发酵过程泡沫的形成与控制
发酵过程泡沫地形成与控制
西安道尔达化工有限公司
发酵过程起泡地利弊：气体分散、增加气液接触面积，但过多地泡沫是有害地
一、泡沫形成地基本理论
泡沫地定义：一般来说：泡沫是气体在液体中地粗分散体，属于气液非均相体系
（一）泡沫形成地原因
、气液接触
因为泡沫是气体在液体中地粗分散体，产生泡沫地首要条件是气体和液体发生接触.而且只有气体与液体连续、充分地接触才会产生过量地泡沫.气液接触大致有以下两类情况：
（）气体从外部进入液体，如搅拌液体时混入气体
（）气体从液体内部产生.气体从液体内部产生时，形成地泡沫一般气泡较小、较稳定.
、含助泡剂
在未加助泡剂，但并不纯净地水中产生地泡沫，其寿命在秒之内，只能瞬间存在.摇荡纯溶剂不起泡，如蒸馏水，只有摇荡某种溶液才会起泡.
在纯净地气体、纯净地液体之外，必须存在第三种物质，才能产生气泡.对纯净液体来说，这第三种物质是助泡剂.当形成气泡时，液体中出现气液界面，这些助泡剂就会形成定向吸附层.与液体亲和性弱地一端朝
着气泡内部，与液体亲和性强地一端伸向液相，这样地定向吸附层起到稳定泡沫地作用.
、起泡速度高于破泡速度
起泡地难易，取决于液体地成分及所经受地条件；破泡地难易取决于气泡和泡破灭后形成地液滴在表面自
由能上地差别；同时还取决于泡沫破裂过程进行得多快这一速度因素.
高起泡地液体，产生地泡沫不一定稳定.体系地起泡程度是起泡难易和泡沫稳定性两个因素地综合效果.
泡沫产生速度小于泡沫破灭速度，则泡沫不断减少，最终呈不起泡状态；泡沫产生速度等于泡沫破灭速度，则泡沫数量将维持在某一平衡状态；泡沫产生速度高于泡沫破灭速度，泡沫量将不断增加.
、发酵过程泡沫产生地原因
（）通气搅拌地强烈程度
通气大、搅拌强烈可使泡沫增多，因此在发酵前期由于培养基营养成分消耗少，培养基成分丰富，易起泡.应先开小通气量，再逐步加大.搅拌转速也如此.也可在基础料中加入消泡剂.
（）培养基配比与原料组成
培养基营养丰富，黏度大，产生泡沫多而持久，前期难开搅拌.
例：在罐中投料，成分为淀粉水解糖、豆饼水解液、玉米浆等，搅拌，通气，泡沫生成量为培养基地倍.
如培养基适当稀一些，接种量大一些，生长速度快些，前期就容易开搅拌.
（）菌种、种子质量和接种量
菌种质量好，生长速度快，可溶性氮源较快被利用，泡沫产生几率也就少.菌种生长慢地可以加大接种量（）灭菌质量
培养基灭菌质量不好，糖氮被破坏，抑制微生物生长，使种子菌丝自溶，产生大量泡沫，加消泡剂也无效. （二）起泡地危害
、降低生产能力
在发酵罐中，为了容纳泡沫，防止溢出而降低装量
、引起原料浪费
如果设备容积不能留有容纳泡沫地余地，气泡会引起原料流失，造成浪费.
、影响菌地呼吸
如果气泡稳定，不破碎，那么随着微生物地呼吸，气泡中充满二氧化碳，而且又不能与空气中氧进行交换，
这样就影响了菌地呼吸.
、引起染菌
由于泡沫增多而引起逃液，于是在排气管中粘上培养基，就会长菌.随着时间延长，杂菌会长入发酵罐而造成染菌.大量泡沫由罐顶进一步渗到轴封，轴封处地润滑油可起点消泡作用，从轴封处落下地泡沫往往引起杂菌污染.
（三）泡沫地性质
泡沫体系有独特地性质，研究泡沫地性质，是解决消泡问题地基础.
、气泡间液膜地性质
泡沫中气泡间地间距很小，仅以一薄层液膜相隔，研究液膜地性质很有代表意义，又因为，只有含有助泡地表面活性剂，才能形成稳定地泡沫，所以应当首先研究表面活性剂与液膜地关系
表面活性剂示意图
如图所示，表面活性剂是由疏水基与亲水基构成地化合物，在水中，表面活性剂地分子不停地转动在以下两种情况下泡沫才能比较稳定，停留时间比较长：
第一种情况表面活性剂地亲水基留在水相，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地疏水基在水相中互相靠在一起，减少疏水基与水地接触，形成“胶束”.
溶液中当表面活性剂地浓度低于临界胶束浓度时，以第一种情况为主；表面活性剂浓度高于临界胶束浓度时出现第二种情况.在泡沫不断增加时，表面活性剂会从胶束中不断转移到新产生地气液界面上
表面活性剂为什么会定向排列在表面？
在液相中因为水分子之间地吸引力大于水对表面活性剂地吸引力，表面活性剂地疏水部分被水分子之间地吸引力挤出溶液，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地原因.
、泡沫是热力学不稳定体系
热力学第二定律指出：自发过程，总是从自由能较高地状态向自由能较低地状态变化.起泡过程中自由能变化如下：
△γ△
△——自由能地变化
△——表面积地变化
γ——比表面能
起泡时，液体表面积增加，△为正值，因而△为正值，也就是说，起泡过程不是自发过程.另一方面，泡沫地气液界面非常大，例如：半径厚地一个气泡，内外两面地气液界面达；可是，当其破灭为一个液滴后，表面积只有,相差上百倍.显然，液体起泡后，表面自由能比无泡状态高得多.泡沫破灭、合并地过程中，△是一个绝对值很大地负数，也就是说泡沫破灭、合并地过程，自由能减小地数值很大.因此泡沫地热力学不稳定体系，终归会变成具有较小表面积地无泡状态.
、泡沫体系地三阶段变化
即使外观看来平静、比较稳定地泡沫体系，泡沫液也在不断地下落、蒸发，不断进行着下述三阶段地变化()气泡大小分布地变化
液膜包裹地一个气泡，就像一个吹鼓了地气球.由于气球膜有收缩力，所以气球中压力大于气球外地压力；同样气泡膜有表面张力，气泡中压力大于气泡外地压力.气泡大小地再分布，就是由气泡膜内气体地压力变化引起地.气泡中气体压力地大小，依赖气泡膜地曲率半径
由定量观点看，气泡内外压差
△
由该式可知：压差△与气泡半径成反比.若气泡膜地表面张力均相同，则小气泡中地压力比大气泡中地压力大.因此当相邻气泡大小不同时，气泡会不断地由小气泡高压区，经过吸附、溶解、解析，扩散到大气泡低压区.于是小气泡进一步变小，大气泡进一步变大.即使相邻气泡曲率半径最初差别不大，也会由于△地不同，气体地扩散，泡径差别逐渐增大，直至小泡完全并入大泡.结果气泡数目减少，平均泡径增大，气泡大
小分别发生变化
（）气泡液膜变薄
取一杯泡沫，放置一段时间，就会在杯底部出现一些液体，而逐渐形成液相及液面上地泡沫相这样具有界面地两层.底部出现地液体一部分是泡沫破灭形成地，一部分是气泡膜变薄，排出液体形成地.
泡沫生成初期，泡沫液还比较厚，以后因蒸发排液而变薄，泡沫液会受重力地影响向下排液，泡沫液随时间延续而变薄.
（）泡沫破灭
泡沫由于排液，液量过少，表面张力降低，液膜会急剧变薄，最后液膜会变得十分脆弱，以至分子地热运动都可以引起气泡破裂.因此只要泡沫液变薄到一定程度，泡沫即瞬间破灭.
泡沫层内部地小气泡破灭后，虽一时还不能导致气液分离，只是合并成大气泡，但排液过程使泡膜液量大幅度减少，使合并成地大气泡快速地破灭，最后泡沫体系崩溃，气液分离.
（四）影响泡沫稳定性地因素
引起危害，需要消除地，只是稳定地泡沫.泡沫地稳定性受液体、气体许多性质地影响.不同介质地泡沫，稳定程度相差很多，影响泡沫稳定性地因素十分复杂，概括国内外研究者地说法，主要因素有
、泡径大小
对任何泡沫体系稍加观察都会发现：大泡易于破灭，寿命较长地地都是小泡.泡越小，合并成大气泡地历程就越长，而且小气泡地泡膜中所含液量相对比较大，所以较能经受液体流失所造成地稳定性地损失.
另一方面，气泡只有上升到液面才能够在破灭之后减少泡沫体积. 气泡越小，上升速度越慢.溶液中溶解状态或胶束状态地表面活性剂，在气泡上升地过程中，吸附到气液界面上，形成定向吸附层.小气泡上升慢，给表面活性剂地吸附提供充足地时间，增加了稳定性.
、溶液所含助泡物地类型和浓度
（）降低表面张力
降低表面张力会降低相邻气泡间地压差.压差小，小泡并入大泡地速度就慢，泡沫地稳定性就好.
（）增加泡沫弹性
助泡地表面活性剂，吸附在气液界面上，使表面层地组分与液相组分产生差别，因而使泡沫液具有可以伸缩地称为“吉布斯弹性”地性质，对于泡沫稳定性来说表面活性剂使液膜具有“吉布斯弹性”比降低表面张力更重要.
吉布斯曾对泡沫液弹性做如下定义：
（）
——膜弹性
——膜面积
σ——表面张力
可以看出大，吉布斯弹性大，泡沫抵抗变形地能力就大.大意味着：当面积发生变化时，表面张力地变化较大，即收缩力较大，泡沫“自愈作用”就强，泡沫也就稳定.单一组分地纯净液体，表面张力不随表面积改变而改变，液体没有弹性，所以纯净液体不会产生稳定地泡沫.
（）助泡剂浓度
溶液中助泡剂浓度增加，气液界面上地吸附量就增加，液膜弹性随之增加，泡沫稳定性增高，直至到达助泡物地临界胶束浓度为止.到达临界胶束浓度后，气液界面上地定向排列“饱和”，弹性不会再增加，增加胶束浓度只会增大、增多胶束.
、起泡液地粘度
某些溶液，如蛋白质溶液，虽然表面张力不低，但因粘度很高，所产生地泡沫非常稳定.因为粘稠地液膜，有助于吸收外力地冲击，起到缓冲地作用，使泡沫能持久一些.液体粘度对泡沫稳定性地影响比表面张力地影响还要大.
、其它
*温度表面张力最低值时地浓度随温度变化.
在最低表面张力时泡沫排液迅速，否则排液缓慢.
* 影响助泡剂地溶解度和表层地吸附状态
*表面电荷离子型表面活性剂，水解后带电荷，泡沫地定向吸附层为双电层结构.由于离子间静电地排斥，阻碍着离子彼此接近，减少排液速度，延缓泡沫变薄过程，使泡沫稳定.
（二）、消泡剂消泡
、消泡剂地作用机理
为了弄清消泡剂如何发挥作用，为了合理、有效地使用消泡剂，需要了解消泡剂地作用机制及一般性质. 泡沫本来是极不稳定地，只因助泡剂地稳泡作用才难以破灭.人们研究消泡剂抵消助泡剂地稳泡作用地机理是近几十年地事.下面分别介绍在消泡剂发展历史上有重要地位地罗氏假说以及其它几种消泡剂地作用机理.
美国胶体化学家罗斯（.），四十年代初就开始研究泡沫问题，对添加了各种表面活性剂地起泡体系，进行试验和观察，寻找消泡剂在起泡液中溶解性与消泡效力地对应关系.罗斯提出一种假说：在溶液中，溶解状态地溶质是稳泡剂；不溶状态地溶质，当浸入系数与铺展系数均为正值时即是消泡剂.
罗斯认为，消泡剂地分子团，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. （）与稳泡因素有关地几种消泡机理
、消泡剂可使泡沫液局部表面张力降低，因而导致泡沫破灭
希勒（）和艾克斯(.)在油体系中研究聚硅氧烷油地消泡过程.他们对泡沫体系以秒地速度连续拍照，照片放大倍
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：低浓度地，表面张力比起泡液低地物质，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.附着了消泡剂小滴地泡沫能够迅速破灭，与局部降低表面张力有关.
日本高野信之提出类似地观点：在起泡液中分散地消泡剂颗粒，随着泡沫液变薄，露到表面，因消泡剂表面张力比泡沫液低，该处受到周围地拉伸、牵引.不断变薄，最后破灭.
日本高野信之提出类似地观点：在起泡液中分散地消泡剂颗粒，随着泡沫液变薄，露到表面，因消泡剂表面张力比泡沫液低，该处受到周围地拉伸、牵引.不断变薄，最后破灭.
把高级醇或植物油洒在泡沫上，当其附着到泡沫上，即溶入泡沫液，会显著降低该处地表面张力.因为这些物质一般对水地溶解度较小，表面张力降低只限于局部，而泡沫周围地表面张力几乎没有发生变化.表面张力降低地部分，被强烈地向四周牵引、延展，最后破裂.
、消泡剂能破坏膜弹性而导致气泡破灭
稳泡因素中谈到，因泡膜表面吸附表面活性剂，具有“吉布斯弹性”，当受到外部压力时有自愈作用.
消泡剂能破坏泡膜地这种弹性.离子型表面活性剂水溶液产生地泡沫，是因为表面活性剂定向排列形成双电层，借助排斥作用阻碍泡沫合并而使泡沫稳定.这种性质地泡沫，只需向体系中加入一种离子电荷相反地表面活性剂，甚至本身也是助泡剂，就可降低泡沫稳定性.这是因为两种表面活性剂彼此干扰，妨碍在气液界面上定向排列，破坏了膜弹性，因而产生消泡作用.
、消泡剂能促使液膜排液，因而导致气泡破灭
泡沫液厚泡沫弹性好，自愈效应强；泡膜排液速率反映泡沫地稳定性.起泡体系地粘度越高，排液速度越低，如蛋白质溶液，肽链之间能够形成氢键；有些表面活性剂能与水分子形成氢键，能减少泡沫中地排液，起到稳泡作用.
加入不产生氢键地表面活性剂，取代产生氢键地表面活性剂，就可以使排液加快.
还有另一方面地因素对排液速率有影响.即表面活性剂吸附层与泡膜上两吸附层当中地泡膜液之间亲和力
地强弱.表面活性剂与泡膜液亲和性强，泡膜液随吸附层迁移，泡沫就稳定；亲和力弱，泡膜液不随吸附层
迁移，泡沫也就不稳定.表面活性剂地值反映这种亲和性，高地表面活性剂，亲水性强，易于使吸附层之间地水随着迁移，是稳泡剂；低值地表面活性剂，亲水性弱，不易使吸附层之间地水随着迁移，往往是消泡剂.亲水性弱地低值地表面活性剂取代了亲水性强地高值地表面活性剂，能使泡膜吸附层之间地水不随吸附层迁移，从而促进泡膜排液，起到消泡作用
、破泡剂与抑泡剂地区别
（）消泡剂可分为破泡剂和抑泡剂
破泡剂是加到已形成地泡沫中，使泡沫破灭地添加剂.如低级醇、天然油脂.一般来说，破泡剂都是其分子地亲液端与起泡液亲和性较强，在起泡液中分散较快地物质.这类消泡剂随着时间地延续，迅速降低效率，并且当温度上升时，因溶解度增加，消泡效率会下降.
抑泡剂是发泡前预先添加而阻止发泡地添加剂.聚醚及有机硅等属于抑泡剂.一般是分子与气泡液亲和性很弱地难溶或不溶地液体
（）作用机理上地区别
破泡剂地破泡机理大致有二种.第一，吸附助泡剂，加入电解质，瓦解双电层，及使助泡物被增溶等机理，这样就破坏助泡物地稳泡作用.在这些过程中消泡剂发挥一次消泡作用就被消耗.同时消耗掉相应地助泡物.第二，低级醇等溶解性较大地消泡剂，加到气泡液中局部降低表面张力，发挥破泡作用，同时本身不断破为碎块，陆续溶解而失去破泡作用.破泡过程中，破泡剂不断失效、消耗，而助泡剂却不受影响
抑泡机理：一般认为抑泡剂分子在气液界面上优先被吸附，它比助泡剂地表面活性更强，更易吸附到泡膜上，但是由于本身不赋予泡膜弹性，所以不具备稳泡作用.这样当液体中产生泡沫时，抑泡剂首先占据泡膜，抑制了助泡剂地作用，抑制了气泡.
（）破泡剂与抑泡剂地相互关系
溶解度大地破泡剂，消泡作用只发挥一次；溶解度小地破泡剂，消泡作用可持续一段时间.如果溶解度进一步降低，即成为抑泡剂.另一方面，破泡剂大量使用，比有抑泡作用，抑泡剂大量使用也比有破泡作用. 、对消泡剂地要求
（）在起泡液中不溶或难溶
为破灭泡沫，消泡剂应该在泡膜上浓缩、集中.对破泡剂地情况，应在瞬间浓缩、集中，对于抑泡地情况应经常保持在这种状态.所以消泡剂在起泡液中是过饱和状态，只有不溶或难溶才易于达到过饱和状态.不溶或难溶，才易于聚集在气液界面，才易于浓缩在泡膜上，才能在较低浓度下发挥作用.用于水体系地消泡剂，活性成分地分子，须为强疏水弱亲水，值在范围，作用才最好.
（）表面张力低于起泡液
只有消泡剂分子间作用力小，表面张力低于起泡液，消泡剂微粒才能够在泡膜上浸入及扩展.值得注意地是，起泡液地表面张力并非溶液地表面张力，而是助泡溶液地表面张力.
（）与起泡液有一定程度地亲和性
由于消泡过程实际上是泡沫崩溃速度与泡沫生成速度地竞争，所以消泡剂必须能在起泡液中快速分散，以便迅速在起泡液中较广泛地范围内发挥作用.要使消泡剂扩散较快，消泡剂活性成分须与起泡液具有一定程度地亲和性.消泡剂活性成分与起泡液过亲，会溶解；过疏又难于分散.只有亲疏适宜，效力才会好.
（）与起泡液不发生化学反应
消泡剂与起泡液发生反应，一方面消泡剂会丧失作用，另一方面可能产生有害物质，影响微生物地生长. （）挥发性小，作用时间长
、常用消泡剂地种类和性能
（）天然油脂
天然油脂是最早用地消泡剂，它来源容易，价格低，使用简单，一般来说没有明显副作用，如豆油、菜油、鱼油等.油脂主要成分是高级脂肪酸酯和高级一元醇酯，还有高级醇、高级烃等.但油脂如保藏不好，易变质，使酸值增高，对发酵有毒性.此外，有些油是发酵产物地前体，如豆油是红霉素地前体，鱼油是螺旋霉素地前体.近年来出于对环境保护地重视，天然产物消泡剂地地位又有些提高，而且还在研究新地天然消泡
酒糟榨出液罗伯茨（ .）在英国酿造业研究基金会资助地试验啤酒厂发现：全麦芽浸出浆桶中最后倒出地沉积物能破灭泡沫.于是联想到，是否可以由制作全麦芽浸出浆以后地酒糟压榨出有效地消泡剂？经过试验，由酒糟中压榨出大约液体，在真空蒸馏，浓缩倍，果然得到可用于麦芽汁发酵过程地消泡剂.效果很好，没有副作用.经分析证明，酒糟榨出液中存在地全部脂肪酸，存在极性类脂物，尤其是卵磷脂等物，这些物质地协同作用下地消泡作用比这些物质单独消泡作用强得多.
啤酒花油研究年发现向啤酒添加啤酒花油是减轻气泡溢出损失地有效措施.紧分析啤酒花油具含有消泡活性地物质有：石竹烯、荷兰芹萜烯、香叶烯和蒎烯等.
（）聚醚类消泡剂
聚醚类消泡剂种类很多我国常用地主要是甘油三羟基聚醚.六十年代发明此类消泡剂，美国道康宁化学公司首先投产.它是以甘油为起始剂，由环氧丙烷，或环氧乙烷与环氧丙烷地混合物进行加成聚合而制成地.只在甘油分子上加成聚合环氧丙烷地产物叫聚氧丙烯甘油定名为型消泡剂；用于链霉素发酵，代替天然油，加入基础料，效果很好.在型消泡剂地聚丙二醇链节末端再加成环氧乙烷，成为链端是亲水基地聚氧乙烯氧丙烯甘油，也叫型消泡剂（泡敌）.按照环氧乙烷加成量为，，……分别称为，，…….这类消泡剂称为“泡敌”.用于四环素发酵效果很好，相当于豆油地倍.
型地消泡剂亲水性差，在发泡介质中地溶解度小，所以宜使用在稀薄地发酵液中.它地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地泡沫产生.
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.
有一种新地聚醚类消泡剂，在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，当中间隔有亲水链地嵌段共聚物.这种结构地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.这类化合物叫型消泡剂.
（）高碳醇
高碳醇是强疏水弱亲水地线型分子，在水体系里是有效地消泡剂.七十年代初前苏联学者在阴离子、阳离子、非离子型表面活性剂地水溶液中试验，提出醇地消泡作用，与其在起泡液中地溶解度及扩散程度有关.地醇是最有效地消泡剂.
地高碳醇借助适当地乳化剂配制成粒度为μ，含量为地水乳液，即是水体系地消泡剂.
还有些成酯，如苯乙醇油酸酯、苯乙酸月桂醇酯等在青霉素发酵中具有消泡作用，后者还可作为前体. （）硅酮类
最常用地是聚二甲基硅氧烷，也称二甲基硅油.它表面能低，表面张力也较低，在水及一般油中地溶解度低且活性高.它地主链为硅氧键，为非极性分子.与极性溶剂水不亲和，与一般油地亲和性也很小.它挥发性低并具有化学惰性，比较稳定且毒性小.纯粹地聚二甲基硅氧烷，不经分散处理难以作为消泡剂.可能是由于它与水有高地界面张力，铺展系数低，不易分散在发泡介质上.因此将硅油混入气溶胶，所构成地复合物，即将疏水处理后地气溶胶混入二甲基硅油中，经一定温度、一定时间处理，就可制得.
也有在硅油和气溶胶地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.乳化剂有甘油单硬脂酸酯，聚氧乙烯山梨糖醇单硬脂酸酯（）、聚氧乙烯山梨糖醇单油酸酯（）、山梨糖醇单硬脂酸酯（）、山梨糖醇三硬脂酸酯（）.增稠剂有羧甲基纤维素钠盐.这类消泡剂广泛用于抗生素发酵及食品工业.
值得注意地是：消泡剂有选择性.消泡剂用多了有毒性，而且还影响通气和气体分散，因此要少量地加.
发酵工艺优化
发酵工艺优化 从摇瓶试验到中试发酵罐试验的不同之处 1、消毒方式不同，摇瓶是外流蒸汽静态加热（大部分是这样的），发酵罐是直接蒸汽动态加热，部分的是直接和蒸汽混合，会因此影响发酵培养基的质量，体积，PH，透光率等指标。扩大时摇考虑 2、接种方式不同，摇瓶是吸管加入，发酵罐是火焰直接接种（当然有其他的接种方式），要考虑接种时的菌株损失和菌种的适应性等。 3、空气的通气方式不同，摇瓶是表面直接接触。发酵罐是和空气混合接触，考虑二氧化碳的浓度和氧气的融解情况。 4、蒸发量不同，摇瓶的蒸发量不好控制，湿度控制好的话，蒸发量会少。发酵罐蒸发量大，但是可以通过补料解决的。 5、搅拌方式不同，摇瓶是摇转方式进行混合搅拌，对菌株的剪切力较小。发酵罐是直接机械搅拌，注意剪切力的影响和无菌的影响。 6、PH的控制，摇瓶一般通过碳酸钙和间断补料控制PH，发酵可以直接流加控制PH，比较方便。 7、温度控制，摇瓶是空气直接接触或者传热控制温度，但是发酵罐是蛇罐或者夹套水降温控制，注意降温和加热的影响。 8、注意染菌的控制方法不一样，发酵罐根据染菌的周期和染菌的类型等可以采取一些必要的措施减少损失。 9、发酵罐可以取样或者仪表时时检测，但是摇瓶因为量小不能方便的进行控制和检测。 10、原材料不一样，发酵所用原材料比较廉价而且粗旷，工艺控制和摇瓶区别很大等等 发酵工艺中补料的作用 补料分批培养(fed—batch culture简称FBC)是指在分批培养过程中、间歇或连续地补加一种或多种成分的新鲜培养基的培养方法、与传统的分批集中补料培养相比、它有以下优点： (1)可以避免在分批发酵中因—次投料过多造成发酵液环境突变，造成菌丝大量生长等问题，改善发酵液流变等性质，使得发酵过程泡沫得以控制，节省消泡剂，并提高了装罐系数。 (2)可以控制细胞质量，以提高芽抱的比例，并使pH得以稳定。 (3)可以解除底物抑制，产物反馈抑制和分解阻遏。 (4)可以使“放料和补料”方法得以实施。该方法在发酵后期、产生了一定数量代谢产物后，在发酵液体积测量监控下，放出一部分发酵液，同时连续补充——部分新鲜营养液，实现连续带放、既有利于提高产物产量．又可降低成本，使得发酵指数得以大幅度提高。 (5)利用FBC技术、可以使菌种保持最大的生产力状态．随着传感技术以及对发酵过程动力学理沦深入研究、用模拟复杂的数学模型使在线方式实最优控制成为可能。 连续补料控制目前采用有反馈控制和无反馈控制两种方式。有反馈控制：选择与过程直接关系的可检测参数作为控制指标，例如可以测量、控制发酵液PH、采用定量控制葡萄糖流加。稳定PH在次级代谢最旺盛水平。而无反馈控制FBC是指无固定的反馈参数，以经验和数学模型相结合的办法来操作最优化控制、从而使抗生素发酵产量得以大幅度提高。例如发酵过程中前体的补加。由此可见，要实现对发酵过程的有效控制，就先要解决补科的连续控制问题。 目前国外发酵生产过程连续补料采用：流量计(电磁流量计、液体质量流量计)、小型电动、气动隔膜调节阀和控制器来实现连续补料控制。菜发酵工厂在中试试验中还成功地运用了电子称加三阀控制的自动补科系统 至于装液量的问题，应该从以下几个方面考虑： 1、保持在你所需要的转速培养情况下（尤其是在后期，菌丝很多时，转速很高时），不能让发酵液把你的塞子湿掉，容易造成染菌。 2、装液量的体积在消毒过程中，不能因为沸腾把塞子湿掉，或者跑出三角瓶，装液量太多会出现这样的情况。很容易染菌。 3、根据你的菌种的情况和发酵液的粘度，需要的混匀程度等等方面也要考虑。 4、建议你做一个梯度试验（40－50－60－70－80等）就可以找到你所需要的装液量。 关于剩余空气的排除在灭菌完毕后（100度左右），立刻用盖子或者其他的用品把你的培养摇瓶盖好，有时候这么点空气根本对兼性厌氧发酵没有什么影响，如果你的菌种要求很严的话，最好用干冰加入已经灭菌的空摇瓶后，立刻用其他的样品培养基分装即可。当然也可以用氮气。最好是二氧化碳。 你可以再查查看是否有其他的方法，我说的也不完全。！！
发酵过程泡沫的控制
泡沫对发酵的影响与控制 摘要：泡沫对发酵过程产生多种不利因素，是影响发酵过程重要主要因素之一，本文主要就泡沫的性质，以及泡沫消除的方式进行论述。并阐述了消泡技术发展的趋势，以及新型的化学消泡技术。 关键词：发酵、泡沫、消泡剂、活性剂 一、泡沫产生的原因 泡沫是气体在液体中的粗分散体，产生泡沫的首要条件是气体和液体发生接触。而且只有气体与液体连续、充分地接触才会产生过量的泡沫。，按产生原因可以大致分为两类：①外界引入，在通气过程中，伴随机械搅拌、空气被分成细小的气泡，从溶氧的角度讲，气泡越细越好，使空气中的氧和发酵液中的CO2能充分的进行交换，这些气泡升到发酵液面时无法及时消除而形成泡沫。②由发酵液内部产生微生物在进行发酵活动时，往往产生一些气体，如CO2，这些代谢气体凝结形成气泡，冒出到发酵液面，成为发酵泡沫，菌体代谢越旺盛，这部分泡沫的产生量越多。培养基配比与原料组成以及性质对泡沫也有很大的影响。培养基营养丰富，黏度大，产生泡沫就多而持久 二、泡沫的性质： 泡沫是气体被分散在少量液体中的胶体体系。泡沫间被一层液膜隔开而彼此不相连通。发酵过程中所遇到的泡沫，其分散相是无菌空气和代谢气体，连续相是发酵液 影响泡沫稳定性的因素
1、泡径大小 通常情况下大泡易于破灭，寿命较长的都是小泡，另一方面，气泡只有上升到液面才能够在破灭之后减少泡沫体积，所以气泡越小，上升速度越慢。小气泡上升慢，给表面活性剂的吸附提供充足的时间，增加了稳定性。、 2、溶液所含助泡物的类型和浓度 （1）降低表面张力 降低表面张力会降低相邻气泡间的压差。压差小，小泡并入大泡的速度就慢，泡沫的稳定性就好。 （2）增加泡沫弹性 泡沫液具有可以伸缩的称为“吉布斯弹性”的性质，对于泡沫稳定性来说表面活性剂使液膜具有“吉布斯弹性”比降低表面张力更重要 吉布斯曾对泡沫液弹性做如下定义： E=2Aσ E——膜弹性 A——膜面积 σ——表面张力 （3）助泡剂浓度 3，发酵液的粘度 某些溶液，如蛋白质溶液，虽然表面张力不低，但因粘度很高，所产生的泡沫非常稳定。 4、其它 温度：张力最低值时的浓度随温度变化。
第六章 发酵过程控制-4
第六章发酵过程控制 第四节发酵过程泡沫的形成与控制 泡沫的定义：泡沫是气体在少量液体中的粗分散体，属于气液非均相体系，泡沫间被一层液膜隔开而彼此不相连通。是一种密度接近气体，而不接近液体的胶体体系。 泡沫的类型： 一种是存在于发酵液的液面上，气相所占比例特别大，并且泡沫与它下面的液体之间有能分辫的界线。例如：某些稀薄的前期发酵液或种子培养液中的泡沫。 另一种泡沫是出现在粘稠的菌丝发酵液当中。这种泡沫分散很细，而且很均匀，也较稳定。泡沫与液体间没有明显的波面界限，在鼓泡的发酵液中气体分散相占的比例由下而上地逐渐增加。 一、泡沫形成的原因 1、通气搅拌 产生泡沫的首要条件是气体和液体发生接触。而且只有气体与液体连续、充分地接触才会产生过量的泡沫。 如下图所示，通气强度大、搅拌强烈可使泡沫增多；在发酵前期由于培养基营养成分消耗少，培养基成分丰富，易起泡。 2、培养基配比与原料组成 在纯净的气体、纯净的液体之外，必须存在第三种物质—助泡剂，才能产生气泡。
助泡剂在气液界面处就会形成定向吸附层：与液体亲和性弱的一端朝着气泡内部，与液体亲和性强的一端伸向液相，这样的定向吸附层起到稳定泡沫的作用。见下图： 培养基营养丰富，多数富含蛋白质。蛋白质可以作为助泡剂，因此发酵培养基中通气后易产生稳定的泡沫。例如在50L罐中投料10L，成分为淀粉水解糖、豆饼水解液、玉米浆等，搅拌200rpm，通气，泡沫生成量为培养基体积的2倍。 3、培养基的粘度 粘度很高的发酵液，产生的泡沫非常稳定。因为粘稠的液膜，有助于吸收外力的冲击，起到缓冲的作用，使泡沫能持久一些。体系的起泡程度是起泡难易和泡沫稳定性两个因素的综合效果： 泡沫产生速度小于泡沫破灭速度，则泡沫不断减少，最终呈不起泡状态； 泡沫产生速度等于泡沫破灭速度，则泡沫数量将维持在某一平衡状态； 泡沫产生速度高于泡沫破灭速度，泡沫量将不断增加； 4、菌种、种子质量 菌种质量好，生长速度快，可溶性氮源较快被利用，泡沫产生几率也就少。 5、灭菌质量 培养基灭菌质量不好，糖氮等营养成分破坏严重，抑制微生物生长，使细胞自溶，产生大量泡沫。 总结：发酵过程中泡沫的多寡与通气搅拌的剧烈程度和培养基的成分有关如蛋白、粘度、糖类、灭菌情况等。 发酵过程中起泡沫的方式： 在发酵过程中发酵液的性质随菌的代谢活动不断变化，是泡沫消长的重要因素。发酵过程中起泡沫的方式通常有5种情况： （1）整个发酵过程中，泡沫保持恒定的水平； （2）发酵早期，起泡后稳定地下降，以后保持恒定；
第四篇 第五章发酵过程泡沫的形成与控制
发酵过程泡沫的形成与控制 发酵过程起泡的利弊：气体分散、增加气液接触面积，但过多的泡沫是有害的 一、泡沫形成的基本理论 泡沫的定义：一般来说：泡沫是气体在液体中的粗分散体，属于气液非均相体系 美国道康宁公司对泡沫这样定义：体积密度接近气体，而不接近液体的“气/液”分散体。 （一）泡沫形成的原因 1、气液接触 （1）气体从外部进入液体，如搅拌液体时混入气体 （2）气体从液体内部产生。气体从液体内部产生时，形成的泡沫一般气泡较小、较稳定。 2、含助泡剂 在纯净的气体、纯净的液体之外，必须存在第三种物质，才能产生气泡。对纯净液体来说，这第三种物质是助泡剂。当形成气泡时，液体中出现气液界面，这些助泡剂就会形成定向吸附层。与液体亲和性弱的一端朝着气泡内部，与液体亲和性强的一端伸向液相，这样的定向吸附层起到稳定泡沫的作用。 3、起泡速度高于破泡速度 起泡的难易，取决于液体的成分及所经受的条件；破泡的难易取决于气泡和泡破灭后形成的液滴在表面自由能上的差别；同时还取决于泡沫破裂过程进行得多快这一速度因素。 高起泡的液体，产生的泡沫不一定稳定。体系的起泡程度是起泡难易和泡沫稳定性两个因素的综合效果。 4、发酵过程泡沫产生的原因 （1）通气搅拌的强烈程度 （2）培养基配比与原料组成 （3）菌种、种子质量和接种量 （4）灭菌质量 （二）起泡的危害 1、降低生产能力 在发酵罐中，为了容纳泡沫，防止溢出而降低装量 2、引起原料浪费 如果设备容积不能留有容纳泡沫的余地，气泡会引起原料流失，造成浪费。 3、影响菌的呼吸 如果气泡稳定，不破碎，那么随着微生物的呼吸，气泡中充满二氧化碳，
而且又不能与空气中氧进行交换，这样就影响了菌的呼吸。 4、引起染菌 由于泡沫增多而引起逃液，于是在排气管中粘上培养基，就会长菌。随着时间延长，杂菌会长入发酵罐而造成染菌。大量泡沫由罐顶进一步渗到轴封，轴封处的润滑油可起点消泡作用，从轴封处落下的泡沫往往引起杂菌污染。 （三）泡沫的性质 泡沫体系有独特的性质，研究泡沫的性质，是解决消泡问题的基础。 1、气泡间液膜的性质 泡沫中气泡间的间距很小，仅以一薄层液膜相隔，研究液膜的性质很有代表意义，又因为，只有含有助泡的表面活性剂，才能形成稳定的泡沫，所以应当首先研究表面活性剂与液膜的关系 表面活性剂示意图 溶液中当表面活性剂的浓度低于临界胶束浓度时，以第一种情况为主；表面活性剂浓度高于临界胶束浓度时出现第二种情况。在泡沫不断增加时，表面活性剂会从胶束中不断转移到新产生的气液界面上 2、泡沫是热力学不稳定体系 热力学第二定律指出：自发过程，总是从自由能较高的状态向自由能较低的状态变化。起泡过程中自由能变化如下： △G=γ△A △G——自由能的变化 △A——表面积的变化 γ——比表面能 起泡时，液体表面积增加，△A为正值，因而△G为正值，也就是说，起泡过程不是自发过程。另一方面，泡沫的气液界面非常大。显然，液体起泡后，表面自由能比无泡状态高得多。泡沫破灭、合并的过程中，△A是一个绝对值很大的负数，也就是说泡沫破灭、合并的过程，自由能减小的
发酵过程泡沫的形成与控制
发酵过程泡沫地形成与控制 西安道尔达化工有限公司 发酵过程起泡地利弊：气体分散、增加气液接触面积，但过多地泡沫是有害地 一、泡沫形成地基本理论 泡沫地定义：一般来说：泡沫是气体在液体中地粗分散体，属于气液非均相体系 （一）泡沫形成地原因 、气液接触 因为泡沫是气体在液体中地粗分散体，产生泡沫地首要条件是气体和液体发生接触.而且只有气体与液体连续、充分地接触才会产生过量地泡沫.气液接触大致有以下两类情况： （）气体从外部进入液体，如搅拌液体时混入气体 （）气体从液体内部产生.气体从液体内部产生时，形成地泡沫一般气泡较小、较稳定. 、含助泡剂 在未加助泡剂，但并不纯净地水中产生地泡沫，其寿命在秒之内，只能瞬间存在.摇荡纯溶剂不起泡，如蒸馏水，只有摇荡某种溶液才会起泡. 在纯净地气体、纯净地液体之外，必须存在第三种物质，才能产生气泡.对纯净液体来说，这第三种物质是助泡剂.当形成气泡时，液体中出现气液界面，这些助泡剂就会形成定向吸附层.与液体亲和性弱地一端朝 着气泡内部，与液体亲和性强地一端伸向液相，这样地定向吸附层起到稳定泡沫地作用. 、起泡速度高于破泡速度 起泡地难易，取决于液体地成分及所经受地条件；破泡地难易取决于气泡和泡破灭后形成地液滴在表面自 由能上地差别；同时还取决于泡沫破裂过程进行得多快这一速度因素. 高起泡地液体，产生地泡沫不一定稳定.体系地起泡程度是起泡难易和泡沫稳定性两个因素地综合效果. 泡沫产生速度小于泡沫破灭速度，则泡沫不断减少，最终呈不起泡状态；泡沫产生速度等于泡沫破灭速度，则泡沫数量将维持在某一平衡状态；泡沫产生速度高于泡沫破灭速度，泡沫量将不断增加. 、发酵过程泡沫产生地原因 （）通气搅拌地强烈程度 通气大、搅拌强烈可使泡沫增多，因此在发酵前期由于培养基营养成分消耗少，培养基成分丰富，易起泡.应先开小通气量，再逐步加大.搅拌转速也如此.也可在基础料中加入消泡剂. （）培养基配比与原料组成 培养基营养丰富，黏度大，产生泡沫多而持久，前期难开搅拌. 例：在罐中投料，成分为淀粉水解糖、豆饼水解液、玉米浆等，搅拌，通气，泡沫生成量为培养基地倍. 如培养基适当稀一些，接种量大一些，生长速度快些，前期就容易开搅拌. （）菌种、种子质量和接种量 菌种质量好，生长速度快，可溶性氮源较快被利用，泡沫产生几率也就少.菌种生长慢地可以加大接种量（）灭菌质量 培养基灭菌质量不好，糖氮被破坏，抑制微生物生长，使种子菌丝自溶，产生大量泡沫，加消泡剂也无效. （二）起泡地危害 、降低生产能力 在发酵罐中，为了容纳泡沫，防止溢出而降低装量 、引起原料浪费 如果设备容积不能留有容纳泡沫地余地，气泡会引起原料流失，造成浪费. 、影响菌地呼吸 如果气泡稳定，不破碎，那么随着微生物地呼吸，气泡中充满二氧化碳，而且又不能与空气中氧进行交换，
发酵条件的控制与调节
发酵条件的控制与调节 １．水分调节 好氧堆肥质量和效率直接受堆肥物料水分含量的影响，水分的作用主要为溶解有机物并参与微生物的新陈代谢和调节堆肥温度。一般认为堆肥初始含水量在４０％～７０％就能保证堆肥顺利进行。当含水量低于４０％时，微生物的代谢活动会受到抑制，堆肥将由好氧向厌氧转化，尤其当含水量低于１５％时，菌体代谢活动会普遍停止；当含水量太高时，超过７０％，物料空隙率低空气不足，不利于好氧微生物生长，减慢降解速度，延长堆腐时间，并产生二氧化硫等恶臭气体。按重量计，初始堆料的含水率应保持在５０％～６５％，过低和过高都会影响发酵过程，而牛粪的含水率一般在７５％～８０％，往往需要加入吸湿性强的调节料以降低混合堆料的水分含量。 ２．发酵温度 温度是堆肥正常发酵的重要条件之一，堆肥温度的控制就是要保持堆体顺利升温、维持适当温度和温度的下降。不同种类微生物的生长对温度的要求不同，嗜温菌的最适温度是３０～４０℃，嗜热菌的最适温度是４５～６０℃，高温堆肥的温度最好控制在５５～６５℃，不宜超过６５℃，超过６５℃就会对微生物的生长产生抑制。堆肥化是一个放热过程，若不加以控制，温度可达７５～８０℃，温度过高会过度消耗有机质，并降低堆肥产品质量，根据卫生学要求，堆肥至少要达到５５℃并保持５天以上才能保证杀灭堆层中大肠杆菌及病原菌。生产实践中常采用翻堆或强制通风办法控制温度。 ３．碳氮比调节 碳氮比（Ｃ／Ｎ）是指堆肥原料与填充料混合物的总碳（Ｃ）与总氮（Ｎ）的比值。碳源是微生物利用的能源，氮源是微生物的营养物质，在堆肥过程中，碳源被消耗，转化成二氧化碳和腐殖质物质，而氮则以氨气形式散失，或变为硝酸盐和亚硝酸盐，或由生物体同化吸收。因此，碳和氮的变化是堆肥的基本特征之一。由于微生物的Ｃ／Ｎ范围为４～３０，因此用作供其营养的有机物碳氮比最好也在此范围内，Ｃ／Ｎ过高或过低都不利于嗜氧菌的生长和繁殖，堆肥过程中适宜的碳氮比（Ｃ／Ｎ）为２０～３０：１，３０：ｌ较为理想。北方地区在生产实践中可采用在牛粪中添加有关原料调节碳氮比，一般牛粪堆肥处理时可不调整Ｃ／Ｎ。 ４．通风调节 通风是好氧堆肥的关键性因素之一，其主要作用是提供好氧微生物生长繁殖所必需的氧气，通过供气量的控制，可去除堆料中多余的水分，调节堆体温度，减少恶臭产生。研究表明，堆料中氧含量为１０％时，就可保证微生物代谢的需要。在供氧充分而其他条件也适宜的情况下，微生物迅速分解有机物，产生大量的代谢热，如果不能对多余热量进行控制，温度升高到超过微生物生长的适宜范围，将会抑制有机物的生物降解、延长处理时间，增加设备运行费用，并且产生难闻的气味。可适时采用翻堆方式通风或设有其他机械通风装置换气，调节堆肥物料的氧气浓度和散热，同时应注意堆体堆积要松紧适度，保持物料间有一定的空隙以利通气． ５．ｐＨ值调节 ｐＨ值是微生物生长的重要因素之一，一般堆肥中微生物最适宜的ｐＨ值是中性或弱碱性，ｐＨ值太高或太低都会使堆肥处理遇到困难。许多研究者提出，
发酵技术中泡沫控制
发酵技术中的泡沫的控制 1 泡沫的产生、性质及变化 形成条件： 气-液两相共存； 表面张力大的物质存在； 发酵过程中泡沫有两种类型： ?一种是发酵液液面上的泡沫，气相所占的比例特别大，与液体有较明显的界限，如发酵前期的泡沫； ?另一种是发酵液中的泡沫，又称流态泡沫(fluid foam)，分散在发酵液中，比较稳定，与液体之间无明显的界限。 ?实质：气溶胶构成的胶体系统，其分散相是空气和代谢气，连续相是发酵液，泡沫间隔着一层液膜而被彼此分开不相连通。 泡沫是热力学不稳定体系 热力学第二定律指出：自发过程，总是从自由能较高的状态向自由能较低的状态变化。起泡过程中自由能变化如下： △G=γ△A △G——自由能的变化 △A——表面积的变化 γ——比表面能 起泡时，液体表面积增加，△A为正值，因而△G为正值，也就是说，起泡过程不是自发过程。另一方面，泡沫的气液界面非常大。 例如：半径1cm厚0.001cm的一个气泡，内外两面的气液界面达25cm2；可是，当其破灭为一个液滴后，表面积只有0.2cm2,相差上百倍。 泡沫破灭、合并的过程中，自由能减小的数值很大。因此泡沫的热力学不稳定体系，终归会变成具有较小表面积的无泡状态。 发酵过程泡沫产生的原因 （1）通气搅拌的强烈程度 发酵前期培养基成分丰富，易起泡。 →采用较小通气量及搅拌转速，再逐步加大。 →也可在基础料中加入消泡剂。 （2）培养基配比与原料组成 前期培养基营养丰富粘度大，产泡沫多而持久。 例：在50L罐中投料10L，成分为淀粉水解糖、豆饼水解液、玉米浆等，搅拌900 rpm，通气，泡沫生成量为培养基的2倍。如培养基适当稀一些，接种量大一些，生长速度快些，前期就容易搅拌开。 （3）菌种、种子质量和接种量 菌种质量好，生长速度快，可溶性氮源较快被利用，泡沫产生几率也就少。菌种生长慢的可以加大接种量 （4）灭菌质量 培养基灭菌质量不好，糖氮被破坏，抑制微生物生长，使种子菌丝自溶，产生大量泡沫，加消泡剂也无效。 泡沫的形成一般有以下几种规律： ?整个发酵过程中，泡沫保持恒定的水平；
发酵过程的工艺控制
第十章发酵过程的工艺控制 ●知识要点和教学要求 （1）、理解微生物发酵的动力学 （2）、掌握补料分批培养 （3）、掌握连续培养 （4）、掌握发酵工艺控制最优化 （5）、掌握温度对发酵过程的影响及其控制 （6）、掌握PH值对发酵过程的影响和控制 （7）、掌握泡沫对发酵过程的影响和控制 ●能力培养要求 通过本章节的学习，学生能理解微生物发酵的分类及温度、PH值、泡沫等对发酵过程的影响和控制。 ●教案内容 10.1 微生物发酵的动力学 一般来说，微生物学的生长和培养方式可以分为分批培养、连续培养和补料分批培养等三种类型。 1. 分批培养 分批培养又称分批发酵，是指在一个密闭系统内投入有限数量的营养物质后，接入少量的微生物菌种进行培养，使微生物生长繁殖，在特定的条件下只完成一个生长周期的微生物培养方法。 在分批培养过程中，随着微生长细胞和底物、代谢物的浓度等的不断变化，微生物垢生长可分为停滞期、对数生长期、稳定期和死亡期等四个阶段，图10-1为典型的细胞菌生长曲线。 2. 停滞期 停滞期是微生物细胞适应新环境的过程。
实际上，接种物的生理状态和浓度是停滞期长短的关键。如果接种物处于对数生长期，那么就很有可能不存在停滞期，微生物细胞立即开始生长。反过来，如果接种物本身已经停止生长，那么微生物细胞就需要有更长的停滞期，以适应新的环境。 3. 对数生长期 处于对数生长期的微生物细胞的生长速度大大加快，单位时间内细胞的数目或重量的增加维持恒定，并达到最大值。其生长速度可用数学方程表示： 式中，x---细胞浓度（g/l）；t---培养时间（hr）；---细胞的比生长速度（1/h）。如果当t=0时，细胞的浓度为x0(g/l)，上式积分后就为：于是，用微生物细胞浓度的自然对数对时间作图，就可得到一条直线，该直线的斜率就等于。 微生物的生长有时也可用“倍增时间”(td)来表示，“倍增时间”(td)定义为微生物细胞浓度增加一倍所需要的时间，即： 3. 稳定期 由于细胞的溶解作用，一些新的营养物质，诸如细胞内的一些糖类、蛋白质等被释放出来，又作为细胞的营养物质，从而使存活的细胞继续缓慢地生长，出现通常所称的二次或隐性生长。 4. 死亡期 当发酵过程处惊天动地死亡期时，微生物细胞内所储存的能量已经基本耗尽，细胞开始在自身所含的酶的作用下死亡。 5. 微生物分批培养生长速度的动力学方程
啤酒发酵工艺流程
实验一单细胞蛋白（SCP）的生产 一、实验目的 1．了解单细胞蛋白的开发优势及技术现状。 2．掌握单细胞蛋白的液体深层培养法及工艺控制规律。 3．了解发酵过程中菌体浓度及生物量的一般检测方法。 二、实验原理 所谓SCP（Single Cell Protein）就是指那些工厂化大规模培养、作为人类食品和动物饲料的蛋白质来源的酵母、细菌、放线菌、霉菌、藻类和高等真菌等微生物的干细胞。SCP工业，主要是饲料酵母工业。酵母是一种单细胞微生物，生长繁殖快，菌体营养丰富。饲料酵母是一种营养价值很高的蛋白饲料，成品呈微黄色粉末状，具有酵母特殊香味。酵母蛋白质含量一般都在70%左右，比大豆高1倍。与肉蛋白、鸡蛋蛋白、大豆蛋白相比，单细胞蛋白所含的氨基酸组分齐全，有18-20种氨基酸，尤其是谷物中所缺乏赖氨酸含量较高。此外，维生素含量也十分丰富。每千克酵母类单细胞可使奶牛的产奶量增加6-7㎏，用含有10%单细胞蛋白饲料养鸡，产蛋提高21%-35%。1吨单细胞蛋白可节约5-7吨饲料粮，可产1.5吨鸡肉或3万枚鸡蛋。我国单细胞蛋白（酵母）年产量近3万吨，多用于医药、面包生产和饲料。用于生产饲料酵母的原料来源广泛，有矿物资源（如石油、甲烷、泥炭等）、纤维资源（如秸杆、木屑等）、糖类资源（如糖蜜、红薯等）、石油二次制品、废弃资源（包括有机废水、废渣、动物粪便等）。从我国目前的情况出发，生产饲料酵母等单细胞蛋白值得优先开发的原料有废糖蜜、薯干、纸浆废液，豆制品厂、味精厂、淀粉加工厂的废液等，用这些原料生产饲料酵母，首先是产品无毒性，另外也有利于解决工厂和城市的污染问题。 酵母细胞的发酵特点：目前，最广泛用于生产作为蛋白资源的酵母是假丝酵母，该酵母生长繁殖速度快，每2-4小时可繁殖一代，培养10小时左右就能繁殖到种子菌体量的15倍。发酵过程中，要保证罐内的液体混合良好和较适当地提供氧气，还要控制好温度和pH。采用流加间歇发酵可以保证糖被具有良好活性的酵母呼吸消耗，以达到最适产量。底物浓度过高，即使在有氧条件下，酵母也会发酵产生碳水化合物。如果酵母生长速率过快，底物也会发酵。因此，在培
发酵泡沫的控制
发酵泡沫的控制 一、泡沫的产生、性质及变化 产生原因：①外界引入，在通气过程中，伴随机械搅拌、空气被分成细小的气泡，从溶氧的角度讲，气泡越细越好，使空气中的氧和发酵液中的CO2能充分的进行交换，这些气泡升到发酵液面形成泡沫。 ②由发酵液内部产生微生物在进行发酵活动时，往往产生一些气体，如CO2，这些代谢气体凝结形成气泡，冒出到发酵液面，成为发酵泡沫，菌体代谢越旺盛，这部分泡沫的产生量越多。 性质：泡沫实际上是气溶胶构成的胶体系统，其分散相是空气和代谢气，连续相是发酵液，泡沫间隔着一层液膜而被彼此分开不相连通。 发酵过程中泡沫的变化：这种变化是指在发酵过程中，发酵液面的泡沫聚集的量的变化。根据泡沫产生的原因，我们总结出泡沫变化的规律：从通气搅拌方面来看，通气量越大，搅拌越剧烈，则产生的泡沫越多；从发酵液的性质来看，培养基中蛋白质含量越多，发酵液的粘度，浓度越大，则生成的泡沫稳定性就越高。从菌体方面来看：菌体旺盛生长时，产生的泡沫多，当发酵液中营养基质被菌体大量消耗时，浓度下降，则气泡的稳定性也减弱，在发酵后期，伴随菌体的自溶，使发酵液中蛋白质浓度又上升，则发酵液的起泡性又增强。因此，发酵周期中，各阶段泡沫的产生是多种因素综合作用的结果，各时期变化较大，应具体分析。 二、泡沫对发酵的影响 发酵过程中产生过多持久的泡沫会给发酵带来很多不利： ①减少发酵的有效容积，若不加控制，过多的泡沫通过排气管溢出，造成发酵液流失； ②过多的泡沫可能从罐顶的轴封渗出罐外，这就增加了染菌的机会； ③使部分菌体粘附在罐盖或罐壁上，而失去作用； ④泡沫严重时，影响通气搅拌的正常进行，妨碍代谢气的排出，对菌体呼吸造成影响，甚至使菌体代谢异常，影响生产率。 因此，在发酵过程中应控制泡沫的产生。 三、泡沫的控制 泡沫控制的目的在于打碎泡沫液膜，使气相和液相分离。因此，可以通过化学方法，降低泡沫液膜的表面张力，使泡沫破灭，也可利用物理方法，使泡沫液膜的某些部分局部受力，打破液膜原来的受力平衡而破裂。 （一）化学消泡 1.消泡剂选用依据： ①表面活性剂，具有较低的表面张力（内聚力弱），消泡效果明显。 ②对气-液界面的散布系数必须足够大，才能迅速消泡； ③无毒害性，且不影响发酵菌体； ④不干扰各种测量仪表的使用；
发酵过程控制
发酵过程控制和优化技术的有关知识 发酵的生产水平高低除了取决于生产菌种本身的性能外，还要受到发酵条件、工艺的影响。只有深入了解生产菌种在生长和合成产物的过程中的代谢和调控机制以及可能的代谢途径，弄清生产菌种对环境条件的要求，掌握菌种在发酵过程中的代谢变化规律，有效控制各种工艺条件和参数，使生产菌种始终处于生长和产物合成的优化环境中，从而最大限度地发挥生产菌种的生产能力，取得最大的经济效益。 一．发酵过程进行优化控制的意义 随着生物和基因工程技术在各工业行业中的应用，发酵产品生产规模和品种不断增加，对发酵过程进行控制和优化也显得越来越重要。作为发酵中游技术的发酵过程控制和优化技术，既关系到能否发挥菌种的最大生产能力，又会影响到下游处理的难易程度，在整个发酵过程中是一项承上启下的关键技术。 与物理和化学反应过程不同，生物过程的反应速率比较慢，目的产物的浓度、生产强度、反应物质（底物或基质）向目的产物的转化率也比较底。工业微生物学从两个方面解决上述问题，一方面通过菌种选育和改良获得高产的发酵菌种；另一方面，通过控制培养条件使微生物最大限度地生产目标产物。相对来讲，通过发酵过程控制和优化，将生物过程准确地控制在最优的环境或操作条件下，是提高整体生产水平的一个捷径或者说是一种更容易的方法，其重要性也绝不亚于利用分子生物学和基因工程进行菌种改良的方法。 二．生化过程的特征 与物理和化学反应过程相比，生化反应过程有以下不同特征：①动力学模型高度非线性； ②动力学模型参数的时变性；③除简单的物理和化学状态变量（温度、pH、压力、气体分压、DO外，绝大多数生物状态变量（生物量、营养物浓度、代谢产物浓度、生物活性等）很难在线测量；④过程参数的滞后性，一个生物过程可能涉及成千上万个小的物理和化学反应，其相互间的作用和影响造成了生物过程的响应速率慢。 生物过程的控制和优化还具有以下特点：①不需要太高的控制精度；②各状态变量之间存在一定的连带关系；③由于没有合适的定量的数学模型可循，其控制与优化操作还必须完全依靠操作人员的经验和知识来进行。 三．生物过程控制和优化的目的和研究内容 生物过程控制和优化的目的就是以生物反映工程、发酵工程、生物化学、微生物学等学科的原理和知识为基础，以自动控制理论、过程控制和优化理论、工程数学以及人工智能技术为手段，将目的生物过程控制在最优的操作环境之下，以实现提高生物过程生产水平的目
乳酸发酵工艺流程
工艺流程：淀粉 水解反应 葡萄糖 预处理 液仓 淀粉乳 盐酸（酸化）调配 预热（85℃～90℃） 均质（300～500KPa） 杀菌(100℃，10min) 冷却(50℃左右) 菌种保藏菌种活化菌种扩培接种 发酵（终点pH4.2） 冷却（15℃～20℃） 溶解杀菌混合 氮源、中和剂（碳酸钙）分离
提纯 乳酸成品 保持冷链贮存或销售 4.2.1.2 操作要点说明 （1）预处理 净化可以除去原料中的杂质，使淀粉达到最高的纯净度。 （2）水解 淀粉是葡萄糖以ɑ-1，4-糖苷键连接起来的多聚体，在催化剂存在和适宜温度等条件下，易于水解成葡萄糖、麦芽糖、糊精等单体或低聚物。合理控制水解，尽可能减少副反应发生，则是糖化工艺所要控制的关键。 （3）预热 预热一方面可以杀菌，而且由于适当加热，可以使葡萄糖液化，并完全去除淀粉和多聚糖的存在，增加产品的稳定性。预热温度控制在85℃～90℃。 （4）均质 均质主要是使原料充分混合均匀，阻止分层，提高葡萄糖的稳定性和稠度，并保证单体均匀分布，从而获得质地细腻、口感良好的产品。均质压力控制在300～500KPa。 （5）杀菌 杀菌目的在于杀灭原料中的杂菌确保乳酸杆菌的正常生长和繁殖，钝化原料中的天然抑制物。杀菌温度控制在100℃，保温10min进行杀菌。 （6）冷却 冷却主要是为接种的需要。经过热处理的糖乳需要冷却到一个适宜的接种温度，此温度控制在50℃左右。 （7）接种 接种是造成糖乳受微生物污染的主要环节之一，因此严格注意操作卫生，防止细菌、酵母、霉菌、噬菌体及其他有害微生物的污染。接种时充分搅拌，使发酵菌与原料混合均匀。
（8）发酵 发酵温度控制在50℃左右，从而为微生物代谢提供最适的温度环境，发酵时间24h，且期间不搅拌。 自由逃逸。当残糖降到1g/1时，发酵终点判定：发酵时罐口敞开，让CO 2 就识为发酵已经完成，再测定pH 4.2时即可停止发酵。 （9）冷却 冷却目的是抑制乳酸菌的生长、降低酶的活性、防止产酸过度、使糖液逐渐 析出的速度。将发酵乳迅速降温至15℃～20℃。 凝固、降低和稳定CO 2 （10）混合 将经溶解和杀菌的氮源、中和剂与发酵乳进行混合。 （11）分离提纯 由于乳酸在发酵过程中加入碳酸钙，因此，发酵最终的醪液悬乳酸与碳酸钙形成的乳酸钙，以水和形式存在。根据这一特性，采取相应的过滤介质和方法，即离子交换脱盐转酸方式及其分离提纯工艺。 （12）灌装和冷藏 采用相应灌装机进行灌装后的成品置于0℃～5℃冷藏12h～24h，进行后熟。
发酵工艺过程控制样本
第七章发酵工艺过程控制 教学目的: 1、熟悉发酵过程的主要控制参数; 2、掌握各因素对发酵过程的影响、过程控制方法和原理; 3、熟悉几种发酵操作类型。 教学方法: 讲授 教学手段: 使用多媒体课件 教学内容: 第一节发酵过程中的代谢变化与控制参数 一、发酵工艺过程控制的重要性 从产物形成来说, 代谢变化就是反映发酵中的菌体生长、发酵参数的变化( 培养基和培养条件) 和产物形成速率这三者之间的关系。 二、发酵过程的代谢变化规律 这里介绍分批发酵、补料分批发酵、半连续发酵及连续发酵四种类型的操作方式下的代谢特征。 1、分批发酵 指在一个封闭的培养系统内含有初始限制量的基质的发酵方式。即一次性投料, 一次性收获产品的发酵方式。 在分批培养过程中根据产物生成是否与菌体生长同步的关系, 将微生物产物形成动力学分为 ( 1) 生长关联型 产物的生成速率与菌体生长速率成正比。这种产物一般是微生物分解基质的直接产物, 如酒精, 但也有某些酶类, 如脂肪酶和葡萄糖异构酶 对于生长关联型产品, 可采用有利于细胞生长的培养条件, 延长与产物合成有关的对数生长期。 ( 2) 非生长关联型 产物的生成速率与菌体生长速率成无关, 而与菌体量的多少有关。
对于非生长关联型产品, 则宜缩短菌体的对数生长期, 并迅速获得足够量的菌体细胞后, 延长稳定期, 从而提高产量。 2、补料-分批发酵 是指分批培养过程中, 间歇或连续地补加新鲜培养基的培养方法。 与传统的分批发酵相比, 优点在于使发酵系统中维持很低的基质浓度。低基质浓度的优点: ( 1) 能够除去快速利用碳源的阻遏效应, 并维持适当的菌体浓度, 使不至于加剧供氧的矛盾; ( 2) 克服养分的不足, 避免发酵过早结束。 ３、半连续发酵 是指在补料－分批发酵的基础上, 间歇地放掉部分发酵液的培养方法。 优点: ( 1) 能够除去快速利用碳源的阻遏效应, 并维持适当的菌体浓度, 使不至于加剧供氧的矛盾; ( 2) 克服养分的不足, 避免发酵过早结束; ( 3) 缓解有害代谢产物的积累。 ４、连续发酵 又称连续流动培养或开放型培养, 即培养基料液连续输入发酵罐, 并同时放出含有产品的发酵液的培养方法。在这样的环境中培养, 所提供的基质对菌的生长就受到限制, 培养液中的菌体浓度能保持一定的稳定状态。 与传统的分批发酵相比, 连续培养有以下优点: ( 1) 维持低基质浓度: 能够除去快速利用碳源的阻遏效应, 并维持适当的菌体浓度, 使不至于加剧供氧的矛盾; ( 2) 避免培养基积累有毒代谢物; ( 3) 能够提高设备利用率和单位时间的产量, 节省发酵罐的非生产时间; ( 4) 便于自动控制。 但连续培养也有缺点:
第六章 发酵过程作业参考答案
第六章 发酵过程作业参考答案 1、简述补料分批发酵的定义及优缺点、分类。（20分） 答：补料分批发酵又称半连续发酵或培养，是指在分批培养过程中，间歇或连续地补加新鲜培养基的培养方法。（4分）补料分批发酵与传统分批发酵相比，其优点在于使发酵系统中维持很低的基质浓度。低基质浓度的优点：1）可以除去快速利用碳源的阻遏效应，并维持适当的菌体浓度，使不致于加剧供氧的矛盾。2)避免培养基积累有毒代谢物。3）与连续发酵相比，补料分批发酵不需要严格的无菌条件，也不会产生菌种老化和变异等问题，其应用范围十分广泛，包括抗生素、氨基酸、酶蛋白、核苷酸、有机酸、及高聚物等、4）在发酵的不同时间不断补加一定的养料，可以延长微生物对数期的持续时间，增加生物量的积累和静止期代谢产物的积累。（8分）补料分批发酵可以分为两种类型：a: 单一补料分批发酵：在开始时投入一定量的基础培养基，到发酵过程的适当时期，开始连续补加碳源和(或)氮源和(或)其他必须基质，直到发酵液体积达到发酵罐最大工作容积后停止补料，将发酵液一次全部放出。这种操作方式称为单一补料分批发酵，由于受发酵罐工作容积的限制，发酵周期只能控制在较短的范围内。（4分）b 重复补料分批发酵：重复补料分批发酵是在单一补料分批发酵的基础上，每隔一定时间按一定比例放出一部分发酵液，使发酵液体积始终不超过发酵罐的最大工作容积，从而可以延长发酵周期，直至发酵产率明现下降，才最终将发酵液全部放出．这种操作方式既保留了单一补料分批发酵的优点，又避免了它的缺点。（4分） 2、通过哪些手段可提高发酵过程的溶氧量并分析比较各种措施的效果。（３０分） 答：(1) 提高KL a KL a 与其中的主要影响因素的函数关系可以使用下式表示： 对于牛顿型流体发酵液， KL a 的关联式可简单表示为： （２分） ①搅拌效率对KL a 的影响：一般情况下，高转速可有效地提高 KL a ，但太大或搅拌器的类型不当也会损伤菌丝，或产生漩涡，反而降低混合效果。对于高粘度的流体，转速、器型的影响会更明显。 ②气体流速对KL a 的影响：由上式得知：提高WS ，即提高通气量Q ，也可以有效的提高KL a 。研究表明，当通气量Q 较低时，随着通气量Q 的增加，WS 空气表观线速度也会增加。但Q 过大时，搅拌器不能有效地将空气气泡充分分散，而在大量气体中空转，形成所谓的“过载”现象 。会导致Pw/V 会随着Q 的增加而下降，即单位体积发酵液所拥有的搅拌功率会下降。 ③设备参数的影响：式中的α、β与发酵罐的大小、形状、搅拌器的类型等因素有关。Bartholomew 研究指出，9L 的发酵罐的α为0.95；0.5m3的发酵罐，α变为0.67；而27~57m3的发酵罐的α变为0.5。搅拌器的类型不同，α、β值的大小也不相同，对于α值，弯叶>平叶>箭叶；对 ),,,,,,,(g D W N d f K L s L a σρη=βαs w L W V P K K a )(=
发酵工艺控制
发酵工艺控制 2.1概述 一. 发酵体系的主要特征 1. 细胞内部结构和代谢反应的复杂性 2. 细胞所处环境的复杂性 3. 过程系统状态的时变性及参数的多样性和复杂性 影响因素多，有的因素未知，主要影响因素变化。 发酵水平主要取决于：生产菌种的特性；对工艺条件的控制（适合程度） 必须了解：菌体的生理代谢规律工艺条件对发酵过程的影响及其控制发酵过程的有关变化规律 常规发酵的工艺控制参数：温度、pH、搅拌转速与功率、空气流量、罐压、液位、补料速率及补料量等。 二. 发酵过程的参数检测 1.直接状态参数 指能直接反映发酵过程中微生物生理代谢状况的参数 包括：pH、DO、溶解CO2、尾气O2、尾气CO2 、黏度、基质和产物浓度、菌体浓度（OD、DCW、湿重）等 参数的检测 在线检测各种传感器：pH电极、DO电极、温度电极、液位电极、泡沫电极尾气分析仪：测尾气O2和CO2含量 离线检测分光光度计、pH 计、温度计、气相色谱（GC)、液相色谱（HPLC)、色质连用（GC-MS)等 2.间接状态参数 指利用直接状态参数计算求得的参数 包括：比生长速率μ、摄氧率OUR、CO2释放率CER、呼吸商RQ、氧的得率系数YX/O 、氧体积传质系数KLa、基质比消耗速率QS、产物比生成速率Qp等 综合各种状态参数，获得代谢过程的各种信息，从而对发酵过程做出相应的调整和控制，以获得最经济的发酵生产。 三. 发酵过程的代谢调控和优化 1. 代谢调控 以代谢（流）的调节最重要 调节酶的合成量，称为“粗调”调节酶的催化活性，称为“细调” 工艺控制和过程优化的实质，就是利用各种方法和手段，使细胞的外部和内部环境最适合基质和能量流向产物合成的生物途径，以获得最大的产量。 2. 发酵过程优化的一般步骤 确定反映发酵过程的各种理化参数及其检测方法 研究这些参数的变化对发酵过程的影响及其机制，获得最佳的范围和最适的水平 建立数学模型定量描述个参数间随时间的变化关系，为过程优化控制提供依据 通过计算机实施在线自动检测和控制，验证各种控制模型的可行性及其适用范围，实现发酵过程的最优控制 2.2基质浓度对发酵的影响及其控制 先进的培养基组成是充分支持高产、稳产和经济的发酵过程的关键因素之一。 一. 基质种类 一般包括：碳源、氮源和无机盐 前体
发酵工艺流程
发酵工艺流程标准化管理处编码[BBX968T-XBB8968-NNJ668-MM9N]
发酵工艺标准操作流程 (SOP) 一生产前准备 每次生产前按品种配方将所需原料称重准备齐全,并确认生产原料库存量,保证原料库存量足够下次生产所需. 二生产前检查 1检查蒸汽、压缩空气、冷却水进出的管路是否畅通,所有阀门是否良好,并关闭所有阀门. 2检查电路、控制柜、开关的状态,确保控制柜运行正常. 3检查空压机油表油表及轴承、三角带、气缸等是否正常,确保空压机运行正常. 4检查发酵罐搅拌减速机的油量及密封轴降温水是否正常. 三总过滤器灭菌 当蒸汽总管路上的压力为时,打开总过滤器进气阀输入蒸汽,同时打开出气阀的跑分阀、排气阀、排污阀,当三个阀均排出蒸汽时,调整进气阀、排污阀,稳定总过滤器压力此时打开压力表下跑分,计时灭菌小时.灭菌结束后启动空压机,当空气输入管道压力大于总过滤器压力时,关闭蒸汽阀,打开空气阀,将空气出入总过滤器,然后调整进气阀与排污阀,稳定总过滤器压力在保持通气在15-20小时,当出气阀跑分和排污阀放出的空气为干燥空气时,完成灭菌.
四分过滤器灭菌 1当蒸汽管路压力为时,打开蒸汽过滤器的进气阀和排污阀,当蒸汽管路中无蒸汽凝结液后,再将蒸汽输入空气管路,然后打开分过滤器的进气阀、排污阀及出气阀上的跑分,当所有阀门均有蒸汽排出后,调整进气与排污阀,是压力稳定在计时灭菌30-35分钟.灭菌结束后,关闭蒸汽过滤器进出气阀、排污阀,并立即将空气输入预过滤器,使空气通过预过滤器进入到分过滤器,再调整分过滤器排污阀使压力稳定在备用. 五发酵罐空消 (可与分过滤器灭菌同时进行) 空消前先将发酵罐去垢洗净,添加少量清水,然后密封进料口,将排气阀打开少许,同事将蒸汽引入盘管(或夹套)进行预热,待罐温升到80℃时(种子罐40℃即可),关闭盘管(或夹套)进气阀,再从出料口、进气口、取样口三路输入蒸汽,(蒸汽管路压力不低于当罐内温度达到125-130℃时,通过三路蒸气浴出气阀调整罐内压力,使其稳定在计时灭菌30-35分钟. 空消结束后,关闭所有进气阀并将排气阀开大,当罐内压力下降至0MPa后,打开进料口和排污阀,再将发酵罐进行一次冲洗. 六发酵罐实消 打开进水阀,按照生产要求放入所需水量,再根据生产品种按配方依次投入培养基原料,并同时打开搅拌,搅拌5-10分钟后取样,用氢氧化钠和浓盐酸调PH值之间,然后密封进料口将排气阀打开少许,同时打开盘管(或夹套)的进出气阀门输入蒸汽进行预热,等到罐内温度到达80℃以上后,关闭盘管(或夹套)进气阀门,并将排气阀关小,然后将蒸汽从进气口、出料口、取样口三路直接通入罐内,当罐内温度上升到121-125℃后,打开发酵罐体上与空气进气阀上的所有跑分,再通过调整三路进气与排气阀将罐内压力稳定在此时开始计时灭
发酵过程泡沫的形成与控制精品
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