溶氧控制策略对结冷胶发酵过程的影响

潘小玉 沈小庆

（无锡新和源生物制造有限公司 江苏无锡 214142）

溶氧控制策略对结冷胶发酵过程的影响

潘小玉 沈小庆

（无锡新和源生物制造有限公司 江苏无锡 214142）

结冷胶作为一种吸水水性极强的胶体，其广泛应用于食品，饮料，医药，化妆品等行业。发酵法生产结冷胶的过程中，由于发酵液的黏度很高，溶解氧（DO）的控制极为困难。大规模工业化生产结冷胶的过程中，通常可以通过增加通气量或提高搅拌转速这两种策略来提高发酵过程中的溶氧水平。本文通过对比这两种控制策略对60吨发酵罐生产结冷胶产量、能耗的影响，得出通过提高搅拌转速的溶氧控制策略更加高效和节能。提高搅拌转速的发酵批次与增加通气量的发酵批次相比，结冷胶平均产量提高了9%，能耗降低了10%。

结冷胶 溶氧控制 发酵

前言

结冷胶是一种微生物多糖,具有凝胶形成能力强、透明度高、耐酸耐热性能好等优良特性,广泛应用在食品,饮料,医药,化妆品等行业［1］。1987年,Anson等报道了利用一种耗氧性革兰氏阴性菌-伊乐假单胞菌（ATCC 31461）发酵生产结冷胶,后命名为少动鞘脂假单胞菌（Sphingomonas paucimobilis）［2］。结冷胶于1992年被美国食品与药物管理局（FDA）批准作为食品粘结剂和稳定剂,从而广泛应用于各种食品中。

2000年底后,上海,浙江等地也先后大规模工业化生产结冷胶。但目前的发酵工艺较落后,产品产量较低和品质较差。结冷胶发酵液黏度一般可 达10000～15000Cp,如此高的黏度,严重影响了空气在发酵液中的分布和扩散。使得在结冷胶的发酵过程中,溶解氧的控制变得十分困难［3,4］。为了提高溶解氧的供应,一般结冷胶的生产罐体高径比较大,且搅拌桨叶都需要特殊设计［5,6］。

为了提高结冷胶发酵过程中溶解氧水平,在生产过程中,可以通过增加空气通气量或提高搅拌转速这两种策略来提高发酵过程中的溶氧水平。本文对比了增加空气通气量和提高搅拌转速对单罐结冷胶发酵的产量影响,并核算了这两种溶氧控制策略的能耗。

1 生产工艺

结冷胶的发酵周期一般在50h左右,放罐粘度在10000CP以上,属于典型的高粘度发酵。发酵菌株为少动鞘脂假单胞菌（JNU-Gel-130305）,60吨发酵罐的装料系数为0.75 v/v。

发酵过程中根据微生物的耗氧需求,阶段性的调整搅拌转速或通风量。其中,发酵批次20130459溶解氧的控制工艺为,前15个小时,通风量为1000 m3/h,15小时到20小时之间,通风量为1500 m3/h, 20小时以后通风量为2400 m3/h。发酵批次20130460,20130461的通风量在20小时之前与发酵批次20130459的通风量保持一致,而20小时以后通风量分别提高为3000m3/h和3600m3/h。

另外3个发酵批次通风量一直保持为1000 m3/h,通过调节搅拌转速控制发酵过程的溶氧水平,前10小时搅拌转速为130r/min, 10小时到20小时之间,搅拌转速提高到140 r/min,发酵批次20130462在20小时以后搅拌转速为160 r/min,发酵批次20130463和发酵批次20130464在前20小时搅拌转速和发酵批次20130462保持一致,20小时以后搅拌转速分别调整为170 r/min和180 r/min。

2 结果与讨论

（1）搅拌转速不变,20h后增加通风比,单罐产胶量见表1：通风比和平均出胶率见图1关系：

表1

图1

表2

图2

Ⅰ. 通气功率消耗对比

Ⅱ. 搅拌功率消耗对比

从列表2和图2示可以看出通风比提高,出胶率会有相应的提高,是个非线性的正比例关系。

⑵ 通风量不变,20h后增加搅拌转速,单罐产胶量见下表

搅拌转速和平均出胶率见下图关系：

从列表和图示可以看出,搅拌转速提高后,出胶率提高明显。

⑶ 用电功率对比

从上述两量表可以看出,提高通气比,需要增开空压机,功率提高增加明显。随着通气量的增大,高粘度的培养基中氧的含量提高,促进了细胞胞外多糖的合成,直观的表现为,出胶率相应提高。但搅拌转速的提高,增加的功率比增开空压机功率小很多,但出胶率提高明显。从上述列表中一组数据就可以直接的发现：通气比到1：1. 5,功率增加75KW,出胶率仅增长3.74%,而搅拌转速180r/min时,功率增加30KW,出胶率反而增长12.77%。

结冷胶的发酵生产,考虑产品的产量提高,通过增加通气比和提高搅拌转速都可以提高溶氧,增加相同的功率来提高搅拌转速或增加通气量,搅拌转速的提高对产品单罐产量的提高优势更明显。

［1］王萍，周常义，苏文金，苏国成. 新型微生物胞外多糖结冷胶及结冷胶类多糖的研究进展 ［J］. 安徽农业科学，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］崔艳红，黄现青.微生物胞外多糖研究进展［J］.生物技术通报.2006（2）：25-28.

［6］黄晓披.赵良启.细菌胞外多糖的研究和应用［J］.山西化工，2006，26（1）：10-13.

TS201

A

1674-2060（2016）03-0323-01