红霉素发酵工艺设计

2019/9/30红霉素发酵工艺设计一、本设计的任务要求及基本资料二、流程设计及操作工艺分析三、设计计算及结果分析四、工艺流程图与设备布置设计五、设计问题总结与评价、建议汇报内容有以下几个方面任务及要求•设计项目建设规模和产品方案：建设规模：年产20吨红霉素碱。产品方案：发酵液浓度为5000u/mL，产品纯度为98.5%以上红霉素•具体设计的任务和要求如下：a.设计出一条最优生产性工艺路线b.完成生产工艺路线的物料和热量平衡的设计计算c.完成工艺路线中所涉及设备的计算和选型或设备的主体结构设计d.作出带控制点的工艺流程图，设备平面布置图和设备立面布置图e.在上述设计工作的基础上，编写出项目设计报告红霉素的简介结构：红霉素是由红霉内酯与去氧氨基己糖和红霉糖缩合而成的碱性苷。红霉内酯环含有13个碳原子，内酯环的C-3通过氧原子与红霉糖相联结，C-5通过氧原子与去氧氨基己糖相连接。成分：由链霉素Streptomycinelytrous所产生，是一种碱性抗生素。其游离碱供口服用，乳糖酸盐供注射用。此外，尚有其琥珀酸乙酯（琥乙红霉素）、丙酸酯的十二烷基硫酸盐（依托红霉素）供药用。红霉素（Erythromycin）分子：C37H67O13N分子量：733.94g/mol红霉素结构式红霉素的发现与分类抗生素分子式相对分子质量熔点/℃[ａ]25DpKaλmax红霉素AC37H67O13N733.91135—140－73.5°（甲醇）8.6280红霉素BC37H67O12N717.91198－78°8.5289红霉素CC36H65O13N719.88121—125—8.6292红霉素DC36H65O12N703.45————红霉素EC37H65O14N735.88160—165－49.7°（甲醇）285•红霉素为大环内酯类抗生素，是在1952年由红色链丝菌产生的抗生素。主要成分C的活性较弱，只为A的1/5，而毒性则为A的5倍，B不仅活性低且毒性大。通常所说的红霉素即指红霉素A，而其他两个组分视为杂质。二、流程设计及操作分析工艺流程设计：•菌种选择与培育•培养基的确定•本设计的工艺原则和流程的确定菌种选择与培育•菌种选择：红霉素工业生产菌红色糖多孢菌S.erythraeaHL3168E3•菌种培育：(1)制备母液斜面孢子:将保存在2-6℃冰箱中的砂土孢子，无菌接种于已灭菌的斜面培养基上，于37℃培养7-10天,保存备用(2)制备子瓶斜面孢子:将生长好且在冰箱存放一周以上的母液取出，制成菌悬液接种于子瓶斜面上，于37℃恒温培养7-10天,保存备用(3)制备孢悬液:取子瓶斜面制备成孢悬液，以压差法将孢悬液接入一级种子罐内。培养基的确定培养基选择的一般原则：1.生物学原则：根据不同微生物的营养和反应需求，设计培养基。营养物质组成较丰富，浓度适当，满足菌体生长和合成产物的需求。各种成分之间比例恰当，特别是有机氮和无机氮源，C/N比。红霉素培养液中一般C/N比为20∶1。一定条件下，各种原材料之间不能产生化学反应。具有适宜的pH和渗透压。2.工艺原则：不影响通气和搅拌，又不影响产物的分离精制和废物处理，过程容易控制。3.低成本原则：原材料要因地制宜，来源方便，丰富，质量稳定，质优价廉，成本低。4.高效经济原则：生产安全，环境保护，高质量，最高得率，最小副产物。培养基中各组分功能•碳源：红霉素生产最适合碳源是蔗糖，在蔗糖浓度为7.0%时，红霉素产量和菌丝干重最大，各种碳源的效果大小的顺序为：蔗糖葡萄糖淀粉糊精。蔗糖效果比葡萄糖好的原因可能是蔗糖的分解速率正适合菌体对糖的利用速率，不会因单独使用葡萄糖而积累中间产物或使pH值下降。生产上采用葡萄糖（约占80%）和淀粉（约占20%）的混合碳源，其效果与使用蔗糖相似。•氮源：常用有机氮源有黄豆饼粉（最常用）、花生饼粉、棉籽饼粉、玉米浆、玉米蛋白粉、蛋白胨、酵母粉、鱼粉、尿素等。常用无机氮源有铵盐、氨水和硝酸盐。铵盐中的氮可被菌体直接利用。硝酸盐中的氮必须还原为氨才可利用。无机氮源可以作为主要氮源或辅助氮源，氨盐比硝酸盐更快被利用。根据氨盐利用后，残留物质的性质，把无机氮源可分为生理酸性物质和生理碱性物质。生理酸性物质是代谢后能产生酸性物质，如（NH4）2SO4利用后，产生硫酸。生理碱性物质是代谢后能产生碱性物质，如硝酸钠利用后，产生氢氧化钠。生产中常常加入无机氮源来调节pH值，一举两得。培养基的确定•无机盐和微量元素:无机盐和微量元素是生理活性物质的组成成分或具有生理调节作用，磷（核酸）、硫、铁（细胞色素）、镁、钙（调节细胞膜透性）、锰、铜、锌（辅酶或激活剂）、钴、钾、钠（调节渗透压）、氯。一般低浓度起促进作用，高浓度起抑制作用。•生长因子：生长因子是指微生物生长不可缺少的微量有机物，包括氨基酸、维生素、核苷酸、脂肪酸等。一般天然成分中含有，无需添加。但对于营养缺陷型（氨基酸、核苷酸）菌株，必需添加。•前体与促进剂：前体是加入到发酵培养基中的某些化合物，能被直接参与产物的生物合成，组成产物分子的一部分，而自身的结构没有发生多大的变化。前体明显提高产品产量和质量，一定条件下还能控制菌体合成代谢产物的方向。前体不仅有毒性，而且被菌体分解，因此多次少量流加工艺。在抗生素等次级代谢产物的发酵中，经常添加前体和促进剂，以提高产量。前体可以是产物的中间体，也可以是其中的一部。•水：菌体细胞的主要成分，营养传递的介质。良好导体，调节细胞生长。本设计中培养基的具体比例：成分小罐中罐大罐葡萄糖3%3%3%淀粉4%3%2.5%黄豆饼粉2.5%2.2%3%玉米浆0.2%0.8%0.30%硫酸铵0.5%0.1%0.1%氯化钠0.4%%0.05%碳酸钙0.6%0.6%0.60%磷酸二氢钾0.6%-0.02%丙醇--0.60%豆油--0.15%工艺设计原则和流程确定•工艺设计原则进行工艺流程设计，必须考虑的几个原则：（1）保证产品质量符合国家标准，国家规定原料药红霉素产品中红霉素A的含量必须大于80%。（2）尽量采用成熟的、先进的技术和设备。努力提高原料利用率，提高劳动生产率，降低水、电、汽及其他能量消耗，降低生产成本，使工厂建成后能迅速投产，在短期内到达设计生产能力和产品质量要求，并做到生产稳定、安全、可靠。从本设计的总体来看，菌种选用的是德国进口的发酵效价很高的一种，生产工艺来看是国内用的比较多的一种，其中补料系统和空气处理系统是国内很先进的设备。（3）尽量减少三废排放量，有合理的三废处理措施。本设计完全满足要求。（4）安全生产，以保证人身和设备的安全。（5）生产过程几乎全部采用的机械化，部分系统自动化。能稳产、高产。孢子培养34℃10天孢子培养34℃9天种子培养35℃60-70h种子培养34℃35-40h发酵31℃150h提取与精制砂土孢子发酵液二级培养液母斜面孢子子斜面孢子一级培养液净化空气无菌空气孢悬液pH调节液二级种子配料罐二级种子罐发酵罐发酵液配料罐发酵液实罐灭菌生产阶段工艺流程框图接种实罐灭菌实罐灭菌提取精制一级种子罐水培养基配料一级种子配料罐生产阶段工艺流程示意图发酵生产过程重点参数确定•一级种子培养:在35℃左右，罐压0.04MPa左右，通气（1.0vvm）培养60-70h后接入二级种子罐，接种量10%。•二级种子培养:在33-35℃继续通气（1.0vvm）培养35-40h，后期适当补料，完成后以10%接种量接种进行发酵生产。•发酵:在31℃下，pH维持6.7-6.9左右，通气（0.5vvm）发酵150h后放罐，发酵过程中按糖氮代谢的实际情况补料，视代谢情况，后期适当补水，并需添加消沫剂等。发酵中所用的灭菌方法工业上常用的方法有：干热灭菌、湿热灭菌、化学药剂灭菌、射线灭菌和介质过滤除菌等几种。在红霉素生产中，对培养基和发酵罐主要采用的是湿热蒸汽灭菌，对空气进行过滤除菌。培养基与发酵设备的灭菌•灭菌的要求：工业上无菌（灭菌度为1000）。即尽可能的除去杂菌的同时，还要尽可能的减少营养物的损失。常采用的条件为：121℃，20-30min。•（1）间歇灭菌：将配制好的培养基同时放在发酵罐或其他装置中，通入蒸汽将培养基和所用设备一起进行加热灭菌的过程，也称实罐灭菌。•（2）连续灭菌（又称连消）：将培养基在发酵罐外通过连续灭菌装置进行加热、保温和冷却而进行灭菌。连续灭菌与间歇灭菌由于连续灭菌设备成本高，操作难，易染菌，极易导致发酵失败，通过综合考虑我国的生产现状和设计条件，我们对所有的培养基均选择实罐灭菌。优点缺点连续灭菌高温短时灭菌，培养基营养成分损失少。发酵罐占用时间缩短，利用率高。设备复杂，操作麻烦，染菌机会多。不适合含大量固体物料的灭菌。间歇灭菌设备要求低，不需另外加热、冷却装置。操作要求低，适合小批量生产规模。适合含大量固体物料的灭菌。培养基的营养物质损失大，灭菌后培养基质量下降。发酵罐的利用率较低。不适合大规模生产的灭菌。无菌空气制备过程•基本过程：空气过滤除菌设备一般是把吸气口吸入的空气先进行压缩前过滤，然后进入空气压缩机。从空气压缩机出来的空气(一般压力在0.2MPa以上，温度120~160°C)，先冷却至适当温度(20~25°C)除去油和水，再加热至30~35°C，最后通过总空气过滤器和分过滤器(有的不用分过滤器)除菌，从而获得洁净度、压力、温度和流量都符合工艺要求的灭菌空气。•围绕两个目的：一是提高压缩前空气的质量(洁净度)；另一个是去除压缩空气中所带的油和水。一级冷却器二级冷却器旋风分离器过滤器加热器蒸汽过滤器蒸汽（含锈渣）进发酵罐无菌空气空气净化流程图丝网过滤器压缩机粗过滤器压缩空气储罐空气除菌设备•高空取气管：为远离地面几十米的管子，每升高10米，空气中杂菌降低一个数量级。因此从高空取气要比从低空取气有利得多。•粗过滤器：拦截空气中较大的灰尘以保护空气压缩机，同时也起到一定的除菌作用，减轻做过滤器的负担。过滤介质：泡沫塑料（平板式）、无纺布式（折叠式）。•空气压缩机：克服输送过程中过滤介质的阻力并维持一定的气流速度。作用：提供动力以克服以后各设备的阻力。•空气贮罐：消除压缩机排出空气量的脉冲，维持稳定的空气压力。利用重力沉降作用除去部分油雾。紧接空压机安装。有些装有冷却管。空气除菌设备•冷却器：压缩后的高温空气能引起过滤介质的炭化或燃烧，增大发酵罐的降温负荷，增加培养液水分的蒸发一般用列管式冷却器进行冷却空气冷却器的传热系数为105w/(m2℃)，采用双程或四程结构。•气液分离设备:除去空气中的水和油，以保护过滤介质。•旋风分离器——利用离心力进行沉降，对于10μm以上的微粒分离效率较高。特点：结构简单、阻力小、分离效率高。•丝网分离器——利用惯性进行拦截，分离效率较高，能除去2～5μm的细小颗粒。去除1μm以上的粒子，去除率为98%。•空气的加热:进入总过滤器之前要求空气湿度从100%降至70%以下。将除油水后的空气加热（温差在10～15°C左右），降低相对湿度（达50%～60%）后，输入过滤器。用列管换热器或套管加热器。旋风分离器结构丝网过滤器结构空气过滤器•目前发酵工厂采用的空气过滤设备大多数是传统的深层过滤设备，滤层厚度一般为1～2米，所用的过滤介质一般是棉花、活性炭，也有采用玻璃纤维、焦炭等。对不同的材料，材料的不同规格，材料的填充情况不同，都会得到不同的过滤效果。•棉花：需使用未脱脂棉，有弹性，纤维厚度适中，约2～3cm，纤维直径为16～20μm，实重度1520kg/m3，填充密度130-150kg/m3，填充率为8.5%～10%，也可先将棉花制成直径比过滤器内径稍大的棉垫后，放入器内。棉药（玻璃棉）—活性炭过滤器示意图二、操作要点分析过程控制•供氧控制•pH控制•温度控制•补料控制•发酵液黏度控制染菌原因分析发酵过程控制•供氧控制是好氧发酵能否成功的重要限制因素之一。影响供氧的因素：搅拌，空气流量，培养液的密度黏度等性质，微生物细胞浓度，消沫剂等。控制水平：发酵罐的通气量一般控制在在0.5-1.0vvm，增大空气流量和加快搅拌转速会提高发酵单位，但必须加强补料的工艺控制