间歇式操作反应器(制药工程)--课件

第五章第五章第五章第五章 间歇式操作反应器间歇式操作反应器1ppt课件5.1 5.1 生物反应器设计概论生物反应器设计概论5.1.1 分类与特征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2ppt课件根据相态来分：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)3ppt课件5.1.2 基本设计方程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。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。4ppt课件反应器设计的核心内容是确定反应器有效体积！反应器设计的核心内容是确定反应器有效体积！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。5ppt课件5.2 5.2 间歇式操作反应器的设计间歇式操作反应器的设计5.2.1 间歇式操作的特点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6ppt课件优点优点较适合多品种、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。7ppt课件缺点缺点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；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；下游产物分离必须分批进行等。8ppt课件5.2.2 反应时间的计算反应时间的计算对液相反应如反应器有效体积不随时间发生变化，则有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5.2.2.1 均相酶反应过程均相酶反应过程9ppt课件10ppt课件11ppt课件当cs0Km时，即反应呈零级反应特征时:12ppt课件5.2.2.3 细胞反应过程细胞反应过程13ppt课件14ppt课件5.2.2.4 最优化反应时间的计算最优化反应时间的计算15ppt课件例如对均相酶反应，假定其动力学符合例如对均相酶反应，假定其动力学符合MM方程，如果不考虑酶的方程，如果不考虑酶的失活，产物的初始浓度失活，产物的初始浓度cP0=0：16ppt课件5.2.3 有效体积的计算有效体积的计算举例5-2t=tr+tbVR=V0(tr+tb)17ppt课件一牛顿型流体 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气体、低分子液体常为牛顿型流体表观黏度表观黏度5.3 5.3 反应过程的流体力学反应过程的流体力学5.3.1 5.3.1 反应介质的流变特性反应介质的流变特性18ppt课件二非牛顿型流体1 拟塑性流体（假塑性流体）拟塑性流体（假塑性流体）流动特性表达式：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。20ppt课件3 宾汉宾汉(Bingham)塑型流体塑型流体流动特性表达式流动特性表达式: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的反应器系统这时可得dfd0.625（2）时均切变率）时均切变率28ppt课件29ppt课件（3）Kolmogoroff(柯尔莫戈罗夫柯尔莫戈罗夫)漩涡长度漩涡长度30ppt课件31ppt课件5.3.3.2 气流搅拌的剪切力气流搅拌的剪切力图5-16 气泡在鼓泡反应器中的经历32ppt课件33ppt课件5.4 生物反应器中的氧传递生物反应器中的氧传递 氧的特性氧的特性：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。5.4.1 5.4.1 气相间氧的传递与反应气相间氧的传递与反应气相间氧的传递与反应气相间氧的传递与反应34ppt课件一几个基本概念 溶解氧浓度C CL L 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=Qr=QO2O2X X 其中：X 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。35ppt课件三.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R836ppt课件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速率相等 37ppt课件四氧传递速率方程 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：ci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。38ppt课件对于易溶气体，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39ppt课件五氧传递对细胞生长的影响40ppt课件氧的传递速率与氧的消耗速率的关系氧的传递速率与氧的消耗速率的关系41ppt课件六最低溶氧浓度42ppt课件43ppt课件5.4.2 5.4.2 影响氧传递的因素影响氧传递的因素影响氧传递的因素影响氧传递的因素(1)饱和溶解氧浓度饱和溶解氧浓度44ppt课件(2)液膜传质系数液膜传质系数45ppt课件(3)气液比表面积气液比表面积46ppt课件一、亚硫酸氧化法 为非培养状态下测定kLa的方法 O2+2Na2SO3 2Na2SO45.4.3 5.4.3 体积传质系数的测定体积传质系数的测定体积传质系数的测定体积传质系数的测定47ppt课件二、动态法 当停止通风时，有：下降到一定程度，恢复通风：48ppt课件当气泡直径小于当气泡直径小于2.5mm时：时：其中：液体与气体密度差；、液体的粘度、密度5.4.4 体积传质系数体积传质系数kLa的计算的计算49ppt课件当气泡直径大于当气泡直径大于2.5mm时：时：50ppt课件例例5-451ppt课件52ppt课件5.5 机械搅拌反应器机械搅拌反应器的结构与计算的结构与计算5.5.1 反应器结构与操作参数反应器结构与操作参数（1）基本结构与尺寸）基本结构与尺寸53ppt课件54ppt课件全挡板（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：不形成涡流）条件：（2）搅拌器的类型与特征）搅拌器的类型与特征55ppt课件56ppt课件（3）通气速率与搅拌速度）通气速率与搅拌速度转速增加转速增加通气速率增加通气速率增加57ppt课件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：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，此时指数在全挡板条件下，液面没有涡流，此时指数y为零，为零，(Fr)y1。5.5.2 搅拌功率的计算搅拌功率的计算Np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。58ppt课件在全挡板条件下，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59ppt课件当不满足以上条件时，需做出修正：P*=fP带*号表示实际搅拌设备情况。当有多层搅拌器，功率为：Pm=P1+0.6(m-1)=P(0.4+0.6m)其中，m为搅拌器的层数。60ppt课件通风状态下，搅拌功率将发生变化，此时引入通风准数Na.其中，Qg为通风量m3/min。61ppt课件5.6 反应过程的传热特性反应过程的传热特性5.6.1 反应过程的传热反应过程的传热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)；QA-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)；62ppt课件例例5-55.6.1.2 过程的热量衡算63ppt课件