微生物培養(yǎng)是微生物分離、鑒定和篩選以及大規(guī)模微生物生產(chǎn)的基礎。微生物培養(yǎng)的性能在很大程度上取決于所使用的生物反應器的性能，如混合能力和溶氧效果。搖瓶、試管、孔板、攪拌釜等常見的微型生物反應器常常通過精巧的物理結構設計、裝樣體積控制、振蕩或攪拌速率調整等方式以增強其混合和溶氧能力，但通常會引起剪切力的增加，對細胞造成損傷。同時振蕩、曝氣和攪拌會帶來大量的氣泡產(chǎn)生，進一步對發(fā)酵過程產(chǎn)生影響。

近日，清華大學化工系生物育種技術與裝備團隊在Biochemical Engineering Journal上發(fā)表了題為“Microbial micro-tube culture system: A miniature bioreactor for controllable bubble-free oxygen supply based on high gas-permeability Teflon tube”的文章，論文通訊作者為張翀副教授。

文章報道了一種新型微型管式生物反應器（micro-tube bioreactor, MTB），該反應器以高透氣性特氟龍微管路為材料，通過溫和而高效的滲透方式進行無氣泡供氧，克服傳統(tǒng)生物反應器振蕩、曝氣、攪拌等氧氣供應方式所帶來的問題。團隊進一步以該生物反應器為基礎，進行裝備化開發(fā)，實現(xiàn)了全自動化的微生物培養(yǎng)、檢測、傳代等重要過程，為微生物研究提供又一重要平臺。

該研究中，作者首先對不同內徑微管路在不同流速條件下的溶氧能力進行了理論分析和實驗測定，通過研究發(fā)現(xiàn)，隨著管徑減小、流速增加，其氧氣傳質能力快速增強。相對傳統(tǒng)的微型生物反應器，其氧體積轉移系數(shù)（KLa）具有顯著優(yōu)勢。為進一步驗證微型管式反應器對微生物的培養(yǎng)能力，作者對該反應器進行裝備化開發(fā)，其工作原理如圖1所示。微型管式反應器具有體積小、滲透供氧特點，使其溶氧控制更加簡單，通過調控管路周圍環(huán)境中氧氣濃度既可改變溶氧性能。通過對6株代表性微生物在MTB中進行批量培養(yǎng)，作者進一步驗證了MTB培養(yǎng)性能優(yōu)于搖瓶。此外，在MTB中還實現(xiàn)了典型的好氧菌枯草芽孢桿菌分批補料培養(yǎng)和厭氧菌植物乳桿菌的耐氧適應性進化，并均取得良好效果。

Fig. 1 Schematic depiction of micro-tube bioreactor (MTB).

論文鏈接:

https://doi.org/10.1016/j.bej.2022.108789