The optimization of fed-batch yeast fermentation process has been performed using genetic algorithm(GA). Three strategies were designed and applied to obtain the optimal feed rate profiles. Genes in the chromosome (input variables for optimization) included feed rates on fixed time intervals (strategy I), or swiching times $t_s1\;and\;t_s2$, and feed rates on singular arc (strategy II), or feed rates and the length of time interval (strategy III). Strategy III showed the best results for all initial conditions due to efficient utilization of genetic information. Simulation results using GA showed similar or better performance compared with previous results by variational caculus and singular control approach.
Bacillus subtilis WB700에서 P43 프로모터를 사용하여 staphylokinase를 생산하기 위하여 배지 최적화 및 회분식 배양과 유가식 배양 두가지 시스템을 비교하였다. 여러 가지 질소윈 중에서는 tryptone이 가장 좋은 질소원 이었으며, MSR 배지를 사용한 경우 tryptone 15 g/L일 경우에 최적조건임을 알아내었다. MSR 배지에시 포도당을 제한 기질로 사용할 경우는 5 g/L일 때가 SAK의 발현에 최적 조건이었다. MSR 배지를 기본으로 이용하여 포도당 공급을 조절함으로서 발효조 내의 DO를 30%로 유지한 결과 오히려 MSR 배지를 이용하여 회분식 발효를 한 경우보다 좋지 못한 결과를 얻었으며, 이는 B. subtilis 숙주의 영양요구적 특이성과 P43 promoter의 stress 발생시 주 발현되는 특성 등에 기인한 것이라고 사료된다. MSR 배지를 이용하여 회분식 발효를 하였을 때 SAK 활성은 2880 unit이었고, 이때 배지 내로 분비된 SAK 농도는 455 mg/L이었다.
In order to maximize the riboflavin production by a mutant strain Ashbya gosspyii, the optimization of medium and fed-batch fermentation were performed. As carbon sources, glucose and soybean oil were necessary for the riboflavin overproduction. Optimal concentrations of glucose and soybean oil in the flask cultures were found to be 3.0% and 0.5%, respectively, in a complex medium containing corn steep liquor(CLS) 1%. Among the various organic nitrogen sources tested, CSL was the most effective one both for the cell growth and riboflavin overproduction.
Production of poly-$\beta$-hydroxybutyrate (PHB) in fed-batch fermentation was studied. Utilization of carbon for PHB biosynthesis was investigated by using feeding solutions with different ratios of carbon to nitrogen (C/N). It was observed that at a high C/N ratio carbon source was more preferably utilized for PHB accumulation while its consumption for cellular metabolism appeared to be more favored at a low C/N value. A high cell concentration (184 g/l) was achieved when ammonium hydroxide solution was fed to control the pH, which was also utilized as the sole nitrogen source. For the mass production of PHB, two-stage fed-batch operations were carried out where PHB accumulation was observed to be stimulated by switching the ammonium feeding mode to the nitrogen limiting condition. A large amount of PHB (108 g/l) was obtained with cellular content of 80% within 50 hrs of operation.
The process for the production of mannitol with fructose (5% to 25%) using Leuconostoc mesenteroides NRRL B-1149 was investigated. Optimization study for mannitol production was carried out in 8 liter batch or fed-batch cultures at $28^{\circ}C$, pH 5.0, without aeration. When 5% fructose was used in a batch culture fermentation, the yield of mannitol was 78% of theoretical. As the concentration of fructose was increased to 10% in a batch culture, the yield was reduced to 59.6% of theoretical. Using a fed-batch fermentation with 10% fructose, the yield was increased to 81.9%. When 15% fructose was used for a fed batch fermentation 5% fructose was initially added and the last 10% fructose was supplied continuously. The final yield of mannitol was 83.71% of theoretical. When 20% fructose was used, the yield was more higher, 89.48%.
In order to optimize the carrot hairy root culture for SOD production, a fed-batch culture of hairy roots was performed in a bioreactor. Maximum SOD activity was obtained when the hairy roots were transferred to the MS medium containing 110 g/1 concentration of sucrose. By controlling the sucrose concentration (70 g/1 sucrose for growth and 110 g/1 sucrose far production, respectively) In a two-stage fed-batch culture, 29 g/1 of the hairy roots was obtained based on the final dry mass. The volumetrically determined SOD activity and productivity in the fed-batch culture were about 6 times higher than those from the flask culture containing sucrose at 30 g/1 concentration.
The green alga, Dunaliella salina under fed-batch cultivation produced 51.12 mg of hydrocarbon per liter with maintaining 0.313 (g dry wt/l). About 20% of hydrocarbon production yield based on dry biomass was obtained from both batch and fed-batch processes. Optimum culture conditions of light intensity, pH and salt concentration were obtained as 0.0080 (kJ/$cm^2$/h), 8.0 and 1.4 (g of NaCl/l), respectively by response surface analysis. The production of hydrocarbons in D. salina was closely correlated to cell growth. Fed-batch cultivation produced more hydrocarbons and maintained better cell growth than a batch process.
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.
A study was carried out to select a nitrogen source and the optimize the C/N ratio for the maximum cell growth of Phaffia rhodozyma in fed-batch culture. The yeast extract was the best organic nitrogen source. In the batch culture experiments, the highest cell yield was obtained 0.575 g-cell/g-glucose from 10 g/L and 10 g/L yeast extract. In the fed-batch experiments, the maximum cell concentration was obtained 33.1 g/L from the C/N ratio of 2:1 while the astaxanthin concentration of cell was Increased by increasing the C/N ratio, of feed medium.
The optimization of culture conditions for the bacterium Pseudomonas aeruginosa BYK-2 KCTC 18012P, was performed to increase its rhamnolipid production. The optimum level for carbon, nitrogen sources, temperature and pH, for rhamnolipid production in a flask, were identified as 25 g/L fish oil, 0.01% (w/v) urea, 25 and pH 7.0, respectively. Optimum conditions for batch culture, using a 7-L jar fermentor, were 200 rpm of agitation speed and a 2.0 L/min aeration rate. Under the optimum conditions, on fish oil for 216 h, the final cell and rhamnolipid concentrations were 5.3 g/L and 17.0 g/L respectively. Fed-batch fermentation, with different feeding conditions, was carried out in order to increase, cell growth and rhamnolipid production by the Pseudomonas aeruginosa, BYK-2 KCTC 18012P. When 2.5 g of fish oil and 100 mL basal salts medium, containing 0.01 % (w/v) urea, were fed intermittently during the fermentation, the final cell and rhamnolipid concentrations at 264 h, were 6.1 and 22.7 g/L respectively. The fed-batch culture resulted in a 1.2-fold increase in the dry cell mass and a 1.3-fold increase in rhamnolipid production, compared to the production of the batch culture. The rhamnolipid production-substrate conversion factor (0.75 g/g) was higher than that of the batch culture (0.68 g/g).
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[게시일 2004년 10월 1일]
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