防止沉澱：高黏度食品發酵的罐底曝氣解決方案

在高黏度食品發酵過程中，沉澱不僅是混合問題。當發酵液變得更濃稠或含有懸浮固體、顆粒、生物質或濃縮營養物時，罐體下半部的循環會減弱。一旦物料在罐底周圍沉積，所產生的濃度差異會影響氧氣供應、熱量分佈以及發酵環境的均勻性。

罐底曝氣系統能從沉澱發生的根源處解決此挑戰。發酵槽底置式曝氣機透過在發酵槽底部直接進行氣液混合，能夠產生向上的循環，同時在好氧過程中促進氧氣傳遞。

為何高黏度發酵容易產生沉澱

發酵培養基並非總是像低黏度液體般流動。食品加工過程中可能涉及濃縮基質、懸浮固體、酵母細胞、微生物生物質或其他組分，這些都會增加循環阻力。

隨著黏度上升，傳統循環變得更加困難。靠近罐底的物料移動速度可能慢於主體液體，特別是當罐體內存在主要循環模式難以有效觸及的區域時。

這可能引發數項製程問題：

• 懸浮物質可能在罐底附近累積。
• 營養物濃度可能變得不均勻。
• 局部氧氣供應可能與主體液體不同。
• 沉積的物料可能更難重新分散。
• 發酵條件可能在罐內不同區域間產生差異。

對於食品發酵系統而言，預防這些狀況不能僅靠增加曝氣量。混合能量進入罐體的位置，與供氣量同等重要。

從罐底啟動循環

這正是底置式曝氣採取不同策略之處。

有別於從罐體上部引入空氣，或完全依賴其他區域產生的循環，DAWT 曝氣機直接安裝在發酵槽的最低位置。其轉子-定子結構在沉澱物最易堆積的區域運作。

當轉子轉動時，定子內部形成低壓區，透過專用進氣管吸入大氣中的空氣。液體與空氣同時進入轉子-定子混合區，旋轉結構在此加強氣液接觸，之後混合液經由定子通道排出。

所產生的氣液流同時執行兩項任務：提供曝氣，並推動液體從罐底向上運動。

這使得該設備在需要同時考慮沉澱控制與氧氣傳遞，而非將其視為獨立操作時，特別具有相關性。

在不依賴高速攪拌的情況下管理懸浮固體

高黏度食品發酵過程中可能含有需保持分散狀態、但不宜接受過度機械處理的物料。單純提高攪拌器轉速可能增加能耗，或對製程施加不必要的剪切力。

底置式曝氣機提供了另一種循環機制。來自罐體下部的氣液排放有助於擾動靠近罐底的物料，使其重返主體液體中。

目標不是強制所有製程套用同一種循環模式。相反地，曝氣點應融入整體罐體設計，使底部循環與現有混合配置相輔相成。

此區別對食品發酵至關重要，因為不同產品的流變特性可能差異極大。含有懸浮固體的製程，所需循環策略可能與相對均質的發酵液截然不同。

轉子-定子結構如何促進氣液接觸

DAWT 的轉子與定子作為一個聯合的氣液混合結構運作。

空氣被吸入混合區，而非透過安裝在罐體上方的獨立高壓曝氣裝置供應。當轉子將能量傳遞給液體時，吸入的空氣被分散成細小氣泡。根據產品資訊，在適用的操作條件下，氣泡尺寸約為 100 微米。

分散後的細小氣泡比大氣泡提供更大的氣液接觸面積，從而在需要好氧發酵的位置支援氧氣傳遞。

同時，定子的排放流在罐體下部區域提供局部運動。這在設計高黏度培養基時非常重要，因為僅靠氧氣傳遞無法保證整個發酵液保持充分循環。

因此，實際的工程目標是「底部循環」加上「氣液接觸」，而非單獨考慮曝氣。

圍繞罐底區域設計完整的發酵系統

防止沉澱不能僅由曝氣機本身決定。罐體幾何形狀、液位高度、黏度、固體濃度、溫度、發酵階段以及其他混合設備的運行，都會影響循環效果。

基於此原因，底置式曝氣機應被視為完整發酵解決方案的一部分。

在設備選型時，工程師可能需要考慮：

罐體幾何形狀

發酵槽的直徑、高度、底部配置及內部佈置，會影響底部產生的流動能在多大程度上觸及更廣泛的罐體體積。

發酵流變學

在發酵過程中，隨著基質被消耗、生物質或代謝產物積累，黏度可能發生變化。因此，循環策略應反映實際製程狀況，而不僅是初始液體條件。

固體與生物質負荷

當存在懸浮顆粒或生物質時，維持罐底附近的運動變得更加重要。系統應根據發酵培養基實際的固體行為進行評估。

曝氣需求

若為好氧發酵，氧氣傳遞需求需與循環一併考量。過量的空氣輸入並非解決氧氣分佈不佳的自動解答。

與其他設備的整合

底置式曝氣機可整合到更廣泛的發酵系統中，該系統包括罐體、溫度控制、進料、過濾、排放及製程監控設備。其角色是在整體配置中提供底部層級的氣液混合與循環。

針對食品發酵的衛生型結構

由於該設備直接在發酵槽內部運作，衛生型結構是系統設計的重要環節。

DAWT 系列可採用 304 或 316L 不鏽鋼製造，並可選用電解拋光處理。密封件材料包括 EPDM、矽橡膠及氟橡膠，以滿足不同製程需求。

對於食品發酵設備，這些材料選擇需與清潔程序、產品特性、溫度、化學品暴露以及罐體的整體衛生設計一併考量。

底置式配置也意味著，安裝與維護通道應從一開始就納入罐體設計，而非事後才予以考慮。

從沉澱控制邁向更穩定的發酵條件

高黏度發酵液不會因為引入更多空氣就變得更容易混合。如果罐體下部區域循環不良，提高整體曝氣率可能無法解決根本的分佈問題。

罐底曝氣以不同的方式處理此問題：將氣液混合設置在底部沉積發生的位置。自吸式轉子-定子組件吸入大氣空氣，將其分散到液體中，並從罐體下部產生排放流。

對於處理黏性介質、懸浮固體或生物質的食品發酵系統而言，這提供了一種設備策略，將沉澱控制、底部循環與好氧氧氣傳遞整合在單一的罐裝解決方案中。

最合適的配置仍取決於發酵培養基及完整的罐體設計。但當底部循環不良是製程挑戰的一部分時，罐底曝氣機可被評估為發酵系統中的專用組件，而非僅僅是另一個曝氣來源。