物質(zhì)的吸收及代謝產(chǎn)物的排泄；G)影響酶的活力和酶的生成；⑷影響氧的溶解和發(fā)酵液的 氧化還原電位。氧化還原電位的改變，關(guān)系到細(xì)胞內(nèi)一系列氧化還原反應(yīng)能否進(jìn)行。發(fā)酵前期 如果pH偏低，細(xì)菌生長(zhǎng)和糖耗快，但菌體容易衰老，表現(xiàn)在發(fā)酵進(jìn)入中、后期時(shí)糖耗變慢，黃 原膠生成減少。如果pH偏高，貝瞞體增殖受到抑制，細(xì)胞代謝不活躍，不僅長(zhǎng)菌和糖耗慢，黃 原膠生成量也少。黃單胞桿菌生長(zhǎng)的最適pH值在6?7.5之間，而生產(chǎn)黃原膠的最適pH值范圍 是在7?8。研究表明，黃原膠發(fā)酵培養(yǎng)基的起始pH控制在7.2?7.5時(shí)，有利于初期的細(xì)胞生 長(zhǎng)和后期的黃原膠合成。在發(fā)酵過程中，pH值會(huì)下降，但在整個(gè)工業(yè)發(fā)酵過程中，可以通過控 制pH接近中性，直到碳源耗盡。

發(fā)酵溫度不僅影響黃原膠的產(chǎn)率，還能改變產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)組成。發(fā)酵前期和中期溫度過高，細(xì) 胞容易衰老，進(jìn)入發(fā)酵后期時(shí)，細(xì)胞活力降低，糖耗慢，黃原膠生成速率減慢。如發(fā)酵溫度過 低，不僅長(zhǎng)菌慢，發(fā)酵周期延長(zhǎng)，而且細(xì)胞代謝緩慢，產(chǎn)膠率降低。研究指出，較高的溫度可 提高黃原膠的產(chǎn)量，但降低了產(chǎn)品中丙酮酸的含量，因此如需提高黃原膠產(chǎn)量，應(yīng)選擇溫度在 31 °C?33 °C，而要增加丙酮酸含量就應(yīng)選擇溫度范圍在27°C?31 °C。

種齡及接種量對(duì)黃原膠生產(chǎn)也有一定影響。種齡的長(zhǎng)短關(guān)系到種子活力的強(qiáng)弱，影響下一 次增殖的適應(yīng)期長(zhǎng)短.接種量的多少則明顯影響種子生長(zhǎng)期的長(zhǎng)短。由于分泌出的黃原膠包裹在 細(xì)胞的周圍，妨礙了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸，影響了菌種的生長(zhǎng)，因此，接種階段時(shí)除應(yīng)增加細(xì)胞的濃 度外，還應(yīng)盡量降低黃原膠的產(chǎn)量。

野油菜黃單胞桿菌為好氧細(xì)菌，所以氧氣對(duì)于細(xì)菌生長(zhǎng)和生產(chǎn)黃原膠來說是必需的。通常 發(fā)酵液中的溶氧濃度影響到黃原膠產(chǎn)生菌的生長(zhǎng)速率、黃原膠的生成率以及黃原膠的質(zhì)量。高 濃度細(xì)菌隨著發(fā)酵的進(jìn)行發(fā)酵液粘度不斷增大，體積傳質(zhì)系數(shù)降低，造成供氧能力逐漸下降， 合成速率變慢，產(chǎn)率降低。充足的氧氣供應(yīng)是有效生產(chǎn)高聚物并獲得高產(chǎn)率的前提條件，而溶 氧濃度的高低則與生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)有著直接而重要的關(guān)系。可以通過攪拌培養(yǎng)基來提供氧氣， 但是，在生產(chǎn)過程中，當(dāng)培養(yǎng)基粘度增加時(shí)，氧氣的供應(yīng)就越來越困難。在很大程度上，攪拌 受到發(fā)酵罐形狀、液體體積、攪拌方式和葉輪性質(zhì)的影響。應(yīng)用能夠增加供氧的葉輪系統(tǒng)和結(jié) 構(gòu)合適的反應(yīng)器，可以提高黃單胞桿菌生產(chǎn)黃原膠的能力。傳統(tǒng)的反應(yīng)器為攪拌式反應(yīng)器(STR)， 大部分的反應(yīng)都是通過這種反應(yīng)器來完成的，但是這種反應(yīng)器無法克服發(fā)酵后期粘度過高而帶 來的氧和其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的傳遞、交換困難等難題。為增加傳遞到培養(yǎng)基中的氧氣，研究者提出 了各種不同的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，如許平1990年提出用泵式靜態(tài)混合循環(huán)反應(yīng)器可增加氧氣在高粘度 發(fā)酵液中的傳遞速率[11]，從而使黃原膠產(chǎn)量得至腦高；而氣升式反應(yīng)器能有效解決發(fā)酵過程中 的通氣和攪拌所帶來的熱量問題，適合連續(xù)培養(yǎng)生產(chǎn)黃原膠[12]。  

1.3.3分離提取

黃原膠分離提取的目的在于按產(chǎn)品質(zhì)量規(guī)格的要求，黃單胞桿菌發(fā)酵生產(chǎn)黃原膠的研究，將發(fā)酵液中的雜質(zhì)不同程度地除去， 通過分離、純化、干燥等手段獲得成品。黃原膠發(fā)酵液中有菌體細(xì)胞、未消耗完的碳水化合物 和無機(jī)鹽等雜質(zhì)，此外發(fā)酵液中還存在大量的水分需要除去。黃原膠的分離純化是個(gè)成本很高 的步驟，后處理占到整個(gè)生產(chǎn)成本的50%。提取的主要步驟：細(xì)胞的沉淀，黃原膠的沉淀、脫 水、干燥、研磨。黃原膠發(fā)酵液具有較高的粘度，處理非常困難，其中菌體細(xì)胞的去除是提取 工藝的一大障礙。目前有多種方法可滅活發(fā)酵液中的菌體：酶法成本較高；化學(xué)試劑容易改變 pH值，而降低產(chǎn)品中的丙酮酸含量；因此一般采取巴氏滅菌法，此法由于溫度較高還可提高黃 原膠的溶解度，并在一定程度上降低了溶液的粘度，有利于隨后的離心或過濾。由于黃原膠發(fā)酵 液的粘度很高，過濾前需要稀釋（稀釋劑一般為水、酒精或含低濃度鹽的酒精），以利于菌體 細(xì)胞和雜質(zhì)的去除和黃原膠的沉淀，常用的方法有離心法，過濾法，酶降解法，次氯酸鹽氧化 法，過濾-超濾濃縮'法。黃原膠的沉淀分離一般采用乙醇、異丙酹沉淀法，這種方法是利用黃原 膠在某些溶劑和某些條件下失穩(wěn)凝聚而沉淀的原理，將黃原膠從發(fā)酵液中提取出來。溶劑沉淀 法工藝簡(jiǎn)單、產(chǎn)品質(zhì)量高、大型化生產(chǎn)技術(shù)成熟，為目前國(guó)內(nèi)采用的主要生產(chǎn)方法。但是該方 法溶劑用量大，需配置溶劑回收設(shè)備，回收成本較高使黃原膠總成本持高不下，相對(duì)商業(yè)價(jià)值 較低，限制了黃原膠的推廣和應(yīng)用。

1.4研究?jī)?nèi)容及意義

至|J目前為止，世界上黃原膠均采用發(fā)酵法生產(chǎn)，一般采用的是間歇式的生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)裝 置最大可達(dá)到幾十立方米。主要流程為：菌種-搖瓶一種子放大一發(fā)酵一后處理-烘干-粉碎一成 品包裝。由于黃單胞桿菌體積很小、強(qiáng)度很低，黃原膠的發(fā)酵過程是一個(gè)比較典型的氣液兩相 混合生化反應(yīng)過程。

黃原膠獨(dú)特的化學(xué)結(jié)構(gòu)為其提供了優(yōu)良的使用性能，但也正是因?yàn)辄S原膠的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，黃 原膠在發(fā)酵過程中，隨著發(fā)酵液中黃原膠的濃度逐漸增大，發(fā)酵液的流體性質(zhì)也從牛頓型流體 轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨燃偎苄缘姆桥ｎD型流體，而且這種轉(zhuǎn)變是在濃度很低的情況下發(fā)生的，這種特性導(dǎo) 致了整個(gè)發(fā)酵過程在黃原膠濃度很低的狀態(tài)下就進(jìn)入傳質(zhì)、傳熱的控制過程，使氧的傳遞非常 困難，反應(yīng)器內(nèi)分區(qū)現(xiàn)象嚴(yán)重，發(fā)酵過程的溶氧效率大幅下降，物料混合嚴(yán)重不均，生物熱很 難及時(shí)移出，使反應(yīng)器內(nèi)存在很大的濃度和溫度梯度，各點(diǎn)發(fā)酵程度嚴(yán)重不均，這些問題的存 在使得黃原膠產(chǎn)品分子量分布寬、丙酮酸含量低、產(chǎn)品質(zhì)量不一致。要解決以上問題，必須從 混合工程角度出發(fā)進(jìn)行深入的研究。

國(guó)內(nèi)對(duì)黃原膠的研究主要集中在生物化學(xué)和食品應(yīng)用等方面，對(duì)發(fā)酵工程、產(chǎn)品后處理和 動(dòng)力學(xué)方面的研究很少。對(duì)擋板和氣體分布器的影響則沒有探討。總的來說，基礎(chǔ)性、機(jī)理性

7

的研究很少，無法對(duì)黃原膠生產(chǎn)技術(shù)，特別是發(fā)酵技術(shù)的改進(jìn)提供有價(jià)值的意見，使得國(guó)內(nèi)發(fā) 酵工藝很不合理。如目前國(guó)內(nèi)廠家多采用了多層直葉圓盤渦輪等不恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)器內(nèi)部構(gòu)件，難 以滿足黃原膠發(fā)酵過程中溶氧和傳熱、傳質(zhì)的需要。

國(guó)內(nèi)黃原膠技術(shù)研究存在的問題正是我們需要研究的方向，很顯然，要全面解決黃原膠生 產(chǎn)技術(shù)中存在的問題，首先應(yīng)該從發(fā)酵工程的角度入手，并引用化學(xué)工程中處理高粘度體系的 成功方法，進(jìn)行以下幾方面的工作：

I、對(duì)現(xiàn)有的黃原膠發(fā)酵體系的培養(yǎng)基成分、操作工藝條件進(jìn)行優(yōu)化研究，并在一定的放大 水平上進(jìn)行進(jìn)一步的研究，以獲得具有產(chǎn)業(yè)化價(jià)值的數(shù)據(jù)。

II、參照化學(xué)工程對(duì)中高粘、假塑性的非牛頓型流體體系的一系列有效研究方法，深入研 究反應(yīng)器型式、內(nèi)部構(gòu)件等對(duì)發(fā)酵過程各參數(shù)以及產(chǎn)品性能的影響，開發(fā)適合高粘非牛頓流體 的高效新型機(jī)械攪拌式生物反應(yīng)器。

III、在前面兩項(xiàng)工作的基礎(chǔ)上，對(duì)新型機(jī)械攪拌式生物反應(yīng)器進(jìn)行if價(jià)。

基于以上想法，本研究主要內(nèi)容分為兩部分：

⑴冷模部分

研究了不同槳型組合對(duì)攪拌功率尸，氧傳質(zhì)系數(shù)尤說、氣含率e的影響，針對(duì)黃原膠發(fā)酵的 特性，篩選出一組能夠促進(jìn)整體對(duì)流，提高氣液混合效果的新型攪拌器，將其應(yīng)用于黃原膠發(fā)

酵。

⑵熱模部分

結(jié)構(gòu)因素及培養(yǎng)基（碳源、氮源、無機(jī)鹽等)、發(fā)酵溫度、周期、氣量、轉(zhuǎn)速等工藝因素對(duì) 黃原膠發(fā)酵的膠產(chǎn)率、丙酮酸含量等主要技術(shù)指標(biāo)的影響，探討各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)與結(jié)構(gòu)因素及工 藝因素之間的關(guān)系。

為完成以上研究?jī)?nèi)容，課題組采取先分別進(jìn)行冷模和熱模研究，然后根據(jù)兩部分研究的初 步結(jié)果進(jìn)行合并研究的方式，獲得了對(duì)實(shí)際發(fā)酵體系有實(shí)用價(jià)值、而且對(duì)實(shí)際生產(chǎn)技術(shù)有一定 指導(dǎo)意義的研究數(shù)據(jù)和結(jié)論，確定了在實(shí)驗(yàn)條件范圍內(nèi)生物反應(yīng)器的最佳槳型組合。

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二、黃原膠發(fā)酵工藝的優(yōu)化

2.1前言

目前國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者都在黃原膠的發(fā)酵工藝方面開展了很多研究，以提高黃原膠的質(zhì)量和 產(chǎn)品得率。黃原膠的生產(chǎn)受到多方面因素的影響，諸如原料的選擇、原料的合理配比、菌種選 育、發(fā)酵工藝、后處理工藝、生產(chǎn)設(shè)備等，國(guó)內(nèi)的研究主要集中在培養(yǎng)基配方和工藝改進(jìn)方面。 不同的黃原膠生產(chǎn)菌株對(duì)培養(yǎng)基成分級(jí)發(fā)酵條件有著不同的要求，本文在三角瓶水平上針對(duì) XG-101黃單胞桿菌發(fā)酵培養(yǎng)基的成分配比進(jìn)行了優(yōu)化研究，并從工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況出發(fā)，考 察了淀粉液化程度對(duì)黃原膠產(chǎn)率的影響。以此為基礎(chǔ)放大到30L機(jī)械攪拌式生物反應(yīng)器上深層 培養(yǎng)，在此水平上對(duì)黃原膠的發(fā)酵條件進(jìn)行優(yōu)化，得到XG-101黃單胞桿菌發(fā)酵生產(chǎn)黃原膠的最 佳工藝條件，為進(jìn)一步研究黃原膠的發(fā)酵工程奠定基礎(chǔ)。

2.2實(shí)驗(yàn)材購方'法 2.2.1菌種

菌種野油菜黃單胞菌iXanthomonascampestris) XG-101,本實(shí)驗(yàn)室保:存菌種。

2.2.2實(shí)驗(yàn)伩器

B.E.MARUBISHICO.LTD., JAPAN；

曰本尼康

上海一恒科學(xué)儀器有限公司 上海一恒科學(xué)儀器有限公司 上海一恒科學(xué)儀器有限公司 上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠 上海?，攲?shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司 上海分析儀器廠

全自動(dòng)生物反應(yīng)器MSJ-U3 YS100顯微鏡 DZF-6050型真空干燥箱 DHG-9245型鼓風(fēng)干燥箱 LRH-250型生化培養(yǎng)箱 YXQ-LS-50SII型立式壓力蒸氣滅菌器 QYC-211型空氣恒溫振蕩器 U-3400型分光光度計(jì) 2.2.3培養(yǎng)基

菌種斜面培養(yǎng)基（g/L):淀粉5.0,牛肉膏3.0, NaCl5.0,蛋白胨10.0,瓊脂15.0?20.0,初 始pH值7.4。

菌種擴(kuò)大培養(yǎng)基（g/L)： (NH4) 2SO4 1g/L, MgSO4 0.12g/L, CaCO, 2g/L,酵母浸粉2.4g/L, 淀粉10.6g/L,葡萄糖2.1g/L,初始pH7.4。

發(fā)酵培養(yǎng)基（g/L):淀粉40g/L,豆粉6g/L, CaC〇32g/L,初始pH7.4。

2.2.4實(shí)驗(yàn)方法 2.2.4.1培養(yǎng)方法

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斜面種子培養(yǎng)：接種針直接挑取菌種進(jìn)行接種，28°C下生化培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48h，取出放入冰 箱4。。保藏。

液體種子培養(yǎng)：每瓶搖瓶種子培養(yǎng)基接一環(huán)活化斜面菌種，置于200r/min恒溫?fù)u床，28 C 恒溫振蕩培養(yǎng)26小時(shí)。

搖瓶發(fā)酵培養(yǎng):按每瓶一環(huán)活化斜面菌種的量接種于液態(tài)搖瓶發(fā)酵培養(yǎng)基，黃單胞桿菌發(fā)酵生產(chǎn)黃原膠的研究，置于200r/min恒 溫?fù)u床，28°Cf旦溫振蕩培養(yǎng)96小時(shí)。

生物反應(yīng)器及其運(yùn)行射牛：反應(yīng)器的有效容積為30L，配備有兩層攪拌槳，T/D=05 D=0.3m; 發(fā)酵液的溶氧濃度DO值采用原電池型溶氧電極插于兩層攪拌槳之間自動(dòng)檢測(cè)；采用1%的 H2SO4溶液和1%的NaOH溶液自動(dòng)控制調(diào)節(jié)發(fā)酵液的pH值；發(fā)酵溫度26C，轉(zhuǎn)速800r/min， 通氣比為1:1vvm,發(fā)酵周期90小時(shí)。

2.2.4.2菌體形態(tài)的觀察

取不同發(fā)酵階段的黃原膠發(fā)酵液，稀釋、涂片、染色，油鏡下觀察黃原膠在不同發(fā)酵時(shí)期 的基本形態(tài)。

2.2.4.3發(fā)酵培養(yǎng)基的優(yōu)化

根據(jù)野油菜黃單胞桿菌的培養(yǎng)特性，結(jié)合野油菜黃單胞桿菌的生物學(xué)特性，利用均勻試驗(yàn) 方法網(wǎng)優(yōu)化其培養(yǎng)基配方。根據(jù)一定的基礎(chǔ)開究結(jié)果，選用均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)表U10* (103)，優(yōu)化 試驗(yàn)的因素水平表見表2.1。

2.2.4.3淀粉液化程度對(duì)黃原膠產(chǎn)率的影響

在黃原膠的工業(yè)化生產(chǎn)過程中，為了降低攪拌難度，使滅菌徹底，通常在滅菌前需要向培養(yǎng) 基中加入一定量的a-淀粉酶，使培養(yǎng)基中的淀粉液化，但淀粉的液化程度（a-淀粉酶的加入量 和液化時(shí)間）對(duì)黃原膠的產(chǎn)率有著明顯的影響。本文采用單因素法分別考察了 a-淀粉酶 (20000U/ml)的用量和液化時(shí)間對(duì)發(fā)酵液中黃原膠濃度的影響。

2.2.4.4發(fā)酵餅的優(yōu)化

將上述優(yōu)化出的培養(yǎng)基配方放大到30L的機(jī)械攪拌式生物反應(yīng)器中進(jìn)行深層培養(yǎng)，在原有發(fā) 酵餅的基礎(chǔ)上，采用三因素三水平的正交試驗(yàn)[，寸影響黃原膠發(fā)酵生產(chǎn)最為顯著的三個(gè)因素: 溫度、通氣量和攪拌轉(zhuǎn)速進(jìn)行了優(yōu)化。根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本原理，選用L934表中的1、2、3 三列，設(shè)計(jì)了如表2.2所示的3因素3水平的正交試驗(yàn)表。

10 

Tab.2.1 the table of three factors in 10 levels uniform-test

序號(hào)因素

X1X2X3

10.40.81.2

20.80.60.12

31.20.360.4

41.60.560.24

52.00.320.08

62.40.520.36

72.80.280.2

83.20.480.04

93.60.240.32

104.00.440.16

Xi淀粉濃度：0.4?4.0 g/L;X2豆粉濃度：0.24?0.6g/L; 乂3碳_丐濃度：0.04?0.4g/L

表2.2三因素三水平正交實(shí)驗(yàn)表 Tab.2.2 the table of three factors in 3 levels orthogonal-test

序號(hào)因素

XiX2X3

1260.83600

2261.0800

3261.21000

4280.83800

5281.01000

6281.2600

7300.831000

8301.0600

9301.2800

X1溫度：26--28°C; X2通風(fēng)比：0.83 ?1.2 L-L-1;X3 織：600 ?1000 r/min

11

 

2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.3.1菌體形態(tài)的變化

 

ab

 

cd

圖2.1菌體形態(tài)的變化

Fig.2.1 Variation ofmycelium morphology of XG-101

圖2.1中a、b、c、d分別是搖瓶培養(yǎng)至第20、26、32、38小時(shí)XG-101黃單胞桿菌的菌體

油鏡照片，從圖中可以看出這幾個(gè)階段菌體形態(tài)變化十分明顯。第20小時(shí)，菌體個(gè)體較小，以 短桿狀存在，形態(tài)比較豐滿。第26小時(shí)，菌體長(zhǎng)軸不斷加長(zhǎng)，由短桿狀變?yōu)殚L(zhǎng)桿狀。這一階段 菌體生長(zhǎng)迅速，菌體顯著加長(zhǎng)表明細(xì)胞壁和細(xì)胞膜的擴(kuò)展速度超過DNA的復(fù)制速度，這對(duì)黃原 膠的合成非常有利，因?yàn)辄S原膠合成的酶系和磷脂載體都存在于細(xì)胞膜上[7]。此外，大部分菌體 的中間處有分段的跡象，此時(shí)菌體已經(jīng)開始進(jìn)行分裂繁殖。第32小時(shí)，菌體周圍出現(xiàn)透明圈， 開始分泌黃原膠。最先分泌的黃原膠都是源于菌體的端部，然后擴(kuò)展到菌體四周，這可能是菌 體端部是新生壁，比較薄的緣故。此時(shí)菌體主要以桿狀存在，也有些部分菌體以鏈狀存在。

因?yàn)镕>F.05 (3, 6)，這表明y的變化主要是由于X1、X2、X3的變化弓起的，回歸方程②可 信。對(duì)回歸方程進(jìn)行分析，在上述各項(xiàng)參數(shù)優(yōu)化的范圍內(nèi)，培養(yǎng)基配方中淀粉和豆粉含量越高 發(fā)酵液中黃原膠濃度就越高，因此我們?nèi)∑鋬?yōu)化范圍內(nèi)的最大值。碳酸鈣作為培養(yǎng)基中的無機(jī) 鹽對(duì)發(fā)酵液中黃原膠濃度影響較小，但卻是不可缺少的，本著節(jié)省原材料而又不影響發(fā)酵液中 黃原膠濃度的原則，我們?nèi)∑鋬?yōu)化范圍內(nèi)的中間值，由此得到黃原膠發(fā)酵培養(yǎng)基的最佳配方見 表 2.4:

表2.4黃原膠發(fā)酵培養(yǎng)基最佳配方

Tab.2.4 optimum medium components for Xanthan gum fermentation

淀粉（g/100mL)豆粉（g/100mL)碳酸鈣（g/100mL)

40.60.2

優(yōu)化號(hào)的計(jì)算值區(qū)間可用下式估算y = y* 士 p a xS③

式中：y*為優(yōu)化號(hào)按照②式的計(jì)算值，y* = 2.81 S為標(biāo)準(zhǔn)差S = 0.12

p a為置信水平為a時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量，查表得（pa0.05) =1.96 則 y = 2.81 ±0.22

即y值得范圍應(yīng)為2.59?3.03g/100mL。

對(duì)上述優(yōu)化出的培養(yǎng)基進(jìn)行搖瓶培養(yǎng)驗(yàn)證，其結(jié)果見表2.5:

表2.5黃原膠發(fā)酵培養(yǎng)基驗(yàn)證結(jié)果 Tab.2.5 verification result for Xanthan gum fermentation

平行實(shí)驗(yàn)標(biāo)號(hào)12

黃原膠濃度（g/100mL)2.852.92

平均濃度(g/100mL)2.88

上述結(jié)果表明，按優(yōu)化條件進(jìn)行搖瓶培養(yǎng)，發(fā)酵液中黃原膠濃度均在預(yù)測(cè)范圍內(nèi)，且兩次 實(shí)驗(yàn)發(fā)酵液中黃原膠的平均濃度為2.88 g/100mL,也在預(yù)測(cè)范圍內(nèi)，其結(jié)果高于表2.3中的每次 實(shí)驗(yàn)結(jié)果，由此可認(rèn)為優(yōu)化出的上述搖瓶培養(yǎng)基配方是可靠的。

在黃原膠生產(chǎn)中，發(fā)酵培養(yǎng)基是決定生產(chǎn)成功與否的重要因素之一，它不僅對(duì)黃原膠的產(chǎn)量

14

影響很大，而且對(duì)產(chǎn)物的質(zhì)量和性能也有一定的作用。此外還影響到工業(yè)生產(chǎn)的成本，因此選 擇適合工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)酵培養(yǎng)基是非常重要的[15]。

2.3.3淀粉液化程度對(duì)黃原臟酵的影響

2.3.3.1 a-淀粉酶用量對(duì)黃原膠發(fā)酵的影響

(I曰00I/M)姻崧鐺M舾

0-

0 L

00.511.522.5

淀粉酶用量（U/g淀粉）

30L機(jī)械攪拌式生物反應(yīng)器黃原膠發(fā)酵的放大實(shí)驗(yàn)中，滅菌之前需要向培養(yǎng)基中加入一定量 的a-淀粉酶，本文采用單因素法在三角瓶水平上對(duì)a-淀粉酶的用量進(jìn)行了初步研究，分別以正 常淀粉酶用量（100U/g 淀粉）的 0 倍、1/3200、1/1600、1/800、1/400、1/200、1/100、1/50 的量 向發(fā)酵培養(yǎng)基中加入a-淀粉酶，60°C時(shí)液化2min。發(fā)酵結(jié)束后，用酒精直接沉淀法提取黃原膠， 計(jì)算發(fā)酵液中黃原膠濃度，分別以a-淀粉酶用量和發(fā)酵液中黃原膠濃度為縱橫坐標(biāo)繪制曲線， 得圖2.2。

圖2.2發(fā)酵液中黃原膠濃度與a-淀粉酶用量的關(guān)系 Fig.2.2 Relationship between concentration of Xanthan gum in the broth and application rate ofdosage

由圖2.2知發(fā)酵液中黃原膠濃度與a-淀粉酶用量有著明顯的關(guān)系，當(dāng)a-淀粉酶用量為 0.25U/g淀粉時(shí)，發(fā)酵液中黃原膠濃度最大。通常在以淀粉質(zhì)原料為碳源的微生物發(fā)酵中，滅菌 前需要向培養(yǎng)基中加入適量的淀粉酶，使淀粉液化，其目的主要是降低培養(yǎng)基的粘度，促進(jìn)傳 熱，使滅菌更加徹底，其次淀粉液化可以產(chǎn)生一定量的葡萄糖，為發(fā)酵初期菌體生長(zhǎng)提供所需 的葡萄糖。葡萄糖碳源不僅是合成黃原膠的基質(zhì)，也是菌體增殖的物質(zhì)基礎(chǔ)，黃原膠的產(chǎn)量與 碳源種類和底物濃度有著直接的關(guān)系。當(dāng)a-淀粉酶用量不足0.25U/g淀粉時(shí)，淀粉液化不能產(chǎn) 生足夠的葡萄糖以供菌體生長(zhǎng)棚，影響了后期黃原膠的合成，致使發(fā)酵液中黃原膠濃度降低。

15

a-淀粉酶用量超過0.25U/g淀粉時(shí)，淀粉液化比較充分，產(chǎn)生大量的葡萄糖，培養(yǎng)基中葡萄糖濃 度過高使?jié)B透壓增大，抑制了菌體生長(zhǎng)，導(dǎo)致黃原膠產(chǎn)率降低。

2.3.3.2淀粉的液化時(shí)間對(duì)黃原膠發(fā)酵的影響

n日00I/M)姻崧鐺M舾

 

2.45 L

024681012

液化時(shí)間（min)

發(fā)酵培養(yǎng)基中按淀粉酶最佳用量添加a-淀粉酶，60°C處液化，黃單胞桿菌發(fā)酵生產(chǎn)黃原膠的研究，液化時(shí)間分別為0分鐘、2 分鐘、4分鐘、6分鐘、8分鐘、10分鐘。液化結(jié)束后，迅速使a-淀粉酶失活。接種發(fā)酵后用酒 精直接沉淀法提取黃原膠，計(jì)算發(fā)酵液中黃原膠濃度，分別以液化時(shí)間和發(fā)酵液中黃原膠濃度 為縱橫坐標(biāo)繪制曲線，得圖2.3。

圖2.3發(fā)酵液中黃原膠濃度與液化時(shí)間的關(guān)系 Fig.2.3 Relationship between concentration of Xanthan gum in the broth and liquefaction time

由圖中變化曲線可知，淀粉的液化時(shí)間在2分鐘時(shí)，發(fā)酵液中黃原膠濃度最大，當(dāng)液化時(shí) 間不足2分鐘或超過2分鐘時(shí)，發(fā)酵液中黃原膠的濃度均低于2分鐘時(shí)的黃原膠濃度。淀粉作 為遲效碳源，在a-淀粉酶的作用下液化生成一部分葡萄糖，淀粉液化程度與a-淀粉酶用量和液 化時(shí)間有著直接關(guān)系，a-淀粉酶用量一定的情況下，液化時(shí)間越長(zhǎng)，培養(yǎng)基中的葡萄糖就越多， 越不利于黃源膠的發(fā)酵。其原因可能是，葡萄糖作為速效碳源可以直接被菌體生長(zhǎng)所利用，當(dāng) 培養(yǎng)基中葡萄糖濃度過高時(shí)產(chǎn)生降解阻遏效應(yīng)。葡萄糖分解代謝的降解物能夠抑制腺苷酸環(huán)化 酶活性并活化磷酸二酯酶，降低cAMP的濃度，使許多分解代謝酶的基因不能轉(zhuǎn)錄，而黃原膠 作為含有對(duì)降解物敏感的微生物受到降解物的阻遏[16]，影響了產(chǎn)膠。

通常在工業(yè)生產(chǎn)中，以淀粉質(zhì)原料為碳源的培養(yǎng)基，在滅菌之前需要加入一定量的a-淀粉 酶使淀粉液化，淀粉液化的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定量的葡萄糖，而發(fā)酵初期培養(yǎng)基中的葡萄糖濃度對(duì)

16

發(fā)酵液中黃原膠的濃度有著明顯的影響，通過控制淀粉的液化程度可以控制葡萄糖的濃度。淀 粉的液化程度可以通過a-淀粉酶的用量和液化時(shí)間來進(jìn)行控制，合理的淀粉酶用量及液化時(shí)間 有利于提高黃原膠的產(chǎn)率，因此在黃原膠的工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)于淀粉液化程度的研究也是十分有意 義的。

2.3.4發(fā)酵餅的優(yōu)化

在上述優(yōu)化培養(yǎng)基配方、最佳a(bǔ)-淀粉酶用量及液化時(shí)間的基礎(chǔ)上將黃原膠發(fā)酵放大到30L的 機(jī)械攪拌式生物反應(yīng)器中進(jìn)行深層培養(yǎng)。采用正交實(shí)驗(yàn)法，對(duì)影響黃原膠發(fā)酵生產(chǎn)的最為顯著 的三個(gè)因素：溫度（°C)、通氣量（L.L-1)和攪拌轉(zhuǎn)速（r/min)，進(jìn)行優(yōu)化研究。優(yōu)化結(jié)果見表 2.6。

表2.6三因素三水平正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果 Tab.2.6 result of three factors in 3 levels orthogonal-test

實(shí)驗(yàn)序號(hào)黃原膠濃度（g/100mL)

12.8

23.21

33.04

42.78

52.85

62.72

72.69

82.57

92.64

對(duì)上述結(jié)果按照正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，有下列回歸方程： y = ac + a1x1 + a2x2 +a3x3⑤

式中x1、x2、x3分別表示發(fā)酵條件中的溫度、通風(fēng)比、轉(zhuǎn)速。

對(duì)上述方程進(jìn)行計(jì)算機(jī)回歸，可以得到下列回歸方程：

y = 5.2639 - 0.1x1 + 0.0588x2 +0.0004x3⑥

其中標(biāo)準(zhǔn)差s = 0.1, F = 8.64,樣本數(shù)N = 9,自變量M =3,置信水平a = 0.05,查表得到 F.05 (3，5) =5.41。

因?yàn)?F>F.05 (3, 5),這表明y的變化主要是由于X1、X2、X3的變化弓丨起的，回歸方程⑥

可信。對(duì)回歸方程進(jìn)行分析，參數(shù)溫度的系數(shù)為負(fù)值，對(duì)黃原膠發(fā)酵的影響是相反的，即在給

17

定范圍內(nèi)溫度越小越有利于黃原膠的發(fā)酵，因此我們?nèi)∑渥钚≈?；通風(fēng)比、轉(zhuǎn)速的系數(shù)均為正 值，對(duì)黃原膠發(fā)酵的影響是積極的，即發(fā)酵過程中通風(fēng)比和轉(zhuǎn)速越高越有利于黃原膠的發(fā)酵， 但考慮到生物反應(yīng)器的實(shí)際承受能力我們?nèi)∑渲虚g值。因此在本實(shí)驗(yàn)條件范圍內(nèi)，黃原膠的最 佳發(fā)酵條牛見表2.7：

表2.7黃原膠的最佳發(fā)酵條件

Tab.2.7 optimum conditions for Xanthan gum fermentation

溫度/C通風(fēng)比/ L-L-1轉(zhuǎn)速/r-min

261: 1800

在最佳培養(yǎng)基配方、or淀粉酶用量及液化時(shí)間的基礎(chǔ)上對(duì)上述發(fā)酵條件進(jìn)行驗(yàn)證，兩次驗(yàn) 證結(jié)果的黃原膠濃度分另ll為3.03g/100ml，3.17 g/100ml。驗(yàn)i正結(jié)果遠(yuǎn)高于發(fā)酵條牛優(yōu)化之前的黃 原膠濃度（2.7 g/100ml)。

2.4小結(jié)

本章探討了黃原膠發(fā)酵過程中菌體形態(tài)的變化、發(fā)酵培養(yǎng)基配方、淀粉液化程度及發(fā)酵條件 對(duì)黃原膠生產(chǎn)的影響。通過對(duì)黃原膠發(fā)酵過程中不同階段菌體形態(tài)的觀察，揭發(fā)了黃原膠的發(fā) 酵本質(zhì)，為黃原膠的生產(chǎn)提供理論依據(jù)；在原有發(fā)酵培養(yǎng)基配方研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)用均勻?qū)嶒?yàn) 法對(duì)培養(yǎng)基中的主要成分淀粉、豆餅粉和碳酸鈣進(jìn)行優(yōu)化，得出了黃原膠發(fā)酵生產(chǎn)的最佳培養(yǎng) 基配方為：4g/100ml淀粉、0.6g/100ml豆餅粉、0.2g/100ml碳鵬丐；在黃原膠的放大發(fā)酵過程中， 對(duì)淀粉的液化程度進(jìn)行了初步研究，確定了影響淀粉液化程度的a-淀粉酶的加入量及液化時(shí)間， 研究結(jié)果表明or淀粉酶的最佳用量和液化時(shí)間分別為：酶活力為20000U/m啲情況下，每克淀粉 的用量為0.25U，液化2分鐘；最后結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在30L機(jī)械攪拌式生物反應(yīng)器水平上對(duì)黃 原膠發(fā)酵的條牛進(jìn)行了優(yōu)化，得最佳發(fā)酵條牛為:溫度26°C、通風(fēng)比1: 1 vvm、攪拌轉(zhuǎn)速800r/min。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在此最佳實(shí)驗(yàn)條件下采用酒精直接沉淀法時(shí)，發(fā)酵液中黃原膠的濃度均在 3.0以上。據(jù)報(bào)道由美國(guó)專利4, 119, 546所制備的發(fā)酵液，黃原膠濃度為3.36 g/100ml;山東大 勞工伯英等人[17H棚黃單胞菌S-152所得發(fā)酵液黃原膠濃度最高為2.78 g/100ml;中科院微生物所 王修垣等人以4%蔗糖為底物、由黃單胞桿菌L4生產(chǎn)的發(fā)酵液中黃原膠濃度網(wǎng)為2.82 g/100ml;本 實(shí)驗(yàn)發(fā)酵液中黃原膠濃度3.01%，高于或接近上述文獻(xiàn)值。  

三、新型勝器的雛 3.1引言

黃原膠水溶液是典型的非牛頓流體，在含量較低時(shí)就具有很高的粘度。黃原膠的這種特性 給發(fā)酵過程中的氣液混合、氧的傳遞帶來了很大的困難。國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者認(rèn)為氧的傳遞是影響 黃原膠發(fā)酵過程的黃原膠產(chǎn)率、丙酮酸含量、分子量分布等主要參數(shù)的限制性因素[19~20]。 A.Amanullah等研究了幾種型式的攪拌器在黃原膠發(fā)酵液中的混合性能，他認(rèn)為槳型的選取在獲 得全罐混合和氣體的微觀分散方面具有舉足輕重的作用[21]。

對(duì)于黃原膠體系的混合問題，國(guó)內(nèi)外開發(fā)了一系列的新型反應(yīng)器，其中包括：帶有外循環(huán) 的新型氣升式反應(yīng)器[12]，通過在外循環(huán)中增設(shè)靜態(tài)混合器來提高氣液混合效果的新型反應(yīng)器[22]， 通過在氣升式反應(yīng)器的導(dǎo)流筒中增加混合元件來提高氣液混合的新型反應(yīng)器[23]等。然而，機(jī)械 攪拌式生物反應(yīng)器在高粘度非牛頓剪切稀化發(fā)酵液中所表現(xiàn)出的一些獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，使得該種類型 的裝置在黃原膠生產(chǎn)中仍具有很大的開發(fā)空間，而攪拌槳作為機(jī)械攪拌式反應(yīng)器中最重要的部 件之一，對(duì)氣液混合的效果起了決定性的作用，因此選擇合適的攪拌槳形式是本研究的關(guān)鍵所 在。本文在0.8%黃原膠水溶液的冷模狀態(tài)下研究了直葉圓盤渦輪、斜葉圓盤渦輪、凹葉圓盤渦 輪、雙折葉圓盤渦輪（上下壓式)、六葉布魯馬金不同槳型的雙層槳組合對(duì)氧傳質(zhì)系數(shù)尤說、功 耗八氣含率e的影響，研究結(jié)果表明當(dāng)上層槳為下壓式雙折葉圓盤渦輪，下層槳為六葉布魯金 時(shí)功率消耗較小，而氣含率和容積氧傳質(zhì)系數(shù)Ka值較高。

3.2實(shí)驗(yàn)裝置與分析測(cè)試:方法 3.2.1實(shí)驗(yàn)物系及性能測(cè)定

實(shí)驗(yàn)中氣相介質(zhì)為空氣；液相介質(zhì)為黃原膠的水溶液，濃度為0.8% (質(zhì)量濃度)。用成都儀 器廠生產(chǎn)的NXS—11型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，測(cè)定物系在室溫下的流變特性。

3.2.2實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)是在祁調(diào)底圓筒型立式釜內(nèi)進(jìn)行的，釜徑D=378mm，高H= 800mm，液面高度為 740mm。攪拌軸帶有扭矩傳感器，扭矩傳感器與計(jì)算機(jī)連接，測(cè)控軟件實(shí)時(shí)測(cè)量攪拌軸的轉(zhuǎn)速、 扭矩及功率。攪拌轉(zhuǎn)速為2.5?8.33r/s，氣體流量為0?3m3/h。實(shí)驗(yàn)裝置示意如圖3.1所示。   

 

圖3.1實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

3.2.3攪拌釜內(nèi)部構(gòu)件

3.2.3.1氣體分布器

本實(shí)驗(yàn)釆用的氣體分布器為分布環(huán)，直徑為165mm，黃單胞桿菌發(fā)酵生產(chǎn)黃原膠的研究，環(huán)下部均勻分布了 20個(gè)直徑為2mm 的小孔。分布環(huán)離底部的安裝高度為60mm。

3.2.3.2 擋板

在濃度為0.8%的黃原膠水溶液中，攪拌器處于過渡流工作狀態(tài)，甚至接近于層流域，因此 可以考慮釆用無擋板操作。

3.23.3攪拌器型式

根據(jù)攪拌器特性和基本的流場(chǎng)分析，設(shè)計(jì)制作了多種攪拌器。根據(jù)黃原膠發(fā)酵過程中，黃 源膠發(fā)酵液的特點(diǎn)，結(jié)合各攪拌器的氣液分散能力，本文選用的攪拌槳型式如表3.2所示。  

表3.1本文所用的攪拌槳型式表 Table 3.1 Impellers used in this work

攪拌槳直徑（mm)葉片數(shù)葉片傾角“。)簡(jiǎn)記符號(hào)

直葉圓盤渦輪12560DT

斜葉圓盤渦輪125645PDTD(U)

六葉布魯馬金1256456BM

凹葉圓盤渦輪12560CBDT

雙折葉圓盤渦輪1506盤卜.葉片90,盤下45P2DTD(U)

表中簡(jiǎn)記符號(hào)的D和U分別表示下壓式和上推式。上層槳采用上推式時(shí)的槳間距為0.55T，上層槳采用下 壓式時(shí)的槳間距為0.7T。T為釜徑。

從黃原膠發(fā)酵液的實(shí)際情況出發(fā)，以強(qiáng)化混合效果、提高流動(dòng)循環(huán)量為目的，槳型組合的 原則采取底層用徑流式攪拌器，上層用混合流式(主要為軸向流，有部分徑向流)攪拌器，因此 在選取雙層組合槳時(shí)底層槳采用DT、6BM、CBDT，上層槳采用PDTD(U)、P2DTD(U)。這七 種槳中，除六葉布魯馬金外，其余六種槳均為圓盤渦輪槳，之所以采用圓盤渦輪，是由于黃原 膠體系具有剪切稀化的特性，在攪拌過程中很難完全消除分區(qū)現(xiàn)象，不同區(qū)中的氣體流通阻力 不同，因此應(yīng)該采用葉輪上的圓盤“兜住”可能沿?cái)嚢栎S短路“漏掉”的氣體，使氣體沿徑向 分散，以更好地實(shí)現(xiàn)全釜的氣液混合。

3.2.4實(shí)驗(yàn)測(cè)量施

32.4.1功率的測(cè)量：采用JCZ1型智能扭矩傳感器。此傳感器配有相應(yīng)的計(jì)算機(jī)軟件，攪拌軸 轉(zhuǎn)速從扭矩及功率尸可由計(jì)算機(jī)直接讀出。攪拌轉(zhuǎn)速通過控制箱上的變頻調(diào)速器調(diào)節(jié)。

3.2.42氣含率的測(cè)量：氣體流量0(L/h)用轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量和調(diào)節(jié)。根據(jù)釜內(nèi)液位的升高值來計(jì) 算氣含率

H - H

s=x 100%

H 0

式中場(chǎng)和H分別為釜內(nèi)（固液）靜液高度和通氣分散后釜內(nèi)物料高度。

32.4.3容積氧傳質(zhì)系數(shù)疋a的測(cè)量

疋a的測(cè)定一般基于方程：

dc/dt=Ka(C-C- £■①

式中：Ka為體積溶氧系數(shù)(h-1)，C為溶液的飽和溶氧值(mol/L)，C為溶液中的溶解氧濃度(mol/L)， f 為耗氧率(mol.L-1.h-1)。

在金屬鈷離子存在時(shí)，亞硫酸鈉能被迅速氧化為硫酸鈉。當(dāng)采用蠕動(dòng)泵以一定速度向反應(yīng) 器中加入一定濃度的亞硫酸鈉溶液時(shí)，此時(shí)的耗氧率為：

e=QM/2V②

式中，Q為亞硫酸鈉溶液的流加速度，M為亞硫酸鈉溶液的濃度，V是反應(yīng)器的體積。隨著亞硫 酸鈉溶液的加入，溶氧值不斷降低，最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)，此時(shí)dc/dt=0。反應(yīng)器中的(C/C*)采用 HAMILTON公司生產(chǎn)的Oxyferm 325型溶氧電極進(jìn)行測(cè)量，飽和溶解氧(C*)采用手持式溶氧電 極進(jìn)行測(cè)量。此時(shí)，可按式③計(jì)算出Ka的值。

KLa=QM/[2 VC (1-C/C*)]③

21

3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

黃原膠發(fā)酵過程中，由于胞外多糖的積累，發(fā)酵液的粘度增加，特別是發(fā)酵中后期，體系中氧 的傳遞非常困難，發(fā)酵液中氧的濃度較低，溶氧濃度成了菌體生長(zhǎng)與產(chǎn)物合成的限制性因素，氧 傳遞速率成為控制整個(gè)發(fā)酵過程的關(guān)鍵步驟。容積氧傳質(zhì)系數(shù)作為反應(yīng)體系氧傳遞速率的特 征參數(shù)常直接用來表述氣液混合的效果。本文在黃原膠的中粘體系下，以容積氧傳質(zhì)系數(shù)為 主要參數(shù)，兼顧功耗與氣含率，對(duì)不同的槳型組合進(jìn)行了篩選。各組槳型組合中底層攪拌器主 要是徑流式的，以保證較好的氣體分散，上層則采用上推式或下壓式的圓盤渦輪攪拌器，以促 進(jìn)全釜的混合。

3.3.1不同槳型組合對(duì)氣含率的影響

氣含率（釣是表征攪拌槽內(nèi)氣液分散特性的重要參數(shù)，它反映的是攪拌體系持氣量的大小。 一般認(rèn)為：在粘性介質(zhì)溶液中，粘度的升高影響了氣體的分散，非牛頓性的加強(qiáng)影響了氣體分 散的均勻性，而氣體分散的程度和整體均勻性正是決定氣含率大小的關(guān)鍵因素。在黃原膠發(fā)酵 液這種高粘、非牛頓體系中，由于物質(zhì)粘度和分子結(jié)構(gòu)的影響，使得氣體的分散變得相對(duì)困難， 單純依靠通氣并不能帶來⑦的明顯升高，這時(shí)需要在氣體分散上進(jìn)行進(jìn)一步的考慮。

 

圖3.2不同槳型的氣含率與單位體積功耗的關(guān)系 Fig.3.2 Relationship between gas hold-up of different impeller type and power consumption per volume

由圖3.2可以看出，在相同單位體積功耗下，底層槳不論采用何種型式的徑流式攪拌器，上 層采用下壓式所得到的罐都要高于采用上推式的，與其它組合相比下壓式雙折葉圓盤渦輪-六

22

葉布魯馬金組合槳的氣含率值較高，下壓式槳的排出流與氣泡的氣升方向相反，延長(zhǎng)了氣體在 釜內(nèi)的停留時(shí)間，有利于氣含率的提高。

3.3.2不同槳型組合對(duì)容積氧傳質(zhì)系數(shù)的影響

圖3.3為不同通氣量條件下各槳型組合的容積氧傳質(zhì)系數(shù)與單位體積功耗的關(guān)系，由圖可以 看出，在相同單位體積功耗下，下壓式雙折葉圓盤渦輪-六葉布魯馬金組合槳的容積氧傳質(zhì)系數(shù) 明顯高于其它槳型組合，而且在單位體積功率增大的情況下容積氧傳質(zhì)系數(shù)有增高的趨勢(shì)。這 可能是由于布魯馬金槳的葉片結(jié)構(gòu)比凹葉葉片邊緣形狀變化更大，能夠形成更大的剪切效果和 湍動(dòng)，所得氣泡較小，即使在氣含率較低的清況下，氣液接觸面積也會(huì)較大，加強(qiáng)了氣液混合， 使得此種槳型組合的功率消耗更有效的用于物料中氣體和液體混合，促進(jìn)了傳質(zhì)過程的進(jìn)行。

 

圖3.3不同槳型的容積氧傳質(zhì)系數(shù)與單位體積功耗的關(guān)系 Fig.3.3 Relationship between mass transfer coefficient of different impeller type and power consumption per volume

上層采用下壓式雙折葉圓盤渦輪、下層采用六葉布魯馬金，兩種槳都能在產(chǎn)生徑向流的同 時(shí)又能產(chǎn)生軸向流，尤其是布魯馬金屬于剪切循環(huán)兼顧型葉輪，適用于既需要一定剪切、又需 要高循環(huán)的場(chǎng)合，而下壓式雙折葉圓盤渦輪由于其葉片形狀的原因同時(shí)具有良好的徑向氣體分 散能力和軸向流體的循環(huán)能力，雙層槳的合理配合使得這一組合達(dá)到了氣體分散的相對(duì)理想程

度。

3.3.3不同槳型組合對(duì)功耗的影響

本著以容積氧傳質(zhì)系數(shù)為主要參數(shù)，兼顧功耗與氣含率的原則，本文還考察了不同通氣數(shù)

23

條件下槳型組合對(duì)功耗的影響。其中通氣數(shù)—是氣穴理論中用來表征氣體分散狀況的參數(shù)，— 值越小氣體分散效果越好。崩力/崩8。0為通氣量，，為轉(zhuǎn)速，d為組合攪拌器的平均直徑。

由圖3.4可以看出，在相同通氣數(shù)條件下，容積氧傳質(zhì)系數(shù)最高的下壓式雙折葉圓盤渦輪一 六葉布魯馬金槳的功率消耗雖不是最低的，但也是比較低的。很顯然，要獲得好的混合效果， 必須提供足夠的單位體積功率，較好的槳型組合應(yīng)該具有高的傳質(zhì)系數(shù)，功耗也較低，上述組 合符合這一想法。在研究組合槳的氣液混合性能時(shí)，單位體積功耗(州低的組合槳更易于通過 提高轉(zhuǎn)速來增大容積氧傳質(zhì)系數(shù)勒。由圖3.3可以看出，在相同的操作條件下，下壓式雙折葉 圓盤渦輪-六葉布魯馬金的/V要明顯低于其它的組合，但這種組合槳的卻要高于其它組合。 下壓式雙折葉圓盤渦輪-六葉布魯馬金組合的這種低功耗、高容積傳氧系數(shù)的特性使之具有很大 的操作空間，這對(duì)工業(yè)過程的控制是非常有利的。

 

圖3.4不同槳型的功耗與通氣數(shù)的關(guān)系 Fig.3.4 Relationship between power consumption of different impeller type and

3.4小結(jié)

在傳統(tǒng)工業(yè)中，常采用雙層六直葉圓盤的組合槳來進(jìn)行氣液混合，在這種組合槳中全罐被 分成相對(duì)獨(dú)立的四個(gè)區(qū)域，造成了整體對(duì)流的明顯降低。雖然在近槳區(qū)域氣液還能獲得充分的 混合，但由于整體對(duì)流的削弱，使得分區(qū)重疊部分出現(xiàn)貧氧區(qū)，不利于整體混合。

在本實(shí)驗(yàn)優(yōu)化組合槳中，下層采用六葉布魯馬金能寸氣體進(jìn)行充分的分散，上層采用下壓 式雙折葉圓盤渦輪能寸氣體進(jìn)行進(jìn)一步的分散、并把流體下推。這種組合槳在釜底形成一個(gè)小 的循環(huán)區(qū)域，而底層攪拌器的上部則由于下壓式雙折葉圓盤渦輪攪拌器的下壓作用形成了一個(gè)

24

整體的大循環(huán)。這種組合能碰反應(yīng)器內(nèi)部的整體對(duì)流，提高全罐的溶氧水平，黃單胞桿菌發(fā)酵生產(chǎn)黃原膠的研究，理論上有利于 解決黃原膠發(fā)酵后期粘度過高所弓丨起的傳質(zhì)混合困難等問題，為進(jìn)一步驗(yàn)證這一結(jié)論，我們將 此槳型組合應(yīng)用于機(jī)械攪拌式生物反應(yīng)器黃原膠的發(fā)酵，針對(duì)發(fā)酵過程中黃原膠的濃度、粘度、 淀粉含量等參數(shù)的變化與傳統(tǒng)的六直葉圓盤渦輪進(jìn)行了對(duì)比研究。

乳酸脫氫酶（分析純，彡30U/mg ) 還原性輔酶1(分析純，彡99%) NDJ—79型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì) 全自動(dòng)生物反應(yīng)器MSJ-U3 752型紫外可見分光光度計(jì) HH-S11-N15型電熱恒溫水浴鍋 ZD-2型自動(dòng)電位滴定儀 4.2.3培養(yǎng)基

中國(guó)醫(yī)藥集團(tuán)上?；瘜W(xué)試劑公司 上海虹光化工廠

天津市科密歐化學(xué)試劑開發(fā)中心 上海三杰生物技術(shù)有限公司 上海三杰生物技術(shù)有限公司 同濟(jì)大學(xué)機(jī)械廠

B.E.MARUBISHICO.LTD.，JAPAN；

上海菁華科技儀器有限公司 龍口市先科儀器公司 上海精密科學(xué)儀器有限公司 

菌種斜面培養(yǎng)基（g/L):淀粉5.0,牛肉膏3.0, NaCl5.0,蛋白胨10.0,瓊脂15.0?20.0, pH 值 7.4。

菌種擴(kuò)大培養(yǎng)基（g/L)： (NH4) 2SO4 1g/L, MgSO4 0.12g/L, CaCO, 2g/L，酵母浸粉2.4g/L， 淀粉10.6g/L，葡萄糖2.1g/L，初始pH7.4。

發(fā)酵培養(yǎng)基（g/L):淀粉40g/L，豆粉6g/L，CaCO,2g/L，初始pH7.4。

4.2.4生物反應(yīng)器及其運(yùn)行餅

生物反應(yīng)器及其運(yùn)行射牛：反應(yīng)器的有效容積為30L，配備有兩層攪拌槳，T/D=0.5, D=0.3m; 發(fā)酵液的溶氧濃度DO值采用原電池型溶氧電極插于兩層攪拌槳之間自動(dòng)檢測(cè)；采用1%的

H2SO4溶液和1%的NaOH溶液自動(dòng)控制調(diào)節(jié)發(fā)酵液的pH值；發(fā)酵溫度26°C，轉(zhuǎn)速800r/min， 通氣比為1:1vvm，發(fā)酵周期90小時(shí)。

4.2.5分析施及原理

4.2.5.1發(fā)酵液粘度的測(cè)定用NDJ—1型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，室溫，30rpm下測(cè)定。

4.2.52黃原膠濃度的測(cè)定工業(yè)乙醇（95%)沉淀出膠體，洗滌后70C真空干燥后稱

重。

4.2.5.3發(fā)酵液中菌術(shù)農(nóng)度的測(cè)定分光光度計(jì)650nm處測(cè)定O.D值。

42.5.4還原糖、淀粉濃度的測(cè)定 還原糖及淀粉濃度測(cè)定的原理 :

淀粉經(jīng)酸或酶水解生成葡萄糖：

酸或酶

(C6Hi〇〇5)n + nH2〇^ nCaHi2〇a

所生成的葡萄糖用斐林試劑測(cè)定。

斐林試劑由甲、乙液組成。甲液為硫酸銅溶液，乙液為氫氧化鈉與酒石酸鉀鈉溶液。平時(shí) 甲、乙液分別貯存，測(cè)定時(shí)甲、乙液等體積混合?；旌蠒r(shí)，硫酸銅與氫氧化鈉反應(yīng)，生成氫氧 化銅沉淀：

2NaOH + CuS〇4 = Cu(OH)2!+ Na2S〇4

所生成的氫氧化銅沉淀與酒石酸鉀鈉反應(yīng)，生成酒石酸鉀鈉銅絡(luò)合物，使氫氧化銅溶解：

COOKCOOK

I

C H O

CHOH

+2 H2O

HO

Cu(OH)2+ I

CHOH

C O O N aCOONa

2

 

C u +

COONa

C

 

(C H O H 4)

I

C H 2 O H

+2 H 2 O

酒石酸鉀鈉銅絡(luò)合物中二價(jià)銅是一個(gè)氧化劑，會(huì)巨使還原糖中羰基氧化，而二價(jià)銅被還原生 成—價(jià)的氧化亞銅沉淀：

COOK

CHOHC O O H

2| ++C U2〇

CHOH(C H O H)4

COONaC H 2〇 H

反應(yīng)終點(diǎn)用次甲基藍(lán)指示劑顯示。因次甲基藍(lán)氧化能力較二價(jià)銅弱，故待二價(jià)銅被還原后， 過量一滴還原糖立即使次甲基藍(lán)還原，溶液藍(lán)色消失以示終點(diǎn)。

具側(cè)定方法：

a•斐林試劑的標(biāo)定吸取斐林試劑甲、乙液各5毫升，置入250毫升三角瓶中，黃單胞桿菌發(fā)酵生產(chǎn)黃原膠的研究，加入20毫升水， 并從滴定管中預(yù)先加入約24毫升0.2%標(biāo)準(zhǔn)葡萄糖溶液，搖勻，于電爐上加熱至沸，并保持微沸 2分鐘。加2滴1%次甲基藍(lán)溶液，以4?5秒鐘1滴的速度繼續(xù)用0.2%標(biāo)準(zhǔn)葡萄糖溶液滴定至 藍(lán)色消失。此滴定操作需在1分鐘內(nèi)完成，其消耗0.2%標(biāo)準(zhǔn)葡萄糖溶液應(yīng)該控制在1毫升以內(nèi)。

丙酮酸(%) =5x88400 (Ai- A2) 4.05 樣品質(zhì)量/Sw/6.22/1000 其中：5為稀釋倍數(shù)，88為丙酮酸的分子量，3.05為溶液體積，Sw為黃原膠樣品重量（mg)， 6.22為還原型輔酶I(NADH)的毫摩爾吸光系數(shù)。

4.2.6反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 4.2.6.1攪拌器的型式

 

Fig.4.1Structure and description of flow field of the new agitator

 

新型組合攪拌器和傳統(tǒng)攪拌器的結(jié)構(gòu)及其流場(chǎng)描述如圖4.1和4.2所示：

圖4.2傳統(tǒng)攪拌器的結(jié)構(gòu)及其流場(chǎng)描述 Fig.4.2 Structure and description of flow field of the conventional agitator

4.2.6.2擋板型式

采用全深型擋板，窄擋板寬度為20mm，寬擋板寬度為34mm。 4.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論 4.3.1不同槳型組合對(duì)發(fā)酵的影響

30

4.3.1.1不同攪拌槳對(duì)發(fā)酵液黃原膠濃度的影響

(I曰02/3)48誤鐺曬瓶

 

 

50

發(fā)酵時(shí)間（h)

100

圖4.3可見，新槳（以下稱改進(jìn)槳）體系下黃原膠穩(wěn)定產(chǎn)膠期提前，整個(gè)發(fā)酵過程中黃原膠 濃度始終高于原槳（以下稱傳統(tǒng)槳）體系。改進(jìn)槳的上層采用下壓式雙折葉圓盤渦輪、下層采 用六葉布魯馬金，兩種槳都能在產(chǎn)生徑向流的同時(shí)又能產(chǎn)生軸向流，尤其是布魯馬金屬于剪切 循環(huán)兼顧型葉輪，黃單胞桿菌發(fā)酵生產(chǎn)黃原膠的研究，適用于既需要一定剪切、又需要高循環(huán)的場(chǎng)合，而下壓式雙折葉圓盤渦輪在 產(chǎn)生很強(qiáng)剪切流的同時(shí)又能產(chǎn)生一定的軸向流，強(qiáng)化了混合效果，較好地滿足了黃原膠發(fā)酵液 對(duì)較大流動(dòng)循環(huán)量的需求，改善了反應(yīng)器內(nèi)部的傳質(zhì)混合效果。

圖4.3發(fā)酵液中黃原膠濃度隨時(shí)間的變化 Fig.4.3 Relationship between concentration of Xanthan gum in the broth and fermentation time

黃原膠屬次生代謝產(chǎn)物，發(fā)酵動(dòng)力學(xué)為菌株生長(zhǎng)與產(chǎn)物合成非偶聯(lián)類型，與抗生素和微生 物毒素等物質(zhì)合成代謝類似，代謝產(chǎn)物的合成是在菌體濃度接近或達(dá)到最高后才開始的[29]。改 進(jìn)槳體系下良好的傳質(zhì)混合效果縮短了菌體的增殖期，發(fā)酵液中黃原膠濃度的穩(wěn)定增長(zhǎng)期提前， 明顯早于傳統(tǒng)槳體系。黃原膠發(fā)酵過程初期表現(xiàn)為低粘度的牛頓體系，隨著產(chǎn)物的形成和積累， 發(fā)酵液粘度漸增，在后期呈現(xiàn)為高粘度的假塑性非牛頓體系，限制了氧的傳遞和其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì) 的交換，影響黃原膠產(chǎn)量的進(jìn)一步提高。78小時(shí)后發(fā)酵液中黃原膠濃度繼續(xù)增加，改進(jìn)槳體系 下黃原膠濃度的增長(zhǎng)幅度高于傳統(tǒng)槳。改進(jìn)槳組合較好的氣液分散效果，較高的氣含率，較大 的傳質(zhì)系數(shù)，氣體在罐內(nèi)較長(zhǎng)的停留時(shí)間，在一定程度上克服了發(fā)酵后期存在的上述問題。

在任何微生物發(fā)酵過程中，根據(jù)生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)原理，當(dāng)發(fā)酵液中的底物下降到一定濃度 時(shí)，菌體代謝速率非常緩慢，在工業(yè)生產(chǎn)中可以結(jié)束發(fā)酵。本研究中黃原膠發(fā)酵結(jié)束時(shí)改進(jìn)槳 體系與傳統(tǒng)槳體系發(fā)酵液中的殘?zhí)呛炕鞠嗤?，均下降?.5%以下。但是，對(duì)照?qǐng)D4.3可以 看出，改進(jìn)槳體系下發(fā)酵液中的黃原膠濃度明顯的高于傳統(tǒng)槳體系，那么合成這部分黃原膠的 底物葡萄糖來自于明哩？對(duì)照?qǐng)D4.5可以看出，改進(jìn)槳體系下發(fā)酵液中殘留淀粉濃度始終低于傳 統(tǒng)槳體系，直到發(fā)酵結(jié)束。這是由于改進(jìn)槳良好的混合傳質(zhì)效果，強(qiáng)化了胞外淀粉酶與底物淀 粉的充分接觸，有利于淀粉的快速水解，也就是說，改進(jìn)槳體系條件下多合成的這部分黃原膠 所需要的葡萄糖正是來自于良好的淀粉水解。培養(yǎng)基中的淀粉最大程度的水解為合成黃原膠所 需要的葡萄糖，既有利于黃原膠產(chǎn)率的提高，又有利于黃原膠的提取。

4.3.1.4不同槳型組合對(duì)于發(fā)酵液混合的影響

在黃原膠的生物發(fā)酵過程中，由于黃原膠具有高粘度的特性，不但導(dǎo)致了其發(fā)酵中后期粘 度過大，給發(fā)酵過程中氧的傳遞、氣液混合以及熱量的傳遞等帶來了很大的困難[30]，而且在靠 近反應(yīng)器內(nèi)壁處還存在一個(gè)基本上靜止不動(dòng)的發(fā)酵液區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)，氧和其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的 傳遞、交換更為困難，導(dǎo)致了細(xì)胞活力的下降甚至細(xì)胞死亡。研究表明，發(fā)酵結(jié)束后，無論是 在改進(jìn)槳體系下還是在傳統(tǒng)槳體系下，運(yùn)動(dòng)區(qū)與靜止區(qū)的發(fā)酵液中黃原膠濃度、粘度、殘?zhí)菨?度等各項(xiàng)參數(shù)都有著明顯的差異，見表4.1。

33

表1數(shù)據(jù)表明，無論是在改進(jìn)槳體系下還是在傳統(tǒng)槳體系下，發(fā)酵中后期均有發(fā)酵液靜止區(qū) 出現(xiàn)，而且其體積均隨發(fā)酵的進(jìn)行而增大；運(yùn)動(dòng)區(qū)發(fā)酵液中黃原膠濃度、粘度、丙酮酸的含量 始終高于靜止區(qū)，而葡萄糖含量和淀粉含量則低于靜止區(qū)，運(yùn)動(dòng)區(qū)黃原膠的綜合指標(biāo)明顯高于 靜止區(qū)。

 

60小時(shí)78小時(shí)

表4.1運(yùn)動(dòng)區(qū)和靜止區(qū)發(fā)酵液中各項(xiàng)參數(shù)的差異 Table 4.1 Difference of parameters between motive area broth and still area broth

 

葡萄糖濃度（g/100ml)0.396

淀粉濃度（g/100ml)1.371

氮源濃度（g/100ml)0.1557

丙酮酸含量（g/100ml)2.371

0.41

1.543

0.1376

1.981

0.48

1.188

0.2293

2.373

0.52

1.268

0.2068

2.01

傳統(tǒng)攪拌器組合

新型攪拌器組合

圖4.7兩種攪拌器在發(fā)酵后期產(chǎn)生相對(duì)靜止區(qū)范圍的比較 Fig.4.7 Comparison of the comparative still area of the two agitators in later fermentation period

攪拌操作時(shí)，用攪拌器對(duì)低粘度互溶液造成湍流并不困難，但粘度達(dá)到較高水平后，由于 粘滯力的影響，就只能出現(xiàn)層流狀態(tài)。尤其困難的是，這種層流也只能出現(xiàn)在攪拌器附近，離

34

槳葉稍遠(yuǎn)些地方的高粘度液體仍是靜止的。這樣就很難造成液體在攪拌設(shè)備內(nèi)的循環(huán)流動(dòng)，即 在設(shè)備內(nèi)會(huì)有死區(qū)存在，對(duì)混合、分散、傳熱、反應(yīng)等各種攪拌過程十分不利。所以高粘度液 體攪拌的首要問題就是要解決流體流動(dòng)與循環(huán)的問題，設(shè)法使攪拌器推動(dòng)更大范圍的液體[31]。 如圖4.7所示，改進(jìn)槳體系由于較大的軸向循環(huán)量推動(dòng)了更大范圍的液體，促進(jìn)了反應(yīng)器內(nèi)部的 總體混合，其靜止區(qū)明顯減少。if價(jià)任何生物反應(yīng)過程，其最終的產(chǎn)率或者底物一產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率 都是一個(gè)重要指標(biāo)，甚至是決定性指標(biāo)。如上所述改進(jìn)槳能提高黃原膠發(fā)酵液的濃度，必然增 加了黃原膠的糖膠轉(zhuǎn)化率，同時(shí)又由于其靜止區(qū)的體積減少，也帶來了黃原膠產(chǎn)率的增加，并 且提高了高質(zhì)量黃原膠的含量。因此可以說這種槳型組合應(yīng)用于黃原膠等高粘性物系的發(fā)酵， 在一定程度上能夠克服發(fā)酵后期粘度過高而帶來的氧和其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的傳遞、交換困難的難題， 黃單胞桿菌發(fā)酵生產(chǎn)黃原膠的研究，適合于高粘性物系的發(fā)酵。

4.3.2檔板尺寸對(duì)發(fā)酵過程的影響 4.3.2.1檔板對(duì)菌體生長(zhǎng)的影響

 

圖4.8 XG-101菌株生長(zhǎng)曲線

Fig.4.8 the growth curve of XG-101

黃原膠發(fā)酵過程中發(fā)酵液的吸光度光度值隨時(shí)間不斷變化，發(fā)酵液吸光度的變化可以看作 是其中菌體量的變化，故吸光度隨時(shí)間的變化曲線可以看作是菌體的生長(zhǎng)曲線，體現(xiàn)發(fā)酵過程 中菌體的生長(zhǎng)情況[32]。圖4.8可見，原擋板條件下，菌體生長(zhǎng)曲線隨發(fā)酵時(shí)間不斷上升，沒有明 顯的對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期和穩(wěn)定期；無擋板和窄擋板條件下，菌體生長(zhǎng)曲線符合正態(tài)分布，與微生物的 典型生長(zhǎng)曲線完全相符。擋板的設(shè)置有利于增加流體的湍動(dòng)效果，同時(shí)也對(duì)流體產(chǎn)生了相當(dāng)大 的剪切力。原擋板條件下發(fā)酵液受到的剪切力相對(duì)于無擋板條件和窄擋板條件要大，而黃單胞

35

桿菌作為一種較為脆弱的菌體，生長(zhǎng)初期對(duì)環(huán)境的剪切作用非常敏感，因此原擋板條件下菌體 的生長(zhǎng)情況明顯差于無擋板條件和窄擋板條件。

黃原膠屬次生代謝產(chǎn)物，其發(fā)酵動(dòng)力學(xué)為菌株生長(zhǎng)與產(chǎn)物合成非偶聯(lián)類型，代謝產(chǎn)物的合 成是在菌術(shù)農(nóng)度接近或達(dá)到最高后才開始的[33]。為獲得高產(chǎn)，培養(yǎng)條件要求短的對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期和 長(zhǎng)的穩(wěn)定期，或降低對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的生長(zhǎng)率，已提早形成次級(jí)代謝產(chǎn)物，原擋板條件不利于黃原 膠產(chǎn)物的獲得。

4.3.2.2檔板對(duì)發(fā)酵的影響

上述各項(xiàng)數(shù)據(jù)表明：對(duì)于黃原膠發(fā)酵，在改進(jìn)槳體系下，窄擋板和無擋板條件下發(fā)酵液中 黃原膠濃度和粘度明顯高于原擋板條件；發(fā)酵結(jié)束時(shí)窄擋板和無擋板條件下葡萄糖含量和淀粉 含量亦明顯低于原擋板條件。對(duì)于窄擋板和無擋板這兩種狀態(tài)，無擋板條件下發(fā)酵液靜止區(qū)的 體積小于窄擋板條件，并且發(fā)酵液靜止區(qū)體積的大小與擋板寬度之間還存在著正相關(guān)的關(guān)系， 擋板越寬，其靜止區(qū)體積越大。

通常，對(duì)于低粘度物系，為了消除攪拌容器內(nèi)液體的打旋現(xiàn)象，使被攪物料能夠上下軸向 流動(dòng)，需要在攪拌容器內(nèi)加入若干塊擋板。安裝在筒體內(nèi)壁的擋板可把回轉(zhuǎn)的切向流動(dòng)改變?yōu)?徑向和軸向流，較大地增加了流體的剪切強(qiáng)度，增大湍動(dòng)程度，改善主體循環(huán)，促進(jìn)全釜的均 勻混合；同時(shí)還能降低攪拌載荷的波動(dòng)，使功率消耗保持穩(wěn)定。但是，許多研究表明，當(dāng)物料 的粘度增加時(shí)，擋板的寬度可相應(yīng)的減少，當(dāng)粘度達(dá)到1〇Pa* S時(shí)，可以不再按裝擋板[34]。對(duì)于 黃原膠這種高粘性物系，在發(fā)酵初期，由于沒有黃原膠產(chǎn)生或產(chǎn)生的量很少，發(fā)酵液的粘度較 低，攪拌器很容易在全罐內(nèi)形成湍流，從而達(dá)到全罐的混合。黃單胞桿菌發(fā)酵生產(chǎn)黃原膠的研究，但是隨著發(fā)酵的進(jìn)行，黃原膠濃 度不斷增大，發(fā)酵液變得越來越粘稠，攪拌器的工作狀態(tài)逐漸由湍流域轉(zhuǎn)變?yōu)檫^渡流域或?qū)恿?域，這時(shí)僅葉輪周圍的液體隨葉輪旋轉(zhuǎn)。由于粘滯力的影響，隨著離攪拌器距離的增加，流體 速度下降得越來越明顯，此時(shí)罐壁處的發(fā)酵液流速更小。當(dāng)在罐壁處加裝擋板后，以較低速度 運(yùn)動(dòng)的發(fā)酵液迅速在擋板前后形成停滯區(qū)域，此時(shí)擋板的存在嚴(yán)重影響了全罐的混合，這對(duì)黃 原膠的發(fā)酵生產(chǎn)是十分不利的。因此，縮小擋板寬度或?qū)醢宀鸪?，相?duì)于原有擋板條件下 發(fā)酵液更容易形成規(guī)整的循環(huán)流，有利于整個(gè)發(fā)酵液的均勻混合，適合于黃原膠這種高粘性物

38 

系的發(fā)酵。這一研究結(jié)果，與李衛(wèi)旗，姚恕[35]研究的在傳統(tǒng)平葉攪拌器發(fā)酵設(shè)備中適當(dāng)減小擋 板數(shù)目或不設(shè)擋板更有利于黃原膠高粘性物系發(fā)酵的研究結(jié)果一致。

4.4小結(jié)

本章在最佳發(fā)酵工藝條件下，針對(duì)新的槳型組合對(duì)發(fā)酵過程的影響、擋板對(duì)發(fā)酵過程的影 響進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，新的槳型組合在保持好的徑向氣體分散能力的同時(shí)，加強(qiáng)了軸 向循環(huán)混合的能力，明顯改善了反應(yīng)器內(nèi)部混合狀態(tài)，具有以下明顯的優(yōu)點(diǎn)：

⑴新型槳組合較大的流動(dòng)循環(huán)量、優(yōu)良的傳質(zhì)混合效果縮短了黃原膠進(jìn)入穩(wěn)定產(chǎn)膠期所需的 時(shí)間。

⑵新型槳組合提高了整個(gè)發(fā)酵過程黃原膠的濃度，提高了發(fā)酵液的粘度，

(3)改進(jìn)槳組合較高的傳質(zhì)系數(shù)、較好的宏觀穩(wěn)定流型提高了碳源的利用率，減少了最終發(fā)酵 液中淀粉的殘留量，降低了后提取工藝的難度與能源消耗。

⑷新型槳組合較強(qiáng)的攪拌混合效果降低了靜止區(qū)的厚度，促進(jìn)了氧的傳遞，增強(qiáng)了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì) 的交換，提高了發(fā)酵液中黃原膠的濃度和質(zhì)量。

對(duì)于黃原膠發(fā)酵體系，采用窄擋板或無擋板的釜內(nèi)結(jié)構(gòu)形式有利于物料混合，提高發(fā)酵過 程效率。

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五、結(jié)論與廳 5.1結(jié)論

⑴黃原膠發(fā)酵過程由菌體的生長(zhǎng)代謝階段和產(chǎn)物的合成階段組成；黃單胞桿菌發(fā)酵生產(chǎn)黃原膠的研究，XG-101黃單胞桿菌發(fā)酵 生產(chǎn)黃原膠的最佳培養(yǎng)基配方：淀粉〇.4g/L，豆粉0.06g/L，碳酸鈣0.02g/L;a _淀粉酶活力 20000UM時(shí)，用量0.25U/淀粉，液化2分鐘時(shí)發(fā)酵液中黃原膠的濃度最高；最佳發(fā)酵條件：溫 度26°C、通風(fēng)比為1: 1 vvm、攪拌轉(zhuǎn)速800r/min。

⑵下壓式雙折葉圓盤渦輪與六葉布魯金槳組合在具有較高氣含率及容積氧傳質(zhì)系數(shù)的同時(shí)功 耗較低，具有較好的攪拌混合效果，有利于解決黃原膠發(fā)酵后期粘度過高所弓丨起的傳質(zhì)混合困 難等問題。

(3)采用下壓式雙折葉圓盤渦輪與六葉布魯金槳組合，縮小擋板尺寸或拆除擋板，可以在保持 好的徑向氣體分散能力的同時(shí)，力口強(qiáng)了軸向循環(huán)混合的能力，明顯改善了反應(yīng)器內(nèi)部混合狀態(tài)， 縮短了黃原膠進(jìn)入穩(wěn)定產(chǎn)膠期所需的時(shí)間、提高了發(fā)酵液中黃原膠的濃度和質(zhì)量以及發(fā)酵液的 粘度、減少了最終發(fā)酵液中淀粉的殘留量，降低了后提取工藝的難度與能源消耗。