年產(chǎn)400萬噸紅霉素的課程設(shè)計

中國礦業(yè)大學生物工藝課程設(shè)計一前言紅霉素為大環(huán)內(nèi)酯類抗生素，抗菌譜和青霉素相似，主要是對革蘭陽性菌如金葡菌、溶血性鏈球菌、肺炎球菌、白喉桿菌、炭疽桿菌及梭形芽胞桿菌等，均有強大抗菌作用。對革蘭陰性菌如腦膜炎雙球菌、淋球菌、百日咳桿菌、流感桿菌、布氏桿菌、部分痢疾桿菌及大腸桿菌等有一定作用。特點是對青霉素產(chǎn)生耐藥性的菌株，對該品敏感。作用機制主要是與核糖核蛋白體的50S亞單位相結(jié)合，抑制肽?；D(zhuǎn)移酶，影響核糖核蛋白體的移位過程，妨礙肽鏈增長，抑制細菌蛋白質(zhì)的合成，系抑菌劑臨床上主要用于耐青霉素的金葡菌感染及對青霉素過敏的金葡菌感染。亦用于溶血性鏈球菌及肺炎球菌所致的呼吸道、軍團菌肺炎、支原體肺炎、皮膚軟組織等感染，此外，對白喉病人，以該品及白喉抗毒素聯(lián)用則療效顯著。1.1紅霉素的理化性質(zhì)紅霉素（Erythromycin）分子式及結(jié)構(gòu)式：C37H67O13N分子量：733.94g/mol結(jié)構(gòu)：紅霉素是由紅霉內(nèi)酯與去氧氨基己糖和紅霉糖縮合而成的堿性苷。紅霉內(nèi)酯環(huán)含有13個碳原子，內(nèi)酯環(huán)的C-3通過氧原子與紅霉糖相聯(lián)結(jié)，C-5通過氧原子與去氧氨基己糖相連接。紅霉糖本身不含氮，是含有一個甲氧基的己糖，去氧氨基己糖。成分：由鏈霉素Streptomycinelytrous所產(chǎn)生，是一種堿性抗生素。其游離堿供口服用，乳糖酸鹽供注射用。此外，尚有其琥珀酸乙酯（琥乙紅霉素）、丙酸酯的十二烷基硫酸鹽（依托紅霉素）供藥用。1.2紅霉素的特性紅霉素堿易溶于醇類，醚，丙酮，氯仿和醋酸乙酯，醋酸戊酯，不甚溶于水，在水中的溶解度與一般化合物不同，如：60℃，1.14mg/mL；40℃，1.28mg/mL；19℃，3.10mg/mL；7℃，14.20mg/mL；1℃，15.00mg/mL。紅霉素在水中的溶解度是隨溫度升高而減少，以55℃時為最小，因此工業(yè)上利用此性質(zhì)加溫至45—55℃紅霉素為白色或類白色餓結(jié)晶或粉末；無臭，苦味，微有引濕性。起水合物熔點為135～140℃，熔融后又固化的無水物熔點為190～193℃。易溶于甲醇、乙醇或丙酮，微溶于水。無水乙醇（20mg/mL）中比旋度為–71°～–78°。紅霉素抗菌譜窄，水溶性小，只能口服，半衰期是1～2h，而且在酸中不穩(wěn)定，易被胃酸破壞，易分解迅速失去活性，因此早期對紅霉素的結(jié)構(gòu)修飾為增加紅霉素的穩(wěn)定性和水溶性，主要將紅霉素制成各種酯類和鹽類的前體藥物。為了增加起在水中的溶解性，用紅霉素與乳糖醛酸成鹽，得到紅霉素乳糖醛酸鹽，可供注射使用。由于紅霉素的結(jié)構(gòu)中存在多個羥基，在起9位上有一個羥基，因此紅霉素在酸性條件下不穩(wěn)定，易發(fā)生分子內(nèi)的脫水環(huán)合。在酸性液中，紅霉素C-6上的羥基與C-9的羰基形成半縮酮的羥基，再與C-8上氫消去一分子水，生成8，9-脫水-6，9-半縮酮衍生物。然后C-12上的羥基與C-8，C-9雙鍵加成，進行分子內(nèi)環(huán)合，生成6，9，12-螺環(huán)酮；最后起C-11羥基與C-10上的氫消去一分子水，同時水解成紅霉胺和克拉定糖。這種降解反應(yīng)使紅霉素失去抗菌活性。二設(shè)計任務(wù)和設(shè)計依據(jù)根據(jù)需要，本設(shè)計課程將設(shè)計一個年產(chǎn)400噸紅霉素的工廠。設(shè)計基本依據(jù)如下：1、執(zhí)行國家關(guān)于抗生素藥品生產(chǎn)的基本國策，遵守國家有關(guān)法規(guī)、政策、規(guī)范和標準。2、結(jié)合環(huán)境要求及工廠條件，統(tǒng)一規(guī)劃，使工程建設(shè)與企業(yè)發(fā)展相協(xié)調(diào)，減少污水排放對環(huán)境造成的污染，最大限度地發(fā)揮工程的環(huán)境效益和社會效益。3、考慮實際情況和建設(shè)要求，從資源綜合利用角度出發(fā)，采用技術(shù)先進可靠、高效節(jié)能、管理方便的生產(chǎn)工藝，盡量減少占地、降低運行費用和一次性投資。4、盡量選用國產(chǎn)先進、高效、節(jié)能、運行維護簡便的設(shè)備，以節(jié)約能源，降低生產(chǎn)成本。三紅霉素的生產(chǎn)工藝孢子培養(yǎng)孢子3.1發(fā)酵工藝孢子培養(yǎng)孢子種子種子35℃壓差接種37℃6-7天37℃7-8天砂土孢子35℃37℃6-737℃7-832℃種子培養(yǎng)32℃種子培養(yǎng)32℃32此時菌絲顏色較深呈網(wǎng)狀當有少量孢子空孢出現(xiàn)說明成熟48h直接無菌液稀釋一級培養(yǎng) 二級培養(yǎng)此時菌絲顏色較深呈網(wǎng)狀當有少量孢子空孢出現(xiàn)說明成熟48h丙醇氨水丙醇氨水前期34℃前期34℃,接種20%144h,0.4Mpa,后期32℃發(fā)酵罐 發(fā)酵液 提取144h,0.4Mpa,后期32豆油補糖補料豆油補糖補料培養(yǎng)基配制發(fā)酵培養(yǎng)基的基本成分為葡萄糖、淀粉、黃豆餅粉、碳酸鈣、磷酸二氫鉀等組成，還有作為前體的豆油。發(fā)酵過程中還采用補料工藝。在設(shè)計中所采用的培養(yǎng)基具體如下：種子培養(yǎng)基：（g/100ml）淀粉3.5，黃豆餅粉1.7，花生餅粉1.5，葡萄糖3.5，蛋白胨1.3，硫酸銨0.6，KH2PO40.15。發(fā)酵培養(yǎng)基：（g/100ml）淀粉1.1，黃豆餅粉2.0，花生餅粉4.0，葡萄糖3.0，碳酸鈣0.7，硫酸銨0.5，KH2PO40.015，豆油0.2，鉬酸鈉0.0461，硫酸鋅0.004，氯化錳0.0133，硫酸鎂0.0866。補料培養(yǎng)基：（g/100ml）黃豆餅粉2.0，花生餅粉4.0，葡萄糖1.0，碳酸鈣0.7，硫酸銨1.0，KH2PO40.015，豆油0.2。丙酮在補料時加，總量為發(fā)酵液的0.8%。(1)碳源發(fā)酵培養(yǎng)基中最適碳源為蔗糖，其次為葡萄糖，淀粉，糊精。生產(chǎn)上常采用葡萄糖（約占80%）和淀粉（約占20%）為混合碳源。故在生產(chǎn)中，碳源以葡萄糖為主，以淀粉為次。(2)氮源紅霉素發(fā)酵一般采用有機氮源，如黃豆餅粉、玉米漿、花生餅粉、蛋白胨、酵母粉。以黃豆餅粉、玉米漿最好，但在使用時，黃豆餅粉滅菌會產(chǎn)生大量泡沫，對發(fā)酵生產(chǎn)不利影響。一般配基料時用黃豆餅粉，后期補料用花生餅粉代替。(3)無機鹽紅霉素鏈霉菌的發(fā)酵培養(yǎng)基中，磷和鐵是必需的。無機磷對紅霉素鏈霉菌的生長和紅霉素的合成都有非常重要的影響。發(fā)酵條件的控制(1)通氣和攪拌紅霉素發(fā)酵中，發(fā)酵液中的溶氧濃度對紅霉素的生物合成有很大影響，培養(yǎng)基營養(yǎng)成分豐富時，發(fā)酵單位的提高與通氣效率成正比。一般要求發(fā)酵罐的通量在1：0.8-1.2V/V/min。如果通氣量過低或攪拌不好，發(fā)酵菌生長不好，使發(fā)酵液轉(zhuǎn)稀，降低紅霉素的總產(chǎn)量。(2)pH值發(fā)酵液中的pH值對紅霉素生產(chǎn)菌的生長和紅霉素的生產(chǎn)合成影響很大。一般情況下，紅霉素鏈霉菌生長的最適pH值為6.6-7.0，紅霉素合成的最適pH為6.7-6.9。在原始發(fā)酵培養(yǎng)基中，pH5.7-8.7時，對菌體生長影響不大，但在接種24h以后，如果pH值過高或過低，菌體的生長繁殖就會緩慢。紅霉素生物合成水平也差別很大，如果pH6.2-6.3時，發(fā)酵單位僅為對照的5%-10%；pH7.8時．發(fā)酵單位僅為對照的80%。有試驗證明，pH值低于6.5時，紅霉素的生物合成被完全抑制，高于7.2時，菌體產(chǎn)生自溶。在發(fā)酵中，一般前期的pH在6.6-7.0比較適合；在48-96h之間，以pH6.7-6.9之間為最好。發(fā)酵液pH值的調(diào)節(jié)是通過調(diào)節(jié)培養(yǎng)基中生理酸性物質(zhì)和生理堿性物質(zhì)的用量；增強通氣，調(diào)節(jié)碳源加入量以減少有機酸的積累；通入氨水，使pH值上升等措施來實現(xiàn)的。(3)溫度紅霉素鏈霉菌的生長、繁殖對溫度很敏感．溫度高時，生長繁殖速度快,較短時間內(nèi)，發(fā)酵液的粘度就會達到最高峰，但菌體的衰老快，菌體自溶也加快，使發(fā)酵液粘度下降加快。如發(fā)酵溫度低，發(fā)酵菌的生長繁殖慢，到達發(fā)酵液的粘度最高峰的時間也很長，而且發(fā)酵液粘度的下降也緩慢，有利于延長紅霉素的生物合成時間。一般發(fā)酵時，采用全程32℃發(fā)酵。發(fā)酵后期溫度略降低，可防止菌體的快速自溶，延長紅霉素合成的時間。(4)紅霉素粘度紅霉素發(fā)酵液的粘度對紅霉素成品的質(zhì)量影響較大，因它會影響發(fā)酵液中紅霉素A和紅霉素C的比例。在一定范圍內(nèi)，紅霉素A的含量和發(fā)酵液粘度成正比，即發(fā)酵液粘度越大，紅霉素A的比例越高，紅霉素的成品質(zhì)量也就越好。因此，在發(fā)酵中要適當提高發(fā)酵液的粘度?？刹捎玫拇胧┯袦p慢攪拌速度，改變攪拌葉的型式，降低發(fā)酵溫度，適當多補充氮源等。目的是促進菌體生長，減緩菌體自溶。但是發(fā)酵液粘度太大，通氣攪拌效果不好，發(fā)酵液中的溶氧濃度又會顯著下降，引起發(fā)酵水平的明顯降低。所以，在增加發(fā)酵液的粘度時一定要適合，否則，同樣不能取得最佳的發(fā)酵水平。(5)泡沫和消泡發(fā)酵培養(yǎng)基中的黃豆餅粉，在消毒、接種培養(yǎng)、通氣攪拌時，都會產(chǎn)生較多的泡沫。為了消除泡沫對發(fā)酵的影響，可以采取發(fā)酵初期加大通氣，不攪拌或少攪拌，發(fā)酵中后期通氣量大，攪拌速度快時加消泡劑等方法減少泡沫產(chǎn)生和消除過多的泡沫。如果用天然油脂作消泡劑，則用量不能過大，否則會促進菌體自溶，既縮短了紅霉素的合成時間，又增加了提取的困難。(6)染菌處理紅霉素發(fā)酵中，如果意外被雜菌污染，應(yīng)立即降溫至28℃培養(yǎng)，并在發(fā)酵罐中加入新潔爾滅。如果發(fā)酵單位降低，則加入甲醛，停止補料等待放罐。有時為了殺死發(fā)酵罐中的雜菌，甲醛的總量可達0.5%。(7)補料紅霉素發(fā)酵中，為提高發(fā)酵產(chǎn)量，常采用補料工藝。補入的物質(zhì)主要有糖、有機氮源、氨水、前體、消泡劑等。糖主要是葡萄糖，每隔6h加一次，要求發(fā)酵液中還原糖濃度在1.2%-1.5%范圍內(nèi)。放罐前十幾小時停止加糖。有機氮源物質(zhì)一天補三四次，如果發(fā)酵液的粘度小，要增加氮源物質(zhì)的增補量；反之，如果發(fā)酵液的粘度大，則要減少氮源物質(zhì)的補入量。放罐前一天停止補入氮源。前體在發(fā)酵液變濃，pH值高于6.5時開始補入。每天加一次，共加4-5次，總量一般不超過0.7%-0.8%。氨水一般在發(fā)酵后期以滴加的方式加入，可以提高紅霉素的發(fā)酵單位和紅霉素的產(chǎn)品質(zhì)量。3.2提取工藝發(fā)酵液→儲罐→調(diào)pH→粗濾→超濾→脫色→溶媒萃取→調(diào)pH→干燥→包裝儲存發(fā)酵液，添加甲醛溶液來維持發(fā)酵液的穩(wěn)定性。通過添加氫氧化鈉溶液可將pH值調(diào)至7.5，冷卻發(fā)酵液，再進行粗濾。濾液用去離子水稀釋并儲存于罐中，再將儲存的發(fā)酵液進行超濾，然后經(jīng)吸附柱脫色。脫色液經(jīng)溶媒萃取濃縮，再將濃縮液調(diào)至堿性條件下即可獲得紅霉素。提取時采用膜過濾技術(shù)。四物料衡算4.1總物料衡算計算依據(jù)：發(fā)酵周期：144h生產(chǎn)周期：168h生產(chǎn)天數(shù)：330d/a產(chǎn)量：400t/a發(fā)酵罐裝料系數(shù)：70%產(chǎn)品品質(zhì)：99.8%過濾得率：95%超濾得率：96%萃取得率：93%淀粉G轉(zhuǎn)化率：98%糖化液中G含量：78%G紅霉素轉(zhuǎn)化率：26.5%G/淀粉：2.64以1t紅霉素為基準進行物料衡算：（1）生產(chǎn)1000㎏紅霉素理論上所需的原料量MG總=1000/733.94×6×180=1471.51(kg)由于發(fā)酵采用的原料為葡萄糖和淀粉（G/淀粉：2.64）所以理論所需淀粉量為：1471.51/（1+180/162×98%×78%）=421.71（㎏）所以理論所需葡萄糖量為：MG=421.71×2.64=1113.32(kg)（2）生產(chǎn)1000㎏紅霉素實際所需的原料量所需純G的實際量=1113.32/(26.5%×95%×96%×93%)=4953.34(kg)所需淀粉實際量=4953.34/2.64=1876.27(kg)則工業(yè)葡萄糖用量=4953.34/90%=5503.71(kg)工業(yè)淀粉用量=1876.27/90%=2084.74(kg)(3)原料年消耗:工業(yè)G用量=5503.71×320×99.8%=1757664.83(kg)工業(yè)淀粉用量=2084.74×320×99.8%=665782.57(kg)(4)原料日消耗:工業(yè)葡萄糖用量=1757664.83/320=5492.70(kg)工業(yè)淀粉用量=665782.57/320=2080.57(kg)4.2發(fā)酵車間物料衡算(1)發(fā)酵罐個數(shù)確定：日紅霉素產(chǎn)量為400×103×99.8%/320=1247.50(kg)日所需G的量=1247.50/1000×4953.34=6179.29(kg)補料加入10%，且發(fā)酵初糖濃度為3%(g/mL)，則：V糖=6179.29/103×90%/3%=185.38(m3)發(fā)酵罐裝料系數(shù)為70%，生產(chǎn)周期為168h，則所需要的發(fā)酵罐的體積為V=185.38×168/(0.7×24)=1853.8(m3)選100m3發(fā)酵罐,總?cè)莘e為118m3,個數(shù)N=1853.8/118=15.71（個）選16個發(fā)酵罐每年生產(chǎn)罐數(shù)=185.38×320/(100×70%)=847.45日生產(chǎn)罐數(shù)=847.45/320=2.65(2)種子罐容積的確定按設(shè)計要求,一級種子罐到二級種子罐的接種量為25%,二級種子罐到發(fā)酵罐的接種量為20%,則種子罐容積為：二級：V2=V總×20%=100×20%=20(m3)一級：V1=V2×25%=20×25%=5(m3)式中V總發(fā)酵罐容積(m3)(3)種子罐個數(shù)的確定種子罐與發(fā)酵罐對應(yīng)上料。發(fā)酵罐平均每天上2.65罐，一級種子罐生產(chǎn)周期為60h，二級種子罐生產(chǎn)周期為36h，則：所需二級種子罐個數(shù)：2.65×36/24=3.98(罐)，取4個二級種子罐應(yīng)該夠。所需一級種子罐個數(shù)：3.98×60/24=9.95(罐)，取10個二級種子罐應(yīng)該足夠。(4)原料配比及其年消耗量的計算原料配比：種子培養(yǎng)基：（w/v）淀粉3.5%，黃豆餅粉1.7%，花生餅粉1.5%，葡萄糖3.5%，蛋白胨1.3%，硫酸銨0.6%，KH2PO40.15%。發(fā)酵培養(yǎng)基：（w/v）淀粉1.1%，黃豆餅粉2.0%，花生餅粉4.0%，葡萄糖3.0%，碳酸鈣0.7%，硫酸銨0.5%，KH2PO40.015%，豆油0.2%。補料培養(yǎng)基：（w/v）黃豆餅粉2.0%，花生餅粉4.0%，葡萄糖1.0%，碳酸鈣0.7%，硫酸銨1.0%，KH2PO40.015%，豆油0.2%。原料消耗（以每個單體設(shè)備計）：（100m3發(fā)酵罐，補料10%，5m3一級種子罐，20m3二級種子罐，裝料系數(shù)70%）原料發(fā)酵罐一級種子罐二級種子罐小計濃度(g/L)投料量（kg）濃度(g/L)投料量（kg）濃度(g/L)投料量（kg）投料量（kg）淀粉11/-69335122.5354901305.5黃豆餅粉201400175.951723.81429.75花生餅粉4028001552.5152103062.5葡萄糖30/10196035122.5354902572.5蛋白胨--1.34.551.318.222.75硫酸銨5/10385621684490KH2PO40.1510.51.55.251.52136.75碳酸鈣7490490豆油2140140聚氯化鋁0．042．82．8消泡劑0.2/-12.612.6丙酮：70m3×0.8%=560L--黃豆餅粉：1429.75×847.45=1211.64（t/a）花生餅粉：3062.5×847.45=2595.32（t/a）蛋白胨：22.75×847.45=19.28（t/a）硫酸銨：490×847.45=415.25（t/a）KH2PO4：36.75×847.45=31.14（t/a）碳酸鈣：490×847.45=415.25（t/a）豆油：140×847.45=118.64（t/a）消泡劑：12.6×847.45=10.68（t/a）聚氯化鋁：2.8×847.45=2037（t/a）丙酮：560L×847.45=474572（L）淀粉：1305.5×847.45=1106.35（t/a）葡萄糖：2572.5×847.45=2180.07（t/a）培養(yǎng)基中所用葡萄糖為淀粉糖化，糖化液中G含量78%所以每罐培養(yǎng)基中加入的糖化液為2572.5/78%=3298.08kg糖化液總量=3298.08×847.45=2795.57（t/a）(C6H10O5)n+nH2O→nC6H12O6162n180n生產(chǎn)1tG需要淀粉量=（162/180）/98%=0.92t生產(chǎn)2572.5kgG需要淀粉量=2366.7kg/d日需淀粉總量=2366.7+1305.5=3672.2kg/d=3.7t/d生產(chǎn)2180.07tG需要淀粉量=2005.66（t/a）年所需淀粉總量=1106.35（t/a）+2005.66（t/a）=3112.01（t/a）4.3提取車間物料衡算由上部計算得