蘇云金芽胞桿菌發(fā)酵液及其微濾濃縮液流變特性研究

蘇云金芽胞桿菌發(fā)酵液及其微濾濃縮液流變特性研究

0發(fā)酵液流變特性的研究蘇云金芽菌是目前應(yīng)用最廣泛的微生物農(nóng)藥。其商業(yè)化制劑主要由液體層發(fā)酵而成。無論濃度懸浮劑還是高效粉末，都需要首先處理。目前,中國的蘇云金芽胞桿菌發(fā)酵液的后處理及制劑化主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn),對于發(fā)酵液及其濃縮液的流體性質(zhì)缺乏研究。流體的流變學(xué)行為對于工程應(yīng)用有十分重要的參考價值,尤其是在用于工業(yè)設(shè)計和單元操作上,有助于對傳質(zhì)、傳熱機(jī)理的理解,是工藝設(shè)備設(shè)計、選型的重要參數(shù)之一。近年來,流變學(xué)的應(yīng)用研究非常廣泛,尤其在食品和發(fā)酵方面。國內(nèi)外相繼報道了關(guān)于果汁、蜂蜜、各種淀粉糊、乳制品、食品增稠劑等的流變特性以及發(fā)酵過程中發(fā)酵液的流變特性的變化。Vellank等在研究蘇云金芽胞桿菌代謝熱動力學(xué)時,利用在線測扭矩的方法來校正因發(fā)酵液流變特性的變化引起熱量測量系統(tǒng)的基線漂移,而關(guān)于發(fā)酵液在微濾過程中流變特性的系統(tǒng)研究還未見報道。在工業(yè)設(shè)計和單元操作計算中,黏度(或表觀黏度)是較重要的參數(shù)之一,而其它流變特性參數(shù)往往很少直接用于計算。表觀黏度對于蘇云金芽胞桿菌發(fā)酵液的后處理有很重要的意義。例如,在微濾過程中表觀黏度影響膜通量,而表觀黏度又受操作條件的(溫度、濃度和膜面流速等)影響;在噴霧干燥過程中表觀黏度影響流體的傳送和噴霧干燥霧化效果。因此,本文采用L-90型流變儀對蘇云金芽胞桿菌發(fā)酵液及其微濾濃縮液進(jìn)行了系統(tǒng)的測試和研究,探討蘇云金芽胞桿菌發(fā)酵液及微濾過程濃縮液的流變特性和表觀黏度,其結(jié)果將為蘇云金芽胞桿菌發(fā)酵液的微濾濃縮工藝提供理論依據(jù)。1實(shí)驗(yàn)材料和方法1.1實(shí)驗(yàn)材料1.1.1保存并保存菌株:蘇云金芽胞桿菌工程菌BMB005(由本實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建并保存);培養(yǎng)基:玉米淀粉25g/L,黃豆餅粉35g/L,蛋白胨15g/L,MgSO40.5g/L,KH2PO42g/L,滅菌前pH值8.0。1.1.2儀器L-90型流變儀(同濟(jì)大學(xué)電機(jī)廠);SJM-IM無機(jī)陶瓷膜過濾設(shè)備(合肥世杰膜工程有限責(zé)任公司)。1.2實(shí)驗(yàn)方法1.2.1微濾濃縮液的確定采用無機(jī)陶瓷膜過濾設(shè)備濃縮蘇云金芽胞桿菌發(fā)酵液,得到濃縮倍數(shù)分別為1.5、2.0、2.5、3.0倍的微濾濃縮液。發(fā)酵液及其微濾濃縮液的濃度(固形物含量)分別為49.7、58.5、67.3、76.1、84.9g/L。1.2.2剪切應(yīng)力的計算在30℃分別測定發(fā)酵液及其不同濃縮倍數(shù)的微濾濃縮液在不同剪切速率下(電機(jī)轉(zhuǎn)速為75～750r/min,剪切速率γ為361～3610s-1)的剪切應(yīng)力。樣品黏度值測定:用第三單元系統(tǒng)轉(zhuǎn)筒,在電機(jī)轉(zhuǎn)速為750r/min(γ=3610s-1)時進(jìn)行測定,將轉(zhuǎn)筒因子(0.1)乘以刻度讀數(shù),得到單位為mPa·s的黏度值,在本研究中,如非特別指出,表觀黏度均指此剪切速率下的表觀黏度值。1.3數(shù)據(jù)分析和計算1.3.1分辨率色散濃縮倍數(shù)N=發(fā)酵液體積/濃縮液體積1.3.2表觀黏度法不同剪切速率下的表觀黏度可用式(1)計算:ηa=τ/γ(1)式中ηa——表觀黏度,Pa·s;τ——剪切應(yīng)力,Pa;γ——剪切速率,s-1。1.3.3溫度和濃度對表觀黏度的影響物質(zhì)的流變特性可以采用表觀黏度ηa與剪切速率γ的曲線來表示。蘇云金芽胞桿菌發(fā)酵液及其微濾濃縮液可看作擬塑性流體,可采用冪律方程來表達(dá)蘇云金芽胞桿菌發(fā)酵液及其微濾濃縮液的流變曲線:ηa=Kγn-1(2)式中K——稠度系數(shù),Pa·sn;n——流變指數(shù),無量綱。溫度對表觀黏度的影響可以用Arrhenius方程來描述,即:ηa=K0exp(Ea/RT)(3)式中Ea——流動活化能,J·mol-1;K0——常數(shù),Pa·s;R——通用氣體常數(shù),8.314J·(mol·K)-1;T——Kelvin溫標(biāo),K。濃度對表觀黏度的影響有以下幾種模型:ηa=a(C)b(4)ηa=1+a1C+b1C2(5)ηa=a2exp(b2C)(6)ηa=a3exp(b3C2)(7)式中C——濃度,g·L-1;a——常數(shù),Pa·s·(L·g-1)b;b——常數(shù),無量綱;a1——常數(shù),Pa·s·L·g-1;b1——常數(shù),Pa·s·L2·g-2;a2——常數(shù),Pa·s;b2——常數(shù),L·g-1;a3——常數(shù),Pa·s;b3——常數(shù),L2·g-2。2結(jié)果與討論2.1發(fā)酵液及其微濾濃縮液的流變指數(shù)n在30℃下對蘇云金芽胞桿菌發(fā)酵液及其微濾濃縮液的流變特性進(jìn)行了測定。圖1為不同剪切速率下發(fā)酵液及其微濾濃縮液的表觀黏度值的變化曲線。由圖1可知,隨著剪切速率的提高,其表觀黏度值下降,這表明微濾濃縮液有剪切變稀的特征,而且濃度越高,表觀黏度值下降趨勢越明顯,越容易剪切變稀。采用方程(2)對所測數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,求出稠度系數(shù)K值和流變指數(shù)n值,結(jié)果見表1,其R2值均在0.995以上,這表明冪律方程適于描述發(fā)酵液及其微濾濃縮液的流變曲線。流變指數(shù)n值越小,意味著擬塑性越強(qiáng)。稠度系數(shù)K值是液體黏滯度的度量,K值越大,則液體越黏稠。蘇云金芽胞桿菌發(fā)酵液及其微濾濃縮液的流變指數(shù)n值均小于1,這表明它們是擬塑性流體。發(fā)酵液的流變指數(shù)較接近1(n=0.949),這表明它比較接近牛頓型流體,由圖1也可以看出,發(fā)酵液的表觀黏度值隨剪切速率的變化較小。而對于較高濃度的濃縮液(84.9g·L-1),則為典型的擬塑性流體(n=0.744),其表觀黏度隨剪切速率的上升而減小。在發(fā)酵液濃縮過程中,隨著濃度的上升,流變指數(shù)減小,擬塑性增強(qiáng);而稠度系數(shù)隨濃度的增加而上升。2.2溫度和濃度差異我們測定了蘇云金芽胞桿菌發(fā)酵液及其微濾濃縮液在15、20、25、30、35、40、45、50℃下的表觀黏度(γ=3610s-1)。不同濃度的蘇云金芽胞桿菌發(fā)酵液及其微濾濃縮液的表觀黏度與溫度的關(guān)系見圖2。由圖2可知,表觀黏度隨著溫度的上升而下降,而且表觀黏度在溫度較低和濃度較高時對溫度或濃度的變化更敏感。當(dāng)溫度上升時,分子的內(nèi)能增加,從而導(dǎo)致分子熱運(yùn)動加快,因而分子間的作用力相應(yīng)地就被減弱,而表觀黏度又與分子間的作用力正相關(guān),因此,表觀黏度下降。采用Arrhenius方程對所測數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,R2值均為0.996左右,說明表觀黏度與溫度的關(guān)系對所選模型符合很好,即溫度對蘇云金芽胞桿菌發(fā)酵液及其濃縮液的表觀黏度的影響確實(shí)符合Arrhenius方程?；罨鼙硎驹诠潭羟兴俾蕰r,使一個分子鏈段克服周圍分子對它的作用力,以便能更換位置所需要的能量?；罨苁菧囟群蜐舛鹊暮瘮?shù),是黏度對溫度敏感程度的一種度量?；罨苤翟酱?溫度對黏度的影響也越大。由表2可以看出,隨著濃度的增大,K0值增加,而流動活化能Ea值變化不大。這說明濃度對表觀黏度的影響較為顯著,而且溫度和濃度對表觀黏度的影響基本上是獨(dú)立的。2.3發(fā)酵液中表觀黏度值的變化,其復(fù)歸其第5位3.蘇云金芽胞桿菌發(fā)酵液在微濾濃縮過程中,由于透過液中含有一些可溶性小分子物質(zhì),因此,濃縮液的固形物濃度增加幅度較慢,但是表觀黏度值卻隨固形物濃度的上升而迅速上升,如圖2所示。發(fā)酵液微濾濃縮3倍,其固形物濃度提高了70.8%,在不同溫度條件下(15～50℃),其表觀黏度值分別增至原來的2.73～2.92倍。為了能更好地反映蘇云金芽胞桿菌發(fā)酵液在微濾濃縮過程中的表觀黏度的變化規(guī)律,采用前述幾種模型:式(4)～(7),對所測樣品的表觀黏度值進(jìn)行回歸,結(jié)果見表3。由表3可知,式(7)能更好地反映蘇云金芽胞桿菌微濾濃縮液的表觀黏度與濃度的變化關(guān)系,其R2值均大于0.99,這說明實(shí)驗(yàn)測定值與此模型擬合程度很好,因而可以利用它更為準(zhǔn)確地預(yù)測在微濾過程中蘇云金芽胞桿菌濃縮液的表觀黏度的變化。式(6)的R2值大都在0.98～0.99之間,根據(jù)回歸曲線的趨勢線可知,當(dāng)濃度較大時計算值與實(shí)測值相差較大;式(5)和式(6)相似,其R2值稍小,在0.97～0.98之間,式(4)并不能很好地與實(shí)測值擬合,雖然其R2值也在0.95～0.96之間,但根據(jù)回歸曲線的趨勢線可知它在濃度較高和較低時都不能與實(shí)測值較好地吻合。2.4理論計算驗(yàn)證試驗(yàn)根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn),在式(3)和式(7)的基礎(chǔ)上,綜合考慮溫度和濃度對表觀黏度影響,通過對所測數(shù)據(jù)進(jìn)行二元非線性回歸,可得到溫度和濃度對表觀黏度綜合影響的方程:ηa=a3exp(Ea/RT+b3C2)(8)式中a3=6.973μPa·s,Ea=12.85kJ·mol-1,b3=2.230×10-4L2·g-2,R2=0.995。為了驗(yàn)證方程(8)的應(yīng)用可靠性,取蘇云金芽胞桿菌微濾過程中的微濾濃縮液兩份(濃度分別為71.2g·L-1和79.5g·L-1),分別在兩組溫度條件下考察方程理論計算值和實(shí)測值之間的擬合程度(圖3),并進(jìn)行誤差分析。從圖3可以看出,由公式所計算得到的蘇云金芽胞桿菌微濾濃縮液理論表觀黏度值和實(shí)際測量值之間比較吻合,濃度為71.2g·L-1的濃縮液的誤差范圍在0.9%～2.5%之間,而濃度為79.5g·L-1的濃縮液的誤差范圍在1.3%～5.6%之間,除了個別數(shù)據(jù)外,其它數(shù)據(jù)的誤差均在5%以內(nèi),這表明所推導(dǎo)出的蘇云金芽胞桿菌微濾濃縮液的表觀黏度計算公式能較好反映溫度和濃度對濃縮液表觀黏度的綜合影響,用此式可以方便快速地預(yù)測蘇云金芽胞桿菌發(fā)酵液在微濾濃縮過程中表觀黏度的變化。3發(fā)酵溫度、濃度對桿菌表觀黏度的影響在試驗(yàn)濃度范圍內(nèi),蘇云金芽胞桿菌發(fā)酵液及其微濾濃縮液均為擬塑性流體,其表觀黏度值隨剪切速率的增加而降低。隨著濃縮倍數(shù)的增加,流變指數(shù)n值減小,擬塑性增強(qiáng),其稠度系數(shù)K值隨濃度的增加而上升。蘇云金芽胞桿菌發(fā)酵液及其微濾濃縮液的表觀黏度隨著溫度的升高而降低,隨著濃度的增加而上升。表觀黏度與溫度的關(guān)系服從Arrhenius方程,不同濃縮倍數(shù)下濃縮液的表觀黏度與濃度的關(guān)系可