发酵工艺控制—— 泡沫对发酵的影响及控制2

来源：青岛海博《微生物工程》
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。泡沫是气体被分解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、氧传递系统减小等。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，可以采用两种途径：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。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，如用杂交方法选出来不产生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。   1．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；后者是将泡沫引出罐外，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：节省原料，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。   2．消泡剂消泡 这是利用外界加入消泡剂，使泡沫破裂的方法。当泡沫的表层存在着由极性的表面活性物质形成双电层时，可以加入另一种具有相反电荷的表面活性剂，以降低泡沫的机械强度或加入某些具有强极性的物质与发泡剂争夺液膜上的空间，降低液膜强度，使泡沫破裂。当泡沫的液膜具有较大的表面粘度时，可以加入某些分子内聚力较小的物质，以降低液膜的表面粘度，使液膜的液体流失，导致泡沫破裂。消泡剂的作用，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。消泡剂都是表面活性剂，具有较低的表面张力。如聚氧乙烯氧丙烯甘油(GPE)的表面张力仅为33X10-3N／m，而青霉素发酵液的表面张力为(60～68)X10-3N／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、脂肪酸和酯类油酯类、聚醚类及硅酮类4大类。其中以天然油脂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。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也不相同。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。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，要控制油的质量，并要进行发酵试验检验。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，用于是稀薄发酵液中要比用于粘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GPE1：1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。如用吐温—80制成的乳剂，用于庆大霉素发酵，效力提高1～2倍。   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、消泡剂亲油亲水基因等密切关系外，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。