年產(chǎn)1200噸青霉素鈉鹽發(fā)酵車間工藝初步設(shè)計(jì)

1、 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)年產(chǎn)1200噸青霉素鈉鹽發(fā)酵車間工藝初步設(shè)計(jì)學(xué) 生：學(xué) 號(hào)：專 業(yè)：生物工程班 級(jí)：2011.5指導(dǎo)教師： 四川理工學(xué)院生物工程學(xué)院2015年6月四 川 理 工 學(xué) 院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書設(shè)計(jì)（論文）題目： 年產(chǎn)1200噸青霉素鈉鹽發(fā)酵車間工藝初步設(shè)計(jì) 學(xué)院： 生物工程學(xué)院 專業(yè)： 生物工程 班級(jí)： 2011.5 學(xué)號(hào)： 學(xué)生： 指導(dǎo)教師： 教研室主任 （簽名）二級(jí)學(xué)院院長(zhǎng) （簽名）1畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的主要內(nèi)容及基本要求（1）生產(chǎn)車間工藝論證；（2）生產(chǎn)工藝計(jì)算（物料衡算、能量衡算）；（3）車間設(shè)備設(shè)計(jì)選型及車間布置設(shè)計(jì)；（4）圖紙繪制要求：工藝流程圖；生產(chǎn)車間帶控制點(diǎn)

2、工藝流程圖； 生產(chǎn)車間平、立面布置圖。（5）撰寫設(shè)計(jì)說明書一份；（6）產(chǎn)品規(guī)格： 青霉素鈉鹽 ；（7）生產(chǎn)安排：年生產(chǎn)天數(shù)為 280天 ；（8）淡旺季生產(chǎn)任務(wù)比例： 無淡旺季 ； 2指定查閱的主要參考文獻(xiàn)及說明（1）吳思方.發(fā)酵工廠工藝設(shè)計(jì)概論M.北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社.2005；（2）梁世中.生物工程設(shè)備M.北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社.2005；（3）姚玉英.化工原理(上、下)M.北京：天津大學(xué)出版社.1999；（4）陸敏. 化學(xué)制藥工藝與反應(yīng)器M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2005；（5）季陽(yáng)萍.化工制圖M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2009；3進(jìn)度安排設(shè)計(jì)（論文）各階段名稱起 止 日 期1查閱資料，

3、初步擬定設(shè)計(jì)方案03月10日-03月20日2生產(chǎn)工藝論證及工藝參數(shù)的選擇03月21日-04月12日3工藝計(jì)算04月13日-04月24日4車間設(shè)備設(shè)計(jì)、選型及車間布置設(shè)計(jì)04月25日-05月15日5圖紙繪制05月16日-05月29日6設(shè)計(jì)說明書修訂、排版及裝訂05月30日-06月8日7畢業(yè)答辯6月中旬摘要 摘 要 本畢業(yè)設(shè)計(jì)以青霉素G鈉為背景，進(jìn)行年產(chǎn)1200噸青霉素鈉鹽發(fā)酵車間工藝初步設(shè)計(jì)，為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)黃青霉菌種放大培養(yǎng)的平穩(wěn)過渡，設(shè)計(jì)采用目前主流的三級(jí)發(fā)酵工藝進(jìn)行青霉素的生產(chǎn)，菌種經(jīng)種子發(fā)酵罐擴(kuò)培后進(jìn)入二級(jí)種子發(fā)酵罐再進(jìn)入發(fā)酵罐。經(jīng)工藝論證，種子罐和二級(jí)種子罐培養(yǎng)基一次性加入，發(fā)酵罐采用補(bǔ)料分

4、批發(fā)酵以保證產(chǎn)黃青霉的健康生長(zhǎng)。經(jīng)工藝計(jì)算，設(shè)計(jì)選用2臺(tái)一級(jí)種子罐、3臺(tái)二級(jí)種子罐、6臺(tái)發(fā)酵罐。廠房采用三層設(shè)計(jì)，在不同層放置不同類型的罐體，以滿足生產(chǎn)需要。在本設(shè)計(jì)充分考慮了理論設(shè)計(jì)量的合理性，又兼顧實(shí)際生產(chǎn)中的可行性，分析了發(fā)酵控制因素，對(duì)物料、能量等進(jìn)行了計(jì)算，力求讓設(shè)計(jì)完整及準(zhǔn)確無誤。關(guān)鍵詞：青霉素；發(fā)酵；分批；工藝；生產(chǎn)Abstract The design penicillin G sodium as the background, conduct an annual output of 1,200 tons sodium penicillin fermentation plant

5、 preliminary design process, in order to achieve P. Chrysogenum strain amplifying cultured smooth transition, the design with the current mainstream of the three fermentation production of penicillin , strain through seed fermentation seed after expanding culture into the secondary fermentation and

6、then into the fermentation. By craft demonstration, seed pots and secondary seed medium was added in one jar fermentation fed-batch fermentation in order to ensure the healthy growth of P. chrysogenum. By process calculation, design selection 2 seed pots, three two seed pots, six fermentation tanks.

7、 Plant uses three design, put different types of tanks in different layers, in order to meet production needs. In this design, the design fully consider the theoretical amount of rationality, but also take into account the actual production of the feasibility of materials, energy and fermentation co

8、ntrol factors calculations carried out, to let the design is complete and accurate.Key words: Penicillin; fermentation; volume; process; productionI目錄目 錄摘 要IAbstractII第一章 緒論11.1 青霉素的發(fā)現(xiàn)11.2 青霉素發(fā)展歷程11.3 青霉素市場(chǎng)分析21.4 青霉素分子結(jié)構(gòu)及分類21.5 青霉素的單位31.6 作用機(jī)理31.7 青霉素的應(yīng)用41.8 產(chǎn)品藥理4第二章 工藝設(shè)計(jì)52.1 青霉素的生產(chǎn)原料52.1.1 菌種52.1.2

9、 培養(yǎng)基52.2 青霉素發(fā)酵過程52.2.1 菌體生長(zhǎng)階段52.2.2 青霉素合成階段62.2.3 菌體自溶階段62.3 生產(chǎn)工藝62.3.1 天然青霉素的生產(chǎn)方法62.3.2 半合成青霉素的生產(chǎn)方法72.4 常見發(fā)酵方式72.4.1 分批發(fā)酵82.4.2 連續(xù)發(fā)酵82.4.3 補(bǔ)料分批發(fā)酵92.5 工藝特點(diǎn)102.6 工藝流程112.7 發(fā)酵過程優(yōu)化控制112.7.1 發(fā)酵過程中溫度的控制112.7.2 發(fā)酵過程中pH的控制112.7.3 發(fā)酵過程中溶解氧的控制122.7.4 發(fā)酵過程中菌絲濃度的控制122.7.5 發(fā)酵液質(zhì)量控制13第三章 工藝計(jì)算143.1 主要基礎(chǔ)數(shù)據(jù):143.2 發(fā)酵

10、罐設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)153.3 物料衡算153.4 能耗計(jì)算193.4.1 水193.4.2 蒸汽213.4.3 空氣21第四章 設(shè)備設(shè)計(jì)及選型234.1 主要設(shè)備設(shè)計(jì)及選型234.1.1 發(fā)酵罐234.1.2 二級(jí)種子罐304.1.3 一級(jí)種子罐364.2 附屬設(shè)備設(shè)計(jì)及選型414.2.1 貯罐414.2.2 液體輸送設(shè)備選型444.2.3 空氣粗過濾器454.2.4 空氣壓縮機(jī)選型454.2.5 發(fā)酵罐物料管道選型464.2.6 二級(jí)種子罐物料管道選型484.2.7 一級(jí)種子罐物料管道選型50第五章 車間布置535.1 生產(chǎn)車間布置說明535.2 設(shè)備安裝54第六章 環(huán)境保護(hù)556.1 生產(chǎn)過程

11、中“三廢”排放情況556.2 處理方案556.3 噪聲控制55參考文獻(xiàn)56致謝57I第一章 緒論第一章 緒論1.1 青霉素的發(fā)現(xiàn) 青霉素是一種高效、低毒、臨床應(yīng)用廣泛的重要抗生素。它的研制成功大大增強(qiáng)了人類抵抗細(xì)菌性感染的能力，帶動(dòng)了抗生素家族的誕生。20世紀(jì)40年代前，人們一直未能掌握一種能高效治療細(xì)菌性感染且副作用小的藥物。為改變這種局面，科學(xué)家進(jìn)行了長(zhǎng)期探索，然而在這方面所取得的突破性進(jìn)展卻源自一次意外發(fā)現(xiàn)。1928年，英國(guó)細(xì)菌學(xué)家弗萊明發(fā)現(xiàn)一個(gè)與空氣意外接觸過的金黃色葡萄球菌培養(yǎng)皿中長(zhǎng)出了一團(tuán)青綠色霉菌。用顯微鏡觀察培養(yǎng)皿時(shí)發(fā)現(xiàn)，霉菌周圍的葡萄球菌菌落已被溶解。這意味著霉菌中某種分泌物

12、能抑制葡萄球菌。此后的鑒定表明，上述霉菌為點(diǎn)青霉菌，因此弗萊明將其分泌的抑菌物質(zhì)稱為青霉素。1940年，英國(guó)弗洛里和錢恩進(jìn)一步研究此菌，并從培養(yǎng)液中制出了干燥的青霉素制品。經(jīng)實(shí)驗(yàn)和臨床試驗(yàn)證明，它毒性很小，并對(duì)一些革蘭氏陽(yáng)性菌所引起的許多疾病有卓越的療效。此后一系列臨床實(shí)驗(yàn)證實(shí)了青霉素對(duì)白喉?xiàng)U菌、鏈球菌等多種細(xì)菌感染的療效。在這些研究成果的推動(dòng)下，美國(guó)制藥企業(yè)于1942年開始對(duì)青霉素進(jìn)行批量化生產(chǎn)。到了1943年，制藥公司已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了批量生產(chǎn)青霉素的方式。當(dāng)時(shí)美國(guó)和英國(guó)正在和納粹德國(guó)交戰(zhàn)。這種新的藥物對(duì)控制傷口感染有顯著療效。到1944年底，青霉素藥物的供應(yīng)已經(jīng)足夠治療第二次世界大戰(zhàn)期間所有參戰(zhàn)

13、的盟軍士兵。1945年，弗萊明、弗洛里和錢恩因“發(fā)現(xiàn)青霉素及其臨床效用”而共同榮獲諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。1.2 青霉素發(fā)展歷程1953年5月，中國(guó)第一批國(guó)產(chǎn)青霉素誕生，揭開了中國(guó)生產(chǎn)抗生素的歷史。在1996年得到迅速擴(kuò)展，當(dāng)時(shí)全球青霉素原料藥年產(chǎn)銷量達(dá)4萬噸左右，其中中國(guó)的青霉素在國(guó)際市場(chǎng)的份額占到30%，且出口量猛增。上世紀(jì)80年代以后，世界青霉素生產(chǎn)格局悄然發(fā)生了變化，這緣于中國(guó)與印度抗生素工業(yè)的崛起。在此之前，歐洲根本不把亞洲制藥工業(yè)放在眼里，因?yàn)楫?dāng)時(shí)亞洲尚無現(xiàn)代化工業(yè)可言，更何況制藥工業(yè)了。1978年，我國(guó)實(shí)行以市場(chǎng)化為導(dǎo)向的改革開放新政策，我國(guó)的制藥工業(yè)以前所未有的速度高速發(fā)展，到2

14、0世紀(jì)80年代末、90年代初，我國(guó)生產(chǎn)的青霉素工業(yè)鹽已占了世界總產(chǎn)量的三分之一。1.3 青霉素市場(chǎng)分析 目前世界青霉素年需求量為5萬噸左右，但直接作為注射劑使用的青霉素G和作為口服劑使用的青霉素V僅占全部青霉素產(chǎn)品的20%，另外3%5%作為飼料添加劑或獸藥使用外，大部分青霉素是作為制備7-氨基脫乙酰氧基頭孢烯酸、6-氨基青霉素烷或氯亞甲基頭孢烯母核的原料，通過這些母核中間體轉(zhuǎn)化成高附加值產(chǎn)品推向市場(chǎng)。上述三種產(chǎn)品占抗感染藥物原料藥的78%，用于生產(chǎn)這些半合成產(chǎn)品所需消耗的青霉素約占全部產(chǎn)量的四分之三。 青霉素是中國(guó)化學(xué)原料主要品種之一。上世紀(jì)80年代后，世界青霉素生產(chǎn)格局發(fā)生了翻天覆地的變化。

15、中國(guó)青霉素工業(yè)鹽的產(chǎn)量從90年代的初的約占世界總產(chǎn)量的三分之一逐步增加到目前的90%以上。中國(guó)青霉素行業(yè)發(fā)展迅速。目前中國(guó)青霉素工業(yè)鹽產(chǎn)能已達(dá)10萬噸/年，而每年全球需求量也只有56萬噸，將青霉素作為制備其他抗生素母核的原料，讓絕大部分抗生素品種擺脫了依賴進(jìn)口的局面。面對(duì)國(guó)際市場(chǎng)對(duì)青霉素產(chǎn)品的需求的減弱和國(guó)內(nèi)市場(chǎng)抗生素產(chǎn)品的升級(jí)，可知我國(guó)的青霉素需求量還是呈上升趨勢(shì)。1.4 青霉素分子結(jié)構(gòu)及分類青霉素是6氨基青霉烷酸（6-aminopenicillanic acid， 6-APA）苯乙酰衍生物。側(cè)鏈基團(tuán)不同，形成不同的青霉素，主要是青霉素G。工業(yè)上應(yīng)用的有鉀、鈉、普魯卡因、二芐基乙二胺鹽，其在

16、水中溶解度很小，且很快失去活性。青霉素的分子通式為：RC9O4H11 N2 S結(jié)構(gòu)通式可表示為下圖：圖1-1 青霉素結(jié)構(gòu)通式然而青霉素發(fā)酵液中含有5種以上天然青霉素（如青霉素F、G、X、K、F和V等），它們的差別僅在于側(cè)鏈R基團(tuán)的結(jié)構(gòu)不同，其中青霉素G在醫(yī)療中用得最多，它的鉀或鈉鹽為治療革蘭氏陽(yáng)性菌的首選藥物，對(duì)革蘭氏陰性菌也有強(qiáng)大的抑制作用。1.5 青霉素的單位目前國(guó)際上青霉素活性單位表示方法有兩種：一是指定單位（unit）；二是活性質(zhì)量（g），最早為青霉素規(guī)定的指定單位是：50mL肉湯培養(yǎng)基中恰能抑制標(biāo)準(zhǔn)金葡萄菌生長(zhǎng)的青霉素量為一個(gè)青霉素單位。在以后，證明了一個(gè)青霉素單位相當(dāng)于0.6g青霉

17、素鈉。因此青霉素的質(zhì)量單位為: 0.6g青霉素鈉等于1個(gè)青霉素單位。由此，1mg青霉素鈉等于1667個(gè)青霉素單位(unit)。1.6 作用機(jī)理 有研究認(rèn)為，青霉素的抗菌作用與抑制細(xì)胞壁的合成有關(guān)1。細(xì)菌的細(xì)胞壁是一層堅(jiān)韌的厚膜，主要由多糖組成，也含有蛋白質(zhì)和脂質(zhì)，用以抵抗外界的壓力，維持細(xì)胞的形狀。細(xì)胞壁的里面是細(xì)胞膜，膜內(nèi)裹著細(xì)胞質(zhì)，青霉素作用于-內(nèi)酰胺類細(xì)菌的細(xì)胞壁。革蘭氏陽(yáng)性菌細(xì)胞壁的組成是肽聚糖占細(xì)胞壁干重的5080（革蘭氏陰性菌為110）、磷壁酸質(zhì)、多糖、脂蛋白和蛋白質(zhì)。其中肽聚糖是一種含有乙?；咸烟前泛投屉膯卧木W(wǎng)狀生物大分子，在它的生物合成中需要一種關(guān)鍵的酶即轉(zhuǎn)肽酶。青霉素作用

18、的部位就是這個(gè)轉(zhuǎn)肽酶?，F(xiàn)已證明青霉素內(nèi)酞胺環(huán)上的高反應(yīng)性肽鍵受到轉(zhuǎn)肽酶活性部位上絲氨酸殘基的羥基的親核進(jìn)攻形成了共價(jià)鍵，生成青霉噻唑?；?酶復(fù)合物，從而不可逆的抑制了該酶的催化活性。通過抑制轉(zhuǎn)肽酶，青霉素使細(xì)胞壁的合成受到抑制，細(xì)菌的抗?jié)B透壓能力降低，引起菌體變形，破裂而死亡。即作用機(jī)理是干擾細(xì)菌細(xì)胞壁的合成。因?yàn)榍嗝顾氐慕Y(jié)構(gòu)與細(xì)胞壁的成分粘肽結(jié)構(gòu)中的D-丙氨酰-D-丙氨酸近似，可與后者競(jìng)爭(zhēng)轉(zhuǎn)肽酶，阻礙粘肽的形成，通過抑制細(xì)菌細(xì)胞壁四肽側(cè)鏈和五肽交連橋的結(jié)合而阻礙細(xì)胞壁合成而發(fā)揮殺菌作用。造成細(xì)胞壁的缺損，使細(xì)菌失去細(xì)胞壁的滲透屏障，對(duì)細(xì)菌起到殺滅作用。對(duì)革蘭陽(yáng)性球菌及革蘭陽(yáng)性桿菌、螺旋體、梭

19、狀芽孢桿菌、放線菌以及部分?jǐn)M桿菌有抗菌作用。對(duì)溶血性鏈球菌等鏈球菌屬，肺炎鏈球菌和不產(chǎn)青霉素酶的葡萄球菌具有良好抗菌作用。對(duì)腸球菌有中等度抗菌作用。對(duì)流感嗜血桿菌和百日咳鮑特氏菌亦具一定抗菌活性，對(duì)梭狀芽孢桿菌屬、消化鏈球菌、厭氧菌以及產(chǎn)黑色素?cái)M桿菌等具良好抗菌作用。 1.7 青霉素的應(yīng)用臨床應(yīng)用：40多年來，主要控制敏感金黃色葡糖球菌、鏈球菌、肺炎雙球菌、淋球菌、腦膜炎雙球菌、螺旋體等引起感染，對(duì)大多數(shù)革蘭氏陽(yáng)性菌（如金黃色葡萄球菌）和某些革蘭氏陰性細(xì)菌及螺旋體有抗菌作用。優(yōu)點(diǎn)：毒性小，但由于難以分離除去青霉噻唑酸蛋白（微量可能引起過敏反應(yīng)），需要皮試。1.8 產(chǎn)品藥理青霉素為內(nèi)酰胺抗生素對(duì)

20、革蘭陽(yáng)性菌及某些革蘭陰性菌有較強(qiáng)的抗菌作用，金黃色葡萄球菌(金葡菌)、肺炎球菌、淋球菌及鏈球菌等對(duì)本品高度敏感；腦膜炎雙球菌、破傷風(fēng)桿菌、白喉?xiàng)U菌及梅毒螺旋體也很敏感。主要用于敏感菌引起的各種急性感染，如肺炎、支氣管炎、腦膜炎、腹膜炎、心內(nèi)膜炎、膿腫、敗血癥、蜂窩組織炎、乳腺炎、淋病、回歸熱、鉤體病、梅毒、白喉及中耳炎等。對(duì)溶血性鏈球菌等鏈球菌屬，肺炎鏈球菌和不產(chǎn)青霉素酶的葡萄球菌具有良好抗菌作用。對(duì)腸球菌有中等度抗菌作用，淋病奈瑟菌、腦膜炎奈瑟菌、白喉棒狀桿菌、炭疽芽孢桿菌、牛型放線菌、念珠狀鏈桿菌、李斯特菌、鉤端螺旋體和梅毒螺旋體對(duì)本品敏感。本品對(duì)梭狀芽孢桿菌屬、消化鏈球菌厭氧菌以及產(chǎn)黑色

21、素?cái)M桿菌等具良好抗菌作用，通過抑制細(xì)菌細(xì)胞壁合成而發(fā)揮殺菌作用。3第二章 工藝設(shè)計(jì)第二章 工藝設(shè)計(jì)2.1 青霉素的生產(chǎn)原料2.1.1 菌種 常用菌種為產(chǎn)黃青霉（ Pen chrysogenum ）。當(dāng)前生產(chǎn)能力可達(dá)5000090000/ml。按其在深層培養(yǎng)中菌絲的形態(tài)，可分為球狀菌和絲狀菌。今常用綠色絲狀菌為代表。2.1.2 培養(yǎng)基培養(yǎng)基成分為： 碳源  青霉菌能利用多種碳源和乳糖、蔗糖、葡萄糖等。目前普遍采用淀粉經(jīng)淀粉酶水解的葡萄糖糖化液（DE值50%以上）進(jìn)行流加。 氮源  選用玉米漿、玉米餅粉等并補(bǔ)加無機(jī)氮源。 前體  微生物合成含有芐基基團(tuán)的青霉素G，需在

22、發(fā)酵中加入前體如苯乙酸或苯乙酰胺。一次加入量不能大于0.1%，并采用多次加入方式。 無機(jī)鹽  包括硫、磷、鈣、鎂、鉀等鹽類。鐵離子對(duì)青霉菌有毒害作用，應(yīng)嚴(yán)格控制發(fā)酵液中鐵離子的含量在30 /ml以下。2.2 青霉素發(fā)酵過程 青霉素發(fā)酵過程中的代謝變化分為菌體生長(zhǎng)、青霉素合成和菌體自溶三個(gè)階段22.2.1 菌體生長(zhǎng)階段 發(fā)酵培養(yǎng)基接種后生產(chǎn)菌在合適的環(huán)境中經(jīng)過短時(shí)間的適應(yīng)，即開始發(fā)育、生長(zhǎng)和繁殖，直至達(dá)到菌體的臨界濃度。這個(gè)階段主要是碳源（包括糖類、脂肪等）和氮源的分解代謝，以及菌體細(xì)胞物質(zhì)的合成代謝變化，前者的代謝途徑和后者有機(jī)地聯(lián)系在一起，碳源、氮源和磷酸鹽等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不斷被消耗，新

23、菌體不斷合成。隨著菌體濃度的不斷增加，攝氧率不斷增大，溶解氧水平不斷降低。當(dāng)達(dá)到菌的臨界濃度時(shí)，攝氧率達(dá)到最大，溶解氧降至最小。當(dāng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消耗達(dá)到一定程度，菌體生長(zhǎng)達(dá)到一定濃度，或者溶解氧的供應(yīng)下降到某一水平，即成為限制因素時(shí)，菌體生長(zhǎng)速度減慢；同時(shí)，由于菌體的某些中間代謝產(chǎn)物的迅速積累、原有的酶活力下降以及出現(xiàn)與抗生素合成有關(guān)的新酶等原因，導(dǎo)致生理階段的轉(zhuǎn)變，發(fā)酵就從菌體生長(zhǎng)階段轉(zhuǎn)入青霉素合成階段。2.2.2 青霉素合成階段 這個(gè)階段主要合成青霉素，青霉素的生產(chǎn)速率達(dá)到最大，并一直維持到青霉素合成能力衰退。在這個(gè)階段，菌體重量有所增加，但產(chǎn)生菌的呼吸強(qiáng)度一般無顯著變化。這期間以碳源和氮源的

24、分解代謝和青霉素的合成代謝為主，前者的代謝途徑和后者有機(jī)地聯(lián)系在一起，碳源、氮源等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不斷消耗，青霉素不斷合成。此外，由于存在著抗生素合成和菌體合成二條不同的代謝途徑，需要嚴(yán)格控制發(fā)酵條件，以利抗生素合成代謝的進(jìn)行。一般在這個(gè)階段，發(fā)酵液中碳源、氮源和磷酸鹽等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度必須控制在一定范圍內(nèi)，才有利于青霉素合成；如果這些物質(zhì)過多，則只會(huì)促進(jìn)菌體生長(zhǎng)，抑制青霉素合成；如果這些物質(zhì)過少，則菌體容易衰老，青霉合成能力也會(huì)衰退，對(duì)生產(chǎn)不利。除此之外，發(fā)酵液的pH 值、溫度和溶解氧濃度等都會(huì)影響發(fā)酵過程中的代謝變化，進(jìn)而影響青霉素產(chǎn)量，必須予以嚴(yán)格控制。 此階段一般又稱為青霉素分泌期或發(fā)酵中期。

25、2.2.3 菌體自溶階段 這個(gè)階段菌體衰老，細(xì)胞開始自溶，合成青霉素能力衰退，青霉素生產(chǎn)速率下降，氨基氮增加，pH上升。此時(shí)發(fā)酵必須結(jié)束，否則不僅會(huì)使青霉素受到破壞，還會(huì)給發(fā)酵液過濾和提煉帶來困難。 此階段一般又稱為菌體自溶期或發(fā)酵后期。2.3 生產(chǎn)工藝 青霉素的生產(chǎn)方法有產(chǎn)天然青霉素法和青霉素半合成法。2.3.1 天然青霉素的生產(chǎn)方法天然青霉素G生產(chǎn)可分為菌種發(fā)酵和提取精制兩個(gè)步驟。菌種發(fā)酵：將產(chǎn)黃青霉菌接種到固體培養(yǎng)基上，在25 下培養(yǎng)710天，即可得青霉菌孢子培養(yǎng)物。用無菌水將孢子制成懸浮液接種到種子罐內(nèi)已滅菌的培養(yǎng)基中，通入無菌空氣、攪拌，在27 下培養(yǎng)2428h，然后將種子培養(yǎng)液接種

26、到發(fā)酵罐已滅菌的含有苯乙酸前體的培養(yǎng)基中，通入無菌空氣，攪拌，在27 下培養(yǎng)7天。在發(fā)酵過程中需補(bǔ)入苯乙酸前體及適量的培養(yǎng)基。提取精制：將青霉素發(fā)酵液冷卻，過濾。濾液在pH22.5的條件下，于萃取機(jī)內(nèi)用醋酸丁酯進(jìn)行多級(jí)逆流萃取，得到丁酯萃取液，轉(zhuǎn)入pH7.07.2的緩沖液中，然后再轉(zhuǎn)入丁酯中，將此丁酯萃取液經(jīng)活性炭脫色，加入成鹽劑，經(jīng)共沸蒸餾即可得青霉素G鉀鹽。青霉素G鈉鹽是將青霉素G鉀鹽通過離子交換樹脂（鈉型）而制得。2.3.2 半合成青霉素的生產(chǎn)方法以6APA為中間體與多種化學(xué)合成有機(jī)酸進(jìn)行?；磻?yīng)，可制得各種類型的半合成青霉素。 6APA是利用微生物產(chǎn)生的青霉素?；噶呀馇嗝顾谿或V而得

27、到。酶反應(yīng)一般在4050 、pH810的條件下進(jìn)行；近年來，酶固相化技術(shù)已應(yīng)用于6APA生產(chǎn)，簡(jiǎn)化了裂解工藝過程。6APA也可從青霉素G用化學(xué)法來裂解制得，但成本較高。側(cè)鏈的引入系將相應(yīng)的有機(jī)酸先用氯化劑制成酰氯，然后根據(jù)酰氯的穩(wěn)定性在水或有機(jī)溶劑中，以無機(jī)或有機(jī)堿為縮合劑，與6APA進(jìn)行酰化反應(yīng)?？s合反應(yīng)也可以在裂解液中直接進(jìn)行而不需分離出6APA。 因產(chǎn)天然青霉素法生產(chǎn)工藝較半合成青霉素法簡(jiǎn)單，而且采用發(fā)酵罐培養(yǎng)，每批次生產(chǎn)效率高，而半合成法對(duì)工藝要求較高，且中間物質(zhì)較多，可能存在生產(chǎn)中中間體轉(zhuǎn)化不完等因素，而且成本較高，所以本設(shè)計(jì)采用天然青霉素的生產(chǎn)方法。2.4 常見發(fā)酵方式 根據(jù)操作方

28、式的不同，發(fā)酵過程主要有分批發(fā)酵、連續(xù)發(fā)酵和補(bǔ)料分批發(fā)酵三種類型。12.4.1 分批發(fā)酵 營(yíng)養(yǎng)物和菌種一次加人進(jìn)行培養(yǎng)，直到結(jié)束放出，中間除了空氣進(jìn)人和尾氣排出，與外部沒有物料交換。傳統(tǒng)的生物產(chǎn)品發(fā)酵多用此過程，它除了控制溫度和pH及通氣以外，不進(jìn)行任何其他控制，操作簡(jiǎn)單。但從細(xì)胞所處的環(huán)境來看，則明顯改變，發(fā)酵初期營(yíng)養(yǎng)物過多可能抑制微生物的生長(zhǎng)，而發(fā)酵的中后期可能又因?yàn)闋I(yíng)養(yǎng)物減少而降低培養(yǎng)效率，從細(xì)胞的增殖來說，初期細(xì)胞濃度低，增長(zhǎng)慢，后期細(xì)胞濃度雖高，但營(yíng)養(yǎng)物濃度過低也長(zhǎng)不快，總的生產(chǎn)能力不是很高。 其優(yōu)點(diǎn)是：對(duì)溫度的要求低，工藝操作簡(jiǎn)單；比較容易解決雜菌污染和菌種退化等問題；對(duì)

29、營(yíng)養(yǎng)物的利用效率較高，產(chǎn)物濃度也比連續(xù)發(fā)酵要高。缺點(diǎn)是：人力、物力、動(dòng)力消耗較大；生產(chǎn)周期較短，由于分批發(fā)酵時(shí)菌體有一定的生長(zhǎng)規(guī)律，都要經(jīng)歷延滯期、對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期、穩(wěn)定期和衰亡期，而且每批發(fā)酵都要經(jīng)菌種擴(kuò)大發(fā)酵、設(shè)備沖洗、滅菌等階段； 生產(chǎn)效率低，生產(chǎn)上常以體積生產(chǎn)率（以每小時(shí)每升發(fā)酵物中代謝產(chǎn)物的 g 數(shù)來表示）來計(jì)算效率，在分批發(fā)酵過程中，必須計(jì)算全過程的生產(chǎn)率，即時(shí)間不僅包括發(fā)酵時(shí)間，而且也包括放料、洗罐、加料、滅菌等時(shí)間。2.4.2 連續(xù)發(fā)酵所謂連續(xù)發(fā)酵，是指以一定的速度向發(fā)酵罐內(nèi)添加新鮮培養(yǎng)基，同時(shí)以相同的速度流出培養(yǎng)液，從而使發(fā)酵罐內(nèi)的液量維持恒定，微生物在穩(wěn)定狀態(tài)下生長(zhǎng)。穩(wěn)定狀態(tài)可以

30、有效地延長(zhǎng)分批培養(yǎng)中的對(duì)數(shù)期。在穩(wěn)定的狀態(tài)下，微生物所處的環(huán)境條件，如營(yíng)養(yǎng)物濃度、產(chǎn)物濃度、pH值等都能保持恒定，微生物細(xì)胞的濃度及其比生長(zhǎng)速率也可維持不變，甚至還可以根據(jù)需要來調(diào)節(jié)生長(zhǎng)速度。連續(xù)發(fā)酵具有以下優(yōu)點(diǎn)：可以維持穩(wěn)定的操作條件，有利于微生物的生長(zhǎng)代謝，從而使產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量也相應(yīng)保持穩(wěn)定；能夠更有效地實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，減少操作人員與病原微生物和毒性產(chǎn)物接觸的機(jī)會(huì)；減少設(shè)備清洗。準(zhǔn)備和滅菌等非生產(chǎn)占用時(shí)間，I提高設(shè)備利用率，節(jié)省勞動(dòng)力和工時(shí)；由于滅菌次數(shù)減少，使測(cè)量?jī)x器探頭的壽命得以延長(zhǎng)，節(jié)約了成本；容易對(duì)過程進(jìn)行優(yōu)化控制，有效地提高發(fā)酵產(chǎn)率。當(dāng)然，他也存在一些缺點(diǎn): 由

31、于是開放系統(tǒng)，加上發(fā)酵周期長(zhǎng)，容易造成雜菌污染；在長(zhǎng)周期連續(xù)發(fā)酵中，微生物容易發(fā)生變異；對(duì)設(shè)備、儀器及控制元器件的技術(shù)要求較高；粘性絲狀菌菌體容易附著在器壁上生長(zhǎng)和在發(fā)酵液內(nèi)結(jié)團(tuán)，給連續(xù)發(fā)酵操作帶來困難。由于上述情況，連續(xù)發(fā)酵目前主要用于研究工作中，如發(fā)酵動(dòng)力學(xué)參數(shù)的測(cè)定，過程條件的優(yōu)化試驗(yàn)等等，而在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用還不多。連續(xù)培養(yǎng)方法可用于面包酵母和飼料酵母的生產(chǎn)，以及有機(jī)廢水的活性污泥處理。而新近發(fā)展的一種培養(yǎng)方法則是把固定化細(xì)胞技術(shù)和連續(xù)培養(yǎng)方法結(jié)合起來，用于生產(chǎn)丙酮、丁醇、正丁醇、異丙醇等重要工業(yè)溶劑。 2.4.3 補(bǔ)料分批發(fā)酵 補(bǔ)料分批發(fā)酵又稱流加發(fā)酵，半連續(xù)發(fā)酵，是介于分

32、批發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵之間的一種發(fā)酵技術(shù)，是指在微生物分批發(fā)酵中，以某種方式向培養(yǎng)系統(tǒng)補(bǔ)加一定物料的培養(yǎng)技術(shù)。通過向培養(yǎng)系統(tǒng)中補(bǔ)充物料，可以使培養(yǎng)液中的營(yíng)養(yǎng)物濃度較長(zhǎng)時(shí)間地保持在一定范圍內(nèi)，既保證微生物的生長(zhǎng)需要，又不造成不利影響，從而達(dá)到提高產(chǎn)率的目的。如今，流加發(fā)酵的應(yīng)用范圍已相當(dāng)廣泛，包括單細(xì)胞蛋白、氨基酸、生長(zhǎng)激素、抗生素、維生素、酶制劑、有機(jī)酸等生產(chǎn)幾乎遍及整個(gè)發(fā)酵行業(yè)。流加發(fā)酵（補(bǔ)料分批發(fā)酵）與分批發(fā)酵相比，特點(diǎn)在于使發(fā)酵系統(tǒng)中維持很低的基質(zhì)濃度。低基質(zhì)濃度的優(yōu)點(diǎn)：可以除去快速利用碳源的阻遏效應(yīng)，并維持適當(dāng)?shù)木w濃度，使不致于加劇供氧矛盾。避免在培養(yǎng)基中積累有毒代謝物，即代謝阻遏。與連續(xù)

33、發(fā)酵相比，流加發(fā)酵不需要嚴(yán)格的無菌條件，也不會(huì)產(chǎn)生菌種老化和變異等問題，因此，其應(yīng)用范圍較廣。對(duì)于好氧發(fā)酵，它可以避免在分批發(fā)酵中因一次性投入糖過多造成細(xì)胞大量生長(zhǎng)，耗氧過多，以至通風(fēng)攪拌設(shè)備不能匹配的狀況，還可以在某些情況下減少菌體1生成量，提高有用產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率 在真菌培養(yǎng)中，菌絲的減少可以降低發(fā)酵液的粘度，便士物料輸送及后處理 與連續(xù)發(fā)酵相比，它不會(huì)產(chǎn)生菌種老化和變異問題，其適用范圍也比連續(xù)發(fā)酵廣。青霉素合成階段，青霉素的生產(chǎn)速率達(dá)到最大，菌體重量增加，碳源、氮源等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不斷消耗，青霉素不斷合成。因?yàn)榇嬖谥股睾铣珊途w合成二條不同的代謝途徑，需要嚴(yán)格控制發(fā)酵條件，以利抗生素合成代謝的

34、進(jìn)行。一般在這個(gè)階段，發(fā)酵液中碳源、氮源和磷酸鹽等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度必須控制在一定范圍內(nèi)，才有利于青霉素合成。而且微生物合成含有芐基基團(tuán)的青霉素G，需在發(fā)酵中加入前體苯乙酰胺。因一次加入量不能大于0.1%，所以采用多次加入方式。因此采用補(bǔ)料分批發(fā)酵可以使培養(yǎng)液中的營(yíng)養(yǎng)物濃度較長(zhǎng)時(shí)間地保持在一定范圍內(nèi)，既保證青霉素的生長(zhǎng)需要，又不造成不利影響，還可以避免在分批發(fā)酵中因一次性投入糖過多造成細(xì)胞大量生長(zhǎng)，耗氧過多，以至通風(fēng)攪拌設(shè)備不能匹配的狀況，從而提高有用產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率，所以本設(shè)計(jì)采用補(bǔ)料分批發(fā)酵方式進(jìn)行青霉素的發(fā)酵生產(chǎn)。2.5 工藝特點(diǎn)本設(shè)計(jì)工藝為三級(jí)發(fā)酵3，一級(jí)種子罐二級(jí)種子罐發(fā)酵罐。一級(jí)種子罐、二

35、級(jí)種子罐培養(yǎng)時(shí)間短，一次性投入培養(yǎng)基，中間不補(bǔ)料，發(fā)酵罐考慮到各種由于底物濃度過高引起的底物抑制情況以及產(chǎn)物合成期對(duì)營(yíng)養(yǎng)成分的需求，采用中間補(bǔ)料。主要補(bǔ)油、補(bǔ)糖、補(bǔ)氨水調(diào)解pH。一級(jí)種子罐采用實(shí)罐消毒，二級(jí)種子罐、發(fā)酵罐培養(yǎng)基采用連續(xù)消毒。一級(jí)種子罐體積小采用夾套換熱，二級(jí)種子罐采用內(nèi)蛇管，發(fā)酵罐用外盤管加內(nèi)蛇管換熱，內(nèi)蛇管也作為罐內(nèi)擋板，以加強(qiáng)罐內(nèi)料混合程度。2.6 工藝流程 根據(jù)工藝設(shè)計(jì)，初步確定工藝流程，見圖2-1.圖2-1 工藝流程簡(jiǎn)圖2.7 發(fā)酵過程優(yōu)化控制2.7.1 發(fā)酵過程中溫度的控制青霉素發(fā)酵的最適溫度隨所用菌株的不同可能稍有差別， 但一般認(rèn)為應(yīng)在25 左右。溫度過高將明顯降低

36、發(fā)酵產(chǎn)率 ， 同時(shí)增加葡萄糖的維持消耗 ， 降低葡萄糖至青霉素的轉(zhuǎn)化率。對(duì)菌絲生長(zhǎng)和青霉素合成來說 ， 最適溫度不是一樣的， 一般前者略高于后者， 故有的發(fā)酵過程在菌絲生長(zhǎng)階段采用較高的溫度，以縮短生長(zhǎng)時(shí)間， 到達(dá)生產(chǎn)階段后便適當(dāng)降低溫度 ， 以利于青霉素的合成。在較低的通氣條件下，由于氧的溶解度是隨溫度下降而升高的，因此降低發(fā)酵溫度對(duì)發(fā)酵是有利的，因?yàn)榈蜏乜梢蕴岣哐醯娜芙舛?、降低菌體生長(zhǎng)速率、減少氧的消耗，彌補(bǔ)通氣效果差的不足。2.7.2 發(fā)酵過程中pH的控制 菌體生長(zhǎng)的最適pH和產(chǎn)物合成的最適pH可能不一樣，青霉素發(fā)酵的最適pH值一般認(rèn)為在 6.5 左右，有時(shí)也可以略高或略低一些，但應(yīng)盡量

37、避免pH值超過7.0，因?yàn)榍嗝顾卦趬A性條件下不穩(wěn)定，容易加速其水解。在緩沖能力較弱的培養(yǎng)基中， pH 值的變化是葡萄糖流加速度高低的反映。過高的流加速率造成酸性中間產(chǎn)物的積累使pH值降低；過低的加糖速率不足以中和蛋白質(zhì)代謝產(chǎn)生的氨或其他生理堿性物質(zhì)代謝產(chǎn)生的堿性化合物而引起pH值上升。將發(fā)酵培養(yǎng)基調(diào)節(jié)成不同的出發(fā)pH進(jìn)行發(fā)酵，在發(fā)酵過程中，定時(shí)測(cè)定和調(diào)節(jié)pH。 在發(fā)酵液pH和氨氮含量都低時(shí)，補(bǔ)加氨水，就可以達(dá)到調(diào)節(jié)pH和補(bǔ)充氨氮的目的。補(bǔ)加消泡油的個(gè)別情況下，可以提高空氣流量來加速脂肪酸的氧化，以糾正由于油脂分解產(chǎn)生大量脂肪酸引起的pH降低。 2.7.3 發(fā)酵過程中溶解氧的控制(1) 罐壓：

38、罐壓直接影響發(fā)酵液中氧的分壓 ，我們知道氧是一種難溶于水的氣體 ，氧在發(fā)酵液中的溶解度不僅受培養(yǎng)基成分的影響 ，而且當(dāng)各類物質(zhì)濃度增加時(shí) ，氧的溶解度也要降低。根據(jù)“亨利定律” 可用提高空氣進(jìn)罐壓力來提高氧在發(fā)酵液中的溶解度。如果罐壓太高影響空氣進(jìn)罐流量 ，同時(shí)二氧化碳的溶解度也大幅度上升，因此罐壓不能控制太高 ，一般在(0. 20. 5) MPa ，相反當(dāng)罐壓太低時(shí)，氧在發(fā)酵液中的溶解度更低 ，不利于菌體生長(zhǎng)。(2) 攪拌速度： 攪拌速度大與小關(guān)系到氣泡破碎是否良好 ，空氣是否分散溶入液相 ，增加氣液接觸的有效界面?zhèn)鬟f面積 ，以利于氧的溶解和空氣的利用。(3) 通氣流量：通氣流量也會(huì)影響溶解

39、氧（Do）的溶解度大小。在發(fā)酵中后期 ，發(fā)酵液里充滿了細(xì)小的流動(dòng)性氣泡。若通氣流量過低，這些泡沫中的氣體不能及時(shí)交換 ，氣泡內(nèi)的氧氣很快被消耗 ，并充滿了二氧化碳 ，使菌呼吸受到抑制，直接影響發(fā)酵產(chǎn)量?？諝饬髁窟^高會(huì)導(dǎo)致發(fā)酵液的液面上升引起逃液和泡沫的增多。2.7.4 發(fā)酵過程中菌絲濃度的控制 發(fā)酵過程中必須控制菌絲濃度不超過臨界菌體濃度， 從而使氧傳遞速率與氧消耗速率在某一溶氧水平上達(dá)到平衡。青霉素發(fā)酵的臨界菌體濃度隨菌株的呼吸強(qiáng)度 (取決于維持因數(shù)的大小， 維持因數(shù)越大，呼吸強(qiáng)度越高) 、發(fā)酵通氣與攪拌能力及發(fā)酵的流變學(xué)性質(zhì)而異。呼吸強(qiáng)度低的菌株降低發(fā)酵中氧的消耗速率，而通氣與攪拌能力強(qiáng)的

40、發(fā)酵罐及黏低的發(fā)酵液使發(fā)酵中的傳氧速率上升，從而提高臨界菌體濃度。2.7.5 發(fā)酵液質(zhì)量控制生產(chǎn)上按規(guī)定時(shí)間從發(fā)酵罐中取樣 ， 用顯微鏡觀察菌絲形態(tài)變化來控制發(fā)酵。生產(chǎn)上慣稱"鏡檢"，根據(jù)"鏡檢"中菌絲形變化和代謝變化的其他指標(biāo)調(diào)節(jié)發(fā)酵溫度， 通過追加糖或補(bǔ)加前體等各種措施來延長(zhǎng)發(fā)酵時(shí)間， 以獲得最多青霉素。當(dāng)菌絲中空泡擴(kuò)大、增多及延伸， 并出現(xiàn)個(gè)別自溶細(xì)胞， 這表示菌絲趨向衰老， 青霉素分泌逐漸停止， 菌絲形態(tài)上即將進(jìn)入自溶期， 在此時(shí)期由于茵絲自溶， 游離氨釋放， pH 值上升， 導(dǎo)致青霉素產(chǎn)量下降， 使色素、溶解和膠狀雜質(zhì)增多， 并使發(fā)酵液變粘稠，

41、 增加下一步提純時(shí)過濾的困難。因此， 生產(chǎn)上根據(jù)"鏡檢"判斷， 在自溶期即將來臨之際， 迅速停止發(fā)酵， 立刻放罐， 將發(fā)酵液迅速送往提煉工段。5第四章 設(shè)備設(shè)計(jì)及選型第三章 工藝計(jì)算3.1 主要基礎(chǔ)數(shù)據(jù):(1) 接種量 一級(jí)種子罐至二級(jí)種子罐按15%計(jì)算； 二級(jí)種子罐至發(fā)酵罐按15%計(jì)算； (2) 培養(yǎng)基滅菌 一級(jí)種子罐及二級(jí)種子罐培養(yǎng)基采用空消滅菌； 發(fā)酵罐培養(yǎng)基采用實(shí)消滅菌；(3) 通氣量 一級(jí)種子罐：0.2（VVM），二級(jí)種子罐：0.15 (VVM)， 發(fā)酵罐：0.09 (VVM)； (4) 無菌空氣處理系統(tǒng) 空氣處理量：按設(shè)計(jì)要求 空壓機(jī)出口壓力：0.250.30（

42、Mpa） 進(jìn)總過濾器的相對(duì)濕度：60% 空氣潔凈度：100級(jí)(5) 發(fā)酵周期：一級(jí)種子罐：64小時(shí)，二級(jí)種子罐：56小時(shí)，發(fā)酵罐：136小時(shí) (6) 裝料系數(shù) 一級(jí)種子罐：65%，二級(jí)種子罐：70%，發(fā)酵罐：80%(7) 自控要求： 發(fā)酵系統(tǒng)：種子罐、發(fā)酵罐溫度自控，pH控制，罐壓指示，溶氧指示，轉(zhuǎn)速顯示及變頻調(diào)速，液位報(bào)警； 連消系統(tǒng)：溫度、流量連鎖控制； 空氣系統(tǒng)：溫度自動(dòng)控制； 后處理系統(tǒng)：溫度現(xiàn)場(chǎng)顯示、手動(dòng)調(diào)節(jié)，流量現(xiàn)場(chǎng)顯示、手動(dòng)調(diào)節(jié)；(8) 水系統(tǒng) 自來水：常溫，0.3（MPa），用于配料、夏天實(shí)罐滅菌的前期冷卻、清洗設(shè)備等。循環(huán)水：2025(t=5)，0.3（MPa），用于發(fā)酵罐和

43、空氣冷卻。 低溫水：914(t=5)，0.3（MPa），用于夏天空氣后級(jí)冷卻及發(fā)酵控溫冷卻。冷鹽水：-100(t=10)，0.3（MPa），用于料液冷卻保溫。 蒸汽： 發(fā)酵車間用汽壓力 0.3（MPa）。(9) 培養(yǎng)基配方及補(bǔ)料情況： 種子培養(yǎng)基（g/m3）： KH2PO4 592，黃豆餅粉16500，葡萄糖 4930，碳酸鈣 150，硝酸鉀 150，玉米油 236，油酸甘油酯 4020，豆油 9045，硅油 21. 發(fā)酵初始培養(yǎng)基（g/m3）： KH2PO4 1630，黃豆餅粉 45300，葡萄糖 4930，碳酸鈣 150，硝酸鉀 150，玉米油 790，油酸甘油酯 3420，豆油 7530

44、，硅油 56. 發(fā)酵培養(yǎng)基補(bǔ)料（g/m3）：發(fā)酵過程中氨水補(bǔ)量按48（L/m3）計(jì)算，補(bǔ)料量按320（L/m3）計(jì)算，補(bǔ)泡敵按20（L/m3）計(jì)算，補(bǔ)消沫油按20（L/m3）計(jì)算。 補(bǔ)前體苯乙酰胺，使發(fā)酵液中苯乙酰胺濃度為0.05%0.08%，在發(fā)酵過程分批加入。3.2 發(fā)酵罐設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo) 擬設(shè)計(jì)發(fā)酵罐公稱容積4：=200m3 年產(chǎn)量：=1200噸年工作日：=280天發(fā)酵周期：=7d 發(fā)酵周期=發(fā)酵培養(yǎng)時(shí)間+輔助時(shí)間=136hr+32hr=168hr=7d （輔助時(shí)間含清洗、進(jìn)料、消毒、接種時(shí)間，不含設(shè)備檢修）發(fā)酵平均單位：=70000單位/毫升 成品效價(jià)：=1667單位/毫克發(fā)酵液收率：=9

45、0%裝料系數(shù): =80%發(fā)酵熱：=5500kJ/m3·h提煉總系數(shù)：=85%3.3 物料衡算(1) 發(fā)酵罐臺(tái)數(shù)的確定：由公式：得： (臺(tái)） 故選擇6臺(tái)發(fā)酵罐可滿足生產(chǎn)。 經(jīng)計(jì)算后得公稱容積186.74m3 ，全容積196.56 m3。(2) 種子罐公稱容積及臺(tái)數(shù)：種子罐臺(tái)數(shù)（臺(tái)）故選擇3臺(tái)二級(jí)種子罐可滿足生產(chǎn)。（臺(tái)）故選擇2臺(tái)一級(jí)種子罐可滿足生產(chǎn)。（即二級(jí)發(fā)酵罐，即一級(jí)發(fā)酵罐）取二級(jí)發(fā)酵罐輔助時(shí)間為25 小時(shí)，取一級(jí)發(fā)酵罐輔助時(shí)間為30小時(shí)（流體損失率取10%）二級(jí)種子罐體積 =37.73m3取38m3，計(jì)算得公稱容積38.83m3，全容積40.86m3 一級(jí)種子罐體積 m3取6.8

46、m3，計(jì)算得公稱容積6.82m3，全容積7.18m3(3) 物料計(jì)算：進(jìn)料=基礎(chǔ)培養(yǎng)基（消后）+種子液+補(bǔ)料出料=發(fā)酵液+逃液與蒸發(fā)損失 發(fā)酵罐發(fā)酵液=186.74×90%=168.07 m3損失=發(fā)酵液體積×3%=168.07×3%=5.05m3 （損失率取=3%）種子液=發(fā)酵液體積×接種比=168.07×15%=25.21m3補(bǔ)氨=168.07×48×1×10-3=8.07 m3補(bǔ)油=168.07×20×1×10-3=3.36 m3泡敵=168.07×20×1&

47、#215;10-3=3.36 m3補(bǔ)料=168.07×320×1×10-3=53.82m3消后培養(yǎng)基=出料+損失-種子-補(bǔ)氨-補(bǔ)油-泡敵-補(bǔ)料=168.07+5.05-25.21-8.07-3.36-3.36-53.82=79.3m3 二級(jí)種子罐 出料=發(fā)酵罐種子=25.21m3損失=25.21×3%=0.76 m3 （損失率取=3%）種子=25.21×15%=3.78 m3消后培養(yǎng)基=出料+損失-種子=25.21+0.76-3.78=22.19m3 一級(jí)種子罐 出料=二級(jí)種子罐種子=3.78 m3損失=3.78×3%=0.113 m

48、3 （損失率取=3%）種子=3.78×15%=0.576 m3消后培養(yǎng)基=出料+損失-種子=3.78+0.113-0.576=3.317m3各階段物料添加量及損失，見圖3-1. 圖3-1 物料流程圖表3-1 原料消耗表原料名稱規(guī)格批次用量（噸）年用量（噸）黃豆餅粉含蛋白質(zhì)45%9687741葡萄糖含量99%以上118938碳酸鈣工業(yè)用含量99%以上429KH2PO4含量99%以上35279苯乙酰胺工業(yè)用含量99%以上1296氨水工業(yè)用含量28%28220油酸甘油酯工業(yè)用含量99%以上81645豆油工業(yè)用含量95%以上1851480硅油工業(yè)用含量99%以上859玉米油工業(yè)用含量85%以

49、上17133泡敵工業(yè)用含量89%以上426硝酸鉀工業(yè)用含量99%以上4293.4 能耗計(jì)算3.4.1 水(1) 發(fā)酵熱效應(yīng)5 Q=QF× 發(fā)酵罐=5500×186.74×80%=8.2×105 kJ/m3·h 二級(jí)種子罐=5500×38.83×70%=1.50×105 kJ/m3·h一級(jí)種子罐=5500×6.82×65%=2.44×104 kJ/m3·h(2) 循環(huán)冷卻水（水溫 2025，t=5，0.3MPa）循環(huán)水用量（c=水的比熱容4.2kJ/kg·）

50、： 以工作狀態(tài)6個(gè)發(fā)酵罐，3個(gè)二級(jí)種子罐，2個(gè)一級(jí)種子罐計(jì)，并取安全系數(shù)1.2，則循環(huán)冷卻水總量為： =1.2×（39047×6+7143×3+1162×2）×10-3 =1.2×258.035 =309.642t/hr 考慮到一級(jí)種子罐實(shí)消所需冷卻水：取夾套傳熱系數(shù)K=400 kcal/·h·，冷卻水進(jìn)口溫度20，冷卻水出口溫度25，取冷卻時(shí)間2.5hr，計(jì)算可得所需冷卻水量則冷卻水高峰用量：(3) 低溫冷卻水（水溫914，t=5，0.3MPa，夏季使用）低溫水用量（c=水的比熱容4.2kJ/kg·）

51、以工作狀態(tài)6個(gè)發(fā)酵罐，3個(gè)二級(jí)種子罐，2個(gè)一級(jí)種子罐計(jì)，并取安全系數(shù)1.2，則低溫冷卻水總量為：W總 =1.2×（×6+×3+×2）×10-3=1.2×（39047×6+7143×3+1162×2）×10-3 =1.2×258.035 =309.642t/hr(4) 自來水 洗滌用水：采用浸泡式清洗，用水量取設(shè)備公稱容積的80% 也可以采用噴淋式清洗，用水量約為罐體積的10%15%。 配料用水：培養(yǎng)基原料大多為固體配料用水量消后培養(yǎng)基體積 79.30m3 自來水用量：取安全系數(shù)1.2，

52、則自來水總用量： =1.2×（×2+×2+）=1.2×（149.392×2+31.064+5.456+79.30×2+22.19+3.317） =623.2932m33.4.2 蒸汽（121，發(fā)酵溫度=27，=1.729kg/m3，焓=653.31kcal/kg，汽化熱517.51kcal/kg） (1) 發(fā)酵罐、二級(jí)種子罐空消所用蒸汽：（按5倍罐全容積計(jì)算） (2) 一級(jí)種子罐、補(bǔ)料罐實(shí)消所用蒸汽：（以直接加熱之后保溫計(jì)算，料液比熱Cs均取1kcal/kg·）直接蒸汽加熱氣耗： （取10%）保溫階段氣耗： S2=(30%5

53、0%)×S1 取40%實(shí)消氣耗： 高峰用汽時(shí)段時(shí)，考慮兩發(fā)酵罐，一個(gè)二級(jí)種子罐空消、一個(gè)一級(jí)種子罐和各補(bǔ)料罐同時(shí)實(shí)消，并取安全系數(shù)1.2， =kg3.4.3 空氣(1) 通氣消耗壓縮空氣量： 發(fā)酵罐 二級(jí)種子罐一級(jí)種子罐(2) 壓料用壓縮空氣量： 經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為：(3) 總計(jì)：取安全系數(shù)為1.05，假設(shè)最大工作量為6發(fā)酵罐、3二級(jí)種子罐、2一級(jí)種子罐通氣，兩發(fā)酵罐、一個(gè)二級(jí)種子罐、一個(gè)一級(jí)種子罐壓料，則高峰空氣用量為： =162.409要求配套設(shè)計(jì)空氣系統(tǒng)供給162.409的壓縮空氣量。第四章 設(shè)備設(shè)計(jì)及選型4.1 主要設(shè)備設(shè)計(jì)及選型4.1.1 發(fā)酵罐(1) 選型6：圖4-1 發(fā)酵罐示意

54、圖根據(jù)生物工程設(shè)備常見的機(jī)械攪拌通風(fēng)種子罐的幾何尺寸比例H/D =2.03.5 取 H/D=3Di/D =1/21/3 取 Di =0.5DHO/D =2 HO =2D h=0.44D C/Di=0.81.0 取 C =0.8Di根據(jù)封頭形狀、直徑查閱化工容器設(shè)計(jì)手冊(cè)得公式：公稱容積 H=12.952 D=4.317圓整 H=13000mm D=4500mm則公稱容積全容積查表7得：封頭內(nèi)表面積F=22.5162，容積V=2.2417人孔取800mm，視鏡200mm，查表8選取Ds=4500mm的支腿式支座，并根據(jù)工廠實(shí)際情況做適當(dāng)?shù)母淖儭?2) 料液高度：(3) 傳熱面積計(jì)算 蛇管傳熱系數(shù)取900 kcal/.h. 發(fā)酵溫度為 27，循環(huán)水為 2025，低溫水為914，則傳熱溫差： 設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)均取傳熱溫差較小的循環(huán)水?dāng)?shù)據(jù)則傳熱面積為：取230m2(4) 冷卻水管計(jì)算最大熱負(fù)荷下耗水量：冷卻水流速 1.53m/s，取 2 m/s冷卻水管總截面積：進(jìn)水總管直徑：取(d總：內(nèi)直徑，外徑：95mm，水管壁厚：5mm) 內(nèi)蛇管（選冷拔無縫鋼管 GB8163-88） 取冷卻管豎直蛇管組