本科毕业论文-年产10吨透明质酸生产车间的初步工艺设计

理工学院毕业设计（论文）学生姓名学号专业生物工程题目年产10吨透明质酸生产车间的初步工艺设计指导教师评阅教师2013年05月毕业设计说明书中文摘要本设计为以高产菌为出发菌株年产10吨透明质酸生产车间的初步设计。主要涉及到的工艺流程分为一级发酵、一次沉淀、溶解、过滤、二次沉淀、脱水、干燥等。生产菌株采用目前最高产的兽疫链球菌发酵。发酵时采用兽疫链球菌进行一级好氧发酵，发酵液用乙醇进行沉淀，去离子水进行溶解，丙酮进行脱水,电加热进行干燥。设计包括物料衡算，设备计算和选型，水、电、汽的估算，工艺流程的设计、主要生产车间（发酵和提取）的设计、车间设备平面布置的设计等内容。设备计算与选型是根据产量通过计算来确定设备的型号和尺寸。车间布置是对生产设备和其它设施进行合理布置并确定车间的大小。关键词透明质酸发酵提取物料衡算设备计算和选型车间布置毕业设计说明书外文摘要TITLEANANNUALOUTPUTOF10TONSOFHYALURONICACIDPRODUCTIONPLANTPRELIMINARYDESIGNABSTRACTTHISISDESIGNEDTOHIGHYIELDINGSTRAINSOFBACTERIAASASTARTINGANNUALOUTPUTOF10TONSOFHYALURONICACIDPRODUCTIONPLANTPRELIMINARYDESIGNMAINLYRELATEDTOPROCESSDIVIDEDINTOAFERMENTATION,APRECIPITATE,DISSOLVING,FILTERING,SECONDARYSEDIMENTATION,DEHYDRATION,DRYINGPRODUCINGSTRAINSCURRENTLYUSEDMOSTPRODUCTIVEFERMENTATIONOFSTREPTOCOCCUSFERMENTATIONUSINGSTREPTOCOCCUSCONDUCTANAEROBICFERMENTATION,FERMENTATIONBROTHBYPRECIPITATIONWITHETHANOL,DISSOLVEDINDEIONIZEDWATER,DEHYDRATEDINACETONE,HEATEDANDDRIEDTHEDESIGNPROCESSINCLUDINGTECHNOLOGYOFOXYTETRACYCLINEPRODUCTION,MAINPRODUCTIONWORKSHOPSFERMENTATIONANDEXTRACTION,THEGROUNDPLANOFWORKSHOPANDEQUIPMENTLAYOUTDESIGN,MATERIALACCOUNTING,CALCULATIONANDSELECTIONOFEQUIPMENT,WATER,ELECTRICITY,STEAM,SUCHESTIMATESOFTHECONTENTEQUIPMENTMODELSISTODETERMINETHETYPEANDSIZEOFEQUIPMENTBYCALCULATINGTHEVOLUMEOFMATERIALSWORKSHOPSETISTOREASONABLYFURNISHTHEPRODUCTIONEQUIPMENTANDOTHERFACILITIESANDTODETERMINEAREASONABLESIZEWORKSHOPKEYWORDSHYALURONICACIDFERMENTATIONEXTRACTIONCALCULATIONANDSELECTIONOFEQUIPMENTPLANTLAYOUT1引言111透明质酸的简介1111透明质酸的结构112透明质酸的合成原理及生产方法1121透明质酸的合成原理3122透明质酸的生产方法313透明质酸的工艺研究进展531菌种选育的研究514透明质酸的市场前景62设计的内容和依据821设计题目822设计依据823设计内容9231编写设计说明书9232设计图纸93厂址选择1031地区选择1032厂址选择的原则1033厂址论证12331自然资源12332经济概况134透明质酸的工艺1541透明质酸的发酵机制1542透明质酸的产物积累机制1543透明质酸的生产工艺16431发酵过程中溶解氧DO的控制16432发酵过程中PH的控制16433产物的分离纯化1744总结195物料衡算2051发酵罐2052种子罐2153原材料消耗计算2154提取工段22541第一次沉淀22542离心22544过滤23545二次沉淀23546离心2355发酵设备的的主要参数表2456物料衡算图解246热量衡算2561热量25611发酵罐的换热装置25612生物热2562预处理26621发酵罐灭菌需要的热量26622种子罐灭菌需要的热量27623汇总277设备的计算与选型2871发酵阶段28711发酵罐28712种子罐31713发酵罐配料罐32714种子罐配料罐34715发酵罐配料罐发酵罐35716种子罐配料罐种子罐35717冷却设备3672空气过滤器36721总过滤器36722分过滤器3773提取阶段37731沉淀罐37741溶解工段387411离心机387412溶解罐38742过滤工段39743二次沉淀罐39744脱水工段408三废处理4181废水处理4182废渣的处理4183废气的处理419对非工艺设计的要求4191建筑方面4192采光方面4293室温及洁净度4210车间布置设计42101概述421011车间布置设计依据421012生产车间组成421013车间布置设计内容43102车间布置设计的原则431021生产工艺的要求431022生产操作的要求441024安全、卫生和防腐蚀的要求4411车间编制45111发酵段45112提取段45113行政人员45114技术人员4512车间组成45121发酵区45122提取区46123防燃防爆区4613厂区平面布置说明46131厂区布置原则46132具体设计47总结48致谢49参考文献501引言D葡萄糖醛酸及N乙酰葡糖胺组成的双糖单位玻尿酸（HYALURONAN），又称糖醛酸、透明质酸，基本结构是由两个双糖单位D葡萄糖醛酸及N乙酰葡糖胺组成的大型多糖类。与其它粘多糖不同，它不含硫。它的透明质分子能携带500倍以上的水分，为目前所公认的最佳保湿成分，目前广泛的应用在保养品跟化妆品中。11透明质酸的简介111透明质酸的结构分子式C28H44N2O23分子量7766486透明质酸是一种酸性粘多糖，1934年美国哥伦比亚大学眼科教授MEYER等首先从牛眼玻璃体中分离出该物质。透明质酸以其独特的分子结构和理化性质在机体内显示出多种重要的生理功能，如润滑关节，调节血管壁的通透性，调节蛋白质，水电解质扩散及运转，促进创伤愈合等。尤为重要的是，透明质酸具有特殊的保水作用，是目前发现的自然界中保湿性最好的物质，被称为理想的天然保湿因子（NATURALMOISTURIZINGFACTOR，NMF，例如2的纯透明质酸水溶液能牢固地保持98水分。透明质酸是一种多功能基质，透明质酸（玻尿酸）HA广泛分布于人体各部位。其中皮肤也含有大量的透明质酸。人类皮肤成熟和老化过程也随着透明质酸的含量和新陈代谢而变化，它可以改善皮肤营养代谢，使皮肤柔嫩、光滑、去皱、增加弹性、防止衰老，在保湿的同时又是良好的透皮吸收促进剂。与其他营养成分配合使用，可以起到促进营养吸收的更理想效果。明质酸另一名称为玻尿酸，玻尿酸为错误译名，RESTIAIDHYALURONICACID的HYAL意思是像玻璃一样的、光亮透明的，而URONICACID指的是糖醛酸，玻尿酸与尿酸没有任何关系。12透明质酸的合成原理及生产方法随着人们年龄的增长及营养、日照、环境等因素的影响，人体合成透明质酸（玻尿酸）HA的能力逐渐下降，皮肤中透明质酸（玻尿酸）HA的含量会逐渐降低，人在胚胎时期体内透明质酸（玻尿酸）HA含量最高，出生后逐渐减少。如果把20岁的人体内的透明质酸（玻尿酸）HA相对含量定位100，则30、50、60岁时分别下降为65、45、25。当皮肤中的透明质酸（玻尿酸）HA含量低于某一水平时，皮肤表层的含水量会逐渐降低，造成角质层老化，皮肤就显得粗糙，出现皱纹，失去弹性，显得衰老，这一现象一般出现在25岁以后。这也是中老年人与少年儿童皮肤差距的主要原因之一。同时人体皮肤中透明质酸（玻尿酸）HA的破坏与紫外线有关，所以长期从事野外作业、高原生活、户外作业的人员较室内工作人员的皮肤显得粗糙。人体双盲临床试验证明口服4小时后，血液中玻尿酸含量开始显著增高，12小时达到峰值，比对照组高出70倍。连服7天后即可达到稳定的浓度。百体专家介绍，透明质酸的主要功能有如下三点1、改善关节功能2、天然的保湿润滑剂3、防止动脉硬化、脉搏紊乱和脑萎缩等病症的发生。透明质酸本身带有负电荷，在动物体存在于大部分的软结缔组织中。它的水溶液为粘弹性流体，填充在细胞与胶原纤维空间之中且覆盖在某些表皮组织上。在动物体，其主要功能乃保护及润滑细胞，调节细胞在此粘弹性基质上的移动，稳定胶原网状结构及保护它免于受到机械性的破坏。因为透明质酸为天然性润滑以及吸震高分子，在肌腱、肌腱鞘及粘滑膜表面作为润滑剂。透明质酸（玻尿酸）HA广泛分布于人体的结缔组织中，在牛眼玻璃体、关节腔中几乎以纯态形式存在。存在于皮肤中的透明质酸（玻尿酸）HA，对人体表皮的新陈代谢起到重要的作用。人体中透明质酸（玻尿酸）HA的破坏或失调，均可造成疾病。皮肤中透明质酸（玻尿酸）HA含量的减少及破坏，可造成皮肤失水中，起皱而失去弹性，使人表皮衰老，因而，透明质酸（玻尿酸）HA又被称为抗衰老因子。透明质酸（玻尿酸）HA是人皮肤表皮及真皮的主要基质成分之一，其生理功能是能使水分进入细胞间隙，并与蛋白质结合而形成蛋白凝胶，将细胞粘在一起，发挥正常的细胞代谢作用，起到保持细胞水分，保护细胞不受病原菌的侵害，加快恢复皮肤组织，提高创口愈合再生能力，减少疤痕，增强免疫力等作用。同时，透明质酸是增殖细胞和迁移细胞胞外基质的主要成分，尤其在胚胎组织中是如此。因为透明质酸的自身的特性，能使细胞保持彼此分离，使细胞易于运动迁移和增殖并阻止细胞分化。在发育过程中，透明质酸的作用似乎是防止细胞在增殖够数或迁移到位之前过早进行分化。在医药方面，透明质酸（玻尿酸）HA用于非甾体消炎药，关节炎治疗，眼科，心外科手术的辅助药品，在治疗烫伤、烧伤、冻伤、人造皮肤等方面，有着独到的作用121透明质酸的合成原理HA是由相同的二糖单体重复排列而形成的无支链的直链多聚物,其中每个二糖单体由一个N乙酰氨基葡萄糖GLCNAC以1,3糖苷键与葡萄糖醛酸GICA交替连接而成,二糖单位间以1,4糖苷键连接。透明质酸的相对分子量约为106107分子中含有20010000个双糖。由于直链链轴上单糖之间氢键的作用,HA分子在空间呈刚性的螺旋柱型,其半径为200NM,柱内侧因有大量羟基而产生强亲水性。在溶液中HA结合的水分可达其本身重量的1000倍,且这些水在螺旋柱内固定不动,不易流失。HA水溶液是一种非牛顿型流体,有着良好的粘弹性和应变性。一般来说,溶液浓度和分子量的增加会使溶液粘度增加。低浓度的HA溶液主要表现为粘性,而高浓度溶液则主要显示其弹性。122透明质酸的生产方法一动物组织提取法制备透明质酸的常用原料有鸡冠、脐带、眼玻璃体、猪皮等，主要工艺过程包括提取、除杂和分级分离。从动物组织中提取透明质酸的一般过程如下先将组织匀浆，再用水和稀盐溶液提取；提取用氯代十六烷基吡啶或十六烷基三甲基溴化铵沉淀；将所得的沉淀溶解除渣后，用23倍乙醇沉淀所得粗品。纯化可用乙醇或季铵盐进行反复沉淀处理，或采用酶解、超滤、离子交换等技术进一步除杂质及蛋白质。不同组织透明质酸的提取纯化过程有一定的差别。鸡冠中脂肪成分少，透明质酸含量高，容易绞碎，经丙酮脱脂后可直接用蒸馏水反复提3次或4050热提，透明质酸含量高达047。脐带脂肪含量较鸡冠高，可用稀碱溶液PH86O热提数次，或用水一氯仿溶液201提取并用等体积氯仿洗涤提取液进一步脱脂，脐带透明质酸产量约为02。眼玻璃体透明质酸的提取多用NACI溶液011M，收率为06424。猪皮中含脂肪较多，且韧性很大，不易绞碎，一般用NAOH溶液37保温使猪皮液化后用50的乙醇调中性，猪皮透明质酸得率为07。动物组织提取法是当今生产透明质酸最主要的方法，但存在浓度不高、效率低、成本高、原料来源受限制等缺点。随着透明质酸应用范围的不断扩大，该方法已不能满足医药和化妆品生产的需求，必将逐渐被发酵法所取代。二微生物发酵法利用微生物发酵生成透明质酸的含量和数量主要取决于三个方面一是菌种的筛选；二是培养基的选配及发酵工艺的优化；三是分离提纯。生物发酵法具有产品不受原料资源限制、生产成本低、工艺简单等特点，是今后研究开发的方向。1菌种的筛选。目前所用的菌种主要有兽疫链球菌、马疫链球菌和类马疫链球菌等2J。为使透明质酸不被酶所分解，提高透明质酸的产量，可在发酵培养基中添加透明质酸酶抑制剂，实际生产中更常用的方法是对原始菌种进行一定的诱变处理，以得到适应性强、生命力旺盛、透明质酸产量高的安全菌株，NTGN一甲基一N一硝基一N一亚硝基胍是较有效的化学诱变剂。2培养基的选配及发酵工艺的优化。目前所用培养基氮源为各种肉浸膏、蛋白胨、氨基酸、酵母膏、大豆蛋白水解液、尿素、无机盐等，其中酵母浸膏最常用。碳源主要是各种单糖、蔗糖和淀粉水解物，最常用的是葡萄糖，还有磷酸盐、硫酸盐等无机盐。此外，为了获得高分子量的透明质酸，培养基中不能含有促使透明质酸降解的金属离子，如铁离子、铜离子，也不能加入自由基消除剂。透明质酸发酵有需氧发酵和厌氧发酵，有氧发酵一般产率高且分子量高。在透明质酸发酵过程中，PH值一般控制在6085范围内，低于60或高于85都会影响菌体生长，降低产率。温度通常为37C，在不同发酵阶段采用不同的溶氧量，也可提高透明质酸的产率。此外，发酵液黏度可直观反映出透明质酸产率的高低，透明质酸的假塑性在高剪切速率作用下使溶液黏度下降，减轻传质的影响，高搅拌速率能显著提高透明质酸的分子量，但过高的速度会降低透明质酸的分子量，通常控制在100800RMIN之间。发酵液中加人少量尿嘧啶、谷氨酰胺和天冬氨酸，或加入溶菌酶，也能提高透明质酸产量。3透明质酸的分离纯化。分离纯化的主要目的是获得纯度较高的透明质酸，目前国内外一般以葡萄糖醛酸含量表示透明质酸的纯度，保健品及化妆品中透明质酸的葡萄糖醛酸含量为35一45，药用级别为4248T4J。针对透明质酸发酵液的特性，分离纯化方法很多，在不同阶段分离纯化技术也不尽相同，但总体上可概括为如下流程发酵液一预处理一分离初步纯化一纯化一干燥一成品。1预处理。预处理是在分离纯化前对发酵液进行灭酶、灭菌、除菌的工艺，通过预处理可以杀灭透明质酸酶，减少透明质酸分子量的降低。常用的灭菌剂包括三氯乙酸、氯仿等。三氯乙酸可以溶解细胞上的脂类物质，使细胞破坏，从而起到灭菌和抑制酶活力的作用，氯仿和三氯乙酸的作用类似。除菌的方法也有很多，相对于盐酸法、甲醛法。三氯乙酸除菌法对于透明质酸的产量和质量均有提高，这是由于三氯乙酸的加入使透明质酸与蛋白质的络合有一定的降解陶。过滤除菌法是物理过程，操作简便，效果明显，并且容易在工业化生产中应用，在发酵结束后，将发酵液加人工业乙醇得到透明质酸粗品沉淀，以20GL的浓度溶于去离子水，加入硅藻土，充分搅拌以吸附菌体杂质，在PH4648下过滤，滤液在PH为48时浊度最低，蛋白质在PH46时含量最低。2透明质酸的分离工艺。除去发酵液中的菌体后，需要将透明质酸分离出来，这是一个初步纯化过程。乙醇沉淀是分离各种多糖的一种方法，可以使透明质酸有效脱水、脱色，从而提高透明质酸产品质量。乙醇添加量一般是发酵液体积的2倍旧，如果乙醇添加量足够大，透明质酸浓度低至01也可以完全沉淀。预处理时由于发酵液黏度较高，离心或过滤前往往要对发酵液进行稀释，透明质酸常因稀释浓度低，直接采用乙醇沉淀，但这会消耗大量乙醇，因而浓缩可以减少乙醇用量。膜技术不仅可以用于发酵液的浓缩，将其作为一种主体技术分离、提纯发酵液中的透明质酸也有一定可行性。以膜技术为主体，采用微滤和超滤相结合的工艺，能够实现透明质酸发酵液的分离纯化。3透明质酸的纯化工艺。透明质酸的纯化主要用的是季铵盐纯化方法，氯化十六烷基吡啶CPC是一种季铵盐类阳离子表面活性剂，它能与黏多糖分子中的聚阴离子形成络合物，此络合物在低浓度盐溶液中产生沉淀，而在高浓度的盐溶液中逐渐解离，引起透明质酸与CPC复合物解离所需盐浓度远比其他黏多糖与CPC复合物解离所需盐浓度要低，利用此性质可达到纯化透明质酸的目的。在进入透明质酸纯化阶段后，离子交换法往往被采用，因为离子交换层析分离条件温和，不会引起分子结构的变化，已经成为分离提纯生物大分子的有效方法。13透明质酸的工艺研究进展31菌种选育的研究透明质酸是一种天然的高分子聚合物，在细菌和机体内有着重要的生理功能，早在1937年，KENDELL等就发现链球菌可产生HA。研究表明链球菌属的多种细菌都有荚膜，这种荚膜的主要成分就是HA，能够产生HA的链球菌属多为A群和C群，由于A群致病性强，较少用作菌种，C群致病性较弱，目前多采用此类菌进行生物发酵，现阶段多采用C群的兽疫链球菌、马疫链球菌、类马疫链球菌作为HA的生产菌。而大多数C群菌在产生HA的同时产生溶血素和透明质酸酶，溶血素有溶解红细胞、杀死白细胞和伤害心脏的作用，透明质酸酶则会降解HA，因此，选育出荚膜大，无溶血素和HA酶的菌株则显得尤为关键，目前，应用最多的菌种选育方式为诱变育种和基因工程育种。1诱变育种的研究诱变剂主要包括物理诱变剂和化学诱变剂，现阶段用作HA菌种诱变因子主要有紫外线、亚甲基胍（NTG）、温度、60射线和重离子等。冯建成等采用马疫链球菌SH为出发菌，筛选出无溶血性和透明质酸酶的双缺陷型菌株X103，再以NTG为化学诱变剂对其诱变，最终选育出稳定性好，产高分子量HA的突变菌SH0201，使得HA相对分子量达到206106。邓静等采用复合诱变方式对兽疫链球菌先紫外诱变处理90S，然后微波处理100S，得到的突变菌株较原始菌株产HA由199提高到342。吴明霞等采用恒温、变温进行诱变处理，结果表明变温诱变菌株相对于原菌株HA产量具有显著的提高，产量由原来的199提高到295。叶倩文等采用超声波法和紫外线复合诱变处理得到突变菌株，该菌株的HA产量较原菌株HA产量由原菌株的079提高到141。陈永浩等以马疫链球菌为出发菌株，通过紫外线和60射线辐照诱变，得到一株无溶血性菌株NC1150，并在此基础上继续用60射线辐照诱变得到产量较高的菌株NC168，使HA产量比菌株NC1150相对提高了101。魏甲乾等采用重离子和紫外诱变相结合的方法对兽疫链球菌进行诱变，使突变菌株产透明质酸能力提高了3倍多产率稳定在188230G。2基因工程育种的研究近年来基因工程作为研究生命科学的重要工具，已在生物育种方面得到广泛的应用，基因工程不但可以完全突破物种间的障碍，而且还是一种能根据目的需要事先设计和控制的育种方法，目前在HA工程菌的应用中多采用大肠杆菌、乳酸乳球菌和枯草杆菌。研究表明，HAS操纵子在链球菌中的表达是合成荚膜所必需的，HAS操纵子是由HASA、HASB和HASC三个基因组成，分别编码着HA合成酶、UDP葡萄糖脱氢酶和UDP葡萄糖焦磷酸化酶，只要将HA合成酶基因和UDP葡萄糖脱氢酶基因转入宿主细胞中，在合适的培养和诱导条件下，即可产生HA合成酶和HA。HYUN等利用大肠杆菌作为表达系统，将多沙巴斯德菌的HA合成酶基因和大肠杆菌K5的UDP葡萄糖脱氢酶基因导入到大肠杆菌JM109中得到重组菌，在发酵摇瓶培养条件下HA含量达到05,在发酵罐中采用流加培养，HA产量大致为2038。CHIEN等将兽疫链球菌HA合成酶基因和马疫链球菌UDP葡萄糖脱氢酶基因分别导入到乳酸乳球菌中，得到新的重组菌株，HA产量达到065。PRASAD等将HASA、HASB、HASC分别组合导入到乳酸乳球菌中，重组菌株含有质粒PSJR2（只含有HASA和HASB基因），通过摇瓶培养，HA的产量最高达到0107，重组菌株含有质粒SJR3（含有HASA、HASB和HASC基因），HA产量达到0234，而重组菌株含有所有启动子的质粒（包括HASA、HASB、HASC、HASD、HASE基因）则表现出结构不稳定性。择优采用含有质粒SJR3的菌株进行发酵罐培养，在适宜条件下培养，HA产量达到18。WIDNER等将HASA基因导入到枯草杆菌中，重组的枯草杆菌在适宜的条件下获得的HA分子量达到1110612106，基于枯草杆菌无毒害性和发酵过程中不产生HA酶，目前在工业化生产中常用作工程菌。发酵工艺的研究发酵工艺是影响HA分子量和产量的重要因素，适宜的发酵工艺有利于微生物自身的生长，同时又可以使代谢最大程度地向着HA合成的方向进行，极大地提高了微生物对底物的利用效率。因此，探索出HA较佳的发酵条件具有重大的意义。14透明质酸的市场前景一在化妆品方面的应用透明质酸作用于皮肤表面，大分子透明质酸可在皮肤表面形成一层透气的薄膜，使皮肤光滑湿润，并可阻隔外来细菌、灰尘、紫外线的侵入，保护皮肤免受侵害；小分子透明质酸能渗入真皮，具有轻微扩张毛细血管增加血液循环、改善中间代谢、促进皮肤营养吸收、消皱增加皮肤弹性、延缓皮肤衰老等作用。透明质酸还能促进表皮细胞的增殖和分化、清除氧自由基，可预防和修复皮肤损伤。透明质酸的水溶液具有很高的黏度，可使水相增稠，使油相乳化后的膏体均匀细腻，具有稳定乳化作用。因此，透明质酸已被广泛应用于膏霜、乳液、面膜、洗面奶、洗发、护发、润肤露等化妆品中。二在临床方面的应用透明质酸是构成人体细胞间质、眼玻璃体、关节滑液等结缔组织的主要成分，在体内发挥保水、维持细胞外空间、调节渗透压、润滑、促进细胞修复的重要生理功能。可用作眼科人工晶体植入手术的黏弹剂，骨性关节炎和类风湿性关节炎等关节手术的填充剂，并且在眼科、鼻科、喉科、骨科和普外科等多方面取得了可喜的成绩。三在药物中的应用透明质酸作为媒介在滴眼液中广泛应用，不仅起到了增稠的作用，还可增加药物的生物利用度，并减轻药物对眼的刺激，促进眼部创伤愈合，迅速缓解眼部不适。由于透明质酸钠的黏度比房水高5000倍，所以1透明质酸钠注射剂注入前房后，可加深前房，维持前房一定空间深度，其滑黏性有利于异物取出和人工晶体植入等。另外，透明质酸钠可作为滑润剂润湿眼球表面，防止上皮干燥，常用于治疗干燥性角结膜炎干眼病等。还用于预防术后粘连和促进皮肤伤口的愈合，作为构成细胞外基质和细胞问基质的主要成分。透明质酸与其他药物反应形成的化合物对药物发挥缓释作用，可达到定向和定时释放的目的。四在保健品方面的应用透明质酸已在欧美等发达国家中广泛应用于保健食品中。通过口服透明质酸来增加体内的含量，来补充人体内透明质酸的不足。透明质酸通过消化、吸收，可使人精力充足，富有青春活力；可使皮肤滋润光滑、柔软而富有弹性；可延缓衰老，防止关节炎、动脉硬化、脉搏紊乱和脑萎缩等病症的发生。2设计的内容和依据21设计题目年产10吨透明质酸发酵生产工艺设计22设计依据河北科技大学生物科学与工程学院生物工程系下达的2013届毕业设计任务书。一、发酵阶段设计依据发酵罐1M3或2M3、5M3、10M3发酵单位5GL发酵液发酵周期36H辅助时间8H装料系数070种子罐周期12H发酵过程补料无蒸发损失接种后体积的5种子罐装料系数070种子罐损失以灭菌完成体积为准10接种量以灭菌完成体积为准10透明质酸发酵生产使用的种子和发酵培养基种子培养基葡萄糖2，蛋白胨1，酵母粉1，MGSO47H2O004，K2HPO402，调PH74，115灭菌20MIN。发酵培养基葡萄糖4，蛋白胨1，酵母粉1，MGSO47H2O004，K2HPO402，调PH74，115灭菌20MIN。二、透明质酸提取阶段设计依据发酵液体积1M3或2M3、5M3、10M3乙醇沉淀体积25M3乙醇/T处理液沉淀时间12小时沉淀收率090过滤收率095二次沉淀收率095脱水收率097发酵原液浓度5GL年工作日300天23设计内容透明质酸的发酵、提取231编写设计说明书厂址选择及论证透明质酸的生产工艺生产物料衡算及列表热量平衡计算透明质酸的发酵、提取主要设备选型及计算，并列出一览表232设计图纸厂平面布置图1张工艺流程图1张生产车间设备布置图4张3厂址选择31地区选择厂址选择首先要进行建厂地区的选择。生物发酵工厂建厂地区的选择应当有利于发酵工业的合理布局，有利于地区经济和国民经济的发展，应当考虑合理利用现有的工业基地和交通运输条件，或适应新工业基地和中小城镇建设的需要，考虑生产和技术协作的条件，为原材料供应、产品配套、工艺协作、科学技术协作和信息交流等创造有利条件。32厂址选择的原则厂址选择的总原则是第一厂址选择必须符合工业布局、符合所在地区、城市规划的要求，按照国家有关法律、法规及建设前期工作的规定进行。第二，充分利用各地区的有利条件，避开或克服不利条件；充分利用当地人力、物力、财力和自然资源，保护环境；节约用地，不占用良田及经济效益高的土地，并符合国家现行土地管理、环境保护、水土保持等法规有关规定。尽量远离风景游览区和自然保护区，不污染水源，有利于三废处理，并符合现行环境保护法规规定。第三，使企业接近原料、能源产地和产品消费区，消除不合理运输；总体经济效益好，有利于加快国民经济发展和人民生活水平的提高。具体厂址所在地点的选择，则要从场地的自然条件、技术经济条件及所在行业的特点三方面考虑，依次满足相应条件。1自然条件地理位置选择厂址时应当了解所选厂址的方位及其与城镇的关系，并考虑生物工程工厂生产方式及产品销售细的特点。地形、面积和地势地形应尽可能简单、整齐。以矩形场地为最佳，以利于总平面布置。面积应满足总平面布置的需要。地势要求以基本平坦、略有坡度为佳。以便于场内建筑物的基础施工及车间布置、运输道路的布置及厂区的排水。对平原地区，自然地形坡度不小于05为宜，对于丘陵地区、山区，地势以不大于5为宜。此外，为了防止厂区受淹，厂区应在历年最高洪水线之上。如在山区建厂，还要注意周围塌方、滑坡和泥石流等问题。预选厂址的地形、地势的描述，由地形图上的等高线和坐标网来描述的。地质条件应避开地震断层、泥石流、滑坡、流沙、溶洞、沼泽等危害地段，以及具有开采价值的矿藏区、采空区，以及古井、古墓、坑穴密集的地区。场地地基承载力一般应不低于120150KN/M2。如在寒冷地区建厂还要注意冻土层情况。应尽可能不在地震7度以上地区建厂为宜，在九度地区不应建厂。气象条件气象条件包括风向、风量、雨量和气温等，要考虑高温、高湿、云雾、风沙和雷击地区对生产的不良影响，这些有关影响空气质量的因素，对生物工程企业尤为重要。因此要搜集十年以上的历史资料，对雨量和气温还应有最高、最低和平均数据。还要考虑冰冻线对建筑物基础和地下管线敷设的影响。水文条件建厂地区的水资源状况（水质、水量、水价）直接会影响工厂建成后的生产和生活。水资源状况包括地下水（深水井）、泉水（有压力）；地表水（江河、水库）、城市自来水的水源状况；了解相当的蓄水量，水量供水量、水价以及有关供应协议，取水点、水质情况（分析报告）等。生物工程生产耗水量大，为减少水的输送成本，企业尽量靠近水资源丰富的水源地。环境卫生条件生物工程产品中不少是医药产品或食品，所以对工厂周围的环境有严格要求。建厂地区周围的环境卫生条件是生物工程生产厂所应首先考虑的问题，尤其是生物制药的企业，CMP规定了不同类型药品生产所需环境的空气洁净度的要求，周围的环境卫生会直接影响洁净车间的净化效率、建厂投资和运行成本。因此，生物生产企业厂址应设在周围自然环境较清洁、大气含尘、含菌浓度低、无有毒有害气体污染、绿化较好的地形、地貌有利于生产、节能的区域。尽量远离多风沙、多粉尘、多烟雾及有害气体的区域，机场、铁路、码头、交通要道等。如无法避免这些地区则一定要位于污染源和全年主导风向的上风侧，且有足够的防护距离。此外，还应建在居民区的下风侧。技术经济条件原料、辅料等供应条件在生物工程产品的生产过程中，原料消耗非常多，特别是粮食、燃料及一些化工原料。因此，厂址宜靠近原料、燃料基地、包装材料的供应地、或产品主要销售地。动力供应条件厂址应具有满足生产、生活及发展规划所必需的水源和电源，并靠近水源、电源。建厂地区如有热电站可供应蒸汽，则可减少建造锅炉及供电的投资。并有利于生物工程工厂的环境卫生。交通运输条件生物工程工厂生产原料、辅料消耗量大，生产废料数量较多，因此，生物工程工厂的运输任务也较重。选择厂址，必须以交通运输方便为原则。根据工厂运货量、物料性质、外部运输条件、运输距离等因素，合理确定运输方式（铁路、公路、水运、空运）。除了铁路和公路运输外，在有条件应优先考虑水运，以降低运输成本。其他协作条件在选厂址时，要注意周围的协作条件，宜靠近现有城市，以有利于同邻近的工业企业和城镇，在生产、交通运输、动力公用、修理、综合利用和医疗、文化、商业设施等方面的协作与共享。因此，生物工程工厂的厂址选择，涉及面广，必须综合考虑、慎重对待，要按经济规律办事，以有利于建设事业。33厂址论证该厂址选在河北省秦皇岛市卢龙县。卢龙县地处河北省东北部，位于东经11846至1卢龙县1908、北纬3942至4008之间。东距滨海城市秦皇岛80公里，西距新兴城市唐山89公里，周边与抚宁、昌黎、滦县、迁安、青龙五县为邻。331自然资源卢龙县属暖温带大陆性季风气候区，四季分明。年平均气温107，降水725MM，雨量充沛，全县耕地面积64万亩，草场4万亩，林地面积44万亩，森林覆盖率315。卢龙县有丰富的矿产资源。已初步探明金属和非金属矿产34种，矿产产地137处，以砂石为主。建筑砂储量34亿吨，碳酸钙含量80以上的石灰石储量12亿吨，花岗岩储量30万立方米，白云石、硅石、重晶石等储量也很丰富。铁、金、油母页岩等也有一定储量。主要矿产资源具有很好的开发条件。卢龙县果树栽培历史悠久，全县果树面积13万亩，其中干果3万亩。果品产量7200多万吨，以“石门核桃”最为有名。板栗、李子、红杏等也很有名。卢龙县水资源丰富。境内有洋河、饮马河等六条主要河流，建国以来，全县经过几代人的努力，修建了被誉为“群星落地”的121座小水库，开挖了被誉为“银河下凡”的686公里长的引清大渠，使全县一半以上的耕地成为水浇地。332经济概况到1998年底，全县国内生产总值达到268亿元，其中一、二、三次产业增加值分别为98亿元、87亿元、82亿元，第三产业增加值占国内生产总值的307；社会商品零售额达到57091万元；县财政收入实现8519万元，其中地方性财政收入6397万元。卢龙县是传统的农业县，甘薯、酒葡萄、畜牧养殖被列为全县农业产业化三条主线。卢龙县工业门类较为齐全，现已初步形成符合当地特色的生产体系。全县县办工业52家，有化工、机械、水泥、陶瓷等4个工业门类。主要产品350多种，全县有乡镇企业1万多家，从业近5万人，1998年总产值24亿元。卢龙县工业发展较快。工业门类比较齐全，现已初步形成符合当地特点的生产体系。全县县办工业52家，有煤炭、化工、机械、纺织、水泥等22个工门类。主要产品有350多种，有31种达到省级以上标准。DL乳酸、钢丝锁、柠檬酸钠、手把壶、油石等20多种产品打入国际市场。工业企业尤以石、水泥、陶瓷等产品为主的建材业发展较快。县域南部石门地区有武山水总公司、陶瓷总公司、武山石矿等7个规模较大的建材企业，已经构成了建材工业基地的雏形。目前，全县乡镇企业中农用汽车系列、璃纤维制品系列填补了省内空白，汽车内装饰板、柠檬酸钠、电教器材等填了国内空白。卢龙县农业已形成稳固的基础，多年来农业生产持续稳定增长，发展创汇农具有广阔的前景。农业生产条件好。过近几年大规模的配套建设，主分干渠灌溉网遍布全县，1992年实现了全县水利化。农产品丰富多样，农物有甘薯、玉米、小麦、水稻、花生、大豆等。甘薯是主栽作物，卢龙素有“薯县”、“粉乡”之称，是华北甘薯主产区之一，甘薯种植面积近30万亩，年产鲜薯55亿公斤以上。以甘薯为原料搞多层次加工已形成规模。化工产品有乳酸、柠檬酸钠，出口日本、德国、荷兰等国。正在研制开发的有L型乳、柠檬酸、总溶剂、酒精、医药、植物胶、变性淀粉、饴糖、蛋苕酥等化工品和食品；加工的食品有淀粉、粉条、粉丝、粉皮、罐头、薯脯、薯酱、冷、薯叶柄、薯枣、膨化薯片等。全县7家汤粉厂年生产能力15万吨，产品大部分出口。从长远看，薯类产品原料丰富，逐步由传统加工向深层次、综合开发发展。卢龙发展干鲜果品加工业有充足的原料，尤其是卢龙的“石门核桃”以个大、皮薄、香甜、含油量高而驰名中外。卢龙素有养猪的传习惯，牛、羊、鸡、鸭、鹅等畜发展较快，几年前卢龙已被确认为全国奶山羊、商品牛基地县。卢龙县交通、邮电、电力等基础设施建设为吸引外商提供了良好条件。京山、京秦、大秦三条铁路横贯东西，五个火车站均匀分布；公路四通八达，京山、京秦、三抚干线公路环绕四周，乡级公路1992年全部实现油路化。电话与秦皇岛市并网，可以与国内外直拨通话。供电条件较好。其它方面的基础套设施也比较齐全。综上考虑，该地区是建厂的极好选择。以上自然条件及技术经济条件等方面，均满足透明质酸工厂的选址要求。4透明质酸的工艺41透明质酸的发酵机制一般采用的菌种为兽疫链球菌（STREPTOCOCCUSZOOEPIDEMICUS），该菌在用于生产时有多种变异版本，如兽疫链球菌NW162，兽疫链球菌ATCC39920等。链球菌属的多种细菌具有荚膜（如兽疫链球菌），这种荚膜的主要成分就是透明质酸。发酵法生产透明质酸就是利用兽疫链球菌在生长繁殖过程中，向胞外分泌以HA为主要成分的荚膜，再处理发酵液（分离纯化）而得到高纯度的优质的透明质酸。HA在细胞内的合成是一个复杂的过程,有多种酶的参与,包括己糖激酶、葡萄糖磷酸变位酶、尿苷二磷酸UDP2葡萄糖焦磷酸化酶、UDP2葡萄糖脱氢酶、磷酸葡萄糖异构酶、氨基转移酶、乙酰基转移酶、变位酶和UDP2N2乙酰氨基葡糖焦磷酸化酶等。其中HAS是HA合成途径中的关键酶。HA在细胞内的合成是一个复杂的过程,有多种酶的参与,包括己糖激酶、葡萄糖磷酸变位酶、尿苷二磷酸UDP2葡萄糖焦磷酸化酶、UDP2葡萄糖脱氢酶、磷酸葡萄糖异构酶、氨基转移酶、乙酰基转移酶、变位酶和UDP2N乙酰氨基葡糖焦磷酸化酶等。其中HAS是HA合成途径中的关键酶。合成HA的过程中,糖链还原端的最后一个单糖残基携带UDP基团,并结合在这种底物单糖的HA2单糖2UDP结合部位上在相应的糖基转移酶催化位点上,底物结合位点上的UDP2单糖以共价键形式与糖链末端单糖连接,并将原糖链还原端的UDP基团释放。还原端UDP2单糖残基已经改变的糖链进行移位,运动到另外一个HA2单糖2UDP供给部位然后另一个UDP2底物结合部位和相应的UDP2单糖转移酶催化位点发挥活性,连入新UDP2单糖,糖链再变换HA2单糖2UDP供给部位依次循环,不断地将UDP2GLCNAC和UDP2GLCUA连入糖链的还原端,延长糖链。每合成二糖单位1MOL,消耗腺苷三磷酸ATP5MOL、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸NADH2MOL和乙酰辅酶A1MOL。在游离糖链还原端不断延长的同时,糖链被挤压到细胞膜外侧,HA糖链合成到一定长度,还原端与HAS分离,分泌到胞外或细菌荚膜中。42透明质酸的产物积累机制发酵过程中溶解氧控制在30饱和度左右时,代谢副产物积累量较少,有利细胞生长和代谢产物HA的积累,而且也最为经济。有氧发酵的葡萄糖能量代谢可产生更多的ATP，有利于UTP生成，而UTP是生成透明质酸的两个活化前体物，即UDP葡糖醛酸和UDPN乙酰氨基葡糖所必需的物质。因此从代谢调控的角度来说，有氧发酵有利于透明质酸的合成。在HA高密度发酵过程中030H调PH72,发酵后期调PH68。通过采用不同发酵阶段调节PH值,前中期有利于菌种的生长繁殖,后期有利于目的产物的积累（在游离糖链还原端不断延长的同时,糖链被挤压到细胞膜外侧,HA糖链合成到一定长度,还原端与HAS分离,分泌到胞外或细菌荚中），并且减少代谢副产物产生。43透明质酸的生产工艺透明质酸发酵液提取生产工艺流程发酵液乙醇沉淀沉淀物溶解过滤二次沉淀脱水真空冷冻干燥成品431发酵过程中溶解氧DO的控制发酵液中溶氧低于临界溶氧30时,无氧呼吸造成发酵液中乙酸、乙醇含量增高,PH值降低,抑制细胞生长和产物表达当溶氧高于临界溶氧30时,细胞的耗氧速度基本保持不变,但增加生产成本。所以DO控制在30饱和度时,有利于细胞生长和HA的积累。432发酵过程中PH的控制由于菌体在生长过程中产酸使PH迅速下降,改变菌体的生存环境,使细胞生物量增长迅速下降。如果在适当的时间调整PH,使其利于菌体的繁殖,那么就可能延长对数生长期,提高HA产量。当培养基起始值为72时,菌体生长最好,故最适PH值为72,而积累最适PH值为68。所以在发酵条件基本不变情况下,在发酵前期410HPH72,有利于菌体繁殖。当菌体培养到1030H的发酵中期,菌体增加速率下降,生物量转入正常代谢,耗糖速率加快,HA生成迅速增加,耗氧速率加快,如果PH过低,抑制菌体生长,糖代谢缓慢,发酵时间延长,所以调PH72。在发酵产酸期,菌体完成由增殖型向生产型转化,随着时间的延长,糖已耗尽,产酸增加,PH维持68,恒温培养36H,有利于大量积累HA,降低乙酸等有害物质的积累。433产物的分离纯化总体上分离纯化工艺过程可以概括为如下流程发酵液一预处理一分离初步纯化一纯化一干燥一成品。（1）预处理预处理是在分离纯化前对发酵液进行灭酶、灭菌、除菌的工艺。对于一些非透明质酸酶缺陷型菌株发酵所得的发酵液，通过预处理可以杀灭透明质酸酶，减少HA分子量的降低。杀灭发酵液中的菌体通常加入杀菌剂，常用的杀菌剂包括三氯乙酸、氯仿等。三氯乙酸可以溶解细胞上的脂类物质，使细胞破坏，从而起到灭菌和抑制酶活力的作用。氯仿和三氯乙酸的作用类似，能够使HA逐渐从细胞膜上脱落，使蛋白质变性沉淀，并能渗入细胞膜，除去细菌内毒素等致炎物质，使HA产品安全性提高。而采用加热进行灭菌，灭菌温度一般为7580。采用过滤法除去菌体，使用硅藻土作吸附剂时的滤液浊度和终滤液HA收率优于活性炭。在HA发酵结束后，发酵液经灭菌，再将发酵液加入工业乙醇得到HA粗品沉淀，以与发酵液体积同等的体积溶于去离子水，加入硅藻土，充分搅拌以吸附菌体杂质，在PH值4648的条件下过滤，滤液在PH值为48时浊度最小，在PH值为46时蛋白含量最低，蛋白含量和浊度变化趋势随PH值改变基本一致。过滤法除菌体是物理过程，操作简便，效果明显，并且容易在工业化生产中应用。（2）乙醇分离除去发酵液中的菌体后，需要将HA分离出来，这是一个初步纯化的过程。乙醇沉淀是分离各种多糖常用的一种方法，可以使HA有效脱水、脱色，从而提高HA产品品质。为了使HA完全沉淀，溶液中应有足够的离子强度，加入浓度为L左右的NACL或NAAC以达到适宜的离子强度。乙醇添加量一般为发酵液体积的3倍。如果乙醇添加量足够大，HA浓度低至01也可沉淀完全。HA溶液具有较高的黏度，乙醇沉淀时如果HA浓度过高，沉淀趋向于糖浆状而难以分离；如果浓度过低，所需乙醇量偏大，不利于降低成本。预处理时由于发酵液黏度较高，离心或过滤前往往要对发酵液进行稀释，HA常因稀释而浓度较低，直接采用乙醇沉淀会消耗大量乙醇，而浓缩可以减少乙醇用量。膜技术不仅可以用于发酵液的浓缩，将其作为一种主体技术分离、提纯发酵液中的HA也有一定可行性。采用PVDF材质的膜，对HA发酵液进行错流微滤和超滤，HA浓度在一定的范围内微滤12GL，超滤15GL，膜工艺可稳定地运行。（3）过滤分离过滤法纯化易于实现工业化，能有效滤除菌体和蛋白质，对分子量影响相对要小。采用过滤法纯化HA的工艺方法一将HA粗品以20GL的浓度溶于水中，加入硅藻土作为吸附剂，调节溶液PH值至4648，在HA粗品溶液中加入10GL粗硅藻土和33GL细硅藻土为助滤剂，用粗硅藻土和细硅藻土预涂层过滤，然后用板框过滤机过滤，经过超滤后，将滤液用乙醇沉淀并干燥，得到葡糖醛酸含量达442的HA。方法二将发酵液经过前处理后，以发酵液质量12的混合硅藻土粗细硅藻土比为151作为过滤助剂，过滤温度为60，PH值为70，再配以酒精沉淀、气浮、酒精造粒的后处理工艺，得到的成品透明质酸中葡萄糖醛酸含量达4639，蛋白质含量仅为0047，相对分子质量为19106DA。从发酵液中分离纯化HA往往是由多种分离纯化方法联合完成的，单一的分离纯化方法并不能达到很高的纯化程度，并且每种分离纯化方法也都存在一定的局限性。利用氯仿除菌体的方法，菌体沉淀中夹带较多的HA。HA的回收率低，并且氯仿具有中等毒性，对环境不好。在乙醇分离法中，乙醇用量是HA溶液体积的25倍，当用于大规模生产时处理量非常大，进行乙醇分离的车间及设备要采取防爆措施，这势必增加了操作的危险性和生产成本，因此尚需找到一个替代或减少乙醇用量的更好的方法。44总结透明质酸的纯度和分子量的高低决定了HA产品国际市场中的竞争力，下游分离纯化工艺是获得高纯度、高分子量HA的关键环节。从发酵液中分离纯化制得高纯度、高分子量的HA，必须充分考虑工艺条件对HA分子量的影响，根据发酵液的特性和分离纯化方法的特点找到合适的分离纯化工艺路线。发酵液中HA分离纯化工艺研究的重点将是对分离纯化方法进行筛选、优化组合，精细化操作，降低生产成本，探索适合于工业化生产的下游分工艺路线，在提高HA纯度的同时尽量保持高的分子量；提高分离纯化工艺的安全性，操作上的简捷性，缩短生产周期。5物料衡算51发酵罐设发酵罐需要5个611发酵罐V0G103PTMS0MN1010001209009509509750753307410M3其中T36824182天圆整为5M3V放V00507035M3由物料衡算V接后V补料V损失V放V放V接后V补料V损失V接后05V接后095V接后35M3V接后3684M3又V接后V消后V种子液V消后10V消后110V消后3684M3V消后3349M3V种子液10V消后033495M3V补料0（无补料过程）V损失5V消后016745M3V冷凝水105（V消后V冷凝水）C（T2T1）R105（3535V冷凝水）（12137）5235得V冷凝水04829M3V配料V消前V消后V冷凝水28661M3V进V配料V补料V种子液V冷凝水368M3V出V损失V放01674535368M3V进V出本假设正确52种子罐V放V种子液03349M3V0V种子液0035350700478M3圆整为10M3由物料衡算V消后V种子液V放V损失V消后10V消后033495V消后V消后03189V消后03189M3V种子液10V消后003189M3V损失10V消后001595M3V冷凝水105（V