一次性系統(tǒng)是否能用于微生物培養(yǎng)？
微生物藥物蓬勃發(fā)展，諸如治療性質(zhì)粒 DNA (pDNA) 等已在下一代細胞基因療法和疫苗研發(fā)中發(fā)揮著至關重要的作用。除此之外，抗體片段和其他通常采用微生物技術生產(chǎn)的類抗體制劑有逐漸取代傳統(tǒng)由哺乳動物培養(yǎng)物生產(chǎn)的單克隆抗體的趨勢。1人們對具有諸多優(yōu)勢的一次性系統(tǒng)是否可以用于微生物培養(yǎng)產(chǎn)生了濃厚的興趣。
相比哺乳動物細胞培養(yǎng)，微生物應用對一次性零部件的要求更加嚴苛。原因在于微生物耗氧高、代謝產(chǎn)熱也高，需要更高的攪拌速率和通氣速率，更好的熱傳導性能。為確保一次性發(fā)酵罐能夠真正替代中試規(guī)模的不銹鋼生物反應器，必須確定最關鍵的穩(wěn)健性參數(shù)和可進行比較的性能參數(shù)。
實驗材料
表 1：本研究中所用設備
實驗方法
1.LB 瓊脂平板和搖瓶(預培養(yǎng) #1)
2.Biostat® RM 20 | 50 搖擺式生物反應器(預培養(yǎng) #2)
3.Biostat STR® Microbial 發(fā)酵罐(流加補料培養(yǎng))
實驗結果
工藝工程表征
第一步，表征 Biostat STR® Microbial微生物反應器的工藝工程參數(shù)
kLa 系數(shù)高達 680 h-1，培養(yǎng)物密度可以達到 OD600 > 300(>90 gL-1 細胞干重)，實現(xiàn)高密度培養(yǎng)(kLa可轉化為指數(shù)流加補料培養(yǎng)工藝 (μset = 0.15 h-1) 中的氧轉移率 (OTR) 和相對應的氧吸收率 (OUR))7，將工藝工程與生物工藝結果相匹配，確認Biostat STR® Microbial 發(fā)酵罐的能力，以實現(xiàn)高密度培養(yǎng)。在建模工藝中，通過通氣級聯(lián)控制 DO(100% 控制輸出時最大 kLa 為 680 h-1，見表 2)，以此確保輸出適量氧氣保證細胞生長。
表 2：在 Biostat STR® Microbial 發(fā)酵罐中進行大腸桿菌流加補料培養(yǎng)時，用于控制 DO 的通氣級聯(lián)設置
Biostat® RM
生物反應器中的微生物種子培養(yǎng)
Biostat® RM 生物反應器可配置氧氣通氣，最高搖擺速率可達 42 rpm。與DO可能受限的搖瓶相比，它更適用于高要求的N-1代培養(yǎng)過程。
BioStat STR® Microbial
微生物反應器中的流加補料培養(yǎng)
生長性能
BioStat STR® Microbial 微生物反應器的微生物培養(yǎng)性能如圖 1 所示。在最初的分批培養(yǎng)階段中，細胞生長速率高，達到約 0.7 h-1(圖 1A)，整個過程持續(xù)約 5.3 小時，直到葡萄糖消耗殆盡(圖 1C)。此時，DO 曲線中出現(xiàn)特征峰(圖 2)。細胞生長速率高還體現(xiàn)在生物質(zhì)的增加(圖 1B)。5.3 小時以后，以指數(shù)方式添加補料 1(μ = 0.15 h-1，葡萄糖在加入后立即消耗，始終保持在約 0 gL-1)，在 OD600 達到 140±10(13.2 小時)時，追加補料2。實驗結束時，OD600 達到 269(圖 1A)，DCW 達到 80 gL-1 (WCW = 393 gL-1)(圖 1B)。
上述結果體現(xiàn)了發(fā)酵罐的最佳性能，實現(xiàn)了高密度培養(yǎng)。7
分批培養(yǎng)階段結束時，乙酸濃度達到 0.7 gL-1(圖 1C)。之后乙酸濃度持續(xù)上升，實驗結束時達到 5 gL-1，且過程中最后幾小時上升速度加快，但始終低于臨界生長抑制濃度。8
圖 1：在 Biostat STR® Microbial 發(fā)酵罐中生長的大腸桿菌培養(yǎng)物表征
注：
?以 OD600、log (OD600) 和各自對應的生長速率表示流加補料培養(yǎng)工藝中大腸桿菌的生長曲線圖。
? 以細胞濕重和細胞干重量 (WCW, DCW) 表示的生長曲線圖。
? 葡萄糖和乙酸濃度曲線。
圖 2：指數(shù)流加補料培養(yǎng)大腸桿菌工藝中，對 DO 的控制。
工藝性能
Biostat STR® 微生物反應器具有出色的冷卻性能，能夠支持高密度微生物培養(yǎng)工藝。
Biostat STR® Microbial微生物反應器是否適合微生物培養(yǎng)？
速度、可靠性和產(chǎn)率是成功開發(fā)高效生產(chǎn)工藝的關鍵要素。大腸桿菌培養(yǎng)可以用來生產(chǎn)多種生物療法藥物的基礎原料，在高密度下生長，需要大量氧氣。制藥行業(yè)迫切需要既能支持細菌培養(yǎng)物快速擴增又能實現(xiàn)精確過程控制和高產(chǎn)量的解決方案。
全面的工藝工程表征是了解發(fā)酵罐在培養(yǎng)工藝中各項性能的基礎。我們的實驗結果顯示，Biostat STR® Microbial 發(fā)酵罐可以有效適應高要求的微生物培養(yǎng)工藝，尤其能夠滿足此類工藝對氧傳遞和冷卻能力的要求。不僅如此，Biostat STR® Microbial發(fā)酵罐還可使用高強度和高靈活性的 Flexsafe® 培養(yǎng)袋，并通過生物傳感器密切監(jiān)測和控制過程，確保工藝運行安全、穩(wěn)健。
經(jīng)過實驗測試，Biostat STR® Microbial 發(fā)酵罐能夠有效的進行高密度培養(yǎng) (OD600 > 280) 。其不僅可以精確且高效地控制 DO 和 pH，還具有良好的冷卻性能，可以滿足高密度發(fā)酵培養(yǎng)工藝的嚴苛要求。
總而言之，Biostat STR® Microbial 發(fā)酵罐能夠用于生產(chǎn)高活性、高密度的微生物培養(yǎng)物，即使培養(yǎng)工藝多變且嚴苛也可滿足要求。
一次性微生物反應器Biostat STR® Microbial 性能好，適合于微生物發(fā)酵
一次性設備與不銹鋼發(fā)酵罐裝置相比，具有以下優(yōu)勢：
?易于安裝，且需要實驗室和生產(chǎn)車間做的準備工作較少；
? 一次性設備還可節(jié)省時間和成本，并大大提高批間周轉率；
? 一次性設備還可最大限度減少污染和產(chǎn)品暴露風險，確保產(chǎn)品和操作人員安全。
除需具備上述一般性優(yōu)勢外，一次性生物發(fā)酵罐技術最終能否可行在很大程度上取決于系統(tǒng)自身的性能。Biostat STR® Microbial 微生物反應器性能好，其 kLa 系數(shù)和傳熱能力均與成熟的不銹鋼發(fā)酵罐不相上下。實驗結果表明，生物制藥企業(yè)可以在微生物工藝中利用一次性技術的諸多優(yōu)勢，縮短研發(fā)到上市階段的時間，提高商業(yè)化生產(chǎn)效率。
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