生物發(fā)酵過程中消泡方式的研究進(jìn)展

楊艷

摘要：生物發(fā)酵過程中會產(chǎn)生發(fā)泡沫，這些發(fā)酵泡沫會對生物發(fā)酵過程產(chǎn)生不利影響甚至造成經(jīng)濟(jì)損失。為此，怎樣消除泡沫是當(dāng)前生物培養(yǎng)人員需要思考和解決的問題。文章在分析生物發(fā)酵過程中泡沫產(chǎn)生原因的基礎(chǔ)上，從物理、化學(xué)和機(jī)械3個方面分析消除生物發(fā)酵泡沫的措施，并分析比較3種消泡方式的優(yōu)缺點，展望生物發(fā)酵消泡的未來發(fā)展趨向，旨在促進(jìn)生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：生物發(fā)酵;泡沫;消泡方法

前言

在生物發(fā)酵過程中，空氣與培養(yǎng)基表面活性物質(zhì)的結(jié)合會產(chǎn)生許多難以消除的氣泡。這些泡沫雖然在化妝品領(lǐng)域、食品生產(chǎn)加工領(lǐng)域、醫(yī)藥研究領(lǐng)域、海洋領(lǐng)域及環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域具有十分重要的作用，但在生物領(lǐng)域，發(fā)酵泡沫會造成發(fā)酵產(chǎn)物的損失、菌種染菌、傳感器污染等，最終引發(fā)一系列環(huán)境污染問題。因此，在生物發(fā)酵過程中怎樣消除和處理泡沫成為相關(guān)人員需要思考和解決的問題。

1生物發(fā)酵過程中產(chǎn)生泡沫的原因

在發(fā)酵罐內(nèi)部，氣體和液體一旦接觸就會產(chǎn)生泡沫。一般情況下，純?nèi)芤阂后w中因為通氣導(dǎo)致的起泡持續(xù)時間比較短暫，因而不需要采取消泡措施。但是溶液中存在一種或一種以上表面活性劑時，起泡時間將會延長。生物發(fā)酵大多是好氧發(fā)酵，曝氣是發(fā)酵過程中必不可少的一部分。在發(fā)酵培養(yǎng)過程中，生物代謝會產(chǎn)生更多的表面活性劑，如表面活性劑蛋白和磷酸鹽、脂肪銨鹽、脂肪酸、聚二乙醇、亞硫酸鹽與硫酸鹽等，這些表面活性物會產(chǎn)生較多的泡沫。

2基于化學(xué)方式的生物發(fā)酵消泡處理措施

具有強(qiáng)氧化性的消泡劑、殺菌劑和阻泡劑可以用來抑制泡沫的生長。例如，泡沫廢水中應(yīng)加入氯、臭氧和過氧化氫;也可以使用聚乙二醇和硅制成的藥物制劑;可以使用含有硅和聚醚的消泡劑。添加劑只能減少泡沫的生長，但不能從根本上消除泡沫的形成。

3基于物理方式的生物發(fā)酵消泡處理

物理消泡方法有聲波消泡、高低溫破壞性泡沫和液體噴霧沖擊泡沫。其中，聲波消除泡沫主要是利用聲波引起泡沫內(nèi)部物質(zhì)分子的振動，以及聲表面對泡沫的抑制作用，實現(xiàn)對泡沫的震碎處理。高低溫消除泡沫主要是借助溫差環(huán)境下泡沫不穩(wěn)定來消除泡沫。液體噴霧泡沫主要是利用液體對泡沫表面產(chǎn)生沖擊力，達(dá)到破壞泡沫的目的。

噴水是最常用的泡沫去除方法。通過用水或水滴擊碎漂浮在表面的泡沫，可以部分回收散落的顆粒。但混合液中仍存在絲狀菌，在適宜條件下仍會產(chǎn)生泡沫，根本無法消除泡沫。

從實際操作來看，物理消泡法不會對生物發(fā)酵的菌種和產(chǎn)品產(chǎn)生影響，但物理消泡裝置機(jī)械設(shè)備費用高昂，使用率較低。

4基于機(jī)械方式的生物發(fā)酵消泡處理

機(jī)械消泡方式是在化學(xué)消泡方式之后被人們廣泛應(yīng)用到生物發(fā)酵消泡領(lǐng)域的一種技術(shù)，機(jī)械消泡方式不會產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)，而且不影響生物發(fā)酵進(jìn)程，更不會阻斷下游產(chǎn)品的分離。機(jī)械消泡裝置的機(jī)理是借助葉輪轉(zhuǎn)動速度引發(fā)壓力、壓縮力、沖擊力變化，進(jìn)而達(dá)到消泡目的。

4.1離心籃式消泡機(jī)械裝置

離心籃消泡法是一種外發(fā)泡法，分為內(nèi)層和外層兩層。內(nèi)層是一個旋轉(zhuǎn)的籃子?？鸨谏嫌忻芗木W(wǎng)孔，高速旋轉(zhuǎn)時筐內(nèi)的泡沫被拋向外壁。中間網(wǎng)片的剪切可以完全粉碎泡沫。離心筐式消泡器的外層是一個無網(wǎng)格的非旋轉(zhuǎn)圓筒，它能在圓筒的作用下收集內(nèi)筐拋出的液體，使收集到的液體流入反應(yīng)器。離心籃式消泡機(jī)械裝置是將泡沫集中引出，進(jìn)行集中的消泡處理，但是這種集中化的消泡處理在缺乏化學(xué)輔助消毒的情況下會引入細(xì)菌，因而在使用離心籃式消泡機(jī)械裝置時需要采取必要的化學(xué)處理措施。離心籃式消泡機(jī)械裝主要經(jīng)歷了以下幾個發(fā)展階段：①模仿氣升式發(fā)酵罐研究出的消泡機(jī)械裝置。離心籃式消泡機(jī)械裝置最早出現(xiàn)在1967年，模仿了氣升式發(fā)酵罐，在裝置轉(zhuǎn)動速度上升到3000r·min-1的過程中，泡沫壓縮因子和轉(zhuǎn)動速度呈反比關(guān)系。在轉(zhuǎn)動速度達(dá)到3000r·min-1后壓縮因子數(shù)值不再變化，基本趨于穩(wěn)定。②氣液分離的高效率旋擊氣液分離器。經(jīng)過改進(jìn)，根據(jù)旋風(fēng)分離器的工作原理，設(shè)計了一種上部氣液分離的高效旋風(fēng)式氣液分離器。氣體從分離器入口進(jìn)入，與排氣管壁接觸碰撞，細(xì)液滴在導(dǎo)向裝置的作用下冷凝向下旋轉(zhuǎn)，最終實現(xiàn)液滴分離。在穩(wěn)流裝置的作用下，分離出的液滴將從分離器排放管輸出，輸出氣流將通過中央管從排氣管排出。③蝸殼式樣的機(jī)械消泡器。通過調(diào)節(jié)旋風(fēng)葉片和穩(wěn)流葉片的位置，設(shè)計了蝸殼式機(jī)械消泡器。蝸殼式機(jī)械消泡器的旋風(fēng)葉片旋轉(zhuǎn)時，會產(chǎn)生風(fēng)。

4.2轉(zhuǎn)軸葉片式消泡器

轉(zhuǎn)軸葉片消泡器是一種罐內(nèi)消泡器，一般安裝在反應(yīng)器上部分，是一種額外裝置設(shè)備。當(dāng)馬達(dá)帶動葉輪高速旋轉(zhuǎn)時，形成負(fù)壓。將生化罐表面的泡沫吸入消泡箱，達(dá)到消泡的目的。該方法不需要添加任何化學(xué)物質(zhì)，使用方便，無二次污染，但需要在罐內(nèi)加入大功率攪拌器，耗電量增高。

5 結(jié)束語

綜上所述，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)現(xiàn)階段常見的消泡方式分為物理消泡、化學(xué)消泡和機(jī)械消泡3種，這3種消泡方式各有優(yōu)缺點。其中，化學(xué)消泡方式的消泡效率、消泡安全性方面都要優(yōu)于機(jī)械消泡和物理消泡。在3種消泡方式中關(guān)于物理消泡方式的研究較少，但其在未來擁有廣闊的研究空間。隨著人們節(jié)能環(huán)保意識的增強(qiáng)，化學(xué)消泡方式設(shè)備價格高昂、資源浪費嚴(yán)重，不符合綠色節(jié)能環(huán)保的理念。因此，需要相關(guān)人員根據(jù)生物發(fā)酵消泡的基本機(jī)理，進(jìn)一步深入研究消泡方式，力度找到一種消泡性能好且環(huán)保的消泡方式。

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