间歇式操作反应器(制药工程)

第 五 章 间 歇 式 操 作 反 应 器 5.1 生 物 反 应 器 设 计 概 论 按 照 生 物 反 应 过 程 所 使 用 的 生 物 催 化 剂 不 同 ： 酶 反 应 器 ；细 胞 生 物 反 应 器 根 据 反 应 器 物 料 的 加 入 和 排 出 方 式 的 不 同 ： 间 歇 反 应 器 ；连 续 反 应 器 ； 半 间 歇 半 连 续 反 应 器 根 据 生 物 催 化 剂 在 反 应 器 的 分 布 方 式 ： 生 物 团 块 反 应 器 ；生 物 膜 反 应 器 根 据 相 态 来 分 ： 有 均 相 反 应 器 ； 非 均 相 反 应 器 。 理 想 的 机 械 搅 拌 反 应 器 和 理 想 管 式 反 应 器 的 流 型 即 全混 流 和 平 推 流 。 根 据 反 应 器 的 结 构 ： 包 括 罐 式 、 管 式 、 塔 式 、 膜 式 等 。 根 据 反 应 器 所 需 能 量 的 输 入 方 式 不 同 来 分 ， 则 有 机 械 搅拌 、 气 流 搅 拌 和 利 用 泵 使 液 体 强 制 循 环 的 反 应 器 。(几 种 常 见 的 酶 反 应 器 和 细 胞 反 应 器 ， 见 教 材 ) l 生 物 反 应 器 设 计 的 主 要 目 标 是 寻 求 反 应 目 的 产 物 的 高 生 成速 率 和 高 浓 度 ， 从 而 达 到 优 质 高 产 低 成 本 的 目 的 。l 生 物 反 应 器 设 计 的 基 本 内 容 包 括 ： 选 择 合 适 的 反 应 器 型 式 与 操 作 方 式 。 即 根 据 生 物 催 化 剂 和 生物 反 应 动 力 学 特 征 ， 以 及 物 料 的 特 性 和 生 产 工 艺 特 点 ， 选 择合 理 的 结 构 类 型 、 流 动 方 式 和 相 关 的 传 递 过 程 条 件 ； 确 定 最 佳 的 操 作 条 件 与 控 制 方 式 ， 如 温 度 、 压 力 、 PH、 通 气量 、 物 料 流 量 等 工 艺 参 数 ； 计 算 所 需 的 反 应 器 体 积 ， 设 计 各 种 结 构 参 数 等 。 反 应 器 设 计 的 核 心 内 容 是 确 定 反 应 器 有 效 体 积 ！l 反 应 器 设 计 基 本 方 程 包 括 反 应 动 力 学 方 程 、 物料 衡 算 式 、 能 量 衡 算 式 和 各 种 传 递 过 程 参 数 的计 算 式 。 5.2 间 歇 式 操 作 反 应 器 的 设 计 非 稳 态 过 程 所 有 物 料 具 有 相 同 的 停 留 时 间 和 反 应 时 间 随 着 反 应 的 进 行 ， 反 应 器 的 效 率 将 降 低 优 点 较 适 合 多 品 种 、 小 批 量 的 生 产 过 程 。 有 不 少 生物 制 品 是 小 批 量 生 产 的 ， 因 此 使 用 同 一 台 反 应装 置 ， 可 进 行 多 品 种 的 生 产 。 较 适 合 反 应 速 率 较 慢 的 生 物 反 应 。 由 于 多 数 生物 反 应 的 速 率 较 化 学 反 应 慢 ， 故 工 业 过 程 使 用具 有 间 歇 操 作 特 征 的 大 容 量 生 物 反 应 器 。 分 批 进 行 的 过 程 染 菌 率 较 低 。 缺 点l 间 歇 操 作 反 应 器 的 缺 点 是 ： 这 种 操 作 需 要 一 定的 辅 助 操 作 时 间 ， 生 产 效 率 较 低 ；l 细 胞 或 酶 的 反 应 环 境 随 时 间 改 变 ， 产 物 生 成 速率 与 反 应 时 间 有 关 ；l 下 游 产 物 分 离 必 须 分 批 进 行 等 。 5.2.2 反 应 时 间 的 计 算dtdnrV SSR 对液相反应如反应器有效体积不随时间发生变化，则有反应组分的转化率=-反应组分的累积速率dtcVdVdtdnVr SRRSRS )(11 dtdcr SS 5.2.2.1 均相酶反应过程 SScc sSr rdct 0 S s SSr S SS rdct c cc X00 00s sXX XS，即的转化率为若设反应组分 SSmSSr SmSSr SSmS Sm SSSs SSr ccKcctror Kctr dcKrc cK cr dcrdct S SS 00max 0max X0max0 X0 max0X00 ln)( X1 1lnX X1 XX 积分得： l当cs0Km时，即反应呈零级反应特征时:)(X 00max SSSSr ccctr 5.2.2.3 细胞反应过程)(1 0/0 XXSXSS XXX ccYcc cdtdcr 00/ 00/max 0/0 0/0maxmax ) )(1 )(1XXSSXSX XXSSX XXSXS XXSXSSS cccYKsY cccY ccYcKs ccYccKsc 00/ / 00/ 00/ 0/ 00/0max 00/ 00/max lnln 10 XSSX SX XSSX XSSXSX SSX XXSSXXXr XXcc XXSSXSX XXSSXr ccY KsYB ccY ccYKsYA cY cccYBccAt dcccccYKsY cccYt XX 5.2.2.4 最优化反应时间的计算 boptr PrP br PrPbrRrP rP br PRP tt cdtc tt cdtcttVdtF tF tt cVF , 2d 0dd 的导数为零，即：间最大的条件是对反应时使 例如对均相酶反应，假定其动力学符合MM方程，如果不考虑酶的失活，产物的初始浓度cP0=0： 5.2.3 有 效 体 积 的 计 算举 例 5-2t=tr+tbVR=V0(tr+tb) SS rXc PV 00 一 牛 顿 型 流 体 dydu式 中 : F/A流 体 剪 切 应 力 ， N/m2 / 流 体 的 粘 度 ,Pas du/dy 流 体 速 度 梯 度 ,s-1切 变 率气 体 、 低 分 子 液 体 常 为 牛 顿 型 流 体 表观黏度 5.3 反 应 过 程 的 流 体 力 学5.3.1 反 应 介 质 的 流 变 特 性 二 非 牛 顿 型 流 体1 拟塑性流体（假塑性流体）流动特性表达式：K n (0n1)；n值越大，流体的非牛顿特性越明显。1 na K 3 宾汉(Bingham)塑型流体流 动 特 性 表 达 式 : 0 式中: 0屈服应力； 刚度系数特点：当625)的反应器系统这时可得dfd0.625（2）时均切变率 2ndRe,Re625 Re625.0 MMMfdd其中： 22 8.12.02.01.8d1.131 dD dddDn fave Knave （3）Kolmogoroff(柯尔莫戈罗夫 )漩涡长度W/kgs/mhere 225.03率消耗，单位质量流体的平均功，流体的运动黏度，： vv v R 53R 53 ,V dnNVP NdnNP P PP 搅拌功率特征常数 5.3.3.2 气流搅拌的剪切力图5-16 气泡在鼓泡反应器中的经历 )exp()0()( tkctc dVV kV BgkVBVR VtcdVVtcndt tdcV )(61)()( 3 md s/m smm3g 133气泡直径，通气速率，单位时间生成的气泡数反应器有效体积，致死体积， BBRkVnVV 1 3s m/kg0t)0(),( ，细胞的比死亡速率常数时细胞的质量浓度，和时间d VVk ctc tVd VVctc RB kgVV 36exp)0()( RB kgd Vd VVk 36 5.4 生 物 反 应 器 中 的 氧 传 递 氧 的 特 性 ： 氧 是 一 种 难 溶 气 体 ， 25 和 1大 气 压 时 ， 空 气 中的 氧 在 纯 水 中 的 平 衡 浓 度 仅 8.5g/m3， 由 于 盐 析 作 用 ， 8g/m3，仅 是 葡 萄 糖 的 1/6000。 氧 是 构 成 细 胞 及 其 代 谢 产 物 的 组 分 ,通 过 体 内 糖 、 脂 肪 等生 物 氧 化 获 得 生 命 活 动 所 需 的 能 量 。 一 几 个 基 本 概 念 溶 解 氧 浓 度 CL 单 位 体 积 液 体 中 可 溶 解 氧 的 量 比 耗 氧 速 率 (呼 吸 强 度 )QO2： 单 位 质 量 的 细 胞 (干 重 )在单 位 时 间 内 所 消 耗 氧 的 量 (mol O2/kgs) 摄 氧 率 r： 单 位 体 积 培 养 液 在 单 位 时 间 内 所 消 耗 氧 的量 (mol O2/m3s) r = QO2X 其 中 ： X 细 胞 浓 度二 影 响 细 胞 耗 氧 速 率 的 因 素 营 养 物 质 的 种 类 和 浓 度 、 培 养 温 度 、 pH、 有 害 代 谢 物 的积 累 、 挥 发 性 中 间 代 谢 物 的 损 失 等 等 。 三 .氧 的 传 递 过 程(1)气相扩散到气-液界面阻力R1;(2)通过气液界面的阻力R2;(3)通过滞流区的阻力R3;(4)液相传递阻力R4; (5)细胞团外液膜阻力R5;(6)液体与细胞团界面阻力R6;(7)细胞之间的扩散阻力R7;(8)进入细胞的阻力R8 在 克 服 各 阻 力 进 行 氧 传 递 时 ， 要 损 失 推 动 力 。 氧 传 递 过 程 的 总 推 动 力是 气 相 与 细 胞 内 氧 分 压 之 差 。 达 到 稳 态 时 ， 各 步 单 位 面 积 上 氧 的 传 递速 率 相 等 ss ssO pKpKpK RpRpRpn 2211 22112推动力传递系数阻力推动力 四 氧 传 递 速 率 方 程 当 气 液 界 面 不 存 在 表 面 活 性 物 质 时 ， 界 面 阻 力(R2)可 忽 略 ， 主 要 传 递 阻 力 存 在 于 气 膜 和 液 膜 。氧 传 递 达 到 稳 态 时 ：式中： c i气液界面氧浓度(mol/m3)； c液相主体氧浓度； c*为与p平衡的氧浓度； kL、 kG 分别为液膜与气膜传递系数； H 亨利常数； KL 以液膜为基准的总传质系数。)*(11 *1*1 ccKHkk cck cck ccN LGLG iLi 阻力推动力 )*(1 *1*1 ccKkHk cck cck ccN LGLG iLi 阻力推动力对 于 易 溶 气 体 ， 如 氨 气 溶 于 水 中 时 ， 液 膜 的 传 质 阻 力 相 对 于 气 膜 可 忽 略对 于 难 溶 气 体 ， 如 氧 气 溶 于 水 中 时 ， 气 膜 的 传 质 阻 力 相 对 于 液 膜 可 忽 略)*(11 cckNHkk L GL 当)*( ccakNa L 两别同时乘以a(单位体积反应液中气液比表面积)kLa-体积传质系数)( * OLOLL ccakOTR 因此氧的传质速率： 五 氧 传 递 对 细 胞 生 长 的 影 响 XOOLOLLOOL cqccakROTRdtdc 22 )( * )( * max, 2222 OLOLLXOLO OLOXOO ccakccK cqcqR akKrDa LOO 22 max, 氧的传递速率与氧的消耗速率的关系 六 最 低 溶 氧 浓 度 )()( )()()( min,*max max*2* OLOLL XO ccakOTR OTRcqOUR * *2*min, )(1 OLL XOOLOL ack cqcc )( * OLOLL ccakOTR ),( gDundfak LsL ToOL pyHpHc 11* (1)饱和溶解氧浓度 25.05.00 /6 RLLL LLL VPKDk rKTD Dk (2)液膜传质系数 LB GVdVa 6LB GL B GB GBBG VdVVS dVSdnS nVddnV 6/ 624 6234 2 33 (3)气液比表面积 一 、 亚 硫 酸 氧 化 法 为 非 培 养 状 态 下 测 定 kLa的 方 法 O2+2Na2SO3 2Na2SO4 *)*( 32cdtdcccOTRak SONaL 二 、 动 态 法 XQccakdtdc OL 2)*( 当停止通风时，有： 22 OO rXQdtdc 下降到一定程度，恢复通风：*1 2 cXQdtdcakc OL 3/13/1 3/123/2 Gr0.31ScSh 31.0 或gSckL当气泡直径小于2.5mm时：其中：液体与气体密度差；、液体的粘度、密度粘性力惯性力格拉斯霍夫数，；分子扩散动量扩散施密特数，；扩散传质总传质休伍德数， 23 gGrGr cSc mdDS DdkShSh LmL 5.4.4 体积传质系数kLa的计算 当气泡直径大于2.5mm时：3/12/1 3/122/1 Gr0.42ScSh 42.0 或gSckL 例5-4 5.5 机 械 搅 拌 反 应器 的 结 构 与 计 算5.5.1 反应器结构与操作参数（1）基本结构与尺寸 全挡板（即在搅拌罐中再增加挡板或其他附件时，搅拌功率不再增加，基本不形成涡流）条件：（2）搅拌器的类型与特征4.0bmDW （3）通气速率与搅拌速度转速增加 通气速率增加 涡流可以通过挡板的安置消除，但挡板会增加功率消耗。经实验证实：在全挡板条件下，液面没有涡流，此时指数y为零，(Fr)y1。 5.5.2 搅拌功率的计算yxyxMp gdnndKdn P FrKN gdnfP 2253 Re ),(N p搅拌功率特征数；ReM搅拌雷诺数；Fr-搅拌弗鲁特数；K-与搅拌器的形式和反应器几何尺寸相关的常数。 yx gdNNdKdN P 2253在全挡板条件下，液面不产生中心下降的漩涡，此时y=0，Np仅是搅拌雷诺准数的函数。当搅拌雷诺准数小于10，x=-1，液体处于滞流状态，Np=KR-1em当搅拌雷诺准数大于104，液体处于湍流状态，Np=K，即 23dKNP条件下测定的。在10,1,3,3 BDdCdHdD L 当不满足以上条件时，需做出修正：P*=fP * 313*3 dHdDdHdDdHdD dHdDf LLLL带*号表示实际搅拌设备情况。当有多层搅拌器，功率为：P m=P1+0.6(m-1)=P(0.4+0.6m)其中，m为搅拌器的层数。 通风状态下，搅拌功率将发生变化，此时引入通风准数Na.32 igiiga NDQNDDQN aga aga NPPN NPPN 85.162.0,035.0 6.121,035.0 其中，Qg为通风量m3/min。 5.6 反应过程的传热特性5.6.1 反应过程的传热5.6.1.1 过程的热量衡算QE=QB+QA-QS-QV-QR其中：QB-生物反应热，J/(m3s)；Q A- 搅拌造成的放热速率，J/(m3s)；QS-通气带出的显热 ，J/(m3s)；QV- 蒸发热，J/(m3s)；QR- 反应液对环境的辐射热，J/(m3s)； 例5-5 ob ib obibm TT TT TTTTT ln )()( mWRE TAhVQ 5.6.1.2 过程的热量衡算