摘 要

生物高分子是一种由生物合成的高分子材料，其中一部分可以与许多物质、材料发生特异性的相互作用，表现出极强的亲和性；生物高分子通常是生物可降解的；生物高分子绝大多数来源于生物体，在工业上应用可以实现可持续性。正因为如此，生物高分子的开发与应用已成为各国生物技术领域和高分子材料领域研究的焦点。^[1]PHB是一类由微生物发酵剂制造的热塑性生物可降解材料，他也是生物高分子的一种，正被作为体内缝合材料应用于医护行业，这种材料无毒且可生物降解，所以当伤口愈合后无需被移除PHB相关造物。具有与合成树脂即聚丙烯类似的物理和机械性质，并可快速自然降解，不会对环境和生态造成污染，对环境保护大有好处。本文通过真养产碱杆菌在500L的发酵罐中以发酵工艺产生PHB，以期可以以实验室发酵生产PHB为其工业化生产打下基础。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、真养产碱杆菌生产PHB流程图、发酵提纯车间平面布置图和车间平面布置图。最终得到合适的PHB生产工艺。最终得到PHb产率为33.56g/L的工艺路线。

关键词：PHB；真养产碱杆菌；发酵；车间设计

Abstracte

Biopolymer is a kind of polymeric material synthesized by biology, some of which can interact with many substances, and show strong affinity, which is usually biodegradable. Most biopolymers come from organisms and can be used in industry to achieve sustainability. Because of this, the development and application of biopolymers have become the focus of research in the field of biotechnology and polymer materials.PHB is a kind of thermoplastic biodegradable material made from microbial starter. It is being used in medical industry as suture material in vivo. This material is nontoxic and biodegradable, so it does not need to be removed after wound healing. PHB has similar physical and mechanical properties as synthetic resin, that is, polypropylene, and can be degraded rapidly without pollution, which is beneficial to environmental protection. In this paper, the production of PHB in 500L fermenter by eutrophication was carried out in order to lay a foundation for the industrial production of PHB by laboratory fermentation. Design contents include: fermentation extraction refining process, material balance calculation Heat balance, equipment selection, personnel arrangement and safe operation, waste treatment and so on. Draw up the design specification, draw the equipment diagram of fermenter, the pipeline diagram of fermentation workshop, the PHB flow chart of the production of Alcaligenes eutrophicum, the layout plan of fermentation purification workshop and the layout plan of workshop. Finally, the appropriate PHB production process is obtained.Finally, the process route of PHb yield of 33.56g/L was obtained.

Keywords: PHB; Actinobacterium eutrophicus; fermentation; workshop design

目录

摘要 I

Abstracte II

第一章 绪论 1

1.1生物高分子 1

1.2聚羟基丁酸酯 1

1.2.1聚羟基丁酸酯的结构 1

1.2.2聚羟基丁酸酯的理化性质 1

1.2.3聚羟基丁酸酯的生物学性质 1

1.2.4聚羟基丁酸酯的生物合成途径 1

1.2.5聚羟基丁酸酯的应用 1

1.3聚羟基丁酸酯的发酵生产 2

1.3.1产生菌的筛选 2

1.3.2培养基的优化 2

1.3.3发酵条件及发酵方法的优化 2

1.4聚羟基丁酸酯的分离纯化 2

1.4.1发酵液的预处理 3

1.4.2固液分离 3

1.5中试放大的目的 3

第二章 设计要求及参数 4

2.1设计要求 4

2.2相关参数 4

2.2.1相关物质 5

2.3工艺流程 5

2.3.1微生物工程上游阶段 5

2.3.2微生物工程下游加工阶段 5

2.4工艺流程图 5

第三章 物料衡算 5

3.1发酵车间的物料衡算 6

3.1.1发酵液体积的计算 6

3.1.2一级种子罐的物料衡算 6

3.1.3二级种子罐的物料衡算 6

3.1.4发酵罐的物料衡算 7

3.2提取车间的物料衡算 7

3.2.1板框压滤过程 8

3.2.2收集水洗过程 8

3.2.3乙醇干燥加热过程 9

3.3物料衡算汇总表 9

第四章 能量衡算 10

4.1发酵罐系统的能量衡算 10

第五章 设备选型 12

5.1中试发酵罐系统的选型 12

5.1.1发酵罐的设计要求 12

5.1.2发酵罐选择 13

5.1.3发酵罐参数 14

5.1.4发酵罐附属设备 14

5.2种子罐参数 15

5.3分离纯化设备 15

5.3.1板框压滤机 15

5.3.2离心分离器 15

第六章 车间布置设计 16

6.1车间布置 16

6.1.1车间布置的重要性和任务 16

6.1.2车间布置原则 17

6.2车间组成 17

第七章 劳动保护与安全生产 18

7.1 安全生产相关编制依据 18

7.2 厂区有害来源分析 18

7.3 安全生产对策 18

第八章废液废渣处理 19

8.1 废液的处理 19

8.2 废渣的处理 19

8.3 废气的处理 19

讨论 20

结论 21

参考文献 22

致谢 24

附录 25

第一章 绪论

随着生物技术的蓬勃发展，人们对生物高分子的合成机制越来越了解，发酵工业也一直在进步，利用微生物发酵来生产功能性的生物高分子已经成为了生物工程的重要发展方向。微生物发酵产生的生物高分子作为一种可再生物质，具有良好的生物相容性、可生物降解等优点，广泛用于医药、食品、化妆品、农业、环境保护等各个领域。因此，如何利用微生物发酵高效地生产生物高分子材料也是现在研究的热门，PHB正是其中非常具有研究价值一种。^[8]

1.1生物高分子

生物高分子是指有生物活性特性的高分子，与传统化学工业中的合成高分子相比，生物高分子具有许多完全不同的的特性和奇妙的功能。^[4]

1.2聚羟基丁酸酯

PHB是一种存在于许多细菌细胞质内属于脂质的碳源类储藏物，不溶于水，而溶于氯仿，可用尼罗蓝或苏丹黑染色，具有储藏能量，提供碳源和降低细胞内渗透压等作用。本文以真养产碱杆菌生产PHB为重点。^[5]

1.2.1聚羟基丁酸酯的结构

其化学结构式（式中的n一般大于1000000）为：

1.2.2聚羟基丁酸酯的理化性质

PHB是一类由微生物发酵剂制造的热塑性生物降解材料，纯PHB为3-羟基丁酸酯的均聚物，熔点175℃，洁净度高，加工困难，力学性能差，常用的是共聚物。化学结构规整。结晶度高达60~80%，相对密度大、透氧率低、抗紫外线照射、具光学活性，但易脆、易断裂。

1.2.3聚羟基丁酸酯的生物学性质

细菌解聚反应：如假单细胞菌能合成水解酶将PHB降解为二聚体、单体等。

单体的分解：单体进入细胞内，参与细胞的能量和物质代谢 ，进一步被分解、转化、最终生成二氧化碳和水。PHB的链越长，分解越慢。活性污泥中降解需要几个月，海水中需要几年。^[12]

1.2.4聚羟基丁酸酯的生物合成途径

PHB是由细菌翻译合成相关的酶进行合成的，其在正常条件下产量很低，在细菌受限时会大量翻译出酶，PHB量猛增，本文采用养产碱杆菌。

1.2.5聚羟基丁酸酯的应用

医药上：外科缝线、肘钉、骨骼替代品、血管替代品等

工业上：一些安全包装材料、环保卫生用品、光学活性材料等

农业上：农用薄膜、对环境友好长效农药、生物降解载体等