青霉素的发酵工艺过程Word文件下载.docx
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年产量
5000t
发酵单位
80000μ/ml
发酵周期
180h
成品效率
1000μ/mg
年工作日
320天
发酵罐装料系数
0.78125
辅助时间
12h
种子罐装料系数
0.65
消后大罐接种量
15%
种子罐发酵周期
60h
消后中罐接种量
8%
发酵期间补葡萄糖量
1.6kg/（m3·
h）
5.物料衡算
发酵周期180h，辅助时间12h，则产一批青霉素需要8天。
每年共有：
每周期产量为:
5000÷
40=125t。
先选择大罐500m3发酵罐，则每个罐装青霉素料
500×
0.78125=390.625m3。
则每个发酵罐装料量为:
m=390.625m3×
106ml×
80000μ/ml÷
1000μ/mg
=3.125×
109mg=31.25t。
则需要的罐体为125÷
31.25=4
则此设计中选择4个500m3的发酵罐来发酵罐。
再选择二级种子罐，接种量为15%，在一个周期内,需要中罐装料液体积：
V=4×
78.125%×
15%=234.375m3
则需要的罐体大小为：
V中=234.375÷
78.125%=300m3；
则二级种子罐可选择100m3的3个。
二级种子罐接种量为8%，所需种子罐装料为
V=234.375×
8%=18.75m3
所需一级种子罐大小为V种子=18.75÷
65%=28.85m3。
可以选择2个体积为20m3的一级种子罐。
在整个发酵周期中，只考虑葡萄糖、硫酸铵、苯乙酸、消泡剂、氨水等的体积。
a）发酵培养基（g/l）
表2发酵培养基用量
葡萄糖
10
K2HPO4
4.0
玉米浆
40
MgSO4˙7H2O
35
（NH4）2SO4
5.67
KH2PO4
4.53
则
（1）葡萄糖：
每周期消耗量：
18.75×
1000×
10=187.5kg
每年消耗量：
187.5×
40=7500kg=7.5t；
（2）玉米浆：
40=750kg
750×
40=30000kg=30t；
（3）（NH4）2SO4：
5.67=106.31kg
106.31×
40=4252.5kg；
（4）K2HPO4:
4.0=75kg
75×
40=3000kg=3t；
（5）MgSO4˙7H2O:
35=656.25kg
656.25×
40=26250kg=26.25t；
（6）KH2PO4:
4.53=84.94kg
84.94×
40=3397.5kg。
b）种子罐发酵培养基
表3种子培养基需要量如表（g/l）
可溶性淀粉
30.0
0.5
10.0
蛋白胨
Nacl
2.0
蒸馏水
1000ml/L
1）可溶性淀粉
234.375×
30=7031.25kg
每年消耗量；
7031.25×
40=281250kg=281.25t；
2）葡萄糖
10=4687.5kg
4687.5×
40=187500kg=187.5t；
3）蛋白胨
4.0=937.5kg
1875×
40=37500kg=37.5t；
4）玉米浆
2.0=468.75kg
468.75×
40=18750kg=18.75t；
5）K2HPO4
0.5=117.2kg
117.2×
40=4687.5kg；
6）MgSO4˙7H2O
每周期消耗量234.375×
7）Nacl
40=4687.5kg。
6.热量衡算
发酵罐的换热装置形式有夹套式换热装置，竖式蛇管换热装置，竖式列管换热装置。
本次设计是生产水平的设计，发酵罐是500m3的发酵罐，采用蛇管式换热装置。
这种换热装置的蛇管部分安装于发酵罐内，有四组、六组或八组不等。
优点是：
结构简单、制造方便、罐内能承受高压并可选择不同材料防腐，罐外便于清洗，冷却水在罐外的流速大，传热系数高。
缺点是管外容器中的流动情况差，对流给热系数小。
这种冷却装置的冷却水温应较低。
若冷却水温较高，则降温困难。
此外，弯曲位置容易被蚀穿。
此换热系数传热系数可高达4.186×
（800~1000）kj/（㎡·
h·
℃）。
这里采用最小换热系数，以留出余量，即4.186×
800kj/（m2·
h℃）。
每周期一罐生产31.25t青霉素，所需培养基390.625m3发酵罐。
发酵过程中热平衡方程式是
Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q显热-Q辐射热
Q生物是细胞生长中有机物分解产生的热量，在这里我们只讨论葡萄糖分解产生的热量；
Q搅拌是机械搅拌形成的热量；
Q蒸发是排出空气带走水分所带出的潜热；
而Q显热由于空气用量较少可忽略；
Q辐射热也可以忽略。
所以Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发
6.1生物热
通过生物合成计算生物热Q生物，基本上生物热主要由葡萄糖氧化产生热量，反应式如下：
C6H12O6+6O2=6CO2+6H2O+460×
6kj（每消耗1mol氧气产生460kj热量）
发酵罐补葡萄糖的速度是1.6kg/（m3·
h）：
发酵罐发酵周期180h，
所以葡萄糖用量是
180h×
h）×
390.625m3=112500kg（发酵罐）
葡萄糖的式量是180g/mol
所以：
n发酵罐=112500kg×
1000/180g/mol=625000mol
发酵罐的Q生物热=625000mol×
6×
460kj=1.725×
109kj
6.2搅拌热
Q搅拌=3600PgT，其中η为功热转化率，经验值η=0.92；
Pg为通气条件下的搅拌功率（kw）。
这里取各罐的最大功率。
发酵罐Q搅拌=3600×
0.92×
640=2119680kj
6.3汽化热
Q蒸发=G（I进—I出）ρ；
G为通入发酵罐中空气的流量（m3/h）；
I进、I出为进口、出口空气的热焓（kj/kg干空气）；
ρ为空气密度（kg/m3）。
通常可近似计算Q蒸发≈20%Q生物，这里近似计算
发酵罐Q蒸发=1.725×
109kj×
20%=3.504×
108kj
6.4发酵热
发酵罐Q发酵=1.725×
109kj+2119680kj-3.504×
108kj=1.38×
7.设备：
发酵罐
发酵生产设备主要是指发酵罐，发酵罐又称生物反应器，它在发酵生产中占据中心地位。
发酵罐的种类很多，主要分为通风发酵设备和嫌气发酵设备。
其中，好氧深层发酵设备在发酵工业中应用最多，最广泛。
在好氧深层发酵设备中，又有机械搅拌通风发酵设备（包括循环式的伍式发酵罐和文式管发酵罐、非循环式的通风发酵罐和自吸式的发酵罐）和非机械搅拌通风发酵罐（包括循环式的气提式发酵罐和液体式发酵罐、非循环式排管式发酵罐和喷射式发酵罐）。
机械搅拌通风密闭发酵罐是生产抗生素、酵母菌、氨基酸、酶制剂等发酵产品中应用最多、最广泛的液体深层好氧发酵设备，其容积为0.02~500m3。
它的主要特点有：
a．利用机械搅拌的作用使无菌空气与发酵液充分混合，提高了发酵液的溶氧量，特别适合于发热量大、需要气体含量比较高的发酵反应；
b.发酵过程容易控制，操作简便，适应广泛；
c.发酵罐内部结构复杂，操作不当，容易染菌；
d.机械搅拌动力消耗大。
对于上述几种发酵罐的比较，以及参照国内外青霉素工产选择的发酵罐,通常青霉素发酵车间选择通用式的机械搅拌通风密闭发酵罐。
表4抗生素发酵罐参数
公称体积m3
桶体直径
Dg㎜
桶体高度㎜
换热面积㎡
搅拌轴功率kw
20
2200
5000
22
30~37
100
3600
9400
114
120~125
500
5800
17400
562
580~640
对三种罐体：
1）公称500m3的发酵罐：
a．几何大小500m3的发酵罐径高比为3，即H=3D，V=（πD2/4）×
3D=100，得到直径D=5.8m，高HL=1.7m。
b．传热面积内蛇罐36（6组），F=562m3
c．搅拌器搅拌器直径：
Dj=1/2D=2.9m
挡板宽度：
B=0.1D=0.58m
搅拌叶间距：
S=1.5Dj=4.35m，
搅拌叶与罐底距离C=Dj=2.9m。
C+3S=2.9+3×
4.35=15.95m<
HL,则取四层搅拌器。
2）公称为100m3的发酵罐
a．几何大小100m3的发酵罐径高比为2.61，即H=2.61D，V=（πD2/4）×
2.61D=100，得到直径D=3.6m，高HL=9.4m。
b．传热面积内蛇罐36（6组），F=114m3
Dj=1/3D=1.2m
挡板宽度：
B=0.1D=0.36m
搅拌叶间距：
S=2Dj=2.4m，
搅拌叶与罐底距离C=Dj=1.2m。
C+3S=1.2+3×
2.4=8.4<
3）公称为20m3的发酵罐
a．几何大小20发酵罐的径高比为2.3，即即H=2.3D，V=（πD2/4）×
2.3D=100，得到直径D=2.2m，高HL=5.0m。
b．传热面积外盘管40，F=40m3
Dj=1/3D=0.73m
B=0.1D=0.22m
S=2Dj=1.47m，
搅拌叶与罐底距离C=Dj=0.73m。
C+3S=0.73+2×
1.47=3.67<
HL,则取三层搅拌器。
发酵罐图如下：
、
图3发酵罐简图
所选择的主要设备如下表：
表5所选主要设备
设备名称
规格型号
数量（个）
二级发酵罐
500m3
4
一级发酵罐
100m3
3
种子罐
20m3
2
参考文献：
[1]余龙江.生物制药工厂工艺设计[M].化学工业出版社.2008.08
[2]蔡功禄.发酵工厂设计概论[M].中国轻工业出版社.2000
[3]青霉素G2416菌种发酵工艺的优化
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