溶氧控制策略對(duì)結(jié)冷膠發(fā)酵過程的影響

潘小玉 沈小慶

（無錫新和源生物制造有限公司 江蘇無錫 214142）

溶氧控制策略對(duì)結(jié)冷膠發(fā)酵過程的影響

潘小玉 沈小慶

（無錫新和源生物制造有限公司 江蘇無錫 214142）

結(jié)冷膠作為一種吸水水性極強(qiáng)的膠體，其廣泛應(yīng)用于食品，飲料，醫(yī)藥，化妝品等行業(yè)。發(fā)酵法生產(chǎn)結(jié)冷膠的過程中，由于發(fā)酵液的黏度很高，溶解氧（DO）的控制極為困難。大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)結(jié)冷膠的過程中，通常可以通過增加通氣量或提高攪拌轉(zhuǎn)速這兩種策略來提高發(fā)酵過程中的溶氧水平。本文通過對(duì)比這兩種控制策略對(duì)60噸發(fā)酵罐生產(chǎn)結(jié)冷膠產(chǎn)量、能耗的影響，得出通過提高攪拌轉(zhuǎn)速的溶氧控制策略更加高效和節(jié)能。提高攪拌轉(zhuǎn)速的發(fā)酵批次與增加通氣量的發(fā)酵批次相比，結(jié)冷膠平均產(chǎn)量提高了9%，能耗降低了10%。

結(jié)冷膠 溶氧控制 發(fā)酵

前言

結(jié)冷膠是一種微生物多糖,具有凝膠形成能力強(qiáng)、透明度高、耐酸耐熱性能好等優(yōu)良特性,廣泛應(yīng)用在食品,飲料,醫(yī)藥,化妝品等行業(yè)［1］。1987年,Anson等報(bào)道了利用一種耗氧性革蘭氏陰性菌-伊樂假單胞菌（ATCC 31461）發(fā)酵生產(chǎn)結(jié)冷膠,后命名為少動(dòng)鞘脂假單胞菌（Sphingomonas paucimobilis）［2］。結(jié)冷膠于1992年被美國(guó)食品與藥物管理局（FDA）批準(zhǔn)作為食品粘結(jié)劑和穩(wěn)定劑,從而廣泛應(yīng)用于各種食品中。

2000年底后,上海,浙江等地也先后大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)結(jié)冷膠。但目前的發(fā)酵工藝較落后,產(chǎn)品產(chǎn)量較低和品質(zhì)較差。結(jié)冷膠發(fā)酵液黏度一般可 達(dá)10000～15000Cp,如此高的黏度,嚴(yán)重影響了空氣在發(fā)酵液中的分布和擴(kuò)散。使得在結(jié)冷膠的發(fā)酵過程中,溶解氧的控制變得十分困難［3,4］。為了提高溶解氧的供應(yīng),一般結(jié)冷膠的生產(chǎn)罐體高徑比較大,且攪拌槳葉都需要特殊設(shè)計(jì)［5,6］。

為了提高結(jié)冷膠發(fā)酵過程中溶解氧水平,在生產(chǎn)過程中,可以通過增加空氣通氣量或提高攪拌轉(zhuǎn)速這兩種策略來提高發(fā)酵過程中的溶氧水平。本文對(duì)比了增加空氣通氣量和提高攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)單罐結(jié)冷膠發(fā)酵的產(chǎn)量影響,并核算了這兩種溶氧控制策略的能耗。

1 生產(chǎn)工藝

結(jié)冷膠的發(fā)酵周期一般在50h左右,放罐粘度在10000CP以上,屬于典型的高粘度發(fā)酵。發(fā)酵菌株為少動(dòng)鞘脂假單胞菌（JNU-Gel-130305）,60噸發(fā)酵罐的裝料系數(shù)為0.75 v/v。

發(fā)酵過程中根據(jù)微生物的耗氧需求,階段性的調(diào)整攪拌轉(zhuǎn)速或通風(fēng)量。其中,發(fā)酵批次20130459溶解氧的控制工藝為,前15個(gè)小時(shí),通風(fēng)量為1000 m3/h,15小時(shí)到20小時(shí)之間,通風(fēng)量為1500 m3/h, 20小時(shí)以后通風(fēng)量為2400 m3/h。發(fā)酵批次20130460,20130461的通風(fēng)量在20小時(shí)之前與發(fā)酵批次20130459的通風(fēng)量保持一致,而20小時(shí)以后通風(fēng)量分別提高為3000m3/h和3600m3/h。

另外3個(gè)發(fā)酵批次通風(fēng)量一直保持為1000 m3/h,通過調(diào)節(jié)攪拌轉(zhuǎn)速控制發(fā)酵過程的溶氧水平,前10小時(shí)攪拌轉(zhuǎn)速為130r/min, 10小時(shí)到20小時(shí)之間,攪拌轉(zhuǎn)速提高到140 r/min,發(fā)酵批次20130462在20小時(shí)以后攪拌轉(zhuǎn)速為160 r/min,發(fā)酵批次20130463和發(fā)酵批次20130464在前20小時(shí)攪拌轉(zhuǎn)速和發(fā)酵批次20130462保持一致,20小時(shí)以后攪拌轉(zhuǎn)速分別調(diào)整為170 r/min和180 r/min。

2 結(jié)果與討論

（1）攪拌轉(zhuǎn)速不變,20h后增加通風(fēng)比,單罐產(chǎn)膠量見表1：通風(fēng)比和平均出膠率見圖1關(guān)系：

表1

圖1

表2

圖2

Ⅰ. 通氣功率消耗對(duì)比

Ⅱ. 攪拌功率消耗對(duì)比

從列表2和圖2示可以看出通風(fēng)比提高,出膠率會(huì)有相應(yīng)的提高,是個(gè)非線性的正比例關(guān)系。

⑵ 通風(fēng)量不變,20h后增加攪拌轉(zhuǎn)速,單罐產(chǎn)膠量見下表

攪拌轉(zhuǎn)速和平均出膠率見下圖關(guān)系：

從列表和圖示可以看出,攪拌轉(zhuǎn)速提高后,出膠率提高明顯。

⑶ 用電功率對(duì)比

從上述兩量表可以看出,提高通氣比,需要增開空壓機(jī),功率提高增加明顯。隨著通氣量的增大,高粘度的培養(yǎng)基中氧的含量提高,促進(jìn)了細(xì)胞胞外多糖的合成,直觀的表現(xiàn)為,出膠率相應(yīng)提高。但攪拌轉(zhuǎn)速的提高,增加的功率比增開空壓機(jī)功率小很多,但出膠率提高明顯。從上述列表中一組數(shù)據(jù)就可以直接的發(fā)現(xiàn)：通氣比到1：1. 5,功率增加75KW,出膠率僅增長(zhǎng)3.74%,而攪拌轉(zhuǎn)速180r/min時(shí),功率增加30KW,出膠率反而增長(zhǎng)12.77%。

結(jié)冷膠的發(fā)酵生產(chǎn),考慮產(chǎn)品的產(chǎn)量提高,通過增加通氣比和提高攪拌轉(zhuǎn)速都可以提高溶氧,增加相同的功率來提高攪拌轉(zhuǎn)速或增加通氣量,攪拌轉(zhuǎn)速的提高對(duì)產(chǎn)品單罐產(chǎn)量的提高優(yōu)勢(shì)更明顯。

［1］王萍，周常義，蘇文金，蘇國(guó)成. 新型微生物胞外多糖結(jié)冷膠及結(jié)冷膠類多糖的研究進(jìn)展 ［J］. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40（6）：3575-3577.

［2］Anson A， Fisher PJ， Knnedu AFD. et a1.A bacterium yielding a polysaccharide with unusual properties［J］.Journal of Applied Bacteriology.1987.62：147-150.

［3］Schügerl K. Oxygen transfer into highly viscous media ［M］. Reactors and Reactions. Springer Berlin Heidelberg，1981：71-174.

［4］Kawase Y， Tsujimura M. Enhancement of oxygen transfer in highly viscous non-newtonian fermentation broths ［J］.Biotechnology & Bioengineering， 1994， 44（9）：1115-1121.

［5］崔艷紅，黃現(xiàn)青.微生物胞外多糖研究進(jìn)展［J］.生物技術(shù)通報(bào).2006（2）：25-28.

［6］黃曉披.趙良啟.細(xì)菌胞外多糖的研究和應(yīng)用［J］.山西化工，2006，26（1）：10-13.

TS201

A

1674-2060（2016）03-0323-01