9. 생물화학공학의 역할

앞서 생물공학의 역사, 현황, 미래, 발효 생산물의 특성 등을 통해 기본적인 내용을 이해하셨을 것입니다. 이제 생물화학공학에서 "어떤 분야를 담당하고 있으며 어떻게 대처해야 하는가?"에 대해 구체적으로 살펴보겠습니다. 예를 들어 유용한 물질을 생산하기 위한 발효 과정을 생각해 보겠습니다. 여러 단계를 거쳐 이루어진다는 것을 알 수 있습니다. 이 과정에서 생물공학이 요구하는 역할은 다음과 같이 여러 가지로 나눌 수 있으며, 이를 효과적으로 적용하는 것이 중요합니다.

 

A. 배양 장비 및 배양 방법의 개선

일반적으로 유전공학 또는 세포공학 분야에서는 다양한 방법으로 균주를 개량하거나 육종하는 것이 다루어집니다. 유용한 균주를 이용한 파일럿 규모(pilot scale) 또는 공장 규모(plant scale) 생산과 관련된 분야는 크게 ① 미생물, 식물 및 동물 세포에 대한 산업 배양 기술과 ② 유용 물질의 분리 및 정제 과정으로 나뉩니다. 세포 배양에서는 기본 학문적 지식을 바탕으로 배양 최적화를 위한 조성, 멸균 공정, 배양 장비, 제어 및 측정이 고려됩니다.
우선 배양에 필요한 발효조 시설에 대한 이해와 발효조 구조에 문제가 없는지 살펴볼 필요가 있습니다. 즉, 발효조와 연결된 다양한 배관, 가스켓(seal 또는 packing 부분), 밸브 설계(valve design), 임펠러(impeller), 배플(baffle), 모터(motor), 펌프, 제어 장치 등에 대한 이해와 함께 효율적인 생산을 위해 발효조와 주변기기를 꾸준히 개선할 필요가 있습니다.
발효 공정의 생산성을 높이기 위해 배치 공정(batch process)에서 연속 공정(continuous process)으로 점진적으로 전환하려고 노력하고 있습니다. 연속 배양에 실용적인 분야로는 SCP 또는 빵 효모 생산 공정, 폐수 처리를 위한 활성 슬러지 공정(activated sludge process) 등이 있습니다.

 

B. 무균 작업

발효조에 의한 세포 배양에 필요한 중요한 작업은 멸균 작동입니다. 발효조 내부 외에도 증기로 각종 연결 부위를 멸균(sterilization)하고, 멸균 또는 멸균 공기 주입을 통한 공기 흐름(通氣, aeration)을 유지해야 하며, 교반 장치에 연결된 부품을 밀봉하는 등 발효 전 과정의 무균 작동을 수행해야 합니다.

 

C. 프로세스 제어

발효 제품의 경제적 생산을 위해 자동화 프로세스의 도입이 점차 이루어지고 있습니다. 실험실 또는 파일럿(pilot) 규모에서 얻은 데이터의 규모 확대(scale-up)는 더 많은 문제에 직면하게 될 것입니다.
예를 들어, 기하학적 확대(scale-up) 문제는 세포의 생리적 특성에 따라 실험실에서 진행할 때와 다른 결과를 쉽게 초래할 수 있습니다. 그리고 지금까지의 센서 개발은 배양 중에 발생하는 다양한 요인을 빠르고 쉽게 이해하기에 충분하지 않았습니다. 특히 발효 과정은 생화학 반응이기 때문에 일반적인 화학 반응에 비해 공정을 최적화하기 위한 다양한 요인을 조절하는 것이 필요합니다.
따라서 배양 중 발효 과정을 제어하기 위한 다양한 센서를 개발하고, 다양한 실험 데이터의 축적과 해석을 통해 최적의 조건을 찾고, 이러한 결과를 활용한 컴퓨터 제어 기술을 개발하는 것이 필요합니다.

 

D. 생산물 회수 및 정제

발효 과정이 끝나면 유용한 물질을 회수하고 정제하여 상용화해야 합니다. 일반적인 화학 공정과 달리 생물학적 공정은 다양한 특성에 따라 유용한 물질을 분리하고 정제하는 것이 그리 쉽지 않습니다. 이 원리는 크게 단위 조작 이론과 단위 처리에 도입됩니다. ① 생산물 회수를 위한 배양액의 세포 파괴, 추출, 여과, 농축 등의 공정은 물질의 단위 작업(unit operation)과 열전달에 해당합니다. ② 경제 공정 설계(process design)를 위한 산화, 환원, 기질 전환(substrate conversion), 변환(transformation) 및 가수분해는 공정에 해당합니다.
따라서 정제 공정 도입을 통한 생산물의 특성과 방법에 따른 적정 횟수는 꾸준히 개선되어야 합니다. 일반적으로 생산물 회수 및 정제 공정 비용이 전체 생산 비용의 50% 이상을 차지하는 경우가 많기 때문에 더 많은 연구가 필요합니다. 세포막 기술(membrane technology)의 활용도 그 예라고 할 수 있습니다.

생물화학공학의 역할을 보며, 제품 크기와 공정 규모로 인한 최종 회수 과정의 문제점과 어려움을 살펴봄으로써 바이오 공학 기술의 지식 집약적 특성을 배울 수 있었습니다. 이 생물공학 기술은 "미생물과 동물을 포함한 유기 세포의 기능과 정보를 활용해 유용한 물질을 생산하거나 현실 문제를 해결하는 기술"로 농업, 수산, 식품, 화학, 의약, 환경, 전자, 에너지 등 다양한 산업에 적용할 수 있습니다.
미래에는 생물 유전체 기능 연구를 기반으로 한 보건 및 의료 산업과 이를 활용한 농업 분야의 혁신적인 변화로 반도체와 정보통신에 이어 생명공학 기술과 바이오산업이 21세기 가장 중요한 산업이 될 것으로 예상됩니다.
다음 포스팅에서는 생물 공학적 생산물을 생산하는 다양한 "미생물"에 대해 자세히 살펴보겠습니다.