KR102382101B1 - Method and device for controlling protein production process with microbial fermentation - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method and an apparatus for controlling a protein production process by microbial fermentation using a near infrared spectrophotometer and chemometrics and, more specifically, to a method for simultaneously measuring and monitoring indices of multiple components of a fermented solution in real time utilizing a near infrared spectrophotometer and chemometrics when proteinase K is fermented using yeast (Pichia pastrois) microorganisms and automatically controlling a fermentation process in real time by using electrical signals of each component generated at this time and to an apparatus therefor. The present invention can perform definite process management and maximize productivity.

Description

미생물 발효에 의한 단백질 생산 공정을 제어하는 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR CONTROLLING PROTEIN PRODUCTION PROCESS WITH MICROBIAL FERMENTATION}Method and apparatus for controlling the protein production process by microbial fermentation

본 발명은 근적외선 분광분석기(Near Infrared Spectrophotometer)와 화학계량학(Chemometrics)을 이용하여 미생물 발효에 의한 단백질 생산 공정을 제어하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 효모(Pichia pastrois) 미생물을 이용하여 Proteinase K를 발효할 때 근적외선 분광분석기와 화학계량학을 이용하여 발효액 중의 여러 성분 지표를 동시에 측정하여 모니터링하고, 이때 발생하는 각 성분의 전기적 신호를 활용하여 발효 공정을 실시간으로 자동 제어하는 방법 및 이를 위한 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method and apparatus for controlling a protein production process by microbial fermentation using a Near Infrared Spectrophotometer and Chemometrics. More specifically, the present invention monitors and simultaneously measures and monitors several component indicators in the fermentation broth using a near-infrared spectrometer and chemometrics when fermenting Proteinase K using a yeast ( Pichia pastrois ) microorganism, and each component generated at this time It relates to a method for automatically controlling a fermentation process in real time by utilizing an electrical signal of the and an apparatus for the same.

발효 공정은 미생물을 이의 생육과 목적하는 생산 물질의 생산이 가능한 배지에 접종하여 미생물이 배지 성분의 소비를 통해 생육과 동시에 목적하는 생산 물질을 효율적으로 생산하기 위한 환경을 제공하고 관리하는 공정으로서, 미생물의 생리에 적합한 물리적, 화학적 공정 최적화가 필수적이다.The fermentation process is a process of inoculating a microorganism into a medium capable of its growth and production of the desired product material, and providing and managing an environment for the microorganism to efficiently produce the desired product material at the same time as growth through consumption of the medium component, Optimization of physical and chemical processes suitable for the physiology of microorganisms is essential.

발효 공정 최적화와 관련된 물리적 인자들 중 교반수, 온도, 내압, pH, 용존산소 등은 이미 신뢰도가 높은 측정센서 등 계측기가 개발되어 있는 덕분에 온라인 실시간 분석이 보편화되어 현재의 기술로도 실시간 모니터링과 제어가 가능하다. 하지만, 현재 발효 공정 관리에 통상적으로 적용되는 상기 인자들 외에 발효 공정의 실시간 관리나 최적화에 필수적인 주요 배지성분의 농도 변화, 미생물의 생육 프로파일, 목적 생산물질과 부산물의 생성 트렌드 등 발효 환경의 경시적 변화의 경우에는 이를 즉각적으로 분석할 수 있는 측정기(센서 등)나 분석방법이 개발되어 있지 않다. 이러한 이유로, 현재까지의 발효 공정 실험과 생산 현장 관리는 발효액 시료를 채취하여 별도의 전용 분석기에서 각각의 성분을 개별적으로 분석하는 오프라인 분석 방법이나 경험에 의존하고 있어서 발효 공정의 최적화나 공정 관리, 특히 실시간 공정 관리의 적용은 화학공정 대비 매우 낮은 수준이다. 미생물에 의한 생화학 반응의 비실시간 분석 결과를 이용하는 것은 발효 최적화 또는 관리에 효율성이 낮고, 분석작업에 많은 시간과 인력이 필요한 단점이 있다. Among the physical factors related to fermentation process optimization, agitation water, temperature, internal pressure, pH, dissolved oxygen, etc. have already been developed with high-reliability measuring sensors such as high-reliability measuring sensors. control is possible. However, in addition to the above factors normally applied to the current fermentation process management, changes in the concentration of major media components essential for real-time management or optimization of the fermentation process, the growth profile of microorganisms, and the generation trend of target products and by-products over time In case of change, no measuring device (sensor, etc.) or analysis method has been developed to analyze it immediately. For this reason, until now, fermentation process experiments and production site management depend on offline analysis methods or experiences that collect fermentation broth samples and analyze each component individually in a separate, dedicated analyzer. The application of real-time process control is very low compared to chemical processes. Using non-real-time analysis results of biochemical reactions by microorganisms has disadvantages in that efficiency is low in fermentation optimization or management, and a lot of time and manpower are required for analysis.

뿐만 아니라, 최근에는 많은 종류의 유전자 변형 생물체(Genetically Modified Organisms, GMO)에 속하는 미생물이 연구 또는 생산 현장에 적용되고 있고 사멸 전의 유전자 변형 미생물 균주의 외부 환경 유출에 대한 규정 수위가 엄격해지고 있는데, 주로 배양 공정 분석을 위해 채취하는 배양액 샘플링이 생산 또는 연구 현장에서 미생물 배양 시 발생하는 주요 유출 경로 중의 하나로 인식되고 있다.In addition, recently, microorganisms belonging to many types of Genetically Modified Organisms (GMOs) are being applied to research or production sites, and the level of regulation for the outflow of genetically modified microorganism strains before death to the external environment is becoming stricter, mainly Sampling of the culture medium collected for analysis of the culture process is recognized as one of the main outflow pathways that occur during microbial culture at the production or research site.

한편, 최근 전자, 정보 통신 및 광학기기의 발전과 분광분석 스펙트럼의 정보를 정확하고 신속하게 처리할 있는 인공지능(AI) 화학계량학의 급속한 발전으로 인하여 분광분석 기술의 확대 적용이 가능하게 되었다. 그 중에서도, 근적외선 분광분석 기술은 시료의 전처리 없이 단시간에 여러 성분을 연속적으로 동시에 분석할 수 있어, 각각의 성분별로 분석해 오던 기존의 습식 분석법에 비해 여러 가지 성분을 한번의 분석으로 시료 전처리없이 동시에 분석할 수 있다. 따라서, 분석시간, 비용, 및 노동력 등을 현저히 감소시킬 수 있을뿐만 아니라 전처리 등을 위해 사용되는 시간과 유해한 화학 약품의 사용 없이 신속한 정량 분석이 가능하다. 종래에 근적외선 분광분석 기술은 주로 사과나 밀감 등의 당도를 비파괴 전수 분석하는 등 농산물의 품질 분석에 사용되거나(한국 산업식품공학회 11권 1호 p38~48; 한국화학회지 2005, Vol.49, No. 6; 한국공작기계학회 Vol. 15, No. 5), 석유화학공정의 공정 관리(한국 근적외분광분석학회 2001. June 01, P. 1082~1082; 한국근적외분광분석 학회 2002, Nov.01, p63~73) 등에 이용되어 왔다.On the other hand, recent advances in electronics, information communication and optical devices and the rapid development of artificial intelligence (AI) chemometrics that can accurately and quickly process information on spectroscopy spectra have made it possible to expand the application of spectral analysis technology. Among them, the near-infrared spectroscopy technology can analyze several components continuously and simultaneously in a short time without sample pre-treatment, so multiple components can be analyzed simultaneously without sample pre-treatment in one analysis compared to the existing wet analysis method that has been analyzed for each component can do. Therefore, it is possible to significantly reduce analysis time, cost, and labor, as well as time used for pre-treatment and rapid quantitative analysis without the use of harmful chemicals. Conventionally, near-infrared spectroscopy technology has been mainly used for quality analysis of agricultural products such as non-destructive total analysis of sugar content of apples and citrus fruits (Korean Society of Industrial and Food Engineers Vol. 11, No. 1, p38~48; Journal of the Korean Chemical Society 2005, Vol.49, No. 6; Korean Society of Machine Tools Vol. 15, No. 5), process management of petrochemical processes (Korean Society of Near Infrared Spectroscopy 2001. June 01, P. 1082~1082; Korean Society of Near Infrared Spectroscopy 2002, Nov. 01 , p63-73), etc. have been used.

한국 공개 특허 출원 제2015-0077576호Korean Patent Application No. 2015-0077576 한국 등록 특허 제1605995호Korean Patent No. 1605995

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 모두 해결하는 것을 그 목적으로 한다. An object of the present invention is to solve all of the problems of the prior art described above.

본 발명은 미생물의 발효에 따른 발효액 성분 변화에 대한 정보를 실시간 모니터링할 수 있는 검량 모델을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다. Another object of the present invention is to provide a calibration model capable of monitoring information on changes in fermentation broth components according to fermentation of microorganisms in real time.

본 발명은 미생물 발효에 따른 발효액 성분 변화에 대한 실시간 정보에 대응하여 발효 공정을 실시간 자동 제어하는 것을 다른 목적으로 한다. Another object of the present invention is to automatically control the fermentation process in real time in response to real-time information on changes in fermentation broth components according to microbial fermentation.

본 발명은 미생물 발효를 인시투(in situ) 모니터링함으로써 미생물 발효 시스템 외부로 미생물 유출이 없도록 제어할 수 있는 것을 다른 목적으로 한다. Another object of the present invention is to be able to control the microbial fermentation outside the microbial fermentation system by monitoring the microbial fermentation in situ.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 대표적인 구성은 다음과 같다.A representative configuration of the present invention for achieving the above object is as follows.

본 발명의 일 태양에 따르면, 미생물 발효에 의한 단백질 생산 공정을 실시간 제어하는 방법으로서, (i) 하나 이상의 발효액 성분 지표의 각각에 특이적인 둘 이상의 근적외선 파장 영역을 이용하여 얻은 검량 모델을 제공하는 단계, 및 (ii) 상기 둘 이상의 근적외선 파장 영역의 광원으로 상기 발효액 성분 지표 각각의 변화를 모니터링하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다. According to an aspect of the present invention, there is provided a method for real-time control of a protein production process by microbial fermentation, comprising the steps of (i) providing a calibration model obtained using two or more near-infrared wavelength regions specific for each of one or more fermentation broth component indicators , and (ii) monitoring each change in the fermentation broth component index with a light source in the two or more near-infrared wavelength regions is provided.

본 발명의 다른 태양에 따르면, 미생물 발효에 의해 단백질을 생산하기 위한 발효 시스템으로서, (i) 하나 이상의 발효액 성분 지표의 변화를 모니터링하기 위해 상기 발효액 성분 지표 각각에 특이적인 둘 이상의 근적외선 파장 영역을 이용하여 얻은 검량 모델을 포함하고 미생물 발효에 의한 단백질 생산 공정을 실시간 모니터링 및 제어하는 컨트롤부를 포함하는 발효 시스템이 제공된다. According to another aspect of the present invention, there is provided a fermentation system for producing a protein by microbial fermentation, (i) using two or more near-infrared wavelength regions specific for each of the fermentation broth component indicators to monitor a change in one or more fermentation broth component indicators. A fermentation system including a control unit for real-time monitoring and control of a protein production process by microbial fermentation is provided.

이 외에도, 본 발명을 구현하기 위한 다른 방법, 다른 시스템 및 상기 방법을 실행하기 위한 비일시성의 컴퓨터 프로그램을 기록하는 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체가 더 제공된다. In addition to this, another method for implementing the present invention, another system, and a computer-readable recording medium for recording a non-transitory computer program for executing the method are further provided.

본 발명에 따른 미생물 발효에 의한 단백질 생산 공정을 실시간 제어하는 방법은, 발효 공정의 주요 성분 지표의 변화를 실시간으로 모니터링하고 이때 발생하는 각 성분의 전기적 신호를 활용하여 발효 공정을 실시간으로 자동 제어하여 정확한 공정 관리와 생산성을 최대화할 수 있는 효과를 발휘한다. 또한, 본 발명의 방법은 발효 배양 중 샘플링 없이 여러가지 성분을 동시에 실시간으로 분석할 수 있으므로 발효 공정에 유전자 변형 미생물이 사용되는 경우 그러한 미생물의 외부 유출 문제를 근본적으로 해결할 수 있다.The method for real-time control of the protein production process by microbial fermentation according to the present invention monitors changes in key component indicators of the fermentation process in real time and automatically controls the fermentation process in real time by using the electrical signals of each component generated at this time. It has the effect of maximizing accurate process control and productivity. In addition, since the method of the present invention can analyze various components simultaneously in real time without sampling during fermentation culture, when genetically modified microorganisms are used in the fermentation process, the problem of external leakage of such microorganisms can be fundamentally solved.

도 1은 근적외선 분광 분석기와 발효 공정을 나타내는 모식도이다.
도 2는 Proteinase K 발효액의 원시 스펙트럼(Raw Spectrum)(Wavenumber: cm-1)을 나타낸다.
도 3은 Proteinase K 발효액의 Proteinase K(단백질) 농도 스펙트럼의 선택 영역(Calibration, Wavenumber: cm-1)을 나타낸다.
도 4는 Proteinase K 발효액의 Proteinase K 농도 측정 스펙트럼(1차 미분(1st Derivative))을 나타낸다.
도 5는 Proteinase K 발효액의 Proteinase K 농도의 켈리브레이션(Calibration) 검량식 모델을 나타낸다.
도 6은 Proteinase K 발효액의 Proteinase K 농도의 발리데이션 검량식 모델을 나타낸다.
도 7은 Proteinase K 발효액의 탄소원인 글리세롤(Glycerol) 농도 스펙트럼의 선택 영역(Calibration Wavenumber: cm-1)을 나타낸다.
도 8은 Proteinase K 발효액의 탄소원인 글리세롤 농도 측정 스펙트럼(1차 미분)을 나타낸다.
도 9는 Proteinase K 발효액의 탄소원인 글리세롤 농도의 켈리브레이션 검량식 모델을 나타낸다.
도 10은 Proteinase K 발효액의 탄소원인 글리세롤 농도의 발리데이션 검량식 모델을 나타낸다.
도 11은 Proteinase K 발효액의 탄소원인 메탄올(Methanol) 농도 스펙트럼의 선택 영역(Calibration, Wavenumber: cm-1)을 나타낸다.
도 12는 Proteinase K 발효액의 탄소원인 메탄올 농도 측정 스펙트럼(1차 미분)을 나타낸다.
도 13은 Proteinase K 발효액의 탄소원인 메탄올 농도의 켈리브레이션 검량식 모델을 나타낸다.
도 14는 Proteinase K 발효액의 탄소원인 메탄올 농도의 발리데이션 검량식 모델을 나타낸다.
도 15는 Proteinase K 발효액의 균체 생육도를 나타내는 흡광도(Optical density) 스펙트럼의 선택 영역(Calibration, Wavenumber: cm-1)을 나타낸다.
도 16은 Proteinase K 발효액의 균체 생육도를 나타내는 흡광도 측정 스펙트럼(1차 미분)을 나타낸다.
도 17은 Proteinase K 발효액의 균체 생육도를 나타내는 흡광도의 켈리브레이션 검량식 모델을 나타낸다.
도 18은 Proteinase K 발효액의 균체 생육도를 나타내는 흡광도의 발리데이션 검량식 모델을 나타낸다.
도 19는 근적외선 분광분석기를 발효조에 연결하여 온라인 상태에서 Proteinase K 농도, 탄소원인 글리세롤과 메탄올 농도, 균의 생육을 나타내는 흡광도(OD) 경향을 검량식 모델로 모니터링하고 탄소원의 농도를 관리하기 위해 탄소원인 글리세롤과 메탄올을 실시간으로 자동 투입하고 컨트롤한 결과를 나타낸다.
1 is a schematic diagram showing a near-infrared spectrometer and a fermentation process.
Figure 2 shows the raw spectrum (Raw Spectrum) (Wavenumber: cm-1) of the Proteinase K fermentation broth.
3 shows the selected region (Calibration, Wavenumber: cm-1) of the Proteinase K (protein) concentration spectrum of the Proteinase K fermentation broth.
4 shows a proteinase K concentration measurement spectrum (1st Derivative) of a Proteinase K fermentation broth.
5 shows a calibration model of the proteinase K concentration of the Proteinase K fermentation broth.
6 shows a calibration model of validation of Proteinase K concentration of Proteinase K fermentation broth.
7 shows a selection region (Calibration Wavenumber: cm-1) of the concentration spectrum of glycerol, a carbon source of Proteinase K fermentation broth.
Figure 8 shows the measurement spectrum (first differential) of the concentration of glycerol, a carbon source of Proteinase K fermentation broth.
9 shows a calibration model of the glycerol concentration, a carbon source of Proteinase K fermentation broth.
10 shows a calibration model of validation of glycerol concentration, which is a carbon source of Proteinase K fermentation broth.
11 shows the selected region (Calibration, Wavenumber: cm-1) of the concentration spectrum of methanol, which is the carbon source of Proteinase K fermentation broth.
12 shows a measurement spectrum (primary differential) of methanol, which is a carbon source, of Proteinase K fermentation broth.
13 shows a calibration model of the methanol concentration, which is a carbon source of Proteinase K fermentation broth.
14 shows a validation calibration model of methanol concentration, which is a carbon source of Proteinase K fermentation broth.
15 shows a selected region (Calibration, Wavenumber: cm-1) of an absorbance (optical density) spectrum indicating the cell growth of Proteinase K fermentation broth.
16 shows an absorbance measurement spectrum (first differential) showing the cell growth of Proteinase K fermentation broth.
17 shows a calibration calibration model of absorbance indicating the cell growth of Proteinase K fermented broth.
18 shows a validation calibration model of absorbance indicating the cell growth of Proteinase K fermented broth.
19 is a calibration model to monitor Proteinase K concentration, carbon source glycerol and methanol concentration, and absorbance (OD) trend indicating the growth of bacteria in an online state by connecting a near-infrared spectrometer to the fermenter, and to manage the concentration of the carbon source The results of automatic input and control of phosphorus glycerol and methanol in real time are shown.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명의 일 태양에 따르면, 미생물 발효에 의한 단백질 생산 공정을 실시간 제어하는 방법으로서, (i) 하나 이상의 발효액 성분 지표의 각각에 특이적인 둘 이상의 근적외선 파장 영역을 이용하여 얻은 검량 모델을 제공하는 단계, 및 (ii) 상기 둘 이상의 근적외선 파장 영역의 광원으로 상기 발효액 성분 지표 각각의 변화를 모니터링하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다. According to an aspect of the present invention, there is provided a method for real-time control of a protein production process by microbial fermentation, comprising the steps of (i) providing a calibration model obtained using two or more near-infrared wavelength regions specific for each of one or more fermentation broth component indicators , and (ii) monitoring each change in the fermentation broth component index with a light source in the two or more near-infrared wavelength regions is provided.

본 발명자들은, 단백질 생산을 위한 미생물 발효 시 발효액에 존재하는 미생물, 단백질, 배지 성분 등과 같은 하나 이상의 발효액 성분을 실시간으로 모니터링 및/또는 제어하기 위한 방법을 개발하기 위해 예의 노력한 결과, 각 발효액 성분을 특이적으로 검출/검량할 수 있는 둘 이상의 근적외선 파장 영역을 밝혀내고, 상기 둘 이상의 근적외선 파장 영역을 사용하여 발생하는 각 성분의 전기적 신호를 수치화할 수 있는 검량 모델을 구축함으로써 본 발명을 완성하였다. The present inventors have made diligent efforts to develop a method for monitoring and/or controlling one or more fermentation broth components in real time, such as microorganisms, proteins, media components, etc., present in the fermentation broth during microbial fermentation for protein production. As a result, each fermentation broth component is The present invention was completed by discovering two or more near-infrared wavelength regions that can be specifically detected/calibrating, and constructing a calibration model that can quantify the electrical signals of each component generated using the two or more near-infrared wavelength regions.

상기 방법은 상기 모니터링을 통해 발생하는 각 성분 지표의 전기적 신호에 대응하여 발효 공정을 실시간 제어하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. The method may further include the step of controlling the fermentation process in real time in response to the electrical signal of each component indicator generated through the monitoring.

일 구현예에서, 상기 모니터링은 프로브(probe) 형태로 발효관에 부착된 근적외선 분광분석기를 통해 수행될 수 있다. In one embodiment, the monitoring may be performed through a near-infrared spectrometer attached to the fermentation tube in the form of a probe.

일 구현예에서, 상기 모니터링은 발효액의 샘플링 없이 인 시투(in situ)로 수행될 수 있다. In one embodiment, the monitoring may be performed in situ without sampling of the fermentation broth.

상기 근적외선 분광분석기는 프로브 형태로 발효관에 부착되어, 샘플링 없이 상기 단백질 발효액 성분 지표의 변화가 모니터링될 수 있다. 예를 들어, 외부 환경으로의 유출이 바람직하지 않은 유전자 변형 미생물 균주가 사용되는 경우, 발효관에 밀폐 상태로 연결된 근적외선 분광분석기 프로브를 측정 센서로 사용하여 발효액 성분 지표를 모니터링하는 밀폐 공정 관리(Contained process control)인 온탱크(On-Tank) 또는 인라인(In-Line) 무샘플링 발효 공정 분석 관리가 이용될 수 있다.The near-infrared spectrometer is attached to the fermentation tube in the form of a probe, so that the change in the component index of the protein fermentation broth can be monitored without sampling. For example, when a genetically modified microorganism strain that is undesirable to leak to the external environment is used, a closed process control (Contained Process Control) that monitors fermentation broth component indicators using a near-infrared spectrometer probe sealed to the fermentation tube as a measurement sensor (Contained) Process control, On-Tank or In-Line Sampling Free Fermentation Process Analytical Control may be used.

상기 미생물은 탄소원으로부터 발효를 통해 단백질을 생산할 수 있는 한 어떠한 미생물이라도 포함될 수 있다. 예를 들어, 상기 미생물은 LMO(Living modified organisms)를 포함하는 유전자 변형 생물체(GMO)에 속하는 미생물일 수 있다. 구체적으로 상기 미생물은 박테리아 또는 효모일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 미생물은 피치아 파스토리스(Pichia pastoris)일 수 있다.The microorganism may include any microorganism as long as it can produce a protein through fermentation from a carbon source. For example, the microorganism may be a microorganism belonging to a genetically modified organism (GMO) including living modified organisms (LMOs). Specifically, the microorganism may be bacteria or yeast. More specifically, the microorganism may be Pichia pastoris .

상기 단백질은 미생물이 생산하거나 재조합 기술에 의해 생산할 수 있도록 조작된 임의의 단백질을 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 상기 단백질은 Proteinase K일 수 있다.The protein may include any protein that has been engineered to be produced by a microorganism or to be produced by recombinant technology. In one embodiment, the protein may be Proteinase K.

상기 단백질의 생산을 위한 미생물 발효의 탄소원으로 글리세롤, 메탄올, 또는 이들의 조합이 사용될 수 있다. As a carbon source of microbial fermentation for the production of the protein, glycerol, methanol, or a combination thereof may be used.

상기 미생물 발효는 회분식, 연속식 또는 유가식 배양일 수 있다. 바람직하게는 상기 미생물 발효는 연속식 또는 유가식 배양일 수 있다. The microbial fermentation may be batch, continuous or fed-batch culture. Preferably, the microbial fermentation may be a continuous or fed-batch culture.

상기 미생물 발효에서 모니터링이 필요한 발효액 성분은 미생물 발효에 사용되는 미생물, 탄소원, 질소원, 다른 유기 성분, 무기 성분, 생산하고자 하는 단백질일 수 있다. 상기 발효액 성분 지표는 상기 발효액 성분의 발효액 내 농도 변화를 알 수 있는 임의의 지표일 수 있다. 예컨대, 발효액에 존재하는 각 성분의 농도일 수 있다. 미생물의 경우, 미생물의 생육도 또는 농도를 나타내는 흡광도일 수 있다. Fermentation broth components that need to be monitored in the microbial fermentation may be microorganisms, carbon sources, nitrogen sources, other organic components, inorganic components, and proteins to be produced used for microbial fermentation. The fermentation broth component indicator may be any index capable of determining a change in the concentration of the fermentation broth component in the fermentation broth. For example, it may be the concentration of each component present in the fermentation broth. In the case of a microorganism, it may be an absorbance indicating the growth or concentration of the microorganism.

일 구현예에서, 상기 미생물 발효는 Proteinase K 생산을 위한 효모의 연속식 또는 유가식 배양에 의해 이루어질 수 있다. 상기 미생물 발효의 탄소원으로는 글리세롤 및 메탄올이 사용될 수 있다. In one embodiment, the microbial fermentation may be performed by continuous or fed-batch culture of yeast for Proteinase K production. Glycerol and methanol may be used as carbon sources for the microbial fermentation.

이 때, 상기 발효액 성분 지표는 Proteinase K 농도, 글리세롤 농도, 메탄올 농도, 및 미생물 생육도(흡광도)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다. In this case, the fermentation broth component indicator may be one or more selected from the group consisting of Proteinase K concentration, glycerol concentration, methanol concentration, and microbial growth (absorbance).

본 명세서에 사용된 근적외선 파장은, 가시광선과 중적외선 사이에 존재하는 800 내지 2500 nm(12,000 내지 4,000 cm-1)의 근적외선(Near Infrared, NIR) 영역의 파장을 의미한다. As used herein, the near-infrared wavelength means a wavelength in the near-infrared (NIR) region of 800 to 2500 nm (12,000 to 4,000 cm-1) that exists between visible and mid-infrared rays.

상기 방법에서 검량 모델의 제공 또는 모니터링은 근적외선 분광분석기를 이용하여 수행될 수 있다. In the method, the provision or monitoring of the calibration model may be performed using a near-infrared spectrometer.

상기 검량 모델의 제공 또는 모니터링을 위해 하나의 발효액 성분 지표에 대해 둘 이상의 근적외선 파장 영역을 조합하여 사용할 수 있다. 구체적으로, 하나의 발효액 성분 지표의 검량 모델을 제공하거나 모니터링하기 위해 2개의 근적외선 파장 영역을 조합하여 사용하는 것이 바람직할 수 있다. In order to provide or monitor the calibration model, two or more near-infrared wavelength regions may be used in combination for one fermentation broth component indicator. Specifically, it may be desirable to use two near-infrared wavelength regions in combination to provide or monitor a calibration model of one fermentation broth component indicator.

일 구현예에서, 상기 둘 이상의 파장 영역은 상기 Proteinase K 농도의 경우 9403.5 내지 7498.1 cm-1의 파장 영역 및 6101.9 내지 5446.2 cm-1의 파장 영역을 포함하고; 상기 글리세롤 농도의 경우 8886.7 내지 7745.0 cm-1의 파장 영역 및 5870.4 내지 5420.0 cm-1의 파장 영역을 포함하고; 상기 메탄올 농도의 경우 8457.7 내지 7498.1 cm-1의 파장 영역 및 6101.9 내지 5446.2 cm-1의 파장 영역을 포함하고; 상기 미생물 생육도의 경우 8535.3 내지 7503.4 cm-1의 파장 영역 및 5797.2 내지 5439.5 cm-1의 파장 영역을 포함할 수 있다. In one embodiment, the two or more wavelength regions include a wavelength region of 9403.5 to 7498.1 cm -1 and a wavelength region of 6101.9 to 5446.2 cm -1 in the case of the Proteinase K concentration; In the case of the glycerol concentration, it includes a wavelength region of 8886.7 to 7745.0 cm -1 and a wavelength region of 5870.4 to 5420.0 cm -1 ; the methanol concentration includes a wavelength range of 8457.7 to 7498.1 cm-1 and a wavelength range of 6101.9 to 5446.2 cm-1; The microbial viability may include a wavelength region of 8535.3 to 7503.4 cm -1 and a wavelength region of 5797.2 to 5439.5 cm -1 .

상기 방법에 사용되는 검량 모델은, (a) 상기 발효액의 시료를 일정 시간 간격으로 n개 채취하는 단계, (b) 채취된 n개 시료 중 m개 시료에 대해 근적외선 분광분석기를 이용하여 칼리브레이션(Calibration)용 원시 스펙트럼을 측정하는 단계, (c) 상기 원시 스펙트럼이 측정된 m개 시료에 대해 이화학적 표준 분석을 수행하는 단계, (d) 단계 (b)에서 측정된 원시 스펙트럼을 통계학적으로 전처리하는 단계, (e) 단계 (d)에서 전처리된 스펙트럼 중 정량하고자 하는 하나 이상의 발효액 성분 지표 각각에 특이적인 둘 이상의 근적외선 파장 영역을 선별하고, 선별된 영역의 스펙트럼으로부터 화학계량학(Chemometrics)을 통해 칼리브레이션 검량 모델을 구축하는 단계, 및 (f) 상기 원시 스펙트럼 측정에 사용되지 않은 n-m개 시료를 단계 (e)에서 개발된 칼리브레이션 검량식 모델에 적용하여 얻은 결과를, 단계 (c)에서 얻은 상기 이화학적 표준 분석 결과와 비교하여 검정하고 최적화하는 단계를 포함하는 방법에 의해 얻어질 수 있다. The calibration model used in the method includes the steps of (a) collecting n samples of the fermentation broth at regular time intervals, (b) calibrating m samples out of the n samples collected using a near-infrared spectrometer. Measuring the raw spectrum for ), (c) performing physicochemical standard analysis on m samples for which the raw spectrum was measured, (d) statistically preprocessing the raw spectrum measured in step (b) Step, (e) Select two or more near-infrared wavelength regions specific for each of one or more fermentation broth component indicators to be quantified from the spectrum pretreated in step (d), and calibrate from the spectrum of the selected region through chemometrics constructing a calibration model, and (f) applying the results obtained by applying the nm samples not used for the raw spectrum measurement to the calibration calibration model developed in step (e), the physicochemical model obtained in step (c) can be obtained by a method comprising the steps of assaying and optimizing compared to standard analytical results.

상기 n 및 m은 자연수이고, n은 m보다 큰 자연수이다. 바람직하게는, 상기 n 및 m은 50 이상, 100 이상, 150 이상, 200 이상, 250 이상, 300 이상, 350 이상, 400 이상, 450 이상, 500 이상의 자연수일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 검량 모델의 정확도를 증가시키기 위해 그보다 큰 자연수일 수 있다. Wherein n and m are natural numbers, and n is a natural number greater than m. Preferably, n and m may be natural numbers of 50 or more, 100 or more, 150 or more, 200 or more, 250 or more, 300 or more, 350 or more, 400 or more, 450 or more, 500 or more, but is not limited thereto. It can be any larger natural number to increase the accuracy of the calibration model.

또한 상기 n 및 m의 차이는 10 이상, 50 이상, 100 이상, 150 이상, 200 이상, 250 이상 또는 300 이상일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. In addition, the difference between n and m may be 10 or more, 50 or more, 100 or more, 150 or more, 200 or more, 250 or more, or 300 or more, but is not limited thereto.

상기 n 및 m은 통계 처리를 위해 검량 모델을 도출해 내기 위해 적합하게 큰 수인 것으로, 통상의 기술자에 의해 용이하게 선택되어 사용될 수 있다. The n and m are large numbers suitable for deriving a calibration model for statistical processing, and can be easily selected and used by a person skilled in the art.

본 명세서에서 사용된 "화학계량학"이란 스펙트럼이나 크로마토그램과 같은 다양한 분석화학 데이터에서 원하는 정보를 도출하여 정성 및 정량분석을 가능하게 하는 수학적 통계 알고리즘을 총칭하는 것이다. 화학계량학에서는 주로 다변량 분석(Multivariate analysis)이 사용될 수 있다. 다변량 분석은 단변량 분석과는 대조되는 방법으로 여러 개의 독립변수에 대한 여러 개의 종속변수를 동시에 분석하는 통계적 기법이다. 화학계량학의 통계적 분석에는 다중선형회귀분석법(Multiple Linear Regression, MLR), 주성분회귀분석법(Principl Component Regression, PCL), 부분최소자승법(Partial Least Squares, PLS), 변형부분최소자승법(Modified Partial Least Squares, MPLS) 등이 사용될 수 있고, 특히, 부분최소자승법(Partial Least Squares, PLS)가 사용될 수 있다. As used herein, "chemometrics" is a generic term for mathematical statistical algorithms that enable qualitative and quantitative analysis by deriving desired information from various analytical chemistry data such as spectra or chromatograms. In chemometrics, multivariate analysis may be mainly used. In contrast to univariate analysis, multivariate analysis is a statistical technique that simultaneously analyzes multiple dependent variables for multiple independent variables. Statistical analysis of chemometrics includes Multiple Linear Regression (MLR), Principal Component Regression (PCL), Partial Least Squares (PLS), Modified Partial Least Squares, MPLS) may be used, and in particular, Partial Least Squares (PLS) may be used.

본 명세서에서, 용어 "부분최소자승법(PLS)"은 "부분최소자승회귀분석법(Partial least square regression, PLSR)"이라는 용어와 상호 교환적으로 사용될 수 있다. In this specification, the term “partial least squares method (PLS)” may be used interchangeably with the term “partial least squares regression (PLSR)”.

상기 검량 모델을 통해, 미생물 발효 과정에서 변화되는 시시각각 변화하는 발효액 성분 지표들 각각의 변화를 실시간 모니터링하는 것이 가능하고, 상기 발효 공정이 실시간으로 자동 제어될 수 있다. Through the calibration model, it is possible to monitor in real time the change of each of the indices of the fermentation broth components that are changed in the process of microbial fermentation in real time, and the fermentation process can be automatically controlled in real time.

본 발명의 다른 태양에 따르면, 미생물 발효에 의해 단백질을 생산하기 위한 발효 시스템으로서, (i) 하나 이상의 발효액 성분 지표의 변화를 모니터링하기 위해 상기 발효액 성분 지표 각각에 특이적인 둘 이상의 근적외선 파장 영역을 이용하여 얻은 검량 모델을 포함하고 미생물 발효에 의한 단백질 생산 공정을 실시간 모니터링 및 제어하는 컨트롤부를 포함하는 발효 시스템이 제공된다. According to another aspect of the present invention, there is provided a fermentation system for producing a protein by microbial fermentation, (i) using two or more near-infrared wavelength regions specific for each of the fermentation broth component indicators to monitor a change in one or more fermentation broth component indicators. A fermentation system including a control unit for real-time monitoring and control of a protein production process by microbial fermentation is provided.

일 구현예에서, 상기 발효 시스템은 (ii) 미생물 발효를 위한 발효부 및 (iii) 근적외선 분광분석부를 추가로 포함할 수 있다.In one embodiment, the fermentation system may further include (ii) a fermentation unit for microbial fermentation and (iii) a near-infrared spectroscopy unit.

일 구현예에서, 상기 컨트롤부는 상기 하나 이상의 발효액 성분 지표의 변화를 모니터링하여 발생하는 각 성분 지표의 전기적 신호에 대응하여 발효 공정을 실시간으로 자동 제어할 수 있다. In one embodiment, the control unit may automatically control the fermentation process in real time in response to an electrical signal of each component indicator generated by monitoring changes in the one or more fermentation broth component indicators.

일 구현예에서, 상기 발효부는 미생물 발효를 위해 필요한 발효조, 교반기, 배양액 공급 관, 가스 관 등 미생물 발효를 위해 당업계에 공지된 임의의 수단, 장치 등을 포함할 수 있으며 이에 제한되지 않는다. In one embodiment, the fermentation unit may include, but is not limited to, any means, apparatus, etc. known in the art for microbial fermentation, such as a fermenter, a stirrer, a culture solution supply pipe, a gas pipe, etc. necessary for microbial fermentation.

일 구현예에서, 상기 근적외선 분광분석부는 발효부에 프로브 형태로 장착되어 있을 수 있다. 상기 근적외선 분광분석기는 프로브 형태로 발효관에 부착되어, 샘플링 없이 상기 단백질 발효액 성분 지표의 변화가 실시간 모니터링될 수 있다. 예를 들어, 외부 환경으로의 유출이 바람직하지 않은 유전자 변형 미생물 균주가 사용되는 경우, 발효관에 밀폐 상태로 연결된 근적외선 분광분석기 프로브를 측정 센서로 사용하여 발효액 성분 지표를 모니터링하는 밀폐 공정 관리(Contained process control)인 온탱크(On-Tank) 또는 인라인(In-Line) 무샘플링 발효 공정 분석 관리 시스템이 이용될 수 있다.In one embodiment, the near-infrared spectrometer may be mounted in the form of a probe in the fermentation unit. The near-infrared spectrometer is attached to the fermentation tube in the form of a probe, so that the change in the component index of the protein fermentation broth can be monitored in real time without sampling. For example, when a genetically modified microorganism strain that is undesirable to leak to the external environment is used, a closed process control (Contained Process Control) that monitors fermentation broth component indicators using a near-infrared spectrometer probe sealed to the fermentation tube as a measurement sensor (Contained) An on-tank or in-line (in-line) sampling-free fermentation process analysis management system that is process control may be used.

일 구현예에서, 상기 발효 시스템은 밀폐식일 수 있다. 예컨대, 상기 발효 시스템은 온탱크(On-tank) 측정 설비를 통해 미생물 발효에 의한 단백질 생산 공정의 발효 상태를 확인할 수 있다. In one embodiment, the fermentation system may be hermetic. For example, the fermentation system may check the fermentation state of the protein production process by microbial fermentation through an on-tank measurement facility.

상기 미생물은 탄소원으로부터 발효를 통해 단백질을 생산할 수 있는 한 어떠한 미생물이라도 포함될 수 있다. 예를 들어, 상기 미생물은 LMO(Living modified organisms)를 포함하는 유전자 변형 생물체(GMO)에 속하는 미생물일 수 있다. 구체적으로 상기 미생물은 박테리아 또는 효모일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 미생물은 피치아 파스토리스(Pichia pastoris)일 수 있다.The microorganism may include any microorganism as long as it can produce a protein through fermentation from a carbon source. For example, the microorganism may be a microorganism belonging to a genetically modified organism (GMO) including living modified organisms (LMOs). Specifically, the microorganism may be bacteria or yeast. More specifically, the microorganism may be Pichia pastoris .

일 구현예에서, 상기 발효액 성분 지표는 Proteinase K 농도, 글리세롤 농도, 메탄올 농도, 및 미생물 생육도(흡광도)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다. 예컨대, 상기 하나 이상의 발효액 성분 지표는 미생물 생육을 위한 탄소원인 글리세롤 농도를 포함할 수 있다. In one embodiment, the fermentation broth component indicator may be one or more selected from the group consisting of Proteinase K concentration, glycerol concentration, methanol concentration, and microbial growth (absorbance). For example, the one or more indicators of fermentation broth components may include a concentration of glycerol, which is a carbon source for microbial growth.

일 구현예에서, 상기 둘 이상의 파장 영역은 상기 Proteinase K 농도의 경우 9403.5 내지 7498.1 cm-1의 파장 영역 및 6101.9 내지 5446.2 cm-1의 파장 영역을 포함하고; 상기 글리세롤 농도의 경우 8886.7 내지 7745.0 cm-1의 파장 영역 및 5870.4 내지 5420.0 cm-1의 파장 영역을 포함하고; 상기 메탄올 농도의 경우 8457.7 내지 7498.1 cm-1의 파장 영역 및 6101.9 내지 5446.2 cm-1의 파장 영역을 포함하고; 상기 미생물 생육도의 경우 8535.3 내지 7503.4 cm-1의 파장 영역 및 5797.2 내지 5439.5 cm-1의 파장 영역을 포함할 수 있다.In one embodiment, the two or more wavelength regions include a wavelength region of 9403.5 to 7498.1 cm -1 and a wavelength region of 6101.9 to 5446.2 cm -1 in the case of the Proteinase K concentration; In the case of the glycerol concentration, it includes a wavelength region of 8886.7 to 7745.0 cm -1 and a wavelength region of 5870.4 to 5420.0 cm -1 ; the methanol concentration includes a wavelength range of 8457.7 to 7498.1 cm-1 and a wavelength range of 6101.9 to 5446.2 cm-1; The microbial viability may include a wavelength region of 8535.3 to 7503.4 cm -1 and a wavelength region of 5797.2 to 5439.5 cm -1 .

일 구현예에서, 상기 근적외선 분광분석부는, 상기 실시간 모니터링 시에, 상기 Proteinase K 농도의 경우 9403.5 내지 7498.1 cm-1의 파장 영역 및 6101.9 내지 5446.2 cm-1의 파장 영역을 포함하고; 상기 글리세롤 농도의 경우 8886.7 내지 7745.0 cm-1의 파장 영역 및 5870.4 내지 5420.0 cm-1의 파장 영역을 포함하고; 상기 메탄올 농도의 경우 8457.7 내지 7498.1 cm-1의 파장 영역 및 6101.9 내지 5446.2 cm-1의 파장 영역을 포함하고; 상기 미생물 생육도의 경우 8535.3 내지 7503.4 cm-1의 파장 영역 및 5797.2 내지 5439.5 cm-1의 파장 영역을 포함하는 파장 영역의 광원을 방출하도록 셋팅될 수 있다. In one embodiment, the near-infrared spectroscopy unit includes a wavelength region of 9403.5 to 7498.1 cm -1 and a wavelength region of 6101.9 to 5446.2 cm -1 in the case of the Proteinase K concentration during the real-time monitoring; In the case of the glycerol concentration, it includes a wavelength region of 8886.7 to 7745.0 cm -1 and a wavelength region of 5870.4 to 5420.0 cm -1 ; the methanol concentration includes a wavelength range of 8457.7 to 7498.1 cm-1 and a wavelength range of 6101.9 to 5446.2 cm-1; In the case of the microbial growth, it may be set to emit a light source in a wavelength region including a wavelength region of 8535.3 to 7503.4 cm -1 and a wavelength region of 5797.2 to 5439.5 cm -1 .

도 1을 참조하면, 상기 컨트롤부는 상기 발효부와 유선 또는 무선 통신으로 연결되어 있어서 근적외선 분광분석부로부터 방출된 상기 파장 영역의 광원을 통하여 얻은 발효부 내 발효액 성분 지표의 전기적 신호를 수신하여 기 확립된 검량 모델에 의해 전환된 발효액 성분 지표를 모니터링하고, 그에 대응하여 탄소원 공급 등을 실시간 제어할 수 있다. Referring to Figure 1, the control unit is connected to the fermentation unit by wire or wireless communication, and receives the electrical signal of the fermentation broth component indicator in the fermentation unit obtained through the light source of the wavelength region emitted from the near-infrared spectrometer to be established. It is possible to monitor the index of the fermentation broth converted by the calibration model and control the carbon source supply in real time in response.

상기 발효 시스템에 관한 용어, 미생물 발효, 생산되는 단백질, 발효액 성분 지표, 검량 모델 등에 대해서는 상기 미생물 발효에 의한 단백질 생산 공정을 실시간 제어하는 방법에 관한 설명을 참조할 수 있다. For terms related to the fermentation system, microbial fermentation, protein produced, fermentation broth component index, calibration model, and the like, reference may be made to a description of a method for real-time control of the protein production process by the microbial fermentation.

이상 설명된 본 발명에 따른 구현예들은 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현되어 비일시성의 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 상기 비일시성의 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 비일시성의 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록되는 프로그램 명령어는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 비일시성의 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체의 예에는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령어를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령어의 예에는, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함된다. 상기 하드웨어 장치는 본 발명에 따른 처리를 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.The embodiments according to the present invention described above may be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer components and recorded in a non-transitory computer-readable recording medium. The non-transitory computer-readable recording medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination. The program instructions recorded on the non-transitory computer-readable recording medium may be specially designed and configured for the present invention, or may be known and available to those skilled in the computer software field. Examples of the non-transitory computer readable recording medium include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tapes, optical recording media such as CD-ROMs and DVDs, magneto-optical media such as floppy disks ( magneto-optical media), and hardware devices specially configured to store and execute program instructions such as ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include not only machine language codes such as those generated by a compiler, but also high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The hardware device may be configured to operate as one or more software modules for carrying out the processing according to the present invention, and vice versa.

이하, 본 발명을 하기 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of Examples. However, the following examples are only for illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.

이제 본 발명에 적용된 주요 관리인자의 검량식 모델 개발을 위한 공정을 Proteinase K 발효를 예로 들어 구체적으로 설명한다.Now, the process for developing a calibration model of the major control factors applied to the present invention will be described in detail using Proteinase K fermentation as an example.

(P1) Proteinase K 발효액 중의 Proteinase K 농도, 탄소원인 글리세롤과 메탄올 농도 및 균체 생육도(흡광도) 관련 근적외 흡수 스펙트럼의 획득(P1) Proteinase K Concentration of Proteinase K in fermentation broth, glycerol and methanol concentrations as carbon sources, and acquisition of near-infrared absorption spectra related to cell growth (absorbance)

연속적으로 진행되는 Proteinase K 발효 공정의 발효액 시료를 일정 시간 간격(2시간 간격)으로 순차적으로 300개를 채취한 후 그 중 200개의 시료를 근적외선 분광분석기를 이용하여 12,000 cm-1 내지 4,000 cm-1의 전파장 영역에서 2 nm의 일정한 파장 단위로 스캐닝하여 원시 스펙트럼을 얻었다. 이때 광원의 통과 거리는 2 mm이고 측정 모드는 투과반사(Transmission reflection) 모드였으며, FT-NIR 기기는 매트릭스 에프 FT-NIR(FT-NIR Matrix-F Bruker Optics: 독일)을 사용하였다. 동일한 상기 시료 200개를 이화학적 표준 분석 방법을 이용하여 탄소원인 글리세롤 농도는 고속액체크로마토그래피(HPLC) 방법으로, 또 다른 탄소원인 메탄올 농도는 가스크로마토그래피(GC)로, Proteinase K(Protein) 농도는 Bradford Protein Assay (Kit)방법으로 균체 생육도의 측정은 분광광도계를 사용하여 600 nm에서 측정하여 검량식 모델 개발을 위한 표준 시료 분석치로 활용하였다. 상기 발효액의 시료는 페드 베치(Fed Batch)로 진행되는 발효액을 2시간 단위로 순차적으로 채취하여 사용할 수 있으며 검량식의 광범위화 및 유의적인 검량식 모델 개발을 위하여 300개의 시료를 채취하였으며 본 발명에서는 발효 사이클당 24 내지 30개의 샘플을 채취하였고, 각 발효액 당 200개의 시료를 칼리브레이션 검량식 모델(Calibration Model) 개발을 위한 원시 스펙트럼 측정용으로 사용하였고 나머지 100개의 시료는 발리데이션 검량식 모델(Validation Model)의 검정용 시료로 활용하였다. 300개의 시료는 발효 공정에 전체에 골고루 분포된 시료로 선별하였다. After taking 300 samples of the fermentation broth of the proteinase K fermentation process that are continuously performed sequentially at regular time intervals (2-hour intervals), 200 samples among them were collected from 12,000 cm-1 to 4,000 cm-1 using a near-infrared spectrometer. The raw spectrum was obtained by scanning in a constant wavelength unit of 2 nm in the wavelength region of . At this time, the passing distance of the light source was 2 mm, the measurement mode was a transmission reflection mode, and the FT-NIR device used a matrix F FT-NIR (FT-NIR Matrix-F Bruker Optics: Germany). Using the standard physicochemical analysis method for the same 200 samples, the concentration of glycerol as a carbon source was determined by high-performance liquid chromatography (HPLC), and the concentration of methanol as another carbon source was determined by gas chromatography (GC), and Proteinase K (Protein) concentration is the Bradford Protein Assay (Kit) method, and the cell viability was measured at 600 nm using a spectrophotometer and used as a standard sample analysis value for the development of a calibration model. The sample of the fermentation broth can be used by sequentially collecting and using the fermentation broth proceeding in a fed batch (Fed Batch) every 2 hours, and 300 samples were collected for broadening the calibration formula and developing a significant calibration model, in the present invention 24 to 30 samples were collected per fermentation cycle, 200 samples per each fermentation broth were used for raw spectrum measurement for the development of a calibration model, and the remaining 100 samples were used as a validation model. ) was used as a test sample. 300 samples were selected as samples evenly distributed throughout the fermentation process.

(P2) 시료의 이화학적 표준 분석(P2) Physicochemical standard analysis of samples

Proteinase K 발효 1회 운전(발효배지에 Proteinase K 생산 균주를 접종한 후 생육과 목적 생산물질의 원료인 탄소원(글리세롤과 메탄올)을 추가하면서 일정 시간 발효하는 전체 발효 공정) 시 약 25 배치(총 200개)의 시료를 채취하여 이화학적 표준 분석을 실시하였다. 시료 30 ml를 채취하여 10 ml는 FT-NIR의 스펙트럼을 즉시 측정하고 나머지 시료는 냉장 보관하였다. 상기 냉장 보관 시료를 상온에서 용해한 후 기존의 표준 분석기를 활용하여 각각 분석하였다. 즉, Proteinase K 농도는 Bradford Protein Assay (Kit)법, 탄소원인 글리세롤 농도는 고속액체크로마토그래피(LC) 방법으로, 메탄올 농도는 가스크로마토그래피(GC)로, 균체 생육도의 측정은 분광분석기를 사용하여 600 nm에서 측정하여 FT_NIR 검량식 모델 개발을 위한 표준 분석치로 활용하였다.About 25 batches (total of 200) in one operation of Proteinase K fermentation (the entire fermentation process in which the proteinase K-producing strain is inoculated into the fermentation medium and then fermented for a certain period of time while adding the carbon source (glycerol and methanol), which is the raw material for growth and the target product) Dog) samples were collected and subjected to physicochemical standard analysis. After taking 30 ml of a sample, 10 ml of the FT-NIR spectrum was immediately measured, and the rest of the sample was refrigerated. After dissolving the refrigerated samples at room temperature, each was analyzed using a conventional standard analyzer. That is, Proteinase K concentration is measured by Bradford Protein Assay (Kit) method, glycerol concentration as carbon source is by high-performance liquid chromatography (LC) method, methanol concentration is by gas chromatography (GC), and cell viability is measured using a spectrometer. Thus, it was measured at 600 nm and used as a standard analysis value for the development of the FT_NIR calibration model.

(P3) 원시 스펙트럼의 전처리(Preprocessing)(P3) Preprocessing of raw spectra

상기 (P1)에서 확보한 발효액의 원시 스펙트럼으로부터 정확한 정량 검량식 모델을 구하기 위해서 기기 조건과 시료의 변화에 따른 스펙트럼의 변수 제거 및 측정 스펙트럼에 포함된 노이즈를 제거하여야 한다. 스펙트럼의 보정 및 전처리는 BRUKER사 OPUS Quantitative Method(독일) 프로그램을 사용하였다. 이와 같은 전처리는 원시 스펙트럼이 가지고 있는 노이즈를 제거하고 바탕선을 일치시켜 견고하고 정확도와 재현성 높은 검량식 모델 개발에 필요한 양질의 스펙트럼을 확보하기 위해서 필요한 과정이다.In order to obtain an accurate quantitative calibration model from the raw spectrum of the fermentation broth obtained in (P1) above, it is necessary to remove the spectrum variable according to the change of the instrument condition and the sample, and to remove the noise included in the measurement spectrum. Spectrum correction and pre-processing were performed using BRUKER's OPUS Quantitative Method (Germany) program. This pre-processing is a necessary process to secure the high-quality spectrum required for the development of a robust, accurate and reproducible calibration model by removing the noise of the raw spectrum and matching the baseline.

본 발명에서는 투과반사 스펙트럼에 일반적으로 적용하는 1차 미분법, 2차 미분법, 노리스-윌리암스 미분 (Norris-Williams derivatives), 사비즈키-골래이 미분법 (Savitzky-Golay polynomial derivatives)중 1차 미분법을 적용시켜 원시 스펙트럼을 수학적 전처리(Math treatment)하여 노이즈를 제거하고 바탕선을 일치시켜 스펙트럼의 유용 정보의 활용도를 증진시켜 보다 정확하고 재현성 있는 검량식 모델 개발용 전처리 스펙트럼을 선택하여 활용하였다.In the present invention, by applying the first-order differential method, the second-order differential method, the Norris-Williams derivatives, and the Savitzky-Golay polynomial derivatives, which are generally applied to the transmitted reflection spectrum, the first-order differential method is applied. The raw spectrum was subjected to mathematical pretreatment to remove noise, and by matching the baseline, the utilization of useful information of the spectrum was improved, and a pre-processed spectrum for developing a more accurate and reproducible calibration model was selected and used.

(P4) 전처리된 스펙트럼의 영역 선별과 회귀분석을 통한 칼리브레이션 검량식 모델 개발(P4) Calibration calibration model development through preprocessed spectrum region selection and regression analysis

본 발명에서 이용되는 발효 공정액의 경우 많은 불순물과 이물질이 함유되어 있어 정량하려는 성분의 스펙트럼이 특이한 특정 파장 영역을 선별하고 이 선별된 영역의 스펙트럼으로부터 화학계량학을 통해 칼리브레이션 검량식 모델을 개발하게 된다. 이때, 적용가능한 화학계량학의 통계적인 분석방법은 다중선형회귀분석법(Multiple Linear Regression, MLR), 주성분회귀분석법(Principl Component Regression, PCL), 부분최소자승법(Partial Least Squares, PLS), 변형부분최소자승법(Modified Partial Least Squares, MPLS) 등의 방법이 있으며 본 발명은 그 중 부분최소자승법(PLS)을 이용하여 검량식 모델 개발을 수행하였다. 최적의 칼리브레이션 검량식 모델의 선별은 예측 표준편차(Standard error of Calibration, SEC), 상관계수(Coefficient of determination in calibration, R2) 등의 통계치를 이용하여 선택하였다.In the case of the fermentation process solution used in the present invention, since it contains many impurities and foreign substances, a specific wavelength region in which the spectrum of the component to be quantified is unique is selected, and a calibration calibration model is developed from the spectrum of the selected region through chemometrics. do. At this time, applicable statistical analysis methods of chemometrics are Multiple Linear Regression (MLR), Principal Component Regression (PCL), Partial Least Squares (PLS), and Modified Partial Least Squares method. There are methods such as (Modified Partial Least Squares, MPLS), and in the present invention, a calibration model was developed using the partial least squares method (PLS). The selection of the optimal calibration model was selected using statistics such as standard error of calibration (SEC) and coefficient of determination in calibration (R2).

(P5) 선택된 칼리브레이션 검량식 모델의 검정 및 최적화(P5) Test and Optimization of Selected Calibration Calibration Model

선택된 칼리브레이션 검량식 모델의 분석하고자하는 새로운 시료에 대한 적용 가능성을 검증하기 위하여 칼리브레이션 검량식 모델에 분석 시료로 사용하지 않은 새로운 100개의 검정용 시료의 스펙트럼을 적용하여 얻은 결과를 이화학적 표준 분석 결과를 비교하여 검정하였다. 칼리브레이션 검량식 모델의 적용성 검정은 SEP(Standard error of prediction), R2(Coefficient of determination in prediction), Bias(Average difference between reference and NIR values)와 SD(Standard deviation) 등의 통계치를 이용하여 채택한 칼리브레이션 검량식 모델에 미지시료(100개)를 적용하여 정확성과 재현성을 교차 검정하였다. 상기와 같이 최적화된 최종의 발리데이션 검량식 모델(Validation model)을 활용하는 경우, 본 발명에서 분석하고자 하는 발효액의 Proteinase K 농도, 탄소원인 글리세롤과 메탄올농도, 균체 생육도인 흡광도 등을 실시간으로 동시에 정확하고 재현성있게 측정할 수 있고 그 측정 시간도 기존의 이화학적 분석 방법과 비교할 수 없을 정도로 신속한 수초내에 완료되어 상기의 4가지 분석항목인 Proteinase K 농도, 글리세롤과 메탄올 농도, 균체 생육도인 흡광도를 10여초 이내에 500회의 전파장을 스캐닝한 후 평균을 구하여 1회의 스펙트럼으로 측정하여 다양한 물질 농도를 실시간 모니터링할 수 있음을 확인하였다.In order to verify the applicability of the selected calibration model to the new sample to be analyzed, the results obtained by applying the spectrum of 100 new assay samples that are not used as analysis samples to the calibration calibration model are used as physicochemical standard analysis results. It was compared and tested. The applicability test of the calibration calibration model is a calibration adopted using statistics such as SEP (Standard error of prediction), R2 (Coefficient of determination in prediction), Bias (Average difference between reference and NIR values), and SD (Standard deviation). The accuracy and reproducibility were cross-tested by applying unknown samples (100 samples) to the calibration model. When using the final validation model optimized as described above, the proteinase K concentration of the fermentation broth to be analyzed in the present invention, the glycerol and methanol concentrations as carbon sources, and the absorbance as the cell growth rate are simultaneously measured in real time. It can be measured accurately and reproducibly, and the measurement time is completed within seconds, which is incomparably faster than conventional physicochemical analysis methods. It was confirmed that the concentration of various substances can be monitored in real time by scanning the wavelength 500 times within 10 seconds and measuring the average by measuring the spectrum once.

(P6) 공정 자동화를 통한 시간 발효 공정의 제어 관리(P6) Control management of time fermentation process through process automation

이와 더불어 FT-NIR에 의한 발효 공정의 실시간 동시 다중 물질분석 시 발생하는 각 성분 농도의 고유 전기적 신호를 자동화 시스템으로 연결시켜 생산성 향상을 위해 공급되는 탄소원인 글리세롤과 메탄올의 배지 내 농도를 설정하여 주면 배양액 내의 생산성 향상의 핵심 원료 공급을 자동으로 관리할 수 있게 되어 미생물이 목표 생산물질을 최대로 생산할 수 있는 환경을 조성해 줄 수 있다. 따라서, 이러한 방법은 생산성 향상은 물론 발효 공정의 실시간 제어관리에 활용될 수 있어 지금까지 불가능했던 실시간 발효 자동 제어가 가능한 획기적인 방법임을 확인할 수 있었다.In addition, by linking the unique electrical signals of each component concentration generated during real-time simultaneous multi-material analysis of the fermentation process by FT-NIR to the automation system, the concentration of glycerol and methanol, the carbon sources, which are supplied to improve productivity, is set in the medium. It is possible to automatically manage the supply of key raw materials for productivity improvement in the culture medium, thereby creating an environment in which microorganisms can produce the target product to the maximum. Therefore, this method can be used for real-time control management of the fermentation process as well as productivity improvement, so it was confirmed that it is an innovative method capable of real-time automatic control of fermentation, which was not possible until now.

실시예 1. 미생물을 이용한 Proteinase K 발효액 내 Proteinase K 농도의 측정 방법 개발Example 1. Development of a method for measuring Proteinase K concentration in Proteinase K fermentation broth using microorganisms

실시예 1.1. FT-NIR의 설치 및 시료의 채취Example 1.1. Installation of FT-NIR and collection of samples

발효관의 발효 상태를 온라인으로 실시간 측정하여 모니터링하고 이때 발생하는 각각의 신호를 전기적으로 변환시켜 발효 공정 제어에 활용하기 위해 발효관에 NIR 프로브를 직접 설치하고 기존의 발효 공정 관리용 컴퓨터와 연결하여 NIR의 측정 신호를 발효 공정제어에 사용할 수 있도록 Proteinase K 발효 공정 모니터링과 제어 시스템을 구성하였다(도 1 참조).In order to measure and monitor the fermentation status of the fermentation tube in real time online, and convert each signal generated at this time to use it in fermentation process control, the NIR probe is directly installed in the fermentation tube and connected to the existing fermentation process management computer. A Proteinase K fermentation process monitoring and control system was configured so that the measurement signal of NIR could be used for fermentation process control (see FIG. 1).

연속적으로 진행되는 발효 공정의 FT-NIR의 원시 스펙트럼을 측정하면서 이화학적 표준 분석을 수행하기 위해, 시료를 1 내지 2시간 간격으로 약 30 ml씩 채취하였으며 본 시료의 일부(10 ml)는 발효 경시별 스펙트럼 측정용으로 사용하고 나머지는 즉시 냉장하여 이화학적 표준 분석용 시료로 사용하였다. 시료는 10 내지 15회 발효 배양 기간 동안 채취하였으며, 시료의 수는 300개로 필요 시 반복 발효 실험을 실시하여 더 많은 시료를 채취하여 사용하였다.In order to perform a physicochemical standard analysis while measuring the raw spectrum of the FT-NIR of the continuously proceeding fermentation process, about 30 ml of the sample was taken at intervals of 1 to 2 hours, and a part of the sample (10 ml) was collected over the passage of fermentation. It was used for star spectrum measurement, and the rest was immediately refrigerated and used as a sample for physicochemical standard analysis. Samples were collected during the fermentation culture period of 10 to 15 times, and the number of samples was 300. If necessary, repeated fermentation experiments were performed to collect and use more samples.

실시예 1.2. 원시 스펙트럼의 측정 및 시료의 이화학적 표준 분석Example 1.2. Measurement of raw spectra and analysis of physicochemical standards of samples

실시예 1.2.1. 시료의 스펙트럼 측정Example 1.2.1. Spectral measurement of the sample

발효관 1회 가동(발효용 배지에 균주를 접종하여 130시간 페드 배치 배양(Fed Batch Culture)의 전체 공정) 시 약 25 내지 30개의 시료를 채취하였으며 시료의 일부(10 ml)를 FT-NIR로 12,000 cm-1에서 4,000 cm-1의 전 파장 영역에서 빔(Beam) 통과 거리 2 mm, 파장 간격 2 nm 스펙트럼의 측정 모드는 투과반사 모드로 설정하여 원시 스펙트럼을 측정, 수집하였다(도 2). 이때, NIR 기기는 매트릭스 에프 FT-NIR(FT-NIR Matrix-F Bruker Optics; 독일)을 사용하였다. 또한, 도면에 도시된 모든 스펙트럼에서, x축은 파수(Wavenumber: cm-1)를 나타내고, y축은 흡광 단위(Absorbance Unit)를 나타낸다.About 25 to 30 samples were collected during one operation of the fermentation tube (the whole process of a 130-hour Fed batch culture by inoculating a strain in the fermentation medium), and a part of the sample (10 ml) was FT-NIR. In the entire wavelength region from 12,000 cm -1 to 4,000 cm -1 , the measurement mode of the spectrum with a beam passing distance of 2 mm and a wavelength interval of 2 nm was set to a transmission reflection mode, and raw spectra were measured and collected ( FIG. 2 ). In this case, as the NIR device, FT-NIR Matrix-F Bruker Optics (Germany) was used. In addition, in all the spectra shown in the figure, the x-axis represents a wavenumber (cm-1), and the y-axis represents an absorbance unit.

실시예 1.2.2. Proteinase K 농도의 이화학적 표준 분석Example 1.2.2. Physicochemical Standard Analysis of Proteinase K Concentration

냉장 보관중인 시료를 상온으로 용해한 후 Proteinase K 농도를 분석하는 Bardford Protein Assay Kit를 활용하여 각각의 농도를 분석하였다. After dissolving the samples stored in the refrigerator at room temperature, each concentration was analyzed using the Bardford Protein Assay Kit that analyzes the Proteinase K concentration.

실시예 1.3. Proteinase K 스펙트럼 영역의 선별 및 칼리브레이션 검량식 모델의 개발Example 1.3. Development of calibration model for selection and calibration of proteinase K spectral region

상기 실시예 1.2에서 측정된 Proteinase K 농도 원시 스펙트럼 및 시료 Proteinase K 농도의 이화학적 표준 분석결과를 상기 (P2), (P3) 및 (P4)에 언급한 방법으로 처리하여 칼리브레이션 검량식 모델을 도출하였다. 더 구체적으로 설명하면, 먼저 300개 시료의 원시 스펙트럼을 1차 미분으로 전처리하여 안정적인 스펙트럼을 얻고(도 3 참조), Proteinase K에 특이적인 스펙트럼 영역, 즉, 도 4에 나타낸 바와 같은 2가지 파장 영역을 선별하여 칼리브레이션 검량식 모델의 개발을 추진하였다. 칼리브레이션 검량식 모델 개발을 위해 사용한 화학계량학 방법은 PLS였으며 최적의 칼리브레이션 검량식 모델은 예측 표준편차(SEC), 상관계수(R2) 등의 통계치를 이용하여 선택하였다. 이렇게 개발된 칼리브레이션 검량식 모델 곡선은, 도 5에 나타난 바와 같이 Y축은 발효액 내의 Proteinase K 농도의 FT-NIR 분석치이고, X축은 Bardford Protein Assay Kit로 분석하여 얻어진 Proteinase K 농도의 표준 분석치로 매우 높은 수준의 상관관계가 있음을 알 수 있다.The raw spectrum of Proteinase K concentration measured in Example 1.2 and the physicochemical standard analysis result of the sample Proteinase K concentration were processed by the methods mentioned above (P2), (P3) and (P4) to derive a calibration calibration model. . To be more specific, first, the raw spectra of 300 samples are pretreated with the first differentiation to obtain a stable spectrum (see FIG. 3 ), and a spectral region specific to Proteinase K, that is, two wavelength regions as shown in FIG. 4 . was selected to promote the development of a calibration calibration model. The chemometric method used to develop the calibration calibration model was PLS, and the optimal calibration calibration model was selected using statistics such as predicted standard deviation (SEC) and correlation coefficient (R2). The calibration calibration model curve developed in this way, as shown in FIG. 5 , the Y-axis is the FT-NIR analysis value of the Proteinase K concentration in the fermentation broth, and the X-axis is the standard analysis value of the Proteinase K concentration obtained by analysis with the Bardford Protein Assay Kit. Very high level It can be seen that there is a correlation between

실시예 1.4. 개발된 Proteinase K 칼리브레이션 검량식 모델의 검정Example 1.4. Test of the developed Proteinase K calibration model

200개 시료의 스펙트럼을 이용하여 개발된 칼리브레이션 검량식 모델이 칼리브레이션 검량식 모델 개발에 사용하지 않은 새로운 시료에 대해 적용 가능한지를 검정하기 위해 기준비된 100개의 새로운 시료의 스펙트럼과 이화학적 표준 분석 방법에 의한 Proteinase K 농도를 대입, 비교 검정하고, 그 결과를 도 6(X축과 Y축은 도 5에 대해 설명한 바와 같음)과 표 1에 나타냈다.To test whether the calibration calibration model developed using the spectra of 200 samples is applicable to new samples not used in the development of the calibration calibration model, the spectra of 100 new samples and physicochemical standard analysis methods Proteinase K concentrations were substituted and comparatively tested, and the results are shown in FIG. 6 (X-axis and Y-axis are the same as those described for FIG. 5) and Table 1.

도 6과 표 1로부터 알 수 있는 바와 같이 R2 값, RMSEE 값, Bias 값 등은 통계적인 유의차가 없는 것으로 확인되었다. 즉, FT-NIR에 의해 측정된 분석 결과와 표준 이화학적 분석 결과가 매우 유사하여 발리데이션 검량식 모델의 개발이 성공적으로 이루어졌으며 이를 활용하면 발효액 중의 Proteinase K 농도가 정확하고 재현성 있게 측정됨을 확인할 수 있어 기존의 오프라인 분석방법(Bardford Protein Assay Kit 방법)을 대체할 수 있는 FT-NIR에 의한 발효액 중의 Proteinase K 농도의 실시간 연속 모니터링 방법의 개발을 완수하게 되었다.As can be seen from FIG. 6 and Table 1, it was confirmed that there was no statistically significant difference between the R2 value, the RMSEE value, and the Bias value. In other words, the analysis results measured by FT-NIR and the standard physicochemical analysis results are very similar, so the validation calibration model was successfully developed. Therefore, the development of a real-time continuous monitoring method of Proteinase K concentration in the fermentation broth by FT-NIR that can replace the existing offline analysis method (Bardford Protein Assay Kit method) was completed.

R2 R 2 RMSEERMSEE RPDRPD BiasBias OffsetOffset SlopSlop Corr.CoeffCorr. Coeff CalibrationCalibration 99.2699.26 14.214.2 11.911.9 -- 1.6551.655 0.9930.993 0.99650.9965 ValidationValidation 98.6298.62 17.217.2 9.619.61 -0.149-0.149 1.9901.990 0.9920.992 0.99460.9946

실시예 2. 미생물을 이용한 Proteinase K 발효액 내 글리세롤(탄소원) 농도의 측정 방법 개발Example 2. Development of a method for measuring glycerol (carbon source) concentration in Proteinase K fermentation broth using microorganisms

실시예 2.1. FT-NIR의 설치 및 시료의 채취Example 2.1. Installation of FT-NIR and collection of samples

실시예 1.1과 동일한 방법으로 실시하였다. 이때, 사용된 시료는 실시예 1과 동일한 시료이다.It was carried out in the same manner as in Example 1.1. At this time, the sample used is the same as Example 1.

실시예 2.2. 스펙트럼의 측정과 전처리 및 글리세롤 농도의 이화학적 분석Example 2.2. Spectral measurement and pretreatment and physicochemical analysis of glycerol concentration

실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였고, 글리세롤 농도 분석용 원시 스펙트럼도 Proteinase K 농도 분석용 원시 스펙트럼과 동일한 스펙트럼을 이용하였다. 1차 미분에 의한 원시 스펙트럼의 전처리 또한 Proteinase K 농도 측정용 스펙트럼과 동일한 스펙트럼을 사용하였다. 이는 1회의 스펙트럼 분석으로 여러가지 성분을 동시에 분석할 수 있는 FT-NIR 분석의 최대의 장점과 특성이다.It was carried out in the same manner as in Example 1, and the raw spectrum for glycerol concentration analysis was also used for the same spectrum as the raw spectrum for Proteinase K concentration analysis. The same spectrum as the spectrum for proteinase K concentration measurement was also used for pretreatment of the raw spectrum by the first differentiation. This is the greatest advantage and characteristic of FT-NIR analysis, which can analyze multiple components simultaneously with one spectrum analysis.

한편, 본 발명에서 글리세롤은 Proteinase K 발효액의 대표적인 당 성분이며, HPLC를 이용한 사전 분석 결과 Glycerol이 주된 당 성분으로 규정되었다. 상기 글리세롤 농도의 이화학적 표준 분석은 HPLC 분석기(LC_40A. SHIMADZU. JAPAN)를 이용하여 이루어졌다.Meanwhile, in the present invention, glycerol is a representative sugar component of Proteinase K fermentation broth, and as a result of a preliminary analysis using HPLC, glycerol was defined as the main sugar component. The physicochemical standard analysis of the glycerol concentration was performed using an HPLC analyzer (LC_40A. SHIMADZU. JAPAN).

실시예 2.3. 글리세롤 스펙트럼 영역의 선별 및 칼리브레이션 검량식 모델의 개발Example 2.3. Development of calibration model for screening and calibration of glycerol spectral region

글리세롤 농도를 측정하기 위한 스펙트럼의 영역을 도 7에 나타난 바와 같이 2가지 파장 영역으로 선택하고, 상기 실시예 2.1 및 실시예 2.2에서 측정된 글리세롤 농도 원시 스펙트럼 및 시료 글리세롤 농도의 이화학적 표준 분석결과를 상기 (P2), (P3) 및 (P4)에 언급한 방법으로 처리하여 칼리브레이션 검량식 모델을 도출하였다(도 8 참조).The region of the spectrum for measuring the glycerol concentration was selected as two wavelength regions as shown in FIG. 7, and the raw spectrum of the glycerol concentration measured in Examples 2.1 and 2.2 and the physicochemical standard analysis results of the sample glycerol concentration were obtained. The calibration model was derived by processing in the method mentioned in (P2), (P3) and (P4) above (see FIG. 8).

칼리브레이션 검량식 모델 개발을 위해 사용한 화학계량학 방법은 PLS였으며 최적의 칼리브레이션 검량식 모델은 예측 표준편차(SEC), 상관 계수(R2) 등의 통계치를 이용하여 선택하였다. 이렇게 개발된 칼리브레이션 검량식 모델 곡선은, 도 9에 나타난 바와 같이 Y축은 발효액 내의 글리세롤 농도의 FT-NIR 분석치이고 X축은 실제 이화학 분석치, 즉, HPLC 분석으로 얻은 글리세롤 농도의 표준 분석치로 매우 높은 수준의 상관관계가 있음을 알 수 있다.The chemometric method used to develop the calibration calibration model was PLS, and the optimal calibration calibration model was selected using statistics such as predicted standard deviation (SEC) and correlation coefficient (R2). In the calibration calibration model curve developed in this way, as shown in FIG. 9, the Y-axis is the FT-NIR analysis value of the glycerol concentration in the fermentation broth, and the X-axis is the actual physicochemical analysis value, that is, the standard analysis value of the glycerol concentration obtained by HPLC analysis. It can be seen that there is a correlation.

실시예 2.4. 개발된 글리세롤 칼리브레이션 검량식 모델의 검정Example 2.4. Test of the developed glycerol calibration calibration model

200개 시료의 스펙트럼을 이용하여 개발된 칼리브레이션 검량식 모델(도9)이미지의 새로운 시료에 대해 적용 가능한지를 검정하기 위해 기준비된 100개의 새로운 시료의 스펙트럼과 이화학적 표준 분석 방법에 의한 글리세롤 농도를 대입, 비교 검정하고, 그 결과를 도 10(X축과 Y축은 도 9에 대해 설명한 바와 같음)과 표 2에 나타냈다.To test whether it is applicable to the new sample of the calibration model developed using the spectrum of 200 samples (Fig. 9), the spectra of 100 new samples compared to the reference ratio and the glycerol concentration by the standard physicochemical analysis method are substituted , compared and tested, and the results are shown in FIG. 10 (X-axis and Y-axis are the same as those described for FIG. 9) and Table 2.

도 10과 표 2로부터 알 수 있는 바와 같이 R2 값, RMSEE값, Bias 값 등은 통계적인 유의차가 없는 것으로 확인되었다. 즉, FT-NIR에 의해 측정된 분석 결과와 표준 이화학적 분석 결과가 매우 유사하여 발리데이션 검량식 모델의 개발이 성공적으로 이루어졌으며, 이를 활용하면 발효액 중의 글리세롤 농도를 정확하고 재현성 있게 측정됨을 확인할 수 있었다. 다시 말하면, 이화학적 표준 분석치와 FT_NIR에 의한 분석치가 매우 높은 유의적 상관관계를 나타내고 있어 FT-NIR로 Proteinase K 발효액 중의 글리세롤 농도의 경시적 변화를 실시간으로 모니터링할 수 있는 것으로 확인되었다. 따라서, 지금까지 발효 현상의 경시적 변화의 실시간 모니터링과 제어의 가장 큰 문제 중의 하나였던 당의 모니터링과 제어가 해결됨에 따라 Proteinase K 발효의 실시간 모니터링과 자동 제어 공정의 개발이 가능하게 되었다.As can be seen from FIG. 10 and Table 2, it was confirmed that there was no statistically significant difference between the R2 value, the RMSEE value, and the Bias value. In other words, the analysis result measured by FT-NIR and the standard physicochemical analysis result are very similar, so the validation calibration model was successfully developed. there was. In other words, it was confirmed that the change in glycerol concentration in Proteinase K fermentation can be monitored in real time with FT-NIR because the physicochemical standard analysis value and the analysis value by FT_NIR show a very high significant correlation. Therefore, as the monitoring and control of sugar, which has been one of the biggest problems of real-time monitoring and control of changes over time of fermentation, has been solved, real-time monitoring and automatic control process of Proteinase K fermentation has become possible.

R2 R 2 RMSEERMSEE RPDRPD BiasBias OffsetOffset SlopSlop Corr.CoeffCorr. Coeff CalibrationCalibration 99.8399.83 0.7340.734 24.424.4 -- 0.0220.022 0.9980.998 0.99920.9992 ValidationValidation 99.7399.73 0.8890.889 19.219.2 -0.00494-0.00494 0.0390.039 0.9970.997 0.99860.9986

실시예 3. 미생물을 이용한 Proteinase K 발효액 내 메탄올(탄소원) 농도의 측정 방법 개발Example 3. Development of a method for measuring methanol (carbon source) concentration in Proteinase K fermentation broth using microorganisms

실시예 3.1. FT-NIR의 설치 및 시료의 채취Example 3.1. Installation of FT-NIR and collection of samples

실시예 1.1과 동일한 방법으로 실시하였다. 이때, 사용된 시료는 실시예 1과 동일한 시료이다.It was carried out in the same manner as in Example 1.1. At this time, the sample used is the same as Example 1.

실시예 3.2. 스펙트럼의 측정과 전처리 및 메탄올 농도의 이화학적 분석Example 3.2. Spectral measurement and pretreatment and physicochemical analysis of methanol concentration

실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였고, 메탄올 농도 분석용 원시 스펙트럼도 Proteinase K 농도 분석용 원시 스펙트럼과 동일한 스펙트럼을 이용하였다. 1차 미분에 의한 원시 스펙트럼의 전처리 또한 Proteinase K 농도 측정용 스펙트럼과 동일한 스펙트럼을 사용하였다.It was carried out in the same manner as in Example 1, and the same spectrum as the raw spectrum for the analysis of the proteinase K concentration was used for the analysis of the methanol concentration. The same spectrum as the spectrum for proteinase K concentration measurement was also used for pretreatment of the raw spectrum by the first differentiation.

메탄올의 이화학적 표준 분석은 가스크로마토그래피(GC-2010Pluse. SHIMADZU. JAPAN)를 이용하여 분석하였다.Physicochemical standard analysis of methanol was analyzed using gas chromatography (GC-2010Pluse. SHIMADZU. JAPAN).

실시예 3.3. 메탄올 스펙트럼 영역의 선별 및 칼리브레이션 검량식 모델의 개발Example 3.3. Development of calibration model for screening and calibration of methanol spectral region

메탄올 농도를 측정하기 위한 스펙트럼의 영역을 도 11에 나타난 바와 같이 2가지 파장 영역으로 선택하고, 상기 실시예 3.1 및 실시예 3.2에서 측정된 메탄올 농도 원시 스펙트럼 및 시료 메탄올 농도의 이화학적 표준 분석결과를 상기 (P2), (P3) 및 (P4)에 언급한 방법으로 처리하여 칼리브레이션 검량식 모델을 도출하였다(도 12 참조)The region of the spectrum for measuring the methanol concentration was selected as two wavelength regions as shown in FIG. 11, and the methanol concentration raw spectrum measured in Examples 3.1 and 3.2 and the physicochemical standard analysis results of the sample methanol concentration were obtained. The calibration model was derived by processing in the method mentioned in (P2), (P3) and (P4) above (see FIG. 12).

칼리브레이션 검량식 모델 개발을 위해 사용한 화학계량학 방법은 PLS였으며 최적의 칼리브레이션 검량식 모델은 예측 표준편차(SEC), 상관 계수(R2) 등의 통계치를 이용하여 선택하였다. 이렇게 개발된 칼리브레이션 검량식 모델 곡선은, 도 13에 나타난 바와 같이 X축은 GC 분석으로 얻어진 메탄올 농도의 표준 분석치이고 Y축은 발효액 내의 메탄올 농도의 FT-NIR 분석치로 매우 높은 수준의 상관관계가 있음을 알 수 있다.The chemometric method used to develop the calibration calibration model was PLS, and the optimal calibration calibration model was selected using statistics such as predicted standard deviation (SEC) and correlation coefficient (R2). As shown in FIG. 13, the calibration calibration model curve developed in this way shows that the X-axis is the standard analysis value of the methanol concentration obtained by GC analysis and the Y-axis is the FT-NIR analysis value of the methanol concentration in the fermentation broth. It can be seen that there is a very high level of correlation. can

실시예 3.4. 개발된 메탄올 칼리브레이션 검량식 모델의 검정Example 3.4. Test of the developed methanol calibration calibration model

200개 시료의 스펙트럼을 이용하여 개발된 칼리브레이션 검량식 모델(도 13)이 미지의 새로운 시료에 대해 적용 가능한지를 검정하기 위해 기준비된 100개의 새로운 시료의 스펙트럼과 이화학적 표준 분석 방법에 의한 메탄올 농도를 대입, 비교 검정하고, 그 결과를 도 14(X축과 Y축은 도 13에 대해 설명한 바와 같음)와 표 3에 나타냈다.To test whether the calibration calibration model (Fig. 13) developed using the spectrum of 200 samples is applicable to an unknown new sample, the spectrum of 100 new samples and the methanol concentration by the physicochemical standard analysis method Substitution and comparison tests were performed, and the results are shown in FIG. 14 (X-axis and Y-axis are the same as those described for FIG. 13) and Table 3.

도 14와 표 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, R2 값, RMSEE 값 등은 통계적인 유의차가 없는 것으로 확인되었다. 즉, FT-NIR에 의해 측정된 분석 결과와 표준 이화학적 분석의 결과가 매우 유사하여 발리데이션 검량식 모델의 개발이 성공적으로 이루어졌으며, 이를 활용하면 발효액 중의 메탄올 농도가 정확하고 재현성 있게 측정됨을 확인할 수 있었다. 다시 말하면, 이화학적 표준 분석치와 FT-NIR에 의한 분석치가 매우 높은 유의적 상관관계를 나타내고 있어 FT-NIR로 Proteinase K 발효액 중의 메탄올 농도의 경시적 변화를 실시간으로 정확하고 재현성 있게 모니터링할 수 있는 것으로 확인되었다. 따라서, 지금까지 발효 현상의 경시적 변화의 실시간 모니터링과 제어의 가장 큰 장벽 중의 하나였던 메탄올 농도의 실시간 측정이 가능해져 Proteinase K 발효 공정의 온라인 실시간 모니터링과 자동 제어 공정 개발이 가능하게 되었다.As can be seen from FIG. 14 and Table 3, it was confirmed that there was no statistically significant difference between the R2 value and the RMSEE value. In other words, the analysis results measured by FT-NIR and the results of standard physicochemical analysis were very similar, so the development of a validation calibration model was successful. could In other words, as the physicochemical standard analysis value and the analysis value by FT-NIR show a very high significant correlation, FT-NIR can accurately and reproducibly monitor the temporal change of the methanol concentration in the Proteinase K fermentation broth in real time. Confirmed. Therefore, real-time measurement of methanol concentration, which has been one of the biggest barriers to real-time monitoring and control of changes over time of fermentation, has become possible, making it possible to develop on-line real-time monitoring and automatic control of the Proteinase K fermentation process.

R2 R 2 RMSEERMSEE RPDRPD BiasBias OffsetOffset SlopSlop Corr.CoeffCorr. Coeff CalibrationCalibration 99.3799.37 0.0630.063 12.612.6 -- 0.0080.008 0.9940.994 0.99680.9968 ValidationValidation 98.3198.31 0.09840.0984 7.697.69 -0.0006-0.0006 0.0180.018 0.9870.987 0.99150.9915

실시예 4. 미생물을 이용한 Proteinase K 발효액의 흡광도(OD) 측정 방법 개발Example 4. Development of a method for measuring the absorbance (OD) of Proteinase K fermentation broth using microorganisms

실시예 4.1. FT-NIR의 설치 및 시료의 채취Example 4.1. Installation of FT-NIR and collection of samples

실시예 1.1과 동일한 방법으로 실시하였다. 이때, 사용된 시료는 실시예 1과 동일한 시료이다.It was carried out in the same manner as in Example 1.1. At this time, the sample used is the same as Example 1.

실시예 4.2. 스펙트럼의 측정과 전처리 및 흡광도의 이화학적 분석Example 4.2. Spectral measurement and pretreatment and physicochemical analysis of absorbance

실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였고, 흡광도 분석용 원시 스펙트럼도 Proteinase K 농도 분석용 원시 스펙트럼과 동일한 스펙트럼을 이용하였다. 1차 미분에 의한 원시 스펙트럼의 전처리 또한 Proteinase K 농도 측정용 스펙트럼과 동일한 스펙트럼을 사용하였다.It was carried out in the same manner as in Example 1, and the same spectrum as the raw spectrum for proteinase K concentration analysis was used for the absorbance analysis. The same spectrum as the spectrum for proteinase K concentration measurement was also used for pretreatment of the raw spectrum by the first differentiation.

흡광도의 이화학적 표준 분석은 분광분석기(LIBAR S80W BIOCHROM USA)를 사용하여 600 nm에서 수행하였고, 얻어진 값을 표준 분석치로 활용하였다.Physicochemical standard analysis of absorbance was performed at 600 nm using a spectrometer (LIBAR S80W BIOCHROM USA), and the obtained value was used as a standard analysis value.

실시예 4.3. 흡광도 스펙트럼 영역의 선별 및 칼리브레이션 검량식 모델의 개발Example 4.3. Development of calibration model for screening and calibration of absorbance spectral region

흡광도를 측정하기 위한 스펙트럼의 영역을 도 15에 나타난 바와 같이 2가지 파장 영역으로 선택하고, 상기 실시예 4.1 및 실시예 4.2에서 측정된 흡광도 원시 스펙트럼 및 시료 흡광도의 이화학적 표준 분석결과를 상기 (P2), (P3) 및 (P4)에 언급한 방법으로 처리하여 칼리브레이션 검량식 모델을 도출하였다(도 16 참조)The spectrum region for measuring the absorbance was selected as two wavelength regions as shown in FIG. 15, and the raw absorbance spectrum measured in Examples 4.1 and 4.2 and the physicochemical standard analysis result of the sample absorbance were analyzed above (P2 ), (P3), and (P4) were treated in the same way to derive a calibration model (see Fig. 16)

칼리브레이션 검량식 모델 개발을 위해 사용한 화학계량학 방법은 PLS였으며 최적의 칼리브레이션 검량식 모델은 예측 표준편차(SEC), 상관 계수(R2) 등의 통계치를 이용하여 선택하였다. 이렇게 개발된 칼리브레이션 검량식 모델 곡선은, 도 17에 나타난 바와 같이 Y축은 발효액의 흡광도의 FT-NIR 분석치이고 X축은 실제 이화학 분석치, 즉, 600 nm에서 분광분석기로 얻은 표준 분석치로 균체 생육도를 나타내는 흡광도 측정치도 매우 높은 수준의 상관관계가 있음을 알 수 있다.The chemometric method used to develop the calibration calibration model was PLS, and the optimal calibration calibration model was selected using statistics such as predicted standard deviation (SEC) and correlation coefficient (R2). As shown in FIG. 17, the calibration calibration model curve developed in this way, the Y-axis is the FT-NIR analysis value of the absorbance of the fermentation broth, and the X-axis is the actual physicochemical analysis value, that is, the standard analysis value obtained with a spectrometer at 600 nm. It can be seen that the absorbance measurements are also highly correlated.

실시예 4.4. 개발된 흡광도 칼리브레이션 검량식 모델의 검정Example 4.4. Test of the developed absorbance calibration calibration model

200개 시료의 스펙트럼을 이용하여 개발된 칼리브레이션 검량식 모델(도 17)이 미지의 새로운 시료에 대해 적용 가능한지를 검정하기 위해 기준비된 100개의 새로운 시료의 스펙트럼과 이화학적 표준 분석 방법에 의한 흡광도를 대입, 비교 검정하고, 그 결과를 도 18(X축과 Y축은 도 17에 대해 설명한 바와 같음)과 표 4에 나타냈다.To test whether the calibration model developed using the spectra of 200 samples (FIG. 17) is applicable to an unknown new sample, the spectra of 100 new samples compared to the standard and absorbance by standard physicochemical analysis methods are substituted , compared and tested, and the results are shown in FIG. 18 (X-axis and Y-axis are the same as those described for FIG. 17) and Table 4.

도 18과 표 4로부터 알 수 있는 바와 같이, R2 값, RMSEE 값, Bias 값 등은 통계적인 유의차가 없는 것으로 확인되었다. 즉, FT-NIR에 의해 측정된 흡광도(OD) 분석치와 표준 이화학적 분석의 결과가 매우 유사하여 발리데이션 검량식 모델의 개발이 성공적으로 이루어졌으며, 이를 활용하여 Proteinase K 발효시 경시적으로 변화하는 균체 생육도를 정확하고 재현성 있게 측정할 수 있는 것으로 확인되었다. 따라서, 지금까지 발효 현상의 경시적 변화의 실시간 모니터링과 제어의 가장 큰 문제 중의 하나인 균체 생육도의 실시간 측정이 가능해져 Proteinase K 발효 공정의 온라인 실시간 모니터링과 자동 제어 공정 개발이 가능하게 되었다.As can be seen from FIG. 18 and Table 4, it was confirmed that there was no statistically significant difference between the R2 value, the RMSEE value, and the Bias value. In other words, the absorbance (OD) analysis value measured by FT-NIR and the results of standard physicochemical analysis were very similar, so the validation calibration model was successfully developed. It was confirmed that the cell growth rate could be measured accurately and reproducibly. Therefore, real-time measurement of cell growth, one of the biggest problems of real-time monitoring and control of changes over time of fermentation, has become possible, making it possible to develop on-line real-time monitoring and automatic control of the Proteinase K fermentation process.

R2 R 2 RMSEERMSEE RPDRPD BiasBias OffsetOffset SlopSlop Corr.CoeffCorr. Coeff CalibrationCalibration 99.2699.26 14.214.2 11.911.9 -- 1.6551.655 0.9930.993 0.99650.9965 ValidationValidation 98.6298.62 17.217.2 9.619.61 -0.149-0.149 1.9901.990 0.9920.992 0.99460.9946

실시예 5. FT-NIR을 이용한 Proteinase K 발효 공정의 모니터링과 컨트롤 결과Example 5. Monitoring and control results of Proteinase K fermentation process using FT-NIR

상기 실시예 1 내지 실시예 4를 통해서 개발된 발효 주요 인자, 즉, Proteinase K(protein)농도, 탄소원인 글리세롤과 메탄올 농도, 균체 생육도를 나타내는 흡광도(OD600nm) 등을 측정할 수 있는 검량식 모델이 장착된 FT-NIR 시스템을 실제 발효 공정에 적용하여 복수의 발효 성분을 동시에 연속적으로 측정하여 모니터링하고 이때 발생하는 전기적 신호를 활용하여 Proteinase K 발효 공정을 실시간으로 제어할 수 있는지 실험하였다. 그 결과를 도 19에 나타냈다.Calibration formula that can measure the major factors of fermentation developed through Examples 1 to 4, that is, Proteinase K (protein) concentration, glycerol and methanol concentrations as carbon sources, and absorbance (OD 600nm ) indicating cell growth. By applying the model-equipped FT-NIR system to the actual fermentation process, a plurality of fermentation components were continuously measured and monitored at the same time, and the electrical signal generated at this time was used to test whether the Proteinase K fermentation process could be controlled in real time. The results are shown in FIG. 19 .

구체적으로 설명하면, 발효관에 설치된 프로브를 통하여 실시간으로 측정되는 스펙트럼이 검량식 모델을 통해 계산되어 FT-NIR에 의해 Proteinase K 발효액 중의 Proteinase K 농도, 탄소원인 글리세롤과 메탄올 농도, 균체 생육도를 나타내는 흡광도(OD600nm) 등이 실시간으로 정확하고 재현성 있게 분석되어 모니터링될뿐만 아니라 모니터링 시 발생하는 신호를 전기적 신호로 전환하여 기존의 발효 공정 제어 프로그램인 PLC(Programmable logic controller)와 연계하여 발효 공정을 실시간으로 자동 제어할 수 있었다.Specifically, the spectrum measured in real time through the probe installed in the fermentation tube is calculated through a calibration model and shows the Proteinase K concentration in the Proteinase K fermentation broth by FT-NIR, the concentration of glycerol and methanol as carbon sources, and the cell growth rate. Not only is the absorbance (OD 600nm ) analyzed and monitored accurately and reproducibly in real time, but also the signal generated during monitoring is converted into an electrical signal to link the existing fermentation process control program, PLC (Programmable Logic Controller), to control the fermentation process in real time. could be controlled automatically.

또한, 도 19에 나타난 바와 같이, 시료를 오프라인으로 채취 후 이화학적 표준 분석 결과와 FT-NIR의 측정치, 즉, 목적 생산물질인 Proteinase K 농도, 탄소원인 글리세롤과 메탄올 농도, 균체 생육도인 흡광도(OD600nm) 모두가 표준 분석치와 차이가 거의 없는 매우 양호한 분석치를 나타내고 있어, FT-NIR에 의한 Proteinase K 발효 공정의 실시간 모니터링과 그 신호를 이용한 발효 공정의 실시간 자동 제어가 매우 양호하게 진행됨을 확인하였다.In addition, as shown in FIG. 19, after taking the sample offline, the standard physicochemical analysis result and the FT-NIR measurement value, that is, the proteinase K concentration of the target product, the concentration of glycerol and methanol as carbon sources, and the absorbance ( OD 600nm ) showed very good analysis values with little difference from the standard analysis values, so it was confirmed that real-time monitoring of the Proteinase K fermentation process by FT-NIR and real-time automatic control of the fermentation process using the signal proceeded very well. .

Claims (21)

미생물 발효에 의한 단백질 생산 공정을 실시간 제어하는 방법으로서,
(i) 하나 이상의 발효액 성분 지표의 각각에 특이적인 둘 이상의 근적외선 파장 영역을 이용하여 얻은 검량 모델을 제공하는 단계, 및
(ii) 상기 둘 이상의 근적외선 파장 영역의 광원으로 상기 발효액 성분 지표 각각의 변화를 모니터링하는 단계를 포함하며,
상기 검량 모델은,
(a) 상기 발효액의 시료를 일정 시간 간격으로 n개 채취하는 단계,
(b) 채취된 n개 시료 중 m개 시료에 대해 근적외선 분광분석기를 이용하여 칼리브레이션(Calibration)용 원시 스펙트럼을 측정하는 단계,
(c) 상기 원시 스펙트럼이 측정된 m개 시료에 대해 이화학적 표준 분석을 수행하는 단계,
(d) 단계 (b)에서 측정된 원시 스펙트럼을 통계학적으로 전처리하는 단계,
(e) 단계 (d)에서 전처리된 스펙트럼 중 정량하고자 하는 하나 이상의 발효액 성분 지표 각각에 특이적인 둘 이상의 근적외선 파장 영역을 선별하고, 선별된 영역의 스펙트럼으로부터 화학계량학(Chemometrics)을 통해 칼리브레이션 검량 모델을 구축하는 단계, 및
(f) 상기 원시 스펙트럼 측정에 사용되지 않은 n-m개 시료를 단계 (e)에서 개발된 칼리브레이션 검량식 모델에 적용하여 얻은 결과를, 단계 (c)에서 얻은 상기 이화학적 표준 분석 결과와 비교하여 검정하고 최적화하는 단계를 포함하는 방법에 의해 얻어지고, 상기 n 및 m은 50 이상의 자연수이고, n은 m보다 큰 자연수인
방법.
As a method for real-time control of the protein production process by microbial fermentation,
(i) providing a calibration model obtained using two or more near-infrared wavelength regions specific for each of the one or more fermentation broth component indicators, and
(ii) monitoring each change in the fermentation broth component index with a light source in the two or more near-infrared wavelength regions,
The calibration model is
(a) collecting n samples of the fermentation broth at regular time intervals;
(b) measuring the raw spectrum for calibration using a near-infrared spectrometer for m samples among the collected n samples;
(c) performing physicochemical standard analysis on m samples for which the raw spectrum has been measured;
(d) statistically preprocessing the raw spectrum measured in step (b);
(e) Select two or more near-infrared wavelength regions specific for each of one or more fermentation broth component indicators to be quantified from the spectrum pretreated in step (d), and a calibration calibration model from the spectrum of the selected region through chemometrics building a step, and
(f) comparing the results obtained by applying the nm samples not used for raw spectrum measurement to the calibration calibration model developed in step (e) with the physicochemical standard analysis results obtained in step (c), and is obtained by a method comprising the step of optimizing, wherein n and m are natural numbers greater than or equal to 50, and n is a natural number greater than m.
method.
제 1 항에 있어서,
상기 방법은 상기 모니터링을 통해 발생하는 각 성분 지표의 전기적 신호에 대응하여 발효 공정을 실시간 제어하는 단계를 추가로 포함하는
방법.
The method of claim 1,
The method further comprises the step of controlling the fermentation process in real time in response to the electrical signal of each component indicator generated through the monitoring
method.
제 1 항에 있어서,
상기 모니터링은 프로브(probe) 형태로 발효관에 부착된 근적외선 분광분석기를 통해 수행되는
방법.
The method of claim 1,
The monitoring is performed through a near-infrared spectrometer attached to the fermentation tube in the form of a probe.
method.
제 1 항에 있어서,
상기 모니터링은 발효액의 샘플링 없이 수행될 수 있는
방법.
The method of claim 1,
The monitoring can be performed without sampling the fermentation broth.
method.
제 1 항에 있어서,
상기 단백질은 Proteinase K인
방법.
The method of claim 1,
The protein is Proteinase K
method.
제 1 항에 있어서,
상기 미생물은 효모인
방법.
The method of claim 1,
The microorganism is yeast
method.
제 1 항에 있어서,
상기 미생물은 피치아 파스토리스(Pichia pastoris)인
방법.
The method of claim 1,
The microorganism is Pichia pastoris ( Pichia pastoris )
method.
제 1 항에 있어서,
상기 발효액 성분 지표는 Proteinase K 농도, 글리세롤(Glycerol) 농도, 메탄올(Methanol) 농도, 및 미생물 생육도(흡광도)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인
방법.
The method of claim 1,
The fermentation broth component indicator is at least one selected from the group consisting of Proteinase K concentration, glycerol concentration, methanol concentration, and microbial growth (absorbance).
method.
제 8 항에 있어서,
상기 둘 이상의 파장 영역은, 상기 Proteinase K 농도의 경우 9403.5 내지 7498.1 cm-1의 파장 영역 및 6101.9 내지 5446.2 cm-1의 파장 영역을 포함하고; 상기 글리세롤 농도의 경우 8886.7 내지 7745.0 cm-1의 파장 영역 및 5870.4 내지 5420.0 cm-1의 파장 영역을 포함하고; 상기 메탄올 농도의 경우 8457.7 내지 7498.1 cm-1의 파장 영역 및 6101.9 내지 5446.2 cm-1의 파장 영역을 포함하고; 상기 미생물 생육도의 경우 8535.3 내지 7503.4 cm-1의 파장 영역 및 5797.2 내지 5439.5 cm-1의 파장 영역을 포함하는
방법.
9. The method of claim 8,
the two or more wavelength ranges include a wavelength range of 9403.5 to 7498.1 cm-1 and a wavelength range of 6101.9 to 5446.2 cm-1 in the case of the Proteinase K concentration; In the case of the glycerol concentration, it includes a wavelength region of 8886.7 to 7745.0 cm -1 and a wavelength region of 5870.4 to 5420.0 cm -1 ; the methanol concentration includes a wavelength range of 8457.7 to 7498.1 cm-1 and a wavelength range of 6101.9 to 5446.2 cm-1; In the case of the microbial viability, including a wavelength region of 8535.3 to 7503.4 cm-1 and a wavelength region of 5797.2 to 5439.5 cm-1
method.
삭제delete 미생물 발효에 의해 단백질을 생산하기 위한 발효 시스템으로서,
(i) 하나 이상의 발효액 성분 지표의 변화를 모니터링하기 위해 상기 발효액 성분 지표 각각에 특이적인 둘 이상의 근적외선 파장 영역을 이용하여 얻은 검량 모델을 포함하고 미생물 발효에 의한 단백질 생산 공정을 실시간 모니터링 및 제어하는 컨트롤부를 포함하며,
상기 검량 모델은,
(a) 상기 발효액의 시료를 일정 시간 간격으로 n개 채취하는 단계,
(b) 채취된 n개 시료 중 m개 시료에 대해 근적외선 분광분석기를 이용하여 칼리브레이션(Calibration)용 원시 스펙트럼을 측정하는 단계,
(c) 상기 원시 스펙트럼이 측정된 m개 시료에 대해 이화학적 표준 분석을 수행하는 단계,
(d) 단계 (b)에서 측정된 원시 스펙트럼을 통계학적으로 전처리하는 단계,
(e) 단계 (d)에서 전처리된 스펙트럼 중 정량하고자 하는 하나 이상의 발효액 성분 지표 각각에 특이적인 둘 이상의 근적외선 파장 영역을 선별하고, 선별된 영역의 스펙트럼으로부터 화학계량학(Chemometrics)을 통해 칼리브레이션 검량 모델을 구축하는 단계, 및
(f) 상기 원시 스펙트럼 측정에 사용되지 않은 n-m개 시료를 단계 (e)에서 개발된 칼리브레이션 검량식 모델에 적용하여 얻은 결과를, 단계 (c)에서 얻은 상기 이화학적 표준 분석 결과와 비교하여 검정하고 최적화하는 단계를 포함하는 방법에 의해 얻어지고, 상기 n 및 m은 50 이상의 자연수이고, n은 m보다 큰 자연수인
발효 시스템.
A fermentation system for the production of protein by microbial fermentation, comprising:
(i) a control for real-time monitoring and control of a protein production process by microbial fermentation, including a calibration model obtained using two or more near-infrared wavelength regions specific for each of the fermentation broth component indicators to monitor changes in one or more fermentation broth component indicators includes wealth,
The calibration model is
(a) collecting n samples of the fermentation broth at regular time intervals;
(b) measuring the raw spectrum for calibration using a near-infrared spectrometer for m samples among the collected n samples;
(c) performing physicochemical standard analysis on m samples for which the raw spectrum has been measured;
(d) statistically preprocessing the raw spectrum measured in step (b);
(e) Select two or more near-infrared wavelength regions specific for each of one or more fermentation broth component indicators to be quantified from the spectrum pretreated in step (d), and a calibration calibration model from the spectrum of the selected region through chemometrics building a step, and
(f) comparing the results obtained by applying the nm samples not used for raw spectrum measurement to the calibration calibration model developed in step (e) with the physicochemical standard analysis results obtained in step (c), and is obtained by a method comprising the step of optimizing, wherein n and m are natural numbers greater than or equal to 50, and n is a natural number greater than m.
fermentation system.
제 11 항에 있어서,
(ii) 미생물 발효를 위한 발효부 및
(iii) 근적외선 분광분석부를 추가로 포함하는
발효 시스템.
12. The method of claim 11,
(ii) a fermentation unit for microbial fermentation; and
(iii) further comprising a near-infrared spectroscopy unit
fermentation system.
제 12 항에 있어서,
상기 근적외선 분광분석부는 발효부에 프로브 형태로 장착되어 있는
발효 시스템.
13. The method of claim 12,
The near-infrared spectroscopy unit is mounted in the form of a probe in the fermentation unit.
fermentation system.
제 11 항에 있어서,
상기 컨트롤부는 상기 하나 이상의 발효액 성분 지표의 변화를 실시간으로 동시에 모니터링하여 발생하는 각 성분 지표의 전기적 신호에 대응하여 발효 공정을 실시간 자동으로 제어하는
발효 시스템.
12. The method of claim 11,
The control unit automatically controls the fermentation process in real time in response to the electrical signal of each component indicator generated by simultaneously monitoring changes in the one or more fermentation broth component indicators in real time.
fermentation system.
제 11 항에 있어서,
상기 발효액 성분 지표는 Proteinase K 농도, 글리세롤 농도, 메탄올 농도, 및 미생물 생육도(흡광도)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인
발효 시스템.
12. The method of claim 11,
The fermentation broth component indicator is at least one selected from the group consisting of Proteinase K concentration, glycerol concentration, methanol concentration, and microbial growth (absorbance).
fermentation system.
제 11 항에 있어서,
상기 미생물은 LMO(Living modified organisms) 균주인
발효 시스템.
12. The method of claim 11,
The microorganism is a LMO (Living modified organisms) strain
fermentation system.
제 11 항에 있어서,
상기 미생물은 효모인 피치아 파스토리스(Pichia pastoris)인
발효 시스템.
12. The method of claim 11,
The microorganism is a yeast Pichia pastoris ( Pichia pastoris )
fermentation system.
제 12 항에 있어서,
상기 발효 시스템은 밀폐식인
발효 시스템.
13. The method of claim 12,
The fermentation system is closed
fermentation system.
제 12 항에 있어서,
상기 발효 시스템은 온탱크(On-tank) 측정 설비를 통해 미생물 발효에 의한 단백질 생산 공정의 발효 상태를 확인할 수 있는
발효 시스템.
13. The method of claim 12,
The fermentation system can check the fermentation state of the protein production process by microbial fermentation through an on-tank measurement facility.
fermentation system.
제 11 항에 있어서,
상기 하나 이상의 발효액 성분 지표는 미생물 생육을 위한 탄소원인 글리세롤 농도를 포함하는
발효 시스템.
12. The method of claim 11,
The one or more fermentation broth component indicators include a glycerol concentration that is a carbon source for microbial growth
fermentation system.
제 15 항에 있어서,
상기 둘 이상의 파장 영역은, 상기 Proteinase K 농도의 경우 9403.5 내지 7498.1 cm-1의 파장 영역 및 6101.9 내지 5446.2 cm-1의 파장 영역을 포함하고; 상기 글리세롤 농도의 경우 8886.7 내지 7745.0 cm-1의 파장 영역 및 5870.4 내지 5420.0 cm-1의 파장 영역을 포함하고; 상기 메탄올 농도의 경우 8457.7 내지 7498.1 cm-1의 파장 영역 및 6101.9 내지 5446.2 cm-1의 파장 영역을 포함하고; 상기 미생물 생육도의 경우 8535.3 내지 7503.4 cm-1의 파장 영역 및 5797.2 내지 5439.5 cm-1의 파장 영역을 포함하는
발효 시스템.
16. The method of claim 15,
the two or more wavelength ranges include a wavelength range of 9403.5 to 7498.1 cm-1 and a wavelength range of 6101.9 to 5446.2 cm-1 in the case of the Proteinase K concentration; In the case of the glycerol concentration, it includes a wavelength region of 8886.7 to 7745.0 cm -1 and a wavelength region of 5870.4 to 5420.0 cm -1 ; the methanol concentration includes a wavelength range of 8457.7 to 7498.1 cm-1 and a wavelength range of 6101.9 to 5446.2 cm-1; In the case of the microbial viability, including a wavelength region of 8535.3 to 7503.4 cm-1 and a wavelength region of 5797.2 to 5439.5 cm-1
fermentation system.
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