공정의 핵심, 바이오리액터
간단히 말해, 바이오리액터는 생물학적 과정이 이루어지는 용기입니다. 바이오리액터에는 간단한 수동 제어 또는 보다 복잡한 완전 자동화된 PLC 제어가 장착되어 있습니다. 일반적으로 바이오리액터 공정은 배치 공정이며, 시작과 수확 사이의 시간을 캠페인이라고 합니다.
대부분의 바이오리액터에는 원하는 생물학적 합성이 일어나기 위해 박테리아, 효모 또는 세포를 성장시키기 위한 가스와 영양분이 공급되어야 합니다. 이러한 첨가제는 일반적으로 며칠에서 몇 주에 걸쳐 지속적으로 추가됩니다. 유량 컨트롤러는 바이오리액터의 공정 제어에서 매우 중요한 역할을 합니다. 박테리아 또는 세포 배양에 따른 부피 흐름의 차이는 상당히 큽니다.
세포 배양을 포함하는 공정의 캠페인은 수확까지 최대 3~4주가 소요되는 반면, 박테리아 배양을 포함하는 캠페인은 며칠 동안만 지속되는 경우가 많습니다.
이 기간 동안 안정적인 방식으로 공정을 수행하는 것은 어려운 일이므로 가스와 영양분을 정확하게 투여하는 것이 매우 중요합니다. 박테리아 또는 세포 배양에 따른 부피 흐름의 차이는 상당히 큽니다. 첨가제 주입은 미생물 또는 세포 배양과 경쟁할 수 있는 원치 않는 박테리아에 의한 오염을 방지하기 위해 멸균 조건에서 이루어집니다.
요컨대, 신뢰성과 재현성은 바이오리액터 프로세스, 특히 유량 제어의 핵심입니다.
바이오리액터 공정의 개략도
그림은 바이오리액터에서 박테리아 배양의 이상적인 성장 곡선을 보여줍니다.
유량 제어기를 사용한 바이오리액터 폭기
바이오리액터의 폭기에 일반적으로 사용되는 가스는 다음과 같습니다: 공기, O2(산소), N2(질소), CO2(이산화탄소)입니다. N2는 산소 센서(pO2)를 보정하고 공정 초기에 바이오리액터의 산소 함량을 낮추는 데 사용됩니다. 박테리아나 세포의 수가 많을수록 산소 요구량도 커집니다. CO2는 액상의 산도(pH)를 조절하는 데 사용됩니다. 바이오리액터는 일반적으로 부분 산소 압력 pO2와 현탁액의 pH를 확인하여 제어합니다.
세포의 산소 및 기타 모든 물질의 섭취는 액상에서 이루어집니다. 따라서 산소는 액체에 존재해야 합니다. 이를 보장하기 위해 가능한 한 가장 작은 기포에 공기 성분인 산소를 첨가하려고 시도합니다. 액체를 저으면 추가된 산소가 분산되고 확산되는 데 도움이 됩니다.
바이오리액터의 역사
미생물로 생성된 물질을 의약품으로 연구하고 최초로 생산하기 시작한 것은 제2차 세계대전 중 부상당한 병사들을 치료하기 위해 페니실린을 사용하면서부터입니다. 당시 연구자들은 미생물학적 공정에서 박테리아를 사용하면 기존의 화학적 합성에 비해 이점이 있다는 사실을 발견했습니다. 화학 합성에서는 많은 부산물이 생성되며, 그 중 일부는 원하는 물질 자체보다 훨씬 더 많은 비율로 생성되기도 합니다.
그러나 생물학적 합성에서는 목표 물질의 수율이 훨씬 더 높습니다. 또한 이 합성은 종종 더 간단한 분리 방법을 제공합니다. 게다가 박테리아는 인간이나 동물 세포뿐만 아니라 기존의 화학 합성으로는 합성하기 어렵거나 접근조차 불가능한 특정 물질을 합성합니다.
지난 20년 동안 박테리아 균주를 분리하는 강력한 프로세스와 기타 유전자 기술 방법을 통해 개발 목적에 맞는 균주를 생산, 분리, 증식하여 목표 물질을 구체적이고 선택적이며 효율적으로 합성할 수 있게 되었습니다. 대부분의 경우 이러한 합성은 소위 바이오리액터에서 수행됩니다.
바이오리액터 애플리케이션
바이오리액터 애플리케이션
식음료 산업
바이오리액터는 발효를 목적으로 식음료 생산에 사용됩니다. 요구르트를 예로 들어보겠습니다. 요구르트는 바이오리액터에서 우유를 발효시켜 생산되는 제품입니다. 요구르트 배양균은 유산균입니다. 또는 맥주... 맥주 양조 공정에서 효모 세포는 당을 알코올로 전환하는 데 사용됩니다. 바이오리액터 응용의 두 가지 예입니다. 미생물은 이미 오랫동안 식품 생산에 사용되어 왔지만 20세기 후반부터 생명공학의 인기가 급격히 증가한 이유는 무엇일까요?
의약품 개발 및 생산
생명공학은 줄기세포의 증식뿐만 아니라 의약품 개발과 생산에서 점점 더 중요해지고 있습니다. 두 가지 모두 의료용으로 사용됩니다. 의약품 활성 성분을 설계하고 생산할 때 시장 출시 시간, 비용 절감 및 일관된 제품 품질은 매우 중요합니다. 따라서 바이오리액터의 신뢰성과 소형 바이오리액터에서 대형 바이오리액터로 공정을 확장할 수 있는 가능성이 매우 요구됩니다.
바이오 기반 화학물질 및 플라스틱
생명공학 응용의 다른 예로는 바이오 기반 화학 물질과 플라스틱이 있습니다. 연구자들은 효소와 미생물의 도움을 받아 유기 물질로 만든 재생 가능한 플라스틱을 연구하고 있습니다. 이미 장난감, 자동차 부품, 페트병 대체품 등 바이오 기반 플라스틱의 매력적인 사례들이 등장하고 있습니다. 바이오 화학 생산의 구체적인 예로는 미세 조류와 햇빛을 이용해 이산화탄소를 전환하는 것이 있습니다.
지속 가능한 에너지
지속 가능한 에너지로의 전환은 바이오리액터의 사용을 촉진하는 또 다른 원동력입니다. 바이오메탄, 바이오에탄올, 바이오디젤 형태의 바이오가스 및 바이오연료가 가정, 산업 및 수송 에너지 공급에서 인기를 얻고 있습니다. 가스나 연료는 배설물, 슬러지, 유기 폐기물, 풀, 옥수수, 사탕수수와 같은 유기 물질을 발효시킨 결과로 만들어집니다. 38~40°C의 온도로 유지되고 교반되는 발효 탱크는 사실 생물 반응기입니다.
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