바이오 공정의 핵심, 클라리피케이션 POD 뎁스 필터 시료 회수 전략 비교 분석

 

바이오 공정의 핵심, 클라리피케이션 POD 뎁스 필터 시료 회수 전략 비교 분석

바이오의약품 생산 공정에서 클라리피케이션(Clarification)은 전체 다운스트림 프로세스의 효율성과 직결되는 매우 중요한 단계입니다. 특히 뎁스 필터(Depth Filter)는 고농도 세포 배양액의 불순물을 효과적으로 제거하며, 후속 공정의 부하를 줄여주는 핵심적인 역할을 수행합니다. 이 과정에서 필터 내부에 남아있는 유가 물질을 최대한 회수하는 것은 제품 수율(Product Yield)과 공정 경제성(Process Economics)을 결정짓는 중요한 요소입니다. 오늘은 POD 뎁스 필터 시스템에서 시료 회수(Sample Recovery)를 위해 일반적으로 사용되는 Air Purge (에어 퍼지)와 Buffer Flush (버퍼 플러시) 방식의 장단점을 심층적으로 비교 분석하여, 각 공정 조건에 맞는 최적의 회수 전략을 모색하고자 합니다.

1. 뎁스 필터란 무엇인가?

뎁스 필터는 말 그대로 "깊이"를 이용한 필터로, 얇은 막 표면에서 입자를 거르는 멤브레인 필터(Membrane Filter)와 달리 필터 매질의 두꺼운 층을 통과하며 입자를 제거합니다. 셀룰로오스 섬유, 규조토(Diatomaceous Earth) 등의 복합 재료로 구성된 이 필터는 다공성 구조를 통해 미세한 입자들을 걸러내며, 단순히 물리적 체질(Sieving)뿐만 아니라 흡착(Adsorption) 및 관성 충돌(Inertial Impaction)과 같은 다양한 메커니즘을 통해 불순물을 제거합니다.

바이오의약품 공정에서는 주로 세포 배양액에서 세포 및 세포 파편(Cell Debris), 불순물 단백질(HCP), DNA 등을 제거하는 1차 클라리피케이션 단계에 사용됩니다. 최근에는 일회용(Single-Use) 및 모듈형(Modular) 시스템의 도입으로 멸균 및 세척(CIP) 과정이 생략된 POD(Point-of-Use Device) 필터가 널리 사용되고 있으며, 이는 공정의 유연성(Flexibility)과 생산성을 크게 향상시킵니다.

2. 시료 회수의 중요성과 회수 방식의 이해

뎁스 필터 공정에서 중요한 것은 불순물을 제거하면서 동시에 표적 단백질(Target Protein)의 손실을 최소화하는 것입니다. 필터 매질에 흡착되거나 잔류 액체에 포함되어 버려지는 단백질은 전체 수율에 치명적인 영향을 줄 수 있습니다. 따라서 필터 내부에 남아있는 유가 물질을 효과적으로 회수하는 것은 공정 최적화의 필수적인 단계입니다.

시료 회수에는 크게 두 가지 방식이 사용됩니다:

• Air Purge (에어 퍼지): 압축 공기나 질소 가스(Nitrogen)를 필터의 상단 또는 하단에 주입하여 잔류 액체를 밀어내는 방식입니다.

• Buffer Flush (버퍼 플러시): 공정 버퍼를 필터에 주입하여 잔류 액체 및 흡착된 단백질을 씻어내는 방식입니다.

3. Air Purge 방식의 장단점

3.1. Air Purge의 장점

• 높은 유가 물질 회수율: 압축 가스의 강력한 압력은 필터 매질 내부에 잔류하는 액체를 효과적으로 밀어내어, 물리적으로 남아있는 유가 물질을 최대한 회수할 수 있습니다. 이는 특히 고가의 바이오의약품 생산 시 경제성을 높이는 데 크게 기여합니다.

• 공정 시간 단축: Buffer Flush에 비해 공정 시간이 짧아 전체 생산 리드 타임(Lead Time)을 줄일 수 있습니다. 이는 특히 빠른 회전율(Turnover)이 요구되는 상업 생산에서 큰 이점입니다.

• 추가 버퍼 사용량 절감: Air Purge는 버퍼를 사용하지 않기 때문에, 버퍼 제조 및 폐기 비용을 절감할 수 있습니다. 이는 공정 경제성(Process Economics) 측면에서 큰 장점으로 작용합니다.

3.2. Air Purge의 단점

• 단백질 변성 및 거품 발생 위험: 압축 공기 주입 시 발생하는 공기와 액체의 계면(Interface)은 표적 단백질의 계면 변성(Interfacial Denaturation)을 유발할 수 있습니다. 또한, 격렬한 공정 조건은 거품(Foam)을 생성하여 단백질의 활성(Activity) 손실을 초래할 수 있습니다.

• 불안정한 공정 조건: 가스의 압력과 유량 조절이 불안정할 경우, 필터 내부의 압력 변화가 급격하게 발생하여 필터 매질 손상 또는 미세 입자 유출을 야기할 수 있습니다.

• 불안정한 수율 재현성: 압력 제어가 완벽하지 않을 경우, 배치(Batch) 간 수율 재현성이 낮아질 수 있습니다. 이는 품질 관리(Quality Control) 측면에서 불리하게 작용합니다.

4. Buffer Flush 방식의 장단점

4.1. Buffer Flush의 장점

• 높은 단백질 회수 효율 및 안정성: 공정 버퍼를 사용하여 필터 내부에 흡착된 단백질을 용출(Elute)시킬 수 있어, 단순히 잔류 액체를 밀어내는 Air Purge보다 더 높은 회수율을 달성할 수 있습니다. 특히 이온 교환(Ion Exchange)이나 소수성 상호작용(Hydrophobic Interaction)을 통해 필터에 흡착된 단백질을 효과적으로 회수하는 데 유리합니다.

• 낮은 단백질 변성 위험: 공기와 액체의 계면이 형성되지 않아 단백질 변성 및 거품 발생 위험이 현저히 낮습니다. 이는 단백질의 구조적 안정성을 유지하는 데 필수적이며, 최종 제품의 품질(Product Quality)을 보장하는 데 매우 중요합니다.

• 안정적인 공정 제어: 액체를 이용한 플러시는 압력과 유량 제어가 비교적 안정적이므로, 필터 손상이나 수율 재현성 문제로부터 자유롭습니다.

• 흡착 용량 활용 극대화: 뎁스 필터의 흡착 특성(Adsorptive Properties)을 적극적으로 활용하여 불순물은 제거하고 유가 물질은 버퍼 플러시를 통해 회수하는 이중 효과를 얻을 수 있습니다.

4.2. Buffer Flush의 단점

• 추가적인 버퍼 사용량 및 비용: 시료 회수를 위해 상당량의 버퍼를 사용해야 합니다. 이는 버퍼 제조 비용뿐만 아니라 폐수 처리 비용까지 증가시켜 공정 운영 비용(Operating Cost)을 높이는 요인이 됩니다.

• 공정 시간 증가: Air Purge에 비해 플러시를 위한 시간이 추가적으로 소요됩니다. 이는 전체 공정의 처리량(Throughput)을 감소시킬 수 있습니다.

• 회수된 용액의 희석(Dilution): 버퍼 플러시로 회수된 시료는 원액에 비해 희석될 수 있습니다. 이는 후속 공정(예: 크로마토그래피)에서 부하량을 증가시키거나 농축 단계가 추가로 필요하게 만들 수 있습니다.

5. 실제 사례 분석 및 결론

글로벌 바이오 제약 기업인 사토리우스(Sartorius)의 Sartoclear® Depth Filters와 머크(Merck)의 Clarisolve® Depth Filters와 같은 최신 POD 시스템들은 Air Purge와 Buffer Flush 방식을 모두 지원하며, 각 공정의 특성에 맞게 회수 전략을 최적화할 수 있도록 설계되었습니다.

• 고농도 항체 생산 공정: 단백질의 손실을 최소화하는 것이 가장 중요한 고농도 항체 생산 공정에서는 Buffer Flush 방식을 선호하는 경향이 있습니다. 특히 필터 매질에 단백질이 흡착될 가능성이 높거나, 단백질의 구조적 안정성이 중요한 경우 Buffer Flush를 통해 높은 회수율과 품질을 동시에 확보할 수 있습니다.

• 단순 불순물 제거 및 대량 생산: 수율 손실이 상대적으로 용인 가능한 단순 불순물 제거 공정이나 생산 효율성이 중요한 대량 생산 공정에서는 Air Purge를 통해 공정 시간을 단축하고 버퍼 사용량을 절감하는 전략을 채택할 수 있습니다.

구분	Air Purge (에어 퍼지)	Buffer Flush (버퍼 플러시)
장점	공정 시간 단축, 버퍼 사용량 절감, 높은 물리적 잔류액 회수율	높은 단백질 회수율, 단백질 변성 위험 낮음, 안정적인 공정 제어
단점	단백질 변성/거품 위험, 불안정한 공정 제어, 낮은 수율 재현성	버퍼 사용량/비용 증가, 공정 시간 증가, 회수액 희석
최적 적용	수율보다 공정 효율이 중요한 경우, 단백질 안정성이 크게 민감하지 않은 경우	높은 수율과 단백질 안정성이 필수적인 경우, 필터에 단백질 흡착이 예상되는 경우

6. 결론 및 제언

바이오 공정 엔지니어는 단순히 필터의 성능만을 고려하는 것이 아니라, 총체적인 공정 경제성(Overall Process Economics)과 제품 품질(Product Quality)을 종합적으로 고려하여 최적의 시료 회수 전략을 수립해야 합니다. 일반적으로는 두 가지 방식의 장점을 모두 활용하는 하이브리드 전략이 가장 효과적일 수 있습니다. 예를 들어, 소량의 버퍼로 1차 플러시를 진행하여 단백질 흡착량을 최소화한 후, Air Purge를 통해 잔류 액체를 완전히 밀어내는 방식입니다.

궁극적으로, 바이오 공정의 최적화는 끊임없는 실험과 데이터 분석을 통해 각 유가 물질(Product)과 공정 조건(Process Condition)에 맞는 최적의 회수 프로토콜을 확립하는 과정입니다. 오늘 다룬 Air Purge와 Buffer Flush의 심도 깊은 비교 분석이 여러분의 바이오 공정 개발에 실질적인 도움이 되기를 바랍니다.