3조- MEDIC

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 개인 소형 병원에서 활용할 수 있는 소형 UV 멸균분쇄기

영문 : Miniaturized Sterilizing Grinder Using Ultroaviolet for Small Hospital

과제 팀명

MEDIC조

지도교수

장서일 교수님

개발기간

2021년 9월 ~ 2021년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20168900** 남*선(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20158900** 김*준

서울시립대학교 환경공학부 20168900** 김*겸

서울시립대학교 환경공학부 20168900** 한*영

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

2021년 현재, COVID-19 바이러스 확산 장기화로 인해 의료폐기물이 급증하였고 처리시설 용량은 한계가 있기 때문에 의료폐기물 적체 문제가 심화되고 있다. 이로 인해 의료폐기물 처리단가 역시 상승하고 있어서 병원들의 재정적 부담으로 작용하고 있기 때문에 정부에서는 병원 자체적으로 의료폐끼물을 처리할 수 있는 시설(멸균분쇄기)에 대한 규제를 완화하였다. 그러나 개인병원의 경우 의료폐기물 처리단가가 대형병원에 비해 높기 때문에 의료폐기물 자체 처리시설에 대한 필요성이 대형병원보다 더 크지만, 현재 사용 가능한 멸균분쇄기는 대형병원에만 적용이 가능할 정도로 크기가 크기 때문에 개인병원에는 적용이 어렵다. 따라서 의료폐기물로 인한 개인병원의 재정적 부담을 완화하기 위해 UV 기술을 활용하여 소형병원에서 사용 가능한 멸균분쇄기를 설계 및 제작하고자 한다.

개발 과제의 배경 및 효과

개발 과제의 배경

2019년 12월, 중국 후베이성 우한시에서 처음 관찰되었던 COVID-19 바이러스(이하 코로나-19)는 2021년 9월 현재까지도 그 확산세가 그칠 줄 모르며 범세계적으로 확진자 수가 지속해서 증가하고 있다. 한국 역시 최근 7, 8월부터 4차 대유행이 지속됨에 따라 확진자가 매일 1,000명 이상 발생하고 있어 코로나-19 확산세에 자유롭지 않다. 현재 한국의 백신 접종 완료율은 약 41.6%이고 지속해서 증가할 것으로 보이나, 코로나-19의 새로운 변이가 새로이 보고되고 있으며 백신이 변이 바이러스의 면역까지 보장하지 못하는 사례까 발견되고 있어 당분간은 코로나-19 확산세가 그치지 않을 것으로 예상된다.

2년 가까이에 이르는 코로나-19 확산세로 인하여 의료계는 현재 전례 없는 격리시설 부족, 업무 부담에 휩싸이고 있으며 급증한 업무와 더불어 늘어나는 의료폐기물 역시 상당한 사회적 부담으로 작용하고 있다. 특히 환경부 방침에 따라 확진자에게서 발생한 모든 폐기물은 격리 의료폐기물로 처리되고 또한 생활 치료센터에서 발생한 확진자와 관련 없는 폐기물 역시 일반 의료폐기물로 취급됨에 따라 의료폐기물 발생량이 증가하고 있다. 그러나 의료폐기물은 당일 수거, 당일 소각이 원칙이고 의료폐기물 처리시설 용량은 한정적이어서 의료폐기물 적체 현상이 발생하고 있으며 이에 따라 코로나-19 이전 시기 대비 의료폐기물 톤당 처리비용이 2배 이상 오르는 등 기하급수적으로 상승하고 있다.

대학병원이나 공공의료원의 경우 자본 규모가 클 뿐만 아니라 의료폐기물 처리 업체를 경매를 통해 선정하기 때문에 이러한 처리비용 상승이 엄청난 부담으로 느끼지 않을 수 있으나 개인병원의 경우 매달 의료폐기물을 처리함에 따라 톤당 처리단가가 높게 책정되어 상당히 어려운 상황이다. 또한, 신규 의료폐기물 처리시설을 설치하는 것 역시 지역주민의 반대, 인허가의 어려움 등으로 인해 난항을 겪고 있어 당분간 개인병원의 고충은 지속할 것으로 전망된다.

정부에서는 병원의 의료폐기물 부담을 완화하기 위해 교육환경 보호법을 개정하여 의료폐기물을 자체적으로 멸균 분쇄할 수 있도록 허용하였다. 이로 인해 대학병원과 같은 대형병원에서 적극적으로 멸균분쇄기를 도입하여 자체적으로 의료폐기물을 처리하고 처리 후 남은 폐기물을 사업장 폐기물과 동일하게 처리할 수 있게 되었다.

의료폐기물은 폐기물관리법 시행령 제4조에 의해 격리 의료폐기물, 위해 의료폐기물, 일반 의료폐기물로 분류된다. 격리 의료폐기물은 「감염병의 예방 및 관리에 관한 법률」 제2조 제1항의 감염병으로부터 타인을 보호하기 위하여 격리된 사람에 대한 의료행위에서 발생한 일체의 폐기물이다. 위해의료폐기물은 인체 또는 동물의 조직·장기, 사체, 혈액 성분이 포함된 폐기물, 폐백신, 시험·검사 등에 사용된 의료폐기물을 의미한다. 그리고 일반의료폐기물은 탈지면, 붕대, 거즈, 일회용 주사기 등을 포함하는 의료폐기물이다.

2018년 기준으로 의료폐기물 중 일반의료폐기물은 전체 의료폐기물의 78%이며 코로나-19가 유행하는 2020년에도 일반 의료폐기물이 의료폐기물 중 가장 많은 비중을 차지했다. 이러한 사실들을 종합하여보면 위해성이 상대적으로 크지 않은 일반의료폐기물이라도 의료기관 자체적으로 처리하여 사업장 폐기물로 배출하여도 의료폐기물 처리비용을 상당히 감축할 수 있을 것이라 예상된다.

또한, 2018년 의료폐기물 업종별 배출업소 수 그래프와 2019년 의료폐기물 배출자 업종별 발생량 그래프를 살펴보면, 두 해의 의료폐기물 업종별 배출업소 수와 발생량이 현격한 차이가 없다고 가정했을 때, 의원이 배출량은 10%로 비중이 크지 않으나 배출업소 수는 76%를 차지하여 타 업종대비 월등하다는 것을 확인할 수 있다. 의료폐기물 배출업소 중 의원의 비중이 크기 때문에 대형병원 등지에서만 사용할 수 있는 현재의 멸균파쇄시설보다는 저렴한 소규모 처리시설에 대한 수요가 더 많을 것으로 예상된다.

그러나 현행 법령상 허용된 멸균분쇄시설은 증기멸균분쇄시설, 열관멸균분쇄시설, 마이크로웨이브멸균시설에 한정되어 있으며 해당 설비들은 유지관리 비용이 높을 뿐만 아니라 상당히 거대한 규모의 시설이기 때문에 부지가 한정적인 병원에서는 멸균분쇄시설의 도입을 쉽게 결정할 수 없는 것이 현실이다. 따라서 현재 멸균분쇄시설을 도입할 수 있는 병원은 극소수 일부 대형병원에 한정되며 의료폐기물 처리에 더 큰 경제적 비용을 지급해야 하는 개인병원의 경우 여전히 의료폐기물을 위탁 처리하는 방법밖에 존재하지 않는다.

기존의 멸균분쇄시설보다 소규모에 최적화된 시설을 위해서 새로운 멸균분쇄 방식을 고민할 필요가 있다. 기존에 행해지던 방역 방법이나 멸균방법을 고려하면 소독제를 사용한 멸균분쇄, 과초산을 이용한 멸균분쇄방식을 고려해볼 수 있다. 그러나 이들 방식은 화학약품 사용으로 인한 폐수문제와 유지관리 난이도의 문제가 있고 결정적으로 소독제를 별도로 보충해야하기 때문에 경제성이 떨어진다는 단점이 있다. 그러므로 화학약품을 사용하는 화학적 멸균분쇄시설 역시 소형 병원에 설치하기에는 적절치 않다.

최근 UV를 통한 코로나-19 바이러스 사멸이 성공적으로 진행될 것이라는 예측이 있었고 실제로 UV가 바이러스를 1초 만에 99% 이상 사멸시키는 결과가 보고되는 등 UV 멸균이 효과가 있음이 확인되고 있다. UV는 파장 범위가 10-400nm인 빛이며 파장에 따라 UV-A (320-400nm), UV-B (280-320nm), UV-C (200-280nm), V-UV (10-200nm), E-UV (10-121nm)로 분류되고 이 중 미생물 및 바이러스 사멸에 특히 효과적인 UV 종류는 UV-C로 알려져 있다. UV를 미생물이나 바이러스에 조사할 경우 DNA 구조의 변화가 발생하여 증식이 어려워지며 또한 UV는 단백질 손상 및 변성을 야기하여 세포 및 바이러스의 사멸을 이끈다.

UV를 이용한 멸균은 에너지가 많이 소모되지도 않고 특정 물질이 잔류하지도 않아 사용이 간편하며 매우 경제적인 방법이다. 그러므로 의료폐기물의 위해성을 감소시켜 이후 후속처리를 용이하게 하고, 최종적으로 일반적인 사업장 폐기물로서 처리되어 소규모 병원의 의료폐기물 처리 부담을 경감시키기 위해 UV를 활용한 소규모 일반 의료폐기물 처리시설 개발을 고려할 수 있을 것이라 예상된다.

개발 과제의 효과

UV 멸균을 멸균파쇄기에 활용할 경우 기존의 거대했던 멸균파쇄기를 소형화하여 설계할 수 있고 기존 멸균파쇄기보다 유지관리비가 적게 들어 경제성 역시 확보할 수 있다. 이러한 멸균파쇄기의 변화는 부지가 없어 멸균파쇄기를 도입하지 못했던 병원들에 멸균분쇄기 도입을 재고할 기회가 될 것이며 동시에 현재 의료폐기물 처리에 큰 비용부담을 느끼고 있는 개인병원들에도 도입을 고려할 수 있어 개인병원들의 부담을 완화하는데 기여할 것이다.

더불어 인허가 절차의 까다로움과 주변 주민들의 반대가 많은 의료폐기물 처리시설을 늘릴 필요 없어지고 대부분의 부지를 활용성이 좋은 환경 처리시설로 활용할 수 있는 장점이 생긴다. 특히 의료폐기물은 매년 증가하는 추세기 때문에 향후에도 증가할 것으로 예상되는데 늘어나는 의료폐기물을 시설 확장 없이 처리할 수 있다는 장점이 있다. 더불어서 각 병원에 멸균분쇄기가 도입될 경우 코로나-19와 같은 팬데믹 상황에 대한 폐기물 처리 능력이 향상되어 폐기물 발생 급증에 대응하기 용이하다.

개발 과제의 목표 및 내용

본 과제는 개인병원에서 활용할 수 있는 UV를 활용한 소형 멸균분쇄기 제작을 목적으로 한다. 제작하는 멸균분쇄기는 상용화된 세탁기 정도의 부피로 제작되어야 하며, 이는 소규모 병원에서도 큰 공간 차지 없이 사용할 수 있을 정도가 되는 최소한의 기준이다.

UV 소독을 통해 멸균 기준을 달성할 수 있도록 한다. 멸균율 99.9%는 다른 멸균방법과 비견될 수 있는 최소한의 성능이므로 가능한 한 최고의 멸균율을 얻을 수 있도록 설계할 필요가 있다. 이는 아직 UV를 이용한 멸균분쇄기가 허용되지 않았기 때문이며 정부의 승인을 얻기 위해서는 좋은 성능을 달성할 필요가 있다. 또한, 멸균분쇄기는 인체에 악영향을 미칠 수 있는 바이러스와 UV가 외부로 유출되지 않는 안전성 높은 구조가 되어야 한다.

파쇄를 통해 폐기물의 겉보기 밀도를 향상시켜 일정 이상의 성능을 확보한다. 이는 의료폐기물의 UV 접촉면적을 넓혀주므로 멸균율을 높이는데 도움 된다. 또한, 파쇄는 폐기물 수송 효율과 밀접한 연관이 있으며 소각로에서도 좋은 연소조건을 만들어 준다. 그러므로 일반의료폐기물을 기기 이상 없이 분쇄 가능한 정도의 파쇄능력을 확보한다.

UV의 멸균은 UV가 조사되는 면만 소독이 진행되는 약점이 있기 때문에 이를 보완하기 위해 본 과제의 멸균분쇄기에는 폐기물을 파쇄한 뒤 UV 램프가 가동됨과 동시에 의료폐기물을 지속적으로 교반하여 멸균의 사각지대가 없도록 한다.

제작 대상은 기존의 일반의료폐기물 처리비용을 감축시키는데 기여해야 하며 이를 위해 기존 제품대비 전력을 적게 쓰고 부품 수명이 길어야 하며 가격이 낮아야 한다. 또한, 제품의 사용 및 유지관리가 쉽도록 설계되어야 한다.

QFD(Quality Function Deployment)

개념설계안

파쇄 입경 결정

폐기물관리법시행규칙 별표9 ‘폐기물 처분시설 또는 재활용시설의 설치기준’에 따르면 멸균분쇄시설은 원형이 파쇄되어 재사용할 수 없도록 분쇄할 수 있어야 한다. 멸균분쇄시설에는 파쇄에 대해서는 다른 제약조건이 없으나 같은 법령 내 파쇄·분쇄·절단시설은 결과물의 최대 직경이 15센티미터 이하가 되도록 규정하고 있다. 이렇듯 분쇄에 관해서는 분쇄과정을 거치기만 하면 될 정도로 규제가 없다시피 하지만 본 프로젝트의 경우 UV 멸균과 동시에 교반을 진행하므로 멸균 효과를 극대화시키기 위해 적정한 파쇄 입경을 선정할 필요가 있다. 파쇄 입경이 작을수록 UV가 골고루 조사될 것으로 예상되나 입경이 지나치게 작을 경우 교반 효과가 미미할 수 있으므로 지나치게 잘게 파쇄되면 안될 것이다. 이러한 점을 감안하여 다음과 같은 Rosin-Rammler 입자분포 모델을 활용하고 X, Y를 중요변수로 설정하여 적정한 파쇄 입경을 설정하고자 한다.

파쇄에너지 예상

Rosin-Rammler 입자분포 모델을 통해서 적정 입경을 설정하고 다음과 같은 식을 통해 파쇄에너지를 구할 수 있다.

1) Kick의 법칙 (n=1)

2) Rittinger의 법칙 (n=2)

3) Bond의 법칙

파쇄방식 결정

파쇄기의 종류에는 전단파쇄기, 충격파쇄기, 압축파쇄기, 습식파쇄기, 냉각파쇄기 등이 있다. 전단파쇄는 폐기물에 전단력을 가하여 파쇄하는 방식으로 목재, 플라스틱, 종이 파쇄에 적합한 파쇄방식이다. 파쇄물의 크기가 균일하다는 장점은 있으나 다만 후술할 충격파쇄기에 비해 파쇄속도가 느리고 금속류가 혼입될 경우 파쇄가 어렵다는 약점이 있다. 충격파쇄기는 주로 회전식을 채택하며 고속으로 회전하는 해머의 충격에 의해 파쇄한다. 유리나 목질류 파쇄에 적합한 방식이지만 소음문제와 분진문제가 발생하기 때문에 이에 대한 대책이 필요하다. 압축파쇄기는 주로 프레스를 이용하여 압축력을 발생시켜 파쇄하는 방식으로 자동차 등에 사용한다. 습식파쇄기는 폐기물을 물과 혼합하여 투입하고 이를 믹서에 의해 분쇄한다. 종이류가 많이 함유된 폐기물과 음식쓰레기에 적합하다. 냉각파쇄기는 상온에서 파쇄가 어려운 물질을 액체질소와 같은 냉매를 활용하여 파쇄에너지를 최소화하며 파쇄하는 방식이다. 이 중 의료폐기물을 대상으로 하는 파쇄방식으로 고려해볼 수 있는 것은 범용성이 좋은 전단파쇄, 금속 및 플라스틱 파쇄에 이점이 있는 충격 파쇄, 탈지면류 등의 분쇄에 유리한 습식파쇄이다.

파쇄부 아이디어

멸균분쇄기의 처리대상인 일반의료폐기물에는 혈액·체액·분비물·배설물이 함유되어 있는 탈지면, 붕대, 거즈, 생리대, 일회용 주사기, 수액 세트 등이 해당된다. 즉, 일반의료폐기물의 대부분은 면류이고 일부 플라스틱이 섞여있는 형태이다. 면류는 강도가 낮은 대신 유연성이 크고 반대로 플라스틱은 강도가 크지만, 유연성이 작은 특징이 있어 두 물질의 파쇄 성상은 다르게 나타난다. 따라서 파쇄 성능을 위해 각 물질 성상에 따라 파쇄기를 달리하는 유형과 파쇄부의 유지관리를 위해 파쇄기를 하나만 두는 유형을 고려해볼 수 있다.

UV 멸균방법

방사법은 전자기 방사를 이용하여 멸균하는 방법으로 자외선 멸균이 이에 해당한다. 자외선 멸균은 거의 모든 바이러스, 포자, 낭포에 효과적이며 화학적 방법에 비해 사용방법이 간단하다. 또한, UV 방사법의 경우 멸균 대상에게 내성이 잘 발생하지 않으며 기타 유해한 물질이 잔류하지 않고 상대적으로 짧은 접촉시간으로 멸균이 가능하다는 장점이 있다.

자외선 멸균 효과는 일반적으로 200 ~ 280nm 부근의 파장에서 멸균력이 강하며 그중에서도 253.7nm의 파장이 DNA에 가장 잘 흡수되어 미생물 유전자 DNA를 영구히 손상하여 사멸케 한다. 실제로 박혜리 외. (2021), 김경호 외. (2019) 이외의 많은 논문에서 UV 파장을 253.7nm로 설정하여 UV 방사를 통한 멸균에 활용한 사례 또한 존재하였다.

UV 파장 및 UV 램프 선정

UV-C를 멸균용으로 사용하는 이유는 사멸 대상 병원균 내에 존재하는 핵산에 UV-C가 변형을 잘 일으키기 때문이며 특히 파장 253.7nm인 UV가 효과적인 것으로 알려져 있다. 현재 시중에서 구할 수 있는 UV-C 램프는 UVC Lamp와 UVC LED가 있다. UVC Lamp의 경우 멸균에 가장 유리한 253.7nm의 파장을 갖는 UV를 방출하여 멸균성능이 보장되는 측면이 있다. 그러나 UVC Lamp는 인체에 유해한 수은이 함유되어 있어 안전성에 문제가 있을 수 있고 예열시간이 필요해 멸균시간이 길어지는 경향이 있으며 발열 문제가 존재한다. 또한, LED에 비해 소비 전력이 크고 사용수명이 약 1000시간으로 상대적으로 짧다.

반면 UVC LED의 경우 인체에 유해한 물질이 없고 예열이 필요 없어 멸균과정이 신속하게 진행된다. 그뿐만 아니라 UVC Lamp 대비 소비 전력이 낮고 1만시간 가량의 사용수명을 가지고 있다. 그러나 시중에서 구할 수 있는 UVC LED는 275nm이기 때문에 멸균성능이 불확실하다는 문제점이 있다.

UV 멸균 설계변수

1) UV 조사량

램프로부터 방출된 UV 복사는 와트(W)단위로 표현할 수 있다. 램프의 복사선 분포는 램프로부터의 거리에 의존하여 특정한 양의 UV 복사선이 목표물에 도달하게 된다. 빛의 투과 밀도는 제곱미터에 대한 와트 즉, W/m2으로 나타낸다. UV 조사량은 멸균력과 밀접한 관계가 있는 것으로 알려져 있으며 UV 멸균의 중요한 설계 지표이다. 이론상 UV 조사량이 같으면 멸균성능 역시 비슷하다. 즉, 강한 UV 강도와 짧은 접촉시간을 가진 시스템과 낮은 UV 강도와 긴 접촉시간을 가진 시스템의 멸균성능에는 큰 차이점이 없다. UV 조사량은 램프의 출력감소와 램프 표면 오염 정도에 따라 감소할 수 있기 때문에, 조사량 감소율을 고려하여 UV 조사량을 결정해야 한다. 즉, UV 멸균기의 중요한 설계 인자는 UV 조사량이며 UV 조사량은 UV 강도와 접촉시간을 통해 계산할 수 있다.

2) UV 강도

UV 강도는 대상 시료에 조사되는 253.7nm의 UV 복사에너지가 투과되는 속도이며, UV 복사는 램프 형태, 대상 시료와 램프의 거리, 매질의 특성, 램프의 코팅 두께 등에 의해 영향을 받는다. UV 강도는 UV 램프의 출력에 따라 변화하며 강할수록 멸균에 유리하다.

3) 접촉시간

접촉시간은 UV가 멸균 대상에게 조사되는 시간이며 회분식 반응조의 경우 UV 램프를 켜두는 시간과 동일하다. 접촉시간은 UV 강도와 달리 쉽게 조정이 가능한 변수이기 때문에 중요한 설계 인자이며 UV 조사량 변동에 큰 영향을 미친다. 접촉시간이 길수록 멸균성능이 좋지만, 접촉시간이 길어질수록 반응조 부피가 커져야 한다. 결론적으로 적용 가능한 UV 강도 범위와 접촉시간 범위를 설정해두고 멸균실험을 진행하여 목표 달성을 위해 필요한 UV 조사량을 구한 후 해당 UV 조사량을 만족시킬 수 있도록 UV 강도와 접촉시간을 설정하여 UV 멸균조를 설계할 수 있다.

UV조 교반 방법 아이디어

UV 멸균의 경우 UV가 조사되는 표면만 멸균이 진행된다는 단점이 존재한다. 따라서 단순한 UV 조사만으로는 일정 성능 이상의 멸균력을 보장하기가 어렵다는 문제점이 있고 이를 해결하기 위해 UV조 내에서 교반을 실시하고자 한다. 다만 멸균분쇄기의 소형화를 목적으로 하고 있으므로 적용할 수 있는 교반 기술에는 한계가 있다. 이러한 점들을 모두 고려한, UV 멸균의 성능을 저해하지도 않고 소형화가 가능한 교반 방법으로 다음과 같은 세 가지 방법을 제시하고자 한다.

개념설계 평가

파쇄에너지 계산 식 결정

Kick의 법칙은 단일 입자의 이상 파쇄를 고려한 식으로 50mm를 초과하는 입경일 때 적용이 가능하다. 주로 조쇄나 충격 분쇄에 잘 맞는 것으로 알려져 있다. Rittinger의 법칙은 단일 입자의 이상 분쇄를 가정한 식으로 입경이 0.5mm 이하인 미분쇄 경향과 잘 맞는 것으로 알려져있어 이외의 경우에는 적용하지 않는 것이 좋다. bond의 법칙은 하나의 큰 입자가 다수의 작은 입자로 쪼개짐에 따라 표면적이 증가한다는 사실을 나타낸 법칙으로 에너지가 표면적/부피에 비례한다는 점에서 착안했다. 주로 습식 미분쇄, 건식 조쇄에 잘 맞는 것으로 알려져 있으며 파쇄 입경이 50mm에서 0.05mm 사용할 때 적용하는 것이 바람직하다. 본 설계에서는 UV 조사와 교반이 동시에 진행되므로 입경이 너무 작지도 크지도 않아야 한다. 또한, bond의 법칙은 표면적으로부터 유도된 식이기 때문에 표면적과 밀접한 연관이 있는 UV 멸균에 더 정확한 모델이 될 것으로 예상할 수 있다. 그러므로 범용적으로 조대입자를 대상으로 적용되는 Kick의 법칙보다는 bond의 법칙을 사용하여 설계하는 것이 실제 데이터와 더 큰 상관성을 보일 것으로 예상된다.

UV조 교반 방법

상기한 평가 기준을 토대로 개념설계안에서 제시된 아이디어를 평가하면 아래와 같다.

따라서 기기 내부의 밀폐 정도, 동력비, UV 램프의 필요량, 교반 용이성을 고려할 때 1안 격벽형을 채택하는 것이 바람직하다고 판단할 수 있다.

파쇄부 설계

1) 파쇄방식 채택

앞서 설명한 파쇄방식 중 충격 파쇄방식의 경우 경질 폐기물에 유리하며 습식파쇄는 연질 폐기물에 적용되는 것이 바람직하고 전단파쇄방식은 금속류를 제외하고 범용적으로 사용할 수 있다. 다만 소형 UV 멸균분쇄기는 소규모 병원을 대상으로 하기 때문에 별도의 설치공간을 마련하기 어려워 인간이 점유하는 공간에 공존할 가능성이 크다. 이 경우 충격파쇄기에서 발생하는 소음 및 분진으로 인한 민원이 다수 발생할 여지가 있어 충격 분쇄방식의 사용은 지양하여야 한다. 또한 습식 파쇄의 경우 폐기물의 함수율이 급증하므로 폐기물의 탈수과정을 별도로 설치할 필요가 있다. 이 경우 폐기물 처리 공정이 복잡해져 멸균분쇄기의 크기가 필연적으로 증가해야 한다. 따라서 습식파쇄 역시 실제로 적용하기는 어렵다. 그러므로 의료폐기물 멸균분쇄기 파쇄방식으로는 전단파쇄방식이 가장 적절하다.

2) 파쇄부 아이디어 평가

다만, 소형 UV 멸균분쇄기에 적용 가능한 파쇄방식은 전단파쇄방식이 유일하다. 그러므로 용도에 따라 파쇄방식을 변경할 여지가 없기때문에 1안 용도 구분형을 채택함에 따라 상승하는 파쇄 성능은 무의미할 것으로 예상된다. 또한 용도 구분형의 경우 파쇄부 부피를 동일하다고 가정했을 때 통합형에 비해 파쇄속도가 느리기 때문에 효율성이 떨어지는 측면이 있다. 따라서 유지관리의 편의성 및 파쇄 효율성을 고려하여 2안 통합형을 채택한다.

파쇄부 설계안

의료폐기물은 거즈, 고무, 플라스틱 등 여러 폐기물이 혼합된 형태로 혼합폐기물에 대한 파쇄를 고려해야 한다. 의료폐기물은 강도에 따라 거즈나 고무와 같은 연질 폐기물과 플라스틱과 같은 경질 폐기물로 분류 가능하고 이에 따라 멸균분쇄기의 파쇄부를 경질 폐기물 파쇄부와 연질폐기물 파쇄부로 분리하는 방안을 제시할 수 있다. 의료폐기물 파쇄방식으로 고려할 수 있는 파쇄방식으로 습식 파쇄방식, 충격 파쇄방식, 전단 파쇄방식이 존재하는데, 습식 파쇄방식은 연질폐기물 분쇄에 유용하고 충격 파쇄는 경질 폐기물 파쇄에 뛰어난 효과를 보이며 전단 파쇄의 경우 금속을 제외한 폐기물에 대해 좋은 성능을 보인다. 다만, 소형 UV 멸균분쇄기의 경우 소형병원을 대상으로 설계되었기 때문에 반드시 소형화되어야 하며, 제품과 소비자의 거리가 가까운 것을 고려하여 소음을 완화해야 할 필요가 있다. 습식 파쇄방식의 경우 폐기물의 함수율을 낮춰야 하는 공정이 추가되어야 하기 때문에 제품을 소형화하기에 불리하며 충격 파쇄방식의 경우 분진 및 소음이 발생하여 소비자에게 불편을 초래할 가능성이 커서 사용을 지양해야 한다. 그러므로 소형 UV 멸균분쇄기에서 사용 가능한 파쇄방식은 전단 파쇄방식이 유일하고, 이에 따라 파쇄부를 분리하여도 두 파쇄부 사이에 유의미한 차이가 존재하지 않으므로 파쇄부를 분리하는 방안은 오히려 비효율적이다.

설계에 참고하기 위해 기존에 존재하는 멸균분쇄기들의 파쇄부를 조사한 결과 모두 전단 파쇄방식을 채용하고 있었으며 의료폐기물을 분쇄하는데 큰 문제가 없음을 확인하였다. 따라서 파쇄부는 분리하지 않고 하나로 하며 파쇄방식은 전단 파쇄방식으로 한다.

또한 여러 종류의 파쇄날을 사용하여 다양한 성상의 의료폐기물에 대응한 사례도 존재하였다. 이 경우 탄력이 있는 폐기물도 파쇄가 용이하기 때문에 플라스틱류와 같은 경질 폐기물은 물론 고무, 거즈류 등에도 좋은 성능을 보일 것으로 예상하고 있다.

UV조 설계

UV가 접촉한 면에서만 멸균이 진행된다는 UV 멸균의 단점을 보완하기 위해 UV조에서 교반을 진행하고자 한다. 교반 방법으로는 UV조 내에 교반기를 설치하는 방안, UV조 자체를 회전시키는 방안 그리고 격벽으로 UV조를 분리하고 소형 교반기를 설치하는 방안이 제시되었는데 최종적으로 UV조를 격벽으로 분리하고 소형 교반기를 사용하는 방안을 채택하였다. 이는 UV조가 소형화될 경우 밀폐형 구조를 갖추기 유리하고 사용되는 UV 램프 개수도 적으며 교반 동력도 적게 소모되기 때문이다.

멸균에 사용되는 램프는 UVC 수은 Lamp와 UVC LED가 존재하는데, 수은 램프의 경우 인체에 유해한 수은이 포함되어 있고 실제 멸균 효과를 나타내기까지 예열시간이 필요하다. 게다가 전력 효율이 좋지 않아 발열이 발생하여 기기에 이상을 일으킬 여지가 있고 소비 전력이 많으며 수명이 짧다는 단점을 가지고 있어 UVC 수은 Lamp는 별도의 유지관리 인력 충원이 어려울 것으로 예상되는 소형 멸균분쇄기에 적합하지 않다는 결론을 내렸다. 반면 LED의 경우 유해 물질도 없고 예열시간도 필요 없으며 전력효율도 좋고 수명이 길어서 LED를 사용하는 것이 기기 수명과 유지관리 측면에서 장점을 가지고 있다. 따라서 멸균 램프는 UVC LED를 사용하고자 한다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

파쇄 입경 결정

현행 법령에 따르면 멸균분쇄시설은 원형이 파쇄되어 재사용할 수 없도록 분쇄할 수 있어야 한다. 파쇄에 관하여는 이 외의 다른 제약 조건이 없으나 본 설계의 경우 교반을 시행하여 UV 멸균의 성능을 높이고자 하므로 적정한 파쇄 입경을 설정할 필요가 있다. 파쇄 입경이 작을수록 UV가 골고루 조사될 것으로 예상되나 지나치게 작을 경우 분진이 발생하여 UV 조사의 효율을 낮추거나 지나치게 표면적이 넓어져 요구 접촉시간이 길어질 수 있다. 그러나 입경이 지나치게 크면 교반에 필요한 동력이 많이 필요하고 교반 효과가 미미할 가능성이 있다. 본 설계에 적절한 파쇄 입경을 Rosin-Rammler 입자 분포 모델을 활용하고 X, Y를 주요 변수로 하여 설정하고자 한다.

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1) 폐기물의 90%를 1cm보다 작게 파쇄할 경우

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2) 폐기물의 90%를 2cm보다 작게 파쇄할 경우

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3) 폐기물의 90%를 0.5cm보다 작게 파쇄할 경우

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Eq. 3.5, 3.9, 3.13을 도식화하면 다음과 같다.

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파쇄 입경 2cm를 기준으로 할 경우 폐기물 질량의 약 63.21%가 직경 0.8686cm보다 작아 대부분의 입자는 직경 1cm보다 작다. 그러나 5% 정도의 입자가 직경 2.5cm보다 클 것으로 보이며 또한 직경 3cm를 넘는 입자는 3%, 직경 4cm보다 큰 입자는 1% 확률로 발견될 가능성이 있다. 조립자는 교반을 방해하고 UV를 가려 멸균효율을 감소시킬 뿐만 아니라 UV가 투과되지 않아 폐기물 내부까지 멸균이 진행되기 어려워 멸균이 진행되지 않을 가능성이 있다. UV멸균분쇄기의 경우 미립자가 존재하지 않을 정도로 파쇄하는 것이 바람직하며 따라서 파쇄입경을 2cm로 설정하는 것은 부적합하다.

파쇄입경이 0.5cm일 경우는 직경이 1cm보다 큰 입자의 분율이 1%이며 직경이 1.5cm이상인 입자는 0.1%, 직경이 2cm인 입자는 0.01%로 조립자가 발견될 확률이 극히 낮다고 예상할 수 있다. 그러나 파쇄입경이 0.5cm이고 플라스틱 및 연질폐기물 함께 파쇄할 수 있는 전단파쇄기는 시중에 존재하지 않으며 현실적으로 제작이 어렵고 동력이 많이 소요될 것으로 예상된다. 따라서 설계상의 문제로 인해 파쇄입경을 0.5cm로 설정하는 것은 불가능하다.

상기한 이유들로 인해 파쇄입경은 1cm로 설정한다. 다만 파쇄 입경이 1cm일 경우 직경이 1.5cm 이상인 입자의 분율이 3%, 2cm 이상인 입자의 분율은 1%이기 때문에 조립자가 존재할 가능성이 있다. 이러한 문제점을 해결하고 조립자가 멸균조에 유입되는 것을 방지하기 위해 파쇄부 하단에 체를 설치할 필요가 있다. 파쇄부 하단에 체를 설치할 경우 지정된 입경 이상의 폐기물은 파쇄기를 통해 다시 파쇄가 진행되어 잔존하는 폐기물 없이 파쇄가 가능하며 조립자도 존재하지 않아 멸균과정을 원활하게 진행할 수 있을 것으로 예상하는 바이다.

UV 멸균 메커니즘

UV 멸균 메커니즘은 기존 화학적 방식과 차이가 있다. 기존 화학적 방식은 세포를 파괴하여 불활성화 하지만, UV에 의한 병원균 불활성화는 병원균 내 핵산 즉, RNA와 DNA의 손상에서 비롯되고 핵산의 손상은 병원균의 자가증식을 방해하게 되어 불활성화가 이루어진다.

DNA와 RNA는 뉴클레오타이드 중합체이며 뉴클레오타이드는 인산, 5탄당, 염기로 이루어져 있는데 DNA의 경우 아데닌, 구아닌, 티아민, 사이토신 네 가지 종류의 염기를 가지고 있으며 염기의 배열을 통해 유전 정보를 저장한다. DNA에 UV가 조사될 경우 서로 인접한 티아민 사이에 결합이 형성되어 티아민 이량체가 형성되고 이량체가 다수 형성될 경우 DNA는 기능을 상실한다.

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UV는 파장이 100nm~400nm에 해당하는 빛이며 파장영역에 따라 UVA(315~400nm), UVB(280~315nm), UVC(200~300nm), vacuum UV(100~200nm)로 분류된다. UVA와 UVB는 DNA가 거의 흡수하지 못하기 때문에 소독용으로는 사용하기 어렵고 vacuum UV는 대부분 매질에서 소모되어 병원균에 흡수되는 비율이 현저히 적으므로 소독용으로 사용하기는 어렵다.

소독에 사용되는 UVC 중에서도 특히 파장 253.7nm에 해당하는 UVC가 살균효과가 좋은 것으로 알려져 있으며 또한 시중에 보급된 UVC LED의 경우 275nm를 사용하는 것이 많다. 두 파장의 자외선 가지는 자외선의 에너지를 비교하면 다음과 같다.

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1) 파장이 253.7nm인 경우

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2) 파장이 275nm인 경우

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435kJ/mol의 에너지는 H2를 해리할 수 있는 에너지이며 메탄에서 메틸 라디칼을 생성할 수 있는 에너지량이다. 따라서 275nm의 UV 역시 병원균 내에서 원활하게 반응을 일으킬 수 있을 것으로 예상할 수 있다.

또한 Fig 3.4를 참고하면 티아민 염기의 경우 275nm 파장의 UV를 가장 잘 흡수하는 것으로 나타났으며 253.7nm UV와 275nm UV의 소독능 차이가 현격하지 않게 나타나는 실험 결과가 있는 등 두 UV 사이의 멸균 효과 차이는 크지 않을 것으로 예상된다.

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UV조 멸균 실험

UV조 내에서는 파쇄물들의 교반과 동시에 UV 램프가 작동하여 멸균이 진행된다. 이때 UV 램프는 다수가 동시에 작동하고 폐기물의 입경은 균일하지 않으며 교반 효과를 정량적으로 나타내기는 어렵기 때문에 UV조의 이론적 모델링은 불가능하다. 그러므로 반드시 실험을 통해 UV와 교반을 동시에 실행했을 때의 멸균이 정상적으로 이루어지는 지 검증할 필요가 있다.

1) 실험기기

실험에 사용할 UV멸균 모형은 3mm 아크릴 평판을 가공하여 30 x 15 x 15 규격의 직육면체로 제작하였다. 실제 제품에서는 UV조 내부가 스테인리스강 재질인 것과 아크릴에 빛이 잘 투과하기 때문에 UV가 외벽을 투과해 인체에 악영향을 줄 수 있는 점을 고려하여 내부를 알루미늄 호일로 포장하였다. 실험에 사용된 UV LED는 275nm 파장을 방출하는 제품으로 ㈜로보메카에서 생산된 제품이다. 또한 교반을 위해 UV조 측면에 교반기를 설치하였으며 교반기는 ㈜라이트컴에서 생산된 제품이다. UV조 내에 교반기가 설치된 면을 제외한 4면에 UV LED를 설치하였으며 한 면에 UV LED 램프 5개씩 총 20개의 램프가 설치되었다.

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2) 실험 방법

i) 실험 균주 배양 방법

본 실험에서는 학부생의 안전상 문제로 ‘서울시립대학교 미생물 연구실’에서 제공된 DH5-alpha 대장균[Escherichia coli (E. coli)]을 사용하였고 정량적인 결과를 산출하기 위해 배지법을 실험방법으로 선택하였다. 미생물 배지는 배지가 함유하는 성분, 배지 성상과 같은 기준으로 분류할 수 있다. 액체배지는 미생물의 일반적인 생육과 물질의 생산을 목적으로 사용하고 고체배지는 액체배지에 한천 또는 gelatin을 첨가하여 굳힌 배지이며 미생물의 순수분리, 보존, 활성화 목적으로 사용된다. 이번 실험에서는 Luria-Bertani (LB) 배지를 이용하였다.

대장균은 3ml LB 배지에 접종하고 200 rpm, 37℃의 조건으로 Shaking incubator에서 20시간 동안 배양되었으며 해당 용액 1ml를 100ml LB 배지가 담긴 플라스크에 접종하여 20시간 배양한 뒤 사용하였다.

ii) UV LED 실험 및 Colony 측정 방법

실험에 사용될 일반의료폐기물 시료는 일반 의료폐기물의 구성품인 주사기, 거즈 , 붕대, 탈지면이 직경 1cm로 분쇄되었다는 가정 하에 직경 1cm로 절단하여 준비하였다. 또한 실험 전에 미리 UV를 작동시켜 시료들이 사전에 오염되었을 가능성을 배제하였다.

실험을 위해 일반의료폐기물 시료들을 미리 만든 대장균 배양액에 적시고 시료를 오븐에 넣어 70℃로 1시간 건조시키고, 대조군을 따로 150mg 덜어낸 후 남은 시료들을 UV조 모형에 넣은 후 모형을 작동시켰다. 시료는 UV조 모형이 가동된 지 5분, 10분, 20분, 40분이 되었을 때 채취하였으며, 대조군 및 각 체류시간별 시료는 UV조 모형에서 각각 150mg씩 채취하여 증류수 20mL에 넣고 10분간 교반하였다.

대장균 군체를 측정을 용이하게 진행하기 위해 희석 평판법을 사용하였다. 교반이 완료된 용액들은 의 희석배수로 희석한 뒤 100μL씩 희석용액들을 추출하여 고체 배지 위에 도말하였다. 해당 배지들은 37℃ heat chamber에서 24시간 성장시킨 후 배지 위에 대장균 colony 수(CFU)를 계측하였다.

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iii) 실험 결과 및 결론

실험 결과 CFU 측정에 사용할 수 있는 배지들은 다음과 같이 나타났다.

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각 배지의 Colony 개수와 희석배수를 통해 CFU/mL를 측정한 결과, 대조군 35.9*10^4 CFU/ml 5분 34.4*10^3 CFU/ml 10분 20.1*10^3 CFU/ml 20분 21.2*10^2 CFU/ml 40분 20.6*10^2 CFU/ml로 산출되었다. 해당 데이터와 다음 공식을 통해 멸균율을 산출할 수 있다.

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실험 결과 멸균율은 5분 90.42%, 10분 94.4%, 20분 99.41%, 40분 99.43%로 나타났다. 실험결과를 통해 체류시간이 증가함에 따라 멸균율 역시 증가하는 것을 확인할 수 있고 이는 일반적인 UV멸균 과정에서의 UV조사량과 멸균율의 상관관계와 일치한다. 따라서 UV멸균과 교반을 동시에 진행하여도 UV조사량이 충분하다면 멸균이 완료될 것으로 예상할 수 있다. 즉, 실제 제품 규모의 실험을 통해 적정한 UV 강도와 체류시간을 설정하면 실제 제품의 멸균성능을 확보하고 멸균 목표를 달성할 수 있을 것으로 예상된다. 비록 목표 멸균율 99.9%에 도달하는 것은 확인할 수 없었으나 실험이 교반과 UV조사가 동시에 진행되었을 때 병원균 사멸 과정이 정상적으로 진행되는 지 검증하는 것에 목적이 있었고 기기의 사양이 실제 제품의 사양과 동일하지 않기 때문에 시간에 따른 멸균 경향성이 나타나는 것만으로도 의미가 있는 실험이라 평가할 수 있다.

다만, 30cm*15cm*15cm 규격의 실험조에서 20개의 UV 램프로 목표 멸균율을 확보하지 못한 것을 고려하였을 때 기존의 UV조 설계로는 멸균이 어려울 것으로 예상되어 UV조의 높이를 줄이고 한 번에 처리되는 폐기물의 양을 감소시켜 멸균성능을 높이는 것으로 설계를 변경하였다. 해당 설계 변경을 통해 폐기물 표면과 UV램프사이의 거리를 최적의 UV멸균성능을 보이는 3cm 이내로 위치하게 되어 멸균성능이 향상될 것으로 예상된다. 또한 시료가 클 경우 탈지면과 같은 시료 내부까지 UV가 투과되지 못해 시료 내부에 존재하는 대장균이 사멸되지 않을 것이라는 ‘서울시립대학교 미생물 연구실’의 조언에 따라 목표 파쇄입경을 더 작게 수정하였다. 이에 따라 UV의 폐기물 투과가 용이해져 병원균이 잔류하는 현상을 방지할 수 있을 것으로 예상된다.

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이론적 처리 용량

반응시간 t를 구함에 따라 UV 멸균분쇄기의 이론적 처리 용량을 다음과 같이 계산할 수 있다.

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설계도면상의 반응조 부피는 약 8.735L이고 교반효과를 충분히 활용할 수 있도록 UV조에서는 1회 처리시 UV조 용량의 10%에 해당하는 폐기물만 처리한다. 폐기물의 밀도는 거즈, 붕대, 탈지면, 라텍스 장갑, 일회용 주사기로 이루어진 폐기물 시료를 바탕으로 측정하였을 때 90g/L로 측정되었다. 소형UV멸균분쇄기의 주된 사용자는 국가 의료기관 분류상 ‘의원’에 해당하는 의료기관이며 2019년 기준 의원 한 곳당 평균적인 의료폐기물 발생량은 1.11kg/d였다. 다만 통계상에서 지역에 따라 상당한 편차를 보였고 또한 의원 외에 다른 의료폐기물 배출기관에서도 활용할 수 있는 가능성을 고려하여 목표 폐기물 처리용량을 5kg/d로 설정하였다. 멸균분쇄기의 폐기물 처리용량 5kg/d를 만족시키기 위해 필요한 반응시간의 최댓값은 다음과 같이 구할 수 있다.

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즉 멸균분쇄기의 처리용량을 5kg/d로 설정하기 위한 UV조 내 최대 체류시간은 32.6분 이하이다. 이는 설계 목표로 설정했던 UV조 체류시간 20분을 초과하는 수치이므로 기존 설계목표를 만족한다는 것을 확인할 수 있다.

상세설계 내용

조립도

내용

조립 순서

내용

부품도

내용

제어부 및 회로설계

내용

소프트웨어 설계

내용

자재소요서

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용

3조- MEDIC

목차

프로젝트 개요

기술개발 과제

과제 팀명

지도교수

개발기간

구성원 소개

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

개발 과제의 배경 및 효과

개발 과제의 배경

개발 과제의 효과

개발 과제의 목표 및 내용

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

전 세계적인 기술현황

기술 로드맵

특허 조사

특허 전략

시장상황에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

마케팅 전략

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

구성원 및 추진체계

설계

설계사양

제품의 요구사항

평가 내용

목적계통도

QFD(Quality Function Deployment)

개념설계안

개념설계안

개념설계 평가

이론적 계산 및 시뮬레이션

상세설계 내용

조립도

조립 순서

부품도

제어부 및 회로설계

소프트웨어 설계

자재소요서

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

포스터

관련사업비 내역서

완료작품의 평가

향후계획

특허 출원 내용

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