바이오리액터 설계 방법? 세포를 위한 완벽한 환경을 조성하기 위한 가이드

본질적으로 바이오리액터 설계는 응용 생물학적 활동입니다. 먼저 배양하고자 하는 세포나 미생물의 요구 사항을 깊이 이해해야 합니다. 그런 다음 그들이 번성하고 원하는 산물을 생성하는 데 완벽한 환경을 조성하는 물리적 용기와 제어 시스템을 설계할 수 있습니다.

바이오리액터 설계에서 가장 흔한 실수는 하드웨어에 먼저 집중하는 것입니다. 최적의 설계는 항상 생물학에서부터 시작됩니다. 즉, 용기의 물리적 특성과 제어 기능을 특정 세포주의 정확한 대사 및 전단 민감도 요구 사항에 맞추는 것입니다.

기초: 생물학적 공정 정의

나사 하나를 돌리기 전에 전체 설계는 공정의 중심에 있는 생명체에 의해 결정됩니다. 귀하의 주요 임무는 그 요구 사항을 정의하는 것입니다.

세포 배양 특성화

세포의 유형이 가장 중요한 요소입니다. 박테리아나 효모와 같은 견고한 미생물 배양입니까, 아니면 연약하고 민감한 포유동물 세포주입니까?

미생물 세포(예: 대장균, 서당구균)는 종종 높은 교반을 견딜 수 있고 빠른 성장 속도를 가지므로 높은 산소 전달과 효율적인 열 제거가 필요합니다.

포유동물 세포(예: CHO 세포)는 훨씬 크고 세포벽이 없으며 전단 응력에 매우 민감합니다. 이들은 부드러운 혼합과 보다 정밀하게 제어되는 환경을 필요로 합니다.

대사 요구 사항 이해

세포가 무엇을 소비하고 무엇을 생산하는지 정량화해야 합니다. 주요 질문은 다음과 같습니다.

• 호기성 또는 혐기성? 이는 전체 가스 처리 전략을 결정합니다. 호기성 공정은 효율적인 산소 공급이 필요하며, 혐기성 공정은 산소를 배제해야 합니다.
• 주요 영양소는 무엇입니까? 이는 배양 배지의 조성과 공급 전략(회분식, 유가식 또는 관류식)을 결정합니다.
• 어떤 부산물이 축적됩니까? 젖산이나 암모니아와 같은 부산물은 독성이 되어 성장을 억제할 수 있으므로 주의 깊은 모니터링과 제어가 필요합니다.

산물 발현 명확화

표적 산물은 어디에 있습니까? 배양 배지로 분비되어 수확이 더 쉽습니까?

아니면 세포 내 산물입니까? 이 경우 세포를 수확하여 파괴(개방)해야 회수할 수 있습니다. 이 결정은 다운스트림 공정 단계에 근본적인 영향을 미칩니다.

핵심 공학 원리

생물학적 요구 사항이 정의되면 이를 반응기 시스템의 엔지니어링 사양으로 변환할 수 있습니다.

용기 형상 및 재질

용기 자체는 주요 컨테이너입니다. 두 가지 주요 재료 선택은 스테인리스강과 일회용 플라스틱입니다.

용기의 종횡비(높이 대 직경)는 혼합 효율과 거품 형성에 영향을 미칩니다. 더 높고 얇은 용기는 가스 전달을 개선할 수 있지만 혼합 영역을 만들 수 있으며, 더 낮고 넓은 용기는 보다 균일한 혼합을 제공합니다.

교반 및 물질 전달

교반의 목표는 균일한 환경을 조성하여 세포가 영양소와 산소에 균일하게 접근할 수 있도록 하고 열 구배를 방지하는 것입니다.

임펠러("프로펠러")가 핵심입니다. 러스톤 터빈은 견고한 미생물 배양에서 가스 분산 및 높은 물질 전달에 탁월합니다. 경사 날개 또는 마린 스타일 임펠러는 전단 민감성 포유동물 세포에 중요한 부드러운 축 방향 흐름을 제공합니다.

산소 전달의 효율성은 물질 전달 계수(kLa)로 측정됩니다. 설계는 세포의 산소 소비율(OUR)을 충족하는 kLa를 달성해야 합니다.

통기 및 가스 교환

이 시스템은 산소를 공급하고 폐기물 CO2를 제거합니다. 일반적으로 용기 바닥에 있는 링 또는 다공성 소결체인 스파저는 배지 속으로 기포를 방출합니다.

기포의 크기가 중요합니다. 마이크로 스파저는 더 나은 산소 전달을 위해 높은 표면적을 가진 매우 미세한 기포를 생성하지만 더 많은 거품을 생성할 수도 있습니다. 가스 유량 및 조성(예: 순수 O2로 농축)은 중요한 제어 매개변수입니다.

멸균 및 무균 작동

오염을 방지하기 위해 시스템은 멸균 상태여야 합니다. 스테인리스강 반응기는 CIP(Clean-in-Place) 및 SIP(Steam-in-Place) 절차를 사용합니다.

일회용 바이오리액터(SUB)는 감마선 조사로 사전 멸균되어 제공되므로 이러한 복잡한 유틸리티 단계를 생략하고 처음부터 멸균 상태를 보장합니다. 전체 설계는 무균 경계를 유지해야 합니다.

상충 관계 이해

모든 설계 선택에는 절충이 수반됩니다. 이러한 상충 관계를 이해하는 것이 숙련된 엔지니어의 특징입니다.

스테인리스강 대 일회용 시스템

스테인리스강은 최대의 내구성과 맞춤화 가능성을 제공합니다. 높은 자본 지출을 나타내지만 대규모 전용 생산의 경우 배치당 장기 비용이 더 낮을 수 있습니다. 그러나 청소 및 멸균을 위한 상당한 인프라가 필요하여 전환 시간이 길어집니다.

일회용 바이오리액터(SUB)는 비교할 수 없는 유연성과 속도를 제공합니다. 청소 검증을 제거하고 교차 오염 위험을 크게 줄입니다. 이로 인해 배치당 비용이 더 높음에도 불구하고 다중 제품 시설 및 임상 제조에 이상적입니다.

고교반 대 저전단 응력

산업 발효의 경우 목표는 종종 높은 kLa를 달성하기 위해 교반을 최대화하여 조밀한 미생물 배양을 위한 것입니다. 하드웨어는 공격적인 혼합을 위해 설계되었습니다.

포유동물 세포를 이용한 치료용 단백질 생산의 경우 이 접근 방식은 파괴적입니다. 설계는 전단 응력을 최소화해야 합니다. 이는 저전단 임펠러를 사용하고, 위치를 최적화하고, 회전 속도(RPM)를 정밀하게 제어하며, 종종 교반 대신 가스 흐름을 통해 산소 제어를 보충하는 것을 의미합니다.

규모 확장: 실험대에서 생산까지

2리터에서 작동하는 설계가 2,000리터에서도 자동으로 작동하지는 않습니다. 부피가 증가함에 따라 표면적 대 부피 비율이 감소하여 열 제거가 훨씬 더 어려워집니다.

공정의 규모 확장성을 보장하기 위해 설계자는 단위 부피당 전력(P/V) 또는 임펠러 끝단 속도와 같은 특정 매개변수를 일정하게 유지하려고 시도합니다. 이 모델링은 더 큰 규모에서 공정 실패를 방지하기 위해 초기 설계 단계에서 고려되어야 합니다.

목표에 맞는 올바른 선택

최종 설계는 기본 목표를 직접적으로 반영합니다.

• 빠른 연구 및 공정 개발에 중점을 두는 경우: 실험 처리량을 최대화하고 전환 시간을 최소화하기 위해 유연하고 사전 멸균된 일회용 실험대 시스템을 선택하십시오.
• 포유동물 세포를 이용한 치료용 제품 생산에 중점을 두는 경우: 저전단 교반, 광범위한 센서 통합 및 잘 문서화된 확장 가능한 설계 경로를 갖춘 일회용 시스템을 우선시하십시오.
• 대규모 산업 발효(예: 바이오 연료, 효소)에 중점을 두는 경우: 높은 물질 전달, 효율적인 냉각 및 장기적인 전용 생산에 최적화된 견고하고 비용 효율적인 스테인리스강 반응기를 설계하십시오.

잘 설계된 바이오리액터는 단순한 장비가 아니라 그 안에 포함된 생명체에 맞춰 정밀하게 설계된 생태계입니다.

요약표:

설계 고려 사항	주요 질문	설계에 미치는 영향
세포 유형	미생물 대 포유동물?	교반 강도, 전단 민감도
대사	호기성 또는 혐기성?	가스 처리 전략, 산소 공급
용기 재질	스테인리스강 대 일회용?	자본 비용, 유연성, 멸균 요구 사항
규모	실험대 R&D 또는 대규모 생산?	규모 확장성, 열 전달, 혼합 효율

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