【正文】 比連續(xù)發(fā)酵廣。 因?yàn)?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。 而且 微生物合成含有芐基基團(tuán)的青霉素 G，需在發(fā)酵中加入前體苯乙酰胺。 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(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， 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)。一級(jí)種子罐、二級(jí)種子罐培養(yǎng)時(shí)間短，一次性投入培養(yǎng)基，中間不補(bǔ)料，發(fā)酵罐考慮到各種由于底物濃度過(guò)高 引起的底物抑制情況以及產(chǎn)物合成期對(duì)營(yíng)養(yǎng)成分的需求，采用中間補(bǔ)料。一級(jí)種子罐采用實(shí)罐消毒，二級(jí)種子罐、發(fā)酵罐培養(yǎng)基采用連續(xù)消毒。 第二章 工藝設(shè)計(jì) 11 工藝流程 根據(jù)工藝設(shè)計(jì)，初步確定工藝流程，見(jiàn)圖 21. 圖 21 工藝流程簡(jiǎn)圖 發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化控制 發(fā)酵過(guò)程中溫度的控制 青霉素發(fā)酵的最適溫度隨所用菌株的不同可能稍有差別 ， 但一般認(rèn)為應(yīng)在 25℃ 左右。對(duì)菌絲生長(zhǎng)和青霉素合成來(lái)說(shuō) ， 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(guò)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。 發(fā)酵過(guò)程中 pH 的控制 菌體生長(zhǎng)的最適 pH和產(chǎn)物合成 的最適 pH 可能不一樣， 青霉素發(fā)酵的最適 pH 值一般認(rèn)為在 左右 ， 有時(shí)也可以略高或略低一些 ， 但應(yīng)盡量避免 pH值超過(guò) ， 因四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 為青霉素在堿性條件下不穩(wěn)定 ， 容易加速其水解。過(guò)高的流加速率造成酸性中間產(chǎn)物的積累使 pH值降低；過(guò)低的加糖速率不足以中和蛋白質(zhì)代謝產(chǎn)生的氨或其他生理堿性物質(zhì)代謝產(chǎn)生的堿性化合物而引起 pH值上升。 在 發(fā)酵液 pH 和氨氮含量都低時(shí)，補(bǔ)加氨水，就可以達(dá)到調(diào)節(jié) pH 和補(bǔ)充氨氮的目的。 發(fā)酵過(guò)程中溶解氧的控制 (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。如果罐壓太高影響空氣進(jìn)罐流量 ， 同時(shí)二氧化碳的溶解度也大幅度上升 ， 因此罐壓不能控制太高 ， 一般在 (0. 2～ 0. 5) MPa ， 相反當(dāng)罐壓太低時(shí) ， 氧在發(fā)酵液中的溶解度更低 ， 不利于菌體生長(zhǎng)。 (3) 通氣流量： 通氣流量也會(huì)影響溶解氧（ Do）的溶解度大小。若通氣流量過(guò)低 ， 這些泡沫中的氣體不能及時(shí)交換 ， 氣泡內(nèi)的氧氣很快被消耗 ， 并充滿了二氧化碳 ， 使菌呼吸受到抑制 ， 直接 影響發(fā)酵產(chǎn)量。 發(fā)酵過(guò)程中菌絲濃度的控制 發(fā)酵過(guò)程中必須控制菌絲濃度不超過(guò)臨界菌體濃度 ， 從而使氧傳遞速率與氧消耗速率在某一溶氧水平上達(dá)到平衡。呼吸強(qiáng)度低的菌株降低發(fā)酵中氧的消耗速率，而通氣與攪拌能力強(qiáng)的發(fā)酵罐及黏低的發(fā)酵液使發(fā)酵中的傳氧速率上升 ， 從而提高臨界菌體濃度。生產(chǎn)上慣稱 鏡檢 ， 根據(jù) 鏡檢 中菌絲形變化和代謝變化的其他指標(biāo)調(diào)節(jié)發(fā)酵溫度 ， 通過(guò)追加糖或補(bǔ)加前體等各種措施來(lái)延長(zhǎng)發(fā)酵時(shí)間 ， 以獲得最多青霉素。因此 ， 生產(chǎn)上根據(jù) 鏡檢 判斷 ， 在自溶期即將來(lái)臨之際 ， 迅速停止發(fā)酵 ， 立刻放罐 ， 將發(fā)酵液迅速送往提煉工段。 循環(huán)水： 20～ 25℃ (△ t=5℃ )， （ MPa），用于 發(fā)酵罐和 空氣冷卻 。 冷鹽水： 10～ 0℃ (△ t=10℃ )， （ MPa），用于料液冷卻保溫 。 (9) 培養(yǎng)基配方及 補(bǔ)料情況： 種子培養(yǎng)基（ g/m3） ： KH2PO4 592， 黃豆餅粉 16500，葡萄糖 4930，碳酸鈣 150，硝酸鉀 150，玉米油 236，油酸甘油酯 4020，豆油 9045，硅油 21. 發(fā)酵初始培養(yǎng)基（ g/m3） ： KH2PO4 1630，黃豆餅粉 45300，葡萄糖 4930，碳酸鈣 150，硝酸鉀 150，玉米油 790，油酸甘油酯 3420，豆油 7530，硅油 56. 發(fā)酵培養(yǎng)基補(bǔ)料 （ g/m3） ： 發(fā)酵過(guò)程中氨水補(bǔ)量按 48（ L/m3）計(jì)算，補(bǔ)料量按 320（ L/m3）計(jì)算，補(bǔ)泡敵按 20（ L/m3）計(jì)算，補(bǔ)消沫油按 20（ L/m3）計(jì)算。 發(fā)酵罐設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo) 擬 設(shè)計(jì)發(fā)酵罐公稱容積 [4]： 0V =200m3 年產(chǎn)量： G =1200 噸 年工作日： m =280天 發(fā)酵周期： t =7d 發(fā)酵周期 =發(fā)酵培養(yǎng)時(shí)間 +輔助時(shí)間 =136hr+32hr=168hr=7d （輔助時(shí)間含清洗、進(jìn)料、消毒、接種時(shí) 間，不含設(shè)備檢修） 發(fā)酵平均單位： mU =70000 單位 /毫升 成品效價(jià)： pU =1667 單位 /毫克 發(fā)酵液收率： m? =90% 裝料系數(shù) : 0? =80% 發(fā)酵熱： FQ =5500kJ/m3 經(jīng)計(jì)算后得公稱容積 ，全容積 m3。 27 24/)3064(3n ????小 （臺(tái)） 故選擇 2 臺(tái)一級(jí)種子罐可滿足生產(chǎn)。 h 二級(jí)種子罐 中Q =5500 70%=10 5 kJ/m3 h (2) 循環(huán)冷卻水（水溫 20～ 25℃，△ t=5℃， ） 循環(huán)水用量（ c=水的 比熱容 h℃ ） k g / h r3 9 0 4 75 10△c 5 ??? 大大 QW 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 QcW t??中中 = hrkg /71 4 5 ???? QcW t??小小 = hrkg /1 1 6 5 ???? 以工作狀態(tài) 6 個(gè)發(fā)酵罐， 3 個(gè)二級(jí)種子罐， 2 個(gè)一級(jí)種子罐計(jì)，并取安全系數(shù) ，則低溫冷卻水總量為： W 總 =（ W大 6+W中 3+W小 2） 103 = （ 39047 6+7143 3+1162 2） 10 3 = = (4) 自來(lái) 水 ① 洗滌用水：采用浸泡式清洗，用水量取設(shè)備公稱容積的 80% W發(fā) 酵 洗 314 9. 39 2m80 % 18 6. 74 ??? W二 級(jí) 洗 3m?= 80%= W一 級(jí) 洗 3m?= 80%= 也可以采用噴淋式清洗，用水量約為罐體積的 10%～ 15%?！?） 直接蒸汽加熱氣耗： 2112() (1 )G C t tS i C s t ?? ? ?? ? ??? （ ? 取 10%） 保溫階段氣耗： S2=(30%~50%) S1 取 40% ? 實(shí)消氣耗： 21122() ( 1 ) ( 1 4 0 % )G C t tS S S i C s t ?? ? ?? ? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ? ? kg9 5 0 2 7%401%10111 2 5 3 271 2 111 0 0 ??????????一級(jí)S ? ? ? ? ? ? %401% ??????????料S ? ? ? ? ? ? %401% 2712111 0 0 ??????????油S ? ? ? ? ? ? %401% 2712111 0 0 ??????????泡敵S 高峰用汽時(shí)段時(shí)，考慮兩發(fā)酵罐 ， 一 個(gè) 二級(jí)種子罐空消、一 個(gè) 一級(jí)種子罐和各補(bǔ)料罐同時(shí)實(shí)消，并取安全系數(shù) ， 1 . 2 ( 2 1 1 )S S S S S S? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? 發(fā) 酵 二 級(jí) 一 級(jí) 料 油 泡 敵 ? ?? ?????????? = ? kg 空氣 (1) 通氣消耗壓縮空氣量： 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 ()gQ VVM V??? 公 發(fā)酵罐 m i n/% 3mQ g ???? 二級(jí)種子罐 30. 15 38 .8 3 70 % 4. 07 7 m / m ingQ ? ? ? ? 一級(jí)種子罐 65% m / m i ngQ ? ? ? ? (2) 壓料用壓縮空氣量： 經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為： 315m / min (3) 總計(jì)： 取安全系數(shù)為 ，假設(shè)最大工作量為 6 發(fā)酵罐、 3 二級(jí)種子罐、 2 一級(jí)種子罐通氣，兩發(fā)酵罐、一 個(gè) 二級(jí)種子罐、一 個(gè) 一級(jí)種子罐壓料，則高峰空氣用量為： ? ? ?????????????? 一級(jí)壓二級(jí)壓發(fā)酵壓一級(jí)二級(jí)發(fā)酵 ggggggQg gQ? ? ? ????????? = 3m/min ? 要求配套設(shè)計(jì)空氣系統(tǒng)供給 3m/min 的壓縮空氣量。 (2) 料液高度： 3LC21 3 1= H + D =4 85 4CVDHDD? ? 3 80% 1= 4? ? ? ??? = (3) 傳熱面積計(jì)算 蛇管傳熱系數(shù)取 900 kcal/㎡ .h.℃ 發(fā)酵溫度為 27℃，循環(huán)水為 20～ 25℃，低溫水為 9～ 14℃， 則傳熱溫差 ： 1 ( 2 7 2 0 ) ( 2 7 2 5 ) 3 .9 92 7 2 02 7 2 5mt In? ? ?? ? ???℃ 2 ( 2 7 9 ) ( 2 7 1 4 ) 1 5 .3 82 7 92 7 1 4mt In? ? ?? ? ???℃ 設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)均取傳熱溫差較小的循環(huán)水?dāng)?shù)據(jù) 則傳熱面積為 ： 25 2 0 0 mtmk QA ??????? 取 230m2 (4) 冷卻水管計(jì)算 最大熱負(fù)荷下耗水量： 第四章 設(shè)備設(shè)計(jì)及選型 25 hrkgC QW /3 9 0 4 5 ??????? 大大 冷卻水流速 ～ 3m/s，取 2 m/s 冷卻水管總截面積： 3 6 0 01 0 0 02 3 9 0 4 8 mVWS ??????? 進(jìn)水總管直徑 ： mS 3 ???? ?總 取 mm85d ?總 (d 總 ： 內(nèi)直徑， 外徑： 95mm， 水管壁厚： 5mm) ① 內(nèi)蛇管（選冷拔無(wú)縫鋼管 GB816388） 取冷卻管豎直蛇管組數(shù) n=12，計(jì)算冷卻蛇管管徑： mn Sd 30 ?? ???? ? 查流體管 GB816320xx 取 ,25d 0 ??? mm 冷卻管總長(zhǎng) ： mdAAAL 9 2 90 2 3 000 ????? ?? 外加 15 米連接管，則 L總 ??? 每組蛇管長(zhǎng) ： mnLL 0 ??? 取豎蛇管兩直管（相對(duì)的蛇管）距離為 ， 則兩端彎管總長(zhǎng)： 0 0 .5 1 .5 7I D m??? ? ? ? 取罐內(nèi)附體體積為 3m 罐內(nèi)總體積 ： V V V V? ? ?總 液 管 附 體 . 02 50. 78 5% 2 ?????? = m3 筒體部分液深 =VVS?總 封 23 ?? ?? 豎蛇管總高 H管 =液深 +深入封頭部分（取 ） = 直管高 hH? 管 ?兩 端 彎 管 高 == 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 26 一圈管長(zhǎng) mIhI 0 ?????? 12 組蛇管每組繞 6 圈，則 傳熱面積 mI ????????? ?? 壁距取 ，管間距取 倍管徑， 校核筒體內(nèi)寬度 筒體內(nèi)寬度 =攪拌器 +（管徑 4+管間距 3+壁距） 2 （攪拌器寬度取 ） =+ （ 4+ 25 12+） 2 =＜ ?寬 度 合 格 ② 外加盤管（取熱軋無(wú)縫鋼管 GB816387 7146?? ） ??? ??? DdA? 取 70 圈，間距 校核總傳熱面積 A A A??蛇 管 盤 管 ?????? =＞ 230m2 校核總高度 ???????? 間距管徑h =＞ ? 面積和高度都合格 (5) 攪拌器設(shè)計(jì)及功率計(jì)算 [9] ① 攪拌器設(shè)計(jì) 進(jìn)行攪拌槳葉設(shè)計(jì) ， 初定放三檔槳葉 ， 由于上、中、下道槳所處液位不一樣 ，因壓強(qiáng)關(guān)系致使通風(fēng)量體積改變 ， 在發(fā)酵罐罐徑不變情況下氣流通過(guò)液量的流速就會(huì)不一樣 ， 由生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)可知： V 底 ＜ V 中 ＜ V 上 。中、上道槳處氣體已均勻分散在液體中 ， 因氣流速度加快致使槳葉打碎氣泡作用減小 ， 又同時(shí)因氣速加快氣流起攪拌作用致使槳葉攪拌作用也大大減小。根據(jù)以上計(jì)算和分析 ， 可改變以往上 、中、下道槳葉徑統(tǒng)一的常規(guī)設(shè)計(jì) ，即底道槳葉徑加大 ， 中、上道槳葉徑縮小的設(shè)計(jì)構(gòu)思。通風(fēng)攪拌關(guān)鍵槳是底道槳 ， 故而設(shè)計(jì)時(shí)有意加大底道槳葉的葉徑及葉片數(shù) ， 同時(shí)相應(yīng)縮小中、上道槳的葉徑進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)。