The biosynthesis of Lovastatin, a cholesterol lowering agent formed by the filamentous fungus, cerulenin-resistant Aspergillus terreus mutant was studied in shake flasks and bioreactors. The lovastatin production could be improved by fed-batch under the limited condition of carbon source. The relationship between the fungal morphology and the lovastatin production was also examined during the fed-batch cultures. The fed-batch studies in shake flasks were carried out to find the optimum glucose feeding method, and the pulsed feeding of glucose from 3 days onward at 24 hours intervals was found to be optimal to increase the lovastatin production and reduce the average pellet size. When the pH was controlled at around 5.8 during the whole fermentation period, the lovastatin concentration reached 384 mg/L, which is much higher than the values obtained pH-uncontrolled and pH 7.4. The optimal glucose feeding strategies was found that 30 g/L of glucose was added initially in batch mode, and then fed-batch was conducted by continuous addition of glucose solution(180 g/L) from 72 to 240 hr at a rate of 1.2 mL/hr at $28^{\circ}C$, pH 5.8, 400 rpm, and 1.0 vvm. The lovastatin concentration of 547 mg/L was obtained in 168 hr. It was about 1.5 times higher than the value of the batch fermentation.
Corynebacterium acetoacidophilum RYU3161 was cultivated in a L-histidine-limited fed-batch culture. To investigate the effect of cell growth on the L-proline production, 5 L fed-batch culture was performed using an exponential feeding rate to obtain the specific growth rates $(\mu)$ of 0.04, 0.06, 0.08, and 0.1 $h_1$. The results show that the highest production of L-proline was obtained at $\mu$ = 0.04 $h_1$. The specific L-proline production rate $(Q_p)$ increased pro-portionally as a function of the specific growth rate, but decreased after it revealed the maxi-mum value at $\mu$ = 0.08 $h_1$. Thus, the highest productivity of L-proline was 1.66 g $L^-^1 h^-^1$ at $\mu$ = 0.08 $h_1$. The results show that the production of L-proline in C. acetoacidophilum RYU3161 has mixed growth-associated characteristics.
A highly productive fed-batch fermentation process was developed for the production of L-ornithine by using a new stabilized strain, Breviabcterium ketoglutamicum BK52. Fed-batch cultures with a continuous feeding of the complex medium were conducted on various operating conditions. The optimal concentration of phosphate in the complex medium was 2.1g/L. The optimal feeding rate of L-arginine was 0.028g/L/hr. The optimal feeding point of the complex medium was determined to be at 40 OD of the cell mass. The final L-ornithine concentrations within 64hrs of cultivation in 5 and 50 liter fermenters were 73g/L and 71g/L, respectively. The maximum overall L-ornithine productivity was 1.14g/L/hr which was about 2 times higher than that of the conventional fed-batch culture with intermittent feeding. The overall productivity of the fermentation system is remarkably improved by employing the optimized conditions, and it offers a significant potential for industrial application.
To enhance the production of flavonoids [baicalin, wogonin-7-Ο-glucuronic acid (GA)], which are secondary metabolites of Scutellaria baicalensis Georgi(G.) plant cells, a multilayer perceptron control system was applied to regulate the substrate feeding in a fed-batch cultivation. The optimal profile for the substrate feeding rate in a fed-batch culture of S. baicalensis G. was determined by simulating a kinetic model using a genetic algorithm. Process variable profiles were then prepared for the construction of a multilayer perceptron controller that included massive parallelism, trainability, and fault tolerance. An error back-propagation algorithm was applied to train the multiplayer perceptron. The experimental results showed that neurocontrol incorporated with a genetic algorithm improved the flavonoid production compared with a simple fuzzy logic control system. Furthermore, the specific production yield and flavonoid productivity also increased.
We investigated the effects of dissolved oxygen (D.O.) and fructose (C-source) on cell growth and biosynthesis of cyclosporin A (CyA) produced as a secondary metabolite by a wild-type filamentous fungus, Tolypocladium inflatum. This was performed by controlling the level of D.O. and the residual C-source, as required, through adjustment of medium flow rate, medium concentration and agitation rate in fed-batch cultures. CyA production was furned out to be maximal, when D.O. level was controlled around 10% saturated D.O. and concentration of the C-source was maintained sufficiently low (below 2 g/L) not to cause carbon catabolite repression. Under this culture condition, we obtained the highest values of CyA concentration (507.14 mg/L), Qp (2.11 mg CyA/L/hr), $Y_x/s$ (0.49 g DCW/g fructose), $Y_p/s$<(22.56 mg CyA/g fructose), and YTEX>$_p/x$ (48.31 mg CyA/g DCW), but relatively lower values of cell concentration (11.98 g DCW/L) and cell productivity (0.043 g DCW/L/hr), in comparison with other parallel fed-batch fermentation conditions. These results implied that, in the carbon-limited culture with 10% saturated D.O. level, the producer microorganism utilized the C-source more efficiently for secondary metabolism.
Accumulation of toxic waste byproducts in hybridoma culture can limit cell growth and monoclonal antibody (MAb) productivity, and one of the major toxic metabolites is lactate produced via glycolytic pathway of glucose metabolism. The factors affecting the glucose to lactate conversion rate were investigated. The conditions of high initial glucose concentration and high growth rate stimulated glucose to lactate conversion rate. The glucose-controlled fed-batch culture was investigated, and 19% reduction in lactate formation and 41% enhancement of MAb titer could be achieved by fed-batch culture.
In order to control glucose concentration during fed-batch culture for antibiotic production, we applied so called “software sensor” which estimates unmeasured variable of interest from measured process variables using software. All data for analysis were collected from industrial scale cultures in a pharmaceutical company. First, we constructed an estimation model for glucose feed rate to keep glucose concentration at target value. In actual fed-batch culture, glucose concentration was kept at relatively high and measured once a day, and the glucose feed rate until the next measurement time was determined by an expert worker based on the actual consumption rate. Fuzzy neural network (FNN) was applied to construct the estimation model. From the simulation results using this model, the average error for glucose concentration was 0.88 g/L. The FNN model was also applied for a special culture to keep glucose concentration at low level. Selecting the optimal input variables, it was possible to simulate the culture with a low glucose concentration from the data sets of relatively high glucose concentration. Next, a simulation model to estimate time course of glucose concentration during one day was constructed using the on-line measurable process variables, since glucose concentration was only measured off-line once a day. Here, the recursive fuzzy neural network (RFNN) was applied for the simulation model. As the result of the simulation, average error of RFNN model was 0.91 g/L and this model was found to be useful to supervise the fed-batch culture.
Poblete-Castro, Ignacio;Rodriguez, Andre Luis;Lam, Carolyn Ming Chi;Kessler, Wolfgang
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.24
no.1
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pp.59-69
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2014
One of the major challenges in metabolic engineering for enhanced synthesis of value-added chemicals is to design and develop new strains that can be translated into well-controlled fermentation processes using bioreactors. The aim of this study was to assess the influence of various fed-batch strategies in the performance of metabolically engineered Pseudomonas putida strains, ${\Delta}gcd$ and ${\Delta}gcd-pgl$, for improving production of medium-chain-length polyhydroxyalkanoates (mcl-PHAs) using glucose as the only carbon source. First we developed a fed-batch process that comprised an initial phase of biomass accumulation based on an exponential feeding carbon-limited strategy. For the mcl-PHA accumulation stage, three induction techniques were tested under nitrogen limitation. The substrate-pulse feeding was more efficient than the constant-feeding approach to promote the accumulation of the desirable product. Nonetheless, the most efficient approach for maximum PHA synthesis was the application of a dissolved-oxygen-stat feeding strategy (DO-stat), where P. putida ${\Delta}gcd$ mutant strain showed a final PHA content and specific PHA productivity of 67% and $0.83g{\cdot}l^{-1}{\cdot}h^{-1}$, respectively. To our knowledge, this mcl-PHA titer is the highest value that has been ever reported using glucose as the sole carbon and energy source. Our results also highlighted the effect of different fed-batch strategies upon the extent of realization of the intended metabolic modification of the mutant strains.
High-cell-density cultivation of yeast was investigated using the agricultural waste products corn steep liquor (CSL) and molasses. The Saccharomyces cerevisiae KV-25 cell mass was significantly dependent on the ratio between C and N sources. The concentrations of molasses and CSL in the culture medium were statistically optimized at 10.25% (v/v) and 16.87% (v/v), respectively, by response surface methodology (RSM). Batch culture in a 5-l stirred tank reactor using the optimized medium resulted in a cell mass production of 36.5 g/l. In the fed-batch culture, the feed phase was preceded by a batch phase using the optimized medium, and a very high dried-cell-mass yield of 187.63 g/l was successfully attained by feeding a mixture of 20% (v/v) molasses and 80% (v/v) CSL at a rate of 22 ml/h. In this system, the production of cell mass depended mainly on the agitation speed, the composition of the feed medium, and the glucose level in the medium, but only slightly on the aeration rate.
Park, Yong-Cheol;Kim, Chang-Sup;Kim, Chung-Im;Choi, Kyu-Hwan;Seo, Jin-Ho
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.7
no.5
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pp.323-328
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1997
The recombinant Escherichia coli BL21(DE3)pLysE : pTCGT1 was grown to overproduce Bacillus macerans cyclodextrin glucanotransferase (CGTase) able to synthesize ${\alpha}$-cyclodextrin (CD) with a selectivity of 67%. A number of batch fermentations were performed to test the possibility of using lactose as an inducer of the E. coli T7 promoter system. A mixture of isopropyl ${\beta}$-D-thiogalactoside (IPTG) and lactose (1 : 1) gave a maximum CGTase activity of 2.4 U/ml, which was higher than the value obtained with induction by IPTG alone. Fed-batch fermentations involving a glucose-controlled growth period followed by a gene-expression phase with mixtures of IPTG and lactose were employed to achieve high cell density and thereby increase total CGTase activity. Optimized fed-batch fermentation using the modified inducer (IPTG : lactose=1 : 3) and 100 g/l yeast extract solution in the gene-expression phase resulted in a maximum CGTase activity of 62.9 U/ml and a final cell mass of 53.5 g/l, corresponding to a 31-fold increase in CGTase activity and a 29-fold increase in cell mass compared with the control batch fermentation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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