发酵中的消泡

1、发酵中的消泡13生工杨雅娴摘要本文闸述了谷氛酸、杭生素等发酵过程中所产生的泡沫性质,消泡机理及消沫剂的种类,与选用原则,并系统地介绍了各种浦泡方法。Are described in this paper flower Valley acid, such as Su-Hang Sheng fermentation produces bubbles in the property, type of defoaming agent and defoaming mechanism, and selection principle of PU foam, and introduces a variety

2、 of methods.前言在谷氨酸、抗生素等发酵过程中,为了培养生长菌而得到所需要的谷氨酸、抗生素等,需要在发酵罐中通入大量的无菌空气,同时,为了增加发酵液的气一液界面,又必须对发酵液加以搅拌。由于发酵液中含有丰富的蛋白质等营养物质,因此特别容易产生大量泡沫;随着生长菌的大量繁殖,发酵液的粘度逐渐变大,发酵罐内发泡现象更加显著。泡沫的大量产生,对发酵会产生十分不利的影响,如妨碍生长菌的呼吸,造成代谢异常,使菌体提早自溶,造成抗生素或谷氨酸产量降低;泡沫的大量产生,使发酵罐减少装液量即降低了“定容”,而且会造成发酵液随泡沫从发酵罐溢出,即产生大量“逃液”,增加了感染杂菌的机会等等。因此,有效地

3、控制发酵中所产生的泡沫是十分重要的,它不仅可以起到增加产量,提高质量的作用,而日.还可以防止环境污染。为了有效地控制泡沫,可以采用物理消泡法、机械消泡法及用消沫剂消泡法等。但各种方法均需考虑到发酵液的性质、现场的操作条件,生产成本等因素,根据具体不同的情况而选用一定的方法消泡。二、泡沫的性质发酵过程中所形成的泡沫一般可分为两类,一类叫表面泡沫,这种泡沫为比较少量的液体之中含有较大量的气体,泡沫是密集的,这类泡沫包含着许多被液膜所分隔的单个气泡,其形状是多面体形的。另一类叫内部泡沫,在该类泡沫中,液体与气体的比率是相当大的,气泡分散于整个液体之中,其形状是球形的。发酵中所产生的泡沫与纯液体所产生

4、的泡沫相比,发酵泡沫是稳定的,而纯液体不易形成稳定的泡沫。根据Gibbs方程,在恒温恒压条件下,有如下关系式G=r×A;式中G一发泡液体的自由能r一液体表面张力A一克分子表面积当自由能随表面积变迁时,自由能倾向于变小,当液体表面张力一定时,即表面积变小,所以纯液休的泡沫系统是一个热力学不稳定系统,它不能产生持久的泡沫。而发酵液不是一种单组分纯液体,它含有蛋白质,碳氢化合物表面活性剂等,它们使发酵液表面张力变小,使形成泡沫新表面所需的能量变小而易发泡。蛋白质分子的存在,由于它是一种长链分子,它能使泡膜表面粘度增加。泡膜表面粘度增加,使从泡沫上脱除液体的作用变慢,同时可使泡膜在较长时间内

5、保持的较厚、较稳定的形式。因此,发酵中所产生的饱沫有较好的持久性。三、消泡机理为了消除泡沫,只要能破坏泡沫的稳定条件即可。如除去发泡物质,变成纯液体,降低泡膜粘度和强度,加入与发泡剂能反应的物质,加入消泡剂等等。在发酵液中加入消泡剂、一是起破泡作用,二是起抑泡作用。对破泡机理可解释为:首先消泡剂的液滴进入泡膜内,液滴变成泡膜的一部分之后,使泡膜面扩大,然后随着消泡剂的进一步扩张,在消泡剂进入的最初部分变薄,最后使袍膜破裂。设发酵液的表面张力为ri,消泡剂的表面张力为rn。,发酵液与消泡剂的界面张力为rin,则有:E=ri+rin-rn;S= ri-rin-rn;式中E为渗入系数,S为扩展系数.

6、破泡过程可以看成是自由能的减小,当E>O时,消泡剂渗入泡膜中;E<O时,消泡剂不渗入泡膜。在扩展阶段,当S>O时,消泡剂在泡膜上扩张;S<O时,消泡剂不扩张,所以,只有当E>O,S>O时,消泡剂才显示出破泡作用。当E<O时,由于渗入和扩张都不进行,就显不出破泡的作用;当E>O,S<O时,由于消泡剂不能充分扩展,所以,有时有破泡作用,有时没有破泡作用。抑泡作用可以看成是除去发泡剂的吸附层,而将抑泡剂分子优先吸附的作用,当在发酵过程中吸附了消泡剂的发酵液,由于其表面粘度在局部地方显著降低,该部分泡膜就容易破裂。抑泡和破泡作用如何体现,这要根据消

7、泡剂和发酵液的具体配合而定,如在发酵液中加入消泡剂破泡,当加入的量比较多,则多余的破泡剂则成为抑泡剂。四、消泡方法消除发酵过程中的泡沫,可以用物理方法、机械方法及加入消泡剂等方法。（一） 物理方法消泡所谓物理方法消泡,就是利用改变温度等方法,使泡膜粘度或弹性降低,从而使泡沫破裂的方法。如在高温下,由于粘度降低,使泡膜易于破裂,而在低温下,泡膜弹性降低,使泡沫不能稳定。例如:一种“用低温放电控制泡沫”的方法,据称对控制发酵泡沫有良好的效果。该方法为将低温放电装置安装在泡沫上面,根据泡沫的成份和状态,调节电压的大小,即能控制泡沫的发生,如图1、所示,在发酵罐1内放入培养液2,搅拌器3不断搅拌时产生

8、泡沫4,在发醉罐上部安装的电极5上加上510KV的电压,则由于低温放电发射电子,使泡沫逐渐减小,因为电仅上通有高压,所以通常在发酵罐中安装有绝缘子6,通过该绝缘子安装母线7,电极与母线相连。绝缘子由氟塑料制成。同时为提高放电效率,母线外面最好用云母粉与环氧树脂混合物作绝缘体包盖,电极材料用不锈钢,限据设备的大小,用对称安装多个母线以及与母线相连的电极,就能够有效地控制泡沫,泡沫与电极之间的距离越大,在同样的电压下消饱效果越小,但是电极与泡沫过分接近也并不好。(二)机械方法消泡有时候,怕消泡剂会污染产品,或者是为了节省开支,采用机械方法消泡也能收到一定的效果,采用机械消泡,一般是利用压力急速变化

9、,剪切力,压缩力和冲击力等将泡沫消除,如在发酵罐内连续不断地减压和加压,使压力反复变化;从发酵罐底部把液休抽出又从发酵罐上面连续不断地送进去;采用慢慢搅拌;用空气喷射破坏泡沫或吹散泡沫;或采用音波消泡等等。在发酵工艺中应甲一种高转速的机械消泡装置,据称能得到较好的消泡效果,且这种装置制作简单,价格低廉。这种高转速的机械消泡装置是一个专用马达带动的,由小型双层叶轮组成,其转速高达3000转/分,在发酵罐内它的位置可按发酵液面上下调整,由于叶轮之间的离心作用及它们在转动时对罐壁产生足够大的冲击力,使泡沫打碎而被消除,在连续的工艺过程中,消沫器控制着泡沫,使发酵过程保持一个安全的液面。但在某些泡沫特

10、别稳定的生产场合,采用机械方法消泡时,往往需要加入一定量的化学消沫剂,作为辅助消泡。(三)加消泡剂法消泡采用物理方法消泡或机械方法消泡,都不能从根本上消除泡沫稳定的因素,因而也就不能彻底消除泡沫。加入消泡剂消泡,不仅有明显的消泡效果,而且使用方法简便,所以,它是目前发酵过程中使用的主要方洪。1.消泡剂的种类消泡剂从天然物质到合成物质,如聚醚、硅酮、油脂、脂肪酸、脂肪酸醋、脂肪酸盆、磷酸酚、胺类等等,种类繁多,此外,还有用聚烯怪等固体微粒作消泡剂的。虽然作为消泡剂的种类比较多,但聚醚类及酮类两类的性能比较优越,应用范围广泛,目前国内外研制和生产的消泡剂大多以这两类为主。从谷氨酸及抗生素角度考虑,

11、硅酮型消泡剂低毒抗氧化,破饱能力强,但抑泡能力低,因而耗用量大。该类消泡剂适用于碱性发酵,对于微酸性发酵效果不佳,它对生长菌发育有一定抑制作用。聚醚消袍剂的特点是抑泡能力强、破泡速率低,因此比较适用于谷氨酸、抗生素等发醉。发酵过程中使用的聚醚类消泡剂品种也很多,可总结归纳为以下通式:S·(RO)a(C2H4O)bHn式中:S一起始剂,它是含有活泼氢的化合物,包括脂肪族多价醇、脂环式多价醇,单糖或其衍生物,多糖类、脂肪胺、多价酚等。n一一个从38的整数a、 b一氧化烯烃分子数,以聚氧乙烯链分子量占总分子量的320拓为宜。目前国内发酵中普遍应用的合成消泡剂主要有GP、GPEL、BAPE等

12、型号,它们都是聚醚类消抱剂,其中以BAPE消袍剂效呆最佳,它不仅用量少,使用方法简便、效果好,且毒性特别低。2.消泡剂的选择选择消泡剂,一般要求有如下条件:(1)消泡剂对发酵液必须是不溶或难溶的物质。(2)与发酵液具有一定的亲和性,以使其能挤进形成泡膜的发泡性物质中。(3)表面张力小,以使消泡剂分子能在泡膜表面扩张。(4)不与发酵液起化学反应。(5)具有良好的热稳定性。(6)必须符合食用及医药要求无毒无气味,对微生物及人无害。(7)不影响提炼过程,不污损产品。(8)用量少就有消泡效果,且有持续性。(9)价格低廉。目前应用于发酵过程中的聚醚消泡剂,分子中基本上由亲油基团和亲水基团组成,由于其组成

13、比例的不同而形成了不同的消泡性能,再加上各种发酵过程都有一定的特殊条件,因此情况是错综复杂的,往往是各种发酵过程对消泡剂是有选择性的,所以有些消泡剂在某个过程中具有良好的消泡性,而在另一个过程中不能起到理想的消泡作用。如何决定应用某种消泡剂,目前根据发泡条件从理论上来选定消泡剂还有困难。主要是根据经验及一定的小型试验来决定应用某种消泡剂。评选消泡剂效果可以用图2所示的试验装置进行。 于500ml的玻藕量筒中装入10001被消抱的派休,放入气体分布器,调节气体流量,待泡沫升到一定高度后加入一定量的消泡剂,观察泡沫变化情况(破泡试验)或者在要消泡的浓体中事先加入一定量消泡剂,通过气体分布器通入气体

14、,观察发泡情况(抑泡试验)。但这种方法也只能粗略地决定消泡剂的消泡效果。3.消泡剂的使用方法消泡剂的合理使用,可以充分发挥其消泡作用,因此,在发酵过程中必须根据各种不同的具体条件,采用合理的消泡方法。(1)消泡齐巧的稀释一般聚醚类消泡剂只有在胶体状态下才能发挥其作用,如果胶体改变,如凝聚成大粒子或溶解成真溶液,就会使消泡剂失效。发酵过程中使用消泡剂一般都用水进行稀释,稀释浓度从1拓30多不等,但浓度太高,往往使分散性不好,究竟应稀释到什么程度,只要能达到消泡剂用量很少就可以消泡就行了。把聚醚消泡剂用水稀释后继续冷却到“浊点”以下,使其全部溶解,然后再使消泡剂溶液温度回升到浊点以上,使聚醚形成极

15、微细的乳状粒子,能显著提高消泡能力L。但如果将消泡剂稀释液在浊点以下使用,则消泡效果会明显降低。(2)消泡剂的加入量消泡剂只有在低浓度时才显示出高的表面活性,当发酵过程中加入过多的消泡剂,特别是质量差的消泡剂,往往会走向反面,在发酵液中变为助泡剂。再则,有些消泡剂对发酵过程中的氧传递有一定影响L,这就更要求消泡剂的用量应尽量少,以减少其对氧传递的影响,另外,过多的加人消泡剂,对生产成本也不利,因此,在发酵过程中选用高效的消泡剂是合理的。就发酵本身而言,一般发酵液粘度比较大,所加入的消泡剂量应多;而发酵液粘度比较小,整个发酵过程粘度变化不大,则加人消泡剂量可以少一些。(3)消泡剂的加入方法发酵中

16、所使用的消泡剂采用基础料中一次加入好还是采用中间续加法好,说法不一。这一方面要根据消泡剂的效果,另一方面要根据发酵条件。一般来说,在发酵周期短的生产过程中,如谷氨酸发酵,可以采用基础料中一次加入的方法L,其好处是操作简单,缺点是消泡剂用量相对地要多一些。对发酵周期比较长的生产过程,如土霉素发酵0,以采用中间续加法为好,这样可以充分发挥消泡剂的作用,巨消泡剂用量也比较少,但在基础料中先加入少量的消泡剂,对控制发酵前期的泡沫有较好的作用。所谓中间续加法,即在发酵过程中视发酵罐内泡沫升到一定高度后再加入一定量的消泡剂,续加可以用手控,也可以用自控,方法较多,下面仅例举几种加以简单说明。消泡剂注入装置

17、法该法装置如图3所示,首先在消泡剂配制罐内配成一定浓度的消泡剂乳浊液,用无菌压缩空气保压,待发酵罐4内发酵液产生泡沫5上升至离视镜了约0.5米处,开启伐1,使消泡剂乳浊液充满计量杯2,然后关闭伐1,开启伐3,消泡剂加入发酵罐内,泡沫即消除,当泡沫再次升高时,重复上述步骤,该消泡剂注入装置也可安装自动器进行自动注加。消泡剂渗入装置法该法的操作过程如图4所示,多孔的消泡剂渗入器l(它可由棉花带,不锈钢丝网,石棉、玻璃纤维等制成,也可用玻璃或陶瓷烧结成一根多孔的中空管子)用一定量的消泡剂浸透,当发酵罐2内发酵液4产生泡沫3升高而接触到渗入器下端时,一定量的消泡剂就渗出到泡沫层上,这时泡沫即下降。当泡沫再次升高时,与渗入器再接触,泡沫再次被控制,最后当渗入器消泡剂被渗完后,必须再将消泡剂从贮存器8经导管n流入渗入器,该装置可以用手控,也可以用自动或半自动控制。自控时为发酵罐内装入一定高度的电极5。该泡沫升高与电极接触时,报警箱6内指示灯或电铃了即放出信号,同时贮存器8内的消泡剂由控制器10将阀门9开启后经导管11流入