생물반응기(Bioreactor)는 세포, 미생물, 효소 등의 생물학적 시스템을 일정한 환경에서 배양하거나 반응을 일으켜 의약품, 백신, 단백질, 바이오연료, 효소, 발효식품 등을 생산하는 장치.

핵심 구성 요소 (Main Components)

용기(Vessel)

배양 또는 반응이 일어나는 챔버. 유리/스테인리스/일회용 사용 

교반장치(Agitator)

균일한 물질 혼합, 산소 및 영양분 전달 촉진 

센서류(Sensors)

pH, DO(O₂), 온도, 압력, CO₂ 등 실시간 모니터링 

기체공급 시스템(Gas Sparger)

공기, 산소, 질소, CO₂ 등 기체 주입 

온도조절 시스템

히터, 재킷, 쿨링 코일 등 

컨트롤러(Control Unit)

PLC/HMI 기반 자동화 제어 장치 

Sampling Port

무균 샘플링을 위한 채취구 

포밍 컨트롤

거품 방지/제거 시스템 (안티폼 주입기 포함)

작동 방식 (Operation Modes)

Batch

초기 투입 → 반응 → 종료 (단일 사이클) 

Fed-Batch

일정 시간마다 영양분 추가 공급 

Continuous

반응물 연속 주입 및 배출 (Steady-state 유지) 

Perfusion

세포는 유지하고 배지를 계속 교체하는 방식 (고농도 세포 배양에 적합) 

생물반응기 종류 (Types)

구조 기준

Stirred Tank, Airlift, Packed Bed, Hollow Fiber, Wave

크기 기준

벤치탑 (110L), 파일럿 (10100L), 산업용 (100~20,000L 이상)

재질 기준

유리, SUS304/316L, 싱글유즈(일회용 백)

세포계 기준

미생물용 / 동물세포용 / 식물세포용 / 곤충세포용

제어 방식

수동 / 반자동 / 완전자동 (SCADA 기반 통합 운영)

BRX 생물반응기의 특징 (BRX-specific Features)

※ BRX는 특정 고급 모델군 또는 브랜드(예: 한국 또는 독일의 산업용 장비)로 다음과 같은 특징을 가짐

✅ 모듈형 설계 Vessel, 센서, 제어 모듈 교체 가능 

✅ 고정밀 제어 0.01 pH/DO 단위까지 정밀 제어 

✅ 자동화 Batch 프로그램, 세정(CIP/SIP), 원격 모니터링

✅ 스케일업 최적화 벤치탑-파일럿-생산용 일관 구조 유지

✅ Clean-in-Place (CIP) 내장형 세척 시스템으로 오염 방지

✅ SCADA/HMI Siemens, Delta, Allen-Bradley 등 고급 제어기 연동 가능

주요 센서 (Integrated Sensors)

pH 센서

산도

세포 성장 최적화 

DO 센서

용존산소

호기성 세포 생장 필수 

ORP 센서

산화환원

특정 대사/발효 과정 감시 

온도 센서

반응 온도

효소 활성 조절 

압력 센서

반응기 내부 압력

안전성 및 가스 흐름 제어 

거품 센서

폼 검출

안티폼 자동 주입 연동

주요 응용 분야 (Applications)

제약

항체의약품, 백신, 바이오시밀러 생산 

식품

발효유, 된장, 식물성 단백질 배양 

에너지

바이오디젤, 바이오에탄올 생산 

환경

폐수처리 미생물 배양, 메탄 생성 

연구

유전자 재조합 세포 배양, 대사경로 해석

유지관리 및 관리 요령

센서 보정

주 1~2회

pH/DO 센서 교정 필수 

배관/밸브 청소

매 사이클

오염 방지용 CIP 실시 

살균(SIP)

배양 전

고온 증기 멸균 121℃ 

소모품 교체

분기/반기

필터, 튜브류, 개스킷 등 

프로그램 업데이트

필요 시

제어 소프트웨어 최신화

규정 및 인증 기준

GMP

Good Manufacturing Practice (제약용 필수) 

ISO 9001 / 13485

품질 및 의료기기 제조 인증 

CIP/SIP 적합성

자동 세척/멸균 시스템 내장 

FDA 21 CFR Part 11

전자기록 및 서명 규제 대응 (제약) 

CE/UL 인증

전기/기계 안전 인증 기준

요약 정리

정의

생물학적 배양/발효를 위한 반응 장치 

주요 용도

세포 배양, 백신 생산, 효소 발효 등 

운영 방식

Batch / Fed-Batch / Continuous / Perfusion 

제어 항목

pH, DO, 온도, 교반, 기체공급, 압력 등 

BRX 장점

모듈화, 고정밀 자동화, SCADA 제어 최적화 

트렌드

싱글유즈(SU), AI제어, 무인공정, 바이오시밀러 대응형 반응기

Continuous Stirred-Tank Bioreactors (연속 교반 탱크 생물반응기)

CSTR이라고도 하는 연속 교반 탱크 생물 반응기는 오늘날 가장 널리 사용되는 가장 일반적인 유형의 생물 반응기임.  

CSTR은 탁한 정적 또는 화학적인 정적 원리를 사용하여 유속을 제어하며, 압력이 가해지면 공기가 스파저 장치를 통해 배양에 추가 됨. 

기포는 스파저에 의해 형성되며, 나중에 더 작은 기포로 분해되어 매체 전체에 고르게 퍼짐. 

생물반응기 내부에 균일하고 균일한 환경을 만들 수 있으며. 이를 통해 바이오프로세스 반응이 가능.

응용분야.

탄화수소가 풍부한 산업 폐수 처리.

제약 산업. 

발효 과정. 

세포 배양과 같은 생물학적 과정.

장점.

지속적인 작동으로 일관성과 효율성이 핵심 요소인 생명공학 제품의 대규모 생산에 이상적. 

온도 조절이 잘되어 최소한의 감독이 필요. 

2단계 실행에 쉽게 적용할 수 있으며, 청소하기 쉬움 이를 통해 성장하는 세포 및 내용물 혼합을 위한 효율적인 가스 전달이 가능.

단점.

베어링과 샤프트 씰이 필요. 

일부 사용자는 거품 발생에 문제가 있음. 

모터 크기, 무게 및 샤프트 길이 측면에서 제한이 있음. 

사용되는 기계적 압력 펌프로 인해 많은 전력을 소비.