Schaumbildung in Gärtanks und Strategien zur Schaumvermeidung

I. Einleitung

In modernen biotechnologischen und industriellen Fermentationsprozessen ist der Fermenter eine der wichtigsten Anlagen. Ob in der mikrobiellen Pharmazie, der Enzymproduktion oder der Herstellung fermentierter Produkte in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie – das Schaumproblem ist allgegenwärtig. Gärtanks Die Schaumbildung stellt seit jeher eine technische Herausforderung dar, die nicht ignoriert werden darf. Übermäßige Schaumbildung kann zum Überlaufen des Kulturmediums, einem erhöhten Kontaminationsrisiko, einer verminderten Fermentationseffizienz und sogar zu Produktionsausfällen und wirtschaftlichen Verlusten führen. Daher sind ein umfassendes Verständnis des Schaumbildungsmechanismus und die Entwicklung effektiver Antischaumstrategien wichtige Voraussetzungen für einen reibungslosen Ablauf des Fermentationsprozesses.

II. Definition und Entstehungsmechanismus von Blasen

1. Die Definition von Schaum

Schaum bezeichnet die blasenartige Struktur, die durch die Dispersion von Gas in einer Flüssigkeit entsteht und üblicherweise aus einem Flüssigkeitsfilm besteht, der das Gas umschließt. GärtankSchaum besteht aus Komponenten wie Luft, Nährstoffen, Stoffwechselprodukten und Tensiden und ist ein Nebenprodukt des intensiven Kontakts zwischen der flüssigen Phase und der Gasphase.

2. Der Entstehungsmechanismus von Blasen

Der Fermentationsprozess ist ein typischer aerober biologischer Reaktionsprozess, der eine große Menge an Sauerstoff und Rühren erfordert. Die Blasenbildung ist im Allgemeinen auf folgende Faktoren zurückzuführen:

• Intensive Belüftung und Rührung: Um den Sauerstoffbedarf für mikrobielles Wachstum und den Stoffwechsel zu decken, sind die meisten Fermentationsbehälter mit hocheffizienten Belüftungssystemen und Rührwerken ausgestattet. Die aufsteigenden Blasen transportieren das Kulturmedium kontinuierlich und bilden eine Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche, die die Schaumbildung begünstigt.
• Die Zusammensetzung des Kulturmediums: Einige organische Stickstoffquellen (wie Hefeextrakt, Pepton) und oberflächenaktive Komponenten (wie Saponine, Proteine) neigen zur Schaumbildung.
• Der Einfluss von Stoffwechselprodukten: Im Stoffwechsel von Mikroorganismen können Polysaccharide, Proteine ​​oder Lipide entstehen. Diese oberflächenaktiven Substanzen stabilisieren den Schaum.
• Die Eigenschaften der Mikroorganismen selbst: Einige Mikroorganismen wie Actinomyceten, bestimmte Hefen und Pilze neigen von Natur aus dazu, viskose Substanzen abzusondern, wodurch die Viskosität der Flüssigkeitsoberfläche erhöht wird und der Schaum weniger wahrscheinlich platzt.

III. Der Einfluss von Schaum auf den Fermentationsprozess

1. Es beeinflusst die Effizienz des Gasaustauschs

Schaum kann die weitere Auflösung von Sauerstoff behindern, die Sauerstofftransferrate (OTR) verringern und dadurch den normalen Stoffwechsel von Mikroorganismen beeinträchtigen, was zu einer Verringerung des Ertrags führt.

2. Risiko des Überlaufens und der Kontamination des Kulturmediums

Schaum kann das Kulturmedium aus dem Tank ausspülen und so zu dessen Verschwendung führen. Gleichzeitig kann er auch Bakterien mit sich führen und dadurch das Risiko einer externen Kontamination erhöhen, insbesondere während der aseptischen Fermentation, wo dieses Risiko extrem hoch ist.

3. Störerkennungsinstrumente

Schaum kann in die pH-Wert-Sensoren, Elektroden, Schaumsensoren und andere Geräte im oberen Bereich des Gärbehälters gelangen und zu Datenverfälschungen und sogar Geräteschäden führen.

4. Steigender Energieverbrauch und höhere Wartungskosten

Häufiges Schäumen erhöht die Rührbelastung, steigert den Energieverbrauch und erfordert zudem häufige Zugabe von Entschäumern sowie Wartungsarbeiten am System, wodurch die Betriebskosten steigen.

IV. Häufig angewandte Entschäumungs- und Entschaumungsstrategien

Zur Bekämpfung des Schaumproblems verfolgt die industrielle Fermentation üblicherweise den Ansatz „Vorbeugen ist besser als Heilen“. Dieser Ansatz umfasst im Wesentlichen folgende Strategien:

1. Mechanisches Entschäumungsverfahren

• Schaumbrecher: Installieren Sie einen mechanischen Schaumbrecher (z. B. Rührflügel oder Drahtgitter) oben auf dem Gärtank, um den Schaum auf physikalische Weise zu entfernen.
• Wasser zum Platzen von Blasen: Sprühen Sie steriles Wasser oder Kondenswasser auf die Stellen, an denen sich Schaum bildet, um die Blasen durch den Wasseraufprall zum Platzen zu bringen. Die Sprühmenge sollte jedoch kontrolliert werden, um eine Verdünnung des Kulturmediums zu vermeiden.

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2. Chemisches Entschäumungsverfahren (Zugabe von Entschäumer)

• Gängige Entschäumerarten:
• Organosilicium-Entschäumer wie Polydimethylsiloxan weisen bemerkenswerte Entschäumungseffekte und eine hohe thermische Stabilität auf, jedoch können in einigen pharmazeutischen Fermentationsprozessen Rückstandsprobleme auftreten.
• Polyether-Entschäumer: wie beispielsweise Polyoxyethylen-Polyoxypropylen-Blockcopolymere (EO-PO), die eine gute Biokompatibilität aufweisen und in der Lebensmittel- und Medizinfermentation weit verbreitet sind.
• Pflanzenöle: wie Sojaöl, Olivenöl, Rapsöl und andere natürliche Entschäumer, geeignet für lebensmittelkonforme Verarbeitungsprozesse.
• Mineralöle: Sie sind billig, aber nicht leicht biologisch abbaubar und eignen sich für die industrielle chemische Fermentation.
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• Manuelle Zugabe: Sie wird häufig bei Fermentationen im kleinen Maßstab angewendet, ist aber für hohe Automatisierungsanforderungen nicht geeignet.
• Automatisches Dosiersystem: In Verbindung mit Schaumsensoren ermöglicht es eine quantitative Kontrolle, um zu verhindern, dass eine übermäßige Verwendung das Wachstum von Bakterien hemmt.

3. Strategie zur Prozessoptimierung

• Verringern Sie die Rührgeschwindigkeit oder die Belüftungsrate: Bei zu starker Schaumbildung können die Rührintensität und die Gasdurchflussrate entsprechend reduziert werden, um die Schaumbildung zu verlangsamen.
• Chargenweise Zufuhr und Matrix mit langsamer Freisetzung: Vermeiden Sie die einmalige Zugabe von hochkonzentrierten Kohlenstoff- oder Stickstoffquellen, um die Oberflächenaktivitätsbelastung des Systems zu reduzieren.
• Wählen Sie schaumarme Nährmedien: z. B. durch entsprechende Reduzierung des Anteils an Hefepulver oder Pepton und durch Verwendung alternativer Stickstoffquellen usw.

4. Mikrobielle und gentechnische Eingriffe

• Screening nach schaumarmen Stämmen: Bei der Stammselektion und Züchtungsphase sollten Stämme, die weniger wahrscheinlich Schaumstabilisatoren absondern, Vorrang haben.
• Gentechnische Modifikation: Regulierung der Expression oberflächenaktiver Metabolite durch Gen-Knockout oder Herunterregulierung, wie z. B. die Kontrolle der extrazellulären Polysaccharidsynthese.

5. Die strukturelle Gestaltung des Gärtanks kontrollieren.

• Obere Raumvorgabe: Im Allgemeinen werden bei einem Gärtank 20 bis 30 % des Innenraums als Schaumpufferzone reserviert.
• Installieren Sie Schaumsonden: Überwachen Sie die Schaumhöhe in Echtzeit und steuern Sie die Zugabe von Sprüh- oder Entschäumungsmitteln in einer damit verbundenen Weise, um den Automatisierungsgrad zu erhöhen.

V. Unterschiede in der Schaumkontrolle bei verschiedenen Fermentationsarten

• Aerobe Fermentation (wie z. B. Penicillin, Glutaminsäure): Es entsteht starker Schaum, daher ist eine koordinierte Steuerung von Belüftung, Rühren und Entschäumungsmitteln erforderlich.
• Anaerobe Gärung (wie z. B. Ethanol- und Butanolgärung): Es entsteht weniger Schaum, und das Schaumproblem ist vergleichsweise gering.
• Feststofffermentation: Das Schaumproblem existiert praktisch nicht.
• Bei der Hochdichtefermentation tritt das Schaumproblem stärker in den Vordergrund, weshalb zur Kontrolle mehrere Strategien umfassend angewendet werden müssen.

VI. Zukünftige Entwicklungsrichtungen und Herausforderungen

1. Forschung und Entwicklung biologisch abbaubarer Entschäumer

Viele derzeit auf dem Markt befindliche Entschäumer weisen das Problem biologischer Rückstände auf, was die Reinheit und Sicherheit der Folgeprodukte beeinträchtigt. Die Entwicklung neuer, natürlicher, umweltfreundlicher und biologisch abbaubarer Entschäumer ist daher zukunftsweisend.

2. Intelligentes Schaumüberwachungssystem

Durch die Integration von KI-Algorithmen und Sensortechnologie wird die Entstehungstendenz von Blasen vorhergesagt und davor gewarnt, um eine präzise Steuerung zu erreichen.

3. Das Fermentationsmodell integriert Schaumvariablen

Die Einbeziehung des Blasenverhaltens in das Modellierungssystem für biologische Prozesse trägt zur quantitativen Bewertung und Prozessoptimierung der Blasenerzeugung bei.

VII. Schlussfolgerung

Obwohl Schaumbildung im Fermentationsprozess oft als „Nebenprodukt“ betrachtet wird, beeinträchtigt sie die Produktionseffizienz, die Produktqualität und den Anlagenbetrieb erheblich. Durch ein tieferes Verständnis der grundlegenden Mechanismen der Schaumbildung und die Entwicklung umfassender Entschäumungsstrategien in Kombination mit verschiedenen mechanischen, chemischen und biologischen Verfahren lassen sich die Stabilität des Fermentationsprozesses und der Industrialisierungsgrad effektiv steigern. Mit der zukünftigen intelligenten und umweltfreundlichen Entwicklung der Fermentationstechnik wird sich auch die Schaumkontrolle in Richtung präziserer, umweltschonenderer und effizienterer Verfahren entwickeln.

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