浅谈喷环式好氧发酵罐中的菌丝损伤机制

潘鑫鑫 张秋生

摘 要：喷环式好氧发酵罐的特点是利用低能实现乳化传质，氧利用率高。【2】但由于气——液喷射器的加入，在气流的冲击作用下，对菌丝的损伤程度进一步加深。通过比较搅拌和喷射器的剪切作用，可以在整个发酵过程中根据菌种特性和工艺要求向着有利于提产增效降耗的方向改进。

关键词：喷射器；机械搅拌；剪切力；菌丝损伤

通过纯种培养的发酵罐一般有自吸式发酵罐、标准式发酵罐、气升式发酵罐、喷射式叶轮发酵罐、外循环发酵罐和多孔板塔式发酵罐等。【1】喷环式好氧发酵罐的特点是利用低能实现乳化传质，氧利用率高。【2】但由于气——液喷射器的加入，在气流的冲击作用下，对菌丝的损伤程度进一步加深。通过比较搅拌和喷射器的剪切作用，可以在整个发酵过程中根据菌种特性和工艺要求向着有利于提产增效降耗的方向改进。

1. 剪切作用的产生

发酵罐中，菌丝的生长是处于一个动态的过程，当菌丝进入对数生长期，菌丝量不断增加，耗氧量也不断增加，为满足菌体生长，需不断提高通气量和搅拌速度，菌丝所受外力的作用也越来越大，罐内发酵液的流动也越发强烈。而从宏观上看，在垂直于流动方向上存在着速度差，就是剪切作用【3】。发酵液与搅拌桨叶、罐壁、挡板等的撞击而发生的流向改变以及发酵液各层间流动速度的差异，都会对菌丝形成剪切作用。并且随着发酵液的混合越来越剧烈，菌丝所受剪切作用也越来越大。

1.1喷射器内的剪切作用

在高压空气从喷射器的喷嘴喷出的过程中，造成了空气对发酵液的冲击作用，使得发酵液流动的速度产生了差异，这部分剪切作用和搅拌带来的剪切作用类似。另外由喷射器的结构特点可知，其扩展管是一个狭长的通道，发酵液在扩展管中流动类似于血液在血管中流动。同样，血液流动于血管中也会有剪切作用，即血流剪切力（FSS），FSS的大小主要根据公式τ=4nV/ID（其中τ：剪切力，n：血液粘度，V：血流速度，ID：血管内径）【4】。据此，发酵液在喷射器中流动可近似的看做血液在血管中流動，其剪切力的大小与发酵液粘度和流速成正比，和扩展管直径成反比。

1.2 搅拌桨叶的剪切作用

根据搅拌器中桨叶的叶端线速度越大，则颗粒的极限粒径越小。【3】可知对于同一发酵罐中罐的菌丝来说，搅拌对其的剪切作用主要受到搅拌桨叶叶端线速度的影响，叶端线速度越高，菌丝受损越厉害，菌丝碎片化越严重。

2.搅拌线速度与喷射速度

2.1搅拌线速度

叶端线速度计算公式为：Vs=nπd（n：转速；d：直径），以30T发酵罐为例，其搅拌桨直径为0.90m，最大转速为166转/min，则通过计算可知其叶端线速度V=7.82m/s。在不考虑搅拌桨叶形式的情况下，剪切作用大小与转速和桨叶直径成正比。

2.2喷射器喷嘴的空气流速

在装有10套喷射器的同一发酵罐中，以其最大空气流量1000m3/h计算，分配到各喷射器的流量为100m3/h，而喷嘴的口径只有1-2cm，以2cm计算可得到每个喷嘴的空气流速V=277.78m/s。而喷射管空气的喷射速度取决于空气流量和喷嘴口径，即与空气流量成正比，和喷嘴口径成反比。

也就是说，当菌体生长进入对数生长期，一方面，随着搅拌转速的增加，菌体所受剪切作用越来越大；另一方面，随着通气流量的增加，喷嘴口空气流速进一步加快，推动扩展管内的发酵液流速进一步加快，则发酵液所受的剪切作用也越来越大。

3.总结

对于一般好氧发酵尤其是放线菌、丝状真菌等呈线状生长的菌体来说，在整个发酵过程中，我们不仅要关注其生长过程中的氧耗、pH等指标，还要关注其菌丝形态变化，由于剪切力的存在，菌丝可能会不断呈现碎片化而导致菌体生长停滞。但对于不同菌种、不同发酵产品来讲，菌丝碎片化不一定就不利于最终产物的合成，由于菌丝碎片化生长停滞，营养的消耗的也逐渐降低，而产生的一些产物合成仍可继续工作，从而使发酵周期延长，整体产量提高。因此，根据不同菌种、不同产品来说，适时制定各阶段的搅拌转速和通气量是很有必要的。

参考文献：

【1】石荣华、虞军，大型发酵罐设计及实例。医药工程设计杂志 2002，23（1）

【2】方明庠、薛才利、何德员，喷环式好氧发酵罐在柠檬酸生产中的开发应用，浙江化工 2000

【3】陈志希，搅拌中的碰撞作用及设计放大原则，化学工程 1995年4月25日，第23卷 第2期

【4】罗景云，伍贵富等，血流剪切力在血管新生中的作用，中国心血管病研究杂志 2006年11月第4卷第11期