Optimierung der Hefekultivierung: Wie mechanische Entschäumer den Verlust von Biomasse und lebenden Zellen reduzieren

Die Hefekultivierung hängt von der Aufrechterhaltung einer Umgebung ab, in der Zellen wachsen, sich vermehren und im Kulturmedium suspendiert bleiben können. Belüftung und Rührung sind für diese Umgebung oft unerlässlich, können aber auch hartnäckigen Schaum erzeugen. Wenn Schaum übermäßig wird, beschränkt sich das Problem nicht auf die Tankoberfläche. Hefezellen und Kulturflüssigkeit können im Schaum eingeschlossen werden und die Hauptkultivierungszone verlassen, wodurch die Schaumbildung zu einem potenziellen Weg für Biomasseverlust wird.

Für Hefeproduzenten unterscheidet sich die Kontrolle dieses Verlustes von der bloßen Unterdrückung von Schaum. Das Ziel ist es, Schaum zu bewirtschaften und dabei so viel wie möglich von der kultivierten Biomasse und Flüssigkeit zurückzuhalten. Mechanische Entschäumer bieten einen physikalischen Ansatz, indem sie Schaum brechen, die flüssige Phase trennen und das zurückgewonnene Material in das Kultivierungsgefäß zurückführen.

Schaum kann mehr als nur Flüssigkeit transportieren

Während der Hefekultivierung entsteht Schaum, wenn Luft in eine biologisch aktive Flüssigkeit eingebracht wird, die Zellen und andere Komponenten enthält, die Blasen stabilisieren können. Kontinuierliche Belüftung kann die Schaumschicht besonders beständig machen.

Sobald Zellen in den Schaum eingebunden sind, tragen sie nicht mehr direkt zur Biomassekonzentration in der Hauptkulturflüssigkeit bei. Wenn der Schaum durch den Gefäßauslass entweicht oder als Abfall entfernt wird, kann der Prozess sowohl Flüssigkeit als auch kultivierte Zellen verlieren.

Dies macht die Schaumkontrolle zu mehr als nur einer Frage der Gefäßreinigung.

Für biomasseorientierte Fermentationen kann Schaum zu einem Weg für Zellverlust werden. Die Reduzierung dieses Verlustes erfordert eine Methode, die den Schaum brechen kann, während die Flüssigkeit und die suspendierte Biomasse einen Weg zurück in das Kultivierungssystem erhalten.

Wie mechanische Entschäumer schaumassoziierte Biomasse zurückgewinnen

Ein mechanischer Entschäumer wirkt direkt auf den Schaum ein, anstatt hauptsächlich von einem chemischen Zusatzstoff abhängig zu sein.

Wenn Schaum in die Arbeitszone eintritt, erzeugt der Hochgeschwindigkeitsrotor eine starke Scherung, die die Blasen zerstört. Sobald die Blasen kollabieren, wird die Flüssigkeit mit den suspendierten Hefezellen freigesetzt.

Die Zentrifugalkraft treibt dann die zurückgewonnene Flüssigkeit zur Gerätewand. Die abgetrennte Flüssigkeit wird gesammelt und zurück zum Kultivierungsgefäß geleitet.

Dieses Funktionsprinzip ist für die Hefekultivierung von Bedeutung, da das Ziel nicht einfach darin besteht, den Schaum verschwinden zu lassen. Der Prozess schafft die Möglichkeit, Flüssigkeit und suspendierte Biomasse zurückzuführen, die ansonsten mit dem Schaum abtransportiert worden wären.

Die tatsächliche Rückgewinnungsleistung hängt von den Kultureigenschaften und den Prozessbedingungen ab, aber das grundlegende Konzept ist einfach: Brechen Sie den Schaum, trennen Sie die flüssige Phase und führen Sie sie dem Kultivierungsprozess zurück.

Schutz der Biomasse während der Kultivierung mit hoher Belüftung

Die Hefekultivierung kann einen erheblichen Gas-Flüssigkeits-Kontakt erfordern. Mit zunehmender Belüftung kann die Schaumerzeugung jedoch schwieriger zu bewältigen sein.

Eine Reduzierung der Belüftung allein zur Schaumkontrolle ist nicht immer wünschenswert, da die Sauerstofftransferanforderungen dennoch erfüllt werden müssen. Ebenso kann eine Verringerung der Rührung die Zirkulation und den Stoffaustausch beeinträchtigen.

Das mechanische Schaumbrechen bietet einen weiteren Kontrollpunkt.

Anstatt die Schaumunterdrückung vollständig von einer Änderung der Kultivierungsbedingungen abhängig zu machen, behandelt der Entschäumer den Schaum, nachdem er sich gebildet hat. Dies ermöglicht es der Belüftungs- und Rührstrategie, sich auf die Anforderungen des Hefewachstums zu konzentrieren, während der Schaum separat behandelt wird.

Für Prozesse, bei denen die Aufrechterhaltung der Biomassekonzentration wichtig ist, kann diese Trennung zwischen Kultivierungskontrolle und Schaumkontrolle wertvoll sein.

Warum der Verlust lebender Zellen Beachtung verdient

Nicht jede in den Schaum getragene Zelle geht zwangsläufig für den Prozess verloren. Sobald jedoch Schaum das Kultivierungsgefäß verlässt, sind alle in diesem Material enthaltenen lebensfähigen Zellen nicht mehr Teil der kontrollierten Kulturumgebung.

Ein wiederholter Schaumaustrag kann daher in der biomasseorientierten Produktion unerwünscht sein.

Ein mechanischer Entschäumer hilft, dies zu adressieren, indem er die mit dem kollabierten Schaum verbundene Flüssigkeit zurückgewinnt und in das Kultivierungsgefäß zurückführt. Dies schafft einen direkteren Weg zur Rückhaltung suspendierter Hefebiomasse als das bloße Entfernen von Schaum aus dem System.

Es ist wichtig, dies nicht als Garantie für die Zelllebensfähigkeit oder Ertragssteigerung zu behandeln. Der Zustand der Zellen hängt von Faktoren wie Kultivierungstemperatur, Sauerstoffverfügbarkeit, Scherumgebung, Nährstoffbedingungen und Verweilzeit ab. Der Wert des mechanischen Entschäumens liegt darin, dass es einen vermeidbaren Weg für Biomasse- und Kulturflüssigkeitsverlust reduzieren kann.

Mechanisches Entschäumen vs. chemische Schaumunterdrückung

Chemische Antischaummittel werden häufig in der mikrobiellen Kultivierung eingesetzt, können jedoch die physikalischen Eigenschaften des Kulturmediums beeinflussen und müssen möglicherweise in der nachgelagerten Verarbeitung berücksichtigt werden.

Die mechanische Schaumkontrolle bietet einen anderen Ansatz.

Anstatt eine zusätzliche Chemikalie zur Unterdrückung von Blasen einzuführen, zerstört der Entschäumer den Schaum physikalisch durch die Rotorwirkung. Wo es der Kultivierungsprozess zulässt, kann dies die Menge des erforderlichen chemischen Antischaummittels reduzieren.

Für die Hefeproduktion kann dies relevant sein, wenn die nachgelagerte Verarbeitung empfindlich auf das Vorhandensein von Antischaummittel reagiert oder wenn die Prozessstrategie darauf abzielt, unnötige Zusatzstoffe zu begrenzen.

Das mechanische Entschäumen eliminiert nicht automatisch den Bedarf an chemischen Antischaummitteln. Einige Kultivierungssysteme erfordern möglicherweise weiterhin eine Kombination von Ansätzen. Das angemessene Gleichgewicht hängt von der Schaumstabilität, der Zellkonzentration, der Belüftung, der Mediumzusammensetzung und den Betriebsbedingungen ab.

Von der Hefekultivierung zu biomassebasierten Produkten

Die Bedeutung der Biomasserückhaltung hängt stark davon ab, was nach der Kultivierung geschieht.

Für Anwendungen, bei denen die Hefebiomasse selbst das gewünschte Produkt oder ein wichtiges Zwischenprodukt ist, wirken sich Verluste während der Kultivierung direkt auf die Materialrückgewinnung aus. Dies kann die Hefebiomasseproduktion, hefebasierte Inhaltsstoffe und andere Fermentationsprozesse umfassen, bei denen kultivierte Zellen anschließend geerntet oder verarbeitet werden.

In diesen Fällen gehört das Schaummanagement eher zur Biomasserückgewinnungsstrategie als zum allgemeinen Tankbetrieb.

Das Rückgewinnen von schaumassoziierter Flüssigkeit, bevor sie den Prozess verlässt, kann dazu beitragen, mehr des kultivierten Materials im Produktionssystem zu halten. Es reduziert auch die Menge an Fermentationsflüssigkeit, die als Abfall behandelt werden muss.

Das gleiche Prinzip kann in Betracht gezogen werden, wenn die Hefe als biologische Produktionsplattform verwendet wird und die kultivierte Biomasse zu nachfolgenden Verarbeitungsschritten übergeht.

Auswahl des Entschäumers in Abstimmung mit dem Kultivierungssystem

Die geeignete BODF-Konfiguration hängt teilweise von der Struktur des Kultivierungsgefäßes ab.

Für vollständig geschlossene Hefekultivierungstanks ist der BODF-I – Hermetisch abgedichteter mechanischer Entschäumer für geschlossene Gefäße ausgelegt. Er kombiniert mechanisches Schaumbrechen mit Zentrifugaltrennung und Flüssigkeitsrückführung in einer geschlossenen Prozessanordnung.

Für offene Gefäße oder Tanks bietet der BODF-II – Mechanischer Schaumzerstörer für offene Behälter eine Konfiguration für offene Kultivierungs- und Verarbeitungsgeräte.

Beide Konfigurationen verwenden dasselbe grundlegende mechanische Prinzip, wobei die Gefäßanordnung bestimmt, welches Design angemessener ist.

Die Kapazität sollte auch zusammen mit der Belüftungsrate, dem Gefäßvolumen, der Schaumerzeugung und den Kultivierungsbedingungen berücksichtigt werden. Die Auswahl der Ausrüstung nur auf der Grundlage des nominalen Tankvolumens spiegelt möglicherweise nicht genau die tatsächliche Schaumlast wider.

Gestaltung der Schaumkontrolle im Hinblick auf die Biomasserückhaltung

Bei der Hefekultivierung ist Schaum eng mit den Bedingungen verbunden, die das Zellwachstum fördern. Belüftung, Rührung und biologische Aktivität können alle zu seiner Bildung beitragen, sodass die Beseitigung der Bedingungen, die Schaum erzeugen, möglicherweise keine praktikable Lösung darstellt.

Ein besserer Ansatz kann darin bestehen, die beiden Anforderungen zu trennen: Die für das Hefewachstum erforderliche Kultivierungsumgebung aufrechterhalten und gleichzeitig eine spezielle Ausrüstung zur Behandlung übermäßigen Schaums bereitstellen.

Der BODF-Mechanische Entschäumer folgt diesem Ansatz, indem er Schaum mechanisch bricht und die daraus freigesetzte Flüssigkeit zurückgewinnt. Wo Hefezellen in dieser Flüssigkeit suspendiert sind, kann der Rückführungsweg dazu beitragen, die Menge an Biomasse zu reduzieren, die mit dem Schaum das Kultivierungssystem verlässt.

Für Fermentationsprozesse, die auf Hefebiomasse und die Rückhaltung lebender Zellen ausgerichtet sind, macht dies die mechanische Schaumkontrolle zu einer nützlichen Überlegung bei der Gestaltung der Kultivierungs- und nachgelagerten Rückgewinnungsstrategie.