DD299380A7 - METHOD FOR THE HIGH CELL DENSITY FERMENTATION OF ESCHERICHIA COLI IN A RUFFLER RESERVOIR - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein mikrobiologisches Verfahren zur Fermentation von Escherichia coli-Staemmen, darunter auch rekombinanten E. coli-Staemmen, zu hohen Biotrockenmassekonzentrationen. Sie verfolgt das Ziel, diese Syntheseleistungen in Ruehrkesselfermentoren bei moeglichst effektiver Substratverwertung zu erreichen. Die dieser Zielstellung zugeordnete Aufgabe wird in der Weise geloest, dasz man die Fermentation der einbezogenen E. coli-Kultur unter aeroben Bedingungen in einem Medium mit einem Gehalt an Stickstoffquelle, organischer Kohlenstoffquelle und Mineralsalzen, vorzugsweise in einem Glukose-Mineralsalz-Medium wohldefinierter Zusammensetzung, abschnittsweise durchfuehrt, wobei zuerst ein Batch-Abschnitt mit maximaler spezifischer Wachstumsrate und danach ein Fed-Batch-Abschnitt mit submaximaler spezifischer Wachstumsrate vorzusehen ist. Die jeweils gewuenschte submaximale spezifische Wachstumsrate wird hierbei durch Variation des Sauerstoffeintrags eingestellt und durch Kontrolle des Sauerstoffgehalts der Fermentorabluft ueberwacht. Nach dem vorgeschlagenen Verfahren lassen sich E. coli-Kulturen mit groszer Stabilitaet zu Biotrockenmassekonzentrationen im Hochzelldichte-Bereich fermentieren.{mikrobiologisches Verfahren; Escherichia coli; Hochzelldichte-Fermentation; Ruehrkesselfermentor; Naehrmedium mit organischer Kohlenstoffquelle; Glukose-Mineralsalz-Medium; abschnittsweise Fermentation; Sauerstoffgehalt der Fermentorabluft}The invention relates to a microbiological process for the fermentation of Escherichia coli strains, including recombinant E. coli strains, to high concentrations of dry biomass. It pursues the goal of achieving these synthesis achievements in stirred tank fermentors with as much as possible substrate utilization. The object of this aim is achieved by subjecting the fermentation of the included E. coli culture under aerobic conditions in a medium containing nitrogen source, organic carbon source and mineral salts, preferably in a glucose-mineral salt medium of well-defined composition, in sections, wherein first a batch section with maximum specific growth rate and then a Fed-batch section with submaximal specific growth rate is provided. The respectively desired submaximal specific growth rate is set here by variation of the oxygen input and monitored by controlling the oxygen content of the fermentor exhaust air. According to the proposed method, E. coli cultures with great stability can be fermented to dry biomass concentrations in the high cell density range {microbiological process; Escherichia coli; High cell density fermentation; Ruehrkesselfermentor; Nutrient medium with organic carbon source; Glucose-mineral salts medium; partial fermentation; Oxygen content of fermenter exhaust air}
Description
Öle Erfindung betrifft ein Verfahren zur Hochzelldichte-Fermentation von E. coll-Stämmen, darunter solche, die sich als Wirte für Vektoren mit rekombinanten Expressionssystemen eignen.Oils invention relates to a method for high cell density fermentation of E. coli strains, including those useful as hosts for vectors with recombinant expression systems.
Das Anwendungsgebiet der Erfindung liegt generell in Jenen Industriezweigen einer Volkswirtschaft, die einen Biotechnologie-Sektor aufv. jlsen und in diesem E.coli-Stämme als Produzentenorgnnismen einsetzen.The field of application of the invention is generally in those industries of an economy which comprises a biotechnology sector. jlsen and use in this E. coli strains as producer orphan.
E. coil wird häufig als zellulärer Wirt für die Bildung rekomblnanter DNA-Produkte verwendet. Neben einer hohen intrazellulären Konzentration an dem gewünschten Produkt ist die Erzielung hoher Konzentrationen an Zellen im Fermentor eine entscheidende Voraussetzung für eine hohe Gesamtausbeute.E. coli is often used as a cellular host for the production of recombinant DNA products. In addition to a high intracellular concentration of the desired product, the achievement of high levels of cells in the fermentor is a crucial prerequisite for high overall yield.
Bei der Kultivierung zu hohen Zelldichten im üblichen Rührkesselfermentor wird man mit den Problemen der Wachstumsinhibition durch zu hohe Substratanfangskonzentrationen, dem Verbrauch essentieller Nährmedienbestandteile im Verlaufe der Kultivierung, der Bildung von inhibitorisch wirkenden Nebenprodukten des Stoffwechsels und der begrenzten Kapazität der Sauerstoffzuführung konfrontiert.When cultivating to high cell densities in the conventional stirred tank fermenter, the problems of growth inhibition are confronted by too high substrate initial concentrations, the consumption of essential nutrient media components in the course of cultivation, the formation of inhibitory by-products of the metabolism and the limited capacity of oxygen supply.
Den steigenden Bedarf an Sauerstoff einer wachsenden E.coli-Kulturkann man durch verschiedene Strategien zu decken versuchen, nämlich: Steigerung der Rührerdrehzahl und der Begasungsrate, Zuführung von sauerstoffangereicherter Luft (Jung et al. 1988; Fass et al. 1989; Krüger 1989; Eppstein et al. 1989), Begasung mit reinem Sauerstoff (Bauer und Shiloach 1974; Shiloach und Bauer 1975; Bauer und White 1976; Bauer und Ziv 1976; Mori et al. 1979; Gleiser und Bauer 1981; Mitzutani et al. 1986; Baily et al. 1987; Pan et al. 1987; Krüger 1989), Kultivierung bei niedrigen Temperaturen (Shiloach und Bauer 1975; Bauer und White 1976; Bauer und Ziv 1976) und bei erhöhtem Druck (Tsai et al. 1987).The increasing demand for oxygen from a growing E.coli culture can be overcome by several strategies, namely: increase in stirrer speed and gassing rate, supply of oxygen-enriched air (Jung et al., 1988; Fass et al., 1989; Krüger 1989; 1989), Bauer and Ziv 1976, Mori et al., 1979, Gleiser and Bauer, 1981, Mitzutani et al., 1986, Baily et al., 1989), fumigation with pure oxygen (Bauer and Shiloach 1974; 1987, Pan et al 1987, Krüger 1989), low temperature cultivation (Shiloach and Bauer 1975, Bauer and White 1976, Bauer and Ziv 1976), and elevated pressure (Tsai et al., 1987).
Mit überschüssigem Sauerstoff wurde E.coli in einem Glukose-Mineralsalzmedium bis zu 16,5g Biotrockenmasse X/l fermentiert (Reiling et al. 1985). Krüger (1989) und Eppstein et al. (1989) erreichten 19g X/l. Wachstum zu höheren Zelldichten erforderte eine Fed-Batch-Technik, um einerseits Inhibition und Limitation von Substanzen auszuschalten und andererseits die Bildung von inhibitorischen Nebenprodukten des Stoffwechsels zu verhindern. In allen Fällen war es erforderlich, neben der C-Quelle und Ammoniak als N-Quelle und pH-Regulator auch andere Nährstoffe zu dosieren. Unter Verwendung eines Glukose-Mineralsalzmediums erzielten Eppstein et al. (1989) durch zusätzliches Nachfüttern von Salzen 39g X/l. Fass et al. (1989) erreichten durch Dosierung von Glukoselösung, in der sich auch Magnesiumsulfat befand, zu einem vorgelegten Glukose-Mineralsalzmedium 45g X/l. Zusätzliches Nachfüttern von Salzen führte bei Pan et al. (1987) zu 95g X/l. Andere Fed-Batch-Fermentationen wurdon in Glukose-Mineralsalzm6dien durchgeführt, die vor deren Beimpfung zusätzlich Hefeextrakt oder autolysiertos Hefepulver enthielten. Ohne zusätzliches Nachfüttern während des Zellwachstums außer Glukose und Ammoniak wurden 38g X/l erhalten (Mori et al. 1979). Zusätzliches Dosieren von Salzen ergab höhere Biomassekonzentrationen mit 47g X/l (Bauer und White 1976), 55g X/l (Shiloach und Bauer 1975) und 68g X/l (Bauer und Ziv 1976). Zusätzliches Dosieren von Salzen, Spurenelementen und Vitaminen führte zu 70g X/l (Fieschko und Ritsch 1986). Sehr hohe Zelldichten von 110g X/l (Cutayar und Poillon 1989) und 125g X/l (Mori et al. 1979) konnten durch ein komplexes Nachfüttern von Salzen, Hefeoxtrakt und Spurenelementen zusätzlich zur üblichen Dosierung von Glukose und Ammoniak erhalten werden. Eine weitere Supplementierung eines Glukose-Mineralsalzmediums, das vor der Beimpfung schon Hefoextrakt enthielt, mit Bactotrypton oder Pepton sowie die Zudosierung dieser komplexen Substrate während der Fermentation führte zu keiner weiteren Erhöhung der Biomassekonzentration (Bailey et al. 1987; Tsai et al 1987). Sehr hohe Biomassenkonzentrationen von 80 bis 105 g X/l (Eppstein et al. 1989) wurden durch Kombination der obenbeschriebenen Fed-Batch-Technik (Dosierung von Glukose und Salzen) durch Begasung mit sauerstoffangereicherter Luft erzielt. Krüger (1989) erzielte durch Begasung mit reinem Sauerstoff 112 g X/l.With excess oxygen, E. coli was fermented in a glucose-mineral salt medium up to 16.5 g of dry biomass X / l (Reiling et al., 1985). Krüger (1989) and Eppstein et al. (1989) reached 19g X / l. Growth to higher cell densities required a fed-batch technique to eliminate both inhibition and limitation of substances and prevent the formation of inhibitory by-products of metabolism. In all cases it was necessary to dose other nutrients in addition to the C source and ammonia as N source and pH regulator. Using a glucose-mineral salt medium, Eppstein et al. (1989) by additional replenishment of salts 39g X / l. Fass et al. (1989) achieved 45g X / l by adding glucose solution containing magnesium sulfate to a glucose-mineral salt medium presented. Additional replenishment of salts resulted in Pan et al. (1987) to 95g X / l. Other fed-batch fermentations were carried out in glucose mineral salts containing yeast extract or autolyzed yeast powder prior to inoculation. Without additional feeding during cell growth, except for glucose and ammonia, 38 g X / l were obtained (Mori et al., 1979). Additional dosing of salts gave higher biomass concentrations of 47 g X / l (Bauer and White 1976), 55 g X / l (Shiloach and Bauer 1975) and 68 g X / l (Bauer and Ziv 1976). Additional dosing of salts, trace elements and vitamins led to 70g X / l (Fieschko and Ritsch 1986). Very high cell densities of 110 g X / L (Cutayar and Poillon 1989) and 125 g X / L (Mori et al., 1979) could be obtained by complex replenishment of salts, yeast extract and trace elements in addition to the usual dosage of glucose and ammonia. Further supplementation of a glucose mineral salt medium containing yeast extract prior to inoculation with bactotryptone or peptone and addition of these complex substrates during fermentation did not further increase the biomass concentration (Bailey et al 1987, Tsai et al 1987). Very high biomass concentrations of 80 to 105 g X / l (Eppstein et al., 1989) were achieved by combining the above-described fed-batch technique (metering of glucose and salts) by fumigation with oxygen-enriched air. Krüger (1989) achieved 112 g X / l by fumigation with pure oxygen.
Die obenbeschriebenen Verfahren sind alle mit dem Nachteil behaftet, daß sie sehr komplexe Nachfütterungs-Systeme darstellen. Die Zugabe aller zusätzlichen Nährstoffe außer Glukose oder mit Magnesiumsulfat versetzter Glukose und Ammoniak bedingen spezielle Nährsubstratdosierungen, die entweder nur zeitweise Zugaben oder zeitgesteuerte Zugabephasen beinhalten. Diese betrifft auch den Einsatz des gasförmigen Substrates Sauerstoff.The above-described methods all suffer from the disadvantage that they represent very complex refeeding systems. The addition of any additional nutrients other than glucose or magnesium sulfate-added glucose and ammonia requires special nutritional substrate dosages that involve either temporary additions or timed addition phases. This also relates to the use of the gaseous substrate oxygen.
Eine Abkehr von derart komplexen Nachfütterungssystemen war dann erstmals mit dem Verfahren zur E. coli-Hochzelldichte-Kultivierung von T.MATSUI et al. (Agric. Biol. Chem. 1989,53 [8), 2115-20; Pat-JP 63.157.974) möglich, d.h., in Verbindung mit dieser Verfahrenslösung konnte erstmals ein (Ausgangs-) Nährmedium mit hinreichend kompletter Ausstattung an Mineralsalzsowie Spurenmetail-Ionen angegeben werden, so daß nunmehr Fermentationen zu hohen Zelldichten unter alleiniger Zudosierung von Glukose und Ammoniumwasser durchführbar wurden (bis zu Biomasse-Konzentrationen von 134g X/l). Mit diesem Verfahren können jedoch noch keine längeren Fed-Batch-Fermentationsabschnitte mit konstanter spezifischer Wachstumsrate μ < Mmix realisiert werden (vgl. die nachstehenden Darlegungen), die keinerlei rückgekoppelte Kontrolle dieses Zustandsparameters angestrebt wird. Für den Prozeß von MATSUI et al. ist weiterhin nachteilig, daß die Kohlenstoff-Quelle in Form von Pulver nachzufüttern ist, was den Einsatz von speziell zu fertigender Dosierungstechnik erfordert. Auch unter dem Aspekt seiner Gesamt-Effektivität läßt dieses Hochzelldichte-Verfahren noch Wünsche offen, denn die Mineralsalz- und Spurenmetall-Ionen sind in außerordentlich hohen Ausgangskonzentrationen bereitzustellen, und während der Fermentation wird dar Übergang zur Begasung mit pu'em Sauerstoff unvermeidlich.A departure from such complex replenishment systems was then for the first time with the method for E. coli high cell density culturing of T.MATSUI et al. (Agric Biol Chem. 1989, 53, 8, 2115-20; Pat. No. 63,157,974), ie, in connection with this method solution, it was possible for the first time to indicate a (starting) nutrient medium with sufficiently complete mineral salt and trace metal ion properties so that now fermentations lead to high cell densities, with the sole addition of glucose and ammonium water feasible (up to biomass concentrations of 134g X / l). However, with this method, no longer fed-batch fermentation sections with a constant specific growth rate μ <M mix can be realized (see the statements below), which does not seek any feedback control of this state parameter. For the process of MATSUI et al. is also disadvantageous that the carbon source is nachzufüttern in the form of powder, which requires the use of specially manufactured dosage technique. From the point of view of its overall effectiveness, this high-cell-density method still leaves something to be desired, since the mineral salt and trace metal ions are to be provided in extremely high initial concentrations, and during the fermentation the transition to fumigation with oxygen is unavoidable.
E. coli-Zellen, die als Wirte für Vektoren dienen und somit zur Bildung rekombinanter DNA-Produkte verwendet werden, müssen dem einzusetzenden Expressionssystem für das rekombinante Produkt adäquat fermentiert werden. Dies bedeutet, daß E.coli-Wirte mit anschaltbaren Expressionssystemen zunächst zu hohen Zelldichten fermentiert werden und dann die Anschaltung der rekombinanten DNA-Expression vorgenommen wird. Für E.coli sind auch eine Reihe homologer und heterologer Expressionssysteme, die konstitutiv sind bzw. bei denen die Expression bei niederen spezifischen Wachstumsraten höher ist als bei der im jeweiligen Nährmedium maximal möglichen spezifischen Wachstumsrate Mm„, bekannt. Die spezifische Wachstumsrate ist wie folgt definiert:E. coli cells, which serve as hosts for vectors and thus used to form recombinant DNA products, must be adequately fermented to the recombinant product expression system to be used. This means that E.coli hosts are first fermented with connectable expression systems to high cell densities and then the connection of the recombinant DNA expression is made. For E.coli are also a number of homologous and heterologous expression systems that are constitutive or in which the expression at low specific growth rates is higher than at the maximum in each nutrient medium possible specific growth rate M m "known. The specific growth rate is defined as follows:
Es sind einige Lösungen bekannt, mit denen ein Wachstum von '£. coli mit μ < pmlx realisiert wurde. So orreichten Zabriskie und Arcurj (1988) durch die Zufütterung der Kohlenstoffquelle zur rermentationslösung mit einer konstanten Rate, die geringer war als diejenige, die zu \im„ geführt hätte, daß die Kultur mit μ < \im,x wuchs. Nachteil dieser Vorgehensweise ist jedoch, daß sich μ ständig ändert. Bei Konstanthaltung der Dosierungsrate über den gesamten Fed-Batch-Prozeß würde μ ständig fallen. Allen und LuIi (1985) entwickelten eine Strategie, mit der die spezifische Wachstumsrate μ mit zunehmender Zelldichte von Zeit zu Zeit durch Einstellung neuer Zufütterungsraten der Kohlenstoffquelle zeitweise neu eingestellt wurde. Diese Strategie impliziert den Nachteil, daß sich μ in einem Toleranzbereich, der von der Häufigkeit der Off-Iine-Messungen von Glukose und Zelldichte abhängt, ständig ändert, obwohl ein Wachstum mit μ < Mm1x erzwungen wird. Änderungen in der spezifischen Wachstumsrate ziehen Unstetigkeiten im Stoffwechsel nach sich und können destabilisierend wirken, Insbesondere dann, wenn es zur Bildung von inhibitorisch wirkenden Nebenprodukten des Metabolismus kommt.There are some known solutions with which a growth of £. coli with μ <p mlx was realized. Thus orreichten Zabriskie and Arcurj (1988) by the feeding of the carbon source to rermentationslösung at a constant rate, which was less than that which would have led to \ i m "means that the culture with μ <\ i m, x grew. Disadvantage of this procedure, however, is that μ constantly changes. If the dosage rate was kept constant over the entire fed-batch process, μ would constantly fall. Allen and LuIi (1985) developed a strategy to temporarily reset the specific growth rate μ with increasing cell density from time to time by adjusting new carbon source feed rates. This strategy implies the disadvantage that μ varies constantly within a tolerance range that depends on the frequency of off-line measurements of glucose and cell density, although growth with μ <Mm 1x is enforced. Changes in the specific growth rate result in discontinuities in the metabolism and can have a destabilizing effect, especially when it comes to the formation of inhibitory by-products of metabolism.
Um ein Wachstum mit konstantem μ zu realisieren, wurde von Lee und Monier (1989) eine kontrollierte Wachstumsraten-Fermentation vorgestellt. Kernstück der Vorgehensweise ist die ständige Messung des von den Zellen während des Wachstums gebildeten Kohlendioxides, die hieraus per Computer berechnete jeweilige aktuelle Wachstumsrate und die sofortige Realisierung der zur Aufrechterhaltung der Soll-Wert-Wachstumsrate notwendigen Einstellung der Dosierrate der Kohlenstoffquelle mit der gekoppelten Zufütterung der C-Quelle. Auf diese Weise gelang Lee und Mohler (1989) die Kultivierung von E.coli mit annähernd konstantem μ < Mm„ im Bereich der Zelldichten von 0,3 bis 60g X/l (EP 0315944 A2). Die Strategie der Konstanthaltung von μ über die Meßgröße CO] beinhaltet aber prinzipiell den Nachteil, daß CO2 nicht in allen Fällen ein wachstumskorreliertes Signal ist. Dies trifft vor allem dann zu, wenn Umstellungen im Stoffwechsel stattfinden oder anaplerotische Biosynthesewege von den Zellen genutzt werden, was besonders bei sehr hohen Zelldichten und Kohlenstoffmangel auftreten kann. Ein weiterer Nachteil der Vorgehensweise von Lee und Mohler besteht darin, daß nach Ausschöpfung aller Möglichkeiten zur Erhöhung des Sauerstoffeintrages im jeweils verwendeten Fermentorsystem das Wachstum schnell abbricht, da die Gelöstsauerstoffkonzentration sofort abfällt. Nach der Wachstumsphase mit μ = const < Mmlx ist somit eine spürbare Verlängerung des Wachstums zur weiteren Steigerung der Zelldichte mit μ < pmlx bei ständig fallenden μ nicht möglich. Des weiteren ist di6 Gelöstkohlendioxidkonzentration im eingestellten pH-Bereich sehr stark vom pH-Wert abhängig; kleine pH-Änderungen wirken sich negativ auf das Meßsignal aus und können zu einer Verfälschung der μ-Berechnung führen.To achieve constant μ growth, Lee and Monier (1989) presented a controlled growth rate fermentation. The core of the procedure is the constant measurement of the carbon dioxide formed by the cells during growth, the respective current growth rate calculated by computer and the immediate realization of the adjustment of the dosing rate of the carbon source with the coupled feeding of C necessary to maintain the target value growth rate -Source. In this way, Lee and Mohler (1989) succeeded in cultivating E. coli with approximately constant μ <M m "in the range of cell densities of 0.3 to 60 g X / l (EP 0315944 A2). The strategy of keeping μ constant over the measured variable CO], however, in principle has the disadvantage that CO 2 is not a growth-correlated signal in all cases. This is especially true when metabolism changes take place or anaplerotic biosynthetic pathways are used by the cells, which can occur especially at very high cell densities and carbon deficiency. Another disadvantage of the approach of Lee and Mohler is that after exhausting all possibilities to increase the oxygen input in the fermenter system used in each case, the growth breaks off quickly, since the dissolved oxygen concentration drops immediately. After the growth phase with μ = const <M mlx , a noticeable prolongation of the growth to further increase the cell density with μ <p mlx with constantly decreasing μ is thus not possible. Furthermore, the dissolved carbon dioxide concentration in the adjusted pH range is very much dependent on the pH; Small pH changes have a negative effect on the measurement signal and can lead to a falsification of the μ calculation.
Die Erfindung verfolgt das Ziel, E.coli-Populationen in Rührkesselfermentatoren bei effektiverer Substratverwendung zu sehr hohen Zelldichten zu fermentieren.The invention aims to ferment E. coli populations in stirred tank fermentors with more effective substrate utilization to very high cell densities.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein unaufwendig durchführbares Verfahren zu beschreiben, nach dem E. coli-Stämme in Rührkesselfermentoren bei effektiver Substratverwendung zu hohen Zelldichten fermentiert werden können. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Hochzelldichte-Fermentation von Escherichia coli im Rührkesseifermentor gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man in einem Medium mit einem Gehalt an Stickstoffquelle, organischer Kohlenstoffquelle und Mineralsalzen fermentiert und die Fermentation abschnittsweise durchführt, indem manIt is an object of the present invention to describe an inexpensive process by which E. coli strains can be fermented in stirred tank fermentors with effective substrate use to high cell densities. According to the invention, this object is achieved by a method for high-cell density fermentation of Escherichia coli in Rührkesseifermentor, which is characterized in that one fermented in a medium containing nitrogen source, organic carbon source and mineral salts and the fermentation is carried out in sections, by
- zuerst einen Batch-Abschnitt mit maximaler spezifischer Wachstumsrate undfirst a batch section with maximum specific growth rate and
- danach einen Fed-Batch-Abschnitt mit submaximaler, über den Sauerstoffeintrag gesteuerter und/oder geregelter spezifischer Wachstumsrate vorsieht, wobei in diesem Abschnitt mit Magnesiumsulfat supplementierte Glukoselösung zugefüttert wird.- thereafter provides a fed-batch section with submaximal oxygenation controlled and / or regulated specific growth rate, in which section glucose solution supplemented with magnesium sulfate is added.
vorgegebenen maximalen Sauerstoffeintrags mit einem Unterabschnitt beendet werden, bei dem die spezifischepredetermined maximum oxygen input to be terminated with a subsection in which the specific
Res. 13:4431-4443.Res. 13: 4431-4443.
jedoch den gasförmigen Sauerstoff auch zuerst mit Hilfe von Luft zuführen und danach mit Sauerstoff angereicherte Luft oderHowever, the gaseous oxygen also first with the help of air and then with oxygen-enriched air or
kann man im Fed-Batch-Abschnitt mit Magnesiumsulfat (beispielsweise einer Konzentration £19,2g MgSO4 · 7H2O/!)supplementierte Glukoselösung (beispielsweise einer Konzentration <700g/l) und ggf. Antischaummittel verwenden.It is possible to use glucose solution supplemented with magnesium sulfate (for example a concentration of 19.2 g MgSO 4 .7H 2 O / 1) in the fed-batch section (for example a concentration <700 g / l) and optionally anti-foaming agent.
alle Nährsubstrate für die gesamte Fermentation mit den Ausnahmen enthalten, daßcontain all the nutrient substrates for the entire fermentation with the exceptions that
- wässerige Ammoniaklösung (beispielsweise einer Konzentration £25%) zur pH-Einstellung zudosiert wird,- aqueous ammonia solution (for example, a concentration of 25%) is metered in for pH adjustment,
- im Fed-Batch-Abschnitt mit Magnesiumsulfat (beispielsweise einer Konzentration £ 19,2 g MgSO4 · 7H2OZI) supplementierte Glukoselösung (beispielsweise einer Konzentration £700g/l) zudosiert wird und- in the fed-batch section with magnesium sulfate (for example, a concentration of 19.2 g MgSO 4 · 7H 2 OZI) supplemented glucose solution (for example, a concentration of 700g l / l) is added and
- ggf. Antischaummittel, beispielsweise Ucolub N115 (Brenntag Mineraloel GmbH, BRD), zudosiert wird,- If necessary, anti-foaming agent, for example Ucolub N115 (Brenntag Mineraloel GmbH, FRG), is added,
umfassen:include:
dinatriumsalz; Fa. Merck, BRO) und/oder Zitronensäure sowie ggf. Antischaummittel und ggf. Suppline zur Kompensation vondisodium salt; Merck, BRO) and / or citric acid and, if necessary, antifoaming agents and optionally supplements for the compensation of
(sM3,3g/l), <NH4)2)HPO4(S4g/I), MgSO4 · 7H2O (s 1,2g/l), Eisenzitrat (seOmg/l), CoCI2 · 6H2O («52,5mg/l), MnCI2 · 4H2Q(s:i5mg/l),CuCI2 · 2H20(S1,5mg/l),H3BOj(<;3mg/l),Ne2Mo04 · 2 H2O (S2,5mg/I), Zn(CH3COO)2 · 2H2O (:£8mg/l), Titriplex III(£8,4mg/l) und/oder Zitronensäure (S 1,7g/l) sowie ggf. Antischaummittel ücolub N115 (£0,1 ml/l).(sM3.3g / l), <NH 4 ) 2 ) HPO 4 (S4g / I), MgSO 4 .7H 2 O (s 1.2g / l), iron citrate (seOmg / l), CoCI 2 .6H 2 O ("52.5 mg / l), MnCl 2 · 4H 2 Q (s: i5 mg / l), CuCl 2 · 2H 2 O (S1.5 mg / l), H 3 BOj (< 3 mg / l), Ne 2 Mo0 4 · 2 H 2 O (S2,5mg / I), Zn (CH 3 COO) 2 · 2H 2 O (: £ 8mg / l), Titriplex III (£ 8.4 mg / l) and / or citric acid (S 1.7 g / l) and, if necessary, anti-foaming agent ubcolub N115 (Ł1.1 ml / l).
den Fermeiitor einbringen:bring in the Fermeiitor:
- zuerst Kaliumdihydrogenphosphat, Diammoniumhydrogenphosphat und/oder Zitronensäure;first potassium dihydrogen phosphate, diammonium hydrogen phosphate and / or citric acid;
- danach eine ggf. aus Stammlösung angesetzte Lösung von Kobaltchlorid, Manganchlorid, Kupferchlorid, Borsäure, Natriummolybdat, Zinkacetat und/oder Titriplex III,thereafter a solution of cobalt chloride, manganese chloride, copper chloride, boric acid, sodium molybdate, zinc acetate and / or Titriplex III, optionally prepared from stock solution,
- danach Eisenzitrat,- then iron citrate,
- danach ggf. ein Antischaummittel, wonach man sterilisiert.- Then if necessary, an antifoam agent, after which sterilized.
etwa 6,8, fermentieren. Die Einstellung des pH-Wertes kann mit wässeriger Ammoniaklösung (einer Konzentration vonbeispielsweise S 25%) erfolgen.about 6.8, ferment. The adjustment of the pH can be carried out with aqueous ammonia solution (a concentration of, for example, S 25%).
übergehen, daß mango over that one
- entweder die Rührerdrehzahl erniedrigt, beispielsweise im Bereich von 5 bis 60min,either the stirrer speed is lowered, for example in the range from 5 to 60 min,
- oder die Rührerdrehzahl konstant hält, beispielsweise im Bereich von 0,5 bis 10 h.- Or the stirrer speed keeps constant, for example in the range of 0.5 to 10 h.
insbesondere von etwa 10%, einstellen.in particular of about 10%.
der Luft erhöhen oder mit Sauerstoff begasen.increase the air or gas with oxygen.
adäquaten Sauerstoffeintrag einstellen. Die submaximale spezifische Wachstumsrate läßt sich vorzugsweise mit Hilfe desSet adequate oxygenation. The submaximal specific growth rate can preferably be determined by means of the
nachdem der technisch maximal zu realisierende Sauerstoff eintrag erreicht worden ist, mit Hilfe der pO2-Regelung durchafter the maximum technically achievable oxygen entry has been achieved, using the pO 2 control by
- das Verhältnis der Dauer des Batch-Abschnitts zur Dauer des Fed-Batch-Abschnitts und/oderthe ratio of the duration of the batch section to the duration of the fed batch section and / or
- im Fed-Batch-Abschnitt die Höhe der etwa konstant zu haltenden submaximalen spezifischen Wachstumsrate variiert. So können mindestens etwa 95g X/l, beispielsweise bei einer Kultivierung von E.coli TG1 bei μ = 0,107 1/h = const, im Fed-Batch-Abschnitt erreicht werden. '- In the fed-batch section, the height of the approximately constant submaximal specific growth rate varies. Thus, at least about 95 g X / l, for example, when culturing E. coli TG1 at μ = 0.107 1 / h = const, in the fed-batch section can be achieved. '
Nachdem für das jeweilige Fermentorsystem die Sauerstoffeintragsleistung nicht mehr gesteigert werden kann, erlaubt überraschenderweise das vorliegende Verfahren ein weiteres Wachstum; allerdings bei fallendem μ ohne eintretenden Mangel an Sauerstoff für die Zellen in der Kulturlösung mittels der vorliegenden pO2-Regelung. In dem oben beschriebenen Medium wurde auf diese Weise mit E.coli TG1 eine Biotrockenmassekonzentration von mindestens 110g X/l erhalten, wobei das Endvolumen zu 76% des Fermentornettovolumens nicht überschritten wirdSurprisingly, once the oxygen input rate can not be increased for the particular fermentor system, the present process allows further growth; but with decreasing μ without lack of oxygen for the cells in the culture solution by means of the present pO 2 control . In the medium described above, a biomass dry matter concentration of at least 110 g X / l was obtained in this way with E. coli TG1, with the final volume not exceeding 76% of the fermentor ferretovolume
Nachstehend wird die Erfindung durch eine Figur und ein Ausführungsbeispiel näher erläutert. The invention will be explained in more detail by a figure and an embodiment.
Das Hochzelldichte-Ferrnentationsverfahren soll am Beispiel der Kultivierung von E. coli TG1 im 72-l-Fermentor (B. Braun Melsungen AG, Typ 8015.1.01) näher beschrieben werden.The high cell density ferrination method will be described in more detail using the example of the cultivation of E. coli TG1 in the 72 l fermentor (B. Braun Melsungen AG, type 8015.1.01).
Die zu beimpfende Nährlösung von 37I enthielt folgende Bestandteile: Glukose (2C-j/l), KH2PO4 (13,3g/l), (NH4J2HPO4 (4g/l), MgSO4 · 7H2O (1,2g/l), Eisen-(lll)-zitrat (60mg/l), CoCI2 · 6H2O (2,5mg/l), MnCI2 · 4H2O (15mg/l), CuCI2 2H2O (1,5mg/l), H3BO3 (3mg/l), Na2MoO4 · 2H2O (2,5mg/l), Zn(CH3COO)2 · 2H2O (8mg/l),Thiamin (4,5mg/l), Titriplex III (8,4mg/l), Zitronensäure (1,7g/l) und Ucolub N115 (0,1 ml/l). Die Zubereitung dieser Nährlösung wurde folgendermaßen vorgenommen: Zunächst wurden 148g (NH4I2HPO4,492,1 g KH2PO4 und 62,9g Zitronensäure als Trockensubstanz in ca. 301 deionisiertem Wasser im Fermentor gelöst; dann folgten der Zusatz von 257,4 ml Spurengemischlösung, der Zusatz einer Eisen(lll)-zitratlösung (2,22 g Eisen(lll)-zitrat in 300ml) und von 3,7ml Ucolub N115. Die Spurengemischlösung wurde aus Stammlösungen in nachfolgenderThe broth to be inoculated from 37I contained the following components: glucose (2C-j / l), KH 2 PO 4 (13.3 g / l), (NH 4 J 2 HPO 4 ( 4 g / l), MgSO 4 .7H 2 O (1.2g / l), iron (III) citrate (60mg / l), CoCI 2 6H 2 O (2.5 mg / l), MnCl 2 .4H 2 O (15mg / l), CuCl 2 2H 2 O (1.5 mg / l), H 3 BO 3 ( 3 mg / l), Na 2 MoO 4 .2H 2 O (2.5 mg / l), Zn (CH 3 COO) 2 .2H 2 O (8 mg / l), thiamine (4.5 mg / l), Titriplex III (8.4 mg / l), citric acid (1.7 g / l) and Ucolub N115 (0.1 ml / l) The preparation of this nutrient solution was carried out as follows: Initially, 148 g (NH 4 I 2 HPO 4 , 492.1 g KH 2 PO 4 and 62.9 g citric acid as dry substance were dissolved in about 301 deionized water in the fermenter, followed by the addition of 257.4 ml trace mixture solution, the addition of a Iron (III) citrate solution (2.22 g iron (III) citrate in 300 ml) and 3.7 ml Ucolub N115 The trace mixture solution was prepared from stock solutions in the following
Weise hergestellt: 62,2ml Tltrlplex III (6g/l), 34,3ml CoCI2 · 2H2O (2,7g/l), 34,7ml CuCI2 · 2H2O (1,6g/l),34,7ml MnCI2 · 4H2O (16g/l), 27,8ml H3BO3 (4g/l), 30,8ml Ne2MoO4 · 2H2O (3g/l) und 32,9ml Zn(CH1COO)2 · 2H2O (9g/l). Die Lösung Im Fermentor wurde auf übliche Weise sterilisiert. Anschließend wurden zur Komplettierung noch separat steriliserte Glukoselösung (1,0175 kg Glukosemonohydrat in 2,51 H2O), sterilisierte Magnesiumsulfatlösung (44,5g MgSO4 7H2O in 11 H2O), sterilfiltrierte Thiaminlösung (166,5 mg in 10OmI H2O) zugesetzt, der pH-Wert mit wäßriger Ammoniaklösung (25%) auf 6,8 eingestellt, und schließlich mit sterilem H2O bis zum Erreichen von 36,81 aufgefüllt. Anschließend erfolgte die Beimpfung mit 20OmI einer aufgetauten Glycerln-Kulturkonserve (20% v/v) von E.coli TG1.Manner: 62,2ml Tltrlplex III (6g / l), 34,3ml CoCI 2 .2H 2 O (2.7g / l), 34,7ml CuCl 2 .2H 2 O (1.6g / l), 34, 7 ml of MnCl 2 · 4H 2 O (16 g / l), 27.8 ml of H 3 BO 3 ( 4 g / l), 30.8 ml of Ne 2 MoO 4 · 2H 2 O (3 g / l) and 32.9 ml of Zn (CH 1 COO) 2 x 2H 2 O (9 g / l). The solution In the fermentor was sterilized in the usual way. Then separately sterilized glucose solution (1.0175 kg glucose monohydrate in 2.5 l of H 2 O), sterilized magnesium sulfate solution (44.5 g MgSO 4 .7H 2 O in 11H 2 O), sterile-filtered thiamine solution (166.5 mg in 10OmI H 2 O) was added, the pH adjusted to 6.8 with aqueous ammonia solution (25%), and finally filled up with sterile H 2 O until reaching 36.81. Subsequently, the inoculation with 20OmI of a thawed Glycerln-Kulturvererve (20% v / v) of E. coli TG1.
Die Kultivierung von E. coli TG1 wurde bei einer Temperatur von 280C, einem Druck von 1,5 bar, einem pH-Wert von 6,8 und einer Begasungsrate von 85 l/min vorgenommen. Der pH-Wert wurde während der gesamten Fermentation durch geregelte Dosierung von 25% NH3 konstant gehalten. In Abb. 1 sind die zeitlichen Verläufe der Rührerdrehzahl, der Konzentration der Biotrockenmasse X, der Glukosekonzentration und der Gelöstsauerstoffkonzentration dargestellt. Im Batch-Abschnitt der Hochzelldichte-Fermentation wuchs die Kultur nach der Beimpfung zum Zeitpunkt t = O nach einer kurzen lag-Phase von ca. 2h mit maximaler spezifischer Wachstumsrate (pm«x = 0,456 1/h). Nach Erreichen des Wertes von 10% wurde der pO2 durch geregelte Erhöhung der Rührerdrehzahl im weiteren Verlauf konstant gehalten. Nach Verbrauch der zu Beginn vorgelegten Glukose war der Batch-Abschnitt beendet. Der pO2 stieg drastisch an. Danach erfolgte keine weitere Regelung des pO2 über die Rührerdrehzahl. Zur Absenkung der spezifischen Wachstumsrate von pmu = 0,456 auf μ = 0,11 1/h wurde die Rührerdrehzahl von 420 U/min auf 250U/min im Zeitraum von 30 Minuten abgesenkt. Anschließend wurde die pO2-Regelung über die Dosierung von mit Magnesiumsulfat (19,2g MgSO4 7 H2O/I) supplementierter Glukoselösung (700g/l) in Betrieb genommen. Die Konstanthaltung von μ In der Phase 1 des Fed-Batch-Abschnittes erfolgte durch Erhöhung des Sauerstoffeintrages. Zu diesem Zweck wurde die Drehzahl über einen PI-Regler mit der Regelgröße μ gestellt. Die spezifische Wachstumsrate wurde indirekt aus der Sauerstoffbilanz des Systems nach folgender Formel ermittelt:Cultivation of E. coli TG1 was carried out at a temperature of 28 ° C., a pressure of 1.5 bar, a pH of 6.8 and a gassing rate of 85 l / min. The pH was kept constant throughout the fermentation by controlled dosing of 25% NH 3 . Fig. 1 shows the time courses of the stirrer speed, the concentration of the dry biomass X, the glucose concentration and the dissolved oxygen concentration. In the high-cell-density fermentation batch section the culture grew after the inoculation at time t = O, after a short lag phase of approximately 2h with maximum specific growth rate (p m "x = 0.456 1 / h). After reaching the value of 10%, the pO 2 was kept constant by controlled increase of the stirrer speed in the further course. After consumption of initially submitted glucose, the batch section was completed. The PO 2 increased drastically. Thereafter, no further regulation of the pO 2 took place via the stirrer speed. To reduce the specific growth rate of p mu = 0.456 to μ = 0.11 1 / h, the stirrer speed was lowered from 420 rpm to 250 rpm for a period of 30 minutes. Thereafter, the pO 2 control was started via the dosing of glucose solution (700 g / l) supplemented with magnesium sulfate (19.2 g MgSO 4 .7H 2 O / I). The constant maintenance of μ In phase 1 of the fed-batch section was carried out by increasing the oxygen input. For this purpose, the speed was set via a PI controller with the controlled variable μ. The specific growth rate was determined indirectly from the oxygen balance of the system according to the following formula:
μ(ΰμ (ΰ
K + / Q02(r)dr toK + / Q 02 (r) dr to
wobei: Qoj die Sauerstoffverbrauchsrate undwhere: Qoj the oxygen consumption rate and
Am Ende der ersten Phase des Fed-Batch-Abschnittes wurde eine Konzentration an Biotrockenmasse von 95g/l erreicht. Aufgrund des nicht mehr erhöhbaren Sauerstoffeintrages in die Kulturlösung nach Erreichen der technisch maximal möglichen Rührerdrehzahl wuchs die Kultur in der Phase 2 des Fed-Batch-Abschnittes dann mit ständig fallendem μ. Am Ende dieser Phase und somit zu Fermentationsabschluß konnte eine Biotrockenmasse von 110g X/l erhalten werden.At the end of the first phase of the fed-batch section, a bio-dry matter concentration of 95 g / l was achieved. Due to the no longer increasing oxygen input into the culture solution after reaching the maximum technically possible stirrer speed, the culture in phase 2 of the fed-batch section then grew with constantly decreasing μ. At the end of this phase and thus to fermentation completion, a dry biomass of 110 g X / l could be obtained.
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und danach sterilisiert.- then, if necessary, anti-foaming agent
and then sterilized.
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