1千吨青霉素生产线的工艺设计.doc

南京工业大学
生物与制药工程学院

《发酵设备及工厂设计》课程设计

设计项目名称：年产1千吨青霉素生产线的工艺设计
专业班级： 生工0903
姓名：
学号：
指导老师：

2012年12月

目录
1 设计任务书………………………………………………………
2 设计说明书………………………………………………………
2.1 项目概述…………………………………………………
2.2 原材料的选择……………………………………………
2.3生产方法及工艺路线的确定……………………………
2.3.1 青霉素发酵工艺流程……………………………
2.3.2 培养基的特点……………………………………
2.4 生产流程简述……………………………………………
2.4.1种子培养…………………………………………
2.4.2微生物发酵………………………………………
2.4.3青霉素提取………………………………………
2.5工艺计算…………………………………………………
2.5.1 工艺计算基础数据………………………………
2.5.2 发酵车间的物料衡算……………………………
2.5.3生产1000t青霉素需无菌压缩空气用量………
2.5.4 发酵车间的能量衡算………………………………
2.5.5 其他衡算…………………………………………
2.6 主要设备的选择…………………………………………
2.6.1 原料处理设备……………………………………
2.6.2 输送设备…………………………………………
2.6.3 培养基灭菌设备…………………………………
2.6.4 空气压缩及除菌设备………………………………
2.6.5 设备管道清洗与灭菌………………………………
2.6.6 无菌水设备…………………………………………
2.6.7 罐体及管道………………………………………
2.6.7．1 所选择的主要罐体设备表………………
2.6.7.2 发酵罐几何尺寸……………………………
2.6.7.3 冷却管………………………………………
2.7 车间设备布置设计………………………………………
2.7.1 车间布置原则………………………………………
2.8 安全和环境保护……………………………………………
2.8.1 废水的危害…………………………………………
2.8.2废水处理系统………………………………………
2.8.2.1衡量指标………………………………………
2.8.2.2 工艺流程及各塔作用…………………………
2.8.2.3 废水中有机物的回收处理工段…………………
2.8.3废渣处理系统…………………………………………
2.8.3.1废菌渣的处理机流程…………………………
2.8.3.2 污泥处理………………………………………
2.8.4 废气处理系统…………………………………………
2.8.5 环境保护………………………………………………
2.8.6 执行标准………………………………………………
2.8.7 劳动卫生………………………………………………
2.8.8 消防……………………………………………………
2.8.8.1 消防遵循的原则………………………………
2.8.8.2 消防依据………………………………………
2.8.8.3 安全防护消防…………………………………
2.9设计参考文献…………………………………………………

1、设计任务书
项目名称：年产1000吨青霉素生产线的工艺设计
1.1建设规模、产品方案、生产方法和工作制度
1）建设规模：年产1000T。
2）产品标准：1-乙氧甲酰乙氧6-〔D（-）-2-氨基-2-乙酰氨基〕青霉烷酸盐酸盐
分子式：C16H18N2O4S·HCl 分子量：384.5 性状：白色结晶性粉末，易溶于水
国家标准GB8245—87规定了饲料级L—氨基酸盐酸盐产品的质量准。 
3）生产方法：青霉素按对其生产的方法分为半合成青霉素和天然青霉素两种。
天然青霉素生产可分为菌种发酵和提取精制两个步骤。①菌种发酵：将产黄青霉菌接种到固体培养基上，在25℃下培养7～10天，即可得青霉菌孢子培养物。用无菌水将孢子制成悬浮液接种到种子罐内已灭菌的培养基中，通入无菌空气搅拌，在27℃下培养24～28h，然后将种子培养液接种到发酵罐已灭菌的含有苯乙酸前体的培养基中，通入无菌空气搅拌，在27℃下培养7天。在发酵过程中需补入苯乙酸前体及适量的培养基。②提取精制：将青霉素发酵液冷却，过滤。滤液在pH2～2.5的条件下，于萃取机内用醋酸丁酯进行多级逆流萃取，得到丁酯萃取液，转入pH7.0～7.2的缓冲液中，然后再转入丁酯中，将此丁酯萃取液经活性炭脱色，加入成盐剂，经共沸蒸馏即可得青霉素G钾盐。青霉素G钠盐是将青霉素G钾盐通过离子交换树脂（钠型）而制得。 本次是针对天然青霉素的发酵部分设计的。
产青霉素的菌株分为球状菌和丝状菌。工业生产中主要用的菌株是产黄青霉菌 ，孢子有绿色与黄色，菌落平坦或皱褶，圆形。青霉穗是分生孢子链状的，深层培养菌丝分为球状和丝状两种。大部分发酵是丝状菌发酵。
4)工作制度：：年工作日按320d计
1.2目建设地点及其气候条件为：
地点：南京市浦口区
年平均气温：15.3℃ 历年平均最高气温：38℃
历年平均最低气温：-4.2℃ 最热平均相对湿度：85%
最冷平均相对湿度：75% 年平均气压：101.65mP
夏季平均气压：100.45mP 年均风速：3.6m/s
年均降落量：1025.6mm 日最大降水量：219.6mm
1.3设计要求
就该项目的发酵工段或空气处理系统进行工艺设计，要求完成：
1.3.1确定合理的工艺路线，提供工艺流程示意图；
1.3.2进行工段的工艺计算，包括物料、热量、水、压缩空气耗量等平衡计算，并提供相应的工艺计算平衡图；
1.3.3对标准设备及非标设备的数量进行计算，选定标准设备型号并就至少一种非标设备的结构进行简单的结构计算，提供所需设备的一览表并至少提供一种非标设备的总装图。
1.3.4绘制带控制节点的工艺流程图；
1.3.5绘制车间设备布置图；
1.3.6绘制设备配管图；
1.3.7编写初步设计说明书。
2、设计说明书
2.1 项目概述
青霉素（Benzylpenicillin/Penicillin）又被称为青霉素G、peillinG、盘尼西林、配尼西林、青霉素钠、苄青霉素钠、青霉素钾、苄青霉素钾。

青霉素是抗生素的一种，是指从青霉菌培养液中提制的分子中含有青霉烷、能破坏细菌的细胞壁并在细菌细胞的繁殖期起杀菌作用的一类抗生素，是第一种能够治疗人类疾病的抗生素。青霉素类抗生素是β-内酰胺类中一大类抗生素的总称。但它不能耐受耐药菌株(如耐药金葡)所产生的酶，易被其破坏，且其抗菌谱较窄，主要对革兰氏阳性菌有效。青霉素结晶很稳定，室温保存数年活性不变；水溶液不稳定，20万u/ml水溶液于30℃放置24h效价下降56%；.不耐热 ；肌肉注射吸收快而安全 ；作用快,维持时间短。
青霉素一般是以钠盐，或者钾盐的形式，并于低温避光处保存。因为制剂中的药物降解（产生青霉烯酸）程度与分装瓶的保管时间、保管温度等因素密切相关。如青霉素溶液中的青霉烯酸的含量在19 ℃ 、4h 增加2 倍，30℃ 4h 增加10 倍，37℃ 4h 则增加20 倍，由此可知青霉素钠溶液配成后存储的时间越长、存储环境的温度越高，产生的青霉烯酸就越多，就越容易出现过敏反应（过敏性休克）。因此，青霉素盐应该现配现用。
钠盐或钾盐白色结晶性粉末。无臭。有吸湿性。易溶于水、生理食盐水或葡萄糖溶液中。微溶于乙醇，且易失效。不溶于脂肪油或液状石蜡。遇酸、碱、氧化剂、重金属等也易失效。水溶液极不稳定，干粉密封于小瓶内保存，临用前配制溶液。适用于葡萄球菌、链球菌、肺炎球菌、淋球菌、脑膜炎球菌等所引起的感染性疾病。
青霉素是β－内酰胺内抗生素，作用机理如下：
（1）通过竞争细菌的粘肽合成酶，即青霉素结合蛋白（penicillin binding proteins，PBP），抑制细胞壁的粘肽合成，造成细菌细胞壁缺损，大量的水分涌进细菌体内，使细菌肿胀、破裂、死亡；
（2）促发自溶酶活性，使细菌溶解。细菌具有特定的细胞壁合成需要的合成酶，即青霉素结合蛋白（penicillin binding proteins, PBP）当β-内酰胺类抗菌药物与PBP结合后，PBP便失去酶的活性，是细胞壁的合成受到阻碍，最终造成细胞溶解、细菌死亡。PBP按分子量的不同可分为五种：每种又有若干亚型，这些PBP存在于细菌细胞的质膜中，对细菌细胞壁的合成起不同的作用。
最初青霉素的生产菌是音符型青霉菌，生产能力只有几十个单位，不能满足工业需要。随后找到了适合于深层培养的橄榄型青霉菌，即产黄青霉（P. chrosogenum），生产能力为100U/ml。经过X、紫外线诱变，生产能力达到1000－1500U/ml。随后经过诱变，得到不产生色素的变种，目前生产能力可达66000－70000U/ml。青霉素是抗生素工业的首要产品。

2.2 原材料的选择
本设计要求以黄豆饼粉和产黄青霉菌为原料，但是，工业上选择生产原料时，不但要考虑工艺上的要求，还要考虑生产管理和经济上的可行性。在大规模工业生产中，选择原料一般要考虑到下述要求：
(1)因地制宜，就近取材，价格低廉；
(2)原料中可利用成分高，末严重污染，抑制生长和产酸的物质要少或能够去除，能满足工艺上的要求；
(3)原料资源丰富，便于采购运输，适于大规模储藏，保证生产上的供应。

2.3生产方法及工艺路线的确定
2.3.1 青霉素发酵工艺流程
冷冻管（25°C，孢子培养，7天）——斜面母瓶（25°C，孢子培养，7天）——大米孢子（26°C，种子培养56h,1:1.5vvm）——一级种子培养液（27°C，种子培养，24h,1:1.5vvm）——二级种子培养液（27~26°C,发酵,7天,1:0.95vvm）——发酵液。
2.3.2 培养基的特点
① 碳源的选择
生产菌能利用多种碳源，乳糖、蔗糖、阿拉伯糖、甘露糖、淀粉和天然油脂。从经济核算角度，生产成本中碳源占12%以上，对工艺影响很大。糖与6—APA结合形成糖基—6—APA，影响青霉素的产量。葡萄糖、乳糖结合能力强，而且随时间延长而增加。发酵初期，利用快效的葡萄糖进行菌丝生长。当葡萄糖耗尽后，利用缓效的乳糖，使PH稳定，分泌青霉素。目前采用淀粉的酶水解产物，葡萄糖化液流加，而不是流加葡萄糖，以降低成本。
②氮源的选择
由于玉米浆质量不稳定，可用黄豆饼粉代替。
③无机盐
包括硫、磷、镁、钾等。铁有毒，控制在30μg/ml以下。
④流加控制
根据残液PH、尾气中CO2和O2的含量，残糖在0.6%左右，PH开始升高时加糖。流加硫酸铵、氨水、尿素进行补氮，控制氨基氮0.05%。
⑤添加前体
不加侧链前体时，青霉素生产多种青霉素混合物。因此在合成阶段，添加苯乙酸及其衍生物前体，苯乙酰氨、苯乙氨、苯乙酰甘氨酸等均可为青霉素侧链的前体，直接掺入青霉素分子中，具有刺激青霉素合成的作用。但浓度大于0.19%时对细胞和合成有毒性，还能被细胞氧化。需要低浓度流加前体，一次加入量低于0.1%，保持供应速率略大于生物合成需要。发酵过程中采用补料分批操作法，对葡萄糖、铵、苯乙酸进行缓慢流加,维持一定的最适浓度。葡萄糖的流加，波动范围较窄，浓度过低使抗生素合成速率减慢或停止。过高则导致呼吸活性下降，甚至引起自溶，葡萄糖浓度调节是根据PH、溶氧量或CO2释放率予以调节。
⑥培养基种类特点
发酵工艺中,按菌种生长环境顺序，培养基有:
A:种子培养基 B:发酵初始培养基 C:发酵培养基补料
⑦菌种生长
产青霉菌的菌种在发酵条件下，深层培养，经历了7个不同时期，每个时期有其菌体形态特征。在规定时间取样，通过显微镜检查（生产上习惯称为镜检）这些形态变化，用于过程控制。
第一期：分生孢子萌发，形成芽管，原生质未分化，具有小泡。
第二期：菌丝繁殖，原生质体具有嗜碱性，类脂肪小颗粒。
第三期：形成脂肪包涵体，累积储藏物，没有空泡，嗜碱性强。
第四期：脂肪包涵体形成小滴并减少，中小空泡，原生质体嗜碱性减弱，开始产生抗生素。
第五期：形成大空泡，有中性染色大颗粒，菌丝成桶状，脂肪包涵体消失，青霉素产量最高。
第六期：出现个别自溶细胞，细胞内无颗粒，仍然桶状，释放游离氨，PH上升。
第七期：菌丝完全自溶，仅有空细胞壁。
1~4期为菌丝生长期，3期的菌体适宜为种子。4~5期为生产期生产能力最强，通过工艺措施，延长此期，获得高产。在第六期到来之前结束发酵。
(3)工艺控制及要点
①影响发酵产率的因素
基质浓度在分批发酵中，常常因为前期基质量浓度过高，对生物合成酶系产生阻遏（或抑制）或对菌丝生长产生抑制（如葡萄糖和钱的阻遏或抑制,苯乙酸的生长抑制）,而后期基质浓度低限制了菌丝生长和产物合成,为了避免这一现象,在青霉素发酵中通常采用补料分批操作法,即对容易产生阻遏、抑制和限制作用的基质进行缓慢流加以维持一定的最适浓度。这里必须特别注意的是葡萄糖的流加,因为即使是超出最适浓度范围较小的波动,都将引起严重的阻遏或限制,使生物合成速度减慢或停止。目前,糖浓度的检测尚难在线进行,故葡萄糖的流加不是依据糖浓度控制,而是间接根据pH值、溶氧或C02释放率予以调节。
②温度
青霉素发酵的最适温度随所用菌株的不同可能稍有差别,但一般认为应在25 °C 左右。温度过高将明显降低发酵产率,同时增加葡萄糖的维持消耗,降低葡萄糖至青霉素的转化率。对菌丝生长和青霉素合成来说,最适温度不是一样的,一般前者略高于后者,故有的发酵过程在菌丝生长阶段采用较高的温度，以缩短生长时间,到达生产阶段后便适当降低温度,以利于青霉素的合成。
③pH值
青霉素发酵的最适pH值一般认为在6.5左右,有时也可以略高或略低一些,但应尽量避免pH值超过7.0,因为青霉素在碱性条件下不稳定,容易加速其水解。在缓冲能力较弱的培养基中,pH值的变化是葡萄糖流加速度高低的反映。过高的流加速率造成酸性中间产物的积累使pH值降低;过低的加糖速率不足以中和蛋白质代谢产生的氨或其他生理碱性物质代谢产生的碱性化合物而引起pH值上升。
④溶解氧
对于好氧的青霉素发酵来说,溶氧浓度是影响发酵过程的一个重要因素。当溶氧浓度降30%饱和度以下时,青霉素产率急剧下降,低于10%饱和度时,则造成不可逆的损害。溶氧浓度过高,说明菌丝生长不良或加糖率过低,造成呼吸强度下降,同样影响生产能力的发挥。溶氧浓度是氧传递和氧消耗的一个动态平衡点,而氧消耗与碳能源消耗成正比,故溶氧浓度也可作为葡萄糖流加控制的一个参考指标。
⑤消沫
发酵过程泡沫较多，需要加入消沫剂，天然油脂如玉米油，化学消沫剂如泡敌。少量多次，不适在前期多加入，影响呼吸代谢。
⑥菌丝浓度
发酵过程中必须控制菌丝浓度不超过临界菌体浓度,从而使氧传递速率与氧消耗速率在某一溶氧水平上达到平衡。青霉素发酵的临界菌体浓度随菌株的呼吸强度(取决于维持因数的大小,维持因数越大,呼吸强度越高)、发酵通气与搅拌能力及发酵的流变学性质而异。呼吸强度低的菌株降低发酵中氧的消耗速率，而通气与搅拌能力强的发酵罐及黏度低的发酵液使发酵中的传氧速率上升,从而提高临界菌体浓度。
⑦菌丝生长速度
用恒化器进行的发酵试验证明，在葡萄糖限制生长的条件下，青霉素比生产速率与产生菌菌丝的比生长速率之间呈现一定的关系。当比生长速率低于0.015h-1h的时候，比生产速率与比生长速率成正比,当比生长速率高于0.015h-1h时,比生产速率与比生长速率无关D因此,要在发酵过程中达到并维持最大比生产速率,必须使比生长速率不低0.015h-1h。这一比生长速率称为临界比生长速率。对于分批补料发酵的生产阶段来说,维持0.015h的临界比生长速率意味着每46h就要使菌丝浓度或发酵液体积加倍,这在实际工业生产中是很难实现的。事实上,青霉素工业发酵生产阶段控制的比生长速率要比这一理论临界值低得多,却仍然能达到很高的比生产速率。这是由于工业上采用的补料分批发酵过程不断有部分菌丝自溶,抵消了一部分生长,故虽然表观比生长速率低,但真比生长速率却要高一些。
⑧菌丝形态
在长期的菌株改良中,青霉素产生菌在沉没培养中分化为主要呈丝状生长和结球生长两种形态。前者由于所有菌丝体都能充分和发酵液中的基质及氧接触,故一般比生产速率较高；后者则由于发酵液黏度显著降低,使气-液两相间氧的传递速率大大提高,从而允许更多的菌丝生长 (即临界菌体浓度较高),发酵罐体积产率甚至高于前者。
在丝状菌发酵中, 控制菌丝形态使其保持适当的分支和长度,并避免结球,是获得高产的关键要素之一。而在球状菌发酵中,使菌丝球保持适当大小和松紧,并尽量减少游离菌丝的含量,也是充分发挥其生产能力的关键素之一。这种形态的控制与糖和氮源的流加状况及速率、搅拌的剪切强度及比生长速率密切相关。

2.4 生产流程简述
空气过滤系统
空气压缩机
空气

37℃±0.5℃

包装
入库
减压浓缩
浓缩液
青霉素抗生素粉
炭脱液
氯仿：异丙醇：28％氨水=2:1:1
层析，氯仿：异丙醇：17％氨水=2:1:1
作兽用抗生素
抗生素洗脱液
1.2mol/L H2SO4 Ph 5.0 ~6.0
转盐
转盐液
60 ~70℃过滤
活性炭脱色，7 ~12Kg/100L
5.0％~5.5％氨水
解吸
解吸液
711树脂
脱色
脱色液
真空度≥856KPa
浓缩、去氨
浓缩液
配料池
预热桶
连消器
维持罐
喷淋冷却器
消泡油
实消
无菌空气
0.1~0.13mol/L 稀氨洗至PH10.0
无盐水洗至无Cl-
饱和树脂
洗涤
0.4mol/L Hcl洗至无Ca2+、Mg2+
提取维生素B
废液
中性溶液
至ph6.4~6.7
加NaOH中和
酸性溶液
发酵液
34±1℃
20h左右
三级发酵罐
搅拌
加水配料
配料
二级种子罐
35±1℃
30 ~38h
一级种子罐
种子摇瓶
9天
种子瓶斜面孢子
分过滤器

图1 青霉素发酵工艺流程示意图

不同原科的深层发酵工艺大同小异，主要差别在于前面的原料处理工艺，而在发酵工段的区别仅在于两个方面，即是否采用种子培养和是否采用补料工艺。

2.4.1种子培养
如果不采用种子培养，即直接采用孢子悬浮液接种至发酵罐。
采用种子培养，则先将孢子接入种子罐中进行培养，然后接入发酵罐。
种子培养的目的是使产黄青霉菌发芽
采用种子培养工艺有下列优点：
（1）缩短了发酵罐的发酵时间，一般可缩短30h左右，从而提高了设备利用率。虽然增设了种子罐，但包括种子罐在内的总罐容量较小，节省设备投资。
（2）种子培养的质量易于控制。直接接种孢子到生产罐中时，相当于在生产罐中进行种子培养。由于受发酵条件的制约，生产罐中的营养物（如氮源，磷源等）不能过多，往往不能满足孢子发芽和生长的需要，因此种子发育较慢。而在种子罐中可以添加适量营养物，以促进种子快速发育，并提高其产酸能力。事实证明可以达到这种效果。
（3）有利于防止杂菌污染。独立的种子培养车间比发酵车间小的多，环境卫生易于控制。在种子罐中单独培养时，接入孢子的密度约是直接接入生产罐的10倍，加上种子发育快，受感染的可能性大大降低。而且，生产罐接入菌丝球以后，很快进入产酸阶段，受感染的可能性小的多。另外，如果出现菌种退化或者在孢子扩大培养阶段出现染菌，也能在种子培养时提早发现，以便即时采取措施。即时倒罐，种子罐的损失也只有生产罐的10%。
（4）总能耗降低。因为种子单独培养时，通气搅拌的动力消耗远低于在生产罐中培养。此外，由于受杂菌感染的可能性大大降低，从而生产培养基的灭菌强度要求较低，节省能耗，也避免了高强度灭菌带来的一些不良后果。

2.4.2微生物发酵
（1）接种
按种前必需对按种管道进行灭菌，灭菌与大罐灭菌同时进行。操作肘，打开生产罐按种口通大气的阀门，由种子罐阀门站或底部通入蒸汽，使蒸汽经过种子罐出料管和按种管道通到大罐按种口，排入大气，这样约20min后，关小蒸汽，但仍保持少量出汽，直等到大罐内发酵按冷到35℃以下才关闭接种口通大气的阀门，并关闭蒸汽阀。然后打开接种阀通发酵罐，关闭种子罐的阀门，并关闭蒸汽阀，用无菌空气将种子培养液压入发酵罐个，按种操作应在半小时内完成。如果种子顾的气压突然下降，则表示料液已经排完，因为这时空气直通到生产罐中，同的，控大罐中的压力升高。
接种后关闭接种阀，仍打开通大气的阀门。种子罐与接种管道要及时清洗，排除残余料液。接种操作时应该注意种子罐的气压不要超过0.2MPa表压，以防泄漏等事故发生，同时要注意生产罐培养基冷却到预定温度后，冷却水仍在畅开，造成培养基冷却过度。
（2）控制
① 温度控制 青霉素发酵的最适温度随所用菌株的不同可能稍有差别,但一般认为应在25 °C 左右。
②pH控制：青霉素发酵的最适pH值一般认为在6.5左右,有时也可以略高或略低一些,但应尽量避免pH值超过7.0
③溶解氧控制： 对于好氧的青霉素发酵来说,溶氧浓度是影响发酵过程的一个重要因素。当溶氧浓度降30%饱和度以下时,青霉素产率急剧下降,低于10%饱和度时,则造成不可逆的损害。
④消沫控制： 发酵过程泡沫较多，需要加入消沫剂，天然油脂如玉米油，化学消沫剂如泡敌。少量多次，不适在前期多加入，影响呼吸代谢。
⑤菌丝浓度控制：发酵过程中必须控制菌丝浓度不超过临界菌体浓度,从而使氧传递速率与氧消耗速率在某一溶氧水平上达到平衡。

2.4.3青霉素提取
青霉素提纯工艺流程简图：

图2 青霉素提取工艺流程简图
  青霉素不稳定，发酵液预处理、提取和精制过程要条件温和、快速，
防止降解。
（1）预处理
发酵液结束后，目标产物存在于发酵液中，而且浓度较低，如抗生素只有10－30Kg/m3，含有大量杂质，它们影响后续工艺的有效提取，因此必须对其进行的预处理，目的在于浓缩目的产物，去除大部分杂质，改变发酵液的流变学特征，利于后续的分离纯化过程。是进行分离纯化的一个工序。
（2）过滤
发酵液在萃取之前需预处理，发酵液加少量絮凝剂沉淀蛋白，然后经真空转鼓过滤或板框过滤，除掉菌丝体及部分蛋白。青霉素易降解，发酵液及滤液应冷至10 ℃以下，过滤收率一般90%左右。
①菌丝体粗长10µm，采用鼓式真空过滤机过滤，滤渣形成紧密饼状，容易从滤布上刮下。滤液pH6.27-7.2，蛋白质含量0.05-0.2%。需要进一步除去蛋白质。
②改善过滤和除去蛋白质的措施：硫酸调节pH4.5-5.0，加入0.07%溴代十五烷吡啶PPB，0.7%硅藻土为助滤剂。再通过板框式过滤机。滤液澄清透明，进行萃取。
(3)萃取
青霉素的提取采用溶媒萃取法。青霉素游离酸易溶于有机溶剂，而青霉素盐易溶于水。利用这一性质，在酸性条件下青霉素转入有机溶媒中，调节pH，再转入中性水相，反复几次萃取，即可提纯浓缩。选择对青霉素分配系数高的有机溶剂。工业上通常用醋酸丁酯和戊酯。萃取2－3次。从发酵液萃取到乙酸丁酯时，pH选择1.8-2.0，从乙酸丁酯反萃到水相时，pH选择6.8-7.4。发酵滤液与乙酸丁酯的体积比为1.5-2.1，即一次浓缩倍数为1.5-2.1。为了避免pH波动，采用硫酸盐、碳酸盐缓冲液进行反萃。发酵液与溶剂比例为3－4。几次萃取后，浓缩10倍，浓度几乎达到结晶要求。萃取总收率在85％左右。
所得滤液多采用二次萃取，用10%硫酸调pH2.0~3.0，加入醋酸丁酯，用量为滤液体积的三分之一，反萃取时常用碳酸氢钠溶液调pH7.0~8.0。在一次丁酯萃取时，由于滤液含有大量蛋白，通常加入破乳剂防止乳化。第一次萃取，存在蛋白质，加0.05-0.1%乳化剂PPB。
萃取条件：为减少青霉素降解，整个萃取过程应在低温下进行（10 ℃以下）。萃取罐冷冻盐水冷却。
(4)脱色
萃取液中添加活性炭，除去色素、热源，过滤，除去活性炭。
(5)结晶
萃取液一般通过结晶提纯。青霉素钾盐在醋酸丁酯中溶解度很小，在二次丁酯萃取液中加入醋酸钾-乙醇溶液，青霉素钾盐就结晶析出。然后采用重结晶方法，进一步提高纯度，将钾盐溶于KOH溶液，调pH至中性，加无水丁醇，在真空条件下，共沸蒸馏结晶得纯品。
直接结晶：在2次乙酸丁酯萃取液中加醋酸钠－乙醇溶液反应，得到结晶钠盐。加醋酸钾－乙醇溶液，得到青霉素钾盐。
共沸蒸馏结晶：萃取液，再用0.5 M NaOH萃取，pH6.4-4.8下得到钠盐水浓缩液。加2.5倍体积丁醇，16－26℃，0.67-1.3KPa下蒸馏。水和丁醇形成共沸物而蒸出。钠盐结晶析出。结晶经过洗涤、干燥后，得到青霉素产品。

2.6 主要设备的选择
2.6.1 原料处理设备
(1)筛选设备
发酵工厂原料中混入的杂质，如沙土、杂草、磁金属等，不除去，会降低原料的出品率，过度磨损设备，使设备发生故障，严重影响设备的工作效能，有些杂质会堵塞管道和阀门使生产瘫痪，所以除去杂质对生产及其重要。

图3 双曲柄摇动筛结构 图4 电磁振动筛结构
1—筛框；2—筛网；3—摇杆； 1—接触器；2—弹簧；3—筛网；4—衔铁
4—连杆；5—偏心轴 5—电磁铁；6—电路；7—电源；8—开关
发酵培养基中的一些原料进行配料前，需通过筛选设备进行处理，这样保证了发酵的正常进行，对设备有良好的保护作用。
（2）粉碎设备
锤式粉碎机、辊式粉碎机、齿爪式粉碎机、湿式粉碎机、球磨机、超微粉碎机等。利用机械力的方法克服固体物料内部凝聚力达到使之破碎的单元操作。粉碎的目的是将固体物料破碎成细小颗粒，以备进一步加工使用，如将薯类、玉米、小麦等粉碎而得到某种粒度的原料，进而将其分离制取淀粉。粉碎机械的选择一般是根据被粉碎物料的硬度、大小、物料的性质以及操作方法来选择合适的粉碎机械。如下图几种粉碎机：

图5 双辊式粉碎机 图6 锤式粉碎机
1,3—辊子；2—固体物料；4—机架 1—加料斗； 2—螺旋加料器；3-转盘
5—弹簧；6—活动轴；7—固定轴承 4—锤头；5—衬板；6—外壳；7—筛板

图7 球磨机结构与工作原理
1—进料口；2—轴承；3—端盖；4—圆筒体；5—大齿圈；6—出料口
（3）混合设备
对于培养基的混合，是保证培养基营养成分均匀的一项重要工作。可供选择的混合设备有:回转型和固定型混合设备。
这里选择固定型混合设备槽式混合机，如下图：

图8 槽式混合机
1—混合槽；2—螺带；3—固定轴；4—机架

2.6.2 输送设备
生产发酵工厂中，为提高劳动生产率、减轻劳动强度、缩短生产周期，要求生产过程连续进行，组成自动生产线。物料在一组设备上完成工序加工后，再由连续运输机械将其运送到另一组设备上进行下一个工序加工，甚至有时直接就在连续运输机上进行各种加工，这就使连续运输机械成为工业自动化的一个重要环节。
根据输送对象主要的输送设备分：固体物料输送设备，液体输送设备和其他输送设备。
2.6.3 培养基灭菌设备
培养基灭菌是指从培养基中杀灭有生活能力的细菌营养体及其孢子，或从中将其除去。工业规模的液体培养基通常采用灭菌的方法除去杂菌，实验室所用的培养基也可采用过滤的方法除去杂菌。培养基灭菌的方式有两种：分批灭菌和连续灭菌。分批灭菌也叫做实消法，是指将培养基置于发酵罐中用蒸汽加热达到预定灭菌温度后维持一段时间，再冷却到发酵温度，然后接种发酵。它这种灭菌不需要其他设备。连续灭菌也叫连消法，是指配置好的培养基在向发酵罐输送的同时即进行加热、保温和冷却三个过程。液体培养基的连续灭菌设备一般在由配料罐、泵、连消塔、维持罐和喷淋冷却器组成的连消设备中进行。
实罐灭菌应注意以下事项
①灭菌前罐内均需用高压水清洗，清除堆积物。
②灭菌时要保证各路进气畅通及罐内培养基翻腾激烈。要控制好温度和压力，严防高温、高压闷罐，否则容易造成培养基成分破坏和pH的升高。灭菌时总蒸汽压力要求不低于(3.0~3.5)×105Pa(绝压)，是用压力不低于2×105Pa(绝压)
③灭菌过程中要保持压力稳定，要严防泡沫升至罐顶或逃液。为节约蒸汽用量，排气量不宜过大，但排气要去保持畅通。
④实罐灭菌或空罐灭菌时必须避免“死角”，即蒸汽到达不了或达不到灭菌温度的地方，以免灭菌比彻底而使系统染菌。采用实罐时，配制培养基是要防止原料结块，在配料罐出口处应装有筛板过滤器(筛孔直径0.5mm)，以防止培养集中的块状物及异物进入罐内。配料罐要注意清洗和灭菌。
⑤灭菌结束后，要引入无菌空气保持罐压，这样可避免罐压迅速下降，以致产生负压并抽吸外界空气。子引入无菌空气前，罐内压力必须低于分过滤器压力，否则培养基(或物料)将倒流入过滤器内
由于实消设备加热和冷却所需时间比较长，发酵罐的利用率不高，培养基中营养成分会遭到一定程度的破坏，而连消法会避免这些发生，虽然设备多一点，但在工业生产中，为了提高效率和减少成本的浪费，从长远角度考虑，一般会采用连消法。
配料罐 送料泵 预热罐 喷射塔（连消塔） 加热器 维持罐 冷却器 发酵罐

图9 加热器示意图
2.6.4 空气压缩及除菌设备
空气除菌就是除去或杀灭空气中的微生物。常用的除菌方法有介质过滤、辐射、化学药品、加热、静电吸附等。制药工业过程所需的无菌空气要求甚高，用量大，故要选择运行可靠、操作方便、设备简单、节省材料和减少动力消耗的有效除菌方法。
(1) 微生物体积很小，空气中附着在尘埃上的微生物大小为0.5~5µm。过滤介质可以除去游离的微生物和附着在其他物质上的微生物。其原理在于空气通过过滤介质时，颗粒在离心场产生沉降，同时惯性碰撞产生摩擦黏附，颗粒的布朗运动使微粒之间相互集聚成大颗粒，颗粒接触介质表面，直接被截留。气流速度越大，惯性越大，截留效果越好。惯性碰撞截留起主要作用，另外静电引力也有一定作用。
无菌空气的制备一般是把吸入的空气先经过压缩机前的过滤器过滤，再进入空气压缩机，从空气压缩机出来的空气(一般压力在1.96×105Pa以上，温度120～150℃)，再冷却到25℃，最后通过总过滤器和分过滤器除菌，从而获得洁净度、压力、温度和流量都符合要求的无菌空气。具有一定压力的无菌空气可以克服在预处理、过滤除菌及有关设备、管道、阀门汇总的压力损失，并在培养过程中能够使发酵罐维持一定的罐压。
因此，过滤除菌的流程必须有供气设备—空气压缩机，对空气提供足够的能量，同时还要具有高效的过滤除菌设备以除去空气中的微生物颗粒。要保持过滤器在比较高的效率下进行过滤，并维持一定的气流速度和不受油、水的干扰，则要有一系列的加热、冷却及分离和除杂设备来保证。

(2)空气预处理与设备 采风塔：在工厂的上风头，高度一般在20m左右，设计流速8m/s。可建在空压机的屋顶上。
粗过滤器：安装在空压机吸入口前，前置过滤器。作用是截留空气中较大的灰尘，保护压缩机，减轻总过滤器的负担，也能起到一定除菌作用。介质为泡沫塑料(平板式)或无纺布(折叠式)，流速0.1－0.5m/s。要求是阻力小，容灰量大。
空气压缩机：作用是提供空气流动的动力。常用往复式、螺杆式、涡轮式空压机。
空气贮罐：消除压缩空气的脉动，用于往复式空压机。螺杆和涡轮式提供均匀连续空气可省去。设置在空压站附近。
冷却器：空气压缩机出口气温一般在120℃，必需冷却。在潮湿季节，除湿。空气冷却器的传热系数为105W/(m2·℃)。采用双程或四程结构，两级串联使用。第一级循环水冷却，第二级低温水(9℃)冷却。设置在发酵车间外。压缩空气每经过1m管道，温度下降0.5～1.0℃。
(3) 油水分离与设备：除去空气中油和水，保护过滤介质。旋风分离器和丝网除沫器两类。
旋风分离器，利用离心沉降原理。结构简单，阻力小，分离效率高。压缩空气的速度15～25m/s，切线方向进入旋风分离器，在环隙内做圆周运动，水滴或固体颗粒被甩向器壁，而收集。完全除去20µm以上离子，对10µm离子的分离效率为60～70%。
丝网除沫器：利用惯性拦截原理。对1µm以上的雾滴除去率98%。
空气加热设备：空气相对湿度仍然为100%，需要降到70%以下，才能进入空气过滤器。列管式换热器，空气走管程，蒸汽走壳程。套夹式加热器，空气走管程，蒸汽走夹套
(4)空气过滤介质与设备：要求除菌效率高，耐受高温高压，不易被油水污染，阻力小，成本低，易更换。常用的介质有棉花、活性炭、玻璃棉、超细比例纤维纸、石棉滤板等。
纤维及颗粒介质过滤器：圆筒形，直径2.5～3m。孔径10～15mm。空气从下方进入，上方引出。常用介质棉花、玻璃纤维、活性炭等。空气