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黄原胶发酵新工艺的制作方法

发布日期:2016-07-25 15:00:31
  黄原胶(Xanthan gum)是黄单胞杆菌(Xanthomonas campestris)发酵萌生的细胞外酸性杂多糖,也称黄单胞多糖。早在1958年,美国Lilly等人已离合获得一株四季豆黄单胞杆菌,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时代初首先用微有生命的物质发酵法取得了黄原胶。1961年,美国Kelco企业认为合适而使用野油菜黄单胞菌NRRLB-1459着手了黄原胶半工业化出产,主要用于油井的钻井泥浆水和开采石油技术,1963年正式工业化出产,1969年,美国FDA准许黄原胶可用作食物添加剂。其后欧罗巴洲各国一个跟着一个准许黄原胶在食物工业中应用,1975年,黄原胶载入美中药典,并揭晓了品质标准。1983年,联手国世界卫生团体(WHO)和粮农团体(FAO)也准许黄原胶作为食物工业用牢稳剂、乳化剂、增稠剂。因为黄原胶归属有生命的物质高科技领域,到现在为止主要有美国、英国、法国、瑞士等少量几个国度出产。
  我国黄原胶的研讨和出产开始走较晚,70时代后期才着手研讨。中科院微有生命的物质研讨所、山东食物发酵研讨所、山东大学、南开大学均于80时代中期作别经过中试鉴定。1985年由张孝宽预设的烟台微有生命的物质多糖厂率先在我国成功实现了黄原胶的工业化出产,出产的工业级黄原胶产品的品质与美国同类产品XC-Polymer相当。其主要技术指标—流改变性别甚至于优于美国产品。1986年经过省级鉴定,1988年获国度科学技术进步提高奖。在这以后,我国又有多家公司投资黄原胶项目,因为黄原胶技术密布深重,工程化困难程度大,大部分没有结果功,特别是发酵出产技术的研讨和最后产品的离合提出取得技术抑制了我国黄原胶工业的进展。2000年十月,由张孝宽预设的黄河龙集团有生命的物质二程有限企业建成投入生产,黄原胶发酵和提出取得出产线所有成功实现徽标半自动扼制,经过出产实践检查验看,黄原胶产质量量及生产资本达到国际先进水准,微记着我国第二代黄原胶出产技术已经成熟。
  黄原胶的发酵出产依照操作形式可分为间歇式、流加式、半蝉联式或蝉联式。
  间歇式出产是将菌种和营养物质一次参加发酵罐内施行培育,发酵结束抽取整个儿反响物的出产办法。流加式是指先将一定量的培育液装入发酵罐,随着微有生命的物质细胞对培养基的不断耗费,将新的营养成分不断补给到发酵罐中,到反响终止后,抽取整个儿反响物。半蝉联式是指在间歇式的基础上,不所有抽取反响产物,剩下局部从新补给新的营养成分,再按间歇式操作的形式施行。蝉联式是指将微有生命的物质菌种和营养物质蝉联不停地参加到发酵罐内施行培育,并蝉联不停地取动身酵产物,维持反响条件处于一种永恒固定状况。
  流加式与半蝉联式无表面化长处可取,并会带来操作复杂、染菌机缘增多、菌种老化等关键性问题。
  蝉联式具备设施利用率高节省消毒蒸汽的长处。但因为长时间的蝉联培育难免杂菌污染,菌种自身异样变化的有可能性较大。故在大规模工业出产中应用还存在很多艰难。
  间歇式发酵出产工艺成熟靠得住,简便,是到现在为止黄原胶工业出产中存在广泛认为合适而使用的办法。
  另一方面,发酵罐是发酵工业最主要的出产设施,其选型与预设的合理与否,是发酵工程胜败的关键。因为这个,选型与预设务必满意特别指定的微有生命的物质培育、代射的需求,与最后产物的性能相适合。到现在为止黄原胶发酵罐普通认为合适而使用机械拌和式和气升式两种型式,在气升式发酵罐中,营养物质与空气的搅混是靠压缩空气的动量来成功实现的,因为空气的单位品质细小,其动量遭受限止,剪切、循环有经验较差,特别在黄原胶发酵的中后期营养物质黏性较大时更不舒服应。
  机械拌和发酵罐是发酵工业的常用的罐型之一,在机械拌和发酵罐中发酵营养物质与空气及微有生命的物质之间气、液、固三相流体的动量、品质、卡路里传交,是经过拌和器的运动来成功实现的。在拌和涡轮的近旁,因为剪应力使通入发酵罐的空气散布成气泡儿,并随着液体的循环流动充分混合,以保障提供微有生命的物质成长、蕃息、代射所需求的氧气气,并在这种混合中不断更新气液界面,保障营养的不断供应。气泡儿的体积表决了气液的接触平面或物体表面的大小,剪切强度和循环量表决了气泡儿散布程度与流体混合的平均状况,混合过程都应确认拌和液体达到平均状况的标准。从流动看,首先应防止死区。使罐内液体都能萌生对流运动施行循环。况且循环量要足够大。但实践及研讨证实,流体混合还决定于于液体湍流廓张的程度,所以要求拌和器导致的液体湍流强度或剪切速度要大,但要求一种拌和器既具备颀长的循环流量,又要有颀长的湍流强度是比较艰难的。因为这个,依据不一样的物料和产品,合理挑选拌和器的型式和合适的转速及功率,是机械拌和预设的主要内部实质意义和关键。
  黄原胶的出产属高新技术范畴,相形其他发酵工程的最大差别是最后产物的粘度极高,况且在发酵过程中,物料的流改变性别发生了非常大的变动。在发酵的起初阶段,发酵营养物质属牛顿型流体,在一定的温度下,发酵营养物质的粘度μ是未变的,不管拌和强度怎么样变动,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。这与其他大部分数发酵营养物质的流体性能是没有差别的。普通说来,此类培育液粘度低,流动性好,施行深层培育时,动量、品质、卡路里的传交较为容易。但当培育过程进入了中后期,随着营养物质培养基的耗费,黄原胶的出产菌—黄单胞杆菌的液体浓度以时间的对数关系迅疾增加,并向细胞壁外表分泌一层粘度极高的透感光材料质状荚膜,荚膜虽不是细胞的关紧结构,但它是细胞外碳源和能量物质性贮藏事物,并能尽力照顾细胞免受外界背景的影响。黄单胞杆菌的荚膜是由五糖(2分子D-葡糖、2分子D-甘露糖、1分子D-葡糖醛酸)重复单元组成的酸性杂多糖。这种胞外多糖,就是我们所需求的产品—黄原胶。随着黄原胶在黄单胞杆菌细胞外不断的积累,发酵营养物质渐渐由牛顿型流体转变为拟范性流体,并表达出极高的粘度。这种拟范性流体曲直牛顿流的一种。其流体的粘度不只是温度的函数,并且在算学坐标系上,拟范性流体的剪应力和速度梯度的曲线是下弯的曲线式样。在对数坐标系上,它每常在非常大的剪应力范围内呈一直线关系,也就是说,拟范性流体的粘度值,随拌和程度的巩固而减损。而静止寸粘度最大。这种变动的粘度值,一般称为拟范性流体的表观粘度。我们一般运用的发酵罐,其涡轮的直径d与发酵罐直径的比率普通大于1/3。若用于假范性流体营养物质的发酵,在叶轮近旁遭受剪应力最大处其粘度最小,而在叶轮波及不到的地区范围,速度梯度随着离去拌和涡轮的距离以指数函数迅疾减低,离拌和涡轮逾远,剪应力的循环量将显著减退。这时营养物质的流动由湍流状况转变为层流状况。特别艰难的是,这种层流状况也只能显露出来在涡轮近旁,远方的高粘物料将萌生死区,因为这个由拌和涡轮萌生的流身体大循环量及剪切效果将显著减退,严重影响液体营养物质的动量、品质、卡路里的传交效果,以致黄单胞杆菌显露出来“氧气限止”效应,而减低黄原胶的合成速度和产品的品质。为解决这个问题,到现在为止存在广泛认为合适而使用加川军原胶发酵罐的拌和叶轮、增长叶轮换速并增加通风量的办法,表面化改善了发酵罐内的流体运动状况,获得了一定的效果。但因为发酵罐拌和叶轮的转速是永恒固定的,在发酵前一阶段,发酵罐内的微有生命的物质量少,耗氧气量少,营养物质的黏性也低,较大的拌和叶轮和较高的拌和速度,定然耗费更多的能+羭縷,导致能量物质耗费。过高的剪切强度对发酵开始的一段时间微有生命的物质的成长蕃息也是不顺利的。为不使发酵前一阶段发酵功率的耗费和对有生命的物质培育的不好影响,拌和强度遭受一定的限止,显露出来发酵前一阶段拌和过强,发酵后期拌和不充足的现象。
  、创造内部实质意义依据工程微有生命的物质黄单胞杆菌在发酵过程中不一样阶段对溶氧气、传质的需求,变更机械拌和的转速,使其萌生的湍流强度和循环量与之相适合。防止了发酵前一阶段的功率过大导致的能量物质耗费和发酵后期功率不充足导致的氧气限止效应,可以表面化增长黄原胶产品的品质和转化率,缩减发酵时间,节省电能。
  要进一步增长发酵水准,一个科学的方法是从微有生命的物质成长和产物生成动力学原理动身,区别不一样的发酵阶段,寻觅菌体成长、基质耗费、产物生成三者有关连的一系列最佳发酵参变量(临界值),该临界值是认为合适而使用先进的检验测定和半自动扼制手眼,使发酵条件扼制最优化。发酵条件普通涵盖营养物品类、液体浓度、比例,胚珠品质、数目以及发酵温度、PH值、泡沫儿、溶解氧气液体浓度、渗透压等。在黄原胶发酵出产中,“氧气限止”问题最为冒尖。氧气是需氧气微有生命的物质(涵盖兼性厌氧气微有生命的物质)成长所务必的一种难溶于水的营养物,培育液中微有生命的物质成长与氧气的关系可经过溶解氧气液体浓度和细胞呼吸强度来描写。在发酵过程的不一样阶段或同一阶段的不一样一段时间,微有生命的物质对溶解氧气的需要均不一样。在成长为主阶段,溶解氧气液体浓度若在临界值以下,溶解氧气液体浓度增长,成长随之加速,最终达到最大比成长效率,此时的溶解氧气液体浓度就是成长为主阶段的最佳溶解氧气液体浓度(临界值)。影响成长临界氧气液体浓度的因素有微有生命的物质的呼吸强度和微有生命的物质的数目两个方面。那里面微有生命的物质的呼吸强度与菌种特别的性质、菌龄、营养物、温度、代谢产物等相关。呼吸强度越高,成熟细胞的量数越多,其临界氧气液体浓度就越高。一样,在产物生成的主阶段,溶解氧气耗费效率与产物生成效率有着平行关系,溶解氧气液体浓度升高或减退,产物生成量也升高或减退。与产物转化率最大值相对应的溶解氧气液体浓度,便是这阶段的最佳溶解氧气液体浓度。只有将发酵液中溶解氧气液体浓度始末保持在各一段时间的最佳液体浓度或临界液体浓度以上,能力使成长或产物生成效率最大,氧气不至于变成限止因素。
  微有生命的物质的细胞膜是一种具备机体机能特别的性质的半渗透膜,能逆液体浓度梯度借鉴很多培养基。不过,氧气以及水、碳酸气等出进细胞里外却是简单的渗透效用,氧气分子在细胞里外传交的推动力是培育液中的溶解氧气与细胞中氧气含量之间的液体浓度差,因为这个管用地增长营养物质中溶解氧气的液体浓度非常关紧。在机械拌和发酵罐中,溶解氧气液体浓度与设施结构、营养物质性质以及通胸襟、功率耗费等操作条件相关。在实际出产中,机械拌和的转速及其它条件是固定的,存在广泛认为合适而使用变更通胸襟的办法来施行调节溶解氧气的液体浓度,固然该办法是发酵扼制的一个十分便捷的务必手眼,但合适变更拌和转速来调节溶解氧气液体浓度的效果将会更好,特别对黄原胶为代表的拟范性高粘物料更为不可缺少。与增长通胸襟相形,增加拌和转速虽能更好地增长溶解氧气液体浓度,但转速超过一定值,拌和速率不再增长,反倒会增加拌和功率的耗费。该创造的具体作法是依据黄原胶发酵在不一样一段时间的独特的地方,利用电气或机械调速等办法,合适调试发酵罐拌和叶轮的转速,并配以合适的通风量,始末使营养物质中的溶解氧气液体浓度扼制在各一段时间的临界液体浓度左右。既保障黄单胞杆菌的成长代谢的需求,又能节省数量多的电能。
  黄原胶发酵的开始的一段时间(成长阶段),耗氧气量决定于于微有生命的物质数目和菌体呼吸强度。在适合期,菌数少,耗氧气量也少,可认为合适而使用较低的机械拌和转速和较小的通胸襟,给黄单胞杆菌以平静的背景。在对数生长时间,细胞数以时间的对数函数迅疾增加,呼吸强度也迅疾增加。此机会械拌和转速和通风量应随之增长,以供给最佳的溶解氧气液体浓度,取得最大的比成长效率。在产物生成阶段,黄单胞杆菌的液体浓度达到最大值,活菌数目趋于均衡,比成长效率几乎等于零,呼吸强度基本维持最大。这时要使营养物转化率最大或比产物生成效率最大,还应保障最大的比产物生成效率需求的相应最大溶解氧气液体浓度。此时,一方面较高的有生命的物质量和较高的产物生成效率都需求较高的溶解氧气液体浓度,另一方面,数量多生成的产物黄原胶,使营养物质黏性不断升高,并由牛顿型流体转变为拟范性流体,气液界面阻力、液膜阻力增加,导致溶氧气条件恶化。这时若一味地增加通胸襟,溶氧气速率不再增加,而合适地增加机械拌和转速,可增加流体湍流强度,增加气液接触平面或物体表面的大小,减低气泡儿四周围液膜阻力,使大小溶氧气系数KLa值表面化增长,比天真地增长通胸襟更管用。
  经过变更机械拌和的转速,配以合适的通风比,供给微有生命的物质最佳的溶解氧气液体浓度,可消弭氧气限止效应的不好后果,增长黄原胶产品的转化率和品质。
  依据不一样的发酵阶段,变更发酵罐机械拌和的转速,可防止发酵前一阶段拌和功率的耗费以及发酵后期拌和功率的不充足,节省电能35%以上。
  拌和转速可以随心调试,可尽力满意微有生命的物质与营养物质、空气三者之间的动量、卡路里、品质传交的最佳条件,缩减发酵时间,增长设施利用率和劳动出产率。
  具体实行形式
  该创造的具体作法是依据黄原胶在不一样发酵一段时间的独特的地方,用传感器将罐内有生命的物质反响的状况改换为各种所需求的参变量并反馈到工业计算机施行处置,处置最后结果改换为扼制信号输出到不一样的扼制点。那里面关于溶氧气的扼制点有以下两个,经过交流变频器扼制电机转速,以合适调试发酵罐拌和叶轮的转速;经过调节阀合适地扼制通风量。始末使营养物质中的溶解氧气液体浓度扼制在各一段时间的临界液体浓度左右。既保障黄单胞杆菌的成长代谢的需求,又能节省数量多的电能。
  权益要求
  一种黄原胶发酵新工艺,其特点标志是依据工程微有生命的物质黄单胞杆菌在发酵过程中不一样阶段对溶氧气、传质的需求,变更机械拌和的转速,使其萌生的湍流强度和循环量与之相适合。
  依据权益要求1所述的黄原胶发酵新工艺,其特点标志是依据黄原胶发酵在不一样寸期的独特的地方,利用电气或机械调速办法,合适调试发酵罐拌和叶轮的转速,并配以合适的通风量,始末使营养物质中的溶解氧气液体浓度扼制在各一段时间的临界液体浓度左右。