터 여과지 아닐까요? 이를 가장 잘 설명하기 위해 상향 기류/교차 기류와 하향 기류 설계 이미지와 비교해 보겠습니다. 매우 다른 이 두 가지 원리를 비교해 보면, 공기가 중력에 따라 집진기의 오염된 쪽에서 청정한 쪽으로 이동할 때 하향 기류식 집진기의 속도가 더 낮은 것을 쉽게 볼 수 있습니다(그림 2 참조). 속도가 느릴수록 낮은 압력 강하가 발생하여 필터를 통과하는 공기를 이동시키는 에너지도 감소합니다. 하향 기류 설계는 에너지 수요가 낮을 뿐만 아니라 마모성 분진을 더 잘 처리합니다. 이는 필터의 마모가 적고 호퍼 스위핑이 제거된다는 의미입니다. 그렇지 않으면 분진이 부유하여 필터에 다시 쌓일 수 있습니다. 이러한 재유입은 성능 효율을 저하하고 에너지 사용량을 증가시킵니다. 따라서 필터 자체도 매우 중요한 역할을 하지만, 캐비닛 설계를 잘하면 필터의 효율이 향상됩니다.
가연성 분진
대개 공정 분진은 본래 가볍기 때문에, 종종 존재하는지도 몰랐던 시설 영역으로 유입되는 것을 발견할 수 있습니다. 분진이 미세할수록 더 높이 떠다니며 가라앉는 데 시간이 더 오래 걸립니다. 그럼 어떻게 해야 할까요? 가연성 분진인 경우, 벽면, 조명 위, HVAC 덕트 설비 코팅 등이 잠재적 연료원이 됩니다. 폭연이 일어나는 경우 분진이 동요하여 공기 중으로 방출되고, 이로 인해 시설 내에 더 강력한 2차 폭발이 발생할 수 있습니다.
그렇다면 폭연은 무엇이고 폭발은 무엇일까요? 두 가지 현상은 서로 다르지만 동시에 발생합니다. 폭연은 아음속으로 전개되는 화염 선단을 생성하는 점화 현상입니다. 폭발은 과도한 압력으로 인해 용기나 컨테이너가 물리적으로 파열되는 현상입니다. 산업 사고에서는 일반적으로 폭연 현상이 집진기 또는 건물의 폭발을 유발합니다. 오랫동안 시설 전체에 쌓인 분진은 공장 공정 장비에서 발생하는 폭연 및/또는 폭발로 인해 동요하게 될 것입니다. 이렇게 부유한 먼지가 공정 장비의 폭발로 인한 불꽃면 또는 시설의 다른 점화원과 접촉할 경우, 종종 더욱 강력한 2차 사건이 발생하여 심각한 시설 손상이나 직원의 부상 또는 사망이 초래될 수도 있습니다.
미국 직업안전보건국(OSHA)은 위험을 일으키는 가연성 분진에 대한 NEP(National Emphasis Program)를 발표했습니다. OSHA는 미국방화협회(NFPA)가 개발한 지침을 바탕으로 폭발 5요소 중 하나 이상을 제거함으로써 가연성 분진 위험을 줄이는 데 초점을 둡니다(그림 3 참조). 폭발 5요소는 5가지 핵심 요소(예: 가연성 분진, 산소, 분진 분산, 분진 억제 및 점화원)로 구성됩니다. 이러한 요소들은 서로 결합할 경우 폭발을 일으킵니다.
공정 소유자는 가연성 분진 위험과 관련하여 공정을 평가하고, 어떤 가연성 분진 관리 전략을 통해 효과적으로 위험을 제한할 것인지 결정해야 합니다. 관리 전략에는 폭발 5요소에서 하나 이상의 요소를 제거하는 방법 및/또는 폭발의 결과를 제어하고 제한하는 방법이 있습니다. 가연성 분진이 있는지 판단하기 위해 확인해야 할 질문이 많습니다.
분진 억제
여러 의약품 부산물은 여전히 유해한 분진을 포함하고 있습니다. 이 분진에는 마약, 호르몬, 스테로이드 또는 기타 화합물과 같은 원료의약품(API)이 포함되어 있어, 과다 노출될 경우 직원이나 환경에 유해한 영향을 미칠 수 있습니다.
비활성 분진을 생성하는 표준 공정과 달리, 유해한 분진은 노출을 제한하고 억제를 강화하여 처리해야 합니다. 이제 필트레이션 장비가 집진은 물론 포집된 분진을 억제하는 역할도 하므로, 분진 억제는 종종 특수한 문제로 나타납니다.
오늘날의 집진기는 대부분 자체 완비되었으며, 흔히 연속 실행되도록 구성할 수 있습니다. 이러한 장비 옵션을 통해 집진기는 압력을 모니터링하고, 공기 흐름을 조절하며, 자동으로 필터를 펄스 클리닝하고, 심지어 공정을 멈추지 않고도 호퍼에서 먼지를 배출할 수 있습니다. 그러나 높은 수준의 자동화에도 불구하고 집진기를 효율적으로 실행하기 위해서는 여전히 수동 작업이 필요합니다. 이중 가장 일반적인 작업은 사용한 필터를 교체하는 작업입니다. 제약 제조 과정에서 발생하는 유독성 분진을 여과하는 필터를 교체할 때는 대개 BIBO(Bag-In/Bag-Out) 공정이 필요합니다(그림 4 참조).
BIBO는 작업자가 집진기의 분진에 직접 노출되지 않고 필터를 교체할 수 있도록 하는 특수 백의 사용 및 취급 과정을 의미합니다. BO(Bag-Out) 단계에는 백을 넣은 후 집진기의 통합 Collar(BIBO Collar)에 연결합니다. 그리고 고무 개스킷 및 고무 밴드 클램프를 사용하여 백을 Collar에 부착하면 BIBO 백과 집진기 사이에 단단한 밀봉이 형성됩니다.
다음은 특정 BIBO 설계가 효과적인지 확인할 때 고려해야 할 사항입니다.
- 백은 분진 억제 전문가로부터 받아야 하며, OEL 등급이 높아야 합니다. 분진의 독성에 따라 백의 품질을 양보해서는 안 됩니다. 모든 백의 등급이 동일하지는 않기 때문입니다.
- 원형 BIBO Collar는 빈틈없이 균일한 밀봉을 형성하므로 직사각형 Collar보다 더 효과적입니다. 직사각형 Collar는 상단, 하단, 측면에 빈틈이 생기기 쉽습니다.
- 집진기의 필터 개구부가 더 작으므로 실제로 BIBO 필터 교체를 수행할 직원은 한 명이면 충분합니다. 반대로 대형 직사각형 필터 개구부를 갖춘 수직 설치형 집진기의 경우 조작자가 최대 4개의 포집된 필터를 하나의 백으로 끌어다 놓아야 하는 경우가 많습니다. 포집된 필터의 무게는 최대 70 파운드까지 나갈 수 있으므로, 무게만 놓고 봐도 필터와 백을 관리하고 폐기하는 데 둘 이상의 조작자가 필요합니다.
- 백을 집진기에 삼중으로 밀봉할 수 있는 BIBO Collar가 권장됩니다.
- BIBO 장비를 고려할 때는 BIBO 절차를 위해 특수 설계된 장비를 찾는 것이 가장 좋습니다. BIBO를 추후에 고려하는 장비 설계에 만족해서는 안 됩니다.
집진에 이렇게 많은 기술과 디자인이 적용되어 있을 줄 누가 알았을까요? Donaldson의 임무는 설계, 필터 솔루션 및 전반적인 효율을 지속적으로 개선하여 더욱 깨끗하고 안전한 공기를 제공하는 것입니다. Donaldson은 집진 기술을 더욱 발전시키는 혁신 리더로서의 역할을 계속 이어가며 변화하는 고객의 필트레이션 요구에 적합한 효과적인 필터 솔루션을 지속적으로 제공할 것을 약속드립니다.
