摘 要

壳聚糖又称为脱乙酰甲壳素，是一种不溶于水和大部分有机溶剂的白色半透明固体，在生物医药，纺织等领域都有广泛的应用。然而，由于其溶解度有限，限制了壳聚糖的应用范围，利用壳聚糖中的羟基和氨基进行改性提高溶解性成为当今研究的热点。本设计旨在利用壳聚糖的季铵化进行壳聚糖的水溶性改性，并为其工业化生产提供设计基础。

本设计将采用取代法制备壳聚糖季铵盐，将壳聚糖与GTAC按照１：０.８的比例投入异丙醇溶液中反应，反应时间为４８ｈ，反应温度为７５℃。该工艺具有操作简单，原料易得，使用试剂无毒无害的特点。

本设计依据该工艺流程进行设计，完成了物料衡算和热量衡算工作，绘制了带控制点的工艺流程图。然后依据衡算数据，完成了主要设备的选型工作，包括反应釜，洗涤釜，原料计量槽，离心机等。再依据主要设备的选型尺寸完成了包括人孔，视镜等辅助设备的选型工作。最后按照车间布置原则完成了车间，厂房布置，绘制车间布置图。本设计为壳聚糖季铵盐的工业化生产提供设计基础。

关键词：壳聚糖季铵盐；物料衡算；设备选型

abstract

Chitosan, also known as deacetylation chitin, is a kind of white translucent solid which is insoluble in water and most organic solvents. It has been widely used in biomedicine, textile and other fields. However, due to the limited solubility of chitosan, the application of chitosan is limited. The modification of chitosan with hydroxyl and amino groups to improve the solubility has become a research hotspot. The purpose of this design is to use quaternization of chitosan for water-soluble modification of chitosan, and to provide a design basis for its industrial production.

In this design, chitosan quaternary ammonium salt was prepared by substitution method. Chitosan and gtac were put into isopropanol solution at the ratio of 1:0.8. The reaction time was 48h and the reaction temperature was 75 ℃. The process has the advantages of simple operation, easy access to raw materials, non-toxic and harmless use of reagents.

The design is based on the process flow. The material balance and heat balance are completed, and the process flow chart with control points is drawn. Then according to the calculation data, the selection of main equipment, including reactor, washing kettle, raw material measuring tank, centrifuge and so on, is completed. Then, according to the size of the main equipment, the selection of auxiliary equipment including manholes and mirrors is completed. Finally, according to the principle of workshop layout, the workshop and workshop layout are completed, and the workshop layout is drawn. This design provides the design basis for the industrial production of chitosan quaternary ammonium salt.

Key words: chitosan quaternary ammonium salt; material balance; equipment selection

目录

摘要 3

abstract 4

第一章 绪论 5

1.1壳聚糖的性质 5

1.2壳聚糖改性研究 5

1.3壳聚糖季铵盐 6

1.4国内外相关研究 6

1.5设计内容 7

第二章 工艺流程简述 7

2.1生产工艺流程 7

2.2 工艺流程简图 7

第三章 物料衡算 8

3.1物料衡算内容 8

3.2 物料衡算过程 8

3.2.1反应工段 8

3.2.2洗涤工段 9

3.2.3烘干包装工段 9

3.3热量衡算 9

3.3.1衡算任务 9

3.3.2衡算依据 9

3.3.3衡算过程 9

第四章 主要设备选型计算 10

4.1设备选型原则 10

4.1.1反应釜选型原则 10

4.1.2搅拌器选型原则 10

4.2反应釜选型设计 10

4.2.1釜体设计 10

4.2.2夹套尺寸的设计 11

4.2.3釜体壁厚的计算 11

4.2.4夹套厚度 12

4.2.5水压试验应力校核 12

4.2.6釜传热面积校核 13

4.2.7釜相关数据 13

4.2.8釜的传动装置 13

4.3洗涤釜选型设计 15

4.3.1选型原则 15

4.3.2洗涤釜几何尺寸计算 16

4.3.3釜壁厚的计算 16

4.3.4水压试验应力校核 16

4.3.5釜相关数据 17

4.3.6釜的传动装置 17

4.4原料计量槽 18

4.4.1异丙醇计量槽 18

4.4.2GTAC计量槽 18

4.4.3壳聚糖计量槽 18

4.4.4乙醇计量槽 18

4.5离心机 18

第五章　辅助设备选型 19

5.1原料输送泵 19

5.2筒体法兰 19

5.3人孔 19

5.4设备接口 19

5.5视镜 19

第六章 车间布置 20

6.1车间布置规范 20

6.2车间布置原则 20

6.3车间布置情况 20

总结 20

致谢 22

附录 23

第一章 绪论

1.1壳聚糖的性质

壳聚糖( Chitosan) 的化学名称为( 1， 4) －2 －氨 基 －2 －脱氧 － β － D － 葡聚糖，又称为脱乙酰甲壳素，白色半透明固体，不溶于水、碱和大多数有机溶 剂。壳聚糖是甲壳素的 N －脱乙酰化产物，而甲壳素为自然界中含量仅次于纤维素的第二大天然高分子物质，广泛存在于低等节肢体、甲壳类动物( 如虾、蟹、甲壳昆虫) 以及低等植物( 如藻类、菌类) 的细胞 壁中。因此，壳聚糖来源广泛，作为目前已知唯一的天然碱性阳离子聚合物，其天然来源非常广泛， 主要生产集中在欧美地区部分国家、日本、印度，而 我国生产企业主要集中在沿海地区。

壳聚糖在天然环境中的储备量很大，是一种仅次于纤维素的第二大无毒害、无污 染、可再生的绿色物质资源。壳聚糖具有良好的生物性能及广谱抗菌作用，很容易改性制成羧甲基壳聚糖、烷基化壳聚糖、壳聚糖季铵盐等衍生物。

壳聚糖作为甲壳素的脱乙酰化产物，其分子结构如图1 所示。壳聚糖分子为双螺旋结构，是由N-乙酰氨基葡糖以β-1，4-糖苷键连接而成的线性大分子，在其分子的链接单元中的氨基和羟基等基团具有较高的反应活性，可以进行化学改性，引 入其他基团，从而赋予壳聚糖在不同溶剂中良好的 溶解性和功能性。

图1.1壳聚糖结构式

1.2壳聚糖改性研究

:壳聚糖具有抗菌、止血、生物降解、生物相容性等特点，还能够促进伤口愈合。但壳聚糖力学性能较差，且在有机酸或无机酸溶液中的溶解度有限。所以，为了增强壳聚糖的性能，很有必要对壳聚糖采用物理和化学方法进行改性。

在壳聚糖分子的C₂位氨基和C₅位羟基，C₆位的伯羟基性质比较活泼，壳聚糖与甲壳素由于官能团数量的不同，两者的理化性质有很大的不同，如壳聚糖有生物可降解性、渗透性、成膜成丝等特性和应用。通过对壳聚糖进行化学改性，而不会改变壳聚糖的物理结构与骨架，使其拥有新的理化性质与功能，这引起了许多研究人员的兴趣。壳聚糖的化学改性方法有很多种，包括接枝共聚改性方法其产物的性质受到侧链( 包含分子结构、长度和数目) 的影响，利用壳聚糖分子中的氨基、羟基与多元醛、烷基体化合物、多元酸、多元酸酐、酯或醚等的反应，使分子链产生交联的交联反应，、季铵盐化、羧甲基化、酰 化、烷基化、席夫碱、巯基化、羟烷基化、磺化等改性方法。

壳聚糖分子中含有伯氨基，可以用卤代烷烃对其进行季铵化处理，经过改性后的壳聚糖季铵盐水溶性更好，，具有很好抗菌抑菌性能，常用于织物的抗菌整理。在用作 絮凝剂、表面活性剂等有很广泛的应用。

1.3壳聚糖季铵盐

壳聚糖季铵盐作为一种具有较强酸性的水溶性壳聚糖衍生物，在保持壳聚糖外部结构和性质不变下，抗菌性能大大提高，在生物医药、环境 和化妆品等行业具有较多的应用。

。

目前制备壳聚糖主要包括两种：

1.烷基化法：壳聚糖在 N-甲基-2-吡咯烷酮中加入 CH3I、NaI和NaOH，在60℃ 下反应得到壳聚糖基季铵盐（ N, N, N- 三 甲 基 壳 聚 糖 ，N,N,N-Trimethylchitosan, TMC），此产物是在壳聚糖的氨基上直接连接上三个甲基而形成季氨基，如图。这是目前制备壳 聚糖季铵盐常用的方法

图1.2 三甲基壳聚糖的制备

2.取代法：可以使用2，3-环氧丙基三甲基氯化铵（GTAC），在水或者有机溶剂的条件下与壳聚糖反应，制备壳聚糖季铵盐N-[(2-羟基-3-三甲季氨基)丙基]壳聚糖氯化物 HTACC

该壳聚糖基季铵盐是由 GTMAC 上环氧丙基开环后取代壳聚糖分子链上氨基的 H 得到的，反应示意图为图 1.3。该方法具备操作简单，使用的试剂无毒易得等优点。

图1.3HTACC的制备

壳聚糖的水溶性来自于分子之间氢键的断裂，导致壳聚糖分子的双螺旋下长链结构被破坏，二级结构改变，最终使其以分子或分子束的形式存在于水溶液中。

改良后的壳聚糖季铵盐不但具有季铵盐的特性，抑菌性、吸水保湿性，而且壳聚糖本身的生物降解、生物相容性等优秀特性依然能够保持，

1.4国内外相关研究

由于壳聚糖作为一种来源广泛，成本低廉，而且有着很好的生物降解性，在纺织，医药等领域有广泛的应用，关于壳聚糖改性国内外有不少相关的研究，是当今壳聚糖研究的热点问题。

车秋凌等人在壳聚糖分子中的氨基上引入 甲基，采用甲醛甲酸法合成 N， N， N － 三甲基壳聚 糖，之后再在壳聚糖分子中的羟基上引入三聚氯氰，将改性后的壳聚糖应用于羊毛织物的酸性染料 染色中。结果表明，改性后的壳聚糖使得羊毛织物 的上染率、固色率、色牢度和抑菌率均有提高，壳聚 糖分子量越大，效果最好。刘新等人在壳聚糖 的氨基上接枝2， 3 － 环氧丙基三甲基氯化铵，结果 表明，与改性前的壳聚糖相比，改性后的季铵盐壳 聚糖对金黄色葡萄球菌的抗菌活性更好。

李继城等采用冷冻干燥法制备了以季铵化壳聚糖为原料，戊二 醛为交联剂的医用止血海绵，制得的止血海绵呈雪 白色，结构疏松多孔，具有较好的吸水率。Song 等将壳聚糖季铵盐加入聚甲基丙烯酸甲酯义齿 材料中，得到无细胞毒性，抗菌和抗腐蚀性能较好的义齿复合材料，该材料有望应用于牙齿修复。Wang 等制备了五种不同的水溶性壳聚糖季铵盐，结果表明该类壳聚糖衍生物具有良好的生物相容性和抗菌性

1.5设计内容