1、發酵技術中的泡沫的控制1泡沫的產生、性質及變化形成條件：氣-液兩相共存；表面張力大的物質存在；發酵過程中泡沫有兩種類型：一種是發酵液液面上的泡沫，氣相所占的比例特別大，與液體有較明顯的界限，如發酵前期的泡沫；另一種是發酵液中的泡沫，又稱流態泡沫(fluid foam)，分散在發酵液中，比較穩定， 與液體之間無明顯的界限。實質：氣溶膠構成的膠體系統，其分散相是空氣和代謝氣，連續相是發酵液，泡沫間隔著一層液膜而被彼此分開不相連通。泡沫是熱力學不穩定體系熱力學第二定律指出：自發過程，總是從自由能較高的狀態向自由能較低的狀態變化。起泡過程中自由能變化如下： G=y AAG自由能的變化 A表面積的變化丫

2、 匕表面能起泡時，液體表面積增加， A為正值，因而 G為正值，也就是說，起泡過程不是自發 過程。另一方面，泡沫的氣液界面非常大。例如：半徑1cm厚0.001cm的一個氣泡，內外兩面的氣液界面達25cm2;可是，當其破滅為一個液滴后，表面積只有0.2cm2，相差上百倍。泡沫破滅、合并的過程中，自由能減小的數值很大。因此泡沫的熱力學不穩定體系，終歸會變成具有較小表面積的無泡狀態。發酵過程泡沫產生的原因(1) 通氣攪拌的強烈程度發酵前期培養基成分豐富，易起泡。采用較小通氣量及攪拌轉速，再逐步加大。也可在基礎料中加入消泡劑。(2) 培養基配比與原料組成前期培養基營養豐富粘度大，產泡沫多而持久。例：在5

3、0L罐中投料10L,成分為淀粉水解糖、豆餅水解液、玉米漿等，攪拌 900 rpm,通氣，泡沫生成量為培養基的2倍。如培養基適當稀一些，接種量大一些，生長速度快些，前期就容易攪拌開。(3) 菌種、種子質量和接種量菌種質量好，生長速度快，可溶性氮源較快被利用，泡沫產生幾率也就少。菌種生長慢的可以加大接種量(4) 滅菌質量培養基滅菌質量不好，糖氮被破壞，抑制微生物生長，使種子菌絲自溶，產生大量泡沫，加消泡劑也無效。泡沫的形成一般有以下幾種規律：整個發酵過程中，泡沫保持恒定的水平；發酵早期，起泡后穩定地下降，以后保持恒定；發酵前期，泡沫稍微降低后又開始回升；發酵開始起泡能力低，以后上升；泡沫體系的三階

4、段變化(1) 氣泡大小分布的變化液膜包裹的一個氣泡，就像一個吹鼓了的氣球。由于氣球膜有收縮力，所以氣 球中壓力大于氣球外的壓力；同樣氣泡膜有表面張力，氣泡中壓力大于氣泡外的壓力。氣 泡大小的再分布，就是由氣泡膜內氣體的壓力變化引起的。氣泡中氣體壓力的大小，依賴 氣泡膜的曲率半徑(2) 氣泡液膜變薄取一杯泡沫，放置一段時間，就會在杯底部出現一些液體，而逐漸形成液相及液面上的泡 沫相這樣具有界面的兩層。底部出現的液體一部分是泡沫破滅形成的，一部分是氣泡膜變 薄，排出液體形成的。泡沫生成初期，泡沫液還比較厚，以后因蒸發排液而變薄，泡沫液會受重力的影響向 下排液，泡沫液隨時間延續而變薄。(3) 泡沫破

5、滅泡沫由于排液，液量過少，表面張力降低，液膜會急劇變薄，最后液膜會變得十分脆弱， 以至分子的熱運動都可以引起氣泡破裂。因此只要泡沫液變薄到一定程度，泡沫即瞬間破 滅。泡沫層內部的小氣泡破滅后，雖一時還不能導致氣液分離，只是合并成大氣泡，但 排液過程使泡膜液量大幅度減少，使合并成的大氣泡快速地破滅，最后泡沫體系崩潰，氣 液分離。影響泡沫穩定性的因素引起危害，需要消除的，只是穩定的泡沫。泡沫的穩定性受液體、氣體許多性質的影 響。不同介質的泡沫，穩定程度相差很多，影響泡沫穩定性的因素十分復雜，概括國內外 研究者的說法，主要因素一下幾種1) 泡徑大小大泡易于破滅，壽命較長的的都是小泡。因為：泡越小，合

6、并成大氣泡的歷程就越長；小氣泡的泡膜中所含液量相對比較大，所以較能經受液體流失所造成的 穩定性的損失；氣泡越小，上升速度越慢，給表面活性劑的吸附提供充足的時間，增加 了穩定性。2) 溶液所含助泡物的類型和濃度(1) 降低表面張力降低表面張力會降低相鄰氣泡間的壓差。壓差小，小泡并入大泡的速度就慢，泡沫 的穩定性就好。(2) 增加泡沫彈性助泡的表面活性劑，吸附在氣液界面上，使表面層的組分與液相組分產生差別，因 而使泡沫液具有彈性。（3）助泡劑濃度溶液中助泡劑濃度增加，氣液界面上的吸附量就增加，液膜彈性隨之增加，泡 沫穩定性增高。到達臨界膠束濃度后，氣液界面上的定向排列飽和”，彈性不會再增加。3）起

7、泡液的粘度某些溶液，如蛋白質溶液，雖然表面張力不高，但因粘度很高，所產生的泡沫非常穩 定。因為粘稠的液膜，有助于吸收外力的沖擊，起到緩沖的作用，使泡沫能持久一些。液 體粘度對泡沫穩定性的影響比表面張力的影響還要大。4）其它*溫度表面張力最低值時的濃度隨溫度變化。*pH影響助泡劑的溶解度和表層的吸附狀態*表面電荷離子型表面活性劑，由于離子間靜電的排斥，阻礙著離子彼此接近，減少排液速度，延緩泡沫變薄過程，使泡沫穩定。2泡沫對發酵的影響1）降低生產能力在發酵罐中，為了容納泡沫，防止溢出而降低裝量2）引起原料浪費如果設備容積不能留有容納泡沫的余地，氣泡會引起原料流失，造成浪費。3）影響菌的呼吸如果氣泡

8、穩定，不破碎，那么隨著微生物的呼吸，氣泡中充滿二氧化碳，而且又不能與空氣中氧進行交換，這樣就影響了菌的呼吸。4）引起染菌由于泡沫增多而引起逃液，于是在排氣管中粘上培養基，就會長菌。隨著時間延長， 雜菌會長入發酵罐而造成染菌。大量泡沫由罐頂進一步滲到軸封，軸封處的潤滑油可起點 消泡作用，從軸封處落下的泡沫往往引起雜菌污染。3泡沫的控制泡沫的控制，可以采用三種途徑： 調整培養基中的成分（如少加或緩加易起泡的原材料）或改變某些物理化學參數（如 pH值、溫度、通氣和攪拌）或者改變發酵工藝（如采用分次投料）來控制，以減少泡沫形成的 機會。但這些方法的效果有一定的限度。 采用機械消泡或消泡劑消泡這兩種方法

9、來消除已形成的泡沫：通過化學方法，降低 泡沫液膜的表面張力，使泡沫破滅；利用物理方法，使泡沫液膜的局部受力，打破液膜原 來受力平衡而破裂。 采用菌種選育的方法，篩選不產生流態泡沫的菌種，來消除起泡的內在因素如：雜交選育不產流態泡沫的土霉素生產菌株對于已形成的泡沫，工業上可以采用機械消泡和化學消泡劑消泡或兩者同時使用 消泡。化學消泡這是利用外界加入消泡劑，使泡沫破裂的方法。消泡劑都是表面活性劑，具有較低的 表面張力，或者是降低泡沫液膜的機械強度，或者是降低液膜的表面黏度，或者兼有兩者 的作用，達到破裂泡沫的目的。如聚氧乙烯氧丙烯甘油(GPE)的表面張力僅為 3.3 >10-2 N/m,而青

10、霉素發酵液的表面張力為(6.06.8)和-2 N/ m。1) 消泡劑的作用機理為了弄清消泡劑如何發揮作用，為了合理、有效地使用消泡劑，需要了解消泡劑的作 用機制及一般性質。分別介紹在消泡劑發展歷史上有重要地位的羅氏假說以及其它幾種消泡劑的 作用機理。鋪展系數 S： S= b F b FA b Ab F起泡介質的表面張力b FA消泡劑與起泡介質的界面張力b A消泡劑的表面張力以鋪展系數S值的正負判斷消泡劑是否能夠在泡沫上擴展。美國膠體化學家羅斯(Ross,S)提出假說：在溶液中，溶解狀態的溶質是穩泡劑；不溶狀態的溶質，當浸入系數與鋪展系 數均為正值時即是消泡劑。羅斯認為，消泡劑的分子團，即一小滴

11、，一接觸泡沫，首先便是浸入，之后在泡沫上 擴展，局部變薄而破裂。當浸入系數和鋪展系數均為負值時，小滴既不浸入也不擴展；當 浸入系數大于零，鋪展系數為負數時小滴成棱鏡狀，不鋪展；只有二者均為正值時才可能 是消泡劑，這種假說為消泡劑作用機理奠定了基礎。2) 與穩泡因素有關的幾種消泡機理a、消泡劑可使泡沫液局部表面張力降低，因而導致泡沫破滅希勒(Shearer,L.T )和艾克斯(Akers,W.W.)在油體系中研究聚硅氧烷油的消泡過程。他們對泡沫體系以1/1000秒的速度連續拍照，照片放大100倍由圖可以看出，硅油微粒到達泡沫表面使泡沫破滅，氣泡合并，氣液迅速分離°研究發現：低濃度的，表

12、面張力比起泡液低的物質，如果 與起泡液成為均相，則促進起泡；如果呈飽和狀態，而且 被均勻分散在起泡液中，就可能有消泡作用。附著了消泡 劑小滴的泡沫能夠迅速破滅，與局部降低表面張力有關。日本高野信之提出類似的觀點：在起泡液中分散的消泡劑顆粒，隨著泡沫液變薄，露 到表面，因消泡劑表面張力比泡沫液低，該處受到周圍的拉伸、牽引。不斷變薄，最后破 滅。把高級醇或植物油灑在泡沫上，當其附著到泡沫上，即溶入泡沫液，會顯著降低該處 的表面張力。因為這些物質一般對水的溶解度較小，表面張力降低只限于局部，而泡沫周 圍的表面張力幾乎沒有發生變化。表面張力降低的部分，被強烈地向四周牽引、延展，最 后破裂。b、消泡劑能

13、破壞膜彈性而導致氣泡破滅穩泡因素中談到，因泡膜表面吸附表面活性劑具有斯彈性，當受到外部壓力時有自愈 作用。消泡劑能破壞泡膜的這種彈性。離子型表面活性劑水溶液產生的泡沫，是因為表面 活性劑定向排列形成雙電層，借助排斥作用阻礙泡沫合并而使泡沫穩定。這種性質的泡沫，只需向體系中加入一種離子電荷相反的表面活性劑，甚至本 身也是助泡劑，就可降低泡沫穩定性。這是因為兩種表面活性劑彼此干擾，妨礙在氣液界 面上定向排列，破壞了膜彈性，因而產生消泡作用。C、消泡劑能促使液膜排液，因而導致氣泡破滅泡沫液厚泡沫彈性好，自愈效應強；泡膜排液速率反映泡沫的穩定性。起泡體系的粘 度越高，排液速度越低，如蛋白質溶液，肽鏈之

14、間能夠形成氫鍵；有些表面活性劑能與水 分子形成氫鍵，能減少泡沫中的排液，起到穩泡作用。加入不產生氫鍵的表面活性劑，取代產生氫鍵的表面活性劑，就可以使排液加 快。d表面活性劑吸附層與泡膜上兩吸附層當中的泡膜液之間親和力的強弱；表面活性劑的 HLB值反映這種親和性，高 HLB的表面活性劑，親水性強，易于使吸 附層之間的水隨著遷移，是穩泡劑；低 HLB值的表面活性劑，親水性弱，不易使吸附層之 間的水隨著遷移，往往是消泡劑。親水性弱的低 HLB值的表面活性劑取代了親水性強的高HLB值的表面活性劑，能使泡膜吸附層之間的水不隨吸附層遷移，從而促進泡膜排液，起到消泡作用破泡劑與抑泡劑的區別(1)消泡劑可分為

15、破泡劑和抑泡劑破泡劑：是加到已形成的泡沫中，使泡沫破滅的添加劑。如低級醇、天然油脂。一般來說，破泡劑都是其分子的親液端與起泡液親和性較強，在起泡液中分散較快的物質。這類消泡劑隨著時間的延續，迅速降低效率，并且當溫度上升時，因溶解度增加，消泡效率會下降。抑泡劑：是發泡前預先添加而阻止發泡的添加劑。聚酰及有機硅等屬于抑泡劑。一般是分子與氣泡液親和性很弱的難溶或不溶的液體(2) 作用機理上的區別破泡劑的破泡機理大致有二種。第一，吸附助泡劑，加入電解質，瓦解雙電層，及使助泡物被增溶等機理，這樣就破 壞助泡物的穩泡作用。在這些過程中消泡劑發揮一次消泡作用就被消耗。同時消耗掉相應 的助泡物。第二，低級醇等

16、溶解性較大的消泡劑，加到氣泡液中局部降低表面張力，發揮破泡作 用，同時本身不斷破為碎塊，陸續溶解而失去破泡作用。破泡過程中，破泡劑不斷失效、 消耗，而助泡劑卻不受影響抑泡機理：一般認為抑泡劑分子在氣液界面上優先被吸附，它比助泡劑的表面活性更 強，更易吸附到泡膜上，但是由于本身不賦予泡膜彈性，所以不具備穩泡作用。這樣當液 體中產生泡沫時，抑泡劑首先占據泡膜，抑制了助泡劑的作用，抑制了氣泡。(3) 破泡劑與抑泡劑的相互關系溶解度大的破泡劑，消泡作用只發揮一次；溶解度小的破泡劑，消泡作用可持續 一段時間。如果溶解度進一步降低，即成為抑泡劑。另一方面，破泡劑大量使用，比有抑 泡作用，抑泡劑大量使用也比

17、有破泡作用。1)消泡劑選用依據：表面活性劑，具有較低的表面張力(內聚力弱)，消泡效果明顯。對氣-液界面的散布系數必須足夠大，才能迅速消泡；無毒害性，且不影響發酵菌體；不會在使用、運輸中引起任何危害； 不干擾各種測量儀表的使用；在水中的溶解度較小，以保持持久的消泡性能；應該在低濃度時具有消泡活性；應該對產物的提取不產生任何影響；應該對氧傳遞不產生影響；能耐高溫滅菌。來源方便，使用成本低；常用的一些消泡劑： 天然油脂： 高碳醇、脂肪酸和酯類：十八醇是常用的一種，它可以單獨或與載體一起使用。 聚酰類； 硅酮類；主要是聚二甲基硅氧烷及衍生物，無色液體，不溶于水，表面張力低達21dyn/cm (泡敵為3

18、3,向日葵油40,青霉素發酵液 60-68 dyn/cm )。純聚二甲基硅 氧烷的消泡能力低，常加分散劑來提高消泡活性，或乳化劑成乳狀液。適用于微堿 性發酵，對于微酸性發酵較差。(1)天然油脂最早消泡劑，來源容易，價格低，使用簡單，一般來說沒有明顯副作用，如豆油、 菜油、魚油等。有些油是發酵產物的前體，如豆油是紅霉素的前體，魚油是螺旋霉素的前體。分子中無親水基團，在發酵液中難鋪展，所以消泡活性差，用量大，一般為發酵液的 0.1-0.2%近年來出于對環境保護的重視，天然產物消泡劑的地位又有些提高，而且還在研究新的天然消泡劑油的種類：土霉素發酵，豆油、玉米油較好，而亞麻油則會產生不良的作用。油的質

19、量、新鮮程度：油新鮮，消泡能力強，副作用也小；植物油與鐵離子接觸能與氧形成過氧化物，對四環素、卡那霉素的合成不利，故要 注意此類油的貯存保管。a酒糟榨出液羅伯茨(Roberts R.T.)發現：全麥芽浸出漿桶中最后倒出的沉積物能破滅泡沫。亍是聯想到，是否可以由制作全麥芽浸出漿以后的酒糟壓榨出有效的消泡劑？經試驗，由酒糟中壓榨出大約40%液體，在500C真空蒸儲，濃縮19倍，得到可用于麥芽汁發酵過程的消泡劑。效果很好，沒有副作用。經分析證明，酒糟榨出液中存在C8C18的全部脂肪酸，存在極性類脂物，尤其是卵磷脂等物，這些物質的協同作用下的消泡作用比這些物質單獨消泡作用強得多。b啤酒花油研究年發現向

20、啤酒添加15ppm啤酒花油是減輕氣泡溢出損失的有效措施。緊分析啤酒花油具含有消泡活性的物質有：石竹烯、荷蘭芹茹烯、香葉烯和旅 烯等。(2)聚酰類消泡劑我國常用甘油三羥基聚酰。六十年代發明此類消泡劑，美國道康寧化學公司首先投產。它是以甘油為起始劑，由環氧丙烷，或環氧乙烷與環氧丙烷的混合物進行加成聚合而制成的。只在甘油分子上加成聚合環氧丙烷的產物叫聚氧丙烯甘油定名為GP型消泡劑；在GP型消泡劑的聚丙二醇鏈節末端再加成環氧乙烷，成為鏈端是親水基的聚氧乙烯氧丙烯甘油，也叫 GPE型消泡劑(泡敵)。按照環氧乙烷加成量為10% , 20% ,50%分別稱為 GPE10, GPE20 , GPE50。GP:

21、親水性差，在發泡介質中的溶解度小，適用于稀薄發酵液。其抑泡性能比消泡 性能好，適宜用于基礎培養基中抑制泡沫的產生。如用于鏈霉素的基礎培養基中， 抑泡效果明顯，可全部代替食用油，也未發現不良影響，消泡效力一般相當于豆油 的6080倍。GPE:親水性好，在發泡介質中易鋪展，消泡能力強，作用快，溶解度大，所以消 泡活性維持時間短，適用于黏稠發酵液。用于四環類抗生素發酵中消泡效果很好， 用量為0.03%0.035%，消泡能力一般相當于豆油的1020倍。GPES型消泡劑：新的聚酰類消泡劑，在GPE型消泡劑鏈端用疏水基硬脂酸酯封頭， 便形成兩端是疏水鏈，當中間隔有親水鏈的嵌段共聚物。這種結構的分子易于平臥 狀聚集在氣液界面，因而表面活性強，消泡效率高。其他的消泡劑，如：聚乙二醇等高碳醇消泡劑多適用于霉菌發酵，硅酮類較適用于 微堿性的細菌發酵。所以，應結合具體產品發酵，試驗上述各種消泡劑的消泡效果， 以獲得良好的消泡作用。值得注意的是：消泡劑有選擇性。消泡劑用多了有毒性，而且還影響通氣和氣體分散，因此要少量地加。消泡的效果消泡劑：種類、性質、分子量大小、消泡劑親油親水基使用方法：加入方法、使用濃度、溫度等消泡劑的使用有以下幾種形式： 消泡劑+載體：惰性載體(如礦物油、植物油等) 復合消泡劑：如 GP