發(fā)酵技術(shù)中的泡沫的控制

1、發(fā)酵技術(shù)中的泡沫的控制1泡沫的產(chǎn)生、性質(zhì)及變化形成條件：氣-液兩相共存；表面張力大的物質(zhì)存在；發(fā)酵過程中泡沫有兩種類型：一種是發(fā)酵液液面上的泡沫，氣相所占的比例特別大，與液體有較明顯的界限，如發(fā)酵前期的泡沫；另一種是發(fā)酵液中的泡沫，又稱流態(tài)泡沫(fluid foam)，分散在發(fā)酵液中，比較穩(wěn)定， 與液體之間無明顯的界限。實(shí)質(zhì)：氣溶膠構(gòu)成的膠體系統(tǒng)，其分散相是空氣和代謝氣，連續(xù)相是發(fā)酵液，泡沫間隔著一層液膜而被彼此分開不相連通。泡沫是熱力學(xué)不穩(wěn)定體系熱力學(xué)第二定律指出：自發(fā)過程，總是從自由能較高的狀態(tài)向自由能較低的狀態(tài)變化。起泡過程中自由能變化如下： G=y AAG自由能的變化 A表面積的變化丫

2、 匕表面能起泡時(shí)，液體表面積增加， A為正值，因而 G為正值，也就是說，起泡過程不是自發(fā) 過程。另一方面，泡沫的氣液界面非常大。例如：半徑1cm厚0.001cm的一個(gè)氣泡，內(nèi)外兩面的氣液界面達(dá)25cm2;可是，當(dāng)其破滅為一個(gè)液滴后，表面積只有0.2cm2，相差上百倍。泡沫破滅、合并的過程中，自由能減小的數(shù)值很大。因此泡沫的熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，終歸會(huì)變成具有較小表面積的無泡狀態(tài)。發(fā)酵過程泡沫產(chǎn)生的原因(1) 通氣攪拌的強(qiáng)烈程度發(fā)酵前期培養(yǎng)基成分豐富，易起泡。采用較小通氣量及攪拌轉(zhuǎn)速，再逐步加大。也可在基礎(chǔ)料中加入消泡劑。(2) 培養(yǎng)基配比與原料組成前期培養(yǎng)基營(yíng)養(yǎng)豐富粘度大，產(chǎn)泡沫多而持久。例：在5

3、0L罐中投料10L,成分為淀粉水解糖、豆餅水解液、玉米漿等，攪拌 900 rpm,通氣，泡沫生成量為培養(yǎng)基的2倍。如培養(yǎng)基適當(dāng)稀一些，接種量大一些，生長(zhǎng)速度快些，前期就容易攪拌開。(3) 菌種、種子質(zhì)量和接種量菌種質(zhì)量好，生長(zhǎng)速度快，可溶性氮源較快被利用，泡沫產(chǎn)生幾率也就少。菌種生長(zhǎng)慢的可以加大接種量(4) 滅菌質(zhì)量培養(yǎng)基滅菌質(zhì)量不好，糖氮被破壞，抑制微生物生長(zhǎng)，使種子菌絲自溶，產(chǎn)生大量泡沫，加消泡劑也無效。泡沫的形成一般有以下幾種規(guī)律：整個(gè)發(fā)酵過程中，泡沫保持恒定的水平；發(fā)酵早期，起泡后穩(wěn)定地下降，以后保持恒定；發(fā)酵前期，泡沫稍微降低后又開始回升；發(fā)酵開始起泡能力低，以后上升；泡沫體系的三階

4、段變化(1) 氣泡大小分布的變化液膜包裹的一個(gè)氣泡，就像一個(gè)吹鼓了的氣球。由于氣球膜有收縮力，所以氣 球中壓力大于氣球外的壓力；同樣氣泡膜有表面張力，氣泡中壓力大于氣泡外的壓力。氣 泡大小的再分布，就是由氣泡膜內(nèi)氣體的壓力變化引起的。氣泡中氣體壓力的大小，依賴 氣泡膜的曲率半徑(2) 氣泡液膜變薄取一杯泡沫，放置一段時(shí)間，就會(huì)在杯底部出現(xiàn)一些液體，而逐漸形成液相及液面上的泡 沫相這樣具有界面的兩層。底部出現(xiàn)的液體一部分是泡沫破滅形成的，一部分是氣泡膜變 薄，排出液體形成的。泡沫生成初期，泡沫液還比較厚，以后因蒸發(fā)排液而變薄，泡沫液會(huì)受重力的影響向 下排液，泡沫液隨時(shí)間延續(xù)而變薄。(3) 泡沫破

5、滅泡沫由于排液，液量過少，表面張力降低，液膜會(huì)急劇變薄，最后液膜會(huì)變得十分脆弱， 以至分子的熱運(yùn)動(dòng)都可以引起氣泡破裂。因此只要泡沫液變薄到一定程度，泡沫即瞬間破 滅。泡沫層內(nèi)部的小氣泡破滅后，雖一時(shí)還不能導(dǎo)致氣液分離，只是合并成大氣泡，但 排液過程使泡膜液量大幅度減少，使合并成的大氣泡快速地破滅，最后泡沫體系崩潰，氣 液分離。影響泡沫穩(wěn)定性的因素引起危害，需要消除的，只是穩(wěn)定的泡沫。泡沫的穩(wěn)定性受液體、氣體許多性質(zhì)的影 響。不同介質(zhì)的泡沫，穩(wěn)定程度相差很多，影響泡沫穩(wěn)定性的因素十分復(fù)雜，概括國(guó)內(nèi)外 研究者的說法，主要因素一下幾種1) 泡徑大小大泡易于破滅，壽命較長(zhǎng)的的都是小泡。因?yàn)椋号菰叫?，?/p>

6、并成大氣泡的歷程就越長(zhǎng)；小氣泡的泡膜中所含液量相對(duì)比較大，所以較能經(jīng)受液體流失所造成的 穩(wěn)定性的損失；氣泡越小，上升速度越慢，給表面活性劑的吸附提供充足的時(shí)間，增加 了穩(wěn)定性。2) 溶液所含助泡物的類型和濃度(1) 降低表面張力降低表面張力會(huì)降低相鄰氣泡間的壓差。壓差小，小泡并入大泡的速度就慢，泡沫 的穩(wěn)定性就好。(2) 增加泡沫彈性助泡的表面活性劑，吸附在氣液界面上，使表面層的組分與液相組分產(chǎn)生差別，因 而使泡沫液具有彈性。（3）助泡劑濃度溶液中助泡劑濃度增加，氣液界面上的吸附量就增加，液膜彈性隨之增加，泡 沫穩(wěn)定性增高。到達(dá)臨界膠束濃度后，氣液界面上的定向排列飽和”，彈性不會(huì)再增加。3）起

7、泡液的粘度某些溶液，如蛋白質(zhì)溶液，雖然表面張力不高，但因粘度很高，所產(chǎn)生的泡沫非常穩(wěn) 定。因?yàn)檎吵淼囊耗?，有助于吸收外力的沖擊，起到緩沖的作用，使泡沫能持久一些。液 體粘度對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響比表面張力的影響還要大。4）其它*溫度表面張力最低值時(shí)的濃度隨溫度變化。*pH影響助泡劑的溶解度和表層的吸附狀態(tài)*表面電荷離子型表面活性劑，由于離子間靜電的排斥，阻礙著離子彼此接近，減少排液速度，延緩泡沫變薄過程，使泡沫穩(wěn)定。2泡沫對(duì)發(fā)酵的影響1）降低生產(chǎn)能力在發(fā)酵罐中，為了容納泡沫，防止溢出而降低裝量2）引起原料浪費(fèi)如果設(shè)備容積不能留有容納泡沫的余地，氣泡會(huì)引起原料流失，造成浪費(fèi)。3）影響菌的呼吸如果氣泡

8、穩(wěn)定，不破碎，那么隨著微生物的呼吸，氣泡中充滿二氧化碳，而且又不能與空氣中氧進(jìn)行交換，這樣就影響了菌的呼吸。4）引起染菌由于泡沫增多而引起逃液，于是在排氣管中粘上培養(yǎng)基，就會(huì)長(zhǎng)菌。隨著時(shí)間延長(zhǎng)， 雜菌會(huì)長(zhǎng)入發(fā)酵罐而造成染菌。大量泡沫由罐頂進(jìn)一步滲到軸封，軸封處的潤(rùn)滑油可起點(diǎn) 消泡作用，從軸封處落下的泡沫往往引起雜菌污染。3泡沫的控制泡沫的控制，可以采用三種途徑： 調(diào)整培養(yǎng)基中的成分（如少加或緩加易起泡的原材料）或改變某些物理化學(xué)參數(shù)（如 pH值、溫度、通氣和攪拌）或者改變發(fā)酵工藝（如采用分次投料）來控制，以減少泡沫形成的 機(jī)會(huì)。但這些方法的效果有一定的限度。 采用機(jī)械消泡或消泡劑消泡這兩種方法

9、來消除已形成的泡沫：通過化學(xué)方法，降低 泡沫液膜的表面張力，使泡沫破滅；利用物理方法，使泡沫液膜的局部受力，打破液膜原 來受力平衡而破裂。 采用菌種選育的方法，篩選不產(chǎn)生流態(tài)泡沫的菌種，來消除起泡的內(nèi)在因素如：雜交選育不產(chǎn)流態(tài)泡沫的土霉素生產(chǎn)菌株對(duì)于已形成的泡沫，工業(yè)上可以采用機(jī)械消泡和化學(xué)消泡劑消泡或兩者同時(shí)使用 消泡。化學(xué)消泡這是利用外界加入消泡劑，使泡沫破裂的方法。消泡劑都是表面活性劑，具有較低的 表面張力，或者是降低泡沫液膜的機(jī)械強(qiáng)度，或者是降低液膜的表面黏度，或者兼有兩者 的作用，達(dá)到破裂泡沫的目的。如聚氧乙烯氧丙烯甘油(GPE)的表面張力僅為 3.3 >10-2 N/m,而青

10、霉素發(fā)酵液的表面張力為(6.06.8)和-2 N/ m。1) 消泡劑的作用機(jī)理為了弄清消泡劑如何發(fā)揮作用，為了合理、有效地使用消泡劑，需要了解消泡劑的作 用機(jī)制及一般性質(zhì)。分別介紹在消泡劑發(fā)展歷史上有重要地位的羅氏假說以及其它幾種消泡劑的 作用機(jī)理。鋪展系數(shù) S： S= b F b FA b Ab F起泡介質(zhì)的表面張力b FA消泡劑與起泡介質(zhì)的界面張力b A消泡劑的表面張力以鋪展系數(shù)S值的正負(fù)判斷消泡劑是否能夠在泡沫上擴(kuò)展。美國(guó)膠體化學(xué)家羅斯(Ross,S)提出假說：在溶液中，溶解狀態(tài)的溶質(zhì)是穩(wěn)泡劑；不溶狀態(tài)的溶質(zhì)，當(dāng)浸入系數(shù)與鋪展系 數(shù)均為正值時(shí)即是消泡劑。羅斯認(rèn)為，消泡劑的分子團(tuán)，即一小滴

11、，一接觸泡沫，首先便是浸入，之后在泡沫上 擴(kuò)展，局部變薄而破裂。當(dāng)浸入系數(shù)和鋪展系數(shù)均為負(fù)值時(shí)，小滴既不浸入也不擴(kuò)展；當(dāng) 浸入系數(shù)大于零，鋪展系數(shù)為負(fù)數(shù)時(shí)小滴成棱鏡狀，不鋪展；只有二者均為正值時(shí)才可能 是消泡劑，這種假說為消泡劑作用機(jī)理奠定了基礎(chǔ)。2) 與穩(wěn)泡因素有關(guān)的幾種消泡機(jī)理a、消泡劑可使泡沫液局部表面張力降低，因而導(dǎo)致泡沫破滅希勒(Shearer,L.T )和艾克斯(Akers,W.W.)在油體系中研究聚硅氧烷油的消泡過程。他們對(duì)泡沫體系以1/1000秒的速度連續(xù)拍照，照片放大100倍由圖可以看出，硅油微粒到達(dá)泡沫表面使泡沫破滅，氣泡合并，氣液迅速分離°研究發(fā)現(xiàn)：低濃度的，表

12、面張力比起泡液低的物質(zhì)，如果 與起泡液成為均相，則促進(jìn)起泡；如果呈飽和狀態(tài)，而且 被均勻分散在起泡液中，就可能有消泡作用。附著了消泡 劑小滴的泡沫能夠迅速破滅，與局部降低表面張力有關(guān)。日本高野信之提出類似的觀點(diǎn)：在起泡液中分散的消泡劑顆粒，隨著泡沫液變薄，露 到表面，因消泡劑表面張力比泡沫液低，該處受到周圍的拉伸、牽引。不斷變薄，最后破 滅。把高級(jí)醇或植物油灑在泡沫上，當(dāng)其附著到泡沫上，即溶入泡沫液，會(huì)顯著降低該處 的表面張力。因?yàn)檫@些物質(zhì)一般對(duì)水的溶解度較小，表面張力降低只限于局部，而泡沫周 圍的表面張力幾乎沒有發(fā)生變化。表面張力降低的部分，被強(qiáng)烈地向四周牽引、延展，最 后破裂。b、消泡劑能

13、破壞膜彈性而導(dǎo)致氣泡破滅穩(wěn)泡因素中談到，因泡膜表面吸附表面活性劑具有斯彈性，當(dāng)受到外部壓力時(shí)有自愈 作用。消泡劑能破壞泡膜的這種彈性。離子型表面活性劑水溶液產(chǎn)生的泡沫，是因?yàn)楸砻?活性劑定向排列形成雙電層，借助排斥作用阻礙泡沫合并而使泡沫穩(wěn)定。這種性質(zhì)的泡沫，只需向體系中加入一種離子電荷相反的表面活性劑，甚至本 身也是助泡劑，就可降低泡沫穩(wěn)定性。這是因?yàn)閮煞N表面活性劑彼此干擾，妨礙在氣液界 面上定向排列，破壞了膜彈性，因而產(chǎn)生消泡作用。C、消泡劑能促使液膜排液，因而導(dǎo)致氣泡破滅泡沫液厚泡沫彈性好，自愈效應(yīng)強(qiáng)；泡膜排液速率反映泡沫的穩(wěn)定性。起泡體系的粘 度越高，排液速度越低，如蛋白質(zhì)溶液，肽鏈之

14、間能夠形成氫鍵；有些表面活性劑能與水 分子形成氫鍵，能減少泡沫中的排液，起到穩(wěn)泡作用。加入不產(chǎn)生氫鍵的表面活性劑，取代產(chǎn)生氫鍵的表面活性劑，就可以使排液加 快。d表面活性劑吸附層與泡膜上兩吸附層當(dāng)中的泡膜液之間親和力的強(qiáng)弱；表面活性劑的 HLB值反映這種親和性，高 HLB的表面活性劑，親水性強(qiáng)，易于使吸 附層之間的水隨著遷移，是穩(wěn)泡劑；低 HLB值的表面活性劑，親水性弱，不易使吸附層之 間的水隨著遷移，往往是消泡劑。親水性弱的低 HLB值的表面活性劑取代了親水性強(qiáng)的高HLB值的表面活性劑，能使泡膜吸附層之間的水不隨吸附層遷移，從而促進(jìn)泡膜排液，起到消泡作用破泡劑與抑泡劑的區(qū)別(1)消泡劑可分為

15、破泡劑和抑泡劑破泡劑：是加到已形成的泡沫中，使泡沫破滅的添加劑。如低級(jí)醇、天然油脂。一般來說，破泡劑都是其分子的親液端與起泡液親和性較強(qiáng)，在起泡液中分散較快的物質(zhì)。這類消泡劑隨著時(shí)間的延續(xù)，迅速降低效率，并且當(dāng)溫度上升時(shí)，因溶解度增加，消泡效率會(huì)下降。抑泡劑：是發(fā)泡前預(yù)先添加而阻止發(fā)泡的添加劑。聚酰及有機(jī)硅等屬于抑泡劑。一般是分子與氣泡液親和性很弱的難溶或不溶的液體(2) 作用機(jī)理上的區(qū)別破泡劑的破泡機(jī)理大致有二種。第一，吸附助泡劑，加入電解質(zhì)，瓦解雙電層，及使助泡物被增溶等機(jī)理，這樣就破 壞助泡物的穩(wěn)泡作用。在這些過程中消泡劑發(fā)揮一次消泡作用就被消耗。同時(shí)消耗掉相應(yīng) 的助泡物。第二，低級(jí)醇等

16、溶解性較大的消泡劑，加到氣泡液中局部降低表面張力，發(fā)揮破泡作 用，同時(shí)本身不斷破為碎塊，陸續(xù)溶解而失去破泡作用。破泡過程中，破泡劑不斷失效、 消耗，而助泡劑卻不受影響抑泡機(jī)理：一般認(rèn)為抑泡劑分子在氣液界面上優(yōu)先被吸附，它比助泡劑的表面活性更 強(qiáng)，更易吸附到泡膜上，但是由于本身不賦予泡膜彈性，所以不具備穩(wěn)泡作用。這樣當(dāng)液 體中產(chǎn)生泡沫時(shí)，抑泡劑首先占據(jù)泡膜，抑制了助泡劑的作用，抑制了氣泡。(3) 破泡劑與抑泡劑的相互關(guān)系溶解度大的破泡劑，消泡作用只發(fā)揮一次；溶解度小的破泡劑，消泡作用可持續(xù) 一段時(shí)間。如果溶解度進(jìn)一步降低，即成為抑泡劑。另一方面，破泡劑大量使用，比有抑 泡作用，抑泡劑大量使用也比

17、有破泡作用。1)消泡劑選用依據(jù)：表面活性劑，具有較低的表面張力(內(nèi)聚力弱)，消泡效果明顯。對(duì)氣-液界面的散布系數(shù)必須足夠大，才能迅速消泡；無毒害性，且不影響發(fā)酵菌體；不會(huì)在使用、運(yùn)輸中引起任何危害； 不干擾各種測(cè)量?jī)x表的使用；在水中的溶解度較小，以保持持久的消泡性能；應(yīng)該在低濃度時(shí)具有消泡活性；應(yīng)該對(duì)產(chǎn)物的提取不產(chǎn)生任何影響；應(yīng)該對(duì)氧傳遞不產(chǎn)生影響；能耐高溫滅菌。來源方便，使用成本低；常用的一些消泡劑： 天然油脂： 高碳醇、脂肪酸和酯類：十八醇是常用的一種，它可以單獨(dú)或與載體一起使用。 聚酰類； 硅酮類；主要是聚二甲基硅氧烷及衍生物，無色液體，不溶于水，表面張力低達(dá)21dyn/cm (泡敵為3

18、3,向日葵油40,青霉素發(fā)酵液 60-68 dyn/cm )。純聚二甲基硅 氧烷的消泡能力低，常加分散劑來提高消泡活性，或乳化劑成乳狀液。適用于微堿 性發(fā)酵，對(duì)于微酸性發(fā)酵較差。(1)天然油脂最早消泡劑，來源容易，價(jià)格低，使用簡(jiǎn)單，一般來說沒有明顯副作用，如豆油、 菜油、魚油等。有些油是發(fā)酵產(chǎn)物的前體，如豆油是紅霉素的前體，魚油是螺旋霉素的前體。分子中無親水基團(tuán)，在發(fā)酵液中難鋪展，所以消泡活性差，用量大，一般為發(fā)酵液的 0.1-0.2%近年來出于對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視，天然產(chǎn)物消泡劑的地位又有些提高，而且還在研究新的天然消泡劑油的種類：土霉素發(fā)酵，豆油、玉米油較好，而亞麻油則會(huì)產(chǎn)生不良的作用。油的質(zhì)

19、量、新鮮程度：油新鮮，消泡能力強(qiáng)，副作用也??；植物油與鐵離子接觸能與氧形成過氧化物，對(duì)四環(huán)素、卡那霉素的合成不利，故要 注意此類油的貯存保管。a酒糟榨出液羅伯茨(Roberts R.T.)發(fā)現(xiàn)：全麥芽浸出漿桶中最后倒出的沉積物能破滅泡沫。亍是聯(lián)想到，是否可以由制作全麥芽浸出漿以后的酒糟壓榨出有效的消泡劑？經(jīng)試驗(yàn)，由酒糟中壓榨出大約40%液體，在500C真空蒸儲(chǔ)，濃縮19倍，得到可用于麥芽汁發(fā)酵過程的消泡劑。效果很好，沒有副作用。經(jīng)分析證明，酒糟榨出液中存在C8C18的全部脂肪酸，存在極性類脂物，尤其是卵磷脂等物，這些物質(zhì)的協(xié)同作用下的消泡作用比這些物質(zhì)單獨(dú)消泡作用強(qiáng)得多。b啤酒花油研究年發(fā)現(xiàn)向

20、啤酒添加15ppm啤酒花油是減輕氣泡溢出損失的有效措施。緊分析啤酒花油具含有消泡活性的物質(zhì)有：石竹烯、荷蘭芹茹烯、香葉烯和旅 烯等。(2)聚酰類消泡劑我國(guó)常用甘油三羥基聚酰。六十年代發(fā)明此類消泡劑，美國(guó)道康寧化學(xué)公司首先投產(chǎn)。它是以甘油為起始劑，由環(huán)氧丙烷，或環(huán)氧乙烷與環(huán)氧丙烷的混合物進(jìn)行加成聚合而制成的。只在甘油分子上加成聚合環(huán)氧丙烷的產(chǎn)物叫聚氧丙烯甘油定名為GP型消泡劑；在GP型消泡劑的聚丙二醇鏈節(jié)末端再加成環(huán)氧乙烷，成為鏈端是親水基的聚氧乙烯氧丙烯甘油，也叫 GPE型消泡劑(泡敵)。按照環(huán)氧乙烷加成量為10% , 20% ,50%分別稱為 GPE10, GPE20 , GPE50。GP:

21、親水性差，在發(fā)泡介質(zhì)中的溶解度小，適用于稀薄發(fā)酵液。其抑泡性能比消泡 性能好，適宜用于基礎(chǔ)培養(yǎng)基中抑制泡沫的產(chǎn)生。如用于鏈霉素的基礎(chǔ)培養(yǎng)基中， 抑泡效果明顯，可全部代替食用油，也未發(fā)現(xiàn)不良影響，消泡效力一般相當(dāng)于豆油 的6080倍。GPE:親水性好，在發(fā)泡介質(zhì)中易鋪展，消泡能力強(qiáng)，作用快，溶解度大，所以消 泡活性維持時(shí)間短，適用于黏稠發(fā)酵液。用于四環(huán)類抗生素發(fā)酵中消泡效果很好， 用量為0.03%0.035%，消泡能力一般相當(dāng)于豆油的1020倍。GPES型消泡劑：新的聚酰類消泡劑，在GPE型消泡劑鏈端用疏水基硬脂酸酯封頭， 便形成兩端是疏水鏈，當(dāng)中間隔有親水鏈的嵌段共聚物。這種結(jié)構(gòu)的分子易于平臥 狀聚集在氣液界面，因而表面活性強(qiáng)，消泡效率高。其他的消泡劑，如：聚乙二醇等高碳醇消泡劑多適用于霉菌發(fā)酵，硅酮類較適用于 微堿性的細(xì)菌發(fā)酵。所以，應(yīng)結(jié)合具體產(chǎn)品發(fā)酵，試驗(yàn)上述各種消泡劑的消泡效果， 以獲得良好的消泡作用。值得注意的是：消泡劑有選擇性。消泡劑用多了有毒性，而且還影響通氣和氣體分散，因此要少量地加。消泡的效果消泡劑：種類、性質(zhì)、分子量大小、消泡劑親油親水基使用方法：加入方法、使用濃度、溫度等消泡劑的使用有以下幾種形式： 消泡劑+載體：惰性載體(如礦物油、植物油等) 復(fù)合消泡劑：如 GP