연속식 생물반응 시뮬레이터의 조작 방법은 그 작업 원리와 핵심 제어 파라미터를 결합하여 가동 준비, 파라미터 설정, 운행 모니터링, 종료 처리 등 네 단계를 포괄하고 수학 모델링과 동적 조정을 통해 안정적인 운행을 실현해야 한다.다음은 구체적인 운영 방법 및 주요 요점입니다.
1. 시작 준비 단계
장비 점검 및 청소
반응기 본체, 센서, 컨트롤러, 원료 공급 장치 등 설비가 튼튼하게 설치되어 누출 위험이 없도록 확보한다.
반응기 내부를 깨끗이 청소하여 오염물이 실험 결과를 방해하지 않도록 한다.예를 들어, 미생물 배양에서 잔류 불순물은 균군 오염이나 대사 이상을 초래할 수 있습니다.
반응물질 준비
실험 수요에 따라 배지, 영양물질, 완충액 등을 배치하고 품질과 농도를 확인한다.예를 들어, 연속 발효 중에는 미생물의 성장 균형을 유지하기 위해 탄소원, 질소원 비율을 정확하게 통제해야 한다.
미생물 접종과 관련될 경우, 균종을 미리 활성화하고 대수 생장기로 조정하여 초기 균체 농도가 요구에 부합하도록 확보해야 한다.
환경 조건 제어
반응기 온도, pH 값, 용존산소 등의 기초 매개변수를 설정합니다.예를 들어, 포유류 세포 배양은 일반적으로 37 ℃ 를 유지해야합니다.pH7.2-7.4、산소를 5 ~ 10% 용해하다.
교반장치를 가동하여 반응물질이 고르게 혼합되도록 확보하여 국부적인 농도가 지나치게 높거나 너무 낮지 않도록 해야 한다.
2. 매개 변수 설정과 동적 조정 단계
키 매개변수 설정
흐름 제어: 반응기 부피(V)와 체류 시간(기준)에 따라 재료 공급 흐름(F=V/계산.예를 들어, 10L 반응기가 10시간 동안 재료를 처리하면 유량이 1L/h로 설정됩니다.
희석률(D) 조정: 재료 공급 유량과 반응기 부피비(D=F/V)를 조절하여 세포 성장 속도를 조절한다.예를 들어, D = 0.1h ⁻¹는 시간당 10% 반응액을 교체하는 것을 나타냅니다.
온도 및 pH 피드백 제어: PID 컨트롤러를 사용하여 설정값을 유지합니다.예를 들어, pH가 목표 값을 벗어나면 자동으로 산/염기 용액을 주입하여 교정합니다.
수학 모형 보조 최적화
단일 레벨 CSTR의 기본 농도 균형 방정식과 같은 재료 균형 모델을 만듭니다.
실험 데이터를 통해 반응 속도 상수(k), 최대 반응 속도 등 파라미터를 맞추어 조작 조건을 최적화한다.
다중 레벨 직렬 및 반복 설계
다중 레벨 발효와 같은 복잡한 반응의 경우 다중 레벨 CSTR 직렬 또는 순환식 PFR(평추류 반응기)을 사용하여 전환율을 높일 수 있습니다.예를 들어, 2단계 직렬 반응기는 산물 수확률을 30~50% 높일 수 있다.
순환식 PFR에서는 순환비 조절을 통해 반응물의 체류 시간 분포를 제어하고 혼합 효과를 줄인다.
3. 운행 모니터링 및 데이터 수집 단계
실시간 매개변수 모니터링
센서를 사용하여 온도를 지속적으로 기록하고pH、산소, 압력과 같은 핵심 지표를 녹이고 PLC 또는 SCADA와 같은 데이터 수집 시스템을 통해 추세도를 생성합니다.
정기적으로 시료를 채취해 반응물 농도, 세포밀도, 산물 생성량 등을 분석해 모델 예측 정확성을 검증한다.
예외 처리 및 조정
파라미터가 설정 범위 (예: pH 급강하, 용존산소 부족) 에서 벗어나는 것을 감지하면 즉시 공급 시스템, 교반 장치 또는 센서 상태를 검사하고 수동으로 조정에 개입합니다.
연속배양에서 균체의 성장속도가 떨어지면 재료에 들어가는 영양물질의 농도를 증가시키거나 희석률을 조절하여 성장을 자극할수 있다.
4. 처리 및 데이터 분석 단계 종료
반응 종료 작업
특정 산물 농도 또는 반응 시간에 도달하는 등의 실험 목표에 따라 종료 시기가 결정됩니다.
원료 공급 펌프, 믹서 장치 및 온도 제어 시스템을 끄고 반응액을 배출하고 원심, 여과, 순화와 같은 후속 처리를 수행합니다.
데이터 정리 및 모델 검증
운행 데이터를 종합하여 반응물의 농도, 산물 생성량의 시간에 따른 변화 곡선을 그리고 반응동력학적 특성을 분석한다.
실험 데이터와 모델 예측 결과를 비교하고 반응 속도 상수, 전질 계수와 같은 매개변수를 수정하여 모델의 정확성을 향상시킵니다.