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        溶氧控制策略對結(jié)冷膠發(fā)酵過程的影響

        2016-10-27 09:14:10潘小玉沈小慶
        生物技術(shù)世界 2016年3期
        關(guān)鍵詞:控制策略

        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。本文通過對比這兩種控制策略對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、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,后命名為少動鞘脂假單胞菌(Sphingomonas paucimobilis)[2]。結(jié)冷膠于1992年被美國食品與藥物管理局(FDA)批準作為食品粘結(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10000~15000Cp,如此高的黏度,嚴重影響了空氣在發(fā)酵液中的分布和擴散。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[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。本文對比了增加空氣通氣量和提高攪拌轉(zhuǎn)速對單罐結(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)速或通風量。其中,發(fā)酵批次20130459溶解氧的控制工藝為,前15個小時,通風量為1000 m3/h,15小時到20小時之間,通風量為1500 m3/h, 20小時以后通風量為2400 m3/h。發(fā)酵批次20130460,20130461的通風量在20小時之前與發(fā)酵批次20130459的通風量保持一致,而20小時以后通風量分別提高為3000m3/h和3600m3/h。

        另外3個發(fā)酵批次通風量一直保持為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小時攪拌轉(zhuǎn)速為130r/min, 10小時到20小時之間,攪拌轉(zhuǎn)速提高到140 r/min,發(fā)酵批次20130462在20小時以后攪拌轉(zhuǎn)速為160 r/min,發(fā)酵批次20130463和發(fā)酵批次20130464在前20小時攪拌轉(zhuǎn)速和發(fā)酵批次20130462保持一致,20小時以后攪拌轉(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后增加通風比,單罐產(chǎn)膠量見表1:通風比和平均出膠率見圖1關(guān)系:

        表1

        圖1

        表2

        圖2

        Ⅰ. 通氣功率消耗對比

        Ⅱ. 攪拌功率消耗對比

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

        ⑵ 通風量不變,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 用電功率對比

        從上述兩量表可以看出,提高通氣比,需要增開空壓機,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,促進了細胞胞外多糖的合成,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3.74%,而攪拌轉(zhuǎn)速180r/min時,功率增加30KW,出膠率反而增長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)速的提高對產(chǎn)品單罐產(chǎn)量的提高優(yōu)勢更明顯。

        [1]王萍,周常義,蘇文金,蘇國成. 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展 [J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學,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展[J].生物技術(shù)通報.2006(2):25-28.

        [6]黃曉披.趙良啟.細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

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