淺談噴環式好氧發酵罐中的菌絲損傷機制

潘鑫鑫 張秋生

摘 要：噴環式好氧發酵罐的特點是利用低能實現乳化傳質，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，對菌絲的損傷程度進一步加深。通過比較攪拌和噴射器的剪切作用，可以在整個發酵過程中根據菌種特性和工藝要求向著有利于提產增效降耗的方向改進。

關鍵詞：噴射器；機械攪拌；剪切力；菌絲損傷

通過純種培養的發酵罐一般有自吸式發酵罐、標準式發酵罐、氣升式發酵罐、噴射式葉輪發酵罐、外循環發酵罐和多孔板塔式發酵罐等。【1】噴環式好氧發酵罐的特點是利用低能實現乳化傳質，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，對菌絲的損傷程度進一步加深。通過比較攪拌和噴射器的剪切作用，可以在整個發酵過程中根據菌種特性和工藝要求向著有利于提產增效降耗的方向改進。

1. 剪切作用的產生

發酵罐中，菌絲的生長是處于一個動態的過程，當菌絲進入對數生長期，菌絲量不斷增加，耗氧量也不斷增加，為滿足菌體生長，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越大，罐內發酵液的流動也越發強烈。而從宏觀上看，在垂直于流動方向上存在著速度差，就是剪切作用【3】。發酵液與攪拌槳葉、罐壁、擋板等的撞擊而發生的流向改變以及發酵液各層間流動速度的差異，都會對菌絲形成剪切作用。并且隨著發酵液的混合越來越劇烈，菌絲所受剪切作用也越來越大。

1.1噴射器內的剪切作用

在高壓空氣從噴射器的噴嘴噴出的過程中，造成了空氣對發酵液的沖擊作用，使得發酵液流動的速度產生了差異，這部分剪切作用和攪拌帶來的剪切作用類似。另外由噴射器的結構特點可知，其擴展管是一個狹長的通道，發酵液在擴展管中流動類似于血液在血管中流動。同樣，血液流動于血管中也會有剪切作用，即血流剪切力（FSS），FSS的大小主要根據公式τ=4nV/ID（其中τ：剪切力，n：血液粘度，V：血流速度，ID：血管內徑）【4】。據此，發酵液在噴射器中流動可近似的看做血液在血管中流動，其剪切力的大小與發酵液粘度和流速成正比，和擴展管直徑成反比。

1.2 攪拌槳葉的剪切作用

根據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】可知對于同一發酵罐中罐的菌絲來說，攪拌對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

葉端線速度計算公式為：Vs=nπd（n：轉速；d：直徑），以30T發酵罐為例，其攪拌槳直徑為0.90m，最大轉速為166轉/min，則通過計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套噴射器的同一發酵罐中，以其最大空氣流量1000m3/h計算，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計算可得到每個噴嘴的空氣流速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，當菌體生長進入對數生長期，一方面，隨著攪拌轉速的增加，菌體所受剪切作用越來越大；另一方面，隨著通氣流量的增加，噴嘴口空氣流速進一步加快，推動擴展管內的發酵液流速進一步加快，則發酵液所受的剪切作用也越來越大。

3.總結

對于一般好氧發酵尤其是放線菌、絲狀真菌等呈線狀生長的菌體來說，在整個發酵過程中，我們不僅要關注其生長過程中的氧耗、pH等指標，還要關注其菌絲形態變化，由于剪切力的存在，菌絲可能會不斷呈現碎片化而導致菌體生長停滯。但對于不同菌種、不同發酵產品來講，菌絲碎片化不一定就不利于最終產物的合成，由于菌絲碎片化生長停滯，營養的消耗的也逐漸降低，而產生的一些產物合成仍可繼續工作，從而使發酵周期延長，整體產量提高。因此，根據不同菌種、不同產品來說，適時制定各階段的攪拌轉速和通氣量是很有必要的。

參考文獻：

【1】石榮華、虞軍，大型發酵罐設計及實例。醫藥工程設計雜志 2002，23（1）

【2】方明庠、薛才利、何德員，噴環式好氧發酵罐在檸檬酸生產中的開發應用，浙江化工 2000

【3】陳志希，攪拌中的碰撞作用及設計放大原則，化學工程 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，中國心血管病研究雜志 2006年11月第4卷第11期