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=2AσE——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种乳化剂，加热溶匀，与增稠剂水溶液混合后乳化。

乳化剂有甘油单硬脂酸酯，聚氧乙烯山梨糖醇单硬脂酸酯（Tween60）、聚氧乙烯山梨糖醇单油酸酯（Tween80）、山梨糖醇单硬脂酸酯（Spen60）、山梨糖醇三硬脂酸酯（Spen65）。

增稠剂有羧甲基纤维素钠盐。

这类消泡剂广泛用于抗生素发酵及食品工业。

2.应用：在消泡剂的使用时主要是让其有足够的分散性能，除用机械方式协助其扩散外，还用载体以助其分散，具体使用有以下几种形式：①消泡剂+ 载体；②复合消泡剂；③消泡剂+ 乳化剂机械消泡：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。

1.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；2.机械消泡方式：1、耙式消泡：是在搅拌轴上加一个消泡桨，通过转动产生的剪切力打碎泡沫，也有利用泡沫旋转产生的离心力破炮的形式。

结构装置形式主要有耙式、旋转圆板式、冲击反射板式。

这种方式是将泡沫引到罐外，依靠喷嘴产生的加速作用或者离心力来消除泡沫。

结构装置形式主要有旋转叶片式、离心力式、旋风分离器式、转向版式等。

这里简要介绍几种常用的消泡装置。

1、耙式消泡桨。

固定在搅拌轴上，安装在液面略上部位，随搅拌轴一起转动，利用耙齿将泡沫打碎，消泡效果有限一般常配合消泡剂使用。

在罐外尾气排放管上加一个旋风分离器装置利用离心力处理泡沫鲜果比较理想。

2、旋转圆板式。

在发酵馆内的气相中与发酵页面平行，圆板旋转的同时将槽内发酵液注入原版的中央，通过离心力将破碎成微小泡沫散向槽壁，达到消泡的目的。

3、旋转叶片机械消泡装置。

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，它可提高发酵罐的利用率，提高装料系数，但会增加染菌几率。

4、离心力消泡装置。

将泡沫注入用网眼及筛目较大的筛子做成的框中，通过旋转产生的离心力，从而达到消泡的目的。

总结：泡沫对发酵工业有着很大的影响，各阶段泡沫产生原因也不近相同，各种消泡的方法和设备也是层出不穷。

从通气搅拌方面来看，通气量越大，搅拌越剧烈，则产生的泡沫越多；从发酵液的性质来看，培养基中蛋白质含量越多，发酵液的粘度，浓度越大，则生成的泡沫稳定性就越高。

从菌体方面来看：菌体旺盛生长时，产生的泡沫多，当发酵液中营养基质被菌体大量消耗时，浓度下降，则气泡的稳定性也减弱，在发酵后期，伴随菌体的自溶，使发酵液中蛋白质浓度又上升，则发酵液的起泡性又增强。

发酵周期中，各阶段泡沫的产生是多种因素综合作用的结果，因此我们应该合理的根据泡沫的性质、培养基的性质、以及菌体的生理特性发酵产品，合理的选择消泡方式以及计量，只有这样我们才能做到产品的效益最大化。

参考文献：徐江伟。

消泡剂的复合及其消泡机理的探讨。

中国甜菜行业，2002:30-34 寇天平。

发酵生产中泡沫消除。

发酵科技通讯，2006韩富，张高勇，王军，有机硅消泡剂，日用化学工业，2004通过一学期的系统的对于生物过程检测与控制学习，使我们增加了对发酵的了解，了解了发酵过程中的各种化学物理因素，熟悉各种因素对发酵各阶段的影响，以及各种因素的性质及其变化规律。

各种生物传感器原理及其构造，为我们能够更好的控制发酵过程奠定了坚实的基础。

例如就发酵过程来说泡沫对发酵的影响是不容忽视的。

平常我们吃的各种发酵食品细细观察就会在添加剂一栏标明消泡剂字样。

如何更好地检测与控制发酵的过程中的影响因素，不仅能够使得发酵过程顺利的进行，还能实现效益最大化，对人也更加有益。

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