制药工程基础课件3-11

姚日生、王淮、邓胜松制药工程原理与设备PrincipleandEquipmentofPharmaceuticalEngineering国家级精品课程第二章制药反应工程基础与设备本章重点在于让学生掌握理想反应器计算的基本原理和设计方法，难点是搅拌器功率的计算和生化反应器的放大设计。教学内容教学提示化学以及生物反应动力学、理想反应器的流体流动模型、非牛顿流体流变特性，化学与生物反应设备的结构与性能，搅拌釜式反应器以及发酵罐的反应体积计算与操作方式的关系，搅拌器功率的计算；生化反应器的放大设计第二章制药反应工程基础反应器的功能结构物料衡算式热量衡算式化学以及生物反应动力学流体流动与混合非牛顿流体的流变特性搅拌的功能作用与结构基于微元分析和无因次分析的搅拌轴功率计算式设备放大设计本章理论知识涉及介绍学习熟悉设备放大设计工作程序，掌握结合生产任务和工程工艺技术分析、开展设备的放大设计方法。反应器大小的计算设备选型搅拌轴功率大小计算搅拌结构选型1.1化学以及生物反应动力学1.2非牛顿流体的流变特性1.3流体流动与混合第二章制药反应工程基础与设备第一节反应工程基础（背景知识）1.1化学以及生物反应动力学第二章制药反应工程基础与设备第一节反应工程基础（背景知识）反应速率：单位时间、单位反应区中物质量的变化（反应量或产物的生成量）。]][[反应区反应时间反应量反应速率反应体积：固相、液相或催化剂的堆体积反应表面积：气固相催化反应中催化剂的内表面积或非均相反应中的相界面积反应系统的质量：固体或催化剂的质量反应区1.1.1反应速率[1]化学反应动力学研究（排除传递过程影响的）化学反应速率的快慢和反应进行的方式，讨论反应本身的速率变化规律和反应机理。生物反应动力学还要基于影响反应的生物量进行研究，生物量在发酵过程中是变化的。因此，比化学反应动力学要复杂。[1]罗康碧、罗明河、李沪萍编著反应工程原理，北京，科学出版社，2005年版（2-1）第二章制药反应工程基础与设备第一节反应工程基础（背景知识）1.化学以及生物反应动力学1.1.1反应速率(1)间歇过程反应期间没有物料进出反应速率以单位时间内单位反应体积中组分i的物质量的变化量来表示：VdtdnriiVriV组分i的单位体积反应速率，kmol/(m3·h)或mol/(L·s)V反应体积，m3或Lni组分i的瞬间量，kmol或molt反应时间，h或s（2-2）对间歇均相恒容反应有dtdcriiV对间歇多相反应体系，反应仅在相界面上发生，有对间歇流固相反应体系，反应区可用单位质量固体（催化剂）表示，有WdtdnriiWSdtdnriiS（2-3.1）（2-3.2）（2-3.3）第二章制药反应工程基础与设备第一节反应工程基础（背景知识）1.化学以及生物反应动力学1.1.1反应速率（2）连续过程反应期间物料同时连续进出，稳态下物料在反应器内没有积累，反应体系中某一微元内的温度、浓度等参数不随时间而变。反应速率以单位反应体积中（或单位反应面积及单位质量固体或催化剂上）某一反应组分的摩尔流量的变化来表示：RiiVdVdFrdSdFriiSdWdFriiW(2-4.2)(2-4.1)(2-4.3)式中，Fi-组分i的摩尔流量，mol/s或mol/h；VR-反应体积，m3与间歇过程的反应时间不同，在连续过程引入空间时间（停留时间、接触时间）概念：τ＝Fi/Q0Q0–进入反应器原料混和物的体积，m3/s(2-5)第二章制药反应工程基础与设备第一节反应工程基础（背景知识）RaSaBaAaRSBA依化学计量式（2-6），可用不同组分表示反应速率(其中的ai是A、B或S、R的计量系数)VdtdnrAA/VdtdnrBB/VdtdnrRR/VdtdnrSS/SSRRBBAAarararar（2-6）化学计量方程仅表示由于反应而引起的各个参与反应的物质之间量的变化关系，方程本身与反应的实际历程无关，同时规定各计量数之间不应含有除1以外的任何公因子。实际反应投料比经常不是按计量式确定的！这样会改变物料的浓度，会影响反应速度，有时会改变反应的选择性。1.化学以及生物反应动力学1.1.2化学反应速率方程第二章制药反应工程基础与设备第一节反应工程基础（背景知识）1.化学以及生物反应动力学1.1.2化学反应速率方程BAaBaAAckcrRTEkkexp0速率常数：（2-7）（2-8）对于不可逆的基元反应，化学反应速率与浓度等参数之间的关系或浓度等参数与时间关系-化学反应的速率方程（rateequation）可直接由质量作用定律表示：事实上，绝大多数反应都是非基元反应，式（2-7）可表示为：rRsSbBaAAccckcr式（2-8）中的产物级数是负值。同时，非基元反应可分解为若干个基元反应，由反应机理导出该反应的速率方程。关于可逆反应、自催化反应以及平行反应、连串反应和并列反应等的反应速率方程式形式可参见有关化学反应工程教科书或专著。1.朱炳辰，化学反应工程，北京，化学工业出版社，20012.OLevenspiel.ChemicalReactionEngineering.ThirdEdition.JohnWiley&Sons,Inc,化学工业出版社，2002，影印版第二章制药反应工程基础与设备第一节反应工程基础（背景知识）HCOPXXOvSCjPXOiS202同样可用式（2-2）描述耗氧发酵过程的反应速度：（2-9）由于生物反应中的化学计量系数具有不确定性，通常难以得到严格意义上的反应速率。对生物反应过程来说，常用比消耗或比形成速率，尤其是具有自我催化性质的发酵过程。比速率是一个相对速度，它与生物量（以细胞干重表示）或有催化活性物质量（如酶量）有密切的关系。1.化学以及生物反应动力学1.1.3生物反应速率方程在生物发酵过程中，细胞在利用各种底物（原料）进行自身繁殖的同时生产各类产品。对于耗氧发酵，通常可用带有化学计量系数νi的反应方程表示：VdtdnriiVdtdXX1dtdSXqS1dtdPXqP1dtdCXqC1dtdHXqH1dtdOXqO1细胞生长的比速率：底物消耗的比速率：对O2产物形成的比速率：对CO2对热（2-10.1）（2-10.2）（2-10.3）细胞反应过程本质是复杂的酶催化反应体系。细胞如同一微小的反应容器，原料中的反应物透过细胞周围的细胞壁和细胞膜，进入细胞内，在酶的作用下进行催化反应，把反应物转化为产物，接着这些产物又被释放出来。细胞的生长过程包括下列阶段：延迟期、指数生长期、减速期、静止期和衰亡期。每阶段都有自己的动力学特点，尤以指数生长期和减速期最为重要。第二章制药反应工程基础与设备第一节反应工程基础（背景知识）1.化学以及生物反应动力学1.1.3生物反应速率方程（1）细胞生长速率XdtdXrx（2-11.1）当体系中，只有一种限制性基质，而不存在其他限制生长因素时，细胞比生长速率－μ为此限制性基质浓度的函数，这就是Monod方程(1950年）:XSKSdtdXrSmx（2-11.2）A.游离细胞生长速率方程：连续XDdtdXrx)(（2-11.3）式（2－11）中D是稀释率，单位时间内流加培养液与发酵罐中液体体积之比。D的倒数即空间时间或停留时间τ。B.固定化细胞生长速率方程：ffssfsxXXdtdXdtdXdtdXr)()(（2-12.1）式（2－12）中下标s和f分别表示固定在载体上的细胞和游离的细胞。稀释只会影响游离细胞，对固定在载体上的细胞无影响。间歇连续ffssfffssxXDXDXXXdtdXr)(（2-12.2）间歇Monod方程的基本假设如下：a.细胞的生长为均衡式生长（唯一变量是细胞的浓度）；b.培养基中只有一种基质是生长限制性基质，其他组分为过量，不影响细胞的生长；c.细胞的生长视为简单的单一反应，细胞得率为一常数。第二章制药反应工程基础与设备第一节反应工程基础（背景知识）1.化学以及生物反应动力学1.1.3生物反应速率方程（2）产酶速率方程﹡细胞中产酶速率决定于细胞中的mRNA的浓度和细胞的比生长速率，即M细胞中mRNA的浓度（mol/L),Ec细胞中酶的浓度（IU/L)郭勇主编，酶工程，中国轻工出版社，北京1995，P50-62工业生产过程，通常从整个发酵系统来研究并确定产酶动力学（宏观产酶动力学或称非结构动力学），即研究群体细胞的产酶速率。XdtdErE)(式（2-13）中，α生长偶联的比产酶系数（IU/gDWcell)、β非生长偶联的比产酶速率（h-1IU/gDWcell)、E酶浓度（IU/L)。（2-13）cEEMKdtdEr10fssfsEXXdtdEdtdEdtdEr)()()(游离细胞产酶速率方程可表达为：固定化细胞产酶速率方程：（2-14）式（2－14）中，εs和εf＝αμ＋β分别为固定在载体上细胞的和游离细胞的比产酶速率。A.同步合成型的酶产酶速率与细胞生长速率偶联。非生长偶联比产酶速率β＝0。B.中期合成型的酶属于特殊的生长偶联，产酶速率与A的相同。当有阻遏物存在时，α＝0；只有在解除阻遏后，才开始酶的合成。C.滞后合成型的酶属于生长偶联型，生长偶联型的比产酶速率α＝0。D.延续合成型的酶，细胞生长期和平衡期均可产酶，是部分生长偶联型，即产酶速率方程式（2－13）。第二章制药反应工程基础与设备第一节反应工程基础（背景知识）1.化学以及生物反应动力学1.1.3生物反应速率方程（3）生物催化反应速率方程尽管M-M有些不足，但在很宽的范围内，真实反应器能用这类简单的动力学方程描述；并且所有动力学参数都可以在图上得到表示。欧阳平凯等译，[德]安吉斯.李斯等著，生物工业转化过程，化学工业出版社，北京，2008，P96-100就象化学反应速率一样，生物反应速率也可表示为不同反应组分浓度的函数。对单一底物而言，M-M（先Michaelis&Menten1913快速平衡假说,后Briggs&Haldane1925稳态假说)方程是最常用的。SKSVSKSEkrrVMmMPS02（2-16.1）E+SESE+Pkkk12-1对简单的双底物反应：]2][[21121SKSKSSVrrVMMmPS（2-15）（2-16.2）121kkkKM生物催化剂通常是指完整的细胞（集中了全部必需的辅助因子及一系列的酶）或一种酶。式中KM的单位与S的单位相同。当V=Vm/2时，KM=S。第二章制药反应工程基础与设备第一节反应工程基础（背景知识）1.2非牛顿流体及其流变特性制药工业过程中，有很多过程是在溶液中进行的，流体的特性对三传过程与结果影响很大，必须有足够的重视。流体在剪切力的作用下将产生连续不断的变形以抵抗外力，这就是流体粘性的表现。任何液体在流动过程中都可产生两种速度梯度场，横向速度梯度场和纵向速度梯度场，对应的流动分别称为剪切流动和拉伸流动，相应的粘度分别为剪切粘度和拉伸粘度。对于牛顿流体在一定温度下μ为常数，称为流体的粘度系数，或称剪切粘度，习惯简称粘度(单位NS/m2、1P=100cP、1cP=1/1000NS/m2)。或dyduAF（2-17）真实流体可分为：牛顿型和非牛顿型两类。非牛顿流体分为：非依时性(Time-independence)的和依时性(Time-dependence)的非依时性非牛顿流体包括：①假塑性(pseudoplastic)和胀塑性(dilatant)流体②宾汉塑性(Binghamplastic)、屈服－假塑性(yield-pseudoplastic)和屈服－胀塑性(yield-dilatant)流体③其它依时性非牛顿流体包括：①触变性(Thixotropic)流体②震凝性(Rheopectic)流体③粘弹性(Voscoelastic)流体流体是由大量的、不断作热