바이오 프로세싱의 여과 기술 이해

바이오 프로세싱 분야는 수십 년 동안 괄목할 만한 발전을 거듭해 왔으며, 여과 기술은 이러한 발전의 초석 기술로 남아 있습니다. 최근 한 제약 제조 시설을 둘러보던 중, 액체에서 고체를 분리하는 것처럼 간단해 보이는 일이 어떻게 이렇게 정교하고 제품 품질에 중요한 역할을 할 수 있는지에 대해 놀라움을 금치 못했습니다. 저를 안내한 엔지니어는 다양한 여과 스테이션을 가리키며 "우리가 생산하는 모든 제품은 어떤 형태로든 여과를 거칩니다. 단순히 오염 물질을 제거하는 것이 아니라 제품 정의에 관한 것입니다."

여과 기술은 단순한 중력 기반 방법에서 특정 생체 분자 및 세포 생성물을 위해 설계된 고도로 전문화된 시스템으로 발전해 왔습니다. 이러한 진화는 단순히 분리 효율성을 개선하는 데 그치지 않고, 특히 시간에 민감한 응용 분야에서 실험실의 워크플로 접근 방식을 근본적으로 변화시켰습니다. 이제 바이오 프로세싱 업계는 종종 섬세한 생물학적 물질의 무결성을 유지하면서 더 높은 처리량, 더 나은 수율 회수, 오염 위험 감소에 대한 요구가 증가하고 있습니다.

특히 흥미로운 점은 여과 방식이 여러 세대에 걸쳐 실험실에서 사용되어 온 전통적인 방법인 배치 여과와 기존 방법의 많은 한계를 해결하는 보다 통합적인 접근 방식인 현장 여과라는 두 가지 방법론으로 나뉘어졌다는 점입니다. 현장 여과와 배치 여과의 비교는 단순한 기술적 개선 이상의 의미를 지니며, 바이오프로세싱 워크플로우에 접근하는 방식에 대한 철학적 변화를 반영합니다.

오늘날 실험실은 품질 저하 없이 효율성을 극대화해야 한다는 전례 없는 압박에 직면해 있습니다. 최근 업계 컨퍼런스에서 만난 한 선임 바이오 프로세스 엔지니어는 "여과 방법의 선택은 단순히 기술 사양에 관한 것이 아니라 공정 목표에 맞게 기술을 조정하는 것"이라고 강조했습니다. 여과 전략의 사소한 조정이 다운스트림 처리 단계에 얼마나 큰 영향을 미칠 수 있는지 목격했던 저로서는 이 말에 공감이 갔습니다.

배치 필터링의 기본 사항

배치 여과는 바이오 프로세싱에서 구성 요소를 분리하는 기존의 접근 방식으로, 순차적이고 단계적인 방법론이 특징입니다. 가장 기본적인 형태의 배치 여과는 많은 양의 물질을 수집하여 필터 매체를 통과시킨 다음 후속 처리를 위해 여과액과 재침전물을 별도로 수집하는 것입니다. 이 방법론은 수십 년 동안 실험실에서 필수적으로 사용되어 왔습니다.

이 프로세스는 일반적으로 사전 여과 단계 또는 컨디셔닝이 포함될 수 있는 샘플 준비로 시작됩니다. 그런 다음 준비된 샘플을 간단한 진공 필터부터 복잡한 압력 구동 시스템까지 다양한 여과 장치로 옮깁니다. 여과 후 필터 매체는 일반적으로 폐기되거나 재생되며, 여과액과 재액 모두 다음 처리 단계를 위해 개별 배치로 처리됩니다.

배치 여과의 가장 큰 특징 중 하나는 불연속적인 특성입니다. 각 배치는 별개의 처리 이벤트를 나타내며, 종종 배치 사이에 수동 개입이 필요합니다. 초창기 실험실 시절에는 시료를 준비하고, 여과 장치를 설치하고, 완료될 때까지 기다렸다가 모든 것을 해체하고 다시 시작하는 리드미컬한 패턴이 기억에 남습니다. 이 패턴은 배치 접근 방식을 정의합니다.

일반적인 배치 필터링 설정에는 다음이 포함됩니다:

배치 필터링의 워크플로우는 일반적으로 다음 단계를 따릅니다:

1. 샘플 준비 및 사전 여과 가능
2. 여과 장치 조립 및 준비
3. 여과 용기로 시료 이송
4. 구동력 적용(진공, 압력 또는 원심)
5. 여과액 및/또는 침전물 수집
6. 기기 분해 및 세척(또는 일회용 시스템을 사용하는 경우 폐기)
7. 다음 배치 준비

배치 여과는 잘 확립된 기술임에도 불구하고 특정 비효율성이 존재합니다. 제가 인터뷰한 바이오프로세싱 전문가인 엘리자베스 첸 박사는 다음과 같이 말했습니다: "배치 여과의 가장 큰 장점인 단순성은 한계이기도 합니다. 각 시작-정지 주기는 오염, 제품 손실 및 공정 가변성의 기회를 제공합니다." 이러한 한계는 바이오 프로세싱이 연속 제조 패러다임으로 이동하면서 점점 더 분명해졌고, 궁극적으로 보다 통합적인 접근 방식의 개발에 박차를 가하게 되었습니다.

현장 필터링으로의 진화

배치 여과에서 현장 여과로의 전환은 바이오 프로세싱의 중요한 패러다임 전환을 의미합니다. 여과를 별도의 개별 단계로 취급하지 않습니다, 현장 여과 시스템 여과 프로세스를 바이오리액터 또는 처리 용기에 직접 통합합니다. 이 접근 방식은 바이오 프로세싱에서 구성 요소를 분리하는 방식을 근본적으로 변화시킵니다.

저는 생물학적 제제 제조업체에서 상담을 받던 중 제대로 구현된 현장 여과 시스템을 처음 접했습니다. 바로 눈에 들어온 것은 익숙하게 보던 이송 용기와 중간 단계가 없다는 것이었습니다. 대신 여과 요소가 생물 반응기 자체에 우아하게 통합되어 있어 배치 방법의 일반적인 중단 없이 연속 처리가 가능했습니다.

현장 여과는 배치 여과와는 근본적으로 다른 원리로 작동합니다. 처리를 위해 배양액이나 용액 전체를 제거하는 대신, 여과 요소(일반적으로 중공 섬유 또는 평평한 시트 막)를 처리 용기 내에 담그는 방식입니다. 세포나 기타 잔류 성분은 원래 환경에 남아 있는 동안 여과액은 지속적으로 제거됩니다. 이를 통해 처리 단계가 줄어들고 민감한 생물학적 물질에 대한 최적의 조건을 유지하는 등 몇 가지 즉각적인 이점이 있습니다.

현장 여과 시스템의 핵심 구성 요소에는 일반적으로 다음이 포함됩니다:

1. 기존 용기에 필터를 연결하기 위한 통합 메커니즘
2. 연속 작동을 위해 설계된 특수 멤브레인
3. 여과율 관리를 위한 유량 제어 시스템
4. 최적의 성능을 보장하는 모니터링 기능
5. 다른 바이오 프로세싱 단계와 조율하는 자동화 인터페이스

한 바이오 프로세스 엔지니어는 이를 이렇게 설명했습니다: "배치 여과는 배에서 양동이를 이용해 물을 퍼 올리는 것과 같고, 현장 여과는 항해에 집중하는 동안 지속적으로 작동하는 펌프를 설치하는 것과 같다고 생각하면 됩니다." 간헐적인 개입에서 지속적인 처리로의 전환은 작업자와 프로세스의 관계를 근본적으로 변화시킨다는 점에서 이 비유는 저에게 큰 공감을 불러일으켰습니다.

그리고 에어시리즈 현장 여과 기술 는 기존의 많은 처리 단계를 제거하면서 무균 상태를 유지하는 완벽한 통합 시스템을 제공함으로써 이러한 진화적 접근 방식의 모범을 보여줍니다. 이와 같은 최신 시스템은 특히 멤브레인 오염 및 유량 일관성과 관련된 초기 현장 시도의 역사적 한계를 어떻게 해결하느냐에 따라 차별화됩니다.

최근 시연에서 저는 작업자가 여과 프로브를 바이오리액터에 삽입하고 진행 중인 배양에 대한 중단을 최소화하면서 프로세스를 시작하는 것을 지켜보았습니다. 세포를 위한 최적의 조건을 유지하면서 배양액은 계속 성장했고, 배양 배지가 제거되는 동안 세포는 계속 성장했습니다. 이러한 연속 처리 기능은 현장 접근법의 가장 중요한 장점 중 하나입니다.

현장 여과를 향한 진화는 개별적으로 일어난 것이 아니라 통합적이고 지속적인 바이오 프로세싱을 향한 광범위한 업계 움직임의 일부입니다. 제가 참석한 패널 토론에서 한 업계 베테랑은 "바이오 프로세싱의 미래는 개별 단계를 개선하는 것이 아니라 통합을 통해 단계를 완전히 없애는 것"이라고 언급했습니다. 현장 여과는 전통적으로 개별적인 작업이었던 것을 전체 공정의 통합 구성 요소로 전환함으로써 이러한 철학을 잘 보여줍니다.

기술 비교: 성능 지표

현장 여과 기술과 배치 여과 기술을 평가할 때 몇 가지 주요 성능 메트릭을 통해 운영상 상당한 차이가 있음을 알 수 있습니다. 이러한 메트릭은 다양한 바이오 프로세싱 시나리오에서 각 접근법의 장점과 한계에 대한 정량적 증거를 제공합니다.

단위 시간당 처리되는 여과액의 양으로 측정되는 여과 효율은 두 접근 방식 간에 현저한 차이를 보여줍니다. 두 시스템을 모두 구현해 본 경험에 따르면, 현장 여과는 연속 작업에서 일관되게 우수한 처리량을 보여주었습니다. 최근 한 위탁 제조 시설에서 실시한 평가에서 다음과 같은 사실을 관찰했습니다. 현장 여과 시스템 는 72시간 작동 후에도 초기 유량의 약 85%를 유지한 반면, 같은 기간 동안 5번의 설정-공정-해체 사이클을 완료해야 하는 순차적 배치 여과는 각각 효율이 감소하는 것으로 나타났습니다.

처리 시간 비교를 통해 현장 여과의 가장 중요한 장점 중 하나를 확인할 수 있습니다:

샘플 무결성을 고려할 때, 특히 민감한 생물학적 물질의 경우 현장 접근 방식이 선호되는 경우가 많습니다. 바이오프로세스 공학 연구소의 제임스 해링턴 교수는 다음과 같이 설명합니다: "용기를 옮길 때마다 오염, 온도 변동, 전단 응력 등 민감한 생물학적 제품에 잠재적으로 손상을 줄 수 있는 요소가 발생할 수 있습니다." 그의 연구에 따르면 현장 여과를 통해 처리된 단백질 기반 제품은 일괄 처리된 동급 제품에 비해 응집이 약 12% 감소했으며, 이는 취급이 줄어들고 환경 조건이 더 일관되게 유지되었기 때문인 것으로 보입니다.

회수율과 수율 분석은 특히 다음과 같은 장점에 대한 강력한 증거를 제공합니다. 연속 여과 방식. 단일 클론 항체 생산 라인에서 실시한 비교 연구에서 현장 여과를 통한 회수율은 94.5%, 기존 배치 처리를 통한 회수율은 88.7%로 나타났습니다. 이 차이는 미미해 보일 수 있지만 대규모 생산에 적용하면 제조 실행당 수천 달러의 제품 손실이 줄어든다는 것을 의미합니다.

이러한 수율 개선에 대한 설명은 여러 가지로 나타납니다:

• 이송 용기 및 튜브에 대한 제품 접착력 감소
• 선박 간 환경 변화로 인한 강수량 최소화
• 처리 중 전단 응력 감소
• 작업자 실수 가능성 감소

확장성 요소는 두 접근 방식 간의 또 다른 중요한 차이점입니다. 배치 여과는 일반적으로 공정량이 증가함에 따라 그에 비례하여 더 큰 장비와 처리 용량이 필요합니다. 반면, 현장 여과는 장비 크기나 복잡성을 비례적으로 증가시키지 않고도 더 긴 실행 시간을 통해 증가된 양을 수용할 수 있는 경우가 많습니다. 제가 상담한 한 바이오 프로세스 엔지니어는 "배치 여과를 사용하면 10L에서 100L로 확장하려면 완전히 새로운 장비가 필요할 수 있습니다. 인사이트에서는 동일한 시스템을 더 오래 가동하거나 필터 면적을 추가하면 됩니다."

멤브레인 오염은 모든 여과 방법에서 지속적으로 발생하는 문제이지만, 이를 해결하기 위한 접근 방식은 크게 다릅니다. 배치 공정은 일반적으로 성능이 저하되면 배치 사이에 필터를 완전히 교체해야 합니다. 현장 여과의 지속적인 특성으로 인해 때때로 공정 중단 없이 멤브레인 수명을 연장할 수 있는 부드러운 역세척 또는 흐름 역전 기술을 사용할 수 있습니다. 작년에 시행한 프로젝트에서 QUALIA 시스템의 멤브레인 유지보수 프로토콜이 기존 배치 방식에 비해 필터의 유효 수명을 약 40% 연장하는 것을 관찰했습니다.

주목할 만한 한 가지 기술적 고려 사항은 현장 여과는 연속 공정에서 탁월하지만, 고형물 함량이 매우 높거나 오염이 빠른 특정 응용 분야에서는 필터를 완전히 교체할 수 있는 배치 방식이 여전히 유용할 수 있다는 점입니다. 여과 전문가인 메이 장 박사는 "최적의 시스템 선택은 특정 공정 특성에 따라 달라집니다. 침전량이 많은 공정이나 결정화 응용 분야에서는 여전히 일괄 처리 방식을 선호하는 경우가 있습니다."

운영상의 차이점 및 워크플로 통합

여과 기술의 운영 측면은 실제 바이오 프로세싱 환경에서 실질적인 가치를 결정하는 경우가 많습니다. 현장 여과와 배치 여과를 비교하면 워크플로 통합, 노동 요구 사항 및 시설 영향의 차이가 즉시 드러납니다.

노동 요구 사항은 가장 눈에 띄는 운영상의 차이점 중 하나입니다. 배치 여과는 일반적으로 여과 장비 준비, 재료 이송, 진행 상황 모니터링, 배치 간 전환 관리 등 공정 전반에 걸쳐 작업자의 일관된 주의가 필요합니다. 최근 한 위탁 제조 조직에서 워크플로우를 분석하는 동안 배치 여과 작업에는 약 65%의 작업자 시간이 필요한 반면, 동등한 작업에는 25%에 불과하다는 것을 관찰했습니다. 현장 여과 공정. 운영 책임자는 "인건비 절감만으로도 현장 기술로의 전환을 정당화할 수 있었고, 숙련된 인력을 더 부가가치가 높은 활동에 재배치할 수 있었습니다."라고 말했습니다.

자동화의 잠재력은 이러한 접근 방식을 더욱 차별화합니다. 배치 여과는 어느 정도 자동화할 수 있지만, 각 배치의 시작점과 끝점이 서로 다른 프로세스의 고유한 불연속성으로 인해 자연스러운 한계가 발생합니다. 반면 현장 여과는 자동화와 업스트림 및 다운스트림 프로세스와의 통합에 자연스럽게 적합합니다. 작년에 시설을 둘러보던 중, 저는 현장 여과 구성 요소가 대규모 제어 시스템 내에서 원활하게 작동하여 예외적인 상황에서만 사람의 개입이 필요한 완전 자동화된 생산 라인에 깊은 인상을 받았습니다.

공간 고려 사항과 시설에 미치는 영향을 과소평가해서는 안 됩니다:

기존 장비와의 통합은 또 다른 주요 운영 고려 사항입니다. 시설 개보수 중에 자문을 구한 한 바이오 프로세스 엔지니어는 이렇게 설명했습니다: "기존 공정에 배치 여과를 도입하려면 작업 공간과 흐름을 크게 재구성해야 하는 경우가 많습니다. 그리고 현장 접근 방식 는 큰 시설 변경 없이 기존 장비에 훨씬 더 쉽게 적용할 수 있었습니다."

교육 요구 사항도 이러한 기술 간에 크게 다릅니다. 배치 여과 기술은 대부분의 바이오 프로세스 기술자에게 널리 교육되고 익숙하지만, 현장 여과로 전환하려면 일반적으로 전문 교육이 필요합니다. 그러나 이 교육이 완료되면 현장 작업은 일반적으로 자동화된 특성으로 인해 절차적 지식이 덜 필요합니다. 한 교육 관리자는 "배치 여과는 개념적으로는 간단하지만 절차적으로 복잡합니다. 현장 여과는 개념에 대한 이해가 필요하지만 실행은 훨씬 더 간단합니다."

위험 관리 고려 사항으로 인해 상업적 제조 환경에서는 현장 접근 방식이 선호되는 경우가 많습니다. 각 배치 여과 이송은 잠재적인 오염 위험을 나타내지만, 현장 시스템의 폐쇄적인 특성은 이러한 기회를 최소화합니다. 제가 진행한 위험 평가 워크숍에서 이 팀은 배치 여과 공정에서 8개의 중요한 오염 위험 지점을 식별한 반면, 현장 공정에서는 단 두 개만 식별했습니다.

문서화 및 규정 준수 측면에서도 상당한 운영상의 차이가 나타납니다. 배치 프로세스는 각 처리 이벤트에 대해 개별적인 문서를 생성하므로 상당한 기록 보관 요구 사항이 발생합니다. 연속 현장 프로세스는 일반적으로 자동화된 시스템을 통해 보다 효율적으로 캡처할 수 있는 연속 데이터 스트림을 생성합니다. 한 품질 보증 전문가는 구현 검토 과정에서 다음과 같이 언급했습니다: "배치 기록이 줄어든 것만으로도 제조 실행당 약 15시간의 검토 시간을 절약할 수 있었습니다."

배치에서 현장 여과로의 운영 전환에 어려움이 없는 것은 아닙니다. 한 실험실 관리자는 다음과 같이 말했습니다: "명확한 시작/중지 지점이 있는 프로세스에서 연속 작업으로 전환하려면 절차뿐만 아니라 전체 제조 프로세스를 개념화하는 방식에 대한 재교육이 필요했습니다." 이러한 관찰을 통한 통찰은 성공적인 구현을 위해서는 기술적 사양을 넘어 조직 및 운영 문화에 대한 고려 사항도 해결해야 한다는 점을 강조합니다.

비용-편익 분석

현장 여과와 배치 여과 중 하나를 선택하는 데 따른 재정적 영향은 초기 장비 구매를 훨씬 뛰어넘습니다. 철저한 비용 편익 분석을 통해 바이오 프로세싱 작업의 단기 및 장기 경제성에 영향을 미치는 미묘한 차이를 파악할 수 있습니다.

초기 투자 고려 사항에서는 일반적으로 진입 비용이 낮은 배치 여과를 고려합니다. 기본 배치 여과 설정은 비교적 저렴하게 조립할 수 있으므로 자본 예산이 제한된 실험실에 적합합니다. 그러나 이러한 초기 장점은 신중한 검토가 필요합니다. 최근 한 중견 바이오 제약 회사와 예산 책정 작업을 진행하던 중, 이 회사가 제안한 예산이 현장 여과 시스템 는 동등한 배치 용량에 비해 초기 투자 비용이 65% 더 높은 것으로 나타났지만, 총 소유 비용 계산 결과 다른 결과가 나왔습니다.

장기적인 운영 비용 때문에 현장 접근 방식을 선호하는 경우가 많습니다:

투자 수익률은 특정 애플리케이션에 따라 크게 달라집니다. 고부가가치 제품의 경우 수율 개선만으로도 인사이트 기술에 대한 투자가 정당화되는 경우가 많습니다. 제가 자문한 한 바이오공정 경제학자는 "그램당 $5,000 이상의 가치가 있는 제품의 경우, 수율이 2% 개선되더라도 몇 년이 아니라 몇 달 안에 추가 투자비를 회수할 수 있습니다."라고 설명했습니다. 반대로, 상업적 생산이 없는 저부가가치 제품이나 연구용 애플리케이션의 경우 ROI 일정이 실제 계획 기간보다 더 길어질 수 있습니다.

초기 분석에서 종종 간과되는 숨겨진 비용은 다음과 같습니다:

1. 문서화 부담 - 배치 프로세스는 검토 및 보관이 필요한 문서를 훨씬 더 많이 생성합니다.
2. 교육 비용 - 배치 작업은 일반적으로 더 많은 실습 시간으로 인해 더 많은 인력 교육이 필요합니다.
3. 조사 비용 - 배치 프로세스에서 수작업 개입이 많을수록 편차 발생률이 높아집니다.
4. 스케줄링 비효율성 - 배치 작업은 연속 처리 라인에서 자연스러운 병목 현상을 일으킵니다.

저는 배치 여과에서 현장 여과로 전환하는 동안 이러한 '보이지 않는 비용'을 추적하는 한 시설과 함께 일한 적이 있습니다. 분석 결과 이러한 요소들이 총 운영 비용의 약 15%를 차지하는 것으로 나타났는데, 이는 ROI 계산에 큰 변화를 가져온 중요한 발견이었습니다.

경제성 또한 시설 제약 조건에 따라 달라집니다. 공간이 제한된 환경에서는 설치 공간이 작을수록 통합 필터링 시스템 는 기존 시설 내에서 더 높은 생산 능력을 가능하게 함으로써 상당한 가치를 제공할 수 있습니다. 작년에 용량 계획을 수립하는 과정에서 저는 한 제조업체가 현장 여과로 전환함으로써 시설 확장 없이 생산량을 30%까지 늘릴 수 있었으며, 이는 이전의 배치 방식으로는 불가능했을 결과였습니다.

기업의 의사 결정에서 점점 더 중요해지고 있는 환경적 지속 가능성 고려 사항도 대부분의 시나리오에서 현장 접근 방식을 선호합니다. 물 소비량 감소, 에너지 요구량 감소, 소모품 사용량 감소는 지속 가능성 이니셔티브와도 일치합니다. 한 지속가능성 담당 이사는 "현장 여과 방식으로의 전환은 특히 물 사용량과 고형 폐기물 감소와 관련된 기업 환경 목표를 달성하는 데 크게 기여했습니다."라고 언급했습니다.

파이낸싱 모델도 비용 편익 방정식에 영향을 미칠 수 있습니다. 현재 몇몇 장비 공급업체는 수율, 효율성 또는 기타 지표의 입증된 개선에 부분적으로 지불이 연계되는 성과 기반 계약을 제공합니다. 이러한 접근 방식은 특히 고급 필터링 기술로 전환하려는 소규모 조직의 경우 재정적 위험을 완화할 수 있습니다.

제가 자문했던 한 CFO는 이렇게 요약했습니다: "여과 기술 결정은 단순히 장비 비용이 아니라 공정 경제성을 고려해야 합니다. 인건비, 수율 민감도, 시설 제약 또는 생산 유연성 등 가치 동인을 이해하는 것이 올바른 재무적 선택을 하는 데 필수적입니다."

사례 연구: 실제 애플리케이션

다양한 필터링 접근 방식의 이론적 장점은 실제 구현을 통해 살펴볼 때 가장 의미가 있습니다. 저는 여과 기술 간의 여러 전환을 관찰하고 문서화할 기회를 가졌는데, 각 기술은 이론적 비교를 넘어 실질적인 통찰력을 보여주었습니다.

세포 배양 응용 분야에서 현장 여과의 장점은 특히 두드러집니다. 단일 클론 항체를 생산하는 한 바이오 제약 회사는 현장 여과 시스템 를 도입했습니다. 이 전환 이전에는 48~72시간마다 세포 배양물을 채취해야 하는 일괄 여과 방식으로 운영했습니다. 전환 후에는 21일 동안 연속 가동이 가능해졌습니다:

• 전체 제품 역가 37% 증가
• 제품 품질 일관성 향상(이형 상품 프로필 감소)
• 제품 그램당 노동 시간 42% 감소
• 오염 이벤트의 현저한 감소

이 구현을 주도한 세포 배양 과학자는 다음과 같이 설명합니다: "현장 여과의 지속적인 특성 덕분에 세포에 보다 안정적인 환경을 조성할 수 있었습니다. 배치 처리의 중단 없이 지속적으로 노폐물을 제거하고 영양분을 보충할 수 있어 생산 주기 내내 최적의 조건을 유지할 수 있었습니다."라고 설명합니다.

깨지기 쉬운 단백질이 포함된 바이오 생산 시나리오의 경우, 또 다른 사례에서 강력한 이점을 발견했습니다. 한 효소 기반 진단 제조업체는 배치 여과 공정 중 제품 안정성에 어려움을 겪었습니다. 이송 중 온도 변동과 전단력으로 인해 약 8-12%의 활성 손실이 발생했습니다. 통합 여과 방식으로 전환한 후, 그들은 관찰했습니다:

• 활동 손실 3% 이하로 감소
• 보다 일관된 제품 사양
• 하나의 완전한 처리 단계 제거
• 장비 확장에 비례하지 않고 더 많은 양을 처리할 수 있는 기능

프로세스 개발 책임자는 다음과 같이 말했습니다: "가장 놀라웠던 점은 수율 향상뿐만 아니라 전반적인 프로세스 흐름이 얼마나 간소화되었는가 하는 점입니다. 배치 여과 병목 현상을 제거함으로써 생산 라인 전반에 걸쳐 다운스트림 이점을 얻을 수 있었습니다."

연구실 구현은 다른 관점을 제시합니다. 여러 연구 그룹을 지원하는 한 대학 핵심 시설에서는 공유 세포 배양 시설의 여과 옵션을 평가했습니다. 두 가지 접근 방식을 모두 테스트한 후, 궁극적으로 대부분의 응용 분야에 대해 배치 여과를 유지하면서 특정 장기 실행 실험을 위한 현장 기술을 구현했습니다. 시설 관리자가 이 하이브리드 접근 방식에 대해 설명했습니다:

"소규모의 다양한 프로젝트를 실행하는 많은 사용자들에게 배치 여과의 유연성과 친숙함이 현장 시스템의 효율성보다 더 큰 이점을 제공했습니다. 하지만 연속 배양이나 시간에 민감한 실험을 실행하는 그룹에게는 현장 옵션이 오염 위험과 노동 요구 사항을 줄이는 데 분명한 이점을 제공했습니다."

이들의 경험에서 중요한 고려 사항이 강조됩니다. 최적의 접근 방식은 프로세스별 요구 사항과 운영상의 제약 조건에 따라 크게 달라진다는 점입니다.

산업별 적용 사례를 통해 여과 기술이 어떻게 고유한 과제에 맞게 조정되는지 알 수 있습니다. 한 백신 제조업체는 고점도 제품을 위해 특별히 설계된 특수 멤브레인을 사용하여 수정된 현장 여과 시스템을 구현했습니다. 이 제조업체의 맞춤형 구현이 특징입니다:

• 더 높은 점도를 처리하기 위한 흐름 역학 수정
• 제품 특성에 맞는 강화된 오염 방지 프로토콜
• 인접한 정화 단계와 통합
• 완벽한 제품 회수를 보장하는 전문 세척 절차

엔지니어링 디렉터는 다음과 같이 말합니다: "기성 솔루션으로 모든 프로세스별 문제를 해결할 수 있는 경우는 거의 없습니다. 핵심은 신중한 엔지니어링과 검증을 통해 근본적인 현장 접근 방식을 우리의 특정 요구 사항에 맞게 조정하는 것이었습니다."라고 말합니다.

가장 유익한 사례는 한 위탁 제조 조직에서 수행한 나란히 비교한 것입니다. 이 조직은 병렬 생산 라인을 유지했는데, 하나는 전통적인 배치 여과를 사용하고 다른 하나는 에어시리즈 현장 여과 기술-동일한 제품을 처리합니다. 이 직접 비교는 상대적 성능에 대한 매우 명확한 데이터를 제공했습니다:

운영 책임자는 다음과 같이 요약했습니다: "숫자는 이야기의 일부를 말해 주지만, 그에 못지않게 중요한 것은 운영의 단순성입니다. 현장 라인에서는 기존 프로세스보다 복잡성, 예외, 편차가 훨씬 적었습니다. 덕분에 문서화 부담이 줄어들고 전반적인 품질 관리가 간소화되었습니다."

이러한 사례 연구는 여과 시스템의 기술적 사양도 중요하지만, 작업자 교육, 프로세스 통합, 특정 제품 특성에 대한 적응 등 실질적인 구현 세부 사항이 궁극적인 성공을 결정한다는 사실을 종합적으로 보여줍니다. 한 구현 관리자는 "기술은 가능성을 창출하지만, 신중한 구현이 결과를 가져옵니다."라고 말했습니다.

미래 전망과 새로운 트렌드

여과 기술의 진화는 빠른 속도로 계속되고 있으며, 바이오 프로세싱의 환경을 재편할 몇 가지 새로운 트렌드가 등장하고 있습니다. 최근의 발전 상황과 업계 전문가들과의 대화를 바탕으로 몇 가지 주요 방향이 특히 유망해 보입니다.

실시간 분석과의 통합은 곧 출시될 가장 중요한 발전 중 하나입니다. 고급 현장 여과 플랫폼 여과액 구성을 지속적으로 모니터링할 수 있는 분광학 및 기타 분석 기술을 점점 더 많이 도입하고 있습니다. 최근 업계 컨퍼런스에서 여과와 라만 분광법을 결합하여 실시간 제품 품질 속성을 제공하는 시스템을 개발 중인 개발자와 이야기를 나눴습니다. "미래에는 단순히 구성 요소를 분리하는 것이 아니라 물리적 분리와 동시에 품질 데이터를 생성하는 것이 중요합니다."라고 그녀는 설명했습니다.

인공 지능 애플리케이션은 여과 시스템의 작동 방식을 변화시키기 시작했습니다. 이제 머신 러닝 알고리즘은 멤브레인 오염이 발생하기 전에 이를 예측하고 작동 매개변수를 선제적으로 조정할 수 있습니다. 이러한 시스템을 구현하는 한 프로세스 엔지니어는 그 효과를 이렇게 설명했습니다: "이제 성능 저하에 대응하는 대신 성능 저하를 완전히 예방하고 있습니다. 이 시스템은 사람이 감지할 수 없는 패턴을 인식하고 지속적으로 미세 조정을 수행합니다."

멤브레인 기술의 발전은 성능의 한계를 계속 넓혀가고 있습니다. 나노 제조 기술을 통합한 새로운 재료는 유량, 선택성 및 오염 저항성이 전례 없이 조합된 멤브레인을 생산하고 있습니다. 이러한 첨단 멤브레인 중 일부는 전체 다운스트림 처리 단계를 제거할 수 있는 종 선택적 여과에 대한 잠재력을 보여줍니다. 제가 인터뷰한 한 재료 과학자는 특정 분자량 차단에 맞춰 매우 정밀하게 조정할 수 있는 '프로그램된 선택성'을 갖춘 멤브레인을 개발하고 있습니다.

규제 프레임워크는 고급 여과 방식을 포함한 연속 처리 기술을 수용하도록 진화하고 있습니다. 규제 전문가들은 연속 바이오프로세싱 검증을 위한 경로가 더욱 명확해져 현장 여과 기술을 사용하여 제조된 제품에 대한 승인 절차가 간소화될 것으로 예상하고 있습니다. 규제 경험이 풍부한 한 컨설턴트는 다음과 같이 언급했습니다: "규제 기관은 연속 처리 데이터가 개별 배치 데이터보다 더 포괄적인 프로세스 이해를 제공한다는 점을 인식하면서 연속 처리 데이터에 점점 더 익숙해지고 있습니다."

소형화 추세로 인해 소규모 작업에서도 고급 여과 기술을 사용할 수 있게 되었습니다. 여러 제조업체에서 연구 및 개발 분야에 적합한 산업용 현장 여과 시스템의 축소 버전을 개발하고 있습니다. 이러한 기술 민주화 덕분에 소규모 조직도 이전에는 대형 제조업체만 이용할 수 있었던 고급 접근 방식의 이점을 누릴 수 있게 되었습니다.

다른 새로운 기술과의 통합은 특히 흥미로운 가능성을 제시합니다. 한 연구 책임자는 현장 여과와 음파 분리 및 연속 크로마토그래피를 결합하려는 노력을 설명했습니다: "우리는 전통적인 단위 작업이 혼합된 통합 연속 처리로 나아가고 있습니다. 여과, 분리, 정제 사이의 경계가 점점 더 모호해지고 있습니다."

환경 지속 가능성은 필터링 혁신을 더욱 촉진할 것입니다. 물과 에너지 소비 감소는 여전히 주요 초점이며, 차세대 시스템은 환경 발자국을 크게 줄이도록 설계되었습니다. 이러한 시스템을 개발 중인 지속 가능성 엔지니어는 다음과 같이 설명합니다: "우리는 성능을 유지하거나 개선하면서 기존 방식에 비해 물 소비량을 80%까지 줄이는 설계를 목표로 하고 있습니다."

더 나아가 일부 연구자들은 변화하는 공정 조건에 동적으로 적응하는 여과 시스템을 구상하고 있습니다. 이러한 시스템은 여러 여과 메커니즘을 동시에 사용하여 사료 특성 및 제품 요구 사항에 따라 상대적인 기여도를 조정합니다. 이 '적응형 여과' 개념은 기존의 배치 방식과 현재의 현장 방식 모두에서 크게 벗어난 것입니다.

배치 방식과 현장 방식 중 어떤 여과 방식이 미래의 바이오 프로세싱을 지배할 것인가에 대한 질문에는 "어느 쪽도 독점적이지 않다"는 대답이 가장 적절할 것입니다. 대신 조직의 습관보다는 특정 프로세스 요구 사항에 따라 기술을 선택하는 하이브리드화가 증가할 것으로 보입니다. 일부 애플리케이션, 특히 유연성을 극대화해야 하거나 처리하기 어려운 물질을 처리해야 하는 경우에는 배치 접근 방식이 여전히 유리할 수 있습니다. 특히 특성이 정의된 고부가가치 제품의 연속 바이오 프로세싱의 경우, 인사이트 접근 방식이 표준이 될 가능성이 높습니다.

최근 인터뷰한 바이오프로세스 미래학자인 리차드 다나카 박사는 이렇게 말합니다: "가장 성공적인 조직은 두 가지 접근 방식 중 어느 하나에만 집착하지 않습니다. 그들은 기술 선호도보다는 프로세스 과학에 따라 각 특정 애플리케이션에 적합한 기술을 배포할 수 있는 역량을 개발할 것입니다."

이러한 관점은 여러 시설에서 제가 관찰한 내용을 반영한 것으로, 미래는 단일 기술이 아니라 각 바이오 프로세스의 고유한 요구 사항을 충족하기 위해 다양한 여과 철학의 장점을 활용하는 신중하게 통합된 접근 방식에 달려 있습니다.

현장 여과와 일괄 여과에 대해 자주 묻는 질문

Q: 현장 필터링과 배치 필터링의 주요 차이점은 무엇인가요?
A: 현장 여과와 배치 여과의 주요 차이점은 여과가 이루어지는 방법과 장소에 있습니다. 현장 여과는 원래 시료 용기 내에서 이루어지므로 시료 취급이 줄어들고 오염 위험이 최소화됩니다. 현장 여과라고도 하는 배치 여과는 샘플을 별도의 여과 장치로 옮기는 방식으로, 여과 매개변수를 더 잘 제어할 수 있지만 처리 단계가 추가됩니다.

Q: 인사이트 필터링은 어떤 애플리케이션에 가장 적합할까요?
A: 현장 여과는 스트레스를 최소화하고 샘플 무결성을 보존하는 것이 중요한 일차 조직이나 희귀 세포와 같이 깨지기 쉬운 샘플을 처리하는 데 특히 유리합니다. 또한 전용 장비 없이 즉각적인 여과가 필요한 현장 연구나 시간에 민감한 프로토콜에도 유용합니다.

Q: 현장 여과는 샘플 무결성을 어떻게 개선하나요?
A: 현장 여과는 기계적 스트레스, 오염 및 환경 변동을 유발할 수 있는 이송 단계를 제거하여 시료 무결성을 향상시킵니다. 이 접근 방식은 생물학적 활성을 보존하여 더 높은 품질의 최종 제품과 더 신뢰할 수 있는 분석 결과를 제공합니다.

Q: 배치 필터링의 주요 장점은 현장 필터링과 비교했을 때 무엇인가요?
A: 일괄 여과는 여과 매개변수를 유연하게 조정할 수 있고 처리량이 많은 스크리닝에 적합하며 순차적인 여과 단계를 허용합니다. 또한 자동화된 시스템과 잘 통합되어 복잡한 분리에 대한 실시간 조정을 제공합니다.

Q: 현물 여과와 배치 여과가 공정 효율성에 어떤 영향을 미칠까요?
A: 현장 여과는 일반적으로 처리 시간과 노동력을 줄이는 동시에 오염 및 제품 손실의 위험을 최소화합니다. 배치 여과는 더 유연하지만 더 많은 수작업 시간이 필요하고 각 이송 단계마다 잠재적인 위험이 있습니다. 하지만 여과 조건에 대한 정밀한 제어가 필요한 시나리오에서는 탁월한 성능을 발휘합니다.

Q: 장기적으로 가장 비용 효율적인 필터링 방법은 무엇인가요?
A: 현장 여과는 초기 투자 비용이 높을 수 있지만 제품 손실 감소, 인건비 절감, 오염 관련 고장 감소로 인해 장기적으로 더 비용 효율적일 수 있습니다. 배치 여과는 프로토콜이 잘 정립된 대량 작업의 경우 더 나은 규모의 경제를 제공할 수 있습니다.

외부 리소스

1. 현장 여과와 기존 방법 비교 - 이 리소스에서는 현장 여과와 기존 방법을 비교하여 현장 여과의 효율성과 비용 절감 효과를 강조하지만, '현장 대 배치' 키워드를 직접 사용하지는 않습니다.
2. 인시츄에이션 필터링과 엑싯 필터링: 어떤 것이 나에게 적합할까요? - 배치 여과와 직접 비교하지는 않지만, 현장 여과와 비교하여 현장 여과의 장점과 적용 사례에 대해 설명합니다.
3. 자동화된 현장 필터 무결성 테스트 - 배치 공정과 비교하지 않고 현장 필터 테스트에 중점을 두지만 현장 여과 시스템을 이해하는 데 적합합니다.
4. 흐름 화학 대 배치 화학 가이드 - 배치 프로세스 이해와 관련하여 배치 프로세스에 비해 연속 흐름 시스템의 이점에 대해 설명합니다.
5. 비침습적 모니터링, 현장 모니터링, 외부 모니터링 비교 - 현장 방법을 포함하여 미생물 성장에 대한 다양한 모니터링 기법을 검토하지만, 여과에 대해서는 구체적으로 다루지 않습니다.
6. [산업에서의 일괄 여과 공정과 연속 여과 공정](https://www.researchgate.net/publication/263411423비교의배치및_연속 프로세스) - 이 게시글은 산업 환경에서 배치 프로세스와 연속 프로세스의 차이점을 살펴보고 배치 필터링에 대한 통찰력을 제공할 수 있지만 계정이 필요하므로 직접 이용할 수는 없습니다. (참고: 직접 링크는 로그인 또는 구독이 필요할 수 있습니다.)