高通量微型发酵在培养基优化与生物工艺开发的应用简介

培养基优化和生物工艺开发是微生物发酵工业与研究必不可少的内容。如何高效开展培养基优化和生物工艺开发同时降低成本是一项艰巨的任务。贝克曼库尔特微升级的BioLector高通量微型生物反应器是有力工具。

培养基优化

采用传统方法优化培养基时，由于取样限制，每隔几小时才测量一次。所以如果在测量曲线中观察到拐点，一般会认定为在稀释或测量过程中存在操作误差，应用BioLector则完全不同。BioLector可实现在线高频次测量（最长每20分钟测一次，最短2s测一次），所以测量曲线中出现的拐点可认定为新陈代谢的变化，如双峰转换或营养限制。BioLector采用高通量设计，可同时进行多达48个平行培养，很适合实验设计（DoE），其不仅可以单独测量众多营养成分，而且还可以检测它们之间的相互作用，以便优化zui具生产效率与经济效益的培养基。

案例分享

亚琛工业大学生物化学工程学院应用BioLector确定最少磷酸盐需求：

除了通过菌株基因工程，选择合适宿主/载体或过程优化（例如选择合适的诱导时间），来优化培养过程的特定生产率外，另一种方法是通过限制培养基中的二级基质（如磷酸盐）来减少生物量的积累，以促进产物的形成。传统的摇瓶培养方法不仅繁琐，而且费时费力，整个过程需要大量、协调一致的人工实验。应用微型生物反应器BioLector可加速研究不同诱导时间下磷酸盐限制对大肠杆菌表达系统特定生产率影响，从而快速实现工艺优化。

图：通过批量实验确定不同培养基中大肠杆菌的需磷量

生物工艺开发

用于筛选和生物工艺开发的传统方法往往有一定的局限性，如无法通过实验室规模培养预测放大后培养的性能、产量和培养信息等。

BioLector正是为解决以上局限性而设计的一款先进培养工具。BioLector应用有特殊几何形状的梅花板，可连续振动培养，能实现广泛的氧传递速率，可轻松放大到小试、中试和生产规模。

在传统培养中，小型发酵罐可产生大量的生物过程信息，但产量和发酵数量有限。使用摇瓶等方法虽然可以提高产量，但收集的信息很少，而且必须暂停培养才能取样，这可能会对气体传输和培养性能产生负面影响。

BioLector可平行运行48个发酵，并可在线测量生物量、pH、溶解氧和荧光（如蛋白或荧光染料）等6个参数。梅花板在测量时持续振动，以避免气体传递到培养基时出现任何停顿。两次测量的间隔时间非常短，最多20分钟（最短2s），因此如果在生物量曲线上观察到小拐点，这很可能发生了代谢变化。

应用BioLector，所有的生物工艺参数都可以在微孔板上进行优化，并可wan美的成功放大到1L和20L搅拌式生物反应器上。

案例分享

德国于利希研究中心生物地理研究所应用BioLector建立微生物过程优化平台：

高通量筛选方法广泛用于菌株筛选过程，但获得快速生物工艺开发所需的定量和可放大参数极具挑战，尤其是对于异源蛋白的生产。外源蛋白的性质使我们无法预测其最佳表达结构、分泌信号肽、诱导剂浓度、诱导时间、温度和分批补料时的底物进料速率等。因此，需要大量的系统性实验来阐明每一个感兴趣的异源蛋白表达的最佳条件。而这正是BioLector的应用所在。

图：谷氨酸棒状杆菌分批培养放大

客户评语节选

Forschungszentrum Jülich（德国尤利希研究中心）, Simon Unthan博士

“We have continuously used the BioLector for years and are fully persuaded about this device. The results obtained are highly reproducible and the online analytics of parallel cultivation allows the rapid response to basic questions of the daily laboratory work. We are also very satisfied with the fast and competent support by the m2p-labs team.”

“我们已经连续使用BioLector多年，完全相信该仪器。从该仪器上得到的结果重复性高，平行培养的在线分析使得日常实验室工作的基本问题可以得到快速解决。同时我们对 m2p-labs 团队快速给力的支持很满意。”

Duke University（杜克大学）, Ashley Trahan

"I have used the BioLector Basic from m2p-labs for the last year, and the instrument has more than met our expectations for high throughput strain evaluations. Our lab evaluates a diverse set of strains for the bioproduction of 30+ products, and the BioLector is central to learning and understanding this wide range of microbial systems. I find that the instrument and accessories are smartly designed, easy to understand and navigate, and use thorough and thoughtful software for both experimental design and data analysis. The customer and technical support is excellent, ranging from consultation with one of the founding scientists to competent applications and customer service staff. The BioLector has become an essential tool for our lab, and expansion and diversification using m2p-labs products in definitely in our future!"

“去年我使用了m2p-labs的BioLector Basic，该仪器在高通量菌株评估方面超出了我们的预期。我们实验室评估了用于生产30多种生物产品的一系列菌株，在学习和理解这些微生物系统过程中，BioLector 起到了至关重要的作用。BioLector仪器及其配件设计精巧，便于理解和操作，全面周到的软件可进行实验设计和数据分析。通过咨询BioLector科学家、应用支持和客户服务人员，可以感受到他们都非常出色。BioLector已成为我们实验室以及未来应用拓展和多样化中必不可少的工具！”