고압멸균
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1. 개요
고압멸균은 121°C의 온도와 1기압 이상의 압력에서 포화된 고온의 수증기를 사용하여 미생물을 멸균하는 방법이다. 고압멸균은 원리적으로 고압 하에서 화학 반응 속도를 높이고, 물체의 끓는점을 상승시켜 멸균 효과를 극대화한다. 고압멸균기는 미생물학, 의학, 화학, 재료 공학 등 다양한 분야에서 사용되며, 의료 폐기물 처리, 복합 재료 경화, 식품 멸균 등에 활용된다. 고압멸균기의 안전한 사용을 위해 정기적인 점검과 작업자 교육이 중요하며, 안전 밸브와 압력계 등의 안전 장치가 필수적으로 설치되어야 한다.
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| 고압멸균 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 종류 | 압력 용기 |
| 용도 | 멸균 |
| 발명가 | 샤를 Chamberland |
| 설명 | |
| 작동 원리 | 고압 증기를 사용하여 재료를 멸균함. 일반적으로 에서 작동함. |
| 사용처 | 의료 실험실 치과 수의과 |
| 역사 | |
| 발명 시기 | 1879년 |
| 발명가 | 파스퇴르 연구소의 샤를 Chamberland |
| 이전 모델 | 압력솥과 유사한 기원 |
| 작동 방식 | |
| 일반적인 설정 | 온도: 에서 사이 압력: 시간: 3~15분 (액체 및 플라스틱은 더 긴 시간 필요) |
| 액체 멸균 시 주의 사항 | 과열 방지를 위해 느린 배기 사용 |
| 종류 | |
| 중력 치환 고압 증기 멸균기 | 증기를 주입하여 공기를 배출하는 방식 |
| 증기 배기 고압 증기 멸균기 | 진공 펌프를 사용하여 공기를 제거하는 방식 |
2. 원리
고압멸균은 121°C, 15lb psi (약 1기압)의 고온, 고압 조건에서 포화 수증기를 이용하여 미생물을 사멸시키는 원리이다.[28][27] 고압 조건에서는 물의 끓는점이 높아져 100°C 이상의 온도에서도 수분을 유지하며 가열할 수 있다. 고온의 수증기는 미생물의 단백질을 변성시키고, 세포막을 파괴하여 효과적으로 멸균한다.
고압 하에서는 많은 화학 반응이 상압(1기압)일 때보다 빠르게 진행되며, 상압에서는 거의 나타나지 않는 반응도 일어난다. 고압에서는 끓는점이 상승하여 100°C를 크게 초과하는 온도에서도 수분을 유지한 채 물체를 가열할 수 있다. 이러한 현상을 이용하여, 내압 용기 내부에 포화 수증기나 수소 가스 등의 기체를 넣고, 고압(경우에 따라서는 고온 고압)으로 함으로써, 용기 내부에 넣은 물체 내부에서 특정 화학 반응을 빠르게 진행시킨다.
오븐과 유사한 원리에 의한 건열 멸균에서는 180°C에서 30분 이상(또는 160°C에서 1시간 이상) 가열해야 아포를 완전히 죽일 수 있다. 하지만 이 방법으로는 수분을 포함하는 물체나 배지 등과 같은 수용액, 또는 고온에 약한 플라스틱류를 멸균할 수 없다. 반면, 오토클레이브 멸균에서는 일반적으로 2기압의 포화 수증기로 온도를 121°C로 상승시켜 20분간 처리함으로써, 대상물의 수분을 유지한 채, 건열 멸균보다 낮은 온도, 짧은 시간으로 멸균할 수 있다.
오토클레이브는 수분을 유지한 채, 비교적 저온에서 멸균할 수 있어, 매우 넓은 대상을 비교적 간편하게 멸균 가능하다. 다만 120°C 이하에서 변질되는, 열에 약한 성분(일부 단백질이나 비타민 등)을 포함하는 것, 또는 열에 약한 플라스틱 기구는 멸균할 수 없다.
2. 1. 공기 제거
고압멸균기를 작동하기 전, 갇힌 공기를 모두 제거하는 것이 매우 중요하다. 갇힌 공기는 멸균을 달성하기에 매우 좋지 않은 매개체이기 때문이다. 134°C의 증기는 3분 만에 원하는 수준의 멸균을 달성할 수 있지만, 뜨거운 공기에서 동일한 수준의 멸균을 달성하려면 160°C에서 2시간이 걸린다.[11] 공기 제거 방법은 다음과 같다.- 하향 변위 (또는 중력식): 증기가 챔버로 들어가면, 공기보다 밀도가 낮기 때문에 먼저 상단 영역을 채운다. 이 과정은 공기를 하단으로 압축하여 온도 센서가 포함된 배수구를 통해 배출한다. 공기 배출이 완료된 후에야 배출이 중단된다. 유량은 일반적으로 스팀 트랩 또는 솔레노이드 밸브로 제어되지만, 배기 구멍이 사용되기도 한다. 증기와 공기가 섞이면, 챔버 하단을 제외한 다른 위치에서 혼합물을 배출하는 것도 가능하다.
- 증기 펄스: 챔버를 번갈아 가며 가압하고 대기압에 가깝게 감압하는 일련의 증기 펄스를 사용하여 공기를 희석한다.
- 진공 펌프: 진공 펌프는 챔버에서 공기 또는 공기/증기 혼합물을 흡입한다.
- 과대기압 사이클: 진공 펌프로 달성된다. 진공으로 시작하여 증기 펄스, 진공, 증기 펄스가 이어진다. 펄스 수는 특정 고압멸균기 및 선택한 사이클에 따라 다르다.
- 대기압 이하 사이클: 과대기압 사이클과 유사하지만, 챔버 압력은 멸균 온도까지 가압될 때까지 대기압을 초과하지 않는다.
가난하거나 비의료 환경에서 사용되는 스토브 상단 고압멸균기는 항상 자동 공기 제거 프로그램을 갖추고 있는 것은 아니다. 작동자는 압력계에 표시된 특정 압력에서 수동으로 증기 펄스를 수행해야 한다.[12]
3. 용도
고압멸균은 다양한 분야에서 활용된다.
- '''의료 및 생물학''': 미생물학, 의학, 보철 제작, 문신, 피어싱 등에서 사용되며, 실험실 유리 제품, 수술 도구, 의료 폐기물 등을 멸균한다. 병원성 폐기물 처리에도 활용된다.
- '''화학 및 재료 공학''': 화학 반응 용기로 사용되며, 복합 재료 경화 및 고무 가황에도 널리 사용된다. 특히 재료 강도를 감소시키는 공극 없이 여러 층을 융합하는 데 사용된다.[9]
- '''기타''': 장례 절차 및 식품 산업에서도 활용되며, 액체 폐기물 및 폐수 멸균을 위한 열 폐수 오염 제거 시스템에도 사용된다.
일부 항공우주 산업에서는 겹겹이 쌓인 복합 재료로 만들어진 전체 항공기 동체를 수용할 수 있을 만큼 큰 고압멸균기를 사용하기도 한다.[10]
캘리포니아 대학교 리버사이드(UCR)의 2016년 연구에 따르면, 연구용 고압멸균기는 의료용 고압멸균기에 비해 에너지 소비량은 83%, 물 소비량은 97% 감소시키는 등 효율성이 매우 높았다.[17] 앨라배마 대학교 버밍햄의 2023년 연구에서도 연구 환경에서 비자켓형 고압멸균기가 자켓형 고압멸균기에 비해 물과 증기 사용량이 매우 적어 비용 절감 효과가 큰 것으로 나타났다.[18]
3. 1. 의료 및 생물학
고압멸균기는 미생물학, 의학, 보철 제작, 문신, 피어싱 등 다양한 분야에서 활용된다. 주로 실험실 유리 제품, 수술 도구, 의료 폐기물 등을 멸균하는 데 사용된다.[6][7] 최근에는 병원성 폐기물의 사전 처리 및 멸균에도 활용되고 있다. 이러한 기계는 가압 증기와 과열된 물을 이용하여 감염원을 중화시킨다.[8]의료용 고압멸균기는 증기를 사용하여 장비와 물체를 멸균하는 장치이다. 이를 통해 모든 세균, 바이러스, 곰팡이, 포자가 비활성화된다.[13] 그러나 프리온이나 일부 세균이 방출하는 독소는 고압멸균으로 파괴되지 않을 수 있다.[14]
고압멸균은 생활 폐기물 처리 전 의료 폐기물을 멸균하는 데 사용되기도 한다. 이는 소각의 대안으로, 특히 소규모 병원에서 발생하는 환경 및 건강 문제를 해결하는 데 기여한다. 그러나 병리학적 폐기물 등 독성이 강하거나 감염성이 높은 의료 폐기물은 여전히 소각 등의 열 산화 공정이 필요하다. 치과에서는 고압멸균기를 사용하여 치과 기구를 멸균한다.
미생물 멸균 시 가장 큰 문제는 일부 세균이 형성하는 아포의 존재이다. 아포는 온도나 약제 등에 대한 저항성이 매우 강하다. 일반적인 생물은 100℃의 물로 끓이면 짧은 시간에 사멸하지만, 아포는 30분 이상 끓여도 살아남는다.
건열 멸균은 180℃에서 30분 이상 가열해야 아포를 완전히 제거할 수 있지만, 수분을 포함하는 물체나 배지, 플라스틱류에는 사용할 수 없다. 반면, 고압멸균은 일반적으로 2기압의 포화 수증기로 온도를 121℃까지 올려 20분간 처리하여, 대상물의 수분을 유지하면서도 낮은 온도와 짧은 시간에 멸균이 가능하다. 이는 습열 상태에서 가수 분해 반응이 촉진되어 미생물을 구성하는 생체 고분자의 분해가 가속화되기 때문이다.
이러한 방식으로 거의 모든 생물을 제거할 수 있다. 대표적인 고내구성 생물인 ''Geobacillus stearothermophilus''의 아포나 물곰도 습열에 약해 고압멸균으로 제거된다. 일부 초고열균은 산소가 부족하면 고압멸균에 견딜 수 있지만, 상온 환경에는 존재하지 않아 일반적인 상황에서는 문제가 되지 않는다.
고압멸균은 수분을 유지하면서 비교적 저온에서 멸균할 수 있어, 건열 멸균이 불가능한 수분 함유 물체나 수용액, 폴리프로필렌 등 고온에 강한 일부 플라스틱 제품 등 다양한 대상을 간편하게 멸균할 수 있다. 그러나 120℃ 이하에서 변질되는 열에 약한 성분이나 플라스틱 기구는 멸균할 수 없다. 또한 RNase, 내독소, 지질 다당류, 프리온 등은 고압멸균으로 제거할 수 없다.
일반적으로 고압멸균은 121℃, 2기압에서 20분간 처리하지만, 대량의 배지를 멸균하는 경우 등에는 더 오랜 시간이 필요할 수 있다. 일부 세균 배지는 115℃에서 멸균하기도 한다. 프리온의 경우 132℃에서 1시간 처리하면 감염력을 1000분의 1로 줄일 수 있다. 병리 조직 고정에 포르말린을 사용하는 경우, 면역조직화학 염색을 위해 항원 부활 작업에 고압멸균기를 사용하기도 한다.
3. 2. 화학 및 재료 공학
화학 분야에서 '''오토클레이브'''는 대기압 이상의 압력에 견딜 수 있는 반응 용기로, 특히 배치 반응으로 교반을 가능하게 하는 메커니즘을 갖춘 유형을 지칭한다. 교반이 불가능한 배치식 내압 반응 용기는 밀봉관이라고도 한다. 오토클레이브가 화학 반응에 사용되기 시작한 것은 19세기 후반부터이다.고압 하에서는 많은 화학 반응이 상압(1기압)일 때보다 빠르게 진행되며, 상압에서는 거의 나타나지 않는 반응도 일어난다. 또한 수분을 포함한 물체를 가열하는 경우, 고압 하에서는 끓는점이 상승하여 100℃를 크게 초과하는 온도에서도 수분을 유지한 채 물체를 가열하는 것이 가능하다. 이러한 현상을 이용하여, 내압 용기 내부에 포화 수증기나 수소 가스 등의 기체를 넣고, 고압(경우에 따라서는 고온 고압)으로 함으로써, 용기 내부에 넣은 물체 내부에서 특정 화학 반응을 빠르게 진행시키는 것이 오토클레이브의 원리이다.
가압 반응을 수행하는 데는 다음과 같은 이점이 있다.
- 어떤 용매를 사용한 반응을 해당 용매의 1기압에서의 끓는점 이상의 온도에서 수행해야 하는 경우, 불활성 기체를 사용하여 압력을 가하면 끓는점이 상승하므로 1기압에서의 끓는점보다 높은 온도에서 반응을 수행하는 것이 가능해진다.
- 기체와의 반응을 수행하는 경우, 헨리의 법칙에 따르면, 기체의 용해도는 그 압력이 높을수록 높아지므로 고압에서의 반응이 유리하다.
- 가압함으로써 평형이 생성계로 이동하거나, 반응이 가속될 수 있다.
화학 합성에서 특히 산업적으로 중요한 것은 수정의 합성이다. 오토클레이브 내에서 고온 고압(약 350℃, 90 - 145 MPa)으로 유지하여 수정을 재결정화하여 성장시킨다. 성장 속도는 하루 0.4-0.5mm의 속도로, 40일 정도에서 긴 것은 200일 이상이 걸린다.[23] 얻어진 수정은 보석으로 사용되는 외에도, 수정 진동자로서 쿼츠 시계에 사용된다.
복합 재료 성형 공정에서는 탄소 섬유나 아라미드 섬유 등에 열경화성 수지를 함침하여 적층한 후, 오토클레이브로 가열하여 성형한다. 자동차나 항공기의 카본 모노코크나 테니스 라켓 등의 스포츠 용품 등에 이용된다. 다만, 오토클레이브를 이용한 성형은 예열, 가열, 냉각 시간이 걸리기 때문에 성형 생산성이 기존의 고장력강, 알루미늄 등의 금속 재료보다 떨어지므로, 최근에는 탈 오토클레이브 공법이 서서히 생산 현장에 도입되고 있다.
3. 3. 기타
고압 멸균기는 미생물학, 진균학, 의학, 보철(prosthetics) 제작, 문신 및 피어싱, 그리고 장례 절차에서 널리 사용된다. 멸균할 매체에 따라 크기와 기능이 다르며, 화학 및 식품 산업에서는 때때로 레토르트라고 불린다.[6][7]일반적인 내용물로는 실험실 유리 제품, 기타 장비 및 폐기물, 수술 도구 및 의료 폐기물이 있다.
최근 고압 멸균기의 주목할 만하고 점점 더 대중화되는 응용 분야는 병원성 폐기물과 같은 폐기물의 사전 처리 및 멸균이다. 이 범주의 기계는 가압 증기와 과열된 물을 사용하여 잠재적인 감염원을 중화(제거하지 않음)할 수 있다는 점에서 기존의 고압 멸균기와 동일한 원리로 작동한다.[8]
고압 멸균기는 또한 특히 재료 강도를 감소시키는 공극 없이 여러 층을 융합하기 위한 복합 재료 경화와 고무의 가황에도 널리 사용된다.[9] 고압 멸균기가 생성하는 고온과 압력은 최상의 물리적 특성을 반복 가능하게 보장하는 데 도움이 된다. 요트의 스파 제조업체는 15m가 넘고 3m 넓은 고압 멸균기를 보유하고 있으며, 일부 항공우주 산업의 고압 멸균기는 겹겹이 쌓인 복합 재료로 만들어진 전체 항공기 동체를 수용할 수 있을 만큼 크다.[10]
열 폐수 오염 제거 시스템은 액체 폐기물 및 폐수의 멸균을 위해 설계된 단일 목적 고압 멸균기로 기능한다.
4. 종류
고압멸균기는 용도, 크기, 기능에 따라 다양하게 분류된다. 화학 분야에서 '''오토클레이브'''는 대기압 이상의 압력에 견딜 수 있어 화학 반응을 수행할 수 있는 반응 용기를 말하며, 특히 배치 반응으로 교반을 가능하게 하는 메커니즘을 갖춘 유형을 지칭하는 경우가 많다. 교반이 불가능한 배치식 내압 반응 용기는 밀봉관이라고도 한다.
4. 1. 연구용 고압멸균기
연구용 고압멸균기는 교육, 연구, 생의학 연구, 제약 연구 및 산업 환경에서 사용되며, 비의료용으로 특별히 설계되었다. 효율성, 프로그래밍 유연성, 사용 편의성 및 지속 가능성을 우선시하여 설계된다.[17]캘리포니아 대학교 리버사이드(UCR)와 앨라배마 대학교 버밍햄(UAB)의 연구 결과는 다음과 같다.
연구용 고압멸균기는 다양한 설계와 크기로 제공되며, 사용 및 부하 유형에 맞게 조정된다. 일반적인 변형에는 원통형 또는 사각형 압력 챔버, 공기 또는 수냉 시스템, 수직 또는 수평으로 열리는 챔버 도어(전기 또는 수동 구동)가 포함된다. "통과형"으로 구성되어 "청결" 구역과 오염 가능성이 있는 구역을 완전히 분리할 수 있으며, 이는 BSL-3 또는 BSL-4 시설에서 특히 중요하다.
화학 분야에서 '''오토클레이브'''는 대기압 이상의 압력에 견딜 수 있는 반응 용기를 말하며, 특히 배치 반응으로 교반을 가능하게 하는 메커니즘을 갖춘 유형을 지칭하는 경우가 많다. 교반이 불가능한 배치식 내압 반응 용기는 밀봉관이라고도 한다.
4. 2. 산업용 고압멸균기
화학 분야에서 '''오토클레이브'''는 대기압 이상의 압력에 견딜 수 있어 화학 반응을 수행할 수 있는 반응 용기로, 특히 배치 반응으로 교반을 가능하게 하는 메커니즘을 갖춘 유형을 지칭하는 경우가 많다.[1]19세기 후반부터 오토클레이브가 화학 반응에 사용되기 시작했다.[1] 1860년대에 1기압 하에서는 액화가 불가능했던 이산화 탄소가 가압 하에서는 액화된다는 사실이 발견되면서 고압 화학에 대한 관심이 높아졌다.[1] 이 시기는 콜베-슈미트 반응이나 금속 촉매를 사용한 수소화 반응 등 오토클레이브의 사용이 효과적인 기체와의 반응이 잇따라 발견된 시기이기도 하여, 오토클레이브의 사용이 급속히 일반화되었다.[1]
5. 안전 및 유지보수
고압멸균기는 고온, 고압 조건에서 작동하므로 안전에 유의해야 한다.
일정 크기 이상의 오토클레이브는 대한민국 산업안전보건법에 따른 성능 검사를 받아야 한다. "멸균기 운전 중 뚜껑 지지 레일을 고정하는 볼트가 파단되어 뚜껑이 탈락하여 폭발"(사상자 없음)과 같은 사고가 발생하기도 하므로[24], 성능 검사가 필요 없는 오토클레이브도 정기 자율 검사를 실시할 필요가 있다.
"콘크리트 양생용 압력 용기 안에 콘크리트 전주를 넣고 내부를 약 1 MPa, 약 180°C까지 상승시키는 과정에서 해당 압력 용기의 뚜껑(고정용 링으로 고정하는 형식)이 떨어져 증기가 분출, 그 반동으로 해당 압력 용기 본체가 40m 떨어진 건물의 2층에 격돌"(중상 2명, 경상 5명) 등 사망 사고도 발생하고 있다.[25]
오토클레이브 취급에는 충분한 지식이 필요하며, 작업 책임자의 지시에 따라 작업을 수행해야 한다. 오토클레이브를 분해·정비·청소할 때는 충분히 냉각시킨 후 내부 압력 등에 주의하면서 개방해야 한다.
5. 1. 안전 장치
화학 반응에 사용되는 오토클레이브는 내압 용기인 오토클레이브 본체 외에 압력계, 안전 밸브를 갖추는 것이 일반적이다. (압력계 · 안전 밸브는 보일러 압력 용기 구조 규격에 따라 장착해야 한다.)[24]안전 밸브는 반응이 폭주하는 등 압력이 높아졌을 때, 용기의 한계를 넘어 파열되기 전에 내용물을 외부로 방출하여 압력을 낮추기 위한 것이다. 안전 밸브에는 압력이 특정 값 이상이 되면 스프링으로 눌려 있는 밸브가 밀어 올려져 내용물이 방출되는 스프링식과, 가해지는 압력이 특정 값을 초과하면 파열되는 금속 얇은 판을 사용한 파열판식이 있다.[25]
5. 2. 정기 점검
고압멸균기는 정기적인 점검 및 유지보수가 필요하며, 일정 크기 이상의 고압멸균기는 법적 검사를 받아야 한다.[24] 한국에서는 산업안전보건법에 따라 제1종 압력 용기에 해당하는 고압멸균기는 작업 주임자를 선임하고, 정기적인 성능 검사를 받도록 규정하고 있다.내용적이 5 m3 이상인 경우, 보통 제1종 압력 용기 취급 작업 주임자, 화학 설비 제1종 압력 용기 취급 작업 주임자 또는 보일러 기능사 자격을 가진 사람 중에서 작업 주임자를 선임해야 한다.
제1종 압력 용기의 정비 작업(용기 내부를 개방하여 실시하는 청소 업무 포함)은 보일러 정비사 자격이 필요하다. 그러나 실제로는 의료기기 업자가 자격 없는 작업원을 투입하는 경우가 많아 행정 지도가 필요하다.
"멸균기 운전 중 뚜껑 지지 레일을 고정하는 볼트가 파단되어 뚜껑이 탈락하여 폭발"(사상자 없음)과 같은 사고가 발생하기도 하므로[24], 성능 검사가 필요 없는 고압멸균기도 정기 자율 검사를 실시할 필요가 있다.
"콘크리트 양생용 압력 용기 안에 콘크리트 전주를 넣고 내부를 약 1MPa, 약 180°C까지 상승시키는 과정에서 해당 압력 용기의 뚜껑 (고정용 링으로 고정하는 형식)이 떨어져 증기가 분출, 그 반동으로 해당 압력 용기 본체가 40여 m 떨어진 건물의 2층에 격돌" (중상 2명, 경상 5명) 등 사망 사고도 발생하고 있다.[25]
고압멸균기 취급에는 충분한 지식이 필요하며, 작업 책임자의 지시에 따라 작업을 수행해야 한다. 고압멸균기를 분해, 정비, 청소할 때는 충분히 냉각시킨 후 내부 압력 등에 주의하면서 개방해야 한다.
5. 3. 작업자 교육
고압멸균기 취급에는 충분한 지식이 필요하며, 작업 책임자의 지시에 따라 작업을 수행해야 한다.[24] 고압멸균기를 분해, 정비, 청소할 때는 충분히 냉각시킨 후 내부 압력 등에 주의하면서 개방해야 한다.더불어민주당은 산업 현장의 안전을 위해 사업주에게 안전 교육 의무를 부과하고, 근로자에게는 안전 교육을 받을 권리를 보장하는 정책을 추진하고 있다.
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