北京广播电视大学北京广播电视大学制药工程制药工程主讲人：李云巍主讲人：李云巍http:/school.btvu.org/第二章第二章制药反应工程基础与设备制药反应工程基础与设备第二章第二章制药反应工程基础与设备制药反应工程基础与设备第一节第一节 药物化学合成反应工程基础药物化学合成反应工程基础1第二节第二节 反应器的选择、设计与放大反应器的选择、设计与放大2第三节第三节 生物反应工程基础生物反应工程基础3第四节第四节 生物反应器的选择、设计与放大生物反应器的选择、设计与放大42.1 药物化学合成反应工程基础药物化学合成反应工程基础2.1.1 药物化学合成工业的特点药物化学合成工业的特点（1）药物品种多，更新速度快；）药物品种多，更新速度快；（2）生产技术复杂，工艺流程长，生产成本高；）生产技术复杂，工艺流程长，生产成本高；（3）原辅材料多；）原辅材料多；（4）质量要求严格；）质量要求严格；（5）产量不断扩大，质量标准不断提高。）产量不断扩大，质量标准不断提高。药物化学合成反应工程的药物化学合成反应工程的研究内容研究内容：反应动力学反应动力学反应器结构、设计、放大反应器结构、设计、放大反应器优化反应器优化结构功能与结构功能与GMP要求一致要求一致P13多选题多选题o1.药物化学合成工业的特点（药物化学合成工业的特点（ ）oA 药物品种多，更新快药物品种多，更新快oB 生生产产技技术术复复杂杂，品品种种多多，工工艺艺流流程程长长，所所需设备种类多，生产成本高需设备种类多，生产成本高oC 原原辅辅材材料料多多，且且有有多多种种易易燃燃、易易爆爆、有有毒毒以及具有刺激性和腐蚀性等的物质以及具有刺激性和腐蚀性等的物质oD 质质量量要要求求严严格格，产产量量不不断断扩扩大大，质质量量标标准准不断提高不断提高判断题判断题o1.新药研发是一项综合性的探索工作，需要新药研发是一项综合性的探索工作，需要多学科相互配合，难度大、周期长、耗资多。多学科相互配合，难度大、周期长、耗资多。1.1 1.1 化学以及生物反应动力学化学以及生物反应动力学 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）。反应体积：反应体积： 固相、液相或催化剂的堆体积固相、液相或催化剂的堆体积反应表面积：反应表面积： 气固相催化反应中催化剂的内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系统的质量：固体或催化剂的质量反应区反应区1.1.1 反应速率反应速率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。（2-1）1.1.化学以及生物反应动力学化学以及生物反应动力学1.1.1 反应速率反应速率(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：riV 组分i的单位体积反应速率，kmol/(m3h)或mol/(Ls)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（2-3.1）（2-3.2）（2-3.3）1.1.化学以及生物反应动力学化学以及生物反应动力学1.1.1 反应速率反应速率（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：(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：Fi/Q0 Q0进入反应器原料混和物的体积，m3/s(2-5) 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)（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。1.1.化学以及生物反应动力学化学以及生物反应动力学1.1.2 化学反应速率方程化学反应速率方程1.1.化学以及生物反应动力学化学以及生物反应动力学1.1.2 化学反应速率方程化学反应速率方程速率常数：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（rate equation）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： 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。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。1.1.化学以及生物反应动力学化学以及生物反应动力学1.1.3 生物反应速率方程生物反应速率方程 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i的反应方程表示：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。o所谓复合反应是必须用两个以上化学计所谓复合反应是必须用两个以上化学计量方程方能确定各反应在反应时量的变量方程方能确定各反应在反应时量的变化关系。化关系。o在复合反应系统中同时存在几个独立发在复合反应系统中同时存在几个独立发生的化学反应，其数目与独立的计量方生的化学反应，其数目与独立的计量方程数相同。程数相同。P13P20判断题判断题o2.所谓复合反应是必须用两个以上化学计量所谓复合反应是必须用两个以上化学计量方程方能确定各反应在反应时量的变化关系。方程方能确定各反应在反应时量的变化关系。（）o4.在复合反应系统中同时存在几个独立发生在复合反应系统中同时存在几个独立发生的化学反应，其数目与独立的计量方程数可的化学反应，其数目与独立的计量方程数可能并不相同。（能并不相同。（）3反应转化率和反应程度反应转化率和反应程度转化率：转化率：反应程度：反应程度：2-52-6通常采用组分通常采用组分K的转化率的转化率xK来表示反应进行的程度。来表示反应进行的程度。如果用各组分在反应前后的物质的量的变化如果用各组分在反应前后的物质的量的变化与其计量数的比值来定义反应程度，则与其计量数的比值来定义反应程度，则无论对于哪个组分，其值均是一致的，且恒为正数。无论对于哪个组分，其值均是一致的，且恒为正数。判断题判断题o3.人们通常用组分人们通常用组分K的转化率来确切地表示的转化率来确切地表示反应进行的程度。（反应进行的程度。（）o单选题单选题o1.利利用用组组分分在在反反应应前前后后的的物物质质的的量量变变化化与与其其计计量量数数的的比比值值来来定定义义反反应应程程度度，则则对对于于各各个组分来说（个组分来说（ ）oA 各组分各组分值不一致，且恒为正数值不一致，且恒为正数oB 各组分各组分值不一致，且恒为负数值不一致，且恒为负数oC 各组分各组分值一致，且恒为正数值一致，且恒为正数oD 各组分各组分值一致，且恒为负数值一致，且恒为负数4反应速率方程反应速率方程表示反应速率与浓度等参数之间的关系，或表示浓度等参表示反应速率与浓度等参数之间的关系，或表示浓度等参数与时间关系的方程成为化学反应的速率方程（数与时间关系的方程成为化学反应的速率方程（rate rate equationequation）。）。速率常数：速率常数：2-72-8反应级数反应级数o反应级数不能独立的预示反应速率的大小，它只是表明反反应级数不能独立的预示反应速率的大小，它只是表明反应速率对各组分浓度的敏感程度。应速率对各组分浓度的敏感程度。a和和b的值越大，则的值越大，则A的的浓度和浓度和B的浓度对反应速率的影响也越大的浓度对反应速率的影响也越大o反应级数反应级数a和和b的值是凭借实验来获得的，它既与反应机理的值是凭借实验来获得的，它既与反应机理无直接的关系，也不等于各计量数。只有当化学计量方程无直接的关系，也不等于各计量数。只有当化学计量方程与反映实际历程的反应机理式一致时，反应级数与计量数与反映实际历程的反应机理式一致时，反应级数与计量数才会相等，对于这类反应我们称之为基元反应，它可以直才会相等，对于这类反应我们称之为基元反应，它可以直接应用质量所用定律来列出其反应速率方程。接应用质量所用定律来列出其反应速率方程。o由于反应级数是由实验获得的经验值，所以只能在获得其由于反应级数是由实验获得的经验值，所以只能在获得其值的实验条件范围内加以应用；它们在数值上可以是整数、值的实验条件范围内加以应用；它们在数值上可以是整数、分数或零，亦可以是负数，但总反应级数在数值上很少是分数或零，亦可以是负数，但总反应级数在数值上很少是达到达到3的。的。单选题单选题o2.对于反应级数，以下说法错误的是（对于反应级数，以下说法错误的是（ ）oA 反应级数不能独立预示反应速率的大小反应级数不能独立预示反应速率的大小oB 反应级数反应级数a和和b的值与反应机理无直接关系的值与反应机理无直接关系oC 反反应应级级数数a和和b的的值值越越大大，则则A和和B的的浓浓度度对反应速率的对反应速率的影像影像越小越小oD 反应级数反应级数a和和b的值可以是整数、分数或零，的值可以是整数、分数或零，也可以是负数也可以是负数二、单一反应二、单一反应不可逆反应：不可逆反应：反应速率式:对于等温恒容均相反应对于等温恒容均相反应:其积分式为：2-92-102-11可逆反应：可逆反应：均相催化反应：均相催化反应：2-122-13单选题单选题o3.方程式方程式-rA=kcAacBb为（为（ ）的表达式）的表达式oA 不可逆反应的反应速率不可逆反应的反应速率oB 可逆反应的反应速率可逆反应的反应速率oC 均相催化反应的反应速率均相催化反应的反应速率oD 复合反应的反应速率复合反应的反应速率单选题单选题o4. 方程式方程式-rA=kcA-kcS为（为（ ）的表达式）的表达式oA 不可逆反应的反应速率不可逆反应的反应速率oB 可逆反应的反应速率可逆反应的反应速率oC 均相催化反应的反应速率均相催化反应的反应速率oD 复合反应的反应速率复合反应的反应速率单选题单选题o5. 方程式方程式-rA=(kcC)cA为（为（ ）的表达式）的表达式oA 不可逆反应的反应速率不可逆反应的反应速率oB 可逆反应的反应速率可逆反应的反应速率oC 均相催化反应的反应速率均相催化反应的反应速率oD 复合反应的反应速率复合反应的反应速率三、复合反应三、复合反应收率收率p：生成的目的产物：生成的目的产物P的摩尔数与反应掉的反应组份的摩尔数之比的摩尔数与反应掉的反应组份的摩尔数之比得率得率Xp：生成的目：生成的目标