【導讀】本次設計任務為年產60噸慶大霉素發(fā)酵車間工程設計。共有八個發(fā)酵罐，兩個二級種子罐，兩個一級種子罐。的生產工藝如下：生產菌種為小單胞菌，經小、中罐種子擴大培養(yǎng)后接到發(fā)酵罐中。藝過程為小—中—大罐三級發(fā)酵，小、中罐一次投入。大罐考慮底物抑制及產物營養(yǎng)要。求，采用中間補料，包括全料、稀料、氨水、氫氧化鈉、消沫油。設計說明書完成后根據(jù)說明書繪制了發(fā)酵罐和種子罐的裝配。廠房布局結合實際情況，高15米、長54米、寬。此外還對環(huán)境污染和節(jié)省能。源方面的設備做了合理的布局，主要工段和設備大部分在廠房內，部分設備在廠房周圍。

　　

【正文】 SE10 E10 最大月平均風速（ m/s）： （ 3 月） 最大風速（ m/s）： 20 全年平均風速（ m/s）： （ 4）自來水水溫及硬度 水源地：水廠 水源性質：自來水 水溫：最低水溫： ℃（ 2 月） 月平均最 低水溫： ℃ 最高水溫： 34℃（ 7 月） 月平均最高水溫： ℃ 總硬度：最高值 月平均最高： 最低值 月平均最低： 1其他數(shù)據(jù)： 海拔高度： 平均氣壓： 1016mbar 最大凍土層深度： 6cm 人防：設計任務為發(fā)酵工段，按 GBJ1687 生產的火災危險性分類，為戊級，按GB5005892《爆炸和火災危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范》發(fā)酵車間防爆為Ⅰ級??5。 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計說明書 11 技術規(guī)格及質量標準 表 技術規(guī)格及質量標準 項目標準 美國藥典 (23 版 ) 性狀 白色或類白色粉末 生物效價（干） ≥ 590 /mg 鑒別 呈正反應 比旋度 +107176。 —— +121176。 干燥失重 ≤ %(110℃真空， 3hr) 酸度 熾灼殘渣 甲醇含量 pH： ≤ % ≤ % 高壓液相 C1 25— 50% C1A 10%— 35% C2+C2A 25%— 55% 熱源 無菌 異常毒物 降壓物質 重金屬 鈣離子 鎂離子 內毒素單位 /mg 慶大堿 120xxu/mg 合格 合格 (內控 ) 1200 u/ml合格 20xxu/kg 合格 ppm ≤ 5 ≤ 5 澄 色級 ≤ 2 級 清 濁度 ≤ 1 號 度 毛點 ≤ 8 點 有效期 5 年 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計說明書 12 第二章 工藝流程概況 菌種篩選 抗生素生產中 , 發(fā)酵過程是決定抗生素產量的主要過程。發(fā)酵水平的高低 , 首先受菌種這個內因的控制 , 同時發(fā) 酵工藝條件的控制也有著極為重要的作用 , 因為良好的外因條件 , 才能使菌種固有的優(yōu)良性狀得以充分發(fā)揮。抗生素發(fā)酵是極其復雜的代謝過程 , 人們通過控制反映代謝變化的各種參數(shù) , 使產生菌的代謝沿著人們需要的方向進行 , 以達到預期的生產水平。 這里 , 我們結合本廠的生產實踐來探討一下 ,我們是如何控制發(fā)酵條件 , 促進生產的。 表 發(fā)酵參數(shù) 物理參數(shù) 溫度、溶氧 壓力空氣中的CO 2量 攪拌轉速排氣中O 2含量 攪拌功率表觀粘度 空氣流量發(fā)酵液濃度 化學參數(shù) 基質濃度 PH 抗生素濃度 DNA 關鍵酶 生物參數(shù) 菌絲形態(tài) N比耗率 菌絲干重抗生素比耗率 生長速率 u O2比耗率 糖比耗率 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計說明書 13 合成途徑 生物合成慶大霉素的可能途徑如下： D葡萄糖→ 2脫氧青蟹肌醇→ 2脫氧青 蟹醇胺 ↓ ↓ D葡萄糖胺→ 巴龍胺 ← 2脫氧鏈霉胺 ↓ 慶大霉素 A ↓ C甲基化和差向異構化 慶大 X2 脫氧↓氨基化↓ L甲基化 抗生素 JI20A 抗生素 G418 脫氧↓ ↓脫氧，氨基化 慶大霉素 C1a 抗生素 JI20B ↓ N甲基化 ↓脫氧差向異構化 慶大霉素 C2b 慶大霉素 C2 ↓ N甲基化 慶大霉素 C1 注：本設計所采用的工藝路線為先從沙土管中取出孢子接 種到原斜面上（或從液氮保存的孢子接種到原斜面上）， 7 天后接合格種子到下一代斜面上， 6 天后接白色豐滿的菌落到搖瓶中， 后接 68 瓶搖瓶種子到小罐中，并經中罐種子擴大培養(yǎng)后接到發(fā)酵罐中，接種方法為單種，放罐后至后處理車間。 工藝流程 工藝流程圖 注：本框圖僅為發(fā)酵部分（設備參數(shù)供參考） 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計說明書 14 圖 發(fā)酵工藝流程圖 工藝流程說明 工藝特點： 本工藝工程為三級發(fā)酵，小罐 中罐 大罐。中罐、小罐培養(yǎng)時間短，培養(yǎng)基一次投入，中間不補料，大罐考慮到各種由于底物濃度過高引起的底物抑制情況以及產物合成期對營養(yǎng)成分的需求，采用中間補料。主要補全料、補稀料、補氨水、通過氫氧化鈉調節(jié) pH，手動加消沫油，在種子階段，對無菌要求較高。 補料情況： 補全料： 一個發(fā)酵周期約補 3 次。每噸發(fā)酵液約補 370L 全料。從發(fā)酵 20 小時開始補全料，至 30 小時時結束。根據(jù)發(fā)酵液還原糖含 量水平控制具體補全料體積及時間。 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計說明書 15 補稀料：一個發(fā)酵周期補 2 次左右。每噸發(fā)酵液約補 200L 稀料。自發(fā)酵 40 小時后開始補稀料，根據(jù)發(fā)酵液還原糖含量水平控制，保持還原糖濃度大于等于補氨水：自發(fā)酵 33 小時開始補氨水，每 4 小時補一次，每次 1015L，使發(fā)酵液中氨氮濃度不低于 45mg/100ml。 補油：手動加入。 補氫氧化鈉：調節(jié)發(fā)酵液 pH，與 pH 環(huán)控，保持發(fā)酵液 pH 在 之間。 中間取樣分析： 小罐：培養(yǎng) 4 小時后取樣分析，測 PH、氨氮、效價、菌絲濃度等。 中罐：培養(yǎng) 4 小時后取樣分析，測 PH、氨氮、效價、菌絲濃度等。 大罐：培養(yǎng) 14 小時后開始取樣分析，每 4 小時取樣測 pH、氨氮，每 8 小時取一次樣，分析全糖、氨氮、 PH、還原糖、效價等。培養(yǎng) 20 小時后取樣加無菌肉湯， 4小時后取無菌斜面， 37℃恒溫培養(yǎng)，放罐前涂片鏡檢。 異常發(fā)酵處理： 中罐、小罐染菌一般采取放罐措施。 大罐染菌，若在接種后不久即在發(fā)酵前期，可將培養(yǎng)基返回連消系統(tǒng)重新消毒；若在中后期，對發(fā)酵影響較大的，倒罐，影響較小的，可采用降溫，一般降至 32℃培養(yǎng)，并將別的大罐發(fā)酵液倒一部分進去，加強生 長菌的優(yōu)勢抑制雜菌的生長；另外，對染菌罐補料可減少補料量 ，至雜菌得到抑制后再加大補料量。若在發(fā)酵后其染菌，可考慮提前放罐，若染菌罐含大量雜菌，過濾速度緩慢，則放罐前加熱至 45℃， 15min，然后再提煉。 發(fā)酵中遇空氣精過濾器阻塞，空氣流量下降，過濾器兩端壓差增大，可立即調換過濾器內芯??6。 培養(yǎng)基研究分析 硫酸慶大霉素又稱艮他霉素 , 它是由絳紅色小單孢菌產生的一族多組份的氨基糖苷類抗生素 , 對此菌種的要求就是生長快 , 能深層培養(yǎng) , 不易退化 , 能利用廉價的培養(yǎng)基獲得高產量的抗生素。我們在生產中通過做搖瓶試驗考察不同菌種 , 以選取平均發(fā)酵單價高 ,產品質量穩(wěn)定的菌種投入生產。生產中不斷進行自然選育 , 把菌種制備成單孢子內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計說明書 16 懸浮液 , 經過適當稀釋之后 , 在固體平板上進行分離 , 然后挑選單個菌落進行測定 , 從中選出優(yōu)良菌落來純化菌種 , 防止衰退 , 穩(wěn)定生產 , 從而提高產量。 試驗方法。搖瓶試驗與罐上試驗相結合 ,發(fā)酵單位測定采用抗生素微生物檢定法。 發(fā)酵培養(yǎng)基 培養(yǎng)基是供抗生素產生菌生長、繁殖 , 代謝和合成抗生素用的按一定比例 組成的營養(yǎng)物質。合適的成分與配比才能充分發(fā)揮產生菌生物合成抗生素的能力 , 獲得好的生產效果。 查閱國內外關于慶大霉素生產所用的培養(yǎng)基 , 歸納起來有二十多種 , 結合我廠具體情況 , 選擇其中十二種進行研究 , 按主次順序排列如下 : 黃豆餅粉 蛋白胨 ( NH4)2SO4 淀粉 玉米粉 CaCO3 魚粉 KNO3 豆油 CoCL2 合成消沫劑 葡萄糖。 調整培養(yǎng)基成份或配比時 , 每次只限變動一個條件 , 考察菌種對無機元素的營養(yǎng)要求 , 找出最高、最低及其合適的用量 ( 數(shù)據(jù)繁鎖 , 這里略掉 ) ,經過多 次反復試驗總結出 , 對發(fā)酵水平影響最大的是黃豆餅粉、蛋白胨 , 影響較小的是葡萄糖 ,KNO3 和魚粉 , 于是 , 我們大膽舍去了魚粉這一原料 , 非但沒有影響發(fā)酵水平 , 且降低了成本和糧耗。 原材料 黃豆餅粉和蛋白胨 它們是天然原料加工制作的有機氮源 , 成份較復雜 , 搖瓶考察 X、 Y 兩地黃豆餅粉 , 詳見下表 : 表 兩地黃豆餅粉的效價 X 產地（熱榨） X 產地（冷榨） Y 產地 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計說明書 17 培養(yǎng)基濃度變化與控制 培養(yǎng)基濃度變化與控制對發(fā)酵水平的影響程度很大 , 控制基礎料濃度按照產生菌的生理特性 , 可縮短菌體生長期 , 延長抗生素分泌期并保持抗生素生產的最大生長率 , 提高發(fā)酵水平。 實驗數(shù)據(jù)如下： 表 黃豆餅粉含量對發(fā)酵水平的影響 結果表明 : 培養(yǎng)基中黃豆餅粉含量在 %左右最有利 表 蛋白胨含量對發(fā)酵水平的影響 結 果顯示 : 蛋白胨的含量與補入方式對發(fā)酵單位的影響也是十分明顯的。一次投料加入容易引起菌體生長與養(yǎng)分過量耗盡 , 以致菌體過早衰老自溶 。 發(fā)酵過程定期補加一定數(shù)量的氮源 , 放瓶效價（ u/ml） 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1252 1301 1343 1202 1209 1319 990 1027 987 平均效價（ u/ml） 1298 1243 1001 培養(yǎng)基中黃豆餅粉含量 % 發(fā)酵單位 (u/ml) 1100 1260 1240 1130 說明：用開封 05— 79 菌種 上數(shù)據(jù)為搖瓶平均數(shù)值 蛋白胨濃度 % 補料時間與次數(shù) 發(fā)酵單位 (u/ml) 24hr 1060 24hr 1140 24hr、 48hr、 72hr 1300 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計說明書 18 可使產生菌在分泌期有足夠多而不過多的養(yǎng)料 , 延長分泌期 , 提高產量。 發(fā)酵生產工藝分析 染菌控制 染菌控制生產中的大敵 , 產生染菌的因素很多 , 且?guī)в须S機性。通過長期 觀察研究 , 發(fā)現(xiàn)設備滲漏是主要原因 , 空氣質量不過關 , 過濾器消不透也影響不小 ,為此 , 我們嚴格操作規(guī)程 , 染菌已基本杜絕。 搖瓶試驗結果顯示 , 菌種性能質量直接決定抗生素生產水平高低 , 適時對菌種篩選夏壯考核其生產能力非常必要。 合理的培養(yǎng)基成份才能充分發(fā)揮產生菌生物合成抗生素的能力。 控制發(fā)酵溶氧條件克服染菌是發(fā)酵條件的關鍵。 溶氧濃度的變化與控制 發(fā)酵過程中后期 , 菌絲濃度增大 , 發(fā)酵液粘度增加 , 此時提高溶氧水平非常重要 , 我們采用稀配方即增加補水工藝 , 控制最佳裝料系數(shù) , 效果較好 ,。 詳見下表： 表 溶氧濃度的變化與控制 高單位（ 30 批次平均值） 低單位（ 20 批次平均值） 驗證結果（連續(xù) 50批次平均值） 放罐單位 1450u/ml 1100u/ml 1480u/ml 放罐總億 200 億 165 億 205 億 放罐體積 噸 噸 噸 裝料系數(shù) % 85% % 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計說明書 19 第三章 工藝計算 發(fā)酵罐臺數(shù)和公稱體積的計算 根據(jù)年產量計算每日發(fā)酵液體積 Vd ?f dd mUMUV 1000? 式（ ） 其中： Vd 每日發(fā)酵液體積 m3/d