【正文】 rysogenum. By process calculation, design selection 2 seed pots, three two seed pots, six fermentation tanks. Plant uses three design, put different types of tanks in different layers, in order to meet production needs. In this design, the design fully consider the theoretical amount of rationality, but also take into account the actual production of the feasibility of materials, energy and fermentation control factors calculations carried out, to let the design is plete and accurate. Key words: Penicillin。 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 。經(jīng)工藝論證，種子罐和二級(jí)種子罐培養(yǎng)基一次性 加入， 發(fā)酵罐采用補(bǔ)料分批發(fā)酵以 保證 產(chǎn)黃青霉的健康生長(zhǎng)。 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 年產(chǎn) 1200噸青霉素鈉鹽發(fā)酵車間工藝初步設(shè)計(jì) 學(xué) 生： 學(xué) 號(hào)： 專 業(yè)： 生物工程 班 級(jí)： 指導(dǎo)教師： 四川理工學(xué)院生物工程學(xué)院 20xx 年 6 月 四 川 理 工 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū) 設(shè)計(jì)（論文）題目： 年產(chǎn) 1200 噸青霉素鈉鹽發(fā)酵車間工藝初步設(shè)計(jì) 學(xué)院： 生物工程學(xué)院 專業(yè)： 生物工程 班級(jí)： 學(xué)號(hào)： 學(xué)生： 指導(dǎo)教師： 教研室主任 （簽名） 二級(jí)學(xué)院院長(zhǎng) （簽名） 1．畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的主要內(nèi)容及基本要求 （ 1）生產(chǎn)車間工藝論證； （ 2）生產(chǎn)工藝計(jì)算（物料衡算、能量衡算）； （ 3）車間設(shè)備設(shè)計(jì)選型及車間布置設(shè)計(jì)； （ 4）圖紙繪制要求：① 工藝流程圖 ；②生產(chǎn)車間帶控制點(diǎn)工藝流程圖；③ 生產(chǎn)車間平、立面布置圖。 （ 5）撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一份； （ 6）產(chǎn)品規(guī)格： 青霉素鈉鹽 ； （ 7）生產(chǎn)安排：年生產(chǎn)天數(shù)為 280 天 ； （ 8）淡旺季生產(chǎn)任務(wù)比例： 無(wú)淡旺季 ； 2．指定查閱的主要參考文獻(xiàn)及說(shuō)明 （ 1）吳思方 .發(fā)酵工廠工藝設(shè)計(jì)概論 [M].北京： 中國(guó)輕工業(yè)出版社 .20xx； （ 2）梁世中 .生物工程設(shè)備 [M].北京： 中國(guó)輕工業(yè)出版社 .20xx； （ 3）姚玉英 .化工原理 (上、下 )[M].北京： 天津大學(xué)出版社 .1999； （ 4）陸敏 . 化學(xué)制藥工藝與反應(yīng)器 [M].北京： 化學(xué)工業(yè)出版社 .20xx； （ 5） 季陽(yáng)萍 .化工制圖 [M].北京： 化學(xué)工業(yè)出版社 .20xx； 3．進(jìn)度安排 設(shè)計(jì)（論文）各階段名稱 起 止 日 期 1 查閱資料，初步擬定設(shè)計(jì)方案 03月 10 日 03月 20 日 2 生產(chǎn)工藝論證及工藝參數(shù)的選擇 03月 21 日 04月 12 日 3 工藝計(jì)算 04 月 13 日 04月 24 日 4 車間設(shè)備設(shè)計(jì)、選型及車間布置設(shè)計(jì) 04 月 25 日 05月 15 日 5 圖紙繪制 05 月 16 日 05月 29 日 6 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)修訂、排版及裝訂 05 月 30 日 06月 8 日 7 畢業(yè)答辯 6 月中旬 摘要 I 摘 要 本畢業(yè)設(shè)計(jì) 以 青霉素 G 鈉 為背景 ，進(jìn)行 年產(chǎn) 1200 噸青霉素 鈉鹽 發(fā)酵 車間 工藝 初步設(shè)計(jì) ， 為了實(shí)現(xiàn) 產(chǎn)黃青霉 菌種放大 培養(yǎng) 的平穩(wěn)過(guò)渡，設(shè)計(jì)采用 目前主流的 三級(jí)發(fā)酵工藝進(jìn)行青霉素的生產(chǎn)，菌種經(jīng)種子發(fā)酵罐擴(kuò)培后進(jìn)入二級(jí)種子發(fā)酵罐再進(jìn)入發(fā)酵罐。 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。 在本設(shè) 計(jì)充分 考慮 了理論設(shè)計(jì)量的合理性，又兼顧實(shí)際生產(chǎn) 中 的可行性 ，分析了發(fā)酵控制因素，對(duì) 物料、能量等進(jìn)行了計(jì)算，力求 讓 設(shè)計(jì)完整及準(zhǔn)確無(wú)誤。 fermentation。 process。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。為改變這種 局面， 科學(xué)家 進(jìn)行了長(zhǎng)期探索，然而在這方面所取得的突破性進(jìn)展卻源自一 次意外 發(fā)現(xiàn)。用顯微鏡觀察培養(yǎng)皿時(shí)發(fā)現(xiàn)，霉菌周圍的葡萄球菌菌落已被溶解。此后的鑒定表明，上述霉菌為點(diǎn)青霉菌，因此弗萊明將其分泌的抑菌物質(zhì)稱為青霉素。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。在這些研究成果的推動(dòng)下，美國(guó)制藥企業(yè)于 1942 年開(kāi)始對(duì)青霉素進(jìn)行 批量化 生產(chǎn)。當(dāng)時(shí) 美國(guó) 和 英 國(guó)正在和納粹德國(guó)交戰(zhàn)。到 1944 年 底 ， 青霉素 藥物的供應(yīng)已經(jīng)足夠治療第二次世界大戰(zhàn)期間所有參戰(zhàn)的盟軍士兵。 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(kāi)了中國(guó)生產(chǎn)抗生素的歷史。上世紀(jì) 80 年代以后，世界青霉素生產(chǎn)格局悄然發(fā)生了變化，這緣于中國(guó)與印度抗生素工業(yè)的崛起。四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 1978 年，我國(guó)實(shí)行以市場(chǎng)化為導(dǎo)向的改革開(kāi)放新政策，我國(guó)的制藥工業(yè)以前所未有的速度高速發(fā)展，到 20 世紀(jì) 80 年代末、 90 年代初，我國(guó)生產(chǎn)的青霉素工業(yè)鹽已占了世界總產(chǎn)量的三分之一。上述三種產(chǎn)品占抗感染藥物原料藥的 78%，用于生產(chǎn)這些半合成產(chǎn)品所需消耗的青霉素約占全部產(chǎn)量的 四分之三 。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。中國(guó)青霉素行業(yè)發(fā)展迅速。面對(duì)國(guó)際市場(chǎng)對(duì)青霉素產(chǎn)品的需求的減弱和國(guó)內(nèi)市場(chǎng)抗生素產(chǎn)品的升級(jí)，可知我國(guó)的青霉素需求量還是呈上升趨勢(shì)。側(cè)鏈基團(tuán)不同，形成不同的青霉素，主要是青霉素 G。 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 。在以后，證明了一個(gè)青霉素單位相當(dāng)于 青霉素鈉。由此， 1mg 青霉素鈉等于 1667 個(gè)青霉素單位 (unit)。細(xì)菌的細(xì)胞壁是一層堅(jiān)韌的厚膜，主要由多糖組成，也含有蛋白質(zhì)和脂質(zhì)，用以抵抗外界的壓力，維持細(xì)胞的形狀。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)。青霉素作用的部位就是這個(gè)轉(zhuǎn)肽酶。通過(guò)抑制轉(zhuǎn)肽酶，青霉四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 素使細(xì)胞壁的合成受到抑制，細(xì)菌的抗?jié)B透壓能力降低，引起菌體變形，破裂而死亡。 因?yàn)?青霉素的結(jié)構(gòu)與細(xì)胞壁的成分粘肽結(jié)構(gòu)中的 D丙氨酰 D丙氨酸近似，可與后者競(jìng)爭(zhēng)轉(zhuǎn) 肽酶 ，阻礙 粘肽 的形成，通過(guò)抑制細(xì)菌細(xì)胞壁四肽側(cè)鏈和五肽交連橋的結(jié)合而阻礙細(xì)胞壁合成而發(fā)揮殺菌作用。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。對(duì)腸球菌有中等度抗菌作用 。 青霉素的應(yīng)用 臨床應(yīng)用： 40 多年 來(lái) ，主要控制敏感金黃色葡糖球菌、鏈球菌、肺炎雙球菌、淋球菌、腦膜炎雙球菌、螺旋體等引起感染，對(duì)大多數(shù)革蘭氏陽(yáng)性菌（如金黃色葡萄球菌）和某些革蘭氏陰性細(xì)菌及螺旋體有抗菌作用。 產(chǎn)品藥理 青霉素 為β內(nèi)酰胺抗生素對(duì)革蘭陽(yáng)性菌及某些革蘭陰性菌有較強(qiáng)的抗菌作用，金黃色葡萄球菌 (金葡菌 )、肺炎球菌、淋球菌及鏈球菌等對(duì)本品高度敏感；腦膜炎雙球菌、破傷風(fēng)桿菌 、 白喉?xiàng)U菌及梅毒螺旋體也很敏感。 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。本品對(duì)梭狀芽孢桿菌屬、消化鏈球菌厭氧菌以及產(chǎn)黑色素?cái)M桿菌等具良好抗菌作用，通過(guò)抑制細(xì)菌細(xì)胞壁合成而發(fā)揮殺菌作用。當(dāng)前生產(chǎn)能力可達(dá) 50000— 90000μ /ml。今常用綠色絲狀菌為代表。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。 ⑶ 前體 微生物合成含有芐基基團(tuán)的青霉素 G，需在發(fā)酵中加入前體如苯乙酸或苯乙酰胺。 ⑷ 無(wú)機(jī)鹽 包括硫、磷、鈣、鎂、鉀等鹽類。 青霉素發(fā)酵過(guò)程 青霉素發(fā)酵過(guò)程中的代謝變化分為菌體生長(zhǎng)、青霉素合成和菌體自溶三個(gè)階段 [2] 菌體生長(zhǎng)階段 發(fā)酵培養(yǎng)基接種后生產(chǎn)菌在合適的環(huán)境中經(jīng)過(guò)短時(shí)間的適應(yīng)，即開(kāi)始發(fā)育、生長(zhǎng)和繁殖，直至達(dá)到菌體的臨界濃度。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。當(dāng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消耗達(dá)到一定程度，菌體生長(zhǎng)達(dá)到一定濃度，或者溶解氧的供應(yīng)下降到某一水平，即成為限制因素時(shí)，菌體生長(zhǎng)速度減慢；同時(shí)，由于菌體的某些中間代謝產(chǎn)物的迅速積累、原有的酶活力下降以及出現(xiàn)與抗生素合成有關(guān)的新酶等原因，導(dǎo)致生理階段的轉(zhuǎn)變，發(fā)酵就從菌體生長(zhǎng)階段轉(zhuǎn)入青霉素合成階段。在這個(gè)階段，菌體重量有所增加，但產(chǎn)生菌的呼吸強(qiáng)度一般無(wú)顯著變化。此外，由于存在著抗生素合成和菌體合成二條不同的代謝途徑，需要嚴(yán)格控制發(fā)酵條件，以利抗生素合成代謝的進(jìn)行。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(guò)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。 菌體自溶階段 這個(gè)階段菌體衰老，細(xì)胞開(kāi)始自溶，合成青霉素能力衰退，青霉素生產(chǎn)速率下降，氨基氮增加， pH 上升。 此階段一般又稱為菌體自溶期或發(fā)酵后期。 天然青霉素的生產(chǎn)方法 天然 青霉素 G 生產(chǎn)可分為菌種發(fā)酵和提取精制兩個(gè)步驟。用無(wú)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(wú)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(wú)菌空氣，攪拌，在 27 ℃ 下培 養(yǎng) 7 天。 ② 提取精制：將青霉素發(fā)酵液冷卻，過(guò)濾。青霉素 G鈉鹽是將青霉素 G鉀鹽通過(guò)離子交換樹(shù)脂（鈉型）而制得。 6APA 是利用微生物產(chǎn)生的青霉素?；噶呀馇?霉素 G 或 V而得到。 6APA 也可從青霉素 G 用化學(xué)法來(lái)裂解制得，但成本較高?？s合反應(yīng)也可以在裂解液中直接進(jìn)行而不需分離出 6APA。 常見(jiàn)發(fā)酵方式 根據(jù)操作方式的不同，發(fā)酵過(guò)程主要有分批發(fā)酵、連續(xù)發(fā)酵和補(bǔ)料分批發(fā)酵三種類型。傳統(tǒng)的生物產(chǎn)品發(fā)酵多用此過(guò)程，它除了控制溫度和 pH 及通氣以外，不進(jìn)行任何其他控制，操作簡(jiǎn)單。 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(wèn)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。 連續(xù)發(fā)酵 所謂連續(xù)發(fā)酵，是指以一定的速度向發(fā)酵罐內(nèi)添加新鮮培養(yǎng)基，同時(shí)以相同的速度流出培養(yǎng)液，從而使發(fā)酵罐內(nèi)的液量維持恒定，微生物在穩(wěn)定狀態(tài)下生長(zhǎng)。在穩(wěn)定的狀態(tài)下，微生物 所處的環(huán)境條件，如營(yíng)養(yǎng)物濃度、產(chǎn)物濃度、 pH 值等都能保持恒定，微生物細(xì)胞的濃度及其比生長(zhǎng)速率也可維持不變，甚至還可以根據(jù)需要來(lái)調(diào)節(jié)生長(zhǎng)速度。準(zhǔn)備和滅菌等非生產(chǎn)占用時(shí)間，第二章 工藝設(shè)計(jì) 9 提高設(shè)備利用率，節(jié)省勞動(dòng)力和工時(shí)；④由于滅菌次數(shù)減少，使測(cè)量?jī)x器探頭的壽命得 以延 長(zhǎng)，節(jié)約了成本；⑤容易對(duì)過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化控制， 有效地提高發(fā)酵產(chǎn)率。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(guò)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。而新近發(fā)展的一種培養(yǎng)方法則是把固定化細(xì)胞技術(shù)和連續(xù)培養(yǎng) 方法結(jié)合起來(lái)，用于生產(chǎn)丙酮、丁醇、正丁醇、異丙醇等重要工業(yè)溶劑。通過(guò)向培養(yǎng)系統(tǒng)中補(bǔ)充物料，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)，既保證微生物的生長(zhǎng)需要，又不造成不利影響，從而達(dá)到提高產(chǎn)率的目的。 流加發(fā)酵 （ 補(bǔ)料分批發(fā)酵 ）與 分批發(fā)酵 相比，特點(diǎn)在于使發(fā)酵系統(tǒng)中維持 很低的 基質(zhì) 濃度。 ② 避免在培養(yǎng)基中積累有毒代謝物，即代謝阻遏。 對(duì)于好氧發(fā)酵，它可以避免在分批發(fā)酵中因一次性投入糖過(guò)多造成細(xì)胞大量生長(zhǎng)，耗氧過(guò)多，以至通風(fēng)攪拌設(shè)備不能匹配的狀況，還可以在某些情況下減少菌體四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 生成量，提高有用產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率 在真菌培養(yǎng)中，菌絲的減少可以降低發(fā)酵液的粘度，便士物料輸送及后處理 與連續(xù)發(fā)酵相比，它不會(huì)產(chǎn)生菌種老化和變異問(wèn)題，其適用范圍也