การวิเคราะห์เจาะลึกประสิทธิภาพการกำจัดฟองของเครื่องกำจัดฟองเชิงกล

ในการหมักทางอุตสาหกรรม ฟองไม่ได้เป็นเพียงความไม่สะดวกบนพื้นผิวเท่านั้น ฟองที่คงอยู่สามารถกินพื้นที่ว่าง (headspace) ที่มีค่า พาน้ำหมักเข้าไปในท่อระบายอากาศ เพิ่มการสูญเสียผลิตภัณฑ์ และทำให้การควบคุมกระบวนการมีความซับซ้อน เมื่อการเกิดฟองกลายเป็นเรื่องยากที่จะจัดการ ความสามารถของเครื่องทำลายฟองเชิงกลจึงกลายเป็นปัจจัยสำคัญในการเลือกอุปกรณ์

อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพการกำจัดฟองนั้นไม่ได้ตรงไปตรงมาอย่างที่เห็น เครื่องทำลายฟองเชิงกลที่ระบุอัตราความสามารถเป็นลูกบาศก์เมตรต่อชั่วโมงหนึ่งๆ อาจไม่ได้ให้ผลลัพธ์เดียวกันในทุกกระบวนการหมัก ผลลัพธ์ที่แท้จริงขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของฟอง อัตราการที่ฟองเข้าสู่อุปกรณ์ แรงเชิงกลที่มีอยู่ในการทำลายฟอง และประสิทธิภาพในการกู้คืนของเหลว

สำหรับวิศวกรกระบวนการ คำถามสำคัญไม่ได้อยู่ที่ว่าเครื่องหนึ่งหน่วยสามารถจัดการฟองได้มากเพียงใดภายใต้สภาวะปกติ แต่เป็นว่าอุปกรณ์สามารถควบคุมปริมาณฟอง (foam load) ที่เกิดขึ้นจากกระบวนการในช่วงการดำเนินงานที่ต้องการมากที่สุดได้หรือไม่

เครื่องกำจัดฟองเชิงกลซีรีส์ BODF ของ BOAO จัดการกับความท้าทายนี้ผ่านการทำงานของโรเตอร์ความเร็วสูง การแยกด้วยแรงเหวี่ยง และช่องทางส่งคืนของเหลว การทำความเข้าใจว่ากลไกเหล่านี้เกี่ยวข้องกับความสามารถอย่างไรช่วยให้วิศวกรตัดสินใจได้อย่างรอบรู้มากขึ้นสำหรับการหมักและการควบคุมฟองในอุตสาหกรรมอื่นๆ

ความสามารถในการกำจัดฟองหมายถึงอะไร?

โดยทั่วไปแล้ว ความสามารถในการกำจัดฟอง (Foam elimination capacity) อธิบายถึงปริมาณฟองที่อุปกรณ์สามารถจัดการหรือทำลายได้ในช่วงเวลาที่กำหนด ในทางปฏิบัติ ความหมายที่แน่นอนขึ้นอยู่กับการออกแบบอุปกรณ์และวิธีการทดสอบที่ใช้ในการกำหนดอัตราความสามารถ

ควรแยกแยะการวัดสามแบบเมื่อประเมินเครื่องกำจัดฟองเชิงกล:

• ความสามารถในการทำลายฟองที่กำหนด (Rated defoaming capacity): ความสามารถตามที่ระบุในข้อมูลจำเพาะของอุปกรณ์ ซึ่งแสดงเป็น m³/h สำหรับซีรีส์ BODF
• ประสิทธิภาพการกำจัดฟอง (Foam elimination performance): ประสิทธิภาพที่อุปกรณ์ทำลายฟองที่เข้ามาภายใต้สภาวะการทำงานที่กำหนด
• ประสิทธิภาพการกู้คืนของเหลว (Liquid recovery performance): ปริมาณของเหลวที่แยกออกจากฟองและถูกส่งกลับเข้าสู่กระบวนการ แทนที่จะสูญเสียผ่านระบบระบายอากาศหรือทางออกอื่นๆ

การวัดเหล่านี้มีความเกี่ยวข้องกัน แต่ไม่สามารถใช้แทนกันได้

ตัวอย่างเช่น เครื่องหนึ่งหน่วยอาจทำลายฟองที่เข้ามาได้อย่างมีประสิทธิภาพในขณะที่หยดของเหลวบางส่วนยังคงปนอยู่ในก๊าซเสีย อีกระบบหนึ่งอาจกู้คืนของเหลวได้ในปริมาณมาก แต่กลับมีปัญหาเมื่อการเกิดฟองเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ดังนั้น การประเมินที่สมบูรณ์จึงจำเป็นต้องพิจารณาทั้งการควบคุมฟองและการกู้คืนของเหลว

งานวิจัยที่ตีพิมพ์เกี่ยวกับเครื่องทำลายฟองเชิงกลยังแสดงให้เห็นว่าประสิทธิภาพขึ้นอยู่กับปัจจัยต่างๆ เช่น ลักษณะของฟองอากาศ การกักเก็บของเหลวภายในฟอง ปริมาณก๊าซที่เข้ามา (gas loading) และรูปทรงของอุปกรณ์ ไม่มีความสัมพันธ์สากลใดที่สามารถทำนายประสิทธิภาพของเครื่องกำจัดฟองเชิงกลทุกเครื่องจากค่าความสามารถเพียงค่าเดียว

เครื่องกำจัดฟองเชิงกลกำจัดฟองได้อย่างไร

ซีรีส์ BODF ใช้ชุดประกอบเชิงกลแบบหมุนเพื่อทำลายฟองและแยกของเหลวที่อยู่ภายใน

เมื่อฟองเข้าสู่พื้นที่ทำงานของโรเตอร์ โรเตอร์ความเร็วสูงจะใช้แรงเฉือน (shear forces) เพื่อทำลายโครงสร้างฟอง เมื่อฟองอากาศยุบตัว ของเหลวที่ถูกปล่อยออกมาจะถูกขับไปยังผนังอุปกรณ์ด้วยแรงเหวี่ยง ของเหลวก่อตัวเป็นกระแส โดยส่วนหนึ่งจะกลับสู่ถังหมักโดยตรง และอีกส่วนหนึ่งจะผ่านโครงสร้างผนังที่มีรูพรุนไปยังเครื่องรวบรวมวอร์เท็กซ์ (vortex collector) ก่อนที่จะไหลกลับผ่านท่อส่งคืน

การจัดเรียงนี้รวมสองการทำงานเข้าด้วยกัน: การทำลายฟองเชิงกลและการกู้คืนของเหลว

ความแตกต่างนี้มีความสำคัญ เนื่องจากการควบคุมฟองที่มีประสิทธิภาพไม่จำเป็นต้องกำจัดฟองอากาศทุกฟองทั่วทั้งถัง แต่กลับกัน อุปกรณ์ต้องประมวลผลฟองที่มาถึงพื้นที่ทำงานของมันอย่างรวดเร็วเพียงพอเพื่อช่วยป้องกันการสะสมที่ไม่สามารถควบคุมได้ ในขณะเดียวกันก็ต้องมีเส้นทางที่เหมาะสมสำหรับของเหลวที่แยกออกมาเพื่อส่งกลับสู่กระบวนการ

เครื่องทำลายฟองเชิงกลใช้การผสมผสานที่แตกต่างกันของแรงเฉือน, แรงกระแทก, แรงเหวี่ยง และผลกระทบจากการไหล ประสิทธิภาพของเครื่องขึ้นอยู่กับการออกแบบเฉพาะและคุณสมบัติของฟองที่ถูกบำบัด

ห้าปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อความสามารถในการกำจัดฟอง

อัตราการเกิดฟอง

ปัจจัยแรกคือปริมาตรของฟองที่เกิดขึ้นจากกระบวนการในช่วงเวลาหนึ่ง

ในการหมักแบบใช้อากาศ (aerobic fermentation) อากาศที่เข้าไป การกวน กิจกรรมของจุลินทรีย์ และส่วนประกอบที่ออกฤทธิ์ต่อพื้นผิว (surface-active components) ในน้ำหมัก ล้วนมีส่วนทำให้เกิดฟอง ปริมาณฟองอาจเปลี่ยนแปลงไปตลอดทั้งแบตช์ เมื่อความเข้มข้นของชีวมวล องค์ประกอบของอาหารเลี้ยงเชื้อ และสภาวะการดำเนินงานเปลี่ยนแปลงไป

เครื่องที่ทำงานได้อย่างเพียงพอในช่วงการผลิตที่เสถียรอาจไม่เพียงพอในช่วงที่มีการเติมอากาศสูงสุดหรือช่วงที่มีการเกิดฟองสูงผิดปกติ

ด้วยเหตุนี้ การเลือกความสามารถควรขึ้นอยู่กับปริมาณฟองสูงสุดที่คาดการณ์ไว้ (peak foam load) มากกว่าปริมาตรถังเพียงอย่างเดียว บันทึกการดำเนินงานในอดีต การสังเกตระดับฟอง และการทดลองกระบวนการที่เป็นตัวแทนสามารถช่วยกำหนดความต้องการที่อุปกรณ์ต้องจัดการได้

ความเสถียรของฟองและการกักเก็บของเหลว

ฟองสองชนิดที่มีปริมาตรใกล้เคียงกันสามารถมีพฤติกรรมแตกต่างกันมากภายในเครื่องกำจัดฟองเชิงกล

ฟองบางประเภทระบายของเหลวได้ง่าย ทำให้ของเหลวกลับสู่ถังเมื่อฟองอากาศยุบตัว ฟองอื่นๆ มีฟองอากาศที่คงอยู่และกักเก็บของเหลวไว้ภายในโครงสร้างมากกว่า ฟองประเภทหลังอาจต้องการสภาวะการทำงานที่เข้มงวดมากขึ้นเพื่อให้ได้การทำลายฟองที่น่าพอใจ

ความเสถียรของฟองได้รับอิทธิพลจากองค์ประกอบของของเหลว รวมถึงโปรตีน สารลดแรงตึงผิว (surfactants) และสารออกฤทธิ์ต่อพื้นผิวอื่นๆ ขนาดของฟองอากาศและปริมาณของเหลวที่กักเก็บอยู่ภายในฟองยังส่งผลต่อความยากของการควบคุมฟองเชิงกลด้วย

การวิจัยเกี่ยวกับพฤติกรรมการทำลายฟองได้ระบุว่าโครงสร้างฟองและการกักเก็บของเหลวเป็นตัวแปรสำคัญเมื่อประเมินประสิทธิภาพของการออกแบบเชิงกลที่แตกต่างกัน

ดังนั้น วิศวกรควรพิจารณาคุณสมบัติของน้ำหมักจริงเมื่อเลือกอุปกรณ์ ไม่ควรสันนิษฐานโดยอัตโนมัติว่าความสามารถที่กำหนดซึ่งทำงานได้ดีกับอาหารเลี้ยงเชื้อชนิดหนึ่งจะเหมาะสมกับอีกชนิดหนึ่ง

ความเร็วโรเตอร์และพลังงานเชิงกล

เครื่องกำจัดฟองเชิงกลต้องใช้แรงที่เพียงพอในการทำลายโครงสร้างฟอง ความเร็วโรเตอร์เป็นหนึ่งในพารามิเตอร์การออกแบบที่เกี่ยวข้อง แต่ไม่ควรตีความโดยแยกจากปัจจัยอื่น

ข้อมูลจำเพาะทางเทคนิคของซีรีส์ BODF ระบุความเร็วในการทำงานที่ 2,800–2,850 รอบต่อนาทีสำหรับรุ่นเล็ก และ 2,900 รอบต่อนาทีสำหรับรุ่นใหญ่ที่ระบุไว้ กำลังมอเตอร์ก็เพิ่มขึ้นตามช่วงผลิตภัณฑ์

ตัวเลขเหล่านี้อธิบายการกำหนดค่าอุปกรณ์ที่ระบุ ตัวเลขเหล่านี้ไม่ได้บ่งชี้ว่าการเพิ่มกำลังมอเตอร์เป็นสองเท่า จะเพิ่มความสามารถในการกำจัดฟองเป็นสองเท่าเป็นต้น รูปทรงของโรเตอร์ สภาวะการเข้าของฟอง รูปแบบการไหลภายใน และระยะเวลาที่ฟองอยู่ในเครื่อง (residence time) ก็ส่งผลต่อประสิทธิภาพเช่นกัน

การประเมินที่เหมาะสมควรพิจารณาการออกแบบอุปกรณ์ทั้งหมดและความเข้ากันได้กับปริมาณฟองที่คาดไว้ การเลือกรุ่นโดยพิจารณาจากความเร็วรอบหมุนเพียงอย่างเดียวอาจมองข้ามปัจจัยอื่นๆ ที่กำหนดประสิทธิภาพในการจัดการฟอง

.

ปริมาณก๊าซที่เข้ามาและสภาวะการเข้าของฟอง

ปริมาณก๊าซที่เคลื่อนที่ผ่านระบบการหมักสามารถส่งผลต่อทั้งการเกิดฟองและความต้องการในการทำงานที่วางอยู่บนเครื่องทำลายฟอง

อัตราการเติมอากาศที่สูงขึ้นอาจทำให้เกิดฟองได้เร็วขึ้น ขึ้นอยู่กับอาหารเลี้ยงเชื้อและสภาวะของกระบวนการ หากฟองไปถึงอุปกรณ์เร็วกว่าที่จะถูกทำลายและระบายออก ฟองอาจยังคงสะสมต่อไปแม้ในขณะที่โรเตอร์กำลังทำงาน

ดังนั้น ตำแหน่งของเครื่องทำลายฟอง การจัดเรียงทางเข้า และการกำหนดค่าของเส้นทางก๊าซและของเหลว ควรได้รับการประเมินเป็นส่วนหนึ่งของการออกแบบระบบ

ในกรณีที่ต้องใช้ปริมาณการเติมอากาศจำนวนมาก เครื่องกำจัดฟองเชิงกล BODF สามารถพิจารณาใช้ร่วมกับระบบควบแน่นก๊าซเสีย (exhaust-gas condensation system) เพื่อช่วยลดการสูญเสียของเหลว ประโยชน์ที่แท้จริงขึ้นอยู่กับการติดตั้งโดยรวมและสภาวะการทำงาน

การส่งคืนของเหลวและประสิทธิภาพโดยรวมของระบบ

การกำจัดฟองเป็นเพียงส่วนหนึ่งของกระบวนการเท่านั้น ของเหลวที่แยกออกมาจะต้องกลับสู่ถังโดยไม่สร้างปัญหาการปฏิบัติงานเพิ่มเติม

ซีรีส์ BODF มีช่องทางส่งคืนของเหลวผ่านผนังอุปกรณ์และเครื่องรวบรวมวอร์เท็กซ์ การติดตั้งควรอนุญาตให้ช่องทางเหล่านี้ทำงานตามที่ออกแบบไว้ โดยมีการจัดเรียงท่อที่เหมาะสมและความเข้ากันได้กับกระบวนการ

หากการส่งคืนของเหลวถูกจำกัดหรือระบบระบายอากาศทำให้มีการพัดพาของเหลว (carryover) มากเกินไป กระบวนการโดยรวมอาจประสบกับการสูญเสียแม้ว่าฟองจะถูกทำลายอย่างมีประสิทธิภาพก็ตาม

นี่คือเหตุผลที่ควรประเมินความสามารถในการกำจัดฟองและการกู้คืนของเหลวร่วมกัน เป้าหมายไม่ใช่แค่การทำลายฟองอากาศ แต่เพื่อรักษาการควบคุมฟองที่มีประสิทธิภาพในขณะที่จำกัดการสูญเสียของเหลวหมักที่มีค่า

การทำความเข้าใจช่วงความสามารถของซีรีส์ BODF

เครื่องกำจัดฟองเชิงกลซีรีส์ BODF มีตัวเลือกความสามารถตามที่กำหนดตั้งแต่ 5 ถึง 500 m³/h ครอบคลุมความต้องการควบคุมฟองในอุตสาหกรรมที่หลากหลาย ทั่วทั้งช่วงผลิตภัณฑ์ กำลังมอเตอร์แตกต่างกันไปตั้งแต่ 0.37 kW ถึง 30 kW ในขณะที่ความเร็วรอบหมุนที่ระบุมีตั้งแต่ 2,800 ถึง 2,900 รอบต่อนาที

ข้อมูลจำเพาะเหล่านี้เป็นจุดเริ่มต้นสำหรับการเลือกอุปกรณ์ แต่ไม่ควรตีความว่าเป็นการทำนายประสิทธิภาพโดยตรงภายใต้ทุกสภาวะการทำงาน การกำจัดฟองจริงขึ้นอยู่กับความเสถียรของฟอง ปริมาณก๊าซที่เข้ามา อัตราการเกิดฟอง และการจัดเรียงระบบส่งคืนของเหลว

BODF-I และ BODF-II มีช่วงความสามารถทางเทคนิคเดียวกัน แต่ได้รับการออกแบบสำหรับการกำหนดค่าถังที่แตกต่างกัน Type I มีไว้สำหรับถังที่ปิดสนิท ในขณะที่ Type II เหมาะสำหรับถังเปิดหรือแท็งก์ ดังนั้น การเลือกควรพิจารณาทั้งความสามารถที่ต้องการและการจัดวางทางกายภาพของการติดตั้ง

เนื่องจากข้อมูลจำเพาะที่ให้มาไม่ได้กำหนดวิธีการทดสอบที่เป็นสากลสำหรับความสามารถที่กำหนด วิศวกรควรยืนยันความสัมพันธ์ระหว่างพิกัดของอุปกรณ์และปริมาณฟองจริงก่อนที่จะตัดสินใจเลือกขั้นสุดท้าย

วิธีการเลือกความสามารถที่เหมาะสมสำหรับกระบวนการหมัก

การเลือกเครื่องกำจัดฟองเชิงกลควรเริ่มต้นที่กระบวนการ มากกว่าแคตตาล็อกอุปกรณ์

ประการแรก กำหนดลักษณะปริมาณฟอง กำหนดว่าการเกิดฟองสูงสุดเมื่อใด ฟองนั้นคงอยู่หรือไม่ และมีการพัดพาของเหลว (liquid carryover) เกิดขึ้นในระหว่างการผลิตครั้งก่อนหรือไม่

ประการที่สอง กำหนดสภาวะการทำงาน ทบทวนอัตราการเติมอากาศ การกวน องค์ประกอบของน้ำหมัก การเปลี่ยนแปลงที่คาดไว้ระหว่างแบตช์ และผลที่ตามมาของการสะสมของฟองที่ไม่สามารถควบคุมได้

ประการที่สาม เปรียบเทียบความต้องการของกระบวนการกับพิกัดความสามารถที่มีอยู่ การเปรียบเทียบจะมีความหมายก็ต่อเมื่อการวัดกระบวนการและพิกัดของอุปกรณ์อ้างอิงถึงปริมาณที่เข้ากันได้ หลีกเลี่ยงการปฏิบัติต่อปริมาตรถังหรือการไหลของอากาศเพียงอย่างเดียวเป็นสิ่งทดแทนความสามารถในการกำจัดฟองโดยตรง

ประการที่สี่ ตรวจสอบการกำหนดค่าการติดตั้ง เลือก Type I หรือ Type II ตามว่าถังปิดสนิทหรือเปิด ยืนยันประเภทมอเตอร์ที่ต้องการ ความเข้ากันได้ของวัสดุ และการจัดเรียงซีลสำหรับสภาพแวดล้อมที่ต้องการ

สุดท้าย ตรวจสอบประสิทธิภาพเมื่อมีความไม่แน่นอนอย่างมีนัยสำคัญ สำหรับกระบวนการที่มีฟองเสถียรสูง การสูญเสียของเหลวอย่างมีนัยสำคัญ หรือความผันผวนอย่างมากในการเกิดฟอง การทดลองที่เป็นตัวแทนหรือการประเมินทางวิศวกรรมสามารถช่วยยืนยันได้ว่ารุ่นที่เลือกนั้นเหมาะสมหรือไม่ การขยายขนาดควรคำนึงถึงข้อเท็จจริงที่ว่าคุณสมบัติของฟองและพฤติกรรมของอุปกรณ์อาจเปลี่ยนแปลงไประหว่างสภาวะในห้องปฏิบัติการและการผลิต

ความสามารถในการทำลายฟองเชิงกลและการใช้สารลดฟองทางเคมี

เครื่องกำจัดฟองเชิงกลสามารถลดการพึ่งพาสารลดฟองทางเคมี (chemical antifoam agents) ซึ่งอาจเป็นที่ต้องการเมื่อการพาสารเติมแต่งติดไป (additive carryover) การแยกในกระบวนการขั้นปลาย (downstream separation) หรือการทำให้ผลิตภัณฑ์บริสุทธิ์เป็นปัญหา

อย่างไรก็ตาม การควบคุมฟองเชิงกลไม่ใช่ทางออกที่ดีที่สุดสำหรับทุกกระบวนการโดยอัตโนมัติ ระบบทางชีวภาพบางชนิดมีความไวต่อความเครียดเชิงกล และกระบวนการหมักบางอย่างอาจยังคงต้องมีการเติมสารลดฟองทางเคมีเสริม การเลือกขึ้นอยู่กับสิ่งมีชีวิต ลักษณะของน้ำหมัก ข้อกำหนดของผลิตภัณฑ์ และเศรษฐศาสตร์ของกระบวนการ

การทบทวนการควบคุมฟองในกระบวนการทางเทคโนโลยีชีวภาพเน้นย้ำถึงทั้งข้อได้เปรียบที่เป็นไปได้ของวิธีการเชิงกลและความจำเป็นในการประเมินข้อดีเหล่านี้กับสภาวะกระบวนการทางชีวภาพเฉพาะ

สำหรับซีรีส์ BODF เป้าหมายในทางปฏิบัติคือการระบุความสามารถและการกำหนดค่าการติดตั้งที่สามารถควบคุมปริมาณฟองที่คาดการณ์ไว้ ในขณะที่สนับสนุนการกู้คืนของเหลวและการทำงานที่เสถียร ในกรณีที่จำเป็น ระบบสามารถประเมินร่วมกับการควบแน่นก๊าซเสีย แทนที่จะปฏิบัติต่อเครื่องทำลายฟองเป็นส่วนประกอบที่แยกออกมา

การเปลี่ยนข้อมูลความสามารถให้เป็นการตัดสินใจเลือกที่เชื่อถือได้

ความสามารถในการกำจัดฟองเป็นข้อมูลจำเพาะของอุปกรณ์ที่จำเป็น แต่ไม่ควรถูกมองว่าเป็นการทำนายประสิทธิภาพในโลกแห่งความเป็นจริงอย่างสมบูรณ์ อัตราการเกิดฟอง ความเสถียรของฟองอากาศ ปริมาณก๊าซที่เข้ามา การกำหนดค่าโรเตอร์ และการจัดเรียงการส่งคืนของเหลว ล้วนมีอิทธิพลต่อผลลัพธ์

ซีรีส์ BODF มีตัวเลือกความสามารถตามที่กำหนดตั้งแต่ 5 ถึง 500 m³/h ช่วยให้วิศวกรสามารถประเมินรุ่นต่างๆ ตามความต้องการของกระบวนการของตน การเลือกที่เชื่อถือได้มากที่สุดจะรวมข้อมูลจำเพาะเหล่านี้เข้ากับข้อมูลการดำเนินงานที่เป็นตัวแทน และหากจำเป็น ก็ต้องมีการตรวจสอบประสิทธิภาพในทางปฏิบัติ

ด้วยการประเมินระบบควบคุมฟองทั้งหมด แทนที่จะพึ่งพาตัวเลขเพียงตัวเดียว วิศวกรกระบวนการสามารถตัดสินใจเลือกอุปกรณ์ที่มีเหตุผลมากขึ้น ลดการสูญเสียของเหลวที่หลีกเลี่ยงได้ และปรับปรุงความน่าเชื่อถือของการดำเนินการหมักทางอุตสาหกรรม