1、I330 吨/年红霉素生产工厂的初步设计摘 要本设计是为 330 吨/年红霉素生产工厂而进行的初步工艺设计。根据毕业设计大纲和设计任务要求该设计分别对各工艺作了详细阐述，以理论计算为依据，以实际工厂设计为参考，力求接近并切合实际。其主要包括生产工艺的各种指标、设备选形设计计算、物料衡算、水、电、汽的估算以及工艺流程图的设计。整个设计过程在保证达到设计要求和实际需要的前提下力求环保节能，从而能够获得更好的收益，降低对环境的影响，减少对环境的压力。最终理论计算结果在总收率 65%的前提下，在发酵工段检测红霉素含量 14000 U/mL，成品单位为 720 U/mg，最终确定选用发酵罐体积为 100
2、 m3（8 个） ，一级种子发酵罐 0.5 m3（4 个） ，二级种子发酵罐 4 m3（4 个） ，三级种子罐 32 m3（4 个） 。提取工段总收率为70%，选取板框压滤机 6 个，溶媒萃取池 3 个，三足式离心机 6 个。符合设计的基本要求，同时满足国家标准。该设计成果主要采用形式为发酵车间平面布置图（1张） ，发酵工艺流程图（1 张） ，发酵车间设备布置立面图（1 张） ，提取车间设备布置图（1 张）和发酵罐的三视图（1 张）并编写详细数据说明书。关键词：红霉素；工艺流程；设计IIAn Initial Technological Design for 330 t/a Erythromyc
3、in FactoryMao HailongBiology Engineering 0801, School of Environmental and Biological Engineering, LiaoNing Shihua University, 113001, FushunAbstractThis subject is an initial technological design for Erythromycin with year output of 330 ton. According to the requirement, the process of erythromycin
4、 production and the calculation of the mass balance and heat quantity balance are completed. In this subject, all of them processes are expounded in detail. All the contents are based on the academic calculations. We refer to the practical designs in companies and make our best to approach to the pr
5、actice. it mainly includes the production craft each kind of target, the equipment chooses the shape design calculation, material of the graduated arm of a steelyard calculation, the water, the electricity, the steam estimate as well as the flow chart design. The entire design process strives to gua
6、rantee the achievement of the design requirements and the actual needs.We also notice the environmental protection and energy conservation, which can bring a better income, reduce the diverse impact on the environment, and reduce the pressure on the environment. Under the condition of the final eryt
7、hromycins calculation 65%, the content of erythromycin fermentation broth is 14000 U/mL.The content of the end erythromycin product is 720/mg.The final selection of fermenters volume is 100 m3. We need eight fermenters, four 0.5 m3 First seed fermenters, four 4 m3 Second seed fermenters, four 32 m3
8、Third seed fermenters . The yield coefficient of Extraction process is 70%. Finally, we chose 6 Plate and frame filter presses, 3 Solvent extraction pools and 6 Centrifuge. All in all ,the designation meets the IIInormal requirements and meet the national standards . In the end ,there is a Fermentat
9、ion floor-plan (1), Flow chat (1), Fermentation process equipment general arrangement (1), Extraction process equipment general arrangement (1), Fermenter orthographic views (1) and compilation particular data instruction booklet.Key word: Erythromycin; Process; Design1目录1.绪论 .21.1 红霉素的理化性质 .21.2 国内
10、生产现状 .21.3 红霉素销售状况 .21.4 红霉素生产的改善 .21.5 红霉素生产过程的控制技术 .41.6 红霉素提取脱色方面的研究 .61.7 红霉素生产过程相关的设备 .62.工艺原则和流程的确定 .82.1 工艺原则 .82.2 工艺流程的确定 .83.工艺计算 .103.1 设计指标及主要物性参数 .103.2 发酵工段工艺计算 .133.3 无菌空气处理 .363.4 提取工段工艺计算 .373.5 三废的处理 .394.总平面布置说明 .414.1 工厂总平面布置设计原则 .414.2 车间布置设计原则 .415.总结 .436.参考文献 .44致 谢 .4621.绪论1
11、.1 红霉素的理化性质红霉素(Erythromycin，Er)为十四元大环内酯类抗生素，是红色糖多孢菌(Saccharopolyspora erythraea)的次级代谢产物，包括ErA-ErF，其中ErA的抑菌活性最高。红霉素具有广谱抗菌作用，它的抗菌谱和青霉素G 相似，特别对革兰氏阳性细菌、大病毒、抗酸杆菌及立克次氏体有抗菌活性，是治疗由溶血性链球菌感染和耐药性金黄色葡萄球菌感染所引起疾病的首选药物。近几年红霉素衍生物的兴起，大大刺激了母体红霉素的需求 1。1.2 国内生产现状我国红霉素发酵水平属低水平重复操作，与发达国家相比差距较大。目前国外发酵单位已达8 000-12 000 g /m
12、l，而国内大多企业红霉素发酵水平却一直在4 000-5 000g /ml1。1.3 红霉素销售状况近年来，通过对红霉素结构改造半合成了许多抗炎性药物，同时，以红霉素合成酶基因为基础的组合生物合成方法可以合成成千上万种新的聚酮结构，为合成新药提供了新方法。随第二代红霉素(如阿奇霉素、罗红霉素、克拉霉素等)、第三代红霉素(如泰利霉素) 在日本和欧洲上市，国内外市场对红霉素的需求大大增加。加之在抗生素药物中， 红霉素生物合成的分子生物学过程最为清晰， 因此，红霉素的生产仍具有广阔的前景 2。1.4 红霉素生产的改善红霉素工厂的设计首先注重的是菌种选育，培养基的组成，然后进行发酵生产。菌种是通过育种，
13、选育的具体抗噬菌体，生产能力高的菌种。选育以诱变育种为主要方法。选择好菌种后在进行培养基的选择，针对菌种的不同，选择合适3的培养基选择方法。通过对红霉素发酵培养基的优化 1，有研究通过实验得出一优化的培养基的组成配比，红霉素发酵培养基中的C/N过高或过低都不能取得较高的发酵水平，研究者针对UL5 菌株得出相应结论，但其它菌种并没有说明，因此在使用UL5外的菌株时，可以参考本文进行优化培养基组成配比，达到相应的效果。若使用其它菌株应进行相应的优化实验，从而获得优化的培养基配比。红霉素作为大环内酯类抗生素，有研究表明通过在培养基中加入油脂类缓慢利用碳源，来促进红霉素的发酵生产，得出油脂的不饱和性越
14、高，红霉素产量越高。油脂组成越复杂，红霉素产量越高 3。但是发酵中添加油脂的量需进行培养基优化测定。红色链霉菌发酵产红霉素培养基的响应面优化 4改进，为工业发酵提供了丰富而价廉的原料。有研究表明利用中心组合设计，采用响应面分析法对目前红霉素发酵生产过程常用的几种碳源和氮源进行筛选和优化，优选出淀粉和糊精作为混合碳源，豆饼粉和玉米浆作为混合氮源，而不使用成本较高且消耗量大的葡萄糖和蛋白胨等。另外，豆饼粉和玉米浆其他元素含量丰富，基本不需额外添加蛋白胨和其他微量元素，摇瓶发酵实验结果接近于目前一般工业发酵生产红霉素的水平。均匀设计法优化柔红霉素发酵培养基 5，有研究表明均匀设计利用玉米浆、麸皮、麸
15、质粉作为培养基原料，实现了红霉素发酵培养基改良，进一步降低生产成本。增加表柔红霉素 aveBIV 基因拷贝数：表柔红霉素是柔红霉素中柔红糖胺 C2 位羟基表异构化的产物，是重要的抗肿瘤抗生素表阿霉素的半合成前体 6。有研究表明在 pSET 152 质粒中构建两个 aveB IV 的表达单元，将构建的随机整合质粒导入 MH J-02-30-1 中，得到含有 3 个 aveB IV 基因表达单元的突变株 MYG1118，且4突变株的生产效率很高，为工业应用提供了跟好的菌株。对剔除糖多孢红菌霉中的 MCM 基因在糖基和油基中代谢的比较 7，得出代谢模型- 在糖基中 MCM 消耗甲基丙二酸单酰 COA
16、，而在油基中是产生甲基丙二酸单酰 COA。这个模型在某种程度上解释了，在生化水平的改善油基生产过程红霉素的产量，以及改善糖基发酵过程中，mutB 红霉菌株基因水平上突变的调控。通过表达一个外源基因编码的 S 腺苷甲硫氨酸合成酶来提高红霉素 A 的产量8,9，研究表明将来源于链霉菌的 S 腺苷甲硫氨酸合成酶(SAM-s)的基因通过载体DNA 整合到 E2 糖多孢红菌霉染色体上，提高了糖多孢红菌霉 E1 重组菌株中SAM 的产量。生物鉴定红霉素的浓度表明改造后的菌株 E1 是改造前菌株 E2 的 2倍多。高效液相色谱检测红霉素 A 的含量增加，主要杂质红霉素 B 的含量降低。通过增加 SAM-s
17、基因的剂量，并利用所构建基因表达单元中羟基化酶（ery G）和甲基化酶（ery K）的不同组合方式，以及同源重组位点的改变，调节两个酶的表达比例，疏导中间产物向目标产物红霉素的转化，从而提高红霉素的浓度通过优化优化工业发酵条件，来提高红霉素 A 的产量生产 10，在 50L 的糖多孢红菌霉发酵生产红霉素过程中，加入玉米浆会提高红霉素 A 的产率。而红霉素B 基本上没有，红霉素 C 的产生也大幅度降低。分析表明细胞内外及关键酶的调控，在加入玉米浆后促进了 TCA 循环的中间代谢，诱导提高了红霉素的合成。关键是利用 ZL1004 菌株的发酵，由实验的 50L 发酵罐，成功的进行了大规模的产业发酵1
18、.5 红霉素生产过程的控制技术利用计算机技术进行调控 11，传统的PID控制因为算法简单，鲁棒性好，可靠性高，具有可以改善系统的动态特性和稳态特性等优点，因而被广泛应用于工业控制系统；但是对于工业过程中的时变、非线性、滞后或高阶大惯性对象，常规PID 控制难以取得满意的控制效果。为了克服传统 PID的缺点，设计者通过对模糊5控制的了解，将模糊控制与PID控制相结合得到模糊PID控制，使得控制过程变得精度更高，改善了系统的动静态性能，是发酵过程的调控更加的准确。利用VB对红霉素发酵过程的监控系统 12，研究表明在VB6. 0的编程环境下， 采用ADO 访问数据库服务器，然后采用Active X
19、技术将VB 与MATLAB的交互，利用MATLAB软件的线性分析和仿真能力，进行矩阵运算和三维图形输出。由于红霉素发酵过程具有严重非线性、时变性、不稳定性和生长周期长等特点需进行神经网络预测的程序设计。采用zig Bee技术实现传感器数据的无线传输是完全可行的，最终生成具有短距离无线通信能力的Zig-Bee实验系统，既可以减轻控制现场电缆众多的问题，又可以提高传感器的可移动性， 从而提高传感器安装的灵活性和使用的便利性。有研究表明通过控制供氧可以调节红霉素发酵液的组成 13，通过对红霉素工程菌ZL1004发酵液组分的影响，采用不同形式摇床、改变摇瓶装液量，并在50L发酵罐中控制不同的溶氧水平，
20、说明低供氧对于B 组分的转化具有抑制作用，高供氧有利于红霉素有效组分A的合成。该研究只针对工程菌 ZL1004，不涉及其它菌株，因此在使用其它工程菌发酵时可参考相应的实验方法进行供氧条件的判定。再者，不同发酵阶段不同发酵温度对发酵液的组成有着不同程度上的影响 14，有研究表明变温发酵生产红霉素，能够影响发酵液的组成。发酵前期温度偏高有利于菌体的生长，发酵后期降温有利于延缓菌体的衰老，从而增长红霉素合成期，增加红霉素的积累。研究发现通过变温使发酵中后期发酵液粘度的提高有利于红霉素A的生产，发酵液粘度的提高有利于提高供氧进一步提高红霉素 A的比例，降低杂质的含量，从而降低生产成本。采用人工神经网络
21、进行实时测量 15，研究通过使用左旋人工神经网络对红霉素发酵液中菌丝的浓度、糖的浓度、化学效力进行测定。与离线测定相比人工神经网络测定能够提供更多的信息，从而实现对红霉素发酵过程进行实时的调控。6左旋人工神经网络比普通的人工神经网络操作更简单。研究开发陶瓷膜集成技术新的生产工艺 16，大大降低红霉素提取成本，减少废水排放、提高了目标产物的回收率。除杂后的红霉素发酵液先经过陶瓷膜澄清，再经过有机纳滤膜浓缩，后处理得到成品。方法简单，膜污染后清洗方便，且恢复率高，生产成本降低。1.6 红霉素提取脱色方面的研究有关研究使用阴离子交换纤维对发酵液进行脱色 17。研究表明发酵液在PH呈偏碱性时，用阴离子
22、交换纤维进行脱色效果明显。同种条件下阴离子交换纤维比阴离子交换树脂效果要好，而且红霉素损失也小。阴离子交换纤维在使用后可进行再生，再生后其脱色效果基本不会变化，可重复利用，降低生产过程中脱色的成本。研究通过高效液相色谱法进行红霉素发酵液组成的测定 18，研究表明对发酵液过滤后进行冷冻干燥处理与氯仿萃取比较得出，冷冻干燥处理红霉素损失几乎为0，又因为杂质均为水溶性物质，故采用乙醇等有机溶剂溶解，得到纯度相当高的红霉素溶液，然后利用合适的离子交换载体、缓冲液对红霉素进行测定。该方法除杂方法简单、彻底，得到红霉素纯度很高，测定结果准确，但是高效液相色谱法操作复杂，响应时间长。通常检测批量少。在采用上
23、述中的除杂方法后，可采用紫外分光光度计法 19对红霉素组成及含量进行检测。1.7 红霉素生产过程相关的设备标准式发酵罐 20，是纯种培养生物工程中使用最为普通的发酵罐，约占发酵罐总数的 80%-90%以上，随着发酵过程的控制和检测水平提高，发酵罐的容积增大已成生物发酵业的趋势。液体搅拌 21目的是使参与的个无聊能充分混合，但不同类型的搅拌过程的流7动过程的流动状况及对搅拌的要求不同。因此，需对均相液液调和、非均相液液分散和混合以及固液悬浮等四种搅拌过程的机理分别进行分析。常用设备 22中容器型式有：常压平底、平盖容器，常压平底、锥盖容器。细分还有立式薄壁常压容器、钢制立式圆筒形固定顶储罐等。离心机和过滤机 23是发酵生产中必不可少的部分。离心机有很多类：三足式离心机、上悬式离心机、卧式刮刀卸料离心机等。过滤是按过滤推动力不同分类的：重力过滤、离心过滤、加压和真空过滤萃取 24是分离液体混合物的单元操作之一，将选定的有机溶剂加到混合物中，依照各组分在溶剂中溶解度不同从而达到分离的目的。干燥 25是生物产品分离的最后一步，其目的主要是除去原料、半成品中的水分或溶剂，以便于加工、运输、使用、贮藏等。常用的方法有喷雾干燥、微波干燥、滚筒干燥、冷冻干燥等。
