1、内蒙古科技大学毕业设计说明书内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书题 目：年产 2300 吨青霉素发酵工段工艺设计内蒙古科技大学毕业设计说明书年产 2300 吨青霉素发酵工段工艺设计摘 要本设计以注射用青霉素 G 为背景，来进行年产 2300 吨青霉素发酵工段工艺的设计,考虑到为了实现菌种放大的平稳过渡，设计采用三级发酵工艺进行青霉素的生产，菌种经种子发酵罐扩培后进入二级种子发酵罐再进入发酵罐。各种补加用料以流加的方式加入，保持产黄青霉的健康生长。设计使用 4 台一级种子罐、7 台二级种子罐、14台发酵罐。厂房采用三层设计，在不同层放置不同类型的罐体，以满足生产需要，在厂房内部设置吊装孔，用以上吊
2、原料。在本设计中充分考虑了理论设计量的合理性，又兼顾了实际生产的可行性的情况下对物料、能量以及发酵控制因素等进行了的计算，就发酵后期所涉及的一系列问题详细说明了其解决方法，力求设计的完整性及准确无误。关键词：青霉素；发酵；批量；工艺；生产内蒙古科技大学毕业设计说明书Section of an annual output of 2,300 tons of penicillin fermentationprocess designAbstractThe design injection of penicillin G as background, to carry out an annual ou
3、tput of 2300 tons penicillin fermentation section in the design process, taking into account the strain amplification to achieve a smooth transition, designed with three fermentation process for penicillin production , strain through seed fermentor, after expanding into the second seed culture ferme
4、ntation tank and then into the fermenter. Variety of additional materials in order to join the Feds way of maintaining a healthy growth of Penicillium chrysogenum. Design uses 4 sets a seed tank, 7 sets two seed containers, 14 sets fermenter. Plant a three-tier design, placed in different layers of
5、different types of tanks, to meet production needs, set in the plant and lifting holes for hanging material. Fully considered in the design of a reasonable amount of theoretical design, but also the feasibility of taking into account the actual situation of production of materials, energy and fermen
6、tation control factors for the calculation, on the fermentation of a range of issues involved in the late details its solution, and strive to design integrity and accurac.Key words: Penicillin; fermentation; volume; process; production内蒙古科技大学毕业设计说明书目 录摘 要 .IAbstract .II第一章 引 言 .11.1 总论 .11.1.1 设计依据
7、.11.1.2 指导思想 .11.1.3 设计要求 .11.1.4 设计步骤 .11.2 青霉素的发现 .21.3 青霉素分子结构及分类 .31.4 青霉素的单位 .41.5 作用机理 .41.6 青霉素的应用 .51.7 产品名称及生产规模 .51.8 产品药理 .6第二章 设计说明 .72.1 青霉素发酵过程 .72.2 生产方法 .82.3 工艺流程 .92.4 工艺特点 .102.5 发酵过程中各参数的相互关系 .122.6 设备框图 .12第三章 工艺条件计算 .133.1 发酵罐设计技术指标 .133.2 物料衡算 .133.3 能量衡算 .173.3.1 水 .173.3.2 蒸
8、汽 .183.3.3 电 .19内蒙古科技大学毕业设计说明书3.3.4 空气 .203.3.5 公用过程负荷 .21第四章 典型设备计算 .244.1 设备衡算 .244.1.1 发酵罐 .244.1.2 二级种子罐 .314.1.3 一级种子罐 .384.2 设备计算 .424.2.1 贮罐 .424.2.2 液体输送设备选型 .454.2.3 空气总过滤器 .464.2.4 空气压缩机选型 .464.2.5 发酵罐物料管道选型 .474.2.6 二级种子罐物料管道选型 .494.2.7 一级种子罐物料管道选型 .52第五章 发酵过程优化控制 .555.1 发酵过程中温度的控制 .555.2
9、 发酵过程中 PH 的控制 .565.3 发酵过程中溶解氧的控制 .575.4 发酵过程中菌丝浓度的控制 .585.5 发酵液质量控制 .585.6 成品鉴定 .58第六章 车间布置及生产制度 .606.1 车间生产性质及布置说明 .606.2 设备安装 .606.3 车间生产制度 .616.3.1 发酵生产 .616.3.2 清洗罐 .626.3.3 技术管理部门职责： .62第七章 给排水 .64内蒙古科技大学毕业设计说明书7.1 生产用水情况概述及要求 .647.2 排水系统的划分 .64第八章 环境保护 .658.1 生产过程中“三废”排放情况 .658.2 处理方案 .658.3 噪
10、声控制 .65第九章 节能 .669.1 能耗分析 .669.2 节能措施 .66参考文献 .67致谢 .68内蒙古科技大学毕业设计说明书第一章 引 言1.1 总论1.1.1 设计依据内蒙古科技大学数理与生物工程学院下达的毕业设计任务书1.1.2 指导思想生物技术成熟的理论体系，使得生物技术产业化得以实现。其装置由若干个单元设备以系统的、合理的方式组合起来。其过程设计依据生物工艺条件，选择合理的原料、确定最经济和最安全的途径。使之生产出符合一定质量的生物产品。1.1.3 设计要求(1) 生物技术产品的数量和质量指标。(2) 保证整套系统不仅可以正常操作，而且能满足开停车等非正常操作。(3) 系
11、统能适应和抑制外部扰动的影响，达到整套系统的可控性。(4) 必须进行工艺流程优化和参数优化，达到最经济的使用资金、原材料、公共设施和人员。(5) 必须充分考虑各种明显的和潜在的危险，保证生产人员的健康和安全，如生物反应器等压力容器，易燃、易爆挥发性溶剂的管理以及基因工程菌的生物扩散等。(6) 符合国家和地方的环境保护法规，按照工业生态学和减少原料和能源使用，物料的多层多级利用使用和废物资源化循环利用的“3R”原则，达到清洁生产。1.1.4 设计步骤工艺设计在初步设计阶段，可分为下面几个步骤：(1) 选择不确定生产流程，确定技术经济指标。(2) 进行生产工艺的各种计算。(3) 设备的选型和计算，
12、确定生产设备的规格和台数。(4) 车间设备布置的方案比较和设备配置的平面和空间关系的确定及设计制图。(5) 向配套专业（土建、自控仪表、供水、环保、供电、供热、采暖通风、技术经济）提出设计要求和有关资料。内蒙古科技大学毕业设计说明书(6) 正式绘制工艺流程图、车间设备布置图等，编制设备表和主要材料估算表。(7) 编写初步设计有关的生产工艺部分的文件。1.2 青霉素的发现20 世 纪 40 年 代 以 前 ， 人 类 一 直 未 能 掌 握 一 种 能 高 效 治 疗 细 菌 性 感 染 且 副 作 用小 的 药 物 。 当 时 若 某 人 患 了 肺 结 核 ， 那 么 就 意 味 着 此 人
13、 不 久 就 会 离 开 人 世 。 为 了 改变 这 种 局 面 ， 科 研 人 员 进 行 了 长 期 探 索 ， 然 而 在 这 方 面 所 取 得 的 突 破 性 进 展 却 源 自一 个 意 外 发 现 。 1928 年，英国细菌学家 Fleming 发现污染在培养葡萄球菌的双蝶上的一株霉菌能杀死周围的葡萄球菌。他将此霉菌分离纯化后得到的菌株经鉴定为点青霉，并将这菌所产生的抗生物质命名为青霉素。1940 年，英国 Florey 和 Chain 进一步研究此菌，并从培养液中制出了干燥的青霉素制品。经实验和临床试验证明，它毒性很小，并对一些革兰氏阳性菌所引起的许多疾病有卓越的疗效。此 后
14、 一 系 列 临 床 实 验 证 实 了 青 霉 素 对 链 球 菌 、 白 喉 杆 菌 等 多 种细 菌 感 染 的 疗 效 。 青 霉 素 之 所 以 能 既 杀 死 病 菌 ， 又 不 损 害 人 体 细 胞 ， 原 因 在 于 青 霉素 所 含 的 青 霉 烷 能 使 病 菌 细 胞 壁 的 合 成 发 生 障 碍 ， 导 致 病 菌 溶 解 死 亡 ， 而 人 和 动 物的 细 胞 则 没 有 细 胞 壁 。 但 是 青 霉 素 会 使 个 别 人 发 生 过 敏 反 应 ， 所 以 在 应 用 前 必 须 做皮 试 。 在 这 些 研 究 成 果 的 推 动 下 ， 美 国 制 药
15、 企 业 于 1942 年 开 始 对 青 霉 素 进 行 大 批量 生 产 。 到 了 1943 年 ， 制 药 公 司 已 经 发 现 了 批 量 生 产 青 霉 素 的 方 法 。 当 时 英 国 和美 国 正 在 和 纳 粹 德 国 交 战 。 这 种 新 的 药 物 对 控 制 伤 口 感 染 非 常 有 效 。 到 1944 年 ，药 物 的 供 应 已 经 足 够 治 疗 第 二 次 世 界 大 战 期 间 所 有 参 战 的 盟 军 士 兵 。 1945 年 ， 弗莱 明 、 弗 洛 里 和 钱 恩 因 发 现 青 霉 素 及 其 临 床 效 用 ”而 共 同 荣 获 了 诺
16、贝 尔 生 理 学 或 医学 奖 。目前世界青霉素年需求量为 3.8 万吨，但直接作为注射剂使用的青霉素 G 和作为口服剂使用的青霉素 V 仅占全部青霉素产品的 20%，除了另外 3%5%作为兽药或饲料添加剂使用外，大部分青霉素是作为制备 6-氨基青霉素烷、7-氨基脱乙酰氧基头孢烯酸或氯亚甲基头孢烯母核的原料，通过这些母核中间体转化成高附加值产品推向市场。据估计，在世界范围内目前对 6-氨基青霉素烷的需求量约为 25800 吨，到 2005 年将达到 32800 吨；对 7-氨基脱乙酰氧基头孢烯酸的需求量约为 6000 吨，到 2005 年为 7000吨。到 2005 年，世界基本药物中，仅羟
17、氨苄青霉素、氨苄青霉素和头孢氨苄 3 个品种内蒙古科技大学毕业设计说明书的世界需求量将达 17800 吨。上述三种产品占抗感染药物原料药的 78%，用于生产这些半合成产品所需消耗的青霉素约占全部产量的 3/4。1953 年 5 月 ， 中 国 第 一 批 国 产 青 霉 素 诞 生 ， 揭 开 了 中 国 生 产 抗 生 素 的 历 史 。在 1996 年得到迅速扩展，当时全球青霉素原料药年产销量达 4 万吨左右，其中中国的青霉素在国际市场的份额占到 30%，且出口量猛增。截 至 目 前 ， 中国青霉素年发酵能力在 1500 吨以上的有华北制药 3200 吨，哈药集团为 2100 吨，山东鲁抗
18、为 1290 吨，这三大青霉素生产企业年发酵能力为 6590 吨，年发酵能力超过 1000 吨的企业还有四川制药厂、河北制药集团和张家口制药总厂。中国目前是世界上最大青霉素生产国，青霉素原料主要出口市场是：印度、韩国、日本、台湾、德国、荷兰、爱尔兰、法国、香港和美国，这十大市场合计占中国总出口量的 82%。青霉素工业钾盐的生产能力已占世界生产能力 40000 吨的 40%，实际产量占世界的 35.29%，特别是进入 2000 年，中国的原料药产量中有七种青霉素系列产品均呈现增长趋势，其中哌拉西林增长了 267%，以 6-APA 为中间体的系列产品阿莫西林增长 69%，产量近 2000 吨。1.
19、3 青霉素分子结构及分类青霉素是 6氨基青霉烷酸（6-aminopenicillanic acid, 6-APA）苯乙酰衍生物。侧链基团不同，形成不同的青霉素，主要是青霉素 G。工业上应用的有钠、钾、普鲁卡因、二苄基乙二胺盐，其在水中溶解度很小，且很快失去活性。青霉素的分子通式为：RC 9O4H11 N2 S结构通式可表示为下图：图 1.1 青霉素结构通式然而青霉素发酵液中含有 5 种以上天然青霉素（如青霉素 F、G 、X 、K、F 和 V等） ，它们的差别仅在于侧链 R 基团的结构不同，其中青霉素 G 在医疗中用得最多，内蒙古科技大学毕业设计说明书它的钠或钾盐为治疗革兰氏阳性菌的首选药物，对
20、革兰氏阴性菌也有强大的抑制作用。其各个青霉素结构式如下图：图 1.2 青霉素结构式1.4 青霉素的单位目前国际上青霉素活性单位表示方法有两种：一是指定单位（unit） ；二是活性质量（g ） ，最早为青霉素规定的指定单位是： 50mL 肉汤培养基中恰能抑制标准金葡萄菌生长的青霉素量为一个青霉素单位。在以后，证明了一个青霉素单位相当于 0.6g 青霉素钠。因此青霉素的质量单位为: 0.6g 青霉素钠等于 1 个青霉素单位。由此，1mg青霉素钠等于 1670 个青霉素单位(unit)。1.5 作用机理 有研究认为，青霉素的抗菌作用与抑制细胞壁的合成有关 1。细菌的细胞壁是一层坚韧的厚膜，主要由多糖组成，也含有蛋白质和脂质，用以抵抗外界的压力，维持细胞的形状。细胞壁的里面是细胞膜，膜内裹着细胞质,青霉素作用于 -内酰胺类细菌的细胞壁，而人类只有细胞膜无细胞壁，故对人类的毒性较小。革兰氏阳性菌细胞壁的组成是肽聚糖占细胞壁干重的 5080（革兰氏阴性菌为 110） 、磷壁酸质、脂蛋白、多糖和蛋白质。其中肽聚糖是一种含有乙酰基葡萄糖胺和短肽单元的网状生
