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1、,第四章 发酵过程控制第五节 发酵过程泡沫的形成与控制,http:/,第五节 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：一般来说：泡沫是气体在液体中的粗分散体，属于气液非均相体系美国道康宁公司对泡沫这样定义：体积密度接近气体，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、增加气液接触面积，但过多的泡沫是有害的,发酵过程控制,湖北工业大学生物工程学院,http:/,6.2 泡沫的形成泡沫是气体分散在少量液体中的胶体体系，泡沫是由许多气泡堆积在一起形成的，在气泡间有一层液膜隔开彼此不连通，泡沫形成的必要条件是：,1)气、液二相共存2)有表面活性物（表面张力大的
2、物质）存在，单组份纯液体一般不形成泡沫,湖北工业大学生物工程学院,http:/,无论哪个体系，自由能总是趋向于最小的方向移动，对单元成分的体系来说，其自由能变化可由下式表示，当温度与气压一定时：,：自由能变化（尔格）：液体的表面张力（达因/厘米）：表面积的变化,湖北工业大学生物工程学院,http:/,从上式看来，当液体表面积增加时，表面能也增加，而体系总是趋于能量最小的方向移动，表面增加就使体系成为不稳定因素，泡沫就是这样一个不稳定体系，因此 纯水时形成的泡沫很快被破灭,要使体系稳定，体系中必须增加一种稳定剂.培养基的物理化学性质对泡沫形成的表面现象起决定性的作用。当气体通过纯水(水的表面张力
3、为0.072Nm-1)的气液相的界面时，平衡发生改变，气泡只能维持几分之一秒，其稳定性等于零，这是由于能学上的不稳定性和围绕气泡的液膜强度很低所致。,湖北工业大学生物工程学院,http:/,（一）泡沫形成的原因,1、气液接触,产生泡沫的首要条件是气体和液体发生接触。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。,发酵过程控制,发酵过程泡沫的形成与控制,湖北工业大学生物工程学院,http:/,2、含助泡剂,摇荡纯溶剂不起泡，如蒸馏水，只有摇
4、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。,发酵过程控制,发酵过程泡沫的形成与控制,湖北工业大学生物工程学院,http:/,3、起泡速度高于破泡速度,高起泡的液体，产生的泡沫不一定稳定。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。,发酵过程控制,发酵过程泡沫的形成与控制,湖北工业大学生物工程学院,http:/,4、发酵过程泡沫产生的原因,（1）通气搅拌的强烈程度,通气大
5、、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。,发酵过程控制,发酵过程泡沫的形成与控制,湖北工业大学生物工程学院,http:/,（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900 rpm，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。,发酵过程控制,发酵过程泡沫的形成与控制,湖北工业大学生物工程学院,http:/,（3）菌
6、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。,发酵过程控制,发酵过程泡沫的形成与控制,湖北工业大学生物工程学院,http:/,（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。,发酵过程控制,发酵过程泡沫的形成与控制,湖北工业大学生物工程学院,http:/,3、影响菌的呼吸,如果气泡稳定，不破碎，那么
7、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。,发酵过程控制,发酵过程泡沫的形成与控制,湖北工业大学生物工程学院,http:/,（三）泡沫的性质,泡沫体系有独特的性质，研究泡沫的性质，是解决消泡问题的基础。,1、气泡间液膜的性质,泡沫中气泡间的间距很小，仅以一薄层液膜相隔，研究液膜的性质很有代表意义，又因为，只有含有助泡的表面活性剂，才能形
8、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,发酵过程控制,发酵过程泡沫的形成与控制,湖北工业大学生物工程学院,http:/,表面活性剂示意图,亲水基 疏水基,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：,发酵过程控制,发酵过程泡沫的形成与控制,湖北工业大学生物工程学院,http:/,第一种情况 表面活性剂的亲水基留在水相，疏水基伸到气相中，形成定向吸附层第二种情况 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“胶束”。,胶束,定向吸附层,发酵过程控制,发酵过程泡沫的形成与
9、控制,湖北工业大学生物工程学院,http:/,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因。,表面活性剂为什么会定向排列在表面？,发酵过程控制,发酵过程泡沫的形成与控制,湖北工业大学生物工程学院,http:/,培养液中的玉米浆、皂苷、糖蜜中所含的蛋白质，以及微生物菌体等具有稳定泡沫的作用。多数起泡剂就是表面活性物质，这些物质具有某些亲水基团和疏水基团。分子带极性的端向着水溶液，而非极性一端向着空气，并力图在表面作定向排列，增加了泡沫的机械强度。起泡剂分子一般是长链形的，
10、烃链越长，链间的分子引力越大，膜的机械强度就越高。蛋白质分子中除分子引力外，在羧基和氨基之间还有吸引力，因而形成的液膜比较牢固，泡沫比较稳定。此外，培养液的温度、酸碱度、浓度及泡沫的表面积对泡沫的稳定性也有一定的影响。,湖北工业大学生物工程学院,http:/,气泡,培养液主体,疏水头部,亲水头部,湖北工业大学生物工程学院,http:/,3、泡沫体系的三阶段变化,即使外观看来平静、比较稳定的泡沫体系，泡沫液也在不断地下落、蒸发，不断进行着下述三阶段的变化(1)气泡大小分布的变化 气泡大小的再分布，就是由气泡膜内气体的压力变化引起的。小气泡变小，大气泡变大，小泡完全并入大泡，结果气泡数目减少。,发
11、酵过程控制,发酵过程泡沫的形成与控制,湖北工业大学生物工程学院,http:/,（2）气泡液膜变薄,泡沫生成初期，泡沫液还比较厚，以后因蒸发排液而变薄，泡沫液会受重力的影响向下排液，泡沫液随时间延续而变薄。,发酵过程控制,发酵过程泡沫的形成与控制,湖北工业大学生物工程学院,http:/,（3）泡沫破灭,泡沫由于排液，泡沫液变薄到一定程度，泡沫即瞬间破灭。泡沫层内部的小气泡破灭后，虽一时还不能导致气液分离，只是合并成大气泡，但排液过程使泡膜液量大幅度减少，使合并成的大气泡快速地破灭，最后泡沫体系崩溃，气液分离。,发酵过程控制,发酵过程泡沫的形成与控制,湖北工业大学生物工程学院,http:/,（四）
12、影响泡沫稳定性的因素,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,发酵过程控制,发酵过程泡沫的形成与控制,湖北工业大学生物工程学院,http:/,1、泡径大小,大泡易于破灭，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，增加了稳定性。,发酵过程控制,发酵过程泡沫的形成与控制,湖北工业大学生物工程学院,http:/,2、溶液所含助泡物的类型和浓度,（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
13、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，对于泡沫稳定性来说表面活性剂使液膜具有“吉布斯弹性”比降低表面张力更重要。,P=,发酵过程控制,发酵过程泡沫的形成与控制,湖北工业大学生物工程学院,http:/,（3）助泡剂浓度,溶液中助泡剂浓度增加，气液界面上的吸附量就增加，液膜弹性随之增加，泡沫稳定性增高。,发酵过程控制,发酵过程泡沫的形成与控制,湖北工业大学生物工程学院,http:/,3、起泡液的粘度,某些溶液，如蛋白质溶液，虽然表面张力不低，但因粘度很高，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。液体粘度对泡沫稳定性的影
14、响比表面张力的影响还要大。,发酵过程控制,发酵过程泡沫的形成与控制,湖北工业大学生物工程学院,http:/,（二）、消泡剂消泡,1、消泡剂的作用机理,为了弄清消泡剂如何发挥作用，为了合理、有效地使用消泡剂，需要了解消泡剂的作用机制及一般性质。泡沫本来是极不稳定的，只因助泡剂的稳泡作用才难以破灭。,发酵过程控制,发酵过程泡沫的形成与控制,湖北工业大学生物工程学院,http:/,美国胶体化学家罗斯（Ross,S.），四十年代初就开始研究泡沫问题，罗斯提出一种假说：在溶液中，溶解状态的溶质是稳泡剂；不溶状态的溶质，当浸入系数与铺展系数均为正值时即是消泡剂。罗斯认为，消泡剂的分子团，即一小滴，一接触泡
15、沫，首先便是浸入，之后在泡沫上扩展，局部变薄而破裂。当浸入系数和铺展系数均为负值时，小滴既不浸入也不扩展；当浸入系数大于零，铺展系数为负数时小滴成棱镜状，不铺展；只有二者均为正值时才可能是消泡剂，这种假说为消泡剂作用机理奠定了基础。,发酵过程控制,发酵过程泡沫的形成与控制,湖北工业大学生物工程学院,http:/,与稳泡因素有关的几种消泡机理,a、消泡剂可使泡沫液局部表面张力降低，因而导致泡沫破灭,希勒（Shearer,L.T）和艾克斯(Akers,W.W.)在油体系中研究聚硅氧烷油的消泡过程。他们对泡沫体系以1/1000秒的速度连续拍照，照片放大100倍,发酵过程控制,发酵过程泡沫的形成与控制
16、,湖北工业大学生物工程学院,http:/,由图可以看出，硅油微粒到达泡沫表面使泡沫破灭，气泡合并，气液迅速分离。研究发现：低浓度的，表面张力比起泡液低的物质，如果与起泡液成为均相，则促进起泡；如果呈饱和状态，而且被均匀分散在起泡液中，就可能有消泡作用。附着了消泡剂小滴的泡沫能够迅速破灭，与局部降低表面张力有关。,发酵过程控制,发酵过程泡沫的形成与控制,湖北工业大学生物工程学院,http:/,日本高野信之提出类似的观点：在起泡液中分散的消泡剂颗粒，随着泡沫液变薄，露到表面，因消泡剂表面张力比泡沫液低，该处受到周围的拉伸、牵引。不断变薄，最后破灭。,把高级醇或植物油洒在泡沫上，当其附着到泡沫上，即
17、溶入泡沫液，会显著降低该处的表面张力。因为这些物质一般对水的溶解度较小，表面张力降低只限于局部，而泡沫周围的表面张力几乎没有发生变化。表面张力降低的部分，被强烈地向四周牵引、延展，最后破裂。,发酵过程控制,发酵过程泡沫的形成与控制,湖北工业大学生物工程学院,http:/,表面活性剂的HLB值 高HLB的表面活性剂，亲水性强，易于使吸附层之间的水随着迁移，是稳泡剂；低HLB值的表面活性剂，亲水性弱，不易使吸附层之间的水随着迁移，往往是消泡剂。亲水性弱的低HLB值的表面活性剂取代了亲水性强的高HLB值的表面活性剂，能使泡膜吸附层之间的水不随吸附层迁移，从而促进泡膜排液，起到消泡作用,发酵过程控制,
18、发酵过程泡沫的形成与控制,湖北工业大学生物工程学院,http:/,2、破泡剂与抑泡剂的区别,（1）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，在起泡液中分散较快的物质。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和性很弱的难溶或不溶的液体,发酵过程控制,发酵过程泡沫的形成与控制,湖北工业大学生物工程学院,http:/,3、对消泡剂的要求,（1）在起泡液中不溶或难溶,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
19、泡膜上，才能在较低浓度下发挥作用。用于水体系的消泡剂，活性成分的分子，须为强疏水弱亲水，HLB值在1.53范围，作用才最好。,发酵过程控制,发酵过程泡沫的形成与控制,湖北工业大学生物工程学院,http:/,（2）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面张力，而是助泡溶液的表面张力。,发酵过程控制,发酵过程泡沫的形成与控制,湖北工业大学生物工程学院,http:/,（3）与起泡液有一定程度的亲和性,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液中快速分散，以便迅
20、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；过疏又难于分散。只有亲疏适宜，效力才会好。,发酵过程控制,发酵过程泡沫的形成与控制,湖北工业大学生物工程学院,http:/,（4）与起泡液不发生化学反应,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，影响微生物的生长。,（5）挥发性小，作用时间长,发酵过程控制,发酵过程泡沫的形成与控制,湖北工业大学生物工程学院,（6）对微生物生长无副作用,http:/,4、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，它来源容
21、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。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，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,发酵过程控制,发酵过程泡沫的形成与控制,湖北工业大学生物工程学院,http:/,（2）聚醚类消泡剂,我国常用的主要是甘油三羟基聚醚类。六十年代发明此类消泡剂，美国道康宁化学公司首先投产。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；
22、用于链霉素发酵，代替天然油，加入基础料，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1020倍。,发酵过程控制,发酵过程泡沫的形成与控制,湖北工业大学生物工程学院,http:/,GP型的消泡剂亲水性差，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生。GPE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
23、，因此用在粘稠发酵液中效果较好。GPES型消泡剂 有一种新的聚醚类消泡剂，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。,发酵过程控制,发酵过程泡沫的形成与控制,湖北工业大学生物工程学院,http:/,（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。七十年代初前苏联学者在阴离子、阳离子、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。C7C9的醇是最有效的消泡剂。C12C22的高碳醇借助适当的乳化剂配制成粒度为49m
24、，含量为2050%的水乳液，即是水体系的消泡剂。,发酵过程控制,发酵过程泡沫的形成与控制,湖北工业大学生物工程学院,http:/,（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，它的主链为硅氧键，为非极性分子。与极性溶剂水不亲和，比较稳定且毒性小。纯粹的聚二甲基硅氧烷，不经分散处理难以作为消泡剂。因此将硅油混入SiO2气溶胶，所构成的复合物，即将疏水处理后的SiO2气溶胶混入二甲基硅油中，经一定温度、一定时间处理，就可制得。,发酵过程控制,发酵过程泡沫的形成与控制,湖北工业大学生物工程学院,http:/,也有在硅油和SiO2气溶胶的复合物中添加一种或两种乳化
25、剂，加热溶匀，与增稠剂水溶液混合后乳化。这类消泡剂广泛用于抗生素发酵及食品工业。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。,发酵过程控制,发酵过程泡沫的形成与控制,湖北工业大学生物工程学院,http:/,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,发酵过程控制,发酵过程泡沫的形成与控制,湖北工业大学生物工程学院,http:/,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,发酵过程控制,发酵过程泡沫的形成与
26、控制,湖北工业大学生物工程学院,http:/,有害之处,降低生产能力引起原料浪费影响菌的呼吸引起染菌,泡沫的性质：含有助泡剂 泡沫是热力学不稳定体系,发酵过程控制,发酵过程泡沫的形成与控制,湖北工业大学生物工程学院,http:/,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,发酵过程控制,发酵过程泡沫的形成与控制,湖北工业大学生物工程学院,http:/,消泡剂的作用机理,罗氏假说泡沫液局部表面张力降低破坏膜弹性促使液膜排液,常用的消泡剂,天然油脂聚醚类消泡剂高碳醇硅酮类,发酵过程控制,发酵过程泡沫的形成与控制,湖北工业大学生物工程学院,http:/,思考题7.27 泡沫对发酵有哪些有益之处，哪些有害之处？7.28 发酵中泡沫形成的原因是什么？7.29 没有外界作用力泡沫是否稳定？在什么条件下泡沫会稳定？7.30 罗氏假说对泡沫稳定的条件作了如何假释？7.31 植物油的消泡机理是什么？7.32 对消泡剂有哪些要求？7.33 常用的消泡剂有哪几类？7.34 对于黏稠的发酵液应选怎样的消泡剂，对于较稀的发酵液应选怎样的消泡剂？,发酵过程控制,发酵过程泡沫的形成与控制,湖北工业大学生物工程学院,Thank You!,
