发酵技术中的泡沫的控制

发酵技术中的泡沫的控制

1 泡沫的产生、性质及变化

形成条件：

气-液两相共存；

表面张力大的物质存在；

发酵过程中泡沫有两种类型：

❖一种是发酵液液面上的泡沫，气相所占的比例特别大，与液体有较明显的界限，如发酵前期的泡沫；

❖另一种是发酵液中的泡沫，又称流态泡沫(fluid foam)，分散在发酵液中，比较稳定，与液体之间无明显的界限。

❖实质：气溶胶构成的胶体系统，其分散相是空气和代谢气，连续相是发酵液，泡沫间隔着一层液膜而被彼此分开不相连通。

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。

泡沫破灭、合并的过程中，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。

发酵过程泡沫产生的原因

（1）通气搅拌的强烈程度

发酵前期培养基成分丰富，易起泡。

→采用较小通气量及搅拌转速，再逐步加大。

→也可在基础料中加入消泡剂。

（2）培养基配比与原料组成

前期培养基营养丰富粘度大，产泡沫多而持久。

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，前期就容易搅拌开。

（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。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。

泡沫的形成一般有以下几种规律：

❖整个发酵过程中，泡沫保持恒定的水平；

❖发酵早期，起泡后稳定地下降，以后保持恒定；

❖发酵前期，泡沫稍微降低后又开始回升；

❖发酵开始起泡能力低，以后上升；

泡沫体系的三阶段变化

(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

（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。

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。

影响泡沫稳定性的因素

引起危害，需要消除的，只是稳定的泡沫。泡沫的稳定性受液体、气体许多性质的影响。不同介质的泡沫，稳定程度相差很多，影响泡沫稳定性的因素十分复杂，概括国内外研究者的说法，主要因素一下几种

1）泡径大小

大泡易于破灭，寿命较长的的都是小泡。

因为：

✓泡越小，合并成大气泡的历程就越长；

✓小气泡的泡膜中所含液量相对比较大，所以较能经受液体流失所造成的稳定性的损失；

✓气泡越小，上升速度越慢，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

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

而使泡沫液具有弹性。

（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。

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。

3）起泡液的粘度

某些溶液，如蛋白质溶液，虽然表面张力不高，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。

*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，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。

2 泡沫对发酵的影响

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。

3 泡沫的控制

泡沫的控制，可以采用三种途径：

①调整培养基中的成分(如少加或缓加易起泡的原材料)或改变某些物理化学参数(如pH值、温度、通气和搅拌)或者改变发酵工艺(如采用分次投料)来控制，以减少泡沫形成的机会。但这些方法的效果有一定的限度。

②采用机械消泡或消泡剂消泡这两种方法来消除已形成的泡沫：通过化学方法，降低泡沫液膜的表面张力，使泡沫破灭；利用物理方法，使泡沫液膜的局部受力，打破液膜原来受力平衡而破裂。

③采用菌种选育的方法，筛选不产生流态泡沫的菌种，来消除起泡的内在因素