生物工程课程设计链霉素生产工艺设计

1课程设计题目：链霉素生产工艺设计课程名称：发酵工厂工艺设计概论学院：化学与生物工程学院班级学号：姓名：指导老师：小组成员：二零年月2目录1前言..……………………………………………….......................……………32设计任务书..……………………………………………….......................……42.1项目背景和开发意向.……………………………………………….....42.2生产菌种及发酵基本原理.……………………………………………42.3基础数据..………………………………………………........................52..4参考数据..……………………………………………….......................62.5设计内容..………………………………………………........................62.6设计要求..………………………………………………........................63工艺流程..……………………………………………….......................………73.1发酵工艺……………………………………………….........................73.2链霉素发酵条件及中间控制………………………………………….73.3提取工艺……………………………………………….........................93.4工艺流程简图……………………………………………….................114工艺计算..……………………………………………….......................………124.1物料衡算..………………………………………………........................124.2热量衡算..………………………………………………........................134.3水用量的计算..………………………………………………................155发酵车间设备(发酵罐)的选型计算..…………………………………………165.1发酵罐的设计..………………………………………………................165.1.1发酵罐的选型及尺寸.…………………………………………..165.2设备结构的工艺设计..……………………………………...…………175.2.1空气分布器..………………………………………………........175.2.2挡板..……………………………………………….....……….175.2.3电机设计及轴功率的计算..……………………………………..175.2.4搅拌器设计..………………………………………………..........195.2.5冷却面积的计算与冷却管的设计..……………………………..195.2.6PH测定..………………………………………………..........…..225.2.7消泡..………………………………………………..........………2236对本设计的评述..……………………………………………….........................237参考文献..……………………………………………….........................…........248附表二、发酵罐总装置图..………………………………………………......................1前言链霉素（Streptomycin）是瓦克斯曼〔WaksmanS.A.)于1944年从灰色链霉菌（Streptomyces,griseus）培养液中分离出来的一种碱性抗生素。链霉素是一种相当强的有机碱，也是一种多糖类化合物。其分子结构是由链霉肌、链霉糖和N-甲基-L-葡萄糖胺三部分以苷键相联结而成的。链霉素碱稳定性特别差，工业产品主要是其硫酸盐形式，即硫酸链霉素(StreptomycinSulfate)。链霉素对结核杆菌有强大抗菌作用，其最低抑菌浓度(MIC)一般为0.5mg/L。它对许多革兰氏阴性菌(G-)如大肠杆菌、肺炎杆菌、肠杆菌属、沙门菌属、布鲁菌属等也具抗菌作用。链霉素对革兰氏阳性菌(G+)抗菌活性较差。链霉素游离碱为白色粉末。大多数盐类也是白色粉末或结晶，无嗅，味微苦。链霉素在中性溶液中能以三价阳离子形式存在，所以可用离子交换法进行提取。其水溶液比较稳定，但其稳定性受PH值和温度的影响较大。其硫酸盐的水溶液在PH=4--7，室温下放置数星期，仍很稳定，如在冰箱中保存三个月内活性无变化。目前抗生素的生产主要是利用微生物发酵来进行，少数采用化学合成的方法，当然也有的采用化学法或生化法半合成。对于链霉素可由灰色链霉菌发酵生产。双氢链霉素可由湿链霉菌产生，但通常以半合成方法生产。一般认为链霉素是治疗结核杆菌感染的首选药物，除此以外，还用于治疗革兰氏阴性菌所引起的泌尿道感染、结核性脑膜炎，鼠疫，肠道感染，肺炎，败血症，百日咳等。链毒素的缺点是容易产生耐药性；长期使用对第八对脑神经有毒害除了医用外，也有报道将链霉素用于农牧业的。例我国新疆某生产建设兵团的农场自1985年起应用链霉素治疗菜类瓜类和粮食等作物的病害，取得较好效果；链霉素还可用于猪肺炎，雏鸡白痢疾、以及鸡，鸭，鹅的巴氏杆菌感染等的治疗。国内有些厂家将生产的链霉素作为农用出口，效益较好。42设计任务书2.1项目背景和开发意向本次味精发酵工艺的设计为一项课程设计作业，虽不加入投产，但本小组依然秉承着认真、严谨、丝毫不懈怠的态度。充分利用各种资料查找渠道，尽量让设计方案新颖、完美，条理清晰，内容通俗易懂。最主要的是在设计工艺流程的同时，我们也较为深刻的熟悉和了解了味精的生产工艺过程。2.2生产菌种及发酵基本原理在链霉素发酵中，我们采用国内比较常用的灰色链霉菌及其变种。该菌除了分泌链霉素外，还产生别的抗生素如放线菌酮对酵母和真菌的杀菌作用强，因毒性大不能用于临床。灰色链霉素的孢子柄直而短，不呈螺旋。孢子量多，呈椭圆球形。气生菌丝和孢子都呈白色，单菌落生长丰满，呈梅花形或馒头形，直径3-4mm。基质菌丝透明，在斜面背后产生淡棕色色素。菌种采用沙土管或冷冻干燥保藏。链霉素是由链霉胍、链霉糖和N．甲基．L一葡萄糖胺组成的三糖苷，属于氨基糖苷类抗生素。链霉胍是在1，3-位置上带有2个孤基的l，3去氧青蟹肌醇，去掉2个脒基后称为链霉胺。链霉糖是带有支链的5’，脱氧五碳糖，在第3碳上有1个醛基。N-甲基-L-葡萄糖胺是在第2碳上的-NH2被甲基化(-cH3NH)的L一葡萄糖胺。这三糖连接的糖苷键都是型的糖苷键。由D-葡萄糖和NH3合成链霉素的大致途径如图152.3基础数据生产规模：400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：2罐发酵装料系数：70%发酵液收率：95%提炼总收率：70%平均发酵水平：25000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%62.4参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：38cP2.5设计内容1、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。2、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。3、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。4、对发酵设备进行详细化工计算与设计。2.6设计要求1、根据以上设计内容，书写设计说明书2、完成图纸两张（A3号图纸）：全厂工艺流程图（初步设计阶段），发酵设备总装图（剖面和俯视图）。73工艺流程简图及说明论证3.1发酵工艺3.1.1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。3.1.2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，也可以在扩大培养，用培养所得的子瓶来接种。药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。3.1.3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，根据发酵罐体积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、菌浓和菌丝阶段、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链霉素发酵条件及中间控制3.2.1溶氧的影响及控制8链霉素产生菌一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搪做为主要碳源，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、繁殖和合成链霉素的需要.物质代谢与能量代谢是相辅相成的。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，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，补入10秒钟后溶氧即明显下降，但经30~40分钟后又逐渐恢复到补前水平。这种变化当补糖量超过1.0%时较明显。当补无机氮源使氨基氮增加l0mg/100ml以上时，亦有这种变化。d、罐压：实验证明罐压对溶氧的影响较空气流量对溶氧的影响更为明显。在菌体生长前期，空气流量在一定范围内的增减对溶氧几乎没有什么影响，而罐压变化则溶氧变化明显。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。但罐压不能控制过高，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。从提高KLa的角度看，应尽量增大Vs,但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。从价值工程原理出发，应确定一个最适空气流量vs}，即不使通气量过剩，又满足灰色链霉菌对氧的需求。f、搅拌：搅拌对溶氧浓度影响最大。在培养过程中如停止搅拌、溶氧浓度迅速下降几乎到0，此时如果增加空气流量，增大罐压都无济于事。同时对于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