생체과정공학 개요

바이오 공정 엔지니어링은 살아있는 유기체에서 특정 제품을 생산하기 위해 많은 엔지니어링 분야를 사용하는 분야입니다. 전형적으로, 유기체는 특정 제품 단백질 또는 화학물질을 생성하도록 설계된 유전자 변형 세포이다. 세포는 나중에 크롬 토그래피와 같은 다운스트림 프로세스를 사용하여 정제되는 제품을 생산하기 위해 대규모로 재배됩니다. 이 비디오는 예를 들어 바이오 프로세스를 소개하고, 현장에서 눈에 띄는 방법을 검토하고, 기술의 몇 가지 주요 과제및 응용 분야를 소개합니다.

생성 단백질을 생성하기 위해 세포를 이용한 예를 들어 바이오공정을 살펴보겠습니다. 첫째, 유기체는 원하는 제품을 생산하는 능력에 따라 세균, 곰팡이 또는 포유류가 될 수 있는 선택된다. 세포는 제품을 생산하고 불필요한 측면 프로세스를 최소화하는 능력을 극대화하기 위해 유전자 변형됩니다. 수정된 셀은 업스트림 프로세스라고 하는 대규모로 재배됩니다. 일반적인 업스트림 기술은 혈관 생물반응기를 사용하여 세포 배양을 성장시키는 현탁액 배양입니다. 배양은 확장되고 더 크고 큰 부체로 전환하여 세포 밀도가 증가합니다. 배양이 원하는 부피에 도달하면, 제품 단백질은 세포로부터 수확되며, 분비를 통해, 세포가 단백질을 뱉거나, 세포가 부서진 용해로, 세포가 그것을 방출하기 위해 부서집니다. 그런 다음 제품은 다운스트림 공정에서 정제되어 세포 이물질 및 기타 단백질과 같은 오염 물질을 제거합니다. 일반적인 다운스트림 공정은 제품을 정화하고 농축하기 위해 여러 유형의 기술을 연속으로 사용합니다. 여과는 종종 세포 파편과 큰 미립자를 제거하기 위해 먼저 사용됩니다. 크로마토그래피는 관심 있는 단백질을 분리하고 농축하는 데 사용되는 또 다른 기술입니다. 정제된 최종 제품은 저장을 위한 단백질을 안정시키기 위하여, 그 때 lyophilized, 또는 동결 건조됩니다. 일반적인 바이오 공정은 먼저 실험실 규모로 설계된 다음 파일럿 규모로 확장한 다음 제조를 위한 추가 스케일링을 제공합니다. 이제 기본 바이오 프로세스를 도입했기 때문에 이 분야의 몇 가지 중요한 방법을 살펴보겠습니다.

포유류 세포 배양은 재조합 단백질 치료제의 산업 생산에 가장 자주 사용된다. 중국 햄스터 난소 세포, 또는 CHO 세포는 사용되는 가장 일반적인 세포 유형 중 하나입니다. 세균세포와는 달리 포유류 세포는 단백질에 대한 복잡한 번역 후 수정을 할 수 있습니다. 이러한 수정은 리보솜에서 변환된 후 단백질에 대한 구조적 또는 화학적 변화이다. 이것은 치료 단백질에 필요한 복잡한 구조를 생산하는 데 필수적입니다. 포유류 세포 배양은 세포가 세균세포보다 더 민감하기 때문에 성장 중에 신중한 고려가 필요합니다. 효과적인 폭이 필요합니다. 그러나 전단 손상을 최소화해야 합니다. 엄격한 pH 및 온도 제어 및 독성 제품의 신속한 제거와 함께 잘 제어 된 균일 한 환경도 필요합니다. 산업용 공정은 대량의 제품을 생산하기 위해 확장됩니다. 스케일업은 단순히 부피를 비례적으로 증가시켜 장비의 크기를 늘리는 것만큼 쉽지 않습니다. 스케일링 계수가 사용되며, 이는 파일럿 유닛에 대한 전체 규모의 단위의 질량 흐름의 비율입니다. 스케일링 계수는 기하학적으로 유사한 탱크 반응기의 크기를 결정하는 데 사용됩니다. 예를 들어, 볼륨 스케일로, 배율 계수 S를 사용하여 탱크 직경은 S를 1/3으로 비늘로 조정합니다. 이는 더 큰 탱크 부피로 질량 및 열 전달 제한 때문입니다.

생물학적 제품의 제조는 오염에 취약한 살아있는 유기체를 이용합니다. 오염 물질 유기체는 박테리아, 곰팡이 또는 바이러스일 수 있으며 제조에 사용되는 인력, 재료 또는 장비에서 발생할 수 있습니다. 미생물 오염은 제품 가변성을 도입하고 제품 단백질의 분해를 일으킬 수 있습니다. 많은 바이오 공정은 안전하고 효과적인지 확인하기 위해 정부 기관에 의해 엄격하게 규제되는 의약품을 생산하는 데 사용됩니다. 약물 자체는 먼저 엄격한 실험실 테스트 및 임상 시험을 거칩니다. 약물이 승인되면 제조 공정도 검사 및 승인을 받아야합니다. 규정은 안전한 최종 제품을 보장하는 데 필수적이지만 엔지니어링 프로세스에 대한 제약이 추가됩니다. 허용 시약, 오염 물질 및 농도와 같은 매개 변수에 엄격한 제한이 적용됩니다.

이제 바이오 프로세싱에서 일반적인 기술과 과제 중 일부를 보았으니 실제 응용 프로그램을 살펴보겠습니다. 아스피린과 아세트아미노펜과 같은 소분자 약물과 는 달리, 많은 복잡한 약은 재조합 단백질이며 바이오 프로세싱을 통해 만들어집니다. 재조합 단백질 치료제는 지난 25년 동안 수십 가지 표적 치료법으로 급속히 증가했습니다. 에이즈, 암, 전염병, 상처 치유, 영양 장애, 뇌졸중 및 정화조 쇼크는 단백질 치료가 치료로 제공되는 몇 가지 영역에 불과합니다. 바이오 프로세싱은 에탄올과 같은 바이오 연료를 만드는 데도 사용됩니다. 에탄올은 사탕수수 나 옥수수와 같은 셀룰로오스 재료로 생산됩니다. 이 과정은 사료원료에서 셀룰로오스를 분리하고, 효모로 효소 가수분해 및 발효로 시작됩니다. 이러한 바이오공정은 대체 에너지를 위해 다량의 에탄올을 생산하기 위해 제조 규모에서 수행됩니다.

당신은 방금 JoVE의 바이오 프로세싱 소개를 지켜보았습니다. 이제 기본적인 바이오 공정, 몇 가지 일반적인 방법과 과제, 기술의 응용 을 이해해야합니다. 시청해 주셔서 감사합니다.