I. Nguyên tắc của lò phản ứng song song trong phòng thí nghiệm

Lò phản ứng song song trong phòng thí nghiệm là một thiết bị được sử dụng để phản ứng đồng thời với nhiều hệ thống phản ứng, dựa trên nguyên tắc phản ứng đồng thời thông qua nhiều lò phản ứng, do đó tăng hiệu quả phản ứng. Thiết bị này thường bao gồm các bộ phận như nhiều lò phản ứng, hệ thống kiểm soát nhiệt độ, hệ thống khuấy và hệ thống kết hợp chất phản ứng. Trong số đó, một số lò phản ứng có thể thực hiện phản ứng của các hệ thống phản ứng khác nhau cùng một lúc, hệ thống kiểm soát nhiệt độ có thể kiểm soát nhiệt độ của hệ thống phản ứng, hệ thống khuấy có thể đảm bảo hệ thống phản ứng đạt được sự pha trộn đồng đều, chất phản ứng gia nhập hệ thống có thể đảm bảo chất phản ứng gia nhập hệ thống phản ứng theo tỷ lệ nhất định.

II. Ứng dụng lò phản ứng song song trong phòng thí nghiệm

Lò phản ứng song song trong phòng thí nghiệm được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực phản ứng hóa học, phản ứng xúc tác, phản ứng sinh học, v.v. Ưu điểm chính của nó là phản ứng của nhiều hệ thống phản ứng có thể được thực hiện đồng thời, do đó cải thiện hiệu quả phản ứng và giảm chi phí thử nghiệm. Ngoài ra, các lò phản ứng song song trong phòng thí nghiệm cũng có thể được sử dụng để tối ưu hóa các điều kiện phản ứng và sàng lọc hệ thống phản ứng, mở ra nhiều khả năng hơn cho nghiên cứu hóa học. Trong nghiên cứu hóa học, các lò phản ứng song song trong phòng thí nghiệm có thể được sử dụng trong tổng hợp các hợp chất mới, tối ưu hóa các điều kiện phản ứng, sàng lọc chất xúc tác, v.v. Trong nghiên cứu sinh học, các lò phản ứng song song trong phòng thí nghiệm có thể được sử dụng để sàng lọc thuốc, phản ứng xúc tác enzyme, v.v. Tóm lại, lò phản ứng song song trong phòng thí nghiệm là một trong những thiết bị thí nghiệm không có trong phòng thí nghiệm hóa học và các ứng dụng của nó có nhiều hứa hẹn trong cả lĩnh vực hóa học và sinh học.

III. Phân tích thực nghiệm lò phản ứng song song trong phòng thí nghiệm

Kiểm soát khuấy bể song song

Đường cong đặc trưng điều khiển trộn bể song song 500mL

Khả năng cung cấp oxy của lò phản ứng là đặc biệt quan trọng, và hệ số truyền oxy thể tích (KLa) có liên quan chặt chẽ đến tốc độ khuấy, hình dạng của mái chèo, do đó, kiểm soát ổn định các thông số khuấy của lò phản ứng là đặc biệt quan trọng.

Thiết lập các thông số của tốc độ quay khác nhau để kiểm tra, tốc độ khuấy trực tuyến được thu thập trực tuyến bằng phần mềm trên máy, đồng thời xác định tốc độ quay thực tế được thực hiện bằng đồng hồ đo tốc độ. Trong trường hợp công việc khuấy dài hạn, sự khác biệt về tốc độ quay giữa 4 lò phản ứng được so sánh, sự song song của kiểm soát khuấy được phân tích, tốc độ khuấy của 4 bể đều hoạt động ổn định liên tục ở các giá trị cài đặt khác nhau, sự khác biệt về kiểm soát khuấy giữa 4 lò phản ứng nhỏ hơn, cung cấp điều kiện cơ bản cho việc nuôi dưỡng song song tiếp theo.

Kiểm soát nhiệt độ bể song song

Đường cong đặc trưng kiểm soát nhiệt độ bể song song 500mL

Sự tăng trưởng và trạng thái trao đổi chất của vi sinh vật có liên quan chặt chẽ đến nhiệt độ môi trường, chức năng kiểm soát nhiệt độ chính xác của hệ thống và khả năng kiểm soát song song là một chỉ số quan trọng để đánh giá nuôi cấy song song lò phản ứng lên men.

Sau khi thiết lập các thông số nhiệt độ, hệ thống điều khiển nhiệt độ có thể nhanh chóng làm cho nhiệt độ ổn định ở giá trị cài đặt. Hiệu suất điều khiển nhiệt độ của lò phản ứng này tốt hơn trong phạm vi nhiệt độ thử nghiệm. Theo tính toán, độ lệch tối đa của 6 điểm kiểm soát nhiệt độ ở 25,0 ℃~40,0 ℃ là 2,0%, trong 5,0% độ lệch yêu cầu.

Thông qua so sánh song song kiểm soát nhiệt độ giữa các bể đơn vị A, B, C và D trong hệ thống bể song song 500mL, thí nghiệm sử dụng kiểm tra khác biệt đáng kể tối thiểu t (LSD-t), P<0,05 là sự khác biệt có ý nghĩa thống kê, song song là tốt hơn.

Thông số kiểm soát nhiệt độ bể song song 500mL

Kiểm soát thông lượng oxy hòa tan trong bể song song

Đường cong kiểm soát luồng không khí 500mL Quad Parallel Tank Association DO

Các lò phản ứng song song duy trì giá trị phạm vi oxy hòa tan (DO) ổn định phụ thuộc vào mô-đun điều khiển đường khí chính xác. Hệ thống kiểm soát lưu lượng khí (MFC) được phát hiện, thiết lập các giá trị lưu lượng không khí và oxy khác nhau và điều chỉnh áp suất bể để chúng ổn định ở cùng một giá trị. So sánh độ chính xác đo lường và kiểm soát của nó và sự song song của hệ thống điều khiển dòng chảy giữa 4 bộ bể, sự khác biệt trong kiểm soát dòng chảy không khí giữa 4 bể được sử dụng để kiểm tra và phân tích tính toán LSD-t. Độ lệch tối đa của các điểm kiểm soát dòng chảy không khí khác nhau là 2,6%, hệ thống kiểm soát dòng chảy không khí tốt hơn, và LSD (khi P<0,05. Sự khác biệt là đáng kể) được phân tích so sánh, không có sự khác biệt đáng kể trong kiểm soát dòng chảy không khí giữa các đơn vị bể bốn bể, và tính song song là tốt hơn.

Kiểm soát pH của bể song song

Đường cong điều khiển pH bể song song 500mL

Lò phản ứng sử dụng cảm biến điện hóa tiếp xúc để kiểm soát phạm vi pH của quá trình phản ứng, được trang bị điện cực Hamilton ARC pH thông minh và có thể được liên kết với các chiến lược thở cụ thể. Khi điện cực phát hiện ra giá trị pH của chất lỏng lên men lệch khỏi giá trị phạm vi thiết lập, nó sẽ được phản hồi cho hệ thống điều khiển máy chủ phía trên, gián tiếp điều khiển hệ thống bổ sung để tự động bổ sung kiềm hoặc bổ sung axit. Đặt giá trị pH khác nhau để phát hiện xem hệ thống kiểm soát phản hồi pH của lò phản ứng sinh học này có đáp ứng các yêu cầu hay không, hệ thống lò phản ứng sinh học tứ giác 500mL có kiểm soát phản hồi tốt hơn trong phạm vi pH cần thiết để nuôi cấy vi sinh vật thông thường (pH=5,0~8,0).

Đối với khả năng cung cấp oxy của lò phản ứng sinh học, tốc độ truyền oxy là một thông số đo lường đặc biệt quan trọng, OTR=KLa·C. Trong đó KLa là hệ số truyền oxy thể tích; C là gradient nồng độ oxy. OTR trong các quá trình sinh học bị ảnh hưởng bởi các điều kiện thủy động lực học trong các lò phản ứng sinh học và khác nhau tùy thuộc vào loại và kích thước của các lò phản ứng sinh học. Do đó, khi sử dụng lò phản ứng 500mL để nuôi cấy lên men, loại và kích thước lò phản ứng thay đổi, dẫn đến thay đổi điều kiện thủy động lực học, điều kiện nuôi cấy của máy lên men thông thường không phù hợp, các thông số điều kiện lên men cần được điều chỉnh để cải thiện khả năng cung cấp oxy của lò phản ứng này.

Tốc độ thở, tốc độ khuấy, hình dạng mái chèo khuấy, v.v. là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến khả năng cung cấp oxy của lò phản ứng. Điều chỉnh tốc độ thở và tốc độ khuấy là phương tiện điều chỉnh cung cấp oxy đơn giản và hiệu quả thường được sử dụng.

Mối quan hệ giữa OTR lên men song song và các thông số thủy động lực học

Song song nuôi cấy màng nhiệt bể song song

Quá trình lên men nuôi cấy hàng loạt các chủng S288C được sử dụng bởi lò phản ứng này để phân tích sự song song nuôi cấy giữa các bể tứ giác.

Trong điều kiện nuôi cấy tương tự, các vi khuẩn cho thấy xu hướng nhất quán hơn trong quá trình chuyển hóa tế bào trong bể A, B, C và D của lò phản ứng 500mL, với sự song song tốt giữa các lò phản ứng khác nhau trong bể tứ giác. Tỷ lệ tiêu thụ đường, khối lượng vi khuẩn và các thông số ngoại tuyến khác kết hợp với phân tích định lượng các thông số trực tuyến, trong giai đoạn tăng trưởng theo cấp số nhân, những thay đổi liên quan đến các thông số trao đổi chất cho thấy mối quan hệ liên quan đến sự phát triển của nấm. Không thay đổi thông khí trong suốt quá trình lên men, vi khuẩn chủ yếu thực hiện quá trình lên men không oxy trong giai đoạn tăng trưởng chính, thể hiện sự gia tăng đồng bộ trọng lượng thân tế bào (Dry Cell Weight, DCW) và CER (xem Hình 11), trong đó sử dụng oxy ít hơn và DO dao động ít hơn, và CER giảm mạnh khi quá trình lên men một lần cạn kiệt glucose ngừng bước vào giai đoạn nền tảng. Sau một thời gian thích nghi ngắn, nấm bắt đầu lên men thứ cấp, cho thấy sự gia tăng thứ cấp của DCW và CER. Phân tích tương phản có thể thấy rằng tỷ lệ tiêu thụ nguồn carbon cơ bản trong 4 bể là gần nhau, và chu kỳ lên men thay đổi giống nhau, các thông số vĩ mô tuyến tính là tốt, cho thấy sự song song tốt hơn.

Thông số vĩ mô của nuôi cấy lên men nấm trong bể song song 500mL

Kết luận

Với sự phát triển nhanh chóng của nghiên cứu và ứng dụng y sinh học, nền tảng lò phản ứng sinh học thử nghiệm quy trình là rất cần thiết để thu hẹp khoảng cách giữa sự sẵn có của các chủng biến đổi gen và tế bào và đặc tính định lượng của các đặc tính trao đổi chất của chủng trong điều kiện quá trình nuôi cấy, để đạt được mô tả định lượng nhanh chóng và tối ưu hóa quá trình nuôi cấy các đặc tính trao đổi chất sinh lý của chủng. Bài viết này đánh giá toàn diện và cải thiện tối ưu hóa khả năng cung cấp oxy của hệ thống lò phản ứng sinh học song song 500mL được phát triển độc lập, đặt nền tảng cho việc thực hiện tiếp theo phân tích các thông số đặc tính trao đổi chất của các chủng vi sinh vật và tế bào.

Dưới các thí nghiệm kiểm soát thông số khuôn lạnh của lò phản ứng sinh học tứ kết 500mL, hiệu suất của nó được phân tích và đánh giá, sau khi so sánh tính toán độ pH, nhiệt độ, tốc độ quay và mô-đun điều khiển thông hơi của bể song song 500mL tại các điểm đặt thông số khác nhau của độ lệch tối đa là 5% yêu cầu độ lệch. Được tính toán bằng cách kiểm tra tham số LSD-t, không có sự khác biệt đáng kể giữa 4 đơn vị bể phản ứng. Điều khiển thông số khuôn lạnh của lò phản ứng đáp ứng yêu cầu điều khiển và tính song song tổng thể tốt hơn.

Kết quả thí nghiệm của các chủng trong lò phản ứng sinh học 500mL có tính lặp lại và song song tốt hơn, có thể mô tả chính xác các thông số đặc tính vĩ mô trong quá trình lên men của vi khuẩn. Từ thao tác đơn vị truyền thống đến kỹ thuật hệ thống hóa, từ vĩ mô đến vi mô, nghiên cứu hiện nay là phải thâm nhập và hội nhập với các lĩnh vực công nghệ cao, hình thành khoa học kỹ thuật biên. Với sự phát triển sâu sắc của nghiên cứu công nghệ sinh học, làm thế nào để khám phá sâu từ quan điểm kỹ thuật, từ mô tả thực nghiệm vĩ mô đến nhận thức bản chất vi mô, tạo nền tảng tốt để xây dựng một nền tảng phân tích thử nghiệm quy trình kết hợp vĩ mô và vi mô, có ý nghĩa quan trọng đối với quá trình tối ưu hóa và khuếch đại quy trình.