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保兴生物:工业发酵中泡沫控制方法探讨

时间: 2019-02-11来源: 作者:

 J.F wang


摘要

分析了工业发酵过程中泡沫产生的原因,介绍了化学消泡和机械消泡的作用机理,对常用的化学消泡剂以及不同结构机械消泡装置的消泡效果进行了评价。并在发酵液成分和操作工艺条件方面提出了泡沫控制措施,为工业生产中泡沫的消除提供了参考。

1、曾宇,《工业发酵中泡沫控制方法探讨》

在微生物的发酵调控过程中,泡沫控制是一个重要的环节。如果泡沫控制不当,泡沫产生量过大时则会对生产工艺造成巨大危害,如发酵罐实际装量与总容量之比的装填系数减少,造成大量逃液,原材料的浪费以及产物的损失等。


泡沫的形成

泡沫是气体分散在液体中的分散体系。气体被连续的液膜分开,形成大小不等的气泡,具有很大的气液表面。泡沫就其本质而言,是热力学不稳定体系,但在一定的条件下,采取适当的措施,可以保持一定的稳定性。

发酵过程中的泡沫,其分散相为无菌空气和代谢气体,连续相为发酵液。主要分为2类:一类存在于发酵液上,这类泡沫气相所占的比例特别大,常存在于发酵液体表面,主要是由于发酵罐内通气搅拌而产生,一般被称为机械性泡沫;另一类是由细菌的呼吸作用产生,这种气泡分散很细,而且很均匀,也较稳定,泡沫与液体之间没有明显的液面界限,这类泡沫被称为流态型泡沫。流态型泡沫增长到一定高度,即使停止搅拌,泡沫也不易下落,这种泡沫对发酵极为不利。


泡沫的控制

泡沫控制的目的是如何使泡沫中的气泡及时破裂,使气相和液相分离。在工业发酵过程中常常从2个方面来消除泡沫:一方面,采用化学方法和物理方法来改变液膜的某些部分的局部受力,打破液膜原来的受力平衡而破裂。另一方面,通过改变发酵液成分配比以及发酵工艺的操作条件的控制来减少泡沫的产生。


化学消泡剂分类

化学消泡的机理

化学消泡是一种使用化学消泡剂破碎泡沫液膜的方法。其来源广泛,价钱便宜,并且消泡效果好。消泡剂加入到发酵液以后主要是通过2种方法来消除发酵液中的泡沫:一种是消泡剂的铺展作用,它是指消泡剂液滴借助低表面张力的作用在液膜表扩展成膜的过程。当发酵液中加入消泡剂以后,消泡剂分子立即在泡沫表面铺展,形成很薄的双膜层,进一步扩散、渗透,层状入侵,从而取代原泡膜薄壁;同时,在铺展过程中带走邻近表面层的部分溶液,使泡沫液膜变薄,降低了泡沫的稳定性,使之易于破坏。另一种是消泡剂的插入作用,就是消泡粒子直接插破气泡的过程。有些消泡剂主要是以液滴、固体颗粒或包裹着固体颗粒的液滴形式加入起泡体系的,这些疏水的液滴或固体颗粒具有排液性,可以直接进入液膜形成“架桥”,在液滴或固体颗粒与液膜的界面处形成气泡液膜的薄弱点,导致液膜破裂。一般地讲,消泡剂在气泡液膜表面铺展或渗入越快,其消泡的作用越强


消泡剂的分类

用于微生物发酵的消泡剂多种多样,早期的发酵中以天然油脂为主,如玉米油、花生油、豆油等等。但是由于天然油脂易氧化和酸值偏高,不利于泡沫的消除,同时对产物具有一定的抑制作用,后来逐步被化学消泡剂取代。随

着发酵工业的发展,化学消泡剂获得了很大的发展,形成了很多种类型的消泡剂,常用的消泡剂主要分为聚醚类、高级醇类和硅树脂类,。聚醚类消泡剂在工业中应用较多的有聚氧丙烯甘油和聚氧乙烯氧丙烯甘油(泡敌),聚醚类消泡剂亲水性好,十分容易在发酵液中扩展,消泡能力强,溶解度也大,但消泡活性维持时间较短,在粘稠的发酵液中使用效果更好。高级醇类消泡剂在工业上运用主要有聚二醇、十八醇等,是由亲水性较差,低表面张力的液体组成。在消泡过程中往往配合载体一起使用。能起到很好的消泡效果。其适合于在液体剪切力较小,溶液发泡能力较温和的条件下使用,对致密型泡沫消除能力较差。,硅酮类消泡剂的代表是聚二甲基硅氧烷及其衍生物,它常与Si02按一定比例复合而成。这类消泡剂具有极低的表面张力,热稳定性好,化学稳定性高等优点,特别适用于油溶性溶液消泡


消泡剂的使用

消泡剂的消泡效果与其使用方式有着密切联系。一种优秀的消泡剂必须同时兼顾消、抑泡作用,即不但应该迅速使泡沫破坏,而且能在相当长的时间内防止泡沫生成。消泡剂加入发酵液后能否及时有效的发挥作用主要是取决于该消泡剂的消泡性能和扩散能力。不同的消泡剂在不同的发酵液中消泡效果各不相同,使用量也各有不同。在工业发酵过程中常采用:①通过机械搅拌或通气,使消泡剂在发酵液中分散的更均匀;②将消泡剂和载体一起使用,使消泡剂更容易溶于或分散于载体中,两者混合使用可产生明显的增效作用;⑨多种消泡剂按比例混合使用可增强消泡作用;④利用乳化剂增强消泡剂的消泡作用。此外,消泡剂的添加量需要严格控制,添加量少,得不到很好的效果;添加量多,不仅会抑制产物的生成,而且会影响产物的分离纯化。


机械消泡器

机械消泡不同于化学消泡,它主要是依靠机械剪切力和压力的变化,促使泡沫破裂,或借助机械力将排出气体中的液体加以分离回收,从而达到消泡的作用,在工业中常常起辅助消泡作用或运用于禁止使用化学消泡剂的生产中。一个好的机械消泡装置,应该具有动力小,结构简单,坚固耐用和灭菌简单等优点。在工业生产过程中,为了取得更好的消泡效果,常常几种消泡方式结合使用,常见的机械消泡器的结构形式有栅式、旋转圆盘式、涡轮式和旋风分离式等。


栅式消泡器

旋转桨叶式消泡器是结构比较简单的罐机械消泡装置,它安装在发酵罐中的搅拌轴上,安装位置略高于液面,通过搅拌轴转动产生的机械剪切力来破碎泡沫


旋转圆盘式机械消泡

旋转圆盘式消泡装置见图2。这种旋转圆盘式机械消泡装置在发酵罐内,与发酵液的液面保持平行。当泡沫上升到旋转圆盘底部时,在离心力的作用下,将泡沫液散向罐壁破碎,从而达到消泡的效果。


涡轮式消泡器


其利用桨叶高速旋转产生的剪切力和离心力来破碎发酵过程产生的泡沫,使气液分离,分离出的泡沫液可以重新回到发酵罐中,减少逃液损失,并且结合尾气冷凝系统,可以更有效地减少大通气量条件下发酵液损失,能够提高发酵罐的装液系数和减少微生物在泡沫中的停留时间。


旋风分离消泡器

旋风分离消泡器是将发酵罐内产生的泡沫由排气管引入到罐外的旋风分离器中,气流受导向叶片的导流作用而产生强烈旋转,气流沿筒体呈螺旋形向下进入旋风简体,密度大的泡沫和液滴被甩向壁面,并且在重力的作用下,通过旋风分离器壁面下落到罐内,气体则由旋风分离器上部流出,其气液分离效率高,能够有效的防止工业发酵过程中的逃液。旋风分离消泡器结构见图4。

 

发酵液和操作条件控制

工业发酵过程中泡沫的消涨规律受到多种因素的影响,如发酵液的pH值、温度以及操作条件均会影响泡沫的产生,并且各个菌种发酵工艺不同,导致工业发酵泡沫产生的原因多种多样嗍。在长期的工业发酵的生产实践过程中,人们根据泡沫产生的原因,总结出泡沫变化的规律①从发酵液的性质来看,发酵液中蛋白质含量越高,发酵液的粘度越大,则生成的泡沫稳定性就越高。②从菌体方面来看,茵体生长旺盛时,产生的泡沫多,当发酵液中氮源被菌体大量消耗时,浓度下降,则气泡的稳定性减弱,泡沫量减少,在发酵后期,伴随菌体的自溶,使发酵液中蛋白质浓度又上升,则发酵液的起泡性又增强,泡沫增加。③发酵液灭菌质量不好,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。④在发酵前期由于发酵液中蛋白质、糖类含量高,必须先开小通气量和搅拌转速,再逐步加大。以上方法在一定程度上可以避免或减少泡沫的产生,但是有一定的限度,并不能取得一个好的消泡效果。


编者说

发酵过程保持一定的泡沫水平,对发酵是有利的,控制到何种水平需要经常观察和总结才会得到答案。同时添加消泡剂也会对下流的提取有影响,特别是过滤膜系统,因此在选择消泡剂的品种时,应该考虑发酵的下流。


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