《发酵消泡》PPT课件.ppt

第四章第四章 发酵过程控制发酵过程控制第五节第五节 发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制第五节第五节 发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制一、泡沫形成的基本理论一、泡沫形成的基本理论泡沫的定义：一般来说：泡沫的定义：一般来说：泡沫是气体在液体中的泡沫是气体在液体中的粗分散体，属于气液非均相体系粗分散体，属于气液非均相体系美国道康宁公司对泡沫这样定义：美国道康宁公司对泡沫这样定义：体积密度接近体积密度接近气体，而不接近液体的气体，而不接近液体的“气气/液液”分散体发酵过程起泡的利弊：气体分散、增加气液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接触面积，但过多的泡沫是有害的发酵过程控制发酵过程控制湖北工业大学生物工程学院http:/6.2 泡沫的形成泡沫的形成泡沫是气体分散在少量液体中的胶体体系，泡沫是由泡沫是气体分散在少量液体中的胶体体系，泡沫是由许多气泡堆积在一起形成的，在气泡间有一层液膜隔许多气泡堆积在一起形成的，在气泡间有一层液膜隔开彼此不连通，泡沫形成的必要条件是：开彼此不连通，泡沫形成的必要条件是：1)气、液二相共存气、液二相共存2)有表面活性物有表面活性物（表面张力大的物质）存在，（表面张力大的物质）存在，单组份纯液体一般不形成泡沫单组份纯液体一般不形成泡沫湖北工业大学生物工程学院http:/无论哪个无论哪个体系体系，自由能总是趋向于最小的方向自由能总是趋向于最小的方向移动移动，对单元成分的体系来说，其自由能变化，对单元成分的体系来说，其自由能变化可由下式表示，当温度与气压一定时：可由下式表示，当温度与气压一定时： ：自由能变化（尔格）：自由能变化（尔格） ：液体的表面张力（达因：液体的表面张力（达因/厘米）厘米） ：表面积的变化：表面积的变化湖北工业大学生物工程学院http:/从从上上式式看看来来，当当液液体体表表面面积积增增加加时时，表表面面能能也也增增加加，而而体体系系总总是是趋趋于于能能量量最最小小的的方方向向移移动动，表表面面增增加加就就使使体体系系成成为为不不稳稳定定因因素素，泡泡沫沫就就是是这这样样一一个个不不稳稳定定体体系系，因因此此 纯水时形成的泡沫很快被破灭纯水时形成的泡沫很快被破灭,要使体系稳定，体系中必须增加一种稳定剂要使体系稳定，体系中必须增加一种稳定剂.培培养养基基的的物物理理化化学学性性质质对对泡泡沫沫形形成成的的表表面面现现象象起起决决定定性性的的作作用用。

当当气气体体通通过过纯纯水水(水水的的表表面面张张力力为为-1)的的气气液液相相的的界界面面时时，平平衡衡发发生生改改变变，气气泡泡只只能能维维持持几几分分之之一一秒秒，其其稳稳定定性性等等于于零零，这这是是由由于于能能学学上上的的不不稳稳定定性性和和围围绕气泡的液膜强度很低所致绕气泡的液膜强度很低所致湖北工业大学生物工程学院http:/（一）泡沫形成的原因（一）泡沫形成的原因1 1、气液接触、气液接触 产生泡沫的首要条件是气体和液体发生接触只产生泡沫的首要条件是气体和液体发生接触只有气体与液体连续、充分地接触才会产生过量的有气体与液体连续、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：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）气体从外部进入液体，如搅拌液体时混入气体体（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、较稳定发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制湖北工业大学生物工程学院http:/2 2、含助泡剂、含助泡剂摇荡纯溶剂不起泡，如蒸馏水，只有摇荡某种溶液摇荡纯溶剂不起泡，如蒸馏水，只有摇荡某种溶液才会起泡。

才会起泡在纯净的气体、纯净的液体之外，必须存在第三种在纯净的气体、纯净的液体之外，必须存在第三种物质，才能产生气泡物质，才能产生气泡发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制湖北工业大学生物工程学院http:/3 3、起泡速度高于破泡速度、起泡速度高于破泡速度高起泡的液体，产生的泡沫不一定稳定体系的起高起泡的液体，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，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；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；持在某一平衡状态；泡沫产生速度高于泡沫破灭速度，泡沫量将不断增泡沫产生速度高于泡沫破灭速度，泡沫量将不断增加发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制湖北工业大学生物工程学院http:/4 4、发酵过程泡沫产生的原因、发酵过程泡沫产生的原因（1）通气搅拌的强烈程度）通气搅拌的强烈程度通气大、搅拌强烈可使泡沫增多，因此在发酵通气大、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，培养基成分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搅拌转速也如此也可在基础料中加入消泡剂发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制湖北工业大学生物工程学院http:/（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，前期难开搅拌前期难开搅拌例：在例：在50L罐中投料罐中投料10L，成分为淀粉水解糖、，成分为淀粉水解糖、豆饼水解液、玉米浆等，搅拌豆饼水解液、玉米浆等，搅拌900 rpm，通气，通气，泡沫生成量为培养基的泡沫生成量为培养基的2倍如培养基适当稀一倍如培养基适当稀一些，接种量大一些，生长速度快些，前期就容易些，接种量大一些，生长速度快些，前期就容易开搅拌 发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制湖北工业大学生物工程学院http:/（3）菌种、种子质量和接种量）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。

菌种生长慢的可利用，泡沫产生几率也就少菌种生长慢的可以加大接种量以加大接种量 （4）灭菌质量）灭菌质量培养基灭菌质量不好，糖氮被破坏，抑制微生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，加物生长，使种子菌丝自溶，产生大量泡沫，加消泡剂也无效消泡剂也无效发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制湖北工业大学生物工程学院http:/（二）起泡的危害（二）起泡的危害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2 2、引起原料浪费、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，造成浪费会引起原料流失，造成浪费 发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制湖北工业大学生物工程学院http:/3 3、影响菌的呼吸、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，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。

行交换，这样就影响了菌的呼吸 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发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制湖北工业大学生物工程学院http:/（三）泡沫的性质（三）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，研究液膜的性质很有代表意义，又因相隔，研究液膜的性质很有代表意义，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，才能形成稳定的泡沫，所以应当首先研究稳定的泡沫，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发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制湖北工业大学生物工程学院http:/表面活性剂示意图表面活性剂示意图亲水基亲水基 疏水基疏水基如图所示，表面活性剂是由疏水基与亲水基构如图所示，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：发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制湖北工业大学生物工程学院http:/第一种情况第一种情况 表面活性剂的亲水基留在水相，疏水表面活性剂的亲水基留在水相，疏水基伸到气相中，形成定向吸附层基伸到气相中，形成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互相靠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，形成在一起，减少疏水基与水的接触，形成“胶束胶束”。

胶束胶束定向吸附层定向吸附层发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制湖北工业大学生物工程学院http:/在液相中因为水分子之间的吸引力大于水对表面活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活性剂易于在泡沫上形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？发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制湖北工业大学生物工程学院http:/ 培养液中的玉米浆、皂苷、糖蜜中所含的蛋白质，培养液中的玉米浆、皂苷、糖蜜中所含的蛋白质，以及微生物菌体等具有稳定泡沫的作用以及微生物菌体等具有稳定泡沫的作用 多数起泡剂就是表面活性物质，这些物质具有某些多数起泡剂就是表面活性物质，这些物质具有某些亲水基团和疏水基团分子带极性的亲水基团和疏水基团分子带极性的端向着水溶液，端向着水溶液，而非极性一端向着空气，并力图在表面作定向排列，而非极性一端向着空气，并力图在表面作定向排列，增加了泡沫的机械强度。

增加了泡沫的机械强度 起泡剂分子一般是长链形的，烃链越长，链间的分起泡剂分子一般是长链形的，烃链越长，链间的分子引力越大，膜的机械强度就越高子引力越大，膜的机械强度就越高 蛋白质分子中除分子引力外，在羧基和氨基之间还蛋白质分子中除分子引力外，在羧基和氨基之间还有吸引力，因而形成的液膜比较牢固，泡沫比较稳定有吸引力，因而形成的液膜比较牢固，泡沫比较稳定 此外，培养液的温度、酸碱度、。