红霉素发酵工艺设计.ppt

2020/5/16,红霉素发酵工艺设计,一、本设计的任务要求及基本资料,二、流程设计及操作工艺分析,三、设计计算及结果分析,四、工艺流程图与设备布置设计,五、设计问题总结与评价、建议,汇报内容有以下几个方面,任务及要求,设计项目建设规模和产品方案：建设规模：年产20吨红霉素碱。产品方案：发酵液浓度为5000u/mL，产品纯度为98.5%以上红霉素具体设计的任务和要求如下：a.设计出一条最优生产性工艺路线b.完成生产工艺路线的物料和热量平衡的设计计算c.完成工艺路线中所涉及设备的计算和选型或设备的主体结构设计d.作出带控制点的工艺流程图，设备平面布置图和设备立面布置图e.在上述设计工作的基础上，编写出项目设计报告,红霉素的简介,结构：红霉素是由红霉内酯与去氧氨基己糖和红霉糖缩合而成的碱性苷。红霉内酯环含有13个碳原子，内酯环的C-3通过氧原子与红霉糖相联结，C-5通过氧原子与去氧氨基己糖相连接。成分：由链霉素Streptomycinelytrous所产生，是一种碱性抗生素。其游离碱供口服用，乳糖酸盐供注射用。此外，尚有其琥珀酸乙酯（琥乙红霉素）、丙酸酯的十二烷基硫酸盐（依托红霉素）供药用。,红霉素（Erythromycin）分子：C37H67O13N分子量：733.94g/mol,红霉素结构式,红霉素的发现与分类,红霉素为大环内酯类抗生素，是在1952年由红色链丝菌产生的抗生素。主要成分C的活性较弱，只为A的1/5，而毒性则为A的5倍，B不仅活性低且毒性大。通常所说的红霉素即指红霉素A，而其他两个组分视为杂质。,二、流程设计及操作分析,工艺流程设计：菌种选择与培育培养基的确定本设计的工艺原则和流程的确定,菌种选择与培育,菌种选择：红霉素工业生产菌红色糖多孢菌S.erythraeaHL3168E3菌种培育：(1)制备母液斜面孢子:将保存在2-6冰箱中的砂土孢子，无菌接种于已灭菌的斜面培养基上，于37培养7-10天,保存备用(2)制备子瓶斜面孢子:将生长好且在冰箱存放一周以上的母液取出，制成菌悬液接种于子瓶斜面上，于37恒温培养7-10天,保存备用(3)制备孢悬液:取子瓶斜面制备成孢悬液，以压差法将孢悬液接入一级种子罐内。,培养基的确定,培养基选择的一般原则：1.生物学原则：根据不同微生物的营养和反应需求，设计培养基。营养物质组成较丰富，浓度适当，满足菌体生长和合成产物的需求。各种成分之间比例恰当，特别是有机氮和无机氮源，C/N比。红霉素培养液中一般C/N比为201。一定条件下，各种原材料之间不能产生化学反应。具有适宜的pH和渗透压。2.工艺原则：不影响通气和搅拌，又不影响产物的分离精制和废物处理，过程容易控制。3.低成本原则：原材料要因地制宜，来源方便，丰富，质量稳定，质优价廉，成本低。4.高效经济原则：生产安全，环境保护，高质量，最高得率，最小副产物。,培养基中各组分功能,碳源：红霉素生产最适合碳源是蔗糖，在蔗糖浓度为7.0%时，红霉素产量和菌丝干重最大，各种碳源的效果大小的顺序为：蔗糖葡萄糖淀粉糊精。蔗糖效果比葡萄糖好的原因可能是蔗糖的分解速率正适合菌体对糖的利用速率，不会因单独使用葡萄糖而积累中间产物或使pH值下降。生产上采用葡萄糖（约占80%）和淀粉（约占20%）的混合碳源，其效果与使用蔗糖相似。氮源：常用有机氮源有黄豆饼粉（最常用）、花生饼粉、棉籽饼粉、玉米浆、玉米蛋白粉、蛋白胨、酵母粉、鱼粉、尿素等。常用无机氮源有铵盐、氨水和硝酸盐。铵盐中的氮可被菌体直接利用。硝酸盐中的氮必须还原为氨才可利用。无机氮源可以作为主要氮源或辅助氮源，氨盐比硝酸盐更快被利用。根据氨盐利用后，残留物质的性质，把无机氮源可分为生理酸性物质和生理碱性物质。生理酸性物质是代谢后能产生酸性物质，如（NH4）2SO4利用后，产生硫酸。生理碱性物质是代谢后能产生碱性物质，如硝酸钠利用后，产生氢氧化钠。生产中常常加入无机氮源来调节pH值，一举两得。,培养基的确定,无机盐和微量元素:无机盐和微量元素是生理活性物质的组成成分或具有生理调节作用，磷（核酸）、硫、铁（细胞色素）、镁、钙（调节细胞膜透性）、锰、铜、锌（辅酶或激活剂）、钴、钾、钠（调节渗透压）、氯。一般低浓度起促进作用，高浓度起抑制作用。生长因子：生长因子是指微生物生长不可缺少的微量有机物，包括氨基酸、维生素、核苷酸、脂肪酸等。一般天然成分中含有，无需添加。但对于营养缺陷型（氨基酸、核苷酸）菌株，必需添加。前体与促进剂：前体是加入到发酵培养基中的某些化合物，能被直接参与产物的生物合成，组成产物分子的一部分，而自身的结构没有发生多大的变化。前体明显提高产品产量和质量，一定条件下还能控制菌体合成代谢产物的方向。前体不仅有毒性，而且被菌体分解，因此多次少量流加工艺。在抗生素等次级代谢产物的发酵中，经常添加前体和促进剂，以提高产量。前体可以是产物的中间体，也可以是其中的一部。水：菌体细胞的主要成分，营养传递的介质。良好导体，调节细胞生长。,本设计中培养基的具体比例：,工艺设计原则和流程确定,工艺设计原则进行工艺流程设计，必须考虑的几个原则：（1）保证产品质量符合国家标准，国家规定原料药红霉素产品中红霉素A的含量必须大于80%。（2）尽量采用成熟的、先进的技术和设备。努力提高原料利用率，提高劳动生产率，降低水、电、汽及其他能量消耗，降低生产成本，使工厂建成后能迅速投产，在短期内到达设计生产能力和产品质量要求，并做到生产稳定、安全、可靠。从本设计的总体来看，菌种选用的是德国进口的发酵效价很高的一种，生产工艺来看是国内用的比较多的一种，其中补料系统和空气处理系统是国内很先进的设备。（3）尽量减少三废排放量，有合理的三废处理措施。本设计完全满足要求。（4）安全生产，以保证人身和设备的安全。（5）生产过程几乎全部采用的机械化，部分系统自动化。能稳产、高产。,孢子培养,3410天,孢子培养,349天,种子培养,3560-70h,种子培养,3435-40h,发酵,31150h,提取与精制,砂土孢子,发酵液,二级培养液,母斜面孢子,子斜面孢子,一级培养液,净化,空气,无菌空气,孢悬液,pH调节液,二级种子配料罐,二级种子罐,发酵罐,发酵液配料罐,发酵液,实罐灭菌,生产阶段工艺流程框图,接种,实罐灭菌,实罐灭菌,提取精制,一级种子罐,水,培养基配料,一级种子配料罐,生产阶段工艺流程示意图,发酵生产过程重点参数确定,一级种子培养:在35左右，罐压0.04MPa左右，通气（1.0vvm）培养60-70h后接入二级种子罐，接种量10%。二级种子培养:在33-35继续通气（1.0vvm）培养35-40h，后期适当补料，完成后以10%接种量接种进行发酵生产。发酵:在31下，pH维持6.7-6.9左右，通气（0.5vvm）发酵150h后放罐，发酵过程中按糖氮代谢的实际情况补料，视代谢情况，后期适当补水，并需添加消沫剂等。,发酵中所用的灭菌方法,工业上常用的方法有：干热灭菌、湿热灭菌、化学药剂灭菌、射线灭菌和介质过滤除菌等几种。在红霉素生产中，对培养基和发酵罐主要采用的是湿热蒸汽灭菌，对空气进行过滤除菌。,培养基与发酵设备的灭菌,灭菌的要求：工业上无菌（灭菌度为1000）。即尽可能的除去杂菌的同时，还要尽可能的减少营养物的损失。常采用的条件为：121，20-30min。（1）间歇灭菌：将配制好的培养基同时放在发酵罐或其他装置中，通入蒸汽将培养基和所用设备一起进行加热灭菌的过程，也称实罐灭菌。（2）连续灭菌（又称连消）：将培养基在发酵罐外通过连续灭菌装置进行加热、保温和冷却而进行灭菌。,连续灭菌与间歇灭菌,由于连续灭菌设备成本高，操作难，易染菌，极易导致发酵失败，通过综合考虑我国的生产现状和设计条件，我们对所有的培养基均选择实罐灭菌。,无菌空气制备过程,基本过程：空气过滤除菌设备一般是把吸气口吸入的空气先进行压缩前过滤，然后进入空气压缩机。从空气压缩机出来的空气(一般压力在0.2MPa以上，温度120160C)，先冷却至适当温度(2025C)除去油和水，再加热至3035C，最后通过总空气过滤器和分过滤器(有的不用分过滤器)除菌，从而获得洁净度、压力、温度和流量都符合工艺要求的灭菌空气。围绕两个目的：一是提高压缩前空气的质量(洁净度)；另一个是去除压缩空气中所带的油和水。,一级冷却器,二级冷却器,旋风分离器,过滤器,加热器,蒸汽过滤器,蒸汽（含锈渣）,进发酵罐,无菌空气,空气净化流程图,丝网过滤器,压缩机,粗过滤器,压缩空气储罐,空气除菌设备,高空取气管：为远离地面几十米的管子，每升高10米，空气中杂菌降低一个数量级。因此从高空取气要比从低空取气有利得多。粗过滤器：拦截空气中较大的灰尘以保护空气压缩机，同时也起到一定的除菌作用，减轻做过滤器的负担。过滤介质：泡沫塑料（平板式）、无纺布式（折叠式）。空气压缩机：克服输送过程中过滤介质的阻力并维持一定的气流速度。作用：提供动力以克服以后各设备的阻力。空气贮罐：消除压缩机排出空气量的脉冲，维持稳定的空气压力。利用重力沉降作用除去部分油雾。紧接空压机安装。有些装有冷却管。,空气除菌设备,冷却器：压缩后的高温空气能引起过滤介质的炭化或燃烧，增大发酵罐的降温负荷，增加培养液水分的蒸发一般用列管式冷却器进行冷却空气冷却器的传热系数为105w/(m2)，采用双程或四程结构。气液分离设备:除去空气中的水和油，以保护过滤介质。旋风分离器利用离心力进行沉降，对于10m以上的微粒分离效率较高。特点：结构简单、阻力小、分离效率高。丝网分离器利用惯性进行拦截，分离效率较高，能除去25m的细小颗粒。去除1m以上的粒子，去除率为98%。空气的加热:进入总过滤器之前要求空气湿度从100%降至70%以下。将除油水后的空气加热（温差在1015C左右），降低相对湿度（达50%60%）后，输入过滤器。用列管换热器或套管加热器。,旋风分离器结构,丝网过滤器结构,空气过滤器,目前发酵工厂采用的空气过滤设备大多数是传统的深层过滤设备，滤层厚度一般为12米，所用的过滤介质一般是棉花、活性炭，也有采用玻璃纤维、焦炭等。对不同的材料，材料的不同规格，材料的填充情况不同，都会得到不同的过滤效果。棉花：需使用未脱脂棉，有弹性，纤维厚度适中，约23cm，纤维直径为1620m，实重度1520kg/m3，填充密度130-150kg/m3，填充率为8.5%10%，也可先将棉花制成直径比过滤器内径稍大的棉垫后，放入器内。,棉药（玻璃棉）活性炭过滤器示意图,二、操作要点分析,过程控制供氧控制pH控制温度控制补料控制发酵液黏度控制染菌原因分析,发酵过程控制,供氧控制是好氧发酵能否成功的重要限制因素之一。影响供氧的因素：搅拌，空气流量，培养液的密度黏度等性质，微生物细胞浓度，消沫剂等。控制水平：发酵罐的通气量一般控制在在0.5-1.0vvm，增大空气流量和加快搅拌转速会提高发酵单位，但必须加强补料的工艺控制，防止菌丝早衰自溶。pH控制pH过高：添加糖、硫酸或无机氮源；pH过低：加入碳酸钙、氢氧化钠、氨或尿素，也可提高通气量。（也可利用自动加入酸或碱）温度控制红色链霉菌对温度比较敏感，31培养，在48h黏度方达到最高峰，但衰老较慢，黏度下降速度减缓，转稀时间推迟。,发酵过程控制,补料控制（1）还原糖控制在1.2I.5%围内,15h起每隔6小时加入葡萄糖液（浓度40%-50%），,直至放罐前1218小时停止加糖。（2）氮源一般每天补三至四次，根据发酵液粘度度的大小决定补入量的多少，放罐前24小时停止补料，采用发酵后期滴加通入氨水。（3）15小时启动补丙醇。（4）豆油为消沫剂，宜少量多次加入，24小时启动补油。（5）发酵过程中除了补全料和水之外，其他的补料方式全部采用自动控制系统，进行自动定时补料。,发酵过程控制,发酵液黏度控制在一定的发酵液黏度范围内，红霉素C的含量与发酵液黏度呈负相关，因此适当提高发酵液黏度能减少红霉素C组分的比例，提高产品质量。发酵液黏度与搅拌功率、氮源补入量及培养温度有关。通过减慢搅拌转速、改变搅拌桨叶型式、降低罐温、增加有机氮源补入量、滴加氨水等措施提高发酵液黏度。但黏度过高会影响溶氧浓度，是发酵单位明显下降，所以必须根据实际情况进行控制。,防止染菌的要点,染菌是抗生素发酵的大敌，影响染菌的因素很多，如表2-3所示，而且带随机性质，要根据具体情况来分析染菌原因，找到解决途径。,三、设计计算及结果分析,物料衡算热量衡算尺寸及壁厚设备计算：发酵罐冷却器搅拌器种子罐二级种子罐一级种子罐无菌空气计算,物料衡算及结果分析,基本参数：已给定发酵液浓度为5000u/mL，产品纯度为98.5%红霉素碱效价1000u/mg提取过程收率取80%大罐的接种量为底料的10%，中罐的接种量为底料的10%补料量为底料培养基的20%每周期生产发酵液量的计算：年工作日：280天生产周期：七天（发酵周期150h，辅助18h）则共有40周期，每周期产量：20400.5t发酵液放罐体积：V0.50.9850.8100050001000123.125m3密度取1t/m3，则M123.125m3,设计思路,发酵罐个数的确定：公称体积：是指罐的圆柱部分和两封头容积之和，并圆整为整数，上封头因无法装液，一般不计入容积。罐的全容积，是指罐的圆柱部分和两封头容积之和。初选100m3的发酵罐，查化工工艺手册知公称容积为100m3的发酵罐，总容积为118m3。则发酵罐个数：123.125（1180.7）1.49，所以取两个100m3的发酵罐,确定发酵罐容积及放罐体积，做单个发酵罐物料衡算,操作方式的确定,本设计选择两台反应器平行操作方式，具体投料方式如图3-2所示，则每个发酵罐放罐体积为61.56m3下图为操作方式示意图,操作方式示意图,单个发酵罐物料衡算理论基础,以单个发酵罐为基准的物料衡算过程：,单个发酵罐物料衡算结果,物料消耗量表,热量衡算及结果分析,热量衡算及结果分析,热量衡算及结果分析,设备计算与选型,表3-1100m3发酵罐的尺寸,发酵罐的计算与选型红霉素发酵属于好氧发酵，设计中选用100m3机械搅拌通风式发酵罐，两台,设备计算与选型,表3-1100m3发酵罐的尺寸,1.发酵罐的尺寸:,2.发酵罐壁厚的计算:,算得S=0.55mm查钢材手册取8mm厚的A3钢。直径3.5m，厚8mm，筒高7m，每米高重711kg，则筒的重量为：7117=4977（kg）。,发酵罐的计算,3.冷却设备计算：（1）冷却面积的计对红霉素发酵，每1m3发酵液、每1h传给冷却器的最大热量约为4.26000kJ/m3h,采用竖式蛇管换热器，取经验值K=4.185（300500）kJ/（m3h）,发酵液温度31，进水温度20，出水温度29,计算得m2（2）最高热负荷下的耗水量W计算：将各值代入上式：W=11.44kg/s冷却水体积流量为1.1410-2m3/s，取冷却水在竖直蛇管中流速为1m/s根据流体力学方程式将值代入上式:S=1.1410-2m2进水总管直径:,发酵罐的计算,（3）冷却管组数和管径：设冷却管总表面积为，管径d，组数为n，则：=n0.785d2根据本罐的情况，取n=6，求管径。有上式得：查金属材料表选择633.5无缝管，d内=56mm，g=5.12kg/m，d内d，认为可以满足要求，d平均60mm。现取竖蛇管圈端部U型弯曲径为250mm，则两直管距离为500mm，两端弯管总长度为L0。L0=D=3.14500=1570mm（4）冷却管总长度L计算：冷却管占有体积：V=0.7850.0632739=2.3m3,发酵罐的计算,（5）每组管长L0和管组高度：另需连接管8m：L实=L+8=747m一圈管长：l=2h+l0=24150+1570=9870mm（6）每组管子圈数n：13现取管间距为2.5D外=2.50.063=0.16m，竖蛇管与管壁的最小距离为0.15m，则计算出蛇管和搅拌器之间的距离不小于200mm。符合要求。（7）校核布置后冷却管的实际传热面积：F实=140.7m2前有F=140.4m2，F实F，可以满足要求。,发酵罐的计算,4.搅拌器设计:机械搅拌通风发酵的搅拌涡旋轮有三中形式，由于红霉素发酵过程有中间补料操作，对混合要求较高，因此选用六弯叶涡轮搅拌器。（1）计算不通气时的搅拌轴功率：P=443.5103W=43.5kW（2）计算通风时的轴功率：Pg=59.85kW（3）电机功率计算P电：采用三角带传动=0.92；滚动轴承=0.99，滑动轴承=0.98；端面密封增加的功率为1%；代入公式数值得：采用额定功率为70kW的电机,种子罐的计算:,一级种子罐的计算：选型同发酵罐，采用机械搅拌通风发酵罐；数量:2个,二级种子罐的计算：选型同发酵罐，采用机械搅拌通风发酵罐；数量:2个,发酵车间设备一览表,非标准设备的选择原则：,1、起储存作用的罐、槽主要考虑材质和容量合适，尽量选择比表面积小的几何形状，但球形容器加工难，所以多采用正方形和直径高度相近的筒形。2、起混合调量灭菌作用的罐、池，为了使混合或沉降效果好，选择高径比常小于等于1。3、起计量作用的设备为使计量结果尽量准确，通常高径比或高宽比都选的比较大，如H/D=34，这样，当变化相同容量时在高度上的变化比较灵敏。要配置可靠的液位显示仪表。,无菌空气的计算及空压机选型,通入无菌空气的温度保持在4050，总空压0.155MPa，发酵罐中空气流速选择0.5vvm，两级种子罐空气流速都取1.0vvmvvm:单位时间单位体积培养基中通入标况下的空气的体积。发酵罐中培养基体积为61.56m3，发酵时间是150h。空气用量V大=空气流速培养基体积发酵时间=0.561.56150=4617m3中罐培养基的体积是5.04m3，培养时间是35h。V中=1.05.0435=176.4m3小罐培养基的体积是0.504m3，培养时间是60h。V小=1.00.50460=30.24m3,无菌空气的计算,总量：V总=4617+176.4+30.24=4823.64m3换算成常压下的量,在相同温度下P1V1=P2V2其中P1=0.155MPaV1=4823.64m3P2（101325Pa）为标准大气压。计算得出V2=P1V1/P2=7.379103m3小、中、大罐中无菌空气的量,表小、中、大罐中无菌空气的量,空压机选型,空气压缩机台数的确定:全车间有2个发酵罐，每台装液61.56m3；有2台二级种子罐，共装液5.04m3；2台一级种子罐，共装液0.504m3设有6台设备同时需通风，平均通风比按0.5vvm计算。则工作状态的最大Vmax=（61.562+5.04+0.504）0.5=64.33（m3/min）。换算成20，0.1MPa时的体积：Vmax=95.78m3/min考虑到余量再乘1.1倍，则需风量为Vmax=95.781.1=105.37m3/min空气压缩机选用单吸涡轮空压机DA350-41，其公称供气量350m3/min，出口压强0.4MPa（绝对）。台数为1台。同时空气储罐的体积也可以确定：V=（0.10.2）Vc=98.9197.8m3Vc压缩机的排气量m3/min,四、制图部分,带控制点的工艺流程图车间平面布置图本车间工艺过程包括配料消毒、种子制备、发酵，故车间由种子制备区、配料区、发酵区、辅助区及人净更衣区组成。车间长52.8米，宽19米，为一字型三层厂房，一层层高4米，二层层高5米，三层层高6米。,五、设计问题总结与评价,污染控制废气处理设计亮点及不足,污染源控制（1）大气污染控制（2）人的污染源控制（3）物料的污染源控制（4）空调系统污染控制（5）生产过程中的污染控制散播过程控制尘粒和微生物在其散发，传播过程中都有可能对其他物品造成污染。其污染主要包括：流动污染和表面污染。控制方法主要考虑：控制尘粒和微生物的扩散降低尘粒和微生物的浓度,由于染菌问题后果严重，必须注重污染控制,废气处理和利用,发酵生产过程中要排放大量的废气、废渣、废水，如果不认证治理，将给生态环境造成很大的压力。对于生产过程中产生的废气、废水、废渣，能回收利用的要尽量回收，不能回收利用的要经过必要处理后达到国家排放标准再排放。