摘 要

本文设计秉持“高效环保，清洁化生产”的理念，首先，对生物工厂工艺进行详细论证，以生产抗生素为例，阐述生物工厂设计过程中最重要的工艺流程和生产流程，通过统计生产过程中发酵罐，发酵周期，水和温度等的不同要求，对建厂所需要的建材和设备进行最适选择，最重要是在一般生物工厂的基础上，结合生物技术对高产菌种的构建、发酵过程、下游处理做出创新，多方面提高生物工厂生产效率。

然后，紧紧与生产实际情况结合，从四个方面来设计清洁型生物工厂：一，通过分析地理位置、原料条件、交通运输和劳动力情况，找到适合建厂的地址。二，从防火、防爆、防震方面进行分析，为工厂安全提供保证，对各个车间进行详细规划和合理布局，结合卫生要求，制定一系列的卫生制度，同时绘制工厂平面图。三，根据生产过程中对原料，水，电，气的消耗，优化生产工艺，采用适合的生产设备和先进技术，以达到节约高效的目的，从多方面提高产品质量及生产效率。四，根据生产的工艺流程，结合理论分析，对生产过程中存在地污染，进行末端处理，采取相应措施减轻或消除污染后在排放废弃物。

最终，在一般生物工厂的基础上，合理运用现代生物学技术手段，使用高产菌种、采用最适的设备和先进的工艺进行清洁生产，在末端对菌渣和废水进行高效处理，设计出生产高效，资源利用合理，清洁环保的生物工厂，从而提高企业的核心竞争力。

关键词：生产工艺；生物工厂；清洁生产

Abstract

The design of this article adheres to the concept of "efficient and environmentally friendly, clean production". First, a detailed demonstration of the Biological production process, taking antibiotic production as an example, explains the most important process and production process in the Biological production design process. The different requirements of fermentation tanks, fermentation cycles, water and temperature, etc., make the most suitable choices for the building materials and equipment needed for the construction of the plant. The most important thing is to build and ferment the high-yield strains based on the general biological factory and combined with biotechnology. Innovate the process and downstream processing to improve the production efficiency of the Biological production in many ways.

Secondly, closely integrate the production process and design the bio-factory from four aspects: First, find the most suitable address for the factory through geographical factors, transportation, raw material sources, labor and other factors. Second, combined with the requirements of sanitation, environmental protection, fire prevention, and explosion prevention, detailed planning and reasonable layout of each workshop were made to formulate a series of sanitation systems to form a factory and draw a factory floor plan at the same time. Third, according to the consumption of raw materials, water, electricity and gas in the production process, optimize the production process, adopt suitable production equipment and advanced technology to achieve the purpose of saving and high efficiency, and improve product quality and production efficiency in many ways. Fourth, according to the production process, combined with theoretical analysis, the end of the pollution in the production process, the end of the treatment, take corresponding measures to reduce or eliminate pollution and discharge waste.

Finally, on the basis of general biological factories, modern biological technology is used reasonably, using high-yield strains, using the most appropriate equipment and advanced processes for clean production, and efficiently treating bacterial residue and wastewater at the end to design production. Efficient, reasonable use of resources, clean and environmentally friendly bio-factory, thereby enhancing the core competitiveness of the enterprise.

Key Words:production process; biological factory; cleaner production.

目录

第1章 绪论 7

1.1 一般生物工厂介绍 7

1.2 清洁型生物工厂的分析 7

1.3 项目研究的意义 7

第2章 工艺流程 9

2.1高产菌种的筛选与构建 9

2.1.1传统工业上菌种分离筛选步骤 9

2.1.2清洁型生物工厂高产菌的构建 10

2.1.3总结 11

2.2 抗生素的生产工艺流程 11

2.3发酵工艺 12

2.3.1 孢子制备 12

2.3.2种子制备 12

2.3.3发酵罐（生产罐）过程 13

2.4分离纯化工艺 15

2.4.1预处理 15

2.4.2过滤 16

2.4.3 萃取 17

2.4.4 蒸发结晶，得到产品 18

2.5总结 18

第3章 末端处理 19

3.1菌渣的处理 19

3.2废水的处理 19

3.3小结 21

第4章 工厂设计 22

4.1工厂选址 22

4.1.1地理条件 22

4.1.2原料条件 22

4.1.3劳动力来源 22

4.1.4水文与交通 22

4.1.5小结 23

4.2工厂卫生 23

4.2.1工厂卫生要求 23

4.2.2车间要求 23

4.2.3更衣室 23

4.2.4小结 24

4.3工厂车间设计 24

4.3.1车间防火设计 24

4.3.2车间防爆要求 24

4.3.3车间防震要求 24

4.3.4小结 25

4.4工厂平面图 25

第5章 结论与展望 27

5.1结论 27

5.2展望 27

第1章 绪论

1.1 一般生物工厂介绍

生物工厂设计是生物技术从实验室到工业化生产，最后走向市场形成完整的生物产业链中不可或缺的一环。它通过小试，中试等一系列生产工艺，从原材料到成品，将所有相关的生产过程组织起来，调整单元反应和单元操作，设计出生产工艺合理地车间[^[1]]。

由于我国生物技术发展比较晚，国内生物工厂以中小企业为主，龙头企业数量较少，生产效率较低，工艺不够先进。传统的生物工厂大多重视生产加工过程的开发，原材料的质量改进和生产工艺的优化没有得到足够重视，以菌株筛选为例，传统方法是让菌株经过多代的培养，慢慢筛选出生产力较高、较稳定的菌种，过程复杂繁琐，生产力水平低下。同时一般生物工厂生产过程中，大多依赖人力，机械化水平低，容易引入杂菌污染，对生产设备，废弃物处理等方面也不够重视，导致工业能耗、空气污染、生产成本都大幅度提高。随着生产水平和规模的提高，这种生产方式势必会被改良。

1.2 清洁型生物工厂的分析

对比一般生物工厂，清洁型生物工厂会根据实际生产情况选取最佳的生产设备和先进的生产工艺。以生产头孢霉素为例[^[2]]，清洁型生物工厂采用酶法合成羟头孢霉素，具有青霉素酰化酶的大肠杆菌（E.coli PN-66）细胞能够在最适温度20℃，最适pH6.0的条件下酶促合成羟头孢霉素，青霉素酰化酶能够在酸性条件下以6-氨基青霉烷酸（6-APA）为母核，在适宜温度下进行酰化反应，酶促合成头孢霉素，相比于传统的化学法合成头孢霉素，生产过程更简单，原料、成本和能耗都降低了50%以上。

清洁型生物工厂合理地与现代生物技术手段相结合，采用细胞工程、酶技术，基因工程等技术，对生产原料进行改进；对生产过程中的设备进行最优选择，对生产过程可能存在的污染进行分析，采用尾端处理技术，同时，采用计算机控制系统，对生产过程进行调控，机械化水平高，一定程度上防范了杂菌污染，提高企业的生产力和竞争力。

1.3 项目研究的意义

下图是OECD预测在2030年生物技术的经济贡献。

图1.1 2030年生物技术的经济效益

生物产业作为21世纪发展起来的新型产业，具有创新活跃、影响深远、发展迅速的特点，从图表中可以看出，未来的经济增长模式很大比重是由生物技术引导的。未来国家的经济优势极大程度上取决于国家的生物技术发展水平，生物产业生产水平，我国将会越来越重视生物产业的发展，而且自从十三五发布《生物产业规划》以后，明确提出了生物产业要向环保、创新、高效的目标和方向发展，生物产业在未来的国民经济中将占主导地位。

目前我国5000多家从事生物产品制造的公司和企业，涉及到食品，医药，发酵，石油化工，医药等各个学科和领域，总产值超过6000亿。随着产业水平的逐步提高、生产规模的不断扩大，传统生物工厂的生产力水平低、污染严重、资源利用效率低等问题将会被放大，这种生产模式会被改良和创新，未来生物产业势必会从传统制造完成向清洁型生物工厂产业模式转变，清洁型生物工厂具有巨大潜能。

采用优良的生产工艺和先进的生产设备，清洁型生物工厂的资源利用效率大大提高，进行清洁化的生产模式，减少或避免了生产过程中废弃物的产生，同时，设置末端处理，对产生的菌渣和废水进行高效清洁处理，是它们转化为对环境和人体无毒无害的物质后在排放，减少了对人类健康和环境的危害。世界基金委员会预测，到2030年，采用清洁化生物工厂进行生产，全球二氧化碳的排放量每年将降低10亿到25亿吨。清洁型生物工厂对于转变经济增长方式，调整我经济结构有重要作用，符合高效，绿色，可持续发展的经济模式，有助于建立“清洁发展、安全发展、节约发展”的产业经济体系。

第2章 工艺流程

工艺流程是工厂设计的核心，其目的是为了获得低耗、高产、优质的产品。本节以抗生素生产为例，与传统生物工厂作比较，对抗生素的工艺流程进行详细描述。从高产菌种的构建，发酵工艺到下游分离技术等方面来分析，通过改良生产工艺和采用优良设备来设计清洁型生物工厂。对于生产过程中克服染菌、提高生产水平、减少动力消耗、生产的稳定性采取措施解决。

2.1高产菌种的筛选与构建

发酵工业对菌种有特殊的要求，菌种决定了微生物发酵水平的高低和产品质量的好坏，用于工业生产的菌株要求具有相对稳定的遗传特性，较强的可操作性和高效地产物结合能力。本小节从高产菌种的筛选、构建入手，得到高产菌种，为后面工业化生产做基础。

2.1.1传统工业上菌种分离筛选步骤

传统工业上对菌种的分离筛选步骤如下：

①获得目的菌种：菌种获得的方式有很多，可以在大自然中获取，从发酵制品中分离或者直接到相应机构购买。如果想从自然界中获取菌种，选取合适地点，先用小铲子除去表面土壤，然后取离地面2到15厘米的土壤10g左右，把土壤杨平放置在一个干净的塑料袋中，捆扎，标记，并记录采样时间、地点和环境条件。