메틸영양 효모인 Pichia pastoris는 재조합 단백질 생산을 위한 미생물 숙주로 널리 사용된다. P. pastoris에 대한 생물반응기 모델은 세포 대사의 이해에 정보를 제공할 수 있으며, 생물반응기 운전의 최적화를 위해 활용될 수 있다. 이 논문에서는 기질, 생체량, 총 단백질, 기타 배지 성분, 그리고 배출가스(off-gas) 성분을 기술하는 P. pastoris를 위한 광범위한 거시적 생물반응기 모델을 구축한다. 매질 성분과 배출가스 성분의 흡수 및 생성(진화) 속도를 설명하기 위해 종(species) 및 원소(elemental) 수지 방정식을 도입한다. 또한 재조합 단백질의 생성과 배지 성분의 침전(precipitation)을 설명하기 위해, 전체 전하 수지(overall charge balance), 산/염기 평형, 그리고 활동도 계수(activity coefficients)를 이용한 pH 모델을 구축한다. 반복 운전(run-to-run) 간 변동성의 범위는 모델 파라미터의 일부에 대한 분포로 모형화하며, 최대우도(maximum likelihood) 방법을 사용하여 이를 추정한다. 광범위한 거시적 생물반응기 모델로부터의 예측은 서로 다른 운전 조건에서의 실험 데이터를 잘 설명한다. 파라미터 분포로부터 정량화된 모델 예측의 확률 분포는 실험 데이터에서 관찰된 반복 운전 간 변동성과 정량적으로 일관된다. 이 거시적 생물반응기 모델에서의 불확실성 기술은 변동성이 큰 모델 파라미터를 식별하고, 추가적인 실험 연구에서 세포 대사의 어느 측면에 초점을 맞춰야 하는지에 대한 지침을 제공한다. pH 및 침전을 포함하는 배지 성분에 대한 모델은 세포의 요구를 충족하면서 필요한 성분의 양을 최소화함으로써 화학적으로 정의된 배지의 개선에 활용될 수 있다.

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