【发酵培养】微生物培养设备的选择建议(工艺设计、活化扩培、设备评价、工程菌等)

企业   2024-10-16 09:12   北京  

摇床是一种常用的实验室设备,用于对各种常用液体的摇匀、或对微生物、细菌和细胞培养,另外还会在各种大型发酵前期作为活化设备使用。此类设备在对于温度和振荡频率有较高要求的微小生命个体的培养、发酵、杂交、生物化学反应以及酶和组织研究等领域均有广泛的应用。

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摇床的5种分类方法

A.按作用分有常温摇床、恒温摇床、培养摇床、智能型摇床、万向摇床;

B.按组件分有水浴、气浴和油浴三种,比如气浴恒温摇床、水浴恒温摇床、油浴恒温摇床;

C.按层数分有单层、双层摇床;

D.按放置方法分有立式、台式、叠式、落地式等;

E.按震荡方法分有 3D 运动式、跷板运动式、轨道式运动式、往复运动式,以及模拟手摇烧瓶的腕式运动式等 。

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四种运动类型摇床的具体特点

A.圆周摇床:通过圆周运动的方式,提供高效的振荡混匀,适配各种培养皿,锥形瓶和培养瓶等;主要应用于细菌重悬、溶解性研究、细菌及酵母培养、提取洗脱过程、诊断检测、杂交、通用混匀、印迹&洗脱等应用等;适合单次混匀较多的样品,样品上下对流效果比较好,浓度较为均匀。

B.线性摇床:通过往复运动的方式,线性振动筛更具有攻击性;广泛应用于各种电泳凝胶的固定、考马斯蓝染色、脱色时的振荡晃动、硝酸银染色的固定、染色、显影等;适合单次混匀较少的样品,样品与空气接触面积大,使其非常适合萃取等应用。

C.翘板摇床:可在样品中产生波浪运动,提供温和的混匀效果;应用于电泳凝胶染色/脱色样品洗涤、酶联免疫吸附(ELISA)洗脱、酶促免疫检测、蛋白合成、杂交印迹/洗脱、免疫沉淀、蛋白免疫印迹(Western Blot)等,同时可用于细胞培养及细胞膜转移,且可放入低温及恒温箱中使用。

D.3D摇床:运动比较轻柔,适用于剪切力敏感、对氧气需求量较低的细胞培养,比如哺乳动物细胞培养,精细的细胞培养、染色和脱色。


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不同微生物对摇床的要求

3.1. 细菌/酵母/真菌

若摇瓶中的氧气传递效率比生物反应器低得多,多数情况下氧传递能力会深受摇瓶培养的限制(科研阶段),振幅则与锥形培养瓶的大小、微生物的剪切力耐受程度、气体交换要求等相关。如25mm振幅应用于从25毫升到2升的锥形培养瓶;50mm振幅应用于2升至5升的锥形培养瓶。

3.2. 细胞培养

哺乳动物细胞培养对氧气的需求相对适中,并非特别低。对于 250 毫升摇瓶,在一定的振幅和振速范围内(振幅20 - 60mm、100 - 300rpm)通常能够提供较为充足的氧气传递,以满足细胞生长的需求。而对于直径较大的 Fernbach 烧瓶,考虑到其更大的培养体积和空间特点,推荐使用 50 毫米振幅,这样有助于更好地促进培养液的混合和氧气的溶解与传递。对于一次性培养袋,同样推荐使用 50 毫米振幅,以便在相对封闭的培养环境中增强氧气的供应,确保细胞能够正常生长和代谢。
不同类型的哺乳动物细胞以及不同的培养目的和条件可能对氧气需求和摇床参数的要求存在差异。在实际应用中,应根据具体的细胞种类、培养体系和实验要求,通过实验优化来确定最适宜的振幅、振速等摇床参数,以实现最佳的细胞培养效果。

3.3. 微孔板和深孔板

在微孔板中进行酶促反应,研究酶的活性和反应动力学。通过预实验确定不同摇床速度对酶反应速率的影响。发现当速度为 150rpm 时,酶反应速率最快,且产物生成量稳定。
案例一:微孔板细胞毒性检测
在进行细胞毒性检测时,我们采用了微孔板来培养贴壁细胞,并引入了不同浓度的药物以评估其对细胞的影响。为了确保细胞能在微孔板中稳定生长,同时防止药物分布不均,我们特意选择了较低的摇床速度,即80rpm。这一设置不仅有助于细胞贴壁生长,还能确保药物均匀作用于细胞表面。在培养期间,我们定期观察细胞的状态,确保其保持良好的贴壁性和生长活力。
案例二:深孔板细菌发酵培养
为了生产特定的代谢产物,我们利用深孔板进行了细菌发酵培养。鉴于细菌对氧气的需求较高,且需要充分混合培养液以促进代谢,我们将摇床速度设定为200rpm。在发酵过程中,我们可以密切监测了溶解氧浓度、pH值以及代谢产物的产量,并根据实际情况灵活调整摇床速度。这一策略旨在优化发酵条件,从而提高代谢产物的产量和质量。

案例三:微孔板酶反应动力学研究
在微孔板中,我们进行了酶促反应实验,旨在探究酶的活性和反应动力学。通过预实验,我们系统地评估了不同摇床速度对酶反应速率的影响。结果显示,当摇床速度设定为150rpm时,酶反应速率达到最快,且产物生成量保持稳定。这一发现为我们后续的实验提供了重要的参数依据,有助于我们更深入地理解酶促反应的动力学特征。
以上三个案例均展示了摇床速度在细胞培养、细菌发酵和酶反应实验中的关键作用。通过合理设置和调整摇床速度,我们可以优化实验条件,提高实验结果的准确性和可靠性。

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通用摇床选择依据8条

4.1. 根据样品的最大载重量进行选择

一般摇床都会有最大载重量,可以根据实验中会涉及到的样品混匀量进行选择。

4.2. 单位容量/总重量/总体积/

根据每次实验需要的药瓶的数量和容量,选择相应容积的摇床。摇床按容积分有微量摇床、常量摇床和大型摇床。
容量:根据实验或生产的规模,选择容量合适的摇床。如果需要同时培养大量的工程菌样本,或者使用较大体积的培养容器,就需要选择容量较大的摇床。同时,要确保摇床的承载能力能够满足培养物的重量要求,保证在振荡过程中摇床的稳定性。
夹具:夹具的设计要能够牢固地固定培养容器,防止在振荡过程中发生倾倒、掉落或移位。对于不同类型的培养容器,如锥形瓶、培养皿、试管等,摇床应配备相应的夹具或可更换的夹具类型,以满足不同的实验需求。

4.3. 振荡方式

分为圆周摇床、线性摇床、翘板摇床、三维摇床,根据自己的实验需求,选择合适的摇床。
这么多种类的摇床,可能会让初次采购的实验室人员不知所措,其实,根据搜科采购管家的经验,只要先梳理清楚自己的实验需求,要选对合适的摇床并不难。进行摇床选型前,我们先来考虑以下问题:

4.4. 实验温度

摇床按温度范围可分为低温(5-50℃),常温,高温三类。对于温度没有要求的实验,可以选择常温摇床。如果对温度有要求,可以选择恒温摇床。恒温摇床中又有很多子类,可以选择不同的加热或制冷方式,以达到实验对温控的要求。

4.5. 机械/动能

不同功率的摇床其工作效率不同,但是大功率的摇床对所使用的摇瓶的质量也有要求,选购时要注意相应的说明。摇床的常见振幅有:Φ25mm(常用)、Φ50mm(大幅度)等,如果对摇床的振幅要求比较大,可选择大振幅大容量振荡器摇床。
摇床在运行过程中要保持稳定,避免产生剧烈的震动或晃动,这不仅会影响工程菌的生长,还可能对摇床本身造成损坏。可以查看摇床的结构设计、底座重量、减震装置等方面来评估其稳定性。例如,底座较重、具有良好减震系统的摇床,在运行时能够更加稳定,减少对培养物的影响。

4.6. 环保要求

按是否有环保要求,摇床分为含氟摇床和无氟摇床

4.7. 智能化要求

按显示方法分,有数显摇床(只显示数字)和液晶显示屏摇床(可显示数字和字母)。另外,摇床还有单门双门,单层与多层,是否有定时功能,是否可以调节振幅等功能。如果您希望摇床具有更多智能化功能,可以选择智能型摇床,它具有高精度的控制功能、液晶显示、数据下载、手机控制等智能化功能。

4.8. 非技术逻辑

根据本单位预算和开发项目的基本要求、计划项目的前瞻性、摇床组合管理等逻辑,综合考虑选择适合本单位的摇床。
西尔曼摇床组图

‌西尔曼摇床:科技创新引领,共创合成生物学新篇章!

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该生物培养振荡器采用了自主研发的ARM控制平台,能够提供精确将温场控制在+/-0.5℃(at37℃、100rpm),具有媲美航空保温性能,确保实验样本在最佳环境下生长与反应。
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工程菌培养过程对摇床的要求

在工程菌的培育过程中,鉴于其通常具有高耗氧性和代谢路径的敏感性,对摇床设备的要求聚焦于高效的溶氧性能与精确的温度调控。尽管部分微生物对剪切力较为敏感,但相较于发酵罐,摇床产生的剪切效应相对温和,因此在此讨论中,我们暂不将剪切力作为摇床设计的考量因素。针对工程菌培养,挑选合适的摇床时,可从以下几个维度细致考量:

  1. A.温度管理:工程菌种类繁多,各自拥有独特的适宜生长温度区间。例如,嗜热型工程菌偏好高温环境,而嗜冷型则适应低温条件。因此,选择摇床时,首要确保其温度控制范围能精准匹配工程菌的生长偏好。温度精确度至关重要,对温度波动敏感的菌株,应选用温度波动控制在±0.5℃以内的摇床,同时,温度均匀性也需得到保证,以维持培养容器内工程菌处于一致且理想的温度条件。
  2. B.湿度调控:部分工程菌的培养可能对湿度有特定需求。若需特定湿度环境,可选择配备加湿功能的摇床。然而,多数情况下,工程菌对湿度的要求并不严苛,普通摇床即可胜任。
  3. C.气体氛围:工程菌培养过程中,氧气、二氧化碳等气体浓度的控制至关重要。对于好氧菌株,摇床需具备良好的通气设计或支持外接气体供应系统,确保氧气充足。相反,厌氧菌株则要求摇床能提供无氧或低氧环境,可能需要特殊密封装置或低氧运行能力。
  4. E.振幅设定:振幅,即摇板进行圆周运动的直径,其选择需依据工程菌特性和培养容器规格。小振幅适用于剪切力敏感菌株,而大振幅则有助于提升氧气传递效率和混合均匀度。例如,25毫升至2升的锥形瓶常用25mm振幅,而2升至5升的锥形瓶则可考虑50mm振幅。
  5. F.转速调节:转速的选择需平衡工程菌的生长需求与对剪切力的耐受性。转速过高可能损害细胞,过低则影响氧气供应和混合效果。通常,需通过实验摸索确定最佳转速范围,一般而言,细菌培养转速介于150至300转/分钟之间,具体应根据工程菌种类和培养条件灵活调整。
除此之外,其他选择依据可参考先前提及的通用摇床选择原则。



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西尔曼科技 段自超   

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