스케일업: 상업적 발효를 위한 종합 가이드

발효는 식품 및 음료에서부터 제약, 바이오 연료에 이르기까지 수많은 산업의 초석입니다. 실험실 규모에서의 성공적인 발효도 중요한 성과이지만, 그 성공을 상업적 생산으로 전환하기 위해서는 신중한 계획, 실행, 최적화가 필요합니다. 이 가이드는 상업적 발효 공정의 스케일업을 위한 주요 고려사항과 모범 사례에 대한 포괄적인 개요를 제공합니다.

발효 스케일업은 왜 어려운가?

발효 공정을 스케일업하는 것은 단순히 부피를 늘리는 것 이상입니다. 작은 규모에서는 쉽게 제어할 수 있는 여러 요인들이 공정이 커짐에 따라 훨씬 더 복잡해집니다. 여기에는 다음이 포함됩니다:

열 전달: 최적의 온도를 유지하는 것은 미생물 성장과 제품 생성에 매우 중요합니다. 대형 생물반응기는 부피 대비 표면적 비율이 작아 열 제거가 더 어렵습니다. 불충분한 냉각은 과열 및 세포 사멸로 이어질 수 있으며, 과도한 냉각은 발효 과정을 늦출 수 있습니다.
물질 전달: 산소 전달은 호기성 발효에서 종종 제한 요인이 됩니다. 배양 밀도가 증가함에 따라 산소 요구량도 증가합니다. 생물반응기 전체에 적절한 산소를 공급하는 것은 규모가 커질수록 점점 더 어려워집니다. 혼합, 스파징 및 반응기 설계는 산소 전달 효율에 중요한 역할을 합니다.
혼합: 효과적인 혼합은 균질성을 유지하고, 영양분을 분배하며, 대사 부산물을 제거하는 데 필수적입니다. 불량한 혼합은 pH, 온도, 영양분 농도의 구배를 유발하여 세포 성장과 제품 생성에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 임펠러의 유형과 구성, 배플 설계, 혼합 속도를 신중하게 고려해야 합니다.
전단 응력: 임펠러로 인한 과도한 전단 응력은 세포, 특히 전단에 민감한 세포를 손상시킬 수 있습니다. 적절한 혼합을 유지하면서 전단 응력을 최소화하기 위해 임펠러 설계와 혼합 속도를 최적화하는 것이 중요합니다. 일부 세포(예: 사상균)는 다른 세포보다 전단 손상에 더 취약합니다.
무균성: 발효 공정에서 무균성을 유지하는 것은 가장 중요합니다. 오염의 위험은 생물반응기의 크기와 복잡성에 따라 증가합니다. 오염을 방지하고 제품 품질을 보장하기 위해서는 강력한 멸균 절차, 무균 기술 및 폐쇄 시스템이 필수적입니다.
pH 제어: 최적의 pH 범위를 유지하는 것은 효소 활성과 세포 생존력에 매우 중요합니다. 발효가 진행됨에 따라 산이나 염기의 생성으로 인해 상당한 pH 변동이 발생할 수 있습니다. 정밀한 pH 제어에는 정교한 모니터링 및 제어 시스템이 필요합니다.
공정 모니터링 및 제어: 주요 공정 변수(예: 온도, pH, 용존 산소, 영양분 수준)를 효과적으로 모니터링하고 제어하는 것은 일관된 성능과 제품 품질에 매우 중요합니다. 실시간 모니터링 및 자동 제어 시스템은 대규모 발효에 필수적입니다.
규모 의존적 대사 변화: 세포는 소규모 배양에 비해 대규모 발효기에서 다르게 행동할 수 있습니다. 산소 가용성, 전단 응력, 영양분 구배와 같은 요인들이 대사 경로를 변경하고 제품 수율 및 품질에 영향을 줄 수 있습니다. 이러한 변화는 스케일업 과정에서 신중하게 연구되고 해결되어야 합니다.

발효 스케일업 단계

스케일업 공정은 일반적으로 각각의 목표와 과제가 있는 여러 단계를 포함합니다.

1. 종균 배양 개발

종균 배양은 생산 발효기의 접종원으로 사용됩니다. 건강하고 활발하게 성장하며 오염이 없는 종균 배양을 개발하는 것이 중요합니다. 이는 일반적으로 동결 보존된 균주에서 시작하여 쉐이크 플라스크, 소형 생물반응기, 그리고 최종적으로 종균 발효기로 진행되는 여러 단계의 성장을 포함합니다. 종균 배양은 생산 발효기에서 원하는 세포와 생리학적으로 유사해야 합니다.

예시: 새로운 항생제를 개발하는 제약 회사는 생산 미생물의 동결 균주로 시작할 수 있습니다. 이 균주는 쉐이크 플라스크에서 되살린 다음, 소형(예: 2L) 생물반응기로 옮깁니다. 이 생물반응기에서 얻은 바이오매스는 더 큰(예: 50L) 종균 발효기를 접종하는 데 사용되며, 이 종균 발효기가 생산 발효기에 접종원을 제공합니다.

2. 파일럿 규모 발효

파일럿 규모 발효는 실험실과 산업 생산 사이의 격차를 해소합니다. 이를 통해 실제 생산 환경과 더 유사한 조건에서 발효 공정을 테스트하고 최적화할 수 있습니다. 파일럿 규모 연구는 잠재적인 스케일업 문제를 식별하고 운영 변수를 개선하는 데 도움이 됩니다. 이러한 실험에는 일반적으로 50L에서 500L 범위의 생물반응기가 포함됩니다.

예시: 바이오 연료 회사는 100L 생물반응기를 사용하여 에탄올 생산을 위한 새로운 유전자 조작 효모 균주의 성능을 평가할 수 있습니다. 그들은 에탄올 수율과 생산성을 극대화하기 위해 온도, pH, 영양분 공급 속도와 같은 변수를 최적화할 것입니다.

3. 생산 규모 발효

마지막 단계는 생산 규모 발효로, 상업적 판매를 위해 제품을 대량으로 제조하는 단계입니다. 생산 규모의 생물반응기는 수천 리터에서 수십만 리터에 이를 수 있습니다. 이 규모에서 일관된 성능과 제품 품질을 유지하려면 세부 사항에 대한 세심한 주의와 강력한 공정 제어 시스템이 필요합니다.

예시: 양조장은 상업적 규모로 맥주를 생산하기 위해 10,000L 발효기를 사용할 수 있습니다. 그들은 일관된 풍미와 품질을 보장하기 위해 온도, pH, 용존 산소 수준을 신중하게 모니터링할 것입니다.

발효 스케일업을 위한 주요 고려사항

1. 생물반응기 설계

생물반응기는 발효 공정의 핵심입니다. 올바른 생물반응기 설계를 선택하는 것은 성공적인 스케일업에 매우 중요합니다. 주요 고려사항은 다음과 같습니다:

생물반응기 유형: 다양한 생물반응기 유형이 다양한 응용 분야에 적합합니다. 교반 탱크 반응기가 가장 일반적인 유형이지만, 에어리프트 반응기, 버블 컬럼 반응기, 충전층 반응기와 같은 다른 옵션도 있습니다. 선택은 미생물 유형, 산소 요구량, 전단 응력에 대한 민감성과 같은 발효 공정의 특정 요구 사항에 따라 달라집니다.
혼합 시스템: 혼합 시스템은 균질성, 영양분 분배, 산소 전달을 위해 적절한 혼합을 제공해야 합니다. 일반적인 임펠러 유형에는 러쉬톤 터빈, 피치 블레이드 터빈, 해양 프로펠러가 있습니다. 임펠러의 수와 구성, 배플 설계, 혼합 속도는 특정 생물반응기 및 발효 공정에 맞게 최적화되어야 합니다.
스파징 시스템: 스파징 시스템은 생물반응기에 공기나 산소를 도입합니다. 스파저의 유형과 크기, 가스 유량, 가스 조성은 과도한 거품이나 세포 손상을 유발하지 않으면서 산소 전달을 최적화하기 위해 신중하게 제어되어야 합니다.
열 전달 시스템: 열 전달 시스템은 세포 성장과 제품 생성을 위한 최적의 온도로 생물반응기를 유지해야 합니다. 이는 일반적으로 순환하는 냉각 또는 가열 유체가 있는 재킷형 용기를 포함합니다. 열 전달 용량은 발효 과정에서 발생하는 열을 제거하기에 충분해야 합니다.
계측 및 제어: 생물반응기에는 온도, pH, 용존 산소, 영양분 수준과 같은 중요한 공정 변수를 모니터링하고 조절하기 위한 센서와 제어 시스템이 장착되어야 합니다. 자동 제어 시스템은 일관된 성능과 제품 품질을 유지하는 데 필수적입니다.

2. 공정 최적화

공정 최적화는 세포 성장, 제품 생성, 제품 품질에 영향을 미치는 주요 공정 변수를 식별하고 최적화하는 것을 포함합니다. 이는 일반적으로 실험적 연구와 수학적 모델링의 조합을 포함합니다.

배지 최적화: 발효 배지는 세포 성장과 제품 생성에 필요한 모든 영양분을 제공해야 합니다. 배지 조성을 최적화하면 제품 수율과 생산성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 여기에는 탄소원, 질소원, 비타민, 미네랄의 농도를 변경하는 것이 포함될 수 있습니다. 반응 표면 분석법(RSM)과 같은 통계적 실험 설계는 배지 조성을 효율적으로 최적화하는 데 사용될 수 있습니다.
온도 최적화: 세포 성장과 제품 생성을 위한 최적의 온도는 특정 미생물에 따라 다릅니다. 온도는 효소 활성, 막 유동성, 단백질 안정성에 영향을 줄 수 있습니다. 최적의 온도는 실험적으로 결정되어야 합니다.
pH 최적화: 세포 성장과 제품 생성을 위한 최적의 pH 범위 또한 특정 미생물에 따라 다릅니다. pH는 효소 활성, 세포막 투과성, 단백질 용해도에 영향을 줄 수 있습니다. 정밀한 pH 제어는 최적의 발효 성능에 필수적입니다.
용존 산소 최적화: 적절한 용존 산소 수준을 유지하는 것은 호기성 발효에 매우 중요합니다. 최적의 용존 산소 수준은 미생물의 산소 요구량과 생물반응기의 산소 전달 능력에 따라 다릅니다. 용존 산소 수준은 교반 속도, 통기 속도, 산소 농축을 조절하여 제어할 수 있습니다.
공급 전략: 유가식 및 연속 발효의 경우, 제품 수율과 생산성을 극대화하기 위해 공급 속도와 조성을 신중하게 최적화해야 합니다. 피드백 제어 전략을 사용하여 포도당 농도, pH 또는 용존 산소의 실시간 측정값을 기반으로 공급 속도를 조절할 수 있습니다.

3. 모니터링 및 제어

주요 공정 변수를 효과적으로 모니터링하고 제어하는 것은 일관된 성능과 제품 품질에 필수적입니다. 이를 위해서는 적절한 센서, 제어 시스템, 데이터 분석 기술을 사용해야 합니다.

센서: 온도, pH, 용존 산소, 포도당 농도, 바이오매스 농도, 제품 농도를 포함한 주요 공정 변수를 모니터링하기 위해 다양한 센서를 사용할 수 있습니다. 센서의 선택은 측정되는 특정 변수와 발효 공정의 요구 사항에 따라 달라집니다.
제어 시스템: 자동 제어 시스템은 센서로부터의 피드백을 기반으로 공정 변수를 조절하는 데 사용됩니다. 일반적인 제어 시스템에는 원하는 설정값을 유지하기 위해 조작 변수(예: 온도, pH, 교반 속도)를 조정하는 PID(비례-적분-미분) 제어기가 포함됩니다.
데이터 분석: 센서 및 제어 시스템에서 수집된 데이터는 추세를 식별하고, 이상을 감지하며, 공정 성능을 최적화하기 위해 분석될 수 있습니다. 통계적 공정 관리(SPC) 기술은 공정 변동성을 모니터링하고 제품 품질에 영향을 미치기 전에 잠재적인 문제를 식별하는 데 사용될 수 있습니다.
공정 분석 기술(PAT): PAT는 주요 품질 특성(CQA)과 주요 공정 변수(CPP)의 시기적절한 측정을 통해 제조 공정을 설계, 분석, 제어하기 위한 프레임워크입니다. PAT는 공정 이해도를 높이고, 변동성을 줄이며, 제품 품질을 향상시키는 것을 목표로 합니다.

4. 무균성 보증

발효 공정에서 무균성을 유지하는 것은 가장 중요합니다. 오염은 제품 부패, 수율 감소, 심지어 완전한 공정 실패로 이어질 수 있습니다. 강력한 멸균 절차와 무균 기술을 구현하는 것이 필수적입니다.

장비 멸균: 생물반응기, 배관, 센서를 포함하여 발효액과 접촉하는 모든 장비는 사용 전에 철저히 멸균해야 합니다. 증기 멸균이 가장 일반적인 방법이지만, 고압증기멸균, 여과, 화학적 멸균과 같은 다른 옵션도 있습니다.
배지 멸균: 발효 배지 또한 오염 미생물을 제거하기 위해 멸균해야 합니다. 이는 일반적으로 고압증기멸균이나 필터 멸균으로 수행됩니다.
무균 기술: 생물반응기를 열거나 발효액에 물질을 도입하는 모든 작업은 무균 기술을 사용하여 수행해야 합니다. 여기에는 멸균 장비 사용, 멸균 장갑 착용, 깨끗한 환경에서 작업하는 것이 포함됩니다.
공기 여과: 생물반응기로 들어가는 공기는 공기 중 미생물을 제거하기 위해 멸균 필터를 통해 여과해야 합니다.
폐쇄 시스템: 폐쇄 시스템을 사용하면 오염 위험을 최소화할 수 있습니다. 이는 모든 장비와 배관을 폐쇄 루프로 연결하고 물질의 개방된 이송을 피하는 것을 포함합니다.

5. 거품 제어

거품 형성은 발효 공정, 특히 단백질이나 계면활성제가 포함된 공정에서 흔한 문제입니다. 과도한 거품은 산소 전달 감소, 오염, 제품 손실로 이어질 수 있습니다. 거품은 소포제를 첨가하거나 기계적 거품 제거기를 사용하여 제어할 수 있습니다.

소포제: 소포제는 발효액의 표면 장력을 감소시켜 거품 형성을 방지하는 화학 물질입니다. 일반적인 소포제에는 실리콘, 식물성 기름, 지방산이 포함됩니다. 소포제의 선택은 특정 발효 공정과 미생물의 민감도에 따라 달라집니다.
기계적 거품 제거기: 기계적 거품 제거기는 회전 날이나 다른 장치를 사용하여 물리적으로 거품을 파괴합니다. 이는 종종 소포제와 함께 사용됩니다.

성공적인 스케일업을 위한 전략

1. QbD(설계 기반 품질 고도화) 접근법

QbD는 미리 정의된 목표에서 시작하여 제품 및 공정 이해와 공정 제어를 강조하는 체계적인 개발 접근법입니다. 발효 스케일업에 QbD 원칙을 적용하면 일관된 제품 품질과 성능을 보장하는 데 도움이 됩니다.

QbD의 핵심 요소는 다음과 같습니다:

품질 목표 제품 프로파일(QTPP) 정의: QTPP는 순도, 역가, 안정성과 같은 최종 제품의 원하는 특성을 설명합니다.
주요 품질 특성(CQA) 식별: CQA는 원하는 제품 품질을 보장하기 위해 제어해야 하는 물리적, 화학적, 생물학적 또는 미생물학적 특성입니다.
주요 공정 변수(CPP) 식별: CPP는 CQA에 영향을 줄 수 있는 공정 변수입니다.
설계 공간 설정: 설계 공간은 품질 보증을 제공하는 것으로 입증된 입력 변수(예: CPP)와 공정 변수의 다차원적 조합 및 상호 작용입니다. 설계 공간 내에서 작업하면 제품이 원하는 품질 특성을 충족하도록 보장합니다.
제어 전략 구현: 제어 전략은 공정이 설계 공간 내에 유지되고 제품이 원하는 품질 특성을 충족하도록 CPP를 모니터링하고 제어하는 방법을 설명합니다.

2. 전산유체역학(CFD)

CFD는 생물반응기 내의 유체 흐름, 열 전달, 물질 전달을 시뮬레이션하는 강력한 도구입니다. CFD 시뮬레이션은 생물반응기 설계, 혼합 시스템, 스파징 시스템을 최적화하는 데 사용될 수 있습니다. 또한 사각지대 및 전단 응력 집중 지점과 같은 잠재적인 문제를 식별하는 데 도움이 될 수 있습니다. CFD는 스케일업에 필요한 비싸고 시간 소모적인 파일럿 규모 실험의 수를 줄일 수 있습니다.

3. 축소 모델

축소 모델은 대규모 생산 생물반응기의 조건을 모방하도록 설계된 소규모 생물반응기입니다. 축소 모델은 다양한 공정 변수가 세포 성장, 제품 생성, 제품 품질에 미치는 영향을 연구하는 데 사용될 수 있습니다. 또한 스케일업 중에 발생하는 문제를 해결하는 데에도 사용될 수 있습니다. 잘 특성화된 축소 모델은 귀중한 통찰력을 제공하고 개발 과정을 가속화할 수 있습니다.

4. 공정 모델링 및 시뮬레이션

공정 모델링 및 시뮬레이션은 다양한 규모와 다양한 운영 조건에서 발효 공정의 거동을 예측하는 데 사용될 수 있습니다. 물질 전달, 열 전달, 반응 속도론의 기본 원리에 기반한 수학적 모델을 개발할 수 있습니다. 이러한 모델은 공정 변수를 최적화하고, 제어 전략을 설계하며, 문제를 해결하는 데 사용될 수 있습니다. MATLAB, gPROMS, Aspen Plus와 같은 도구를 공정 모델링 및 시뮬레이션에 사용할 수 있습니다.

다운스트림 공정 고려사항

스케일업 고려사항은 발효 공정 자체를 넘어섭니다. 발효액에서 제품을 분리하고 정제하는 다운스트림 공정 또한 스케일업이 필요합니다. 다운스트림 공정 기술의 선택은 제품의 특성, 농도, 원하는 순도에 따라 달라집니다. 일반적인 다운스트림 공정 기술은 다음과 같습니다:

세포 분리: 발효액에서 세포를 제거하는 것은 종종 다운스트림 공정의 첫 번째 단계입니다. 이는 원심분리, 여과 또는 미세여과로 수행할 수 있습니다.
세포 파쇄: 제품이 세포 내에 있는 경우, 제품을 방출하기 위해 세포를 파쇄해야 합니다. 이는 기계적 방법(예: 균질화, 비드밀링) 또는 화학적 방법(예: 효소 분해)으로 수행할 수 있습니다.
제품 분리: 제품은 침전, 추출, 흡착 등 다양한 기술을 통해 발효액에서 분리할 수 있습니다.
제품 정제: 제품은 일반적으로 친화성 크로마토그래피, 이온 교환 크로마토그래피, 크기 배제 크로마토그래피와 같은 크로마토그래피 기술로 정제됩니다.
제품 제형화: 다운스트림 공정의 마지막 단계는 제품을 안정적이고 사용 가능한 형태로 제형화하는 것입니다. 여기에는 부형제, 안정제, 방부제를 추가하는 것이 포함될 수 있습니다.

성공적인 발효 스케일업의 글로벌 사례

전 세계 여러 산업이 성공적인 발효 스케일업에 크게 의존하고 있습니다. 다음은 몇 가지 예입니다:

제약 산업 (전 세계): 항생제, 백신 및 기타 바이오 의약품 생산은 미생물 또는 세포 배양의 대규모 발효에 의존합니다. 화이자, 로슈, 노바티스와 같은 회사들은 전 세계적으로 거대한 발효 시설을 운영하고 있습니다.
식품 및 음료 산업 (유럽, 북미, 아시아): 맥주, 와인, 요구르트, 치즈 및 기타 발효 식품 및 음료 생산은 통제된 발효 공정에 의존합니다. 안호이저-부시 인베브(벨기에), 다논(프랑스), 기린 맥주(일본)와 같은 회사들은 수년에 걸쳐 발효 스케일업을 완성했습니다.
바이오 연료 산업 (브라질, 미국): 사탕수수(브라질)와 옥수수(미국)로부터의 에탄올 생산은 효모에 의한 당의 대규모 발효를 포함합니다. 라이젠(브라질)과 아처 대니얼스 미들랜드(미국)와 같은 회사들은 대규모 바이오 연료 생산 시설을 운영하고 있습니다.
산업 생명공학 (덴마크, 독일, 중국): 효소, 바이오플라스틱 및 기타 바이오 기반 제품 생산은 유전자 조작 미생물의 발효에 의존합니다. 노보자임스(덴마크), BASF(독일), 아미리스(미국)와 같은 회사들은 이 분야의 선두 주자입니다.

일반적인 스케일업 문제 해결

신중한 계획과 실행에도 불구하고 발효 스케일업 중에는 여전히 문제가 발생할 수 있습니다. 다음은 몇 가지 일반적인 문제와 잠재적인 해결책입니다:

제품 수율 감소: 이는 대사 경로의 변화, 영양분 제한 또는 억제성 부산물 축적 때문일 수 있습니다. 배지 조성을 검토하고, 공급 전략을 최적화하며, 적절한 산소 전달을 보장하십시오.
오염 위험 증가: 이는 부적절한 멸균 절차나 무균 기술의 위반 때문일 수 있습니다. 멸균 프로토콜을 검토하고, 공기 여과를 개선하며, 더 엄격한 무균 절차를 구현하십시오.
거품 과잉 생산: 이는 배지 조성이나 세포 생리의 변화 때문일 수 있습니다. 소포제 첨가를 최적화하거나 기계적 거품 제거기를 설치하십시오.
세포 형태 변화: 이는 전단 응력이나 영양분 구배의 변화 때문일 수 있습니다. 임펠러 설계, 혼합 속도, 공급 전략을 최적화하십시오.
제품 불안정성: 이는 pH, 온도의 변화 또는 분해 효소의 존재 때문일 수 있습니다. 공정 변수를 최적화하고 배지에 안정제를 첨가하십시오.

발효 스케일업의 미래 동향

발효 분야는 끊임없이 진화하고 있습니다. 발효 스케일업의 미래를 형성하는 주요 동향 중 일부는 다음과 같습니다:

연속 발효: 연속 발효는 회분식 발효에 비해 더 높은 생산성, 더 낮은 운영 비용, 더 일관된 제품 품질 등 여러 가지 이점을 제공합니다.
일회용 생물반응기: 일회용 생물반응기는 세척 및 멸균의 필요성을 없애 오염 위험을 줄이고 운영을 단순화합니다.
고급 공정 제어: 모델 예측 제어(MPC) 및 머신러닝과 같은 고급 공정 제어 기술이 발효 공정을 실시간으로 최적화하는 데 사용되고 있습니다.
합성 생물학: 합성 생물학은 향상된 대사 능력과 생산성을 가진 미생물을 공학적으로 만드는 데 사용되고 있습니다.
미생물 군집: 미생물 군집과 컨소시엄을 활용하면 새로운 대사 경로를 열고 생물 공정의 효율을 향상시킬 수 있습니다.

결론

상업적 발효 공정을 스케일업하는 것은 바이오 제품을 시장에 출시하는 데 복잡하지만 필수적인 단계입니다. 이 가이드에서 논의된 생물반응기 설계, 공정 최적화, 모니터링 및 제어, 무균성 보증, 거품 제어를 포함한 주요 요소를 신중하게 고려함으로써 기업은 발효 공정을 성공적으로 스케일업하고 일관된 제품 품질과 성능을 달성할 수 있습니다. QbD, CFD, 축소 모델, 고급 공정 제어와 같은 새로운 기술과 방법론을 채택하면 전 세계적으로 상업적 발효 작업의 효율성과 견고성이 더욱 향상될 것입니다.