一、実験室平行反応器の原理

実験室平行反応器は複数の反応系が同時に反応するための装置であり、その原理は複数の反応器が同時に反応することによって反応効率を高めることである。この装置は通常、複数の反応器、温度制御システム、攪拌システム、反応物添加システムなどの部分から構成される。その中で、複数の反応器は同時に異なる反応系の反応を行うことができ、温度制御システムは反応系の温度を制御することができ、攪拌システムは反応系が均一な混合に達することを保証することができ、反応物の添加システムは反応物が一定の割合で反応系に添加されることを保証することができる。

二、実験室平行反応器の応用

実験室の平行反応器は化学反応、触媒反応、生物反応などの分野に広く応用されている。その主な利点は、複数の反応系の反応を同時に行うことができ、それによって反応効率を高め、実験コストを低減することである。また、実験室平行反応器は反応条件の最適化と反応系のスクリーニングにも使用でき、化学研究により多くの可能性を提供した。化学研究において、実験室平行反応器は新しい化合物の合成、反応条件の最適化、触媒のスクリーニングなどに用いることができる。生物研究において、実験室平行反応器は薬物スクリーニング、酵素触媒反応などの方面に用いることができる。要するに、実験室平行反応器は化学実験室にはない実験装置の一つであり、その応用は化学と生物分野において広範な将来性を持っている。

三、実験室平行反応器の実験分析

平行タンクの攪拌制御

500 mL四連平行タンク攪拌制御特性曲線

反応器の酸素供給能力は特に重要であり、体積酸素伝達係数（KLa）は攪拌回転数、ブレード形状と密接に関連しているため、反応器攪拌パラメータの安定制御は特に重要である。

異なる回転数のパラメータを設定してテストを行い、オンライン撹拌回転数は上位機ソフトウェアでオンライン収集を行い、同時に速度計で実際の回転数の測定を行う。長期攪拌作業の場合、4つの反応器間の回転数の差異を比較し、攪拌制御の平行性を分析し、4つのタンクの攪拌回転数はすべて異なる設定値の下で持続的に安定して動作し、4つの反応器間の攪拌制御の差異は小さく、後続の平行性培養に基礎条件を提供した。

平行タンクの温度制御

500 mL四連平行タンク温度制御特性曲線

微生物の成長と代謝状態は置かれた環境温度と密接に関連しており、システムの正確な温度制御機能と制御を実現する平行能力は発酵反応器の平行化培養を評価する重要な指標である。

温度パラメータを設定すると、温度制御システムは温度を設定値に急速に安定させることができ、この反応器は試験温度範囲内の温度制御性能が良い。計算によると、25.0℃~ 40.0℃の6つの温度制御点の最大偏差は2.0%で、5.0%の偏差需要内にある。

500 mL平行タンクシステムにおけるA、B、C、Dユニットタンク間の温度制御平行性比較により、実験は最小有意差t検査（Least Significant DifferencetTest、LSD-t）を使用し、P<0.05は差異は統計学的意義があり、平行性は比較的に良い。

500 mL四連平行タンク温度制御パラメータ

平行タンク関連溶存酸素の通気量制御

500 mL四連平行タンク関連DOの通気流量制御曲線

平行反応器の安定した溶存酸素（DO）を保持する範囲の値は、精密なガス路制御モジュールに依存する。ガス質量流量制御システム（MFC）を検出し、異なる空気と酸素流量値を設定し、タンク圧を同じ値に安定するように調整した。その測定制御精度の情況と4つのタンクユニット間の流量制御システムの平行性を比較し、4つのタンク間の通気流量制御差異はLSD-t検査計算を用いて分析し、計算により、異なる通気流量制御点の最大偏差は2.6%で、通気流量制御システムは比較的良く、4つのタンク間の通気流量制御平行性にLSD（P<0.05.差異が顕著である場合）比較分析を行い、4つのタンクユニット間の通気流量制御に顕著な差異はなく、平行性は比較的に良い。

平行タンクのpH制御

500 mL四連平行タンクpH制御曲線

この反応器は接触式電気化学センサを用いて反応過程のpH範囲値の制御を実現し、ハミルトン知能ARC pH電極を配備し、特定の通気戦略によって関連付けることができる。発酵液のpH値が設定範囲値からずれていることを電極が検出すると、上位機制御システムにフィードバックされ、間接的に補剤システムを制御して自動補アルカリまたは補酸を行う。異なるpH値を設定し、当該バイオリアクターのpHフィードバック制御システムが要求を満たすかどうかを検査し、500 mL四連バイオリアクターシステムは通常の微生物の培養に必要なpH値範囲内（pH=5.0 ~ 8.0）に比較的に良いフィードバック制御がある。

バイオリアクターの酸素供給能力にとって、酸素伝達速度は特に重要な測定パラメータであり、OTR=KLa・△Cである。ここで、KLaは体積酸素伝達係数であり、△Cは酸素濃度勾配である。生物過程におけるOTRは生物反応器における流体力学的条件の影響を受け、生物反応器のタイプと規模によって異なる。そのため、500 mL反応器を用いて発酵培養を行う時、反応器のタイプと規模が変化し、流体力学条件が変化し、通常の発酵タンクの培養条件は適用されず、発酵条件パラメータを調整して、反応器の酸素供給能力を高める必要がある。

通気速度、攪拌速度、攪拌パドル形状などはすべて反応器の酸素供給能力に影響する重要な要素である。通気速度と攪拌回転速度を調節することはよく使われる簡単で効果的な酸素供給制御手段である。

平行発酵タンクOTRと流体力学パラメータとの関係

平行缶熱膜培養の平行性

この反応器を用いてS 288 C菌株をバッチ培養発酵し、四連タンク間の培養平行性を分析した。

同じ培養条件下で、菌体は500 mL反応器のA缶、B缶、C缶とD缶の中で細胞代謝は比較的に一致する傾向を呈し、四連缶の異なる反応器間の平行性は良好である。糖消費速度、菌体量などのオフラインパラメータはオンラインパラメータを結合して定量分析し、指数成長期において、代謝パラメータの変化は菌体成長と相関関係を示した。発酵過程全体で通気量を変更しない場合、菌体は一次成長段階で主に無酸素発酵を行い、細胞幹重（Dry Cell Weight、DCW）とCERの同期上昇を示した（図11参照）、この段階は酸素利用が少なく、DO変動が小さく、ブドウ糖が尽きて一次発酵が停止してプラットフォーム期に入ると、CERは急激に低下した。短いプラットフォーム適応期を経た後、菌体は二次発酵を開始し、DCWとCERの二次上昇を示した。比較分析により、4つのタンクにおける基質炭素源の消費速度は近く、発酵周期の変化は同じで、マクロパラメータの線形関係は良好で、比較的に良い平行性を示した。

500 mL平行タンク中の菌種発酵培養マクロパラメータ

結び

生物医薬の研究と応用の急速な発展に伴い、遺伝子及び細胞工学菌株の可用性と培養過程条件下における菌株代謝特性の定量的特徴づけとの間の差を埋めるためのプロセス試験生物反応器プラットフォームが必要とされ、菌株の生理代謝特性の迅速な定量的特徴づけと培養技術の最適化を実現する。本文は自主開発した500 mL四連平行生物反応器システムに対して総合評価と酸素供給能力の改善最適化を行い、後続の微生物菌族及び細胞株の代謝特性パラメータ分析の実現のために基礎を築いた。

500 mL四連バイオリアクターの冷間モードパラメータ制御実験の下で、その性能に対して分析と評価を行い、比較計算を経て500 mL平行タンクのpH、温度、回転数、通気率制御モジュールの異なるパラメータ設定点における最大偏差はすべて5%の偏差要求内にある。LSD-tパラメータ化検査計算を経て、4つの反応タンクユニット間に顕著な差異はなく、反応器の冷型パラメータ制御は制御要求を満たし、全体の平行性が比較的に良い。

菌株の500 mLバイオリアクターでの実験結果は比較的に良い繰り返し性と平行性があり、菌体発酵過程におけるマクロ特性パラメータを正確に特徴づけることができる。伝統的なセル操作からシステム化工学、マクロからミクロまで、現在行われている研究は各ハイテク分野と相互に浸透融合し、エッジ技術科学を形成することである。生物技術研究の深い発展に伴い、どのように工学の角度から深く探索し、マクロの経験記述からミクロの本質認識まで、マクロとミクロを結合したプロセステスト分析プラットフォームを構築するために良好な基礎を築き、これはプロセスプロセスプロセスの最適化と増幅に重要な意義を持つ。