서문

보충재료공예의 최적화는 발효공예의 최적화에서 가장 중요한 연구방향의 하나로서 지속적이고 안정적인 보충재료속도는 흔히 최종산물의 합성과 균주의 대사방향에 비교적 큰 영향을 준다.다수의 산물의 합성은 재료를 보충하는 과정에서 배지 중의 당을 일정한 농도로 엄격하게 통제해야 한다.전통적인 설탕통제는 주로 조작인원의 끊임없는 표본추출검사와 수동으로 보충재료속도를 조절하는데 의거하는데 시효성이 비교적 낮고 조절통제효과도 비교적 떨어진다.발효 엔지니어들도 시종일관 더 안정적이고 정확한 당 제어 방식을 찾고 있다.이 사례는 트립토판 생산 균주 E. coli TM01을 출발 균주로 사이돌리스 (7L) 평행 생물반응기를 사용하여 각각 수동 제당과 생물 배양 과정 온라인 검측기 (BODS) 의 자동 검측 제당 전략 두 가지 다른 방식으로 배지 중 포도당 농도를 유지하고 트립토판 생산량을 기준으로 서로 다른 제당 모델의 차이를 비교한다.

그림 1 천목 생물 생물 배양 과정 온라인 검측기 (BODS)

실험 과정

실험 균종: E. coli WT01.

종자액 배양기: 펩톤 10g/L, 효모 추출물 5g/L, 염화나트륨 10g/L, 포도당 20g/L;

발효액 배양기: 포도당 25g/L, 효모추출물 7g/L, 1수화 구연산 1.1g/L, 황산암모늄 7.5g/L, 인산이수소칼륨 2g/L, 3수화 인산수소이칼륨 3g/L, 7수화 황산마그네슘 1g/L, 7수화 황산철 0.1g/L, 비타민 B1 0.1g/L, 글리세린, 글리세린/L, 혈유 10g/L, 괴산 첨가

발효 탱크 발효 배양: 글리세린 튜브에서 균종을 활성화한 후 종자 배양액 37 ℃ 로 12h 배양한 후 5% 접종량에 따라 발효 배양기로 옮긴다.발효 과정은 사이돌리스 7L 발효 탱크에서 진행되며 통기량은 1vvm이며 용산소 관련 교반 회전 속도를 통해 용산소를 30%, 암모니아수를 흘려 pH를 6.9로 유지한다.37℃에서 OD600~10 정도로 배양한 후 30℃로 온도를 낮추고 IPTG 유도를 넣는다.발효 중 배지의 포도당이 소진되면 500g/L의 포도당 용액을 흘려 잔당 농도를 2g/L로 조절한다.

수동 보충 그룹은 1h마다 샘플을 추출하여 배지의 잔당 농도를 측정하고 측정된 농도에 따라 수동으로 보충 전략을 조정한다.자동보충조는 천목생물의 생물배양과정 온라인검측기(BODS)를 사용하여 배양기 중 잔당농도를 실시간으로 검측하고 기기가 자동으로 보당전략을 조정한다.발효액의 색아미노산 농도는 액상으로 검측하여 대비한다.

실험 결과

그림 2에서 볼 수 있듯이, 수동 보충 모드에서는 균체의 생장 상황을 실시간으로 관찰할 수 없기 때문에 배지 중 잔당 농도의 파동이 비교적 크고, 야간 작업자의 피로로 인해 오차가 가장 클 때는 +10g/L의 차이까지 났다.잔당농도의 파동은 균체의 생물량과 색암모니아산생산량에 직접적인 영향을 주었으며 수동으로 당조의 색암모니아산생산량을 통제할 때 약 0.3g/L에 불과했다.이에 비해 BODS의 스마트 관련 보충재는 인위적인 조작으로 인한 오차를 버리고 발효액 중 균체의 생장 상황을 전천후 실시간으로 모니터링하고 배지 중 잔당 농도 (사례에서 1h 자동 샘플링 및 1회 검측으로 설정) 를 측정하여 시스템에 피드백한 후 설정치에 따라 실시간으로 보충재 전략을 조정하여 당이 설정치 (2±0.2g/L) 를 안정적으로 유지하도록 할 수 있으며 더 좋은 제당 전략도 약 71.4% 의 아미노산 보충재 패턴을 가져와 비교하여 수동 생산량을 대폭 증가시켰다.

그림 2 수동 보충재와 스마트 관련 보충재 발효 결과 비교

결론

본 사례는 산색아미노산 공정 균주를 출발 균주로 하여 서로 다른 보충재 전략하에서 균주 색아미노산 생산량에 대한 영향을 연구하였다.실험 결과는 더 안정적인 당 제어 방식이 종종 생산량을 큰 폭으로 증가시킨다는 것을 증명했다.수동 보충재 모델에 비해 BODS 스마트 관련 시스템은 작업자 없이 자동 샘플링 검사, 모니터링, 피드백 조절, 자체 학습 보충재 전략 등을 통해 배양기 중 잔당 수준을 설정치 (2±0.2g/L) 로 안정적으로 제어하고 균주의 색소아미노산 생산량을 약 71.4% 증가시켰는데, 이는 발효 공정 최적화에서 BODS의 중요한 역할을 설명한다.이밖에 공업화생산에서 잔당농도의 통제도 기업의 제품품질에 직접적인 영향을 주는 관건적인 매개 변수로서 BODS의 실시간검측능력도 생산작업장인원이 실시간으로 발효과정의 변화를 통제하고 제때에 공예매개 변수를 조정하여 기업이 산물의 확대생산을 더욱 잘 완수하도록 돕는다.

설립 초기부터 천목생물은 고객지상의 원칙을 준수하고 고도로 전문화된 균종최적화방안을 제공하여 발효과정의 최적화에 더욱 많은 믿음직한 선택을 제공하는데 진력하였다.