【正文】 的控制 (1) 罐壓： 罐壓直接影響發(fā)酵液中氧的分壓 ， 我們知道氧是一種難溶于水的氣體 ， 氧在發(fā)酵液中的溶解度不僅受培養(yǎng)基成分的影響 ， 而且當(dāng)各類物質(zhì)濃度增加時(shí) ， 氧的溶解度也要降低。對(duì)菌絲生長(zhǎng)和青霉素合成來說 ， 最適溫度不是一樣的 ， 一般前者略高于后者 ， 故有的發(fā)酵過程在菌絲生長(zhǎng)階段采用較高的溫度，以縮短生長(zhǎng)時(shí)間 ， 到達(dá)生產(chǎn)階段后便適當(dāng)降低溫度 ， 以利于青霉素的合成。 因此采用補(bǔ)料分批發(fā)酵 可以使培養(yǎng)液中的營(yíng)養(yǎng)物濃度較長(zhǎng)時(shí)間地保持在一定范圍內(nèi)，既保 證青霉素 的生長(zhǎng)需要，又不造成不利影響， 還 可以避免在分批發(fā)酵中因一次性投入糖過多造成細(xì)胞大量生長(zhǎng)，耗氧過多，以至通風(fēng)攪拌設(shè)備不能匹配的狀況， 從而 提高有用產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率 ，所以本設(shè)計(jì)采用補(bǔ)料分批發(fā)酵方式進(jìn)行青霉素的發(fā)酵生產(chǎn)。 ② 避免在培養(yǎng)基中積累有毒代謝物，即代謝阻遏。由于上述情況，連續(xù)發(fā)酵目前主要用于研究工作中，如發(fā)酵動(dòng)力學(xué)參數(shù)的測(cè)定，過程條件的優(yōu)化試驗(yàn)等等，而在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用還不多。 其優(yōu)點(diǎn)是：①對(duì)溫度的要求低，工藝操作簡(jiǎn)單；②比較容易解決雜菌污染和菌種退化等問題；③對(duì)營(yíng)養(yǎng)物的利用效率較高，產(chǎn)物濃度也比 連續(xù)發(fā)酵 要高。 6APA 也可從青霉素 G 用化學(xué)法來裂解制得，但成本較高。用無菌水將孢子制成懸浮液接種到種子罐內(nèi)已滅菌的培養(yǎng)基中，通入無菌空氣、攪拌，第二章 工藝設(shè)計(jì) 7 在 27 ℃ 下培養(yǎng) 24～ 28h，然后將種子培養(yǎng)液接種到發(fā)酵罐已滅菌的含有 苯乙酸 前體的培養(yǎng)基中，通入無菌空氣，攪拌，在 27 ℃ 下培 養(yǎng) 7 天。除此之外，發(fā)酵液的 pH 值、溫度和溶解氧濃度等都會(huì)影響發(fā)酵過程中的代謝變化，進(jìn)而影響青霉素產(chǎn)量，必須予以嚴(yán)格控制。隨著菌體四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 濃度的不斷增加，攝氧率不斷增大，溶解氧水平不斷降低。目前普遍采用淀粉經(jīng)淀粉酶水解的葡萄糖糖化液（ DE值 50%以上）進(jìn)行流加。 對(duì)溶血性鏈球菌等鏈球菌屬，肺炎鏈球菌和不產(chǎn)青霉素酶的葡萄球菌具有良好抗菌作用。對(duì)革蘭陽(yáng)性球菌及革蘭陽(yáng)性桿菌、 螺旋體 、 梭狀芽孢桿菌 、 放線菌 以及部分 擬桿菌 有抗菌作用。革蘭氏陽(yáng)性菌細(xì)胞壁的組成是肽聚糖占細(xì)胞壁干重的 50％～ 80％（革蘭氏陰性菌為 1％～ 10％）、磷壁酸質(zhì)、多糖 、 脂蛋白和蛋白質(zhì)。 青霉素的分子通式為： RC9O4H11 N2 S 第一章 緒論 3 結(jié)構(gòu)通式可表示為下圖： 圖 11 青霉素結(jié)構(gòu)通 式 然而青霉素發(fā)酵液中含有 5 種以上天然青霉素（如青霉素 F、 G、 X、 K、 F 和 V 等），它們的差別僅在于側(cè)鏈 R 基團(tuán)的結(jié)構(gòu)不同，其中青霉素 G 在醫(yī)療中用得最多，它的 鉀 或 鈉 鹽為治療革蘭氏陽(yáng)性菌的首選藥物，對(duì)革蘭氏陰性菌也有強(qiáng)大的抑制作用 。上世紀(jì) 80 年代后，世界青霉素生產(chǎn)格局發(fā)生了翻天覆地的變化。 青霉素發(fā)展歷程 1953 年 5 月，中國(guó)第一批國(guó)產(chǎn)青霉素誕生，揭開了中國(guó)生產(chǎn)抗生素的歷史。經(jīng)實(shí)驗(yàn)和臨床試驗(yàn)證明，它毒性很小，并對(duì)一些革蘭氏陽(yáng)性菌所引起的許多疾病有卓越的療效。它的研制成功 大大增強(qiáng)了人類 抵抗細(xì)菌性感染的能力，帶動(dòng)了抗生素家族的誕生。 經(jīng)工藝計(jì)算， 設(shè)計(jì) 選 用 2 臺(tái) 一級(jí) 種子罐、 3 臺(tái)二級(jí)種子罐、 6臺(tái)發(fā)酵罐。 廠房采用三層設(shè)計(jì)，在不同層放置不同類型的罐體，以滿足生產(chǎn)需要 。 20 世紀(jì) 40 年代前， 人們 一直未能掌握一種能高效治療細(xì)菌性感染且副作用小的藥物。 此后一系列臨床實(shí)驗(yàn)證實(shí)了青霉素對(duì) 白喉?xiàng)U菌 、 鏈球菌等多種細(xì)菌感染的療效。在 1996年得到迅速擴(kuò)展，當(dāng)時(shí)全球青霉素原料藥年產(chǎn)銷量達(dá) 4 萬(wàn)噸左右，其中中國(guó)的青霉素在國(guó)際市場(chǎng)的份額占到 30%，且出口量猛增。中國(guó)青霉素工業(yè)鹽的產(chǎn)量從 90 年代的初的約占世界總產(chǎn)量的三分之一逐步增加到目前的 90%以上。 青霉素的單位 目前國(guó)際上青霉素活性單位表示方法有兩種：一是指定單位（ unit）；二是活性質(zhì)量（ μg），最早為青霉素規(guī)定的指定單位是： 50mL 肉湯培養(yǎng)基中恰能抑制標(biāo)準(zhǔn)金葡萄菌生長(zhǎng)的青霉素量為一個(gè)青霉素單位。其中肽聚糖是一種含有乙?；?葡萄糖胺和短肽單元的網(wǎng)狀生物大分子，在它的生物合成中需要一種關(guān)鍵的酶即轉(zhuǎn)肽酶。 對(duì) 溶血性鏈球菌 等 鏈球菌屬 ， 肺炎鏈球菌 和不產(chǎn) 青霉素酶 的葡萄球菌具有良好抗菌作用。對(duì)腸球菌有中等度抗菌作用，淋病奈瑟菌、腦膜炎奈瑟菌、白喉棒狀桿菌、炭疽芽孢桿菌、牛型放線菌、念珠狀鏈桿菌、李斯特菌、鉤端螺旋體和梅毒螺旋體對(duì)本品敏感。 ⑵ 氮源 選用玉米漿、玉米餅粉等并補(bǔ)加無機(jī)氮源。當(dāng)達(dá)到菌的臨界濃度時(shí)，攝氧率達(dá)到最大，溶解氧降至最小。 此階段一般又稱為青霉素分泌期或發(fā)酵中期。在發(fā)酵過程中需補(bǔ)入苯乙酸前體及適量的培養(yǎng)基。側(cè)鏈的引入系將相應(yīng)的有機(jī)酸先用氯化劑制成酰氯，然后根據(jù)酰氯的穩(wěn)定性在水或有機(jī)溶劑中，以無機(jī)或有機(jī)堿為縮合劑，與 6APA 進(jìn)行?；磻?yīng)。缺點(diǎn)是：①人力、物力、動(dòng)力消耗較大；②生產(chǎn)周期較短，由于分批發(fā)酵時(shí)菌體有一定的生長(zhǎng)規(guī)律，都 要經(jīng)歷延滯期、對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期、穩(wěn)定期和衰亡期，而且每批發(fā)酵都要經(jīng)菌種擴(kuò)大發(fā)酵、設(shè)備沖洗、滅菌等階段； ③生產(chǎn)效率低，生產(chǎn)上常以體積生產(chǎn)率（以每小時(shí)每升發(fā)酵物中代謝產(chǎn)物的 g 數(shù)來表示）來計(jì)算效率，在分批發(fā)酵過程中，必須計(jì)算全過程的生產(chǎn)率，即時(shí)間不僅包括發(fā)酵時(shí)間，而且也包括放料、洗罐、加料、滅菌等時(shí)間。連續(xù)培養(yǎng)方法可用于面包酵母和飼料酵母的生產(chǎn)，以及有機(jī)廢水的活性污泥處理。與 連續(xù)發(fā)酵 相比， 流加發(fā)酵 不需要嚴(yán)格的 無菌 條件，也不會(huì)產(chǎn)生 菌種 老化 和 變異 等問題，因此，其應(yīng)用范圍較廣。 工藝特點(diǎn) 本設(shè)計(jì)工藝為三級(jí)發(fā)酵 [3]，一級(jí)種子罐→二級(jí)種子罐→發(fā)酵罐。 在較低的通氣條件下，由于氧的溶解度是隨溫度下降而升高的，因此降低發(fā)酵溫度對(duì)發(fā)酵是有利的，因?yàn)榈蜏乜梢蕴岣哐醯娜芙舛?、降低菌體生長(zhǎng)速率、減少氧的消耗，彌補(bǔ)通氣效果差的不足。根據(jù)“亨利定律” 可用提高空氣進(jìn)罐壓力來提高氧在發(fā)酵液中的溶解度。青霉素發(fā)酵的臨界菌體濃度隨菌株的呼吸強(qiáng)度 (取決于維持因數(shù)的大小 ， 維持因數(shù)越大 ， 呼吸強(qiáng)度越高 ) 、發(fā)酵通氣與攪拌能力及發(fā)酵的流變學(xué)性質(zhì)而異。 低溫水： 9～ 14℃ (△ t=5℃ )， （ MPa），用于夏天空氣后級(jí)冷卻及發(fā)酵控溫冷卻 。 (2) 種子罐公稱容積及臺(tái)數(shù)： 種子罐臺(tái)數(shù) ?? 發(fā) 酵 罐 臺(tái) 數(shù) 種 子 罐 周 期發(fā) 酵 罐 周 期 37 24/)2556(6n ????中（臺(tái)） 故選擇 3 臺(tái) 二級(jí)種子罐可滿足生產(chǎn)?！?，冷卻水進(jìn)口溫度 20℃，冷卻水出口溫度 25℃，取冷卻時(shí)間 ，計(jì)算可得所需冷卻水量 W冷 3000kg/hr? 則冷卻水高峰用量： hrtW /6 4 1 236 4 0 9m a x ??? (3) 低溫冷卻水（ 水溫 9～ 14℃，△ t=5℃， ，夏季使用） 低溫水用量（ c=水的 比熱容 從節(jié)能考慮 ， 完全可減小中、上道槳葉之葉徑。選用渦輪式攪拌器為理想 ，第四章 設(shè)備設(shè)計(jì)及選型 27 其特點(diǎn)是直徑小 ， 轉(zhuǎn)速快 ， 攪拌效率高 ， 功率消耗低 ， 其最大特點(diǎn)是攪拌時(shí)使料液產(chǎn)生徑向流 ， 可以延滯空氣在發(fā)酵液中的停留時(shí)間 ， 有利于氧在料液中溶解。 ② 配料用水： 培養(yǎng)基原料大多為固體 ? 配料用水量≈消后培養(yǎng)基體積 W發(fā) 酵 配 = ?二級(jí)配W mW ?一級(jí)配 ③ 自來水用量： 取安全系數(shù) ，則自來水總用量： W總 = （ W發(fā) 酵 洗 2+W二 級(jí) 洗 +W一 級(jí) 洗 +W發(fā) 酵 配 2+W二 級(jí) 配 +W一 級(jí) 配 ） = （ 2+++ 2++） = 第四章 設(shè)備設(shè)計(jì)及選型 21 蒸汽 （ 121℃ ， 發(fā) 酵溫 度 =27 ℃ ， ? =， 焓 i =， 汽化 熱） (1) 發(fā)酵罐、二級(jí)種子罐空消所用蒸汽：（按 5 倍罐全容積計(jì)算） 5SSV ?? ? ?全 kg2 6 6 9 951 .7 2 9 9 6 ??大S ????中S (2) 一級(jí)種子罐、補(bǔ)料罐實(shí)消所用蒸汽：（以直接加熱之后保溫計(jì)算，料液比熱 Cs 均取 1kcal/kg （ 中n 即二級(jí)發(fā)酵罐， 小n 即一級(jí)發(fā)酵罐） 取二級(jí)發(fā)酵罐輔助時(shí)間為 25 小時(shí)，取一級(jí)發(fā)酵罐輔助時(shí)間為 30 小時(shí) 1? ? ?? 發(fā) 酵 罐 計(jì) 量 體 積 接 種 比 （ 流 體 損 失 率 ）種 子 罐 容 積 種 子 罐 裝 料 系 數(shù) （流體損失率取 10%） 二級(jí)種子罐體積 2 0 0 8 0 % 1 5 % (1 1 0 % )70%? ? ? ?? = 取 38m3，計(jì) 算得公稱容積 ，全容積 一級(jí)種子罐體積 3 8 7 0 % 1 5 % (1 1 0 % )65%? ? ? ?? ? m3 第四章 設(shè)備設(shè)計(jì)及選型 17 取 ，計(jì)算得公稱容積 ，全容積 (3) 物料計(jì)算： 進(jìn)料 =基礎(chǔ)培養(yǎng)基（消后） +種子液 +補(bǔ)料 出料 =發(fā)酵液 +逃液與蒸發(fā)損失 ① 發(fā)酵罐 發(fā)酵液 = 90%= m3 損失 =發(fā)酵液體積 3%= 3%= （損失率取 =3%） 種子 液 =發(fā)酵液體積 接種比 =15%= 補(bǔ)氨 = 48110 3= m3 補(bǔ)油 = 20110 3= m3 泡敵 = 20110 3= m3 補(bǔ) 料 = 320110 3= ∴消后培養(yǎng)基 =出料 +損失 種子 補(bǔ)氨 補(bǔ)油 泡敵 補(bǔ)料=+= ② 二級(jí)種子罐 出料 =發(fā)酵罐種子 = 損失 = 3%= m3 （損失率取 =3%） 種子 =15%= m3 ∴消后培養(yǎng)基 =出料 +損失 種子 =+= ③ 一級(jí)種子罐 出料 =二級(jí)種子罐種子 = m3 損失 = 3%= m3 （損失率取 =3%） 種子 =15%= m3 ∴消后培養(yǎng)基 =出料 +損失 種子 =+= 各階段物料添加量及損失，見圖 31. 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 圖 31 物料流程 圖 表 31 原料消耗表 原料名稱 規(guī)格 批次 用量（噸） 年用量（噸） 黃豆 餅粉 含蛋白質(zhì) 45% 968 7741 葡萄糖 含量 99%以上 118 938 碳酸鈣 工業(yè)用含量 99%以上 4 29 KH2PO4 含量 99%以上 35 279 苯乙酰胺 工業(yè)用含量 99%以上 12 96 氨水 工業(yè)用含量 28% 28 220 油酸甘油酯 工業(yè)用含量 99%以上 81 645 豆油 工業(yè)用含量 95%以上 185 1480 硅油 工業(yè)用含量 99%以上 8 59 玉米油 工業(yè)用含量 85%以上 17 133 泡敵 工業(yè)用含量 89%以上 4 26 硝酸鉀 工業(yè)用含量 99%以上 4 29 第四章 設(shè)備設(shè)計(jì)及選型 19 能 耗計(jì) 算 水 (1) 發(fā)酵熱效應(yīng) [5] Q=QF 公V 發(fā)酵罐 大Q =5500 80%= 10 5 kJ/m3 第四章 設(shè)備設(shè)計(jì)及選型 15 蒸汽： 發(fā)酵車間用汽壓力 （ MPa） 。 第二章 工藝設(shè)計(jì) 13 發(fā)酵液質(zhì)量控制 生產(chǎn)上按規(guī)定 時(shí)間從發(fā)酵罐中取樣 ， 用顯微鏡觀察菌絲形態(tài)變化來控制發(fā)酵。 (2) 攪拌速度： 攪拌速度大與小關(guān)系到氣泡破碎是否良好 ， 空氣是否分散溶入液相 ， 增加氣液接觸的有效界面?zhèn)鬟f面積 ， 以利于氧的溶解和空氣的利用。在緩沖能力較弱的培養(yǎng)基中 ， pH 值的變化是葡萄糖流加速度高低的反映。主要補(bǔ)油、補(bǔ)糖、補(bǔ)氨水調(diào)解 pH。 青霉素 合成階段 ，青霉素的生產(chǎn)速率達(dá)到最大 ， 菌體重量增加，碳源、氮源等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不斷消耗，青霉素不斷合成。 補(bǔ)料分批發(fā)酵 補(bǔ)料分批發(fā)酵又稱 流加發(fā)酵， 半連續(xù)發(fā)酵，是介于分批發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵之間的一種發(fā)酵技術(shù)，是指在微生物分批發(fā)酵中，以某種方式向培養(yǎng)系統(tǒng)補(bǔ)加一定物料的培養(yǎng)技術(shù)。穩(wěn)定狀態(tài)可以有效地延長(zhǎng)分批培養(yǎng)中的對(duì)數(shù)期。 因產(chǎn)天然青霉素法生產(chǎn)工藝較半合成青霉素法簡(jiǎn)單，而且采用發(fā)酵罐培養(yǎng)，每批次生產(chǎn)效率高，而半合成法對(duì)工藝要求較高，且中間物質(zhì)較多，可能存在 生產(chǎn)中中間體轉(zhuǎn)化不完等因素，而且成本較高，所以本設(shè)計(jì)采用天然青霉素的生產(chǎn)方法。濾液在 pH2～ 的條件下，于萃取機(jī)內(nèi)用醋酸丁酯進(jìn)行多級(jí)逆流萃取，得到丁酯萃取液，轉(zhuǎn)入 ～ 的緩沖液中，然后再轉(zhuǎn)入丁酯中，將此丁酯萃取液經(jīng)活性炭脫色，加入成鹽劑，經(jīng)共沸蒸餾即可得青霉素 G 鉀鹽。此時(shí)發(fā)酵必須結(jié)束，否則不僅會(huì)使青霉素受到破壞，還會(huì)給發(fā)酵液過濾和提煉帶來困難。 青霉素合成階段 這個(gè)階段主要合成青霉素，青霉素的生產(chǎn)速 率達(dá)到最大，并一直維持到青霉素合成能力衰退。一次加入量不能大于 %，并采用多次加入方式。 第二章 工藝設(shè)計(jì) 5 第二章 工藝設(shè)計(jì) 青霉素的生 產(chǎn)原料 菌種 常用菌種為產(chǎn)黃