黃原膠（Xanthan gum),亦稱漢生膠，為白色或米黃色微具甜橙嗅味 粉末，于20世紀(jì)50年代由美國(guó)農(nóng)業(yè)部的北方研究室發(fā)現(xiàn)。它是由野油菜 黃單孢菌以碳水化合物為主要原料，經(jīng)過發(fā)酵生產(chǎn)的一種微生物胞外酸性 雜多糖，相對(duì)分子量在2X106?5X107之間。其一級(jí)結(jié)構(gòu)為，葡萄糖以糖 苷鍵相連，構(gòu)成其纖維素主鏈，間隔的葡萄糖基上連接一條側(cè)鏈，由甘露 糖-葡萄糖醛酸-甘露糖三糖

基團(tuán)組成，與主鏈相連的甘露糖被乙?；?，側(cè)鏈末端甘露糖分子上丙酮酸 以縮醛形式存在，如圖i所示；側(cè)鏈繞主鏈骨架反向纏繞，通過氫鍵維系 形成二級(jí)雙螺旋結(jié)構(gòu)；雙螺旋結(jié)構(gòu)間靠微弱的非共價(jià)鍵結(jié)合形成三級(jí)螺旋 復(fù)合體結(jié)構(gòu)[1，2,3]。黃原膠分子這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，使其具有多種優(yōu)異的理 化特性。

1.1.2黃原膠的性能[4]

黃原膠是性能較為優(yōu)越的生物膠，具有獨(dú)特的理化性質(zhì)，集增稠、懸 浮、分散、乳化、穩(wěn)定等特性于一身。

假塑流變性。黃原膠溶液是一種典型的假塑性流體，其溶液粘度隨剪 切速率的增加而明顯降低。在高剪切速率下,聚合體結(jié)構(gòu)解聚為無規(guī)則線  

團(tuán)結(jié)構(gòu)，使粘度迅速降低；當(dāng)剪切速率解除時(shí),分子結(jié)構(gòu)又恢復(fù)到雙螺旋網(wǎng) 狀聚合體狀態(tài)，使溶液粘度瞬間恢復(fù)到最大。

增稠性。黃原膠具有良好的增稠性能，特別是在低質(zhì)量濃度下具有很 高的粘度。0.3g/L的黃原膠溶液能產(chǎn)生0.09Pa • S的有效粘度，黃原膠溶液 的粘度是同質(zhì)量濃度下明膠的100倍。

穩(wěn)定性。黃原膠溶液在一定的溫度范圍內(nèi)（-4 °C?93°C)反復(fù)加熱冷 凍，其粘度幾乎不受影響，10g/L黃原膠溶液由25°C加熱到120°C,其粘度 僅降低3%。黃原膠溶液對(duì)酸堿十分穩(wěn)定，在pH值為5?10其粘度不受影 響。能和許多鹽溶液混溶,粘度不受影響。它可以分別在100g/L KC1，100g/L NaCl，100g/L CaCh 和 50g/L Na2C〇3 溶液中長(zhǎng)期存放 90d(25°C)，粘度幾 乎保持不變。許多酶如蛋白酶、淀粉酶、纖維素酶和半纖維素酶等都不能 使黃原膠降解。

懸浮性和乳化性。由于黃原膠理化性質(zhì)穩(wěn)定，因而具有良好的懸浮性 和乳化性。10g/L的黃原膠溶液具有約5x10-4N/cm 的承托力。黃原膠借 助于水相的稠化作用，可降低油相和水相的不相溶性，能使油脂乳化在水 中，因此它可在許多食品飲料中用作乳化劑和穩(wěn)定劑。

與增稠劑的協(xié)效性。黃原膠可與大多數(shù)合成的或天然的增稠劑配伍， 如和槐豆膠、瓜爾膠、卡拉膠及魔芋膠等都能互溶，使混合膠粘度顯著提 高。

1.1.3黃原膠的應(yīng)用

黃原膠良好的增稠性、獨(dú)特的抗剪切、稀釋性質(zhì)、理想的乳化穩(wěn)定性， 對(duì)酸、堿、熱、反復(fù)凍融的高度穩(wěn)定性，以及對(duì)人體的無毒害等許多優(yōu)良 性能，在食品、石油工業(yè)及日用品工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用范圍非常廣泛。國(guó)內(nèi)大 約有45%的黃原膠作為食品級(jí)銷售，40%作為石油級(jí)銷售，15%用于農(nóng)藥、 飼料、日化、環(huán)保等行業(yè)[5]。

黃原膠在食品工業(yè)中的應(yīng)用。由于黃原膠液的懸浮性、假塑性、理化 穩(wěn)定性、食用安全性和良好的配伍性，使它在食品行業(yè)有廣泛的應(yīng)用，可 作為穩(wěn)定劑、乳化劑、增稠劑、分散劑和品質(zhì)改良劑等，如在飲料中可懸 浮果肉、并保持良好的罐裝性，在冷凍食品與冰淇淋中可控制冰晶、抗融 化、延長(zhǎng)保存期、提高膨脹率等，在肉制品中可增加持水性、提高出品率、 延長(zhǎng)貨價(jià)期、抑制淀粉的回生，在蛋糕中可使蜂窩組織均勻、質(zhì)體松軟、 延長(zhǎng)松軟時(shí)間、富有彈性和良好的保濕性，在乳制品中可增加粘度、防止 脂肪上浮、提高熱穩(wěn)定性，在罐裝蔬菜中可降低脫水率、抗酸敗、延長(zhǎng)儲(chǔ) 藏期等，在果醬中不折砂、醬體細(xì)膩均勻、涂抹性好、不結(jié)塊等。還可配 制成為含亞硝酸鹽的保鮮劑，有效的延長(zhǎng)生菜和水果的儲(chǔ)藏壽命。此外， 黃原膠作為抗氧化劑在食品工業(yè)中發(fā)揮巨大的作用。

黃原膠在石油工業(yè)中的應(yīng)用。低濃度的黃原膠水溶液就可保持水基鉆 井液的粘度、使鉆井液有良好的懸浮性能，這可防止井壁坍塌、抑制地層 井噴、便于將切削下的碎石排出井外，其性能遠(yuǎn)好于聚丙烯酰胺。黃原膠 的假塑性使處于鉆頭附近的黃原膠液由于高速旋轉(zhuǎn)引起的強(qiáng)剪切而表現(xiàn) 出極低的粘度，具有低磨阻特性，有利于節(jié)省能耗。由于黃原膠的抗鹽性、 耐高溫性等，在海洋、海灘、高鹵層以及水凍土層等區(qū)域的鉆井作業(yè)中， 采用黃原膠液作為泥漿增稠劑時(shí)可節(jié)省長(zhǎng)途輸送淡水的費(fèi)用。黃原膠液用 于三次采油的流變控制液可提高10%以上的采收率。目前國(guó)外約有30%? 40%的黃原膠用于鉆井泥漿和三次采油。由于價(jià)格因素，我國(guó)石油行業(yè)只 有渤海油田及內(nèi)陸的中原、勝利、塔里木油田等一些中外合資鉆井泥漿公 司使用黃原膠，但隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，市場(chǎng)需求會(huì)逐漸加大。

黃原膠在其它行業(yè)的應(yīng)用。黃原膠的應(yīng)用覆蓋面已達(dá)30多個(gè)行業(yè)， 除了鉆井液和食品添加劑外，還用于陶瓷、搪瓷玻璃、醫(yī)藥、農(nóng)藥、印染、 香料、化妝品、膠粘劑、消防等行業(yè)。如黃原膠代替黏土作為釉漿懸浮劑 和粘結(jié)劑，可使陶瓷產(chǎn)品的釉面平整、光亮、滋潤(rùn)，產(chǎn)品合格率提高了 40%，并降低了燒結(jié)溫度、減少了燒成遍數(shù)，降低了瑯粉用量，改善了勞 動(dòng)環(huán)境；在牙膏中可改善膏體狀態(tài)便于罐裝；應(yīng)用于印染工業(yè)，作為水基 油墨和乳化油墨的懸浮劑和穩(wěn)定劑，控制水的滲透性和失水，可保持均勻 的光澤以及控制漿的流變性質(zhì)，紡織染料的遷移，使圖文清晰；在醫(yī)藥工 業(yè)中，黃原膠用于多種懸浮劑、乳化劑和增稠劑中，如用在維生素乳化劑   中可以避免因溫度升降引起的分層；利用黃原膠研制成功的凝膠型抗溶泡 沫滅火劑，避免了普通金屬皂抗溶滅火劑必須在使用時(shí)相混、輸送管道長(zhǎng) 不能超過200米的限制。此外，黃原膠還可以用于膠體炸藥、水溶性涂料、 工業(yè)擦亮劑、除銹劑、濕法冶金的增稠劑等。

1.2黃原膠技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及生產(chǎn)研究

1.2.1黃原膠技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

黃原膠項(xiàng)目屬生物工程高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，技術(shù)密集程度高，工業(yè)化難度 大，主要有美國(guó)、法國(guó)、奧地利、瑞士、中國(guó)等少數(shù)國(guó)家生產(chǎn)。

目前，國(guó)外的黃原膠生產(chǎn)技術(shù)日趨完善，尤其是生物技術(shù)的發(fā)展使黃 原膠的發(fā)酵產(chǎn)率、糖轉(zhuǎn)化率、發(fā)酵液膠濃度等指標(biāo)大大提高，發(fā)酵周期大 大縮短。世界上黃原膠生產(chǎn)最高水平已達(dá)到：50m3單罐發(fā)酵年產(chǎn)量200? 240t;淀粉投料濃度由4%?5%提高到8%?9%;發(fā)酵黃原膠濃度已達(dá)到5% 左右；原料多糖轉(zhuǎn)化率接近80%;發(fā)酵周期由72?96h縮短為48?52h。 現(xiàn)在國(guó)外對(duì)黃原膠的研究熱點(diǎn)則是針對(duì)黃原膠的發(fā)酵反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和代謝 網(wǎng)絡(luò)分析，從各個(gè)角度闡釋黃原膠的高產(chǎn)機(jī)理，并在此基礎(chǔ)上改進(jìn)工藝， 以提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量。

我國(guó)黃原膠的研究和生產(chǎn)起步較晚，自20世紀(jì)70年代以來，南開大 學(xué)、山東食品發(fā)酵研究所、山東大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院微生物研究所、無錫江 南大學(xué)、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院、鄭州工學(xué)院等科研單位相繼開展了黃原膠的研 究和開發(fā)工作；到80年代中期，中科院微生物研究所、山東食品發(fā)酵研 究所、南開大學(xué)分別通過中試鑒定。1985年張孝寬設(shè)計(jì)的煙臺(tái)微生物多 糖廠率先在我國(guó)實(shí)現(xiàn)了黃原膠的工業(yè)化生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量與美國(guó)同類產(chǎn)品 XC-Plymer相當(dāng)，其主要技術(shù)指標(biāo)流變性甚至優(yōu)于美國(guó)產(chǎn)品。1992年江蘇 金湖制藥廠建成國(guó)內(nèi)第一家黃原膠生產(chǎn)廠，全國(guó)總產(chǎn)量不足100t/a。之 后我國(guó)又有許多企業(yè)投資黃原膠項(xiàng)目，由于黃原膠生產(chǎn)技術(shù)較為特殊和復(fù) 雜，至今獲得顯著經(jīng)濟(jì)效益的企業(yè)相對(duì)較少，尤其是發(fā)酵技術(shù)和最終產(chǎn)品 的分離技術(shù)制約了我國(guó)黃原膠工業(yè)的發(fā)展。2000年，由張孝寬負(fù)責(zé)研發(fā) 的具有現(xiàn)代國(guó)際先進(jìn)水平的黃原膠第二代技術(shù)工程建成投產(chǎn)，獨(dú)創(chuàng)的黃原   膠變速發(fā)酵新工藝、全封閉連續(xù)自動(dòng)提取干燥生產(chǎn)線、生物培養(yǎng)基無水節(jié) 能高溫連消機(jī)組等一系列高新技術(shù)順利通過生產(chǎn)實(shí)踐的檢驗(yàn)，標(biāo)志著我國(guó) 黃原膠工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)達(dá)到了一個(gè)新的水平。目前國(guó)內(nèi)對(duì)黃原膠的研究主要 集中在培養(yǎng)基配方和工藝改進(jìn)方面，以期提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量。

據(jù)估計(jì)全世界對(duì)黃原膠的需求量每年以10%的速度增長(zhǎng)，世界石油組 織分析結(jié)果顯示，近期世界石油行業(yè)鉆井和三次采油方面需要黃原膠900 萬t/a?1000萬t/a，足見其巨大的市場(chǎng)潛力。隨著黃原膠市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加 劇，價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)不可避免，而動(dòng)力成本在總成本中占有很大比例，因此 與熱電項(xiàng)目的合作已經(jīng)成為發(fā)展趨勢(shì)，熱電公司作為熱平衡項(xiàng)目上馬黃原 膠項(xiàng)目，具有很強(qiáng)的成本優(yōu)勢(shì)。此外，在產(chǎn)量不斷增加的同時(shí)，產(chǎn)品質(zhì)量 應(yīng)有更明顯的改觀，在其產(chǎn)業(yè)化的過程中，有關(guān)生產(chǎn)工藝的規(guī)范化、生產(chǎn) 過程的質(zhì)量控制、產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)、檢測(cè)方法等方面，都存在一些不容忽 視的問題，值得研究探討。

1.2.2黃原膠的生產(chǎn)研究

1.2.2.1 菌種

優(yōu)良的菌種對(duì)于產(chǎn)品的得率和品質(zhì)有著至關(guān)重要的影響。菌種分離是 黃原膠生產(chǎn)的第一步，能否得到優(yōu)良性能的菌種，是發(fā)酵生產(chǎn)的關(guān)鍵因素 之一。黃原膠發(fā)酵菌種一般采用野油菜黃單胞菌、菜豆黃單胞菌、錦葵黃 單胞菌和胡蘿卜黃單胞菌等。

誘變育種是提高黃原膠生產(chǎn)效率的方法之一。誘變劑的種類很多，如 紫外線、氯化鋰、硫酸二乙酯和亞硝基胍等。用一種或幾種誘變劑處理菌 株，可使菌株遺傳物質(zhì)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)受到損壞，致使菌株的某些功能 受到影響。但誘變育種沒有方向性，菌株發(fā)生變異的幾率小，篩選工作量 大，效率低。

近年來，由于生物技術(shù)的迅速發(fā)展，開始用定向育種一基因工程來育 種。它將所需要的基因通過一定方式導(dǎo)入受菌體，然后篩選出目的基因能 夠表達(dá)的菌株。Pollock等[6]將與黃原膠分泌和乙酰基、丙酮酸、多聚體等 合成有關(guān)的基因?qū)氩煌N屬的黃原膠生產(chǎn)菌中，所產(chǎn)黃原膠的特性與原   菌株基本相同。Chou等[7]認(rèn)為gumD基因與菌株色素合成有關(guān)，如能切除 該基因，則可得到無色黃原膠。姚仕儀等[8]研究了野油菜黃單胞菌重組克 隆PIXU9278對(duì)黃原膠合成的影響，并構(gòu)建了一株基因工程菌XCCNAU9278, 其黃原膠產(chǎn)量比親本增加了 7.14%。

1.2.2.2培養(yǎng)基

培養(yǎng)基對(duì)黃單胞菌合成黃原膠的影響是巨大的，探索黃單胞菌的最適 培養(yǎng)基是十分必要的。莫曉燕等[9]通過正交試驗(yàn)，分別考察了碳源、氮源、 CaC〇3、KH2P〇4+MgS〇4和接種量等因素對(duì)發(fā)酵過程的影響。結(jié)果表明， 各因素對(duì)發(fā)酵液粘度的影響由大到小為：CaC〇3>KH2P〇4 + MgS〇4>碳源 >碳源和氮源的交互作用>氮源；而對(duì)產(chǎn)膠率的影響由大到小為：KH2P〇4 + MgS〇4>CaC〇3>碳源>碳源和氮源的交互作用>氮源；并得到一個(gè)適 宜的培養(yǎng)基配方：淀粉4%，魚粉0.3%+豆餅粉0.3%，CaC〇3〇.3%，KH2PO4 + MgS〇4〇.5%+0.25%，接種量5%。在配制培養(yǎng)基時(shí)再加入0. 025%的檸檬 酸、0.025%FeS〇4，經(jīng)28°C培養(yǎng)72h，發(fā)酵液粘度為8.74Pa.S，黃原膠產(chǎn) 率為2.91%，丙酮酸含量為3.32%。

LiaKopoulou等發(fā)現(xiàn)，黃單胞菌發(fā)酵培養(yǎng)基的主要成分為碳源、氮源、 無機(jī)鹽和水等。玉米淀粉是物美價(jià)廉的碳源，蔗糖糖蜜、乳糖糖蜜也是不 錯(cuò)的碳源。在發(fā)酵過程中提高碳氮比可以提高碳源的轉(zhuǎn)化率，進(jìn)而提高黃 原膠的產(chǎn)量。黃原膠發(fā)酵可用銨鹽、豆餅粉、花生餅粉和棉籽餅粉等作為 氮源。無機(jī)離子如K+、Na+、Mg2+、Ca2+等是黃單胞菌細(xì)胞中某些酶的 激活劑，適量添加這些離子可以提高黃原膠的產(chǎn)量。

1.2.2.3發(fā)酵動(dòng)力學(xué)

發(fā)酵動(dòng)力學(xué)是研究各種發(fā)酵過程變量在活細(xì)胞的作用下的變化規(guī)律， 以及各種發(fā)酵條件對(duì)這些變量變化的影響。常春等研究了黃原膠的發(fā)酵動(dòng) 力學(xué)，在Logistic方程和Luedeking-Piret方程的基礎(chǔ)上，建立了兩步發(fā)酵

黃原膠的動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)模型和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，該模型能較好的 對(duì)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)進(jìn)行描述。研究黃原膠發(fā)酵動(dòng)力學(xué)，有助于深入的認(rèn)識(shí)和掌 握黃原膠發(fā)酵過程中各種參數(shù)的變化規(guī)律，為提高黃原膠發(fā)酵水平打下理  

論基礎(chǔ)；也為黃原膠發(fā)酵生產(chǎn)規(guī)模的放大、優(yōu)化和控制提供工程學(xué)依據(jù)。

野油菜黃單胞菌是好氧菌，在黃原膠發(fā)酵過程中，特別是發(fā)酵中后期， 由于黃原膠的積累，發(fā)酵液的粘度隨黃原膠濃度的增加而進(jìn)一步增大，導(dǎo) 致體系中溶氧、傳質(zhì)和混合比較困難，從而不利于黃原膠產(chǎn)量和質(zhì)量的提 高。這對(duì)發(fā)酵工藝的改善、新型生物反應(yīng)器的開發(fā)及其內(nèi)部構(gòu)件（攪拌槳、 氣體分布器等）的優(yōu)化提出了迫切要求[1°]。

1.3黃原膠發(fā)酵工程研究 1.3.1溶氧對(duì)黃原膠發(fā)酵的影響 1.3.1.1溶氧對(duì)菌體生長(zhǎng)的影響

溶氧在黃原膠發(fā)酵中有著非常重要的作用，通常發(fā)酵液中的溶氧濃度 會(huì)影響到黃單胞菌的生長(zhǎng)速率、黃原膠的生成速率以及黃原膠的質(zhì)量[11]。 華璟薇[12]在6匕的生物反應(yīng)器中對(duì)這一問題進(jìn)行了系統(tǒng)研究，其研究結(jié)果表 明：發(fā)酵液中的溶氧濃度對(duì)菌體生長(zhǎng)速率影響不大，但是對(duì)菌體濃度達(dá)到 最大之后的菌體的穩(wěn)定期的長(zhǎng)短卻有著明顯的影響。當(dāng)溶氧濃度只有飽和 濃度的6%即DO=6%時(shí)，此穩(wěn)定期只有9小時(shí)；而當(dāng)溶氧濃度為其飽和值的 25%即DO=25%時(shí)，此穩(wěn)定期可達(dá)28小時(shí)以上。通常當(dāng)發(fā)酵液溶氧濃度過低 時(shí)，穩(wěn)定期短，說明菌體的呼吸受到限制，菌體活力受到影響。從這種意 義上講，穩(wěn)定期的長(zhǎng)短對(duì)于提高黃原膠的糖膠轉(zhuǎn)化率有著重要意義。 Moraine認(rèn)為，當(dāng)發(fā)酵液的溶氧濃度低于其飽和值的2°%即DO <20%時(shí)，菌 體的生長(zhǎng)會(huì)受到影響，但是發(fā)酵液的溶氧濃度只要維持在臨界呼吸溶氧濃 度以上即DOS25%時(shí)，溶氧濃度的進(jìn)一步增加對(duì)于黃原膠的生物合成沒有 明顯的意義。Fernado卩1〇6^8等[13]在2]^的機(jī)械攪拌式生物反應(yīng)器內(nèi)研究 了溶氧對(duì)黃原膠產(chǎn)生菌生長(zhǎng)的影響，在相對(duì)溶氧濃度為1°%?1°°%范圍內(nèi)， 菌體的比生長(zhǎng)速率為°.22h-1，溶氧濃度DO值對(duì)菌體的生長(zhǎng)沒有影響，菌體 生長(zhǎng)的停止通常是在28小時(shí)左右，此時(shí)培養(yǎng)基中氮源已被耗盡而導(dǎo)致菌體 生長(zhǎng)的停止。上述研究結(jié)果的差異可能是由于使用的菌種不同或者是培養(yǎng) 基成分不同所造成的。

1.3.1.2溶氧對(duì)黃原膠產(chǎn)量和質(zhì)量的影響  

發(fā)酵液中的溶氧濃度還會(huì)影響到黃原膠的產(chǎn)率及其平均分子量和分 子量分布。Fernado Floeres等研究結(jié)果表明：當(dāng)控制發(fā)酵過程中的溶氧 在相對(duì)溶氧濃度DO=40%以上時(shí)，黃原膠的平均分子量可達(dá) 到：1X107g/mol，而且其產(chǎn)物中高分子量聚合物的比例隨著溶氧濃度DO 值的增加而增加。雖然影響黃原膠生物合成各因素的影響程度和相互作用 機(jī)理還沒有完全清楚，但是發(fā)酵液中高的溶氧濃度有利于黃原膠分子的聚 合是非常明顯的。該實(shí)驗(yàn)還證明，溶氧濃度的提高同樣有利于黃原膠的生 成，在相同的培養(yǎng)條件下，溶氧濃度越高其黃原膠的生物合成開始得越早， 而黃原膠合成的停止通常是由于培養(yǎng)基中碳源的耗盡造成的，也就是說菌 體黃原膠合成的周期越長(zhǎng)，從這種意義上講，高濃度黃原膠發(fā)酵液的得到 必須以較高的溶氧濃度為前提。

1.3.2黃原膠發(fā)酵工藝和工程研究進(jìn)展

這方面國(guó)外進(jìn)行了充分的研究，但公開發(fā)表的資料較少，且多為實(shí)驗(yàn) 室的動(dòng)力學(xué)研究，國(guó)內(nèi)研究相對(duì)較少。

黃原膠發(fā)酵工藝多為間歇式，1972年Silan等[14]研究了連續(xù)發(fā)酵工藝， 發(fā)現(xiàn)黃原膠的得率是稀釋速率的函數(shù)，當(dāng)稀釋速率是0.15h-1時(shí)黃原膠最高 得率為0.84 g/h/Kg，葡萄糖的轉(zhuǎn)化率由間歇時(shí)的60%提高到連續(xù)發(fā)酵時(shí)的 80%以上。

常春等[15]利用氣升式發(fā)酵罐研究了黃原膠的發(fā)酵工藝。在分批發(fā)酵的 基礎(chǔ)上，根據(jù)黃原膠發(fā)酵類型的特點(diǎn)，提出了兩步補(bǔ)糖發(fā)酵黃原膠的新工 藝，并在50L氣升式發(fā)酵罐中進(jìn)行了驗(yàn)證，經(jīng)過比較證明在原有工藝的基 礎(chǔ)上，新工藝能提高發(fā)酵的產(chǎn)膠率和發(fā)酵液的粘度。

李衛(wèi)旗、姚恕[16]通過對(duì)黃原膠在不同結(jié)構(gòu)的發(fā)酵罐上生產(chǎn)結(jié)果的研 究，分析討論了發(fā)酵罐的攪拌器、罐體高徑比、槳葉直徑與擋板、加熱系 統(tǒng)及通氣量控制等因素對(duì)發(fā)酵的影響。認(rèn)為加大高徑比值，增加槳葉層數(shù)， 減小槳葉直徑，消除擋板的剪切影響，增大調(diào)溫系統(tǒng)的傳熱面積并降低熱 源溫度，控制合理的通氣量等方式都是提高發(fā)酵產(chǎn)品產(chǎn)量與質(zhì)量的有效途 徑。

8

趙大建等[17]在0.2!^3的二級(jí)種子培養(yǎng)罐和1.2m3的中試發(fā)酵罐中，采用 兩層六直葉圓盤渦輪攪拌，四塊標(biāo)準(zhǔn)擋板，單管通氣?？赏ㄟ^加大攪拌槳 直徑和攪拌轉(zhuǎn)速，來提高溶氧速度。

Galindo等[18]研究表明，在低濃度和中等濃度的黃原膠液中，通氣時(shí) 的攪拌功耗下降較小，氣含率較高，而在高濃度的黃原膠液（0.35g/L)中， 通氣功耗下降很多、且有嚴(yán)重的不穩(wěn)定現(xiàn)象。

2匕8〇等[19]在中試規(guī)模的黃原膠發(fā)酵罐中，用大直徑的rushton槳取代 小槳，結(jié)合轉(zhuǎn)速的控制，使功耗及發(fā)酵周期大幅度下降，傳熱系數(shù)增加一 倍以上。

卩化^68等[2。]在發(fā)酵罐中采用三層六直葉圓盤渦輪攪拌，在用NRRL BL1459 S4-L II為菌種的黃原膠發(fā)酵中對(duì)生物量、黃原膠濃度、葡萄糖濃 度和溶氧濃度分別建立了數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了發(fā)酵過程模擬。

卩6七6^等[21]在發(fā)酵罐中采用三層Inter-Mig槳攪拌，當(dāng)通入空氣時(shí)由 于發(fā)酵后期發(fā)酵液粘度很大，若轉(zhuǎn)速低于6.67s-1會(huì)發(fā)生供氧不足的現(xiàn)象， 降低了黃原膠的產(chǎn)量和分子量；若保持總氣量不變、通入部分純氧，則供 氧能力明顯增加，黃原膠的濃度也增加（即使轉(zhuǎn)速很低），因此供氧量（尤 其是發(fā)酵后期）是影響黃原膠產(chǎn)量和質(zhì)量的重要因素，可從工藝和工程兩 方面克服供氧不足的問題。此外，電鏡分析發(fā)現(xiàn)在罐中發(fā)酵情況與搖瓶發(fā) 酵不完全相同，帶攪拌的罐中發(fā)酵時(shí)菌體表面不存在粘液層。

附6=〇1等[22]在19!^3的發(fā)酵罐中分別采用四層直葉圓盤渦輪、四層 Ecato公司的prochem maxflo Ts型攪拌槳或三層A315槳進(jìn)行攪拌，發(fā)現(xiàn)采 用直葉圓盤渦輪時(shí)混合最差，通氣后攪拌效率最低。

蘇紅軍、苗偉、徐世艾等[23]對(duì)兩層組合槳在黃原膠水溶液中的混合性 能進(jìn)行了研究，用功耗、氣含率和容積傳氧系數(shù)對(duì)各種組合槳進(jìn)行了比較。 結(jié)果表明：在所有試驗(yàn)槳組合中，雙折葉下壓圓盤渦輪一凹葉圓盤渦輪組 合具有低能耗、高氣含率的特性，并且對(duì)通氣條件下的功耗降有一定的抑 制作用；雙折葉圓盤渦輪一六葉布魯馬金組合槳有利于獲得高的容積傳氧 系數(shù)；在高濃度的黃原膠水溶液中，底層槳加大直徑后可獲得較高的氣含

9

率，進(jìn)而也有利于非牛頓流體中氣液傳質(zhì)和混合。

尺&以&36等[24]研究了攪拌釜內(nèi)黃原膠發(fā)酵液中混合時(shí)間，發(fā)現(xiàn)由于粘 度的增加使混合時(shí)間增加很大，且氣體分散也影響了液相混合，并提出了 混合時(shí)間的模型。

洪厚勝等[25]針對(duì)黃原膠發(fā)酵的典型高粘性流體的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新 型氣升環(huán)流反應(yīng)器，對(duì)反應(yīng)器中液相流型與操作條件之間的關(guān)系進(jìn)行了實(shí) 驗(yàn)考察，分析了反應(yīng)器中高剪切區(qū)利用流體剪切變稀特性強(qiáng)化傳質(zhì)的原 理。其研究結(jié)果表明，新型氣升環(huán)流反應(yīng)器比機(jī)械攪拌式發(fā)酵罐更適合于 高粘度培養(yǎng)物的發(fā)酵。

?〇^等[26]在鼓泡塔中研究了黃原膠的發(fā)酵過程及模型化問題，發(fā)現(xiàn)同 樣功耗時(shí)鼓泡塔中氧的混合和傳遞情況比攪拌釜中好的多；采用Pinches 等的微分方程數(shù)學(xué)模型，對(duì)發(fā)酵過程進(jìn)行了模擬，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。 Suh等研究了鼓泡塔和氣升式反應(yīng)器中黃原膠的發(fā)酵過程，發(fā)現(xiàn)氣升式反 應(yīng)器中氧傳遞速率滿足不了菌體生長(zhǎng)的要求，導(dǎo)致黃原膠的生產(chǎn)速率較 低，發(fā)酵周期很長(zhǎng)。由于黃原膠發(fā)酵后期粘度很大，加上發(fā)酵液是有屈服 應(yīng)力的假塑性流體，使發(fā)酵罐中的溶氧、混合和傳遞很困難，需要很高的 能耗，而對(duì)鼓泡塔的研究發(fā)現(xiàn)，同一截面上可達(dá)瞬間混合均勻，因此利用 鼓泡塔進(jìn)行黃原膠發(fā)酵有很大的優(yōu)勢(shì)。他們利用發(fā)酵罐中黃原膠發(fā)酵的數(shù) 學(xué)模型對(duì)發(fā)酵過程進(jìn)行了模擬，結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合較好。

1.4研究?jī)?nèi)容及意義

在各種微生物尤其是好養(yǎng)微生物發(fā)酵過程中，氧氣作為基本的營(yíng)養(yǎng)物 質(zhì)直接參與生長(zhǎng)和代謝過程。發(fā)酵過程中氧傳遞速率取決于許多因素，如 生物反應(yīng)器的幾何尺寸（生物反應(yīng)器的類型、分布器、攪拌槳的設(shè)計(jì)等）、 流體的性質(zhì)（粘度、表面張力等）、體系的能量消耗（用于通氣和攪拌）。在 這些因素中，介質(zhì)的成分和流變學(xué)性質(zhì)的變化是引起質(zhì)量傳遞速率改變的 根本原因。對(duì)牛頓型流體，湍流是強(qiáng)化混合和傳遞的有效手段；對(duì)于高粘 度非牛頓生物體系，情況就要復(fù)雜的多。

黃原膠不僅作為微生物多糖的典型代表，其發(fā)酵過程非牛頓流體性質(zhì)

10

也使得該體系成為研究生物過程的模式體系。黃原膠發(fā)酵為好氧發(fā)酵，在 其發(fā)酵過程中，由于胞外多糖的積累，發(fā)酵液的粘度增加，導(dǎo)致體系中氧 傳遞困難，溶氧濃度成了限制性因素，氧傳遞速率成為控制整個(gè)過程的關(guān) 鍵步驟。氧傳質(zhì)系數(shù)尤a作為反應(yīng)體系氧傳遞速率的特征參數(shù)，可以直接 用于過程的設(shè)計(jì)、放大和優(yōu)化。

基于以上分析，本研究主要內(nèi)容分為三部分：

(1)黃原膠流變學(xué)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)研究

在2TC條件下研究黃原膠水溶液流變學(xué)曲線，濃度梯度分別為： 2g/L，4g/L，6g/L，8g/L，10g/L，12g/L，14g/L，16g/L，18g/L，20g/L，22g/L，2 4g/L，26g/L，28g/L，30g/L;根據(jù)所得數(shù)據(jù)，回歸求得對(duì)應(yīng)濃度下的稠度系 數(shù)尤和流變參數(shù)進(jìn)而研究尤，《與黃原膠濃度的關(guān)系。

(2)六種新型攪拌槳在非牛頓假塑性黃原膠體系中的應(yīng)用

在黃原膠體系中，在前期已經(jīng)對(duì)各種組合槳型式研究的基礎(chǔ)上，通過 考察最大葉片式、葉片組合式、泛能式、雙刀式、Mig式、Inter-Mig式這 六種槳的功耗、氣含率、氧傳質(zhì)系數(shù)足以及比功耗傳氧系數(shù)五〇2，進(jìn)而 研究和比較六種攪拌槳的傳質(zhì)混合性能，最終確定優(yōu)選攪拌槳型式。此外， 回歸建立尤ia與單位體積功耗^和表觀氣速匕的關(guān)聯(lián)式。

(3)新型氣體分布器對(duì)黃原膠體系中氧傳質(zhì)的影響

通過對(duì)已有的研究成果的分析和對(duì)前期研究的總結(jié)，提出了用于黃原膠發(fā)酵 的一類新型氣體分布器一一微孔型氣體分布器。在黃原膠體系中，研究環(huán)狀氣 體分布器、微孔型氣體分布器一號(hào)、微孔型氣體分布器二號(hào)三種型式的氣 體分布器對(duì)該體系中氧傳質(zhì)的影響。著重考察微孔分布器對(duì)同一組合槳的 功耗、氣含率^、氧傳質(zhì)系數(shù)la以及比功耗傳氧系數(shù)五〇2的影響，并與 傳統(tǒng)的環(huán)狀氣體分布器的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

本研究在黃原膠體系中，以提高溶氧水平和傳質(zhì)速率為目的，通過考 察黃原膠溶液流變學(xué)性質(zhì)，開發(fā)新型生物反應(yīng)器，包括優(yōu)化反應(yīng)器內(nèi)部攪 拌槳型式以及開發(fā)新型氣體分布器，這對(duì)黃原膠發(fā)酵過程中提高氧的傳遞 效率、加強(qiáng)氣液混合具有一定的指導(dǎo)意義，對(duì)設(shè)計(jì)、優(yōu)化、控制這類產(chǎn)品

11 

生產(chǎn)過程，提高發(fā)酵效率和產(chǎn)品性能具有重要的理論價(jià)值和工程意義。

12

 

2黃原膠流變學(xué)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)研究

2.1前言

黃原膠亦稱漢生膠或苫屯膠，為白色或米黃色微具甜橙嗅味粉末，黃原膠體系氣液傳質(zhì)混合研究它 是由野油菜黃單孢菌以碳水化合物為主要原料，經(jīng)過發(fā)酵生產(chǎn)的一種微生 物胞外酸性雜多糖[27,28]。其分子主要由葡萄糖、甘露糖、葡萄糖醛酸、乙 ?；捅峤M成，相對(duì)分子量在2X106?5X107之間。

黃原膠具有優(yōu)良的增稠性和水溶性，對(duì)溫度和PH值的穩(wěn)定性，良好 的假塑性以及很好的懸浮能力和乳化能力。據(jù)國(guó)外報(bào)道，其應(yīng)用覆蓋二十 多個(gè)行業(yè)的數(shù)十種產(chǎn)品中，且市場(chǎng)對(duì)于黃原膠的需求每年以7?8%的速度 增加[29]。因此，具有廣闊的市場(chǎng)前景和巨大的商業(yè)價(jià)值。目前美、英、法、 日、德等國(guó)均大量生產(chǎn)黃原膠，形成50余種產(chǎn)品規(guī)格，廣泛應(yīng)用于食品、 石油、醫(yī)藥、礦產(chǎn)等領(lǐng)域。然而，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)黃原膠的流變學(xué)行為闡 述較多，而系統(tǒng)研究相對(duì)較少。本研究以不同濃度黃原膠水溶液為對(duì)象， 研究黃原膠的流變學(xué)性質(zhì)，為攪拌混合的流體動(dòng)力學(xué)研究和攪拌設(shè)備內(nèi)構(gòu)件設(shè) 計(jì)提供重要依據(jù)，對(duì)實(shí)際發(fā)酵工藝和動(dòng)力學(xué)研究具有一定的指導(dǎo)意義。

2.2實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1測(cè)量體系及方法

本實(shí)驗(yàn)在21C條件下研究黃原膠水溶液流變學(xué)曲線，稱取一定量黃原 膠，溶于200ml蒸餾水中，配成不同濃度黃原膠溶液，8小時(shí)之后測(cè)量， 濃度分別為：2g/L, 4g/L, 6g/L, 8g/L, 10g/L, 12g/L, 14g/L, 16g/L, 18g/L，20g/L，22g/L，24g/L，26g/L，28g/L，30g/L;本實(shí)驗(yàn)采用 DV-2+PRO 型 數(shù)字式粘度計(jì)，其配有相應(yīng)軟件，剪切力r、剪切速率x以及粘度#可由 計(jì)算機(jī)直接讀出。

2.2.2儀器及材料

黃原膠，淄博中軒股份有限公司；DV-2+PRO數(shù)字式粘度計(jì)，上海尼 潤(rùn)智能科技有限公司；AR3120型電子天平，Ohaus Corporation。

2.3結(jié)果與討論

2.3.1黃原膠粘度與濃度的關(guān)系

13

在實(shí)驗(yàn)濃度范圍內(nèi)，黃原膠溶液粘度隨著濃度的增加近似呈線性上升 趨勢(shì)，如圖2所示，即在相同剪切速率條件下（以，= 32.1s-1為例），黃原 膠粘度隨濃度的增大而均勻增加。對(duì)其進(jìn)行線性回歸，可以得到：

" = -0.311 + 0.118CP，相關(guān)系數(shù),=0.992，0<^ 彡 30g/L

◊

◊

圖2在，= 32.1s<條件下黃原膠溶液粘度與濃度的關(guān)系

因此，在黃原膠發(fā)酵過程中，特別是發(fā)酵后期，由于黃原膠的積累， 發(fā)酵液的粘度隨黃原膠濃度的增加而進(jìn)一步增大，導(dǎo)致體系中溶氧、傳質(zhì) 和混合比較困難，不利于黃原膠產(chǎn)量和質(zhì)量的提高。這對(duì)發(fā)酵工藝的改善、 新型生物反應(yīng)器的開發(fā)及其內(nèi)部構(gòu)件（攪拌槳、氣體分布器等）的優(yōu)化提出 了迫切要求。

2.3.2黃原膠溶液流變學(xué)特性

將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的不同濃度黃原膠水溶液的剪切力與剪切速率、表觀粘度 與剪切速率描繪成圖，見圖3和圖4所示，黃原膠溶液濃度較低時(shí)，呈現(xiàn) 明顯的牛頓性流體特征，剪切力與剪切速率為線性關(guān)系，剪切速率對(duì)粘度 幾乎沒有影響；隨著黃原膠濃度的增加，溶液逐漸呈現(xiàn)典型的假塑性非牛 頓流體特征[30]，剪切力隨剪切速率增大而增加的程度越來越小，表觀粘度 隨著剪切速率的增加而迅速減小。從分子水平角度來解釋：一般認(rèn)為，黃 原膠分子的帶電荷側(cè)鏈反向纏繞纖維素主鏈，形成類似棒狀的一級(jí)剛性結(jié) 構(gòu)；黃原膠分子間靠氫鍵形成雙股的二級(jí)螺旋立體結(jié)構(gòu)；雙股螺旋結(jié)構(gòu)間

剪切速率/s-1

圖4黃原膠溶液表觀粘度與剪切速率的關(guān)系

靠微弱的非共價(jià)鍵結(jié)合，形成三級(jí)螺旋聚合體結(jié)構(gòu)。在高剪切速率下，三 級(jí)聚合體結(jié)構(gòu)解聚為一級(jí)剛性結(jié)構(gòu)，因而溶液粘度迅速下降，當(dāng)剪切速率 解除時(shí)，分子結(jié)構(gòu)又恢復(fù)到雙螺旋聚合體狀態(tài)，使溶液粘度恢復(fù)到最大。 另外，黃原膠濃度越高，流體假塑性越強(qiáng)，同樣剪切條件下的表觀粘度越 大，剪切稀化效應(yīng)更為顯著。

根據(jù)以上分析，黃原膠的粘度隨著濃度的增加而增大且剪切稀化效應(yīng) 越來越顯著。這在實(shí)際黃原膠發(fā)酵過程中，從提高傳質(zhì)混合效果角度來看， 對(duì)攪拌槳的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值，可以考慮選用寬粘度域、剪切能力 較強(qiáng)、又具有一定循環(huán)能力的攪拌槳或組合槳。從而在整個(gè)發(fā)酵過程中，

15 

該槳都能夠有效的促進(jìn)全釜混合，同時(shí)由于其較強(qiáng)的剪切能力，使發(fā)酵液 得以剪切稀化，因而有利于促進(jìn)傳質(zhì)，提高發(fā)酵液溶氧濃度水平。

2.3.3稠度系數(shù)尤和流變參數(shù)〃與溶液濃度^的關(guān)系

隨著黃原膠濃度的增加，黃原膠溶液由牛頓性流體轉(zhuǎn)變?yōu)榧偎苄粤?體，而假塑性流體通?？捎脙缏煞匠虂砻枋?。剪切力r與剪切速率x的關(guān) 系可以表示為[31]:

r = r0 + Kyn(1)

其中，K 一稠度系數(shù)，Pa-Sn n 一流變參數(shù)，無量綱

對(duì)于牛頓性流體：r0=0,n = 1;對(duì)于假塑性流體：r0=0,n<1。對(duì)該式兩邊 取對(duì)數(shù)可得：

圖5稠度系數(shù)K與濃度Cp的關(guān)系

將實(shí)驗(yàn)所得的稠度系數(shù)K和流變參數(shù)n分別對(duì)黃原膠濃度作圖可 得：稠度系數(shù)K整體上隨著黃原膠溶液濃度的增加而增大，如圖5所示。 對(duì)于流變參數(shù)n與^的關(guān)系，可以分為0<^<8g/L和8g/L<^<30g/L 這兩區(qū)域來討論，當(dāng)0<^<8g/L時(shí)，n值隨著黃原膠濃度的增加而急劇 下降；當(dāng)8g/L<Cp彡30g/L時(shí)，n值略有上升，而后趨于定值，如圖6所

濃度Cp/g.L-1

圖6流變參數(shù)n與濃度Cp的關(guān)系

根據(jù)以上兩圖，尤和《可以分別描述為黃原膠濃度Cp的函數(shù)，經(jīng)過回 歸得到：當(dāng)0<q彡30g/L時(shí)，尤= 1.128C/572，對(duì)應(yīng)相關(guān)系數(shù)為0.955。 對(duì)于流變參數(shù)《分為兩區(qū)域來考慮，當(dāng)0< ^彡8g/L時(shí)， n = 0.485 - 0.16lnCP ；當(dāng) 8g/L< Q 彡 30g/L 時(shí)，n = 0.075+ 0.04In，對(duì)應(yīng) 相關(guān)系數(shù)分別為0.97和0.91。

2.4小結(jié)

本節(jié)著重研究了黃原膠體系的流變學(xué)特性，在實(shí)驗(yàn)濃度0<Cp彡 30g/L范圍內(nèi)，黃原膠水溶液的粘度與濃度呈線性關(guān)系，可用方程 "= -0.311+ 0.118心來描述。

當(dāng)濃度較低時(shí)，黃原膠溶液為牛頓性流體；當(dāng)濃度較高時(shí)，黃原膠溶 液為假塑性流體，且濃度越高，假塑性越強(qiáng)，剪切稀化效應(yīng)更為顯著。隨 著黃原膠濃度的增加，稠度系數(shù)尤由小變大，流變參數(shù)n由大變小，且n始 終小于1。

由數(shù)據(jù)分析可得，夂，n主要受黃原膠濃度影響，因而可以描述為Cp的 函數(shù)，關(guān)聯(lián)式為：

K = 1.128CP1 572，0< Cp ^30g/L

17 

n = 0.485-0.16ln Cp , 0<<8g/L

n = 0.075 + 0.04lnCP , 8g/L< Cp ^30g/L

18

 

3六種新型攪拌槳在假塑性黃原膠體系中的應(yīng)用

3.1前言

黃原膠是由微生物發(fā)酵產(chǎn)生的一種胞外多糖，在發(fā)酵過程中由于胞外 多糖的積累，發(fā)酵液粘度的增加，體系中氧傳遞困難，氧傳遞成為控制整 個(gè)過程的關(guān)鍵步驟，這對(duì)生物反應(yīng)器的內(nèi)部構(gòu)件提出了特殊要求。研究中 考察了四種大型寬葉攪拌槳的釜內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)、功耗、氣液分散及傳質(zhì)特性。 這些攪拌槳共同的特點(diǎn)是直徑與釜徑比大、葉片很寬，可得到大量的循環(huán) 流，且由于采用單一葉片，循環(huán)路徑單純，局部剪切相對(duì)減弱，剪切分布 均勻，有利于釜內(nèi)產(chǎn)生均一的流動(dòng)，提高混合效率[32]，適用于聚合反應(yīng)、 結(jié)晶、菌種培養(yǎng)、生物發(fā)酵等[33]。此外，本研究對(duì)Mig和Inter-Mig這兩 種攪拌槳的傳質(zhì)混合性能進(jìn)行了初步的研究。該兩種槳的設(shè)計(jì)原理是相同 的，都是多段逆流攪拌器。當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片的端部和根部分別把液體 向相反的方向推進(jìn)，促使流體形成軸向循環(huán)。這兩種葉輪適合于低、中粘 度液體，特別適合于過渡流域下操作。在過渡流域，葉輪近旁有小的湍流 區(qū)，在使用多層葉輪的場(chǎng)合，相鄰葉輪的湍流區(qū)能連接起來，形成全槽整 體的軸向循環(huán)。

3.2實(shí)驗(yàn)部分

3.2.1實(shí)驗(yàn)裝置及體系

本實(shí)驗(yàn)在直徑為380mm的有機(jī)玻璃反應(yīng)釜中進(jìn)行，裝液高度為750mm。 液相介質(zhì)為黃原膠水溶液，濃度為：10g/l；氣相介質(zhì)為空氣。氣體分布 器為：微孔型氣體分布器（毫米級(jí)）。所采用攪拌槳為：最大葉片式、葉 片組合式、泛能式、雙刀式、Mig式和Inter-Mig式（見圖7)，其中前四 種槳槳徑為260mm，后兩種槳槳徑為210mm。整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程，如圖8所示。 配有BIOTECH-2002型生物過程控制器，由上海保興生物設(shè)備工程有限公 司生產(chǎn)。

19

 

最大葉片式葉片組合式

 

泛能式雙刀式

 

Mig式

 

Inter-Mig 式

圖7槳型示意圖

 

3.2.2測(cè)量方法

3.2.2.1攪拌轉(zhuǎn)速及功率測(cè)量

本研究使用JCZ1型智能扭矩傳感器。此傳感器配有相應(yīng)計(jì)算機(jī)軟件， 攪拌軸轉(zhuǎn)速、扭矩及功率可由計(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)。

20 

3.2.2.2氣含率s測(cè)量

根據(jù)釜內(nèi)料液通氣前后液位的變化求得，公式為：

s= H - H 0 x 100%(3)

H 〇

其中，H0—通氣前液位高度，mm H—通氣后液位高度，mm

3.2.2.3氧傳質(zhì)系數(shù)測(cè)量

本文采用排氣法測(cè)量氧傳質(zhì)系數(shù)尤^，其測(cè)量原理如下:

氧推動(dòng)力方程為

⑷

移相積分

pW -C)

JC。C * - C

 

KLa ■ dt

(5)

可得

⑹

,C *- CL

ln -- = F -Kra■ t

C * - C0L

其中，C*為飽和溶氧濃度(mg/l)，C。為初始溶氧濃度(mg/l)，CL為t時(shí)

C * - C

刻溶氧濃度(mg/l)，常數(shù)F = 0。以ln ^^對(duì)t作圖，直線斜率即為-KLa。

C -C0

3.3結(jié)果與討論

3.3.1功耗特性

攪拌功率是指攪拌時(shí)，單位時(shí)間輸入釜內(nèi)物料的能量。圖9描述了四種寬 葉槳型的功耗與轉(zhuǎn)速關(guān)系?？梢钥闯?，在相同條件下，泛能式槳功耗最大， 最大葉片式槳次之，葉片組合式槳和雙刀式槳功耗相對(duì)較小。從結(jié)構(gòu)和流 型的角度分析：泛能式槳和最大葉片式槳流型主要為徑向流，從而功耗較 高；葉片組合式槳流型為軸向流與徑向流的統(tǒng)一，而雙刀式槳主要為軸向 流，因而這兩種槳功耗較低，且雙刀式槳略低于葉片組合式槳。

這個(gè)結(jié)論由圖10也可發(fā)現(xiàn)，在相同條件下，泛能式槳功率數(shù)最大， 最大葉片式槳次之，再次葉片組合式槳，雙刀式槳最小。從該圖還可得到: 在轉(zhuǎn)速較低的情況下，四種槳的功率數(shù)與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線相對(duì)比較緊密，這 是由于低轉(zhuǎn)速時(shí)，四種槳的功耗和氣含率相差不大，其中氣含率高低直接 決定著表觀密度的大小，因而在槳徑相同的條件下，功率數(shù)較為接近。

過去一般認(rèn)為，攪拌功率的降低是由通氣后攪拌葉片掃過的流體的表 觀密度減小引起的。近年來對(duì)氣穴現(xiàn)象的研究發(fā)現(xiàn)，通氣時(shí)攪拌功率的變 化與氣穴行為有著密切聯(lián)系。氣穴理論認(rèn)為，氣體并不是直接被攪拌槳剪 切而得到分散的。氣泡的分散首先是在槳葉背面形成較為穩(wěn)定的氣穴，氣

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穴在尾部破裂，形成富含小氣泡的分散區(qū)，這些氣泡在離心力的作用下被 甩出，并隨液體的流動(dòng)分散至釜內(nèi)其它區(qū)域。因此，功率降低的直接原因 是槳葉背面形成的氣穴使攪拌槳的旋轉(zhuǎn)阻力減小，其減小的程度由氣穴大 小控制。攪拌功率的減小使攪拌槳原有的輸送能力降低，不利于氣液分散 和傳質(zhì)混合。

對(duì)于本文研究的寬葉攪拌槳，從不同通氣量功耗與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線來看 (以最大葉片式為例，如圖11所示），在同一轉(zhuǎn)速條件下，隨著通氣量的 增加，大型寬葉槳功耗下降程度非常小，這與N.Dohi等人的研究結(jié)果[34] 是一致的?？梢?/div>

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