第四章 发酵消泡5.ppt

第四章发酵过程控制
第五节发酵过程泡沫的形成与控制第五节发酵过程泡沫的形成与控制6.2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：无论哪个体系，自由能总是趋向于最小的方向移动，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：
从上式看来，当液体表面积增加时，表面能也增加，而体系总是趋于能量最小的方向移动，表面增加就使体系成为不稳定因素，泡沫就是这样一个不稳定体系，因此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.
培养基的物理化学性质对泡沫形成的表面现象起决定性的作用。当气体通过纯水(水的表面张力为0.072Nm-1)的气—液相的界面时，平衡发生改变，气泡只能维持几分之一秒，其稳定性等于零，这是由于能学上的不稳定性和围绕气泡的液膜强度很低所致。（一）泡沫形成的原因2、含助泡剂3、起泡速度高于破泡速度4、发酵过程泡沫产生的原因（2）培养基配比与原料组成（3）菌种、种子质量和接种量（二）起泡的危害3、影响菌的呼吸（三）泡沫的性质表面活性剂示意图第一种情况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
第二种情况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“胶束”。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。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。
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—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，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、浓度及泡沫的表面积对泡沫的稳定性也有一定的影响。气泡3、泡沫体系的三阶段变化（2）气泡液膜变薄（3）泡沫破灭（四）影响泡沫稳定性的因素1、泡径大小2、溶液所含助泡物的类型和浓度（3）助泡剂浓度3、起泡液的粘度（二）、消泡剂消泡美国胶体化学家罗斯（Ross,S.），四十年代初就开始研究泡沫问题，罗斯提出一种假说：在溶液中，溶解状态的溶质是稳泡剂；不溶状态的溶质，当浸入系数与铺展系数均为正值时即是消泡剂。

罗斯认为，消泡剂的分子团，即一小滴，一接触泡沫，首先便是浸入，之后在泡沫上扩展，局部变薄而破裂。当浸入系数和铺展系数均为负值时，小滴既不浸入也不扩展；当浸入系数大于零，铺展系数为负数时小滴成棱镜状，不铺展；只有二者均为正值时才可能是消泡剂，这种假说为消泡剂作用机理奠定了基础。与稳泡因素有关的几种消泡机理由图可以看出，硅油微粒到达泡沫表面使泡沫破灭，气泡合并，气液迅速分离。研究发现：低浓度的，表面张力比起泡液低的物质，如果与起泡液成为均相，则促进起泡；如果呈饱和状态，而且被均匀分散在起泡液中，就可能有消泡作用。附着了消泡剂小滴的泡沫能够迅速破灭，与局部降低表面张力有关。日本高野信之提出类似的观点：在起泡液中分散的消泡剂颗粒，随着泡沫液变薄，露到表面，因消泡剂表面张力比泡沫液低，该处受到周围的拉伸、牵引。不断变薄，最后破灭。表面活性剂的HLB值
高HLB的表面活性剂，亲水性强，易于使吸附层之间的水随着迁移，是稳泡剂；低HLB值的表面活性剂，亲水性弱，不易使吸附层之间的水随着迁移，往往是消泡剂。
亲水性弱的低HLB值的表面活性剂取代了亲水性强的高HLB值的表面活性剂，能使泡膜吸附层之间的水不随吸附层迁移，从而促进泡膜排液，起到消泡作用2、破泡剂与抑泡剂的区别3、对消泡剂的要求（2）表面张力低于起泡液（3）与起泡液有一定程度的亲和性（4）与起泡液不发生化学反应4、常用消泡剂的种类和性能（2）聚醚类消泡剂GP型的消泡剂亲水性差，它的抑泡能力比消泡能力优越，适宜在基础培养基中加入，以抑制整个发酵过程的泡沫产生。
GPE型消泡剂亲水性较好，在发泡介质中易铺展，消泡能力强，但溶解度也较大，消泡活性维持时间短，因此用在粘稠发酵液中效果较好。
GPES型消泡剂有一种新的聚醚类消泡剂，在GPE型消泡剂链端用疏水基硬脂酸酯封头，便形成两端是疏水链，当中间隔有亲水链的嵌段共聚物。这种结构的分子易于平卧状聚集在气液界面，因而表面活性强，消泡效率高。（3）高碳醇（4）硅酮类也有在硅油和SiO2气溶胶的复合物中添加一种或两种乳化剂，加热溶匀，与增稠剂水溶液混合后乳化。
这类消泡剂广泛用于抗生素发酵及食品工业。
值得注意的是：