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生物反應器的放大方法簡介

發(fā)布者：長城科工貿(mào) 時間：2024-01-15 15:21:17 點擊量：
生物反應過程的開發(fā)，通常要經(jīng)歷實驗室小型試驗、中間規(guī)模試驗和工業(yè)化規(guī)模放大三個階段。鄭州長城科工貿(mào)有限公司為您提供實驗室小型試驗、中間規(guī)模試驗使用的生物反應設(shè)備，詳詢請致電400-0888-126。
小型試驗階段的主要任務是根據(jù)酶或細胞的生物學特性和催化能力，研究生物反應條件和反應動力學，選擇合理的反應器型式，確定其操作方式；中型試驗的重點是檢驗小型試驗得到的方案的可靠性，研究反應器幾何尺寸變化對反應器操作性能的影響，并對設(shè)計方案進行必要的修正，提出工業(yè)規(guī)模反應器的設(shè)計和操作條件；工業(yè)化放大階段，通常是在大型生物反應器中進行試生產(chǎn)，并建立合理的操作條件。
在上述三個階段的不同大小的反應器中進行同一生物反應時，由于規(guī)模的不同，生物反應器的流體流動與動量、熱量和質(zhì)量傳遞性能會存在差異，有可能導致在工業(yè)生產(chǎn)反應器上不能達到實驗室反應器的反應結(jié)果。
研究生物反應器的放大，其目的就是要使大型生物反應器的性能與小型反應器相接近，從而使大型反應器的生產(chǎn)效率與小型反應器相似。目前生物反應器的放大方法主要有經(jīng)驗放大法、 量綱分析法、 時間常數(shù)法和數(shù)學模擬法等。
經(jīng)驗放大法
經(jīng)驗放大法是建立在小型實驗或模擬中試試驗實測數(shù)據(jù)和操作經(jīng)驗的基礎(chǔ)上的放大方法。它依據(jù)對已有生物反應器的操作經(jīng)驗所建立起來的一些規(guī)律則多為定性的，只有一些簡單的、粗糙的定量概念。由于該法對事物的機理缺少透徹的了解，因而其放大比例較小，且不夠精確。但對于目前還難以進行理論解析的領(lǐng)域，還要依靠經(jīng)驗放大法。對生物反應器，到目前為止應用較多的方法也是根據(jù)經(jīng)驗和實用的原則進行反應器的放大。
以在工業(yè)生物反應器中占有重要地位的通氣式機械攪拌槽反應器為例，影響其操作性能的主要因素是流體的混合、氧的傳遞和剪切力。與此相關(guān)的操作參數(shù)則有攪拌速度和單位體積所輸入的功率、通氣速率和氧的傳遞系數(shù)、攪拌槳葉端速度等。
量綱分析法
量綱分析法亦稱相似模擬法。它是依據(jù)相似性原理，以保持無量綱特征數(shù)相等的原則進行放大。該法是根據(jù)對過程的了解，確定影響過程的因素，用量綱分析方法求得相似特征數(shù)，該法根據(jù)相似理論第一定律，即若系統(tǒng)互相相似，則同一相似特征數(shù)的數(shù)值相等的原理，若能保證放大前與放大后的無量綱數(shù)群相同，則有可能保證放大前與放大后的某些特性相同。無量綱數(shù)群不變的含義是使各種作用機制的有關(guān)時間常數(shù)的比值恒定，即保證放大前后的反應過程機理沒有發(fā)生改變。
量綱分析法已成功用于各種物理過程的放大，但對有生化反應參與的生物反應器放大則存在一定的困難。這是因為在放大過程中，要同時保證放大前后幾何相似、流體力學相似、傳熱相似和反應相似，這實際上幾乎是不可能的，保證所有無量綱數(shù)群完全相等也是不現(xiàn)實的，并且還會得出極不合理的結(jié)果，故難以應用千生物反應器的放大，只有在某些特殊條件下才可能有效。為此，在應用該法時，需根據(jù)已有知識和經(jīng)驗進行判斷，以確定在各種控制機制中哪個更為重要，并同時兼顧其它條件。
數(shù)學模擬法
數(shù)學模擬法是根據(jù)有關(guān)的原理和必要的實驗結(jié)果，對實際的過程用數(shù)學方程的形式加以描述，然后用計算機進行模擬研究、設(shè)計和放大。該法的數(shù)學模型根據(jù)其建立方法的不同，可分為由過程機理推導而得的機理模型、由經(jīng)驗數(shù)據(jù)歸納而得的經(jīng)驗模型和介于兩者之間的混合模型。
機理模型是從分析過程的機理出發(fā)而建立起來的嚴謹?shù)?、系統(tǒng)的數(shù)學方程式。建立此模型的基礎(chǔ)是必須對過程有深刻而透徹的了解。經(jīng)驗模型是一種以小型實驗、中間試驗或生產(chǎn)裝置上實測的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)而建立的數(shù)學模型。
混合模型則是通過理論分析，確定各參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，再通過實驗數(shù)據(jù)來確定該函數(shù)關(guān)系式中各參數(shù)的數(shù)值，這也是把機理模型和經(jīng)驗模型相結(jié)合而得到的一種模型。
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