年产660吨土霉素淀粉发酵工段工艺设计_生物工厂课程设计 精品

海南大学 生物工程专业

生物工程课程设计

说明书

题 目：660t/a土霉素淀粉发酵工段工艺设计

学 号： 20100412310001

姓 名： 陈国平 指导教师： 王新广 完成日期： 2013 年 06 月 20 日

年 级： 2010级

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生物工艺课程设计任务书

一、课程设计的性质与目的

生物工程课程设计是一门以生物工艺学、生物工程设备以及相关科学理论和工程技术为基础的、综合性与实践性很强的应用性工程训练。课程设计旨在加强学生对本课程及相关课程理论及专业知识的理解和掌握，训练并提高其在理论计算、结构设计、工程绘图、资料文献查阅、运用相关标准与规范及计算机应用等方面的能力；同时，为其它专业课程的学习和毕业设计（论文）奠定良好的基础。

二、课程设计要点

1、确定生产工艺流程和工艺条件

按照给定的设计任务，查阅有关资料、文献，搜集必要的技术资料，工艺参数和数据，进行生产方法的选择，工艺流程与工艺条件的确定。选择、确定的原则主要有：合法性；技术先进性和成熟可靠性；经济合理性；安全性；结合实际情况。

2、就设计题目、确定的生产方法和基础数据进行产品生产过程的总物料衡算，列出物料衡算表。

3、 绘制工艺流程图

（1）要求以图解的形式表示出：设备形象示意图、大小及相互位置与距离，定性地标出物料去向，连接的管线，泵、阀门、电机的位置。

（2）物料用粗实线，设备、管线用细实线。 （3）列出设备一览表。

三、时间分配与计划进度

1、设计期限1.5周

2、时间分配

指导教师讲解设计原则与程序，布置设计任务 0.5天 查阅资料，拟定工艺流程、制定方案、熟悉了解和掌握设计原理 2天 物料衡算 1.5天 绘制设计图 2天 整理编写设计说明书 2天 合计 8天（1.5周）

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目 录

摘要---------------------------------------------------------------- 1 引言---------------------------------------------------------------- 1 第一章 土霉素概述--------------------------------------------------- 2 第二章 土霉素的发酵工艺流程----------------------------------------- 3

2.1土霉素发酵工艺流程图（见附图）------------------------------- 3 2.2土霉素发酵工艺流程介绍--------------------------------------- 3

2.2.1孢子的制备 --------------------------------------------- 3 2.2.2种子制备 ----------------------------------------------- 4 2.2.3发酵培养基介绍 ----------------------------------------- 4 2.2.4发酵 --------------------------------------------------- 4

第三章 物料衡算----------------------------------------------------- 5

3.1总物料衡算--------------------------------------------------- 5

3.1.1原始资料 ----------------------------------------------- 5 3.1.2总物料衡算 --------------------------------------------- 6 3.2设备衡算----------------------------------------------------- 7

3.2.1大罐的物料衡算 ----------------------------------------- 7 3.2.2中罐的物料衡算 ----------------------------------------- 9 3.2.3小罐的物料衡算 ---------------------------------------- 12 3.3酸化稀释过滤工序物料衡算------------------------------------ 15 3.5 干燥工序物料衡算 ------------------------------------------- 17 第四章 设备选型---------------------------------------------------- 18

4.1 工艺计算依据 ----------------------------------------------- 18 4.2土霉素工艺设备计算------------------------------------------ 18

4.2.1发酵罐 ------------------------------------------------ 18 4.2.2补料罐 ------------------------------------------------ 19 4.2.3通氨罐 ------------------------------------------------ 19

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4.2.4酸化罐 ------------------------------------------------ 19 4.2.5稀释罐 ------------------------------------------------ 20 4.2.6板框过滤机 -------------------------------------------- 20 4.2.7脱色罐 ------------------------------------------------ 20 4.2.8 液氨储罐---------------------------------------------- 20 4.2.9结晶罐 ------------------------------------------------ 20 4.2.10干燥器 ----------------------------------------------- 21 4.3发酵车间设备一览表------------------------------------------ 21 4.4离心泵选型及管径-------------------------------------------- 21 4.5管道设计选型------------------------------------------------ 22

4.5.1通气管 ------------------------------------------------ 22 4.5.2输液管 ------------------------------------------------ 23

第五章 安全生产及“三废”处理-------------------------------------- 25

5.1安全生产---------------------------------------------------- 25 5.2废水处理---------------------------------------------------- 25 5.3废气的处理-------------------------------------------------- 26 5.4废渣的处理-------------------------------------------------- 26 参考文献----------------------------------------------------------- 26 致谢--------------------------------------------------------------- 27 发酵车间设备一览表------------------------------------------------- 28

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年产660吨土霉素发酵工段工艺设计

摘要

土霉素又称为地霉素或氧四环素，英文名称 Terramycin (Oxytetracycline)。属于抗菌素的一种，对多种球菌和杆菌有抗菌作用，对立克次体和阿米巴病原虫也有抑制作用，用来治疗上呼吸道感染﹑胃肠道感染﹑斑疹伤寒﹑恙虫病等，现今主要用于畜禽药及饲料添加剂。

土霉素是一个典型的利用生物工程技术生产的产品，生产工艺涉及种子培养、发酵、提取、过滤、脱色、结晶、离心和干燥等重要的单元操作和工程概念。经过对土霉素生产中的各个工段进行学习，了解到生产过程所需的设备以及应该掌握的单元操作。本文对土霉素生产的发酵工段进行的重点研究和介绍，通过物料守恒的计算，编写了实习论文并绘制物料流程图以及设备一览表。

关键词：土霉素；生产工艺；物料流程；发酵

引言

本设计为年产660t/a土霉素淀粉发酵工段工艺设计。

土霉素原料药在市场竞争中的最大优势是价格低廉，因此，多年来它大量用于畜禽药及饲料添加剂。在众多抗生素品种中，价格最低的土霉素今后将会在我国被广泛运用，现如今主要生产企业主要是赤峰制药、石家庄华署制药、山西星火制药等，产量约占世界的25%，随着产量不断下降，土霉素出口价格也随之降低。在国内市场，土霉素除了作为上产强力霉素的原料外，主要用于禽兽药物以及饲料添加剂、临床用药微乎其微。在发达国家，土霉素基本不再使用，发达国家畜牧业中用的也是纯度高无菌土霉素。我国生产的土霉素大多为抵挡产品，因此对土霉素工艺的研究与创新凸显重要。

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第一章 土霉素概述

土霉素是抗生素类药物，具有广谱抗菌作用，主要用于立克次体病支原体肺

炎，衣原体感染。土霉素 是通过生物合成得到的广谱抗生素，目前国内土霉素提取工艺为用草酸(或磷酸)做酸化剂调节pH值，利用黄血盐-硫酸锌作净化剂协同去除蛋白质等高分子杂质，然后用122-2树脂脱色进一步净化土霉素滤液，最后调pH至4.8左右结晶得到土霉素碱产品。

中文名： 土霉素

英文名： Oxytetracycline

OH O OH OH O O R 1R 2R H 3R 4H N CH 3 CH 3 OH NH R 5化学名： (4s,4аR，5S，5аR，6S，12аS）—N-4-二甲胺基-1，4，4а，5，5а，6,11，12а-八氢，5，6，12，12а- 六羟基-6-甲基-1，11-二氧代并四苯-2-甲酰胺。

分子式： C22H24N2O9 分子量： 460.0

理化性质： 土霉素是由龟裂链丝菌产生的，属于放线菌中的链霉菌属，它们具有发育 良好的菌丝体，菌丝体分支，无隔膜，直径约0.4～1.0米，长短不一，多核。菌丝体有营养菌丝、气生菌丝和孢子丝之分，孢子丝再形成分生孢子。而龟裂链丝菌的菌落灰白色，后期生褶皱，成龟裂状。菌丝成树枝分支，白色，孢子灰白色，柱形。淡黄色的结晶性或无定形粉末，无臭；在日光下颜色变暗，在碱性溶液中破坏失效。在乙醇中微溶,在水中极微溶解，在稀酸和稀碱中溶解。

土霉素是四环类抗生素，其在结构上含有四并苯的基本母核，随环上取代基的不同或位置的不同而构成不同种类的四环素类抗生素。其结构和命名如上图。

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第二章 土霉素的发酵工艺流程

2.1土霉素发酵工艺流程图（见附图）

酸化 发酵液 2.3%g/ml草酸调pH1.75-1.85

ZnSO4 0.18% 黄血盐0.23% 树脂脱色

滤液 122-2树脂 脱色液 酸化液 稀释 200%v/v 稀释液 板框过滤 一级种子培养液 种子扩大培养 30℃ 48h 1.0v/v/m 二级种子培养液 发酵 30℃ 194h 1：2.0v/v/m 补加液氨 砂土孢子 36.5℃ 4-5天 孢子培养 斜面孢子 30℃ 38h 0.65v/v/m 种子培养

结晶 结晶液 12%氨水 调pH4.5-4.6 28-30℃

分离洗涤 用滤后水淋洗再甩干

湿晶体 旋风干燥 土霉素碱成品 2.2土霉素发酵工艺流程介绍

2.2.1孢子的制备

这是发酵工序的开端，是一个重要环节。抗生素产量和成品质量同菌种性能

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以及同孢子和种子的情况有密切关系。生产用的孢子需经过纯种和生产能力的检验，符合规定的才能用来制备种子。保藏在砂土管或冷冻干燥管仲的菌种经无菌手续接入又麸皮、琼脂和水组成的斜面培养基中，在36.5-36.8℃、50%相对湿度的条件下培养4-5天，挑选菌落正常的孢子作为种子。在孢子制备的过程中，蒸馏水中可适当添加0.005%MgSO4、0.01%KH2PO4及0.015%(NH4)2HPO4，避免水质波动对孢子质量的影响，还可以缩短孢子的成熟期。

2.2.2种子制备

种子制备是指孢子接入种子罐后，在罐中繁殖成大量菌丝的过程，其目的是使孢子发芽、繁殖和获得足够数量的菌丝，以便接种到发酵罐当中去。种子培养基的成分基本与发酵培养基近似，培养30℃、30小时左右培养液趋于浓厚并转为黄色。pH一般在6.0-6.4时可以移入下一级罐。移入发酵罐时pH>6.0，效价在800u/ml左右。种子罐级数是在指制备种子需逐级扩大培养的次数，一般根据种子的生长特性、孢子发芽及菌体繁殖速度，以及发酵罐的容积而定。土霉素种子制备一般为二级种子罐扩大培养。

2.2.3发酵培养基介绍

培养基是供微生物生长繁殖和合成各种代谢产物所需要的按一定比例配制的多种营养物质的混合物。培养基的组成和比例是否恰当，直接影响微生物的生长、生产和工艺选择、产品质量和产量等。土霉素的发酵培养基由碳源、氮源、无机盐及金属离子、添加前体、消泡剂五部分组成。

生产上曾以单糖—葡萄糖、双糖—饴糖、及多糖—籼米粉、玉米粉及淀粉的解酶液作为碳源。本设计采用淀粉作为碳源，发酵相对容易控制。

由于在发酵过程中二氧化碳的不断产生，加上培养基中有很多有机氮源含有蛋白质，因此在发酵罐内会产生大量泡沫，如不严加控制，就会产生发酵液逃液，导致染菌的后果。采用植物油消沫仍旧是个好方法，一方面作为消沫剂，另一方面还可以起到碳源作用，但现在已普遍采用泡敌代替豆油。

2.2.4发酵

这一过程的目的主要是为了使微生物分泌大量的抗生素。发酵开始前，有关设备和培养基必须先经过灭菌，后接入种子。接种量一般为20%。发酵周期一般为194小时。发酵全程30-31℃分段培养，通气量为2.0v/v/m。当接种后发酵pH低于6.4时开始通氨，培养20-40小时，每4小时补一次，每次10-15L，控

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氨水平在45mg/100ml以上。根据发酵液残糖值补入总糖，一般在100小时前残糖控制4.0%-5.0%，100小时-150小时控制3.5%-4.0%，150小时至放罐前6小时控制在3.0%。在整个过程中，需要不断通气和搅拌，维持一定的罐温和罐压，并隔一段时间取样进行生化分析和无菌试验，观察代谢变化、抗生素产生情况和有无杂菌污染。

第三章 物料衡算

3.1总物料衡算

3.1.1原始资料

成品效价Ud = 1000单位/毫克

年平均发酵水平Uf = 35000单位/毫升 年工作日m = 300 d/a 1、发酵基础工艺参数

土霉素的发酵周期T为184小时，辅助时间为10小时， 发酵中罐周期为44小时，辅助时间4小时 发酵周期为35小时，辅助时间3小时 接种比为20%，液体损失率为15% 大罐一个发酵周期内所需全料的量为：32m

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大罐一个发酵周期内所需稀料的量为：17m 逃液、蒸发、取样、放罐损失总计为总料液的15%

大、中、小罐通气量分别为2.0、1.5、0.65（每分钟内单位体积发酵液通入的空气的量）

氨氮的利用情况，培养20-40小时，每4小时补一次,每次10-15L，控氨水平在45mg/100ml以上

培养基配比：

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小罐 中罐 大罐 全料 稀料 组成 黄豆饼粉 配比（%） 3.0 配比（%） 2.5 配比（%） 3.0 配比（%） 配比（%） 3.5 3.0

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淀粉 氯化钠 2.5 0.4 2.5 0.36 8.0 0.2 6.5 3.0 0.4 碳酸钙 磷酸二氢钾 磷酸氢二钾 植物油 0.6 0.005 0.005 4 0.4 0.003 0.003 2.67 1.1 0.4 0.4 0.4 1 2、提取基本工艺参数

名称 脱色岗位收率 结晶干燥岗位收率 过滤岗位收率 总收率 发酵液密度 滤液密度 20%氨水密度 氨水加量 脱色保留时间 参数 99.24% 86% 116% 99% 1.58kg/L 1.02kg/L 0.92kg/L 12% 30-50分钟 名称 发酵液效价 滤液效价 母液效价 湿晶体含水量 酸化液中草酸含量 酸化加黄血盐量 酸化加硫酸锌量 成品含水量 酸化加水量 参数 35000u/ml 11000u/ml 1370u/ml 30% 2.3% g/ml 0.25% g/ml 0.18% g/ml 1.5% 230%v/v 滤液通过树脂罐的线速度控制在0.001-0.002m /s 3.土霉素提取操作工艺参数一览表

名称 酸化稀释 结晶

反应时间( τ + τ)/h 4 8 、装料系数φ 0.70 0.70 3.1.2总物料衡算

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纯品土霉素的量：660×99% =653.4t/a 日产量：653.4/300= 2.18 t/d

效价：653.4×10×1000 =6.53×10 单位/a 土霉素的生产过程总收率为99%

则发酵时的总效价：6.53×10/99% =6.60×10 单位/a 发酵液的效价：35000单位/ml

发酵液的体积：6.60×10/35000 =1.87×10 ml =1.87×10 m

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3.2设备衡算

3.2.1大罐的物料衡算

每天发酵液的体积： 1.87×104/300=62.33 m3/d 每天损失的体积：

62.33×15%/（1-15%）=11 m3/d

加入氨水体积：培养20-40小时，每4小时补一次，每天共6次，每次15L，共计90L，既0.09 m3/d

大罐一个发酵周期内所需全料的量：32 m3 ，则一天内所需全料： 32/(194/24)=3.96 m3/d

大罐一个发酵周期内所需稀料的量:17 m3 ，则一天内所需稀料料： 17/(194/24)=2.10 m3/d

设发酵开始的培养基体积为V，蒸汽带入的水量按20%计 由体积衡算

(V×20%+V×20%+V+3.96+2.10+0.09) ×(1-15%)= v发酵液=62.33m3/d 得培养基体积V为47.98m3/d 则加入的二级种子液体积： 47.98×20%=9.60 m3/d 蒸汽带入水量： 47.68×20%=9.60m3/d

因此，每天所需培养基组成的量如下：

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黄豆饼粉：

47.68×3%+3.96×3.5%+2.10×3%= 1.632m3/d 淀粉：

47.68×8%+3.96×6.5%+2.10×3%= 4.016m3/d 氯化钠：

47.68×0.2%+2.10×0.4%= 0.1038m3/d 碳酸钙：

47.68×1.1%+3.96×0.4%+2.10×0.4%=0.5487m3/d 植物油：

47.68×0.4%+2.10×1%= 0.2117m3/d 配料水：

47.68-1.632-4.016-0.1038-0.5487-0.2117=41.17m3/d

表1 三级发酵物料衡算表 进入发酵罐的量 项目 二级种子液 体积（m3/d) 9.60 体积（m3/周期) 77.60 77.60 385.41 32.01 16.98 0.73 590.3 离开发酵罐的量 项目 体积（m3/d) 体积（m3/周期) 503.8 86.50 590.3 发酵液 62.33 损失 总量 10.70 73.03 蒸汽带入水量 9.60 培养基 全料量 稀料量 氨水 总量

表2 三级发酵培养基的组成 项目 黄豆饼粉 淀粉 氯化钠 47.68 3.96 2.10 0.09 73.03 体积（m3/d) 1.632 4.016 0.1038 体积（m3/周期） 13.19 32.46 0.8391

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碳酸钙 植物油 配水量 总

二级种子液 9.60 m3/d

培养基

47.68m3/d 蒸汽带入水量 9.60 m3/d 0.5487 0.2117 41.17 47.68 4.435 1.711 332.8 385.4 全料量 3.96 m3/d

稀料量 2.10 m3/d 液氨 0.09 m3/d

发酵罐 73.03m3/d 发酵液 62.33 m3/d

液体损失率为15% 10.70 m3/d

黄豆饼粉1.632m3 /d 淀粉4.016m3 /d 氯化钠0.1038m3 /d 碳酸钙0.5487m3 /d 植物油0.2117m3/d

配料水41.17m3 /d

培养基

3.2.2中罐的物料衡算

设发酵开始的培养基体积为V，蒸汽带入的水量按20%计， 由体积衡算：

(V×20%+V×20%+V)×(1-15%)= V

‘

二级种子液

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V‘

二级种子液×(1-15%)= V二级种子液=9.60m3/d V

‘

二级种子液

=9.60/0.85=11.29

得培养基体积V为9.49 m3 则加入的一级种子液： 9.49×20%=1.898m3/d 蒸汽带入水量： 11.21×20%=1.898m3/d 液体损失15% 11.29×0.15=1.693m3/d 接种损失15%

1.898/(1-15%)-1.898=0.3349m3/d 总损失量=液体损失+接种损失 1.693+0.3349=2.028m3/d

因此，每天所需培养基组成的量如下：黄豆饼粉：

9.49×2.5%=0.2373m3/d 淀粉：

9.49×2.5%=0.2373m3/d 氯化钠：

9.49×0.36%=0.03416 m3/d 碳酸钙：

9.49×0.4%=0.03796 m3/d 磷酸二氢钾：

9.49×0.003%=0.0002847 m3/d 磷酸二氢钾：

9.49×0.003%=0.0002847 m3/d 植物油：

9.49×2.67%=0.2534 m3/d

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配料水：

9.49-0.2373-0.2373-0.03416-0.03796-0.0002847-0.0002847-0.2534=8.689 m3/d

表3 二级发酵物料衡算表（周期为48h即2d） 进入发酵罐的量 项目 一级种子液 带入水量 培养基 总量

表4 二级发酵培养基的组成 项目 黄豆饼粉 淀粉 氯化钠 碳酸钙 植物油 配水量 磷酸二氢钾 磷酸氢二钾 总

体积（m3/d) 0.2373 0.2373 0.03416 0.03796 0.2534 8.689 0.0002847 0.0002847 9.49 体积（m3/周期） 0.4746 0.4746 0.06832 0.07592 0.5068 17.38 0.0005694 0.0005694 18.98 离开发酵罐的量 体积（m3/d) 11.29 液 1.898 9.49 13.29 3.796 18.98 26.57 损失 总量 2.028 13.29 4.056 26.57 体积（m3/周期) 26.68 体积（m3/d) 体积（m3/周期) 项目 二级种子1.898 3.796

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一级种子液 1.898 m3/d

培养基 9.49 m3/d 蒸汽带入水量 1.898 m3/d

发酵罐 13.29m3/d 二级种子液 11.29m3/d

液体损失15% 1.693m3/d 接种损失15% 0.3349 m3/d

黄豆饼粉0.2373 m3 /d

培养基 氯化钠0.03416 m3 /d 碳酸钙0.03796 m3 /d 植物油0.2534 m3/d 配料水8.689m3 /d 磷酸二氢钾0.0002847m3 /d 磷酸氢二钾0.0002847m3 /d

3.2.3小罐的物料衡算

设发酵开始的培养基体积为V，蒸汽带入的水量按20%，斜面孢子体积忽略不计，由体积衡算：

(V×20%+V)×(1-15%)= V’一级种子液 V’一级种子液×(1-15%)= V一级种子液=1.898m3/d 得培养基体积V为2.189m3/d 则 蒸汽带入水量: 2.189×20%=0.4378m3/d

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液体损失15%

2.233×0.15=0.3349m3/d 接种损失15%

2.189×20%×15%=0.06567 m3/d 总损失量=液体损失+接种损失 0.3349+0.06567=0.4006m3/d

因此，每天所需培养基组成的量如下： 黄豆饼粉：

2.189×3%=0.06567 m3/d 淀粉：

2.189×2.5%=0.05473m3/d 氯化钠：

2.189×0.4%=0.008756m3/d 碳酸钙：

2.189×0.6%=0.01313 m3/d 磷酸二氢钾：

2.189×0.005%=0.0001095 m3/d 磷酸氢二钾：

2.189×0.005%=0.0001095m3/d 植物油：

2.189×4%=0.08756 m3/d 配料水：

2.189-0.06567-0.05473-0.008756-0.01313-0.0001095-0.0001095-0.08756=1.959 m3/d

表5 一级发酵物料衡算表（周期38/24=1.58d） 进入发酵罐的量 项目 培养基 离开发酵罐的量 体积（m3/d) 2.233 体积（m3/周期) 3.528 体积（m3/d) 体积（m3/周期) 项目 2.189 3.459 一级种子

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液 带入水量 总量

表6 一级培养基的组成（周期38/24=1.58d） 项目 黄豆饼粉 淀粉 氯化钠 碳酸钙 植物油 配水量 磷酸二氢钾 磷酸氢二钾 总

培养基 2.189 m3/d 发酵罐 3/d 2.627 m

液体损失15% 0.3349m3/d 接种损失15% 0.06567 m3/d 总损失=0.3349+0.06567=0.4006

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0.4378 2.627 0.6917 4.150 损失 总量 0.3941 2.627 0.6227 4.150 体积（m3/d) 0.06567 0.05473 0.008756 0.01313 0.08756 1.959 0.0001095 0.0001095 2.189 体积（m3/周期） 0.1038 0.08647 0.01383 0.02075 0.1383 3.095 0.0001730 0.0001730 3.458 蒸汽带入水量 0.4378 m3/d

斜面孢子 一级种子液 2.233 m3/d

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黄豆饼粉0.06567m3 /d 淀粉0.05473m /d 氯化钠0.008756 m3 /d 碳酸钙0.01313 m3 /d 植物油0.08756 m3/d 配料水1.959m3 /d 磷酸二氢钾0.0001095m3 /d 磷酸氢二钾0.0001095m3 /d 3

培养基

3.3酸化稀释过滤工序物料衡算

发酵液效价：35000u/ml 滤液效价：11000u/ml

由效价守恒得滤液的体积：62.33×10×35000×1.16/11000×10=230.05 m滤液：230.05×10×1.02=234.65t

每天/ t 草酸：62.33×10×2.3%×10= 1.43 黄血盐：62.33×10×0.75%×10= 0.467 硫酸锌：62.33×10×0.18%×10= 0.11 水：62.33×2.3= 143.36 发酵液：62.33×10×1.58= 98.48 总： 243.85

15

33

-3

3

-3

3

-3

3

6

6

3

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表3-3 酸化稀释过滤工艺物料衡算表

酸化过滤前 项目 草酸 黄血盐 硫酸锌 水 发酵液 总量 质量（t/d） 质量(t/周期) 1.43 0.467 0.11 143.36 98.48 243.85 11.56 3.77 0.89 1158.83 796.05 1971.12 项目 滤液 菌丝 总量 酸化过滤后 质量（t/d） 质量(t/周期)） 234.65 9.20 243.85 1896.75 74.37 1971.12 草 酸 1.43 t/d 黄血盐0.467t/d 硫酸锌0.11t/d 水143.36t/d 发酵液 98.48t/d 酸化稀释过滤 菌丝 9.20t/d

滤液234.65t/d

3.4脱色结晶工序物料衡算

母液效价：1370u/ml 氨水加量：12% 由效价守恒得母液体积：

62.33×10×35000×99.24%×116%×（1-86%）/1370×10=256.64 m氨水：234.65×12%=28.16t 湿晶体：3.53t/d

母液：234.65+28.16-3.53=259.28t/d

表3-2 脱色提取工序物料衡算表

6

6

3

脱色提取前 项目

质量（t/d） 质量(t/周期) 16

脱后色提取 项目 质量（t/d） 质量(t/周期) 海南大学2010生物工程专业生物工程课程设计说明书

滤液 氨水 总量 234.65 28.16 262.81 1896.75 227.63 2124.38 母液 湿晶体 总量 259.28 3.53 362.81 2095.84 28.54 2124.38 滤 液 234.65t/d

脱色提取母 液 259.28t/d

氨 水 28.16t/d 湿晶体 3.53t/d

3.5 干燥工序物料衡算

干晶体重：660×（1-1.5% ）=650.1t/a 湿晶含水量：W1=30%/(1-30%) =0.43 干晶含水量：W2=1.5%/(1-1.5%) =0.02

应除去的水分：650.1×（0.43-0.02）=266.54 t/a 湿晶体的量：650.1+266.54 =916.64 t/a

表3-1 干燥工序物料衡算表

干燥前 项目 湿晶体的量 总量 质量t/a 916.64 916.64 质量t/d 3.05 3.05 项目 干晶体的量 除去的水分 总量 干燥后 质量t/a 650.1 266.54 916.64 质量t/d 2.17 0.88 3.05

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湿晶体 3.05t/d

干燥干晶体 2.17t/d

水分 0.88t/d

4.1 工艺计算依据

第四章 设备选型

满足《药品生产质量管理规范》(1998年修订)中有关设备选型的要求，根据该厂生产特点，结合企业生产经验，以保证产品质量为前提，充分利用公司现有的符合GMP要求的设备。

4.2土霉素工艺设备计算

4.2.1发酵罐

三级发酵罐

V0=62.33m3根据《味精工业手册》中提供的发酵罐参数，选取公称容积为100m3的发酵罐，实际体积为102 m3，装料系数0.8，发酵周期194h。

NV062.331946.174 '24V240.8102故选取7台发酵罐。其主要参数如下表 公称容积VN

罐内径 圆筒高 封头高 罐体总高D/mm

Hm/mm h0/mm

H/mm

不计上封头容积

100 m3

3400

10000

900

11800

96.4 m3

二级种子罐

18

全容积V0

搅拌器直

径

搅拌转速n /r/min 150

电机功率N /kw 132

Di/mm

102 m3

950

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取公称容积10m3的罐，实际体积10.9m3。接种比为20%，则每个大罐需要接种量100m3×0.2=20m3，考虑接种损失为15%。则需要二级种子液体积23.2m3，7个罐共需要1642.4m3，二级种子罐发酵周期48/24=2天，是大罐的1/4，则每个种子罐发酵周期需要产生40.6m3，考虑装料系数为0.8，即需要容积为50.75 m3，因此，需要二级种子罐50.75/10.9=4.656台，故取证选5台。 一级种子罐

取公称容积5m3的发酵罐，全容积6.27 m3。每台二级种子罐的接种量为10m3×0.2=2m3，考虑接种损失为15%。则需要一级种子液体积2.32m3，则5台二级罐供需11.6 m3，一级种子的发酵周期为38/24=1.58天，近似认为2天与中罐相同，则每个一级罐周期需要生产11.6m3，考虑装料系数0.8，即需要容积为14.5m3，因此，需要二级种子罐14.5/6.27=2.31台，故取证选3台。

4.2.2补料罐

全料罐

每罐三级发酵需要32m3的全料，且有7个发酵罐均连续操作，考虑装料系数为0.7，32×7/0.7=320 m3故选用公称容积为100m3的储罐，故选取4个全料罐。 稀料罐

每个三级发酵罐需要17 m3的稀料，且有7个发酵罐均连续操作，考虑装料系数为0.7，17×7/0.7=170 m3故选取公称容积为100 m3的储罐2个。

4.2.3通氨罐

每罐三级发酵需要0.09m3的液氨，且有7个发酵罐均连续操作，考虑装料系数为0.7，0.09×7/0.7=0.9 m3，故选取公称容积为1m3的罐1个

4.2.4酸化罐

储酸罐

每天产生1大罐发酵液共62.33m3，酸化工程中加入草酸1.43t，二水合草酸密度为1.653kg/L，则可推算出体积为0.8651m3，考虑装料系数为0.7，实际体积为1.236 m3，则选择公称容积为2.5m3的储液罐即可满足生产要求。酸化稀释共需4小时，属间歇操作，因此一个罐可以满足8大罐的需要，即每天工作4小时。 酸化罐

酸化罐中包含原料发酵液和加入的酸液，总体为66.42m3，考虑到装料系数为0.7，则

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实际需要的罐体积为94.88m3，因此，选用1个公称容积为100m3的酸化罐即可满足生产要求。

4.2.5稀释罐

在稀释的过程中加入两倍体积的水，使得酸化液的体积变为186.9m3，考虑装料系数为0.7，则实际需要的罐体积为267.1m3，因此，选取公称容积为100m3的罐3个，可满足每天生产一批的要求。

4.2.6板框过滤机

处理液密度=24.96t/206 m3=0.1212t/m3，处理时间取30min，板框压滤机处理能力

Q3600V3600206412(m3/h)，M=412×0.1212=49.93t，因此选用如下设备，T3060因考虑到两级脱色，故选2台： 型号

过滤面积/m2

Larox-PF 96

96

滤板数量/pcs 16

滤框面积/m2 96

最大工作压力/MPa 1.6

处理能力/t 70

73 质量/t

4.2.7脱色罐

脱色保留时间30-50分钟，取40min，液通过树脂罐的线速度控制在0.001-0.002m/s，取0.0015m/s，则物料在罐内停留的距离即0.0015×40×60=3.6m，考虑装料系数0.7，则3.6/0.7=5.14m，因此选取罐体高度超过5.14m的罐即可。因此，选取公称容积50m3的储液罐，其罐内部圆筒高度为6m。

4.2.8 液氨储罐

加入的液氨体积为28.16m3，考虑装料系数为0.7，实际需要体积为40.23m3，则选用公称容积为50m3的储液罐即可满足要求，结晶时间为8小时，属间歇操作，则每天只一次，因此只需1个罐。

4.2.9结晶罐

采用三级连续结晶，设三级罐的总体积为V V/(V处理量/24)>8

V处理量281 m3，则V>94 m3

为了晶核的形成和形成晶体的饱满，三级罐应依次由小到大

20

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则分别选择 公称容积为5m3 10m3 100m3的三个罐串联即可满足要求。

4.2.10干燥器

每天生产湿晶体重量3.05t，干晶体重量2.17t，则须除去水分0.88t，每小时处理量为0.962/24=36.67kg，因此选用蒸发水分为50kg/h的脉冲旋风式气流干燥器，具体参数见下表

型号 XQG50

蒸发水分/(kg/h)

50

装机功率/kw

7

占地面积/m2

17

高度/m 8

4.3发酵车间设备一览表

设备名称 一级发酵罐 二级发酵罐 三级发酵罐 通氨罐 补料罐(全料罐) 补料罐(稀料罐)

所属车间 发酵车间 发酵车间 发酵车间 发酵车间 发酵车间 发酵车间

数量 7 5 3 1 4 2

型号

公称容积100 m3 φ3400 公称容积10m3 φ1800 公称容积5m3 φ1500 公称容积1m3 φ900 公称容积100 m3 φ3400 公称容积100 m3 φ3400

4.4离心泵选型及管径

查《化工流体流动与传热》得知，黏度较大的流体流速一般为0.5～1m/s，本设计取流速为0.8m/s，已知板框压滤机的进液口为50mm。

所以进液体积流量为：

设一台离心泵对应4台板框压滤机输送液体，所以选取离心泵的数量为2

3V4V45.6522.6m/h 台。则离心泵的总流量：总V4d2u0.785(0.05)20.85.65m3/h管径：

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d0.10m

所以选取公称直径为100mm的PVC管输送液体物料。

根据厂方设置情况，滤液贮罐和压滤机的相对高度差约为8m，总管路长度约为30m，依据湍流摩擦系数的经验关联式，

0.00560.500(Re3103~3106)0.32Re求的V总4d2u22.60.04；要求输送量为22.6m3/h，查《化

工工艺设计手册》得知公称直径为100m的PVC管件的内径为110；输送液体密度1010kg/m3，操作压力为0.7MPa，流速为0.8m/s。

lu2300.82Hf0.040.39md2g0.129.81压头损失， Pu27105HeZHf800.39g2g10109.81扬程， 解得，He79.04m

3Q22.6m/h及He79.04m从防腐蚀泵系列中选取型号为e根据流量

100F-92A，其性能参数如下表：

流量m3/h

扬程m

转r/min

94.3

80

2960

数

轴功率kW 25.4

68 效率%

允许吸上真空度/m 4

叶轮外径/mm 256

表中数据来源《化工流体流动与传热》。

由于所输送液体的密度大于水的密度，所以需要核算泵所需的轴功率，

NHQ79.0422.610107.23kW1021020.683600

从泵的性能参数可以看出泵所提供的功率大于输送液体所需功率，所选离心泵符合要求。

4.5管道设计选型

4.5.1通气管

大罐的通气量为2.0v/v/m(0.1MPa，20℃)，体积为102 m3，通风量：

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Q'1022.0204m3/min3.4m3/s

折算到工作状态(0.1MPa，30℃)下的风量：

Qf3.4273303.52m3/s27320

Qfv3.520.14m225

取风速v=25m/s，则通风管截面积Sf通风管径 dfSf0.7850.140.42m420mm0.785

故选用不锈钢焊接钢管取φ450×5，其内径440mm>420mm，适用。

4.5.2输液管

（1）排料管

发酵罐装料102m3，发酵液体积62.33m3，2h之内排空，物料体积流量：

Q62.338.657103m3/s

36002发酵液流速取v=1m/s，排料管截面积：

Q8.657103S料8.657103m2

v1S料8.657103管径 d0.1050m

0.7850.785取不锈钢焊接钢管φ130×5，其内径120mm>105mm，适用。

（2）进液管

①种子液

二级种子液9.60m3，半小时之内接种完毕，则物料的体积流量： Q9.605.333103m3/s

36000.5发酵液流速取v=1m/s，排料管截面积：

Q5.333103S料5.333103m2

v1S料5.333103管径 d0.08242m82.42mm

0.7850.785取不锈钢焊接钢管φ100×5，其内径90mm>82.42mm，适用。

②补全料输液管

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全料液32m3，184小时之内补料完毕，则物料的体积流量：

Q324.83105m3/s

3600184发酵液流速取v=1m/s，排料管截面积：

Q4.83105S料4.83105m2

v1S料4.83105管径 d7.84mm

0.7850.785取不锈钢焊接钢管φ12×1.5，其内径9mm>7.84mm，适用。

③补稀料输液管

稀料液17m3，184小时之内补料完毕，则物料的体积流量：

Q172.56105m3/s

3600184发酵液流速取v=1m/s，排料管截面积：

Q2.56105S料2.56105m2

v12.56105管径 d5.72mm

0.7850.785取不锈钢焊接钢管φ12×1.5，其内径9mm>5.72mm，适用。

④通氨管

液氨共0.09m3，20-40h内补6次，平均每次补十分钟，共计耗时1h， 则物料的体积流量。QS料0.092.5105m3/s

36001发酵液流速取v=1m/s，排料管截面积：

S料Q2.51052.5105m2 v1S料2.5105管径 d5.64mm

0.7850.785取不锈钢焊接钢管φ12×1.5，其内径9mm>5.64mm，适用。 由此可以的到所有发酵车间的管路总表

管道名称 发酵罐通气管

所属车间 发酵车间

管道材料 不锈钢焊接钢管

管径/mm 450

管壁厚/mm

5

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种子罐进液管

排料管 补全料输液管 补稀料输液管

通氨管

发酵车间 发酵车间 发酵车间 发酵车间 发酵车间

不锈钢焊接钢管 不锈钢焊接钢管 不锈钢焊接钢管 不锈钢焊接钢管 不锈钢焊接钢管

100 130 12 12 12

5 5 1.5 1.5 1.5

第五章 安全生产及“三废”处理

一个先进的生产工艺，必须同时认真考虑和妥善解决溶剂回收和三废处理等问题。相对而言，化学制药工厂使用的溶剂品种多、数量大，如果不予以回收，不仅使原料的消耗量大，产品成本增高，也会影响到工人的劳动保护和安全。

5.1安全生产

在许多化学合成药的生产中，大多使用易燃、易爆、有毒的溶剂、原料和中间体。因此在工艺路线评价和选择的过程中必须考虑安全生产和环境保护问题。

安全生产和环境保护考虑以下几个方面：

（1）不用或少用易燃、易爆、有毒的溶剂、原料、中间体；

（2）对于必须使用的有毒物质，必须进行安全试验研究方案的设计； （3）对三废进行初步的了解，制定综合利用和处理方法的初步方案。

5.2废水处理

废水主要来源于生产废水、实验室废水和实验动物废水生物制品及制药行业在生产、科研、检验等过程中，排出的废水可能含有致病性细菌、病毒、其它微生物、化学污染物及放射性同位素等有害污染物。而这些污染物有极大的危害性，故废水如不进行严格消毒处理便直接排放，将污染水资源、恶化生态环境，且可能引起传染病的流行，严重影响人类的健康。

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5.3废气的处理

按所含主要污染物的性质不同，化学制药厂排除的废气可分为三类，即含尘（固体悬浮物）废气、含无机污染物废气和含有机污染物废气。含尘废气的处理实际上是一个气、固两相混合物的分离问题，可利用粉尘质量较大的特点，通过外力的作用将其分离出来；而处理含无机或有机污染物的废气则要根据所含污染物的物理性质和化学性质，通过冷凝、吸收、吸附、燃烧、催化等方法进行无害化处理。

5.4废渣的处理

常见的废渣包括蒸馏残渣、失活催化剂、废活性炭、胶体废渣、反应残渣（如铁泥、锌泥等）、不合格的中间体和产品，以及用沉淀、混凝、生物处理等方法产生的污泥残渣等。防治废渣污染应遵循“减量化、资源化和无害化”的“三化”原则。首先要采取各种措施，最大限度地从“源头”上减少废渣的产生量和排放量。其次．对于必须排出的废渣，要从综合利用上下功夫，尽可能从废渣中回收有价值的资源和能量。最后，对无法综合利用或经综合利用后的废渣进行无害化处理，以减轻或消除废渣的污染危害。

参考文献

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15.Hirao T，Nakano T，（1989）L-Lysine production in continuous culture of an L-Lysine hyperproducing mutant of Corynebacterium glutamicum.ApplMicrobiol Biotechnol 32：269-273.

16.Hagino H，Kobayashi S，Araki K，Nakayama K （1981）L-Lysine production by mutants of Bacillus licheniformis，Biotechnol Lett 3：425-430.

致谢

在这次工厂设计的过程中，首先感谢王新广老师的指点和教导，为我们提供

了坚实的理论基础；其次感谢组员邱阳同学的帮助和努力，使得设计顺利完成。

虽然此次设计内容繁多，过程繁琐但我的收获却更加丰富。各种系统的适用

条件，各种设备的选用标准，各种管道的安装方式，我都是随着设计的不断深入而不断熟悉并学会应用的。这给了我很大的信心，让我了解专业知识的同时也对本专业的发展前景充满信心。

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发酵车间设备一览表

设备名称 一级发酵罐 二级发酵罐 三级发酵罐 通氨罐 补料罐(全料罐) 补料罐(稀料罐)

所属车间 发酵车间 发酵车间 发酵车间 发酵车间 发酵车间 发酵车间

数量 7 5 3 1 4 2

型号

公称容积100 m3 φ3400 公称容积10m3 φ1800 公称容积5m3 φ1500 公称容积1m3 φ900 公称容积100 m3 φ3400 公称容积100 m3 φ3400

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