制藥工程原理與設(shè)備

?制藥工程原理與設(shè)備?課程章節(jié)內(nèi)容第五章制劑工程原理

5第二章制藥工程與工藝設(shè)計第三章制藥反應(yīng)工程基礎(chǔ)與設(shè)備3第四章分離工程基礎(chǔ)與設(shè)備4第一章緒論12第一章緒論第一章緒論--第一節(jié)藥物與制藥工程什么是藥物？！什么是藥劑？！藥用物質(zhì):反響工程技術(shù)、生物技術(shù)和別離工程技術(shù)等工程技術(shù);藥物制劑:傳遞過程工程技術(shù)、材料成型工程技術(shù)以及潔凈工程技術(shù)等制藥工程技術(shù)。注意：藥用物質(zhì)不全等于藥品！什么是制藥工程？制藥工程裝置設(shè)施人過程DoyouknowwhatPharmaceuticalEngineeringis?制藥工程means……制藥工程裝置設(shè)施人過程DoyouknowwhatPharmaceuticalEngineeringis?制藥工程means……第一章緒論生產(chǎn)過程裝備與設(shè)施生產(chǎn)過程及其工藝與工程技術(shù)工程設(shè)計〔圖紙等〕科學(xué)技術(shù)研究與實驗學(xué)科、專業(yè)與知識制藥工程的體現(xiàn)形式第一章緒論制藥工程是研究批量與規(guī)模化制造藥物以及改變藥物的物理、力學(xué)和生物性質(zhì)的工程技術(shù)學(xué)科。制藥工程的分類從工程與工藝技術(shù)角度可分為：①生產(chǎn)工藝工程：包括生產(chǎn)單元操作、過程工藝以及系統(tǒng)控制工程；②制藥廠〔車間〕工藝與工程設(shè)計：包括裝備及其制造工程與技術(shù)的制藥廠〔車間〕建設(shè)工程。按藥物的轉(zhuǎn)運階段可將制藥工程分為：①原料藥制造工程；②藥物劑型加工工程；③藥品貯運工程。按生產(chǎn)藥物的類別又可將之分為：①化學(xué)制藥工程；②生物制藥工程；③中藥制藥工程。第一章緒論對制藥工程的研究目的：一、揭示藥物制備的熱力學(xué)、動力學(xué)以及細(xì)胞生長動力學(xué)等規(guī)律二、揭示藥物別離過程中的擴散動力學(xué)等規(guī)律，藥物加工中的混合、成型等流體動力學(xué)和分子擴散動力學(xué)規(guī)律三、總結(jié)相關(guān)工程因素對制藥的影響。放大的方法有數(shù)學(xué)模型法和工程試驗法。

物料衡算式熱量衡算式動量衡算式化學(xué)反應(yīng)速率方程式及熱力學(xué)計算式物性參數(shù)和傳遞參數(shù)及其計算式反應(yīng)器建模內(nèi)容第一章緒論已經(jīng)出現(xiàn)的數(shù)學(xué)模型可分為兩大類機理模型。經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。第一章緒論--第二節(jié)制藥設(shè)備的分類與設(shè)計方法一、制藥設(shè)備的分類制藥設(shè)備是指藥品生產(chǎn)企業(yè)為進(jìn)行生產(chǎn)所采用的各種機械設(shè)備，包括制藥專用設(shè)備和非制藥專用的其他設(shè)備。

根據(jù)設(shè)備的用途可將其分為：

原料藥生產(chǎn)用設(shè)備及機械藥物制劑機械與設(shè)備藥用粉碎機械、飲片機械制藥用水設(shè)備藥品包裝機械藥物檢測設(shè)備等。

第一章緒論--第二節(jié)制藥設(shè)備的分類與設(shè)計方法二、制藥設(shè)備的設(shè)計制藥設(shè)備必須符合GMP的標(biāo)準(zhǔn)?！惨弧持扑幵O(shè)備的根本要求：〔1〕有與生產(chǎn)相適應(yīng)的設(shè)備能力和最經(jīng)濟、合理、平安的生產(chǎn)運行；〔2〕有滿足制藥工藝所要求的完善功能及多種適應(yīng)性；〔3〕能保證藥品加工中品質(zhì)的一致性；〔4〕易于操作和維修；〔5〕易于設(shè)備內(nèi)外的清洗；〔6〕各種接口符合協(xié)調(diào)、配套、組合的要求；〔7〕易安裝且易于移動、有利于組合的要求；〔8〕進(jìn)行設(shè)備驗證(包括型式、結(jié)構(gòu)、性能等)。第一章緒論--第二節(jié)制藥設(shè)備的分類與設(shè)計方法設(shè)備設(shè)計與選型時還要注意：①無菌藥物生產(chǎn)設(shè)備應(yīng)具備在線滅菌功能。②有藥物暴露的室區(qū)潔凈度達(dá)不到要求或有人機污染可能的，在設(shè)備上設(shè)計應(yīng)有凈化功能。③針對一些自動化水平不高、分散操作、靠經(jīng)驗操作的人機參與比例大的設(shè)備，盡可能降低傳輸周轉(zhuǎn)間隔，減少人與藥物的接觸及縮短藥物暴露時間。④在設(shè)備的設(shè)計與選擇時，要注意平安保護功能與機、電、儀一體化技術(shù)在制藥設(shè)備上的應(yīng)用。第一章緒論--第二節(jié)制藥設(shè)備的分類與設(shè)計方法〔二〕設(shè)備設(shè)計原那么方法反響器的型式、結(jié)構(gòu)尺寸、操作條件和操作方式等問題。決策的總目標(biāo)在現(xiàn)行原料和產(chǎn)品價格的條件下使反響器的體積最小、投資最省、操作費用最低和目的產(chǎn)物的收率最高，從而使經(jīng)濟效益最好；化學(xué)反響器的設(shè)計通常是根據(jù)規(guī)定的生產(chǎn)能力，原料組成及產(chǎn)品規(guī)格進(jìn)行的。第一章緒論--第二節(jié)制藥設(shè)備的分類與設(shè)計方法一般說來，反響器的設(shè)計可按以下步驟進(jìn)行：〔1〕深入了解反響系統(tǒng)的特性〔2〕選擇操作條件〔3〕選擇反響器的型式〔4〕選擇換熱方式〔5〕確定反響器的尺寸〔6〕研究最優(yōu)的操作方式

第一章緒論--第二節(jié)制藥設(shè)備的分類與設(shè)計方法關(guān)鍵設(shè)備除了要遵循上述原那么外，還要研究對產(chǎn)品生物學(xué)性質(zhì)的影響，與GMP標(biāo)準(zhǔn)的符合程度。對設(shè)備設(shè)計，也必須具有有效的容積或空間，故其設(shè)計原那么及方法與原料藥生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備——反響器等的相同或相似。第一章緒論--第二節(jié)制藥設(shè)備的分類與設(shè)計方法〔三〕設(shè)備生產(chǎn)能力的設(shè)計設(shè)備的生產(chǎn)能力在一定程度上取決于設(shè)備的大小，要根據(jù)給定的生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行設(shè)計。在掌握一些必要的工程參數(shù)后，結(jié)合反響動力學(xué)、生長動力學(xué)或擴散動力學(xué)方程式、物料衡算式和熱量衡算式聯(lián)立求解就可完成設(shè)備大小選擇的工程計算與設(shè)計。但必須知道反響器內(nèi)物料的流動混合狀況。制劑設(shè)備的設(shè)計同樣是要根據(jù)給定的生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行設(shè)計，使制劑設(shè)備的生產(chǎn)能力、類型和操作方法符合GMP標(biāo)準(zhǔn)。生產(chǎn)能力的計算取決于設(shè)備模具運動周期以及同臺設(shè)備上模具裝備的數(shù)量。第一章緒論--第二節(jié)制藥設(shè)備的分類與設(shè)計方法〔四〕制藥設(shè)備的結(jié)構(gòu)與外觀設(shè)備的結(jié)構(gòu)具有不變性，如果設(shè)備結(jié)構(gòu)(整體或局部)不合理、不適用，一旦投入使用，要改變是很困難的。必須注意的是設(shè)備與廠房設(shè)施、設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備與使用管理之間都存在互相影響與銜接的接口。

第一章緒論--第二節(jié)制藥設(shè)備的分類與設(shè)計方法〔五〕材質(zhì)的選擇GMP規(guī)定應(yīng)考慮設(shè)備與藥物等介質(zhì)接觸。第一章緒論--第三節(jié)制藥過程設(shè)計概論需要將制藥過程分解為一系列的獨立轉(zhuǎn)化步驟，每個轉(zhuǎn)化步驟就是一個中間加工過程。一旦確定了各個獨立轉(zhuǎn)化步驟，就必須把它們相互連接起來以實現(xiàn)總的轉(zhuǎn)變。制藥過程集成包括兩大任務(wù)：第一：轉(zhuǎn)化步驟；第二：轉(zhuǎn)化步驟相互連接構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)。流程圖

制藥過程設(shè)計它要求:制藥過程生產(chǎn)的藥品是平安和有效的，設(shè)計并采用的過程技術(shù)在藥品生產(chǎn)中的廢棄物產(chǎn)生量以及能量消耗必須到達(dá)既實際又經(jīng)濟的最小值。工藝流程設(shè)計過程模擬與優(yōu)化過程與工序方案單元設(shè)備與裝置的設(shè)計選擇確定獨立步驟GMP規(guī)范主要涉及原料藥合成與提取過程、藥物成型加工〔藥物制劑〕過程以及制藥公用工程的設(shè)計。作為工藝設(shè)計，其根本程序是根據(jù)〔生產(chǎn)〕設(shè)計任務(wù)選擇并設(shè)計技術(shù)方案，然后進(jìn)行物料能量恒算，再進(jìn)行設(shè)備選型或條件設(shè)計，最后繪制工藝流程圖和廠區(qū)及車間設(shè)備布置圖，并編制設(shè)計說明書。在設(shè)計過程應(yīng)及時將平安和產(chǎn)品質(zhì)量第一的思想以及健康和環(huán)境等問題納入每一個設(shè)計層次中，具體要做到以下幾點：①防止使用或使用較少的有毒物質(zhì)，或在較低的溫度和壓力下使用，或用惰性物質(zhì)稀釋后再使用。平安系統(tǒng)因一個內(nèi)在平安的原料藥生產(chǎn)過程而變得簡化。②設(shè)計實現(xiàn)廢物最小化的過程，使得特別復(fù)雜的廢物處理系統(tǒng)就不再是必需的。③對于無菌原料藥生產(chǎn)過程的設(shè)計，有必要把原料藥生產(chǎn)過程中最后產(chǎn)品的精制過程與原料藥的無菌化過程結(jié)合在一起進(jìn)行考慮，即設(shè)計成在要求凈化級別環(huán)境下的一步單元操作過程。④根據(jù)加工物料的物理的、化學(xué)的和生物的性質(zhì)，設(shè)計選擇設(shè)備的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)以及空氣凈化級別和配套的設(shè)施。在藥物加工過程的設(shè)計中，集成正確的流程結(jié)構(gòu)并進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化常常是過程設(shè)計非常重要的任務(wù)。通常，在設(shè)計過程中面臨許多項選擇擇?？刹捎肧imth等人提出的洋蔥模型。?制藥工程原理與設(shè)備?課程內(nèi)容與學(xué)習(xí)期望?制藥工程原理與設(shè)備?涉及“三藥〞制藥過程工程原理及設(shè)備、制劑工程原理與設(shè)備、制藥公用工程與設(shè)備等方面的知識，設(shè)備設(shè)計與放大原理、工藝工程設(shè)計方法以及制藥過程廢棄物處理技術(shù)與環(huán)境保護。掌握必要的工程根底知識以及設(shè)備和工程設(shè)計方法；獲得制藥過程的定量運算、設(shè)計以及工程放大根本能力和分析解決工程技術(shù)實際問題的能力。已學(xué)過的課程知識告訴我們藥物的〔合成、成型加工〕生產(chǎn)和貯運中的為什么。本門課程將要告訴我們在藥物的〔合成、成型加工〕生產(chǎn)和貯運中要怎么做，為什么要這樣做。第二章制藥工程與工藝設(shè)計第一節(jié)制藥工程總體設(shè)計策略一、設(shè)計目標(biāo)二、總體設(shè)計的任務(wù)與程序第二節(jié)藥物生產(chǎn)工藝設(shè)計一、概述二、工藝設(shè)計第三節(jié)工藝配管與設(shè)備安裝設(shè)計一、管道儀表流程圖的設(shè)計及制圖要求二、管道儀表流程圖的設(shè)計內(nèi)容三、設(shè)備的安裝設(shè)計第四節(jié)藥廠廠區(qū)布置一、藥廠廠區(qū)布置的方法和原那么二、廠區(qū)布置設(shè)計的依據(jù)思考題空氣凈化系統(tǒng)的流程圖1、新回風(fēng)混合段；2、初效過濾段；3、一次表冷段；4、二次表冷段；5、風(fēng)機段；6、加熱段；7、加濕段；8、消音段；9、中間消毒段；10、中效過濾段；11、送風(fēng)段；12、高效過濾段Chapter

2Designof

PharmaceuticalEngineering&ProcessFlow制藥工業(yè)是典型的流程工業(yè)Everyindustrialdrug’sorpharmaceuticalprocessflowisdesignedtoproduceeconomicallyadesiredproductfromavarietyofstartingmaterialsthroughasuccessionoftreatmentsteps流程工業(yè)特征①本步產(chǎn)物是下一步的原料，必須完成上一步才能進(jìn)行下一步②各步驟之間靠“管道〞及運載體連接和/或輸送

Chapter

2DesignofPharmaceuticalEngineering&ProcessFlow制藥工業(yè)〔PharmaceuticalIndustry〕包括用化學(xué)的、生物的以及物理的和各種集成的方法生產(chǎn)醫(yī)藥原料和產(chǎn)品的制造業(yè)，或者說包括生產(chǎn)原料藥和藥劑的工業(yè)。工業(yè)設(shè)計是以工藝為核心、工程為根底而展開的。設(shè)計是將經(jīng)驗和技術(shù)進(jìn)行物化的根底，它是通過圖紙和文字展示技術(shù)的過程與形式。制藥工程設(shè)計將一些專利藥物產(chǎn)品及技術(shù)與已有成熟的工業(yè)工程技術(shù)結(jié)合，通過工藝設(shè)計、工程根底設(shè)計〔或管道走向研究和平面布置〕和包括建筑、電氣、儀表、設(shè)備等設(shè)計在內(nèi)的施工圖設(shè)計。第一節(jié)制藥工程總體設(shè)計制藥工程總體設(shè)計:根底設(shè)計或由專利商承擔(dān)的工藝包設(shè)計。制藥工程總體設(shè)計:根據(jù)批準(zhǔn)的可行性研究報告或設(shè)計任務(wù)書，解決工程工程〔裝置〕建設(shè)的總體部署和重大原那么問題，到達(dá)優(yōu)化廠區(qū)總平面布置、優(yōu)化輔助生產(chǎn)設(shè)施、優(yōu)化系統(tǒng)工程的設(shè)計方案、控制工程規(guī)模、確定工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計原那么和技術(shù)條件，為開展設(shè)計創(chuàng)造條件，以實現(xiàn)對建設(shè)工程人財物和資源總耗量的控制目標(biāo)。對藥物制劑工程的工程總體設(shè)計通常是與GMP方案設(shè)計的精神是一致的，還有生物藥物等生產(chǎn)工程工程總體設(shè)計也是與它的GMP方案設(shè)計相統(tǒng)一的。第一節(jié)制藥工程總體設(shè)計一、設(shè)計目標(biāo)制藥工程設(shè)計的目標(biāo):制藥工業(yè)過程的目標(biāo):制藥工程總體設(shè)計可借助化工過程設(shè)計體系的“洋蔥模型〞，并結(jié)合工程工程建設(shè)結(jié)束投入生產(chǎn)運行時所涉及平安、健康和環(huán)境等問題、藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理標(biāo)準(zhǔn)以及裝置設(shè)施和技術(shù)的可驗證要求開展設(shè)計工作。第一節(jié)制藥工程總體設(shè)計制藥工程總體設(shè)計是一個獨立的設(shè)計，按照我國現(xiàn)行的行政法規(guī)，制藥工程總體設(shè)計或GMP方案設(shè)計是藥品生產(chǎn)驗證的根本依據(jù)之一，因此，該階段的設(shè)計是必須的。

二、總體設(shè)計的任務(wù)與程序(任何一個)工程總體設(shè)計的主要任務(wù)可以用一定、二平衡、三統(tǒng)一、四協(xié)調(diào)和五確定來描述。Diagram工藝包ProcessPackage或基礎(chǔ)設(shè)計BasicDesign物料平衡及熱量平衡計算，設(shè)備表，工藝數(shù)據(jù)表工藝流程圖工藝控制圖工藝說明書概略布置圖凈化分區(qū)圖級別劃分說明書原料、輔料及其他化學(xué)品、溶劑和包裝材料等公用物料的規(guī)格與消耗定額產(chǎn)品、副產(chǎn)品的規(guī)格及產(chǎn)量，質(zhì)量檢測要求三廢排放與建議處理措施所用物料和產(chǎn)品以及設(shè)備與過程的安全分析建議的設(shè)備布置圖和操作指南工藝專業(yè)向各個專業(yè)提供的相關(guān)設(shè)計條件相關(guān)專業(yè)意見反饋文字?jǐn)?shù)據(jù)資料主要生產(chǎn)工藝配置圖基礎(chǔ)條件圖工藝流程圖第二節(jié)藥物生產(chǎn)工藝設(shè)計對制藥工藝進(jìn)行設(shè)計的目的是如何運用科學(xué)的方法和原材料實現(xiàn)上市藥品的商業(yè)和工業(yè)目標(biāo)。從產(chǎn)品的形式來看制藥工藝有原料藥生產(chǎn)工藝和制劑生產(chǎn)工藝。工藝設(shè)計的依據(jù)是經(jīng)批準(zhǔn)的可行性研究報告、總體設(shè)計、工程設(shè)計合同書及設(shè)計根底資料。第二節(jié)藥物生產(chǎn)工藝設(shè)計工藝專業(yè)將根底設(shè)計或?qū)＠痰墓に嚢募D(zhuǎn)化為工程設(shè)計文件。內(nèi)容包括：工藝流程圖工藝控制圖工藝說明書物料平衡表設(shè)備表工藝數(shù)據(jù)表平安備忘錄概略布置圖…相關(guān)專業(yè)設(shè)計條件第二節(jié)藥物生產(chǎn)工藝設(shè)計二、工藝設(shè)計〔一〕原料藥工藝設(shè)計的原那么和方法為上市藥品提供平安、有效、穩(wěn)定、可靠的原料，以實現(xiàn)上市藥品的商業(yè)和工業(yè)目標(biāo)。技術(shù)方案可優(yōu)化，并符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，其中精烘包工序符合GMP標(biāo)準(zhǔn)；以實現(xiàn)原料和能量消耗降低、產(chǎn)品質(zhì)量以及生產(chǎn)潛力提高，同時，保證生產(chǎn)過程的平安和環(huán)境改善、對環(huán)境的有害影響減少。依據(jù)開發(fā)的技術(shù)選擇適宜的工藝路線邊設(shè)計邊進(jìn)行工藝工程方案的優(yōu)化完成工藝設(shè)計。第二節(jié)藥物生產(chǎn)工藝設(shè)計二、工藝設(shè)計〔一〕原料藥工藝設(shè)計的原那么和方法可采用：史密斯和林霍夫?qū)θ^程的開發(fā)和設(shè)計提出的“洋蔥〞模型。第二節(jié)藥物生產(chǎn)工藝設(shè)計〔二〕藥物制劑工藝設(shè)計的原那么和方法制藥企業(yè)一旦成功開發(fā)出一個新品種，就會開發(fā)出生產(chǎn)各性質(zhì)〔藥物的含量、硬度、溶解度、穩(wěn)定性〕都在一定限度范圍內(nèi)的藥物生產(chǎn)過程。這一開發(fā)過程就是憑借經(jīng)驗將模式化的信息運用到大規(guī)模常規(guī)生產(chǎn)中。第二節(jié)藥物生產(chǎn)工藝設(shè)計〔二〕藥物制劑工藝設(shè)計的原那么和方法為上市藥品實現(xiàn)商業(yè)和工業(yè)目標(biāo)。藥物制劑工藝的設(shè)計是在特定的藥劑處方和加工工藝條件下，選擇加工工序以及混配、成型和灌裝或包裝設(shè)備，結(jié)合工序進(jìn)行凈化區(qū)域和級別劃分，使所選擇的工藝路線符合GMP標(biāo)準(zhǔn)且總生產(chǎn)本錢最低。計邊進(jìn)行工藝工程方案的優(yōu)化完成工藝設(shè)計依據(jù)開發(fā)的制劑技術(shù)選擇適宜的工藝路線邊設(shè)第二節(jié)藥物生產(chǎn)工藝設(shè)計二、工藝設(shè)計〔二〕藥物制劑工藝工藝設(shè)計的原那么和方法也可采用：史密斯和林霍夫的“洋蔥〞模型。藥品的特殊性決定了設(shè)計過程中還要注意以下一些原那么性問題。〔1〕工作人員流程和物料流程〔2〕合理的凈化級別區(qū)域與凈化程序〔3〕車間與設(shè)備布置〔4〕配管及其它第二節(jié)藥物生產(chǎn)工藝設(shè)計〔三〕工藝設(shè)計的工作程序和方法〔1〕設(shè)計前期工作〔2〕工藝設(shè)計階段〔3〕開展工藝設(shè)計〔4〕向有關(guān)專業(yè)提出相關(guān)設(shè)計條件第二節(jié)藥物生產(chǎn)工藝設(shè)計①接受設(shè)計條件[工程建議書、可行性研究報告、裝置總平面布置圖、專利及專有技術(shù)資料、工藝設(shè)計根底數(shù)據(jù)、開工報告、開工會議紀(jì)要和合同文件]②消化設(shè)計根底資料，確定設(shè)計根底[采用的工藝技術(shù)路線及其依據(jù)，產(chǎn)品方案及裝置的設(shè)計生產(chǎn)能力、產(chǎn)成品的數(shù)量、年操作時數(shù)及裝置的操作彈性等；原輔料、催化劑、化學(xué)品的規(guī)格要求及界區(qū)條件；產(chǎn)品、中間產(chǎn)品及副產(chǎn)品的規(guī)格；公用工程的各項規(guī)格要求及界區(qū)條件(溫度、壓力等)；其它設(shè)計根底數(shù)據(jù)]①確定工藝流程方案，進(jìn)行工藝計算，完成全流程的模擬計算，即完成物料平衡和能量平衡的計算工作，提出主流程工藝流程圖(PFD)；②在物料平衡計算的根底上進(jìn)行設(shè)備分析、計算，完成設(shè)備一覽表、設(shè)備工藝數(shù)據(jù)表和建議的設(shè)備布置圖；③在能量平衡計算的根底上提出公用工程及能量的規(guī)格、消耗定額和消耗量；④提出必需的輔助系統(tǒng)和公用系統(tǒng)方案，并進(jìn)行初步的計算；提出初步的公用工程流程圖(UFD)；⑤提出污染物排放及治理措施；⑥進(jìn)行初步的平安分析；⑦進(jìn)行設(shè)備概略布置研究和危險區(qū)劃分的研究；⑧完成供各專業(yè)做準(zhǔn)備和開展工作用的管道及儀表流程圖(A版PID)。設(shè)計前期工作工藝設(shè)計階段開展工藝設(shè)計

向有關(guān)專業(yè)提設(shè)計條件1、參加工程建議書、可行性研究報告的編制工作，承擔(dān)有關(guān)工藝專業(yè)的研究，并編寫相應(yīng)文件2、參加工程報價書、投標(biāo)書技術(shù)文件的編寫，承擔(dān)有關(guān)工藝專業(yè)的研究并編寫相應(yīng)文件3、參加有關(guān)投標(biāo)書的技術(shù)介紹、合同談判、編寫有關(guān)合同附件4、根據(jù)工程情況，參加引進(jìn)技術(shù)工程的詢價書編寫，對投標(biāo)書的評標(biāo)，合同附件的談判5、大中型聯(lián)合裝置需要進(jìn)行總體規(guī)劃設(shè)計時，對有關(guān)工程提出可供總體規(guī)劃參考的設(shè)計條件。采用專利商提供的工藝包，工藝設(shè)計工程師的任務(wù)就是將專利商的文件轉(zhuǎn)換為工程文件，發(fā)送給有關(guān)專業(yè)開展設(shè)計，并提交給用戶供審查。①研究并消化工藝包和執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)；②考慮工藝包中對主要系統(tǒng)的要求，提出必需的輔助系統(tǒng)和公用系統(tǒng)方案，提出初步的工藝流程圖(PFD)；③準(zhǔn)備根底工程設(shè)計的設(shè)計條件、內(nèi)容、要求和設(shè)計原那么，編制設(shè)計統(tǒng)一規(guī)定，明確執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)；④編制工程規(guī)定和規(guī)定匯總表，并提交用戶批準(zhǔn)；⑤初步的平安分析；⑥編制工程設(shè)計數(shù)據(jù)和現(xiàn)場數(shù)據(jù)；⑦編制設(shè)備清單；⑧完成供各專業(yè)做準(zhǔn)備和開展工作用的管道及儀表流程圖(A版PID)。①工藝介質(zhì)的物性及操作參數(shù)、工藝控制及報警、聯(lián)鎖要求；②向電氣專業(yè)提出爆炸危險區(qū)域劃分條件表，以便電氣專業(yè)編制危險區(qū)域劃分圖。提出工藝對電氣系統(tǒng)的特殊要求，如對電機自啟動的要求、局部特殊照明、與電氣設(shè)備有關(guān)的報警和聯(lián)鎖要求等，供電氣、儀表專業(yè)開展工作；③向總圖布置、電氣等專業(yè)提供建議的工藝設(shè)備布置圖；④設(shè)備工藝數(shù)據(jù)表，非標(biāo)設(shè)備附簡圖；⑤向分析專業(yè)提出分析化驗條件表、取樣點匯總表；⑥編寫生產(chǎn)操作原那么和平安規(guī)程指南；⑦三廢排放一覽表；⑧相關(guān)專業(yè)設(shè)計條件表，包括：公用工程條件表、消防條件表、電信條件表、通風(fēng)、空調(diào)、采暖條件表、建、構(gòu)筑物特性條件表、工藝平安生產(chǎn)和職業(yè)衛(wèi)生要求，以及物性數(shù)據(jù)手冊；⑨向工程設(shè)計經(jīng)理提供有關(guān)的條件。第二節(jié)藥物生產(chǎn)工藝設(shè)計〔1〕設(shè)計范圍〔2〕設(shè)計根底〔3〕工藝流程說明〔4〕工藝流程圖/凈化分區(qū)圖和人員－物料分流圖〔5〕工藝控制流程圖〔6〕物料和熱量衡算〔7〕工藝設(shè)備數(shù)據(jù)表〔8〕工藝設(shè)備一覽表〔9〕原輔料、燃料消耗定額及消耗量〔10〕原輔料、燃料及產(chǎn)品、副產(chǎn)品的規(guī)格〔11〕公用工程規(guī)格、消耗定額及消耗量〔12〕分析化驗要求〔13〕裝置界區(qū)條件表〔14〕三廢排放點、排放量、組成及建議的處理措施〔15〕平安備忘錄〔17〕建議的設(shè)備平面布置圖〔18〕操作指南〔四〕工藝設(shè)計的內(nèi)容和深度第二節(jié)藥物生產(chǎn)工藝設(shè)計〔五〕工藝流程圖設(shè)計工藝流程設(shè)計：生產(chǎn)工藝流程設(shè)計(成熟)試驗性工藝流程設(shè)計(研究、柔性)

流程設(shè)計的作用與任務(wù)作用：工藝流程設(shè)計是整個工藝設(shè)計的中心它依據(jù)的是確定的原料路線和技術(shù)方案它作為整個工程設(shè)計的根底，決定后續(xù)的物料及能量恒算、工藝設(shè)備設(shè)計、車間布置設(shè)計、管道布置設(shè)計等單項設(shè)計第二節(jié)藥物生產(chǎn)工藝設(shè)計〔五〕工藝流程圖設(shè)計在開展工藝流程圖設(shè)計之前，首先面臨的是工藝路線的選擇，再就是工藝流程方案的優(yōu)化。在綜合考慮原料的來源、生產(chǎn)本錢和環(huán)境污染等因素后確定適宜的原料路線。原料路線確定后，再根據(jù)工藝技術(shù)的先進(jìn)、合理和可靠性確定適宜的工藝路線。本體法一氯丙酮反應(yīng)過程裝置流程第二節(jié)藥物生產(chǎn)工藝設(shè)計工藝流程設(shè)計中的方案比較藥物的合成、生物轉(zhuǎn)化、中藥提取別離，制劑〔固體制劑：一步制粒、濕法制粒、粉體壓制〕等均或因原料路線不同、或因采用的反響與加工體系不同、或因采用的過程工序不同、或因過程設(shè)備及控制技術(shù)不同，而有不同的工藝流程，相應(yīng)的有不同的工藝流程方案供設(shè)計選用例如：合成藥物〔左〕氧氟沙星和農(nóng)用殺蟲劑吡蚜酮的中間體〔CH3COCH2Cl)一氯丙酮在國內(nèi)外工業(yè)生產(chǎn)中普遍采用的是丙酮和氯氣反響合成法，按反響體系的不同分為：酸法、鈣法及本體法。其中本體法,因氯化反響器的不同又分為，攪拌釜、填料塔、降膜塔等；借助的是填料塔作氯化反響器，在塔內(nèi)回流的丙酮與氯氣反響，實現(xiàn)了本體反響別離耦合工程技術(shù)與工藝。第二節(jié)藥物生產(chǎn)工藝設(shè)計-〔五〕工藝流程圖設(shè)計技術(shù)方案確定原那么及方法①良好的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)：產(chǎn)物收率、原料單耗、能量單耗、產(chǎn)品本錢、設(shè)備投資、操作費用②對環(huán)境友好的工程：環(huán)境、平安、占地面積等③對不同的完整流程進(jìn)行模擬和環(huán)境評價④優(yōu)化每個流程的操作條件，進(jìn)行本錢核算注意：制藥過程集成的復(fù)雜性是雙重的。第一，是否能確定所有的流程結(jié)構(gòu)；第二，是否能優(yōu)化每一個流程并進(jìn)行合理的比較。當(dāng)優(yōu)化流程結(jié)構(gòu)時，有許多方法能用來完成每個獨立的任務(wù)，也有許多方法能把所有獨立的任務(wù)相互連接起來。這就意味著必須對大量的流程進(jìn)行模擬并優(yōu)化其操作條件。第二節(jié)藥物生產(chǎn)工藝設(shè)計-〔五〕工藝流程圖設(shè)計流程設(shè)計方法1.建立一個不可簡化的流程2.建立并優(yōu)化一個可簡化的流程注意：①在實踐中不管使用哪一種設(shè)計方法，都不能代替對設(shè)計過程本身的理解。②設(shè)計的展開依然可以用“洋蔥模型〞。③繪圖是設(shè)計的結(jié)果表現(xiàn)形式，設(shè)計具有實現(xiàn)技術(shù)集成的研究性和創(chuàng)造性。第二節(jié)藥物生產(chǎn)工藝設(shè)計-〔五〕工藝流程圖設(shè)計要求關(guān)鍵缺點優(yōu)點這種集成方法就是做出一系列局部最佳的決策。只有根據(jù)所適用的信息，當(dāng)然是不完整的信息，判定一臺設(shè)備在經(jīng)濟上可行時，才能將它加入設(shè)計流程。這樣設(shè)計的流程是不能再簡化的了，因為技術(shù)上或經(jīng)濟上多余的設(shè)備并不存在。在每一層必須根據(jù)設(shè)計階段所適用的信息做出相應(yīng)的決定。如果能夠預(yù)測設(shè)計完成后系統(tǒng)的性能，那么可能會做出不同的決定。然而，這是根本做不到的。因此，必須根據(jù)不完整的信息做出相應(yīng)的決定①在每個設(shè)計階段可能有不同的設(shè)計決定。為了保證做出最佳決定，必須評估與其他決定有關(guān)的設(shè)計。因此，為了找到某一設(shè)計階段的最佳設(shè)計決定，必須完成并且優(yōu)化很多設(shè)計，否則就無法正確評估該設(shè)計決定。②即使完成并評估了很多設(shè)計選擇，也不保能找到最優(yōu)設(shè)計。在流程中，不同設(shè)備之間能夠產(chǎn)生非常復(fù)雜的相互作用。在設(shè)計初期，為保持簡單的流程和不增加設(shè)備所作的努力，可能會錯過在復(fù)雜流程中，因設(shè)備之間的相互作用而帶來的好處。設(shè)計者能夠控制基本的設(shè)計決定，而且能夠隨設(shè)計進(jìn)展與設(shè)計本身進(jìn)行交流。通過控制基本的設(shè)計決定，設(shè)計中捉摸不定的因素就全部包括在決策過程中。建立一個不可簡化的流程先選擇關(guān)鍵設(shè)備系統(tǒng)，再通過增加別離與再循環(huán)系統(tǒng)而向外擴展，最后是換熱網(wǎng)絡(luò)和公用工程〔史密斯和林霍夫的洋蔥模型？〕第二節(jié)藥物生產(chǎn)工藝設(shè)計-〔五〕工藝流程圖設(shè)計要求關(guān)鍵缺點優(yōu)點這種集成方法就是將設(shè)計問題轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)學(xué)問題。設(shè)計方程是流程中操作單元的模型方程及其約束條件。設(shè)計變量有兩種。第一種設(shè)計變量描述每個操作單元的操作(流率、組成、溫度和壓力)，尺寸(體積和傳熱面積等)及其相關(guān)的成本或效益。由于設(shè)計方程對這些設(shè)計變量的依賴性是以連續(xù)方式表示的，所以這些變量被稱為連續(xù)變量。第二種設(shè)計變量與確定流程結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系，它們被稱為整數(shù)變量。這些整數(shù)變量描述流程中某個特殊單元或連接的存在與否。如果流程中存在某個單元或連接，那么整數(shù)變量取值為1，否則取值為0①將那些可能會成為最優(yōu)設(shè)計一部分的設(shè)備都考慮在內(nèi)，在設(shè)計初期，該超結(jié)構(gòu)含有多余的設(shè)備，這涉及許多選擇②用設(shè)計方程和設(shè)計變量將設(shè)計問題轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)學(xué)問題③運用優(yōu)化算法求解在結(jié)構(gòu)和參數(shù)優(yōu)化過程中，目標(biāo)函數(shù)是經(jīng)濟效益最大或成本最低。如果優(yōu)化后一個整數(shù)變量的值為0，那么就從流程中去掉相應(yīng)的設(shè)備，從而簡化了流程。實際上，過程設(shè)計中的離散決策過程被離散／連續(xù)優(yōu)化過程所代替。能同時考慮許多不同的設(shè)計方案，還能將全部設(shè)計步驟編寫成計算機程序，從而快速、高效地獲得設(shè)計方案建立并優(yōu)化一個可簡化的流程：提出一種超結(jié)構(gòu)--包容所有可行的過程操作和所有可行的、相互影響的最優(yōu)設(shè)計備選流程。①如果初始超結(jié)構(gòu)不包括最佳流程結(jié)構(gòu)，那么這種方法就不能找到最佳流程。結(jié)構(gòu)包括的選擇越多，就越有可能含有最佳流程。②如果準(zhǔn)確表示流程中所有獨立的單元操作，那么得到的需要進(jìn)行優(yōu)化的經(jīng)濟效益分布曲線既非常龐大又不規(guī)則。經(jīng)濟效益分布曲線就像環(huán)抱著眾多山峰的群山，山中的每一個山峰對應(yīng)于經(jīng)濟效益分布曲線中的一個局部最優(yōu)值，而最高的山峰被稱為全局最優(yōu)值。優(yōu)化過程相當(dāng)于在濃霧籠罩的群山中，在沒有地圖的幫助下，僅憑指南針和高度儀辨明方向和高度而找到最高山峰的過程。在達(dá)到任何一個山峰時，由于霧的存在，為了找到最高峰，必須搜索完所有的山峰。群山中還有一旦掉入就無法爬上來的峽谷。通過改變模型，使它的求解空間變得比較規(guī)則及優(yōu)化過程變得比較簡單，就能克服上述問題。這常常意味著要簡化表示單元操作的方程，并且盡量使它們線性化。③在決策過程中排除了設(shè)計工程師的作用，因此，設(shè)計過程中很多捉摸不定的因素(如安全和布局等）,因難于包括在數(shù)學(xué)模型中而不能令人滿意地考慮進(jìn)去。第二節(jié)藥物生產(chǎn)工藝設(shè)計〔五〕工藝流程圖設(shè)計工藝流程設(shè)計各個階段的設(shè)計成果都是用各種工藝流程圖和表格表達(dá)出來的。按照設(shè)計階段的不同，先后有方框流程圖(BlockFlowSheet)、工藝流程草(簡)圖(SimplifiedFlowSheet)、工藝物料流程圖(ProcessFlowDiagram)、工藝控制流程圖(ProcessandControlDiagram)和管道及儀表流程圖(Piping&InstrumentationDiagram)等種類。對于醫(yī)藥行業(yè)應(yīng)根據(jù)其特有的生產(chǎn)潔凈區(qū)級別要求，除了生產(chǎn)平面布置圖外，還有人員－物料分流圖(MaterialandPersonnelFlowDrawing)、工藝流程及環(huán)境區(qū)域劃分示意圖(PlantSchematicandProcessFlowDiagram)等。第二節(jié)藥物生產(chǎn)工藝設(shè)計-〔五〕工藝流程圖設(shè)計方框流程圖是在工藝路線選定后，工藝流程進(jìn)行概念性設(shè)計時完成的一種流程圖、不編入設(shè)計文件。工藝流程草(簡)圖是一個半圖解式的工藝流程圖。它實際上是方框流程圖的一種變體或深入，只是示意出工藝流程中各裝置間的相互關(guān)系，供工藝模擬計算時使用，也不列入設(shè)計文件。工藝物料流程圖(PFD)和／或工藝控制流程圖(PCD)及初版的管道及儀表流程圖(PID)列入初步設(shè)計階段的文件中。各版的管道及儀表流程圖(PID)列入施工圖設(shè)計階段的設(shè)計文件中。通過工藝物料流程圖(PFD)或工藝控制流程圖(PCD)，可以比較清楚地了解設(shè)計的全貌。對乙酰氨基酚的合成與精烘包生產(chǎn)工藝方框流程圖

第二節(jié)藥物生產(chǎn)工藝設(shè)計-〔五〕工藝流程圖設(shè)計阿司匹林的生產(chǎn)工藝流程框圖第二節(jié)藥物生產(chǎn)工藝設(shè)計-〔五〕工藝流程圖設(shè)計阿司匹林的生產(chǎn)工藝流程示意圖第二節(jié)藥物生產(chǎn)工藝設(shè)計-〔五〕工藝流程圖設(shè)計氯苯硝化的物料流程圖

例：帶控制點的中藥提取工藝流程圖水針劑車間人物流程方案圖

第二節(jié)藥物生產(chǎn)工藝設(shè)計-〔五〕工藝流程圖設(shè)計工藝流程設(shè)計的成果初步設(shè)計階段(conceptualphase)帶控制點的工藝流程圖、凈化分區(qū)圖和人員－物料分流圖初步設(shè)計階段的：在物料流程圖的根底上，加上設(shè)備、儀表、自控、管路等設(shè)計結(jié)果設(shè)計而成施工圖設(shè)計階段(definitionphase)帶控制點的工藝流程圖、凈化分區(qū)圖和人員－物料分流圖以及設(shè)備平面布置圖。施工圖設(shè)計階段的：根據(jù)初步設(shè)計的審查意見，結(jié)合施工的實際要求，對初步設(shè)計階段帶控制點的工藝流程圖進(jìn)行修改和完善設(shè)計而成。第二節(jié)藥物生產(chǎn)工藝設(shè)計-〔五〕工藝流程圖設(shè)計帶控制點的工藝流程圖的根本要求〔1〕表示出生產(chǎn)過程的全部工藝設(shè)備，包括設(shè)備圖例、位號和名稱〔2〕表示出生產(chǎn)過程的全部工藝物料和載能介質(zhì)的名稱、技術(shù)規(guī)格及流向〔3〕表示出生產(chǎn)過程的全部物料管道和各種輔助管道〔如水、蒸汽、壓縮空氣等〕的代號、材質(zhì)、管徑及保溫情況?！?〕表示出生產(chǎn)過程的全部工藝閥門以及阻火器、視鏡及疏水器等管件，不必繪出法蘭、彎頭、三通等一般管件?！?〕表示出生產(chǎn)過程的全部儀表和控制方案，包括儀表的控制參數(shù)、功能、位號以及檢測點和控制回路等。第三節(jié)工藝配管與設(shè)備安裝設(shè)計〔自學(xué)〕在藥物生產(chǎn)工藝設(shè)計中，尤其是原料藥的生產(chǎn)工藝設(shè)計中，最重要的任務(wù)之一就是流體管道設(shè)計。設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備與管道、管道與裝置界區(qū)邊界點之間都要靠管道來連接。工藝工程師要花費大量的時間來恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計各種各樣的管道系統(tǒng)，綜合權(quán)衡建設(shè)投資和操作費用。工藝管道及儀表流程圖又稱PID。它是Piping&InstrumentationDiagram的縮寫。管道及儀表流程圖在工藝包階段就開始形成初版，隨著設(shè)計階段的深入，不斷補充完善，直到施工圖設(shè)計階段完成，是施工圖設(shè)計階段的主要設(shè)計產(chǎn)品之一。它反映的是工藝設(shè)計流程、設(shè)備設(shè)計、管道布置設(shè)計、自控儀表設(shè)計的綜合成果。第三節(jié)工藝配管與設(shè)備安裝設(shè)計〔自學(xué)〕生產(chǎn)工藝流程中必須使用的工藝用水(包括作為原料的軟水、冷卻水、溶劑用水以及洗滌用水等)、蒸汽(原料用汽、加熱用汽、動力用汽及其它用汽等)、儀表空氣、壓縮空氣、氮氣等以及冷凍、真空等公用工程都是工藝流程中要考慮的配套設(shè)施。至于生產(chǎn)用電、給排水、空調(diào)采暖通風(fēng)等公用工程都是與其它專業(yè)密切配合的，完成這些公用工程設(shè)計所對應(yīng)的設(shè)計文件就是稱之為UID〔UtilityandlnstrumentDiagram〕的公用工程管道及儀表流程圖。其中標(biāo)識出與公用工程有關(guān)的設(shè)備、管線的設(shè)計參數(shù)及儀表控制方案，但在管道及儀表流程圖(PID)中已經(jīng)標(biāo)識出的公用物料儀表不再重復(fù)出現(xiàn)。第三節(jié)工藝配管與設(shè)備安裝設(shè)計〔自學(xué)〕制藥設(shè)備的安裝設(shè)計以圖紙的形式表現(xiàn)為設(shè)備在生產(chǎn)車間的平立面布置圖，要求其技術(shù)除符合常規(guī)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)外還必須符合GMP標(biāo)準(zhǔn)，所涉及的設(shè)備包括原料藥生產(chǎn)用化工設(shè)備和藥劑生產(chǎn)用的機械設(shè)備(大局部為專用設(shè)備)。設(shè)備的安裝設(shè)計目的在于保證其在生產(chǎn)運行過程中符合企業(yè)工藝生產(chǎn)特點和GMP要求，并便于生產(chǎn)操作和維修保養(yǎng)，能防止過失以及交叉污染。第四節(jié)藥廠廠區(qū)布置〔自學(xué)〕對于藥物制劑車間以及一些中小型原料藥生產(chǎn)車間，其生產(chǎn)、輔助、生活三局部多數(shù)布置在一幢廠房內(nèi)，就是一個車間布置。但是，考慮制藥企業(yè)自建供熱制冷、廢水以及其它廢棄物處理等公用工程，那么需要分成許多單體獨立設(shè)置，在布置上形成一個界區(qū)。鑒于制藥企業(yè)的車間設(shè)計要與總體環(huán)境一致，故通常在做新廠設(shè)計時，要同步進(jìn)行藥廠廠區(qū)布置設(shè)計，廠區(qū)布置設(shè)計通常是在總體設(shè)計階段就已經(jīng)給出根本方案，在工藝設(shè)計過程中逐步完善并形成最正確布置圖。思考與練習(xí)制藥工程總體設(shè)計的內(nèi)容和程序如何？試述制藥工藝設(shè)計在制藥工程工程設(shè)計中的地位與作用，并描述工藝設(shè)計程序。管道儀表流程圖的繪制要求有哪些？藥廠廠區(qū)布置設(shè)計應(yīng)遵循的原那么有哪些？Weknowandwehavemuchmoretodo我們需要有有機化學(xué)、生物化學(xué)、微生物學(xué)、物理化學(xué)和藥物化學(xué)等根底理論知識，需要有化工原理和制藥工程原理以及工程工藝學(xué)等專業(yè)根底和技術(shù)知識，具有進(jìn)行藥物合成所需的工藝工程設(shè)計、產(chǎn)品技術(shù)研究開發(fā)和設(shè)備操作等的根本能力。學(xué)會應(yīng)用所學(xué)知識和掌握的根本能力去觀察、發(fā)現(xiàn)、分析和解決生產(chǎn)及工程技術(shù)開發(fā)過程中的實際問題。已學(xué)過的課程知識告訴我們藥物的〔合成、成型加工〕生產(chǎn)和貯運中的為什么。本門課程將要告訴我們在藥物的〔合成、成型加工〕生產(chǎn)和貯運中要怎么做，為什么要這樣或必須這樣做。湖水不言，……春已悄然而至！第二章制藥反響工程根底與設(shè)備本章重點在于讓學(xué)生掌握理想反應(yīng)器計算的基本原理和設(shè)計方法，難點是攪拌器功率的計算和生化反應(yīng)器的放大設(shè)計。教學(xué)內(nèi)容教學(xué)提示化學(xué)以及生物反應(yīng)動力學(xué)、理想反應(yīng)器的流體流動模型、非牛頓流體流變特性，化學(xué)與生物反應(yīng)設(shè)備的結(jié)構(gòu)與性能，攪拌釜式反應(yīng)器以及發(fā)酵罐的反應(yīng)體積計算與操作方式的關(guān)系，攪拌器功率的計算；生化反應(yīng)器的放大設(shè)計反應(yīng)器的功能結(jié)構(gòu)物料衡算式熱量衡算式化學(xué)以及生物反應(yīng)動力學(xué)流體流動與混合非牛頓流體的流變特性攪拌的功能作用與結(jié)構(gòu)基于微元分析和無因次分析的攪拌軸功率計算式設(shè)備放大設(shè)計本章理論知識涉及介紹學(xué)習(xí)熟悉設(shè)備放大設(shè)計工作程序，掌握結(jié)合生產(chǎn)任務(wù)和工程工藝技術(shù)分析、開展設(shè)備的放大設(shè)計方法。反應(yīng)器大小的計算設(shè)備選型攪拌軸功率大小計算攪拌結(jié)構(gòu)選型1.1化學(xué)以及生物反響動力學(xué)1.2非牛頓流體的流變特性1.3流體流動與混合第二章制藥反應(yīng)工程基礎(chǔ)與設(shè)備第一節(jié)反應(yīng)工程基礎(chǔ)（背景知識）1.1化學(xué)以及生物反響動力學(xué)第二章制藥反應(yīng)工程基礎(chǔ)與設(shè)備第一節(jié)反應(yīng)工程基礎(chǔ)（背景知識）反響速率：單位時間、單位反響區(qū)中物質(zhì)量的變化〔反響量或產(chǎn)物的生成量〕。反響體積：固相、液相或催化劑的堆體積反響外表積：氣固相催化反響中催化劑的內(nèi)外表積或非均相反響中的相界面積反響系統(tǒng)的質(zhì)量：固體或催化劑的質(zhì)量反響區(qū)1.1.1反響速率[1]化學(xué)反響動力學(xué)研究〔排除傳遞過程影響的〕化學(xué)反響速率的快慢和反響進(jìn)行的方式，討論反響本身的速率變化規(guī)律和反響機理。生物反響動力學(xué)還要基于影響反響的生物量進(jìn)行研究，生物量在發(fā)酵過程中是變化的。因此，比化學(xué)反響動力學(xué)要復(fù)雜。[1]羅康碧、羅明河、李滬萍編著反響工程原理，北京，科學(xué)出版社，2005年版〔2-1〕第二章制藥反應(yīng)工程基礎(chǔ)與設(shè)備第一節(jié)反應(yīng)工程基礎(chǔ)（背景知識）化學(xué)以及生物反響動力學(xué)1.1.1反響速率(1)間歇過程反響期間沒有物料進(jìn)出反響速率以單位時間內(nèi)單位反響體積中組分i的物質(zhì)量的變化量來表示：riV組分i的單位體積反響速率，kmol/(m3·h)或mol/(L·s)V反響體積，m3或Lni組分i的瞬間量，kmol或molt反響時間，h或s〔2-2〕對間歇均相恒容反響有對間歇多相反響體系，反響僅在相界面上發(fā)生，有對間歇流固相反響體系，反響區(qū)可用單位質(zhì)量固體〔催化劑〕表示，有〔2-3.1〕〔2-3.2〕〔2-3.3〕第二章制藥反應(yīng)工程基礎(chǔ)與設(shè)備第一節(jié)反應(yīng)工程基礎(chǔ)（背景知識）化學(xué)以及生物反響動力學(xué)1.1.1反響速率〔2〕連續(xù)過程反響期間物料同時連續(xù)進(jìn)出，穩(wěn)態(tài)下物料在反響器內(nèi)沒有積累，反響體系中某一微元內(nèi)的溫度、濃度等參數(shù)不隨時間而變。反響速率以單位反響體積中〔或單位反響面積及單位質(zhì)量固體或催化劑上〕某一反響組分的摩爾流量的變化來表示：(2-4.2)(2-4.1)(2-4.3)式中，F(xiàn)i-組分i的摩爾流量，mol/s或mol/h；VR-反響體積，m3與間歇過程的反響時間不同，在連續(xù)過程引入空間時間〔停留時間、接觸時間〕概念：τ＝Fi/Q0Q0–進(jìn)入反響器原料混和物的體積，m3/s(2-5)

第二章制藥反應(yīng)工程基礎(chǔ)與設(shè)備第一節(jié)反應(yīng)工程基礎(chǔ)（背景知識）依化學(xué)計量式〔2-6〕，可用不同組分表示反響速率(其中的ai是A、B或S、R的計量系數(shù))〔2-6〕化學(xué)計量方程僅表示由于反響而引起的各個參與反響的物質(zhì)之間量的變化關(guān)系，方程本身與反響的實際歷程無關(guān)，同時規(guī)定各計量數(shù)之間不應(yīng)含有除1以外的任何公因子。實際反響投料比經(jīng)常不是按計量式確定的！這樣會改變物料的濃度，會影響反響速度，有時會改變反響的選擇性?；瘜W(xué)以及生物反響動力學(xué)1.1.2化學(xué)反響速率方程第二章制藥反應(yīng)工程基礎(chǔ)與設(shè)備第一節(jié)反應(yīng)工程基礎(chǔ)（背景知識）化學(xué)以及生物反響動力學(xué)1.1.2化學(xué)反響速率方程速率常數(shù)：〔2-7〕〔2-8〕對于不可逆的基元反響，化學(xué)反響速率與濃度等參數(shù)之間的關(guān)系或濃度等參數(shù)與時間關(guān)系-化學(xué)反響的速率方程〔rateequation〕可直接由質(zhì)量作用定律表示：事實上，絕大多數(shù)反響都是非基元反響，式〔2-7〕可表示為：式〔2-8〕中的產(chǎn)物級數(shù)是負(fù)值。同時，非基元反響可分解為假設(shè)干個基元反響，由反響機理導(dǎo)出該反響的速率方程。關(guān)于可逆反響、自催化反響以及平行反響、連串反響和并列反響等的反響速率方程式形式可參見有關(guān)化學(xué)反響工程教科書或?qū)Ｖ?.朱炳辰，化學(xué)反響工程，北京，化學(xué)工業(yè)出版社，20012.OLevenspiel.ChemicalReactionEngineering.ThirdEdition.JohnWiley&Sons,Inc,化學(xué)工業(yè)出版社，2002，影印版第二章制藥反應(yīng)工程基礎(chǔ)與設(shè)備第一節(jié)反應(yīng)工程基礎(chǔ)（背景知識）同樣可用式〔2-2〕描述耗氧發(fā)酵過程的反響速度：〔2-9〕由于生物反響中的化學(xué)計量系數(shù)具有不確定性，通常難以得到嚴(yán)格意義上的反響速率。對生物反響過程來說，常用比消耗或比形成速率，尤其是具有自我催化性質(zhì)的發(fā)酵過程。比速率是一個相對速度，它與生物量〔以細(xì)胞干重表示〕或有催化活性物質(zhì)量〔如酶量〕有密切的關(guān)系?；瘜W(xué)以及生物反響動力學(xué)1.1.3生物反響速率方程在生物發(fā)酵過程中，細(xì)胞在利用各種底物〔原料〕進(jìn)行自身繁殖的同時生產(chǎn)各類產(chǎn)品。對于耗氧發(fā)酵，通常可用帶有化學(xué)計量系數(shù)νi的反響方程表示：細(xì)胞生長的比速率：底物消耗的比速率：對O2產(chǎn)物形成的比速率：對CO2對熱〔2-10.1〕〔2-10.2〕〔2-10.3〕

細(xì)胞反應(yīng)過程本質(zhì)是復(fù)雜的酶催化反應(yīng)體系。細(xì)胞如同一微小的反應(yīng)容器，原料中的反應(yīng)物透過細(xì)胞周圍的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜，進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，在酶的作用下進(jìn)行催化反應(yīng)，把反應(yīng)物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物，接著這些產(chǎn)物又被釋放出來。細(xì)胞的生長過程包括下列階段：延遲期、指數(shù)生長期、減速期、靜止期和衰亡期。每階段都有自己的動力學(xué)特點，尤以指數(shù)生長期和減速期最為重要。第二章制藥反應(yīng)工程基礎(chǔ)與設(shè)備第一節(jié)反應(yīng)工程基礎(chǔ)（背景知識）化學(xué)以及生物反響動力學(xué)1.1.3生物反響速率方程〔1〕細(xì)胞生長速率〔2-11.1〕當(dāng)體系中，只有一種限制性基質(zhì)，而不存在其他限制生長因素時，細(xì)胞比生長速率－μ為此限制性基質(zhì)濃度的函數(shù)，這就是Monod方程(1950年〕:〔2-11.2〕

A.游離細(xì)胞生長速率方程：

連續(xù)〔2-11.3〕式〔2－11〕中D是稀釋率，單位時間內(nèi)流加培養(yǎng)液與發(fā)酵罐中液體體積之比。D的倒數(shù)即空間時間或停留時間τ。

B.

固定化細(xì)胞生長速率方程：〔2-12.1〕式〔2－12〕中下標(biāo)s和f分別表示固定在載體上的細(xì)胞和游離的細(xì)胞。稀釋只會影響游離細(xì)胞，對固定在載體上的細(xì)胞無影響。間歇連續(xù)〔2-12.2〕間歇Monod方程的基本假設(shè)如下：

a.細(xì)胞的生長為均衡式生長（唯一變量是細(xì)胞的濃度）；

b.培養(yǎng)基中只有一種基質(zhì)是生長限制性基質(zhì)，其他組分為過量，不影響細(xì)胞的生長；

c.細(xì)胞的生長視為簡單的單一反應(yīng)，細(xì)胞得率為一常數(shù)。第二章制藥反應(yīng)工程基礎(chǔ)與設(shè)備第一節(jié)反應(yīng)工程基礎(chǔ)（背景知識）化學(xué)以及生物反響動力學(xué)1.1.3生物反響速率方程〔2〕產(chǎn)酶速率方程﹡細(xì)胞中產(chǎn)酶速率決定于細(xì)胞中的mRNA的濃度和細(xì)胞的比生長速率，即M細(xì)胞中mRNA的濃度〔mol/L),Ec細(xì)胞中酶的濃度〔IU/L)

郭勇主編，酶工程，中國輕工出版社，北京1995，P50-62工業(yè)生產(chǎn)過程，通常從整個發(fā)酵系統(tǒng)來研究并確定產(chǎn)酶動力學(xué)〔宏觀產(chǎn)酶動力學(xué)或稱非結(jié)構(gòu)動力學(xué)〕，即研究群體細(xì)胞的產(chǎn)酶速率。式〔2-13〕中，α生長偶聯(lián)的比產(chǎn)酶系數(shù)〔IU/gDWcell)、β非生長偶聯(lián)的比產(chǎn)酶速率〔h-1IU/gDWcell)、E酶濃度〔IU/L)?！?-13〕游離細(xì)胞產(chǎn)酶速率方程可表達(dá)為：固定化細(xì)胞產(chǎn)酶速率方程：〔2-14〕式〔2－14〕中，εs和εf＝αμ＋β分別為固定在載體上細(xì)胞的和游離細(xì)胞的比產(chǎn)酶速率。同步合成型的酶產(chǎn)酶速率與細(xì)胞生長速率偶聯(lián)。非生長偶聯(lián)比產(chǎn)酶速率β＝0。中期合成型的酶屬于特殊的生長偶聯(lián)，產(chǎn)酶速率與A的相同。當(dāng)有阻遏物存在時，α＝0；只有在解除阻遏后，才開始酶的合成。C.滯后合成型的酶屬于生長偶聯(lián)型，生長偶聯(lián)型的比產(chǎn)酶速率α＝0。D.延續(xù)合成型的酶，細(xì)胞生長期和平衡期均可產(chǎn)酶，是部分生長偶聯(lián)型，即產(chǎn)酶速率方程式（2－13）。第二章制藥反應(yīng)工程基礎(chǔ)與設(shè)備第一節(jié)反應(yīng)工程基礎(chǔ)（背景知識）化學(xué)以及生物反響動力學(xué)1.1.3生物反響速率方程〔3〕生物催化反響速率方程盡管M-M有些缺乏，但在很寬的范圍內(nèi)，真實反響器能用這類簡單的動力學(xué)方程描述；并且所有動力學(xué)參數(shù)都可以在圖上得到表示。歐陽平凱等譯，[德]安吉斯.李斯等著，生物工業(yè)轉(zhuǎn)化過程，化學(xué)工業(yè)出版社，北京，2021，P96-100就象化學(xué)反響速率一樣，生物反響速率也可表示為不同反響組分濃度的函數(shù)。對單一底物而言，M-M〔先Michaelis&Menten1913快速平衡假說,后Briggs&Haldane1925穩(wěn)態(tài)假說)方程是最常用的。〔2-16.1〕對簡單的雙底物反響：〔2-15〕〔2-16.2〕

生物催化劑通常是指完整的細(xì)胞（集中了全部必需的輔助因子及一系列的酶）或一種酶。式中KM的單位與S的單位相同。當(dāng)V=Vm/2時，KM=S。第二章制藥反應(yīng)工程基礎(chǔ)與設(shè)備第一節(jié)反應(yīng)工程基礎(chǔ)（背景知識）2非牛頓流體及其流變特性

制藥工業(yè)過程中，有很多過程是在溶液中進(jìn)行的，流體的特性對三傳過程與結(jié)果影響很大，必須有足夠的重視。流體在剪切力的作用下將產(chǎn)生連續(xù)不斷的變形以抵抗外力，這就是流體粘性的表現(xiàn)。任何液體在流動過程中都可產(chǎn)生兩種速度梯度場，橫向速度梯度場和縱向速度梯度場，對應(yīng)的流動分別稱為剪切流動和拉伸流動，相應(yīng)的粘度分別為剪切粘度和拉伸粘度。

對于牛頓流體在一定溫度下μ為常數(shù)，稱為流體的粘度系數(shù)，或稱剪切粘度，習(xí)慣簡稱粘度(單位NS/m2、1P=100cP、1cP=1/1000NS/m2)。

〔2-17〕

真實流體可分為：牛頓型和非牛頓型兩類。非牛頓流體分為：非依時性(Time-independence)的和依時性(Time-dependence)的非依時性非牛頓流體包括：①假塑性(pseudoplastic)和脹塑性(dilatant)流體②賓漢塑性(Binghamplastic)、屈服－假塑性(yield-pseudoplastic)和屈服－脹塑性(yield-dilatant)流體③其它依時性非牛頓流體包括：①觸變性(Thixotropic)流體②震凝性(Rheopectic)流體③粘彈性(Voscoelastic)流體流體是由大量的、不斷作熱運動而且無固定平衡位置的分子構(gòu)成的，它的根本特征是沒有一定的形狀和具有流動性。2非牛頓流體的流變特性1.2.1非牛頓流體的分類第二章制藥反應(yīng)工程基礎(chǔ)與設(shè)備第一節(jié)反應(yīng)工程基礎(chǔ)（背景知識）2非牛頓流體及其流變特性1.2.1非牛頓流體的分類第二章制藥反應(yīng)工程基礎(chǔ)與設(shè)備第一節(jié)反應(yīng)工程基礎(chǔ)（背景知識）對于非牛頓流體，即使在穩(wěn)態(tài)剪切流中，也需要3個(不多于3個)獨立的物質(zhì)函數(shù)才能描述其流變行為。這3個物質(zhì)函數(shù)是：剪切粘度函數(shù)μ(γ)，第一法向應(yīng)力系數(shù)N1和第二法向應(yīng)力系數(shù)N2。即因而，非牛頓流體具有一系列區(qū)別于牛頓流體的奇特物理力現(xiàn)象，比方擠出脹大、爬竿效應(yīng)和次生流〔由主流引起的另一種伴隨的流動〕〔均因為非牛頓流體運動時存在的法向應(yīng)力差所致〕、無管虹吸〔因為非牛頓流體具有高無量綱化拉伸粘度，輕微凝膠體系等很容易出現(xiàn)〕、剪切變稀等。2非牛頓流體及其流變特性1.2.2非牛頓流體的流變特性第二章制藥反應(yīng)工程基礎(chǔ)與設(shè)備第一節(jié)反應(yīng)工程基礎(chǔ)（背景知識）〔2-18.1〕〔2-18.2〕〔2-18.3〕非牛頓流體μ是個變數(shù)，μ隨剪切速率、剪切應(yīng)力τ或時間的變化而變化。2個法向應(yīng)差也可能不等于零，粘彈性流體的拉伸粘度較大。定義非牛頓流體的黏度等于剪切應(yīng)力與剪切速率之比值，稱為表觀黏度。以μa

表示：〔2-18.4〕謝元彥，楊海林，阮建明.流變學(xué)的研究及其應(yīng)用，粉末冶金材料科學(xué)與工程，2021,15(1):1-7k和n為非牛頓參數(shù)。n亦稱為非牛頓指數(shù)，k亦稱為稠度系數(shù)，k越大，流體就越稠?！駥?<n<1，假塑性流體，n值越小，流體的非牛頓特性越明顯。羧甲基纖維素(0.25%的n=0.943)、PVA〔2.5％的n=0.952)、黃原膠的水溶液，青霉、曲霉、鏈霉菌的培養(yǎng)液也表現(xiàn)假塑性流動特性，還有一些生產(chǎn)多糖的微生物發(fā)酵液以及高濃度的植物細(xì)胞懸浮液等也呈假塑性流動特性。●對n>1，脹塑性流體，n值越大，流體的非牛頓特性越明顯。如淀粉的漿液，但在發(fā)酵液中較少見。第二章制藥反應(yīng)工程基礎(chǔ)與設(shè)備第一節(jié)反應(yīng)工程基礎(chǔ)（背景知識）2非牛頓流體及其流變特性1.2.2非牛頓流體的流變特性①假塑性和脹塑性流體(Ostwallpowerlawmodel)〔2-19〕對于某些非牛頓流體，在一個常壓梯度作用下，通過橢圓形截面的管子流動時，不可能是直線流動，實驗和理論都已證明，存在如圖3所示的關(guān)于橢圓兩軸線對稱的環(huán)流-次生流。次生流是否出現(xiàn)，取決于第二法向應(yīng)力差N2，當(dāng)N2=0時，不會產(chǎn)生次生流；但當(dāng)N2≠0時，并不一定就存在次生流。由圖4可以看出，當(dāng)流動由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鲿r，流線變密，流量增加，出現(xiàn)減阻現(xiàn)象。湍流減阻可以使流量增大，對傳熱、傳質(zhì)有利。例如：在消防水中添加少量聚乙烯氧化物，可使消防車水龍頭噴出的水的揚程提高一倍以上。對于水工建筑、水電站建筑中的氣蝕和水錘等特殊現(xiàn)象，用高聚物添加劑可以減輕其破壞作用?！?<n<1，屈服-假塑性流體(如1-5％的卡波末，一些發(fā)酵液〕。●n>1的屈服-脹塑性極少見。俞路和白鳳武研究發(fā)現(xiàn)：絮凝酵母在低質(zhì)量濃度時懸浮液流變指數(shù)接近1可近似為牛頓性流體,隨著顆粒質(zhì)量濃度的增大,懸浮液流變行為發(fā)生了改變,由假塑性流體向屈服假塑性流體轉(zhuǎn)變。第二章制藥反應(yīng)工程基礎(chǔ)與設(shè)備第一節(jié)反應(yīng)工程基礎(chǔ)（背景知識）②屈服性流體俞路,白鳳武，絮凝顆粒酵母懸浮液流變特性比較分析，化學(xué)工程，2021，38〔6〕：71-74〔2-20〕1.2非牛頓流體及其流變特性1.2.2非牛頓流體的流變特性●當(dāng)迫使流體流動的剪切應(yīng)力低于屈服點值τy時，不發(fā)生流動，超過這個值時可產(chǎn)生牛頓型或非牛頓型的流動，τy稱為屈服應(yīng)力。第二章制藥反應(yīng)工程基礎(chǔ)與設(shè)備第一節(jié)反應(yīng)工程基礎(chǔ)（背景知識）③Bingham和Casson塑性流體Bingham塑性流體,如牙膏、中藥浸膏、潤滑脂及一些高聚物濃溶液。對血液、熔化的巧克力等，符合Casson塑性流體流動行為〔2-21〕〔2-22〕2非牛頓流體及其流變特性1.2.2非牛頓流體的流變特性④觸變性和震凝性流體●觸變性流體：流體的黏度不隨剪切速率變化，而且在恒定的剪切速率下，它的黏度隨時間的推移而下降，并到達(dá)一個常數(shù)值。當(dāng)剪切停止后，黏度可以恢復(fù)到最初的黏度值。某些典型的原油以及某些粘土懸浮液、中藥的凝膠、糊狀物等。易與假塑性流體混淆?！裾鹉粤黧w：具有與觸變性流體相反的行為，表觀粘度隨時間而增大，震凝性體系很少。已發(fā)現(xiàn)分子量2000的飽和聚酯就是震凝性流體?！褡R別方法：觸變滯后曲線，連續(xù)增加剪切速率然后連續(xù)地降低剪切速率，受到的剪切作用不同而不能重合。第二章制藥反應(yīng)工程基礎(chǔ)與設(shè)備第一節(jié)反應(yīng)工程基礎(chǔ)（背景知識）●粘彈性流體：根據(jù)流動和變形特征分為純粘性流體和粘彈性流體。純粘性流體在外力作用下發(fā)生的流動是一種不可逆形變。與粘性流體的主要區(qū)別在于外力消除后產(chǎn)生局部應(yīng)變回復(fù)。粘彈性流體除粘度函數(shù)與剪切持續(xù)時間有關(guān)外，在剪切流動中還表現(xiàn)出法向應(yīng)力差效應(yīng)。粘彈性流體那么兼具粘性和彈性，在外力作用下，既可產(chǎn)生不可逆形變，也可產(chǎn)生可回復(fù)形變—彈性形變。⑤粘彈性流體2非牛頓流體及其流變特性1.2.2非牛頓流體的流變特性●工藝操作的優(yōu)化①工藝時間的優(yōu)化化學(xué)合成反響過程、生物發(fā)酵過程以及藥物制劑的配制過程，流體流變類型的改變通常意味著過程接近尾聲或已結(jié)束。尤其在化學(xué)生物反響過程，流體由牛頓轉(zhuǎn)變?yōu)榉桥ｎD型，并呈現(xiàn)屈服性或切力增稠等暗示著過程即將結(jié)束。②流體攪拌混合技術(shù)的優(yōu)化利用過程中流體流變行為的改變的信息和非牛頓流體的流變性質(zhì)，可在反響或發(fā)酵前期采用高速攪拌到達(dá)理想的傳質(zhì)效果；而在反響或發(fā)酵后期保持高的攪拌轉(zhuǎn)速是無意義的，甚至是不利的，此階段采用低速并輔之返混措施那么更有利過程的進(jìn)行?！駭嚢杞Y(jié)構(gòu)的選擇與設(shè)計①小分子的牛頓流體，各處的黏度是相等的②假塑性流體，假塑性越大對釜內(nèi)混合、攪拌、傳熱等方面影響愈明顯。槳葉附近的剪切速率最大、相應(yīng)的表觀黏度最小，遠(yuǎn)離槳葉的釜壁處黏度最大。選擇括壁式攪拌，或最大葉片式槳攪拌?！窦{米流體可大大提高對流換熱系數(shù)，固體納米呈現(xiàn)強化非牛頓體傳熱的特性。第二章制藥反應(yīng)工程基礎(chǔ)與設(shè)備第一節(jié)反應(yīng)工程基礎(chǔ)（背景知識）1.2非牛頓流體及其流變特性1.2.3非牛頓流體流變特性的利用●流體流變性的測量：旋轉(zhuǎn)黏度計對非牛頓流體最為適宜。●由于非牛頓流體的黏度是變化的，它的流變特性主要是通過實驗測量流動曲線。●通過實驗測得一系列數(shù)據(jù)為發(fā)酵設(shè)備的選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計、放大規(guī)律和操作條件優(yōu)化提供工程參數(shù)。利用NDJ-1旋轉(zhuǎn)黏度計測量,經(jīng)式(1)和式(計算流變參數(shù)。依據(jù)被測物黏度不同,黏度計分別配置了5個半徑不同的轉(zhuǎn)子,因而隨著被測物黏度的變化剪切應(yīng)變率測定數(shù)值范圍會改變第二章制藥反應(yīng)工程基礎(chǔ)與設(shè)備第一節(jié)反應(yīng)工程基礎(chǔ)（背景知識）1.2非牛頓流體及其流變特性1.2.3非牛頓流體流變性的測量式中:τ為剪切力，Pa;.γ為剪切速率，s-1；M為摩擦力矩；h為外試筒高度，m；N為轉(zhuǎn)速，r/min；r1，r2分別為內(nèi)外試筒半徑，m?！?-23.1〕〔2-23.2〕第二章制藥反應(yīng)工程基礎(chǔ)與設(shè)備第一節(jié)反應(yīng)工程基礎(chǔ)（背景知識）1.3反響器內(nèi)流體的流動與混合制藥工業(yè)常用的反響器主要有：釜式、管式和塔式反響器以及流化床和固定床反響器等。反響器內(nèi)流體的流動模型：平推流〔柱塞流、理想置換〕型，理想混合流型和中間流型。制藥工業(yè)的反響器及提取別離設(shè)備均是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，在其中進(jìn)行反響的同時有傳熱、傳質(zhì)、擴散和摩擦〔碰撞〕等物理過程存在，要求平安和可控的。在大的容器中，反響物的混合、流動分布、停留時間分布以及提高多孔催化劑外表的有效利用有同樣重要。任一過程可以受這些因素中的某一或多種因素的作用。1.3.1反響器內(nèi)流體的流動柱塞流理想混合流中間流第二章制藥反應(yīng)工程基礎(chǔ)與設(shè)備第一節(jié)反應(yīng)工程基礎(chǔ)（背景知識）1.3反響器內(nèi)流體的流動與混合1.3.1反響器內(nèi)流體的流動●PFR中的流體理想置換型，物料沿著流動方向逐段向前移動，沒有軸向混合，象活塞一樣向前移動。特點：流體微元通過反響器的停留時間相同，沒有返混現(xiàn)象；反響器中流體的組成和溫度沿著管程或軸向而遞變，即在管子的軸向存在濃度梯度、溫度梯度等；但管程中每一個點上，流體的組成和溫度在時間的進(jìn)程中是不變的，即在管子的徑向上是充分混合的，無梯度?！馛STR中的流體流動為理想混合型，特點：物料在反響器內(nèi)完成混合，反響器各點的物料組成和溫度都相同，且等于出口流的組成和溫度；物料微元在反響器內(nèi)的停留時間不同?！翊蠖鄶?shù)真實反響器中的流體流動為中間流型，它存在著局部返混現(xiàn)象。反響器的近似處理根據(jù)計算，由于攪拌而到達(dá)混合所需要的時間較之物料通過容器的平均停留時間要短得多，故常把帶攪拌的釜式反響器認(rèn)為是理想混合反響器管式、固定床催化反響器的軸向擴散作用不大，形成的返混程度很小，通?？砂阉频乜紤]為平推流反響器。第二章制藥反應(yīng)工程基礎(chǔ)與設(shè)備第一節(jié)反應(yīng)工程基礎(chǔ)（背景知識）1.3反響器內(nèi)流體的流動與混合1.3.2反響器內(nèi)流體的混合(1)反響器內(nèi)流體的混合狀態(tài)●從混合的尺度來看，可分為微觀混和宏觀混合兩種。當(dāng)流體的混合尺度不顯示這兩種極端的行為時那么稱之為局部分隔流體。微觀流體不顯示分隔，微觀流體相當(dāng)于單個分子，它在流體內(nèi)可以自由移動，并與流體中的其它分子相互接觸和混合。微觀流體的反響是分子間的碰撞，因此，鄰近分子的情況會影響轉(zhuǎn)化程度．而宏觀流體那么顯示完全分隔，但是真實流體那么顯示出局部分隔，其分隔程度的大小取決于流體的性質(zhì)和產(chǎn)生混合情況。注意流體的混合尺度與設(shè)備的尺度相關(guān)。a.當(dāng)流入反響器內(nèi)的物料在較平均停留時間短得多的時間內(nèi)，到達(dá)分子級的分散，任一特定分子的周圍沒有與其同時進(jìn)入的分子，這種混合稱之為微觀混合，這種流體稱之微觀流體。b.當(dāng)進(jìn)入反響器的流體以微元的尺度均一地分布，且這些微元中同時進(jìn)入的各分子永遠(yuǎn)保持在一起，也就是微元之間相互沒有影響和作用，這種混合稱之為宏觀混合(也稱為完全分隔)，這種流體稱之為宏觀流體。微觀混合〔I〕----流入的流體按分子尺度進(jìn)行分散〔II〕---釜內(nèi)組成的分子尺度上是均一的〔III〕--出口流體組成與釜內(nèi)組成相一致宏觀混合〔I〕----流入的流體按具有不同組成的流體微元尺度狀態(tài)進(jìn)行分散〔II〕---任何時間釜內(nèi)組成的平均值是相同的，但各流體的微元組成是不一樣的，微元間沒有相互作用〔III〕--出口流是各種組成的流體微元的聚集第二章制藥反應(yīng)工程基礎(chǔ)與設(shè)備第一節(jié)反應(yīng)工程基礎(chǔ)（背景知識）1.3反響器內(nèi)流體的流動與混合1.3.2反響器內(nèi)流體的混合(1)反響器內(nèi)流體的混合狀態(tài)●從混合的對象來看a.具有相同年齡的流體微元間的混合。如間歇式反響器流體微元的混合，其流體微元在釜內(nèi)的停留時間是相同的。b.不同年齡的流體微元的混合，稱之為返混，或稱為逆向混合。這里指的逆向主要是指的時間(time)概念上的逆向，而不是指空間〔space)上的逆向。返混是連續(xù)化操作的伴生現(xiàn)象，兩種連續(xù)理想反響器的返混情況處于兩種極端狀態(tài)：a.在平推流反響器中，流體象活塞一樣向前運動，不存在著任何返混b.在理想混合反響器中，物料的停留時間有長有短，這些具有不同停留時間的物料由于受攪拌的作用，其返混程度到達(dá)最大c.實際反響器流體流動的返混程度介于這兩種理想反響器之間第二章制藥反應(yīng)工程基礎(chǔ)與設(shè)備第一節(jié)反應(yīng)工程基礎(chǔ)（背景知識）(2)反響器內(nèi)流體混合的成因由于液體中的分子擴散速度很慢，故流體的混合在很大程度上受主流及湍動的影響，而主要影響因素那么是主流的速度。當(dāng)主流為層流狀態(tài)時，垂直于流動方向物料的分散只能靠擴散來進(jìn)行。對于液體，特別是粘滯性液體，分子擴散的速度是很慢的，使得反響器中存在不同濃度的區(qū)域，流體呈分隔狀態(tài)－宏觀流體。這種現(xiàn)象常見于發(fā)酵過程、高分子溶液配制與藥物制劑過程以及工業(yè)上的層流流動反響器中。當(dāng)主流以呈湍流狀態(tài)時，主流流動與速度的漲落使得流體微元在各個方向擴散混合，并且主流速度越大，物料的混合和分散程度就越接近于微觀混合。連續(xù)攪拌反響器中攪拌反響器中主流以呈湍流狀態(tài)為多，流體的流動與混合是由進(jìn)料的噴射效應(yīng)以及機械攪拌所造成的，通常機械攪拌是造成混合的主要因素。1.3反響器內(nèi)流體的流動與混合1.3.2反響器內(nèi)流體的混合第二章制藥反應(yīng)工程基礎(chǔ)與設(shè)備第一節(jié)反應(yīng)工程基礎(chǔ)（背景知識）(2)反響器內(nèi)流體混合的成因就連續(xù)攪拌反響器中的混合而言，其混合可視為三個不同局部所組成：一是因攪拌器的旋轉(zhuǎn)而造成的液體的流通或循環(huán)，稱之為主流，使得整個反響器中的物料引起湍動而混合。二是在較小的范圍中因攪拌器的剪切或進(jìn)料的噴射而引起的湍動使物料分散成微團〔或小滴〕。三是分子擴散，是均勻化的最后步驟。1.3反響器內(nèi)流體的流動與混合1.3.2反響器內(nèi)流體的混合﹡一般地，混合程度隨攪拌轉(zhuǎn)速的增加而增加，在同樣轉(zhuǎn)速下，比較斜槳式、平槳式和螺旋槳式攪拌器，其混合程度那么依次減弱。在一定轉(zhuǎn)速下，混合將因進(jìn)料速率的加大而增強。另外，進(jìn)出料口的位置與攪拌器的距離也對混合有所影響，進(jìn)料位置以靠近攪拌器為宜，這種物料一進(jìn)入反響器立即能得到分散及混合。否那么反響器中由進(jìn)口至攪拌器間會存在一股高濃度的平推流區(qū)域．出料口位置那么應(yīng)遠(yuǎn)離攪拌器和進(jìn)料口，這樣可以減少短路的影響，使得反響器中物料停留時間分布的離散程度較小。〔3〕反響器內(nèi)流體返混的成因一、由不均勻的速度分布引起，如流動過程中有死角和溝流以及粘性流體在管式反響器作層流流動時，均使流體的停留時間不同而造成返混二、由物料的流動方向相反的運動引起，如連續(xù)釜式反響器的攪拌作用和管式反響器的分子擴散、渦流擴散而引起的速度波動，以致有不均勻的速度剖面而形成返混。一般說來，由反響器的形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)系引起流體的溝流、〔停滯〕死角等非理想流動所引起的返混十分嚴(yán)重。非牛頓流體流動過程中的次生流、以及高粘性流體循環(huán)流動形成的層流都會引起返混。對固定化酶或固定化細(xì)胞〔包括各類菌〕生物反響器，存在因固定化結(jié)構(gòu)對流體的吸附以及分子在其中的擴散作用而形成的返混。連續(xù)操作過程，各流體元的停留時間：在PFR中是相同的，在CSTR中是不相同的；實際的生化反響器中〔流體是非理想流動的〕是不相同的。間歇操作過程，因在一個封閉系統(tǒng)流動，故在BSTR中各流體元的停留時間是相同的，無返混問題。

第二章制藥反應(yīng)工程基礎(chǔ)與設(shè)備第一節(jié)反應(yīng)工程基礎(chǔ)（背景知識）1.3反響器內(nèi)流體的流動與混合1.3.2反響器內(nèi)流體的混合第二章制藥反應(yīng)工程基礎(chǔ)與設(shè)備第一節(jié)反應(yīng)工程基礎(chǔ)（背景知識）1.3反響器內(nèi)流體的流動與混合1.3.3停流時間分布流體微元〔粒子〕停留時間是指流體微元〔粒子〕從進(jìn)入反響器到離開反響器所經(jīng)歷的時間。在不同的流動狀況下，同一時間點〔瞬間〕進(jìn)入反響器的物料在反響器內(nèi)的停留時間是各不相同的。即在該時間點進(jìn)入反響器的物料離開反響器的時間點不同，于是，就形成了的停留時間的某種分布。產(chǎn)生這種分布的原因主要是由于流體的摩擦而產(chǎn)生的流速分布不均勻、分子擴散、湍流擴散和對流、以及由于攪拌而產(chǎn)生的強制對流、溝流和反響區(qū)內(nèi)的死角等所引起的物料主流方向相反的物料運動。反響器內(nèi)各流體元的停留時間是否均一的程度可用停留時間的分布密度和分布函數(shù)來描述?！?〕停留時間分布密度函數(shù)E(t)當(dāng)物料以穩(wěn)定的流速流入設(shè)備而不發(fā)生化學(xué)變化時，在時間t＝0時于瞬間dt進(jìn)入設(shè)備的流體元之中，具有停留時間為t到(t＋dt〕之間的流體元的流出量dN占當(dāng)初(t＝0)流入量N的分率為E(t)dt，即第二章制藥反應(yīng)工程基礎(chǔ)與設(shè)備第一節(jié)反應(yīng)工程基礎(chǔ)（背景知識）1.3反響器內(nèi)流體的流動與混合1.3.3停流時間分布t＋dtttE(t)停留時間分布密度函數(shù)E(t)分布曲線dN指的是具有停留時間t到t+dt之間的流體元流出量〔2〕停留時間分布函數(shù)F(t)當(dāng)物料以穩(wěn)定的流速流入設(shè)備而不發(fā)生化學(xué)變化時，在時間0到t之間進(jìn)入設(shè)備的流體元之中，具有停留時間0到t之間的流體元的流出量占流入量的分率為F(t)，即

當(dāng)時間無限長時，那么

t＋dttdF(t)tF(t)停留時間分布函數(shù)F(t)曲線dt1.002-24.12-24.22-25.12-25.2〔3〕年齡分布密度函數(shù)I(t)當(dāng)物料以穩(wěn)定的流速流入設(shè)備而不發(fā)生化學(xué)變化時，在時間t＝0時于瞬間dt進(jìn)入設(shè)備的流體元之中，具有停留時間為t到(t＋dt〕之間的流體元在設(shè)備中的存在量dN′占設(shè)備內(nèi)物流量N的分率為I(t)dt，即所謂年齡是指進(jìn)入設(shè)備但還沒有離開的流體元，從進(jìn)入設(shè)備算起，到我們所考慮的瞬時為止，在設(shè)備內(nèi)一共停留的時間。所謂壽命是指流體元從進(jìn)入設(shè)備算起，到離開設(shè)備為止在設(shè)備內(nèi)總共停留的時間。故E(t)和F(t)均是都是壽命分布函數(shù)，I(t)是年齡分布函數(shù)。在入口處輸入示蹤物在出口處得到示蹤響應(yīng)，分為:階梯輸入得到的是F(t),脈沖輸入得到的是E(t)。第二章制藥反應(yīng)工程基礎(chǔ)與設(shè)備第一節(jié)反應(yīng)工程基礎(chǔ)（背景知識）1.3反響器內(nèi)流體的流動與混合1.3.3停流時間分布2