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说明书
毕业设计
题目:
年产100吨桑黄多糖提取分离工艺的设计
学生:
郑玉鹏
学号:
201004040231
院(系):
生命科学与工程
专业:
制药工程
指导教师:
秦俊哲
2014年5月22日
年产100吨桑黄多糖提取分离工艺的设计
摘要
桑黄多糖是国际公认的生物抗癌领域有效率最高的药用真菌提取物。
对增强人体免疫功能及治疗疾病等方面都有明显作用。
桑黄多糖的药理作用主要有抗癌抗肿瘤作用、增强免疫、抗突变、抗氧化、抗衰老等功能,从机理上来说,它们之间又有一定的相互联系。
研究主要集中在抗癌抗肿瘤作用方面,但研究进展较为缓慢。
由于目前国内天然桑黄数量非常稀少,而桑黄菌的人工栽培尚处于起步阶段难以形成稳定的医药工业产品来源。
因此本设计采用液态深层培养技术进行桑黄菌的大规模培养来获得原料可以缓解这一现状。
提取工艺的好坏,直接关系到菌丝体的利用率和后续加工的难易。
课题主要进行了桑黄的发酵以及提取分离的生产工艺设计。
比较现有提取工艺,选取先进可行的工艺。
本设计选用了超声提取等先进工艺,大大提升了提取效率。
在工艺条件下进行物料衡算以及能量衡算,选择材质,尺寸和换热合适的反应器,然后进行平面布局的设计、人员配比、经济效益估算、劳动保护、“三废”处理。
整个设计过程都是依据设计规范和标准进行的,设计结果满足工程设计要求、药品生产质量管理规范要求。
根据计算,做出药厂总平面布置图、工艺流程图、车间平面布置图、车间立面布置图和非标准设备的装配图五张图,设计说明书一份。
关键词:
桑黄多糖,提取分离,发酵,工艺设计
TheDesignofthePolysaccharideExtractionandSeparationProcessThatwillProduce100tPolysaccharide
ABSTRACT
Polysaccharideisinternationallyrecognizedasthemostefficientbiologicalanticancerfieldofmedicinalfungiextract.Ithasobviouseffectsonstrengtheninghumoralimmunefunctionandtreatingdisease.Polysaccharidepharmacologicaleffectsareanti-tumoreffects,enhanceimmunity,anti-mutagenic,anti-oxidation,anti-agingandothers,fromthemechanism,ithasacertainlinkagesbetweenthem.Researchfocusesontheroleofanti-tumorcancer,butthestudyprogresswasslowly.BecausethenumberofdomesticnaturalPhellinusisveryscarce,andcultivatedPhellinusisstillintheinitialstage,itisdifficulttobethestablesourceofpharmaceuticalproducts.ThisdesignadoptsthesubmergedcultureofPhellinusigniariustoobtainmaterials,itcanalleviatethissituation.
Thequalityofextractionprocessisdirectlyrelatedtotheutilizationofmyceliumandsubsequentprocessingofdifficulty.ThesubjectwasmainlyaboutthefermentationandextractionofPhellinusseparationprocessdesign.Comparedwiththeexistingextractiontechnology,selectadvancedandfeasibletechnology.Thisdesignusestheultrasonicextractionandotheradvancedtechnology,greatlyenhancetheefficiencyofextraction.Countmassbalanceandenergybalanceunderprocessconditions,choosethematerials,sizeandsuitablechangingheatofthereactor,thendesignthelayout,thestaffratio,economicestimates,laborprotection,"threewastes"treatment.Thewholedesignprocessiscarriedoutaccordingtothedesignspecificationsandstandards,designresultsmeetengineeringdesignrequirements,pharmaceuticalGMPrequirements.
Accordingtothecalculation,fiveassemblydrawingswasmade,pharmaceuticalgenerallayout,processflowchart,workshoplayout,workshopelevationandtheassemblydrawingofnonstandardequipment,adesignspecification.
KEYWORDS:
Polysaccharide;extractionandseparation;ferment;processdesign
目录
摘要I
ABSTRACTII
1总论1
1.1概述1
1.1.1产品简介1
1.1.2产品行业生产现状1
1.2设计依据1
1.3应用及深度1
1.4设计原则2
1.5工厂组成2
1.6产品方案及建设规模2
1.7生产制度及劳动定员2
2总图运输3
2.1概述3
2.2总平面布置的依据3
2.3总平面布置的原则3
2.4总平面布置4
2.4.1厂区划分4
2.4.2总平面布置图4
2.5技术经济指标4
2.6总图运输5
3工艺6
3.1概述6
3.2原辅料质量标准6
3.3产品质量标准6
3.4生产规模及生产安排6
3.5工艺路线的选择与确定7
3.5.1常用提取方法7
3.5.2工艺流程框图7
3.5.3流程说明7
3.6物料衡算8
3.6.1发酵阶段物料衡算8
3.6.2提取分离精制阶段物料衡算9
3.7能量衡算9
3.7.1发酵工段热量衡算10
3.8设备选型与计算11
3.8.1发酵车间设备选型11
3.8.3泵13
3.8.4储罐13
3.8.5工艺主要设备一览表13
3.9车间布置14
3.9.1生产车间的依据14
3.9.2车间布置的要求14
3.9.3生产车间的划分15
3.9.4生产车间的平面布置15
3.9.5生产车间的立面布置15
3.9.6车间工艺平面布置说明16
4工艺对非工艺设计的要求18
4.1土建18
4.1.1土建设计的依据18
4.1.2土建及地质要求18
4.1.3工艺对建筑的要求18
4.2公用工程结构18
4.2.1供排水18
4.2.2供电18
4.3安全生产18
4.3.1采暖、通风19
4.3.2照明、采光19
4.3.3防雷防静电19
4.3.4安全与卫生19
4.4绿化19
4.5环境保护19
4.5.1“三废”的处理20
致谢21
参考文献22
1总论
1.1概述
桑黄是担子菌亚门(Basidiomycota)、层菌纲(Hymen0mycetes),非褶菌目(Aphy11ophorales),锈革孔菌科(Hymenochaetaceae),针层孔菌属(Phellinus)的大型真菌,具有抑制肿瘤、增强免疫、抗氧化、抗菌、消炎等药理活性[1]。
大量研究表明桑黄多糖是主要化学成分,也是发挥生物活性的主要物质[2]。
桑黄多糖在国内没有批量生产主要是因为工艺技术不够成熟。
本文根据科技前沿论文,对进行提取技术进行工艺设计,从工程技术角度对其作进一步完善。
通过物料衡算、能量衡算进行工程分析、制定出设计方案,绘制出车间平面及立面设计图纸等。
1.1.1产品简介
桑黄是目前国际公认生物治癌领域中有效率排在第一位的药用菌。
近几年来,桑黄作为一种新型抗癌真菌,已经引起国际医药工业界与保健品行业不少专家的关注。
桑黄多糖药理作用主要有抗癌抗肿瘤、增强免疫、抗突变、抗氧化、抗衰老等,从机理上来说,它们之间有一定的联系[3]。
目前的研究方向主要集中在抗癌抗肿瘤作用方面,但是研究进展较为缓慢[4]。
1.1.2产品行业生产现状
韩国对桑黄的开发利用起步比较早,韩国政府于1993年正式许可桑黄成为抗癌剂医药,桑黄被广泛用于抗癌药物的生产;韩国不仅将桑黄用于生产药物和健康食品,还做为养颜、抗皱、防衰老的活性成分添加到护肤品、保健品中。
例如:
桑黄抗衰老护理套装、桑黄蘑菇面膜巾等。
日本将其当成健康食品进口贩卖。
美国自2002年开始从日本进口桑黄制剂作为膳食补充剂在本土销售[5]。
国内开发较迟,多以原料形式出口。
市场上现有不少用于保健的产品:
桑黄子实体颗粒、桑黄超细粉、桑黄菌丝粉、桑黄活性多糖、桑黄活性多糖胶囊、桑黄扶正胶囊、桑黄精、桑黄口服液、桑黄抗癌汤剂等[6]。
1.2设计依据
1)所给设计任务书;
2)有关设计规范和标准,如:
《药品质量生产管理规范》、《化工管道设计规范》、《工矿企业总平面设计规范》等。
1.3应用及深度
1)设计方案的选择和确定;
2)主要原材料和建设材料的安排;
3)主要设备的选择与计算;
4)劳动定员;
5)施工准备和施工组织计划的要求;
6)土建及安装工程的要求。
1.4设计原则
1)满足厂址选择的基本原则;
2)满足总平面设计原则;
3)实际原则:
安全、有效、可控、经济性、环保性和可行性
1.5工厂组成
1)生产车间;
2)辅助车间;
3)公用系统;
4)行政管理区;
5)生活区
1.6产品方案及建设规模
产品名称:
桑黄多糖
年产量:
年产量100吨(从桑黄发酵液中提取)
1.7生产制度及劳动定员
发酵车间:
年工作日330天,每天3班,每班8小时,每班15人
提取车间:
年工作日330天,每天3班,每班8小时,每班8人
质检室:
年工作日330天,每天1班,每班8小时,每班3人
动力车间:
年工作日330天,每天2班,每班12小时,每班5人
食堂:
年工作日330天,每天1班,每班10小时,每班3人
警卫室:
年工作日365天,每天2班,每班12小时,每班2人
2总图运输
2.1概述
总平面设计是工程设计的一个重要组成部分,其方案是否合理直接关系到工程设计的质量和建设投资的效果。
总平面设计不协调、不完善,不仅会使工程项目的总体布局紊乱,不合理,建设投资增加,而且项目建成后会带来生产、生活和管理上的问题,甚至影响企业的产品质量和经济效益。
总平面设计知识面广,影响因素多,矛盾也错综复杂。
因此在进行总平面设计时,要善于听取和集中各方面意见,充分掌握厂址自然条件、生产工艺特点、运输要求、安全和卫生要求、施工条件和城镇规划等相关资料,按照总平面设计的原则和要求,对个方案进行认真分析和比较,力求获得最佳设计效果。
2.2总平面布置的依据
1)设计任务书
2)有关设计规范和标准,如《工矿企业总平面设计规范和标准》、《化工企业总图运输设计规范》、《化工管道设计规范》、《采暖通风和空气调节设计规范》、《化工企业安全卫生设计规范》等。
3)有关的设计基础资料,如设计规模、产品方案、生产工艺流程、车间组成、运输要求、劳动定员等生产工艺资料。
2.3总平面布置的原则
1)总平面设计应与城镇或区域的总体发展规划相适应
尤其是工业区规划和交通运输规划,是所建企业的重要外部条件。
2)总平面设计应符合生产工艺流程的要求
人流、物流分开。
生产区、辅助生产区、行政区、生活区分家。
以流程为序,避免交叉,方便联系,负荷集中。
3)总平面设计应充分利用厂址的自然条件
充分利用厂址地形、地形、地质等自然条件,因地制宜,紧凑布置,提高土地利用率。
4)总平面设计应充分考虑地区的主导风向
原料药生产区应布置在全年主导风向下风侧,而洁净区、办公区、生活区应布置在上风侧,以减少有害气体和粉尘影响。
5)总平面设计应符合国家的有关规范和规定
6)总平面设计应留有发展余地[7]
2.4总平面布置
2.4.1厂区划分
根据生产、生活和管理的需要,结合安全、卫生、管线、运输和绿化的特点,将全厂的建筑物划分为若干个联系紧密而性质相近的单元,以便进行总平面布置。
厂区划分一般以主体车间为中心,分别对生产、辅助生产、公用系统、行政管理及生活设施进行归纳分区,后进行总平面设计。
药厂一般划分为以下几个部分:
1)生产车间:
药材预处理与炮制、提取、浓缩、制剂生产车间等;
2)辅助生产车间:
机修、电工、仪表等车间;
3)动力设施:
锅炉房、供水、冷冻、压缩空气站、变电所、配电房等;
4)贮运设施:
原料库、辅料库、包装材料库、成品库、车库、道路等;
5)公用工程:
水塔、冷却塔、泵房、消防设施等;
6)环保设施:
污水处理、绿化等;
7)全厂性管理设施和生活设施:
厂部办公楼、中心化验室、药物研究所、计量站、动物房、食堂医院等;
2.4.2总平面布置图
2.5技术经济指标
据总平面设计依据和原则,为保证设计的质量,需对各方案进行分析比较,其中一项重要内容就是对设计的技术经济指标进行比较。
包括全厂占地面积、建(构)筑物占地面积、建筑系数、道路长度及占地面积、绿地面积及绿化率、围墙长度、厂区利用系数等。
1)建筑系数是“建筑占地系数”的简称,指建筑用地范围内所有建筑物占地的面积与用地总面积之比,以百分率建筑系数计算公式如下:
厂区利用系数场地利用系数为厂区内场地利用面积与厂区占地面积之比。
建筑系数不能反映全厂土地利用情况,但厂区利用系数则可以,计算公式如下:
反映厂区场地有效利用率高低的指标,制药企业的厂区利用率一般为60%-70%。
土方工程量平整场地所需的土方工程量越大,则施工费用越高。
应尽量少挖少填,并保持挖填土石量的平衡。
从而加快施工进程,减少施工费用。
绿地率由于药品生产对环境的特殊要求,保证一定的绿地率是药厂总平面设计中不可缺少的重要经济指标。
公式如下:
2.6总图运输
总图运输设计(generaldrawing)是综合利用各种条件,合理确定工业(园)区、工业企业各种建筑物、构筑物及交通运输设施的平面关系、竖向关系、空间关系及与生产活动有机联系。
1)总平面布置根据建设用地外部环境,工程内容的构成,以及生产工艺的要求,确定全厂建筑物、构筑物、运输网和地上地下工程技术官网(上下水管道、热力管道、煤气管道、动力管道、物流管道、空压管道、冷冻管道、消防栓高压供水管道、通讯与照明电缆电线等)的坐标。
2)总图竖向布置根据厂区地形特点、总平面布置及场外道路的高程,确定目标物的标高并计算项目的土石方工程量。
竖向布置和平面布置是不可分割的两部分内容。
竖向布置的目的是在满足工艺流程对高程要求的前提下,利用和改造自然地形,使项目建设的土石方量最小,并保证运输、防洪安全。
竖向布置有平坡式和台阶式两种。
3)交通运输布置根据人流与货流分流的原则,设置人流出入口,物流出入口和对内、对外采用的运输途径、设备和方法,并进行运输量统计。
4)绿化布置确定厂区的绿化面积和绿化方式及投资。
3工艺
3.1概述
生产工艺的设计是工程设计中非常重要的一个环节,本设计其基本程序是根据(生产)设计任务选择并设计技术方案,然后进行物料能量衡算,再进行设备选型和条件设计,最后绘制工艺流程图和厂区及车间布置图,并编制设计说明书。
当工艺流程图比较牢固地确定以后,才能开始详细的工艺设计、设备设计、净化分区和建筑等设施的设计。
这时必须添加控制系统,并进行详细的危险性可操作分析,然后完成其他设计任务,最终形成优化的总体设计。
依据开发的技术选择合适的工艺路线,设计的同时进行工艺工程方案的优化并完成工艺设计。
本工艺选取的依据:
1)能保证产品达到预定的质量和要求。
2)充分利用原料,以获得较高的收率。
3)积极采取成熟的新技术、新工艺、新设备,结合具体条件优化生产线。
对尚未连续化生产的品种,其工艺流程尽可能按流水线排布,使产品在生产过程中停留时间最短,以避免产品变色、变质。
4)积极慎重地采用先进可靠的工艺指标,在能达到该工艺指标的条件下,尽量减少工艺流程的往返过程,以减少输送。
5)充分估计到生产中可能发生的故障,设计工艺流程时考虑到调整的可能性,使生产能正常进行。
6)减少环境污染和有利于综合利用。
7)有利于保证药品的卫生,避免药品在生产过程中受到污染。
8)能保证操作人员的安全生产和向操作人员提供较好的操作条件。
3.2原辅料质量标准
所用原辅材料均为工业纯度,水为纯化水,浓度自行配制。
3.3产品质量标准
精制桑黄多糖(去蛋白,脱色)
3.4生产规模及生产安排
发酵车间:
年工作日330天,每天3班,每班8小时。
提取车间:
年工作日330天,每天3班,每班8小时。
3.5工艺路线的选择与确定
3.5.1常用提取方法
1)超声波法提取:
称取1g干燥的桑黄菌丝体,按料液比1:
30加水混匀,在54℃、240W超声功率下提取39min[8]。
2)热水提取法:
液比1:
50,温度90℃,煮2次,每次2h[9]。
3)pH6.5,酶解温度50℃,纤维素酶添加量2.5%、果胶酶添加量2.5%、蛋白酶添加量1%,酶解时间120min,超声处理时间20min,料液比1:
25(g/mL),超声功率500W[8]。
水提法提取率较低,生产效率较低,不适应工业生产。
酶解法提取效率高,但是步骤复杂,需要的条件苛刻。
超声波法生产过程相对简单,经济效益明显。
所以超声波提取法更加适合工业生产。
提取分离精制工艺为
1.水提:
1:
30料液比加水混匀,在54℃、240W超声功率下提取39min。
2.浓缩:
浓缩后体积为原来的1/5。
3.醇沉:
80%醇沉12h。
4.离心。
5.去蛋白:
5%三氯乙酸处理三次,每次30min,60℃。
6.脱色:
4%等量H2O2脱色45min。
7.浓缩。
8.烘干。
3.5.2工艺流程框图
图3-1桑黄发酵,桑黄多糖提取分离纯化工艺流程图
3.5.3流程说明
本工艺先利用发酵技术产出菌丝体然后进行提取,种子培养配方为葡萄糖3%,蛋白胨0.3%,磷酸二氢钾0.1%,硫酸镁0.05%,发酵培养配方为豆饼粉0.5%,玉米粉4.0%,磷酸二氢钾0.1%,硫酸镁0.05%,压滤,1:
30料液比240W,54℃超声提取39min。
浓缩为原体积1/5。
80%醇沉12h,离心,5%三氯乙酸处理三次,60℃,每次30min,4%等量H2O2脱色45min,浓缩,烘干。
3.6物料衡算
物料衡算是物料的平衡计算,是制药工程计算中最基础最重要的内容之一,是进行药物生产工艺设计、物料查定、过程经济评估以及过程控制、过程优化的基础[10]。
它以质量守恒定律和化学计量关系为基础。
简单地讲,它是指“在一个特定物系中,进入物系的全部物料质量加上所有生成量之和必定等于离开该系统的全部产物质量加上消耗掉的和累积起来的物料质量之和”。
用式(3-1)表示为:
(3-1)
式中∑G进料-----所有进入物系质量之和;
∑G生成-----物系中所有生成质量之和;
∑G出料-----所有离开物系质量之和;
∑G积累-----物系中所有累积质量之和;
∑G消耗-----物系中所有消耗质量之和(包括损失);
所谓“物系”就是人为规定一个过程的全部或它的某一部分作为完整的研究对象,也称为体系或系统。
它可以是一个操作单元,也可以是一个过程的一部分或者整体,如一个工厂,一个车间,一个工段或一个设备。
3.6.1发酵阶段物料衡算
1)种子罐物料衡算
种子罐体积为2000L
葡萄糖2000×3.0%=60kg
蛋白胨2000×0.3%=6kg
磷酸二氢钾2000×0.1%=2kg
硫酸镁2000×0.05%=1kg
消泡剂2000×0.1%=2kg
水2000-60-6-6-1-2=1929kg
产出2t种子液
2)发酵罐物料衡算
发酵罐20000L
豆饼粉20000×0.5%=100kg
玉米粉20000×4.0%=800kg
磷酸二氢钾20000×0.1%=20kg
硫酸镁20000×0.05%=10kg
消泡剂20000×0.1%=20kg
水20000-100-800-20-10-20=19050kg
产出1570kg菌丝体,18430kg废水。
3.6.2提取分离精制阶段物料衡算
1)提取罐物料衡算
第一次提取100kg菌丝体2.9t水
第二次提取第一次滤渣2.9t水
产出100×(1-11.6%)=88.4kg滤渣25.8116t滤液
2)醇沉物料衡算
1.1636t浓缩液则需要4.648t乙醇
产出11.6kg粗多糖5.8t乙醇水溶液
3)去蛋白物料衡算
200kg干燥粗多糖
15L1.5mol/L三氯乙酸
2.785t水
产出21.6kg滤渣,2978.4kg滤液
4)脱色物料衡算
H2O21.5t×4%=0.06t
3.7能量衡算
能量衡算是以车间物料衡算的结果为基础进行的,所以车间物料衡算是进行车间能量衡算的首要条件[11]。
能量衡算的主要依据是能量守恒定律,其数学表达形式为能量守恒基本方程:
环境输入到系统的能量=系统输出到环境的能量+系统内积累的能量
对于制药车间工艺设计中的能量衡算,许多项目可以忽略,车间能量衡算的目的是要确定设备的热负荷,而且在药品生产过程中热能是最常用的能量表现形式,所以能量衡算可简化为热量衡算。
当内能、动能、势能的变化量可以忽略且无轴功时,根据能量守恒方程式可以得出以下热量平衡方程式:
(3-2)
式中
------物料带入设备的热量kJ
------加热剂或冷却剂传给设备所处理物料的热量kJ
------过程热效应kJ
------物料离开设备所带走的热量kJ
------加热或冷却设
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