【中國(guó)制藥網(wǎng) 技術(shù)文章】生物發(fā)酵技術(shù)的發(fā)展對(duì)于人們的日常生活有著很大的影響，并且逐漸滲透其中。例如啤酒、酸乳、甜醬等的生產(chǎn)，這些都需要用到發(fā)酵技術(shù)。而隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，生物發(fā)酵技術(shù)作為新一代工業(yè)生物技術(shù)的核心，其發(fā)揮的作用越來越重要。

發(fā)酵罐作為上述技術(shù)的承載者，它的未來發(fā)展以及對(duì)行業(yè)的推動(dòng)作用備受業(yè)內(nèi)人士關(guān)注。專業(yè)生產(chǎn)發(fā)酵罐的江蘇弗盧德流體設(shè)備有限公司(以下簡(jiǎn)稱“弗盧德”)就發(fā)酵罐如何推動(dòng)功能菌株的構(gòu)建以及大規(guī)模篩選技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了相關(guān)分析。

 

菌種易被篩漏 篩選技術(shù)和方法亟待開發(fā)

所謂的菌株又稱品系，表示任何由一個(gè)獨(dú)立分離的單細(xì)胞(或單個(gè)病毒粒子)繁殖而成的純種群體及其后代。因此，一種微生物的每一個(gè)不同來源的純培養(yǎng)物均可稱為該菌種的一個(gè)菌株。菌株實(shí)際上是某一微生物達(dá)到“遺傳性純”的標(biāo)志，一旦菌株發(fā)生變異，都應(yīng)標(biāo)上新的菌株名稱。

由于微生物體內(nèi)代謝網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和多結(jié)點(diǎn)性，基因操作后，菌株的代謝流往往并不朝著預(yù)期設(shè)計(jì)的方向轉(zhuǎn)移。尤其是在產(chǎn)生抗生素等次級(jí)代謝產(chǎn)物的復(fù)雜體系中，要想得到優(yōu)良的工業(yè)生產(chǎn)菌株，主要還是采用隨機(jī)選育技術(shù)，包括自然選育、誘變育種和以原生質(zhì)體融合為代表的雜交育種技術(shù)，但篩選工作量大，費(fèi)時(shí)又費(fèi)力。

據(jù)悉，菌種篩選和篩選后的發(fā)酵工藝設(shè)計(jì)與優(yōu)化工作是分開且順序進(jìn)行的，兩者之間缺少技術(shù)參數(shù)的聯(lián)系，導(dǎo)致了搖瓶篩選到的優(yōu)良菌株與實(shí)際工藝條件產(chǎn)生不對(duì)應(yīng)性，因而許多優(yōu)良菌株的高產(chǎn)性能很難在工業(yè)生產(chǎn)中體現(xiàn)出來。這種篩選模式在我國(guó)沿用了半個(gè)多世紀(jì)而沒有明顯的改進(jìn)。

在菌種選育中，根據(jù)其原理，菌種選育技術(shù)可分成隨機(jī)選育和理性選育兩大類。雖然以分子生物學(xué)為基礎(chǔ)的基因工程、代謝工程以及由各種組學(xué)組成的系統(tǒng)生物學(xué)研究為定向構(gòu)建功能細(xì)胞株提供了廣闊前景，但要真正實(shí)現(xiàn)以這些功能細(xì)胞培養(yǎng)來達(dá)到改造的目標(biāo)卻極其困難。這是因?yàn)楫a(chǎn)量的高低屬于數(shù)量性狀，遺傳學(xué)上由多基因決定，一次誘變和篩選很難有大幅度提高，需要多輪誘變篩選才能逐漸積累到一定的高產(chǎn)特性，這一點(diǎn)不同于以發(fā)現(xiàn)化合物為目標(biāo)的菌種篩選。

因此，從菌種選育實(shí)踐來看除了一些用代謝工程方法改造的初級(jí)代謝產(chǎn)物生產(chǎn)菌株外，不論采用隨機(jī)選育還是理性選育，都無法繞開大量繁瑣的菌株篩選工作。另一方面，無論是隨機(jī)選育還是理性選育，經(jīng)典的菌種初篩和復(fù)篩都是在沒有任何檢測(cè)參數(shù)的搖瓶或試管中進(jìn)行的。在此條件下，篩選過程微生物的外在培養(yǎng)環(huán)境與工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)就存在巨大反差，很多真正符合實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境、性狀優(yōu)良的菌種往往在篩選初期就被漏篩掉了。由此可見，在菌種選育領(lǐng)域，亟需開展多參數(shù)的與發(fā)酵工藝過程相結(jié)合的高通量菌種篩選技術(shù)和方法研究。

　　提高工業(yè)生產(chǎn)菌種發(fā)酵能力 弗盧德注重產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展與創(chuàng)新

目前，國(guó)外已經(jīng)發(fā)明了多種全自動(dòng)高通量篩選系統(tǒng)，可以進(jìn)行培養(yǎng)基滅菌、倒平板、挑取單菌落、分裝發(fā)酵培養(yǎng)基、接種、抽提、HPLC(液相色譜)分析和數(shù)據(jù)自動(dòng)收集處理等過程，即組合成一套連續(xù)的自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化篩選，從而大大提高篩選效率。上的菌種篩選技術(shù)正朝著高通量、微型化、自動(dòng)化和儀器化方向發(fā)展，其中發(fā)酵罐微型化是當(dāng)前發(fā)展的重要趨勢(shì)。如美國(guó)馬里蘭大學(xué)、 麻省理工學(xué)院、 德國(guó)雷根斯堡大學(xué)、英國(guó)倫敦大學(xué)等都在加緊開發(fā)具備高通量特性的微型發(fā)酵罐，有些產(chǎn)品已經(jīng)在不少大型制藥公司得到商品化應(yīng)用。

我國(guó)是名副其實(shí)的發(fā)酵大國(guó)，不過由于種種原因，我國(guó)的發(fā)酵技術(shù)水平仍處于落后的現(xiàn)狀，其中菌種的發(fā)酵水平與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)相比有著相當(dāng)大的差距。如青霉素，國(guó)外菌種發(fā)酵效價(jià)為每毫升發(fā)酵液近20萬單位，而我國(guó)目前只有10萬單位左右;紅霉素的發(fā)酵能力上已經(jīng)超過了1.5萬單位/mL，而國(guó)內(nèi)高水平僅有8000～10000單位/mL。此外，我國(guó)其他發(fā)酵產(chǎn)品的菌種生產(chǎn)能力基本上都落后于水平。

據(jù)悉，微生物發(fā)酵產(chǎn)品的市場(chǎng)規(guī)模約為200億美元，其中抗生素占46%，從世界趨勢(shì)看，抗生素市場(chǎng)正以8%的平均年增長(zhǎng)率高速發(fā)展，而我國(guó)市場(chǎng)每年的增長(zhǎng)更是超過 20%。另外，幾大抗生素品種的原料藥生產(chǎn)也都主要集中在我國(guó)。例如，我國(guó)青霉素年產(chǎn)量就超過了 6萬噸，約占世界份額的90%，原料藥銷售中出口占比超過60%。除此之外，維生素C的產(chǎn)能超過了13萬噸，需求量也保持在9萬噸左右。

就我國(guó)而言，國(guó)內(nèi)的四大企業(yè)產(chǎn)能已經(jīng)超過9萬噸，我國(guó)維生素C出口的國(guó)家和地區(qū)超過了150個(gè)，中國(guó)已經(jīng)成為維生素C供應(yīng)商的主要基地。即便如此，我國(guó)發(fā)酵技術(shù)水平、菌種生產(chǎn)能力還是與上述現(xiàn)象不成正比。因此，提高工業(yè)生產(chǎn)菌種的發(fā)酵能力是提升我國(guó)發(fā)酵工業(yè)整體水平的重要基礎(chǔ)。

發(fā)酵罐行業(yè)弗盧德生產(chǎn)的微型發(fā)酵罐是一套實(shí)驗(yàn)室玻璃發(fā)酵設(shè)備，其功能強(qiáng)大，可以滿足各種目的的發(fā)酵，如批式、批式流加、甚至動(dòng)物細(xì)胞的培養(yǎng)。另外，該設(shè)備還采用了彩色觸摸屏顯示全部測(cè)量值和控制參數(shù)，方便了用戶的操作。

在發(fā)酵中，各種參數(shù)如pH、DO、溫度和轉(zhuǎn)速都能通過控制器監(jiān)控，所有的數(shù)據(jù)和控制參數(shù)都可傳到控制器或者計(jì)算機(jī)上。結(jié)構(gòu)緊湊，各種組件都能集成在發(fā)酵系統(tǒng)上。發(fā)酵罐采用上部驅(qū)動(dòng)的直接耦合機(jī)械攪拌或下部驅(qū)動(dòng)磁力間接耦合機(jī)械攪拌方式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作平穩(wěn)。

結(jié)合國(guó)內(nèi)的情況，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，國(guó)內(nèi)尚且無法推廣國(guó)外這些價(jià)格昂貴的高能量篩選設(shè)備。因此對(duì)于自主研發(fā)的微型發(fā)酵罐，推動(dòng)功能菌株大規(guī)模篩選技術(shù)是必然經(jīng)歷的過程。弗盧德是發(fā)酵行業(yè)的一個(gè)重要成員，推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展責(zé)無旁貸，為此，弗盧德將注重微型發(fā)酵罐的技術(shù)發(fā)展與創(chuàng)新，努力研發(fā)出適合我國(guó)行情的發(fā)酵罐產(chǎn)品。