畢業(yè)論文年產400噸土霉素生產發(fā)酵工段工藝設計

1、第一章 緒論1.1引言目前，全世界的醫(yī)藥產品生產已有一半以上由生物技術合成，其中，抗生素、維生素、激素這三大類藥物主要由微生物發(fā)酵生產。抗生素在世界范圍內的應用十分廣泛，從而有效地控制了許多傳染疾病，同時也促進了發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展。土霉素化學式及性狀土霉素(Terramycin)又稱地霉素、氧四環(huán)素(Oxytetracycline)，化學名：(4s,4R,5S,5R,6S,12S)-N-4-二甲胺基-1,4,4,5,5,6,11,12-八氫,5, 6,10,12,12-六羥基-6-甲基-1,11-二氧代并四苯-2-甲酰胺，是四環(huán)素類抗生素的一種，因結構上含有四并苯基的母核而得名?；瘜W式如下：本品為

2、灰白色至黃色的結晶粉末，無臭，味苦，熔點是180，在空氣中性質穩(wěn)定，在日光下顏色變暗在堿性溶液中易破壞失效。土霉素的鹽酸鹽為黃色結晶，味苦，熔點190194，有吸濕性，但水分和光線不影響其效價，在室溫下長期保存不變質，不失效。鹽酸鹽易溶于水，溶于甲醇，微溶于無水乙醇，不溶于三氯甲烷和乙醚，在酸性條件下不穩(wěn)定。添加到飼料中，在室溫下保存四個月，效價下降4%9%，制粒時效價下降5%7%。作用機理本品為廣譜抑菌劑，能特異性地與細菌核糖體30S亞基的A位置結合，抑制肽鏈的增長和影響細菌蛋白質的合成，能抑制動物腸道內的有害微生物，激活大腸中有利于營養(yǎng)物質合成的微生物?？墒箘游锬c壁變薄，更有利于營養(yǎng)物質的

3、吸收和利用，從而提高腸道吸收效率。許多立克次體屬、支原體屬、衣原體屬、螺旋體、阿米巴原蟲和某些瘧原蟲也對本品敏感。腸球菌屬對其耐藥。其他如放線菌屬、炭疽桿菌、單核細胞增多性李斯特菌、梭狀芽孢桿菌、奴卡菌屬、弧菌、布魯菌屬、彎曲桿菌、耶爾森菌等對本品敏感。土霉素的應用土霉素為四環(huán)類抗生素，生產工藝簡單、生產成本較低，可作為生產其它新型抗生素的原料。土霉素價格低廉，可以作為飼料添加劑用于養(yǎng)殖業(yè)。實踐表明：土霉素用于飼料添加劑，可以改善飼料轉化效率，促進畜禽生長，提高畜禽抗疾病能力。土霉素對多數革蘭氏陽性菌(如肺炎球菌，溶血性鏈球菌，草綠色鏈球菌以及部分葡萄糖球菌，炭疽桿菌)和革蘭氏陰性菌(如大腸桿

4、菌，產氣桿菌，破傷風，肺炎桿菌，流感桿菌，百日咳桿菌等)均有抗菌作用。臨床上主要用于肺炎、敗血癥、斑疹、傷寒了、淋巴肉芽腫、砂巖及其他細菌性感染等，對傷寒有效，也可用于阿米巴痢疾和陰道滴蟲病患者。此外還能抑制立克次體和砂巖病毒及淋巴肉芽腫病毒。作為抗生素，上世紀六七十年代時，土霉素曾在抗菌藥市場上占重要地位，但伴隨著其它多種高效抗生素的誕生與發(fā)展，土霉素市場快速走向衰落。目前，土霉素已經極少用于臨床了。 土霉素的生產土霉素通常由龜裂鏈絲菌(streptomyces rimosus)發(fā)酵得到，目前國內提取工藝一般以草酸(或部分鹽酸替代草酸)作酸化劑調節(jié)發(fā)酵液pH值，利用黃血鹽鈉和硫酸鋅作凈化劑生

5、成普魯士藍沉淀協(xié)同去除Fe3+及高分子雜質，再經122-2樹脂脫色，調節(jié)pH至4.6晶得干燥到土霉素成品1。1.2設計目標任務本設計主要內容為：了解土霉素生產中的原料預處理、發(fā)酵、提取部分的生產方法和生產流程，根據實際情況來選擇發(fā)酵工段合適的生產流程，并對流程中的原料進行物料衡算、最后，畫出發(fā)酵工段的工藝流程圖。1.3 本次設計的基本內容設計年產400噸土霉素生產發(fā)酵工段工藝設計。第二章 工藝流程設計2.1 土霉素發(fā)酵工藝流程2.1.1菌種的保藏菌種的保藏方法有：斜面菌種低溫保藏法、砂土管保藏法、甘油封藏法、真空冷凍干燥法。斜面菌種低溫保藏法：利用低溫對微生物生命活動有抑制作用的原理進行保藏。

6、把斜面菌種、固體穿刺培養(yǎng)物或菌懸液等，直接放入45冰箱中。保藏時間一般不超過3個月，到時必須進行移接傳代，再放回冰箱。砂土管保藏法：將干燥砂粒與細土混合后滅菌制成砂土管，然后接種保藏。若把砂土管放在低溫或抽氣后密封，效果更佳。此法適用于產孢子及芽孢菌種的保藏。保藏期110年。甘油封藏法：向培養(yǎng)好的菌種斜面上，加入滅菌甘油，高出斜面1cm，然后蠟封管口，放入冰箱。該法既可防止培養(yǎng)基水分蒸發(fā)，又能使菌種與空氣隔絕。保藏期12年。真空冷凍干燥法：是目前比較理想的一種方法。在低于-15下，快速將細胞凍結，并保持細胞完整，然后在真空中使水分升華致干。在此環(huán)境中，微生物的生長和代謝都暫時停止，不易發(fā)生變異

7、，故可長時間保存，一般為510年，最多可達15年之久。此法兼?zhèn)淞说蜏?、干燥及缺氧幾方面條件，使微生物可以保存較長時間，但過程較麻煩，需要一定的設備。孢子的制備這是發(fā)酵工序的開端，是一個重要環(huán)節(jié)?？股禺a量和成品質量同菌種性能以及同孢子和種子的情況有密切關系。生產用的孢子需經過純種和生產能力的檢驗，符合規(guī)定的才能用來制備種子。保藏在砂土管或冷凍干燥管仲的菌種經無菌手續(xù)接入又麩皮、瓊脂和水組成的斜面培養(yǎng)基中，在、50%相對濕度的條件下培養(yǎng)4-5天，挑選菌落正常的孢子作為種子。在孢子制備的過程中，蒸餾水中可適當添加0.005%MgSO4、0.01%KH2PO4及0.015%(NH4)2HPO4，避免

8、水質波動對孢子質量的影響，還可以縮短孢子的成熟期。 種子制備種子制備是指孢子接入種子罐后，在罐中繁殖成大量菌絲的過程，其目的是使孢子發(fā)芽、繁殖和獲得足夠數量的菌絲，以便接種到發(fā)酵罐當中去。種子培養(yǎng)基的成分基本與發(fā)酵培養(yǎng)基近似，培養(yǎng)30、30小時左右培養(yǎng)液趨于濃厚并轉為黃色。pH一般在時可以移入下一級罐。移入發(fā)酵罐時pH>6.0，效價在800u/ml左右。種子罐級數是在指制備種子需逐級擴大培養(yǎng)的次數，一般根據種子的生長特性、孢子發(fā)芽及菌體繁殖速度，以及發(fā)酵罐的容積而定。土霉素種子制備一般為二級種子罐擴大培養(yǎng)。 發(fā)酵培養(yǎng)基介紹培養(yǎng)基是供微生物生長繁殖和合成各種代謝產物所需要的按一定比例配制的

9、多種營養(yǎng)物質的混合物。培養(yǎng)基的組成和比例是否恰當，直接影響微生物的生長、生產和工藝選擇、產品質量和產量等。土霉素的發(fā)酵培養(yǎng)基由碳源、氮源、無機鹽及金屬離子、添加前體、消泡劑五部分組成。生產上曾以單糖葡萄糖、雙糖飴糖、及多糖秈米粉、玉米粉及淀粉的解酶液作為碳源。本設計采用淀粉作為碳源，發(fā)酵相對容易控制。由于在發(fā)酵過程中二氧化碳的不斷產生，加上培養(yǎng)基中有很多有機氮源含有蛋白質，因此在發(fā)酵罐內會產生大量泡沫，如不嚴加控制，就會產生發(fā)酵液逃液，導致染菌的后果。采用植物油消沫仍舊是個好方法，一方面作為消沫劑，另一方面還可以起到碳源作用，但現在已普遍采用泡敵代替豆油。 滅菌滅菌指的是用化學或物理的方法殺滅

10、或除去物料及設備中所有的有生命物質的技術或工藝流程。滅菌實質上可分殺菌和溶菌兩種，前者指菌體雖死，但形體尚存，后者則指菌體殺死后，其細胞發(fā)生溶化、消失的現象。工業(yè)上常用的方法有：干熱滅菌、濕熱滅菌、化學藥劑滅菌、射線滅菌和介質過濾除菌等幾種。在土霉素的生產中，對培養(yǎng)基和發(fā)酵罐主要采用的是濕熱蒸汽滅菌和空氣過濾除菌的方法。 發(fā)酵這一過程的目的主要是為了使微生物分泌大量的抗生素。發(fā)酵開始前，有關設備和培養(yǎng)基必須先經過滅菌，后接入種子。接種量一般為20%。發(fā)酵周期一般為194小時。發(fā)酵全程30-31分段培養(yǎng)，通氣量為2.0v/v/m。當接種后發(fā)酵pH低于6.4時開始通氨，培養(yǎng)20-40小時，每4小時

11、補一次，每次10-15L，控氨水平在45mg/100ml以上。根據發(fā)酵液殘?zhí)侵笛a入總糖，一般在100小時前殘?zhí)强刂?.0%-5.0%，100小時-150小時控制3.5%-4.0%，150小時至放罐前6小時控制在3.0%。在整個過程中，需要不斷通氣和攪拌，維持一定的罐溫和罐壓，并隔一段時間取樣進行生化分析和無菌試驗，觀察代謝變化、抗生素產生情況和有無雜菌污染。2.2土霉素的提取生產工藝流程及各單元操作簡介發(fā)酵液的預處理土霉素因能和鈣、鎂等金屬離子，某些季銨鹽、堿等形成復合物而沉淀，在發(fā)酵過程中，這些復合物聚集在菌絲中，而在液體中濃度不高，因此，應對發(fā)酵液進行酸化的預處理使之釋放出來，以保證沉淀的

12、收率和質量。通常采用草酸作為酸化劑，其去鈣較完全，析出的草酸鈣還能促進蛋白質的凝結，提高濾液質量，草酸屬于弱酸，比鹽酸、硫酸等對設備的腐蝕性小。但其價格較貴，并促使差向土霉素等異構物的產生，因此在草酸做酸化劑時，溫度必須在15以下，且盡量縮短操作時間。通常在考慮土霉素穩(wěn)定性和成品質量及成本的前提下，pH控制在。發(fā)酵液的純化發(fā)酵液中同時存在著許多有機和無機的雜質，為了進一步提高濾液質量，為直接沉淀創(chuàng)造有利條件，可加入黃血鹽進而硫酸鋅協(xié)同作用除去蛋白質，同時除去鐵離子(黃血鹽和鐵離子生成普魯士藍沉淀)，并加入硼砂，以提高濾液質量。濾液脫色進一步除去濾液中的色素和有機雜質以提高濾液質量，將濾液通過1

13、22-2樹脂進行脫色，該樹脂在酸性濾液中氫離子不活波，不能發(fā)生電離及離子交換作用，但能生成氫鍵，其生成的氫鍵能吸附溶液中的帶正電的鐵離子、色素及其他有機雜質，故能使土霉素濾液的色澤和質量有所提高。樹脂在氫氧化鈉溶液中又氫型變成納型，失去氫鍵的活性，能使其吸附的色素和雜質解離出來，再經酸作用仍能回復活性，可重復使用。現多采用板框式過濾機。沉淀結晶經預處理過的濾液加入堿化劑調pH至等電點，使之沉淀結而從濾液中分離。通常使用氨水(含2-3%NaHSO3或Na2CO3及尿素)，既節(jié)約成本，又能起到抗氧化脫色作用，效果較好。條件控制為，28-30、結晶通常需要2小時。目前通常采用連續(xù)結晶法。經旋風分離，

14、離心送至干燥。干燥物料經粉碎后，通常采用旋風干燥機干燥，并經除塵可得到最終產物。砂土孢子斜面孢子孢子培養(yǎng)36.5 4-5天種子培養(yǎng)30 38h 0.65v/v/m一級種子培養(yǎng)液種子擴大培養(yǎng)30 48h 1.0v/v/m二級種子培養(yǎng)液發(fā)酵30 194h 1：2.0v/v/m 補加液氨濕晶體旋風干燥土霉素堿成品發(fā)酵液酸化ZnSO4 0.18% 黃血鹽0.23%酸化液稀釋200%v/v稀釋液板框過濾濾液樹脂脫色122-2樹脂 脫色液結晶12%氨水調pH4.5-4.6 28-30結晶液分離洗滌用濾后水淋洗再甩干2.3 土霉素生產總工藝流程圖第三章 物料衡算土霉素的生產工藝一般分為發(fā)酵工段、酸化工段、過

15、濾工段、脫色工段、結晶工段、離心工段、干燥工段。土霉素生產車間發(fā)酵工段是土霉素生產的第一個環(huán)節(jié)，也是最重要的一個環(huán)節(jié)。土霉素發(fā)酵工段，工作日天，物料衡算由干燥工段開始計算。3.1干燥工段已知數據：土霉素濕品含水量30%,干品含水量7%，損失率1%。取土霉素干品含水量為，干燥過程中損失率為，土霉素濕品含水量為由已知數據可得：日產量為：干品中土霉素的質量：濕品中土霉素的質量：濕品的總質量：損失的質量：3.2結晶分離工段結晶、分離 脫后液 離心母液堿化劑 濕 品損失3.2.1土霉素折濕效價根據效價平衡：（3-1）土霉素干品的總質量，；土霉素濕品的總質量，；土霉素的折干效價，；土霉素的折濕效價， 已知

16、數據：；代入式（3-1）得：解得：3.2.2堿化劑密度已知數據：氨水的密度,氨水的密度，內差法計算得的氨水的密度設堿化劑的質量為,氨水的質量分數為，亞硫酸鈉固體的質量分數為，所以水的質量分數為則：， 氨水體積： （3-2）水的體積：堿化劑中亞硫酸鈉的體積忽略不計，則堿化劑的總體積：堿化劑的密度：3.2.3求其他未知量結晶分離工段中土霉素的質量守恒，有公式（3-3）脫色后液體的體積，；脫色后液體的效價，；離心母液的體積，；離心母液的效價，；脫色分離過程中損失的土霉素的質量，kg。根據結晶分離工段中總的質量守恒，有公式（3-4）脫色后液體的密度，；堿化劑的體積，；離心母液的密度，。(1)已知數據:

17、損失率為1%，將已知數據代入式（3-3）得：（2）已知數據:,將已知量代入式（3-4）得：聯(lián)立式和式得解得：，所以，（3）堿化劑中各成分的質量堿化劑的質量：氨水的質量：固體硫酸鈉的質量：水的質量：3.3脫色工段脫 色 脫后液 濾 液 損失量3.3.1計算濾液和脫色過程中損失的質量該過程中脫色液的體積損失5%，根據脫色工段中總的質量守恒有公式（3-5）已知：，將已知數據帶入上式中得：脫后液的質量濾液的質量損失的質量濾液效價求算根據質量守恒核算脫色前后的總質量脫色前總質量：脫色后總質量：經數據核算，脫色前后質量相等滿足質量守恒根據效價平衡核算濾液的效價該過程的損失率取5%，脫色液體積損失5%。土霉

18、素的效價平衡有公式 （3-6）已知數據:， 代入式（3-6）解得3.4過濾工段過濾濾液凈化液濾渣損失高單位已知： 濾渣效價濾液效價，假設高單位頂洗液效價。故： （1） （2） （3） （4） （5） 聯(lián)立（1）（2）（3）（4）（5），代入數據得：， ， ，由效價守恒得：代入數據得：3.5酸化工段發(fā)酵液稀釋凈化液損失草酸水 凈化劑草酸鹽酸酸化液酸 化3.5.1 酸化液和草酸水的體積 在進行酸化稀釋時忽略損失，則（3-11）草酸水的體積，；酸化液的體積，。根據土霉素效價平衡（3-12）已知數據：，將已知數據分別代上兩式，得：3.5.2酸化工段損失量加入的草酸固體，可忽略體積。得：（3-13）式中

19、為加入鹽酸的體積，即：解得： 3.5.3發(fā)酵液效價根據土霉素的效價平衡有：（3-14）已知： ，得：3.5.4酸化劑和凈化劑的用量已知酸化草酸的加入量為發(fā)酵液的3%（kg/L），凈化劑中黃血鹽的質量占稀釋凈化液體積的0.5%，硫酸鋅質量占稀釋凈化液的0.3%。3.6發(fā)酵工段 一級培養(yǎng)基 二級培養(yǎng)基 補料 三級培養(yǎng)基三級發(fā)酵罐二級種子罐一級種子罐 種子液一級種子液 二級種子液 發(fā)酵液損失 損失 損失3.6.1三級發(fā)酵罐的物料橫算已知，接種量： ，補料量：(V/V) ,損失量：1.三級發(fā)酵罐中各成分的體積根據發(fā)酵罐進出物料量的關系有:（3-15）（3-16）（3-17）由上式可得：2.三級培養(yǎng)基各

20、成分已知三級發(fā)酵罐進料密度，三級培養(yǎng)基成分 表3-1名稱 質量百分含量 質量（）淀粉1601.82豆餅粉580.66酵母粉80.09220.2540.04120.146.0070.940.05豆油(V/V)8.34L3.6.1.3三級補料各成分已知數據：kg補料培養(yǎng)基成分 表3-2名稱質量百分含量質量淀粉444.95豆餅粉17.801.285.348.48酶12.13.6.2二級種子液培養(yǎng)階段物料衡量已知：接種量為，損失量，根據二級種子液培養(yǎng)階段，進出物料量有：（3-18）（3-19） 可得： 二級培養(yǎng)基各成分：已知：二級進料的密度 ， 二級培養(yǎng)基的質量 二級培養(yǎng)基成分 表3-3名稱質量百分含

21、量質量淀粉155.4糊精18.65豆餅粉77.71酵母粉18.6524.8712.4323.310.9330.056豆油（V/V）4.523.6.3一級種子液培養(yǎng)階段物料衡量已知：損失量為，忽略三個茄子瓶種子液的體積，根據一級種子液培養(yǎng)過程進出物料量及過程中的損失量有：（3-20）得： 一級培養(yǎng)基各成分已知一級培養(yǎng)基的進料密度 ，一級培養(yǎng)基成分表3-4名稱質量百分含量質量淀粉5.02糊精5.02豆餅粉1.67酵母粉2.511.671.671.340.10豆油（v/v）0.56第四章 設備設計與選型土霉素發(fā)酵過程屬于好氧發(fā)酵，需要控制好空氣量，本次設計采用通風發(fā)酵罐，即好氧性發(fā)酵罐、機械攪拌罐。

22、此類發(fā)酵罐是發(fā)酵工廠常用類型之一，他利用機械攪拌器的攪拌作用，使得空氣和料液充分混合，促使氧在料液何種溶解，以保證給微生物生長繁殖、發(fā)酵和代謝產物所需的氧氣。所以發(fā)酵罐選擇標準機械發(fā)酵罐，六彎葉渦輪式攪拌。4.1車間設備一覽表設備名稱所屬車間一級發(fā)酵罐發(fā)酵車間二級發(fā)酵罐發(fā)酵車間三級發(fā)酵罐發(fā)酵車間通氨罐發(fā)酵車間補料罐(全料罐)發(fā)酵車間補料罐(稀料罐)發(fā)酵車間酸化反應罐酸化過濾車間酸化儲罐酸化過濾車間稀釋罐酸化過濾車間板框過濾機酸化過濾車間脫色罐脫色結晶車間液氨儲罐脫色結晶車間結晶罐脫色結晶車間旋風干燥器干燥車間第五章 車間布置設計5.1 車間布置基本要求最大限度地滿足工藝生產包括設備維修的要求。有效地利用車間建筑面積(包括空