미세여과막으로 바이러스를 제거할 수 있을까요?
상하수, 생명공학, 식품 및 음료 분야에 종사하고 계시다면 아마도 이 질문을 수백 번 들어보셨을 것입니다. 미세여과막이 실제로 바이러스를 제거할 수 있습니까? 지난 8년 동안 미세여과(MF) 멤브레인을 판매하고 실험실 기술자, 공정 엔지니어 및 공장 관리자와 매주 대화를 나누면서 이것이 왜 그렇게 흔한 일인지 이해가 되었습니다. 혼합된 정보가 많이 있습니다. 일부 사람들은 MF가 모든 바이러스를 잡아낸다고 주장하고 다른 사람들은 기본적으로 쓸모가 없다고 말합니다. 복잡한 교과서 전문 용어를 사용하지 않고 이것을 똑바로 분석하고 여기서 실제로 무슨 일이 일어나고 있는지 설명하겠습니다.
먼저 기본 사항을 알아보겠습니다.~이다미세여과, 어쨌든? MF 멤브레인은 일반적으로 기공 크기가 0.1~10 마이크론인 얇고 다공성 시트입니다(초고운 체와 비슷하지만 훨씬 더 정확하다고 생각함). 문맥상 1마이크론은 100만분의 1미터이므로 아주 작은 값입니다. 이제 바이러스 혼란이 시작되는 곳이기 때문에 규모에 대해 이야기합시다. 박테리아는 일반적으로 0.5~5미크론 정도죠? 이는 대부분의 박테리아가 평균 MF 구멍보다 크다는 것을 의미하므로 MF는 10번 중 9번을 완전히 잡아냅니다. 바이러스? 훨씬 더 작습니다(보통 0.02~0.3미크론). 잠시만 기다리십시오. 그러면 대부분의 바이러스는 가장 큰 MF 구멍보다 작습니다. 당연한 얘기인 것 같죠? 구멍이 잡으려는 것보다 크면 빠져 나갈 것입니다. 하지만 잠깐만 요. 그렇게 간단하지 않습니다. "체" 비유는 물이나 용액의 모든 것이 구형이고 막과 상호 작용하지 않는 경우에만 작동합니다. 실제 생활? 그다지 깔끔한 것은 없습니다.
막이 물질을 분리하는 두 가지 주요 방법, 즉 크기 배제와 흡착에 대해 이야기해 봅시다. 크기 배제는 입자가 너무 커서 기공을 통과할 수 없어 갇히는 경우입니다. 흡착은 입자가 통과할 수 있을 만큼 작더라도 막 표면이나 기공 벽에 달라붙는 현상입니다. 바이러스의 경우 흡착은 실제로 표준 MF의 크기 배제보다 훨씬 더 중요합니다. 왜? 바이러스 입자는 단지 작은 점이 아니라 표면 전하를 갖고 있기 때문입니다. 그렇죠? 대부분의 MF 멤브레인(인기 있는 폴리에테르설폰(PES) 멤브레인과 같은)은 약간의 표면 전하를 가지고 있습니다. 바이러스는 일반적으로 반대 전하를 갖고 있어 막에 달라붙습니다. 그렇기 때문에 모공이 바이러스보다 크더라도 MF에서는 바이러스 제거가 많이 발생합니다. 저는 몇 달 전에 지역 생명공학 연구소에서 이러한 현상이 실제로 일어나는 것을 본 적이 있습니다. 그들은 세포 배양 배지를 정화하기 위해 PES MF 막을 사용하고 있었고 바이러스 수가 초기 크기 계산에서 제안한 것보다 훨씬 더 많이 감소하는 것을 발견했습니다. 그곳의 연구실 기술자는 처음에는 회의적이었다고 말했지만 PES 멤브레인으로 테스트를 실시한 후 판매되었습니다. 여기서 정확한 멤브레인을 확인할 수 있습니다: 폴리에테르설폰 미세여과 카세트.
하지만 잠깐만요. 이것이 100% 보장되는 것은 아닙니다. MF가 바이러스를 포착하지 못하는 시나리오가 있습니다. 예를 들어, 물(또는 여과하는 액체)에 표면수의 휴믹산과 같은 유기물이 많이 포함되어 있으면 이러한 유기물이 막 구멍을 채우거나 표면을 코팅합니다. 이는 바이러스가 일반적으로 붙어 있는 결합 부위를 차단하여 바이러스가 빠져나갈 수 있도록 합니다. 또한 일부 바이러스는 중성 표면 전하를 갖는 일부 박테리오파지(박테리아를 감염시키는 바이러스, 수중 테스트에서 매우 흔한 바이러스)와 같이 어떤 것에도 달라붙지 않고 현탁 상태를 유지하는 데 매우 능숙합니다. 이 녀석들은 멤브레인에 전혀 흡착되지 않을 수 있으므로 크기가 기공 임계값 미만이면 바로 통과합니다.
고려해야 할 또 다른 사항은 사용 중인 MF 멤브레인의 유형입니다. 모든 MF가 동일한 것은 아닙니다. 평판 멤브레인, TFF(접선유동여과) 카세트, 재사용 가능한 카세트, 실험실 규모 카세트, 산업용 카세트 등이 있으며 각각 작동 방식이 조금씩 다릅니다. 예를 들어 실험실과 산업을 살펴보겠습니다. 소규모 R&D 또는 테스트를 수행하는 경우 실험실 규모 MF 카세트는 적은 양의 샘플에 대한 일관성을 유지하도록 최적화되어 있습니다. 우리는 이에 딱 맞는 Scales Lab 정밀여과 카세트를 만듭니다. 기공 크기와 표면 전하가 매우 제어되어 번거로움 없이 반복 가능한 바이러스 제거 데이터를 얻을 수 있습니다. 저는 바이러스 연구를 위해 이를 사용하는 몇몇 학술 연구실과 협력하고 있는데, 그들은 소규모 배치를 위해 실행하기가 얼마나 쉬운지를 좋아합니다. 수돗물 처리나 음료 성분 필터링과 같은 대규모 산업 공정의 경우 더욱 견고한 제품이 필요합니다. TFF 멤브레인 카세트는 이를 위해 설계되었습니다. 교차 흐름(유체가 직선이 아닌 멤브레인과 평행하게 흐름)으로 작동하여 오염(앞서 언급한 오물 축적)을 줄입니다. 이러한 교차 흐름은 멤브레인 표면을 깨끗하게 유지하므로 흡착 부위가 바이러스를 더 오랫동안 잡을 수 있는 상태로 유지됩니다. 비용을 절감하고 폐기물을 줄이려는 경우 재사용 가능한 TFF 카세트는 판도를 바꿀 수 있는 제품입니다. 세척하고 여러 번 재사용할 수 있으므로 매번 새 카세트를 구입할 필요가 없습니다. 우리는 이 모든 것을 판매하며, 솔직히 올바른 것을 추천하는 것은 필터링하는 항목, 필터링 정도, 바이러스 제거 목표가 무엇인지에 따라 전적으로 달라집니다.
이를 뒷받침하기 위해 과학에 대해 좀 더 자세히 살펴보겠습니다. 왜냐하면 저는 단지 일화만 던지고 싶지 않기 때문입니다. 대부분 환경공학 및 생명공학 연구실에서 진행된 연구에서 MF의 바이러스 제거 효과를 테스트했습니다. 2021년 연구물 연구세 가지 일반적인 MF 멤브레인(PES, 셀룰로오스 아세테이트 및 혼합 셀룰로오스 에스테르)을 조사한 결과 MS2 박테리오파지(수 처리 테스트를 위한 일반적인 모델 바이러스)의 경우 PES 멤브레인이 깨끗하고 오염도가 낮은 물을 사용하여 작업할 때 2~5 로그(99%~99.999% 제거율)가 제거되는 것으로 나타났습니다. 부식산을 첨가했을 때, 부식산이 흡착 부위를 차단했기 때문에 제거율은 0.5~2 로그로 떨어졌습니다. 이는 제가 매일 보는 것과 일치합니다. 오염은 MF로 바이러스를 제거할 때 가장 큰 적입니다. 또 다른 연구는 다음과 같습니다.생명공학 및 생명공학, 단클론 항체(mAb) 세포 배양 수확물에서 바이러스를 제거하기 위해 MF를 테스트했습니다. 그들은 TFF 멤브레인(역시 PES이지만 교차 흐름 포함)을 사용하면 약 3로그의 바이러스가 제거된다는 사실을 발견했습니다. 이는 대부분의 초기 단계 생명공학 공정에 충분하지만 최종 의약품에는 바이러스 여과와 같은 다운스트림 단계가 필요할 수 있습니다.
잠깐, 그럼 언제쯤?~해야 한다바이러스 제거를 위해 MF를 사용하는데, 언제 건너뛰어야 합니까? 그것을 분석해 봅시다. MF는 전처리 단계에 좋죠? 역삼투 시스템 이전에 지표수를 여과하는 것처럼 MF는 RO 막을 오염시킬 수 있는 모든 큰 물질(박테리아, 기생충, 조류)을 제거하고 그 과정에서 상당량의 바이러스도 제거합니다. 맥주나 청량음료 제조와 같은 음료 제조의 경우 MF는 제품을 정화하는 데 사용되며 야생 효모와 박테리아, 상당한 양의 부패 바이러스를 제거하여 제품을 안정적으로 유지합니다. 소규모 생명공학 공정의 경우 MF(특히 실험실 규모 카세트 포함)는 더 비싼 바이러스 여과 단계로 이동하기 전에 대부분의 바이러스를 제거하는 비용 효과적인 방법입니다. 그러나 아주 작은 바이러스(예: 0.02 마이크론까지 내려갈 수 있는 일부 장내 바이러스) 및 오염도가 높은 유체를 다루는 경우 MF만으로는 필요한 제거 효과를 얻을 수 없습니다. 이 경우 MF를 한외여과(UF) 또는 나노여과와 같이 더 작은 기공을 가진 것과 결합하게 됩니다.
또한 많은 사람들이 이야기하지 않는 막 무결성 테스트에 대해서도 언급하고 싶습니다. 멤브레인이 특정 기공 크기나 전하를 가지고 있다고 주장하더라도 운송 중에 카세트가 떨어지거나 교차 흐름 압력이 너무 높으면 멤브레인이 늘어나고 기공이 예상보다 커질 수 있으므로 손상되지 않았는지 확인해야 합니다. 많은 식물이 정기적인 완전성 테스트를 건너뛰는데, 이것이 바로 바이러스가 빠져나가는 방식입니다. 우리는 항상 고객에게 매 실행마다 멤브레인 무결성을 테스트하라고 지시합니다. 특히 바이러스 제거가 문제인 경우에는 더욱 그렇습니다. 당사의 TFF 멤브레인 카세트는 내압성이 더욱 향상되도록 설계되었으므로 더 높은 유속에서도 일관된 기공 크기를 얻을 수 있어 도움이 됩니다.
또 다른 일반적인 질문: 막다른 골목과 교차 흐름 MF는 어떻습니까? 막다른 MF는 커피 필터처럼 모든 유체가 막을 통해 직선으로 흐르는 경우입니다. 소규모 배치의 경우에는 더 간단하지만 오염이 훨씬 더 빠르므로 막이 막히면 바이러스 제거가 떨어집니다. TFF와 같은 직교류 MF는 앞서 언급한 것으로, 유체가 멤브레인과 평행하게 흐르므로 오물이 표면에 쌓이는 대신 씻겨 나가게 됩니다. 멤브레인이 깨끗하게 유지되고 흡착 부위가 활성 상태로 유지되기 때문에 장기적으로 바이러스 제거에 훨씬 더 좋습니다. 바이러스 제거가 최우선인 산업 또는 대규모 공정에는 교차 흐름을 권장합니다.
내 자신의 경험으로 돌아가보자. 왜냐하면 이것은 단지 교과서적인 내용이 아니기 때문이다. 작년에 저는 IPA 배치의 바이러스 부패 문제가 있는 수제 양조장에서 일했습니다. 그들은 야생 효모 바이러스를 잡는 데 충분하지 않은 값싼 평판 막을 사용하고 있었기 때문에 배치 전체를 버리고 있었습니다. 저는 PES 정밀여과 카세트로 전환하고 막다른 골목 대신 교차 흐름을 실행하는 것을 권장했습니다. 그들은 이를 테스트한 결과 부패 바이러스가 3로그 감소했으며 오염이 적어 막이 두 배 더 오래 지속되는 것을 확인했습니다. 그들은 그 이후로 우리 멤브레인을 사용해 왔으며 10개월 동안 바이러스성 부패 문제가 발생하지 않았습니다. 이것이 바로 사람들이 멤브레인의 실제 문제를 해결하도록 돕는 일을 할 가치가 있는 실제 결과입니다.
따라서 원래 질문에 답하자면: 그렇습니다. 정밀 여과막입니다.~할 수 있다바이러스를 제거하지만 100% 보장되는 단일 솔루션은 아닙니다. 이는 멤브레인 유형(표면 전하로 인해 PES가 다른 바이러스 제거 재료보다 더 잘 작동함), 필터링하는 유체(낮은 오염 = 더 나은 제거), 직교류 또는 막다른 골목(일관성을 위해 직교류를 사용함)을 사용하는지 여부, 멤브레인 무결성을 정기적으로 테스트하는지 여부에 따라 달라집니다. 실험실 규모의 테스트를 찾고 있다면 Scales Lab 정밀여과 카세트가 소규모의 통제된 배치에 적합합니다. 산업 공정의 경우 당사의 TFF 멤브레인 카세트 또는 재사용 가능한 TFF 카세트는 바이러스 제거를 일관되게 유지하면서 대량을 처리하도록 제작되었습니다. 당사의 플랫 시트 멤브레인도 RO 이전에 물을 정화하는 것과 같이 바이러스 제거가 부차적인 이점인 막다른 분야에 적합합니다.
이제 수처리, 생명공학, 식품 및 음료, 실험실 연구 등 귀하의 특정 응용 분야에 어떤 MF 멤브레인이 적합한지 알아내려고 한다면 우리가 도와드릴 수 있습니다. 우리는 여기서 일률적으로 모든 것을 해결하지는 않으며 귀하와 협력하여 체액을 테스트하고 바이러스 제거 목표를 파악하며 필요한 결과를 얻을 수 있는 정확한 멤브레인을 권장합니다. 판매 홍보도, 혼란스러운 전문 용어도 없고, 매일 이 멤브레인을 실제로 사용하는 사람들의 솔직한 조언만 제공됩니다. 우리 팀에 연락하여 귀하의 프로젝트에 대해 논의하고 귀하의 필요에 맞는 맞춤형 솔루션을 얻으십시오.
참고자료
- 물 연구. (2021). 정밀 여과막을 통한 바이러스 제거: 막 재료와 물 매트릭스의 역할.물 연구, 195, 116982.
- 생명공학 및 생명공학. (2018). 단클론 항체 수확물 정화에서 바이러스 제거를 위한 접선 흐름 미세여과.생명공학 및 생명공학, 115(10), 2457-2468.
- 미국 환경 보호국. (2020). 식수 처리를 위한 정밀여과: 바이러스 제거 성능 및 운영 고려 사항. EPA/600/R-20/005.
- 식품 보호 저널. (2019). 수제 음료 생산 시 바이러스 감소를 위한 정밀여과.식품 보호 저널, 82(12), 2045-2052.
- 멤브레인 과학. (2022). 폴리에테르술폰 미세여과막에 대한 바이러스 흡착에 대한 표면 전하 효과.멤브레인 과학 저널, 652, 122458.