Word版可编辑-vb设计说明书精心整理.doc

设计说明书年产1000t维生素B1工厂工艺设计姓名： ? ? 学号： ?/ 院系： 生物与农业工程学院 日期： 2013-9-19 课程： 系统设计 摘要： 维生素B1又称硫胺素或抗神经炎素。由嘧啶环和噻唑环结合而成的一种B族维生素。维生素B1在种子的外皮和胚芽中，如米糠和麸皮中含量很丰富，在酵母菌中含量也极丰富。瘦肉、白菜和芹菜中含量也较丰富。而目前维生素B1的工业化生产仍采用化工方法。本设计是采用酵母菌培养的发酵生产。并采用有氧发酵，应用搅拌式补料分批发酵的方式。培养结束后首分离过滤获得酵母浓缩液。酵母细胞的破碎应用匀浆破碎法，对破碎得到的悬液再次过滤得含有维生素B1的溶液。接着用色谱柱将维生素B1提取。最后结晶干燥制成成品。利用生物发酵方法生产的维生素与化学方法合成的相比无毒、更安全，更加适合作药用。关键词：维生素B1.设备选型.车间平面布置.物料衡算.工厂总平面设计目录第一章 绪论31.1 前言31.2 维生素b1的应用31.3 维生素B1的生产方法4第二章 维生素B1的工艺设计42.1 原料的预处理42.2 主要工艺5第三章 工艺计算63.1 生产指标63.2 反应方程式63.3 物料衡算6第四章 设备选型与车间平面设计74.1 设备选型74.2 车间平面设计7第五章 工厂总平面设计95.1 工厂选址95.2 总平面设计105.3 设计评估12第七章 总结12参考文献13第一章 绪论1.1 前言 维生素B1又称硫胺素或抗神经炎素。由嘧啶环和噻唑环结合而成的一种B族维生素。为白色结晶或结晶性粉末；有微弱的特臭，味苦，有引湿性，露置在空气中，易吸收水分。在碱性溶液中容易分解变质。酸碱度在3.5时可耐100高温，酸碱大于5时易失效。遇光和热效价下降。故应置于遮光，凉处保存，不宜久贮。 在酸性溶液中很稳定，在碱性溶液中不稳定，易被氧化和受热破坏。维生素B1它广泛存在于肉类和蔬菜中。主要存在于种子的外皮和胚芽中，如米糠和麸皮中含量很丰富，在酵母菌中含量也极丰富。瘦肉、白菜和芹菜中含量也较丰富。维生素B1含量丰富的食物有粮谷类、豆类、干果、酵母、硬壳果类，尤其在粮谷类的表皮部分含量更高，故碾磨精度不宜过度。动物内脏、蛋类及绿叶菜中含量也较高，芹菜叶、莴笋叶中含量也较丰富，应当充分利用。酵母菌是一些单细胞真菌，并非系统演化分类的单元。在医药工业中，酵母及其制品用于治疗某些消化不良症，并能提高和调整人体的新陈代谢机能。因此，药用酵母的生产在酵母工业中占有重要的地位。酵母菌能在pH值为3.0-7.5 的范围内生长，最适pH 值为pH4.5-5.0。在低于水的冰点或者高于47的温度下， 酵母细胞一般不能生长，最适生长温度一般在2030。酵母菌有氧和无氧的环境中都能生长，即酵母菌是兼性厌氧菌，在有氧的情况下，它把糖分解成二氧化碳和水，在有氧存在时，酵母菌生长较快。在缺氧的情况下，酵母菌把糖分解成酒精和二氧化碳。因此在此次维生素B1的生产设计中采用有氧发酵，应用搅拌式补料分批发酵的方式。利用生物发酵方法生产的维生素与化学方法合成的相比无毒、更安全，更加适合作药用。1.2 维生素b1的应用1.2.1 可以预防脚气病维生素B1缺乏时，可引起多种神经炎症，如脚气病菌。维生素B1缺乏所引起的多发性神经炎，患者的周围神经末梢有发炎和退化现象，并伴有四肢麻木、肌肉萎缩、心力衰竭、下肢水肿等症状。1.2.2 其他作用 （1）促进成长（2）帮助消化，特别是碳水化合物的消化（3）改善精神状况;维持神经组织、肌肉、心脏活动的正常（4）减轻晕机、晕船（6）可缓解有关牙科手术后的痛（7）有助于对带状疱疹的治疗1.3 维生素B1的生产方法 目前维生素B1的工业化生产仍采用化工方法。由于维生素B1在酵母菌中含量较高（约为10.7mg/L），是故可以采用酵母菌培养的发酵生产。本工艺设计是以酵母发酵为基础提取分离维生素B1.酵母菌是一些单细胞真菌，并非系统演化分类的单元。通过选择优良酵母菌种、保证合适的发酵条件并加以控制、应用合适的提取分离纯化方法即可高效、大量的生产维生素B1.酵母中含有维生素B1合成所需的酶：ThiC酶，HMPK羟甲基嘧啶激酶，噻唑合成酶，硫胺磷酸 焦磷酸化酶，硫胺磷酸 磷酸化酶及硫胺焦磷酸激酶。此次维生素B1的生产设计中采用酵母有氧发酵，应用搅拌式补料分批发酵的方式。维生素B1生产可分为菌种发酵和提取精制两个步骤。菌种发酵：将酵母菌接种到固体培养基上，在25 下培养57天，以活化菌种及得到纯培养物。用无菌水将菌种制成悬浮液接种到种子罐内已灭菌的培养基中，通入无菌空气、搅拌，在27 下培养2428h，然后将种子培养液接种到发酵罐已灭菌的含有5-氨基咪唑核糖核苷酸及L-半胱氨酸、甘氨酸前体的培养基中，通入无菌空气，搅拌，在25 下培养7天。在发酵过程中需补入5-氨基咪唑核糖核苷酸及L-半胱氨酸、甘氨酸前体及适量的培养基。提取精制：首先采用离心过滤的方法将酵母菌从发酵液中分离出来。然后采用匀浆法将酵母细胞破碎，悬浮于微酸水溶液中。再次过滤获得维生素B1溶液。再采用高效液相色谱将维生素B1分离提取，色谱柱条件为：色谱柱为HypersilC18柱；流动相为0.1%冰醋酸-甲醇体系(80:20)等度洗脱；流速为1.0mL/min；检测波长为246nm；柱温为25；进样量为10L(实验条件，工厂生产适当放大)。最后干燥制成成品。第二章 维生素B1的工艺设计2.1 原料的预处理 2.1.1本设计采用察氏(czapck)培养基做酵母菌的发酵培养基：培养基成分（/1L）蔗糖 30g NaN03 3g K2HP04 1g KCl 0.5g MgSO47H2O 0.5 g FeS04 0.01 g 蒸馏水 1000ml 自然pH 2.1.2酵母种子培养基采用麦芽汁培养基 1培养基成分（/L） 麦芽汁 70mLpH 自然（约6.4）2配制方法 (1)用水将大麦或小麦洗净，用水浸泡6-12h，置于15阴凉处发芽，上盖纱布，每日早、中、晚淋水一次，待麦芽伸长至麦粒的两倍时，让其停止发芽，晒干或烘干，研磨成麦芽粉，贮存备用。 (2)取一份麦芽粉加四份水，在65水浴锅中保温3-4h，使其自行糖化，直至糖化完全(检查方法是取0.5ml的糖化液，加2滴碘液，如无蓝色出现，即表示糖化完全)。 (3) 糖化液用4-6层纱布过滤，滤液如仍混浊，可用鸡蛋清澄清(用一个鸡蛋清，加水20 m1，调匀至生泡沫，倒入糖化液中，搅拌煮沸，再过滤)。 (4)用波美比重计检测糖化液中糖浓度，将滤液用水稀释到10-15，调pH至64。如当地有啤酒厂，可用未经发酵，未加酒花的新鲜麦芽汁，加水稀释到10-15波林后使用。 (5)如配固体麦芽汁培养基时，加入2琼脂，加热融化，补充失水。 (6)高压蒸汽灭菌 100 Pa灭菌20 min。2.2 主要工艺 无菌空气 无菌空气 无菌空气和中间补料 斜面一级种子二级种子发酵离心过滤细胞破碎二次过滤色谱分离提 滤液用于提取其他制品纯、结晶干燥成品 图 1.维生素B1生物发酵工艺流程 第三章 工艺计算3.1 生产指标 (1) 生产规模： 1000t/a （2）生产方法：中糖发酵，层析色谱提纯（3）年生产天数：300d/a（4）产品日产量：3.33t/d（5）发酵周期：130h (6)发酵罐装料系数：75%（7）提取纯化总得率：80%（8）前提添加率：4.9%3.2反应方程式5-氨基咪唑核糖核苷酸 L-半胱氨酸，甘氨酸 NAD+ThiC酶 THI4 噻唑合成酶2-甲基-4-氨基-5-羟甲基嘧啶 单磷酸（HMP-P） 4-甲基5-羟乙基噻唑 磷酸（HET-P）HMPK羟甲基嘧啶激酶2-甲基-4-氨基-5-羟甲基嘧啶 焦磷酸 TPP 硫胺磷酸 焦磷酸化酶 硫胺单磷酸 TMP-Pase硫胺磷酸 磷酸化酶 硫胺 TPK 硫胺焦磷酸激酶 硫胺焦磷酸（维生素B1）3.3物料衡算 3.3.1 原料用量 （1）每天产维生素B1成品量为：1000/300=3.33t/d ,维生素B1得率为80%,每天发酵液中需含维生素B1：3.33/0.80=4.16t ,酵母菌对前体（5-氨基咪唑核糖核苷酸及L-半胱氨酸、甘氨酸）的转化率为92%,则发酵培养基中前体的添加量为4.16/0.92=4.52t/d 。若发酵培养基的配方前体添加量为4.9%,则发酵培养基量为4.52/(4.9%)=92.43m3/d 。（2）发酵液体积分为三部分： 底料：V1=92.43X 75% =69.32（m3） 种液量：V2=92.43X15% = 13.86（m3） 补料量：V3=92.43X10% =9.243（m3）底料的物料用量：发酵培养基配方X V1种液的物料用量：培养基配方X V2补料采用配方与发酵液相同（3）蔗糖用量 2356.96kg NaN03 235.697kg K2HP04 78.57kg KCl 78.57kg MgSO47H2O 39.29kg FeS04 0.786kg (4) 麦芽汁用量：970.2L/d（5）消泡剂的用量 泡敌的添加量按0.2%计算,每天用量：0.2%92.43=0.185m3 。第四章 设备选型与车间平面设计4.1 设备选型4.1.1概述生物工程工厂中的生物工程设备可以分为专业设备、通用设备、非标准设备。其中专业设备是指仅为生物工程工厂所使用的设备，如发酵罐等；通用设备是指各专业都可以使用的设备，如泵、风机等；非标准设备是指生产车间的贮藏、池子等。本次设计主要是培养基的灭菌设备、发酵设备、过滤提纯设备的设计。设备设计的原则主要有;(1) 工艺实施工程的安全可靠（质量、耐腐蚀等）(2) 经济上的合理性、技术上的先进性(3) 运行费用低，水电消耗少。(4) 操作方便，耐用易于维修(5) 机构紧凑 等 4.1.2 设备设计 一、种子罐的设计：由于发酵周期为130h，且种子培养基体积为13.86 m3 所以130/24X13.86=75。于是可以选用100 m3 ，装料系数为75% 。数量为1个。经查阅资料选用径高比H/D=2为宜，计算得D=4m，H=8m。另外，种子罐及其中的种子培养基用实罐灭菌。实罐灭菌的总原则：与培养基接触的管道都要进蒸汽，不与培养基接触的管道都要排气。不带夹套的发酵罐则采用蛇管来预热培养基。实罐灭菌包括三个阶段：（1）升温阶段，包括间接升温、直接升温（2）保温阶段（3）冷却阶段。二、发酵罐的设计：与上同130/2492.43=520.6625 m3 所以选用发酵罐体积为350 m3 ，数量为2个。装料系数为72%。选用径高比为2，计算得D=7m，H=14m。另外，发酵罐的基本培养基应用连消灭菌。其中配料罐：V=300 m3 ;H/D=1;D=7.4m,H=7.4m。预热罐：V=300 m3 ;H/D=2.5;D=5.4m,H=13.5m。加热器：V=100 m3 H/D=2;D=4m，H=8m。维持罐;V=300 m3 ;H/D=2.5;D=6m,H=15m。三、提纯设备的选型 首先是分离器将固体的细胞与培养液分离，可选用AX系列的碟片式离心机。AX系列离心机是PX系列离心机中运用于生物工程产业中较为先进的分离设备。其分离因素可高达13000g左右，能将极微小的柔软固形物从液体中分离出来，是目前微生物下游处理工艺中非常理想的高速碟片式离心机。此类离心机大多用于液固分离。 然后是过滤器，选用中空纤维式的超滤膜结构。维生素B1的进一步提纯采用具有多孔支持板的离子交换罐。一般的离子交换罐为带有椭圆形顶及底的圆筒形设备，其圆筒体的高径比(H/D)一般为2-4。树脂层高度约占高度的50%-70%，须有充分的空间，以备反冲时树脂层的膨胀。在交换罐的上部有溶液分布装置，以使含有产物的料液、解析液或再生剂能在整个罐截面上均匀地通过树脂层。 另外，由于维生素B1不能耐受高温，其在酸碱度在3.5时可耐100高温，酸碱大于5时易失效。遇光和热效价下降。故应置于遮光，凉处保存，不宜久贮。故选用真空干燥器。凡是不能经受高温，可在真空中干燥。4.2 重点车间平面设计重点车间布置设计是根据生产工艺流程图，物料衡算数据及物料性质，设备资料、GMP等进行的。车间布置设计的任务是确定车间火灾危险类别、爆炸和火灾危险性场所等级、GMP等级确定车间结构构型及主要尺寸确定车间所有设备在车间建筑平面和空间的相对位置。生物工程工厂的生产车间一般由生产部分、辅助部分、生活行政部分组成。生物制药工厂主要生产车间有发酵车间、提取车间、精制车间、制剂车间等。本次设计的是发酵车间的平面设计，主要是种子罐X1，发酵罐X2。而对于提取纯化的设备则在此次设计中不做布置设计。一、 厂房的整体布置首先，厂房的地面高度高于外地面150mm，以防止雨水流入车间。对于整体而言，发酵车间设计成长方形的三层厂房，每层高度为5.1m，则总高度为3X5.1=15.3m。厂房跨度为15m，布置成6-3-6形式。柱间距设计成6X9的柱网尺寸。厂房的长宽为25X15m。厂房的建筑结构采用框架结构。框架结构是由横梁和立柱所组成。至于按承量结构的材料则使用钢筋混凝土结构，此结构中全部承受构件都用钢筋混凝土制成构件。一般主要车间都采用这类结构。另外，设备的布置与生产流程顺序相一致。对于发酵车间采用回旋线的方式。二、 车间布置设计有关参数 厂房中单扇平开门选用宽度0.7m，高度2.0m。双扇平开门则选用宽度为1.2m，高度为2.5m。 楼梯宽度为1.5m，坡度为30，采用双跑楼梯。三、 根据建筑设计防火规范和洁净厂房设计规范，此次设计厂房耐火等级为二级，一般的钢筋混凝土框架结构均满足二级耐火等级要求。四、 发酵车间的洁净等级为100000级。另外，发酵车间二层设置有控制室，用作员工休息及配电、控制之用。三层布置有高为水箱及蒸汽发生器。 第五章 工厂总平面设计5.1 工厂选址1、地理位置此厂位于山东省济南市天桥区。2、周边环境该厂位于绕城高速附近且有铁路经过，交通十分便利。而且临近河水，水源方便。济南是山东省会，经济发展甚好市场广大，产品销售有保障。而且与济南化工产业园区相邻，易于形成产业链，可以与之共用公共设施以减小成本。3、气候条件济南市地处中纬度地带，属暖温带大陆性季风气候。其主要气候特征是：季风明显，四季分明；冬冷夏热，雨量集中。冬冷夏热，雨量集中。冬季济南市受蒙古冷高压控制，盛吹寒冷的偏北风，一般68天有一次冷空气侵入，使气温不断降低。冬季最冷月平均气温在0以下，极端最低温度平均在-20以下(平阴县为-18.9，长清县为-19.1，济南市北郊为-19.7，济南市东郊为-22.5，章丘县为-24.5)，低于-10的严寒日数98%集中在冬季。最大冻土深度为45厘米左右，最大积雪深度为20厘米左右。冬季降水量在2025毫米，仅占全年总降水量的3.03.7%，整个冬季雨雪稀少，北风频吹，干燥寒冷。夏季炎热，季平均温度在26左右，极端最高温度超过40，日最高气温40的酷热日数均出现在夏季。夏季不仅炎热，且多降水，雨热同季。夏季降水量全市各县区平均都在400毫米以上，全年60%的降水量集中在夏季，7月份降水日数平均在15天左右，日降水量50毫米的暴雨日数集中在7、8两月，占全年暴雨日数的70%。4、 厂址区域图示（自画或GOOGLE地图）图1.山东维生素加工工厂区域图5、济南风玫瑰图5.2 总平面设计1.工厂总平面布置图图 4.山东维生素B工厂总平面布置图（1:1000）2.主要建构筑物表1.山东维生素B工厂建构筑物明细表1广场40X152办公楼50X233生活区50X154车库和娱乐场所15X105运动场40X196食堂 和卫生室34X157水站15X108电站25X159冷冻站25X1510污水处理站36X2011锅炉间20X1012机修25X1813原料仓库40X1514制剂间一40X1515制剂间二40X1516制剂间三40X1517包装间40X15 20X1518成品仓库30X1519一号门820二号门621三号门622废气处理15X1823称2X25.3 设计评估 该厂布置采用区带式布置形式，保证区域功能分明，以主要车间的定位布置，带动辅助车间和动力车间。生产区域采用直线布置。各建筑整齐划一，简洁美观。设置原料仓库和成品仓库，并各配置大门，以方便运输。将食堂和卫生所，车库和娱乐间竖向布置即节约面积又方便实用。道路采用环形布置，通达畅通、合理的将厂区分成各区。主干道12m，第二主干道8m且连接二号门与三号门；二三号门正对道路为8m；支道宽4m。中央通道畅通，可用于消防通道，运输极其方便。原料与成品各有大门方便运输，且与生活大门区分，即工作与生活隔离以免污染。道路两侧设置一米绿化带，一点五米路肩。在西北方向（下风向）设置，污水处理厂。并用绿化带隔离。并且各功能区域之间用绿化带隔离。锅炉间亦布置在西北下风向，以减少对厂区污染。并且设置废水处理以减少对空气污染。 本次设计中突出生活区与工作区的分离，保证舒适生活环境和无污染工作环境。平面设计展现特有风格，山东人民热爱体育运动，故建有众多体育建筑及设施；厂区绿化面积大，有利于工作人员的身心健康，更有利于可持续发展。第六章 总结 维生素B1对促进消化、改善精神状态、抗脚气病、抗神经炎等具有重要作用。可供人类服用的同时，亦可用作动物饲料添加剂，为人之健康、养殖业的发展提供重要保障。维生素B1的市场价是150元/公斤。所以维生素B1有市场，然而目前的主要方法化工合成具有种种的局限，易掺杂质、易混化工物质，从而不适宜人的口服。采用酵母菌的生物发酵所用皆为生物材料，无污染、无毒性，适宜口服。因此此法极具市场潜力。 本设计主要阐述了维生素B1的作用及生产现状，酵母菌的相关生长特性、生活习性。维生素B1的生物发酵采用的是产蛋白假丝酵母，所用种子培养基为麦芽汁培养基，发酵培养基用察氏培养基。需要添加一定量的（约为4.9%）前体5-氨基咪唑核糖核苷酸及L-半胱氨酸、甘氨酸。主要采用通风搅拌式补料分批发酵。对于维生素B1的提取与纯化则应用色谱分离法。 年产量为1000t的维生素B1生产日产为3.33t/d，每天所用发酵液量为92.43m3/d 。对于其他的原料及消沫剂用量亦进行了衡算。厂址的选择位于山东省济南市天桥区。这里不论是地理环境还是社会环境都是颇为适合的。 维生素B1的酵母发酵生产目前还未在实际大规模生产中应用，目前的生产依然是化学方法为主。然而，本次的设计可以作为一个构想、一个思路、一个雏形。维生素B1的生物合成方法之道路还很长。21世纪是生物的世纪，生物发酵的方法定会展现其应用价值。今后的发展将主要集中在维生素B1合成酶的提取、纯化及固定化，以提高产量和质量。当然在此次设计之中亦是可采用固定化技术的，如应用为载体悬浮的大规模培养技术，更易充分发挥酵母菌的生产潜能。然而，细胞的固定化需要配合表面活性剂等改变细胞膜透性，便于维生素B1的分泌，而后提取。参考文献Pierre Faou and Maximilian Tropschug . Neurospora crassa CyPBP37: A Cytosolic Stress Protein that is able to Replace Yeast Thi4p Function in the Synthesis of Vitamin B1 . J. Mol. Biol ,2004, 344, 11471157Sanja Roje . Vitamin B biosynthesis in plants . Phytochemistry 68 ,2007, 19041921Hulya Ayar Kayali, Leman Tarhan . The impact of Vitamins C, B1 and B6 supplementation on antioxidant enzyme activities, membrane total sialic acid and lipid peroxidation levels in Fusarium species . Process Biochemistry 41 ,2006, 16081613Teijiro Kamihara and Ichiro Nakamura . Regulation of Respiration and Its Related Metabolism by Vitamin B 1 and Vitamin B 6 .in Saccharomyces Yeasts Erol Akyilmaz . Whole c