发酵过程控制--发酵过程泡沫的形成与控制
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=2AσE——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。
发酵过程控制发酵过程泡沫的形成和控制
发酵过程控制发酵过程泡沫的形成和控制发酵过程中产生泡沫是由于发酵微生物产生的二氧化碳在液体中产生的气泡。
对于一些发酵工艺来说，泡沫的形成是正常的现象，但当泡沫过高时，会导致操作困难、影响发酵效果甚至引发事故。
因此，控制发酵过程中泡沫的形成和控制是非常重要的。
首先，我们来讨论一些常见的发酵过程中形成泡沫的原因。
发酵过程中产生的泡沫主要有以下几个原因：1.发酵微生物产生的二氧化碳气泡：在发酵过程中，微生物会通过代谢作用产生二氧化碳，这些气体会在液体中形成气泡。
2.搅拌：发酵过程中的搅拌会增加气体与液体的接触面积，从而促进气泡的形成。
3.添加剂：有些发酵过程中需要添加剂，如泡沫剂、表面活性剂等，这些添加剂会导致气泡的形成。
针对泡沫过高的情况，我们需要进行泡沫的控制。
以下是一些常见的泡沫控制方法：1.控制发酵微生物的种类和数量：选择合适的发酵微生物，使其不产生过多的二氧化碳气泡。
2.控制发酵温度：温度的控制对于发酵过程很重要，过高或过低的温度都会导致泡沫过高。
因此，要合理控制发酵过程中的温度。
3.控制搅拌的速度和时间：适当控制搅拌的速度和时间，避免过度搅拌，以减少气泡的形成。
4.添加抗泡剂：在发酵过程中添加抗泡剂，可以减少气泡的形成。
抗泡剂可以抑制气泡的集聚和稳定。
5.使用泡沫控制装置：在发酵过程中使用泡沫控制装置，如泡沫传感器和控制器，可以自动检测和控制泡沫的高度。
总之，控制发酵过程中泡沫的形成和控制是一项重要的工作。
通过合理选择发酵微生物、调节温度、控制搅拌速度和时间、添加抗泡剂以及使用泡沫控制装置等手段，可以有效地控制和管理发酵过程中的泡沫，确保发酵过程的顺利进行。
发酵工艺的泡沫控制需要结合具体的实际情况，进行合理的调整和控制，以满足生产过程的要求。
发酵过程的控制
温度提高，合成四环素的比例也提高，温度到达 35 ℃
时，金霉素的合成几乎停顿，只产生四环素。
4、温度还影响基质溶解度
在发酵液中的溶解度也影响菌对某些基质的分解
吸收。因此对发酵过程中的温度要严格控制。
五、最适温度的控制
1、根据菌种及生长阶段来选择 微生物种类不同，所具有的酶系及其性质不同，所要求
在发酵30h，一次性参加0.1%、0.2％、0.3％、0.4％的次黄嘌呤 对鸟苷产量的影响
第五节 菌体浓度与基质对发酵的影响
一、菌体浓度对发酵的影响 菌体浓度与菌体生长速率直接相关 菌体浓度的大小影响产物的得率 控制培养基中营养物质的含量来控制菌体浓
度
二、基质对发酵的影响及控制
1、碳源对发酵的影响及控制
容易实现自动控制 1、化学消泡机理 消泡剂外表张力低，使气泡膜局部的外表张力降低，
使得平衡受到破坏
2、消泡剂选择的依据及常用的消泡剂种类 〔1〕选用依据： ①外表活性剂 ②对气-液界面的散布系数必须足够大 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； ⑤在水中的溶解度较小 ⑥来源方便，本钱低
二、发酵热的测量及计算
发酵热的测定可采用以下几种方法：
①利用热交换原理，测量一定时间内冷却水的流量和冷 却水进出口温度，根据
Q发酵 = qvC〔t2 – t1〕/V；
qv为冷却水体积流量，L/h；C为水的比热容，kJ/kg ℃；V为发酵液体积，m3
②利用温度变化率：先使罐温恒定，再关闭自控装置，测量温度 随时间上升的速率，根据
异亮氨酸发酵
不同pH控制方式对目的突变株ISw330异亮氨酸摇 瓶发酵的影响，结果如下图。 “1〞表示只加CaC03 控制pH值，“2〞表示只加尿素控制，“3〞表示 CaC03和尿素联合控制pH值。
发酵过程控制
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2）发酵过程中pH的变化规律 ）发酵过程中 的变化规律
生长阶段： 相对于起始 相对于起始pH有上升或下降的 生长阶段：pH相对于起始 有上升或下降的 趋势 生产阶段：pH趋于稳定，维持在最适于产物合 趋于稳定， 生产阶段： 趋于稳定 成的范围 自溶阶段： 又上升 自溶阶段：pH又上升
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(一)温度对发酵的影响及其控制 一 温度对发酵的影响及其控制
1. 影响发酵温度的因素 2. 温度对微生物生长的影响 3. 温度对产物合成的影响 4. 最适温度的选择与控制
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(1)发酵热 发酵热
发酵过程中所产生的热量，叫做发酵热 发酵过程中所产生的热量，叫做发酵热。 Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射
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1. 过程控制的重要性
生物因素： 菌株特性(营养要求 生长速率、 营养要求、 决定发酵 生物因素： 菌株特性 营养要求、生长速率、 呼吸强度、产物合成速率) 呼吸强度、产物合成速率 单位(水平 水平) 单位 水平 设备性能： 的因素 外部环境因素 设备性能：传递性能 物理： 工艺条件 物理：n、T、 化学：pH、DO、浓度 化学 浓度 过程控制的意义：最佳工艺条件的优选（ 过程控制的意义：最佳工艺条件的优选（即最佳工艺参数 的确定） 的确定）以及在发酵过程中通过过程调节达到最适水平的 控制。 控制。
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4. 最适温度的选择与控制
最适温度的选择还要参考其它发酵条件灵活掌握 通气条件较差情况下， 通气条件较差情况下，最适发酵温度可能比正 常良好通气条件下低一些。 常良好通气条件下低一些。 培养基成分和浓度的影响
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4. 最适温度的选择与控制
发酵工艺控制
发酵工艺控制—— pH对发酵的影响及控制发酵过程中培养液的pH值是微生物在一定环境条件下代谢活动的综合指标，是一项重要的发酵参数。
它对菌体的生长和产品的积累有很大的影响。
因此，必须掌握发酵过程中pH的变化规律，及时监测并加以控制，使它处于最佳的状态。
尽管多数微生物能在3～4个pH单位的pH范围内生长，但是在发酵工艺中，为了达到高生长速率和最佳产物形成，必须使pH在很窄的范围内保持恒定。
一、PH对发酵的影响微生物生长和生物合成都有其最适和能够耐受的pH范围，大多数细菌生长的最适pH范围在6.3～7.5，霉菌和酵母生长的最适pH范围在3～6，放线菌生长的最适pH范围在7～8。
有的微生物生长繁殖阶段的最适pH范围与产物形成阶段的最适pH范围是一致的，但也有许多是不一致的。
表7-1列举了几种生长最适pH范围与产物形成最适pH范围不一致的例子。
pH还会影响菌体的形态。
例如，产黄青霉细胞壁的厚度随pH的增加而减小；当pH低于6时，菌丝的长度缩短，直径为2～3μm，当pH=7或>7时，直径为2～18μm，酵母状膨胀菌丝的数目增加。
pH下降后，菌丝形态又恢复正常。
pH还影响细胞膜的电荷状态，引起膜的渗透性发生改变，进而影响菌体对营养物质的吸收和代谢产物的形成。
对产物的稳定性同样有影响。
除此之外，pH对某些生物合成途径有显著影响。
例如，丙酮丁醇发酵中，细菌增殖的pH范围是5.5～7.0为好，发酵后期pH=4.3～5.3时积累丙酮丁醇，pH升高则丙酮丁醇产量减少，而丁酸、乙酸含量增加。
又如，黑曲霉在pH=2～3时产生柠檬酸，pH近中性时，积累草酸和葡萄糖酸。
谷氨酸发酵中，pH=7或微碱时形成谷氨酸，pH酸性时产生N—乙酰谷酰胺。
从以上看出，为要更有效地控制生产过程，必须充分了解微生物生长和产物形成的最适pH范围。
二、影响发酵pH的因素发酵过程中，pH的变化是微生物在发酵过程中代谢活动的综合反映，其变化的根源取决于培养基的成分和微生物的代谢特性。
发酵工艺控制
发酵工艺控制概述一. 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。
微生物工程第5章发酵过程及控制
（三）、pH在发酵过程中的变化规律
在发酵前期，菌体生长缓慢，糖分解的少， 铵离子利用的也少，所以pH变化缓慢。
随菌的生长，菌分解了含氮有机物，释放出 铵，培养基的pH会缓慢上升。
当菌转入对数生长期，由于菌体大量繁殖， 大量利用糖和铵离子，培养基的pH逐渐下降。
在生长后期，由于菌体自溶，释放出铵，pH 又回升。
二、发酵过程中的代谢变化及规律
与代谢有关的参数： 1、物理参数 ⑴、温度 ⑵、罐压 ⑶、搅拌速度 ⑷、空气流量 ⑸、表观粘度 ⑹、发酵液重量
与代谢有关的参数： 2、化学参数 ⑴、基质浓度 ⑵、pH ⑶、产物浓度 ⑷、DNA量 ⑸、关键酶 ⑹、溶解氧 ⑺、排气中的氧含量 ⑻、排气中的CO2含量
与代谢有关的参数： 3、生物参数 ⑴、菌丝形态 ⑵、菌丝干重或湿重 ⑶、菌体比生长速率 ⑷、氧的比消耗速率 ⑸、糖的比消耗速率 ⑹、氮的比消耗速率 ⑺、产物的比生产速率
一、种子制备工艺及质量控制
菌种是发酵的关键，从一个保存的菌 种，到生产上使用的种子，如果按几 十～几百吨的发酵规模，10％的种子量 （接种量）计，需要几吨～几十吨的种 子。
（一）、作为种子的要求： 1、细胞的生活力强，移种至发酵罐后能迅速生长 2、菌体总量及浓度能满足大容量发酵罐的要求 3、无杂菌污染 4、生理形状稳定、保持稳定的生产能力
• 泡沫的控制除了添加消泡剂外，改进培养基成分 也是相辅相成的一个重要方面。
化学消泡剂应具备以下特点：
• 必须是表面活性剂，具有较低的表面张力，消泡 作用迅速有效；
• 具有一定的亲水性，使消泡剂对气－液界面的分 散系数足够大，从而迅速发挥消泡活性；
• 在水中的溶解度必须小，以保持持久地消泡或抑 泡性能；
缓慢利用的氮源物质：有利于延长产物的合 成期。
第五章 发酵过程及控制
（二）pH对发酵的影响
1、实例 例 pH对林可霉素发酵的影响 林可霉素发酵开始，葡萄糖转化为有机酸类中间产物，发酵液 pH下降，待有机酸被生产菌利用，pH上升。若不及时补糖、
(NH4)2SO4或酸，发酵液pH可迅速升到8.0以上，阻碍或抑制某些
酶系，使林可霉素增长缓慢，甚至停止。对照罐发酵66小时pH 达7.93，以后维持在8.0以上至115小时，菌丝浓度降低，NH2-N 升高，发酵不再继续。 发酵15小时左右，pH值可以从消后的6.5左右下降到5.3，调节这 一段的pH值至7.0左右，以后自控pH，可提高发酵单位。
4，最适温度的确定 最适温度是一种相对概念，是指在该温度下最 适于菌的生长或发酵产物的生成。 最适发酵温度与菌种，培养基成分，培养条件 和菌体生长阶段有关。 最适发酵温度的选择
– 在发酵的整个周期内仅选一个最适培养温度不一 定好。 – 温度的选择要参考其它发酵条件。 – 温度的选择还应考虑培养基成分和浓度
一、分批发酵
1、分批发酵的定义
• 是指在一封闭系统内含有初始限量基质的
发酵方式。在这一过程中，除了氧气、消
泡剂及控制pH的酸或碱外，不再加入任何 其它物质。发酵过程中培养基成分减少， 微生物得到繁殖。
2、分批发酵的特点
• 其物理，化学和生物参数都随时间
而变化，是一个不稳定的过程。
微生物受高温的伤害比低温的伤害大，即
超过最高温度，微生物很快死亡；低于最
低温度，微生物代谢受到很大抑制，并不
马上死亡。这就是菌种保藏的原理。
3，温度对发酵的影响
• 影响各种酶的反应速率和蛋白质性质 • 影响发酵液的物理性质 • 影响生物合成的方向。
– 例如，四环素发酵中金色链霉菌同时能产生金霉素。 在低于30℃温度下，该菌种合成金霉素能力较强。 当温度提高，合成四环素的比例也提高。在温度达 35℃则只产生四环素而金霉素合成几乎停止。
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气球膜有收缩力，所以气球中压力大于气球外的压力； 同样气泡膜有表面张力，气泡中压力大于气泡外的压力。 气泡大小的再分布，就是由气泡膜内气体的压力变化引 起的。气泡中气体压力的大小，依赖气泡膜的曲率半径。
由定量观点看，气泡内外压差：
7.4 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：
1.一般来说： 泡沫是气体在液体中的粗分散体，属于气液非均相体系。
2.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
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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”。
定向吸附层
胶束
1.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。 2.表面活性剂浓度高于临界胶束浓度时出现第二种情况。
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。
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。
3、泡沫体系的三阶段变化
即使外观看来平静、比较稳定的泡沫体系，泡沫液也 在不断地下落、蒸发，不断进行着下述三阶段的变化。
2、含助泡剂
在未加助泡剂，但并不纯净的水中产生的泡沫，其寿命在0.5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。
△P=
整个气泡的表面张力 气泡的体积 *
校正系数K
如果起泡膜很薄，内外表面积近似相等，则：
（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.
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
亲水基 疏水基
如图所示，表面活性剂是由疏水基与亲水基构成的化合 物，在水中，表面活性剂的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：
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(从非放料管道中排出的部分发酵液)， 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。
1、气液接触
因为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。
气液接触大致有以下两类情况： （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。
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:
1）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；
（2）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 开搅拌。
（3）菌种、种子质量和接种量
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。
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。
2、泡沫是热力学不稳定体系
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。
（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。
2）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；
3）泡沫产生速度高于泡沫破灭速度，泡沫量将不断增加。
4、发酵过程泡沫产生的原因
（1）通气搅拌的强烈程度
通气大、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。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。