CN1386861A - 黄原胶发酵新工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种黄原胶发酵新工艺,根据工程微生物黄单胞杆菌在发酵过程中不同阶段对溶氧、传质的需要,改变机械搅拌的转速,使其产生的湍流强度和循环量与之相适应,配以适当的通风比,提供微生物最佳的溶解氧浓度,避免发酵前期搅拌功率过大造成的浪费以及发酵后期搅拌功率不足产生的氧限制效应,提高黄原胶产品的转化率和质量,缩短发酵时间,并节约电能35%以上。

Description

黄原胶发酵新工艺

1、技术领域

本发明涉及一种黄原胶发酵工艺。

2、背景技术

黄原胶(Xanthan gum)是黄单胞杆菌(Xanthomonas campestris)发酵产生的细胞外酸性杂多糖，也称黄单胞多糖。早在1958年，美国Lilly等人已分离得到一株菜豆黄单胞杆菌，可使淀粉转化为水溶性的粘性多糖。美国农业部北方地区Peoria实验室于60年代初首先用微生物发酵法获得了黄原胶。1961年，美国Kelco公司采用野油菜黄单胞菌NRRLB-1459开始了黄原胶半工业化生产，主要用于油井的钻井泥浆和采油技术，1963年正式工业化生产，1969年，美国FDA批准黄原胶可用作食品添加剂。其后欧洲各国相继批准黄原胶在食品工业中应用，1975年，黄原胶载入美国药典，并公布了质量标准。1983年，联合国世界卫生组织(WHO)和粮农组织(FAO)也批准黄原胶作为食品工业用稳定剂、乳化剂、增稠剂。由于黄原胶属于生物高新技术领域，目前主要有美国、英国、法国、瑞士等少数几个国家生产。

我国黄原胶的研究和生产起步较晚，70年代后期才开始研究。中科院微生物研究所、山东食品发酵研究所、山东大学、南开大学均于80年代中期分别通过中试鉴定。1985年由张孝宽设计的烟台微生物多糖厂率先在我国实现了黄原胶的工业化生产，生产的工业级黄原胶产品的质量与美国同类产品XC-Polymer相当。其主要技术指标—流变性甚至优于美国产品。1986年通过省级鉴定，1988年获国家科技进步奖。之后，我国又有多家企业投资黄原胶项目，由于黄原胶技术密集程度高，工程化难度大，大多没有成功，尤其是发酵生产技术的研究和最终产品的分离提取技术制约了我国黄原胶工业的发展。2000年10月，由张孝宽设计的黄河龙集团生物二程有限公司建成投产，黄原胶发酵和提取生产线全部实现微机自动控制，通过生产实践检验，黄原胶产品质量及生产成本达到国际先进水平，标志着我国第二代黄原胶生产技术已经成熟。

黄原胶的发酵生产按照操作方式可分为间歇式、流加式、半连续式或连续式。

间歇式生产是将菌种和培养基一次加入发酵罐内进行培养，发酵终了取出整个反应物的生产方法。流加式是指先将一定量的培养液装入发酵罐，随着微生物细胞对营养物质的不断消耗，将新的营养成分不断补充到发酵罐中，到反应终止后，取出整个反应物。半连续式是指在间歇式的基础上，不全部取出反应产物，剩余部分重新补充新的营养成分，再按间歇式操作的方式进行。连续式是指将微生物菌种和培养基连续不断地加入到发酵罐内进行培养，并连续不断地取出发酵产物，保持反应条件处于一种恒定状态。

流加式与半连续式无明显优点可取，并会带来操作复杂、染菌机会增多、菌种老化等关键性问题。

连续式具有设备利用率高节约消毒蒸汽的优点。但由于长时间的连续培养难以避免杂菌污染，菌种自身变异的可能性较大。故在大规模工业生产中应用还存在许多困难。

间歇式发酵生产工艺成熟可靠，简单方便，是目前黄原胶工业生产中普遍采用的方法。

另一方面，发酵罐是发酵工业最主要的生产设备，其选型与设计的合理与否，是发酵工程成败的关键。因此，选型与设计必须满足特定的微生物培养、代射的需要，与最终产物的性能相适应。目前黄原胶发酵罐一般采用机械搅拌式和气升式两种型式，在气升式发酵罐中，培养基与空气的混和是靠压缩空气的动量来实现的，由于空气的单位质量很小，其动量受到限制，剪切、循环能力较差，尤其在黄原胶发酵的中后期培养基黏度较大时更不适应。

机械搅拌发酵罐是发酵工业的常用的罐型之一，在机械搅拌发酵罐中发酵培养基与空气及微生物之间气、液、固三相流体的动量、质量、热量传递，是通过搅拌器的运动来实现的。在搅拌涡轮的附近，由于剪应力使通入发酵罐的空气分散成气泡，并随着液体的循环流动充分混合，以保证供给微生物生长、繁殖、代射所需要的氧气，并在这种混合中不断更新气液界面，保证营养的不断供应。气泡的大小决定了气液的接触面积，剪切强度和循环量决定了气泡分散程度与流体混合的均匀状态，混合过程都应确定搅拌液体达到均匀状态的标准。从流动看，首先应避免死区。使罐内液体都能产生对流运动进行循环。并且循环量要足够大。但实践及研究证明，流体混合还取决于液体湍流扩散的程度，所以要求搅拌器造成的液体湍流强度或剪切速度要大，但要求一种搅拌器既具有很高的循环流量，又要有很高的湍流强度是比较困难的。因此，根据不同的物料和产品，合理选择搅拌器的型式和适当的转速及功率，是机械搅拌设计的主要内容和关键。

黄原胶的生产属高科技范畴，相比其它发酵工程的最大区别是最终产物的粘度极高，并且在发酵过程中，物料的流变性发生了很大的变化。在发酵的初始阶段，发酵培养基属牛顿型流体，在一定的温度下，发酵培养基的粘度μ是不变的，无论搅拌强度如何变化，其剪切应力τ与速度梯度dv/dr成正比。而粘度μ为其比例系数，即τ＝μdv/dr。这与其它大多数发酵培养基的流体性能是没有区别的。一般说来，此类培养液粘度低，流动性好，进行深层培养时，动量、质量、热量的传递较为容易。但当培养过程进入中后期，随着培养基营养物质的消耗，黄原胶的生产菌—黄单胞杆菌的浓度以时间的对数关系迅速增加，并向细胞壁表面分泌一层粘度极高的透明胶质状荚膜，荚膜虽不是细胞的重要结构，但它是细胞外碳源和能源性储藏物质，并能保护细胞免受外界环境的影响。黄单胞杆菌的荚膜是由五糖(2分子D-葡萄糖、2分子D-甘露糖、1分子D-葡萄糖醛酸)重复单元组成的酸性杂多糖。这种胞外多糖，就是我们所需要的产品—黄原胶。随着黄原胶在黄单胞杆菌细胞外不断的积累，发酵培养基逐渐由牛顿型流体转变为拟塑性流体，并表现出极高的粘度。这种拟塑性流体是非牛顿流的一种。其流体的粘度不仅是温度的函数，而且在算术坐标系上，拟塑性流体的剪应力和速度梯度的曲线是下弯的曲线形状。在对数坐标系上，它常常在很大的剪应力范围内呈一直线关系，也就是说，拟塑性流体的粘度值，随搅拌程度的强化而减少。而静止寸粘度最大。这种变化的粘度值，通常称为拟塑性流体的表观粘度。我们通常使用的发酵罐，其涡轮的直径d与发酵罐直径的比值一般大于1/3。若用于假塑性流体培养基的发酵，在叶轮附近受到剪应力最大处其粘度最小，而在叶轮波及不到的区域，速度梯度随着离开搅拌涡轮的距离以指数函数迅速降低，离搅拌涡轮逾远，剪应力的循环量将显著下降。这时培养基的流动由湍流状态转变为层流状态。尤其困难的是，这种层流状态也只能出现在涡轮附近，远处的高粘物料将产生死区，因此由搅拌涡轮产生的流体循环量及剪切效果将显著下降，严重影响液体培养基的动量、质量、热量的传递效果，致使黄单胞杆菌出现“氧限制”效应，而降低黄原胶的合成速度和产品的质量。为解决这个问题，目前普遍采用加大黄原胶发酵罐的搅拌叶轮、提高叶轮转速并增加通风量的方法，明显改善了发酵罐内的流体运动状态，取得了一定的效果。但由于发酵罐搅拌叶轮的转速是恒定的，在发酵前期，发酵罐内的微生物量少，耗氧量少，培养基的黏度也低，较大的搅拌叶轮和较高的搅拌速度，必然消耗更多的能量，造成能源浪费。过高的剪切强度对发酵初期微生物的生长繁殖也是不利的。为不使发酵前期发酵功率的浪费和对生物培养的不良影响，搅拌强度受到一定的限制，出现发酵前期搅拌过强，发酵后期搅拌不足的现象。

3、发明内容

根据工程微生物黄单胞杆菌在发酵过程中不同阶段对溶氧、传质的需要，改变机械搅拌的转速，使其产生的湍流强度和循环量与之相适应。避免了发酵前期的功率过大造成的能源浪费和发酵后期功率不足造成的氧限制效应，可以明显提高黄原胶产品的质量和转化率，缩短发酵时间，节约电能。

要进一步提高发酵水平，一个科学的办法是从微生物生长和产物生成动力学原理出发，区分不同的发酵阶段，寻找菌体生长、基质消耗、产物生成三者相关连的一系列最佳发酵参数(临界值)，该临界值是采用先进的检测和自动控制手段，使发酵条件控制最优化。发酵条件一般包括营养物种类、浓度、比例，种子质量、数量以及发酵温度、PH值、泡沫、溶解氧浓度、渗透压等。在黄原胶发酵生产中，“氧限制”问题最为突出。氧是需氧微生物(包括兼性厌氧微生物)生长所必须的一种难溶于水的营养物，培养液中微生物生长与氧的关系可通过溶解氧浓度和细胞呼吸强度来描述。在发酵过程的不同阶段或同一阶段的不同时期，微生物对溶解氧的需求均不同。在生长为主阶段，溶解氧浓度若在临界值以下，溶解氧浓度提高，生长随之加速，最后达到最大比生长速率，此时的溶解氧浓度就是生长为主阶段的最佳溶解氧浓度(临界值)。影响生长临界氧浓度的因素有微生物的呼吸强度和微生物的数量两个方面。其中微生物的呼吸强度与菌种特性、菌龄、营养物、温度、代谢产物等有关。呼吸强度越高，成熟细胞的量数越多，其临界氧浓度就越高。同样，在产物生成的主阶段，溶解氧消耗速率与产物生成速率有着平行关系，溶解氧浓度升高或下降，产物生成量也升高或下降。与产物转化率最大值相对应的溶解氧浓度，便是这阶段的最佳溶解氧浓度。只有将发酵液中溶解氧浓度始终维持在各时期的最佳浓度或临界浓度以上，才能使生长或产物生成速率最大，氧不至于成为限制因素。

微生物的细胞膜是一种具有生理特性的半渗透膜，能逆浓度梯度吸收许多营养物质。然而，氧以及水、二氧化碳等进出细胞内外却是简单的渗透作用，氧分子在细胞内外传递的推动力是培养液中的溶解氧与细胞中氧含量之间的浓度差，因此有效地提高培养基中溶解氧的浓度十分重要。在机械搅拌发酵罐中，溶解氧浓度与设备结构、培养基性质以及通气量、功率消耗等操作条件有关。在实际生产中，机械搅拌的转速及其他条件是固定的，普遍采用改变通气量的方法来进行调节溶解氧的浓度，虽然该方法是发酵控制的一个非常方便的必须手段，但配合改变搅拌转速来调节溶解氧浓度的效果将会更好，尤其对黄原胶为代表的拟塑性高粘物料更为必要。与提高通气量相比，增加搅拌转速虽能更好地提高溶解氧浓度，但转速超过一定值，搅拌效率不再提高，反而会增加搅拌功率的消耗。该发明的具体做法是根据黄原胶发酵在不同时期的特点，利用电气或机械调速等方法，适当调整发酵罐搅拌叶轮的转速，并配以适当的通风量，始终使培养基中的溶解氧浓度控制在各时期的临界浓度左右。既保证黄单胞杆菌的生长代谢的需要，又能节约大量的电能。

黄原胶发酵的初期(生长阶段)，耗氧量取决于微生物数量和菌体呼吸强度。在适应期，菌数少，耗氧量也少，可采用较低的机械搅拌转速和较小的通气量，给黄单胞杆菌以平和的环境。在对数生长期，细胞数以时间的对数函数迅速增加，呼吸强度也迅速增加。此时机械搅拌转速和通风量应随之提高，以提供最佳的溶解氧浓度，获得最大的比生长速率。在产物生成阶段，黄单胞杆菌的浓度达到最大值，活菌数量趋于平衡，比生长速率几乎等于零，呼吸强度基本保持最大。这时要使营养物转化率最大或比产物生成速率最大，还应保证最大的比产物生成速率需要的相应最大溶解氧浓度。此时，一方面较高的生物量和较高的产物生成速率都需要较高的溶解氧浓度，另一方面，大量生成的产物黄原胶，使培养基黏度不断升高，并由牛顿型流体转变为拟塑性流体，气液界面阻力、液膜阻力增加，造成溶氧条件恶化。这时若一味地增加通气量，溶氧效率不再增加，而适当地增加机械搅拌转速，可增加流体湍流强度，增加气液接触面积，降低气泡周围液膜阻力，使体积溶氧系数K_La值明显提高，比单纯地提高通气量更有效。

通过改变机械搅拌的转速，配以适当的通风比，提供微生物最佳的溶解氧浓度，可消除氧限制效应的不良后果，提高黄原胶产品的转化率和质量。

根据不同的发酵阶段，改变发酵罐机械搅拌的转速，可避免发酵前期搅拌功率的浪费以及发酵后期搅拌功率的不足，节约电能35％以上。

搅拌转速可以随意调整，可尽量满足微生物与培养基、空气三者之间的动量、热量、质量传递的最佳条件，缩短发酵时间，提高设备利用率和劳动生产率。

4、具体实施方式

该发明的具体做法是根据黄原胶在不同发酵时期的特点，用传感器将罐内生物反应的状态转换为各种所需要的参数并反馈到工业计算机进行处理，处理结果转换为控制信号输出到不同的控制点。其中关于溶氧的控制点有以下两个，通过交流变频器控制电机转速，以适当调整发酵罐搅拌叶轮的转速；通过调节阀适当地控制通风量。始终使培养基中的溶解氧浓度控制在各时期的临界浓度左右。既保证黄单胞杆菌的生长代谢的需要，又能节约大量的电能。

Claims (2)

1、一种黄原胶发酵新工艺，其特征是：根据工程微生物黄单胞杆菌在发酵过程中不同阶段对溶氧、传质的需要，改变机械搅拌的转速，使其产生的湍流强度和循环量与之相适应。

2、根据权利要求1所述的黄原胶发酵新工艺，其特征是：根据黄原胶发酵在不同寸期的特点，利用电气或机械调速方法，适当调整发酵罐搅拌叶轮的转速，并配以适当的通风量，始终使培养基中的溶解氧浓度控制在各时期的临界浓度左右。