年产200吨硫酸链霉素工业盐发酵车间的工艺设计课程设计说明书文档格式.docx

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5.3.2挡板………………………………………………………………….16

6冷却管的布置

6.1冷却面积的计算………………………………………………………….16

6.1.1冷却管组数和管径……………………………………………………..17

6.1.2冷却管总长度L计算………………………………………………….18

6.1.3每组管长L0和管组高度………………………………………………18

6.1.4每组管子圈数……………………………………………………….…18

7、PH测定…………………………………………………………………………...……19

8、消泡………………………………………………………………………………...……19

9、观察窗口………………………………………………………………………….……19

10、液面高度显示管安装……………………………………………………...….19

11、封头连接方式………………………………………………………………….….19

12、密封方式…………………………………………………………………………....19

13、对本设计的评述..………………………………………..........................19

14、参考文献..……………………………………………….......................……...20

1、前言

硫酸链霉素的主要成分是链霉素，链霉素（streptomycin）是一种氨基葡萄糖型抗生素，分子式C21H39N7O12。

于1943年由美国S.A.瓦克斯曼从链霉菌中析离得到，是继青霉素后第二个生产并用于临床的抗生素。

它的抗结核杆菌的特效作用，开创了结核病治疗的新纪元。

[硫酸链霉素化学结构式]

链霉素是一种从灰链霉菌的培养液中提取的抗菌素。

属于氨基糖甙碱性化合物，它与结核杆菌菌体核糖核酸蛋白体蛋白质结合，起到了干扰结核杆菌蛋白质合成的作用，从而杀灭或者抑制结核杆菌生长的作用。

链霉素属窄谱抗生素，主要对革兰氏阴性杆菌如大肠杆菌、产气杆菌、肺炎杆菌、痢疾杆菌、变形杆菌、布鲁氏菌、鼠疫杆菌等有抗菌作用。

特别对结核杆菌作用较强，在低浓度时有抑菌作用，在高浓度时有杀菌作用。

但对大多数革兰氏阳性菌不如青霉素，对真菌、立克次氏体、病毒等无效。

由于硫酸链霉素肌肉注射的疼痛反应比较小，适宜临床使用，只要应用对象选择得当，剂量又比较合适，大部分病人可以长期注射（一般2个月左右）。

所以，应用数十年来它仍是抗结核治疗中的主要用药。

其生产过程分为两大步骤：

①菌种发酵，将冷干管或沙土管保存的链霉菌孢子接种到斜面培养基上，于27℃下培养7天。

待斜面长满孢子后,制成悬浮液接入装有培养基的摇瓶中，于27℃下培养45～48小时待菌丝生长旺盛后，取若干个摇瓶，合并其中的培养液将其接种于种子罐内已灭菌的培养基中，通入无菌空气搅拌，在罐温27℃下培养62～63小时，然后接入发酵罐内已灭菌的培养基中，通入无菌空气，搅拌培养，在罐温为27℃下，发酵约7～8天。

②提取精制，发酵液经酸化、过滤，除去菌丝及固体物，然后中和，通过弱酸型阳离子交换树脂进行离子交换，再用稀硫酸洗脱,收集高浓度洗脱液──链霉素硫酸盐溶液。

洗脱液再经磺酸型离子交换树脂脱盐，此时溶液呈酸性，用阴离子树脂中和后，再经活性炭脱色得到精制液。

精制液经薄膜浓缩成浓缩液，再经喷雾干燥得到无菌粉状产品，或者将浓缩液直接做成水针剂。

[1]

2、设计任务书

2.1基础数据

生产规模：

200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：

3罐

发酵装料系数：

70%

发酵液收率：

95%

提炼总收率：

75%

平均发酵水平：

22000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%

2.2参考数据

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

培养基比热容:

C=.037×

4.18X＋4.18（1－X）

【X:

固形物的质量百分比】

2.3设计内容

•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。

•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；

发酵车间耗冷量计算。

•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。

•对发酵设备进行详细化工计算与设计。

2.4设计要求

•根据以上设计内容，书写设计说明书

•完成图纸（1号图纸）：

带控制点工艺流程图（初步设计阶段），发酵设备总装图（剖面和俯视图）或车间平面布置图。

3、全厂工艺论证[1]

3.1硫酸链霉素生产工艺

3.1.1硫酸链霉素生产工艺概述

硫酸链霉素的整个生产过程可分为以下4个工艺阶段：

•筛选生产菌种

•无菌空气的制备和发酵工艺

•链霉素的提取

•硫酸链霉素的加工制备

由这四个工艺阶段硫酸链霉素生产厂家一般将其生产分为以下四个生产车间：

•生产菌种筛选和准备车间

•发酵车间

•提取车间

•精制车间

除以上四个车间外，为保障生产过程中对培养基和无菌水等的需要，还设置了其它部门。

3.1.2筛选生产菌种

出发菌株多采用灰色链霉菌。

灰色链霉菌的孢子梗直而短，不呈螺旋形，孢子数量很多，孢子乃断裂而成，呈椭圆形，气生菌丝和孢子均呈白色，单菌落生长丰满，呈梅花型或馒头型，直径为3~4mm，基质菌丝透明，在斜面背后产生淡色色素。

3.1.3无菌空气的制备

在抗生素的工业发酵中，生产菌大多是好痒菌，要求连续通入大量无菌空气，故无菌空气的质量标准是至关重要的。

目前工业发酵企业一般采用二级过滤除菌：

总过滤器粗过滤除菌和进罐前分过滤器过滤除菌。

这样可很大程度上降低杂菌污染情况。

3.2发酵工艺

链霉素发酵生产工艺与其它抗生素相似，采用沉没培养法，在通气搅拌条件下，菌种在一定组成的培养基内，经过2~3级的种子扩大培养，最后进行发酵生产。

其过程一般包括：

斜面孢子培养、摇瓶种子培养、种子罐培养和发酵培养等。

3.2.1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。

3.2.2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，也可以再扩大培养，用培养所得的子瓶来接种。

摇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。

3.2.3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、菌丝粘度和浓度、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。

3.2.4发酵罐培养

发酵罐培养是链霉素生物合成的最后一步，也是最关键的一步，链霉素的发酵培养基主要由葡萄糖、黄豆饼粉、硫酸铵、玉米浆、磷酸盐和碳酸钙等组成。

各成分元素的差异都会影响发酵生产的进行。

1碳源链霉素产生菌—灰色链霉菌可以利用葡萄糖、果糖、半乳糖、木糖、D一甘露醇、麦芽糖、乳糖和淀粉。

2氮源目前都采用复合氮源。

有机氮源如黄豆粉等，无机氮源如硫酸铵等铵盐,

3磷源营养物质除碳、氮源外，磷源亦是很主要的因素之一，由于营养物供能及合成菌丝蛋白，整个代谢过程很多需有磷酸盐的参与，同时物质代谢所产生的能量，一部分被利用于高能磷酸化合物（主要是ATP）的生成。

3.3溶氧的影响及控制

链霉素产生菌——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作为主要碳源，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。

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/小时，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。

d、罐压：

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。

应尽量增大Vs，但其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。

f、搅拌：

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。

3.4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：

25℃时，发酵单位为1180毫克/升/118小时；

27℃时为2041毫克/升/118小时；

29℃时为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℃的范围，应随菌株不同而适宜温度有所改变。

3.5pH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。

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或高于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[12]。

3.6泡沫与消沫

链霉素发酵过程产生大量泡沫，尤其在发酵前期，由于菌丝生长处于对数生长期，代谢旺盛，在通气和连续搅拌条件下产生大量泡沫，如不及时进行消沫控制，就产生逃液等现象，发酵不易正常进行。

故一般都需加一定量之消沫剂进行消沫。

消沫剂分油脂类、脂肪酸类、脂肪酸酷类、醇类、醚类、胺类、酞胺类、金属碱类、硅酮类等，抗菌素生产中可应用硅酮、聚氧乙烯和聚氧丙烯的共聚物，其中硅酮对微生物影响小，是一种较好的消沫剂。

国内已成功地使用了聚氧乙烯甘油醚和聚氧丙烯甘油醚作为消沫剂。

[13]。

3.7提取工艺

经3~4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℃，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-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、蛋白质及可见的固形物等。

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、工艺计算

4.1物料衡算[3]

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÷

[22000×

（1－1%）×

95%×

75%]=51.55m3

2.种子液量（接种量为15%）:

V2=V1×

15%=7.7325m3

3.牛肉膏耗用量：

种子液用量：

V2×

6%=7.7325×

103×

6%=463.95kg

4.葡萄糖耗用量：

种子液用量：

4%=7.7325×

4%=309.3kg

发酵液用量：

V1×

4%=51.55×

4%=2062kg

葡萄糖总共耗用量：

309.3+2062=2371.3kg

1.KH2PO4耗用量：

1%=7.7325×

1%=77.325kg

发酵液用量：

0.01%=51.55×

0.01%=5.155kg

KH2PO4总共耗用量：

77.325+5.155=82.48kg

1.MgSO4耗用量：

1.黄豆饼粉耗用量：

0.8%=51.55×

0.8%=412.4kg

1.玉米浆耗用量

1.5%=51.55×

1.5%=773.25kg

9.（NH4）2SO4耗用量：

0.5%=51.55×

0.5%=257.75kg

10.豆油耗用量：

0.2%=51.55×

0.2%=103.1kg

11.CaCO3耗用量：

0.04%=51.55×

0.04%=20.62kg

200吨/年，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

200t/a，链霉素生产的物料量

每日物料量

发酵液量（m3）

51.55

10310

34.37

种子液量（m3）

7.732

1546.4

5.15

牛肉膏耗用量（kg）

463.95

92790

1237.2

葡萄糖耗用量（kg）

2371.3

474260

1580.87

KH2PO4耗用量（kg）

82.48

16496

54.99

MgSO4耗用量（kg）

77.325

15465

黄豆饼粉耗用量（kg）

412.4

82480

274.93

玉米浆耗用量（kg）

773.25

154650

515.5

（NH4）2SO4耗用量（kg）

257.75

51550

171.8

豆油耗用量（kg）

103.1

20620

68.7

CaCO3耗用量（kg）

20.62

4124

13.75

4.2热量衡算[3]

4.2.1

对于单发酵罐，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=34370+1374.67+3.44+274.93+515.5+171.83+68.73+13.75

=36792.85kg

固形物的质量百分比:

x=2365.78/55184.275=6.43%

料液的比热:

c=0.37×

4.18×

6.43%+4.18×

（1-6.43%）=4.0kJ/（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）

=36792.85×

4.0×

（121-10×

（1+10%）/（503.67-121×

4.0）

=8.23×

105kg

4.2.2发酵罐空罐灭菌时的蒸汽消耗量估算：

[4]

D=5VFρs

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=34.37÷

70%=49.1m3

故D2=5VFρs=5×

49.1×

943.1=2.32×

4.2.3发酵罐实罐灭菌保温时的蒸汽消耗量估算[4]

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=4.12×

总蒸汽的耗用量为:

D=D1+D2+D3=14.67×

200t/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）

14.67×

105

9.78×

2.93×

108

4.3耗水量的计算[4]

种子液用水量:

5.15（m3）

发酵液用水量:

34.37（m3）

发酵冷却水用量:

（只考虑全年平均负荷）

W=Q÷

{c2*（tk－tH）}

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）取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

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=60*70%=42（m3）

则W=Q÷

{c2*（tk－tH）}=QF*VL÷

=18800*42÷

（4.183*5）

=37752.8kg/h

工艺设备选型与设备选材的原则[7]

满足《药品生产质量管理规范》（2010年修订）中有关设备选型的要求。

根据该厂生产特点，结合企业生产经验