1、制药反应设备制药反应设备第九章第九章 P96P96 反应、分离、制剂构成了药品生产的主要工艺过程。反应、分离、制剂构成了药品生产的主要工艺过程。药厂所用设备药厂所用设备制药专用设备制药专用设备化工设备化工设备机械设备机械设备原料药生产原料药生产药物制剂生产药物制剂生产反应器基础反应器基础补充内容补充内容釜式釜式流化床流化床1 1、按反应器结构分、按反应器结构分管式管式一、反应器类型一、反应器类型固定床固定床塔式塔式2 2、按相态分类、按相态分类均相反应器均相反应器液相反应器液相反应器气相反应器气相反应器气液相反应器气液相反应器非均相反应器非均相反应器气固反应器气固反应器液液反应器液液反应器液固
2、反应器液固反应器气液固三相反应器气液固三相反应器固固反应器固固反应器反应器反应器2 2、按操作方式分类、按操作方式分类等温反应器等温反应器半连续式半连续式间歇式间歇式连续式连续式非等温反应器非等温反应器理想反应器理想反应器4 4、按流动状况分类、按流动状况分类非理想反应器非理想反应器3 3、按操作温度分类、按操作温度分类二、反应器操作方式二、反应器操作方式1 1、间歇操作、间歇操作间歇操作的特点：间歇操作的特点：将反应所需的原料一次加入反应器，达将反应所需的原料一次加入反应器，达到规定的反应程度后即卸出全部物料。然后对反应器进行到规定的反应程度后即卸出全部物料。然后对反应器进行清理，随后进入下
3、一个操作循环。清理，随后进入下一个操作循环。半连续式半连续式间歇式间歇式连续式连续式间歇反应过程间歇反应过程是一个典型的非稳是一个典型的非稳态过程。态过程。基本特征：基本特征：反应器内物料的组成反应器内物料的组成随时间而变化。随时间而变化。间歇操作通常采用釜式反应器，间歇操作通常采用釜式反应器，且反应过程中既无物料加入，且反应过程中既无物料加入，又无物料输出，因此，可视为又无物料输出，因此，可视为恒容过程。恒容过程。优点：间歇反应器具有装置简优点：间歇反应器具有装置简单、操作方便、适应性强等，单、操作方便、适应性强等，在制药工业中应用广泛。在制药工业中应用广泛。2 2、连续操作、连续操作连续操
4、作的特点：将反应连续操作的特点：将反应原料连续地输入反应器，原料连续地输入反应器，反应物料也从反应器连续反应物料也从反应器连续流出。流出。连续操作多属于稳态操作连续操作多属于稳态操作此时反应器内任一位置上此时反应器内任一位置上的反应物浓度、温度、压的反应物浓度、温度、压力、反应速度等参数均不力、反应速度等参数均不随时间而变化。随时间而变化。优点：连续操作具有生产能力大、产品质量稳定、易实优点：连续操作具有生产能力大、产品质量稳定、易实现机械化和自动化等，因此大规模工业生产的反应器多现机械化和自动化等，因此大规模工业生产的反应器多采用连续操作。采用连续操作。缺点：连续操作适应能力较差，系统一旦建
5、成，要改变缺点：连续操作适应能力较差，系统一旦建成，要改变产品品种往往非常困难，有时甚至要较大幅度地改变产产品品种往往非常困难，有时甚至要较大幅度地改变产品的产量也不容易办到。品的产量也不容易办到。一、离心泵的结构和工作原理一、离心泵的结构和工作原理3 3、半连续操作、半连续操作 原料或产物中有一种或一种以上的为连续输入或输出，原料或产物中有一种或一种以上的为连续输入或输出，而其余的（至少一种）为分批加入或卸出的操作，均属半而其余的（至少一种）为分批加入或卸出的操作，均属半连续操作，相应的反应器为半连续反应器。原料药生产中连续操作，相应的反应器为半连续反应器。原料药生产中气液反应常常采用半连续
6、操作。例如，氯气和对绿甲苯生气液反应常常采用半连续操作。例如，氯气和对绿甲苯生产产2,4-2,4-二氯甲苯。二氯甲苯。半连续反应器中的物料组成既随着时间而变化，又随半连续反应器中的物料组成既随着时间而变化，又随位置而变化。釜式、管式、塔式以及固定床反应器等都有位置而变化。釜式、管式、塔式以及固定床反应器等都有采用半连续方式操作的。采用半连续方式操作的。三、反应器计算基本方程式三、反应器计算基本方程式反应器计算所应用的基本方程式主要有反应器计算所应用的基本方程式主要有反应动力学方程式反应动力学方程式、物料衡算式物料衡算式和和热量衡算式热量衡算式。1 1、反应动力学方程式、反应动力学方程式对于均相
7、反应，反应速度可用单位时间、单位体积的反应对于均相反应，反应速度可用单位时间、单位体积的反应物料中某一组分摩尔数的变化量来表示，即物料中某一组分摩尔数的变化量来表示，即1AARdnrVd 3mRV 反应器的有效溶积或反应体积，3131AkkArmol msmol mh-以组分 表示的化学反应速度，或AmolKmolAn 组分 的摩尔数，或sh反应时间，或表示生成速度表示生成速度表示消耗速度表示消耗速度CA组分组分A的浓度，的浓度，kmol.m-3用转化率来表示反应速度：用转化率来表示反应速度：反应物的转化率反应物的转化率1AAARdndCrVdd 对于等容过程对于等容过程:00AAAAnnxn
8、0AmolkmolAn 反应开始时反应物 的摩尔数，或AAx 反应物 的转化率AmolkmolAn 某时刻反应物 的摩尔数，或01AAAnnx（）00AAAAnnxn0AAAdnn dx 1AARdnrVd 011AAAARRn dxdnrVdVd 对于等容过程：对于等容过程：0000AAAAAAAnnCCxnC0(1)AAACCx0AAAdCC dx 0AAAAC dxdCrdd 如反应如反应A R为为n级不可逆反应，则反应动力学方程式可写成：级不可逆反应，则反应动力学方程式可写成：1nAAARdnrkCVd k反应速度常数，反应速度常数，n反应级数反应级数-31-31-nnkmol msP
9、akmol mhPa或若反应为气相，则反应动力学方程式可以用组分的分压表示：若反应为气相，则反应动力学方程式可以用组分的分压表示：p1pnAAARdnrkVd kp以反应物压力表示的反应速度常数，以反应物压力表示的反应速度常数，pA反应体系中反应物反应体系中反应物A的分压，的分压，Pa13(1)113(1)1nnnnkmolmskmolmh或NABMrrrrabmnR理想气体常数，理想气体常数，8.314T体系温度，体系温度，K用不同组分表示化学反应速度时数值也不一定相同，如反应用不同组分表示化学反应速度时数值也不一定相同，如反应p()nkkRT组分组分A、B的消耗速度与组分的消耗速度与组分M
10、、N生成速度关系式生成速度关系式11kJ kmol K如果反应为理想气体，则如果反应为理想气体，则kp和和k的关系的关系aAbBmMnN2 2、物料衡算式、物料衡算式在微元时间在微元时间 内，在微元体积内，在微元体积 中，对反应物中，对反应物A A进行物进行物料衡算得料衡算得A A的输入量的输入量A A的输出量的输出量A A的消耗量的消耗量A A的积累量的积累量反应物的消耗量取决于化学反应速度，应为反应物的消耗量取决于化学反应速度，应为物料衡算式物料衡算式给出了反应器内反应物浓度或转化率随位置或时给出了反应器内反应物浓度或转化率随位置或时间的变化关系。间的变化关系。aAbBmMnNdRdVAR
11、r d dV3 3、热量衡算式、热量衡算式在微元时间在微元时间 内对微元体积内对微元体积 进行热量衡算得进行热量衡算得物料带入的热量物料带出的热量过程热效应环境或载物料带入的热量物料带出的热量过程热效应环境或载热体输入热量积累热量热体输入热量积累热量过程热效应由物理变化热效应和化学变化热效应组成。当物过程热效应由物理变化热效应和化学变化热效应组成。当物理变化热可以忽略时，上式可写成理变化热可以忽略时，上式可写成物料带入的热量物料带出的热量化学变化热环境或载物料带入的热量物料带出的热量化学变化热环境或载热体输入热量积累热量热体输入热量积累热量在微元时间在微元时间 内，在微元体积内，在微元体积 中
12、因反应产生的化学变中因反应产生的化学变化热为化热为dRdVTARrAr dV dHdRdV热量衡算式给出了反应器内温度随热量衡算式给出了反应器内温度随位置或时间的变化关系。位置或时间的变化关系。等温过程等温过程反应器计算反应器计算热量衡算式热量衡算式反应动力学方程式反应动力学方程式联立求解联立求解物料衡算式物料衡算式反应动力学方程式反应动力学方程式联立求解联立求解物料的流动混合状况直接影响着反应器内浓度和温度的分布，联立解物料的流动混合状况直接影响着反应器内浓度和温度的分布，联立解物料衡算式和热量衡算式时，必须知道反应器内物料的流动混合状况。物料衡算式和热量衡算式时，必须知道反应器内物料的流动
13、混合状况。物料衡算式物料衡算式四、理想反应器四、理想反应器理想反应器指流体的流动处于理想状况的反应器。理想反应器指流体的流动处于理想状况的反应器。对于流体的混合有两种理想极限，即理想混合和理想置换。对于流体的混合有两种理想极限，即理想混合和理想置换。理想混合的特征是物料达到完全混合，理想混合的特征是物料达到完全混合，浓度、温度和反应速度处处相等。浓度、温度和反应速度处处相等。理想混合的釜式反应器可采用连续、理想混合的釜式反应器可采用连续、半连续或间歇操作方式。半连续或间歇操作方式。理想置换的特征是在与流动方向垂直理想置换的特征是在与流动方向垂直的截面上，各点的流速和流向完全相的截面上，各点的流
14、速和流向完全相同，就像活塞平推一样，固又称同，就像活塞平推一样，固又称“活活塞流塞流”或或“平推流平推流”。理想反应器内反应物和产物的浓度变化情况：理想反应器内反应物和产物的浓度变化情况：釜式反应器及工艺计算釜式反应器及工艺计算第一节第一节1 1、结构、结构轴封轴封搅拌装置搅拌装置搅拌轴搅拌轴搅拌器搅拌器工艺接管工艺接管搅拌罐和搅拌轴之间的动密封搅拌罐和搅拌轴之间的动密封罐体罐体传热装置传热装置传动装置传动装置搅拌罐搅拌罐仪表及防爆装置等仪表及防爆装置等一、釜式反应器的结构、特点及应用一、釜式反应器的结构、特点及应用主主要要部部件件 搅拌器（也称搅拌桨和叶轮）搅拌器（也称搅拌桨和叶轮）闭式闭式
15、开式开式轴向流轴向流切向流切向流流型：流型：搅拌器旋转时，在搅拌器产生一股高速射流推动液体搅拌器旋转时，在搅拌器产生一股高速射流推动液体在搅拌容器内循环流动，这种循环流动的途经称为流型。在搅拌容器内循环流动，这种循环流动的途经称为流型。基本流型基本流型径向流径向流根据釜盖和罐体连接方式不同釜式反应器分为两类根据釜盖和罐体连接方式不同釜式反应器分为两类流体的流动方向垂直于搅拌轴，流体的流动方向垂直于搅拌轴，沿径向流动。沿径向流动。径向流径向流:流体的流动方向流体的流动方向平行于搅拌轴。平行于搅拌轴。轴向流：轴向流：切向流：切向流：无挡板的容器内，流体绕轴作旋无挡板的容器内，流体绕轴作旋转运动，流
16、速高时液体表面会形转运动，流速高时液体表面会形成漩涡，这种流型称为切向流。成漩涡，这种流型称为切向流。轴向流和径向流对轴向流和径向流对混合起主要作用混合起主要作用混合效果差混合效果差搅拌器安装方式搅拌器安装方式桨式、推进式、涡轮式和锚式搅拌器在搅拌反应设备中应用最广。桨式、推进式、涡轮式和锚式搅拌器在搅拌反应设备中应用最广。搅拌器按流型分类搅拌器按流型分类（1）小直径高转速搅拌器）小直径高转速搅拌器常见的搅拌器常见的搅拌器推进式搅拌器推进式搅拌器 此类搅拌器实质上是一个无外壳的轴流泵，叶轮直径一般为此类搅拌器实质上是一个无外壳的轴流泵，叶轮直径一般为釜径的釜径的0.20.5倍，常用转速为倍，常
17、用转速为100500r.min1。高速旋转的。高速旋转的搅拌器使釜内液体产生轴向和切向运动。液体的轴向分速度可搅拌器使釜内液体产生轴向和切向运动。液体的轴向分速度可以使液体形成如图的总体循环流动，起到混合液体的作用；切以使液体形成如图的总体循环流动，起到混合液体的作用；切向分速度使釜内液体产生圆周运动，形成旋涡，不利于液体的向分速度使釜内液体产生圆周运动，形成旋涡，不利于液体的混合且物料为多相体系时，还会产生分层或分离现象。混合且物料为多相体系时，还会产生分层或分离现象。常用于低粘度液体的传热、常用于低粘度液体的传热、反应以及固液比较小的悬反应以及固液比较小的悬浮、溶解过程。浮、溶解过程。涡轮
18、式搅拌器涡轮式搅拌器 此类搅拌器实质上是一个无泵壳的离心泵，叶轮直径一般为此类搅拌器实质上是一个无泵壳的离心泵，叶轮直径一般为釜径的釜径的0.20.5倍，常用转速为倍，常用转速为10500r.min1。高速旋转的搅。高速旋转的搅拌器使釜内液体产生径向和切向运动，并以很高的绝对速度沿叶拌器使釜内液体产生径向和切向运动，并以很高的绝对速度沿叶轮半径方向流出。液体的径向分速度可以使液体形成如图的总体轮半径方向流出。液体的径向分速度可以使液体形成如图的总体循环流动，起到混合液体的作用；切向分速度使釜内液体产生圆循环流动，起到混合液体的作用；切向分速度使釜内液体产生圆周运动，应采取措施予以抑制。周运动，
19、应采取措施予以抑制。与推进式比涡轮式不仅产生较大的循环量，而且对桨与推进式比涡轮式不仅产生较大的循环量，而且对桨叶外缘附件的液体产生较强的剪切作用。常用于粘度小的叶外缘附件的液体产生较强的剪切作用。常用于粘度小的液体传热、反应以及固液悬浮、溶解和气体分散等过程液体传热、反应以及固液悬浮、溶解和气体分散等过程。（2）大直径低转速搅拌器（用于中高粘度的液体）大直径低转速搅拌器（用于中高粘度的液体）桨式搅拌器桨式搅拌器 桨式搅拌器的旋转直径一般为釜径的桨式搅拌器的旋转直径一般为釜径的0.350.8倍，常用转倍，常用转速为速为1100r.min1。平桨式搅拌器可使液体产生径向和切向运。平桨式搅拌器可使
20、液体产生径向和切向运动。可用于简单的固液悬浮、溶解和气体分散等过程。即使斜动。可用于简单的固液悬浮、溶解和气体分散等过程。即使斜桨式搅拌器，所造成的轴向流动范围也不大，故当釜内液位较桨式搅拌器，所造成的轴向流动范围也不大，故当釜内液位较高时，应采用多斜式搅拌器或与螺旋桨配合使用。高时，应采用多斜式搅拌器或与螺旋桨配合使用。（2）大直径低转速搅拌器（用于中高粘度的液体）大直径低转速搅拌器（用于中高粘度的液体）锚式和框式搅拌器锚式和框式搅拌器 当液体粘度更大时采用这种搅当液体粘度更大时采用这种搅拌器。搅拌器的旋转直径一般为釜拌器。搅拌器的旋转直径一般为釜径的径的0.90.98倍，常用转速为倍，常用
21、转速为1100r.min1。此类搅拌器一般在层。此类搅拌器一般在层流状态下操作，主要使液体产生水流状态下操作，主要使液体产生水平环向流动，基本不产生轴向流动，平环向流动，基本不产生轴向流动，故难以保证轴向混合均匀。但此类故难以保证轴向混合均匀。但此类搅拌器搅拌范围大，且可根据需要搅拌器搅拌范围大，且可根据需要在桨上增加横梁和竖梁，以进一步在桨上增加横梁和竖梁，以进一步增大搅拌范围，所以一般不会产生增大搅拌范围，所以一般不会产生死区。此外，由于搅拌器与釜内壁死区。此外，由于搅拌器与釜内壁间隙很小，可防止固体颗粒在釜内间隙很小，可防止固体颗粒在釜内壁上的沉积现象。壁上的沉积现象。常用于中、高粘度液
22、常用于中、高粘度液体的混合、传热及反体的混合、传热及反应等过程。应等过程。螺旋式搅拌器螺旋式搅拌器 可以提高轴向混合效果。搅拌可以提高轴向混合效果。搅拌器的旋转直径一般为釜径的器的旋转直径一般为釜径的0.90.98倍，常用转速为倍，常用转速为0.550r.min1。此类搅拌器也在层流状态下操作，此类搅拌器也在层流状态下操作，但在螺带的作用下，液体沿着螺旋但在螺带的作用下，液体沿着螺旋面上升或下降形成轴向循环流动，面上升或下降形成轴向循环流动，故混合效果比锚式和框式好。故混合效果比锚式和框式好。常用于中、高粘常用于中、高粘度液体的混合、传热度液体的混合、传热及反应等过程。及反应等过程。搅拌器选型
23、搅拌器选型 搅拌器附件搅拌器附件打旋现象：打旋现象：当搅拌器置于容器中心搅拌低粘度当搅拌器置于容器中心搅拌低粘度液体时，若叶轮转速足够高，液体就会在离心液体时，若叶轮转速足够高，液体就会在离心力的作用下涌向釜壁，使釜壁处的液面上升，力的作用下涌向釜壁，使釜壁处的液面上升，而中心处的液面下降，结果形成了一个大漩涡，而中心处的液面下降，结果形成了一个大漩涡，这种现象叫打旋。这种现象叫打旋。打旋现象危害：打旋现象危害：叶轮的转速越大，形成的漩叶轮的转速越大，形成的漩涡就越深，但各层液体之间几乎不发生轴向涡就越深，但各层液体之间几乎不发生轴向混合，且当物料为多相体系时，还会发生分混合，且当物料为多相体
24、系时，还会发生分层或分离现象。更为严重的是，当液面下凹层或分离现象。更为严重的是，当液面下凹至一定深度后，叶轮中心部位将暴露于空气至一定深度后，叶轮中心部位将暴露于空气中，并吸入空气，使被搅拌液体的表观密度中，并吸入空气，使被搅拌液体的表观密度和搅拌效率下降。此外，打旋还会引起功率和搅拌效率下降。此外，打旋还会引起功率波动和异常作用力，加剧搅拌器的震动，甚波动和异常作用力，加剧搅拌器的震动，甚至无法工作。至无法工作。（1）挡板）挡板 既能提高液体的湍动程度，又能使既能提高液体的湍动程度，又能使切向流动变为轴向和径向流动，制止打切向流动变为轴向和径向流动，制止打旋现象的发生。从而使搅拌效果显著提
25、旋现象的发生。从而使搅拌效果显著提高。高。对于高粘度的液对于高粘度的液体，应使挡板离体，应使挡板离开釜壁并与壁面开釜壁并与壁面倾斜。倾斜。挡板的安装方式与液体的粘度有关。挡板的安装方式与液体的粘度有关。对于低粘度液体，对于低粘度液体，可将挡板垂直纵可将挡板垂直纵向地安装在釜内向地安装在釜内壁上，上部伸出壁上，上部伸出液面，下部到达液面，下部到达釜底。釜底。对于中等粘度液体或对于中等粘度液体或固液体系，应使挡板固液体系，应使挡板离开釜壁，以防液体离开釜壁，以防液体在挡板后形成较大的在挡板后形成较大的流动死区或固体在挡流动死区或固体在挡板后积聚。板后积聚。导流筒为一圆筒体，其导流筒为一圆筒体，其作
26、用是使桨叶排出的液体在作用是使桨叶排出的液体在导流筒内部和外部形成轴向导流筒内部和外部形成轴向循环流动。导流筒可限定釜循环流动。导流筒可限定釜内液体的流动路线，迫使釜内液体的流动路线，迫使釜内液体通过导流筒内的强烈内液体通过导流筒内的强烈混合区，既能提了循环流量混合区，既能提了循环流量和混合效果，又有助于消除和混合效果，又有助于消除短路与流动死区。短路与流动死区。（2）导流筒）导流筒 传动装置及搅拌轴传动装置及搅拌轴（1）电机）电机（2）减速装置）减速装置（3）搅拌轴）搅拌轴两级齿轮减速机两级齿轮减速机三角皮带减速机三角皮带减速机摆线针尺行星减速机摆线针尺行星减速机谐波减速机谐波减速机2、釜式
27、反应器釜式反应器特点特点 结构简单、加工方便；釜内设有搅拌装置，釜外结构简单、加工方便；釜内设有搅拌装置，釜外常设传热夹套，传质和传热效率均较高；在搅拌良好常设传热夹套，传质和传热效率均较高；在搅拌良好的情况下，釜式反应器可近似看成理想混合反应器，的情况下，釜式反应器可近似看成理想混合反应器，釜内浓度、温度均一，化学反应速度处处相等；釜式釜内浓度、温度均一，化学反应速度处处相等；釜式反应器操作灵活，适应性强，便于控制和改变反应条反应器操作灵活，适应性强，便于控制和改变反应条件，尤其适用于小批量、多品种生产。件，尤其适用于小批量、多品种生产。二、间歇釜式反应器的工艺计算二、间歇釜式反应器的工艺计
28、算 间歇操作属于非稳态过程，随着反应的进行，釜内物间歇操作属于非稳态过程，随着反应的进行，釜内物料的组成、温度及反应速度等均随时间而变化。料的组成、温度及反应速度等均随时间而变化。1、反应时间的计算、反应时间的计算 搅拌良好的间歇釜式反应器可视为理想混合反应器，搅拌良好的间歇釜式反应器可视为理想混合反应器，其物料衡算具有以下特点：其物料衡算具有以下特点：（1）由于反应器内温度、浓度均一，不随位置而变，故）由于反应器内温度、浓度均一，不随位置而变，故可对整个反应器有效容积（反应体积）进行物料衡算；可对整个反应器有效容积（反应体积）进行物料衡算；（2）由于间歇操作，物料衡算式）由于间歇操作，物料衡
29、算式“A的输入量的输入量A的输的输出量出量A的消耗量的消耗量A的积累量的积累量”中的输入、输出量均为中的输入、输出量均为零。间歇釜式反应器的物料衡算式为零。间歇釜式反应器的物料衡算式为-A的消耗量的消耗量A的积累量的积累量ARAr V ddn0AAAdnn dx 0ARAAr V dn dx0AAARn dxdr V00AfxAAARdxnr V等容过程等容过程00AfxAARAndxVr00AfxAAAdxCr对于零级反应，反应动力学方程式为对于零级反应，反应动力学方程式为对于等温过程，对于等温过程，k为常数，故为常数，故Ark00AfxAAdxCk000AfxAAfAACxCdxkk1AA
30、RdnrVd 对于一级反应，反应动力学方程式为对于一级反应，反应动力学方程式为对于等容过程，故对于等容过程，故0(1)AAAArkCkCx0111ln(1)1AfxAAAfdxkxkx00000(1)AfAfxxAAAAAAAdxdxCCrkCx类似地，将二级反应动力学方程式类似地，将二级反应动力学方程式 220(1)AAArkCx0222000001(1)(1)(1)AfAfxxA fAAAAAAAAA fxdxdxCkCxkCxkCx代入得代入得2、反应器总容积的计算、反应器总容积的计算釜式反应器间歇操作时，每处理一批物料都需要一定的出料、釜式反应器间歇操作时，每处理一批物料都需要一定的出
31、料、清洗、加料等辅助操作时间，故处理一定量物料所需要的有清洗、加料等辅助操作时间，故处理一定量物料所需要的有效体积不仅与反应时间有关，而且与辅助操作时间有关。效体积不仅与反应时间有关，而且与辅助操作时间有关。()RhVVVR反应器的有效容积或反应体积，即物料所占有的体积，反应器的有效容积或反应体积，即物料所占有的体积，m3Vh每小时所需处理的物料体积，每小时所需处理的物料体积，m3.h-1达到规定转化率所需要的反应时间，达到规定转化率所需要的反应时间，h辅助操作时间，辅助操作时间，h注：辅助操作时间一般根据经验确定。为了提高间歇釜式反应器的注：辅助操作时间一般根据经验确定。为了提高间歇釜式反应
32、器的生产能力，应设法减少辅助操作时间。生产能力，应设法减少辅助操作时间。决定反应器的总容积决定反应器的总容积VT，还需考虑装料系数，还需考虑装料系数装料系数一般为装料系数一般为0.40.85。对于不起泡、不沸腾的物料，。对于不起泡、不沸腾的物料，可取可取0.70.85；对于起泡或沸腾的物料，可取；对于起泡或沸腾的物料，可取0.40.6。此外装料系数的选择还应该考虑搅拌器和换热器的体积。此外装料系数的选择还应该考虑搅拌器和换热器的体积。RTVV3、釜式反应器的台数及单釜容积的确定、釜式反应器的台数及单釜容积的确定 对于给定的生产任务，在求得所需反应器的容积对于给定的生产任务，在求得所需反应器的容
33、积VT后，后，再根据工艺要求和反应器系列标准，即可确定所需釜式反应再根据工艺要求和反应器系列标准，即可确定所需釜式反应器的台数器的台数N及单釜容积及单釜容积VTS。生产中有以下几种可能情况。生产中有以下几种可能情况。（1）已知）已知VTS，求，求N 这种情况在产品扩产或更新时比较常见。此时，工厂这种情况在产品扩产或更新时比较常见。此时，工厂已有若干台反应器，需通过计算确定扩产或更新后所需要的已有若干台反应器，需通过计算确定扩产或更新后所需要的反应器台数。反应器台数。对于给定的处理量，每天需操作的总批数为对于给定的处理量，每天需操作的总批数为ddRSTSVVVV式中式中 dV每天需处理的物料体积
34、，每天需处理的物料体积，m3.d-1RSV单台反应器的有效容积，即装料容积，单台反应器的有效容积，即装料容积，m3每天每台反应器可操作的批数为每天每台反应器可操作的批数为24完成给定生产任务所需的反应器台数完成给定生产任务所需的反应器台数()()24dhpTSTSVVNVV若若 不是整数，则应圆整成整数不是整数，则应圆整成整数N。这样反应器的实际。这样反应器的实际生产能力较设计要求提高了，其提高程度可用生产能力后生产能力较设计要求提高了，其提高程度可用生产能力后备系数备系数 表示，即表示，即pNpNN一般情况下，一般情况下，的值在的值在1.11.15之间较为合适。之间较为合适。（2）已知）已知
35、N，求，求VTS 先确定了反应器的台数，这种情况在厂房面积受到先确定了反应器的台数，这种情况在厂房面积受到限制时比较常见。限制时比较常见。()()24dhpTSTSVVNVV（3）N及及VTS均为未知均为未知，求，求N和和VTS 这种情况在新建制药工程项目中较为常见。计算时，可结这种情况在新建制药工程项目中较为常见。计算时，可结合工艺要求及厂房等具体情况，先假设反应器的合工艺要求及厂房等具体情况，先假设反应器的单釜容积单釜容积VTS或或所需反应器的台数所需反应器的台数N，然后按上述方法计算出，然后按上述方法计算出N或或VTS值。由于台值。由于台数一般不会很多，因此常先假设几个不同的数一般不会很
36、多，因此常先假设几个不同的N值求出相应的反应值求出相应的反应釜容积釜容积VTS，然后再根据工艺要求及厂房等具体情况，确定一组，然后再根据工艺要求及厂房等具体情况，确定一组适宜的适宜的N和和VTS值作为设计值。值作为设计值。pNN()()24dhTSVVVNN 4、釜式反应器主要工艺尺寸的确定、釜式反应器主要工艺尺寸的确定 一般情况下，釜式反应器的高度一般情况下，釜式反应器的高度H为直径为直径D的的1.2倍左右，釜倍左右，釜盖和釜底均采用标准椭圆形封头，封头高度盖和釜底均采用标准椭圆形封头，封头高度H1（不含直边）为直（不含直边）为直径径D的的0.25倍，则釜式反应器的圆筒体高度倍，则釜式反应器
37、的圆筒体高度H2（含封头直边）为（含封头直边）为2121.22 0.250.7HHHDDD 2320.1314TSVD HD反应器的容积可按下式计算反应器的容积可按下式计算工艺计算求出工艺计算求出20.7HDD1.2HDH之后，检验装料系数是否合适之后，检验装料系数是否合适RTVV0.40.85釜式反应器主要工艺尺寸确定后，其壁厚可通过强度计算确定，釜式反应器主要工艺尺寸确定后，其壁厚可通过强度计算确定，法兰、手孔、视镜等附件可根据工艺条件从相应的标准中选取。法兰、手孔、视镜等附件可根据工艺条件从相应的标准中选取。发酵设备发酵设备第二节第二节生化反应过程主要特点：生化反应过程主要特点：以可再生
38、的资源为主要原料，过程中所产生的废物危害性较小，但是以可再生的资源为主要原料，过程中所产生的废物危害性较小，但是难以控制原料组成，不易保证产品质量。难以控制原料组成，不易保证产品质量。生化反应过程通常在常温、常压下进行。但是生物催化剂受环境影响生化反应过程通常在常温、常压下进行。但是生物催化剂受环境影响和杂菌污染、易失活、很难长期使用。和杂菌污染、易失活、很难长期使用。与一般化工产品的生产相比，生产设备较为简单、能耗较低。但某些与一般化工产品的生产相比，生产设备较为简单、能耗较低。但某些生化反应由于特殊性而使得反应基质和产物浓度均不能太高，因而反应生化反应由于特殊性而使得反应基质和产物浓度均不
39、能太高，因而反应器的生产效率较低。器的生产效率较低。生化反应过程机理较为复杂，难以控制与检测；反应液中杂质含量较生化反应过程机理较为复杂，难以控制与检测；反应液中杂质含量较多，给分离提纯带来了一定困难。多，给分离提纯带来了一定困难。制药工业主要包含以下两种生化反应：制药工业主要包含以下两种生化反应：（1）酶催化反应）酶催化反应 以游离酶或固定化酶为催化剂的反应过程称为酶催以游离酶或固定化酶为催化剂的反应过程称为酶催化反应过程。生物体中所进行的反应几乎都是在酶的催化下进行的。化反应过程。生物体中所进行的反应几乎都是在酶的催化下进行的。（2）微生物反应过程）微生物反应过程 即采用活细胞作催化剂的反
40、应过程。包括一般即采用活细胞作催化剂的反应过程。包括一般的微生物发酵反应过程和固定化细胞反应过程以及动植物细胞的培养过的微生物发酵反应过程和固定化细胞反应过程以及动植物细胞的培养过程等。程等。58生物反应器生物反应器检测控制系统检测控制系统细胞细胞酶酶（游离或固定化）（游离或固定化）空气空气生 物 催 化生 物 催 化剂剂除菌除菌空气空气 能量能量提取精提取精制制产品产品副产品副产品废物废物原料原料基质或培养基基质或培养基营养物营养物灭菌灭菌生物反应过程示意图生物反应过程示意图下游过程下游过程生物反应过程生物反应过程(中中游过程游过程)上游过程上游过程典型的分批发酵工艺流程图典型的分批发酵工艺
41、流程图菌种提纯琼脂斜面接种摇瓶蒸汽锅炉空气压缩机种子培养种子罐无菌空气空气过滤器通气生物反应主要发酵罐pH调节液蒸汽灭菌连消装置培养基配料罐培养基原料培养基配料去菌体分离及后处理检测控制成品成品生化反应器分类：生化反应器分类：按使用生物催化剂不同分为酶催化反应器和细胞生化反应按使用生物催化剂不同分为酶催化反应器和细胞生化反应器。器。按操作方式分间歇式、连续式和半间歇式。按操作方式分间歇式、连续式和半间歇式。按反应器结构特征分釜式、管式、塔式、膜式等。按反应器结构特征分釜式、管式、塔式、膜式等。原料的预处理原料的预处理菌种制备和扩大培养菌种制备和扩大培养无菌空气无菌空气培养基配制培养基配制灭菌灭
42、菌发酵发酵产品分离纯化产品分离纯化微生物制药过程微生物制药过程发酵罐：发酵罐：通常把深层培养微生物的反应器称为发酵罐。通常把深层培养微生物的反应器称为发酵罐。发酵罐设计应满足如下要求：发酵罐设计应满足如下要求：结构可靠。结构可靠。有良好的气液接触和液固混合性能，以便有效进行物质传递及空气溶入。有良好的气液接触和液固混合性能，以便有效进行物质传递及空气溶入。在保证发酵要求的前提下，尽量减少机械搅拌和通气所消耗的动力。在保证发酵要求的前提下，尽量减少机械搅拌和通气所消耗的动力。有良好的传热性能，以适应发酵在最适宜温度和灭菌操作条件下进行。有良好的传热性能，以适应发酵在最适宜温度和灭菌操作条件下进行
43、。减少泡沫的产生，设置有效的消泡沫装置，以提高发酵的装料系数。减少泡沫的产生，设置有效的消泡沫装置，以提高发酵的装料系数。附有必要和可靠的检测及控制仪表。附有必要和可靠的检测及控制仪表。发酵罐按照搅拌和通气的能量输入方式分发酵罐按照搅拌和通气的能量输入方式分机械搅拌式机械搅拌式外部液体循环式外部液体循环式空气喷射提升式空气喷射提升式 由于大多数微生物都需要氧，因此发酵罐通常采用通气和搅拌的由于大多数微生物都需要氧，因此发酵罐通常采用通气和搅拌的方法来增加氧的溶解，以满足微生物反应的需要。既具有机械搅拌又方法来增加氧的溶解，以满足微生物反应的需要。既具有机械搅拌又具有压缩空气分布装置的发酵罐用途
44、较广，可称为具有压缩空气分布装置的发酵罐用途较广，可称为通用式发酵罐通用式发酵罐。发酵过程中生发酵过程中生化反应和机械搅拌化反应和机械搅拌所产生的热量必须所产生的热量必须及时移除以保证发及时移除以保证发酵在恒温下进行。酵在恒温下进行。换热装置有夹套和换热装置有夹套和蛇管两种，一般容蛇管两种，一般容积小于积小于5m3的发酵的发酵罐采用夹套换热，罐采用夹套换热，而大于而大于5m3的发酵的发酵罐则采用蛇管换热。罐则采用蛇管换热。一、机械搅拌式发酵罐一、机械搅拌式发酵罐注意：避免使用铜或青注意：避免使用铜或青铜装置。铜装置。罐体、搅拌装置、换热罐体、搅拌装置、换热装置、挡板、消泡器、装置、挡板、消泡器
45、、电动机与变速装置、压电动机与变速装置、压缩空气分布装置等，并缩空气分布装置等，并在壳体适当部位设置排在壳体适当部位设置排气、取样、放料、接种、气、取样、放料、接种、酸碱等管道接口以及人酸碱等管道接口以及人孔、视镜等部件。孔、视镜等部件。（1）罐体）罐体几何尺寸几何尺寸罐体材料以不锈钢或复合不锈钢为好，以保证罐罐体材料以不锈钢或复合不锈钢为好，以保证罐内培养液清洁和壁面光滑，也可用压力容器用钢内培养液清洁和壁面光滑，也可用压力容器用钢制作。罐体应承受灭菌蒸汽的压力和温度。制作。罐体应承受灭菌蒸汽的压力和温度。（2）搅拌装置）搅拌装置机械搅拌的作用是为了有利于液体本身的混合及气液和液固之间机械搅
46、拌的作用是为了有利于液体本身的混合及气液和液固之间的混合，以改善传质和传热过程，特别是有助于氧的溶解。的混合，以改善传质和传热过程，特别是有助于氧的溶解。发酵罐中广泛采用圆盘涡轮式搅拌器。为了提高混合效果，通常发酵罐中广泛采用圆盘涡轮式搅拌器。为了提高混合效果，通常在一根搅拌轴上配置在一根搅拌轴上配置2个或个或3个搅拌器，个别的也有个搅拌器，个别的也有4个搅拌器。个搅拌器。（3）通气装置）通气装置发酵罐将无菌空气导入到发酵液中的装置，为了防止培养液中固发酵罐将无菌空气导入到发酵液中的装置，为了防止培养液中固体物料堵塞，空气分布管通常采用单孔管并且开口向下。也可以体物料堵塞，空气分布管通常采用单
47、孔管并且开口向下。也可以采用带小孔的环状空气分布管。采用带小孔的环状空气分布管。（4）传热装置）传热装置发酵过程中发酵液产生的净热量称为发酵热，发酵热随发酵时间发酵过程中发酵液产生的净热量称为发酵热，发酵热随发酵时间而改变，发酵最旺盛时，发酵热量最大。为了维持一定最适宜培而改变，发酵最旺盛时，发酵热量最大。为了维持一定最适宜培养液温度，须冷却导出部分热量。养液温度，须冷却导出部分热量。（5）机械消泡装置）机械消泡装置发酵液中含有蛋白质等发泡物质，在强烈的通气搅拌下会产生大量发酵液中含有蛋白质等发泡物质，在强烈的通气搅拌下会产生大量的泡沫易使发酵液外溢，且造成染菌。消除发酵液泡沫，除了采用的泡沫
48、易使发酵液外溢，且造成染菌。消除发酵液泡沫，除了采用加入消泡剂之外，在泡沫量较小和机械强度较差时，还可以采用机加入消泡剂之外，在泡沫量较小和机械强度较差时，还可以采用机械消泡装置来消泡。械消泡装置来消泡。二、自吸式发酵罐二、自吸式发酵罐自吸式发酵罐是一种不需要空气自吸式发酵罐是一种不需要空气压缩机，而在机械搅拌过程中自压缩机，而在机械搅拌过程中自吸入空气的生物反应器。吸入空气的生物反应器。自吸式发酵罐的形式自吸式发酵罐的形式文丘里管反应器文丘里管反应器喷射喷射自吸式反应器自吸式反应器叶轮和导轮的叶轮和导轮的自吸式发酵罐自吸式发酵罐带有中央吸气口搅拌带有中央吸气口搅拌器的自吸式发酵罐器的自吸式发
49、酵罐最关键的部件：带有中央吸气口搅拌器的。最关键的部件：带有中央吸气口搅拌器的。工作过程：搅拌器带有固定导轮的三棱工作过程：搅拌器带有固定导轮的三棱空心叶轮。当叶轮旋转时，叶片与三棱空心叶轮。当叶轮旋转时，叶片与三棱形平板内空间的流体被甩出从而形成局形平板内空间的流体被甩出从而形成局部真空，可将空气吸入罐内并与高速流部真空，可将空气吸入罐内并与高速流动的流体密切接触以使空气形成细小气动的流体密切接触以使空气形成细小气泡分散在流体之中，气液混合物再通过泡分散在流体之中，气液混合物再通过导轮流到主体发酵液中。导轮流到主体发酵液中。应用：食醋发酵、抗生素、维生素、酵应用：食醋发酵、抗生素、维生素、酵
50、母培养以及生化曝气等方面。母培养以及生化曝气等方面。优点：优点：利用机械搅拌的抽吸作用，将空气自利用机械搅拌的抽吸作用，将空气自吸入罐内，可节约设备，减少厂房占地吸入罐内，可节约设备，减少厂房占地面积。面积。减少发酵设备投资约减少发酵设备投资约3030左右。左右。发酵总动力消耗比通用式低。发酵总动力消耗比通用式低。缺点：缺点：吸程（吸入压头）一般不高，必须在吸程（吸入压头）一般不高，必须在吸风口设置高效率、低阻力的空气除菌吸风口设置高效率、低阻力的空气除菌装置，故多用于无菌要求较低的醋酸和装置，故多用于无菌要求较低的醋酸和酵母的发酵生产中。酵母的发酵生产中。大型自吸式发酵罐的搅拌吸气叶轮线大型
