생물반응기

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1. 개요
2. 종류
3. 설계
- 3.1. 구성 요소
- 3.2. 고려 사항
4. 모델링
- 4.1. 생물 공정 단계
5. 한국의 생물반응기 관련 규제 및 정책
- 5.1. 유전자 재조합체 배양 용량
참조

1. 개요

생물반응기는 미생물, 세포, 또는 생물학적 활성 물질을 배양하기 위한 장치로, 다양한 종류와 설계가 존재한다. 광합성 생물을 위한 광생물반응기는 빛을 에너지원으로 사용하며, 하수 처리 과정에서도 생물 반응기를 활용하여 정화 과정을 수행한다. 포유류 세포와 조직 배양을 위한 특수한 생물반응기도 개발되고 있으며, 조직 공학 분야에서도 활용된다. 생물반응기 설계는 온도, 영양소 농도, pH, 용존 기체 등 내부 환경 조건을 조절하여 최적의 조건에서 원하는 기능을 수행하도록 하는 복잡한 엔지니어링 작업이다. 생물반응기는 교반기, 배플, 스파저, 자켓 등의 구성 요소로 이루어지며, 수학적 모델을 통해 공정 제어 및 예측에 활용된다. 생물 공정은 업스트림, 생물 반응, 다운스트림의 세 단계로 구성되며, 한국에서는 유전자 재조합체의 배양 용량에 제한이 있다.

2. 종류

생물반응기는 다양한 기준에 따라 분류할 수 있다. 빛의 사용 여부에 따라 광생물반응기와 일반 생물반응기로 나눌 수 있다.

광생물반응기(PBR, Photobioreactor): 광합성을 하는 시아노박테리아, 조류, 이끼 식물 등을 배양하기 위해 빛([자연광] 또는 인공 조명)을 이용하는 특수한 형태의 생물반응기이다.^[6] 이들은 빛을 에너지원으로 사용하기 때문에 당이나 지질 같은 별도의 에너지원이 필요 없고, 다른 유기체에 의한 오염 위험이 적다.

2. 1. 작동 방식

유전자 공학 및 배양 기술의 진보로 바이오리액터는 급속히 발전해 왔으며, 환경 친화적인 미래 산업에서 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 바이오리액터는 일반적인 촉매 반응기에 비해 다음과 같은 장점을 가진다.

온화한 조건에서 반응 가능
부생성물 발생 감소
공정 단계 축소
높은 수율

그러나 오염이나 실활과 같은 문제점도 존재한다.

된장이나 술을 만드는 술통이나 통, 호기성 세균이나 혐기성 세균을 이용해 유기물을 분해하는 하수 처리 시설이나 수족관의 수질 정화 시설도 넓은 의미에서 바이오리액터의 일종이다. 최근에는 하수를 혐기성 세균으로 분해하여 메탄 가스를 얻는 기술이 일부 지역에서 활용되고 있다.

바이오리액터는 작동 방식에 따라 배치 공정과 연속 공정으로 나뉜다.

배치 공정: 장시간 숙성 등에 사용
연속 공정: 연속적인 처리

일반적으로 배치 공정이 더 높은 부가가치를 지닌 물질 생산에 유리하다.

최초로 상업화된 바이오리액터는 페니실린 발효 장치이다. 현재는 효소, 미생물, 동물 세포 등을 활용하는 다양한 바이오리액터가 산업적으로 활용되고 있다.

몇 가지 예시는 다음과 같다.

물질	사용되는 생체 촉매
L-아스파라긴산	아스팔타아제
인터페론-β	인간 섬유아세포
에탄올	효모
포도당	셀룰로스 가수분해

담지체로는 상분리 유리를 사용한 다공성 유리 비드 등이 사용된다.^[15]^[16]

2. 2. 활용 기술

유전자 공학 및 배양 기술의 발달로 바이오리액터를 활용한 기술이 빠르게 발전하고 있다. 바이오리액터는 일반적인 촉매 반응기에 비해 온화한 조건에서 반응을 진행할 수 있고, 불필요한 부산물이 적게 생기며, 공정이 간단하고, 원하는 물질을 얻는 비율(수율)이 높다는 장점이 있다. 그러나 오염이나 실활과 같은 문제점도 존재한다.^[15]^[16]

된장이나 술을 만드는 술통이나 통, 호기성 세균이나 혐기성 세균을 이용해 유기물을 분해하는 하수 처리 시설이나 수족관의 정수 시설도 넓은 의미에서 바이오리액터의 일종이다. 최근에는 하수를 혐기성 세균으로 분해하여 메탄 가스를 얻는 기술이 일부 지역에서 사용되고 있다.

바이오리액터 공정에는 배치 공정과 연속 공정이 있다. 배치 공정은 장시간 숙성 등에 사용되고, 연속 공정은 연속적인 처리에 사용된다. 일반적으로 배치 공정이 더 높은 가치를 지닌 물질을 생산하는 데 유리하다.

최초로 상업화된 바이오리액터는 페니실린 발효 장치이다. 현재는 효소를 사용하거나, 미생물 또는 동물 세포를 직접 사용하는 등 다양한 방식으로 산업에 활용되고 있다.

L-아스파라긴산: 아스팔타아제
인터페론-β: 인간 섬유아세포
에탄올: 효모
포도당: 셀룰로스 가수분해

바이오리액터에는 상분리 유리를 사용한 다공성 유리 비드 등이 담지체로 사용된다.^[15]^[16]

; 응용 방법

고정화 생체 촉매
막형 생체 촉매

2. 3. 응용 분야

광생물반응기 (PBR)는 광원(자연광 또는 인공 조명)을 사용하는 생물반응기이다. 시아노박테리아, 조류, 이끼 식물과 같은 광합성 생물을 배양하는 데 사용된다.^[6] 이러한 유기체는 광합성을 통해 빛을 에너지원으로 사용하며, 오염 위험이 낮다.

일반적인 하수 처리는 생물 반응기를 활용한다. 일부 시스템에서는 생물막 성장을 위해 높은 표면적을 가진 비활성 매체를 제공하고, 과도한 생물막은 침전조나 사이클론에서 분리한다. 다른 시스템에서는 폭기조가 하수와 생물군에 산소를 공급하여 활성 슬러지를 생성한다. 생물 고형물은 추가 처리하거나 건조하여 비료로 사용한다.

옥수수 속대 폐기물에서 에탄올을 발효하는 데 사용되는 생물반응기가 효모를 넣고 있다

포유류 세포와 조직은 성장하기 위해 표면이나 구조적 지지대가 필요하며, 교반 환경은 파괴적이다. 영양 요구성이 높아 특수 배지가 필요하며, 대량 배양이 어렵다.

심장 조직^[7]^[8], 골격근 조직^[9], 인대, 암 조직 모델 등을 배양하는 조직 생물반응기가 개발되고 있다. 산업적 생산 규모 확대는 여전히 과제이다.

유전자 공학 및 배양 기술의 진보로 바이오리액터는 발전해왔다. 온화한 조건에서 반응을 수행하고, 부생성물이 적으며, 수율이 좋다는 장점이 있지만, 오염이나 실활 등의 문제도 있다.

된장이나 술을 만드는 술통이나 통, 하수 처리 시설, 수족관의 수질 정화 시설도 바이오리액터의 일종이다. 하수를 혐기성 세균으로 분해하여 메탄 가스를 추출하는 방법도 실용화되고 있다.

배치 공정과 연속 공정이 있으며, 전자는 장시간 숙성, 후자는 연속 처리에 사용된다. 배치 공정이 더 높은 부가가치를 생산할 수 있다.

최초의 바이오리액터 공업화는 페니실린 발효 장치이다. 현재는 효소, 미생물, 동물 세포 등을 사용하는 다양한 공업화 사례가 있다.

L-아스파라긴산: 아스팔타아제
인터페론-β: 인간 섬유아세포
에탄올: 효모
포도당: 셀룰로스 가수분해

다공성 유리 비드 등이 담지체로 사용된다.^[15]^[16]

; 응용 방법

고정화 생체 촉매
막형 생체 촉매

3. 설계

생물반응기 설계는 생화학 공학/생물 공정 공학 분야에서 연구되는 복잡한 엔지니어링 작업이다. 최적의 조건에서 미생물 또는 세포는 불순물 생산을 제한하면서 원하는 기능을 수행할 수 있다. 온도, 영양소 농도, pH, 용존 기체(특히 호기성 발효를 위한 산소)와 같은 생물반응기 내부의 환경 조건은 유기체의 성장과 생산성에 영향을 미친다.^[15]^[16]

호기성 공정에서 최적의 산소 전달은 때때로 속도 제한 단계이다. 산소는 물에 잘 녹지 않으며, 따뜻한 발효 배지에서는 더욱 적게 녹으며, 공기 중에서는 비교적 희소하다(20.95%). 산소 전달은 일반적으로 교반에 의해 도움을 받으며, 이는 또한 영양소를 혼합하고 발효를 균일하게 유지하는 데 필요하다. 가스 분산 교반기는 기포를 파괴하고 용기 전체에 순환시키는 데 사용된다.

파울링(오염)은 특히 열 교환기의 생물반응기 전체 효율을 해칠 수 있다. 이를 피하기 위해 생물반응기는 쉽게 청소할 수 있어야 한다. 내부 표면은 쉽게 청소하고 위생 처리할 수 있도록 일반적으로 스테인리스 스틸로 만들어진다. 일반적으로 생물반응기는 배치 간에 청소되거나 연속적으로 작동할 때 가능한 한 파울링을 줄이도록 설계된다. 열 전달은 생물반응기 설계의 중요한 부분이다. 소형 용기는 냉각 재킷으로 냉각할 수 있지만, 더 큰 용기는 코일 또는 외부 열 교환기가 필요할 수 있다.

유전자 공학 및 배양 기술의 진보로 급속히 발전해 왔을 뿐만 아니라, 향후 환경과 조화된 공업을 생각하는 데 있어서 매우 관심이 높다. 바이오리액터를 사용한 경우, 일반적인 촉매 반응기에 비해 온화한 조건에서 반응을 수행할 수 있으며, 부생성물이 적고, 공정이 적으며, 수율이 좋다는 등의 장점이 많다. 그러나 오염이나 실활 등의 문제도 많다.^[15]^[16]

배치 공정과 연속 공정이 있으며, 전자는 장시간 숙성시키는 등의 용도로 사용되고, 후자는 연속적으로 처리하는 용도로 사용된다. 일반적으로 배치 공정이 더 높은 부가가치의 것을 생산할 수 있다.

최초의 바이오리액터의 공업화는 페니실린 발효 장치이다. 현재는 많은 공업화 사례가 있으며, 효소를 사용하는 것, 미생물이나 동물 세포를 그대로 사용하는 것 등도 있다.

사용 물질	응용
L-아스파라긴산	아스팔타아제
인터페론-β	인간 섬유아세포
에탄올	효모
포도당	셀룰로스를 가수분해

담지체에는 상분리 유리를 사용한 다공성 유리 비드 등이 사용된다^[15]^[16]。

3. 1. 구성 요소

생물반응기의 일반적인 구성 요소는 다음과 같다.^[13]

'''교반기''': 반응기 안의 내용물을 섞어 세포가 영양분과 산소를 잘 흡수하고 원하는 생성물을 만들도록 돕는다.
'''배플''': 용기 안에서 소용돌이가 생기는 것을 막는다. 소용돌이는 시스템의 무게 중심을 변화시키고, 에너지를 더 많이 쓰게 하므로 일반적으로 바람직하지 않다.
'''스파저''': 호기성 배양 과정에서, 스파저는 자라는 세포에 충분한 산소를 공급한다.
'''자켓''': 생물반응기의 온도를 일정하게 유지하기 위해, 일정한 온도의 물을 순환시키는 고리 모양의 공간이다.

3. 2. 고려 사항

생물반응기 설계는 생화학 공학/생물 공정 공학 분야에서 연구되는 복잡한 엔지니어링 작업이다. 최적의 조건에서 미생물이나 세포는 불순물 생산을 제한하면서 원하는 기능을 수행할 수 있다. 생물반응기 내부의 환경 조건(온도, 영양소 농도, pH, 용존 기체 등)은 유기체의 성장과 생산성에 영향을 미친다.^[15]^[16]

온도: 발효 배지의 온도는 냉각 재킷, 코일 또는 외부 열 교환기로 유지된다. 특히 발열성 발효는 외부 열 교환기가 필요할 수 있다.
영양소: 영양소는 공급 배치 시스템처럼 발효기에 지속적으로 추가되거나 발효 시작 시 반응기에 투입될 수 있다.
pH: 배지의 pH는 발효에 따라 소량의 산 또는 염기로 측정하고 조절한다.
반응 기체: 호기성(및 일부 혐기성) 발효의 경우 산소와 같은 반응 기체를 지속적으로 추가해야 한다. 산소는 물에 잘 녹지 않으므로, 공기(또는 정제된 산소)를 지속적으로 추가하고 교반을 통해 용해도를 높인다. 가스 분산 교반기는 기포를 파괴하고 용기 전체에 순환시키는 데 사용된다.
'''파울링(오염):''' 열 교환기 등에서 발생할 수 있으며 생물반응기 효율을 저하시킨다. 이를 방지하기 위해 생물반응기는 쉽게 청소할 수 있어야 하며, 내부 표면은 스테인리스 스틸로 만들어진다.

생물반응기는 유전자 공학과 배양 기술의 진보로 급속히 발전했을 뿐만 아니라, 환경 조화적인 발전에 매우 관심이 높다. 바이오리액터는 일반적인 화학 반응기에 비해 온화한 조건에서 반응을 수행할 수 있으며, 부산물이 적고, 공정이 적으며, 수율이 좋다는 장점이 있다. 그러나 오염이나 실활 등의 문제도 많다.^[15]^[16]

된장이나 술을 만드는 술통이나 통, 하수 처리 시설이나 수족관의 수질 정화 시설도 바이오리액터의 일종이라고 할 수 있다.

4. 모델링

수학적 모델은 효율적인 공정 제어 전략을 계획하고 미래의 플랜트 성능을 예측하는 데 유용하며, 교육 및 연구 분야에서도 활용된다. 생물반응기는 식품, 음료, 제약 산업 등에서 활용되며, 생화학 공학의 발달로 세포, 효소, 항체와 같은 생물학적 제제를 이용한 물질 처리가 가능해졌다. 생화학 공학은 농업, 식품, 의료, 자원 회수, 정밀 화학 등 다양한 분야에 응용된다.

유전자 공학 및 배양 기술의 발전으로 생물반응기를 이용한 공정은 온화한 조건에서 반응을 수행할 수 있으며, 부생성물이 적고 수율이 좋다는 장점이 있다. 하지만 오염이나 실활 등의 문제도 존재한다.

된장이나 술을 만드는 술통이나 통, 하수 처리 시설, 수족관의 수질 정화 시설도 생물반응기의 일종으로 볼 수 있다. 최근에는 하수를 혐기성 세균으로 분해하여 메탄 가스를 추출하는 기술이 실용화되기도 한다.

생물반응기 공정에는 배치 공정과 연속 공정이 있으며, 전자는 장시간 숙성, 후자는 연속 처리에 사용된다. 일반적으로 배치 공정이 더 높은 부가가치를 생산할 수 있다. 최초의 산업화된 생물반응기는 페니실린 발효 장치이며, 현재는 효소, 미생물, 동물 세포 등을 활용한 다양한 공정들이 존재한다.

생물반응기의 응용 방법으로는 고정화 생체 촉매, 막형 생체 촉매 등이 있으며, 담지체로는 상분리 유리를 사용한 다공성 유리 비드 등이 사용된다.^[15]^[16]

다음은 생물반응기를 활용한 몇 가지 예시이다.

물질	사용된 생물
L-아스파라긴산	아스팔타아제
인터페론-β	인간 섬유아세포
에탄올	효모
포도당	셀룰로스 가수분해

4. 1. 생물 공정 단계

생물 공정은 원료를 완제품으로 변환하기 위해 업스트림 공정, 생물 반응, 다운스트림 공정의 세 단계로 구성된다.^[11]

원료는 생물학적 또는 비생물학적 기원을 가질 수 있으며, 가공에 더 적합한 형태로 변환된다. 이는 업스트림 공정 단계에서 수행되며, 화학적 가수분해, 액체 배지 준비, 입자 분리, 공기 정화 등 여러 준비 작업을 포함한다.

업스트림 공정 이후 결과물은 하나 이상의 생물 반응 단계로 옮겨진다. 생화학 반응기 또는 생물 반응기는 생물 반응 단계의 기초를 형성한다. 이 단계는 주로 생물체량 생산, 대사 물질 생합성 및 생물 전환의 세 가지 작업으로 구성된다.

마지막으로, 생물 반응기에서 생성된 물질은 다운스트림 부분에서 추가 처리되어 더 유용한 형태로 변환된다. 다운스트림 공정은 주로 고액 분리, 흡착, 액체-액체 추출, 증류, 건조 등을 포함하는 물리적 분리 작업으로 구성된다.^[12]

5. 한국의 생물반응기 관련 규제 및 정책

한국은 유전자변형생물체(LMO)의 안전 관리를 위해 "유전자변형생물체의 국가간 이동 등에 관한 법률"을 시행하고 있다. ^[17]

5. 1. 유전자 재조합체 배양 용량

유전자 재조합체의 배양 용량은 20L 이내로 제한되어 있다.^[17] 반면, 돌연변이의 경우에는 이러한 배양 용량의 제한이 없다.^[17]

참조

_[1] GoldBook bioreactor
_[2] 웹사이트 Bioreactoes and Cultivation Systems for Cell and Tissue Culture http://www.eolss.net[...] 2023-08-12
_[3] 논문 The interphase technique: a simple method of cell immobilization in gel-beads 1997-09
_[4] 논문 Enhanced Accumulation of Betulinic Acid in Transgenic Hairy Roots of Senna obtusifolia Growing in the Sprinkle Bioreactor and Evaluation of Their Biological Properties in Various Biological Models https://onlinelibrar[...] 2021-08
_[5] 논문 Yeast biocapsules: A new immobilization method and their applications 2006-12
_[6] 논문 Current achievements in the production of complex biopharmaceuticals with moss bioreactors 2007-08-14
_[7] 논문 Cardiac muscle tissue engineering: toward an in vitro model for electrophysiological studies 1999-08-01
_[8] 논문 Cardiac tissue engineering: Cell seeding, cultivation parameters, and tissue construct characterization 1999-09-05
_[9] 논문 A novel bioreactor for the generation of highly aligned 3D skeletal muscle-like constructs through orientation of fibrin via application of static strain 2015-09
_[10] 웹사이트 An introduction to modeling of bioreactors https://www.it.uu.se[...] 2009-03-24
_[11] 서적 10 - Bioreactor processes for maturation of 3D bioprinted tissue http://www.sciencedi[...] Woodhead Publishing 2018-01-01
_[12] 서적 CHEMICAL PROCESS MODELLING AND COMPUTER SIMULATION PHI Learning Pvt. Ltd.
_[13] 웹사이트 Bioreactor- Basics http://iitd.vlab.co.[...]
_[14] 논문 納豆菌を用いたバイオリアクターによる生活排水の清浄化 https://doi.org/10.2[...] 日本化学会
_[15] 논문 多孔質ガラスの合成と生体触媒の固定化に関する研究 https://hdl.handle.n[...]
_[16] 간행물 大阪工業技術試験所 https://www.aist.go.[...] 産総研
_[17] 웹사이트 第二種使用等に関する措置大量培養実験（第3号） http://www.lifescien[...] 2016-03-02
_[18] GoldBook bioreactor http://goldbook.iupa[...]
_[19] 논문 The interphase technique: a simple method of cell immobilization in gel-beads 1997
_[20] 논문 A new immobilization method and their applications 2006