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生物反應器的放大方法簡介
發布者：長城科工貿
時間：2024-01-15 15:21:17
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生物反應過程的開發，通常要經歷實驗室小型試驗、中間規模試驗和工業化規模放大三個階段。鄭州長城科工貿有限公司為您提供實驗室小型試驗、中間規模試驗使用的生物反應設備，詳詢請致電400-0888-126。
小型試驗階段的主要任務是根據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，并對設計方案進行必要的修正，提出工業規模反應器的設計和操作條件；工業化放大階段，通常是在大型生物反應器中進行試生產，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，由于規模的不同，生物反應器的流體流動與動量、熱量和質量傳遞性能會存在差異，有可能導致在工業生產反應器上不能達到實驗室反應器的反應結果。
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驗放大法、 量綱分析法、 時間常數法和數學模擬法等。
經驗放大法
經驗放大法是建立在小型實驗或模擬中試試驗實測數據和操作經驗的基礎上的放大方法。它依據對已有生物反應器的操作經驗所建立起來的一些規律則多為定性的，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域，還要依靠經驗放大法。對生物反應器，到目前為止應用較多的方法也是根據經驗和實用的原則進行反應器的放大。
以在工業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。與此相關的操作參數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、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。它是依據相似性原理，以保持無量綱特征數相等的原則進行放大。該法是根據對過程的了解，確定影響過程的因素，用量綱分析方法求得相似特征數，該法根據相似理論第一定律，即若系統互相相似，則同一相似特征數的數值相等的原理，若能保證放大前與放大后的無量綱數群相同，則有可能保證放大前與放大后的某些特性相同。無量綱數群不變的含義是使各種作用機制的有關時間常數的比值恒定，即保證放大前后的反應過程機理沒有發生改變。
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，保證所有無量綱數群完全相等也是不現實的，并且還會得出極不合理的結果，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，需根據已有知識和經驗進行判斷，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。
數學模擬法
數學模擬法是根據有關的原理和必要的實驗結果，對實際的過程用數學方程的形式加以描述，然后用計算機進行模擬研究、設計和放大。該法的數學模型根據其建立方法的不同，可分為由過程機理推導而得的機理模型、由經驗數據歸納而得的經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而建立起來的嚴謹的、系統的數學方程式。建立此模型的基礎是必須對過程有深刻而透徹的了解。經驗模型是一種以小型實驗、中間試驗或生產裝置上實測的數據為基礎而建立的數學模型。
混合模型則是通過理論分析，確定各參數之間的函數關系，再通過實驗數據來確定該函數關系式中各參數的數值，這也是把機理模型和經驗模型相結合而得到的一種模型。
小型試驗階段的主要任務是根據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，并對設計方案進行必要的修正，提出工業規模反應器的設計和操作條件；工業化放大階段，通常是在大型生物反應器中進行試生產，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，由于規模的不同，生物反應器的流體流動與動量、熱量和質量傳遞性能會存在差異，有可能導致在工業生產反應器上不能達到實驗室反應器的反應結果。
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驗放大法、 量綱分析法、 時間常數法和數學模擬法等。
經驗放大法
經驗放大法是建立在小型實驗或模擬中試試驗實測數據和操作經驗的基礎上的放大方法。它依據對已有生物反應器的操作經驗所建立起來的一些規律則多為定性的，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域，還要依靠經驗放大法。對生物反應器，到目前為止應用較多的方法也是根據經驗和實用的原則進行反應器的放大。
以在工業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。與此相關的操作參數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、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。它是依據相似性原理，以保持無量綱特征數相等的原則進行放大。該法是根據對過程的了解，確定影響過程的因素，用量綱分析方法求得相似特征數，該法根據相似理論第一定律，即若系統互相相似，則同一相似特征數的數值相等的原理，若能保證放大前與放大后的無量綱數群相同，則有可能保證放大前與放大后的某些特性相同。無量綱數群不變的含義是使各種作用機制的有關時間常數的比值恒定，即保證放大前后的反應過程機理沒有發生改變。
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，保證所有無量綱數群完全相等也是不現實的，并且還會得出極不合理的結果，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，需根據已有知識和經驗進行判斷，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。
數學模擬法
數學模擬法是根據有關的原理和必要的實驗結果，對實際的過程用數學方程的形式加以描述，然后用計算機進行模擬研究、設計和放大。該法的數學模型根據其建立方法的不同，可分為由過程機理推導而得的機理模型、由經驗數據歸納而得的經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而建立起來的嚴謹的、系統的數學方程式。建立此模型的基礎是必須對過程有深刻而透徹的了解。經驗模型是一種以小型實驗、中間試驗或生產裝置上實測的數據為基礎而建立的數學模型。
混合模型則是通過理論分析，確定各參數之間的函數關系，再通過實驗數據來確定該函數關系式中各參數的數值，這也是把機理模型和經驗模型相結合而得到的一種模型。
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