控制泡沫产生的原因

泡沫是气体被分散在少量液体中的胶体体系。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，泡沫间隔着一层液膜而被彼此分开不相连通。

在深层液体发酵过程中，发酵液中产生一定的泡沫是正常现象。但是，若泡沫过多，会给发酵带来不同程度的影响，主要表现在：①降低了发酵罐的装料系数（发酵罐实际装量与总容量之比）；②氧传递系数减少；③泡沫升至罐顶有可能从轴封处渗出，增加了污染的机会；④泡沫从排气管外逸，导致发酵液和产物的损失；⑤部分菌丝黏附在罐盖上而失去作用；⑥影响通气和搅拌。

（一）泡沫形成的因素

发酵过程一般存在两种类型的泡沫：一类存在于发酵液的液面上，泡沫与液体主流存在于一个明显的界面，易破碎，泡沫体积较大。这种泡沫通常产生于发酵前期的发酵液或种子培养液中，如图8-27所示。另一种泡沫是出现在黏稠的菌丝发酵液当中，有人称之为流态泡沫。这种泡沫分散很细，且很均匀，较稳定，很难清除。影响发酵过程中泡沫产生的因素主要有以下几个方面。

图8-27 发酵过程产生的泡沫

1. 通风量、搅拌转速

通风量越大，泡沫越多；搅拌转速越大，泡沫越多。

2. 培养基性质

基质中的有机氮源是起泡的主要因素，如蛋白胨、玉米浆、黄豆粉、酵母粉等是主要的发泡剂。还有一些对泡沫起稳定作用的物质，如葡萄糖起泡性较差，但它可以增加发酵液的黏度，稳定泡沫的存在。

3. 灭菌操作

灭菌过程中，灭菌的强度越大，其发酵液中的泡沫越多。这可能是由于灭菌的过程中，高温使得培养基中的糖、氨基酸形成了大量的类黑精，或者是形成了5-羟甲基糠醛。

4. 菌体生长代谢

通常在发酵初期，由于培养基中的大量的发泡物质的存在，使得泡沫较多，但这时的泡沫大，易破碎。随着菌体的大量的增殖，以及大量的发泡物质被消耗，发酵过程中有一段时间泡沫很少。当菌体进入对数生长期后，由于菌体呼吸强度的增加，泡沫越来越多。当菌体进入产物合成期后，发酵液的泡沫仍然继续增加，这主要是由于菌体合成的产物增加了发酵液的黏度。发酵后期，由于大量的菌体的死亡以及死亡菌体细胞的菌体自溶，使得发酵液中的大分子蛋白质浓度增加，泡沫更为严重。当发酵感染杂菌和噬菌体时，泡沫异常多。

（二）泡沫的控制

泡沫控制可以通过调整培养基中的成分（如少加或缓加易起泡的原材料）或改变某些物理化学参数（如pH、温度、通气和搅拌）或者改变发酵工艺（如采用分次投料）来控制，以减少泡沫形成的机会，但这些方法的效果有一定的限度。还可以采用菌种选育的方法，筛选不产生流态泡沫的菌种，来消除起泡的内在因素，如杂交选育不产流态泡沫的土霉素生产菌株。对于已形成的泡沫，工业上可采用化学消泡剂消泡和机械消泡或两者同时使用消泡。(www.xing528.com)

1. 化学消泡

所谓化学消泡，就是指向发酵液中流加一定量的消泡剂，利用其特殊性质消除泡沫的方法。发酵工业常用的消泡剂主要有天然油脂类、聚醚类、高级醇类（或酯类）及硅酮类（聚硅油）等4类，以天然油脂类和聚醚类最为常用。

（1）天然油脂类 早在20世纪50、60年代广泛使用，主要有玉米油、豆油、棉籽油、花生油等。其优点是价格便宜，来源较广泛，在中间加入后可以作为微生物的碳源使用。其缺点是不能够一次性加入过多，否则，各种油脂会被脂肪酶分解成各种脂肪酸，造成发酵液pH下降。另外，油脂易氧化，可能会对微生物的生长和代谢带来抑制作用。

（2）聚醚类 生产上应用较多的是聚氧乙烯氧丙烯甘油，又称为泡敌（GPE），其使用量在0.3%～0.35%，消泡能力为天然油脂的10倍以上。尽管消泡剂的种类很多，但是，目前大都是使用泡敌为消泡剂。

（3）高级醇类和酯类 高级醇类中的十八醇是常用的一种，可单独或与其他载体一起使用，它与冷榨猪油一起能有效控制青霉素发酵的泡沫。另外，聚乙二醇具有消泡效果持久的特点，尤其适用于霉菌发酵。苯乙醇油酸酯、苯乙酸月桂醇酯等在青霉素发酵中也具有消泡作用。

（4）硅酮类 主要是聚甲基硅氧烷及其衍生物，为无色液体，不溶于水。最常用的是聚二甲基硅氧烷，也称二甲基硅油。试验表明，硅酮类比较适合微碱性的细菌、放线菌的发酵中的消泡，对于发酵液pH为5左右的霉菌类发酵，其消泡能力很差。

不同种类的消泡剂对不同菌种的发酵影响是不同的。对于特定的菌种和培养基，应该根据其培养基的性质和菌体代谢特点，研究出一种特定的消泡剂。消泡剂选择是一个比较重要的任务，选择一个良好的消泡剂，既可以有效消除泡沫，又可以降低原材料成本。一般说来，消泡剂在发酵生产中的成本还是要考虑的。

发酵工业生产中，首先在发酵培养基中加入一定量的消泡剂，和培养基一同灭菌，具有一定的抑泡作用。在发酵过程中根据需要定时流加消泡剂，作为中间流加的消泡剂，通常按一定的浓度 [消泡剂∶水=1∶（2～3）] 配制，经灭菌、冷却，贮存于消泡剂罐中，用无菌空气保压待用。消泡时，为避免流加量过大，通常先将消泡剂压到发酵罐顶一个小计量罐内，然后适量流加，具体如图8-28所示。在消泡剂罐和发酵罐之间的管道上安装电磁流量计可不用计量罐，如果进一步安装有自控装置，便可实现自动流加。

图8-28 消泡剂流加示意图

2. 机械消泡

机械消泡是靠机械强烈振动和压力的变化，促使气泡破裂，或借助于机械力将排出气体中的液体加以分离回收，从而达到消泡的作用。机械消泡的方法有罐内消泡和罐外消泡两种，即在发酵罐内将泡沫消除或将泡沫引出发酵罐外，消除后再将液体返回发酵罐内等两种。

机械消泡的优点是无需在发酵液中加入其他物质，减少了由于加入消泡剂所引起染菌的机会和对后续分离工艺的影响。但是机械消泡的效果不如化学消泡迅速、可靠，不能从根本上消除引起稳定泡沫的因素，同时它还需要一定的设备和消耗一定的动力。

化学消泡或机械消泡都是一种被动的泡沫消除方式。机械消泡无论是从发酵产品的质量上，还是从其使用方法上，以及对发酵过程中微生物代谢的影响上，都要比化学消泡优越。国外，以机械消泡为主，辅以化学消泡。国内，目前以化学消泡为主，辅以机械消泡。国内也有机械消泡装置安装在发酵罐内，但是由于国内的生物反应器的结构不同于国外，只不过是在搅拌轴上安装有一个消泡桨，其作用是非常有限的。