《发酵消泡》PPT课件.ppt

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1、第四章第四章 发酵过程控制发酵过程控制第五节第五节 发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制第五节第五节 发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制一、泡沫形成的基本理论一、泡沫形成的基本理论泡沫的定义：一般来说：泡沫的定义：一般来说：泡沫是气体在液体中的泡沫是气体在液体中的粗分散体，属于气液非均相体系粗分散体，属于气液非均相体系美国道康宁公司对泡沫这样定义：美国道康宁公司对泡沫这样定义：体积密度接近体积密度接近气体，而不接近液体的气体，而不接近液体的“气气/液液”分散体。分散体。发酵过程起泡的利弊：气体分散、增加气液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

2、有害的接触面积，但过多的泡沫是有害的发酵过程控制发酵过程控制湖北工业大学生物工程学院http:/ 泡沫的形成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：开彼此不连通，泡沫形成的必要条件是：1)气、液二相共存气、液二相共存2)有表面活性物有表面活性物（表面张力大的物质）存在，（表面张力大的物质）存在，单组份纯液体一般不形成泡沫单组份纯液体一般不形成泡沫湖北工业大学生物工程学院http:/ 纯水时形成的泡沫很快被破

3、灭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要使体系稳定，体系中必须增加一种稳定剂.培培养养基基的的物物理理化化学学性性质质对对泡泡沫沫形形成成的的表表面面现现象象起起决决定定性性的的作作用用。当当气气体体通通过过纯纯水水(水水的的表表面面张张力力为为0.072Nm-1)的的气气液液相相的的界界面面时时，平平衡衡发发生生改改变变，气气泡泡只只能能维维持持几几分分之之一一秒秒，其其稳稳定定性性等等于于零零，这这是是由由于于能能学学上上的的不不稳稳定性和围绕气泡的液膜强度很低所致。定性和围绕气泡的液膜强度很低所致。湖北工业大学生物工程学院http:/ 1、气液接触、气液接触

4、 产生泡沫的首要条件是气体和液体发生接触。只产生泡沫的首要条件是气体和液体发生接触。只有气体与液体连续、充分地接触才会产生过量的有气体与液体连续、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：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）气体从外部进入液体，如搅拌液体时混入气体体（2）气体从液体内部产生。气体从液体内部产生）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。时，形成的泡沫一般气泡较小、较稳定。发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制湖北工业大学生物工程学院http:/ 2、含

5、助泡剂、含助泡剂摇荡纯溶剂不起泡，如蒸馏水，只有摇荡某种溶液摇荡纯溶剂不起泡，如蒸馏水，只有摇荡某种溶液才会起泡。才会起泡。在纯净的气体、纯净的液体之外，必须存在第三种在纯净的气体、纯净的液体之外，必须存在第三种物质，才能产生气泡。物质，才能产生气泡。发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制湖北工业大学生物工程学院http:/ 3、起泡速度高于破泡速度、起泡速度高于破泡速度高起泡的液体，产生的泡沫不一定稳定。体系的起高起泡的液体，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泡程度是起泡难易和泡沫稳定性两个因素的综合效果。果。泡沫产

6、生速度小于泡沫破灭速度，则泡沫不断减少，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；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；持在某一平衡状态；泡沫产生速度高于泡沫破灭速度，泡沫量将不断增泡沫产生速度高于泡沫破灭速度，泡沫量将不断增加。加。发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制湖北工业大学生物工程学院http:/ 4、发酵过程泡沫产生的原因、发酵过程泡沫产生的原因（1）通气搅拌的强烈程度）通气搅拌的强烈程度通气大、搅拌强烈可使泡沫增多，因此在发酵通气大、搅拌

7、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。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。搅拌转速也如此。也可在基础料中加入消泡剂。发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制湖北工业大学生物工程学院http:/ rpm，通气，通气，泡沫生成量为培养基的泡沫生成量为培养基的2倍。如培养基适当稀一倍。如培养基适当稀一些，接种量大一些，生长速度快些，前期就容易些，接种量大一些，生长速度快些，前期就容易开搅拌。开搅拌。发酵过程控

8、制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制湖北工业大学生物工程学院http:/ 1、降低生产能力、降低生产能力在发酵罐中，为了容纳泡沫，防止溢出而降在发酵罐中，为了容纳泡沫，防止溢出而降低装量低装量2 2、引起原料浪费、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。会引起原料流失，造成浪费。发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制湖北工业大学生物工程学院http:/ 3、影响菌的呼吸、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，如果气泡稳定，不破碎，那么

9、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。行交换，这样就影响了菌的呼吸。4 4、引起染菌、引起染菌由于泡沫增多而引起逃液，于是在排气管中粘上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。处落下的泡沫往往引起杂菌污染。发酵过程控制发酵

10、过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制湖北工业大学生物工程学院http:/ 1、气泡间液膜的性质、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，所以应当首先研究稳定的泡沫，所以应当首先研究表面活性剂表面活性剂与液膜的关系与液膜的关系发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制湖北工业大学生物工程学院http:/ 疏水基疏水基如图所示，表面

11、活性剂是由疏水基与亲水基构如图所示，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，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：停留时间比较长：发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制湖北工业大学生物工程学院http:/ 表面活性剂的亲水基留在水相，疏水表面活性剂的亲水基留在水相，疏水基伸到气相中，形成定向吸附层基伸到气相中，形成定向吸附层第二种情况第二种情况 表面活性剂的疏水基在水相中互相靠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

12、接触，形成在一起，减少疏水基与水的接触，形成“胶束胶束”。胶束胶束定向吸附层定向吸附层发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制湖北工业大学生物工程学院http:/ 培养液中的玉米浆、皂苷、糖蜜中所含的蛋白质，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。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。分子带极性的亲水基团和疏水基团。分子带极性的端向着水溶液，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，而非极性一端向着

13、空气，并力图在表面作定向排列，增加了泡沫的机械强度。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。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。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。对泡沫的稳定性也有一定的影响。湖北工业大学生物工程学院http:/

14、3、泡沫体系的三阶段变化、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液也在不断地下落、蒸发，不断进行着下述三阶段的变化的变化(1)气泡大小分布的变化气泡大小分布的变化 气泡大小的再分布，就是由气泡膜内气体的压力变气泡大小的再分布，就是由气泡膜内气体的压力变化引起的。化引起的。小气泡变小，大气泡变大，小泡完全并小气泡变小，大气泡变大，小泡完全并入大泡，结果气泡数目减少。入大泡，结果气泡数目减少。发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制湖北工业大学生物工程学

15、院http:/ 1、泡径大小、泡径大小大泡易于破灭，寿命较长的的都是小泡。泡越小，合大泡易于破灭，寿命较长的的都是小泡。泡越小，合并成大气泡的历程就越长，而且小气泡的泡膜中所含并成大气泡的历程就越长，而且小气泡的泡膜中所含液量相对比较大，增加了稳定性。液量相对比较大，增加了稳定性。发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制湖北工业大学生物工程学院http:/ 2、溶液所含助泡物的类型和浓度、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 降低表面张力会降低相邻气泡间的压差。压差小，小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

16、，泡沫的稳定性就好。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）增加泡沫弹性 助泡的表面活性剂，吸附在气液界面上，使表面层的助泡的表面活性剂，吸附在气液界面上，使表面层的组分与液相组分产生差别，因而使泡沫液具有可以伸组分与液相组分产生差别，因而使泡沫液具有可以伸缩的称为缩的称为“吉布斯弹性吉布斯弹性”的性质，对于泡沫稳定性来的性质，对于泡沫稳定性来说表面活性剂使液膜具有说表面活性剂使液膜具有“吉布斯弹性吉布斯弹性”比降低表面比降低表面张力更重要。张力更重要。P=发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制湖北工业大学生物工程学院http:/ 高高H

17、LB的表面活性剂，亲水性强，易于使吸附层的表面活性剂，亲水性强，易于使吸附层之间的水随着迁移，是稳泡剂；低之间的水随着迁移，是稳泡剂；低HLB值的表面活性值的表面活性剂，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。往是消泡剂。亲水性弱的低亲水性弱的低HLB值的表面活性剂取代了亲水性值的表面活性剂取代了亲水性强的高强的高HLB值的表面活性剂，能使泡膜吸附层之间的值的表面活性剂，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，起到消泡作水不随吸附层迁移，从而促进泡膜排液，起到消泡作用用发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制

18、发酵过程泡沫的形成与控制湖北工业大学生物工程学院http:/ 2、破泡剂与抑泡剂的区别、破泡剂与抑泡剂的区别（1）消泡剂可分为破泡剂和抑泡剂）消泡剂可分为破泡剂和抑泡剂 破泡剂是加到已形成的泡沫中，使泡沫破灭的添加破泡剂是加到已形成的泡沫中，使泡沫破灭的添加剂。如低级醇、天然油脂。剂。如低级醇、天然油脂。一般来说，破泡剂都是其一般来说，破泡剂都是其分子的亲液端与起泡液亲和性较强，在起泡液中分散分子的亲液端与起泡液亲和性较强，在起泡液中分散较快的物质。较快的物质。抑泡剂是发泡前预先添加而阻止发泡的添加剂。聚抑泡剂是发泡前预先添加而阻止发泡的添加剂。聚醚及有机硅等属于抑泡剂。醚及有机硅等属于抑泡剂

19、。一般是分子与气泡液亲和一般是分子与气泡液亲和性很弱的难溶或不溶的液体性很弱的难溶或不溶的液体 发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制湖北工业大学生物工程学院http:/ 3、对消泡剂的要求、对消泡剂的要求（1）在起泡液中不溶或难溶）在起泡液中不溶或难溶只有不溶或难溶才易于达到过饱和状态。不溶或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。膜上，才能在较低浓度下发挥作用。用于水体系用于水体系的消泡剂，活性成分的分子，须为强疏水弱亲水，的消泡剂，活性

20、成分的分子，须为强疏水弱亲水，HLB值在值在1.53范围，作用才最好。范围，作用才最好。发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制湖北工业大学生物工程学院http:/ 只有消泡剂分子间作用力小，表面张力低于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起泡液，消泡剂微粒才能够在泡膜上浸入及扩展。值得注意的是，起泡液的表面张力并扩展。值得注意的是，起泡液的表面张力并非溶液的表面张力，而是助泡溶液的表面张非溶液的表面张力，而是助泡溶液的表面张力。力。发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制湖北工业大学生

21、物工程学院http:/ 由于消泡过程实际上是泡沫崩溃速度与泡沫生由于消泡过程实际上是泡沫崩溃速度与泡沫生成速度的竞争，所以消泡剂必须能在起泡液中成速度的竞争，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的范围快速分散，以便迅速在起泡液中较广泛的范围内发挥作用。要使消泡剂扩散较快，消泡剂活内发挥作用。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的亲和性。消性成分须与起泡液具有一定程度的亲和性。消泡剂活性成分与起泡液过亲，会溶解；过疏又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。难于分散。只有亲疏适宜，效力才会好。发酵过程控制发酵过程控制

22、v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制湖北工业大学生物工程学院http:/ 4、常用消泡剂的种类和性能、常用消泡剂的种类和性能（1）天然油脂）天然油脂天然油脂是最早用的消泡剂，它来源容易，价格低，天然油脂是最早用的消泡剂，它来源容易，价格低，使用简单，一般来说没有明显副作用，使用简单，一般来说没有明显副作用，如豆油、菜如豆油、菜油、鱼油等油、鱼油等。油脂主要成分是高级脂肪酸酯和高级。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，不好，易变质，使酸值增高，对发酵有毒

23、性。此外，有些油是发酵产物的前体，如豆油是红霉素的前体，有些油是发酵产物的前体，如豆油是红霉素的前体，鱼油是螺旋霉素的前体。近年来出于对环境保护的鱼油是螺旋霉素的前体。近年来出于对环境保护的重视，天然产物消泡剂的地位又有些提高，而且还重视，天然产物消泡剂的地位又有些提高，而且还在研究新的天然消泡剂在研究新的天然消泡剂 发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制湖北工业大学生物工程学院http:/ 有一种新的聚醚类消泡剂，在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

24、亲水链的嵌段共聚物。这种结构疏水链，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，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。消泡效率高。发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制湖北工业大学生物工程学院http:/ 结结泡泡沫沫形形成成原原因因气液接触气液接触 气体从外部进入气体从外部进入 气体从内部产生气体从内部产生含助泡剂含助泡剂起泡速度高于破泡速度起泡速度高于破泡速度发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制湖北工业大学生物工程学院http:/ 泡沫是热力学不稳定体系

25、泡沫是热力学不稳定体系发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制湖北工业大学生物工程学院http:/ 等等发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制湖北工业大学生物工程学院http:/ 泡沫对发酵有哪些有益之处，哪些有害之处？泡沫对发酵有哪些有益之处，哪些有害之处？7.28 发酵中泡沫形成的原因是什么？发酵中泡沫形成的原因是什么？7.29 没有外界作用力泡沫是否稳定？在什么条件下没有外界作用力泡沫是否稳定？在什么条件下泡沫会稳定？泡沫会稳定？7.30 罗氏假说对泡沫稳定的条件作了如何假释？罗氏假说对泡沫稳定的条件作了如何假释？7.31 植物油的消泡机理是什么？植物油的消泡机理是什么？7.32 对消泡剂有哪些要求？对消泡剂有哪些要求？7.33 常用的消泡剂有哪几类？常用的消泡剂有哪几类？7.34 对于黏稠的发酵液应选怎样的消泡剂，对于较对于黏稠的发酵液应选怎样的消泡剂，对于较稀的发酵液应选怎样的消泡剂？稀的发酵液应选怎样的消泡剂？发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制湖北工业大学生物工程学院http:/