생명화학공학 : Industrial & Environmental Biotech

nology- 유전자로부터 생물공정까지 -

2008. 10. 28

윤 영 상 교수

연구영역 : 환경생물공학

Introduction to Biotechnology

생명공학이란 ?

생명공학은 생체나 생체유래물질 또는 생물학적 시스템을 이용하여 산업적으로 유용한 제품을 제조하거나 또는 공정을 개선하기 위한 기술이다 .

생명공학기술의 특징

기술의 특징

고부가가치형 / 두뇌기술집약형 / 탈공해형 / 자원에너지 절약형

R&D 과정에서 보이는 주요한 특징

기초 연구의 성과가 비교적 쉽게 실용화에 연결

전통적 생명공학에서는 생체메커니즘이 Black Box 였으나 기초연구의

성과로 그 기능이 해명 되면서 상당부분 생산기술로 발전 타분야의 기술과 융합 발전

전자 및 정보처리기술 , 기계 등과 융합발전하며 동시에 타분야의

기술진보에 기여 광범위한 연구다양성 내재

연구대상이 되는 생물의 종 ( 약 1.400 만종 ), 학문분야 ( 의학 , 약학 ,

이학 , 공학 , 농학 ) , 응용분야 ( 보건 , 의료 , 농업 , 환경 , 에너지

) 등

생명공정의 장단점

Mild reaction conditions

Specificity

Effectiveness

Renewable resources

Enormous potentials

Mild reaction conditions

Specificity

Effectiveness

Renewable resources

Enormous potentials

Complex product mixture

Dilute aqueous environment

Contamination

Variability

Complex product mixture

Dilute aqueous environment

Contamination

Variability

장점 단점

생명공학 / 생물화공( 화학공학부 )

생명공학 / 생물화공( 화학공학부 )Realizing potentials

Overcoming problems

생명공학기술 페러다임의 변화

Genomics ( 유전체학 )Transciptomics ( 전사체학 )Proteomics ( 단백질체학 )Bioinformatics ( 생물정보학 )Metabolic Eng. ( 대사공학 )

생명공학기술의 응용분야

생명공학의 연구 및 응용

Basic Research Basic Research

Applied ResearchApplied Research

ApplicationsApplications

Biological Sciences / Recombinant DNA Technology / Cell Fusion Technology / Engineering Sciences

Metabolic Engineering / Bioreactor Design and Analysis / Down-process Engineering

Food Ind.: New and improved products and processes

Pharmaceutical Ind.: Medical diagnostics, therapeutics

Agriculture: Superior crops, pest control, herbicide resistance

Environment: Wastewater treatment, bioremediation

Energy/Mining: Bioleaching, secondary oil recovery

Livestock Ind.: Embryo transplants, superior animals

Forest: Superior and detoxification trees

Electronics Ind.: Biochips, biosensors

Scales of Action

CELL 1 m REACTOR 1 m PROCESS 1 acre

Cell Chem (Ch 2)

Enzyme Eng (Ch 3,4)

MetabolismBiochemistry(Ch 5) Molecular Biology

Genetics (Ch 6)Cell Kinetics(Ch 7)

TransportPhenomena (Ch 8)

ProductRecovery(Ch 11)

Bioreactor Design& Analysis (Ch 9)

Instrument& Control (Ch 10)

BioprocessEconomics (Ch 12)

Size Scale

Cell ( 세포 )

•세포는 모든 생명체 구성의 기본단위이며 , 인간은 수십조 개의 세포로 구성

•세포는 핵 , 막 , 세포 내 소기관 들로 구성되어 있으며

•핵 (nucleus) 은 세포증식과 유전현상을 담당하는 생명 활동의 중심

염색체 (chromosome)

유전자 (Gene)

Plasmid DNA:An autonomous self-replicating extrachromosomal DNA

After Francis Crick and James Watson (1953)

Chromosomal DNA

유전정보의 흐름

DNA to RNA to Protein ( 단백질 ) to Metabolite ( 대사물질 )

Genomics유전체학

Transciptomics전사체학

Proteomics 단백질체학

Metabolomics대사체학

단백질의 합성 과정

효소의 구조

Enzymes ( 효소 ): Biological catalysts that are protein molecules in nature General name: - ase e.g., hydrolase, isomerase, etc. Enzymes have wide applications in medicine and industry

cf. Structural Biology

유전자 재조합 기술

Bioreactor Culture&Mass Production

Working volume = ~10L = ~100 mL > 1000 L

생물반응기

Stirred tank Bubble column Packed bed

Fluidized bed Biofilm Trickling biofilter

Stirred Tank Bioreactor

세포성장 속도론 (an ideal case)

Cell growth

Substrate consumption

Product formation

where

Ssubstrate

Xbiomass

Pproduct

mmaintenance

Xdt

dXrX

mXdt

dP

Ydt

dX

Ydt

dSr

SPSXS

//

11

XXdt

dPrP

diS

kKSSK

S

/2max

Reactor Design & Scale-upPerformance PredictionProcess Optimization

Kinetics

Microbial Physiology

Transport Phenomena

생산물의 회수 정제

Harvest Filtration/Centrifugation/Sedimentation

Primary Separation Extraction/Sorption/Precipitation

Cell Disruption Osmotic shock/Lysozyme treatment/ultrasonication

CultureCulture

CellCell BrothBroth

Purification Chromatography/Ion exchange/(Immuno)affinity chromatography

Final Product Formation Crystallization/Stabilization

PRODUCTSPRODUCTS

생명공학자는 무엇을 할 수 있나 ?

BIOCHEMICAL ENGINEERING

BIOCHEMICAL ENGINEERS

BIOCHEMICAL ENGINEERING

BIOCHEMICAL ENGINEERS

Bioprocess Engineering Bioseparation

EnvironmentalBiotechnology

RecombinantDNA Technology Metabolic

Engineering

Bioinformatics

Biochip &Bioelectronics

생물공학자는 어디에서 일하나 ?

• 대기업군 : LG 생명과학 , 대상 , 한국 BASF, CJ, SK, 태평양 , 포스코 , 금호석유화학 , 삼성정밀화학 ,

이수화학 , 한화석유화학 , 대한제당 등 30 여개• 중견기업군 : 녹십자 , 종근당 , 동아제약 , 풀무원 , 대웅제약 , 한국야쿠르트 ,  유한양행 등 70 여개• 중소 및 벤처기업군 : 500 여 개인데 , 2001 년도 8 월 현재 약 490 개의 생물 벤처기업에서 코스닥 등록벤처기업은 9 개

전라북도는 한국 BT 산업의 메카

“ 전북 생물산업 육성방안” (2000):

전략분야로 생물화학 , 생물식품분야 선정

“( 재 ) 전북 생물벤처기업지원센터” :

생물벤처보육 , 기술지원

“ 생물대사물질연구센터” (2004):

바이오 핵심기반기술 연구개발

“ 전북 생물산업 특화방안” (2003-2010):

생물화학 등 분야에 8 천억규모 투자

“ 생명공학연구원 전북분소” 유치 (2004)

“ 전북 바이오파크 조성계획”

자동차 · 기계 , 생물 · 생명 , 문화영상 등전라북도 3 대 전략산업으로 집중 육성

전라북도 소재 생명공학 대기업

기초기술

바이오 산업기술 국내수준

유전자재조합 기술 85%

세포융합 기술 80%

단백질공학 기술 70%

발효 기술 90%

세포배양 기술 65%

생물공정기술 65%

생물엔지니어링 기술 35%

신물질탄생 기술 25%

안정성평가 기술 30%

전 체 평 균 60%

생산기술

신물질기술

자료 : 산자부 (2001)

대상㈜한국 BASF

LG 생명과학

교양교양

인성인성

영어영어

컴퓨터컴퓨터

생명공학자가 되기 위한 교과목

공 학•화공양론•열역학

•전달현상•반응공학

생 물 학•일반생물학

•생화학•미생물학

•분자생물학

화 학•일반화학•유기화학•물리화학•기기분석

화공학부 개설 BT 과목•2 학년 : 응용생화학 ( 보충 : 생화학 I, II)

•3 학년 : 응용미생물학 ( 보충 : 미생물학 , 분자생물학 )•4 학년 : 생물화학공학 , 생물공정공학

기업체 / 연구소 취업대학원 진학

경쟁력 있는 생명공학자로 발전 가능

생물공학기사 취득LG 생명공학경시대회 참가

숙제 ( 시험출제 예정 )

대상㈜한국 BASF

LG 생명과학

1. 전라북도에 소재하고 있는 생명공학 산업체의홈페이지를 방문하여 , 각 기업체의 주요 기술 및주요 생산품을 정리하시오 .

( 참조 ) 홈페이지 주소* 대상㈜ http://daesang.co.kr/

* 한국 BASF http://www.basf-korea.co.kr

* LG 생명과학 http://lgls.co.kr/

2. 생물정보의 흐름과정을 그림을 그려서 설명하시오 .

(DNARNAProteinMetabolite)

3. White Biotechnology 가 무엇인지 설명하시오 .

4. White Biotechnology 를 이용한 성공적인 상용화 사례를 2 가지 이상 쓰시오 .

꿈꾸는 자만이 꿈을 이룰 수 있다 .미쳐야 미친다 .

                

관심

의지

지식

꿈

도전

공부성실

미치자건강

꿈은이루어진다