배양육 생산을 위한 바이오리액터의 규모 확대 - 소형(1–5 L)에서 대형(1,000+ L) 시스템으로 - 는 에너지 문제를 야기합니다. 더 큰 용량은 혼합, 산소 전달 및 열 제어를 위해 더 많은 전력을 필요로 하지만, 효율성도 제공합니다. 예를 들어, 5 m³에서 100 m³로 이동하면 특정 에너지 사용을 최대 88%까지 줄일 수 있습니다. 그러나 대형 시스템에서의 느린 혼합은 산소 및 영양 불균형을 초래하여 세포 성장을 저해할 수 있습니다. 자동 제어 시스템 및 "플러딩 포인트" 운영과 같은 전략은 에너지 사용을 균형 있게 유지하고 세포 생존력을 유지하는 데 도움을 줍니다. 알아야 할 사항은 다음과 같습니다:
- 소형 바이오리액터: 리터당 높은 에너지, 빠른 혼합, 용이한 열 제거, 그러나 대규모 생산에는 적합하지 않음.
- 대형 바이오리액터: 리터당 낮은 에너지, 느린 혼합, 더 복잡한 열 및 가스 관리, 그러나 상업적 생산에 더 적합.
에너지 효율성은 규모가 커질수록 향상되지만, 세포 품질을 유지하기 위해서는 고급 자동화와 교반, 공기 공급, 온도의 정밀한 제어가 필요합니다.
발효 공정 설계 및 규모 확대: 상류 처리 (USP)
sbb-itb-ffee270
1. 소규모 바이오리액터 (1–5 L)
실험실 규모의 바이오리액터는 산업용 바이오리액터와 매우 다른 에너지 조건에서 작동합니다. 이 작은 규모에서는 공정의 성능이 일반적으로 수송 현상보다는 세포 동력학에 더 많은 영향을 받습니다 [2]. 높은 표면적 대 부피 비율로 인해 열 제거가 더 간단해지지만, 이는 또한 교반 매개변수를 더 큰 시스템으로 직접 확장할 수 없음을 의미합니다. 이러한 역학은 종종 이 단계에서 에너지 소비의 주요 원인이 교반이 되는 결과를 초래합니다.
소규모 시스템에서는 에너지 사용이 주로 교반과 혼합에 의해 좌우됩니다.더 큰 바이오리액터와 동일한 체적 전력 입력(P/V)을 달성하기 위해, 작은 바이오리액터는 더 작은 임펠러 직경 때문에 더 높은 임펠러 속도가 필요합니다 [2][9]. 배양육 생산의 핵심인 포유류 세포 배양의 경우, 20–40 W/m³의 P/V가 일반적으로 최적입니다. 이 범위는 세포 성장을 지원하면서 세포 응집을 최소화합니다 [5].
통기(에어레이션)는 또 다른 복잡성을 더합니다. 체적 질량 전달 계수(kLa)는 산소가 세포에 얼마나 효율적으로 도달하는지를 측정합니다. 그러나 kLa를 개선하기 위해 교반을 증가시키면 유체역학적 전단 응력이 증가할 수 있습니다. 렌티바이러스 생산과 같은 전단 민감성 공정의 경우, 마이크로 스파저가 기능성 바이러스 역가를 최대 25%까지 감소시킬 수 있기 때문에 오픈 파이프 스파저가 종종 선호됩니다 [5].홍수 지점에 가까운 운영은 낮은 교반과 높은 공기 공급으로 에너지 사용을 균형 있게 유지하면서 산소 전달 요구를 충족할 수 있습니다 [1].
이러한 생물 반응기에서의 열 관리에는 일반적으로 재킷이나 내부 코일과 같은 수냉식 냉각 시스템이 사용되어 과도한 열을 방출합니다. 기계적 교반의 각 와트는 제거해야 하는 열을 생성합니다. 또한, 미생물의 대사 활동은 소비된 산소 1그램당 약 14.7 kJ의 열을 생성합니다 [7]. 냉각에 필요한 전력은 생성된 총 열량과 냉각 시스템의 효율성에 따라 달라지며, 일반적인 성능 계수는 약 0.6입니다. 배치 작업의 다양한 단계에서 교반기 설정을 조정하면 에너지 소비를 크게 줄일 수 있습니다 [7].
현대의 소규모 바이오리액터는 pH, 산소 수준 및 온도를 동적으로 조절하기 위해 센서와 알고리즘을 사용하는 자동화 시스템을 갖추고 있습니다. 이러한 시스템은 각 성장 단계에서 필요한 냉각 또는 교반만 적용되도록 하여 에너지 낭비를 줄입니다 [6][10].
2.대형 바이오리액터 (1,000+ L)
생산을 확대할 때, 혼합 시간이 크게 증가함에 따라 도전 과제가 증가합니다 - 작은 3리터 시스템에서는 단 10초였던 혼합 시간이 5,000에서 20,000리터에 이르는 대형 용기에서는 80–180초로 훨씬 길어집니다. 이러한 느린 혼합 시간은 용존 산소 구배 및 대사 변화와 같은 운영상의 장애를 초래하여 정지 단계 동안 세포 밀도를 최대 15%까지 감소시킬 수 있습니다 [4]. 배양육 생산에 사용되는 포유류 세포 배양의 경우, 90초 혼합 시간 임계값을 넘으면 대사 변화가 발생하여 젖산이 축적될 수 있습니다 [4]. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 대형 규모에서 교반 및 공기 공급 전략의 조정이 필수적입니다.
이러한 대형 용량에서는 에너지 수요가 변화합니다. 초기에는 산소 전달 속도가 낮을 때 교반이 에너지 사용에서 더 큰 역할을 합니다.그러나 세포 성장이 가속화됨에 따라 공기 공급이 지배적인 요소가 되어 전력 소비의 최대 70%를 차지합니다. 가스 흐름이 액체 혼합을 방해하는 지점인 범람점 근처에서의 운영은 여전히 중요하지만, 이 규모에서는 주로 공기 공급으로 인한 에너지 부하 관리에 관한 것입니다. 헤드스페이스 압력을 증가시키는 것은 또 다른 효과적인 전술로, 이는 산소 용해도를 높이고 산소 전달 속도가 높을 때 높은 교반 속도의 필요성을 줄여줍니다 [9].
열 관리도 규모가 커짐에 따라 더 복잡해지지만 더 큰 효율성을 위한 기회를 제공합니다. 예를 들어, 산업 발효는 다양한 전력 요구를 보여줍니다: 이타콘산 발효는 평균 0.51 kW/m³이며, 더 많은 산소를 요구하는 라이신 생산은 2.61 kW/m³를 필요로 합니다 [1]. 냉각 시스템은 일반적으로 약 0의 냉동 효율을 달성합니다.6, 이상적인 조건에서는 성능 계수가 8.6까지 도달할 수 있습니다 [7].
5 m³에서 100 m³로 규모를 확장하면 운영이 최적화될 경우 특정 전력 요구 사항을 최대 88%까지 줄일 수 있습니다 [9]. 이는 에너지 효율성과 제품 품질 유지를 균형 있게 맞추는 것이 중요한 배양육 생산에 필수적입니다 . 기계적 모델링은 이제 미생물 성장 데이터와 열역학 모델을 결합하여 생산 팀이 열 발생 및 전력 요구 사항을 예측할 수 있게 합니다 [9] [1].
에너지 절감을 최대한 활용하려면 최적화된 물리적 매개변수를 정밀한 자동화와 결합해야 합니다. 이 규모의 자동화 시스템은 여러 요구 사항을 효과적으로 조율해야 합니다. 한 가지 전략은 교반기 전력이 일정하게 유지되는 동안 공기 흐름을 산소 흡수에 맞춰 조정하여 에너지 사용을 최소화하는 간격으로 발효 과정을 분할하는 것입니다 [7]. 현대의 제어 시스템은 또한 실시간으로 용존 산소 수준을 모니터링하고 혼합 시간이 생리적 한계를 초과할 때 발생하는 대사적 혼란을 방지하기 위해 기계적 및 공압 설정을 동적으로 조정합니다 [4] .
장점과 단점
소규모 대 대규모 바이오리액터 에너지 효율 비교
배양육 생산을 위한 소규모 및 대규모 바이오리액터 선택은 에너지 효율, 운영 복잡성, 생산 요구에 대한 적합성을 저울질하는 것을 포함합니다.여기 그들이 어떻게 비교되는지에 대한 자세한 내용이 있습니다:
| 특징 | 소규모 바이오리액터 (1–5 L) | 대규모 바이오리액터 (1,000+ L) |
|---|---|---|
| 리터당 에너지 강도 | 높음; 균일성과 산소 전달을 유지하기 위해 더 많은 특정 전력이 필요[9][8] | 낮음; 5 m³에서 100 m³로 확장하면 특정 전력 요구량을 88% 줄일 수 있음[9] |
| 혼합 효율성 | 우수; 약 10초 만에 95% 균일성 달성[4] | 부족; 80–180초가 소요되어 기울기 위험 증가[4] |
| 표면적 대 부피 비율 | 높음; 효율적인 열 제거 및 CO₂ 제거 지원 [2] | 낮음; 열 및 가스 교환 관리에 어려움이 있음 [2] |
| 주요 에너지 소비자 | 교반 및 혼합 [9] | 공기 주입 (세포 성장기 동안 총 전력의 최대 70%) [9] |
| 전단 응력 관리 | 제어가 용이함; 세포가 손상되는 힘에 덜 노출됨 [3][4] | 관리하기 어려움; 높은 교반은 연약한 동물 세포에 해로울 수 있음 [3][4] |
| 구배 관련 위험 | 최소화; 빠른 혼합으로 대사 장애 방지 | Significant; oxygen gradients over 90 seconds can lower viable cell density by 15% [4] |
| 배양육 적합성 | 프로세스 최적화, 배지 테스트 및 세포주 평가에 이상적 [3][8] | 상업 규모 생산에 필수적; 특수 저전단 설계 필요 [11][3] |
벤치탑 바이오리액터는 빠르고 균일한 혼합을 달성하는 데 뛰어나 세포 배양 조건을 미세 조정하는 데 적합합니다.그러나 리터당 높은 에너지 수요로 인해 대규모 생산에는 덜 실용적입니다. 반면에 대규모 바이오리액터는 리터당 에너지 효율이 훨씬 높지만, 세포 생존 가능성에 영향을 미칠 수 있는 운영상의 어려움이 있습니다. 예를 들어, 느린 혼합 시간은 산소 및 영양소 구배를 생성하여 배양육에 사용되는 전단 민감 세포의 성장을 방해할 수 있습니다.
결론
바이오리액터의 규모를 확장하면 리터당 에너지 사용량이 크게 줄어듭니다. 예를 들어, 5 m³에서 100 m³ 바이오리액터로 이동하면 특정 전력 수요가 88% 감소하여 대규모 생산이 훨씬 더 비용 효율적이 됩니다. 그러나 이러한 효율성에는 타협이 따릅니다. 작은 바이오리액터는 약 10초 만에 균일한 혼합을 달성하지만, 더 큰 산업용 용기는 훨씬 더 오래 걸리며 약 80~180초가 소요됩니다. 이러한 느린 혼합은 유해한 용존 산소 구배를 생성할 수 있습니다[4].
이러한 효율성의 변화는 에너지가 소비되는 위치도 변화시킵니다. 작은 시스템에서는 대부분의 에너지가 교반에 사용됩니다. 그러나 상업 규모에서는 특히 높은 세포 밀도에서 공기가 주요 에너지 소비자가 되어 총 에너지 수요의 최대 70%를 차지합니다[9].
자동화는 이러한 문제를 해결하는 열쇠입니다. CAE, CFD, AI와 같은 도구는 생산자들이 물리적으로 확장하기 전에 교반과 산소 공급의 균형을 모델링하고 최적화할 수 있게 해줍니다[3]. 또한, 용존 산소와 이산화탄소 수준을 모니터링하는 실시간 센서는 자동 제어 시스템을 통해 동적 조정을 가능하게 합니다. 이러한 시스템은 비용이 많이 드는 대사 변화를 방지하고, 제품 킬로그램당 에너지 사용을 조절하며, 더 스마트한 확장 전략을 위한 길을 열어줍니다.
확장을 원하는 생산자에게는 범람점 근처에서 운영하는 것이 가장 효율적인 접근 방식인 경우가 많습니다. 이 전략은 에너지가 많이 드는 교반보다 강렬한 산소 공급을 우선시합니다 [1] . 헤드스페이스 압력 조절과 같은 기술은 산소 전달이 최고조에 달할 때 교반의 필요성을 더욱 줄일 수 있습니다 [9].장비를 조달할 때,
자주 묻는 질문
대규모 바이오리액터에서 자동화가 에너지 효율성을 어떻게 향상시키나요?
자동화는 교반, 환기, 온도, 용존 산소 수준과 같은 중요한 매개변수를 정밀하고 실시간으로 조정할 수 있게 하여 대규모 바이오리액터의 에너지 효율성을 높이는 데 중요한 역할을 합니다.대신에 엄격하고 지나치게 신중한 설정에 얽매이지 않고, 자동화 시스템은 실시간 센서 데이터를 활용하여 이러한 요소들을 미세 조정하여 세포 성장을 위한 이상적인 조건을 유지하기 위해 에너지를 효율적으로 사용합니다.
이러한 동적 제어는 특히 시작 및 확장 단계에서 유익하며, 자동화는 변화하는 공정 조건에 빠르게 조정할 수 있게 하여 불필요한 에너지 사용을 줄입니다. 교반 탱크나 공기 리프트 시스템과 같은 생물 반응기 설계의 특정 특성에 제어 시스템을 맞춤으로써 자동화는 일관성을 향상시킬 뿐만 아니라 각 킬로그램의 배양육을 생산하는 데 필요한 에너지를 줄입니다. 이러한 발전은 환경 영향을 최소화하면서 생산을 효율적으로 확장하는 데 핵심적입니다.
대규모 생물반응기에서 느린 혼합 시간으로 인해 발생할 수 있는 문제는 무엇입니까?
대규모 생물반응기에서 느린 혼합은 영양소와 산소의 불균등한 분포를 초래하여 구배의 형성을 유발할 수 있습니다. 이러한 구배는 세포 성장을 방해하고, 불균등한 폐기물 축적을 초래하며, 시스템의 전반적인 효율성을 감소시킬 수 있습니다.
이러한 문제를 해결하기 위해 운영자들은 종종 더 높은 전력 입력을 사용합니다. 이 방법은 도움이 되지만 에너지 소비와 운영 비용을 증가시키기도 합니다. 이러한 도전 과제에 대한 해결책을 찾는 것은 에너지 효율성을 유지하고 규모 확장 시 최적의 성능을 달성하는 데 필수적입니다.
왜 생물반응기 규모 확장 시 범람점에 가까운 운영이 에너지 효율적이라고 간주됩니까?
생물반응기 규모 확장 시 범람점에 가까운 운영은 종종 에너지 효율적인 접근 방식으로 간주됩니다. 이 방법은 효과적인 질량 전달을 위해 중요한 가스-액체 혼합을 최적화합니다. 시스템을 불안정하게 만들지 않고 가스 유량을 최대화함으로써, 바이오리액터는 에너지 사용을 절제하면서 효율적으로 작동할 수 있습니다.
그렇긴 하지만, 이 임계점 근처에서 작동하는 것은 세심한 모니터링과 제어가 필요합니다. 범람 지점을 넘어서면 시스템이 방해받거나 성능이 저하될 수 있으므로, 정밀성이 효율성을 유지하는 데 중요한 요소가 됩니다.
