Studies on Mass Production of Intracellularly-Produced Secondary Metabolite, Cyclosporin A by Use of Immobilized Fungal Cells in Stirred-Tank Immobilized Perfusion Reactor System(IPRS)

교반식 perfusion 생물반응기(IPRS)에서 고밀도 고정상 곰팡이 세포를 이용한 세포내 축적 이차대사산물인 Cyclosporin A 대량생산에 관한 연구

Immobilized bioprocess was carried out for continuous production of cyclosporin A (CyA) produced intracellularly as a secondary metabolite by a filamentous fungus, Tolypocladium inflatum. Immobilization procedure for entrapping conidiospores of the producer was significantly simplified by use of a modified immobilization technique. A newly-designed immobilized perfusion reactor system (IPRS) showed good process benefits as demonstrated by the role of the high density immobilized cells as an efficient biomass generator, continuously supplying highly active CyA-producing free cells (1.0g/$\ell$/hr) even at very high dilution rate ($0.1hr^{-1}$). IPRS bioprocess was possible since efficient decantor system developed in our laboratory separated the sloughed-off free cells from the immobilized biomass effectively, thus overcoming wash-out phenomenon frequently encountered in continuous free cell cultures. Furthermore the released-free cells remaining in the bulk solution did not appear to cause substrate mass transfer limitation which was often experienced in suspended mycelial fungal cell fermentations. The primary reason for this was that the suspension broth of the IPRS mainly consisted of roundshaped short mycelial fragments and conidiospores, still remaining Newtonian even at high cell density. In parallel with IPRS bioprocess development, other key factors to be considered necessarily for significant increase in CyA productivity would be strain improvement and medium optimization for the immobilized cells.

고정상곰팡이를 이용하여 세포내 축적 이차대사산 물인 cyclosporin A (Cy A)를 연속적으로 생산하 기 위해 perfusion 고정상연속배양을 수행하였다. 이를 위해 균사형성 생산균주인 T. inflaum을 ce­l lite에 고정화하는 데 필요한 공정을 획기적으로 단 순화시키는 방법을 제시하였다. 교반식 Perfusion 생물반응기 (Immobilized Perfusion Reacter S System, 이후 IPRS로 표기 내에 제한유지 된 고밀 도 고정상균체는 매우 높은 희석속도($0.1hr^{-1}$)에서 도 유리세포를 생산해내는 세포생생기의 역할을 훌 륭하게 수행하였으며, IPRS의 배출구를 통해 연속 적으로 유출되는 고농도의 유리세포(1.0g/$\ell$/hr)는 이차대사 결과 세포내에 축적되는 CyA를 연속생산 하는 데 이용될 수 있었다. 이러한 IPRS공정 운영 은 고정상균체를 배양액으로부터 효과적으로 분리시 키는 decanting column의 개발로 가능했요며, 이로 인해 기존의 연속현탁배양에서 문제시되었던 높은 희석속도에서의 wash-out현상이 극복될 수 있었다. 또한 유출되는 유리세포(relesed-free cell)의 mor-phology를 원형의 conidiospore나 잘게 부서진 my­c celial cell로 구성되어 배양액의 rheology가 뉴튼유 체화될 수 있도록 IPRS공정을 운영함으로써, 기존 의 균사형성 미생물의 현탁배양시 나타나는 배양액 에서의 물질전달 감소현상이 뚜렷하게 개선될 수 있 었다. 유출되는 높은 균체생산성(1.0g/R/hr)을 감안할 때, 균주개발과 production배지의 최척화가 본 IPRS공정개발과 병행되는 경우 기존의 회분식배양 또는 연속현탁배양에 비해 훨씬 효과적 인 생산성 증 대를 기대할 수 있을 것으로 보인다.