第四章生物反应设备精.docx
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第四章生物反应设备精
第四章生物反应设备
教 案 首 页
1
授课日期
2007年9月30日(第7周星期一)
2
班级
2006级生物制药1、2、3、4班
专业
生物制药技术
3
课次
第13次课
累计学时
26学时
4
课题
内容
第一节反应器基本知识
第二节培养基预处理设备
5
教学目的
与要求
理解理想反应器和非理想反应器的概念,掌握双酶制糖工艺流程。
6
重点
与难点
重点:
双酶制糖工艺流程
难点:
理解理想反应器和非理想反应器的概念
7
演示实验、教具、挂图准备
实物,多媒体演示
8
作业及其它
P79一、二、三
9
教参资料
名称、页次
徐清华《生物工程设备》第四章
10
教学过程
及内容
见附页
第一节有关反应器基本知识
教学目标:
了解常见反应器的结构。
理解流体在搅拌器作用下的流动状态。
理解理想反应器和非理想反应器的概念。
教学重点:
流体在搅拌器作用下的流动状态。
理想反应器和非理想反应器的概念。
教学难点:
流体在搅拌器作用下的流动状态。
教学内容:
一、常见反应器的基本结构
如果根据操作的连续性,工业上所使用的反应器可分为间歇式反应器和连续式反应器。
根据几何形状划分,则工业反应器又可分为釜式、管式、塔式、固定床式和流化床式反应器。
如果反应器上安装有搅拌器则称为机械搅拌式反应器。
1.机械搅拌釜式反应器
机械搅拌式反应釜由内胆、夹套、搅拌器、传动装置、电动机、封头等部件组成。
为了增强搅拌效果,在内胆的内壁上纵向设计了若干块挡板。
内胆之外是通载热介质的夹套。
搅拌器的形状各异,根据反应要求可更换。
在上封头设计有人孔、进料口、排气口、、取样口、温度测定口、压力表、观察窗等,有时又把温度计测量管和观察窗设计在筒体的壁上。
操作时,首先给夹套通入加热介质,控制内胆保持反应需要的温度,将各种原料液从不同的进料口放入内胆,开动搅拌器,促使液体混合均匀和反应正常进行。
当反应完毕,从反应釜底部放出液体至贮罐贮存。
机械搅拌釜式反应器属于压力容器,在反应时,内胆里的压力可能会升高。
在操作时一定要将内胆里的压力控制在额定压力之下,否则,易发生危险事故。
2.其他反应器
机械搅拌釜式反应器应用非常广泛,除此之外还有管式、塔式、固定床和流化床等类型的反应器。
(1)管式反应器结构比较简单,将一根管道弯曲成各种形状,在内部装填各种性能的填料,即构成一个管式反应器。
管式反应器耐高温高压,传热面积可大可小,传热系数高,流体流速快,停留时间可控,是反应工程大型化连续化发展中的一个重要设备。
(2)固定床反应器
按传热方式划分,固定床反应器可分为绝热式、换热式和自热式三种类型。
在催化反应时不与外界进行热交换的反应器称为绝热式反应器。
绝热式的热交换是通过绝热升温和绝热降温实现的。
换热式固定床反应器是利用其他物质做载热体,通过间壁移走或供给热量,以维持催化剂床层适宜温度,所以又称为对外换热式反应器。
自热式固定床反应器是使原料气通过间壁与产物进行热交换的反应设备,这种设备既能控制催化剂床层的反应温度,又能预热原料到规定的温度,因而被广泛地用于放热反应过程中。
(3)流化床反应器
在如上图所示的流化床结构中设计有筛板,事先给流化床内装填有固体物料,固体物料的颗粒沉积在筛板上。
当从流化床底部向上通压缩空气时,则固体颗粒的运动状态会发生吹松、膨胀、悬浮于气流中等系列变化。
此时若增大压缩空气的流速,则固体颗粒被气流夹带流出。
这一个过程就称为流化过程,实现这个过程的设备叫流化床。
颗粒被气流夹带而流出的速度叫带出速度。
在实际的流化过程中,流化现象分为散式流化和聚式流化。
如果固体颗粒均匀地分散在气流中,则成为散式流化,又叫均匀流态化,如果是不均匀的则称为聚式流态化。
3.搅拌器
(1)搅拌器的结构
通用搅拌器是由电动机、减速机、支架、传动轴、密封装置、叶轮等部件组成。
搅拌器上的叶轮是各式各样的。
按搅拌叶轮的形状可分为螺旋式搅拌器、涡轮式搅拌器、桨式搅拌器、锚式搅拌器、框式搅拌器、螺带式搅拌器。
如果按搅拌器的工作原理,则可分为轴向流搅拌器和径向流搅拌器。
轴向流搅拌器以螺旋桨叶式为代表,具有流量大、压头低的特点,流体在搅拌罐内主要作轴向和切向流动;径向流搅拌器以涡轮式桨叶为代表,具有流量小压头较高的特点,流体在搅拌罐内主要作径向流和切向流。
(2)搅拌器内液体的运动状态
在反应器内,随着搅拌器的转动,搅拌桨叶把机械能量传给了液体,并带动液体做圆周运动。
液体在作圆周运动的同时,还进行沿轴方向和垂直于转动轴的径向运动,在搅拌桨叶附近产生了高度湍动的区域和一股高速射流,高度湍动区称为充分混合区,在充分混合区所有物料受到最大程度的混合。
高速射流则推动全部液体沿一定途径在搅拌罐内作循环流动。
流体在搅拌罐中作的大范围循环流动叫总体流动。
当高速射流通过静止或运动速度较低的液体时,再其交界处产生了速度梯度,使附近的液体受到强烈的剪切作用,低粘度液体则产生大量涡流并迅速想外扩散,夹带更多的液体到总体流动中,同时形成局部范围湍流流动。
湍流流动形成的强大剪切力将液体破碎成微团;对于高黏度液体,罐内只作层流流动,搅拌桨直接推动的液体与周围运动迟缓的液体之间形成较大速度梯度,由此造成的强剪切力把液体破碎成微团。
微团越小混合程度越高。
液体被剪切成微团的尺度与搅拌器、反应器的几何尺寸有关,也与搅拌器转速有关。
研究发现,液滴、气泡的分散,需要强烈的湍流流动;固体颗粒的均匀悬浮有赖于总体流动。
因此,要使液体混合程度高则要强化湍流流动,要使固体颗粒悬浮的更加均匀,则要注重总体流动的形成。
二、理想反应器和非理想反应器
如果反应是间歇进行的,则流体在反应器中的流动状况就如上面分析的情况。
但是,在工业生产中,多数时候是连续性生产。
在这种情况下,反应器内的物料有两种,一种是原来的物料,一种是新近加入进来的物料。
新物料与原来的物料之间,有着复杂的流动形态。
最简单的一种形态是,象活塞一样,新物料将原来的物料整齐划一地排挤出去,相互之间没有任何混合现象,这种流动形态,我们称之为活塞流。
活塞流是一种很理想的流动形态。
另一种流动形态是,新进入反应器的物料,在极短的时间内就与原来的物料混合完全,这种流动形态我们称之为理想混合形态。
在理想混合器中,原来的物料停留的时间长,新进来的物料停留的时间短。
经搅拌器搅拌和其他作用力的推动,则原来的物料与新进的物料进行混合,这种现象称为返混现象。
由于理想混合反应器混合最快又最完全,所以返混程度最大;在理想排挤式反应器中,先后进入反应器的物料质点间没有混合,所以没有返混现象发生。
其他连续反应器内都存在物料的返混,返混程度介于理想混合反应器和理想排挤式反应器之间。
返混现象的存在会使反应器内参与反应的物料浓度降低,因而反应速度也降低。
这对不同类型的反应,其影响结果各有利弊。
活塞流和理想混合都是一种在理想状态下的流动形态,在实际生产过程中,很难实现。
因此,我们把能够实现理想流动形态的反应器称为理想反应器,反之则称为非理想反应器。
严格地说实际生产中不存在理想反应器。
但是,如果将反应器的大小尺寸设计的非常好,而且把各种参数控制在最佳状态,则反应器中新旧物料的流动形态可近似地看成理想流动,相应的反应器则可称之为理想反应器。
通常在连续操作时,管式反应器和机械搅拌釜式反应器里的物料,其流动形态非常接近于理想流动,因而将这两种类型的反应器看成是典型的理想反应器,在工艺计算时也按理想反应器的模式进行,计算结果用经验系数校正即可。
第二节培养基预处理设备
教学目标:
了解生物制药过程及影响生物反应的因素。
掌握培养基灭菌设备的结构工作原理和工艺流程。
教学重点:
双酶法淀粉糖化工艺流程。
教学难点:
双酶法淀粉糖化工艺流程。
教学内容:
一、生物制药过程
生物药物的生产全过程。
原材料在生物催化剂催化下,发生生物反应,反应产物被提取纯化后成型包装得成品。
在生物制药全过程中,生物反应是一个重要的操作单元,人们模拟细胞中的环境条件制造各式反应器进行生物反应。
生物反应过程受多方面因素的影响。
生物催化剂催化活性的高低,有无杂菌污染,环境条件是否满足生物催化剂的要求等,这些因素在不同程度上影响生物反应的正常进行。
二、影响生物反应的因素
1.生物催化剂——酶
生物药物都是由酶催化产生的。
生物制药过程所使用的酶,主要由微生物新陈代谢分泌产生。
这些微生物既可以从自然界选育得到,又可以通过基因工程得到。
如生产抗生素时常用的微生物有放线菌中的链霉菌属、若卡氏菌属、小单孢菌属;真菌中的青霉素菌属、头孢菌属;细菌中的多粘杆菌、枯草杆菌、芽孢杆菌等。
在生物反应中,生物催化剂浓度越大,则反应速度越快。
微生物繁殖得越快,生物药物合成速度就越快。
影响微生物生长的应素有温度、酸碱度、溶氧水平、培养基成分、二氧化碳浓度、杂菌污染等多种因素。
现就在设计反应器时必须考虑的几种因素作一简要介绍。
2.温度的影响
由于酶只能在最适温度下才能发挥最强的催化效力,所以在生物反应过程中,要严格控制反应体系的温度,因而生物反应器要有很好的换热能力。
温度升高时要能迅速冷却,温度降低时要能迅速加热。
所以生物反应器要有升温和降温的装置,要有通入加热介质和冷却介质的接口,这样才能够维持温度恒定。
3.氧气的影响
绝大多数生物制药用的微生物是好氧微生物,即在这类微生物的新陈代谢过程中,需要供应充足的氧气维持其生命活动,否则因微生物的死亡而使药物合成无法进行。
所以,生物反应器要有供氧装置,且能快速而均匀地分散到反应体系中。
在生产上,常采用搅拌和其他形式装置促使氧气迅速分散溶解。
4.杂菌的影响
不同微生物分泌出的酶,其功能也是不同的。
如果分泌出的酶破坏了目的产物,或者将营养物质转化成非目的产物,则导致生物反应不能朝预期方向进行。
这会给生产带来严重损失。
为预防这种现象的发生,生物反应系统不能有分泌破坏性酶的微生物,因而要对进入生物反应体系的原材料和空气彻底灭菌,以保证反应器中只存在需要的菌种。
5.培养基的影响
大多数微生物一般不能很好地利用淀粉类物质,但是能利用小分子糖类。
因而,在生产过程中,需要将淀粉类物质进行糖化处理后,方可进入生物反应器中参加生物反应。
综合上述影响,为了使生物反应能高效率地进行,在设计反应器时要综合考虑各种因素的影响。
例如在设计工艺流程时,要考虑培养基能否直接被微生物利用的问题。
当然消毒杀菌过程是必不可少的。
三、培养基的灭菌设备
为了使生物反应正常进行,对进入反应器的培养基要预处理。
培养基的预处理有培养基的灭菌和淀粉类物质的糖化等单元操作。
这些操作单元所涉及的主要设备有培养基的灭菌设备和淀粉糖化罐。
培养基的灭菌方法有分批式和连续式两种。
在分批式灭菌流程中,先将培养基打入发酵罐内,直接蒸汽加热,达到灭菌要求的温度和压力后,维持一定时间,再冷却至发酵要求的温度。
这种操作方式又叫实罐灭菌。
连续式灭菌是在连续灭菌设备中,对培养基灭菌处理冷却后,再输送到发酵罐中。
由于采用高温快速灭菌的方法,既可达到杀死培养基中的全部微生物,又可以减少营养成分的破坏,因而连续灭菌法被广泛地采用。
在大型生物工程中常采用培养液连续灭菌流程、喷射加热连续灭菌流程、薄板换热连续灭菌流程。
每种流程都各有其特点和使用范围。
1.培养液连续灭菌流程
如图所示为典型的培养液连续灭菌流程。
在配料罐中配制的培养液放出后加入约0.01%消泡剂,然后用连消泵送入连消塔底端,培养液被加热到
℃的灭菌温度,由顶部排出,进入维持罐,保温
,然后由维持罐上部流出,经蛇管喷淋冷器冷却到发酵温度后送入发酵罐。
维持罐内残余的培养液可由底部排尽。
在本流程中所采用的设备有配料罐、连消塔、维持罐、蛇管冷却器。
在前面有关章节已介绍了配料罐结构,维持罐的结构配料罐相似,但能保温且密闭性好,可以避免罐内物
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- 第四 生物 反应 设备