土霉素车间工艺课程设计

1、毕业设计题目:年产800吨土霉素工厂设计指导老师:黄锴学生姓名:吴廷富学号:3330926215所在班级:0926B系别:化工学院年产800吨土霉素车间工艺设计摘要土霉素是微生物发酵产物,目前国内土霉素提取工艺为用草酸(或磷酸做酸化剂调节pH 值,利用黄血盐-硫酸锌作净化剂协同去除蛋白质等高分子杂质,然后用122#树脂脱色进一步净化土霉素滤液,最后调pH至4.8左右结晶得到土霉素碱产品。本次设计也按照这个工艺流程,分为三级发酵、酸化、过滤、脱色、结晶、干燥等。设计中借鉴了实际发酵车间的布置,设计为3层车间,共安装5个发酵罐,1个酸化罐, 2个二级种子罐,1个一级种子罐,1个通氨罐,2个补料罐,

2、1个板框过滤器,1个结晶罐,脱色罐,喷雾式干燥器等等相关设备。目录第1章绪论 (5第1.1节引言第1.2节设计目标任务第1.3节本次设计的基本内容第2章工艺流程设计 (8第2.1节土霉素生产工艺流程简介 (8第2.2节土霉素生产总工艺流程图 (8第3章物料衡算 (9第3.1节土霉素总物料衡算 (9第3.2节土霉素干燥工序物料衡算 (9第3.3节土霉素脱色结晶工序物料衡算 (9第3.4节土霉素酸化稀释过滤工序物料衡算 (10第3.5节土霉素发酵工序物料衡算 (11第4章设备选型 (13第4.1节发酵罐 (13第4.2节二级种子罐 (17第4.3节一级种子罐 (19第4.4节氨水储罐 (22第4.

3、5节补料罐 (22第4.6节酸化罐 (22第4.7节结晶罐 (23第4.8节干燥器 (23第4.9节车间设备一览表 (24第5章车间布置设计 (25第6章结论 (25参考文献 (26第一章 绪论1.1 引言土霉素Terramycin (Oxytetracycline 分子式如图一所示,化学名:6-甲基-4-(二甲氨基-3,5,6,10,12,12a-六羟基-1,11二氧代-1,4,4a,5,5a,6,11,12a-八氢-2-并四苯甲酰胺。土霉素属四环素类抗生素,广谱抑菌剂。许多立克次体属、支原体属、衣原体属、螺旋体对其敏感。其他如放线菌属、炭疽杆菌、单核细胞增多性李斯特菌、梭状芽孢杆菌、奴卡菌

4、属、弧菌、布鲁菌属、弯曲杆菌、耶尔森菌等亦较敏感。临床上用于治疗上呼吸道感染胃肠道感染斑疹伤寒恙虫病等。常见副作用有:肝脏、肾脏毒性,中枢神经系统毒性,斑丘疹和红斑等过敏反应,长期使用可致牙齿产生不同程度的变色黄染、牙釉质发育不良及龋齿(俗称四环素牙,B 族维生素缺乏等。由于土霉素的广泛应用,临床常见病原菌对土霉素素耐药现象严重,并且由于其副作用严重,现在临床上多用于兽用药1.2设计目标任务设计土霉素工厂设计一、基础数据设计年产量M = 800t/a成品效价U d = 1000单位/毫克年平均发酵水平U f = 35000单位/毫升年工作日m = 310 d/a1、发酵基础工艺参数土霉素的发酵

5、周期T 为184小时,辅助时间为10小时, 发酵中罐周期为44小时,辅助时间4小时OH H C H 3O OH OH OH N(CH 32CONH 2图一 土霉素分子式发酵周期为35小时,辅助时间3小时接种比为5%,液体损失率为15%大罐一个发酵周期内所需全料的量为:32m3大罐一个发酵周期内所需稀料的量为:17m3逃液、蒸发、取样、放罐损失总计为总料液的15%大、中、小罐通气量分别为2.0、1.5、0.65(每分钟内单位体积发酵液通入的空气的量氨氮的利用情况,培养20-40小时,每4小时补一次,每次10-15L,控氨水平在45mg/100ml以上培养基配比:小罐中罐大罐全料稀料组成配比(%配

6、比(%配比(%配比(%配比(%黄豆饼粉3.0 2.5 3.0 3.5 3.0淀粉 2.5 2.5 8.0 6.5 3.0 氯化钠0.4 0.36 0.2 0.4 碳酸钙0.6 0.4 1.1 0.4 0.4 磷酸二氢钾0.005 0.003磷酸氢二钾0.005 0.003植物油 4 2.67 0.4 12、提取基本工艺参数名称参数名称参数脱色岗位收率99.24%发酵液效价35000u/ml结晶干燥岗位收率86%滤液效价11000u/ml过滤岗位收率116%母液效价1370u/ml总收率99湿晶体含30% 水量发酵液密度1.58kg/L酸化液中草酸含量2.3%g/ml滤液密度1.02kg/L酸化

7、加黄血盐量0.25% g/ml20%氨水密度0.92kg/L酸化加硫酸锌量0.18% g/ml氨水加量12%成品含水量1.5%脱色保留时间30-50分钟酸化加水量230%v/v滤液通过树脂罐的线速度控制在0.001-0.002m /s土霉素提取操作工艺参数一览表名称反应时间( + 、/h装料系数酸化稀释 4 0.70结晶8 0.701.3本设计基本内容根据设计任务,查阅有关资料、文献,搜集必要的技术资料,工艺参数,进行生产方法的选择比较,工艺流程与工艺条件确定的论证。简述工艺流程。物料衡算:每个工序画工艺流程简图,列出所有工艺参数,计算,列出衡算表,发酵和提取列出物料衡算总表。热量衡算:不要求

8、设备选型:大、中、小罐、通氨、补料罐的尺寸及数量;大罐的罐壁、封头、搅拌装置及轴功率。提取工段各工序主要设备尺寸及数量。管道设计:大罐主要接管设计,提取各种设备的主要连接管道。第二章 工艺流程设计2.1土霉素生产工艺流程简介土霉素是微生物发酵产物,目前国内土霉素生产工艺主要含发酵和提取两大步。提取工艺为用草酸(或磷酸做酸化剂调节pH 值,利用黄血盐-硫酸锌作净化剂协同去除蛋白质等高分子杂质,然后用122#树脂脱色进一步净化土霉素滤液,最后调pH 至4.8左右结晶得到土霉素碱产品。本次设计也按照这个工艺流程,分为三级发酵、酸化、过滤、脱色、结晶、干燥等。2.2土霉素生产总工艺流程图 菌丝母液草酸

9、,黄血盐,硫酸锌,去离子水第三章 物料衡算3.1总物料衡算纯品土霉素的量:800×99% =792 t/a效价:792×109×1000 =7.92×1014 单位/a 土霉素的生产过程总收率为99%则发酵时的总效价:7.92×1014/99% =8×1014 单位/a 发酵液的效价:35000单位/ml发酵液的体积:8×1014/35000 =2.29×1010 ml =2.29×104 m 33.2干燥工序物料衡算 干晶体重:800×(1-1.5% =788 t/a 湿基含水量:W1=30%

10、/(1-30% =0.43 干基含水量:W2=1.5%/(1-1.5% =0.02应除去的水分:788×(0.43-0.02=323.08 t/a 湿晶体的量:788+323.08 =1111.08 t/a表3-1 干燥工序物料衡算表干燥前干燥后 项目 质量t/a 质量t/d项目 质量t/a质量t/d湿晶体的量1111.083.58干晶体的量 788 2.54除去的水分 323.081.04 总量 1111.083.58总量1111.083.583.3脱色结晶工序物料衡算湿晶体 3.58t/d干晶体 2.54t/d水分 1.04t/d母液效价:1370u/ml 氨水加量:12%由效价

11、守恒得母液体积:73.73×106×35000×99.24%×116%×(1-86%/1370×106=303.57 m3氨水:277.57×12%=33.31t 湿晶体:3.58 t/d母液:277.57+33.31-3.58=307.35t/d表3-2 脱色提取工序物料衡算表脱色提取前脱后色提取 项目 质量(t/d 质量(t/周期项目 质量(t/d 质量(t/周期滤液 277.57 2243.69 母液 307.35 2484.41 氨水 33.31 269.26 湿晶体 3.53 28.53 总量 315.882512

12、.95总量315.882512.953.4酸化稀释过滤工序物料衡算发酵液效价:35000u/ml 滤液效价:11000u/ml 滤 氨 母 液 307.35t/d 湿晶体 3.53t/d 草 酸 黄血盐硫酸锌水发酵液 菌丝 10.59 t/d滤液277.57 t由效价守恒得滤液的体积:73.73×106×35000×1.16/11000×106=272.13 m 3 滤液:272.13×103×1.02=277.57 t每天/ t 草酸:73.73×103×2.3%×10-3= 1.70 黄血盐:73.7

13、3×103×0.75%×10-3= 0.18 硫酸锌:73.73×103×0.18%×10-3= 0.13 水:73.73×2= 147.46 发酵液:73.73×103×1.58= 116.49 总: 265.97表3-3 酸化稀释过滤工艺物料衡算表酸化过滤前酸化过滤后 项目 质量(t/d 质量(t/周期项目 质量(t/d 质量(t/周期草酸 1.70 13.71 滤液 277.57 2243.69 黄血盐 0.18 1.49 菌丝 10.59 84.95 硫酸锌 0.13 1.07 水 169.58

14、1370.76 发酵液 116.49 941.66 总量 288.082328.64总量288.082328.643.5发酵工序物料衡算 73.73 m 3/d13.01 m 3/d黄豆饼粉2.62 m 3 /d 淀粉6.77 m 3 /d 氯化钠0.17 m 3 /d 碳酸钙 0.91 m 3 /d 植物油0.34 m 3/d 接种量1.61 m 3 /d 氨(碱0.09 m 3/d 配料水71.93m 3 /d每天发酵液的量:2.29×104/315=73.73 m3逃液,蒸发,取样,放灌损失总计为总料液的 15%每天损失的量:73.73×15%/(1-15%=13.0

15、1 m3每天离开发酵罐的总量:73.73+13.01=86.74m3大罐一个发酵周期内所需全料的量: 32 m3一天内所需:32/194×24=3.95 m3大罐一个发酵周期内所需稀料的量: 17 m3 一天内所需:17/194×24=2.10 m3发酵前加入的物料量:(73.73+12.66-3.95-2.10=80.69 m3每天每周期(×194/24黄豆饼粉:80.69×3%+3.95×3.5%+2.10×3%= 2.62 m3 21.19 m3淀粉:80.69×8%+3.95×6.5%+2.10×

16、3%= 6.77 m3 54.76 m3氯化钠:80.69×0.2%+2.10×0.4%= 0.17 m3 1.37 m3碳酸钙:80.69×1.1%+3.95×0.4%+2.10×0.4%=0.91 m3 7.37 m3植物油:80.69×0.4%+2.10×1%= 0.34 m3 2.79 m3接种量:80.69×20%/194×24= 1.61 m3 13.04 m3碱:80.69×0.015×6= 0.09 m3 0.73 m3配料水: 71.93 m3 581.43 m3表4

17、 发酵工序物料衡算表 第四章设备选型4.1发酵罐选用机械涡轮搅拌通风发酵罐。选用200m3罐,全容积为230m3选用公称容积为200 m3的发酵罐,装料系数为0.7,那么该罐生产土霉素的能力为:200×0.7=140 (m3由前面的物料衡算中,已知年产800吨土霉素的工厂,日产73.73 m3的土霉素。发酵的操作时间需要194h(其中发酵时间184h,这样生产需要的发酵罐应为:N=73.73/140×194/24=4.26 (罐取整后需5台每日投(放罐次为:73.73/140=0.53 (罐由前面的物料衡算中,已知年产800吨土霉素的工厂,日产73.73 m3的土霉=73.

18、73 (m3/d素,每天的发酵液的量:V所需设备总容积:V=73.73×194/(24×0.7= 851.41(m3查表公称容积为200 m3的发酵罐,总容积为230m3。则5台发酵罐的总容积为:230×5=1150 m3>851.41 m3,可满足需要 按发酵生成热高峰、一年中最热的半个月的气温、冷却水可能到最高温的条件下,设计冷却面积。取qmax=4.18×6000 KJ/( m3.h采用竖式列管式换热器,取经验值K=4.18×500 KJ/( m3.h.tm =(t1-t2/(lnt1/t2=(12-5/(ln12/5=8 (每天装

19、0.53罐,每罐实际装液量为: 73.73/0.53=139.11 (m3换热面积: F=4.18×6000×139.11/(4.18×500×8=208.66 (m31.空气分布器:单管通风2.挡板:不设挡板3.密封方式:机械密封4.冷却管布置a最高热负荷下的耗水量:W=4.18×6000×139.11/(4.18×(27-20=1.19×105(kg/h=33.12(kg/s则冷却水体积流量为W=0.03312m3/s,取冷却水在竖直蛇管中的流速为v=1m/s,冷却管总截面积: S总=0.03312/1=0.0

20、3312 (m2进水总管直径d总2= S总/0.785,解出 d总=0.21 (mb 冷却管组数和管径设冷却管径为d0,组数为n则:S总=0.785 nd2,根据本罐情况,取n=8,求出管径: d=0.073 (m查表取89×3.5无缝钢管,d内=82mm,d内>d,可满足要求,d平均=86 mm。取竖蛇管端部U型弯管曲率半径为250 mm,则两直管距离为500 mm,两端弯管总长度:l=D=3.14×500=1570 mmc 冷却管总长度L计算已知冷却总面积F=208.66m2,无缝钢管89×3.5每米冷却面积为:F=3.14×0.086

21、5;1=0.27(m2则冷却管总长度:L=208.66/0.27=772.82 (m冷却管体积:V=0.785×0.0862×772.82=4.49(m3d 每组管长L和管组高度每组管长: L= L/n=772.82/8=96.6 (m另需连接管8m:L实际=L+8=780.82 (m可排竖直蛇管的高度,设为静液面高度,下部可伸入封头250mm。设发酵罐内附件占体积为0.5 m3,则:V总=V液+V管+V附件=(780.82/8+4.49+0.5=102.59 (m3筒体部分液深:(V总-V封/S截=(102.59-17/(0.785×52=4.36 (m竖直蛇管

22、总高: H管=4.36+0.5=4.86(m又两端弯管总长:l=1570 mm,两端弯管总高为500mm则直管部分高度:h=H管-500=5190 (mm则一圈管长:l=2h+ l=2×5190+1570=11950(mme 每组管子圈数nn 0= L/l=96.6/11.95=8.08 (圈管间距为: 2.5d外=2.5×0.089=0.23 (m竖蛇管与罐壁的最小距离为0.2m,可算出与搅拌器的距离为0.23m>0.2m,在允许范围内。作图表明,各组冷却管相互无影响。如发现无法排下这么多冷却管,可考虑增大管径,或增加冷却管组数f 校核冷却管传热面积F实=d平均L实

23、际=3.14×0.086×780.82=210.85 (m2F实>F,可满足要求。优先考虑满足工艺要求,其次是经济性。本设计选A3钢,以降低设备费用。a 接管长度h设计管直径的大小和有无保温层,一般取100200mm。b 接管直径的确定按排料管(也是通风管为例计算其管径。发酵罐装料140m3,2h之内排空,物料体积流量:Q=140/3600/2=0.02 (m3/s发酵液流速取v=1m/s排料管截面积:S料=Q/v=0.02/1=0.02 (m2管径d:d2= S料/0.785,解出d=0.16 (m=160 mm取无缝钢管219×25,其内径169mm&g

24、t;160mm,适用。按通风管计算,通风比2vvm(0.1MPa,20通风量:Q=140×2=280(m3/min=4.7(m3/s折算到工作状态(0.35MPa,30下的风量:Qf=4.7×0.1×(273+30/(0.35×(273+20=1.4(m3/s取风速:v=25 m/s则通风管截面积:Sf = Qf/v=1.4/25=0.056 (m2则通风管径:df 2=Sf/0.785,解出df=0.27 (m因通风管也是排料管,故取219×25无缝钢管。排料时间复核:物料流量Q=0.02 m3/s,流速v=1m/s,管道截面积:S=0.78

25、5×0.1692=0.022(m2相应流量比:P=Q/Sv=0.02/(0.022×1=0.9倍排料时间:t=2×0.9=1.8(h裙式支座4.2二级种子罐选择机械搅拌通风发酵罐V种=230*2%*(1+15%/0.7=7.56m3n种=5*48/194=1.24,圆整取2个。选择10m3的发酵罐具体尺寸如下: 7.56/10×100%=75.6%选择公称容积是1 0m3的种子罐2个。罐的内径:1800mm;封头高度:475mm;封头容积:0.826m3。取q max=4.18×6000 KJ/( m3.hQ=4.18×6000

26、15;1.4=3.5×104 KJ/( m3.h采用夹套式换热器,取经验值K=4.18×200 KJ/( m3.h.t1=32-23=9 t2=32-27=5 t1/2<t2 tm =(t1+t2/2=7 换热面积: F=3.5×104/(4.18×200×7=5.98 (m3核算夹套冷却面积:按静止液深确定夹套高度 静止液体浸没筒体高度:H 0=(V-V 封/S 罐=(7.56-0.826/(0.785×1.8×1.8=2.65m液深H L =H 封+ H 0=0.475+2.65=3.13 m夹套可实现的冷却面积S

27、 夹=S 筒+S 封= DH 0 +S 封=3.14×1.8×2.65+1.8=16.78 m 2 需换热面积F=5.98m 2,可提供的换热面积 S 夹=16.78m 2 S 夹>F ,可满足工艺要求a. 挡板b.搅拌器c.进风管(进出料管 管底距罐30mm 向下单管 按通风管计算管径通风比1.5vvm(0.1MPa ,20 通风量:Q =7.56×1.5=11.3 (m 3/min =0.19 (m 3/s折算到工作状态(0.4MPa ,32下的风量:Q f =0.19×0.1/0.4×(273+32/(273+20 =4.9

28、5;10-3 (m 3/s取风速v=20 m 3/s , 则通风管径:d 12=4.9×10-3/(0.785×20 d 1=0.056m=56 mm按排料管(也是通风管计算管径。装料0.775m 3,20min 之内送完,物料体积流量:Q=7.56/(20 ×60=0.0063 (m 3/s物料流速取v=0.5m/s ,排料管截面积:S 料=Q/v=0.0063/0.5=0.013 m 2管径:d22= S料/0.785 d2=0.13 m =130 mm取d1,d2两者大值,作为进(气管,取管径D=130mm。查金属材料表取168×10无缝钢管。d.

29、冷却水管由前知需冷却热量:Q=3.5×104 KJ/( m3.h 冷却水温变化23-27,则耗水量:W=Q/(cw (t2-t1= 3.5×104/(4.18×(27-23=2093 (kg/h=0.00058 m3/s取水流速v=1 m/s,则冷却管径:d2=0.00058/0.785 d=0.027 m查金属材料表取焊接管Dg=30mm可满足要求,取冷却水接管长度h=100mm。支撑式支座,将种子罐置于楼板上。4.3一级种子罐选择机械搅拌通风发酵罐V种=10.8*2%*(1+15%/0.7=0.36m3n种=1*38/48=0.79,圆整取1个。选择1m3的发

30、酵罐具体尺寸如下: 选择公称容积是1m 3 的种子罐1个。罐的内径:900mm ;封头高度:250mm ;封头容积:0.112m 3。取q max =4.18×6000 KJ/( m 3 .hQ=4.18×6000×0.775=1.94×104 KJ/( m 3 .h采用夹套式换热器,取经验值K=4.18×200 KJ/( m 3 .h .t 1=32-23=9 t 2=32-27=5 t 1/2<t 2 t m =(t 1+t 2/2=7 换热面积:F=1.94×104/(4.18×200×7=3.0 (m

31、 3核算夹套冷却面积:按静止液深确定夹套高度 静止液体浸没筒体高度:H 0=(V-V 封/S 罐=(0.775-0.112/(0.785×0.9×0.9=1.0m液深H L =H 封+ H 0=0.25+1.0=1.25 m 夹套可实现的冷却面积S 夹=S 筒+S 封= DH 0 +S 封=3.14×0.9×0.9+0.95=3.8 m 2 需换热面积F=3.0m 2,可提供的换热面积 S 夹=3.8m 2 S 夹>F ,可满足工艺要求选择不锈钢材质罐a. 挡板b.搅拌器c.进风管(进出料管管底距罐30mm向下单管按通风管计算管径通风比0.65vv

32、m(0.1MPa,20通风量:Q=0.775×0.65=0.050 (m3/min=0.0084 (m3/s折算到工作状态(0.4MPa,32下的风量:Qf=0.0084×0.1/0.4×(273+32/(273+20 =2×10-4 (m3/s 取风速v=20 m3/s,则通风管径:d 12=2×10-4/(0.785×20 d1=0.037 m=37 mm按排料管(也是通风管计算管径。装料0.775m3,20min之内送完,物料体积流量:Q=0.775/20 ×60=0.00065 (m3/s物料流速取v=0.5m/s,

33、排料管截面积:S料=Q/v=0.00065/0.5=0.0013 m2管径:d22= S料/0.785 d2=0.04 m =40 mm取d1,d2两者大值,作为进(气管,取管径D=40mm。查金属材料表取48×3无缝钢管。d.冷却水管由前知需冷却热量:Q=1.94×104 KJ/( m3.h 冷却水温变化23-27,则耗水量:W=Q/(cw (t2-t1= 1.94×104/(4.18×(27-23=1160 (kg/h=0.00032 m3/s取水流速v=1 m/s,则冷却管径:d2=0.00032/0.785 d=0.02 m查金属材料表取焊接管D

34、g=25mm可满足要求,取冷却水接管长度h=100mm。支撑式支座,将种子罐置于楼板上。4.4氨水储罐由脱色提取工序物料衡算的计算过程可知,氨水每天的通入量为33.31t氨水的密度0.92kg/l,氨水的体积33.31/0.92=36.21 m3设通氨罐的直径是D,高是H=1.5D,则体积V=0.785×D2×H,解出D=3.13m则可选用直径为4m,高为6m的通氨罐,该通氨罐的体积为75.36 m34.5补料罐一天内所需要补充的全料是 3.95 m3设全料罐的直径是D,高是H=1.5D,则体积V=0.785×D2×H,解出D=1.50m则可选用直径为2

35、m,高为3m的全料罐,该全料罐的体积为9.42 m3一天内所需要补充的稀料是2.10 m3设稀料罐的直径是D,高是H=1.5D,则体积V=0.785×D2×H,解出D=1.21m则可选用直径为1.5m,高为2.25m的稀料罐,该稀料罐的体积为3.97 m34.6酸化罐酸化罐一个周期要装料2149.89t,滤液密度为1.02kg/l,则所需酸化的体积为2107.74 m3因发酵的周期是194小时,酸化稀释反应时间是4小时,每酸化一次所需要的酸化罐的体积43.46 m3设酸化罐的直径是D,高是H=1.5D,则体积V=0.785×D2×H,解出D=3.33m则

36、可选用直径为4m,高为6m的酸化罐,该酸化罐的体积为75.36 m3装料系数=43.46/75.36=57.67%<70%.符合要求.4.7结晶罐酸化过滤后的滤液全部进入结晶罐,结晶罐的体积要求即是能够容纳全部的滤液,所需酸化的体积为2107.74 m3,结晶罐的体积为2107.74 m3因发酵的周期是194小时,结晶反应时间是8小时,每结晶一次所需要的酸化罐的体积86.92 m3设结晶罐的直径是D,高是H=1.5D,则体积V=0.785×D2×H,解出D=4.19m则可选用直径为5m,高为7.5m的结晶罐,该结晶罐的体积为147.19 m3装料系数=86.92/147.19=59.05%<70%.符合要求.4.8干燥器设备选型选喷雾干燥器。喷雾干燥技术是使液体物料经过雾化,进入热的干燥介质后转变成粉状或颗粒状固体的干燥工艺过程。优点有:1.干燥速度迅速,因被雾化的液滴一般为10200um,其表面积非常大,在高温气流中瞬间即可完成95%以上的水粉蒸发量,完成全部干燥的时间仅需530s。2.在恒速干燥段,液滴的温度接近于使用的高温空气的湿球温度,物料不会因为高温空气影