黃原膠（Xanthan gum)發(fā)酵過(guò)程中，由于菌體 繁殖和莢膜多糖的產(chǎn)生，發(fā)酵液由初始牛頓型流體 逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檎承苑桥ｎD假塑性流體，流變性質(zhì)變化 直接影響發(fā)酵液的混和與溶氧。“通用式”機(jī)械攪 拌發(fā)酵罐無(wú)法勝任高粘醪液的發(fā)酵任務(wù)[1]。如圖 1所示，在攪拌槳攪拌區(qū)氣液混合良好，該區(qū)剪切速 率高，流體表觀粘度低;在攪拌區(qū)外,剪切速率隨著 離開(kāi)攪拌槳距離的增大而減小，流體表觀粘度則隨 剪切速率減小而呈指數(shù)律上升，在遠(yuǎn)離攪拌槳的近 罐壁處，特別是在檔板后面形成靜止區(qū)，這樣氣體 通過(guò)罐中心形成倒漏斗形通道逃逸而不能均勻地 和液體混合。

本文針對(duì)黃原膠這一典型非牛頓假塑性流體 的發(fā)酵過(guò)程,設(shè)計(jì)出一種氣升環(huán)流反應(yīng)器(Air Lift Loop Reactor,簡(jiǎn)稱(chēng)ALLR)。它的結(jié)構(gòu)使得高粘醪 液周期性流過(guò)高剪切區(qū)，與引入的無(wú)菌空氣混合， 充分利用醪液本身剪切變稀的流變特性來(lái)強(qiáng)化高 粘醪液的混和與溶氧；同時(shí)發(fā)酵液做整體循環(huán)，反 應(yīng)器中不存在靜止區(qū)，宏觀混和良好，在反應(yīng)器中 流體流型（以停留時(shí)間分布RTD衡量）較理想時(shí)， 液體循環(huán)周期為數(shù)10 s至幾分鐘。發(fā)酵實(shí)驗(yàn)證明 了 ALLR適用于高粘度培養(yǎng)物的發(fā)酵，即使發(fā)酵醪 的粘度高過(guò)10 Pa s(5.825 s〃），其中的傳質(zhì)和溶 氧也不會(huì)成為限制發(fā)酵水平提高的因素。

1 材料與方法

1.1設(shè)備與培養(yǎng)基

1.1.1ALLR(如示意圖2,容積150 L)由北京玻 璃廠生產(chǎn)的硼硅玻璃組裝而成，氣體分布器為不銹 鋼噴阻，噴口直徑2 mm; ISF-20型機(jī)械攪拌發(fā)酵 罐(瑞士產(chǎn)，容積30 L)。

1.1.2菌種:甘藍(lán)黑腐病黃單胞菌NK-01菌株 (Xanthomonas Campestris NK-01)[2]。

1.1.3種子培養(yǎng)基：w(蔗糖）=2%，w(蛋白胨） =0. 5%, w(牛肉膏）=0. 3%，w(酵母膏）= 0.1 %, pH 7.0〇

圖2氣升環(huán)流反應(yīng)器示意圖

Fig.2 Sketch of airlift loop reactor

1.1.4發(fā)酵培養(yǎng)基(可溶性淀粉）=4%, w(蛋 白胨）=0.6%，w(輕質(zhì) CaCO3) = 0.3%, w(泡敵) = 0.1%, pH 7.0。

1.2測(cè)定方法

1.2.1ALLR停留時(shí)間分布測(cè)定：脈沖示蹤法[3]。 1.2.2發(fā)酵液流變特性和表觀粘度的測(cè)定：用成 都產(chǎn)NXS - 1型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，在剪切速率5. 675 s—或5.825 s〃下測(cè)定表觀粘度；在15個(gè)速度檔 上測(cè)不同剪切速率下的流變特性數(shù)據(jù)。

1.2.3多糖濃度測(cè)定：取100mL發(fā)酵液，經(jīng)酶作 用除去殘余淀粉和菌體蛋白，加入200 mL質(zhì)量分 數(shù)為95%的CP級(jí)乙醇，快速攪拌，取出絮狀物用 無(wú)水乙醇洗滌兩次，濾干,60 X：真空干燥2 h,稱(chēng) 重。

1.3假塑性流體在直管中流動(dòng)的理論計(jì)算式

1.3.1假塑性流體指數(shù)律方程為： r = K(du/dy)n,

圓管內(nèi)：

r = K|d«/dr|"

1.3.2假塑性流體在圓管內(nèi)層流速度分布tv最 大流速與平均流速的關(guān)系[4]: vT=vmM-(r/R)(n + l)/n]

^max= Wm[(3n+l)/(n+l)]

1.3.3假塑性流體在圓管內(nèi)層流剪切速率分布 dw/dr和平均剪切速率I dw/dr | m⑴： d«/dr= - [(3« + l)vJnR](r/R)l/,' |dM/dr|m=[2(3w+l)/(2rz + l)]wm/J?

2 結(jié)果與討論

2.1 ALLR的RTD曲線(xiàn)及流體流型

根據(jù)RTD曲線(xiàn)形狀可以定性判斷反應(yīng)器內(nèi)流 體流型和混合情況[3]。實(shí)驗(yàn)表明，在體系進(jìn)出料量 一定時(shí)，通風(fēng)量變化引起流體流型變化，增大通風(fēng) 量液體循環(huán)量增大，混合加強(qiáng)，但通風(fēng)量太大，升液 管出現(xiàn)液體間斷循環(huán)(氣塞流），不利氣液混和。從 圖3和表1可知通風(fēng)量為2VVM(Volumes of air being compressed into one volume of broth in one minute) B寸，ff2接近1, RTD曲線(xiàn)接近全混流出峰， 同時(shí)也可看出ALLR中存在很大的返混，理想流型 是全混流。因此，在設(shè)計(jì)和放大ALLR時(shí)，要從反 應(yīng)器結(jié)構(gòu)與操作條件入手，設(shè)法使流體的流型接近 全混流。

表1 RTD特征參數(shù)與通氣置之間關(guān)系

Table 1 Correlation between RTD characteristic parameters and aeration rates

通氣量/VVM1.01.52.02.5

6.657.238.149.19

<r?/(min2)40.0151.2766.2491.17

0,9050.9810.9991.08

2.2 ALLR的高剪切區(qū)的分析

2.2.1黃原膠發(fā)酵過(guò)程中發(fā)酵液流變特性

根據(jù)對(duì)某批實(shí)驗(yàn)黃原膠發(fā)酵液進(jìn)行測(cè)定，得剪 切速率、剪應(yīng)力與表觀粘度的一系列數(shù)據(jù)，回歸后 得表2的一組指數(shù)方程。

表2不同發(fā)酵時(shí)間黃原膠醪液流變方程

Table 2 Rheological equations of xanthan fermentation broths on different fermentating time

發(fā)酵時(shí)間發(fā)酵液流變方程

第24 hr = 8.8(du/dy)0161

第36 h7 ~ 13.6(du/dy)QA47

第48hr = 21.6(d«/d^)° 146

第60hr = 30.0(d«/dy)° 145

第72 h放罐r(nóng) = 39.8(dtt/dy)0144

由表2可知，黃原膠發(fā)酵液在第24 h即成為高 度假塑性流體，其流變指數(shù)為〇. 161, —直到發(fā)酵結(jié) 束，流變指數(shù)為〇. 144,變化很小且遠(yuǎn)小于1，稠度 系數(shù)K逐漸增大，因此高粘度和高度假塑性存在 于3/4的發(fā)酵周期內(nèi)。

2.2.2ALLR高剪切區(qū)強(qiáng)化傳質(zhì)的分析

在ALLR中，無(wú)菌空氣由噴咀高速?lài)姵觯辊?液產(chǎn)生強(qiáng)烈的湍動(dòng)，在升液管中形成高剪切區(qū)，理 論上，假塑性流體通過(guò)圓管作層流運(yùn)動(dòng)時(shí)，它所受 到的平均剪切速率為：

Idu/dr|m = [2(3n + l)/(2n + l)]x vm/R 某批發(fā)酵第 72 h，《 = 0_ 144; K = 39. 8;幻= 0.89取循環(huán)管的當(dāng)量直徑為0.080 m，若

此時(shí)流體流動(dòng)屬層流，按上式， s一S實(shí)際上，在ALLR的高剪切區(qū)中，流體的流動(dòng) 屬?gòu)?qiáng)烈的湍流，黃原膠醪液所受的平均剪切速率 s_1。另外，如圖4所示,在剪切

14 - 12 1

〇11 丨▼1

050100150200

剪切速率/S-1

圖4黃原膠酵液表觀粘度與剪切速率關(guān)系曲線(xiàn)

Fig. 4 Apparent viscosity vs. rate of shear for xanthan fermentation broth

速率小于20 s—1時(shí)，黃原膠醪液的表觀粘度隨剪切 速率的增大而陡降，大于60后逐漸趨于平緩,

也就是說(shuō)，當(dāng)剪切速率約大于50 s—后，發(fā)酵液非 牛頓特性趨于消失而接進(jìn)牛頓型流體。實(shí)驗(yàn)表明， 發(fā)酵至第72 h的醪液在剪切速率5.825 f1下，其 表觀粘度為10. 7 Pa. s，而在剪切速率49. 48 s一1 下，由流變方程r = 39. 8 I dM/dH°144計(jì)算出的表 觀粘度僅為1.41 Pa，s,所以，在ALLR的高剪切區(qū) 中，由于剪切速率的提高，高粘度假塑性流體的表 觀粘度大幅度降低，流體流動(dòng)行為接近牛頓型流 體，從而有利于無(wú)菌空氣與發(fā)酵液的混合，提高發(fā) 酵過(guò)程的傳質(zhì)速率和溶氧水平。

2.3ALLR黃原膠發(fā)酵實(shí)驗(yàn)

表3 ALLR與“通用式”機(jī)械攪拌罐黃原膠 發(fā)酵結(jié)果對(duì)比

Table 3 Comparison of xanthan fermentation results of ALLR and that of conventional mechanical agitated reactor

通風(fēng)董表觀粘度多糖質(zhì)量濃度

批號(hào)發(fā)酵時(shí)間/h/Pa.s/(g/L)

/VVM

1722.012.537.4

2721.512.034.1

489.027.8

3722.612.736.8

4810.025.3

4721.711.029.7

4810.026.1

5641,812.032.3

6*720.56.523.0

* 30 L“通用式”機(jī)械攪拌發(fā)酵罐發(fā)酵結(jié)果

從表3的發(fā)酵結(jié)果可知，通風(fēng)量比為2較適合 150 L ALLR的黃原膠發(fā)酵，這與RTD曲線(xiàn)型研究 結(jié)果相吻合。用30 L“通用式”機(jī)械攪拌罐做對(duì)照 發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，攪拌罐的通風(fēng)量比按文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)的最優(yōu)值 0.5[6],發(fā)酵前期攪拌轉(zhuǎn)速為400 r/min，14 h后改 為500 r/min。發(fā)酵前期黃原膠發(fā)酵液在兩種反應(yīng) 器中的流變行為接近;20小時(shí)后，攪拌罐中醪液粘 度逐漸增高，當(dāng)粘度達(dá)到6.0 Pai后，盡管殘?zhí)琴|(zhì) 量分?jǐn)?shù)仍在1 %左右，但由于傳質(zhì)和溶氧條件差，第 48 h到第72 h放罐共24 h中，粘度只升高了 0.5 Pa.s;觀察可知，離攪拌槳較遠(yuǎn)的近壁區(qū)醪液基本 不動(dòng)，而對(duì)ALLR即使醪液粘度高達(dá)12.0 Pa‘s,也 沒(méi)有明顯抑制發(fā)酵水平的現(xiàn)象。

3結(jié)論

在結(jié)構(gòu)和操作條件比較合理時(shí),ALLR的液相 流動(dòng)接近全混流，混和與傳質(zhì)效果較好；ALLR能 充分利用非牛頓假塑性流體的剪切變稀的流變特 性，有效地提高高粘醪液的傳質(zhì)速率和溶氧水平。 發(fā)酵實(shí)驗(yàn)表明新型氣升環(huán)流反應(yīng)器比“通用式”機(jī) 械攪拌罐更適合于高粘度培養(yǎng)物的發(fā)酵。