一、實(shí)驗(yàn)室平行反應(yīng)器的原理

實(shí)驗(yàn)室平行反應(yīng)器是一種用于多個(gè)反應(yīng)體系同時(shí)進(jìn)行反應(yīng)的設(shè)備，其原理是通過多個(gè)反應(yīng)器同時(shí)進(jìn)行反應(yīng)，從而提高反應(yīng)效率。該設(shè)備通常由多個(gè)反應(yīng)器、溫度控制系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)和反應(yīng)物加入系統(tǒng)等部分組成。其中，多個(gè)反應(yīng)器可以同時(shí)進(jìn)行不同反應(yīng)體系的反應(yīng)，溫度控制系統(tǒng)可以控制反應(yīng)體系的溫度，攪拌系統(tǒng)可以保證反應(yīng)體系達(dá)到均勻混合，反應(yīng)物加入系統(tǒng)可以保證反應(yīng)物按照一定比例加入反應(yīng)體系中。

二、實(shí)驗(yàn)室平行反應(yīng)器的應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)室平行反應(yīng)器廣泛應(yīng)用于化學(xué)反應(yīng)、催化反應(yīng)、生物反應(yīng)等領(lǐng)域。其主要優(yōu)勢在于可以同時(shí)進(jìn)行多個(gè)反應(yīng)體系的反應(yīng)，從而提高反應(yīng)效率，降低實(shí)驗(yàn)成本。此外，實(shí)驗(yàn)室平行反應(yīng)器還可以用于反應(yīng)條件的優(yōu)化和反應(yīng)體系的篩選，為化學(xué)研究提供了更多可能性。 在化學(xué)研究中，實(shí)驗(yàn)室平行反應(yīng)器可以用于新化合物的合成、反應(yīng)條件的優(yōu)化、催化劑的篩選等方面。在生物研究中，實(shí)驗(yàn)室平行反應(yīng)器可以用于藥物篩選、酶催化反應(yīng)等方面?？傊?，實(shí)驗(yàn)室平行反應(yīng)器是化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中不的實(shí)驗(yàn)設(shè)備之一，其應(yīng)用在化學(xué)和生物領(lǐng)域都具有廣泛的前景。

三、實(shí)驗(yàn)室平行反應(yīng)器的實(shí)驗(yàn)分析

平行罐的攪拌控制

500mL四聯(lián)平行罐攪拌控制特性曲線

反應(yīng)器的供氧能力尤為重要，體積氧傳遞系數(shù)(KLa)與攪拌轉(zhuǎn)速、槳葉形狀密切相關(guān)，因此反應(yīng)器攪拌參數(shù)的穩(wěn)定控制尤為重要。

設(shè)置不同轉(zhuǎn)速的參數(shù)進(jìn)行測試，在線攪拌轉(zhuǎn)速用上位機(jī)軟件進(jìn)行在線采集，同時(shí)用測速表進(jìn)行實(shí)際轉(zhuǎn)速的測定。在長期攪拌工作的情況下，比較了4 個(gè)反應(yīng)器之間的轉(zhuǎn)速差異，分析攪拌控制的平行性，4 個(gè)罐的攪拌轉(zhuǎn)速均在不同設(shè)定值下持續(xù)穩(wěn)定工作，4 個(gè)反應(yīng)器之間攪拌控制的差異較小，為后續(xù)的平行性培養(yǎng)提供基礎(chǔ)條件。

平行罐的溫度控制

500mL四聯(lián)平行罐溫度控制特性曲線

微生物的生長及代謝狀態(tài)與所處環(huán)境溫度密切關(guān)聯(lián)，系統(tǒng)精確的控溫功能及實(shí)現(xiàn)控制的平行能力是評價(jià)發(fā)酵反應(yīng)器平行化培養(yǎng)的一個(gè)重要指標(biāo)。

設(shè)定溫度參數(shù)后，溫度控制系統(tǒng)可以快速使溫度穩(wěn)定在設(shè)定值，該反應(yīng)器在測試溫度范圍內(nèi)的控溫性能較好。經(jīng)計(jì)算，25.0℃ ~ 40.0℃的6個(gè)控溫點(diǎn)最大偏差為2.0%，在5.0% 的偏差需求內(nèi)。

通過500mL 平行罐系統(tǒng)中A、B、C、D 單元罐間的溫度控制平行性比較，實(shí)驗(yàn)使用最小顯著差異t 檢驗(yàn)(Least Significant DifferencetTest，LSD-t)，P < 0.05 為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，平行性較好。

500mL四聯(lián)平行罐溫度控制參數(shù)

平行罐關(guān)聯(lián)溶解氧的通氣量控制

500mL四聯(lián)平行罐關(guān)聯(lián)DO的通氣流量控制曲線

平行反應(yīng)器保持穩(wěn)定的溶解氧(DO)范圍值取決于精密的氣路控制模塊。檢測了氣體質(zhì)量流量控制系統(tǒng)(MFC)，設(shè)定不同的空氣和氧氣流量值，并調(diào)節(jié)罐壓使其穩(wěn)定在相同值。比較其測控精度的情況及4個(gè)罐組單元之間流量控制系統(tǒng)的平行性，4 個(gè)罐之間的通氣流量控制差異采用LSD-t 檢驗(yàn)計(jì)算分析，經(jīng)計(jì)算，不同通氣流量控制點(diǎn)的最大偏差為2.6%，通氣流量控制系統(tǒng)較好，對四聯(lián)罐之間的通氣流量控制平行性進(jìn)行LSD(當(dāng)P<0.05.差異顯著)比較分析，四聯(lián)罐單元間的通氣流量控制不存在顯著性差異，平行性較好。

平行罐的pH控制

500mL四聯(lián)平行罐pH控制曲線

該反應(yīng)器采用接觸式電化學(xué)傳感器來實(shí)現(xiàn)反應(yīng)過程pH 范圍值的控制，配備漢密爾頓智能ARC pH 電極，并可通過特定的通氣策略進(jìn)行關(guān)聯(lián)。當(dāng)電極檢測到發(fā)酵液pH 數(shù)值偏離設(shè)定范圍值時(shí)，會反饋給上位機(jī)控制系統(tǒng)，間接控制補(bǔ)料系統(tǒng)進(jìn)行自動補(bǔ)堿或補(bǔ)酸。設(shè)定不同的pH 值，檢測該生物反應(yīng)器的pH 反饋控制系統(tǒng)是否滿足要求，500mL 四聯(lián)生物反應(yīng)器系統(tǒng)在培養(yǎng)常規(guī)微生物所需的pH 值范圍內(nèi)(pH=5.0~8.0)有較好的反饋控制。

對于生物反應(yīng)器的供氧能力而言，氧傳遞速率是尤為重要的衡量參數(shù)，OTR=KLa·△ C。其中，KLa 是體積氧傳遞系數(shù);△ C 為氧濃度梯度。生物過程中的OTR 受到生物反應(yīng)器中流體動力學(xué)條件的影響，因生物反應(yīng)器的類型和規(guī)模而不同。因此，在使用500mL 反應(yīng)器進(jìn)行發(fā)酵培養(yǎng)時(shí)，反應(yīng)器的類型和規(guī)模發(fā)生改變，導(dǎo)致流體動力學(xué)條件發(fā)生改變，常規(guī)發(fā)酵罐的培養(yǎng)條件并不適用，需調(diào)整發(fā)酵條件參數(shù)，以提高該反應(yīng)器的供氧能力。

通氣速率、攪拌速度、攪拌槳形狀等都是影響反應(yīng)器供氧能力的重要因素。調(diào)節(jié)通氣速率和攪拌轉(zhuǎn)速是常用的簡單、有效的供氧調(diào)控手段。

平行發(fā)酵罐OTR和流體動力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系

平行罐熱膜培養(yǎng)的平行性

使用該反應(yīng)器對S288C 菌株進(jìn)行批培養(yǎng)發(fā)酵，分析四聯(lián)罐之間的培養(yǎng)平行性。

在相同培養(yǎng)條件下，菌體在500mL 反應(yīng)器的A罐、B 罐、C 罐和D 罐中細(xì)胞代謝呈現(xiàn)了較一致的趨勢，四聯(lián)罐不同的反應(yīng)器之間平行性良好。耗糖速率、菌體量等離線參數(shù)結(jié)合在線參數(shù)定量分析，在指數(shù)生長期，有關(guān)代謝參數(shù)的變化呈現(xiàn)了與菌體生長相關(guān)關(guān)系。在整個(gè)發(fā)酵過程中不改變通氣量的情況下，菌體在一次生長階段主要進(jìn)行無氧發(fā)酵，表現(xiàn)出細(xì)胞干重(Dry Cell Weight，DCW)和CER 的同步上升(見圖11)，此階段氧氣利用較少、DO 波動較小，當(dāng)葡萄糖耗盡一次發(fā)酵停止進(jìn)入平臺期，CER 急劇降低。當(dāng)經(jīng)過短暫的平臺適應(yīng)期后，菌體開始進(jìn)行二次發(fā)酵，表現(xiàn)出DCW 和CER 的二次上升。對比分析可以看出，在4 個(gè)罐中底物碳源消耗速率相近，且發(fā)酵周期變化相同，宏觀參數(shù)線性關(guān)系良好，表現(xiàn)出較好的平行性。

500mL平行罐中菌種發(fā)酵培養(yǎng)宏觀參數(shù)

結(jié)語

隨著生物醫(yī)藥研究及應(yīng)用的迅猛發(fā)展，亟需工藝測驗(yàn)生物反應(yīng)器平臺，用來彌合基因及細(xì)胞工程菌株的可用性與培養(yǎng)過程條件下菌株代謝特性定量表征之間的差距，實(shí)現(xiàn)菌株生理代謝特性的快速定量表征和培養(yǎng)工藝優(yōu)化。本文對自主研發(fā)的500mL 四聯(lián)平行生物反應(yīng)器系統(tǒng)進(jìn)行了綜合評價(jià)和供氧能力的改進(jìn)優(yōu)化，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)微生物菌族及細(xì)胞株的代謝特性參數(shù)分析奠定了基礎(chǔ)。

在500mL 四聯(lián)生物反應(yīng)器冷模參數(shù)控制實(shí)驗(yàn)下，對其性能進(jìn)行分析與評價(jià)，經(jīng)比較計(jì)算500mL 平行罐的pH、溫度、轉(zhuǎn)速、通氣率控制模塊在不同的參數(shù)設(shè)置點(diǎn)的最大偏差均在5% 的偏差要求內(nèi)。經(jīng)LSD-t 參數(shù)化檢驗(yàn)計(jì)算，4 個(gè)反應(yīng)罐單元之間不存在顯著差異，反應(yīng)器冷模參數(shù)控制滿足控制要求且整體平行性較好。

菌株在500mL 生物反應(yīng)器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較好重復(fù)性和平行性，可以準(zhǔn)確表征菌體發(fā)酵過程中的宏觀特性參數(shù)。從傳統(tǒng)的單元操作到系統(tǒng)化工程，從宏觀到微觀，當(dāng)前所做的研究就是要與各高技術(shù)領(lǐng)域互相滲透融合，形成邊緣技術(shù)科學(xué)。隨著生物技術(shù)研究的深入發(fā)展，如何從工程學(xué)的角度進(jìn)行深入探索，從宏觀的經(jīng)驗(yàn)描述到微觀的本質(zhì)認(rèn)識，為構(gòu)建宏觀與微觀相結(jié)合的工藝測試分析平臺打下良好的基礎(chǔ)，這對于過程工藝優(yōu)化和放大具有重要意義。