发酵工程韦革宏杨祥第6章5节
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发酵工程韦革宏杨祥第6章5节
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
发酵工程韦革宏杨祥第6章5节
泡沫的气液界面非常大，例如：半径1cm厚 0.001cm的一个气泡，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。
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 为只有含有助泡剂时，才能形成稳定的泡沫， 所以应当首先研究助泡剂的性质。助泡剂大 多属于表面活性剂类物质。
发酵工程韦革宏杨祥第6章5节
表面活性剂示意图
亲水基 疏水基
在水中，表面活性剂分子不停地转动在以下两种情况下：
发酵工程韦革宏杨祥第6章5节
如果起泡膜很薄，内外表面积近似相等，则
气泡内外压强差
△P= 6 k R
由该式可知：压强差△P与气泡半径成反比。 则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、解吸，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。
发酵工程韦革宏杨祥第6章5节
发酵工程韦革宏杨祥第6章5节
3、起泡速度高于破泡速度 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。 泡沫产生速度小于泡沫破灭速度，则泡沫不断 减少，最终呈不起泡状态；泡沫产生速度等于 泡沫破灭速度，则泡沫数量将维持在某一平衡 状态；泡沫产生速度高于泡沫破灭速度，泡沫 量将不断增加。
发酵工程韦革宏杨祥第6章5节
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 中的粗分散体系，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。
发酵工程韦革宏杨祥第6章5节
（一）泡沫形成的原因
1、气液接触
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 产生一定量的泡沫。气液接触大致有以下 两类情况：
第五节 发酵过程泡沫的形成与控制
实际发酵生产和研究中主要检测的变量
进罐
罐中
出罐
（1）流量 （2）温度
（1）PH （2）DO （3）温度 （4）转速 （5）残糖 （6）其他
（1）流量 （2）温度
实际发酵生产和研究中主要的检查项目 （1）微生物形态的检查（2）无菌检查（3）泡沫检查
发酵工程韦革宏杨祥第6章5节
发酵工程韦革宏杨祥第6章5节
（二）泡沫在发酵过程中的危害
1、降低生产能力 在发酵罐中，为了容纳泡沫，防止溢出 而降低装液量。 2、引起原料浪费 逃液时泡沫外溢会引起培养基原料的流 失，造成浪费。
发酵工程韦革宏杨祥第6章5节
3、影响生产菌的呼吸
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，这样就影响了生产菌的呼吸。
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。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。
发酵工程韦革宏杨祥第6章5节
3、泡沫体系的三阶段变化
（2）气泡液膜变薄 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。蒸发 作用也会使泡沫液膜变薄。
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，落下的泡沫往往引起杂菌污染。
发酵工程韦革宏杨祥第6章5节
（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
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”。
Байду номын сангаас胶束
定向吸附层
发酵工程韦革宏杨祥第6章5节
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。
4、影响发酵过程泡沫产生的因素 （1）通气搅拌的强烈程度 通气大、搅拌强烈可使泡沫增多。 （2）培养基配比与原料组成 培养基营养丰富，黏度大，产生泡沫多而 持久，反之泡沫少而易破。
发酵工程韦革宏杨祥第6章5节
（3）菌种、种子质量和接种量 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。接 种量大有类似效果。 （4）灭菌质量 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。
（1）气体从外部进入液体，如搅拌液体时 混入气体，形成的泡沫较大，不稳定。
（2）气体从液体内部产生。气体从液体内 部产生时，形成的泡沫较小、稳定。
发酵工程韦革宏杨祥第6章5节
2、含助泡剂
摇荡纯溶剂不起泡，如蒸馏水，只有摇荡某种 溶液才会起泡。 在未加助泡剂，但并不纯净的水中产生的泡沫， 其寿命在0.5秒之内，只能瞬间存在。 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,这样的定向吸附层起 到稳定泡沫的作用。
(1)气泡大小分布的变化
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（吉布斯弹 性），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。气泡内外压强差与气泡半径的关系为：
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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
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泡沫的气液界面非常大，例如：半径1cm厚 0.001cm的一个气泡，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。
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 为只有含有助泡剂时，才能形成稳定的泡沫， 所以应当首先研究助泡剂的性质。助泡剂大 多属于表面活性剂类物质。
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表面活性剂示意图
亲水基 疏水基
在水中，表面活性剂分子不停地转动在以下两种情况下：
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如果起泡膜很薄，内外表面积近似相等，则
气泡内外压强差
△P= 6 k R
由该式可知：压强差△P与气泡半径成反比。 则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、解吸，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。
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3、起泡速度高于破泡速度 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。 泡沫产生速度小于泡沫破灭速度，则泡沫不断 减少，最终呈不起泡状态；泡沫产生速度等于 泡沫破灭速度，则泡沫数量将维持在某一平衡 状态；泡沫产生速度高于泡沫破灭速度，泡沫 量将不断增加。
发酵工程韦革宏杨祥第6章5节
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 中的粗分散体系，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。
发酵工程韦革宏杨祥第6章5节
（一）泡沫形成的原因
1、气液接触
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 产生一定量的泡沫。气液接触大致有以下 两类情况：
第五节 发酵过程泡沫的形成与控制
实际发酵生产和研究中主要检测的变量
进罐
罐中
出罐
（1）流量 （2）温度
（1）PH （2）DO （3）温度 （4）转速 （5）残糖 （6）其他
（1）流量 （2）温度
实际发酵生产和研究中主要的检查项目 （1）微生物形态的检查（2）无菌检查（3）泡沫检查
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发酵工程韦革宏杨祥第6章5节
（二）泡沫在发酵过程中的危害
1、降低生产能力 在发酵罐中，为了容纳泡沫，防止溢出 而降低装液量。 2、引起原料浪费 逃液时泡沫外溢会引起培养基原料的流 失，造成浪费。
发酵工程韦革宏杨祥第6章5节
3、影响生产菌的呼吸
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，这样就影响了生产菌的呼吸。
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。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。
发酵工程韦革宏杨祥第6章5节
3、泡沫体系的三阶段变化
（2）气泡液膜变薄 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。蒸发 作用也会使泡沫液膜变薄。
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，落下的泡沫往往引起杂菌污染。
发酵工程韦革宏杨祥第6章5节
（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
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”。
Байду номын сангаас胶束
定向吸附层
发酵工程韦革宏杨祥第6章5节
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。
4、影响发酵过程泡沫产生的因素 （1）通气搅拌的强烈程度 通气大、搅拌强烈可使泡沫增多。 （2）培养基配比与原料组成 培养基营养丰富，黏度大，产生泡沫多而 持久，反之泡沫少而易破。
发酵工程韦革宏杨祥第6章5节
（3）菌种、种子质量和接种量 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。接 种量大有类似效果。 （4）灭菌质量 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。
（1）气体从外部进入液体，如搅拌液体时 混入气体，形成的泡沫较大，不稳定。
（2）气体从液体内部产生。气体从液体内 部产生时，形成的泡沫较小、稳定。
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2、含助泡剂
摇荡纯溶剂不起泡，如蒸馏水，只有摇荡某种 溶液才会起泡。 在未加助泡剂，但并不纯净的水中产生的泡沫， 其寿命在0.5秒之内，只能瞬间存在。 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,这样的定向吸附层起 到稳定泡沫的作用。
(1)气泡大小分布的变化
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（吉布斯弹 性），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。气泡内外压强差与气泡半径的关系为：
发酵工程韦革宏杨祥第6章5节