함하는 묽은 용액상으로 존재한다. 주사용, 경구용 등 인체에 사용되기 위하여 생물공학제품은 초고 순도를 필요로 하고, 생물학적 활성을 갖기 위하 여 정확한 3차 및 4차 구조를 유지해야 하기 때문 에 생물물질의 분리정제에는 기존의 화학공업에 서 사용되지 않았던 새로운 기술들이 필요하고, 기존의 기술 적용에도 제약이 따르게 된다. 단백 질을 포함하는 대부분의 생물물질들은 ① 열, shear, 용매 등 주변조건에 민감하며, ② 100ppm 이하의 낮은 농도로, ③ 여러가지 유사한 물질과 의 복잡한 혼합물로 존재하고, ④ 목적에 따라 고 순도의 제품을 요구하기 때문에 생물분리는 보통 4~5단계의 기술의 조합으로 이루어지고 있다. 공 정적인 측면에서 볼 때, 생물물질의 변성을 막기 위하여 ① 증류, 증발에서와 같은 고온을 피하고,
② 상변화를 일으키지 않고, ③ 커다란 hydro- philicity의 변화를 피해야 하며, ④ 되도록 짧은 시간 내에 공정을 수행해야 한다는 등의 제약이 있어 기존의 화공분리기술의 적용이 어려워진다.
특정물질에 대한 효과적인 분리기술들을 설계 하기 위해서는 일단 해당물질의 분자량, 분자모양, 아미노산 등의 조성, 용해도, 친수도, 등전점, 하전 등의 물리화학적 특성을 완전히 파악해야 한다.
생물분리는 불순물과 미세한 특성차를 이용하여 이루어지므로 불순물의 특성도 완전히 파악해야 한다. 분리정제 과정을 거친 후 제품의 순도, 수율 외에도 biological activity, sterility, stability 등이 확인되어야 하고, 이를 위해 HPLC, 전기영동, MALDI 등 정밀분석기기들을 이용할 필요가 있다.
근래에 들어 inclusion body로부터 단백질 회수 를 위한 folding-refolding 공정, 세포내 물질을 효 율적으로 분리정제하기 위한 분자생물학적 one- step 기술, chiral 분리, 대량 연속분리기술로서 SMB(simulated moving bed) 등의 연구가 활발 하다. 생물분리계에서 일어나는 물질변환의 동특
성, 크로마토그래피 등의 물질전달에 기초한 공정 해석, 그리고 분리막, resin 등 분리매체의 개발 등 에 화학공학자들이 기여하고 있다. 공정설계를 위 해 Super Pro(Intelligen)나 Aspen ADSIM/
Chromatography(Aspen Tech) 등 기존의 산업 용 design program들도 온도 등의 운전조건을 조 절하여 생물분리공정에 적용하고 있다.
화학공학 분야의 촉매 공학에 대응하는 분야로 생물공학 분야에서는 효소공학이 있다. 효소공학 은 주로 효소(enzyme)라는 생물 촉매(혹은 바이 오 촉매)를 사용하는데 효소는 단백질의 일종으 로 생체내 특수 반응을 수행하며 생물체 내에는 2,000여 종류 이상이 존재하고 있다. 일반적으로 효소는 화학 촉매에 비해 기질 특이성이 뛰어나고 반응속도가 빠르며 입체 특이성이 매우 높은 특징 을 갖고 있으며 생물체에 필요한 다양한 물질을 부산물 없이 가장 효율적으로 생산할 수 있는 특 징을 갖고 있다. 이러한 효소반응을 이용하는 경 우 현재 화학적으로는 생산되고 있으나 다단계의 복잡한 공정을 거치거나 화학 합성 방법으로는 생 산이 어려운 화학물을 매우 경제적으로 생산할 수 있어서 앞으로 정밀화학, 의약품, 키랄 화합물, 식 품, 환경, 에너지 분야 등에서 매우 광범위하게 활 용될 것이다.
효소공학은 기술의 특성상 화학공학과 가장 연
NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 21, No. 5, 2003…
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특/별/기/고
김 학 성
한국과학기술원 생물과학과 [email protected]
계가 크고 밀접한 관계가 있어서 화학공학자가 가 장 쉽게 접근할 수 있고 많은 기여가 기대되는 분 야이다. 그러나, 대부분의 화학공학자가 효소공학 에 대해 갖고 있는 선입견은 효소가 매우 비싸다 는 것과 다루기 어렵다는 것인데 이는 전적으로 잘못 알려진 것이다. 필요한 효소는 생산 회사로 부터 값싸게 구입할 수가 있으며 그렇지 않은 경 우 생물체로부터 직접 얻으면 된다. 또한 화학 촉 매에 적용되었던 기본원리나 접근 방법은 대부분 생물 촉매에 그대로 응용되기 때문에 효소를 다루 는데 별로 어려운 점이 없다. 기본적인 효소에 대 한 지식과 효소 반응 속도론, 그리고 효소의 활성 측정법만 알면 곧 바로 효소공학을 시작할 수 있 다. 일반적으로 화학공학에서 다루는 내용 즉, 열 역학, 반응공학, 공정 제어 및 최적화, 물질전달, 단위조작 등이 그대로 효소공학분야의 효소반응 속도론, 효소의 분리 정제, 효소의 고정화, 효소 반 응기 설계 및 최적화 등에 적용된다. 그러므로 화 학공학자는 매우 쉽게 효소공학을 시작할 수 있고 이를 바탕으로 생물공학분야에서 많은 기여를 할 것으로 기대되고 있다.
효소의 많은 장점에도 불구하고 효소의 낮은 안 정성이 효소의 산업적 응용을 저해하는 요인으로 되어 왔으나, 최근 효소의 특성을 산업적 목적에 맞게 획기적으로 창출할 수 있는 directed evolution(분자진화) 기술이 개발되어 효소의 산 업적 응용이 무한적으로 확대될 것으로 기대되고 있다. 앞으로 효소공학은 화학 및 생물 산업에 접 목되어 새로운 산업 분야를 창출함은 물론 각 해 당 분야에서도 높은 상승 효과를 초래할 것이고 궁극적으로 화학/제약 산업 및 생물산업에서 핵 심기술로 자리매김할 것이다. 따라서, 많은 화학공 학자가 화학공학의 지식을 효소공학에 접목시킬 경우 효소공학 자체의 발전은 물론 화학공학의 진 로에 새로운 길을 열 것이며 화학공학의 역할 및
중요성이 더욱 더 증대될 것이다.
지난 반세기에 걸쳐 계속된 생명과학과 생물공 학의 획기적인 발전은 생물산업을 21세기의 대표 적 산업으로 자리잡게 하는데 결정적인 역할을 하 였다. 특히 효소나 세포를 촉매로 이용하는 생물 촉매기술은 생물촉매가 가지고 있는 높은 효율성 과 뛰어난 화학, 위치, 입체 선택성 등으로 인하여 많은 주목을 받아 왔다. 그러나 이러한 생물촉매 의 우수성에도 불구하고 지금까지의 산업적 응용 은 매우 제한적이었는데, 그 이유 중의 하나는 생 물전환공정에 적용되어 온 효소가 상온 상압에서 성장하는 중온성 미생물로부터 얻어진 것으로서 효소의 안정성이 낮은 점이었다. 화학공정을 효소 를 이용한 생물공정으로 대체하기 위해서는 고온, 고압, 산, 알카리, 유기용매의 사용 등이 가능하여 야 하는데 종전의 중온성 미생물로부터 얻어진 효 소는 이러한 조건에서 활성을 나타내지 못하고 단 백질 구조의 변형 등으로 인하여 활성을 빨리 잃 어버리는 문제를 지니고 있다.
한편, 지구상에는 지금까지 생명체가 살 수 없 다고 여겨진 환경, 즉 -10℃ 이하의 낮은 온도, 100℃ 이상의 높은 온도, 5M NaCl 이상의 높은 염분, pH<2의 강산, pH>11의 강알카리 등의 극한 환경에서도 생존하는 미생물이 존재한다는 것이 계속 보고되고 있다. 이러한 극한환경미생물로부
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…NICE, 제21권 제5호, 2003특/별/기/고
이 선 복
포항공과대학교 화학공학과 [email protected]
