发酵生产如何选择合适的消泡剂

泡沫是好氧深层发酵的常见工程问题，若不控制将降低装料系数、恶化氧传质、增加染菌风险并加重下游纯化负担。消泡剂选择不仅取决于消泡效率，还需权衡对菌种生长、产物合成、氧传质系数（kLa）及下游纯化的影响。

泡沫危害主要表现：一是降低装料系数，泡沫层占据罐体上部20%~30%空间；二是恶化氧传质，泡沫层形成传质阻力层，高菌浓后期溶解氧可在数分钟内跌至临界值以下[1]；三是增加染菌风险，泡沫可污染排气过滤器导致杂菌倒灌；四是加重下游负担，硅基消泡剂残留可使深层过滤器处理能力下降20%~40%[2]，并在灌流培养中导致滤膜通量衰减。泡沫过度积累会导致装料系数下降、排气过滤器堵塞乃至染菌。工业上常用机械消泡与化学消泡两类手段，其中消泡剂因起效快、操作简便成为主流方案。

按化学组成，发酵消泡剂可分为有机硅、聚醚、天然油脂和复合改性四类，核心特性对比如下表所示：

表1 四类发酵消泡剂核心特性对比

类型	代表产品/成分	消泡速度	抑泡持久性	对kLa影响	下游纯化影响	典型适用体系
有机硅类	聚二甲基硅氧烷乳液（Antifoam C/SE-15）	快	中等	下降30%~50%	严重：滤膜/层析污染	抗生素、柠檬酸等
聚醚类	PPG 2000、EO-PO嵌段共聚物	中等	较好	影响较小	轻微：易去除	酵母、氨基酸、哺乳动物细胞
天然油脂类	豆油、菜籽油、猪油	较慢	差	影响小	中等：可作碳源利用	柠檬酸、啤酒等食品级
复合改性类	硅-聚醇复配乳液	快	好	中等	可控	高价值重组蛋白、精细发酵

消泡剂选择需主要依据菌种耐受性、工艺工况、下游纯化要求和经济性等策略进行选择

细菌发酵对硅基消泡剂耐受相对较好，但高浓度硅氧烷会抑制部分菌株，宜以聚醚类为主。酵母真菌耐受性好，可按下游要求灵活选择。哺乳动物细胞对消泡剂毒性高度敏感，Flynn等（2024）报道Antifoam 204在10 ppm即完全抑制CHO细胞生长，而SE-15无抑制，宜优先筛选SE-15或PPG 2000 [3]。

高灭菌工艺需选择耐灭菌级消泡剂，改性聚醚耐热性优于天然油脂。高通气高转速工况泡沫生成快，需破泡快的硅基或复合类应急。补料分批与灌流培养周期长、消泡剂持续累积，宜选低残留聚醚类并控制总添加量。

硅基消泡剂残留可堵塞深层过滤、污染层析介质、降低TFF膜通量，处理能力下降20%~40%。高价值生物制品（单抗、重组蛋白）采用多步层析时，宜选聚醚类或低残留复合消泡剂；灌流培养的中空纤维滤膜对硅氧烷累积尤为敏感。

经济性应综合消泡剂单价、下游耗材损耗及产量损失。食品级与医药级发酵须符合FDA 21 CFR、EFSA等法规清单的消泡剂种类与残留限度。

表2 不同发酵体系消泡剂选型决策表

发酵类型	优选消泡剂	备选消泡剂	避免使用	关键控制指标
抗生素/柠檬酸	有机硅类	复合改性类	—	最低有效浓度、kLa影响
氨基酸/酵母发酵	聚醚类	复合改性类	天然油脂（高温）	菌体生长、产物滴度
哺乳动物细胞/CHO	SE-15改性硅基	PPG 2000	Antifoam 204、高浓度硅基	细胞存活率、比生长速率
灌流/连续发酵	聚醚类	低残留复合类	硅基（持续累积）	滤膜通量、累积量
食品级/药用级	FDA认可聚醚类	食品级硅基	工业级有机硅	法规残留限度

消泡剂选择是一项需精细权衡的工程：没有多能消泡剂，每种都需在控泡效果与发酵性能、下游纯化间取舍；选型以菌种耐受性为第一约束，其次为工艺工况与下游要求，最后才是经济性；使用应追求最低有效浓度而非足量保险。未来方向包括生物相容性更好的硅-聚醇复配消泡剂、基于泡沫图像识别的精准补加系统[4]，以及膜曝气等无消泡剂物理控泡技术的工程化。

西宝生物（Seebio）提供以下发酵用消泡剂产品，覆盖聚醚、复合改性、有机硅等多系列，可对接抗生素、氨基酸、酵母、哺乳动物细胞及食品级等不同发酵体系的应用需求。具体适用性可结合实际工艺条件验证后确定。

货号	产品名称	规格
ACH0476A	非离子型T-F复合型发酵用消泡剂	500g
ACH0048A	OED60K通用消泡剂	100g/250g
ACH0498A	OED14K发酵工业专用消泡剂	250g/1Kg/25kg
ACH0049A	OED24K发酵工业专用消泡剂	250g/1Kg/25kg
ACH0219A	聚醚型生物发酵消泡剂510	1Kg/5kg/25kg
ACH0100A	聚醚型生物发酵消泡剂410	5kg
ACH0581A	聚醚型食品发酵消泡剂420	500g/1Kg
ACH0558A	有机硅消泡剂	25g/100g/500g

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声明：本文所涉数据与观点基于公开发表文献及行业通用经验整理，仅供技术交流与选型参考，不构成对任何产品性能的保证或承诺；具体应用效果请结合实际工艺条件进行验证。

[1] Junker B. Foam and Its Mitigation in Fermentation Systems. Biotechnology Progress, 2007, 23(4): 767-784. DOI: 10.1021/bp070032r.

[2] Peters A, et al. Beyond de-foaming: the effects of antifoams on bioprocess productivity. Applied Microbiology and Biotechnology, 2014, 98(24): 9963-9975. PMC3962157.

[3] Flynn C, et al. Measurement and control of foam generation in a mammalian cell culture. Biotechnology Progress, 2024. DOI: 10.1002/btpr.3482.

[4] Novel Silicone-Polyol Antifoam Emulsions: Impact on Foam Control and Physiology of Diverse Microbial Cultures. Preprints.org, 2026, 202601.0173. DOI: 10.20944/preprints202601.0173.v1.