Prévention de la Sédimentation : Solutions d'Aération en Fond de Cuve pour la Fermentation Alimentaire à Haute Viscosité

Bei der hochviskosen Lebensmittelfermentation ist die Sedimentation nicht nur ein Mischproblem. Wenn die Brühe dicker wird oder Feststoffe, Partikel, Biomasse oder konzentrierte Nährstoffe enthält, kann die Zirkulation im unteren Bereich des Behälters nachlassen. Sobald sich Material am Tankboden absetzt, können die daraus resultierenden Konzentrationsunterschiede die Sauerstoffverfügbarkeit, die Wärmeverteilung und die Konsistenz der Fermentationsumgebung beeinträchtigen.

Ein Tankboden-Belüftungssystem kann dieser Herausforderung an dem Punkt begegnen, an dem die Sedimentation beginnt. Durch die direkte Einleitung der Gas-Flüssigkeits-Mischung am Boden des Fermentationstanks kann ein selbstansaugender bodenmontierter Belüfter eine Aufwärtszirkulation erzeugen und gleichzeitig den Sauerstofftransfer in aeroben Prozessen unterstützen.

Warum hochviskose Fermentation anfällig für Sedimentation ist

Fermentationsmedien verhalten sich nicht immer wie niedrigviskose Flüssigkeiten. Lebensmittelverarbeitungsprozesse können konzentrierte Substrate, Schwebstoffe, Hefezellen, mikrobielle Biomasse oder andere Komponenten umfassen, die den Zirkulationswiderstand erhöhen.

Mit steigender Viskosität wird die konventionelle Zirkulation schwieriger. Material in der Nähe des Tankbodens kann sich langsamer bewegen als die Hauptflüssigkeit, insbesondere wenn der Behälter Bereiche aufweist, die vom Hauptzirkulationsmuster weniger effektiv erreicht werden.

Dies kann zu mehreren verfahrenstechnischen Problemen führen:

• Schwebstoffe können sich in Bodennähe ansammeln.
• Die Nährstoffkonzentration kann weniger gleichmäßig werden.
• Die lokale Sauerstoffverfügbarkeit kann von der der Hauptflüssigkeit abweichen.
• Abgesetztes Material kann sich nur schwer wieder redispergieren lassen.
• Die Fermentationsbedingungen können zwischen verschiedenen Bereichen des Tanks variieren.

Bei Lebensmittelfermentationssystemen erfordert die Vermeidung dieser Zustände mehr als nur eine Erhöhung des Belüftungsvolumens. Wo die Mischenergie in den Behälter eingebracht wird, kann genauso wichtig sein wie die zugeführte Luftmenge.

Beginn der Zirkulation am Tankboden

Hier setzt die bodenmontierte Belüftung mit einem anderen Ansatz an.

Anstatt Luft von oben einzuleiten oder sich vollständig auf die anderswo erzeugte Zirkulation zu verlassen, wird der DAWT-Belüfter direkt am tiefsten Punkt des Fermentationstanks installiert. Seine Rotor-Stator-Struktur arbeitet genau an der Stelle, an der sich abgesetztes Material am wahrscheinlichsten ansammelt.

Während sich der Rotor dreht, entsteht im Inneren des Stators eine Niederdruckzone, die durch das spezielle Luftrohr Umgebungsluft ansaugt. Flüssigkeit und Luft gelangen gemeinsam in die Rotor-Stator-Mischzone, wo die rotierende Struktur den Gas-Flüssigkeits-Kontakt verstärkt, bevor das Gemisch durch die Statorpassagen ausgetragen wird.

Der resultierende Gas-Flüssigkeits-Strom erfüllt zwei Aufgaben gleichzeitig: Er sorgt für Belüftung und trägt zur Flüssigkeitsbewegung vom Tankboden aus bei.

Dies macht die Ausrüstung besonders relevant, wenn Sedimentkontrolle und Sauerstofftransfer gemeinsam betrachtet werden müssen, anstatt als separate Vorgänge behandelt zu werden.

Management von Schwebstoffen ohne Abhängigkeit von Hochgeschwindigkeitsrührung

Hochviskose Lebensmittelfermentation kann Materialien enthalten, die dispergiert bleiben sollten, ohne übermäßiger mechanischer Behandlung ausgesetzt zu sein. Eine bloße Erhöhung der Rührerdrehzahl kann den Energieverbrauch steigern oder unnötige Scherkräfte auf den Prozess ausüben.

Ein bodenmontierter Belüfter bietet einen weiteren Zirkulationsmechanismus. Der Gas-Flüssigkeits-Austrag aus dem unteren Bereich kann helfen, Material in der Nähe des Tankbodens aufzuwirbeln und in die Hauptflüssigkeit zurückzuführen.

Das Ziel ist nicht, jeden Prozess in ein identisches Zirkulationsmuster zu zwingen. Stattdessen kann der Belüftungspunkt in das Gesamttankdesign integriert werden, sodass die Boden-Zirkulation die bestehende Mischungsanordnung ergänzt.

Diese Unterscheidung ist für die Lebensmittelfermentation wichtig, da verschiedene Produkte ein sehr unterschiedliches rheologisches Verhalten aufweisen können. Ein Prozess mit Schwebstoffen erfordert möglicherweise eine andere Zirkulationsstrategie als eine relativ homogene Fermentationsbrühe.

Wie die Rotor-Stator-Struktur den Gas-Flüssigkeits-Kontakt unterstützt

Der Rotor und der Stator des DAWT arbeiten als kombinierte Gas-Flüssigkeits-Mischstruktur.

Luft wird in die Mischzone gesaugt, anstatt über ein separates Hochdruckbelüftungsgerät oberhalb des Behälters zugeführt zu werden. Während der Rotor Energie auf die Flüssigkeit überträgt, wird die einströmende Luft in feine Blasen dispergiert. Die bereitgestellten Produktinformationen geben unter den anwendbaren Betriebsbedingungen Blasengrößen von etwa 100 μm an.

Kleinere dispergierte Blasen bieten eine größere Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche als große Blasen und unterstützen den Sauerstofftransfer dort, wo die aerobe Fermentation ihn benötigt.

Gleichzeitig sorgt der Austrag aus dem Stator für eine lokale Bewegung im unteren Bereich des Behälters. Dies ist wichtig bei der Auslegung für hochviskose Medien, da der Sauerstofftransfer allein nicht garantiert, dass die gesamte Fermentationsbrühe ausreichend zirkuliert wird.

Das praktische ingenieurtechnische Ziel ist daher die Boden-Zirkulation plus Gas-Flüssigkeits-Kontakt, und nicht die isolierte Betrachtung der Belüftung.

Auslegung des gesamten Fermentationssystems rund um die Bodenzone

Die Sedimentationsprävention kann nicht allein durch den Belüfter bestimmt werden. Tankgeometrie, Flüssigkeitshöhe, Viskosität, Feststoffkonzentration, Temperatur, Fermentationsstadium und der Betrieb anderer Mischausrüstung beeinflussen alle die Zirkulation.

Aus diesem Grund sollte ein bodenmontierter Belüfter als Teil einer vollständigen Fermentationslösung betrachtet werden.

Bei der Geräteauswahl müssen Ingenieure möglicherweise Folgendes berücksichtigen:

Tankgeometrie

Durchmesser, Höhe, Bodenkonfiguration und interne Anordnung des Fermentationstanks beeinflussen, wie effektiv die bodenerzeugte Strömung das gesamte Tankvolumen erreichen kann.

Fermentationsrheologie

Die Viskosität kann sich während der Fermentation ändern, wenn Substrate verbraucht werden und sich Biomasse oder Metaboliten ansammeln. Die Zirkulationsstrategie sollte daher den tatsächlichen Prozess widerspiegeln und nicht nur den anfänglichen Flüssigkeitszustand.

Feststoff- und Biomassebeladung

Wenn Schwebstoffe oder Biomasse vorhanden sind, wird die Aufrechterhaltung der Bewegung in der Nähe des Tankbodens zunehmend wichtiger. Das System sollte entsprechend dem tatsächlichen Feststoffverhalten des Fermentationsmediums bewertet werden.

Belüftungsbedarf

Wenn die Fermentation aerob ist, müssen die Anforderungen an den Sauerstofftransfer zusammen mit der Zirkulation betrachtet werden. Übermäßiger Lufteintrag ist nicht automatisch die Lösung für eine schlechte Sauerstoffverteilung.

Integration mit anderen Geräten

Ein bodenmontierter Belüfter kann in ein breiteres Fermentationssystem integriert werden, das den Tank, die Temperaturregelung, die Beschickung, die Filtration, den Austrag und die Prozessüberwachungsausrüstung umfasst. Seine Rolle besteht darin, innerhalb dieser Gesamtanordnung eine Gas-Flüssigkeits-Mischung und Zirkulation auf Bodenniveau bereitzustellen.

Hygienische Konstruktion für die Lebensmittelfermentation

Da die Ausrüstung direkt im Inneren des Fermentationstanks arbeitet, ist die hygienische Konstruktion ein wichtiger Teil der Systemauslegung.

Die DAWT-Serie kann aus 304 oder 316L Edelstahl gefertigt werden, mit optionaler Elektropolierung. Dichtungsmaterialien umfassen EPDM, Silikonkautschuk und Fluorkautschuk für unterschiedliche Prozessanforderungen.

Bei Lebensmittelfermentationsanlagen müssen diese Materialauswahl zusammen mit Reinigungsverfahren, Produkteigenschaften, Temperatur, Chemikalienexposition und dem gesamten hygienischen Design des Behälters betrachtet werden.

Die bodenmontierte Konfiguration bedeutet auch, dass der Zugang für Installation und Wartung von Anfang an in das Tankdesign integriert werden sollte und nicht nachträglich behandelt werden sollte.

Von der Sedimentationskontrolle zu stabileren Fermentationsbedingungen

Eine hochviskose Fermentationsbrühe wird nicht allein dadurch leichter mischbar, dass mehr Luft eingebracht wird. Wenn der untere Bereich des Tanks schlecht durchzirkuliert bleibt, kann die Erhöhung der gesamten Belüftungsrate das zugrunde liegende Verteilungsproblem möglicherweise nicht lösen.

Die Tankboden-Belüftung geht das Problem anders an, indem sie die Gas-Flüssigkeits-Mischung dort platziert, wo die Bodenakkumulation stattfindet. Die selbstansaugende Rotor-Stator-Baugruppe saugt Umgebungsluft an, dispergiert sie in der Flüssigkeit und erzeugt eine Austragsströmung aus dem unteren Teil des Tanks.

Für Lebensmittelfermentationssysteme, die viskose Medien, Schwebstoffe oder Biomasse verarbeiten, bietet dies eine Gerätestrategie, die Sedimentationskontrolle, Boden-Zirkulation und aeroben Sauerstofftransfer in einer im Tank montierten Lösung vereint.

Die am besten geeignete Konfiguration hängt dennoch vom Fermentationsmedium und dem gesamten Behälterdesign ab. Aber wenn eine schlechte Boden-Zirkulation Teil der Prozessherausforderung ist, kann ein Tankboden-Belüfter als dedizierte Komponente des Fermentationssystems bewertet werden und nicht nur als eine weitere Belüftungsquelle.