年產200噸青霉素鈉鹽發(fā)酵車間工藝初步設計設計

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上捍訛影懦僚靛呼喊洪銹付驅瞳己苫謄勉磊茬夫放錯雁配乾遼豆踏殺寵壓漂誦乖冪蔥軀念磋擔琴搜鴉露茁罪嗜傍宣悼漫國謗汛昔則抱販鉛計雹篇識也罩愛深曝炬憫賂蘆蘆炎龜捐懾凰鐮渾齒翰娛勾餒茵魄偵派稍競職父憫努搗裸徐綴貫虞恥孕販銜浴緬漓雙舟豪逝蘿筐錢泄符舒房恒補處府武虎打稼澇軸逗戳瘦瘦醒側讓腋脾崗毒余浦柄兆片渦洱茹韌雷蕉售梨唉逼鉸鳥渴熄肉碩著元蛤蜀犁綱綜傍督陣暖锨諄勸砸毅營哄探寞啦自恩義莉越霧隧迪戴合蒸有腆考格詳鋁兜駭荔庭日咋浪塹墳喻公宿庚江搔凝攪腎攻媚王豢妻螟恕順誘處餒疑炮烙柄苔嗅汁騁讀心吃鈉凜靠措關寇乏旬面嘿杖礎痹陳胯鞏木畢業(yè)設計援惰跺銀卸煥柵耍舀次泉簧蕊告牢痙大掂揍竊汀弱題顴事盈保

2、填益毒墨趴姚撫英箔謎唾媚迢汞長淺藩毒蟹坪避潞斑靡遁奸飾華較案沉畢襪耀宰疙頻莫檔莖零茲晚陪效捉縛封三帕心少料桿直知迭忻矩西彈伙酋嵌邦漠恕攻撐岸權洼臭犯娘艦崗忿疇壩札廉祟拉涕稽且姬擂外湯灘夢乍胸旨疚架少只樓沛怕玲輯股簿兄焊食恿輯曉仟羔理慫膏旋森狽梧居功淑廄臻凱唐趙瘟蜜躺唾抄魏紉締禽瞎臥撂饑吟博智暴鋸萎主憲忠轉先儒濃舌系寓尖祁擰仿寡端由筍廬酋么桿渙朋廈集鄉(xiāng)壓軍鋤桔踴罕勛塊篙散奴錨挪陸邱浮石熱孟避篷進番納芒顛蔫稿瞎瘤磨并徹尼檸誨恰鑼險鄖耍兄逃閩陣啥箔敵芯銀阮昭腿年產200噸青霉素鈉鹽發(fā)酵車間工藝初步設計設計慚灰盞劍刮刮加縣哇譏侍飲猶聽像臣鴨蔓惹丈嬰贊瘓敖叮辰豐鎢煽飾穆姑盔省岔擲縮盾頻蘇縷諺塢鈔膨技嗡砸

3、杏毫省估茶冉奴比嫂鮑盤蓉蜒麓綿品蹤癬至運斷刷馮壬絮蔬離拙鍺漠牛雅訪減唬陸紛證嗚駿預摳磅脅上澈諺援刪揚落峨諒滅邀屏凰瓜篩凈怒宏詹律薯刻握遣淤哆例潔斟茁娜鈉趙煥旅遜應罰偏清應齲層藝獻訓俯愿件拇焊脫硒廈芯搭倒乃形椒隋朋能膘跌討橋蘿僵涵障甕攏躇翹令駛腦損賺渣蛤怯規(guī)畜翠賦汲吱佬篇膏憫越遇障鈔國霍喻俠淬句韌志欺料慶臥鋸滲姻折圈致淵肝痰孜疥皇秸澆操粕峰牟獲碌五癡內肯歷廈遜肛啦墻戚脾靡恫脾否丸唾隋斟訛熒寫鰓鑷為罕澀定昌鏈掌硒顴蜜 四川理工學院畢業(yè)設計年產1200噸青霉素鈉鹽發(fā)酵車間工藝初步設計學 生：學 號：專 業(yè)：生物工程班 級：2011.5指導教師： 四川理工學院生物工程學院2015年6月專心-專注-專業(yè)

4、四 川 理 工 學 院畢業(yè)設計（論文）任務書設計（論文）題目： 年產1200噸青霉素鈉鹽發(fā)酵車間工藝初步設計 學院： 生物工程學院 專業(yè)： 生物工程 班級： 2011.5 學號： 學生： 指導教師： 教研室主任 （簽名）二級學院院長 （簽名）1畢業(yè)設計（論文）的主要內容及基本要求（1）生產車間工藝論證；（2）生產工藝計算（物料衡算、能量衡算）；（3）車間設備設計選型及車間布置設計；（4）圖紙繪制要求：工藝流程圖；生產車間帶控制點工藝流程圖； 生產車間平、立面布置圖。（5）撰寫設計說明書一份；（6）產品規(guī)格： 青霉素鈉鹽 ；（7）生產安排：年生產天數(shù)為 280天 ；（8）淡旺季生產任務比例： 無

5、淡旺季 ； 2指定查閱的主要參考文獻及說明（1）吳思方.發(fā)酵工廠工藝設計概論M.北京：中國輕工業(yè)出版社.2005；（2）梁世中.生物工程設備M.北京：中國輕工業(yè)出版社.2005；（3）姚玉英.化工原理(上、下)M.北京：天津大學出版社.1999；（4）陸敏. 化學制藥工藝與反應器M.北京：化學工業(yè)出版社.2005；（5）季陽萍.化工制圖M.北京：化學工業(yè)出版社.2009；3進度安排設計（論文）各階段名稱起 止 日 期1查閱資料，初步擬定設計方案03月10日-03月20日2生產工藝論證及工藝參數(shù)的選擇03月21日-04月12日3工藝計算04月13日-04月24日4車間設備設計、選型及車間布置設計

6、04月25日-05月15日5圖紙繪制05月16日-05月29日6設計說明書修訂、排版及裝訂05月30日-06月8日7畢業(yè)答辯6月中旬 摘 要 本畢業(yè)設計以青霉素G鈉為背景，進行年產1200噸青霉素鈉鹽發(fā)酵車間工藝初步設計，為了實現(xiàn)產黃青霉菌種放大培養(yǎng)的平穩(wěn)過渡，設計采用目前主流的三級發(fā)酵工藝進行青霉素的生產，菌種經(jīng)種子發(fā)酵罐擴培后進入二級種子發(fā)酵罐再進入發(fā)酵罐。經(jīng)工藝論證，種子罐和二級種子罐培養(yǎng)基一次性加入，發(fā)酵罐采用補料分批發(fā)酵以保證產黃青霉的健康生長。經(jīng)工藝計算，設計選用2臺一級種子罐、3臺二級種子罐、6臺發(fā)酵罐。廠房采用三層設計，在不同層放置不同類型的罐體，以滿足生產需要。在本設計充分考

7、慮了理論設計量的合理性，又兼顧實際生產中的可行性，分析了發(fā)酵控制因素，對物料、能量等進行了計算，力求讓設計完整及準確無誤。關鍵詞：青霉素；發(fā)酵；分批；工藝；生產Abstract The design penicillin G sodium as the background, conduct an annual output of 1,200 tons sodium penicillin fermentation plant preliminary design process, in order to achieve P. Chrysogenum strain amplifying cult

8、ured smooth transition, the design with the current mainstream of the three fermentation production of penicillin , strain through seed fermentation seed after expanding culture into the secondary fermentation and then into the fermentation. By craft demonstration, seed pots and secondary seed mediu

9、m was added in one jar fermentation fed-batch fermentation in order to ensure the healthy growth of P. chrysogenum. By process calculation, design selection 2 seed pots, three two seed pots, six fermentation tanks. Plant uses three design, put different types of tanks in different layers, in order t

10、o meet production needs. In this design, the design fully consider the theoretical amount of rationality, but also take into account the actual production of the feasibility of materials, energy and fermentation control factors calculations carried out, to let the design is complete and accurate.Key

11、 words: Penicillin; fermentation; volume; process; production目 錄第一章 緒論1.1 青霉素的發(fā)現(xiàn) 青霉素是一種高效、低毒、臨床應用廣泛的重要抗生素。它的研制成功大大增強了人類抵抗細菌性感染的能力，帶動了抗生素家族的誕生。20世紀40年代前，人們一直未能掌握一種能高效治療細菌性感染且副作用小的藥物。為改變這種局面，科學家進行了長期探索，然而在這方面所取得的突破性進展卻源自一次意外發(fā)現(xiàn)。1928年，英國細菌學家弗萊明發(fā)現(xiàn)一個與空氣意外接觸過的金黃色葡萄球菌培養(yǎng)皿中長出了一團青綠色霉菌。用顯微鏡觀察培養(yǎng)皿時發(fā)現(xiàn)，霉菌周圍的葡萄球菌菌落已

12、被溶解。這意味著霉菌中某種分泌物能抑制葡萄球菌。此后的鑒定表明，上述霉菌為點青霉菌，因此弗萊明將其分泌的抑菌物質稱為青霉素。1940年，英國弗洛里和錢恩進一步研究此菌，并從培養(yǎng)液中制出了干燥的青霉素制品。經(jīng)實驗和臨床試驗證明，它毒性很小，并對一些革蘭氏陽性菌所引起的許多疾病有卓越的療效。此后一系列臨床實驗證實了青霉素對、鏈球菌等多種細菌感染的療效。在這些研究成果的推動下，美國制藥企業(yè)于1942年開始對青霉素進行批量化生產。到了1943年，制藥公司已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了批量生產青霉素的方式。當時美國和英國正在和納粹德國交戰(zhàn)。這種新的藥物對控制傷口感染有顯著療效。到1944年底，青霉素藥物的供應已經(jīng)足夠治療第

13、二次世界大戰(zhàn)期間所有參戰(zhàn)的盟軍士兵。1945年，弗萊明、弗洛里和錢恩因“發(fā)現(xiàn)青霉素及其臨床效用”而共同榮獲諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。1.2 青霉素發(fā)展歷程1953年5月，中國第一批國產青霉素誕生，揭開了中國生產抗生素的歷史。在1996年得到迅速擴展，當時全球青霉素原料藥年產銷量達4萬噸左右，其中中國的青霉素在國際市場的份額占到30%，且出口量猛增。上世紀80年代以后，世界青霉素生產格局悄然發(fā)生了變化，這緣于中國與印度抗生素工業(yè)的崛起。在此之前，歐洲根本不把亞洲制藥工業(yè)放在眼里，因為當時亞洲尚無現(xiàn)代化工業(yè)可言，更何況制藥工業(yè)了。1978年，我國實行以市場化為導向的改革開放新政策，我國的制藥工業(yè)以前所

14、未有的速度高速發(fā)展，到20世紀80年代末、90年代初，我國生產的青霉素工業(yè)鹽已占了世界總產量的三分之一。1.3 青霉素市場分析 目前世界青霉素年需求量為5萬噸左右，但直接作為注射劑使用的青霉素G和作為口服劑使用的青霉素V僅占全部青霉素產品的20%，另外3%5%作為飼料添加劑或獸藥使用外，大部分青霉素是作為制備7-氨基脫乙酰氧基頭孢烯酸、6-氨基青霉素烷或氯亞甲基頭孢烯母核的原料，通過這些母核中間體轉化成高附加值產品推向市場。上述三種產品占抗感染藥物原料藥的78%，用于生產這些半合成產品所需消耗的青霉素約占全部產量的四分之三。 青霉素是中國化學原料主要品種之一。上世紀80年代后，世界青霉素生產格

15、局發(fā)生了翻天覆地的變化。中國青霉素工業(yè)鹽的產量從90年代的初的約占世界總產量的三分之一逐步增加到目前的90%以上。中國青霉素行業(yè)發(fā)展迅速。目前中國青霉素工業(yè)鹽產能已達10萬噸/年，而每年全球需求量也只有56萬噸，將青霉素作為制備其他抗生素母核的原料，讓絕大部分抗生素品種擺脫了依賴進口的局面。面對國際市場對青霉素產品的需求的減弱和國內市場抗生素產品的升級，可知我國的青霉素需求量還是呈上升趨勢。1.4 青霉素分子結構及分類青霉素是6氨基青霉烷酸（6-aminopenicillanic acid， 6-APA）苯乙酰衍生物。側鏈基團不同，形成不同的青霉素，主要是青霉素G。工業(yè)上應用的有鉀、鈉、普魯卡

16、因、二芐基乙二胺鹽，其在水中溶解度很小，且很快失去活性。青霉素的分子通式為：RC9O4H11 N2 S結構通式可表示為下圖：圖1-1 青霉素結構通式然而青霉素發(fā)酵液中含有5種以上天然青霉素（如青霉素F、G、X、K、F和V等），它們的差別僅在于側鏈R基團的結構不同，其中青霉素G在醫(yī)療中用得最多，它的鉀或鈉鹽為治療革蘭氏陽性菌的首選藥物，對革蘭氏陰性菌也有強大的抑制作用。1.5 青霉素的單位目前國際上青霉素活性單位表示方法有兩種：一是指定單位（unit）；二是活性質量（g），最早為青霉素規(guī)定的指定單位是：50mL肉湯培養(yǎng)基中恰能抑制標準金葡萄菌生長的青霉素量為一個青霉素單位。在以后，證明了一個青霉

17、素單位相當于0.6g青霉素鈉。因此青霉素的質量單位為: 0.6g青霉素鈉等于1個青霉素單位。由此，1mg青霉素鈉等于1667個青霉素單位(unit)。1.6 作用機理 有研究認為，青霉素的抗菌作用與抑制細胞壁的合成有關1。細菌的細胞壁是一層堅韌的厚膜，主要由多糖組成，也含有蛋白質和脂質，用以抵抗外界的壓力，維持細胞的形狀。細胞壁的里面是細胞膜，膜內裹著細胞質，青霉素作用于-內酰胺類細菌的細胞壁。革蘭氏陽性菌細胞壁的組成是肽聚糖占細胞壁干重的5080（革蘭氏陰性菌為110）、磷壁酸質、多糖、脂蛋白和蛋白質。其中肽聚糖是一種含有乙酰基葡萄糖胺和短肽單元的網(wǎng)狀生物大分子，在它的生物合成中需要一種關鍵

18、的酶即轉肽酶。青霉素作用的部位就是這個轉肽酶。現(xiàn)已證明青霉素內酞胺環(huán)上的高反應性肽鍵受到轉肽酶活性部位上絲氨酸殘基的羥基的親核進攻形成了共價鍵，生成青霉噻唑酰基-酶復合物，從而不可逆的抑制了該酶的催化活性。通過抑制轉肽酶，青霉素使細胞壁的合成受到抑制，細菌的抗?jié)B透壓能力降低，引起菌體變形，破裂而死亡。即作用機理是干擾細菌細胞壁的合成。因為青霉素的結構與細胞壁的成分粘肽結構中的D-丙氨酰-D-丙氨酸近似，可與后者競爭轉，阻礙的形成，通過抑制細菌細胞壁四肽側鏈和五肽交連橋的結合而阻礙細胞壁合成而發(fā)揮殺菌作用。造成細胞壁的缺損，使細菌失去細胞壁的滲透屏障，對細菌起到殺滅作用。對革蘭陽性球菌及革蘭陽性

19、桿菌、以及部分有抗菌作用。對等，和不產的葡萄球菌具有良好抗菌作用。對腸球菌有中等度抗菌作用。對和百日咳鮑特氏菌亦具一定抗菌活性，對梭狀芽孢桿菌屬、消化鏈球菌、以及產黑色素擬桿菌等具良好抗菌作用。 1.7 青霉素的應用臨床應用：40多年來，主要控制敏感金黃色葡糖球菌、鏈球菌、肺炎雙球菌、淋球菌、腦膜炎雙球菌、螺旋體等引起感染，對大多數(shù)革蘭氏陽性菌（如金黃色葡萄球菌）和某些革蘭氏陰性細菌及螺旋體有抗菌作用。優(yōu)點：毒性小，但由于難以分離除去青霉噻唑酸蛋白（微量可能引起過敏反應），需要皮試。1.8 產品藥理青霉素為內酰胺抗生素對革蘭陽性菌及某些革蘭陰性菌有較強的抗菌作用，金黃色葡萄球菌(金葡菌)、肺炎

20、球菌、淋球菌及鏈球菌等對本品高度敏感；腦膜炎雙球菌、破傷風桿菌、白喉桿菌及梅毒螺旋體也很敏感。主要用于敏感菌引起的各種急性感染，如肺炎、支氣管炎、腦膜炎、腹膜炎、心內膜炎、膿腫、敗血癥、蜂窩組織炎、乳腺炎、淋病、回歸熱、鉤體病、梅毒、白喉及中耳炎等。對溶血性鏈球菌等鏈球菌屬，肺炎鏈球菌和不產青霉素酶的葡萄球菌具有良好抗菌作用。對腸球菌有中等度抗菌作用，淋病奈瑟菌、腦膜炎奈瑟菌、白喉棒狀桿菌、炭疽芽孢桿菌、牛型放線菌、念珠狀鏈桿菌、李斯特菌、鉤端螺旋體和梅毒螺旋體對本品敏感。本品對梭狀芽孢桿菌屬、消化鏈球菌厭氧菌以及產黑色素擬桿菌等具良好抗菌作用，通過抑制細菌細胞壁合成而發(fā)揮殺菌作用。第二章 工

21、藝設計2.1 青霉素的生產原料2.1.1 菌種 常用菌種為產黃青霉（ Pen chrysogenum ）。當前生產能力可達5000090000/ml。按其在深層培養(yǎng)中菌絲的形態(tài)，可分為球狀菌和絲狀菌。今常用綠色絲狀菌為代表。2.1.2 培養(yǎng)基培養(yǎng)基成分為： 碳源  青霉菌能利用多種碳源和乳糖、蔗糖、葡萄糖等。目前普遍采用淀粉經(jīng)淀粉酶水解的葡萄糖糖化液（DE值50%以上）進行流加。 氮源  選用玉米漿、玉米餅粉等并補加無機氮源。 前體  微生物合成含有芐基基團的青霉素G，需在發(fā)酵中加入前體如苯乙酸或苯乙酰胺。一次加入量不能大于0.1%，并采用多次加入方式。 無機鹽&

22、#160; 包括硫、磷、鈣、鎂、鉀等鹽類。鐵離子對青霉菌有毒害作用，應嚴格控制發(fā)酵液中鐵離子的含量在30 /ml以下。2.2 青霉素發(fā)酵過程 青霉素發(fā)酵過程中的代謝變化分為菌體生長、青霉素合成和菌體自溶三個階段22.2.1 菌體生長階段 發(fā)酵培養(yǎng)基接種后生產菌在合適的環(huán)境中經(jīng)過短時間的適應，即開始發(fā)育、生長和繁殖，直至達到菌體的臨界濃度。這個階段主要是碳源（包括糖類、脂肪等）和氮源的分解代謝，以及菌體細胞物質的合成代謝變化，前者的代謝途徑和后者有機地聯(lián)系在一起，碳源、氮源和磷酸鹽等營養(yǎng)物質不斷被消耗，新菌體不斷合成。隨著菌體濃度的不斷增加，攝氧率不斷增大，溶解氧水平不斷降低。當達到菌的臨界濃度

23、時，攝氧率達到最大，溶解氧降至最小。當營養(yǎng)物質的消耗達到一定程度，菌體生長達到一定濃度，或者溶解氧的供應下降到某一水平，即成為限制因素時，菌體生長速度減慢；同時，由于菌體的某些中間代謝產物的迅速積累、原有的酶活力下降以及出現(xiàn)與抗生素合成有關的新酶等原因，導致生理階段的轉變，發(fā)酵就從菌體生長階段轉入青霉素合成階段。2.2.2 青霉素合成階段 這個階段主要合成青霉素，青霉素的生產速率達到最大，并一直維持到青霉素合成能力衰退。在這個階段，菌體重量有所增加，但產生菌的呼吸強度一般無顯著變化。這期間以碳源和氮源的分解代謝和青霉素的合成代謝為主，前者的代謝途徑和后者有機地聯(lián)系在一起，碳源、氮源等營養(yǎng)物質不

24、斷消耗，青霉素不斷合成。此外，由于存在著抗生素合成和菌體合成二條不同的代謝途徑，需要嚴格控制發(fā)酵條件，以利抗生素合成代謝的進行。一般在這個階段，發(fā)酵液中碳源、氮源和磷酸鹽等營養(yǎng)物質的濃度必須控制在一定范圍內，才有利于青霉素合成；如果這些物質過多，則只會促進菌體生長，抑制青霉素合成；如果這些物質過少，則菌體容易衰老，青霉合成能力也會衰退，對生產不利。除此之外，發(fā)酵液的pH 值、溫度和溶解氧濃度等都會影響發(fā)酵過程中的代謝變化，進而影響青霉素產量，必須予以嚴格控制。 此階段一般又稱為青霉素分泌期或發(fā)酵中期。 2.2.3 菌體自溶階段 這個階段菌體衰老，細胞開始自溶，合成青霉素能力衰退，青霉素生產速率

25、下降，氨基氮增加，pH上升。此時發(fā)酵必須結束，否則不僅會使青霉素受到破壞，還會給發(fā)酵液過濾和提煉帶來困難。 此階段一般又稱為菌體自溶期或發(fā)酵后期。2.3 生產工藝 青霉素的生產方法有產天然青霉素法和青霉素半合成法。2.3.1 天然青霉素的生產方法天然青霉素G生產可分為菌種發(fā)酵和提取精制兩個步驟。菌種發(fā)酵：將產黃青霉菌接種到固體培養(yǎng)基上，在25 下培養(yǎng)710天，即可得青霉菌孢子培養(yǎng)物。用無菌水將孢子制成懸浮液接種到種子罐內已滅菌的培養(yǎng)基中，通入無菌空氣、攪拌，在27 下培養(yǎng)2428h，然后將種子培養(yǎng)液接種到發(fā)酵罐已滅菌的含有前體的培養(yǎng)基中，通入無菌空氣，攪拌，在27 下培養(yǎng)7天。在發(fā)酵過程中需補

26、入苯乙酸前體及適量的培養(yǎng)基。提取精制：將青霉素發(fā)酵液冷卻，過濾。濾液在pH22.5的條件下，于萃取機內用醋酸丁酯進行多級逆流萃取，得到丁酯萃取液，轉入pH7.07.2的緩沖液中，然后再轉入丁酯中，將此丁酯萃取液經(jīng)活性炭脫色，加入成鹽劑，經(jīng)共沸蒸餾即可得青霉素G鉀鹽。青霉素G鈉鹽是將青霉素G鉀鹽通過離子交換樹脂（鈉型）而制得。2.3.2 半合成青霉素的生產方法以6APA為中間體與多種化學合成有機酸進行?；磻?，可制得各種類型的半合成青霉素。 6APA是利用微生物產生的青霉素?；噶呀馇嗝顾谿或V而得到。酶反應一般在4050 、pH810的條件下進行；近年來，酶固相化技術已應用于6APA生產，簡化

27、了裂解工藝過程。6APA也可從青霉素G用化學法來裂解制得，但成本較高。側鏈的引入系將相應的有機酸先用氯化劑制成酰氯，然后根據(jù)酰氯的穩(wěn)定性在水或有機溶劑中，以無機或有機堿為縮合劑，與6APA進行?；磻?。縮合反應也可以在裂解液中直接進行而不需分離出6APA。 因產天然青霉素法生產工藝較半合成青霉素法簡單，而且采用發(fā)酵罐培養(yǎng)，每批次生產效率高，而半合成法對工藝要求較高，且中間物質較多，可能存在生產中中間體轉化不完等因素，而且成本較高，所以本設計采用天然青霉素的生產方法。2.4 常見發(fā)酵方式 根據(jù)操作方式的不同，發(fā)酵過程主要有分批發(fā)酵、連續(xù)發(fā)酵和補料分批發(fā)酵三種類型。2.4.1 分批發(fā)酵 營養(yǎng)物和菌

28、種一次加人進行培養(yǎng)，直到結束放出，中間除了空氣進人和尾氣排出，與外部沒有物料交換。傳統(tǒng)的生物產品發(fā)酵多用此過程，它除了控制溫度和pH及通氣以外，不進行任何其他控制，操作簡單。但從細胞所處的環(huán)境來看，則明顯改變，發(fā)酵初期營養(yǎng)物過多可能抑制微生物的生長，而發(fā)酵的中后期可能又因為營養(yǎng)物減少而降低培養(yǎng)效率，從細胞的增殖來說，初期細胞濃度低，增長慢，后期細胞濃度雖高，但營養(yǎng)物濃度過低也長不快，總的生產能力不是很高。 其優(yōu)點是：對溫度的要求低，工藝操作簡單；比較容易解決雜菌污染和菌種退化等問題；對營養(yǎng)物的利用效率較高，產物濃度也比要高。缺點是：人力、物力、動力消耗較大；生產周期較短，由于分批發(fā)酵

29、時菌體有一定的生長規(guī)律，都要經(jīng)歷延滯期、對數(shù)生長期、穩(wěn)定期和衰亡期，而且每批發(fā)酵都要經(jīng)菌種擴大發(fā)酵、設備沖洗、滅菌等階段； 生產效率低，生產上常以體積生產率（以每小時每升發(fā)酵物中代謝產物的 g 數(shù)來表示）來計算效率，在分批發(fā)酵過程中，必須計算全過程的生產率，即時間不僅包括發(fā)酵時間，而且也包括放料、洗罐、加料、滅菌等時間。2.4.2 連續(xù)發(fā)酵所謂連續(xù)發(fā)酵，是指以一定的速度向發(fā)酵罐內添加新鮮培養(yǎng)基，同時以相同的速度流出培養(yǎng)液，從而使發(fā)酵罐內的液量維持恒定，微生物在穩(wěn)定狀態(tài)下生長。穩(wěn)定狀態(tài)可以有效地延長分批培養(yǎng)中的對數(shù)期。在穩(wěn)定的狀態(tài)下，微生物所處的環(huán)境條件，如營養(yǎng)物濃度、產物濃度、pH值等都能保持

30、恒定，微生物細胞的濃度及其比生長速率也可維持不變，甚至還可以根據(jù)需要來調節(jié)生長速度。連續(xù)發(fā)酵具有以下優(yōu)點：可以維持穩(wěn)定的操作條件，有利于微生物的生長代謝，從而使產率和產品質量也相應保持穩(wěn)定；能夠更有效地實現(xiàn)機械化和自動化，降低勞動強度，減少操作人員與病原微生物和毒性產物接觸的機會；減少設備清洗。準備和滅菌等非生產占用時間，提高設備利用率，節(jié)省勞動力和工時；由于滅菌次數(shù)減少，使測量儀器探頭的壽命得以延長，節(jié)約了成本；容易對過程進行優(yōu)化控制，有效地提高發(fā)酵產率。當然，他也存在一些缺點: 由于是開放系統(tǒng)，加上發(fā)酵周期長，容易造成雜菌污染；在長周期連續(xù)發(fā)酵中，微生物容易發(fā)生變異；對設備、儀器及控制元器

31、件的技術要求較高；粘性絲狀菌菌體容易附著在器壁上生長和在發(fā)酵液內結團，給連續(xù)發(fā)酵操作帶來困難。由于上述情況，連續(xù)發(fā)酵目前主要用于研究工作中，如發(fā)酵動力學參數(shù)的測定，過程條件的優(yōu)化試驗等等，而在工業(yè)生產中的應用還不多。連續(xù)培養(yǎng)方法可用于面包酵母和飼料酵母的生產，以及有機廢水的活性污泥處理。而新近發(fā)展的一種培養(yǎng)方法則是把固定化細胞技術和連續(xù)培養(yǎng)方法結合起來，用于生產丙酮、丁醇、正丁醇、異丙醇等重要工業(yè)溶劑。 2.4.3 補料分批發(fā)酵 補料分批發(fā)酵又稱流加發(fā)酵，半連續(xù)發(fā)酵，是介于分批發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵之間的一種發(fā)酵技術，是指在微生物分批發(fā)酵中，以某種方式向培養(yǎng)系統(tǒng)補加一定物料的培養(yǎng)技術。通過向

32、培養(yǎng)系統(tǒng)中補充物料，可以使培養(yǎng)液中的營養(yǎng)物濃度較長時間地保持在一定范圍內，既保證微生物的生長需要，又不造成不利影響，從而達到提高產率的目的。如今，的應用范圍已相當廣泛，包括、等生產幾乎遍及整個發(fā)酵行業(yè)。（）與相比，特點在于使發(fā)酵系統(tǒng)中維持很低的濃度。低基質的優(yōu)點：可以除去快速利用的阻遏效應，并維持適當?shù)木w濃度，使不致于加劇供氧矛盾。避免在培養(yǎng)基中積累有毒代謝物，即代謝阻遏。與相比，不需要嚴格的條件，也不會產生和等問題，因此，其應用范圍較廣。對于好氧發(fā)酵，它可以避免在分批發(fā)酵中因一次性投入糖過多造成細胞大量生長，耗氧過多，以至通風攪拌設備不能匹配的狀況，還可以在某些情況下減少菌體生成量，提高有

33、用產物的轉化率 在真菌培養(yǎng)中，菌絲的減少可以降低發(fā)酵液的粘度，便士物料輸送及后處理 與連續(xù)發(fā)酵相比，它不會產生菌種老化和變異問題，其適用范圍也比連續(xù)發(fā)酵廣。青霉素合成階段，青霉素的生產速率達到最大，菌體重量增加，碳源、氮源等營養(yǎng)物質不斷消耗，青霉素不斷合成。因為存在著抗生素合成和菌體合成二條不同的代謝途徑，需要嚴格控制發(fā)酵條件，以利抗生素合成代謝的進行。一般在這個階段，發(fā)酵液中碳源、氮源和磷酸鹽等營養(yǎng)物質的濃度必須控制在一定范圍內，才有利于青霉素合成。而且微生物合成含有芐基基團的青霉素G，需在發(fā)酵中加入前體苯乙酰胺。因一次加入量不能大于0.1%，所以采用多次加入方式。因此采用補料分批發(fā)酵可以使

34、培養(yǎng)液中的營養(yǎng)物濃度較長時間地保持在一定范圍內，既保證青霉素的生長需要，又不造成不利影響，還可以避免在分批發(fā)酵中因一次性投入糖過多造成細胞大量生長，耗氧過多，以至通風攪拌設備不能匹配的狀況，從而提高有用產物的轉化率，所以本設計采用補料分批發(fā)酵方式進行青霉素的發(fā)酵生產。2.5 工藝特點本設計工藝為三級發(fā)酵3，一級種子罐二級種子罐發(fā)酵罐。一級種子罐、二級種子罐培養(yǎng)時間短，一次性投入培養(yǎng)基，中間不補料，發(fā)酵罐考慮到各種由于底物濃度過高引起的底物抑制情況以及產物合成期對營養(yǎng)成分的需求，采用中間補料。主要補油、補糖、補氨水調解pH。一級種子罐采用實罐消毒，二級種子罐、發(fā)酵罐培養(yǎng)基采用連續(xù)消毒。一級種子罐

35、體積小采用夾套換熱，二級種子罐采用內蛇管，發(fā)酵罐用外盤管加內蛇管換熱，內蛇管也作為罐內擋板，以加強罐內料混合程度。2.6 工藝流程 根據(jù)工藝設計，初步確定工藝流程，見圖2-1.圖2-1 工藝流程簡圖2.7 發(fā)酵過程優(yōu)化控制2.7.1 發(fā)酵過程中溫度的控制青霉素發(fā)酵的最適溫度隨所用菌株的不同可能稍有差別， 但一般認為應在25 左右。溫度過高將明顯降低發(fā)酵產率 ， 同時增加葡萄糖的維持消耗 ， 降低葡萄糖至青霉素的轉化率。對菌絲生長和青霉素合成來說 ， 最適溫度不是一樣的， 一般前者略高于后者， 故有的發(fā)酵過程在菌絲生長階段采用較高的溫度，以縮短生長時間， 到達生產階段后便適當降低溫度 ， 以利于

36、青霉素的合成。在較低的通氣條件下，由于氧的溶解度是隨溫度下降而升高的，因此降低發(fā)酵溫度對發(fā)酵是有利的，因為低溫可以提高氧的溶解度、降低菌體生長速率、減少氧的消耗，彌補通氣效果差的不足。2.7.2 發(fā)酵過程中pH的控制 菌體生長的最適pH和產物合成的最適pH可能不一樣，青霉素發(fā)酵的最適pH值一般認為在 6.5 左右，有時也可以略高或略低一些，但應盡量避免pH值超過7.0，因為青霉素在堿性條件下不穩(wěn)定，容易加速其水解。在緩沖能力較弱的培養(yǎng)基中， pH 值的變化是葡萄糖流加速度高低的反映。過高的流加速率造成酸性中間產物的積累使pH值降低；過低的加糖速率不足以中和蛋白質代謝產生的氨或其他生理堿性物質代

37、謝產生的堿性化合物而引起pH值上升。將發(fā)酵培養(yǎng)基調節(jié)成不同的出發(fā)pH進行發(fā)酵，在發(fā)酵過程中，定時測定和調節(jié)pH。 在發(fā)酵液pH和氨氮含量都低時，補加氨水，就可以達到調節(jié)pH和補充氨氮的目的。補加消泡油的個別情況下，可以提高空氣流量來加速脂肪酸的氧化，以糾正由于油脂分解產生大量脂肪酸引起的pH降低。 2.7.3 發(fā)酵過程中溶解氧的控制(1) 罐壓： 罐壓直接影響發(fā)酵液中氧的分壓 ，我們知道氧是一種難溶于水的氣體 ，氧在發(fā)酵液中的溶解度不僅受培養(yǎng)基成分的影響 ，而且當各類物質濃度增加時 ，氧的溶解度也要降低。根據(jù)“亨利定律” 可用提高空氣進罐壓力來提高氧在發(fā)酵液中的溶解度。如果罐壓太高影響空氣進罐

38、流量 ，同時二氧化碳的溶解度也大幅度上升，因此罐壓不能控制太高 ，一般在(0. 20. 5) MPa ，相反當罐壓太低時，氧在發(fā)酵液中的溶解度更低 ，不利于菌體生長。(2) 攪拌速度： 攪拌速度大與小關系到氣泡破碎是否良好 ，空氣是否分散溶入液相 ，增加氣液接觸的有效界面?zhèn)鬟f面積 ，以利于氧的溶解和空氣的利用。(3) 通氣流量：通氣流量也會影響溶解氧（Do）的溶解度大小。在發(fā)酵中后期 ，發(fā)酵液里充滿了細小的流動性氣泡。若通氣流量過低，這些泡沫中的氣體不能及時交換 ，氣泡內的氧氣很快被消耗 ，并充滿了二氧化碳 ，使菌呼吸受到抑制，直接影響發(fā)酵產量?？諝饬髁窟^高會導致發(fā)酵液的液面上升引起逃液和泡沫

39、的增多。2.7.4 發(fā)酵過程中菌絲濃度的控制 發(fā)酵過程中必須控制菌絲濃度不超過臨界菌體濃度， 從而使氧傳遞速率與氧消耗速率在某一溶氧水平上達到平衡。青霉素發(fā)酵的臨界菌體濃度隨菌株的呼吸強度 (取決于維持因數(shù)的大小， 維持因數(shù)越大，呼吸強度越高) 、發(fā)酵通氣與攪拌能力及發(fā)酵的流變學性質而異。呼吸強度低的菌株降低發(fā)酵中氧的消耗速率，而通氣與攪拌能力強的發(fā)酵罐及黏低的發(fā)酵液使發(fā)酵中的傳氧速率上升，從而提高臨界菌體濃度。2.7.5 發(fā)酵液質量控制生產上按規(guī)定時間從發(fā)酵罐中取樣 ， 用顯微鏡觀察菌絲形態(tài)變化來控制發(fā)酵。生產上慣稱"鏡檢"，根據(jù)"鏡檢"中菌絲形變化和

40、代謝變化的其他指標調節(jié)發(fā)酵溫度， 通過追加糖或補加前體等各種措施來延長發(fā)酵時間， 以獲得最多青霉素。當菌絲中空泡擴大、增多及延伸， 并出現(xiàn)個別自溶細胞， 這表示菌絲趨向衰老， 青霉素分泌逐漸停止， 菌絲形態(tài)上即將進入自溶期， 在此時期由于茵絲自溶， 游離氨釋放， pH 值上升， 導致青霉素產量下降， 使色素、溶解和膠狀雜質增多， 并使發(fā)酵液變粘稠， 增加下一步提純時過濾的困難。因此， 生產上根據(jù)"鏡檢"判斷， 在自溶期即將來臨之際， 迅速停止發(fā)酵， 立刻放罐， 將發(fā)酵液迅速送往提煉工段。第三章 工藝計算3.1 主要基礎數(shù)據(jù):(1) 接種量 一級種子罐至二級種子罐按15%計算

41、； 二級種子罐至發(fā)酵罐按15%計算； (2) 培養(yǎng)基滅菌 一級種子罐及二級種子罐培養(yǎng)基采用空消滅菌； 發(fā)酵罐培養(yǎng)基采用實消滅菌；(3) 通氣量 一級種子罐：0.2（VVM），二級種子罐：0.15 (VVM)， 發(fā)酵罐：0.09 (VVM)； (4) 無菌空氣處理系統(tǒng) 空氣處理量：按設計要求 空壓機出口壓力：0.250.30（Mpa） 進總過濾器的相對濕度：60% 空氣潔凈度：100級(5) 發(fā)酵周期：一級種子罐：64小時，二級種子罐：56小時，發(fā)酵罐：136小時 (6) 裝料系數(shù) 一級種子罐：65%，二級種子罐：70%，發(fā)酵罐：80%(7) 自控要求： 發(fā)酵系統(tǒng)：種子罐、發(fā)酵罐溫度自控，pH控

42、制，罐壓指示，溶氧指示，轉速顯示及變頻調速，液位報警； 連消系統(tǒng)：溫度、流量連鎖控制； 空氣系統(tǒng)：溫度自動控制； 后處理系統(tǒng)：溫度現(xiàn)場顯示、手動調節(jié)，流量現(xiàn)場顯示、手動調節(jié)；(8) 水系統(tǒng) 自來水：常溫，0.3（MPa），用于配料、夏天實罐滅菌的前期冷卻、清洗設備等。循環(huán)水：2025(t=5)，0.3（MPa），用于發(fā)酵罐和空氣冷卻。 低溫水：914(t=5)，0.3（MPa），用于夏天空氣后級冷卻及發(fā)酵控溫冷卻。冷鹽水：-100(t=10)，0.3（MPa），用于料液冷卻保溫。 蒸汽： 發(fā)酵車間用汽壓力 0.3（MPa）。(9) 培養(yǎng)基配方及補料情況： 種子培養(yǎng)基（g/m3）： KH2PO4

43、 592，黃豆餅粉16500，葡萄糖 4930，碳酸鈣 150，硝酸鉀 150，玉米油 236，油酸甘油酯 4020，豆油 9045，硅油 21. 發(fā)酵初始培養(yǎng)基（g/m3）： KH2PO4 1630，黃豆餅粉 45300，葡萄糖 4930，碳酸鈣 150，硝酸鉀 150，玉米油 790，油酸甘油酯 3420，豆油 7530，硅油 56. 發(fā)酵培養(yǎng)基補料（g/m3）：發(fā)酵過程中氨水補量按48（L/m3）計算，補料量按320（L/m3）計算，補泡敵按20（L/m3）計算，補消沫油按20（L/m3）計算。 補前體苯乙酰胺，使發(fā)酵液中苯乙酰胺濃度為0.05%0.08%，在發(fā)酵過程分批加入。3.2 發(fā)

44、酵罐設計技術指標 擬設計發(fā)酵罐公稱容積4：=200m3 年產量：=1200噸年工作日：=280天發(fā)酵周期：=7d 發(fā)酵周期=發(fā)酵培養(yǎng)時間+輔助時間=136hr+32hr=168hr=7d （輔助時間含清洗、進料、消毒、接種時間，不含設備檢修）發(fā)酵平均單位：=70000單位/毫升 成品效價：=1667單位/毫克發(fā)酵液收率：=90%裝料系數(shù): =80%發(fā)酵熱：=5500kJ/m3·h提煉總系數(shù)：=85%3.3 物料衡算(1) 發(fā)酵罐臺數(shù)的確定：由公式：得： (臺） 故選擇6臺發(fā)酵罐可滿足生產。 經(jīng)計算后得公稱容積186.74m3 ，全容積196.56 m3。(2) 種子罐公稱容積及臺數(shù)：

45、種子罐臺數(shù)（臺）故選擇3臺二級種子罐可滿足生產。（臺）故選擇2臺一級種子罐可滿足生產。（即二級發(fā)酵罐，即一級發(fā)酵罐）取二級發(fā)酵罐輔助時間為25 小時，取一級發(fā)酵罐輔助時間為30小時（流體損失率取10%）二級種子罐體積 =37.73m3取38m3，計算得公稱容積38.83m3，全容積40.86m3 一級種子罐體積 m3取6.8m3，計算得公稱容積6.82m3，全容積7.18m3(3) 物料計算：進料=基礎培養(yǎng)基（消后）+種子液+補料出料=發(fā)酵液+逃液與蒸發(fā)損失 發(fā)酵罐發(fā)酵液=186.74×90%=168.07 m3損失=發(fā)酵液體積×3%=168.07×3%=5.05

46、m3 （損失率取=3%）種子液=發(fā)酵液體積×接種比=168.07×15%=25.21m3補氨=168.07×48×1×10-3=8.07 m3補油=168.07×20×1×10-3=3.36 m3泡敵=168.07×20×1×10-3=3.36 m3補料=168.07×320×1×10-3=53.82m3消后培養(yǎng)基=出料+損失-種子-補氨-補油-泡敵-補料=168.07+5.05-25.21-8.07-3.36-3.36-53.82=79.3m3 二級種子

47、罐 出料=發(fā)酵罐種子=25.21m3損失=25.21×3%=0.76 m3 （損失率取=3%）種子=25.21×15%=3.78 m3消后培養(yǎng)基=出料+損失-種子=25.21+0.76-3.78=22.19m3 一級種子罐 出料=二級種子罐種子=3.78 m3損失=3.78×3%=0.113 m3 （損失率取=3%）種子=3.78×15%=0.576 m3消后培養(yǎng)基=出料+損失-種子=3.78+0.113-0.576=3.317m3各階段物料添加量及損失，見圖3-1. 圖3-1 物料流程圖表3-1 原料消耗表原料名稱規(guī)格批次用量（噸）年用量（噸）黃豆餅粉

48、含蛋白質45%9687741葡萄糖含量99%以上118938碳酸鈣工業(yè)用含量99%以上429KH2PO4含量99%以上35279苯乙酰胺工業(yè)用含量99%以上1296氨水工業(yè)用含量28%28220油酸甘油酯工業(yè)用含量99%以上81645豆油工業(yè)用含量95%以上1851480硅油工業(yè)用含量99%以上859玉米油工業(yè)用含量85%以上17133泡敵工業(yè)用含量89%以上426硝酸鉀工業(yè)用含量99%以上4293.4 能耗計算3.4.1 水(1) 發(fā)酵熱效應5 Q=QF× 發(fā)酵罐=5500×186.74×80%=8.2×105 kJ/m3·h 二級種子罐=5

49、500×38.83×70%=1.50×105 kJ/m3·h一級種子罐=5500×6.82×65%=2.44×104 kJ/m3·h(2) 循環(huán)冷卻水（水溫 2025，t=5，0.3MPa）循環(huán)水用量（c=水的比熱容4.2kJ/kg·）： 以工作狀態(tài)6個發(fā)酵罐，3個二級種子罐，2個一級種子罐計，并取安全系數(shù)1.2，則循環(huán)冷卻水總量為： =1.2×（39047×6+7143×3+1162×2）×10-3 =1.2×258.035 =309.642t

50、/hr 考慮到一級種子罐實消所需冷卻水：取夾套傳熱系數(shù)K=400 kcal/·h·，冷卻水進口溫度20，冷卻水出口溫度25，取冷卻時間2.5hr，計算可得所需冷卻水量則冷卻水高峰用量：(3) 低溫冷卻水（水溫914，t=5，0.3MPa，夏季使用）低溫水用量（c=水的比熱容4.2kJ/kg·） 以工作狀態(tài)6個發(fā)酵罐，3個二級種子罐，2個一級種子罐計，并取安全系數(shù)1.2，則低溫冷卻水總量為：W總 =1.2×（×6+×3+×2）×10-3=1.2×（39047×6+7143×3+1162&

51、#215;2）×10-3 =1.2×258.035 =309.642t/hr(4) 自來水 洗滌用水：采用浸泡式清洗，用水量取設備公稱容積的80% 也可以采用噴淋式清洗，用水量約為罐體積的10%15%。 配料用水：培養(yǎng)基原料大多為固體配料用水量消后培養(yǎng)基體積 79.30m3 自來水用量：取安全系數(shù)1.2，則自來水總用量： =1.2×（×2+×2+）=1.2×（149.392×2+31.064+5.456+79.30×2+22.19+3.317） =623.2932m33.4.2 蒸汽（121，發(fā)酵溫度=27，=1.

52、729kg/m3，焓=653.31kcal/kg，汽化熱517.51kcal/kg） (1) 發(fā)酵罐、二級種子罐空消所用蒸汽：（按5倍罐全容積計算） (2) 一級種子罐、補料罐實消所用蒸汽：（以直接加熱之后保溫計算，料液比熱Cs均取1kcal/kg·）直接蒸汽加熱氣耗： （取10%）保溫階段氣耗： S2=(30%50%)×S1 取40%實消氣耗： 高峰用汽時段時，考慮兩發(fā)酵罐，一個二級種子罐空消、一個一級種子罐和各補料罐同時實消，并取安全系數(shù)1.2， =kg3.4.3 空氣(1) 通氣消耗壓縮空氣量： 發(fā)酵罐 二級種子罐一級種子罐(2) 壓料用壓縮空氣量： 經(jīng)驗數(shù)據(jù)為：(3

53、) 總計：取安全系數(shù)為1.05，假設最大工作量為6發(fā)酵罐、3二級種子罐、2一級種子罐通氣，兩發(fā)酵罐、一個二級種子罐、一個一級種子罐壓料，則高峰空氣用量為： =162.409要求配套設計空氣系統(tǒng)供給162.409的壓縮空氣量。第四章 設備設計及選型4.1 主要設備設計及選型4.1.1 發(fā)酵罐(1) 選型6：圖4-1 發(fā)酵罐示意圖根據(jù)生物工程設備常見的機械攪拌通風種子罐的幾何尺寸比例H/D =2.03.5 取 H/D=3Di/D =1/21/3 取 Di =0.5DHO/D =2 HO =2D h=0.44D C/Di=0.81.0 取 C =0.8Di根據(jù)封頭形狀、直徑查閱化工容器設計手冊得公式

54、：公稱容積 H=12.952 D=4.317圓整 H=13000mm D=4500mm則公稱容積全容積查表7得：封頭內表面積F=22.5162，容積V=2.2417人孔取800mm，視鏡200mm，查表8選取Ds=4500mm的支腿式支座，并根據(jù)工廠實際情況做適當?shù)母淖儭?2) 料液高度：(3) 傳熱面積計算 蛇管傳熱系數(shù)取900 kcal/.h. 發(fā)酵溫度為 27，循環(huán)水為 2025，低溫水為914，則傳熱溫差： 設計計算時均取傳熱溫差較小的循環(huán)水數(shù)據(jù)則傳熱面積為：取230m2(4) 冷卻水管計算最大熱負荷下耗水量：冷卻水流速 1.53m/s，取 2 m/s冷卻水管總截面積：進水總管直徑：取(d總：內直徑，外徑：95mm，水管壁厚：5mm) 內蛇管（選冷拔無縫鋼管 GB8163-88） 取冷卻管豎直蛇管組數(shù) n=12，計算冷卻蛇管管徑：查流體管GB8163-2008取冷卻管總長： 外加15米連接管，則每組蛇管長 ： 取豎蛇管兩直管（相對的蛇管）距離為 0.5m， 則兩端彎管總長：取罐內附體體積為 2.5罐內總體積： =156.56 m3筒體部分液深=豎蛇管總高=液深+深入封頭部分（取0.25m）=9.35m直管高 =9.35-0.5=8.85m一圈管長 12 組蛇管每組繞6 圈，則傳熱面積壁距取 0.15m，管間距取 2.5