发酵过程泡沫的形成与控制

如何提高发酵液中的溶氧？反应器中氧的传递发酵液中氧的传递方程CCiPPi气膜液膜气-液界面a:比界面面积。单位体积的液体中所具有的氧的传递面积(m2/m3)C*：与气相中氧分压相平衡的液体中氧的浓度，也就是一定体系下液相中的最大的溶氧浓度。（mol/m3）C:液相中氧的实际浓度,（mol/m3）Nv：单位时间内发酵液溶氧浓度的变化mmol/(L.h)Kl:以(C*-C)为推动力的氧传质系数m/h气相主流液相主流)*(ccaKNvl???①反应器的结构(改变挡板的数目和位置、搅拌叶片直径)②操作条件改变搅拌器转速改变空气流速提高设备的供氧能力，即氧的体积传质系数KLa：提高（c*-cL)，即氧传递动力增大C*的措施①在通气中掺入纯氧或富氧，使氧分压提高。②提高罐压。比耗氧速率或呼吸强度（QO2）：单位时间内单位质量干菌体所吸取的氧气，mmolO2·g菌-1·h-1摄氧率(r)：单位体积的发酵液单位时间内的耗氧量。mmolO2·L-1·h-1。r=QO2.X补料的原因补料内容补料时需考虑哪些因素补料方式分为哪三种中间补料第八章（5）发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制一、泡沫的危害(掌握)二、泡沫的性质(理解)三、泡沫形成的原因(理解)发酵过程泡沫产生的原因(掌握)四、泡沫的控制方法(掌握)发酵过程中存在一定数量的泡沫是正常现象。有利于氧的传递；但过多的持久性泡沫对发酵造成不利的影响。一、泡沫的危害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。装料系数=料液体积/发酵罐容积2、引起原料/产物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/产物流失，造成浪费。3、增加了菌群的非均一性由于泡沫的液位变动，使得微生物随泡沫漂浮，粘到罐壁上，使微生物生长的环境发生了变化，影响了微生物群体的效果，增加了微生物群体的不均一性。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。5、消泡剂的加入给后续产物提取带来了麻烦。对泡沫控制的要求:a)避免大量持久的泡沫存在；b)保证有一定的泡沫量；c)随发酵时间延长消泡剂控制泡沫的能力不降低。二、泡沫的性质泡沫体系有独特的性质，研究泡沫的性质，是解决消泡问题的基础。定义：泡沫是指气体分散在少量液体中的一种体系。分散相：气体连续相：液体种类按照发酵中泡沫存在的状态可分为两种：存在于发酵液上部的，泡沫与液体主流存在一个明显的界面，易破碎，泡沫体积较大。存在于发酵液中的流态泡沫。泡沫分散均匀，与液体主流没有明显的分界面，存在于发酵液中，比较稳定，很难清除。1、气泡间液膜的性质泡沫中气泡间的间距很小，仅以一薄层液膜相隔，研究液膜的性质很有代表意义，又因为，只有含有助泡的表面活性剂，才能形成稳定的泡沫，所以应当首先研究表面活性剂与液膜的关系。表面活性剂示意图如图所示，表面活性剂是由疏水基与亲水基构成的化合物，在水中，表面活性剂的分子不停地转动在以下两种情况下泡沫才能比较稳定，停留时间比较长：亲水基疏水基第一种情况表面活性剂的亲水基留在水相，疏水基伸到气相中，形成定向吸附层。第二种情况表面活性剂的疏水基在水相中互相靠在一起，减少疏水基与水的接触，形成“胶束”。胶束定向吸附层溶液中当表面活性剂的浓度低于临界胶束浓度时，以第一种情况为主；表面活性剂浓度高于临界胶束浓度时出现第二种情况。在液相中因为水分子之间的吸引力大于水对表面活性剂的吸引力，表面活性剂的疏水部分被水分子之间的吸引力挤出溶液，到达气液界面。这就是表面活性剂易于在泡沫上形成定向吸附层的原因。表面活性剂为什么会定向排列在表面？水2、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。显然，液体起泡后，表面自由能比无泡状态高得多。泡沫破灭的过程中，△A是一个绝对值很大的负数，也就是说泡沫破灭的过程，自由能减小的数值很大。因此泡沫是热力学不稳定体系，终归会变成具有较小表面积的无泡状态。泡沫是气体分散在液体中所形成的热力学不稳定的体系3、泡沫体系的三阶段变化即使外观看来平静、比较稳定的泡沫体系，泡沫液也在不断地下落、蒸发，不断进行着下述三阶段的变化(1)气泡大小分布的变化气泡膜有表面张力，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气泡内外压差△P=K校正系数气泡的体积整个气泡的表面张力*如果起泡膜很薄，内外表面积近似相等，则△P==323/42*4RkRkR6由该式可知：压差△P与气泡半径成反比。若气泡膜的表面张力均相同，则小气泡中的压力比大气泡中的压力大。因此当相邻气泡大小不同时，气泡会不断地由小气泡高压区，经过吸附、溶解、解析，扩散到大气泡低压区。于是小气泡进一步变小，大气泡进一步变大。kR6（2）气泡液膜变薄泡沫生成初期，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，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。气液接触含助泡剂起泡速度大于破泡速度三、泡沫形成的原因1、气液接触因为泡沫是气体在液体中的粗分散体，产生泡沫的首要条件是气体和液体发生接触。而且只有气体与液体连续、充分地接触才会产生大量的泡沫。气液接触大致有以下两类情况：（1）外界引入。通气过程伴随搅拌，空气被分成细小的气泡。（2）气体从液体内部产生。气体从液体内部产生时，形成的泡沫一般气泡较小、较稳定。2、含助泡剂助泡剂它是一种泡沫稳定剂，可保证形成一定数量的和具有一定稳定性的泡沫。在纯净的气体、纯净的液体之外，必须存在第三种物质，才能产生气泡。对纯净液体来说，这第三种物质是助泡剂。当形成气泡时，液体中出现气液界面，这些助泡剂就会形成定向吸附层。与液体亲和性弱的一端朝着气泡内部，与液体亲和性强的一端伸向液相，这样的定向吸附层起到稳定泡沫的作用。3、起泡速度高于破泡速度起泡的难易，取决于液体的成分及所经受的条件；破泡的难易取决于气泡和泡破灭后形成的液滴在表面自由能上的差别。泡沫产生速度小于泡沫破灭速度，则泡沫不断减少，最终呈不起泡状态；泡沫产生速度等于泡沫破灭速度，则泡沫数量将维持在某一平衡状态；泡沫产生速度高于泡沫破灭速度，泡沫量将不断增加。四、发酵过程泡沫产生的原因（1）与通气量、搅拌的强烈程度有关通气大、搅拌强烈可使泡沫增多，因此在发酵前期由于培养基营养成分消耗少，培养基成分丰富，易起泡。应先开小通气量，再逐步加大。搅拌转速也如此。（2）培养基配比与原料组成培养基营养丰富，黏度大，产生泡沫多而持久。蛋白质是主要的起泡因素。发泡物质：玉米浆、蛋白胨、花生粉、豆粕粉、黄豆粉、酵母粉、糖蜜等泡沫的稳定物质：glucose,起泡性较差，但是它可以增加发酵液的粘度，稳定泡沫的存在。（3）泡沫与菌体的生长代谢有关发酵初期泡沫较多，但这时的泡沫大，易破碎；随后，大量的发泡物质被消耗，泡沫减少；对数生长期，呼吸强度增加，泡沫越来越多；产物合成期，泡沫继续增加；发酵后期，泡沫更为严重。（4）与灭菌的操作有关灭菌的强度越大，其发酵液中的泡沫越多。这是由于灭菌的过程中，高温使得培养基中的糖、氨基酸形成了大量的类黑精，或者是形成了：5’—羟甲基糠醛；糖氮被破坏，抑制微生物生长，使菌丝自溶，产生大量泡沫。五、泡沫的控制方法1、物理方法：机械消泡原理：靠机械强烈振动和压力的变化，促使泡沫破裂。优点：是不需在发酵液中加入其他物质，减少了由于加入消泡剂所引起的染菌机会和对后续分离的影响。缺点：不能根本上消除引起稳定泡沫的因素。2、化学方法：消泡剂所谓化学消泡，就是指：向发酵液中流加一定量的消泡剂，利用消泡剂的特殊性质消除泡沫的方法。（1）当泡沫表面存在极性的双电层时，可以加一种带有相反电荷的表面活性剂，消除这种双电层，以降低泡沫的机械强度。（2）当泡沫的液膜具有较大的表面粘度时，可以加某些分子内聚力较小的物质，以降低液膜的表面粘度，从而使泡沫的液膜中的液体流失，导致泡沫破裂，达到消泡的目的。机理（1）在起泡液中不溶或难溶不溶或难溶，才易于聚集在气液界面，才易于浓缩在泡膜上，才能在较低浓度下发挥作用。理想的消泡剂应具备以下特性：（3）与起泡液有一定程度的亲和性由于消泡过程实际上是泡沫崩溃速度与泡沫生成速度的竞争，所以消泡剂必须能在起泡液中快速分散，以便迅速在起泡液中较广泛的范围内发挥作用。要使消泡剂扩散较快，消泡剂活性成分须与起泡液具有一定程度的亲和性。消泡剂活性成分与起泡液过亲，会溶解；过疏又难于分散。只有亲疏适宜，效力才会好。（2）在低浓度时具有消泡活性（4）与起泡液不发生化学反应消泡剂与起泡液发生反应，一方面消泡剂会丧失作用，另一方面可能产生有害物质，影响微生物的生长。（5）挥发性小，作用时间长来源丰富，价格低廉；对微生物、动物及人类无毒性；能耐高温灭菌常用消泡剂的种类（1）天然油脂天然油脂是最早用的消泡剂。如豆油、菜油、鱼油等。优点：来源容易，价格低，使用简单。无明显毒副作用油脂主要成分：高级脂肪酸酯和高级一元醇酯缺点：不能够一次性的加入的过多，否则，造成发酵液的pH值的下降。如保存不好，易变质，使酸值增高，对发酵有毒性近年来出于对环保的重视，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。（2）聚醚类消泡剂生产上应用较多的是：聚氧乙烯氧丙烯甘油，又称为泡敌（GPE），其使用量在0.3-0.35%，消泡能力为天然油脂的10倍以上。聚氧丙烯甘油（GP)也是一种消泡剂，其与环氧乙烷加成则生成聚氧乙烯氧丙烯（GPE）泡敌，前者，具有良好的抑泡能力，后者，具有良好的消泡能力。在实际生产中，可以考虑两者共同使用。（3）高碳醇高碳醇是强疏水弱亲水的线型分子，在水体系里是有效的消泡剂。七十年代初前苏联学者在阴离子、阳离子、非离子型表面活性剂的水溶液中试验，提出醇的消泡作用，与其在起泡液中的溶解度及扩散程度有关。C7~C9的醇是最有效的消泡剂。C12~C22的高碳醇借助适当的乳化剂配制成粒度为4~9μm，含量为20~50%的水乳液，即是水体系的消泡剂。还有些成酯，如苯乙醇油酸酯、苯乙酸月桂醇酯等在青霉素发酵中具有消泡作用，后者还可作为前体。（4）硅酮类最常用的是聚二甲基硅氧烷，也称二甲基硅油。它表面能低，表面张力也较低，在水及一般油中的溶解度低且活性高。它的主链为硅氧键，为非极性分子。与极性溶剂水不亲和，与一般油的亲和性也很小。它挥发性低并具有化学惰性，比较稳定且毒性小。纯粹的聚二甲基硅氧烷，不经分散处理难以作为消泡剂。可能是由于它与水有高的界面张力，铺展系数低，不易分散在发泡介质上。因此将硅油混入SiO2气溶胶，所构成的复合物，即将疏水处理后的SiO2气溶胶混入二甲基硅油中，经一定温度、一定时间处理，就可制得。值得注意的是：在生产过程中应尽可能减少消泡剂的用量。在应用消泡剂前需做比较性试验，找出一种对微生物生理、产物合成影响最小，消沫效果最好且成本最低的消泡剂。此外，宜使用机械方法联合控制泡沫。值得注意的是：小结泡沫形成原因气液接触气体从外部进入气体从内部产生含助泡剂起泡速度高于破泡速度发酵过程泡沫产生的原因通气搅拌培养基配比与原料组成与菌体代谢活动有关灭菌质量发酵过程起泡的利弊有利之处：气体分散、增加气液接触面积有害之处降低生产能力引起浪费影响菌的呼