泡沫失控？精準區(qū)分機械泡沫與流態(tài)泡沫是有效控制的第一步

在氨基酸發(fā)酵過程中，泡沫是必然存在的現(xiàn)象，但異常過量的泡沫則是發(fā)酵工程師的棘手難題。它不僅導致裝料系數(shù)降低、增加逃液和染菌風險，更會嚴重影響氧傳遞效率，最終影響產(chǎn)酸率。

面對泡沫，許多人的第一反應是追加消泡劑。然而，真正高效的控制策略始于一個關鍵步驟：精準識別眼前的泡沫類型。發(fā)酵過程中的泡沫主要分為機械泡沫 和流態(tài)泡沫 ，二者成因、特性及控制方法迥異。

一、本質(zhì)區(qū)別：兩種泡沫的特征對比

以下表格清晰地展示了這兩種泡沫的核心差異，是進行準確判斷的基礎。

二、追根溯源：兩種泡沫的形成機理

1. 機械泡沫：物理作用主導的“表面現(xiàn)象”

• ? 成因：由高速攪拌和大流量通氣等物理剪切作用將氣體分散在發(fā)酵液中形成。
• ? 穩(wěn)定機制：其穩(wěn)定性主要依賴于培養(yǎng)基中的天然表面活性物質(zhì)，如蛋白胨、玉米漿、黃豆餅粉等有機氮源所含的蛋白質(zhì)、多肽等。這些物質(zhì)降低了溶液表面張力，形成具有一定強度的液膜。
• ? 特點：由于發(fā)酵前期發(fā)酵液粘度較低，這類泡沫雖然體積可能很大，但液膜強度有限，相對容易控制。

2. 流態(tài)泡沫：代謝產(chǎn)物主導的“體內(nèi)問題”

• ? 成因：此類泡沫的根源在于菌體自身的代謝活動。
• ? 穩(wěn)定機制：
• ? 微生物表面活性劑：菌體在生長代謝過程中會分泌多種胞外多糖、蛋白質(zhì)和脂類等表面活性物質(zhì)，這些物質(zhì)是強效的穩(wěn)泡劑。
• ? 發(fā)酵液粘度增加：隨著發(fā)酵進行，菌體濃度升高，菌絲可能交織成網(wǎng)，同時積累的代謝產(chǎn)物（如某些氨基酸本身）會使發(fā)酵液粘度顯著增大。高粘度液體形成的泡沫液膜更厚、強度更高，氣泡不易合并和破裂，因此異常穩(wěn)定。
• ? 菌體自溶：發(fā)酵后期，部分菌體死亡自溶，釋放出核酸、蛋白質(zhì)等胞內(nèi)物質(zhì)，進一步加劇了泡沫的穩(wěn)定性和數(shù)量。

三、對癥下藥：針對性的控制策略

識別泡沫類型后，即可采取精準措施。

1. 機械泡沫的預防與控制

• ? 培養(yǎng)基優(yōu)化：在配方開發(fā)階段，在保證菌體生長的前提下，考慮選用低蛋白含量的有機氮源或適當降低其比例。

  
  

• ? 工藝參數(shù)調(diào)整：在發(fā)酵初期（泡沫主要由機械作用產(chǎn)生時），適當控制通氣量和攪拌轉(zhuǎn)速，待部分發(fā)泡物質(zhì)被菌體消耗后再逐步提高至正常水平。
• ? 化學消泡：流加消泡劑（如天然油脂如豆油、玉米油，或合成有機硅類消泡劑如GPE“泡敵”）。它們能有效降低液膜表面張力，使泡沫破裂。對機械泡沫效果通常非常顯著。
• ? 機械消泡：在發(fā)酵罐內(nèi)安裝消泡槳（如耙式消泡槳），利用機械力打碎泡沫。此法優(yōu)點是不引入外來物質(zhì)，但有時對非常穩(wěn)定的泡沫效果有限。

2. 流態(tài)泡沫的應對與管理

• ? 消泡劑的選擇與策略：流態(tài)泡沫需要消泡能力更強、擴散性更好的合成消泡劑。關鍵在于預防為主，少量多次。在泡沫開始積聚的早期就及時流加，遠比等泡沫暴漲成災后再處理要有效得多，且總用量更少。
• ? 關注菌體代謝狀態(tài)：流態(tài)泡沫的異常增多往往是發(fā)酵過程異常的“警報”，可能與菌體生長過旺、代謝途徑改變或甚至染菌有關。需要結合溶氧（DO）、pH、攝氧率（OUR）等參數(shù)進行綜合判斷，從工藝優(yōu)化入手，例如通過補料策略控制菌體濃度和代謝強度。
• ? 過程控制：例如，在發(fā)酵中期通過補料方式控制碳氮比，防止菌體過度生長；在發(fā)酵后期，避免營養(yǎng)耗竭導致菌體集中自溶，從而從源頭上減少穩(wěn)泡物質(zhì)的產(chǎn)生。

結語

總而言之，機械泡沫是“物理起泡”，治標相對容易；而流態(tài)泡沫是“代謝穩(wěn)泡”，需從本質(zhì)入手。
熟練掌握這兩種泡沫的區(qū)分技巧，動態(tài)理解其在整個發(fā)酵過程中的演變，是每一位發(fā)酵工程師實現(xiàn)精準控制、保證生產(chǎn)穩(wěn)定高效的基本功。
下一次當發(fā)酵罐中泡沫涌動時，不妨先靜心觀察，做出準確判斷，再施以精準一擊。