發酵過程泡沫的形成與控制
發酵過程起泡的利弊：氣體分散、增加氣液接觸面積，但過多的泡沫是有害的。
一、泡沫形成的基本理論
泡沫的定義：一般來說：泡沫是氣體在液體中的粗分散體，屬于氣液非均相體系
（一）泡沫形成的原因
1、氣液接觸
因為泡沫是氣體在液體中的粗分散體，產生泡沫的首要條件是氣體和液體發生接觸。而且只有氣體與液體連續、充分地接觸才會產生過量的泡沫。氣液接觸大致有以下兩類情況：
（1）氣體從外部進入液體，如攪拌液體時混入氣體；
（2）氣體從液體內部產生。氣體從液體內部產生時，形成的泡沫一般氣泡較小、較穩定。
2、含助泡劑
在未加助泡劑，但并不純凈的水中產生的泡沫，其壽命在0.5秒之內，只能瞬間存在。搖蕩純溶劑不起泡，如蒸餾水，只有搖蕩某種溶液才會起泡。
在純凈的氣體、純凈的液體之外，必須存在第三種物質，才能產生氣泡。對純凈液體來說，這第三種物質是助泡劑。當形成氣泡時，液體中出現氣液界面，這些助泡劑就會形成定向吸附層。與液體親和性弱的一端朝著氣泡內部，與液體親和性強的一端伸向液相，這樣的定向吸附層起到穩定泡沫的作用。
3、起泡速度高于破泡速度
起泡的難易，取決于液體的成分及所經受的條件；破泡的難易取決于氣泡和泡破滅后形成的液滴在表面自由能上的差別；同時還取決于泡沫破裂過程進行得多快這一速度因素
高起泡的液體，產生的泡沫不一定穩定。體系的起泡程度是起泡難易和泡沫穩定性兩個因素的綜合效果。
泡沫產生速度小于泡沫破滅速度，則泡沫不斷減少，最終呈不起泡狀態；泡沫產生速度等于泡沫破滅速度，則泡沫數量將維持在某一平衡狀態；泡沫產生速度高于泡沫破滅速度，泡沫量將不斷增加。
4、發酵過程泡沫產生的原因
（1）通氣攪拌的強烈程度
通氣大、攪拌強烈可使泡沫增多，因此在發酵前期由于培養基營養成分消耗少，培養基成分豐富，易起泡。應先開小通氣量，再逐步加大。攪拌轉速也如此。也可在基礎料中加入消泡劑。
（2）培養基配比與原料組成
培養基營養豐富，黏度大，產生泡沫多而持久，前期難開攪拌
例：在50L罐中投料10L，成分為淀粉水解糖、豆餅水解液、玉米漿等，攪拌900 rpm，通氣，泡沫生成量為培養基的2倍。如培養基適當稀一些，接種量大一些，生長速度快些，前期就容易開攪拌。
（3）菌種、種子質量和接種量
菌種質量好，生長速度快，可溶性氮源較快被利用，泡沫產生幾率也就少。菌種生長慢的可以加大接種量
（4）滅菌質量
培養基滅菌質量不好，糖氮被破壞，抑制微生物生長，使種子菌絲自溶，產生大量泡沫，加消泡劑也無效。
（二）起泡的危害
1、降低生產能力
在發酵罐中，為了容納泡沫，防止溢出而降低裝量
2、引起原料浪費
如果設備容積不能留有容納泡沫的余地，氣泡會引起原料流失，造成浪費。
3、影響菌的呼吸
如果氣泡穩定，不破碎，那么隨著微生物的呼吸，氣泡中充滿二氧化碳，而且又不能與空氣中氧進行交換，這樣就影響了菌的呼吸。
4、引起染菌
由于泡沫增多而引起逃液，于是在排氣管中粘上培養基，就會長菌。隨著時間延長，雜菌會長入發酵罐而造成染菌。大量泡沫由罐頂進一步滲到軸封，軸封處的潤滑油可起點消泡作用，從軸封處落下的泡沫往往引起雜菌污染。
（三）泡沫的性質
泡沫體系有獨特的性質，研究泡沫的性質，是解決消泡問題的基礎。
1、氣泡間液膜的性質
泡沫中氣泡間的間距很小，僅以一薄層液膜相隔，研究液膜的性質很有代表意義，又因為，只有含有助泡的表面活性劑，才能形成穩定的泡沫，所以應當首先研究表面活性劑與液膜的關系
表面活性劑是由疏水基與親水基構成的化合物，在水中，表面活性劑的分子不停地轉動在以下兩種情況下泡沫才能比較穩定，停留時間比較長：
第一種情況 表面活性劑的親水基留在水相，疏水基伸到氣相中，形成定向吸附層
第二種情況 表面活性劑的疏水基在水相中互相靠在一起，減少疏水基與水的接觸，形成“膠束”。
溶液中當表面活性劑的濃度低于臨界膠束濃度時，以第一種情況為主；表面活性劑濃度高于臨界膠束濃度時出現第二種情況。在泡沫不斷增加時，表面活性劑會從膠束中不斷轉移到新產生的氣液界面上。
表面活性劑為什么會定向排列在表面？
在液相中因為水分子之間的吸引力大于水對表面活性劑的吸引力，表面活性劑的疏水部分被水分子之間的吸引力擠出溶液，到達氣液界面。這就是表面活性劑易于在泡沫上形成定向吸附層的原因。
2、泡沫是熱力學不穩定體系
熱力學第二定律指出：自發過程，總是從自由能較高的狀態向自由能較低的狀態變化。起泡過程中自由能變化如下：
△G=γ△A <BR>△G——自由能的變化
△A——表面積的變化
γ——比表面能
起泡時，液體表面積增加，△A為正值，因而△G為正值，也就是說，起泡過程不是自發過程。另一方面，泡沫的氣液界面非常大，例如：半徑1cm厚0.001cm的一個氣泡，內外兩面的氣液界面達25cm2；可是，當其破滅為一個液滴后，表面積只有0.2cm2,相差上百倍。顯然，液體起泡后，表面自由能比無泡狀態高得多。泡沫破滅、合并的過程中，△A是一個絕對值很大的負數，也就是說泡沫破滅、合并的過程，自由能減小的數值很大。因此泡沫的熱力學不穩定體系，終歸會變成具有較小表面積的無泡狀態。
3、泡沫體系的三階段變化
即使外觀看來平靜、比較穩定的泡沫體系，泡沫液也在不斷地下落、蒸發，不斷進行著下述三階段的變化
(1)氣泡大小分布的變化
液膜包裹的一個氣泡，就像一個吹鼓了的氣球。由于氣球膜有收縮力，所以氣球中壓力大于氣球外的壓力；同樣氣泡膜有表面張力，氣泡中壓力大于氣泡外的壓力。氣泡大小的再分布，就是由氣泡膜內氣體的壓力變化引起的。氣泡中氣體壓力的大小，依賴氣泡膜的曲率半徑由定量觀點看，氣泡內外壓差△P=，由該式可知：壓差△P與氣泡半徑成反比。若氣泡膜的表面張力均相同，則小氣泡中的壓力比大氣泡中的壓力大。因此當相鄰氣泡大小不同時，氣泡會不斷地由小氣泡高壓區，經過吸附、溶解、解析，擴散到大氣泡低壓區。于是小氣泡進一步變小，大氣泡進一步變大。即使相鄰氣泡曲率半徑最初差別不大，也會由于△P的不同，氣體的擴散，泡徑差別逐漸增大，直至小泡完全并入大泡。結果氣泡數目減少，平均泡徑增大，氣泡大小分別發生變化
（2）氣泡液膜變薄
取一杯泡沫，放置一段時間，就會在杯底部出現一些液體，而逐漸形成液相及液面上的泡沫相這樣具有界面的兩層。底部出現的液體一部分是泡沫破滅形成的，一部分是氣泡膜變薄，排出液體形成的。
泡沫生成初期，泡沫液還比較厚，以后因蒸發排液而變薄，泡沫液會受重力的影響向下排液，泡沫液隨時間延續而變薄。
（3）泡沫破滅
泡沫由于排液，液量過少，表面張力降低，液膜會急劇變薄，最后液膜會變得十分脆弱，以至分子的熱運動都可以引起氣泡破裂。因此只要泡沫液變薄到一定程度，泡沫即瞬間破滅。
泡沫層內部的小氣泡破滅后，雖一時還不能導致氣液分離，只是合并成大氣泡，但排液過程使泡膜液量大幅度減少，使合并成的大氣泡快速地破滅，最后泡沫體系崩潰，氣液分離。
（四）影響泡沫穩定性的因素
引起危害，需要消除的，只是穩定的泡沫。泡沫的穩定性受液體、氣體許多性質的影響。不同介質的泡沫，穩定程度相差很多，影響泡沫穩定性的因素十分復雜，概括國內外研究者的說法，主要因素有
1、泡徑大小
對任何泡沫體系稍加觀察都會發現：大泡易于破滅，壽命較長的的都是小泡。泡越小，合并成大氣泡的歷程就越長，而且小氣泡的泡膜中所含液量相對比較大，所以較能經受液體流失所造成的穩定性的損失。
另一方面，氣泡只有上升到液面才能夠在破滅之后減少泡沫體積。 氣泡越小，上升速度越慢。溶液中溶解狀態或膠束狀態的表面活性劑，在氣泡上升的過程中，吸附到氣液界面上，形成定向吸附層。小氣泡上升慢，給表面活性劑的吸附提供充足的時間，增加了穩定性。
2、溶液所含助泡物的類型和濃度
（1）降低表面張力
降低表面張力會降低相鄰氣泡間的壓差。壓差小，小泡并入大泡的速度就慢，泡沫的穩定性就好。
（2）增加泡沫彈性
助泡的表面活性劑，吸附在氣液界面上，使表面層的組分與液相組分產生差別，因而使泡沫液具有可以伸縮的稱為“吉布斯彈性”的性質，對于泡沫穩定性來說表面活性劑使液膜具有“吉布斯彈性”比降低表面張力更重要。
吉布斯曾對泡沫液彈性做如下定義：
E=2A（ ）
E——膜彈性
A——膜面積
σ——表面張力
可以看出大，吉布斯彈性大，泡沫抵抗變形的能力就大。大意味著：當面積發生變化時，表面張力的變化較大，即收縮力較大，泡沫“自愈作用”就強，泡沫也就穩定。單一組分的純凈液體，表面張力不隨表面積改變而改變，液體沒有彈性，所以純凈液體不會產生穩定的泡沫。
（3）助泡劑濃度
溶液中助泡劑濃度增加，氣液界面上的吸附量就增加，液膜彈性隨之增加，泡沫穩定性增高，直至到達助泡物的臨界膠束濃度為止。到達臨界膠束濃度后，氣液界面上的定向排列“飽和”，彈性不會再增加，增加膠束濃度只會增大、增多膠束。
3、起泡液的粘度
某些溶液，如蛋白質溶液，雖然表面張力不低，但因粘度很高，所產生的泡沫非常穩定。因為粘稠的液膜，有助于吸收外力的沖擊，起到緩沖的作用，使泡沫能持久一些。液體粘度對泡沫穩定性的影響比表面張力的影響還要大。
4、其它
溫度 表面張力最低值時的濃度隨溫度變化。
在最低表面張力時泡沫排液迅速，否則排液緩慢。
pH 影響助泡劑的溶解度和表層的吸附狀態
表面電荷 離子型表面活性劑，水解后帶電荷，泡沫的定向吸附層為雙電層結構。由于離子間靜電的排斥，阻礙著離子彼此接近，減少排液速度，延緩泡沫變薄過程，使泡沫穩定。
（二）、消泡劑消泡
1、消泡劑的作用機理
為了弄清消泡劑如何發揮作用，為了合理、有效地使用消泡劑，需要了解消泡劑的作用機制及一般性質。
泡沫本來是極不穩定的，只因助泡劑的穩泡作用才難以破滅。人們研究消泡劑抵消助泡劑的穩泡作用的機理是近幾十年的事。下面分別介紹在消泡劑發展歷史上有重要地位的羅氏假說以及其它幾種消泡劑的作用機理。
美國膠體化學家羅斯（Ross,S.），四十年代初就開始研究泡沫問題，對添加了各種表面活性劑的起泡體系，進行試驗和觀察，尋找消泡劑在起泡液中溶解性與消泡效力的對應關系。羅斯提出一種假說：在溶液中，溶解狀態的溶質是穩泡劑；不溶狀態的溶質，當浸入系數與鋪展系數均為正值時即是消泡劑。
羅斯認為，消泡劑的分子團，即一小滴，一接觸泡沫，首先便是浸入，之后在泡沫上擴展，局部變薄而破裂。當浸入系數和鋪展系數均為負值時，小滴既不浸入也不擴展；當浸入系數大于零，鋪展系數為負數時小滴成棱鏡狀，不鋪展；只有二者均為正值時才可能是消泡劑，這種假說為消泡劑作用機理奠定了基礎。
（2）與穩泡因素有關的幾種消泡機
a、消泡劑可使泡沫液局部表面張力降低，因而導致泡沫破滅
希勒（Shearer,L.T）和艾克斯(Akers,W.W.)在油體系中研究聚硅氧烷油的消泡過程。他們對泡沫體系以1/1000秒的速度連續拍照，照片放大100倍，硅油微粒到達泡沫表面使泡沫破滅，氣泡合并，氣液迅速分離。研究發現：低濃度的，表面張力比起泡液低的物質，如果與起泡液成為均相，則促進起泡；如果呈飽和狀態，而且被均勻分散在起泡液中，就可能有消泡作用。附著了消泡劑小滴的泡沫能夠迅速破滅，與局部降低表面張力有關。
日本高野信之提出類似的觀點：在起泡液中分散的消泡劑顆粒，隨著泡沫液變薄，露到表面，因消泡劑表面張力比泡沫液低，該處受到周圍的拉伸、牽引。不斷變薄，最后破滅。
把高級醇或植物油灑在泡沫上，當其附著到泡沫上，即溶入泡沫液，會顯著降低該處的表面張力。因為這些物質一般對水的溶解度較小，表面張力降低只限于局部，而泡沫周圍的表面張力幾乎沒有發生變化。表面張力降低的部分，被強烈地向四周牽引、延展，最后破裂。
b、消泡劑能破壞膜彈性而導致氣泡破滅
穩泡因素中談到，因泡膜表面吸附表面活性劑，具有“吉布斯彈性”，當受到外部壓力時有自愈作用。
消泡劑能破壞泡膜的這種彈性。離子型表面活性劑水溶液產生的泡沫，是因為表面活性劑定向排列形成雙電層，借助排斥作用阻礙泡沫合并而使泡沫穩定。這種性質的泡沫，只需向體系中加入一種離子電荷相反的表面活性劑，甚至本身也是助泡劑，就可降低泡沫穩定性。這是因為兩種表面活性劑彼此干擾，妨礙在氣液界面上定向排列，破壞了膜彈性，因而產生消泡作用。
C、消泡劑能促使液膜排液，因而導致氣泡破滅
泡沫液厚泡沫彈性好，自愈效應強；泡膜排液速率反映泡沫的穩定性。起泡體系的粘度越高，排液速度越低，如蛋白質溶液，肽鏈之間能夠形成氫鍵；有些表面活性劑能與水分子形成氫鍵，能減少泡沫中的排液，起到穩泡作用。
加入不產生氫鍵的表面活性劑，取代產生氫鍵的表面活性劑，就可以使排液加快。
還有另一方面的因素對排液速率有影響。即表面活性劑吸附層與泡膜上兩吸附層當中的泡膜液之間親和力的強弱。表面活性劑與泡膜液親和性強，泡膜液隨吸附層遷移，泡沫就穩定；親和力弱，泡膜液不隨吸附層遷移，泡沫也就不穩定。表面活性劑的HLB值反映這種親和性，高HLB的表面活性劑，親水性強，易于使吸附層之間的水隨著遷移，是穩泡劑；低HLB值的表面活性劑，親水性弱，不易使吸附層之間的水隨著遷移，往往是消泡劑。親水性弱的低HLB值的表面活性劑取代了親水性強的高HLB值的表面活性劑，能使泡膜吸附層之間的水不隨吸附層遷移，從而促進泡膜排液，起到消泡作用
2、破泡劑與抑泡劑的區別
（1）消泡劑可分為破泡劑和抑泡劑
破泡劑是加到已形成的泡沫中，使泡沫破滅的添加劑。如低級醇、天然油脂。一般來說，破泡劑都是其分子的親液端與起泡液親和性較強，在起泡液中分散較快的物質。這類消泡劑隨著時間的延續，迅速降低效率，并且當溫度上升時，因溶解度增加，消泡效率會下降。
抑泡劑是發泡前預先添加而阻止發泡的添加劑。聚醚及有機硅等屬于抑泡劑。一般是分子與氣泡液親和性很弱的難溶或不溶的液體。
（2）作用機理上的區別
破泡劑的破泡機理大致有二種。第一，吸附助泡劑，加入電解質，瓦解雙電層，及使助泡物被增溶等機理，這樣就破壞助泡物的穩泡作用。在這些過程中消泡劑發揮一次消泡作用就被消耗。同時消耗掉相應的助泡物。第二，低級醇等溶解性較大的消泡劑，加到氣泡液中局部降低表面張力，發揮破泡作用，同時本身不斷破為碎塊，陸續溶解而失去破泡作用。破泡過程中，破泡劑不斷失效、消耗，而助泡劑卻不受影響
抑泡機理：一般認為抑泡劑分子在氣液界面上優先被吸附，它比助泡劑的表面活性更強，更易吸附到泡膜上，但是由于本身不賦予泡膜彈性，所以不具備穩泡作用。這樣當液體中產生泡沫時，抑泡劑首先占據泡膜，抑制了助泡劑的作用，抑制了氣泡。
（3）破泡劑與抑泡劑的相互關系
溶解度大的破泡劑，消泡作用只發揮一次；溶解度小的破泡劑，消泡作用可持續一段時間。如果溶解度進一步降低，即成為抑泡劑。另一方面，破泡劑大量使用，比有抑泡作用，抑泡劑大量使用也比有破泡作用。
3、對消泡劑的要求
（1）在起泡液中不溶或難溶
為破滅泡沫，消泡劑應該在泡膜上濃縮、集中。對破泡劑的情況，應在瞬間濃縮、集中，對于抑泡的情況應經常保持在這種狀態。所以消泡劑在起泡液中是過飽和狀態，只有不溶或難溶才易于達到過飽和狀態。不溶或難溶，才易于聚集在氣液界面，才易于濃縮在泡膜上，才能在較低濃度下發揮作用。用于水體系的消泡劑，活性成分的分子，須為強疏水弱親水，HLB值在1.53范圍，作用才最好。
（2）表面張力低于起泡液
只有消泡劑分子間作用力小，表面張力低于起泡液，消泡劑微粒才能夠在泡膜上浸入及擴展。值得注意的是，起泡液的表面張力并非溶液的表面張力，而是助泡溶液的表面張力。
（3）與起泡液有一定程度的親和性
由于消泡過程實際上是泡沫崩潰速度與泡沫生成速度的競爭，所以消泡劑必須能在起泡液中快速分散，以便迅速在起泡液中較廣泛的范圍內發揮作用。要使消泡劑擴散較快，消泡劑活性成分須與起泡液具有一定程度的親和性。消泡劑活性成分與起泡液過親，會溶解；過疏又難于分散。只有親疏適宜，效力才會好。
（4）與起泡液不發生化學反應
消泡劑與起泡液發生反應，一方面消泡劑會喪失作用，另一方面可能產生有害物質，影響微生物的生長。
（5）揮發性小，作用時間長
4、常用消泡劑的種類和性能
（1）天然油脂
天然油脂是最早用的消泡劑，它來源容易，價格低，使用簡單，一般來說沒有明顯副作用，如豆油、菜油、魚油等。油脂主要成分是高級脂肪酸酯和高級一元醇酯，還有高級醇、高級烴等。但油脂如保藏不好，易變質，使酸值增高，對發酵有毒性。此外，有些油是發酵產物的前體，如豆油是紅霉素的前體，魚油是螺旋霉素的前體。近年來出于對環境保護的重視，天然產物消泡劑的地位又有些提高，而且還在研究新的天然消泡劑。
a酒糟榨出液 羅伯茨（Roberts R.T.）在英國釀造業研究基金會資助的試驗啤酒廠發現：全麥芽浸出漿桶中最后倒出的沉積物能破滅泡沫。于是聯想到，是否可以由制作全麥芽浸出漿以后的酒糟壓榨出有效的消泡劑？經過試驗，由酒糟中壓榨出大約40%液體，在500C真空蒸餾，濃縮19倍，果然得到可用于麥芽汁發酵過程的消泡劑。效果很好，沒有副作用。經分析證明，酒糟榨出液中存在C8~C18的全部脂肪酸，存在極性類脂物，尤其是卵磷脂等物，這些物質的協同作用下的消泡作用比這些物質單獨消泡作用強得多。
b啤酒花油 研究年發現向啤酒添加1~5ppm啤酒花油是減輕氣泡溢出損失的有效措施。緊分析啤酒花油具含有消泡活性的物質有：石竹烯、荷蘭芹萜烯、香葉烯和蒎烯等。
（2）聚醚類消泡劑
聚醚類消泡劑種類很多我國常用的主要是甘油三羥基聚醚。六十年代發明此類消泡劑，美國道康寧化學公司首先投產。它是以甘油為起始劑，由環氧丙烷，或環氧乙烷與環氧丙烷的混合物進行加成聚合而制成的。只在甘油分子上加成聚合環氧丙烷的產物叫聚氧丙烯甘油定名為GP型消泡劑；用于鏈霉素發酵，代替天然油，加入基礎料，效果很好。在GP型消泡劑的聚丙二醇鏈節末端再加成環氧乙烷，成為鏈端是親水基的聚氧乙烯氧丙烯甘油，也叫GPE型消泡劑（泡敵）。按照環氧乙烷加成量為10%，20%，……50%分別稱為GPE10，GPE20，……GPE50。這類消泡劑稱為“泡敵”。用于四環素發酵效果很好，相當于豆油的10~20倍。
GP型的消泡劑親水性差，在發泡介質中的溶解度小，所以宜使用在稀薄的發酵液中。它的抑泡能力比消泡能力優越，適宜在基礎培養基中加入，以抑制整個發酵過程的泡沫產生。
GPE型消泡劑親水性較好，在發泡介質中易鋪展，消泡能力強，但溶解度也較大，消泡活性維持時間短，因此用在粘稠發酵液中效果較好。
有一種新的聚醚類消泡劑，在GPE型消泡劑鏈端用疏水基硬脂酸酯封頭，便形成兩端是疏水鏈，當中間隔有親水鏈的嵌段共聚物。這種結構的分子易于平臥狀聚集在氣液界面，因而表面活性強，消泡效率高。這類化合物叫GPES型消泡劑。
（3）高碳醇
高碳醇是強疏水弱親水的線型分子，在水體系里是有效的消泡劑。七十年代初前蘇聯學者在陰離子、陽離子、非離子型表面活性劑的水溶液中試驗，提出醇的消泡作用，與其在起泡液中的溶解度及擴散程度有關。C7~C9的醇是最有效的消泡劑。
C12~C22的高碳醇借助適當的乳化劑配制成粒度為4~9μm，含量為20~50%的水乳液，即是水體系的消泡劑。
還有些成酯，如苯乙醇油酸酯、苯乙酸月桂醇酯等在青霉素發酵中具有消泡作用，后者還可作為前體。
（4）硅酮類
最常用的是聚二甲基硅氧烷，也稱二甲基硅油。它表面能低，表面張力也較低，在水及一般油中的溶解度低且活性高。它的主鏈為硅氧鍵，為非極性分子。與極性溶劑水不親和，與一般油的親和性也很小。它揮發性低并具有化學惰性，比較穩定且毒性小。純粹的聚二甲基硅氧烷，不經分散處理難以作為消泡劑。可能是由于它與水有高的界面張力，鋪展系數低，不易分散在發泡介質上。因此將硅油混入SiO2氣溶膠，所構成的復合物，即將疏水處理后的SiO2氣溶膠混入二甲基硅油中，經一定溫度、一定時間處理，就可制得。
也有在硅油和SiO2氣溶膠的復合物中添加一種或兩種乳化劑，加熱溶勻，與增稠劑水溶液混合后乳化。乳化劑有甘油單硬脂酸酯，聚氧乙烯山梨糖醇單硬脂酸酯（Tween60）、聚氧乙烯山梨糖醇單油酸酯（Tween80）、山梨糖醇單硬脂酸酯（Spen60）、山梨糖醇三硬脂酸酯（Spen65）。增稠劑有羧甲基纖維素鈉鹽。這類消泡劑廣泛用于抗生素發酵及食品工業。
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