교반은 배양육 생산에서 중요하며, 세포가 산소와 영양분을 받으면서 폐기물 축적을 피할 수 있도록 합니다. 그러나 과도한 교반은 세포 분리, 막 손상, 성장 감소와 같은 문제를 일으킵니다. 특히 대규모 생물 반응기에서는 작은 조정도 생산에 영향을 미칠 수 있으므로 적절한 균형을 찾는 것이 필수적입니다.
핵심 요약:
- 최적의 교반: 연구에 따르면 교반 탱크 반응기에서 60 rpm이 영양분 전달과 전단 응력을 균형 있게 유지하는 데 이상적입니다.
-
생물 반응기 유형:
- 교반 탱크: 효과적인 혼합이 가능하지만 높은 전단 응력의 위험이 있습니다.
- 웨이브 생물 반응기: 부드러운 혼합이 가능하지만 산소 전달에 제한이 있습니다.
- 에어리프트 시스템: 낮은 응력으로 균일한 혼합이 가능하지만 정밀한 제어가 필요합니다.
- 보호 조치: Poloxamer 188과 같은 첨가제와 무기포 산소화는 세포 손상을 줄입니다.
- 확장 도전 과제: 더 큰 시스템은 전단 위험을 증가시켜 정밀한 모니터링과 CFD 모델링이 필요합니다.
세포의 무결성을 보호하면서 배양육 생산을 확장하기 위해서는 정밀한 교반 제어가 중요합니다.
교반이 세포 성장과 생존에 미치는 영향
최근 연구 결과
최근 연구는 세포 성장과 생존에 영향을 미치는 특정 교반 임계값을 밝혀냈습니다. 예를 들어, 100 mL 교반 탱크 생물반응기에서 FS-4 세포를 마이크로캐리어에 사용한 ABM-CFD 연구는 60 rpm이 최적의 혼합 속도임을 보여주었습니다. 이 속도에서 영양소와 산소가 고르게 분포되며 전단 응력이 0–80 mPa 사이에 유지됩니다. 그러나 60 rpm을 초과하면 증가된 힘으로 인해 세포 손상과 분리가 발생합니다.220 rpm에서 임펠러 레이놀즈 수는 1,444에서 5,294.7로 급증하여 난류 흐름으로의 전환을 나타냅니다. 이 난류는 미세 운반체보다 작은 소용돌이를 생성하여 세포와 그 막에 해를 끼칠 수 있습니다 [2].
인간 제대 유래 중간엽 줄기세포에 초점을 맞춘 또 다른 연구에서는 교반 강도의 약간의 증가조차도 부착률을 크게 감소시킨다는 점을 강조했습니다. 이는 부착 세포가 기계적 스트레스에 매우 민감하다는 것을 보여줍니다 [6].
이러한 발견은 혼합 속도를 정확하게 보정하는 것이 중요하며, 이는 지속적인 개선의 주요 영역으로 남아 있음을 강조합니다.
적절한 혼합 강도 찾기
주요 과제는 미세 운반체를 부유시키는 데 필요한 최소 교반 속도(N<sub>js</sub>)를 전단 응력 한계를 넘지 않도록 균형을 맞추는 것입니다.고기 세포의 경우, 이상적인 조건은 약 1 mW·kg⁻¹의 에너지 소산율과 10초 미만의 혼합 시간을 포함합니다 [1].
"세포에 과도한 기계적 스트레스를 가하지 않으면서 세포에 유리한 미세 및 거시 환경을 유지하려면 생물 반응기 설계 및 프로세스의 혁신과 최적화가 필요합니다" [2].
과도한 교반은 두 가지 손상 효과를 가질 수 있습니다: 스트레스가 임계값을 초과할 때 즉각적인 세포 사멸과 누적 스트레스로 인한 휴면 상태. 두 결과 모두 생산성을 저해합니다. 이는 교반 강도에 대한 정밀한 제어가 상업적 성공을 위한 중요한 요소가 되게 하며, 특히 대규모 생산에서 그렇습니다. 20 m³와 같은 큰 부피의 시스템에서는 최소한의 교반조차도 세포 분리를 초래할 수 있어, 세포 생존력을 유지하면서 규모를 확장하는 복잡성을 강조합니다.
생물반응기 소개: 혼합, 교반 & 전단
생물반응기 혼합 방법 및 그 효과
배양육 생산을 위한 생물반응기 유형 비교
다양한 생물반응기 시스템 비교
생물반응기의 설계는 영양분 분배를 균형 있게 하고 기계적 스트레스를 관리하는 데 중요한 역할을 합니다. 각 유형의 생물반응기는 독특한 혼합 조건을 만들어내며, 이는 세포의 생존과 생산성에 직접적인 영향을 미칩니다. 적절한 시스템을 선택하는 것은 효율적인 영양분 전달과 세포에 해를 끼칠 수 있는 기계적 힘을 최소화하는 것 사이의 균형을 찾는 것을 의미합니다.
교반 탱크 생물반응기는 기계적 임펠러를 사용하여 배양액을 혼합합니다. 러스턴 임펠러는 방사형 흐름을 생성하여 특히 임펠러 팁 근처에서 국부적인 전단 영역을 형성합니다.반면에, 피치드 블레이드 및 마린 블레이드 임펠러는 더 부드러운 흐름을 만들어 섬세한 포유류 세포에 더 적합합니다. 2025년 3월에 상하이의 생물반응기 공학 국가중점실험실 에서 실시한 연구에서는 CHO-K1 세포의 성능을 교반 탱크와 궤도형 셰이커 생물반응기에서 비교했습니다. 교반 탱크 시스템은 520 rpm에서 71.6 × 10⁶ cells/mL을 달성한 반면, 궤도형 셰이커 시스템은 단 100 rpm에서 83 × 10⁶ cells/mL에 도달했습니다 [4].
웨이브(록킹) 생물반응기는 임펠러를 완전히 제거하고, 트레이 위에서 흔들리는 일회용 백을 사용하여 혼합을 위한 부드러운 파동을 만듭니다. 이 낮은 전단 환경은 취약한 세포주에 이상적입니다. 그러나 이러한 시스템은 표면 공기에 의존하므로 고밀도 배양에서 산소 전달을 제한할 수 있습니다. 효과적인 파동 형성을 유지하기 위해 작업 용량은 백의 총 용량의 50%로 제한됩니다 [7].
에어리프트 바이오리액터는 기체 스파징을 통해 리저와 다운커머 사이의 액체를 순환시키는 공압 혼합을 사용합니다. 내부에 움직이는 부품이 없기 때문에, 에어리프트 시스템은 교반 탱크에 비해 균일한 에너지 소산과 낮은 전단력을 제공합니다. 웨이브 바이오리액터와 달리, 에어리프트 설계는 효율적인 순환으로 인해 더 나은 산소 전달을 제공합니다 [7] .
| 바이오리액터 유형 | 혼합 메커니즘 | 전단 응력 | 달성된 세포 밀도 | 주요 제한점 |
|---|---|---|---|---|
| 교반 탱크 | 기계적 임펠러 | 높음 (국부적) | 71.6 × 10⁶ cells/mL | 임펠러 팁 손상 위험 |
| 궤도형 쉐이킹 | 용기 회전 | 중간 | 83 × 10⁶ cells/mL | 전단 응력의 피크 |
| 웨이브 (록킹) | 수평 록킹 | 매우 낮음 | 높음 | 제한된 산소 전달 |
| 에어리프트 | 가스 스파징 | 낮음 (균일) | 높음 | 정확한 가스 제어 필요 |
"교반 탱크 반응기에서... 국부적인 임펠러 혼합은 세포가 기계적 스트레스를 경험하게 하는 큰 전단 구배를 생성합니다." – Cellexus [7]
바이오리액터가 확장됨에 따라 혼합 효율과 세포 보호 간의 절충이 더욱 명확해집니다.교반 탱크 시스템은 영양분을 분배하는 데 매우 효과적이지만, 고전단 영역에서 세포 손상을 피하기 위해 속도를 신중하게 조정해야 합니다. 반면에, 파동 및 에어리프트 바이오리액터는 부드러운 혼합을 제공하여 전단 응력의 위험을 줄이지만, 밀집된 배양에서 산소 전달에 어려움을 겪을 수 있습니다. 이러한 비교는 대규모 생물 공정을 최적화하면서 세포의 무결성을 보호하기 위해 필요한 섬세한 균형을 강조합니다.
sbb-itb-ffee270
전단 응력 감소 및 세포 성장 개선
새로운 바이오리액터 설계 및 보호 첨가제
전단 응력을 최소화하는 것은 배양육 생산에서 세포 성장을 촉진하는 데 필수적입니다. 바이오리액터 설계의 혁신과 보호 첨가제의 사용은 세포 생존율과 혼합 효율성을 크게 향상시켰습니다.유망한 접근 방식 중 하나는 궤도형 셰이킹 바이오리액터를 사용하는 것으로, 이는 임펠러 구동 혼합 및 기포 파열로 인한 손상성 전단력을 피하기 위해 용기 운동과 표면 공기를 이용합니다. 이러한 시스템은 전통적인 교반 탱크 시스템의 71.6 × 10⁶ cells/mL에 비해 83 × 10⁶ cells/mL의 인상적인 결과를 보여주었습니다 [4] .
교반 탱크 시스템에서는 임펠러의 기하학적 구조도 차이를 만듭니다. 방사형 러스톤 임펠러는 세포가 "고요한" 영역에서 회복할 수 있는 흐름 패턴을 만들어 높은 전단력의 영향을 줄입니다. TTP의 연구자들이 관찰한 바와 같이:
방사형 러스톤 임펠러 반응기에서의 세포는 고요한 단계 동안 회복되며, 이는 이중 축 임펠러 시스템의 세포와 다릅니다 [5].
배양육 생산에서 최적의 결과를 얻기 위해 임펠러 팁 속도를 0.6–1.8 m/s는 세포 성장을 보호하기 위해 권장됩니다[9] .
Poloxamer 188 (Pluronic F-68)와 같은 보호 첨가제는 기포 형성과 파열 시 세포를 손상으로부터 보호하며, 가스-액체 계면에서 표면 장력을 줄임으로써 중요한 역할을 합니다. Poloxamer 188의 이상적인 농도는 1 g/L이며, 더 많은 양은 추가적인 이점을 거의 제공하지 않습니다 [9]. 미세 운반체에서 성장하는 부착 세포의 경우, 간헐적인 교반 체계가 결과를 더욱 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어, 파종 단계에서 30분 OFF, 5분 ON 패턴을 사용하면 비드 간 전이를 촉진하면서 유체 역학적 스트레스를 최소화할 수 있습니다. 이 접근 방식은 소 위성 세포가 3 × 10⁶ cells/mL [3] 의 밀도에 도달할 수 있도록 했습니다.
이러한 설계 및 첨가 전략 외에도 산소 전달을 개선하면 전단 응력을 더욱 줄일 수 있습니다.
버블 없는 산소 공급 사용
버블 없는 산소 공급은 세포를 전단 손상으로부터 보호하는 또 다른 효과적인 방법을 제공합니다. 가스-액체 계면에서의 버블 파열은 10⁶ to 10⁸ W/m³에 달하는 에너지 소산율을 생성할 수 있으며, 이는 대부분의 포유류 세포가 견딜 수 있는 10⁴ W/m³의 아임계 임계값을 훨씬 초과합니다 [9] . 버블을 제거함으로써 이 방법은 고밀도 배양을 보호하는 데 도움이 됩니다.
일반적으로 궤도형 셰이커 및 록킹 바이오리액터에서 사용되는 표면 공기 공급은 전단력을 줄이는 데 특히 효과적입니다.최근 연구에서 강조된 바와 같이:
OSB는 전통적인 임펠러 블레이드와 기포 형성 또는 파손으로 인한 전단 손상을 효과적으로 완화하기 위해 용기 본체의 움직임과 표면 공기 공급을 활용합니다 [4].
흔들림 생물반응기는 배양육 생산에서도 유망성을 보입니다. 일회용성, 낮은 운영 비용, 부드러운 유체역학적 환경과 같은 장점을 제공합니다 [8].
그러나 표면 공기 공급은 매우 높은 세포 밀도에서 도전에 직면합니다. 예를 들어, 궤도형 흔들림 생물반응기는 100 rpm에서 산소 질량 전달 계수(kLa) 20.12 h⁻¹를 달성하여 이론적으로 118 × 10⁶ cells/mL까지의 세포 밀도를 지원합니다.실제로는 세포 밀도가 80 × 10⁶ cells/mL를 초과하면 현탁액의 점도가 증가하여 비뉴턴성, 전단 박화 거동을 나타내어 산소 전달 효율이 감소합니다. 이는 세포 밀도가 증가함에 따라 신중한 최적화의 필요성을 강조합니다.
대규모 생산을 위한 교반 제어
혼합 속도 조정 및 모니터링 시스템
대규모 시스템에서는 교반에 대한 정밀한 제어를 유지하는 것이 중요합니다. 처음 24시간 동안은 혼합 속도를 30–50 rpm 사이로 유지하여 미세 운반체에 대한 세포 부착을 최적화하는 것이 권장됩니다 [6] . 중국 동화과학기술대학교의 2022년 6월 연구는 이 접근법의 중요성을 강조합니다: 45 rpm에서 인간 제대 유래 중간엽 줄기 세포는 98.68% 부착률 첫째 날, 반면 속도를 55 rpm으로 증가시키면 부착률이 51.32%로 급락했습니다 [6] .
부착 단계 후, 세포 응집을 방지하기 위해 교반은 약간의 정지 속도(N₍JS₎)를 초과해야 합니다. 연구에 따르면 1.3 × N₍JS₎ 근처의 교반 강도를 유지하면 세포 성장을 지원하지만, 이를 2 × N₍JS₎로 초과하면 부착 효율이 감소하여 성장이 저해됩니다 [10] .
운영 마진이 좁기 때문에 지속적인 모니터링이 중요합니다. BioStar 1.5c 바이오리액터와 같은 시스템은 용존 산소(DO) 및 pH 프로브로부터의 실시간 피드백을 기반으로 교반 및 가스 흐름을 조정하기 위해 고급 소프트웨어를 사용합니다 [6].광학 DO 센서는 여기서 중요한 역할을 하며, DO 수준이 설정된 임계값 - 일반적으로 40% - 이하로 떨어질 때만 교반을 미세 조정하여 전단 응력을 최소화합니다 [7] [6]. 동중국 팀은 Mettler Toledo 프로브를 사용하여 DO를 40%로, pH를 7.2로 유지하는 이 방법을 사용했습니다. 이 접근 방식은 최대 세포 밀도가 27.3 × 10⁵ cells/mL에 도달하여 표준 배치 배양 기술보다 2.9배 향상되었습니다 [6].
확대할 때, 전산 유체 역학(CFD) 모델은 전단 한계를 초과하지 않고 미세 운반체를 부유시키기 위한 최적의 임펠러 속도를 결정하는 데 매우 유용합니다 [10][6]. 단순히 용기 간의 rpm을 맞추는 대신, CFD 분석은 반응기 간의 부피 평균 전단 변형률을 맞추는 것을 제안합니다.이것은 200 mL 스피너 플라스크에서 1.5 L 바이오리액터로 확장하는 것과 같은 더 큰 바이오리액터에서 유체역학적 환경이 세포 성장에 적합하게 유지되도록 보장합니다 [6].
이러한 전략은 고급 바이오리액터 시스템으로 전환할 때 정밀한 제어 및 모니터링의 중요성을 강조합니다.
특수 장비 찾기 Cellbase
배양육 생산에 적합한 장비를 조달하는 것은 까다로울 수 있습니다. 표준 실험실 공급 플랫폼은 저전단 임펠러나 고밀도 포유류 세포 배양에 맞춘 광학 용존 산소 센서와 같은 이 분야의 특정 요구를 충족하지 못하는 경우가 많습니다. 이때
배양육 산업을 위한 최초의 전용 B2B 마켓플레이스로서,
모니터링 시스템을 업그레이드하거나 특수 부품을 조달하는 경우,
결론
산소와 영양소 전달의 균형을 맞추면서 유해한 전단 응력을 피하는 것이 배양육 바이오리액터에서 교반을 최적화하는 핵심입니다. 연구에 따르면 적절한 바이오리액터 설계를 선택하고, 혼합 속도를 미세 조정하며, 보호 전략을 사용하는 것으로 이를 달성할 수 있습니다.
간헐적 교반, 방사형 러스턴 임펠러, CFD(전산 유체 역학)를 통한 실시간 조정과 같은 기술은 세포가 잘 회복되고 꾸준히 성장하도록 보장하는 데 큰 역할을 합니다. 실험실 플라스크에서 산업 규모로 생산이 확대됨에 따라 비뉴턴 유체의 행동을 이해하고 일관된 콜모고로프 길이 스케일을 유지하는 것이 기계적 손상을 피하기 위해 중요해집니다. 이러한 발전은 세포를 보호하고 확장 노력을 단순화하는 데 도움이 됩니다.
플랫폼은
자주 묻는 질문
배양육을 위한 바이오리액터에서 과도한 교반이 어떤 문제를 일으킬 수 있습니까?
바이오리액터에서의 과도한 교반은 배양육 생산에 심각한 문제를 일으킬 수 있으며, 세포 성장과 생존에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 강한 혼합은 높은 전단 응력을 발생시켜 섬세한 동물 세포에 해를 끼칠 수 있습니다. 이러한 기계적 스트레스는 세포막 손상, 생존율 감소, 심지어 조직 발달 저해를 초래할 수 있습니다.
이러한 문제를 방지하기 위해서는 교반 매개변수를 세밀하게 조정하는 것이 중요합니다.영양소와 산소 전달의 효율성을 높이면서 기계적 스트레스를 최소화하는 것이 목표입니다. 임펠러 설계, 혼합 속도, 바이오리액터의 기하학적 구조와 같은 주요 요소는 배양 과정 내내 건강하고 생산적인 세포를 유지하기 위해 신중하게 조정되어야 합니다.
바이오리액터의 선택이 배양육 생산에서 세포 성장과 생존에 어떻게 영향을 미칩니까?
배양육 생산에서 바이오리액터의 선택은 혼합 효율, 산소 전달, 전단 응력과 같은 요소에 영향을 미쳐 세포 성장과 건강에 직접적인 영향을 미치기 때문에 매우 중요합니다.
교반 탱크 바이오리액터는 이러한 조건에 대한 정밀한 제어를 제공하기 때문에 대규모 생산에 인기 있는 옵션입니다. 그러나 이들은 또한 섬세한 세포를 손상시킬 수 있는 전단력을 생성할 수 있으므로 손상을 최소화하기 위해 임펠러 설계와 운영 매개변수를 미세 조정하는 것이 필수적입니다.
다른 디자인, 예를 들어 에어리프트 바이오리액터는 더 간단하고 에너지를 덜 소비합니다. 그러나 혼합에 대한 동일한 수준의 제어를 제공하지 못할 수 있어 세포 성장에 영향을 미칠 수 있습니다. 반면에, 중공 섬유 바이오리액터는 높은 세포 밀도를 지원하기 위해 혈관을 모방하지만, 이를 확장하는 것은 도전이 될 수 있습니다.
적절한 바이오리액터를 선택하는 것은 확장성, 비용, 세포의 특정 요구 사항과 같은 요소들 간의 균형을 찾아 배양육 생산을 위해 세포가 효과적으로 성장하고 번성할 수 있도록 하는 것입니다.
대규모 배양육 생산 중 전단 응력을 어떻게 줄일 수 있습니까?
대규모 배양육 생산에서 전단 응력을 최소화하려면 바이오리액터 설계 및 운영에 대한 신중한 조정이 필요합니다. 임펠러 유형, 반응기 모양, 혼합 설정과 같은 요소가 중요한 역할을 합니다.예를 들어, 임펠러 팁 속도를 줄이거나 특정 임펠러 디자인을 선택하면 적절한 혼합과 산소 전달을 유지하면서 전단력을 낮출 수 있습니다. 이는 세포 성장에 필수적입니다.
이 과정에서 유용한 또 다른 도구는 전산 유체 역학 (CFD)입니다. CFD 시뮬레이션은 엔지니어가 유동 패턴과 전단 분포를 자세히 연구할 수 있게 하여 정보에 입각한 설계 조정을 가능하게 합니다. 또한, 흔들림 또는 파동 혼합 생물 반응기는 전통적인 교반 탱크 시스템에 비해 자연적으로 낮은 전단력을 생성하므로 부드러운 대안을 제공합니다. 고급 센서와 예측 제어 알고리즘을 사용한 실시간 모니터링을 통합하면 전단 응력을 안전한 한계 내로 유지하여 생산 과정을 원활하게 진행할 수 있습니다.
