真菌形態對于發酵液流變行為之影響

 

依據發酵液中的連續相（液態培養基）與非連續相（菌體）的差異，通常將發酵液的流變型態分為三大類。在第一類牛頓流體中，連續相與不連續相共同影響整個發酵液的流變行為，此類以細菌與酵母菌為代表，因其菌體形態可視為微小的完整球體，較能適應具剪應力的流場，并隨著菌體濃度增加，提高發酵液黏度。在第二類非牛頓流體中，非連續相為整個發酵液變行為的主要因子，此類發酵液的流變行為最為復雜，其原因來自菌體形態的差異（如絲狀真菌或放線菌） ，依據流變量測可分為Pseudoplastic 、Casson behavior 和Bingham plastic 非牛頓流體。第三類非牛頓流體則是連續相扮演發酵液流變行為的重要角色，此類以生產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，但是在發酵槽中的熱傳和質傳表現則有顯著的不同

 

當我們給予菌體懸浮培養液一剪應力時，產生摩擦（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、形態與大小。菌體的有效形態大小、濃度及粒徑分布，在發酵液中所造成的固液相作用力，將消耗我們所提供的能量。有許多發酵液黏度與菌體濃度的相關方程式被提出來，但由于未將菌體形態大小考慮進來，所以應用性不佳。值得注意的是通常這類關系并不是線性的，當發酵液稀釋10~15% 時，整體黏度下降可能達50% 。

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

 

菌絲球形態之真菌發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酵液黏度快速攀升，甚至在發酵初期就有非牛頓流體現象發生。因此，研究發酵液的流變行為將有助于為日后放大規模預作準備