18 KiB
18 KiB
光甘草定（Glabridin）发酵生产中试项目技术规格书
文档类型：工艺技术规格书（Process Technical Specification） 项目代号：GGCD-project 生产规模：发酵工作体积 1000 L（中试 / Pilot Scale）
修订记录
| 版本 | 日期 | 修订内容 | 修订人 |
|---|---|---|---|
| V1.0 | 初版发布 |
目录
1. 总则
1.1 适用范围
本规格书适用于 GGCD 中试项目（发酵工作体积 1000 L）的种子扩培、发酵、分离纯化、溶剂回收四个工段，用于工艺设计、设备选型与配套、厂房与公用工程条件确定。
1.2 术语与缩略语
| 缩略语 | 英文全称 | 中文含义 |
|---|---|---|
| GGCD | Glabridin | 光甘草定 |
| OD600 | Optical Density at 600 nm | 600 nm 吸光度（菌体浓度） |
| DO | Dissolved Oxygen | 溶解氧 |
| DCW | Dry Cell Weight | 细胞干重 |
| YPD | Yeast Extract Peptone Dextrose | 酵母浸出粉胨葡萄糖培养基 |
| CIP | Clean In Place | 在线清洗 |
| SIP | Sterilize In Place | 在线灭菌 |
| PW / WFI | Purified Water / Water for Injection | 纯化水 / 注射用水 |
| PLC | Programmable Logic Controller | 可编程逻辑控制器 |
| SCADA / HMI | Supervisory Control and Data Acquisition / Human-Machine Interface | 监控与数据采集系统 / 人机界面 |
| HPLC | High Performance Liquid Chromatography | 高效液相色谱 |
| VOC | Volatile Organic Compounds | 挥发性有机物 |
| RSD | Relative Standard Deviation | 相对标准偏差 |
2. 项目概述
2.1 生产规模
| 参数 | 设计值 | 备注 |
|---|---|---|
| 种子罐全容积 | 50 L | U-02，工作 35 L |
| 发酵罐全容积 | 1000 L | U-01，工作 700 L |
| 发酵工作体积 | 700 L | 装料系数 0.7 |
2.2 工段划分
┌──────────┐ ┌──────────┐ ┌──────────────┐ ┌──────────────┐
│ 种子扩培 │──▶│ 发酵 │──▶│ 分离纯化 │──▶│ 溶剂回收 │
│ (工段一) │ │ (工段二) │ │ (工段三) │ │ (工段四) │
└──────────┘ └──────────┘ └──────────────┘ └──────────────┘
▲ │
└──────────────── 回收溶剂循环利用 ◀───────────────┘
2.3 项目条件
| 项目 | 现状 |
|---|---|
| 建设形式 | 采用标准 40 尺海运二手集装箱改造为车间模块，整修、除锈、防腐刷漆后露天布置、双层堆叠，可整体迁移；仅需接入公用工程（详见 10.2） |
3. 工艺总流程
3.1 工艺流程框图
flowchart TD
A[工作种子库<br/>甘油管 -80°C] --> B[摇瓶活化/扩培<br/>恒温摇床 U-20S1/S2]
B --> C[50 L 种子罐<br/>U-02]
C --> D[1000 L 发酵罐<br/>U-01 / 工作 700 L]
D -->|补料| D
D --> E[固液分离<br/>板框压滤 D-02]
E --> F[溶剂萃取<br/>搅拌批次萃取 D-11]
F --> G[减压浓缩<br/>刮板薄膜蒸发 D-21]
G --> H[大孔树脂层析<br/>D-31]
H --> I[精制/结晶/干燥<br/>待配套]
I --> J[成品]
F -.废溶剂.-> K[溶剂回收精馏撬<br/>S-01]
H -.洗脱溶剂.-> K
K -.回收溶剂回用.-> F
4. 种子扩培工段
4.1 工艺流程
工作种子（甘油管，−80 °C）→ 摇瓶活化 → 摇瓶扩培（恒温摇床 U-20S1/S2）→ 50 L 种子罐（U-02）→ 移种至 1000 L 发酵罐（U-01）。
4.2 设备与结构要求
- 菌种操作在生物安全柜（U-20A）或洁净操作台（U-20B）内进行。
- 种子罐（U-02）带夹套控温、机械搅拌、通气、在线检测与消泡，具备 SIP/CIP。
- 移种采用无菌压缩空气/氮气压送，移种管路 SIP 灭菌。
- 配套培养基配制、灭菌及糖单独灭菌设施。
5. 发酵工段
5.1 工艺流程
种子液（U-02）接种至 1000 L 发酵罐（U-01）→ 分批培养 → 补料分批 → 诱导 → 放罐。
5.2 设备与结构要求
- 发酵罐（U-01）带夹套控温、机械搅拌（变频）、通气、补料称重、在线检测与消泡，具备 SIP/CIP。
- 配套补料罐、酸碱罐、消泡剂罐及流加管路。
- 通气经 0.22 μm 除菌过滤器，尾气经除菌过滤后排放。
- 移种、补料、取样、放罐设无菌管路与接口，罐体及管路具备 SIP。
6. 分离纯化工段
6.1 工艺流程
发酵液 → 固液分离（D-02）→ 溶剂萃取（D-11）→ 减压浓缩（D-21）→ 大孔树脂层析（D-31）→ 精制/结晶/干燥 → 粉碎包装。
6.2 设备与结构要求
- 固液分离、萃取、浓缩、层析、精制等单元设备及连接管路。
- 萃取与层析区域按防爆设计，设溶剂加注/收集管路，洗脱液收集后送溶剂回收。
- 如产物为胞内积累，增设细胞破碎工序。
7. 溶剂回收工段
7.1 工艺流程
含醇/酯废溶剂 → 预处理 → 精馏 → 塔顶回收溶剂回用；塔釜残液处置。
7.2 设备与结构要求
- 精馏撬（S-01）：300 L 再沸器 + 填料塔 + 回流，蒸汽加热、冷却水冷凝。
- 全程防爆设计，设温度/压力/液位联锁与超压泄放。
- 回收溶剂专罐专用、标识清晰；塔釜残液作为危废委外处置。
8. 设备与配套
8.1 工程设施设备清单
设备型号、规格及配套功能间清单见独立文件《工程设施设备清单》（GGCD-EQ-001）。
8.2 配套设备选型计算
本节为初步选型计算，用于确定配套设备规格与公用工程负荷；工艺参数以工艺确认为准。
8.2.1 选型设计基准
| 参数 | 取值 | 说明 |
|---|---|---|
| 发酵罐全容积 | 1000 L | U-01（内径 0.80 m，直边高 1.72 m） |
| 发酵工作体积 | 700 L | 装料系数 0.7 |
| 初始装液体积 | 450 L | 预留补料空间 |
| 补料后终体积 | 700 L | — |
| 发酵周期 | 168 h | 设计上限 |
| 通气强度 | 0.5–1.0 vvm | 按工作体积 |
| 设计通气量 | 700 L/min（1.0 vvm） | — |
| 接种量 | 10%（70 L） | 来自 U-02 |
8.2.2 发酵配套罐
| 设备 | 选型规格 | 数量 | 材质 |
|---|---|---|---|
| 补料罐 | 300 L，带搅拌/夹套 | 1 | 316L |
| 诱导剂罐 | 50 L | 1 | 316L |
| 碱罐 | 50 L | 1 | 316L/PP |
| 酸罐 | 30 L | 1 | 316L/PP |
| 消泡剂罐 | 30 L | 1 | 316L |
8.2.3 溶剂储罐
| 储罐 | 规格 | 数量 | 材质 | 备注 |
|---|---|---|---|---|
| 萃取溶剂储罐 | 2000 L | 2 | 316L | 新鲜/回收，专罐专用 |
| 洗脱溶剂储罐 | 2000 L | 2 | 316L | 新鲜/回收，专罐专用 |
| 石油醚储罐 | 1000 L | 1 | 316L | 如用 |
8.2.4 精制配套设备
| 设备 | 选型规格 | 数量 | 材质 |
|---|---|---|---|
| 硅胶柱/制备色谱 | Φ300×1200 mm（≈85 L） | 1 | 316L |
| 结晶罐 | 100 L，夹套/搅拌 | 1 | 316L |
| 真空干燥箱 | 50 L / 8–12 盘，≤50 °C，真空 ≤ −0.09 MPa | 1 | 316L |
8.2.5 公用配套设备
CIP/SIP 系统自建（机组可自制），压缩空气等由设备自带或自建。
（1）CIP 站
- 按最大罐（1000 L）喷淋密度估算，清洗流量取 12 m³/h、压力 0.3 MPa
- 清洗液罐：约 0.5×最大罐 = 500 L，带加热（80 °C）
- 配置：CIP 泵（12 m³/h，0.3 MPa）、碱/酸罐、热水、在线电导率/pH/温度
（2）SIP 纯蒸汽
- 以 1000 L 发酵罐装 700 L 培养基由 30 °C 升至 121 °C 计： Q = m·c_p·ΔT = 700 × 4.0 × (121 − 30) = 254,800 kJ
- 计 20% 热损失 → 305,760 kJ；蒸汽潜热 ≈ 2100 kJ/kg → 305,760 / 2100 ≈ 146 kg
- 计入保温、管路与备用 → 纯蒸汽发生器 200 kg/h，0.3–0.6 MPa
（3）压缩空气系统
- 工艺通气 Q_g = 42 m³/h（=700 L/min）
- 计入仪表气与余量 1.5× → 63 m³/h
- 选型：国产小型活塞式空压机 2 台，配冷干机、储气罐、0.22 μm 除菌过滤器（科百特）
（4）尾气处理/VOC
- 发酵尾气：经 0.22 μm 疏水除菌过滤器（按 42 m³/h 选型）后排放
- 溶剂区通风 + 活性炭吸附：风量按 3000 m³/h 估算
8.2.6 配套设备规格汇总
| 序号 | 设备名称 | 选型规格 | 数量 | 材质 | 备注 |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 补料罐 | 300 L，带搅拌/夹套 | 1 | 316L | 补料 |
| 2 | 诱导剂罐 | 50 L | 1 | 316L | — |
| 3 | 碱罐 | 50 L | 1 | 316L/PP | pH |
| 4 | 酸罐 | 30 L | 1 | 316L/PP | pH |
| 5 | 消泡剂罐 | 30 L | 1 | 316L | 消泡 |
| 6 | 萃取溶剂储罐 | 2000 L | 2 | 316L | 新鲜/回收 |
| 7 | 洗脱溶剂储罐 | 2000 L | 2 | 316L | 新鲜/回收 |
| 8 | 硅胶柱/制备色谱 | Φ300×1200 mm（≈85 L） | 1 | 316L | 精制 |
| 9 | 结晶罐 | 100 L，夹套/搅拌 | 1 | 316L | 结晶 |
| 10 | 真空干燥箱 | 50 L / 8–12 盘 | 1 | 316L | 干燥 |
| 11 | CIP 站 | 12 m³/h，0.3 MPa，500 L 液罐 | 1 套 | 316L | 在线清洗（自制） |
| 12 | 纯蒸汽发生器 | 200 kg/h，0.3–0.6 MPa | 1 | 316L | SIP（自制） |
| 13 | 活塞式空压机（含冷干机） | 小型，国产 | 2 | — | 供气 |
| 14 | 除菌过滤器 | 0.22 μm，42 m³/h | 若干 | — | 工艺气（科百特） |
| 15 | 尾气/VOC 处理 | 活性炭吸附，3000 m³/h | 1 套 | — | 环保 |
上表规格须在工艺确认后复核；泵、换热器、仪表等按详细设计阶段选型。
9. 公用工程
9.1 公用工程介质
| 公用工程 | 参数 | 用途 |
|---|---|---|
| 蒸汽 | 0.3–0.6 MPa（饱和），由 C-02 电蒸汽发生器供给（无外部蒸汽接入） | SIP、加热 |
| CIP/SIP 系统 | 自建（机组可自制） | 在线清洗/灭菌 |
| 压缩空气 | 0.4–0.7 MPa，无油，工艺气 0.22 μm 除菌 | 通气、气动 |
| 纯化水 | 符合要求 | 配液、清洗 |
公用工程接口位置、管径、压力及流量由设计依据设备负荷表确定，最终由设计院审核敲章。
9.2 废水处理与零排放设施
- 项目位于太湖流域，执行零排放要求：生产废水（发酵废液、洗罐水、溶剂回收残液等）经处理后回用，不外排。
- 出水控制指标：COD ≤ 300 mg/L，TOC 按当地要求控制。
- 生物废水（含重组菌）先灭活后进入处理系统。
- 配套处理设施：
| 设施 | 功能 |
|---|---|
| 收集/调节池 | 水质水量调节、缓冲 |
| 预处理（格栅、气浮、过滤） | 去除悬浮物、油类 |
| 生化处理（UASB + A/O 或 MBR） | 有机物降解 |
| 深度处理（UF/RO/NF） | 脱盐、产水回用 |
| 蒸发结晶（MVR） | 浓水浓缩，实现零排放 |
| 回用系统 | 回用于清洗、冷却 |
| 在线监测（COD/TOC/pH/电导率/流量） | 过程与排放监控 |
| 事故池 | 应急收集 |
具体处理规模与工艺由废水水质水量（待工艺确认）及当地排放要求确定，最终由设计院审核敲章。
10. 中试车间与设施
10.1 区域划分
| 区域 | 主要内容 |
|---|---|
| 菌种保藏/摇瓶区 | 生物安全柜、洁净操作台、恒温摇床 |
| 种子扩培区 | 种子罐（U-02） |
| 发酵区 | 发酵罐（U-01）、补料/酸碱/消泡罐 |
| 提取/层析区 | 压滤、萃取、浓缩、层析（防爆） |
| 精制/结晶/干燥/包装区 | 结晶、干燥、粉碎、内包 |
| 溶剂回收区 | 精馏撬、储罐（防爆） |
| 微生物/中控实验室 | 检验、监测（BSL-1） |
| 废水处理区 | 收集/调节、生化、深度处理、蒸发结晶（零排放） |
10.2 中试车间功能分区与布局
车间组成与建筑参数（集装箱式）
| 车间 | 功能 | 层高 |
|---|---|---|
| 车间 1 | 菌种与种子准备 | 3.0 m |
| 车间 2 | 种子扩培与发酵 | 4.5 m |
| 车间 3 | 分离纯化 | 4.5 m |
| 车间 4 | 溶剂回收 | 4.5 m |
中试车间总面积数百平方米，4 个车间及配套功能间集中布置。车间 1 层高 3.0 m 满足摇床、生物安全柜及洁净操作台布置；车间 2/3/4 层高 4.5 m 满足发酵罐、层析柱、精馏塔及高位管路安装与检修净空要求。
集装箱式模块化建造
- 采用标准 40 尺海运二手集装箱，经整修、除锈、防腐刷漆后改造为车间模块，露天布置、双层堆叠，可整体迁移与扩展；堆叠后净空满足车间 2/3/4 的 4.5 m 要求。
- 模块内集成空调、配电与管线，现场接入供电、供水、压缩空气与蒸汽即可投用。
- 建造理念借鉴 G-CON 模块化可堆叠方案，部署快、成本可控。
┌──────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 中试车间（示意） │
│ │
│ ┌────────────┐ ┌──────────────────┐ │
│ │ 车间1 │ │ 车间2 │ │
│ │ 菌种与种子 │ ─────▶ │ 种子扩培 + 发酵 │ │
│ │ 层高 3.0 m │ │ 层高 4.5 m │ │
│ └────────────┘ └────────┬─────────┘ │
│ │ │
│ ▼ │
│ ┌────────────┐ ┌──────────────────┐ │
│ │ 车间4 │ ◀───── │ 车间3 │ │
│ │ 溶剂回收 │ │ 分离纯化 │ │
│ │ 层高 4.5 m │ │ 层高 4.5 m │ │
│ └────────────┘ └──────────────────┘ │
│ │
│ 公用工程区（水电气/冷热/CIP/SIP）与配套功能间随车间布置 │
└──────────────────────────────────────────────────────────────┘
10.3 暖通空调与 24 小时恒温控制
- 车间设空调箱（AHU），冷热源利用现有制冷/热水机组提供的 7 °C 冷冻水 / 45 °C 热水，实现 24 小时恒温。
- 通风空调系统 24 小时连续运行，关键机组按 N+1 冗余配置，配备备用电源/发电机。
- 温度控制 20–25 °C；发酵工段由独立温控循环水系统实现 30 °C / 25 °C 恒温，控制精度 ± 0.5 °C。
- 设置在线温湿度监测与超限报警，空调系统故障自动切换备用机组。
- 排风系统对防爆区、生物操作区、产尘区独立设置，经处理后排放。
10.4 远程监控系统
- 采用 PLC + 上位机（SCADA/HMI）+ 工控机 + 服务器 架构，集成发酵、纯化、溶剂回收及公用工程数据。
- 支持远程监控：通过专线/VPN 加密访问，可在办公室、手机 APP 或 Web 端实时查看工艺参数、设备状态与报警。
- 关键参数（温度、pH、DO、压力、液位、电导率等）实时采集，超限自动声光报警并推送短信/APP 通知。
- 配置视频监控（CCTV），覆盖发酵区、纯化区、溶剂回收区及主要出入口。
10.5 CIP / SIP 系统
CIP/SIP 系统自建（机组可自制）；以下为技术要求。
CIP（在线清洗）
| 步骤 | 清洗介质 | 条件 |
|---|---|---|
| 预冲洗 | 回收水/纯化水 | 常温 |
| 碱洗 | 1–2% NaOH | 80 ± 5 °C，循环 20–30 min |
| 中间冲洗 | 纯化水 | 至中性 |
| 酸洗 | 0.5–1% 硝酸/磷酸 | 60–80 °C，循环 15–20 min |
| 终冲洗 | 纯化水（PW） | 在线电导率/pH 合格 |
| 吹干 | 洁净压缩空气 | — |
- CIP 系统覆盖种子罐、发酵罐、补料罐、萃取装置、层析柱、管路及储罐。
SIP（在线灭菌）
- 种子罐、发酵罐、补料系统及移种管路采用纯蒸汽 SIP，121 °C、30 min（或 F₀ ≥ 15）。
- 罐体及管路设多点温度探头；SIP 后保压检漏。
- 空气过滤器、取样阀、补料口等设独立灭菌接口。
11. 自控与仪表
11.1 控制系统
- 自控系统自建，负责控制方案、仪表选型、系统集成及内外部接口，交付技术文件与操作维护说明书。
- 采用 PLC + 上位机（SCADA/HMI）+ 工控机 + 服务器 架构，实现温度、pH、DO、补料、消泡的自动控制与数据记录。
- 关键参数具备超限报警、联锁与数据追溯（审计追踪）。
- 分离纯化及溶剂回收工段采用 PLC 控制，精馏系统具备安全联锁。
11.2 在线检测仪表
| 仪表 | 测点 | 精度要求 |
|---|---|---|
| 温度传感器（Pt100） | 各罐/塔 | ± 0.5 °C |
| pH 电极 | 种子罐/发酵罐 | ± 0.05 |
| DO 电极 | 发酵罐 | ± 2% |
| 质量流量计 | 通气/补料 | ± 1% |
| 压力变送器 | 各罐/塔 | ± 1% |
| 液位计 | 储罐/塔釜 | ± 2% |
| 尾气 O₂/CO₂ 分析仪 | 发酵尾气 | — |
11.3 数据采集与数字孪生系统
- 数据采集系统与数字孪生系统自建，基于 PLC、上位机与服务器接口（OPC UA / MQTT / Modbus TCP）实现。
- 数据采集：采集发酵、纯化、溶剂回收及公用工程的温度、pH、DO、压力、流量、液位等实时数据，存入时序数据库。
- 数字孪生：基于三维模型与实时数据构建车间数字孪生，实现状态映射、工艺仿真与故障预警，可分步实施。