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발효 스케일업에 대한 종합 가이드로, 전 세계 다양한 산업 분야에서 성공적인 바이오 공정 최적화를 위한 핵심 원리, 과제, 기술 및 전략을 다룹니다.

발효 스케일업: 글로벌 생명공학 발전을 위한 종합 가이드

당을 산, 가스 또는 알코올로 전환하는 대사 과정인 발효는 식품 및 음료, 제약, 바이오 연료 및 산업용 효소를 포함한 다양한 산업의 초석입니다. 발효 공정을 실험실 규모에서 산업 규모 생산으로 확장하는 것은 상당한 과제를 안고 있으며 생물 공정 공학 원리에 대한 깊은 이해를 필요로 합니다. 이 가이드는 발효 스케일업에 대한 포괄적인 개요를 제공하며, 전 세계 다양한 산업 분야에서 성공적인 바이오 공정 최적화를 위한 주요 개념, 과제, 기술 및 전략을 다룹니다.

발효 스케일업이 중요한 이유는 무엇인가요?

발효 공정을 효과적으로 스케일업하는 능력은 생명공학 혁신을 상업화하는 데 매우 중요합니다. 실험실 규모에서 유망한 결과를 얻을 수 있지만, 이러한 결과를 대규모 생산으로 전환하려면 다음을 포함한 다양한 요소를 신중하게 고려해야 합니다.

발효 스케일업의 복잡성을 성공적으로 헤쳐나가는 것은 생명공학 제품을 상업화하고 글로벌 시장에서 경쟁 우위를 확보하려는 기업에게 필수적입니다. 예를 들어, 미생물 발효를 통해 새로운 항생제를 개발하는 제약 회사는 전 세계 환자의 요구를 충족할 수 있는 충분한 양의 의약품을 생산하기 위해 발효 공정을 스케일업할 수 있어야 합니다. 마찬가지로, 리그노셀룰로스 바이오매스에서 에탄올을 생산하려는 바이오 연료 회사는 바이오 연료를 화석 연료에 대한 실현 가능한 대안으로 만들기 위해 대규모 생산을 위한 발효 공정을 최적화해야 합니다.

발효 스케일업의 주요 원칙

성공적인 발효 스케일업은 생물 공정 공학의 여러 기본 원칙에 달려 있습니다. 이러한 원칙을 이해하고 적용하는 것은 산업 규모에서 최적의 공정 성능을 달성하는 데 중요합니다.

1. 일정한 부피당 물질 전달 계수 (kLa) 유지

산소 전달은 호기성 발효 공정에서 종종 제한 요인이 됩니다. 부피당 물질 전달 계수(kLa)는 생물반응기에서 기체상에서 액체상으로 산소가 전달되는 속도를 설명하는 중요한 매개변수입니다. 스케일업 중 일정한 kLa를 유지하는 것은 세포가 성장 및 제품 형성에 충분한 산소를 받도록 보장하는 데 필수적입니다. 이는 교반 속도, 통기율, 생물반응기 형상과 같은 매개변수를 조정하여 달성할 수 있습니다.

예를 들어, Aspergillus niger에 의한 구연산 생산에서 산소 제한은 구연산 수율을 크게 감소시킬 수 있습니다. 발효 공정 전반에 걸쳐 충분한 kLa를 유지하는 것은 구연산 생산을 극대화하는 데 중요합니다. 산소 농축 공기 사용 또는 임펠러 설계 최적화와 같은 다양한 전략을 사용하여 산소 전달을 향상시킬 수 있습니다.

2. 일정한 혼합 시간 유지

효율적인 혼합은 생물반응기 내 균일성을 보장하고, 기질 또는 영양분 제한을 방지하며, 열을 분산시키는 데 중요합니다. 스케일업 중 일정한 혼합 시간을 유지하는 것은 세포가 균일한 환경을 경험하고 영양분, pH 및 온도의 기울기가 최소화되도록 보장하는 데 중요합니다. 혼합 시간은 임펠러 설계, 임펠러 속도 및 생물반응기 형상과 같은 요인의 영향을 받을 수 있습니다.

포유류 세포 배양에서 재조합 단백질 생산을 고려해 보세요. 포유류 세포는 전단에 민감하며, 과도한 교반은 세포를 손상시키고 단백질 수율을 감소시킬 수 있습니다. 그러나 불충분한 혼합은 영양분 제한 및 세포 응집을 초래할 수 있습니다. 이러한 상충되는 요인의 균형을 맞추기 위한 혼합 시간 최적화는 성공적인 스케일업에 매우 중요합니다.

3. 일정한 전단율 유지

전단율, 즉 인접한 유체 층이 서로 상대적으로 이동하는 속도는 세포 생존력 및 제품 품질에 상당한 영향을 미칠 수 있으며, 특히 포유류 세포 및 식물 세포와 같은 전단에 민감한 세포의 경우 더욱 그러합니다. 스케일업 중 일정한 전단율을 유지하는 것은 세포 손상을 최소화하고 일관된 제품 품질을 보장하는 데 중요합니다. 전단율은 임펠러 속도 및 임펠러 설계와 같은 매개변수를 조정하여 제어할 수 있습니다.

예를 들어, CHO 세포에서 단일클론 항체 생산 시 과도한 전단 응력은 세포 용해 및 세포 내 프로테아제 방출을 유발하여 항체를 분해할 수 있습니다. 낮은 전단 임펠러를 사용하고 교반 속도를 최적화하면 전단 응력을 최소화하고 항체 생산을 개선하는 데 도움이 될 수 있습니다.

4. 단위 부피당 일정한 동력 입력 (P/V) 유지

단위 부피당 동력 입력(P/V)은 혼합 및 통기를 위해 생물반응기에 투입되는 에너지의 척도입니다. 스케일업 중 일정한 P/V를 유지하면 생물반응기의 혼합 및 산소 전달 특성이 다른 규모에서 유사하게 유지되도록 보장할 수 있습니다. 그러나 P/V가 혼합 및 산소 전달에 영향을 미치는 유일한 요인이 아니며 임펠러 설계 및 생물반응기 형상과 같은 다른 매개변수도 고려해야 한다는 점에 유의해야 합니다.

많은 박테리아 발효에서 포유류 세포에 비해 박테리아 세포의 더 강건한 특성으로 인해 더 높은 P/V가 허용될 수 있습니다. 그러나 박테리아 발효에서도 과도한 P/V는 에너지 소비 증가와 경우에 따라 세포 손상을 초래할 수 있습니다. 따라서 다른 매개변수와 함께 P/V를 최적화하는 것이 중요합니다.

5. 기하학적 유사성

스케일업 중 기하학적 유사성을 유지한다는 것은 생물반응기 치수(예: 직경, 높이, 임펠러 직경)의 비율이 일정하게 유지됨을 의미합니다. 이는 생물반응기의 유동 패턴 및 혼합 특성이 다른 규모에서 유사하게 유지되도록 보장하는 데 도움이 될 수 있습니다. 그러나 비용 및 공간 제약과 같은 실제적인 제약으로 인해 완벽한 기하학적 유사성을 유지하는 것이 종종 불가능합니다. 또한, 유체 역학이 기하학적 형상에 의해서만 결정되는 것은 아니므로 완벽한 기하학적 유사성이 동일한 성능을 보장하지는 않습니다.

예를 들어, 기하학적으로 유사한 생물반응기는 표면적 대 부피 비율이 다를 수 있으며, 이는 열 전달 및 증발율에 영향을 미칠 수 있습니다. 전산 유체 역학(CFD) 모델링을 사용하여 기하학적 유사성에서 벗어나는 것이 생물반응기 성능에 미치는 영향을 평가할 수 있습니다.

발효 스케일업의 과제

발효 공정을 스케일업하는 것은 공정 성능에 영향을 미칠 수 있는 다양한 요소를 신중하게 고려해야 하는 수많은 과제를 제시합니다.

1. 산소 전달 제한

생물반응기 규모가 증가함에 따라 세포에 충분한 산소 전달을 유지하기가 더 어려워집니다. 이는 표면적 대 부피 비율이 감소하고 산소 확산 경로가 증가하기 때문입니다. 산소 제한은 세포 성장, 제품 형성 감소, 심지어 세포 사멸로 이어질 수 있습니다.

해결책:

2. 열 제거

발효 공정은 대사 활동 및 교반으로 인해 열을 발생시킵니다. 생물반응기 규모가 증가함에 따라 이 열을 제거하기가 더 어려워지며, 이는 온도 증가 및 세포 성장 및 제품 형성 감소로 이어질 수 있습니다. 효소 활성 및 전반적인 세포 건강을 위해 최적 온도를 유지하는 것이 중요합니다.

해결책:

3. 혼합 불균일성

생물반응기 규모가 증가함에 따라 용기 전체에 걸쳐 균일한 혼합을 유지하기가 더 어려워집니다. 이는 영양분, pH 및 온도의 기울기를 초래하여 세포 성장 및 제품 형성에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 데드존 또는 불량하게 혼합된 영역은 독성 부산물의 축적을 촉진할 수도 있습니다.

해결책:

4. pH 제어

최적 pH를 유지하는 것은 세포 성장 및 제품 형성에 중요합니다. 생물반응기 규모가 증가함에 따라 용기 전체에 걸쳐 균일한 pH를 유지하기가 더 어려워집니다. 이는 pH 기울기를 초래하여 세포 성장 및 제품 형성에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 대사 부산물은 pH를 크게 변화시킬 수 있으므로 엄격한 제어가 필요합니다.

해결책:

5. 거품 제어

거품 형성은 특히 단백질 또는 계면활성제가 관련된 발효 공정에서 흔한 문제입니다. 거품은 작업 부피 감소, 오염, 센서 및 필터 막힘을 유발할 수 있습니다. 또한 산소 전달을 방해합니다.

해결책:

6. 형태 또는 생리 변화

세포는 규모가 증가함에 따라 형태 또는 생리가 변할 수 있습니다. 전단 응력 또는 생물반응기 환경의 다른 변화는 세포가 다른 단백질을 생산하거나 다른 성장 속도를 갖도록 유발할 수 있습니다. 이러한 변화는 제품 수율 및 품질에 영향을 미칠 수 있습니다. 이는 특히 사상균 또는 응집된 세포 배양에서 흔합니다.

해결책:

7. 무균성 유지

오염을 방지하고 제품 품질을 보장하기 위해 무균성 유지는 매우 중요합니다. 생물반응기 규모가 증가함에 따라 표면적 증가와 연결 및 샘플링 지점 수 증가로 인해 무균성을 유지하기가 더 어려워집니다.

해결책:

발효 스케일업을 위한 기술

발효 스케일업 및 최적화를 지원하는 여러 기술이 있습니다. 이러한 기술은 발효 공정 스케일업과 관련된 과제를 극복하고 공정 성능을 향상시키는 데 도움이 될 수 있습니다.

1. 전산 유체 역학 (CFD)

CFD는 생물반응기에서 유체 흐름, 열 전달 및 물질 전달을 시뮬레이션하는 강력한 도구입니다. CFD는 생물반응기 설계를 최적화하고, 혼합 패턴을 예측하며, 데드존을 식별하는 데 사용될 수 있습니다. CFD 모델링은 소규모 실험을 기반으로 더 큰 규모의 조건을 예측하여 비용이 많이 드는 파일럿 규모 실행 횟수를 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.

예시: CFD는 대규모 생물반응기에서 임펠러 설계 및 배치를 최적화하여 균일한 혼합 및 산소 전달을 보장하는 데 사용될 수 있습니다. 또한 전단 응력이 높은 영역을 식별하여 엔지니어가 세포 손상을 최소화하도록 설계를 조정할 수 있습니다.

2. 공정 분석 기술 (PAT)

PAT는 최종 제품 품질을 보장하기 위해 원료 및 공정 중 재료와 공정의 중요 품질 특성 및 성능 특성에 대한 적시 측정(즉, 공정 중)을 통해 제조를 설계, 분석 및 제어하는 시스템입니다. PAT 도구에는 pH, 온도, 용존 산소, 세포 밀도 및 영양분 수준을 모니터링하는 센서가 포함됩니다. 실시간 데이터 획득은 발효 공정에 대한 즉각적인 조정을 가능하게 하여 효율성과 재현성을 높입니다.

예시: 발효 배양액의 포도당 수준을 모니터링하기 위해 온라인 근적외선(NIR) 분광계를 사용하면 공급 속도를 실시간으로 조정할 수 있어 포도당 제한 또는 과도한 공급을 방지할 수 있으며, 이는 모두 제품 수율에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.

3. 통계적 실험 설계 (DoE)

DoE는 공정에 대한 최적의 작동 조건을 식별하기 위해 실험을 계획하고 수행하는 체계적인 접근 방식입니다. DoE는 온도, pH, 영양분 수준 및 통기율과 같은 발효 매개변수를 최적화하는 데 사용될 수 있습니다. DoE는 전통적인 "한 번에 한 가지 요인" 실험보다 훨씬 효율적인 접근 방식입니다.

예시: DoE를 사용하여 발효 배지에서 다양한 영양소의 농도를 최적화하면 제품 수율을 크게 향상시킬 수 있습니다. 통계적 접근 방식은 전통적인 실험으로는 분명하지 않을 수 있는 영양소 간의 상호작용을 식별할 수 있게 합니다.

4. 고급 생물반응기 설계

공정 성능을 향상시키기 위해 여러 고급 생물반응기 설계가 개발되었습니다. 여기에는 다음이 포함됩니다:

예시: 일회용 생물반응기는 단일클론 항체 생산을 위해 바이오 제약 산업에서 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 이 생물반응기는 자본 투자 감소, 더 빠른 처리 시간 및 오염 위험 감소를 포함한 여러 이점을 제공합니다.

5. 스케일다운 모델

스케일다운 모델은 대규모 생물반응기의 조건을 모방하도록 설계된 소규모 생물반응기입니다. 스케일다운 모델은 대규모 생물반응기에서 실험을 수행할 필요 없이 다른 공정 매개변수가 세포 성장 및 제품 형성에 미치는 영향을 연구하는 데 사용될 수 있습니다. 이는 시간과 자원을 절약합니다.

예시: 스케일다운 모델을 사용하여 대규모 생물반응기에서 산소 전달 제한을 시뮬레이션할 수 있습니다. 스케일다운 모델에서 산소 제한이 세포 성장 및 제품 형성에 미치는 영향을 연구함으로써 엔지니어는 대규모 생물반응기에서 이러한 제한을 극복하기 위한 전략을 개발할 수 있습니다.

성공적인 발효 스케일업을 위한 전략

성공적인 발효 스케일업은 과제를 해결하고 사용 가능한 기술을 활용하는 잘 계획되고 실행된 전략을 필요로 합니다.

1. 철저한 공정 이해

발효 공정에 대한 깊은 이해는 성공적인 스케일업에 필수적입니다. 여기에는 관련된 대사 경로, 세포의 최적 성장 조건, 제품 수율 및 품질에 영향을 미치는 중요 공정 매개변수를 이해하는 것이 포함됩니다. 잠재적인 억제 요인을 이해하는 것도 중요합니다. 잘 특성화된 소규모 실험을 기반으로 구축된 견고한 기반이 필수적입니다.

2. 견고한 시드 트레인 개발

견고한 시드 트레인은 세포가 대규모 생물반응기로 옮겨질 때 건강하고 활발하게 성장하도록 보장하는 데 중요합니다. 시드 트레인은 세포를 더 큰 규모의 환경에 점진적으로 적응시키도록 설계되어야 합니다. 이는 종종 진탕 플라스크에 소량의 접종물을 시작하고 일련의 점진적으로 더 큰 생물반응기를 통해 접종물의 부피를 점차적으로 늘리는 것을 포함합니다.

3. 단계별 적합한 접근 방식 구현

단계별 적합한 접근 방식은 엄격함 및 문서화 수준이 개발 단계에 비례해야 함을 의미합니다. 초기 단계 공정 개발은 최적의 발효 매개변수를 식별하는 데 중점을 둘 수 있으며, 후기 단계 공정 개발은 일관된 제품 품질 및 재현성을 보장하기 위해 공정을 최적화하고 검증하는 데 중점을 두어야 합니다.

4. 파일럿 규모 연구 수행

파일럿 규모 연구는 스케일업 공정의 필수적인 단계입니다. 파일럿 규모 연구를 통해 대규모 생물반응기에 가까운 크기의 생물반응기에서 발효 공정을 테스트할 수 있습니다. 이를 통해 전체 규모 생산으로 이동하기 전에 잠재적인 문제를 식별하고 공정을 최적화할 수 있습니다. 파일럿 규모 연구는 소규모에서는 분명하지 않았던 혼합, 열 전달 또는 pH 제어 문제를 발견할 수 있습니다.

5. 중요 공정 매개변수 모니터링

지속적인 중요 공정 매개변수(CPP) 모니터링은 일관된 제품 품질 및 재현성을 보장하는 데 필수적입니다. CPP에는 온도, pH, 용존 산소, 세포 밀도 및 영양분 수준이 포함됩니다. 실시간 모니터링은 발효 공정에 대한 즉각적인 조정을 가능하게 하여 최적의 작동 조건으로부터의 편차를 방지합니다.

6. 공정 제어 전략 구현

공정 제어 전략은 발효 공정을 원하는 작동 범위 내에서 유지하는 데 필수적입니다. 여기에는 온도, pH 및 용존 산소와 같은 매개변수를 자동으로 조정하기 위한 피드백 제어 루프를 구현하는 것이 포함됩니다. 모델 예측 제어(MPC)와 같은 고급 제어 전략은 발효 공정을 실시간으로 최적화하는 데 사용될 수 있습니다.

7. 철저한 세척 및 멸균 프로토콜 개발

철저한 세척 및 멸균 프로토콜은 오염을 방지하고 제품 품질을 보장하는 데 필수적입니다. 프로토콜에는 모든 장비 및 배지를 세척하고 멸균하기 위한 상세한 절차가 포함되어야 합니다. 세척 및 멸균 프로토콜의 효과는 모든 오염 물질을 제거할 수 있음을 보장하기 위해 검증되어야 합니다.

8. 문서화 및 추적성

상세한 문서화는 발효 공정이 잘 제어되고 제품이 모든 품질 요구 사항을 충족함을 입증하는 데 중요합니다. 여기에는 모든 공정 매개변수, 원료 및 분석 결과를 문서화하는 것이 포함됩니다. 모든 데이터의 추적성을 보장하기 위해 포괄적인 감사 추적을 유지해야 합니다.

발효 스케일업의 글로벌 사례 연구

전 세계의 성공적인 발효 스케일업 사례를 살펴보는 것은 귀중한 통찰력과 교훈을 제공합니다.

1. 덴마크에서의 인슐린 생산

덴마크의 제약 회사인 노보 노디스크(Novo Nordisk)는 인슐린 생산 분야의 세계적인 선두 기업입니다. 이 회사는 Saccharomyces cerevisiae에서 재조합 인슐린 생산을 위한 발효 공정을 성공적으로 스케일업했습니다. 그들의 성공의 핵심은 고급 공정 제어 전략 구현과 일회용 생물반응기 사용에 있었습니다. 또한 전 세계의 엄격한 규제 요구 사항을 충족하기 위해 인슐린을 정제하는 고급 다운스트림 처리 기술을 사용합니다.

2. 브라질에서의 바이오 연료 생산

브라질은 사탕수수에서 에탄올을 생산하는 세계적인 선두 주자입니다. 브라질 기업들은 바이오 연료로 사용되는 에탄올 생산을 위한 고효율 발효 공정을 개발했습니다. 이러한 공정의 스케일업은 발효에 사용되는 효모 균주 최적화, 발효 공정 효율 향상 및 견고한 다운스트림 처리 기술 개발을 포함했습니다. 연속 발효가 일반적으로 사용됩니다.

3. 인도에서의 항생제 생산

인도는 항생제의 주요 생산국입니다. 인도 제약 회사들은 페니실린 및 세팔로스포린을 포함한 다양한 항생제 생산을 위한 발효 공정을 성공적으로 스케일업했습니다. 여기에는 발효 조건 최적화, 발효 공정 효율 향상 및 견고한 다운스트림 처리 기술 개발이 포함되었습니다. 또한 글로벌 시장에서 경쟁하기 위해 비용 효율적인 생산 전략에 중점을 두었습니다.

4. 중국에서의 산업용 효소 생산

중국은 산업용 효소의 주요 생산국입니다. 중국 기업들은 아밀레이스, 프로테아제 및 리파아제를 포함한 다양한 효소 생산을 위한 발효 공정을 스케일업했습니다. 이러한 효소는 식품 및 음료, 섬유 및 세제를 포함한 광범위한 산업에서 사용됩니다. 유전자 변형 유기체(GMO)를 사용한 효율적인 대규모 발효는 일반적인 관행입니다. 과제에는 다양한 원료 처리 및 품질 관리 유지가 포함됩니다.

발효 스케일업의 미래

발효 스케일업 분야는 공정 성능을 향상시키고 비용을 절감하기 위한 새로운 기술과 전략이 개발되면서 끊임없이 진화하고 있습니다. 발효 스케일업의 주요 트렌드 중 일부는 다음과 같습니다:

결론

발효 스케일업은 복잡하고 어려운 공정이지만, 생명공학 혁신을 상업화하는 데 필수적입니다. 발효 스케일업의 주요 원칙을 이해하고, 과제를 해결하며, 사용 가능한 기술을 활용하고, 잘 계획된 전략을 구현함으로써 기업은 발효 공정을 성공적으로 스케일업하고 글로벌 시장에서 경쟁 우위를 확보할 수 있습니다. 지속적인 혁신과 지속 가능성에 대한 집중은 전 세계 발효 기술의 미래에 매우 중요할 것입니다.