工科生 毕业课程设计

天津大学
生物工程专业课程设计说明书
设计题目：洁霉素发酵车间设计
姓名：
学号：
班级：级生物工程一班
指导教师：
设计成绩：＿＿＿＿＿＿＿＿＿
第一章
1.1.洁霉素简介[1]
洁霉素(Jiemycin)又称林可霉素(Lincomycin)，是1962年由美国人Mason等首先从链霉菌(S. lincolnensis)变种的培养液经发酵、酸化、提取、精制而得到的高效广谱抗生素，分子式为C18H34N2O6S，分子量为406.56。其化学结构如下：
1.2.主要设备
生产能力：年产65吨
生产原料：自用糖、口服糖（速效碳源），淀粉（迟效碳源），黄豆饼粉、玉米浆（氮源），NaNO3，NaCl，NH4NO3，KH2PO4，(NH4)2SO4等无机盐
操作条件：
一级种子罐：3m3×4个，培养3天，罐温30℃，罐压0.05MPa，空气流量150m3/h，空气压力0.125MPa，搅拌转速60rpm；
(2-3)
其中 为挡板宽度， 为挡板数。
一般选用4块或6块挡板，本设计均选用6块挡板，此时
为了避免培养液中的固体成分堆积在挡板背侧，挡板应与罐壁有一定间隙 ，该间隙一般可取0.1-0.3 。本设计取0.25作为系数，则
此时
可知计算合格。
由于通气量较大，搅拌充分，可采用单孔管作为通气装置。空气流量 =4000m3/h，压力 =0.125MPa.
洁霉素主要作用机理:洁霉素作用于敏感菌核糖体的50S亚基,阻止肽链的延长,从而抑制细菌细胞的蛋白质合成,一般系抑菌剂,但在高浓度时,对某些细菌也具有杀菌作用。对大多数革兰氏阳性菌和某些厌氧的革兰氏阴性菌有抗菌作用，对革兰氏阳性菌的抗菌作用类似红霉素。敏感菌可包括肺炎链球菌、化脓性链球菌、绿色链球菌、金黄色葡萄球菌、白喉杆菌等。厌氧菌对洁霉素敏感者包括拟杆菌属、梭杆菌、丙酸杆菌、真杆菌、双歧杆菌、消化链球菌、多数消化球菌、产气荚膜杆菌、破伤风杆菌、以及某些放线菌等。洁霉素对粪链球菌、某些梭状芽胞杆菌、奴卡菌、酵母菌、真菌和病毒均不敏感。葡萄球菌对其可缓慢地产。
3.反萃取在酸性条件下用水进行反萃取，此时洁霉素以盐的形式从有机相转入水相，与有机相中的杂质分离。
1.4.3精制和结晶
利用活性炭脱色是精制的重要步骤，它能除去色素、热原等杂质。脱色后加入丙酮结晶，晶体经过干燥后得到成品林可霉素盐酸盐。
1.4.4下游过程提纯需经过以下过程：
发酵液的预处理→发酵液的过滤→滤液（2200单位，pH＝10）→丁醇提取（混合－澄清槽）{6000单位}→一次浓缩{8h，6万单位，罐内蒸汽60℃}→碱水洗涤（透光度8%，碱度1%以下）{静置分层，除去杂质}→二次浓缩，减压蒸馏，水分基本浓缩{30万单位，400L}→粗结晶加HCl 57%，以1:1加入无水乙醇，三通式离心机除水→脱色（加水、活性炭、浓度95%，26-32万单位）→丙酮结晶（通入-5℃冷却水）1:9→干燥→成品，洁霉素盐酸盐
核算流速
罐温为30℃，求算平均温度差：
发酵罐中竖直蛇管换热的总传热系数经验值可取为 =4.184×400kJ/(m2·h·℃)[9]，据此值计算换热面积 ：
换热管所需长度为
2.4.灭菌蒸汽量及时间[4]
湿热灭菌是直接用加压湿蒸汽进行物或设备容器的灭菌。湿热灭菌是发酵生产中普遍使用的灭菌方法。用蒸汽将物料升温到115-140℃，保持一定时间，可杀死各种微生物。常用的灭菌条件是120℃、20—30分钟。蒸汽在冷凝时释放出大量潜热，并具有强大的穿透力，且在高温及有水分存在的条件下，，微生物细胞中的蛋白质极易凝固而引起微生物的死亡，故湿热灭菌具有经济和快速的特点，尤其适用于大量培养基及发酵设备的灭菌。
实罐灭菌分为加热、保温和冷却三个阶段，其时间和蒸汽量可分别计算。
2.4.1加热阶段
加热阶段的蒸汽消耗量为
（2-6）
其中 为培养基重量， 和 分别为加热开始和结束时培养基的温度， 为发酵罐散失的热量，一般取加热所需热量的10-20%； 为加热蒸汽的潜热。取 为加热所需热量的20%，则
加热阶段的时间为
(2-7)
1.4下游过程概述[3]
洁霉素提炼工艺主要分为发酵液预处理及过滤、提取、精制三大步骤。
1.4.1发酵液预处理及过滤
该步骤是提炼的第一道工序，目的是将菌丝和发酵液分开。滤液质量对方便后工序的操作及保证成品质量非常重要，过滤收率对完成提炼总收率十分关键。
将发酵液用草酸酸化至pH3.0左右，草酸与发酵液中的Ca2+结合产生草酸钙，析出的草酸钙能促使蛋白凝固。酸化时需加热到40-50℃，适当升温有利于草酸的溶解，还能加快过滤速度。预处理后，采用硅藻土作为助滤剂过滤，得到澄清的滤液。
待气生菌丝成为粉红色，基内菌丝为苍黄色，产生可溶性黄色素，孢子丝柔曲，表面光滑时，可进一步进行摇瓶培养，得到菌丝后再进入种子罐中培养，产生较多的菌丝体，再接种至发酵罐培养。
1.3.2培养基
基础培养基中碳源为自用糖、口服糖（速效碳源）、淀粉（迟效碳源）等；氮源有黄豆饼粉、玉米浆等；无机盐包括硝酸钠、硝酸铵、氯化钠、磷酸二氢钾、硫酸铵等；消泡剂常用玉米油和泡敌，可在补料中加入，也可直接加到基础培养基中。
由于发酵液中含大量菌丝体，粘度较高，在不影响菌丝生长的情况下，应取较大的 值以增大搅拌功率。取 =0.36[7]，则
搅拌桨距罐底的距离一般与搅拌桨的直径相同，即
取发酵罐的装填系数 =73.0%，则有
得液面高度HL=5.79m.
选两层桨，取搅拌桨间距
在罐壁上安装挡板以消除搅拌产生的漩涡。当挡板的条件符合下式时，搅拌器的功率最大，这种挡板条件叫做全挡板条件[8]：
实罐灭菌(简称实消)是将饱和蒸汽直接通入装有配制好的培养基的发酵设备进行灭菌的一种方法。此法不要另外的专用灭菌设备，因而具有投资少、操作简便、染菌机会少等优点，但是，使用蒸汽较集中，而且发酵设备的利用率较低。
淀粉培养基灭菌一般选用120℃-125℃，灭菌30分钟。
本设计采用125℃，30min灭菌。取灭菌蒸汽压力为0.4MPa（表压），查饱和水蒸汽表[8]得其温度为151.7℃，汽化潜热为2065.12kJ/kg。
选2层桨，所以总功率为
通气时，由于气泡的存在而使液体的表观密度降低，功率 减小。 可用下式计算[3]：
（2-5）
=0.1962
2.3.换热设备
本发酵罐的容积较大( >5m3)，因此应选用竖直蛇管作为换热装置[3]。一般抗生素在发酵过程中发酵热 为16-25MJ/m3·h[5]，本设计中取 =20MJ/ m3·h。发酵液的体积为80.0m3。
其中 为液体密度， 为搅拌转速， 为液体密度。
洁霉素发酵液的粘度一般为60×10-3mPa·s[4]，其密度可取 =1100kg/m3。搅拌转速为60r/min，则其搅拌雷诺数为
搅拌功率查Rushton算图计算[8]，得六片弯叶圆盘涡轮在Re=3.802×104时功率因数 为4.6，当 >300且符合全挡板条件时，则一个搅拌桨的搅拌功率为
二级种子罐：15m3×4个，培养3天，罐温30℃，罐压0.04MPa，空气流量900m3/h，空气压力0.125MPa，搅拌转速60rpm；
三级发酵罐：100m3×4个，培养9天，罐温30℃，罐压0.04MPa，空气流量4000m3/h，空气压力0.125MPa，搅拌转速60rpm。
含量：4500u/ml
该种子罐的容积较小，可在底部安装一个六叶圆盘涡轮式后弯叶搅拌器。搅拌器的结构尺寸为：
.
空气流量V=150m3/h，压力P=0.125MPa.取管内空气流速u=25m/s，则通气管的内径为
.
选取 60 3mm热轧无缝钢管，其内径Dp=0.054m，实际气速为
3.1.2搅拌功率
搅拌雷诺数为
查Rushton算图[8]得六片弯叶圆盘涡轮在Re=4.015×103时功率因数 为4.5
当Re>300且符合全挡板条件时，搅拌功率
通气时有
=0.8435
3.1.3换热装置
1.4.2溶剂萃取
1．萃取采用丁醇作为萃取剂。萃取前需将发酵滤液的pH调至10左右，此时洁霉素在丁醇和水之间的分配系数达到最大值。萃取后，大部分无机杂质和含氮化合物等酸性物质留在水相中，部分有机碱性杂质随洁霉素一起转移到有机相中。
2.浓缩和洗涤用真空薄膜浓缩的方式提高萃取液的浓度，再用pH>8的NaOH溶液洗涤，除去萃取相中易溶于水的杂质。
冷却水的入口温度 取18℃，出口温度 取25℃，其定性温度
水在该温度下的物性数据为
=998.2kg/m3 =4.182kJ/(kg·℃)
=0.601W/(m·℃) =0.9838mPa·s
冷却水耗量
取管内流速2m/s，分四段同时进来自百度文库，则换热管内径为
所以选用 63.5×4mm的热轧无缝钢管，内径为55.5mm。
图1洁霉素(Jiemycin)的结构式
洁霉素为白色结晶性粉末，有微臭或特殊臭，味苦，易溶于水、甲醇，略溶于乙醇。熔点145～147℃。遇酸、光和空气稳定。对革兰阳性菌、厌氧菌作用强。洁霉素在医学上主要用于葡萄球菌、链球菌、肺炎球菌及厌氧菌引起的各种感染，如呼吸道感染及败血症。对脑膜炎、心内膜炎、白喉、放线菌病也有满意的疗效，但一般不作首选。
取管内空气流速 =25m/s，则通气管的内径为
.
选取 299 8mm热轧无缝钢管，其内径 =0.283m，实际气速为
发酵罐的结构尺寸示意图见图2-2。
图3发酵罐结构尺寸示意图（单位：cm）
2.2.搅拌功率
采用Rushton算图法计算
不通气时，发酵罐内为均相系，其搅拌功率与搅拌雷诺数 有关：
(2-4)
（2-2）
所以发酵罐的直径为
= =3.89m
取 = 4m，则罐身高度
H=2.05*D=2.05*4=8.2m
根据椭圆形封头标准JB1154-73[6]， = 4m的椭圆形封头 =1000mm， =50mm.
验算总容积 ：
所以总容积符合要求。
发酵罐的搅拌系统采用在罐底部安装两个径向流搅拌器，它们起到分散从底部输入的空气的作用。本工艺中，发酵罐底部采用六叶圆盘涡轮式后弯叶搅拌器产生径向流。
其中 为培养基比热（可取4.184kJ/(kg·℃)）， 为加热蒸汽温度。所以
2.4.2保温阶段
保温阶段为30min即0.5h.
保温阶段的蒸汽耗量一般为直接加热时的30-50%[3]，取40%即
2.4.3冷却阶段
冷却阶段的时间为
(2-8)
其中
(2-9a)
c1和c2分别为培养基和冷却水的比热，t1s和t1f分别为培养基开始冷却和冷却结束时的温度，t2s为冷却水的入口温度。
冷却水的流量W取40kg/s，则
所以蒸汽总耗量为
灭菌总时间为
第三章
3.1.一级种子罐
3.1.1结构尺寸
一级种子罐仍选用通用式发酵罐，其直径为
m
取 =1.30m，罐身高度
m.
根据椭圆形封头标准JB1154-73[9]，D=1.3m的椭圆形封头ha=325mm，hb=25mm.
验算总容积 ：
所以总容积符合要求。
流加发酵：保持糖浓4%，每隔8h取样，低于4%则加1吨40%糖/8h，流加糖量为初始糖量的3－4倍。
1.3.上游生产过程[2,3]
1.3.1菌种
出发菌株为洁霉素产生菌链霉菌4-1024(Streptomyces 4-1024)，首先从沙土管取种接种于斜面培养基上，在30℃下恒温培养7d。斜面培养基主要成分包括：可溶性淀粉2.0%、黄豆饼粉0.5%、氯化钠0.1%、硝酸钾0.1%、硫酸镁0.05%、硫酸亚铁0.1%、琼脂1.8%、pH 7.0-7.2。
1.5.洁霉素生产工艺流程草图
图2洁霉素生产工艺流程草图
第二章
2.1.发酵罐的结构尺寸[4]
洁霉素发酵为好气发酵，因此选用带通风设备和机械搅拌的通用式发酵罐。
发酵罐的公称容积 为罐的圆筒部分容积 加上底封头的容积 之和，即
（2-1）
放线菌发酵罐的 一般为1.8-2.2[5]，取 =2.05， 较小可忽略不计，由式 （2-1）得：
1.3.3发酵过程
发酵过程的目的是使微生物大量分泌抗生素。在发酵之前，有关设备和培养基必须先灭菌。一、二级种子罐及发酵罐均采用蒸汽灭菌系统，采用实消灭菌法。发酵系统包括灭菌系统、搅拌系统、换热系统、补料系统，其中补料尤为重要。
该发酵过程为流加发酵过程，采用三级补料发酵，糖浓度需维持在4%左右，每隔8小时取样一次，若低于4%，则需加入1吨40%糖/8小时（流加糖量为初始糖量3-4倍），补料主要补葡萄糖、硫铵、氨水，有时也加入缓冲剂CaCO3和消沫剂硅油。