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1、制药设备与工艺设计制药设备与工艺设计第第3 3章章3.1 机械搅拌反应器机械搅拌反应器l反应设备的定义、应用反应设备的定义、应用l搅拌反应器的结构搅拌反应器的结构l搅拌器搅拌器l搅拌器附件搅拌器附件2反应设备的定义反应设备的定义l用来进行化学反应的装置，通常称为反应器。用来进行化学反应的装置，通常称为反应器。3反应设备的应用反应设备的应用l通过对参加反应的介质的充分搅拌，使物料通过对参加反应的介质的充分搅拌，使物料混混合合均匀；均匀；l强化强化传热传热效果和相间传质；效果和相间传质；l使气体在液相中作均匀使气体在液相中作均匀分散分散；l使固体颗粒在液相中均匀使固体颗粒在液相中均匀悬浮悬浮；l使
2、不相容的另一液相均匀悬浮或充分使不相容的另一液相均匀悬浮或充分乳化乳化。4l按结构型式分类，可分为：按结构型式分类，可分为：l釜式反应器釜式反应器l管式反应器管式反应器l塔式反应器塔式反应器l固定床反应器固定床反应器l流化床反应器流化床反应器 反应设备的类型反应设备的类型5l 釜式反应器釜式反应器 釜釜 式反应器也称槽式、锅式反应器。式反应器也称槽式、锅式反应器。l参与反应的物料一次投入，反应完成后，产物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。一次卸出的反应器。l特点：装置简单、互换性大，投资低等。特点：装置简单、互换性大，投资低等。 管式反应器管式反应器 管式反应器主要用于
3、气相、液相、气管式反应器主要用于气相、液相、气液相连续反应过程。液相连续反应过程。 反应设备的类型反应设备的类型6管式反应器结构示意图管式反应器结构示意图7 鼓泡塔反应器结构示意图鼓泡塔反应器结构示意图11分布格板；分布格板；22夹套；夹套；33气体分布器；气体分布器；44塔体；塔体；55挡板；挡板；66塔外换热器；塔外换热器；77液体捕集器；液体捕集器；88扩大段扩大段塔式反应器塔式反应器8 固定床反应器固定床反应器 固定床反应器是指流体通过固定床反应器是指流体通过静止不动静止不动的固体物料的固体物料所形成的床层而进行化学反应所形成的床层而进行化学反应的设备。以气的设备。以气- - 固反应的
4、固定床反应器最固反应的固定床反应器最常见。常见。 流化床反应器流化床反应器 把反应器和在其中呈把反应器和在其中呈流态化的固体催流态化的固体催化剂化剂颗粒合在一起，成为流化床反应器。颗粒合在一起，成为流化床反应器。流化床反应器多用于气流化床反应器多用于气- - 固反应过程。固反应过程。 9机械搅拌反应器机械搅拌反应器l用于用于溶解、稀释溶解、稀释等多种传递过程；等多种传递过程；l化学反应化学反应过程。过程。10搅拌反应器的结构搅拌反应器的结构三大部分组成：三大部分组成：l搅拌装置搅拌装置l轴封轴封l搅拌罐搅拌罐传动装置传动装置搅拌轴搅拌轴搅拌器搅拌器轴封轴封罐体罐体夹套夹套人孔人孔压出管压出管1
5、1罐体尺寸确定罐体尺寸确定 高径比高径比 确定罐体高径比的考虑因素确定罐体高径比的考虑因素 从减少从减少搅拌功率搅拌功率的角度考虑，高径比可取得的角度考虑，高径比可取得大一些大一些。 从从传热角度传热角度看，希望高径比可取得看，希望高径比可取得大一些大一些；当容积一定时，高径比大、罐体就高，盛料部当容积一定时，高径比大、罐体就高，盛料部分表面积大、传热面积也就大。分表面积大、传热面积也就大。 要考虑物料的状态，对要考虑物料的状态，对发酵类物料发酵类物料，为了使，为了使通入罐内的空气与发酵物料充分接触，高径比通入罐内的空气与发酵物料充分接触，高径比应取得应取得大一些大一些。13 直径及高度确定直
6、径及高度确定 装料系数装料系数 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，取装料系数料系数0.60.60.70.7； 若物料反应较平稳，则取装料系数若物料反应较平稳，则取装料系数0.80.80.850.85。 直径及高度确定直径及高度确定 1 1、在初步确定、在初步确定H/DiH/Di后，可先忽略封头的容积，近似后，可先忽略封头的容积，近似计算出罐体的容积计算出罐体的容积。14 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 V0 0: :物料体积物料体积V Vk k: :封头体积封头体积15l反应釜的高径比反应釜的高径比
7、 l 液液-固相、液液相固相、液液相 11.3 l一般搅拌罐一般搅拌罐 气液相气液相 12 l发酵罐类发酵罐类 发酵液发酵液 1.72.5 l在确定反应釜直径及高度时还应根据反应釜操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作时所允许的装料程度一装料16传热装置 夹套 可拆卸的夹套可拆卸的夹套不可拆卸的夹套不可拆卸的夹套17 蛇管蛇管结构蛇管结构18工艺接管 进料管 进料管结构进料管结构19 出料管下部出料管下部出料管上部出料管上部出料管20搅拌器搅拌器l搅搅拌拌器器又又称称搅搅拌拌桨桨或或搅搅拌拌叶叶轮轮，是是搅搅拌拌反反应应器器的的关关键键部部件件l功功能能是是提提
8、供供过过程程所所需需要要的的能能量和适宜的流动状态。量和适宜的流动状态。21流型流型l搅搅拌拌器器旋旋转转时时把把机机械械能能传传递递给给流流体体，在在搅搅拌拌器器附附近近形形成成高高湍湍动动的的充充分分混混合合区区，并并产产生生一一股股高高速速射射流流推推动动液液体在搅拌容器内循环流动体在搅拌容器内循环流动l这种这种循环流动的途径循环流动的途径称为流型。称为流型。l流型的影响因素流型的影响因素l搅拌器的形式搅拌器的形式l搅拌容器搅拌容器和和内构件几何特征内构件几何特征l流体性质流体性质l搅拌器转速搅拌器转速22三种基本流型三种基本流型l搅拌机顶插式中心安装的立式圆筒的搅拌机顶插式中心安装的立
9、式圆筒的三种基本流型三种基本流型l径向流径向流l轴向流轴向流l切向流切向流23径向流径向流l流流体体的的流流动动方方向向垂垂直直于于搅搅拌拌轴轴，沿沿径径向向流流动动，碰碰到到容容器器壁壁面面分分成成两两股股流流体体分分别别向向上上、向向下下流流动动，再再回回到到叶叶端端，不不穿穿过过叶叶片片，形形成成上上、下下两两个个循环循环24轴向流轴向流l流流体体的的流流动动方方向向平平行行于于搅搅拌拌轴轴，流流体体由由叶叶桨桨推推动动，使使流流体体向向下下流流动动，遇遇到到容容器器底底面面再翻上，形成再翻上，形成上下循环流上下循环流。25切向流切向流l无无挡挡板板的的容容器器内内，流流体体绕绕轴轴作作
10、旋旋转转运运动动，流流速速高高时时的的液液体体表表面面会会形形成成漩漩涡涡，这这种种流流型称为切向流型称为切向流l混合效果很差混合效果很差 26l三种流型同时存在三种流型同时存在l轴向流轴向流与与径向流径向流对混合起主要作用对混合起主要作用l切向流切向流应加以抑制应加以抑制l挡板挡板可削弱切向流可削弱切向流, 增强轴向流和径向流增强轴向流和径向流 271.按流体流动形态按流体流动形态n轴向流搅拌器轴向流搅拌器n径向流搅拌器径向流搅拌器n混合流搅拌器混合流搅拌器2.按搅拌器结构按搅拌器结构3.按搅拌的用途按搅拌的用途搅拌器分类搅拌器分类29按流体流动形态分类按流体流动形态分类30按搅拌器结构分类
11、按搅拌器结构分类l采用平叶和折叶的搅拌器采用平叶和折叶的搅拌器l桨式桨式l涡轮式涡轮式l框式框式l锚式锚式l采用螺旋面叶的搅拌器采用螺旋面叶的搅拌器l推进式推进式l螺杆式螺杆式l螺带式螺带式32TY120三窄螺旋叶搅拌器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搅拌器型式33TY250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34TY610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TY66
12、0抛物线圆盘涡轮TY715螺带螺杆搅拌器衬的搅拌器35n用于低黏流体的搅拌器用于低黏流体的搅拌器l推进式推进式l长薄叶螺旋桨式长薄叶螺旋桨式l圆盘涡轮式圆盘涡轮式l用于高黏流体的搅拌器用于高黏流体的搅拌器l锚式锚式l框式框式l螺旋桨式螺旋桨式l螺带式螺带式按搅拌用途分类按搅拌用途分类36l根据搅拌过程的特点和主要控制因素进行选型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搅拌器选型37l挡板挡板l导流筒导流筒l搅拌附件的作用搅拌附件的作用l改善反应器内流体的流动状态改善反应器内流体的流动状态l改变径向流改变径向流, 提高混合效果提高混合效果l保护搅拌器保护搅拌器l减少剧烈旋转的液体结合漩
13、涡作用对搅拌轴产生冲击作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用 搅拌器附件搅拌器附件38l安装安装4块挡板，其宽度为容器直径的块挡板，其宽度为容器直径的1/121/10。l传热蛇管传热蛇管可代替挡板（可代替挡板（垂直换热管垂直换热管时可不再安装时可不再安装挡板）挡板）挡板挡板39l避避免免旋旋涡涡现现象象，增增大大被被搅搅拌液体的拌液体的湍流程度湍流程度l切切向向流流动动变变为为轴轴向向和和径径向向流流动动，强强化化反反应应器器内内液液体体的的对对流流和和扩扩散散，改改善善搅搅拌拌效果。效果。 搅拌反应器的挡板结构搅拌反应器的挡板结构挡板的作用挡板的作用40l上下开口圆筒上下开口
14、圆筒，安装于容器内，安装于容器内，在搅拌混合中起导流作在搅拌混合中起导流作l导流筒的直径约为容器直径的导流筒的直径约为容器直径的70%l涡轮式或桨式搅拌器涡轮式或桨式搅拌器，导流筒，导流筒置于桨叶的上方置于桨叶的上方l推进式搅拌器推进式搅拌器，导流筒套在桨，导流筒套在桨叶外面叶外面导流筒导流筒41l机械搅拌反应器的传动装置机械搅拌反应器的传动装置l1电动机；电动机；l2减速器；减速器；l3联轴器；联轴器；l4机座；机座； l5轴封装置；轴封装置；l6底座；底座；l7封头；封头；l8搅拌轴；搅拌轴；传动装置传动装置423.2 发酵设备发酵设备433.2 发酵设备发酵设备l发酵的操作过程发酵的操作
15、过程l发酵罐的设计要求发酵罐的设计要求l常用发酵罐常用发酵罐l机械搅拌式发酵罐机械搅拌式发酵罐l自吸式发酵罐自吸式发酵罐l气升式发酵罐气升式发酵罐l塔式发酵罐塔式发酵罐44什么是发酵什么是发酵l生物化学生物化学中把酵母的无氧呼吸过程称作发中把酵母的无氧呼吸过程称作发酵酵l微生物生理学微生物生理学：有机物被生物体氧化降解：有机物被生物体氧化降解成氧化产物并释放能量的过程成氧化产物并释放能量的过程l工业生产工业生产上笼统地把一切依靠微生物的生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命活动而实现的工业生产均称为“发酵发酵”l发酵的菌种发酵的菌种微生物，包括细菌、病毒、真菌微生物，包括
16、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以及一些小型的原生动物等在内的一大类生物群体群体45间歇发酵罐间歇发酵罐48发酵罐型式发酵罐型式l按按搅拌和通气的能量输入方式搅拌和通气的能量输入方式可分为可分为l机械搅拌式机械搅拌式l外部液体循环式外部液体循环式l空气喷射提升式空气喷射提升式50机械搅拌式机械搅拌式51外部液体循环式外部液体循环式52空气喷射提升式空气喷射提升式53常用发酵罐常用发酵罐l机械搅拌式发酵罐机械搅拌式发酵罐n自吸式发酵罐自吸式发酵罐n气升式发酵罐气升式发酵罐n塔式发酵罐塔式发酵罐54机械搅拌式发酵罐机械搅拌式发酵罐l机械搅拌机械搅拌l压缩空气通气装置压缩空气
17、通气装置55机械搅拌式发酵罐机械搅拌式发酵罐l主要组成部件主要组成部件l罐体罐体-1l搅拌装置搅拌装置-2l传热装置传热装置-4l通气装置通气装置-7l传动机构传动机构-656罐体罐体l组成组成 l圆筒形筒身圆筒形筒身l上下两个椭圆形封头上下两个椭圆形封头l几何尺寸比例几何尺寸比例lH/D=1.73；d/D=1/21/3lW/D=1/81/12；B/D=0.81ls/d=1.52.5 (2); s/d=12 (3)l发酵罐的发酵罐的公称容积公称容积V0为筒身部分容筒身部分容积Vc和和底封底封头容容积Vb之和，即之和，即V0=Vc+Vbl实际装料量实际装料量 lV=0V0;l0是装料系数，是装料
18、系数，0.70.8 lV= （0.70.8）V057罐体罐体l接管和接口接管和接口 l冷却水、给排气、取样、放料、接种、消泡冷却水、给排气、取样、放料、接种、消泡剂、酸、碱等工艺接管剂、酸、碱等工艺接管l视镜、仪表等接口视镜、仪表等接口l材料材料 l不锈钢钢板或复合不锈钢板不锈钢钢板或复合不锈钢板l以保证罐内培养液清洁和壁面光滑以保证罐内培养液清洁和壁面光滑 l压力容器用钢压力容器用钢l强度强度 l能承受灭菌蒸汽的压力和温度能承受灭菌蒸汽的压力和温度58搅拌装置搅拌装置l采用采用圆盘涡轮式搅拌器圆盘涡轮式搅拌器l配置配置2-3个搅拌器个搅拌器 l有利于液体本身的混合及气液和液固之间的混有利于液
19、体本身的混合及气液和液固之间的混合合l改善传质和传热改善传质和传热l有助于氧的溶解有助于氧的溶解59通气装置通气装置l将将无菌空气导无菌空气导入罐内的装置入罐内的装置l单孔管单孔管l单孔管的出口位置单孔管的出口位置l正下方正下方l开口向下开口向下60传热装置传热装置l发酵过程中发酵液产生热量发酵过程中发酵液产生热量l最适宜培养温度最适宜培养温度l冷却水冷却水导出部分热量导出部分热量l发酵罐的传热装置有夹套和蛇管发酵罐的传热装置有夹套和蛇管61机械消末装置机械消末装置l发酵过程中，由于发酵液中含有大量蛋白质等发发酵过程中，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泡物
20、质，在强烈的通气搅拌下将产生大量泡沫l消除发酵液泡沫消除发酵液泡沫 l消泡剂消泡剂(天然油脂、聚醚类、硅类、高碳醇天然油脂、聚醚类、硅类、高碳醇)l机械消泡装置机械消泡装置62耙式消泡桨耙式消泡桨l消泡桨安装于搅拌轴上，与轴同转，齿面略高于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液面，消泡桨直径约为罐径的0.80.9l当少量泡沫上升时，如果泡沫的机械强度较小，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。耙齿可把泡沫打碎。63封闭式涡轮消泡桨封闭式涡轮消泡桨l尺寸尺寸l消沫器直径约为罐径的消沫器直径约为罐径的1/2l安装安装l涡轮消沫器直接安装于涡轮消
21、沫器直接安装于搅拌轴搅拌轴上，由于搅拌轴转速太上，由于搅拌轴转速太低效果不佳低效果不佳l下伸轴发酵罐，下伸轴发酵罐，罐顶安装罐顶安装，涡轮轴高速旋转，涡轮轴高速旋转l工作过程工作过程l泡沫直接被涡轮打碎，或被涡轮抛出撞击到罐壁而破碎泡沫直接被涡轮打碎，或被涡轮抛出撞击到罐壁而破碎64自吸式发酵罐自吸式发酵罐l不需空气压缩机不需空气压缩机l自吸入空气的生物反应器自吸入空气的生物反应器65自吸式发酵罐的形式自吸式发酵罐的形式l形式形式l叶轮和导轮叶轮和导轮自吸入式发酵罐自吸入式发酵罐l喷射喷射自吸式反应器自吸式反应器l文丘里管文丘里管反应器反应器l共同特点共同特点:l利用利用特殊转子特殊转子或或喷
22、射器喷射器或或文丘里管文丘里管所形所形成的成的负压负压，将空气从外界吸入，将空气从外界吸入66自吸式发酵罐的优点自吸式发酵罐的优点l节约了空气净化系统中的空气压缩机、冷却器、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，减少占地面积油水分离器、空气贮罐等设备，减少占地面积l可可减少发酵设备投资减少发酵设备投资约约30%左右左右l发酵总动力消耗比通用式低发酵总动力消耗比通用式低68自吸式发酵罐的缺点自吸式发酵罐的缺点l必须采用高效率、低阻力的必须采用高效率、低阻力的空气除菌装置空气除菌装置l用于用于无菌要求较低无菌要求较低的醋酸和酵母的发酵生产的醋酸和酵母的发酵生产中中l
23、不适用于对剪切作用敏感不适用于对剪切作用敏感的微生物的发酵的微生物的发酵69气升式发酵罐气升式发酵罐70工作原理工作原理l利利用用空空气气喷喷嘴嘴喷喷出出250300m/s高高速速的的空空气气，空空气气以以气气泡泡形形式式分分散散于于液液体体中中，使使平平均均密密度度下下降降；在在不不通通气气一一侧侧，因因液液体体密密度度较较大大，与与通通气气侧侧的的液液体体产产生生密密度度差差，从从而形成发酵罐内液体的环流而形成发酵罐内液体的环流喷嘴喷嘴71气升式发酵罐的特点气升式发酵罐的特点l能耗低、液体中的剪切作用小、结构简单能耗低、液体中的剪切作用小、结构简单l氧传递能力氧传递能力比机械搅拌发酵罐高比
24、机械搅拌发酵罐高l不适于高黏度不适于高黏度或含大量固体的培养液或含大量固体的培养液73塔式发酵罐塔式发酵罐l利用通入培养液中的空气泡的上升，从利用通入培养液中的空气泡的上升，从而带动液体运动，产生而带动液体运动，产生混合效果混合效果，并供，并供给微生物生长繁殖所需要的氧给微生物生长繁殖所需要的氧74高位筛板塔式发酵罐高位筛板塔式发酵罐l结构结构l高度与直径比约为高度与直径比约为7左右左右l罐内装有若干块筛板罐内装有若干块筛板1l工作原理工作原理l进料进料l压缩压缩空气空气由罐底导入，经过由罐底导入，经过筛板筛板逐渐上升逐渐上升l发酵液随气泡上升，又通过发酵液随气泡上升，又通过筛板上的筛板上的降液管降液管2下降，从下降，从而形成循环而形成循环75高位筛板塔式发酵罐的特点高位筛板塔式发酵罐的特点l造价仅为造价仅为通用式发酵罐通用式发酵罐1/3左右左右l不会因为轴封引起杂菌污染不会因为轴封引起杂菌污染l结构简单，维修方便，操作费用低结构简单，维修方便，操作费用低76第第3章章 作业作业l简述立式搅拌反应器的整体结构？常用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？搅拌反应器的搅拌器有哪些类型？l流型、径向流、轴向流的定义？流型、径向流、轴向流的定义？l列举出几种常用发酵罐的结构形式？列举出几种常用发酵罐的结构形式？77结束！结束！
