真菌形态对于发酵液流变行为之影响

 

依据发酵液中的连续相（液态培养基）与非连续相（菌体）的差异，通常将发酵液的流变型态分为三大类。在第一类牛顿流体中，连续相与不连续相共同影响整个发酵液的流变行为，此类以细菌与酵母菌为代表，因其菌体形态可视为微小的完整球体，较能适应具剪应力的流场，并随着菌体浓度增加，提高发酵液黏度。在第二类非牛顿流体中，非连续相为整个发酵液变行为的主要因子，此类发酵液的流变行为最为复杂，其原因来自菌体形态的差异（如丝状真菌或放线菌） ，依据流变量测可分为Pseudoplastic 、Casson behavior 和Bingham plastic 非牛顿流体。第三类非牛顿流体则是连续相扮演发酵液流变行为的重要角色，此类以生产胞外多糖的微生物为代表。虽然这些非牛顿流体的方程式只有些许的差异，但是在发酵槽中的热传和质传表现则有显著的不同

 

当我们给予菌体悬浮培养液一剪应力时，产生摩擦（即能量耗损）流变行为于是开始。能量损耗的机制包括：液体间的黏性摩擦、固液相间的摩擦，这其中牵涉菌丝的柔软程度、形态与大小。菌体的有效形态大小、浓度及粒径分布，在发酵液中所造成的固液相作用力，将消耗我们所提供的能量。有许多发酵液黏度与菌体浓度的相关方程式被提出来，但由于未将菌体形态大小考虑进来，所以应用性不佳。值得注意的是通常这类关系并不是线性的，当发酵液稀释10~15% 时，整体黏度下降可能达50% 。

丝状微生物发酵液的流变行为，相较于大部份单细胞细菌培养，其主要的差异在于形态上的多样与复杂性。许多研究显示当丝状菌体浓度提升时，整体发酵液的黏度大幅提升，且流变特性为非牛顿流体，并有yield stress 发生。对一发酵设备而言，如何维持发酵液中良好的混合、质传和热传效果一直是相当重要的课题，而发酵液中的流变形为正是此研究的基础关键。

 

菌丝球形态之真菌发酵液呈现低黏度与牛顿流体行为，基本上整体的流变行为较单纯也比较容易控制。相反的，分散状之丝状真菌其流变行为就复杂多了。少量的分散丝状菌体增加即表现出发酵液黏度快速攀升，甚至在发酵初期就有非牛顿流体现象发生。因此，研究发酵液的流变行为将有助于为日后放大规模预作准备