1千吨青霉素生产线的工艺设计

南京工业大学生物与制药工程学院《发酵设备及工厂设计》课程设计设计项目名称：年产1千吨青霉素生产线的工艺设计专业班级：生工0903姓名：学号：指导老师：2012年12月目录1设计任务书………………………………………………………2设计说明书………………………………………………………2.1项目概述…………………………………………………2.2原材料的选择……………………………………………2.3生产方法及工艺路线的确定……………………………2.3.1青霉素发酵工艺流程……………………………2.3.2培养基的特点……………………………………2.4生产流程简述……………………………………………2.4.1种子培养…………………………………………2.4.2微生物发酵………………………………………2.4.3青霉素提取………………………………………2.5工艺计算…………………………………………………2.5.1工艺计算基础数据………………………………2.5.2发酵车间的物料衡算……………………………2.5.3生产1000t青霉素需无菌压缩空气用量………2.5.4发酵车间的能量衡算………………………………2.5.5其他衡算…………………………………………2.6主要设备的选择…………………………………………2.6.1原料处理设备……………………………………2.6.2输送设备…………………………………………2.6.3培养基灭菌设备…………………………………2.6.4空气压缩及除菌设备………………………………2.6.5设备管道清洗与灭菌………………………………2.6.6无菌水设备…………………………………………2.6.7罐体及管道………………………………………2.6.7．1所选择的主要罐体设备表………………2.6.7.2发酵罐几何尺寸……………………………2.6.7.3冷却管………………………………………2.7车间设备布置设计………………………………………2.7.1车间布置原则………………………………………2.8安全和环境保护……………………………………………2.8.1废水的危害…………………………………………2.8.2废水处理系统………………………………………2.8.2.1衡量指标………………………………………2.8.2.2工艺流程及各塔作用…………………………2.8.2.3废水中有机物的回收处理工段…………………2.8.3废渣处理系统…………………………………………2.8.3.1废菌渣的处理机流程…………………………2.8.3.2污泥处理………………………………………2.8.4废气处理系统…………………………………………2.8.5环境保护………………………………………………2.8.6执行标准………………………………………………2.8.7劳动卫生………………………………………………2.8.8消防……………………………………………………2.8.8.1消防遵循的原则………………………………2.8.8.2消防依据………………………………………2.8.8.3安全防护消防…………………………………2.9设计参考文献…………………………………………………1、设计任务书项目名称：年产1000吨青霉素生产线的工艺设计1.1建设规模、产品方案、生产方法和工作制度1）建设规模：年产1000T。2）产品标准：1-乙氧甲酰乙氧6-〔D（-）-2-氨基-2-乙酰氨基〕青霉烷酸盐酸盐分子式：C16H18N2O4S·HCl分子量：384.5性状：白色结晶性粉末，易溶于水国家标准GB8245—87规定了饲料级L—氨基酸盐酸盐产品的质量准。3）生产方法：青霉素按对其生产的方法分为半合成青霉素和天然青霉素两种。天然青霉素生产可分为菌种发酵和提取精制两个步骤。①菌种发酵：将产黄青霉菌接种到固体培养基上，在25℃下培养7～10天，即可得青霉菌孢子培养物。用无菌水将孢子制成悬浮液接种到种子罐内已灭菌的培养基中，通入无菌空气搅拌，在27℃下培养24～28h，然后将种子培养液接种到发酵罐已灭菌的含有苯乙酸前体的培养基中，通入无菌空气搅拌，在27℃下培养7天。在发酵过程中需补入苯乙酸前体及适量的培养基。②提取精制：将青霉素发酵液冷却，过滤。滤液在pH2～2.5的条件下，于萃取机内用醋酸丁酯进行多级逆流萃取，得到丁酯萃取液，转入pH7.0～7.2的缓冲液中，然后再转入丁酯中，将此丁酯萃取液经活性炭脱色，加入成盐剂，经共沸蒸馏即可得青霉素G钾盐。青霉素G钠盐是将青霉素G钾盐通过离子交换树脂（钠型）而制得。本次是针对天然青霉素的发酵部分设计的。产青霉素的菌株分为球状菌和丝状菌。工业生产中主要用的菌株是产黄青霉菌，孢子有绿色与黄色，菌落平坦或皱褶，圆形。青霉穗是分生孢子链状的，深层培养菌丝分为球状和丝状两种。大部分发酵是丝状菌发酵。4)工作制度：：年工作日按320d计1.2目建设地点及其气候条件为：地点：南京市浦口区年平均气温：15.3℃历年平均最高气温：38℃历年平均最低气温：-4.2℃最热平均相对湿度：85%最冷平均相对湿度：75%年平均气压：101.65mP夏季平均气压：100.45mP年均风速：3.6m/s年均降落量：1025.6mm日最大降水量：219.6mm1.3设计要求就该项目的发酵工段或空气处理系统进行工艺设计，要求完成：1.3.1确定合理的工艺路线，提供工艺流程示意图；1.3.2进行工段的工艺计算，包括物料、热量、水、压缩空气耗量等平衡计算，并提供相应的工艺计算平衡图；1.3.3对标准设备及非标设备的数量进行计算，选定标准设备型号并就至少一种非标设备的结构进行简单的结构计算，提供所需设备的一览表并至少提供一种非标设备的总装图。1.3.4绘制带控制节点的工艺流程图；1.3.5绘制车间设备布置图；1.3.6绘制设备配管图；1.3.7编写初步设计说明书。2、设计说明书2.1项目概述青霉素（Benzylpenicillin/Penicillin）又被称为青霉素G、peillinG、盘尼西林、配尼西林、青霉素钠、苄青霉素钠、青霉素钾、苄青霉素钾。青霉素是抗生素的一种，是指从青霉菌培养液中提制的分子中含有青霉烷、能破坏细菌的细胞壁并在细菌细胞的繁殖期起杀菌作用的一类抗生素，是第一种能够治疗人类疾病的抗生素。青霉素类抗生素是β-内酰胺类中一大类抗生素的总称。但它不能耐受耐药菌株(如耐药金葡)所产生的酶，易被其破坏，且其抗菌谱较窄，主要对革兰氏阳性菌有效。青霉素结晶很稳定，室温保存数年活性不变；水溶液不稳定，20万u/ml水溶液于30℃放置24h效价下降56%；.不耐热；肌肉注射吸收快而安全；作用快,维持时间短。青霉素一般是以钠盐，或者钾盐的形式，并于低温避光处保存。因为制剂中的药物降解（产生青霉烯酸）程度与分装瓶的保管时间、保管温度等因素密切相关。如青霉素溶液中的青霉烯酸的含量在19℃、4h增加2倍，30℃4h增加10倍，37℃4h则增加20倍，由此可知青霉素钠溶液配成后存储的时间越长、存储环境的温度越高，产生的青霉烯酸就越多，就越容易出现过敏反应（过敏性休克）。因此，青霉素盐应该现配现用。钠盐或钾盐白色结晶性粉末。无臭。有吸湿性。易溶于水、生理食盐水或葡萄糖溶液中。微溶于乙醇，且易失效。不溶于脂肪油或液状石蜡。遇酸、碱、氧化剂、重金属等也易失效。水溶液极不稳定，干粉密封于小瓶内保存，临用前配制溶液。适用于葡萄球菌、链球菌、肺炎球菌、淋球菌、脑膜炎球菌等所引起的感染性疾病。青霉素是β－内酰胺内抗生素，作用机理如下：（1）通过竞争细菌的粘肽合成酶，即青霉素结合蛋白（penicillinbindingproteins，PBP），抑制细胞壁的粘肽合成，造成细菌细胞壁缺损，大量的水分涌进细菌体内，使细菌肿胀、破裂、死亡；（2）促发自溶酶活性，使细菌溶解。细菌具有特定的细胞壁合成需要的合成酶，即青霉素结合蛋白（penicillinbindingproteins,PBP）当β-内酰胺类抗菌药物与PBP结合后，PBP便失去酶的活性，是细胞壁的合成受到阻碍，最终造成细胞溶解、细菌死亡。PBP按分子量的不同可分为五种：每种又有若干亚型，这些PBP存在于细菌细胞的质膜中，对细菌细胞壁的合成起不同的作用。最初青霉素的生产菌是音符型青霉菌，生产能力只有几十个单位，不能满足工业需要。随后找到了适合于深层培养的橄榄型青霉菌，即产黄青霉（P.chrosogenum），生产能力为100U/ml。经过X、紫外线诱变，生产能力达到1000－1500U/ml。随后经过诱变，得到不产生色素的变种，目前生产能力可达66000－70000U/ml。青霉素是抗生素工业的首要产品。2.2原材料的选择本设计要求以黄豆饼粉和产黄青霉菌为原料，但是，工业上选择生产原料时，不但要考虑工艺上的要求，还要考虑生产管理和经济上的可行性。在大规模工业生产中，选择原料一般要考虑到下述要求：(1)因地制宜，就近取材，价格低廉；(2)原料中可利用成分高，末严重污染，抑制生长和产酸的物质要少或能够去除，能满足工艺上的要求；(3)原料资源丰富，便于采购运输，适于大规模储藏，保证生产上的供应。2.3生产方法及工艺路线的确定2.3.1青霉素发酵工艺流程冷冻管（25°C，孢子培养，7天）——斜面母瓶（25°C，孢子培养，7天）——大米孢子（26°C，种子培养56h,1:1.5vvm）——一级种子培养液（27°C，种子培养，24h,1:1.5vvm）——二级种子培养液（27~26°C,发酵,7天,1:0.95vvm）——发酵液。2.3.2培养基的特点①碳源的选择生产菌能利用多种碳源，乳糖、蔗糖、阿拉伯糖、甘露糖、淀粉和天然油脂。从经济核算角度，生产成本中碳源占12%以上，对工艺影响很大。糖与6—APA结合形成糖基—6—APA，影响青霉素的产量。葡萄糖、乳糖结合能力强，而且随时间延长而增加。发酵初期，利用快效的葡萄糖进行菌丝生长。当葡萄糖耗尽后，利用缓效的乳糖，使PH稳定，分泌青霉素。目前采用淀粉的酶水解产物，葡萄糖化液流加，而不是流加葡萄糖，以降低成本。②氮源的选择由于玉米浆质量不稳定，可用黄豆饼粉代替。③无机盐包括硫、磷、镁、钾等。铁有毒，控制在30μg/ml以下。④流加控制根据残液PH、尾气中CO2和O2的含量，残糖在0.6%左右，PH开始升高时加糖。流加硫酸铵、氨水、尿素进行补氮，控制氨基氮0.05%。⑤添加前体不加侧链前体时，青霉素生产多种青霉素混合物。因此在合成阶段，添加苯乙酸及其衍生物前体，苯乙酰氨、苯乙氨、苯乙酰甘氨酸等均可为青霉素侧链的前体，直接掺入青霉素分子中，具有刺激青霉素合成的作用。但浓度大于0.19%时对细胞和合成有毒性，还能被细胞氧化。需要低浓度流加前体，一次加入量低于0.1%，保持供应速率略大于生物合成需要。发酵过程中采用补料分批操作法，对葡萄糖、铵、苯乙酸进行缓慢流加,维持一定的最适浓度。葡萄糖的流加，波动范围较窄，浓度过低使抗生素合成速率减慢或停止。过高则导致呼吸活性下降，甚至引起自溶，葡萄糖浓度调节是根据PH、溶氧量或CO2释放率予以调节。⑥培养基种类特点发酵工艺中,按菌种生长环境顺序，培养基有:A:种子培养基B:发酵初始培养基C:发酵培养基补料⑦菌种生长产青霉菌的菌种在发酵条件下，深层培养，经历了7个不同时期，每个时期有其菌体形态特征。在规定时间取样，通过显微镜检查（生产上习惯称为镜检）这些形态变化，用于过程控制。第一期：分生孢子萌发，形成芽管，原生质未分化，具有小泡。第二期：菌丝繁殖，原生质体具有嗜碱性，类脂肪小颗粒。第三期：形成脂肪包涵体，累积储藏物，没有空泡，嗜碱性强。第四期：脂肪包涵体形成小滴并减少，中小空泡，原生质体嗜碱性减弱，开始产生抗生素。第五期：形成大空泡，有中性染色大颗粒，菌丝成桶状，脂肪包涵体消失，青霉素产量最高。第六期：出现个别自溶细胞，细胞内无颗粒，仍然桶状，释放游离氨，PH上升。第七期：菌丝完全自溶，仅有空细胞壁。1~4期为菌丝生长期，3期的菌体适宜为种子。4~5期为生产期生产能力最强，通过工艺措施，延长此期