Mikrobiell fermentering är en hörnsten inom bioteknologisk forskning och industriell produktion. Bland de vanligaste metoderna finns skakflaskkultur och tankkultur (bioreaktor), där var och en erbjuder olika fördelar och utmaningar. Att förstå skillnaderna mellan dessa metoder är avgörande för att säkerställa en framgångsrik uppskalning från laboratorieforskning till industriell produktion.
Även om skakflaskkultur är vida föredragen inom grundforskning och undervisning på grund av dess enkelhet och låga kostnad, stöter forskare ofta på inkonsekvenser när de applicerar parametrar som optimerats i skakflaskor direkt på storskalig tankfermentering. Dessa avvikelser härrör från flera kritiska faktorer, inklusive variationer i syrenivåer, CO₂-koncentration och mekaniska krafter. Nedan utforskar vi de viktigaste skillnaderna mellan skakflask- och tankkulturer, samt strategier för att överbrygga dessa skillnader.
Viktiga skillnader mellan skakflaskkultur och tankkultur
1. Nivåer av löst syre
- Skakflaskkultur: Syre tillförs genom andningsbara membran eller lösa kapsyler, vilket gör syreöverföringen starkt beroende av miljöförhållanden.
- Tankkultur: Beluftning styrs noggrant via integrerade luftsystem. Överföringshastigheten för löst syre (Kd-värde) är betydligt högre och mer konsekvent än i skakflaskor.
2. CO₂-koncentration
- Skakflaskkultur: Fungerar under normalt atmosfärstryck, vilket resulterar i relativt låg CO₂-ackumulering.
- Tankkultur: Ofta utförd under positivt tryck, vilket leder till högre CO₂-koncentrationer som direkt kan påverka mikrobiell tillväxt och produktsyntes.
3. Mekanisk stress
- Skakflaskkultur: Mikroorganismer utsätts för minimal mekanisk skada, främst på grund av vätskerörelser och ytinteraktioner.
- Tankkultur: Mekaniska krafter som genereras av rotorblad och långvarig omrörning kan orsaka betydande skjuvspänning på mikrobiella celler, vilket potentiellt påverkar livskraft och produktivitet.
4. Andra influerande faktorer
| Parameter | Skakflaskkultur | Tankkultur |
| Contrôle du pH | Generellt okontrollerad | Noggrant upprätthållen |
| Tryck | Atmosfärstryck | Varierande (ofta positivt tryck) |
| Foderstrategier | Begränsade eller frånvarande | Kontrollerade och kontinuerliga möjligt |
Strategier för att minimera skillnader mellan skakflask- och tankfermentering
För att förbättra korrelationen mellan resultat från småskalig och storskalig fermentering kan flera justeringar tillämpas under skakflaskkultur:
Optimering av löst syre
- Öka skakningshastigheten för att förbättra syreöverföringen.
- Minska kulturytan för att förbättra beluftningen (medan man övervakar förlust genom avdunstning).
- Introducera steril luft eller syre direkt i flaskan.
- Tillsätt glaskulor för att simulera blandningseffekter som liknar tankomrörning.
Balansering av mekaniska effekter
- Fäst baffler inuti flaskan för att skapa turbulens och imitera skjuvkrafter.
- Välj tankrotorblad som minimerar skjuvning, såsom propeller- eller skivmixer.
- Optimera omrörningshastighet och tid i tankar för att begränsa mekanisk skada.
- Öka viskositeten på fermenteringsbrygden, där tillämpligt, för att skydda celler från skjuvkrafter utan att kompromissa med syreöverföringen.
Slutsats
Framgångsrik mikrobiell fermentering beror på att förstå de operativa skillnaderna mellan skakflask- och tankkulturer. Genom att noggrant justera experimentella förhållanden och tillämpa balansmetoder kan forskare minska variationer, förbättra reproducerbarhet och säkerställa en smidigare övergång från laboratorieexperiment till industriell produktion.
För optimala resultat är det viktigt att beakta dessa faktorer tidigt i forsknings- och utvecklingsprocessen, så att småskaliga studier effektivt kan informera storskaliga operationer.
