1.1.降低生产能力
在发酵罐中,为了容纳泡沫,防止溢出而降低装量。装料系数:装量与容量的比。发酵罐的装料系数一般为0.7。
1.2.引起原料浪费
如果设备容积不能留有容纳泡沫的余地,气泡会引起原料流失,造成浪费。
1.3.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,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。
1.4.引起染菌
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,从轴封处落下的泡沫往往引起杂菌污染。
1.5.影响发酵产物
有些发酵产物,特别是蛋白酶,发酵泡沫可能使这些酶失活。
(1) 通气搅拌的强烈程度:发酵过程中的通气搅拌越强烈,越容易产生泡沫。
(2) 培养基配比和原料组成:培养基配比和原料组成越丰富,有机氮源含量越高,产生的泡沫稳定性就越高。
(3) 菌体生长状态:菌体在生长旺盛的时候,发酵液蛋白质浓度会有所上升,浓度也会有所增强,最终导致气泡的产生。
(4) 发酵罐菌体裂解:发酵罐菌体裂解,菌体蛋白大量释放,会导致培养基出现短暂的快速起泡过程。
(5) 环境因素:发酵过程受到环境的影响,以致发酵时气温迅速上升,再加上发酵过程中不断搅拌,导致气泡逐渐增加。
(6) 发酵液成分:发酵液的粘度和浓度较大时,也会产生较多的泡沫。为了控制发酵泡沫的产生,可以采取多种方法,如调整通气搅拌强度、优化培养基配方和原料组成、控制菌体生长、避免发酵罐菌体裂解、控制环境因素以及调整发酵液成分等。
3.1.机械消除
利用机械强烈震动或通过压力变化促使泡沫破碎,是一种利用物理作用消除泡沫的方式。机械消泡法中,最简单的是在搅拌轴的上层安装消泡桨,利用外力将泡沫击碎,达到消泡的目的。其优势是不需要往发酵液中加入其他物质,既节省了原料又减少污染杂菌的风险。但消泡效果比较差,不能从根本上消除引起泡沫稳定的因素,因此仅可作为消泡的辅助方法。
3.2.消沫剂消除
消泡剂能使泡沫破裂。由于泡沫形成的因素很多,消泡剂消泡的机理有以下两种:
(1) 当泡沫的表面层存在着极性的表面活性物质而形成双电层时,可以加另一种具有相反电荷的表面活性剂,以降低其机械强度,或加人某些具有强极性的物质,与发泡剂争夺液膜的空间,并使液膜的机械强度降低,进而促使泡沫破裂。
(2) 当泡沫的液膜有较大的表面粘度时,可加入某些分子内聚力较小的物质,以降低液膜的表面粘度,从而促使液膜的液体流失而使泡沫破裂。
好的消泡剂同时能具有上述两种性能,即能同时降低液膜的机械强度和降低液膜的表面粘度。此外,为了使消泡剂易于散布在泡沫面上,消泡剂要有较小的表面张力和水溶性等特性,但是消泡剂使用不当时,对微生物的代谢会有干扰,影响生物合成。
4.1.消泡剂的种类
(1) 天然油脂类:如玉米油、豆油、米糠油、棉籽油、菜籽油及猪油等;
(2) 聚醚类:如聚丙烯甘油,简称 GP 型、聚氧乙烯氧丙烯甘油,简称 CPE,又称泡敌;
(3) 高级醇:(十八醇和聚二醇)、脂肪酸和酯类;
(4) 硅酮:如聚二甲基硅氧烷及其衍生物,在微生物药物发酵中最为常用。
以前多用植物油来消泡,但目前多选择硅酮类进行消泡,同时也有将硅酮类和聚醚类混合使用的,效果都不错。可以选用一种或将几种消泡剂搭配使用,并进行毒性试验。比如枯草芽孢杆菌常用乳化硅油进行消泡;酿酒酵母发酵可单独加泡敌,或豆油和泡敌按一定比例混合使用来进行消泡。不同种类的消泡剂对不同菌种的发酵影响是不同的,建议多做实验。
4.2.选用消泡剂的依据
(1) 发酵类型:不同发酵类型对消泡剂的要求不同。例如,啤酒发酵需要选用快速起泡的消泡剂,以迅速消除发酵过程中产生的泡沫;而抗生素发酵需要选用低泡、高效的消泡剂,以避免抗生素生产过程中的泡沫干扰。
(2) 发酵液性质:发酵液性质包括液体深度、粘度、酸碱度等。这些性质会影响消泡剂的效果。例如,偏酸性的发酵液需要选用耐酸碱的消泡剂,以保证消泡剂在酸性环境下仍能发挥良好的消泡作用。此外,对于粘度较高的发酵液,应选用具有较强吸附性的消泡剂,以便更好地吸附在发酵液表面,降低液体的表面张力。
(3) 温度和压力:温度和压力也会影响消泡剂的效果。在高温高压环境下,需要选用耐高温高压的消泡剂,以确保消泡剂在高温高压下仍能保持良好的消泡性能。
(4) 消泡剂性能:选用合适的消泡剂,需要考虑到消泡剂的起泡性、吸附性、耐久性等因素。起泡性表示消泡剂在溶液中产生泡沫的能力,吸附性表示消泡剂在溶液表面的附着能力,耐久性则表示消泡剂在溶液中持续发挥效果的时间。根据实际需要,选用具有适当起泡性和吸附性的消泡剂,以确保消泡剂能够在适当的时机和持续时间内发挥消泡作用。
(5) 经济性:经济性也是选用消泡剂需要考虑的因素之一。在选用消泡剂时,需要根据自己的经济状况选择合适价格的消泡剂。在保证消泡效果的前提下,选择性价比高的消泡剂,以降低工业发酵的生产成本。
总之,工业发酵中消泡剂的选用需要综合考虑发酵类型、发酵液性质、温度和压力、消泡剂性能以及经济性等多个方面。正确选用合适的消泡剂能够有效地提高发酵过程的稳定性、效率和产品质量。在实际操作过程中,可以结合实际情况对上述因素进行权衡和选择,以获得最佳的消泡效果。