发酵过程控制--发酵过程泡沫的形成与控制

2、含助泡剂
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。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。
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”。
定向吸附层
胶束
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1.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。 2.表面活性剂浓度高于临界胶束浓度时出现第二种情况。
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(从非放料管道中排出的部分发酵液)， 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。
1、气液接触
因为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。
气液接触大致有以下两类情况： （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。
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。
表面活性剂为什么会定向排列在表面？
在液相中因为水分子之间的吸引力大于水对表面活性剂的 吸引力，表面活性剂的疏水部分被水分子之间的吸引力挤 出溶液，到达气液界面。 这就是表面活性剂易于在泡沫上形成定向吸附层的原因。
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，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。
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。
（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，前期难开搅拌。 例： 在50L罐中投料10L，成分为淀粉水解糖、豆饼水解液、玉米浆等， 搅拌900 rpm，通气，泡沫生成量为培养基的2倍。 如培养基适当稀一些，接种量大一些，生长速度快些，前期就容易 开搅拌。
（3）菌种、种子质量和接种量
(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，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：
2）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；
3）泡沫产生速度高于泡沫破灭速度，泡沫量将不断增加。
4、发酵过程泡沫产生的原因
（1）通气搅拌的强烈程度
通气大、搅拌强烈可使泡沫增多； 在发酵前期由于培养基营养成分消耗少，培养基成分 丰富，易起泡。应先开小通气量，再逐步加大。 搅拌转速也如此。也可在基础料中加入消泡剂。
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。菌种生长慢的可以加大接种量.
（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，加消泡剂也无效。
（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。
（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.
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
亲水基 疏水基
如图所示，表面活性剂是由疏水基与亲水基构成的化合 物，在水中，表面活性剂的分子不停地转动在以下两种 情况下泡沫才能比较稳定，停留时间比较长：
7.4 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：
1.一般来说： 泡沫是气体在液体中的粗分散体，属于气液非均相体系。
2.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
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:
1）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；
△P=
整个气泡的表面张力 气泡的体积 *
校正系数K
如果起泡膜很薄，内外表面积近似相等，则：