溶氧控制策略對結冷膠發酵過程的影響

潘小玉 沈小慶

（無錫新和源生物制造有限公司 江蘇無錫 214142）

溶氧控制策略對結冷膠發酵過程的影響

潘小玉 沈小慶

（無錫新和源生物制造有限公司 江蘇無錫 214142）

結冷膠作為一種吸水水性極強的膠體，其廣泛應用于食品，飲料，醫藥，化妝品等行業。發酵法生產結冷膠的過程中，由于發酵液的黏度很高，溶解氧（DO）的控制極為困難。大規模工業化生產結冷膠的過程中，通?？梢酝ㄟ^增加通氣量或提高攪拌轉速這兩種策略來提高發酵過程中的溶氧水平。本文通過對比這兩種控制策略對60噸發酵罐生產結冷膠產量、能耗的影響，得出通過提高攪拌轉速的溶氧控制策略更加高效和節能。提高攪拌轉速的發酵批次與增加通氣量的發酵批次相比，結冷膠平均產量提高了9%，能耗降低了10%。

結冷膠 溶氧控制 發酵

前言

結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良特性,廣泛應用在食品,飲料,醫藥,化妝品等行業［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）發酵生產結冷膠,后命名為少動鞘脂假單胞菌（Sphingomonas paucimobilis）［2］。結冷膠于1992年被美國食品與藥物管理局（FDA）批準作為食品粘結劑和穩定劑,從而廣泛應用于各種食品中。

2000年底后,上海,浙江等地也先后大規模工業化生產結冷膠。但目前的發酵工藝較落后,產品產量較低和品質較差。結冷膠發酵液黏度一般可 達10000～15000Cp,如此高的黏度,嚴重影響了空氣在發酵液中的分布和擴散。使得在結冷膠的發酵過程中,溶解氧的控制變得十分困難［3,4］。為了提高溶解氧的供應,一般結冷膠的生產罐體高徑比較大,且攪拌槳葉都需要特殊設計［5,6］。

為了提高結冷膠發酵過程中溶解氧水平,在生產過程中,可以通過增加空氣通氣量或提高攪拌轉速這兩種策略來提高發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速對單罐結冷膠發酵的產量影響,并核算了這兩種溶氧控制策略的能耗。

1 生產工藝

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

發酵過程中根據微生物的耗氧需求,階段性的調整攪拌轉速或通風量。其中,發酵批次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。發酵批次20130460,20130461的通風量在20小時之前與發酵批次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個發酵批次通風量一直保持為1000 m3/h,通過調節攪拌轉速控制發酵過程的溶氧水平,前10小時攪拌轉速為130r/min, 10小時到20小時之間,攪拌轉速提高到140 r/min,發酵批次20130462在20小時以后攪拌轉速為160 r/min,發酵批次20130463和發酵批次20130464在前20小時攪拌轉速和發酵批次20130462保持一致,20小時以后攪拌轉速分別調整為170 r/min和180 r/min。

2 結果與討論

（1）攪拌轉速不變,20h后增加通風比,單罐產膠量見表1：通風比和平均出膠率見圖1關系：

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,出膠率會有相應的提高,是個非線性的正比例關系。

⑵ 通風量不變,20h后增加攪拌轉速,單罐產膠量見下表

攪拌轉速和平均出膠率見下圖關系：

從列表和圖示可以看出,攪拌轉速提高后,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,直觀的表現為,出膠率相應提高。但攪拌轉速的提高,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據就可以直接的發現：通氣比到1：1. 5,功率增加75KW,出膠率僅增長3.74%,而攪拌轉速180r/min時,功率增加30KW,出膠率反而增長12.77%。

結冷膠的發酵生產,考慮產品的產量提高,通過增加通氣比和提高攪拌轉速都可以提高溶氧,增加相同的功率來提高攪拌轉速或增加通氣量,攪拌轉速的提高對產品單罐產量的提高優勢更明顯。

［1］王萍，周常義，蘇文金，蘇國成. 新型微生物胞外多糖結冷膠及結冷膠類多糖的研究進展 ［J］. 安徽農業科學，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，黃現青.微生物胞外多糖研究進展［J］.生物技術通報.2006（2）：25-28.

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

TS201

A

1674-2060（2016）03-0323-01