Clarification 필터 선택 가이드: 바이오 공정의 핵심 단계
바이오 의약품 제조 공정에서 정제 단계는 최종 제품의 품질과 순도를 결정하는 매우 중요한 과정입니다. 특히 세포 배양액이나 발효액으로부터 목표 물질을 분리해내는 Clarification단계는 전체 공정의 효율성과 경제성을 좌우하는 핵심적인 출발점입니다. 올바른 클라리피케이션 필터를 선택하는 것은 후속 공정의 부하를 줄이고, 수율을 극대화하며, 최종 제품의 안전성을 보장하는 데 필수적입니다. 이 글에서는 다양한 바이오 공정에서 활용되는 클라리피케이션 필터의 종류와 각 필터의 특성, 그리고 최적의 필터 선택을 위한 실용적인 가이드를 제공하겠습니다.
1. Clarification의 중요성과 기본 원리
Clarification은 바이오리액터에서 생산된 세포 배양액에서 세포, 세포 파편, 불용성 단백질, 지질 등과 같은 고형 물질을 제거하여 목표 물질이 포함된 상층액(supernatant)을 얻는 과정입니다. 이 단계에서 고형 물질을 효과적으로 제거하지 못하면, 후속 단계인 크로마토그래피 컬럼이나 막 여과 시스템이 막히는 현상(fouling)이 발생하여 공정 효율이 급격히 저하됩니다.
클라리피케이션의 핵심 원리는 크기 배제(size exclusion)입니다. 필터 매체의 기공(pore) 크기보다 큰 입자들은 통과하지 못하고 걸러지게 되며, 목표 물질은 필터를 통과하여 수집됩니다. 이 과정은 크게 두 가지 방식으로 나눌 수 있습니다.
2. 주요 Clarification 필터 종류와 특징
바이오 공정에서 사용되는 클라리피케이션 필터는 크게 원심분리(Centrifugation), 심층 여과(Depth Filtration), 멤브레인 여과(Membrane Filtration)로 나눌 수 있습니다. 각 방식은 장단점이 명확하므로, 공정의 특성과 스케일에 맞춰 신중하게 선택해야 합니다.
2.1. 원심분리(Centrifugation)
원심분리는 회전하는 힘을 이용하여 밀도 차이에 따라 입자를 분리하는 물리적 방법입니다.
장점: 연속 공정이 가능하고, 대규모 배양액 처리에 적합합니다. 일회용(disposable) 시스템을 적용하면 교차 오염 위험을 줄일 수 있습니다.
단점: 고가 장비이며, 미세한 입자(submicron particles) 제거에는 한계가 있습니다. 전단 응력(shear stress)에 민감한 세포나 단백질에 손상을 줄 수 있습니다.
주요 적용: 대규모 상업 생산 공정의 초기 단계에서 주로 사용됩니다.
2.2. 심층 여과(Depth Filtration)
심층 여과는 부직포나 규조토(Diatomaceous Earth, DE)와 같은 다공성 매체를 사용하여 입자를 물리적으로 포획하는 방식입니다.
원리: 필터 매체 내부의 구불구불한 통로(tortuous path)를 따라 입자들이 포획됩니다.
장점: 높은 고형물 부하를 효과적으로 처리할 수 있습니다. 멤브레인 필터에 비해 막힘 현상에 강하고, 비교적 저렴합니다.
단점: 여과 후 미세한 필터 매체 입자(leachables)가 용출될 가능성이 있어 추가적인 여과 단계가 필요할 수 있습니다.
주요 적용: 재조합 단백질 생산을 위한 CHO cell culture와 같은 동물 세포 배양액의 초기 정제에 널리 사용됩니다.
심층 필터의 종류
| 필터 종류 | 매체 구성 | 주요 특징 |
| DE(규조토) 필터 | 규조토, 셀룰로오스 | 높은 고형물 처리 능력, 우수한 여과 효율 |
| 셀룰로오스 필터 | 정제된 셀룰로오스 섬유 | 낮은 용출물(leachables), 화학적 안정성 |
| 합성 섬유 필터 | 폴리프로필렌, 나일론 | 내화학성 우수, 미생물 오염 최소화 |
2.3. 멤브레인 여과(Membrane Filtration)
멤브레인 여과는 균일한 기공 크기를 가진 멤브레인을 이용하여 입자를 정밀하게 분리하는 방식입니다.
원리: 표면 여과 방식으로, 멤브레인 기공 크기보다 큰 입자들이 걸러집니다.
장점: 정밀한 여과가 가능하고, 용출물이 거의 없어 최종 제품 품질에 영향을 주지 않습니다.
단점: 고형물 부하가 높을 경우 쉽게 막힐 수 있어, 심층 여과와 같은 전처리 단계가 필요합니다.
주요 적용: 심층 여과 후 미세 입자를 제거하는 폴리싱(polishing) 여과 단계나, 바이러스 제거 등 최종 정제 단계에 주로 사용됩니다.
3. 최적의 Clarification 필터 선택 가이드
클라리피케이션 필터를 선택할 때는 단순히 필터의 성능뿐만 아니라, 공정의 특성과 경제성을 종합적으로 고려해야 합니다. 다음은 필터 선택 시 고려해야 할 핵심 요소들입니다.
3.1. 1단계: 배양액 특성 분석
세포 밀도 및 생존율: 세포 밀도가 높고, 사멸 세포가 많을수록 고형물 부하가 높으므로 심층 여과가 유리합니다.
목표 물질의 크기 및 특성: 단백질과 같은 목표 물질의 크기를 고려하여 필터 기공 크기를 선택해야 합니다.
점도 및 pH: 배양액의 점도가 높을수록 여과 속도가 느려지므로, 압력 손실이 적은 필터를 고려해야 합니다.
3.2. 2단계: 공정 스케일 및 경제성 고려
개발 단계(R&D): 소규모 실험에서는 사용이 간편하고 안정적인 소형 멤브레인 필터나 심층 필터 카트리지를 주로 사용합니다.
임상 단계(Clinical Scale): 중규모 생산에서는 원심분리와 심층 여과를 조합한 하이브리드 공정이 효율적입니다.
상업 생산(Commercial Scale): 대규모 생산에서는 연속 공정이 가능한 원심분리 후 심층 여과와 멤브레인 여과를 순차적으로 적용하는 다단계 공정이 일반적입니다.
| 공정 스케일 | 1차 클라리피케이션 | 2차 클라리피케이션 |
| R&D | 심층 필터 (카트리지) | 멤브레인 필터 (0.2μm) |
| 임상 | 원심분리 또는 대형 심층 필터 | 멤브레인 필터 |
| 상업 | 원심분리 + 심층 필터 | 다단 멤브레인 필터 |
3.3. 3단계: 필터 벤더 및 기술 지원
Pall Corporation이나 Merck Millipore, Sartorius와 같은 주요 바이오 공정 장비 공급 업체들은 다양한 종류의 클라리피케이션 필터와 함께 기술 지원 서비스를 제공합니다. 이들은 특정 공정에 맞는 최적의 필터 조합을 제안하고, 필터 스케일업(scale-up)을 위한 솔루션을 제공합니다.
4. 결론
바이오 공정의 클라리피케이션 단계는 단순한 전처리 과정이 아니라, 전체 공정의 성공을 좌우하는 전략적 단계입니다. 효과적인 클라리피케이션은 후속 정제 단계의 효율을 극대화하고, 비용을 절감하며, 최종 제품의 품질을 보장합니다.
따라서 배양액의 특성을 정확히 이해하고, 공정의 스케일과 경제성을 종합적으로 고려하여 원심분리, 심층 여과, 멤브레인 여과 등의 다양한 옵션 중에서 최적의 조합을 선택하는 것이 중요합니다. 이 과정을 통해 바이오 의약품의 안정적인 생산과 품질 관리를 확보할 수 있습니다.
댓글
댓글 쓰기