바이오공정 및 발효 파일럿 플랜트는 어떻게 최적의 DO 수준을 유지할까요? OTR, OUR 및 산소 요구량 마스터하기

바이오공정 및 발효 파일럿 플랜트는 산소 전달을 생물학적 산소 흡수와 지속적으로 일치시킴으로써 용존 산소(DO)를 유지합니다. DO 센서는 배양액 농도를 실시간으로 측정하며, 캐스케이드 제어 시스템은 교반, 멸균 공기 유량, 가스 조성, 반응기 압력 또는 순수 산소 공급량을 조절합니다. 지수 성장기 동안 운영 목표는 일반적으로 공기 포화도의 약 20% 이상으로 유지되지만, 정확한 임계값은 유기체, 세포주, 제품 및 공정에 따라 달라집니다.

핵심 제어 문제는 산소 전달 속도(OTR)를 산소 흡수 속도(OUR)와 같거나 그 이상으로 유지하는 것입니다. 성장 중인 세포가 반응기가 기상에서 액상으로 전달할 수 있는 속도보다 더 빠르게 산소를 소비하면 DO가 떨어지므로, 파일럿 플랜트는 배양액이 산소 제한에 도달하기 전에 혼합과 산소 가용성을 높입니다.

파일럿 플랜트가 용존 산소를 제어하는 방법

실시간 DO 측정

폴라로그래피(Polarographic) 또는 광학식 DO 프로브가 액상의 산소 농도를 측정합니다. 제어기는 이 측정값을 공기 포화도의 백분율로 표현되는 정의된 DO 설정값과 비교합니다.

설정값은 보편적이지 않습니다. 호기성 미생물 배양은 성장 속도 제한을 피하기 위해 대략 20% 포화도 이상에서 운영될 수 있으며, 일부 동물 세포 공정은 30% 포화도 또는 기타 세포주별 임계값을 목표로 합니다.

캐스케이드 교반 제어

첫 번째 제어 조치는 종종 임펠러 속도를 높이는 것입니다. 교반이 강할수록 기포가 분산되고 기-액 계면 면적이 증가하며 액막 저항이 감소합니다.

이러한 효과는 용적 산소 전달 계수인 kLa를 증가시켜 산소가 기포에서 배양액으로 더 빠르게 이동하도록 합니다. 교반은 효과적이지만 전력 소비를 증가시키고 전단 응력을 높일 수 있습니다.

통기 및 가스 조성 제어

교반 증가만으로 부족할 경우, 시스템은 스파저(sparger)를 통한 멸균 공기 유량을 높일 수 있습니다. 링 및 튜브 스파저는 배양액 전체에 가스를 분배하는 데 흔히 사용됩니다.

공기 유량이 높을수록 산소 공급은 증가하지만, 거품 발생, 과도한 가스 스트리핑, 증발 손실이 커질 수 있습니다. 이러한 이유로 공기 유량은 일반적으로 정의된 운영 한계 내에서 조정됩니다.

산소 농축 가스 또는 순수 산소

공기와 교반만으로 충분한 전달 용량을 제공하지 못할 때 제어기는 유입 가스의 산소 분율을 높일 수 있습니다. 순수 산소 보충은 산소 요구량이 급격히 증가하는 고밀도 유가식 배양(fed-batch) 중에 특히 유용합니다.

산소 분율을 높이면 포화 상태에서의 산소 농도인 C*가 증가하므로 액측 구동력이 상승합니다. 이는 비실용적으로 높은 공기 유량이나 교반 없이도 DO를 안정화할 수 있습니다.

압력 및 반응기 설계

반응기 압력을 높이면 산소 용해도가 증가하여 산소 전달 구동력이 커질 수 있습니다. 에어리프트 발효기에서 압력 선택은 가스 표면 속도, 산소 소비 분율, 유로 형상 및 생물학적 동역학 매개변수와 함께 평가될 수 있습니다.

설계 계산이나 시뮬레이션을 통해 반응기 영역별 DO 프로파일을 추정할 수 있습니다. 이후 기계적 및 공정 한계 내에서 원하는 산소 농도를 달성하도록 운영 압력을 반복적으로 조정합니다.

산소 요구량을 결정하는 요소

바이오매스 농도

지배적인 1차 요인은 일반적으로 반응기 내 활발하게 호흡하는 바이오매스의 양입니다. 세포 밀도가 증가하면 각 세포의 산소 요구량이 변하지 않더라도 전체 산소 흡수 속도는 일반적으로 증가합니다.

유용한 관계식은 다음과 같습니다:

[ OUR = q_{O_2}X ]

여기서 OUR은 용적 산소 흡수 속도, (q_{O_2})는 비산소 소비 속도, (X)는 바이오매스 농도입니다.

비산소 소비율

비산소 소비율은 바이오매스 단위당 산소를 얼마나 빨리 사용하는지를 나타냅니다. 이는 성장 속도, 기질 가용성, 온도, pH, 용존 산소, 영양분 균형 및 세포의 생리학적 상태에 따라 변합니다.

세포는 바이오매스 합성, 에너지 생성, 유지, 재조합 단백질 발현, 플라스미드 복제 및 기타 대사 활동을 위해 산소를 소비할 수 있습니다. 결과적으로 산소 요구량은 기질 농도만으로 추론할 수 없습니다.

성장 속도 및 대사 상태

배양액이 빠른 속도로 새로운 바이오매스를 합성하기 때문에 지수 성장기에는 산소 요구량이 종종 증가합니다. 유가식 배양 공정에서 첨가된 기질이 더 빠른 성장을 지원하는 경우, 공급 속도를 높이면 산소 흡수량이 더 증가할 수 있습니다.

관계가 항상 선형적인 것은 아닙니다. 산소 제한, 탄소 과잉 대사, 스트레스 또는 제품 형성 등은 대사 경로를 재설정하여 산소 소비와 이산화탄소 생성을 모두 변화시킬 수 있습니다.

탄소 및 질소 기질

바이오매스 형성이 모든 탄소 기질을 이산화탄소와 물로 완전히 산화시키는 것은 아닙니다. 탄소와 질소의 일부는 세포 물질로 통합되고 나머지는 이산화탄소, 물, 유기산, 알코올 또는 기타 세포외 대사산물을 형성할 수 있습니다.

따라서 산소 요구량은 실제 대사 및 화학양론적 경로에 따라 달라집니다. 동일한 포도당 공급이라도 성장 조건이나 유기체가 다르면 산소 요구량이 달라질 수 있습니다.

재조합 발현 및 플라스미드 유지

재조합 미생물은 플라스미드 복제, 유지 및 외래 단백질 발현을 위해 추가적인 산소가 필요할 수 있습니다. 높은 발현 부담은 에너지 요구량을 증가시키고 배양액의 호흡 행동을 변화시킬 수 있습니다.

갑작스러운 DO 고갈이나 큰 DO 변동은 대사 변화를 일으킬 수 있으며, 플라스미드를 포함한 배양액에서는 플라스미드 불안정성을 초래할 수 있습니다. 따라서 안정적인 자동 제어는 바이오매스 형성과 제품 일관성 모두에 중요합니다.

배양액 유변학 및 세포 밀도

바이오매스가 축적됨에 따라 배양액의 점도가 증가할 수 있습니다. 점도가 높은 배양액은 기포 분산을 방해하고 물질 전달 저항을 증가시켜 유효 산소 전달 용량을 낮춥니다.

따라서 세포 밀도와 배양액 유변학은 산소 공급에 직접적일 뿐만 아니라 간접적으로도 영향을 미칩니다. 낮은 밀도에서 충분한 산소를 전달하던 반응기가 동일한 배치의 후반부에는 산소 제한 상태가 될 수 있습니다.

산소 전달 균형

산소 전달 속도(OTR)

반응기는 세포 소비를 충족하는 속도로 기상에서 액상으로 산소를 전달해야 합니다. 단순화된 식은 다음과 같습니다:

[ OTR = k_La(C^* - C_L) ]

여기서 (k_La)는 산소 전달 용량, (C^*)는 현재 가스 및 압력 조건에서의 포화 농도, (C_L)은 실제 액상 DO 농도입니다.

제어 시스템은 교반과 통기를 통해 (kLa)를 높이거나, 산소 농축 및 압력을 통해 (C^*)를 높임으로써 OTR을 증가시킬 수 있습니다.

산소 흡수 속도(OUR)

OUR은 산소에 대한 생물학적 요구를 나타냅니다. 이는 활성 바이오매스, 특정 호흡 활동, 성장이나 제품 형성으로 인한 대사 부담에 따라 증가합니다.

기본적인 운영 요구 사항은 다음과 같습니다:

[ OTR \geq OUR ]

OUR이 OTR을 초과하면 측정된 DO가 임계 수준으로 떨어집니다. 불균형이 지속되면 성장 속도, 생존력, 생산성 또는 제품 품질이 저하될 수 있습니다.

국부적 산소 구배

만족스러운 벌크 DO 수치가 반응기 전체에서 균일한 산소 가용성을 보장하지는 않습니다. 센서가 허용 가능한 평균 농도를 보고하더라도 혼합이 불량한 영역은 산소 제한 상태가 될 수 있습니다.

이것이 파일럿 플랜트가 DO 설정값에만 의존하지 않고 임펠러 위치, 스파저 설계, 혼합 시간, 가스 분배 및 교반 용량을 평가하는 이유 중 하나입니다.

산소 요구량 평가 방법

호흡 지수(RQ)

호흡 지수(Respiratory Quotient, RQ)는 생성된 이산화탄소와 소비된 산소의 몰비입니다:

[ RQ = \frac{\text{생성된 } CO_2 \text{ 몰수}}{\text{소비된 } O_2 \text{ 몰수}} ]

산소와 이산화탄소의 배가스 분석은 대사 상태의 변화를 밝혀내고 기질 과잉, 산소 제한 또는 변경된 제품 형성으로 인한 변화를 식별하는 데 도움을 줄 수 있습니다.

RQ는 공정 모니터링 지표이며 직접적인 DO 측정을 대체할 수는 없습니다. 해석은 배양액 내 활성 대사 경로에 따라 다릅니다.

화학적 및 총 산소 요구량

화학적 산소 요구량(COD)과 총 산소 요구량(TOD)은 공정 흐름이나 샘플 내 물질을 산화시키는 데 필요한 산소의 경험적 측정치를 제공할 수 있습니다.

이러한 측정치는 물질 수지 및 폐수 처리 평가를 지원할 수 있지만, 살아있는 배양액의 생물학적 산소 흡수 속도와 직접적으로 동일하지는 않습니다. 따라서 바이오매스 측정, 배가스 분석 및 반응기 산소 전달 테스트와 함께 사용해야 합니다.

산소 전달 테스트

파일럿 플랜트는 일반적으로 관련 교반, 공기 유량, 압력, 온도 및 배양액 점도 조건에서 산소 전달 성능을 특성화합니다. 결과 데이터는 반응기의 실질적인 용량을 정의합니다.

배양액이 밀도가 높아지거나 점도가 높아질수록 산소 전달 성능이 저하되는 경우가 많으므로, 테스트는 예상되는 가장 높은 바이오매스 농도와 공급 속도를 포함해야 합니다.

상충 관계 이해

과도한 교반

교반기 속도를 높이는 것은 산소 전달을 높이는 빠른 방법이지만 전력을 더 많이 소비하며 전단에 민감한 세포를 손상시킬 수 있습니다. 또한 냉각 시스템이 제거해야 하는 열을 발생시킬 수 있습니다.

따라서 가능한 최대 교반 속도가 일반적인 목표는 아닙니다. 목표는 허용 가능한 전단, 전력 및 열 한계 내에서 충분한 산소 전달을 달성하는 것입니다.

과도한 통기

높은 가스 유량은 산소 가용성을 향상시킬 수 있지만 과도한 거품을 생성하고 기-액 계면에서 세포 손상 위험을 높일 수 있습니다. 거품 제어 시스템과 소포제 첨가 자체가 물질 전달 및 하류 공정에 영향을 줄 수 있습니다.

공기 유량은 무제한 제어 변수로 취급하기보다 교반 및 가스 조성과 조화를 이루어야 합니다.

순수 산소 보충

순수 산소는 특히 고밀도 배양에서 상당한 전달 용량을 제공합니다. 그러나 운영 비용이 증가하며 적절한 가스 취급, 제어 및 안전 시스템이 필요합니다.

산소 농축은 정의된 캐스케이드 전략에 따라 도입되어야 하며, 불안정한 제어나 민감한 배양액에 대한 과도한 산소 노출을 방지하는 한계치가 설정되어야 합니다.

단일 DO 임계값에 대한 과도한 의존

20% 포화도와 같은 DO 목표는 유용한 운영 참고 자료일 뿐 보편적인 생물학적 규칙이 아닙니다. 임계 산소 농도는 유기체, 세포주, 온도, 압력, 배지 조성 및 공정 목표에 따라 다릅니다.

공정은 다른 시스템의 설정값을 복사하는 대신 실제 성장 및 생산성 요구 사항을 중심으로 특성화되어야 합니다.

목표를 위한 올바른 선택

가장 신뢰할 수 있는 접근 방식은 전체 예상 운영 범위에 걸쳐 산소 요구량을 정의하고, 바이오매스와 점도가 증가함에 따라 OTR 용량을 유지하는 캐스케이드를 구성하는 것입니다.

• 주요 목표가 바이오매스 극대화인 경우: DO를 배양액별 임계값 이상으로 유지하고, 최대 성장기 동안 산소 제한을 방지하기 위해 교반, 통기 및 산소 농축을 사용하십시오.
• 주요 목표가 재조합 단백질 생산인 경우: 플라스미드 유지 및 발현에 따른 추가적인 호흡 부담을 고려하고, 단기적인 수정 조치보다 안정적인 DO 제어를 우선시하십시오.
• 주요 목표가 스케일업인 경우: 배양액 유변학, 스파저 설계, 압력 및 혼합의 영향을 포함하여 예상 OUR을 측정된 산소 전달 용량과 일치시키십시오.
• 주요 목표가 공정 모니터링인 경우: DO 추세를 배가스 산소 및 이산화탄소 측정, RQ, 바이오매스 데이터 및 기질 공급 정보와 결합하십시오.
• 주요 목표가 에너지 및 운영 비용 절감인 경우: OTR을 OUR 이상으로 안정적으로 유지하는 가장 낮은 교반, 공기 유량, 압력 및 산소 농축 설정을 사용하십시오.

용존 산소를 생물학적 요구와 반응기 전달 용량 사이의 동적 균형으로 취급함으로써 파일럿 플랜트는 성장, 생산성 및 공정 일관성을 유지할 수 있습니다.

요약 표:

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