大腸桿菌在不同體積一次性生物反應(yīng)器上的高密度培養(yǎng)研究

為了評(píng)估不同體積生物反應(yīng)器的過程可行性和結(jié)果可靠性，本研究使用實(shí)驗(yàn)室內(nèi)成熟的大腸桿菌培養(yǎng)工藝，在相同菌株、菌齡、接種量、培養(yǎng)基、溫度、pH，比擬放大的補(bǔ)料控制條件下，測(cè)試了500mL、1.5L、3L和15L四種不同體積一次性生物反應(yīng)器。結(jié)果顯示，培養(yǎng)過程中DO趨勢(shì)相近，不同體積罐體在補(bǔ)料前后的OD₆₀₀均表現(xiàn)出良好的一致性。

圖1 不同體積生物反應(yīng)器系統(tǒng)

(左：CloudReady™ 500mL云平臺(tái)平行生物反應(yīng)器系統(tǒng)；中：Intelli-Ferm mini控制器+3L&15L Endura SUB®一次性反應(yīng)器硬質(zhì)罐體;右：CloudReady™ 1.5L云平臺(tái)平行生物反應(yīng)器系統(tǒng))

實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)采用的控制器為CloudReady™和Intelli-Ferm mini ，使用1.5L玻璃罐以及500mL、1.5L、3L和15L的Endura SUB®一次性生物反應(yīng)器硬質(zhì)罐體，明細(xì)如表1所示，實(shí)際情況見圖1。

表1 不同反應(yīng)器及控制系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)8臺(tái)反應(yīng)器使用相同濃度的培養(yǎng)基和菌株；溫度控制37℃，pH用氨水控制在7.0，發(fā)酵過程中溶氧控制在30%。不同尺寸的補(bǔ)料速度按實(shí)際工作體積比擬縮放。

結(jié)果與分析

補(bǔ)料時(shí)間可以反應(yīng)菌株消耗初始培養(yǎng)基內(nèi)碳源的快慢。由于培養(yǎng)初期未進(jìn)行補(bǔ)料，蠕動(dòng)泵精度不會(huì)對(duì)菌株的生長(zhǎng)產(chǎn)生影響。8臺(tái)反應(yīng)器均在7.5±0.1h開始補(bǔ)料（表2），說明各尺寸罐體在發(fā)酵前期都能夠滿足菌體生長(zhǎng)條件。因此，不同罐體在補(bǔ)料前均保持較好的一致性。

表2 不同罐體補(bǔ)料時(shí)間

圖2 不同罐體OD₆₀₀生長(zhǎng)曲線

開始補(bǔ)料后，由于菌體生長(zhǎng)和代謝的需要，需氧量不斷增加，部分罐體根據(jù)實(shí)際情況通純氧，使得DO維持在30%左右。最終下罐OD₆₀₀（圖2）在80-120之間，與歷史數(shù)據(jù)相似。將不同尺寸罐體發(fā)酵全程的OD₆₀₀生長(zhǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行Pearson相關(guān)性和顯著性分析（表3，圖3），不同罐體之間的相關(guān)系數(shù)大于0.95，P<0.05，說明它們之間生長(zhǎng)情況顯著相關(guān)，表現(xiàn)出良好的生長(zhǎng)一致性。

表3 相關(guān)系數(shù)及顯著性P值

注：***、**、*分別代表1%、5%、10%的顯著性水平

圖3 不同罐體OD₆₀₀相關(guān)系數(shù)熱力圖譜

從DO曲線（圖4）上來看，不同罐體大致呈現(xiàn)相似趨勢(shì)，補(bǔ)料初期生長(zhǎng)旺盛，碳源消耗迅速，DO曲線振蕩較為頻繁，且振幅較大。隨著發(fā)酵進(jìn)行至中后期，補(bǔ)料速度增大，菌體生長(zhǎng)減緩，DO曲線振幅減小。但1.5L、3L和15L相比500mL整體較為平穩(wěn)，這可能與500mL反應(yīng)體系有關(guān)。反應(yīng)體系越小，對(duì)抗環(huán)境變化能力越弱。

圖4 不同罐體DO曲線

結(jié)論

不同反應(yīng)器由于其結(jié)構(gòu)和尺寸不同，其傳質(zhì)傳熱存在一定的差異。本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，培養(yǎng)過程中DO曲線趨勢(shì)相近，不同體積罐體在補(bǔ)料前后的OD₆₀₀均表現(xiàn)出良好的一致性。

迪必爾自研的CloudReady™和Intelli-Ferm mini控制器，搭配D2MS軟件系統(tǒng)，可靈活適配500mL-15L不同體積的罐體（一次性/玻璃），為生物工藝快速迭代和放大提供了有力的軟硬件基礎(chǔ)。

唐平安、柴金言、管志欣供稿