Chap. 6. How Cells Grow

Chap. 6. How Cells Grow

▶ Definition of Specific Growth Rate(비성장속도) dX dX 1 ≡ mX or m ≡ dt dt X m : Specific growth rate (h-1) X : cell mass concentration (g/L) t : time (h) Introduction ▶ Cell growth : 물리화학적 환경에 대한 가장 기본적인 반응 ▶ 복제(replication)와 세포크기의 변화(change in cell size). ▶ 영양소(substrates)을 이용하여 시간에 따라 세포질량(cell mass)이 증가 substrates + cells → extracellular products + more cells ( ∑S + X → ∑P + nX) ▶ 비성장속도에 영향을 미치는 환경요인 - 온도, pH, 산소 - 영양소, 생산물, 독성물질

배양(Cultivation)의 종류 ▶ 회분식 배양 (Batch culture) : 초기에 한번 배지를 채운 후 더 이상의 영양 물질의 공급이나 제거 없이 세포를 배양하는 방법 ▶ 유가식 배양 (Fed-batch culture) : 영양물질은 연속적으로 또는 반연속적으로 공급, 세포 및 생산물을 포함하는 배양액은 불연속적으로 제거 또는 배양 종료시까지 제거하지 않고 배양하는 방법 ▶ 연속식 배양 (Continuous culture) : 새로운 영양배지가 계속 공급되며 동시에 세포 및 생산물을 포함하는 배양액을 공급속도와 동일하게 제거하면서 배양하는 방법

2) Viable cell count (petri dish) <Colony Forming Unit (CFU)> Determining Cell Concentration 1. Cell number concentration 1) Hemocytometer (Petroff-Hausser slide) 3) Electronic particle counter Fig. 6.1 ○ 세포가 갖는 높은 전기저항에 기초 ○ 세포를 포함하는 전해용액이 오리피스(orifice)를 통과할 때 저항이 발생 ○ 이 저항을 맥동 현상 (pulse)로 변환하여 세포 수를 계산 또는 세포크기의 분포 측정 ○ 일정한 부피에 존재하는 미생물의 수를 현미경으로 측정 ○ 총균수를 측정하는 방법 ○ 투명한 배지, 측정을 방해하는 입자의 제거

Dry cell weight OD 2. Cell mass concentration 1) Direct methods - Dry cell weight (filtration or centrifugation), 가장 보편적 방법 - Packed cell volume (centrifugation), 대략적 추산 방법 - Optical density (light scattering, 600-700nm), 가장 간편한 방법 2) Indirect methods : measure biomolecule concentration and correlate to dry cell mass concentration (DNA, protein, ATP, NADH, product formation) NOTE; high concentration of cells- wrong OD600

Growth of bacterial population • Exponential growth • Geometric progression of the number 2. • 21-22 1 and 2 number of generation that has taken place • Arithmetic scale - slope • Logaritmic scale - straight line arithmetic scale

Growth of bacterial population Batch growth refers to culturing cells in a vessel with an initial charge of medium that is not altered by further nutrient additional or removal. EACH PHASE The scale is log10, number 6; 106 bacteria (viable organisms)

No increase in cell numbers • Induction of enzymes to utilize substrate(s) • Lag phase occurs directly after inoculation • Brief or extended • Depend on the history of the culture to be inoculated and growth condition • Very important to decrease lag period to improve productivity LAG-PHASE (지연기)

EXPONENTIAL-PHASE(대수/ 지수 생장기) • Scientific research • Nutrients and substrate concentration are large • Maximum growth where cell number increases exponentially. • Balanced growth wherein all the cells are dividing regularly by binary fission → Cell composition are constant

Exponential phase (Balanced growth)

Deceleration phase

Stationary phase m = 0

X K’d : first-order death-rate constant Death phase

Stoichiometric Coefficients for Growth Yield coefficients, Y, are defined based on the amount of consumption of another material. 생장수율 Because ΔS changes with growth condition, YX/S is not a constant

Microbial Products 1. Growth associated products : products appear simultaneoulsy with cells in culture 2. Non-growth associated products : products appear during stationary phase of batch growth 3. Mixed-growth associated products : products appear during slow growth and stationary phase

예제 6.1 ○ mmax = ? ○ Yx/s = ? ○ if initial glucose conc. 150g/L with the same inocolum size, Xmax = ?

환경조건이 세포생장에 미치는 영향 (How Environmental Conditions Affect Growth Kinetics) ■ 온도의 영향 ○ 생장온도에 따른 분류 - 저온성 미생물 (psychrophiles: Topt< 20 oC) - 중온성 미생물 (mesophiles: Topt= 20 ~ 50 oC) - 호열성 미생물 (thermophiles; Topt> 50 oC) ○ 최적 생장 온도를 향해 온도가 상승할 경우, 생장속도는 매 10℃ 마다 2배 증가 ○ 최적 생장 온도 보다 높은 범위에서는 생장속도가 감소하며 사멸현상 발생

환경조건이 세포생장에 미치는 영향 (How Environmental Conditions Affect Growth Kinetics) ■ 온도의 영향 사멸이 생장보다 온도에 더 민감하다

환경조건이 세포생장에 미치는 영향 (How Environmental Conditions Affect Growth Kinetics) ■ 온도의 영향 ○ 최적 생장 온도를 향해 온도가 상승할 경우, 생장속도는 매 10℃ 마다 2배 증가 ○ 최적 생장 온도 보다 높은 범위에서는 생장속도가 감소하며 사멸현상 발생

■ pH의 영향 ○ pH는 효소의 활성에 영향을 미침으로서 세포의 생장속도에 영향 ○ 생장의 최적 pH와 product의 생산을 위한 최적 pH는 다를 수 있다. ○ pH가 최적값과 다를 때는 현상유지를 위해 에너지 필요량이 증가 ○ 배양액의 pH 변화 - pH 상승 : 질소원의 형태 - pH 하강 : 탄소원의 이용에 따른 유기산의 생성등 ○ 일반적으로 배양액의 pH 변화를 모니토링하여 pH 조절

■ 용존산소의 영향 ○ 임계산소 농도 이상에서는 생장속도가 용존산소 농도와 무관 ○ 임계산소 농도 이하에서는 산소가 생장 제한 인자 ○ 용존산소의 양은 용액의 녹아있는 물질의 종류 및 농도에 영향을 받음 ○ 용존산소의 양은 용액의 온도나 기압에 영향을 받음 ○ 용존산소 제한을 극복하기 위하여 - oxygen-enriched air 사용 - 높은 압력 (2~3atm)하에서 운전 - agitation speed 변화

■ 미생물 생장에 따르는 열 발생 ○ 호기성 대사의 경우, 기질 에너지의 약 40~50%는 생체에너지로 변환 ○ 나머지는 열로써 방출 → 발효열 ○ 발효열은 배양계의 적정한 온도유지를 위하여 제거 - 냉각 자켓 - 냉각 코일 - condensation

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