5000t链霉素生产工艺设计

发酵工厂工艺课程设计题目：5000t链霉素生产工艺设计课程名称：发酵工厂工艺设计概论学院：药学与生物工程学院班级：112100101学号：20姓名：指导老师：二零一五年五月目录1前言 42设计任务书 5本课程设计的性质、目的 5本课程任务： 5基本要求： 52.4基础数据： 5设计内容： 6参考数据及公式 63厂址选择 7厂址选择主要考虑的几个因素 7厂址的最终选择 7厂址卫星图 84工厂总平面设计 8工厂的平面设计图见附表： 85工艺流程简图及说明论证 8发酵工艺 8斜面孢子培养 85.1.2摇瓶种子培养 95.1.3种子罐扩大培养 95.2链霉素发酵条件及中间控制 9溶氧的影响及控制 95.2.2温度 105.2.3pH值 115.3提取工艺 11工艺流程简图如下： 126工艺计算 14物料衡算 14热量衡算 15．1.对于生产1000kg链霉素产品，利用直接蒸汽混合加热，蒸汽消耗量为： 15．2.发酵罐空罐灭菌时的蒸汽消耗量估算： 16．3.发酵罐实罐灭菌保温时的蒸汽消耗量估算： 16耗水量的计算 177发酵车间设备的选型计算 18发酵罐的设计 18发酵罐的选型及尺寸 18设备结构的工艺设计 197.2.1空气分布器 197.2.2挡板 19搅拌器设计 19电机设计及轴功率的计算 20冷却面积的计算与冷却管的设计 217.2.6PH测定 23消泡 23观察窗口 23液面高度显示管安装 23封头连接方式 24密封方式 248对本设计的评述 249个人心得 2510参考文献 261前言链霉素（Streptomycin）是瓦克斯曼（WaksmanS.A.)于1944年从灰色链霉菌（Streptomyces,griseus）培养液中分离出来的一种碱性抗生素。链霉素是一种相当强的有机碱，也是一种多糖类化合物。其分子结构是由链霉肌、链霉糖和N-甲基-L-葡萄糖胺三部分以苷键相联结而成的。链霉素碱稳定性特别差，工业产品主要是其硫酸盐形式，即硫酸链霉素(StreptomycinSulfate)。链霉素对结核杆菌有强大抗菌作用，其最低抑菌浓度(MIC)一般0.5mg/L。它对许多革兰氏阴性菌(G-)如大肠杆菌、肺炎杆菌、肠杆菌属、沙门菌属、布鲁菌属等也具抗菌作用。链霉素对革兰氏阳性菌(G+)抗菌活性较差。链霉素游离碱为白色粉末。大多数盐类也是白色粉末或结晶，无嗅，味微苦。链霉素在中性溶液中能以三价阳离子形式存在，所以可用离子交换法进行提取。其水溶液比较稳定，但其稳定性受PH值和温度的影响较大。其硫酸盐的水溶液在PH=4-7，室温下放置数星期仍很稳定，如在冰箱中保存三个月内活性无变化。目前抗生素的生产主要是利用微生物发酵来进行，少数采用化学合成的方法，当然也有的采用化学法或生化法半合成。对于链霉素可由灰色链霉菌发酵生产。双氢链霉素可由湿链霉菌产生，但通常以半合成方法生产。一般认为链霉素是治疗结核杆菌感染的首选药物，除此以外，还用于治疗革兰氏阴性菌所引起的泌尿道感染、结核性脑膜炎，鼠疫，肠道感染，肺炎，败血症，百日咳等。链毒素的缺点是容易产生耐药性；长期使用对第八对脑神经有毒害除了医用外，也有报道将链霉素用于农牧业的。例我国新疆某生产建设兵团的农场自1985年起应用链霉素治疗菜类瓜类和粮食等作物的病害，取得较好效果；链霉素还可用于猪肺炎，雏鸡白痢疾、以及鸡，鸭，鹅的巴氏杆菌感染等的治疗。国内有些厂家将生产的链霉素作为农用出口，效益较好。2设计任务书2.1本课程设计的性质、目的本课程是生物工程专业的一门实用性和技术性很强的专业课程。学习本课程的目的是使学生在学完生物工程专业的有关课程后，尤其是在学完《发酵工艺学》、《生物工程设备》和《发酵工厂工艺设计概论》这三门课程后，综合运用3年所学的全部知识，进行工厂的初步设计。通过专业课程设计使学生掌握应具备的基本设计技能。待学生走上工作岗位后既能担负起工厂技术改造的任务，又能进行车间或全厂的工艺设计。2.2本课程任务：1．撰写简要设计说明书，内容包括前言、设计任务书、厂址选择、物料衡算、设备衡算及选型等；2．绘制工厂总平面布置图一张、产品工艺方案流程图一张、发酵车间发酵罐的设计图（包括俯视图和剖面图）一张、车间设备和管道布置图。2.3基本要求：通过课程设计，应训练学生提高以下几方面的能力：1、搜集实际工业生产工艺数据，熟悉技术文献资料。2、合理设计工艺路线，准确进行工艺过程计算和设备设计选型计算。3、以精简的文字、清晰的图表来表达个人设计思想、设计结果。4、树立科学、经济的设计思想，兼顾安全、劳保、环保等要求。2.4基础数据：生产规模：5000/年（第2组）产品规格：成品效价为800单位/mg生产天数：300天/年倒罐率：1％发酵装料系数：70%接种量：15％发酵液收率：95％提炼总收率：70％平均发酵水平：25000单位/ml；发酵周期：8天；每天放罐数：6罐。种子培养基配比：牛肉膏6％，葡萄糖4%，KH2PO41％，MgSO41%，接种量15%生产培养基配比：葡萄糖4%，黄豆饼粉0.8%，玉米浆1.5%，（NH4）2SO40.5%，豆油0.2％，KH2PO40.01％，CaCO30.04%2.5设计内容：1．根据以上设计任务，查阅有关资料、文献，搜集必要的技术资料，工艺参数与数据，进行生产方法的选择，工艺流程与工艺条件的确定与论证。2．工艺计算：全厂的物料衡算；发酵车间的热量衡算(即蒸汽耗量的计算)；水用量的计算。(注：不计算耗冷量)3．发酵车间设备的选型计算：包括设备的容量，数量，主要的外形尺寸。（注：①不计算种子发酵罐设备选型；②发酵罐数应多加1个备用的；③发酵罐容积应以《生物工程设备》教辅资料P27，标准表进行选择，标准表的公称体积“75m3”改成“65m3”）4．对发酵设备进行详细化工计算与设计。设计要求：1．根据以上设计内容，书写设计说明书(以《发酵工厂工艺设计概论》P．254车间初步设计说明书的编写要求书写)。2．完成图纸四张(A3纸打印)：工厂总平面布置图；全厂工艺流程图；发酵设备总装图（剖面和俯视图）；车间设备布置图。罐体的高径比H/D：1～3搅拌桨直径与罐体直径之比Di/D：1/3～1/2挡板宽度与罐体直径之比Wb/D：1/8～1/12（4块挡板）发酵条件：转速350r/min，温度28℃，pH7.2(400L发酵罐)冷却水进出口温度分别为25℃、30℃黏度：38cP;培养基比热容：C=0.37×4.18X+4.18(1-X)X—固形物的质量百分比，0.37×4.18－固形物的比热3厂址选择成本因素非成本因素1、运输成本2、原料供应3、动力和能源的供应量和成本4、水力供应5、劳工成本6、建筑成本和土地成本7、税率、保险和利率8、财务供应：资本及货款的机会9、各服务和保养费用1、社区情况2、气候和地理环境3、环境保护4、政治稳定性5、文化习俗6、当地政府政策7、扩展机会8、当地竞争者9、公众对工商业的态度经过我们组队员的实地考察和卫星地图的查看，我们选择了一块在理工大学附近的花溪街道新屋村1社的一块空地上。这里交通便利，水资源丰富，原料供应好，劳动力丰富，土地成本不高。也能为我们理工大学的学子们提供就业的岗位。4工厂总平面设计4.1工厂的平面设计图见附表：5工艺流程简图及说明论证将砂土管（或冷冻管）菌种接种到斜面培养基，经培养后即得原始斜面。原始斜面质量要求一般为：菌落分布均匀，密度适中，颜色洁白，但菌落丰满，。再从原始斜面的丰满单菌落接种至斜面上，长成后即得生产斜面，斜面上的菌落应为白色丰满的梅花形和馒头形，背面为淡棕色色素，排除各种杂型菌落。经两次传代，可达到纯化的目的，排出变异的菌株。其质量还应通过摇瓶实验来进行控制。合格的孢子面存在低温冷库（0~4℃）内备用。5.1.2摇瓶种子培养生产斜面的菌落接种到摇瓶种子培养中，经过培养基即得摇瓶种子。链霉素发酵经常使用摇瓶种子来接种种子罐。种子质量以菌丝阶段、发酵单位、菌丝粘度或浓度、糖氮代谢、种子液色泽和无菌检查为指标。摇瓶种子可以直接接种子罐，也可以在扩大培养，用培养所得的子瓶来接种。药瓶培养的培养基成分为黄豆饼粉、葡萄糖、硫酸铵、碳酸钙等。黄豆饼粉的质量和葡萄糖的用量对种子质量都有影响。5.1.3种子罐扩大培养种子罐培养是用来扩大种子量的。种子罐培养可为2~3级，根据发酵罐体积大小和接种量来确定。第一级种子罐一般采用摇瓶种子接种，2~3级种子罐则是逐级转移，接种量一般都为10%左右。种子质量对后期发酵的影响甚大，种子必须符合各项质量要求（糖氮代谢、菌浓和菌丝阶段、效价和无菌要求），方能转罐。因此在培养过程中，必须严格控制好罐温、通气搅拌和泡沫，以保证菌丝生长良好，得到合乎要求的种子。链霉素发酵条件及中间控制链霉素产生菌一灰色链霉菌是一种高度需氧菌。它在整个代谢过程中以葡萄搪做为主要碳源，只有以氧做为最终电子受体时方能获得大量能量，来满足菌体生长、繁殖和合成链霉素的需要.物质代谢与能量代谢是相辅相成的。据文献记载[19]，空气中，氧在培养液中的饱和浓度(1atm,25℃})大约只有0.2毫克分子(O2)/升，而链霉素发酵液中菌体的摄氧率在10~50毫克分子(O2[11]。对溶氧水平有较大影响的因素主要有：a、菌体代谢是否旺盛。b、培养液的粘度：过高的粘度会影响氧的传递，即影响氧由气相溶解于液相之中。c、补料：补糖后糖代谢加快，补入10秒钟后溶氧即明显下降，但经30~40分钟后又逐渐恢复到补前水平。这种变化当补糖量超过1.0%时较明显。当补无机氮源使氨基氮增加l0mg/100ml以上时，亦有这种变化。22溶氧浓度就升高或降低3%左右。但罐压不能控制过高，超过一定限度对菌体的生长、代谢就要产生不良影响。e、空气流量：体积氧传递系数中Vs为空气在罐中的直线速率，它与空气流量是等效的。从提高KLa的角度看，应尽量增大Vs,但超过一定限度后溶氧浓度不再上升，反而会造成泡沫上升，发酵中间产物未及被利用即被带出而造成不良后果，甚至使搅拌器周围充满气泡从而使搅拌失去作用，造成溶氧下降。从价值工程原理出发，应确定一个最适空气流量vs}，即不使通气量过剩，又满足灰色链霉菌对氧的需求。f、搅拌：搅拌对溶氧浓度影响最大。在培养过程中如停止搅拌、溶氧浓度迅速下降几乎到0，此时如果增加空气流量，增大罐压都无济于事。同时对于不同的搅拌桨形式以及速度对溶氧也会产生很大的影响。机械搅拌能损坏菌丝体，对发酵液过滤不利，采用空气搅拌器则克服了这一缺点，提高了罐的利用率。采用大直径小浆叶的搅拌器，在适当增加转速下，能得较高的吸氧率。另外将涡轮式改为多棒式搅拌器，可降低功率消耗近一半。5.2.2温度灰色链霉菌对温度敏感。据报道，z-38菌株对温度高度敏感：250℃时，发酵单位为1180毫克/升/118小时；27℃时,，2041毫克/升/118小时；29℃时，2194毫克升/104小时，而31℃℃左右。有些人认为不一定在24~31℃的范围，应随菌株不同而适宜温度有所改变。5.2.3pH值pH值直接影响到发酵过程中各种酶活动，影响菌体对基质代谢的速度，甚至改变菌体的代谢途径及细胞结构。菌体的发育生长和抗生素的合成有不同的适宜pH值。发酵过程中pH值必须予以控制，才能符合菌体生长和抗生素合成的需要。影响pH值的因素有生化反应过程特性，以及发酵过程的环境变量，如温度。另外，作为发酵过程氮源的(NH4)2S04和碳源的糖等补料加到发酵液中也会影响pH值。适合链霉菌菌丝生长的pH约为6.5~7.0，适合于链霉素合成的pH约为6.8~7.3，pH低于6.0或高7.5，对链霉素的生物合成不利。pH对链霉素发酵影响很大，故很多国家为了准确控制pH值，使用pH自动控制装置。这样，可提高发酵单位，又可以减少培养基中碳酸钙的用量，在发酵液预处理时，还可减少中和用的酸量。5.3提取工艺经四级或三级发酵生物合成链霉素。发酵液用水稀释，草酸酸化至pH3．0左右，加热至75～80"C，通过离心分离或板框过滤，除去大量不溶性菌丝体、酸性蛋白、钙镁离子、培养基残渣等杂质，冷却至15℃以下，再用NaOH中和得到符合离子交换工艺要求的澄清链霉素原液。这一过程在生产上称为发酵液的预处理。原液中的链霉素在水溶液中离解成三价阳离子，应用钠型弱酸性阳离子交换树脂110树脂或大孔D一152树脂进行吸附，洗脱后成为链霉素洗脱液，在这一步提取过程中使水溶液中的链霉素得到富集，含量由不到1％浓缩到20％，同时，通过离子交换树脂的选择作用，除去绝大部分的无机离子、色素、蛋白及可见的固形物等。链霉素提取液经大孔伯胺基吸附树脂D303树脂通过Schiff反应除去双氢链霉糖、链霉胍、链霉胺等不含醛基的链霉素同系物，再经强酸性阳离子交换树脂1×25树脂和弱碱性阴离子交换树脂703树脂组成的混合床脱盐中和得到提纯液。提纯液先经药用活性炭脱色处理，吸附色素和细菌内毒素，经减压蒸发，在45℃以下浓缩，链霉素含量由10％左右浓缩到45％。最后为了进一步提高成品色级和保证细菌内毒素及热原合格，加入一定量的药用活性炭脱色处理得到符合质量要求的成品浓缩液。成品浓缩液经过石棉板除菌过滤，喷雾干燥得到白色或类白色的无菌粉末，分装出厂。5.4工艺流程简图如下：初步纯化初步纯化菌种斜面孢子培养摇瓶种子培养种子罐培养空气粗过滤空气压缩机两级冷却汽液分离过滤除菌原料稀释阳离子交换发酵液预处理发酵灭菌醪液过滤水解预处理洗脱液D303树脂Schiff反应链霉素提纯液成品包装精制粗制脱盐中和滤液冷却至15℃一下过滤加热至75-80℃草酸酸化药用活性炭脱色减压蒸发浓缩除菌过滤喷雾干燥链霉素原液6工艺计算物料衡算首先计算生产1000kg成品链霉素所需耗用的原辅材料及其他物料量：发酵液量：V1=1000×800÷[25000×(1—1%)3种子液量(接种量为15%):V2=V13牛肉膏耗用量：种子液用量：V2×6%=7.292×103kg葡萄糖耗用量：种子液用量：V2×4%=7.292×103kg发酵液用量：V1×4%=48.61×103kgKH2PO4耗用量：种子液用量：V2×1%=7.292×103kg发酵液用量：V1×%=48.61×103×%=4.861kgKH2PO4MgSO4耗用量：种子液用量：V2×1%=7.292×103kg黄豆饼粉耗用量：发酵液用量：V1×0.8%=48.61×103kg玉米浆耗用量：发酵液用量：V1×1.5%=48.61×103kg（NH4）2SO4耗用量：发酵液用量：V1×0.5%=48.61×103kg10.豆油耗用量：发酵液用量：V1×0.2%=48.61×103kg3耗用量：发酵液用量：V1×0.04%=48.61×103kg5000吨/a，链霉素厂发酵车间的生物料衡算物料名称生产1000kg链霉素产品所需的物料量生产5000t链霉素所需的物料量每日物料量发酵液量（m3）243050种子液量（m3）36460牛肉膏耗用量（kg）21876007292葡萄糖耗用量（kg）1118040037268K2HPO4耗用量(kg）388905MgSO4耗用量（kg）364600黄豆粉饼耗用量（kg）1944400玉米浆耗用量（kg）3645750(NH4)2SO4耗用量（kg）1215250豆油耗用量（kg）486100CaCO3耗用量（kg）972206.2．1.对于生产1000kg链霉素产品，利用直接蒸汽混合加热，蒸汽消耗量为：式中:D——蒸汽消耗量,kgG——被加热料液量,kgc——料液的比热,kJ/(kg·℃)t2——加热结束时料液的温度,℃t1——加热开始时料液的温度,℃i——蒸汽的热焓,kJ/kg（0.3MP，2725.5kJ/kg）η——加热过程中由于热损失而增加的蒸汽消耗量,η可取5%-10%又料液的比热：c=0.37×4.18x+4.18×（1-x）x——固形物的质量百分比根据重庆地区的地理位置及气候条件，取一年中的最低室温10℃作为料液的初始温度t1，η取10%，忽略种子液的加热被加热料液量:固形物的质量百分比:x=料液的比热:c=0.37×4.18×6.59%+4.18×(1-6.59%)=4.01kJ/(kg·℃)故直接蒸汽混合加热，蒸汽的消耗量:D1=Gc(t2-t1)·(1+η)÷(i-t2·c)=×4.01×(121-10)×(1+10%)÷(-121×4.01)=1.14×104kg6.2．2.发酵罐空罐灭菌时的蒸汽消耗量估算：D=5VFρs式中:VF——发酵罐全容积,m3ρs——发酵罐灭菌时,罐压下蒸汽的密度,kg/m3灭菌时的温度为121℃，在该温度下水蒸汽的密度ρs3发酵罐全容积VF=48.61÷70%=69.44m3故D2=5VFρs=5×69.44×943.1=3.27×105kg6.2．3.发酵罐实罐灭菌保温时的蒸汽消耗量估算：一般来讲，保温时间内的蒸汽消耗量可按发酵罐实罐灭菌直接蒸汽加热升温时的蒸汽消耗量的30%～50%来估算。故D3=50%D1=5.70×103kg4.生产1000kg链霉素产品，总蒸汽的耗用量为:D=D1+D2+D3=×105kg5000t/a链霉素车间总热量衡算表名称规格（MPa）每吨产品消耗（kg）每天消耗（kg）年消耗量（kg）蒸汽0.3（表压）×105×106×109生产1000kg链霉素种子液用水量:7.292(m3)生产1000kg链霉素发酵液用水量:48.61(m3)发酵冷却水用量:(只考虑全年平均负荷)W=Q÷{c2×(tk－tH)}式中:W——冷却水消耗量，kg/hQ——物料的热效应,kJ/hc2——冷却水的比热kJ/(kg×℃)，通常水的比热为4.183kJ/(kg×℃)tk——冷却水的出口温度℃tH——冷却水的进口温度℃在计算冷却水耗量时,其冷却水的进出口温差△t=tk－tH=30-25=5℃(冷冻水或冷盐水)其中发酵罐发酵过程中的热效应计算:Q=QF×VL式中:Q——发酵罐的热效应,kJ/hQF——单位体积发酵液所产生的热量,又称发发酵热,kJ/(m3×h),对于链霉素发酵,其值为18800kJ/(m3×h)VL——发酵罐内发酵液体积,m3其中发酵罐内发酵液体积见发酵罐公称容积计算：VL=200×70%=140(m3)则W=Q÷{c2×(tk－tH)}=QF×VL÷{c2×(tk－tH)}=18800×140÷{4.183×5}=125842.70kg/h5000t/a链霉素车间用水量衡算表名称规格每吨产品消耗定额（t/t）每小时用量（kg/h）每天用量（t/d）年耗量(t/a)冷水自来水7发酵车间设备的选型计算 根据发酵物的发酵特性，选用机械涡轮搅拌通风发罐(通用式发酵罐)，选用此种发酵罐的原因主要是：历史悠久，资料齐全，在比拟放大方面积累了较丰富的成功经验，成功率高。公称容积的计算V0=5000×1000×106×800÷（25000×106×300×99%×95%×70%）÷70%=1157.29(m3),取200(m3)则选用公称容积200(m3)的发酵罐。平均每罐发酵产品生产量：230×70%×99%×95%×70%×25000/800=3312.32(kg)N=发酵周期×每天放罐数+1=8×6+1=49个公称容积：200m3发酵罐的H/D值取2，则D=5.114m.H=10.228m.50m3通用式发酵罐的主要尺寸.罐内径m封头容积m3圆柱高m10圆柱部分容积m3197封头高m不计上封头的容积m3213罐体总高m全容积m3230设备结构的工艺设计，是将设备的主要辅助装置的工艺要求交代清楚，以供制造加工和采购时取得资料数据。本设计的主要辅助设备有以下几种。7.2.1空气分布器对于好气发酵罐,分布器主要有两种形式,即多孔（管）式和单管式,本设计的发酵流程通气量大,所以采用单管通风。由于其进风速高,又有涡轮板阻挡,叶轮打碎、溶氧是没有问题的。通气管贴着罐壁到发酵罐底部，在搅拌器正下方开口向下。7.2.2挡板挡板的作用是加强搅拌强度。本设计中虽有竖式冷却蛇管，但为了消除液面漩涡，更好的提高搅拌功率，采用4块挡板，挡板的宽度W取罐径的1/10，为0.31m。挡板与罐壁之间应留有一定的间隙，避免培养液中的固体成分堆积在挡板背侧，其大小为0.1W，0.031m。从消耗功率来看：平叶>弯叶>箭叶从发酵液中气含率来看：平叶>弯叶>箭叶从轴向混和效果来看：箭叶>弯叶>平叶从上述条件综合考虑，再考查国内外的主要选型情况。本次设计选用六弯叶涡轮式搅拌器搅拌器叶径：叶距Y=D=5m弯叶板厚δ=12mm搅拌转速以小罐为比拟放大，其转数为N1=350r/min，搅拌叶径D1=0.75m，按比拟放大公式：N2=N1(D1/D2)2/3=350×(0.75/1.275)2/3=r/min参考设计数据与工厂实际，为保证发酵罐的溶氧系数，取N2=100r/min。发酵液体被搅动后流体的雷诺数可用下式计算：=2×1070/（38×10-3）=1.322×105>105视为湍流状态此状态下，单一搅拌器的轴功率：P=NpN3D5ρ=4.7×(100/60)35×1070两档搅拌P0上两式中：NpN——搅拌转数,r/sD——搅拌器直径，mρ——液体密度kg/m3,热量衡算中己算出,1070kg/m3μ——醪液黏度，N·s/m2计算通风时的轴功率PgPg=2.25*10-3*（P02ND3/Q)0.39求电机功率P电：P电采用三角带传动η1=0.92；滚动轴承η2=0.99，滑动轴承η3=0.98；端面密封增加功率为1%；主要轴功率电机转速（r/s）总轴功率(kw)单一轴功率(kw)电机输出功率(kw)发酵罐采用内部列管式蛇管换热,外部表面采用喷淋冷却方式。蛇管进水温度为25℃,出水温度为30℃,醪液温度不超过36℃。冷却面积使用牛顿传热定律公式计算，即：式中：F——冷却面积,m2Q总——发酵罐的热效应,kJ/hK——×500kJ/(m3·h·℃)△tm——对数平均温差,℃其中平均温差=[(36-25)－(36-30)]÷㏑(11/6)℃故冷却面积：=2.038×106÷(4.18×500×8.2)=3×10-2m3/s,冷却方式采