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发酵过程中的泡沫控制方法

2021-04-26 15:04:34

1 泡沫的产生,性质及变化形成条件:

 气-液两相共存;表面张力大的物质存在;发酵过程中泡沫有两种类型: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(fluid foam),分散在发酵液中,比较稳定,与液体之间无明显的界限.实质:气溶胶构成的胶体系统,其分散相是空气和代谢气,连续相是发酵液,泡沫间隔着一层液膜而被彼此分开不相连通.泡沫是热力学不稳定体系热力学第二定律指出:自发过程,总是从自由能较高的状态向自由能较低的状态变化.起泡过程中自由能变化如下:△G=γ△A△G——自由能的变化△A——表面积的变化γ——比表面能起泡时,液体表面积增加,△A为正值,因而△G为正值,也就是说,起泡过程不是自发过程.另一方面,泡沫的气液界面非常大.例如:半径1cm厚0.001cm的一个气泡,内外两面的气液界面达25cm2;可是,当其破灭为一个液滴后,表面积只有0.2cm2,相差上百倍.泡沫破灭,合并的过程中,自由能减小的数值很大.因此泡沫的热力学不稳定体系,终归会变成具有较小表面积的无泡状态.发酵过程泡沫产

生的原因:

 (1)通气搅拌的强烈程度,发酵前期培养基成分丰富,易起泡.采用较小通气量及搅拌转速,再逐步加大.也可在基础料中加入消泡剂.

 (2)培养基配比与原料组成前期培养基营养丰富粘度大,产泡沫多而持久,例:在50L罐中投料10L,成分为淀粉水解糖,豆饼水解液,玉米浆等,搅拌900 rpm,通气,泡沫生成量为培养基的2倍.如培养基适当稀一些,接种量大一些,生长速度快些,前期就容易搅拌开.

 (3)菌种,种子质量和接种量菌种质量好,生长速度快,可溶性氮源较快被利用,泡沫产生几率也就少.菌种生长慢的可以加大接种量(4)灭菌质量,培养基灭菌质量不好,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,加消泡剂也无效.泡沫的形成一般有以下几种规律:整个发酵过程中,泡沫保持恒定的水平;发酵早期,起泡后稳定地下降,以后保持恒定;发酵前期,泡沫稍微降低后又开始回升;发酵开始起泡能力低,以后上升;

 泡沫体系的三阶段变化

 

    (1)气泡大小分布的变化液膜包裹的一个气泡,就像一个吹鼓了的气球.由于气球膜有收缩力,所以气球中压力大于气球外的压力;同样气泡膜有表面张力,气泡中压力大于气泡外的压力.气泡大小的再分布,就是由气泡膜内气体的压力变化引起的.气泡中气体压力的大小,依赖气泡膜的曲率半径 。

    (2)气泡液膜变薄取一杯泡沫,放置一段时间,就会在杯底部出现一些液体,而逐渐形成液相及液面上的泡沫相这样具有界面的两层.底部出现的液体一部分是泡沫破灭形成的,一部分是气泡膜变薄,排出液体形成的泡沫生成初期,泡沫液还比较厚,以后因蒸发排液而变薄,泡沫液会受重力的影响向下排液,泡沫液随时间延续而变薄.

    (3)泡沫破灭,泡沫由于排液,液量过少,表面张力降低,液膜会急剧变薄,最后液膜会变得十分脆弱,以至分子的热运动都可以引起气泡破裂.因此只要泡沫液变薄到一定程度,泡沫即瞬间破灭泡沫层内部的小气泡破灭后,虽一时还不能导致气液分离,只是合并成大气泡,但排液过程使泡膜液量大幅

度减少,使合并成的大气泡快速地破灭,最后泡沫体系崩溃,气液分离.影响泡沫稳定性的因素引起危害,需要消除的,只是稳定的泡沫.泡沫的稳定性受液体,气体许多性质的影响.不同介质的泡沫,稳定程度相差很多,影响泡沫稳定性的因素十分复杂,概括国内外研究者的说法,主要因素一下几种:

  1)泡径大小

  大泡易于破灭,寿命较长的的都是小泡.因为:泡越小,合并成大气泡的历程就越长;小气泡的泡膜中所含液量相对比较大,所以较能经受液体流失所造成的稳定性的损失;气泡越小,上升速度越慢,给表面活性剂的吸附提供充足的时间,增加了稳定性.

 2)溶液所含助泡物的类型和浓度

 (1)降低表面张力,降低表面张力会降低相邻气泡间的压差.压差小,小泡并入大泡的速度就慢,泡沫的稳定性就好.

 (2)增加泡沫弹性

 助泡的表面活性剂,吸附在气液界面上,使表面层的组分与液相组分产生差别,因而使泡沫液具有弹性.

 (3)助泡剂浓度

  溶液中助泡剂浓度增加,气液界面上的吸附量就增加,液膜弹性随之增加,泡沫稳定性增高.到达临界胶束浓度后,气液界面上的定向排列"饱和",弹性不会再增加.

 3)起泡液的粘度

 某些溶液,如蛋白质溶液,虽然表面张力不高,但因粘度很高,所产生的泡沫非常稳定.因为粘稠的液膜,有助于吸收外力的冲击,起到缓冲的作用,使泡沫能持久一些.液体粘度对泡沫稳定性的影响比表面张力的影响还要大.

 4)其它

 温度 表面张力最低值时的浓度随温度变化.

 pH 影响助泡剂的溶解度和表层的吸附状态

 表面电荷 离子型表面活性剂,由于离子间静电的排斥,阻碍着离子彼此接近,减少排液速度,延缓泡沫变薄过程,使泡沫稳定.



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