間歇式操作反應器(制藥工程)

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1、第 五 章 間 歇 式 操 作 反 應 器 5.1 生 物 反 應 器 設 計 概 論 按 照 生 物 反 應 過 程 所 使 用 的 生 物 催 化 劑 不 同 ： 酶 反 應 器 ；細 胞 生 物 反 應 器 根 據(jù) 反 應 器 物 料 的 加 入 和 排 出 方 式 的 不 同 ： 間 歇 反 應 器 ；連 續(xù) 反 應 器 ； 半 間 歇 半 連 續(xù) 反 應 器 根 據(jù) 生 物 催 化 劑 在 反 應 器 的 分 布 方 式 ： 生 物 團 塊 反 應 器 ；生 物 膜 反 應 器 根 據(jù) 相 態(tài) 來 分 ： 有 均 相 反 應 器 ； 非 均 相 反 應 器 。 理 想 的 機 械 攪

2、 拌 反 應 器 和 理 想 管 式 反 應 器 的 流 型 即 全混 流 和 平 推 流 。 根 據(jù) 反 應 器 的 結 構 ： 包 括 罐 式 、 管 式 、 塔 式 、 膜 式 等 。 根 據(jù) 反 應 器 所 需 能 量 的 輸 入 方 式 不 同 來 分 ， 則 有 機 械 攪拌 、 氣 流 攪 拌 和 利 用 泵 使 液 體 強 制 循 環(huán) 的 反 應 器 。(幾 種 常 見 的 酶 反 應 器 和 細 胞 反 應 器 ， 見 教 材 ) l 生 物 反 應 器 設 計 的 主 要 目 標 是 尋 求 反 應 目 的 產 物 的 高 生 成速 率 和 高 濃 度 ， 從 而 達 到

3、優(yōu) 質 高 產 低 成 本 的 目 的 。l 生 物 反 應 器 設 計 的 基 本 內 容 包 括 ： 選 擇 合 適 的 反 應 器 型 式 與 操 作 方 式 。 即 根 據(jù) 生 物 催 化 劑 和 生物 反 應 動 力 學 特 征 ， 以 及 物 料 的 特 性 和 生 產 工 藝 特 點 ， 選 擇合 理 的 結 構 類 型 、 流 動 方 式 和 相 關 的 傳 遞 過 程 條 件 ； 確 定 最 佳 的 操 作 條 件 與 控 制 方 式 ， 如 溫 度 、 壓 力 、 PH、 通 氣量 、 物 料 流 量 等 工 藝 參 數(shù) ； 計 算 所 需 的 反 應 器 體 積 ， 設

4、計 各 種 結 構 參 數(shù) 等 。 反 應 器 設 計 的 核 心 內 容 是 確 定 反 應 器 有 效 體 積 ！l 反 應 器 設 計 基 本 方 程 包 括 反 應 動 力 學 方 程 、 物料 衡 算 式 、 能 量 衡 算 式 和 各 種 傳 遞 過 程 參 數(shù) 的計 算 式 。 5.2 間 歇 式 操 作 反 應 器 的 設 計 非 穩(wěn) 態(tài) 過 程 所 有 物 料 具 有 相 同 的 停 留 時 間 和 反 應 時 間 隨 著 反 應 的 進 行 ， 反 應 器 的 效 率 將 降 低 優(yōu) 點 較 適 合 多 品 種 、 小 批 量 的 生 產 過 程 。 有 不 少 生物 制

5、品 是 小 批 量 生 產 的 ， 因 此 使 用 同 一 臺 反 應裝 置 ， 可 進 行 多 品 種 的 生 產 。 較 適 合 反 應 速 率 較 慢 的 生 物 反 應 。 由 于 多 數(shù) 生物 反 應 的 速 率 較 化 學 反 應 慢 ， 故 工 業(yè) 過 程 使 用具 有 間 歇 操 作 特 征 的 大 容 量 生 物 反 應 器 。 分 批 進 行 的 過 程 染 菌 率 較 低 。 缺 點l 間 歇 操 作 反 應 器 的 缺 點 是 ： 這 種 操 作 需 要 一 定的 輔 助 操 作 時 間 ， 生 產 效 率 較 低 ；l 細 胞 或 酶 的 反 應 環(huán) 境 隨 時 間

6、改 變 ， 產 物 生 成 速率 與 反 應 時 間 有 關 ；l 下 游 產 物 分 離 必 須 分 批 進 行 等 。 5.2.2 反 應 時 間 的 計 算dtdnrV SSR 對液相反應如反應器有效體積不隨時間發(fā)生變化，則有反應組分的轉化率=-反應組分的累積速率dtcVdVdtdnVr SRRSRS )(11 dtdcr SS 5.2.2.1 均相酶反應過程 SScc sSr rdct 0 S s SSr S SS rdct c cc X00 00s sXX XS，即的轉化率為若設反應組分 SSmSSr SmSSr SSmS Sm SSSs SSr ccKcctror Kctr dcK

7、rc cK cr dcrdct S SS 00max 0max X0max0 X0 max0X00 ln)( X1 1lnX X1 XX 積分得： l當cs0Km時，即反應呈零級反應特征時:)(X 00max SSSSr ccctr 5.2.2.3 細胞反應過程)(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 XS

8、SX SX XSSX XSSXSX SSX XXSSXXXr XXcc XXSSXSX XXSSXr ccY KsYB ccY ccYKsYA cY cccYBccAt dcccccYKsY cccYt XX 5.2.2.4 最優(yōu)化反應時間的計算 boptr PrP br PrPbrRrP rP br PRP tt cdtc tt cdtcttVdtF tF tt cVF , 2d 0dd 的導數(shù)為零，即：間最大的條件是對反應時使 例如對均相酶反應，假定其動力學符合MM方程，如果不考慮酶的失活，產物的初始濃度cP0=0： 5.2.3 有 效 體 積 的 計 算舉 例 5-2t=tr+tbVR=

9、V0(tr+tb) SS rXc PV 00 一 牛 頓 型 流 體 dydu式 中 : F/A流 體 剪 切 應 力 ， N/m2 / 流 體 的 粘 度 ,Pas du/dy 流 體 速 度 梯 度 ,s-1切 變 率氣 體 、 低 分 子 液 體 常 為 牛 頓 型 流 體 表觀黏度 5.3 反 應 過 程 的 流 體 力 學5.3.1 反 應 介 質 的 流 變 特 性 二 非 牛 頓 型 流 體1 擬塑性流體（假塑性流體）流動特性表達式：K n (0n1)；n值越大，流體的非牛頓特性越明顯。1 na K 3 賓漢(Bingham)塑型流體流 動 特 性 表 達 式 : 0 式中: 0

10、屈服應力； 剛度系數(shù)特點：當625)的反應器系統(tǒng)這時可得dfd0.625（2）時均切變率 2ndRe,Re625 Re625.0 MMMfdd其中： 22 8.12.02.01.8d1.131 dD dddDn fave Knave （3）Kolmogoroff(柯爾莫戈羅夫 )漩渦長度W/kgs/mhere 225.03率消耗，單位質量流體的平均功，流體的運動黏度，： vv v R 53R 53 ,V dnNVP NdnNP P PP 攪拌功率特征常數(shù) 5.3.3.2 氣流攪拌的剪切力圖5-16 氣泡在鼓泡反應器中的經歷 )exp()0()( tkctc dVV kV BgkVBVR Vtc

11、dVVtcndt tdcV )(61)()( 3 md s/m smm3g 133氣泡直徑，通氣速率，單位時間生成的氣泡數(shù)反應器有效體積，致死體積， BBRkVnVV 1 3s m/kg0t)0(),( ，細胞的比死亡速率常數(shù)時細胞的質量濃度，和時間d VVk ctc tVd VVctc RB kgVV 36exp)0()( RB kgd Vd VVk 36 5.4 生 物 反 應 器 中 的 氧 傳 遞 氧 的 特 性 ： 氧 是 一 種 難 溶 氣 體 ， 25 和 1大 氣 壓 時 ， 空 氣 中的 氧 在 純 水 中 的 平 衡 濃 度 僅 8.5g/m3， 由 于 鹽 析 作 用 ，

12、 8g/m3，僅 是 葡 萄 糖 的 1/6000。 氧 是 構 成 細 胞 及 其 代 謝 產 物 的 組 分 ,通 過 體 內 糖 、 脂 肪 等生 物 氧 化 獲 得 生 命 活 動 所 需 的 能 量 。 一 幾 個 基 本 概 念 溶 解 氧 濃 度 CL 單 位 體 積 液 體 中 可 溶 解 氧 的 量 比 耗 氧 速 率 (呼 吸 強 度 )QO2： 單 位 質 量 的 細 胞 (干 重 )在單 位 時 間 內 所 消 耗 氧 的 量 (mol O2/kgs) 攝 氧 率 r： 單 位 體 積 培 養(yǎng) 液 在 單 位 時 間 內 所 消 耗 氧 的量 (mol O2/m3s)

13、r = QO2X 其 中 ： X 細 胞 濃 度二 影 響 細 胞 耗 氧 速 率 的 因 素 營 養(yǎng) 物 質 的 種 類 和 濃 度 、 培 養(yǎng) 溫 度 、 pH、 有 害 代 謝 物 的積 累 、 揮 發(fā) 性 中 間 代 謝 物 的 損 失 等 等 。 三 .氧 的 傳 遞 過 程(1)氣相擴散到氣-液界面阻力R1;(2)通過氣液界面的阻力R2;(3)通過滯流區(qū)的阻力R3;(4)液相傳遞阻力R4; (5)細胞團外液膜阻力R5;(6)液體與細胞團界面阻力R6;(7)細胞之間的擴散阻力R7;(8)進入細胞的阻力R8 在 克 服 各 阻 力 進 行 氧 傳 遞 時 ， 要 損 失 推 動 力 。

14、 氧 傳 遞 過 程 的 總 推 動 力是 氣 相 與 細 胞 內 氧 分 壓 之 差 。 達 到 穩(wěn) 態(tài) 時 ， 各 步 單 位 面 積 上 氧 的 傳 遞速 率 相 等 ss ssO pKpKpK RpRpRpn 2211 22112推動力傳遞系數(shù)阻力推動力 四 氧 傳 遞 速 率 方 程 當 氣 液 界 面 不 存 在 表 面 活 性 物 質 時 ， 界 面 阻 力(R2)可 忽 略 ， 主 要 傳 遞 阻 力 存 在 于 氣 膜 和 液 膜 。氧 傳 遞 達 到 穩(wěn) 態(tài) 時 ：式中： c i氣液界面氧濃度(mol/m3)； c液相主體氧濃度； c*為與p平衡的氧濃度； kL、 kG 分

15、別為液膜與氣膜傳遞系數(shù)； H 亨利常數(shù)； KL 以液膜為基準的總傳質系數(shù)。)*(11 *1*1 ccKHkk cck cck ccN LGLG iLi 阻力推動力 )*(1 *1*1 ccKkHk cck cck ccN LGLG iLi 阻力推動力對 于 易 溶 氣 體 ， 如 氨 氣 溶 于 水 中 時 ， 液 膜 的 傳 質 阻 力 相 對 于 氣 膜 可 忽 略對 于 難 溶 氣 體 ， 如 氧 氣 溶 于 水 中 時 ， 氣 膜 的 傳 質 阻 力 相 對 于 液 膜 可 忽 略)*(11 cckNHkk L GL 當)*( ccakNa L 兩別同時乘以a(單位體積反應液中氣液比表

16、面積)kLa-體積傳質系數(shù))( * OLOLL ccakOTR 因此氧的傳質速率： 五 氧 傳 遞 對 細 胞 生 長 的 影 響 XOOLOLLOOL cqccakROTRdtdc 22 )( * )( * max, 2222 OLOLLXOLO OLOXOO ccakccK cqcqR akKrDa LOO 22 max, 氧的傳遞速率與氧的消耗速率的關系 六 最 低 溶 氧 濃 度 )()( )()()( min,*max max*2* OLOLL XO ccakOTR OTRcqOUR * *2*min, )(1 OLL XOOLOL ack cqcc )( * OLOLL ccakO

17、TR ),( gDundfak LsL ToOL pyHpHc 11* (1)飽和溶解氧濃度 25.05.00 /6 RLLL LLL VPKDk rKTD Dk (2)液膜傳質系數(shù) LB GVdVa 6LB GL B GB GBBG VdVVS dVSdnS nVddnV 6/ 624 6234 2 33 (3)氣液比表面積 一 、 亞 硫 酸 氧 化 法 為 非 培 養(yǎng) 狀 態(tài) 下 測 定 kLa的 方 法 O2+2Na2SO3 2Na2SO4 *)*( 32cdtdcccOTRak SONaL 二 、 動 態(tài) 法 XQccakdtdc OL 2)*( 當停止通風時，有： 22 OO rX

18、Qdtdc 下降到一定程度，恢復通風：*1 2 cXQdtdcakc OL 3/13/1 3/123/2 Gr0.31ScSh 31.0 或gSckL當氣泡直徑小于2.5mm時：其中：液體與氣體密度差；、液體的粘度、密度粘性力慣性力格拉斯霍夫數(shù)，；分子擴散動量擴散施密特數(shù)，；擴散傳質總傳質休伍德數(shù)， 23 gGrGr cSc mdDS DdkShSh LmL 5.4.4 體積傳質系數(shù)kLa的計算 當氣泡直徑大于2.5mm時：3/12/1 3/122/1 Gr0.42ScSh 42.0 或gSckL 例5-4 5.5 機 械 攪 拌 反 應器 的 結 構 與 計 算5.5.1 反應器結構與操作參

19、數(shù)（1）基本結構與尺寸 全擋板（即在攪拌罐中再增加擋板或其他附件時，攪拌功率不再增加，基本不形成渦流）條件：（2）攪拌器的類型與特征4.0bmDW （3）通氣速率與攪拌速度轉速增加 通氣速率增加 渦流可以通過擋板的安置消除，但擋板會增加功率消耗。經實驗證實：在全擋板條件下，液面沒有渦流，此時指數(shù)y為零，(Fr)y1。 5.5.2 攪拌功率的計算yxyxMp gdnndKdn P FrKN gdnfP 2253 Re ),(N p攪拌功率特征數(shù)；ReM攪拌雷諾數(shù)；Fr-攪拌弗魯特數(shù)；K-與攪拌器的形式和反應器幾何尺寸相關的常數(shù)。 yx gdNNdKdN P 2253在全擋板條件下，液面不產生中心

20、下降的漩渦，此時y=0，Np僅是攪拌雷諾準數(shù)的函數(shù)。當攪拌雷諾準數(shù)小于10，x=-1，液體處于滯流狀態(tài)，Np=KR-1em當攪拌雷諾準數(shù)大于104，液體處于湍流狀態(tài)，Np=K，即 23dKNP條件下測定的。在10,1,3,3 BDdCdHdD L 當不滿足以上條件時，需做出修正：P*=fP * 313*3 dHdDdHdDdHdD dHdDf LLLL帶*號表示實際攪拌設備情況。當有多層攪拌器，功率為：P m=P1+0.6(m-1)=P(0.4+0.6m)其中，m為攪拌器的層數(shù)。 通風狀態(tài)下，攪拌功率將發(fā)生變化，此時引入通風準數(shù)Na.32 igiiga NDQNDDQN aga aga NPPN NPPN 85.162.0,035.0 6.121,035.0 其中，Qg為通風量m3/min。 5.6 反應過程的傳熱特性5.6.1 反應過程的傳熱5.6.1.1 過程的熱量衡算QE=QB+QA-QS-QV-QR其中：QB-生物反應熱，J/(m3s)；Q A- 攪拌造成的放熱速率，J/(m3s)；QS-通氣帶出的顯熱 ，J/(m3s)；QV- 蒸發(fā)熱，J/(m3s)；QR- 反應液對環(huán)境的輻射熱，J/(m3s)； 例5-5 ob ib obibm TT TT TTTTT ln )()( mWRE TAhVQ 5.6.1.2 過程的熱量衡算