RESUMEN

Serogroup B outer membrane vesicles (OMV) with iron regulated proteins (IRP) from Neisseria meningitidis constitute the antigen for the vaccine against the disease caused by this bacterium. Aiming to enhance final OMV concentration, seven batch experiments were carried out under four different conditions: (i) with original Catlin medium; (ii) with original Catlin medium and lactate and amino acids pulse at the 6th cultivation hour; (iii) with Catlin medium with double initial concentrations of lactate and amino acids and (iv) Catlin medium without glycerol and with double initial concentrations of lactate and amino acids. The cultivation experiments were carried out in a 7-L bioreactor under the following conditions: 36°C, 0.5atm, overlay air 1L/min, agitation: 250-850 rpm, and O(2) control at 10%, 20 h. After lactate and amino acids exhaustion, cell growth reached stationary phase and a significant release increase of OMV was observed. According to the Luedeking & Piret model, OMV liberation is non-growth associated. Glycerol was not consumed during cultivation. The maximum OMV concentration value attained was 162 mg/L with correspondent productivity of 8.1mg/(Lh) employing Catlin medium with double initial concentrations of lactate and amino acids. The obtained OMV satisfied constitution and protein pattern criteria and were suitable for vaccine production.

Asunto(s)

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Meningococcal disease is an important cause of death and morbidity throughout the world. Nearly 330,000 cases and 35,000 deaths occur yearly. Neisseria meningitidis, serogroup B strain N.44/89, is prevalent in Brazil. Its outer membrane vesicles (OMV) with iron regulated proteins (IRP) are released to the culture medium and are used as antigen for vaccine production. In order to have knowledge about the kinetic parameters, especially the final OMV concentration values, 20-h batch cultivations were carried out in Catlin medium with iron restriction. Process conditions comprised: 7 L bioreactor, 36°C, 0.5 atm, overlay air flowrate of 1 L/min, agitation varying from 250 rpm to 850 rpm and dissolved oxygen control set at 10 percent of saturation condition. Biomass was determined by optical density at 540 nm and dry weight. Glycerol, lactate, pH and dissolved oxygen were measured from samples taken during cultivation. Outer membrane vesicle (OMV) concentration was determined by Lowry's method after ultracentrifugation. IRP presence was verified by SDS-PAGE. Highest biomass value, corresponding to the highest initial lactate concentration (7.84 g/L) was achieved at the 9th hour process time corresponding to 1.0 g/L dry biomass and 2.3 optical density at 540 nm. Lactate consumption was directly related to cell growth (yield factor: 0.24 g dry biomass / g lactate). Glycerol concentration in the medium did not change significantly during the process. OMV concentration reached the highest value of 80 mg/L at end cultivation time. The obtained results suggest that lactate is a main limiting growth factor and the maximum amount of antigen is obtained during stationary growth and cell death phases.

A doença meningocócica é uma causa importante de morte a nível mundial. Aproximadamente 330.000 casos e 35.000 mortes ocorrem anualmente. A cepa N.44/89 do sorogrupo B de Neisseria meningitidis é prevalente no Brasil. Suas vesículas de membrana externa (OMV - "outer membrane vesicles"), com proteínas reguladoras de ferro (IRP - "iron regulated proteins") liberadas no meio de cultura, são empregadas como antígeno para a produção da vacina. A fim ter o conhecimento sobre os parâmetros cinéticos, especialmente os valores finais da concentração de OMV, cultivos batelada de 20 hs foram realizados no meio de Catlin com limitação do ferro. As condições de processo compreenderam: biorreator de 7 litros, 36°C, 0,5 atm, vazão de ar de 1 L/min, agitação variando entre 250 a 850 rpm, controle do oxigênio dissolvido em 10 por cento da condição de saturação. A biomassa foi determinada pela densidade ótica em 540 nm e peso seco. Glicerol, lactato, pH e oxigênio dissolvido foram medidos das amostras retiradas durante o cultivo. A concentração de OMV foi determinada pelo método de Lowry após ultracentrifugação. A presença de IRP foi verificada por SDS-PAGE. O valor mais elevado de biomassa, correspondendo à concentração inicial mais elevada de lactato (7,84 g/L) foi obtido no tempo de processo de 9 horas, o qual corresponde a biomassa seca de 1,0 g/L e a densidade ótica de 2,3 em 540 nm. O consumo de lactato. foi relacionado diretamente ao crescimento celular (fator de conversão de 0,24 biomassa por lactato g/g). A concentração do glicerol no meio não se alterou significativamente ao longo do processo. A concentração de OMV alcançou o valor mais elevado de 80 mg/L no tempo final de cultivo. Os resultados obtidos sugerem que o lactato é o principal fator limitante do crescimento e o máximo do antígeno é obtido durante a fase estacionária de crescimento e de morte celular.

Asunto(s)

RESUMEN

Aiming at the industrial production of serogroup C meningococcal vaccine, different experimental protocols were tested to cultivate Neisseria meningitidis C and to investigate the related organic acid release. Correlations were established between specific rates of acetic acid and lactic acid accumulation and specific growth rate, during cultivations carried out on the Frantz medium in a 13 l bioreactor at 35 degrees C, 0.5 atm, 400 rpm and air flowrate of 2 l min(-1). A first set of nine batch runs was carried out: (1) with control of dissolved oxygen (O2) at 10% of its saturation point, (2) with control of pH at 6.5, and (3) without any control, respectively. Additional fed-batch or partial fed-batch cultivations were performed without dissolved O2 control, varying glucose concentration from 1.0 to 3.0 g l(-1), nine of which without pH control and other two with pH control at 6.5. No significant organic acid level was detected with dissolved O2 control, whereas acetic acid formation appeared to depend on biomass growth either in the absence of any pH and dissolved O2 control or when the pH was kept at 6.5. Under these last conditions, lactic acid was released as well, but it did not seem to be associated to biomass growth. A survey of possible metabolic causes of this behavior suggested that N. meningitidis may employ different metabolic pathways for the carbon source uptake depending on the cultivation conditions.

Asunto(s)

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A produção de polissacarídeo para a produção de vacina específica contra N. meningitidis sorogrupo C é o principal produto obtido dos cultivos deste microorganismo. Para uma análise comparativa da produção de polissacarídeo variando as quantidades de inóculo e as concentrações iniciais de glicose, realizaram-se quatro ensaios, empregando planejamento fatorial 22, em duplicata. As amostras foram retiradas a cada duas horas para a determinação da concentração celular, pH, glicose e concentração de polissacarídeo. O critério analítico foi baseado na concentração final de polissacarídeo e no fator de conversão célula/polissacarídeo (YP/X). Os melhores resultados de concentração final de polissacarídeo (0,105 g/L) e YP/X(0,078) ocorreram na condição de cultivo com maior inóculo (densidade óptica de cerca de 0,1 a 540 nm). O polissacarídeo obtido ao final desse cultivo foi eluído em gel-cromatografia para determinação de peso molecular, sendo um antígeno adequado para a produção da vacina.

Asunto(s)

RESUMEN

Polysaccharide for producing a specific vaccine against N. meningitidis (serogroup C) is the principal product obtained from this microorganism cultures. In order to assess the polysaccharide production varying the bacteria inoculum bulk ,and the initial glucose concentrations, four assays were carried out in duplicate based on factorial 22 planning design. Samples were collected from the cultures every two hours for determining cell concentration (expressed as dry biomass), pH, glucose and polysaccharide concentration. The comparative criteria were based on the final polysaccharide concentrations, and the cell/polysaccharide (YP/X) yield coefficient. The bacteria culture employing the highest inoculum bulk (optical density 0.1 at 540nm) presented the best result of final polysaccharide concentration (0.105 g/ L), and YP/X (0.078). The polysaccharide further purified on gel chromatography column following the molecular mass criterion, was the suitable antigen for vaccine production.

A produção de polissacarídeo para a produção de vacina específica contra N. meningitidis sorogrupo C é o principal produto obtido dos cultivos deste microorganismo. Para uma análise comparativa da produção de polissacarídeo variando as quantidades de inóculo e as concentrações iniciais de glicose, realizaram-se quatro ensaios, empregando planejamento fatorial 22, em duplicata. As amostras foram retiradas a cada duas horas para a determinação da concentração celular, pH, glicose e concentração de polissacarídeo. O critério analítico foi baseado na concentração final de polissacarídeo e no fator de conversão célula/polissacarídeo (YP/X). Os melhores resultados de concentração final de polissacarídeo (0,105 g/L) e YP/X (0,078) ocorreram na condição de cultivo com maior inóculo (densidade óptica de cerca de 0,1 a 540 nm). O polissacarídeo obtido ao final desse cultivo foi eluído em gel-cromatografia para determinação de peso molecular, sendo um antígeno adequado para a produção da vacina.

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Meningococcal disease is an important cause of death and morbidity throughout the world. Nearly 330,000 cases and 35,000 deaths occur yearly. Neisseria meningitidis, serogroup B strain N.44/89, is prevalent in Brazil. Its outer membrane vesicles (OMV) with iron regulated proteins (IRP) are released to the culture medium and are used as antigen for vaccine production. In order to have knowledge about the kinetic parameters, especially the final OMV concentration values, 20-h batch cultivations were carried out in Catlin medium with iron restriction. Process conditions comprised: 7 L bioreactor, 36ºC, 0.5 atm, overlay air flowrate of 1 L/min, agitation varying from 250 rpm to 850 rpm and dissolved oxygen control set at 10% of saturation condition. Biomass was determined by optical density at 540 nm and dry weight. Glycerol, lactate, pH and dissolved oxygen were measured from samples taken during cultivation. Outer membrane vesicle (OMV) concentration was determined by Lowry's method after ultracentrifugation. IRP presence was verified by SDS-PAGE. Highest biomass value, corresponding to the highest initial lactate concentration (7.84 g/L) was achieved at the 9th hour process time corresponding to 1.0 g/L dry biomass and 2.3 optical density at 540 nm. Lactate consumption was directly related to cell growth (yield factor: 0.24 g dry biomass / g lactate). Glycerol concentration in the medium did not change significantly during the process. OMV concentration reached the highest value of 80 mg/L at end cultivation time. The obtained results suggest that lactate is a main limiting growth factor and the maximum amount of antigen is obtained during stationary growth and cell death phases.

A doença meningocócica é uma causa importante de morte a nível mundial. Aproximadamente 330.000 casos e 35.000 mortes ocorrem anualmente. A cepa N.44/89 do sorogrupo B de Neisseria meningitidis é prevalente no Brasil. Suas vesículas de membrana externa (OMV - "outer membrane vesicles"), com proteínas reguladoras de ferro (IRP - "iron regulated proteins") liberadas no meio de cultura, são empregadas como antígeno para a produção da vacina. A fim ter o conhecimento sobre os parâmetros cinéticos, especialmente os valores finais da concentração de OMV, cultivos batelada de 20 hs foram realizados no meio de Catlin com limitação do ferro. As condições de processo compreenderam: biorreator de 7 litros, 36ºC, 0,5 atm, vazão de ar de 1 L/min, agitação variando entre 250 a 850 rpm, controle do oxigênio dissolvido em 10% da condição de saturação. A biomassa foi determinada pela densidade ótica em 540 nm e peso seco. Glicerol, lactato, pH e oxigênio dissolvido foram medidos das amostras retiradas durante o cultivo. A concentração de OMV foi determinada pelo método de Lowry após ultracentrifugação. A presença de IRP foi verificada por SDS-PAGE. O valor mais elevado de biomassa, correspondendo à concentração inicial mais elevada de lactato (7,84 g/L) foi obtido no tempo de processo de 9 horas, o qual corresponde a biomassa seca de 1,0 g/L e a densidade ótica de 2,3 em 540 nm. O consumo de lactato. foi relacionado diretamente ao crescimento celular (fator de conversão de 0,24 biomassa por lactato g/g). A concentração do glicerol no meio não se alterou significativamente ao longo do processo. A concentração de OMV alcançou o valor mais elevado de 80 mg/L no tempo final de cultivo. Os resultados obtidos sugerem que o lactato é o principal fator limitante do crescimento e o máximo do antígeno é obtido durante a fase estacionária de crescimento e de morte celular.

RESUMEN

Estudou-se a influência das concentrações iniciais, no meio de Sauton, de asparagina e glicerol sobre as produtividades, expressas em unidades formadoras de colônias e biomassa microbiana, referentes aos cultivos submersos do Mycobacterium bovis, em biorreator de 20 mL. As concentrações iniciais de 2,27 e 25 mL/L de asparagina e glicerol, respectivamente, conduziram à maior produtividade, em unidades formadoras de colônias, a saber 2,7.106 colônias/mg.dia. Por outro lado, as concentrações de 4,54 e 25 mL/L dos mesmos componentes, corresponderam à melhor produtividade em biomassa, a saber: 2,5 g/dia. Através das análises dos consumos relativos de asparagina e glicerol (50 e 26 per center respectivamente), verificou-se também que as concentrações destes componentes podem ser reduzidas na composição original do meio de Sauton, com o objetivo de obter uma produção otimizada de vacina BCG em bioreator.

Asunto(s)

RESUMEN

The influences of the L-asparagine and glycerol initial concentrations in Sauton medium on the productivities of biomass and colony forming units were studied. The submerged batch cultivations of Mycobacterium bovis were carried out in a 20 L bioreactor. The L-asparagine and glycerol initial concentrations of 4.54 g/L and 25 mL/L, respectively, corresponded to the best biomass productivity, namely 2.5 g/L.day. On the other hand, the concentrations of 2.27 g/L and 25 mL/L, respectively, led to the highest productivity in terms of colony forming units, namely 2.7·10(6) colonies/mg.day. In addition, by means of the relative consumption analysis of L-asparagine and glycerol (50 and 26% respectively), it was concluded that the concentrations of such components could be reduced, with respect to the original Sauton medium composition, aiming the obtainment of an optimal BCG vaccine production in the bioreactor.

Estudou-se a influência das concentrações iniciais, no meio de Sauton, de asparagina e glicerol sobre as produtividades, expressas em unidades formadoras de colônias e biomassa microbiana, referentes aos cultivos submersos do Mycobacterium bovis, em biorreator de 20 mL. As concentrações iniciais de 2,27 e 25 mL/L de asparagina e glicerol, respectivamente, conduziram à maior produtividade, em unidades formadoras de colônias, a saber 2,7.10(6) colônias/mg.dia. Por outro lado, as concentrações de 4,54 e 25 mL/L dos mesmos componentes, corresponderam à melhor produtividade em biomassa, a saber: 2,5 g/dia. Através das análises dos consumos relativos de asparagina e glicerol (50 e 26% respectivamente), verificou-se também que as concentrações destes componentes podem ser reduzidas na composição original do meio de Sauton, com o objetivo de obter uma produção otimizada de vacina BCG em bioreator.

RESUMEN

Haemophilus influenzae type b (Hib) causes invasive infections in infants and young children. Vaccines consisting of Hib capsular polysaccharide (polymer of ribosylribitol phosphate [PRP]) conjugated to a protein are effective in the prevention of such infections. The production of capsular polysaccharide type b was studied in three cultivation conditions: single, glucose pulse, and repeated batch. Specific polysaccharide production (Yp/x) was calculated for all experiments, showing the following values: 67 (single-batch cultivation), 71 (glucose pulse), 75 (repeated-batch cultivation, first batch), and 87 mg of PRP/g of dry cell weight (DCW) (repeated-batch cultivation, second batch). Biomass concentration reached approximately 1.8 g of DCW/L, while polysaccharide concentration was about approximately 132 mg/L in the three fermentation runs. Polysaccharide synthesis is associated with cell growth in all studied conditions as established by Kono's analysis and Luedeking-Piret's model.

Asunto(s)

RESUMEN

Polysaccharide of N. meningitidis serogroup C constitutes the antigen for the vaccine against meningitis. The goal of this work was to compare three cultivation media for production of this polysaccharide: Frantz, modified Frantz medium (with replacement of glucose by glycerol), and Catlin 6 (a synthetic medium with glucose). The comparative criteria were based on the final polysaccharide concentrations and the yield coefficient cell/polysaccharide (Y P/X). The kinetic parameters: pH, substrate consumption and cell growth were also determined. For this purpose, 9 cultivation runs were carried out in a 80 L New Brunswick bioreactor, under the following conditions: 42 L of culture medium, temperature 35ºC, air flow 5 L/min, agitation frequency 120 rpm and vessel pressure 6 psi, without dissolved oxygen or pH controls. The cultivation runs were divided in three groups, with 3 repetitions each. The cultivation using the Frantz medium presented the best results: average of final polysaccharide concentration = 0.134 g/L and Y P/X=0.121, followed by Catlin 6 medium, with results of 0.095 g/L and 0.067 respectively. Considering the principal advantages in the use of the synthetic medium, i.e. facilitation of a cultivation and purification steps of the polysaccharide production process, there is a possibility that in the near future, Catlin 6 will replace the traditional Frantz medium.

O polissacarídeo de N. meningitidis sorogrupo C constitui o antígeno para a elaboração da vacina contra a meningite C. O objetivo deste trabalho foi comparar três meios de cultivo para produção desse polissacarídeo: Frantz, Frantz modificado (com a substituição de glicose por glicerol) e Catlin 6 (meio sintético com glicose). Os critérios comparativos foram baseados nas concentrações finais de polissacarídeo e o fator de conversão célula/polissacarídeo (Y P/X). Também foram determinados os parâmetros cinéticos de pH, consumo de substrato e crescimento celular. Para essa finalidade, foram efetuados nove cultivos em um biorreator New Brunswick de 80 L, sob as seguintes condições: 42 L de meio de cultura, temperatura de 35ºC, vazão de ar de 5 L/min, freqüência de agitação de 120 rpm e pressão da dorna de 6 psi, sem controles de oxigênio dissolvido ou pH. Os cultivos foram divididos em 3 grupos, com 3 repetições cada um. O cultivo usando o meio de Frantz apresentou os melhores resultados: medias de concentração final de polissacarídeo de 0,134 g/L e Y P/X=0,121, seguidos pelo meio de Catlin 6, com resultados de 0,095 g/L e 0,067 respectivamente. Considerando as principais vantagens do uso do meio sintético, como por exemplo, facilitação do cultivo e etapas de purificação do processo de produção do polissacarídeo, há a possibilidade do meio de Catlin 6 substituir o tradicional meio de Frantz em futuro próximo.

RESUMEN

Capsular polysaccharide, extracted from microorganism cultivations, is the principal antigen for elaboration of vaccine against the disease caused by Neisseria meningitidis serogroup C. The final protein content allowed in this vaccine is 1%. In order to find a relationship between nitrogen consumption and cell growth, including polysaccharide production, and cell nitrogen content, cultivations were carried out in an 80 liters bioreactor (total capacity), under the following conditions: Frantz medium; temperature of 35ºC; air flow of 5 L/min (0.125 vvm); agitation frequency of 120 rpm and vessel pressure of 6 psi (kLa = 0.07 min-1). Concentrations of biomass, total polysaccharide, cellular nitrogen, residual organic and inorganic nitrogen in the medium were measured during cultivation. From five cultivations carried out under the same conditions, a mean cell nitrogen percentage of 12.6% (w/w) in respect to the dry biomass was found. The inorganic nitrogen in the medium did not change significantly along the cultivation time, whereas the organic nitrogen consumption was linearly related to cell growth, with constant yield factors (average of 8.44). Polysaccharide production kinetics followed the cell growth kinetics until the beginning of the stationary growth phase. A supplemental polysaccharide production was observed until the end of cultivation, but without cell nitrogen absorption. Thus, the results indicate that polysaccharide is produced in two phases, being the first one biomass formation followed by non-associated to growth.

Polissacarídeo capsular, extraído de cultivos microbianos, é o principal antígeno para o preparo da vacina contra a doença causada por Neisseria meningitidis sorogrupo C. O conteúdo final de proteína permitido nessa vacina é de 1%. De modo a encontrar uma relação entre o consumo de nitrogênio, o crescimento microbiano (incluindo a produção de polissacarídeo) e o conteúdo de nitrogênio celular, cultivos foram realizados em um fermentador de 80 L (capacidade total), sob as seguintes condições: meio de Frantz; temperatura de 35ºC; vazão de ar de 5 L/min (0,125 vvm); freqüência de agitação de 120 rpm e pressão da dorna de 6 psi (kLa = 0.07 min-1). Durante os cultivos, foram determinadas as concentrações de biomassa, polissacarídeo, nitrogênio celular, nitrogênio residual orgânico e inorgânico no meio. De cinco fermentações realizadas sob as mesmas condições, encontrou-se uma porcentagem média de nitrogênio celular de 12,6% (p/p) em relação à biomassa seca. O nitrogênio inorgânico do meio não apresentou variação significativa ao longo do tempo de cultivo, enquanto que o consumo de nitrogênio orgânico foi linearmente relacionado com o crescimento da população celular, com fatores de conversão constantes (média de 8,44). A cinética de produção de polissacarídeo acompanhou a de crescimento da cultura celular até o começo da fase estacionária de crescimento e, a partir desse momento até o fim do cultivo, foi observada uma produção suplementar de polissacarídeo, mas sem absorção de nitrogênio pelas células. Assim, os resultados indicaram uma estratégia de produção de polissacarídeo em duas etapas, sendo a primeira crescimento celular seguida da produção de polissacarídeo não-associado ao crescimento microbiano.