一、實驗目的
1、了解非牛頓型發酵醪的黏度不僅是溫度的函式，而且隨液體的流動狀態而異，即與剪應速率有關。
2、了解非牛頓型流體的特點與各類菌絲體生長的關係。
二、實驗儀器與材料
1、ndj-5s型旋轉式黏度計、溫度計、燒杯；
2、各種發酵醪。
三、實驗方法
將發酵醪裝入燒杯中，選用合適的轉子，將轉子浸沒在發酵醪中並使轉子的上表面與液面平齊。
1、測定發酵醪的溫度，以不同轉速測定黏度；
2、以同一轉速測定不同溫度發酵醪的黏度。
四、結果
我組實驗採取的實驗原料是濃度為25%的澱粉漿液，測定了2號轉子在15.8℃的漿液中以不同轉速轉動時的黏度。
根據τ =μ（dω /dx）=μγ
式中：τ - 剪應力，n/m2或 pa；
μ- 液體黏度，(kg·s)/m2；
dω /dx =γ—速度梯度或剪應速率(shear rate)，s－1。
得到實驗結果如下：
表1：轉速對黏度的影響資料記錄表
2號轉子15.8℃，25%澱粉漿液
在此基礎上，我組又進一步對實驗進行了探索，研究了在同一轉子和轉速（2號，6r/min)下不同溫度對實驗結果造成的影響。得到實驗結果如下：
表2：溫度對黏度的影響資料記錄表
2號轉子，6r/min25%澱粉漿液
5、畫流態曲線圖
1、轉速對黏度的影響曲線，亦即澱粉漿液的流態曲線圖，見圖1；
2、溫度對黏度的影響曲線，見圖2。
6、實驗結果分析
1、通過對圖1的分析，可以得到以下結果：
①澱粉漿液為非牛頓型流體。由圖易見，澱粉漿液流態曲線的斜率雖然不隨轉速的變化而變化，但其在y軸的截距不為0，這與牛頓型流體的特徵描述相悖，符合非牛頓型流體的特徵。可以判斷，澱粉漿液的黏度不僅是其溫度的函式，也是剪應速率的函式。
②澱粉漿液為彬漢（bingham）型流體。其主要特徵是當剪應力小於屈服應力時，液體不發生流動，只有當剪應力超過屈服應力時才發生流動。它的流態曲線也呈直線，但不通過原點。
這與我組實驗的結果一致。
其流變特性可用下式表示：τ=τ0+γ·η
式中：τ0 — 屈服應力(在縱軸上的截距)，pa；
剛性係數，pa·s。
圖1：澱粉漿液流態曲線
圖2：澱粉漿液黏度隨溫度變化曲線
2、由圖2可以看出，在同樣的操作條件下，隨著溫度的公升高，澱粉漿液的濃度逐漸降低。對於具體的工業技術，該曲線的意義是可以為企業提供可選擇範圍內的最優攪拌速率。在該速率下，流體對渦輪的黏性阻力相對最小，同時可達到最大的物質擴散速率。
考慮到維持該溫度需要提供的熱量，可以對發酵罐或其他攪拌裝置進行優化設計，以在最優溫度的操作條件下獲得最佳的攪拌效果，前提是不影響相關生化反應的正常進行。
3、除了上述介紹的擬塑型流體之外，現將其他的非牛頓型流體整理如下：
①漲塑性（dilatant）流體：主要特徵是黏度隨著剪應速率的增加而增加而增高。流體的剪應力與剪下速率間不呈直線關係，而呈凹形曲線關係，表明剪下速率的增加，流體的流動阻力隨之加大。
其流變特性可表示為：τ= kγn
式中：k — 均勻度常數（稠度係數），pa·s；
n — 流態指數，n>1。表示非牛頓流體性質的顯著程度，n = 1為牛頓型流體；n 值偏離1愈遠，非牛頓型流體性質愈顯著。
②擬塑（pseudoplastic）型流體。對於擬塑型流體，增加其流速會降低流體的黏性阻力。
其流變特性可表示為：τ= kγn
式中：k — 均勻度常數（稠度係數），pa·s；
n — 流態指數，0＜n＜1。
擬塑型流體，在不同攪拌轉速下，所顯示出的黏度不同；在同一攪拌轉速下，培養液中的剪應速率隨著離開攪拌渦輪的徑向距離，按指數倍數降低，故離開渦輪的徑向距離越
遠，黏度越高。
許多高分子化合物如黃原膠、聚丙烯酸鈉、羧甲基纖維素等的水溶液，許多絲狀菌如青黴、麴黴、鏈黴菌等的培養液都表現出擬塑性。
③凱鬆(casson)流體：剪應力與剪下速率的關係表現為一不通過原點的曲線。
其流變特性可表示為：τ1/2 =τc1/2 + kc·γ1/2
式中：τc1/2— 屈服應力，pa；
kc — 凱鬆黏度，pa1/2·s1/2。
4、對於發酵液，非牛頓型流體的指導意義在於：
①不同的發酵液可呈不同的流體型別。發酵液，特別是含有固行物數量較多的發酵液，往往表現為非牛頓流體特性。黴菌、放線菌的菌絲體在發酵中雖不呈典型的顆粒狀，但錯綜複雜交織的網狀菌絲叢和鬆散結構的菌絲球狀體可看作是固形物。
一般每公升含有20克或更多的菌體和固形物的培養液，均呈現非牛頓型流體中的平漢塑性流體性質。
②在發酵過程中，培養液流動模型引數會隨著細胞濃度、形態的變化，培養基物質的消耗，代謝產物的積累以及補料等發生明顯的變化，表現出時變性。
③發酵液的流變型別也可發生變化。據相關文獻：鏈黴素發酵在24小時為擬塑性流體，發酵液黏度達90pa·s；在48小時和96小時則為牛頓性流體，其黏度為18pa·s和38pa·s。
5、實驗誤差分析：
①在黏度測定實驗中，由於要控制溫度這一條件，增加了耗時，不可避免地造成了水分的蒸發，澱粉漿液有所濃縮，資料反映的趨勢並不完全有單一變數造成；
②實驗儀器本身存在誤差；
③由於粘度計的讀數會在小範圍內來回擺動，故實驗讀數可能存在偏差；
④實驗中轉子的選擇十分重要，關係到測量的量程，只有落在量程內的資料才是可信的。
學生姓名： 何雄飛
學號： 080700104
專業班級： 生物工程
指導教師： 吳陵
二○一○ 年 12 月 20 日
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