바이오 공정

업스트림 공정은 바이오 공정의 첫 번째 주요 단계로, 생물 반응기 내에서 본격적인 생산이 시작되기 전에 필요한 모든 준비 작업을 포함한다. 이 단계의 핵심 목표는 생산에 사용될 생물 촉매, 즉 균주나 세포주를 확보하고 최적의 상태로 배양 준비를 완료하는 것이다. 여기에는 생산 균주의 선정과 개량, 배지의 조성 및 멸균, 그리고 종균의 대량 배양과 접종이 포함된다.

균주 개발은 업스트림 공정의 기초를 형성한다. 원하는 제품을 효율적으로 생산할 수 있는 미생물, 동물 세포, 또는 식물 세포를 선정하고, 이를 유전자 재조합 기술이나 자연 돌연변이 선발 등을 통해 개량하여 생산성을 극대화한다. 한편, 배지는 균주의 성장과 대사 활동에 필요한 영양분을 제공하는 핵심 요소로, 탄소원, 질소원, 무기염류, 비타민 등이 적절히 조성된다. 이 배지는 반드시 멸균 과정을 거쳐 오염을 방지해야 한다.

준비된 배지에 균주를 접종하기 전, 종균을 충분한 양과 활력으로 확보하는 과정이 필요하다. 보통 동결 보관된 주식균으로부터 시작하여 점차 규모를 키운 액체 배양액을 준비하며, 이를 생물 반응기에 접종한다. 업스트림 공정의 성패는 이후 생물반응기 공정의 효율을 좌우하므로, 균주의 순수성, 배지의 품질, 멸균 상태, 접종량과 시기 등 모든 조건을 철저히 관리하고 최적화하는 것이 중요하다.

생물반응기 공정은 바이오 공정의 핵심 단계로, 생물반응기라는 특수 설계된 장치 내에서 생물 촉매가 기질을 생산물로 전환하는 실제 생물학적 변환 과정이 일어나는 단계이다. 이 단계는 업스트림 공정에서 준비된 균주와 배지가 본격적인 생산을 위해 결합되는 곳으로, 공정의 성패를 좌우하는 매우 중요한 단계이다.

생물반응기는 세포나 효소와 같은 생물 촉매가 최적의 환경에서 활동할 수 있도록 온도, pH, 용존 산소, 교반 속도 등의 공정 조건을 정밀하게 제어하는 역할을 한다. 반응기 형태는 교반조 생물반응기, 공기양생조 생물반응기, 고정층 생물반응기 등 목적에 따라 다양하게 설계된다. 이 단계에서는 대사 산물의 농도가 증가하고, 세포가 성장하며, 목표하는 바이오매스 또는 대사 산물이 생산된다.

생물반응기 공정의 관리와 모니터링은 매우 중요하다. 발효나 세포 배양 과정에서 생성되는 열을 제거하고, 세포 성장에 필요한 영양분을 지속적으로 공급하며, 대사 부산물이 축적되지 않도록 해야 한다. 이를 위해 센서와 자동화 시스템을 활용한 실시간 모니터링이 이루어지며, 데이터는 공정 분석 기술을 통해 분석되어 공정 효율을 극대화하는 데 활용된다. 이 단계의 최종 산물은 발효액 또는 배양액 형태로, 이후 다운스트림 공정으로 넘어가 정제된다.

다운스트림 공정은 생물반응기에서의 생물학적 반응이 완료된 후, 원하는 최종 제품을 얻기 위해 수행되는 일련의 분리, 정제 및 정제 공정을 말한다. 업스트림 공정과 생물반응기 공정을 통해 생산된 원료액은 목표 물질 외에도 미반응 기질, 세포 잔해, 대사 부산물, 배지 성분 등 다양한 불순물을 포함하고 있어, 이를 제거하고 제품을 농축하는 과정이 필수적이다. 이 단계는 최종 제품의 순도, 품질, 안정성 및 경제성을 결정하는 데 있어 매우 중요하며, 전체 바이오 공정 비용의 상당 부분을 차지하는 경우가 많다.

다운스트림 공정은 일반적으로 고체-액체 분리, 농축, 정제, 최종 정제 및 제형화의 단계로 구성된다. 먼저, 원심분리나 여과를 통해 배양액으로부터 세포나 고형물을 제거한다. 이후 여과, 추출, 침전 등의 방법으로 조제품을 농축하고, 크로마토그래피나 결정화와 같은 고도의 정제 기술을 적용하여 목표 물질의 순도를 극대화한다. 마지막으로, 제품의 안정성을 높이고 보관 및 운송을 위해 동결건조나 살균 등의 공정을 거쳐 최종 제품을 완성한다.

다운스트림 공정의 설계와 선택은 생산되는 제품의 특성에 크게 의존한다. 예를 들어, 항체나 재조합 단백질과 같은 바이오의약품의 경우 매우 높은 순도가 요구되므로 여러 단계의 크로마토그래피 공정이 필수적이다. 반면, 바이오에탄올이나 유기산과 같은 대량 화학물질의 경우 상대적으로 낮은 순도로도 사용 가능하므로, 보다 단순하고 경제적인 분리 정제 방법이 선호된다. 따라서 공정의 복잡성과 비용은 최종 제품의 가치와 규모에 맞춰 최적화된다.

발효 공정은 미생물, 동물 또는 식물 세포를 이용해 산업적으로 유용한 물질을 생산하는 가장 대표적인 바이오 공정이다. 이 공정은 효모, 세균, 곰팡이와 같은 미생물이나 특정 세포주를 생물 촉매로 사용하며, 생물반응기 내에서 적절한 배지와 공정 조건을 제공하여 원하는 생산물을 대량으로 얻는다. 발효 공정은 전통적으로 주류, 발효식품, 항생제 생산에 널리 사용되어 왔으며, 현대에는 바이오의약품, 바이오연료, 효소 등 다양한 고부가가치 제품 생산의 핵심 기술로 자리 잡았다.

발효 공정은 사용하는 생물 촉매와 목적에 따라 크게 두 가지로 구분된다. 첫째는 미생물 자체의 대사 활동을 통해 에탄올, 젖산, 구연산과 같은 물질을 생산하는 미생물 발효이다. 둘째는 동물세포나 식물세포를 배양하여 단백질 의약품, 항체, 백신과 같은 복잡한 생물학적 제품을 생산하는 세포배양 공정이다. 특히 대장균이나 효모와 같은 숙주 세포에 유전자를 도입해 원하는 단백질을 발현시키는 재조합 단백질 생산 기술은 제약 산업에서 필수적이다.

발효 공정의 성공은 균주 개발, 배지 최적화, 그리고 정밀한 공정 제어에 달려 있다. 고수율의 생산 균주를 선별하거나 유전공학 기술로 개량하는 것이 첫 단계이며, 세포의 성장과 생산물 합성을 촉진할 탄소원, 질소원, 비타민, 무기염류 등으로 구성된 배지를 설계한다. 공정 중에는 pH, 온도, 용존산소, 기질 농도 등을 지속적으로 모니터링하고 제어하여 생산성을 극대화하고 오염을 방지한다.

이 공정은 화학 합성 공정에 비해 반응 조건이 온화하고, 재생 가능 자원을 기질로 사용할 수 있으며, 높은 특이성으로 원하지 않는 부산물 생성을 줄일 수 있는 장점이 있다. 그러나 배양 시간이 길고, 살균 및 폐기물 처리 비용이 높으며, 최종 생산물의 정제가 복잡하다는 한계도 동시에 지닌다.

세포 배양 공정은 동물 세포, 식물 세포, 곤충 세포, 미생물 세포 등을 인공적으로 배양하여 목적하는 물질을 생산하는 기술이다. 이 공정은 주로 단백질 의약품, 항체, 백신 등 고부가가치 바이오의약품 생산에 핵심적으로 활용된다. 발효 공정이 주로 미생물을 이용하는 것과 달리, 세포 배양 공정은 복잡한 구조를 가진 단백질을 정확하게 합성하고 변형할 수 있는 진핵 세포의 능력을 이용한다.

이 공정은 일반적으로 무균 상태가 유지되는 생물반응기 내에서 이루어진다. 세포에 적합한 영양분이 포함된 배지를 공급하고, 온도, pH, 용존 산소 농도 등의 공정 조건을 정밀하게 제어하여 세포의 생장과 목적 물질의 생산을 최적화한다. 공정 모드는 회분식, 유가식, 연속식 등이 있으며, 생산물의 특성과 경제성에 따라 선택된다.

세포 배양 공정의 핵심은 세포주의 개발과 유지 관리에 있다. 특히 CHO 세포(중국산 햄스터 난소 세포)는 재조합 단백질 생산을 위한 산업 표준 세포주로 널리 사용된다. 공정 후에는 원심분리, 여과, 크로마토그래피 등의 다운스트림 공정을 통해 세포로부터 생산물을 분리하고 정제하여 최종 제품을 완성한다.

효소 공정은 생물체에서 유래한 효소를 생물 촉매로 활용하여 특정 화학 반응을 촉진하는 바이오 공정이다. 이 공정은 생물 반응기 내에서 효소와 기질을 반응시켜 원하는 생산물을 얻는 것을 목표로 한다. 효소 공정은 발효 공정이나 세포 배양 공정과 달리 살아있는 세포 전체를 사용하지 않고, 세포에서 분리 정제된 효소 단백질만을 사용한다는 점이 특징이다.

이 공정의 핵심은 효소의 높은 특이성과 선택성에 있다. 효소는 특정 기질만을 인식하여 반응을 진행시키므로, 원하지 않는 부산물 생성이 적고 순도 높은 생산물을 얻을 수 있다. 또한 대부분의 효소 반응은 상온 상압과 같은 온화한 조건에서 이루어지기 때문에, 고온 고압이 필요한 전통적인 화학 공정에 비해 에너지 소비가 적고 장비 부식 문제도 줄일 수 있다.

효소 공정은 다양한 산업 분야에 응용된다. 제약 산업에서는 항생제나 아미노산 등의 중간체 합성에, 식품 산업에서는 전분 가공, 유당 분해, 과즙 추출 등에 널리 사용된다. 또한 세제에 포함되어 지방과 단백질 얼룩을 분해하는 효소 세제나, 섬유 공정에서 셀룰로오스를 처리하는 데에도 효소 공정이 적용된다.

효소 공정을 효율적으로 운영하기 위해서는 효소의 안정성을 높이고 재사용 가능하도록 하는 기술이 중요하다. 이를 위해 효소를 고체 지지체에 고정화하는 효소 고정화 기술이 개발되어 사용된다. 고정화 효소는 반응 후 쉽게 회수되어 재사용이 가능하며, 반응기에서의 유출을 방지하고 효소의 내구성을 향상시킬 수 있다.

생물학적 폐수 처리 공정은 미생물이나 식물 등의 생물체를 활용하여 폐수 속 오염 물질을 제거하거나 무해한 물질로 전환하는 바이오 공정이다. 이 공정은 주로 하수 처리장이나 산업 폐수 처리 시설에서 적용되며, 환경 정화라는 바이오 공정의 주요 용도 중 하나를 대표한다. 생물학적 처리의 핵심은 미생물 군집이 유기물을 분해하여 이산화탄소와 물, 또는 바이오매스로 전환하는 대사 과정에 있다.

이 공정은 크게 호기성 처리와 혐기성 처리로 구분된다. 호기성 처리는 활성슬러지법이 대표적이며, 산소가 풍부한 조건에서 미생물이 오염 물질을 분해한다. 반면 혐기성 처리는 메탄 발효와 같이 산소가 없는 조건에서 작동하며, 바이오가스를 부산물로 생산할 수 있다. 또한 인공습지나 생물막을 이용한 처리 방식도 널리 사용된다.

생물학적 폐수 처리 공정은 화학적 처리에 비해 비교적 운영 비용이 낮고, 2차 오염을 최소화할 수 있으며, 특정 오염 물질에 대한 높은 선택성을 보이는 장점이 있다. 그러나 처리 효율이 수온이나 pH, 독성 물질의 존재 등 공정 조건에 민감하게 영향을 받으며, 처리에 필요한 시간이 상대적으로 길다는 한계도 존재한다.

균주/세포주는 바이오 공정의 핵심 생물 촉매로, 원하는 제품을 생산하는 생물학적 공장 역할을 한다. 이는 주로 미생물(세균, 효모, 곰팡이), 동물 세포, 식물 세포, 또는 이들이 생산하는 효소로 구성된다. 공정의 성패는 이 생물 촉매의 성능, 즉 생산성, 안정성, 특이성에 크게 좌우되므로, 적절한 균주 또는 세포주의 선정과 개발이 가장 중요한 초기 단계이다.

균주 개발은 자연계에서 분리된 야생형 균주를 출발점으로 한다. 이를 산업적 생산에 적합하도록 개량하기 위해 돌연변이 유발, 교배, 그리고 현대의 유전공학 기술을 활용한 유전자 재조합 등의 방법이 사용된다. 예를 들어, 인슐린이나 단일클론항체 같은 고부가가치 바이오의약품은 대부분 유전자 재조합 기술을 통해 특정 유전자를 도입한 동물 세포주나 미생물을 사용하여 생산한다.

선정된 균주나 세포주는 장기간 사용과 보관을 위해 균주 보존 기술로 관리된다. 동결 건조나 극저온 냉동과 같은 방법을 통해 생물학적 활성을 유지한 채 보관소에 안전하게 보관되며, 필요할 때마다 활성화되어 종균 배양 과정을 거쳐 대규모 생산에 투입된다. 이처럼 균주/세포주의 체계적인 개발과 관리는 효율적이고 경제적인 바이오 공정의 기초를 이룬다.

배지는 바이오 공정에서 생물 촉매인 미생물, 동물 세포, 식물 세포 또는 효소가 성장하고 활동하는 데 필요한 모든 영양소를 제공하는 액체 또는 고체의 물질이다. 이는 생물 촉매의 생존과 목표 생산물의 효율적인 생합성을 위한 필수 환경을 조성하는 핵심 요소로 작용한다. 배지의 조성은 사용하는 생물 촉매의 종류와 생산하고자 하는 제품의 특성에 따라 크게 달라진다.

배지는 일반적으로 탄소원, 질소원, 무기염류, 비타민 및 생장 인자 등으로 구성된다. 탄소원으로는 포도당, 당밀과 같은 당류가 주로 사용되며, 질소원으로는 암모늄염, 요소, 효모 추출물, 펩톤 등이 활용된다. 또한 산소 공급, pH, 온도와 같은 공정 조건도 배지 내에서 적절히 유지되어야 생물 반응이 최적으로 진행될 수 있다.

산업용 배지는 비용 효율성과 재현성을 고려하여 설계된다. 연구 개발 단계에서는 복잡한 조성을 가진 배지가 사용되기도 하지만, 대량 생산을 위한 발효 공정이나 세포 배양 공정에서는 원료의 가격과 공급 안정성이 중요한 고려 사항이 된다. 따라서 옥수수 가공 부산물, 사탕무 당밀, 대두박 등과 같은 값싼 농업 부산물이 배지의 주요 구성 성분으로 널리 활용된다.

바이오 공정의 성공은 적절한 공정 조건을 설정하고 유지하는 데 달려 있다. 이는 생물 촉매인 미생물, 동물 세포, 식물 세포 또는 효소의 활성과 생존을 최적화하여 목표 생산물의 수율과 품질을 극대화하기 위한 것이다. 주요 공정 조건으로는 온도, pH, 용존 산소, 교반 속도, 영양분 공급 속도 등이 있으며, 이들은 서로 긴밀하게 연관되어 작용한다.

예를 들어, 온도는 생물 촉매의 대사 활동 속도와 효소 활성에 직접적인 영향을 미친다. 너무 낮으면 반응이 느려지고, 너무 높으면 단백질 변성이 일어나 활성을 잃을 수 있다. pH 역시 세포의 막 투과성과 효소의 구조적 안정성을 결정하는 핵심 요소이다. 용존 산소 농도는 호기성 미생물이나 세포 배양 공정에서 세포의 성장과 대사에 필수적이며, 부족할 경우 생산성이 급격히 떨어진다.

이러한 조건들은 생물 반응기 내에서 실시간으로 모니터링되고 제어된다. pH 센서와 용존 산소 센서를 통해 데이터를 수집하고, 냉각 재킷이나 히터를 이용해 온도를 조절하며, 스퍼저를 통해 공기를 주입하거나 교반기 속도를 변경하여 산소 공급을 최적화한다. 공정 조건의 최적화는 실험적 스크리닝과 반응 표면 분석 같은 통계적 방법을 통해 이루어지며, 이를 통해 생산성, 경제성, 에너지 효율을 종합적으로 고려한 최적의 운영 지점을 찾아낸다.

분리 및 정제 기술은 바이오 공정의 최종 단계인 다운스트림 공정의 핵심을 이루며, 생물 반응기에서 생성된 복잡한 혼합물로부터 목표 생산물을 고순도로 분리해내는 과정이다. 발효나 세포 배양을 통해 얻은 원액에는 원하는 단백질, 항체, 효소 등의 생물학적 활성 물질 외에도 미사용 배지 성분, 대사 부산물, 세포 파편 등 다양한 불순물이 포함되어 있다. 따라서 최종 제품의 품질, 안전성 및 효능을 보장하기 위해서는 정교한 분리 및 정제 공정이 필수적이다.

분리 공정은 일반적으로 크기, 전하, 친화도, 소수성 등의 물리화학적 특성 차이를 이용한다. 초기 단계에서는 원심분리나 여과를 통해 세포나 큰 고형물을 제거하는 고체-액체 분리가 이루어진다. 이후 침전, 추출, 막 분리 등의 방법으로 농축과 조정제가 수행되며, 크로마토그래피 기술이 고순도 정제의 핵심 수단으로 널리 사용된다. 이온 교환 크로마토그래피, 친화성 크로마토그래피, 겔 투과 크로마토그래피 등 다양한 크로마토그래피 기법은 목표 물질의 특성에 맞게 선택되어 미량의 불순물까지 제거한다.

최근에는 공정 효율을 높이고 비용을 절감하기 위한 기술 발전이 활발하다. 단일 사용 기술은 청소와 검증이 필요 없는 일회용 시스템을 도입하여 제약 공정의 유연성과 교차 오염 위험을 줄인다. 또한 연속 공정과 통합 다운스트림 공정의 도입으로 처리 시간을 단축하고 생산성을 향상시키고 있다. 특히 바이오의약품과 같은 고부가가치 제품의 생산에서는 GMP 기준을 충족하는 극히 높은 순도와 재현성을 확보하기 위해 여러 단계의 정제 공정이 조합되어 적용된다.

이러한 분리 및 정제 기술의 성능은 전체 바이오 공정의 경제성을 좌우하는 핵심 요소이다. 정제 단계에서의 수율 손실은 총 생산 비용에 큰 영향을 미치므로, 초기 공정 설계 단계부터 분리 용이성을 고려한 균주 개발이나 발현 시스템 선택이 중요해지고 있다. 궁극적으로 분리 및 정제 기술은 생물학적 원료를 안전하고 유용한 상업적 제품으로 전환시키는 데 결정적인 역할을 한다.

바이오 공정의 효율성과 안정성을 확보하기 위해서는 공정 모니터링이 필수적이다. 공정 모니터링은 생물반응기 내에서 진행되는 생물학적 반응의 상태를 실시간으로 추적하고 평가하는 과정을 말한다. 이를 통해 원하는 제품의 수율과 품질을 극대화하면서도 불필요한 자원 낭비와 공정 변동을 최소화할 수 있다.

공정 모니터링의 핵심은 다양한 물리적, 화학적, 생물학적 변수를 측정하는 것이다. 주요 모니터링 변수로는 온도, pH, 용존 산소, 교반 속도와 같은 물리화학적 인자와, 기질 농도, 세포 농도, 대사 부산물, 최종 목표 생산물의 농도 등이 있다. 특히 세포 성장과 대사 활동을 직접적으로 반영하는 생물학적 변수들의 측정은 공정의 건강 상태를 진단하는 데 중요하다.

전통적으로는 오프라인 샘플링을 통해 분석하는 방법이 주로 사용되었으나, 이는 시간 지연과 샘플 오염 위험을 내포한다. 따라서 최근에는 실시간 모니터링 기술의 개발이 활발히 진행되고 있다. 인라인 센서나 앳라인 분석 시스템을 활용하여 데이터를 연속적으로 수집하고, 이를 공정 분석 기술의 프레임워크 안에서 분석함으로써 보다 정교한 공정 제어가 가능해지고 있다.

효과적인 공정 모니터링은 단순한 데이터 수집을 넘어, 수집된 빅데이터를 인공지능과 머신러닝 알고리즘을 활용해 분석하여 공정 성과를 예측하고 최적의 조작 조건을 제안하는 데까지 이어진다. 이는 스마트 팩토리와 산업 4.0의 개념이 바이오 제조 분야에 적용되는 대표적인 사례이다.

바이오 공정의 자동화 및 제어 시스템은 공정의 안정성, 재현성, 생산성 및 경제성을 극대화하기 위한 핵심 기술이다. 이 시스템은 생물반응기 내부의 온도, pH, 용존 산소, 교반 속도, 배지 공급 속도와 같은 다양한 공정 변수를 실시간으로 모니터링하고, 설정된 목표값에 맞게 자동으로 조절한다. 이를 통해 균주나 세포의 최적 성장 환경을 유지하고, 원하는 대사 산물의 생산량을 극대화할 수 있다. 특히 대규모 산업 생산에서는 공정의 일관성을 보장하고 인력 의존도를 줄이는 데 필수적이다.

자동화 시스템의 핵심은 분산제어시스템이나 프로그래머블 논리 컨트롤러와 같은 제어 장치와, 이를 지원하는 다양한 센서 및 액추에이터로 구성된다. pH 센서, 용존 산소 센서, 온도 센서 등이 생물반응기 내부 상태를 지속적으로 측정하며, 이 데이터는 제어 시스템으로 전송된다. 시스템은 이 데이터를 분석하여 펌프, 히터, 냉각기, 가스 유량 조절기 등의 액추에이터를 제어함으로써 공정 조건을 자동 보정한다.

보다 진보된 시스템은 공정 분석 기술을 도입하여 실시간으로 배지 내 기질 농도, 세포 농도, 목적 생산물 농도 등의 핵심 품질 속성을 모니터링한다. 이를 통해 피드백 제어 또는 피드포워드 제어 전략을 구현할 수 있으며, 인공지능과 머신러닝 알고리즘을 접목한 예측 제어 및 최적화도 활발히 연구되고 있다. 이러한 지능형 제어는 공정 변동성을 최소화하고, 불량률을 낮추며, 전체적인 생산 효율을 획기적으로 향상시킨다.

결국, 바이오 공정의 자동화 및 제어는 단순한 장비 운영을 넘어, 데이터 기반의 과학적 의사결정을 통해 공정을 정밀하게 설계하고 운영하는 핵심 인프라로 자리 잡았다. 이는 제약 및 바이오의약품 생산에서의 품질 규제 준수는 물론, 바이오 연료나 바이오 기반 화학물질 생산의 원가 경쟁력 확보에도 결정적인 역할을 한다.

바이오 공정은 제약 및 바이오의약품 산업의 핵심 생산 기술로, 항생제부터 복잡한 단백질 의약품에 이르기까지 다양한 의약품을 제조하는 데 활용된다. 특히 인슐린, 성장호르몬, 단클론항체, 백신 등과 같은 생물의약품의 대량 생산은 바이오 공정 없이는 불가능하다. 이러한 의약품들은 주로 미생물이나 동물세포를 생물 반응기에서 배양하여 생산된다.

제약 분야에서의 바이오 공정은 높은 순도와 안정성을 요구한다. 대장균이나 효모와 같은 미생물을 이용한 발효 공정은 비교적 단순한 펩타이드나 저분자 단백질을 생산하는 데 적합하다. 반면, 항체나 바이러스 백신과 같은 복잡한 당단백질을 생산하기 위해서는 CHO 세포와 같은 포유동물 세포 배양 기술이 필수적으로 사용된다. 이는 동물 세포가 단백질의 정확한 접힘과 당사슬 첨가와 같은 번역 후 변형을 수행할 수 있기 때문이다.

바이오 공정을 통한 의약품 생산은 GMP 기준 하에 철저하게 관리된다. 공정의 모든 단계, 즉 업스트림 공정에서의 세포 배양, 생물반응기에서의 대량 생산, 다운스트림 공정에서의 분리와 정제는 엄격한 품질 관리와 공정 검증을 거친다. 이를 통해 최종 제품의 효능, 안전성 및 일관성을 보장한다. 최근에는 연속 생산 공정과 단일 사용 시스템 도입으로 생산 효율성과 유연성을 높이는 추세다.

바이오 공정은 식품 및 음료 산업에서 오랜 역사를 지닌 핵심 기술이다. 전통적인 발효 식품 생산부터 첨단 기능성 성분 제조에 이르기까지 광범위하게 활용된다. 발효는 가장 대표적인 예로, 미생물이나 효소를 이용해 원료를 변형시켜 새로운 풍미, 향, 질감을 창출하거나 보존성을 높인다. 김치, 된장, 간장과 같은 전통 장류, 요구르트, 치즈 등의 유제품, 빵과 맥주, 와인 등은 모두 바이오 공정을 통해 생산되는 대표적인 식품이다.

최근에는 건강에 대한 관심 증가로 인해 프로바이오틱스, 프리바이오틱스, 펩타이드, 비타민, 천연 감미료 및 색소 등 다양한 기능성 식품 성분의 생산에도 바이오 공정이 적극 도입되고 있다. 세포 배양 기술을 이용한 배양육 개발이나, 효소를 활용한 전분 가공(고과당 옥수수 시럽 생산 등)도 이 분야의 중요한 적용 사례이다. 이러한 공정들은 화학 합성법에 비해 특이성이 높고, 상대적으로 온화한 조건에서 반응이 이루어져 열에 약한 성분의 생산에 유리하며, 재생 가능한 농산물을 원료로 사용할 수 있다는 장점을 지닌다.

식품 산업에서의 바이오 공정은 품질 관리와 안전성 확보가 최우선 과제이다. 이를 위해 업스트림 공정에서 사용되는 균주의 선별과 관리, 배지 조성, 그리고 생물반응기 내 공정 조건(온도, pH, 용존 산소 등)의 정밀한 제어가 필수적이다. 또한, 최종 제품의 순도와 안전을 보장하기 위한 다운스트림 공정으로의 효율적인 분리 및 정제 기술도 함께 발전하고 있다.

바이오 공정은 바이오 연료 및 바이오 기반 화학물질의 생산을 위한 핵심 기술이다. 이는 석유와 같은 화석 연료에 대한 의존도를 줄이고, 탄소 중립 및 지속 가능성 목표를 달성하는 데 기여한다. 대표적인 바이오 연료로는 에탄올, 바이오디젤, 바이오가스 등이 있으며, 바이오 플라스틱과 같은 고부가가치 바이오 화학물질 생산에도 널리 활용된다.

바이오 연료 생산의 대표적인 예는 사탕수수나 옥수수의 전분을 효모를 이용해 발효시켜 바이오 에탄올을 만드는 공정이다. 바이오디젤은 대두유나 팜유 같은 식물성 기름 또는 폐식용유를 촉매와 반응시켜 제조한다. 또한, 목질계 바이오매스로부터 셀룰로오스를 분해하여 당화한 후 발효시키는 2세대 바이오 연료 기술 개발이 활발히 진행 중이다.

바이오 공정을 통한 화학물질 생산은 바이오 리파이너리 개념 하에 발전하고 있다. 미생물 대사 공학을 이용해 포도당 같은 재생 가능한 탄소원으로부터 생분해성 플라스틱의 원료인 폴리히드록시알카노에이트, 나일론 전구체, 유기산 등을 직접 생산하는 연구가 이루어진다. 이는 석유 화학 공정을 대체할 수 있는 친환경적인 대안으로 주목받고 있다.

이러한 바이오 기반 생산의 확대는 원료의 지속 가능한 조달, 공정 경제성 향상, 생물다양성 보존 등 여러 과제와 맞닥뜨려 있다. 따라서 해조류나 농업 부산물 같은 비식용 바이오매스 활용, 유전자 재조합 기술을 통한 균주 생산성 향상, 공정 통합을 통한 효율 극대화 등이 주요 연구 개발 방향이다.

바이오 공정은 환경 및 에너지 분야에서 지속 가능한 솔루션을 제공하는 핵심 기술로 자리 잡았다. 환경 정화 분야에서는 미생물이나 식물을 활용한 생물학적 정화 기술이 널리 사용된다. 생물학적 폐수 처리는 하수 처리장에서 유기 오염물을 분해하는 표준 공정이며, 토양 오염 지역에서는 특정 미생물을 이용한 생물 복원 기술이 적용된다. 또한 바이오필터나 생물막을 이용해 대기 중의 휘발성 유기 화합물을 제거하는 기술도 개발되고 있다.

에너지 생산 측면에서는 바이오매스나 유기성 폐기물을 원료로 한 바이오에너지 생산이 활발하다. 바이오매스를 발효시켜 바이오에탄올이나 바이오부탄올을 생산하거나, 혐기성 소화 공정을 통해 바이오가스를 생산한다. 특히 메탄이 주성분인 바이오가스는 화력 발전이나 지역 난방 연료로 사용될 수 있다. 해조류와 같은 신규 바이오매스를 이용한 바이오디젤 생산 연구도 진행 중이다.

탄소 포집 및 저장 기술과 결합된 이산화탄소 전환 기술도 주목받는다. 미생물 전기 합성이나 광합성 미생물을 이용해 이산화탄소를 화학물질이나 액체 연료로 직접 전환하는 연구가 진행되어, 탄소 중립 목표 달성에 기여할 잠재력을 보인다. 이처럼 바이오 공정은 폐기물 자원화와 재생 에너지 생산을 동시에 추구하는 순환 경제의 실현을 위한 중요한 도구이다.