용존산소란 무엇일까요?
용존산소(DO)는 분자산소(O₂)를 의미합니다.₂물에 용해된 )입니다. 이는 물 분자에 존재하는 산소 원자(H)와는 다릅니다.₂용존산소(DO)는 물속에서 독립적인 산소 분자 형태로 존재하며, 대기에서 유래하거나 수생 식물의 광합성을 통해 생성됩니다. DO 농도는 온도, 염도, 수류, 생물 활동 등 다양한 요인의 영향을 받습니다. 따라서 DO는 수생 환경의 건강 및 오염 상태를 평가하는 중요한 지표로 사용됩니다.
용존산소(DO)는 미생물의 대사 활동을 촉진하는 데 중요한 역할을 하며, 세포 호흡, 성장 및 대사산물의 생합성에 영향을 미칩니다. 그러나 용존산소 농도가 높다고 항상 유익한 것은 아닙니다. 과도한 산소는 축적된 산물의 추가 대사를 유발하고 잠재적으로 독성 반응을 일으킬 수 있습니다. 최적의 DO 농도는 세균 종에 따라 다릅니다. 예를 들어, 페니실린 생합성 과정에서 DO는 일반적으로 공기 포화도의 약 30% 수준으로 유지됩니다. DO가 0으로 떨어져 5분 동안 그 상태가 지속되면 생성물 형성이 크게 저해될 수 있습니다. 이러한 상태가 20분 동안 지속되면 돌이킬 수 없는 손상이 발생할 수 있습니다.
현재 가장 흔히 사용되는 용존산소(DO) 센서는 절대적인 용존산소 농도가 아닌 상대적인 공기 포화도만을 측정할 수 있습니다. 배양액을 멸균한 후, 센서 판독값이 안정화될 때까지 통기 및 교반을 수행하고, 이때 값을 100% 공기 포화도로 설정합니다. 이후 발효 과정 중 측정은 이 기준값을 바탕으로 이루어집니다. 표준 센서로는 절대적인 DO 값을 측정할 수 없으며, 폴라로그래피와 같은 보다 고도화된 기술이 필요합니다. 그러나 일반적으로 공기 포화도 측정만으로도 발효 과정을 모니터링하고 제어하기에 충분합니다.
발효조 내부에서 용존산소(DO) 농도는 영역에 따라 다를 수 있습니다. 한 지점에서 안정적인 수치가 측정되더라도 특정 배양액에서는 변동이 발생할 수 있습니다. 대형 발효조일수록 DO 농도의 공간적 변동이 커지는 경향이 있으며, 이는 미생물 성장과 생산성에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 실험 결과에 따르면 평균 DO 농도가 30%일지라도 변동이 심한 조건에서의 발효 성능은 안정적인 조건보다 현저히 낮습니다. 따라서 발효조의 규모 확장에 있어서는 기하학적 및 에너지 효율 측면에서의 유사성 외에도 공간적 DO 농도 변동을 최소화하는 것이 중요한 연구 목표입니다.
생물약품 발효에서 용존산소 모니터링이 필수적인 이유는 무엇일까요?
1. 미생물 또는 세포의 최적 성장 환경을 유지하기 위해
산업 발효는 일반적으로 대장균이나 효모와 같은 호기성 미생물 또는 CHO(중국 햄스터 난소) 세포와 같은 포유류 세포를 이용합니다. 이러한 세포들은 발효 시스템 내에서 "일꾼" 역할을 하며, 호흡과 대사 활동에 산소를 필요로 합니다. 산소는 호기성 호흡에서 최종 전자 수용체 역할을 하여 ATP 형태의 에너지 생성을 가능하게 합니다. 산소 공급이 부족하면 세포가 질식하거나 성장이 멈추거나 심지어 사멸하여 궁극적으로 발효가 실패할 수 있습니다. 용존 산소(DO) 수준을 모니터링하면 세포의 지속적인 성장과 생존에 최적의 산소 농도 범위가 유지됩니다.
2. 목표 제품의 효율적인 합성을 보장하기 위해
생물약제 발효의 목적은 단순히 세포 증식을 촉진하는 것이 아니라 인슐린, 단클론 항체, 백신, 효소와 같은 원하는 표적 산물의 효율적인 합성을 촉진하는 것입니다. 이러한 생합성 경로는 주로 호기성 호흡에서 비롯되는 상당한 에너지 투입을 필요로 합니다. 또한, 제품 합성에 관여하는 많은 효소 시스템은 산소에 직접적으로 의존합니다. 산소 결핍은 이러한 경로의 효율을 저해하거나 감소시킬 수 있습니다.
또한, 용존산소(DO) 수치는 조절 신호 역할을 합니다. 용존산소 농도가 지나치게 높거나 낮으면 다음과 같은 문제가 발생할 수 있습니다.
- 세포 대사 경로를 변경합니다. 예를 들어, 호기성 호흡에서 효율성이 떨어지는 혐기성 발효로 전환하는 것입니다.
- 세포 스트레스 반응을 유발하여 바람직하지 않은 부산물 생성을 초래합니다.
- 외래 단백질의 발현 수준에 영향을 미칩니다.
발효의 여러 단계에서 용존산소(DO) 수준을 정밀하게 제어함으로써 세포 대사를 목표 생성물 합성을 극대화하는 방향으로 유도하여 고밀도, 고수율 발효를 달성할 수 있습니다.
3. 산소 부족 또는 과잉을 방지하기 위해
산소 부족(저산소증)은 심각한 결과를 초래할 수 있습니다.
- 세포 성장 및 생성물 합성이 중단됩니다.
- 대사 과정이 혐기성 경로로 전환되어 젖산과 아세트산과 같은 유기산이 축적되는데, 이는 배양액의 pH를 낮추고 세포를 독성 물질로 만들 수 있습니다.
- 장기간의 저산소증은 회복 불가능한 손상을 초래할 수 있으며, 산소 공급이 재개되더라도 완전한 회복이 어려울 수 있습니다.
산소 과잉(과포화) 또한 위험을 초래합니다.
- 이는 산화 스트레스와 활성산소종(ROS) 생성을 유발하여 세포막과 생체 분자를 손상시킬 수 있습니다.
- 과도한 통기 및 교반은 에너지 소비와 운영 비용을 증가시켜 불필요한 자원 낭비를 초래합니다.
4. 실시간 모니터링 및 피드백 제어를 위한 핵심 매개변수로서
용존산소(DO)는 발효 시스템의 내부 상태를 반영하는 실시간, 연속적이고 포괄적인 매개변수입니다. DO 수준의 변화는 다양한 생리적 및 운영적 상태를 민감하게 나타낼 수 있습니다.
- 세포의 급속한 성장은 산소 소비량을 증가시켜 용존 산소량(DO)을 감소시킵니다.
기질 고갈 또는 억제는 신진대사를 늦추고 산소 소비를 감소시켜 용존 산소(DO) 수치를 상승시킵니다.
- 외부 미생물에 의한 오염은 산소 소비 패턴을 변화시켜 비정상적인 용존산소(DO) 변동을 초래하며, 이는 조기 경고 신호 역할을 합니다.
- 교반기 고장, 환기 파이프 막힘 또는 필터 오염과 같은 장비 오작동 또한 비정상적인 용존 산소량 변화를 초래할 수 있습니다.
실시간 용존산소(DO) 모니터링을 자동화된 피드백 제어 시스템에 통합함으로써, 다음과 같은 매개변수의 동적 조정을 통해 용존산소 수준을 정밀하게 조절할 수 있습니다.
- 교반 속도: 교반 속도를 높이면 기포가 분해되어 기체와 액체의 접촉이 향상되고, 결과적으로 산소 전달 효율이 개선됩니다. 이는 가장 흔하게 사용되고 효과적인 방법입니다.
- 폭기율: 유입 가스의 유량 또는 조성을 조절합니다(예: 공기 또는 순수 산소의 비율 증가).
- 탱크 압력: 압력을 높이면 산소 분압이 증가하여 용해도가 향상됩니다.
- 온도: 온도를 낮추면 배양액 내 산소 용해도가 증가합니다.
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게시 시간: 2025년 9월 16일
