实证评估：一次性微生物反应器是否适合流加培养高密度大肠杆菌
时间：2023-06-09 阅读：1177
一次性系统是否能用于微生物培养？
微生物药物蓬勃发展，诸如治疗性质粒 DNA (pDNA) 等已在下一代细胞基因疗法和疫苗研发中发挥着至关重要的作用。除此之外，抗体片段和其他通常采用微生物技术生产的类抗体制剂有逐渐取代传统由哺乳动物培养物生产的单克隆抗体的趋势。1人们对具有诸多优势的一次性系统是否可以用于微生物培养产生了浓厚的兴趣。
相比哺乳动物细胞培养，微生物应用对一次性零部件的要求更加严苛。原因在于微生物耗氧高、代谢产热也高，需要更高的搅拌速率和通气速率，更好的热传导性能。为确保一次性发酵罐能够真正替代中试规模的不锈钢生物反应器，必须确定最关键的稳健性参数和可进行比较的性能参数。
实验材料
表 1：本研究中所用设备
实验方法
1.LB 琼脂平板和摇瓶(预培养 #1)
2.Biostat® RM 20 | 50 摇摆式生物反应器(预培养 #2)
3.Biostat STR® Microbial 发酵罐(流加补料培养)
实验结果
工艺工程表征
第一步，表征 Biostat STR® Microbial微生物反应器的工艺工程参数
kLa 系数高达 680 h-1，培养物密度可以达到 OD600 > 300(>90 gL-1 细胞干重)，实现高密度培养(kLa可转化为指数流加补料培养工艺 (μset = 0.15 h-1) 中的氧转移率 (OTR) 和相对应的氧吸收率 (OUR))7，将工艺工程与生物工艺结果相匹配，确认Biostat STR® Microbial 发酵罐的能力，以实现高密度培养。在建模工艺中，通过通气级联控制 DO(100% 控制输出时最大 kLa 为 680 h-1，见表 2)，以此确保输出适量氧气保证细胞生长。
表 2：在 Biostat STR® Microbial 发酵罐中进行大肠杆菌流加补料培养时，用于控制 DO 的通气级联设置
Biostat® RM
生物反应器中的微生物种子培养
Biostat® RM 生物反应器可配置氧气通气，最高摇摆速率可达 42 rpm。与DO可能受限的摇瓶相比，它更适用于高要求的N-1代培养过程。
BioStat STR® Microbial
微生物反应器中的流加补料培养
生长性能
BioStat STR® Microbial 微生物反应器的微生物培养性能如图 1 所示。在最初的分批培养阶段中，细胞生长速率高，达到约 0.7 h-1(图 1A)，整个过程持续约 5.3 小时，直到葡萄糖消耗殆尽(图 1C)。此时，DO 曲线中出现特征峰(图 2)。细胞生长速率高还体现在生物质的增加(图 1B)。5.3 小时以后，以指数方式添加补料 1(μ = 0.15 h-1，葡萄糖在加入后立即消耗，始终保持在约 0 gL-1)，在 OD600 达到 140±10(13.2 小时)时，追加补料2。实验结束时，OD600 达到 269(图 1A)，DCW 达到 80 gL-1 (WCW = 393 gL-1)(图 1B)。
上述结果体现了发酵罐的最佳性能，实现了高密度培养。7
分批培养阶段结束时，乙酸浓度达到 0.7 gL-1(图 1C)。之后乙酸浓度持续上升，实验结束时达到 5 gL-1，且过程中最后几小时上升速度加快，但始终低于临界生长抑制浓度。8
图 1：在 Biostat STR® Microbial 发酵罐中生长的大肠杆菌培养物表征
注：
➤以 OD600、log (OD600) 和各自对应的生长速率表示流加补料培养工艺中大肠杆菌的生长曲线图。
➤ 以细胞湿重和细胞干重量 (WCW, DCW) 表示的生长曲线图。
➤ 葡萄糖和乙酸浓度曲线。
图 2：指数流加补料培养大肠杆菌工艺中，对 DO 的控制。
工艺性能
Biostat STR® 微生物反应器具有出色的冷却性能，能够支持高密度微生物培养工艺。
Biostat STR® Microbial微生物反应器是否适合微生物培养？
速度、可靠性和产率是成功开发高效生产工艺的关键要素。大肠杆菌培养可以用来生产多种生物疗法药物的基础原料，在高密度下生长，需要大量氧气。制药行业迫切需要既能支持细菌培养物快速扩增又能实现精确过程控制和高产量的解决方案。
全面的工艺工程表征是了解发酵罐在培养工艺中各项性能的基础。我们的实验结果显示，Biostat STR® Microbial 发酵罐可以有效适应高要求的微生物培养工艺，尤其能够满足此类工艺对氧传递和冷却能力的要求。不仅如此，Biostat STR® Microbial发酵罐还可使用高强度和高灵活性的 Flexsafe® 培养袋，并通过生物传感器密切监测和控制过程，确保工艺运行安全、稳健。
经过实验测试，Biostat STR® Microbial 发酵罐能够有效的进行高密度培养 (OD600 > 280) 。其不仅可以精确且高效地控制 DO 和 pH，还具有良好的冷却性能，可以满足高密度发酵培养工艺的严苛要求。
总而言之，Biostat STR® Microbial 发酵罐能够用于生产高活性、高密度的微生物培养物，即使培养工艺多变且严苛也可满足要求。
一次性微生物反应器Biostat STR® Microbial 性能好，适合于微生物发酵
一次性设备与不锈钢发酵罐装置相比，具有以下优势：
➤易于安装，且需要实验室和生产车间做的准备工作较少；
➤ 一次性设备还可节省时间和成本，并大大提高批间周转率；
➤ 一次性设备还可最大限度减少污染和产品暴露风险，确保产品和操作人员安全。
除需具备上述一般性优势外，一次性生物发酵罐技术最终能否可行在很大程度上取决于系统自身的性能。Biostat STR® Microbial 微生物反应器性能好，其 kLa 系数和传热能力均与成熟的不锈钢发酵罐不相上下。实验结果表明，生物制药企业可以在微生物工艺中利用一次性技术的诸多优势，缩短研发到上市阶段的时间，提高商业化生产效率。
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