发酵过程泡沫的形成与控制课件

)*(ccaKNvl改变挡板的数目和位置、改变挡板的数目和位置、搅拌叶片直径搅拌叶片直径)改变搅拌器转速改变搅拌器转速 改变空气流速改变空气流速提高设备的供氧能力，即氧的体积传质系数提高设备的供氧能力，即氧的体积传质系数KL a：提高（提高（c*-cL)，即氧传递动力，即氧传递动力比耗氧速率或呼吸强度（比耗氧速率或呼吸强度（QO2）：单位时间内单位质量：单位时间内单位质量干菌体所吸取的氧气，干菌体所吸取的氧气，mmol O2g菌菌-1h-1 摄氧率摄氧率(r)：单位体积的发酵液单位时间内的耗氧量。：单位体积的发酵液单位时间内的耗氧量。mmol O2L-1h-1。r=QO2.X l补料的原因补料的原因l补料内容补料内容l补料时需考虑哪些因素补料时需考虑哪些因素l补料方式分为哪三种补料方式分为哪三种发酵过程中存在一定数量的泡沫是正发酵过程中存在一定数量的泡沫是正常现象常现象。有利于氧的传递；有利于氧的传递；但过多的持久性泡沫对发酵造成不利但过多的持久性泡沫对发酵造成不利的影响的影响。1 1、降低生产能力、降低生产能力在发酵罐中，为了容纳泡沫，防止溢出而降在发酵罐中，为了容纳泡沫，防止溢出而降低装量。低装量。装料系数装料系数=料液体积料液体积/发酵罐容积发酵罐容积2 2、引起原料、引起原料/产物浪费产物浪费如果设备容积不能留有容纳泡沫的余地，如果设备容积不能留有容纳泡沫的余地，气泡会引起原料气泡会引起原料/产物流失，造成浪费。产物流失，造成浪费。4 4、引起染菌、引起染菌由于泡沫增多而引起逃液，于是在排气管中粘上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。处落下的泡沫往往引起杂菌污染。5 5、消泡剂的加入给后续产物提取带来了麻烦。消泡剂的加入给后续产物提取带来了麻烦。泡沫的性质泡沫的性质泡沫体系有独特的性质，研究泡沫的性质，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。是解决消泡问题的基础。1 1、气泡间液膜的性质、气泡间液膜的性质泡沫中气泡间的间距很小，仅以一薄层液膜泡沫中气泡间的间距很小，仅以一薄层液膜相隔，研究相隔，研究液膜的性质液膜的性质很有代表意义，又因很有代表意义，又因为，只有含有助泡的表面活性剂，才能形成为，只有含有助泡的表面活性剂，才能形成稳定稳定的泡沫，所以应当首先研究的泡沫，所以应当首先研究表面活性剂表面活性剂与液膜的关系。与液膜的关系。表面活性剂示意图表面活性剂示意图如图所示，表面活性剂是由如图所示，表面活性剂是由疏水基疏水基与与亲水基亲水基构构成的化合物，在水中，表面活性剂的分子不停成的化合物，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，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：停留时间比较长：亲水基亲水基 疏水基疏水基第一种情况第一种情况 表面活性剂的亲水基留在水相，表面活性剂的亲水基留在水相，疏水基伸到气相中，形成疏水基伸到气相中，形成定向吸附层定向吸附层。第二种情况第二种情况 表面活性剂的疏水基在水相中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，形互相靠在一起，减少疏水基与水的接触，形成成“胶束胶束”。胶束胶束定向吸附层定向吸附层溶液中当表面活性剂的浓度低于溶液中当表面活性剂的浓度低于临界胶临界胶束浓度束浓度时，以第一种情况为主；表面活时，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性剂浓度高于临界胶束浓度时出现第二种情况。种情况。在液相中因为水分子之间的吸引力大于水对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。成定向吸附层的原因。表面活性剂为什么会定向排列在表面？表面活性剂为什么会定向排列在表面？2 2、泡沫是热力学不稳定体系、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：态变化。起泡过程中自由能变化如下：G=AG自由能的变化自由能的变化A表面积的变化表面积的变化比表面能比表面能起泡起泡时，液体表面积增加，时，液体表面积增加，A为正值，因而为正值，因而G为正值，也就是说，为正值，也就是说，起泡过程不是自发过程起泡过程不是自发过程。另一。另一方面，泡沫的气液界面非常大。方面，泡沫的气液界面非常大。例如：半径例如：半径1cm厚厚0.001cm的一个气泡，内外两面的气液界面达的一个气泡，内外两面的气液界面达25cm2；可是，；可是，当其破灭为一个液滴后，表面积只有当其破灭为一个液滴后，表面积只有0.2cm2,相差上百倍。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。显然，液体起泡后，表面自由能比无泡状态高得多。泡沫泡沫破灭的过程中，破灭的过程中，A是一个绝对值很大的负数，是一个绝对值很大的负数，也就是说泡沫破灭的过程，自由能减小的数值很大。也就是说泡沫破灭的过程，自由能减小的数值很大。因此泡沫是热力学不稳定体系，终归会变成具有较因此泡沫是热力学不稳定体系，终归会变成具有较小表面积的无泡状态。小表面积的无泡状态。泡沫是气体分散在液体中所形成的热力学不稳定的体系3 3、泡沫体系的三阶段变化、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，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着下述三阶段的变化(1)气泡大小分布的变化气泡大小分布的变化 气泡膜有表面张力，气泡中压力大于气泡气泡膜有表面张力，气泡中压力大于气泡外的压力。外的压力。气泡大小的再分布，就是由气气泡大小的再分布，就是由气泡膜内气体的压力变化引起的。泡膜内气体的压力变化引起的。气泡中气气泡中气体压力的大小，依赖气泡膜的曲率半径体压力的大小，依赖气泡膜的曲率半径 气泡内外压差气泡内外压差P=K校正系数气泡的体积整个气泡的表面张力*如果起泡膜很薄，内外表面积近似相等，则如果起泡膜很薄，内外表面积近似相等，则P=323/42*4RkRkR6由该式可知：压差由该式可知：压差P与气泡半径成反比。与气泡半径成反比。若气泡膜的表面张力均相同，则若气泡膜的表面张力均相同，则小气泡中的小气泡中的压力比大气泡中的压力大压力比大气泡中的压力大。因此当相邻气泡。因此当相邻气泡大小不同时，气泡会不断地由大小不同时，气泡会不断地由小气泡高压区小气泡高压区，经过经过吸附、溶解、解析，扩散到大气泡低压吸附、溶解、解析，扩散到大气泡低压区。区。于是小气泡进一步变小，大气泡进一步于是小气泡进一步变小，大气泡进一步变大。变大。kR6（2）气泡液膜变薄）气泡液膜变薄泡沫生成初期，泡沫液还比较厚，以后因泡沫生成初期，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。向下排液，泡沫液随时间延续而变薄。（3）泡沫破灭）泡沫破灭泡沫由于排液，液量过少，液膜会急剧变薄，泡沫由于排液，液量过少，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。薄到一定程度，泡沫即瞬间破灭。三、泡沫形成的原因三、泡沫形成的原因1 1、气液接触、气液接触 因为泡沫是气体在液体中的粗分散体，产生泡沫因为泡沫是气体在液体中的粗分散体，产生泡沫的的首要条件首要条件是气体和液体发生接触。而且只有气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大量的泡沫。体与液体连续、充分地接触才会产生大量的泡沫。气液接触大致有以下两类情况：气液接触大致有以下两类情况：（1）外界引入。外界引入。通气过程伴随搅拌，空气被分成通气过程伴随搅拌，空气被分成细小的气泡。细小的气泡。（2）气体从液体内部产生。气体从液体内部产生。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。时，形成的泡沫一般气泡较小、较稳定。2 2、含助泡剂、含助泡剂 助泡剂它是一种助泡剂它是一种泡沫稳定剂泡沫稳定剂，可保证形成一定数量的和具有，可保证形成一定数量的和具有一定稳定性的泡沫。一定稳定性的泡沫。在纯净的气体、纯净的液体之外，必须存在第三种物质，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，这些剂。当形成气泡时，液体中出现气液界面，这些助泡剂助泡剂就会就会形成定向吸附层形成定向吸附层。与液体亲和性弱的一端朝着气泡。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。附层起到稳定泡沫的作用。3 3、起泡速度高于破泡速度、起泡速度高于破泡速度起泡起泡的难易，取决于液体的成分及所经受的条件；的难易，取决于液体的成分及所经受的条件；破泡破泡的难易取决于气泡和泡破灭后形成的液滴在表的难易取决于气泡和泡破灭后形成的液滴在表面面自由能自由能上上的差别。的差别。泡沫产生速度小于泡沫破灭速度，则泡沫不断减少，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。速度高于泡沫破灭速度，泡沫量将不断增加。四、发酵过程泡沫产生的原因四、发酵过程泡沫产生的原因（1）与通气量、搅拌的强烈程度有关）与通气量、搅拌的强烈程度有关通气大、搅拌强烈可使泡沫增多，因此通气大、搅拌强烈可使泡沫增多，因此在发酵前期由于培养基营养成分消耗少，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。培养基成分丰富，易起泡。应应先开小通气量，再逐步加大先开小通气量，再逐步加大。搅拌转。搅拌转速也如此。速也如此。（2）培养基配比与原料组成）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。培养基营养丰富，黏度大，产生泡沫多而持久。蛋白质是主要的起泡因素。蛋白质是主要的起泡因素。发泡物质发泡物质：玉米浆、蛋白胨、花生粉、豆粕粉、黄玉米浆、蛋白胨、花生粉、豆粕粉、黄豆粉、酵母粉、糖蜜等豆粉、酵母粉、糖蜜等 泡沫的稳定物质：泡沫的稳定物质：glucose,起泡性较差，但是它可起泡性较差，但是它可以增加发酵液的粘度，稳定泡沫的存在。以增加发酵液的粘度，稳定泡沫的存在。（3）泡沫与菌体的生长代谢有关泡沫与菌体的生长代谢有关 发酵初期泡沫较多，但这时的泡沫大，易破碎发酵初期泡沫较多，但这时的泡沫大，易破碎；随后，大量的发泡物质被消耗，泡沫减少；随后，大量的发泡物质被消耗，泡沫减少；对数生长期对数生长期，呼吸强度增加，泡沫越来越多；，呼吸强度增加，泡沫越来越多；产物合成期产物合成期，泡沫继续增加，泡沫继续增加；发酵后期发酵后期，泡沫更为严重，泡沫更为严重。（4）与灭菌的操作有关与灭菌的操作有关 灭菌的强度越大，其发酵液中的泡沫越灭菌的强度越大，其发酵液中的泡沫越 多多。这是由于灭菌的过程中，高温使得培养基中的糖、氨基酸这是由于灭菌的过程中，高温使得培养基中的糖、氨基酸形成了大量的类黑精，或者是形成了：形成了大量的类黑精，或者是形成了：5羟甲基糠醛；羟甲基糠醛；糖氮被破坏，抑制微生物生长，使菌丝自溶，产生大量泡糖氮被破坏，抑制微生物生长，使菌丝自溶，产生大量泡沫。沫。五、泡沫的控制方法五、泡沫的控制方法1、物理方法：物理方法：机械消泡机械消泡原理原理：靠机械强烈振动和压力的变化，促使泡沫：靠机械强烈振动和压力的变化，促使泡沫破裂。破裂。优点：是不需在发酵液中加入其他物质，减少了优点：是不需在发酵液中加入其他物质，减少了由于加入消泡剂所引起的染菌机会和对后续分离的由于加入消泡剂所引起的染菌机会和对后续分离的影响。影响。缺点：不能根本上消除引起稳定泡沫的因素。缺点：不能根本上消除引起稳定泡沫的因素。2、化学方法：化学方法：消泡剂消泡剂 所谓所谓化学消泡化学消泡，就是指：向发酵液中流加一，就是指：向发酵液中流加一定量的消泡剂，利用消泡剂的特殊性质消除定量的消泡剂，利用消泡剂的特殊性质消除泡沫的方法。泡沫的方法。（1）在起泡液中不溶或难溶）在起泡液中不溶或难溶不溶或难溶，才易于聚集在气液界面，才易于浓缩在不溶或难溶，才易于聚集在气液界面，才易于浓缩在泡膜上，才能在较低浓度下发挥作用。泡膜上，才能在较低浓度下发挥作用。（3）与起泡液有一定程度的亲和性）与起泡液有一定程度的亲和性 由于由于消泡过程实际上是泡沫崩溃速度与消泡过程实际上是泡沫崩溃速度与泡沫生成速度的竞争泡沫生成速度的竞争，所以消泡剂必须，所以消泡剂必须能在起泡液中快速分散，以便迅速在起能在起泡液中快速分散，以便迅速在起泡液中较广泛的范围内发挥作用。要使泡液中较广泛的范围内发挥作用。要使消泡剂扩散较快，消泡剂活性成分须与消泡剂扩散较快，消泡剂活性成分须与起泡液具有一定程度的亲和性。消泡剂起泡液具有一定程度的亲和性。消泡剂活性成分与起泡液过亲，会溶解；过疏活性成分与起泡液过亲，会溶解；过疏又难于分散。只有亲疏适宜，效力才会又难于分散。只有亲疏适宜，效力才会好。好。（2）在低浓度时具有消泡活性）在低浓度时具有消泡活性（4）与起泡液不发生化学反应）与起泡液不发生化学反应消泡剂与起泡液发生反应，一方面消泡消泡剂与起泡液发生反应，一方面消泡剂会丧失作用，另一方面可能产生有害剂会丧失作用，另一方面可能产生有害物质，影响微生物的生长。物质，影响微生物的生长。（5）挥发性小，作用时间长）挥发性小，作用时间长常用消泡剂的种类常用消泡剂的种类（1）天然油脂）天然油脂天然油脂是最早用的消泡剂。如豆油、菜油、天然油脂是最早用的消泡剂。如豆油、菜油、鱼油等。鱼油等。优点：来源容易，价格低，使用简单。无明优点：来源容易，价格低，使用简单。无明显毒副作用显毒副作用油脂主要成分：高级脂肪酸酯和高级一元醇油脂主要成分：高级脂肪酸酯和高级一元醇酯酯缺点：不能够一次性的加入的过多，否则，缺点：不能够一次性的加入的过多，否则，造成发酵液的造成发酵液的pH值的下降。值的下降。如保存不好，易变质，使酸值增高，如保存不好，易变质，使酸值增高，对发酵有毒性对发酵有毒性近年来出于对环保的重视，天然产物消泡近年来出于对环保的重视，天然产物消泡剂的地位又有些提高，而且还在研究新的剂的地位又有些提高，而且还在研究新的天然消泡剂。天然消泡剂。（2）聚醚类消泡剂）聚醚类消泡剂生产上应用较多的是：聚氧乙烯氧丙烯生产上应用较多的是：聚氧乙烯氧丙烯甘油，又称为甘油，又称为泡敌泡敌（GPE），其使用量），其使用量在在0.3-0.35%，消泡能力为天然油脂的，消泡能力为天然油脂的10倍以上倍以上。聚氧丙烯甘油（聚氧丙烯甘油（GP)也是一也是一种消泡剂，其与环氧乙烷加成则生成聚种消泡剂，其与环氧乙烷加成则生成聚氧乙烯氧丙烯（氧乙烯氧丙烯（GPE）泡敌，）泡敌，前者，具前者，具有良好的抑泡能力，后者，具有良好的有良好的抑泡能力，后者，具有良好的消泡能力。消泡能力。在实际生产中，可以考虑两在实际生产中，可以考虑两者共同使用。者共同使用。（3）高碳醇）高碳醇高碳醇是强疏水弱亲水的线型分子，在水体系里是高碳醇是强疏水弱亲水的线型分子，在水体系里是有效的消泡剂。七十年代初前苏联学者在阴离子、有效的消泡剂。七十年代初前苏联学者在阴离子、阳离子、非离子型表面活性剂的水溶液中试验，提阳离子、非离子型表面活性剂的水溶液中试验，提出醇的消泡作用，与其在起泡液中的溶解度及扩散出醇的消泡作用，与其在起泡液中的溶解度及扩散程度有关。程度有关。C7C9的醇是最有效的消泡剂的醇是最有效的消泡剂。C12C22的高碳醇借助适当的乳化剂配制成粒度为的高碳醇借助适当的乳化剂配制成粒度为49m，含量为，含量为2050%的水乳液，即是水体系的的水乳液，即是水体系的消泡剂。消泡剂。还有些成酯，如苯乙醇油酸酯、苯乙酸月桂醇酯等还有些成酯，如苯乙醇油酸酯、苯乙酸月桂醇酯等在青霉素发酵中具有消泡作用，后者还可作为前体。在青霉素发酵中具有消泡作用，后者还可作为前体。（4）硅酮类）硅酮类最常用的是聚二甲基硅氧烷，也称最常用的是聚二甲基硅氧烷，也称二甲基硅油二甲基硅油。它表面能低，表面张力也较低，在水及一般油中它表面能低，表面张力也较低，在水及一般油中的溶解度低且活性高。它的主链为硅氧键，为非的溶解度低且活性高。它的主链为硅氧键，为非极性分子。与极性溶剂水不亲和，与一般油的亲极性分子。与极性溶剂水不亲和，与一般油的亲和性也很小。它挥发性低并具有化学惰性，比较和性也很小。它挥发性低并具有化学惰性，比较稳定且毒性小。纯粹的聚二甲基硅氧烷，不经分稳定且毒性小。纯粹的聚二甲基硅氧烷，不经分散处理难以作为消泡剂。可能是由于它与水有高散处理难以作为消泡剂。可能是由于它与水有高的界面张力，铺展系数低，不易分散在发泡介质的界面张力，铺展系数低，不易分散在发泡介质上。因此将硅油混入上。因此将硅油混入SiO2气溶胶，所构成的复合气溶胶，所构成的复合物，即将疏水处理后的物，即将疏水处理后的SiO2气溶胶混入二甲基硅气溶胶混入二甲基硅油中，经一定温度、一定时间处理，就可制得。油中，经一定温度、一定时间处理，就可制得。p值得注意的是：在生产过程中应尽可能减值得注意的是：在生产过程中应尽可能减少消泡剂的用量。少消泡剂的用量。p在应用消泡剂前需做比较性试验，找出一在应用消泡剂前需做比较性试验，找出一种对微生物生理、产物合成影响最小，消沫种对微生物生理、产物合成影响最小，消沫效果最好且成本最低的消泡剂。效果最好且成本最低的消泡剂。p此外，宜使用机械方法联合控制泡沫。此外，宜使用机械方法联合控制泡沫。值得注意的是：值得注意的是：小小 结结泡沫形成原因泡沫形成原因气液接触气液接触 气体从外部进入气体从外部进入 气体从内部产生气体从内部产生含助泡剂含助泡剂起泡速度高于破泡速度起泡速度高于破泡速度发酵过程泡沫产发酵过程泡沫产生的原因生的原因通气搅拌通气搅拌培养基配比与原料组成培养基配比与原料组成与菌体代谢活动有关与菌体代谢活动有关灭菌质量灭菌质量发酵过程起泡的利弊发酵过程起泡的利弊有利之处：气体分散、增加气液接触面积有利之处：气体分散、增加气液接触面积有害之处有害之处降低生产能力降低生产能力引起浪费引起浪费影响菌的呼吸影响菌的呼吸引起染菌引起染菌增加微生物群的不均一性增加微生物群的不均一性常用的消常用的消泡剂泡剂天然油脂天然油脂聚醚类消泡剂聚醚类消泡剂高碳醇高碳醇硅酮类硅酮类