바이오 산업의 핵심장비 - 바이오리액터(Bioreactor)

얼마 전, 국내뉴스에서 보도된 백신 개발업체인 모더나(Moderna)가 우리 나라에 백신공급을 목전에 두고 아래와 같은 소식을 우리 정부에 알려왔습니다.

https://www.chosun.com/international/international_general/2021/07/28/Q4KBN5QCEZAEHKGRTICEWBOTEM/

모더나 “해외 생산파트너에서 문제…백신 공급 지연”

www.chosun.com

보도된 내용에 따르면," 모더나의 백신을 생산하는 해외 생산파트너에서 발생한 실험실 시험 작성상의 문제로 인해 코로나바이러스 감염증 백신생산이 지연되고 있으며, 이로 인해 해외에 백신 공급이 느려지고 있다는 것입니다.

현재까지 알려진 바에 따르면, 모더나의 백신 원액은 스위스의 제약회사인 론자에서 생산하고, 병입(백신 원액을 용기에 담는 충진 및 포장작업)은 스페인 업체에서 담당(향후 본 공정은 삼성바이오로직스에서도 작업예정)하고 있습니다.

백신 공급 지연의 다섯 가지 원인

이러한 백신 공급이 지연되고 있는 것에 7/26일 영국 BBC에서는 아래와 같은 기사를 통해 총 5가지의 원인을 지적하였는데요.

https://www.bbc.com/korean/international-57963300

플라스틱 봉투 때문에 백신 공급이 느려진다고? - BBC News 코리아

원자재 부족에 따른 코로나19 백신생산의 병목현상을 해결하기 위해 코백스가 만든 새로운 오픈마켓을 살펴봤다.

www.bbc.com

본 기사에서 뽑은 5가지 원인은 아래와 같습니다.

1. 바이오리액터기 부족 : 대형 용기 내에 백신에 필요한 세포를 배양시키기 위한 장비가 부족

2. 필터와 플라스틱 파이프 부족 : 배양된 세포와 백신에 필요한 원액을 분리시키기 위한 필터와 원액을 수송하기 위한 파이프 부족

3. 원자재 부족 : mRNA의 핵심재료인 전령 RNA(Messanger RNA)을 만들기 위해 필요한 지질나노입자(Lipid nanoparticle) 부족

4. 숙련된 인력부족 : 일시적으로 백신 제조 규모가 폭발적으로 늘어나면서 바이오리액터기 조종 및 기타 의약제조를 담당하는 숙련된 노동력의 부족

5. 지적재산권 공유 부족 : 지적재산권 면제를 통해 선진국뿐만 아니라 인도 및 남아프리카 공화국 등 기타 국가들에서 백신 제조 기술을 이전받으면 이른 시간내에 백신 부족 상황을 타개할 수 있다고 주장하고 있습니다. 그러나 다른 한편에서는 지적 재산권이 공유된다고 해도 백신 제조 기술 및 기타 원부자재 부족문제 등이 있기 때문에 현실적이지 않는 방법이라고 말합니다.

백신제조부족의 가장 큰 원인은 바로 바이오리액터(Bioreactor) 부족

위의 열거한 백신 제조에 부족한 원인 5가지 중, 가장 핵심적인 이유는 바로 바이오리액터기 부족입니다.

이는 실제로 아래 우리 나라 매체를 통해서도 보도되었는데요.

https://news.joins.com/article/24056738

'2000리터 플라스틱 백'이 뭐길래…세계 백신 공급망 위협

"백신 세포를 배양하는 2000L 백(bag) 품귀 현상이 전 세계 백신 공급에 중대한 걸림돌이다". 전세계적으로 코로나19 백신 수요가 크게 늘면서 백신 제조에 쓰이는 원부자재 품귀 현상이 극심해지고

news.joins.com

기사 본문에서는 "2000리터 플라스틱 백"이라고 표현하였으나, 실제로는 바이오리액터기 1회용분을 지칭하는 말입니다.

본 기사에서는 실제로 코로나 백신을 생산하는 미국의 제약사 노바백스의 최고 경영자가 영국의 일간지 가디언지와의 인터뷰에서 일회용 바이오리액터기 공급을 최대 12개월까지 기다리고 있다"고 말했습니다.

일반적으로 세포를 배양할 때 일반 배양 탱크에서 배양과정을 거치면, 다음 배양을 위해 탱크를 세척하고 살균해야 하는데, Bioreactor Single-Use Type이라고 지칭되는 이 1회용 바이오리액터기는 이러한 세척과 살균 과정 없이, 세포배양이 완료되면, 1회용 바이오리액터기를 통째로 꺼내 정제 장치로 옮기고, 새 1회용 바이오리액터기를 연결하면 되기 때문에 세척,멸균 시간이 획기적으로 줄어들기 때문에 수요가 많이 필요한 상황입니다.

바이오리액터기란 무엇입니까?

바이오리액터(Bioreactor)는 특정 물질이나 세포를 생산하기 위해 생물체를 조절된 환경 하에 키울 수 있도록 만든 일종의 세포배양장치를 일컫는 것입니다.

일반적으로 생물학적인 세포, 물질, 화학반응 등은 각종 생물들의 체내에서 각종 효소를 이용하여 여러 물질들을 분해 또는 합성하게 되는데, 이렇게 인간에게 필요한 생물학적 물질들을 등에 필요한 물질들을 기존에는 해당 작물 또는 생물들을 생장시켜 추출하는 방식으로 이 같은 방식은 생육에 필요한 시간이 너무 오래 걸리고, 또한 필요한 물질을 추출하더라도, 그 양이 수요를 충분히 충족시키지 못한다는 점, 그리고 생육과 추출에 소모되는 자원이 추출량에 비해 어마어마하게 많다는 점이 늘 문제로 제기되어 왔습니다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 개발된 것이 바로 바이오리액터로, 결국 생물의 체내에서 진행되는 화학반응을 통해 만만들어지는 유용한 물질들을 생물의 체외, 바로 바이오리액터를 통하여 짧은 시간 내에 대량으로 생산할 수 있는 배양장치라고 이해할 수 있습니다.

일반적으로 바이오리액터는 생물반응기(Bioreactor)와 발효기(Fementor)와 혼동되는 경우가 있는데요. 발효기에 대한 정의는 아래와 같습니다.

발효기(Fementor)

발효기는 간단한 생물반응기로 볼 수 있으며, 우리가 일상생활에서 섭취하는 김치 또는 맥주 제조를 위한 미생물을 활용한 발효기도 이 범주에 포함할 수 있습니다. 즉, 발효기는 세균이나 효모같은 미생물을 이용하여 각종 식품등을 만들때의 필요한 배양 용기로 볼 수 있습니다. 또한 쓰레기 매립장에서 발생하는 가스들을 포집하여 바이오연료로 만드는 바이오매스에서 사용하는 것 또한 일종의 발효기라고 볼 수 있습니다.

결국, 바이오리액터기와 발효기는 둘 다, 밀폐된 용기 내부에서 생화학 반응을 촉진시킨다는 점에서 공통점을 지니고 있지만, 결정적으로 바이오리액터기는 모든 생물학적 유형에 대한 생화학 반응을 촉진하는 반면, 발효기는 발효만 촉진한다는 차이점을 지니고 있습니다.

바이오리액터의 종류

전통적인 항체의약품 위탁생산업체(CMO)의 경우, 대량생산을 통한 원가절감이 중요하기 때문에 초기에는 대용량(7,500L~150,000L)의 스테인리스 바이오리액터를 선호하였습니다. 그러나 이러한 일반적인 바이오리액터는 1회 배양을 통한 생산이 완료되면, 세척과 소독이라는 공정을 거쳐야하기 때문에, 이 공정을 수행하는 동안에는 당 바이오리액터를 가동시킬 수 없다는 단점이 있으며, 또한 세척과 소독공정에서의 불량으로 인해 교차오염이 발생할 수 있다는 가능성이 잔존해 있습니다.

이러한 단점을 최소화하기 위해 나온 것이 바로 일회용 바이오리액터입니다. 일회용 바이오리액터는 단 1회만 사용하기 때문에 교차 오염의 위험을 회피할 수 있으며, 또한 플라스틱 백에서 세포를 배양하기 때문에, 사용 후에는 세척과 소득과정이 필요없이 이에 대해 들어가는 비용을 약 60% 줄일 수 있습니다. 단, 단점은 대용량 스테인리스 바이오리액터보다 단위 생산 규모당 비용이 상대적으로 높은 편이며, 세포 배양에 필요한 기압이나 온도 등 외부환경에 민감하여 제어기술이 상대적으로 까다롭습니다.