生物分离工程课程设计

生物分离工程课程设计
设计说明书
100M3青霉素钾盐发酵液萃取结晶工段的设计
起止日期：2015 年 6 月22 日至2015 年 6 月28 日
2015年6月
摘要
青霉素是一种与我们日常生活息息相关的抗生素药物，通过数十年的完善，青霉素针剂和口服青霉素已能分别治疗肺炎、肺结核、脑膜炎、心内膜炎、白喉、炭疽等病，增强了人类治疗传染性疾病的能力。

世界各国对青霉素的需求都非常大，因而青霉素在目前的制药工业中占有举足轻重的地位，生产规模非常大。

研究和优化其生产工艺，提高青霉素的生产速率，降低青霉素的生产成本，从而降低药物的价格，对人类健康有重要意义。

关键词: 青霉素生产工艺分离纯化
Abstract
Penicillin is a closely related to our daily life of antibiotics, through decades of perfect and penicillin injections and oral penicillin has been able to were used in the treatment of pneumonia, pulmonary tuberculosis, meningitis, endocarditis, diphtheria and anthrax and other disease, enhance the treatment of human infectious diseases. The world demand to penicillin are very large, and penicillin in the pharmaceutical industry occupies an important position, production scale is very large. Research and optimize the production process, improve the rate of penicillin production, reduce cost of penicillin, thereby reducing drug price, have important significance to human health.
Key words: penicillin ;production process ; separation and purification
目录
前言......................................................................................................... 错误！未定义书签。

1.设计的基本依据 (6)
1.1青霉素发酵液 (6)
1.2青霉素的基本理化性质 (6)
2.分离原理 (6)
2.1预处理 (6)
2.2过滤 (6)
2.3萃取 (6)
2.4结晶................................................................................. 错误！未定义书签。

3.提取工艺及物料衡算 (7)
3.1过滤工段说明-- (7)
3.1.1具体操作 (7)
3.1.2物料衡算 (7)
3.1.3工段影响因素及控制要点 (8)
3.1.4对本设计的简单评论 (8)
3.2萃取工段说明-- (8)
3.2.1具体操作 (9)
3.2.2物料衡算 (9)
3.2.3工段影响因素及控制要点 (9)
3.3结晶工段说明-- (9)
3.3.1具体操作 (9)
3.3.2物料衡算 (10)
3.3.3工段影响因素及控制要点 (10)
3.3.4对本设计的简单评论 (10)
参考文献 (11)
附.青霉素生产工艺设备图 (12)
一、背景和意义
1、生产背景
青霉素（Penicillin，或音译盘尼西林）又被称为青霉素G、peillin G、盘尼西林、配尼西林、青霉素钠、苄青霉素钠、青霉素钾、苄青霉素钾。

青霉素是抗菌素的一种，是指分子中含有青霉烷、能破坏细菌的细胞壁并在细菌细胞的繁殖期起杀菌作用的一类抗生素，是由青霉菌中提炼出的抗生素。

青霉素属于β－内酰胺类抗生素（β－lactams）,β－内酰胺类抗生素包括青霉素、头孢菌素、碳青霉烯类、单环类、头霉素类等。

青霉素是很常用的抗菌药品。

但每次使用前必须做皮试，以防过敏。

青霉素是抗生素中的一种，通过数十年的完善，青霉素针剂和口服青霉素已能分别治疗肺炎、肺结核、脑膜炎、心内膜炎、白喉、炭疽等病，抗生素在当前制药工业中占有十分重要的地位，尤其是下游半合成抗生素的发展，进一步刺激了上游的工业发酵。

一些抗生素的工业生产规模非常大，如β-内酰胺类的青霉素、头孢菌素C，大环内酯类的红霉素、利福霉素，氨基环醇类的链霉素、庆大霉素。

其它的一些抗生素，如林可霉素、四环素、金霉素、万古霉素等，单个发酵罐容积越来越大，100 m3的发酵罐被普遍采用，200 m3甚至更大容积的发酵罐经常可见报道。

2、青霉素的理化性质
青霉素钾(benzylpenicillin potassium)又名汴青霉素，汴青霉素G钾盐，
分子式C
16H
17
KN
2
O
4
S，分子量为372.48。

本品为白色晶体性粉末，无臭或微有特异
性臭，有吸湿性。

易溶于水，生理盐水，葡萄糖溶液。

物理性质：1.熔点：214～217℃（分解）。

2.旋光度[α]D：+310 （c=0.688,水）。

3.结晶很稳定,室温保存数年活性不变。

4.水溶液不稳定,20万u/ml水溶液于30℃放置24h效价下降56%。

化学性质：1.不耐热 2.水溶液不稳定 3.肌肉注射吸收快而安全 4.作用快,维持时间短。

储存条件：青霉素一般是以钠盐,或者钾盐的形式,并于低温避光处保存。

因为制剂中的药物降解（产生青霉烯酸）程度与分装瓶的保管时间、保管温度等因素密切相关。

如青霉素溶液中的青霉烯酸的含量在19 ℃、4h 增加2 倍,30℃ 4h 增加10 倍,37℃ 4h 则增加20 倍,由此可知青霉素钠溶液配成后存储的时间越长、存储环境的温度越高，产生的青霉烯酸就越多，就越容易出现过敏反应（过敏性休克）。

因此,青霉素盐应该现配现用。

3、生产流程
抗生素的工业生产包括发酵和提取两部分。

工艺流程大致如下：
青霉素的生产流程大致为：菌种的保藏、孢子制备、种子制备、发酵、提取和精制。

种子和发酵培养基的常用碳源有：葡萄糖、淀粉、蔗糖、油脂、有机酸等，主要为菌体生长代谢提供能源，为合成菌体细胞和目的产物提供碳元素。

有机氮源多用玉米浆、黄豆饼粉、麸质粉、蛋白胨、酵母粉、鱼粉等，硫酸铵、尿素、氨水、硝酸钠、硝酸铵则是常用的无机氮源。

另外，培养基中还得添加无机盐、微量元素以及消沫剂，部分抗生素还得加入特殊前体，如青霉素的前体是苯乙酸，大环内酯类抗生素的前体是丙酸盐。

发酵过程普遍补加一种碳源、氮源物质，如葡萄糖和硫酸铵。

选材时应就地取材，选取成本最低且效率最高的原材料。

如工产附近有用甜菜榨汁做白沙糖的产的话，我们可购买其榨完后的废渣作为碳源，这样可大大节约生产成本。

pH值通过流加氨水进行调节，很多抗生素在发酵中后期流加前体，对提高产量非常有益。

抗生素发酵绝大多数为好氧培养，必须连续通入大量无菌空气，全过程大功率搅拌。

发酵液的预处理，一般加絮凝剂沉淀蛋白，过滤去除菌丝体，发酵滤液的提取常用溶媒萃取法、离子交换树脂法、沉淀法、吸附法等提纯浓缩，然后结晶干燥得纯品。

经过小组讨论决定采用溶媒萃取法对发酵液进行提纯浓缩，然后进行结晶干燥获得纯品。

这一工艺流程对青霉素的发酵液的提纯分离进行工业设计。

二、产品的分离原理
2.1预处理
发酵结束后，目标产物存在于发酵液中，而且浓度较低，如抗生素只有10－30Kg/m3，含有大量杂质，它们影响后续工艺的有效提取，因此必须对其进行的预处理，目的在于浓缩目的产物，去除大部分杂质，改变发酵液的流变学特征，利于后续的分离纯化过程。

是进行分离纯化的一个工序。

2.2过滤
青霉素发酵液中除了含有目标产物青霉素钾盐外，还含有大量杂质如各种杂蛋白质和培养基里的成分。

为了有效去除这些杂质，发酵液在萃取之前需预处理，发酵液加少量絮凝剂沉淀蛋白，然后经真空转鼓过滤或板框过滤，除掉菌丝体及部分蛋白。

青霉素易降解，发酵液及滤液应冷至10 ℃以下，过滤收率一般90%左右。

菌丝体粗长10µm，采用鼓式真空过滤机过滤，滤渣形成紧密饼状，容易从滤布上刮下。

滤液pH6.27-7.2，蛋白质含量0.05-0.2%。

需要进一步除去蛋白质。

改善过滤和除去蛋白质的措施：硫酸调节pH4.5-5.0，加入0.07%溴代十五烷吡啶PPB，0.7%硅藻土为助滤剂。

再通过板框式过滤机。

滤液澄清透明，进行萃取。

2.3萃取
青霉素的提取采用溶媒萃取法。

青霉素游离酸易溶于有机溶剂，而青霉素盐易溶于水。

利用这一性质，在酸性条件下青霉素转入有机溶媒中，调节pH，再转入中性水相，反复几次萃取，即可提纯浓缩。

选择对青霉素分配系数高的有机溶剂。

工业上通常用醋酸丁酯和戊酯。

萃取2－3次。

从发酵液萃取到乙酸丁酯时，pH选择1.8-2.0，从乙酸丁酯反萃到水相时，pH选择6.8-7.4。

发酵滤液与乙酸丁酯的体积比为1.5-2.1，即一次浓缩倍数为1.5-2.1。

为了避免pH波动，采用硫酸盐、碳酸盐缓冲液进行反萃。

发酵液与溶剂比例为3－4。

几次萃取后，浓缩10倍，浓度几乎达到结晶要求。

萃取总收率在85％左右。

所得滤液多采用二次萃取，用10%硫酸调pH2.0~3.0，加入醋酸丁酯，用量为滤液体积的三分之一，反萃取时常用碳酸氢钠溶液调pH7.0~8.0。

在一次丁酯萃取时，由于滤液含有大量蛋白，通常加入破乳剂防止乳化。

第一次萃取，存在蛋白质，加0.05-0.1%乳化剂PPB。

萃取条件：为减少青霉素降解，整个萃取过程应在低温下进行（10 ℃以下）。

萃取罐冷冻盐水冷却。

2.4结晶
萃取液一般通过结晶提纯。

青霉素钾盐在醋酸丁酯中溶解度很小，在二次丁酯萃取液中加入醋酸钾-乙醇溶液，青霉素钾盐就结晶析出。

然后采用重结晶方法，进一步提高纯度，将钾盐溶于KOH溶液，调pH至中性，加无水丁醇，在真空条件下，共沸蒸馏结晶得纯品。

共沸蒸馏结晶：萃取液，再用0.5MNaOH 萃取，pH6.4-4.8下得到钠盐水浓缩液。

加2.5倍体积丁醇，16－26℃，0.67-1.3 KPa下蒸馏。

水和丁醇形成共沸物而蒸出。

钠盐结晶析出。

结晶经过洗涤、干燥后，得到青霉素产品。

三、提取工艺设计及物料衡算
3.1过滤工段
3.1.1具体操作：发酵液在萃取之前需预处理，发酵液加少量絮凝剂沉淀蛋白，然后经真空转鼓过滤或板框过滤，除掉菌丝体及部分蛋白。

青霉素易降解，发酵液及滤液应冷至10 ℃以下，过滤收率一般90%左右。

3.1.2物料衡算：物料衡算是根据质量守恒定律而建立起来的。

物料衡算是进入系统的全部物料重量等于离开该系统的全部物料重量，即[4]
ΣF=ΣD+W
式中：F------进入系统的物料量（kg）
D------离开系统的物料量（kg）
W------损失的物料量（kg）
a.发酵液的数量：100m3
b.加入絮凝剂的量为发酵液的3.7%(W/V)
100×3.6%=3600(kg)
絮凝剂的相对密度为1.68，则3600÷1.68=1956(L)
c.青霉素的产量
分离前青霉素的量：100×8%(W/V)=8000(kg)
分离后青霉素的量：纯青霉素：8000×86%=6880(kg)
90%青霉素：6880÷90%=7644(kg)
式中86%为青霉素的提取效率
d.处理100m3青霉素的发酵液
设卧式推料过滤器的体积为50m3，D:H=1.5
根据体积公式得D=4.57m，取4800mm，
则实际的V=57.9m3，H=3200mm。

取填料系数为75%，则实际装料为100×75%=75m3
取周期为3.5h，需要的过滤器数为
75÷57.9=1.29(台)≈2(台)
3.1.3工段影响因素及控制要点
过滤操作在进行时会产生滤饼，由于滤饼阻力是影响过滤速度和质量的主要因素，因此在过滤操作前，一般要加入絮凝剂处理，改变料液的性质，降低滤饼阻力。

青霉素的提取过滤过程中要加入絮凝剂出去杂蛋白，但是此步骤仅是粗分离，并不能完全除尽杂质，在后续工艺中会进行再次除杂。

目的成分青霉素对pH值的要求严格，生产中应尽可能避免直接用强酸或强碱调节pH值，以免局部过酸或过碱，而引起目的药物成分的变性。

另外，调节pH值所用的酸或碱应与原溶液中的盐或即将加入的盐相适应，如溶液中含硫酸铵时，可用硫酸或氨水调pH值，如原溶液中含有氯化钠时，可用盐酸或氢氧化钠调pH值。

总之，应以尽量不增加新物质为原则。

3.2萃取工段
3.2.1具体操作：在酸性条件下青霉素料液中加入55%的乙酸丁酯，采用3级逆流接触萃取，理论萃取总收率在99%左右。

3.2.2物料衡算：物料衡算是根据质量守恒定律而建立起来的。

物料衡算是进入系统的全部物料重量等于离开该系统的全部物料重量。

a.过滤后的料液取100m3体积
b.加入乙酸丁酯55m3
c.青霉素钾盐分配系数m=10
d.采用3级逆流接触萃取
e.萃取因子E=mL╱H，萃取率1—Φn=E n+1__E╱E n+1__1
根据以上数据算得实际萃取率约为99.5%
在处理100m3青霉素的料液
设萃取罐的体积为100m3，D:H=1.5
根据体积公式得D=4.57m，取4800mm，
则实际的V=57.9m3，H=3200mm。

取填料系数为75%，则实际装罐料为175÷75%=233.33m3
取周期为3h，需要的罐数为
233.33÷57.9=4.02(台)≈4(台)
3.2.3工段影响因素及控制要点
萃取是利用溶质在互不相溶的两相之间的分配系数不同使得溶质得到纯化或浓缩的工艺方法。

影响因素主要有分配系数与有机溶剂的用量，分配系数越大，提取效率也越高，萃取就易于进行完全。

当分配系数较小时，可以适当增加有机溶剂的用量来提高萃取率，但有机溶剂用量增大会增加后处理的工作量，因此在实际操作中常采用分几次加入溶剂，连续多次提取来提高萃取率。

萃取剂种类的选择也很重要，在选择萃取剂时要注意以下几点。

第一：选用的溶剂必须要有较高的选择性，第二在萃取后溶质与溶剂要易于分离回收，第三是溶剂要无毒价廉易得的试剂，不易燃烧。

在萃取过程中要注意保持pH和温度的相对稳定，避免造成产物变性，反应不能有效充分的进行。

3.3结晶工段
3.3.1具体操作：在萃取液中加入醋酸钾-乙醇溶液，控制温度，青霉素钾盐就结晶析出。

结晶经过洗涤、干燥后，得到青霉素产品。

3.3.2物料衡算：物料衡算是根据质量守恒定律而建立起来的。

物料衡算是进入系统的全部物料重量等于离开该系统的全部物料重量。

a.取萃取液体积100m3
b.加入醋酸钾-乙醇溶液，水分不超过1.4%
c.控制气相温度达43-46℃，保持共沸周期晶体析出
d.晶体纯度达到99.63%
3.3.3工段影响因素及控制要点
青霉素的精制通常采用结晶法来制得高纯度的产品，结晶过程主要受温度和pH的影响。

在结晶过程中先打开结晶器，向罐内注入醋酸钾-乙醇溶液，观察青霉素的浓度，待反应完全时，打开冷却系统控制温度在43-46℃后，保持共沸周期后结晶液进行抽滤干燥，去除水分制得青霉素钾盐产品。

3.3.4对本设计的简单评论
此次设计历时一个星期，完成了100M3青霉素发酵生物分离设计中的萃取和结晶工艺设计.本设计参考了许多文献，也得到了一些同学的帮助。

这次设计不仅让我们进一步熟悉和巩固了很多发酵工艺和生物分离过程方面的知识，还初步掌握了许多有关设计方面的知识，同时也让我们明白理论联系实际的重要性，更让我们懂得了独立思考问题、分析问题和解决问题，以及谦虚
的求教态度和团结的合作精神等。

这些对于我们将来的工作和生活都将有着很大的作用。

由于理论知识与设计经验的不足，本设计对于有些设备的计算与选型等方面没有加以分析，已经计算选型的设备也可能与实际有偏差甚至不符，同时所选的参考资料比较少，有些信息与实际情况有些差距，因此本设计用于实际生产时需要进一步的改进。

本设计的这些不足之处和错误之处还需要各位老师多多指点并加以改进。

参考资料
[1]百度百科
[2]生物工程设备课件
[3]仪宏,张华峰,曾远智,等.维生素C生产技术[J].中国食品添加剂,2003, (6):76 -81.
[4]刘林瑛.维生素C发酵空气净化系统工艺设计[J].化工设计,1998, (2):17-19.
[5]焦迎晖,张惟材.维生素C发酵中伴生菌对氧化葡糖杆菌的影响[J].微生物学通报.2002,29(5):35-38.
[6]冯树,张舟,张成刚,等.混合培养中巨大芽孢杆菌对氧化葡萄糖酸杆菌的作用[J].应用生态学报, 2000, 11 (1) : 119 -122.
[7]刘祯.维生素C二步发酵法中优良菌株201A的研究[J].河北工业科技,2003, 20。