第五章-間歇式操作反應(yīng)器制藥工程

1、第五章 間歇式操作反應(yīng)器,5.1 生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)概論5.1.1 分類與特征按照生物反應(yīng)過程所使用的生物催化劑不同：酶反應(yīng)器；細(xì)胞生物反應(yīng)器根據(jù)反應(yīng)器物料的加入和排出方式的不同：間歇反應(yīng)器；連續(xù)反應(yīng)器；半間歇半連續(xù)反應(yīng)器根據(jù)生物催化劑在反應(yīng)器的分布方式：生物團(tuán)塊反應(yīng)器；生物膜反應(yīng)器,根據(jù)相態(tài)來分：有均相反應(yīng)器；非均相反應(yīng)器。理想的機(jī)械攪拌反應(yīng)器和理想管式反應(yīng)器的流型．即全混流和平推流。根據(jù)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)：包括罐式、管式、塔式、

2、膜式等。根據(jù)反應(yīng)器所需能量的輸入方式不同來分，則有機(jī)械攪拌、氣流攪拌和利用泵使液體強(qiáng)制循環(huán)的反應(yīng)器。(幾種常見的酶反應(yīng)器和細(xì)胞反應(yīng)器，見教材),5.1.2 基本設(shè)計(jì)方程生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是尋求反應(yīng)目的產(chǎn)物的高生成速率和高濃度，從而達(dá)到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)低成本的目的。生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容包括：①選擇合適的反應(yīng)器型式與操作方式。即根據(jù)生物催化劑和生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特征，以及物料的特性和生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，選擇合理的結(jié)構(gòu)類型、流動(dòng)方式和相關(guān)

3、的傳遞過程條件；②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)；③計(jì)算所需的反應(yīng)器體積，設(shè)計(jì)各種結(jié)構(gòu)參數(shù)等。,反應(yīng)器設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容是確定反應(yīng)器有效體積！,反應(yīng)器設(shè)計(jì)基本方程包括反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程、物料衡算式、能量衡算式和各種傳遞過程參數(shù)的計(jì)算式。,5.2 間歇式操作反應(yīng)器的設(shè)計(jì)5.2.1 間歇式操作的特點(diǎn)非穩(wěn)態(tài)過程所有物料具有相同的停留時(shí)間和反應(yīng)時(shí)間隨著反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)器的效率將降低,優(yōu)點(diǎn),①較適

4、合多品種、小批量的生產(chǎn)過程。有不少生物制品是小批量生產(chǎn)的，因此使用同一臺(tái)反應(yīng)裝置，可進(jìn)行多品種的生產(chǎn)。②較適合反應(yīng)速率較慢的生物反應(yīng)。由于多數(shù)生物反應(yīng)的速率較化學(xué)反應(yīng)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(yīng)器。③分批進(jìn)行的過程染菌率較低。,缺點(diǎn),間歇操作反應(yīng)器的缺點(diǎn)是：這種操作需要一定的輔助操作時(shí)間，生產(chǎn)效率較低；細(xì)胞或酶的反應(yīng)環(huán)境隨時(shí)間改變，產(chǎn)物生成速率與反應(yīng)時(shí)間有關(guān)；下游產(chǎn)物分離必須分批進(jìn)行等。,5.2.2 反應(yīng)時(shí)

5、間的計(jì)算,對(duì)液相反應(yīng)．如反應(yīng)器有效體積不隨時(shí)間發(fā)生變化，則有,反應(yīng)組分的轉(zhuǎn)化率=-反應(yīng)組分的累積速率,5.2.2.1 均相酶反應(yīng)過程,當(dāng)cs0<<Km時(shí)，即反應(yīng)呈一級(jí)反應(yīng)特征時(shí):,當(dāng)cs0>>Km時(shí)，即反應(yīng)呈零級(jí)反應(yīng)特征時(shí):,5.2.2.3 細(xì)胞反應(yīng)過程,5.2.2.4 最優(yōu)化反應(yīng)時(shí)間的計(jì)算,例如對(duì)均相酶反應(yīng)，假定其動(dòng)力學(xué)符合M—M方程，如果不考慮酶的失活，產(chǎn)物的初始濃度cP0=0：,,5.2.3 有效體積的計(jì)算

6、,舉例5-2,t=tr+tb,VR=V0(tr+tb),,,一．牛頓型流體,式中:τ－F/A流體剪切應(yīng)力，N/m2 ?－?/? 流體的粘度,Pa·s ?－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(yīng)過程的流體力學(xué)5.3.1 反應(yīng)介質(zhì)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(dòng)特性表達(dá)式：?＝K ?n (0<n<1)式中：

7、K－稠度系數(shù)；n－流動(dòng)特性指數(shù)特點(diǎn)：K越大，流體越粘稠；n值越小，流體的非牛頓特性越明顯。,2 漲塑性流體(膨脹型)流動(dòng)特性表達(dá)式：?＝K ?n (n>1)；n值越大，流體的非牛頓特性越明顯。,3 賓漢(Bingham)塑型流體流動(dòng)特性表達(dá)式: ?＝ ?0＋? ? 式中: ?0－屈服應(yīng)力； ?－剛度系數(shù)特點(diǎn)：當(dāng)?< ?0 時(shí)，流體不發(fā)生流動(dòng)。,4 凱松(Casson)流體流動(dòng)特性表達(dá)式：?0.5＝ ?00.

8、5＋Kc ? 0.5 Kc－凱松粘度,總之，流體特性因素都會(huì)對(duì)生化反應(yīng)器內(nèi)的質(zhì)量與熱量傳遞、混合特性及菌體生長等產(chǎn)生影響，這給工藝過程控制與設(shè)備放大帶來困難。在微生物反應(yīng)過程中，隨著細(xì)胞濃度和形態(tài)的變化、發(fā)酵液里營養(yǎng)物質(zhì)的消耗和代謝產(chǎn)物的積累，以及補(bǔ)料操作等等，都會(huì)使發(fā)酵液流動(dòng)模型中的參數(shù)發(fā)生明顯的變化，表現(xiàn)出明顯的時(shí)變性。,下圖是金色鏈霉菌發(fā)酵液的稠度系數(shù)K和流動(dòng)特性指數(shù)n隨發(fā)酵時(shí)間的變化情況。,5.3.2 影響流變性質(zhì)的因

9、素,當(dāng)發(fā)酵液中的顆粒呈球形或接近球形，且其濃度較低時(shí)，懸浮液一般為牛頓流體，其粘度可根據(jù)Einstein公式計(jì)算：?s=?L(1+2.5?) 式中：?s－懸浮液粘度； ?L－懸浮液中純液相粘度；? －顆粒的體積分率。當(dāng)顆粒所占的體積分率較大時(shí)，可按下式計(jì)算。 ?s=?L(1+2.5?+7.35?2),5.3.3 流體的剪切作用,5.3.3.1 機(jī)械攪拌的剪切力,（1）積分剪切因子,圖

10、5-12 漿葉附近的速度分布與切變速率估計(jì),葉尖,壁面,,,,,對(duì)于處于較高雷諾數(shù)(ReM>>625)的反應(yīng)器系統(tǒng)．這時(shí)可得df／d＝0.625,（2）時(shí)均切變率,（3）Kolmogoroff(柯爾莫戈羅夫 )漩渦長度,5.3.3.2 氣流攪拌的剪切力,圖5-16 氣泡在鼓泡反應(yīng)器中的經(jīng)歷,,5.4 生物反應(yīng)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(shí)，空氣中的氧在純水中的平衡濃度僅8.5g/m3，由于鹽析作

11、用，<8g/m3，僅是葡萄糖的1/6000。 氧是構(gòu)成細(xì)胞及其代謝產(chǎn)物的組分,通過體內(nèi)糖、脂肪等生物氧化獲得生命活動(dòng)所需的能量。,5.4.1 氣相間氧的傳遞與反應(yīng),一．幾個(gè)基本概念 ①溶解氧濃度CL 單位體積液體中可溶解氧的量 ②比耗氧速率(呼吸強(qiáng)度)QO2：?jiǎn)挝毁|(zhì)量的細(xì)胞(干重)在單位時(shí)間內(nèi)所消耗氧的量(mol O2/kg·s) ③攝氧率r：?jiǎn)挝惑w積培養(yǎng)液在單位時(shí)間內(nèi)所消耗氧的量

12、(mol O2/m3·s) r = QO2·X 其中： X－細(xì)胞濃度二．影響細(xì)胞耗氧速率的因素 營養(yǎng)物質(zhì)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(kuò)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(xì)胞團(tuán)外液膜阻力R5;,(6)液體與細(xì)胞團(tuán)界面阻力R6;,(7)細(xì)胞之間的

13、擴(kuò)散阻力R7;,(8)進(jìn)入細(xì)胞的阻力R8,,,,,,,,,在克服各阻力進(jìn)行氧傳遞時(shí)，要損失推動(dòng)力。氧傳遞過程的總推動(dòng)力是氣相與細(xì)胞內(nèi)氧分壓之差。達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，各步單位面積上氧的傳遞速率相等,四．氧傳遞速率方程 當(dāng)氣液界面不存在表面活性物質(zhì)時(shí)，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(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)：,式中： ci－氣液界面氧濃度(mol/m3)； c－液相主體氧濃度；

14、 c*－為與p平衡的氧濃度； kL、 kG －分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(zhǔn)的總傳質(zhì)系數(shù)。,對(duì)于易溶氣體，如氨氣溶于水中時(shí)，液膜的傳質(zhì)阻力相對(duì)于氣膜可忽略對(duì)于難溶氣體，如氧氣溶于水中時(shí)，氣膜的傳質(zhì)阻力相對(duì)于液膜可忽略,兩別同時(shí)乘以a(單位體積反應(yīng)液中氣液比表面積),kLa------體積傳質(zhì)系數(shù),五．氧傳遞對(duì)細(xì)胞生長的影響,氧的傳遞速率與氧的消

15、耗速率的關(guān)系,六．最低溶氧濃度,,,5.4.2 影響氧傳遞的因素,(1)飽和溶解氧濃度,(2)液膜傳質(zhì)系數(shù),(3)氣液比表面積,,一、亞硫酸氧化法 為非培養(yǎng)狀態(tài)下測(cè)定kLa的方法 O2+2Na2SO3 → 2Na2SO4,5.4.3 體積傳質(zhì)系數(shù)的測(cè)定,二、動(dòng)態(tài)法,當(dāng)停止通風(fēng)時(shí)，有：,下降到一定程度，恢復(fù)通風(fēng)：,當(dāng)氣泡直徑小于2.5mm時(shí)：,其中：Δρ—液體與氣體密度差；μ、ρ—液體的粘度、密度,5.

16、4.4 體積傳質(zhì)系數(shù)kLa的計(jì)算,當(dāng)氣泡直徑大于2.5mm時(shí)：,例5-4,5.5 機(jī)械攪拌反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)與計(jì)算,5.5.1 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與操作參數(shù)（1）基本結(jié)構(gòu)與尺寸,全擋板（即在攪拌罐中再增加擋板或其他附件時(shí)，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,（3）通氣速率與攪拌速度,轉(zhuǎn)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(huì)增加功率消耗。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)：在全擋板條件下，液面沒有渦流，此時(shí)指數(shù)y為零，

17、(Fr)y＝1。,5.5.2 攪拌功率的計(jì)算,Np—攪拌功率特征數(shù)；ReM—攪拌雷諾數(shù)；Fr-攪拌弗魯特?cái)?shù)；K-與攪拌器的形式和反應(yīng)器幾何尺寸相關(guān)的常數(shù)。,在全擋板條件下，液面不產(chǎn)生中心下降的漩渦，此時(shí)y=0，Np僅是攪拌雷諾準(zhǔn)數(shù)的函數(shù)。當(dāng)攪拌雷諾準(zhǔn)數(shù)小于10，x=-1，液體處于滯流狀態(tài)，Np=KR-1em當(dāng)攪拌雷諾準(zhǔn)數(shù)大于104，液體處于湍流狀態(tài)，Np=K，即,當(dāng)不滿足以上條件時(shí)，需做出修正：P*=fP,帶*號(hào)表示實(shí)際攪拌

18、設(shè)備情況。當(dāng)有多層攪拌器，功率為：Pm=P[1+0.6(m-1)]=P(0.4+0.6m)其中，m為攪拌器的層數(shù)。,通風(fēng)狀態(tài)下，攪拌功率將發(fā)生變化，此時(shí)引入通風(fēng)準(zhǔn)數(shù)Na.,其中，Qg為通風(fēng)量[m3/min]。,5.6 反應(yīng)過程的傳熱特性5.6.1 反應(yīng)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(yīng)熱，J/(m3·s)；QA--- 攪拌造成的放熱速率