발효 장비 설계: 글로벌 산업을 위한 종합 가이드

생명 공학 및 다양한 산업의 초석인 발효는 잘 설계되고 효율적으로 운영되는 발효 장비에 크게 의존합니다. 이 종합 가이드는 생물 반응기 유형과 재료부터 멸균 방법 및 스케일업 고려 사항에 이르기까지 다양한 측면을 다루며 발효 장비 설계의 원리를 탐구합니다. 전 세계의 다양한 산업과 응용 분야를 위한 글로벌 관점을 제공하는 것을 목표로 합니다.

발효 장비란 무엇인가?

종종 생물 반응기 또는 발효조라고도 불리는 발효 장비는 원하는 제품을 생산하기 위해 통제된 미생물 또는 세포 배양을 촉진하도록 설계된 특수 용기입니다. 이러한 제품은 제약 및 식품 성분에서 바이오 연료 및 산업용 효소에 이르기까지 다양합니다. 발효 장비의 설계는 최적의 성장 조건을 달성하고, 제품 수율을 극대화하며, 제품 품질을 보장하는 데 매우 중요합니다.

생물 반응기의 종류

적절한 생물 반응기 유형의 선택은 발효 공정 개발에서 중요한 결정입니다. 다양한 생물 반응기 설계는 통기, 교반, 온도 및 pH와 같은 매개 변수에 대해 다양한 수준의 제어를 제공하여 발효 공정의 효율성과 생산성에 영향을 미칩니다. 일반적인 생물 반응기 유형은 다음과 같습니다:

1. 교반 탱크 생물 반응기 (STRs)

교반 탱크 생물 반응기는 특히 대규모 산업 응용 분야에서 가장 널리 사용되는 발효조 유형입니다. 영양분, 산소 및 온도의 균일한 분포를 보장하는 혼합을 제공하는 임펠러 또는 교반기를 특징으로 합니다. STRs는 다음과 같은 다양한 구성으로 제공됩니다:

• 전통적인 교반 탱크 생물 반응기: 이것은 광범위한 발효 공정에 적합한 표준 설계입니다.
• 에어리프트 생물 반응기: 이 생물 반응기는 공기 분사를 주요 혼합 수단으로 활용하여 전단 응력에 민감한 세포에 적합합니다.
• 타워형 생물 반응기: 이 높고 좁은 생물 반응기는 종종 고밀도 세포 배양에 사용됩니다.

예시: 스위스의 한 제약 회사는 암 치료용 단일클론항체를 생산하기 위해 대규모 교반 탱크 생물 반응기를 사용할 수 있습니다.

2. 기포탑 생물 반응기

기포탑 생물 반응기는 가스 분사에 의존하여 통기와 혼합을 모두 제공합니다. 설계와 작동이 비교적 간단하여 특정 응용 분야에 비용 효율적인 옵션입니다.

예시: 브라질의 한 바이오 연료 회사는 사탕수수로부터 에탄올을 생산하기 위해 기포탑 생물 반응기를 사용할 수 있습니다.

3. 충전층 생물 반응기

충전층 생물 반응기는 세포가 부착하고 성장할 수 있는 고체 지지 매트릭스(예: 비드 또는 다공성 물질)를 포함합니다. 이 설계는 고정화 세포 배양 및 효소 반응기에 특히 적합합니다.

예시: 일본의 한 식품 가공 회사는 고과당 옥수수 시럽을 생산하기 위해 충전층 생물 반응기를 사용할 수 있습니다.

4. 막 생물 반응기 (MBRs)

막 생물 반응기는 발효와 막 여과를 결합하여 지속적인 제품 제거 및 세포 유지를 가능하게 합니다. 이는 더 높은 제품 농도와 향상된 공정 효율로 이어질 수 있습니다. MBRs는 폐수 처리 및 바이오 의약품 생산을 포함한 다양한 응용 분야에 사용됩니다.

예시: 싱가포르의 한 폐수 처리장은 오염 물질을 제거하고 깨끗한 물을 생산하기 위해 막 생물 반응기를 사용할 수 있습니다.

5. 광 생물 반응기 (PBRs)

광 생물 반응기는 조류 및 시아노박테리아와 같은 광합성 미생물을 위해 특별히 설계되었습니다. 이 생물 반응기는 바이오매스 생산을 최적화하기 위해 제어된 빛 노출, 온도 및 영양 공급을 제공합니다.

예시: 호주의 한 조류 바이오 연료 회사는 미세조류로부터 바이오디젤을 생산하기 위해 광 생물 반응기를 사용할 수 있습니다.

주요 설계 고려 사항

효과적인 발효 장비를 설계하려면 여러 요소를 신중하게 고려해야 합니다. 다음은 몇 가지 주요 설계 요소입니다:

1. 재료 선택

발효 장비 제작에 사용되는 재료는 공정 유체와 호환되고 부식에 강하며 멸균 조건을 견딜 수 있어야 합니다. 일반적인 재료는 다음과 같습니다:

• 스테인리스 스틸: 스테인리스 스틸은 우수한 내식성과 세척 용이성으로 인해 널리 사용됩니다. 다양한 등급의 스테인리스 스틸이 있으며, 각각 다양한 응용 분야에 맞는 특정 속성을 제공합니다. 예를 들어, 316L 스테인리스 스틸은 낮은 탄소 함량과 공식(pitting) 부식에 대한 저항성으로 인해 바이오 의약품 응용 분야에 종종 선호됩니다.
• 유리: 유리 생물 반응기는 투명하여 배양액을 시각적으로 관찰할 수 있기 때문에 실험실 규모의 실험에 일반적으로 사용됩니다. 그러나 유리는 깨지기 쉬워 대규모 응용 분야에는 덜 적합합니다.
• 플라스틱: 폴리프로필렌 및 폴리카보네이트와 같은 특정 플라스틱은 일회용 생물 반응기 또는 구성 요소에 사용될 수 있습니다. 이러한 재료는 비용 및 폐기 용이성 측면에서 이점을 제공합니다.
• 기타 재료: 티타늄 및 하스텔로이와 같은 기타 재료는 높은 내식성이 요구되는 특수 응용 분야에 사용될 수 있습니다.

2. 멸균

오염을 방지하고 원하는 제품의 생산을 보장하기 위해 발효 공정에서 무균 상태를 유지하는 것이 가장 중요합니다. 발효 장비는 반복적인 멸균 주기를 견딜 수 있도록 설계되어야 합니다. 일반적인 멸균 방법은 다음과 같습니다:

• 고압 증기 멸균(오토클레이브): 고압 증기 멸균은 장비를 특정 시간 동안 압력 하에서 고온(일반적으로 121°C)으로 가열하는 것을 포함합니다. 이 방법은 중소 규모 장비를 멸균하는 데 효과적입니다.
• 정위치 증기 멸균(SIP): SIP는 대규모 장비를 멸균하는 데 사용되는 방법입니다. 증기는 생물 반응기 및 관련 배관을 통해 순환하여 모든 미생물을 죽입니다.
• 여과: 여과는 액체와 가스를 멸균하는 데 사용됩니다. 일반적으로 0.2μm 이하의 기공 크기를 가진 필터를 사용하여 박테리아 및 기타 미생물을 제거합니다.

3. 통기 및 교반

적절한 통기와 교반은 미생물에 산소를 공급하고 영양소의 균일한 분포를 보장하는 데 필수적입니다. 통기 및 교반 시스템의 설계는 생물 반응기의 유형과 발효 공정의 요구 사항에 따라 다릅니다.

• 임펠러 설계: 임펠러 설계는 혼합 효율과 전단 응력에 큰 영향을 미칩니다. 일반적인 임펠러 유형에는 러쉬톤 터빈, 경사 블레이드 터빈 및 해양 프로펠러가 포함됩니다.
• 스파저 설계: 스파저는 생물 반응기에 가스를 주입하는 데 사용됩니다. 소결 금속 스파저 및 링 스파저와 같은 다양한 스파저 설계를 사용하여 기포 크기와 가스 분포를 제어할 수 있습니다.
• 가스 유량: 가스 유량은 과도한 거품 발생이나 휘발성 화합물의 스트리핑 없이 충분한 산소를 공급하도록 최적화되어야 합니다.

4. 온도 제어

일정한 온도를 유지하는 것은 최적의 미생물 성장과 제품 형성에 매우 중요합니다. 발효 장비에는 일반적으로 가열 재킷 또는 코일, 냉각 재킷 또는 코일, 온도 센서로 구성된 온도 제어 시스템이 포함됩니다.

• 가열 및 냉각 재킷: 가열 및 냉각 재킷은 생물 반응기 용기 주위로 열 전달 유체를 순환시키는 데 사용됩니다.
• 온도 센서: 열전대 및 저항 온도 감지기(RTD)와 같은 온도 센서는 생물 반응기 내부의 온도를 모니터링하는 데 사용됩니다.
• 제어 시스템: 제어 시스템은 온도 센서의 피드백을 기반으로 온도를 조절하는 데 사용됩니다.

5. pH 제어

pH는 미생물 성장과 효소 활성에 영향을 미치는 중요한 매개 변수입니다. 발효 장비에는 pH를 원하는 범위 내로 유지하기 위한 pH 제어 시스템이 포함되어야 합니다.

• pH 센서: pH 센서는 생물 반응기 내부의 pH를 측정하는 데 사용됩니다.
• 산 및 염기 첨가: 산 및 염기 용액은 pH를 조절하기 위해 생물 반응기에 첨가됩니다.
• 제어 시스템: 제어 시스템은 pH 센서의 피드백을 기반으로 산과 염기의 첨가를 조절하는 데 사용됩니다.

6. 계측 및 제어

최신 발효 장비에는 공정 매개 변수를 모니터링하고 조절하기 위한 다양한 센서 및 제어 시스템이 장착되어 있습니다. 여기에는 다음이 포함됩니다:

• 용존 산소(DO) 센서: DO 센서는 배양액의 용존 산소 농도를 측정합니다.
• 산화환원전위(ORP) 센서: ORP 센서는 배양액의 산화-환원 전위를 측정합니다.
• 탁도 센서: 탁도 센서는 배양액의 세포 밀도를 측정합니다.
• 가스 분석기: 가스 분석기는 생물 반응기에서 나오는 배기 가스의 조성을 측정합니다.
• 유량계: 유량계는 생물 반응기로 들어오고 나가는 액체와 가스의 유량을 측정합니다.
• 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC): PLC는 발효 공정의 제어를 자동화하는 데 사용됩니다.
• 감독 제어 및 데이터 수집(SCADA) 시스템: SCADA 시스템은 발효 공정을 원격으로 모니터링하고 제어하는 데 사용됩니다.

7. 세척 및 위생

적절한 세척과 위생은 오염을 방지하고 제품 품질을 유지하는 데 필수적입니다. 발효 장비는 쉬운 세척과 소독을 위해 설계되어야 합니다. 세척 방법은 다음과 같습니다:

• 정위치 세척(CIP): CIP 시스템은 장비를 분해하지 않고 생물 반응기 및 관련 배관을 자동으로 세척하는 데 사용됩니다.
• 수동 세척: 수동 세척은 장비를 분해하여 구성 요소를 손으로 세척하는 것을 포함합니다.
• 소독제: 차아염소산나트륨 및 과초산과 같은 소독제를 사용하여 세척 후 남아있는 미생물을 죽일 수 있습니다.

스케일업 고려 사항

발효 공정을 실험실 규모에서 산업 규모로 확장하는 것은 여러 요소를 신중하게 고려해야 하는 복잡한 작업입니다. 스케일업 문제는 더 큰 용기에서 혼합, 통기 및 온도와 같은 유사한 공정 조건을 유지해야 할 필요성에서 발생합니다.

스케일업의 과제:

• 혼합 효율 유지: 대규모 생물 반응기에서 균일한 혼합을 달성하는 것은 증가된 부피와 사각지대의 가능성으로 인해 어려울 수 있습니다.
• 적절한 통기 보장: 대규모 생물 반응기에서 미생물에 충분한 산소를 공급하는 것은 표면적 대 부피 비율의 감소로 인해 어려울 수 있습니다.
• 열 전달 관리: 발효 과정에서 발생하는 열을 제거하는 것은 표면적 대 부피 비율의 감소로 인해 대규모 생물 반응기에서 어려울 수 있습니다.
• 무균 상태 유지: 대규모 생물 반응기에서 무균 상태를 유지하려면 강력한 멸균 절차와 세부 사항에 대한 세심한 주의가 필요합니다.
• 비용 최적화: 발효 공정을 확장하는 데는 비용이 많이 들 수 있습니다. 제품 품질을 유지하면서 비용을 최소화하기 위해 공정을 최적화하는 것이 중요합니다.

스케일업 전략:

• 단위 부피당 일정한 동력 입력: 이 전략은 생물 반응기를 확장할 때 단위 부피당 일정한 동력 입력을 유지하는 것을 포함합니다. 이는 유사한 혼합 및 통기 조건을 유지하는 데 도움이 됩니다.
• 일정한 끝 속도: 이 전략은 생물 반응기를 확장할 때 일정한 임펠러 끝 속도를 유지하는 것을 포함합니다. 이는 유사한 전단 응력 조건을 유지하는 데 도움이 됩니다.
• 전산 유체 역학(CFD): CFD 모델링은 다양한 크기의 생물 반응기에서 유체 흐름 및 혼합 패턴을 시뮬레이션하는 데 사용될 수 있습니다. 이는 생물 반응기 설계 및 스케일업 공정을 최적화하는 데 도움이 될 수 있습니다.

글로벌 적용 및 사례

발효 기술은 전 세계 다양한 산업에 적용됩니다. 예는 다음과 같습니다:

• 제약: 항생제, 백신, 단일클론항체 및 기타 바이오 의약품 생산. (예: 덴마크의 인슐린 생산)
• 식품 및 음료: 요구르트, 치즈, 맥주, 와인, 빵과 같은 발효 식품 생산. (예: 대한민국의 김치 생산)
• 바이오 연료: 재생 가능한 자원으로부터 에탄올 및 바이오디젤 생산. (예: 말레이시아의 팜유로부터 바이오디젤 생산)
• 화학 물질: 산업용 효소, 유기산 및 기타 화학 물질 생산. (예: 중국의 구연산 생산)
• 폐수 처리: 미생물 군집을 사용하여 폐수에서 오염 물질 제거. (예: 네덜란드의 아나목스 공정)

발효 장비 설계의 미래 동향

발효 장비 설계 분야는 향상된 효율성, 생산성 및 지속 가능성에 대한 요구에 의해 끊임없이 진화하고 있습니다. 몇 가지 주요 동향은 다음과 같습니다:

• 일회용 생물 반응기: 일회용 생물 반응기는 비용, 유연성 및 오염 위험 감소 측면에서 이점을 제공합니다.
• 연속 발효: 연속 발효 공정은 더 높은 생산성과 감소된 가동 중지 시간으로 이어질 수 있습니다.
• 공정 분석 기술(PAT): PAT 도구는 발효 공정을 실시간으로 모니터링하고 제어하는 데 사용되어 향상된 공정 제어 및 제품 품질로 이어집니다.
• 인공지능(AI) 및 머신러닝(ML): AI 및 ML은 발효 공정을 최적화하고 공정 결과를 예측하는 데 사용되고 있습니다.
• 미세유체 생물 반응기: 미세유체 생물 반응기는 고처리량 스크리닝 및 공정 최적화를 위해 개발되고 있습니다.

결론

발효 장비 설계는 미생물학, 공학 및 공정 제어에 대한 철저한 이해를 요구하는 다학제적 분야입니다. 적절한 생물 반응기 유형의 선택, 설계 매개 변수에 대한 신중한 고려 및 강력한 제어 전략의 구현은 모두 최적의 발효 성능을 달성하는 데 중요합니다. 생명 공학 산업이 계속 성장함에 따라 혁신적이고 효율적인 발효 장비에 대한 수요는 증가할 뿐입니다. 이 가이드는 발효 장비 설계에 관련된 원리 및 관행에 대한 기초적인 이해를 제공하여 전문가들이 이 중요한 분야의 발전에 기여할 수 있도록 힘을 실어줍니다. 이러한 원리를 이해함으로써 전 세계 전문가들은 공정을 최적화하고 바이오 제조의 보다 지속 가능하고 효율적인 미래에 기여할 수 있습니다.