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第三节泡沫的消除 一 泡沫对发酵的影响 在谷氨酸发酵中 由于通气和搅拌 产生少量泡沫是空气溶解于发酵液中的结果 因此 发酵过程产生少量泡沫是正常的 但是泡沫过多就会影响发酵的正常进行 泡沫过多的影响引起发酵液大量溢出 造成浪费和污染泡沫上升到罐顶 可能从轴封渗漏 造成杂菌污染降低了发酵罐的装填系数 降低了设备利用率影响氧的传递 影响通气搅拌效果代谢气体不能及时排出 影响菌体的正常呼吸作用 二 泡沫的形成和性质 泡沫是气体分散在少量液体中的胶体体系 是由许多气泡堆积在一起而形成的 泡沫形成的必要条件 气 液两相共存 有能降低液体表面张力的物质存在 发酵液中的泡沫 分散相 无菌空气 CO2连续相 发酵液 按发酵液性质的不同 一般有两种泡沫 表面泡沫所占比例大 密集 含有许多被液膜隔开的单个气泡 其形状是多面体的 泡沫与它下面的液体之间有能分辨的界限 内部泡沫分散很细且均匀 较稳定 球形 无明显的液面界限 Gibbs方程 G A式中 G 自由能变化 J 液体的表面张力 N cm 是一种沿着液体表面并与表面平衡的 力图使表面缩小的力 各种物质由于他们分子间的相互作用力不同 表面张力就不同 A 表面积从上式可以看出 当液体表面积增加时 表面能也增加 而体系总是趋于向能量最小的方向移动 表明表面能增加就会使体系不稳定 泡沫就是这样一种不稳定体系 要使泡沫稳定 就要加入一种稳定剂 起泡剂来降低表面张力 泡沫的稳定性 主要与液体的性质 如表面张力 表面黏度和泡沫机械强度等有关 凡是能降低液体表面张力的物质叫做表面活性物质 液体表面张力降低就增加了泡沫的稳定性 表面活性剂在气泡周围形成坚固的保护膜 增强了泡沫的机械强度 泡沫的稳定性很大程度上还取决于液体的黏度 此外 泡沫的表面积 温度 pH 溶液浓度等对泡沫的稳定性均有影响 对于纯液体来说 水的表面张力在常见液体中是最大的 20度下 水的表面张力为72 75mN m 而烷烃的表面张力较小 如正辛烷在20度下表面张力为21 80mN m 表面活性是两亲分子 亲水基是极性基团 亲油基就是碳氢链 表面活性剂溶于水后 由于亲油部分希望脱离水 故在表面富集 称为表面吸附 亲水基插在水中 亲油基竖在水面 等于将水的表面变成了亲油基紧密排列的表面 这种表面相当于烷烃的表面 表面张力降低 三 发酵过程泡沫形成的规律 泡沫的多少 一方面与搅拌 通气有关 另一方面与培养基性质有关 蛋白质原料 如蛋白胨 玉米浆 黄豆粉 酵母粉等是主要发泡剂 浓度较高的糖类能增加培养基的黏度 使泡沫稳定 糊精含量多能引起泡沫的形成 培养基灭菌方法和操作条件会影响培养基成分的变化而影响泡沫的生成 细菌本身也有稳定泡沫的作用 四 泡沫的消除 消泡的方法物理方法消泡机械消泡化学消泡剂消泡 1 物理方法消泡 定义 是利用改变温度等方法 使泡沫黏度或弹性降低 从而使泡沫破裂 2 机械消泡 定义 是借助机械力将泡沫打破 或借助压力变化使泡沫破裂 消泡器 耙式 离心式 刮板式 碟片式等 优点 无需在发酵液中加入其他物质 节省原料 减少加入消泡剂所引起的污染机会 缺点 不能从根本上消除引起泡沫稳定的因素 消泡效果不如化学消泡剂迅速可靠 需要一定的设备和消耗动力 3 化学消泡剂消泡 定义 是在发酵液中加入一种消泡剂以消除起泡因素 优点 消泡效果好 作用快 尤其是合成消泡剂效率高 用量少 缺点 需要消泡剂 如果选择不当会影响菌体生长或代谢产物的生成 操作上增加染菌机会 若添加过量会影响氧的传递 从而影响菌体代谢 如用植物油由于生物素含量多 用量多会影响谷氨酸的生成 消泡机理 消泡剂选用原则 7个方面 必须是表面活性剂 具有较低的表面张力 增加泡沫的稳定性 有一定的亲水性 水中溶解度小 无毒 对菌体生长代谢无影响 不影响产物提取和质量 不干扰溶氧 良好的热稳定性 来源方便 价格便宜 发酵工业常用的消泡剂主要类型 天然油脂类 高碳醇 脂肪酸和脂类 醚类 硅酮类 目前 味精厂普遍采用BAPE 聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚 或PPE 聚氧乙烯聚氧丙烯季戊四醇醚 作为消泡剂 BAPE PPE属非离子型表面活性剂 消泡能力强 用量少 毒性低 使用方便 消泡剂的使用方法 一次加入法 中间流加法 两种方法结合使用 第四节 发酵过程中主要变化及中间代谢控制 一 代谢优化控制 三种智能控制技术专家控制模糊控制人工神经网络控制 二 发酵过程的四个阶段 适应期对数生长期转化期产酸期 适应期 在发酵初期 菌体处于适应期 细胞进行呼吸作用 利用贮存物质合成大分子物质和所需能量 菌体个体长大 但没分裂 此时糖等基质基本不消耗或很少消耗 pH稍微上升是由于初尿分解放出氨所致 适应期一般为3h左右 对数生长期 此时期 菌体开始繁殖 代谢逐渐旺盛 菌体大量繁殖 耗糖速度逐渐加快 糖作为碳源和能源用于合成细胞成分和合成反应所需要的能量 耗氧量很快增加 培养液中溶解氧下降 应根据情况提高风量 特别是对数生长期末期应注意风量 此阶段一般为发酵3 8h或4 10h 转化期 在生物素限量的情况下 部分菌体体内生物素含量由丰富转向贫乏 此部分菌体就停止繁殖 在适宜条件下 形成生产型细胞 开始积累谷氨酸 这是代谢最旺盛阶段 耗糖加快 谷氨酸生产迅速增加 耗氧速率加快 并接近最大值 放热也最大值 且泡沫显著增加 此阶段必须充分供氧 风量达最大值 充分供给氮源 并注意降温冷却 产酸期 菌体完成有增殖型向生产型转化后 大量积累谷氨酸 耗糖与产酸相适应 产酸达最大值 此时 应继续流加液氮 保证有充足的氮源 为加快产酸速率 可适当提高温度 一般为36 37 在正常的发酵情况下