1. 실험실 평행반응기의 원리

실험실 평행반응기는 여러 반응 체계가 동시에 반응하는 데 사용되는 설비로, 여러 반응기를 통해 동시에 반응함으로써 반응 효율을 높이는 원리다.이 설비는 보통 여러 개의 반응기, 온도 제어 시스템, 교반 시스템과 반응물 첨가 시스템 등의 부분으로 구성된다.그중 여러 반응기는 동시에 부동한 반응체계의 반응을 진행할수 있으며 온도통제시스템은 반응체계의 온도를 통제할수 있으며 교반시스템은 반응체계가 균일한 혼합에 도달하도록 보장할수 있으며 반응물가입시스템은 반응물이 일정한 비례에 따라 반응체계에 가입하도록 보장할수 있다.

2. 실험실 평행반응기의 응용

실험실 평행반응기는 화학반응, 촉매반응, 생물반응 등 분야에 광범위하게 응용된다.그 주요 장점은 여러 반응 체계의 반응을 동시에 진행할 수 있어 반응 효율을 높이고 실험 원가를 낮출 수 있다는 것이다.또한 실험실 평행 반응기는 반응 조건의 최적화와 반응 체계의 선별에 사용될 수 있어 화학 연구에 더 많은 가능성을 제공한다.화학 연구에서 실험실 평행반응기는 새로운 화합물의 합성, 반응 조건의 최적화, 촉매의 선별 등에 사용될 수 있다.생물연구에서 실험실 평행반응기는 약물선별, 효소촉매반응 등에 사용할수 있다.총적으로 실험실 평행반응기는 화학실험실에서 그렇지 않은 실험설비의 하나로서 그 응용은 화학과 생물분야에서 모두 광범한 전망을 갖고있다.

3. 실험실 평행반응기의 실험 분석

평행 탱크의 교반 제어

500mL 사련 평행 탱크 교반 제어 특성 곡선

반응기의 산소 공급 능력은 특히 중요하며, 체적 산소 전달 계수 (KLa) 는 교반 회전 속도, 프로펠러 모양과 밀접한 관련이 있기 때문에 반응기 교반 파라미터의 안정적인 제어가 특히 중요하다.

서로 다른 회전속도의 매개 변수를 설정하여 테스트를 진행하고, 온라인 교반 회전속도는 상위기 소프트웨어로 온라인 채집을 진행하며, 동시에 속도측정계로 실제 회전속도를 측정한다.장기간 교반작업의 경우 4개 반응기간의 회전속도차이를 비교하고 교반제어의 평행성을 분석하였는데 4개 깡통의 교반회전속도는 모두 부동한 설정치에서 지속적으로 안정적으로 작업하였고 4개 반응기간의 교반제어의 차이가 비교적 작아 후속적인 평행성배양에 기초조건을 제공하였다.

평행 탱크의 온도 제어

500mL 사련 평행 탱크 온도 제어 특성 곡선

미생물의 생장 및 대사 상태는 처한 환경 온도와 밀접한 관련이 있으며, 체계적이고 정확한 온도 제어 기능 및 제어를 실현하는 평행 능력은 발효 반응기의 평행화 배양을 평가하는 중요한 지표이다.

온도 매개변수를 설정하면 온도 제어 시스템은 테스트 온도 범위 내에서 온도 제어 성능이 좋은 설정 값에 온도를 빠르게 안정시킬 수 있습니다.계산에 따르면 25.0 ℃ ~ 40.0 ℃ 의 6개 온도조절점의 최대편차는 2.0% 로 5.0% 의 편차수요내에 있다.

500mL 평행 탱크 시스템에서 A, B, C, D 유닛 탱크 간의 온도 제어 평행성 비교를 통해 실험은 최소 현저한 차이 t 검사(Least Significant DifferencetTest, LSD-t)를 사용하고 P < 0.05는 차이가 통계학적 의미를 가지며 평행성이 비교적 좋다.

500mL 사련 평행 탱크 온도 제어 매개변수

평행 탱크 관련 용해 산소의 통기량 제어

500mL 사련 평행 탱크 관련 DO의 통기 유량 제어 곡선

평행반응기가 안정된 용존산소(DO) 범위 값을 유지하는 것은 정밀한 가스 회로 제어 모듈에 달려 있다.가스질량유량제어시스템(MFC)을 감지해 서로 다른 공기와 산소 유량 값을 설정하고 탱크 압력을 같은 값으로 안정되도록 조절했다.측정 및 제어 정밀도의 상황과 4개 탱크 그룹 단위 간의 유량 제어 시스템의 평행성을 비교하고, 4개 탱크 간의 통기 유량 제어 차이는 LSD-t 검사 계산 분석을 사용하며, 계산을 통해 서로 다른 통기 유량 제어 지점의 최대 편차는 2.6%, 통기 유량 제어 시스템이 비교적 좋고, 4련 탱크 간의 통기 유량 제어 평행성에 대해 LSD (P<0.05.차이가 현저할 때) 비교 분석을 진행하며, 4련 탱크 간의 통기 유량 제어 장치의 현저한 차이가 비교적 현저한 차이가 존재한다.

평행 탱크의 pH 제어

500mL 사련 평행 탱크 pH 제어 곡선

이 반응기는 접촉 전기 화학 센서를 사용하여 반응 과정의 pH 범위 값을 제어하고 해밀턴 스마트 ARC pH 전극을 장착하며 특정 통기 전략을 통해 연관 될 수 있습니다.전극이 발효액 pH 수치가 설정 범위 값에서 벗어난 것을 감지하면 상위기 제어 시스템에 피드백되고, 간접 제어 보충 시스템은 자동으로 알칼리나 산을 보충한다.서로 다른 pH 값을 설정하여 이 생물반응기의 pH 피드백 제어 시스템이 요구를 만족시키는지 검사하고, 500mL 사련 생물반응기 시스템은 일반 미생물 배양에 필요한 pH 값 범위 내(pH=5.0~8.0)에서 비교적 좋은 피드백 제어를 한다.

바이오리액터의 산소 공급 능력에 있어서 산소 전달 속도는 특히 중요한 측정 매개 변수, OTR=KLa·△C.여기서 KLa는 체적 산소 전달 계수이다.C는 산소 농도 경도이다.생체과정의 OTR은 생체반응기의 류체동력학조건에 의해 영향을 받는데 생체반응기의 류형과 규모에 따라 다르다.그러므로 500mL 반응기를 사용하여 발효배양을 할 때 반응기의 류형과 규모가 개변되여 류체동력학조건이 개변되고 일반발효탱크의 배양조건이 적용되지 않으므로 발효조건매개변수를 조정하여 이 반응기의 산소공급능력을 높여야 한다.

통기속도, 교반속도, 교반프로펠러모양 등은 모두 반응기의 산소공급능력에 영향을 주는 중요한 요소이다.통기속도와 교반회전속도를 조절하는것은 흔히 사용하는 간단하고 효과적인 산소공급조절통제수단이다.

평행 발효 탱크 OTR과 유체 동력학 파라미터 간의 관계

평행 탱크 열막 배양의 평행성

이 반응기를 사용하여 S288C 균주를 일괄 배양 발효하고 사련통 간의 배양 평행성을 분석한다.

균체는 같은 배양조건에서 500mL 반응기의 A캔, B캔, C캔과 D캔에서 세포대사가 비교적 일치하는 추세를 보였으며 4련캔의 부동한 반응기간의 평행성이 량호했다.당 소모율, 균체량 등 오프라인 파라미터와 온라인 파라미터의 정량 분석을 결합하여 지수 성장기에 관련 대사 파라미터의 변화는 균체 성장과 관련된 관계를 나타낸다.전체 발효 과정 중 통기량을 변경하지 않고 균체는 1차 생장 단계에서 주로 무산소 발효를 진행하여 세포줄기 중량 (Dry Cell Weight, DCW) 과 CER의 동반 상승 (그림 11 참조) 을 나타내는데, 이 단계는 산소 이용이 적고 DO 파동이 적으며, 포도당이 1차 발효를 소진하고 플랫폼 진입기를 멈추면 CER이 급격히 낮아진다.짧은 플랫폼 적응기를 거친 후 균체는 2차 발효를 시작하여 DCW와 CER의 2차 상승을 나타낸다.비교 분석을 통해 알 수 있듯이 4개 탱크에서 바탕물의 탄소원 소모 속도가 비슷하고 발효 주기 변화가 같으며 거시적 매개 변수의 선형 관계가 양호하여 비교적 좋은 평행성을 나타낸다.

500mL 평행 탱크 중 균종 발효 배양 거시적 파라미터

결어

생물의약 연구 및 응용이 급속히 발전함에 따라, 유전자 및 세포공학 균주의 가용성과 배양 과정 조건에서 균주 대사 특성 정량 표징 사이의 격차를 메우기 위한 공정 테스트 생물반응기 플랫폼이 시급히 필요하며, 균주 생리 대사 특성의 신속한 정량 표징과 배양 공정 최적화를 실현한다.본고는 자체 개발한 500mL 사련평행생물반응기 시스템을 종합적으로 평가하고 산소 공급 능력의 개선과 최적화를 실시하여 미생물 균족 및 세포주의 대사 특성 파라미터 분석을 후속적으로 실현하기 위한 기초를 다졌다.

500mL 사련생물반응기 랭모매개변수제어실험에서 그 성능을 분석하고 평가한후 500mL 평행탱크의 pH, 온도, 회전속도, 통기률제어모듈이 부동한 매개변수설정점의 최대편차가 모두 5% 의 편차요구내에 있음을 비교계산하였다.LSD-t 매개 변수화 검사 계산을 거쳐, 4개의 반응 탱크 단위 사이에 현저한 차이가 존재하지 않으며, 반응기 냉각 모드 매개 변수 제어는 제어 요구를 만족시키고 전체적인 평행성이 비교적 좋다.

균주는 500mL 생물반응기의 실험결과가 비교적 좋은 중복성과 평행성을 갖고있어 균체의 발효과정에서의 거시적특성매개변수를 정확하게 표징할수 있다.전통적인 단원조작으로부터 체계화공정에 이르기까지, 거시로부터 미시에 이르기까지 현재 하고있는 연구는 바로 각 첨단기술분야와 서로 침투하고 융합하여 변두리기술과학을 형성하는것이다.생물기술연구가 깊이있게 발전함에 따라 어떻게 공학의 각도에서 깊이있게 탐색할것인가, 거시적인 경험묘사로부터 미시적인 본질인식에 이르기까지 거시와 미시가 결합된 공예시험분석플랫폼을 구축하기 위해 량호한 기초를 닦을것인가 하는것은 과정공예의 최적화와 확대에 중요한 의의가 있다.