工業用発酵タンクで泡が発生・蓄積するのはなぜ？原因と制御方法

泡沫（フォーム）は、特に連続通気と活発な微生物増殖に依存するプロセスにおいて、工業用発酵における共通の課題である。一見、泡の層は無害に見えるかもしれないが、過剰に蓄積すると利用可能なヘッドスペースが減少し、貴重な発酵ブロスが排気ラインに運ばれ、プロセス制御が複雑化する。深刻な場合には、泡のオーバーフローによって生産が中断され、洗浄工数が増加する。

適切な制御方法は、泡が形成される理由、その安定性、そして発酵システムの運転方法に依存する。これらの要因を理解することで、メーカーはプロセス調整、化学消泡剤、メカニカル消泡器の中から適切な選択が可能となる。

発酵中に泡が蓄積する原因は？

泡は、気体が液体中に閉じ込められ、気泡が急速に消滅せずに持続することで形成される。発酵タンク内では、このプロセスは培地、微生物、ガス供給、および撹拌条件に影響される。多くの場合、複数の要因が同時に寄与する。

通気と撹拌

好気性発酵では、微生物の活動と生成物の形成を支えるために酸素が必要である。スパージャーを通じて導入された空気は気泡を生成し、撹拌は液体全体に酸素を分散させる。しかし、ガス流量が高く、強力な混合が行われると、気泡の形成と表面の乱流が増加する可能性もある。

気泡の発生速度が気泡の消滅速度を上回ると、泡が蓄積し始める。これは、プロセスがスケールアップされたり、より高い酸素要求を満たすために通気設定が変更されたりすると、より顕著になる。単に空気流量を減らすことが常に適切な解決策であるとは限らない。なぜなら、酸素移動が不十分になると、微生物の増殖や生産性に影響を与える可能性があるからである。

培地組成と微生物活動

発酵培地には、タンパク質、ペプチド、アミノ酸、栄養素など、気泡の安定性に影響を与える化合物が含まれている。これらの物質の中には、気液界面に蓄積して気泡の周りに膜を形成し、気泡の寿命を延ばすものがある。

微生物は、増殖するにつれて細胞外タンパク質、多糖類、またはその他の界面活性物質を放出する場合もある。その結果生じる泡の挙動は、発酵サイクルを通じて変化する可能性がある。初期段階ではほとんど泡を発生させない培地でも、バイオマスや代謝産物が蓄積するにつれて、泡立ちやすくなることがある。

このため、泡制御戦略は、すべてのプロセスに単一のアプローチに頼るのではなく、特定の微生物、培地処方、および発酵段階を考慮に入れるべきである。

スケールアップに伴う変化

実験室規模の機器からパイロットまたは工業生産に移行すると、新たな変数が導入される。槽の形状、インペラの設計、スパージャーの構成、液深、ガス分布、利用可能なヘッドスペースはすべて、泡の形成と挙動に影響を与える。

より大きな発酵槽は、単にその容積のために、より厄介な泡を生成するとは限らない。しかし、ガス流量、混合パターン、および運転条件の変化は、新たな泡制御の課題を生み出す可能性がある。より小規模で適切に機能していたシステムでも、生産能力が増大するにつれて、泡管理戦略の調整が必要になる場合がある。

過剰な泡が生産上の問題となる理由

泡は、発酵タンクの外観以上に影響を及ぼす。その影響は、泡がどこまで上昇するか、どれだけの液体を運ぶか、そして接続された機器に到達するかどうかに依存する。

重要な懸念事項の一つは、発酵ブロスの損失である。気泡が上昇して破裂すると、液滴が泡に巻き込まれて排気接続部に向かって移動する可能性がある。失われた液体には、栄養分、微生物バイオマス、溶解した目的生成物が含まれている可能性がある。排気配管やフィルターへの蓄積は、メンテナンスと洗浄の要求を増大させることもある。

過剰な泡は、通常の運転に利用可能なヘッドスペースをさらに減少させる可能性がある。オペレーターは、作業容量を減らしたり、プロセス設定を変更したり、追加の消泡剤を導入したりする必要があるかもしれない。これらの対応は、生産経済に影響を与えたり、プロセスに新たな変数を持ち込んだりする可能性がある。

アミノ酸生産、有機酸発酵、酵母培養、抗生物質製造などの用途では、泡管理は安定した運転と効果的な材料利用を維持するための一部である。

発酵泡を制御する一般的な方法

すべての発酵システムに適した単一の方法は存在しない。選択は、泡の深刻度、製品要件、機器構成、および維持しなければならない運転条件に依存する。

プロセスの最適化

最初のステップは、過剰な発泡を引き起こす条件を特定することである。通気速度、撹拌速度、培地組成、および発酵サイクル中の変化をレビューすることで、泡をその発生源で制御する機会を特定するのに役立つ。

プロセス要件が許せば、ガス流量や混合の調整により泡の発生を抑えられる場合がある。ただし、変更は酸素移動要件や微生物のパフォーマンスと併せて評価しなければならない。泡制御の調整は、別の問題を引き起こすことで一つの問題を解決すべきではない。

化学消泡剤

化学消泡剤は、専用の機械装置を必要とせずに泡を抑制できるため、広く使用されている。製剤によっては、泡の膜を不安定にしたり、持続的な泡の形成を妨害したりする。

その効果は培地とプロセス条件に依存する。いくつかの製剤は酸素移動に影響を与える可能性があり、一方、残留消泡剤は濾過、抽出、またはその他の下流工程を複雑にする可能性がある。これらの影響は普遍的なものではないため、メーカーは特定のプロセスに対して適合性と投与量を評価すべきである。

化学消泡剤は、適切であれば依然として有用な選択肢であるが、過剰な泡を管理する唯一の方法ではない。

機械式消泡器（メカニカルフォームブレーカー）

機械式消泡器は、化学添加物のみに依存するのではなく、物理的作用を利用して気泡を破壊する。発酵プロセスが大量の泡を発生する場合や、消泡剤の消費量を削減することが運用上の目標である場合に、特に関連性が高くなる。

BOAO BODFシリーズでは、泡は高速回転するローターの作用領域に入る。せん断力によって気泡が破壊され、遠心力によって放出された液体は装置壁に向かって押し出される。分離された液体は回収され、発酵タンクに戻される。液体の一部は直接戻り、別の部分は多孔質壁構造を通って渦巻きコレクターに入り、戻り配管を通って流れ戻る。

このメカニズムは、泡の蓄積と泡によって運ばれる液体の損失という二つの関連する懸念に対処する。適切な運転条件下では、機械的な泡破壊は化学消泡剤への依存を減らし、貴重な発酵ブロスの回収を助けることができる。

その性能は依然として泡の特性、空気流量、機器の設置、および戻り配管と排気システムの設計に依存する。プロセスによっては、機械的制御と化学的制御の組み合わせが必要な場合もある。

発酵システムへの機械式消泡器の統合

消泡器の選定には、タンク容積に機器を合わせる以上のことが含まれる。エンジニアは、典型的な泡負荷、ピーク通気条件、槽形状、排気配置、液体戻り経路、および洗浄とメンテナンスのためのアクセスを考慮すべきである。

BOAO BODFシリーズは、異なる槽構成向けに2つのタイプを提供している：

• BODF-I 密閉式メカニカル消泡器：完全密閉型容器向けに設計されており、設置は密閉容器と関連プロセス接続に適合する必要がある。
• BODF-II 開放槽型メカニカル消泡機：開放容器またはタンク向けに設計されており、開放された運転環境で泡が発生する。

両モデルとも同じ技術パラメータ範囲を共有している。主な違いは対象とする槽構成であるため、選定は設置要件と実際のプロセス条件に基づいて行うべきである。

このシリーズは、304または316Lステンレス鋼で利用可能であり、EPDM、シリコーンゴム、またはフッ素ゴムのシールオプションがある。標準モーターと防爆モーターの両方が利用可能であり、オプションで電解研磨を指定することもできる。材料適合性、洗浄要件、およびモーターの選定は、目的の用途に照らして確認する必要がある。

高い通気速度で運転されるプロセスの場合、メカニカル消泡器を排気ガス凝縮システムと組み合わせることもできる。この構成は、プロセスとシステム全体の設計に応じて、液体損失を低減するための追加的なサポートを提供できる。

適切な泡制御方法の判断方法

新しい機器に投資したり、発酵レシピを変更したりする前に、プロセスエンジニアは泡の発生源とそれが引き起こす問題を特定すべきである。有用な観察項目には、泡がピークに達する時期、液体が排気システムに入っているかどうか、消泡剤の添加頻度、および通気や培地組成によって発泡が変化するかどうかが含まれる。

主な問題が短期間の泡の増加である場合は、プロセス調整で十分な場合がある。持続的な泡のために繰り返し化学薬品を添加する必要がある場合、または泡がかなりの量のブロスを排気システムに運ぶ場合は、機械式消泡器の評価を検討する価値がある。

性能は代表的な運転条件下で評価されるべきである。介入前後の消泡剤消費量、液同伴量、洗浄頻度、および発酵性能を比較することは、泡の高さだけに頼るよりも、意思決定のためのより信頼性の高い基盤を提供する。

工業用発酵プラントにとって、効果的な泡管理とは、単に泡を排除することではない。適切な運転条件を維持し、回避可能な液体損失を制限し、生物学的プロセスおよび完全な設備システムと調和する制御方法を選択することである。