Organik çözücü toleranslı ve ısıya dayanıklı rekombinan E. coli lipaz üretiminin kinetiği ve grup fermentasyonu modellemesi

Kinetics and modelling of batch fermentation for the production of organic solvent tolerant and thermostable lipase by recombinant E. coli

Rubina NELOFER, Arbakariya Bin ARİFF, Raja Nor Zaliha Raja Abdul RAHMAN, Mahiran BASR

Abstract

Objective: Kinetics of organic solvent tolerant and thermostable lipase production by recombinant E. coli in shake flask level and 2 L stirred tank bioreactor level was studied to observe the variations of important kinetic parameters at two different levels of bioprocess.Methods: Unstructured models based on Monod equation for growth and Luedeking-Piret equation for lipase production and glucose consumption were used to predict cell growth, lipase production and glucose utilization. The shake flask fermentation experiments were carried out at different initial glucose and yeast extract concentrations using recombinant bacterial strain E. coli BL21. Lipase production was also carried out using 2L stirred tank bioreactor for comparison.Results: In all cases, the data fitted well to the proposed models. The highest growth and lipase activity were obtained at 25 g/L glucose and 25 g/L yeast extract. Cell growth (6.42 g/L) and lipase production (65.32 IU/mL) in 2 L stirred tank bioreactor was comparable to those obtained in shake flask fermentations. The calculated value of growth associated constant (9.874 IU/g/h) was much higher than that of non-growth associated constant (0.022 IU/g/h) in bioreactor as well as in shake flasks. The values of maximum specific growth rate (?m) and glucose saturation constant (KS ) for shake flask fermentations, calculated from Monod equation, were 0.476 h-1 and 5.237 g/L respectively. Conclusion: From the modelling exercise, it was concluded that the lipase production is dominantly growth associated process. The kinetic parameter values for fermentations in shake flask and 2L stirred tank bioreactor were comparable, indicating that the bioprocess could be transferred into larger scale.

Özet

Amaç: İki değişik biyoproses seviyesinde kinetik değişen parametrelerinin gözlemlenmesi amacı ile çalkalama hunisi ve 2 litrelik biyo reaktör kapasitelerinde rekombinan E. coli ile organik çözücü ve ısıya dayanıklı lipaz üretimi çalışılmıştır.Metod: Hücre büyümesi, lipaz üretimi ve glikoz kullanımının belirlenmesi amacı ile yapılandırılmamış modeler üzerinde büyüme için Monod denklemi, lipaz üretimi ile glikoz tüketimi için de Luedeking - Piret denklemi kullanılmıştır. Çalkalama hunisi fermentasyon deneyleri değişik glikoz ve maya eksrakt konsantrasyonlarında rekombinan E. coli BL21 bakteri suşu kullanılarak yapılmıştır. Karşılaştırma için lipaz üretimi ayrıca 2 litrelik biyoreaktör tankı içinde de yapılmıştır.Bulgular: Her durumda veriler önerilen modellere tam olarak uymuştur. En yüksek büyüme seviyesi ve lipaz aktivitesi 25 g/L glikoz ve 25 g/L maya ekstraktında elde edilmiştir. İki litrelik karıştırmalı biyo reaktörden elde edilen hücre büyümesi (6.42 g/L) ve lipaz üretimi (65.32 IU/mL), çalkalamalı huni sisteminden elde edilen veriler karşılaştırılabilir olarak bulunmuştur. Biyoreaktör ve çalkalama hunisi içindeki hesaplanan büyümeye dayalı sabit (9.874 IU/g/h), büyüme olmayan sabite göre (0.022 IU/g/h) çok yüksek elde edilmiştir. Maksimum özgül büyüme oranı (?m) ve çalkalama şişesi fermantasyonları için Monod denklemi ile hesaplanan glukoz doyma sabiti (KS) değerleri sırasıyla 0.476 h-1 ve 5.237 g / L olarak bulunmuştur.Sonuç: Modelleme çalışmasına göre lipaz üretimin baskın olarak bir büyüme ilişkili süreç olduğu sonucuna varılmıştır. Çalkalama hunisi ve 2 litrelik karıştırmalı tank biyoreaktöründen elde edilen sonuçlar karşılaştırılabilir olarak bulunduğundan bu biyoprosesin daha büyük ölçekli olarak yapılmasının mümkün olduğu sonucuna varılmıştır.