CN110964755B - 一种微生物发酵过程中泡沫的处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种微生物技术领域，具体涉及一种微生物发酵过程中泡沫的处理方法，该处理方法是分两次在发酵体系中加入消泡剂，所述的消泡剂包括聚醚改性硅油、聚氧丙烯四元醇醚、十二烷基硫酸钠、海藻酸钠、山梨酸钾和去离子水。本发明通过对消泡剂中聚醚改性硅油和海藻酸钠的配比进行调整，明显提高了消泡和抑泡的效果。本发明提供的方法能够快速消除泡沫，抑泡效果显著，对微生物菌种无不良副作用，从而有效提高产物的产量和品质。

Description

一种微生物发酵过程中泡沫的处理方法
技术领域
本发明涉及微生物技术领域，具体涉及一种微生物发酵过程中泡沫的处理方法。
背景技术
微生物发酵是一种复杂的生化过程，在这个生产工艺过程中会有很多因素需要进行调控，例如培养基、灭菌时间、温度、pH值、氧气的补给等，泡沫的控制也是其中重要的一项。泡沫是大量气体分散在液体中的分散体系，其分散相是气体, 连续相是发酵液。大量泡沫的产生会对工艺生产造成巨大的危害，比如：减少产量、影响产品质量、影响生产的正常进行等。因此，在发酵过程中泡沫的处理尤为重要。
微生物发酵过程中，常用的消泡方式有两种：一种是加消泡剂，一种是机械消泡。机械消泡是通过机械力所引起的强烈震动或者压力的不断变化，促使泡沫破裂，以达到消泡的目的。机械消泡器主要有四种方式：锯齿状消泡浆、半封闭式涡轮消泡器、离心式消泡器和机械消泡器。机械消泡很少甚至不需要再向生物反应器中加入化学消泡剂，这样可以节省原材料，减少染菌的机会，且降低了培养液的复杂性，有利于后期有效物质的处理和提取。但是机械式消泡的效果往往不是很好，在泡沫大量生成时不能及时迅速地把泡沫消除，而且很多形式的机械消泡方法需要和消泡剂配合使用。
用于微生物发酵的消泡剂有多种多样。早期的发酵用天然油脂为主，如花生油、玉米油、豆油、米糠油及动物油等等。随着发酵工业的发展，各种化学消泡剂也随着产生，如聚醚类、有机硅类、脂肪酸类、油脂类、脂肪醇类等等。消泡剂具有消泡效果好，使用方便的优点。与机械消泡相比作用迅速、每次只需要加入很少的量即可取得很好的消泡效果，并且对于泡沫的生成还具有抑制作用，尤其是化学合成的消泡剂，效率比天然油脂更高。但是现有的化学合成消泡剂由于组成或者结构以及物理、化学性质的原因，有的只消泡不抑泡，有的效果差，有的会对发酵微生物菌种有影响，造成生产成本增加，降低目的产物的收率等，从而限制了消泡剂的应用效果。
发明内容：
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种微生物发酵过程中泡沫的处理方法，该方法能够快速消除泡沫，抑泡效果显著，对微生物菌种无不良副作用，从而有效提高产物的产量和品质。
本发明的目的在于提供一种微生物发酵过程中泡沫的处理方法。
本发明一方面提供了一种微生物发酵过程中泡沫的处理方法，所述的处理方法包括以下步骤：
（1）将消泡剂110-120℃高温灭菌30-45分钟；
（2）当发酵产生的泡沫达到总体积的1%-5%时，加入体积为0.1%-0.3%的消泡剂；
（3）搅拌至泡沫高度稳定时，再次加入体积为0.01%-0.08%的消泡剂；
所述的消泡剂各组分的重量份配比为：聚醚改性硅油6-12份、聚氧丙烯四元醇醚3-8份、十二烷基硫酸钠3-5份、海藻酸钠2-5份、山梨酸钾1-2份和去离子水68-85份。
优选地，所述的聚氧丙烯四元醇醚的制备方法包括：取季戊四醇150份和氢氧化钠2份混合、脱水、在氮气保护下通入环氧丙烷3000份，控制反应温度120℃，压力0.2MPa，反应完成后至常压状态，降温至70℃，加入草酸1份，混合搅拌60分钟，即得聚氧丙烯四元醇醚。
优选地，所述的消泡剂中聚醚改性硅油和海藻酸钠的重量比为2-5:1；
进一步优选地，所述的消泡剂中聚醚改性硅油和海藻酸钠的重量比为10:3，即3.33:1。
优选地，所述的消泡剂各组分的重量份配比为：聚醚改性硅油10份、聚氧丙烯四元醇醚5份、十二烷基硫酸钠4份、海藻酸钠3份、山梨酸钾1.6份和去离子水76.4份。
优选地，所述的消泡剂的制备方法包括：
S1、将十二烷基硫酸钠、海藻酸钠和山梨酸钾加入到去离子水中，加热至80℃，搅拌混匀，得到混合物1；
S2、将聚醚改性硅油加入到混合物1中，80℃搅拌1-3小时，得到混合物2；
S3、将聚氧丙烯四元醇醚加入到混合物2中，80℃搅拌30-50分钟，得到混合物，即消泡剂。
本发明另一方面提供了上述的处理方法在微生物发酵过程中的应用。
优选地，本发明提供的处理方法可用于产酸微生物发酵中。
本发明的有益效果：
（1）本发明提供了一种微生物发酵过程中泡沫的处理方法，该方法能够快速消除泡沫，抑泡效果显著，对微生物菌种无不良副作用，从而有效提高产物的产量和品质，且应用范围广泛。
（2）本发明通过对消泡剂中聚醚改性硅油和海藻酸钠的配比进行调整，明显提高了消泡和抑泡的效果。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例进一步阐明本发明，但下述实施例仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其它实施例，都属于本发明的保护范围。
下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1
一种微生物发酵过程中泡沫的处理方法，包括以下步骤：
（1）将消泡剂110℃高温灭菌45分钟；
（2）当发酵产生的泡沫达到总体积的1%时，加入体积为0.1%的消泡剂；
（3）搅拌至泡沫高度稳定时，再次加入体积为0.01%的消泡剂；
所述的消泡剂各组分的重量份配比为：聚醚改性硅油6份、聚氧丙烯四元醇醚3份、十二烷基硫酸钠3份、海藻酸钠2份、山梨酸钾1份和去离子水85份。
所述的聚氧丙烯四元醇醚的制备方法包括：取季戊四醇150份和氢氧化钠2份加入到聚合反应器中混合、脱水、在氮气保护下通入环氧丙烷3000份，控制反应温度120℃，压力0.2MPa，反应完成后至常压状态，降温至70℃，加入草酸1份，混合搅拌60分钟，即得聚氧丙烯四元醇醚。
所述的消泡剂的制备方法包括：
S1、将十二烷基硫酸钠、海藻酸钠和山梨酸钾加入到去离子水中，加热至80℃，搅拌混匀，得到混合物1；
S2、将聚醚改性硅油加入到混合物1中，80℃搅拌1小时，得到混合物2；
S3、将聚氧丙烯四元醇醚加入到混合物2中，80℃搅拌30分钟，得到混合物，即消泡剂。
实施例2
一种微生物发酵过程中泡沫的处理方法，包括以下步骤：
（1）将消泡剂120℃高温灭菌40分钟；
（2）当发酵产生的泡沫达到总体积的3%时，加入体积为0.2%的消泡剂；
（3）搅拌至泡沫高度稳定时，再次加入体积为0.05%的消泡剂；
所述的消泡剂各组分的重量份配比为：聚醚改性硅油10份、聚氧丙烯四元醇醚5份、十二烷基硫酸钠4份、海藻酸钠3份、山梨酸钾1.6份和去离子水76.4份；即聚醚改性硅油和海藻酸钠的重量比为10:3，即3.33:1。
所述的聚氧丙烯四元醇醚的制备方法包括：取季戊四醇150份和氢氧化钠2份加入到聚合反应器中混合、脱水、在氮气保护下通入环氧丙烷3000份，控制反应温度120℃，压力0.2MPa，反应完成后至常压状态，降温至70℃，加入草酸1份，混合搅拌60分钟，即得聚氧丙烯四元醇醚。
所述的消泡剂的制备方法包括：
S1、将十二烷基硫酸钠、海藻酸钠和山梨酸钾加入到去离子水中，加热至80℃，搅拌混匀，得到混合物1；
S2、将聚醚改性硅油加入到混合物1中，80℃搅拌2小时，得到混合物2；
S3、将聚氧丙烯四元醇醚加入到混合物2中，80℃搅拌40分钟，得到混合物，即消泡剂。
实施例3
一种微生物发酵过程中泡沫的处理方法，包括以下步骤：
（1）将消泡剂118℃高温灭菌30分钟；
（2）当发酵产生的泡沫达到总体积的5%时，加入体积为0.3%的消泡剂；
（3）搅拌至泡沫高度稳定时，再次加入体积为0.08%的消泡剂；
所述的消泡剂各组分的重量份配比为：聚醚改性硅油12份、聚氧丙烯四元醇醚8份、十二烷基硫酸钠5份、海藻酸钠5份、山梨酸钾2份和去离子水68份。
所述的聚氧丙烯四元醇醚的制备方法包括：取季戊四醇150份和氢氧化钠2份加入到聚合反应器中混合、脱水、在氮气保护下通入环氧丙烷3000份，控制反应温度120℃，压力0.2MPa，反应完成后至常压状态，降温至70℃，加入草酸1份，混合搅拌60分钟，即得聚氧丙烯四元醇醚。
所述的消泡剂的制备方法包括：
S1、将十二烷基硫酸钠、海藻酸钠和山梨酸钾加入到去离子水中，加热至80℃，搅拌混匀，得到混合物1；
S2、将聚醚改性硅油加入到混合物1中，80℃搅拌3小时，得到混合物2；
S3、将聚氧丙烯四元醇醚加入到混合物2中，80℃搅拌50分钟，得到混合物，即消泡剂。
实施例4
一种微生物发酵过程中泡沫的处理方法，与实施例2区别仅在于，聚醚改性硅油8份、海藻酸钠4份，即聚醚改性硅油和海藻酸钠的重量比为2:1。
实施例5
一种微生物发酵过程中泡沫的处理方法，与实施例2区别仅在于，聚醚改性硅油10份、海藻酸钠2份，即聚醚改性硅油和海藻酸钠的重量比为5:1。
对比例1
一种微生物发酵过程中泡沫的处理方法，与实施例2的区别仅在于，不加聚醚改性硅油。
对比例2
一种微生物发酵过程中泡沫的处理方法，与实施例2的区别仅在于，不加海藻酸钠。
对比例3
一种微生物发酵过程中泡沫的处理方法，与实施例2的区别仅在于，所述的处理方法包括以下步骤：
（1）将消泡剂120℃高温灭菌40分钟；
（2）发酵开始时，加入体积为0.2%的消泡剂；
（3）搅拌至泡沫高度稳定时，再次加入体积为0.05%的消泡剂。
对比例4
一种微生物发酵过程中泡沫的处理方法，与实施例2的区别仅在于，所述的处理方法包括以下步骤：
（1）将消泡剂120℃高温灭菌40分钟；
（2）当发酵产生的泡沫达到总体积的3%时，加入体积为0.2%的消泡剂。
对比例5
一种微生物发酵过程中泡沫的处理方法，与实施例2的区别仅在于，所用的消泡剂不同，该对比例所用消泡剂为中国专利CN101791495B中实施例2所述的消泡剂。
实验例1
本发明提供的泡沫的处理方法在微生物发酵生产醋酸中的应用：
（1）活化培养：将醋酸杆菌接种至活化培养基上，培养箱中28℃活化培养12h，得到活化菌；
活化培养基：无水葡萄糖1g/L、蛋白胨10g/L、牛肉膏10g/L、酵母膏5g/L、NaCl2.5g/L、琼脂粉20g/L，pH＝6.8-7.0。
（2）种子培养：取一环生长良好的活化菌接种至含有种子培养基的摇瓶中进行培养，装液量为200mL/500mL，种子培养的条件为28℃，180r/min摇瓶培养20h，至菌体OD 620值达到1.2，得到种子液；
1L液体培养基配方：葡萄糖5g、蛋白胨4g、酵母提取物3g、乙酸30mL、乙醇30mL、蒸馏水940mL)
（3）发酵培养：10L发酵罐加入6L酒精度为5％vol的米酒，按照10％(v/v)的接种量接入种子液，保持温度28-30℃，搅拌速度200r/min，通气量200L/h，发酵结束时间以产酸不再增加为判断标准。
在发酵生产醋酸的过程中，分别使用实施例1-5和对比例1-5所述的泡沫的处理方法来处理发酵过程中产生的泡沫，对照组不进行消泡处理。记录消泡时间和泡沫量来评价消泡和抑泡效果，并检测总酸含量，结果见表1。
Figure DEST_PATH_IMAGE001
由表1可以看出，本发明提供的微生物发酵过程中泡沫的处理方法能够快速消除泡沫、抑泡效果显著，且对微生物菌种无不良副作用，提高了产物的产量。另外，聚醚改性硅油和海藻酸钠二者联用具有协同增效的作用。
实验例2
本发明提供的泡沫的处理方法在微生物发酵生产L-亮氨酸中的应用：
（1）活化培养：将谷氨酸棒杆菌接种至活化培养基上，培养箱中28℃活化培养12h，得到活化菌；
活化培养基：无水葡萄糖1g/L、蛋白胨10g/L、牛肉膏10g/L、酵母膏5g/L、NaCl2.5g/L、琼脂粉20g/L，pH＝6.8-7.0。
（2）种子培养：取一环生长良好的活化菌接种至含有种子培养基的摇瓶中进行培养，装液量为200mL/500mL，种子培养的条件为28℃，200r/min摇床培养20h，至菌体OD 620 值达到1.2，得到种子液；
种子培养基：无水葡萄糖25g/L、玉米浆干粉30g/L、硫酸铵2g/L、MgSO4•7H2O 2g/L，pH＝6.8-7.0；
（3）发酵培养：按照10％的接种量将步骤(2)得到的种子液接种至发含有发酵培养基的10L发酵罐中，装液量为6L/10L，温度为28℃，搅拌转速500rpm/min，通气量为100L/h，通过自动流加氨水控制发酵过程中pH＝6.8±0.05，得到发酵液。发酵结束时间以产酸不再增加为判断标准。
发酵培养基：无水葡萄糖180g/L、泛酸钙2.0g/L、玉米浆干粉30g/L、硫酸铵16g/L、KH2PO4•3H2O 2g/L、MgSO4 •7H2O 2g/L、MnSO4 •H2O 2g/L，pH＝6.8-7.0；
在发酵生产醋酸的过程中，分别使用实施例1-5和对比例1-5所述的泡沫的处理方法来处理发酵过程中产生的泡沫，对照组不进行消泡处理。记录消泡时间和泡沫量来评价消泡和抑泡效果，用高效液相色谱法测定L-亮氨酸含量，结果见表2。
Figure 852322DEST_PATH_IMAGE002
由表2可以看出，本发明提供的微生物发酵过程中泡沫的处理方法能够快速消除泡沫，抑泡效果显著，且对微生物菌种无不良副作用，提高了产物的产量。另外，聚醚改性硅油和海藻酸钠二者联用具有协同增效的作用。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，故凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种微生物发酵过程中泡沫的处理方法，其特征在于，所述的处理方法包括以下步骤：
（1）将消泡剂110-120℃高温灭菌30-45分钟；
（2）当发酵产生的泡沫达到总体积的1%-5%时，加入体积为0.1%-0.3%的消泡剂；
（3）搅拌至泡沫高度稳定时，再次加入体积为0.01%-0.08%的消泡剂；
所述的消泡剂各组分的重量份配比为：聚醚改性硅油6-12份、聚氧丙烯四元醇醚3-8份、十二烷基硫酸钠3-5份、海藻酸钠2-5份、山梨酸钾1-2份和去离子水68-85份。
2.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述的聚氧丙烯四元醇醚的制备方法包括：取季戊四醇150份和氢氧化钠2份混合、脱水、在氮气保护下通入环氧丙烷3000份，控制反应温度120℃，压力0.2MPa，反应完成后至常压状态，降温至70℃，加入草酸1份，混合搅拌60分钟，即得聚氧丙烯四元醇醚。
3.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述的消泡剂中聚醚改性硅油和海藻酸钠的重量比为2-5:1。
4.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述的消泡剂的制备方法包括：
S1、将十二烷基硫酸钠、海藻酸钠和山梨酸钾加入到去离子水中，加热至80℃，搅拌混匀，得到混合物1；
S2、将聚醚改性硅油加入到混合物1中，80℃搅拌1-3小时，得到混合物2；
S3、将聚氧丙烯四元醇醚加入到混合物2中，80℃搅拌30-50分钟，得到混合物，即消泡剂。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的处理方法在微生物发酵过程中的应用。
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