微反应器的应用PPT课件
微反应器技术及其应用
中圈分类号：Ｔ ０ ２ ｏ５
文献标示码 ：＾
Ｍ ｉ ｒ － ｅ ｃ ｏ ｃ ｏ ｏ ｙ ａ ｄ ｉｓＡｐ ｉ ａ ｉ ｎ ｃ ｏ ｒ ａ ｔ ｒ Ｔｅ ｈｎ ｌ ｇ ｎ ｐｌｃ ｔｏ ｔ
Ｚｈ ｎ ｉｌ ， ａ ａ ｇ Ｊ—ｉ ｎｇ Ｚｈ ｏ Ｌｕｏ ｓ ｎ —ｈｅ ｇ
展燃 料 电池 氢源 系 统微 型化 研 究 ， 反应 器 主体 结构 是
一
个 错 流式 微通 道 换热 器 ，与传 统相 比，相 同的 处理
能 力 ，反应 器体 积 可减 小 ｌ 个 数 量级 。郑 亚峰 Ｌ在 ～２ ３ 】 毛细 管 微反 应器 中进 行 乙烯 环氧 化 反应 ， 不添 加 任 在 何催 化 剂和 抑制 剂 的情 况下 ，乙烯 的转 化率 为５ ％ ， ７ 环氧 乙烷 的选择 性 高达 ８ ％，均 高于 工业 水平 。微 反 ２ 应器 在传 质 、传 热 、恒温 等 方面 表现 出的 巨大优 势 ，
１微反应器技 术的特点
由于微 反应 器在 几 何 、传 递 、宏观 流动 等方 面 的
・１ ・ ０
特 性就 决定 了其 有 化
２ １ 年第 ６ ００ 期
的 时间 ，但是 处理 能力还 是 比较 弱 ；其次 ，微 反应器 数量 大大增 加 时， 反应 器 的检 测和 控制 的复杂程 度 微 大 大增 加 ，实 际生产成 本太 高 ；再 次，并 不是所有 的 化 学 反应都 适合在 微 反应器 中进行 【 ４ ｌ，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 ，不适 合选择 微反应 器 。最后 ， 微 反应器 的通 道尺 寸很 小 ，很 容 易被 固体 颗粒 堵塞 ，
生物反应器课件PATIntroduction
• 生物反应器概述 • PAT技术介绍 • 生物反应器中的PAT技术应用 • PAT技术在生物反应器中的未来发展
01
生物反应器概述
生物反应器的定义与分类
总结词
生物反应器是一种用于模拟生物体内环境的装置，用于支持生物或微生物的生长、繁殖或代谢过程。根据用途和 结构，生物反应器有多种分类方式。
详细描述
生物反应器的基本原理是利用生物或微生物的代谢过程。在适宜的条件下，微生物或细胞通过代谢产 生所需的产物或进行某些特定的化学反应。通过控制温度、pH、溶氧等反应条件，可以优化微生物的 生长和代谢过程，从而实现目标产物的最大化生产或副产物的消除。
生物反应器的应用领域
总结词
生物反应器在制药、食品、农业、环保 等领域有广泛应用，可用于药物生产、 酶制剂制备、细胞培养、废水处理等。
03
生物反应器中的PAT技术应用
PAT在细胞培养过程中的应用
实时监测
PAT技术可以实时监测细胞培养 过程中的细胞生长、代谢产物和 底物浓度等参数，有助于及时发
现异常情况并进行调整。
优化培养条件
通过监测细胞培养过程中的关键 参数，可以分析其对细胞生长和 代谢的影响，从而优化培养条件 ，提高细胞培养效率和产物产量
工艺优化
通过监测生产过程中的关键参数，可以分析其对产品质量 和生产效率的影响，从而优化工艺条件，降低生产成本和未来发展
PAT技术的创新与改进
自动化和智能化
通过集成传感器、机器学习等技术，实现生物反应器的自动化和 智能化控制，提高生产效率和产品质量。
新型生物反应器设计
优化反应条件
通过监测酶活性，可以分析不同反应 条件对酶活性的影响，从而优化反应 条件，提高酶促反应的效率和产物产 量。
生物反应器ppt课件
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技术参数：
标准配置：
1、罐体系统：
罐体全容积：5L；工作容积：2~4L
罐体材质：硼硅玻璃+316L不锈钢；罐盖材质： 316L不锈钢
罐体设计压力：0.1Mpa；夹套设计压力： 0.25Mpa
罐盖结构：标准温度、PH、 DO 传感器插口各1 个；标准泡沫电极插口1个；通用补料接口2个； 接种口1个；排气口1个；取样管口1个
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发酵罐 发酵罐若
根据其使用对象区分， 可有：嫌气发酵罐、好 气发酵罐、污水生物处 理装置等。
其中嫌气发酵罐最为
简单，生产中不必导入 空气，仅为立式或卧式 的筒形容器，可借发酵 中产生的二氧化碳搅拌 液体。（见彩图）
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产品名称：5L离位灭菌自动台式发酵罐 型 号： SY-3005QB
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3、植物细胞培养的特殊条件
(1)光照：离体培养的植物细胞对光照条件不严格， 因为细胞生长所需要的物质主要是靠培养基供给， 但光照不但与光合作用有关，而且与细胞分化有关。
(2)激素：植物细胞的分裂和生长特别需要植物激 素的调节，促进生长的生长素和促进细胞分裂的分 裂素是最基本的激素。
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（二）描述方法
动力学的研究目的是定量地描述过程 的速率以及影响过程速率的诸多因素。
生物过程动力学研究的主要问题是生物 反应的速率，特别是细胞生长的速率、各 种基质组分的消耗速率、代谢产物的生成 速率。
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常用的有：
⑴反应速率：单位时间物质浓度的变化量。如：细胞
的生长速率、代谢产物的生成速率等。
产生的（开始时需接入菌种），为防止杂菌污染和活 性衰退，一般采用分批釜式反应器；
微反应器工作原理
微反应器工作原理微反应器是一种在微观尺度下进行化学反应的装置。
它利用微流控技术将反应物料以微滴或薄膜的形式进行加工和流动控制，从而实现反应的快速、高效和精确控制。
微反应器的工作原理主要包括微流控技术、微观尺度和加工控制三个方面。
微反应器利用微流控技术对反应物料进行流动控制。
微流控技术是一种通过微型通道和微型阀门来控制流体的流动的技术。
微反应器中的微流控通道可以精确地控制反应物料的流动速度、流动方向和混合程度，从而实现反应物料的快速混合和反应。
微反应器利用微观尺度来增加反应速度和效率。
由于微反应器中的反应物料以微滴或薄膜的形式存在，相比传统的宏观尺度反应器，微反应器具有更大的比表面积和更短的传质距离。
这使得反应物料能够更快速地进行反应，从而提高反应速度和效率。
微反应器通过加工控制来实现反应的精确控制。
微反应器中的微流控通道和微阀门可以精确地控制反应物料的流动速度和混合程度，从而实现反应的精确控制。
此外，微反应器还可以通过调节温度、压力和反应时间等参数来实现反应条件的精确控制，从而实现对反应产物的选择性合成。
微反应器的工作原理可以通过以下步骤来描述。
首先，反应物料通过进料口进入微反应器中的微流控通道。
然后，根据需要，可以通过微阀门来控制反应物料的流动速度和混合程度。
在微流控通道中，反应物料会快速混合并进行化学反应。
最后，反应产物通过出料口排出微反应器。
微反应器具有许多优点。
首先，由于微反应器可以实现反应物料的快速混合和反应，因此可以大大缩短反应时间，提高反应速度和效率。
其次，微反应器可以实现对反应条件的精确控制，从而实现对反应产物的选择性合成。
此外，由于微反应器的微观尺度和微流控技术的应用，反应物料的用量可以大大降低，从而减少了废物的产生，有利于环境保护。
微反应器在许多领域都有广泛的应用。
例如，微反应器可以用于药物合成、有机合成、催化反应、生物反应等领域。
在药物合成中，微反应器可以实现对药物合成过程的精确控制，从而提高药物的纯度和产率。
微通道反应器在合成反应中的应用
微通道反应器在合成反应中的应用
微通道反应器是一种紧凑的、可缩放化的量产工艺装置，可在该装置
中进行特定的反应过程。
微通道反应器主要应用于以下各种合成反应。
1.小分子化学反应：微通道反应器可用于各种合成反应，如加成反应、缩合反应、氧化反应、水解反应和聚合反应等。
微通道反应器允许更高的
反应效率、更快的反应速率和显著缩短反应时间，从而有效提高了合成反
应的效率。
2.催化反应：用微通道反应器可以灵活地进行许多催化反应，如多环
芳烃的芳烃交换反应和羰基化反应等，这些反应可以使用更绿色的试剂和
环保的条件来完成。
3.生物合成反应：微通道反应器可用于一系列生物合成反应，包括酶
催化反应、缩合反应和脱水反应等。
它还可以用于生物催化剂的分离、纯
化和保护，从而有效提高有机合成反应的效率和质量。
4.其他合成反应：微通道反应器也可以用于高纯度有机高价添加剂的
制备，如各种醚和醇类及其氢化物等，以及杂原料的制备，如α，β-不
饱和化合物和烯烃等。
微型反应器的设计和应用
微型反应器的设计和应用随着科技的不断进步，化学反应器的规模不止缩小，从宏观到微观的跨越也是关键。
从宏观到微观的低噪声，微型反应器也成为科学研究和工业生产中必不可少的一环。
一、微型反应器的发展微型反应器的基本概念是指在微米、毫米甚至亚毫米的空间范围内设置反应器，整个反应在一个微小空间里完成，与常见的宏观反应器不同，常见的反应器一般达到好几十甚至几百立方米。
微型反应器的优点在于反应物与催化剂接触的接触时间更短，反应物能够更均匀地通过反应器，生成的产物也能够更快的与体系分离，从而大大提高反应效率。
微型反应器本质上是一种新型的化学反应装置，可以被认为是化学反应器领域中的一项前沿技术。
大约二十年前，微型反应器在实验室当中出现，之后，微型反应器越来越普遍地用于在微观尺度处合成和分析化合物。
在学术界，微型反应器已经被用于合成材料、药物、纳米材料以及异质催化剂。
据统计，微型反应器的研究和应用领域日益广泛，包括有催化剂合成、金属催化型碳氢键活化、等离子提纯、荧光标记、纳米颗粒合成和小分子分析等。
尽管微型反应器的工作原理与宏观反应器类似，但基于尺寸的影响，它们的性质却与宏观反应器截然不同。
二、微型反应器的特点1. 反应器小型化由于微型反应器是在微观距离上完成反应的，这种特殊的设计使得整个反应器非常小巧，大小通常在微米到毫米之间。
这种小型化的设计对于反应速度和反应效果都有很大的帮助，因为反应物相互作用的距离变得非常近，这可以加速反应速度并提高反应效率。
2. 操作简便由于微型反应器的小巧和灵活性，操作也变得更加容易和简单。
添加反应物和调整反应条件都变得更加实际和容易，因此这使得微型反应器广泛应用于学术和工业研究。
3. 高效正是因为微型反应器的设计，微型反应器能够提供更快的反应速度和更高的反应效率，这是由于反应物在微米到毫米的空间中，可以更均匀地和催化剂接触。
4. 量身定制微型反应器的设计和生产具有高度的灵活性。
科学家们可以根据不同的反应需要定制不同的微型反应器，包括反应器的形状、大小、材料、通道设计等。
《生物反应器》课件
REPORTING
生物反应器的结构设计
结构设计原则
生物反应器的结构设计应遵循简 单、稳定、高效的原则，确保工 艺流程的顺畅和生产效率的提高
。
结构种类
常见的生物反应器结构包括搅拌槽 式、固定床式、流化床式、膜式等 ，应根据生产需求和工艺特点选择 合适的结构形式。
结构设计要素
结构设计需考虑进出料、换热、消 泡、搅拌等装置的配置，以及反应 器容积和放大效应等因素。
PART 04
生物反应器的应用实例
REPORTING
工业生产中的应用实例
微生物发酵
利用生物反应器进行微生 物发酵，生产酒精、抗生 素、酶制剂等产品。
动物细胞培养
通过生物反应器大规模培 养动物细胞，生产疫苗、 单克隆抗体等生物药物。
植物细胞培养
利用生物反应器进行植物 细胞培养，生产天然植物 次生代谢产物。
生物反应器的应用领域
生物制药
用于生产各类抗体、疫 苗、细胞因子等生物药
物。
农业领域
用于植物细胞培养、动 物细胞培养等，以生产
转基因作物和动物。
环保领域
用于处理废水、废气等 环境污染问题，以及资
源回收和再利用。
食品工业
用于生产各类食品添加 剂、调味品、酶制剂等
。
PART 02
生物反应器的工作原理
REPORTING
定律。
酶的活性受到温度、pH值、底物浓度等多种因素的 影响，因此在生物反应器的操作过程中需要密切关注
这些参数的变化。
生物反应器的物质转化涉及到各种化学物质的 合成和分解过程，这些过程通常是由酶催化的 。
酶是生物反应器中最重要的物质转化催化剂之一 ，它能够加速化学反应的速率并降低活化能。
微通道反应器在聚合反应中的应用
微反应器因为其良好的传热性和混合型近年来被广泛运用在化工生产开发中，并表现出了巨大的潜力。
而与传统的釜式反应器相比，微反应器的内部尺寸在几十到几百微米，并且内部具有几百万上千万条单独的通道。
其特征是尺度通常为数百微米量级，反应物的扩散路程短，因此能显著缩短实现充分混合所需时间。
传统釜式的混合时间通常为秒级，特征尺度极小的微反应器甚至达到毫微妙级的混合时间；小尺度还使微反应器的比面积小于100m2/m3，极少数可以达到1000m2/m3，而微反应器的比面积可以达到5000-50000m2/m3.大比表面积使微反应器具有良好的传热性能，更容易实现对反应温度的精确控制。
依靠其良好的传热传质性能，微反应器可通过控温系统和流量调节方便地控制反应温度、反应物配比和反应时间等反应参数。
除此之外微反应器系统因为相对封闭，不容易受到水、空气等杂质的侵入，可省去部分繁琐的除杂保护措施。
为了保持小尺寸特性，微反应器的工业放大将主要依靠反应器数量的增加，不存在传统反应器在放大过程中出现的传热传质能力变化等问题。
综上所述，微反应器在有机合成领域受到很大的重视。
聚合反应对于反应器的传热和混合有着较高的要求，而传统的釜式反应器并不能帮助研究者们制备出高性能的聚合产物。
聚合温度对于自由基聚合所产得的分子量和分子量分布有着很大的影响。
所以所以对反应系统温度的控制是控制产品质量的关键因素。
大部分自由基聚合都是较强的放热反应，而反应的速度较快。
传统的反应釜传热和传质能力较差，往往导致反应体系内温度分布不均匀，从而影响产物的分子量分布。
而如果采用微反应器进行实验的话就可以明显改善反应的结果。
在上图的实验中，科学家们使用了T行微混合器和内径分别为250μm和500μm的微管式反应器系统，进行了一系列丙烯酸脂单体的自由基聚合。
通过一系列反应证明了微反应器可以有效控制自由基聚合产物的分子量分布。
目前在微反应器聚合中研究较多的就是溶液聚合法，并将转化率控制在较低水平，以防止体系黏度过高堵塞管路。
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-哈尔滨工业大学 -化工学院 -高分子材料与工程专业
1
组员介绍
姓名：蔡志明 爱好：收集资料，写论文
姓名：魏朝堂 爱好：收集资料，制作论文
2
组员介绍
姓名：李嘉文 爱好：制作PPT
姓名：朱志琦 爱好：展示PPT
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目录
1 微反应器的概述-------------------------------------------------------
代表：麻省理工学院RaviSrinivasao等 设计的T形薄壁微反应器，用于氨的氧化反应。 氨气和氧气分别从T形反应器两侧通道进入。 T形反应器薄壁自身就是换热器，通过变化薄 壁的制作材料改变热导率和调整厚度，可以 控制反应热的移除，从而适合放热量不同的 各种反应。
-T型气固相微反应器示意图-
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2
由于微反应器的 反应体积小，传质传热速 率快，能及时移走强放热 化学反应产生的大量热量， 从而避免宏观反应器中常 见的“飞温”现象;适用 于易发生爆炸的化学反应。
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4
低温反应及金属有机化学反应
有机化学中有不少反应, 要求在零下数十度甚至更低温度进行。其中很多 是金属有机化学反应。这一点在实验室不难实现, 在生产上就比较难以实现, 即使 采用内加盘管的反应罐往往也需要很长时间才能完成加料, 更不用说设备投资和能 耗问题。对这一大类反应, 微反应器技术大有用武之地。如：一个金属有机化合物 的加成反应，如下：
-微泡罩塔反应器示意图-
-沉降膜式微反应器-
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2
气液固三相微反应器 气液固三相反应在化学反应中也比较常见,种类较
多,在大多数情况下固体为催化剂,气体和液体为反应 物或产物。气液固三相微反应系统中，既要保证在整 个反应中气体在液体中的分散，同时还要求气液固有 较大的净接触面积，另外沿着反应通道 低的压力将也是确保反应顺利进行的关 键因素。
反应收率大幅度提高。
因此可以推断出可以看出, 常规需要在很低温度下进行的反应, 用微反应器在室 温或稍低于0 ℃即可进行,且收率还有所提高。或者, 在同等温度条件下, 反应收率 大幅度提高。
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4
低温反应及金属有机化学反应
•精确地控制停留时间, 使活性中间产物在来不及分解前就进入下一步反应, 有效抑制了副反应; •精确的温度控制消除了常规反应器中的反应物局部过热现象; •高效的混合使反应物得以瞬间按配比精确混合, 并立即转入下一步反应。这 些特点是常规间歇式反应器所不具备的。
-图为常见微反应器的实物照-
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1
什么是微反应器
-微反应器层次系统6
1 区别：
微反应器
微分离器
微混合器
？
微换热器
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2
分类：
气固相微反应器
液液相微反应器
气液相微反应器
气液固三相微反应器
8
2
气固相微反应器
气固相微反应系统是常见的 反应系统，固体是催化剂，两种或 多种气体混合物是反应物。最简单 的气固相催化微反应器莫过于壁面 固定有催化剂的微通道。复杂的气 固相催化微反应器一般都耦合了混 合、换热、传感和分离等某一功能 或多项功能。
液液相微反应器在结构上主要有如下两种类型。
-液液相微反应器示意图-
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2
气液相微反应器
气液相微反应系统需要有效的方法将气体扩散到液体中去，增大接触面积的同时 在整个微通道中保持扩散范围。一类是气液分别从两根微通道汇流进一根微通道,整 个结构呈T字形，即微泡罩塔反应器。另一类是沉降膜式微反应器,液相自上而下呈膜 状流动,气液两相在膜表面充分接触。
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2 微反应器的分类---------------------------------------------------------
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微反应器的特征-------------------------------------------------------
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液液相微反应器 在液相反应中，反应液体呈层流状态流动，扩散是传质的主要途径，因此影响液
液相反应的关键因素是充分混合，为此以下两种基本方式，一种是由泵输送的两种液 体分别进入各自的输送通道，然后在平行的纵向接触面上混合、扩散到发生化学反应。 另一种是将一种液体用多次脉冲的方法注射到另一种液体流中，扩散和反应发生在多 个横向接触面上。
-三相微反应器部分结构-
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SUCCESS
THANK YOU
2019/7/23
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几何特性
传递特性
安全特性
狭窄规整的 微通道、非常小的 反应空间和非常大 的比表面积。微反 应器及其他微通道 设备的通道特征尺 寸(当量直径)数量 级是微米级。
几何特性决 定了微反应器内流体 的传递特性，进而导 致它具有温控好、反 应器体积小、转化率 和收率高及安全性能 好等一系列超越传统 反应器的独特的优越 性。
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低温反应及金属有机化学反应
比较下表中的数据可以看出,常规500mL反应瓶中-40℃反应0.5h,收率为 88%;6m3 反应锅-20℃反应5h,收率降到72%;使用微反应器进行小试,在-10℃,停留时间
因仅此10s可,收以率推达断95出%;可而以且看这一出条, 件常放规大需到要生在产很规模低后温收度率下仍进然行有的92反%。应, 用微反应器 在室温或稍低于0 ℃即可进行,且收率还有所提高。或者, 在同等温度条件下,
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高温反应及易失控反应
比如：精确控温防止脱羧副反应。此硝化反应的问题在于反应放热剧烈,而反应 温度又必须控制在100℃以下,否则产物会发生脱羧副反应。
因此可以推断出可以看出, 常规需要在很低温度下进行的反应, 用微反应器
4 微反应器的应用-----------------------------------------------------------
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什么是微反应器 微反应技术是一种将微结构内在的优势，应用到化学过程的技术和方法，体现 这种技术的设备称为微反应器（microreactor）。 这些微反应器都有一个根本特点,那就是把化学反应控制在尽量微小的空间内, 化学反应空间的尺寸数量级一般为微米甚至纳米。