원료의약품 냉동 및 보관을 위한 새로운 접근법

작성자: Jeff Johnson, Biotech Design LLC 사장

코로나19 팬데믹과 관련 백신 개발로 인해 생물학적 의약품 시장이 크게 성장하면서 향상된 벌크 원료의약품(DS) 냉동 및 냉동 보관 방법이 필요해졌습니다.

기존의 초저온(ULT) 냉동고에서 DS를 냉동하면 단일 실행 내에서 많은 불일치가 발생합니다. 예를 들어 일부 병은 상대적으로 빠르게 냉동되는 반면 다른 병은 매우 느립니다. 이로 인해 제품 품질 문제가 발생할 수 있습니다. 또한 주변 온도에서 재료를 냉동하려면 많은 양의 열을 제거해야 하며 이는 냉동 시스템에 부담을 줍니다. 기존 ULT 보관 냉동고는 이 프로세스를 처리하도록 설계되지 않았습니다. 이러한 높은 변형률은 빈번한 유지 관리로 이어지거나 서비스 수명을 크게 단축시킬 수 있습니다.

냉동과정을 거친 DS는 반드시 장기 냉동고에 보관해야 합니다. 다양한 저장 냉동고 옵션을 사용할 수 있습니다. 다양한 옵션에 대한 경제적 평가를 통해 각 최종 사용자의 응용 분야에 가장 적합한 기술을 선택할 수 있습니다.

먼저, 주변 온도에서 DS를 동결시키는 최신 기술을 살펴보겠습니다. 그럼 이미 냉동된 DS를 보관하기 위한 장비를 살펴보겠습니다.

영하 80°C의 온도를 달성하는 표준 ULT Freezer는 추가 용량이 거의 없이 이미 냉동된 재료를 보관하도록 설계되었습니다. 주변 온도에서 DS를 냉동하는 데 사용되는 경우 냉동 속도는 제품 로드에 따라(몇 시간에서 며칠까지) 그리고 DS 로드에 따라 배치마다 크게 달라집니다. 열을 효과적으로 제거할 수 있는 능력이 부족하기 때문에 냉동 주기 동안 작동 시간이 길어지면(48~72시간) 냉동 시스템이 영구적으로 손상될 수 있습니다. 또한 병은 서로 다른 속도로 얼기 때문에 DS 품질이 다양해집니다.

열 부하와 이를 처리하는 냉동고의 능력을 더 잘 이해하기 위해 냉동고의 실제 열 부하를 계산할 수 있습니다. 첫 번째 계산은 챔버가 영하 80°C이고 외부 대기가 25°C인 냉동고의 벽을 통해 전달되는 열의 양입니다.

기본 캐비닛 열 부하(Q')는 다음 방정식을 사용하여 계산됩니다.

kf x As x ΔT/t = Q'

어디:

kf는 열전도율입니다.

지역도 마찬가지입니다.

ΔT는 온도 변화입니다.

t는 벽 두께입니다.

표준 ULT Freezer 캐비닛의 값을 연결하면 다음 방정식이 생성됩니다.

0.020W / (m - K) x 6.3m2 x 105°C(105K) / 0.127m = 104W

냉동고 도어에 대해 동일한 계산을 반복하여 30W를 생성할 수 있습니다. 또한 도어 개스킷 전체에서 ~24W의 추가 열 손실이 있어 외부에서 캐비닛으로 전달되는 총 열은 158W입니다.

기본 캐비닛 벽(상단, 후면, 측면 및 하단)(104W) + 도어 전면 전체(30W) + 도어 개스킷 전체(24W) = 158W

기존 ULT Freezer의 냉동 시스템은 일반적으로 캐비닛 열 부하를 30% ~ 40% 제거하기 위해 크기가 너무 큽니다. 이는 210W ~ 243W 사이의 설계 부하와 동일하며, 따뜻한 제품의 적재 및 냉동 및/또는 도어 개구부의 온도 회복을 위한 냉동고 용량 또는 완충 장치로 52W ~ 85W가 남습니다.

DS를 냉동하는 또 다른 접근 방식은 블래스트 냉동기 또는 속도 제어 냉동고와 같이 냉동 공정을 위해 특별히 설계된 냉동기를 사용하는 것입니다. 이러한 냉동고는 강제 공기 대류를 사용하여 대량의 재료에서 열을 제거하도록 설계되었으며 Cryometrix, FARRAR, Meissner 및 Thermo Fisher Scientific과 같은 여러 공급업체에서 구입할 수 있습니다. 급속 냉동기는 일반적으로 하나의 냉동 속도로 냉동하도록 설계되는 반면, 제어 속도 냉동기는 정의된 온도 프로필에 따라 냉동 및/또는 해동하도록 프로그래밍할 수 있습니다. 이러한 유형의 냉동고 용량을 계산하기 위해 그림 1은 FARRAR 모델 4000 제어 속도 챔버를 예로 사용하여 캐비닛, 송풍기, 도어 및 도어 잼에 대한 열 전달 부하(Q)를 보여줍니다.