工科生毕业课程设计

1、天津大学生物工程专业课程设计说明书设计题目：洁霉素发酵车间设计姓 名： 学 号： 班 级：级生物工程一班 指导教师： 设计成绩：目 录第 一 章 设计方案介绍11.1. 洁霉素简介11.2. 主要设备11.3. 上游生产过程21.4. 下游过程概述31.5. 洁霉素生产工艺流程草图4第 二 章 发酵罐各部分设计计算52.1. 发酵罐的结构尺寸52.2. 搅拌功率72.3. 换热设备82.4. 灭菌蒸汽量及时间10第 三 章 种子罐各部分设计计算133.1. 一级种子罐133.2. 二级种子罐15第 四 章 流加储罐各部分计算194.1. 结构尺寸194.2. 换热设备194.3. 灭菌蒸汽量及

2、时间21第 五 章 无菌空气生产设备225.1. 一级种子罐分过滤器225.2. 二级种子罐分过滤器225.3. 发酵罐分过滤器22第 六 章 操作规程236.1. 一级种子罐236.2. 二级种子罐236.3. 发酵罐23第 七 章 附录247.1. 符 号 说 明247.2. 参 考 文 献25第一章 设计方案介绍1.1. 洁霉素简介1洁霉素(Jiemycin)又称林可霉素(Lincomycin)，是1962年由美国人Mason等首先从链霉菌(S. lincolnensis)变种的培养液经发酵、酸化、提取、精制而得到的高效广谱抗生素，分子式为C18H34N2O6S，分子量为406.56。其

3、化学结构如下：图1 洁霉素(Jiemycin)的结构式洁霉素为白色结晶性粉末，有微臭或特殊臭，味苦，易溶于水、甲醇，略溶于乙醇。熔点145147。遇酸、光和空气稳定。对革兰阳性菌、厌氧菌作用强。洁霉素在医学上主要用于葡萄球菌、链球菌、肺炎球菌及厌氧菌引起的各种感染，如呼吸道感染及败血症。对脑膜炎、心内膜炎、白喉、放线菌病也有满意的疗效，但一般不作首选。洁霉素主要作用机理:洁霉素作用于敏感菌核糖体的 50S 亚基,阻止肽链的延长,从而抑制细菌细胞的蛋白质合成,一般系抑菌剂,但在高浓度时,对某些细菌也具有杀菌作用。对大多数革兰氏阳性菌和某些厌氧的革兰氏阴性菌有抗菌作用，对革兰氏阳性菌的抗菌作用类似

4、红霉素。敏感菌可包括肺炎链球菌、化脓性链球菌、绿色链球菌、金黄色葡萄球菌、白喉杆菌等。 厌氧菌对洁霉素敏感者包括拟杆菌属、梭杆菌、丙酸杆菌、真杆菌、双歧杆菌、消化链球菌、多数消化球菌、产气荚膜杆菌、破伤风杆菌、以及某些放线菌等。 洁霉素对粪链球菌、某些梭状芽胞杆菌、奴卡菌、酵母菌、真菌和病毒均不敏感。葡萄球菌对其可缓慢地产。1.2. 主要设备l 生产能力：年产65吨l 生产原料：自用糖、口服糖（速效碳源），淀粉（迟效碳源），黄豆饼粉、玉米浆（氮源），NaNO3，NaCl，NH4NO3，KH2PO4，(NH4)2SO4等无机盐l 操作条件：一级种子罐：3m34个，培养3天，罐温30，罐压0.05

5、MPa，空气流量150m3/h，空气压力0.125MPa，搅拌转速60rpm；二级种子罐：15m34个，培养3天，罐温30，罐压0.04MPa，空气流量900m3/h，空气压力0.125MPa，搅拌转速60rpm；三级发酵罐：100m34个，培养9天，罐温30，罐压0.04MPa，空气流量4000m3/h，空气压力0.125MPa，搅拌转速60rpm。l 含量：4500u/mll 流加发酵：保持糖浓4%，每隔8h取样，低于4%则加1吨40%糖/8h，流加糖量为初始糖量的34倍。1.3. 上游生产过程2,31.3.1 菌种出发菌株为洁霉素产生菌链霉菌4-1024(Streptomyces 4-1

6、024)，首先从沙土管取种接种于斜面培养基上，在30下恒温培养7d。斜面培养基主要成分包括：可溶性淀粉2.0%、黄豆饼粉0.5%、氯化钠0.1%、硝酸钾0.1%、硫酸镁0.05%、硫酸亚铁0.1%、琼脂1.8%、。待气生菌丝成为粉红色，基内菌丝为苍黄色，产生可溶性黄色素，孢子丝柔曲，表面光滑时，可进一步进行摇瓶培养，得到菌丝后再进入种子罐中培养，产生较多的菌丝体，再接种至发酵罐培养。1.3.2 培养基基础培养基中碳源为自用糖、口服糖（速效碳源）、淀粉（迟效碳源）等；氮源有黄豆饼粉、玉米浆等；无机盐包括硝酸钠、硝酸铵、氯化钠、磷酸二氢钾、硫酸铵等；消泡剂常用玉米油和泡敌，可在补料中加入，也可直接

7、加到基础培养基中。1.3.3 发酵过程发酵过程的目的是使微生物大量分泌抗生素。在发酵之前，有关设备和培养基必须先灭菌。一、二级种子罐及发酵罐均采用蒸汽灭菌系统，采用实消灭菌法。发酵系统包括灭菌系统、搅拌系统、换热系统、补料系统，其中补料尤为重要。该发酵过程为流加发酵过程，采用三级补料发酵，糖浓度需维持在4%左右，每隔8小时取样一次，若低于4%，则需加入1吨 40%糖/8小时（流加糖量为初始糖量3-4倍），补料主要补葡萄糖、硫铵、氨水，有时也加入缓冲剂CaCO3和消沫剂硅油。1.4下游过程概述3洁霉素提炼工艺主要分为发酵液预处理及过滤、提取、精制三大步骤。1.4.1 发酵液预处理及过滤该步骤是提

8、炼的第一道工序，目的是将菌丝和发酵液分开。滤液质量对方便后工序的操作及保证成品质量非常重要，过滤收率对完成提炼总收率十分关键。将发酵液用草酸酸化至pH3.0左右，草酸与发酵液中的Ca2+结合产生草酸钙，析出的草酸钙能促使蛋白凝固。酸化时需加热到40-50，适当升温有利于草酸的溶解，还能加快过滤速度。预处理后，采用硅藻土作为助滤剂过滤，得到澄清的滤液。1.4.2 溶剂萃取1萃取 采用丁醇作为萃取剂。萃取前需将发酵滤液的pH调至10左右，此时洁霉素在丁醇和水之间的分配系数达到最大值。萃取后，大部分无机杂质和含氮化合物等酸性物质留在水相中，部分有机碱性杂质随洁霉素一起转移到有机相中。2. 浓缩和洗涤

9、 用真空薄膜浓缩的方式提高萃取液的浓度，再用pH8的NaOH溶液洗涤，除去萃取相中易溶于水的杂质。3. 反萃取 在酸性条件下用水进行反萃取，此时洁霉素以盐的形式从有机相转入水相，与有机相中的杂质分离。1.4.3 精制和结晶利用活性炭脱色是精制的重要步骤，它能除去色素、热原等杂质。脱色后加入丙酮结晶，晶体经过干燥后得到成品林可霉素盐酸盐。1.4.4 下游过程提纯需经过以下过程：发酵液的预处理发酵液的过滤滤液（2200单位，pH10）丁醇提取（混合澄清槽）6000单位一次浓缩8h，6万单位，罐内蒸汽 60碱水洗涤（透光度8%，碱度1%以下）静置分层，除去杂质二次浓缩，减压蒸馏，水分基本浓缩30万单

10、位，400L粗结晶加HCl 57%，以1:1加入无水乙醇，三通式离心机除水脱色（加水、活性炭、浓度95%，26-32万单位）丙酮结晶（通入-5冷却水）1:9干燥成品，洁霉素盐酸盐1.5. 洁霉素生产工艺流程草图一级种子罐二级种子罐发酵罐发酵液预处理板框过滤机碱水洗涤罐双锥干燥器成品洁霉素盐酸盐丁醇提取罐水抽提罐脱色罐一次浓缩塔二次浓缩塔脱色过滤罐旋风分离器粗结晶罐丙酮结晶罐双锥干燥器图2 洁霉素生产工艺流程草图第二章 发酵罐各部分设计计算2.1. 发酵罐的结构尺寸4洁霉素发酵为好气发酵，因此选用带通风设备和机械搅拌的通用式发酵罐。发酵罐的公称容积为罐的圆筒部分容积加上底封头的容积之和，即 （2

11、-1）放线菌发酵罐的一般为5，取=2.05，较小可忽略不计，由式（2-1）得：（2- 2）所以发酵罐的直径为= =3.89m取= 4m，则罐身高度H=2.05*D=2.05*4=8.2m根据椭圆形封头标准JB1154-736，= 4m的椭圆形封头=1000mm，=50mm.验算总容积：所以总容积符合要求。发酵罐的搅拌系统采用在罐底部安装两个径向流搅拌器，它们起到分散从底部输入的空气的作用。本工艺中，发酵罐底部采用六叶圆盘涡轮式后弯叶搅拌器产生径向流。由于发酵液中含大量菌丝体，粘度较高，在不影响菌丝生长的情况下，应取较大的值以增大搅拌功率。取=0.367，则搅拌桨距罐底的距离一般与搅拌桨的直径相

12、同，即取发酵罐的装填系数=73.0%，则有得液面高度HL=5.79m.选两层桨，取搅拌桨间距在罐壁上安装挡板以消除搅拌产生的漩涡。当挡板的条件符合下式时，搅拌器的功率最大，这种挡板条件叫做全挡板条件8： (2-3)其中为挡板宽度，为挡板数。一般选用4块或6块挡板，本设计均选用6块挡板，此时为了避免培养液中的固体成分堆积在挡板背侧，挡板应与罐壁有一定间隙，该间隙一般可取。本设计取0.25作为系数，则此时可知计算合格。由于通气量较大，搅拌充分，可采用单孔管作为通气装置。空气流量=4000m3/h，压力=0.125MPa.取管内空气流速=25m/s，则通气管的内径为.选取2998mm热轧无缝钢管，其

13、内径=0.283m，实际气速为发酵罐的结构尺寸示意图见图2-2。图3 发酵罐结构尺寸示意图（单位：cm）2.2. 搅拌功率采用Rushton算图法计算不通气时，发酵罐内为均相系，其搅拌功率与搅拌雷诺数有关：(2-4)其中为液体密度，为搅拌转速，为液体密度。洁霉素发酵液的粘度一般为6010-3mPas4，其密度可取=1100kg/m3。搅拌转速为60r/min，则其搅拌雷诺数为搅拌功率查Rushton算图计算8，得六片弯叶圆盘涡轮在Re=3.802104时功率因数为4.6，当300且符合全挡板条件时，则一个搅拌桨的搅拌功率为选2层桨，所以总功率为通气时，由于气泡的存在而使液体的表观密度降低，功率

14、减小。可用下式计算3：（2-5）=0.19622.3. 换热设备本发酵罐的容积较大( 5m3)，因此应选用竖直蛇管作为换热装置3。一般抗生素在发酵过程中发酵热为16-25MJ/m3h5，本设计中取=20MJ/ m3h。发酵液的体积为80.0m3。冷却水的入口温度取18，出口温度取25，其定性温度水在该温度下的物性数据为=998.2kg/m3=4.182kJ/(kg)=0.601W/(m)=0.9838mPas冷却水耗量取管内流速2m/s，分四段同时进水，则换热管内径为所以选用63.54mm的热轧无缝钢管，内径为55.5mm。核算流速罐温为30，求算平均温度差：发酵罐中竖直蛇管换热的总传热系数经

15、验值可取为=4.184400kJ/(m2h)9，据此值计算换热面积：换热管所需长度为2.4. 灭菌蒸汽量及时间4湿热灭菌是直接用加压湿蒸汽进行物或设备容器的灭菌。湿热灭菌是发酵生产中普遍使用的灭菌方法。用蒸汽将物料升温到115-140，保持一定时间，可杀死各种微生物。常用的灭菌条件是120、2030分钟。蒸汽在冷凝时释放出大量潜热，并具有强大的穿透力，且在高温及有水分存在的条件下，微生物细胞中的蛋白质极易凝固而引起微生物的死亡，故湿热灭菌具有经济和快速的特点，尤其适用于大量培养基及发酵设备的灭菌。实罐灭菌(简称实消) 是将饱和蒸汽直接通入装有配制好的培养基的发酵设备进行灭菌的一种方法。此法不要

16、另外的专用灭菌设备，因而具有投资少、操作简便、染菌机会少等优点，但是，使用蒸汽较集中，而且发酵设备的利用率较低。淀粉培养基灭菌一般选用120-125，灭菌30分钟。本设计采用125，30min灭菌。取灭菌蒸汽压力为0.4MPa（表压），查饱和水蒸汽表8得其温度为151.7，汽化潜热为2065.12kJ/kg。实罐灭菌分为加热、保温和冷却三个阶段，其时间和蒸汽量可分别计算。2.4.1 加热阶段加热阶段的蒸汽消耗量为（2-6）其中为培养基重量，和分别为加热开始和结束时培养基的温度，为发酵罐散失的热量，一般取加热所需热量的10-20%；为加热蒸汽的潜热。取为加热所需热量的20%，则加热阶段的时间为(

17、2-7)其中为培养基比热（可取4.184kJ/(kg)），为加热蒸汽温度。所以2.4.2 保温阶段保温阶段为30min即0.5h.保温阶段的蒸汽耗量一般为直接加热时的30-50%3，取40%即2.4.3 冷却阶段冷却阶段的时间为(2- 8)其中(2- 9a)c1和c2分别为培养基和冷却水的比热，t1s和t1f分别为培养基开始冷却和冷却结束时的温度，t2s为冷却水的入口温度。冷却水的流量W取40kg/s，则 所以蒸汽总耗量为灭菌总时间为第三章 种子罐各部分设计计算3.1. 一级种子罐3.1.1 结构尺寸一级种子罐仍选用通用式发酵罐，其直径为m取=1.30m，罐身高度m.根据椭圆形封头标准JB11

18、54-739，D=1.3m的椭圆形封头ha=325mm，hb=25mm.验算总容积：所以总容积符合要求。该种子罐的容积较小，可在底部安装一个六叶圆盘涡轮式后弯叶搅拌器。搅拌器的结构尺寸为：.空气流量V=150m3/h，压力P=0.125MPa. 取管内空气流速u=25m/s，则通气管的内径为.选取603mm热轧无缝钢管，其内径Dp=0.054m，实际气速为3.1.2 搅拌功率搅拌雷诺数为查Rushton算图8得六片弯叶圆盘涡轮在Re=4.015103时功率因数为4.5当Re300且符合全挡板条件时，搅拌功率通气时有=0.84353.1.3 换热装置一级种子罐体积小于5m3，可采用外夹套作为换热

19、装置。取装填系数=75%，种子液的体积为3.7775%=2.83m3.夹套的传热系数可取K=4.184150 kJ/(m2h)9，换热面积由以上数据可求出对数平均温差冷却水入口温度为18，试差得出口温度为24.3。冷却水耗量3.1.4 蒸汽灭菌量及时间一级种子罐仍采用实罐灭菌。3.1.4.1. 加热阶段的蒸汽消耗量为加热阶段的时间为3.1.4.2. 保温阶段的蒸汽耗量为3.1.4.3. 冷却阶段的时间计算如下,设冷却水耗量取1.2kg/s，所以蒸汽总耗量为灭菌总时间为二级种子罐3.2.1 结构尺寸二级种子罐仍选用通用式发酵罐，其直径为：取=2.1m,则罐身高度.根据椭圆形封头标准JB1154-

20、739，=2.1m的椭圆形封头=520mm，=40mm.验算总容积：总容积符合要求。该种子罐的容积较小，可在底部安装一个六叶圆盘涡轮式后弯叶搅拌器。搅拌器的结构尺寸为：空气流量=900m3/h，压力=0.125MPa. 取管内空气流速=20m/s，则通气管的内径为选取1406mm热轧无缝钢管，其内径=0.118m，实际气速为3.2.2 搅拌功率搅拌雷诺数为查Rushton算图8得六片弯叶圆盘涡轮在Re=1.173104时功率因数=4.0.当300且符合全挡板条件时，搅拌功率通气时有（2-10）3.2.3 换热设备二级种子罐的容积较大( 5m3)，因此应选用竖直蛇管作为换热装置4。一般抗生素在发

21、酵过程中发酵热为16-25MJ/m3h5，本设计中取=17MJ/ m3h。发酵液的体积为1775%=12.75m3。冷却水的入口温度取20，出口温度取25，其定性温度水在该温度下的物性数据为=998.2kg/m3=4.183kJ/(kg)=0.5989W/(m)=1.0050mPas冷却水耗量取管内流速2m/s，分四段同时进水，则换热管内径为选用252.5mm的冷轧无缝钢管。罐温为30，求算平均温度差：发酵罐中竖直蛇管换热的总传热系数经验值可取为=4.184400kJ/(m2h)9，根据此值计算换热面积：换热管所需长度为3.2.4 蒸汽灭菌量及时间二级种子罐仍采用实罐灭菌。3.2.4.1. 加

22、热阶段的蒸汽消耗量为加热阶段的时间为3.2.4.2. 保温阶段的蒸汽耗量为.3.2.4.3. 冷却阶段的时间计算如下,取冷却水耗量5kg/s， 所以蒸汽总耗量为灭菌总时间为第四章 流加储罐各部分计算4.1. 结构尺寸洁霉素的流加发酵要求保持糖浓3%-4%，发酵过程中流加糖量为初始糖量的3-4倍。流加的培养液中糖浓度为40%，若初始糖浓度为4%，则流加总量取流加储罐的装填系数=75%，储罐体积应为.储罐数量与发酵罐数相同，为4个。采用平盖、椭圆形封头并带搅拌的储罐，取，则有.实际容积为所以容积符合要求。在储罐底部安装一个六叶圆盘涡轮式后弯叶搅拌器，其结构尺寸为：4.2. 换热设备流加储罐的大小与

23、二级种子罐相似，因此采用与二级种子罐长度相同的换热蛇管，其内径为20mm, 长度为57.2m, 换热面积为17.96m2.二级种子罐的容积较大( 5m3)，因此应选用竖直蛇管作为换热装置3。一般抗生素在发酵过程中发酵热为16-25MJ/m3h5，本设计中取=17MJ/ m3h。发酵液的体积为11.5075%=8.625m3。冷却水的入口温度取20，出口温度取25，其定性温度水在该温度下的物性数据为=998.2kg/m3=4.183kJ/(kg)=0.5989W/(m)=1.0050mPas冷却水耗量取管内流速2m/s，分四段同时进水，则换热管内径为选用201.4mm的冷轧无缝钢管。罐温为30，

24、求算平均温度差：发酵罐中竖直蛇管换热的总传热系数经验值可取为=4.184400 kJ/(m2h)，根据此值计算换热面积：换热管所需长度为4.3. 灭菌蒸汽量及时间流加储罐采用实罐灭菌，由于流加培养液中碳源为葡萄糖，受热易被氧化损失，因此灭菌时间取25min.4.3.1 加热阶段的蒸汽消耗量为加热阶段的时间为4.3.2 保温阶段的蒸汽耗量为.4.3.3 冷却阶段的时间计算如下，取冷却水耗量取5kg/s，所以蒸汽总耗量为灭菌总时间为第五章 无菌空气生产设备为了保证除菌效果，每台种子罐和发酵罐都应配备一台空气分过滤器。采用超细玻璃纤维滤纸过滤器，具体结构尺寸计算如下：5.1. 一级种子罐分过滤器分过

25、滤器滤层直径，其中为通过分过滤器的空气的流量，为通过分过滤器的气速。取= 0.2m/s, 则有分过滤器的直径一般取1.1到1.3倍滤层直径9，取1.2倍，则有圆整取=650mm.一级种子罐分过滤器与一级种子罐配套，共4个。5.2. 二级种子罐分过滤器圆整取=1600mm.二级种子罐分过滤器与二级种子罐配套，共4个。5.3. 发酵罐分过滤器圆整取=3500mm.发酵罐分过滤器与发酵罐配套，共4个。第六章 操作规程6.1. 一级种子罐向一级种子罐中加入75%体积的培养基，开始搅拌。先向夹套中通入蒸气预热至90，再从进气口、排料口等处直接通入蒸气加热至125，保温30min. 向夹套中通入冷却水至罐温降至30. 接入摇瓶培养的菌种，150m3/h通气搅拌培养2-3天至菌浓符合要求为止。培养过程中向夹套中通入适当流量的冷却水，控制罐温在300.5.6.2. 二级种子罐向二级种子罐中加入75%体积的培养基，开搅拌。先向蛇管中通入蒸气预热至90，再从进气口、排料口等处直接通入蒸气加热至125，保温30min. 向夹套中通入冷却水至罐温降至30. 压差法接入一级种子罐培养的菌种，900m3/h通气搅拌培养2-3天至菌浓符合要求为止。培养过程中向夹套中通入适当流量的冷却水，控制罐温在300.5.6.3. 发酵罐向发酵罐中加入75%体积的培养基，开搅拌。