공정 분석 기술, 그것이 궁금하다!
안녕하세요.
싸토리우스 블로그 지기 토리입니다 🙂
생산 현장에서는 생산 과정에서 문제가 없었음을 확인하여
생산 제품의 품질을 간접적으로 확인하거나 보장하는 경우가 많은데요.
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!
이러한 parameter 기록은 비단 생산 과정에서만 중요한 것이 아니라
연구 개발 단계에서도 심도 있게 고찰되고 있으며, 그 중요성은 나날이 커지고 있는데요!
오늘은 QbD 관점에서 미리 parameter들이
연구 개발 및 생산 단계에서 어떻게 다뤄지는지 알아볼까 합니다 🙂
우선 PAT란 무엇인지 알아볼까요?
PAT는 Process Analytical Technology의 줄임말로
우리나라 말로는 ‘공정분석기술’ 이라고 하는데요!
미국 FDA(Food and Drug Administration)에서 권고하는
제약 품질 고도화(QbD-Quality by Design)를
보다 가속화하기 위해 사용하는 도구 중 하나입니다.
일반적으로 생물반응기를 통한 공정을 진행할 때 사용하는
실시간 센서는 pH센서와 DO센서가 있는데요.
먼저, 실시간 측정 센서의 방식과 그 특징에 대해 알아볼까요?
실시간 측정은 데이터가 연속적으로 기록되는 것을 의미하는데요.
공정 분석을 위해 사용되는 PAT 실시간 측정 센서에는
설치되는 위치에 따라 총 3가지 방식으로 나뉘어 부릅니다.
< In-line >
반응 용기 내의 배양액에 직접 접촉하여 측정하는 방식
< On-line >
우회라인을 통해 배양액과 접촉하고 반응 용기 내에서는 접촉하지 않는 방식
< At-line >
특정 시간마다 반응 용기에서 배양액을 샘플링하여
따로 준비한 분석장비를 통해 그 내용을 분석하는 방식으로,
대부분의 분석장비들이 해당
여기서 잠깐!
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!
그렇다면 이제 실시간 측정 센서의 종류에 대해 알아볼까요?
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.
* 다양한 종류의 실시간 공정 분석 센서
이번 시간에는 측정된 신호가 배양기에서
어떻게 처리되는지에 대한 원리만 간략하게 살펴볼 텐데요!
신호 처리에는 디지털 방식과 아날로그 방식이 있습니다.
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!
이는 장비 내부 회로가 발열에 의해 저항값이 바뀌면서 신호에 주는 영향을 받지 않게 하며,
디지털로 전송된 신호를 해석 시에만 아날로그로 변환하여 신뢰도를 높입니다.
보다 정확하고 신뢰성 있는 측정을 위한 기술의 산물이라고 할 수 있겠죠?
① 정전 용량 방식의 실시간 세포 수 측정
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.
BUT!
이 측정 방법의 경우 발암물질인 Trypan Blue 염료가 사용되고,
측정 시간이 길다는 단점이 있습니다.
따라서 최근에는 샘플링의 횟수도 줄이면서 안전성을 위해
정전 용량을 이용한 세포 수 측정 센서가 각광을 받고 있는 상황입니다.
* 센서의 전극 신호로 인해 분극된 세포
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.
분극이란?
분극은 우리 실생활에서 정전기 현상과 비슷하다고 생각하시면 되는데요.
무질서하게 배치된 전하게 일시적으로 재배열 되면서 도채와 비슷한 성질을 띄는 것을 말합니다.
세포를 순간적으로 분극시켜서 측정하기 때문에
실시간으로 세포의 양을 추적하기가 용이한 방식이랍니다!
② 흡광도를 통한 미생물 성장 측정
흡광도는 빛이 어떤 매질을 투과할 때
빛을 얼마나 흡수하는지를 측정한 값인데요.
동물 세포는 분극이 되기 때문에 충분히 큰 크기이지만
미생물의 경우는 그 크기가 동물의 20%에 머무르기 때문에 분극이 잘 되지 않습니다.
따라서 미생물 공정에서는 흡광도를 통한 측정 방식을 많이 사용하고 있습니다.
* 흡광도 센서의 주요 구성
위 그림과 같이 센서가 매질인 배양액을 통과하고 들어온
빛의 세기를 감지하여 미생물의 성장 속도를 파악하는 것인데요.
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!
③ 대사물질 측정
Glucose는 동물 세포 배양이나 미생물 배양 모두에서
매우 중요한 지표로 자리매김하고 있습니다.
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.
* 대사 물질 분석의 원리 및 측정 프로브의 내부 구조
측정의 경우에는 기존의 분석 장비가 채용하는
효소 반응 멤브레인을 이용한 측정 방식을 사용하고 있는데요.
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.
④ 배출 가스 측정
위에서 살펴보았듯 미생물 성장에 있어 성장의 정도를 보는 것이 흡광도라고 하면
배출 가스는 성장의 효율을 보는 지표라고 할 수 있는데요!
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.
* 배출 가스 분석 장비의 작동 모습
지금까지 PAT 공정분석기술에 대해 알아보았는데요.
다음 시간에는 공정분석 기술을 통해 얻은 많은 양의 데이터를
품질고도화를 위한 데이터 분석을 통해 분석하는 방법을 알아볼까 합니다.
그럼, 다음 시간에 다시 돌아오겠습니다!
