Биотехнологии 2015 Сборник материалов международного конгресса

SECTION | | “BIOTECHNOLOGY AND INDUSTRY”

УДК602.6:58

ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ РОСТА СУСПЕНЗИОННОЙ КУЛЬТУРЫ THALICTRUM MINUS L. И СИНТЕЗА ЕЮ АЛКАЛОИДА БЕРБЕРИНА ОТ ФИТОГОРМОНОВ

Савин П.С., Савина Т.А., Цыбулько Н.С., Тертичная Ю.М.

ФГБНУ Всероссийский институт лекарственных и ароматических растений (ФГБНУ ВИЛАР), Москва, Россия 117216, ул Грина, д. 7, стр. 1

E mail: vilarnii@mail.ru

Установлено, что для поддержания роста суспензионной культуры василистника малого необходимо вносить регуляторы роста 2,4-Д и НУК. На биосинтез культурой берберина суще - ственное влияние оказывает ИУК и кинетин.

Ключевые слова: Суспензионная культура, регуляторы роста, кинетин, L-нафтилуксусная кислота (НУК), 2,4 -дихлорфеноксиуксусная кислота (2,4-Д), индолилуксусная кислота (ИУК).

Берберин является основным вторичным метаболитом, синтезируемым и выделяемым суспензионной культуройвасилистника малого (ThalictrumminusL.) в питательную среду.

Изучали действие на продуктивность клеточной культуры ауксинов 2,4-Д, ИУК, НУК, и ци - токинина – кинетин.

Установлено, что ростовые процессы суспензионной клеточной культурывасилистника ма- логорегуляторыростакинетиниИУКподдерживалинаравномнизкомуровне(4,0–6,0г/лпита - тельной среды). Отмечено преимущество воздействия кинетина на процесс синтеза берберина. Содержание алкалоида при внесении кинетина составляло 2,78%, при внесении ИУК – 2,33%. Совместное внесение кинетина и ИУК несколько увеличивало рост биомассы, но снижало вы - ход берберина до 2,31%. При использовании 2,4-Д или НУК наблюдался существенный скачек накопления биомассы – на 48%. При этом, усиление темпов роста суспензионной культуры со - провождалось снижением уровня синтеза БАВ почти в два раза.

В результате проведенных экспериментов можно отметить положительную роль на продукцию берберина ауксина ИУК в концентрации 2,0 мг/л и кинетина в концентрации 0,5г/л.

UDC602.6:58

RESEARCH ONTHE INFLUENCE OF PHYTOHORMONES UPON THE THALICTRUM MINUS L. SUSPENSION CULTURE

GROWTHAND PRODUCTION OFTHEALCALOIDE BERBERINE P.S. Savin, T.A. Savina, N.S. Tsybulko, J.M. Tertichnaya

Federal State Scientific Institution “All-Russia Research Institute of Aromatic and Medical Plants “VILAR”, Address: 7, bldg. 1, Greena str., Moscow117216, Russia

E mail: vilarnii@mail.ru

It was discovered that in order to sustain the growth of THALICTRUM MINUS L. (little meadow rue) suspension culture it is necessary to apply plant growth regulators (PGRs) such as 2,4-dichloro- fenoxyacetic acid (2,4-D) and L-naphtyle acetic acid (NAA). The in dole acetic acid (IAA) as well as kinetin has a substantial impact on berberine production by the culture.

Keywords: suspension culture, plant growth regulators, kinetin, L-naphtyle acetic acid, 2,4-di- chlorofenoxyacetic acid, indole acetic acid.

СЕКЦИЯ | | «БИОТЕХНОЛОГИЯ И ПРОМЫШЛЕННОСТЬ»

The alkaloid berberine is the main secondary metabolite that the little meadow rue suspension culture produces and exudes into the culture medium.

The cell culture productivity dependence on auxins (2,4-D, NAA, IAA) and cytokine in kinetin was under investigation.

It was determined that both kinetin and IAA sustained the growth of the little meadow rue suspension culture at the similarly low level (4,0 – 6,0 g/l of the culture medium ). It was pointed out that kinetin has an advantage of IAAin the berberine culture biosynthesis. Kinetin inoculation gave 2,78% of berberine, and in the case of IAA its concentration was only 2,33%.

Asimultaneous input of kinetinandIAA resultedin some increaseof the biomass accretion,butthe berberine yield diminished up to 2,31%. A substantial increase (up to 48%) of the biomass accretion was observed when both 2,4-D and NAA were applied. However the acceleration of the suspension culture growth was accompanied by almost twice diminishing of the bioactive substances synthesis.

As a result of the research there may by pointed out a positive impact of IAA in concentration of 2,0 mg/l and kinetin in concentration of 0,5g/l on the berberine cell culture productivity.

УДК 573.6.086.83:577.15; 579.66’15

ПОЛУЧЕНИЕ ФЕРМЕНТНОГО ПРЕПАРАТА ГРИБНЫХ ПРОТЕАЗ НА ОСНОВЕ РЕКОМБИНАНТНОГО ШТАММА PENICILLIUMCANESCENS

Смирнова И.А., Середа А.С., Костылева Е.В., Цурикова Н.В.1, Рожкова А.М.2, Синицын А.П.2,3

1ФГБНУВсероссийский научно-исследовательский институт пищевой биотехнологии, 111033, г. Москва, ул. Самокатная, 4б

e-mail: ferment_vniipbt@mail.ru

2ФГБНУ Институт биохимии им. А.Н.Баха(ИНБИ РАН), 119071, г. Москва, Ленинский пр. 33, к.2 3Химический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова, 119992, г. Москва, Ленинские горы, МГУ, 1/3

Проведено масштабирование процесса культивирования рекомбинантного продуцента комплекса грибных протеаз PenicilliumcanescensPepA-LAP в лабораторных ферментерах. Получен концентрированный ферментный препарат (ФП) Пенициллопепсин-LAP, содержащий пенициллопепсин, лейцинаминопептидазу и обладающий ксиланазной активностью. Исследованы его основные физико-химические и биохимические свойства.

Ключевые слова: грибные протеазы, пенициллопепсин, лейцинаминопептидаза, Penicilli­ umcanescens,­ ферментный препарат, ферментация

Одним из наиболее перспективных направлений современной биотехнологии является по-

лучение белковых гидролизатов с применением ФП микробного происхождения. Особую роль

в данномпроцессеиграюткислыеаспартатныегрибныепротеазы,благодаряспособностиобра-

зовывать пептиды без горечи, а также лейцинаминопептидаза(LAP), снижающая горечь белко-

вых гидролизатов за счет удаления гидрофобных аминокислот с N-конца полипептидной цепи.

Ранее нами был получен рекомбинатный штамм P. canescensPepA-LAP[1], который наряду

с собственным комплексомкарбогидраз, продуцирует кислую аспартатную протеазу пеницил-

лопепсин и LAP. В результате масштабирования процесса культивирования P. canescensPe-

pA-LAP в лабораторных ферментерах был подтвержден высокий уровень активности кислой протеазы иLAP, определена динамика биосинтеза экзо- и эндопептидазштаммом. Установлено,

330 Конгресс «БИОТЕХНОЛОГИЯ: СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ» 17-20 марта 2015

SECTION | | “BIOTECHNOLOGY AND INDUSTRY”

что общая протеолитическая активность нового рекомбинантного штамма, в 3 – 4 раза превышает активность промышленного продуцента кислых грибных протеаз Aspergillusoryzae 107, ВКПМ F-929[2].

На основе культуральной жидкости, наработанной в процессе ферментации, был получен концентрированный комплексный препарат Пенициллопепсин-LAP (лиофильно высушенный ультраконцентрат), обладающий высокой активностью кислых протеаз, LAP и ксиланазы.

Исследование физико-химическихи биохимических свойств основных протеазФП Пенициллопепсин-LAP показало, что они аналогичны LAP и аспергиллопепсину из комплексного ФП Протооризин на основе промышленного штамма Aspergillusoryzae 107. С учетом высокой продуктивности штамм P. canescensPepA-LAP может рассматриваться как перспективный продуцент протеолитических ферментов.

1.  Smirnova I.A., Sereda A.S., Tsurikova N.V., Kostyleva E.V., Rojkova A.M., Sinitsyn A.P. Developmentof recombinantfungalproducersof acidproteases.Abstractsof InternationalConference «BIOCATALYSIS 2013». 2–5 July, Moscow.

2.  Патент РФ № 2006123547/13, 04.07.2006. Римарева Л.В., Оверченко М.Б., Морозова К.А., Синицын А.П. Штамм гриба Aspergillusoryzae – продуцент кислых и слабокислых протеаз // Патент России № 2315098.2008.Бюл. № 2.

UDC 573.6.086.83:577.15; 579.66‘15

OBTAINING OF PENICILLOPEPSIN-LAPPREPARATION USING PENICILLIUMCANESCENS

RECOMBINANTS TRAIN

Smirnova I.A., SeredaA.S., Kostyleva E.V., Tsurikova N.V.1, RojkovaA.M.2, SinitsynA.P.2,3

1Federal State Budget Scientific EstablishmentAll-Russia Scientific Research Institute of Food Biotechnology, 111033, Moscow, Samokatnaya str., 4b, Russia

e-mail: ferment_vniipbt@mail.ru

2Federal State Budget Scientific EstablishmentA.N.Bach Institute of Biochemistry, Russian Academy of Sciences, Leninsky prospect, 33, build. 2, Moscow, 119071, Russia

3Chemical Department, Moscow State University, Leninskiye Gory, 1-3, GSP-1, Moscow, 119991, Russia

The cultivation processof fungal proteases recombinant producer PenicilliumcanescensPepA-LAP was scaled up in laboratory fermenters. Aconcentrated enzyme preparation (EP) Penicillopepsin-LAP was obtained, containing penicillopepsinand leucineaminopeptidaseand possessing xylanase activity. The basic physical, chemical and biochemical properties of Penicillopepsin-LAP were investigated.

Keywords: fungalproteases, penicillopepsin, leucineaminopeptidase, Penicilliumcanescens

One of the most promising areas of modern biotechnology is protein hydrolysates obtaining using microbial EP.Two fungal proteases play a special role in this process:1) aspartic acid fungal prote- ases, due to their ability to produce peptides without bitterness, and 2) leucineaminopeptidase (LAP) reducing the bitterness of protein hydrolysates by removing hydrophobic amino acid residues from N-terminus of the polypeptide chain.

Previously, we obtained recombinant strain P. canescensPepA-LAP (1), which, in addition to its own carbohydrasescomplex, produces acid aspartic protease penicillopepsin and LAP. During P. ca- nescens PepA-LAP cultivation in laboratory fermenters the high level of acid protease and LAP activitieswas confirmed; the dynamics of exoand endopeptidases biosynthesis by the strain was determined. It was found that total proteolytic activity of the new recombinant strain is 3 – 4 times

СЕКЦИЯ | | «БИОТЕХНОЛОГИЯ И ПРОМЫШЛЕННОСТЬ»

higher than activity of fungal acid proteases industrial producer Aspergillusoryzae 107 VKPM F-929

[2]strain.

On the basis of the culture broth (CB) collected during fermentation, complex preparation

Penicillopepsin-LAP (lyophilized CB ultra-concentrate) was obtained possessing high activity of acid proteases, LAP and xylanase.

Study of physico-chemical and biochemical properties of Penicillopepsin-LAP key proteases showed that they are similar to LAP and aspergillopepsin from the complex EPProtoorizinobtained using the industrial strain A. oryzae 107. Due to the high productivity, P. canescens PepA-LAP strain can be considered as a promising producer of proteolytic enzymes.

1.  Smirnova I.A., Sereda A.S., Tsurikova N.V., Kostyleva E.V., Rojkova A.M., Osipov D.O., SinitsynA.P.Developmentofrecombinantfungalproducersofacidproteases.AbstractsofInternational Conference «BIOCATALYSIS 2013». 2–5 July, Moscow.

2.  RF Patent № 2006123547/13, 04.07.2006. Rimareva L.V., Overchenko M.B., Morozova K.A.,

Sinitsyn A.P.The strain of the fungus Aspergillusoryzae – a producer of acidic and subacidic proteases // Russian Patent № 2315098.2008. Bull. number 2.

УДК 579.66

ВЫДЕЛЕНИЕ ШТАММОВ ТЕРМОТОЛЕРАНТНЫХ ДРОЖЖЕЙ, ПРОДУЦИРУЮЩИХ ЭТАНОЛ И ОБЛАДАЮЩИХ УСТОЙЧИВОСТЬЮ К ИНГИБИТОРАМ ФЕРМЕНТАЦИИ Сорокина К.Н.1,2, Самойлова Ю.В.1, Пилигаев А.В.1 1Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирск, Россия

2Новосибирский государственный университет, Новосибирск, Россия 630090, Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, д.5

e-mail sorokina@catalysis.ru

В работе проведено выделение штаммов термотолерантных дрожжей, продуцирующих этанол. Ряд штаммов, обладающих ростом свыше 45°С были исследованы на устойчивость к ингибиторам (кислоты, альдегиды, производные фурфурола). Показано, что 4 штамма обладали высокой устойчивостью к фурфуролу, 5-ГМФ, выход биомассы и этанола в присутствии ингибиторов не изменялся.

Ключевые слова: биомасса; ферментация; ингибиторы; штаммы.

Растительная биомасса является перспективным источником сырья для получения С5 и С6 сахаров путем каталитического гидролиза и их последующей ферментации в ряд ценных про- дуктов. Одной из существенных проблем при ферментации полученных таким образом сахаров является наличие ингибиторов в среде, образующихся в ходе гидролиза целлюлозы (в том числе

органических кислот, альдегидов и производных фурфурола).

В данной работе проведено выделение и скрининг свойств термотолератных дрожжей, об-

ладающих устойчивостью к ингибиторам фрементации. Всего было выделено 21 штаммов, от-

носящихся к Kluyveromyces marxianus, Clavispora lusitaniae и Candida inconspicua обладающих

способностью к росту при температурах свыше 40°С и сбраживанию глюкозы и ксилозы, и

продуцирующих этанол. Проведен RAPD анализ. Из протестированных штаммов лишь четыре

штамма, относящиеся к виду Kluyveromyces marxianus обладали способностью к росту >45°С, для них исследована устойчивость полученных штаммов к различным ингибиторам, которая

SECTION | | “BIOTECHNOLOGY AND INDUSTRY”

составляет для штаммов: муравьиная кислота <2 г/л, гликолевая кислота <10 г/л, яблочная кис - лота <25 г/л, фурфурол <1 г/л, 5-ГМФ >15 мМ, уксусная кислота 2 г/л, этанол < 75–80 г/л. Скрининг свойств при культивировании при 45°С показал, что в присутствии 0.5 г/л фурфурола полностью подавляется потребление ксилозы, а глюкозы на 30%. При концентрации 20 мМ 5-ГМФ в среде потребление глюкозы не изменялось, ксилозы снижалось на 50%. Выход биомассы и этанола по глюкозе в обоих случаях не изменялся. Таким образом, по результатам скрининга была выявлен штамм Kluyveromyces marxianus TYK-14, обладающий высокой устойчивостью к ингибиторам ферментации (в т.ч. производным фурфурола).

Научные исследования проведены при финансовой поддержке государства в лице МинобрнаукиРоссии.Уникальныйидентификаторнаучныхисследований RFMEFI61314X0017.

УДК 579.66

ISOLATION OFTHERMOTOLERANTYEAST STRAINS PRODUCING ETHANOLAND RESISTANT TO INHIBITORS OF FERMENTATION

Sorokina K.N.1,2, Samoylova Y.V.1, PiligaevA.V.1

1Boreskov Institute of Catalysis of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Novosibirsk, Russia

2Novosibirsk State University, Novosibirsk, Russia 630090, Novosibirsk, pr. Lavrentieva, 5

In this study a number of thermotolerant yeast strains producing ethanol were isolated. Several strains had biomass growth over 45°C and were tested against resistance to inhibitors (acids, aldehydes, furfural derivatives). It has been shown that 4 strains exhibited high resistance to furfural, 5-HMF, and biomass yield and ethanol in the presence of inhibitors remained unchanged.

Keywords: biomass; fermentation; inhibitors; strains.

Plant biomass is a promising source of raw material for producing C5 and C6 sugars through catalytic hydrolysis and subsequent fermentation in a number of valuable products. One of the major problems in the fermentation of sugars is the presence of inhibitors in the medium, formed during the hydrolysis of cellulose (including organic acids, aldehydes and derivatives of furfural).

Inthis paperwehave carriedoutthe selectionand screeningpropertiestermotoleratntyeaststhatare resistant to inhibitors frementation. There were isolated 21 strains belonging to Kluyveromyces marxianus, Clavispora lusitaniaeand Candida inconspicua havingthe abilityto growat temperatures above 40°C and to ferment simultaneously glucose and xylose, producing ethanol. The RAPD analysis was performed. Of the strains tested, only four strains belonging to the species Kluyveromyces marxianus have the ability to grow> 45°C and they were taken to investigate the stability of these various

strains derived inhibitors, revealed the following critical concentrations: formic acid <2 g/l glycolic acid <10 g/l, malic acid <25 g/l, furfural <1 g/l, 5-HMF> 15 mM acetic acid, 2 g/l ethanol <75–80 g/l. Screening properties when cultured at 45°C showed that in the presence of 0.5 g/L furfural completely suppressed uptake of xylose and glucose at 30%. At a concentration of 20 mM 5-HMF consumption of glucose in the medium was not changed xylose decreased by 50%. Biomass yield on glucose and ethanol in both cases unchanged. Thus, the results of screening was found strain Kluyveromyces marxianus TYK-14 having a high resistance to inhibitors of fermentation (including furfural deriva- tives).

Research carried out with financial support from the state on behalf of the Russian Ministry. Unique identifier research is RFMEFI61314X0017.

СЕКЦИЯ | | «БИОТЕХНОЛОГИЯ И ПРОМЫШЛЕННОСТЬ»

УДК 57.085.23

БЕССЫВОРОТОЧНЫЕ СРЕДЫ «ГИБРИС» ДЛЯ СУСПЕНЗИОННОГО КУЛЬТИВИРОВАНИЯ КЛЕТОК СНО И НЕК В БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ Табаков В.Ю.1,2, Честков В.В.1,2, Честков И.В.2, Щепкина Ю.В.1,2

1ФГБУ Медико-Генетический Научный Центр РАМН, Москва, Россия 115478, Москва, ул. Москворечье, д. 1 2ООО Научно-Производственное предприятие ПанЭко, Москва, Россия

115522, Москва, а/я119 e-mail: chestkov@med-gen.ru

Разработаны специальные бесывороточные среды для суспензионного культивирования линий клеток СНО и НЕК в биотехнологических процессах. Продемонстрированы высокий уровень накопления жизнеспособных клеток и длительный период поддержания жизнеспособности культур модельных линий СНО-Sи HEK-SFв условиях эксперимента в стационарной культуре с перемешиванием.

Ключевые слова: бессывороточнаясреда; суспензионное культивирование; клеточная линия; СНО-S;НЕК-SF; биотехнологический процесс.

Получение препаратов сложных рекомбинантных белков и трансдуцирующих вирусных векторов предполагает использование высокопроизводительных суспензионных культур рекомбинантных клеточных линий яичника китайского хомяка СНО и первично трансфициро - ванных делеционным вариантом аденовируса Ad5 клеток почки эмбриона человека НЕК-293 [1,2].Оптимальные показатели роста и продуктивности этих рекомбинантных линий дости - гаются при условии суспензионного культивирования клеток в специализированных бессывороточных средах [3]. Нами разработаны отечественные аналоги бессывороточных сред химически определенного состава для обеспечения высокоэффективного культивирования клеток этих линий в биотехнологических процессах. Среда «Гибрис-1-СНО» предназначена для роста и продукции рекомбинантных белков клетками линий СНО в суспензионных биореакторных культурах. В экспериментах на модельной клеточной бессывороточной линии CHO-S (Invitrogen) в условиях стационарной культуры с перемешиванием максимальный уровень накопления биомассы жизнеспособных клеток (свыше 95%) наблюдается на 5–6 сутки от инокуляции посевного материала (рис.1). Биохимический анализ культуральной среды в динамике установил пониженную скорость утилизации глюкозы и низкий уровень накопления лак - тата в процессе культивирования. Среда «Гибрис-1–293» обеспечивает высокоэффективное культивирование клеток бессывороточной суспензионной линии HEK-SF (ПанЭко)в условиях стационарной культуры с перемешиванием. Плотность суспензии клеток достигала 2,3–3,0

млн. клеток/кластеров на 1 мл культуральной среды (рис.2). При этом, количество агрегатов

клеток в длительных экспериментах (до 10 суток) не превышало 10% с размерами агрегатов не более 5–15 клеток.

SECTION | | “BIOTECHNOLOGY AND INDUSTRY”

Список литературы

1.  Kim J.Y., Kim Y.G., Lee G.M.CHO cells in biotechnology for production of recombinantproteins: currentstate and fur ther potential//Appl. Microbiol. Biotechnol. 2012. Vol.93. P.917–930.

2.  Wright J.F.Transient transfection methods for clinicaladeno-associatedviral vectorproduction// Human genetherapy. 2009. Vol.20. P.698–706.

3.  WurmM. Medium and Process Optimization for High Yield, High Density Suspension Cultures: From Low Throughput Spinner Flasksto High Through put MillilitreReactors// BioProcess International magazine. 1.02.2009

URL: http://www.bioprocessintl.com/upstream-processing/cell-culture-media/medium-and-pro- cess-optimization-for-high-yield-high-density-suspension-cultures-from-low-throughput-spinner-

flasks-to-high-throughput-millilitre-reactors-184052 (дата обращения:16.12.14).

UDC:57.085.23

SERUM-FREE MEDIA“HYBRIS” FORCULTURING CHOAND HEK CELLS IN SUSPENSION

Tabakov V.Yu.1,2, Chestkov V.V.1,2, Chestkov I.V.1,2, SchepkinaYu.V.1,2

1Research Centreof Medical Genetics (RCMG) oftheRussianAcademyof Medical Sciences (RAMS) Moscow, Russia

115478, Moscow, Moskvorechiest., 1 2PanEco Ltd., Moscow, Russia 115522, Moscow, pb119.

e-mail: chestkov@med-gen.ru

Chemicallydefinedprotein-freemedia were developed for culturing of CHO and HEK cells in bio- technological processes. High level of viable cells and prolonged time of cell (viability) life were shown in cultures of CHO-S and HEK-SF at (in) batch shaking culturing experiment. Keywords: serum-free medium; suspension culturing; cell line; CHO-S; HEK-SF; biotechnologi- cal process.

Production of protein and viral transducing vectors requires the reach high density suspension of biotechnological cell lines Chinese Hamster Ovary (CHO) and primary transfected by sheared ade-

СЕКЦИЯ | | «БИОТЕХНОЛОГИЯ И ПРОМЫШЛЕННОСТЬ»

novirus variantAd5 Human Embrional Kidney cells (HEK-293) [1,2]. Optimal growth and production indicators of these recombinant linesare achieved under suspension culture conditions in specialized serum-free media [3].

We have developed new effective chemically defined serum-free media for high efficient culturing of these cell lines in biotechnological processes. The medium “HYBRIS-1-CHO” is intended for the growth and recombinant proteins production by CHO cell lines in bioreactor cultures. In experiments using model serum-free cell line CHO-S (Invitrogen) under stationary culture with shaking, the maximal level of viable cell biomass accumulation (over 95%) was observed at 5–6 day after seeding material inoculation (fig.1). The biochemical analysis of cell culture medium revealed low rate of glucose utililization and low level of lactate accumulation. The medium “HYBRIS-1–293” provides high efficiency culturing of serum-free suspension cell line HEK-SF (PanEco) under stationary culture with shaking. Cell density was achieved 2,3–3,0 × 106 cells/clusters per 1 ml of culture medium (fig.2).The amount of cell aggregates in prolonged experiments (up to 10 days) didn’t exceed 10% at total cell number with aggregates up to 5–15 cells.

References

1.  Kim J.Y., Kim Y.G., Lee G.M.CHO cells in biotechnology for production of recombinant proteins: currentstate and further potential//Appl. Microbiol. Biotechnol. 2012. Vol.93. P.917–930.

2.  Wright J.F. Transient transfection methods for clinical adeno-associated viral vector production//Human genetherapy. 2009. Vol.20. P.698–706.

3.  Wurm M.Medium and Process Optimization for High Yield, High Density Suspension Cultures: From Low Through put Spinner Flasksto High Through put MillilitreReactors// BioProcess International magazine. 1.02.2009

URL: http://www.bioprocessintl.com/upstream-processing/cell-culture-media/medium-and-pro-

cess-optimization-for-high-yield-high-density-suspension-cultures-from-low-throughput-spinner- flasks-to-high-throughput-millilitre-reactors-184052 (дата обращения:16.12.14).

SECTION | | “BIOTECHNOLOGY AND INDUSTRY”

УДК 663.1

СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ВЫБОРУ ОПТИМАЛЬНОГО БИОРЕАКТОРА Винаров А.Ю.

Открытое акционерное общество «Государственный научно-исследовательский институт биосинтеза белковых веществ», Москва, Россия

109004  Москва, ул. А.Солженицина,27. E-mail: Vinarov@hotmail.com

Формулируется подход к выбору оптимального биореактора с учетом явлений на микро- и макроуровнях и их математического моделирования. Приведен пример алгоритма выбора биореактора на основе критерия энергозатрат. Рассматриваются варианты различных критериев оптимальности для выбора биореактора.

Ключевые слова: биореактор, алгоритм выбора, критерий оптимальности, системный подход.

Выбор рациональной конструкции биореактора представляет собой сложную и важную задачу, особенно при создании коммерческих биотехнологий. Критерий оптимальности при этом может учитывать энергетические затраты, количество и качество получаемого биопродукта, степень биоконверсии исходного субстрата и др./1/. Задача выбора для разрабатываемой био - технологии оптимального биореактора или технических требований для его создание может быть решена на основе системного подхода к данной проблеме с использованием методов математического моделирования процессов на микро и макроуровне /2, 3/.

Пример простого алгоритма выбора биореактора для аэробной ферментации: 1.Рассчитывается необходимая скорость потребления кислорода с учетом модели кинетики

роста, стехиометрии потребления О2 и концентрации клеток в среде.

2.Рассчитывается требуемый коэффициент массопередачи (KLa), обеспечивающий требуемое потреблениеО2 при концентрации растворенного О2 превышающей критическое значение .

3.Рассчитываются энергозатраты для достижения расчетного значения (KLa), выбирается аппарат и параметры работы (перемешивание, аэрация) с минимальным значением (критерий оптимальности)

Например, в типовых аппаратах с мешалкой энергозатраты на массопередачу кислорода составляют 0,75–1,0 квтч/1кгO2, при скорости массопередачи 4–5 кгО2/м3ч, а в оптимальной конструкции биореактора затрачивается всего 0,35–0,45 квтч/1кг O2. Нами рассмотрены задачи выбора оптимального биореактора и на основе других критериев: максимальная поверхность насадки в аппарате для иммобилизации клеток, минимальный объем дорогостоящей питательной среды при культивировании СНО клеток, максимальная продуктивность по биогазу для метанового сбраживания и др.

1.Кафаров В.В., Винаров А.Ю., Гордеев Л.С.Моделирование и системный анализ биохими- ческих производств (монография) изд. М. : Лесная пр-ть, 1985, 280с. 2.ВинаровА.Ю., Гордеев Л.С., Кухаренко А.А., Панфилов В.И. под ред. Быкова В.А. Ферментациионные аппараты для процессов микробиологического синтеза (монография).

Изд.М.: Дели,2005, 300с 3.Кафаров В.В., Винаров А.Ю., Гордеев Л.С.Моделирование биохимических реакторов (мо-

нография изд.М.: Лесная пр-ть, 1979, 343с.

СЕКЦИЯ | | «БИОТЕХНОЛОГИЯ И ПРОМЫШЛЕННОСТЬ»

SYSTEMAPPROACH TO THE SELECTION OF OPTIMALBIOREACTOR Vinarov А.Yu.

Joint – stock company «State scientific research institute of proteins biosynthesis» Moscow, Russia 109004  Moscow, Aleksandra Soljenitsina Str., 27 E-mail: Vinarov@hotmail.com

Formulated approach to the selection of optimal bioreactor with the phenomena at the micro and macro levels, and their mathematical modeling. An example of bioreactor selection algorithm based on the criterion of energy consumption is shown. Discusses options for different optimality criteria for selecting the bioreactor.

Keywords: bioreactor selection, algorithm, optimality criterion, system approach, mathematical model.

The choice of a rational design of the bioreactor is a complex and important task, especially in the creation of commercial biotechnology. Criterion of optimality in this case may include energy costs, the amount and quality of byproduct produced, the degree of the initial substrate bioconversion et al.[1]. The problem of choice for optimal bioreactor for a new developed biotechnology or technical requirements for its creation can be solved on the basis of the system approach to this problem using mathematical modeling methods with the phenomena at the micro – and macro levels describing by the corresponding models [2,3].

An example of a simple algorithm for selection of bioreactor for aerobic fermentation:

1.  The required rate of oxygen consumption is calculated based on the model of the growth kinetics, stoichiometry of O2 consumption and cell concentration in the medium.

2.  That allows us to calculate the required mass transfer coefficient (KLa) with regard to the concentration of dissolved O2 exceeds a critical value for a given culture

3.  For the competing types of bioreactors and the parameters of their work (mixing, aeration) is calculated the energy consumption for achieving the design value (KLa) and select the unit with a minimum of energy (optimality criterion).

For example, in typical agitated apparatus energy on mass transfer of O2 is 0.75–1.0 kWh/1kgO2 at a rate of mass transfer 4–5 kgO2 /m3h, but for the optimal design of the bioreactor is spent only 0.35–0.45 kWh/1kg O2. We have considered the problem of choosing the optimal bioreactor and on the basis of other criteria, such as the maximum amount of surface packing in apparatus for cell immobilization, the minimum amount of expensive culture medium by culturing CHO cells, the maximum productivity biogas for methane fermentation, and others.

1.  V. Kafarov,A. Vinarov, L.Gordeev Modeling and system analysis of biochemical manufactures (monograph) Moscow : Lesnaya Prom. 1985, 280 p.

2.  A Vinarov, L. Gordeev, A. Kucharenko, V. Panfilov (by redaction of V.Bukov) Fermentation apparatus for microbiological processes (educational book)., Moscow : Deli, 2005, 300p.

3.  V. Kafarov, A. Vinarov, L. Gordeev. Modeling of biochemical reactors (monograph) Мoscow: Lesnaya Prom. 1979, 345 p.

УДК 577.152.

СПОСОБЫ КОНСЕРВАЦИИ МИКРОМИЦЕТОВ – ПРОДУЦЕНТОВ ПРОТЕИНАЗ,

ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЕ ИХ СТАБИЛЬНОСТЬ

Яковлева М.Б., Никитина З.К., Быков В.А.

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Всероссийский научно- исследовательский институт лекарственных и ароматических растений, Москва, Россия

338 Конгресс «БИОТЕХНОЛОГИЯ: СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ» 17-20 марта 2015