月产1吨95%纳他霉素提取纯化工艺设计.doc

目 录目 录目 录I第一章 项目总论21.1 纳他霉素的介绍21.2 纳他霉素的应用41.3 纳他霉素的提取工艺41.4纳他霉素的纯化工艺4第二章 方案设计62.1 产品方案62.2 生产工艺流程设计62.2.2工艺流程说明62.2.3工艺流程论证阐述以及工艺参数82.3物料衡算82.3.1技术参数82.3.2计算8第三章 设备选型113.1发酵罐113.2浓缩装置123.3过滤设备123.4结晶装置133.5干燥器14第四章 防污措施164.1 总述164.2 设备和管道的清洗与杀菌164.3 废气的处理164.4 废水的处理164.5 废渣的处理16第五章 结语17参考文献1817第二章 技术方案 第一章 项目总论 纳他霉素(Natamycin)也称游链霉素、匹马霉素(Pimaricin)或海松素,是一种天然的多烯大环内酯类抗生素,呈白色或乳白色,几乎无嗅无味,该抗生素是一种很强的抗真菌试剂,能有效的抑制酵母菌等真菌的生长。目前,纳他霉素主要用于乳酪制品、果酱、肉类制品(肉汤、西式火腿)、广式月饼、糕点表面、易发酵食品加工器皿表面等食品行业以及医疗上用于治疗真菌引起的眼科疾病。不仅可以有效防止食品腐败,还能减少真菌毒素对人类的毒害。随着对产纳他霉素菌种及发酵生产工艺研究的不断深入,完善纳他霉素提取工艺就显得尤为重要。1.1 纳他霉素的介绍1.1.1纳他霉素的化学结构和理化性质他霉素是近白色至奶油色的晶体粉末，无臭无味，相对分子量为665.75，结构式为图1-1所示。分子中有一个酸性基团和一个碱性基团，因此纳他霉素是一种两性物质，等电点为6.5，熔点为280。图1.1纳他霉素的分子结构纳他霉素也称游链霉素（Pimaricin），是一种重要的多烯类抗菌素，可以由Streptomycesnatalensis和Streptomyceschatanoogensis等链霉菌发酵生成的。该抗菌素是一种很强的抗真菌试剂，能有效地抑制酵母菌和霉菌的生长，阻止丝状真菌中黄曲霉毒素的形成。与其它抗菌成分相比，纳他霉素对哺乳动物细胞的毒性极低，可以广泛应用于由真菌引起的疾病。除此之外，由于纳他霉素的溶解度低，可用其对食品表面进行处理以增加食品的保质期，却不影响食品的风味和口感。目前，纳他霉素作为一种天然的食品防腐剂已被批准应用于某些乳制品、肉类、水果、饮料等许多食品工业中。6纳他霉素的紫外吸收光谱如图 1-2显示，在 290、303、318 nm 处有尖锐的吸收峰，在 280 nm处有肩，320 nm 处有宽峰。由于纳他霉素含有四烯环，因此在 280 nm320 nm间出现吸收峰，而在220 nm 的最大吸收是由于纳他霉素含有发色团。 图1.2 纳他霉素的紫外吸收光谱1.1.2纳他霉素的特点(1) 无特殊感观形状纳他霉素是白色或奶油色，无气味、无味道的结晶粉末。它对产品的口感特性无任何影响，当用于食品表面时，只停留在表面上，抑制容易生长在表面的霉菌和酵母。而山梨酸盐具有强烈的苦味和一种柴油味，因受 pH 值的制约其添加量一般大于 500 mg/kg 从而影响制品的口感和风味。另外，山梨酸盐使用时会转移到食品内部，这样就降低了其在表面的浓度，使已受到抑制的酵母菌和霉菌重新生长。(2) 适用的 pH 范围广纳他霉素在 pH 39 范围内具有活性，与常用的山梨酸钾等防腐剂相比，适用 pH 范围更宽。山梨酸钾属于酸性防腐剂，适宜在 pH 56 范围内使用，其防腐效果随着 pH 的升高而降低。(3) 低剂量，高效率纳他霉素对真菌有极强的抗性，使用微量即可起到作用。纳他霉素对付霉菌和酵母菌的功效比山梨酸强 50 倍以上。(4) 抑制有害真菌而不作用于有益菌群由于纳他霉素对细菌没有作用，可直接添加到酸奶等发酵制品中，只抑制其中的霉菌和酵母菌，却不作用于酸奶中的细菌(如双歧杆菌)。另外，纳他霉素可以抑制真菌毒素的产生，其它的防腐剂则不具有这些功能。61.2 纳他霉素的应用1.2.1纳他霉素在食品中应用纳他霉素由于溶解度很低，被用作食品表面防腐剂以延长货架期，主要在奶酪、肉制品、茶饮料及果汁中添加，它不会干扰其它食品组分也不会带来异味。它在食品中的抗真菌作用是双效的：既可防止真菌引起的食品腐败，减少经济损失；又可防止真菌毒素给人类造成的毒素型食物中毒。与传统的抗真菌剂比较，纳他霉素有其独特性质，它在很低的浓度下仍具有活性，例如：在奶酪中纳他霉素比山梨酸钾活性高 400 倍。在葡萄酒中，纳他霉素能取代山梨醇和其它抗真菌剂，它允许减少所使用的SO2量。目前，全世界已有三十多个国家采用纳他霉素作为食品防腐剂。11.2.2纳他霉素在医药工业的应用纳他霉素除了用作食品防腐剂，还可药用。近几年，报道纳他霉素用于医疗的文献越来越多，它的临床应用范围也越来越广泛。纳他霉素以几种制剂形式(悬浮剂、乳剂、软膏和鞘状药片等)被典型地用于抗皮肤和粘液膜的真菌感染，既可以单独使用又可以与新霉素、氢化可的松及其它类固醇共同使用。纳他霉素还可用于阴道和肺部真菌感染的治疗。1.3 纳他霉素的提取工艺纳他霉素的分离提取方法有很多：1.3.1甲醇提取法 从发酵液中用混合性极性溶剂如甲醇、丁醇和丙酮,采用萃取法提取纳他霉素。1.3.2 体积浓缩法 体积浓缩法是从过滤液中用丁醇回收纳他霉素,从而获得了一种抗真菌混合物原液,从中可分离纳他霉素。1.3.3碱性提取法 在低pH下用甲醇溶解纳他霉素,然后除去固形物,提高pH以沉淀出纳他霉素。1.4纳他霉素的纯化工艺 对于纳他霉素的纯化，运用现代生物工程技术已经得到很好解决，如柱层析法，离子交换树脂法，结晶法等。具体如下：1.4.1柱层析法 得到的物质较纯，但是工作量小，且慢，设备贵，操作复杂等。一般用于实验室制备。1.4.2离子交换树脂法 产量大，分离纯度高，使用者多。设备贵，再生能力差，以及不能连续工作。1.4.3结晶 结晶是工业化生产的首选。其兼具产品纯净，生产量大并且能够连续工作。一般为工厂化生产所选择。8第二章 方案设计2.1 产品方案2.1.1 进行产品方案选择纳他霉素的高产菌株，经发酵工艺获得发酵液。通过对发酵液的甲醇法获得粗品纳他霉素，再经过大空树脂脱色、洗涤、干燥获得精制的纳他霉素。2.1.2 简要论述选定方案根据文献，甲醇作为提取剂时纳他霉素保存时间最长，损失最小，因而本试验选择甲醇作为提取剂。甲醇与纳他霉素易发生酯化反应，提取过程必须尽量减少和避免酯化反应的发生。酯化反应主要取决于纳他霉素与甲醇接触时间的长短、pH和温度。72.2 生产工艺流程设计2.2.1工程流程示意图浓缩发酵液发酵液种子液 发酵浓缩 28，120132h 取上层清液粗提取液 溶解 离心 无水甲醇 过滤 吸附液纳他霉素粗产品 浓缩 加入树脂 结晶 吸附 精制液纳他霉素成品 甲醇 洗涤、干燥解吸图2.1纳他霉素生产流程图2.2.2工艺流程说明(1) 浓缩发酵液将成熟发酵液煮沸5min,80恒温搅拌一个小时,达到浓缩的目的，因纳他霉素在高温下不稳定，故用低温蒸发法，便完成了发酵液的预处理阶段。(2) 溶解，提取纳他霉素粗产品纳他霉素在纯水和异丙醇、甲醇溶液中的溶解度均随温度升高而增大，以甲醇溶剂中效应最明显。同一温度下，纳他霉素在纯水中的溶解度最低，而在甲醇的溶解效果最好,表明甲醇最适合作纳他霉素提取剂。甲醇与纳他霉素易发生酯化反应，提取过程必须尽量减少和避免酯化反应的发生。酯化反应主要取决于纳他霉素与甲醇接触时间的长短、pH和温度。因此在提取过程中必须严格控制。pH4.0时酯化更慢，所以甲醇浸提过程控制pH4.04.5。(3) 过滤，取上层清夜 由于发酵液中颗粒的可压缩性及非牛顿性流体，通常很难维持恒压或恒速过滤，随着过滤的进行，压差不断升高滤速会迅速减少，因此，本课题采用IEP型自动板框压滤机进行过滤操作，它是以板框压紧、卸饼、清洗等自动化机械完成的。劳动强度小，辅助操作时间短。(4) 浓缩结晶，得粗产品 当用甲醇处理，PH调到纳他霉素的等电点（PI6.5）时，纳他霉素只有很少部分沉淀下来。为促进纳他霉素从混合液中结晶，以及更大可能的回收那他霉素，因此，通过旋转蒸发去甲醇，降低混合液的溶解度，并且发酵液量：甲醇量=4:1时，结晶的速率以及回收率最大。蒸发后纳他霉素在容积中的晶形为针状，由于针状晶体较小不宜离心分离，因此通过旋转真空蒸发浓缩，促进晶体凝集成簇。(5) 吸附 本课题采用大孔树脂吸附。大孔树脂吸附法收率稳定，设备投资少，适于工业化生产。，HPD200A 大孔吸附树脂纳他霉素吸附率和解吸率高，可以作为纯化纳他霉素的树脂。最佳纯化条件为：吸附时间为8 h、洗脱液pH 值为8.0、样液pH 值6.0、吸附流速为1.0 BV/h。所得纳他霉素纯度较高，是一种简单实用的纳他霉素纯化方法。 树脂的处理：干树脂用100g/L的NaCl溶液浸泡24h,然后用蒸馏水反洗和正洗,洗至出水清亮;再以树脂体积23倍的lmol/L的HCI液和lmol/L的NaOH溶液交替浸泡4小时,在酸碱处理之间以蒸馏水淋洗,洗至出水呈中性;交替处理以酸一水一碱一水为一个循环,至少处理三个循环,预处理后经再生即可使用。2(6) 树脂解吸乙醇和甲醇具有较好的解吸能力。由于乙醇毒性低于甲醇，因而选用乙醇作为解吸剂。以pH为11的80%的乙醇溶液作为洗脱液，洗脱流速为0.5BV/h，解吸时间为3 h，收率最高。(7) 洗涤，干燥 对解吸得到的纳他霉素的精制产品进行洗涤、干燥、烘干得到最终产品。2.2.3工艺流程论证阐述以及工艺参数首先根据纳他霉素的特性,确定发酵液中纳他霉素的定性、定量分析方法。然后确立了甲醇提取法分离提取的工艺条件。最后进行产品和纯度鉴定,证明提取产物是纳他霉素。大孔树脂分离提取发酵液中柠檬酸的工艺条件，根据王海燕的大孔树脂法分离纯化那他霉素的工艺研究得到以下的工艺参数：(1) 发酵液的预处理由于那他霉素主要存在于菌丝体内，且发酵液中杂质较多，不利于直接进行树脂吸附。首先在发酵液中加入7%的珍珠岩，搅拌30min后，然后进行浓缩。(2) 洗脱液的选择选用甲醇、乙醇、丙酮等3种溶剂，采用静态吸附解吸的方法进行筛选。结果表明，乙醇和甲醇具有较好的解吸能力。由于乙醇毒性低于甲醇，因而选用乙醇作为解吸剂。为了提高解吸收率，使洗脱高峰集中，将饱和树脂用水、80%乙醇净化后，再用氢氧化钠溶液和乙醇的混合液解吸，洗脱流速为0.5BV/h。32.3物料衡算2.3.1技术参数(1)发酵液预处理:将发酵液煮沸,80下恒温搅拌一个小时;(2)离交:发酵液预处理后上柱离交,50mL湿树脂装柱,上柱流速为1.0 BV/h;(3)洗脱:pH为11的80%的乙醇溶液为洗脱剂,洗脱流速为0.5BV/h;(4)浓缩、结晶:溶液在556080MPa下进行减压浓缩,当浓缩液的体积为原体积的20% 时停止。然后逐渐降温结晶,即自然冷却至40自来水冷却至室温一冷冻水冷却至晶体析出,并以慢搅拌使热交换均匀，搅拌速度为8r/min。2.3.2计算(1) 经济技术指标 产品名称：纳他霉素 生产规模：1000m3纳他霉素 生产方法：甲醇提取，大孔树脂纯化法 生产时间：30天 日生产量：34m3 纳他霉素的相对分子质量：665.73 纳他霉素的提取率：4.46% 纳他霉素的纯化率：95%(2) 物料衡算发酵液量：纳他霉素日生产量：m3 发酵液日用量：m3 发酵液月用量：m3提取液甲醇量：发酵液月用量：m3 发酵液量：甲醇量=4:1 甲醇量=m3初滤衡算： 滤渣弃率：10% 滤渣量：kg 滤液量：m3初提纳他霉素量： 纳他霉素的提取率为4.46% 粗纳他霉素量：kg第二次过滤衡算：滤渣：kg 滤液：m3树脂衡算：树脂的最大吸附量1.5g/100mg x=163614gg 纳他霉素含量=kg 式中95%为目标纯化率 表 2.1 月产1吨95%纳他霉素的物料衡算表 序号原料名称规格消耗量每天每月每年1发酵液量（kg）802240602887202甲醇（m3 ）80%200.56015721803初滤滤液体积(m3)721.8216542598484初滤滤渣质量（kg）80.22406288725第二次滤液体积（m3）689.6206882482566第二次滤渣质量（kg）32.2966115927树脂质量（kg）5.51641968第三章 设备选型3.1发酵罐 由于种子液通过发酵得到发酵液，所以需要发酵罐储存发酵液，通过上节物料衡算可知发酵液体积为1000m3,添罐系数取80%，所以可以去10个125m3的发酵罐。3.2浓缩装置(1) 浓缩罐的型号 选用多功能浓缩罐(2) 浓缩罐体积及数量的确定每月所需要浓缩的纳他霉素的量为966kg根据要求我们选用的THL-8M的容量为1500L，且选用一台就可以满足要求。 图 3.2 浓缩装置示意图3.3过滤设备(1) 过滤面积5即得 过滤面积160m2(2) 滤饼厚度m(3) IFP压滤机规格：选用12501500型，取滤框厚度为30mm，每侧过滤面积1.74m2，则45块滤框过滤面积为：4521.74=156.6m3 滤框总体积为：1.740.0345=2.349m3图 3.3 过滤设备示意图3.4结晶装置本课题采用总容积为1m3的立式结晶箱。结晶总体积其中结晶锅的充填系数取0.5。因此结晶罐总个数为：N=1.01个，取两个，一个备用图 3.4 结晶装置示意图3.5干燥器(1) 干燥管的长度 4式中 -空气在干燥管内流速 -干燥时间即得m(2) 干燥管的直径 4式中 -干燥管直径即得mm所以选择长度为525m,直径为110mm的长管气流干燥器图 3.5 干燥设备示意图表 3.1 月产1吨95%纳他霉素设备一览表设备型号数量产量或规格发酵罐自行设计10125m3多功能浓缩罐10-500型11500LIFP压滤机125015001156.6m2立式结晶箱1013型21m3自动部分收集器BSZ100型2200L/(m.h)干燥管5251102525m第四章 防污措施第四章 防污措施4.1总述商业化的那他霉素Delvocid(DSM) ,其制剂通常采用50%那他霉素和50%乳糖及氯化钠、葡萄糖混合而成。外观米黄色至奶黄色粉末。也有各种经过改造的那他霉素产品适用于特别的用途, 由于柠檬酸发酵和提取技术水平的提高和节能减排措施有力，行业的污染排放量逐年减少。行业环保核查以及欧盟以牺牲环保为借口的反倾销调查，极大地推动柠檬酸行业的三废处理，经过几年的努力，三废处理成效显著。4.2 设备和管道的清洗与杀菌 管路设计时应尽量减少死角,若不可避免有死角,应使其长度不得超过管道的直角的23倍,我们用CIP清洗系统来清洗罐，对罐体进行定期的灭菌处理，避免对纳他霉素菌体的污染。4.3 废气的处理 工厂废气经空气压缩机的压缩以及除尘处理，除菌处理变为无菌空气后再排放到大气中去。4.4 废水的处理排出的废水经过初沉淀，去除滤泥等悬浮物，然后在调节池中调节水质和水量，使污水水质均匀，然后在生化池中进行除污处理，再进行二沉淀，最后进行营养盐的投加。经过处理的污水即可回收再利用。4.5 废渣的处理常见的废渣包括蒸馏残渣，失活的催化剂，废活性炭，胶体废渣，反应残渣等。不合格的中间产品，以及用沉淀，混凝，生物处理等方法产生的污泥残渣。一般处理方法：废发酵液经回收后送到干燥车间，经加工后制成粗饲料卖给饲料厂家。设立专门的灰渣池对灰渣进行沥水与堆放，经沉渣池处理后的冲灰渣水通过水泵进行循环利用。经沉渣池处理的锅炉燃烧煤渣，卖给外单位作制砖材料。基本实现