第八章.發(fā)酵過程的控制7發(fā)酵工程

第六節(jié)泡沫的控制一、泡沫的性質(zhì)在微生物發(fā)酵過程中為了適應(yīng)微生物的生理特性，并取得較好的生產(chǎn)效果，要通入大量的無菌空氣。同時，又為了加速氧在水中溶解度，就必須加劇烈的攪拌，使氣泡分割成無數(shù)小氣泡，以增加氣—液界面。氣液界面的增加為了達到充分交換的目的，氣泡還必須在培養(yǎng)液中有一定的滯留時間。。有利于微生物呼吸過程中所產(chǎn)生的二氧化碳的逸出因此，在通氣發(fā)酵過程中，產(chǎn)生一定數(shù)量的泡沫，是必然的正?，F(xiàn)象但是過多的持久性泡沫會給發(fā)酵帶來很多不利因素如發(fā)酵罐的裝料系數(shù)(裝量與容量之比)的減少，若不加以控制，還會造成排氣管大量逃液的損失泡沫升到罐頂有可能從軸封滲出，增加污染雜菌的機會，并使部分菌絲粘附在罐蓋或罐壁上，而失去作用。泡沫嚴重時還會影響通氣攪拌的正常進行，因而妨礙菌體的呼吸，造成代謝異常，導致終產(chǎn)物產(chǎn)量下降或菌體的提早自溶后一過程任其發(fā)展會促使更多的泡沫生成因此，如何控制發(fā)酵過程中產(chǎn)生的泡沫，是能否取得高產(chǎn)的因素之一。泡沫是氣體被分散在少量液體中的膠體體系。泡沫間被一層液膜隔開而彼此不相連通。發(fā)酵過程中所遇到的泡沫，其分散相是無菌空氣和代謝氣體，連續(xù)相是發(fā)酵液。按發(fā)酵液的性質(zhì)不同，存在著兩種類型的泡沫：一類存在于發(fā)酵液的液面上，這類泡沫氣相所占比例特別大，并且泡沫與它下面的液體之間有能分辨的界線，如在某些稀薄的前期發(fā)酵液或種子培養(yǎng)液中所見到的；另一種泡沫是出現(xiàn)在粘稠的菌絲發(fā)酵液當中，這種泡沫分散很細，而且很均勻，也較穩(wěn)定，泡沫與液體間沒有明顯的液面界線，在鼓泡的發(fā)酵液中氣體分散相占比例由下而上地逐漸增加。

泡沫生成不外兩種原因一種是由外界引進的氣流被機械地分散形式另一種是由發(fā)酵過程中產(chǎn)生的氣體聚結(jié)生成。后一種方式生成的泡沫被稱為發(fā)酵泡沫，它只有在代謝旺盛時才比較明顯。二、發(fā)酵過程泡沫變化泡沫的多少一方面與通風、攪拌的劇烈程度有關(guān)，攪拌所引起的泡沫比通氣來得大；另一方面與培養(yǎng)基所用原材料的性質(zhì)有關(guān)。蛋白質(zhì)原料，如蛋白胨、玉米漿、黃豆粉、酵母粉等是主要的起泡因素，起泡能力隨品種、產(chǎn)地、加工條件而不同，還與配比及培養(yǎng)基濃度和粘度有關(guān)。

好氣性發(fā)酵過程中泡沫的形成是有一定規(guī)律的。葡萄糖等糖類本身起泡能力很差，但在豐富培養(yǎng)基中濃度較高的糖類增加了培養(yǎng)基的粘度，從而有利于泡沫的穩(wěn)定。通常培養(yǎng)基的配方含蛋白質(zhì)多，濃度高，粘度大，越容易起泡，泡沫多而持久穩(wěn)定。膠體物質(zhì)多，粘度大的培養(yǎng)基更容易產(chǎn)生泡沫，如糖蜜原料與石油烴類原料，發(fā)泡能力特別強，泡沫多而持久穩(wěn)定。水解糖的水解不完全，糊精含量多，也容易引起泡沫產(chǎn)生。培養(yǎng)基的滅菌方法和操作條件均會影響培養(yǎng)基成分的變化而影響發(fā)酵時泡沫的產(chǎn)生。

因此可見，發(fā)酵過程中泡沫形成的穩(wěn)定性與培養(yǎng)基的性質(zhì)有著密切的關(guān)系。在發(fā)酵過程中培養(yǎng)液的性質(zhì)，因微生物的代謝活動處在運動變化中，也影響到泡沫的形成和消長。例如霉菌在發(fā)酵過程中的代謝活動所引起培養(yǎng)液的液體表面性質(zhì)變化也直接影響泡沫的消長。發(fā)酵初期表面粘度下降和表面張力上升，泡沫壽命逐漸縮短，這說明霉菌在代謝過程中在各種細胞外酶如蛋白酶、淀粉酶等作用下，把造成泡沫穩(wěn)定的物質(zhì)如蛋白質(zhì)等逐步降解利用，結(jié)果發(fā)酵粘度降低，泡沫減少。由于培養(yǎng)基濃度大，粘度高，營養(yǎng)料豐富，因而泡沫的穩(wěn)定性與高的表面粘度和低的表面張力有關(guān)。隨著發(fā)酵進行菌的繁殖，尤其是細菌本身具有穩(wěn)定泡沫的作用發(fā)酵最旺盛時泡沫形成比較多，在發(fā)酵后期菌體自溶導致發(fā)酵液中可溶性蛋白質(zhì)增加，又有利于泡沫的產(chǎn)生。此外，發(fā)酵過程中污染雜菌而使發(fā)酵液粘度增加，也會產(chǎn)生大量泡沫。好氣性發(fā)酵過程強烈的通氣和攪拌微生物的呼吸和發(fā)酵產(chǎn)生大量二氧化碳必然引起大量泡沫的產(chǎn)生泡沫的大量存在，不僅會干擾通氣與攪拌的進行，有礙微生物的代謝，嚴重的導致大量跑料，造成浪費，甚至引起雜菌感染，直接引起發(fā)酵的正常進行。所以當泡沫大量產(chǎn)生時，必須予以消除。微生物工業(yè)上消除泡沫常用的方法有兩種化學消泡機械消泡三、化學消泡

化學消泡是一種使用化學消泡劑的消泡法，也是目前應(yīng)用最廣的一種消泡方法。其優(yōu)點是化學消泡劑來源廣泛，消泡效果好，作用迅速可靠，尤其是合成消泡劑效率高，用量少，不需改造現(xiàn)有設(shè)備，不僅適用于大規(guī)模發(fā)酵生產(chǎn)用，同時也適用于小規(guī)模發(fā)酵試驗，添加某種測試裝置后容易實現(xiàn)自動控制等。1.化學消泡機理當化學消泡劑加入于起泡體系中，由于消泡劑本身的表面張力比較低(相對于發(fā)泡體系而言)，當消泡劑接觸到氣泡膜表面時，使氣泡膜局部的表面張力降低，力的平衡受到破壞，此處為周圍表面張力較大的膜所牽引，因而氣泡破裂，產(chǎn)生氣泡合并，最后導致泡沫破裂。泡沫形成的因素很多可以加一種具有相反電荷的表面活性劑，以降低液膜的彈性(機械強度)，或加入某些具有強極性的物質(zhì)與起泡劑爭奪液膜上的空間，并使液膜的機械強度降低，進而促使泡沫破裂。當泡沫的表面層存在著極性的表面活性物質(zhì)而形成雙電層泡沫的液膜具有較大的表面粘度通常一種好的化學消泡劑同時能具有降低液膜的機械強度和表面粘度的雙重性能。一般情況下，盡量采用水溶性較小、表面張力較小的消泡劑，這樣可以大大減少消泡劑的用量，消泡劑效果好。可加入某些分子內(nèi)聚力較弱的物質(zhì)，以降低液膜的表面粘度，從而促使液膜的液體流失而使泡沫破裂。2.消泡劑選擇的依據(jù)及常用的

消泡劑種類根據(jù)消泡原理和發(fā)酵液的性質(zhì)、要求，消泡劑必須具有以下特點。(1)消泡劑必須是表面活性劑，且具較低的表面張力，消泡作用迅速，效率高；(2)消泡劑對氣—液界面的散布系數(shù)必須足夠大，才能迅速發(fā)揮它的消泡活性，這就要求消泡劑具有一定的親水性；(3)消泡劑在水中的溶解度較小，以保持其持久的消泡或抑泡性能；(4)對發(fā)酵過程無毒，對人、畜無害，不被微生物同化，對菌體生長和代謝無影響，不影響產(chǎn)物的提取和產(chǎn)品質(zhì)量；(5)不干擾溶解氧、PH值等測定儀表使用，最好不影響氧的傳遞；(6)消泡劑來源方便，價格便宜。

許多物質(zhì)都具有消泡作用，但是消泡程度不同，有些只是瞬時消泡作用，有些則可以在較長時間內(nèi)起抑泡作用。微生物工業(yè)上常用的消泡劑主要有四類：①天然油脂類；②高碳醇、脂肪酸和酯類；③聚醚類；④硅酮類(聚硅油類)。3.消泡劑的應(yīng)用和增效作用消泡劑加入發(fā)酵罐內(nèi)能否及時起作用主要決定于該消泡劑的性能和擴散能力。增加消泡劑的散布可通過機械散布，也可借助某種稱為載體或分散劑的物質(zhì)，使消泡劑更易于分布。

消泡劑特別是合成消泡劑消泡效果與使用方式有密切的關(guān)系(1)消泡劑加載體增效：載體一般為惰性液體，消泡劑應(yīng)能溶于載體或分散于載體中，如聚氧丙烯甘油用豆油為載體(消泡劑：油=1：1.5)的增效作用相當明顯；(2)消泡劑并用增效：如0.5%～3%硅酮，20%～30%植物油或礦物油，5%～10%聚乙二醇二油酸酯，1%～4%多元醇脂肪酸酯與水組成的消泡劑，可增強消泡作用；(3)消泡劑乳化增效：如聚氧丙烯甘油用吐溫-80為乳化劑的增效作用，在慶大霉素和谷氨酸發(fā)酵方面消泡能力提高1～2倍。四、機械消泡

某些容易產(chǎn)生泡沫的發(fā)酵液，當泡沫大量涌現(xiàn)時，如不及時消除就會影響正常操作。同時，大量泡沫隨氣流逸出，會造成發(fā)酵液的損失，也容易引起染菌。采用添加消泡劑的辦法要耗用多種油類或化工原料，同時會使發(fā)酵液中氧的吸收減少1/3～1/5，對供應(yīng)微生物的需氧量極為不利。機械消泡是一種物理作用機械消泡的優(yōu)點是不用在發(fā)酵液中加入其他物質(zhì)，節(jié)省原料(消泡劑)，減少由于加入消泡劑所引起的污染機會。但其效果往往不如化學消泡迅速可靠，需要一定的設(shè)備和消耗一定的動力。靠機械強烈振動，壓力的變化，促使氣泡破裂，或借機械力將排出氣體中的液體加以分離回收，所以沒有上述缺點。最大的缺點在于它不能從根本上消除引起穩(wěn)定泡沫的因素。1.機械消泡裝置的選擇依據(jù)理想的機械消泡裝置必須滿足以下幾個條件：(1)動力?。?2)結(jié)構(gòu)簡單；(3)堅固耐用；(4)清掃、殺菌容易；(5)維修、保養(yǎng)費用少。機械消泡的方法有多種一種是在發(fā)酵罐內(nèi)將泡沫消除另一種是將泡沫引出發(fā)酵罐外，泡沫消除后，液體再返發(fā)酵罐內(nèi)。罐內(nèi)消泡可以分耙式消泡槳、旋轉(zhuǎn)圓板式、氣流吸入式、流體吹入式、沖擊反射板式、碟式及超聲波的機械消泡等類型；罐外消泡又可分旋轉(zhuǎn)葉片式、噴霧式、離心力式及轉(zhuǎn)向板式的機械消泡等類型。2.罐內(nèi)消泡常用的耙式消泡槳如圖12-1所示。(1)耙式消泡槳的機械消泡罐內(nèi)的消泡裝置較簡單的型式是耙式消泡槳但當產(chǎn)生大量泡沫、上升很快時，耙槳來不及將泡沫打碎，而當泡沫超過耙槳，就將失去消泡作用，此時仍需添加消泡劑。它是裝于發(fā)酵罐內(nèi)攪拌軸上，齒面略高于液面當產(chǎn)生少量泡沫時耙齒隨時將泡沫打碎所以這種裝置的消泡作用并不完全，只是一種簡單的措施而已。消泡槳的直徑一般取0.8～0.9倍罐徑，以不妨礙旋轉(zhuǎn)為原則。(2)旋轉(zhuǎn)圓板式的機械消泡

這種旋轉(zhuǎn)圓板設(shè)置在發(fā)酵槽內(nèi)氣相部分與發(fā)酵醪的液面平行，見圖12-2。1-馬達；2-旋轉(zhuǎn)圓板；3-槽內(nèi)液；4-發(fā)酵槽；5-供液泵圓板旋轉(zhuǎn)同時將槽內(nèi)發(fā)酵液注入圓板中央部分，通過離心力將破碎成微小泡沫的微粒散向槽壁，以達到消泡的目的。通常提高圓盤轉(zhuǎn)速及發(fā)酵液供給率，可以增大消泡效果。(3)流體吹入式消泡

這是一種把空氣及空氣與培養(yǎng)液吹入培養(yǎng)罐中形式的泡沫層來進行消泡的方法。氣體或氣液吹入管是以切線方向與槽內(nèi)側(cè)相接的，如圖12-3所示。1，8-供液管；2，9-供氣管；3-排氣管；4-泡沫；5-排液管；6，10-培養(yǎng)槽；7-空氣吸入管這是一種把空氣及空氣與培養(yǎng)液吹入培養(yǎng)罐中形式的泡沫層來進行消泡的方法。氣體或氣液吹入管是以切線方向與槽內(nèi)側(cè)相接的(4)氣體吹入管內(nèi)吸引消泡

將發(fā)酵槽內(nèi)形成的氣泡群吸引到氣體吹入管，利用吹入氣體流速消泡，如圖12-4所示，在靠近吸入口附近處的氣體吸入管內(nèi)形成增速用的噴頭，吸入管用來連接液面上部與增速噴頭的負壓部位。圖12-4吸引消泡1-培養(yǎng)槽；2-無菌空氣；3-空氣吹入管；4-增速噴頭；5-吸入管將發(fā)酵槽內(nèi)形成的氣泡群吸引到氣體吹入管，利用吹入氣體流速消泡在靠近吸入口附近處的氣體吸入管內(nèi)形成增速用的噴頭，吸入管用來連接液面上部與增速噴頭的負壓部位。(5)沖擊反射板消泡

這是一種把氣體吹入液面上部，然后通過在液面上部設(shè)置的沖擊板沖擊反射，吹回到液面，將液面上產(chǎn)生的泡沫擊碎的方法。沖擊板為圓錐狀，如圖12-5所示，與槽內(nèi)之間間隙很小。圖12-5沖擊反射板式消泡1-噴嘴；2-氣體；3-小孔；4-沖擊板；5-氣泡；6-培養(yǎng)槽；7-空氣這是一種把氣體吹入液面上部，然后通過在液面上部設(shè)置的沖擊板沖擊反射，吹回到液面，將液面上產(chǎn)生的泡沫擊碎的方法。沖擊板為圓錐狀，如圖12-5所示，與槽內(nèi)之間間隙很小。(6)超聲波消泡

將空氣在1.5～3.0MPa下1～2L/s的速度由噴嘴噴入共振室而達到破泡的目的，這就是超聲波消泡的原理。如圖12-6所示圖12-6超聲波消泡器

將空氣在1.5～3.0MPa下1～2L/s的速度由噴嘴噴入共振室而達到破泡的目的，這就是超聲波消泡的原理。噴嘴與共振室之間的間隙可以根據(jù)振動次數(shù)需要進行調(diào)整。這種消泡法只適用于實驗室小型發(fā)酵試驗的消泡，當發(fā)酵罐直徑大于0.3m時，消泡效率明顯降低，且設(shè)備費用高，因此不適宜用于大規(guī)模工業(yè)發(fā)酵的消泡。(7)碟片式消泡器的機械消泡

碟片式消泡器是一種較為新型的消泡裝置，它的結(jié)構(gòu)如圖12-7所示，圖12-7碟片式消泡器1-夾套；2-皮帶輪傳動；3-馬達；4-冷卻水；5-軸封；6-空心軸；7-滾動軸承；8-固定法蘭；9-碟片將圓錐形的碟片象碟片式離心機一樣迭合在一起，裝于空心軸上，碟片上具有徑向筋條，兩碟片之間的間隙為空氣通道，與空心軸相連通，傳動皮帶輪位于兩滾珠軸承中間，空心軸的兩端裝有端面軸封，以防泄漏。將消泡器裝于發(fā)酵罐罐頂，碟片位于罐頂?shù)目臻g內(nèi)，用固定法蘭與排氣口相連接，當其高速旋轉(zhuǎn)時，進入碟片間的空氣中的氣泡被打碎同時將液滴甩出，返回發(fā)酵液中，被分離后的氣體由空心軸徑排氣口排出。

與上述各種消泡器比較，這種型式的消泡器效果較好，缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工麻煩、消耗功率大。3.罐外消泡旋轉(zhuǎn)葉片罐外消泡噴霧消泡離心力消泡旋風分離器消泡轉(zhuǎn)向板消泡(1)旋轉(zhuǎn)葉片罐外消泡這是一種最簡單的罐外機械消泡裝置，如圖12-8所示。將泡沫引出罐外，罐外消泡裝置的旋轉(zhuǎn)葉片是由馬達帶動，利用施轉(zhuǎn)葉片所產(chǎn)生的沖擊力和剪切力進行消泡，消泡后，液體再回流至發(fā)酵罐內(nèi)。圖12-8旋轉(zhuǎn)葉片罐外消泡施轉(zhuǎn)葉片所產(chǎn)生的沖擊力和剪切力進行消泡，消泡后，液體再回流至發(fā)酵罐內(nèi)(2)噴霧消泡這是一種利用沖擊力、壓縮力及剪切力的消泡方法。這種消泡方法廣泛應(yīng)用于廢水處理曝氣槽的消泡中。將水及培養(yǎng)液等液體通過適當噴霧器噴出來達到消泡的目的(3)離心力消泡這是一種將泡沫注入用網(wǎng)眼及篩目較大的篩子做成的筐中，通過旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力將泡沫分散，從而達到消泡的方法(見圖12-9)。圖12-9旋轉(zhuǎn)筐消泡旋轉(zhuǎn)筐直徑為10cm，高10cm，轉(zhuǎn)速3800r/min，消泡能力為24L/min，據(jù)報道，經(jīng)這種方法消泡后還可能有泡沫存在。圖12-10旋轉(zhuǎn)圓板消泡如果將泡沫灌注在轉(zhuǎn)速為2500r/min以上的旋轉(zhuǎn)圓盤上，那么不管