Wie mechanische Entschäumer die Bioreaktorkapazität ohne Chemikalien steigern

Die Steigerung der Bioreaktorkapazität ist nicht einfach eine Frage der Verwendung eines größeren Behälters. Mit zunehmendem Arbeitsvolumen können Belüftungsbedarf, Schaumbildung, Abgasführung und Flüssigkeitsverluste schwieriger zu handhaben sein. Bei aeroben Fermentationen kann anhaltender Schaum wertvollen Kopfraum belegen, Abgasanschlüsse erreichen und Tröpfchen nährstoffreicher Brühe aus dem Behälter tragen. Diese Probleme können die Betriebsflexibilität einschränken, selbst wenn der Bioreaktor über ein ausreichendes Nennvolumen verfügt.

Mechanische Entschäumer bieten eine praktische Möglichkeit, Schaum durch physikalische Zerstörung zu bekämpfen, anstatt ausschließlich auf chemische Antischaummittel angewiesen zu sein. Wenn sie in ein richtig ausgelegtes Fermentationssystem integriert werden, können sie helfen, Schaum zu kontrollieren, mitgerissene Flüssigkeit zurückzugewinnen und eine effektivere Nutzung des verfügbaren Behältervolumens zu unterstützen.

Warum Schaum zu einer Einschränkung beim Scale-Up wird

Bei größeren Produktionsmaßstäben hängt die Fermentationsleistung vom Verhältnis zwischen Sauerstoffbedarf, Gasverteilung, Rührung und mikrobieller Aktivität ab. Eine Erhöhung des Luftdurchsatzes zur Verbesserung des Sauerstofftransfers kann die Schaumbildung verstärken, insbesondere wenn das Medium Proteine, Peptide, tensidartige Substanzen oder andere schaumstabilisierende Komponenten enthält.

Der resultierende Schaum kann den nutzbaren Kopfraum verringern und das Risiko eines Flüssigkeitseintrags in die Abgasleitungen erhöhen. Die Bediener reagieren möglicherweise, indem sie das Arbeitsvolumen reduzieren, die Belüftung anpassen oder chemische Antischaummittel hinzufügen. Jede dieser Maßnahmen hat potenzielle Nachteile: Die Reduzierung des Füllstands kann die Produktionskapazität einschränken, während eine Änderung der Belüftung die Sauerstoffversorgung beeinträchtigen kann. Chemische Antischaummittel können je nach Zusammensetzung und Dosierung auch den Sauerstofftransfer beeinflussen oder die nachgeschaltete Trennung erschweren.

Für Fermentationsanlagen, die ihre Produktion steigern möchten, sollte die Schaumkontrolle daher bereits bei der Bioreaktorkonstruktion und dem Scale-Up berücksichtigt werden – nicht erst als Korrekturmaßnahme nach Auftreten von Produktionsproblemen.

Wie mechanische Entschäumer höhere Arbeitsvolumina unterstützen

Der mechanische Entschäumer der BODF-Serie verwendet einen Hochgeschwindigkeitsrotor, um Schaum durch Scherkräfte zu brechen. Der Schaum gelangt in den Arbeitsbereich des Rotors, wo die rotierende Komponente die Blasen zerstört. Die Zentrifugalkraft treibt die freigesetzte Flüssigkeit dann zur Gehäusewand, wo sie sich sammelt und in den Fermentationsbehälter zurückfließen kann.

Ein Teil der zurückgewonnenen Flüssigkeit fließt direkt zurück in den Tank, während ein anderer Teil durch die poröse Wandstruktur in einen Wirbelsammler gelangt, bevor er über eine Rohrleitung zurückfließt. Diese Anordnung hilft, Flüssigkeit zurückzugewinnen, die ansonsten durch Schaummitriss verloren gehen könnte.

Durch die mechanische Schaumkontrolle kann das System die Abhängigkeit von chemischen Antischaummitteln verringern, wenn die Prozessbedingungen dies zulassen. Es kann auch den Bedienern helfen, Schaum zu kontrollieren, ohne sofort das Arbeitsvolumen zu reduzieren oder das Fermentationsrezept zu ändern.

Ein mechanischer Entschäumer erhöht jedoch nicht automatisch die Bioreaktorkapazität. Das erreichbare Arbeitsvolumen hängt von mehreren miteinander interagierenden Faktoren ab, darunter Behältergeometrie, Sauerstofftransferanforderungen, Schaumverhalten, Abgaskapazität und die biologischen Grenzen des Prozesses. Der Entschäumer ist eine Komponente einer umfassenderen Strategie zur besseren Nutzung des verfügbaren Behälterraums.

Integration der Schaumkontrolle in ein vollständiges Fermentationssystem

Ein effektives Scale-Up erfordert die Abstimmung zwischen dem Entschäumer und dem Rest der Bioreaktorinstallation. Montageort, Abgasführung, Flüssigkeitsrücklaufanschlüsse, Wartungszugang und Steuerungsanordnungen sollten gemeinsam betrachtet werden.

Die BODF-Serie kann in Fermentationssysteme integriert werden, bei denen Schaumkontrolle und Flüssigkeitsrückgewinnung wichtig sind. Für Prozesse mit hohen Belüftungsraten kann auch ein Abgaskondensationssystem integriert werden, um eine zusätzliche Unterstützung bei der Reduzierung von Flüssigkeitsverlusten zu bieten.

Dieser systemische Ansatz ist besonders relevant bei der Aufrüstung einer bestehenden Fermentationslinie. Vor der Installation sollten Ingenieure beurteilen, wo sich Schaum ansammelt, ob während der Spitzenbelüftung Flüssigkeitsmitriss auftritt und wie die Abgas- und Rücklaufleitungen die zusätzliche Ausrüstung aufnehmen können. Diese Überprüfungen stellen sicher, dass der mechanische Entschäumer den tatsächlichen Engpass adressiert und nicht nur eine weitere Komponente zur Anlage hinzufügt.

Auswahl der richtigen Konfiguration für den Bioreaktor

Die BODF-Serie bietet zwei Konfigurationen für unterschiedliche Behälteranordnungen.

Der Hermetisch abgedichtete mechanische Entschäumer BODF-I ist für vollständig geschlossene Behälter vorgesehen. Dies ist die relevante Konfiguration, wenn der Bioreaktor als geschlossenes System arbeitet und die Installation zur vorhandenen Behälter- und Abgasanordnung passen muss.

Der Mechanischer Schaumzerstörer für offene Behälter BODF-II ist für offene Behälter oder Tanks konzipiert. Seine Eignung hängt vom Prozesslayout und der Art und Weise ab, wie Schaum im offenen Behälter erzeugt und gesammelt wird.

Beide Modelle teilen sich denselben veröffentlichten technischen Parameterbereich. Die Auswahl sollte sich daher auf die Behälterkonfiguration, die Schaumeigenschaften, die Betriebsbedingungen und die Installationsanforderungen konzentrieren, anstatt davon auszugehen, dass ein Modell inhärent eine größere Verarbeitungskapazität bietet.

Die Serie ist in den Edelstahlausführungen 304 oder 316L, mit Dichtungen aus EPDM, Silikonkautschuk oder Fluorkautschuk sowie mit normalen oder explosionsgeschützten Motoroptionen erhältlich. Elektropolieren ist optional verfügbar. Die Material- und Motorauswahl sollte das Medium, die Reinigungschemikalien, die Betriebsumgebung und die geltenden Anlagenanforderungen widerspiegeln.

Verringerung der Chemikalienabhängigkeit ohne Kompromisse bei der Prozesskontrolle

Der vollständige Verzicht auf chemische Antischaummittel ist nicht für jeden Fermentationsprozess geeignet. Einige Brühen erzeugen Schaum, der sich mechanisch nur schwer kontrollieren lässt, und bestimmte Betriebsbedingungen erfordern möglicherweise weiterhin einen kombinierten Ansatz. Das praktische Ziel ist es, den Chemikalieneinsatz dort zu reduzieren, wo dies machbar ist, ohne die Schaumeindämmung, die Sauerstoffversorgung oder die Prozessstabilität zu beeinträchtigen.

Diese Unterscheidung ist in Fermentationssystemen zur Herstellung von Enzymen, mikrobieller Biomasse, organischen Säuren, Aminosäuren und anderen fermentativ gewonnenen Produkten wichtig. Abhängig vom Produkt und dem nachgeschalteten Prozess kann die Reduzierung von Antischaummittelzusätzen die Prozesskontrolle vereinfachen und die Notwendigkeit verringern, deren Auswirkungen auf Filtration, Trennung oder Reinigung zu bewerten.

Das mechanische Schaumzerstören sollte daher anhand der tatsächlichen Produktionsanforderungen bewertet werden. Ingenieure können das Schaumverhalten, den Antischaummittelverbrauch, die in der Abgasausrüstung gesammelte Flüssigkeit und die Fermentationsleistung vor und nach der Installation überwachen. Diese Beobachtungen bieten eine zuverlässigere Grundlage für die Beurteilung, ob die Ausrüstung höhere Arbeitsvolumina und einen konsistenteren Betrieb unterstützt.

Validierung von Kapazitätssteigerungen beim Scale-Up

Ein erfolgreiches Scale-Up-Projekt benötigt messbare Betriebskriterien. Vor der Erhöhung des Arbeitsvolumens sollte das Prozessteam eine Basislinie für Schaumbildung, Flüssigkeitsmitriss, Belüftung und die Häufigkeit von Antischaummittelzugaben festlegen. Nach der Installation können dieselben Indikatoren helfen festzustellen, ob sich die Schaumkontrolle unter vergleichbaren Bedingungen verbessert hat.

Es ist auch wichtig zu bestätigen, dass das geplante Betriebsvolumen weiterhin mit den Sauerstofftransferanforderungen, der Wärmeabfuhr, der Durchmischungsleistung und den biologischen Bedürfnissen des Produktionsorganismus kompatibel ist. Eine alleinige Schaumreduzierung beweist nicht, dass ein höherer Füllstand die gleiche Ausbeute oder Produktqualität aufrechterhält.

Für Anlagen, die ihre Produktion steigern möchten, ohne automatisch den Einsatz chemischer Antischaummittel zu erhöhen, bietet der mechanische Entschäumer der BODF-Serie einen physikalischen Ansatz zur Schaumzerstörung und Brüherückgewinnung. Integriert in ein geeignetes Behälterdesign, eine geeignete Abgasführung und Prozessüberwachung kann er helfen, eine der praktischen Einschränkungen der Bioreaktornutzung zu adressieren und gleichzeitig einen kontrollierten Weg zu einer höheren Produktionskapazität zu unterstützen.