黃原膠（Xanthan gum)發酵過程中，由于菌體 繁殖和莢膜多糖的產生，發酵液由初始牛頓型流體 逐漸轉變為粘性非牛頓假塑性流體，流變性質變化 直接影響發酵液的混和與溶氧。“通用式”機械攪 拌發酵罐無法勝任高粘醪液的發酵任務[1]。如圖 1所示，在攪拌槳攪拌區氣液混合良好，該區剪切速 率高，流體表觀粘度低;在攪拌區外,剪切速率隨著 離開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律上升，在遠離攪拌槳的近 罐壁處，特別是在檔板后面形成靜止區，這樣氣體 通過罐中心形成倒漏斗形通道逃逸而不能均勻地 和液體混合。

本文針對黃原膠這一典型非牛頓假塑性流體 的發酵過程,設計出一種氣升環流反應器(Air Lift Loop Reactor,簡稱ALLR)。它的結構使得高粘醪 液周期性流過高剪切區，與引入的無菌空氣混合， 充分利用醪液本身剪切變稀的流變特性來強化高 粘醪液的混和與溶氧；同時發酵液做整體循環，反 應器中不存在靜止區，宏觀混和良好，在反應器中 流體流型（以停留時間分布RTD衡量）較理想時， 液體循環周期為數10 s至幾分鐘。發酵實驗證明 了 ALLR適用于高粘度培養物的發酵，即使發酵醪 的粘度高過10 Pa s(5.825 s〃），其中的傳質和溶 氧也不會成為限制發酵水平提高的因素。

1 材料與方法

1.1設備與培養基

1.1.1ALLR(如示意圖2,容積150 L)由北京玻 璃廠生產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型機械攪拌發酵 罐(瑞士產，容積30 L)。

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

1.1.3種子培養基：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氣升環流反應器示意圖

Fig.2 Sketch of airlift loop reactor

1.1.4發酵培養基(可溶性淀粉）=4%, w(蛋 白胨）=0.6%，w(輕質 CaCO3) = 0.3%, w(泡敵) = 0.1%, pH 7.0。

1.2測定方法

1.2.1ALLR停留時間分布測定：脈沖示蹤法[3]。 1.2.2發酵液流變特性和表觀粘度的測定：用成 都產NXS - 1型旋轉粘度計，在剪切速率5. 675 s—或5.825 s〃下測定表觀粘度；在15個速度檔 上測不同剪切速率下的流變特性數據。

1.2.3多糖濃度測定：取100mL發酵液，經酶作 用除去殘余淀粉和菌體蛋白，加入200 mL質量分 數為95%的CP級乙醇，快速攪拌，取出絮狀物用 無水乙醇洗滌兩次，濾干,60 X：真空干燥2 h,稱 重。

1.3假塑性流體在直管中流動的理論計算式

1.3.1假塑性流體指數律方程為： r = K(du/dy)n,

圓管內：

r = K|d«/dr|"

1.3.2假塑性流體在圓管內層流速度分布tv最 大流速與平均流速的關系[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 結果與討論

2.1 ALLR的RTD曲線及流體流型

根據RTD曲線形狀可以定性判斷反應器內流 體流型和混合情況[3]。實驗表明，在體系進出料量 一定時，通風量變化引起流體流型變化，增大通風 量液體循環量增大，混合加強，但通風量太大，升液 管出現液體間斷循環(氣塞流），不利氣液混和。從 圖3和表1可知通風量為2VVM(Volumes of air being compressed into one volume of broth in one minute) B寸，ff2接近1, RTD曲線接近全混流出峰， 同時也可看出ALLR中存在很大的返混，理想流型 是全混流。因此，在設計和放大ALLR時，要從反 應器結構與操作條件入手，設法使流體的流型接近 全混流。

表1 RTD特征參數與通氣置之間關系

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的高剪切區的分析

2.2.1黃原膠發酵過程中發酵液流變特性

根據對某批實驗黃原膠發酵液進行測定，得剪 切速率、剪應力與表觀粘度的一系列數據，回歸后 得表2的一組指數方程。

表2不同發酵時間黃原膠醪液流變方程

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

發酵時間發酵液流變方程

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 = 39.8(dtt/dy)0144

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

2.2.2ALLR高剪切區強化傳質的分析

在ALLR中，無菌空氣由噴咀高速噴出，使醪 液產生強烈的湍動，在升液管中形成高剪切區，理 論上，假塑性流體通過圓管作層流運動時，它所受 到的平均剪切速率為：

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

此時流體流動屬層流，按上式， s一S實際上，在ALLR的高剪切區中，流體的流動 屬強烈的湍流，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系曲線

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

速率小于20 s—1時，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，當剪切速率約大于50 s—后，發酵液非 牛頓特性趨于消失而接進牛頓型流體。實驗表明， 發酵至第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計算出的表 觀粘度僅為1.41 Pa，s,所以，在ALLR的高剪切區 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，流體流動行為接近牛頓型流 體，從而有利于無菌空氣與發酵液的混合，提高發 酵過程的傳質速率和溶氧水平。

2.3ALLR黃原膠發酵實驗

表3 ALLR與“通用式”機械攪拌罐黃原膠 發酵結果對比

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

通風董表觀粘度多糖質量濃度

批號發酵時間/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”機械攪拌發酵罐發酵結果

從表3的發酵結果可知，通風量比為2較適合 150 L ALLR的黃原膠發酵，這與RTD曲線型研究 結果相吻合。用30 L“通用式”機械攪拌罐做對照 發酵實驗，攪拌罐的通風量比按文獻報導的最優值 0.5[6],發酵前期攪拌轉速為400 r/min，14 h后改 為500 r/min。發酵前期黃原膠發酵液在兩種反應 器中的流變行為接近;20小時后，攪拌罐中醪液粘 度逐漸增高，當粘度達到6.0 Pai后，盡管殘糖質 量分數仍在1 %左右，但由于傳質和溶氧條件差，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，離攪拌槳較遠的近壁區醪液基本 不動，而對ALLR即使醪液粘度高達12.0 Pa‘s,也 沒有明顯抑制發酵水平的現象。

3結論

在結構和操作條件比較合理時,ALLR的液相 流動接近全混流，混和與傳質效果較好；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速率和溶氧水平。 發酵實驗表明新型氣升環流反應器比“通用式”機 械攪拌罐更適合于高粘度培養物的發酵。