生物发酵过程中消泡方式的研究进展

杨艳

摘要：生物发酵过程中会产生发泡沫，这些发酵泡沫会对生物发酵过程产生不利影响甚至造成经济损失。为此，怎样消除泡沫是当前生物培养人员需要思考和解决的问题。文章在分析生物发酵过程中泡沫产生原因的基础上，从物理、化学和机械3个方面分析消除生物发酵泡沫的措施，并分析比较3种消泡方式的优缺点，展望生物发酵消泡的未来发展趋向，旨在促进生产。

关键词：生物发酵;泡沫;消泡方法

前言

在生物发酵过程中，空气与培养基表面活性物质的结合会产生许多难以消除的气泡。这些泡沫虽然在化妆品领域、食品生产加工领域、医药研究领域、海洋领域及环境保护领域具有十分重要的作用，但在生物领域，发酵泡沫会造成发酵产物的损失、菌种染菌、传感器污染等，最终引发一系列环境污染问题。因此，在生物发酵过程中怎样消除和处理泡沫成为相关人员需要思考和解决的问题。

1生物发酵过程中产生泡沫的原因

在发酵罐内部，气体和液体一旦接触就会产生泡沫。一般情况下，纯溶液液体中因为通气导致的起泡持续时间比较短暂，因而不需要采取消泡措施。但是溶液中存在一种或一种以上表面活性剂时，起泡时间将会延长。生物发酵大多是好氧发酵，曝气是发酵过程中必不可少的一部分。在发酵培养过程中，生物代谢会产生更多的表面活性剂，如表面活性剂蛋白和磷酸盐、脂肪铵盐、脂肪酸、聚二乙醇、亚硫酸盐与硫酸盐等，这些表面活性物会产生较多的泡沫。

2基于化学方式的生物发酵消泡处理措施

具有强氧化性的消泡剂、杀菌剂和阻泡剂可以用来抑制泡沫的生长。例如，泡沫废水中应加入氯、臭氧和过氧化氢;也可以使用聚乙二醇和硅制成的药物制剂;可以使用含有硅和聚醚的消泡剂。添加剂只能减少泡沫的生长，但不能从根本上消除泡沫的形成。

3基于物理方式的生物发酵消泡处理

物理消泡方法有聲波消泡、高低温破坏性泡沫和液体喷雾冲击泡沫。其中，声波消除泡沫主要是利用声波引起泡沫内部物质分子的振动，以及声表面对泡沫的抑制作用，实现对泡沫的震碎处理。高低温消除泡沫主要是借助温差环境下泡沫不稳定来消除泡沫。液体喷雾泡沫主要是利用液体对泡沫表面产生冲击力，达到破坏泡沫的目的。

喷水是最常用的泡沫去除方法。通过用水或水滴击碎漂浮在表面的泡沫，可以部分回收散落的颗粒。但混合液中仍存在丝状菌，在适宜条件下仍会产生泡沫，根本无法消除泡沫。

从实际操作来看，物理消泡法不会对生物发酵的菌种和产品产生影响，但物理消泡装置机械设备费用高昂，使用率较低。

4基于机械方式的生物发酵消泡处理

机械消泡方式是在化学消泡方式之后被人们广泛应用到生物发酵消泡领域的一种技术，机械消泡方式不会产生有毒有害物质，而且不影响生物发酵进程，更不会阻断下游产品的分离。机械消泡装置的机理是借助叶轮转动速度引发压力、压缩力、冲击力变化，进而达到消泡目的。

4.1离心篮式消泡机械装置

离心篮消泡法是一种外发泡法，分为内层和外层两层。内层是一个旋转的篮子。筐壁上有密集的网孔，高速旋转时筐内的泡沫被抛向外壁。中间网片的剪切可以完全粉碎泡沫。离心筐式消泡器的外层是一个无网格的非旋转圆筒，它能在圆筒的作用下收集内筐抛出的液体，使收集到的液体流入反应器。离心篮式消泡机械装置是将泡沫集中引出，进行集中的消泡处理，但是这种集中化的消泡处理在缺乏化学辅助消毒的情况下会引入细菌，因而在使用离心篮式消泡机械装置时需要采取必要的化学处理措施。离心篮式消泡机械装主要经历了以下几个发展阶段：①模仿气升式发酵罐研究出的消泡机械装置。离心篮式消泡机械装置最早出现在1967年，模仿了气升式发酵罐，在装置转动速度上升到3000r·min-1的过程中，泡沫压缩因子和转动速度呈反比关系。在转动速度达到3000r·min-1后压缩因子数值不再变化，基本趋于稳定。②气液分离的高效率旋击气液分离器。经过改进，根据旋风分离器的工作原理，设计了一种上部气液分离的高效旋风式气液分离器。气体从分离器入口进入，与排气管壁接触碰撞，细液滴在导向装置的作用下冷凝向下旋转，最终实现液滴分离。在稳流装置的作用下，分离出的液滴将从分离器排放管输出，输出气流将通过中央管从排气管排出。③蜗壳式样的机械消泡器。通过调节旋风叶片和稳流叶片的位置，设计了蜗壳式机械消泡器。蜗壳式机械消泡器的旋风叶片旋转时，会产生风。

4.2转轴叶片式消泡器

转轴叶片消泡器是一种罐内消泡器，一般安装在反应器上部分，是一种额外装置设备。当马达带动叶轮高速旋转时，形成负压。将生化罐表面的泡沫吸入消泡箱，达到消泡的目的。该方法不需要添加任何化学物质，使用方便，无二次污染，但需要在罐内加入大功率搅拌器，耗电量增高。

5 结束语

综上所述，经过分析发现现阶段常见的消泡方式分为物理消泡、化学消泡和机械消泡3种，这3种消泡方式各有优缺点。其中，化学消泡方式的消泡效率、消泡安全性方面都要优于机械消泡和物理消泡。在3种消泡方式中关于物理消泡方式的研究较少，但其在未来拥有广阔的研究空间。随着人们节能环保意识的增强，化学消泡方式设备价格高昂、资源浪费严重，不符合绿色节能环保的理念。因此，需要相关人员根据生物发酵消泡的基本机理，进一步深入研究消泡方式，力度找到一种消泡性能好且环保的消泡方式。

参考文献：

[1]王文奇，张庆文，李军庆，等.生物发酵过程中消泡方式的研究进展[J].中国酿造，2013（2）：6-9.

[2]潘小玉.浅谈生物发酵过程中消泡方式的研究进展[J].中国化工贸易，2017（15）：236.

[3]郑浩.污泥蛋白发泡剂的制备与泡沫性能研究[D].天津大学.2010.

[4]黎方潜，唐昊，庄柯，等.聚醚改性有机硅消泡剂的制备及性能评价[J].应用化工，2017（9）：1695-1699.

[5]王婷婷，安秋风.耐高温、耐强碱性有机硅消泡剂的配制及应用[J].精细化工，2014（10）：1211-1214.

[6]陈国民.物理方法消除生物氧化过程中泡沫的探索研究[J].黄金，2018，39（12）：60-62.