月产1吨95-纳他霉素提取纯化工艺设计Word格式文档下载.doc
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与其它抗菌成分相比，纳他霉素对哺乳动物细胞的毒性极低，可以广泛应用于由真菌引起的疾病。
除此之外，由于纳他霉素的溶解度低，可用其对食品表面进行处理以增加食品的保质期，却不影响食品的风味和口感。
目前，纳他霉素作为一种天然的食品防腐剂已被批准应用于某些乳制品、肉类、水果、饮料等许多食品工业中。
[6]
纳他霉素的紫外吸收光谱如图1-2显示，在290、303、318nm处有尖锐的吸收峰，在280nm处有肩，320nm处有宽峰。
由于纳他霉素含有四烯环，因此在280nm~320nm间出现吸收峰，而在220nm的最大吸收是由于纳他霉素含有发色团。
图1.2纳他霉素的紫外吸收光谱
1.1.2纳他霉素的特点
（1）无特殊感观形状
纳他霉素是白色或奶油色，无气味、无味道的结晶粉末。
它对产品的口感特性无任何影响，当用于食品表面时，只停留在表面上，抑制容易生长在表面的霉菌和酵母。
而山梨酸盐具有强烈的苦味和一种柴油味，因受pH值的制约其添加量一般大于500mg/kg从而影响制品的口感和风味。
另外，山梨酸盐使用时会转移到食品内部，这样就降低了其在表面的浓度，使已受到抑制的酵母菌和霉菌重新生长。
（2）适用的pH范围广
纳他霉素在pH3~9范围内具有活性，与常用的山梨酸钾等防腐剂相比，适用pH范围更宽。
山梨酸钾属于酸性防腐剂，适宜在pH5~6范围内使用，其防腐效果随着pH的升高而降低。
（3）低剂量，高效率
纳他霉素对真菌有极强的抗性，使用微量即可起到作用。
纳他霉素对付霉菌和酵母菌的功效比山梨酸强50倍以上。
（4）抑制有害真菌而不作用于有益菌群
由于纳他霉素对细菌没有作用，可直接添加到酸奶等发酵制品中，只抑制其中的霉菌和酵母菌，却不作用于酸奶中的细菌（如双歧杆菌）。
另外，纳他霉素可以抑制真菌毒素的产生，其它的防腐剂则不具有这些功能。
1.2纳他霉素的应用
1.2.1纳他霉素在食品中应用
纳他霉素由于溶解度很低，被用作食品表面防腐剂以延长货架期，主要在奶酪、肉制品、茶饮料及果汁中添加，它不会干扰其它食品组分也不会带来异味。
它在食品中的抗真菌作用是双效的：
既可防止真菌引起的食品腐败，减少经济损失；
又可防止真菌毒素给人类造成的毒素型食物中毒。
与传统的抗真菌剂比较，纳他霉素有其独特性质，它在很低的浓度下仍具有活性，例如：
在奶酪中纳他霉素比山梨酸钾活性高400倍。
在葡萄酒中，纳他霉素能取代山梨醇和其它抗真菌剂，它允许减少所使用的SO2量。
目前，全世界已有三十多个国家采用纳他霉素作为食品防腐剂。
[1]
1.2.2纳他霉素在医药工业的应用
纳他霉素除了用作食品防腐剂，还可药用。
近几年，报道纳他霉素用于医疗的文献越来越多，它的临床应用范围也越来越广泛。
纳他霉素以几种制剂形式（悬浮剂、乳剂、软膏和鞘状药片等）被典型地用于抗皮肤和粘液膜的真菌感染，既可以单独使用又可以与新霉素、氢化可的松及其它类固醇共同使用。
纳他霉素还可用于阴道和肺部真菌感染的治疗。
1.3纳他霉素的提取工艺
纳他霉素的分离提取方法有很多：
1.3.1甲醇提取法
从发酵液中用混合性极性溶剂如甲醇、丁醇和丙酮,采用萃取法提取纳他霉素。
1.3.2体积浓缩法
体积浓缩法是从过滤液中用丁醇回收纳他霉素,从而获得了一种抗真菌混合物原液,从中可分离纳他霉素。
1.3.3碱性提取法
在低pH下用甲醇溶解纳他霉素,然后除去固形物,提高pH以沉淀出纳他霉素。
1.4纳他霉素的纯化工艺
对于纳他霉素的纯化，运用现代生物工程技术已经得到很好解决，如柱层析法，离子交换树脂法，结晶法等。
具体如下：
1.4.1柱层析法
得到的物质较纯，但是工作量小，且慢，设备贵，操作复杂等。
一般用于实验室制备。
1.4.2离子交换树脂法
产量大，分离纯度高，使用者多。
设备贵，再生能力差，以及不能连续工作。
1.4.3结晶
结晶是工业化生产的首选。
其兼具产品纯净，生产量大并且能够连续工作。
一般为工厂化生产所选择。
[8]
第二章方案设计
2.1产品方案
2.1.1进行产品方案选择
纳他霉素的高产菌株，经发酵工艺获得发酵液。
通过对发酵液的甲醇法获得粗品纳他霉素，再经过大空树脂脱色、洗涤、干燥获得精制的纳他霉素。
2.1.2简要论述选定方案
根据文献，甲醇作为提取剂时纳他霉素保存时间最长，损失最小，因而本试验选择甲醇作为提取剂。
甲醇与纳他霉素易发生酯化反应，提取过程必须尽量减少和避免酯化反应的发生。
酯化反应主要取决于纳他霉素与甲醇接触时间的长短、pH和温度。
[7]
2.2生产工艺流程设计
2.2.1工程流程示意图
浓缩发酵液
发酵液
种子液
[发酵] [浓缩]
28℃，120~132h
取上层清液
粗提取液
[溶解][离心]
无水甲醇[过滤]
吸附液
纳他霉素粗产品
[浓缩][加入树脂]
[结晶] [吸附]
精制液
纳他霉素成品
[甲醇][洗涤、干燥]
[解吸]
图2.1纳他霉素生产流程图
2.2.2工艺流程说明
（1）浓缩发酵液
将成熟发酵液煮沸5min,80℃恒温搅拌一个小时,达到浓缩的目的，因纳他霉素在高温下不稳定，故用低温蒸发法，便完成了发酵液的预处理阶段。
（2）溶解，提取纳他霉素粗产品
纳他霉素在纯水和异丙醇、甲醇溶液中的溶解度均随温度升高而增大，以甲醇溶剂中效应最明显。
同一温度下，纳他霉素在纯水中的溶解度最低，而在甲醇的溶解效果最好,表明甲醇最适合作纳他霉素提取剂。
因此在提取过程中必须严格控制。
pH4.0时酯化更慢，所以甲醇浸提过程控制pH4.0~4.5。
（3）过滤，取上层清夜
由于发酵液中颗粒的可压缩性及非牛顿性流体，通常很难维持恒压或恒速过滤，随着过滤的进行，压差不断升高滤速会迅速减少，因此，本课题采用IEP型自动板框压滤机进行过滤操作，它是以板框压紧、卸饼、清洗等自动化机械完成的。
劳动强度小，辅助操作时间短。
（4）浓缩结晶，得粗产品
当用甲醇处理，PH调到纳他霉素的等电点（PI6.5）时，纳他霉素只有很少部分沉淀下来。
为促进纳他霉素从混合液中结晶，以及更大可能的回收那他霉素，因此，通过旋转蒸发去甲醇，降低混合液的溶解度，并且发酵液量：
甲醇量=4:
1时，结晶的速率以及回收率最大。
蒸发后纳他霉素在容积中的晶形为针状，由于针状晶体较小不宜离心分离，因此通过旋转真空蒸发浓缩，促进晶体凝集成簇。
（5）吸附
本课题采用大孔树脂吸附。
大孔树脂吸附法收率稳定，设备投资少，适于工业化生产。
，HPD200A大孔吸附树脂纳他霉素吸附率和解吸率高，可以作为纯化纳他霉素的树脂。
最佳纯化条件为：
吸附时间为8h、洗脱液pH值为8.0、样液pH值6.0、吸附流速为1.0BV/h。
所得纳他霉素纯度较高，是一种简单实用的纳他霉素纯化方法。
树脂的处理：
干树脂用100g/L的NaCl溶液浸泡24h,然后用蒸馏水反洗和正洗,洗至出水清亮;
再以树脂体积2～3倍的lmol/L的HCI液和lmol/L的NaOH溶液交替浸泡4小时,在酸碱处理之间以蒸馏水淋洗,洗至出水呈中性;
交替处理以酸一水一碱一水为一个循环,至少处理三个循环,预处理后经再生即可使用。
[2]
（6）树脂解吸
乙醇和甲醇具有较好的解吸能力。
由于乙醇毒性低于甲醇，因而选用乙醇作为解吸剂。
以pH为11的80%的乙醇溶液作为洗脱液，洗脱流速为0.5BV/h，解吸时间为3h，收率最高。
（7）洗涤，干燥
对解吸得到的纳他霉素的精制产品进行洗涤、干燥、烘干得到最终产品。
2.2.3工艺流程论证阐述以及工艺参数
首先根据纳他霉素的特性,确定发酵液中纳他霉素的定性、定量分析方法。
然后确立了甲醇提取法分离提取的工艺条件。
最后进行产品和纯度鉴定,证明提取产物是纳他霉素。
大孔树脂分离提取发酵液中柠檬酸的工艺条件，根据王海燕的《大孔树脂法分离纯化那他霉素的工艺研究》得到以下的工艺参数：
（1）发酵液的预处理
由于那他霉素主要存在于菌丝体内，且发酵液中杂质较多，不利于直接进行树脂吸附。
首先在发酵液中加入7%的珍珠岩，搅拌30min后，然后进行浓缩。
（2）洗脱液的选择
选用甲醇、乙醇、丙酮等3种溶剂，采用静态吸附解吸的方法进行筛选。
结果表明，乙醇和甲醇具有较好的解吸能力。
为了提高解吸收率，使洗脱高峰集中，将饱和树脂用水、80%乙醇净化后，再用氢氧化钠溶液和乙醇的混合液解吸，洗脱流速为0.5BV/h。
[3]
2.3物料衡算
2.3.1技术参数
（1）发酵液预处理:
将发酵液煮沸,80℃下恒温搅拌一个小时;
（2）离交:
发酵液预处理后上柱离交,50mL湿树脂装柱,上柱流速为1.0BV/h;
（3）洗脱:
pH为11的80%的乙醇溶液为洗脱剂,洗脱流速为0.5BV/h;
（4）浓缩、结晶:
溶液在55℃～60℃80MPa下进行减压浓缩,当浓缩液的体积为原体积的20%时停止。
然后逐渐降温结晶,即自然冷却至40℃自来水冷却至室温一冷冻水冷却至晶体析出,并以慢搅拌使热交换均匀，搅拌速度为8r/min。
2.3.2计算
（1）经济技术指标
①产品名称：
纳他霉素
②生产规模：
1000m3纳他霉素
③生产方法：
甲醇提取，大孔树脂纯化法
④生产时间：
30天
⑤日生产量：
34m3
⑥纳他霉素的相对分子质量：
665.73
⑦纳他霉素的提取率：
4.46%
⑧纳他霉素的纯化率：
95%
（2）物料衡算
①发酵液量：
纳他霉素日生产量：
m3
发酵液日用量：
发酵液月用量：
②提取液甲醇量：
发酵液月用量：
发酵液量：
1
甲醇量=m3
③初滤衡算：
滤渣弃率：
10%
滤渣量：
kg
滤液量：
④初提纳他霉素量：
纳他霉素的提取率为4.46%
粗纳他霉素量：
⑤第二次过滤衡算：
滤渣：
滤液：
⑥树脂衡算：
树脂的最大吸附量1.5g/100mg
x=163614gg
纳他霉素含量=kg
——式中95%为目标纯化率
表2.1月产1吨95%纳他霉素的物料衡算表
序号
原料名称
规格
消耗量
每天
每月
每年
发酵液量（kg）
802
24060
288720
2
甲醇（m3）
80%
200.5
6015
72180
3
初滤滤液体积（m3）
721.8
21654
259848
4
初滤滤渣质量（kg）
80.2
2406
28872
5
第二次滤液体积（m3）
689.6
20688
248256
6
第二次滤渣质量（kg）
32.2
966
11592
7
树脂质量（kg）
5.5
164
1968
第三章设备选型
3.1发酵罐
由于种子液通过发酵得到发酵液，所以需要发酵罐储存发酵液，通过上节物料衡算可知发酵液体积为1000m3,添罐系数取80%，所以可以去10个125m3的发酵罐。
3.2浓缩装置
（1）浓缩罐的型号
选用多功能浓缩罐
（2）浓缩罐体积及数量的确定
每月所需要浓缩的纳他霉素的量为966kg根据要求我们选用的THL-8M的容量为1500L，且选用一台就可以满足要求。
图3.2浓缩装置示意图
3.3过滤设备
（1）过滤面积
[5]
即得过滤面积160m2
（2）滤饼厚度m
（3）IFP压滤机规格：
选用1250×
1500型，取滤框厚度为30mm，每侧过滤面积1.74m2，则45块滤框过滤面积为：
45×
2×
1.74=156.6m3滤框总体积为：
1.74×
0.03×
45=2.349m3
图3.3过滤设备示意图
3.4结晶装置
本课题采用总容积为1m3的立式结晶箱。
结晶总体积
其中结晶锅的充填系数取0.5。
因此结晶罐总个数为：
N=1.01个，取两个，一个备用
图3.4结晶装置示意图
3.5干燥器
（1）干燥管的长度
[4]
式中---空气在干燥管内流速
---干燥时间
即得m
（2）干燥管的直径
[4]
式中---干燥管直径
即得mm
所以选择长度为525m,直径为110mm的长管气流干燥器
图3.5干燥设备示意图
表3.1月产1吨95%纳他霉素设备一览表
设备
型号
数量
产量或规格
发酵罐
自行设计
10
125m3
多功能浓缩罐
10-500型
1500L
IFP压滤机
1250×
1500
156.6m2
立式结晶箱
101—3型
1m3
自动部分收集器
BSZ—100型
200L/（m²
.h）
干燥管
525110
525m
第四章防污措施
4.1总述
商业化的那他霉素Delvocid（DSM）,其制剂通常采用50%那他霉素和50%乳糖及氯化钠、葡萄糖混合而成。
外观米黄色至奶黄色粉末。
也有各种经过改造的那他霉素产品适用于特别的用途,由于柠檬酸发酵和提取技术水平的提高和节能减排措施有力，行业的污染排放量逐年减少。
行业环保核查以及欧盟以牺牲环保为借口的反倾销调查，极大地推动柠檬酸行业的三废处理，经过几年的努力，三废处理成效显著。
4.2设备和管道的清洗与杀菌
管路设计时应尽量减少死角,若不可避免有死角,应使其长度不得超过管道的直角的2~3倍,我们用CIP清洗系统来清洗罐，对罐体进行定期的灭菌处理，避免对纳他霉素菌体的污染。
4.3废气的处理
工厂废气经空气压缩机的压缩以及除尘处理，除菌处理变为无菌空气后再排放到大气中去。
4.4废水的处理
排出的废水经过初沉淀，去除滤泥等悬浮物，然后在调节池中调节水质和水量，使污水水质均匀，然后在生化池中进行除污处理，再进行二沉淀，最后进行营养盐的投加。
经过处理的污水即可回收再利用。
4.5废渣的处理
常见的废渣包括蒸馏残渣，失活的催化剂，废活性炭，胶体废渣，反应残渣等。
不合格的中间产品，以及用沉淀，混凝，生物处理等方法产生的污泥残渣。
一般处理方法：
①废发酵液经回收后送到干燥车间，经加工后制成粗饲料卖给饲料厂家。
②设立专门的灰渣池对灰渣进行沥水与堆放，经沉渣池处理后的冲灰渣水通过水泵进行循环利用。
经沉渣池处理的锅炉燃烧煤渣，卖给外单位作制砖材料。
基本实现了工业固体废物的回收利用。
第五章结语
第五章结语
本课题重点对发酵液中纳他霉素的提取纯化进行了研究,采用了甲醇溶剂提取的工艺，随着纳他霉素工业的迅速发展,寻求高效、节能、环保的分离提取工艺已迫在眉睫，相对别的分离提取工艺离子交换法工艺简单、环保、节能,极有发展潜力。
本课题采取了甲醇溶剂提取纳他霉素的方法，通过对提取温度，pH，料液比的研究，最终确定了最佳提取方案，使纳他霉素的提取率进一步提高，此方法便于工厂操作，成本较低，使产品市场利益得到最大化。
产品的纯化利用了大空树脂的吸附性，进一步对初产品纯化浓缩，得到浓度更高的产品。
使用的大空树脂效率高，成本低，寿命长，易于回收，对环境造成的污染极小。
最后还要感谢指导老师张老师，张老师平日工作繁多，但是在做设计的整个过程中都给了我悉心的指导。
老师严谨的治学态度、勤勉的工作作风让我在做设计这段时间受益匪浅，在此，谨向张老师致以最诚挚的感谢！
希望他工作顺利，身体健康。
综上所述，本课题中产物提取率高，对环境污染小，适于工业化生产。
参考文献
[1]胡海洋乔春明.纳他霉素的特性和生产研究状况[J].中现代药物应用出版社,2009.
[2]孟宪军王玲霞.大孔树脂纯化纳他霉素特性研究[J].食品与研究出版社,2009.
[3]王海燕.大孔树脂法分离纯化那他霉素的工艺研究[J].中国抗生素杂志,2010.
[4]梁世中.《生物工程设备》.中国轻工业出版社,2009.
[5]黎润钟.《发酵工厂设备》.中国轻工业出版社,1991.
[6]刘国诠.《生物工程下游技术》.化学工业出版社,1994.
[7]刘家祺.《分离过程》.化学工业出版社,2002.
[8]李津.《生物制药设备和分离纯化技术》.化学工业出版社,2009.
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12、多想一下竞争对手。
13、一个伟大的企业，对待成就永远都要战战兢兢，如覆薄冰。
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14、企业即人。
15、企业最大的资产是人。
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