Sedimentationsprävention: Tankboden-Belüftungslösungen für die hochviskose Lebensmittelfermentation

Nella fermentazione alimentare ad alta viscosità, la sedimentazione non è semplicemente un problema di miscelazione. Quando il brodo diventa più denso o contiene solidi sospesi, particelle, biomassa o nutrienti concentrati, la circolazione può indebolirsi nella parte inferiore del serbatoio. Una volta che il materiale si deposita attorno al fondo del serbatoio, le conseguenti differenze di concentrazione possono influenzare la disponibilità di ossigeno, la distribuzione del calore e la consistenza dell'ambiente di fermentazione.

Un sistema di aerazione montato sul fondo del serbatoio può affrontare questa sfida a partire dal punto in cui ha inizio la sedimentazione. Introducendo la miscelazione gas-liquido direttamente sul fondo del serbatoio di fermentazione, un aeratore autoaspirante con montaggio sul fondo può contribuire a creare una circolazione verso l'alto, supportando al contempo il trasferimento di ossigeno nei processi aerobici.

Perché la fermentazione ad alta viscosità è soggetta a sedimentazione

I mezzi di fermentazione non si comportano sempre come liquidi a bassa viscosità. I processi alimentari possono comportare substrati concentrati, solidi sospesi, cellule di lievito, biomassa microbica o altri componenti che aumentano la resistenza alla circolazione.

Con l'aumentare della viscosità, la circolazione convenzionale diventa più difficile. Il materiale vicino al fondo del serbatoio può muoversi più lentamente del liquido di massa, in particolare quando il serbatoio contiene regioni meno efficacemente raggiunte dal modello di circolazione principale.

Ciò può creare diversi problemi di processo:

• Il materiale in sospensione può accumularsi vicino al fondo.
• La concentrazione di nutrienti può diventare meno uniforme.
• La disponibilità locale di ossigeno può differire da quella del liquido di massa.
• Il materiale depositato può diventare più difficile da ridisperdere.
• Le condizioni di fermentazione possono variare tra diverse regioni del serbatoio.

Per i sistemi di fermentazione alimentare, prevenire queste condizioni richiede più di un semplice aumento del volume di aerazione. Il punto in cui l'energia di miscelazione entra nel serbatoio può essere importante tanto quanto la quantità di aria fornita.

Avviare la circolazione sul fondo del serbatoio

È qui che l'aerazione montata sul fondo adotta un approccio diverso.

Invece di introdurre aria dalla sezione superiore o fare affidamento esclusivamente sulla circolazione generata altrove, l'aeratore DAWT viene installato direttamente nella parte più bassa del serbatoio di fermentazione. La sua struttura rotore-statorte lavora nel punto in cui è più probabile che si accumuli materiale depositato.

Mentre il rotore gira, all'interno dello statore si sviluppa una zona di bassa pressione, che aspira l'aria atmosferica attraverso il tubo dedicato. Liquido e aria entrano insieme nella zona di miscelazione rotore-statorte, dove la struttura rotante intensifica il contatto gas-liquido prima che la miscela venga scaricata attraverso i canali dello statore.

Il flusso gas-liquido risultante svolge due compiti contemporaneamente: fornisce aerazione e contribuisce al movimento del liquido dal fondo del serbatoio.

Ciò rende l'apparecchiatura particolarmente rilevante quando il controllo della sedimentazione e il trasferimento di ossigeno devono essere considerati insieme, piuttosto che trattati come operazioni separate.

Gestione dei solidi sospesi senza fare affidamento su agitazione ad alta velocità

La fermentazione alimentare ad alta viscosità può contenere materiali che dovrebbero rimanere dispersi senza un trattamento meccanico eccessivo. Semplicemente aumentare la velocità dell'agitatore può aumentare il consumo energetico o imporre un taglio non necessario al processo.

Un aeratore montato sul fondo fornisce un altro meccanismo di circolazione. Lo scarico di gas-liquido dalla sezione inferiore può aiutare a smuovere il materiale vicino al fondo del serbatoio e riportarlo al corpo liquido principale.

L'obiettivo non è forzare ogni processo in un identico modello di circolazione. Invece, il punto di aerazione può essere incorporato nel progetto generale del serbatoio in modo che la circolazione sul fondo completi la disposizione di miscelazione esistente.

Questa distinzione è importante per la fermentazione alimentare perché prodotti diversi possono avere un comportamento reologico molto diverso. Un processo che contiene solidi sospesi può richiedere una strategia di circolazione diversa rispetto a un brodo di fermentazione relativamente omogeneo.

Come la struttura rotore-statorte supporta il contatto gas-liquido

Il rotore e lo statore del DAWT lavorano come una struttura combinata di miscelazione gas-liquido.

L'aria viene aspirata nella zona di miscelazione anziché essere fornita attraverso un dispositivo di aerazione ad alta pressione separato montato sopra il serbatoio. Mentre il rotore trasferisce energia al liquido, l'aria in entrata viene dispersa in bolle fini. Le informazioni sul prodotto fornite indicano dimensioni delle bolle di circa 100 μm nelle condizioni operative applicabili.

Bolle disperse più piccole forniscono un'area interfacciale gas-liquido maggiore rispetto alle bolle grandi, supportando il trasferimento di ossigeno dove la fermentazione aerobica lo richiede.

Allo stesso tempo, lo scarico dallo statore fornisce un movimento localizzato nella regione inferiore del serbatoio. Ciò è importante quando si progetta per mezzi ad alta viscosità, poiché il solo trasferimento di ossigeno non garantisce che l'intero brodo di fermentazione rimanga adeguatamente in circolazione.

L'obiettivo ingegneristico pratico è quindi la circolazione sul fondo più il contatto gas-liquido, piuttosto che l'aerazione considerata isolatamente.

Progettare il sistema di fermentazione completo attorno alla zona di fondo

La prevenzione della sedimentazione non può essere determinata dal solo aeratore. La geometria del serbatoio, l'altezza del liquido, la viscosità, la concentrazione di solidi, la temperatura, la fase di fermentazione e il funzionamento di altre apparecchiature di miscelazione influenzano tutte la circolazione.

Per questo motivo, un aeratore montato sul fondo dovrebbe essere trattato come parte di una soluzione di fermentazione completa.

Durante la selezione dell'apparecchiatura, gli ingegneri potrebbero dover considerare:

Geometria del serbatoio

Il diametro, l'altezza, la configurazione del fondo e la disposizione interna del serbatoio di fermentazione influenzano l'efficacia con cui il flusso generato sul fondo può raggiungere il volume più ampio del serbatoio.

Reologia della fermentazione

La viscosità può cambiare durante la fermentazione, poiché i substrati vengono consumati e si accumulano biomassa o metaboliti. La strategia di circolazione dovrebbe quindi riflettere il processo effettivo piuttosto che solo la condizione iniziale del liquido.

Carico di solidi e biomassa

Quando sono presenti particelle sospese o biomassa, diventa sempre più importante mantenere il movimento vicino al fondo del serbatoio. Il sistema dovrebbe essere valutato in base al comportamento effettivo dei solidi del mezzo di fermentazione.

Domanda di aerazione

Se la fermentazione è aerobica, i requisiti di trasferimento dell'ossigeno devono essere considerati insieme alla circolazione. Un apporto eccessivo di aria non è automaticamente la soluzione a una scarsa distribuzione dell'ossigeno.

Integrazione con altre apparecchiature

Un aeratore montato sul fondo può essere incorporato in un sistema di fermentazione più ampio che include il serbatoio, il controllo della temperatura, l'alimentazione, la filtrazione, lo scarico e le apparecchiature di monitoraggio del processo. Il suo ruolo è fornire miscelazione gas-liquido e circolazione a livello del fondo all'interno di questa disposizione complessiva.

Costruzione igienica per la fermentazione alimentare

Poiché l'apparecchiatura opera direttamente all'interno del serbatoio di fermentazione, la costruzione igienica è una parte importante della progettazione del sistema.

La serie DAWT può essere prodotta in acciaio inossidabile 304 o 316L, con elettrolucidatura disponibile come opzione. I materiali delle guarnizioni includono EPDM, gomma siliconica e fluorogomma per diversi requisiti di processo.

Per le apparecchiature di fermentazione alimentare, queste scelte di materiali devono essere considerate insieme alle procedure di pulizia, alle caratteristiche del prodotto, alla temperatura, all'esposizione chimica e alla progettazione igienica complessiva del serbatoio.

La configurazione montata sul fondo significa anche che l'accesso per l'installazione e la manutenzione dovrebbe essere incorporato nella progettazione del serbatoio fin dall'inizio, piuttosto che essere trattato come un ripensamento.

Dal controllo della sedimentazione a condizioni di fermentazione più stabili

Un brodo di fermentazione ad alta viscosità non diventa più facile da miscelare semplicemente perché viene introdotta più aria. Se la sezione inferiore del serbatoio rimane scarsamente circolata, aumentare la velocità di aerazione complessiva potrebbe non risolvere il problema di distribuzione sottostante.

L'aerazione sul fondo del serbatoio affronta il problema in modo diverso, posizionando la miscelazione gas-liquido dove si verifica l'accumulo sul fondo. Il gruppo rotore-statorte autoaspirante aspira l'aria atmosferica, la disperde nel liquido e genera un flusso di scarico dalla parte inferiore del serbatoio.

Per i sistemi di fermentazione alimentare che gestiscono mezzi viscosi, solidi sospesi o biomassa, ciò fornisce una strategia di apparecchiatura che collega il controllo della sedimentazione, la circolazione sul fondo e il trasferimento di ossigeno aerobico in un'unica soluzione montata sul serbatoio.

La configurazione più appropriata dipende ancora dal mezzo di fermentazione e dalla progettazione completa del serbatoio. Ma quando la scarsa circolazione sul fondo fa parte della sfida di processo, un aeratore sul fondo del serbatoio può essere valutato come un componente dedicato del sistema di fermentazione, piuttosto che semplicemente un'altra fonte di aerazione.