全 文 ：第5卷第4期
2007年11月
生物加工过程
chineseJoumalofBioproces8En西need“g
Nov．2007
·37·
自絮凝酵母SPSC01悬浮液的流变行为
俞路，葛旭萌，白凤武
(大连理工大学化工学院，大连116021)
摘要：用旋转黏度计剐定了自絮凝颗粒酵母悬浮液的流变特性，并考察了其流变特性的影响因素，如茵体生物
量、葡萄糖质量浓度、温度等。结果表明：自絮凝颗粒酵母悬浮液呈佩塑性非牛顿流体．其流变特一l生服从幂律指敷
模型。随着茵体表度的增太，稠度系敷增大，流动行为指教减小；絮凝悬浮液的表观黏度随着耱浓度的增加有所增
加，同一生物量下稠度系数‘随着糖浓度的增加而增加，流动行为指数n随着糖浓度的增加变化很小。悬浮液的表
观黏度随着温度的升高而降低；相同生物量下的流变指数随温度的升高而升高，而稠度系数随温度升高有所下降。
关键词：自絮凝颗粒酵母；流变特性；非牛顿型流体；剪切速率
中图分类号：1啪21．1 文献标识码：A 文章编号：1672—3678(2007)04—0037一07
RJIeolo留ofself_nocculatingyeastuspensio聃ofSPSC01
YULu，GEXu—meng，BAIFeng—wu
(sch001fchemic缸En舀neeri“g，D81i弧Unive商ty0f‰hnolo盱，Dali卸11602l，chiIla)
Ahstran：Rheolo画calbehavio瑚ofBe酢noccul8ti“gyeast8uspensjon8wereinvesti吕atedu日i“gamtati“g
cylinder“8cometer．Effectsoffacto瑁，such船biomassconcentrations，duco船contents蜘dtemperature
ontller}leolo舀calPmpertieBwerealsoinvestigated．Experimen试re8ultsrevealedt11atthee睢Ⅱ0ccula-
廿rIgye聃tsu印ensioⅡswerepseudoplasticnon—NewtonjannuidwhentIlebjomassconcentrationw舳h ghe。
th锄15∥LaIldtherheologicalcharacteristicBcouldbeexpressedbypower-lawindexmodel．11lecon-
si8tenqcoe伍cient后incre曲ed粕dthef10wbehaviorindexndecre鹅edwiththeincreaseofbiom鹪scon-
centration．111e鸵mnoccul“rIgye鹊t8uspension8behavedN wtonianwhenthebiomas8concentmtions
w鹊lesstll蚰15g／LThe8pparentviscosity舳dtlleconsi8tenoyindex矗0fthesennoccIIlati“gye舾t
叫spensionncreased粕dtllenowbehaviorindexndecreasedwh n山esugarconcen州onwasincreaBed
毗aconst龃tbiomssconcentration．The印paremvi8cos竹卸dtheconsistencyindex后0fthese*Ⅱoccu—
lati“gye聃I8u8pen8iondecreasedndthenawbehaviorindexnincreasedwhentemperaturew聃in．
creBsedfbracon咖ntbiomas8concenhaⅡon．
Keywords：8ennocclllati“gye8s‘；rheolo舀calpmperti船；non—Newtoniannuid；shearrate
以细胞自絮凝形成颗粒作为固定化细胞方法
的无载体固定化细胞技术，与传统的载体固定化细
胞技术相比，具有固定化方法简单、没有载体材料
消耗、过程经济性好、反应器中细胞浓度高等突出
优点[““，被学术界和工业界认为是最具有产业化
应用前景的技术。2004年底，在选育酒精发酵性能
收稿日期：2007讲08
基金项目：目家自然科学基仝开助嘎日(20576017)
作者简介：龠路(1969一)，士，浙江宁波人，博士研竞生，研宛方向：生物化工。E—m血l：州112130@yaII∞眦蚰
万方数据
·38· 生物加工过程 第5卷第4期
优良且具有自絮凝特征酵母菌株sPsc01的基础上
开发的自絮凝颗粒酵母乙醇连续发酵新技术，在国
家燃料乙醇试点建设单位——安徽丰原集团成功
建立了万吨级规模的产业化示范工程装置，其运行
的工艺技术指标和经济指标，均超过国内外现有乙
醇发酵技术的水平，使无载体固定化细胞技术率先
在乙醇发酵领域实现了产业化。目前，这一新工艺
技术已经在安徽丰原集团国家大型燃料乙醇试点
工程中得到应用。
虽然这一新的乙醇发酵技术已经在逐级放大
取得数据和积累经验基础上，先后建立了万吨级和
20万∥a规模工业化装置，无载体固定化细胞反应
器也先后放大到了单罐有效容积为100m’和1500
m3的容积规模。然而，包括流体力学在内的许多基
础性研究工作，迄今为止还没有很好的开展，严重
妨碍了工艺过程优化控制技术的发展。融合株sP·
scol白絮凝形成的颗粒与通常的游离酵母细胞有
很大的差异，不仅颗粒的尺度远远大子游离酵母细
胞，而且所形成颗粒的形状极不规则”1。因此，该
类悬浮液一般为复杂的胶体体系，大多数情况下为
非牛顿型液体。由于悬浮液的流变特性涉及到生
物反应器中多相流体动力学研究以及反应中的传
质与传热过程，从而必然影响到生物化学反应和细
胞的生长。因此悬浮液流变特性是生物反应器结
构设计优化．规模放大及发酵过程工艺操作与优化
控制等需要考虑的重要基础数据之一。本文对自
絮凝酵母sPsc01悬浮液的流变行为进行了测定与
分析，并考察了流变特性的影响因素。
1材料与方法
1．1菌株
自絮凝颗粒酵母菌株sPscol由酒精发酵性能
优良的酿酒酵母(s∞砒Ⅱ，DⅣ‘yⅫ∞僦妇)和具有白
絮凝能力的粟酒裂殖酵母(＆h觚础m删
砷m船)为双亲株，采用原生质体融合技术选育，大
连理工大学生物科学与工程系保存。
lr2培养基
摇瓶生长培养基：葡萄糖30g／L，酵母粉4
∥L，蛋白胨3g／L，121℃温度下灭菌20min。
1．3培养方法
从斜面取一环新鲜菌体接人装有100mL生长
培养基的250mL摇瓶中，在旋转式摇床上以150
r·min～、30℃的条件培养24h。
1．4 自絮凝颗粒悬浮液的制备
从摇瓶培养得到的自絮凝颗粒酵母用布氏漏
斗抽滤，去离子水洗涤3次。然后用去离子水稀释
不同倍数，得到含有不同生物量n的絮凝酵母颗
粒悬浮液(干质量浓度分别为2．3，7．8，14．6，
18．875．23．7．27．575，31．275，40．725，51．15，
62．125，78．15∥L)。
1．5 NDJ．1旋转黏度计测量原理及方法
1．5．1测量原理
如图l所示，同步电机以稳定的速度旋转，带动
刻度圆盘，再通过游丝和转轴带动转子旋转。如果
转子未受到液体的阻力，则游丝、指针与刻度圆盘
同速旋转，指针在刻度盘上指出的读数为“0”。如
果转子受到被测液体的黏滞阻力，则游丝就会产生
扭矩，当扭矩与黏滞阻力最后达到平衡时，和游丝
连接的指针会产生一个扭转角度，反映在刻度盘上
将指示一定的读数。将此读数乘上特定的系数即
得到被测液体的动力黏度。
一一一<：竺
图1 NDJ—l旋转黏度计
Fig．1ND0-lrotati吼日lvi$cometer
1．5．2测量方法
如图2所示将转子装在连接螺杆上并将固定套
筒套人仪器底部圆筒上，用套筒固定螺钉拧紧。将
有底的外试筒内注入25mL絮凝酵母悬浮液，并把
装有絮凝酵母悬浮液的外试筒置人恒温水箱中。
开启电机开关，转动变速扭矩使转子在絮凝酵母悬
浮液中旋转，经过30s指针趋于稳定进行读数。由
于絮凝酵母细胞有自絮凝的特性故旋转时问不宜
过长，否则影响读数的准确性。
万方数据
2007年11月 俞路等：自絮凝酵母sPsc01悬浮液的流变行为
圄2转子及其固定套筒
Fig．2Rotof如d矗xedsle ve
2结果与讨论
2．1 同一温度不同生物量的流变特性
2．L1剪切力-剪切速率
絮凝酵母悬浮液在30℃不同生物质量浓度见
下剪切力与剪切速率关系见图3，4。从图3，4中可
见剪切力与剪切速率不呈直线关系，反映出絮凝酵
母悬浮液为非牛顿型流体，其流变性较符合幂律指
数模型”1
f=矗v4
式中：r为剪切应力，P8；＆为稠度系数，N·84·m～；y
为剪切速率，s～；n为流变指数，无量纲，表示与牛
顿型流体的偏离程度。从图3，4中可以看出剪切应
皂
采
显
密
剪切速率括一
—十一2．3以—}一78扎+14．6扎
—·一18 75∥L—+一23．79，L
图3不同生物量下的流变学特性
Rg．3Bh∞l画cdpmper岫atdi踮remy啪t删rati蛐
力f随着剪切速率7的增大而增大；在同一剪切速
率7下，随着生物量的增大其剪切应力r也增大。
套
R
E
京
剪切速率舻-
一27．575g，L一31．275扎+4n725仉+5115班+62125班+78．15扎
图4不同生物量下的流变学特性
Fig．4m咖岫辩alpro叫kmdⅢe陀my皤t唧c即tI丑ti吣
对不同生物量下测定的剪切速率y与剪切应
力r数据进行回归分析，得到各条曲线的流体稠度
系数^和流动行为指数n的关系，见表1。
表1 絮凝悬浮液在不同质量浓度下流体特性参数
Table刚瑚王0百caIpmpeniesatdi＆mm”astconcen叫io珊
由表1可知，流动行为指数n小于1，说明絮凝
悬浮液呈假塑性流体；随着生物量的降低，絮凝悬
浮液的稠度系数≈逐渐减小，且流动行为指数n逐
渐增大。这就说明了生物量降低，减小了流体的稠
度，同时流体的流动行为也发生了较大变化。随着
生物量降低，流体的流动行为更接近牛顿型流体。
2．1．2表观黏度-剪切速率
图5，6所示絮凝酵母悬浮液在30℃不同生物
万方数据
·40· 生物加工过程 第5卷第4期
量浓度下表观黏度吼与剪切速率，的关系。从图
中可以看出表观黏度仇不仅与生物量有关，还与剪
切速率1有关。相同剪切速率，下，随着生物量的
增加，表观黏度7／。随之增加；对于生物量比较大的
絮凝悬浮液，随着剪切速率T的增加表观黏度均明
显降低，表现出典型的“剪切稀化”现象。表观黏度
仉与剪切速率7符合以下模型：仉=Ky”1。对于较
低生物量的絮凝悬浮液来说，由于其流变性质接近
牛顿型流体，所以表观黏度吼变化不是很明显。
剪切速率，r’
十2．3以十7．8以+146以
—_一18．875e／L—1h一237geL
图5悬浮液在不同生物量下表观黏度吼
与剪切速率v的关系
Fig．5ApI，amⅡ“蒯哼0fyenst剐叩eT】丑jo咽verauApenaior*
shearrateatdifferenty astcDncentrations
剪切速率廿-
—_．一27．575eeL一31275叽一40725扎+51．15以+62．125班+7815扎
图6是浮液在不同生物量下表观黏度仉
与剪切速率y的关系
Fig．6Apparentviscosityofyeast8U8veBusshear
rateatdifferenty astconcentrations
由图7通过回归分析得到随着生物量的增大其
稠度系数也增大，且二者呈抛物线关系．
k=n001p。“⋯ (尺2=0．994)
由图8可知随着生物量的增加其流变指数减
小。且两者呈直线关系，
n=一0．0082p，+0．8832 (月2=O．9861)
图7稠度系数随生物量变化关系
FiB，7Consistencyco $tanlvei．自u8differentco centratlons
图8流变指数生物量变化关系
Fig．8FlowbehaviourndexveHuBdifferentco centrations
2．2不同葡萄糖质量浓度下的流变学特性
图9—12表示生物质量浓度P。分别为8．74，
18．4，30．575和48．7∥L的絮凝悬浮液在30℃条
件下对应不同的葡萄糖质量浓度仇～7曲线。葡萄
糖质量浓度分别为0，30，60，90，120和150g／L，从
图中可以看出随着葡萄糖质量浓度的增加絮凝悬
浮液的表观黏度随之增大，虽然葡萄糖质量浓度的
变化范围很大。但对于一定生物量的絮凝悬浮液来
说其表观黏度的变化并不是很大，远不及生物量的
变化所引起的表观黏度的改变。
对实验数据分析拟合后结果如表2所示，同一
生物量下稠度系数k随着葡萄糖质量浓度的增加而
增加，流动行为指数n随着葡萄糖质量浓度的增加
变化很小。
言．芒毫)／魁摇
(B；量)，型嘏
万方数据
万方数据
万方数据
万方数据