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1、第一章 绪论1.1引言目前，全世界的医药产品生产已有一半以上由生物技术合成，其中，抗生素、维生素、激素这三大类药物主要由微生物发酵生产。抗生素在世界范围内的应用十分广泛，从而有效地控制了许多传染疾病，同时也促进了发酵工业的发展。1.1.1土霉素化学式及性状土霉素(Terramycin)又称地霉素、氧四环素(Oxytetracycline)，化学名：(4s,4R,5S,5R,6S,12S)-N-4-二甲胺基-1,4,4,5,5,6,11,12-八氢,5, 6,10,12,12-六羟基-6-甲基-1,11-二氧代并四苯-2-甲酰胺，是四环素类抗生素的一种，因结构上含有四并苯基的母核而得名。化学式如
2、下：本品为灰白色至黄色的结晶粉末，无臭，味苦，熔点是180，在空气中性质稳定，在日光下颜色变暗在碱性溶液中易破坏失效。土霉素的盐酸盐为黄色结晶，味苦，熔点190194，有吸湿性，但水分和光线不影响其效价，在室温下长期保存不变质，不失效。盐酸盐易溶于水，溶于甲醇，微溶于无水乙醇，不溶于三氯甲烷和乙醚，在酸性条件下不稳定。添加到饲料中，在室温下保存四个月，效价下降4%9%，制粒时效价下降5%7%。1.1.2作用机理本品为广谱抑菌剂，能特异性地与细菌核糖体30S亚基的A位置结合，抑制肽链的增长和影响细菌蛋白质的合成，能抑制动物肠道内的有害微生物，激活大肠中有利于营养物质合成的微生物。可使动物肠壁变薄
3、，更有利于营养物质的吸收和利用，从而提高肠道吸收效率。许多立克次体属、支原体属、衣原体属、螺旋体、阿米巴原虫和某些疟原虫也对本品敏感。肠球菌属对其耐药。其他如放线菌属、炭疽杆菌、单核细胞增多性李斯特菌、梭状芽孢杆菌、奴卡菌属、弧菌、布鲁菌属、弯曲杆菌、耶尔森菌等对本品敏感。1.1.3土霉素的应用土霉素为四环类抗生素，生产工艺简单、生产成本较低，可作为生产其它新型抗生素的原料。土霉素价格低廉，可以作为饲料添加剂用于养殖业。实践表明：土霉素用于饲料添加剂，可以改善饲料转化效率，促进畜禽生长，提高畜禽抗疾病能力。土霉素对多数革兰氏阳性菌(如肺炎球菌，溶血性链球菌，草绿色链球菌以及部分葡萄糖球菌，炭疽
4、杆菌)和革兰氏阴性菌(如大肠杆菌，产气杆菌，破伤风，肺炎杆菌，流感杆菌，百日咳杆菌等)均有抗菌作用。临床上主要用于肺炎、败血症、斑疹、伤寒了、淋巴肉芽肿、砂岩及其他细菌性感染等，对伤寒有效，也可用于阿米巴痢疾和阴道滴虫病患者。此外还能抑制立克次体和砂岩病毒及淋巴肉芽肿病毒 。作为抗生素，上世纪六七十年代时，土霉素曾在抗菌药市场上占重要地位，但伴随着其它多种高效抗生素的诞生与发展，土霉素市场快速走向衰落。目前，土霉素已经极少用于临床了。1.1.4 土霉素的生产土霉素通常由龟裂链丝菌(streptomyces rimosus)发酵得到，目前国内提取工艺一般以草酸(或部分盐酸替代草酸)作酸化剂调节发
5、酵液pH值，利用黄血盐钠和硫酸锌作净化剂生成普鲁士蓝沉淀协同去除Fe3+及高分子杂质，再经122-2树脂脱色，调节pH至4.6晶得干燥到土霉素成品1。1.2设计目标任务本设计主要内容为：了解土霉素生产中的原料预处理、发酵、提取部分的生产方法和生产流程，根据实际情况来选择发酵工段合适的生产流程，并对流程中的原料进行物料衡算、最后，画出发酵工段的工艺流程图。1.3 本次设计的基本内容设计年产400吨土霉素生产发酵工段工艺设计。第二章 工艺流程设计2.1 土霉素发酵工艺流程2.1.1菌种的保藏菌种的保藏方法有：斜面菌种低温保藏法、砂土管保藏法、甘油封藏法、真空冷冻干燥法。斜面菌种低温保藏法：利用低温
6、对微生物生命活动有抑制作用的原理进行保藏。把斜面菌种、固体穿刺培养物或菌悬液等，直接放入45冰箱中。保藏时间一般不超过3个月，到时必须进行移接传代，再放回冰箱。砂土管保藏法：将干燥砂粒与细土混合后灭菌制成砂土管，然后接种保藏。若把砂土管放在低温或抽气后密封，效果更佳。此法适用于产孢子及芽孢菌种的保藏。保藏期110年。甘油封藏法：向培养好的菌种斜面上，加入灭菌甘油，高出斜面1cm，然后蜡封管口，放入冰箱。该法既可防止培养基水分蒸发，又能使菌种与空气隔绝。保藏期12年。真空冷冻干燥法：是目前比较理想的一种方法。在低于-15下，快速将细胞冻结，并保持细胞完整，然后在真空中使水分升华致干。在此环境中，
7、微生物的生长和代谢都暂时停止，不易发生变异，故可长时间保存，一般为510年，最多可达15年之久。此法兼备了低温、干燥及缺氧几方面条件，使微生物可以保存较长时间，但过程较麻烦，需要一定的设备。2.1.3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%Mg
8、SO4、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。2.1.4 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pH6.0，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
9、养。2.1.5 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，
10、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。2.1.6 灭菌灭菌指的是用化学或物理的方法杀灭或除去物料及设备中所有的有生命物质的技术或工艺流程。灭菌实质上可分杀菌和溶菌两种，前者指菌体虽死，但形体尚存，后者则指菌体杀死后，其细胞发生溶化、消失的现象。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。在土霉素的生产中，对培养基和发酵罐主要采用的是湿热蒸汽灭菌和空气过滤除菌的方法。2.1.7 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
11、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。2.2土霉素的提取生产工艺流程及各单元操作简介2.2.1发酵液的预处理 土霉素因能和钙、镁等金属离子，某些季铵盐、碱等形成复
12、合物而沉淀，在发酵过程中，这些复合物聚集在菌丝中，而在液体中浓度不高，因此，应对发酵液进行酸化的预处理使之释放出来，以保证沉淀的收率和质量。通常采用草酸作为酸化剂，其去钙较完全，析出的草酸钙还能促进蛋白质的凝结，提高滤液质量，草酸属于弱酸，比盐酸、硫酸等对设备的腐蚀性小。但其价格较贵，并促使差向土霉素等异构物的产生，因此在草酸做酸化剂时，温度必须在15以下，且尽量缩短操作时间。通常在考虑土霉素稳定性和成品质量及成本的前提下，pH控制在1.6-1.9。2.2.2发酵液的纯化发酵液中同时存在着许多有机和无机的杂质，为了进一步提高滤液质量，为直接沉淀创造有利条件，可加入黄血盐进而硫酸锌协同作用除去蛋
13、白质，同时除去铁离子(黄血盐和铁离子生成普鲁士蓝沉淀)，并加入硼砂，以提高滤液质量。2.2.3滤液脱色进一步除去滤液中的色素和有机杂质以提高滤液质量，将滤液通过122-2树脂进行脱色，该树脂在酸性滤液中氢离子不活波，不能发生电离及离子交换作用，但能生成氢键，其生成的氢键能吸附溶液中的带正电的铁离子、色素及其他有机杂质，故能使土霉素滤液的色泽和质量有所提高。树脂在氢氧化钠溶液中又氢型变成纳型，失去氢键的活性，能使其吸附的色素和杂质解离出来，再经酸作用仍能回复活性，可重复使用。现多采用板框式过滤机。2.2.4沉淀结晶 经预处理过的滤液加入碱化剂调pH至等电点，使之沉淀结而从滤液中分离。通常使用氨水
14、(含2-3%NaHSO3或Na2CO3及尿素)，既节约成本，又能起到抗氧化脱色作用，效果较好。条件控制为pH4.5-4.6，28-30、结晶通常需要2小时。目前通常采用连续结晶法。经旋风分离，离心送至干燥。2.2.5干燥 物料经粉碎后，通常采用旋风干燥机干燥，并经除尘可得到最终产物。砂土孢子斜面孢子孢子培养36.5 4-5天种子培养30 38h 0.65v/v/m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 补加液氨湿晶体旋风干燥土霉素碱成品发酵液酸化2.3%g/ml草酸调pH1.75-1.85ZnSO4 0.18% 黄血盐0.
15、23%酸化液稀释200%v/v稀释液板框过滤滤液树脂脱色122-2树脂 脱色液结晶12%氨水调pH4.5-4.6 28-30结晶液分离洗涤用滤后水淋洗再甩干2.3 土霉素生产总工艺流程图第三章 物料衡算土霉素的生产工艺一般分为发酵工段、酸化工段、过滤工段、脱色工段、结晶工段、离心工段、干燥工段。土霉素生产车间发酵工段是土霉素生产的第一个环节，也是最重要的一个环节。土霉素发酵工段，工作日天，物料衡算由干燥工段开始计算。3.1干燥工段已知数据：土霉素湿品含水量30%,干品含水量7%，损失率1%。取土霉素干品含水量为，干燥过程中损失率为，土霉素湿品含水量为由已知数据可得：日产量为：干品中土霉素的质量
16、： 湿品中土霉素的质量：湿品的总质量：损失的质量： 3.2结晶分离工段 结晶、分离 脱后液 离心母液 碱化剂 湿 品损失3.2.1土霉素折湿效价根据效价平衡： （3-1） 土霉素干品的总质量，；土霉素湿品的总质量，；土霉素的折干效价，；土霉素的折湿效价， 已知数据：； 代入式（3-1）得：解得：3.2.2碱化剂密度已知数据：氨水的密度,氨水的密度，内差法计算得的氨水的密度设碱化剂的质量为,氨水的质量分数为，亚硫酸钠固体的质量分数为，所以水的质量分数为则：， 氨水体积： （3-2） 水的体积： 碱化剂中亚硫酸钠的体积忽略不计，则碱化剂的总体积：碱化剂的密度：3.2.3求其他未知量结晶分离工段中土
17、霉素的质量守恒，有公式 （3-3）脱色后液体的体积，；脱色后液体的效价，；离心母液的体积，；离心母液的效价，；脱色分离过程中损失的土霉素的质量，kg。根据结晶分离工段中总的质量守恒，有公式 （3-4）脱色后液体的密度，；碱化剂的体积，；离心母液的密度，。(1)已知数据:损失率为1%， ，将已知数据代入式（3-3）得： （2）已知数据:, ,将已知量代入式（3-4）得： 联立式和式得 解得：，所以， （3）碱化剂中各成分的质量碱化剂的质量：氨水的质量：固体硫酸钠的质量：水的质量：3.3脱色工段脱 色 脱后液 滤 液 损失量3.3.1计算滤液和脱色过程中损失的质量该过程中脱色液的体积损失5%，根据
18、脱色工段中总的质量守恒有公式 （3-5）已知：，将已知数据带入上式中得：脱后液的质量滤液的质量损失的质量3.3.2滤液效价求算根据质量守恒核算脱色前后的总质量脱色前总质量：脱色后总质量：经数据核算，脱色前后质量相等满足质量守恒根据效价平衡核算滤液的效价该过程的损失率取5%，脱色液体积损失5%。土霉素的效价平衡有公式 （3-6）已知数据:， 代入式（3-6）解得3.4过滤工段过滤滤液净化液滤渣损失高单位已知： 滤渣效价 滤液效价，假设高单位顶洗液效价。故： （1） （2） （3） （4） （5） 联立（1）（2）（3）（4）（5），代入数据得：， ， ，由效价守恒得：代入数据得： 3.5酸化工段
19、发酵液稀释净化液损失草酸水 净化剂草酸盐酸酸化液酸 化3.5.1 酸化液和草酸水的体积 在进行酸化稀释时忽略损失，则 （3-11）草酸水的体积，；酸化液的体积，。 根据土霉素效价平衡 （3-12）已知数据：， 将已知数据分别代上两式，得： 3.5.2酸化工段损失量加入的草酸固体，可忽略体积。 得： （3-13）式中为加入盐酸的体积，即： 解得： 3.5.3发酵液效价根据土霉素的效价平衡有： （3-14）已知： ，得：3.5.4酸化剂和净化剂的用量已知酸化草酸的加入量为发酵液的3%（kg/L）， 净化剂中黄血盐的质量占稀释净化液体积的0.5%，硫酸锌质量占稀释净化液的0.3%。 3.6发酵工段
20、一级培养基 二级培养基 补料 三级培养基三级发酵罐二级种子罐一级种子罐 种子液 一级种子液 二级种子液 发酵液 损失 损失 损失3.6.1三级发酵罐的物料横算已知，接种量： ，补料量：(V/V) ,损失量： 1.三级发酵罐中各成分的体积根据发酵罐进出物料量的关系有: （3-15） （3-16） （3-17）由上式可得： 2.三级培养基各成分已知三级发酵罐进料密度，三级培养基成分 表3-1名称 质量百分含量 质量（）淀粉1601.82豆饼粉580.66酵母粉80.09220.2540.04120.146.0070.940.05豆油(V/V)8.34L3.6.1.3三级补料各成分已知数据： kg补
21、料培养基成分 表3-2名称质量百分含量质量淀粉444.95豆饼粉17.801.285.348.48酶12.13.6.2二级种子液培养阶段物料衡量已知：接种量为，损失量， 根据二级种子液培养阶段，进出物料量有： （3-18） （3-19） 可得： 二级培养基各成分：已知：二级进料的密度 ， 二级培养基的质量 二级培养基成分 表3-3名称质量百分含量质量淀粉155.4糊精18.65豆饼粉77.71酵母粉18.6524.8712.4323.310.9330.056豆油（V/V）4.523.6.3一级种子液培养阶段物料衡量已知：损失量为， 忽略三个茄子瓶种子液的体积，根据一级种子液培养过程进出物料量及
22、过程中的损失量有： （3-20）得： 一级培养基各成分已知一级培养基的进料密度 ， 一级培养基成分 表3-4名称质量百分含量质量淀粉5.02糊精5.02豆饼粉1.67酵母粉2.511.671.671.340.10豆油（v/v）0.56第四章 设备设计与选型土霉素发酵过程属于好氧发酵，需要控制好空气量，本次设计采用通风发酵罐，即好氧性发酵罐、机械搅拌罐。此类发酵罐是发酵工厂常用类型之一，他利用机械搅拌器的搅拌作用，使得空气和料液充分混合，促使氧在料液何种溶解，以保证给微生物生长繁殖、发酵和代谢产物所需的氧气。所以发酵罐选择标准机械发酵罐，六弯叶涡轮式搅拌。4.1车间设备一览表设备名称所属车间一级
23、发酵罐发酵车间二级发酵罐发酵车间三级发酵罐发酵车间通氨罐发酵车间补料罐(全料罐)发酵车间补料罐(稀料罐)发酵车间酸化反应罐酸化过滤车间酸化储罐酸化过滤车间稀释罐酸化过滤车间板框过滤机酸化过滤车间脱色罐脱色结晶车间液氨储罐脱色结晶车间结晶罐脱色结晶车间旋风干燥器干燥车间第五章 车间布置设计5.1 车间布置基本要求 最大限度地满足工艺生产包括设备维修的要求。有效地利用车间建筑面积(包括空间)和土地。要为车间的技术经济指标先进合理以及节能等要求创造条件。考虑其他专业对本车间布置的要求。要考虑车间的发展和厂房的扩建。车间中所采取的劳动保护、防腐、防火、防毒、防爆及安全卫生等措施是否符合要求。本车间与其
24、他车间在总平面图上的位置合理，力求使它们之间输送管线最短，联系最快考虑建设地区的气象、地质、水文等条件。人流物流不能交错。5.2 车间的组成车间按照工艺过程分为三个工序，即种子制备、配料的消毒和发酵及发酵产物的分离提纯三部分，故车间由种子制备区，配料区、发酵区、辅助工艺区及人净更衣区组成。车间的区域布置按工艺流程及工序来划分，合理布置，充分考虑到发酵车间的自然通风，和自然采光措施。遵循操作方便、生产安全、维修便利、布局美观的原则。 本车间属于戊类厂房，其中更衣室、变电间的局部为丙类，卫生的等级属3、4级。第六章 结论本设计重点是对土霉素生产中发酵工段的设计，根据设计任务书的要求，年产400吨土
25、霉素发酵车间工艺设计。土霉素发酵主要进行的三级发酵、提炼工段（酸化、过滤工段）在经过脱色、结晶、离心干燥工段，最后得到合格的土霉素产品。土霉素发酵工段的物料衡算进行了详细的计算，土霉素生产的物料流程图和PID图提供数据。对发酵设备进行选型和计算，包括发酵设备的壁厚罐体的高度以及搅拌器的选择，以此来绘制土霉素设备布置的平面和立面图。发通过本次设计，首先对土霉素的生产工艺流程有了进一步的了解，熟悉了一级种子液和二级种子液的培养及三级发酵操作和控制。让我们了解，制药企业的每一个过程都要严格按照国家的标准来实施。通过此次课程设计的训练，锻炼了我们的独立思考、分析设计等方面的能力，让我们用端正的态度来对待本次设计，认认真真的去做设计的每一步尽量把设计做的完美。
