摇瓶——不只是容器

摇动式生物反应器于上世纪初问世，也被称作三角摇瓶或简称为摇瓶。容量从25 mL至5 L不等，应用灵活，能够满足从筛选、扩增到培养基设计和早期工艺开发等多种实验需求。其价格实惠，适用于悬浮培养细菌、酵母、真菌以及植物和动物细胞。摇瓶操作简单，无需专门培训便可上手，但为实现高效培养，仍需注意若干要点，并认识到不同类型摇瓶适用于不同应用场景。

摇瓶材质——玻璃与塑料对比
摇瓶主要采用玻璃或塑料制成。对于典型的微生物学应用，可重复使用且可高压灭菌的玻璃三角摇瓶在大多数情况下更为适用。当对传氧性能要求较高时，使用玻璃摇瓶也更为有利，因为玻璃属于亲水性材料，有助生成促进氧传递的液膜。相比之下，未经特殊处理的塑料则具有疏水性[1]。当污染风险较为显著，如处理敏感培养物或生产步骤时，配备0.2 µm滤芯通气盖的一次性无菌摇瓶使用起来会更加便捷、安全。目前市场上已推出由不同塑料制成的摇瓶，具体选择取决于应用要求和个人偏好，包括适用于微生物应用的高耐受性聚丙烯（PP），以及专为哺乳动物细胞培养而设计的透光塑料，如聚碳酸酯（PC）或聚对苯二甲酸乙二醇酯（PETG）。

摇瓶设计——特殊形状与挡板
摇晃培养物的目的是增加通气量、提高营养物质利用率并防止沉淀。三角摇瓶一般由锥形瓶身、宽瓶底和圆柱瓶颈组成。摇瓶设计多种多样，包括宽颈或窄颈，有无隔板等。特殊设计可进一步优化气体交换，如大容量冯巴赫瓶就采用宽底设计，氧气传递面积更大；Ultra Yield™与Optimum Growth Flasks™一次性摇瓶则通过优化形状，提高表体比[2]。
有挡板与无挡板：无挡板摇瓶能产生均匀稳定的旋涡状液体流动，几何形态清晰且可预见[2]。相比之下，挡板式摇瓶则会在底部形成特定空腔，刻意破坏这种旋涡流动。这种“打破旋涡”的设计能改善培养物通气效率，在培养物需氧量较高时尤为适用。除优化通气外，挡板式摇瓶在处理丝状真菌等粘性培养物时也十分有效，可防止孢子生成或培养物沉淀[3]。但另一方面，挡板式摇瓶会增加气泡产生风险，从而阻碍氧气传递。同时，由于旋涡流动遭到破坏、流动行为更加混乱，挡板式摇瓶的培养结果会比无挡板摇瓶更不稳定[2]。

https://handling-solutions.eppendorf.com/cell-handling/bioprocess/processes-and-applications/detailview/news/its-not-just-about-size-talking-about-shake-flasks-and-bioreactors/​​​​​​​

摇瓶封口——从传统棉塞到通气瓶盖。
为防止培养物污染，摇瓶会采用不同封口方式。封口既要能阻隔污染，又必须确保培养物充分通气。具体类型包括传统瓶塞、金属顶盖、硅胶海绵塞和一次性滤芯盖。不同封口方式的传氧率取决于所用材料的氧扩散系数、瓶口宽度和瓶塞长度[1]。若存在污染风险，则应避免使用棉塞，因为溢出物（如使用挡板式摇瓶时）或冷凝蒸汽可能浸湿棉塞，造成交叉污染。通常应避免瓶塞受潮，这不仅能减少交叉污染，还能维持通气效率。此原则同样适用于可能吸收水分的非疏水性滤芯材料。平行实验应选用同类型封口方式，以确保气体传递速率一致。

推荐装液量是多少？
培养物通气要求越高，摇瓶装液量应越少。经验法则表明，在微生物培养应用中，装液量不应超过摇瓶标称容量的1/5，如500 mL三角摇瓶的装液量不应超过100 mL。若对传氧率要求极高，如长期发酵高耗氧菌株，则应将装液量减少到10%，同时尽可能提高转速，达到培养物抗剪切应力所能承受的极限。对于剪切敏感型哺乳动物细胞培养，装液量通常为30 - 40 %，且摇晃速率应不超过150 rpm。近年来市场上出现了针对高产蛋白或质粒表达而开发的专用摇瓶，如前面提到的Ultra Yield™与Optimum Growth Flasks™摇瓶，均有通过优化体表比和底部挡板设计提高传氧效率，因此装液量可以更高[2]。

参考文献：
[1] Pauline M. Doran, Bioprocess Engineering Principles (Second Edition), Chapter 10 - Mass Transfer, 2013
[2] htslabs.com
[3] J. Büchs / Biochemical Engineering Journal 7 (2001) 91–98
[4] Filamentous Fungal Cultures – Process Characteristics, Products, and Applications Hesham A. El-Enshasy, in Bioprocessing for Value-Added Products from Renewable Resources, 2007