菌种筛选与优化反应系统的应用

20世纪三十年代摇床问世以来，摇床就作为生物反应过程中必备的一种专用设备，用于微生物、动植物细胞菌种筛选、种子扩大培养等。由于摇床设备的特点，不能实时测量培养过程中的有关参数以及过程补料控制，因此长期以来一直以摇床的放瓶结果作为实验数据。当用来作为诸如菌种生理特性变化、培养基成分的作用以及温度、pH等环境条件变化等研究的依据时, 实际上是一种缺乏过程研究的静态分析方法。这种方法的局限性是很显然的，例如以这种方法作为菌种选育后技术时，传统摇瓶筛选方法往往缺乏补料或供氧不足，并不一定处于代谢流分配合理的状态，由此将出现严重的高产菌株漏筛现象。

      如广州邦莱科技有限公司开发的系列菌种筛选与优化反应系统，就是根据菌种在代谢流发酵罐进行发酵操作时，可以很明显地观察到过程pH值与其他参数变化（如菌体生长、OUR、CER、RQ、各种补料操作…等）的相关性，这种随不同发酵时间的相关性变化可以反映菌体生理状态的变化，对发酵过程优化与放大研究具有极重要的意义。与过去把发酵pH值作为条件的概念不同，可以通过该装置pH检测功能，根据发酵过程参数相关的原理观察到菌体生理特性的变化。带pH测量的摇床既克服摇瓶中多参数测量的困难，又不失为代谢流分析的基本原理。为了进一步实现对培养过程的控制，还精心设计用于摇瓶的微量补料技术，实现各种碳氮源的流加、pH控制或微量元素控制等。把pH实时测量与流加技术相结合，对实现以代谢流为核心的动态研究具有重要意义。

由于反应罐的多瓶以及不同工艺的组合对照操作，可以大大缩短研究进度。由此可见，菌种筛选与优化反应系统实质上不仅只是一个简易型生物反应器，而且特别适合于各种微生物和基因工程菌的菌种筛选和培养的早期大批量工作，菌种筛选与优化反应系统明显优于常规的摇床和生物反应器。其装备制造的难点就是研制稳定的pH测量装置和精细的补料系统。由于耐高压灭菌锅的高温灭菌以及系统振荡时的高阻抗输入特性的抗干扰要求，pH电极装置及导线仪表系统必需作精细设计；补料系统必需微量、有效、并可人工任意程序设定。

菌种筛选与优化反应系统的主要应用：

1. 菌体生长过程pH的变化规律，接种量与移种时机的研究

2. 基础培养基的优化

3. 菌体生长阶段和产素阶段适pH的研究

4. 流加补料的研究，包括补料种类、速率及动力学研究

5. 可实现代谢流为核心的动态研究。

实例一：利用pH变化判断与优化移种时机（利福霉素SV）

结论：当种子培养过程pH到达第二个低谷（在此接种量下约为44h）时种子的产素能力强，此时菌体正处于对数生长期末期，可见对利福霉素发酵来说选择对数生长期末期移种较为合适。

实例二：利用前期生长与产素的关系快速筛选高产菌株（利福霉素SV）

pH profiles of fermentation course of rifamycin SV strains

with different productivity

( ―●―High; ―▲―Ctrl; ―■―Low)

 建立了以pH为判断依据的菌种筛选方法：即如果菌株发酵过程前期pH到达谷底的时间较早（和对照相比一般小于28h），则认为此菌株具有高产的可能性较大；如果pH到达谷底的时间较迟，则认为此菌株产素能力较低，可直接淘汰。

 主要用于菌种的初筛

实例三：基础培养基的优化（梅岭霉素）

 3#新菌种比1#老菌种效价高3倍，pH曲线的变化上表现为前期pH下降快，之后pH上升也快，整个过程pH比对照偏低，尤其是生长期（50h前）明显，所以新比老前期利用葡萄糖和氮源迅速，生长快，即细胞代谢旺盛。

 5#与3 #对照氮源相同(1.0%)，前期释放NH₄⁺相同，故pH均回升到7.78左右； 5# C源下降，前期葡萄糖的利用加快，pH曲线上显示为下降快，终效价略高。

 4#N源上升(1.5%)，前期释放NH₄⁺比5#、3 #多，pH回升也高至7.9，同时由于生成较多的碳架前体，促进产素，效价提高43％。

实例四：适发酵pH的研究（1,3-丙二醇）

不同pH条件对甘油消耗的影响

结论：中性条件下（pH7.0）甘油的消耗速度快，适于1,3-丙二醇的发酵。

实例五：补料对发酵的作用（1,3-丙二醇）

结论：通过补加甘油并优化补加速率，大大提高了甘油的转化率（达到为54.7%），产物1, 3-PD的得到。