Pourquoi la mousse s’accumule-t-elle dans les cuves de fermentation industrielle ? Causes et méthodes de contrôle

La mousse constitue un défi courant dans la fermentation industrielle, en particulier dans les procédés qui dépendent d'une aération continue et d'une croissance microbienne active. Une couche de mousse peut sembler inoffensive au départ, mais une accumulation excessive peut réduire l'espace libre utilisable, entraîner le bouillon de fermentation dans les conduits d'échappement et compliquer le contrôle du procédé. Dans les cas graves, un débordement de mousse peut interrompre la production et augmenter les besoins de nettoyage.

La méthode de contrôle appropriée dépend de la raison pour laquelle la mousse se forme, de sa stabilité et du fonctionnement du système de fermentation. Comprendre ces facteurs aide les fabricants à choisir entre des ajustements de procédé, des agents antimousse chimiques et des brise-mousses mécaniques.

Quelles sont les causes de l'accumulation de mousse pendant la fermentation ?

La mousse se forme lorsque du gaz est piégé dans le liquide et que les bulles persistent au lieu de s'effondrer rapidement. Dans les cuves de fermentation, ce processus est influencé par le milieu, les micro-organismes, l'alimentation en gaz et les conditions d'agitation. Plusieurs facteurs contribuent souvent simultanément.

Aération et Agitation

La fermentation aérobie nécessite de l'oxygène pour soutenir l'activité microbienne et la formation de produits. L'air introduit via un diffuseur crée des bulles, tandis que l'agitation distribue l'oxygène dans tout le liquide. Cependant, un débit de gaz plus élevé et un mélange vigoureux peuvent également augmenter la formation de bulles et la turbulence de surface.

Lorsque le taux de génération de bulles dépasse le taux auquel les bulles s'effondrent, la mousse commence à s'accumuler. Cela peut devenir plus perceptible lors d'un changement d'échelle du procédé ou lorsque les réglages d'aération sont modifiés pour répondre à une demande d'oxygène plus élevée. Réduire simplement le débit d'air n'est pas toujours une solution appropriée, car un transfert d'oxygène insuffisant peut affecter la croissance microbienne et la productivité.

Composition du milieu et activité microbienne

Les milieux de fermentation peuvent contenir des protéines, des peptides, des acides aminés, des nutriments et d'autres composés qui influencent la stabilité des bulles. Certaines substances s'accumulent à l'interface gaz-liquide et forment des films autour des bulles, leur permettant de survivre plus longtemps.

Les micro-organismes peuvent également libérer des protéines extracellulaires, des polysaccharides ou d'autres substances tensioactives au cours de leur croissance. Le comportement de la mousse qui en résulte peut changer tout au long d'un cycle de fermentation. Un milieu qui produit peu de mousse pendant la phase initiale peut devenir plus sujet au moussage à mesure que la biomasse et les métabolites s'accumulent.

C'est pourquoi les stratégies de contrôle de la mousse doivent tenir compte de l'organisme spécifique, de la formulation du milieu et de l'étape de fermentation, plutôt que de se fier à une seule approche pour chaque procédé.

Modifications lors du changement d'échelle

Le passage d'un équipement de laboratoire à une production pilote ou industrielle introduit des variables supplémentaires. La géométrie de la cuve, la conception de l'agitateur, la configuration du diffuseur, la profondeur du liquide, la distribution du gaz et l'espace libre disponible influencent tous la formation et le mouvement de la mousse.

Un fermenteur plus grand ne produit pas nécessairement une mousse plus problématique simplement en raison de son volume. Cependant, les modifications du débit de gaz, des schémas de mélange et des conditions de fonctionnement peuvent créer de nouveaux défis en matière de contrôle de la mousse. Un système qui fonctionne correctement à plus petite échelle peut nécessiter des ajustements de sa stratégie de gestion de la mousse lorsque la capacité de production augmente.

Pourquoi une mousse excessive est un problème de production

La mousse affecte plus que l'apparence de la cuve de fermentation. Son impact dépend de sa hauteur de montée, de la quantité de liquide qu'elle transporte et de son contact avec les équipements connectés.

Une préoccupation importante est la perte de bouillon de fermentation. Lorsque les bulles montent et éclatent, des gouttelettes de liquide peuvent être entraînées dans la mousse et se diriger vers les connexions d'échappement. Le liquide perdu peut contenir des nutriments, de la biomasse microbienne et des produits cibles dissous. L'accumulation dans les tuyaux d'échappement ou les filtres peut également augmenter les besoins de maintenance et de nettoyage.

Une mousse excessive peut en outre réduire l'espace libre utilisable pour le fonctionnement normal. Les opérateurs peuvent avoir besoin de réduire le volume de travail, de modifier les paramètres du procédé ou d'ajouter un agent antimousse supplémentaire. Ces réponses peuvent affecter l'économie de la production ou introduire de nouvelles variables dans le procédé.

Dans des applications telles que la production d'acides aminés, la fermentation d'acides organiques, la culture de levure et la fabrication d'antibiotiques, la gestion de la mousse fait donc partie du maintien d'un fonctionnement stable et d'une utilisation efficace des matériaux.

Méthodes courantes pour contrôler la mousse de fermentation

Aucune méthode unique ne convient à tous les systèmes de fermentation. Le choix dépend de la gravité de la mousse, des exigences du produit, de la configuration de l'équipement et des conditions de fonctionnement à maintenir.

Optimisation du procédé

La première étape consiste à identifier les conditions qui déclenchent un moussage excessif. L'examen du débit d'aération, de la vitesse d'agitation, de la composition du milieu et des changements au cours du cycle de fermentation peut aider à identifier les opportunités de contrôler la mousse à sa source.

Lorsque les exigences du procédé le permettent, des ajustements du débit de gaz ou du mélange peuvent réduire la génération de mousse. Cependant, les modifications doivent être évaluées parallèlement aux exigences de transfert d'oxygène et aux performances microbiennes. Un ajustement du contrôle de la mousse ne doit pas résoudre un problème en en créant un autre.

Agents antimousse chimiques

Les antimousses chimiques sont largement utilisés car ils peuvent supprimer la mousse sans nécessiter de dispositif mécanique dédié. Selon la formulation, ils peuvent déstabiliser les films de bulles ou interférer avec la formation de mousse persistante.

Leur efficacité dépend du milieu et des conditions du procédé. Certaines formulations peuvent influencer le transfert d'oxygène, tandis que les résidus d'antimousse peuvent compliquer la filtration, l'extraction ou d'autres opérations en aval. Ces effets ne sont pas universels, les fabricants doivent donc évaluer la compatibilité et le dosage pour leur procédé spécifique.

Les antimousses chimiques restent une option utile lorsque cela est approprié, mais ils ne sont pas le seul moyen de gérer une mousse excessive.

Brise-mousses mécaniques

Les brise-mousses mécaniques utilisent une action physique pour rompre les bulles plutôt que de dépendre uniquement d'additifs chimiques. Ils peuvent être particulièrement pertinents lorsqu'un procédé de fermentation génère une mousse substantielle ou lorsque la réduction de la consommation d'antimousse est un objectif opérationnel.

Dans la série BOAO BODF, la mousse pénètre dans la zone de travail d'un rotor à grande vitesse. Les forces de cisaillement brisent les bulles, et la force centrifuge entraîne le liquide libéré vers la paroi du dispositif. Le liquide séparé est collecté et renvoyé dans la cuve de fermentation. Une partie du liquide retourne directement, tandis qu'une autre portion traverse une structure de paroi poreuse dans un collecteur vortex avant de retourner par un pipeline de retour.

Ce mécanisme répond à deux préoccupations connexes : l'accumulation de mousse et la perte de liquide transporté par la mousse. Dans des conditions de fonctionnement appropriées, le débourbage mécanique peut réduire la dépendance aux agents antimousse chimiques tout en aidant à récupérer le précieux bouillon de fermentation.

Ses performances dépendent toujours des caractéristiques de la mousse, du débit d'air, de l'installation de l'équipement et de la conception des systèmes de retour et d'échappement. Certains procédés peuvent nécessiter une combinaison de contrôle mécanique et chimique.

Intégration des brise-mousses mécaniques dans les systèmes de fermentation

La sélection d'un débourbeur implique plus que l'adaptation de l'équipement au volume de la cuve. Les ingénieurs doivent prendre en compte la charge de mousse typique, les conditions d'aération de pointe, la géométrie de la cuve, la disposition de l'échappement, la voie de retour du liquide et l'accès pour le nettoyage et la maintenance.

La série BOAO BODF propose deux configurations pour différentes dispositions de cuve :

• BODF-I Désaérateur Mécanique Étanche : Conçu pour les cuves entièrement fermées, où l'installation doit s'adapter à la cuve fermée et aux connexions de procédé associées.
• BODF-II Brise-Mousse Mécanique pour Cuves Ouvertes : Conçu pour les cuves ou les réservoirs ouverts où la mousse se développe dans un environnement d'exploitation ouvert.

Les deux modèles partagent la même plage de paramètres techniques. La principale distinction est leur configuration de cuve prévue, le choix doit donc être basé sur les exigences d'installation et les conditions réelles du procédé.

La série est disponible en acier inoxydable 304 ou 316L, avec des options de joint en EPDM, caoutchouc silicone ou fluoroélastomère. Des moteurs ordinaires et antidéflagrants sont disponibles, et l'électropolissage peut être spécifié en option. La compatibilité des matériaux, les exigences de nettoyage et la sélection du moteur doivent être confirmées en fonction de l'application prévue.

Pour les procédés fonctionnant à des taux d'aération élevés, le désaérateur mécanique peut également être combiné avec un système de condensation des gaz d'échappement. Cet agencement peut fournir un soutien supplémentaire pour réduire la perte de liquide, en fonction du procédé et de la conception globale du système.

Comment déterminer la méthode de contrôle de la mousse qui convient

Avant d'investir dans un nouvel équipement ou de modifier une recette de fermentation, les ingénieurs de procédé doivent établir d'où provient la mousse et quels problèmes elle crée. Les observations utiles incluent le moment où la mousse atteint son pic, si du liquide pénètre dans le système d'échappement, la fréquence d'ajout d'antimousse et si le moussage change avec l'aération ou la composition du milieu.

Si le problème principal est une augmentation de courte durée de la mousse, des ajustements du procédé peuvent être suffisants. Si une mousse persistante nécessite des ajouts chimiques répétés, ou si la mousse transporte des quantités importantes de bouillon dans le système d'échappement, un brise-mousse mécanique peut mériter une évaluation.

Les performances doivent être évaluées dans des conditions de fonctionnement représentatives. La comparaison de la consommation d'antimousse, de l'entraînement de liquide, de la fréquence de nettoyage et des performances de fermentation avant et après une intervention fournit une base de décision plus fiable que la seule hauteur de mousse.

Pour les installations de fermentation industrielle, une gestion efficace de la mousse ne consiste pas simplement à éliminer les bulles. Il s'agit de maintenir des conditions de fonctionnement appropriées, de limiter les pertes de liquide évitables et de choisir une méthode de contrôle qui fonctionne avec le processus biologique et l'ensemble du système d'équipement.