发酵过程中泡沫的控制

王中泰

发酵过程中泡沫的控制

一、泡沫对发酵的影响

图1 泡沫

在发酵过程中，由于通气和搅拌、代谢气体的产生以及蛋白质、油类、脂肪酸等表面活性物质的存在，会使发酵液产生一定的泡沫。少量的泡沫是正常的，还可以增加气液接触面积，增加氧传递速率。但大量的泡沫会给好氧发酵带来一系列的影响：
1、降低了发酵罐装液系数，减少了设备利用率
2、出现“逃液”现象，造成浪费和污染
3、泡沫溅到轴封处，增加染菌风险
4、大量泡沫阻碍氧的传递，造成罐内供氧不足，影响菌体生长和代谢产物合成
5、由于泡沫的液位变动，其上附着的处于不同生长状态的微生物脱离整体环境，可能会发生分化或裂解，影响菌体的整体性，不利于发酵条件控制

二、泡沫产生的原因
1、泡沫的产生与通气情况、搅拌速率有关。泡沫随着通气量和搅拌速度的增加而增加，所以当泡沫过多时，可以通过减少通气量和搅拌速度做消极预防。

2、泡沫的多寡与培养基的成分有关，玉米浆、蛋白胨、黄豆饼粉和酵母粉等有机氮源是主要的起泡因素。丰富的培养基，特别是花生饼粉和黄豆饼粉，黏度较大，产生的泡沫多且持久。糖类物质本身起泡能力较差，但可增加培养液的黏度，维持泡沫的稳定。

3、培养基的灭菌方法、温度和时间，也会改变培养基的性质，从而影响培养基的起泡能力。

三、泡沫的控制
目前工业生产中的消泡方式主要有机械消泡和化学消泡。发酵过程中，导致泡沫形成的因素很多。要控制泡沫产生，必须清楚所用的菌种和产物性质，依此来选择合适的消泡方法和消泡剂。过多的消泡剂会聚集在细胞表面上，阻碍菌体对氧和营养物质的吸收，因此，需综合考虑消泡方式和消泡剂的种类用量，来控制消泡。

1、机械消泡
机械消泡是依靠物理学的原理，即靠机械力引起强烈振动或压力变化，促使泡沫破裂。保兴赛斯发酵罐搅拌轴上方安装机械压迫式消泡桨叶，可简单、快速、有效地打碎大泡沫。不仅不会“逃液”、保持设备无菌，桨叶旋转产生的旋风离心场还能压制泡沫产生。

图二 10L玻璃生物反应器

机械消泡的优点在于不需要加入其它物质，减少了培养液成分的复杂程度。但机械消泡不能根本上抑制泡沫产生，消泡效果有限，如果发酵过程产生的泡沫过多，可添加少量消泡剂，配合消泡。

2、化学消泡
（1）消泡原理
当泡沫表层存在着极性的表面活性物质而形成双电层时，可以加另一种具有相反电荷的表面活性剂，以降低其机械强度，或加入某些具有强极性的物质，以与发泡物质争夺液膜上的空间，并使液膜的机械强度降低，进而促使泡沫破裂。
当泡沫的液膜具有较大的表面黏度时，可加入某些分子内聚力较小的物质，以降低液膜的表面黏度，从而促使液膜的液体流失而使泡沫破裂。
（2）消泡剂种类和性质
发酵工业中常用的消泡剂有天然油脂类、聚醚类、硅类和高级醇类。还有一种聚醚改性聚硅氧烷消泡剂，同时兼有聚醚类消泡剂和有机硅类消泡剂的优点，无毒无害。保兴赛斯发酵设备配消泡电极，自动检测泡沫，控制界面选择设定蠕动泵功能，可按照时间比例自动添加消泡剂。并配有特别设计的补料插针，以确保补料的安全操作。

图三 消泡控制界面

天然油脂类 是一种不溶于水的消泡剂，常用的有玉米油、豆油、棉籽油、橄榄油等。植物油用作消泡剂时，时间长易氧化形成醛类、羧酸、过氧化物等物质，给发酵上带来不利影响，因此需要添加一些无毒的抗氧化剂。

天然油脂由于与培养基表面张力不同，可以在一定程度上抑制泡沫的形成。但由于油脂分子中无亲水基，在发酵液中难以铺展，消泡能力较差。天然油脂除了作为消泡剂，还可作为碳源，供菌体生长代谢。
聚醚类消泡剂 的品种很多，应用较多的是聚氧丙烯甘油（GP）和聚氧乙烯氧丙烯甘油(GPE)。GP型消泡剂是氧化丙烯与甘油聚合而成的，亲水性差，溶解度小，适用于稀薄的发酵液中，抑泡能力强；GPE型消泡剂又称泡敌，是氧化丙烯和环氧乙烷聚合而成的聚合物，亲水性好，能在气液界面迅速铺展，消泡能力强，但溶解度大，消泡活性维持时间短，因此适用于粘稠发酵液。

硅类消泡剂 主要是聚二甲基硅氧烷类消泡剂，一般不溶于水，挥发性很低，毒性小。单独使用时，消泡效果不理想，需要添加分散剂（微晶SiO2）以及适宜的溶剂，最终配成乳液，提高其分散性、亲水性。有机硅消泡剂抗氧化、破泡能力较强，但抑泡能力较差，适用于微碱性的放线菌和细菌发酵。

高级醇类消泡剂
发酵工业中也常使用一些脂肪醇类物质作为消泡剂，比如n-辛醇，这类消泡剂成分单一，比较适合应用于基础研究，但挥发性较强。高分子量的醇类如十八醇，也可作为消泡剂，但常需要载体（如天然油脂）。

参考资料：
[1]]吴松刚.微生物工程[M].北京：科学出版社,2004.
[2],张红蕊,赵林等. 消泡剂在发酵工业中的应用 [J]. 齐鲁工业大学学报(自然科学版), 2014, 28 (02): 37-39+46.

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