산업용 발효 탱크에서 거품이 발생하고 쌓이는 이유는? 원인과 제어 방법

거품은 산업용 발효, 특히 지속적인 폭기와 활발한 미생물 증식에 의존하는 공정에서 흔히 발생하는 문제입니다. 초기에는 거품 층이 무해해 보일 수 있지만, 과도하게 축적되면 사용 가능한 헤드스페이스가 줄어들고, 귀중한 발효액이 배기관으로 유실되며, 공정 제어가 복잡해집니다. 심각한 경우, 거품 넘침은 생산을 중단시키고 세척 작업을 증가시킬 수 있습니다.

올바른 제어 방법은 거품이 형성되는 이유, 거품의 안정성, 그리고 발효 시스템의 작동 방식에 따라 달라집니다. 이러한 요소를 이해하면 제조업체가 공정 조정, 화학 소포제, 기계식 소포기 중에서 선택하는 데 도움이 됩니다.

발효 중 거품이 쌓이는 원인은 무엇인가요?

거품은 기체가 액체에 갇혀 기포가 빠르게 붕괴되지 않고 지속될 때 형성됩니다. 발효 탱크에서는 배지, 미생물, 가스 공급, 교반 조건 등의 영향을 받습니다. 여러 요인이 동시에 기여하는 경우가 많습니다.

폭기 및 교반

호기성 발효는 미생물 활동과 생성물 형성을 지원하기 위해 산소가 필요합니다. 스파저를 통해 도입된 공기는 기포를 생성하고, 교반은 액체 전체에 산소를 분산시킵니다. 그러나 가스 유량이 높고 혼합이 격렬할수록 기포 형성과 표면 난류가 증가할 수 있습니다.

기포 생성 속도가 기포 붕괴 속도를 초과하면 거품이 축적되기 시작합니다. 이는 공정이 확장되거나 산소 요구량을 충족시키기 위해 폭기 설정이 변경될 때 더욱 두드러질 수 있습니다. 단순히 기류를 줄이는 것이 항상 적절한 해결책은 아닙니다. 산소 전달이 불충분하면 미생물 성장과 생산성에 영향을 미칠 수 있기 때문입니다.

배지 조성 및 미생물 활동

발효 배지에는 단백질, 펩타이드, 아미노산, 영양소 및 기포 안정성에 영향을 미치는 기타 화합물이 포함될 수 있습니다. 일부 물질은 기체-액체 계면에 축적되어 기포 주변에 피막을 형성하여 기포가 더 오래 지속되도록 합니다.

미생물은 성장하면서 세포외 단백질, 다당류 또는 기타 계면활성 물질을 방출할 수 있습니다. 결과적인 거품 거동은 발효 주기 전반에 걸쳐 변할 수 있습니다. 초기 단계에서 거품이 거의 발생하지 않는 배지도 바이오매스와 대사산물이 축적됨에 따라 거품이 발생하기 쉬워질 수 있습니다.

이것이 바로 거품 제어 전략이 모든 공정에 단일 접근 방식을 적용하는 대신 특정 균주, 배지 배합 및 발효 단계를 고려해야 하는 이유입니다.

스케일업 중 변화

실험실 장비에서 파일럿 또는 산업 생산으로 전환하면 추가 변수가 발생합니다. 용기 형상, 임펠러 설계, 스파저 구성, 액체 깊이, 가스 분포 및 사용 가능한 헤드스페이스는 모두 거품 형성과 이동에 영향을 미칩니다.

더 큰 발효조가 단순히 부피 때문에 더 문제가 되는 거품을 생성하는 것은 아닙니다. 그러나 가스 유량, 혼합 패턴 및 작동 조건의 변화는 새로운 거품 제어 문제를 야기할 수 있습니다. 소규모에서 적절하게 작동하던 시스템은 생산 용량이 증가함에 따라 거품 관리 전략을 조정해야 할 수 있습니다.

과도한 거품이 생산 문제인 이유

거품은 발효 탱크의 외관에만 영향을 미치는 것이 아닙니다. 그 영향은 거품이 얼마나 높이 올라가고, 얼마나 많은 액체를 운반하며, 연결된 장비에 도달하는지에 따라 달라집니다.

한 가지 중요한 문제는 발효액 손실입니다. 기포가 상승하여 터지면서 액적이 거품에 포집되어 배기 연결부로 이동할 수 있습니다. 손실된 액체에는 영양소, 미생물 바이오매스 및 용해된 표적 생성물이 포함될 수 있습니다. 배기 배관이나 필터에 축적되면 유지보수 및 세척 요구 사항이 증가할 수도 있습니다.

과도한 거품은 정상 작동에 필요한 헤드스페이스를 더욱 줄일 수 있습니다. 작업자는 작업량을 줄이거나, 공정 설정을 수정하거나, 추가 소포제를 도입해야 할 수 있습니다. 이러한 대응은 생산 경제성에 영향을 미치거나 공정에 새로운 변수를 도입할 수 있습니다.

아미노산 생산, 유기산 발효, 효모 배양 및 항생제 제조와 같은 응용 분야에서 거품 관리는 따라서 안정적인 운영과 효과적인 물질 활용을 유지하는 데 필수적입니다.

발효 거품 제어를 위한 일반적인 방법

모든 발효 시스템에 적합한 단일 방법은 없습니다. 선택은 거품 심각도, 제품 요구 사항, 장비 구성 및 유지해야 하는 작동 조건에 따라 달라집니다.

공정 최적화

첫 번째 단계는 과도한 거품을 유발하는 조건을 식별하는 것입니다. 폭기 속도, 교반 속도, 배지 조성 및 발효 주기 중 변화를 검토하면 거품을 근원에서 제어할 수 있는 기회를 찾는 데 도움이 될 수 있습니다.

공정 요구 사항이 허용하는 경우 가스 유량 또는 혼합을 조정하면 거품 생성을 줄일 수 있습니다. 그러나 변경 사항은 산소 전달 요구 사항 및 미생물 성능과 함께 평가되어야 합니다. 거품 제어 조정이 다른 문제를 야기해서는 안 됩니다.

화학 소포제

화학 소포제는 전용 기계 장치 없이도 거품을 억제할 수 있기 때문에 널리 사용됩니다. 제형에 따라 기포막을 불안정하게 하거나 지속적인 거품 형성을 방해할 수 있습니다.

그 효과는 배지 및 공정 조건에 따라 달라집니다. 일부 제형은 산소 전달에 영향을 미칠 수 있으며, 잔류 소포제는 여과, 추출 또는 기타 다운스트림 공정을 복잡하게 만들 수 있습니다. 이러한 효과는 보편적이지 않으므로 제조업체는 특정 공정에 대한 적합성과 투여량을 평가해야 합니다.

화학 소포제는 적절할 때 유용한 옵션으로 남아 있지만, 과도한 거품을 관리하는 유일한 방법은 아닙니다.

기계식 소포기

기계식 소포기는 화학적 첨가제에만 의존하지 않고 물리적 작용을 통해 기포를 파괴합니다. 발효 공정에서 상당한 거품이 발생하거나 소포제 소비를 줄이는 것이 운영 목표인 경우 특히 유용할 수 있습니다.

BOAO BODF 시리즈에서는 거품이 고속 회전자의 작업 영역으로 유입됩니다. 전단력이 기포를 파괴하고, 원심력이 방출된 액체를 장치 벽쪽으로 밀어냅니다. 분리된 액체는 수집되어 발효 탱크로 반환됩니다. 액체의 일부는 직접 반환되고, 다른 일부는 다공성 벽 구조를 통해 와류 수집기로 들어간 후 반환 배관을 통해 다시 흐릅니다.

이 메커니즘은 거품 축적과 거품에 의해 운반되는 액체 손실이라는 두 가지 관련 문제를 해결합니다. 적절한 작동 조건에서 기계식 소포는 화학 소포제에 대한 의존도를 줄이는 동시에 귀중한 발효액을 회수하는 데 도움을 줄 수 있습니다.

그 성능은 여전히 거품 특성, 기류, 장비 설치, 반환 및 배기 시스템 설계에 따라 달라집니다. 일부 공정에서는 기계적 및 화학적 제어의 조합이 필요할 수 있습니다.

발효 시스템에 기계식 소포기 통합

소포기를 선택하는 것은 단순히 탱크 용량에 맞는 장비를 선택하는 것 이상입니다. 엔지니어는 일반적인 거품 부하, 최대 폭기 조건, 용기 형상, 배기 장치 배치, 액체 반환 경로, 세척 및 유지보수를 위한 접근성을 고려해야 합니다.

BOAO BODF 시리즈는 다양한 용기 구성에 맞는 두 가지 구성을 제공합니다:

• BODF-I 밀폐식 기계식 소포기: 완전 밀폐된 용기용으로 설계되었으며, 설치 시 밀폐 용기 및 관련 공정 연결부에 적합해야 합니다.
• BODF-II 개방형 탱크 기계식 소포기: 거품이 개방된 작동 환경에서 발생하는 개방형 용기 또는 탱크용으로 설계되었습니다.

두 모델 모두 동일한 기술 매개변수 범위를 공유합니다. 주요 차이점은 의도된 용기 구성이므로 설치 요구 사항과 실제 공정 조건에 따라 선택해야 합니다.

이 시리즈는 304 또는 316L 스테인리스 스틸로 제공되며, EPDM, 실리콘 고무 또는 불소 고무 씰링 옵션이 있습니다. 일반 모터와 방폭 모터를 사용할 수 있으며, 전해 연마를 옵션으로 지정할 수 있습니다. 재료 호환성, 세척 요구 사항 및 모터 선택은 의도된 용도에 따라 확인해야 합니다.

높은 폭기 속도로 작동하는 공정의 경우, 기계식 소포기를 배기 가스 응축 시스템과 결합할 수도 있습니다. 이 배열은 공정 및 전체 시스템 설계에 따라 액체 손실 감소를 위한 추가 지원을 제공할 수 있습니다.

올바른 거품 제어 방법을 결정하는 방법

새 장비에 투자하거나 발효 레시피를 변경하기 전에, 공정 엔지니어는 거품이 어디서 발생하는지와 어떤 문제를 일으키는지 확인해야 합니다. 유용한 관찰 사항으로는 거품이 최고조에 도달하는 시기, 액체가 배기 시스템으로 유입되는지 여부, 소포제가 얼마나 자주 추가되는지, 거품이 폭기 또는 배지 조성에 따라 변하는지 여부 등이 있습니다.

주요 문제가 단기적인 거품 증가라면 공정 조정만으로 충분할 수 있습니다. 지속적인 거품으로 인해 반복적인 화학 물질 첨가가 필요하거나 거품이 상당량의 발효액을 배기 시스템으로 운반하는 경우, 기계식 소포기 평가가 필요할 수 있습니다.

성능은 대표적인 작동 조건에서 평가해야 합니다. 개입 전후의 소포제 소비량, 액체 반송량, 세척 빈도 및 발효 성능을 비교하는 것은 거품 높이만으로 판단하는 것보다 더 신뢰할 수 있는 의사 결정 기준을 제공합니다.

산업용 발효 플랜트의 경우, 효과적인 거품 관리는 단순히 기포를 제거하는 것만이 아닙니다. 적절한 작동 조건을 유지하고, 피할 수 있는 액체 손실을 제한하며, 생물학적 공정 및 전체 장비 시스템과 함께 작동하는 제어 방법을 선택하는 것입니다.