A real time optimization algorithm for fed-batch cultures of recombinant yeast to determine the optimal substrate feed rate profile has been developed. Its development involved four key steps: (1) development of reliable adaptive model. (2) development of optimization algorithm. (3) design of on-line model update algorithm to be incorporated into the optimization algorithm and (4) experimental validation. A recombinant Saccharomyces cerevisiae producing human parathyroid hormone (hPTH) was chosen as the model strain. It was found to be very successful in maintaining cell growth and galactose consumption at leigh levels, thus resulting in significant improvements in the productivity (up to 2.1 times) and intact hPTH concentration (up to 1.5 times) compared with the case of an intermittent glucose and galactose, or galactose feeding.
The recombinant E. coli $\Delta$6 mutant (galR, glpK, gldA, IdhA, lacI, tpiA) was used to produce 1,3-propanediol (PD) from glucose. The 1,3-PD production increased with feedback control of the glucose concentration using fed-batch fermentation. The maximum 1,3-PD concentration produced was 43 g/l after 60 h of fermentation. Glycerol production was minimized when controlling the glucose concentration at less than 1 g/l. The expression levels of seven enzymes related to the 1,3-PD production metabolism were compared during the cell growth phase and 1,3-PD production phase, and their expression levels all increased during 1,3-PD production, with the exception of alcohol dehydrogenase.
An accurate and efficient method for measuring the mass of hairy roots using conductometry is established. A conductivity equation expressed in terms of the concentration of the ion species in the medium is suggested. By using this equation, the effect of the individual ions on the total conductivity can be quantitatively analyzed. An equation for the in situ estimation of the cell growth coefficient for determining the mass of hairy roots is established based on measurements of the nitrogen concentration and conductivity during cultivation. The proposed equation does not require preliminary experiments to determine the cell growth coefficient. Instead, the physiological characteristics of the plant species are reflected by introducing the cellular nitrogen content. Since the cell growth coefficient is determined by measuring the major ionic nutrient concentrations, it is more effective to express the dynamics of an actual culture system. This improved method for determining the mass of hairy roots was successfully utilized in a fed-batch culture system.
According to the controllability of pulse times and the amount of jumps in the states at these times in the process of fed-batch culture producing 1,3-propanediol, this paper proposes a terminal optimal control model, whose constraint condition is the nonlinear impulsive delay system. The existence of optimal control is discussed and an optimization algorithm which is applied to each subinternal over one cycle for this optimal control problem is constructed. Finally, the numerical simulations show that the terminal intensity of producing 1,3-propanediol has been increased obviously.
The optimal glucose concentration for the high-density culture of recombinant yeasts was obtained using dynamic simulation. An adaptive and predictive algoritilm complimented by the rule base was proposed for the control of the fed-batch fermentation process. The measurement of process variables has relatively long sampling period and relatively long time delay characteristics. As one of the solution on these problems, prediction techniques and rule bases were added to a classical recursive identification and control algorithm. Rule bases were used in the determination of control input considering the difference between the predicted value and the measured value. A mathelnatical model was used in the estimation and interpretation of the changes of state variables and parameters. Better performances were obtained by employing the control algorithm proposed in the present study compared to the conventional adaptive control method.
In order to produce ${\gamma}-linolenic$ acid by Mucor sp. KCTC 8405P. the fungus was cultivated in fed-batch culture with two phases. i.e., growth in yeast-like form and induction to hyphal growth by pH shift of the culture medium during cultivation. The synchronous growth of the fungus into the appropriate sizes was important for the high density cell culture of this dimorphic fungus. Dissolved oxygen concentration in the medium did not affect degree of unsaturation of fatty acids and ${\gamma}-linolenic$ acid content. Under the culture conditions applied in this experiment. the fungus was found to produce 100 g/l dry mycelia containing 40% of the lipids, where ${\gamma}-linolenic$ acid comprised about 9% of the total extractable fatty acids.
Ferritin is an iron storage protein found in most living organisms. For expression and industrial use, human light chain ferritin (L-ferritin) was cloned from human liver cDNA library and expressed in Pichia pastoris strain GS115. The recombinant L-ferritin in Pichia pastoris was glycosylated. In a fed-batch culture, the cell mass reached about 57 g/l of dry cell weight, and the L-ferritin in the cell was increased to about 95 mg/l after 150 h. In an atomic absorption spectrometry analysis, the intracellular content of iron in the L-ferritin transformant was measured as $1,694{\pm}85\;\mu\textrm{g}g/g$, which is 5.4-fold more than that of the control strain. This L-ferritin transformant could serve as iron-fortified nutrients in animal feed stock.
Kim, Chul-Ho;K. Jagannadha Rao;Youn, Duk-Joong;Rhee, Sang-Ki
Biotechnology and Bioprocess Engineering:BBE
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v.8
no.5
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pp.303-305
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2003
Scale-up of hirudin production from Saccharomyces cerevisiae from bench-scale to pilot-scale was carried out based on constant volumetric oxygen transfer coefficient (K$\sub$L/a). Fed-batch mode of cultivation using step-wise feeding strategy of galactose was employed for the production of hirudin in a 30-L and a 300-L pilot-scale fermentor. The final hirudin concentrations were achieved 390 mg/L and 286.1 mg/L, and the volumetric productivities were 80.4% and 90.7% with the 30-L and 300-L fermentors, respectively, compared to the productivity of the 5-L bench-scale fermentor.
In the fed-batch fermentation of penicillin specific uptake rates of carbon source and ammonia nitrogen, and specific production rate of penicillin as the most important process variables were evaluated over the fermentation course and their effects on the productivity studied. As the results, glucose and lactose each as a major carbon source showed the following values, respectively ; the specific uptake rates of 47-93 mg hexose per gm-DCW per he and 37-44 mg hexose per gm-DCW per hr, the specific uptake rates of 4.6-6.8 mg $NH_3-N$ per gm-DCW per hr, and 1.2 mg $NH_3-N$ per gm-DCW per he and the specific production rates of 32-42 arbitrary unit per gm-DCW per hr and 46-50 arbitrary unit per gm-DCW per hr. The productivity of penicillin could be improved by controlling the feed rates of glucose and ammonia nitrogen to meet the uptake rates.
Wang Zhifeng;Lauwerijssen Maarten J. C.;Yuan Jingqi
Biotechnology and Bioprocess Engineering:BBE
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v.10
no.2
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pp.142-148
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2005
This paper proposes a cell age model for Penicillium chrysogenum fed-batch cultivation to supply a qualitative insight into morphology-associated dynamics. The average ages of the segregated cell populations, such as growing cells, non-growing cells and intact productive cells, were estimated by this model. A combined model was obtained by incorporating the aver-age ages of the cell sub-populations into a known but modified segregated kinetic model from literature. For simulations, no additional effort was needed for parameter identification since the cell age model has no internal parameters. Validation of the combined model was per-formed by 20 charges of industrial-scale penicillin cultivation. Meanwhile, only two charge-dependent parameters were required in the combined model among approximately 20 parameters in total. The model is thus easily transformed into an adaptive model for a further application in on-line state variables prediction and optimal scheduling.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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