Princípio do reator paralelo de laboratório

O reator paralelo de laboratório é um dispositivo usado para reagir simultaneamente em vários sistemas de reação, cujo princípio é reagir simultaneamente através de vários reatores, aumentando assim a eficiência da reação. O dispositivo é geralmente composto por vários reatores, sistemas de controle de temperatura, sistemas de agitação e sistemas de adição de reatores. Entre eles, vários reatores podem reagir simultaneamente em diferentes sistemas de reação, o sistema de controle de temperatura pode controlar a temperatura do sistema de reação, o sistema de agitação pode garantir que o sistema de reação alcance uma mistura uniforme, o sistema de adição do reator pode garantir que o reator seja incorporado ao sistema de reação de acordo com uma certa proporção.

Aplicação de reatores paralelos de laboratório

Os reatores paralelos de laboratório são amplamente utilizados em reações químicas, reações catalíticas e reações biológicas. Sua principal vantagem é a capacidade de realizar reações em vários sistemas de reação simultaneamente, aumentando a eficiência da reação e reduzindo os custos experimentais. Além disso, os reatores paralelos de laboratório podem ser usados ​​para otimização das condições de reação e triagem de sistemas de reação, oferecendo mais possibilidades para a pesquisa química. Na pesquisa química, os reatores paralelos de laboratório podem ser usados ​​para a síntese de novos compostos, a otimização das condições de reação, a triagem de catalisadores e muito mais. Na pesquisa biológica, os reatores paralelos de laboratório podem ser usados ​​para triagem de medicamentos, reações catalíticas enzimáticas, etc. Em suma, os reatores paralelos de laboratório são um dos poucos equipamentos experimentais em laboratórios de química, com amplas perspectivas de aplicação em química e biologia.

Análise experimental de reatores paralelos de laboratório

Controle de agitação em tanques paralelos

Curva de características de controle de agitação de tanques paralelos de quatro conexões de 500mL

A capacidade de fornecimento de oxigênio do reator é especialmente importante, o coeficiente de transferência de oxigênio volumétrico (KLa) está estreitamente relacionado com a velocidade de agitação e a forma da pá, por isso o controle estável dos parâmetros de agitação do reator é especialmente importante.

Defina os parâmetros de diferentes velocidades de rotação para teste, a velocidade de agitação on-line é coletada on-line com o software da máquina superior e a velocidade real é medida com o velocímetro. No caso de trabalho de agitação a longo prazo, a diferença de velocidade de rotação entre os quatro reatores foi comparada para analisar a paralelidade do controle de agitação, a velocidade de agitação de 4 tanques foi continuamente estável sob diferentes valores de configuração, a diferença de controle de agitação entre os quatro reatores foi menor, fornecendo as condições básicas para a cultura de paralelidade posterior.

Controle de temperatura para tanques paralelos

Curva de características de controle de temperatura de tanques paralelos de quatro ligações de 500mL

O crescimento e o estado metabólico dos micróbios estão estreitamente relacionados com a temperatura ambiente, e a função precisa de controle de temperatura do sistema e a capacidade paralela de alcançar o controle são um indicador importante para avaliar a cultura paralela do reator de fermentação.

Após a definição dos parâmetros de temperatura, o sistema de controle de temperatura pode estabilizar rapidamente a temperatura no valor definido, o reator tem um melhor desempenho de controle de temperatura dentro da faixa de temperatura de teste. Calculado, o desvio máximo de 6 pontos de temperatura de controle de 25,0 ℃ ~ 40,0 ℃ é de 2,0%, dentro da necessidade de desvio de 5,0%.

Comparando a paralelidade de controle de temperatura entre tanques de unidades A, B, C e D em um sistema de tanques paralelos de 500 mL, o experimento usou o teste de diferença mínima significativa t (LSD-t), com P < 0,05 como diferença estatisticamente significativa e melhor paralelidade.

Parâmetros de controle de temperatura do tanque paralelo de 500mL

Controle de ventilação de oxigênio dissolvido associado a tanques paralelos

Curva de controle de fluxo de ventilação do tanque paralelo de quatro ligações de 500mL associada ao DO

Os valores do intervalo de oxigênio dissolvido (OD) que os reatores paralelos mantêm estáveis dependem do módulo de controle de vias de ar de precisão. O sistema de controle de fluxo de massa de gás (MFC) foi detectado, definindo diferentes valores de fluxo de ar e oxigênio e ajustando a pressão do tanque para estabilizá-lo no mesmo valor. Comparando a sua precisão de medição e controle da situação e o paralelismo do sistema de controle de fluxo entre as quatro unidades de tanque, a diferença de controle de fluxo de ventilação entre os quatro tanques usa a análise de cálculo de inspeção LSD-t, após o cálculo, o desvio máximo dos diferentes pontos de controle de fluxo de ventilação é de 2,6%, o sistema de controle de fluxo de ventilação é melhor, o paralelismo de controle de fluxo de ventilação entre os quatro tanques é LSD (quando a diferença é significativa) análise comparativa, o controle de fluxo de ventilação entre as quatro unidades de tanque não existe diferença significativa, o paralelismo é melhor.

Controle do pH em tanques paralelos

Curva de controle de pH para tanques paralelos de quatro ligações de 500mL

O reator usa sensores eletroquímicos de contato para controlar a faixa de pH do processo de reação, equipado com eletrodos de pH ARC inteligentes da Hamilton e que podem ser associados através de estratégias de ventilação específicas. Quando o eletrodo detecta que o pH do líquido de fermentação se desvia do valor do intervalo de configuração, ele é enviado ao sistema de controle da máquina superior, controlando indiretamente o sistema de suplemento para a reposição automática de álcool ou ácido. Defina diferentes valores de pH para detectar se o sistema de controle de feedback de pH do bioreator atende aos requisitos, e o sistema de bioreator quadruplicado de 500 mL tem um melhor controle de feedback na faixa de pH necessária para a cultura de micróbios convencionais (pH = 5,0 ~ 8,0).

Para a capacidade de fornecimento de oxigênio do biorreator, a taxa de transferência de oxigênio é um parâmetro de medição especialmente importante, OTR = KLa · C. Onde KLa é o coeficiente de transferência de oxigênio em volume; C é o gradiente de concentração de oxigênio. O OTR em processos biológicos é afetado pelas condições de fluidodinâmica no biorreator e varia dependendo do tipo e tamanho do biorreator. Portanto, ao usar um reator de 500 mL para a cultura de fermentação, o tipo e o tamanho do reator mudam, levando a mudanças nas condições de dinâmica dos fluidos, as condições de cultura do tanque de fermentação convencional não se aplicam e os parâmetros das condições de fermentação precisam ser ajustados para melhorar a capacidade de fornecimento de oxigênio do reator.

A velocidade de ventilação, a velocidade de agitação e a forma da paleta de agitação são fatores importantes que afetam a capacidade de fornecimento de oxigênio do reator. A regulação da velocidade de ventilação e da velocidade de agitação é um meio simples e eficaz de regulação do fornecimento de oxigênio comumente usado.

Relação entre o OTR do tanque de fermentação paralelo e os parâmetros da dinâmica dos fluidos

Paralelismo da cultura de membrana térmica em tanques paralelos

O reator foi usado para a fermentação de cultura em lote da cepa S288C para analisar o paralelismo de cultura entre os quatro tanques.

Sob as mesmas condições de cultura, as bactérias apresentaram uma tendência mais consistente no metabolismo celular no tanque A, tanque B, tanque C e tanque D do reator de 500 ml, com um bom paralelismo entre os diferentes reatores de quatro tanques. Os parâmetros offline, como a taxa de consumo de açúcar e a quantidade de bactérias, combinados com a análise quantitativa de parâmetros on-line, mostram que as mudanças nos parâmetros metabólicos relevantes estão relacionadas ao crescimento de bactérias durante o período de crescimento exponencial. Sem alteração do volume de ventilação durante todo o processo de fermentação, os organismos realizam principalmente a fermentação anérgica durante uma fase de crescimento, mostrando um aumento sincrónico do peso celular seco (DCW) e CER (ver Figura 11), durante a qual o uso de oxigênio é menor e a flutuação do DO é menor, e a CER diminui drasticamente quando a glicose é esgotada uma vez que a fermentação para de entrar na fase de plataforma. Após um curto período de adaptação à plataforma, a bactéria começa a fazer uma segunda fermentação, mostrando um aumento secundário de DCW e CER. A análise comparativa pode ver que a taxa de consumo de fontes de carbono de substância em quatro tanques é semelhante, e o ciclo de fermentação varia da mesma forma, os parâmetros macro têm uma boa relação linear e mostram uma boa paralelidade.

Parâmetros macrológicos da cultura de fermentação de espécies em tanques paralelos de 500mL

Conclusão

Com o rápido desenvolvimento da pesquisa e aplicações biomédicas, a plataforma de biorreator de teste de processo é urgentemente necessária para colmar a lacuna entre a disponibilidade de cepas de engenharia genética e celular e a caracterização quantitativa das propriedades metabólicas da cepa sob as condições do processo de cultura, para alcançar a caracterização quantitativa rápida das propriedades fisiometabólicas da cepa e a otimização do processo de cultura. Este artigo apresenta uma avaliação abrangente e otimização da capacidade de fornecimento de oxigênio do sistema de biorreatores paralelos de quatro linhas de 500 mL desenvolvido independentemente, estabelecendo a base para a análise de parâmetros metabólicos da família de microbios e das cepas celulares.

Em um experimento de controle de parâmetros de molde frio de biorreator de quatro ligações de 500 mL, seu desempenho foi analisado e avaliado, e o desvio máximo do pH, temperatura, velocidade e ventilação do módulo de controle de tanques paralelos de 500 mL foi calculado em diferentes pontos de configuração de parâmetros dentro dos requisitos de desvio de 5%. Calculado pelo teste de parametrização LSD-t, não há diferenças significativas entre as quatro unidades do tanque de reação, o controle de parâmetros do molde a frio do reator atende aos requisitos de controle e a paralelidade geral é melhor.

Os resultados experimentais das cepas em biorreatores de 500mL têm uma boa repetibilidade e paralelidade, permitindo caracterizar com precisão os parâmetros de propriedades macroscópicas durante a fermentação da bactéria. Da operação de unidades tradicionais à engenharia sistemática, do macro ao microscópico, a pesquisa atualmente realizada é para se infiltrar e fundir com vários campos de alta tecnologia para formar ciências tecnológicas de ponta. Com o desenvolvimento profundo da pesquisa em biotecnologia, como explorar em profundidade a partir da perspectiva de engenharia, da descrição da experiência macro à compreensão da natureza microscópica, estabelecer uma boa base para a construção de uma plataforma de análise de teste de processo combinada de macro e microscópico, que é importante para a otimização e ampliação do processo.