年产300吨硫酸链霉素工业盐发酵车间的工艺设计.docx

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年产300吨硫酸链霉素工业盐发酵车间的工艺设计

课程设计

题目：

年产300吨硫酸链霉素工业盐发酵车间的工艺设计

课程名称：

发酵工厂工艺设计概论

学院：

班级：

学号：

指导老师：

XX：

XX理工学院

二零12年9月13日

1.前言..……………………………………………….................................……………3

2.设计任务书..………………………………………………............................……5

3.工艺设计说明

3.1项目背景和开发意向.……………………………………………….....6

3.2生产菌种及发酵基本原理.……………………………………………6

3.3基础数据..………………………………………………...........................7

3.4参考数据..………………………………………………..........................8

4.工艺流程及方案的说明论证…………………………….........................9

4.1发酵工艺……………………………………………….........................9

4.2链霉素发酵条件及中间控制…………………………………….10

4.3提取工艺……………………………………………….........................11

4.4工艺流程简图……………………………………………..................12

5.物料衡算及能量恒算..………………………….......................……..…14

5.1物料衡算..………………………………………………........................14

5.2热量衡算..………………………………………………........................15

5.3水用量的计算..………………………………………………................17

6.发酵车间设备的选型计算..……………………………...........…………19

6.1发酵罐的设计..………………………………………………................19

6.1.1发酵罐的选型及尺寸.…………………………………………..19

6.2设备结构的工艺设计..……………………………….……...…..………20

6.2.1空气分布器..……………………………………….………...........206.2.2挡板..……………………………………………….........…..…....…...206.2.3电机设计及轴功率的计算..………………………………..206.2.4搅拌器设计..……………………………………………….............226.2.5冷却面积的计算与冷却管的设计..………………………..226.2.6PH测定..………………………………………........………...............…..25

6.2.7消泡..………………………………………………......................………256.2.7消泡..…………………………………………….............................256.2.8观察窗口..…………………………………………….............…..........25

6.2.9液面高度显示安装..………………………………….....................25

6.2.10封头连接方式..………………………………………………...........25

6.2.11密封方式..………………………………………………...................25

7.对本设计的评述..………………………………………......……….......................26

8.厂房平面图....................................................................................28

9.参考文献..………………………………………………..............................….........29

1前言

硫酸链霉素（StreptomycinSulfate）的主要成分是链霉素，链霉素

[硫酸链霉素化学结构式]

（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。

链霉素对结核杆菌有强大抗菌作用，其最低抑菌浓度（MIC）一般为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XX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

四川理工学院

制药工程课程设计任务书

学院专业班级

学生XX

学号：

指导教师：

（签名）

系主任（签名）　　院长（签名）

设计时间:

一、设计任务

1.题目：

年产300吨硫酸链霉素工业盐发酵车间的工艺设计

2.条件：

年产量为300吨。

一年按300个工作日算。

二、设计内容

（一）、设计说明书，内容包括：

1、目录

2、题目及条件（任务书）

3、工艺设计说明书

4、工艺流程及方案的选择

5、物料衡算及能量衡算

6发酵车间设备的选型计算

7、设计评述

8、参考文献

（二）、绘图

绘制带控制点工艺流程图或车间平面布置图或主体设备图

3工艺设计说明

3.1硫酸链霉素生产背景和开发意向

《生产硫酸链霉素项目可行性研究报告》通过对项目科学深入的市场需求和供给分析、未来价格预测、资源供应、建设规模、工艺路线、设备选型、环境影响、节能减排、投资估算、资金筹措、盈利能力等方面的科学研究，从市场、技术、经济、工程等角度对项目进行调查研究和分析比较，并对项目建成以后可能取得的财务、经济效益及社会环境影响进行科学预测，为项目决策提供了公正的、可靠的、科学性的投资咨询意见。

3.2生产菌种及发酵基本原理

3.2.1硫酸链霉素生产简介

在链霉素发酵中，我们采用国内比较常用的灰色链霉菌及其变种。

该菌除了分泌链霉素外，还产生别的抗生素如放线菌酮对酵母和真菌的杀菌作用强，因毒性大不能用于临床。

灰色链霉素的孢子柄直而短，不呈螺旋。

孢子量多，呈椭圆球形。

气生菌丝和孢子都呈白色，单菌落生长丰满，呈梅花形或馒头形，直径3-4mm。

基质菌丝透明，在斜面背后产生淡棕色色素。

菌种采用沙土管或冷冻干燥保藏。

链霉素是由链霉胍、链霉糖和N．甲基．L一葡萄糖胺组成的三糖苷，属于氨基糖苷类抗生素。

链霉胍是在1，3-位置上带有2个孤基的l，3去氧青蟹肌醇，去掉2个脒基后称为链霉胺。

链霉糖是带有支链的5’，脱氧五碳糖，在第3碳上有1个醛基。

N-甲基-L-葡萄糖胺是在第2碳上的-NH2被甲基化（-cH3NH）的L一葡萄糖胺。

这三糖连接的糖苷键都是

型的糖苷键。

3.2.2硫酸链霉素合成示意图

由D-葡萄糖和NH3合成链霉素的大致途径如图1

3.3基础数据

生产规模：

300吨/年

产品规格：

成品效价为800单位/mg

生产天数：

300天/年

接种量：

15%

倒罐率：

1%

发酵周期：

8天

每天放罐：

2罐

发酵装料系数：

70%

发酵液收率：

95%

提炼总收率：

70%

平均发酵水平：

25000单位/ml

种子培养基配比（g/L）：

牛肉膏6%，葡萄糖4%，KH2PO41%，MgSO41%

生产培养基配比（g/L）：

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%

3.4参考数据

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）

最下层搅拌桨高度与罐体直径之比：

0.8～1.0

相邻两层搅拌桨距离与搅拌桨直径之比：

1～2.5

发酵条件：

转数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

4工艺流程及方案的说明论证

4.1发酵工艺

4.1.1斜面孢子培养

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。

4.1.2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。

4.1.3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。

4.2链霉素发酵条件及中间控制

4.2.1溶氧的影响及控制

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糖做为主要碳源，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）/升小时。

因此向发酵液中迅速地补充溶解氧.是链霉素发酵中的重要问题[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。

d、罐压：

实验证明罐压对溶氧的影响较空气流量对溶氧的影响更为明显。

在菌体生长前期，空气流量在一定X围内的增减对溶氧几乎没有什么影响，而罐压变化则溶氧变化明显。

在培养前期，一般罐压每升高或降低0.lkg/cm2溶氧浓度就升高或降低4%左右；在培养中、后期，罐压每升高或降低0.lkg/cm2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。

4.2.2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℃时则为414毫克/升/72小时。

故认为链霉素生产适宜培养温度为28.5℃左右。

有些人认为不一定在24~31℃的X围，应随菌株不同而适宜温度有所改变。

4.2.3pH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。

4.3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1×10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。

4.4硫酸链霉素生产工艺流程图

5物料衡算及能量衡算

5.1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：

1.发酵液量：

V1=1000×800÷[25000×（1-1%）×95%×70%]=48.61m3

2.种子液量（接种量为15%）:

V2=V1×15%=7.292m3

3.牛肉膏耗用量：

种子液用量：

V2×6%=7.292×103×6%=437.52kg

4.葡萄糖耗用量：

种子液用量：

V2×4%=7.292×103×4%=291.68kg

发酵液用量：

V1×4%=48.61×103×4%=1944.4kg

葡萄糖总共耗用量：

291.68+1944.4=2236.08kg

5.KH2PO4耗用量：

种子液用量：

V2×1%=7.292×103×1%=72.92kg

发酵液用量：

V1×0.01%=48.61×103×0.01%=4.861kg

KH2PO4总共耗用量：

72.92+4.861=77.781kg

6.MgSO4耗用量：

种子液用量：

V2×1%=7.292×103×1%=72.92kg

7.黄豆饼粉耗用量：

发酵液用量：

V1×0.8%=48.61×103×0.8%=388.88kg

8.玉米浆耗用量：

发酵液用量：

V1×1.5%=48.61×103×1.5%=729.15kg

9.（NH4）2SO4耗用量：

发酵液用量：

V1×0.5%=48.61×103×0.5%=243.05kg

10.豆油耗用量：

发酵液用量：

V1×0.2%=48.61×103×0.2%=97.22kg

11.CaCO3耗用量：

发酵液用量：

V1×0.04%=48.61×103×0.04%=19.444kg

300吨/a，链霉素厂发酵车间的生物料衡算

物料名称

生产1000kg链霉素产品的物料量

300t/a，链霉素生产的物料量

每日物料量

发酵液量（m3）

48.61

14583

48.61

种子液量（m3）

7.292

2187.6

7.29

牛肉膏耗用量（kg）

437.52

131256

437.52

葡萄糖耗用量（kg）

2236.08

670824

2236.08

KH2PO4耗用量（kg）

77.781

23334.3

77.78

MgSO4耗用量（kg）

72.92

21876

72.92

黄豆饼粉耗用量（kg）

388.88

116664

388.88

玉米浆耗用量（kg）

729.15

218745

729.15

（NH4）2SO4耗用量（kg）

243.05

72915

243.05

豆油耗用量（kg）

97.22

29166

97.22

CaCO3耗用量（kg）

19.444

5833.2

19.44

5.2热量衡算

1.对于生产1000kg硫酸链霉素产品，利用直接蒸汽混合加热，蒸汽消耗量为：

式中:

D——蒸汽消耗量,kg

G——被加热料液量,kg

c——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

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XX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:

G=48610+437.52+2236.08+77.781+72.92+388.88+729.15+243.05+97.22+19.444

=52912.045kg

固形物的质量百分比:

x=3427.006/52912.045=6.47%

料液的比热:

c=0.37×4.18×6.47%+4.18×（1-6.47%）=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）

=52912.045×4.01×（121-10）×（1+10%）÷（503.67-121×4.01）

=1.40×106kg

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,m3

ρs——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ρs=943.1kg/m3

发酵罐全容积VF=48.61÷70%=69.44m3

故D2=5VFρs=5×69.44×943.1=3.27×105kg

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=6.90×105kg

4.生产1000kg硫酸链霉素产品，总蒸汽的耗用量为:

D=D1+D2+D3=2.417×106kg

300t/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）

2.417×106

2.415×106

7.253×108

5.3耗水量的计算

生产1000kg硫酸链霉素种子液用水量:

7.292（m3）

生产1000kg硫酸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/h

Q——物料的热效应,kJ/h

c2——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/h

QF——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=50×70%=35（m3）

则W=Q÷{c2×（tk－tH）}=QF×VL÷{c2×（tk－tH）}

=18800×35÷{4.183×5}

=31460.67kg/h

300t/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

566.29

23595.51

566.30

169887.8

6发酵车间设备的选型计算