在微生物的發(fā)酵調(diào)控過程中，泡沫控制是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。如果泡沫控制不當(dāng)，泡沫產(chǎn)生量過大時(shí)則會(huì)對生產(chǎn)工藝造成巨大危害，如發(fā)酵罐實(shí)際裝量與總?cè)萘恐鹊难b填系數(shù)減少，造成大量逃液，原材料的浪費(fèi)以及產(chǎn)物的損失等。

1、泡沫的形成

泡沫是氣體分散在液體中的分散體系。氣體被連續(xù)的液膜分開，形成大小不等的氣泡，具有很大的氣液表面。泡沫就其本質(zhì)而言，是熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，但在一定的條件下，采取適當(dāng)?shù)拇胧?，可以保持一定的穩(wěn)定性團(tuán)。在工業(yè)發(fā)酵過程中，為了適應(yīng)微生物的生理特性，取得較好的生產(chǎn)效果，需要在發(fā)酵罐中通入大量的無菌空氣，同時(shí)，為了加速氧的溶解，還必需對發(fā)酵液進(jìn)行激烈的攪拌。由于發(fā)酵液中存在糖、蛋白質(zhì)等易起泡物質(zhì)，因此，通氣發(fā)酵過程中往往會(huì)產(chǎn)生大量的泡沫。

發(fā)酵過程中的泡沫，其分散相為無菌空氣和代謝氣體，連續(xù)相為發(fā)酵液。主要分為2類：一類存在于發(fā)酵液上，這類泡沫氣相所占的比例特別大，常存在于發(fā)酵液體表面，主要是由于發(fā)酵罐內(nèi)通氣攪拌而產(chǎn)生，一般被稱為機(jī)械性泡沫；另一類是由細(xì)菌的呼吸作用產(chǎn)生，這種氣泡分散很細(xì)，而且很均勻，也較穩(wěn)定，泡沫與液體之間沒有明顯的液面界限，這類泡沫被稱為流態(tài)型泡沫。流態(tài)型泡沫增長到一定高度，即使停止攪拌，泡沫也不易下落，這種泡沫對發(fā)酵極為不利。

2、泡沫的控制

泡沫控制的目的是如何使泡沫中的氣泡及時(shí)破裂，使氣相和液相分離。在工業(yè)發(fā)酵過程中常常從2個(gè)方面來消除泡沫：一方面，采用化學(xué)方法和物理方法來改變液膜的某些部分的局部受力，打破液膜原來的受力平衡而破裂。另一方面，通過改變發(fā)酵液成分配比以及發(fā)酵工藝的操作條件的控制來減少泡沫的產(chǎn)生。

2．1化學(xué)消泡

2．1．1化學(xué)消泡的機(jī)理

化學(xué)消泡是一種使用化學(xué)消泡劑破碎泡沫液膜的方法。其來源廣泛，價(jià)錢便宜，并且消泡效果好。消泡劑加入到發(fā)酵液以后主要是通過2種方法來消除發(fā)酵液中的泡沫：一種是消泡劑的鋪展作用，它是指消泡劑液滴借助低表面張力的作用在液膜表擴(kuò)展成膜的過程。當(dāng)發(fā)酵液中加入消泡劑以后，消泡劑分子立即在泡沫表面鋪展，形成很薄的雙膜層，迸一步擴(kuò)散、滲透，層狀入侵，從而取代原泡膜薄壁；同時(shí)，在鋪展過程中帶走鄰近表面層的部分溶液，使泡沫液膜變薄，降低了泡沫的穩(wěn)定性，使之易于破壞。另一種是消泡劑的插入作用，就是消泡粒子直接插破氣泡的過程。有些消泡劑主要是以液滴、固體顆?；虬腆w顆粒的液滴形式加入起泡體系的，這些疏水的液滴或固體顆粒具有排液性，可以直接進(jìn)入液膜形成“架橋”，在液滴或固體顆粒與液膜的界面處形成氣泡液膜的薄弱點(diǎn)，導(dǎo)致液膜破裂。一般地講，消泡劑在氣泡液膜表面鋪展或滲入越快，其消泡的作用越強(qiáng)。

2．1．2消泡劑的分類

用于微生物發(fā)酵的消泡劑多種多樣，早期的發(fā)酵中以天然油脂為主，如玉米油、花生油、豆油等。但是由于天然油脂易氧化和酸值偏高，不利于泡沫的消除，同時(shí)對產(chǎn)物具有一定的抑制作用，后來逐步被化學(xué)消泡劑取代。隨著發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展，化學(xué)消泡劑獲得了很大的發(fā)展，形成了很多種類型的消泡劑，常用的消泡劑主要分為聚醚類、高級醇類和硅樹脂類四。聚醚類消泡劑在工業(yè)中應(yīng)用較多的有聚氧丙烯甘油和聚氧乙烯氧丙烯甘油(泡敵)，聚醚類消泡劑親水性好，十分容易在發(fā)酵液中擴(kuò)展，消泡能力強(qiáng)，溶解度也大，但消泡活性維持時(shí)間較短，在粘稠的發(fā)酵液中使用效果更好。高級醇類消泡劑在工業(yè)上運(yùn)用主要有聚二醇、十八醇等，是由親水性較差，低表面張力的液體組成。在消泡過程中往往配合載體一起使用。能起到很好的消泡效果。其適合于在液體剪切力較小，溶液發(fā)泡能力較溫和的條件下使用，對致密型泡沫消除能力較差。+硅酮類消泡劑的代表是聚二甲基硅氧烷及其衍生物，它常與Si02按一定比例復(fù)合而成。這類消泡劑具有極低的表面張力，熱穩(wěn)定性好，化學(xué)穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于油溶性溶液消泡。

2．1．3消泡劑的使用

消泡劑的消泡效果與其使用方式有著密切聯(lián)系。一種優(yōu)秀的消泡劑必須同時(shí)兼顧消、抑泡作用，即不但應(yīng)該迅速使泡沫破壞，而且能在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)防止泡沫生成。消泡劑加入發(fā)酵液后能否及時(shí)有效的發(fā)揮作用主要是取決于該消泡劑的消泡性能和擴(kuò)散能力。不同的消泡劑在不同的發(fā)酵液中消泡效果各不相同，使用量也各有不同。

在工業(yè)發(fā)酵過程中常采用：

② 過機(jī)械攪拌或通氣，使消泡劑在發(fā)酵液中分散的更均勻；

②將消泡劑和載體一起使用，使消泡劑更容易溶于或分散于載體中，兩者混合使用可產(chǎn)生明顯的增效作用；

③多種消泡劑按比例混合使用可增強(qiáng)消泡作用；

④利用乳化劑增強(qiáng)消泡劑的消泡作用。此外，消泡劑的添加量需要嚴(yán)格控制，添加量少，得不到很好的效果；添加量多，不僅會(huì)抑制產(chǎn)物的生成，而且會(huì)影響產(chǎn)物的分離純化。

2．2機(jī)械消泡器

機(jī)械消泡不同于化學(xué)消泡，它主要是依靠機(jī)械剪切力和壓力的變化，促使泡沫破裂，或借助機(jī)械力將排出氣體中的液體加以分離回收，從而達(dá)到消泡的作用，在工業(yè)中常常起輔助消泡作用或運(yùn)用于禁止使用化學(xué)消泡劑的生產(chǎn)中。一個(gè)好的機(jī)械消泡裝置，應(yīng)該具有動(dòng)力小，結(jié)構(gòu)簡單，堅(jiān)固耐用和滅菌簡單等優(yōu)點(diǎn)。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，為了取得更好的消泡效果，常常幾種消泡方式結(jié)合使用，常見的機(jī)械消泡器的結(jié)構(gòu)形式有柵式、旋轉(zhuǎn)圓盤式、渦輪式和旋風(fēng)分離式等。

2．2．1柵式消泡器

旋轉(zhuǎn)槳葉式消泡器是結(jié)構(gòu)比較簡單的罐機(jī)械消泡裝置，它安裝在發(fā)酵罐中的攪拌軸上，安裝位置略高于液面，通過攪拌軸轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械剪切力來破碎泡沫。最初常用是耙式消泡槳。隨著工業(yè)的發(fā)展，陸續(xù)出現(xiàn)了許多新型消泡槳。Nitin S Deshpande和Mostafa Barigou提出了一種新型的攪拌槳，由2個(gè)各具有3個(gè)狹縫的消泡槳組成，其結(jié)構(gòu)見圖1，這種消泡槳與傳統(tǒng)的消泡槳相比能夠增大剪切力，減少消泡所消耗的功率。雖然這類消泡槳消泡結(jié)構(gòu)比較簡單，但是其不能有效阻止泡沫外溢，同時(shí)還會(huì)受到攪拌軸轉(zhuǎn)速的影響。

2．2．2旋轉(zhuǎn)圓盤式機(jī)械消泡

旋轉(zhuǎn)圓盤式消泡裝置見圖2。這種旋轉(zhuǎn)圓盤式機(jī)械消泡裝置在發(fā)酵罐內(nèi)，與發(fā)酵液的液面保持平行。當(dāng)泡沫上升到旋轉(zhuǎn)圓盤底部時(shí)，在離心力的作用下，將泡沫液散向罐壁破碎，從而達(dá)到消泡的效果。這種消泡裝置能夠很好的消除發(fā)酵罐內(nèi)細(xì)小的泡沫，適合于破碎發(fā)酵過程中產(chǎn)生的流狀泡沫。

2．2．3渦輪式消泡器

某大學(xué)研發(fā)的ADF機(jī)械消泡器是一種典型的渦輪式消泡器，其中的消泡結(jié)構(gòu)見圖3，是比較新型的機(jī)械消泡裝置，在發(fā)酵中使用比較廣泛。其利用槳葉高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪切力和離心力來破碎發(fā)酵過程產(chǎn)生的泡沫，使氣液分離，分離出的泡沫液可以重新回到發(fā)酵罐中，減少逃液損失，并且結(jié)合尾氣冷凝系統(tǒng)，可以更有效地減少大通氣量條件下發(fā)酵液損失，能夠提高發(fā)酵罐的裝液系數(shù)和減少微生物在泡沫中的停留時(shí)間。

2．2．4旋風(fēng)分離消泡器

旋風(fēng)分離消泡器是將發(fā)酵罐內(nèi)產(chǎn)生的泡沫由排氣管引入到罐外的旋風(fēng)分離器中，氣流受導(dǎo)向葉片的導(dǎo)流作用而產(chǎn)生強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)，氣流沿筒體呈螺旋形向下進(jìn)入旋風(fēng)簡體，密度大的泡沫和液滴被甩向壁面，并且在重力的作用下，通過旋風(fēng)分離器壁面下落到罐內(nèi)，氣體則由旋風(fēng)分離器上部流出，其氣液分離效率高，能夠有效的防止工業(yè)發(fā)酵過

程中的逃液。旋風(fēng)分離消泡器結(jié)構(gòu)見圖4。

一般來說，工業(yè)常用的機(jī)械消泡方式不能從根本上消除引起泡沫產(chǎn)生的因素，并且泡沫量過大時(shí)，不能迅速的消除泡沫，因此在生產(chǎn)中常常起到一個(gè)輔助的消泡效果，往往配合化學(xué)消泡劑一起使用。另外，機(jī)械消泡器容易產(chǎn)生死角導(dǎo)致滅菌不徹底。但是，機(jī)械消泡器也具有巨大的優(yōu)勢，某廠運(yùn)用了一種高效消泡裝置用于谷氨酸發(fā)酵泡沫控制，它由耙式消泡槳和旋風(fēng)分離式消泡器構(gòu)成。通過5群，6#發(fā)酵罐安裝使用，泡敵的使用量由原來的7‰下降為4．5‰，發(fā)酵罐裝液量也提高到了72．5％。僅泡敵一項(xiàng)就節(jié)約了20元。

2．3發(fā)酵液和操作條件控制

工業(yè)發(fā)酵過程中泡沫的消漲規(guī)律受到多種因素的影響，如發(fā)酵液的pH值、溫度以及操作條件均會(huì)影響泡沫的產(chǎn)生，并且各個(gè)菌種發(fā)酵工藝不同，導(dǎo)致工業(yè)發(fā)酵泡沫產(chǎn)生的原因多種多樣。在長期的工業(yè)發(fā)酵的生產(chǎn)實(shí)踐過程中，人們根據(jù)泡沫產(chǎn)生的原因，總結(jié)出泡沫變化的規(guī)律：①從發(fā)酵液的性質(zhì)來看，發(fā)酵液中蛋白質(zhì)含量越高，發(fā)酵

液的粘度越大，則生成的泡沫穩(wěn)定性就越高。②從菌體方面來看，茵體生長旺盛時(shí)，產(chǎn)生的泡沫多，當(dāng)發(fā)酵液中氮源被菌體大量消耗時(shí)，濃度下降，則氣泡的穩(wěn)定性減弱，泡沫量減少，在發(fā)酵后期，伴隨菌體的自溶，使發(fā)酵液中蛋白質(zhì)濃度又上升，則發(fā)酵液的起泡性又增強(qiáng)，泡沫增加。③發(fā)酵液滅菌質(zhì)量不好，糖氮被破壞，抑制微生物生長，使種子菌絲自溶，產(chǎn)生大量泡沫。④在發(fā)酵前期由于發(fā)酵液中蛋白質(zhì)、糖類含量高，必須先開小通氣量和攪拌轉(zhuǎn)速，再逐步加大。以上方法在一定程度上可以避免或減少泡沫的產(chǎn)生，但是有一定的限度，并不能取得一個(gè)好的消泡效果。

3、結(jié)語

工業(yè)生產(chǎn)中的泡沫形成，是一個(gè)復(fù)雜的過程，受到多種因素的調(diào)控。必須對工業(yè)發(fā)酵中泡沫生成的原因具體分析，采用相應(yīng)的消泡手段，才能更好的消除泡沫，減少生產(chǎn)浪費(fèi)，增強(qiáng)企業(yè)的競爭力。