发酵用消泡剂

一、泡沫的形成及其对发酵的影响

　 　在大多数微生物发酵过程中，由于培养基中有蛋白类表面活性剂（具有较高的表面张力）存在，在通气条件下，培养液中就形成了泡沫。泡沫是气体被分散在少量液体中的胶体体系，气液之间被一层液膜隔开，彼此不相连通。形成的泡沫有两种类型：一种是发酵液液面上的泡沫，气相所占的比例特别大，与液体有较明显的界限，如发酵前期的泡沫；另一种是发酵液中的泡沫，又称流态泡沫(fluidfoam)，分散在发酵液中，比较稳定，与液体之间无明显的界限。

　　发酵过程产生少量的泡沫是正常的。泡沫的多少一方面与发酵罐搅拌、通风有关；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、酵母粉等是主要的发泡剂。糊精含量多也引起泡沫的形成。发酵过程中，泡沫的形成有一定的规律性。

   发酵时起泡的方式被认为有五种：

·                 ①整个发酵过程中，泡沫保持恒定的水平；

·                 ②发酵早期，起泡后稳定地下降，以后保持恒定；

·                 ③发酵前期，泡沫稍微降低后又开始回升；

·                 ④发酵开始起泡能力低，以后上升；

·                 ⑤以上类型的综合方式。

这些方式的出现是与基质的种类、通气搅拌强度和灭菌条件等因素有关，其中基质中的有机氮源(如黄豆饼粉等)是起泡的主要因素。当发酵感染杂菌和噬菌体时，泡沫异常多。

　　起泡会带来许多不利因素，如发酵罐的装料系数减少、液相体积氧传递系数减小等。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。

二、泡沫的消除泡沫的控制，可以采用三种途径：

§ ①调整培养基中的成分(如少加或缓加易起泡的原材料)或改变某些物理化学参数(如pH值、温度、通气和搅拌)或者改变发酵工艺(如采用分次投料)来控制，以减少泡沫形成的机会。但这些方法的效果有一定的限度；

§ ②采用机械消泡或消泡剂消泡这两种方法来消除已形成的泡沫；

§ ③还可以采用菌种选育的方法，筛选不产生流态泡沫的菌种，来消除起泡的内在因素，如用杂交方法选育出不产生流态泡沫的土霉素生产菌株。

对于已形成的泡沫，工业上可以采用机械消泡和化学消泡剂消泡或两者同时使用消泡。

⒈机械消泡　　这是一种物理消泡的方法，利用机械强烈振动或压力变化而使泡沫破裂。有罐内消泡和罐外消泡两种方法。前者是靠罐内消泡浆转动打碎泡沫；后者是将泡沫引到罐外，通过喷嘴的加速作用或利用离心力来消除泡沫。该法的优点是：节省辅料，减少染菌机会。但消泡效果不理想，仅可作为消泡的辅助方法。

⒉消泡剂消泡　　这是利用外界加入消泡剂，使泡沫破裂的方法。消泡剂都是表面活性剂，具有较低的表面张力，或者是降低泡沫液膜的机械强度，或者是降低液膜的表面黏度，或者兼有两者的作用，达到破裂泡沫的目的。如聚氧乙烯氧丙烯甘油(GPE)的表面张力仅为3.3×10-2N／m，而青霉素发酵液的表面张力为(6.0～6.8)×10-2N／m。

作为生物工业理想的消泡剂，应具备下列条件：

·       ①应该在气-液界面上具有足够大的铺展系数，才能迅速发挥消泡作用。这就要求消泡剂有一定的亲水性；

·       ②应该在低浓度时具有消泡活性；

·       ③应该具有持久的消泡或抑泡性能，以防止形成新的泡沫；

·       ④应该对微生物、人类和动物无毒性；

·       ⑤应该对产物的提取不产生任何影响；

·       ⑥不会在使用、运输中引起任何危害；

·       ⑦来源方便，成本低；

·       ⑧应该对氧传递不产生影响；

·       ⑨能耐高温灭菌。

常用的消泡剂主要有天然油脂类，高碳醇、脂肪酸和酯类，聚醚类及硅酮类等4大类。其中以天然油酯类和聚醚类在生物发酵中最为常用。天然油脂类中有豆油、玉米油、棉籽油、菜籽油和猪油等。此类油不仅用作消泡剂，还可作为碳源和发酵控制的手段，它们的消泡能力和对产物合成的影响各不相同。例如：土霉素发酵，豆油、玉米油较好，而亚麻油则会产生不良的作用。此类油的质量还会影响消泡效果，碘价(表示油分子结构中含有不饱和键的多少)或酸价高的油脂，消泡能力差并产生不良的影响。所以，要控制此类油的质量，并要进行发酵试验检验。此类油的新鲜程度也有影响，油越新鲜，所含的天然抗氧化剂越多，形成过氧化物的机会少，酸价也低，消泡能力强，副作用也小。植物油与铁离子接触能与氧形成过氧化物，对四环素、卡那霉素的合成不利，故要注意此类油的贮存保管。 　　聚醚类消泡剂的品种很多。它们是氧化丙烯或氧化丙烯和环氧乙烷与甘油聚合而成的聚合物。氧化丙烯与甘油聚合而成的，叫聚氧丙烯甘油(简称GP型)；氧化丙烯、环氧乙烷与甘油聚合而成的叫做聚氧乙烯氧丙烯甘油(简称GPE型)，又称泡敌。

　GP的亲水性差，在发泡介质中的溶解度小，所以，用于稀薄发酵液中要比用于黏稠发酵液中的效果好。其抑泡性能比消泡性能好，适宜用于基础培养基中，以抑制泡沫的产生。如用于链霉素的基础培养基中，抑泡效果明显，可全部代替食用油，也未发现不良影响，消泡效力一般相当于豆油的60～80倍。 　　GPE的亲水性好，在发泡介质中易铺展，消泡能力强，作用又快，而溶解度相应也大，所以消泡活性维持时间短，因此，用于黏稠发酵液的效果比用于稀薄的好。GPE用于四环类抗生素发酵中，消泡效果很好，用量为0.03％～0.035％，消泡能力一般相当于豆油的10～20倍。 　　其他的消泡剂，如：聚乙二醇等高碳醇消泡剂多适用于霉菌发酵，硅酮类较适用于微碱性的细菌发酵。所以，应结合具体产品发酵，试验上述各种消泡剂的消泡效果，以获得良好的消泡作用。 　　消泡剂多数是溶解度小、分散性不十分好的高(大)分子化合物，所以在使用时，要考虑如何降低它的黏度和提高它的分散性，来增强它们的消泡效果。使用的增效方法有：

·       ①加载体增效，即用惰性载体(如矿物油、植物油等)使消泡剂溶解分散，达到增效的目的；

·       ②消泡剂并用增效，取各种消泡剂的优点进行互补，达到增效，如GP和GPE以l:1混合使用于土霉素发酵，结果比单独使用GP的效力提高2倍；

·       ③乳化消泡剂增效，用乳化剂(或分散剂)将消泡剂制成乳剂，以提高分散能力，增强消泡效力，一般只适用于亲水性差的消泡剂。 　　在生产过程中，消泡的效果除了与消泡剂种类、性质、分子量大小、消泡剂亲油亲水基等密切关系外，还和消泡剂使用时加入方法、使用浓度、温度等有很大的关系。消泡剂的选择和实际使用还有许多问题，应结合生产实际加以注意和解决。

三，消泡剂在发酵企业使用方法

 1.只在底釜内加入，将消泡剂和发酵液一起加在底釜内，升温灭菌（一般是120℃到130℃半小时到45分钟）灭菌结束后，降温到40－50℃，开始发酵。

然后，一个发酵周期内不在添加消泡剂（内蒙古中轩生产黄原胶有此方法）用量，一般是企业根据经验调试出来的。

 2.底釜和流加相结合的方式 发酵企业在配底釜料时，会加入一部分消泡剂，然后在发酵罐旁边会有一个专门的消泡剂滴加罐，滴加罐与发酵罐通过管道连接，一般是将消泡剂和水按1：1到1：50稀释然后通蒸汽升温到120℃到130℃半小时到45分钟，然后降温密封保存，有的滴加罐有搅拌，有的没有，有搅拌的最好，在使用时，开启搅拌。当从发酵罐的观察孔发现有泡沫超过警戒线，或有报警装置报警时，打开滴加罐与发酵罐之间连接的阀门，把泡沫消下去。

3.只有滴加罐，底釜配料里不打消泡剂，只有滴加罐，操作同2中的滴加方式一样，也有根据发酵时间段，固定滴加入一定量的消泡剂。

四公司现有发酵消泡剂的种类

1.聚醚改性有机硅类D120-G (30 50) 30的不挥发物测试一般在27%

50的不挥发物测试一般在46%   

  此类消泡剂特点，味道大一点，3000转测试分层 在气温高或放置时间长后，容易颜色变黄，原材料生产工艺长，供货周期长。

2.复配有机硅与聚醚消泡剂类

 D120-GA（30 40）30的不挥发物测试在27%以上  40的不挥发物测试在35%以上

 此类消泡剂特点，味道小一点，3000转测试不分层

此类消泡剂原料容易购买，供货周期短。

根把实验室大豆蛋白粉测试结果，效果比－G效果要好

D120-GC(50 60 ) 50的不挥发物测试在46%以上  60的不挥发物测试在55%以上\

 此类消泡剂特点，聚醚类占绝大多数，3000转测试分层

此类消泡剂原料容易购买，供货周期短

3.聚醚消泡剂

 公司现在聚醚消泡剂暂时没有自己生产，外购

型号237－1 GP类消泡剂，里面结构是纯环氧丙烷类，浊点高些，根水的相溶性不好。

型号237－2 GPE类消泡剂，此型号，里面环氧乙烷含量高占15%左右，根水的相溶性好，分散快

型号237－5 GPE类消泡剂此型号想比237－2环氧乙烷所占含量低点8%，根据武大实验室核磁测试，市场上大部分是此类产品，根陶式DF103结构类似。