최근 몇 년간 바이오의약품 산업은 눈부신 발전을 거듭하며, 특히 항체 의약품(MAb) 생산량 증대를 위한 고밀도 세포 배양 기술이 빠르게 진화하고 있습니다. 세포 농도가 높아질수록 생산성이 향상되는 것은 분명한 사실이지만, 그만큼 후속 공정인 수확(Harvest) 및 정제(Purification) 단계에서 예상치 못한 병목 현상이 발생하기도 합니다. 특히 세포 배양액에서 목적 단백질(MAb)을 분리하는 첫 단계인 세포 제거(Clarification)는 공정 전체의 효율을 좌우하는 중요한 과정입니다.
고농도 세포 배양액은 세포 파편과 불순물이 많아 기존의 원심분리나 심층 여과만으로는 충분한 세포 제거 효율을 얻기 어렵습니다. 필터 막힘 현상은 생산성 저하와 비용 증가로 직결되죠. 이러한 문제를 해결하기 위해 최근 주목받고 있는 기술이 바로 응집(Flocculation)과 여과(Filtration)를 결합한 하이브리드 공정입니다.
응집(Flocculation)의 과학: 미세 입자를 덩어리로 뭉치는 기술
응집은 콜로이드 상태의 미세 입자들이 서로 뭉쳐 침전되거나 여과하기 쉬운 크고 무거운 덩어리(Floc)를 형성하는 현상을 말합니다. 바이오 공정에서는 주로 양이온성 응집제(Cationic Flocculants)를 사용하여 세포와 세포 파편의 표면 전하를 중화시키고, 이들이 서로 엉겨 붙도록 유도합니다.
고농도 세포 배양액의 불순물은 대부분 음전하를 띠고 있습니다. 여기에 양전하를 띠는 응집제, 예를 들어 폴리디메틸디알릴암모늄클로라이드(poly-DADMAC)나 키토산(chitosan) 같은 물질을 첨가하면 정전기적 인력에 의해 불순물 입자들이 서로 결합하게 됩니다. 마치 자석이 쇠붙이를 끌어당기듯 말이죠. 이렇게 생성된 플록은 기존의 미세 입자보다 크기가 훨씬 커져서 후속 여과 단계에서 필터의 부하를 현저히 줄여줍니다.
응집제 선택의 중요성
응집제를 선택할 때는 다음과 같은 점들을 고려해야 합니다.
효과: 소량으로도 뛰어난 응집 효과를 보여야 합니다.
안전성: 목적 단백질(MAb)에 영향을 주지 않고, 독성이 없어야 합니다.
경제성: 저렴하고 쉽게 구할 수 있어야 합니다.
이러한 측면에서 폴리디메틸디알릴암모늄클로라이드(poly-DADMAC)는 비교적 저렴하면서도 효과가 좋아 많이 사용되는 응집제 중 하나입니다. 또한 천연 유래 물질인 키토산은 생체 적합성이 높아 안전하다는 장점이 있습니다.
응집-심층여과(Flocculation-Depth Filtration) 공정의 시너지 효과
응집 공정은 그 자체로도 효과적이지만, 심층여과(Depth Filtration)와 결합했을 때 진정한 시너지를 발휘합니다. 심층여과는 여러 층의 여과 매체로 이루어져 있어, 필터 표면뿐만 아니라 내부에서도 불순물을 포획하는 특징을 가지고 있습니다. 일반적인 막 여과(Membrane Filtration)가 주로 표면에서 거르는 것과는 대조적이죠.
응집 공정을 거친 후, 크고 뭉쳐진 플록은 심층 여과 필터의 표면에서 쉽게 걸러지며, 미처 뭉치지 못한 미세 입자들은 필터의 깊은 층으로 들어가 포획됩니다. 이 덕분에 필터 막힘 현상이 크게 줄어들고, 필터 수명이 연장되며, 공정 처리량이 늘어나는 효과를 얻을 수 있습니다.
MAb 수확 효율 극대화의 핵심, 하이브리드 공정은 특히 다음과 같은 이점을 제공합니다.
필터 막힘 현상 감소: 응집을 통해 불순물 입자 크기를 키워 심층 여과 필터의 부하를 줄여줍니다.
공정 처리량 증대: 필터 수명이 길어지고 막힘 현상이 줄어들어, 단위 시간당 처리할 수 있는 배양액의 양이 늘어납니다.
수율 향상: MAb가 플록에 포획되는 것을 최소화하면서 불순물 제거 효율을 높여, 최종 수율을 향상시킬 수 있습니다.
후속 공정 효율 개선: 불순물이 효과적으로 제거된 배양액은 프로틴 A 크로마토그래피(Protein A Chromatography)와 같은 정제 공정의 효율을 높이는 데 기여합니다.
MAb 생산의 미래를 위한 필수 전략
고농도 세포 배양 기술의 발전은 바이오의약품 생산성을 획기적으로 높였지만, 동시에 후속 공정의 도전을 불러왔습니다. 응집(Flocculation)과 심층여과(Depth Filtration)를 결합한 하이브리드 공정은 이러한 도전에 대한 효과적인 해답을 제시합니다. MAb 수확 효율을 극대화하고, 공정 비용을 절감하며, 최종 제품의 품질을 안정적으로 확보하는 이 기술은 바이오의약품 생산의 미래를 위한 필수 전략으로 자리매김할 것입니다.
바이오 공정의 혁신은 계속되고 있습니다. 다음번에는 또 다른 흥미로운 바이오 공정 기술에 대해 깊이 있는 이야기를 나누어 보도록 하겠습니다. 감사합니다!
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