바이오 의약품 개발의 여정은 험난하고 복잡합니다. 특히 실험실에서 성공적인
결과를 얻은 공정을 상업 생산 규모로 확장하는
바이오 공정 스케일업
과정은 단순한 크기 확대 이상의 복잡한 공학적, 경제적 도전을 수반합니다. 이
과정에서 발생하는 수많은 변수와 불확실성은 기업의 성공 여부를 결정짓는
중요한 요소가 됩니다. 본 글에서는 바이오 공정 스케일업의 본질과 직면하는
전통적인 과제들, 그리고 이를 극복하기 위한 혁신적인 디지털 솔루션들을
심층적으로 다뤄보겠습니다.
1. 스케일업의 본질과 주요 도전 과제
바이오 공정 스케일업은
실험실 규모(bench-scale)에서 개발된 공정을 파일럿(pilot) 규모를 거쳐 최종
상업 생산(commercial-scale) 규모로 확대하는 일련의 과정을 의미합니다. 이 과정은 단순히 배양액의 양을 늘리거나, 장비의 크기를
키우는 것만으로는 충분하지 않습니다. 규모가 커짐에 따라 공정의 물리적,
화학적 환경이 크게 변하기 때문입니다.
성공적인 스케일업은 다음과 같은 이유로 바이오 의약품 상업화에 필수적입니다.
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경제성 확보: 대규모 생산을 통해 단위 생산 비용을 절감하여 시장 경쟁력을
확보합니다.
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안정적인 공급: 환자들에게 필요한 의약품을 중단 없이 안정적으로 공급할 수 있습니다.
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품질 일관성 유지: 규모 변화에도 불구하고 초기 개발 단계와 동일한 품질의 제품을 생산할
수 있어야 합니다.
스케일업 과정에서 가장 중요하게 고려해야 할 요소는
규모 변화에 따른 공정 변수의 재설정입니다. 특히 세포 배양 공정에서는 다음 변수들을 면밀히 검토해야 합니다.
1.1. 산소 전달율 (Oxygen Transfer Rate, OTR)
세포는 생존과 증식을 위해 충분한 산소를 필요로 합니다. 스케일업 시 배양기
크기가 커지면 부피 대비 표면적 비율이 감소하여 산소 전달 효율이 떨어집니다.
이를 보완하기 위해 교반 속도를 높이거나, 공기 주입량을 늘리는 등의 조치를
취하지만, 이는 전단 응력(shear stress) 증가로 이어져 세포 손상을 유발할 수
있습니다.
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실험실 규모 (5L)
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상업 생산 규모 (20,000L)
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비고
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교반 속도
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100-200 rpm
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20-50 rpm
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전단 응력 최소화
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공기 주입량
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0.5-1.0 vvm
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0.2-0.5 vvm
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기포 크기, 분포 변화
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OTR
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200 mmol/L/hr
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100 mmol/L/hr
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산소 공급량 저하 가능성
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1.2. 혼합 및 전단 응력 (Mixing and Shear Stress)
대규모 배양기에서는 하부와 상부의 용존 산소, pH, 영양분 농도 등에 차이가
발생하는
불균일성(heterogeneity)
문제가 심화됩니다. 이는 세포의 성장과 생산성을 저해하며, 균일한 혼합을 위해
교반 속도를 높이면 세포에 치명적인 전단 응력이 가해질 수 있습니다. 특히
CHO(Chinese Hamster Ovary) 세포와 같은 동물 세포는 전단 응력에 매우
민감합니다.
1.3. 공정 제어의 복잡성
온도, pH, 용존 산소량 등 다양한 공정 변수를 실시간으로 모니터링하고 제어하는
것이 중요합니다. 하지만 대규모 시스템에서는 센서의 위치, 응답 속도, 측정
정확도 등의 문제로 인해
균일한 제어가 어려워집니다.
2. 디지털 트윈과 AI/머신러닝을 활용한 혁신적인 스케일업 전략
전통적인 시행착오 방식의 스케일업은 막대한 시간과 비용을 소모하며 실패의
위험이 큽니다. 최근에는
AI와 머신러닝 기술을 활용하여 이러한 문제를 해결하려는 시도가 활발히 이루어지고 있습니다.
특히
디지털 트윈(Digital Twin)
기술은 바이오 공정 스케일업의 패러다임을 바꾸고 있습니다.
2.1. 디지털 트윈의 개념과 역할
디지털 트윈은
물리적인 실제 공정을 가상의 디지털 공간에 그대로 구현한 것을 의미합니다. 센서와 데이터 분석 기술을 통해 실제 공정의 데이터를
실시간으로 반영하며, 가상 환경에서 다양한 변수를 시뮬레이션해 볼 수
있습니다. 이 가상 모델은 실제 시스템의 행동을 예측하고 최적화하는 데
사용됩니다.
2.2. AI/머신러닝 기반 스케일업의 장점
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가상 시뮬레이션: AI 모델은 실험실 규모의 데이터를 기반으로 대규모 배양 환경에서 발생할
수 있는 혼합, 산소 전달 등의 현상을 정확하게 예측합니다. 이를 통해
수많은 시행착오를 가상으로 진행하여 최적의 공정 변수를 미리 찾을 수
있습니다.
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예측 분석: 과거의 성공 및 실패 데이터를 학습한 AI 모델은 새로운 스케일업
시도에서 발생할 수 있는 잠재적 위험 요소를 예측하고, 이에 대한 해결책을
제안합니다.
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비용 및 시간 절감: 실제 파일럿 실험을 최소화하여 연구 개발에 드는 시간과 비용을
획기적으로 줄일 수 있습니다.
2.3. 실제 적용 사례: 머크(Merck)와 싸토리우스(Sartorius)
머크(Merck)는 지멘스(Siemens)와의 협력을 통해 디지털 트윈 및 AI 기반 분석을
공정 개발 및 스케일업에 적용하고 있습니다. 이들은 공정 시뮬레이션
소프트웨어를 활용하여
스케일업 시 최적의 교반 속도, pH 조절 전략 등을 가상으로 검증하고, 실제 파일럿 실험 횟수를 줄여 개발 시간을 단축했습니다. 이들의 전략은
특히 연속 생산 공정(continuous manufacturing)과 같은 첨단 공정 개발에 큰
도움을 주고 있습니다. (출처: Siemens Global 웹사이트, Merck Group
웹사이트)-
싸토리우스(Sartorius)는 바이오 공정 장비 및 솔루션 전문 기업으로서, 자체
개발한 소프트웨어 솔루션을 통해 고객사의 스케일업을 지원합니다. 이와 같은
솔루션은 실험 데이터를 입력하면 AI 모델이 최적의 대규모 공정 조건을
제안하여, 고객사가
리스크를 최소화하고 안정적인 상업 생산으로 전환할 수 있도록 돕습니다. 이 기술은 특히 공정 개발 단계에서부터 스케일업
가능성을 예측하고 최적의 조건을 탐색하는 데 중요한 역할을 합니다. (출처:
싸토리우스코리아 웹사이트)
3. 스케일업 성공을 위한 통합적 접근
성공적인 스케일업은 단순히 하나의 기술이나 전략에 의존하는 것이 아니라, 여러
요소들을 통합적으로 고려할 때 가능합니다.
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데이터 기반 의사결정: 실험실에서부터 상업 생산에 이르기까지 모든 단계에서 체계적인 데이터를
수집하고 분석해야 합니다. 이는 AI/머신러닝 모델의 정확도를 높이는 기반이
됩니다.
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협업과 소통: 공정 개발 연구원, 공정 엔지니어, 생산 담당자 등 다양한 전문가들이
스케일업 초기 단계부터 긴밀하게 협력해야 합니다. 디지털 트윈과 같은 가상
플랫폼은 이러한 협업을 촉진하는 도구 역할을 합니다.
-
규제 준수: 스케일업 과정에서 공정 변경이 발생할 경우, 규제 당국(예: FDA)의
가이드라인을 준수해야 합니다. 데이터와 시뮬레이션 결과를 통해 공정의
동등성(comparability)을 입증하는 것이 중요합니다.
4. 결론
바이오 공정 스케일업은 여전히 도전적인 과제이지만, 디지털 전환(Digital
Transformation)의 물결을 타고 새로운 해법들이 제시되고 있습니다. AI와
머신러닝, 디지털 트윈 기술은 바이오 의약품 개발의 불확실성을 줄이고,
성공적인 상업 생산의 길을 열어주는 핵심 도구가 될 것입니다. 앞으로 바이오 전문가는 이러한 첨단 기술을 적극적으로
활용하여 더 빠르고 효율적인 방법으로 환자들에게 희망을 전달할 수 있을
것입니다.
참고 자료:
"Bioprocess digital twins: Merck Case Study" - Siemens Global 웹사이트
(https://www.siemens.com/global/en/products/automation/topic-areas/process-industries/software-for-process-industries/bioprocess-digital-twins-webinar-merck.html)
"Digital Twins: Accelerating R&D, Manufacturing & Supply Chain" -
Merck Group 웹사이트 (https://www.merckgroup.com/en/research/science-space/envisioning-tomorrow/smarter-connected-world/digital-twins.html)
"BioPAT® Process Insights 소프트웨어 - 예측적 바이오리액터 스케일업" -
싸토리우스코리아 웹사이트 (https://www.sartorius.co.kr/html/html.php?id=biopatprocessinsights)
"A Holistic Approach to Process Scale-Up" - 싸토리우스코리아 웹사이트
(https://www.sartorius.com/en/pr/webinar-a-holistic-approach-to-process-scale-up)
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