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气升环流反应器用于黄原胶的发酵

发布日期:2015-06-16 14:50:33
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。
 
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