《制药设备与工艺设计》第3章解析.ppt

1,第3章反应设备,3.1机械搅拌反应器3.2发酵设备,2,3.1机械搅拌反应器,反应设备的定义、应用搅拌反应器的结构搅拌器搅拌器附件,3,反应设备的定义,用来进行化学反应的装置，通常称为反应器。,4,反应设备的应用,通过对参加反应的介质的充分搅拌，使物料混合均匀；强化传热效果和相间传质；使气体在液相中作均匀分散；使固体颗粒在液相中均匀悬浮；使不相容的另一液相均匀悬浮或充分乳化。,5,按结构型式分类，可分为：釜式反应器管式反应器塔式反应器固定床反应器流化床反应器,反应设备的类型,6,釜式反应器釜式反应器也称槽式、锅式反应器。参与反应的物料一次投入，反应完成后，产物一次卸出的反应器。特点：装置简单、互换性大，投资低等。管式反应器管式反应器主要用于气相、液相、气液相连续反应过程。,反应设备的类型,7,管式反应器结构示意图,8,鼓泡塔反应器结构示意图1分布格板；2夹套；3气体分布器；4塔体；5挡板；6塔外换热器；7液体捕集器；8扩大段,塔式反应器,9,固定床反应器固定床反应器是指流体通过静止不动的固体物料所形成的床层而进行化学反应的设备。以气-固反应的固定床反应器最常见。流化床反应器把反应器和在其中呈流态化的固体催化剂颗粒合在一起，成为流化床反应器。流化床反应器多用于气-固反应过程。,10,机械搅拌反应器,用于溶解、稀释等多种传递过程；化学反应过程。,11,搅拌反应器的结构,三大部分组成：搅拌装置轴封搅拌罐,传动装置,搅拌轴,搅拌器,轴封,罐体,夹套,人孔,压出管,12,夹套反应器罐体尺寸示意,罐体尺寸确定,13,罐体尺寸确定,高径比确定罐体高径比的考虑因素从减少搅拌功率的角度考虑，高径比可取得大一些。从传热角度看，希望高径比可取得大一些；当容积一定时，高径比大、罐体就高，盛料部分表面积大、传热面积也就大。要考虑物料的状态，对发酵类物料，为了使通入罐内的空气与发酵物料充分接触，高径比应取得大一些。,14,直径及高度确定装料系数若物料在反应过程中产生泡们沫或呈沸腾状态，取装料系数0.60.7；若物料反应较平稳，则取装料系数0.80.85。直径及高度确定1、在初步确定H/Di后，可先忽略封头的容积，近似计算出罐体的容积。,15,得2、将上式计算的结果圆整为标准直径，再代入下式中克计算出罐体的高度,V0:物料体积,Vk:封头体积,16,反应釜的高径比液-固相、液液相11.3一般搅拌罐气液相12发酵罐类发酵液1.72.5在确定反应釜直径及高度时还应根据反应釜操作时所允许的装料程度一装料,17,传热装置夹套,可拆卸的夹套,不可拆卸的夹套,18,蛇管,蛇管结构,19,工艺接管进料管,进料管结构,20,出料管,下部出料管,上部出料管,21,搅拌器,搅拌器又称搅拌桨或搅拌叶轮，是搅拌反应器的关键部件功能是提供过程所需要的能量和适宜的流动状态。,22,流型,搅拌器旋转时把机械能传递给流体，在搅拌器附近形成高湍动的充分混合区，并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径称为流型。流型的影响因素搅拌器的形式搅拌容器和内构件几何特征流体性质搅拌器转速,23,三种基本流型,搅拌机顶插式中心安装的立式圆筒的三种基本流型径向流轴向流切向流,24,径向流,流体的流动方向垂直于搅拌轴，沿径向流动，碰到容器壁面分成两股流体分别向上、向下流动，再回到叶端，不穿过叶片，形成上、下两个循环,25,轴向流,流体的流动方向平行于搅拌轴，流体由叶桨推动，使流体向下流动，遇到容器底面再翻上，形成上下循环流。,26,切向流,无挡板的容器内，流体绕轴作旋转运动，流速高时的液体表面会形成漩涡，这种流型称为切向流混合效果很差,27,三种流型同时存在轴向流与径向流对混合起主要作用切向流应加以抑制挡板可削弱切向流,增强轴向流和径向流,28,搅拌器在容器内的安装方式,除中心安装的立式圆筒不同方式安装的搅拌机产生的流型各不相同,29,按流体流动形态轴向流搅拌器径向流搅拌器混合流搅拌器按搅拌器结构按搅拌的用途,搅拌器分类,30,按流体流动形态分类,31,常用搅拌器及流型示意,浆式、推进式、涡轮式和锚式搅拌器在搅拌反应设备中应用最为广泛，据统计约占搅拌器总数的7580。,32,按搅拌器结构分类,采用平叶和折叶的搅拌器桨式涡轮式框式锚式采用螺旋面叶的搅拌器推进式螺杆式螺带式,33,搅拌器型式,34,35,36,用于低黏流体的搅拌器推进式长薄叶螺旋桨式圆盘涡轮式用于高黏流体的搅拌器锚式框式螺旋桨式螺带式,按搅拌用途分类,37,根据搅拌过程的特点和主要控制因素进行选型,搅拌器选型,38,挡板导流筒搅拌附件的作用改善反应器内流体的流动状态改变径向流,提高混合效果保护搅拌器减少剧烈旋转的液体结合漩涡作用对搅拌轴产生冲击作用,搅拌器附件,39,安装4块挡板，其宽度为容器直径的1/121/10。传热蛇管可代替挡板（垂直换热管时可不再安装挡板）,挡板,40,避免旋涡现象，增大被搅拌液体的湍流程度切向流动变为轴向和径向流动，强化反应器内液体的对流和扩散，改善搅拌效果。,搅拌反应器的挡板结构,挡板的作用,41,上下开口圆筒，安装于容器内，在搅拌混合中起导流作导流筒的直径约为容器直径的70%涡轮式或桨式搅拌器，导流筒置于桨叶的上方推进式搅拌器，导流筒套在桨叶外面,导流筒,42,机械搅拌反应器的传动装置1电动机；2减速器；3联轴器；4机座；5轴封装置；6底座；7封头；8搅拌轴；,传动装置,43,3.2发酵设备,44,3.2发酵设备,发酵的操作过程发酵罐的设计要求常用发酵罐机械搅拌式发酵罐自吸式发酵罐气升式发酵罐塔式发酵罐,45,什么是发酵,生物化学中把酵母的无氧呼吸过程称作发酵微生物生理学：有机物被生物体氧化降解成氧化产物并释放能量的过程工业生产上笼统地把一切依靠微生物的生命活动而实现的工业生产均称为“发酵”发酵的菌种微生物，包括细菌、病毒、真菌以及一些小型的原生动物等在内的一大类生物群体,46,什么是酵母,一种单细胞真菌,在有氧和无氧环境下都能生存,属于兼性厌氧菌有氧气的环境中，酵母菌将葡萄糖转化为水和二氧化碳无氧的条件下，将葡萄糖分解为二氧化碳和酒精C6H12O62C2H5OH+2CO2+2ATP(放出能量:118kJ/mol)酿酒过程中，乙醇被保留下来烤面包或蒸馒头的过程中，二氧化碳将面团发起，而酒精则挥发,47,发酵罐的操作和设计要求,气-液接触浓度的在线检测混合传热泡沫控制营养物或控制pH用的试剂的加入,结构可靠良好的气液接触和液固混合性能减少机械搅拌和通气所消耗的动力良好的传热性能设置有效的消泡沫装置必要和可靠的监测及控制仪表,48,间歇发酵罐,49,发酵罐的设计要求,50,发酵罐型式,按搅拌和通气的能量输入方式可分为机械搅拌式外部液体循环式空气喷射提升式,51,机械搅拌式,52,外部液体循环式,53,空气喷射提升式,54,常用发酵罐,机械搅拌式发酵罐自吸式发酵罐气升式发酵罐塔式发酵罐,55,机械搅拌式发酵罐,机械搅拌压缩空气通气装置,56,机械搅拌式发酵罐,主要组成部件罐体-1搅拌装置-2传热装置-4通气装置-7传动机构-6,57,罐体,组成圆筒形筒身上下两个椭圆形封头几何尺寸比例H/D=1.73；d/D=1/21/3W/D=1/81/12；B/D=0.81s/d=1.52.5(2);s/d=12(3)发酵罐的公称容积V0为筒身部分容积Vc和底封头容积Vb之和，即V0=Vc+Vb实际装料量V=0V0;0是装料系数，0.70.8V=（0.70.8）V0,58,罐体,接管和接口冷却水、给排气、取样、放料、接种、消泡剂、酸、碱等工艺接管视镜、仪表等接口材料不锈钢钢板或复合不锈钢板以保证罐内培养液清洁和壁面光滑压力容器用钢强度能承受灭菌蒸汽的压力和温度,59,搅拌装置,采用圆盘涡轮式搅拌器配置2-3个搅拌器有利于液体本身的混合及气液和液固之间的混合改善传质和传热有助于氧的溶解,60,通气装置,将无菌空气导入罐内的装置单孔管单孔管的出口位置正下方开口向下,61,传热装置,发酵过程中发酵液产生热量最适宜培养温度冷却水导出部分热量发酵罐的传热装置有夹套和蛇管,62,机械消末装置,发酵过程中，由于发酵液中含有大量蛋白质等发泡物质，在强烈的通气搅拌下将产生大量泡沫消除发酵液泡沫消泡剂(天然油脂、聚醚类、硅类、高碳醇)机械消泡装置,63,耙式消泡桨,消泡桨安装于搅拌轴上，与轴同转，齿面略高于液面，消泡桨直径约为罐径的0.80.9当少量泡沫上升时，如果泡沫的机械强度较小，耙齿可把泡沫打碎。,64,封闭式涡轮消泡桨,尺寸消沫器直径约为罐径的1/2安装涡轮消沫器直接安装于搅拌轴上，由于搅拌轴转速太低效果不佳下伸轴发酵罐，罐顶安装，涡轮轴高速旋转工作过程泡沫直接被涡轮打碎，或被涡轮抛出撞击到罐壁而破碎,65,自吸式发酵罐,不需空气压缩机自吸入空气的生物反应器,66,自吸式发酵罐的形式,形式叶轮和导轮自吸入式发酵罐喷射自吸式反应器文丘里管反应器共同特点:利用特殊转子或喷射器或文丘里管所形成的负压，将空气从外界吸入,67,文氏管的原理,文氏管的原理把气流由粗变细，以加快气体流速，使气体在文氏管出口的后侧形成一个“真空”区。当这个真空区靠近工件时会对工件产生一定的吸附作用,68,自吸式发酵罐的优点,节约了空气净化系统中的空气压缩机、冷却器、油水分离器、空气贮罐等设备，减少占地面积可减少发酵设备投资约30%左右发酵总动力消耗比通用式低,69,自吸式发酵罐的缺点,必须采用高效率、低阻力的空气除菌装置用于无菌要求较低的醋酸和酵母的发酵生产中不适用于对剪切作用敏感的微生物的发酵,70,气升式发酵罐,71,工作原理,利用空气喷嘴喷出250300m/s高速的空气，空气以气泡形式分散于液体中，使平均密度下降；在不通气一侧，因液体密度较大，与通气侧的液体产生密度差，从而形成发酵罐内液体的环流,喷嘴,72,类型,73,气升式发酵罐的特点,能耗低、液体中的剪切作用小、结构简单氧传递能力比机械搅拌发酵罐高不适于高黏度或含大量固体的培养液,74,塔式发酵罐,利用通入培养液中的空气泡的上升，从而带动液体运动，产生混合效果，并供给微生物生长繁殖所需要的氧,7