Biotechnology and Bioengineering

An adaptive control algorithm has been implemented on a biomethanation process to maintain propionate concentration, a stable variable, at a given low value, by steering the dilution rate. It was thereby expected to ensure the stability of the process during the startup and during steady‐state running with an acceptable performance. The methane pilot reactor was operated in the completely mixed, once‐through mode and computer‐controlled during 161 days. The results yielded the real‐life validation of the adaptive control algorithm, and documented the stability and acceptable performance expected.

Hairy root cultures of Catharanthus roseus were established by infection of seedlings with Agrobacterium rhizogenes 15834. Approximately 150 transformants from four different. C. roseus cultivars were screened for desirable traits in growth and indole alkaloid production. Five hairy root clones grew well in liquid culture with doubling times similar to those reported for cell suspensions. Fast growing clones had similar morphologies, characterized by thin, straight, and regular branches with thin tips. The levels of key alkaloids, ajmalicine, serpentine, and catharanthine, in these five clones, also compared well with literature data from cell suspensions, yet HPLC and GC‐MS data indicate the presence of vindoline in two clones at levels over three orders of magnitude greater than the minute amounts reported in cell culture. These results suggest that further optimization may result in hairy roots as a potential source of vindoline and catharanthine, the two monomers necessary to synthesize that antineoplastic drug, vinblastine. © 1993 John Wiley & Sons, Inc.

Interest in l‐glycerol 3‐phosphate (l‐G3P) production via microbial fermentation is due to the compound's potential to replace the unstable substrate dihydroxyacetone phosphate (DHAP) in one‐pot enzymatic carbohydrate syntheses. A Saccharomyces cerevisiae strain with deletions in both genes encoding specific l‐G3Pases (GPP1 and GPP2) and multicopy overexpression of l‐glycerol 3‐phosphate dehydrogenase (GPD1) was studied via small‐scale (100 mL) batch fermentations under quasi‐anaerobic conditions. Intracellular accumulation of l‐G3P reached extremely high levels (roughly 200 mM) but thereafter declined. Extracellular l‐G3P was also detected and its concentration continuously increased throughout the fermentation, such that most of the total l‐G3P was found outside the cells as fermentation concluded. Moreover, in spite of the complete elimination of specific l‐G3Pase activity, the strain showed considerable glycerol formation suggesting unspecific dephosphorylation as a mechanism to relieve cells of intracellular l‐G3P accumulation. Up‐scaling the process employed fed‐batch fermentation with repeated glucose feeding, plus an aerobic growth phase followed by an anaerobic product accumulation phase. This produced a final product titer of about 325 mg total l‐G3P per liter of fermentation broth. Biotechnol. Bioeng. 2008;100: 497–505. © 2008 Wiley Periodicals, Inc.

Optical coherence tomography (OCT) was successfully applied to visualize the mesoscale structure of three different heterotrophic biofilms. For this purpose, biofilm volumes of 4 × 4 × 1.6 mm³ were scanned with spatial resolutions lower than 20 µm within an acquisition time of 2 min. A heterogeneous structure was detected for biofilms cultivated in laminar as well as transient flow conditions. The structure was found to be more homogeneous for the biofilm grown in turbulent flow. This biofilm structure was characterized by a volumetric porosity of 0.36, whereas the porosity calculated for biofilms grown in laminar and transient conditions was 0.65. These results were directly generated from the distribution of porosity calculated from the OCT images acquired and can be linked to structural properties. Up to now, the mesoscale biofilm structure was only observable with time‐consuming and expensive studies, for example, magnetic resonance microscopy. OCT will most certainly be helpful for improved understanding and prediction of biofilm physics with respect to macroscale processes, for example, mass transfer and detachment as the information about mesoscale is easily accessible using this method. In the context of this study, we show that CLSM images do not necessarily provide an accurate representation of the biofilm structure at the mesoscale. Additionally, the typical characteristic parameters obtained from CLSM image stacks differ largely from those calculated from OCT images. Nevertheless, to determine the local distribution of biofilm constituents, microscopic methods such as confocal laser scanning microscopy are required. Biotechnol. Bioeng. 2010;107: 844–853. © 2010 Wiley Periodicals, Inc.

A critical problem in the storage and delivery of pharmaceutical proteins is their aggregation induced by moisture. A model system has been elaborated and investigated to elucidate the mechanism of this phenomenon. When 10 mg of bovine serum albumin lyophilized from an aqueous solution of pH 7.3 are wetted with just 3 μL of a buffered physiological saline solution and incubated in the solid state at 37°C, the protein progressively loses its solubility in water; e.g., after a 24 h incubation 97% of the protein becomes insoluble. This moisture‐induced aggregation of albumin has been discovered to be due to an intermolecular S—S bond formation via the thiol‐disulfide interchange reaction. The dependence of the extent of the solid‐state aggregation on the amount and mode of addition of moisture and the atmosphere, additives, temperature, and history of the protein powder have been investigated. The moisture‐induced solid‐state aggregation has also been established and studied for three other lyophilized proteins: ovalbumin, glucose oxidase, and β‐lactoglobulin. In all cases, the loss of solubility is caused by thiol‐disulfide interchange either alone or in combination with a conformational (noncovalent) process. The aggregation can be minimized by lyophilizing the proteins from acidic aqueous solutions, by adding inorganic salts, by co‐lyophilizing the proteins with water‐soluble polymers, or by controlling the moisture content at optimal levels.

Mục tiêu của nghiên cứu nhằm hiểu biết về đóng góp của enzyme đối với chi phí của nhiên liệu sinh học lignocellulosic, chúng tôi đã xây dựng một mô hình kinh tế kỹ thuật cho việc sản xuất cellulase từ nấm. Chúng tôi phát hiện ra rằng chi phí sản xuất enzyme cao hơn nhiều so với mức thường được giả định trong tài liệu hiện có. Ví dụ, đóng góp chi phí của enzyme vào lượng ethanol sản xuất từ quá trình chuyển đổi thân cây ngô được tính là 0,68 đô la Mỹ/gallon nếu như đường trong sinh khối có thể được chuyển đổi với hiệu suất lý thuyết tối đa, và 1,47 đô la Mỹ/gallon nếu hiệu suất dựa trên hiệu suất đường hóa và lên men đã được báo cáo trước đó trong tài liệu khoa học. Chúng tôi đã thực hiện phân tích độ nhạy để nghiên cứu tác động của giá nguyên liệu cũng như thời gian lên men đến phần đóng góp của enzyme vào giá ethanol. Chúng tôi kết luận rằng một nỗ lực đáng kể vẫn cần thiết để giảm chi phí đóng góp của enzyme vào chi phí sản xuất nhiên liệu sinh học. Biotechnol. Bioeng. 2012; 109:1083–1087. © 2011 Wiley Periodicals, Inc.

Một mô hình toán học được trình bày cho cả văn hóa lô (batch) và liên tục của các vi sinh vật sử dụng các chất nền ức chế. Đặc điểm chính của mô hình là sử dụng một hàm ức chế để liên hệ giữa nồng độ chất nền và tỷ lệ phát triển đặc trưng. Các nghiên cứu mô phỏng cho thấy rằng kết quả chính của sự ức chế do chất nền trong một văn hóa lô là sự gia tăng thời gian trễ (lag time), trong khi trong văn hóa liên tục, sự ức chế do chất nền có thể dẫn đến sự không ổn định của quá trình. Mô hình này có thể có giá trị trong các nghiên cứu về tính ổn định của các quá trình sinh học được sử dụng để xử lý một số loại chất thải công nghiệp nhất định như những chất chứa phenol, thiocyanat, nitrat, amoniac, acid bay hơi, v.v., được biết đến là có tính ức chế đối với nhiều loại vi sinh vật chuyển hóa chúng.

Trong những năm gần đây, Hà Lan đã nỗ lực đáng kể trong việc phát triển một quy trình xử lý kị khí tinh vi hơn, phù hợp cho việc xử lý các loại chất thải có độ mạnh thấp và cho các ứng dụng với thời gian lưu nước từ 3-4 giờ. Những nỗ lực này đã dẫn đến một loại quy trình bùn hoạt tính lên (UASB) mới, trong các thí nghiệm tại nhà máy thí điểm 6 m³ gần đây, cho thấy khả năng xử lý tải lượng không gian hữu cơ từ 15-40 kg nhu cầu oxy hóa học (COD)·m⁻³/ngày tại thời gian lưu nước 3-8 giờ. Trong nhà máy lớn quy mô 200 m³ đầu tiên của khái niệm UASB, các tải lượng không gian hữu cơ lên đến 16 kg COD·m⁻³/ngày đã có thể được xử lý một cách thỏa đáng với thời gian lưu 4 giờ, sử dụng chất thải củ cải đường làm đầu vào. Các kết quả chính obtained được từ quy trình trong phòng thí nghiệm cũng như trong các thí nghiệm nhà máy thí điểm 6 m³ và quy mô đầy đủ 200 m³ được trình bày và đánh giá trong bài báo này. Sự chú ý đặc biệt được dành cho các đặc điểm vận hành chính của khái niệm phản ứng UASB. Hơn nữa, một số kết quả tạm thời được trình bày từ các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm liên quan đến việc sử dụng khái niệm phản ứng USB cho quá trình khử nitrat cũng như cho bước hình thành axit trong xử lý kị khí. Đối với cả hai mục đích, quy trình này có vẻ khả thi vì những kết quả rất thỏa đáng liên quan đến khử nitrat và hình thành axit có thể đạt được với các tải lượng thủy lực rất cao (12 ngày⁻¹) và tỷ lệ tải lượng hữu cơ cao, tức là, 20 kg COD·m⁻³/ngày trong các thí nghiệm khử nitrat và 60-80 kg COD·m⁻³/ngày trong các thí nghiệm hình thành axit.

Phương pháp phản ứng chuỗi polymerase theo thời gian thực (PCR) là một phương pháp nhạy cảm cao có thể được sử dụng để phát hiện và định lượng quần thể vi sinh vật mà không cần nuôi cấy chúng trong các quy trình kỵ khí và mẫu môi trường. Công việc này được thực hiện nhằm thiết kế các bộ mồi và đầu dò để phát hiện vi khuẩn sản xuất metan bằng phương pháp PCR thời gian thực với hệ thống TaqMan. Sáu bộ mồi và đầu dò đặc hiệu cho từng nhóm đã được thiết kế. Các bộ này phát hiện riêng biệt bốn bộ (Methanococcales, Methanobacteriales, Methanomicrobiales, và Methanosarcinales) cùng với hai họ (Methanosarcinaceae và Methanosaetaceae) thuộc bộ Methanosarcinales. Chúng tôi cũng đã thiết kế các bộ mồi và đầu dò phổ quát mà phát hiện cụ thể 16S rDNA của prokaryote và của miền Bacteria và Archaea, và hoàn toàn tương thích với hệ thống PCR thời gian thực TaqMan. Đặc hiệu nhóm mục tiêu của từng bộ mồi và đầu dò đã được xác nhận một cách thực nghiệm bằng cách thử nghiệm DNA tách chiết từ 28 văn hóa vi khuẩn cổ và bằng cách phân tích các kết quả sai lệch tiềm ẩn. Nói chung, mỗi bộ mồi và đầu dò rất đặc hiệu với nhóm mục tiêu. Các bộ mồi và đầu dò được thiết kế trong nghiên cứu này có thể được sử dụng để phát hiện và định lượng các nhóm sản xuất metan ở cấp độ bộ (cấp độ họ trong trường hợp Methanosarcinales) trong các quá trình sinh học kỵ khí và các môi trường khác nhau. © 2005 Wiley Periodicals, Inc.