摘 要

本设计采用进料容积100 L的发酵罐对白色链霉菌菌株进行发酵，生产出ε-多聚赖氨酸，将白色链霉菌生产的ε-多聚赖氨酸提取精制，并对生产车间进行设计。主要的过程包括：生物发酵，发酵液的固液分离、阳离子交换树脂和葡聚糖凝胶柱最终得到纯的ε-多聚赖氨酸。设计内容包括：发酵提取精制工艺流程、物料衡算、热量衡算、设备选型、人员安排与安全操作、三废处理等。编制设计说明书，并绘制发酵罐设备图、发酵车间管道图、白色链霉菌生物生产发酵ε-多聚赖氨酸流程图、发酵提纯车间平面布置图和车间平面布置图。最后得到ε-多聚赖氨酸526 g。此次中试发酵的亮点在于既能够直接生产出ε-多聚赖氨酸产品，又能够为后期放大作为基础，将对以后的实际生产提供参考数据。

关键词：ε-多聚赖氨酸；发酵；提取；车间设计

Abstract

We use the feeding capacity of 100 L of the fermentation tank for Streptomyces albus for Bio fermentation.The main task is that producing ε-poly-L-lysine. we need to extract the production of ε-poly-L-lysine and design the workshop. Main process includes:Bio fermentation, Solid-liquid separation of the broth, Cation exchange resin, Sephadex G-25 finally get pure ε-poly-L-lysine . Design content includes: Fermentation extraction and purification process, Material balance calculation, heat balance calculation, the selection of equipment, people arrangements , safety operation and three types of wastes treatment and so on. Prepare the design specification and draw the fermenter apparatus of FIG, the fermentation plant piping diagram , the streptomyces albus bio-fermentation production of ε-poly-L-lysine flowchart, the Fermentation purification plant layout plan and the workshop layout plan. Finally, the ε-poly-L-lysine 526g was obtained. The characteristics of the pilot fermentation, is able to directly produce ε-poly-L-lysine of the product, but also for the later amplification as a basis, will be the actual production in the future to provide reference data.

Keywords: ε-poly-L-lysine;Bio fermentation; extraction；workshop design

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 防腐剂 1

1.2 天然防腐剂ε-多聚赖氨酸 1

1.2.1 ε-多聚赖氨酸的结构 1

1.2.2 ε-多聚赖氨酸的理化性质 1

1.2.3 ε-多聚赖氨酸的生物学性质 2

1.2.4 ε-多聚赖氨酸的抑菌机理 2

1.2.5 ε-多聚赖氨酸的生物合成途径 2

1.2.6 ε-多聚赖氨酸的应用 2

1.3 ε-多聚赖氨酸发酵生产 3

1.3.1 产生菌的筛选 3

1.3.2 培养基的优化 4

1.3.3 发酵条件及发酵方法的优化 4

1.4 工艺流程 5

1.4.1 微生物工程上游阶段 5

1.4.2 微生物下游加工阶段 5

1.5 中试放大的目的 6

第二章 设计要求 7

2.1 选用设备 7

2.2 相关参数 7

2.3 生产流程 7

第三章 物料衡算 9

3.1发酵车间的物料衡算 9

3.1.1 发酵液体积的计算 9

3.1.2 一级种子罐的物料衡算 9

3.1.3 发酵罐物料衡算 12

3.2 提取车间的物料衡算 16

3.2.1 板框压滤过程 16

3.2.2 离心机离心 16

3.2.3离子交换树脂 16

3.2.4 葡聚糖凝胶柱层析 16

第四章 能量衡算 18

4.1 发酵设备的能量衡算 18

4.2 提取车间的能量衡算 18

第五章 设备选型 19

5.1 中试发酵罐系统的选型 19

5.1.1 发酵罐的选择及参数 19

5.1.2 发酵罐附属设备 19

5.1.3 发酵罐各口径大小 21

5.2 其他罐体选型 22

5.2.1 无菌储液罐 22

5.3其他设备 22

5.3.1 板框压滤机 22

5.3.2 离心机 22

5.3.3 泵的选择 22

第六章 车间布置设计 24

6.1车间布置 24

6.1.1车间布置的重要性和任务 24

6.1.2车间布置原则 24

6.2 车间组成 24

第七章 劳动保护与安全生产 25

7.1 安全生产相关编制依据 25

7.2 厂区有害来源分析 25

7.3 安全生产对策 25

第八章 废液废渣处理 26

8.1 废液的处理 26

8.2 废渣的处理 26

8.3 废气的处理 26

结论 27

参考文献 28

致 谢 30

附录 31

第一章 绪论

如何防止食品腐败变质、延长食品保质期是全世界所有科学家的一个重要研究课题，但是受限于经济、环境、等诸多因素的限制，一直以来人们都采用化学合成防腐剂来延长食品的保质期 ^[1]。随着现代生活水平的提高，人们在可以延长食品保质期的基础上，开始使用天然防腐剂来替代化学防腐剂，达到吃得健康、吃的放心的目的。天然防腐剂拥有诸多化学防腐剂无法比拟的优点，因此,安全无毒的天然防腐剂已成为各国科学家的研究热点，而ε-多聚赖氨酸(简称ε-PL)正是其中的一种^[2]。

1.1 防腐剂

防腐剂（Preservative）是指微生物天然生产或人工化学合成的化学成分，将其加入食品、药品之中可以延长保质期，包括化学防腐剂和天然防腐剂。化学防腐剂如乙醇、石灰水、甲醛、漂白粉等，天然防腐剂如尼辛、纳他霉素、ε-多聚赖氨酸等。

1.2 天然防腐剂ε-多聚赖氨酸

微生物的天然代谢产物ε-多聚赖氨酸(Poly-ε-lysine，简称ε-PL)由于具有安全性高、抗菌谱广、耐热性、易溶于水等众多优点，在食品、药品、生物材料等多个领域均得到广泛应用 ^[3]。

1.2.1 ε-多聚赖氨酸的结构

ε-多聚赖氨酸是一种由25—30个赖氨酸残基单体通过α-羧基和ε-氨基形成的酰胺键连接聚合而成的同型单体聚合物，其分子量在3600~4300之间^[1]。

图1.1 ε-多聚赖氨酸分子结构

1.2.2 ε-多聚赖氨酸的理化性质

ε-多聚赖氨酸纯品为一种淡黄色粉末，有苦味，具有强吸湿性，具有耐热性，研究发现120℃加热10min仍具有抑菌活性，其理化性质不会随着pH值的改变而改变。ε-多聚赖氨酸带有的正电荷可以与负电荷产生强静电作用力，故可以与带负电荷的物质或粒子发生结合，无固定的熔点。易溶于水，难溶于有机溶剂^[4]。

1.2.3 ε-多聚赖氨酸的生物学性质

ε-多聚赖氨酸是一种具有抑菌功效的多肽，研究发现其急性口服毒性为5 g／kg以上，使用安全性比其他化学防腐剂都要高。ε-多聚赖氨酸作用范围十分广泛，在除碱性环境以外的其他pH环境中对霉菌、酵母菌、革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌等均具有良好的抑制效果。刘慧、徐红华等人^[4]研究发现，在一定的温度范围内ε-多聚赖氨酸的抑菌活性不会随着温度的改变而改变 。

1.2.4 ε-多聚赖氨酸的抑菌机理

研究发现，天然防腐剂ε-多聚赖氨酸对一些微生物的呼吸有抑制作用，同时ε-多聚赖氨酸踞留于生物膜，影响微生物物质代谢、能量转化等生命活动，破坏胞内溶酶体膜使微生物自溶，最终导致细胞死亡^[5]。

1.2.5 ε-多聚赖氨酸的生物合成途径

ε-多聚赖氨酸的生物合成途径目前尚不清楚。据日本学者推测，ε-多聚赖氨酸可能是一种由聚合酶催化合成的长肽链，其单体为赖氨酸残基^{[6] [22]}。