年产700吨青霉素的生产工艺设计

前言1.1青霉素简介在20世纪40年代之前，人类始终都没办法研制出一种针对细菌性感染的特效药。如果那个时候某人感染了耐药性较强的病菌，那么此人面临的就只有等待死亡。为了让这种局面得到改变，科学家们只能不断探索，终于在一个意外发现下有了突破性的进展。1928年，英国微生物家费蒙发现在培养葡萄球菌的培养皿上，一个杂菌菌落能肆无忌惮的生长，同时对葡萄球菌还有抑制甚至消灭的现象。费蒙将这一杂菌菌落进行分离纯化，在经过了深思熟虑之后将其命名为点青霉，其产生的能救命的物质便称为青霉素。现在来说，青霉素的世界年需求量都是十分庞大的，其中有五分之一的青霉素产品，其中一种是作为注射剂直接使用的青霉素G，以及作为口服剂使用的青霉素V，另外还有较少的一部分是通过加工制成兽药或者是动物饲料的添加剂使用的，除了以上这些用途以外，大部分的青霉素是作为制备头孢菌素、无侧链青霉素或头孢烯母核等产品的原料。上述这三种产品约占抗感染药物原料药78%，所需消耗的青霉素大约占全部产量的一半以上用于生产这些半合成产品[1]。1.2青霉素的分子结构及其理化性质青霉素（Benzylpenicillin/Penicillin）又被称为青霉素G、peillinG、苄青霉素钾、配尼西林、青霉素钾、青霉素钠、盘尼西林、苄青霉素钠。图1.1青霉素分子结构式理化性质:青霉素是在抗生素里面最先被发现的可以治疗疾病的抗生素，它是从青霉素菌的培养液中提取出来的能够起杀菌作用的一类抗生素，其原理是分子中所包含的青霉素烷能够破坏细菌的细胞壁。在β-内酰胺类里，其中有一大类就是青霉素类抗生索。但是它也有限定的条件，一方面是原因是它能进行抗菌的菌类较少，有效的范围主要是革兰氏阳性菌；另一方面是它易被青霉素耐药性阴性菌株所产生的抗氧化酶破坏。青霉素G有钾盐、钠盐之分，众所周知，钾盐是不能够进行直接静脉注射只能以打点滴的形式进行静脉滴注，但是也要十分注意钾离子的注射量，因为如果注射过多进人体内，钾离子就会抑制心脏功能，从而导致丧失性命。而青霉素G有钾盐、钠盐之分，因此，当青霉素G作为注射剂直接使用时，应分清为哪种盐，如果是钾盐，应严格控制其滴注的量，避免意外发生。青霉素的性质较不稳定，因为通常都是制成钠盐或者钾盐，将其保存在一个较低温并且没有直射光照的环境。因为青霉素盐放置的时候会出现降解反应导致变质，放置的时间越长，其所处的环境就会越高，变质的量就会越多，当其副产物青霉烯酸所积累的量积累到一定程度时，就会提高过敏性休克的可能性。所以为了避免其毒性作用的产生，一般人们都会选择现配现用以保证它的质量问题[2]。1.3青霉素的活性单位青霉素的活性单位在国际上分为两种，一种是指定单位（UI），但是由于抗生素的特殊性，难以用含量来说明，因此就有了第二种：活性质量（μg）。后人通过精准计算后统一标准，含量纯的1000IU相当于1mg。通过这种生物检定，具有一定生物效能的最小效价单元就叫“单位”（U），各种抗生素的效价基准是人们为了生产科研方便而规定的。1.4青霉素的作用机理青霉素是β－内酰胺内抗生素，作用机理如下：（1）β内酰胺环能破坏细菌的细胞壁，使得细菌没有办法有效地合成完整的细胞壁，出现破损之后，细胞膜暴露，因所处环境的渗透压不同，菌体外的液体就会大量涌入菌体内，细胞膨胀最后破裂掉导致死亡；（2）激发自溶酶活性，使细菌进行自溶过程。当β-内酰胺类物质与PBP结合，青霉素抑制PBP的活性,而PBP催化细菌细胞壁的合成，进而抑制细菌的生长、繁殖，最终导致细胞溶解凋亡[3]。

2青霉素的发酵工艺流程2.1青霉素G的生产方法青霉素G的生产可分为两个大致的步骤。①菌种发酵：首先将产黄青霉菌菌种接种于适宜生长环境的培养基上培养一一周，获得其孢子产物。之后将其孢子接种到种子罐内，提供适宜的生长环境，培养一天左右的时间，得到种子培养液，将其接种到拥有适合菌种生长的物料并含有苯乙酸前体的发酵罐中，提供适宜的温度，严格控制无菌环境，控制通风并使机器不断进行搅拌，发酵一周时间发酵过程中需要补填物料以供菌体生长发酵。②青霉素提取精制:将已经发酵精制完成的青霉素发酵液分别进行了冷却,萃取,过滤,离心,提纯。首先将加入过滤液的青霉素ph根据环境温度调节大致为2-2.5的酸性环境，将滤液用醋酸丁酯进行反复萃取最终获得丁酯萃取液，再将pH环境调节为中性环境，大致为7.1左右，之后将其进行活性炭脱色，下一步就是制成盐类物质，加入异辛酸钠作为青霉素类抗生素的成盐剂，之后再进行共沸蒸馏就可以得到青霉素G钾盐，如果用钠离子交换树脂进行离子交换树脂就可以获得青霉素G钠盐[4]。2.2生产方法及工艺路线2.2.1青霉素发酵工艺流程冻存管（室温，孢子培养，一周左右）→试管斜面培养基（室温，孢子培养，一周左右）→大米孢子（室温，种子培养2-3天）→一级种子培养液（室温，种子培养，一天）→二级种子培养液（27-28°C,发酵,7天,）→发酵液。2.2.2培养基以及发酵液特点①碳源的选择生产青霉素的菌种生长所要利用到的碳源有多种，常用的碳源有糖类、油脂、有机酸、有机酸酯和小分子醇。在生产和发酵的过程中，所要利用到的碳源占15%以上，因此不止需要考虑到成本问题，同时也应该考虑到对工艺以及成品的质量。在发酵初期，应使菌种大量繁殖，因此前期可以是以葡萄糖为主要的碳源来源，而在当菌种大量繁殖，葡萄糖耗尽后，利用缓效的蔗糖、麦芽糖或多糖，使得发酵液的PH稳定，菌种能稳定分泌青霉素。目前生产青霉素大部分采用的是淀粉酶水解产物，由于淀粉酶具有催化作用，淀粉水解到二糖阶段为麦芽糖,既可以保持发酵液的稳定性，又能节省成本。②氮源的选择发酵液中提供的氮源分为两大类，分别是有机氮源和无机氮源。而生产青霉素的发酵液中选择的是有机氮源中的黄豆饼粉。③无机盐培养基中的无机盐主要包括硫、纳、钾等。特别要注意的是，发酵液中的铁离子含量必须要控制在30μg/ml以下。④添加前体青霉素生产时会产生多种副产品形成青霉素混合物，因此需要添加侧链前体，使得生产在合成阶段时能够定向高效的合成青霉素，可添加半胱氨酸和缬氨酸作为青霉素侧链的前体。但是需要控制前体的浓度，因为浓度过高会影响合成的毒性，同时还会被细胞氧化从而导致资源的浪费，因此需要保证其浓度在0.19%以下，可以用流加的方式每次加入量在0.1%以下进行前体的流加。⑤培养基种类1、种子培养基；2、种子初始发酵培养基3、菌种发酵培养基⑥菌种生长在发酵的过程中，不同的发酵时间菌种都会有不同的形态特征，因此可以在限定的时间内提取发酵液中的菌种，进行显微镜下观察其形态特征，可以区别出发酵的进程以便加以控制。第一期：孢子开始萌发，尚未开始分化，伸展出无隔壁管状构造的芽管。第二期：核在第一阶段的发芽管中进行分裂之后形成壁而变成发生体，菌丝开始繁殖，开始形成类脂肪小颗粒。第三期：菌体内没有空泡，形成大量用于累积储藏物的脂肪包涵体用于细胞的生长繁殖，原生质体具有较强的嗜碱性。第四期：菌体内会出现中小空泡，嗜碱性减弱，第三期形成的脂肪包涵体变少，细菌生长逐步稳定，开始产生抗生素。第五期：细菌已经达到最成熟的阶段，菌内存在有大颗粒，菌丝会变成桶状，储存的脂肪包涵体已经消耗殆尽，菌类会形成大空泡，此时是青霉素产量最高的阶段。第六期：细菌逐渐出现凋亡的现象，少量细菌会出现自溶，菌内的大颗粒消失，会释放游离氨。第七期：大部分细菌已经自溶凋亡，细胞体只剩下空细胞壁外壳。前四期都是细菌的生长期，其中第三期可以制成种子保存。生产能力最强的是第四和第五期，适用于进行青霉素的大量生产，可以适当延长这一生长周期，以提高青霉素产量，同时应于生长的第六期之前停止发酵。(3)工艺控制及要点①发酵产率的影响因素在进行发酵的过程中，其机制不同浓度的高低会影响产物的合成率以及细菌的生长速率，如果只投放一次物料，那么前期浓度过高就会对细菌生长产生抑制作用，到了后期物料被消耗，浓度过低就会相应的减少了产物的合成，因此为了改善前后期的物料不均，青霉素生产发酵时，采用以流加物料的形式，通过严格控制物料的浓度，采用补料分批操作法，使得发酵过程更加均匀高效。②温度一般都将青霉素发酵的温度维持在室温，温度的高低都会影响菌种的生长率与产出率，当温度降低，菌种的代谢速度会相应降低，减少产量，相反如果温度升高，菌种的代谢速度加快，就会增加底物的消耗量，降低了底物的利用率，同时还会影响发酵液的稳定性。为了节约时间，提高产率，在发酵前期菌种生长的时候，会适当提高温度，使得菌种能够大量繁殖，缩短了生长期，而当菌株生长成熟后将温度调回适当的温度进行产出。③pH值青霉素在碱性环境下会导致变质，会分解成为青霉酸，因此在发酵过程中pH值应尽量保持在中性偏酸，大概在6.5左右。如果发酵液的缓冲能力较低，葡萄糖的浓度就会影响发酵液的pH值，葡萄糖浓度过高会使酸性中间产物积累，导致发酵液的pH值偏向酸性，相反如果葡萄糖的浓度过低，就不能够很好的中和菌株生产时附带生产的碱性化合物，从而导致发酵液的碱性化，因此需要通过严格控制葡萄糖的流加速度从而控制发酵液的pH值在中性偏酸的程度。④溶解氧产青霉素菌是好氧类菌种，因此保持氧量环境的充足，是提高产量的以重要因素。当溶氧浓度低于一定值时，发酵产率会出现断崖式跌落，甚至可能产生不可逆的受损程度，因此必须要保持溶氧浓度的充足，但是如果溶氧浓度上升，这种情况有可能是由于糖浓度降低导致的菌种生长不良或者生长速率降低，氧的利用率下降导致的。因此维持溶氧量处于一个动态平衡，可以将溶氧量作为一个参考指标去控制合适的流加物料速度。⑤消沫发酵过程中，由于菌种代谢以及搅拌会产生较多的气泡，因此需要加入一定的消泡剂以作缓和，防止泡沫形成。同样也要有控制投入量，应该少量多次，避免污染液体环境。⑥菌体浓度菌体浓度是指单位体积培养液中菌体的含量，发酵过程中为了使氧的传递速率和消耗速率在一定程度上达到一个动态平衡的状态，发酵时要严格控制菌体浓度不超过临界菌体浓度。而影响临界菌体浓度的主要因素有菌种自身的生长代谢速率，发酵罐的通气与搅拌程度以及液体的黏度，因此，为了提高临界菌体浓度，可以选择提高发酵罐的搅拌能力与通气能力，同时还可以通过降低发酵液的黏度，以此提升传氧速率，达到提高临界菌体浓度的目的。⑦菌丝形态根据生产青霉素的菌种外形形态的不同，可分为两大类，一类是丝状生长，另外一类是结球状生长。丝状生长的菌种能够与发酵液中的底物和生长环境更好地接触，因此能够更好地提高生产率，如果是利用丝状菌进行青霉素的发酵,那么就应该适当的控制其菌丝的长度与分支，避免发生结球现象；而结球状生长的菌种虽然与周围的生长环境接触面积利用率没有丝状菌种那么高，但是由于是结球状，会大大降低发酵液的粘度，提高了氧气的利用率，同时还可以生长出更多的菌丝，利于青霉素的生产，因此如果是利用结球状菌进行青霉素的发酵,那么就要尽量保持其结球形态，可以适当减少游离的菌丝。两种形态的控制可以通过搅拌以及物料的流加速率进行相对应的控制[6]。

空气消除剂无菌空气分过滤器空气消除剂无菌空气分过滤器空气过滤系统空气压缩机反萃取液小米孢子斜面孢子单菌落配料孢子配料配料发酵液发酵液粗提取液一次BA萃取液一级种子罐一级种子配料罐三级种子配料罐二级种子配料罐三级发酵罐二级发酵罐青霉素成品青霉素精制母液晶体脱色液二级BA萃取液湿晶体湿晶体图2.1青霉素工艺流程图

2.4青霉素发酵工艺以及其工艺特点2.4.1产青霉素菌种介绍青霉是生产青霉素的主要菌种，广泛分布在我们的生长环境中，空气中，土壤中，经常会生长在谷物发酵产品上例如面包一类的食物，一般腐坏的橘皮上呈现亲绿色的物质就是青霉类菌种。在青霉类菌种这个大家族中，已经发现的就有几百种，其中产青霉素量最大的是黄青霉和点青霉，同样的条件下，这两种菌种的产量都能够远高于其他同类菌种。青霉素的发现、研发、改良，从最开始昂贵造价，到后来能进行大规模的生产，每家每户都能消费得起，青霉素的开发对世界的医疗界做出了巨大的贡献，极大地延长了人类的寿命[7]。2.4.2菌种的保藏方法菌种的冷冻保藏低温管理技术方法主要包括有:封闭斜面冷贮菌种管的低温管管保温贮藏法、砂土菌种管保温贮藏法、甘油三醇封闭冷贮菌种管低温贮藏法、真空冷冻干燥菌种贮藏管等法。2.4.3种子制备种子制备是指将已有的菌种种子进行培养，大量繁殖，使得孢子菌丝培养达到一定数量，达到发酵时所需要的量，同时还可以将菌种进行保存。后期需要将种子进行扩大培养，需要在发酵罐中，适当的生长环境下进行，制备青霉素种子需逐级制备和扩大种子罐培养的时间和次数,根据产青霉素种子不同的生长速度以及繁殖速度，使用的发酵罐体积大小计算培养时间，青霉素种子扩大培养一般为二级种子罐逐次扩大培养[8]。2.4.4原材料的选择本产品的设计主要以黄豆饼粉为淀粉来源作为青霉菌的主要原料，同时在实际生产过程中还需要考虑到其他影响因素，比如环境问题，原材料的运输问题以及安全性问题，在大规模的工业生产中,选择的原料一般都要充分考虑到安全性和下述的要求:(1)因地制宜，就近取材，价格低廉；(2)原料中可持续利用的成分高,末严重造成污染,抑制植物生长和产酸的有害物质一般要少或更多能够完全去除,能够很好地满足生产工艺上的要求;(3)原料资源丰富，便于采购运输，适于大规模储藏，保证生产上的供应。2.4.5发酵发酵的目的主要是为了生产所需的抗生素和酶，作用原理是通过培养发酵目的菌种使其进行工业生产。在进行发酵之前，必须要特别注意将所有有关设备进行灭菌、消毒处理，防止后续进行培养繁殖的时候菌种发生感染，造成浪费的同时还会造成大量的经济损失[9]。2.5提炼工艺过程2.5.1发酵液预处理发酵液中的高价杂质离子和蛋白质在离子交换的过程中对于提炼树脂影响比较大,不利于提炼树脂对其他抗生素的分解和吸收。在滤液中如加磷酸(或滤液中的磷酸盐),既能有利于降低滤液中钙和草酸离子的浓度,也可以有利于迅速去除滤液中的镁和钙离子。Na5P3O10+Mg2+→MgNa3P3O10+2Na+（式2.1）加入各种复合黄血盐及加入复合硫酸锌,则前者中复合硫酸锌纯铁有利于迅速有效去除凝固血液及其中的各种铁离子,后者中则纯铁有利于迅速去除凝固人体血液及其中的各种蛋白质。此外,两者对多种蛋白质作用还有一种抗氧化和免疫协同的结合作用。他们所使用产生的复合性黄血盐对于植物蛋白质本身来说具有增强抗氧化和细菌吸附的重要作用。2K4Fe(CN)6+3ZnSO4→K2Zn[Fe(CN)6]2↓+2Na+（式2.2）为了有效的快速去除食物发酵液和水中的多余蛋白质,需在其中同时加入一些蛋白絮凝剂。这些惰性絮凝剂通常是一种稳定且几乎能完全分解溶于油和水的有机物和高分子化合物。絮凝剂通常含有很多离子化基质集团。2.5.2提取化学药物抗生素加工提取和制备加工成品精制的天然抗生素加工目的:从天然抗生素加工发酵液中制备提取出一种具有高纯度的、合乎于现代中国国家药典的天然化学药物抗生素加工成品。由于精制发酵液中的杂质产物中青霉素的生物浓度很低,仅0.1~4.5%左右,而某些杂质浓度比其他发酵液杂质中青霉素的高几十倍甚至几千倍,并且某些有机化合物中某些杂质的生物化学性质与其他同类抗生素的非常相近,因此利用青霉素及其提取物的精制发酵技术仍然是一件十分重要的生物技术研究工作。发酵液中常见的生物益生菌和生物杂质主要类型有:菌丝、未用或预处理灭菌完的生物杂菌和其他培养基、易于接受土壤环境杂菌污染的生物杂菌、产生有益菌的生物杂质和其他代谢菌的产物、预处理完后需要及时重新加入的细菌杂质等。在提炼的过程中要严格遵循下面四个基本原则:1、时间短2、温度低3、pH适中4、勤清洗消毒常用的有机化合物溶液提取处理方法主要包括有溶媒法和萃取法、离子交换法和萃取组合法和溶液沉淀法等[10]。2.5.3精制这后一道工序也将是我国青霉素产品研发和加工生产的最后一道重要工序。对于使用青霉素等类产品和经加工后需要进行高温精制、烘干和加密包装的各类药品及其生产者现阶段还需要严格执行符合"药品生产管理规范"的国家相关标准规定。2.5.4成品鉴定成品的质量鉴定主要内容是根据常用抗生素中国药典的鉴定成品质量鉴定标准要求逐项对鉴定成品质量进行的定性分析,包括效价性的鉴定、毒性性的试验、无菌性的检查、热源质量的试验、水分析的测定、水溶液的测定酸碱性浓度及混浊度的定性测定、结晶物及测定颗粒的整体外观及其色泽及测定颗粒体积大小的定性测定等。对于同类抗生素比如药典上目前还尚未有明确规定的新型第一代同类抗生素,则我们其实可以直接通过参照相近的一代抗生素,按照其临床经验研究结果等来规定一些质量指标[11]。

3工艺计算3.1物料衡算3.1.1工艺技术指标及基础数据（1）主要技术指标见表3.1.表3.1工艺计算基础数据指标名称指标数及单位发酵单位80000μ/ml年产量700t成品效率1000μ/mg年工作日300天产品日产量2333kg发酵周期120h发酵罐装料系数0.75发酵辅助时间12h发酵期间补葡萄糖量1.6kg/（m3·h）菌种培养时间40h放罐发酵单位3500u/mL菌种培养辅助时间10h倒罐率2.0%接种量15%提取总收率0.45种子培养基（g/L）表3.2种子培养基投入物料量（g/L）投入物料量（g/L）磷酸二氢钾0.414黄豆饼粉11.55葡萄糖3.451碳酸钙0.105硝酸钾0.105玉米油0.1652油酸甘油酯2.814豆油6.3315硅油0.0147发酵初始培养基（g/L）表3.3发酵初始培养基投入物料量（g/L）投入物料量（g/L）磷酸二氢钾1.141黄豆饼粉31.71葡萄糖3.451碳酸钙0.105硝酸钾0.105玉米油0.553油酸甘油酯2.394豆油5.271硅油0.0392发酵培养基补料（g/L）表3.4发酵培养基补料投入补料量（g/L）投入补料量（g/L）油酸甘油酯11.6豆油13.533氨水（26%）8.583.1.2发酵车间的物料衡算首先计算生产700kg活度为1000u/mg的青霉素产品需耗用的原材料及其他物料量。（1）放罐成熟发酵液量成熟发酵液放罐单位为3500u/mL，生产700kg产品发酵液量为：（式3.1）公式中45%青霉素产品总提取率98%除去倒罐率2%后的发酵成功率（2）底罐发酵液量分为三个部分组成底料种液量补料量底料的物料用量：发酵培养基配方种液的物料用量：培养基配方补料中的豆油、油酸甘油酯、氨水各按用量计算，分别流加。（3）配制发酵液底料所用黄豆饼粉量公式中31.71发酵液底料含黄豆饼粉量（4）种子培养液所需黄豆饼粉量公式中11.55二级种液含黄豆饼粉量（5）生产700kg青霉素产品需黄豆饼粉总量同理，可计算生产700kg青霉素产品其他物料用量。（6）耗用葡萄糖总量公式中11.49发酵液含葡萄糖量3.45种液含葡萄糖量（7）碳酸钙耗用量（8）硝酸钾耗用量（9）磷酸二氢钾耗用量（10）油酸甘油酸耗用量（11）豆油耗用量（12）玉米油耗用量（13）硅油耗用量（14）氨水（26%）耗用量

3.1.3700t/a青霉素发酵车间物料衡算由上述生产700kg活度为1000u/mg的青霉素产品需耗用的原材料及其他物料量的衡算结果，可求得700t/a该青霉素发酵车间的物料平衡计算[12]。具体计算结果如表2.表3.5700t/a青霉素发酵车间的物料衡算表物料名称生产1t青霉素物料量700t/a青霉素成产的物料量每日物料量成品青霉素量/kg70010002334发酵液量/m3453.53647.91512二级种液量/m368.0497.2226.8黄豆饼粉/kg16530.52361555101.2葡萄糖量/kg5920.6845819735.1碳酸钙量/kg61.2587.5204.19硝酸钾量/kg61.2587.5204.19磷酸二氢钾量/kg594.72849.6198882.4油酸甘油酸量/kg2188.413126.37294.7豆油量/kg4053.775791.113512.8玉米油量/kg284.76406.8949.2硅油量/kg20.4829.2568.25氨水量/kg4169.9595713899.9

3.2能量衡算3.2.1发酵热的计算发酵过程中的热平衡方程式为:（式3.2）(1)生物热通过生物合成热计算生物热，基本上生物热主要由葡萄糖氧化产生热量，其反应式如下:（式3.3）据物料衡算知每周期葡萄糖用量为故每周期生物热为:（式3.4）(2)搅拌热由《生物工程工厂设计概论》一得知书中:由设备选型知由经验值得电机的效率为则(3)蒸发热和辐射热由实际经验得（式3.5）(4)发酵热（式3.6）

3.2.2换热面积的计算根据实际生产经验，冷却水进口温度为20℃，出口温度为23℃，发酵平均维持温度为25℃则：（式3.7）又由《生物工程工厂设计概论》得知换热买面积的计算公式为:（式3.8）式中:发酵液每小时放出的最大热量换热装置传热系数平均温差本设计采用列管式换热器，查资料得其换热系数，故有换热面积：（式3.9）3.2.3冷却水用量计算查表得水的比热容为（式3.10）又水的进口温度为为保证冷却水充足取裕量系数为1.2则每周期冷却水用量：（式3.11）故每年冷却水用量为3.2.4蒸汽消耗量计算本设计采用实罐灭菌，即先将蒸汽直接通入罐内与培养基混合，使罐温预热到80-90℃后，迅速将温度上升到120℃进行保温灭菌，一般先计算直接蒸汽混合加热用量，然后保温时间内的蒸汽量按升温用蒸汽量得30-50%进行计算[13]。(1)升温阶段蒸汽用量计算参照《生物工程工厂设计概论》一书的公式:升温阶段蒸汽用量为：（式3.12）式中G被加热料液量C料液比热容加热结束时料液的温度加热开始时料液的温度蒸汽烩，热损失，一般为被加热料液量料液比热容本设计取时为满足灭菌要求本设计取热损失则（式3.13）(2)保温是蒸汽用量（式3.14）

(3)一周期蒸汽总用量（式3.15）(4)全年蒸汽用量（式3.16）3.2.5无菌空气消耗计算查阅参考文献得知青霉素发酵时的好氧速率一般为由《抗生素生产工艺学》知耗氧速率与空气流量有如下关系式:（式3.17）式中耗氧速率，进口空气氧含量出口空气氧含量空气流量，据一般生产的经验有：（式3.18）又由前面物料衡算知故有每分钟的无菌空气的消耗量为:（式3.19）

4车间设备选择与排污处理4.1主要设备的选择4.1.1原料处理设备图4.1筛选设备(1)筛选设备发酵杂质是指工厂原料中长期混入的大量杂质,如沙土、杂草、磁金属等,不彻底除去,会大大降低发酵原料的质量和出品率,过度使用磨损发酵设备,使得设备发生了故障,严重的还会影响发酵设备的正常工作和效能,有些原料中的杂质甚至会直接堵塞生产管道和阀门使得生产设备瘫痪,所以彻底除去原料中的杂质对于生产及其重要。发酵处理培养基过程中的一些原料在设备进行发酵和配料前,需通过筛选的设备对其进行发酵处理,这样有效地保证了培养基发酵的正常进行,对于设备运行有良好的安全保护作用。

（2）粉碎设备图4.2粉碎设备锤式粉碎机、辊式粉碎机、齿爪式粉碎机、湿式粉碎机、球磨机、超微粉碎机等粉碎机,是利用高压强度将固体通过挤压切割成细小的颗粒，对物料进行事先的预处理可以使后面对物料进行加工和利用的时候更加充分，有利于避免物料的浪费。如将某种豆类、薯类、谷物类等经过粉碎机的操作之后可以得到更加便于利用的原料,进而将其粉碎或分离制取淀粉。粉碎机的选择通常都是依据所要加工的原材料进行挑选的，粉碎机的选择取决于原材料物理性质以及操作方法等等来确定和选择合适的粉碎设备和机械。如上图几种粉碎机。

1—混合槽；2—螺带；3—固定轴；4—机架图4.3混合设备（3）混合设备对于各种种类培养基的各种成分混合进行均匀混合,是为了保证各种培养基成分中的各种营养成分均匀的一项重要的准备工作。目前国内可供用户选择的两种混合传动设备主要类型有:常见的单向回旋传动旋转型和少见的固定旋转型的两种混合传动设备[14]。这里我们发现可以通过选择固定型的物料混合搅拌设备将其作为一种槽式物料混合机,如上图。4.1.2输送设备为了节省生产过程中物料加工后的运输时间，通常都会将一整道工序的机器通过运输机连通组成起来，可以极大地缩短了物料运输时间，同时还能够提高员工的劳动生产率，可以形成一个自动运输生产线，实现工业半自动化。根据输送物料对象主要的用途按输送物料设备分:固体物料输送的设备,液体物料输送的设备和其他物料输送设备。4.1.3培养基灭菌设备培养基连续灭菌主要是指从液体生物培养基中杀灭有细菌生活作用能力的细菌营养体及其产生的孢子,或从中将其孢子除去。目前工业应用中大规模的液体生物培养基通常可以直接采用加热和灭菌的过滤等方法彻底除去这些杂菌,实验室所用的液体生物培养基也都可以直接采用过滤的灭菌方法彻底除去这些杂菌。工业化液体培养基连续灭菌的方法主要有两种，其中一种是分批连续灭菌法，其工作原理是利用蒸汽加热达到培养基灭菌温度，之后将发酵罐持续进行高温灭菌一段时间，再将其冷却至可进行发酵的温度，才能进行接种发酵，也称实消法；而另一种方法是培养基连续灭菌，其工作原理是将发酵培养基通过管道运输至发酵罐的过程中，直接经过加热、保温和喷淋冷却处理，到达发酵罐的时候已经完成了灭菌处理，也称连消法。连续灭菌的设备一般在由培养基配料罐、泵、连消塔、维持罐和喷淋冷却器等等组成的连消设备中配置和进行。实罐灭菌应注意以下事项①灭菌使用前罐内所有杂物均需用高压水进行清洗,清除罐内堆积物。②且在进行罐体灭菌时一定是还要特别注意可以保证各种铁路专用灭菌罐的罐体进气畅通及罐内的灭菌培养基不要翻腾激烈。灭菌时一定要注意严格控制好罐内的消毒温度和灭菌培养基的灭菌压力,严防长期使用各种高温、高压力的灭菌工具闷罐,否则容易严重灭菌造成罐内灭菌培养基的主要化学成分结构受到严重破坏和致使ph的灭菌温度急剧升高。灭菌时总体和培养基的附加蒸汽供应压力一般都被要求不应得低于(3.0~3.5)×105pa(绝压),是用于加蒸汽时的压力不应得低于2×105pa(绝压)③空气灭菌的操作过程中我还要特别注意尽量保持整个排气罐的压力稳定,要同时注意注水严防防止排气过程中的细菌泡沫溶液升至整个排气罐顶或渗入逃液。为有效率的节约燃气蒸汽的实际使用量,排气量一般都是不宜控制过大,但是蒸汽排气一定是需要慢慢压下去可以保持畅通。由于实消设备的加热和快速冷却所需的时间比较长,发酵罐的综合利用率不高,培养基中营养成分也会使发酵罐遭到一定程度的损失和破坏,而连消法发酵就会有效避免这些的发生,虽然实消设备需要多一点,但在现代化的工业生产中,为了更好的提高效率和同时减少了成本的增加和浪费,从长远的角度上来考虑,一般企业都会考虑采用连消法[15]。配料罐送料泵预热罐喷射塔（连消塔）加热器维持罐冷却器发酵罐图4.4加热器示意图

4.1.4设备下水管道的日常清洗与消毒灭菌设备下水管道的日常清洗与消毒灭菌有利于延长设备的使用周期与使用寿命，同时也方便日后的维修工作，还能够避免对环境以及生产过程中造成污染。日常的清洗与灭菌污物处理是一项基础性的技术工作，但却是一项必不可少的工作，需要厂家定时定期主动完成。现在对于器械的清洗方法分为物理清洗和化学清洗，前者是将需要清洗的设备零部件拆卸后，通过高压水流或者清洗刷进行清洗；后者使用一些酸性(或称为碱性)的清洗剂，通过溶解附着在设备表面的污渍或污垢，达到清洁的目的。清洗的设备和对象主要有发酵罐及其容器、空气的过滤器以及空气管路内部的阀门等。本课程所设计选择的清洗设备操作流程如下图:图4.5CIP清洗设备流程图其主要优点有:a、清洗系统可任意位置自动选定；b、酸碱浓度可自动在线实时显示自动补偿；c、液位浓度可自动控制补偿；d、清洗系统控制程序可任意位置设定浓度自动记录；e、实现清洗系统故障自动报警。4.1.5无菌水设备图4.6二级反渗透制水工艺此发酵设备为经过发酵的产品提供了所需的产品无菌纯度水平和要求,使得经过发酵的产品无菌纯度可以达到很高的国际水平。如何选择厂家生产此发酵设备厂家为中国上海伟宙轻工机械有限公司自主研发生产的ZTRO-M系列医药反渗透无菌纯水发酵设备[16]。4.2车间设备布置设计 4.2.1车间布置原则⑴制剂车间布置时首先要满足一般工厂布置的要求：①最大最有限度地质量保证和安全满足对生产工艺设备生产过程包括对工艺设备日常养护维修的基本技术质量要求。②有效地合理配置利用生产车间的现有建筑面积(其中包括综合利用建筑空间)和占用土地。③要求是为确保车间的相关生产工艺技术质量经济指标先进合理以及清洁环保节能等车间相关生产技术经济要求基本建设到位创造条件。④考虑其他专业对本车间布置的要求。⑤设计充分考虑了本项目前期建设工程重点位置地区的外部自然界和气象、地质、水文等重要自然生态条件。⑥人流物流不能交错。⑵除此以外的该制剂厂还必须能够达到产品能够完全满足kg/gmp的技术要求,具体条件如下:①主机维修车间宜尽量抉择选在其厂区周围环境较清洁或室内绿化保持条件较好的高山地区。②加强建筑物其他车间内部清洁在进行建筑物内部清洁布置时候还应将洁净度高的高层建筑物与其他车间尽量结合形成独立的清洁小区,尽量同时保持建筑车间内部远离其他建筑产尘排放量大的建筑车间。③药品的车间布置要尽量减少露土的面积,这对于药品的质量也和安全性有直接的关系。药品车间的布置和设计的科学合理性很重要,在一定的程度上给药品生产经营管理、产品质量、质量检验等各项工作的可靠性带来方便和可靠的保证,还是因为它能有效缩短药品生产的工序和路线。4.3安全和环境保护4.3.1废水的危害对于生产抗生素的工厂来说，其废水的处理是十分必要的，如果不加以处理就直接排放，不但会对水环境造成污染，还会导致生成能抗抗生素的耐药病菌，使得更多无法治疗的传染病出现。因此对与工业废水问题需要特别重视。4.3.2废水处理系统废水的提取和处理主要目的是通过采用的各种耗氧细菌将有机物和水分解成各种无毒的物质和可以向人体排放的有害物质,其中主要包括饱和脂肪酸类、醇类、氨、二氧化碳等和厌氧细菌(主要污染的是产甲烷菌)以及利用乙酸或氢气和水中的二氧化碳反应形成的CH4。其中青霉素产生的二氧化碳CH4可以为当地居民和其他工厂经营者提供一定的清洁能源,从而也可以大大节省当地工厂经济的开支,为当地工厂居民获得更多的社会经济效益。其中青霉素制品的生产中主要污染的物质来自于青霉素和其萃取的溶剂以及洗罐所用的水。水污染的严重程度主要是通过最重要的水质指标来进行衡量的。这些水质指标主要衡量的是包括温度、色度、嗅和味、浑浊度、透明度、悬浮固体、电导率、碱度、硬度、各种阴、阳离子、各种重金属、农药、溶解氧(DO)、化学需氧量(COD)、生化需氧量(BOD)、细菌需氧量总数、总大肠杆菌群数等。目前最为普遍广泛使用和最广泛具有重要学术意义的有机化学物质的综合需氧量指标主要是:有机化学需氧量、耗氧量和有机生物化学需氧量三种。化学物质需氧量：OCOD:在一定严格的环境条件下,水中各种有机物和化学物质与其水体外加的强酸性氧化剂相互作用时其所消耗的主要氧化化学物质和需氧剂量。结果用每个化学键中氧的总原子含量和每mg/L数据表来简单化地表示。用来直接分别表示中国工业废水中有机化学物质的