蘇云金芽胞桿菌發(fā)酵液及其微濾濃縮液流變特性的研究

蘇云金芽胞桿菌發(fā)酵液及其微濾濃縮液流變特性的研究

sulidius細(xì)胞成像是世界上最大、最常用的微生物抑制劑。國內(nèi)外科研人員對(duì)蘇云金芽胞桿菌進(jìn)行了廣泛的研究,取得了較大進(jìn)展;但長(zhǎng)期以來,其研究工作一直側(cè)重于菌株選育、發(fā)酵技術(shù)、作用機(jī)理、防效改進(jìn)、基因工程菌構(gòu)建以及抗蟲轉(zhuǎn)基因植物研究等方面,而對(duì)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化和商品化的關(guān)鍵技術(shù)研究重視不夠。蘇云金芽胞桿菌的商品化制劑主要是通過液體深層發(fā)酵而得到的,而無論是生產(chǎn)高濃度的懸浮劑還是高效價(jià)的粉劑,都需要先經(jīng)過濃縮處理。目前,我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(duì)于發(fā)酵液及其濃縮液的流變特性缺乏研究。流變特性作為流體的一種特性對(duì)于工程應(yīng)用有十分重要的參考價(jià)值,尤其是在用于工業(yè)設(shè)計(jì)和單元操作上,有助于對(duì)傳質(zhì)、傳熱機(jī)理的理解,是工藝設(shè)備設(shè)計(jì)、選型的重要參數(shù)之一。近年來,流變學(xué)和應(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(bào)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(dòng)力學(xué)時(shí),利用在線測(cè)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(cè)量系統(tǒng)的基線漂移。本研究采用L-90型流變儀對(duì)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(cè)試,所得結(jié)果將為蘇云金芽胞桿菌發(fā)酵液的后處理工藝提供理論依據(jù)。1材料和方法1.1材料、儀器和儀器蘇云金芽胞桿菌芽胞發(fā)酵液:由微生物農(nóng)藥國家工程研究中心提供。儀器:L-90流變儀,同濟(jì)大學(xué)電機(jī)廠生產(chǎn);SJM-IM無機(jī)陶瓷膜過濾設(shè)備,合肥世杰膜工程有限責(zé)任公司生產(chǎn)。1.2微濾濃縮液的濃縮采用無機(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,其濃度(固含量)分別為49.7,58.5,67.3,76.1,84.9g/L。1.3剪切應(yīng)力的測(cè)定分別在15,20,25,30,35,40,45,50℃測(cè)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(剪切速率γ為361～3610s-1)的剪切應(yīng)力。1.4蘇云金芽胞桿菌回復(fù)突變曲線1)濃縮倍數(shù)N=發(fā)酵液體積/濃縮液體積2)流變特性物質(zhì)的流變特性可以采用剪切應(yīng)力τ與剪切速率γ的流變曲線來表示。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:式中K為稠度系數(shù);n為流變指數(shù)。溫度對(duì)稠度系數(shù)的影響可以用Arrhenius方程來描述,即:式中K為稠度系數(shù),Ea為流動(dòng)活化能(J/mol),K0為常數(shù)(Pa·s),R為通用氣體常數(shù)(8.314J/mol·K),T為Kelvin溫度。濃度對(duì)流變特性參數(shù)的影響有可以采用對(duì)數(shù)模型來表示:式中a、b為常數(shù),C為濃度,其中式(3)應(yīng)用最為廣泛,它可被用來表示黏度、表觀黏度、稠度系數(shù)、流變指數(shù)與濃度的關(guān)系。2結(jié)果與討論2.1發(fā)酵液流變指數(shù)n在不同溫度下對(duì)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(cè)定,圖1給出了30℃下發(fā)酵液及其不同濃度濃縮液的τ～γ曲線,圖2則為微濾濃縮液(84.9g/L)在不同溫度下的τ～γ曲線。采用冪律方程τ=Kγn對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸,所得結(jié)果如表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。由表1可知,微濾濃縮液的流變指數(shù)n值在0.7347～0.9247之間變化,發(fā)酵液的流變指數(shù)n值在0.9325～0.9748之間變化。由此可知,發(fā)酵液為擬塑性流體,但其牛頓性較強(qiáng)。隨著濃縮倍數(shù)的增加,其n值降低,非牛頓性增強(qiáng)。2.2濃度對(duì)發(fā)酵液及其微濾濃縮液持水性的影響稠度系數(shù)n與溫度的關(guān)系如圖3所示,發(fā)酵液及其微濾濃縮液的稠度系數(shù)K在0.002～0.065之間變化,并且隨著溫度的上升而降低。InK與1000/T呈線性關(guān)系,表明稠度系數(shù)與溫度的關(guān)系可以用Arrhenius方程式(2)來表示,不同濃度下的方程參數(shù)見表2,可以看出,隨著濃度的增大,K0值增加,而流動(dòng)活化能Ea值變化不大。這說明濃度對(duì)稠度系數(shù)K的影響較為顯著,而且溫度和濃度對(duì)稠度系數(shù)K的影響基本上是獨(dú)立的。發(fā)酵液及其微濾濃縮液的稠度系數(shù)K在0.001～0.065之間變化,并且隨著濃度的升高而迅速上升。InK與C2呈線性關(guān)系,正如Velez和Barbosa所認(rèn)為的,與黏度相似,稠度系數(shù)K值與濃度的關(guān)系符合式(3),不同溫度下的方程參數(shù)見表3。由表3還可以看出,隨著溫度的上升,a值下降,這說明濃度對(duì)K值的影響程度越來越不顯著,從而表明較低溫度的發(fā)酵液及其微濾濃縮液的表觀粘度對(duì)濃度變化更為敏感;b值保持不變,這說明濃度對(duì)K值的影響的顯著程度不隨溫度的改變而發(fā)生明顯的變化,從而表明濃度對(duì)較高溫度和較低溫度的發(fā)酵液及其微濾濃縮液的表觀粘度有同樣顯著的影響。2.3溫度和溫度在不同溫度下發(fā)酵液及其微濾濃縮液流變指數(shù)n的變化曲線如圖4。流變指數(shù)n值隨著濃度的上升而下降,擬塑性增強(qiáng),而隨著溫度的升高,流變指數(shù)n值大致呈上升趨勢(shì),但變化幅度較小。相對(duì)而言,溫度對(duì)流變指數(shù)n值的影響比濃度的影響要小得多,因此可以采用不同溫度下的流變指數(shù)的平均值來表示發(fā)酵液及其微濾濃縮液的流變指數(shù),可采用式(4)來表示流變指數(shù)平均值nave與濃度的關(guān)系:3溫度對(duì)芽孢桿菌k值的影響在試驗(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,其流變指數(shù)n隨著濃縮倍數(shù)的增加而減小,擬塑性增強(qiáng);而隨著溫度的升高只微有上升,故可用不同溫度下的平均值來表示:nave=1.35exp(-0.0067C)。其稠度系數(shù)K值則隨溫度的升高而降低,隨濃度的升高而迅速上升。試驗(yàn)中,蘇云金芽胞桿菌發(fā)酵液及其微濾濃縮液的稠度系數(shù)的自然對(duì)數(shù)InK與溫度T的分式1000/T呈線性關(guān)系,表明稠度系數(shù)與溫度的關(guān)系可以用Arrhenius方程K=K0exp(Ea/RT)表示,隨