So reduzieren Sie den Verlust von Fermentationsbrühe durch übermäßige Schaumbildung

Warum übermäßiger Schaum zu Verlusten der Fermentationsbrühe führt

In der industriellen Fermentation ist Schaum nicht einfach ein Oberflächenproblem. Wenn Blasen schnell akkumulieren, können sie Tröpfchen der Fermentationsbrühe in Abgasleitungen tragen, nachgelagerte Anlagen verunreinigen und die Menge der nutzbaren Flüssigkeit im Behälter verringern. Bei Prozessen, die wertvolle Mikroorganismen, Enzyme, Aminosäuren, organische Säuren oder pharmazeutische Produkte betreffen, kann dieser Verlust sowohl die Produktionsökonomie als auch die Prozesskonsistenz beeinträchtigen.

Schaumbildung ist in der aeroben Fermentation üblich, da kontinuierlich Luft in die Brühe eingebracht wird. Proteine, mikrobielle Metaboliten und andere oberflächenaktive Substanzen können die Blasen stabilisieren, sodass der Schaum bestehen bleibt, anstatt natürlich zu zerfallen. Rühren und Änderungen der Betriebsbedingungen können die Schaumerzeugung weiter erhöhen.

Die größte Herausforderung besteht darin, dass Brüheverluste selbst dann auftreten können, wenn der Fermenter selbst über ein ausreichendes Arbeitsvolumen verfügt. Wenn Schaum den Abgasauslass erreicht oder Flüssigkeit in angeschlossene Geräte trägt, kann wertvolles Material die vorgesehene Prozessgrenze verlassen.

Um diesen Verlust zu reduzieren, reicht es nicht aus, sichtbaren Schaum zu unterdrücken. Eine praktische Strategie sollte die Schaumerzeugung kontrollieren, persistente Blasen brechen und die vom Schaum getragene Flüssigkeit nach Möglichkeit zurückgewinnen.

Wie Schaum dazu führt, dass wertvolle Brühe entweicht

Fermentationsschaum besteht aus Gasblasen, die durch dünne Flüssigkeitsfilme getrennt sind. Wenn Schaum aufsteigt und sich durch den Behälter bewegt, können diese Filme und die Flüssigkeit zwischen den Blasen ablaufen, aber ein Teil der Flüssigkeit bleibt in der Schaumstruktur eingeschlossen.

Wenn übermäßiger Schaum den oberen Bereich eines Fermenters erreicht, können mehrere Probleme auftreten.

Erstens kann Schaum in die Abgasleitung gelangen und Flüssigkeitströpfchen vom Behälter wegtragen. Dies wird oft als Brühemitnahme oder Flüssigkeitsverschleppung bezeichnet. Der daraus resultierende Verlust kann Nährstoffe, mikrobielle Biomasse und gelöstes oder suspendiertes Produkt umfassen.

Zweitens kann Flüssigkeit, die sich in Abgasleitungen oder nachgelagerten Komponenten ansammelt, zusätzliche Reinigungs- und Wartungsanforderungen schaffen. Je nach Prozess und Gerätekonfiguration kann dies auch die Abgashandhabung erschweren.

Drittens können Bediener reagieren, indem sie die Belüftung reduzieren oder chemische Antischaummittel hinzufügen. Obwohl diese Maßnahmen zur Schaumkontrolle beitragen können, können sie Zielkonflikte mit sich bringen. Eine Verringerung des Luftstroms kann mit dem Sauerstofftransferbedarf kollidieren, während chemische Antischaummittel in bestimmten Prozessen den Gas-Flüssigkeits-Massentransfer oder die nachgeschaltete Trennung beeinträchtigen können.

Aus diesen Gründen sollte die Schaumkontrolle als Teil des gesamten Fermentationssystems betrachtet werden und nicht als isolierte Reaktion auf einen steigenden Schaumpegel.

Ermitteln Sie die Bedingungen, die übermäßigen Schaum auslösen

Bevor Sie eine Schaumkontrollmethode auswählen, bestimmen Sie, wann und warum die Brühe übermäßig zu schäumen beginnt.

Bei aeroben Fermentationen kann eine erhöhte Gaseinleitung die Rate der Blasenbildung erhöhen. Rühren, Änderungen der Brühezusammensetzung, mikrobielle Vermehrung und die Akkumulation von oberflächenaktiven Substanzen können ebenfalls das Schaumverhalten beeinflussen.

Das Problem kann besonders in Phasen hoher biologischer Aktivität oder bei Änderungen der Betriebsbedingungen auffallen. Die Ursachen unterscheiden sich jedoch zwischen den Fermentationsprozessen, daher reicht eine Annahme, die lediglich auf der Tankgröße oder dem Luftstrom basiert, selten aus.

Produktionsaufzeichnungen können helfen, wiederkehrende Muster zu identifizieren. Nützliche Beobachtungen umfassen Schaumpegeländerungen, Belüftungs- und Rühreinstellungen, Antischaummittelverbrauch, aus Abgasleitungen gesammelte Flüssigkeit und den Zeitpunkt jeglicher Brühemitnahme.

Diese Aufzeichnungen helfen zu unterscheiden, ob Schaum schneller erzeugt wird, als das Kontrollsystem verarbeiten kann, oder ob Schaum aufgrund seiner physikalischen oder chemischen Eigenschaften bestehen bleibt. Diese Unterscheidung ist wichtig, wenn entschieden wird, ob der Prozess angepasst, die Abgasanordnung verbessert oder die mechanische Schaumbrechkapazität erhöht werden soll.

Optimieren Sie die Belüftung, ohne den Fermentationsprozess zu beeinträchtigen

Die Belüftung ist in vielen industriellen Fermentationssystemen unerlässlich, aber ein übermäßiger oder schlecht kontrollierter Gaseintrag kann zur Schaumbildung und Flüssigkeitsverschleppung beitragen.

Wenn es die Betriebsbedingungen zulassen, können Ingenieure den Luftstrom, das Rühren und deren kombinierte Auswirkungen auf die Schaumerzeugung überprüfen. Anpassungen sollten auf dem Sauerstoffbedarf des Mikroorganismus und dem Massentransferbedarf des Prozesses basieren, nicht allein auf der Schaumreduzierung.

Eine bloße Reduzierung des Luftstroms kann die Schaumerzeugung verringern, aber auch die Sauerstoffverfügbarkeit einschränken und die Fermentationsleistung beeinträchtigen. Ebenso kann eine Verringerung des Rührens ohne Verständnis seiner Auswirkung auf den Sauerstofftransfer und die Durchmischung andere Prozessprobleme verursachen.

Ein zuverlässigerer Ansatz besteht darin, den Betriebsbereich zu identifizieren, der die erforderlichen Fermentationsbedingungen aufrechterhält, während eine unnötige Schaumerzeugung vermieden wird. Wenn der Schaum auch unter geeigneten Betriebsbedingungen erheblich bleibt, kann eine zusätzliche Schaumkontrollausrüstung erforderlich sein.

Verwenden Sie mechanische Entschäumung, um Schaum an der Quelle zu brechen

Mechanische Entschäumer bieten eine Alternative zur alleinigen Abhängigkeit von chemischen Antischaummitteln. Anstatt einen Zusatzstoff einzubringen, um Blasen zu destabilisieren, nutzen sie mechanische Kräfte, um die Schaumstruktur zu stören.

Der mechanische Entschäumer der BODF-Serie verwendet einen Hochgeschwindigkeitsrotor, um Scherkräfte auf den einströmenden Schaum auszuüben. Wenn die Blasen brechen, wird die freigesetzte Flüssigkeit durch Zentrifugalkraft zur Gerätewand getrieben. Die abgetrennte Flüssigkeit gelangt dann in die Rücklaufwege, wobei Teile direkt zurück zum Fermentationstank und durch einen Wirbelsammler fließen, bevor sie über eine Rohrleitung zurückkehren.

Diese Kombination aus Schaumbrechen und Flüssigkeitsrückgewinnung ist besonders relevant, wenn das Ziel darin besteht, den Brüheverlust zu reduzieren, anstatt lediglich den Schaumpegel zu senken.

Durch die mechanische Verarbeitung von Schaum kann das System dazu beitragen, die Abhängigkeit von chemischen Entschäumern zu verringern. Dies kann vorteilhaft sein, wenn die Verwendung von Zusatzstoffen aufgrund von Produktreinheitsanforderungen oder nachgeschalteten Verarbeitungsüberlegungen unerwünscht ist. Der Bedarf an zusätzlicher Antischaummitteldosierung sollte jedoch entsprechend dem spezifischen Fermentationsprozess bewertet werden.

Die BODF-Serie wird in Anwendungen wie Antibiotika-Fermentation, Aminosäuren- und organische Säuren-Fermentation sowie Hefekultivierung eingesetzt. Die geeignete Konfiguration hängt von der Behälteranordnung und den Prozessanforderungen ab.

Rückgewinnung von mitgerissener Flüssigkeit durch Abgassystemintegration

Mechanisches Schaumbrechen adressiert Schaum, der den Entschäumer erreicht, aber Flüssigkeit kann auch in das Abgassystem getragen werden. Für Prozesse mit hohen Belüftungsraten oder erheblicher Brühemitnahme verdient die Abgasanordnung besondere Aufmerksamkeit.

Die BODF-Serie kann mit einem Abgas-Kondensationssystem kombiniert werden, um Flüssigkeitsverluste unter Bedingungen hoher Belüftung zu reduzieren. Die Kondensation bietet eine zusätzliche Rückgewinnungsmöglichkeit, indem sie kondensierbaren Dampf und mitgerissene Flüssigkeit sammelt, die die entsprechende Ausrüstung erreichen.

Die tatsächliche Rückgewinnung hängt von der Zusammensetzung und Temperatur des Abgasstroms, der Kondensationsanordnung und der Menge der aus dem Fermenter ausgetragenen Flüssigkeit ab. Es sollte nicht angenommen werden, dass die Kondensation jedes Aerosol oder Brühetröpfchen erfasst, daher muss ihre Leistung als Teil des gesamten Abgassystems bewertet werden.

Ein effektives Design berücksichtigt den Entschäumer, die Rücklaufleitungen, die Abgasanschlüsse und die Kondensationsausrüstung gemeinsam. Dieser integrierte Ansatz ist nützlicher, als den Schaumbrecher nur nach seiner Nennkapazität zu beurteilen.

Wählen Sie den Entschäumer entsprechend der tatsächlichen Schaumlast aus

Die Auswahl eines mechanischen Entschäumers nur auf Basis des Fermenter-Arbeitsvolumens kann zu schlechten Ergebnissen führen. Zwei Behälter ähnlicher Größe können aufgrund von Unterschieden in der Belüftung, der Brühezusammensetzung, der Schaumstabilität und den Betriebsbedingungen sehr unterschiedliche Anforderungen an die Schaumkontrolle haben.

Die BODF-Serie bietet nominale Entschäumungskapazitäten von 5 bis 500 m³/h. Diese Angaben bieten einen Ausgangspunkt für die Bewertung der verfügbaren Modelle, aber die Geräteleistung sollte nicht mit dem Fermentervolumen, dem Luftstrom oder einer garantierten Flüssigkeitsrückgewinnungsrate gleichgesetzt werden.

Die Auswahl sollte mit der erwarteten Schaumlast beginnen, insbesondere während der anspruchsvollsten Phase des Fermentationszyklus. Ingenieure sollten auch berücksichtigen, ob der Schaum relativ leicht zu brechen ist oder stabil und flüssigkeitsreich bleibt.

Die Installationsart ist ein weiterer wichtiger Faktor. Der BODF-I ist für vollständig geschlossene Behälter ausgelegt, während der BODF-II für offene Behälter oder Tanks geeignet ist. Obwohl beide Typen den gleichen technischen Nennkapazitätsbereich aufweisen, hängt die korrekte Wahl von der Behälteranordnung und den Installationsanforderungen ab.

Wenn Brüheverluste erhebliche wirtschaftliche Konsequenzen haben, können Betriebsaufzeichnungen, repräsentative Schaumbeobachtungen und Leistungsverifikationen helfen zu bestätigen, ob das ausgewählte Modell geeignet ist.

Überwachen Sie den Brüheverlust anstatt nur die Schaumhöhe zu messen

Die Schaumhöhe ist ein nützlicher Betriebsindikator, aber sie erzählt nicht die ganze Geschichte. Ein hoher, relativ trockener Schaum kann weniger Flüssigkeitsverlust verursachen als ein kleineres Volumen dichten, persistenten Schaums, der erhebliche Brühe trägt.

Eine aussagekräftigere Bewertung kombiniert das Schaumverhalten mit Messungen des tatsächlichen Flüssigkeitsverlusts. Abhängig von der Anlagenkonfiguration können Ingenieure die aus Abgasleitungen gesammelte Flüssigkeit, Veränderungen des Antischaummittelverbrauchs, zurückgewonnene Flüssigkeitsmengen und die Häufigkeit von schaumbedingten Unterbrechungen überwachen.

Der Vergleich dieser Beobachtungen vor und nach Geräteanpassungen kann helfen festzustellen, ob die Kontrollstrategie die Rückgewinnung verbessert oder lediglich das Erscheinungsbild des Schaums verändert.

Es ist auch nützlich, die Leistung während der Spitzenbelüftung und anderen anspruchsvollen Betriebsperioden zu untersuchen. Ein System, das unter durchschnittlichen Bedingungen gut funktioniert, kann während kurzer Phasen intensiver Schaumerzeugung dennoch erhebliche Verluste zulassen.

Diese Messungen unterstützen fundiertere Entscheidungen über Betriebseinstellungen, Wartung und Gerätekapazität.

Die Reduzierung von Brüheverlusten erfordert eine vollständige Schaumkontrollstrategie

Übermäßiger Schaum kann die rückgewinnbare Fermentationsbrühe reduzieren, den Reinigungsaufwand erhöhen und die Abgasbehandlung erschweren. Die effektivste Antwort hängt von der Ursache der Schaumbildung und der Art und Weise ab, wie Flüssigkeit aus dem Behälter ausgetragen wird.

Die Optimierung von Belüftung und Rühren kann helfen, unnötige Schaumerzeugung zu verhindern, während mechanische Entschäumung persistente Blasen stören und abgetrennte Flüssigkeit in den Prozess zurückführen kann. Für anspruchsvolle Anwendungen bietet die Integration eines mechanischen Entschäumers mit einem Abgas-Kondensationssystem eine weitere Möglichkeit, Flüssigkeitsverluste zu reduzieren.

Die BODF-Serie kombiniert rotor-basiertes Schaumbrechen mit Flüssigkeitsrücklaufwegen und kann für eine Reihe von industriellen Fermentationsanwendungen bewertet werden. Ihre Eignung hängt von der Schaumlast, der Behälterkonfiguration und den Betriebsbedingungen ab.

Letztendlich besteht das Ziel nicht einfach darin, sichtbaren Schaum zu beseitigen. Es geht darum, die für die Fermentation erforderlichen Bedingungen aufrechtzuerhalten, während das Entweichen wertvoller Brühe minimiert und der Gesamtprozess stabil gehalten wird.