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안녕하세요.

싸토리우스 블로그 지기 토리입니다 :)

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생산 현장에서는 생산 과정에서 문제가 없었음을 확인하여

생산 제품의 품질을 간접적으로 확인하거나 보장하는 경우가 많은데요.

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단일클론항체 공정을 포함하는 바이오 의약품 생산 공정중의 중요 parameter를 모니터 하여

특정 부분에 문제가 발생하는 즉시, 혹은 발생 전에 미리 대책을 세우고 대응해서

정상적인 생산을 할 수 있도록 하는 것이 중요합니다!

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이러한 parameter 기록은 비단 생산 과정에서만 중요한 것이 아니라

연구 개발 단계에서도 심도 있게 고찰되고 있으며, 그 중요성은 나날이 커지고 있는데요!

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오늘은 QbD 관점에서 미리 parameter들이

연구 개발 및 생산 단계에서 어떻게 다뤄지는지 알아볼까 합니다 :)

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우선 PAT란 무엇인지 알아볼까요?

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PAT는 Process Analytical Technology의 줄임말로

우리나라 말로는 '공정분석기술' 이라고 하는데요!

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미국 FDA(Food and Drug Administration)에서 권고하는

제약 품질 고도화(QbD-Quality by Design)를

보다 가속화하기 위해 사용하는 도구 중 하나입니다.

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일반적으로 생물반응기를 통한 공정을 진행할 때 사용하는

실시간 센서는 pH센서와 DO센서가 있는데요.

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먼저, 실시간 측정 센서의 방식과 그 특징에 대해 알아볼까요?

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실시간 측정은 데이터가 연속적으로 기록되는 것을 의미하는데요.

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공정 분석을 위해 사용되는 PAT 실시간 측정 센서에는

설치되는 위치에 따라 총 3가지 방식으로 나뉘어 부릅니다.

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< In-line >

반응 용기 내의 배양액에 직접 접촉하여 측정하는 방식

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< On-line >

우회라인을 통해 배양액과 접촉하고 반응 용기 내에서는 접촉하지 않는 방식

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< At-line >

특정 시간마다 반응 용기에서 배양액을 샘플링하여

따로 준비한 분석장비를 통해 그 내용을 분석하는 방식으로,

대부분의 분석장비들이 해당

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여기서 잠깐!

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On-line 방식의 경우

실시간(Real-time)과 반대되는 개념인 비 연속 샘플링에서 나온

Off-line과 상반되는 단어로 사용될 수도 있으며,

위에서 언급한 센서의 설치 위치에 따른 용어로도 사용되니

혼동되지 않도록 유의하시기 바랍니다!

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그렇다면 이제 실시간 측정 센서의 종류에 대해 알아볼까요?

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실시간으로 측정되는 변수에는 pH, DO, 온도 외에도 다양한 것들이 존재하는데요.

모두 공정이 문제없이 진행되고 있는지 측정하는 것으로,

최근에는 세포 배양액 내의 Glucose / Lactate 농도의 측정,

VCD(Viable cell density - 배양액 내 살아있는 세포수),

탁도, 배양 공정 시 발생하는 기체 분석 센서 등으로

최고의 배양 조건을 만드는 기술이 다양한 형태로 소개되고 있습니다.

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이번 시간에는 측정된 신호가 배양기에서

어떻게 처리되는지에 대한 원리만 간략하게 살펴볼 텐데요!

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신호 처리에는 디지털 방식과 아날로그 방식이 있습니다.

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공정 변수는 정밀하게 측정이 필요한 만큼

신호 처리에 끊김이 없는 아날로그 방식이 선호되어 왔으나,

최근에는 전자 공학 기술의 발달로 디지털 방식이 많이 사용되고 있다는 사실!

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이는 장비 내부 회로가 발열에 의해 저항값이 바뀌면서 신호에 주는 영향을 받지 않게 하며,

디지털로 전송된 신호를 해석 시에만 아날로그로 변환하여 신뢰도를 높입니다.

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보다 정확하고 신뢰성 있는 측정을 위한 기술의 산물이라고 할 수 있겠죠?

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① 정전 용량 방식의 실시간 세포 수 측정

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세포의 수를 측정하는 가장 쉬운 방법은 바로 카메라 모듈(CCD)을 통해 사진을 찍어

이를 보기 좋게 영상 처리하여 세포 수를 프로그램이 직접 확인하는 방법인데요.

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BUT!

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이 측정 방법의 경우 발암물질인 Trypan Blue 염료가 사용되고,

측정 시간이 길다는 단점이 있습니다.

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따라서 최근에는 샘플링의 횟수도 줄이면서 안전성을 위해

정전 용량을 이용한 세포 수 측정 센서가 각광을 받고 있는 상황입니다.

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정전 용량을 이용한 세포 수 측정 방식은

배양액 안에 있는 세포들을 분극시켜 측정하기 때문에

직접 샘플링을 해서 카메라 장비로 촬영을 해야 하는 수고로움을 덜 수 있습니다.

분극은 우리 실생활에서 정전기 현상과 비슷하다고 생각하시면 되는데요.

무질서하게 배치된 전하게 일시적으로 재배열 되면서 도채와 비슷한 성질을 띄는 것을 말합니다.

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세포를 순간적으로 분극시켜서 측정하기 때문에

실시간으로 세포의 양을 추적하기가 용이한 방식이랍니다!

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② 흡광도를 통한 미생물 성장 측정

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흡광도는 빛이 어떤 매질을 투과할 때

빛을 얼마나 흡수하는지를 측정한 값인데요.

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동물 세포는 분극이 되기 때문에 충분히 큰 크기이지만

미생물의 경우는 그 크기가 동물의 20%에 머무르기 때문에 분극이 잘 되지 않습니다.

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따라서 미생물 공정에서는 흡광도를 통한 측정 방식을 많이 사용하고 있습니다.

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위 그림과 같이 센서가 매질인 배양액을 통과하고 들어온

빛의 세기를 감지하여 미생물의 성장 속도를 파악하는 것인데요.

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배양액이 빛을 많이 흡수할수록 더 많은 전기 신호를 배양기로 보내게 설계되어 있고,

이를 통해 배양기에서 손쉽게 미생물의 성장 정도를

실시간으로 관측하여 최적의 공정 종료 시점을 산출할 수 있답니다!

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③ 대사물질 측정

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Glucose는 동물 세포 배양이나 미생물 배양 모두에서

매우 중요한 지표로 자리매김하고 있습니다.

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배양액 안에 있는 세포나 미생물의 성장 촉진을 위해 Glucose를 일정량 투입하게 되는데

이 때 투입되는 양의 효율적인 조절을 통해 높은 성장 효율을 이끌어낼 수 있습니다.

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측정의 경우에는 기존의 분석 장비가 채용하는

효소 반응 멤브레인을 이용한 측정 방식을 사용하고 있는데요.

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이 방식의 경우 신뢰도가 매우 높으며,

연속 측정 시 배양액의 손실이 없도록 하기 위해

샘플링 프로브의 하단부에 특수한 단방향 투과성 멤브레인을 사용합니다.

이 멤브레인은 Glucose와 Lactate의 입자만을 통과시켜

유로(Flow path) 내부에 흐르고 있는 전달 버퍼를 통해 센서로 이동합니다.

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④ 배출 가스 측정

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위에서 살펴보았듯 미생물 성장에 있어 성장의 정도를 보는 것이 흡광도라고 하면

배출 가스는 성장의 효율을 보는 지표라고 할 수 있는데요!

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공급된 산소와 이산화탄소 비율 그리고 미생물이 소비하고 남은 산소와 이산화탄소 비율과 배양기의 크기를 통해

성장 효율의 중요한 지표인 산소 소비량과 이산화탄소 배출량을 알 수 있게 됩니다.

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지금까지 PAT 공정분석기술에 대해 알아보았는데요.

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다음 시간에는 공정분석 기술을 통해 얻은 많은 양의 데이터를

품질고도화를 위한 데이터 분석을 통해 분석하는 방법을 알아볼까 합니다.

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그럼, 다음 시간에 다시 돌아오겠습니다!