金霉素泡沫的产生与控制.docx

金霉素发酵过程中的泡沫及其控制技术开发部一. 背景在整个金霉素发酵生产过程中,从培养基的灭菌到发酵结束,每一环节或多或少都会产生一些泡沫,这些泡沫会给发酵带来许多不利因素，如发酵罐的装料系数减少、氧传递系统减小等。泡沫过多时，影响更为严重，造成大量逃液，发酵液从排气管路或轴封逃出而增加染菌机会等，严重时通气搅拌也无法进行，菌体呼吸受到阻碍，导致代谢异常或菌体自溶。所以，控制泡沫乃是保证正常发酵的基本条件。本文从泡沫产生的机理来探究如何消除金霉素发酵过程中的泡沫。二. 泡沫产生机理与消除1.泡沫的类型一类存在于发酵液的液面上，这类泡沫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。例如在某些稀薄的前期发酵液或种子培养液中所见到的。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。这类泡沫与液体间没有明显的波面界限，发酵液中气体分散相占的比例由下而上地逐渐增加。2.发酵过程泡沫产生的原因 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。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。菌种生长慢的可以加大接种量 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。3.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。只有含有助泡的表面活性剂，才能形成稳定的泡沫。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：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；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”。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4.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。液体起泡后，表面自由能比无泡状态高得多。因此泡沫是热力学不稳定体系，终归会变成具有较小表面积的无泡状态。5.影响泡沫稳定性的因素泡沫的稳定性受液体、气体许多性质的影响。影响泡沫稳定性的主要因素有 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，寿命较长的的都是小泡。 溶液所含助泡物的类型助泡的表面活性剂，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缩的性质，这种性质比降低表面张力更重要。单一组分的纯净液体，液体没有弹性，所以纯净液体不会产生稳定的泡沫。 助泡剂浓度 溶液中助泡剂浓度增加，气液界面上的吸附量就增加，液膜弹性随之增加，泡沫稳定性增高，直至到达助泡物的临界胶束浓度为止。到达临界胶束浓度后，气液界面上的定向排列“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。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。液体粘度对泡沫稳定性的影响比表面张力的影响还要大。 其它 温度 表面张力最低值时的浓度随温度变化。 在最低表面张力时泡沫排液迅速，否则排液缓慢。 pH 影响助泡剂的溶解度和表层的吸附状态 表面电荷 离子型表面活性剂，水解后带电荷，泡沫的定向吸附层为双电层结构。由于离子间静电的排斥，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。 6.泡沫控制机械消泡罐内消泡：耙式消泡器、锯齿消泡器罐外消泡：涡轮消泡器、旋风离心式和叶轮式离心消泡器、碟片式消泡器和刮板式消泡器等。消泡剂消泡 （1）消泡剂的作用机理 a、消泡剂可使泡沫液局部表面张力降低，因而导致泡沫破灭 b、消泡剂能破坏膜弹性而导致气泡破灭 C、消泡剂能促使液膜排液，因而导致气泡破灭（2）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，使泡沫破灭的添加剂。如低级醇、天然油脂。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，在起泡液中分散较快的物质。这类消泡剂随着时间的延续，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的添加剂。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的难溶或不溶的液体 （3）对消泡剂的要求 a、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。b、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力。 C、与起泡液有一定程度的亲和性 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。 d、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，影响微生物的生长。 e、挥发性小，作用时间长 7.常用消泡剂的种类和性能 天然油脂 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，如豆油、菜油、鱼油等。但油脂如保藏不好，易变质，使酸值增高，对发酵有毒性。聚醚类消泡剂 GP型消泡剂：GP型的消泡剂亲水性差，在发泡介质中的溶解度小，所以宜使用在稀薄的发酵液中。抑泡能力较强。 GPE型消泡剂（泡敌）：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型消泡剂高碳醇 高碳醇是强疏水弱亲水的线型分子，在水体系里是有效的消泡剂。C7C9的醇是最有效的消泡剂。C12C22的高碳醇借助适当的乳化剂配制成粒度为49m，含量为2050%的水乳液，即是水体系的消泡剂。 硅酮类 最常用的是聚二甲基硅氧烷，也称二甲基硅油。它表面能低，表面张力也较低，在水及一般油中的溶解度低且活性高。三. 金霉素发酵中的泡沫金霉素生产全过程产生泡沫的阶段有 培养基灭菌阶段培养基中氮源如花生饼粉、黄豆饼粉、玉米浆等在高温消毒时会产生泡沫，这与氮源的种类、氮源中蛋白质的含量与种类有关。 培养前期发酵前期发酵液的物理性质发生大的变化（如PH快速升高），会生成一些难以消除的白色泡沫。 培养中期 发酵中期由于中间补料导致发酵液体积逐渐接近发酵罐的最大容积，这时通风和搅拌，会形成大量均匀分布在发酵液中的气泡，过多时会引起逃液。 后期可能的原因是发酵后期菌丝老化自溶，发酵液中的游离蛋白质含量增加，发酵液在通气情况下，容易产生泡沫，造成逃液。四. 金霉素发酵泡沫控制研究 针对消毒阶段的泡沫a. 以市面上的各种消泡剂为实验材料在10L罐试验，找出一种在消毒阶段抑泡效果最好的消泡剂。b. 以蛋白酶来水解氮源，选出适合的酶，适合的酶解程度 针对培养前期