發(fā)酵過(guò)程泡沫的形成與控制.ppt

1、如何提高發(fā)酵液中的溶氧？,反應(yīng)器中氧的傳遞,發(fā)酵液中氧的傳遞方程,氣-液界面,a:比界面面積。單位體積的液體中所具有的氧的傳遞面積 (m2/m3) C*：與氣相中氧分壓相平衡的液 體中氧的濃度，也就是一定體系下液相 中的最大的溶氧濃度。（ mol/m3） C:液相中氧的實(shí)際濃度, （ mol/m3）,Nv：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)發(fā)酵液溶氧濃度的變化mmol/(L.h) Kl : 以(C*-C)為推動(dòng)力的氧傳質(zhì)系數(shù) m/h,氣相主流,液相主流,?,反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)(改變擋板的數(shù)目和位置、攪拌葉片直徑 ) 操作條件 改變攪拌器轉(zhuǎn)速 改變空氣流速,提高設(shè)備的供氧能力，即氧的體積傳質(zhì)系數(shù)KL a ：,提高（c* -

2、cL)，即氧傳遞動(dòng)力,增大C*的措施 在通氣中摻入純氧或富氧，使氧分壓提高。 提高罐壓。,比耗氧速率或呼吸強(qiáng)度（QO2）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)單位質(zhì)量干菌體所吸取的氧氣，mmol O2g菌-1h-1,攝氧率(r)：?jiǎn)挝惑w積的發(fā)酵液?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)的耗氧量。mmol O2L-1h-1 。,r= QO2 .X,補(bǔ)料的原因 補(bǔ)料內(nèi)容 補(bǔ)料時(shí)需考慮哪些因素 補(bǔ)料方式分為哪三種,中間補(bǔ)料,第八章（5） 發(fā)酵過(guò)程泡沫的形成與控制,發(fā)酵過(guò)程泡沫的形成與控制,一、 泡沫的危害 (掌握) 二、 泡沫的性質(zhì)(理解) 三、泡沫形成的原因(理解) 發(fā)酵過(guò)程泡沫產(chǎn)生的原因(掌握) 四、泡沫的控制方法(掌握),發(fā)酵過(guò)程中存在一定數(shù)量的泡

3、沫是正?，F(xiàn)象 。 有利于氧的傳遞； 但過(guò)多的持久性泡沫對(duì)發(fā)酵造成不利的影響 。,一、泡沫的危害,1、降低生產(chǎn)能力,在發(fā)酵罐中，為了容納泡沫，防止溢出而降低裝量。裝料系數(shù)=料液體積/發(fā)酵罐容積,2、引起原料/產(chǎn)物浪費(fèi),如果設(shè)備容積不能留有容納泡沫的余地，氣泡會(huì)引起原料/產(chǎn)物流失，造成浪費(fèi)。,3、增加了菌群的非均一性 由于泡沫的液位變動(dòng)，使得微生物隨泡沫漂浮，粘到罐壁上，使微生物生長(zhǎng)的環(huán)境發(fā)生了變化，影響了微生物群體的效果，增加了微生物群體的不均一性。,4、引起染菌,由于泡沫增多而引起逃液，于是在排氣管中粘上培養(yǎng)基，就會(huì)長(zhǎng)菌。隨著時(shí)間延長(zhǎng)，雜菌會(huì)長(zhǎng)入發(fā)酵罐而造成染菌。大量泡沫由罐頂進(jìn)一步滲到軸封，

4、軸封處的潤(rùn)滑油可起點(diǎn)消泡作用，從軸封處落下的泡沫往往引起雜菌污染。,5、消泡劑的加入給后續(xù)產(chǎn)物提取帶來(lái)了麻煩。,對(duì)泡沫控制的要求: 避免大量持久的泡沫存在； 保證有一定的泡沫量； 隨發(fā)酵時(shí)間延長(zhǎng)消泡劑控制泡沫的 能力不降低。,二、泡沫的性質(zhì),泡沫體系有獨(dú)特的性質(zhì)，研究泡沫的性質(zhì)，是解決消泡問(wèn)題的基礎(chǔ)。,定義：泡沫是指氣體分散在少量液體中的一種體系。 分散相：氣體 連續(xù)相：液體,種類(lèi) 按照發(fā)酵中泡沫存在的狀態(tài)可分為兩種： 存在于發(fā)酵液上部的，泡沫與液體主流存在一個(gè)明顯的界面，易破碎，泡沫體積較大。 存在于發(fā)酵液中的流態(tài)泡沫。泡沫分散均勻，與液體主流沒(méi)有明顯的分界面，存在于發(fā)酵液中，比較穩(wěn)定，很難

5、清除。,1、氣泡間液膜的性質(zhì),泡沫中氣泡間的間距很小，僅以一薄層液膜相隔，研究液膜的性質(zhì)很有代表意義，又因?yàn)?，只有含有助泡的表面活性劑，才能形成穩(wěn)定的泡沫，所以應(yīng)當(dāng)首先研究表面活性劑與液膜的關(guān)系。,表面活性劑示意圖,如圖所示，表面活性劑是由疏水基與親水基構(gòu)成的化合物，在水中，表面活性劑的分子不停地轉(zhuǎn)動(dòng)在以下兩種情況下泡沫才能比較穩(wěn)定，停留時(shí)間比較長(zhǎng)：,第一種情況 表面活性劑的親水基留在水相，疏水基伸到氣相中，形成定向吸附層。 第二種情況 表面活性劑的疏水基在水相中互相靠在一起，減少疏水基與水的接觸，形成“膠束”。,溶液中當(dāng)表面活性劑的濃度低于臨界膠束濃度時(shí)，以第一種情況為主；表面活性劑濃度高于

6、臨界膠束濃度時(shí)出現(xiàn)第二種情況。,在液相中因?yàn)樗肿又g的吸引力大于水對(duì)表面活性劑的吸引力，表面活性劑的疏水部分被水分子之間的吸引力擠出溶液，到達(dá)氣液界面。這就是表面活性劑易于在泡沫上形成定向吸附層的原因。,表面活性劑為什么會(huì)定向排列在表面？,水,2、泡沫是熱力學(xué)不穩(wěn)定體系,熱力學(xué)第二定律指出：自發(fā)過(guò)程，總是從自由能較高的狀態(tài)向自由能較低的狀態(tài)變化。起泡過(guò)程中自由能變化如下：,G=A G自由能的變化 A表面積的變化 比表面能,起泡時(shí)，液體表面積增加，A為正值，因而G為正值，也就是說(shuō)，起泡過(guò)程不是自發(fā)過(guò)程。另一方面，泡沫的氣液界面非常大。 例如：半徑1cm厚0.001cm的一個(gè)氣泡，內(nèi)外兩面的氣液

7、界面達(dá)25cm2；可是，當(dāng)其破滅為一個(gè)液滴后，表面積只有0.2cm2,相差上百倍。 顯然，液體起泡后，表面自由能比無(wú)泡狀態(tài)高得多。 泡沫破滅的過(guò)程中，A是一個(gè)絕對(duì)值很大的負(fù)數(shù)，也就是說(shuō)泡沫破滅的過(guò)程，自由能減小的數(shù)值很大。 因此泡沫是熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，終歸會(huì)變成具有較小表面積的無(wú)泡狀態(tài)。,泡沫是氣體分散在液體中所形成的熱力學(xué)不穩(wěn)定的體系,3、泡沫體系的三階段變化,即使外觀看來(lái)平靜、比較穩(wěn)定的泡沫體系，泡沫液也在不斷地下落、蒸發(fā)，不斷進(jìn)行著下述三階段的變化 (1)氣泡大小分布的變化 氣泡膜有表面張力，氣泡中壓力大于氣泡外的壓力。氣泡大小的再分布，就是由氣泡膜內(nèi)氣體的壓力變化引起的。氣泡中氣體壓力

8、的大小，依賴氣泡膜的曲率半徑,氣泡內(nèi)外壓差 P=,如果起泡膜很薄，內(nèi)外表面積近似相等，則 P= =,由該式可知：壓差P與氣泡半徑成反比。 若氣泡膜的表面張力均相同，則小氣泡中的壓力比大氣泡中的壓力大。因此當(dāng)相鄰氣泡大小不同時(shí)，氣泡會(huì)不斷地由小氣泡高壓區(qū)，經(jīng)過(guò)吸附、溶解、解析，擴(kuò)散到大氣泡低壓區(qū)。于是小氣泡進(jìn)一步變小，大氣泡進(jìn)一步變大。,（2）氣泡液膜變薄,泡沫生成初期，泡沫液還比較厚，以后因蒸發(fā)排液而變薄，泡沫液會(huì)受重力的影響向下排液，泡沫液隨時(shí)間延續(xù)而變薄。,（3）泡沫破滅,泡沫由于排液，液量過(guò)少，液膜會(huì)急劇變薄，最后液膜會(huì)變得十分脆弱，以至分子的熱運(yùn)動(dòng)都可以引起氣泡破裂。因此只要泡沫液變薄

9、到一定程度，泡沫即瞬間破滅。,氣液接觸 含助泡劑 起泡速度大于破泡速度,三、泡沫形成的原因,1、氣液接觸,因?yàn)榕菽菤怏w在液體中的粗分散體，產(chǎn)生泡沫的首要條件是氣體和液體發(fā)生接觸。而且只有氣體與液體連續(xù)、充分地接觸才會(huì)產(chǎn)生大量的泡沫。氣液接觸大致有以下兩類(lèi)情況： （1）外界引入。通氣過(guò)程伴隨攪拌，空氣被分成細(xì)小的氣泡。 （2）氣體從液體內(nèi)部產(chǎn)生。氣體從液體內(nèi)部產(chǎn)生時(shí)，形成的泡沫一般氣泡較小、較穩(wěn)定。,2、含助泡劑,助泡劑它是一種泡沫穩(wěn)定劑，可保證形成一定數(shù)量的和具有一定穩(wěn)定性的泡沫。,在純凈的氣體、純凈的液體之外，必須存在第三種物質(zhì)，才能產(chǎn)生氣泡。對(duì)純凈液體來(lái)說(shuō)，這第三種物質(zhì)是助泡劑。當(dāng)形成氣

10、泡時(shí)，液體中出現(xiàn)氣液界面，這些助泡劑就會(huì)形成定向吸附層。與液體親和性弱的一端朝著氣泡內(nèi)部，與液體親和性強(qiáng)的一端伸向液相，這樣的定向吸附層起到穩(wěn)定泡沫的作用。,3、起泡速度高于破泡速度,起泡的難易，取決于液體的成分及所經(jīng)受的條件；破泡的難易取決于氣泡和泡破滅后形成的液滴在表面自由能上的差別。 泡沫產(chǎn)生速度小于泡沫破滅速度，則泡沫不斷減少，最終呈不起泡狀態(tài)；泡沫產(chǎn)生速度等于泡沫破滅速度，則泡沫數(shù)量將維持在某一平衡狀態(tài)；泡沫產(chǎn)生速度高于泡沫破滅速度，泡沫量將不斷增加。,四、發(fā)酵過(guò)程泡沫產(chǎn)生的原因,（1）與通氣量、攪拌的強(qiáng)烈程度有關(guān),通氣大、攪拌強(qiáng)烈可使泡沫增多，因此在發(fā)酵前期由于培養(yǎng)基營(yíng)養(yǎng)成分消耗少

11、，培養(yǎng)基成分豐富，易起泡。 應(yīng)先開(kāi)小通氣量，再逐步加大。攪拌轉(zhuǎn)速也如此。,（2）培養(yǎng)基配比與原料組成,培養(yǎng)基營(yíng)養(yǎng)豐富，黏度大，產(chǎn)生泡沫多而持久。 蛋白質(zhì)是主要的起泡因素。 發(fā)泡物質(zhì)：玉米漿、蛋白胨、花生粉、豆粕粉、黃豆粉、酵母粉、糖蜜等 泡沫的穩(wěn)定物質(zhì)：glucose,起泡性較差，但是它可以增加發(fā)酵液的粘度，穩(wěn)定泡沫的存在。,（3）泡沫與菌體的生長(zhǎng)代謝有關(guān),發(fā)酵初期泡沫較多，但這時(shí)的泡沫大，易破碎 ； 隨后，大量的發(fā)泡物質(zhì)被消耗，泡沫減少； 對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期 ，呼吸強(qiáng)度增加，泡沫越來(lái)越多； 產(chǎn)物合成期 ，泡沫繼續(xù)增加 ； 發(fā)酵后期 ，泡沫更為嚴(yán)重 。,（4）與滅菌的操作有關(guān),滅菌的強(qiáng)度越大，其發(fā)酵液

12、中的泡沫越 多 。 這是由于滅菌的過(guò)程中，高溫使得培養(yǎng)基中的糖、氨基酸形成了大量的類(lèi)黑精，或者是形成了：5羥甲基糠醛； 糖氮被破壞，抑制微生物生長(zhǎng)，使菌絲自溶，產(chǎn)生大量泡沫。,五、泡沫的控制方法,1、物理方法：機(jī)械消泡 原理：靠機(jī)械強(qiáng)烈振動(dòng)和壓力的變化，促使泡沫破裂。 優(yōu)點(diǎn)：是不需在發(fā)酵液中加入其他物質(zhì)，減少了由于加入消泡劑所引起的染菌機(jī)會(huì)和對(duì)后續(xù)分離的影響。 缺點(diǎn)：不能根本上消除引起穩(wěn)定泡沫的因素。,2、化學(xué)方法：消泡劑 所謂化學(xué)消泡，就是指：向發(fā)酵液中流加一定量的消泡劑，利用消泡劑的特殊性質(zhì)消除泡沫的方法。,（1）當(dāng)泡沫表面存在極性的雙電層時(shí)，可以加一種帶有相反電荷的表面活性劑，消除這種雙

13、電層，以降低泡沫的機(jī)械強(qiáng)度。 （2）當(dāng)泡沫的液膜具有較大的表面粘度時(shí)，可以加某些 分子內(nèi)聚力 較小的物質(zhì)，以降低液膜的表面粘度，從而使泡沫的液膜中的液體流失，導(dǎo)致泡沫破裂，達(dá)到消泡的目的。,機(jī) 理,（1）在起泡液中不溶或難溶,不溶或難溶，才易于聚集在氣液界面，才易于濃縮在泡膜上，才能在較低濃度下發(fā)揮作用。,理想的消泡劑應(yīng)具備以下特性：,（3）與起泡液有一定程度的親和性,由于消泡過(guò)程實(shí)際上是泡沫崩潰速度與泡沫生成速度的競(jìng)爭(zhēng)，所以消泡劑必須能在起泡液中快速分散，以便迅速在起泡液中較廣泛的范圍內(nèi)發(fā)揮作用。要使消泡劑擴(kuò)散較快，消泡劑活性成分須與起泡液具有一定程度的親和性。消泡劑活性成分與起泡液過(guò)親，會(huì)

14、溶解；過(guò)疏又難于分散。只有親疏適宜，效力才會(huì)好。,（2）在低濃度時(shí)具有消泡活性,（4）與起泡液不發(fā)生化學(xué)反應(yīng),消泡劑與起泡液發(fā)生反應(yīng)，一方面消泡劑會(huì)喪失作用，另一方面可能產(chǎn)生有害物質(zhì)，影響微生物的生長(zhǎng)。,（5）揮發(fā)性小，作用時(shí)間長(zhǎng),來(lái)源豐富，價(jià)格低廉； 對(duì)微生物、動(dòng)物及人類(lèi)無(wú)毒性； 能耐高溫滅菌,常用消泡劑的種類(lèi),（1）天然油脂,天然油脂是最早用的消泡劑。如豆油、菜油、魚(yú)油等。 優(yōu)點(diǎn)：來(lái)源容易，價(jià)格低，使用簡(jiǎn)單。無(wú)明顯毒副作用 油脂主要成分：高級(jí)脂肪酸酯和高級(jí)一元醇酯,缺點(diǎn)：不能夠一次性的加入的過(guò)多，否則， 造成發(fā)酵液的pH值的下降。 如保存不好，易變質(zhì)，使酸值增高，對(duì)發(fā)酵有毒性 近年來(lái)出于對(duì)

15、環(huán)保的重視，天然產(chǎn)物消泡劑的地位又有些提高，而且還在研究新的天然消泡劑。,（2）聚醚類(lèi)消泡劑,生產(chǎn)上應(yīng)用較多的是：聚氧乙烯氧丙烯甘油，又稱為泡敵（GPE），其使用量在0.3-0.35%，消泡能力為天然油脂的10倍以上。聚氧丙烯甘油（GP)也是一種消泡劑，其與環(huán)氧乙烷加成則生成聚氧乙烯氧丙烯（GPE）泡敵，前者，具有良好的抑泡能力，后者，具有良好的消泡能力。在實(shí)際生產(chǎn)中，可以考慮兩者共同使用。,（3）高碳醇,高碳醇是強(qiáng)疏水弱親水的線型分子，在水體系里是有效的消泡劑。七十年代初前蘇聯(lián)學(xué)者在陰離子、陽(yáng)離子、非離子型表面活性劑的水溶液中試驗(yàn)，提出醇的消泡作用，與其在起泡液中的溶解度及擴(kuò)散程度有關(guān)。C7

16、C9的醇是最有效的消泡劑。 C12C22的高碳醇借助適當(dāng)?shù)娜榛瘎┡渲瞥闪６葹?9m，含量為2050%的水乳液，即是水體系的消泡劑。 還有些成酯，如苯乙醇油酸酯、苯乙酸月桂醇酯等在青霉素發(fā)酵中具有消泡作用，后者還可作為前體。,（4）硅酮類(lèi),最常用的是聚二甲基硅氧烷，也稱二甲基硅油。它表面能低，表面張力也較低，在水及一般油中的溶解度低且活性高。它的主鏈為硅氧鍵，為非極性分子。與極性溶劑水不親和，與一般油的親和性也很小。它揮發(fā)性低并具有化學(xué)惰性，比較穩(wěn)定且毒性小。純粹的聚二甲基硅氧烷，不經(jīng)分散處理難以作為消泡劑?？赡苁怯捎谒c水有高的界面張力，鋪展系數(shù)低，不易分散在發(fā)泡介質(zhì)上。因此將硅油混入SiO2氣溶膠，所構(gòu)成的復(fù)合物，即將疏水處理后的SiO2氣溶膠混入二甲基硅油中，經(jīng)一定溫度、一定時(shí)間處理，就可制得。,值得注意的是：在生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)盡可能減少消泡劑的用量。 在應(yīng)用消泡劑前需做比較性試驗(yàn)，找出一種對(duì)微生物