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핵심 단계: 생산 바이오리액터

📍 현재 위치: 여정의 11번째 단계 — 세포가 큰 탱크로 옮겨져 본격적으로 의약품을 빚어내기 시작합니다.

이곳은 바이오의약품(biologic) — 살아 있는 세포가 만드는 의약품 — 을 만드는 상류(upstream) 공정의 심장부입니다. 종균 배양(seed train)에서 만든 작은 출발 배양액을 하나의 큰 탱크에 부으면, 그 안에서 수십억 개의 세포가 자라며 주변 액체 속으로 항체(antibody, 면역계가 사용하는 Y자 모양 단백질)를 조용히 분비합니다. 이 순간부터는 모든 것이 세포가 시간 단위로, 하루 단위로 계속 건강하고 바쁘게 일하도록 맞춰집니다.

쉽게 말하면

양조장을 떠올려 보세요. 맥주를 만들려면 효모에게 따뜻한 탱크와 먹을 당분, 그리고 딱 맞는 조건을 주면 효모가 알아서 맥주를 빚어 줍니다. 여기서도 똑같은 일을 합니다 — 다만 우리 세포는 맥주 대신 의약품을 빚습니다. 탱크를 아늑하고 영양이 충분하게 유지하고 매처럼 지켜보면, 세포는 며칠에 걸쳐 항체를 쏟아냅니다.

이 장에서 다루는 내용​

생산 바이오리액터(production bioreactor)의 뚜껑을 열어 봅니다. 그것이 무엇인지, 반드시 흔들림 없이 유지해야 하는 몇 가지 조건이 무엇인지, 그리고 그 조건을 붙잡아 두는 영리한 피드백 회로가 어떻게 작동하는지를 살펴봅니다. 실제 공장이 사들이는 진짜 장비와 그것이 돌아가는 수치를 만나 봅니다. 탱크를 운전하는 두 가지 방식 — 지배적인 유가식(fed-batch) 방식과 현대적이고 집약화된 관류(perfusion) 방식 — 을 비교하고, 왜 하필 산소가 흔히 병목이 되는지를 봅니다. 마지막으로 운전 전체가 실시간으로 어떻게 감시되고 법적 기록으로 남는지를 살펴봅니다. 이 산업에서는 증명할 수 없는 배치(batch)는 팔 수 없는 배치이기 때문입니다.

실제로 일어나는 일​

생산 바이오리액터는 큰 용기입니다 — 흔히 매끈하게 다듬은 스테인리스강 탱크이거나 거대한 일회용 플라스틱 백 형태로, 생산 규모에서는 수백 리터에서 2,000리터까지 담을 수 있습니다. 그 안에서의 목표는 말하기는 쉽지만 해내기는 어렵습니다. 세포를 거의 완벽한 환경에 두어 최대한 많이 증식하고 최대한 많은 항체를 만들게 하는 것입니다.

세포는 까다롭습니다. 세포가 잘 자라도록 센서가 탱크를 감시하고, 제어기가 각 조건을 설정값(setpoint) — 목표값 — 에 자동으로 붙들어 둡니다.

  1. 온도(temperature) 는 37도 부근으로 유지됩니다 — 사람 몸과 같은 온기인데, 이 세포가 포유류에서 유래했기 때문입니다. 많은 공정에서는 운전 후반에 일부러 온도를 한두 도 낮춰 성장을 늦추고 세포가 제품을 만드는 쪽으로 방향을 틀게 합니다.
  2. pH(액체가 얼마나 산성인지 염기성인지)는 좁은 범위, 보통 6.8에서 7.2 사이로 안정되게 유지됩니다. 이산화탄소 기체를 조금 넣어 pH를 낮추거나 염기를 넣어 높입니다. 그 범위를 벗어나면 세포가 스트레스를 받고 일을 엉성하게 합니다.
  3. 용존 산소(dissolved oxygen, DO) — 액체에 녹아 있는 산소 — 는 끊임없이 보충됩니다. 세포도 우리처럼 숨을 쉬기 때문입니다. 공장은 보통 DO를 30~80퍼센트 범위(완전한 공기 포화도에 대한 백분율) 어딘가로 유지합니다. 너무 적으면 세포가 굶고, 너무 많아도 그 자체로 일종의 스트레스가 됩니다.
  4. 부드러운 교반기(stirrer) 가 대략 분당 50~150회전으로 돕니다. 연약한 세포에 멍을 들이지 않을 만큼 느리면서도, 모든 것을 고르게 섞고 산소를 잘 분포시킬 만큼 빠른 속도입니다.
  5. 영양 공급(nutrient feed) — 주로 당과 아미노산으로 된 농축 먹이 — 은 정해진 일정에 따라 추가됩니다. 굶주린 세포는 의약품 만들기를 멈추기 때문입니다.

세포가 일하는 동안 액체 속 항체의 양이 점점 올라갑니다. 우리는 그 수율을 역가(titer) 로 매깁니다. 리터당 항체 그램 수입니다. 역가가 머리기사 같은 숫자인 이유는 그것이 비용에 가장 단순하게 작용하는 지렛대이기 때문입니다 — 역가가 높다는 것은 같은 탱크, 같은 배지, 같은 2주간의 노동에서 더 많은 의약품이 나온다는 뜻이므로, 역가는 (각 세포가 얼마나 생산적인지, 그리고 세포가 얼마나 오래 살아 있는지와 더불어) 공정 경제성을 좌우하는 핵심 동인 중 하나입니다 [1]. 현대의 유가식 mAb 공정은 흔히 리터당 28그램의 역가에 도달하며, 수확 시점이 되면 세포 밀도는 대략 밀리리터당 500만2,000만 개에 이릅니다.

생산 바이오리액터의 내부 구성요소, 센서 위치, 공급 및 배기 가스 라인, 그리고 PLC가 어떻게 설정값 조건을 유지하는지 보여주는 피드백 제어 회로를 나타낸 도해. 통합 제어 회로를 갖춘 생산 바이오리액터 단면도. 센서가 제어기로 신호를 보내고, 제어기는 히터와 교반, 공급 펌프를 조정해 설정값을 유지합니다. 삽입 그림은 스테인리스강 교반 탱크형(유가식)과 일회용 백(관류)을 비교합니다. Original diagram by the authors, created with AI assistance.

모든 것을 붙들어 두는 피드백 회로​

그 조건들 중 어느 것도 저절로 유지되지 않습니다. 용존 산소 탐침(probe), pH 전극, 온도 센서 같은 각 센서는 자신의 측정값을 1초에 여러 번 제어기로 보고합니다. 제어기는 대개 PLC(programmable logic controller, 프로그램 가능 논리 제어기)나 DCS(distributed control system, 분산 제어 시스템)입니다. 제어기는 측정값을 설정값과 비교한 뒤 알맞은 작동기를 살짝 움직입니다. 산소 스파저(sparger)를 조금 열거나, 재킷을 데우거나, 염기를 한 방울 넣거나, 공급 펌프를 빠르게 합니다. 이것은 전형적인 피드백 회로이며, 사람이 그 앞에 서서 밸브를 돌리지 않아도 되도록 캠페인 내내 지치지 않고 돌아갑니다.

가장 따라잡기 어려운 단 하나는 산소입니다. 세포는 산소를 빠르게 소비하지만, 산소는 기체 거품에서 물속으로 녹아 들어가는 속도가 끈질기게 느립니다. 산소가 그 경계를 얼마나 빨리 건너는지는 부피 물질전달계수(volumetric mass-transfer coefficient), 즉 kLa로 표기하는 숫자로 나타냅니다 — 본질적으로 탱크의 산소 공급 마력입니다 [2]. kLa를 높이려면 거품을 더 작게 만들고(더 미세한 스파저, 바닥에서 기체를 주입하는 구멍 뚫린 고리), 더 빠르게 교반하면 됩니다. 교반은 거품을 잘게 찢고 신선한 액체를 거품 옆으로 휩쓸어 보냅니다. 문제는 포유류 세포가 깨지기 쉬워서 교반기를 무작정 세게 돌릴 수 없다는 것입니다. 전단력(shear)을 부드럽게 유지하면서도 충분한 산소를 공급하는 것이 바로 기술의 묘미입니다. 탱크가 커질수록 이것은 더 어려워집니다. 큰 용기는 작은 용기보다 덜 균일하게 섞이기 때문입니다 — 신선한 액체가 도착하기 전에 일부 구역이 잠시 산소가 부족해질 수 있습니다. 이 균형을 제대로 잡는 것이 "스케일업(scale-up)"의 거의 전부입니다.

탱크를 운전하는 두 가지 방식​

생산 바이오리액터를 운전하는 데에는 두 가지 주요 방식이 있고, 그 선택이 공장 전체를 그 주위에 맞춰 빚어냅니다.

유가식(fed-batch) 은 표준적인 상업 방식이며, 하류(downstream)의 프로테인 A(Protein A) 포획과 짝을 이루어 거의 모든 승인된 mAb의 기본 플랫폼입니다. 세포는 대략 1014일 동안 자랍니다. 가끔씩 농축 영양물을 부어 세포를 계속 먹이고("유가식"이라는 말은 바로 이 주기적인 공급을 뜻합니다), 역가가 서서히 쌓이며, 마지막에 모든 것을 한 번의 큰 수확으로 거둡니다. 단순하고 믿음직하며 규제 당국이 잘 이해하고 있고, 단연 가장 흔합니다. 운전 기간은 세포주와 제품에 따라 달라집니다 — 어떤 캠페인은 더 짧고, 어떤 것은 3주에 가깝게 늘어나기도 합니다 — 그러나 1014일이 대표적인 구간입니다 [3].

관류(perfusion) 는 현대적이고 집약화된 방식입니다. 신선한 배지가 계속 흘러 들어오고 소모된 배지와 녹아 있는 제품이 계속 흘러 나가는 한편, 세포 보유 장치(cell-retention device) 가 세포를 탱크 안에 붙잡아 둡니다. 이 보유 장치는 별개의 장비이며, 관류를 가능하게 하는 바로 그것입니다 — 대개는 교차 접선 흐름(alternating-tangential-flow, ATF)이나 접선 흐름(tangential-flow, TFF) 방식으로 운전하는 중공사 필터(hollow-fiber filter) 이고, 때로는 음향 분리기나 소형 원심분리기입니다. 폐기물이 끊임없이 씻겨 나가고 먹이가 결코 떨어지지 않기 때문에 세포는 엄청난 밀도에 도달합니다 — 생존 세포 농도가 밀리리터당 5,000만1억 개 이상으로, 유가식이 유지할 수 있는 것의 몇 배입니다 [4]. 신선한 배지는 보통 두어 시간마다 탱크 전체 부피를 교체하며(체류 시간이 대략 24시간), 배양은 2030일 또는 그 이상 계속 생산하면서 하루에 리터당 0.52그램가량의 항체를 쏟아냅니다. 작은 관류 탱크가 훨씬 큰 유가식 탱크보다 더 많이 생산할 수 있는데, 이것이 공정 집약화(process intensification)의 전체 경제적 논거입니다 [1].

여기서 정확히 짚어 둘 가치가 있습니다. 관류는 운전 방식(연속 공급과 배출)이고, 필터나 음향 장치는 세포가 소모된 배지와 함께 씻겨 나가지 않도록 막는 메커니즘입니다. 둘은 함께 가는 서로 다른 두 가지입니다.

왜 중요한가​

이 탱크는 의약품이 실제로 만들어지는 곳이므로, 그 안의 조건이 얼마나 많이 얻는지와 그것이 사용하기에 안전한지를 모두 결정합니다. 산소가 부족해지거나 온도가 흐트러지거나 공급을 한 번 놓치면, 세포는 느려지고, 멈추고, 심지어 죽기 시작합니다. 죽어 가는 세포는 효소와 DNA를 포함한 내용물을 액체 속으로 쏟아내어, 나중의 정제 단계가 닦아내야 할 불순물을 더합니다. 더 나쁜 것은, 스트레스가 항체 자체를 미묘하게 바꿔 거기에 붙은 당 사슬이나 효력(potency) — 약이 환자에게 얼마나 잘 듣는지 — 을 변화시킬 수 있다는 점입니다.

그래서 통제되는 범위는 어림짐작으로 정하는 것이 아닙니다. ICH Q8(R2) 의 품질설계기반(Quality-by-Design) 틀 아래에서, 제조사는 설계 공간(design space) 을 그려냅니다. 공정이 규격을 충족하는 제품을 만들어낸다는 것이 입증된, 온도와 pH와 용존 산소와 공급 속도의 다차원 영역입니다 [5]. 그 범위 안에 머무는 것이 한 배치를 다음 배치와 똑같아 보이게 만드는 비결입니다. 어떤 매개변수가 가장 중요한지 — 그것이 흔들리면 품질 속성이 손상될 진짜 핵심 공정 매개변수(critical process parameter)가 무엇인지 — 를 정하는 일은 ICH Q9(R1) 에 제시된 체계적인 위험 평가로 이루어집니다. 그래야 가장 엄격한 통제가 제품이 가장 민감한 곳에 정확히 놓입니다 [6]. 출판된 A-Mab 사례 연구(A-Mab case study), 즉 업계의 교육용 예시는 모델 항체에 대해 바로 이 논리를 차근차근 보여줍니다. 각 바이오리액터 매개변수를 그것이 영향을 줄 수 있는 품질 속성과 연결한 다음, 그 주위에 통제 전략을 세우는 것입니다 [3]. 설정값을 설계 공간 안에 붙들어 두면, 배치를 거듭해도 일관되고 고품질인 의약품을 높은 역가로 얻습니다.

실제 현장에서는​

가동 중인 상류 작업실에 들어서면 익숙한 몇몇 이름의 장비를 보게 됩니다. 자토리우스(Sartorius)(BIOSTAT STR 라인), 사이티바(Cytiva)(Xcellerex XDR), 써모 피셔(Thermo Fisher)(HyPerforma 일회용 바이오리액터, 줄여서 S.U.B.)의 스테인리스강 및 일회용 교반 탱크가 약 50리터에서 2,000리터까지의 생산 범위를 아우릅니다. 한편 에펜도르프 바이오블루(Eppendorf BioBLU) 같은 더 작은 개발 규모 시스템은 공정 개발용으로 대략 0.5리터에서 50리터까지 돌아갑니다. 일회용(single-use) 플라스틱 용기 — 설치해 한 번 쓰고 버리는 멸균 백 — 로의 이동은 산업을 다시 빚어냈습니다. 고정형 스테인리스강의 느리고 검증 부담이 큰 세척과 멸균을 없애주어, 공장이 몇 주가 아니라 며칠 만에 제품을 바꿀 수 있게 하기 때문입니다.

오늘날 승인된 바이오의약품의 대부분은 여전히 유가식으로 운전하는 큰 탱크에서 만들어집니다 — 검증되었고, 지배적이며, 규제 당국이 평가하기 쉽기 때문입니다. 그러나 흐름의 방향은 연속적이고 집약화된 공정 쪽을 향하고 있습니다. 일회용 관류 바이오리액터를 연속 하류 포획과 짝지은 형태입니다. 이것이 바로 미국의 NIIMBL 연구소 — 민관 합동 Manufacturing USA 연구소 — 가 발전을 돕고 있는 종류의 공정이며, SABRE 센터(SABRE Center) 가 시범 운영하기 위해 지어지고 있는 것 중 하나입니다. SABRE(Securing American Biomanufacturing Research and Education)는 델라웨어 대학교에 있는 시범 규모 cGMP(current Good Manufacturing Practice, 현행 우수 의약품 제조 및 품질관리 기준 — 의약품이 어떻게 만들어져야 하는지에 관한 구속력 있는 FDA 표준) 시설로, 2024년 4월에 착공했으며 이 글을 쓰는 시점에는 아직 건설 중입니다. 그것은 실습형 시범 규모 작업을 위한 시설이지, 데이터 프로그램이 아닙니다 [7].

어느 쪽이든, 현대의 공장은 점점 더 PAT — Process Analytical Technology, 즉 공정 분석 기술 — 에 기댑니다. FDA가 2004년에 제시한 틀로, 품질을 나중에 검사해 끼워 넣기보다 공정 자체에 품질에 대한 이해를 직접 쌓아 넣도록 장려하기 위한 것입니다 [8]. 실제로는 인라인(in-line) 계측기들의 묶음을 뜻합니다. 앞서 언급한 용존 산소 탐침과 pH 전극, 공급 병 아래에 놓여 추가되는 모든 그램을 무게로 기록하는 저울, 그리고 — 점점 더 흔하게 — 라만 분광(Raman spectroscopy) 탐침입니다. 라만 탐침은 레이저 빛을 배양액 속으로 쏘아 넣고, 시료를 꺼내지 않은 채 실시간으로 포도당(glucose)과 젖산(lactate)의 농도, 심지어 살아 있는 세포가 얼마나 되는지의 추정값까지 읽어냅니다. 여러 배양 매개변수를 이렇게 인라인으로 측정하는 것은 500리터 규모에서 실증되었습니다 [9]. 이 측정값을 소프트 센서(soft sensor) — 측정하기 쉬운 양으로부터 생존 세포 밀도처럼 측정하기 어려운 양을 추론하는 모델 — 에 넣어 주면, 시스템은 세포가 굶기 전에 미리 먹일 수 있습니다.

이 모든 것은 동시에 법적 기록이기도 합니다. 제어 레시피는 ISA-88 배치 제어 표준에 따라 구조화되며, PLC나 DCS는 실제로 수행된 운전 — 모든 온도 측정값, 모든 설정값, 시각이 찍힌 모든 공급 추가 — 을 전자 배치 기록(electronic batch record) 으로 담아냅니다. 그 기록이 의약품이 올바르게 만들어졌다는 증거이기 때문에, 그것은 21 CFR Part 11(신뢰할 수 있는 전자 기록과 서명에 관한 FDA 규정)을 충족해야 하며, 장비 자체는 21 CFR Part 211, Subpart J 의 설계 및 운전 요건을 만족해야 합니다. 이 산업에서는 데이터 흔적이 항체만큼이나 중요한 산출물입니다.

핵심 용어​

  • 생산 바이오리액터(production bioreactor) — 세포가 자라며 항체를 분비하는 큰 탱크.
  • 설정값(setpoint) — 제어기가 어떤 조건을 붙들어 두는 목표값, 예를 들어 37도.
  • 용존 산소(dissolved oxygen, DO) — 세포가 숨 쉴 수 있도록 액체에 녹여 넣은 산소로, 공기 포화도에 대한 백분율로 유지함.
  • 역가(titer) — 리터당 항체 그램 수, 즉 수율 성적표.
  • 유가식(fed-batch) — 약 10~14일 동안 키우고 주기적으로 먹인 뒤 한 번에 수확하는 방식, 즉 기본 플랫폼.
  • 관류(perfusion) — 신선한 배지를 들이고 제품을 내보내는 일을 연속으로 하면서, 세포는 몇 주 동안 안에 붙들어 두는 방식.
  • 일회용(single-use) — 고정형 스테인리스강 탱크 대신 설치했다가 버리는 일회용 플라스틱 백 반응기.
  • PAT — Process Analytical Technology(공정 분석 기술): 라만 탐침 같은 인라인 센서로 배양을 실시간 감시하는 것.
  • 바이오리액터(bioreactor) — 세포를 키우는 모든 통제된 용기로, 생산 바이오리액터는 그 계열에서 가장 큰 것.
  • kLa(부피 물질전달계수, volumetric mass-transfer coefficient) — 산소가 기체 거품에서 액체로 얼마나 빨리 옮겨 가는지를 나타내는 척도.
  • 스파저(sparger) — 탱크 바닥에 있는 구멍 뚫린 고리로, 기체를 주입해 배양액에 산소를 공급하고 섞음.
  • 세포 보유 장치(cell-retention device) — 관류 중에 세포를 안에 붙들어 두는 필터, 음향 분리기, 또는 원심분리기.
  • 설계 공간(design space) — 규격에 맞는 제품을 안정적으로 만들어내는, 입증된 운전 범위(온도, pH, DO, 공급)의 조합.
  • 소프트 센서(soft sensor) — 더 쉬운 측정값으로부터 살아 있는 세포 수처럼 측정하기 어려운 값을 추론하는 모델.
  • 전자 배치 기록(electronic batch record) — 운전 중에 일어난 모든 일을 담은, 법적으로 통제되는 디지털 기록.

다음 이야기​

운전이 끝나면 — 유가식 탱크는 수확일에, 관류 흐름은 꾸준히 흐르는 중에 — 우리에게는 살아 있고 죽어 가는 세포, 잔해, 그리고 그 사이에 녹아 있는 소중한 항체가 뒤섞인 걸쭉하고 탁한 수프가 남습니다. 다음 일은 그 난장판 속에서 의약품을 분리해 내는 것입니다. 그것이 하류 여정의 첫 단계인 수확과 청징(harvest and clarification)의 일입니다.