1、學(xué)校代碼： 10128學(xué) 號： 201220513056 課程設(shè)計說明書（題 目：600t/a土霉素車間酸化、提煉、干燥工段工藝設(shè)計學(xué)生姓名：宋誠誠學(xué) 院：化工學(xué)院系 別：食品與生物工程系專 業(yè)：生物工程班 級：12-1班指導(dǎo)教師：胡建華二 零 一 六 年 一 月摘 要土霉素（Oxytetracycline），又名地霉素，氧四環(huán)素，屬四環(huán)素類抗生素，為廣譜抑菌劑，許多立克次體屬、支原體屬、衣原體屬、螺旋體對土霉素敏感。它是1949年由美國開發(fā)的一種抗生素。土霉素是一個典型的利用生物工程技術(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品，生產(chǎn)工藝涉及種子培養(yǎng)、發(fā)酵、酸化、提取、過濾、脫色、結(jié)晶、離心和干燥等重要的單元操作和工程概念

2、。本次課程設(shè)計進(jìn)行的是酸化、提煉、干燥工段的工藝設(shè)計，本說明書的編寫內(nèi)容大致有：首先，該說明書對土霉素進(jìn)行了綜述，介紹了土霉素的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展前景。其次，該說明書對土霉素車間的生產(chǎn)工藝流程進(jìn)行了簡單的概括，并且對酸化、提煉和干燥工段給予了詳細(xì)介紹。然后，本說明書給出了600t/a土霉素車間的物料衡算的詳細(xì)計算過程和總結(jié)，并將生產(chǎn)中各部分的數(shù)據(jù)制成了表格。最后，在既得數(shù)據(jù)和結(jié)合工藝流程的基礎(chǔ)上繪制了本工段工藝管道及儀表流程的PID圖。關(guān)鍵詞：土霉素、物料衡算、提煉、工藝流程Abstract目錄第一章 文獻(xiàn)綜述11.1 土霉素的物理化學(xué)性質(zhì)11.2 土霉素的作用機(jī)理11.3 土霉素的用途11.4

3、 土霉素的現(xiàn)狀及其展望21.5 發(fā)酵工段簡介21.5.1 一級種子擴(kuò)大培養(yǎng)21.5.2二級種子擴(kuò)大培養(yǎng)31.5.3 發(fā)酵罐培養(yǎng)4第二章 全工段物料衡算62.1 干燥工段62.2 結(jié)晶、分離工段72.2.1土霉素折濕效價72.2.2堿化劑密度72.2.3求其他未知量82.3脫色工段92.3.1計算濾液和脫色過程中損失的質(zhì)量102.3.2濾液效價求算102.4過濾工段112.5酸化工段122.5.1 酸化液和草酸水的體積122.5.2酸化工段發(fā)酵液和鹽酸體積122.5.3發(fā)酵液的效價132.5.4酸化劑和凈化劑的用量132.6發(fā)酵工段132.6.1三級發(fā)酵罐的物料衡算142.6.2二級種子液培養(yǎng)階

4、段物料衡量152.6.3一級種子液培養(yǎng)階段物料衡量17參考文獻(xiàn)20致謝23前言前言 四環(huán)素類抗生素土霉素是我國生產(chǎn)及使用最多的一種抗生素，它是通過生物合成得到的，性狀為灰白或金黃色的結(jié)晶粉末，許多立克次體屬、支原體屬、衣原體屬、螺旋體對其敏感。多年來由于四環(huán)素類的廣泛應(yīng)用，臨床常見病原菌對土霉素耐藥現(xiàn)象嚴(yán)重，包括葡萄球菌等革蘭陽性菌及多數(shù)革蘭陰性桿菌。四環(huán)素類抗生素的不同品種之間存在交叉耐藥。在上世紀(jì)60 70年代,土霉素曾經(jīng)在我國抗菌藥市場上占據(jù)著重要位置,但自80年代中后期起,土霉素的市場就開始逐漸下滑,大批企業(yè)先后放棄了生產(chǎn)。21世紀(jì)初,全國土霉素產(chǎn)量已從20 世紀(jì)80 年代的2 萬t下

5、降到1.2 萬t ,目前的產(chǎn)量已不到1 萬t ,生產(chǎn)企業(yè)從幾十個減少到只有幾個5。在國內(nèi)市場上,土霉素除了作為生產(chǎn)強(qiáng)力霉素等的原料外,主要用于畜禽藥物以及飼料添加劑,臨床用藥微乎其微。在發(fā)達(dá)國家,土霉素已基本不再使用,發(fā)達(dá)國家畜牧業(yè)中用的也是純度高的無菌土霉素。第二章 全工段物料衡算第一章 文獻(xiàn)綜述1.1土霉素的理化性質(zhì)土霉素為淡黃色的結(jié)晶性或無定形粉末，無臭，微溶于乙醇，極微溶于水，溶與氫氧化鈉試液和稀鹽酸中。土霉素的分子式：C22H24N2O9，分子量：460.44。其分子式如圖1-1所示。圖1-1 土霉素分子式土霉素具有廣譜抗菌性，能抑制多種細(xì)菌，是四環(huán)類抗生素。它是由龜裂鏈絲菌產(chǎn)生的，

6、是典型的次級代謝產(chǎn)物。土霉素屬于放線菌中的鏈霉菌屬，他們具有發(fā)育零號的菌絲體，菌絲體分枝捂隔膜，直徑約為0.41.0米，長短不一，多核。菌絲體有營養(yǎng)菌絲、氣生菌絲和孢子絲之分，孢子絲分化成為分生孢子，而龜裂鏈絲菌的菌落為灰白色，后期生褶皺，成龜裂狀。菌絲成樹枝分支，白色，孢子灰白色，柱形。1.2土霉素的作用機(jī)理土霉素的作用理論主要表現(xiàn)在以下幾個方面:能抑制動物腸道內(nèi)有害微生物,激活大腸中有利于營養(yǎng)物質(zhì)合成的微生物;改變病原微生物結(jié)構(gòu)和干擾其代謝過程,阻礙細(xì)胞壁的合成,影響?zhàn)つさ耐ㄍ感?阻礙蛋白質(zhì)的合成,改變核酸代謝;可使采食動物腸壁變薄,更有利于營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和利用,從而提高腸道內(nèi)的吸收率,提

7、高FG,促進(jìn)動物生長,防治動物腹瀉。 此外，土霉素也是生物制藥廠常用的加工原料藥。1.3土霉素的用途土霉素能抑制細(xì)菌的生長，在濃度高的時候也具有殺菌的作用。它的作用機(jī)制是干擾蛋白質(zhì)的合成。由于土霉素的毒副作用小，所以其在醫(yī)療上用途廣泛，主要是應(yīng)用于呼吸道和腸道感染。土霉素作為抗生素飼料添加劑能有效提高飼料的轉(zhuǎn)化率、ADG,且防治腹瀉。土霉素是抗生素類藥物，具有廣譜抗菌作用，主要用于立克次體病支原體肺炎，衣原體感染。土霉素已應(yīng)用于獸醫(yī)臨床，使一些動物的傳染病得到了控制。土霉素還可以治療雞、鴨、鵝的巴氏桿菌病等。在食品工業(yè)中，土霉素可用作防腐劑來保藏肉類、鮮菜類等。1.4土霉素的現(xiàn)狀及其展望在上世

8、紀(jì)60-70年代，土霉素曾經(jīng)在我國抗菌藥市場上占據(jù)著重要位置，但自80年代中后期起，土霉素的市場就開始逐漸下滑，大批企業(yè)先后放棄了生產(chǎn)。21世紀(jì)初，全國土霉素產(chǎn)量已從20世紀(jì)80年代的2萬t下降到1. 2萬t，目前的產(chǎn)量已不到1萬t，生產(chǎn)企業(yè)從幾十個減少到只有幾個。目前主要生產(chǎn)企業(yè)為石家莊華曙制藥、內(nèi)蒙古赤峰制藥、山西星火制藥等。其中石家莊華曙制藥的規(guī)模和產(chǎn)量最大，達(dá)6000t左右，約占世界總產(chǎn)量的l/45。隨著土霉素產(chǎn)量的不斷下降，出口量也逐年減少，出口價格一路走低。1995年，我國土霉素出口價格為11.5美元/kg，1998年為10美元/kg，2000年已降到7美元/kg。近年來，出口量和

9、出口價格還在下滑。在國內(nèi)市場上，土霉素除了作為生產(chǎn)強(qiáng)力霉素等的原料外，主要用于畜禽藥物以及飼料添加劑，臨床用藥微乎其微。在發(fā)達(dá)國家，土霉素已基本不再使用，發(fā)達(dá)國家畜牧業(yè)中用的也是純度高的無菌土霉素6。目前許多國家已限量生產(chǎn)或趨于淘汰，主要原因是近年來發(fā)現(xiàn)土霉素耐藥菌株普遍增多。上世紀(jì) 80 年代中期 ,中國曾將四環(huán)素類列為 128 種淘汰藥品之一，但是四環(huán)素、土霉素仍在使用。1.5土霉素車間工藝流程介紹1.5.1生產(chǎn)工藝流程圖生產(chǎn)工藝流程圖沙土孢子斜面孢子一級種子罐發(fā)酵液三級種子罐二級種子罐酸化液濾液脫色液土霉素干品土霉素濕品結(jié)晶液孢子培養(yǎng)孢子培養(yǎng)擴(kuò)大種子培養(yǎng)發(fā)酵過濾脫色離心干燥1.5.2發(fā)酵

10、土霉素的生產(chǎn)目前主要采用龜裂霉菌發(fā)酵產(chǎn)生。沙土管中或冷凍干燥管中保藏的種子首先經(jīng)過實驗室種子制備階段獲得一定數(shù)量和質(zhì)量和孢子,然后經(jīng)過生產(chǎn)車間種子制備階段的一級種子罐和二級種子罐逐級擴(kuò)大培養(yǎng)使孢子發(fā)芽、繁殖以獲得足夠數(shù)量的菌絲，最后將二級種子罐中的菌液接種到三級發(fā)酵罐中進(jìn)行微生物發(fā)酵。種子的制備時需要注意培養(yǎng)基的產(chǎn)地、品種、培養(yǎng)的溫度等條件對種子質(zhì)量的影響。1.5.3酸化土霉素能和鈣、鎂等金屬離子，某些季胺鹽、堿等形成復(fù)合物沉淀。在發(fā)酵過程中，這些復(fù)合物積聚在菌絲中，在液體中的濃度不高。發(fā)酵結(jié)束后，土霉素大部分沉積在菌絲中，發(fā)酵液中很少。因此，應(yīng)對土霉素發(fā)酵液進(jìn)行酸化等處理，酸化將破壞細(xì)菌細(xì)胞

11、壁結(jié)構(gòu)，使菌絲中的單位釋放出來，以保證產(chǎn)品收率和質(zhì)量。此外，pH值是酸化工段中影響土霉素質(zhì)量的主要因素,黃血鹽鈉的用量次之。1.5.4過濾過濾工藝采用板框過濾機(jī)過濾。濾布可以去除一些雜質(zhì)。正批液經(jīng)過板框過濾機(jī)后直接進(jìn)入正批液儲罐。為了提高過濾機(jī)中土霉素的利用率，采用三級過濾和頂洗的方法。1.5.5結(jié)晶過濾所得的土霉素液含色素高，結(jié)晶產(chǎn)品質(zhì)量差，因此，需要脫色。脫色設(shè)備主要是樹脂罐，每組有主罐、副罐、再生罐。脫色液到達(dá)結(jié)晶罐后，經(jīng)過加堿化劑來調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)腜H，從而進(jìn)行結(jié)晶。通常用的堿化劑是氨水和亞硫酸鈉。結(jié)晶的設(shè)備采用的是結(jié)晶罐串聯(lián)的方式，通過連續(xù)結(jié)晶以提高產(chǎn)率。1.5.6離心和干燥濕品甩干約40

12、-60分鐘，進(jìn)行干燥。第二章 全工段物料衡算本設(shè)計的全工段物料衡算是根據(jù)設(shè)計任務(wù)，查閱相關(guān)資料、文獻(xiàn)，收集必要的技術(shù)資料，工藝參數(shù)，進(jìn)行工藝流程與工藝條件確定的論證。年產(chǎn)200噸土霉素車間酸化、過濾工段工藝設(shè)計，年工作日330天。根據(jù)工藝參數(shù)可得土霉素的日產(chǎn)量：2.1 干燥工段土霉素干燥工段的示意圖如圖2-1所示。 干燥濕產(chǎn)品水分產(chǎn)品損失圖 2-1 干燥工段示意圖根據(jù)工藝參數(shù)可知：干結(jié)晶的含水量為7%，濕結(jié)晶的含水量為23%，損失量為1%。由已知數(shù)據(jù)可得：日產(chǎn)量為： 干品中土霉素的質(zhì)量：濕品中土霉素的質(zhì)量：濕品的總質(zhì)量：損失的質(zhì)量：干燥工段物料衡算匯總見表2-1所示。表2-1 干燥工段物料衡算

13、匯總表輸出輸入濕結(jié)晶724.68kg干成品606.06kg蒸發(fā)量、損失118.62kg總計724.68kg總計724.68kg2.2 結(jié)晶、分離工段土霉素結(jié)晶與分離工段的示意圖如圖2-2所示。 結(jié)晶、分離堿化劑脫后液 母液濕品損失圖 2-2 結(jié)晶與分離示意圖2.2.1土霉素折濕效價根據(jù)效價平衡： (2-1) 土霉素干品的總質(zhì)量，；土霉素濕品的總質(zhì)量，；土霉素的折干效價，；土霉素的折濕效價，根據(jù)以上已知數(shù)據(jù) =606.06kg； ； 代入（2-1）式得： 解得：2.2.2堿化劑密度查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知:5%氨水的密度=980kg/m3，25% 氨水的密度=910kg/m3，由內(nèi)差法計算得 15%的氨

14、水的密度=945kg/m3。堿化劑的質(zhì)量為100kg，氨水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%，亞硫酸鈉固體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%，所以水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為81%。則：G氨水=15kg， G亞硫酸=4kg， G水=81kg， =1000kg/m3， =945kg/m3氨水體積: 水的體積： 堿化劑中亞硫酸鈉的體積忽略不計，則堿化劑的總體積：堿化劑的密度：2.2.3求其他未知量結(jié)晶分離工段中土霉素的質(zhì)量守恒，有公式 (2-2)脫色后液體的體積，；脫色后液體的效價，；離心母液的體積，；離心母液的效價，；脫色分離過程中損失的土霉素的質(zhì)量，kg。根據(jù)結(jié)晶分離工段中總的質(zhì)量守恒，有公式 (2-3)脫色后液體的密度，；堿化劑的體積，；

15、離心母液的密度，。(1)已知數(shù)據(jù):損失率為1%，, ，將已知數(shù)據(jù)代入式（2-2）得： （2）已知數(shù)據(jù):， ，將已知量代入式（2-3）得： 聯(lián)立式和式得:解得： 所以， （3）堿化劑中各成分的質(zhì)量堿化劑的質(zhì)量：氨水的質(zhì)量：固體硫酸鈉的質(zhì)量：水的質(zhì)量：結(jié)晶分離工段物料衡匯總算見表2-2所示。表2-2 結(jié)晶分離工段物料衡算匯總表輸出輸入脫色液90127.51L母液堿化劑1194.19L濕料724.68kg總計91321.70L總計2.3脫色工段土霉素生產(chǎn)車間脫色工段的示意圖所圖2-3所示。 脫色脫色液濾液損失圖 2-3 脫色工段示意圖2.3.1計算濾液和脫色過程中損失的質(zhì)量該過程中脫色液的體積損失5

16、%，根據(jù)脫色工段中總的質(zhì)量守恒有公式： （2-4）已知：，將已知數(shù)據(jù)帶入上式中得：脫后液的質(zhì)量濾液的質(zhì)量損失的質(zhì)量2.3.2濾液效價求算根據(jù)質(zhì)量守恒核算脫色前后的總質(zhì)量脫色前總質(zhì)量：脫色后總質(zhì)量：經(jīng)數(shù)據(jù)核算，脫色前后質(zhì)量相等滿足質(zhì)量守恒，根據(jù)效價平衡核算濾液的效價，該過程的損失率取5%，脫色液體積損失5%。土霉素的效價平衡有公式: （2-5）根據(jù)相關(guān)工藝參數(shù)：， 代入式（3-6）解得： 脫色工段物料衡算匯總見表2-3所示。表2-3 脫色工段物料衡算匯總表輸出輸入濾液95149.55L脫色液90127.51L殘存及損失5022.04L總計95149.55L總計95149.55L2.4過濾工段土霉

17、素過濾工段示意圖如圖2-4所示。 過濾濾液酸化液濾渣損失洗 水圖 2-4 過濾工段示意圖由工藝參數(shù)和相關(guān)文獻(xiàn)可得： 濾渣效價 濾液效價，假設(shè)高單位頂洗液效價。故： （1） （2） （3） （4） （5） 聯(lián)立（1）（2）（3）（4）（5），代入數(shù)據(jù)得：由效價守恒得：代入數(shù)據(jù)得：2.5酸化工段土霉素酸化工段的示意圖如圖2-5所示。 酸化酸化液發(fā)酵液凈化液草酸鹽酸稀釋液損失圖 2-5 酸化工段示意圖2.5.1 酸化液和草酸水的體積 在進(jìn)行酸化稀釋時忽略損失，則 （2-6）草酸水的體積，；酸化液的體積，。 根據(jù)土霉素效價平衡： （2-7）根據(jù)過濾工段可知： 將已知數(shù)據(jù)分別代入（2-6）、（2-7）兩

18、式，得： 2.5.2酸化工段發(fā)酵液和鹽酸體積由于加入的草酸是固體，可忽略體積。則可以得： （2-8）式中為加入鹽酸的體積， 即： 解得： 2.5.3發(fā)酵液的效價根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可知土霉素的效價平衡： （2-9）已知： ，得：2.5.4酸化劑和凈化劑的用量已知酸化草酸的加入量為發(fā)酵液的3%（指每100L中加入3g草酸）， 凈化劑中黃血鹽的質(zhì)量占稀釋凈化液體積的0.5%，硫酸鋅質(zhì)量占稀釋凈化液的0.3%。酸化工段物料衡算匯總見表2-4所示。表2-4 酸化工段物料衡匯總算輸入輸出發(fā)酵液21009.61L濾液95149.55L頂洗液48041.19L濾渣2854.49L2.6發(fā)酵工段土霉素發(fā)酵工段示意圖如

19、圖2-6所示。 一級培養(yǎng)基 二級培養(yǎng)基 三級培養(yǎng)基三級種子罐二級種子罐一級種子罐種子液 一級種子液 二級種子液 發(fā)酵液 損失 損失 損失圖 2-6 發(fā)酵工段示意圖2.6.1三級發(fā)酵罐的物料衡算已知接種量： ，補(bǔ)料量：(V/V) ,蒸發(fā)量：。 2.6.1.1三級發(fā)酵罐中各成分的體積根據(jù)發(fā)酵罐進(jìn)出物料量的關(guān)系有: （2-10） （2-11） （2-12）由上式可得：2.6.1.2三級培養(yǎng)基的組成成分已知三級發(fā)酵罐進(jìn)料密度，三級培養(yǎng)基組成成分見表2-5所示。表2-5 三級培養(yǎng)基組成成分匯總表物料名稱質(zhì)量百分含量質(zhì)量（）淀粉 豆餅粉酵母粉豆油淀粉酶2.6.1.3三級補(bǔ)料組成成分由以上數(shù)據(jù)可得： 補(bǔ)料培

20、養(yǎng)基組成成分見表2-6所示。表2-6 補(bǔ)料培養(yǎng)基成分匯總表物料名稱質(zhì)量百分含量質(zhì)量（kg）淀粉5%336.70豆餅粉0.2%13.20CaCO3 0.06%3.96KH2PO40.095%6.27淀粉酶0.136%8.980.02%1.322.6.2二級種子液培養(yǎng)階段物料衡量已知：接種量為，取樣及蒸發(fā)損失:， 根據(jù)二級種子液培養(yǎng)階段，進(jìn)出物料量有： （2-13） （2-14） 可得： 二級培養(yǎng)基各成分：已知：二級進(jìn)料的密度 ， ， 二級培養(yǎng)基的質(zhì)量:二級培養(yǎng)基組成成分見表2-7所示。表2-7 二級培養(yǎng)基組成成分匯總表物料名稱質(zhì)量百分含量質(zhì)量（）淀粉5%144.77糊精0.6%17.37豆餅粉2

21、.5%72.38酵母粉0.6%17.37(NH)2SO40.8%23.16CaCO30.75%21.72KH2PO40.03%0.89豆油8/55004.21LCoCl20.0018%0.052NaCl0.4%11.582.6.3一級種子液培養(yǎng)階段物料衡量已知：取樣及蒸發(fā)損失：， 忽略三個茄子瓶種子液的體積，根據(jù)一級種子液培養(yǎng)過程進(jìn)出物料量及過程中的損失量有： （2-15）得： 一級培養(yǎng)基各成分已知一級培養(yǎng)基的進(jìn)料密度 ， 一級培養(yǎng)基組成成分見表2-8所示。表2-8 一級培養(yǎng)基組成成分匯總表物料名稱質(zhì)量百分含量質(zhì)量（kg）淀粉1.5%4.05糊精1.5%4.05豆餅粉0.5%1.35酵母液0.75%2.02(NH4)2SO40.5%1.35CaCO30.4%1.08KH2PO40.03%0.081豆油1/6000.45LNaCl0.5%1.35發(fā)酵工段物料衡算匯總見表2-9所示。表2-9