微反应器的应用25页PPT

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液液相微反应器
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液液相微反应器
改变油水两相流 速比可得到不同 内部液滴数（n） 的多相乳液
(a) n = 1 (b)n = 2
(c) n = 4 (d) n= 8
杂程度大大增加，成本也相应增加。 ④ 不是所有的反应都适合微反应。如很慢的液-固反应，反
应无放热或吸热现象；传统工艺的选择性和收率已经很高 的反应。
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1.8 微反应器制造技术
硅的干法蚀刻 LIGA过程 注模技术
微制造技术
硅的异性湿法蚀刻 玻璃湿法化学蚀刻
其它
技术适用性评价.源自13微反应器制造技术微反应器
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目录
1、简介
2、分类
2.1 液液相反应器 2.2 气液相反应器 2.3 气液固三相反应器 2.4 气固相反应器
3、应用
3.1 纳米微粒的制备 3.2 精细化工过程
4、展望
5、结语
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1、简介
未来科学技 术发展方向
设备微型化
过程集成化
微化学工程
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1.1 微化工技术的主要特点
弹性生产
典型的液相 混合方式
一种是采用静态混合方式 ，即将流体反复分割合并 以缩短扩散路径，借助流 体管路的不同结构，得以 在很宽的雷诺数范围内进 行流体的混合，而又没有 机械或可动部件的流体结 构件
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一种是采用流体动 力学集中方法，即 多个进料微通道呈 扇形分布，集中汇 入一个狭窄的微通 道，通过液体的扩 散作用迅速混合
术的新的综合系统之一
限定微通道特征尺度在
10μm～3.00mm内
微化工技术着重研究时空特征尺度在数百毫秒和数百微米范围内的微 型设备和并行分布系统中的过程特征和规律

在反应完全，当他们稳定后， 回到安稳的层流状态时，可利 用生成物的溶解性质进行一些 前期的分离。在精细化工中， 使用这样的工艺可以节约大量 的分离成本。
4、展望
• 目前在微反应器的设计、制造、集成和放大等方 而都取得了可喜的成绩 • 展望未来微反应器研究, 预计将在以下几个领域 取得进展 (1) 设计新的微反应器模型,对微反应器进行耦合、 集成和“放大” (2) 在微反应器中研究反应原理,对微反应器的设 计进行模拟、优化 (3) 在微反应器中探索新的反应途径和使化工生 产更加经济更加环保的方法,并应用于实际生产, 这是研究微反应器的真正价值所在
10μm～3.00mm内
微化工技术着重研究时空特征尺度在数百毫秒和数百微米范围内的微 型设备和并行分布系统中的过程特征和规律
微反应器是指以反应为主要目的, 以一个或多个微反应器为主,同时还 可能包括有微混合、微换热、微分离、微萃取等辅助装置以及微传感 器和微执行器等关键组件的一个微反应系统
1.3 微反应器的主要特征
微泡罩 塔反应 器

气液反应
气液反应的速率和转化率等往往取决于气液两相的接触面 积。这两类气液相微反应器气液相接触面积都非常大，其 内表面积均接近20000 m－1，比传统的气液相反应器大一 个数量级，显然优于传统的气液反应器 MIT研制应用的类似于填充柱的降膜式微反应器，具有较大 的内部界面 用于共轭链烯烃的加氢反应，产率高达100％ ；用苯甲醇氧 化制备苯甲醛得到70％的转化率；环已烯加氢得到10％的转 化率
1.8 微反应器制造技术
硅的干法蚀刻 LIGA过程 注模技术
硅的异性湿法蚀刻
微制造技术
玻璃湿法化学蚀刻
其它
技术适用性评价
微反应器制造技术

U—微管道湿润周长，P0—泊肃数
圆形的几何系数最小，但存在刻蚀困难的问题，所以微 通道通常是矩形或梯形的；常采用宽高比为1:10的矩形 截面结构
通道长度只需满足管道中流体的相互混合即可，一般不小于1mm； 为忽略流体的入口效应，入口通道长度一般大于300μm
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1.5 微反应器内的反应过程
适用于微反应器内的反应过程有三种： ➢ 第一类：瞬间反应，反应半衰期小于1s，这类反
弹性生产
大比表面积
微化工技术 的主要特点
体积减小
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快速放大 独特的流动行为
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1.2 微反应器的简介
微反应器是一种单元反应界面宽度为微米量级的微型化的化学反应系
统, 是90年代兴起的微化工技术；不是现有反应器0的3,4简第单一缩届小“,微而通是道融和
合了材料技术、微细加工技术、传感器技术和控制微技小术型等通各道种国要际会素议技”
一种是采用流体动 力学集中方法，即 多个进料微通道呈 扇形分布，集中汇 入一个狭窄的微通 道，通过液体的扩 散作用迅速混合
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液液相微反应器
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液液相微反应器
改变油水两相流 速比可得到不同 内部液滴数（n） 的多相乳液
(a) n = 1 (b)n = 2 (c) n = 4 (d) n= 8
LIGA-dispersion unit attached to backside of reaction plate
Segmented Gas/Liquid flow Gas supply
微泡罩 塔反应
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气液反应
气液反应的速率和转化率等往往取决于气液两相的接触面 积。这两类气液相微反应器气液相接触面积都非常大，其 内表面积均接近20000 m－1，比传统的气液相反应器大一 个数量级，显然优于传统的气液反应器

酒精发酵罐的洗涤：喷射洗涤装置 酒精发酵罐的计算：
发酵罐结构尺寸：V体积=V发酵液量/φ(0.850.9)
发酵罐罐数确定：N=(nt/24)+1(个) n----每天加料的罐数,t---一次发酵周期所需
时间 发酵罐冷却面积计算：A=Q/K△Tm (m2 )
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第二节 啤酒发酵设备
1、前发酵设备 传统的前发酵槽均置于发酵室内， 发酵槽大部分为开口式。 前发酵槽可由钢板或钢筋混凝土 制成，形式以长方形或方形为主。 了防止啤酒中有机酸对各种材质 的腐蚀，前发酵槽内均要涂布一 层特殊涂料作为保护层。
(5)厌氧发酵的培养基应先通过加热或喷入无
氧气体来预还原。完整版课件ppt
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第一节 酒精发酵设备
酒精发酵罐的结构必须首先满足 工艺要求。此外，从结构上还应考 虑有利于发酵液的排出、设备的清 洗、维修以及设备制造安装方便等 问题。
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1.冷却水入口 2.取样口
酒精发酵罐
3.压力表
生物反应器的设计
生物反应器设计的重要方面包 括改善生物催化剂，更好的进行过 程控制，有更好的无菌条件以及能 克服速度限制因素（特别是热量和 质量传递）等。
微生物反应器设计的基本要求
（1）避免将需蒸汽灭菌的部件与其
它部件连接，因为即使阀门关闭，细
菌也可在阀门内生长；
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（2）尽量减少法兰连接，因为设备震动和 热膨胀会引起连接处的移位，导致染菌。如 有可能，应采用全部焊接结构，焊接部位一 定要确实磨光，以消除积蓄耐灭菌的固体物 质的场所；
(2)罐内的发酵液应尽量装满，以便减少上层 气相的影响。
(3)使用大剂量接种（一般接种量为总操作体 积的10～20％），使培养物迅速生长，减少

• 5.配备炉腔内摄像装置,并通过炉腔外的TFT彩色液晶（或CRT）显示器，随时观察
或录像炉腔内反应过程，掌握实时的反应情况。
• 6.微波炉腔上的任何开口都对人体安全，整机安全性能通过国家权威质检部门安全
认证。
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• 微波应用于有机合成的研究始于1986 年Gedye 和Smith 等通过 比较常规条件与微波辐射条件下进行酯化、水解、氧化等反应,发现 在微波辐射下,反应得到了不同程度的加快,而且有的反应速度加快了 几百倍。至今,微波促进有机合成反应已经越来越被化学界人士所看 好,而且形成了一门倍受关注的领域MORE 化学(Mi-crowave Induced Organic Reaction Enhancement Chemist ry) 。至今研究 过的有机合成反应有酯化、重排、羧醛缩合、开环、烷基化、水解、 烯烃加成、消除、取代、自由基、立体选择性、成环、环反转、酯交 换、酯胺化、催化氢化、脱羧、糖类化合物、有机金属、放射性药剂 等反应。
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微波常压合成
• 为了使微波技术应用于常压有机合成反应, • 1991 年[5 ] . Ajay K. Bose 等人对微波
常压技术进行了尝试,他们在一个长颈锥形 瓶内放置反应的化合物及溶剂,在锥形瓶的 上端盖一个表面皿,将反应体系放入微波炉 内,开启微波,控制微波辐射能量的大小,使 反应体系的温度缓慢上升。他们利用这一 反应装置成功地进行了阿司匹林中间产物随温度自动反馈控制，非脉冲微波连续加热. 自动调整和控制反应过程， 达到准确的温度和反应过程控制效果，确保合成反应的均匀性和一致性。比传统脉冲
式加热，微波作用时间更长，产率更高。
• 2.高频率和高精度的红外温度传感器，监测反应容器内反应物质发热产生的红外光

第二节 微生物反应的计量关系
Yx / s M s YATP / s (1 Yx / c )
Yx / s M s
Yx / ATP
(15.2.15)
Yx / ATP
x YATP / s (1 Yx / s ) s
Yx / ATPYATP / s
(15.2.16)
Yx/ATP＝ 8－11,平均10
Yx / s 细胞的生长量 X ＝ 反应消耗的基质量 －S
(15.2.6)
Yx/s值的大小： 可能小于1，也可能大于1
第二节 微生物反应的计量关系
表15.2.3 细菌的细胞产率系数 微生物 Saccharomyces cereviside Saccharomyces cereviside Aerobacter aerogenes Aerobacter aerogenes Aerobacter aerogenes Escherichia Coli Candida utilis 基质 葡萄糖（好氧） Y x/s ［g•g-1］ 0.53
表15.2.1
表15.2.2
C7H10O3N
大肠杆菌: C4.2H8O1.3N
第二节 微生物反应的计量关系
（三）微生物反应的综合计量式
S＝YxX＋YpP
(15.2.1)
产物产率系数(product yield)。
细胞产率系数(cell yield) 好氧微生物反应： CHmOn＋a NH3＋bO2 = Yx/cCHxOyNz＋Yp/cCHuOvNw＋(1-Yx/c-Yp/c)CO2＋cH2O
Yx / av.e
Yx / s M s 4nO 2
ΔnO2：每摩尔的基质完全 燃烧时需要的氧的摩尔数 (15.2.20)

微生物的很多代谢产物，尤其是次级代谢 产物，是在进入稳定期后才大量合成和分 泌的。
（四）死亡期
在死亡期，细胞的营养物质和能源储备已消耗殆 尽，不能再维持细胞的生长和代谢，因而细胞开 始死亡。
这时，以生存细胞数目的对数对时间作图，可得 一直线，这说明微生物细胞的死亡呈指数比率增 加。
在发酵工业生产中，在进入死亡期之前应及时将 发酵液放罐处理。
细胞保持均恒生长。 不断吸收培养基中的营养成分以合成自身物质，
并不断向培养基中分泌代谢产物。 由于此时培养基中的营养成分远远过量，且积累
的代谢产物尚不足以抑制微生物本身的生长繁殖， 因而微生物的生长速率不受这些因素的影响，而 仅与微生物本身的比生长速率μ及发酵液中的生 物量浓度X(g/L)相关。
然而，在分批发酵工艺中，低浓度培养基中的营 养物质会迅速耗尽，引起微生物过早地从指数生 长期向稳定期转变，这样，设备的利用率和产物 的积累浓度都不高。
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〖一类发酵〗 产物的形成和菌体的生长相偶联
分批生物工艺中各种比速率(生长速率μ、基质消耗qk和 产物形成qp)之间关系的图示 生产连动型
生产连动型产物的生成反应可表示如下：
•产物形成的比速率则与微生物的比生长速率呈正比。 •所以，对于这种类型的产物来说，调整发酵工艺参数，使微生物保持高 的比生长速率，对于快速获得产物、缩短发酵周期十分有利。
（三）稳定期
在细胞生长代谢过程中，培养基中的底物不断被 消耗，一些对微生物生长代谢有害的物质在不断 积累。受此影响，微生物的生长速率和比生长速 率就会逐渐下降，直至完全停止，这时就进入稳 定期。
处于稳定期的生物量增加十分缓慢或基本不变； 但微生物细胞的代谢还在旺盛地进行着，细胞的 组成物质还在不断变化。

程式
第五章微生物反应器操作
•基于上式，菌体量为
•流量为
• 从以上结果可知，采用这种方式操作，不仅能 保证微生物呈指数生长，而且能保持基质浓度一定。 流加基质浓度Sin与反应器内反应液最终体积、最终 菌体量Xf和菌体收率YX/S有如下关系：
第五章微生物反应器操作
• 拟稳定状态下初始流加速度F0可由（4-24） 给出。
• 微生物每次培养都可能有微妙的变化，因 此，无反馈控制的流加操作适用范围很窄。
第五章微生物反应器操作
•5.3.2 有反馈控制的流加操作
•阴沟肠杆菌定流量流加培养
第五章微生物反应器操作
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甘油为基质进行阴沟肠杆菌
（Enterobacter cloacae）定流量流加培养
的实验结果与计算机模拟结果如前图。图中
•5.2.3 反复分批操作
• 反复分批操作系统（图4-3）中培养液体 积为V，培养液取出率为，滤液取出率为， 由于V一定，所以培养液加入量为。为确保 菌体初始浓度一定，有必要将流出液中部分 含菌体的培养液取出，此时菌体量的衡算式 为：
第五章微生物反应器操作
•反复分批操作示意图 第五章微生物反应器操作
伤的可能。
•有反应器的非生产周期； •需要较高的劳动力（需要控制和高价的检 测装置）； •人员的操作加大了污染的危险； •由于频繁杀菌，易使检测装置损伤。
•不能进行连续式操作； •分批操作生产效率低； •希望延长反应时间； •出现基质抑制； •使用营养要求变异株 •一定培养基成分的浓度是菌体收率或 代谢产物生产速度的影响因素； •需要高菌体浓度。
第五章微生物反应器操作
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•优点
•不足
•应用的场合
•分 •设备制作费用低；

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• 微波的优点： • 微波具有清洁、高效、耗能低、污染少等特点, 它不仅开辟了有机合成的一个新领域,同时也广泛 地利用于其它化学领域中,如脱附、干燥,微波溶 样,微波净化,中药提取等。随着微波技术的不断 成熟,微波在有机合成方面乃至整个化学领域都将 有着无法估量的前景。
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微波常压合成
• 为了使微波技术应用于常压有机合成反应, • 1991 年[5 ] . Ajay K. Bose 等人对微波
常压技术进行了尝试,他们在一个长颈锥形 瓶内放置反应的化合物及溶剂,在锥形瓶的 上端盖一个表面皿,将反应体系放入微波炉 内,开启微波,控制微波辐射能量的大小,使 反应体系的温度缓慢上升。他们利用这一 反应装置成功地进行了阿司匹林中间产物 的合成。
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技术参数
• 1．微波功率随温度自动变频控制，非脉冲微波连续加热，功率自动变化范围：01000W,最大功率设置分10档,档距100W；在每一档位，微波功率在0到该档最大功率之 间随反应温度自动调节； • 2．非接触式红外温度传感器，实时监测和控制反应温度，控温范围：室温250℃(可选装室温～500℃或室温～900℃），精度±1℃，任意设定并实时显示，红外 测温测量的是反应容器内反应物质发热产生的红外线，比铂电阻测温更灵敏，更准确， 更安全，操作更简便； • 3．配备电磁和机械两种搅拌方式，根据不同反应物质随意切换，搅拌速度连续可 调并实时显示； • 4．用户可根据反应条件任意加装标准接口的反应容器（容积50ml～1000ml以上） 及冷凝回流、滴加、补液和分水等装置； • 5．配备炉腔内摄像装置,并通过炉腔外TFT彩色液晶显示器，实时观察或录像反应 过程和变化 • 6．内置10套反应方案，用户可自行编辑、存储、修改和删除各套反应方案及各项 反应控制参数（包括工步、温度、时间和搅. 拌速度等等）。

日用化学品 和聚合物
德国西门子（Siemens）公司
美国UOP公司
药物合成(Ciprofloxazin) 里特(Ritter)反应 硝化甘油 颜料 复配(Formulations) 催化剂 环氧丙烷 聚丙烯酸酯 过氧化氢
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8.3 微反应器
8.3.3 微反应器的特点及应用
三、应用情况
板片采用扩散焊实现连接密封。
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8.3 微反应器 8.3.2 微反应器的结构及制造工艺
三、微反应器的封装技术
右图是路易斯安那理工大学设计 的把环己胺脱氢为苯的微反应器 设计图，尺寸为20×14×3 mm。 由三部分组成,上部是用聚二甲基 硅氧烷制作的端盖,中间是用钯 (Pd)制成的折叠式隔膜,下部则是 用硅制成的反应室,三者之间用聚 酰亚氨粘接,该反应器能在250℃ 以下稳定工作。
微反应系统的层次结构
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8.3 微反应器
8.3.2 微反应器的结构及制造工艺
二、微反应器的加工技术
微反应器材料的选择取决于介质的腐蚀性能、操作温度、操作压力、加工方 法等。常用的材料有：
硅：硅的密度小(2.3 g/cm3)；熔点高（1400℃）,约为铝的两倍；热膨胀系 数小，只有铝的十分之一；单晶硅的屈服强度比不锈钢大三倍；硅具有各向 异性,便于进行选择性刻蚀。
塑料和聚合物等材料：易于光刻电镀和压模成型加工。
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8.3 微反应器
8.3.2 微反应器的结构及制造工艺
二、微反应器的加工技术
微反应器常用加工技术可分为三类: 一是由IC(集成电路)平面制作工艺延伸而来的硅体微加工技术： 包括湿法刻蚀（各向同性刻蚀和各向异性刻蚀)、干法刻蚀（溅射刻蚀、 等离子刻蚀） 二是超精密加工技术：微细放电加工(micro-EDM）、激光束加工、电子束 加工和离子束加工。 三是LIAG工艺：包括光刻、电镀和压模三步的组合技术,由德国喀尔斯鲁 厄核研究中心发明。