非牛頓型發(fā)酵醪的流態(tài)曲線測(cè)定

1、非牛頓型發(fā)酵醪的流態(tài)曲線測(cè)定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解非牛頓型發(fā)酵醪的黏度不僅是溫度的函數(shù)，而且隨液體的流動(dòng)狀態(tài)而異，即與剪 應(yīng)速率有關(guān)。2、了解非牛頓型流體的特點(diǎn)與各類菌絲體生長(zhǎng)的關(guān)系。二、實(shí)驗(yàn)儀器與材料1、NDJ-5S型旋轉(zhuǎn)式黏度計(jì)、溫度計(jì)、燒杯；2、各種發(fā)酵醪。三、實(shí)驗(yàn)方法將發(fā)酵醪裝入燒杯中，選用合適的轉(zhuǎn)子，將轉(zhuǎn)子浸沒在發(fā)酵醪中并使轉(zhuǎn)子的上表面與 液面平齊。1、測(cè)定發(fā)酵醪的溫度，以不同轉(zhuǎn)速測(cè)定黏度；2、以同一轉(zhuǎn)速測(cè)定不同溫度發(fā)酵醪的黏度。四、結(jié)果我組實(shí)驗(yàn)采取的實(shí)驗(yàn)原料是濃度為25%的淀粉漿液，測(cè)定了 2號(hào)轉(zhuǎn)子在15.8C的漿 液中以不同轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的黏度。根據(jù)匚=p (d/dx) =y式中：T

2、-剪應(yīng)力，N/m2或Pa；p-液體黏度，(kgs)/m溫度對(duì)黏度的影響曲線，見圖2。；do /dx =y 一速度梯度或剪應(yīng)速率(shear rate)，s-轉(zhuǎn)速對(duì)黏度的影響曲線，亦即淀粉漿液的流態(tài)曲線圖，見圖1；。得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：表1：轉(zhuǎn)速對(duì)黏度的影響數(shù)據(jù)記錄表2號(hào)轉(zhuǎn)子15.8C, 25%淀粉漿液轉(zhuǎn)速/(r-min-1)6030126黏度/(mPa-s)42365110901740剪應(yīng)速率/s-i6.283.141.260.63剪應(yīng)力/Pa2.65642.04421.37341.0788在此基礎(chǔ)上，我組又進(jìn)一步對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了探索，研究了在同一轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)速(2號(hào)，6r/min)下不同溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3、造成的影響。得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：表2：溫度對(duì)黏度的影響數(shù)據(jù)記錄表2號(hào)轉(zhuǎn)子，6r/min25%淀粉漿液溫度/C22.134.845.05055.66163黏度/ mPa-s1780171016001440140012301100五、畫流態(tài)曲線圖六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析1、通過對(duì)圖1的分析，可以得到以下結(jié)果：淀粉漿液為非牛頓型流體。由圖易見，淀粉漿液流態(tài)曲線的斜率雖然不隨轉(zhuǎn)速的變 化而變化，但其在Y軸的截距不為0，這與牛頓型流體的特征描述相悖，符合非牛頓型流 體的特征。可以判斷，淀粉漿液的黏度不僅是其溫度的函數(shù)，也是剪應(yīng)速率的函數(shù)。淀粉漿液為彬漢（Bingham）型流體。其主要特征是當(dāng)剪應(yīng)力小于屈服應(yīng)力時(shí)，

4、液 體不發(fā)生流動(dòng)，只有當(dāng)剪應(yīng)力超過屈服應(yīng)力時(shí)才發(fā)生流動(dòng)。它的流態(tài)曲線也呈直線，但 不通過原點(diǎn)。這與我組實(shí)驗(yàn)的結(jié)果一致。其流變特性可用下式表示：Tfn式中：tq 屈服應(yīng)力（在縱軸上的截距），Pa；n 剛性系數(shù)，Pa-so淀粉漿液流態(tài)曲線圖1：淀粉漿液流態(tài)曲線淀粉漿液黏度隨溫度變化曲線圖2：淀粉漿液黏度隨溫度變化曲線2、由圖2可以看出，在同樣的操作條件下，隨著溫度的升高，淀粉漿液的濃度逐漸降 低。對(duì)于具體的工業(yè)技術(shù)，該曲線的意義是可以為企業(yè)提供可選擇范圍內(nèi)的最優(yōu)攪拌速率。 在該速率下，流體對(duì)渦輪的黏性阻力相對(duì)最小，同時(shí)可達(dá)到最大的物質(zhì)擴(kuò)散速率?？紤]到 維持該溫度需要提供的熱量，可以對(duì)發(fā)酵罐或其他攪

5、拌設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以在最優(yōu)溫度 的操作條件下獲得最佳的攪拌效果，前提是不影響相關(guān)生化反應(yīng)的正常進(jìn)行。3、除了上述介紹的擬塑型流體之外，現(xiàn)將其他的非牛頓型流體整理如下：漲塑性（dilatant）流體：主要特征是黏度隨著剪應(yīng)速率的增加而增加而增高。流體 的剪應(yīng)力與剪切速率間不呈直線關(guān)系，而呈凹形曲線關(guān)系，表明剪切速率的增加，流體的 流動(dòng)阻力隨之加大。其流變特性可表示為：u Kyn式中：K 均勻度常數(shù)（稠度系數(shù)），Pa - s；n 流態(tài)指數(shù)，n1。表示非牛頓流體性質(zhì)的顯著程度，n = 1為牛頓型 流體；n值偏離1愈遠(yuǎn)，非牛頓型流體性質(zhì)愈顯著。擬塑（pseudoplastic）型流體。對(duì)于擬塑型流體

6、，增加其流速會(huì)降低流體的黏性阻 力。其流變特性可表示為：t= Kyn式中：K 均勻度常數(shù)（稠度系數(shù)），Pa - s；n 一流態(tài)指數(shù)，0VnV1。擬塑型流體，在不同攪拌轉(zhuǎn)速下，所顯示出的黏度不同；在同一攪拌轉(zhuǎn)速下，培養(yǎng)液 中的剪應(yīng)速率隨著離開攪拌渦輪的徑向距離，按指數(shù)倍數(shù)降低，故離開渦輪的徑向距離越 遠(yuǎn)，黏度越高。許多高分子化合物如黃原膠、聚丙烯酸鈉、羧甲基纖維素等的水溶液，許多絲狀菌如 青霉、曲霉、鏈霉菌等的培養(yǎng)液都表現(xiàn)出擬塑性。凱松（Casson）流體：剪應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系表現(xiàn)為一不通過原點(diǎn)的曲線。其流變特性可表示為：T1/2 =t拱+ K刑2式中：TC1/2屈服應(yīng)力，Pa；KC 凱松黏度

7、，Pa1/2 s1/2。4、對(duì)于發(fā)酵液，非牛頓型流體的指導(dǎo)意義在于：不同的發(fā)酵液可呈不同的流體類型。發(fā)酵液，特別是含有固行物數(shù)量較多的發(fā)酵液， 往往表現(xiàn)為非牛頓流體特性。霉菌、放線菌的菌絲體在發(fā)酵中雖不呈典型的顆粒狀，但錯(cuò) 綜復(fù)雜交織的網(wǎng)狀菌絲叢和松散結(jié)構(gòu)的菌絲球狀體可看作是固形物。一般每升含有20克 或更多的菌體和固形物的培養(yǎng)液，均呈現(xiàn)非牛頓型流體中的平漢塑性流體性質(zhì)。在發(fā)酵過程中，培養(yǎng)液流動(dòng)模型參數(shù)會(huì)隨著細(xì)胞濃度、形態(tài)的變化，培養(yǎng)基物質(zhì)的 消耗，代謝產(chǎn)物的積累以及補(bǔ)料等發(fā)生明顯的變化，表現(xiàn)出時(shí)變性。發(fā)酵液的流變類型也可發(fā)生變化。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)：鏈霉素發(fā)酵在24小時(shí)為擬塑性流 體，發(fā)酵液黏度達(dá)90Pas；在48小時(shí)和96小時(shí)則為牛頓性流體，其黏度為18Pa s和 38Pa s。5、實(shí)驗(yàn)誤差分析：在黏度測(cè)定實(shí)驗(yàn)中，由于要控制溫度這一條件，增加了耗時(shí)，不可避免地造成了水 分的蒸發(fā)，淀粉漿液有所濃縮，數(shù)據(jù)反映的趨勢(shì)并不完全有單一變量造成；實(shí)驗(yàn)儀器本身存在誤差；由于粘度計(jì)的讀數(shù)會(huì)在小范圍