黄原胶（Xanthan gum)发酵过程中，由于菌体 繁殖和荚膜多糖的产生，发酵液由初始牛顿型流体 逐渐转变为粘性非牛顿假塑性流体，流变性质变化 直接影响发酵液的混和与溶氧。“通用式”机械搅 拌发酵罐无法胜任高粘醪液的发酵任务[1]。如图 1所示，在搅拌桨搅拌区气液混合良好，该区剪切速 率高，流体表观粘度低;在搅拌区外,剪切速率随着 离开搅拌桨距离的增大而减小，流体表观粘度则随 剪切速率减小而呈指数律上升，在远离搅拌桨的近 罐壁处，特别是在档板后面形成静止区，这样气体 通过罐中心形成倒漏斗形通道逃逸而不能均匀地 和液体混合。

本文针对黄原胶这一典型非牛顿假塑性流体 的发酵过程,设计出一种气升环流反应器(Air Lift Loop Reactor,简称ALLR)。它的结构使得高粘醪 液周期性流过高剪切区，与引入的无菌空气混合， 充分利用醪液本身剪切变稀的流变特性来强化高 粘醪液的混和与溶氧；同时发酵液做整体循环，反 应器中不存在静止区，宏观混和良好，在反应器中 流体流型（以停留时间分布RTD衡量）较理想时， 液体循环周期为数10 s至几分钟。发酵实验证明 了 ALLR适用于高粘度培养物的发酵，即使发酵醪 的粘度高过10 Pa s(5.825 s〃），其中的传质和溶 氧也不会成为限制发酵水平提高的因素。

1 材料与方法

1.1设备与培养基

1.1.1ALLR(如示意图2,容积150 L)由北京玻 璃厂生产的硼硅玻璃组装而成，气体分布器为不锈 钢喷阻，喷口直径2 mm; ISF-20型机械搅拌发酵 罐(瑞士产，容积30 L)。

1.1.2菌种:甘蓝黑腐病黄单胞菌NK-01菌株 (Xanthomonas Campestris NK-01)[2]。

1.1.3种子培养基：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

图2气升环流反应器示意图

Fig.2 Sketch of airlift loop reactor

1.1.4发酵培养基(可溶性淀粉）=4%, w(蛋 白胨）=0.6%，w(轻质 CaCO3) = 0.3%, w(泡敌) = 0.1%, pH 7.0。

1.2测定方法

1.2.1ALLR停留时间分布测定：脉冲示踪法[3]。 1.2.2发酵液流变特性和表观粘度的测定：用成 都产NXS - 1型旋转粘度计，在剪切速率5. 675 s—或5.825 s〃下测定表观粘度；在15个速度档 上测不同剪切速率下的流变特性数据。

1.2.3多糖浓度测定：取100mL发酵液，经酶作 用除去残余淀粉和菌体蛋白，加入200 mL质量分 数为95%的CP级乙醇，快速搅拌，取出絮状物用 无水乙醇洗涤两次，滤干,60 X：真空干燥2 h,称 重。

1.3假塑性流体在直管中流动的理论计算式

1.3.1假塑性流体指数律方程为： r = K(du/dy)n,

圆管内：

r = K|d«/dr|"

1.3.2假塑性流体在圆管内层流速度分布tv最 大流速与平均流速的关系[4]: vT=vmM-(r/R)(n + l)/n]

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

1.3.3假塑性流体在圆管内层流剪切速率分布 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 结果与讨论

2.1 ALLR的RTD曲线及流体流型

根据RTD曲线形状可以定性判断反应器内流 体流型和混合情况[3]。实验表明，在体系进出料量 一定时，通风量变化引起流体流型变化，增大通风 量液体循环量增大，混合加强，但通风量太大，升液 管出现液体间断循环(气塞流），不利气液混和。从 图3和表1可知通风量为2VVM(Volumes of air being compressed into one volume of broth in one minute) B寸，ff2接近1, RTD曲线接近全混流出峰， 同时也可看出ALLR中存在很大的返混，理想流型 是全混流。因此，在设计和放大ALLR时，要从反 应器结构与操作条件入手，设法使流体的流型接近 全混流。

表1 RTD特征参数与通气置之间关系

Table 1 Correlation between RTD characteristic parameters and aeration rates

通气量/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的高剪切区的分析

2.2.1黄原胶发酵过程中发酵液流变特性

根据对某批实验黄原胶发酵液进行测定，得剪 切速率、剪应力与表观粘度的一系列数据，回归后 得表2的一组指数方程。

表2不同发酵时间黄原胶醪液流变方程

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

发酵时间发酵液流变方程

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，黄原胶发酵液在第24 h即成为高 度假塑性流体，其流变指数为〇. 161, —直到发酵结 束，流变指数为〇. 144,变化很小且远小于1，稠度 系数K逐渐增大，因此高粘度和高度假塑性存在 于3/4的发酵周期内。

2.2.2ALLR高剪切区强化传质的分析

在ALLR中，无菌空气由喷咀高速喷出，使醪 液产生强烈的湍动，在升液管中形成高剪切区，理 论上，假塑性流体通过圆管作层流运动时，它所受 到的平均剪切速率为：

Idu/dr|m = [2(3n + l)/(2n + l)]x vm/R 某批发酵第 72 h，《 = 0_ 144; K = 39. 8;幻= 0.89取循环管的当量直径为0.080 m，若

此时流体流动属层流，按上式， s一S实际上，在ALLR的高剪切区中，流体的流动 属强烈的湍流，黄原胶醪液所受的平均剪切速率 s_1。另外，如图4所示,在剪切

14 - 12 1

〇11 丨▼1

050100150200

剪切速率/S-1

图4黄原胶酵液表观粘度与剪切速率关系曲线

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

速率小于20 s—1时，黄原胶醪液的表观粘度随剪切 速率的增大而陡降，大于60后逐渐趋于平缓,

也就是说，当剪切速率约大于50 s—后，发酵液非 牛顿特性趋于消失而接进牛顿型流体。实验表明， 发酵至第72 h的醪液在剪切速率5.825 f1下，其 表观粘度为10. 7 Pa. s，而在剪切速率49. 48 s一1 下，由流变方程r = 39. 8 I dM/dH°144计算出的表 观粘度仅为1.41 Pa，s,所以，在ALLR的高剪切区 中，由于剪切速率的提高，高粘度假塑性流体的表 观粘度大幅度降低，流体流动行为接近牛顿型流 体，从而有利于无菌空气与发酵液的混合，提高发 酵过程的传质速率和溶氧水平。

2.3ALLR黄原胶发酵实验

表3 ALLR与“通用式”机械搅拌罐黄原胶 发酵结果对比

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

通风董表观粘度多糖质量浓度

批号发酵时间/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”机械搅拌发酵罐发酵结果

从表3的发酵结果可知，通风量比为2较适合 150 L ALLR的黄原胶发酵，这与RTD曲线型研究 结果相吻合。用30 L“通用式”机械搅拌罐做对照 发酵实验，搅拌罐的通风量比按文献报导的最优值 0.5[6],发酵前期搅拌转速为400 r/min，14 h后改 为500 r/min。发酵前期黄原胶发酵液在两种反应 器中的流变行为接近;20小时后，搅拌罐中醪液粘 度逐渐增高，当粘度达到6.0 Pai后，尽管残糖质 量分数仍在1 %左右，但由于传质和溶氧条件差，第 48 h到第72 h放罐共24 h中，粘度只升高了 0.5 Pa.s;观察可知，离搅拌桨较远的近壁区醪液基本 不动，而对ALLR即使醪液粘度高达12.0 Pa‘s,也 没有明显抑制发酵水平的现象。

3结论

在结构和操作条件比较合理时,ALLR的液相 流动接近全混流，混和与传质效果较好；ALLR能 充分利用非牛顿假塑性流体的剪切变稀的流变特 性，有效地提高高粘醪液的传质速率和溶氧水平。 发酵实验表明新型气升环流反应器比“通用式”机 械搅拌罐更适合于高粘度培养物的发酵。