一、實驗室平行反應器的原理

實驗室平行反應器是一種用于多個反應體系同時進行反應的設備，其原理是通過多個反應器同時進行反應，從而提高反應效率。該設備通常由多個反應器、溫度控制系統、攪拌系統和反應物加入系統等部分組成。其中，多個反應器可以同時進行不同反應體系的反應，溫度控制系統可以控制反應體系的溫度，攪拌系統可以保證反應體系達到均勻混合，反應物加入系統可以保證反應物按照一定比例加入反應體系中。

二、實驗室平行反應器的應用

實驗室平行反應器廣泛應用于化學反應、催化反應、生物反應等領域。其主要優勢在于可以同時進行多個反應體系的反應，從而提高反應效率，降低實驗成本。此外，實驗室平行反應器還可以用于反應條件的優化和反應體系的篩選，為化學研究提供了更多可能性。 在化學研究中，實驗室平行反應器可以用于新化合物的合成、反應條件的優化、催化劑的篩選等方面。在生物研究中，實驗室平行反應器可以用于藥物篩選、酶催化反應等方面?？傊?，實驗室平行反應器是化學實驗室中不的實驗設備之一，其應用在化學和生物領域都具有廣泛的前景。

三、實驗室平行反應器的實驗分析

平行罐的攪拌控制

500mL四聯平行罐攪拌控制特性曲線

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

設置不同轉速的參數進行測試，在線攪拌轉速用上位機軟件進行在線采集，同時用測速表進行實際轉速的測定。在長期攪拌工作的情況下，比較了4 個反應器之間的轉速差異，分析攪拌控制的平行性，4 個罐的攪拌轉速均在不同設定值下持續穩定工作，4 個反應器之間攪拌控制的差異較小，為后續的平行性培養提供基礎條件。

平行罐的溫度控制

500mL四聯平行罐溫度控制特性曲線

微生物的生長及代謝狀態與所處環境溫度密切關聯，系統精確的控溫功能及實現控制的平行能力是評價發酵反應器平行化培養的一個重要指標。

設定溫度參數后，溫度控制系統可以快速使溫度穩定在設定值，該反應器在測試溫度范圍內的控溫性能較好。經計算，25.0℃ ~ 40.0℃的6個控溫點最大偏差為2.0%，在5.0% 的偏差需求內。

通過500mL 平行罐系統中A、B、C、D 單元罐間的溫度控制平行性比較，實驗使用最小顯著差異t 檢驗(Least Significant DifferencetTest，LSD-t)，P < 0.05 為差異具有統計學意義，平行性較好。

500mL四聯平行罐溫度控制參數

平行罐關聯溶解氧的通氣量控制

500mL四聯平行罐關聯DO的通氣流量控制曲線

平行反應器保持穩定的溶解氧(DO)范圍值取決于精密的氣路控制模塊。檢測了氣體質量流量控制系統(MFC)，設定不同的空氣和氧氣流量值，并調節罐壓使其穩定在相同值。比較其測控精度的情況及4個罐組單元之間流量控制系統的平行性，4 個罐之間的通氣流量控制差異采用LSD-t 檢驗計算分析，經計算，不同通氣流量控制點的最大偏差為2.6%，通氣流量控制系統較好，對四聯罐之間的通氣流量控制平行性進行LSD(當P<0.05.差異顯著)比較分析，四聯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四聯平行罐pH控制曲線

該反應器采用接觸式電化學傳感器來實現反應過程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行關聯。當電極檢測到發酵液pH 數值偏離設定范圍值時，會反饋給上位機控制系統，間接控制補料系統進行自動補堿或補酸。設定不同的pH 值，檢測該生物反應器的pH 反饋控制系統是否滿足要求，500mL 四聯生物反應器系統在培養常規微生物所需的pH 值范圍內(pH=5.0~8.0)有較好的反饋控制。

對于生物反應器的供氧能力而言，氧傳遞速率是尤為重要的衡量參數，OTR=KLa·△ C。其中，KLa 是體積氧傳遞系數;△ C 為氧濃度梯度。生物過程中的OTR 受到生物反應器中流體動力學條件的影響，因生物反應器的類型和規模而不同。因此，在使用500mL 反應器進行發酵培養時，反應器的類型和規模發生改變，導致流體動力學條件發生改變，常規發酵罐的培養條件并不適用，需調整發酵條件參數，以提高該反應器的供氧能力。

通氣速率、攪拌速度、攪拌槳形狀等都是影響反應器供氧能力的重要因素。調節通氣速率和攪拌轉速是常用的簡單、有效的供氧調控手段。

平行發酵罐OTR和流體動力學參數之間的關系

平行罐熱膜培養的平行性

使用該反應器對S288C 菌株進行批培養發酵，分析四聯罐之間的培養平行性。

在相同培養條件下，菌體在500mL 反應器的A罐、B 罐、C 罐和D 罐中細胞代謝呈現了較一致的趨勢，四聯罐不同的反應器之間平行性良好。耗糖速率、菌體量等離線參數結合在線參數定量分析，在指數生長期，有關代謝參數的變化呈現了與菌體生長相關關系。在整個發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行無氧發酵，表現出細胞干重(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，當葡萄糖耗盡一次發酵停止進入平臺期，CER 急劇降低。當經過短暫的平臺適應期后，菌體開始進行二次發酵，表現出DCW 和CER 的二次上升。對比分析可以看出，在4 個罐中底物碳源消耗速率相近，且發酵周期變化相同，宏觀參數線性關系良好，表現出較好的平行性。

500mL平行罐中菌種發酵培養宏觀參數

結語

隨著生物醫藥研究及應用的迅猛發展，亟需工藝測驗生物反應器平臺，用來彌合基因及細胞工程菌株的可用性與培養過程條件下菌株代謝特性定量表征之間的差距，實現菌株生理代謝特性的快速定量表征和培養工藝優化。本文對自主研發的500mL 四聯平行生物反應器系統進行了綜合評價和供氧能力的改進優化，為后續實現微生物菌族及細胞株的代謝特性參數分析奠定了基礎。

在500mL 四聯生物反應器冷模參數控制實驗下，對其性能進行分析與評價，經比較計算500mL 平行罐的pH、溫度、轉速、通氣率控制模塊在不同的參數設置點的最大偏差均在5% 的偏差要求內。經LSD-t 參數化檢驗計算，4 個反應罐單元之間不存在顯著差異，反應器冷模參數控制滿足控制要求且整體平行性較好。

菌株在500mL 生物反應器的實驗結果有較好重復性和平行性，可以準確表征菌體發酵過程中的宏觀特性參數。從傳統的單元操作到系統化工程，從宏觀到微觀，當前所做的研究就是要與各高技術領域互相滲透融合，形成邊緣技術科學。隨著生物技術研究的深入發展，如何從工程學的角度進行深入探索，從宏觀的經驗描述到微觀的本質認識，為構建宏觀與微觀相結合的工藝測試分析平臺打下良好的基礎，這對于過程工藝優化和放大具有重要意義。