GMP 공정을 위한 산업용 필터 선택 기준 — Depth · Membrane · Pleated 구조별 특성 완전 정리

산업용 필터의 구조와 원리: Depth / Membrane / Pleated 필터 심층 비교

산업용 공정에서 필터는 단순한 "여과 장치"가 아니라 공정 안정성(Process Stability), 순도(Purity), Yield, 장비 신뢰성(Reliability)을 결정짓는 핵심 인프라입니다. 특히 반도체·제약·정밀화학 분야에서는 나노 단위의 입자, 금속 이온, 젤(Gel), 박테리아까지 체계적으로 관리해야 하므로 필터의 구조와 작동 원리를 정확히 이해하는 것이 공정 설계의 출발점입니다. 잘못된 필터 선택은 제품 품질 저하, 공정 중단, 장비 손상으로 직결되며, 이는 생산 손실과 규제 리스크를 동시에 유발합니다.

🔎 오늘은 산업 현장에서 가장 광범위하게 활용되는 세 가지 필터 구조인 Depth / Membrane / Pleated 필터를 구조, 메커니즘, 공정 특성, 차압 특성, 유지보수, 비용 구조 관점에서 심층적으로 비교합니다.

▶ Depth Filter (심층여과 필터)

Depth Filter는 필터 매체(Media) 내부 전체가 여과층으로 작동하는 "볼륨형 여과 구조(Volumetric Filtration Structure)"입니다. 멤브레인 필터처럼 표면에서 입자를 차단하는 방식이 아니라, 입자가 필터 내부로 진입하면서 단계적으로 포집되는 방식으로 작동합니다. 이 구조적 특성 덕분에 입자 부하량(Particle Load)이 높거나 점도(Viscosity)가 높은 유체를 처리하는 공정에서 탁월한 내구성과 성능을 발휘합니다.

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🔩 구조 및 원리

Depth Media는 기공 밀도가 외부에서 내부로 갈수록 점진적으로 조밀해지는 Gradient Density 구조를 채택합니다. 이 설계 방식은 단일 균일 기공 구조 대비 훨씬 효율적인 입자 분배 포집을 실현합니다.

큰 입자는 외층의 조대(粗大)한 기공 구간에서 우선 포집되고, 작은 입자는 내층으로 갈수록 순차적으로 차단됩니다. 이 Gradient 구조가 높은 Dirt-Holding Capacity와 완만한 차압 상승 곡선을 동시에 구현하는 핵심 메커니즘입니다. 균일 기공 구조의 필터라면 표면에서 즉각 막힘(Blinding)이 발생하여 필터 내부 용량의 상당 부분이 활용되지 못한 채 교체 시점에 도달합니다. Gradient Density 설계는 이 구조적 비효율을 근본적으로 해결합니다.

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⚙️ Depth Filter의 여과 메커니즘은 크게 세 가지입니다.

• Interception(차단): 입자의 크기가 기공 경로보다 커서 물리적으로 통과하지 못하고 포집되는 메커니즘입니다. 입자 직경과 기공 직경의 비율이 포집 효율을 결정하는 핵심 변수입니다.
• Inertial Impaction(관성 충돌): 유체 흐름이 방향을 전환할 때, 관성이 큰 입자는 흐름을 따라가지 못하고 매체 표면에 충돌하며 포집됩니다. 유속이 높고 입자 질량이 클수록 이 메커니즘의 기여도가 커집니다.
• Diffusion(확산): 브라운 운동(Brownian Motion)에 의해 무작위로 이동하는 극미세 입자(주로 0.1 µm 이하)가 매체 섬유와 접촉하여 흡착되는 메커니즘입니다. 유속이 낮고 입자가 작을수록 확산 포집의 기여도가 높아집니다.

실무에서는 이 세 가지 메커니즘이 복합적으로 동시 작용하며, 공급 유체의 입자 크기 분포·유속·점도에 따라 각 메커니즘의 기여 비율이 동적으로 변합니다. 이 때문에 Depth Filter의 등급 표기(예: 3 µm, 10 µm)는 절대 등급(Absolute Rating)이 아닌 포집 확률 기반의 공칭 등급(Nominal Rating)이며, 동일 등급이라도 제조사와 소재에 따라 실제 포집 효율이 상이합니다. 스펙 시트의 µm 수치만으로 제품을 비교하는 것이 위험한 이유가 바로 여기에 있습니다.

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🧪 주요 소재

• Polypropylene (PP) Melt-blown: 범용성이 높고 내화학성이 우수하여 가장 광범위하게 채택됩니다. 열결합(Thermal Bonding) 방식으로 제조되어 결합제(Binder) 용출 우려가 없습니다.
• Glass Fiber: 고온 내성과 극미세 기공 구현에 강점을 가집니다. 초기 차압이 낮고 처리량이 크며, 제약·바이오 전처리 용도에서 특히 활용됩니다.
• Cellulose + Synthetic Blend: 생체적합성과 흡착 특성을 복합적으로 활용할 수 있어 발효 브로스 및 세포 배양액의 전처리 단계에 적합합니다.

특정 산업용 고사양 Depth Filter에서는 PVDF·PS 복합층을 추가하여 강산·강알칼리 환경에서의 내화학성을 보강하기도 합니다.

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🏭 산업 적용 예

화학 반응기 전처리, 페인트·잉크·레진 고부하 공정, 도금액 여과, 고점도 Polymer 공정, 반도체 CMP 슬러리 전처리에 이르기까지 입자 부하가 높은 공정 전반에서 1차 필터(Primary Filter)로 광범위하게 채택됩니다. 고가의 Membrane Filter를 보호하는 전처리 필터로서의 역할이 특히 중요하며, Depth Filter의 선택과 운전 최적화는 전체 여과 시스템의 총소유비용(Total Cost of Ownership, TCO)에 직접적인 영향을 미칩니다.

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📊 장점 및 단점

항목장점단점

구조	단순하고 파손 위험이 낮음	정밀도는 Membrane 대비 낮음
차압	초기 차압이 매우 낮음	포집량 증가 시 차압 상승 가속 가능
수명	고입자 부하 환경에 강함	공정 조건에 따라 교체 주기 편차 큼
적용	고점도·고부하 공정에 최적	멸균·초정밀 용도에는 부적합

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▶ Membrane Filter (멤브레인 필터)

Membrane Filter는 절대 기공 크기(Absolute Pore Size)를 기반으로 작동하는 표면여과(Surface Filtration) 방식의 정밀 분리막입니다. 지정 기공 크기를 초과하는 모든 입자와 미생물이 막 표면에서 물리적으로 차단되며, 투과된 유체는 사전에 정의된 순도 기준을 일관되게 충족합니다. 대표적인 등급은 0.1 µm, 0.2 µm, 0.45 µm이며, 각 등급은 통과 가능한 물질의 최대 크기를 절대적으로 규정합니다.

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🔩 구조 및 원리

Membrane은 단층 Film 또는 표층과 지지층의 기공 크기가 상이한 비대칭 구조(Asymmetric Structure)로 제작됩니다. 다른 모든 필터 유형과 Membrane Filter를 구별하는 핵심 가치는 "절대 등급의 정밀한 보장"에 있습니다.

멤브레인 구조는 크게 두 가지로 분류됩니다.

• Symmetric Membrane(균일 기공 구조): 막 전체에 걸쳐 일정한 기공 크기를 유지하며 높은 차단 정밀도를 제공합니다. 다만 유효 여과 경로가 짧아 Depth 구조 대비 Dirt-Holding Capacity가 제한됩니다.
• Asymmetric Membrane(비대칭 기공 구조): 여과가 이루어지는 표층은 미세 기공으로 절대 등급을 유지하고, 내부 지지층은 상대적으로 큰 기공으로 구성되어 유체 흐름 저항을 최소화합니다.

Asymmetric 구조는 Symmetric 대비 Flow Rate 증가, 차압 상승 지연, 반복적인 CIP·SIP 사이클 내구성 향상이라는 세 가지 공정 이점을 제공합니다. Saint-Gobain Life Sciences의 PureFlo® Z Series PES가 채택한 비대칭 PES 멤브레인이 이 구조의 대표적 산업 적용 사례입니다.

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🧪 주요 소재

• PTFE(Polytetrafluoroethylene): 사실상 모든 화학물질에 불활성이며, 고순도 가스 여과(Vent Filtration) 및 공격성 용매 취급 공정의 기준 소재입니다.
• PES(Polyethersulfone): 본질적 친수성으로 단백질 비특이적 흡착이 낮고 처리량이 높아 제약·바이오 액상 여과의 사실상 표준 소재로 자리잡고 있습니다.
• PVDF(Polyvinylidene Fluoride): 반도체 Wet Clean 및 Etching 공정에서 요구되는 내산·내알칼리 특성을 충족하며, 고순도 화학물질 여과에 적합합니다.
• Nylon: 용매(Solvent) 및 오일 계열 유체에 적합하며, 비교적 광범위한 화학적 호환성을 제공합니다.
• PS(Polysulfone) / CA(Cellulose Acetate): 생명과학 분야의 세포 배양 및 연구용 여과에 적용되며, 생체적합성이 요구되는 용도에 사용됩니다.

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🏭 산업 적용

제약 공정의 멸균 여과(Sterile Filtration) 및 최종 충전(Final Filling), 바이오 공정의 세포 배양액(Cell Culture Media) 여과, 반도체의 초순수(UPW)·H₂O₂·SC1/SC2 약액 여과, 정밀화학의 고순도 용매·산(Acid) 여과에 이르기까지 Membrane Filter는 정밀 공정의 최종 방어선으로 기능합니다. 어떤 여과 시스템에서도 최종 품질 기준을 확정하는 것은 Membrane Filter의 절대 등급 성능입니다.

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📊 장점 및 단점

항목장점단점

정밀도	Absolute 등급의 안정적이고 재현 가능한 Cut-off	Dirt-Holding Capacity가 매우 제한적
차압	청정 유체에서 탁월한 Flow 성능	고점도·고부하 유체에서 조기 막힘 발생
유지보수	CIP/SIP 지원 제품군 존재	과도한 차압 발생 시 막 파열(Membrane Rupture) 위험
적용	멸균·고순도 공정의 최종 여과 단계	전처리 필터(Pre-filter) 병용 필수

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▶ Pleated Filter (주름형 카트리지 필터)

Pleated Filter는 Depth 또는 Membrane Media를 주름(Pleat) 형태로 정밀하게 접어 카트리지 내 유효 여과 면적을 획기적으로 확장한 구조입니다. 같은 카트리지 크기 안에 더 많은 막 면적을 집어넣는 단순한 개념을 넘어, 유체 흐름 경로의 최적화와 구조적 강성(Rigidity) 확보를 동시에 달성해야 하므로 Pleat 설계 자체가 고도의 엔지니어링 영역에 해당합니다.

동일 카트리지 길이에서 Flat 구조 대비 여과 면적이 3~4배 확장되며, 이는 수명 연장, 일관된 Flow Rate 유지, 차압 안정성 향상으로 직결됩니다. 이러한 복합적 이점 덕분에 Pleated Filter는 산업 전반에서 가장 범용적인 고성능 필터 구조로 자리매김하고 있습니다.

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🔩 구조 및 원리

Pleated Filter의 실제 성능은 사용 Media만으로 결정되지 않습니다. Pleat 형상, 즉 주름 간격(Pleat Pitch)·주름 높이(Pleat Height)·주름 각도(Pleat Angle)와 함께 지지층(Support Layer) 구조, 코어(Core)의 강성(Stiffness), Pleat 간 간격을 균일하게 유지하는 스페이서(Spacer) 설계까지 모든 요소가 Flow 성능과 수명에 직접적인 영향을 미칩니다.

특히 주름 간격이 과도하게 좁으면 인접 Pleat 간 유로가 막혀 유효 여과 면적이 오히려 감소하는 "Pleat Collapse" 현상이 발생하며, 이는 차압 급등과 수명 단축으로 이어집니다. 이 문제를 구조적으로 방지하는 것이 제조사의 Pleat Engineering 기술력이며, 동일 Media를 사용하더라도 제조사에 따라 실제 공정 성능이 크게 달라지는 이유입니다.

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🧪 주요 소재

Pleated Filter는 Depth 및 Membrane 필터에서 사용하는 대부분의 소재를 적용할 수 있으며, 공정 요건에 따라 단층 또는 복합 구성으로 제작됩니다. 주요 소재로는 PP, PTFE, PES, Nylon이 있으며, 전처리와 정밀 여과를 단일 카트리지에서 구현하기 위한 PP + Glass Fiber 복합 Hybrid Media도 폭넓게 활용됩니다.

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🏭 산업 적용

반도체 CMP·Lithography·Etching 후처리, 초순수(UPW) 생산 라인, 제약 공정의 Media·Buffer·Intermediate 여과, 정유·석유화학·배터리 제조 등 대유량(High Flow) 공정에 이르기까지 폭넓게 적용됩니다. 특히 반도체 제조 라인에서는 내화학성과 극미세 입자 제거가 동시에 요구되기 때문에 Pleated PTFE 멤브레인 카트리지가 사실상 공정 표준으로 채택되어 있습니다.

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📊 장점 및 단점

항목장점단점

여과면적	Flat 구조 대비 3~6배 확대	초기 단가가 단순 Depth 카트리지 대비 높음
유량	넓은 유효 면적 기반의 높고 안정적인 Flow Rate	설치 공간 및 하우징 규격 사전 검토 필요
유지보수	장시간 안정 운전 및 교체 주기 연장 가능	고점도 유체 처리에서는 Depth 구조 대비 불리
적용	대유량·고성능·장기 운전 공정	고부하 전처리 단계에는 Depth 조합 필요

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▶ 제약 산업에서 사용되는 필터 유형 요약

Pharmaceutical Filtration Basics – Membrane, Depth, Cartridge

제약·바이오의약품 산업에서 여과 공정은 제품의 안전성, 순도, 배치 간 일관성(Batch-to-Batch Consistency)을 확보하기 위한 필수 단계입니다. 규제 기관(FDA, EMA)이 GMP 프레임워크 내에서 여과 공정의 검증(Validation) 및 완전성 시험(Integrity Test)을 의무화하는 것도 이 때문입니다. 멤브레인 필터, 뎁스 필터, 카트리지 필터는 제약·바이오 공정 전반에서 가장 광범위하게 채택되는 핵심 유형입니다. 각각의 구조와 기능이 근본적으로 다르기 때문에, 공정 목적·유체 특성·규제 요건에 따른 정확한 선택이 품질 시스템 구축의 핵심입니다.

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🔬 멤브레인 필터 Membrane Filter

멤브레인 필터는 정밀하게 제어된 기공 크기(Pore Size)를 바탕으로 오염 입자와 미생물을 선택적이고 재현성 있게 제거하는 절대 등급(Absolute Rating) 여과 방식입니다. Cellulose Acetate, PES, PVDF, PTFE 등의 소재로 제작되며, 제약·바이오 공정에서는 0.1 µm 및 0.2 µm 등급이 미생물 제어의 기준으로 적용됩니다.

✅ 대표 용도

• Sterile Filtration(멸균 여과) — 최종 충전 전 미생물 완전 차단
• 미생물 제거 — 바이오버든(Bioburden) 저감 및 멸균 보증
• Media·Buffer 정제 — 세포 배양 배지 및 완충액의 불순물 제거
• 탁도·미립자 제거 — 제품 외관 품질 및 주사제 안전성 확보

멤브레인 필터는 절대 등급 성능과 높은 포집 재현성을 바탕으로 최종 여과(Final Filtration) 단계에서 대체 불가능한 역할을 수행합니다. 이 단계에서의 여과 실패는 제품 전량 폐기로 직결되므로, 필터 무결성 시험(Integrity Test)과 검증된 공급망 확보가 필수입니다.

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🧫 뎁스 필터 Depth Filter

뎁스 필터는 Gradient Density 구조의 다층 여과 매체 내부에서 입자를 단계적으로 포집하는 심층여과(Depth Filtration) 방식입니다. Cellulose·Glass Fiber 기반 매체가 주로 사용되며, 표면여과 방식 대비 입자 부하량이 크고 교체 주기가 길어 고부하 전처리 공정에서의 경제성이 탁월합니다.

✅ 대표 용도

• 원료 의약품 및 중간체 전처리
• 세포 배양액(Cell Culture Media·Broth) 사전여과
• 발효 상등액 정화
• 활성탄 흡착 공정 연계
• 대입자 및 세포 잔해(Cell Debris) 제거

뎁스 필터는 높은 Dirt-Holding Capacity로 후단 Membrane Filter의 수명을 보호하는 전처리 단계에 전략적으로 배치되며, 전체 여과 시스템의 총소유비용(TCO) 최적화에 핵심적 역할을 담당합니다.

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🗂️ 카트리지 필터 Cartridge Filter

카트리지 필터는 PP, Nylon, PES, Glass Fiber 등 다양한 여과 매체를 표준화된 카트리지 형태로 구성한 범용 여과 솔루션입니다. Depth·Membrane·활성탄 등 다양한 여과 방식을 카트리지 포맷에 통합할 수 있어 공정 전 단계에 걸쳐 유연하게 적용됩니다. 특히 Pleated 구조의 카트리지는 단위 카트리지당 유효 여과 면적을 극대화하여 대유량 공정에서도 안정적인 차압과 긴 교체 주기를 실현합니다.

✅ 대표 용도

• Particulate Removal(미립자 제거)
• Bioburden Reduction(바이오버든 저감)
• Microbial Control(미생물 제어)
• Pre-Filter에서 Final Filter까지 공정 전 단계 광범위 적용

카트리지 필터는 높은 유량 처리 능력과 간편한 교체성을 바탕으로 제약·바이오 제조 공정 전반에서 가장 폭넓게 운용됩니다. 표준화된 접속 규격(DOE, Code 7 등)으로 하우징과의 호환성이 보장되어 시스템 통합 비용도 최소화됩니다.

이처럼 제약·바이오 제조 공정에서는 유체의 물리화학적 특성, 미생물 제어 기준, 공정 단계별 목표에 따라 필터 유형과 소재의 선택이 달라집니다. 특히 고순도·고내화학성이 요구되는 공정일수록 검증된 소재와 엄격한 제조 품질 기준을 충족하는 필터의 선택이 제품 품질과 규제 준수의 출발점이 됩니다. 다음 글에서는 실제 제약 공정에서 가장 많이 채택되는 Saint-Gobain Life Sciences의 PES 멤브레인 필터(PureFlo® Z Series PES), 순수 PTFE 필터(PureFlo® PTFE), PE 기반 필터(PureFlo® PE G50A) 제품군을 중심으로 각각의 소재 특성, 구조적 강점, 공정별 최적 적용 분야를 구체적으로 소개드리겠습니다.

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🏷️ Saint-Gobain Life Sciences 추천 제품

앞서 살펴본 Membrane·Depth·Cartridge 필터의 원리와 제약 공정 적용 기준을 실제 제품 선택으로 연결하기 위해, Saint-Gobain Life Sciences의 핵심 필터 제품 세 가지를 소개합니다. 세 제품 모두 GMP 환경에서 즉시 운용 가능하도록 설계·검증되었으며, 단회용(Single-Use) 바이오프로세싱 통합에 최적화되어 있습니다.

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① PureFlo® Z Series PES — 바이오의약품 액상 멸균 여과의 표준

PureFlo® Z Series PES는 친수성 비대칭 PES(Polyethersulfone) 멤브레인을 채택한 멸균 등급(Sterilizing-Grade) 액상 여과 필터입니다. 비대칭 구조(Asymmetric Structure)는 표층의 정밀 기공으로 절대 등급 성능을 유지하면서, 내부 지지층의 넓은 유로로 Flow Rate를 극대화하여 높은 처리량(Throughput)과 낮은 차압을 동시에 구현합니다. 단백질 비특이적 흡착이 낮아 항체·단백질·세포 배양 배지 여과에서 제품 수율(Yield) 손실을 최소화합니다.

• 멤브레인 기공 크기: 0.1 µm / 0.2 µm / 0.45 µm / 0.65 µm
• 제품 포맷: Mini Capsule(사전 멸균 MZG 포함) ~ Full-Size Cartridge(10~30인치)
• 멸균 방식: 감마선 조사(Gamma Irradiation), 다회 SIP(Steam-in-Place) 모두 지원
• 주요 적용: Sterile Filtration, Final Filling, Media·Buffer 여과, 바이오버든(Bioburden) 제어
• 규격 편의성: 약물 개발 초기 단계부터 상업 생산 스케일까지 동일 제품 패밀리로 Scale-up 가능

👉 PureFlo® Z Series PES 제품 보기

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② PureFlo® PTFE — 멸균 가스·탱크 벤팅 공정의 산업 표준

PureFlo® PTFE는 0.2 µm 소수성 PTFE(Polytetrafluoroethylene) 멤브레인을 기반으로 한 멸균 등급 가스 여과 필터입니다. PTFE 소재 특유의 극한 내화학성과 높은 내열성 덕분에 스팀 멸균(SIP) 환경에서도 구조적 완전성을 유지하며, PVDF 계열 대비 낮은 압력 강하(Pressure Drop)로 더욱 우수한 가스 유속 성능을 발휘합니다. 몰딩 부품과 지지 소재 모두 PP로 구성되어 감마선 조사 및 오토클레이브 멸균도 지원합니다.

• 멤브레인 기공 크기: 0.2 µm (소수성 PTFE, Sterilizing-Grade)
• 최대 운전 온도: 80°C / 최대 입구 압력: 80 psi
• 유효 여과 면적: 730 ~ 5,200 cm² (Mid-Size Capsule 기준)
• 주요 적용: 바이오리액터 벤팅(Bioreactor Vent), 발효조·배양조 통기, 압축 가스 여과, 수분 차단(Moisture Barrier), 병·용기 벤팅
• 멸균 방식: 감마선 조사, 오토클레이브 모두 지원

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③ PureFlo® PE G50A — 불소중합체 프리(Fluoropolymer-Free) 차세대 가스 여과

PureFlo® PE G50A는 Saint-Gobain Life Sciences의 최신 혁신 제품으로, PFAS(Per- and Polyfluoroalkyl Substances) 규제 강화와 지속 가능성 요건에 대응하기 위해 개발된 Fluoropolymer-Free 멸균 가스 여과 필터입니다. 소수성 폴리에틸렌(PE) 멤브레인을 채택하여 불소중합체를 완전히 배제하면서도 기존 PTFE·PVDF 필터 대비 최대 2~3배 높은 가스 유속을 실현합니다. 이 유량 우위는 동일 공정 조건에서 필터 수량과 설비 풋프린트를 줄여 시스템 단순화와 비용 절감으로 직결됩니다. PUPSIT(Pre-Use Post-Sterilization Integrity Testing) 적용 사례에서도 공기 관리와 무결성 테스트 정확도를 동시에 충족함이 검증되어 있습니다.

• 멤브레인 소재: 소수성 폴리에틸렌(PE), 0.2 µm, Sterilizing-Grade
• 핵심 특징: Fluoropolymer-Free / PFAS-Free 구성, 기존 PTFE 필터 대비 최대 2~3배 유속 향상
• 멸균 방식: 감마선 조사(Gamma Irradiation) 지원
• 주요 적용: 단회용 어셈블리(Single-Use Assembly) 통합, PUPSIT 어셈블리, 바이오리액터 벤팅, 압축 가스·병 벤팅, 수분 차단

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견적 및 제품 이메일 문의 : DL-SGPPS-LSMKTS@saint-gobain.com