바이오의약품 생산의 경쟁력이 ‘얼마나 큰 설비를 갖췄는지’에서 ‘얼마나 효율적이고 유연하게 생산할 수 있는지’로 바뀌고 있다. 공정 강화(Process Intensification, PI)로 단위 부피당 생산성을 높이고, 공정분석기술(Process Analytical Technology, PAT)과 자동화·데이터 분석을 결합해 업스트림과 다운스트림을 연결한 뒤 연속공정으로 확장하는 전략이 핵심으로 떠오르고 있다.

싸토리우스 아드리앙 루가리(Adrien Lugari) 제조용 바이오리액터 기술 제품관리 총괄은 최근 인천 송도컨벤시아에서 열린 '싸토리우스 이노베이션 포럼 2026(Sartorius Innovation Forum 2026)’에서 ‘바이오공정 산업 트렌드: 공정 강화·디지털 제조(The industry trends in bioprocessing: process intensification | digital manufacturing)’를 주제로 바이오제조 산업의 변화를 제시했다.

루가리 총괄은 “바이오시밀러 경쟁이 확대되고 세포·유전자치료제 등 첨단치료의약품(ATMP)이 늘어나면서 바이오의약품 제조 방식도 빠르게 바뀌고 있다”며 “특히 환자맞춤형 치료제는 생산 규모는 작지만 그만큼 높은 수준의 품질관리가 요구된다”고 설명했다.

이어 “코로나19 팬데믹을 거치면서 신속한 대응과 유연한 생산, 안정적인 공급망의 중요성이 더욱 커졌다”며 “이후 생산시설 투자도 다품목 생산이 가능한 유연한 시설과 지역별 생산 역량을 강화하는 방향으로 바뀌고 있다”고 덧붙였다.

공정 강화, 생산량 늘리고 제조원가 낮춘다…“한 가지 기술만으로는 부족”

루가리 총괄이 제시한 첫 번째 해법은 공정 강화다. 공정 강화는 바이오리액터를 크게 만드는 것이 아니라 세포배양 생산성 향상, 관류배양(perfusion), N-1 배양 강화, 연속 정제 등을 결합해 단위 공정과 전체 생산시설의 처리량을 높이는 접근이다. 완전 연속생산으로 한 번에 전환해야 하는 개념이 아니라 기존 배치공정에서 강화된 단위공정, 연결 공정, 완전 연속공정으로 단계적으로 확대할 수 있다.

루가리 총괄은 “공정 강화를 적용하면 리터당 생산량을 높이면서 설비 면적은 줄이고, 동시에 제조원가를 낮출 수 있다”며 “결국 마진 압박에 대응하기 위한 바이오제조 산업의 중요한 전략”이라고 설명했다.

싸토리우스는 10년 이상 축적한 공정 경험과 기술경제성 모델링을 토대로 공정 강화를 적용할 경우 자본투자비와 제조원가를 최대 70% 낮추고, 이산화탄소 배출량과 시설 면적을 최대 50% 줄일 수 있다고 제시했다. 시설 처리량은 2~3배로 높이고 구축 기간은 2년 미만으로 단축할 수 있다는 분석이다.

산업의 관심도 업스트림 공정 강화를 넘어 연속생산으로 확장되고 있다. 발표에 따르면, 2025년 바이오의약품 제조산업 조사에서는 응답자의 79%가 향후 5년 내 완전 연속 상업생산 시설이 등장할 것으로 전망했고, 73%는 대부분의 시설이 관류배양을 채택할 것으로 봤다. 

업스트림 공정 강화를 평가하거나 이미 적용 중이라는 응답은 89%였다. 다운스트림 공정 강화를 평가한다는 응답도 2024년 27%에서 35%로 높아졌으며, 44%는 향후 12개월 내 연속생산을 위한 자동화를 계획하고 있다고 답했다.

경제성은 생산 규모에 따라 달라졌다. 싸토리우스의 모델링에서는 소규모 생산 캠페인에서 일회용(single-use) 설비와 연속 다운스트림 공정을 결합했을 때 전통적인 스테인리스 배치 생산보다 제조원가 경쟁력이 높았다. 반면 500kg을 넘는 대규모 캠페인에서는 스테인리스 설비도 여전히 경제성을 확보할 수 있었다. 

다만 업스트림 관류배양과 연속 다운스트림을 완전히 통합할 경우 생산 규모 전반에서 높은 비용 경쟁력을 확보할 가능성을 제시했다. 회사는 공정 강화를 통해 최종 항체 제조원가를 g당 50달러 아래로 낮추는 것을 주요 목표로 제시하고 있다.

루가리 총괄은 “하나의 기술만 적용해서는 충분하지 않다”며 “업스트림 생산성을 높이고 다운스트림을 강화한 뒤 두 공정을 자동화와 디지털화로 연결해야 비용을 크게 낮출 수 있다”고 말했다.

‘Sense→Understand→Predict→Control’…데이터를 실제 공정제어로

공정 강화의 효과를 극대화하는 핵심 기반은 디지털 제조다. 생산성과 공정 연결성이 높아질수록 각 장비를 독립적으로 운전하는 방식만으로는 전체 공정의 변화를 실시간으로 관리하기 어려워지기 때문이다. 싸토리우스도 자동화·실시간 모니터링·통합 제어를 공정 강화를 뒷받침하는 디지털 기반으로 제시하고 있다.

루가리 총괄은 “디지털 제조의 핵심은 공정 데이터를 공정 제어로 전환하는 것”이라며 이를 감지(Sense), 이해(Understand), 예측(Predict), 제어(Control) 네 단계로 구분했다.

감지 단계에서는 인라인 센서와 PAT를 이용해 중요공정변수(critical process parameters, CPP)를 실시간으로 수집한다. 다음 단계에서는 실험계획법(Design of Experiments, DoE)과 다변량 데이터 분석(Multivariate Data Analysis, MVDA)으로 어떤 변수가 공정과 제품 품질에 영향을 주는지 분석한다.

예측 단계에서는 기전 기반 모델링과 가상 스케일업, 디지털 트윈을 활용한다. 실제 생산설비에서 반복적인 엔지니어링 운전을 줄이고 컴퓨터상에서 공정 변화를 모사해 스케일업 비용과 시행착오를 줄이는 방식이다. 마지막 제어 단계에서는 분석 결과를 다시 생산공정으로 연결해 이상 징후를 조기에 감지하고 공정 조건을 조정한다.

루가리 총괄은 “공정을 감지하고 이해한 뒤 다음 상황을 예측해야 한다”며 “여기서 끝나는 것이 아니라 실제 공정 제어까지 연결해야 하고, AI가 발전하면서 폐루프 제어로의 전환도 더욱 빨라질 것”이라고 말했다.

싸토리우스는 이를 ‘Biobrain’ 디지털 아키텍처로 구현하고 있다. ‘Biobrain Control’은 개별 장비와 단위공정을 제어하고, ‘Biobrain Supervise’는 여러 장비의 데이터를 수집·감시·기록하면서 전체 공정을 오케스트레이션한다.

제조실행시스템(MES) 계층인 ‘Biobrain Operate’는 디지털 표준작업절차서(SOP)와 전자배치기록(eBR) 등을 통해 작업자의 제조업무를 연결한다. 제어(Control)-감독(Supervise)-운영(Operate)이 장비 제어부터 전체 공정 관리, 작업자 업무까지 단계적으로 연결하는 구조다.

연속생산은 ‘장비 교체’ 아닌 제조 운영 모델 전환

연속생산 확대에는 규제와 데이터 관리도 함께 따라온다. 국제의약품규제조화위원회(ICH)의 Q13 가이드라인은 화학물질과 치료용 단백질의 원료의약품·완제의약품 연속생산에 대한 개발·구현·운영·수명주기 관리의 과학적·규제적 고려사항을 제시한다. 다른 생물학적·생명공학 제품에도 해당 원칙을 적용할 수 있다. 연속생산이 단순한 생산장비 선택이 아니라 공정 통합과 품질관리, 규제 전략까지 포함한 제조 체계라는 의미다.

공정 연결성이 높아질수록 데이터 무결성과 사이버보안도 중요해진다. 루가리 총괄은 개발과 품질보증(QA) 영역에서 데이터 무결성에 대한 요구가 높아지고 있다고 강조했다. 

유럽연합(EU) 사이버복원력법(Cyber Resilience Act, CRA)은 EU 시장에 출시되는 디지털 요소를 포함한 하드웨어·소프트웨어 제품에 적용되는 수평적 사이버보안 규제다. 취약점과 중대 사고 관련 보고 의무는 오는 9월 11일부터 적용되며, CRA는 2027년 12월 11일부터 전면 적용된다. 바이오공정 디지털화가 확대되면서 함께 고려해야 할 유럽 규제환경 변화다.

루가리 총괄은 “차세대 바이오제조에서는 업스트림과 다운스트림을 자동화와 데이터로 연결하는 것이 중요하다”며 “미래의 생산시설은 더 작고 모듈화되며, 여러 제품을 생산하면서 연속적으로 운영되는 방향으로 갈 것”이라고 말했다. 이어 “바이오공정의 미래는 더 큰 바이오리액터가 아니라 더 스마트한 제조에 있다”고 강조했다.