在微生物的發酵調控過程中，泡沫控制是一個重要的環節。如果泡沫控制不當，泡沫產生量過大時則會對生產工藝造成巨大危害，如發酵罐實際裝量與總容量之比的裝填系數減少，造成大量逃液，原材料的浪費以及產物的損失等。

1、泡沫的形成

泡沫是氣體分散在液體中的分散體系。氣體被連續的液膜分開，形成大小不等的氣泡，具有很大的氣液表面。泡沫就其本質而言，是熱力學不穩定體系，但在一定的條件下，采取適當的措施，可以保持一定的穩定性團。在工業發酵過程中，為了適應微生物的生理特性，取得較好的生產效果，需要在發酵罐中通入大量的無菌空氣，同時，為了加速氧的溶解，還必需對發酵液進行激烈的攪拌。由于發酵液中存在糖、蛋白質等易起泡物質，因此，通氣發酵過程中往往會產生大量的泡沫。

發酵過程中的泡沫，其分散相為無菌空氣和代謝氣體，連續相為發酵液。主要分為2類：一類存在于發酵液上，這類泡沫氣相所占的比例特別大，常存在于發酵液體表面，主要是由于發酵罐內通氣攪拌而產生，一般被稱為機械性泡沫；另一類是由細菌的呼吸作用產生，這種氣泡分散很細，而且很均勻，也較穩定，泡沫與液體之間沒有明顯的液面界限，這類泡沫被稱為流態型泡沫。流態型泡沫增長到一定高度，即使停止攪拌，泡沫也不易下落，這種泡沫對發酵極為不利。

2、泡沫的控制

泡沫控制的目的是如何使泡沫中的氣泡及時破裂，使氣相和液相分離。在工業發酵過程中常常從2個方面來消除泡沫：一方面，采用化學方法和物理方法來改變液膜的某些部分的局部受力，打破液膜原來的受力平衡而破裂。另一方面，通過改變發酵液成分配比以及發酵工藝的操作條件的控制來減少泡沫的產生。

2．1化學消泡

2．1．1化學消泡的機理

化學消泡是一種使用化學消泡劑破碎泡沫液膜的方法。其來源廣泛，價錢便宜，并且消泡效果好。消泡劑加入到發酵液以后主要是通過2種方法來消除發酵液中的泡沫：一種是消泡劑的鋪展作用，它是指消泡劑液滴借助低表面張力的作用在液膜表擴展成膜的過程。當發酵液中加入消泡劑以后，消泡劑分子立即在泡沫表面鋪展，形成很薄的雙膜層，迸一步擴散、滲透，層狀入侵，從而取代原泡膜薄壁；同時，在鋪展過程中帶走鄰近表面層的部分溶液，使泡沫液膜變薄，降低了泡沫的穩定性，使之易于破壞。另一種是消泡劑的插入作用，就是消泡粒子直接插破氣泡的過程。有些消泡劑主要是以液滴、固體顆粒或包裹著固體顆粒的液滴形式加入起泡體系的，這些疏水的液滴或固體顆粒具有排液性，可以直接進入液膜形成“架橋”，在液滴或固體顆粒與液膜的界面處形成氣泡液膜的薄弱點，導致液膜破裂。一般地講，消泡劑在氣泡液膜表面鋪展或滲入越快，其消泡的作用越強。

2．1．2消泡劑的分類

用于微生物發酵的消泡劑多種多樣，早期的發酵中以天然油脂為主，如玉米油、花生油、豆油等。但是由于天然油脂易氧化和酸值偏高，不利于泡沫的消除，同時對產物具有一定的抑制作用，后來逐步被化學消泡劑取代。隨著發酵工業的發展，化學消泡劑獲得了很大的發展，形成了很多種類型的消泡劑，常用的消泡劑主要分為聚醚類、高級醇類和硅樹脂類四。聚醚類消泡劑在工業中應用較多的有聚氧丙烯甘油和聚氧乙烯氧丙烯甘油(泡敵)，聚醚類消泡劑親水性好，十分容易在發酵液中擴展，消泡能力強，溶解度也大，但消泡活性維持時間較短，在粘稠的發酵液中使用效果更好。高級醇類消泡劑在工業上運用主要有聚二醇、十八醇等，是由親水性較差，低表面張力的液體組成。在消泡過程中往往配合載體一起使用。能起到很好的消泡效果。其適合于在液體剪切力較小，溶液發泡能力較溫和的條件下使用，對致密型泡沫消除能力較差。+硅酮類消泡劑的代表是聚二甲基硅氧烷及其衍生物，它常與Si02按一定比例復合而成。這類消泡劑具有極低的表面張力，熱穩定性好，化學穩定性高等優點，特別適用于油溶性溶液消泡。

2．1．3消泡劑的使用

消泡劑的消泡效果與其使用方式有著密切聯系。一種優秀的消泡劑必須同時兼顧消、抑泡作用，即不但應該迅速使泡沫破壞，而且能在相當長的時間內防止泡沫生成。消泡劑加入發酵液后能否及時有效的發揮作用主要是取決于該消泡劑的消泡性能和擴散能力。不同的消泡劑在不同的發酵液中消泡效果各不相同，使用量也各有不同。

在工業發酵過程中常采用：

② 過機械攪拌或通氣，使消泡劑在發酵液中分散的更均勻；

②將消泡劑和載體一起使用，使消泡劑更容易溶于或分散于載體中，兩者混合使用可產生明顯的增效作用；

③多種消泡劑按比例混合使用可增強消泡作用；

④利用乳化劑增強消泡劑的消泡作用。此外，消泡劑的添加量需要嚴格控制，添加量少，得不到很好的效果；添加量多，不僅會抑制產物的生成，而且會影響產物的分離純化。

2．2機械消泡器

機械消泡不同于化學消泡，它主要是依靠機械剪切力和壓力的變化，促使泡沫破裂，或借助機械力將排出氣體中的液體加以分離回收，從而達到消泡的作用，在工業中常常起輔助消泡作用或運用于禁止使用化學消泡劑的生產中。一個好的機械消泡裝置，應該具有動力小，結構簡單，堅固耐用和滅菌簡單等優點。在工業生產過程中，為了取得更好的消泡效果，常常幾種消泡方式結合使用，常見的機械消泡器的結構形式有柵式、旋轉圓盤式、渦輪式和旋風分離式等。

2．2．1柵式消泡器

旋轉槳葉式消泡器是結構比較簡單的罐機械消泡裝置，它安裝在發酵罐中的攪拌軸上，安裝位置略高于液面，通過攪拌軸轉動產生的機械剪切力來破碎泡沫。最初常用是耙式消泡槳。隨著工業的發展，陸續出現了許多新型消泡槳。Nitin S Deshpande和Mostafa Barigou提出了一種新型的攪拌槳，由2個各具有3個狹縫的消泡槳組成，其結構見圖1，這種消泡槳與傳統的消泡槳相比能夠增大剪切力，減少消泡所消耗的功率。雖然這類消泡槳消泡結構比較簡單，但是其不能有效阻止泡沫外溢，同時還會受到攪拌軸轉速的影響。

2．2．2旋轉圓盤式機械消泡

旋轉圓盤式消泡裝置見圖2。這種旋轉圓盤式機械消泡裝置在發酵罐內，與發酵液的液面保持平行。當泡沫上升到旋轉圓盤底部時，在離心力的作用下，將泡沫液散向罐壁破碎，從而達到消泡的效果。這種消泡裝置能夠很好的消除發酵罐內細小的泡沫，適合于破碎發酵過程中產生的流狀泡沫。

2．2．3渦輪式消泡器

某大學研發的ADF機械消泡器是一種典型的渦輪式消泡器，其中的消泡結構見圖3，是比較新型的機械消泡裝置，在發酵中使用比較廣泛。其利用槳葉高速旋轉產生的剪切力和離心力來破碎發酵過程產生的泡沫，使氣液分離，分離出的泡沫液可以重新回到發酵罐中，減少逃液損失，并且結合尾氣冷凝系統，可以更有效地減少大通氣量條件下發酵液損失，能夠提高發酵罐的裝液系數和減少微生物在泡沫中的停留時間。

2．2．4旋風分離消泡器

旋風分離消泡器是將發酵罐內產生的泡沫由排氣管引入到罐外的旋風分離器中，氣流受導向葉片的導流作用而產生強烈旋轉，氣流沿筒體呈螺旋形向下進入旋風簡體，密度大的泡沫和液滴被甩向壁面，并且在重力的作用下，通過旋風分離器壁面下落到罐內，氣體則由旋風分離器上部流出，其氣液分離效率高，能夠有效的防止工業發酵過

程中的逃液。旋風分離消泡器結構見圖4。

一般來說，工業常用的機械消泡方式不能從根本上消除引起泡沫產生的因素，并且泡沫量過大時，不能迅速的消除泡沫，因此在生產中常常起到一個輔助的消泡效果，往往配合化學消泡劑一起使用。另外，機械消泡器容易產生死角導致滅菌不徹底。但是，機械消泡器也具有巨大的優勢，某廠運用了一種高效消泡裝置用于谷氨酸發酵泡沫控制，它由耙式消泡槳和旋風分離式消泡器構成。通過5群，6#發酵罐安裝使用，泡敵的使用量由原來的7‰下降為4．5‰，發酵罐裝液量也提高到了72．5％。僅泡敵一項就節約了20元。

2．3發酵液和操作條件控制

工業發酵過程中泡沫的消漲規律受到多種因素的影響，如發酵液的pH值、溫度以及操作條件均會影響泡沫的產生，并且各個菌種發酵工藝不同，導致工業發酵泡沫產生的原因多種多樣。在長期的工業發酵的生產實踐過程中，人們根據泡沫產生的原因，總結出泡沫變化的規律：①從發酵液的性質來看，發酵液中蛋白質含量越高，發酵

液的粘度越大，則生成的泡沫穩定性就越高。②從菌體方面來看，茵體生長旺盛時，產生的泡沫多，當發酵液中氮源被菌體大量消耗時，濃度下降，則氣泡的穩定性減弱，泡沫量減少，在發酵后期，伴隨菌體的自溶，使發酵液中蛋白質濃度又上升，則發酵液的起泡性又增強，泡沫增加。③發酵液滅菌質量不好，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。④在發酵前期由于發酵液中蛋白質、糖類含量高，必須先開小通氣量和攪拌轉速，再逐步加大。以上方法在一定程度上可以避免或減少泡沫的產生，但是有一定的限度，并不能取得一個好的消泡效果。

3、結語

工業生產中的泡沫形成，是一個復雜的過程，受到多種因素的調控。必須對工業發酵中泡沫生成的原因具體分析，采用相應的消泡手段，才能更好的消除泡沫，減少生產浪費，增強企業的競爭力。