바이오리엑터 (Bioreactor) 심층분석 (2)

 

 

 

안녕하세요. 바이오길라잡이입니다.

 

저번 포스팅에 이어서 바이오리엑터 관련 2번째 포스팅을 하려고 합니다. 제가 아무래도 경력을 쌓으면서 가장 많이 다뤄보고 지금도 교육과 세미나로 가장 많은 주제로 하고 있는 만큼 가급적이면 쉽고 이해하기 쉽도록 포스팅을 작성할 예정이니 많은 관심 부탁드립니다.

 

저번 포스팅에서는 바이오리액터의 전반적인 훑어보기를 했다면 오늘 포스팅부터는 자세한 기능적인 부분과 어떻게 운영하는지 조금 더 심화하여 글을 적어보도록 하겠습니다.

 

바이오리엑터 가동을 위해 알아야 하는 기본 요소

바이오리액터를 이해하기 위해서는 가장 먼저  구성품에 대해서 이해를 하고 있어야 합니다. 그냥 단순히 vessel에 세포를 넣고 그냥 교반만 시키면 되는 작업이라면 매우 간단하겠지만 실제로는 그 안에서 각 종 구성품을 이용하여 조절해야 하는 여러 가지 요소들이 존재합니다. 오늘은 꼭 알아야 하는 구성품들을 위주로 설명을 드리도록 하겠습니다.

 

1. Agitator (교반기)

이름과 같이 세포를 계속 가라앉지 않고 교반 시켜주는 구성품입니다. 경비행기 앞에 달린 프로펠러와 같이 생긴 Impeller와 축 (Shaft)로 구성되어 있습니다. 그리고 모터를 장착하여 돌려주거나 혹은 브랜드에 따라서 마그네틱의 자성을 이용하여 교반기를 돌려기도 합니다. 

조금 더 깊이 들어가 볼까요? 교반기에 기본적으로 장착되어야 하는 Impeller는 모양에 따라서 각 기 다른 특징을 가지고 있습니다. 연구소에서 공정개발을 위해 사용되는 Benchtop Bioreactor에는 대게 Pitched blade라고 불리는 impeller가 많이 장착되어 사용됩니다. Impeller의 종류는 사실 다루기에는 한 포스팅을 다 소요할 정도로 큰 내용이기 때문에 이 정도만 언급하도록 하겠습니다

대신, Imepller가 어떤 것이냐에 따라서 교반이 되면서 즉 믹싱이 되면서 발생되는 유속의 방향이 다릅니다. 크게 2가지로 나눌 수 있습니다. 바이오리엑터 베슬의 세로축을 기준으로 양 옆에서 순환되는 형태 혹은 임펠러를 기준으로 아래위에서 유속의 방향이 형성되어 순환되는 형태로 나눌 수 있습니다

 

유속의 방향은 세포가 바이오리엑터 안에서 배양될 때 중요한 컨트롤 요소 중 하나입니다. 세포를 위해 첨가되는 영양분들이 얼마나 잘 섞일 수 있는지를 유속의 방향으로 차이를 만들 수 있기 때문에 배양공정개발을 할 때 주요하게 고려되어야 하는 요소 중의 하나라고 할 수 있습니다

 

2. Sparger

바이오리엑터는 기본적은 세포를 가장 좋은 조건에서 배양할 수 있는 환경을 조성하기 위해서 Gas를 사용합니다. 첫 번째 포스팅에서 언급한 대로 Gas는 Air, O2, CO2, N2 (공기, 산소, 이산화탄소, 질소)를 적절히 조합하여 배양기 안의 용존 산소량 (Dissolved Oxygen, DO)를 유지해주어야 합니다. 이런 가스를 주입하기 위해서는 Sparger라고 하는 구성품이 필수적으로 필요합니다

Sparger는 쉽게 이해하기 위해서 우리가 어렸을 때 빨대를 물에 넣고 공기를 넣으면 '보글보글'하면서 공기방울이 올라오는 것을 많이 해보셨을 텐데요, 그거와 동일한 원리입니다. Sparger는 구멍이 뚫려있어 외부에서 가스가 Sparger를 통해서 가스가 주입이 되면 공기방울의 형태로 세포가 자라고 있는 배지로 공급되어 Gas를 전달합니다. 

Sparger는 뚫려있는 구멍 크기에 따라서 배양기 안의 가스 배합이나 구성이 달라지게 됩니다. 큰 구멍으로 가스가 공급이 되는지 혹은 작은 구멍으로 공급이 되는지에 따라 환경이 달라지는데 이 부분은 추후에 Scale-up에 대해서 포스팅을 할 때 좀 더 자세히 다루어 보도록 하겠습니다.

결과적으로 Sparger는 Gas를 공급하기 위해서 필수적으로 필요한 구성품이며, 제 개인적으로 바이오리엑터를 대표할 수 있는 구성을 하나 꼽으라고 한다면 바로 Sparger를 이야기할 것 같습니다. 

 

Ref. https://greenbmg.ca/spargers

 

3. Headplate (or 각 종 Port)

위 2가지는 사실 필수적인 구성품이라고 한다면 3번째는 영양분, 세포, 배지를 공급할 수 있도록 해주는 각 종 Port들입니다. Benchtop Scale Bioreactor에서는 Headplate라고 불리는 vessel의 뚜껑과 같은 구성품에 모든 Port들이 모여 있습니다. 영양분 혹은 배지 그리고 세포를 넣을 수 있는 Feeding port, 세포배양이 끝나고 세포를 회수할 수 있는 Harvest port, 마지막으로 배양 중간에 세포의 성장 정도와 대사산물을 분석하기 위해 필요한 sampling을 위한 port 그리고 공기를 주입하는 sparger와 연결된 port 등 기능을 하는 port들이 있습니다. 정확히 이야기하면 Port는 모두 동일하게 생겼고, sparger와 같이 정확한 기능을 하는 port는 무조건 그 용도로만 사용해야 하지만 Feeding port의 경우 사용 목적은 사용자가 정해서 지정해 주면 되기 때문에 port의 위치를 외워야 하거나 그런 부분은 없고 그때그때마다 정해서 사용하면 됩니다. 이 외에도 pH, DO를 실시간으로 읽어주는 센서들을 장착할 수 있는 Port들도 따로 구성되어 있습니다.

연구소에서 사용하는 바이오리액터 외 single use bioreactor와 같이 bag을 이용하는 경우라면 위에 설명된 모든 port가 튜브의 형태로 다 장착되어 있기 때문에 크게 다른 점은 없습니다. 

 

 

이상 무조건 알아야 하는 3가지의 구성품에 대해서 알아보았습니다. 사실 구성품이라는 것이 뭐 중요한가? 이렇게 생각될지 모르지만 바이오리엑터를 이해하기 위해서는 기본부터 익히는 것이 매우 중요합니다. 사실 바이오리엑터는 기본만 잘 익혀놓으면 가동하고 운영하는 것은 크게 어려운 부분은 없습니다. 조금씩 세분화하면서 최대한 이해할 수 있도록 포스팅 열심히 해보도록 하겠습니다!

 

오늘도 하루 고생 많으셨고 즐거운 밤 보내세요!!