2.1 정제 제조공정상의 품질관리

일반적인 제약공장의 정제 제조공정 흐름도는 Fig. 1과 같은 원료 칭량, 과립, 혼합, 타정, 코팅, 이물검사, 포장 순으로 진행되며, 그 품질관리는 원료 혼합, 과립, 타정, 코팅, 포장 공정으로 나누어 실시되고 있다.

그림 1 제약공장의 정제 제조공정 흐름도

Fig. 1 Pharmaceutical factory tablet manufacturing process flow chart

2.2 제약공장의 제조 및 포장 공정관리

제조 공정관리에서는, 제품의 제조단위마다 제조지시서와 통합된 제조기록서 작성, 해당 작업에 종사하지 않는 사람의 작업소 출입 제한, 작업전 시설 및 기구의 청결상태 확인, 작업 중인 작업실과 보관용기 및 기계ㆍ설비에 제품명과 제조번호 등 표시 등이 준수되어야 한다⁽⁶⁾.

포장 공정관리에서는 다른 의약품이나 다른 제조단위를 동시 또는 연속하여 포장할 경우에는 의약품 상호 간의 혼동 및 교차오염과 자재 상호 간의 혼동이 일어나지 않도록 작업실을 펜스 또는 파티션 등으로 구획하도록 요구하고 있다⁽⁷⁾.

2.3 코팅공정과 주요변수

정제 제조공정 중의 코팅 공정에는 많은 경험과 기술적 이해가 필요하며, 이와 관련한 많은 주요 변수들을 Table 1에 제시한다. 코팅의 주된 목적은 정제 형태 제품의 물성을 높이고, 제품을 습기로부터 보호하는 데 있으며, 잇점으로서는 다음 공정인 포장작업의 용이함, 향, 맛, 컬러의 부여로 인한 제품의 미적 가치 상승, 릴리즈 조절이 가능한 코팅액의 처방을 통한 정제의 기능성 향상 등이 있다.

코팅용액 분사량이 많을수록 빠른 코팅시간이 보장되지만, 코팅용액이 건조능력 이상으로 공급될 경우 공급량 과도로 인해 여러 가지 코팅 불량이 발생될 수 있다.

그림 2 정제 코팅기의 구조⁽⁸⁾

Fig. 2 Structure of tablet coating machine⁽⁸⁾

Fig. 2의 정제 코팅기의 분사펌프시스템에는 주로 연동펌프를 사용하는데 펌프헤드의 회전수로 코팅용액의 공급량을 제어하고, 분당 분사량[g/min]을 단위로 관리한다. 코팅용액의 점도나 스프레이건의 노즐팁의 사이즈, 연동펌프에 사용하는 튜브의 탄력이 공급량에 영향을 미친다.

2.4 코리올리 유량계 원리 및 특징

Table 1의 5번 Liquid Spray Rate은 코팅공정상의 중요한 변수로서 이를 일정하게 유지하기 위해서는 코리올리 유량계를 적용한 분사펌프시스템이 필수적이다. 이 유량계는 코리올리 효과를 이용한 것으로, 회전하는 물체의 질점이 회전 중심 쪽으로 방향을 향하거나 멀리 떨어져 있는 물체에 대응하여 운동 시 관성력이 생기는 원리를 적용한 것이다.

그 동작원리를 Fig. 3에 제시한다. 직선 운동하는 점 질량에 회전 운동이 가해지면 코리올리 힘이 작용하여 측정관 운동의 변화로부터 유량을 측정할 수 있다. U 자형 측정관이 원 진동수 w, 진동 각속도 Ω 로 진동할 때, 속도 V 로 유동하는 유체에 작용하는 코리올리 힘(Fc)는 식 (1.1)과 같이 구하여 진다.

그림 3 코리올리힘의 발생원리⁽¹⁰⁾

Fig. 3 Principle of generation of Coriolis force⁽¹⁰⁾

여기서, Ω = Ω0 cos wt [rad/s] : 측정관의 진동 각속도

Δm [kg] : 유동하는 유체의 단위 질량

V [m/s] : 유동속도

2.5 연동펌프의 원리 및 특징

다음에는 분사펌프에 사용되는 연동펌프의 동작 원리를 Fig. 4에 보인다⁽⁶⁾. 먼저, 입구부분의 롤러가 A부분에서 하우징과 튜브를 막아주고, 롤러가 반시계방향으로 회전을 하면 롤러 사이에 있는 유체가 회전방향으로 나아가게 된다. 이 후 롤러가 B부분을 지나며 막혀 있던 튜브를 놓아주게 되고, 유체는 출구를 통과하게 된다. 이 때, 뒷 쪽의 롤러가 튜브를 막아주고 있기 때문에 역류를 방지할 수 있다.

그림 4 연동펌프의 동작원리⁽¹¹⁾

Fig. 4 Operating principle of peristaltic pump⁽¹¹⁾

3.1 분사펌프 유량제어시스템의 제어절차

Fig. 5에 분사펌프유량제어시스템의 제어절차를 제시한다. 먼저, SS-1 ON을 통하여 유량제어 시스템의 전원을 가동시키고, 코팅 용액의 유량을 제어하기 위한 제어기 유량 설정을 한다. 다음에 PBL-1A, ON을 수행하여 연동펌프를 가동하고, 인버터는 설정값과 현재값을 비교하여 0∼60[Hz]의 주파수로 감속기, 모터를 구동시킨다. 유량계에서는 현재 유량값을 실시간으로 읽어 제어기에 측정값을 전달하고 제어기는 설정값과 비교하여 보정값을 인버터에 전달하여 설정값과 현재값이 같아질 때까지 제어를 반복 수행한다. 또한, 제어기에서 현재 유량값을 읽어 기록계에 전달하며 유량기록계는 현재 유량값 기록을 시작한다. PB-1B, ON을 수행하면 연동펌프는 OFF된다.

그림 5 분사펌프 유량제어시스템 제어 절차

Fig. 5 Control procedure for spray pump flow control system

Fig. 6에 Fig. 5의 제어절차를 수행하기 위한 분사펌프 유량제어시스템의 전기제어회로 설계를 제시한다. 전원 ON(SS-1) 버튼을 ON 시키고, DS 제어기에 원하는 유량값을 설정, 펌프 ON(PBL-1A)한다. 유량계에서 현재 유량값을 읽어 4∼20[㎃] 값으로 DS 제어기에 전송하고, DS 제어기는 설정값과 유량계에서 전송받은 현재 유량값을 비교하여 인버터에 주 아날로그 출력인 제어 보정값 0∼20[㎃] 전송함과 동시에 보조 아날로그 출력으로 유량 기록계에 4∼20[㎃]의 현재 유량값을 전송한다.

그림 6 분사펌프 유량제어시스템 전기제어회로

Fig. 6 Electrical control circuit of spray pump flow control system

인버터는 DS 제어기로부터 받은 0∼20[㎃]에 대응하는 0∼60[Hz] 주파수 값을 감속기와 모터로 전달하여 구동하게 되며, 유량 기록계는 현재 유량값 기록을 한다. 그 외 전원 표시등은 SS-1을 ON 시킬 때 점등되고, SS-1을 OFF하면 소등되며, 연동펌프 ON 표시등은 PBL-1A를 ON할 때 점등되고. PB-1B, ON 하면 연동펌프 OFF 된다. 변압기는 380[V]을 220[V] 제어전압으로 변성하고, 변압기 1차측에는 부하 단락, 지락 시 보호를 위해 FUSE 1[A]가 설치되며, 유량계의 구동전원으로는 DC 24[V] 컨버터를 사용한다.

분사펌프 유량제어시스템은 이동식으로 조작 및 분해가 편리하도록 하고, 전원은 3상 3선식 380[V] 16[A] 이하로 그 연결 및 투입 여부를 육안으로 식별 가능하도록 해야한다.

3.2 분사펌프 유량제어시스템 기계기구 설계

기계기구 설계 요구 및 검토사항으로는, 용액 제조용기의 분리 및 연결 용이, 이동형으로 필요 시 코팅 장비와 분리가 가능, 용액 접촉 부분의 SUS 316, 316L사용, 분배기 및 유량계의 세척 밸리데이션 통과가능 재질 및 구조, 이동장치의 하부 바퀴 잠금/고정 장치 부착, 5∼6개 노즐의 개별 유량과 총 유량 허용 오차 ±2% 이내 등이 만족되도록 설계하여야 한다.

앞에서 언급한 설계조건이 만족되도록 Fig. 7에 분사펌프 유량제어시스템의 기계기구 설계절차를 제시한다.

Fig. 7은 코팅용액의 이동순서를 나타낸 것으로 유량제어 시스템의 시작부터 끝까지 코팅용액의 흐름을 실제 조사 후 작성 하였다.

그림 7 분사펌프 유량제어시스템의 기계기구 설계 흐름도

Fig. 7 Machine design flow chart for spray pump flow control system

4.1 유량제어시스템 제작

설계 요구 사항 및 검토 사항을 반영하여 Fig. 9와 같은 분사펌프 유량 제어 시스템을 제작하였다. Fig. 9의 분사펌프 유량제어 시스템 제작에 사용된 주요 부품의 사양은 우선 유량계는 Endress+Hauer社 83F, 8mm 코리올리 유량계, DS 제어기는 YOKOGAWA社 UT32A-000-11-00, 연동폄프는 WATSON MAR LOW社 313/314 Pumphead, 인버터는 LS electric社 SV004IG5A-4로 제작되었다.

Fig. 8의 분사펌프 유량제어 시스템은 쉽게 분리가 가능한 이동형 구조로 설계하였고, 유량계, 제어판넬, 분배기, 연동펌프 등의 주요 부품을 최대한 공간과 면적을 고려하여 효율적으로 배치하였다. 특히, 유량계의 취부 설계는 유량계 입구는 아래쪽으로, 출구는 위쪽으로 하여 유량 측정오차를 최소화하였다.

그림 8 분사펌프 유량제어시스템의 기계기구 구조

Fig. 8 Machine structure of spray pump flow control system

최초 가동 시 1회 정밀 제어를 위해 설정이 필요하며 제조용액 베셀에 물을 넣고 베셀 출구 -> 분사펌프 유량 제어 시스템의 시작인 유량계 입구 -> 유량계 출구 -> 분배기 입구 -> 분배기 출구 -> 연동펌프 튜브 -> 코팅기 분사건 입구 순으로 튜브와 호스로 연결, 조립하고 코팅기 분사건 입구에 용액을 받을 수 있는 측정 용기를 설치하며 유량 사용 범위인 200 ∼1,050[g/min]의 중간 값인 625[g/min]값으로 DS 제어기를 설정한 후 펌프 ON 버튼을 누른다. DS 제어기 아날로그 0∼20[㎃] 출력의 오토 튜닝을 실시하여 P, I, D 값을 설정한다. 또한 유량계의 출력 값이며 DS 제어기의 입력값 인 4∼20[㎃]의 샘플링을 타임을 인버터 속도 변화를 관찰, 감시하며 시간 값을 설정하여 오버슈팅과 제어 편차가 감소되게 설정하였다.

4.2 실증시험

4.2.1 실증시험조건

시험조건 첫 번째는 유량계 설정에 따른 측정값의 허용기준으로 설정값 ±2% 이내이며, 제조지시서에 명시된 허용오차값으로 제품 개발 시 품질검사를 통해 정해지는 범위이다.

두 번째는 시험에 사용되는 저울과 스톱워치는 교정을 받고 유효기간 이내에 있는 것을 사용해 측정해야 한다.

세 번째는 측정결과의 재연성과 연속성을 검증하기 위해 연속 3회 시험하여 평균값을 측정, 기준으로 하며 시험 용액은 정제수를 사용하고 유량계 사용 범위인 200∼1,050 [g/min]으로 한다.

그림 9 분사펌프 유량제어시스템의 정면 모습

Fig. 9 Front view of spray pump flow control system

4.2.2 실증시험절차

실험조건과 같이 준비한 후 최초 가동 시 연동펌프 출구 튜브에 물이 가득 차도록 최소 200[g/min]으로 DS, 제어기 유량을 설정하며 코팅기 분사건 입구에서 시험 용기로 물을 받는다. 코팅기 분사건 입구에서 개별 연동펌프의 유량이 육안으로 안정되는 것과 인버터의 속도 제어 변동값이 안정된 것을 확인 후 유량계 사용범위 최소값부터 최대값까지 순서대로 유량 200, 400, 600, 800, 1,050[g/min]로 DS 제어기를 설정한다. 설정값에서 각각 3회 시험하며 물을 시험 용기에 받아 저울로 측정하고 기록한다. 위의 서술 내용을 흐름도로 작성하여 설명하면 Fig. 10과 같이 표현할 수 있다.

Preparation (test conditions) DS controller 200[g/min] setting Coating machine spray gun entrance/ Receiving test container water Check the stabilization of individual peristaltic pump flow rate and inverter speed control fluctuation values 200~1,050 [g/min] DS controller Test each setting 3 times, measure test container scale

그림 10 실증 실험절차 흐름도

Fig. 10 Verification test procedure flow chart

4.3 결과 고찰

실증시험을 통해 정제수로 분사펌프 유량제어시스템의 유량을 측정하였을 때 Table 3과 같이 설정값 200∼1,050[g/min] 범위에서 허용오차 범위 이내의 유량 값이 측정되었으며, 설정값 800[g/min]에서 오차가 0.3으로 가장 정확한 시험값을 Fig. 11과 같이 얻었다.

그림 11 실증 실험결과 고찰

Fig. 11 Review of empirical test results

400[mPa∙s] 이상 점도의 제품에서 분사펌프 유량제어시스템에서 허용오차에서 벗어나는 편차가 발생함을 확인하였고 점도 325[mPa∙s] 까지는 문제없이 사용 가능하였다. 점도가 증가할수록 선형성이 나빠지고 영점변화와 유체의 완화 시간에 의한 것으로 높은 점도를 측정하는 경우 원래의 성능을 어느 정도 유지하고 있다. 그러나 특정한 유동률 이상에서는 선형성이 나빠져 일정한 정확도로 측정할 수 없으므로 측정 가능한 유량범위가 줄어든다.

코팅공정의 분사펌프시스템에 코리올리유량계를 적용한 속도제어로 일정한 공급량을 분사 시작부터 끝까지 유지할 수 있어 연동펌프 튜브의 탄력 변화 및 변형으로 인한 기존의 수동 설정 연동펌프 헤드 회전수 제어의 코팅용액 공급량 변화 문제를 해결할 수 있다.