微生物發(fā)酵項目放大需經過小試、中試到大生產的過程。其中搖瓶前規(guī)模為小試，以發(fā)酵罐到更大規(guī)模發(fā)酵罐為中試。中試放大一是可以探索實驗室的新菌種的生產效能，探索之前確定的發(fā)酵環(huán)境的適配性與在優(yōu)化，包括發(fā)酵培養(yǎng)基配方和工藝條件；中試放大二是可以對生產上發(fā)現(xiàn)的問題進行小規(guī)模再研究，可降低糾錯成本，中試放大是小試實驗研究到工業(yè)化生產的過渡，也是微生物發(fā)酵項目成功的必需，而其中上發(fā)酵罐又是這過程的關鍵一步，因為從搖瓶到發(fā)酵不僅僅是量的變化，更是增加反饋與控制的第一次質變。
曾經有人包括合成生物學的博士咨詢筆者，小試發(fā)酵如何設置發(fā)酵罐并開始發(fā)酵呢？個人回答一般的方法論是，參照搖瓶或者一般知識確定起始參數(shù)開啟發(fā)酵，再結合罐上的具體情況科學調整逐步優(yōu)化。
第一步，通過說明書或者與廠家工程師交流熟悉發(fā)酵罐。國內的品牌有國強、百侖、保興等的，其硬件與軟件都不一樣，僅僅是使用的話熟悉起來也很容易。按照攪拌系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、補料系統(tǒng)與供排氣系統(tǒng)等幾個系統(tǒng)去了解，pH、溶解氧等電極按照說明書標定，補料的泵速按照說明書用天平與水來標定。需要注意的是，小型發(fā)酵罐啟用前可能是直接放入滅菌鍋里滅菌的，所以滅菌時需要斷開一切的反饋與控制的連接，而在滅菌完成后開始發(fā)酵前又要及時與控制柜做好各系統(tǒng)的連接。
第二步，通過搖瓶或者一般知識確定起始參數(shù)。
① 我們把發(fā)酵罐的基礎料體積除以發(fā)酵罐的總體積的得數(shù)叫裝料系數(shù)，這個系數(shù)因攪拌大小、泡沫大小及罐本身的設計與大小而有所不同，一般地剛開始上罐時可以定在40-60%，比如5L的罐基礎料可以是2L到3L；
② 先可以直接采用搖瓶發(fā)酵時的培養(yǎng)基配方，或者通用的網(wǎng)絡可查的各類菌對應的通用配方。按照罐的控制系統(tǒng)補料泵個數(shù)，考慮幾路控制補料。消泡劑控制發(fā)酵過程中可能的起泡，這個的反饋與控制可利用罐上的泡沫感應器自動控制；酵母控制pH可采用液堿，大腸桿菌控制pH可采用氨水，這個的反饋與控制可利用罐上的pH計自動控制；補充氮源來生產蛋白或者補充碳源來生產其他產物，這個也可自動控制，只是因牽涉到整個工藝調整，后續(xù)再展開；
③ 我們把多少通風量L/min除以料液體積L的得數(shù)叫vvm，這個系數(shù)因菌種對氧的需要及罐本身的設計而有所不同，小罐試驗時可初定比較高一點的，比如酵母1，大腸桿菌1.5，再按照基礎料體積計算后先不變動；
④ 攪拌轉速，一般建議根據(jù)搖瓶而來起始設定為200rpm，隨著菌體的生長，之后設定溶解氧在30%左右時關聯(lián)攪拌提速，也可手動逐步提速。酵母8h前延滯期內，大腸桿菌4h前的延滯期內溶氧下降緩慢而攪拌轉速可不提升，經過對數(shù)生長期時是攪拌逐步提升的過程，酵母16h左右到400rpm，大腸桿菌8h左右到600rpm。
第三步，結合罐上的具體情況科學調整逐步優(yōu)化。即使前幾批主要是與設備磨合的一些調整，其實發(fā)酵已經開始，而你也開始涉及到發(fā)酵工藝調整了。
① 如果延滯期過長，或者平臺期的OD600較低。可從提升接種量、優(yōu)化培養(yǎng)基碳氮比，增加微量元素等措施試試改善。
② 如果補料過多，或者發(fā)酵罐體積過大?？蓮南抡{基礎料體積，降低補料速度或者提升補料濃度等措施試試改善。
因為發(fā)酵罐補料使營養(yǎng)比搖瓶豐富，高轉速下傳質傳熱比搖瓶好，其控制的維度也比搖瓶多，量變到質變，故此認為與搖瓶相比發(fā)酵罐是一次質的飛躍，發(fā)酵罐有比搖瓶復雜得多的內容。
真正要做到持續(xù)穩(wěn)定發(fā)酵，需要有微生物知識與無菌操作作為前提，有對物料、設備、自動化控制的理解及一定的檢測分析能力作為解決異常的保障，還要有系統(tǒng)化的分析思維，因為在發(fā)酵過程中各參數(shù)是相關關聯(lián)的，一個結果對應的原因是多方面的，有時甚至是反向的，比如pH突然上升是罐壓下降或者堿液泵自控異常、發(fā)酵液染菌異常還是缺糖；比如泡沫異常時，是補料不夠缺營養(yǎng)，還是補料過多生長過快導致自溶等等，需要經過多手段確認后再去調控方可保證發(fā)酵持續(xù)穩(wěn)定，這些在后續(xù)再展開。今天你已經開始使用發(fā)酵罐了。
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