Optimization of Fermentative Production of Cephalosporin C by Acromonium chrysogenum Strain using Response Surface Method

Seyedvand, Omid; Labbeiki, Ghazal; Akbarzadeh Kolahi, Saeid

Optimization of Fermentative Production of Cephalosporin C by Acromonium chrysogenum Strain using Response Surface Method

Document Type : Original Research

Authors

Omid Seyedvand ¹

Ghazal Labbeiki ²

Saeid Akbarzadeh kolahi ³

¹ MsC of Microbial Biotechnology , Department of Biotechnology ,Faculty of Advanced Sciences and Technology , Tehran Medical Sciences , Islamic Azad University, Tehran , Iran

² Assistant Professor, Department of Food Sciences and Technology, Faculty of Pharmacy and Pharmaceutical Sciences, Tehran Medical Sciences , Islamic Azad University, Tehran , Iran

³ Assistant Professor, Department of Pharmacology & Toxicology, Faculty of Pharmacy and Pharmaceutical Sciences, Tehran Medical Sciences, Islamic Azad University, Tehran , Iran

Abstract

The use of productive microorganisms in the production of primary and secondary metabolites is part of the knowledge of microbial biotechnology, which is carried out with the aim of using huge cellular factories and considering their inherent and latent ability to produce products. Investigating and optimizing the factors affecting the synthesis of metabolites will increase the growth of the strain and the yield of the product. In this regard, in this research, by using the response surface method (RSM) and Box-Behnken design, the fermentation production of cephalosporin C by Acromonium chrysogenum PTCC 5271, and the effect of three factors on the fermentation process, including pH of Fermentation culture media, rice bran and magnetite iron oxide nanoparticles have been measured at three levels. The obtained results showed that changes in the concentration of magnetite iron oxide nanoparticles and rice bran in the fermentation media significantly affect the amount of antibiotics produced. The highest amount of Cephalosporin C produced (224 mg/l) was obtained in the culture containing 0.04 mg/l magnetite iron oxide nanoparticles, 2.5 g/l rice bran and pH of 6.5. The optimized values for the factors were calculated as 0.0325 mg/l, 2.6162 g/l, and 6.4545 respectively by the Mini Tab program, and finally the mathematical model for the response variable was obtained. Based on the results of this research, magnetite iron oxide nanoparticles and rice bran are suitable substrates in fermentation culture media and biological processes.

Keywords

Fermentation

Acromonium chrysogenum strain

Cephalosporin C

Response surface method

Subjects

Microbial biotechnology

1. کروگر، و.، کروگر، آ.،2017، بیوتکنولوژی میکروبیولوژی صنعتی. ترجمه علی مرتضوی و سایرین (1381). انتشارات دانشگاه فردوسی مشهد،مشهد،ص 103-439.
2. هوگو، و.ب.، راسل، آ. د.، 1987،میکروب شناسی دارویی. ترجمه صدیقه فضلی بزاز (1367). انتشارات دانشگاه علوم پزشکی مشهد،مشهد، ص 113-157.
3. Hu, Y., Zhu, B. (2016). Study on genetic engineering of Acremonium chrysogenum, the cephalosporin C producer. Synthetic and Systems Biotechnology, 1(3), 143-149.
4. ساروخانی، م.معظمی، ن. آذرنوش، م.(1382).دستکاری ژنتیکی سویه آکرومونیومی تولید کننده سفالوسپورین C به منظور افزایش تولید این آنتی بیوتیک. مجله دانشگاه علوم پزشکی ایران.سال دهم.شماره .34 ص229-234.
5. Tabaraie, B., Ghasemian, E., Tabaraie, T., Rezazarandi, M., Parvizi, E. (2012). Comparative evalution of Cephalosporin-C production in solid state fermentation and submerged liquid culture. Journal of microbiology, biotechnology and food sciences, 2(1), 83-94.
6. Zafira, I. Z., Nandong, J. (2019, April). Optimal feeding strategy of Cephalosporin C fermentation. In IOP Conference Series: Materials Science and Engineering (Vol. 495, No. 1, p. 012107). IOP Publishing.
7. Hamedi, J., Malekzadeh, F., Saghafi-Nia, A. E. (2004). Enhancing of erythromycin production by Saccharopolyspora erythraea with common and uncommon oils. Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology, 31(10), 447-456.
8. Lotfy, W. A. (2007). The utilization of beet molasses as a novel carbon source for cephalosporin C production by Acremonium chrysogenum: optimization of process parameters through statistical experimental designs. Bioresource technology, 98(18), 3491-3498.
9. ملک زاده، ف.، صعودی، م ر.، ملک زاده، ش.،1388،.بیوتکنولوژی میکروبی،جلد اول، انتشارات دانشگاه تهران،تهران، ص 33- 449.
10. رئیسی ف, رضوی ه, حجت الاسلامی م, محمدیان م.(1393). بررسی خصوصیات فیزیکوشیمیایی و رئولوژیکی عصاره سبوس برنج.‎ فصلنامه علوم و صنایع غذایی، 42(11)، ص9-18.
11. شجاع الساداتی،ع.،صالحی زاده،ح.،1395،اصول مفاهیم و کاربردهای نانوبیوتکنولوژی،انتشارات دانشگاه تربیت مدرس،تهران،ص 11 -145.
12. صالحی زاده، ح و بایندری ل. (1387). نانوذرات مغناطیسی : کاربرد و اهمیت آنها در زیست فناوری. مهندسی شیمی ایران، سال 7، شماره 33، ص40-50.
13. شبه رنگ، م و میرواقفی ع. (1391). کاربردهای فناوری نانو در شیلات. مجله فناوری نانو.سال 11، شماره 6 ( 179) ص 13.
14. Kafayati, M. E., Raheb, J., Torabi Angazi, M., Alizadeh, S., Bardania, H. (2013). The effect of magnetic Fe3O4 nanoparticles on the growth of genetically manipulated bacterium, Pseudomonas aeruginosa (PTSOX4). Iranian Journal of Biotechnology, 11(1), 41-46.
15. Olle, B., Bromberg, L., Hatton, T. A., Wang, D. I. C. (2019). Enhancement of oxygen transfer in fermentation by use of functionalized magnetic nanoparticles. In 2007 Cleantech Conference and Trade Show Cleantech 2007, 270-273.
16. Labbeiki, G., Attar, H., Heydarinasab, A., Sorkhabadi, S., Rashidi, A. (2014). Enhanced oxygen transfer rate and bioprocess yield by using magnetite nanoparticles in fermentation media of erythromycin. DARU Journal of Pharmaceutical Sciences, 22(1), 1-7.
17. Ito, A., Shinkai, M., Honda, H., Kobayashi, T. (2005). Medical application of functionalized magnetic nanoparticles. Journal of bioscience and bioengineering, 100(1), 1-11.
18. Loh, K. S., Lee, Y. H., Musa, A., Salmah, A. A., Zamri, I. (2008). Use of Fe3O4 nanoparticles for enhancement of biosensor response to the herbicide 2, 4-dichlorophenoxyacetic acid. Sensors, 8(9), 5775-5791.
19. شجاع الساداتی، ع.، اسدالهی، م ع.،1387، بیوتکنولوژی صنعتی، انتشارات آثار علمی دانشگاه تربیت مدرس، تهران،ص74 - 354.
20. Shahidzadeh, H., Labbeiki, G., Attar, H. (2017). Enhanced fermentative production of Cephalosporin C by magnetite nanoparticles in culture of Acremonium chrysogenum. IET Nanobiotechnology, 11(6), 644-649.
21. Dasari, V. R. R. K., Donthireddy, S. R. R., Nikku, M. Y., Garapati, H. R. (2009). Optimization of medium constituents for Cephalosporin C production using response surface methodology and artificial neural networks. Journal of biochemical technology, 1(3), 69-74.
22. Wajid, A., Malik, F., Shafaat, S., Hussain, S., Parveen, G., Roohi, S., Ismail, M. (2012). Effective extraction of Cephalosporin C from whole fermentation broth of Acremonium chrysogenum utilizing aqueous two phase systems. African Journal of Biotechnology, 11(31), 7973-7979.
23. سلیمانی, س., شریفی, ا., آرمین, م., محمد. (2017). بهینه سازی دما و فرمولاسیون تولید پودر خرمالو به روش سطح پاسخ. نوآوری در علوم و فناوری غذایی, 8(4), ص27-36.‎
24. میلانی,آ., پورآذرنگ، ه.، وطن خواه ش., وکیلیان ح. (2010). بهینه سازی استخراج اینولین از غده‌ی سیب زمینی ترشی به کمک روش سطح پاسخ (RSM). نشریه پژوهشهای علوم و صنایع غذایی ایران, 6(3)،ص 176-183.
25. پرایمرز، س.،1992،بیوتکنولوژی مولکولی.ترجمه مجتبی طباطبایی و سایرین (1372). انتشارات مرکز ملی تحقیقات مهندسی ژنتیک و تکنولوژی زیستی، تهران،ص 139-241.
26. Ghalamboran, M. R., Ramsden, J. J., Ansari, F. (2009). Growth rate enhancement of Bradyrhizobium japanicum due to magnetite nanoparticles. Journal of Bionanoscience, 3(1), 33-38.
27. McBain, S. C., Yiu, H. H., Dobson, J. (2008). Magnetic nanoparticles for gene and drug delivery. International journal of nanomedicine, 3(2), 169-180.
28. Cruz, A. J. G., Silva, A. S., Araujo, M. L. G. C., Giordano, R. C., Hokka, C. O. (1999). Modelling and optimization of the cephalosporin C production bioprocess in a fed-batch bioreactor with invert sugar as substrate. Chemical Engineering Science, 54(15-16), 3137-3142.
29. Gao, M. T., Kaneko, M., Hirata, M., Toorisaka, E., Hano, T. (2008). Utilization of rice bran as nutrient source for fermentative lactic acid production. Bioresource Technology, 99(9), 3659-3664.
30. Kook, M. C., Seo, M. J., Cheigh, C. I., Pyun, Y. R., Cho, S. C., Park, H. (2010). Enhanced production of Alfa aminobutyric acid using rice bran extracts by Lactobacillus sakei B2-16. Journal of microbiology and biotechnology, 20(4), 763-766.
31. Hafrichter,M.,2010, Industrial Application the Mycota. Germany, Springer, PP 103-110.
32. جانسون،پ.2002،مقدمه ای بر بیوتکنولوژی مواد غذایی، ترجمه محمد باقر حبیبی نجفی و سایرین، 1386، انتشارات دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ص 329-359.
33. Adinarayana, K., Prabhakar, T., Srinivasulu, V., Rao, M. A., Lakshmi, P. J., Ellaiah, P. (2003). Optimization of process parameters for cephalosporin C production under solid state fermentation from Acremonium chrysogenum. Process Biochemistry, 39(2), 171-177.