年产400吨红霉素的工艺设计.doc

年产400吨红霉素的生产工艺设计

制 作 人：王正红
学 号：200907224
班 级：生物工程091班
指导老师：康小虎
制作日期：2012.7
目录

一 红霉素的研究现状 3
1.1红霉素的理化性质 3
1.2 红霉素的特性 4
1.3 红霉素的发展阶段 4
1.4红霉素的发酵发展现状 4
1.4.1 生产概况 5
1.4.2 销售概况 6
1.5 前景预测 6
二．立题依据（提出问题，解决问题） 7
2.1材料与方法 7
2.2 诱变方法 8
三 红霉素的生产工艺 8
3.1本设计的工艺原则和流程的确定 8
3.2 菌种选择与培育 9
3.3 培养基的种类及各种成分 9
3.4 发酵条件的控制 12
3.5 提取工艺 14
四 物料衡算 13
4.1总物料衡算 13
4.2发酵车间物料衡算 15
4.3 提取车间物料衡算 16
4.4热量衡算 17
五 设备选型及尺寸计算 18
5.3设备结构的工艺设计 21
5.4 生产成本的计算 25
5.5 红霉素发酵罐 29
5.6 参考文献 ……………………………………………………………………………….30

一 红霉素的研究现状
1.1红霉素的理化性质
分子式：红霉素（Erythromycin）分子式及结构式 :C37H67O13N

分子量：733.94 g/mol
结构：红霉素是由红霉内酯与去氧氨基己糖和红霉糖缩合而成的碱性苷。红霉内酯环含有13个碳原子，内酯环的C-3通过氧原子与红霉糖相联结，C-5通过氧原子与去氧氨基己糖相连接。红霉糖本身不含氮，是含有 一个甲氧基的己糖，去氧氨基己糖。
成分：由链霉素Streptomycin elytrous所产生，是一种碱性抗生素。其游离碱供口服用，乳糖酸盐供注射用。此外，尚有其琥珀酸乙酯（琥乙红霉素）、丙酸酯的十二烷基硫酸盐（依托红霉素）供药用。
1.2 红霉素的特性
红霉素碱易溶于醇类，醚，丙酮，氯仿和醋酸乙酯，醋酸戊酯，不甚溶于水，在水中的溶解度与一般化合物不同，如：60℃，1.14mg/mL；40℃，1.28mg/mL；19℃，3.10mg/mL；7℃，14.20mg/mL；1℃，15.00mg/mL。红霉素在水中的溶解度是随温度升高而减少，以55℃时为最小，因此工业上利用此性质加温至45—55℃并保温，使红霉素碱从水中析出结晶
红霉素为白色或类白色饿结晶或粉末；无臭，苦味，微有引湿性。起水合物熔点为135～140℃，熔溶于甲醇、乙醇或丙酮，微溶于水。无水乙醇（20mg/mL）中比旋度为–71°～–78°。红霉素抗菌谱窄，水溶性小，只能口服半衰期是1～2h，而且在酸中不稳定，易被胃酸破坏，易分解迅速失去活性，因此早期对红霉素的结构修饰为增加红霉素的稳定性和水溶性，主要将红霉素制成各种酯类和盐类的前体药物。为了增加起在水中的溶解性，用红霉素与乳糖醛酸成盐，得到红霉素乳糖醛酸盐，可供注射使用。
由于红霉素的结构中存在多个羟基，在起9位上有一个羟基，因此红霉素在酸性条件下不稳定，易发生分子内的脱水环合。在酸性液中，红霉素C-6上的羟基与C-9的羰基形成半缩酮的羟基，再与C-8上氢消去一分子水，生成8，9-脱水-6，9-半缩酮衍生物。然后C-12上的羟基与C-8，C-9双键加成，进行分子内环合，生成6，9，12-螺环酮；最后起C-11羟基与C-10上的氢消去一分子水，同时水解成红霉胺和克拉定糖。这种降解反应使红霉素失去抗菌活性。
1.3 红霉素的发展阶段
阶段 特点
1. 50年代–80年代（第一代） 红霉素A为代表，部分复合物，基本以发酵产品原药、制剂使用，对许多致病菌如衣原体、支原体、军团菌、幽门螺杆菌、弯曲杆菌活性较强。
2. 80年代–90年代（第二代） 红霉素A的6，9位结构改造物（罗红霉素、克拉霉素、阿奇霉素）为代表，能有效阻止酸催化引起的内酯环的缩酮化，抗耐药性无明显增强。
3. 90年代– （第三代） 3-位脱克拉定糖后氧化形成酮内酯，6-位的取代；11，12位的结构改造，形成二环结构；在此基础上的三环、四环；糖基上的修饰；二位的卤化、酯化等。
1.4红霉素的发酵发展现状
红霉素属大环内酯类抗生素，其水溶液呈强碱性,0 .0 66%的红霉素溶液pH为8.0～10 .5 ,8.5 %浓度的乳糖酸盐pH亦达6.0～7.5。具有广谱抗菌作用，其抗菌谱与青霉素类似，对革兰氏阳性菌尤其敏感，对葡萄球菌，化脓性链球菌，绿色链球菌，肺炎链球菌，白喉杆菌等都有较强的抑制作用。临床主要用于扁桃体炎，猩红热，白喉，淋病，皮肤组织感染等，对于军团肺炎和支原体肺炎可以作为首选药物。也可用于上下呼吸道感染。特别对于不耐青霉素的人也适用。红霉素被收入中国药典外，还被收入美国，日本，等药典。近年来，在竞争激烈的抗生素市场上，红霉素及其衍生物产量还在不断增长，销售节节上升，后市拓展仍有广阔空间。
红霉素最早于1952年的J.M.Mcguire等人在菲律宾群岛土样中分离到的红霉素经发酵制得，美国礼莱公司和Abbott公司最先生产并将产品推向市场多年来红霉素生产稳定增长，20世纪80年代全世界产量已达到800吨，占全球抗生素产量的3.2%20世纪90年代以来，国际市场上红霉素畅销，促进了生产，产量有了较大副增长。1995年产量达到1500吨，1996年达到3200吨，目前为6000吨左右，成为世界抗生素市场上除头孢类和青霉素类以外的第三大抗生素药物。
我国红霉素发酵水平属低水平重复操作，与发达国家相比差距较大。目前国外发酵单位已达8 000～12 000 g／ml，而国内大多企业红霉素发酵水平却一直在4 000～5 000g／ml 。由于国外企业的技术封锁，国内红霉素生产的发酵水平一直比较落后。红霉素发酵水平主要受工作菌种、培养基组成、发酵条件控制以及后期的分离提纯条件等多方面因素的影响，国内很多科技工作者从红霉素发酵相关参数和调控人手，希望提高红霉素发酵水平。目前，响应面法和正交试验法是微生物发酵培养基优化常用的方法，单个因素和多种因素相互作用都会对红霉素的生物合成产生不同程度的影响。
1.4.1 生产概况
我国于1958年研制成功红霉素，1960年上海第三制药厂率先生产，后有江苏、湖南、广东、陕西等地多家企业相继投产。红霉素开始在我国投产时产量很少，全国年产量仅有几吨,其后的20年间产量增长缓慢，年产量在20吨～30吨之间徘徊。改革开放以后，红霉素产量有了大幅增长，1980年达到90吨，1985年翻了一番，达184吨(生产能力为210吨)，1990年为225吨(生产能力为254吨)，1995年为302吨(生产能力为467吨)，1999年达到600吨，2000年为800吨左右(生产能力超过千吨)。据统计自1980年以来的20多年里，我国红霉素产量增长了9倍，生产能力增长了10倍。目前，我国拥有红霉素原料药生产批文的企业近40家。生产规模最小的企业年产量由20年前的2.5吨发展到现今的80吨，生产规模最大的企业年产量由20年前的35吨发展到现在的450吨。由此可见，我国红霉素的生产已由分散型逐步向集约型转变。现在，我国主要的红霉素生产企业为利君制药股份公司、镇江制药厂、杭州中美华东药业公司、湖南岳阳中湘康神药业公司等。利君制药股份公司自从兼并镇江制药厂后，其红霉素产量已占全国产量的50%左右，出口量已占全国出口量的60%左右。我国红霉素多年来都出口海外市场，但总量不大。自20世纪80年代起，我国红霉素年出口量一直徘徊在几吨到几吨之间。近几年,我国红霉素由于受到印度低价产品的挑战，出口严重受阻，特别是罗红霉素、甲红霉素(克拉霉素)这两个红霉素衍生物，印度产品对我国冲击极大。2002年，我国红霉素出口报价80美元/kg，而在国际市场上印度产品仅为70多美元/kg。可喜的是，近年来，我国部分红霉素衍生物系列产品的出口也有较大增长，如利君制药股份公司的琥乙红霉素、湖南岳阳中湘康神药业公司的硫氰酸红霉素等。2000年，我国红霉素衍生物系列产品出口创汇额在我国出口的所有医药原料药中排第35位。2001年，我国出口红霉素产品50余吨，绝大部分为红霉素衍生物。2002年,我国红霉素产品出口创汇2952万美元，比2001年增长了90%，在国出口的所有医药原料药中列第7位。
1.4.2 销售概况
国际市场稳定增长红霉素上市后，由于疗效确切，抗菌谱较广，加之适合于对青霉素过敏的患者，因而市场销售额稳步提高。虽然自20世纪80年代中期起，新的头孢菌素类、氨苄青霉素类、喹诺酮类药物大量涌现，抢占抗生素市场，但红霉素凭借其疗效可靠、价格低廉、副作用较小等优点，仍占据一定的市场份额。近年来，人们相继研制出多种红霉素衍生物，如依托红霉素、琥乙红霉素、地红霉素、罗红霉素、阿奇霉素、甲红霉素(克拉霉素)等等这些新的半合成红霉素与红霉素相比，对酸更稳定，血药浓度较高，半衰期延长，口服生物利用度更高，疗效更好，且毒副反应也有所减少，因而上市后大受欢迎，销售额急速上升。1988年，辉瑞公司研制成功阿奇霉素，在美国上市的第一年销售额就达8000万美元，以后销售额连创新高。2000年，阿奇霉素全球销售额达13.82亿美元，在全球前200位畅销药物中列第25位。1991年,雅培公司研制出克拉霉素，1993年全球销售额就达4亿美元,1996年达5亿美元，1998年超过10亿美元。1999年，克拉霉素全球销售额达15亿美元，在全球最畅销的200个药物中列第2位；2000年为12.4亿美元，列第31位。2003年度7－ACA曾经出现的650元/kg价格，其销量也是大的惊人。目前看来抗生素类药物的市场依然是有增无减。
1.5 前景预测
据分析，今后红霉素及其衍生物系列产品的市场仍有较大拓展空间，销售额还将持续增加，理由有以下几点：
1.5.1临床应用有特色：红霉素特别是其衍生物疗效确切，抗菌谱广，抗菌活性强既可口服，又可注射，不良反应小，对某些细菌感染的疾病有独特的疗效，如军团菌肺炎和支原体肺炎等，被列为这些疾病的首选药物。另外，红霉素对泌尿生殖系统感染(包括性病)的治疗效果良好。近年来，我国泌尿生殖统感染疾病的发病率在不断上升，患者众多，对抗菌药物需求很大。而红霉素及其衍生物对青霉素过敏的患者也适用，应用面较广。此外，近几年，我国革兰阳性菌感染又有所抬头，患病率增加。红霉素及其衍生物对该类感染疗效尤佳，后市用量将会不断增长。
1.5.2市场消费需求大：多年来，在我国药品市场中，抗感染药物的销售额始终位居第1，目前年销售额已达400多亿元人民币，占全国年药品销售总额的30%左右。在抗感染药物市场中，大环内酯类抗生素和头孢菌素类、喹诺酮类、青霉素类一起，成为四大主力军团。而红霉素及其衍生物长期以来一直占据着85%左右的大环内酯类抗生素市场份额，正处于销售成熟期。全国有红霉素及其衍生物的制剂生产企业近200家，剂型有片剂(普通片、糖衣片、肠溶衣片、肠溶薄膜片等)、胶囊、冲剂、干糖浆、丸剂、注射剂、软膏、栓剂等，有稳固的市场，有固定的销售渠道，有叫得响的品牌，有价格低廉的优势，相信今后市场销售额还会稳步上升。
1.5.3 后市发展潜力巨大：目前，我国仍为发展中国家，13亿人口的人均年用药金额不到10美元，与发达国家60美元～100美元的用药水平相比差距很大。今后，随着人民生活水平的逐步提高，医疗保障体系的日趋完善，对药品的总体需求还将不断扩大，医药市场这个蛋糕必将越做越大，红霉素及其衍生物市场销售额也必定水涨船高。
二．立题依据（提出问题，解决问题）
影响红霉素发酵的主要因素是菌种的质量，其优劣对红霉素发酵工业有极的影响。目前，我国红霉素的发酵工业与国外相比还有较大的差距，现在国外红霉素发酵单位已达到8 000 g／ml以上，而国内大多企业红霉素发酵水平却一直在4 000～5 000g／ml左右。因此，本设计设计了对红霉素生产菌种改良的方案，并在此基础上优化红霉素培养基组成，以达到提高红霉素发酵单位，降低红霉素生产成本，增强我国红霉素的国际市场竞争能力。具体方案如下：
2.1材料与方法
2.1.1 出发菌株
红色糖多孢菌(Saccharopolyspora erythraea)08L：实验室分离纯化得到。
2.1.2 培养基
改进高氏培养基：可溶性淀粉2％ ，NaC1 0.05％ ，硝酸钾0.1％ ，磷酸二氢钾0.05％ ，硫酸镁0.05％ ，硫酸亚铁0.001％ ，重铬酸钾(70～80ug/ml),青霉素(2.5～3g／ml)，琼脂1.5～2.5％ ,pH7.4—7.6(NaOH调)。
发酵培养基：黄豆饼粉3.0％,淀粉4.0％,糊精3.O％,硫酸铵0.2％,碳酸钙0.6％,葡萄糖1.0％,磷酸二氢钾0.04％,pH6.8(NaOH调)。
改进斜面培养基：可溶性淀粉1％,硫酸铵0.3％,玉米浆1.2％,NaC1 0.3％ ，碳酸钙0.3％,琼脂1.5～2.5％,重铬酸钾(70-80ug/ml)，青霉素(25-3ug/ml)，
pH7.5(NaOH调)。
种子培养基：淀粉3.0％,黄豆饼粉2.5％,蛋白胨0.5％,糊精3.0％,葡萄糖1．0％,NaC1 0.4％,硫酸铵0.75％,碳酸钙0.6％,硫酸镁0.025％,磷酸二氢钾0.02％ ,pH7.5(NaOH调)。
2.2 诱变方法
对红霉素产生菌的孢子进行超声波、氯化锂(分别采用在孢子悬液中加入适量的氯化锂和在培养基中加入适量的氯化锂两种方法 )单一诱变。在此基础上，将诱变得到的实验菌株用超声波、氯化锂进行复合诱变，选取高产菌株。
2．2.1 超声波诱变法
分别取10mL出发菌株08L的菌悬液于33支25 mL的试管中，放入超声波清洗器中，水淹没至试管2／3左右，进行超声波处理，超声波功率分别为200 w、300 w、400 W，诱变时间分别为0 min、3 rain、6 min、9 min 12 min、15 min 18 rain、21 min1 24 min 27 min30 min。
2.2.2 氯化锂诱变法
方法1：菌种在培养过程中诱变，分别取改进高氏培养基90mL于7个250mL的锥形瓶中，再分别加入10mL浓度为3.0％ 、6.0％ 、9.0％ 、12.0％ 、15.0％ 、18.0％ 、21.0％ 的氯化锂溶液，灭菌后制成平板。
方法2：菌种诱变后再培养，取7支25mL的试管分别加入浓度为0.3％ 、0.6％ 、0.9％ 、1.2％ 、1.5％ 、1.8％、2.1％的氯化锂溶液各9mL，再各加入孢子悬液1mL，在振荡培养箱中振荡3～4 h。
2.2.3 超声波一氯化锂复合诱变
复合诱变采用四因素三水平正交表法，取10支25mL的试管各加入9mL菌悬液，然后按正交表加入灭菌的氯化锂溶液或无菌水，在振荡培养箱中振荡3—4 h后再进行超声波处理，最后涂布在相应的平板上。
2.3 培养条件
平板：33℃培养7 d。斜面：33℃培养7 d。种子摇瓶：33℃培养2 d，摇瓶转速220 r／min。发酵摇瓶：31℃培养2 d，33℃培养3 d，摇瓶转速都为220 r／rain。
再把在实验室经过优化培养的红霉素培养基大规模培养，用在工厂设计中，这样就可以达到提高红霉素发酵单位，降低红霉素生产成本，增强我国红霉素的国际市场竞争能力。
三 红霉素的生产工艺
3.1本设计的工艺原则和流程的确定
进行工艺流程设计，必须考虑的几个原则：
（1）保证产品的质量符合国家标准，国家规定原料药红霉素产品中红霉素A的含量必须大于80%。而本设计成品种红霉素含量按85%计算。
（2）尽量采用成熟的、先进的技术和设备。努力提高原料利用率，提高劳动生产率，降低水、电、汽及其他能量消耗，降低生产成本，使工厂建成后能迅速投产，在短期内到达设计生产能力和产品质量要求，并做到生产稳定、安全、可靠。从本设计的总体来看，菌种选用的是德国进口的发酵效价很高的一种，生产工艺来看是国内用的比较多的一种，其中补料系统和空气处理系统是国内很先进的设备。
（3）尽量减少三废排放量，有合理的三废处理措施。本设计完全满足要求。

（4）安全生产，以保证人身和设备的安全。
（5）生产过程几乎全部采用的机械化，部分系统自动化。能稳产、高产[7]。
在满足工艺流程原则的基础上，采用的工艺流程如下：

图3 工艺流程图
3.2 菌种选择与培育
3.2.1菌种选择：
本设计采用的是德国进口的红霉素链霉，在实验室其发酵效价可达到10000～12000u/mL。
3.2.2 菌种培育：首先沙土管进行孢子培养（条件是34℃10天），接着就是母瓶进行孢子培养（条件是34℃9天），最后子瓶斜面进行摇瓶培养（条件是32℃48h）得到种子。
3.3 培养基的种类及各种成分
3.3.1培养基成分
(1)碳源 发酵培养基中最适碳源为蔗糖，其次为葡萄糖，淀粉，糊精。生产上常采用葡萄糖（约占80%）和淀粉（约占20%）为混合碳源。故在生产中，碳源以葡萄糖为主，以淀粉为次。
(2)氮源 红霉素发酵一般采用有机氮源，如黄豆饼粉、玉米浆、花生饼粉、蛋白胨、酵母粉。以黄豆饼粉、玉米浆最好，但在使用时，黄豆饼粉灭菌会产生大量泡沫，对发酵生产不利影响。一般配基料时用黄豆饼粉，后期补料用花生饼粉代替。
（3）无机盐和微量元素：无机盐（mineral salt）和微量元素(trace element, microelement)是生理活性物质的组成成分或具有生理调节作用，磷（核酸）、硫、铁（细胞色素）、镁、钙（调节细胞膜透性）、锰、铜、锌（辅酶或激活剂）、钴、钾、钠（调节渗透压）、氯。一般低浓度起促进作用，高浓度起抑制作用。
（4）水：菌体细胞的主要成分，营养传递的介质。良好导体，调节细胞生长。
（5）生长因子：生长因子（growth factor）是指微生物生长不可缺少的微量有机物，包括氨基酸、维生素、核苷酸、脂肪酸等。一般天然成分中含有，无需添加。但对于营养缺陷型（氨基酸、核苷酸）菌株，必需添加。
（6）前体与促进剂：前体是加入到发酵培养基中的某些化合物，能被直接参与产物的生物合成，组成产物分子的一部分，而自身的结构没有发生多大的变化。前体明显提高产品产量和质量，一定条件下还能控制菌体合成代谢产物的方向。前体不仅有毒性，而且被菌体分解，因此多次少量流加工艺。
在抗生素等次级代谢产物的发酵中，经常添加前体（precursor）和促进剂（accelerant），以提高产量。前体可以是产物的中间体，也可以是其中的一部。
3.3.2培养及种类
本设计中培养基的具体情况：红霉素链霉菌在合成培养基上生长的菌落由淡黄色变成为微黄色，气生菌为白色，孢子呈不紧密的螺旋形，约3～5圈，孢子呈球状。现在生产上使用的菌种是通过育种，选育的具体抗噬菌体，生产能力高的菌种。选育以诱变育种为主要方法。红色糖多孢菌一般经斜面孢子，摇瓶培养，种子罐培养后移入发酵罐进行发酵生产。
（1）斜面孢子培养基组分（%）淀粉1.0，硫酸铵0.3，玉米浆1.0，碳酸钙0.25，琼脂2.2，PH 7.0—7.2。斜面孢子培养基消毒后必须重视冷却时间的控制，以快速为妥，冷却时间过长对生长孢子不利。未接种的空白斜面需放置两周，待表面无水分方可接种孢子。斜面培养温度37℃，湿度50%左右，避光培养。因为光会抑制孢子的形成。培养7～10天斜面上长成白色至深米色孢子，色泽鲜艳，均匀，无黑点，背面产生红色或红棕色色素。在母瓶斜面孢子挑选优良孢子区或单菌落接入子瓶，每批子瓶斜面孢子数不低于1亿个。母瓶放冰箱1个月，子瓶可存放2个月。每批孢子成熟后除做摇瓶试验测定生产能力外，还应插进一试验罐对比考察发酵水平，如不低于前批孢子，可用于生产。玉米浆质量除对背面色素，孢子丰满程度有影响外，还影响孢瓶内灰色焦状菌落（称为黑点）的数量。这种菌落呈草帽型，比深玉米的正常菌落生产能力低。高产菌株的子瓶内要求无黑点。菌种保藏采用冷冻干燥法，液氮超低温保藏法和砂土管保藏法，每年自然分离1～2次。
因红霉素产生菌从孢子发芽期到生长繁殖菌丝的过程较长，所以有些厂通过摇瓶培养，将菌丝接入种子罐，这种虽能缩短种子罐的培养时间，但操作步骤增多，稍有疏忽就容易发生染菌现象，所以大多数生产厂都采用将种子瓶孢子制成菌悬液用微孔压差法接入种子罐。
（2）摇瓶种子培养基（用百分率表示%）：淀粉4.0，糊精2.0，蛋白胨5.0，葡萄糖1.0，黄豆饼粉1.5。硫酸铵0.25，氯化钠0.4，七水合硫酸镁0.05，磷酸二氢钾0.02，碳酸钙0.6，PH 7.0。接种后在摇床培养，菌丝生长浓厚，8%（质量分数）接入发酵罐。
（3）摇瓶发酵培养基（用百分率表示%）：淀粉4.0，葡萄糖 5.0，黄豆饼粉 4.5，硫酸铵 0.1，磷酸二氢钾0.03～0.05，碳酸钙 0.6，pH 7.0，油 1.2%，丙醇 1.0%在种子接入发酵罐时一次加入。28℃，摇床培养8天，发酵效价在5500u/mL以上。
（4）种子罐及繁殖罐的培养基由花生饼粉，蛋白胨，硫酸铵及淀粉，葡萄糖等组成。种子罐的培养温度为35℃，培养时间65h左右；繁殖罐培养温度33℃，培养时间 40h左右，均按移种标准检查，符合要求的进行移种。

表2 小、中、大罐中培养基的成分配比
成分
小罐%（g/mL）
中罐%（g/mL）
大罐%（g/mL）
黄豆饼粉
1.5
0.7
1.6
2.33
玉米浆
0.7
2.2
淀粉
1.8
1.5
5.0
NaCl
0.3
0.3
0.65
CaCO3
0.5
0.5
0.6
（NH4）2SO4
0.12
0.12
0.18
豆油
0.8
0.8
0.4
糊精
1.2
1.5
0.5
有机硅油
—
—
2
鑫氮素
—
—
0.67

3.4 发酵条件的控制
(1) 通气和搅拌 红霉素发酵中，发酵液中的溶氧浓度对红霉素的生物合成有很大影响，培养基营养成分丰富时，发酵单位的提高与通气效率成正比。一般要求发酵罐的通量在1：0.8-1.2V/V/min。如果通气量过低或搅拌不好，发酵菌生长不好，使发酵液转稀，降低红霉素的总产量。
(2) pH值 发酵液中的pH值对红霉素生产菌的生长和红霉素的生产合成影响很大。一般情况下，红霉素链霉菌生长的最适pH值为6.6-7.0，红霉素合成的最适pH为6.7-6.9。在原始发酵培养基中，pH5.7-8.7时，对菌体生长影响不大，但在接种24h以后，如果pH值过高或过低，菌体的生长繁殖就会缓慢。红霉素生物合成水平也差别很大，如果pH6.2-6.3时，发酵单位仅为对照的5%-10%；pH7.8时．发酵单位仅为对照的80%。有试验证明，pH值低于6.5时，红霉素的生物合成被完全抑制，高于7.2时，菌体产生自溶。在发酵中，一般前期的pH在6.6-7.0比较适合；在48-96h之间，以pH6.7-6.9之间为最好。
发酵液pH值的调节是通过调节培养基中生理酸性物质和生理碱性物质的用量；增强通气，调节碳源加入量以减少有机酸的积累；通入氨水，使pH值上升等措施来实现的。
(3) 温度 红霉素链霉菌的生长、繁殖对温度很敏感．温度高时，生长繁殖速度快,较短时间内，发酵液的粘度就会达到最高峰，但菌体的衰老快菌体自溶也加快，使发酵液粘度下降加快。如发酵温度低，发酵菌的生长繁殖慢，到达发酵液的粘度最高峰的时间也很长，而且发酵液粘度的下降也缓慢，有利于延长红霉素的生物合成时间。一般发酵时，采用全程32℃发酵。发酵后期温度略降低，可防止菌体的快速自溶，延长红霉素合成的时间。
(4) 红霉素粘度 红霉素发酵液的粘度对红霉素成品的质量影响较大，因它会影响发酵液中红霉素A和红霉素C的比例。在一定范围内，红霉素A的含量和发酵液粘度成正比，即发酵液粘度越大，红霉素A的比例越高，红霉素的成品质量也就越好。因此，在发酵中要适当提高发酵液的粘度。可采用的措施有减慢搅拌速度，改变搅拌叶的型式，降低发酵温度，适当多补充氮源等。目的是促进菌体生长，减缓菌体自溶。但是发酵液粘度太大，通气搅拌效果不好，发酵液中的溶氧浓度又会显著下降，引起发酵水平的明显降低。所以，在增加发酵液的粘度时一定要适合，否则，同样不能取得最佳的发酵水平。
(5) 泡沫和消泡 发酵培养基中的黄豆饼粉，在消毒、接种培养、通气搅拌时，都会产生较多的泡沫。为了消除泡沫对发酵的影响，可以采取发酵初期加大通气，不搅拌或少搅拌，发酵中后期通气量大，搅拌速度快时加消泡剂等方法减少泡沫产生和消除过多的泡沫。如果用天然油脂作消泡剂，则用量不能过大，否则会促进菌体自溶，既缩短了红霉素的合成时间，又增加了提取的困难。
(6) 染菌处理 红霉素发酵中，如果意外被杂菌污染，应立即降温至28℃培养，并在发酵罐中加入新洁尔灭。如果发酵单位降低，则加入甲醛，停止补料等待放罐。有时为了杀死发酵罐中的杂菌，甲醛的总量可达0.5%。
(7) 中间补料
大罐6小时开启搅拌，8小时左右视液面情况补全料（20%），发酵过程中还原糖控制在1.2～I.5%围内10h起开始连续补液化糖和分批补入淀粉糖，每次补1～2t，分3批补入。直至放罐前12～18小时停止加糖。有机氮源一般每天补三至四次，根据发酵液枯度的大小决定补入量的多少，若粘度低可增加补料量，反之，则减少补料量，粘度过高还可适量补水，放罐前24小时停止补料。前体一般在24～39小时，当发酵液长浓，pH高于6.8时开始补入，每隔24小时加一次，全程共加四至五次，总量为0.7～0.8%，遇发酵单位增长趋势好时可以适当多加。15小时启动补丙醇，用量大概在1～1.2t左右。24小时启动补油，补油量在4.5～5t左右。
发酵过程中除了补全料和水之外，其他的补料方式全部采用自动控制系统，进行自动定时补料。自动补料系统比人工补料有很大的好处，最主要的就是可以减少操作、染菌率和提高发酵效率。
自动化设计时，一般根据工艺生产的要求，采用国内、外先进水平的自动化常规仪表和集散型微机对生产过程的温度、压力、pH值，空气流量以及溶解氧等参数进行检测及自动控制，以确保生产过程的正常进行，提高产品质量，降低能耗，改善操作条件并提高劳动生产率。发酵厂房集中控制室设置在三层操作面，靠近发酵罐区，与生产区之间采用双层玻璃隔断，不仅方便地观察到生产现场，又对控制室起到隔音作用。控制方式一般采用集中控制与就地指示相结合的方式对生产过程中的参数进行检测、控制，大生产中比较成熟的检测、控制参数为：各级种子罐的压力检测、温度检测及控制，发酵罐压检测、温度，pH检测及控制，补料及消沫系统顺序控制，溶解氧、料液称重及液位检测，进罐空气流量指示积算。
控制系统采用UXL集散型微机控制系统，它是一种中、小规模的DCS，由山操作员站、现场控制(或监视)单元、信号转换单元、通讯总站等组成。该系统可靠性高，具有良好的人机接口界而及很高的性能价格比。
针对比较复杂的补料系统，国外比较先进的是采用流量计测量用调节阀控制，或采用计量泵补料系统，而在我国抗生素发酵工业中，多数生产厂家由于原料清洁度差，补料速率变化范围大，特别是可用于发酵过程中耐高温、抗腐蚀的流量计造价高，调节阀可靠性差等因素;上述两种补料方案实施难度大。
本设计中采用计量罐脉冲滴加补料控制方法，根据工艺要求的补料速度，计量罐可选用2升罐，计量罐由罐体、入料阀、出料阀、电极和观察窗等组成。

图1.1 计量罐示意图

罐体采用不锈钢材料，观察窗采用耐极剧温度变化的石英玻璃。进料阀和出料阀均采用不锈钢波纹管气动隔膜开关阀，外加气动先泞电磁阀。补料时，首先打开进料阀料液进入计量罐，当液位上升触到电极时，通过电极电路自动关闭进料阀，然后打开出料阀，把罐内料液排光，即完成补加一罐的操作。如果补料速率为100Ｌ/h，那么每36秒计算机控制补加一罐，从宏观上看，是连续滴加，而从瞬间来看，是脉冲方式补加，所以我们称之为脉冲滴加方式。该方式实际使用效果较好。
针对发酵罐需要控温、补料等特点，以前采用控制热水（由蒸汽、冷水进行汽、水混合制得）的温度、流量进行调节，实践证明，这种控制方式温度控制精度差，滞后时间长。设计中采用电磁开、关阀的控制方式，即当种子罐消毒结束后，只需要降温，打开阀门（1），其他阀门均为关闭状态。正常生产过程中，阀门（1）、（3）关闭，其他手动阀均为常开。若需降温，电控阀（4）开启，（5）关闭，若需升温，电控阀（4）关闭，（5）开启。这种控制方式做到了成木低、维护方便，可靠性高的使用效果，得到了很好的推广应用。

图2 自动控制系统示意图
总之，在整个发酵生产设计中，其生产厂房应布置合理，工艺管道尽量短；发酵罐设要有较好的通气搅拌及换热装置，内部结构简单，利于清洗、消毒；为了保证发酵过程的纯种培养，必须对接触菌种的设备、物料、空气等进行彻底消毒、过滤，不能有杂菌进入；采用先进的微机控制系统把发酵过程的关键工艺参数控制在最佳状态，使整个生产过程做到经济运行，少投入，多产出[

3.5 提取工艺
发酵液→储罐→调pH→粗滤→超滤→脱色→溶媒萃取→调pH→干燥→包装
储存发酵液，添加甲醛溶液来维持发酵液的稳定性。通过添加氢氧化钠溶液可将pH值调至7.5，冷却发酵液，再进行粗滤。滤液用去离子水稀释并储存于罐中，再将储存的发酵液进行超滤，然后经吸附柱脱色。脱色液经溶媒萃取浓缩，再将浓缩液调至碱性条件下即可获得红霉素。提取时采用膜过滤技术。

四 物料衡算
4.1总物料衡算
计算依据：
发酵周期：144h 生产周期：168h
生产天数：330d/a 产量：400t/a
发酵罐装料系数：70% 产品品质：998%
过滤得率：95% 超滤得率：96%
萃取得率：93% 淀粉G转化率：98%
糖化液中G含量：78% G红霉素转化率：26.5%
G/淀粉：2.64
以1t红霉素为基准进行物料衡算：
（1）生产1000㎏红霉素理论上所需的原料量
MG总=1000/733.94×6×180=1471.51(kg)
由于发酵采用的原料为葡萄糖和淀粉（G/淀粉：2.64）
所以理论所需淀粉量为：1471.51/（1+180/162×98%×78%）=421.71（㎏）
所以理论所需葡萄糖量为：MG =421.71×2.64=1113.32 (kg)
（2）生产1000㎏红霉素实际所需的原料量
所需纯G的实际量=1113.32/(26.5%×95%×96%×93%)= 4953.34(kg)
所需淀粉实际量=4953.34/2.64= 1876.27(kg)
则工业葡萄糖用量=4953. 34/90%=5503.71(kg)
工业淀粉用量=1876.27/90%=2084.74 (kg)
(3) 原料年消耗:
工业G用量=5503.71×320×99.8%=1757664.83 (kg)
工业淀粉用量=208474×320×99.8%=665782.57 (kg)
(4) 原料日消耗:
工业葡萄糖用量=1757664.83/320=5492.70 (kg)
工业淀粉用量=665782.57/320=2080.57 (kg)

4.2发酵车间物料衡算
(1) 发酵罐个数确定：
日红霉素产量为400×103×99.8%/320=1247.50 (kg)
日所需G的量=1247.50/1000×4953.34=6179.29 (kg)
补料加入10%，且发酵初糖浓度为3%(g/mL)，则：
V糖=6179.29/103×90%/3%=185.38(m3)
发酵罐装料系数为70%，生产周期为168h，则所需要的发酵罐的体积为V=185.38×168/(0.7×24)=1853.8(m3)
选100m3发酵罐,总容积为118m3,个数N=1853.8/118=15.71（个）
选16个发酵罐
每年生产罐数=185.38×320/(100×70%)=847.45
日生产罐数=847.45/320=2.65
(2) 种子罐容积的确定
按设计要求,一级种子罐到二级种子罐的接种量为25%,二级种子罐到发酵罐的接种量为20%,则种子罐容积为：
二级：V2=V总×20%=100×20%=20(m3)
一级：V1=V2×25%=20×25%=5(m3)
式中V总----发酵罐容积 (m3)
(3) 种子罐个数的确定
种子罐与发酵罐对应上料。发酵罐平均每天上2.65罐，一级种子罐生产周期为60h，二级种子罐生产周期为36h，则：
所需二级种子罐个数：2.65×36/24=3.98(罐)，取4个二级种子罐应该够。
所需一级种子罐个数：3.98×60/24=9.95(罐)，取10个二级种子罐应该足够。
(4) 原料配比及其年消耗量的计算
原料配比：
种子培养基：（w/v）淀粉3.5%，黄豆饼粉1.7%，花生饼粉1.5%，葡萄糖3.5%，蛋白胨1.3%，硫酸铵0.6%，KH2PO40.15%。
发酵培养基：（w/v）淀粉1.1%，黄豆饼粉2.0%，花生饼粉4.0%，葡萄糖3.0%，碳酸钙0.7%，硫酸铵0.5%，KH2PO40.015%，豆油0.2%。
补料培养基：（w/v）黄豆饼粉2.0%，花生饼粉4.0%，葡萄糖1.0%，碳酸钙0.7%，硫酸铵1.0%，KH2PO40.015%，豆油0.2%。
原料消耗（以每个单体设备计）：
（100m3发酵罐，补料10%，5m3一级种子罐，20m3二级种子罐，装料系数70%）

原料
发酵罐
一级种子罐
二级种子罐
小计
浓度(g/L)
投料量（kg）
浓度(g/L)
投料量（kg）
浓度(g/L)
投料量（kg）
投料量（kg）
淀粉
11/-
693

35
122.5
35
490
1305.5
黄豆饼粉
20
1400
17
5.95
17
23.8
1429.75
花生饼粉
40
2800
15
52.5
15
210
3062.5
葡萄糖
30 /10
1960
35
122.5
35
490
2572.5
蛋白胨
-
-
1.3
4.55
1.3
18.2
22.75
硫酸铵
5 /10
385
6
21
6
84
490
KH2PO4
0.15
10.5
1.5
5.25
1.5
21
36.75
碳酸钙
7
490

-
-
-
490
豆油
2
140
-
-
-
-
140
聚氯化铝
0．04
2．8

2．8
消泡剂
0.2/-
12.6

12.6
丙酮：70m3×0.8%=560L --

黄豆饼粉：1429.75×847.45= 1211.64（t/a）
花生饼粉：3062.5×847.45= 2595.32（t/a）
蛋白胨：22.75×847.45= 19.28（t/a）
硫酸铵：490×847.45= 415.25（t/a）
KH2PO4：36.75×847.45= 31.14（t/a）
碳酸钙：490