第五章泡沫的控制6

1、第五章第五章 发酵过程的控制发酵过程的控制第一节第一节 发酵过程控制的目的、研究的方法和层次发酵过程控制的目的、研究的方法和层次第二节第二节 发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析第三节第三节 氧的供需及对发酵的影响氧的供需及对发酵的影响第四节第四节 温度变化及其控制温度变化及其控制 第五节第五节 发酵过程的发酵过程的pHpH控制控制第六节第六节 发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制第七节第七节 染菌与灭菌染菌与灭菌第六节第六节 发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制u泡沫产生的原因泡沫产生的原因u泡沫对发酵过程的影响泡沫对发酵过程的影响u泡沫的消除和控制泡沫的消除和控制一

2、、发酵过程泡沫产生的原因一、发酵过程泡沫产生的原因（1）通气搅拌的强烈程度）通气搅拌的强烈程度通气大、搅拌强烈可使泡沫增多，因此在发酵通气大、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。丰富，易起泡。应先开小通气量，再逐步加大。搅拌转速也如此。也可在基础料中加入消泡剂。搅拌转速也如此。也可在基础料中加入消泡剂。（2）培养基配比与原料组成）培养基配比与原料组成培养基营养丰富，黏度大，胶体多，产生泡沫多培养基营养丰富，黏度大，胶体多，产生泡沫多而持久，前期难开搅拌。而持久，前期难开搅拌。蛋

3、白质（胶体）原料，如蛋白胨、玉米浆、黄豆蛋白质（胶体）原料，如蛋白胨、玉米浆、黄豆粉、酵母粉等是起泡的主要因素；粉、酵母粉等是起泡的主要因素；糖蜜发泡能力更强；多糖水解不完全，产生糊精，糖蜜发泡能力更强；多糖水解不完全，产生糊精，也容易引起泡沫。也容易引起泡沫。例：在例：在50L50L罐中投料罐中投料10L10L，成分为淀粉水解糖、豆饼水解，成分为淀粉水解糖、豆饼水解液、玉米浆等，搅拌液、玉米浆等，搅拌900 rpm900 rpm，通气，泡沫生成量为培养，通气，泡沫生成量为培养基的基的2 2倍。如培养基适当稀一些，接种量大一些，生长速倍。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

4、易开搅拌。度快些，前期就容易开搅拌。 （3 3）菌种、种子质量和接种量）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。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菌种生长慢的可以加大接种量 （4 4）灭菌质量）灭菌质量培养基灭菌质量不好，糖氮被破坏，抑制微生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，加物生长，使种子菌丝自溶，产生大量泡沫，加消泡剂也无效。消泡剂也无效。泡沫的定义：泡沫的定义：一般来说，泡沫是气体在液体中的粗分散体，属于一般来说，泡沫是气体在液体中的粗分散

5、体，属于气液非均相体系。气液非均相体系。只有含有助泡的表面活性剂，才能形成稳定的泡沫，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所以应当首先研究表面活性剂与液膜的关系引起危害，需要消除的，只是稳定的泡沫。泡沫引起危害，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。的稳定性受液体、气体许多性质的影响。表面活性剂示意图表面活性剂示意图亲水基亲水基 疏水基疏水基如图所示，表面活性剂是由疏水基与亲水基构如图所示，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

6、况下泡沫才能比较稳定，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。停留时间比较长。当表面活性剂的亲水基留在水相，疏水基伸到气当表面活性剂的亲水基留在水相，疏水基伸到气相中，形成定向吸附层相中，形成定向吸附层当表面活性剂的疏水基在水相中互相靠在一起，当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，形成减少疏水基与水的接触，形成“胶束胶束”。胶束胶束定向吸附层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，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。在泡沫不

7、断增加时，束浓度时出现第二种情况。在泡沫不断增加时，表面活性剂会从胶束中不断转移到新产生的气液表面活性剂会从胶束中不断转移到新产生的气液界面上界面上在液相中因为水分子之间的吸引力大于水对表面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是表面活性剂易于在泡沫上形成定向吸附层的原因。因。 表面活性剂为什么会定向排列在表面？表面活性剂为什么会定向排列在表面？二、泡沫对发酵过程的影响二、泡沫对发酵

8、过程的影响1 1、降低生产能力、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。在发酵罐中，为了容纳泡沫，防止溢出而降低装量。装料系数：装量与容量的比。发酵罐的装料系数一装料系数：装量与容量的比。发酵罐的装料系数一般为般为0.7.0.7.2 2、引起原料浪费、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。引起原料流失，造成浪费。3 3、影响菌的呼吸、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，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气泡中充满二氧化碳，

9、而且又不能与空气中氧进行交换，这样就影响了菌的呼吸。交换，这样就影响了菌的呼吸。4 4、引起染菌、引起染菌由于泡沫增多而引起逃液，于是在排气管中粘上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。处落下的泡沫往往引起杂菌污染。5、影响发酵产物、影响发酵产物有些发酵产物，特别是蛋白酶，发酵泡沫可能使有些发酵产物，特别是蛋白酶

10、，发酵泡沫可能使这些酶失活。这些酶失活。三、泡沫的消除和控制三、泡沫的消除和控制n物理消泡物理消泡n化学消泡化学消泡（1）物理消泡）物理消泡依靠强烈的机械运动或压力变化，促使泡沫破裂依靠强烈的机械运动或压力变化，促使泡沫破裂方法：方法：l安装消泡桨安装消泡桨l将泡沫引出罐外，通过喷嘴的加速或离心力作用，将泡沫引出罐外，通过喷嘴的加速或离心力作用， 将泡沫消除将泡沫消除物理消泡的优缺点：物理消泡的优缺点：优点：优点：不加化学物质，从而节省原料（消泡剂）；减少不加化学物质，从而节省原料（消泡剂）；减少杂菌污染的机会；对下游发酵产物的分离纯化无杂菌污染的机会；对下游发酵产物的分离纯化无影响。影响。缺

11、点：缺点：不如化学消泡剂迅速可靠，不能根除泡沫；不如化学消泡剂迅速可靠，不能根除泡沫；消耗动力。常作为辅助手段。消耗动力。常作为辅助手段。（2）化学消泡）化学消泡1 1、化学消泡剂的作用原理、化学消泡剂的作用原理：消泡剂可使泡沫液局部表面张力降低，因而消泡剂可使泡沫液局部表面张力降低，因而 导致泡沫破灭；导致泡沫破灭；气泡表面存在极性活性物质而形成双电层，气泡表面存在极性活性物质而形成双电层， 加入相反电荷的表面活性物质，可降低液膜加入相反电荷的表面活性物质，可降低液膜 的弹性；的弹性；当液膜有较大的黏度时，加入黏度较弱的物当液膜有较大的黏度时，加入黏度较弱的物 质，降低液膜的表面黏度质，降低

12、液膜的表面黏度2 2、对消泡剂的要求、对消泡剂的要求在起泡液中不溶或难溶在起泡液中不溶或难溶 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。所以消泡剂在起泡液中是过饱和状态，保持在这种状态。所以消泡剂在起泡液中是过饱和状态，只有不溶或难溶才易于达到过饱和状态。不溶或难溶，才只有不溶或难溶才易于达到过饱和状态。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

13、作用。用于水体系的消泡剂，活性成分的分子，浓度下发挥作用。用于水体系的消泡剂，活性成分的分子，须为强疏水弱亲水，须为强疏水弱亲水，HLBHLB值在值在1.531.53范围，作用才最好。范围，作用才最好。 表面张力低于起泡液表面张力低于起泡液 只有消泡剂分子间作用力小，表面张力低于起只有消泡剂分子间作用力小，表面张力低于起泡液，消泡剂微粒才能够在泡膜上浸入及扩展。泡液，消泡剂微粒才能够在泡膜上浸入及扩展。值得注意的是，起泡液的表面张力并非溶液的表值得注意的是，起泡液的表面张力并非溶液的表面张力，而是助泡溶液的表面张力。面张力，而是助泡溶液的表面张力。 与起泡液有一定程度的亲和性与起泡液有一定程度

14、的亲和性 由于消泡过程实际上是泡沫崩溃速度与泡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。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。又难于分散。只有亲疏适宜，效力才会好。与起泡液不发生化学反应与起泡液不发生化

15、学反应消泡剂与起泡液发生反应，一方面消泡剂会丧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，影响微失作用，另一方面可能产生有害物质，影响微生物的生长。生物的生长。 不影响溶氧和不影响溶氧和pHpH值的测定和氧的传导值的测定和氧的传导3 3、破泡剂与抑泡剂的区别、破泡剂与抑泡剂的区别（1 1）消泡剂可分为破泡剂和抑泡剂）消泡剂可分为破泡剂和抑泡剂破泡剂是加到已形成的泡沫中，使泡沫破灭的添加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，在起泡液中其分子

16、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，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。消泡效率会下降。抑泡剂是发泡前预先添加而阻止发泡的添加剂。聚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和性很弱的难溶或不溶的液体 （2 2）作用机理上的区别）作用机理上的区别破泡剂的破泡机理：破泡剂的破泡机理：第一，吸附助泡剂，加入电解质，瓦解双电层，第

17、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。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，而助泡剂却泡过程中，破泡剂不断失效、

18、消耗，而助泡剂却不受影响不受影响 抑泡机理：抑泡机理：一般认为抑泡剂分子在气液界面上优先被吸附，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，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。据泡膜，抑制了助泡剂的作用，抑制了气泡。（3 3）破泡剂与抑泡剂的相互关系）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；溶解度大的破泡剂，消泡作用

19、只发挥一次；溶解度小的破泡剂，消泡作用可持续一段时间。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，可有抑泡作用，抑泡剂大面，破泡剂大量使用，可有抑泡作用，抑泡剂大量使用也可有破泡作用。量使用也可有破泡作用。4 4、常用消泡剂的种类和性能、常用消泡剂的种类和性能（1 1）天然油脂）天然油脂天然油脂是最早用的消泡剂，天然油脂是最早用的消泡剂，它来源容易，价格低，使它来源容易，价格低，使用简单，一般来说没有明显副作用，用简单，一般来说没有明显副作用，如豆油、菜油、鱼如豆油、菜油、鱼油等。油脂主要成分

20、是高级脂肪酸酯和高级一元醇酯，油等。油脂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。但油脂如保藏不好，易变质，还有高级醇、高级烃等。但油脂如保藏不好，易变质，使酸值增高，对发酵有毒性。此外，有些油是发酵产物使酸值增高，对发酵有毒性。此外，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地位又有些提高，而且还在研究新的天然消泡剂 A A 酒糟榨出液酒糟榨出液 罗伯茨（罗伯茨（Rob

21、erts R.T.Roberts R.T.）在英国酿造业研究基金会资助）在英国酿造业研究基金会资助的试验啤酒厂发现：全麦芽浸出浆桶中最后倒出的沉积物的试验啤酒厂发现：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？经过试验，由酒糟中压以后的酒糟压榨出有效的消泡剂？经过试验，由酒糟中压榨出大约榨出大约40%40%液体，在液体，在50500 0C C真空蒸馏，浓缩真空蒸馏，浓缩1919倍，果然得到倍，果然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。可用于麦芽汁发酵过程的消泡

22、剂。效果很好，没有副作用。经分析证明，酒糟榨出液中存在经分析证明，酒糟榨出液中存在C8C18C8C18的全部脂肪酸，存的全部脂肪酸，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。下的消泡作用比这些物质单独消泡作用强得多。B B 啤酒花油啤酒花油 研究年发现向啤酒添加研究年发现向啤酒添加15ppm15ppm啤酒花油是减轻气泡溢出损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：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。石竹烯、

23、荷兰芹萜烯、香叶烯和蒎烯等。（2 2）聚醚类消泡剂）聚醚类消泡剂聚醚类消泡剂种类很多我国常用的主要是聚醚类消泡剂种类很多我国常用的主要是甘油三羟基聚醚甘油三羟基聚醚。六十年代发明此类消泡剂，美国道康宁化学公司首先投产。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。烷的混合物进行加成聚合而制成的。只在甘油分子上加成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聚合环氧丙烷的产物叫聚氧丙烯甘油定名为GPGP型消泡剂型消泡剂；用于链霉素发酵，代替天然油，

24、加入基础料，效果很好。用于链霉素发酵，代替天然油，加入基础料，效果很好。在在GPGP型消泡剂的聚丙二醇链节末端再加成环氧乙烷，成为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，也叫链端是亲水基的聚氧乙烯氧丙烯甘油，也叫GPEGPE型消泡剂型消泡剂（泡敌）。（泡敌）。按照环氧乙烷加成量为按照环氧乙烷加成量为10%10%，20%20%，50%50%分分别称为别称为GPE10GPE10，GPE20GPE20，GPE50GPE50。这类消泡剂称为。这类消泡剂称为“泡泡敌敌”。用于四环素发酵效果很好，相当于豆油的。用于四环素发酵效果很好，相当于豆油的10201020倍。

25、倍。GPGP型的消泡剂亲水性差，在发泡介质中的溶解度小，所以型的消泡剂亲水性差，在发泡介质中的溶解度小，所以宜使用在稀薄的发酵液中。它的抑泡能力比消泡能力优越，宜使用在稀薄的发酵液中。它的抑泡能力比消泡能力优越，适宜在基础培养基中加入，以抑制整个发酵过程的泡沫产适宜在基础培养基中加入，以抑制整个发酵过程的泡沫产生。生。GPEGPE型消泡剂亲水性较好，在发泡介质中易铺展，消泡能型消泡剂亲水性较好，在发泡介质中易铺展，消泡能力强，但溶解度也较大，消泡活性维持时间短，因此用在力强，但溶解度也较大，消泡活性维持时间短，因此用在粘稠发酵液中效果较好。粘稠发酵液中效果较好。有一种新的有一种新的聚醚类消泡剂

26、聚醚类消泡剂，在，在GPEGPE型消泡剂链端用疏水基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。这类化合物叫面，因而表面活性强，消泡效率高。这类化合物叫GPESGPES型型消泡剂消泡剂。（3 3）高碳醇）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。效的消泡剂。七十年代初前苏联学者在阴离子、阳离七十年代初前苏联学者在阴离子、阳

27、离子、非离子型表面活性剂的水溶液中试验，提出醇的子、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。消泡作用，与其在起泡液中的溶解度及扩散程度有关。C7C9C7C9的醇是最有效的消泡剂。的醇是最有效的消泡剂。C12C22C12C22的高碳醇借助适当的乳化剂配制成粒度为的高碳醇借助适当的乳化剂配制成粒度为49m49m，含量为，含量为2050%2050%的水乳液，即是水体系的消泡的水乳液，即是水体系的消泡剂。剂。还有些成酯，如苯乙醇油酸酯、苯乙酸月桂醇酯等在还有些成酯，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。青霉素发酵中具有消泡作用，后者还可作为前体。（4 4）硅酮类）硅酮类最常用的是最