Large scale mammalian cell culture has become, over the past two decades, the preferred method to produce therapeutic monoclonal antibodies. In this presentation, I will introduce disposable bioreactor system and analyze key factors and points for consideration during mammalian cell culture process development. Example will be provided highlighting the selection of master cell, culture media and environmental factors based on productivity and product quality.
The adventitious root of Panax ginseng C.A. Meyer is regarded as an efficient alternative to cell culture or hairy root culture for biomass production due to its fast growth and stable metabolite production. To determine optimal culture conditions for the bioreactor culture of ginseng roots, experiments have been conducted on physical and chemical factors such as bioreactor type, dissolved oxygen, gas supply, aeration, medium type, macro- and micro-elements, medium supplement during culture period, sucrose concentration, osmotic agents, medium pH and light. Elicitation is a key step to increase ginsenoside accumulation in the adventitious roots but biomass growth is severely inhibited by elicitor treatment. To obtain high ginsenoside content with avoiding biomass decrease, we applied two-stage bioreactor culture system. Ginseng adventitious roots were cultured for 40 days to maximize biomass increase followed by elicitation for 7 days to enhance ginsenoside accumulation. We also experimented on types and concentrations of jasmonate to determine optimal elicitation methods. In this paper, we discussed several factors affecting the root propagation and ginsenoside accumulation. Based on the results obtained from previous experiments we have established large-scale bioreactor system (1 ton-10 ton) for the efficient production of ginseng adventitious roots and bioactive compounds including ginsenoside. Still, experiments are on going in our laboratory to determine other bioactive compounds having effects on diet, high blood pressure, DPPH elimination and increasing memories.
Cell growth and ginseng saponin production by large-scale suspension (bioreactor) cultures of Panax ginseng were investigated under various inoculum sizes. Cell growth was low at an inoculum size of 40 g FW/L, and the maximum cell growth was obtained with increasing inoculum size up to 100 g FW/L. The cell density of 333 g FW/L and 12.7 g DW/L was obtained at inoculum size of 100 g FW/L after 30 days of cultivation. Maximum saponin production of $4.40\;\cal{mg/g}$ DW was achieved at 60 g FW/L of inoculum size. Thus, inoculum size 60 g FW/L was suitable for optimum biomass accumulation as well as saponin production during bioreactor cultivation of ginseng suspension cells.
Large-scale resolution of epoxides by the yeast Rhodotorula glutinis was demonstrated in an aqueous/organic two-phase cascade membrane bioreactor. Due to the chemical instability and low solubility of epoxides in aqueous phases, an organic solvent was introduced into the reaction mixture in order to enhance resolution of epoxide. A cascade hollow-fiber membrane bioreactor was used (i) to minimize the toxicity of organic solvents towards the epoxide hydrolase of Rhodotorula glutinis, and (ii) to remove inhibitory amounts of formed diol from the yeast cell containing aqueous phase. Dodecane was selected as a suitable solvent and 1,2-epoxyhexane as a model substrate. By use of this membrane bioreactor, highly concentrated (0.9 M in dodecane) enantiopure (>98% ee) (S)-1,2-epoxyhexane (6.5 g, 30% yield) was obtained from its racemic mixture.
Recently, developments of large scale and high density cell culture methods have been the objects of many researches, because the demand of various pharmaceutical products produced by animal cell culture has been rapidly increasing. The cell culture equipment should have the requirements such as sufficient oxygen transfer and mixing, low shear stress and surface tension, and small foaming. In order to develop a proper bioreactor meeting these requirements simultaneously, a perfluorocarbon having high solubility of oxygen was sprayed into the medium as an oxygen carrier instead of air. Also, a new impeller was developed and combined together with the perfluorocarbon spraying system so as to design a new bioreartor for cell cultivation. The new impeller had better characteristics of mixing and oxygen transfer than the paddle and cell-lift impellers based on the same, shear rate. But, it was observed that the volumetric oxygen transfer coefficient of the new bioreactor decreased with increasing cell density during E. coli fermentation.
Hairy root cultures have demonstrated great promise in terms of their biosynthetic capability toward the production of secondary metabolites, but continue to constitute a major challenge with regard to large-scale cultures. In order to assess the possibility of conducting mass production of biomass, and the extraction of useful metabolites from Panax ginseng. P. ginseng hairy roots, transformed by Rhizobium rhizogenes KCTC 2744, were used in bioreactors of different types and sizes. The most effective mass production of hairy roots was achieved in several differently Sized air bubble bioreactors compared to all other bioreactor types. Hairy root growth was enhanced by aeration, and the production increased with increasing aeration rate in a 1 L bioreactor culture. It was determined that the hairy root growth rate could be substantially enhanced by increases in the aeration rate upto 0.5vvm, but at aeration rates above 0.5vvm, only slight promotions in growth rates were observed. In 20 L air bubble bioreactors, with a variety of inoculum sizes, the hairy roots exhibited the most robust growth rates with an inoculum size of 0.1% (w/v), within the range 0.1 to 0.7% (w/v). The specific growth rates of the hairy root decreased with increases in the inoculum size.
Large-scale cultures of plant cell, tissue, and organ have been achieved by using BTBB. When different sized BTBBs (5 L, 20 L, 100 L, 300 L, and 500 L) were tested for the culture of yew cells (Taxus cuspidata Sieb. et Zucc.), cell growth increment reached to 94.5% in SCV after 24 days of culture with 30% of inoculation cell density. However, there were some variations in the production of taxol and its derivatives among the BTBBs of different size. Approximate 4 ㎎/l of taxol and 84 ㎎/l of total taxanes were obtained by using a 500L BTBB after 6 weeks of culture. With a 20L BTBB, about 20,000 cuttings of virus-free potatoes (cv. Dejima) could be obtained by inoculating 128 explants and maintaining 8 weeks under 16 hr light illumination. The frequency of ex vitro rooting of the cuttings revealed as more than 99% under 30% shade. By incorporating two-stage culture process consisting of multiple bulblet formation in solid medium and bulblet development in liquid medium, mass propagation of lily through bioreactor seemed to be possible. In the case of 'Marcopolo', the growth of mini-bulblets in BTBB was nearly 10 folds faster than that of the solid medium. Time course study revealed that maximum MAR yield of ginseng (Panax ginseng C. A. Meyer) in a 5 L and 20 L BTBB after 8 weeks of culture was 500 g and 2.2 ㎏, respectively. By cutting the MAR once and/or twice during the culture, the yield of root biomass could be increased more than 50% in fresh weight at the time of harvest. With initial inoculum of 500 g of sliced MAR in a 500 L BTBB, 74.8 ㎏ of adventitious root mass was obtained after 8 weeks of culture. The average content of total ginseng saponin obtained from small-scale and/or pilotscale BTBBs was approximately 1% per gram dry weight. Based on our results, we suggest that large-scale cultures of plant cell, tissue, and organ using BTBB system should be quite a feasible approach when compared with conventional method of tissue culture.
Prodigiosin as a high-valued compound, which is a microbial secondary metabolite, has the potential for antioxidant and anticancer effects. However, the large-scale production of functionally active Hahella chejuensis-derived prodigiosin by fermentation in a cost-effective manner has yet to be achieved. In the present study, we established carbon source-optimized medium conditions, as well as a procedure for producing prodigiosin by fermentation by culturing H. chejuensis using 10 L and 200 L bioreactors. Our results showed that prodigiosin productivity using 250 ml flasks was higher in the presence of glucose than other carbon sources, including mannose, sucrose, galactose, and fructose, and could be scaled up to 10 L and 200 L batches. Productivity in the glucose (2.5 g/l) culture while maintaining the medium at pH 6.89 during 10 days of cultivation in the 200 L bioreactor was measured and increased more than productivity in the basal culture medium in the absence of glucose. Prodigiosin production from 10 L and 200 L fermentation cultures of H. chejuensis was confirmed by high-performance liquid chromatography (HPLC) and liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS) analyses for more accurate identification. Finally, the anticancer activity of crude extracted prodigiosin against human cancerous leukemia THP-1 cells was evaluated and confirmed at various concentrations. Conclusively, we demonstrate that culture conditions for H. chejuensis using a bioreactor with various parameters and ethanol-based extraction procedures were optimized to mass-produce the marine bacterium-derived high purity prodigiosin associated with anti-cancer activity.
Exopolysaccharides (EPSs) such as capsular polysaccharide (CPS) are important bioactive carbohydrate compounds and are often used as bioenrichment agents and bioabsorbers to remove environmental pollutants like di-n-butyl phthalate (DBP). Among the EPS-producing bacteria, lactic acid bacteria (LAB) have gained the most attention. As generally recognized as safe (GRAS) microorganisms, LAB can produce EPSs having many different structures and no health risks. However, EPS production by LAB does not meet the needs of large-scale application on an industrial scale. Here, the capA gene (encoding CPS biosynthesis protein) was overexpressed in Lactobacillus plantarum P1 to improve the production of EPSs and further enhance the DBP adsorption capability. Compared with P1, the CPS production in capA overexpressed strain was increased by 11.3 mg/l, and the EPS thickness was increased from 0.0786 ± 0.0224 ㎛ in P1 to 0.1160 ± 0.0480 ㎛ in P1-capA. These increases caused the DBP adsorption ratio of P1-capA to be doubled. Overall, the findings in this study provide a safe method for the adsorption and removal of DBP.
식물조직배양용 바이오리액터 8개의 배양액 P보, DO 농도를 on-line으로 계측하고 pH 농도 및 주입공기 량을 제어할 수 있는 시스템을 개발하였다. 시스템 제어용 컴퓨터 프로그램은 나리구근의 성장단계에 맞는 주입공기량을 추종제어방식으로 제어하며, 바이오리액터 내부의 pH 변화를 감지하여 오염을 감시하는 오염경보기능이 포함되어있다. 성장단계에 따라 적절한 주입공기량의 선정을 위하여 시뮬레이션 한 결과 배양초기에는 300 cc/min, 20일 경과 후에는 400 cc/mim, 40일 경과 후에는 500 cc/min, 60일 경과 후에는 600 cc/min, 그리고 80일 경과 후부터는 700 cc/min의 공기를 주입할 경우 바이오리액터내 나리구근의 분포가 고르게 나타났으며, 이 결과를 바이오리액터 배양실험에 이용하였다 배양액의 pH 농도 제어 시스템은 배양 전 기간동안에 제어 목표 값 (5.5$\pm$0.5)로 제어할 수 있었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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