필터 무결성 시험이란? 버블포인트·확산유량·압력감쇠·WIT 원리와 EU GMP Annex 1 PUPSIT 규제 총정리

 

🔬 필터 무결성 시험(Filter Integrity Test) 심층 분석

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바이오공정 품질 보증을 위한 원리, 시험 방법, 규제, 실무 적용까지

바이오의약품 제조 공정에 있어 무균성(sterility)과 제품 순도(purity)는 그 어떤 품질 속성보다도 절대적 우위에 놓이는 최상위 요건으로 자리합니다. 의약품이 환자의 체내로 직접 투여된다는 본질적 특성상, 단 하나의 미생물 오염조차도 회복 불가능한 결과를 초래할 수 있기 때문입니다. 그중에서도 최종 제균 단계에 배치되는 Sterilizing-grade 필터(통상 0.22 µm 또는 0.2 µm 사양)는 제품 내 미생물 오염을 차단하는 최후의 물리적 방어선(last line of defense)으로서 결정적인 역할을 수행합니다. 그러나 공정 진행 중 필터에 미세한 손상이 발생하거나, 설치 시 부적절한 장착이 이루어지거나, 멸균 과정에서 가해지는 열·압력 스트레스로 인해 기공 구조가 변형되는 경우, 필터의 멸균 기능은 즉각 상실되며 제품 안전성은 직접적인 위협에 노출되고 맙니다.

이와 같은 잠재적 위험을 사전에 예방하고 사후적으로 입증하기 위해 도입된 비파괴적(non-destructive) 품질보증 절차가 바로 필터 무결성 시험(Filter Integrity Test, FIT)입니다. 본 글에서는 필터 무결성 시험의 물리화학적 기초 원리, 핵심 시험 방법론, 필터 유형별 적용 전략, 최신 규제 동향(PUPSIT), 그리고 산업 현장에서의 실무 적용 포인트까지 폭넓고 깊이 있게 다루어 보고자 합니다.

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🧪 필터 무결성(Filter Integrity)의 개념

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필터의 무결성이란, 제거 대상이 되는 오염원(박테리아, 미세 입자, 마이코플라스마 등)이 필터 멤브레인의 규정된 기공(pore) 크기를 초과하여 멤브레인 하단(downstream)으로 빠져나가지 못하는 상태를 가리킵니다. 반대로 오염원의 크기가 멤브레인 기공보다 작거나, 어떤 이유로든 기공이 비정상적으로 확장되어 오염원이 여과 과정에서 하단으로 통과해 버린다면 이는 곧 비완전성(Non-Integrity) 상태로 판정됩니다.

멤브레인 필터(Membrane filter), 표면 필터(Surface filter), 심층 필터(Depth filter)는 각기 상이한 여과 메커니즘을 채택하고 있으나, 공통적으로 규정된 기공이 통계적 균일성을 갖도록 분포되어 설계됩니다. 덕분에 무결성 시험을 수행함으로써 해당 필터가 기준 성능(전형적으로 Brevundimonas diminuta 균주에 대한 ≥10⁷ CFU/cm² 수준의 retention 성능)을 충족하고 있는지를 정량적으로 검증할 수 있습니다.

이 시점에서 반드시 강조되어야 할 핵심 개념이 있습니다. 필터 시스템은 단순히 멤브레인 카트리지 하나만을 지칭하는 것이 아니라는 점입니다. 하우징(housing), O-ring, 가스켓(gasket), 클램프(clamp), Tri-clamp 연결부, 벤트 라인에 이르는 모든 구성 요소가 무균 시스템을 이루는 필수 구성품에 해당합니다. 다시 말해 멤브레인 자체는 완벽하게 무결한 상태라 할지라도 O-ring에 미세 균열이 존재하거나 클램프의 토크가 충분히 확보되지 않아 누설이 발생한다면, 전체 시스템의 무균성은 한순간에 와해되어 버립니다. 따라서 무결성은 개별 부품 차원이 아니라 반드시 필터 시스템 전체(system-level integrity) 단위로 확보되어야 한다는 원칙이 그 무엇보다 중요한 출발점이 됩니다.

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⚙️ 필터 무결성 시험의 원리

무결성 시험은 그 본질에 있어 표면장력(surface tension), 모세관 압력(capillary pressure), 기체 확산(gas diffusion, Fick's law of diffusion)이라는 세 축의 물리화학적 원리에 의해 작동합니다.

우선, 필터의 기공을 물과 같은 wetting fluid로 충분히 적시면 액체는 표면장력의 작용으로 기공 내부 공간을 빈틈없이 채우면서 메니스커스(meniscus)를 형성하게 됩니다. 이 상태에서 upstream 측에 압축 공기 혹은 질소(N₂)를 가압할 경우, 다음과 같은 두 가지 상반된 시나리오가 펼쳐집니다.

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✅ 정상적인 무결성 유지 상태에서는, 인가된 기체 압력이 기공 내부 액체가 형성하는 모세관 압력을 극복하지 못하여 기체가 액체를 물리적으로 밀어내는 데 실패하게 됩니다. 단지 헨리의 법칙(Henry's law)에 따라 액체에 용해된 미량의 기체가 농도 구배를 따라 멤브레인을 가로질러 downstream 측으로 확산되며, 이때 일정하고 충분히 예측 가능한 범위의 확산 유량(diffusive flow)이 관측됩니다.

⚠️ 비완전성 상태에서는, 필터에 손상이 있거나 과대 기공(oversized pore)이 발생한 경우 해당 위치의 모세관 압력이 비정상적으로 떨어지게 됩니다. 그 결과 기준 압력보다 훨씬 낮은 조건에서도 액체가 기체에 의해 밀려나는 벌크 흐름(bulk flow)이 발생하고, 이로 인해 downstream에서 비정상적으로 높은 기체 유량이 검출됩니다. 이는 곧 필터의 멸균 기능 상실을 명확히 시사하는 신호로 해석됩니다.

요컨대 무결성 시험은 정량적 기체 흐름(quantitative gas flow) 혹은 압력 변화(pressure change)를 측정함으로써, 필터가 규정된 물리적 상태를 그대로 유지하고 있는지 여부를 간접적인 방식으로 판정해 내는 절차라 할 수 있습니다.

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바이오공정 현장에서 가장 폭넓게 채택되고 있는 무결성 시험법은 다음 세 가지로 정리됩니다.

 

💧 1. 버블 포인트 시험(Bubble Point Test)

버블 포인트 시험은 필터에 존재하는 가장 큰 기공의 크기(largest pore size)를 간접적으로 확인해 내는 가장 고전적이면서도 대표적인 시험법으로, 그 이론적 토대는 Washburn 방정식에 두고 있습니다.

원리를 살펴보면 다음과 같습니다. 먼저 필터를 물 등 적합한 wetting fluid로 빈틈없이 적신 후, upstream 측에 압축 공기를 점진적으로 가압해 나갑니다. 압력이 서서히 상승하다가 특정 임계점에 이르면 가장 큰 기공으로부터 액체가 밀려 나가면서 연속적인 기포(bubble stream)가 발생하기 시작하는데, 바로 이 순간에 기록되는 압력을 버블 포인트 압력(Bubble Point Pressure)이라 정의합니다.

이러한 관계는 Washburn 방정식 P = (4σ·cosθ)/d 의 형태로 표현됩니다. 여기서 σ는 액체의 표면장력, θ는 접촉각, d는 기공의 직경을 의미합니다. 즉 버블 포인트 압력은 기공의 크기에 반비례하는 관계(P ∝ 1/d)를 가지므로, 측정된 압력 값이 제조사가 사전에 제시한 기준치 아래로 내려간다면 이는 기공 크기가 비정상적으로 크거나 멤브레인에 손상이 일어났음을 시사하는 것이 됩니다.

버블 포인트 시험은 원리가 매우 직관적이고 측정 절차 또한 비교적 단순하다는 강점을 지니지만, 대용량 필터(large surface area filter)를 다룰 경우에는 확산 유량이 누적되어 실제 버블 포인트를 명확히 식별하기 어려워지는 한계를 보입니다. 이러한 이유로 실무 현장에서는 뒤이어 설명할 확산 유량 시험과 함께 병행 적용되는 경우가 일반적입니다.

🌬️ 2. 확산 유량 시험(Diffusive Flow Test)

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확산 유량 시험은 멤브레인 기공에서 발생하는 미세한 손상까지도 포착해 낼 수 있는 고감도(high-sensitivity) 시험법으로, Fick의 확산 법칙(Fick's first law)에 그 이론적 근거를 두고 있습니다.

원리를 풀어 보면 다음과 같습니다. 버블 포인트 압력의 약 80% 수준(test pressure)에서 기체를 가압하게 되면 기체는 액체로 가득 찬 기공을 직접 통과할 수 없으며, 헨리의 법칙에 따라 액체에 용해된 다음 농도 구배에 이끌려 멤브레인을 가로질러 확산되는 거동을 보입니다. 이 과정에서 단위 시간당 downstream으로 이동해 가는 기체의 유량을 정밀하게 정량 측정하게 됩니다.

만약 측정된 확산 유량이 제조사가 검증 절차를 거쳐 설정해 둔 기준치(specification limit)를 넘어선다면, 이는 멤브레인 내부에 미세 결함(micro-defect)이 존재하거나 기공이 비정상적으로 확장되어 있음을 의미하게 됩니다. 본 시험법의 가장 큰 강점은 버블 포인트 시험에 비해 민감도가 월등히 우수하여 육안으로는 결코 파악되지 않는 극미세 손상까지도 탐지해 낼 수 있다는 점이며, 대면적 필터에 대해서도 안정적인 결과를 도출해 낼 수 있어 산업계 표준 시험법으로 확고히 자리매김하고 있습니다.

 

📉 3. 압력 감쇠 시험(Pressure Decay Test, Pressure Hold Test)

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압력 감쇠 시험은 확산 유량 시험과 동일한 물리적 원리를 공유하면서도, 별도의 유량 측정 장비(mass flow meter) 없이 오로지 압력 센서만으로 수행이 가능하다는 특성 덕분에 자동화 장비(automated integrity tester) 환경에서 가장 폭넓게 채택되는 방식으로 활용되고 있습니다.

원리는 다음과 같이 진행됩니다. 시스템을 사전 설정된 시험 압력까지 가압한 다음 기체 공급을 차단하고, 일정 시간(stabilization period 경과 후 test period) 동안 upstream 측의 압력 감소량(ΔP)을 기록합니다. 폐쇄된 시스템 내에서 기체가 멤브레인을 통해 확산되거나 누설을 통해 빠져나가게 되면 upstream 압력은 자연스럽게 감소하므로, 이 감소량은 결국 확산 유량과 비례 관계를 형성하게 됩니다.

만일 측정된 압력 감소량이 사전에 설정된 기준치를 초과한다면 필터에 손상이 존재하는 것으로 판정합니다. 본 방법은 장비 구성이 단순하고 시험 신뢰도가 높다는 장점이 있는 반면, upstream 측의 부피(hold-up volume)에 결과가 민감하게 좌우되므로 시험 시스템의 부피를 정확한 파라미터로 입력해야만 신뢰할 수 있는 결과를 확보할 수 있다는 점에 유의해야 합니다.

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🔍 필터 종류별 무결성 시험 적용

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💦 1. Hydrophilic 필터(친수성, 물 기반 공정용)

PES, 친수성 PVDF, 셀룰로오스 계열 등 친수성 멤브레인은 물에 의해 자발적으로 wetting되는 특성을 보이므로, 앞서 설명한 버블 포인트, 확산 유량, 압력 감쇠 시험 모두를 자유롭게 적용할 수 있습니다. 통상적으로 단백질 의약품, 백신, 배지(media), 버퍼 여과 공정 등에서 폭넓게 사용되고 있습니다.

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🛡️ 2. Hydrophobic 필터(소수성, 공기·가스 여과용)

PTFE, 소수성 PVDF 등 소수성 멤브레인의 경우에는 물에 의한 자발적 wetting이 불가능하며, IPA(이소프로필 알코올)나 알코올-물 혼합액과 같이 표면장력이 낮은 유체를 이용해야만 wetting이 가능합니다. 그러나 IPA 기반 wetting 방식은 시험 종료 후 잔류 알코올을 완벽하게 제거해야 한다는 부담을 안고 있으며, 공정 오염 위험성과 인화성 문제까지 동반되기에 실무 현장에서는 적지 않은 부담 요인으로 작용해 왔습니다.

이러한 한계를 효과적으로 극복하기 위해 도입된 것이 바로 Water Intrusion Test(WIT), 또는 Water Flow Test(WFT)로 일컬어지는 시험법입니다.

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💧 Water Intrusion Test(WIT)의 원리와 심층 분석

Water Intrusion Test는 멸균 공정 라인 내에서 소수성 멤브레인 필터의 무결성을 비파괴적 방식으로 검증해 내는 시험법으로, 주로 PTFE, 소수성 PVDF 계열의 멤브레인에 적용되며 필터의 미세 결함 및 누출 여부를 정량적으로 확인하는 데 결정적인 역할을 합니다. 특히 발효조(fermenter), 동결건조기(lyophilizer)의 vent filter, 탱크 내 압력 평형 필터 등 가스 라인에 설치되어 있는 소수성 필터의 in-situ 검증 과정에서는 사실상 필수불가결한 방법으로 자리 잡고 있습니다.

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❓ 왜 Water Intrusion Test가 필요한가

기존 소수성 필터의 무결성 검증에 활용되어 온 버블 포인트 시험과 확산 유량 시험은 멤브레인을 완전히 wetting하는 사전 단계를 반드시 거쳐야 한다는 공통점을 가집니다. 그런데 소수성 멤브레인은 그 특성상 알코올과 같은 저표면장력 유체로 wetting해야 하는데, 바로 이 단계가 다음과 같은 일련의 운영상 난점을 동반합니다. 알코올 사용에 따른 인화성 및 안전 관리 부담, 시험 종료 이후 잔류 알코올의 완전 제거를 위해 소요되는 장시간의 flushing 및 drying 공정, 공정 라인 자체에 대한 오염 가능성, 그리고 무엇보다도 in-situ 환경에서의 시험이 사실상 불가능에 가깝다는 결정적 제약이 그것입니다.

WIT는 이러한 제약 요소들을 다음과 같은 강점으로 해소해 냅니다. 우선 특수한 wetting fluid를 별도로 마련할 필요 없이, 일반 정제수(WFI 또는 Purified Water)만으로도 시험 수행이 가능하다는 점이 가장 두드러집니다. 더불어 멸균이 완료된 시스템 상태 그대로 in-situ 시험을 수행할 수 있어 downstream 측의 무균성을 훼손하지 않으며, 시험 종료 후에는 단지 upstream의 물만 배수해 내면 충분하므로 장시간의 drying 공정을 거치지 않고도 즉각적으로 본 공정에 복귀할 수 있다는 운영상의 이점을 제공합니다.

🔬 WIT가 평가하는 메커니즘

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WIT는 정량적 측면에서 다음 두 가지 핵심 요소를 측정 대상으로 삼습니다.

첫째는 Water Intrusion Pressure(WIP), 즉 물이 소수성 멤브레인의 기공 내부로 강제 침투하기 위해 요구되는 최소 압력을 의미합니다. 이 수치는 Young-Laplace 방정식에 따라 멤브레인 재질의 접촉각(소수성 정도), 물의 표면장력, 기공 크기에 의해 종합적으로 결정됩니다. 소수성이 특히 강한 PTFE의 경우 접촉각이 110°를 상회하므로 상당히 높은 압력 조건에서야 비로소 물의 침투가 일어나게 됩니다.

둘째는 물 침투량(water intrusion flow rate)에 해당합니다. 시험 압력(통상 WIP의 80% 수준)이 인가된 상태에서 단위 시간당 멤브레인을 통해 침투해 들어가는 미세량의 물, 또는 그로 인해 upstream에서 displacement되는 공기의 부피 변화량을 측정해 냅니다. 무결한 필터의 경우 물은 기공을 직접적으로 통과하지 못하고 멤브레인 표면 위에서 극히 미세한 수준의 침투에만 머무르므로, 침투량 역시 매우 작은 값으로 일정 범위 안에서 안정적으로 유지됩니다. 반면 결함이 존재하는 멤브레인에서는 해당 부위로 물이 침투하거나 흘러나가게 되어 침투량이 기준치를 상회하는 결과를 보이게 됩니다. 측정된 값이 제조사가 제시한 사양 범위 내에 머무르는 경우에는 무결성이 확보된 것으로 판정합니다.

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📊 WIT와 다른 무결성 시험의 비교

시험 방법주 용도Wetting 필요 여부특징

Bubble Point Test	친수성 필터, 전통적 무결성 평가	필수	기포점 압력 측정, 최대 기공 크기 직접 평가
Diffusion Flow Test	친수성 필터, 기체 확산 기반 검사	필수	확산 유량 측정으로 미세 결함 판단
Water Intrusion Test	소수성 필터 전용	불필요 (물만 사용)	멤브레인 소수성 특성을 이용한 비-알코올 시험

📜 PUPSIT: 글로벌 규제 변화의 핵심 이슈

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무결성 시험의 수행 시점(timing)은 최근 바이오업계에서 가장 첨예한 규제 이슈 중 하나로 부상해 있습니다. 이는 단순한 절차상의 문제를 넘어, 환자 안전과 직결되는 리스크 관리 전략 자체의 근본적인 패러다임 전환을 함의하기 때문입니다.

 

🔻 Post-use Integrity Test(사용 후 무결성 시험)

오랜 기간에 걸쳐 산업 표준으로 통용되어 온 방식으로, 여과 공정이 완료된 이후 시점에 필터의 손상 여부를 확인하는 절차에 해당합니다. 이 방식이 안고 있는 가장 큰 한계는 바로 시점의 후행성에 있습니다. 즉, 공정 도중 이미 필터가 손상된 상태였다고 한다면, 오염된 제품은 이미 다음 공정 단계(filling line, 최종 용기 등)로 이송되었거나, 심각한 경우 무균 충전 공정까지 완료된 시점에 이르러서야 비로소 결함이 드러나는 상황이 발생할 수 있습니다. 이러한 경우에는 광범위한 회수(recall)와 폐기, 그리고 원인 조사(deviation investigation) 절차가 불가피하게 뒤따르게 됩니다.

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🔺 PUPSIT(Pre-Use Post-Sterilization Integrity Test)

PUPSIT는 필터의 설치 및 SIP(Steam-In-Place) 또는 오토클레이브에 의한 멸균이 완료된 직후, 그러나 본 공정 투입이 이루어지기 직전 시점에 무결성을 사전적으로 검증해 내는 방식입니다. 이러한 접근은 두 가지 잠재 위험 요소를 동시에 차단해 낸다는 의미를 함축하고 있습니다. 첫째는 운송·취급·설치 과정에서 발생할 수 있었던 기계적 손상의 검출이며, 둘째는 멸균 공정 중 가해지는 고온·고압 스트레스에 의해 유발될 수 있는 기공 구조 변형 또는 멤브레인 손상에 대한 사전적 검출입니다. 특히 일부 연구들은 멸균 과정 자체가 미세한 멤브레인 결함을 일시적으로 "mask"해 버릴 수 있다는 가능성, 이른바 flaw-masking 현상을 제기해 왔으며, 이러한 관점은 PUPSIT 도입의 핵심 논거 가운데 하나로 작용해 오고 있습니다.

EU GMP Annex 1의 2022년 개정판은 PUPSIT의 수행을 강력하게 권고하면서, 만약 시행하지 않을 경우에는 명확한 리스크 평가(QRM, ICH Q9 기반)와 함께 정당화(justification)를 요구하고 있습니다. 이에 따라 글로벌 제조사들은 PUPSIT 수행 절차를 표준 SOP의 일부로 신속히 통합해 나가고 있는 상황입니다.

🏛️ 관련 규정 및 규제 동향

제균 등급(Sterilizing-grade) 필터에 대한 무결성 시험은 국제 규제 체계 내에서 단순한 권장 사항이 아닌 의무 사항으로 명문화되어 있습니다.

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🇪🇺 EU GMP Annex 1 (Manufacture of Sterile Medicinal Products)

가장 권위 있고 엄정한 규정으로 꼽히며, 사용 전(pre-use) 무결성 확인의 필수화, 사용 직후(post-use) Bubble Point, Pressure Hold, Diffusive Flow 등 적절한 시험의 실시, 그리고 PUPSIT의 원칙적 수행과 미시행 시 정당화의 요구를 핵심 골자로 담고 있습니다.

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📘 PDA Technical Report 26 (Sterilizing Filtration of Liquids)

산업계가 실무 표준으로 폭넓게 참조하고 있는 기술 보고서로서, 여과 전후로 반드시 무결성 시험을 수행해야 한다는 원칙, 멸균 공정 전후 무결성 시험의 필요성, 그리고 필터 시스템의 downstream이 항시 sterile 상태를 유지해야 한다는 원칙을 명확히 제시하고 있습니다.

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⏱️ 무결성 시험 시점별 비교

방식시점목적

Post-use Integrity Test	필터 사용 후	공정 중 손상 여부 사후 확인
PUPSIT	멸균 후, 사용 직전	설치·멸균 과정 중 손상 사전 차단

EU GMP Annex 1이 PUPSIT의 수행을 강력히 권고하는 핵심 근거는, 멸균 및 설치 과정에서 발생할 수 있는 손상을 본 공정 투입 이전 단계에서 차단함으로써 최종적으로 환자에게 전달되는 제품의 오염 가능성을 원천적인 차원에서 최소화하겠다는 환자 중심(patient-centric) 품질 관리 철학에 뿌리를 두고 있습니다.

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🎯 결론

필터 무결성 시험은 멸균 등급 필터가 공정 전 과정에 걸쳐 규정된 여과 성능을 변함없이 유지하고 있음을 과학적 근거에 입각해 입증해 내는 바이오의약품 제조의 필수 절차입니다. 이는 단순히 규제 준수를 위한 행정적 단계의 차원을 넘어, 공정 안전성의 확보, 규제 적합성의 유지, 그리고 궁극적으로 환자 보호로까지 연결되는 가장 중요한 품질 관문(quality gate)에 해당한다고 할 수 있습니다.

특히 PUPSIT를 포함한 EU GMP Annex 1 개정안과 같은 최신 규제 변화에 대한 선제적 대응 역량은 향후 글로벌 시장 내에서의 경쟁력을 좌우하는 결정적 요소로 부상하게 될 것입니다. 각 제조사는 자사 공정의 고유 특성(제품 점도, 여과 부피, 멤브레인 재질, 생산 규모 등)에 가장 부합하는 시험법을 과학적 근거에 기반해 선정해야 하며, 자동화 및 디지털화된 무결성 시험 시스템(automated integrity tester with electronic data integrity)을 적극 도입함으로써 시험 결과의 정확성, 재현성, 그리고 데이터 신뢰성을 최대한 끌어올려야 합니다. 이러한 일련의 노력은 결국 데이터 무결성(data integrity)과 제품 무결성(product integrity)이라는 두 축을 동시에 충족시켜 나가는 일이며, 이는 곧 현대 바이오공정 품질 관리의 본질적 지향점에 부합하는 방향이라 할 수 있을 것입니다.

 

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