第四篇 第五章发酵过程泡沫的形成与控制

发酵过程泡沫的形成与控制

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

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。

（一）泡沫形成的原因

1、气液接触

（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。

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。对纯净液体来说，这第三种物质是助泡剂。当形成气泡时，液体中出现气液界面，这些助泡剂就会形成定向吸附层。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，这样的定向吸附层起到稳定泡沫的作用。

3、起泡速度高于破泡速度

起泡的难易，取决于液体的成分及所经受的条件；破泡的难易取决于气泡和泡破灭后形成的液滴在表面自由能上的差别；同时还取决于泡沫破裂过程进行得多快这一速度因素。

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。

4、发酵过程泡沫产生的原因

（1）通气搅拌的强烈程度

（2）培养基配比与原料组成

（3）菌种、种子质量和接种量

（4）灭菌质量

（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。

3、影响菌的呼吸

如果气泡稳定，不破碎，那么随着微生物的呼吸，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。

（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

表面活性剂示意图

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。在泡沫不断增加时，表面活性剂会从胶束中不断转移到新产生的气液界面上

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

起泡时，液体表面积增加，△A为正值，因而△G为正值，也就是说，起泡过程不是自发过程。另一方面，泡沫的气液界面非常大。显然，液体起泡后，表面自由能比无泡状态高得多。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

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。气泡中气体压力的大小，依赖气泡膜的曲率半径

由定量观点看，气泡内外压差

△

如果起泡膜很薄，内外表面积近似相等，则

△

=

由该式可知：因此当相邻气泡大小不同时，气泡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△P 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

（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。

（3）泡沫破灭

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。

（四）影响泡沫稳定性的因素

1、泡径大小

对任何泡沫体系稍加观察都会发现：大泡易于破灭，寿命较长的的都是小泡。

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

△P=

（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。

吉布斯曾对泡沫液弹性做如下定义：

E=2A （ ）

E ——膜弹性

A ——膜面积

σ——表面张力

可以看出大，吉布斯弹性大，泡沫抵抗变形的能力就大。大意味着：当面积发生变化时，表面张力的变化较大，即收缩力较大，泡沫也就稳定。单一组分的纯净液体，表面张力不随表面积改变而改变，液体没有弹性，所以纯净液体不会产生稳定的泡沫。

（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，直至到达助泡物的临界胶束浓度为止。到达临界胶束浓度后，气液界面上的定向排列“饱和”，弹性不会再增加，增加胶束浓度只会增大、增多胶束。

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，使泡沫能持久一些。液体粘度对泡沫稳定性的影响比表面张力的影响还要大。

4、其它

*温度 表面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 影响助泡剂的溶解度和表层的吸附状态

*表面电荷 离子型表面活性剂，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。