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发酵过程控制之四泡沫与补料的控制发酵过程泡沫的形成与控制泡沫的一般定义：•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。一、泡沫形成的原因1、气液接触•通气搅拌混入气体•气体从液体内部产生。气泡较小、较稳定。2、含助泡剂•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——助泡剂。•助泡剂在气液界面形成定向吸附层。与液体亲和性弱的一端朝着气泡内部，与液体亲和性强的一端伸向液相，起到稳定泡沫的作用。3、起泡破泡速度•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。•高起泡的液体，产生的泡沫不一定稳定。二、影响发酵过程泡沫产生的因素•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。•可在基础料中加入消泡剂。1、通气搅拌的强烈程度•培养基营养丰富，黏度大，产生泡沫多而持久，前期难开搅拌。•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。2、培养基配比与原料组成二、影响发酵过程泡沫产生的因素•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。3、菌种、种子质量和接种量•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。4、灭菌质量危害1、降低生产能力2、引起原料浪费3、影响菌的呼吸4、引起染菌三、起泡的利弊有利之处：气体分散、增加气液接触面积四、泡沫的性质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。1、气泡间液膜的性质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：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”。胶束的形成需要一定的浓度——临界胶束浓度。胶束溶液中：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束浓度时出现第二种情况。在泡沫不断增加过程中，表面活性剂会从胶束中不断转移到新产生的气液界面上。表面活性剂为什么会定向排列在表面？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。2、泡沫是热力学不稳定体系热力学第二定律指出：自发过程，总是从自由能较高的状态向自由能较低的状态变化。起泡过程中自由能变化如下：△G=γ△A△G——自由能的变化△A——表面积的变化γ——比表面能一个半径1cm厚0.001cm的气泡，内外两面的气液界面达25cm2；可是，当其破灭为一个液滴后，表面积只有0.2cm2，相差上百倍。显然，液体起泡后，表面自由能比无泡状态高得多。而泡沫破灭、合并的过程中，△A是一个绝对值很大的负数，也就是说泡沫破灭、合并的过程，自由能减小的数值很大。因此泡沫的热力学不稳定体系，终归会变成具有较小表面积的无泡状态。3、泡沫体系的三阶段变化•液膜包裹的一个气泡，就像一个吹鼓了的气球，由于气球膜有收缩力，所以气球中压力大于气球外的压力；•同样气泡膜有表面张力，气泡中压力大于气泡外的压力。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。(1)气泡大小分布的变化•气泡中气体压力的大小，依赖气泡膜的曲率半径。曲率半径越小，压力越大。小气泡中的压力比大气泡中的压力大。•因此当相邻气泡大小不同时，气体会不断地由小气泡高压区，经过吸附、溶解、解析，扩散到大气泡低压区。于是小气泡进一步变小，大气泡进一步变大。•即使相邻气泡曲率半径最初差别不大，也会由于气泡内压力的不同，气体的扩散，泡径差别逐渐增大，直至小泡完全并入大泡。•结果气泡数目减少，平均泡径增大，气泡大小分别发生变化3、泡沫体系的三阶段变化•取一杯泡沫，放置一段时间，就会在杯底部出现一些液体，而逐渐形成液相及液面上的泡沫相这样具有界面的两层。底部出现的液体一部分是泡沫破灭形成的，一部分是气泡膜变薄，排出液体形成的。•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。（2）气泡液膜变薄3、泡沫体系的三阶段变化•泡沫由于排液，液量过少，表面张力降低，液膜会急剧变薄，最后液膜会变得十分脆弱，以至分子的热运动都可以引起气泡破裂。因此只要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合并成大气泡后，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。（3）泡沫破灭五、消泡剂消泡1、消泡剂的作用机理（1）消泡剂可使泡沫液局部表面张力降低，因而导致泡沫破灭（2）消泡剂能破坏膜弹性而导致气泡破灭（3）消泡剂能促使液膜排液，因而导致气泡破灭（1）使泡沫液局部表面张力降低导致泡沫破灭希勒（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。日本高野信之提出类似的观点：把高级醇或植物油洒在泡沫上，当其附着到泡沫上，即溶入泡沫液，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。泡膜表面因吸附有表面活性剂，具有一定的弹性（机械强度），当受到外部压力时有自愈作用。消泡剂能破坏泡膜的这种弹性。离子型表面活性剂水溶液产生的泡沫，是因为表面活性剂定向排列形成双电层，借助排斥作用阻碍泡沫合并而使泡沫稳定。这种性质的泡沫，只需向体系中加入一种离子电荷相反的表面活性剂，甚至本身也是助泡剂，就可降低泡沫稳定性。这是因为两种表面活性剂彼此干扰，妨碍在气液界面上定向排列，破坏了膜弹性，因而产生消泡作用。（2）破坏膜弹性导致气泡破灭泡沫液厚泡沫弹性好，自愈效应强；泡膜排液速率反映泡沫的稳定性。起泡体系的粘度越高，排液速度越低，如蛋白质溶液，肽链之间能够形成氢键；有些表面活性剂能与水分子形成氢键，能减少泡沫中的排液，起到稳泡作用。加入不产生氢键的表面活性剂，取代产生氢键的表面活性剂，就可以使排液加快。（3）促使液膜排液导致气泡破灭2、对消泡剂的要求（1）在起泡液中不溶或难溶（2）表面张力低于起泡液（3）与起泡液有一定程度的亲和性（4）与起泡液不发生化学反应（5）挥发性小，作用时间长（1）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。所以消泡剂在起泡液中只有不溶或难溶，才易于聚集在气液界面，才易于浓缩在泡膜上，才能在较低浓度下发挥作用。用于水体系消泡剂的活性成分，须为强疏水弱亲水的分子，作用效果才最好。（2）表面张力低于起泡液只有消泡剂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。（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。（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3、常用消泡剂的种类和性能（1）天然油脂（2）聚醚类消泡剂（3）高碳醇（4）硅酮类天然油脂是最早用的消泡剂，它来源容易，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。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。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。但油脂如保藏不好，易变质，使酸值增高，对发酵有毒性。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。3、常用消泡剂的种类和性能（1）天然油脂A酒糟榨出液•罗伯茨（RobertsR.T.）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，由酒糟中压榨出大约40%液体，在500C真空蒸馏，浓缩19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。•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，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。仅分析啤酒花油就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。六十年代发明，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；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。按照环氧乙烷加成量为10%，20%，……50%分别称为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10~20倍。GP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。在基础培养基中加入，可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，因此用在粘稠发酵液中效果较好。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。这类化合物叫GPES型消泡剂。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。C7~C9的醇是最有效的消泡剂。C12~C22的高碳醇借助适当的乳化剂配制成粒度为4~9μm、含量为20~50%的水乳液，即是水体系的消泡剂。还有些醇酯，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。（3）高碳醇（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，在水及一般油中的溶解度低且活性高。它的主链为硅氧键，为非极性分子。与极性溶剂水不亲和，与一般油的亲和性也很小。它挥发性低并具有化学惰性，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，经一定温度、一定时间处理，就可制得。六、机械消泡1、机械消泡优点(1)动力小；(2)结构简单；(3)坚固耐用；(4)清扫、杀菌容易；(5)维修、保养费用少。罐内消泡耙式消泡桨冲击反射式消泡碟片式消泡罐外消泡旋转叶片式消泡旋转圆板式消泡转向板式消泡尾气吸入管尾气吸入管菌体浓度：单位体积中菌体的含量。◦反映了菌体的量◦反映了所处的发酵阶段菌体浓度主要取决与菌体的生长速率◦菌种◦环境条件第五节菌体浓度