發酵工藝控製—— 泡沫對發酵的影響及控製2

 在大多數微生物發酵過程中，由於培養基中有蛋白類表麵活性劑存在，在通氣條件下，培養液中就形成了泡沫。泡沫是氣體被分解在少量液體中的膠體體係，氣液之間被一層液膜隔開，彼此不相連通。形成的泡沫有兩種類型：一種是發酵液液麵上的泡沫，氣相所占的比例特別大，與液體有較明顯的界限，如發酵前期的泡沫；另一種是發酵液中的泡沫，又稱流態泡沫(fluidfoam)，分散在發酵液中，比較穩定，與液體之間無明顯的界限。

 

發酵過程產生少量的泡沫是正常的。泡沫的多少一方麵與攪拌、通風有關；另一方麵，與培養基性質有關。蛋白質原料如蛋白腖，玉米漿、黃豆粉、酵母粉等是主要的發泡劑。糊精含量多也引起泡沫的形成。發酵過程中，泡沫的形成有一定的規律性。發酵時起泡的方式被認為有五種：①整個發酵過程中，泡沫保持恒定的水平；②發酵早期，起泡後穩定地下降，以後保持恒定；③發酵前期，泡沫稍微降低後又開始回升；④發酵開始起泡能力低，以後上升；⑤以上類型的綜合方式。這些方式的出現是與基質的種類、通氣攪拌強度和滅菌條件等因素有關，其中基質中的有機氮源(如黃豆餅粉等)是起泡的主要因素。當發酵感染雜菌和噬菌體時，泡沫異常多。

   

 起泡會帶來許多不利因素，如發酵罐的裝料係數減少、氧傳遞係統減小等。泡沫過多時，影響更為嚴重，造成大量逃液，發酵液從排氣管路或軸封逃出而增加染菌機會等，嚴重時通氣攪拌也無法進行，菌體呼吸受到阻礙，導致代謝異常或菌體自溶。所以，控製泡沫乃是保證正常發酵的基本條件。

 

    泡沫的控製，可以采用兩種途徑：①調整培養基中的成分(如少加或緩加易起泡的原材料)或改變某些物理化學參數(如pH值、溫度、通氣和攪拌)或者改變發酵工藝(如采用分次投料)來控製，以減少泡沫形成的機會。但這些方法的效果有一定的限度；②采用機械消泡或消泡劑消泡這兩種方法來消除已形成的泡沫。還可以采用菌種選育的方法，篩選不產生流態泡沫的菌種，來消除起泡的內在因素，如用雜交方法選出來不產生泡沫的土黴素生產菌株。對於已形成的泡沫，工業上可以采用機械消泡和化學消泡劑消泡或兩者同時使用。

 

    這是一種物理消泡的方法，利用機械強烈振動或壓力變化而使泡沫破裂。有罐內消泡和罐外消泡兩種方法。前者是靠罐內消泡漿轉動打碎泡沫；後者是將泡沫引出罐外，通過噴嘴的加速作用或利用離心力來消除泡沫。

 

這是利用外界加入消泡劑，使泡沫破裂的方法。當泡沫的表層存在著由極性的表麵活性物質形成雙電層時，可以加入另一種具有相反電荷的表麵活性劑，以降低泡沫的機械強度或加入某些具有強極性的物質與發泡劑爭奪液膜上的空間，降低液膜強度，使泡沫破裂。當泡沫的液膜具有較大的表麵粘度時，可以加入某些分子內聚力較小的物質，以降低液膜的表麵粘度，使液膜的液體流失，導致泡沫破裂。消泡劑的作用，或者是降低泡沫液膜的機械強度，或者是降低液膜的表麵黏度，或者兼有兩者的作用，達到破裂泡沫的目的。消泡劑都是表麵活性劑，具有較低的表麵張力。如聚氧乙烯氧丙烯甘油(GPE)的表麵張力僅為33X10-3N／m，而青黴素發酵液的表麵張力為(60～68)X10-3N／m。

 

 

天然油脂類中有豆油、玉米油、棉籽油、菜籽油和豬油等。油不僅用作消泡劑，還可作為碳源和發酵控製的手段，它們的消泡能力和對產物合成的影響也不相同。例如：土黴素發酵，豆油、玉米油較好；而亞麻油則會產生不良的作用。油的質量還會影響消泡效果，碘價(表示油分子結構中含有不飽和鍵的多少)或酸價高的油脂，消泡能力差並產生不良的影響。所以，要控製油的質量，並要進行發酵試驗檢驗。油的新鮮程度也有影響，油越新鮮，所含的天然抗氧化劑越多，形成過氧化物的機會少，酸價也低，消泡能力強，副作用也小。植物油與鐵離子接觸能與氧形成過氧化物，對四環素、卡那黴素的合成不利。故要注意油的貯存保管。

 

    聚醚類消泡劑的品種很多。它們是氧化丙烯或氧化丙烯和環氧乙烷與甘油聚合而成的聚合物。氧化丙烯與甘油聚合而成的，叫聚氧丙烯甘油(簡稱GP型)；氧化丙烯、環氧乙烷與甘油聚合而成的叫做聚氧乙烯氧丙烯甘油(簡稱GPE型)，又稱泡敵。

 

GP的親水性差，在發泡介質中的溶解度小，所以，用於是稀薄發酵液中要比用於粘稠發酵液中的效果好。其抑泡性能比消泡性能好，適宜用於基礎培養基中，以抑製泡沫的產生。如用於鏈黴素的基礎培養基中，抑泡效果明顯，可全部代替食用油，也未發現不良影響，消泡效力一般相當於豆油的60～80倍。

 

    GPE的親水性好，在發泡介質中易鋪展，消泡能力強，作用又快，而溶解度相應也大，所以消泡活性維持時間短，因此，用於黏稠發酵液的效果比用於稀薄的好。GPE用於四環類抗生素發酵中，消泡效果很好，用量為0.03％～0.035％，消泡能力一般相當於豆油的10～20倍。

 

其他的消泡劑，如：聚乙二醇等高碳醇消泡劑多適用於黴菌發酵，矽酮類較適用於微堿性的細菌發酵。所以，應結合具體產品發酵，試驗上述各種消泡劑的消泡效果，以獲得良好的消泡作用。

 

 消泡劑多數是溶解度小、分散性不十分好的高(大)分子化合物，所以在使用時，要考慮如何降低它的黏度和提高它的分散性，來增強它們的消泡效果。使用的增效方法有：①加載體增效，即用惰性載體(如礦物油、植物油等)使消泡劑溶解分散，達到增效的目的；②消泡劑並用增效，取各種消泡劑的優點進行互補，達到增效，如GP和GPE1：1混合使用於土黴素發酵，結果比單獨使用GP的效力提高2倍；③乳化消泡劑增效，用乳化劑(或分散劑)將消泡劑製成乳劑，以提高分散能力，增強消泡效力，一般隻適用於親水性差的消泡劑。如用吐溫—80製成的乳劑，用於慶大黴素發酵，效力提高1～2倍。

 

在生產過程中，消泡的效果除了與消泡劑種類、性質、分子量大小、消泡劑親油親水基因等密切關係外，還和消泡劑使用時加入方法、使用濃度、溫度等有很大的關係。消泡劑的選擇和實際使用還有許多問題，應結合生產實際加以注意和解決。