Tiefenanalyse der Entschäumungsleistung von mechanischen Entschäumern

Bei der industriellen Fermentation ist Schaum mehr als nur eine oberflächliche Unannehmlichkeit. Anhaltender Schaum kann wertvollen Kopfraum belegen, Fermentationsbrühe in Abgasleitungen transportieren, Produktverluste erhöhen und die Prozesskontrolle erschweren. Wenn die Schaumbildung schwer zu beherrschen ist, wird die Kapazität des mechanischen Entschäumers zu einem wichtigen Faktor bei der Geräteauswahl.

Allerdings ist die Entschäumungsleistung nicht so einfach, wie sie scheint. Ein mechanischer Entschäumer, der mit einer bestimmten Anzahl von Kubikmetern pro Stunde angegeben ist, liefert nicht unbedingt in jedem Fermentationsprozess das gleiche Ergebnis. Das tatsächliche Ergebnis hängt von den Eigenschaften des Schaums, der Geschwindigkeit, mit der er in das Gerät eintritt, den verfügbaren mechanischen Kräften zu seiner Zerstörung und der Effektivität der Flüssigkeitsrückgewinnung ab.

Für Verfahrensingenieure stellt sich die Kernfrage nicht nur, wie viel Schaum eine Einheit unter Nennbedingungen verarbeiten kann. Es ist die Frage, ob die Ausrüstung die Schaumlast, die der Prozess während seiner anspruchsvollsten Betriebsphasen erzeugt, kontrollieren kann.

Der mechanische Entschäumer der BOAO BODF-Serie begegnet dieser Herausforderung durch Hochgeschwindigkeitsrotorwirkung, Zentrifugalabscheidung und Flüssigkeitsrückführungswege. Das Verständnis, wie diese Mechanismen mit der Kapazität zusammenhängen, hilft Ingenieuren, fundiertere Entscheidungen für Fermentations- und andere industrielle Schaumkontrollanwendungen zu treffen.

Was bedeutet Entschäumungsleistung?

Die Entschäumungsleistung beschreibt im Allgemeinen die Schaummenge, die ein Gerät über einen bestimmten Zeitraum verarbeiten oder zerstören kann. In der Praxis hängt die genaue Bedeutung von der Gerätekonstruktion und der zur Ermittlung des Nennwerts verwendeten Testmethode ab.

Bei der Bewertung eines mechanischen Entschäumers sollten drei Messgrößen unterschieden werden:

• Nenn-Entschäumungskapazität: Die in den Gerätespezifikationen angegebene Nennkapazität, ausgedrückt in m³/h für die BODF-Serie.
• Entschäumungsleistung: Wie effektiv das Gerät den einströmenden Schaum unter definierten Betriebsbedingungen zerstört.
• Flüssigkeitsrückgewinnungsleistung: Wie viel der vom Schaum getrennten Flüssigkeit in den Prozess zurückgeführt wird, anstatt durch das Abgassystem oder andere Auslässe verloren zu gehen.

Diese Messgrößen sind verwandt, aber nicht austauschbar.

Beispielsweise kann eine Einheit einströmenden Schaum effektiv zerstören, während einige Flüssigkeitströpfchen im Abgas mitgerissen werden. Ein anderes System kann eine erhebliche Menge Flüssigkeit zurückgewinnen, aber bei einem starken Anstieg der Schaumbildung Schwierigkeiten haben. Eine vollständige Bewertung muss daher sowohl die Schaumkontrolle als auch die Flüssigkeitsrückgewinnung berücksichtigen.

Veröffentlichte Forschungsergebnisse über mechanische Schaumzerstörer zeigen ebenfalls, dass die Leistung von Faktoren wie Blaseneigenschaften, Flüssigkeitsrückhalt im Schaum, Gasbeladung und Gerätegeometrie abhängt. Es gibt keine universelle Beziehung, die die Effizienz jedes mechanischen Entschäumers aus einer einzigen Kapazitätszahl vorhersagt.

Wie ein mechanischer Entschäumer Schaum beseitigt

Die BODF-Serie verwendet eine rotierende mechanische Baugruppe, um Schaum zu zerstören und die darin enthaltene Flüssigkeit abzutrennen.

Wenn Schaum in den Arbeitsbereich des Rotors eintritt, übt der Hochgeschwindigkeitsrotor Scherkräfte aus, die die Blasenstruktur aufbrechen. Wenn die Blasen kollabieren, wird die freigesetzte Flüssigkeit durch Zentrifugalkraft zur Gerätewand getrieben. Die Flüssigkeit bildet einen Strom, wobei ein Teil direkt in den Fermentationstank zurückfließt und ein anderer Teil durch die poröse Wandstruktur zu einem Wirbelsammler gelangt, bevor er durch eine Rücklaufleitung zurückfließt.

Diese Anordnung kombiniert zwei Operationen: mechanische Schaumzerstörung und Flüssigkeitsrückgewinnung.

Die Unterscheidung ist wichtig, weil eine effektive Schaumkontrolle nicht unbedingt die Beseitigung jeder Blase im gesamten Behälter erfordert. Stattdessen muss das Gerät den Schaum, der seinen Arbeitsbereich erreicht, schnell genug verarbeiten, um eine unkontrollierte Ansammlung zu verhindern, während es einen geeigneten Weg für die abgetrennte Flüssigkeit zur Rückführung in den Prozess bietet.

Mechanische Schaumzerstörer nutzen unterschiedliche Kombinationen von Scherung, Aufprall, Zentrifugalkraft und Strömungseffekten. Ihre Leistung hängt von der jeweiligen Konstruktion und den Eigenschaften des zu behandelnden Schaums ab.

Fünf Faktoren, die die Entschäumungsleistung beeinflussen

Die Geschwindigkeit der Schaumbildung

Der erste Faktor ist das Schaumvolumen, das der Prozess im Laufe der Zeit produziert.

Bei der aeroben Fermentation können einströmende Luft, Rührung, mikrobielle Aktivität und oberflächenaktive Bestandteile in der Brühe zur Schaumbildung beitragen. Die Schaumlast kann sich während einer Charge ändern, wenn sich Biomassekonzentration, Mediumzusammensetzung und Betriebsbedingungen entwickeln.

Eine Einheit, die während einer stabilen Produktionsphase ausreichend arbeitet, kann während der Spitzenbelüftung oder einer Phase ungewöhnlich hoher Schaumbildung unzureichend werden.

Aus diesem Grund sollte die Kapazitätsauswahl auf der erwarteten Spitzenschaumlast basieren, nicht nur auf dem Tankvolumen. Historische Betriebsaufzeichnungen, Schaumniveaubeobachtungen und repräsentative Prozessversuche können helfen, den Bedarf zu ermitteln, den die Ausrüstung bewältigen muss.

Schaumstabilität und Flüssigkeitsrückhalt

Zwei Schäume mit ähnlichem Volumen können sich in einem mechanischen Entschäumer sehr unterschiedlich verhalten.

Manche Schäume entwässern leicht, sodass die Flüssigkeit beim Kollabieren der Blasen in das Gefäß zurückfließen kann. Andere enthalten beständige Blasen und halten mehr Flüssigkeit in ihrer Struktur zurück. Letztere können anspruchsvollere Betriebsbedingungen erfordern, um eine zufriedenstellende Schaumzerstörung zu erreichen.

Die Schaumstabilität wird durch die Zusammensetzung der Flüssigkeit beeinflusst, einschließlich Proteine, Tenside und anderer oberflächenaktiver Substanzen. Die Blasengröße und die in dem Schaum gehaltene Flüssigkeitsmenge beeinflussen ebenfalls die Schwierigkeit der mechanischen Schaumkontrolle.

Die Forschung zum Schaumzerstörungsverhalten hat die Schaumstruktur und den Flüssigkeitsrückhalt als wichtige Variablen bei der Bewertung der Leistung verschiedener mechanischer Konstruktionen identifiziert.

Folglich sollten Ingenieure bei der Auswahl der Ausrüstung die Eigenschaften der tatsächlichen Fermentationsbrühe berücksichtigen. Eine Nennkapazität, die mit einem Medium gut funktioniert, sollte nicht automatisch als für ein anderes geeignet angenommen werden.

Rotordrehzahl und mechanische Energie

Ein mechanischer Entschäumer muss ausreichende Kraft aufwenden, um die Schaumstruktur zu zerstören. Die Rotordrehzahl ist einer der relevanten Konstruktionsparameter, sollte aber nicht isoliert betrachtet werden.

Die technischen Spezifikationen des BODF geben Betriebsdrehzahlen von 2.800–2.850 U/min für die kleineren Modelle und 2.900 U/min für die größeren aufgeführten Modelle an. Die Motorleistung steigt ebenfalls über die Produktpalette an.

Diese Zahlen beschreiben die spezifizierten Gerätekonfigurationen. Sie belegen nicht, dass eine Verdoppelung der Motorleistung beispielsweise die Entschäumungsleistung verdoppeln würde. Die Rotorgeometrie, die Schaumeintrittsbedingungen, die internen Strömungsmuster und die Verweilzeit beeinflussen ebenfalls die Leistung.

Eine geeignete Bewertung berücksichtigt die vollständige Gerätekonstruktion und ihre Kompatibilität mit der erwarteten Schaumlast. Die Auswahl eines Modells allein auf Basis der Rotordrehzahl könnte andere Faktoren übersehen, die bestimmen, wie effektiv Schaum verarbeitet wird.

Gasbeladung und Schaumeintrittsbedingungen

Die Gasmenge, die durch ein Fermentationssystem strömt, kann sowohl die Schaumbildung als auch die Betriebsanforderung an einen Entschäumer beeinflussen.

Höhere Belüftungsraten können je nach Medium und Prozessbedingungen Schaum schneller erzeugen. Wenn der Schaum das Gerät schneller erreicht, als er abgebaut und abgeführt werden kann, kann sich Schaum weiter ansammeln, selbst während der Rotor in Betrieb ist.

Die Position des Entschäumers, die Anordnung des Einlasses und die Konfiguration der Gas- und Flüssigkeitswege sollten daher als Teil der Systemauslegung bewertet werden.

Wenn große Belüftungsvolumina erforderlich sind, kann der mechanische Entschäumer des BODF zusammen mit einem Abgaskondensationssystem in Betracht gezogen werden, um Flüssigkeitsverluste zu reduzieren. Der tatsächliche Nutzen hängt von der Gesamtinstallation und den Betriebsbedingungen ab.

Flüssigkeitsrückführung und Gesamtsystemleistung

Die Schaumbeseitigung ist nur ein Teil des Prozesses. Die abgetrennte Flüssigkeit muss auch ohne zusätzliche Betriebsprobleme in das Gefäß zurückgelangen.

Die BODF-Serie bietet Flüssigkeitsrückführungswege durch die Gerätewand und den Wirbelsammler. Die Installation sollte es diesen Wegen ermöglichen, wie vorgesehen zu funktionieren, mit geeigneten Rohrleitungsanordnungen und Kompatibilität mit dem Prozess.

Wenn die Flüssigkeitsrückführung eingeschränkt ist oder das Abgassystem einen übermäßigen Flüssigkeitsaustrag zulässt, kann der Gesamtprozess Verluste erleiden, selbst wenn der Schaum effektiv zerstört wird.

Deshalb sollten Entschäumungsleistung und Flüssigkeitsrückgewinnung gemeinsam bewertet werden. Das Ziel ist nicht nur, Blasen zu zerbrechen, sondern eine effektive Schaumkontrolle aufrechtzuerhalten und gleichzeitig den Verlust wertvoller Fermentationsflüssigkeit zu begrenzen.

Verständnis des BODF-Kapazitätsbereichs

Der mechanische Entschäumer der BODF-Serie bietet Nennkapazitätsoptionen von 5 bis 500 m³/h und deckt damit eine Vielzahl industrieller Schaumkontrollanforderungen ab. In der gesamten Produktpalette variiert die Motorleistung von 0,37 kW bis 30 kW, während die angegebenen Drehzahlen zwischen 2.800 und 2.900 U/min liegen.

Diese Spezifikationen bieten einen Ausgangspunkt für die Geräteauswahl, sollten aber nicht als direkte Vorhersage der Leistung unter allen Betriebsbedingungen interpretiert werden. Die tatsächliche Schaumbeseitigung hängt von der Schaumstabilität, der Gasbeladung, der Geschwindigkeit der Schaumbildung und der Anordnung des Flüssigkeitsrückführsystems ab.

Der BODF-I und der BODF-II teilen den gleichen technischen Kapazitätsbereich, sind jedoch für unterschiedliche Behälterkonfigurationen ausgelegt. Typ I ist für vollständig geschlossene Behälter vorgesehen, während Typ II für offene Behälter oder Tanks geeignet ist. Die Wahl sollte daher sowohl die erforderliche Kapazität als auch die physische Anordnung der Installation berücksichtigen.

Da die gelieferten Spezifikationen kein universelles Testverfahren für die Nennkapazität festlegen, sollten Ingenieure den Zusammenhang zwischen der Gerätenennleistung und der tatsächlichen Schaumlast bestätigen, bevor sie die Auswahl endgültig treffen.

Auswahl der richtigen Kapazität für einen Fermentationsprozess

Die Auswahl eines mechanischen Entschäumers sollte mit dem Prozess beginnen, nicht mit dem Gerätekatalog.

Zuerst charakterisieren Sie die Schaumlast. Bestimmen Sie, wann die Schaumbildung am höchsten ist, ob der Schaum beständig ist und ob es bei früheren Produktionsläufen zu Flüssigkeitsaustrag gekommen ist.

Zweitens legen Sie die Betriebsbedingungen fest. Überprüfen Sie die Belüftungsrate, die Rührung, die Brühezusammensetzung, erwartete Änderungen während der Charge und die Folgen einer unkontrollierten Schaumansammlung.

Drittens vergleichen Sie den Prozessbedarf mit den verfügbaren Kapazitätsangaben. Der Vergleich ist nur aussagekräftig, wenn sich die Prozessmessung und die Gerätenennleistung auf kompatible Größen beziehen. Vermeiden Sie es, das Tankvolumen oder den Luftdurchsatz allein als direkten Ersatz für die Entschäumungsleistung zu behandeln.

Viertens überprüfen Sie die Installationskonfiguration. Wählen Sie Typ I oder Typ II, je nachdem, ob der Behälter vollständig geschlossen oder offen ist. Bestätigen Sie den erforderlichen Motortyp, die Materialkompatibilität und die Abdichtungsanordnung für die vorgesehene Umgebung.

Überprüfen Sie schließlich die Leistung, wenn die Unsicherheit signifikant ist. Für Prozesse mit hochstabilem Schaum, erheblichen Flüssigkeitsverlusten oder großen Schwankungen in der Schaumbildung kann ein repräsentativer Versuch oder eine technische Bewertung helfen festzustellen, ob das ausgewählte Modell geeignet ist. Bei der Maßstabsvergrößerung sollte berücksichtigt werden, dass sich Schaumeigenschaften und Geräteverhalten zwischen Labor- und Produktionsbedingungen ändern können.

Mechanische Entschäumungskapazität und chemischer Antischaummittel-Einsatz

Mechanische Entschäumer können die Abhängigkeit von chemischen Antischaummitteln verringern, was wünschenswert sein kann, wenn Additivverschleppung, Downstream-Abtrennung oder Produktreinigung ein Problem darstellen.

Die mechanische Schaumkontrolle ist jedoch nicht automatisch die beste Lösung für jeden Prozess. Bestimmte biologische Systeme sind empfindlich gegenüber mechanischer Belastung, und einige Fermentationsprozesse erfordern möglicherweise weiterhin eine ergänzende chemische Antischaummittel-Dosierung. Die Wahl hängt vom Organismus, den Brüheeigenschaften, den Produktanforderungen und der Wirtschaftlichkeit des Prozesses ab.

Ein Überblick über die Schaumkontrolle in biotechnologischen Prozessen hebt sowohl die potenziellen Vorteile mechanischer Methoden als auch die Notwendigkeit hervor, sie gegen spezifische Bioprozessbedingungen zu bewerten.

Für die BODF-Serie besteht das praktische Ziel darin, eine Kapazität und Installationskonfiguration zu identifizieren, die die erwartete Schaumlast kontrolliert und gleichzeitig die Flüssigkeitsrückgewinnung und den stabilen Betrieb unterstützt. Bei Bedarf kann das System zusammen mit der Abgaskondensation bewertet werden, anstatt den Entschäumer als isolierte Komponente zu behandeln.

Umwandlung von Kapazitätsdaten in eine zuverlässige Auswahlentscheidung

Die Entschäumungsleistung ist eine wesentliche Gerätespezifikation, sollte aber niemals als vollständige Vorhersage der realen Leistung behandelt werden. Die Schaumbildungsrate, die Blasenstabilität, die Gasbeladung, die Rotorkonfiguration und die Flüssigkeitsrückführungsanordnung beeinflussen das Ergebnis.

Die BODF-Serie bietet Nennkapazitätsoptionen von 5 bis 500 m³/h, sodass Ingenieure verschiedene Modelle anhand ihrer Prozessanforderungen bewerten können. Die zuverlässigste Auswahl kombiniert diese Spezifikationen mit repräsentativen Betriebsdaten und, falls erforderlich, einer praktischen Leistungsüberprüfung.

Durch die Bewertung des gesamten Schaumkontrollsystems, anstatt sich auf eine einzelne Zahl zu verlassen, können Verfahrensingenieure eine fundiertere Geräteauswahl treffen, vermeidbare Flüssigkeitsverluste reduzieren und die Zuverlässigkeit industrieller Fermentationsprozesse verbessern.