Poblete-Castro, Ignacio;Rodriguez, Andre Luis;Lam, Carolyn Ming Chi;Kessler, Wolfgang
Journal of Microbiology and Biotechnology
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제24권1호
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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.
Fed-batch culture of Pseudomonas oleovorans was carried out for the production of medium-chain-length polyhydroxyalkanoates (MCL-PHAs) using octanoate as a carbon source. Octanoate and the salt solution containing ammounium sulfate and magnesium sulfate were intermittently fed in the course of fermentation. Cell mass and PHA concentrations of 42.8 and 16.8g/L, respectively, could be obtained in 40 h. The PHA content and the PHA productivity were 39.2% and 0.42 g PHA/L-h, respectively. The yields of cell mass and PHA were 0.71 g dry cell mass/g octanoate and 0.28g PHA/g octanoate, respectively. Therefore, octanoate can be used for the production of MCL-PHAs to a high concentration with high productivity.
Candida tropicalis, an osmophilic strain isolated from honeycomb, produced xylitol at a maximal volumetric production rate of 3.5 g $l^{-1}$$h^{-1}$ from an initial xylose concentration of 200 g $l^{-1}$. Even with a very high xylose concentration, e.g., 350 g $l^{-1}$, this strain produced xylitol at a moderate rate of 2.07 g $l^{-1}$$h^{-1}$. In a fed-batch fermentation of xylose and glucose, 260 g $l^{-1}$ of xylose was added, and xylitol production was 234 g $l^{-1}$ for 48 h, corresponding to a rate of 4.88 g $l^{-1}$$h^{-1}$. To increase the xylitol production rate, cells were recycled in a submerged membrane bioreactor with suction pressure and air sparging. In cell-recycle fermentation, the average concentration of xylitol produced per recycle round, total fermentation time, volumetric production rate, and product yield for ten rounds were 180 g $l^{-1}$, 195 h, 8.5 g $l^{-1}$$h^{-1}$, and 85%, respectively. When cell-recycle fermentation was started with the cell mass contratrated two-fold after batch fermentation and was performed for ten recycle rounds, we achieved a very high production rate of 12 g $l^{-1}$$h^{-1}$. The production rate and total amount of xylitol produced in cell-recycle fermentation were 3.4 and 11 times higher than in batch fermentation, respectively.
고농도 유전자 재조합 대장균을 이용하여 pyruvate dehy-drogenase complex-E2 특이성 인간 모노클론 항체의 Fab 부분을 효율적으로 생산하기 위해 회분식, 이단 연속식, 반 유 가식, two-stage cyclic fed-batch 동 여러 가지 배양 방법이 조사되었다. 먼저 플라스미드 안정성 문제를 극복하기 위해 growth stage와 production stage를 분리하는 two-phase 회분식 배양과 이단 연속식 시스템을 시도하였다 그 결과 two-phase 회분식 배양보다는 이단 연속식 배양에서의 세포농도와 항체 생산성이 우수하였다 또한 이단 연속식 배양에서의 세포 성 장과 항처l 생산성은 용존산소를 제어한 경우가 그렇지 않은 경우보다 월등하게 높았다. 그리고 plasmid 안정성에 있어서 는 실험기간 내에 거의 100%를 유지하여 높은 안정도를 보 여주었다. 유가식 공정에 적합한 공급 배지로 변형된 M9 배 지가 최적배지로 선정되었고 이 배지 중 최적의 CjN 비율을 조사한 결파 2:3으로 결정되었다. 반 유가식 시스템에서 constant feeding 전략을 사용할 경우 최적 공급속도는 $0.6g/\ell/hr$이었다. 또한 pulse에 의해 공급배지를 공급할 경우에는 총 공급 량이 같을 경우 소량으로 자주 공급해 주는 것이 공급배지를 한꺼번에 많은 양을 공급해주는 것 보다 바람직하였다. 여러 가지 feeding 전략을 조사해 본 결과 linear feeding 방법이 가장 효과적이었다. 하지만 linear feeding 방법마저도 고농도 세포배양에 한계가 있었기 때문에 pH-stat 방법을 이용한 two-stage cyclic fed-batch 시스템을 시도하여 $54 g/\ell$의 세포 를 얻을 수 있었다. 따라서 이 방법이 일단 생산성 향상을 위한 세포의 고농도 배양에는 조사한 여러 배양 시스템 중에 가장 효율적인 시스템임올 알 수 있었다 하지만 이 시스템 에서 포도당을 낮은 level로 유지할 수 있었으나, 초산의 과도한 축적으로 항체 생산성의 향상은 예상에 비해 크지 않았다.
A cellulase hyperproducing mutant strain, JNDY-13, was obtained using the ARTP mutation system and with Trichoderma reesei RUT-C30 as the parent strain. Whole-genome sequencing of JNDY-13 confirmed that 105 of the 653 SNPs were point mutations, 336 mutations were deletions and 165 were insertions. Moreover, 99 mutations were insertions and duplications. Among all the mutations, the one that occurred in the galactokinase gene might be related to the production of cellulases in T. reesei JNDY-13. Moreover, the up-regulation of cellulase and hemicellulase genes in JNDY-13 might contribute to higher cellulases production. Under optimal conditions, the highest cellulase activity by batch fermentation reached 4.35 U/ml, and the highest activity of fed-batch fermentation achieved was 5.40 U/ml.
Gamma-amino butyric acid (GABA) is a kind of pharmacological and biological component and its application is wide and useful in Korea specially, becoming aging society in the near feature. GABA is request special dose for the purposed biological effect but the production of concentrated GABA is very difficult due to low concentration of glutamic acid existed in the fermentation broth. To increase GABA concentrate using fermentation technology, high content of glutamic acid is required. For this reason, various strains which have the glutamic acid decarboxylase (GAD) and can convert glutamic acid to GABA, were isolated from various fermented foods. Most of GABA producing strains are lactic acid bacteria isolated from kimchi, especially added monosodium glutamate (MSG) as a taste enhancer. Optimizing the formulation of culture media and the culture condition, GABA conversion yield and amounts were increased. Finally GABA concentration of fermentation broth in batch or fed batch fermentation reached 660 mM or 1000 mM, respectively. Furthermore formulation of culture media for GABA production developed commercially. Many studies about GABA-rich product have been continued, so GABA-rich kimchi, cheese, yogurt, black raspberry juice and tomato juices has been also developed. In Korea many biological effects of GABA are evaluated recently and GABA will be expected to be used in multipurpose.
In this study, a fibrous bed bioreactor (FBB) was used for $\small{D}$-lactic acid ($\small{D}$-LA) production by Sporolactobacillus inulinus Y2-8. Corn flour hydrolyzed with ${\alpha}$-amylase and saccharifying enzyme was used as a cost-efficient and nutrient-rich substrate for $\small{D}$-LA production. A maximal starch conversion rate of 93.78% was obtained. The optimum pH for $\small{D}$-LA production was determined to be 6.5. Ammonia water was determined to be an ideal neutralizing agent, which improved the $\small{D}$-LA production and purification processes. Batch fermentation and fed-batch fermentation, with both free cells and immobilized cells, were compared to highlight the advantages of FBB fermentation. In batch mode, the $\small{D}$-LA production rate of FBB fermentation was 1.62 g/l/h, which was 37.29% higher than that of free-cell fermentation, and the $\small{D}$-LA optical purities of the two fermentation methods were above 99.00%. In fe$\small{D}$-batch mode, the maximum $\small{D}$-LA concentration attained by FBB fermentation was 218.8 g/l, which was 37.67% higher than that of free-cell fermentation. Repeate$\small{D}$-batch fermentation was performed to determine the long-term performance of the FBB system, and the data indicated that the average $\small{D}$-LA production rate was 1.62 g/l/h and the average yield was 0.98 g/g. Thus, hydrolyzed corn flour fermented by S. inulinus Y2-8 in a FBB may be used for improving $\small{D}$-LA fermentation by using ammonia water as the neutralizing agent.
Candida rugosa IFO0750의 UV-변이주를 제조하여 butyric acid를 D-$\beta$-hydroxybutyrin acid(이하 D-$\beta$-HBA)로 전환하는 데 이용하였다. 후보 변이주 중 활성이 가장 높은 Candida rugosa CM42를 이용하여 발효를 수행한 후 NMR 분석, polarimeter 분석 등을 통하여 생성된 물질이 D-$\beta$-HBA 임을 확인하였다. Chemostar 배양을 이용하여 D-$\beta$-HBA 발효 생산의 주요 영향인자를 분석하였으며, 균체의 활성을 나타내는 비생산성의 최대치는 균체의 비증식 속도를 0.06, 발효조 내의 glucose와 butyric acid의 농도를 각각 10g/L와 8.7 g/L로 각각 유지 할 때 얻어졌다. 회분식 배양 중에 glucose와 butyric acid를 공급하여 발효조 내의 glucose 및 butyric acid 농도를 최적조건으로 유지하는 fed-batch 발효를 수행하였다. 배양 180 시간 후에 D-$\beta$-HBA 농도가 약 12.4 g/L에 도달하였으며 회분식 발효에 비하여 4.7배 증가하였다.
배 농축액의 유가식 배양을 통해 영양원 없이 산도 12% 이상의 고산도 식초를 제조하면서 발효단계(Stage 1-4) 및 초기 알코올농도(6-9%)에 따른 품질특성 변화를 확인하였다. 환원당, 유리아미노산, 총 페놀 함량, 총 플라보노이드 함량 및 라디칼 소거능은 1차 초산발효한 일반산도 식초에 비해 2차 초산발효한 고산도 식초에서 증가하였고, 이는 유가식으로 첨가된 feeding 알코올의 영향으로 사료되었다. SPME/GC-MS 분석을 통한 20여종의 휘발성분은 식초의 산도에 따라 함량의 차이를 나타내었고, 초기 알코올농도의 증가에 따라 자극적인 향의 acid류 함량이 다소 증가하였다. 이상의 결과, 초기알코올 농도 6-7% 조건에서 유가식 배양으로 제조된 고산도 배식초는 일반산도 식초에 비해 우수한 품질을 나타내었고, 이에 관능특성 및 대규모 생산에 대한 연구가 필요한 것으로 사료되었다.
Glucoamylase is an important industrial enzyme. Glucoamylase production by industrial Aspergillus niger strain featured with two major problems: (i) empirical substrate feeding methods deteriorating the fermentation performance; and (ii) the high raw materials cost limiting the economics of the glucoamylase product with delegated specification. In this study, we first proposed a novel three-stage varied-rate substrate feeding strategy for efficient glucoamylase production in a 5 L bioreactor using the standard feeding medium, by comparing the changing patterns of the important physiological parameters such as DO, OUR, RQ, etc., when using different substrate feeding strategies. With this strategy, the glucoamylase activity and productivity reached higher levels of 11,000 U/ml and 84.6 U/ml/h, respectively. The performance enhancement in this case was beneficial from the following results: DO and OUR could be controlled at the higher levels (30%, 43.83 mmol/l/h), while RQ was maintained at a stable/lower level of 0.60 simultaneously throughout the fed-batch phase. Based on this three-stage varied-rate substrate feeding strategy, we further evaluated the economics of using alternative carbon sources, attempting to reduce the raw materials cost. The results revealed that cornstarch hydrolysate could be considered as the best carbon source to replace the standard and expensive feeding medium. In this case, the production cost of the glucoamylase with delegated specification (5,000 U/ml) could be saved by more than 61% while the product quality be ensured simultaneously. The proposed strategy showed application potential in improving the economics of industrial glucoamylase production.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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