監測大腸桿菌中的氧氣和pH值
監測大腸桿菌中的氧氣和pH值
介紹
為了證明光學氧氣和 pH 傳感器在監測生物反應器環境中的生物參數方面的可行性，我們將氧氣和 pH 敏感的粘性貼片放置在生物燒瓶的一側，以監測大腸桿菌發酵反應期間的條件。生物反應器是封閉環境系統，細胞在特定條件下培養以合成最終產品。此類系統需要持續監測 DO 和 pH 值以優化生物過程。光學傳感器用於提供生物反應器液相中的氧和 pH 測量值。
監測大腸桿菌的過程
圖 1：光學 pH 傳感器包括一個應用於傳感器層（插圖）頂部的電鑄金網，它既接受樣品又反射探針信
可以通過使用微型光譜儀測量 pH 染料的比色響應來實現液相 pH 的非侵入式監測。這種方法是比例式的，相對不受漂移的影響。比色 pH 傳感器也可以作為反射傳感器實現，不受溶液顏色、沉澱物或濁度的影響。
圖 2：在大腸桿菌發酵反應期間，在生物燒瓶中監測氧氣和 pH 值。
監測氧氣和 pH 值
為了監測大腸桿菌發酵過程中液相中的氧氣和 pH 值，將氧氣和 pH 值敏感的粘性貼片放置在生物燒瓶內。用於這些測量的設置如圖2所示。
發酵反應使用安捷倫科技 (www.agilent.com) 的大腸桿菌 AG1 感受態細胞在 LB 肉湯生長培養基中在室溫下生長過夜來完成。大腸桿菌 K12 生長培養基補充有葡萄糖、鎂和硫胺素用作發酵反應的培養基。將指數生長的大腸桿菌細胞添加到含有 K12 生長培養基和營養素的生物燒瓶中以啟動發酵反應。
使用帶有鎢鹵素光源和分叉光纖的微型光譜儀測量 pH值。光纖的一條腿將光傳輸到容器內的貼片，另一條腿讀取溶液內反射貼片的響應。標準 pH 緩衝液用於校準。隨時間觀察吸光度曲線。
圖 3：大腸桿菌發酵 21 小時後氧氣濃度發生顯著變化。
結果
在測量的前兩個小時內耗氧量最快，因為在將細胞添加到添加了營養的新鮮培養基後細胞生長增加。在接下來的六個小時的發酵過程中，氧氣消耗逐漸減少並開始穩定（圖 3）。由於發酵反應未在完全受控的環境中進行，因此在過程的過夜期間（8‑18 小時）觀察到的變化可能是由周圍環境的波動引起的。
如圖4所示，在 21 小時的實驗過程中，pH 值隨著細胞生長的增加而下降，受到新鮮培養基和營養素的刺激。 pH 值下降是因為細胞生長的增加導致乳酸等代謝副產物的積累。
在測量的第 8 小時和第 14 小時之間觀察到的更顯著的 pH 下降可能是環境溫度升高的函數，隨著溫度接近細胞的最佳生長條件，這會促進細胞生長。在發酵過程結束時觀察到的 pH 變化逐漸減少可能是由於培養物中乳酸的積累和關鍵培養基成分的耗盡導致細胞生長減慢導致的細胞毒性。
結論
Ocean Insight 光學氧氣和 pH 值貼片克服了基於電化學的氧氣和 pH 值傳感的局限性。這種貼片可以很容易地集成到生物燒瓶等小型生物系統中，並提供對關鍵系統參數的連續、非侵入式監測。在不擾亂密封環境的情況下實時監測DO 和 pH 的能力可以提高對生物反應器中過程的理解，並最終有助於促進新生物產品和過程的開發。
圖 4：經過 21 小時的大腸桿菌發酵，pH 值隨著細胞生長的增加而下降。