发酵技术中的泡沫的控制.docx

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发酵技术中的泡沫的控制

发酵技术中的泡沫的控制

1泡沫的产生、性质及变化

形成条件：

›气-液两相共存；

›表面张力大的物质存在；

发酵过程中泡沫有两种类型：

v一种是发酵液液面上的泡沫，气相所占的比例特别大，与液体有较明显的界限，如发酵前期的泡沫；

v另一种是发酵液中的泡沫，又称流态泡沫（fluidfoam），分散在发酵液中，比较稳定，与液体之间无明显的界限。

v实质：

气溶胶构成的胶体系统，其分散相是空气和代谢气，连续相是发酵液，泡沫间隔着一层液膜而被彼此分开不相连通。

泡沫是热力学不稳定体系

热力学第二定律指出：

自发过程，总是从自由能较高的状态向自由能较低的状态变化。

起泡过程中自由能变化如下：

△G=γ△A

△G——自由能的变化

△A——表面积的变化

γ——比表面能

起泡时，液体表面积增加，△A为正值，因而△G为正值，也就是说，起泡过程不是自发过程。

另一方面，泡沫的气液界面非常大。

例如：

半径1cm厚0.001cm的一个气泡，内外两面的气液界面达25cm2；可是，当其破灭为一个液滴后，表面积只有0.2cm2,相差上百倍。

泡沫破灭、合并的过程中，自由能减小的数值很大。

因此泡沫的热力学不稳定体系，终归会变成具有较小表面积的无泡状态。

发酵过程泡沫产生的原因

（1）通气搅拌的强烈程度

发酵前期培养基成分丰富，易起泡。

→采用较小通气量及搅拌转速，再逐步加大。

→也可在基础料中加入消泡剂。

（2）培养基配比与原料组成

前期培养基营养丰富粘度大，产泡沫多而持久。

例：

在50L罐中投料10L，成分为淀粉水解糖、豆饼水解液、玉米浆等，搅拌900rpm，通气，泡沫生成量为培养基的2倍。

如培养基适当稀一些，接种量大一些，生长速度快些，前期就容易搅拌开。

（3）菌种、种子质量和接种量

菌种质量好，生长速度快，可溶性氮源较快被利用，泡沫产生几率也就少。

菌种生长慢的可以加大接种量

（4）灭菌质量

培养基灭菌质量不好，糖氮被破坏，抑制微生物生长，使种子菌丝自溶，产生大量泡沫，加消泡剂也无效。

泡沫的形成一般有以下几种规律：

v整个发酵过程中，泡沫保持恒定的水平；

v发酵早期，起泡后稳定地下降，以后保持恒定；

v发酵前期，泡沫稍微降低后又开始回升；

v发酵开始起泡能力低，以后上升；

泡沫体系的三阶段变化

（1）气泡大小分布的变化

液膜包裹的一个气泡，就像一个吹鼓了的气球。

由于气球膜有收缩力，所以气球中压力大于气球外的压力；同样气泡膜有表面张力，气泡中压力大于气泡外的压力。

气泡大小的再分布，就是由气泡膜内气体的压力变化引起的。

气泡中气体压力的大小，依赖气泡膜的曲率半径

（2）气泡液膜变薄

取一杯泡沫，放置一段时间，就会在杯底部出现一些液体，而逐渐形成液相及液面上的泡沫相这样具有界面的两层。

底部出现的液体一部分是泡沫破灭形成的，一部分是气泡膜变薄，排出液体形成的。

泡沫生成初期，泡沫液还比较厚，以后因蒸发排液而变薄，泡沫液会受重力的影响向下排液，泡沫液随时间延续而变薄。

（3）泡沫破灭

泡沫由于排液，液量过少，表面张力降低，液膜会急剧变薄，最后液膜会变得十分脆弱，以至分子的热运动都可以引起气泡破裂。

因此只要泡沫液变薄到一定程度，泡沫即瞬间破灭。

泡沫层内部的小气泡破灭后，虽一时还不能导致气液分离，只是合并成大气泡，但排液过程使泡膜液量大幅度减少，使合并成的大气泡快速地破灭，最后泡沫体系崩溃，气液分离。

影响泡沫稳定性的因素

引起危害，需要消除的，只是稳定的泡沫。

泡沫的稳定性受液体、气体许多性质的影响。

不同介质的泡沫，稳定程度相差很多，影响泡沫稳定性的因素十分复杂，概括国内外研究者的说法，主要因素一下几种

1）泡径大小

大泡易于破灭，寿命较长的的都是小泡。

因为：

✓泡越小，合并成大气泡的历程就越长；

✓小气泡的泡膜中所含液量相对比较大，所以较能经受液体流失所造成的稳定性的损失；

✓气泡越小，上升速度越慢，给表面活性剂的吸附提供充足的时间，增加了稳定性。

2）溶液所含助泡物的类型和浓度

（1）降低表面张力

降低表面张力会降低相邻气泡间的压差。

压差小，小泡并入大泡的速度就慢，泡沫的稳定性就好。

（2）增加泡沫弹性

助泡的表面活性剂，吸附在气液界面上，使表面层的组分与液相组分产生差别，因而使泡沫液具有弹性。

（3）助泡剂浓度

溶液中助泡剂浓度增加，气液界面上的吸附量就增加，液膜弹性随之增加，泡沫稳定性增高。

到达临界胶束浓度后，气液界面上的定向排列“饱和”，弹性不会再增加。

3）起泡液的粘度

某些溶液，如蛋白质溶液，虽然表面张力不高，但因粘度很高，所产生的泡沫非常稳定。

因为粘稠的液膜，有助于吸收外力的冲击，起到缓冲的作用，使泡沫能持久一些。

液体粘度对泡沫稳定性的影响比表面张力的影响还要大。

4）其它

*温度表面张力最低值时的浓度随温度变化。

*pH影响助泡剂的溶解度和表层的吸附状态

*表面电荷离子型表面活性剂，由于离子间静电的排斥，阻碍着离子彼此接近，减少排液速度，延缓泡沫变薄过程，使泡沫稳定。

2泡沫对发酵的影响

1）降低生产能力

在发酵罐中，为了容纳泡沫，防止溢出而降低装量

2）引起原料浪费

如果设备容积不能留有容纳泡沫的余地，气泡会引起原料流失，造成浪费。

3）影响菌的呼吸

如果气泡稳定，不破碎，那么随着微生物的呼吸，气泡中充满二氧化碳，而且又不能与空气中氧进行交换，这样就影响了菌的呼吸。

4）引起染菌

由于泡沫增多而引起逃液，于是在排气管中粘上培养基，就会长菌。

随着时间延长，杂菌会长入发酵罐而造成染菌。

大量泡沫由罐顶进一步渗到轴封，轴封处的润滑油可起点消泡作用，从轴封处落下的泡沫往往引起杂菌污染。

3泡沫的控制

泡沫的控制，可以采用三种途径：

①调整培养基中的成分（如少加或缓加易起泡的原材料）或改变某些物理化学参数（如pH值、温度、通气和搅拌）或者改变发酵工艺（如采用分次投料）来控制，以减少泡沫形成的机会。

但这些方法的效果有一定的限度。

②采用机械消泡或消泡剂消泡这两种方法来消除已形成的泡沫：

通过化学方法，降低泡沫液膜的表面张力，使泡沫破灭；利用物理方法，使泡沫液膜的局部受力，打破液膜原来受力平衡而破裂。

③采用菌种选育的方法，筛选不产生流态泡沫的菌种，来消除起泡的内在因素

如：

杂交选育不产流态泡沫的土霉素生产菌株

对于已形成的泡沫，工业上可以采用机械消泡和化学消泡剂消泡或两者同时使用消泡。

化学消泡

这是利用外界加入消泡剂，使泡沫破裂的方法。

消泡剂都是表面活性剂，具有较低的表面张力，或者是降低泡沫液膜的机械强度，或者是降低液膜的表面黏度，或者兼有两者的作用，达到破裂泡沫的目的。

如聚氧乙烯氧丙烯甘油（GPE）的表面张力仅为3.3×10-2N／m，而青霉素发酵液的表面张力为（6.0～6.8）×10-2N／m。

1）消泡剂的作用机理

为了弄清消泡剂如何发挥作用，为了合理、有效地使用消泡剂，需要了解消泡剂的作用机制及一般性质。

分别介绍在消泡剂发展历史上有重要地位的罗氏假说以及其它几种消泡剂的作用机理。

铺展系数S：

S=σF－σFA－σA

σF——起泡介质的表面张力

σFA——消泡剂与起泡介质的界面张力

σA——消泡剂的表面张力

以铺展系数S值的正负判断消泡剂是否能够在泡沫上扩展。

美国胶体化学家罗斯（Ross,S.）提出假说：

在溶液中，溶解状态的溶质是稳泡剂；不溶状态的溶质，当浸入系数与铺展系数均为正值时即是消泡剂。

罗斯认为，消泡剂的分子团，即一小滴，一接触泡沫，首先便是浸入，之后在泡沫上扩展，局部变薄而破裂。

当浸入系数和铺展系数均为负值时，小滴既不浸入也不扩展；当浸入系数大于零，铺展系数为负数时小滴成棱镜状，不铺展；只有二者均为正值时才可能是消泡剂，这种假说为消泡剂作用机理奠定了基础。

2）与稳泡因素有关的几种消泡机理

a、消泡剂可使泡沫液局部表面张力降低，因而导致泡沫破灭

希勒（Shearer,L.T）和艾克斯（Akers,W.W.）在油体系中研究聚硅氧烷油的消泡过程。

他们对泡沫体系以1/1000秒的速度连续拍照，照片放大100倍

日本高野信之提出类似的观点：

在起泡液中分散的消泡剂颗粒，随着泡沫液变薄，露到表面，因消泡剂表面张力比泡沫液低，该处受到周围的拉伸、牵引。

不断变薄，最后破灭。

把高级醇或植物油洒在泡沫上，当其附着到泡沫上，即溶入泡沫液，会显著降低该处的表面张力。

因为这些物质一般对水的溶解度较小，表面张力降低只限于局部，而泡沫周围的表面张力几乎没有发生变化。

表面张力降低的部分，被强烈地向四周牵引、延展，最后破裂。

b、消泡剂能破坏膜弹性而导致气泡破灭

稳泡因素中谈到，因泡膜表面吸附表面活性剂具有斯弹性，当受到外部压力时有自愈作用。

消泡剂能破坏泡膜的这种弹性。

离子型表面活性剂水溶液产生的泡沫，是因为表面活性剂定向排列形成双电层，借助排斥作用阻碍泡沫合并而使泡沫稳定。

这种性质的泡沫，只需向体系中加入一种离子电荷相反的表面活性剂，甚至本身也是助泡剂，就可降低泡沫稳定性。

这是因为两种表面活性剂彼此干扰，妨碍在气液界面上定向排列，破坏了膜弹性，因而产生消泡作用。

C、消泡剂能促使液膜排液，因而导致气泡破灭

泡沫液厚泡沫弹性好，自愈效应强；泡膜排液速率反映泡沫的稳定性。

起泡体系的粘度越高，排液速度越低，如蛋白质溶液，肽链之间能够形成氢键；有些表面活性剂能与水分子形成氢键，能减少泡沫中的排液，起到稳泡作用。

加入不产生氢键的表面活性剂，取代产生氢键的表面活性剂，就可以使排液加快。

d表面活性剂吸附层与泡膜上两吸附层当中的泡膜液之间亲和力的强弱；

表面活性剂的HLB值反映这种亲和性，高HLB的表面活性剂，亲水性强，易于使吸附层之间的水随着迁移，是稳泡剂；低HLB值的表面活性剂，亲水性弱，不易使吸附层之间的水随着迁移，往往是消泡剂。

亲水性弱的低HLB值的表面活性剂取代了亲水性强的高HLB值的表面活性剂，能使泡膜吸附层之间的水不随吸附层迁移，从而促进泡膜排液，起到消泡作用

破泡剂与抑泡剂的区别

（1）消泡剂可分为破泡剂和抑泡剂

Ø破泡剂：

是加到已形成的泡沫中，使泡沫破灭的添加剂。

如低级醇、天然油脂。

一般来说，破泡剂都是其分子的亲液端与起泡液亲和性较强，在起泡液中分散较快的物质。

这类消泡剂随着时间的延续，迅速降低效率，并且当温度上升时，因溶解度增加，消泡效率会下降。

Ø抑泡剂：

是发泡前预先添加而阻止发泡的添加剂。

聚醚及有机硅等属于抑泡剂。

一般是分子与气泡液亲和性很弱的难溶或不溶的液体

（2）作用机理上的区别

破泡剂的破泡机理大致有二种。

第一，吸附助泡剂，加入电解质，瓦解双电层，及使助泡物被增溶等机理，这样就破坏助泡物的稳泡作用。

在这些过程中消泡剂发挥一次消泡作用就被消耗。

同时消耗掉相应的助泡物。

第二，低级醇等溶解性较大的消泡剂，加到气泡液中局部降低表面张力，发挥破泡作用，同时本身不断破为碎块，陆续溶解而失去破泡作用。

破泡过程中，破泡剂不断失效、消耗，而助泡剂却不受影响

抑泡机理：

一般认为抑泡剂分子在气液界面上优先被吸附，它比助泡剂的表面活性更强，更易吸附到泡膜上，但是由于本身不赋予泡膜弹性，所以不具备稳泡作用。

这样当液体中产生泡沫时，抑泡剂首先占据泡膜，抑制了助泡剂的作用，抑制了气泡。

（3）破泡剂与抑泡剂的相互关系

溶解度大的破泡剂，消泡作用只发挥一次；溶解度小的破泡剂，消泡作用可持续一段时间。

如果溶解度进一步降低，即成为抑泡剂。

另一方面，破泡剂大量使用，比有抑泡作用，抑泡剂大量使用也比有破泡作用。

1）消泡剂选用依据：

v表面活性剂，具有较低的表面张力（内聚力弱），消泡效果明显。

v对气-液界面的散布系数必须足够大，才能迅速消泡；

v无毒害性，且不影响发酵菌体；不会在使用、运输中引起任何危害；

v不干扰各种测量仪表的使用；

v在水中的溶解度较小，以保持持久的消泡性能；

v应该在低浓度时具有消泡活性；

v应该对产物的提取不产生任何影响；

v应该对氧传递不产生影响；

v能耐高温灭菌。

来源方便，使用成本低；

常用的一些消泡剂：

v①天然油脂：

v②高碳醇、脂肪酸和酯类：

十八醇是常用的一种，它可以单独或与载体一起使用。

v③聚醚类；

v④硅酮类；主要是聚二甲基硅氧烷及衍生物，无色液体，不溶于水，表面张力低达21dyn/cm（泡敌为33，向日葵油40，青霉素发酵液60-68dyn/cm）。

纯聚二甲基硅氧烷的消泡能力低，常加分散剂来提高消泡活性，或乳化剂成乳状液。

适用于微碱性发酵，对于微酸性发酵较差。

v

（1）天然油脂

v最早消泡剂，来源容易，价格低，使用简单，一般来说没有明显副作用，如豆油、菜油、鱼油等。

v有些油是发酵产物的前体，如豆油是红霉素的前体，鱼油是螺旋霉素的前体。

v分子中无亲水基团，在发酵液中难铺展，所以消泡活性差，用量大，一般为发酵液的0.1-0.2%

v近年来出于对环境保护的重视，天然产物消泡剂的地位又有些提高，而且还在研究新的天然消泡剂

v油的种类：

土霉素发酵，豆油、玉米油较好，而亚麻油则会产生不良的作用。

v油的质量、新鲜程度：

油新鲜，消泡能力强，副作用也小；

v植物油与铁离子接触能与氧形成过氧化物，对四环素、卡那霉素的合成不利，故要注意此类油的贮存保管。

a酒糟榨出液

v罗伯茨（RobertsR.T.）发现：

全麦芽浸出浆桶中最后倒出的沉积物能破灭泡沫。

于是联想到，是否可以由制作全麦芽浸出浆以后的酒糟压榨出有效的消泡剂？

v经试验，由酒糟中压榨出大约40%液体，在500C真空蒸馏，浓缩19倍，得到可用于麦芽汁发酵过程的消泡剂。

效果很好，没有副作用。

v经分析证明，酒糟榨出液中存在C8~C18的全部脂肪酸，存在极性类脂物，尤其是卵磷脂等物，这些物质的协同作用下的消泡作用比这些物质单独消泡作用强得多。

b啤酒花油

v研究年发现向啤酒添加1~5ppm啤酒花油是减轻气泡溢出损失的有效措施。

紧分析啤酒花油具含有消泡活性的物质有：

石竹烯、荷兰芹萜烯、香叶烯和蒎烯等。

（2）聚醚类消泡剂

我国常用甘油三羟基聚醚。

六十年代发明此类消泡剂，美国道康宁化学公司首先投产。

它是以甘油为起始剂，由环氧丙烷，或环氧乙烷与环氧丙烷的混合物进行加成聚合而制成的。

只在甘油分子上加成聚合环氧丙烷的产物叫聚氧丙烯甘油定名为GP型消泡剂；

在GP型消泡剂的聚丙二醇链节末端再加成环氧乙烷，成为链端是亲水基的聚氧乙烯氧丙烯甘油，也叫GPE型消泡剂（泡敌）。

按照环氧乙烷加成量为10%，20%，……50%分别称为GPE10，GPE20，……GPE50。

vGP：

亲水性差，在发泡介质中的溶解度小，适用于稀薄发酵液。

其抑泡性能比消泡性能好，适宜用于基础培养基中抑制泡沫的产生。

如用于链霉素的基础培养基中，抑泡效果明显，可全部代替食用油，也未发现不良影响，消泡效力一般相当于豆油的60～80倍。

vGPE：

亲水性好，在发泡介质中易铺展，消泡能力强，作用快，溶解度大，所以消泡活性维持时间短，适用于黏稠发酵液。

用于四环类抗生素发酵中消泡效果很好，用量为0.03％～0.035％，消泡能力一般相当于豆油的10～20倍。

vGPES型消泡剂：

新的聚醚类消泡剂，在GPE型消泡剂链端用疏水基硬脂酸酯封头，便形成两端是疏水链，当中间隔有亲水链的嵌段共聚物。

这种结构的分子易于平卧状聚集在气液界面，因而表面活性强，消泡效率高。

v其他的消泡剂，如：

聚乙二醇等高碳醇消泡剂多适用于霉菌发酵，硅酮类较适用于微碱性的细菌发酵。

所以，应结合具体产品发酵，试验上述各种消泡剂的消泡效果，以获得良好的消泡作用。

v值得注意的是：

消泡剂有选择性。

消泡剂用多了有毒性，而且还影响通气和气体分散，因此要少量地加。

v消泡的效果

消泡剂：

种类、性质、分子量大小、消泡剂亲油亲水基

使用方法：

加入方法、使用浓度、温度等

消泡剂的使用有以下几种形式：

①消泡剂+载体：

惰性载体（如矿物油、植物油等）

②复合消泡剂：

如GP和GPE以l:

1混合使用于土霉素发酵，结果比单独使用GP的效力提高2倍；

③消泡剂+乳化剂：

适用于亲水性差的消泡剂。

如用吐温80制成的乳剂，用于庆大霉素发酵，效力提高1～2倍。

v使用要考虑的因素：

v

（1）种类的选择：

不影响发酵和提取，能力持久。

v

（2）用量的选择：

0.003-0.025%

v（3）方法的选择：

应用之前作比较性试验，找出消沫剂对微生物生理特征影响最小、消沫效率最大的条件；成本。

机械消泡

化学消泡最显著的缺点是影响氧气的溶解，使其减少1/3～1/5，这对微生物供氧极为不利；机械消泡能克服这一缺点，但其应用效果不如化学消泡迅速可靠，不能从根本上消除引起稳定泡沫的因素。

消泡装置设计依据：

①动力小；②结构简单；③易清洁；④运行可靠；⑤维护费用低；

机械消泡

v物理学原理；可在罐内或罐外进行。

机械消泡的特点

v优点：

不需外加物质；节省原材料；减少污染机会。

v缺点：

不能从根本上消除引起泡沫稳定的原因。

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v泡沫稳定性的因素

v泡径大小

v溶液所含助泡物的类型

v助泡剂浓度

v起泡液的粘度

v温度、pH、表面电荷等

v