摘 要

γ-多聚谷氨酸是一种由细菌合成的极具应用价值的氨基酸聚合物，通过改善发酵工艺获得高产的γ-多聚谷氨酸一直备受关注。本文通过地衣型芽孢杆菌工程菌株在500L的发酵罐中，以合成培养基培养生产γ-多聚谷氨酸的中试生产工艺的设计，以期为以实验室为基础的发酵工艺的生产化打下基础。整个工艺分发酵与分离两个部分：发酵工艺包含多级种子罐和500升发酵罐；分离工艺包括固液分离、阴离子交换树脂和葡聚糖凝胶柱分离，最终得到提纯的γ-多聚谷氨酸产品。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、地衣型芽孢杆菌生物发酵生产γ-多聚谷氨酸流程图、发酵提纯车间平面布置图和车间平面布置图。设计最终达到γ-多聚谷氨酸得率为13.6g/L的工艺。

关键词：γ-多聚谷氨酸；工艺；发酵；分离纯化；车间设计

Abstracte

γ-polyglutamic acid is a highly valuable amino acid polymer synthesized by bacteria, and high-yield γ-polyglutamic acid has been attracting attention by improving the fermentation process. In this paper, the design of the pilot production process of γ-polyglutamic acid was carried out in a 500 L fermentor by the culture medium of Bacillus licheniformis to prepare the production of the laboratory-based fermentation process basis. The separation process involves solid-liquid separation, anion exchange resin and dextran gel column separation, and finally get the purified γ-poly Glutamic acid products. The design includes: fermentation extraction and refining process, material accounting, heat accounting, equipment selection, personnel arrangements and safe operation, waste disposal. Preparation of design manuals, and drawing of fermentation tank equipment, fermentation plant pipeline map, Bacillus licheniformis bio-fermentation production of γ-polyglutamic acid flow chart, fermentation and purification workshop layout and shop floor plan. The final yield of γ-polyglutamic acid was 13.6 g / L.

Keywords :γ-polyglutamic acid, Process, fermentation, Isolation and Purification, workshop design

目录

摘 要 I

Abstracte II

第一章 绪论 1

1.1生物高分子 1

1.2γ-多聚谷氨酸 1

1.2.1γ-多聚谷氨酸的结构 1

1.2.2γ-多聚谷氨酸的理化性质 2

1.2.3γ-多聚谷氨酸的生物学性质 2

1.2.4γ-多聚谷氨酸的生物合成途径 2

1.2.5γ-多聚谷氨酸的应用 2

1.3γ-多聚谷氨酸的发酵生产 3

1.3.1产生菌的筛选 3

1.3.2培养基的优化 3

1.3.3发酵条件及发酵方法的优化 4

1.4γ-多聚谷氨酸的分离纯化 4

1.4.1发酵液的预处理 4

1.4.2固液分离 5

1.4.3离子交换和层析 5

1.5中试放大的目的 6

第二章 设计要求及参数 7

2.1设计要求 7

2.2相关参数 7

2.2.1相关物质 7

2.2.2选用设备 7

2.3工艺流程 7

2.3.1微生物工程上游阶段 7

2.3.2微生物工程下游加工阶段 8

2.4工艺流程图 9

第三章 物料衡算 10

3.1发酵车间的物料衡算 10

3.1.1发酵液体积的计算 10

3.1.2一级种子罐的物料衡算 10

3.1.3二级种子罐的物料衡算 12

3.1.4发酵罐的物料衡算 14

3.2提取车间的物料衡算 17

3.2.1板框压滤过程 17

3.2.2离子交换过程 17

3.2.3葡萄糖凝胶层析过程 17

3.3物料衡算汇总表 18

第四章 能量衡算 19

4.1发酵罐系统的能量衡算 19

第五章 设备选型 21

5.1中试发酵罐系统的选型 21

5.1.1发酵罐的设计要求 21

5.1.2发酵罐选择 21

5.1.3发酵罐参数 21

5.1.4发酵罐附属设备 22

5.1.5发酵罐各口径大小 24

5.2其他罐体选型 24

5.2.1无菌储液管 24

5.2.2酸碱罐 24

5.3分离纯化设备 25

5.3.1板框压滤机 25

5.3.2泵 25

5.3.3阴离子交换柱 25

5.3.4层析柱 26

第六章 车间布置设计 27

6.1车间布置 27

6.1.1车间布置的重要性和任务 27

6.1.2车间布置原则 27

6.2车间组成 27

第七章 劳动保护与安全生产 28

7.1 安全生产相关编制依据 28

7.2 厂区有害来源分析 28

7.3 安全生产对策 28

第八章 废液废渣处理 29

8.1 废液的处理 29

8.2 废渣的处理 29

8.3 废气的处理 29

讨论 30

结论 31

参考文献 32

致谢 33

附录 34

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^[1]。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，γ-多聚谷氨酸正是其中非常具有研究价值一种。

1.1生物高分子

生物高分子一般是指自然界生物体内的高分子。生物高分子及其衍生物是一类重要的生命物质，协助生命体实现着许多重要的生理功能。因此，这些物质一般都具有良好的生物相容性、可降解性、水溶性等特点，有些还会有特殊的性质和功能。生物高分子种类丰富，比如核酸类、多糖类、聚酰胺类、聚酚类等等，γ-多聚谷氨酸就属于聚酰胺类的一种^[2]。

1.2γ-多聚谷氨酸

γ-多聚谷氨酸[γ-Poly (glutamic acid), γ-PGA]是由微生物合成的一种细胞外高分子氨基酸聚合物。γ-PGA作为一种多功能性、全天然、生物可分解性的生物高分子产品，在食品、药品、生物材料、农业、化妆品等很多领域均得到广泛应用^[3-4]。

1.2.1γ-多聚谷氨酸的结构

γ-多聚谷氨酸是由L-谷氨酸和/或D-谷氨酸单体之间通过γ-酰胺键结合形成的一种多肽分子^[3-4]，结构式如图1.1：