泡沫的影响及其控制

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陈珊时间：2021.5第七章

发酵工艺控制

-------泡沫的影响及其控制

(一)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，如搅拌液体时混入气体（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。2、含起泡剂

当气体在纯水中鼓泡，生成的气泡只能维持瞬间。多数起泡剂就是表面活性物质，分子带极性的一端向着水溶液，非极性一端向着空气，并力图在表面进行定向排列，增加了泡沫的机械强度。（1）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。也可在基础料中加入消泡剂。（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，前期难开搅拌。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，前期就容易开搅拌。3.发酵过程泡沫产生的影响因素（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。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。

（二）泡沫对发酵的影响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。（三）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。1.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；机械消泡物理学原理；可在罐内或罐外进行。机械消泡的特点优点：不需外加物质；节省原材料；减少污染机会。缺点：不能从根本上消除引起泡沫稳定的原因。方法

罐外旋转叶片式喷雾式离心式转向板式

罐内耙式旋转圆盘式流体吹入式冲击反射板式碟片式超声波把空气及空气与发酵液吹入发酵罐中形成的泡沫层来进行消泡

将发酵内形成气泡群吸引到气体吸入管，利用气体流速进行消泡。该装置中在靠近吸入口附近的气体吸入管内形成增速用的喷头，而吸入管用来连接液面上部与增速喷头的负压部位。把气体吹入液面上部，通过在液面上部设置的冲击反射，吹回到液面，而将液面上产生的泡沫击碎的方法。将空气在１.5－３.0ＭＰa下，以１－２m/s的速度由喷嘴喷入共振室而起消泡的作用。该法目前仅适用于小型发酵过程的消泡，而不适合于大规模工业发酵的消泡。

使用时将消泡器安装于发酵的罐顶，使碟片位于罐顶的空间内，用固定法与排气口相连接，当高速旋转时进入碟片间的空气中的气泡被打碎同时甩出液滴，返回发酵罐中，而被分离后的气体由空心轴径排气口排出。

发酵罐内产生的泡沫通过旋风分离器上部进入脱泡器下方引入的气体逆向接触使其破碎。特点：泡沫通过旋风分离器等破碎后，再将带微小泡沫的液体导入装有充填物的脱泡器中，以增大液体表面积，然后从脱泡器下方吹入气体，使其与流下的液体逆向接触进行彻底的脱泡。旋转叶片罐外机械消泡将泡沫引出罐外，利用装置中的旋转叶片所产生的冲击力和剪切力进行消泡。

离心消泡将泡沫注入用网眼及筛目较大的筛子做成的筐中，通过旋转产生的离心力将泡沫分散，从而达到消泡的目的。2.化学消泡

(1)化学消泡的机理

在发酵过程中，向发酵液中添加消泡剂，可以有效的控制泡沫的形成，其机理因消泡剂的种类不同而异，通常有以下几种：A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。B当泡沫的液膜具有较大的表面粘度时，可以某些分子内聚力较少的物质，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。降低液膜的机械强度和表面黏度两种性能。①表面活性剂，具有较低的表面张力（内聚力弱），消泡效果明显。②对气-液界面的散布系数必须足够大，才能迅速消泡；③无毒害性，不影响发酵菌体；不会在使用、运输中引起危险；④不干扰各种测量仪表的使用；⑤在水中的溶解度较小，以保持持久的消泡性能；⑥应该在低浓度时具有消泡活性；⑦应该对产物的提取不产生任何影响；⑧应该对氧传递不产生影响；⑨能耐高温灭菌。⑩来源方便，使用成本低；（2）选择消泡剂的原则泡沫在发酵产品中的成本比例较高：GA发酵：5Kg/吨*GA,价格：30元/Kg年产10000吨味精的企业：消泡剂的成本：150万元（3）发酵工业上常用的消泡剂常用的一些消泡剂：①天然油脂：②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。

③聚醚类；④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。

①天然油脂最早消泡剂，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。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。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%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。油的质量、新鲜程度：油新鲜，消泡能力强，副作用也小；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？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。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，尤其是卵磷脂等物质，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。GP：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。

GPE：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。GPES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。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。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。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