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黄单胞菌发酵生产黄原胶的研究（三）
发布时间：2025-03-19三、新型搅拌器的优选
3.1 引言
黄原胶水溶液是典型的非牛顿流体，在含量较低时就具有很高的粘度。黄原胶的这种特性 给发酵过程中的气液混合、氧的传递带来了很大的困难。国内外研究学者认为氧的传递是影响 黄原胶发酵过程的黄原胶产率、丙酮酸含量、分子量分布等主要参数的限制性因素[19～20]。 A.Amanullah 等研究了几种型式的搅拌器在黄原胶发酵液中的混合性能，他认为桨型的选取在获 得全罐混合和气体的微观分散方面具有举足轻重的作用[21]。
对于黄原胶体系的混合问题，国内外开发了一系列的新型反应器，其中包括：带有外循环 的新型气升式反应器[12]，通过在外循环中增设静态混合器来提高气液混合效果的新型反应器[22]， 通过在气升式反应器的导流筒中增加混合元件来提高气液混合的新型反应器[23]等。然而，机械 搅拌式生物反应器在高粘度非牛顿剪切稀化发酵液中所表现出的一些独特优点, 使得该种类型 的装置在黄原胶生产中仍具有很大的开发空间，而搅拌桨作为机械搅拌式反应器中最重要的部 件之一，对气液混合的效果起了决定性的作用，因此选择合适的搅拌桨形式是本研究的关键所在。本文在0.8%黄原胶水溶液的冷模状态下研究了直叶圆盘涡轮、斜叶圆盘涡轮、凹叶圆盘涡 轮、双折叶圆盘涡轮（上下压式）、六叶布鲁马金不同桨型的双层桨组合对氧传质系数KLa、功 耗P、气含率ε的影响，研究结果表明当上层桨为下压式双折叶圆盘涡轮，下层桨为六叶布鲁金 时功率消耗较小，而气含率和容积氧传质系数KLa值较高。
3.2 实验装置与分析测试方法
3.2.1 实验物系及性能测定
实验中气相介质为空气；液相介质为黄原胶的水溶液，浓度为0.8%(质量浓度)。用成都仪 器厂生产的NXS－11型旋转粘度计，测定物系在室温下的流变特性。
3.2.2 实验装置
本实验是在椭圆底圆筒型立式釜内进行的，釜径D＝378mm，高H= 800mm，液面高度为 740mm。 搅拌轴带有扭矩传感器，扭矩传感器与计算机连接，测控软件实时测量搅拌轴的转速、 扭矩及功率。搅拌转速为2.5～8.33r/s，气体流量为0～3m3/h。实验装置示意如图3.1所示。
3.2.3 搅拌釜内部构件
3.2.3.1 气体分布器
本实验采用的气体分布器为分布环，直径为165mm ,环下部均匀分布了20个直径为2mm 的小孔。分布环离底部的安装高度为60mm。
3.2.3.2 挡板
在浓度为0.8%的黄原胶水溶液中，搅拌器处于过渡流工作状态，甚至接近于层流域，因此 可以考虑采用无挡板操作。
3.2.3.3 搅拌器型式
根据搅拌器特性和基本的流场分析，设计制作了多种搅拌器。根据黄原胶发酵过程中，黄 源胶发酵液的特点，结合各搅拌器的气液分散能力，本文选用的搅拌桨型式如表3.1所示。
从黄原胶发酵液的实际情况出发，以强化混合效果、提高流动循环量为目的，桨型组合的 原则采取底层用径流式搅拌器，上层用混合流式(主要为轴向流，有部分径向流)搅拌器，因此 在选取双层组合桨时底层桨采用DT、6BM、CBDT，上层桨采用PDTD(U)、P2DTD(U)。这七 种桨中，除六叶布鲁马金外，其余六种桨均为圆盘涡轮桨，之所以采用圆盘涡轮，是由于黄原 胶体系具有剪切稀化的特性，在搅拌过程中很难完全消除分区现象，不同区中的气体流通阻力 不同，因此应该采用叶轮上的圆盘“兜住”可能沿搅拌轴短路“漏掉”的气体，使气体沿径向 分散，以更好地实现全釜的气液混合。
3.2.4 实验测量方法
3.2.4.1 功率的测量
采用 JCZ1 型智能扭矩传感器。此传感器配有相应的计算机软件，搅拌轴 转速N、扭矩及功率P可由计算机直接读出。搅拌转速通过控制箱上的变频调速器调节。
3.2.4.2 气含率的测量
气体流量 Q(L/h)用转子流量计测量和调节。根据釜内液位的升高值来计算气含率
ε H − = H H 0 0 × 100 %
式中H0和H分别为釜内（固液）静液高度和通气分散后釜内物料高度。
3.2.4.3 容积氧传质系数 KL a的测量
KL a的测定一般基于方程：
dc/dt=KL a(C*-C)-ε ①
式中：KL a为体积溶氧系数(h-1)，C*为溶液的饱和溶氧值(mol/L)，C为溶液中的溶解氧浓度(mol/L), ε为耗氧率(mol·L-1·h-1)。
在金属钴离子存在时，亚硫酸钠能被迅速氧化为硫酸钠。当采用蠕动泵以一定速度向反应 器中加入一定浓度的亚硫酸钠溶液时，此时的耗氧率为：
ε=QM/2V ②
式中，Q为亚硫酸钠溶液的流加速度，M为亚硫酸钠溶液的浓度，V是反应器的体积。随着亚硫 酸钠溶液的加入，溶氧值不断降低，最终达到稳态，此时 dc/dt=0。反应器中的(C/C*)采用 HAMILTON公司生产的Oxyferm 325型溶氧电极进行测量，饱和溶解氧(C*)采用手持式溶氧电 极进行测量。此时，可按式③计算出KL a的值。
KL a=QM/[2VC*(1-C/C*)]③
3.3 实验结果与讨论
黄原胶发酵过程中,由于胞外多糖的积累,发酵液的粘度增加,特别是发酵中后期，体系中氧 的传递非常困难,发酵液中氧的浓度较低，溶氧浓度成了菌体生长与产物合成的限制性因素,氧 传递速率成为控制整个发酵过程的关键步骤。容积氧传质系数KL a作为反应体系氧传递速率的特 征参数常直接用来表述气液混合的效果。本文在黄原胶的中粘体系下，以容积氧传质系数KL a为 主要参数，兼顾功耗与气含率，对不同的桨型组合进行了筛选。各组桨型组合中底层搅拌器主 要是径流式的，以保证较好的气体分散，上层则采用上推式或下压式的圆盘涡轮搅拌器，以促 进全釜的混合。
3.3.1 不同桨型组合对气含率的影响
气含率(Ф)是表征搅拌槽内气液分散特性的重要参数，它反映的是搅拌体系持气量的大小。 一般认为：在粘性介质溶液中，粘度的升高影响了气体的分散，非牛顿性的加强影响了气体分 散的均匀性，而气体分散的程度和整体均匀性正是决定气含率大小的关键因素。在黄原胶发酵 液这种高粘、非牛顿体系中，由于物质粘度和分子结构的影响，使得气体的分散变得相对困难， 单纯依靠通气并不能带来Ф的明显升高，这时需要在气体分散上进行进一步的考虑。
由图3.2可以看出，在相同单位体积功耗下，底层桨不论采用何种型式的径流式搅拌器，上 层采用下压式所得到的Ф值都要高于采用上推式的，与其它组合相比下压式双折叶圆盘涡轮-六 叶布鲁马金组合桨的气含率值较高，下压式桨的排出流与气泡的气升方向相反，延长了气体在釜内的停留时间，有利于气含率的提高。
3.3.2 不同桨型组合对容积氧传质系数KL a的影响
图3.3 为不同通气量条件下各桨型组合的容积氧传质系数与单位体积功耗的关系，由图可以 看出，在相同单位体积功耗下，下压式双折叶圆盘涡轮-六叶布鲁马金组合桨的容积氧传质系数 明显高于其它桨型组合，而且在单位体积功率增大的情况下容积氧传质系数有增高的趋势。这 可能是由于布鲁马金桨的叶片结构比凹叶叶片边缘形状变化更大，能够形成更大的剪切效果和 湍动，所得气泡较小，即使在气含率较低的情况下，气液接触面积也会较大，加强了气液混合， 使得此种桨型组合的功率消耗更有效的用于物料中气体和液体混合，促进了传质过程的进行。
上层采用下压式双折叶圆盘涡轮、下层采用六叶布鲁马金，两种桨都能在产生径向流的同 时又能产生轴向流，尤其是布鲁马金属于剪切循环兼顾型叶轮，适用于既需要一定剪切、又需 要高循环的场合，而下压式双折叶圆盘涡轮由于其叶片形状的原因同时具有良好的径向气体分 散能力和轴向流体的循环能力，双层桨的合理配合使得这一组合达到了气体分散的相对理想程度。
3.3.3 不同桨型组合对功耗的影响
本着以容积氧传质系数为主要参数，兼顾功耗与气含率的原则，本文还考察了不同通气数 条件下桨型组合对功耗的影响。其中通气数Na是气穴理论中用来表征气体分散状况的参数，Na值越小气体分散效果越好。Na=Q/Nd3。Q为通气量，N为转速，d为组合搅拌器的平均直径。
由图3.4可以看出，在相同通气数条件下，容积氧传质系数最高的下压式双折叶圆盘涡轮— 六叶布鲁马金桨的功率消耗虽不是最低的，但也是比较低的。很显然，要获得好的混合效果， 必须提供足够的单位体积功率，较好的桨型组合应该具有高的传质系数，功耗也较低，上述组 合符合这一想法。在研究组合桨的气液混合性能时，单位体积功耗(Pv)低的组合桨更易于通过 提高转速来增大容积氧传质系数KL a。由图3.3可以看出，在相同的操作条件下，下压式双折叶 圆盘涡轮-六叶布鲁马金的Pv要明显低于其它的组合，但这种组合桨的KL a却要高于其它组合。 下压式双折叶圆盘涡轮-六叶布鲁马金组合的这种低功耗、高容积传氧系数的特性使之具有很大 的操作空间，这对工业过程的控制是非常有利的。
3.4 小结
在传统工业中，常采用双层六直叶圆盘的组合桨来进行气液混合，在这种组合桨中全罐被 分成相对独立的四个区域，造成了整体对流的明显降低。虽然在近桨区域气液还能获得充分的混合，但由于整体对流的削弱，使得分区重叠部分出现贫氧区，不利于整体混合。
在本实验优化组合桨中，下层采用六叶布鲁马金能对气体进行充分的分散，上层采用下压 式双折叶圆盘涡轮能对气体进行进一步的分散、并把流体下推。这种组合桨在釜底形成一个小 的循环区域，而底层搅拌器的上部则由于下压式双折叶圆盘涡轮搅拌器的下压作用形成了一个 整体的大循环。这种组合能促进反应器内部的整体对流，提高全罐的溶氧水平，理论上有利于解决黄原胶发酵后期粘度过高所引起的传质混合困难等问题，为进一步验证这一结论，我们将 此桨型组合应用于机械搅拌式生物反应器黄原胶的发酵，针对发酵过程中黄原胶的浓度、粘度、 淀粉含量等参数的变化与传统的六直叶圆盘涡轮进行了对比研究。
图文来源 | XG-101黄单胞杆菌发酵生产黄原胶的研究
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