真菌形態(tài)對于發(fā)酵液流變行為之影響

 

依據(jù)發(fā)酵液中的連續(xù)相（液態(tài)培養(yǎng)基）與非連續(xù)相（菌體）的差異，通常將發(fā)酵液的流變型態(tài)分為三大類。在第一類牛頓流體中，連續(xù)相與不連續(xù)相共同影響整個發(fā)酵液的流變行為，此類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(yīng)具剪應(yīng)力的流場，并隨著菌體濃度增加，提高發(fā)酵液黏度。在第二類非牛頓流體中，非連續(xù)相為整個發(fā)酵液變行為的主要因子，此類發(fā)酵液的流變行為最為復(fù)雜，其原因來自菌體形態(tài)的差異（如絲狀真菌或放線菌） ，依據(jù)流變量測可分為Pseudoplastic 、Casson behavior 和Bingham plastic 非牛頓流體。第三類非牛頓流體則是連續(xù)相扮演發(fā)酵液流變行為的重要角色，此類以生產(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(xiàn)則有顯著的不同

 

當(dāng)我們給予菌體懸浮培養(yǎng)液一剪應(yīng)力時，產(chǎn)生摩擦（即能量耗損）流變行為于是開始。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，但由于未將菌體形態(tài)大小考慮進來，所以應(yīng)用性不佳。值得注意的是通常這類關(guān)系并不是線性的，當(dāng)發(fā)酵液稀釋10~15% 時，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(yǎng)，其主要的差異在于形態(tài)上的多樣與復(fù)雜性。許多研究顯示當(dāng)絲狀菌體濃度提升時，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(shè)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(dāng)重要的課題，而發(fā)酵液中的流變形為正是此研究的基礎(chǔ)關(guān)鍵。

 

菌絲球形態(tài)之真菌發(fā)酵液呈現(xiàn)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(fù)雜多了。少量的分散絲狀菌體增加即表現(xiàn)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(xiàn)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(guī)模預(yù)作準(zhǔn)備