플라스크에서 산업 생산으로 세포 배양 확장
실험실 플라스크는 연구에 잘 사용되지만, 상업적 배양육 생산에는 생물반응기가 필요합니다 - 수백 또는 수천 리터의 배지에서 성장하는 수십억 개의 세포에 정확한 환경 제어를 제공하는 정교한 용기. 이 장은 생물반응기 설계, 운영, 모니터링 및 밀리리터에서 메가리터로 확장하는 엔지니어링 과제를 탐구합니다.
생물반응기 유형 및 설계
1. 교반 탱크 생물반응기 (STRs)
산업 생물 처리의 주력인 STR은 배양육 생산에 가장 일반적인 설계입니다. 혼합을 위한 임펠러, 가스 전달을 위한 스파저, 온도, pH, 용존 산소 및 기타 매개변수를 모니터링하기 위한 프로브가 있는 원통형 용기로 구성됩니다.
주요 구성 요소:
- 용기: 스테인리스 스틸 또는 일회용 폴리머 백. 용량은 5 L(파일럿 규모)에서 25,000 L(상업 규모)까지입니다.
- 임펠러: 마린 임펠러(부드러운 혼합) 또는 피치드 블레이드 임펠러. 일반적으로 30-150 RPM.
- 스파저: 산소(또는 공기)를 작은 거품으로 전달. 마이크로 스파저는 작은 거품을 만듭니다.
- 가열/냉각 재킷: 세포의 대사 열 생성에도 불구하고 37°C를 유지합니다.
장점: 확립된 프로토콜을 가진 입증된 기술, 균일한 영양소 및 산소 분포를 보장하는 우수한 혼합
단점: 임펠러와 스파저로 인한 전단 응력이 세포를 손상시킬 수 있음
마이크로캐리어 기술
근육 위성 세포는 부착성(표면 부착 필요)이므로, 현탁 생물반응기에서 성장시키려면 마이크로캐리어가 필요합니다 - 부드러운 교반에 의해 현탁 상태를 유지하면서 부착 표면을 제공하는 작은 비드(직경 100-300 μm). 마이크로캐리어는 표면적을 극적으로 증가시킵니다: 1리터의 마이크로캐리어 현탁액은 0.5-2 m²의 성장 표면을 제공할 수 있습니다.
2. 에어리프트 생물반응기
기계적 교반 대신, 에어리프트 생물반응기는 상승하는 가스 거품을 사용하여 순환을 만듭니다.
장점: 움직이는 부품 없음(임펠러), 기계적 복잡성 및 유지보수 감소, STR에 비해 낮은 전단 응력
단점: STR보다 혼합에 대한 정밀 제어 감소
3. 관류 생물반응기
배치 배양(세포를 성장시키고 모두 수확) 대신, 관류 시스템은 생물반응기에 세포를 유지하면서 신선한 배지를 지속적으로 추가하고 사용한 배지를 제거합니다.
세포 보유 방법:
- 스핀 필터: 내부 회전 메쉬 필터가 배지가 빠져나가는 동안 세포를 유지
- 음향 침강기: 초음파를 사용하여 세포를 응집시켜 배지가 흐르는 동안 침전
- 외부 원심분리: 배양액을 지속적으로 제거하고 원심분리로 세포를 분리하여 생물반응기로 복귀
장점: 배치보다 훨씬 오래 지수 성장의 세포를 유지할 수 있음, 매우 높은 세포 밀도 달성
단점: 높은 배지 소비(재활용하지 않는 한 비용이 많이 듦), 정교한 제어 시스템이 필요한 복잡한 운영
생물반응기 운영의 중요 공정 매개변수
생물반응기를 성공적으로 운영하려면 좁은 범위 내에서 여러 매개변수를 유지해야 합니다. 이러한 중요 공정 매개변수(CPP)가 배양 성공 또는 실패를 결정합니다.
1. 온도
| 매개변수 | 설정값 | 허용 범위 | 조치 한계 |
|---|---|---|---|
| 온도 | 37.0°C | 36.8-37.2°C | <36.5°C 또는 >37.5°C |
온도는 효소 동역학, 막 유동성, 단백질 구조 및 가스 용해도에 영향을 미칩니다. 포유류 세포는 37°C에 적응되어 있습니다. 편차는 성장을 늦추거나 스트레스를 유발합니다.
2. pH
| 매개변수 | 설정값 | 허용 범위 | 조치 한계 |
|---|---|---|---|
| pH | 7.20 | 7.15-7.25 | <7.10 또는 >7.30 |
pH는 단백질 이온화 상태, 효소 활성, 막 수송 및 유전자 발현에 영향을 미칩니다. 세포는 pH를 낮추는 산성 대사산물(락테이트, CO₂)을 생성합니다.
3. 용존 산소 (DO)
| 매개변수 | 설정값 | 허용 범위 | 조치 한계 |
|---|---|---|---|
| DO | 30% | 25-35% | <20% 또는 >40% |
산소는 산화적 인산화를 통한 ATP 생산에 필수적입니다. 그러나 산소는 수용액에서 용해도가 낮고(포화 시 ~8 mg/L, 37°C) 세포가 빠르게 소비합니다.
생물반응기 확대 과제
5 L 생물반응기에서 세포를 성장시키는 것은 5,000 L 또는 50,000 L와 매우 다릅니다. 확대는 배양 성능에 극적으로 영향을 미칠 수 있는 엔지니어링 과제를 도입합니다.
1. 산소 전달 제한
부피가 증가함에 따라 표면적 대 부피 비율이 감소합니다. 이는 산소 전달 효율을 감소시킵니다. 해결책: 용기 전체에 분산된 여러 스파저, 증가된 교반, 순수 산소 스파징
2. 혼합 시간 및 구배
작은 용기에서는 혼합이 거의 즉각적입니다. 큰 용기는 영양소 추가 후 균질성을 달성하는 데 몇 분이 걸릴 수 있습니다. 해결책: 임펠러 배치 및 속도를 최적화하기 위한 전산 유체 역학(CFD) 모델링
3. 전단 응력 확장
더 큰 생물반응기는 종종 적절한 혼합과 산소 전달을 달성하기 위해 더 높은 임펠러 속도 또는 더 격렬한 통기가 필요하여 세포에 대한 전단 응력을 증가시킵니다.
일회용 vs 재사용 가능 생물반응기
재사용 가능한 스테인리스 스틸
장점: 내구성, 수십 년 지속, 멸균 가능, 대형 크기 가능
단점: 높은 자본 비용, CIP 및 SIP 시스템 필요, 배치 간 청소/멸균 시간
일회용 생물반응기
장점: 청소/멸균 불필요, 교차 오염 위험 최소, 낮은 자본 비용, 배치 간 빠른 전환
단점: 배치당 더 높은 비용, 현재 ~2,000 L로 제한, 백이 실패할 수 있음