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大腸桿菌在不同體積一次性生物反應器上的高密度培養研究

瀏覽次數:1215 發布日期:2024-8-1  來源:本站 僅供參考,謝絕轉載,否則責任自負
前言

細胞生長環境與生物反應器中流體力學的傳遞現象(熱量和質量傳遞)和反應液的理化性質有密切關系;反應器由于其結構和尺寸不同,細胞生長環境也存在一定差異;影響生物反應過程的因素較多,比如菌齡、接種量、培養基成分、溫度、pH和DO等。

為了評估不同體積生物反應器的過程可行性和結果可靠性,本研究使用實驗室內成熟的大腸桿菌培養工藝,在相同菌株、菌齡、接種量、培養基、溫度、pH,比擬放大的補料控制條件下,測試了500mL、1.5L、3L和15L四種不同體積一次性生物反應器。結果顯示,培養過程中DO趨勢相近,不同體積罐體在補料前后的OD600均表現出良好的一致性。

圖1 不同體積生物反應器系統

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

實驗方法

本實驗采用的控制器為CloudReady™和Intelli-Ferm mini ,使用1.5L玻璃罐以及500mL、1.5L、3L和15L的Endura SUB®一次性生物反應器硬質罐體,明細如表1所示,實際情況見圖1。

表1 不同反應器及控制系統


本實驗8臺反應器使用相同濃度的培養基和菌株;溫度控制37℃,pH用氨水控制在7.0,發酵過程中溶氧控制在30%。不同尺寸的補料速度按實際工作體積比擬縮放。

結果與分析

補料時間可以反應菌株消耗初始培養基內碳源的快慢。由于培養初期未進行補料,蠕動泵精度不會對菌株的生長產生影響。8臺反應器均在7.5±0.1h開始補料(表2),說明各尺寸罐體在發酵前期都能夠滿足菌體生長條件。因此,不同罐體在補料前均保持較好的一致性。

表2 不同罐體補料時間


圖2 不同罐體OD600生長曲線

開始補料后,由于菌體生長和代謝的需要,需氧量不斷增加,部分罐體根據實際情況通純氧,使得DO維持在30%左右。最終下罐OD600(圖2)在80-120之間,與歷史數據相似。將不同尺寸罐體發酵全程的OD600生長數據進行Pearson相關性和顯著性分析(表3,圖3),不同罐體之間的相關系數大于0.95,P<0.05,說明它們之間生長情況顯著相關,表現出良好的生長一致性。

表3 相關系數及顯著性P值

注:***、**、*分別代表1%、5%、10%的顯著性水平

圖3 不同罐體OD600相關系數熱力圖譜

從DO曲線(圖4)上來看,不同罐體大致呈現相似趨勢,補料初期生長旺盛,碳源消耗迅速,DO曲線振蕩較為頻繁,且振幅較大。隨著發酵進行至中后期,補料速度增大,菌體生長減緩,DO曲線振幅減小。但1.5L、3L和15L相比500mL整體較為平穩,這可能與500mL反應體系有關。反應體系越小,對抗環境變化能力越弱。

圖4 不同罐體DO曲線

結論

不同反應器由于其結構和尺寸不同,其傳質傳熱存在一定的差異。本次實驗結果顯示,培養過程中DO曲線趨勢相近,不同體積罐體在補料前后的OD600均表現出良好的一致性。

迪必爾自研的CloudReady™和Intelli-Ferm mini控制器,搭配D2MS軟件系統,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。


唐平安、柴金言、管志欣供稿


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