《制药设备与工艺设计》第3章

1第3章反应设备3.1机械搅拌反应器3.2发酵设备23.1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0.6～0.7；若物料反应较平稳，则取装料系数0.8～0.85。●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V)(4432iiiDHDHD30)(4iDHiVD20244ikikDVVDVVHV0:物料体积Vk:封头体积16反应釜的高径比液-固相、液－液相1～1.3一般搅拌罐气－液相1～2发酵罐类发酵液1.7～2.5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291.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2.按搅拌器结构3.按搅拌的用途搅拌器分类30按流体流动形态分类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33TY120三窄螺旋叶搅拌器TY130推进式搅拌器TY140四宽螺旋叶搅拌器TY210型平直叶桨式搅拌器TY220斜叶桨式搅拌器TY240双折叶桨式搅拌器型式34TY250复合折叶桨式TY260椭圆叶桨式TY340三菱锥叶开启涡轮TY410框式搅拌器特殊框式搅拌器TY520斜叶开启涡轮TY530平直叶开启涡轮35TY610平直叶圆盘涡轮搅拌器TY640弧叶圆盘涡轮TY650箭叶式圆盘涡轮TY660抛物线圆盘涡轮TY715螺带螺杆搅拌器衬ＰＥ的搅拌器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1/12~1/10。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433.2发酵设备443.2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48间歇发酵罐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-657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=1.7~3；d/D=1/2~1/3W/D=1/8~1/12；B/D=0.8~1s/d=1.5~2.5(2);s/d=1~2(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=η0V0;η0是装料系数，0.7~0.8V=（0.7~0.8）V058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0.8~0.9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250~300m/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75高位筛板塔式发酵罐结构高度与直径比约为7左右罐内装有若干块筛板－1工作原理进料压缩空气由罐底导入，经过筛板逐渐上升发酵液随气泡上升，又通过筛板上的降液管－2下降，从而形成循环76高位筛板塔式发酵罐的特点造价仅为通用式发酵罐1/3左右不会因为轴封引起杂菌污染结构简单，维修方便，操作费用低77第3章作业简述立式搅拌反应器的整体结构？常用搅拌反应器的搅拌器有哪些类型？流型、径向流、轴向流的定义？列举出几种常用发酵罐的结构形式？