생명화학공학 / 바이오화학공학과

생물반응기 설계

Bioreactor Design

미생물이나 동물세포가 생존·증식하기 좋은 온도·pH·용존산소 농도를 정밀하게 유지하면서 대량으로 배양해 원하는 물질(항체, 대사산물 등)을 생산하는 반응기를 설계하는 기술. 세포는 화학물질과 달리 산소 공급이 과하거나 부족하면 죽어버리므로, 교반 강도까지 세포에 손상을 주지 않는 범위로 조절해야 함.

ex) 항체 치료제를 생산하는 동물세포를 수천 리터 규모 탱크에서 배양하는 바이오 의약품 생산시설.

바이오의약품 정제공정

Biopharmaceutical Purification

세포 배양액 안에는 목표 단백질 외에도 세포 파편, 다른 단백질, 바이러스 등 불순물이 섞여 있어, 크로마토그래피 등으로 크기·전하·결합 특이성 차이를 이용해 단계적으로 걸러내 순도 99.9% 이상까지 끌어올리는 다단계 정제 공정. 일반 화학 공정보다 훨씬 까다로운 순도 기준을 요구함.

ex) 항체 치료제가 환자에게 투여되기 전 거치는 여러 단계의 정제·검증 공정.

발효공정

Fermentation Process

효모·세균 같은 미생물이 산소가 있거나 없는 환경에서 영양분을 분해하며 부산물로 알코올, 유기산, 항생제 등 원하는 물질을 만들어내는 대사 작용을 대량 생산에 활용하는 공정. 미생물 균주 자체를 유전적으로 개량해 생산성을 높이는 것도 이 분야의 핵심 과제.

ex) 맥주 양조에서 효모가 당을 알코올과 이산화탄소로 분해하는 발효 과정을 대규모 산업으로 확장한 것.

효소공학

Enzyme Engineering (Michaelis-Menten Kinetics)

효소가 기질과 결합해 반응을 촉매하는 속도 가 기질 농도 가 낮을 때는 거의 비례해서 늘다가, 효소가 포화되는 높은 농도에서는 최대속도 로 수렴하는 관계를 기술하는 반응속도론. 은 효소가 기질과 얼마나 강하게 결합하는지를 나타내며, 이 값이 작을수록 낮은 기질 농도에서도 효소가 효율적으로 작동함.

ex) 세제에 들어가는 단백질분해효소가 낮은 온도에서도 얼룩을 잘 분해하도록 효소를 개량하는 것.

대사공학

Metabolic Engineering

미생물이 원래 가진 수백 개의 대사 반응 경로 중, 원하는 물질을 만드는 경로의 효소는 유전자 조작으로 더 많이 발현시키고 경쟁하는 부반응 경로는 억제해, 미생물이 자기 생존보다 목표 물질 생산에 대사 자원을 더 많이 쓰도록 균주 자체를 재설계하는 기술. 대사 흐름을 전체 네트워크 수준에서 시뮬레이션(flux balance analysis)해 어느 유전자를 조작해야 생산성이 극대화되는지 미리 예측하기도 함.

ex) 대장균이나 효모가 원래 만들지 않던 인슐린·바이오연료 같은 물질을 대량 생산하도록 유전적으로 재설계하는 것.

세포주 개발과 배양 최적화

Cell Line Development & Culture Optimization

항체 같은 단백질 의약품을 대량 생산하려면, 목표 단백질 유전자를 삽입한 세포들 중 생산성이 가장 높고 안정적인 세포주를 수백~수천 개 후보 중에서 선별해내는 과정이 필요함. 선별된 세포주도 배지 조성, 온도, pH를 세포 성장·생산성이 최대가 되도록 세밀하게 최적화해야 상업적으로 경쟁력 있는 생산 공정이 완성됨.

ex) 바이오시밀러 개발사가 동일한 항체를 만들면서도 생산성이 더 높은 세포주를 찾아내는 초기 개발 단계.

스케일업(규모확대)

Bioprocess Scale-Up

실험실의 작은 플라스크(수 리터)에서 잘 자라던 세포·미생물이, 산업 규모의 대형 반응기(수만 리터)로 옮기면 산소 공급·혼합 효율·전단력 같은 물리적 환경이 완전히 달라져 예상과 다르게 반응할 수 있음. 작은 규모의 결과를 대형 설비에서도 그대로 재현하려면 반응기 형상·교반 방식이 달라져도 특정 무차원수(단위부피당 동력 등)를 일치시키는 스케일업 전략이 필요함.

ex) 실험실에서 성공한 신약 생산 공정을 상업 생산 규모의 대형 반응기로 확장할 때 겪는 대표적 기술 난제.