工科生毕业专业课程设计.docx

天津大学

生物工程专业课程设计说明书

设计题目：洁霉素发酵车间设计
姓 名：
学 号：
班 级：级生物工程一班
指导老师：
设计成绩：＿＿＿＿＿＿＿＿＿

目 录

第 一 章 设计方案介绍 1
1.1. 洁霉素介绍 1
1.2. 关键设备 1
1.3. 上游生产过程 2
1.4. 下游过程概述 3
1.5. 洁霉素生产工艺步骤草图 4
第 二 章 发酵罐各部分设计计算 5
2.1. 发酵罐结构尺寸 5
2.2. 搅拌功率 7
2.3. 换热设备 8
2.4. 灭菌蒸汽量立即间 10
第 三 章 种子罐各部分设计计算 13
3.1. 一级种子罐 13
3.2. 二级种子罐 15
第 四 章 流加储罐各部分计算 19
4.1. 结构尺寸 19
4.2. 换热设备 19
4.3. 灭菌蒸汽量立即间 21
第 五 章 无菌空气生产设备 22
5.1. 一级种子罐分过滤器 22
5.2. 二级种子罐分过滤器 22
5.3. 发酵罐分过滤器 22
第 六 章 操作规程 23
6.1. 一级种子罐 23
6.2. 二级种子罐 23
6.3. 发酵罐 23
第 七 章 附录 24
7.1. 符 号 说 明 24
7.2. 参 考 文 献 25

第一章 设计方案介绍
1.1. 洁霉素介绍[1]
洁霉素(Jiemycin)又称林可霉素(Lincomycin)，是1962年由美国人Mason等首先从链霉菌(S. lincolnensis)变种培养液经发酵、酸化、提取、精制而得到高效广谱抗生素，分子式为C18H34N2O6S，分子量为406.56。其化学结构以下：

图1 洁霉素(Jiemycin)结构式
洁霉素为白色结晶性粉末，有微臭或特殊臭，味苦，易溶于水、甲醇，略溶于乙醇。熔点145～147℃。遇酸、光和空气稳定。对革兰阳性菌、厌氧菌作用强。洁霉素在医学上关键用于葡萄球菌、链球菌、肺炎球菌及厌氧菌引发多种感染，如呼吸道感染及败血症。对脑膜炎、心内膜炎、白喉、放线菌病也有满意疗效，但通常不作首选。
洁霉素关键作用机理:洁霉素作用于敏感菌核糖体 50S 亚基,阻止肽链延长,从而抑制细菌细胞蛋白质合成,通常系抑菌剂,但在高浓度时,对一些细菌也含有杀菌作用。对大多数革兰氏阳性菌和一些厌氧革兰氏阴性菌有抗菌作用，对革兰氏阳性菌抗菌作用类似红霉素。敏感菌可包含肺炎链球菌、化脓性链球菌、绿色链球菌、金黄色葡萄球菌、白喉杆菌等。 厌氧菌对洁霉素敏感者包含拟杆菌属、梭杆菌、丙酸杆菌、真杆菌、双歧杆菌、消化链球菌、多数消化球菌、产气荚膜杆菌、破伤风杆菌、和一些放线菌等。 洁霉素对粪链球菌、一些梭状芽胞杆菌、奴卡菌、酵母菌、真菌和病毒均不敏感。葡萄球菌对其可缓慢地产。　　

1.2. 关键设备
l 生产能力：年产65吨
l 生产原料：自用糖、口服糖（速效碳源），淀粉（迟效碳源），黄豆饼粉、玉米浆（氮源），NaNO3，NaCl，NH4NO3，KH2PO4，(NH4)2SO4等无机盐
l 操作条件：
一级种子罐：3m3×4个，培养3天，罐温30℃，罐压0.05MPa，空气流量150m3/h，空气压力0.125MPa，搅拌转速60rpm；
二级种子罐：15m3×4个，培养3天，罐温30℃，罐压0.04MPa，空气流量900m3/h，空气压力0.125MPa，搅拌转速60rpm；
三级发酵罐：100m3×4个，培养9天，罐温30℃，罐压0.04MPa，空气流量4000m3/h，空气压力0.125MPa，搅拌转速60rpm。
l 含量：4500u/ml
l 流加发酵：保持糖浓4%，每隔8h取样，低于4%则加1吨40%糖/8h，流加糖量为初始糖量3－4倍。
1.3. 上游生产过程[2,3]
1.3.1 菌种
出发菌株为洁霉素产生菌链霉菌4-1024(Streptomyces 4-1024)，首先从沙土管取种接种于斜面培养基上，在30℃下恒温培养7d。斜面培养基关键成份包含：可溶性淀粉2.0%、黄豆饼粉0.5%、氯化钠0.1%、硝酸钾0.1%、硫酸镁0.05%、硫酸亚铁0.1%、琼脂1.8%、pH 7.0-7.2。
待气生菌丝成为粉红色，基内菌丝为苍黄色，产生可溶性黄色素，孢子丝柔曲，表面光滑时，可深入进行摇瓶培养，得到菌丝后再进入种子罐中培养，产生较多菌丝体，再接种至发酵罐培养。
1.3.2 培养基
基础培养基中碳源为自用糖、口服糖（速效碳源）、淀粉（迟效碳源）等；氮源有黄豆饼粉、玉米浆等；无机盐包含硝酸钠、硝酸铵、氯化钠、磷酸二氢钾、硫酸铵等；消泡剂常见玉米油和泡敌，可在补料中加入，也可直接加到基础培养基中。
1.3.3 发酵过程
发酵过程目标是使微生物大量分泌抗生素。在发酵之前，相关设备和培养基必需先灭菌。一、二级种子罐及发酵罐均采取蒸汽灭菌系统，采取实消亡菌法。发酵系统包含灭菌系统、搅拌系统、换热系统、补料系统，其中补料尤为关键。
该发酵过程为流加发酵过程，采取三级补料发酵，糖浓度需维持在4%左右，每隔8小时取样一次，若低于4%，则需加入1吨 40%糖/8小时（流加糖量为初始糖量3-4倍），补料关键补葡萄糖、硫铵、氨水，有时也加入缓冲剂CaCO3和消沫剂硅油。
1.4下游过程概述[3]
洁霉素提炼工艺关键分为发酵液预处理及过滤、提取、精制三大步骤。
1.4.1 发酵液预处理及过滤
该步骤是提炼第一道工序，目标是将菌丝和发酵液分开。滤液质量对方便后工序操作及确保成品质量很关键，过滤收率对完成提炼总收率十分关键。
将发酵液用草酸酸化至pH3.0左右，草酸和发酵液中Ca2+结合产生草酸钙，析出草酸钙能促进蛋白凝固。酸化时需加热到40-50℃，合适升温有利于草酸溶解，还能加紧过滤速度。预处理后，采取硅藻土作为助滤剂过滤，得到澄清滤液。
1.4.2 溶剂萃取
1．萃取 采取丁醇作为萃取剂。萃取前需将发酵滤液pH调至10左右，此时洁霉素在丁醇和水之间分配系数达成最大值。萃取后，大部分无机杂质和含氮化合物等酸性物质留在水相中，部分有机碱性杂质随洁霉素一起转移到有机相中。
2. 浓缩和洗涤 用真空薄膜浓缩方法提升萃取液浓度，再用pH>8NaOH溶液洗涤，除去萃取相中易溶于水杂质。
3. 反萃取 在酸性条件下用水进行反萃取，此时洁霉素以盐形式从有机相转入水相，和有机相中杂质分离。
1.4.3 精制和结晶
利用活性炭脱色是精制关键步骤，它能除去色素、热原等杂质。脱色后加入丙酮结晶，晶体经过干燥后得到成品林可霉素盐酸盐。
1.4.4 下游过程提纯需经过以下过程：
发酵液预处理→发酵液过滤→滤液（2200单位，pH＝10）→丁醇提取（混合－澄清槽）{6000单位}→一次浓缩{8h，6万单位，罐内蒸汽 60℃}→碱水洗涤（透光度8%，碱度1%以下）{静置分层，除去杂质}→二次浓缩，减压蒸馏，水分基础浓缩{30万单位，400L}→粗结晶加HCl 57%，以1:1加入无水乙醇，三通式离心机除水→脱色（加水、活性炭、浓度95%，26-32万单位）→丙酮结晶（通入-5℃冷却水）1:9→干燥→成品，洁霉素盐酸盐
1.5. 洁霉素生产工艺步骤草图一级种子罐
二级种子罐
发酵罐
发酵液预处理
板框过滤机
碱水洗涤罐
双锥干燥器
成品洁霉素盐酸盐
丁醇提取罐
水抽提罐
脱色罐
一次浓缩塔
二次浓缩塔
脱色过滤罐
旋风分离器
粗结晶罐
丙酮结晶罐
双锥干燥器

图2 洁霉素生产工艺步骤草图

第二章 发酵罐各部分设计计算
2.1. 发酵罐结构尺寸[4]
洁霉素发酵为好气发酵，所以选择带通风设备和机械搅拌通用式发酵罐。
发酵罐公称容积为罐圆筒部分容积加上底封头容积之和，即
（2-1）
放线菌发酵罐通常为1.8-2.2[5]，取=2.05，较小可忽略不计，由式（2-1）得：
（2- 2）
所以发酵罐直径为
= =3.89m
取= 4m，则罐身高度
H=2.05*D=2.05*4=8.2m
依据椭圆形封头标准JB1154-73[6]，= 4m椭圆形封头=1000mm，=50mm.
验算总容积：

所以总容积符合要求。
发酵罐搅拌系统采取在罐底部安装两个径向流搅拌器，它们起到分散从底部输入空气作用。本工艺中，发酵罐底部采取六叶圆盘涡轮式后弯叶搅拌器产生径向流。
因为发酵液中含大量菌丝体，粘度较高，在不影响菌丝生长情况下，应取较大值以增大搅拌功率。取=0.36[7]，则

搅拌桨距罐底距离通常和搅拌桨直径相同，即

取发酵罐装填系数=73.0%，则有

得液面高度HL=5.79m.
选两层桨，取搅拌桨间距

在罐壁上安装挡板以消除搅拌产生漩涡。当挡板条件符合下式时，搅拌器功率最大，这种挡板条件叫做全挡板条件[8]：
(2-3)
其中为挡板宽度，为挡板数。
通常选择4块或6块挡板，本设计均选择6块挡板，此时

为了避免培养液中固体成份堆积在挡板背侧，挡板应和罐壁有一定间隙，该间隙通常可取0.1-0.3。本设计取0.25作为系数，则

此时

可知计算合格。
因为通气量较大，搅拌充足，可采取单孔管作为通气装置。空气流量=4000m3/h，压力=0.125MPa.
取管内空气流速=25m/s，则通气管内径为
.
选择2998mm热轧无缝钢管，其内径=0.283m，实际气速为

发酵罐结构尺寸示意图见图2-2。

图3 发酵罐结构尺寸示意图（单位：cm）

2.2. 搅拌功率
采取Rushton算图法计算
不通气时，发酵罐内为均相系，其搅拌功率和搅拌雷诺数相关：
(2-4)
其中为液体密度，为搅拌转速，为液体密度。
洁霉素发酵液粘度通常为60×10-3mPa·s[4]，其密度可取=1100kg/m3。搅拌转速为60r/min，则其搅拌雷诺数为

搅拌功率查Rushton算图计算[8]，得六片弯叶圆盘涡轮在Re=3.802×104时功率因数为4.6，当>300且符合全挡板条件时，则一个搅拌桨搅拌功率为

选2层桨，所以总功率为

通气时，因为气泡存在而使液体表观密度降低，功率减小。可用下式计算[3]：
（2-5）
=0.1962

2.3. 换热设备
本发酵罐容积较大( >5m3)，所以应选择竖直蛇管作为换热装置[3]。通常抗生素在发酵过程中发酵热为16-25MJ/m3·h[5]，本设计中取=20MJ/ m3·h。发酵液体积为80.0m3。
冷却水入口温度取18℃，出口温度取25℃，其定性温度

水在该温度下物性数据为
=998.2kg/m3 =4.182kJ/(kg·℃)
=0.601W/(m·℃) =0.9838mPa·s
冷却水耗量

取管内流速2m/s，分四段同时进水，则换热管内径为

所以选择63.5×4mm热轧无缝钢管，内径为55.5mm。
核实流速

罐温为30℃，求算平均温度差：

发酵罐中竖直蛇管换热总传热系数经验值可取为=4.184×400kJ/(m2·h·℃)[9]，据此值计算换热面积：

换热管所需长度为

2.4. 灭菌蒸汽量立即间[4]
湿热灭菌是直接用加压湿蒸汽进行物或设备容器灭菌。湿热灭菌是发酵生产中普遍使用灭菌方法。用蒸汽将物料升温到115-140℃，保持一定时间，可杀死多种微生物。常见灭菌条件是120℃、20—30分钟。蒸汽在冷凝时释放出大量潜热，并含有强大穿透力，且在高温及有水分存在条件下，，微生物细胞中蛋白质极易凝固而引发微生物死亡，故湿热灭菌含有经济和快速特点，尤其适适用于大量培养基及发酵设备灭菌。
实罐灭菌(简称实消) 是将饱和蒸汽直接通入装有配制好培养基发酵设备进行灭菌一个方法。此法不要另外专用灭菌设备，所以含有投资少、操作简便、染菌机会少等优点，不过，使用蒸汽较集中，而且发酵设备利用率较低。
淀粉培养基灭菌通常选择120℃-125℃，灭菌30分钟。
本设计采取125℃，30min灭菌。取灭菌蒸汽压力为0.4MPa（表压），查饱和水蒸汽表[8]得其温度为151.7℃，汽化潜热为2065.12kJ/kg。
实罐灭菌分为加热、保温和冷却三个阶段，其时间和蒸汽量可分别计算。
2.4.1 加热阶段
加热阶段蒸汽消耗量为
（2-6）
其中为培养基重量，和分别为加热开始和结束时培养基温度，为发酵罐散失热量，通常取加热所需热量10-20%；为加热蒸汽潜热。取为加热所需热量20%，则

加热阶段时间为
(2-7)
其中为培养基比热（可取4.184kJ/(kg·℃)），为加热蒸汽温度。所以

2.4.2 保温阶段
保温阶段为30min即0.5h.
保温阶段蒸汽耗量通常为直接加热时30-50%[3]，取40%即

2.4.3 冷却阶段
冷却阶段时间为
(2- 8)
其中
(2- 9a)
c1和c2分别为培养基和冷却水比热，t1s和t1f分别为培养基开始冷却和冷却结束时温度，t2s为冷却水入口温度。
冷却水流量W取40kg/s，则

所以蒸汽总耗量为

灭菌总时间为

第三章 种子罐各部分设计计算
3.1. 一级种子罐
3.1.1 结构尺寸
一级种子罐仍选择通用式发酵罐，其直径为
m
取=1.30m，罐身高度
m.
依据椭圆形封头标准JB1154-73[9]，D=1.3m椭圆形封头ha=325mm，hb=25mm.
验算总容积：

所以总容积符合要求。
该种子罐容积较小，可在底部安装一个六叶圆盘涡轮式后弯叶搅拌器。搅拌器结构尺寸为：

.

空气流量V=150m3/h，压力P=0.125MPa. 取管内空气流速u=25m/s，则通气管内径为
.
选择603mm热轧无缝钢管，其内径Dp=0.054m，实际气速为

3.1.2 搅拌功率
搅拌雷诺数为

查Rushton算图[8]得六片弯叶圆盘涡轮在Re=4.015×103时功率因数为4.5
当Re>300且符合全挡板条件时，搅拌功率

通气时有

=0.8435

3.1.3 换热装置
一级种子罐体积小于5m3，可采取外夹套作为换热装置。取装填系数=75%，种子液体积为3.77×75%=2.83m3.
夹套传热系数可取K=4.184×150 kJ/(m2·h·℃)[9]，换热面积

由以上数据可求出对数平均温差

冷却水入口温度为18℃，试差得出口温度为24.3℃。
冷却水耗量

3.1.4 蒸汽灭菌量立即间
一级种子罐仍采取实罐灭菌。
3.1.4.1. 加热阶段蒸汽消耗量为

加热阶段时间为

3.1.4.2. 保温阶段蒸汽耗量为

3.1.4.3. 冷却阶段时间计算以下,设冷却水耗量取1.2kg/s，

所以蒸汽总耗量为

灭菌总时间为

二级种子罐
3.2.1 结构尺寸
二级种子罐仍选择通用式发酵罐，其直径为：

取=2.1m,则罐身高度
.
依据椭圆形封头标准JB1154-73[9]，=2.1m椭圆形封头=520mm，=40mm.
验算总容积：

总容积符合要求。
该种子罐容积较小，可在底部安装一个六叶圆盘涡轮式后弯叶搅拌器。搅拌器结构尺寸为：

空气流量=900m3/h，压力=0.125MPa. 取管内空气流速=20m/s，则通气管内径为

选择1406mm热轧无缝钢管，其内径=0.118m，实际气速为

3.2.2 搅拌功率
搅拌雷诺数为

查Rushton算图[8]得六片弯叶圆盘涡轮在Re=1.173×104时功率因数=4.0.
当>300且符合全挡板条件时，搅拌功率

通气时有
（2-10）

3.2.3 换热设备
二级种子罐容积较大( >5m3)，所以应选择竖直蛇管作为换热装置[4]。通常抗生素在发酵过程中发酵热为16-25MJ/m3·h[5]，本设计中取=17MJ/ m3·h。发酵液体积为17×75%=12.75m3。
冷却水入口温度取20℃，出口温度取25℃，其定性温度
℃
水在该温度下物性数据为
=998.2kg/m3 =4.183kJ/(kg·℃)
=0.5989W/(m·℃) =1.0050mPa·s
冷却水耗量

取管内流速2m/s，分四段同时进水，则换热管内径为

选择25×2.5mm冷轧无缝钢管。
罐温为30℃，求算平均温度差：

发酵罐中竖直蛇管换热总传热系数经验值可取为=4.184×400kJ/(m2·h·℃)[9]，依据此值计算换热面积：

换热管所需长度为

3.2.4 蒸汽灭菌量立即间
二级种子罐仍采取实罐灭菌。
3.2.4.1. 加热阶段蒸汽消耗量为

加热阶段时间为

3.2.4.2. 保温阶段蒸汽耗量为
.
3.2.4.3. 冷却阶段时间计算以下, 取冷却水耗量5kg/s，

所以蒸汽总耗量为

灭菌总时间为

第四章 流加储罐各部分计算
4.1. 结构尺寸
洁霉素流加发酵要求保持糖浓3%-4%，发酵过程中流加糖量为初始糖量3-4倍。流加培养液中糖浓度为40%，若初始糖浓度为4%，则流加总量

取流加储罐装填系数=75%，储罐体积应为
.
储罐数量和发酵罐数相同，为4个。
采取平盖、椭圆形封头并带搅拌储罐，取，则有
.
实际容积为

所以容积符合要求。
在储罐底部安装一个六叶圆盘涡轮式后弯叶搅拌器，其结构尺寸为：

4.2. 换热设备
流加储罐大小和二级种子罐相同，所以采取和二级种子罐长度相同换热蛇管，其内径为20mm, 长度为57.2m, 换热面积为17.96m2.
二级种子罐容积较大( >5m3)，所以应选择竖直蛇管作为换热装置[3]。通常抗生素在发酵过程中发酵热为16-25MJ/m3·h[5]，本设计中取=17MJ/ m3·h。发酵液体积为11.50×75%=8.625m3。
冷却水入口温度取20℃，出口温度取25℃，其定性温度

水在该温度下物性数据为
=998.2kg/m3 =4.183kJ/(kg·℃)
=0.5989W/(m·℃) =1.0050mPa·s
冷却水耗量

取管内流速2m/s，分四段同时进水，则换热管内径为

选择20×1.4mm冷轧无缝钢管。
罐温为30℃，求算平均温度差：

发酵罐中竖直蛇管换热总传热系数经验值可取为=4.184×400 kJ/(m2·h·℃)，依据此值计算换热面积：

换热管所需长度为

4.3. 灭菌蒸汽量立即间
流加储罐采取实罐灭菌，因为流加培养液中碳源为葡萄糖，受热易被氧化损失，所以灭菌时间取25min.
4.3.1 加热阶段蒸汽消耗量为

加热阶段时间为

4.3.2 保温阶段蒸汽耗量为
.
4.3.3 冷却阶段时间计算以下，取冷却水耗量取5kg/s，

所以蒸汽总耗量为

灭菌总时间为

第五章 无菌空气生产设备
为了确保除菌效果，每台种子罐和发酵罐全部应配置一台空气分过滤器。采取超细玻璃纤维滤纸过滤器，具体结构尺寸计算以下：
5.1. 一级种子罐分过滤器
分过滤器滤层直径，其中为经过分过滤器空气流量，为经过分过滤器气速。取= 0.2m/s, 则有

分过滤器直径通常取1.1到1.3倍滤层直径[9]，取1.2倍，则有

圆整取=650mm.
一级种子罐分过滤器和一级种子罐配套，共4个。
5.2. 二级种子罐分过滤器

圆整取=1600mm.
二级种子罐分过滤器和二级种子罐配套，共4个。
5.3. 发酵罐分过滤器

圆整取=3500mm.
发酵罐分过滤器和发酵罐配套，共4个。

第六章 操作规程
6.1. 一级种子罐
向一级种子罐中加入75%体积培养基，开始搅拌。先向夹套中通入蒸气预热至90℃，再从进气口、排料口等处直接通入蒸气加热至125℃，保温30min. 向夹套中通入冷却水至罐温降至30℃. 接入摇瓶培养菌种，150m3/h通气搅拌培养2-3天至菌浓符合要求为止。培养过程中向夹套中通入合适流量冷却水，控制罐温在30℃±0.5℃.
6.2. 二级种子罐
向二级种子罐中加入75%体积培养基，开搅拌。先向蛇管中通入蒸气预热至90℃，再从进气口、排料口等处直接通入蒸气加热至125℃，保温30min. 向夹套中通入冷却水至罐温降至30℃. 压差法接入一级种子罐培养菌种，900m3/h通气搅拌培养2-3天至菌浓符合要求为止。培养过程中向夹套中通入合适流量冷却水，控制罐温在30℃±0.5℃.
6.3. 发酵罐
向发酵罐中加入75%体积培养基，开搅拌。先向蛇管中通入蒸气预热至90℃，再从进气口、排料口等处直接通入蒸气加热至125℃，保温30min. 向夹套中通入冷却水至罐温降至30℃. 压差法接入二级种子罐培养菌种，4000m3/h通气搅拌培养8-10天至产品含量符合要求为止。每8h取样测糖浓度，糖浓度低于4%时加1吨40%糖。培养过程中向夹套中通入合适流量冷却水，控制罐温在30℃±0.5℃.

第七章 附录
7.1. 符 号 说 明

——搅拌桨距罐底距离，m；
——挡板距罐壁距离，m；
——比热，kJ/(kg·℃)；
——罐体直径，m；
——管道内径，m；
——面积，m2；
——搅拌桨直径，m；
——罐身高度，m；
——罐内液体深度，m；
——封头凸出部分高度，mm；
——封头直边高度，mm；
——总传热系数，kJ/(m2·h·℃)
——导热系数，W/(m·℃)；
——长度，m；
——搅拌桨个数；
——搅拌功率，kW；
——通气系数，kW；
——通气时搅拌功率，kW；
——转速，r/min；
——挡板数；
——发酵热，kJ；
——热损失，kJ；
——搅拌桨间距，m；
蒸汽消耗量，kg；
——温度，℃；
——对数平均温差，℃；
——流体流速，m/s；
——挡板宽度，m；
——冷却水耗量，kg/s；
——公称容积，m3；
——封头容积，m3；
——罐身容积，m3；
——实际容积，m3；
——装填系数；
——密度，kg/m3；
——粘度，mPa·s；
——时间，s；

7.2. 参 考 文 献

1. 朱素贞, 微生物制药工艺. 北京: 中国医药科技出版社, .
2. 顾觉奋, 抗生素. 上海: 上海科学技术出版社, .
3. 俞俊棠, 抗生素生产设备. 北京: 化学工业出版社, 1982.
4. 俞文和, 新编抗生素工艺学. 北京: 中国建材工业出版社, 1996.
5. 石荣华 and 虞军, 大型发酵罐设计及实例. 医药工程设计杂志, . 23(1): p. 5-10.
6. 吴思方, 发酵工厂工艺设计概论. 北京: 中国轻工业出版社, 1995.
7. 梅乐和, 姚善泾, and 林东强, 生化生产工艺学. , 北京: 科学出版社.
8. 柴诚敬，张国亮, 化工流体流动和传热. , 北京: 化学工业出版社.
9. 吴思方, 发酵工厂工艺设计概论. 1995, 北京: 中国轻工业出版社.