知識強化：泡沫產生及其消除的機理

引言

作為發酵工程師的您，或許已經對發酵生產過程產生泡沫的原因有了比較深入的理解，比如攪拌、高溫、高通氣、代謝異常。也許對高泡沫的危害也有更深入的體會，比如導致染菌、逃液等重大危害，當然也明白制服泡沫的方法。本文從深層出發，闡述泡沫產生和消除機理。近期還會有一期關於抑泡劑和消泡劑的區別的文章，敬請關注。另外拜託大家將本文轉給需要的朋友，。

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泡沫定義

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我國著名的表面物理學家趙國璽教授對泡沫的定義為:泡沫是氣體分散於液體中的體系, 氣體是分散相(不連續相), 液體是分散介質(連續相), 液體中的氣泡上升至液面, 形成少量液體構成的以液膜隔開氣體的氣泡聚集物。目前, 國內外學者一致認為:泡沫本身是一種熱力學不穩定體系, 當氣體進入含有表面活性劑的溶液中時, 便會形成長時間穩定的泡沫體系 。

泡沫的衰減機理

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在重力和壓力差存在的條件下泡沫的液膜會不均衡的流動排液, 氣泡中的氣體也會因為泡膜兩邊壓力差不同的原因不斷的發生擴散滲透, 所以泡沫本身的不穩定性主要從動力學方面得以體現。 其衰減的機理主要有氣體透過液膜的擴散和液膜的排液這兩個方面, 這兩種性質是泡沫本身固有的屬性, 與表面活性劑的存在與否都沒有關係, 但是這兩種衰減機理, 只在泡沫體系形成的初始階段作用比較明顯, 隨著泡沫體系的衰減, 這兩種作用逐漸減弱, 使得泡沫衰減的速率逐漸變慢。

泡沫的穩定因素

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泡沫產生的直接原因是表面活性劑的存在, 使溶液的表面張力降低, 在此原因和泡沫衰減機理的共同作用下, 不同的泡沫體系表現出不同的穩定性能主要和以下幾種因素有關：

起泡溶液的表面張力、泡沫的表面粘度、溶液的粘度、表面張力的自我修復作用(即Gibbs表面彈性和Marangoni 效應)、液膜的表面雙電層斥力和熵斥力、 表面活性劑的疏水端結構和空間位阻效應等, 這些因素之間不是獨立存在的, 一種因素的改變會使其他一些因素改變。影響泡沫的穩定性最主要的因素就是液膜的彈性和排液速率, 所以不同的泡沫體系中泡沫穩定性影響的主要因素是不同的, 並且往往幾種影響因素同時存在、共同作用。 除此之外，泡沫的大小、溶質與溶劑的配合、溫度、pH值、溶劑的蒸發速率、泡沫的受衝擊程度以及表面活性劑的吸附速率等也間接影響泡沫的穩定性。

物理因素消除泡沫

從物理學角度考慮消除泡沫的方法主要包括放置擋板或濾網、機械攪拌、靜電、冷凍、加熱、 蒸汽、射線照射、高速離心、加壓減壓、高頻振動、 瞬間放電和超聲波(聲學液體控制)等, 這些方法都在不同的程度上促進了液膜兩端氣體的透過 速率和泡膜的排液, 使得泡沫的穩定因素小於衰 減因素, 從而泡沫的數量逐漸減少。物理方法共同缺點是在使用受環境因素的制約性較強、 消泡速率不高等, 優點在與環保、重複利用率高。

化學法消除泡沫

包括化學反應法和添加消泡劑的方法。化學反應法是指通過加入一些試劑使其與起泡劑發生化學反應, 生成不溶於水的物質, 從而降低了液膜中表面活性劑的濃度, 促使泡沫的破裂, 但是這種方法存在發泡劑成分不確定、產生難溶性物質對體系設備產生危害等缺點。現如今各行各業應用最廣泛的消泡方法是加入消泡劑的方法, 這種方法最大的優點在於破泡效率高、使用方便等優點, 但是尋找合適高效的消泡劑是關鍵。

消泡劑的消泡機理

1、Robinson 消泡機理，主要強調了消泡劑破壞泡沫的排液和Marangoni效應實現消泡。

2、「架橋-鋪展」機理主要從 「聚硅氧烷自身張力比較低, 容易在液膜上鋪展」 這一基本點出發, 它強調的是消泡劑液滴易變形。

3、疏水固體顆粒的消泡機理，疏水性的固體顆粒在泡沫體系中, 首先會吸引表面活性劑的疏水端, 使得疏水性的固體顆粒變為親水性的, 從而降低了泡膜中表面活性劑的濃度, 促使泡沫破裂。

除了以上3種機理外，還有其他一些推測，目前為止，這些機理都不能對大部分現象給出合理的解釋。

知識小貼士

泡沫劑的選用原則是：

（1）消泡劑必須是表面活性劑，具有較低的表面張力；

（2）與發酵液有一定的親和性，分散性較好；

（3）難溶於發酵液體系中（即在水中的溶解度極小），以保持其持久的消泡或抑制性能；

（4）無毒。對菌體生長、代謝以及產物的提取和成品質量均無影響；

（5）使用方便。

經驗總結

很多有經驗的工程師通過觀察泡沫來判斷發酵過程的優劣。其中涉及了多項基礎知識和技能，雖然這些技能就如傳統手工藝一樣，很難定量化，但是掌握後，可以作為輔助的判斷因素，可以提高得出結論的效率，以下進行部分總結。

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由於發酵液中物質組成與泡沫有直接關係，所以通過觀察起泡時間和泡沫的維持狀態判斷當下的代謝情況，甚至判斷是否染菌。

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通過觀察泡沫的大小來判斷泡沫是不是容易控制，一般而言大泡沫比較容易破滅，而小泡沫比較穩定。

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氣體在發酵液中也是以氣泡形式進行交換的，但是氣泡產生後，由於無法破滅，使氣泡中的氧氣無法與培養物進行交換，導致缺少氧氣。這是穩定泡沫的另一種危害。進而判斷，如果使用物理剪切消泡，使發酵液表面的氣泡減少，雖然可以防止逃液的危害，但是不能提高空氣交換水平，因此需要篩選優質的抑泡劑，提高空氣交換水平。

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當更換有機氮源的供應商或批號時，要特別注意觀察泡沫的形成時間和狀態，為後面採取的措施提供依據。

引用文獻

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1、葛成燦《泡沫及消泡劑的研究進展》

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