第七章 发酵过程控制5-泡沫和控制

第八节发酵过程泡沫的形成与控制一、泡沫形成的基本理论泡沫的定义：泡沫是气体在液体中的粗分散体，属于气液非均相体系。是一种密度接近气体，而不接近液体的“气/液”分散体。发酵过程起泡的利弊：气体分散增强、增加气液接触面积;但过多的泡沫是有害的。1、气液接触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过量的泡沫。气液接触大致有以下两类情况：（1）气体从外部进入液体，如搅拌液体时通入气体。（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。（一）泡沫形成的原因2、含助泡剂•在未加助泡剂，但并不纯净的水中产生的泡沫，其寿命在0.5秒之内，只能瞬间存在。摇荡纯溶剂不起泡，如蒸馏水，只有摇荡某种溶液才会起泡。•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；同时还取决于泡沫速度。•体系的起泡程度是起泡难易和泡沫稳定性两个因素的综合效果。•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。4、发酵过程泡沫产生的原因（1）通气搅拌的强烈程度通气强度大、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。也可在培养基中加入消泡剂。（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，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200rpm，通气，泡沫生成量为培养基体积的2倍。（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，使种子细胞自溶，产生大量泡沫，加消泡剂也无效。（二）起泡的危害1、降低生产能力在发酵罐中，为了容纳泡沫，防止溢出而降低装液量。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、影响细胞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，这样就影响了细胞的呼吸。4、引起染菌由于泡沫增多而引起逃液，在排气管中粘上培养基，就会长杂菌。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。（三）影响泡沫稳定性的因素引起危害，需要消除的，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，主要因素有：1、泡沫直径的大小•较大的泡沫易于破灭，寿命较长的的都是小泡。泡越小，合并成大气泡的历程就越长，而且小气泡的泡膜中所含液量相对比较大，所以能经受液体流失所造成的稳定性的损失。•气泡只有上升到液面才能够在破灭之后减少泡沫体积。气泡越小，上升速度越慢。小气泡上升慢，给表面活性剂的吸附提供充足的时间，增加了气泡的稳定性。2、溶液所含的助泡剂（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，因而使泡沫液具有可以伸缩的称为“吉布斯弹性”的性质，吉布斯弹性大，泡沫抵抗变形的能力就大，即收缩力较大，泡沫“自愈作用”就强，泡沫也就稳定。3、液体的粘度某些溶液，如蛋白质溶液，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。消泡剂可分为破泡剂和抑泡剂破泡剂：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，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。二消泡剂破除泡沫抑泡剂：发泡前预先添加而阻止发泡的添加剂。如聚醚及有机硅等属于抑泡剂。1、对消泡剂的要求（1）在发酵液中不溶或难溶为破灭泡沫，消泡剂应该在泡膜上浓缩、集中。对破泡剂的情况，应在瞬间浓缩、集中，对于抑泡的情况应经常保持在这种状态。所以消泡剂只有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。（2）表面张力低于起泡物质只有消泡剂分子间作用力小，表面张力低于起泡物质，消泡剂微粒才能够在泡膜上浸入及扩展。（3）与发酵液有一定程度的亲和性•由于消泡过程实际上是泡沫破灭速度与泡沫生成速度的竞争，所以消泡剂必须能在发酵液中快速分散，以便迅速在发酵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发酵液具有一定程度的亲和性。消泡剂活性成分与发酵液过亲，会溶解；过疏又难于分散。（4）与发酵液不发生化学反应消泡剂与发酵液发生反应，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2、常用消泡剂的种类和性能（1）天然油脂•天然油脂是最早用的消泡剂，来源容易，价格低，使用简单，没有明显副作用，如豆油、菜油、鱼油等。•主要成分是高级脂肪酸酯和高级一元醇酯，还有高级醇、高级烃等。•但油脂易变质，使酸值增高，对发酵有毒性。•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。•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。A：酒糟榨出液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。酒糟榨出液中存在C8~C18的脂肪酸，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：啤酒花油研究发现向啤酒添加1~5ppm啤酒花油是减轻气泡的有效措施。啤酒花油含有消泡活性的物质有：石竹烯、荷兰芹萜烯等。（2）聚醚类消泡剂聚醚类消泡剂种类很多，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；用于链霉素发酵，代替天然油，效果很好。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。这类消泡剂称为“泡敌”。用于四环素发酵效果很好，相当于豆油的10～20倍。（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。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，即成为消泡剂。（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，与一般油的亲和性也很小。挥发性低并具有化学惰性，比较稳定且毒性小。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。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菌种、种子质量和接种量灭菌质量发酵过程起泡的利弊有利之处：气体分散、增加气液接触面积泡沫稳定性的因素泡径大小溶液所含助泡物的类型助泡剂浓度起泡液的粘度温度、pH、表面电荷等常用的消泡剂天然油脂聚醚类消泡剂高碳醇硅酮类降低生产能力引起原料浪费影响菌的呼吸引起染菌有害之处