스팀품질시험(Steam Quality Test)의 3대 물리적 핵심 항목

제약회사 무균공정 고압증기멸균기(Autoclave) 밸리데이션 시 필수적인

스팀품질시험(Steam Quality Test)의 3대 물리적 핵심 항목인

비응축성 가스, 건조도, 과열도의 기준과 발생 원인을 상세히 분석합니다.

 

실제 멸균 실패(Wet Load) 사례를 통한

트러블슈팅 노하우와 WHO 무균의약품 GMP, EN 285 규제 가이드라인 원문 해석까지

제약 실무자와 밸리데이션 엔지니어에게 필요한 모든 실무 지침을 제공합니다.

 

 

[GMP 실무] 스팀품질시험(Steam Quality Test) 완벽 가이드 및 멸균 실패 트러블슈팅

작성자: GMPCAT 밸리데이션팀 카테고리: Equipment & Utility Qualification

제약회사 무균공정에서 고압증기멸균기(Autoclave) 밸리데이션을 진행할 때, 챔버 내부의 온도와 압력 센서 기록표만 보고 안심하고 계시지는 않나요? GMP에서 요구하는 스팀 품질시험(Steam Quality Test)은 온도와 압력이라는 결과값 이전에, 멸균기에 공급되는 '증기(Steam)' 그 자체의 물리적 특성이 멸균에 적합한 포화증기(Saturated Steam) 상태인지를 검증하는 핵심 절차입니다.

멸균의 핵심 원리는 증기가 차가운 피멸균물에 닿아 물로 응축되면서 방출하는 막대한 양의 잠열(Latent Heat)을 제품에 전달하는 것입니다. 증기의 질이 떨어지면 이 열전달 과정에 심각한 오류가 발생합니다. 최근 WHO 무균의약품 GMP 및 EU GMP Annex 1에서는 특별한 정당화 사유가 없는 한 스팀의 3대 물리적 지표를 반드시 확인하도록 강제하고 있습니다.

스팀 품질을 결정짓는 3가지 물리적 시험 (EN 285 기준)

유럽 표준인 EN 285 및 영국 보건부 지침(HTM 01-01)에 기반한 스팀품질시험의 3대 평가 항목은 다음과 같습니다. 단, 실제 적용 기준은 자사의 SOP, 장비 URS, 적용 약전(USP, EP 등)을 우선적으로 따라야 합니다.

시험 항목	확인 목적 및 멸균 영향	일반적인 허용 기준
비응축성 가스 시험 (NCG Test)	공기·CO₂ 등 멸균 온도에서 응축되지 않는 가스 확인. 증기 침투를 방해하는 공기 포켓(Air pocket) 생성 방지	3.5% 이하
건조도 시험 (Dryness Fraction)	증기에 물방울이 과도하게 섞여 있는지(습증기 여부) 확인. 건조 불량(Wet Load) 및 포장 건전성 저하 방지	일반 부하: 0.95 이상 (섬유 부하 한정 시 0.90 이상)
과열도 시험 (Superheat Test)	증기가 포화온도보다 지나치게 높아 건조 공기처럼 거동하는지 확인. 잠열 전달 부족으로 인한 멸균 실패 예방	25℃ 이하

1. 비응축성 가스 시험 (Non-condensable Gas Test, NCG)

증기 속에는 순수한 H₂O 외에도 공기나 이산화탄소 등이 섞여 있을 수 있습니다. 문제는 이러한 가스들이 멸균 온도(예: 121℃)에서 액체로 응축되지 않는다는 점입니다. 이 가스들이 부하 내부나 바이알 틈새에 모이면 증기가 닿지 못하는 '공기 주머니(Air pocket)'가 형성되고, 이는 멸균 실패의 직접적인 원인이 됩니다.

시험은 일정량의 증기를 차가운 물속으로 분사시켜 스팀을 모두 응축시킨 뒤, 응축되지 않고 물 위로 떠오른 가스의 체적과 발생한 응축수의 체적을 비교 측정합니다.

비응축성 가스(%) = (포집된 가스 체적 ÷ 응축수 체적) × 100

🚨 NCG 수치가 높게 나오는 원인 (3.5% 초과 이탈 시)

• 급수 문제: 스팀발생기(Pure Steam Generator)로 공급되는 원수의 탈기(Degassing) 불량 및 급수 온도 저하 (수온이 낮을수록 용존 가스량이 증가함)
• 설비 문제: 펌프 패킹, 밸브 틈새, 가스켓 노후화로 인한 배관 내 공기 유입
• 운영 문제: 장기간 설비 정지(Shut-down) 후 가동 시 퍼지(Purge) 시간 부족
• 배관 문제: 배관 구배(Slope) 불량으로 인한 배관 내 공기 체류

2. 건조도 시험 (Steam Dryness Test)

건조도는 증기 전체 질량 중 '실제 기체 상태의 증기(건증기)'가 차지하는 비율을 의미합니다. 건조도가 1.00이면 이론적으로 수분 방울이 전혀 없는 완벽한 건포화증기이며, 건조도가 0.95라면 질량 기준으로 약 95%는 증기, 나머지 5%는 액체(물방울) 상태임을 뜻합니다.

스팀이 너무 젖어 있으면(건조도가 낮으면) 멸균 사이클의 진공 건조 단계를 거쳐도 피멸균물 표면이나 포장재(Tyvek 등)에 물기가 남는 Wet Load(젖은 부하) 현상이 발생합니다. 이는 멸균 물품의 무균 상태 유지에 치명적인 위험을 초래합니다.

🚨 건조도가 낮게 나오는 원인 (습증기 발생)

• 발생원 문제: 스팀발생기 내에서 끓어오르는 물방울이 스팀과 함께 넘어오는 현상(Carry-over) 발생
• 트랩 불량: 배관 드레인 불량 또는 스팀 세퍼레이터(기수분리기), 스팀 트랩 오작동
• 설계 및 단열: 배관 보온(Insulation) 불량으로 인한 열손실과 결로, 또는 지나치게 큰 관경으로 인한 낮은 유속
• 수요 변동: 공정 중 스팀 사용량의 급격한 피크(Peak demand)로 인한 압력 변동

3. 과열도 시험 (Superheat Test)

과열도는 증기가 대기압으로 팽창했을 때 측정한 온도가, 해당 조건(대기압)에서의 물의 끓는점(포화온도, 약 100℃)보다 얼마나 더 높은지를 평가하는 지표입니다.

과열도(℃) = 대기압 팽창 후 측정온도 - 대기압에서의 물 끓는점

"온도가 높으면 멸균이 더 잘 되는 것 아닌가?"라고 오해하기 쉽습니다. 하지만 과열증기는 매우 건조한 뜨거운 공기처럼 행동합니다. 피멸균물에 닿아도 온도가 포화점까지 떨어지기 전에는 응축되지 않으므로, 정작 중요한 '잠열' 방출이 일어나지 않습니다. 이 경우 멸균기 온도계는 121℃를 지시하더라도 실제 제품의 멸균은 미흡할 수 있습니다.

🚨 과열도가 높게 나오는 원인 (25℃ 초과)

• 압력 강하: 감압밸브(PRV, Pressure Reducing Valve)에서 챔버 압력으로 넘어올 때 과도한 압력 강하 발생
• 마찰 및 속도: 스팀 공급 속도가 너무 빠르거나 배관 내 마찰 저항이 큼
• 과도한 가열: 멸균기 재킷(Jacket)이나 배관 주변 부위에서 불필요한 추가 가열 발생

💡 [실무 Case Study] 원인 불명의 Wet Load, 스팀품질로 해결하다

상황: A제약사 주사제 라인의 부품 멸균기(Autoclave)에서 지속적으로 포장 파우치 내부에 물방울이 맺히는 Wet Load OOS가 발생했습니다. 담당자는 멸균기 진공 펌프를 점검하고 건조 시간(Drying time)을 기존 30분에서 50분으로 대폭 늘렸으나 증상은 개선되지 않았습니다. 챔버 온도와 압력 프로파일은 정상 범주였습니다.

해결 과정: GMPCAT의 자문에 따라 멸균기에 인입되는 스팀의 '건조도 시험'을 긴급 실시했습니다. 측정 결과 건조도가 0.88로 기준치(0.95 이상)에 크게 미달하는 습증기(Wet steam)가 공급되고 있음이 확인되었습니다. 배관 라인을 역추적한 결과, 최근 시설팀에서 스팀 배관을 우회(Bypass) 연장하면서 해당 배관 하단부에 필수적인 스팀 트랩(Steam trap)을 누락했고, 단열 보온재 작업도 미흡했음이 밝혀졌습니다. 배관에 고인 응축수가 증기와 함께 멸균기 내부로 쏟아져 들어왔던 것입니다. 즉각 스팀 트랩을 보강하고 단열을 재시공한 후 측정한 결과 건조도는 0.98로 회복되었고, Wet Load 문제는 완벽히 사라졌습니다.

응축수 화학시험 (순수증기 품질 확인)

물리적 3항목 외에도 제약 산업에서는 멸균에 사용되는 순수증기(Pure Steam)가 제품이나 1차 포장재(바이알, 스토퍼 등)에 직접 접촉하므로, 증기를 응축시킨 응축수(Condensate)의 품질을 정제수(PW) 또는 주사용수(WFI) 수준으로 엄격하게 관리해야 합니다. WHO 실사 보고서에서도 물리적 시험과 화학/미생물 시험을 별개의 필수 항목으로 지적하고 있습니다.

분류	주요 응축수 시험 항목 (WFI 규격 준용)
이화학적 특성	전도도(Conductivity), 총유기탄소(TOC), pH 또는 산도·알칼리도
화학적 불순물	염화물, 질산염, 황산염, 중금속, 실리카, 암모늄 등 약전 요구 항목
미생물학적 특성	미생물 한도(Bioburden), 엔도톡신(Endotoxin) 시험

시험은 언제, 어디서 수행해야 할까?

가장 중요한 것은 샘플링의 위치입니다. 스팀품질시험은 스팀발생기 출구가 아니라, 실제 멸균기로 스팀이 유입되는 직전 부위(Point of Use)에서 수행해야 합니다. 긴 배관을 거치면서 스팀 품질이 변형될 수 있기 때문입니다. 시험 시점은 스팀 사용량이 가장 많은 구간(Peak demand), 즉 멸균 챔버에 증기가 대량으로 공급되는 타이밍에 실시합니다.

[ 권장되는 스팀품질시험 샘플링 구성도 ] 스팀발생기(PSG) ║ ╠══ (스팀 메인 배관) ══╗ ║ ▼ [감압 밸브 (PRV)] ── (압력 강하) ║ ╠══ [스팀 트랩] ── 응축수 배출 ║ ▶ [스팀 샘플링 포인트(테스트 포트)] ◀ 여기서 시험! ║ ▼ [고압증기 멸균기 챔버]

실시 권장 주기 및 시점

• 신규 스팀발생기 또는 멸균기 설치 시 (IQ/OQ 단계)
• 정기 재적격성평가(Re-qualification) 시 (통상 1년 주기)
• 스팀발생기, 메인 스팀 배관, 감압밸브 등 주요 유틸리티 변경 발생 시
• 스팀 공급 조건(압력/유량)이나 원수(Feed water) 시스템 변경 시
• 지속적인 Wet Load 또는 Bowie-Dick 시험 실패 등 공정 이상 발생 시

글로벌 규제 가이드라인 원문 분석

WHO GMP for sterile pharmaceutical products (TRS 1044, Annex 2) / EU GMP Annex 1 (2022)

"The quality of steam used for sterilization should be assessed periodically against chemical, microbiological and endotoxin criteria... The physical qualities of steam (e.g. non-condensable gases, dryness value and superheat) should also be assessed unless otherwise justified."

[한국어 번역 및 실무 해석]
"멸균에 사용되는 증기의 품질은 화학적, 미생물학적 및 엔도톡신 기준에 따라 주기적으로 평가되어야 합니다... 증기의 물리적 품질(예: 비응축성 가스, 건조도 값 및 과열도) 또한 특별히 정당화되지 않는 한 반드시 평가되어야 합니다."

➔ 규제 기관은 물리적 시험(3항목)과 화학적 응축수 시험을 명확히 구분하여 모두 이행할 것을 강력히 권고하고 있습니다. 이를 누락할 경우 실사(Inspection)에서 Major 지적 사항이 될 확률이 높습니다.

스팀품질시험은 Bowie-Dick 시험, 열분포시험(Temperature Distribution), 열침투시험(Heat Penetration)을 대체하는 것이 아닙니다. 멸균 장비가 제 기능을 발휘할 수 있도록 가장 근본적인 유틸리티(Utility)의 타당성을 뒷받침하는 핵심 밸리데이션입니다. 비응축성 가스, 건조도, 과열도 이 세 가지 물리적 항목이 모두 기준을 만족해야만 비로소 '멸균에 적합한 포화증기'를 공급하고 있다고 자신 있게 말할 수 있습니다.

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