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生物反应器的放大方法简介

发布日期: 2024-01-10
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  生物反应过程的开发,通常要经历实验室小型试验、中间规模试验和工业化规模放大三个阶段。郑州长城科工贸有限公司为您提供实验室小型试验、中间规模试验使用的生物反应设备。

  小型试验阶段的主要任务是根据酶或细胞的生物学特性和催化能力,研究生物反应最佳条件和反应动力学,选择合理的反应器型式,确定其操作方式;中型试验的重点是检验小型试验得到的方案的可靠性,研究反应器几何尺寸变化对反应器操作性能的影响,并对设计方案进行必要的修正,提出工业规模反应器的设计和操作条件;工业化放大阶段,通常是在大型生物反应器中进行试生产,并最终建立合理的操作条件。

  在上述三个阶段的不同大小的反应器中进行同一生物反应时,由于规模的不同,生物反应器的流体流动与动量、热量和质量传递性能会存在差异,有可能导致在工业生产反应器上不能达到实验室反应器的反应结果。

  研究生物反应器的放大,其目的就是要使大型生物反应器的性能与小型反应器相接近,从而使大型反应器的生产效率与小型反应器相似。目前生物反应器的放大方法主要有经验放大法、 量纲分析法、 时间常数法和数学模拟法等。

  经验放大法

  经验放大法是建立在小型实验或模拟中试试验实测数据和操作经验的基础上的放大方法。它依据对已有生物反应器的操作经验所建立起来的一些规律则多为定性的,只有一些简单的、粗糙的定量概念。由于该法对事物的机理缺少透彻的了解,因而其放大比例较小,且不够精确。但对于目前还难以进行理论解析的领域,还要依靠经验放大法。对生物反应器,到目前为止应用较多的方法也是根据经验和实用的原则进行反应器的放大。

  以在工业生物反应器中占有重要地位的通气式机械搅拌槽反应器为例,影响其操作性能的主要因素是流体的混合、氧的传递和剪切力。与此相关的操作参数则有搅拌速度和单位体积所输入的功率、通气速率和氧的传递系数、搅拌桨叶端速度等。

  量纲分析法

  量纲分析法亦称相似模拟法。它是依据相似性原理,以保持无量纲特征数相等的原则进行放大。该法是根据对过程的了解,确定影响过程的因素,用量纲分析方法求得相似特征数,该法根据相似理论第一定律,即若系统互相相似,则同一相似特征数的数值相等的原理,若能保证放大前与放大后的无量纲数群相同,则有可能保证放大前与放大后的某些特性相同。无量纲数群不变的含义是使各种作用机制的有关时间常数的比值恒定,即保证放大前后的反应过程机理没有发生改变。

  量纲分析法已成功用于各种物理过程的放大,但对有生化反应参与的生物反应器放大则存在一定的困难。这是因为在放大过程中,要同时保证放大前后几何相似、流体力学相似、传热相似和反应相似,这实际上几乎是不可能的,保证所有无量纲数群全相等也是不现实的,并且还会得出极不合理的结果,故难以应用千生物反应器的放大,只有在某些特殊条件下才可能有效。为此,在应用该法时,需根据已有知识和经验进行判断,以确定在各种控制机制中哪个更为重要,并同时兼顾其它条件。

  数学模拟法

  数学模拟法是根据有关的原理和必要的实验结果,对实际的过程用数学方程的形式加以描述,然后用计算机进行模拟研究、设计和放大。该法的数学模型根据其建立方法的不同,可分为由过程机理推导而得的机理模型、由经验数据归纳而得的经验模型和介于两者之间的混合模型。

  机理模型是从分析过程的机理出发而建立起来的严谨的、系统的数学方程式。建立此模型的基础是必须对过程有深刻而透彻的了解。经验模型是一种以小型实验、中间试验或生产装置上实测的数据为基础而建立的数学模型。

  混合模型则是通过理论分析,确定各参数之间的函数关系,再通过实验数据来确定该函数关系式中各参数的数值,这也是把机理模型和经验模型相结合而得到的一种模型。

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