年产400万吨红霉素的课程设计

中国矿业大学生物工艺课程设计一前言红霉素为大环内酯类抗生素，抗菌谱和青霉素相似，主要是对革兰阳性菌如金葡菌、溶血性链球菌、肺炎球菌、白喉杆菌、炭疽杆菌及梭形芽胞杆菌等，均有强大抗菌作用。对革兰阴性菌如脑膜炎双球菌、淋球菌、百日咳杆菌、流感杆菌、布氏杆菌、部分痢疾杆菌及大肠杆菌等有一定作用。特点是对青霉素产生耐药性的菌株，对该品敏感。作用机制主要是与核糖核蛋白体的50S亚单位相结合，抑制肽酰基转移酶，影响核糖核蛋白体的移位过程，妨碍肽链增长，抑制细菌蛋白质的合成，系抑菌剂临床上主要用于耐青霉素的金葡菌感染及对青霉素过敏的金葡菌感染。亦用于溶血性链球菌及肺炎球菌所致的呼吸道、军团菌肺炎、支原体肺炎、皮肤软组织等感染，此外，对白喉病人，以该品及白喉抗毒素联用则疗效显著。1.1红霉素的理化性质红霉素（Erythromycin）分子式及结构式：C37H67O13N分子量：733.94g/mol结构：红霉素是由红霉内酯与去氧氨基己糖和红霉糖缩合而成的碱性苷。红霉内酯环含有13个碳原子，内酯环的C-3通过氧原子与红霉糖相联结，C-5通过氧原子与去氧氨基己糖相连接。红霉糖本身不含氮，是含有一个甲氧基的己糖，去氧氨基己糖。成分：由链霉素Streptomycinelytrous所产生，是一种碱性抗生素。其游离碱供口服用，乳糖酸盐供注射用。此外，尚有其琥珀酸乙酯（琥乙红霉素）、丙酸酯的十二烷基硫酸盐（依托红霉素）供药用。1.2红霉素的特性红霉素碱易溶于醇类，醚，丙酮，氯仿和醋酸乙酯，醋酸戊酯，不甚溶于水，在水中的溶解度与一般化合物不同，如：60℃，1.14mg/mL；40℃，1.28mg/mL；19℃，3.10mg/mL；7℃，14.20mg/mL；1℃，15.00mg/mL。红霉素在水中的溶解度是随温度升高而减少，以55℃时为最小，因此工业上利用此性质加温至45—55℃红霉素为白色或类白色饿结晶或粉末；无臭，苦味，微有引湿性。起水合物熔点为135～140℃，熔融后又固化的无水物熔点为190～193℃。易溶于甲醇、乙醇或丙酮，微溶于水。无水乙醇（20mg/mL）中比旋度为–71°～–78°。红霉素抗菌谱窄，水溶性小，只能口服，半衰期是1～2h，而且在酸中不稳定，易被胃酸破坏，易分解迅速失去活性，因此早期对红霉素的结构修饰为增加红霉素的稳定性和水溶性，主要将红霉素制成各种酯类和盐类的前体药物。为了增加起在水中的溶解性，用红霉素与乳糖醛酸成盐，得到红霉素乳糖醛酸盐，可供注射使用。由于红霉素的结构中存在多个羟基，在起9位上有一个羟基，因此红霉素在酸性条件下不稳定，易发生分子内的脱水环合。在酸性液中，红霉素C-6上的羟基与C-9的羰基形成半缩酮的羟基，再与C-8上氢消去一分子水，生成8，9-脱水-6，9-半缩酮衍生物。然后C-12上的羟基与C-8，C-9双键加成，进行分子内环合，生成6，9，12-螺环酮；最后起C-11羟基与C-10上的氢消去一分子水，同时水解成红霉胺和克拉定糖。这种降解反应使红霉素失去抗菌活性。二设计任务和设计依据根据需要，本设计课程将设计一个年产400吨红霉素的工厂。设计基本依据如下：1、执行国家关于抗生素药品生产的基本国策，遵守国家有关法规、政策、规范和标准。2、结合环境要求及工厂条件，统一规划，使工程建设与企业发展相协调，减少污水排放对环境造成的污染，最大限度地发挥工程的环境效益和社会效益。3、考虑实际情况和建设要求，从资源综合利用角度出发，采用技术先进可靠、高效节能、管理方便的生产工艺，尽量减少占地、降低运行费用和一次性投资。4、尽量选用国产先进、高效、节能、运行维护简便的设备，以节约能源，降低生产成本。三红霉素的生产工艺孢子培养孢子3.1发酵工艺孢子培养孢子种子种子35℃压差接种37℃6-7天37℃7-8天砂土孢子35℃37℃6-737℃7-832℃种子培养32℃种子培养32℃32此时菌丝颜色较深呈网状当有少量孢子空孢出现说明成熟48h直接无菌液稀释一级培养 二级培养此时菌丝颜色较深呈网状当有少量孢子空孢出现说明成熟48h丙醇氨水丙醇氨水前期34℃前期34℃,接种20%144h,0.4Mpa,后期32℃发酵罐 发酵液 提取144h,0.4Mpa,后期32豆油补糖补料豆油补糖补料培养基配制发酵培养基的基本成分为葡萄糖、淀粉、黄豆饼粉、碳酸钙、磷酸二氢钾等组成，还有作为前体的豆油。发酵过程中还采用补料工艺。在设计中所采用的培养基具体如下：种子培养基：（g/100ml）淀粉3.5，黄豆饼粉1.7，花生饼粉1.5，葡萄糖3.5，蛋白胨1.3，硫酸铵0.6，KH2PO40.15。发酵培养基：（g/100ml）淀粉1.1，黄豆饼粉2.0，花生饼粉4.0，葡萄糖3.0，碳酸钙0.7，硫酸铵0.5，KH2PO40.015，豆油0.2，钼酸钠0.0461，硫酸锌0.004，氯化锰0.0133，硫酸镁0.0866。补料培养基：（g/100ml）黄豆饼粉2.0，花生饼粉4.0，葡萄糖1.0，碳酸钙0.7，硫酸铵1.0，KH2PO40.015，豆油0.2。丙酮在补料时加，总量为发酵液的0.8%。(1)碳源发酵培养基中最适碳源为蔗糖，其次为葡萄糖，淀粉，糊精。生产上常采用葡萄糖（约占80%）和淀粉（约占20%）为混合碳源。故在生产中，碳源以葡萄糖为主，以淀粉为次。(2)氮源红霉素发酵一般采用有机氮源，如黄豆饼粉、玉米浆、花生饼粉、蛋白胨、酵母粉。以黄豆饼粉、玉米浆最好，但在使用时，黄豆饼粉灭菌会产生大量泡沫，对发酵生产不利影响。一般配基料时用黄豆饼粉，后期补料用花生饼粉代替。(3)无机盐红霉素链霉菌的发酵培养基中，磷和铁是必需的。无机磷对红霉素链霉菌的生长和红霉素的合成都有非常重要的影响。发酵条件的控制(1)通气和搅拌红霉素发酵中，发酵液中的溶氧浓度对红霉素的生物合成有很大影响，培养基营养成分丰富时，发酵单位的提高与通气效率成正比。一般要求发酵罐的通量在1：0.8-1.2V/V/min。如果通气量过低或搅拌不好，发酵菌生长不好，使发酵液转稀，降低红霉素的总产量。(2)pH值发酵液中的pH值对红霉素生产菌的生长和红霉素的生产合成影响很大。一般情况下，红霉素链霉菌生长的最适pH值为6.6-7.0，红霉素合成的最适pH为6.7-6.9。在原始发酵培养基中，pH5.7-8.7时，对菌体生长影响不大，但在接种24h以后，如果pH值过高或过低，菌体的生长繁殖就会缓慢。红霉素生物合成水平也差别很大，如果pH6.2-6.3时，发酵单位仅为对照的5%-10%；pH7.8时．发酵单位仅为对照的80%。有试验证明，pH值低于6.5时，红霉素的生物合成被完全抑制，高于7.2时，菌体产生自溶。在发酵中，一般前期的pH在6.6-7.0比较适合；在48-96h之间，以pH6.7-6.9之间为最好。发酵液pH值的调节是通过调节培养基中生理酸性物质和生理碱性物质的用量；增强通气，调节碳源加入量以减少有机酸的积累；通入氨水，使pH值上升等措施来实现的。(3)温度红霉素链霉菌的生长、繁殖对温度很敏感．温度高时，生长繁殖速度快,较短时间内，发酵液的粘度就会达到最高峰，但菌体的衰老快，菌体自溶也加快，使发酵液粘度下降加快。如发酵温度低，发酵菌的生长繁殖慢，到达发酵液的粘度最高峰的时间也很长，而且发酵液粘度的下降也缓慢，有利于延长红霉素的生物合成时间。一般发酵时，采用全程32℃发酵。发酵后期温度略降低，可防止菌体的快速自溶，延长红霉素合成的时间。(4)红霉素粘度红霉素发酵液的粘度对红霉素成品的质量影响较大，因它会影响发酵液中红霉素A和红霉素C的比例。在一定范围内，红霉素A的含量和发酵液粘度成正比，即发酵液粘度越大，红霉素A的比例越高，红霉素的成品质量也就越好。因此，在发酵中要适当提高发酵液的粘度。可采用的措施有减慢搅拌速度，改变搅拌叶的型式，降低发酵温度，适当多补充氮源等。目的是促进菌体生长，减缓菌体自溶。但是发酵液粘度太大，通气搅拌效果不好，发酵液中的溶氧浓度又会显著下降，引起发酵水平的明显降低。所以，在增加发酵液的粘度时一定要适合，否则，同样不能取得最佳的发酵水平。(5)泡沫和消泡发酵培养基中的黄豆饼粉，在消毒、接种培养、通气搅拌时，都会产生较多的泡沫。为了消除泡沫对发酵的影响，可以采取发酵初期加大通气，不搅拌或少搅拌，发酵中后期通气量大，搅拌速度快时加消泡剂等方法减少泡沫产生和消除过多的泡沫。如果用天然油脂作消泡剂，则用量不能过大，否则会促进菌体自溶，既缩短了红霉素的合成时间，又增加了提取的困难。(6)染菌处理红霉素发酵中，如果意外被杂菌污染，应立即降温至28℃培养，并在发酵罐中加入新洁尔灭。如果发酵单位降低，则加入甲醛，停止补料等待放罐。有时为了杀死发酵罐中的杂菌，甲醛的总量可达0.5%。(7)补料红霉素发酵中，为提高发酵产量，常采用补料工艺。补入的物质主要有糖、有机氮源、氨水、前体、消泡剂等。糖主要是葡萄糖，每隔6h加一次，要求发酵液中还原糖浓度在1.2%-1.5%范围内。放罐前十几小时停止加糖。有机氮源物质一天补三四次，如果发酵液的粘度小，要增加氮源物质的增补量；反之，如果发酵液的粘度大，则要减少氮源物质的补入量。放罐前一天停止补入氮源。前体在发酵液变浓，pH值高于6.5时开始补入。每天加一次，共加4-5次，总量一般不超过0.7%-0.8%。氨水一般在发酵后期以滴加的方式加入，可以提高红霉素的发酵单位和红霉素的产品质量。3.2提取工艺发酵液→储罐→调pH→粗滤→超滤→脱色→溶媒萃取→调pH→干燥→包装储存发酵液，添加甲醛溶液来维持发酵液的稳定性。通过添加氢氧化钠溶液可将pH值调至7.5，冷却发酵液，再进行粗滤。滤液用去离子水稀释并储存于罐中，再将储存的发酵液进行超滤，然后经吸附柱脱色。脱色液经溶媒萃取浓缩，再将浓缩液调至碱性条件下即可获得红霉素。提取时采用膜过滤技术。四物料衡算4.1总物料衡算计算依据：发酵周期：144h生产周期：168h生产天数：330d/a产量：400t/a发酵罐装料系数：70%产品品质：99.8%过滤得率：95%超滤得率：96%萃取得率：93%淀粉G转化率：98%糖化液中G含量：78%G红霉素转化率：26.5%G/淀粉：2.64以1t红霉素为基准进行物料衡算：（1）生产1000㎏红霉素理论上所需的原料量MG总=1000/733.94×6×180=1471.51(kg)由于发酵采用的原料为葡萄糖和淀粉（G/淀粉：2.64）所以理论所需淀粉量为：1471.51/（1+180/162×98%×78%）=421.71（㎏）所以理论所需葡萄糖量为：MG=421.71×2.64=1113.32(kg)（2）生产1000㎏红霉素实际所需的原料量所需纯G的实际量=1113.32/(26.5%×95%×96%×93%)=4953.34(kg)所需淀粉实际量=4953.34/2.64=1876.27(kg)则工业葡萄糖用量=4953.34/90%=5503.71(kg)工业淀粉用量=1876.27/90%=2084.74(kg)(3)原料年消耗:工业G用量=5503.71×320×99.8%=1757664.83(kg)工业淀粉用量=2084.74×320×99.8%=665782.57(kg)(4)原料日消耗:工业葡萄糖用量=1757664.83/320=5492.70(kg)工业淀粉用量=665782.57/320=2080.57(kg)4.2发酵车间物料衡算(1)发酵罐个数确定：日红霉素产量为400×103×99.8%/320=1247.50(kg)日所需G的量=1247.50/1000×4953.34=6179.29(kg)补料加入10%，且发酵初糖浓度为3%(g/mL)，则：V糖=6179.29/103×90%/3%=185.38(m3)发酵罐装料系数为70%，生产周期为168h，则所需要的发酵罐的体积为V=185.38×168/(0.7×24)=1853.8(m3)选100m3发酵罐,总容积为118m3,个数N=1853.8/118=15.71（个）选16个发酵罐每年生产罐数=185.38×320/(100×70%)=847.45日生产罐数=847.45/320=2.65(2)种子罐容积的确定按设计要求,一级种子罐到二级种子罐的接种量为25%,二级种子罐到发酵罐的接种量为20%,则种子罐容积为：二级：V2=V总×20%=100×20%=20(m3)一级：V1=V2×25%=20×25%=5(m3)式中V总发酵罐容积(m3)(3)种子罐个数的确定种子罐与发酵罐对应上料。发酵罐平均每天上2.65罐，一级种子罐生产周期为60h，二级种子罐生产周期为36h，则：所需二级种子罐个数：2.65×36/24=3.98(罐)，取4个二级种子罐应该够。所需一级种子罐个数：3.98×60/24=9.95(罐)，取10个二级种子罐应该足够。(4)原料配比及其年消耗量的计算原料配比：种子培养基：（w/v）淀粉3.5%，黄豆饼粉1.7%，花生饼粉1.5%，葡萄糖3.5%，蛋白胨1.3%，硫酸铵0.6%，KH2PO40.15%。发酵培养基：（w/v）淀粉1.1%，黄豆饼粉2.0%，花生饼粉4.0%，葡萄糖3.0%，碳酸钙0.7%，硫酸铵0.5%，KH2PO40.015%，豆油0.2%。补料培养基：（w/v）黄豆饼粉2.0%，花生饼粉4.0%，葡萄糖1.0%，碳酸钙0.7%，硫酸铵1.0%，KH2PO40.015%，豆油0.2%。原料消耗（以每个单体设备计）：（100m3发酵罐，补料10%，5m3一级种子罐，20m3二级种子罐，装料系数70%）原料发酵罐一级种子罐二级种子罐小计浓度(g/L)投料量（kg）浓度(g/L)投料量（kg）浓度(g/L)投料量（kg）投料量（kg）淀粉11/-69335122.5354901305.5黄豆饼粉201400175.951723.81429.75花生饼粉4028001552.5152103062.5葡萄糖30/10196035122.5354902572.5蛋白胨--1.34.551.318.222.75硫酸铵5/10385621684490KH2PO40.1510.51.55.251.52136.75碳酸钙7490490豆油2140140聚氯化铝0．042．82．8消泡剂0.2/-12.612.6丙酮：70m3×0.8%=560L--黄豆饼粉：1429.75×847.45=1211.64（t/a）花生饼粉：3062.5×847.45=2595.32（t/a）蛋白胨：22.75×847.45=19.28（t/a）硫酸铵：490×847.45=415.25（t/a）KH2PO4：36.75×847.45=31.14（t/a）碳酸钙：490×847.45=415.25（t/a）豆油：140×847.45=118.64（t/a）消泡剂：12.6×847.45=10.68（t/a）聚氯化铝：2.8×847.45=2037（t/a）丙酮：560L×847.45=474572（L）淀粉：1305.5×847.45=1106.35（t/a）葡萄糖：2572.5×847.45=2180.07（t/a）培养基中所用葡萄糖为淀粉糖化，糖化液中G含量78%所以每罐培养基中加入的糖化液为2572.5/78%=3298.08kg糖化液总量=3298.08×847.45=2795.57（t/a）(C6H10O5)n+nH2O→nC6H12O6162n180n生产1tG需要淀粉量=（162/180）/98%=0.92t生产2572.5kgG需要淀粉量=2366.7kg/d日需淀粉总量=2366.7+1305.5=3672.2kg/d=3.7t/d生产2180.07tG需要淀粉量=2005.66（t/a）年所需淀粉总量=1106.35（t/a）+2005.66（t/a）=3112.01（t/a）4.3提取车间物料衡算由上部计算得