Tại sao bọt tích tụ trong bồn lên men công nghiệp? Nguyên nhân và phương pháp kiểm soát

Bọt là một thách thức phổ biến trong lên men công nghiệp, đặc biệt là trong các quy trình phụ thuộc vào sục khí liên tục và sự phát triển tích cực của vi sinh vật. Một lớp bọt ban đầu có vẻ vô hại, nhưng sự tích tụ quá mức có thể làm giảm không gian trống hữu ích, cuốn theo dịch lên men có giá trị vào đường ống xả và làm phức tạp việc kiểm soát quy trình. Trong những trường hợp nghiêm trọng, tràn bọt có thể làm gián đoạn sản xuất và tăng yêu cầu vệ sinh.

Phương pháp kiểm soát phù hợp phụ thuộc vào nguyên nhân hình thành bọt, độ ổn định của bọt và cách hệ thống lên men vận hành. Hiểu được các yếu tố này giúp nhà sản xuất lựa chọn giữa các điều chỉnh quy trình, chất chống tạo bọt hóa học và Máy phá bọt cơ học.

Nguyên nhân nào gây ra sự tích tụ bọt trong quá trình lên men?

Bọt hình thành khi khí bị giữ lại trong chất lỏng và các bong bóng tồn tại thay vì vỡ nhanh chóng. Trong các bồn lên men, quá trình này bị ảnh hưởng bởi môi trường, vi sinh vật, nguồn cung cấp khí và điều kiện khuấy trộn. Một số yếu tố thường đóng góp cùng một lúc.

Sục khí và Khuấy trộn

Lên men hiếu khí đòi hỏi oxy để hỗ trợ hoạt động của vi sinh vật và hình thành sản phẩm. Không khí được đưa vào qua bộ phận phân tán khí tạo ra bong bóng, trong khi khuấy trộn phân phối oxy khắp chất lỏng. Tuy nhiên, lưu lượng khí cao hơn và trộn mạnh cũng có thể làm tăng sự hình thành bong bóng và nhiễu loạn bề mặt.

Khi tốc độ tạo bong bóng vượt quá tốc độ bong bóng vỡ, bọt bắt đầu tích tụ. Điều này có thể trở nên rõ rệt hơn khi quy trình được mở rộng quy mô hoặc khi cài đặt sục khí thay đổi để đáp ứng nhu cầu oxy cao hơn. Đơn giản là giảm luồng không khí không phải lúc nào cũng là giải pháp phù hợp vì truyền oxy không đủ có thể ảnh hưởng đến sự phát triển và năng suất của vi sinh vật.

Thành phần môi trường và Hoạt động của vi sinh vật

Môi trường lên men có thể chứa protein, peptide, axit amin, chất dinh dưỡng và các hợp chất khác ảnh hưởng đến độ ổn định của bong bóng. Một số chất tích tụ ở bề mặt phân cách khí-lỏng và tạo thành màng xung quanh bong bóng, cho phép chúng tồn tại lâu hơn.

Vi sinh vật cũng có thể giải phóng protein ngoại bào, polysaccharide hoặc các chất hoạt động bề mặt khác khi chúng phát triển. Hành vi của bọt do đó có thể thay đổi trong suốt chu kỳ lên men. Một môi trường tạo ra ít bọt trong giai đoạn đầu có thể trở nên dễ tạo bọt hơn khi sinh khối và chất chuyển hóa tích tụ.

Đây là lý do tại sao các chiến lược kiểm soát bọt nên tính đến sinh vật cụ thể, công thức môi trường và giai đoạn lên men thay vì chỉ dựa vào một phương pháp duy nhất cho mọi quy trình.

Những thay đổi trong quá trình mở rộng quy mô

Việc chuyển từ thiết bị phòng thí nghiệm sang sản xuất thử nghiệm hoặc công nghiệp giới thiệu thêm các biến số. Hình dạng bồn, thiết kế cánh khuấy, cấu hình bộ phận phân tán khí, độ sâu chất lỏng, phân phối khí và không gian trống có sẵn đều ảnh hưởng đến sự hình thành và chuyển động của bọt.

Một bồn lên men lớn hơn không nhất thiết tạo ra bọt rắc rối hơn chỉ vì thể tích của nó. Tuy nhiên, những thay đổi về luồng khí, kiểu trộn và điều kiện vận hành có thể tạo ra những thách thức mới trong kiểm soát bọt. Một hệ thống hoạt động đầy đủ ở quy mô nhỏ hơn có thể yêu cầu điều chỉnh chiến lược quản lý bọt khi công suất sản xuất tăng lên.

Tại sao bọt quá mức lại là vấn đề sản xuất

Bọt ảnh hưởng nhiều hơn vẻ ngoài của bồn lên men. Tác động của nó phụ thuộc vào mức độ bọt dâng cao, lượng chất lỏng nó mang theo và liệu nó có đến được thiết bị kết nối hay không.

Một mối quan tâm quan trọng là thất thoát dịch lên men. Khi bong bóng dâng lên và vỡ, các giọt chất lỏng có thể bị cuốn theo bọt và di chuyển về phía các kết nối xả. Chất lỏng bị mất có thể chứa chất dinh dưỡng, sinh khối vi sinh vật và các sản phẩm mục tiêu hòa tan. Sự tích tụ trong đường ống xả hoặc bộ lọc cũng có thể làm tăng nhu cầu bảo trì và vệ sinh.

Bọt quá mức có thể làm giảm thêm không gian trống có sẵn cho hoạt động bình thường. Người vận hành có thể cần giảm thể tích làm việc, sửa đổi cài đặt quy trình hoặc thêm chất chống tạo bọt. Những phản ứng này có thể ảnh hưởng đến kinh tế sản xuất hoặc đưa các biến số mới vào quy trình.

Trong các ứng dụng như sản xuất axit amin, lên men axit hữu cơ, nuôi cấy nấm men và sản xuất kháng sinh, quản lý bọt do đó là một phần của việc duy trì hoạt động ổn định và sử dụng nguyên liệu hiệu quả.

Các phương pháp phổ biến để kiểm soát bọt lên men

Không có phương pháp đơn lẻ nào phù hợp cho mọi hệ thống lên men. Sự lựa chọn phụ thuộc vào mức độ nghiêm trọng của bọt, yêu cầu sản phẩm, cấu hình thiết bị và các điều kiện vận hành cần được duy trì.

Tối ưu hóa quy trình

Bước đầu tiên là xác định các điều kiện kích hoạt tạo bọt quá mức. Xem xét tốc độ sục khí, tốc độ khuấy, thành phần môi trường và những thay đổi trong chu kỳ lên men có thể giúp xác định các cơ hội để kiểm soát bọt tại nguồn của nó.

Khi yêu cầu quy trình cho phép, các điều chỉnh đối với luồng khí hoặc trộn có thể làm giảm sự tạo bọt. Tuy nhiên, các thay đổi phải được đánh giá cùng với các yêu cầu truyền oxy và hiệu suất của vi sinh vật. Một điều chỉnh kiểm soát bọt không nên giải quyết vấn đề này bằng cách tạo ra vấn đề khác.

Chất chống tạo bọt hóa học

Chất chống tạo bọt hóa học được sử dụng rộng rãi vì chúng có thể ngăn chặn bọt mà không yêu cầu một thiết bị cơ học chuyên dụng. Tùy thuộc vào công thức, chúng có thể làm mất ổn định màng bong bóng hoặc can thiệp vào sự hình thành bọt dai dẳng.

Hiệu quả của chúng phụ thuộc vào môi trường và điều kiện quy trình. Một số công thức có thể ảnh hưởng đến truyền oxy, trong khi dư lượng chất chống tạo bọt có thể làm phức tạp quá trình lọc, chiết xuất hoặc các hoạt động hạ nguồn khác. Những tác động này không phổ biến, vì vậy nhà sản xuất nên đánh giá tính tương thích và liều lượng cho quy trình cụ thể của họ.

Chất chống tạo bọt hóa học vẫn là một lựa chọn hữu ích khi thích hợp, nhưng chúng không phải là cách duy nhất để quản lý bọt quá mức.

Máy phá bọt cơ học

Máy phá bọt cơ học sử dụng tác động vật lý để phá vỡ bong bóng thay vì chỉ dựa vào các chất phụ gia hóa học. Chúng có thể đặc biệt phù hợp khi quy trình lên men tạo ra lượng bọt đáng kể hoặc khi giảm tiêu thụ chất chống tạo bọt là một mục tiêu vận hành.

Trong dòng sản phẩm BOAO BODF, bọt đi vào khu vực làm việc của một rôto tốc độ cao. Lực cắt phá vỡ các bong bóng, và lực ly tâm đẩy chất lỏng được giải phóng về phía thành thiết bị. Chất lỏng đã tách được thu gom và đưa trở lại bồn lên men. Một phần chất lỏng trở về trực tiếp, trong khi một phần khác đi qua cấu trúc thành xốp vào một bộ thu dòng xoáy trước khi chảy ngược qua đường ống hồi lưu.

Cơ chế này giải quyết hai mối quan tâm liên quan: sự tích tụ bọt và sự mất mát chất lỏng do bọt mang đi. Trong các điều kiện vận hành phù hợp, phá bọt cơ học có thể giảm sự phụ thuộc vào các chất chống tạo bọt hóa học đồng thời giúp thu hồi dịch lên men có giá trị.

Hiệu suất của nó vẫn phụ thuộc vào đặc tính của bọt, luồng khí, lắp đặt thiết bị và thiết kế của hệ thống hồi lưu và xả. Một số quy trình có thể yêu cầu kết hợp kiểm soát cơ học và hóa học.

Tích hợp Máy phá bọt cơ học vào Hệ thống lên men

Việc lựa chọn máy phá bọt không chỉ đơn thuần là ghép thiết bị với thể tích bồn. Các kỹ sư nên xem xét tải bọt điển hình, điều kiện sục khí đỉnh, hình dạng bồn, bố trí xả, đường hồi lưu chất lỏng và khả năng tiếp cận để vệ sinh và bảo trì.

Dòng sản phẩm BOAO BODF cung cấp hai cấu hình cho các bố trí bồn khác nhau:

• BODF-I Máy phá bọt cơ học dạng kín: Được thiết kế cho các bồn hoàn toàn kín, nơi việc lắp đặt phải phù hợp với bồn kín và các kết nối quy trình liên quan.
• BODF-II Máy phá bọt cơ học cho bồn hở: Được thiết kế cho các bồn hở hoặc thùng chứa nơi bọt phát triển trong môi trường vận hành mở.

Cả hai mô hình đều có chung dải thông số kỹ thuật. Sự khác biệt chính là cấu hình bồn dự kiến của chúng, do đó việc lựa chọn nên dựa trên các yêu cầu lắp đặt và điều kiện quy trình thực tế.

Dòng sản phẩm có sẵn bằng thép không gỉ 304 hoặc 316L, với các tùy chọn làm kín EPDM, cao su silicone hoặc cao su fluororubber. Động cơ thông thường và chống cháy nổ đều có sẵn, và có thể yêu cầu đánh bóng điện phân như một tùy chọn. Tính tương thích vật liệu, yêu cầu vệ sinh và lựa chọn động cơ nên được xác nhận dựa trên ứng dụng dự kiến.

Đối với các quy trình hoạt động ở tốc độ sục khí cao, Máy phá bọt cơ học dạng kín cũng có thể được kết hợp với hệ thống ngưng tụ khí xả. Sự sắp xếp này có thể cung cấp hỗ trợ bổ sung để giảm thất thoát chất lỏng, tùy thuộc vào quy trình và thiết kế hệ thống tổng thể.

Cách xác định phương pháp kiểm soát bọt nào là phù hợp

Trước khi đầu tư vào thiết bị mới hoặc thay đổi công thức lên men, các kỹ sư quy trình nên xác định bọt bắt nguồn từ đâu và nó tạo ra những vấn đề gì. Các quan sát hữu ích bao gồm thời điểm bọt đạt đỉnh, liệu chất lỏng có đi vào hệ thống xả hay không, tần suất thêm chất chống tạo bọt và liệu tạo bọt có thay đổi theo sục khí hoặc thành phần môi trường hay không.

Nếu vấn đề chính là sự gia tăng bọt trong thời gian ngắn, các điều chỉnh quy trình có thể là đủ. Nếu bọt dai dẳng yêu cầu bổ sung hóa chất lặp đi lặp lại, hoặc nếu bọt mang một lượng đáng kể dịch lên men vào hệ thống xả, thì Máy phá bọt cơ học có thể cần được đánh giá.

Hiệu suất nên được đánh giá trong các điều kiện vận hành đại diện. So sánh mức tiêu thụ chất chống tạo bọt, lượng chất lỏng cuốn theo, tần suất vệ sinh và hiệu suất lên men trước và sau khi can thiệp cung cấp cơ sở đáng tin cậy hơn cho việc ra quyết định so với chỉ riêng chiều cao bọt.

Đối với các nhà máy lên men công nghiệp, quản lý bọt hiệu quả không chỉ đơn giản là loại bỏ bong bóng. Đó là về việc duy trì các điều kiện vận hành phù hợp, hạn chế thất thoát chất lỏng có thể tránh được và chọn một phương pháp kiểm soát hoạt động cùng với quy trình sinh học và toàn bộ hệ thống thiết bị.