黄原胶的发酵生产工艺的制作方法

专利名称：黄原胶的发酵生产工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微生物胞外多糖的微生物发酵过程，具体的说本发明涉及一种黄原胶的发酵生产工艺。
背景技术：
黄原胶(Xanthan gum)，又称黄胶、汉生胶、黄单细胞多糖，是野油菜黄单胞杆菌(Xanthomonas campestris)以碳水化合物为主要原料，经发酵工程生产的一种用途广泛的微生物胞外多糖，简称XC。由于黄原胶具有良好的溶解性、增粘性、稳定性，并能耐酸碱、高盐环境、抗高温、低温冷冻、易生物降解，抗污染能力强，同时具有良好的兼容性和分散作用，是一种在石油工业中宽裂缝压裂工艺采油理想的“流变控制液”。黄原胶可广泛用于食品、石油、陶瓷、纺织、印染、医药、造纸、涂料、化妆品等20多个行业，是目前世界上生产规模最大且用途广泛的微生物多糖。
黄原胶是50年代美国农业部北部地区研究所(NRRL)首先发现。1969年Kelco公司得到美国食品和药物管理局(FDA)的认可，开始出售食品级黄原胶。之后，日本、丹麦、英国、荷兰、西班牙、加拿大、法国、瑞典、比利时等国相继批准使用。1983年世界卫生组织和世界粮农组织(FAO/WHO)批准黄原胶作为食品添加剂，并在1986年公布了黄原胶作为食品添加剂的质量标准。从此，黄原胶开始在世界范围内得到广泛的发展和应用，2000年世界黄原胶的产量达到100万吨，现在全球对黄原胶的需求以5-7％的速度增长。在我国，1988年8月卫生部批准了食品级黄原胶的卫生标准，并被列入食品添加剂名单(GB 2760-86食品添加剂使用卫生标准(1988年增补品种))。我国仅在食品工业年需求4000吨，并以每年8％速度递增。当前，高新技术突飞猛进，尤其生物工程的大发展，对黄原胶的发展起了重大的推动作用，生物工程中的许多高新技术闯入黄原胶的研制和生产领域，特别是基因工程技术、膜分离技术等，使得黄原胶产率提高，质量改进，成本降低。随着国外黄原胶生产厂家的增加，竞争日趋激烈，一般规模在2000t/a以上，有的达万吨。
目前，黄原胶的生产工艺主要是利用微生物发酵的方式，主要包括种子培养、菌种发酵、以及发酵液后处理等一系列过程获得黄原胶，其中关键的发酵步骤中主要以玉米淀粉为碳源，也有采用蔗糖为碳源的。在我国北方广大区域，主要以玉米淀粉发酵为主，工业化生产方面成本较高。虽然已知黄原胶具有很多其它多糖所不具有的优良特点，但是目前，由于受原材料和工艺的限制，黄原胶生产成本高居不下，产品一直不能长期供应，限制了黄原胶的广泛应用，因此，如何进一步降低生产成本，进行大规模生产，成为黄原胶生产，尤其是广泛推广使用的关键技术。
甜菜是一种三年生异花授粉作物，而甜菜糖蜜是制糖工业中的糖液废蜜，在我国来源丰富、价格便宜，其主要成分是含蔗糖52-62％，胶体8.5-10％，碳酸灰分7-8％，总氮1.9-2.1％，是一种营养丰富的微生物发酵原料，目前，全国食糖总量850万吨，制糖期糖量为870万吨。甜菜的生产在我国以东北、西北、华北地区为主，种植面积广，产量丰富，以新疆为例，甜菜是新疆三高产业之一，种植面积增到127万亩，亩产高达2吨，甜菜产量三百多万吨，产生废糖蜜约18万吨，除14万吨左右用于生产酒精、谷氨酸外，还有约4万吨白白流掉，既浪费了资源又污染了环境，并且其主要产品酒精、谷氨酸亦趋饱和，因此糖蜜的再利用也是刻不容缓的问题。

发明内容
针对上述问题，本发明的主要目的之一在于提供一种利用甜菜糖蜜培养基发酵生产黄原胶的工艺，通过原料的综合利用达到降低成本、节约资源、减少环境污染的目的。
本发明提供的黄原胶生产工艺，其包括A1.1781野油菜黄单胞杆菌(Xanthomonas campestris)种子培养步骤；B利用甜菜糖蜜为主要原料的甜菜糖蜜培养基，以1.1781野油菜黄单胞杆菌种子进行发酵的步骤；C利用发酵液后处理工艺获得黄原胶；其中步骤A所述的种子培养步骤中发酵温度为20℃-35℃，搅拌速率为200-300rpm，通气量0.8-0.9v/v/m，种子检查标准为镜检无杂菌，无荚膜，菌种粗壮数量多；步骤B中接种量为1％-15％，温度为20℃-35℃，通气量为0.6-1.0v/v/m，当镜检菌体老化、分裂、变小，发酵时液粘稠，还原糖1.0以下，粘度不再增加时发酵结束。
本发明利用甜菜糖蜜为主要原料制备发酵培养基，适用于1.1781野油菜黄单胞杆菌发酵生产黄原胶，所用1.1781野油菜黄单胞杆菌(Xanthomonas campestris)属于黄单胞菌属，可购自中国微生物菌种管理委员会普通微生物菌种保藏中心。利用本发明的发酵工艺获得的黄原胶不仅具有现有黄原胶的特点和优点，而且质量达到国家优质标准(GB13886-92黄原胶产品品质标准和GB2760-1996食品添加剂使用卫生标准)，可广泛应用于国民经济各领域。因而可将甜菜糖蜜作为玉米淀粉、蔗糖的一种替代品，这不仅可以避免因用玉米淀粉、蔗糖为碳源发酵生产黄原胶而引起的原材料消耗，生产成本高等问题，还可以变废为宝，节约大量的资金和粮食，从而达到降低成本、节约资源、减少环境污染的目的，为我国黄原胶生产技术的完善发展提供了一条新的途径。
在上述黄原胶的发酵生产工艺中，以1.1781野油菜黄单胞杆菌种子进行发酵的工艺控制是本发明一个关键步骤。本发明经过长期反复研究和实验，确定发酵步骤中优选接种量约为1％-15％，温度约为25℃-35℃，通气量约为0.6-1.0v/v/m，当镜检菌体老化、分裂、变小，发酵时液粘稠，还原糖1.0以下，粘度不再增加时发酵结束。更优选发酵温度约为25-35℃，通气量约为0.8-0.9v/v/m，搅拌转速约为100-400rpm，通常发酵时间约为50-80小时。
本发明在摇瓶发酵试验基础上进行小型试验，并且研究了5升搅拌式通气发酵缸的工艺条件，确定其优选条件如下发酵温度约为30℃，搅拌速率约为300rpm，通气量约0.9v/v/m，发酵约54-56小时，黄原胶产量约为26-28g/L，对蔗糖转化率约为69-73％。更值得一提的是，本发明在种子罐(100升)发酵试验的基础上，进行了2300升搅拌式通气发酵中试试验，最终确定其优选条件如下装积容量约60％，发酵温度约为30℃，搅拌速率约为300rpm，通气量约0.9v/v/m，发酵约52-58小时，黄原胶产量23g/L以上，对蔗糖转化率65％以上。
本发明步骤B的发酵步骤中的甜菜糖蜜培养基的成份和含量也是发酵过程的一个重要参数，发明人通过大量的实验，研究了糖蜜浓度、pH等因素对黄原胶产量的影响，从而确立了甜菜糖蜜培养基的优选成份和含量，其中甜菜糖蜜培养基中含有的糖蜜折合蔗糖约25-60g/L，培养基pH约为6-8，更优选甜菜培养基中含有的糖蜜折合蔗糖约38-53g/L，pH约为7。另外，发明人还研究了不同氮源对黄原胶产量的影响，并在此基础上，根据原料转化率和黄原胶产量，折算黄原胶原料成本的方式，提出两种甜菜糖蜜培养基配方，供实际生产使用，产量可采用发酵液薄膜浓缩(约5-12％)后直接计算。其中为一种糖蜜培养基(配方一)含有糖蜜(糖分60％)约60-80g/L，尿素约0.5-1.5g/L，K2HPO4约0.5-1.5g/L，更优选糖蜜约80g/L，尿素约1g/L，K2HPO4约1g/L，中试平均结果为黄原胶产量约22g/L，转化率约为62.8％，折算黄原胶原料成本约为2160元/吨，该配方虽然原料转化率、黄原胶产量略低，但生产原料成本明显降低；另一种糖蜜培养基(配方二)含有糖蜜折合蔗糖约60-80g/L，酵母膏约2-4g/L，K2HPO4约0.5-1.5g/L，MgSO4·7H2O约0.1-1g/L，更优选为糖蜜约80g/L，酵母膏约3g/L，K2HPO4约1g/L，MgSO4·7H2O约0.2g/L，黄原胶产量约为25.6g/L，转化率约68.3％，折算黄原胶原料成本约为5160元/吨，该配方中原料转化率、黄原胶产量都较高，但生产原料成本明显升高，因此，在实际生产过程中应该根据不同的黄原胶使用用途，确定不同的生产工艺方法，以求最大的经济效益。本发明进一步在单因子试验确定的最适氮、无机盐及浓度范围基础上，通过正交实验法选择出最佳培养基配方，最佳配方如下含有糖蜜约70g/L；酵母膏约3g/L；K2HPO4约1g/L；pH约7.0；并在约30℃的温度进行发酵。
在本发明的黄原胶生产工艺中，步骤A的菌种培养是另一关键步骤，可以利用本领域已知的斜面母种培养、摇瓶种子培养、种子罐培养等一系列的级联放大过程，获得所需的种子液。发明人通过反复试验，确定步骤A所述的种子培养步骤中发酵温度为20℃-35℃，搅拌速率为200-300rpm，通气量0.8-0.9v/v/m，种子检查标准为镜检无杂菌，无荚膜，菌种粗壮数量多。在种子培养过程中，可以根据发酵规模不同，采用不同的级联放大过程，例如进行大规模发酵，可以在斜面种子培养、摇瓶培养、一级种子发酵的基础上，增加二级种子发酵，其培养基可以使用一级种子发酵培养基，为了节省培养基的原料成本，也可以采用甜菜糖蜜为主要原料的甜菜糖蜜培养基，例如糖蜜约50-80g/L，蔗糖约5-15g/L，酵母膏约2-4g/L，K2HPO4约0.5-2.5g/L，MgSO4·7H2O约0.1-1g/L，pH约6-8；对于二级种子发酵，种子检查标准同样为镜检无杂菌，无荚膜，菌种粗壮数量多，一般发酵16-18小时，即可。
在本发明的黄原胶生产工艺中，甜菜糖蜜培养基中的甜菜糖蜜可以不经过任何预处理，直接使用；优选经过如下方法预处理，经处理后对于相同的培养基和发酵条件，处理后黄原胶产量比处理前高约0.5-1.8g/L。具体方法如下调pH约4.0加热煮沸约10分钟，温度降至约70-80℃时中和至pH约7.0过滤。
可以利用本发明的生产工艺，也就是经过包括前述步骤A种子培养步骤；和步骤B种子发酵步骤后得到的发酵液；和步骤C发酵液后处理工艺，获得黄原胶；其中步骤C所涉及的发酵液后提取工艺可以使用本领域技术人员熟知技术，例如季胺盐-甲醇法，或本发明实施方式提供的KCl溶解、酒精沉淀、酒精洗脱、烘干等一系列方法获得本发明的优质黄原胶。也可以将按照本发明生产工艺获得的黄原胶发酵液薄膜浓缩后直接使用。尤其在石油工业中，根据石油行业的使用特点，采用发酵液薄膜浓缩后直接使用，满足采油中堵井、修井、压裂使用，大大降低黄原胶生产成本。优选采用发酵液薄膜浓缩5-12％后直接使用。
在本发明的一个具体实施方式
中，黄原胶生产工艺包括A1.1781野油菜黄单胞杆菌种子培养步骤；B利用甜菜糖蜜为主要原料的甜菜糖蜜培养基，以1.1781野油菜黄单胞杆菌种子进行发酵的步骤；C利用发酵液薄膜浓缩工艺获得黄原胶；步骤A中所述的种子培养步骤中的发酵温度为20℃-35℃，搅拌速率为200-300rpm，通气量0.8-0.9v/v/m，种子检查标准为镜检无杂菌，无荚膜，菌种粗壮数量多；并且种子培养经过二级种子培养，其培养基为糖蜜50-80g/L，蔗糖5-15g/L，酵母膏2-4g/L，K2HPO40.5-2.5g/L，MgSO4·7H2O 0.1-1g/L，pH6-8；二级种子发酵时间为16-18小时；步骤B中接种量为1％-15％，温度为20℃-35℃，通气量为0.8-0.9v/v/m，搅拌转速为100-400rpm，发酵时间为50-60小时，培养基含有的糖蜜折合蔗糖25-60g/L，pH＝7。
有益效果本发明利用甜菜糖蜜为主要原料的甜菜糖蜜培养基，以1.1781野油菜黄单胞杆菌发酵，并利用发酵液后处理工艺获得黄原胶，因而可将甜菜糖蜜作为玉米淀粉、蔗糖的一种替代品，这不仅可以避免因用玉米淀粉、蔗糖为碳源发酵生产黄原胶而引起的原材料消耗，生产成本高等问题，还可以变废为宝，节约大量的资金和粮食，达到降低成本的目的，同时解决了废糖蜜的再利用问题，达到减少环境污染的目的，为我国黄原胶生产技术的完善发展提供了一条新的途径。利用本发明的发酵工艺获得的黄原胶不仅具有现有黄原胶的特点和优点，而且质量达到国家优质标准。
本发明根据原料的筛选和菌种培养，通过进一步对黄原胶发酵菌株发酵工艺条件优化和控制，与以淀粉为原料生产黄原胶的工艺相比，具有发酵时间短，转化率高，成本明显降低的优点。本发明以甜菜糖蜜为原料甜菜糖蜜培养基，利用1.1781野油菜黄单胞杆菌发酵进行黄原胶生产，其技术指标如表1所示

生产一吨黄原胶物料消耗及原料成本配方一

合计2156.8元配方二

合计 5161元如上所述，生产每吨黄原胶约需甜菜糖蜜约4.5吨，按每吨约350元计算，约合人民币1365元左右，成本市场价格比较低；而从发酵时间来看，由于用淀粉为原料生产黄原胶需要经过水解，是多糖，而甜菜糖蜜是双糖，不需要水解时间，这样以甜菜糖蜜为原料生产黄原胶发酵时间需要54小时，用以淀粉为原料生产黄原胶发酵时间需要近80小时，缩短发酵时间近三分之一，从而降低生产成本，可见用甜菜废糖蜜生产黄原胶生产工艺具有良好的市场前景和优势。
为了更清楚地理解本发明的实质，现参照下列附图和实施例对其进行解释。附图和实施例是为了说明本发明，而不以任何方式限制本发明。


图1显示黄原胶具体生产工艺流程图。
图2为聚合物粘浓关系曲线。
图3为聚合物在NaCl溶液中粘度变化曲线。
图4为聚合物在CaCl2溶液中粘度变化曲线。
图5为聚合物在盐溶液中粘度变化曲线。
图6为聚合物对温度的敏感性。
图7为聚合物溶液剪切速率与粘度的变化曲线。
具体实施例方式
请参阅图1，图1为本发明的一种黄原胶具体生产工艺，主要包括菌种扩大培养，种子液发酵培养和发酵液后提取步骤。其中菌种培养步骤，是本发明一个关键步骤，可以利用本领域已知的斜面母种、摇瓶种子、种子罐等一系列的级联放大过程，获得所需的种子液，种子检查标准为镜检无杂菌，无荚膜，菌种粗壮数量多；发酵培养阶段，是本发明另一个关键步骤，本发明通过选择甜菜为主要原料的甜菜培养基，利用1.1781野油菜黄单胞杆菌种子进行发酵，经过发酵液后处理工艺，获得了低成本的黄原胶，达到降低成本，减少环境污染的目的。本发明在培养基原料筛选的基础上，又进一步对发酵菌株发酵工艺条件优化和控制，达到发酵时间短、转化率高、成本明显降低的目的；发酵液后提取步骤可以采用本领域熟知的方法，经过乙醇或季铵盐沉淀、洗涤、干燥粉碎或浓缩等一系列本领域熟知技术，获得工业成品。本领域人员已知，图1只是对本发明的整体方案的具体示例，并不以任何方式限定本发明。
需要说明的是本发明的培养基配方中糖蜜的用量可以折算为蔗糖含量，也可以直接采用糖蜜来记载，不同产地的甜菜糖蜜中蔗糖的含量不完全相同，但是都可以测出，当采用糖蜜用量表示时，带入培养基中的蔗糖量可以通过该糖蜜中的蔗糖含量来折算。反之也是一样。无论采用哪种方式，都应视为清楚的。
实施例1 利用甜菜糖蜜生产黄原胶生产工艺步骤1.菌种1.1781野油菜黄单胞杆菌(Xanthomonas campestris)，商品名1.1781野油菜黄单胞杆菌，购自中国微生物菌种管理委员会普通微生物菌种保藏中心，北京，中国。
2.培养基甜菜糖蜜来自新疆石河子糖厂，主要成份蔗糖54-55％，总氢1.9-2.1％，胶体9.5-11％，碳酸灰分7.8-8.1％，pH7.3-7.4。
甜菜糖蜜预处理用碳酸钠调pH约4.0，加热煮沸10分钟，温度降至约70-80℃时加入碳酸钠中和至pH7.0，过滤。
(1)斜面培养基(100ml)蔗糖1g；蛋白胨0.2g；牛肉膏0.1g；酵母膏0.3g；琼脂2.0g；pH7.0；1.0kg/cm2灭菌30分钟。
(2)一级种子，使用茄氏瓶培养(100ml)蔗糖2.0g；蛋白胨0.2g；酵母膏0.3g；K2HPO40.1g；琼脂2.0g；pH7.0。
(3)二级种子(100升罐)甜菜糖蜜(未处理)60g/L；蔗糖10g/L；酵母膏3g/L；K2HPO41g/L；MgSO4·7H2O0.2g/L；pH7.0。
(4)中试发酵培养基甜菜糖蜜70g/L；酵母粉3g/L；K2HPO41g/L；MgSO4·7H2O0.2g/L；消泡剂1g/L；pH7.0。
3.培养条件(1)斜面种子茄氏瓶种子，30℃培养48小时。
(2)二级种子100升发酵罐，装量60％，能风量0.8-0.9(v/v/m)，罐压1kg/cm2，搅拌速度200rpm，30℃培养16-18小时。
(3)中试发酵2300升通风搅拌发酵罐，高∶直径＝2∶1，装量60％，通气量0.8(v/v/m)，罐压1kg/cm2，搅拌速度200rpm，30℃发酵56-80小时。
4.发酵过程检查(1)种子检查镜检无杂菌，无荚膜，菌种粗壮数量多。
(2)发酵液镜检菌体老化、分裂、变小，发酵时液粘稠，测还原糖1.0以下，粘度不再增加。
5.仪器设备摇床THZ-03型台式恒温振荡器5升罐瑞士贝朗-05型自动玻璃发酵罐种子罐、发酵罐为不锈钢搅拌通风式发酵罐6.测定方法(1)粘度测定NDT-79型粘度汁，用甘油校对，25℃。
(2)黄原胶含量测定发酵时液稀释5倍，加1％KCl，溶解后加入2倍体积95％的酒精，使黄原胶沉淀，去除上清液，沉淀再用95％酒精洗脱，60℃烘干，称干重。
(3)残糖测定菲林试剂法(4)pH值METTLER TOLEDO pH2100计测定产品符合GB13886-92黄原胶产品品质标准和GB2760-1996食品添加剂使用卫生标准。
实施例25升自动玻璃发酵罐试验在摇瓶发酵试验基础上用瑞士贝朗-05型自动玻璃发酵罐进行了通气量试验，转速300rpm。(5批平均值)参见表2 由表中可以看出，黄原胶发酵最适通气量约为0.8-1.0v/v/m，进一步试验可确定在0.8-0.9v/v/m。
实施例3中间发酵实验在种子罐(100升)发酵试验的基础上进行2300升发酵罐扩大试验，共进行6批次试验如表3

结果表明在适宜的培养条件下，1.1781野油菜黄单胞杆菌利用甜菜糖蜜不经处理直接发酵54小时，黄原胶产量达25.6g，转化率68.3％。
实施例4不同氮源对黄原胶发酵的影响以6％的糖蜜为碳源，加入不同氮源对黄原胶发酵的影响，结果如表4

从表中可以看出，酵母膏对黄原胶产量有很明显的作用，浓度可以2-4g/L为好，糖蜜本身含有的氮，也能被利用一部分。
实施例5无机盐对黄原胶发酵的影响以70g/L的糖蜜为碳源，以3g/L的酵母膏为氮源，加入各种无机盐看其对黄原胶发酵的影响，结果如表5

从表中可以看出，K2HPO4、MgSO4·7H2O对黄原胶产量有较明显的作用，KH2PO4有一定抑制作用。
实施例6发酵液pH对黄原胶产量的影响糖蜜70g/L；酵母粉3g/L；K2HPO41g/L；MgSO4·7H2O0.2g/L；调不同pH值对产量影响如下表6L27(3)13正交表

试验结果，参见表7

试验结果为100g发酵液中黄原胶产量，参见表8

从表中可以看出，当pH＜6或pH＞8时，黄原胶产量急剧降低，以pH约7.0为最佳。
实施例7最佳发酵培养基的选择单因子试验确定了最适氮、无机盐及浓度范围，在此基础上，通过正交实验法选择最佳碳氮比，pH及无机盐，用量比对5个因素考查，糖蜜浓度A，酵母膏浓度B，K2HpO4浓度C，pH值D，温度E，每个因素取3个水平，考虑因素之间相互作用A×B，因此选用正交表(正交试验法，北京大学数学组，1975)L27(3)13安排实验。
黄原胶在各因素水平下的数据之和及均值，参见表9

方差分析表，参见表10

由表7试验结果看出，最好的组合为A3B2C2D2E1，A2B2C3D4E2，黄原胶产量分别为27.8g/L和27.1g/L。由表9可以看出最佳组合为A2B2D2E2本组合并未在表7的27组实验中出现，而是通过方差分析所得，因此用这一组合较好的15组，23组比较实验结果。
重复比较试验结果，参见表11

由上表说明糖蜜约70g/L；酵母粉约3g/L；K2HPO4约1g/L；pH约7.0；温度约30℃，是最佳的培养基。
实施例8生产配方的研究根据石油行业使用特点，为满足采油中堵井、修井、压裂使用，大大降低黄原胶生产成本。目前国内外都有将发酵液薄膜浓缩(5-12％)后直接使用的报导。据此本发明进行了生产配方的研究选择，其中一个较好的配方(配方一)是糖蜜约80g/L，尿素约1g/L，K2HpO4约1g/L；中试平均结果为黄原胶产量约22g/L，转化率约为62.8％，折算黄原胶原料成本约为2160元/吨。
中试黄原胶配方(配方二)糖蜜约80g/L，酵母膏约3g/L，K2HPO4约1g/L，MgSO4·7H2O约0.2g/L；黄原胶产量约为25.6g/L，转化率68.3％，折算黄原胶原料成本为5130元/吨黄原胶。
上述两个配方可以看出，配方一虽然原料转化率和黄原胶产量略低，但生产原料成本明显降低；而配方二中原料转化率和黄原胶产量都较高，但生产原料成本明显升高，在实际生产过程中应根据不同的黄原胶使用用途，确定不同的培养基配方，以求得最大的经济效益。
实施例9黄原胶评价试验1. 样品名称与材料XC1采用本发明生产工艺，获得的黄原胶，发酵液约2.2％XC2采用本发明生产工艺，获得的黄原胶，发酵液约2.1％XC3Flocon4800，黄原胶浓缩发酵液约12.3％XC4科达、黄原胶发酵液约1.709％、1500PPM64.4C43CPXC5科达、黄原胶发酵液约1.700％、1500PPM64.12CXC6新河、黄原胶发酵液约2.2％HPAM1大连1020万聚丙烯酰胺HPAM2抚顺500-600万聚丙烯酰胺HPAM3美国FLOAAM2330S 1000万聚丙烯酰胺氯化钠分析纯氯化钙分析纯水一次蒸馏水2.仪器RV-100粘度计Brookfieid粘度计UL转子过滤因子测定装置(滤膜孔径1.2μm)筛网系数粘度计
3.试验结果3.1 聚合物的增粘性聚丙烯酰胺和黄原胶在水溶液中均有良好的增粘性，这从试验结果图2可以看出，图2为8种聚合物在水溶液中的增粘效果比较图，其中，HPAM1、HPAM2和HPAM3为工业产品(粉末状)；XC1、XC4、XC5为黄原胶粘稠发酵液；XC3和XC6为黄原胶深缩液，从试验中看出8种聚合物在水溶液中的增粘性顺序如下HPAM1＞XC1＞HPAM3＞XC3＞HPAM2＞XC6＞XC5＞XC46种黄原胶在水溶液中的增粘效果最好的是本发明的产品XC1，它在水溶液中的增粘性和高分子量的聚丙烯胺相差无几，并且较其他产品有明显的优势。
3.2 聚合物的耐盐性黄原胶具有良好的耐盐性，这是相对于部分水解聚丙烯酰胺的最突出的优点，下面我们将分别讨论在NaCl溶液中、CaCl2溶液中、盐溶液中聚合物的增粘性。
3.2.1 聚合物在NaCl水溶液中的增粘效果如图3所示，其中，聚合物溶液均为2000mg/L。从图3中看出，3种聚丙烯酰胺溶液随体系中NaCl浓度的增加，基粘度值逐渐下降；而6种黄原胶在NaCl溶液中粘度值非常稳定，它们的粘度值与体系中的NaCl浓度大小无关，它们在NaCl水溶液中的增粘性顺序如下XC1＞XC2＞XC3＞XC5＞XC4＞XC6。6种黄原胶在NaCl水溶液中增粘效果最好的是本发明的产品XC1、XC2。
3.2.2 聚合物CaCl2溶液中的增粘效果如图4所示。其中，聚合物浓度均为2000mg/L，从图中看出，3种聚丙烯酰胺溶液随体系中CaCl2浓度的增加，其粘度值急剧下降；而种黄原胶在CaCl2溶液中粘度值比较稳定，它们的粘度值与体系中的CaCl2浓度大小基本无关，比较特殊的是本发明的产品XC1、XC2，它们在CaCl2浓度比较低时(≤100mg/L)，其粘度值受CaCl2浓度的影响比较大，当CaCl2浓度大于100mg/L时，它们的粘度值与体系中的CaCl2浓度大小无关，它们在CaCl2水溶液中的增粘性顺序如下XC1＞XC2＞XC3＞XC5＞XC4＞XC6。6种黄原胶在CaCl2水溶液中增粘性增粘效果最好的是本发明产品XC1、XC2。
3.2.3 聚合物在盐溶液中的增粘性5种黄原胶在盐溶液中的增粘效果如图5所示，其中NaCl浓度1000mg/L，CaCl2浓度为150mg/L。与图书馆结果相比较，5种黄原胶在盐溶中的增粘性与它们在水溶液中的增粘性，以及粘度变化趋势基本一致，由此试验说明，黄原胶具有非常好的抗盐性能(其中包括一价离子和二价离子)。
3.3 生物聚合物对温度的敏感性图6为3种黄原胶的粘——温关系曲线，XC11、XC21、XC31为黄原胶在盐溶液(NaCl浓度为1000mg/L，CaCl2浓度为150mg/L)中的粘——温关系曲线，其中，黄原胶浓度均为2000mg/L，从图6中看出随着温度的升高，本发明XC1、XC2对温度的变化不太敏感，并且深夜中的矿化度在其中对它们也无明显的影响；Flocon4800对温度的变化比较敏感，随着温度的升高，其粘度值呈线性下降，说明它对温度较为敏感。
3.4 生物聚合物的流变性黄原胶有较大的剪切变稀性能，但这与聚丙烯酰胺剪切变稀不一致，聚丙烯酰胺是由于分子受剪切应力的作用产生降解，粘度的降低与回升是不可逆的，黄原胶分子具有刚性，在剪切应力作用下产生螺旋结构的释放，即从有序到无序的转变，当剪切应力停止作用时，它又从无序到有序的转变，是一种可逆的现象，不会造成分子的降解。图7为3种黄原胶的流变曲线图，其中XC1、XC2、XC3为黄原胶在水溶液中的流变曲线，XC11、XC21为黄原胶在盐溶液(NaCl浓度为1000mg/L，CaCl2浓度为150mg/L)中的流变曲线，其中，黄原胶浓度均为2000mg/L，我们从图7中看出随着剪切速率的提高，其溶液的粘度逐渐降低，本发明XC1、XC2粘度下降幅度大于Flocon4800粘度下降幅度，这种抗机械降解和剪切变稀性在实际应用中有十分重要的意义。
3.5 生物聚合物过滤因子及筛网系数的测定由过滤因子测定装置测定生物聚合物的过滤因子。
黄原胶过滤因子测定结果

从试验中看出，XC2、XC4过滤因子值较大，说明它们的分子量分布比较广或者它们分子间容易粘结，还有，除XC3外，其它生物聚合物过滤因子测定时间太长，而聚丙烯酰胺根据分子量不同，测定时间一般为0.5-1小时，最长不超过2小时，过滤因子值最大也不超过2。由此说明，黄原胶分子最分布比较广或者它们间容易粘结。
由筛网系数粘度计测定生物聚合物的筛网系数，结果如表黄原胶筛网系数测定结果

从试验看出，本发明XC1、XC2筛网系数值小于Flocon4800，大于科达公司XC4、XC5。XC1、XC2增粘性优于XC4、XC5。
4.结论通过对黄原胶的性能测试及增粘效果评价得出，本发明XC1黄原胶产品增粘性强，分子量分布比较小，综合性能明显高于其它黄原胶产品及聚丙烯酰胺，可用于油田修井，堵水及压裂液。
权利要求
1.黄原胶的生产工艺，其特征在于包括步骤A1.1781野油菜黄单胞杆菌(Xanthomonas campestris)种子的培养；步骤B利用甜菜糖蜜为主要原料的甜菜糖蜜培养基，以1.1781野油菜黄单胞杆菌种子进行发酵；步骤C对发酵液进行后处理。
2.如权利要求1所述的黄原胶生产工艺，其特征在于步骤A的发酵温度为20℃-35℃，搅拌速率为200-300rpm，通气量0.8-0.9v/v/m，种子检查标准为镜检无杂菌，无荚膜，菌种粗壮数量多；步骤B中接种量为1％-15％，发酵温度为20℃-35℃，通气量为0.6-1.0v/v/m，当镜检菌体老化、分裂、变小，发酵时液粘稠，还原糖1.0以下，粘度不再增加时发酵结束。
3.如权利要求2所述的黄原胶生产工艺，其特征在于所述步骤B中的发酵温度为25℃-35℃，通气量为0.8-0.9v/v/m，搅拌转速为100-400rpm，发酵时间为50-80小时。
4.如权利要求1-3任一项所述的黄原胶生产工艺，其特征在于步骤B所述甜菜糖蜜培养基中含有的糖蜜折合为蔗糖是25-60g/L，培养基的pH为6-8。
5.如权利要求4所述的黄原胶生产工艺，其特征在于所述的糖蜜培养基为液体培养基，含有的糖蜜折合蔗糖38-53g/L，尿素1.5-2.5g/L，K2HPO40.5-2.5g/L；或含有的糖蜜折合蔗糖38-53g/L，酵母膏2-4g/L，K2HPO40.5-2.5g/L，MgSO4·7H2O 0.1-1g/L。
6.如权利要求5所述的黄原胶生产工艺，其特征在于所述的糖蜜培养基含有糖蜜70g/L；酵母粉3g/L；K2HPO41g/L；pH7.0；并在30℃的温度进行发酵。
7.如权利要求1或2所述的黄原胶生产工艺，其特征在于所述步骤A中种子培养包括二级种子培养，其培养基为糖蜜50-80g/L，蔗糖5-15g/L，酵母膏2-4g/L，K2HPO40.5-2.5g/L，MgSO4·7H2O 0.1-1g/L，pH6-8；二级种子发酵时间为16-18小时。
8.如权利要求1或2所述的黄原胶生产工艺，其特征在于所述步骤B的糖蜜培养基的糖蜜经过预处理，预处理方法为调pH3.5-4.5，加热煮沸5-15分钟，温度降至70-80℃时再中和至pH6-8过滤。
9.如权利要求1所述的黄原胶生产工艺，其特征在于所述步骤C的后处理工艺采用发酵液薄膜浓缩5-12％后获得黄原胶。
10.如权利要求1所述的黄原胶生产工艺，其特征在于步骤A中所述的种子培养步骤中的发酵温度为20℃-35℃，搅拌速率为200-300rpm，通气量0.8-0.9v/v/m，种子检查标准为镜检无杂菌，无荚膜，菌种粗壮数量多；并且种子培养经过二级种子培养，其培养基为糖蜜50-80g/L，蔗糖5-15g/L，酵母膏2-4g/L，K2HPO40.5-2.5g/L，MgSO4·7H2O 0.1-1g/L，pH6-8；二级种子发酵时间为16-18小时；步骤B中接种量为1％-15％，温度为20℃-35℃，通气量为0.8-0.9v/v/m，搅拌转速为100-400rpm，发酵时间为50-60小时，培养基含有的糖蜜折合蔗糖25-60g/L，pH＝7。
全文摘要
本发明公开了一种利用甜菜糖蜜发酵生产黄原胶的生产工艺，其采用以甜菜糖蜜为主要原料的甜菜糖蜜培养基，利用1.1781野油菜黄单胞杆菌(Xant homonas campestris)种子进行发酵。本发明进一步通过培养基配方优化筛选及发酵工艺条件优化控制，确立了稳定的发酵工艺，发酵周期时间短，转化率高，成本明显降低。利用本发明的发酵工艺，可以提高和稳定黄原胶质量，降低成本，减少环境污染。
文档编号C12P19/00GK1539987SQ0312400
公开日2004年10月27日 申请日期2003年4月23日 优先权日2003年4月23日
发明者秦新政, 冯蕾, 杨新平, 魏柳根, 魏东, 常玮, 阎论, 张慧涛, 马彩霞, 侯新强 申请人:新疆威仕达生物工程股份有限公司