고객센터 > 분석응용자료
제조사 SUEZ (Sievers)
제품명 TOC(총유기탄소) 분석기
제목 Cleaning Validation을 위한 TOC 분석의 장점 (2)
내용

 


Cleaning Validation을 위한 TOC 분석의 장점 (2)

 

 

 

TOC분석기_M9.png

 

 

총 유기탄소 분석 이론

 

모든 TOC 분석은 두 가지의 기능을 가지고 있다. 하나는 물 속의 유기탄소를 산화시켜 이산화탄소로 만드는 기능이고, 나머지 하나는 그 이산화탄소를 검출하는 기능이다. TOC는 적당히 세척되지 않은 생산 장비에 남아있는 불순물 및 잔류물을 확인하고, APIs(Active Pharmaceutical Ingredients, 유효 약리 성분), 세척제, 단백질, 중간 물질 등 탄소를 포함한 모든 화합물을 측정하는 지표로 사용된다. TOC를 측정하기 위한 기술은 샘플 내 유기분자들을 이산화탄소로 완벽하게 산화시키고, 산화된 이산화탄소의 양을 측정하고, 이 결과를 탄소 농도로 나타낼 수 있어야 한다. 그리고 물에 용해된 이산화탄소나 중탄산염과 같은 무기탄소와 유기분자가 산화되어 생성된 이산화탄소를 정확하게 구분하여 측정할 수 있어야 한다. TOC는 측정된 총 탄소(Total Carbon, TC)-무기탄소(Inorganic Carbon, IC)¹로 산출된다. 여기서 총 탄소는 <무기탄소+유기탄소>를 의미한다.

 

TOC 분석기는 유기물을 산화시키는 방식과 산화된 이산화탄소를 검출하는 방식에 따라 구분된다. 검출 방식에 따라 분석 결과가 달라질 수 있기 때문에, 검출 방식은 Cleaning Validation 과정에 큰 영향을 미칠 수 있다.

 

 

총 유기탄소 분석기의 산화 방식

 

시중에 출시되어 있는 TOC 분석기는 유기 화합물을 이산화탄소로 산화시키기 위해 연소 방식 또는 자외선 산화제(과황산암모늄) 방식의 산화 방식 중 한 가지를 사용하고 있다.

 

연소 산화 방식은 질소, 산소, 공기를 사용하여 600℃의 고온에서 샘플을 산화시킨다. 산화 과정에서 산화구리, 백금, 산화코발트 등의 촉매제를 필수적으로 사용한다.

 

자외선+산화제 산화 방식에서는 자외선을 이용하고, 물에 용해되어있는 유기물을 이산화탄소로 산화시킨다. 샘플은 분석기 안에 있는 수은 증기 램프에서 발생되는 자외선에 노출되면서 유기물이 이산화탄소로 산화된다. 농도가 1ppm 이상인 샘플의 경우, 산화제인 과황산암모늄을 첨가하여 수산화라디칼을 많이 생성시켜 완벽한 산화를 돕게된다. 과황산암모늄은 자외선을 많이 받아 황산염과 수산화라디칼로 분해되며, 이 때 분해된 수산화라디칼이 완벽하게 유기물을 산화시키게 된다.

 

 

총 유기탄소 검출 방식

 

이산화탄소의 농도를 측정하기 위해서는 샘플에 있는 다른 분자들과 이산화탄소 분자를 구별할 수 있는 검출 방식을 사용해야 한다. 방식은 비 분산 자외선(Non-Dispersive Infared, NDIR) 방식과 전도도 측정 방식의 두 가지가 현재 주로 사용되고 있는 검출 방식이다. NDIR 방식은 각 기체 상태의 물질을 적외선 영역에서의 흡광도를 이용하여 측정한다. NDIR 검출 방식을 사용하는 TOC 분석기에는 보통 두 개의 적외선 경로가 있다. 하나는 적외선을 흡수하지 않는 질소와 같은 기체로 채워진 대조 경로(Reference Cell)이고, 다른 하나는 실제 샘플을 측정하는 경로이다. 전도도 측정 방식은 전도도 센서로 전도도를 측정한 후, 이산화탄소 농도를 계산한다. 샘플은 두 개의 전도도 센서를 지나게 되며, 각각 총 탄소와 무기탄소를 측정하며, <총 탄소-무기탄소>로 이산화탄소 농도를 계산하게 된다. NDIR 검출 방식은 탄소 농도 0.004~50,000ppm까지 측정이 가능하며, 전도도 방식은 수 ppb까지 측정 가능하다. 보통의 경우에는 NDIR이나 전도도 검출 방식 모두 낮은 농도의 탄소도 검출할 수 있지만, 이온에 의한 방해 영향을 받는다. 이온에 의한 영향은 이산화탄소만 선택적으로 투과하는 반투과성 막을 이용하여 완화시킬 수 있다.

 

 

차별화된 Sievers 총 유기탄소 분석기

 

Sievers TOC 분석기는 기존 연소 산화 방식 및 NDIR 검출 방식을 사용하는 분석기와는 차별화된 자외선+산화제 산화 방식과 이산화탄소만 선택적으로 투과하는 반투막을 이용한 기술이 적용되었다. 때문에 항상 정확한 분석 결과를 도출해낸다. Sievers의 막 전도도(Membrance Conductivity) 방식은 이산화탄소만 선택적으로 투과시키는 막을 사용한다. 이 막은 이산화탄소는 투과시키는 반면, 방해 이온과 산화 부산물 등은 투과시키지 않아 Background Interference를 제거하고, 정확하게 분석할 수 있도록 한다. 다음에 소개하는 Sievers TOC 분석기의 자외선/산화제 산화 방식+막 전도도 검출 방식과 분석 편의성을 위한 기능은 그 누구도 따라올 수 없는 성능을 가능하게 한다.

 

 

자동 시약 주입 기능을 통한 완벽한 산화

 

Sievers 분석기에서는 Autoreagent, 즉 자동 시약 주입 기능이 있다. Cleaning Validation 샘플을 분석할 때, 산 및 산화제의 주입량을 최적화하여 샘플의 완벽한 산화를 실현한다.

 

 

촉매+연소 산화 방식이 아니다

 

촉매를 사용하는 연소 산화 방식은 분석자가 첨가할 촉매의 양을 직접 결정해야 한다. 그러나 필요한 촉매의 양은 샘플의 탄소 농도에 따라 달라지기 때문에, 정확한 양의 결정이 어려우며 필연적으로 오차가 발생하게 된다. 연소 산화 방식의 분석기는 샘플 내에 있던 염화물에 의해 발생하는 유해 가스를 제대로 처리하지 못하는 경우도 있다.

 

 

NDIR 검출기를 사용하지 않는다

 

NDIR 검출기는 분석 전 30~45분 정도의 준비시간(Warm Up)이 필요하기 때문에 Downtime이 발생하게 되고, 분석 업무가 밀리게 된다. 분석 샘플의 농도에 따라 매 시간 혹은 매일 캘리브레이션을 진행해야 한다. 또한 캘리브레이션이 틀어지는 현상도 자주 나타나기 때문에, 분석기 운영 시간의 6~10%를 캘리브레이션에 할애해야 한다.

 

 

운반 가스 (Carrier Gas)를 사용하지 않는다

 

NDIR 검출 방식은 운반 가스가 불필요하기 때문에 많은 비용이 들며, 가스가 새거나 오염될 경우에 TOC Background가 높아지고, 캘리브레이션 안정성을 보장할 수 없어 정확한 분석이 불가능하게 된다.

 

 

감도와 회수율의 향상

 

Sievers TOC 분석기의 전도도 셀은 고순도 석영으로 만들어져 안정성이 매우 좋고, 낮은 농도 (0.03ppb)도 검출할 수 있다. <그림 1>과 <표 1>은 연소 산화 방식+NDIR 검출 방식의 분석기와 Sievers 분석기로 소 혈청 알부민을 비교 및 분석한 결과이다.

 

 

Cleaning Validation을 위해 Sievers TOC 분석기를 선택해야 할 때!

 

HPLC 분석은 분석 시간이 오래 걸리고, 그 만큼 다음 샘플의 분석이 지연된다. 적게는 몇 시간에서 많게는 며칠의 Downtime을 유발할 수 있다. 또한 많은 비용의 발생과 제품 생산량을 초래한다. Downtime에 대한 비용이 백만 달러를 초과하는 경우도 있다. TOC 분석을 통해 낮은 농도의 유기화합물을 빠르고 간편하게 확인 가능하고, HPLC로 분석할 수 없는 부분도 충분히 검출해낼 수 있다. TOC 분석으로 Downtime과 Method 검증 시간이 기존에 비해 75% 이상 감소하였다.

ㅇ.png

 

<그림 1. 소 혈청 알부민의 TOC 분석 회수율 비교 그래프>

 

 

실제 농도 (ppb) 

결과 및 회수율 

 Sievers 900*

연소/NDIR 방식 

 100

 74.7ppb = 75%

 339.7ppb = 340%

 250

 264.7ppb = 105%

 173.0ppb = 70%

 500

 564.3ppb = 113%

402.1ppb = 80% 

 750

 751.2ppb = 100%

 556.3ppb = 74%

 1,000

 968.7ppb = 97%

556.3ppb = 56% 

 5,000

4646.7ppb = 93% 

 1508ppb = 30%

 10,000

 9390ppb = 94%

3285ppb = 33% 

 25,000

 23266.7ppb = 93%

 7182ppb = 29%

 50,000

 46000ppb = 92%

 23025ppb = 46%

 

<표 1> 소 혈청 알부민의 TOC 분석 회수율 비교 데이터

 

 

위 비교 실험은 완벽하게 캘리브레이션된 분석기를 사용하였다. 각 장비는 분석 전 시스템 적합성 검사를 통해 적합 판정을 받았다. 두 장비 모두 동일한 소 혈청 알부민을 사용하였다. 어떤 편차도 발생하지 않는 완벽하게 컨트롤된 상태에서 실험을 진행하였다.

 

 

참고 자료

 

¹ USP<643> Total Organic Carbon

² Andrew W.Walsh contributed to the content of this application note



담당자

 

 영인에스티 환경기술사업부 송정화 과장 (02-6190-9893)

 

 

 

 

관련제품정보 막 전도도 방식 TOC분석기 M9 (제약)
초임계수산화 방식 TOC 분석기 InnovOx
원문보기
자료문의