生物反應(yīng)器的放大方法簡介

發(fā)布日期：2024-01-15 15:17:21 點擊量：

生物反應(yīng)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(yīng)設(shè)備，詳詢請致電400-0888-126。
小型試驗階段的主要任務(wù)是根據(jù)酶或細(xì)胞的生物學(xué)特性和催化能力，研究生物反應(yīng)條件和反應(yīng)動力學(xué)，選擇合理的反應(yīng)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(yīng)器幾何尺寸變化對反應(yīng)器操作性能的影響，并對設(shè)計方案進(jìn)行必要的修正，提出工業(yè)規(guī)模反應(yīng)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(yīng)器中進(jìn)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(yīng)器中進(jìn)行同一生物反應(yīng)時，由于規(guī)模的不同，生物反應(yīng)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(dǎo)致在工業(yè)生產(chǎn)反應(yīng)器上不能達(dá)到實驗室反應(yīng)器的反應(yīng)結(jié)果。
研究生物反應(yīng)器的放大，其目的就是要使大型生物反應(yīng)器的性能與小型反應(yīng)器相接近，從而使大型反應(yīng)器的生產(chǎn)效率與小型反應(yīng)器相似。目前生物反應(yīng)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(xué)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(yīng)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(jìn)行理論解析的領(lǐng)域，還要依靠經(jīng)驗放大法。對生物反應(yīng)器，到目前為止應(yīng)用較多的方法也是根據(jù)經(jīng)驗和實用的原則進(jìn)行反應(yīng)器的放大。
以在工業(yè)生物反應(yīng)器中占有重要地位的通氣式機械攪拌槽反應(yīng)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(jìn)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(yīng)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(yīng)參與的生物反應(yīng)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(xué)相似、傳熱相似和反應(yīng)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(yīng)用千生物反應(yīng)器的放大，只有在某些特殊條件下才可能有效。為此，在應(yīng)用該法時，需根據(jù)已有知識和經(jīng)驗進(jìn)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(xué)模擬法
數(shù)學(xué)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(xué)方程的形式加以描述，然后用計算機進(jìn)行模擬研究、設(shè)計和放大。該法的數(shù)學(xué)模型根據(jù)其建立方法的不同，可分為由過程機理推導(dǎo)而得的機理模型、由經(jīng)驗數(shù)據(jù)歸納而得的經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃徒橛趦烧咧g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(yán)謹(jǐn)?shù)摹⑾到y(tǒng)的數(shù)學(xué)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?zāi)Ｐ褪且环N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(xué)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?zāi)Ｐ拖嘟Y(jié)合而得到的一種模型。

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