200升ε-多聚赖氨酸生产发酵工艺中试车间设计开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

本设计是有关于200升ε-多聚赖氨酸（ε-poly-l-lysine，ε-pl）生产发酵工艺中试车间的设计。随着人们对食品安全性的认识和要求的逐步提高，化学防腐剂受到严峻挑战，食品防霉防腐剂的天然化已成为今后的发展趋势。天然防霉防腐剂是近年来国内外倡导、开发和寻求的新型产品，开发抗菌性强、安全无毒的天然防霉防腐剂已成为各国科技工作者的研究热点。它不但对人体健康无害，有的还具有一定的营养价值，是今后开发的方向。ε-pl是目前具有优良防腐性能和商业潜力的天然微生物食品防腐剂，在国内食品行业中有很大的发展前景。

ε-pl是以链霉菌属的好氧发酵培养得到的一种天然微生物代谢产物，经分离提取精制而获得的发酵产品。ε-pl是由赖氨酸单体组成的均聚多肽，具有热稳定性好、水溶性强、安全性高、抗菌谱广等优点，广泛用于食品保鲜。此外，在基因治疗、微囊药物的制备、高分子材料等领域中，ε-pl亦有着广泛的用途，优良防腐性能和巨大商业潜力。研究表明，将其应用于糕点、面包中，能有效抑制耐热性芽孢杆菌的增值，延长保存期；应用于低糖低热量食品，如乳蛋白冰淇淋、奶油制品等，可改善其保存性；在低温软罐头食品中加微量ε-pl 就可防止杀菌后产生异味；在冷藏食品中添加ε-pl能起到保证质量的效果。同时，作为抑菌剂在食品中使用时，如果与其它物质配合使用可以达到增效和经济的目的。此外，还发现可以利用ε-pl生产出高亲水性、高凝胶性、高膨胀性的大分子凝胶化合物，应用于其它工业，但是目前ε-pl 生物合成机理还没有被完全阐明，这严重阻碍了ε-pl 的发展，但坚信只要通过努力总会有一个更为高效的ε-pl生产体系，它的应用前景也将会更为广阔。

ε-pl在国外研究较为成熟，应用也更加广泛。早在1989年日本窒素公司首先用生物技术方法工业生产ε-pl，已建成年产千吨ε-pl的现代化工业装置，发酵水平不断提高，近年来已达到50g／l以上水平，市场规模达数百亿日元。至今为止，日本工业化生产ε-pl已有20多年的历史，并一直处于世界垄断地位。2003年l0月，美国fda已正式批准ε-pl作为天然食品添加剂。之后韩国也允许将ε-pl作为食品添加剂使用。目前，ε-pl基本上已经成为世界上公认的天然食品添加剂。虽然我国从事ε-pl领域研究才仅仅十多年，但是得到国家“十五”和“十一五”计划的资助，可见，社会对这一领域是十分关注的。但是，由于筛选菌种的技术直到最近几年才有所突破，所以ε-pl的发酵生产研究还处在实验室探索阶段。目前，国内在研究ε-pl领域走在前列的是：天津科技大学贾士儒课题组和南京工业大学徐虹课题组。天津科技大学姜俊云等采用5l自控式发酵罐研究了ε-pl分批发酵过程中搅拌转速和ph对发酵指标以及菌体细胞形态的影响。研究得出提高搅拌速率对菌体生长和ε-pl的合成有显著的促进作用；当搅拌转速为350r／min和控制ph4．0时可获得最大的ε-pl产量为2.95g／l，之后采取了流加葡萄糖方式进行补料发酵，发现变速流加方式要由于间歇流加和恒速流加，ε-pl的产量和菌体量分别达到6.93g／l和19.8g／l。南京工业大学朱宏阳等筛选到一株北里孢菌，并通过5l发酵罐中ε-pl的合成条件的考察，发现在搅拌转速为350r／min，ph4．0，初糖浓度为3％并补糖的操作条件下ε-pl的质量浓度可高达6.65g／l，产率提高近10倍。之后陈玮玮经过发酵条件优化，在转速400rpm，通风量为2l／min和维持ph4.0的条件下进行发酵实验，菌体生物量达到7.69g／l，ε-pl的产率达7.72g／l。以后又采用间歇添加葡萄糖的方式加强生产，ε-pl的产率最终达到了13.9g／l。目前国内浙江银象集团与天津科技大学合作进行ε-pl的工业化，据说已经达到中试阶段，其发酵水平已达20 g／l，但基于商业机密，这些信息也不是很清楚。

2. 研究的基本内容与方案

2、确定设备选型，初步设计可实施的工艺方案；

3、查阅不少于15篇的相关资料，其中英文文献不少于3篇，完成开题报告；

4、对整个过程进行物料衡算，热量衡算，设备管路计算；

5、完成白色链霉菌生物发酵生产ε-PL 中试车间的工艺流程图，车间平面图和设备管线图的设计；

工艺流程设计：1.种子的制备：从实验室取来1L的发酵培养液接入一级种子罐对菌种进行扩大培养（1:9）；2.补料分批发酵：将扩大培养好的菌株接入200L自动控制式发酵罐（1:9），在分批培养过程中,间歇或连续地补加新鲜培养基的培养方法,与分批发酵相比较,补料分批发酵可以解除培养过程中的底物抑制、产物的反馈抑制和葡萄糖的分解阻遏效应,有利于产物的合成,可以避免分批培养过程中一次性投糖过多造成的菌体大量生长而导致发酵液粘度增大、溶氧不足等问题,有利于好氧发酵过程中目的产物的大量合成。3.预处理：发酵好的产物接入预处理罐中，将发酵液用Na0H调至PH8.5左右,产生大量白色絮状沉淀,板框过滤机过滤除去沉淀。4.提取分离：滤液以0.36L/h的流速通过D152离子交换住（D152湿树脂交换容量为103.91g/L，根据目前国内最新技术，100L发酵液最多可提取2000gε-PL ,故选取20L大孔弱酸性丙烯酸系阳离子交换湿树脂，树脂先处理成H型），交换完毕后先用蒸馏水,再用醋酸洗涤离子交换柱,洗涤后用盐酸进行洗脱 ；5.精制：洗脱液接入无菌贮存罐中，用Na0H中和至pH6.5,活性炭脱色后,加热浓缩至较小体积。加入乙醇和乙醚(体积比2:1)的混合液洗涤,有白色、片状的物质析出。板框过滤机过滤,收集沉淀。将得到的固形物接入无菌贮存罐配成较高的浓度的溶液,每根葡聚糖凝胶G一25层析柱用自动收集器收集约5ml溶液，并用大量蒸馏水以0.06L/h的流速洗脱，得精制ε-PL。

设计流程图：

3. 研究计划与安排

第7-9周：车间布置设计

4. 参考文献（12篇以上）

5、何堃. 白色链霉菌产生天然防腐剂多聚赖氨酸的研究[D]. 哈尔滨: 黑龙江大学, 2007.

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