淺談噴環(huán)式好氧發(fā)酵罐中的菌絲損傷機(jī)制

潘鑫鑫 張秋生

摘 要：噴環(huán)式好氧發(fā)酵罐的特點(diǎn)是利用低能實(shí)現(xiàn)乳化傳質(zhì)，氧利用率高。【2】但由于氣——液噴射器的加入，在氣流的沖擊作用下，對(duì)菌絲的損傷程度進(jìn)一步加深。通過(guò)比較攪拌和噴射器的剪切作用，可以在整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中根據(jù)菌種特性和工藝要求向著有利于提產(chǎn)增效降耗的方向改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：噴射器；機(jī)械攪拌；剪切力；菌絲損傷

通過(guò)純種培養(yǎng)的發(fā)酵罐一般有自吸式發(fā)酵罐、標(biāo)準(zhǔn)式發(fā)酵罐、氣升式發(fā)酵罐、噴射式葉輪發(fā)酵罐、外循環(huán)發(fā)酵罐和多孔板塔式發(fā)酵罐等。【1】噴環(huán)式好氧發(fā)酵罐的特點(diǎn)是利用低能實(shí)現(xiàn)乳化傳質(zhì)，氧利用率高。【2】但由于氣——液噴射器的加入，在氣流的沖擊作用下，對(duì)菌絲的損傷程度進(jìn)一步加深。通過(guò)比較攪拌和噴射器的剪切作用，可以在整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中根據(jù)菌種特性和工藝要求向著有利于提產(chǎn)增效降耗的方向改進(jìn)。

1. 剪切作用的產(chǎn)生

發(fā)酵罐中，菌絲的生長(zhǎng)是處于一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，當(dāng)菌絲進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，菌絲量不斷增加，耗氧量也不斷增加，為滿足菌體生長(zhǎng)，需不斷提高通氣量和攪拌速度，菌絲所受外力的作用也越來(lái)越大，罐內(nèi)發(fā)酵液的流動(dòng)也越發(fā)強(qiáng)烈。而從宏觀上看，在垂直于流動(dòng)方向上存在著速度差，就是剪切作用【3】。發(fā)酵液與攪拌槳葉、罐壁、擋板等的撞擊而發(fā)生的流向改變以及發(fā)酵液各層間流動(dòng)速度的差異，都會(huì)對(duì)菌絲形成剪切作用。并且隨著發(fā)酵液的混合越來(lái)越劇烈，菌絲所受剪切作用也越來(lái)越大。

1.1噴射器內(nèi)的剪切作用

在高壓空氣從噴射器的噴嘴噴出的過(guò)程中，造成了空氣對(duì)發(fā)酵液的沖擊作用，使得發(fā)酵液流動(dòng)的速度產(chǎn)生了差異，這部分剪切作用和攪拌帶來(lái)的剪切作用類似。另外由噴射器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知，其擴(kuò)展管是一個(gè)狹長(zhǎng)的通道，發(fā)酵液在擴(kuò)展管中流動(dòng)類似于血液在血管中流動(dòng)。同樣，血液流動(dòng)于血管中也會(huì)有剪切作用，即血流剪切力（FSS），F(xiàn)SS的大小主要根據(jù)公式τ=4nV/ID（其中τ：剪切力，n：血液粘度，V：血流速度，ID：血管內(nèi)徑）【4】。據(jù)此，發(fā)酵液在噴射器中流動(dòng)可近似的看做血液在血管中流動(dòng)，其剪切力的大小與發(fā)酵液粘度和流速成正比，和擴(kuò)展管直徑成反比。

1.2 攪拌槳葉的剪切作用

根據(jù)攪拌器中槳葉的葉端線速度越大，則顆粒的極限粒徑越小。【3】可知對(duì)于同一發(fā)酵罐中罐的菌絲來(lái)說(shuō)，攪拌對(duì)其的剪切作用主要受到攪拌槳葉葉端線速度的影響，葉端線速度越高，菌絲受損越厲害，菌絲碎片化越嚴(yán)重。

2.攪拌線速度與噴射速度

2.1攪拌線速度

葉端線速度計(jì)算公式為：Vs=nπd（n：轉(zhuǎn)速；d：直徑），以30T發(fā)酵罐為例，其攪拌槳直徑為0.90m，最大轉(zhuǎn)速為166轉(zhuǎn)/min，則通過(guò)計(jì)算可知其葉端線速度V=7.82m/s。在不考慮攪拌槳葉形式的情況下，剪切作用大小與轉(zhuǎn)速和槳葉直徑成正比。

2.2噴射器噴嘴的空氣流速

在裝有10套噴射器的同一發(fā)酵罐中，以其最大空氣流量1000m3/h計(jì)算，分配到各噴射器的流量為100m3/h，而噴嘴的口徑只有1-2cm，以2cm計(jì)算可得到每個(gè)噴嘴的空氣流速V=277.78m/s。而噴射管空氣的噴射速度取決于空氣流量和噴嘴口徑，即與空氣流量成正比，和噴嘴口徑成反比。

也就是說(shuō)，當(dāng)菌體生長(zhǎng)進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，一方面，隨著攪拌轉(zhuǎn)速的增加，菌體所受剪切作用越來(lái)越大；另一方面，隨著通氣流量的增加，噴嘴口空氣流速進(jìn)一步加快，推動(dòng)擴(kuò)展管內(nèi)的發(fā)酵液流速進(jìn)一步加快，則發(fā)酵液所受的剪切作用也越來(lái)越大。

3.總結(jié)

對(duì)于一般好氧發(fā)酵尤其是放線菌、絲狀真菌等呈線狀生長(zhǎng)的菌體來(lái)說(shuō)，在整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中，我們不僅要關(guān)注其生長(zhǎng)過(guò)程中的氧耗、pH等指標(biāo)，還要關(guān)注其菌絲形態(tài)變化，由于剪切力的存在，菌絲可能會(huì)不斷呈現(xiàn)碎片化而導(dǎo)致菌體生長(zhǎng)停滯。但對(duì)于不同菌種、不同發(fā)酵產(chǎn)品來(lái)講，菌絲碎片化不一定就不利于最終產(chǎn)物的合成，由于菌絲碎片化生長(zhǎng)停滯，營(yíng)養(yǎng)的消耗的也逐漸降低，而產(chǎn)生的一些產(chǎn)物合成仍可繼續(xù)工作，從而使發(fā)酵周期延長(zhǎng)，整體產(chǎn)量提高。因此，根據(jù)不同菌種、不同產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，適時(shí)制定各階段的攪拌轉(zhuǎn)速和通氣量是很有必要的。

參考文獻(xiàn)：

【1】石榮華、虞軍，大型發(fā)酵罐設(shè)計(jì)及實(shí)例。醫(yī)藥工程設(shè)計(jì)雜志 2002，23（1）

【2】方明庠、薛才利、何德員，噴環(huán)式好氧發(fā)酵罐在檸檬酸生產(chǎn)中的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，浙江化工 2000

【3】陳志希，攪拌中的碰撞作用及設(shè)計(jì)放大原則，化學(xué)工程 1995年4月25日，第23卷 第2期

【4】羅景云，伍貴富等，血流剪切力在血管新生中的作用，中國(guó)心血管病研究雜志 2006年11月第4卷第11期