삼성바이오로직스 경쟁력 집중탐구: 배양 공정(Upstream process)이 궁금해

✅ 간단 요약

• 바이오의약품 생산 공정 중 ‘배양 공정(Upstream process)’의 개념과 종류를 소개합니다.
• 다중 항체 등 차세대 의약품을 안정적으로 생산하기 위한 삼성바이오로직스의 전략을 살펴봅니다.
• 표준화와 디지털 기술을 기반으로 한 삼성바이오로직스의 차별화된 배양 공정 경쟁력을 알아봅니다.

바이오의약품 생산은 살아있는 세포를 건강하게 키워 목적 단백질을 얻는 과정에서 시작됩니다. ‘배양 공정(Upstream process)’은 바이오리액터 안에 세포를 담고, 성장에 필요한 영양분을 공급하며 그 수를 늘려가는 단계입니다. 세포가 증식함과 동시에 단백질을 생성해 내며 전체 용량을 증가시키기 때문에 ‘Upstream process’라고 불립니다. 배양 공정을 거쳐 수확된 단백질은 이후 정제(Downstream process)와 충전(Fill/finish) 공정을 지나 바이오의약품으로 완성됩니다. 

배양, 정제, 충전 과정 모식도

바이오의약품의 배양 방식 

배양 방식은 크게 회분 배양(Batch culture), 유가 배양(Fed-batch culture), 배지 교환식 배양(Perfusion culture)으로 구분합니다. 하나의 새싹이 과실을 맺기까지 영양이 필요하듯, 바이오리액터 속 세포 역시 정교한 영양 공급이 필요합니다. 대규모 바이오의약품 생산 공정에서는 동물 세포에서 만들어내는 목표 단백질의 생산량을 높이기 위해 유가 배양 방식을 주로 사용하는데, 최근에는 보다 높은 농도의 목표 단백질을 확보하기 위해 배지 교환식 배양 방식을 도입하기도 합니다.

가장 기본적인 바이오의약품 배양 방법

배양 초기에 배지를 포함한 영양분을 한 번만 공급하고 배양액을 수확하는 방법

현대 바이오의약품 생산 공정에서 가장 일반적으로 사용되는 배양 방법

배양 과정에서 세포의 상태에 맞춰 영양분을 주기적으로 보충하며 배양액을 수확하는 방법

높은 생산성 확보를 위한 배양 방법

유가 배양처럼 영양분을 지속적으로 공급하는 동시에 ATF(Alternating tangential flow), TFF(Tangential flow filtration) 같은 여과 장치를 통해 세포는 바이오리액터 안에 남겨두고 노폐물을 제거하는 방법

규모와 종류에 따라 달라지는 배양 전략

실험실 규모의 공정을 상업용 의약품 생산 규모로 확장할 때는 단순히 세포가 담기는 바이오리액터의 크기만 키우는 것이 아니라 유체 역학적 특성과 물리적 환경의 변화를 종합적으로 고려해야 합니다. 삼성바이오로직스 이창한 파트장(P4 USP 1파트)은 “다양한 변수들이 존재하지만 1,000 L 이상 대형 바이오리액터에서는 배양액을 균일하게 섞는 교반(Mixing) 과정이 특히 중요한 과제”라며, “적절한 교반 조건을 찾아 바이오리액터 내부 환경을 균일하게 유지하고, 전단 응력, Shear stress)*을 조절해 세포 생존율을 최대치로 끌어올리는 것이 핵심”이라고 설명했습니다. 너무 강한 회전은 세포 표면에 물리적 자극을 주어 세포를 손상시킬 수 있고, 반대로 너무 약하면 배양기 내 영양분과 환경 (pH, 용존 산소, 온도 등) 또한 고르게 분포되지 않을 수 있기 때문입니다. 

 * 전단 응력(Shear stress): 유체 흐름에 의해 세포 표면에 가해지는 물리적 힘

생산하는 분자의 종류에 따라 배양 전략도 달라집니다. 차세대 의약품인 다중 항체(Multi-specific antibody), 융합 단백질(Fusion protein) 등은 단일 항체(Monoclonal antibody)보다 구조가 복잡해 배양 조건을 더욱 정교하게 설계해야 합니다. 예를 들어 이중 항체(Bispecific antibody)는 하나의 세포주에서 이중 항체를 직접 생산하는 방법도 있지만, 일부 생산 공정은 두 종류의 항체를 각각 별도의 바이오리액터에서 배양한 후 정제 공정에서 결합하기도 합니다. 그래서 이 경우에는 동시에 두 개의 배양 공정을 짧은 생산 주기 내 운영할 수 있는 설비 규모와 운영 역량이 필수적입니다. 

두 종류의 항체가 결합하여 생성되는 이중 항체

이창한 파트장(P4 USP 1파트)은 “최근 바이오의약품 분자의 종류가 다양해지면서 공정 역시 점점 더 복잡해지는 추세”라며, “삼성바이오로직스는 세계 최대 규모의 최첨단 바이오의약품 생산 기지로서 다양한 분자 유형과 공정을 경험해 왔으며, 삼성바이오로직스만의 생산 노하우와 기술을 담아 표준화되고 최적화된 생산 체계 엑설런스(ExellenS™)를 통해 고객사의 다양한 요구에 유연하게 대응하고 있다”고 덧붙였습니다. 

표준화된 배양 공정에 첨단 기술을 더하다

의약품의 종류에 따라 배양 공정의 세부 조건은 달라지지만, 전체 공정 구조는 대부분 공통된 단계로 이루어져 있습니다. 쉽게 말해 세탁기의 표준 코스가 세척, 헹굼, 탈수와 같이 여러 단계로 구성되는 것처럼, 배양 공정도 여러 단계가 모여 하나의 레시피로 구성됩니다. 

대규모 바이오의약품 생산 공정에서는 품질 일관성이 중요한 만큼, 삼성바이오로직스는 배양 공정 전반을 표준화(Standardization)하면서 단계별 레시피를 체계적으로 규격화했습니다. 표준화된 레시피를 기반으로 필요한 조건만 일부 조정하면서 신규 프로젝트 준비 기간을 단축할 수 있는데, 이는 고객사가 필요로 하는 의약품을 신속하게 시장에 공급하는 경쟁력이 됩니다. 

이창한 파트장은 “유연성과 속도 경쟁력을 가능하게 하는 표준화에 더해, 삼성바이오로직스는 라만(Raman spectroscopy) 분석 기술, CFD(Computational fluid dynamics) 시뮬레이션 등 디지털 기반의 모니터링 시스템을 활용한다”며, “데이터 중심의 의사결정으로 공정 효율을 높이는 것은 물론, 고객사와 실시간으로 데이터를 공유하며 신뢰도를 한층 높이고 있다”고 말했습니다. 

✅ 삼성바이오로직스의 배양 공정 핵심 경쟁력

• 공정 유연성: 단일 항체부터 복합 분자까지, 의약품의 특성과 다양한 고객의 요구 조건에 맞는 최적의 배양 공정을 구현합니다.
• 공정 표준화: 삼성바이오로직스의 노하우를 집약한 생산 체계 엑설런스(ExellenS™)로 고품질의 바이오의약품을 생산합니다.
• 데이터 기반의 투명성: 실시간 모니터링과 데이터 분석 기술을 활용해 공정 운영의 효율성과 고객 신뢰를 높입니다.

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