바이오공정

바이오공정(Bioprocess)은 원하는 제품을 얻기 위해 전체 살아있는 세포나 그 구성 요소(예: 박테리아, 효소, 엽록체)를 사용하는 특정한 과정이다.

에너지와 물질의 이동은 많은 생물학적 및 환경적 과정에서 기본적이다. 음식 가공(맥주 양조 포함)부터 건물의 열 설계, 생의학 장치, 단클론 항체 제조, 오염 제어 및 지구 온난화까지 다양한 분야는 에너지와 물질이 어떻게 물질을 통해 전달되는지에 대한 지식을 필요로 한다(모멘텀, 열 전달 등).

개요

바이오공정은 생물학적 시스템이나 생명체를 활용하여 제품을 생산하는 과정을 의미한다. 이는 세포, 미생물, 효소 등 생물학적 매개체를 사용하여 화학적 변환, 물질 생산, 에너지 생산 등 다양한 산업적 목적을 달성하는 기술이다. 바이오공정은 생물학적, 화학적, 물리적 과정을 결합하여 의약품, 식품, 화학물질, 에너지, 바이오연료 등 다양한 제품을 제조하는 데 사용된다. 이 과정은 생물학적 촉매, 세포배양, 효소공정, 유전자 조작 등의 방법을 포함할 수 있다.

바이오공정의 정의와 범위

바이오공정은 주로 미생물, 세포 또는 효소를 사용하여 화학적 변환, 물질 합성, 에너지 생성 등을 수행하는 과정이다. 이 과정은 두 가지 주요 요소로 구성된다.

• 생물학적 시스템: 미생물, 세포 또는 효소 등 생명체가 작용하는 환경.
• 공정: 다양한 화학적, 물리적, 생리적 조작을 통해 최종 제품을 생산하는 과정.

바이오공정은 다양한 산업 분야에서 활용되며, 특히 의약품, 바이오연료, 식품, 화학물질 등에서 중요한 역할을 한다.

세포 바이오공정

세포 치료 바이오공정은 세포 치료와 바이오공정(즉, 생물제약 제조)의 분야를 잇는 학문으로, 바이오공정 공학의 하위 분야이다. 세포 치료 바이오공정의 목표는 치료 세포 생산을 위한 재현 가능하고 견고한 제조 공정을 확립하는 것이다. 상업적으로 관련된 바이오공정은 다음을 목표로 한다.

1. 바이오 의약품의 모든 품질 기준을 유지하는 제품을 생산한다.
2. 다양한 개발 단계에 걸쳐 임상 및 상업적인 양의 치료 세포를 공급한다. 프로세스 및 생산 기술은 확장 가능하다.
3. 최종 약물 제품의 원가(CoGs)를 관리한다. 이는 상업적으로 실현 가능한 산업을 구축하는 데 중요한 요소이다.

상류 바이오공정

치료 세포 제조 과정은 상류 공정과 하류 공정으로 나눌 수 있다. 상류 공정은 초기 세포 분리 및 배양, 세포 은행 및 세포 배양 확장을 포함하여 최종 수확(배양 종료 및 살아있는 세포 배치 수집)까지의 전체 과정을 정의한다.

기술적인 도전 외에도, 배양 장치의 확장성과 관련된 문제 외에, 최근 몇 년 동안 여러 원자재 공급 리스크가 발생했으며, 그 중에는 GMP 등급의 태아 송아지 혈청의 가용성이 포함된다.

바이오공정의 상류 부분은 미생물/세포가 배양기에서 자라는 첫 번째 단계를 의미한다. 상류 공정은 모든 접종체 개발, 배지 개발, 유전자 공학을 통한 접종체 개선, 성장 동력학 최적화와 관련된 단계를 포함하여 제품 개발을 크게 개선할 수 있습니다. 발효는 상류 공정과 하류 공정 두 부분으로 나눠진다. 제품 개발 후, 다음 단계는 원하는 품질의 제품을 정제하는 것이다. 배치 및 연속 배양에서 원하는 밀도에 도달하면 수확하여 하류 공정으로 이동한다.

하류 바이오공정

바이오공정의 하류 부분은 상류에서 나온 세포 덩어리가 정제되고 품질 요구 사항을 충족하는 과정이다. 하류 공정은 보통 세 가지 주요 단계로 나뉜다. 세포 파괴, 정제 단계, 세밀화 단계이다. 휘발성 제품은 사전 처리 없이 수확한 배양액을 증류하여 분리할 수 있다. 증류는 낮은 압력에서 연속 증류기에서 수행된다. 낮은 압력에서 발효기에서 직접 증류하여 제품을 분리할 수도 있다. 하류 공정의 단계는 다음과 같다.

1. 바이오매스 분리: 바이오매스(미생물 세포)는 일반적으로 원심분리나 초고속 원심분리를 통해 분리된다. 만약 제품이 바이오매스라면, 이는 처리하기 위해 회수되고, 소모된 배지는 폐기된다. 제품이 세포 외 물질이라면 바이오매스는 폐기된다. 초여과는 원심분리의 대안이다.
2. 세포 파괴: 원하는 제품이 세포 내 물질이라면, 세포 바이오매스를 파괴하여 제품을 방출시킬 수 있다. 고형물-액체는 원심분리나 여과를 통해 분리되고, 세포 찌꺼기는 폐기된다.
3. 배지 농축: 제품이 세포 외 물질일 경우, 소모된 배지는 농축됩니다.
4. 대사물 초기 정제: 제품 분자의 물리화학적 특성에 따라 여러 가지 방법으로 정제된 발효 배양액에서 제품을 회수한다(예: 침전 등).
5. 탈수: 매우 큰 부피의 소모된 배지에서 제품의 양이 적으면, 물을 제거하여 제품을 농축한다. 이는 진공 건조나 역삼투압을 통해 이루어진다.
6. 대사물 세밀화: 제품을 98%에서 100% 순수하게 만드는 마지막 단계이다. 정제된 제품은 여러 가지 불활성 성분(첨가제)과 혼합됩니다. 이렇게 제조된 제품은 포장되어 시장에 출하된다.

바이오공정의 주요 유형

미생물 발효 공정

미생물 발효는 박테리아, 효모, 곰팡이 등의 미생물을 이용해 유기 화합물을 분해하거나 합성하는 과정이다. 발효 공정은 전통적으로 알콜 생산(예: 맥주, 와인), 유제품(예: 요거트, 치즈), 비타민 및 항생제 생산 등에 사용되어 왔다.

• 알콜 발효: 효모가 당을 알콜과 이산화탄소로 변환시키는 과정. 이 과정은 에탄올 생산을 위해 널리 사용된다.
• 항생제 생산: 예를 들어, 페니실린과 같은 항생제는 미생물을 이용해 대량 생산된다.

세포 배양 공정

세포 배양 공정은 동물 세포 또는 식물 세포를 배양하여 다양한 생리활성 물질을 생산하는 과정이다. 이 공정은 주로 단백질, 항체, 백신 등 생물학적 제품을 대량 생산하는 데 사용된다. 세포 배양에는 배양액의 성분 조절, 산소 공급, pH 유지 등 세심한 관리가 필요하다.

• 단백질 생산: 재조합 단백질(예: 인슐린, 인간 성장 호르몬) 생산을 위해 사용된다.
• 항체 생산: 모노클로날 항체는 종종 동물 세포 배양 공정을 통해 대량 생산된다.

효소 공정

효소는 특정 화학 반응을 촉매하는 단백질로, 효소를 이용한 공정은 친환경적이고 효율적이다. 효소 공정은 주로 식품 가공, 세제 제조, 바이오 연료 생산에 사용된다.

• 효소 반응: 효소는 화학 반응을 가속화시켜 높은 생산성과 선택성을 제공한다. 예를 들어, 셀룰라제는 바이오 연료 생산을 위해 셀룰로오스를 분해하는 데 사용된다.

유전자 공학 및 생명공학 공정

유전자 공학은 유전자 변형을 통해 원하는 특성을 가진 유기체를 만드는 기술이다. 바이오공정에서 유전자 조작을 통해 미생물이나 세포가 특정 물질을 대량으로 생산하도록 하는 방법이다.

• 재조합 DNA 기술: 유전자 조작을 통해 미생물이 특정 단백질을 생산하도록 할 수 있다. 예를 들어, 유전자 조작된 박테리아는 인슐린을 대량 생산하는 데 사용된다.

바이오공정의 적용 분야

의약품 산업

바이오공정은 생물 의약품을 생산하는 데 중요한 역할을 한다. 생물 의약품은 단백질 치료제, 백신, 호르몬, 항체 등을 포함하며, 이는 전통적인 화학합성 방법으로는 제조할 수 없는 고유한 물질이다.

• 백신: 세포배양을 통해 인플루엔자 백신이나 간염 백신 등이 생산된다.
• 단백질 치료제: 재조합 단백질(예: 인슐린, 인간 성장 호르몬)은 세포 배양이나 유전자 공학을 통해 대량 생산된다.

식품 산업

바이오공정은 식품 제조에서 중요한 역할을 하며, 특히 발효 과정에서 그 중요성이 부각된다. 발효 식품은 미생물의 생리적 활동을 통해 맛, 질감, 영양가를 향상시킬 수 있다.

• 유제품: 요구르트, 치즈 등은 미생물 발효를 통해 생산된다.
• 발효 음료: 맥주, 와인 등은 미생물 발효로 생산된다.

에너지 및 환경 산업

바이오공정은 바이오 연료(예: 바이오디젤, 에탄올)의 생산에도 중요한 역할을 한다. 미생물 발효 또는 효소 공정을 이용하여 식물성 원료에서 연료를 생산한다.

• 바이오연료: 옥수수, 사탕수수, 셀룰로오스 등을 원료로 하여 바이오디젤이나 에탄올을 생산한다.
• 폐기물 처리: 미생물을 이용하여 폐기물을 분해하거나 메탄을 생성하는 등 환경 오염을 줄이는 데 활용된다.

화학 산업

바이오공정은 화학 합성에 있어서도 중요한 기술로 자리잡고 있다. 특히 효소 공정을 통해 전통적인 화학 반응에서 발생할 수 있는 환경적인 문제를 줄이는 것이 가능하다.

• 바이오 기반 화학물질: 락틱산과 같은 화학물질은 바이오공정을 통해 생산된다.
• 친환경 화학공정: 효소를 사용한 공정은 에너지 효율적이고 친환경적이며, 기존의 화학 합성 방법에 비해 유해물질을 적게 발생시킨다.

바이오공정의 기술적 도전과 혁신

• 공정 최적화 : 바이오공정은 생물학적 시스템을 활용하는 만큼, 다양한 변수들(온도, pH, 산소 농도 등)을 최적화하는 것이 매우 중요하다. 공정 최적화를 통해 생산성을 높이고, 비용을 절감할 수 있다.

• 스케일 업(Scale-up) : 실험실 규모에서 상업적 생산 규모로 공정을 확대하는 과정은 큰 도전이다. 스케일 업을 통해 생산량을 늘리되, 품질을 유지하는 것이 핵심이다.

• 지속 가능한 바이오공정 : 지속 가능성은 현재 바이오공정에서 매우 중요한 이슈이다. 폐기물 최소화, 에너지 효율성, 재활용 가능성 등을 고려한 공정 설계가 필요하다.

참고자료

• "Bioprocess", Wikipedia

같이 보기

• 바이오경제
• 바이오산업
• 임상시험
• 부작용

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