배양육 대량생산의 열쇠, 바이오프로세스

배양육의 과학 (5) - 바이오프로세스 디자인

* 이 글은 Good Food Institute의 아티클 The Science of Cultivated Meat을 국문 번역 및 재구성한 것입니다.

대량 세포배양의 열쇠, 바이오리액터 기술은 혁신의 가능성이 넓게 열려있다.  

바이오프로세스 디자인(bioprocess design)은 배양육의 대량생산을 가능케 하는 열쇠다. 여러 세포 종류와 제품에 따라 최적의 바이오리액터를 결정해야 하고, 미래의 생산시설을 효율적으로 운영하는 방법에 대한 연구가 더 진행되어야 한다. 아직 세계의 어떤 기업도 배양육 대량생산을 이루어내지 못한 만큼, 이 부분의 혁신이 가져올 영향력은 매우 클 것이다.

바이오프로세스 디자인의 가장 중요한 측면은 바이오리액터(bioreactor: 생물 반응기)다. 세포가 자랄 수 있게 환경을 관리하는 집이라고 할 수 있는데, 온도, 산소 농도, 배양액 전달 등의 요소를 관리한다. 대사산물 수치와 pH, 바이오매스 축적과 같은 주요 변수(parameter)들을 모니터링하는 역할도 한다.

출처 : Tuomisto (2018) Cultured Meat: Promises and Challenges

동물 세포 배양을 하는 다른 산업에서 여러 종류의 바이오리액터들이 오랫동안 사용되어 왔지만, 오늘날의 바이오리액터 모델들은 배양육 생산에 최적화되어 있지 않다. 바이오리액터와 전체 바이오프로세스 디자인은 선택되는 세포 종류와 이것의 특성, 배양액 구성, 전체 프로세스의 목표에 영향을 받기 때문이다. 세포 증식과 분화는 다른 산업과 겹치는 부분이 있지만, 전체 공정에 있어서 아주 많은 양을 아주 적은 비용으로 효율적으로 운영하기 위한 최적화를 반드시 이루어내야 한다.

다행히 바이오리액터 관련 펀딩과 컨소시엄들이 이미 시작되었다. 현재의 바이오리액터의 어떤 부분이 변경될 수 있는지, 새로운 바이오리액터가 어떻게 디자인될 수 있는지에 대한 연구가 활발하다. 몇몇 B2B 기업이 배양육 제조를 위한 새로운 바이오리액터를 개발하고 있고, 독일의 Merck KGaA 같은 거대 생명과학 기업들은 새로운 디자인에 대한 연구비를 지원했다. 여러 기업과 관계자들이 Cultivated Meat Modeling Consortium을 구성하였는데, 이 컨소시엄은 기존에 자원이나 시간을 엄청나게 투입해야 했던 바이오프로세스 디자인에 관한 질문들의 답을 계산 모델링 기술을 이용해 얻고자 한다. 배양육 제조사들과 생명과학 기업들, 발효나 바이오프로세스 스케일업에 경험이 있는 연구자들 간의 보다 활발한 협업이 이루어진다면 이 분야의 R&D가 더 활성화될 것이다.

바이오프로세스 디자인의 과제들

이스라엘 배양육 기업 Future Meat Technologies의 공장. 하루 500kg의 배양육을 생산할 수 있다. 출처: Futre Meat Technologies

바이오프로세스의 스케일업은 세 단계에 걸쳐 일어난다 : 랩 스케일, 파일럿 스케일, 커머셜 스케일. 여기서 파일럿 수준의 시설이 스케일업을 향한 중요한 첫걸음이다. 배양육 기업들이 파일럿 스케일에 돌입함에 따라 목적에 맞는 효율적인 바이오프로세스를 디자인하는 과정에서 어려움을 겪을 것이다. 오픈 액세스 기술-경제 모형(techno-economic models)과 규제와 지속가능성에 대한 고려를 한 시설 계획에 자금이 지원된다면 잠재적인 보틀넥에 대한 인사이트를 얻을 수 있다. 그 후에는 미래 설비를 위한 유연한 자금 조달 옵션들이 필요할 것이다. 제조시설을 공동 개발하는 단체를 형성하여 배양육 제조업체들의 기술, 재무, 생산성 관련 짐을 더는 방법도 있다.

연구가 필요한 또 다른 중요 분야는 최신의 센서 장비를 바이오리액터 내에 통합시키는 것이다. 자동화와 실시간 대응에 적합한 프로세스도 개발해야 한다. 이 프로세스들은 효율성 극대화를 위해 재활용과 폐기물을 다른 가치 있는 물질로 변환시키는 valorization 작업도 포함해야 한다.

생물학자와 엔지니어가 신기술의 실험실이 될 수 있는 파일럿 스케일의 리서치 센터에서 함께 일한다면 혁신에 도움이 될 것이다. 이러한 리서치 센터들은 학계와 바이오테크 산업계의 협력, 혹은 정부의 지원으로 운영될 수 있다. 싱가포르 정부는 배양육 생태계 성장을 위해 빠르게 움직이며 배양육 프로젝트에 수백만 달러를 투자했다. 미국에서는 National Science Foundation가 UC Davis 연구자들에게 지원했는데, 이는 향후 5년간 대학 내 배양육 리서치 센터를 설립하는 기초가 될 것이다.

10년 후 배양육 산업의 규모와 성장에 가장 큰 영향을 미치는 것은 설비 디자인과 운영의 기초가 되는 혁신적인 바이오프로세스 디자인의 구현일 것이다. 세계 육류 시장의 단 1%를 차지하는 양을 생산하는 데에도 광범위한 신규 인프라가 필요하며, 여기에는 정부와 다국적 기업, 기존 육류 업계, 생명과학 업계, 다양한 학문분야에 걸친 인력의 지지와 협력이 필요하다. 또한 지구에 미치는 긍정적인 임팩트를 극대화하기 위해서는 신재생 에너지 원천에서 가까운 곳에 공장들이 함께 위치해야 할 것이다.