7发酵工艺控制(第4节-泡沫控制)【发酵工程】

发酵液性质随菌代谢不断变化，是泡沫消长的重要因素。
举例： 霉菌发酵前期，泡沫很稳定，因发酵液黏度高和表面
张力低。随着蛋白酶、淀粉酶的增多及碳、氮源的利用， 蛋白质降解，发酵液黏度 降低和表面张力上升，泡 沫在减少。
菌体也有稳定泡沫的升。
三、 泡沫的控制
消沫装置可安装在罐内或罐外。
罐内法：可在搅拌轴上方安装消沫桨，形式多样， 泡沫借旋风离心场作用被压碎，也可将少量消泡剂加 到消沫转子上以增强消沫效果。
罐外法：是将泡沫引出罐外，通过喷嘴的加速作用或 离心力粉碎泡沫。
离心式消泡器 ：
是一种离心式气液分离装置。装于排气口上，夹带 液沫的气流以切线方向进入分离器中，由于离心力的作 用，液滴被甩向器壁，经回流管返回发酵罐，气体则自 中间管排出。
②、增加了菌群的非均一性：
由于泡沫高低的变化和处在不同生长周期的微 生物随泡沫漂浮，或黏附在罐壁上，使这部分菌有时在 气相环境中生长，引起菌的分化，甚至自溶，从而影响 了菌群的整体效果。
③、增加了污染杂菌的机会，发酵液溅到轴封 处，容易染菌。
④、大量起泡，控制不及时，会引起逃液，招 致产物的流失。
举例：
土霉素发酵中用泡敌、植物油和水按(2～3)：(5～ 6)：30的比例配成乳化液，消沫效果很好，不仅节约了 消沫剂和油的用量，还可在发酵全程使用。
消沫作用的持久性与本身的性能、加入量、加入时 机有关。
举例： 青霉素发酵中曾采用滴加玉米油的方式，防止了泡沫
用量0.03％左右，消沫能力比植物油大10倍以上。
泡敌亲水性好，在发泡介质中易铺展，消沫能力强， 但其溶解度也大，消沫活性维持时间较短。在黏稠发酵 液中使用效果比在稀薄发酵液中更好。
3、高级醇：
十八醇是高级醇类中常用的一种，可单独或与载体一 起使用。它与冷榨猪油一起能有效控制青霉素发酵的泡沫。
聚二醇具有消沫效果持久的特点，尤其适用于霉菌发 酵。
（二） 消泡剂消沫
发酵工业常用的消泡剂分天然油脂类、聚醚类、高 级醇类和硅树脂类。
1、天然油脂： 玉米油、豆油、米糠油、棉籽油、鱼油和猪油等， 除作消泡剂外，还可作为碳源。 其消沫能力不强，需注意油脂的新鲜程度，以免生 长和产物合成受抑制。
2、聚醚类：
应用较多的为聚氧丙烯甘油和聚氧乙烯氧丙烯甘 油(俗称泡敌)。
发酵液的温度、pH、浓度以及泡沫表面积对泡沫 的稳定性也有一定作用。
二、 发酵过程中泡沫的消长规律
泡沫的多寡与通气、搅拌、培养基成分有关
玉米浆、蛋白胨、花生饼粉、黄豆饼粉、酵母粉、糖 蜜等是发泡的主要因素。起泡能力随品种、产地、加工、 贮藏条件而有所不同，还与配比有关。如丰富培养基，特 别是花生饼粉或黄豆饼粉的培养基，黏度比较大，产生的 泡沫多又持久。
⑤、消泡剂的加入有时会影响发酵或给提炼工 序带来麻烦
发酵液理化性质对形成泡沫的表面现象起决定性的作用：
发酵液中细胞、蛋白质原料具有稳定泡沫的作用。
多数起泡剂是表面活性物质。起泡剂分子通常是长 链形的，烃链越长，链间的分子引力越大，膜的机械强 度就越强。蛋白质分子中除分子引力外，在羧基和氨基 之间还有引力，因而形成的液膜比较牢固，泡沫比较稳 定。
糖类本身起泡能力较低，但高浓度的糖增加了发酵液 黏度，起稳定泡沫的作用。
灭菌方法、温度和时间会改变培养基的性质，从而 影响起泡能力。
举 例 ： 糖 蜜 的 灭 菌 温 度 从 110℃ 升 高 到 130℃ ， 30min，发泡系数qm几乎增加一倍。这是由于形成大量蛋 白黑色素和5—羟甲基(呋喃醇)糠醛所致。
控制方法分为机械和消泡剂两大类。 近年来也有从生产菌种本身的特性着手，预防泡沫的 形成。如单细胞蛋白生产中筛选在生长期不易形成泡涂的 突变株。 也有用混合培养方法，如产碱菌、土壤杆菌同莫拉氏 菌一起培养来控制泡沫的形成。这是一株菌产生的泡沫形 成物质被另一种协作菌同化的缘故。
（一） 机械消沫
是藉机械引力起剧烈振动或压力变化起消沫作用。 优点：不需引进外界物质，如消泡剂，从而减少染菌 机会，节省原材料和不会增加下游工段的负担。 缺点：不能从根本上消除泡沫成因。
5、此外，氟化烷烃是一种潜在的消沫剂，它的表面 能比烃类、有机硅类要小，为0.009～0.018 N／m。
（三） 消沫剂的应用
消泡剂，特别是合成消沫剂的消沫效果与使用方式有关。
消泡剂的消泡作用取决于它在发酵液中的扩散能力。 消沫剂的分散可借助于机械方法或某种分散剂，如 水，将消沫剂乳化成细小液滴。 分散剂的作用：帮助消沫剂扩散和缓慢释放，具有 加速和延长消沫剂的作用，减小消沫剂的黏性，便于输 送。
4、硅酮类：
典型代表是聚二甲基硅氧烷及其衍生物，不溶于水， 单独使用效果很差；常与分散剂(微晶Si02)一起使用， 也可与水配成10％的纯硅酮乳液；适用于微碱性放线菌 和细菌发酵。在pH为5左右的发酵液中效果较差。
羟基聚二甲基硅氧烷是一种含烃基的亲水性硅酮消 泡剂，曾用于青霉素和土霉素发酵中。消泡能力随羟基 含量(0.22％～3.13％)的增加而提高。
第四节 泡沫控制
一、 泡沫的产生及其影响
产生泡沫的原因：通气搅拌、发酵产生的CO2、发 酵液中糖、蛋白质和代谢物等稳定泡沫的物质的存在。 一般在含有复合氮源的通气发酵中会产生大量泡沫。
泡沫的存在可以增加气液接触表面，有利于氧的传 递。
“逃液”的副作用：
①、降低了发酵罐的装料系数：
一般取0.7左右。充满空间的泡沫约占所需培养 基的10％，且配比也不完全与主体培养基相同。
刮板式消泡器：
工作原理：刮板旋转时使泡沫产生离心力被甩向壳 体四周，受机械冲击而达到消泡作用。刮板的转速为 1000－1400转/分。消泡后的液体及部分泡沫集中于壳体 的下端，经回流管返回发酵罐，而被分离后的气体则通 过气体出口排出。
碟片式消泡器的工作原理：
装在发酵罐的顶部，当泡沫溢上与碟片式消泡器接触 时，泡沫受高速旋转离心碟的离心力作用，将泡沫破碎分 离成液态及气态两相，气相沿碟片向上，通过通气孔沿空 心轴向上排出，液体则补甩回发酵罐中而达到消泡目的。