第2章-制藥反應(yīng)工程基礎(chǔ)

1、1,sjh@bit.edu.cn,2,第二章 制藥反應(yīng)工程基礎(chǔ)與設(shè)備,,,4,第四節(jié) 生物反應(yīng)器及放大,3,Do you know?,藥物的原藥是通過化學(xué)反應(yīng)合成、生物（轉(zhuǎn)化）合成或從動(dòng)植物組織器官中提取分離過程獲得的。 原料藥的工業(yè)化生產(chǎn)需要借助化學(xué)與生物合成反應(yīng)以及實(shí)現(xiàn)合成反應(yīng)的設(shè)備（反應(yīng)器和與之配套的設(shè)備）和保證反應(yīng)向目標(biāo)合成物及技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)接近所需控制操作該設(shè)備的參數(shù)和方法。 一臺(tái)攪拌釜，所用攪拌尺寸、功率都已給定，

2、你會(huì)通過計(jì)算說明或書本知識(shí)知道為什么？如何進(jìn)行工程技術(shù)放大和車間工程工藝設(shè)計(jì)。 最重要的是進(jìn)行反應(yīng)及提取設(shè)備的放大設(shè)計(jì)與選型。,4,Can you tell me?,對(duì)非均相反應(yīng)合成過程所用設(shè)備， （1）你認(rèn)為應(yīng)該是什么樣的？ （2）你想知道是什么樣的嗎？ （3）你知道為什么是這樣的嗎？ 憑經(jīng)驗(yàn)和掌握的知識(shí)判斷； 學(xué)習(xí)、進(jìn)行測(cè)試； 設(shè)計(jì)方案、實(shí)驗(yàn)、對(duì)比，分析研究。,5,2.1 藥物化學(xué)合成反應(yīng)工程基礎(chǔ)

3、,藥物化學(xué)合成工業(yè)過程需要借助各種反應(yīng)器來實(shí)現(xiàn)。反應(yīng)器是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，其中同時(shí)有傳熱、傳質(zhì)、擴(kuò)散、摩擦等物理過程。 藥物化學(xué)合成反應(yīng)工程包括： (1) 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)； (2) 反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)、放大； (3) 反應(yīng)器優(yōu)化； (4) 結(jié)構(gòu)功能與GMP要求一致。,6,2.1 藥物化學(xué)合成反應(yīng)

4、工程基礎(chǔ),2.1.1 藥物化學(xué)合成工業(yè)的特點(diǎn) 化學(xué)合成藥物主要依賴化學(xué)制藥工業(yè)，藥品直接關(guān)系人民健康，化學(xué)制藥工業(yè)是專業(yè)化程度較高的特殊行業(yè)。（1）藥物品種多，更新速度快；（2）生產(chǎn)技術(shù)復(fù)雜，工藝流程長，生產(chǎn)成本高；（3）原輔材料多；（4）質(zhì)量要求嚴(yán)格；GMP（5）產(chǎn)量不斷擴(kuò)大，質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)不斷提高。,7,Review of Basic knowledge,一、基本概念,,,,,,2.1.2 均相化學(xué)反應(yīng)動(dòng)

5、力學(xué),均相反應(yīng),1.定義,2.影響因素,反應(yīng)的各個(gè)物質(zhì)均處于同一相內(nèi)進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)。,溫度催化劑反應(yīng)物組成壓力,8,Review of Basic knowledge,一、基本概念1. 化學(xué)計(jì)量方程 化學(xué)計(jì)量方程僅表示各個(gè)反應(yīng)物與生成物在反應(yīng)過程中量的變化關(guān)系，方程本身與反應(yīng)的實(shí)際歷程無關(guān)，同時(shí)規(guī)定各計(jì)量數(shù)之間不應(yīng)含有除1以外的任何公因子。,,,2-1,2-2,,,,2.1.2 均相化學(xué)

6、反應(yīng)動(dòng)力學(xué),9,2. 化學(xué)反應(yīng)速率,對(duì)于均相反應(yīng)，常用單位時(shí)間、單位反應(yīng)容積內(nèi)物質(zhì)量的變化來定義該物質(zhì)的反應(yīng)速率,,,,,,,各物質(zhì)的反應(yīng)速率：,2-3,2-4,,2.1.2 均相化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué),10,3. 反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)程度,轉(zhuǎn)化率：,,,,反應(yīng)程度（反應(yīng)進(jìn)度）：,2-5,2-6,2.1.2 均相化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué),物質(zhì)的量的變化與計(jì)量數(shù)比值,11,4. 反應(yīng)速率方程,表示反應(yīng)速率與濃度等參數(shù)之間的關(guān)系，或表示濃度等參數(shù)與時(shí)間關(guān)系的方

7、程成為化學(xué)反應(yīng)的速率方程。,,,,速率常數(shù)：,2-7,2-8,2.1.2 均相化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué),速率方程：,a,b,k,E等參數(shù)分別代表的含義？,12,二、單一反應(yīng),不可逆反應(yīng)：,,,反應(yīng)速率式:,對(duì)于等溫恒容均相反應(yīng):,其積分式為：,2-9,2-10,2-11,2.1.2 均相化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué),13,可逆反應(yīng)：,,,,均相催化反應(yīng)：,2-12,2-13,2.1.2 均相化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué),二、單一反應(yīng),反應(yīng)速率式:,反應(yīng)速率式:,14,平行反

8、應(yīng)串聯(lián)反應(yīng),三、復(fù)合反應(yīng),2.1.2 均相化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué),兩個(gè)或更多獨(dú)立的計(jì)量方程來描述的反應(yīng),15,三、復(fù)合反應(yīng)（基本概念）,收率φp：生成的目的產(chǎn)物P的摩爾數(shù)與反應(yīng)掉的反應(yīng)組份Ａ的 摩爾數(shù)之比,,得率Xp：生成的目標(biāo)產(chǎn)物P的摩爾數(shù)與反應(yīng)物的起始摩爾數(shù)之比,選擇性Sp：目的產(chǎn)物P所生成的摩爾數(shù)與某副產(chǎn)物S生成的 摩爾數(shù)之比,,,2-14,2-15,2-1

9、6,2.1.2 均相化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué),16,一、分批式操作,1. 定義：反應(yīng)物料一次投入反應(yīng)器中，在反應(yīng)過程中不再投料，也不向外排出反應(yīng)物，待反應(yīng)達(dá)到要求的轉(zhuǎn)化率后再全部放出產(chǎn)物。,,,,2.1.3 分批操作及釜式反應(yīng)器,2. 釜式反應(yīng)器 組成：攪拌裝置、軸封、攪拌罐,3. 釜式反應(yīng)器特點(diǎn) 非生產(chǎn)性操作時(shí)間長、 產(chǎn)物損失較大， 控制費(fèi)用較大。 適于經(jīng)濟(jì)價(jià)值高批量小的產(chǎn)物，如藥品和精細(xì)化工產(chǎn)品

10、等。,17,二、分批式操作釜式反應(yīng)器物料衡算,1. 非恒容過程 考慮體積,,,,2.1.3 分批操作及釜式反應(yīng)器,2. 恒容過程 消去體積，計(jì)算濃度變化,3. 恒溫操作 計(jì)算轉(zhuǎn)化率和得率,結(jié)合化工原理知識(shí)自學(xué)計(jì)算方法,18,制藥工業(yè)是關(guān)系到人民身體健康的特殊行業(yè)，各種生產(chǎn)工藝要求不盡相同，是的設(shè)備需要在及其復(fù)雜的條件下運(yùn)行，因此合理選用材料是設(shè)計(jì)制藥設(shè)備的主要環(huán)節(jié)。,,,,2.1.4

11、常用設(shè)備材料,1. 鑄鐵：C%>2%,具有良好的鑄造性、耐磨性、減震性及切削加工性，有相當(dāng)好的耐腐蝕性，且成本低廉。2. 碳鋼：C%<2%，強(qiáng)度高，耐磨性強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣。3. 合金鋼：種類多，通過加入某些合金元素，提高材料強(qiáng)度、硬度、韌性、塑性、耐磨性、物化性等綜合性能。（鉻、錳、鑷、硅、硼、鋁、鎢、鉬、釩、鈦、稀土金屬等）,一、金屬材料,19,,,,2.1.4 常用設(shè)備材料,1. 無機(jī)非金屬,二、非金屬材料,優(yōu)良的

12、耐腐蝕性，原料來源豐富，品種多樣，既可單獨(dú)的結(jié)構(gòu)材料，又可作金屬設(shè)備的保護(hù)襯里、涂層、密封、保溫耐火材料等。,,化工陶瓷：耐熱、不透性；塔、貯槽、反應(yīng)器等,化工搪瓷：力學(xué)、電絕緣性能；反應(yīng)釜、換熱器等,輝綠巖鑄石：超強(qiáng)耐腐蝕；襯里、管材等,玻璃：熱穩(wěn)定性、清潔透明；管件、熱交換器等,2. 有機(jī)非金屬,,工程塑料：添加劑改善性能，機(jī)械強(qiáng)度加工性能好,涂料：防腐保護(hù)涂層，種類多適應(yīng)性強(qiáng),不透性石墨：化學(xué)穩(wěn)定性、導(dǎo)熱性強(qiáng),20,,,,2.1.

13、4 常用設(shè)備材料,1. 化學(xué)腐蝕,三、設(shè)備材料的防腐蝕,金屬材料表面受周圍介質(zhì)作用發(fā)生狀態(tài)變化使材料受破壞，分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕兩類。,,金屬高溫氧化,鋼的脫碳：表面硬度和抗疲勞程度降低。,氫脆：變脆，力學(xué)性能劣化。,腐蝕：氫腐蝕，脫碳和皮下鼓泡,2. 電化學(xué)腐蝕,,腐蝕原電池,微電池、宏電池,濃差電池,21,,,,2.1.4 常用設(shè)備材料,防腐措施,三、設(shè)備材料的防腐蝕,,襯覆保護(hù)層,電化學(xué)保護(hù),加入緩腐劑,,金屬涂層—電鍍,

14、非金屬涂層—隔離,,陰極保護(hù),改變電位，使金屬鈍化,陽極保護(hù),22,,,,2.1.4 常用設(shè)備材料,設(shè)備結(jié)構(gòu)制造工藝使用條件和壽命材料的物理、力學(xué)性能材料的耐腐蝕性材料的經(jīng)濟(jì)型其他方面,設(shè)備材料的選擇,合理選擇和正確使用材料，從以下幾點(diǎn)考慮：,,23,2.2 生物反應(yīng)工程基礎(chǔ),1.生化工程： 將生物技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室成果經(jīng)工藝及工程開發(fā)，成為可供工業(yè)生產(chǎn)的工藝過程，常稱為生化工程。是化學(xué)工程的分支、生物工程的重要組成部分

15、，為生物技術(shù)服務(wù)的化學(xué)工程。2.生化工程技術(shù)： 利用化學(xué)工程原理和方法對(duì)實(shí)驗(yàn)室所取得的基因工程、細(xì)胞工程、酶工程、發(fā)酵工程和蛋白質(zhì)工程等生物技術(shù)成果加以開發(fā)和利用的一門工程技術(shù)，是生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。,2.2.1 基本概念,24,基因工程、細(xì)胞工程、酶工程、發(fā)酵工程和蛋白質(zhì)工程并不是各自獨(dú)立的，它們彼此之間是互相聯(lián)系、互相滲透的。 其中基因工程技術(shù)是核心技術(shù)，它能帶動(dòng)其他技術(shù)的發(fā)展。 比如通過基因工程對(duì)細(xì)菌或細(xì)

16、胞改造后獲得的“工程菌”或細(xì)胞，都必須分別通過發(fā)酵工程或細(xì)胞工程來生產(chǎn)有用的物質(zhì)；又如，通過基因工程技術(shù)對(duì)酶進(jìn)行改造以增加酶的產(chǎn)量、酶的穩(wěn)定性以及提高酶的催化效率等。,2.2 生物反應(yīng)工程基礎(chǔ),2.2.1 基本概念,25,3.生物化學(xué)工程學(xué)科,研究圍繞生化反應(yīng)過程中帶有共性的工程技術(shù)問題的學(xué)科。 利用化學(xué)工程原理和方法對(duì)實(shí)驗(yàn)室所取得的生物技術(shù)成果加以開發(fā)，使之成為生物反應(yīng)過程的一門學(xué)科。 或者說，是生物學(xué)技術(shù)和化學(xué)工程技術(shù)

17、相互融合的學(xué)科，又是化學(xué)工程發(fā)展的前沿學(xué)科。,2.2 生物反應(yīng)工程基礎(chǔ),基本概念,26,4. 生物反應(yīng)過程,利用生物催化劑以完成生物技術(shù)產(chǎn)品生產(chǎn)的過程。生物催化劑可以是微生物、動(dòng)物、植物的整體活細(xì)胞，也可以是從細(xì)胞中提取出來的酶(enzyme)。它們可以游離的形式使用，也可以采用固定化技術(shù)將其固定在多孔介質(zhì)中或表面后再使用。,2.2 生物反應(yīng)工程基礎(chǔ),基本概念,若采用活細(xì)胞為生物催化劑，稱為發(fā)酵或細(xì)胞培養(yǎng)過程；若生物催化劑采用游離

18、或固定化酶則稱為酶反應(yīng)過程。 兩者的區(qū)別在于在發(fā)酵過程中除得到反應(yīng)產(chǎn)品外，還可得到更多的生物細(xì)胞，而在酶反應(yīng)過程中，酶不會(huì)增長。因此，生物反應(yīng)過程又不同于化學(xué)反應(yīng)過程。,27,2.2 生物反應(yīng)工程基礎(chǔ),28,生化反應(yīng)過程特點(diǎn) 采用生物催化劑，采用可再生資源為主要原料，生產(chǎn)設(shè)備比較簡單、能耗低，但反應(yīng)器生產(chǎn)效率低。生化反應(yīng)過程的分類 酶催化反應(yīng)過程， 細(xì)胞反應(yīng)過程， 廢水的生物處理過程。,2.2

19、 生物反應(yīng)工程基礎(chǔ),基本概念,29,與經(jīng)典化學(xué)工程的差異,借助生命體或具生物活性的物質(zhì)（酶）參與物質(zhì)及能量的轉(zhuǎn)化。 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)不僅有底物消耗或產(chǎn)物生成的速度方程還有細(xì)胞的生長動(dòng)力學(xué)或酶活動(dòng)力學(xué)方程，能量轉(zhuǎn)化也類似。對(duì)反應(yīng)的環(huán)境要求不同 如反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與空間、系統(tǒng)潔凈無菌等過程涉及酶、菌或細(xì)胞的培養(yǎng)和回收產(chǎn)物分離過程要求及費(fèi)用比重大,2.2 生物反應(yīng)工程基礎(chǔ),30,生化反應(yīng)工程技術(shù),發(fā)酵工程技術(shù)：懸浮生長細(xì)胞、固

20、定化細(xì)胞酶工程技術(shù)：懸浮酶或酶液、固定化酶、溶劑工程生物分離工程技術(shù)：包括天然產(chǎn)物的分離工程技術(shù) 基因工程和蛋白質(zhì)工程要進(jìn)入工業(yè)化規(guī)模，通常是要經(jīng)過發(fā)酵工程和酶工程才能實(shí)現(xiàn)。,2.2 生物反應(yīng)工程基礎(chǔ),基本概念,31,2.2 生物反應(yīng)工程基礎(chǔ),32,生化反應(yīng)工程的主要研究內(nèi)容,生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)以及生化反應(yīng)器 傳遞特性、設(shè)計(jì)與放大、優(yōu)化與控制，針對(duì)基因工程產(chǎn)品和動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)所需的特殊生化反應(yīng)器、反應(yīng)過程的

21、數(shù)學(xué)模型、在線檢測(cè)技術(shù)。 生化反應(yīng)器的流體流動(dòng)模型與的化學(xué)反應(yīng)器的相同，基本形式也一樣，但結(jié)構(gòu)與使用方面有獨(dú)特性 。,2.2 生物反應(yīng)工程基礎(chǔ),33,生化反應(yīng)過程包括兩個(gè)層次的動(dòng)力學(xué)：本征動(dòng)力學(xué)——微觀動(dòng)力學(xué)， 指的是沒有傳遞等工程因素的影響時(shí)，生化反應(yīng)的固有速率，該速率除反應(yīng)本身的特性外，只與各反應(yīng)的組分的濃度、溫度、催化劑及溶劑的性質(zhì)有關(guān)，而與傳遞因素?zé)o關(guān)。宏觀動(dòng)力學(xué)——反應(yīng)器動(dòng)力學(xué)，指的是在一反應(yīng)器內(nèi)所觀測(cè)得到的總反

22、應(yīng)速率及其影響因素，這些影響因素包括反應(yīng)器的形式和結(jié)構(gòu)、操作方式、物料的流動(dòng)與混合、傳質(zhì)與傳熱等，傳遞特性將影響反應(yīng)器內(nèi)基質(zhì)和產(chǎn)物的濃度分布及溫度分布，進(jìn)而影響到反應(yīng)器內(nèi)某一組分的反應(yīng)速度。,2.2 生物反應(yīng)工程基礎(chǔ),34,2.2.1 培養(yǎng)基的制備與滅菌,定義：生化反應(yīng)過程中為微生物生長和進(jìn)行目的產(chǎn)物合成而提供的營養(yǎng)物質(zhì)及輔助成分。主要組成： 1.碳源：構(gòu)成微生物細(xì)胞及代謝產(chǎn)物的碳架及所需的能量來源。

23、常用物質(zhì)：葡萄糖、蔗糖、淀粉、蜜糖等。2.氮源：構(gòu)成生物細(xì)胞蛋白質(zhì)和某些代謝產(chǎn)物的主要成分。 常用物質(zhì)： 有機(jī)氮（酵母抽提物、蛋白胨、玉米漿和黃豆餅粉等） 無機(jī)氮（硫酸銨、硝酸鉀、氨水和尿素等）,2.2 生物反應(yīng)工程基礎(chǔ),一、培養(yǎng)基簡介,35,2.2.1 培養(yǎng)基的制備與滅菌,主要組成： 3.無機(jī)鹽：構(gòu)成微生物細(xì)胞的重要成分。 K、Na、Mg、Ca、Fe、Zn、P、S、M

24、n、Co、Cu等。4.生長因子：使生物細(xì)胞維持正常生長代謝必需的微量有 機(jī)化合物。 維生素、氨基酸、生物素及生長激素等。5.前體物質(zhì)和促進(jìn)劑：促進(jìn)目標(biāo)產(chǎn)物的合成，提高產(chǎn)量。,2.2 生物反應(yīng)工程基礎(chǔ),一、培養(yǎng)基簡介,36,2.2.1 培養(yǎng)基的制備與滅菌,(一)淀粉原料的處理和糖化,2.2 生物反應(yīng)工程基礎(chǔ),二、培養(yǎng)基制備,淀粉原料篩選除雜,淀粉原料粉碎,,淀粉的糖化,

25、,獲得較純凈的原料，確保原料質(zhì)量和安全生產(chǎn),增加表面積，提高原料利用率和制備效率,淀粉液化(蒸煮或酶催化）使結(jié)晶組織和細(xì)胞膜破裂，才能經(jīng)糖化酶催化生成葡萄糖使用。,原料經(jīng)過物理、化學(xué)等方法處理，制成液態(tài)或固態(tài)的生物發(fā)酵培養(yǎng)基,濕法和干法,37,2.2.1 培養(yǎng)基的制備與滅菌,(二)糖蜜的稀釋與澄清,2.2 生物反應(yīng)工程基礎(chǔ),二、培養(yǎng)基制備,糖蜜的稀釋,酸化澄清處理,,高濃度原糖蜜加水稀釋,稀釋后的糖蜜加濃硫酸調(diào)pH至3.5~3.8 ，

26、升溫95 ℃一定時(shí)間后中和，沉降或離心澄清除雜。,除去不利于發(fā)酵的物質(zhì)和滅菌,38,2.2.1 培養(yǎng)基的制備與滅菌,1. 滅菌方法： 加熱法 化學(xué)殺菌法 物理殺菌法（紫外線、超聲波等）,2.2 生物反應(yīng)工程基礎(chǔ),三、培養(yǎng)基的滅菌,2. 影響因素： pH的影響：6~8時(shí)微生物最不易死亡，pH越低，滅菌時(shí)間越短 培養(yǎng)基成分：油脂、糖類蛋白質(zhì)等不利于滅菌，鹽類色素利于滅菌。 培養(yǎng)基顆粒物質(zhì)：顆

27、粒越大，滅菌困難，較大或凝結(jié)成膠體必須 過濾除去。,39,2.2.2 微生物發(fā)酵基本理論,二、發(fā)酵方式 分批發(fā)酵 補(bǔ)料分批發(fā)酵 連續(xù)發(fā)酵,2.2 生物反應(yīng)工程基礎(chǔ),一、基因工程技術(shù)簡介——自學(xué)（結(jié)合生物化學(xué)）,各自定義是什么？分析比較三種方式的優(yōu)缺點(diǎn)。,40,2.2.2 微生物發(fā)酵基本理論,二、發(fā)酵方式比較分批發(fā)酵

28、：間歇式發(fā)酵，起始一次性投入所需各種成分。補(bǔ)料分批發(fā)酵：間歇補(bǔ)充新鮮培養(yǎng)基，減緩發(fā)酵罐內(nèi)碳、氮 源濃度的衰減，使微生物對(duì)數(shù)生長期和穩(wěn)定期延長， 提高產(chǎn)度濃度。連續(xù)發(fā)酵：不斷加入新鮮培養(yǎng)基，取出成熟的發(fā)酵液，保證 營養(yǎng)物質(zhì)和代謝產(chǎn)物的濃度，良好的生長代謝環(huán)境。,2.2 生物反應(yīng)工程基礎(chǔ),分批：周期長，生產(chǎn)效率低，每次要清洗滅菌等。連續(xù)：產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高；缺點(diǎn)：細(xì)胞易突變，不良的

29、反 而生長更快，產(chǎn)物減少；長期維持無雜菌污染較困難。,41,2.2.3 酶催化基本理論,優(yōu)點(diǎn)： 高度專一性； 催化效率高； 反應(yīng)條件溫和，對(duì)設(shè)備要求不高。缺點(diǎn)： 易失活變質(zhì)； 易被雜菌污染。,2.2 生物反應(yīng)工程基礎(chǔ),酶催化特點(diǎn),42,一、酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué),——底物濃度與酶反應(yīng)速度的定量關(guān)系,,2.2 生物反應(yīng)工程基礎(chǔ),2.2.3 酶催化基本理論,單底物酶促反應(yīng)，底物S與酶E結(jié)合

30、，形成復(fù)合物ES后再分解成產(chǎn)物P并使酶E釋放：,設(shè)底物濃度[S]比酶濃度[E]大得多，復(fù)合物濃度[ES]為動(dòng)態(tài)平衡不變值，則產(chǎn)物的生產(chǎn)速率為：,米氏方程,43,上式即為Michaelis-Menten方程，簡稱為M-M方程或米氏方程。該式中有兩個(gè)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，即 和 。 Km為米氏常數(shù)，物理含義是指復(fù)合物ES的消失速度(k-1+k2)與形成速度(k+1)之比，當(dāng) = /2 時(shí)

31、，根據(jù)方程得Km=CS，即Km等于酶促反應(yīng)速率達(dá)到其最大速度一半時(shí)的底物濃度[S]。,2.2 生物反應(yīng)工程基礎(chǔ),一、酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué),2.2.3 酶催化基本理論,Km可以表示酶和底物之間的親和能力， Km值越大，親和能力越弱，反之亦然。,44,簡單酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)有一個(gè)顯著的特點(diǎn)，即反應(yīng)速率與底物濃度的關(guān)系是一種單調(diào)增加的函數(shù)關(guān)系。 1.底物抑制 實(shí)際上有些酶的催化反應(yīng)，由于底物濃度過高，其反應(yīng)速率反而會(huì)下降。

32、此種效應(yīng)稱之為底物的抑制作用，抑制作用分為可逆抑制與不可逆抑制兩大類。 根據(jù)產(chǎn)生抑制的機(jī)理不同，可逆抑制又分為競(jìng)爭(zhēng)性抑制、非競(jìng)爭(zhēng)性抑制、反競(jìng)爭(zhēng)性抑制和混合型抑制。,2.2 生物反應(yīng)工程基礎(chǔ),一、酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué),2.2.3 酶催化基本理論,45,1.底物抑制 競(jìng)爭(zhēng)性抑制 非競(jìng)爭(zhēng)性抑制 反競(jìng)爭(zhēng)性抑制,2.2 生物反應(yīng)工程基礎(chǔ),一、酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué),2.2.3 酶催化基本理論,Km值不變

33、，vmax值變小 , v變小,Km值變小，vmax值變小，但Vmax/Km值不變 , v變小,Km值增大，vmax值不變，v變小,Km值越大，酶與底物親和能力越弱。,46,2.抑制物抑制——反應(yīng)速率方程見P58競(jìng)爭(zhēng)性抑制：抑制物與底物結(jié)構(gòu)類似，在活性部位與酶結(jié)合，阻礙酶與底物結(jié)合。非競(jìng)爭(zhēng)性抑制：抑制物在酶的活性部位以外與酶結(jié)合，也影響酶的催化反應(yīng)速率。反競(jìng)爭(zhēng)抑制：抑制物與復(fù)合物ES作用生成ESI，使酶反應(yīng)速率下降。,2.2 生

34、物反應(yīng)工程基礎(chǔ),一、酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué),2.2.3 酶催化基本理論,47,影響酶活性的環(huán)境因素及穩(wěn)定性 (1) 底物、抑制劑 (2) 溫度 (3) pH值 (4) 離子強(qiáng)度、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、光照、超聲波等,2.2 生物反應(yīng)工程基礎(chǔ),一、酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué),2.2.3 酶催化基本理論,,影響最大,48,二、細(xì)胞反應(yīng)過程動(dòng)力學(xué),細(xì)胞反應(yīng)過程本質(zhì)是復(fù)雜的酶催化反應(yīng)體系。,細(xì)胞如同一微小的反應(yīng)容

35、器，原料中的反應(yīng)物透過細(xì)胞周圍的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜，進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，在酶的作用下進(jìn)行催化反應(yīng)，把反應(yīng)物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物，接著這些產(chǎn)物又被釋放出來。,細(xì)胞的生長過程包括下列階段：延遲期、指數(shù)生長期、減速期、靜止期和衰亡期。每階段都有自己的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)，尤以指數(shù)生長期和減速期最為重要。,2.2 生物反應(yīng)工程基礎(chǔ),2.2.3 酶催化基本理論,49,細(xì)胞間歇培養(yǎng)各階段的濃度-時(shí)間曲線圖,2.2 生物反應(yīng)工程基礎(chǔ),50,1.無抑制細(xì)胞生長動(dòng)力學(xué)方程,Mon

36、od方程是Monod于1942年提出的經(jīng)驗(yàn)方程，系典型的均衡生長模型，與延滯期后的細(xì)胞生長過程相符：,,k CC CS,=,rC =,CM + CS,CM + CS,,rCmax CS,2.2 生物反應(yīng)工程基礎(chǔ),2.2.3 酶催化基本理論,當(dāng)培養(yǎng)基中不存在抑制細(xì)胞生長的物質(zhì)時(shí)，細(xì)胞的生長速率與基質(zhì)濃度關(guān)系,51,CS為限制性基質(zhì)濃度g/L；CM為飽和常數(shù)(g/L)，其值等于比生長速率恰為最大比生長速率的一半時(shí)的限制性基質(zhì)濃度。

37、 Monod方程的基本假設(shè)如下： a. 細(xì)胞的生長為均衡式生長（唯一變量是細(xì)胞的濃度）； b. 培養(yǎng)基中只有一種基質(zhì)是生長限制性基質(zhì)，其他組分為過量，不影響細(xì)胞的生長； c. 細(xì)胞的生長視為簡單的單一反應(yīng)，細(xì)胞得率為一常數(shù)。,2.2 生物反應(yīng)工程基礎(chǔ),2.2.3 酶催化基本理論,1.無抑制細(xì)胞生長動(dòng)力學(xué)方程,52,2. 有抑制的細(xì)胞生長動(dòng)力學(xué),①基質(zhì)抑制動(dòng)力學(xué) 當(dāng)基質(zhì)濃度很高時(shí)，細(xì)胞的生長反而會(huì)受

38、到基質(zhì)的抑制作用。同底物對(duì)酶催化反應(yīng)的抑制一樣，基質(zhì)對(duì)細(xì)胞生長的抑制同樣可以分為競(jìng)爭(zhēng)性、非競(jìng)爭(zhēng)性和反競(jìng)爭(zhēng)性抑制。②產(chǎn)物抑制動(dòng)力學(xué) 細(xì)胞反應(yīng)過程中，有些代謝產(chǎn)物濃度較高時(shí)，也會(huì)抑制細(xì)胞的生長和其代謝能力，產(chǎn)物的抑制也可分為競(jìng)爭(zhēng)性和非競(jìng)爭(zhēng)性抑制。,2.2 生物反應(yīng)工程基礎(chǔ),53,代謝產(chǎn)物對(duì)細(xì)胞生長的抑制中，最具代表性的是發(fā)酵法生產(chǎn)乙醇時(shí)，乙醇對(duì)酵母菌或其他菌類的抑制作用。 右圖表示了在一運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單孢菌作用下發(fā)酵

39、生產(chǎn)乙醇時(shí)，乙醇濃度對(duì)該菌比生長速率的影響，可見，當(dāng)乙醇濃度增加，單孢菌比生長速率快速下降。,2.2 生物反應(yīng)工程基礎(chǔ),,2. 有抑制的細(xì)胞生長動(dòng)力學(xué),54,2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,反應(yīng)器是生產(chǎn)工藝過程與設(shè)計(jì)的起始中心，是化學(xué)合成、生物發(fā)酵與轉(zhuǎn)化及反應(yīng)分離提取的關(guān)鍵設(shè)備。 反應(yīng)器不僅關(guān)系設(shè)計(jì)方案的經(jīng)濟(jì)性，而且影響環(huán)境。 制藥工業(yè)的反應(yīng)器及提取分離設(shè)備均是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，在其中進(jìn)行反應(yīng)的同時(shí)有傳熱、傳質(zhì)、擴(kuò)散和摩擦（碰

40、撞）等物理過程存在，這就要求設(shè)備安全、可控。 在大的容器中，反應(yīng)物的混合、流動(dòng)分布、停留時(shí)間分布以及提高多孔催化劑表面的有效利用有同樣重要。任一過程可以受這些因素中的某一或多種因素的作用。,反應(yīng)器概述,55,2.3.1 反應(yīng)器種類,按物料相態(tài)分類 (1) 均相反應(yīng)器(反應(yīng)物與生成物屬同一相):氣相、液相 (2)非均相反應(yīng)器(反應(yīng)體系多于一相): 氣液、液液、氣固、

41、 液固、氣液固按結(jié)構(gòu)形式分類 釜式反應(yīng)器、管式反應(yīng)器、塔式反應(yīng)器、 流化床式反應(yīng)器、固定式反應(yīng)器等,2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,56,按操作方式分(1) 分批（或稱間歇）操作反應(yīng)器（原料一次加入、結(jié)束取出）(2) 連續(xù)操作反應(yīng)器（原料連續(xù)進(jìn)入反應(yīng)器并連續(xù)引出反應(yīng)產(chǎn)物）(3) 半連續(xù)操作反應(yīng)器（某些原料

42、在反應(yīng)前一次加入，其他連續(xù)或斷續(xù) 進(jìn)入反應(yīng)器，或?qū)⒛撤N反應(yīng)產(chǎn)物連續(xù)引出）按流體流動(dòng)及混合形式分(1) 平推流（活塞流、柱塞流、理想置換）（無軸向混合）(2) 理想混合流（物料在反應(yīng)器內(nèi)完全混合，各點(diǎn)組成和溫度相同，連續(xù) 操作的攪拌釜式反應(yīng)器）(3) 中間流型（擴(kuò)散引起速度波動(dòng)、短路與

43、旁路及溝流、反應(yīng)器結(jié)構(gòu)引起 的流體停滯及流體的循環(huán)等干擾，存在部分返混）,2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,2.3.1 反應(yīng)器種類,57,實(shí)際反應(yīng)器 攪拌釜式反應(yīng)器 管式反應(yīng)器 （填料）塔式反應(yīng)器 固定床催化反應(yīng)器 固定床非催化反應(yīng)器 流化床催化反應(yīng)器 流化床非催化反應(yīng)器,2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,2.3.1

44、 反應(yīng)器種類,58,帶夾套的開式攪拌釜結(jié)構(gòu)示意圖,59,2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,60,Catalytic distillation for MTBE production J.N. Armor， Applied Catalysis A: General 222 (2001) 91–99,塔式反應(yīng)器示意圖,61,Schematic diagram of a reactive distillation

45、 column B. Saha et al. ，Catalysis Today 60 (2000) 147–157,填料（散堆、規(guī)整）催化劑（包裹均散、固著在填料表面或共燒結(jié)）,62,固定床反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)形式,63,a批量反應(yīng)器；b穩(wěn)態(tài)流動(dòng)反應(yīng)器；c~e幾種半連續(xù)性反應(yīng)器。,64,2.3.2 釜式反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及應(yīng)用,構(gòu)造：釜體一般是由鋼板卷焊而成的圓筒體，再焊上鋼制標(biāo)準(zhǔn)釜底，配上封頭、

46、攪拌器等零部件而制成。標(biāo)準(zhǔn)釜底一般為橢圓形，可用平底、半球底或錐形底等 分類：按釜蓋與釜體連接方式的不同，攪拌釜式反應(yīng)器可分為開式（法蘭連接）和閉式（焊接）兩大類 傳熱：罐體的內(nèi)壁可內(nèi)襯耐腐蝕材料，外壁常設(shè)有傳熱夾套，或內(nèi)部安裝傳熱蛇管 適用：在攪拌良好的下，可視為理想混合反應(yīng)器，操作靈活，適應(yīng)性強(qiáng)，便于控制和改變反應(yīng)條件，尤其適用于制藥工業(yè)的小批量、多品種生產(chǎn)特點(diǎn)。,2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,65,間歇攪拌釜式反應(yīng)

47、器,間歇攪拌釜式反應(yīng)器內(nèi)任一點(diǎn)的濃度或溫度隨反應(yīng)時(shí)間而變，所以是不穩(wěn)定操作的反應(yīng)器。,2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,66,攪拌裝置軸封罐體附件,組成：,67,理想反應(yīng)器特點(diǎn)：1. 空間完全混合，各點(diǎn)濃度、溫度均一。2. 各組分濃度隨時(shí)間而變，反應(yīng)速率也隨之而變。3. 所有流體質(zhì)點(diǎn)在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間相等(具有相同的歷程)。,2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,2.3.2 釜式反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及應(yīng)用,68,2.3.3 反應(yīng)

48、器內(nèi)流體的混合狀態(tài)從混合的對(duì)象來看有兩種混合狀態(tài)具有相同年齡的流體微元間的混合。 如間歇式反應(yīng)器流體微元的混合，其流體微元在釜內(nèi)的停留時(shí)間是相同的。不同年齡的流體微元的混合，稱之為返混，或稱為逆向混合。 這里指的逆向主要是指的時(shí)間(time)概念上的逆向，而不是指空間（space)上的逆向。,2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,69,反應(yīng)器中的混合： 就連續(xù)攪拌式反應(yīng)器而言，其混合可視為三個(gè)不同部分所組

49、成： 因攪拌器的旋轉(zhuǎn)面造成液體的流通或循環(huán)，使得整個(gè)反應(yīng)器中的物料引起湍動(dòng)面混合，并稱之為主流； 在較小的范圍中因攪拌器的剪切或進(jìn)料的噴射面引起的湍動(dòng)，使物料分散成微團(tuán)(或小滴)； 分子擴(kuò)散，均勻化的最后步驟。,2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,2.3.3 反應(yīng)器內(nèi)流體的混合狀態(tài),70,產(chǎn)生混合的主要因素： 由于液體中分子擴(kuò)散的速度很慢，故在很大程度上混合受主流及湍動(dòng)的影響，而主要影響因素

50、則是主流的速度。 連續(xù)反應(yīng)器中的流動(dòng)與混合是由進(jìn)料的噴射效應(yīng)以及（主要因素）機(jī)械攪拌所造成的。,2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,2.3.3 反應(yīng)器內(nèi)流體的混合狀態(tài),71,返混是連續(xù)化操作的伴生現(xiàn)象，兩種連續(xù)理想反應(yīng)器的返混情況處于兩種極端狀態(tài)：在平推流反應(yīng)器中，流體象活塞一樣向前運(yùn)動(dòng)，不存在著任何返混在理想混合反應(yīng)器中，物料的停留時(shí)間有長有短，這些具有不同停留時(shí)間的物料由于受攪拌的作用，其返混程度達(dá)到最大實(shí)際反應(yīng)

51、器流體流動(dòng)的返混程度介于這兩種理想反應(yīng)器之間,2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,2.3.3 反應(yīng)器內(nèi)流體的混合狀態(tài),72,形成返混的原因： 一、由不均勻的速度分布引起，如流動(dòng)過程中有死角和溝流以及粘性流體在管式反應(yīng)器作層流流動(dòng)時(shí)，均使流體的停留時(shí)間不同而造成返混 二、由物料的流動(dòng)方向相反的運(yùn)動(dòng)引起，如連續(xù)釜式反應(yīng)器的攪拌作用和管式反應(yīng)器的分子擴(kuò)散，渦流擴(kuò)散作用而形成返混。 一般說來，由于溝流、死角等非理想流動(dòng)所

52、引起的返混十分嚴(yán)重。,2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,2.3.3 反應(yīng)器內(nèi)流體的混合狀態(tài),73,反應(yīng)器的近似處理帶攪拌的釜式反應(yīng)器認(rèn)為是理想混合反應(yīng)器：攪拌達(dá)到混合所需要的時(shí)間較之物料通過容器的平均停留時(shí)間要短得多；管式、固定床催化反應(yīng)器近似地考慮為平推流反應(yīng)器：軸向擴(kuò)散作用不大，形成的返混程度很小。,2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,2.3.3 反應(yīng)器內(nèi)流體的混合狀態(tài),74,反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)狀態(tài) 流入反應(yīng)器內(nèi)的物料在平均停留時(shí)間

53、短得多的時(shí)間內(nèi)達(dá)到分子級(jí)的分散，任一特定分子的周圍沒有與其同時(shí)進(jìn)入的分子，這種混合稱之為微觀混合，這種流體稱之微觀流體。（微觀流體的反應(yīng)是分子間的碰撞） 進(jìn)入反應(yīng)器的流體以微元的尺度均一分布，且這些微元中同時(shí)進(jìn)入的各分子永遠(yuǎn)保持在一起，也就是微元之間相互沒有影響和作用，這種混合稱之為宏觀混合，這種流體稱之為宏觀流體。（宏觀流體的反應(yīng)在微元之內(nèi)進(jìn)行）,2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,2.3.3 反應(yīng)器內(nèi)流體的混合狀態(tài),75,1. 反

54、應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本原理 在反應(yīng)器的設(shè)計(jì)中，我們要做的是： 根據(jù)給定的生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使反應(yīng)器的容積、類型和操作方法最佳。 通常是在反應(yīng)器的類型和操作方法已經(jīng)確定的前提下，進(jìn)行反應(yīng)體積的計(jì)算；然后，結(jié)合反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物系的組成與操作條件，確定反應(yīng)器的容積。,2.3.4反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與選擇基礎(chǔ),2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,76,1. 反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本原理,2.3.4反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與選擇基礎(chǔ),反應(yīng)體積的計(jì)算

55、取決于反應(yīng)速率以及組分的轉(zhuǎn)化率。 對(duì)大多數(shù)反應(yīng)器而言，反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物系的組成與操作參數(shù)總是隨反應(yīng)時(shí)間或反應(yīng)器的空間位置而改變，或兩者同時(shí)變化，因此反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)速率（或細(xì)胞生長速率）均是變化的。,2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,77,反應(yīng)器設(shè)計(jì)通常要借助一定的數(shù)學(xué)模型，即反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)速率及組分轉(zhuǎn)化率等的變化關(guān)系式，即反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程。 包括：物料衡算式、熱量衡算式以及動(dòng)量衡算式（對(duì)有大的壓力降過程）以及相關(guān)的

56、反應(yīng)（生長）動(dòng)力學(xué)方程、熱力學(xué)計(jì)算式和各種傳遞參數(shù)計(jì)算式等。,2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,2.3.4反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與選擇基礎(chǔ),78,2. 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程,對(duì)于均相反應(yīng) ，反應(yīng)速度可用單位時(shí)間、單位體積的反應(yīng)物料中某一組分摩爾數(shù)的變量來表示，即,當(dāng)A為生成物時(shí)，式取+號(hào)，表示生成速度；當(dāng)A為反應(yīng)物時(shí)，取–表示消耗速度。,2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,2.3.4反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與選擇基礎(chǔ),79,對(duì)于等容過程,2-17,2-18,2-1

57、9,2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,80,2-20,2-21,所以只要知道化學(xué)的或生物的反應(yīng)速率rA就可以利用公式算出反應(yīng)體積（或反應(yīng)器的有效容積）VR,2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,81,3 物料平衡方程式,對(duì)于簡單的反應(yīng)，如 aA+bB mM+nN 只要列出任一反應(yīng)物的物料衡算式，其余反應(yīng)物和產(chǎn)物的量都可以通過化學(xué)計(jì)量關(guān)系來確定。 由于反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物的濃度、溫度等

58、參數(shù)隨時(shí)間或空間而變化，反應(yīng)速度也隨之發(fā)生改變，故應(yīng)分別選取微元體積dVR和微元時(shí)間dτ作為物料衡算的空間基準(zhǔn)和時(shí)間基準(zhǔn)。,2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,2.3.4反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與選擇基礎(chǔ),82,3 物料平衡方程式,aA+bB mM+nN在dτ內(nèi)，在dVR中，對(duì)反應(yīng)物A進(jìn)行物料衡算得： A輸入量＝A輸出量+A消耗量+A積累量 A的消耗量取決于反應(yīng)速度。在dτ內(nèi)

59、，在dVR中因反應(yīng)而消耗的反應(yīng)物A的量為AdVRdτ。 物料衡算式給出了反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物濃度或轉(zhuǎn)化率隨位置或時(shí)間的變化關(guān)系。,2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,2.3.4反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與選擇基礎(chǔ),83,反應(yīng)體積微元物料平衡圖,84,4 熱量平衡方程式,化學(xué)反應(yīng)通常都有顯著的熱效應(yīng)，因此，反應(yīng)體系的溫度會(huì)隨著反應(yīng)的進(jìn)行而發(fā)生改變，而溫度的改變又會(huì)影響化學(xué)反應(yīng)速度，所以必須進(jìn)行熱量衡算，以確定溫度隨反應(yīng)器內(nèi)位置或時(shí)間的變化關(guān)

60、系，從而進(jìn)一步計(jì)算化學(xué)反應(yīng)速度。,2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,2.3.4反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與選擇基礎(chǔ),85,4 熱量平衡方程式,分別選取微元體積dVR和微元時(shí)間dτ作為熱量衡算的空間基準(zhǔn)和時(shí)間基準(zhǔn)，在dτ內(nèi)對(duì)dVR進(jìn)行熱量衡算得： 物料帶入－物料帶出+過程熱效應(yīng)+外界輸入＝積累熱量 過程熱效應(yīng)由物理變化熱和化學(xué)變化熱組成，當(dāng)物理變化熱可以忽略時(shí)，上式可改寫為： 物料帶入-物料帶出+化學(xué)變化熱+外

61、界輸入＝積累熱量 熱量衡算式給出了反應(yīng)器內(nèi)溫度隨位置或時(shí)間的變化關(guān)系。,2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,2.3.4反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與選擇基礎(chǔ),86,反應(yīng)器的計(jì)算過程方法 實(shí)際上就是聯(lián)立求解物料衡算式、熱量衡算式和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式．對(duì)于等量過程，由于溫度不隨時(shí)間和空間而改變，因此僅需聯(lián)立求解物料衡算式和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式． 由于物料的流動(dòng)混合狀況直接影響著反應(yīng)器內(nèi)的濃度和溫度分布，因此，在聯(lián)立求解物料衡算式和

62、熱量衡算式時(shí)，必須知道反應(yīng)器內(nèi)物料的流動(dòng)混合狀況。,2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,4 熱量平衡方程式,87,2.3.5 反應(yīng)器的工藝計(jì)算,1. 間歇釜式反應(yīng)器的工藝計(jì)算 釜式反應(yīng)器間歇操作時(shí)，反應(yīng)物料按一定配比一次加入反應(yīng)釜，通過攪拌使物料混合均勻。經(jīng)過一定時(shí)間的反應(yīng)，且達(dá)到規(guī)定的轉(zhuǎn)化率后，將物料移出反應(yīng)器從而完成一個(gè)生產(chǎn)周期。 間歇釜式反應(yīng)器物料衡算具有的特點(diǎn)： 由于反應(yīng)器內(nèi)濃度、溫度均一，不隨位置

63、而變，故可對(duì)整個(gè)反應(yīng)器有效容積(反應(yīng)體積)進(jìn)行物料衡算。 由于間歇操作，物料的輸入量和輸出量均為零，因而物料衡算式為： A的消耗量 + A的積累量＝0,2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,88,由于 A的消耗量+A的積累量＝0，則：,xAf --反應(yīng)終止時(shí)反應(yīng)物A的轉(zhuǎn)化率,公式對(duì)等溫、非等溫、等容和變?nèi)葸^程均適用,(1)反應(yīng)時(shí)間的計(jì)算,2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,2.3.5 反應(yīng)器的工藝計(jì)算,89,在等容情況下，VR保持不

64、變，則：,2-22,上式表明，達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率所需要的反應(yīng)時(shí)間僅與反應(yīng)物的初始濃度和化學(xué)反應(yīng)速度有關(guān)，而與物料的處理量無關(guān)。因此，若能保證放大后的裝置在攪拌和傳熱兩方面均與提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)的裝置完全相同，就可以簡單地計(jì)算出大生產(chǎn)裝置的尺寸，實(shí)現(xiàn)高倍數(shù)的放大。要對(duì)上式進(jìn)行積分，尚需知道反應(yīng)速度與轉(zhuǎn)化率之間的函數(shù)關(guān)系，即反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式。,2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,90,2-22 得,2-23,2-24,2-25,2-26,2.3 反

65、應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,91,(2) 總?cè)莘e的計(jì)算,釜式反應(yīng)器間歇操作時(shí)，處理一定量物料所需要的有效體積VR不僅與反應(yīng)時(shí)間τ有關(guān)，而且與輔助操作時(shí)間τ’有關(guān)： VR= Vh (τ+τ') (2-27) VR反應(yīng)器的有效容積或反應(yīng)體積，m3 ；Vh每小時(shí)所需處理的物料體積， m3 h-1 ；τ為達(dá)規(guī)定轉(zhuǎn)化率所需反應(yīng)時(shí)間，h。,2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,92,(

66、2) 總?cè)莘e的計(jì)算,決定反應(yīng)器的總?cè)莘eVT，還需考慮裝料系數(shù)ψ： VT = VR/ψ （2-28）ψ一般為0.4～0.85。對(duì)于不起泡、不沸騰的物料，ψ可取0.7～0.85；對(duì)于起泡或沸騰的物料， ψ可取0.4～0.6；此外，裝料系數(shù)的選擇還應(yīng)考慮攪拌器和換熱器的體積。,2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,93,(3) 釜式反應(yīng)器的臺(tái)套數(shù)及單釜容積確定,對(duì)于給定的生產(chǎn)任務(wù)，總體

67、積Vd確定，根據(jù)工藝要求和反應(yīng)器系列標(biāo)準(zhǔn)，即可確定所需反應(yīng)器的臺(tái)數(shù)N及單釜容積VTS (m3 ) ①.已知VTS求N，對(duì)給定的處理量Vd (m3 d-1 )，每天需操作的總批數(shù)為α = Vd / VRS = Vd / VTS ψ （2-29） 每天每臺(tái)反應(yīng)器可操作的批數(shù)為 β= 24/ (τ+τ') （2-30） 完成給定生產(chǎn)任務(wù)所需的

68、反應(yīng)器臺(tái)數(shù)為 Np= α/ β （2-31） Np值圓成整數(shù)，這樣反應(yīng)器的實(shí)際生產(chǎn)能力后備系數(shù)δ(1.1~1.15) 為 δ=N/Np （2-32）,2.3 反應(yīng)器的選擇、設(shè)計(jì)與放大,94,②. 已知N求 VTS ，由式（2-31）和式（2-32）可求得每臺(tái)反應(yīng)器的容積為