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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。优优点点：连连续续操操作作具具有有生生产产能能力力大大、产产品品质质量量稳稳定定、易易实实现现机机械械化化和和自自动动化化等等，因因此此大大规规模模工工业业生生产产的的反反应应器器多多采用连续操作。采用连续操作。缺缺点点：连连续续操操作作适适应应能能力力较较
5、差差，系系统统一一旦旦建建成成，要要改改变变产产品品品品种种往往往往非非常常困困难难，有有时时甚甚至至要要较较大大幅幅度度地地改改变变产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 原原料料或或产产物物中中有有一一种种或或一一种种以以上上的的为为连连续续输输入入或或输输出出，而而其其余余的的（至至少少一一种种）为为分分批批加加入入或或卸卸出出的的操操作作，均均属属半半连连续续操操作作，相相应应的的反反应应器器为为半半连连续续反反应应器器。原原料料药药生生产产中中气气液液反反应应常常常常采采用用半半连连续续操操作
6、作。例例如如，氯氯气气和和对对绿绿甲甲苯苯生生产产2,4-2,4-二氯甲苯。二氯甲苯。半半连连续续反反应应器器中中的的物物料料组组成成既既随随着着时时间间而而变变化化，又又随随位位置置而而变变化化。釜釜式式、管管式式、塔塔式式以以及及固固定定床床反反应应器器等等都都有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反应应器器计计算算所所应应用用的的基基本本方方程程式式主主要要有有反反应应动动力力学学方方程程式式、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反应，反应速度可用单位时间、单位体积的反
7、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对于等容过程对于等容过程:对于等容过程：对于等容过程：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：k反反应应速度常数，速度常数，n反反应级应级数数若反若反应为应为气相，气相，则则反反应动应动力学方程式可以用力学方程式可以用组组分的分分的分压压
8、表示：表示：kp以反以反应应物物压压力表示的反力表示的反应应速度常数，速度常数，pA反反应应体系中反体系中反应应物物A的分的分压压，PaR理想气体常数，理想气体常数，8.314T体系温度，体系温度，K用不同用不同组组分表示化学反分表示化学反应应速度速度时时数数值值也不一定相同，如反也不一定相同，如反应应组组分分A、B的消耗速度与的消耗速度与组组分分M、N生成速度关系式生成速度关系式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2 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
9、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。3 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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、，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。高速旋转的搅拌。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轮半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
17、径向分速度可以使液体形成如图的总体循环流径方向流出。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周运动，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。应采取措施予以抑制。与与推推进进式式比比涡涡轮轮式式不不仅仅产产生生较较大大的的循循环环量量，而而且且对对桨桨叶叶外外缘缘附附件件的的液液体体产产生生较较强强的的剪剪切切作作用用。常常用用于于粘粘度度小小的的液液体体传热、反应以及固液悬浮、溶解和气体分散等过程传热、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
18、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）
19、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拌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径器。搅拌器的旋转直径一般为釜径的的0.90.98倍，常用转速为倍，常用转速为1100r.min1。此类搅拌器一般在层流。此类搅拌器一般在层流状态下操作，主要使液体产生水平状态下操作，主要使液体产生水平环向流动，基本不产生轴向流动，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
20、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 可可以以提提高高轴轴向向混混合合效效果果。搅搅拌拌器器的的旋旋转转直直径径一一般般为为釜釜径径的的0.90.98倍倍，常常用用转转速速为为0.550r.min1。此此类类搅搅拌拌器器也也在在层层流流状状态态下下操操作作，但但在在螺螺带带的的作作用用下下，液液体体沿沿着着
21、螺螺旋旋面面上上升升或或下下降降形形成成轴轴向向循循环环流流动动，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。搅拌器选型搅拌器选型搅拌器附件搅拌器附件打打旋旋现现象象：当当搅搅拌拌器器置置于于容容器器中中心心搅搅拌拌低低粘粘度度液液体体时时，若若叶叶轮轮转转速速足足够够高高，液液体体就就会会在在离离心心力力的的作作用用下下涌涌向向釜釜壁壁，使使釜釜壁壁处处的的液液面面上上升升，而而中中心心处处的的液液面面下下降降，结结果果形形成成了了一一个个大大漩漩涡涡，这种现象叫打旋。这种现象叫打旋。打打旋旋
22、现现象象危危害害：叶叶轮轮的的转转速速越越大大，形形成成的的漩漩涡涡就就越越深深，但但各各层层液液体体之之间间几几乎乎不不发发生生轴轴向向混混合合，且且当当物物料料为为多多相相体体系系时时，还还会会发发生生分分层层或或分分离离现现象象。更更为为严严重重的的是是，当当液液面面下下凹凹至至一一定定深深度度后后，叶叶轮轮中中心心部部位位将将暴暴露露于于空空气气中中，并并吸吸入入空空气气，使使被被搅搅拌拌液液体体的的表表观观密密度度和和搅搅拌拌效效率率下下降降。此此外外，打打旋旋还还会会引引起起功功率率波波动动和和异异常常作作用用力力，加剧搅拌器的震动，甚至无法工作。加剧搅拌器的震动，甚至无法工作。（
23、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，
24、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。导导流流筒筒为为一一圆圆筒筒体体，其其作作用用是是使使桨桨叶叶排排出出的的液液体体在在导导流流筒筒内内部部和和外外部部形形成成轴轴向向循循环环流流动动。导导流流筒筒可可限限定定釜釜内内液液体体的的流流动动路路线线，迫迫使使釜釜内内液液体体通通过过导导流流筒筒内内的的强强烈烈混混合合区区，既既能能提提了了循循环环流流量量和和混混合合效效果果，又又有助于消除短路与流动死区。有助于消除短路与流动死区。（2）导流筒）导流筒传动装置及搅拌轴传动装置及搅拌轴（1）电电机机
25、（2）减速装置）减速装置（3）搅搅拌拌轴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、釜式反应器釜式反应器特点特点 结结构构简简单单、加加工工方方便便；釜釜内内设设有有搅搅拌拌装装置置，釜釜外外常常设设传传热热夹夹套套，传传质质和和传传热热效效率率均均较较高高；在在搅搅拌拌良良好好的的情情况况下下，釜釜式式反反应应器器可可近近似似看看成成理理想想混混合合反反应应器器，釜釜内内浓浓度度、温温度度均均一一，化化学学反反应应速速度度处处处处相相等等；釜釜式式反反应应器器操操作作灵灵活活，适适应应性性强强，便便于于控控制制和和改改
26、变变反反应应条条件，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、反应时间应时间的的计计算算 搅搅拌拌良良好好的的间间歇歇釜釜式式反反应应器器可可视视为为理理想想混混合合反反应应器器，其物料衡算具有以下特点：其物料衡算具有以下特点：（1）由由于于反反应应器器内内温温度度、浓浓度度均均一一，不不随随位位置置而而变变，故故可可对对整个反整个反
27、应应器有效容器有效容积积（反（反应应体体积积）进进行物料衡算；行物料衡算；（2）由由于于间间歇歇操操作作，物物料料衡衡算算式式“A的的输输入入量量A的的输输出出量量A的的消消耗耗量量A的的积积累累量量”中中的的输输入入、输输出出量量均均为为零零。间间歇釜式反歇釜式反应应器的物料衡算式器的物料衡算式为为-A的消耗量的消耗量A的的积积累量累量等容过程等容过程对于零级反应，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，故类似地，将二级反应动力学方程式类似
28、地，将二级反应动力学方程式 代入得代入得2、反、反应应器器总总容容积积的的计计算算釜式反釜式反应应器器间间歇操作歇操作时时，每，每处处理一批物料都需要一定的出料、理一批物料都需要一定的出料、清洗、加料等清洗、加料等辅辅助操作助操作时间时间，故，故处处理一定量物料所需要的有理一定量物料所需要的有效体效体积积不不仅仅与反与反应时间应时间有关，而且与有关，而且与辅辅助操作助操作时间时间有关。有关。VR反反应应器的有效容器的有效容积积或反或反应应体体积积，即物料所占有的体，即物料所占有的体积积，m3Vh每小每小时时所需所需处处理的物料体理的物料体积积，m3.h-1达到达到规规定定转转化率所需要的反化率
29、所需要的反应时间应时间，h辅辅助操作助操作时间时间，h注：注：辅辅助操作助操作时间时间一般根据一般根据经验经验确定。确定。为为了提高了提高间间歇釜式反歇釜式反应应器的器的生生产产能力，能力，应设应设法减少法减少辅辅助操作助操作时间时间。决定反决定反应应器的器的总总容容积积VT，还还需考需考虑虑装料系数装料系数装装料料系系数数一一般般为为0.40.85。对对于于不不起起泡泡、不不沸沸腾腾的的物物料料，可可取取0.70.85；对对于于起起泡泡或或沸沸腾腾的的物物料料，可可取取0.40.6。此外装料系数的此外装料系数的选择还应该选择还应该考考虑搅虑搅拌器和拌器和换热换热器的体器的体积积。3、釜式反、
30、釜式反应应器的台数及器的台数及单单釜容釜容积积的确定的确定 对对于于给给定定的的生生产产任任务务，在在求求得得所所需需反反应应器器的的容容积积VT后后，再再根根据据工工艺艺要要求求和和反反应应器器系系列列标标准准，即即可可确确定定所所需需釜釜式式反反应应器的台数器的台数N及单釜容积及单釜容积VTS。生生产产中有以下几种可能情况。中有以下几种可能情况。（1）已知）已知VTS，求，求N 这这种种情情况况在在产产品品扩扩产产或或更更新新时时比比较较常常见见。此此时时，工工厂厂已已有有若若干干台台反反应应器器，需需通通过过计计算算确确定定扩扩产产或或更更新新后后所所需需要要的的反反应应器台数。器台数。
31、对对于于给给定的定的处处理量，每天需操作的理量，每天需操作的总总批数批数为为式中式中 每天需处理的物料体积，每天需处理的物料体积，m3.d-1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每天每台反每天每台反应应器可操作的批数器可操作的批数为为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，即一般情况下，一般情况下，的值在的值在1.11
32、.15之之间较为间较为合适。合适。（2）已知）已知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。（3）N及及VTS均均为为未知未知，求，求N和和VTS 这这种种情情况况在在新新建建制制药药工工程程项项目目中中较较为为常常见见。计计算算时时，可可结结合合工工艺艺要要求求及及厂厂房房等等具具体体情情况况，先先假假设设反反应应器器的的单单釜釜容容积积VTS或或所所需需反反应应器器的的台台数数N，然然后后按按上上述述方方法法计计算算出出N或或VTS值值。由由于于台台数数一一般般不不会会很很多多，因因此此常常先先
33、假假设设几几个个不不同同的的N值值求求出出相相应应的的反反应应釜釜容容积积VTS，然然后后再再根根据据工工艺艺要要求求及及厂厂房房等等具具体体情情况况，确确定定一一组组适宜的适宜的N和和VTS值值作作为设计值为设计值。4、釜式反、釜式反应应器主要工器主要工艺艺尺寸的确定尺寸的确定 一一般般情情况况下下，釜釜式式反反应应器器的的高高度度H为为直直径径D的的1.2倍倍左左右右，釜釜盖盖和和釜釜底底均均采采用用标标准准椭椭圆圆形形封封头头，封封头头高高度度H1（不不含含直直边边）为为直直径径D的的0.25倍，则釜式反应器的圆筒体高度倍，则釜式反应器的圆筒体高度H2（含封头直边）为（含封头直边）为反应
34、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之后，检验装料系数是否合适之后，检验装料系数是否合适釜釜式式反反应应器器主主要要工工艺艺尺尺寸寸确确定定后后，其其壁壁厚厚可可通通过过强强度度计计算算确确定定，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
35、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，因而反应器的生产效率较低。应器的生产效率较低。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
36、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
37、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）空气空气生生物物催催化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流程图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。
38、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。入。在保证发酵要求
39、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。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 由由于于大大多多数数微微生生物物都都
40、需需要要氧氧，因因此此发发酵酵罐罐通通常常采采用用通通气气和和搅搅拌拌的的方方法法来来增增加加氧氧的的溶溶解解，以以满满足足微微生生物物反反应应的的需需要要。既既具具有有机机械械搅搅拌拌又又具有压缩空气分布装置的发酵罐用途较广，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。发发酵酵过过程程中中生生化化反反应应和和机机械械搅搅拌拌所所产产生生的的热热量量必必须须及及时时移移除除以以保保证证发发酵酵在在恒恒温温下下进进行行。换换热热装装置置有有夹夹套套和和蛇蛇管管两两种种，一一般般容容积积小小于于5m3的的发发酵酵罐罐采采用用夹夹套套换换热热，而而大大于于5m3的的发
41、发酵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。罐罐体体、搅搅拌拌装装置置、换换热热装装置置、挡挡板板、消消泡泡器器、电电动动机机与与变变速速装装置置、压压缩缩空空气气分分布布装装置置等等，并并在在壳壳体体适适当当部部位位设设置置排排气气、取取样样、放放料料、接接种种、酸酸碱碱等等管管道道接接口口以以及及人人孔、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，以保证罐内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制作。培
42、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。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的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的混合，以改善传质和传热过程，特别是有助于氧的溶解。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
43、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
44、）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
45、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带有有中中央央吸吸气气口口搅搅拌拌器的自吸式发酵罐器的自吸式发酵罐最关键的部件：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
46、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，减少厂自吸入罐内，可节约设备，减少厂房占地面积。房占地面积。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，必须吸程（吸入压头）一般不高，必须在吸风口设置高效率
47、、低阻力的空在吸风口设置高效率、低阻力的空气除菌装置，故多用于无菌要求较气除菌装置，故多用于无菌要求较低的醋酸和酵母的发酵生产中。低的醋酸和酵母的发酵生产中。大型自吸式发酵罐的搅拌吸气叶轮大型自吸式发酵罐的搅拌吸气叶轮线速度可达线速度可达30m/s30m/s，转子周围形成强，转子周围形成强烈的剪切区域，不适用于某些如丝烈的剪切区域，不适用于某些如丝状菌等对剪切作用敏感的微生物。状菌等对剪切作用敏感的微生物。三、塔式发酵罐三、塔式发酵罐与机械搅拌式发酵罐比塔式发酵罐主要优点：与机械搅拌式发酵罐比塔式发酵罐主要优点：省去了轴封，从而避免了因轴封而造成的细菌污染；省去了轴封，从而避免了因轴封而造成的
48、细菌污染；反应器结构简单；反应器结构简单；功率消耗小功率消耗小减轻了剪切力对细胞的损害。减轻了剪切力对细胞的损害。最简单的鼓泡塔式反应器内部为一空塔，塔的最简单的鼓泡塔式反应器内部为一空塔，塔的底部用筛板或气体分布器来分布气体，利用通底部用筛板或气体分布器来分布气体，利用通入培养液中的气泡上升时带动液体从而将液体入培养液中的气泡上升时带动液体从而将液体混合，并供给微生物生长繁殖所需要的氧。混合，并供给微生物生长繁殖所需要的氧。塔塔式式反反应应器器的的形形式式多多样样，最最具具代代表表性性的的是是鼓泡式和气升式。鼓泡式和气升式。鼓泡塔内液相一般为连续相而气相为分散相。鼓泡塔内液相一般为连续相而气
49、相为分散相。反应器内流体的流动状况则是随气速的大小而反应器内流体的流动状况则是随气速的大小而变化的。变化的。通常在鼓泡塔内装有多层水平筛板以利于气体通常在鼓泡塔内装有多层水平筛板以利于气体的分散和液体的循环运动。的分散和液体的循环运动。四、气升式发酵罐四、气升式发酵罐气升式发酵罐是利用空气气升式发酵罐是利用空气喷嘴喷出的高速空气，空喷嘴喷出的高速空气，空气以气泡形式分散于液体气以气泡形式分散于液体中，使平均密度下降；不中，使平均密度下降；不通气的一侧，因液体密度通气的一侧，因液体密度较大，于通气侧液体产生较大，于通气侧液体产生密度差，从而形成发酵罐密度差，从而形成发酵罐内液体的环流。内液体的环流。优点：能耗低、液体中的剪切作用小、结构简单。同样能耗下，其氧优点：能耗低、液体中的剪切作用小、结构简单。同样能耗下，其氧传递能力比机械搅拌发酵罐要高得多，因此，在大规模生产单细胞蛋传递能力比机械搅拌发酵罐要高得多，因此，在大规模生产单细胞蛋白时备受重视。白时备受重视。缺点：不适于高黏度或含大量固体的培养液。缺点：不适于高黏度或含大量固体的培养液。