Cách giảm thất thoát dịch lên men do bọt quá nhiều

Tại sao bọt quá nhiều dẫn đến thất thoát dịch lên men

Trong lên men công nghiệp, bọt không chỉ đơn giản là vấn đề bề mặt. Khi các bong bóng tích tụ nhanh chóng, chúng có thể mang theo các giọt dịch lên men vào đường ống xả thải, gây nhiễm bẩn thiết bị hạ nguồn và làm giảm lượng chất lỏng có thể sử dụng còn lại trong thiết bị. Đối với các quy trình liên quan đến vi sinh vật có giá trị, enzyme, axit amin, axit hữu cơ hoặc dược phẩm, sự thất thoát này có thể ảnh hưởng đến cả hiệu quả kinh tế sản xuất và tính nhất quán của quy trình.

Sự hình thành bọt phổ biến trong lên men hiếu khí vì không khí được đưa vào dịch lên men một cách liên tục. Protein, chất chuyển hóa của vi sinh vật và các chất hoạt động bề mặt khác có thể ổn định các bong bóng, cho phép bọt tồn tại thay vì tự vỡ. Sự khuấy trộn và những thay đổi trong điều kiện vận hành có thể làm gia tăng thêm sự hình thành bọt.

Thách thức chính là sự thất thoát dịch có thể xảy ra ngay cả khi bản thân thiết bị lên men có đủ thể tích làm việc. Nếu bọt chạm tới cửa xả thải hoặc mang chất lỏng vào thiết bị được kết nối, vật liệu có giá trị có thể rời khỏi ranh giới quy trình dự kiến.

Giảm sự thất thoát này đòi hỏi nhiều hơn là chỉ ức chế bọt nhìn thấy được. Một chiến lược thực tế nên kiểm soát sự hình thành bọt, phá vỡ các bong bóng dai dẳng và thu hồi chất lỏng do bọt mang theo bất cứ khi nào có thể.

Cách bọt gây thất thoát dịch có giá trị

Bọt lên men bao gồm các bong bóng khí được ngăn cách bởi các màng chất lỏng mỏng. Khi bọt dâng lên và di chuyển qua thiết bị, các màng và chất lỏng này giữa các bong bóng có thể thoát ra, nhưng một số chất lỏng vẫn bị giữ lại trong cấu trúc bọt.

Khi bọt quá nhiều chạm tới phần trên của thiết bị lên men, một số vấn đề có thể xảy ra.

Đầu tiên, bọt có thể đi vào đường ống xả thải, mang theo các giọt chất lỏng ra khỏi thiết bị. Điều này thường được gọi là cuốn theo dịch lên men hoặc kéo theo chất lỏng. Sự thất thoát dẫn đến có thể bao gồm chất dinh dưỡng, sinh khối vi sinh vật và sản phẩm hòa tan hoặc lơ lửng.

Thứ hai, chất lỏng tích tụ trong đường ống xả thải hoặc các bộ phận hạ nguồn có thể tạo ra các yêu cầu vệ sinh và bảo trì bổ sung. Tùy thuộc vào quy trình và cấu hình thiết bị, nó cũng có thể làm phức tạp việc xử lý khí thải.

Thứ ba, người vận hành có thể phản ứng bằng cách giảm sục khí hoặc thêm chất chống bọt hóa học. Mặc dù các biện pháp này có thể giúp kiểm soát bọt, nhưng chúng có thể gây ra các sự đánh đổi. Việc giảm luồng không khí có thể xung đột với các yêu cầu truyền oxy, trong khi chất chống bọt hóa học có thể ảnh hưởng đến vận chuyển khối khí-lỏng hoặc phân tách hạ nguồn trong một số quy trình nhất định.

Vì những lý do này, việc kiểm soát bọt nên được coi là một phần của hệ thống lên men tổng thể chứ không phải là một phản ứng riêng lẻ đối với mức bọt đang tăng lên.

Xác định các điều kiện gây ra bọt quá mức

Trước khi chọn một phương pháp kiểm soát bọt, hãy xác định thời điểm và lý do tại sao dịch lên men bắt đầu tạo bọt quá mức.

Trong lên men hiếu khí, đầu vào khí tăng lên có thể làm tăng tốc độ hình thành bong bóng. Khuấy trộn, thay đổi thành phần dịch lên men, sự phát triển của vi sinh vật và sự tích tụ của các chất hoạt động bề mặt cũng có thể ảnh hưởng đến hành vi của bọt.

Vấn đề có thể đặc biệt rõ rệt trong thời gian hoạt động sinh học cao hoặc khi các điều kiện vận hành thay đổi. Tuy nhiên, các nguyên nhân khác nhau giữa các quy trình lên men, vì vậy một giả định chỉ dựa trên kích thước bể hoặc luồng không khí hiếm khi là đủ.

Hồ sơ sản xuất có thể giúp xác định các mô hình lặp lại. Các quan sát hữu ích bao gồm thay đổi mức bọt, cài đặt sục khí và khuấy trộn, tiêu thụ chất chống bọt, chất lỏng thu được từ đường ống xả thải và thời điểm xảy ra bất kỳ sự cuốn theo dịch lên men nào.

Các hồ sơ này giúp phân biệt giữa bọt được tạo ra nhanh hơn khả năng xử lý của hệ thống kiểm soát và bọt tồn tại do các tính chất vật lý hoặc hóa học của nó. Sự phân biệt này rất quan trọng khi quyết định có nên điều chỉnh quy trình, cải thiện sắp xếp khí thải hay tăng công suất phá bọt cơ học hay không.

Tối ưu hóa sục khí mà không ảnh hưởng đến quá trình lên men

Sục khí là cần thiết trong nhiều hệ thống lên men công nghiệp, nhưng đầu vào khí quá mức hoặc được kiểm soát kém có thể góp phần hình thành bọt và kéo theo chất lỏng.

Khi điều kiện vận hành cho phép, các kỹ sư có thể xem xét luồng không khí, sự khuấy trộn và các tác động tổng hợp của chúng đối với sự hình thành bọt. Các điều chỉnh nên dựa trên nhu cầu oxy của vi sinh vật và nhu cầu vận chuyển khối của quy trình chứ không chỉ dựa trên việc giảm bọt riêng lẻ.

Đơn giản là giảm luồng không khí có thể làm giảm sự hình thành bọt nhưng cũng có thể hạn chế sự sẵn có của oxy và ảnh hưởng đến hiệu suất lên men. Tương tự, giảm khuấy trộn mà không hiểu tác động của nó đến vận chuyển oxy và trộn có thể tạo ra các vấn đề quy trình khác.

Một cách tiếp cận đáng tin cậy hơn là xác định phạm vi vận hành duy trì các điều kiện lên men cần thiết đồng thời tránh tạo bọt không cần thiết. Khi bọt vẫn còn đáng kể ngay cả trong điều kiện vận hành thích hợp, có thể cần thêm thiết bị kiểm soát bọt bổ sung.

Sử dụng thiết bị phá bọt cơ học để phá vỡ bọt tại nguồn

Thiết bị phá bọt cơ học cung cấp một giải pháp thay thế cho việc chỉ dựa vào các tác nhân chống bọt hóa học. Thay vì thêm một chất phụ gia để phá vỡ sự ổn định của bong bóng, chúng sử dụng lực cơ học để phá vỡ cấu trúc bọt.

Máy phá bọt cơ học dòng BODF sử dụng một rô-to tốc độ cao để tạo ra lực cắt lên bọt đi vào. Khi các bong bóng vỡ ra, chất lỏng được giải phóng sẽ được đẩy về phía thành thiết bị bởi lực ly tâm. Chất lỏng đã được phân tách sau đó đi vào các đường dẫn hồi lưu, với một phần chảy trực tiếp trở lại bể lên men và qua một bộ thu dòng xoáy trước khi quay trở lại qua đường ống.

Sự kết hợp giữa phá bọt và thu hồi chất lỏng này đặc biệt phù hợp khi mục tiêu là giảm thất thoát dịch lên men chứ không chỉ đơn giản là hạ thấp mức bọt.

Bằng cách xử lý bọt một cách cơ học, hệ thống có thể giúp giảm sự phụ thuộc vào chất khử bọt hóa học. Điều này có thể có lợi khi việc sử dụng phụ gia là không mong muốn do các yêu cầu tinh chế sản phẩm hoặc các cân nhắc về xử lý hạ nguồn. Tuy nhiên, nhu cầu về liều lượng chất chống bọt bổ sung cần được đánh giá theo quy trình lên men cụ thể.

Dòng BODF được sử dụng trong các ứng dụng bao gồm lên men kháng sinh, lên men axit amin và axit hữu cơ, cũng như nuôi cấy nấm men. Cấu hình thích hợp phụ thuộc vào sự sắp xếp của thiết bị và các yêu cầu của quy trình.

Thu hồi chất lỏng bị kéo theo thông qua tích hợp hệ thống khí thải

Phá bọt cơ học giải quyết bọt đến thiết bị phá bọt, nhưng chất lỏng cũng có thể được mang vào hệ thống khí thải. Đối với các quy trình có tốc độ sục khí cao hoặc lượng dịch lên men cuốn theo đáng kể, việc bố trí hệ thống khí thải đáng được quan tâm đặc biệt.

Dòng BODF có thể được kết hợp với một hệ thống ngưng tụ khí thải để giúp giảm thất thoát chất lỏng trong điều kiện sục khí cao. Sự ngưng tụ cung cấp thêm một cơ hội thu hồi bằng cách thu thập hơi ngưng tụ được và chất lỏng bị kéo theo đến thiết bị liên quan.

Việc thu hồi thực tế phụ thuộc vào thành phần và nhiệt độ của dòng khí thải, cách bố trí ngưng tụ và lượng chất lỏng được mang ra khỏi thiết bị lên men. Không nên cho rằng ngưng tụ có thể thu được mọi sol khí hoặc giọt dịch lên men, vì vậy hiệu suất của nó cần được đánh giá như một phần của hệ thống khí thải hoàn chỉnh.

Một thiết kế hiệu quả sẽ xem xét thiết bị phá bọt, đường ống hồi lưu, kết nối khí thải và thiết bị ngưng tụ cùng với nhau. Cách tiếp cận tích hợp này hữu ích hơn là chỉ đánh giá máy phá bọt dựa trên công suất danh nghĩa của nó.

Chọn thiết bị phá bọt theo tải lượng bọt thực tế

Việc chọn một máy phá bọt cơ học chỉ dựa trên thể tích làm việc của thiết bị lên men có thể dẫn đến kết quả kém. Hai thiết bị có kích thước tương tự có thể có các yêu cầu kiểm soát bọt rất khác nhau do sự khác biệt về sục khí, thành phần dịch lên men, độ ổn định của bọt và các điều kiện vận hành.

Dòng BODF cung cấp công suất phá bọt danh nghĩa từ 5 đến 500 m³/h. Các xếp hạng này cung cấp một điểm khởi đầu để đánh giá các mô hình có sẵn, nhưng xếp hạng thiết bị không nên được coi là tương đương với thể tích thiết bị lên men, luồng không khí hoặc tỷ lệ thu hồi chất lỏng được đảm bảo.

Việc lựa chọn nên bắt đầu với tải lượng bọt dự kiến, đặc biệt là trong giai đoạn yêu cầu khắt khe nhất của chu kỳ lên men. Các kỹ sư cũng nên xem xét liệu bọt có tương đối dễ vỡ hay vẫn ổn định và giàu chất lỏng.

Loại lắp đặt là một yếu tố quan trọng khác. BODF-I được thiết kế cho các thiết bị kín hoàn toàn, trong khi BODF-II phù hợp cho các thiết bị hở hoặc bể chứa hở. Mặc dù hai loại này có cùng dải công suất kỹ thuật được liệt kê, nhưng lựa chọn chính xác tùy thuộc vào cách bố trí thiết bị và các yêu cầu lắp đặt.

Khi thất thoát dịch lên men có hậu quả kinh tế đáng kể, hồ sơ vận hành, các quan sát bọt đại diện và xác minh hiệu suất có thể giúp xác nhận liệu mô hình đã chọn có phù hợp hay không.

Giám sát thất thoát dịch thay vì chỉ đo chiều cao bọt

Chiều cao bọt là một chỉ báo vận hành hữu ích, nhưng nó không kể được toàn bộ câu chuyện. Một cột bọt cao, tương đối khô có thể gây thất thoát chất lỏng ít hơn so với một thể tích bọt nhỏ hơn, dày đặc, dai dẳng mang theo nhiều dịch lên men.

Một đánh giá có ý nghĩa hơn kết hợp hành vi của bọt với các phép đo thất thoát chất lỏng thực tế. Tùy thuộc vào cấu hình nhà máy, các kỹ sư có thể theo dõi chất lỏng thu được từ các đường ống xả thải, những thay đổi trong tiêu thụ chất chống bọt, thể tích chất lỏng thu hồi và tần suất các gián đoạn liên quan đến bọt.

So sánh các quan sát này trước và sau khi điều chỉnh thiết bị có thể giúp xác định xem chiến lược kiểm soát đang cải thiện khả năng thu hồi hay chỉ đơn giản là thay đổi diện mạo của bọt.

Việc kiểm tra hiệu suất trong thời gian sục khí cao điểm và các giai đoạn vận hành khắt khe khác cũng rất hữu ích. Một hệ thống hoạt động tốt trong điều kiện trung bình vẫn có thể cho phép thất thoát đáng kể trong những khoảng thời gian ngắn của quá trình tạo bọt mạnh.

Các phép đo này hỗ trợ các quyết định sáng suốt hơn về cài đặt vận hành, bảo trì và công suất thiết bị.

Giảm thất thoát dịch đòi hỏi một chiến lược kiểm soát bọt hoàn chỉnh

Bọt quá nhiều có thể làm giảm dịch lên men có thể thu hồi, tăng yêu cầu vệ sinh, và làm phức tạp việc xử lý khí thải. Phản ứng hiệu quả nhất phụ thuộc vào nguyên nhân hình thành bọt và cách chất lỏng được mang ra khỏi thiết bị.

Tối ưu hóa sục khí và khuấy trộn có thể giúp ngăn ngừa sự hình thành bọt không cần thiết, trong khi thiết bị phá bọt cơ học có thể phá vỡ các bong bóng dai dẳng và đưa chất lỏng đã được phân tách trở lại quy trình. Đối với các ứng dụng khắt khe, việc tích hợp một máy phá bọt cơ học với hệ thống ngưng tụ khí thải cung cấp một cơ hội khác để giảm thất thoát chất lỏng.

Dòng BODF kết hợp phá bọt dựa trên rô-to với các đường dẫn hồi lưu chất lỏng và có thể được đánh giá cho nhiều ứng dụng lên men công nghiệp. Sự phù hợp của nó phụ thuộc vào tải lượng bọt, cấu hình thiết bị và các điều kiện vận hành.

Cuối cùng, mục tiêu không chỉ đơn giản là loại bỏ bọt nhìn thấy được. Đó là duy trì các điều kiện cần thiết cho quá trình lên men đồng thời giảm thiểu sự thất thoát dịch có giá trị và giữ cho toàn bộ quy trình ổn định.