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효소enzyme 생물반응기-효소분야
2013-08-22 16:09:09
이엠생명과학연구원

생물체에 대한 지식이 축적되어 감에 따라 이들 생물체를 인류에 유용한 방법으로 전환 조작시키려는 노력도 급증하고 있다. 한 생물체의 유전자를 다루기 쉽거나, 빨리 자라는 다른 생물체로 옮겨 발현시키는 유전자 조작기술의 발달은 이제 단순한 유전자 재조합차원을 떠나 분자생물학적인 접근으로 더욱 안정하고, 활성이 강하고, 분리 정제가 용이한 신물질을 창출하는 단계에 도달하였다. 그러나 이런 생물학적 지식의 축적이 눈부신 생물공학 발전의 유일한 원동력은 아니었다. 유전공학적으로 개발된 물질을 다른, 경쟁관계에 있는 화학적합성이나 추출 등의 생산방법보다 경제적으로 생산할 수 있는 응용공학적인 기술이 순수과학적인 지식의 진보와 보조를 맞추지 못했다면생물공학의 발전은 불가능하였다. 즉, 생물공학적 산물의 경쟁력은원료의 경제성, 적합한 생물반응기의 존재, 분리 정제 방법의 효율뿐만 아니라, 전체 공정의 안정 재현성 등이 복합적으로 작용한다. 생물반응기는 특정 물질이나 세포를 생산하기 위해 또는 특정 반응을 수행하기 위해, 생물체를 조절된 환경하에서 키울 수 있도록 만든 용기의 총칭이다. 생물반응기는 발효조라고도 불리나, 엄격한 발효의 의미는 미생물의 혐기적 배양을 말하므로, 대부분의 배양이 호기성임을 감안하여 생물반응기라는 용어가 보편적으로 쓰이고 있다.따라서 적당한 생물반응기의 선택을 위해서는 키우려는 생물체 및원하는 생산물의 생물학적, 생화학적인 특성, 물리 화학적 성질뿐만아니라 이들 특성에 따른 전체 공정의 설계와 생산물의 판매전략까지 고려되어야 한다. 즉, 최종생산물의 경제성 및 경쟁력을 좌우하는최적생산조건은, 앞에 나열한 모든 조건들이 상호 보완적으로 작용할 수 있는 적당한 반응기의 신중한 선택이 없이는 얻어질 수 없다.

생물반응기 설계에 중요한 요소들은 각 경우에 따라 다르지만, 먼저최적 세포 농도, 비생산속도 및 생산율, 비증식속도, 비산소소비속도와 비발열율 등에 대한 정보가 필수적이다. 이들 정보를 기초로 필요한 물질전달속도와 열전달속도를 구할 수 있고, 이들과 앞에 언급한생물 생화학적 특성 등에서 적당한 생물반응기의 형태를 찾아 규모확대등을 통하여 최적 생물반응기의 종류와 크기를 설정할 수 있다.

 

? 생물반응기의 역사

인류가 미생물의 발효능력을 이용한 역사는 수천 년에 이른다. 기원전 6000년경 수메르 사람들의 양조가 그 시작이라 추측된다. 기원전4000년경 이집트 사람들은 양조기술과 효모를 이용한 제빵기술을 가지고 있었으며, cheese와 yogurt 등의 유가공 제품도 오랜 역사를 갖는다. 기원후 14년경 중국에서 발효액의 증류공정이 개발되면서 독한술이 개발되었다 (표 1. 참고) 즉 이러한 주류나 혹은 발효식품은 어떤 형태의 생물반응기를 사용해서 만들었을 것이기 때문이다. 그러나현재의 발효산업에 쓰이고 있는 생물반응기는 생물화학공학(Biochemical engineering)이란 학문분야의 탄생과 그 역사를 같이 한다고하겠다. 제 1차 세계대전 동안, 영국의 Weismann등은 Clostridiumacetobutyliticum을 이용한 acetone과 butanol의 생산공정을 개발하였는데, 이것이 생물반응기의 시초였다. 그러나 bacteriophage에 의한오염이 심각한 문제였으며, 이의 해결을 위하여 금속원통형 생물반응기가 도입되고, 증기를 이용한 가압살균공정이 개발되었고 배지와 배양액의 무균유지에 대한 중요성이 인식되면서, 발효공정의 각 부분에
대한 살균 및 무균관리가 활발히 연구되기 시작하였다. 초기의 생물반응기는 발효시 발생하는 기체에 의한 자연 순환으로 교반을 대신하였으나, 1930년대부터 호기성 균주의 대량 배양이 시작되면서, 공기분산기와 기계적 교반기가 도입되었다. 이차대전 당시에는 열을 이용한 멸균과 통기(aeration)를 이용한 산소공급으로 근대식 생물반응기에서 페니실린을 생산하기 시작하였다. 교반에 의한 소용돌이를 줄이고 교반의 효율을 높이기 위한 유체조절판들이 부착되기 시작되고,페니실린의 대량생산이 시작되면서, 여러 가지 형태의 생물반응기가설계되기 시작하였다

1960년대 중반부터 1970년대 초에 걸쳐 새로운 기능을 가진 효소를산업화하기 위하여 고정화효소법이 개발되어 충전탑형태의 생물반응기가 사용되었다. 1973년 신생물공학 시대 이후의 새로운 반응기의필요성은 동물세포를 고농도로 키울 수 있는 것이었다. 생물반응기는 그의 주변학문인 생물학의 발전에 크게 의존하고 다음이 화학공학 및 기타 응용과학의 발전에 의한다고 할 수 있다. 1950년대의Watson과 Crick에 의한 DNA의 발견에 따른 직접적인 영향을 받은바 없다고 할 정도로 생물반응기의 하드웨어적인 발전은 없었다고할 수 있다. 1960년대 말부터 single cell protein의 대량생산을 위한생물반응기 중에는 에너지 소모가 적고 경제적인 혹은 기술적인 측면에서 유리한 air-lift형 발효기의 출현이 있었고, 1980년대에 들어서 동물세포의 배양이 본격화하면서 shear가 적게 걸리고 고농도로세포를 키울 수 있는 반응기의 필요성이 제기되었다.




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