ทำไมถังหมักของคุณจึงเกิดจุดอับการเติมอากาศ และวิธีแก้ไขได้อย่างไร

ในกระบวนการหมักแบบใช้ออกซิเจนทางอุตสาหกรรม การรักษาสภาพแวดล้อมที่เป็นเนื้อเดียวกันภายในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพคือรากฐานสำคัญของการเพิ่มประสิทธิภาพผลผลิต ไม่ว่าคุณจะเพาะเลี้ยงโปรตีนมูลค่าสูงในโรงงานเภสัชชีวภาพ หรือจัดการการผลิตกรดอินทรีย์ปริมาณมากในโรงงานแปรรูปอาหาร จุลินทรีย์ของคุณต้องอาศัยการจ่ายออกซิเจนละลายน้ำ (DO) และสารอาหารที่สม่ำเสมอและคงที่

อย่างไรก็ตาม วิศวกรกระบวนการและผู้จัดการโรงงานจำนวนมากมักพบกับตัวการทำลายผลผลิตที่ซ่อนอยู่: จุดอับการเติมอากาศ

เมื่อเกิดจุดอับ พื้นที่บางส่วนภายในถังหมัก—ส่วนใหญ่แล้วคือบริเวณก้นถังหรือมุมด้านล่างรอบข้าง—จะประสบปัญหาการไหลของของไหลที่หยุดนิ่งและการขาดออกซิเจนอย่างรุนแรง ในคู่มือฉบับสมบูรณ์นี้ เราจะตรวจสอบสาเหตุที่แท้จริงของจุดอับเหล่านี้จากมุมมองของพลศาสตร์ของไหล พิจารณาผลกระทบด้านต้นทุนในการดำเนินงาน และสำรวจว่าเทคโนโลยีเครื่องเติมอากาศใต้ถังหมักสมัยใหม่นำเสนอวิธีแก้ปัญหาทางวิศวกรรมแบบถาวรได้อย่างไร

จุดอับการหมักคืออะไร?

จุดอับคือบริเวณใดๆ ภายในถังหมักหรือเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพที่ความเร็วของของไหลลดลงจนใกล้ศูนย์ ส่งผลให้การถ่ายเทมวลสารไม่เพียงพอ ในกระบวนการแบบใช้ออกซิเจน หมายความว่าจะเกิดสองสิ่งพร้อมกัน:

• การขาดออกซิเจน: ระดับออกซิเจนละลายน้ำ (DO) เฉพาะที่ลดต่ำลงอย่างรวดเร็ว บังคับให้จุลินทรีย์แบบใช้ออกซิเจนเข้าสู่สภาวะเครียดแบบไม่ใช้ออกซิเจนหรือวิถีเมแทบอลิซึมที่ก่อให้เกิดผลพลอยได้ที่ไม่ต้องการ
• การตกตะกอนของวัสดุ: สารแขวนลอยหนืด เส้นใย หรือกลุ่มก้อนแบคทีเรียจะตกตะกอนออกจากสารแขวนลอยและสะสมตัวที่ฐานของถัง ก่อเกิดเป็นชั้นตะกอนหนาที่ไม่มีการผสม
• สำหรับถังอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ตั้งแต่ 5 ถึง 50 ตัน การระบุและกำจัดจุดอับเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการป้องกันความไม่สม่ำเสมอในแต่ละแบตช์

สาเหตุที่แท้จริงของจุดอับในระบบเติมอากาศแบบดั้งเดิม

เพื่อแก้ปัญหาการผสม ก่อนอื่นเราต้องเข้าใจฟิสิกส์เบื้องหลังว่าทำไมการตั้งค่าแบบดั้งเดิมจึงล้มเหลว เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพแบบดั้งเดิมส่วนใหญ่อาศัยการทำงานร่วมกันของใบกวนแบบป้อนจากด้านบน (เช่น ใบกวนแบบ Rushton หรือใบกวนแนวแกนแบบ Hydrofoil) ควบคู่กับหัวกระจายอากาศแบบวงแหวนที่อยู่กับที่บริเวณก้นถัง แม้ว่าการออกแบบนี้จะเป็นมาตรฐานแบบคลาสสิก แต่ก็แสดงให้เห็นถึงข้อจำกัดทางกลหลายประการเมื่อปริมาตรถังมีขนาดใหญ่ขึ้น

ช่องว่างระหว่างแผ่นกั้นและใบกวน

เพื่อป้องกันการเกิดน้ำวนของของไหล ถังจะติดตั้งแผ่นกั้นภายใน อย่างไรก็ตาม ช่องว่างทางกลที่จำเป็นระหว่างใบกวนด้านล่างสุดกับพื้นถังมักสร้าง "โซนเงา" พลังงานจลน์ที่ส่งผ่านจากเพลาขับด้านบนจะสลายไปอย่างมากเมื่อการไหลของของไหลไปถึงพื้นถังของถังลึก

พฤติกรรมของของไหลที่มีความหนืดสูงและไม่เป็นไปตามกฎของนิวตัน

น้ำหมักหลายชนิด—โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่เกี่ยวข้องกับราเส้นใย แอคติโนมัยซีท หรืออาหารเลี้ยงเชื้อที่มีน้ำตาลเข้มข้นสูง—จะพัฒนาลักษณะเฉพาะที่มีความหนืดสูงและไม่เป็นไปตามกฎของนิวตัน เมื่อน้ำหมักข้นขึ้น จะแสดงคุณสมบัติที่เรียกว่า "yield stress" ของไหลจะเคลื่อนที่ก็ต่อเมื่อแรงเฉือนในพื้นที่เกินค่าเกณฑ์ที่กำหนดเท่านั้น ใกล้กับมุมด้านล่าง แรงเฉือนที่สร้างโดยใบกวนด้านบนจะลดลงต่ำกว่าเกณฑ์นี้ ส่งผลให้น้ำหมักหยุดนิ่งและก่อตัวเป็นแอ่งนิ่ง

การรวมตัวและการลัดวงจรของแรงลอยตัว

หัวกระจายอากาศแบบดั้งเดิมอาศัยอากาศอัดที่จ่ายจากเครื่องเป่าลมกำลังสูงภายนอก เนื่องจากก๊าซมีแรงลอยตัวตามธรรมชาติ ฟองอากาศจึงพุ่งขึ้นด้านบนตามเส้นทางที่ต้านทานน้อยที่สุด—โดยปกติคือตรงแกนกลางของถัง หากกำลังสูบในแนวรัศมีของใบกวนไม่สมดุลกันอย่างสมบูรณ์ บริเวณรอบนอกด้านล่างของถังจะไม่ได้รับการกระจายก๊าซเลย ฟองอากาศจะ "ลัดวงจร" ไปที่ผิวน้ำ ทำให้มุมด้านล่างขาดออกซิเจนโดยสิ้นเชิง

ต้นทุนที่แท้จริงของโซนนิ่งต่อผลกำไรของคุณ

การปล่อยให้จุดอับไม่ได้รับการแก้ไข ไม่เพียงแต่เปลี่ยนโปรไฟล์ของไหลในถังของคุณเท่านั้น แต่ยังทำลายประสิทธิภาพการดำเนินงาน (OPEX) และคุณภาพผลิตภัณฑ์ของโรงงานอย่างรุนแรงอีกด้วย

• การสูญเสียผลผลิตอย่างรุนแรงและความหลากหลายเชิงโครงสร้าง: เมื่อเซลล์แบคทีเรียหรือยีสต์ลอยไปสู่จุดอับแบบไม่ใช้ออกซิเจน ประสิทธิภาพเมแทบอลิซึมของพวกมันจะลดลงแบบทวีคูณ แทนที่จะแสดงออกถึงโปรตีนเป้าหมายหรือกรดเป้าหมาย พวกมันจะดำเนินวิถีการหมักที่ก่อให้เกิดของเสียจากเมแทบอลิซึม เช่น กรดแลคติกหรือเอทานอล ความหลากหลายเชิงโครงสร้างภายในแบตช์เดียวนี้จะลดความบริสุทธิ์และผลผลิตโดยรวมของผลิตภัณฑ์
• การเกิดฟองและการเติมอากาศมากเกินไปแบบไม่เห็นสาเหตุ: เมื่อผู้ปฏิบัติงานสังเกตเห็นว่าระดับออกซิเจนละลายน้ำโดยรวมลดลงผ่านหัววัด DO ปฏิกิริยาแรกมักจะเป็นการเพิ่มเครื่องเป่าลมอากาศภายนอก กระบวนการนี้—เรียกว่าการเติมอากาศมากเกินไป—แทบจะไม่สามารถแก้ไขจุดอับได้ ในทางกลับกัน อากาศส่วนเกินที่ไม่กระจายตัวซึ่งพัดผ่านแกนกลางจะสร้างความปั่นป่วนที่ผิวน้ำอย่างรุนแรง นำไปสู่การเกิดฟองอย่างรุนแรง ฟองจะอุดตันตัวกรองไอเสีย เพิ่มความเสี่ยงต่อการปนเปื้อนในแบตช์ และทำให้สารกันฟองราคาแพงสูญเปล่า
• ระยะเวลาในการทำความสะอาดที่เพิ่มขึ้น (ความล้มเหลวของ CIP): ชีวมวลที่ตกตะกอนและเกาะติดที่โดมด้านล่างของถังในระหว่างรอบการหมักจะทนทานต่อรอบการทำความสะอาดในสถานที่ (CIP) มาตรฐานได้สูง ซึ่งบังคับให้ทีมบำรุงรักษาต้องขยายเวลาในการล้าง CIP เพิ่มความเข้มข้นของสารเคมี หรือทำการขัดด้วยมือ ผลลัพธ์คือเวลาหยุดทำงานที่เพิ่มขึ้นและจำนวนแบตช์ที่ผลิตได้ต่อปีลดลง

วิธีแก้ไข: โซลูชันทางวิศวกรรมของไหล

การกำจัดจุดอับจำเป็นต้องเปลี่ยนจากการ "เป่าลม" เพียงอย่างเดียว ไปสู่การเพิ่มแรงเฉือนของของไหลเฉพาะที่และปฏิสัมพันธ์ระหว่างก๊าซ-ของเหลว ณ จุดต่ำสุดของภาชนะให้สูงสุด

ปรับรูปทรงใบกวนและอัตราส่วน D/T ให้เหมาะสม

หากคุณจำเป็นต้องใช้ระบบป้อนจากด้านบน การปรับอัตราส่วนเส้นผ่านศูนย์กลางใบกวนต่อเส้นผ่านศูนย์กลางถัง (D/T) อาจช่วยได้ การเพิ่มขนาดของใบกวนด้านล่างจะบังคับให้มีการไหลในแนวรัศมีไปยังผนังถังมากขึ้น อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้มาพร้อมกับต้นทุนที่เพิ่มขึ้นอย่างมากในแรงบิดของมอเตอร์และการใช้พลังงาน ซึ่งอาจต้องมีการเสริมโครงสร้างของหัวถัง

เปลี่ยนไปใช้เครื่องเติมอากาศใต้ถังหมักแบบครบวงจร

วิธีแก้ปัญหาทางวิศวกรรมที่เชื่อถือได้มากที่สุดในการกำจัดจุดอับที่ก้นถังอย่างสมบูรณ์คือการแทนที่หัวกระจายอากาศแบบดั้งเดิมด้วยเครื่องเติมอากาศใต้ถังหมักแบบบูรณาการ (เช่น ซีรีส์ BOAO DAWT)

ต่างจากระบบขับเคลื่อนด้านบนที่พยายามผลักพลังงานลงมา เครื่องเติมอากาศใต้ถังหมักทำงานโดยตรงที่พื้นถัง โดยรวมปั๊ม เครื่องเป่าลม และเครื่องผสมแรงเฉือนสูงเข้าไว้ในชุดอุปกรณ์จุ่มใต้น้ำชุดเดียว

การทำงานร่วมกันทางกลของพลศาสตร์โรเตอร์-สเตเตอร์

เครื่องเติมอากาศใต้ถังหมักใช้โรเตอร์รูปดาวที่ออกแบบอย่างแม่นยำซึ่งหมุนภายในสเตเตอร์ (ตัวกระจาย) ที่อยู่กับที่ เมื่อมอเตอร์ขับเคลื่อนเพลาโรเตอร์ด้วยความเร็วสูง (ตั้งแต่ 1450 ถึง 2900 รอบต่อนาที ขึ้นอยู่กับขนาดรุ่น) มันจะทำหน้าที่เป็นปั๊มหอยโข่งเฉพาะที่บริเวณโดมด้านล่างสุดของภาชนะ

• สุญญากาศแบบดูดเอง: การหมุนด้วยความเร็วสูงจะสร้างโซนสุญญากาศเฉพาะที่ภายในสเตเตอร์ ความดันลบนี้จะดึงอากาศในบรรยากาศลงมาผ่านท่อดูดโดยอัตโนมัติ ซึ่งช่วยขจัดความจำเป็นในการใช้เครื่องเป่าลมอากาศอัดภายนอกสำหรับการนำอากาศเข้า
• การแตกก๊าซขนาด 100 ไมครอน: น้ำหมักและอากาศที่ถูกดูดเข้าจะถูกบังคับให้ผ่านช่องว่างขนาดจิ๋วระหว่างใบพัดโรเตอร์ที่หมุนและช่องสเตเตอร์พร้อมกัน แรงเฉือนของไหลมหาศาลจะแตกก๊าซให้กลายเป็นฟองอากาศขนาดเล็กพิเศษที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ย 100 ไมครอน ทำให้เกิดพื้นที่ผิวสัมผัสระหว่างก๊าซ-ของเหลวขนาดใหญ่
• การฉีดพุ่งในแนวรัศมีความเร็วสูง: ส่วนผสมของก๊าซ-ของเหลวที่มีความเข้มข้นสูงนี้จะถูกดีดออกในแนวรัศมีอย่างรุนแรงพาดผ่านพื้นด้านล่างของถัง พลังงานจลน์จะกวาดไปทั่วโดมด้านล่าง ทำให้มั่นใจได้ว่าไม่มีอนุภาคของแข็งใดๆ สามารถตกตะกอนออกจากสารแขวนลอย และไม่เหลือจุดอับใดๆ เลย

การเปรียบเทียบทางเทคนิค: การเติมอากาศแบบป้อนจากด้านบนกับเครื่องเติมอากาศใต้ถังหมัก

สำหรับทีมวิศวกรรมที่ต้องการปรับปรุงหรือออกแบบชุดการหมักใหม่ การประเมินข้อแลกเปลี่ยนทางเทคนิคระหว่างสองการตั้งค่านี้มีความสำคัญ:

ขั้นตอนการปฏิบัติสำหรับผู้ปฏิบัติงานในโรงงาน

หากคุณกำลังประสบปัญหาการอ่านค่า DO ที่ไม่สม่ำเสมอ หรือสงสัยว่ามีการสะสมของตะกอนในวงจรการหมักของคุณ มีสามด้านที่ต้องตรวจสอบทันที:

ประการแรก เปรียบเทียบปริมาตรถังของคุณกับความสามารถที่กำหนดของอุปกรณ์เติมอากาศของคุณ ตัวอย่างเช่น ถังขนาด 5 ถึง 10 ตันที่เลี้ยงเชื้อแบบใช้ออกซิเจนสูงโดยทั่วไปต้องใช้ระบบถ่ายเทออกซิเจนที่สามารถส่ง O2 ได้อย่างน้อย 8.2 ถึง 11.3 กิโลกรัมต่อชั่วโมง (เทียบเท่ากับระบบแรงเฉือนสูงขนาด 7.5 กิโลวัตต์ เช่น DAWT75)

ประการที่สอง ตรวจสอบทิศทางการหมุนเชิงกล ตรวจสอบให้แน่ใจว่าอุปกรณ์ติดตั้งที่ก้นถังของคุณหมุนในทิศทางที่ออกแบบทางวิศวกรรมอย่างเคร่งครัด—ตามเข็มนาฬิกาเมื่อมองจากมอเตอร์ไปยังเครื่องจักร การหมุนย้อนกลับจะทำลายเอฟเฟกต์สุญญากาศและอาจทำให้ชุดประกอบโรเตอร์-สเตเตอร์เสียหายทางกลไก

สุดท้าย ประเมินความเข้ากันได้ของวัสดุของคุณ ตรวจสอบให้แน่ใจว่าซีลยางยืดหยุ่นภายในของคุณ (เช่น EPDM, ซิลิโคน หรือ Viton) เหมาะสมกับคุณสมบัติทางเคมีและอุณหภูมิฆ่าเชื้อของน้ำหมักของคุณ เพื่อป้องกันการรั่วซึมขนาดเล็กที่รบกวนความแตกต่างของความดันเฉพาะที่ การเปลี่ยนตำแหน่งการป้อนพลังงานจลน์จากด้านบนของถังมาที่พื้นถังโดยตรงช่วยให้มั่นใจถึงความเป็นเนื้อเดียวกันอย่างสมบูรณ์ เพิ่มการถ่ายเทมวลออกซิเจนสูงสุด และปกป้องผลผลิตของเชื้อที่เพาะเลี้ยง