發(fā)酵過程與控制

發(fā)酵過程與控制第1頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三主要內(nèi)容微生物發(fā)酵類型1工藝控制參數(shù)2發(fā)酵過程代謝變化3菌體濃度的影響和控制4溫度的影響及其控制5PH值影響及其控制6溶氧的影響及其控制7泡沫的影響及其控制9發(fā)酵終點的判斷10補料控制8第2頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三

溶解氧DissolveOxygen(DO)需氧微生物生長所必需。純氧在水、鹽或酸中的溶解1.26mmol/L在28℃氧在發(fā)酵液中100％的空氣飽和濃度只有0.25mmol.L-1左右，比糖的溶解度小7000倍。在對數(shù)生長期即使發(fā)酵液中的溶氧能達到100％空氣飽和度，若此時中止供氧，發(fā)酵液中溶氧可在15~30s便耗竭。溶氧的影響及控制3第3頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三一、描述微生物需氧的物理量

比耗氧速率或呼吸強度（QO2

）：單位重量的細胞(干重)在單位時間內(nèi)所消耗的氧氣，mmolO2/(g菌·h)

攝氧率(r)：單位體積的發(fā)酵液在單位時間內(nèi)所需要的氧量。mmolO2·L-1·h-1

。r=QO2.XX——細胞濃度（g/L)

返回4第4頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三二、影響需氧的因素

菌體濃度X：直接影響培養(yǎng)液的攝氧率。QO2：呼吸強度又受到很多因素影響r=QO2.X5第5頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三二、影響需氧的因素呼吸強度QO2的影響因素（五點）

遺傳因素：不同的微生物呼吸強度是不同的。一般為25～100mmolO2/(L·h)。菌齡：一般幼齡菌生長旺盛，呼吸強度大；老齡菌生長慢，呼吸強度小。代謝類型：若產(chǎn)物是通過三羧酸循環(huán)(TCA)獲取，則呼吸強度高，如Glu、天冬氨酸的生產(chǎn)；若糖酵解途徑(EMP)，則呼吸強度低，如苯丙氨酸、亮氨酸的生產(chǎn)。6第6頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三

培養(yǎng)基的成分與濃度

培養(yǎng)基成分尤其是碳源對細胞的耗氧量有很大影響。培養(yǎng)基的濃度也會影響細胞的耗氧速率。營養(yǎng)豐富，菌體生長快，耗氧量大.

此外，若培養(yǎng)基中含有生長抑制劑時，呼吸強度也回受到限制。不同碳源對青霉素攝氧率的影響內(nèi)源呼吸？外源呼吸？如果外界沒有供給能源，而是利用自身內(nèi)部儲存的能源物質(zhì)進行呼吸

在正常情況下，微生物利用外界供給的能源進行呼吸

7第7頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三

發(fā)酵條件

溫度、pH通過對酶活性的影響而影響菌體細胞的耗氧溫度還影響發(fā)酵液中的溶氧濃度有些有害物質(zhì)的積累，如NH3、CO2會抑制微生物的呼吸

返回8第8頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三三、溶解氧濃度對菌體生長和產(chǎn)物形成的影響CCrCCr：呼吸臨界氧濃度,指不影響呼吸所允許的最低溶氧濃度。如果對產(chǎn)物而言，便是不影響產(chǎn)物合成所允許的最低濃度。QO2CL（溶解氧濃度）

當(dāng)溶解氧濃度高于臨界值時，微生物的呼吸強度保持恒定，與培養(yǎng)液中的氧濃度無關(guān)；當(dāng)?shù)陀谶@個臨界值時，微生物的呼吸強度受到溶解氧濃度的影響，這時細胞的代謝活動會因溶解氧濃度的限制受到影響。p1079第9頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三注意：有時產(chǎn)物合成臨界氧濃度和菌體生長所需的呼吸臨界氧濃度會不一樣：

頭孢菌素卷須霉素生長CCr

為5%(相對于飽和濃度）

CCr

為13%產(chǎn)物>13%>8%

（即低于13%時產(chǎn)物的形成會受到抑制）一般對于微生物：CCr:

＝1～25%飽和濃度例：酵母4.6×10-3mmol.L-1,1.8%

產(chǎn)黃青霉2.2×10-2mmol.L-1,8.8%10第10頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三

溶解氧濃度對菌體生長和產(chǎn)物的形成會產(chǎn)生不同的影響。

對菌體生長的影響顯而易見。

谷氨酸、精氨酸和脯氨酸發(fā)酵時，若供氧不足，其積累就會明顯降低，產(chǎn)生大量乳酸和琥珀酸。對抗生素發(fā)酵來說，氧的供給就更為重要。如金霉素發(fā)酵，在生長期短時間停止通風(fēng)，就可能影響菌體在生產(chǎn)期的糖代謝途徑，由戊糖磷酸途徑轉(zhuǎn)向糖酵解途徑，使金霉素產(chǎn)量減少。

11第11頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三

在培養(yǎng)過程中并不是維持溶氧越高越好。即使是專性好氧菌，過高的溶氧對生長可能不利。氧的有害作用是通過形成新生O，超氧化物基O2-和過氧化物基O22-等破壞細胞體現(xiàn)的。另外，次級代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)，控制生長不使過量是必須的，否則產(chǎn)量會減少。

如，亮氨酸、纈氨酸和苯丙氨酸，僅在供氧受限、細胞呼吸受抑制時，才能獲得最大量的氨基酸，如果供氧充足，產(chǎn)物形成反而受到抑制。12第12頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三

在天冬酰胺酶發(fā)酵中，前期是好氧培養(yǎng)，后期轉(zhuǎn)為厭氧培養(yǎng)，酶活可大大提高。所以掌握由好氧轉(zhuǎn)為厭氧的時機頗為關(guān)鍵。據(jù)實驗研究，當(dāng)溶氧下降到45%空氣飽和度時由好氧切換到厭氧培養(yǎng)，并適當(dāng)補充營養(yǎng)可提高酶活6倍。

而異亮氨酸、賴氨酸、蘇氨酸和天冬氨酸，供氧充足可得最高產(chǎn)量，但供氧受限，產(chǎn)量受影響并不明顯。

13第13頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三氧的滿足程度氨基酸的相對產(chǎn)量

返回14第14頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三四、發(fā)酵過程中溶解氧的變化在正常發(fā)酵條件下，每種產(chǎn)物發(fā)酵的溶氧變化都有自己的規(guī)律。

15第15頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三

在谷氨酸發(fā)酵前期，產(chǎn)生菌大量繁殖，需氧量不斷增加。此時的需氧量超過供氧量，使溶氧明顯下降，出現(xiàn)一個低峰，發(fā)酵液中的菌濃同時出現(xiàn)一個高峰。過了生長階段，需氧量有所減少，溶氧經(jīng)過一段時間的平穩(wěn)階段后，就開始形成產(chǎn)物，溶氧也不斷上升。谷氨酸發(fā)酵的溶氧低峰約在6～20h，低峰出現(xiàn)的時間和低峰溶氧隨菌種、工藝條件和設(shè)備供氧能力不同而異。

16第16頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三

引起溶氧異常下降，可能有下列幾種原因：

①污染好氣性雜菌，大量的溶氧被消耗掉，可能使溶氧在較短時間內(nèi)下降到零附近；

②菌體代謝發(fā)生異?，F(xiàn)象，需氧要求增加，使溶氧下降；

③某些設(shè)備或工藝控制發(fā)生故障或變化，攪拌功率變小或攪拌速度變慢，影響供氧能力，使溶氧降低。消泡劑因自動加油器失靈或人為加量太多，也會引起溶氧迅速下降。

在發(fā)酵過程中，有時出現(xiàn)溶氧明顯降低或明顯升高的異常變化，常見的是溶氧下降。17第17頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三

在供氧條件沒有發(fā)生變化的情況下，主要是耗氧出現(xiàn)改變，如菌體代謝出現(xiàn)異常，耗氧能力下降，使溶氧上升。特別是污染烈性噬菌體，影響最為明顯，產(chǎn)生菌尚未裂解前，呼吸已受到抑制，溶氧有可能上升，直到菌體破裂后，完全失去呼吸能力，溶氧就直線上升。

由上可知，從發(fā)酵液中的溶氧變化，就可以了解微生物生長代謝是否正常，工藝控制是否合理，設(shè)備供氧能力是否充足等問題，幫助我們查找發(fā)酵不正常的原因和控制好發(fā)酵生產(chǎn)。

返回引起溶氧異常升高的原因18第18頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三溶氧控制的一般策略：

前期大于臨界呼吸溶氧濃度有利于菌體生長，中后期滿足產(chǎn)物的形成。

發(fā)酵液的溶氧濃度，是由供氧和需氧兩方面所決定的。因此要控制好發(fā)酵液中的溶氧，需從這兩方面著手。

五、發(fā)酵過程中溶解氧的控制19第19頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三

一般認為，發(fā)酵初期較大的通風(fēng)和攪拌而產(chǎn)生過大的剪切力，對菌體的生長有時會產(chǎn)生不利的影響，所以有時發(fā)酵初期采用小通風(fēng)，停攪拌，不但有利于降低能耗，而且在工藝上也是必須的。但是增大通氣的時間一定要把握好。例：生產(chǎn)肌苷酸：通氣量不變17.15mg/ml24小時增加22.55mg/ml30小時增加18.25mg/ml36小時增加12.34mg/ml20第20頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三

溶氧控制在發(fā)酵過程控制中的應(yīng)用國內(nèi)外都有將溶氧、pH和補糖綜合控制用于青霉素發(fā)酵的成功例子。控制的原則是加糖速率應(yīng)正好使培養(yǎng)物處于半饑餓狀態(tài)，即僅能維持菌的正常生理代謝，而把更多的糖用于產(chǎn)物的合成，并且其攝氧率不至于超過設(shè)備的供氧能力KLa，如下圖。21第21頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三氧控制點

其加糖閥由控制器操縱。當(dāng)培養(yǎng)液的溶氧高于控制點時，加糖閥開大，糖的利用需要消耗更多的氧，導(dǎo)致溶氧讀數(shù)下跌；反之，加糖速率便自動減小，攝氧率也會隨之降低，引起溶氧讀數(shù)逐漸上升。圖溶氧在加糖控制中的應(yīng)用KLa因子推動溶氧上升總攝氧率驅(qū)動溶氧下降加糖閥+5%補糖閥開大－5%補糖閥關(guān)小氧濃度100%飽和22第22頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三補料的控制補料分批發(fā)酵(fed-batchculture，F(xiàn)BC)：又稱半連續(xù)培養(yǎng)或半連續(xù)發(fā)酵，是指在分批發(fā)酵過程中，間歇或連續(xù)地補加一種或多種成分的新鮮培養(yǎng)基的培養(yǎng)方法，是分批發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵之間的一種過渡培養(yǎng)方式，是一種控制發(fā)酵的好方法，現(xiàn)已廣泛用于發(fā)酵工業(yè)。第23頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三

1FBC的作用

1）可以控制抑制性底物的濃度高濃度營養(yǎng)物抑制微生物生長：①基質(zhì)過濃使?jié)B透壓過高，細胞因脫水而死亡；②高濃度基質(zhì)能使微生物細胞熱致死(themaldeath)，如乙醇濃度達10％時，就可使酵母細胞熱致死；③有的是因某種或某些基質(zhì)對代謝關(guān)鍵酶或細胞組分產(chǎn)生抑制作用，如高濃度苯酚(3％～5％)可凝固蛋白；④高濃度基質(zhì)還會改變菌體的生化代謝而影響生長等。第24頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三有的基質(zhì)是合成產(chǎn)物必需的前體物質(zhì)，濃度過高，就會影響菌體代謝或產(chǎn)生毒性，使產(chǎn)物產(chǎn)量降低。如苯乙酸、丙醇(或丙酸)分別是青霉素、紅霉素的前體物質(zhì)，濃度過大，就會產(chǎn)生毒性，使抗生素產(chǎn)量減少。有的底物溶解度小，達不到應(yīng)有的濃度而影響轉(zhuǎn)化率。如甾類化合物轉(zhuǎn)化中，因它們的溶解度小，使基質(zhì)的濃度低，造成轉(zhuǎn)化率不高。采用FBC方式，可以控制適當(dāng)?shù)幕|(zhì)濃度，解除抑制作用，得到高濃度的產(chǎn)物。第25頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三2）解除或減弱分解代謝物的阻遏有些合成酶受到迅速利用的碳源或氮源的阻遏，如葡萄糖阻抑纖維素酶、赤霉素、青霉素等多種酶或產(chǎn)物的合成。通過補料來限制基質(zhì)葡萄糖的濃度，就可解除酶或其產(chǎn)物的阻遏，提高產(chǎn)物產(chǎn)量。緩慢流加葡萄糖，纖維素酶的產(chǎn)量幾乎增加200倍；將葡萄糖濃度控制在0.02％水平，赤霉素濃度可達905mg／L；采用滴加葡萄糖的技術(shù)，可明顯提高青霉素的發(fā)酵單位等。這都是利用發(fā)酵技術(shù)解決分解代謝物阻遏的實際應(yīng)用。在植物細胞培養(yǎng)中，也采用該技術(shù)來提高產(chǎn)量。第26頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三3）可以使發(fā)酵過程最佳化分批發(fā)酵動力學(xué)的研究，闡明了各個參數(shù)之間的相互關(guān)系。利用FBC技術(shù)，就可以使菌種保持在最大生產(chǎn)力的狀態(tài)。隨著FBC補料方式的不斷改進，為發(fā)酵過程的優(yōu)化和反饋控制奠定了基礎(chǔ)。隨著計算機、傳感器等的發(fā)展和應(yīng)用，已有可能用離線方式計算或用模擬復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型在線方式實現(xiàn)最優(yōu)化控制。第27頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三FBC的優(yōu)點：①解除底物抑制、產(chǎn)物反饋抑制和分解代謝物的阻遏；②避免一次投料過多造成細胞大量生長所引起的一切影響，改善發(fā)酵液流變學(xué)性質(zhì)；③可提高發(fā)芽孢子的比例，控制細胞質(zhì)量；④不需要嚴格的無菌條件，產(chǎn)生菌不易老化變異，比連續(xù)發(fā)酵適用廣泛。第28頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三2補料內(nèi)容能源和碳源；氮源；微量元素；誘導(dǎo)物；第29頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三3補料的原則原則：根據(jù)菌體生長代謝規(guī)律；生產(chǎn)需要；環(huán)境條件方法：充足而不過量（少量多次或分批流加）第30頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三4補糖的控制補糖時機過早，刺激生長，加速糖利用；過遲，所需能量跟不上。如谷氨酸發(fā)酵在對數(shù)生長期的末期補料。判斷：培養(yǎng)基條件，菌種，發(fā)酵狀況（殘?zhí)?，pH，菌形態(tài)等），在需要時加入；第31頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三補糖方式連續(xù)流加：每次流加又可分為快速流加、恒速流加、指數(shù)速率流加和變速流加。少量多次間歇補入大量少次補入

可與其他組分一起進行多組分補料。以不引起發(fā)酵液成分劇烈波動為前提；

第32頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三補糖量——加入與消耗平衡，維持穩(wěn)定的糖濃度；例：a四環(huán)素發(fā)酵還原糖維持在0.8-1.2%b谷氨酸追加糖液發(fā)酵：在原工藝基礎(chǔ)上，加大接種量到10%，增加生物素用量達5μg/L，減少初糖濃度（12%——7-8%）盡快獲得大量的生產(chǎn)型菌體，當(dāng)菌體處在生長對數(shù)期后進入產(chǎn)酸期，糖濃度在2%左右時，連續(xù)流加糖液，維持2%左右的糖濃度。優(yōu)點：低濃度發(fā)酵，以利于生長和發(fā)酵；

總糖濃度達20%，產(chǎn)酸高。第33頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三補糖開始時，不但CO2

的釋放率、耗氧速率大幅度提高，連呼吸商也提高約10％，表明通過補糖不但提供了更多的碳源，而且隨著體系內(nèi)葡萄糖濃度提高，糖代謝相關(guān)酶活力也提高，產(chǎn)能增加。發(fā)酵中后期為保證產(chǎn)生次級代謝產(chǎn)物，有意使菌體處于半饑餓狀態(tài)，在營養(yǎng)限制的條件下，維持產(chǎn)生次級代謝產(chǎn)物的速率在較高水平。第34頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三5補償?shù)醇盁o機鹽流加尿素，一方面調(diào)節(jié)pH，另一方面補氮。谷氨酸發(fā)酵時，初次加入尿素量和補加量取決于菌種的脲酶活力強弱和耐尿能力。脲酶活力低，耐尿素強，初次加入用量多2%，流加次數(shù)少脲酶活力強，耐尿素低，初次加入用量少0.6%，流加以少量多次好第35頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三6補料的控制流加操作控制系統(tǒng)分為有反饋控制和無反饋控制兩類。反饋控制系統(tǒng)是由傳感器、控制器和驅(qū)動器三個單元所組成。根據(jù)控制依據(jù)的指標不同，又分為直接方法和間接方法。第36頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三間接方法：以溶氧、pH值、呼吸商、排氣中CO2分壓及代謝產(chǎn)物濃度等作為控制參數(shù)。對間接方法來說，選擇與過程直接相關(guān)的可檢參數(shù)作為控制指標，是研究的關(guān)鍵。通氣發(fā)酵利用排氣中CO2含量作為FBC反饋控制參數(shù)是較為常用的間接方法。直接法：隨著一系列技術(shù)障礙的克服，該法將會得到迅速普及。反饋控制的FBC，常常是依據(jù)個別指標來進行，在許多情況下，并不能奏效，尚需進行多因子分析。第37頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三FBC還可采用“放料和補料”(withdrawandfill)方法：發(fā)酵一定時間，產(chǎn)生了代謝產(chǎn)物后，定時放出一部分發(fā)酵液(可供提煉)，同時補充一部分新鮮營養(yǎng)液，并重復(fù)進行。維持一定菌體生長速率，延長發(fā)酵產(chǎn)物生產(chǎn)期，有利于提高產(chǎn)物產(chǎn)量，降低成本。注意染菌。第38頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三如控制青霉素生產(chǎn)所用的葡萄糖流加的質(zhì)量平衡法，就是利用CO2的反饋控制。它是依靠精確測量CO2的釋放率CRR和葡萄糖的流動速度，達到控制菌體的比生長速率和菌濃。pH值也可用作糖的流加控制的參數(shù)。第39頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三注意事項：適宜料液比無菌操作碳氮平衡，經(jīng)濟合理第40頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三泡沫的控制1泡沫的產(chǎn)生、性質(zhì)及變化

形成條件：氣-液兩相共存；表面張力大的物質(zhì)存在；第41頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三發(fā)酵過程中泡沫有兩種類型：一種是發(fā)酵液液面上的泡沫，氣相所占的比例特別大，與液體有較明顯的界限，如發(fā)酵前期的泡沫；另一種是發(fā)酵液中的泡沫，又稱流態(tài)泡沫(fluidfoam)，分散在發(fā)酵液中，比較穩(wěn)定，與液體之間無明顯的界限。第42頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三實質(zhì)：氣溶膠構(gòu)成的膠體系統(tǒng)，其分散相是空氣和代謝氣，連續(xù)相是發(fā)酵液，泡沫間隔著一層液膜而被彼此分開不相連通。第43頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三泡沫是熱力學(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。起泡過程中自由能變化如下：△G=γ△A△G——自由能的變化△A——表面積的變化γ——比表面能第44頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三起泡時，液體表面積增加，△A為正值，因而△G為正值，也就是說，起泡過程不是自發(fā)過程。另一方面，泡沫的氣液界面非常大。例如：半徑1cm厚0.001cm的一個氣泡，內(nèi)外兩面的氣液界面達25cm2；可是，當(dāng)其破滅為一個液滴后，表面積只有0.2cm2,相差上百倍。泡沫破滅、合并的過程中，自由能減小的數(shù)值很大。因此泡沫的熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，終歸會變成具有較小表面積的無泡狀態(tài)。第45頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三發(fā)酵過程泡沫產(chǎn)生的原因（1）通氣攪拌的強烈程度發(fā)酵前期培養(yǎng)基成分豐富，易起泡。采用較小通氣量及攪拌轉(zhuǎn)速，再逐步加大。也可在基礎(chǔ)料中加入消泡劑。第46頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三（2）培養(yǎng)基配比與原料組成前期培養(yǎng)基營養(yǎng)豐富粘度大，產(chǎn)泡沫多而持久。例：在50L罐中投料10L，成分為淀粉水解糖、豆餅水解液、玉米漿等，攪拌900rpm，通氣，泡沫生成量為培養(yǎng)基的2倍。如培養(yǎng)基適當(dāng)稀一些，接種量大一些，生長速度快些，前期就容易攪拌開。

第47頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三（3）菌種、種子質(zhì)量和接種量菌種質(zhì)量好，生長速度快，可溶性氮源較快被利用，泡沫產(chǎn)生幾率也就少。菌種生長慢的可以加大接種量

（4）滅菌質(zhì)量培養(yǎng)基滅菌質(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，加消泡劑也無效。第48頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三泡沫的形成一般有以下幾種規(guī)律：整個發(fā)酵過程中，泡沫保持恒定的水平；發(fā)酵早期，起泡后穩(wěn)定地下降，以后保持恒定；發(fā)酵前期，泡沫稍微降低后又開始回升；發(fā)酵開始起泡能力低，以后上升；第49頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三泡沫體系的三階段變化

(1)氣泡大小分布的變化液膜包裹的一個氣泡，就像一個吹鼓了的氣球。由于氣球膜有收縮力，所以氣球中壓力大于氣球外的壓力；同樣氣泡膜有表面張力，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。氣泡中氣體壓力的大小，依賴氣泡膜的曲率半徑

第50頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三（2）氣泡液膜變薄取一杯泡沫，放置一段時間，就會在杯底部出現(xiàn)一些液體，而逐漸形成液相及液面上的泡沫相這樣具有界面的兩層。底部出現(xiàn)的液體一部分是泡沫破滅形成的，一部分是氣泡膜變薄，排出液體形成的。泡沫生成初期，泡沫液還比較厚，以后因蒸發(fā)排液而變薄，泡沫液會受重力的影響向下排液，泡沫液隨時間延續(xù)而變薄。

第51頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三（3）泡沫破滅泡沫由于排液，液量過少，表面張力降低，液膜會急劇變薄，最后液膜會變得十分脆弱，以至分子的熱運動都可以引起氣泡破裂。因此只要泡沫液變薄到一定程度，泡沫即瞬間破滅。泡沫層內(nèi)部的小氣泡破滅后，雖一時還不能導(dǎo)致氣液分離，只是合并成大氣泡，但排液過程使泡膜液量大幅度減少，使合并成的大氣泡快速地破滅，最后泡沫體系崩潰，氣液分離。第52頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三影響泡沫穩(wěn)定性的因素引起危害，需要消除的，只是穩(wěn)定的泡沫。泡沫的穩(wěn)定性受液體、氣體許多性質(zhì)的影響。不同介質(zhì)的泡沫，穩(wěn)定程度相差很多，影響泡沫穩(wěn)定性的因素十分復(fù)雜，概括國內(nèi)外研究者的說法，主要因素一下幾種：第53頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三1）泡徑大小大泡易于破滅，壽命較長的的都是小泡。因為：泡越小，合并成大氣泡的歷程就越長；小氣泡的泡膜中所含液量相對比較大，所以較能經(jīng)受液體流失所造成的穩(wěn)定性的損失；氣泡越小，上升速度越慢，給表面活性劑的吸附提供充足的時間，增加了穩(wěn)定性。第54頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三2）溶液所含助泡物的類型和濃度（1）降低表面張力降低表面張力會降低相鄰氣泡間的壓差。壓差小，小泡并入大泡的速度就慢，泡沫的穩(wěn)定性就好。（2）增加泡沫彈性助泡的表面活性劑，吸附在氣液界面上，使表面層的組分與液相組分產(chǎn)生差別，因而使泡沫液具有彈性。

第55頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三（3）助泡劑濃度溶液中助泡劑濃度增加，氣液界面上的吸附量就增加，液膜彈性隨之增加，泡沫穩(wěn)定性增高。到達臨界膠束濃度后，氣液界面上的定向排列“飽和”，彈性不會再增加。第56頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三3）起泡液的粘度某些溶液，如蛋白質(zhì)溶液，雖然表面張力不高，但因粘度很高，所產(chǎn)生的泡沫非常穩(wěn)定。因為粘稠的液膜，有助于吸收外力的沖擊，起到緩沖的作用，使泡沫能持久一些。液體粘度對泡沫穩(wěn)定性的影響比表面張力的影響還要大。第57頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三4）其它*溫度表面張力最低值時的濃度隨溫度變化。*pH影響助泡劑的溶解度和表層的吸附狀態(tài)*表面電荷離子型表面活性劑，由于離子間靜電的排斥，阻礙著離子彼此接近，減少排液速度，延緩泡沫變薄過程，使泡沫穩(wěn)定。第58頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三2泡沫對發(fā)酵的影響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2）引起原料浪費如果設(shè)備容積不能留有容納泡沫的余地，氣泡會引起原料流失，造成浪費。

第59頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三3）影響菌的呼吸

如果氣泡穩(wěn)定，不破碎，那么隨著微生物的呼吸，氣泡中充滿二氧化碳，而且又不能與空氣中氧進行交換，這樣就影響了菌的呼吸。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，就會長菌。隨著時間延長，雜菌會長入發(fā)酵罐而造成染菌。大量泡沫由罐頂進一步滲到軸封，軸封處的潤滑油可起點消泡作用，從軸封處落下的泡沫往往引起雜菌污染。第60頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三3泡沫的控制泡沫的控制，可以采用三種途徑：①調(diào)整培養(yǎng)基中的成分(如少加或緩加易起泡的原材料)或改變某些物理化學(xué)參數(shù)(如pH值、溫度、通氣和攪拌)或者改變發(fā)酵工藝(如采用分次投料)來控制，以減少泡沫形成的機會。但這些方法的效果有一定的限度。第61頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三②采用機械消泡或消泡劑消泡這兩種方法來消除已形成的泡沫：通過化學(xué)方法，降低泡沫液膜的表面張力，使泡沫破滅；利用物理方法，使泡沫液膜的局部受力，打破液膜原來受力平衡而破裂。第62頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三③采用菌種選育的方法，篩選不產(chǎn)生流態(tài)泡沫的菌種，來消除起泡的內(nèi)在因素如：雜交選育不產(chǎn)流態(tài)泡沫的土霉素生產(chǎn)菌株對于已形成的泡沫，工業(yè)上可以采用機械消泡和化學(xué)消泡劑消泡或兩者同時使用消泡。第63頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三化學(xué)消泡

這是利用外界加入消泡劑，使泡沫破裂的方法。消泡劑都是表面活性劑，具有較低的表面張力，或者是降低泡沫液膜的機械強度，或者是降低液膜的表面黏度，或者兼有兩者的作用，達到破裂泡沫的目的。如聚氧乙烯氧丙烯甘油(GPE)的表面張力僅為3.3×10-2N／m，而青霉素發(fā)酵液的表面張力為(6.0～6.8)×10-2N／m。

第64頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三（2）作用機理上的區(qū)別破泡劑的破泡機理大致有二種。第一，吸附助泡劑，加入電解質(zhì)，瓦解雙電層，及使助泡物被增溶等機理，這樣就破壞助泡物的穩(wěn)泡作用。在這些過程中消泡劑發(fā)揮一次消泡作用就被消耗。同時消耗掉相應(yīng)的助泡物。第二，低級醇等溶解性較大的消泡劑，加到氣泡液中局部降低表面張力，發(fā)揮破泡作用，同時本身不斷破為碎塊，陸續(xù)溶解而失去破泡作用。破泡過程中，破泡劑不斷失效、消耗，而助泡劑卻不受影響第65頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三抑泡機理：一般認為抑泡劑分子在氣液界面上優(yōu)先被吸附，它比助泡劑的表面活性更強，更易吸附到泡膜上，但是由于本身不賦予泡膜彈性，所以不具備穩(wěn)泡作用。這樣當(dāng)液體中產(chǎn)生泡沫時，抑泡劑首先占據(jù)泡膜，抑制了助泡劑的作用，抑制了氣泡。（3）破泡劑與抑泡劑的相互關(guān)系溶解度大的破泡劑，消泡作用只發(fā)揮一次；溶解度小的破泡劑，消泡作用可持續(xù)一段時間。如果溶解度進一步降低，即成為抑泡劑。另一方面，破泡劑大量使用，比有抑泡作用，抑泡劑大量使用也比有破泡作用。第66頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三1）消泡劑選用依據(jù)：表面活性劑，具有較低的表面張力（內(nèi)聚力弱），消泡效果明顯。對氣-液界面的散布系數(shù)必須足夠大，才能迅速消泡；無毒害性，且不影響發(fā)酵菌體；不會在使用、運輸中引起任何危害；不干擾各種測量儀表的使用；在水中的溶解度較小，以保持持久的消泡性能；第67頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三應(yīng)該在低濃度時具有消泡活性；應(yīng)該對產(chǎn)物的提取不產(chǎn)生任何影響；應(yīng)該對氧傳遞不產(chǎn)生影響；能耐高溫滅菌。來源方便，使用成本低；第68頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三常用的一些消泡劑：①天然油脂：②高碳醇、脂肪酸和酯類：十八醇是常用的一種，它可以單獨或與載體一起使用。

③聚醚類；④硅酮類；主要是聚二甲基硅氧烷及衍生物，無色液體，不溶于水，表面張力低達21dyn/cm（泡敵為33，向日葵油40，青霉素發(fā)酵液60-68dyn/cm）。純聚二甲基硅氧烷的消泡能力低，常加分散劑來提高消泡活性，或乳化劑成乳狀液。適用于微堿性發(fā)酵，對于微酸性發(fā)酵較差。

第69頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三（1）天然油脂最早消泡劑，來源容易，價格低，使用簡單，一般來說沒有明顯副作用，如豆油、菜油、魚油等。有些油是發(fā)酵產(chǎn)物的前體，如豆油是紅霉素的前體，魚油是螺旋霉素的前體。分子中無親水基團，在發(fā)酵液中難鋪展，所以消泡活性差，用量大，一般為發(fā)酵液的0.1-0.2%近年來出于對環(huán)境保護的重視，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第70頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三油的種類：土霉素發(fā)酵，豆油、玉米油較好，而亞麻油則會產(chǎn)生不良的作用。油的質(zhì)量、新鮮程度：油新鮮，消泡能力強，副作用也??；植物油與鐵離子接觸能與氧形成過氧化物，對四環(huán)素、卡那霉素的合成不利，故要注意此類油的貯存保管。第71頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三a酒糟榨出液羅伯茨（RobertsR.T.）發(fā)現(xiàn)：全麥芽浸出漿桶中最后倒出的沉積物能破滅泡沫。于是聯(lián)想到，是否可以由制作全麥芽浸出漿以后的酒糟壓榨出有效的消泡劑？經(jīng)試驗，由酒糟中壓榨出大約40%液體，在500C真空蒸餾，濃縮19倍，得到可用于麥芽汁發(fā)酵過程的消泡劑。效果很好，沒有副作用。經(jīng)分析證明，酒糟榨出液中存在C8~C18的全部脂肪酸，存在極性類脂物，尤其是卵磷脂等物，這些物質(zhì)的協(xié)同作用下的消泡作用比這些物質(zhì)單獨消泡作用強得多。第72頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三b啤酒花油研究年發(fā)現(xiàn)向啤酒添加1~5ppm啤酒花油是減輕氣泡溢出損失的有效措施。緊分析啤酒花油具含有消泡活性的物質(zhì)有：石竹烯、荷蘭芹萜烯、香葉烯和蒎烯等。第73頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三（2）聚醚類消泡劑我國常用甘油三羥基聚醚。六十年代發(fā)明此類消泡劑，美國道康寧化學(xué)公司首先投產(chǎn)。它是以甘油為起始劑，由環(huán)氧丙烷，或環(huán)氧乙烷與環(huán)氧丙烷的混合物進行加成聚合而制成的。只在甘油分子上加成聚合環(huán)氧丙烷的產(chǎn)物叫聚氧丙烯甘油定名為GP型消泡劑；在GP型消泡劑的聚丙二醇鏈節(jié)末端再加成環(huán)氧乙烷，成為鏈端是親水基的聚氧乙烯氧丙烯甘油，也叫GPE型消泡劑（泡敵）。按照環(huán)氧乙烷加成量為10%，20%，……50%分別稱為GPE10，GPE20，……GPE50。第74頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三GP：親水性差，在發(fā)泡介質(zhì)中的溶解度小，適用于稀薄發(fā)酵液。其抑泡性能比消泡性能好，適宜用于基礎(chǔ)培養(yǎng)基中抑制泡沫的產(chǎn)生。如用于鏈霉素的基礎(chǔ)培養(yǎng)基中，抑泡效果明顯，可全部代替食用油，也未發(fā)現(xiàn)不良影響，消泡效力一般相當(dāng)于豆油的60～80倍。第75頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三GPE：親水性好，在發(fā)泡介質(zhì)中易鋪展，消泡能力強，作用快，溶解度大，所以消泡活性維持時間短，適用于黏稠發(fā)酵液。用于四環(huán)類抗生素發(fā)酵中消泡效果很好，用量為0.03％～0.035％，消泡能力一般相當(dāng)于豆油的10～20倍。第76頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三GPES型消泡劑：新的聚醚類消泡劑，在GPE型消泡劑鏈端用疏水基硬脂酸酯封頭，便形成兩端是疏水鏈，當(dāng)中間隔有親水鏈的嵌段共聚物。這種結(jié)構(gòu)的分子易于平臥狀聚集在氣液界面，因而表面活性強，消泡效率高。第77頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三其他的消泡劑，如：聚乙二醇等高碳醇消泡劑多適用于霉菌發(fā)酵，硅酮類較適用于微堿性的細菌發(fā)酵。所以，應(yīng)結(jié)合具體產(chǎn)品發(fā)酵，試驗上述各種消泡劑的消泡效果，以獲得良好的消泡作用。值得注意的是：消泡劑有選擇性。消泡劑用多了有毒性，而且還影響通氣和氣體分散，因此要少量地加。消泡的效果消泡劑：種類、性質(zhì)、分子量大小、消