真菌形態(tài)對于發(fā)酵液流變行為之影響

 

依據發(fā)酵液中的連續相（液態(tài)培養基）與非連續相（菌體）的差異，通常將發(fā)酵液的流變型態(tài)分為三大類(lèi)。在第一類(lèi)牛頓流體中，連續相與不連續相共同影響整個(gè)發(fā)酵液的流變行為，此類(lèi)以細菌與酵母菌為代表，因其菌體形態(tài)可視為微小的完整球體，較能適應具剪應力的流場(chǎng)，并隨著(zhù)菌體濃度增加，提高發(fā)酵液黏度。在第二類(lèi)非牛頓流體中，非連續相為整個(gè)發(fā)酵液變行為的主要因子，此類(lèi)發(fā)酵液的流變行為最為復雜，其原因來(lái)自菌體形態(tài)的差異（如絲狀真菌或放線(xiàn)菌） ，依據流變量測可分為Pseudoplastic 、Casson behavior 和Bingham plastic 非牛頓流體。第三類(lèi)非牛頓流體則是連續相扮演發(fā)酵液流變行為的重要角色，此類(lèi)以生產(chǎn)胞外多糖的微生物為代表。雖然這些非牛頓流體的方程式只有些許的差異，但是在發(fā)酵槽中的熱傳和質(zhì)傳表現則有顯著(zhù)的不同

 

當我們給予菌體懸浮培養液一剪應力時(shí)，產(chǎn)生摩擦（即能量耗損）流變行為于是開(kāi)始。能量損耗的機制包括：液體間的黏性摩擦、固液相間的摩擦，這其中牽涉菌絲的柔軟程度、形態(tài)與大小。菌體的有效形態(tài)大小、濃度及粒徑分布，在發(fā)酵液中所造成的固液相作用力，將消耗我們所提供的能量。有許多發(fā)酵液黏度與菌體濃度的相關(guān)方程式被提出來(lái)，但由于未將菌體形態(tài)大小考慮進(jìn)來(lái)，所以應用性不佳。值得注意的是通常這類(lèi)關(guān)系并不是線(xiàn)性的，當發(fā)酵液稀釋10~15% 時(shí)，整體黏度下降可能達50% 。

絲狀微生物發(fā)酵液的流變行為，相較于大部份單細胞細菌培養，其主要的差異在于形態(tài)上的多樣與復雜性。許多研究顯示當絲狀菌體濃度提升時(shí)，整體發(fā)酵液的黏度大幅提升，且流變特性為非牛頓流體，并有yield stress 發(fā)生。對一發(fā)酵設備而言，如何維持發(fā)酵液中良好的混合、質(zhì)傳和熱傳效果一直是相當重要的課題，而發(fā)酵液中的流變形為正是此研究的基礎關(guān)鍵。

 

菌絲球形態(tài)之真菌發(fā)酵液呈現低黏度與牛頓流體行為，基本上整體的流變行為較單純也比較容易控制。相反的，分散狀之絲狀真菌其流變行為就復雜多了。少量的分散絲狀菌體增加即表現出發(fā)酵液黏度快速攀升，甚至在發(fā)酵初期就有非牛頓流體現象發(fā)生。因此，研究發(fā)酵液的流變行為將有助于為日后放大規模預作準備