生物分离工程课程设计.doc

生物分离工程课程设计设计说明书100M3青霉素钾盐发酵液萃取结晶工段的设计起止日期： 2015 年 6 月 22 日 至 2015 年 6 月 28 日2015年6月 摘 要青霉素是一种重要的抗生素，在目前的制药工业中占有举足轻重的地位，生产规模非常大。通过数十年的完善，青霉素针剂和口服青霉素已能分别治疗肺炎、肺结核、脑膜炎、心内膜炎、白喉、炭疽等病，增强了人类治疗传染性疾病的能力。研究和优化其生产工艺对人类健康有重要意义。关键词:青霉素 生产工艺 分离纯化目录摘要2前言41.设计的基本依据61.1青霉素发酵液6 1.2青霉素的基本理化性质62.分离原理62.1预处理62.2过滤62.3萃取62.4结晶73.提取工艺及物料衡算7 3.1过滤工段说明-7 3.1.1具体操作.7 3.1.2物料衡算.7 3.1.3工段影响因素及控制要点.8 3.1.4对本设计的简单评论.8 3.2萃取工段说明-.8 3.2.1具体操作.9 3.2.2物料衡算.9 3.2.3工段影响因素及控制要点.9 3.3结晶工段说明-.9 3.3.1具体操作.9 3.3.2物料衡算.10 3.3.3工段影响因素及控制要点.10 3.3.4对本设计的简单评论.10参考文献.11附.青霉素生产工艺设备图.12前言 抗生素在目前的制药工业中仍占有举足轻重的地位，尤其是下游半合成抗生素的发展，进一步刺激了上游的工业发酵。一些抗生素的工业生产规模非常大，如-内酰胺类的青霉素、头孢菌素C，大环内酯类的红霉素、利福霉素，氨基环醇类的链霉素、庆大霉素。其它的一些抗生素，如林可霉素、四环素、金霉素、万古霉素等，单个发酵罐容积越来越大，100 m3的发酵罐被普遍采用，200 m3甚至更大容积的发酵罐经常可见报道。抗生素的工业生产包括发酵和提取两部分。工艺流程大致如下：菌种的保藏、孢子制备、种子制备、发酵、提取和精制。种子和发酵培养基的常用碳源有：葡萄糖、淀粉、蔗糖、油脂、有机酸等，主要为菌体生长代谢提供能源，为合成菌体细胞和目的产物提供碳元素。有机氮源多用玉米浆、黄豆饼粉、麸质粉、蛋白胨、酵母粉、鱼粉等，硫酸铵、尿素、氨水、硝酸钠、硝酸铵则是常用的无机氮源。另外，培养基中还得添加无机盐、微量元素以及消沫剂，部分抗生素还得加入特殊前体，如青霉素的前体是苯乙酸，大环内酯类抗生素的前体是丙酸盐。发酵过程普遍补加一种碳源、氮源物质，如葡萄糖和硫酸铵。pH值通过流加氨水进行调节，很多抗生素在发酵中后期流加前体，对提高产量非常有益。抗生素发酵绝大多数为好氧培养，必须连续通入大量无菌空气，全过程大功率搅拌。发酵液的预处理，一般加絮凝剂沉淀蛋白，过滤去除菌丝体，发酵滤液的提取常用溶媒萃取法、离子交换树脂法、沉淀法、吸附法等提纯浓缩，然后结晶干燥得纯品。一、设计基本依据1.1青霉素发酵液 青霉素发酵液中除了含有目标产物青霉素钾盐，还含有大量杂质如各种杂蛋白质，为了有效去除蛋白质要加入絮凝剂进行沉淀过滤处理。当然，过滤知识初步去除大部分杂蛋白，还需要进一步进行萃取，结晶等精处理过程。1.2青霉素的基本理化性质 青霉素钾(benzylpenicillin potassium)又名汴青霉素，汴青霉素G钾盐，分子式C16H17KN2O4S，分子量为372.48。本品为白色晶体性粉末，无臭或微有特异性臭，有吸湿性。易溶于水，生理盐水，葡萄糖溶液。水溶液在室温放置易失效，遇酸，碱，氧化剂等迅速失效。二、分离原理2.1预处理发酵液结束后，目标产物存在于发酵液中，而且浓度较低，如抗生素只有1030Kg/m3，含有大量杂质，它们影响后续工艺的有效提取，因此必须对其进行的预处理，目的在于浓缩目的产物，去除大部分杂质，改变发酵液的流变学特征，利于后续的分离纯化过程。是进行分离纯化的一个工序。2.2过滤发酵液在萃取之前需预处理，发酵液加少量絮凝剂沉淀蛋白，然后经真空转鼓过滤或板框过滤，除掉菌丝体及部分蛋白。青霉素易降解，发酵液及滤液应冷至10 以下，过滤收率一般90%左右。菌丝体粗长10m，采用鼓式真空过滤机过滤，滤渣形成紧密饼状，容易从滤布上刮下。滤液pH6.27-7.2，蛋白质含量0.05-0.2%。需要进一步除去蛋白质。改善过滤和除去蛋白质的措施：硫酸调节pH4.5-5.0，加入0.07%溴代十五烷吡啶PPB，0.7%硅藻土为助滤剂。再通过板框式过滤机。滤液澄清透明，进行萃取。2.3萃取青霉素的提取采用溶媒萃取法。青霉素游离酸易溶于有机溶剂，而青霉素盐易溶于水。利用这一性质，在酸性条件下青霉素转入有机溶媒中，调节pH，再转入中性水相，反复几次萃取，即可提纯浓缩。选择对青霉素分配系数高的有机溶剂。工业上通常用醋酸丁酯和戊酯。萃取23次。从发酵液萃取到乙酸丁酯时，pH选择1.8-2.0，从乙酸丁酯反萃到水相时，pH选择6.8-7.4。发酵滤液与乙酸丁酯的体积比为1.5-2.1，即一次浓缩倍数为1.5-2.1。为了避免pH波动，采用硫酸盐、碳酸盐缓冲液进行反萃。发酵液与溶剂比例为34。几次萃取后，浓缩10倍，浓度几乎达到结晶要求。萃取总收率在85左右。所得滤液多采用二次萃取，用10%硫酸调pH2.03.0，加入醋酸丁酯，用量为滤液体积的三分之一，反萃取时常用碳酸氢钠溶液调pH7.08.0。在一次丁酯萃取时，由于滤液含有大量蛋白，通常加入破乳剂防止乳化。第一次萃取，存在蛋白质，加0.05-0.1%乳化剂PPB。萃取条件：为减少青霉素降解，整个萃取过程应在低温下进行（10 以下）。萃取罐冷冻盐水冷却。2.4结晶萃取液一般通过结晶提纯。青霉素钾盐在醋酸丁酯中溶解度很小，在二次丁酯萃取液中加入醋酸钾-乙醇溶液，青霉素钾盐就结晶析出。然后采用重结晶方法，进一步提高纯度，将钾盐溶于KOH溶液，调pH至中性，加无水丁醇，在真空条件下，共沸蒸馏结晶得纯品。共沸蒸馏结晶：萃取液，再用0.5MNaOH萃取，pH6.4-4.8下得到钠盐水浓缩液。加2.5倍体积丁醇，1626，0.67-1.3KPa下蒸馏。水和丁醇形成共沸物而蒸出。钠盐结晶析出。结晶经过洗涤、干燥后，得到青霉素产品。三、提取工艺设计及物料衡算3.1过滤工段-3.1.1具体操作：发酵液在萃取之前需预处理，发酵液加少量絮凝剂沉淀蛋白，然后经真空转鼓过滤或板框过滤，除掉菌丝体及部分蛋白。青霉素易降解，发酵液及滤液应冷至10 以下，过滤收率一般90%左右。3.1.2物料衡算：物料衡算是根据质量守恒定律而建立起来的。物料衡算是进入系统的全部物料重量等于离开该系统的全部物料重量，即4F=D+W式中：F-进入系统的物料量（kg）D-离开系统的物料量（kg）W-损失的物料量（kg）a.发酵液的数量：100m3b.加入絮凝剂的量为发酵液的3.7%(W/V)1003.6%=3600(kg)絮凝剂的相对密度为1.68，则36001.68=1956(L)c.青霉素的产量分离前青霉素的量：1008%(W/V)=8000(kg)分离后青霉素的量：纯青霉素：800086%=6880(kg)90%青霉素：688090%=7644(kg)式中86%为青霉素的提取效率d.处理100m3青霉素的发酵液设卧式推料过滤器的体积为50m3，D:H=1.5根据体积公式得D=4.57m，取4800mm，则实际的V=57.9m3，H=3200mm。取填料系数为75%，则实际装料为10075%=75m3取周期为3.5h，需要的过滤器数为7557.9=1.29(台)2(台)3.1.3工段影响因素及控制要点过滤操作在进行时会产生滤饼，由于滤饼阻力是影响过滤速度和质量的主要因素，因此在过滤操作前，一般要加入絮凝剂处理，改变料液的性质，降低滤饼阻力。青霉素的提取过滤过程中要加入絮凝剂出去杂蛋白，但是此步骤仅是粗分离，并不能完全除尽杂质，在后续工艺中会进行再次除杂。目的成分青霉素对pH值的要求严格，生产中应尽可能避免直接用强酸或强碱调节pH值，以免局部过酸或过碱，而引起目的药物成分的变性。另外，调节pH值所用的酸或碱应与原溶液中的盐或即将加入的盐相适应，如溶液中含硫酸铵时，可用硫酸或氨水调pH值，如原溶液中含有氯化钠时，可用盐酸或氢氧化钠调pH值。总之，应以尽量不增加新物质为原则。3.1.4对本设计的简单评论本次课程设计我主要是对100m3青霉素发酵液分离纯化中过滤工段的设计。从确定题目到完成论文的过程中，我遇到了很多困难。虽然我知道过滤是初步分离青霉素产品的有效方法之一，但是书本的知识只是原理的介绍。只凭这些来设计一个适于生产的分离纯化工段，就真的是“纸上谈兵”且不具有实用性。所以这期间我查了很多资料，包括青霉素的性质、工业使用的分离方法、工业常用的分离设备以及工业生产要注意的影响因素。这个课程设计中最重要的部分应该是物料衡算以及设备的计算，因为要用于工业生产，可行性和准确性很重要。对于计算所用的各种公式都是查找上学期的发酵工程的课本完成的，也帮助我复习了一下以前学过的知识。这次课设将我所学的知识联系起来，并使用于实践成为可能，同时也拓宽了我的知识面。3.2萃取工段-3.2.1具体操作：在酸性条件下青霉素料液中加入55%的乙酸丁酯，采用3级逆流接触萃取，理论萃取总收率在99%左右。3.2.2物料衡算：物料衡算是根据质量守恒定律而建立起来的。物料衡算是进入系统的全部物料重量等于离开该系统的全部物料重量。a.过滤后的料液取100m3体积b.加入乙酸丁酯55m3c.青霉素钾盐分配系数m=10d.采用3级逆流接触萃取e.萃取因子E=mLH，萃取率1n=En+1_EEn+1_1根据以上数据算得实际萃取率约为99.5%在处理100m3青霉素的料液设萃取罐的体积为100m3，D:H=1.5根据体积公式得D=4.57m，取4800mm，则实际的V=57.9m3，H=3200mm。取填料系数为75%，则实际装罐料为17575%=233.33m3取周期为3h，需要的罐数为233.3357.9=4.02(台)4(台)3.2.3工段影响因素及控制要点萃取是利用溶质在互不相溶的两相之间的分配系数不同使得溶质得到纯化或浓缩的工艺方法。影响因素主要有分配系数与有机溶剂的用量，分配系数越大，提取效率也越高，萃取就易于进行完全。当分配系数较小时，可以适当增加有机溶剂的用量来提高萃取率，但有机溶剂用量增大会增加后处理的工作量，因此在实际操作中常采用分几次加入溶剂，连续多次提取来提高萃取率。 萃取剂种类的选择也很重要，在选择萃取剂时要注意以下几点。第一：选用的溶剂必须要有较高的选择性，第二在萃取后溶质与溶剂要易于分离回收，第三是溶剂要无毒价廉易得的试剂，不易燃烧。 在萃取过程中要注意保持pH和温度的相对稳定，避免造成产物变性，反应不能有效充分的进行。3.3结晶工段3.3.1具体操作：在萃取液中加入醋酸钾-乙醇溶液，控制温度，青霉素钾盐就结晶析出。结晶经过洗涤、干燥后，得到青霉素产品。3.3.2物料衡算：物料衡算是根据质量守恒定律而建立起来的。物料衡算是进入系统的全部物料重量等于离开该系统的全部物料重量。a.取萃取液体积100m3b.加入醋酸钾-乙醇溶液，水分不超过1.4%c.控制气相温度达43-46，保持共沸周期晶体析出d.晶体纯度达到99.63%3.3.3工段影响因素及控制要点 青霉素的精制通常采用结晶法来制得高纯度的产品，结晶过程主要受温度和pH的影响。在结晶过程中先打开结晶器，向罐内注入醋酸钾-乙醇溶液，观察青霉素的浓度，待反应完全时，打开冷却系统控制温度在43-46后，保持共沸周期后结晶液进行抽滤干燥，去除水分制得青霉素钾盐产品。3.3.4对本设计的简单评论此次设计历时一个星期，完成了100M3青霉素发酵生物分离设计中的萃取和结晶工艺设计.本设计参考了许多文献，也得到了一些同学的帮助。 这次设计不仅让我们进一步熟悉和巩固了很多发酵工艺和生物分离过程方面的知识，还初步掌握了许多有关设计方面的知识，同时也让我们明白理论联系实际的重要性，更让我们懂得了独立思考问题、分析问题和解决问题，以及谦虚的求教态度和团结的合作精神等。这些对于我们将来的工作和生活都将有着很大的作用。由于理论知识与设计经验的不足，本设计对于有些设备的计算与选型等方面没有加以分析，已经计算选型的设备也可能与实际有偏差甚至不符，同时所选的参考资料比较少，有些信息与实际情况有些差距，因此本设计用于实际生产时需要进一步的改进。本设计的这些不足之处和错误之处还需要各位老师多多指点并加以改进。参考资料1