짧은 답
거품은 배지 안의 단백질과 표면활성 물질이 통기와 교반에 의해 안정한 기포로 휘저어져 생깁니다. 배지 쪽에서 가장 효과적인 세 가지는 다음과 같습니다. 펩타이드 비율이 높고 큰 단백질이 적은 질소원(가수분해도가 높은 펩톤, 한외여과 등급)을 선택하고, "안전하게" 질소를 과량 투입하지 말고(남는 단백질은 거품이 될 뿐입니다), 거품이 생긴 뒤에 쫓아가지 말고 처음부터 배지에 기본량의 소포제를 넣어 두는 것입니다. 누적 투입량이 일정 수준을 넘어도 소포제가 거품을 잡지 못한다면, 문제는 소포제의 양이 아니라 조성이나 운전 조건입니다.
거품은 어디서 생깁니까
거품에는 두 가지가 필요합니다. 들어가는 기체와, 기포 벽을 안정시키는 무엇입니다. 기체는 통기와 교반이 공급하고, 안정화 물질은 배지와 세포가 공급합니다.
- 큰 단백질 분자. 짧게 절단되지 않은 펩톤 속 단백질, 효모 추출물의 핵산·단백질 복합체, 육엑기스(beef extract)의 콜라겐 조각입니다. 분자가 크고 양친매성이 강할수록 거품이 안정합니다.
- 세포 자체가 분비하는 물질. 생물계면활성제(Bacillus의 surfactin이 대표적인 예), 세포외 다당류, 그리고 세포가 용해될 때 나오는 단백질과 지질입니다. 배양 후반에 늘어나는 거품은 대개 이것입니다.
- 배지 속 유지와 유화제. Polysorbate 80, 레시틴, 식물성 유지입니다. 소량은 거품을 깨지만, 과량은 거품을 안정시킵니다.
따라서 시점이 원인을 가리킵니다. 접종 직후의 거품은 배지, 대수기 후반의 거품은 대사산물, 수확 직전의 거품은 대개 세포 용해입니다.
어떤 질소원이 거품을 가장 많이 냅니까
일반 원칙은 가수분해 정도가 낮고 거대 분자가 많을수록 거품이 많다는 것입니다.
- 거품 많음: 육엑기스(beef extract), 젤라틴 펩톤, 가수분해가 약한 육류 펩톤, 효모 자가분해물(세포벽 잔해가 많음).
- 중간: 일반적인 트립톤, 대두 펩톤, 효모 추출물.
- 거품 적음: 가수분해도가 높은 펩톤(아미노태 질소 비율이 높음), 카자미노산, 한외여과 펩톤과 한외여과 효모 추출물(거대 분자가 이미 제거됨).
같은 종류의 펩톤 안에서는 COA의 AN/TN 비율을 보십시오. 비율이 높을수록 거대 분자가 적고 거품이 적습니다. 세포배양 등급의 한외여과 가수분해물이 거품이 가장 적지만 산업 발효에는 비용이 높습니다. 현실적인 절충안은 아미노태 질소 비율이 높은 펩톤을 쓰거나, 펩톤의 일부를 무기 질소(황산암모늄, 제일인산암모늄)로 대체하는 것입니다.
소포제 사용
- 종류. 폴리에테르계 소포제(가장 범용적이고 투입량이 적으며 열에 안정), 실리콘계 소포제(강력하지만 후속 정제와 식품 규정을 확인해야 함), 식물성 유지(식품 등급 공정에서 흔히 쓰이지만 탄소원이기도 하여 소모되므로 후반에 보충이 필요함).
- 투입량. 멸균 전 배지에 기본량을 넣습니다. 보통 0.01~0.05%입니다. 배양 중에는 거품 센서에 따라 보충합니다. 1회 투입량은 적게 유지하십시오. 소포제를 한 번에 많이 넣으면 산소 전달이 떨어지고 증식이 느려집니다.
- 상한. 폴리에테르계 소포제를 누적 0.2~0.3% 넣어도 거품이 잡히지 않으면 조성과 통기 설정으로 돌아가십시오.
소포제는 산소 전달 효율을 떨어뜨리므로, 많이 넣는다고 좋은 것이 아닙니다.
소포제를 더 넣는 대신 조성을 바꿔야 하는 경우
- 증식이 시작되기도 전에 접종 직후 거품이 조를 채우는 경우: 단백질이 너무 많거나 질소 종류가 맞지 않습니다. 투입량을 줄이거나 가수분해도가 더 높은 펩톤으로 바꾸십시오.
- 매 배치마다 소포제를 대량 투입해야 하는 경우: 유기 질소의 일부를 무기 질소로 대체하거나, 조 안의 질소 농도가 높아지지 않도록 유가식(fed-batch)으로 전환하십시오.
- 거품이 세포를 끌고 나가 수율이 불규칙한 경우: 먼저 용존산소가 겨우 충분한 수준까지 통기나 교반을 줄이고, 그다음 조성을 다시 검토하십시오.
자주 묻는 질문
진탕 플라스크에서는 거품이 나지 않는데 발효조에서는 납니다. 왜 그렇습니까? 진탕 플라스크에는 강제 통기가 없고 기액 계면이 작습니다. 발효조는 분당 조 용적의 몇 배에 해당하는 공기를 불어 넣고 임펠러가 기포를 부수기 때문에, 플라스크에서는 보이지 않던 발포 경향이 조에서는 그대로 드러납니다. 플라스크로 조성을 선별할 때는 별도의 발포 시험을 추가하십시오. 조제한 배지를 흔들고 거품이 가라앉는 데 걸리는 시간을 측정하는 것입니다.
펩톤을 바꿨더니 거품이 크게 달라졌습니다. 정상입니까? 예. 원료와 가수분해 정도가 다르면 발포 경향이 몇 배까지 차이 날 수 있습니다. 질소원을 바꿀 때는 수율과 함께 발포성도 선택 기준의 하나로 다루십시오.
식품 등급 공정에서는 어떤 소포제를 쓸 수 있습니까? 식품첨가물로 허용된 것만 쓸 수 있으며, 목록은 나라마다 다릅니다. 대만에서는 TFDA의 식품첨가물 기준이 적용됩니다. STBIO 펩톤에는 소포제가 들어 있지 않으며, 조성에 무엇을 넣을지는 공정상의 결정입니다.
거품이 적은 펩톤을 추천해 줄 수 있습니까? 아미노태 질소 비율이 높은 효모 펩톤과 대두 펩톤은 거품이 적고, 세포배양 등급의 한외여과 제품이 가장 적습니다. 균주, 통기 조건, 현재 질소원을 알려 주시면 후보를 제안하고 발포성과 증식을 병행 비교할 수 있도록 시료를 제공합니다. 시료 요청을 참고하십시오.