发酵过程泡沫的控制

泡沫对发酵的影响与控制

摘要：泡沫对发酵过程产生多种不利因素，是影响发酵过程重要主要因素之一，本文主要就泡沫的性质，以及泡沫消除的方式进行论述。并阐述了消泡技术发展的趋势，以及新型的化学消泡技术。

关键词：发酵、泡沫、消泡剂、活性剂

一、泡沫产生的原因

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。，按产生原因可以大致分为两类：①外界引入，在通气过程中，伴随机械搅拌、空气被分成细小的气泡，从溶氧的角度讲，气泡越细越好，使空气中的氧和发酵液中的CO2能充分的进行交换，这些气泡升到发酵液面时无法及时消除而形成泡沫。②由发酵液内部产生微生物在进行发酵活动时，往往产生一些气体，如CO2，这些代谢气体凝结形成气泡，冒出到发酵液面，成为发酵泡沫，菌体代谢越旺盛，这部分泡沫的产生量越多。培养基配比与原料组成以及性质对泡沫也有很大的影响。培养基营养丰富，黏度大，产生泡沫就多而持久

二、泡沫的性质：

泡沫是气体被分散在少量液体中的胶体体系。泡沫间被一层液膜隔开而彼此不相连通。发酵过程中所遇到的泡沫，其分散相是无菌空气和代谢气体，连续相是发酵液

影响泡沫稳定性的因素

1、泡径大小

通常情况下大泡易于破灭，寿命较长的都是小泡，另一方面，气泡只有上升到液面才能够在破灭之后减少泡沫体积，所以气泡越小，上升速度越慢。小气泡上升慢，给表面活性剂的吸附提供充足的时间，增加了稳定性。、

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

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

吉布斯曾对泡沫液弹性做如下定义：

E=2Aσ

E——膜弹性

A——膜面积

σ——表面张力

（3）助泡剂浓度

3，发酵液的粘度

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。

4、其它

温度：张力最低值时的浓度随温度变化。

在最低表面张力时泡沫排液迅速，否则排液缓慢。

pH：响助泡剂的溶解度和表层的吸附状态

表面电荷：子型表面活性剂，水解后带电荷，泡沫的定向吸附层为双电层结构。由于离子间静电的排斥，阻碍着离子彼此接近，减少排液速度，延缓泡沫变薄过程，使泡沫稳定。

三、泡沫对发酵的影响。

发酵过程中产生过多持久的泡沫会给发酵带来很多不利，总结出来有以下几点：①减少发酵的有效容积，若不加控制，过多的泡沫通过排气管溢出，造成发酵液流失；

②过多的泡沫可能从罐顶的轴封渗出罐外，这就增加了染菌的机会；

③使部分菌体粘附在罐盖或罐壁上，而失去作用；

④泡沫严重时，影响通气搅拌的正常进行，妨碍代谢气的排出，对菌体呼吸造成影响，甚至使菌体代谢异常，影响生产率。

四、泡沫的消除

化学消泡：化学消泡就是使用各种化学因素解决起泡问题，通常称为消泡剂，消泡剂通常具有以下性质：

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，且不影响发酵菌体；

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来源方便，使用成本低；

常用的一些消泡剂：

①天然油脂；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。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。酒糟榨出液：罗伯茨（Roberts R.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。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。经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高碳醇、脂肪酸和酯类；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。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。

③聚醚类：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；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。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，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。

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。也有在硅油和SiO2气溶胶的复合物中添加一种或两