Generación de espuma en tanques de fermentación y estrategias antiespumantes.

I. Introducción

En los procesos modernos de bioingeniería y fermentación industrial, el fermentador es uno de los equipos centrales. Ya sea que se utilice en productos farmacéuticos microbianos, producción de enzimas o fabricación de productos fermentados en las industrias de alimentos y bebidas, el problema de la espuma en tanques de fermentación La generación excesiva de espuma siempre ha representado un desafío técnico ineludible. Puede provocar el desbordamiento del medio de cultivo, un mayor riesgo de contaminación, una disminución en la eficiencia de la fermentación e incluso interrupciones en la producción y pérdidas económicas. Por lo tanto, comprender a fondo el mecanismo de generación de espuma y proponer estrategias antiespumantes eficaces son requisitos fundamentales para garantizar el buen desarrollo del proceso de fermentación.

II. Definición y mecanismo de formación de burbujas

1. La definición de espuma

La espuma se refiere a la estructura en forma de burbuja formada por la dispersión de un gas en un líquido, generalmente compuesta por una película líquida que encierra el gas. tanque de fermentaciónLa espuma está compuesta por componentes como aire, nutrientes, productos metabólicos y tensioactivos, y es un subproducto del contacto intenso entre la fase líquida y la fase gaseosa.

2. El mecanismo de formación de burbujas

El proceso de fermentación es una reacción biológica aeróbica típica que requiere un gran suministro de oxígeno y agitación. La formación de burbujas generalmente se debe a los siguientes factores:

• Ventilación y agitación de alta intensidad: Para satisfacer las necesidades de oxígeno para el crecimiento y metabolismo microbiano, la mayoría de los tanques de fermentación están diseñados con sistemas de ventilación y agitadores de alta eficiencia. Estas burbujas transportan continuamente el medio de cultivo durante el proceso ascendente, formando una interfaz gas-líquido que favorece la formación de espuma.
• Composición del medio de cultivo: Algunas fuentes de nitrógeno orgánico (como el extracto de levadura y la peptona) y componentes tensioactivos (como las saponinas y las proteínas) son propensos a formar espuma.
• Influencia de los metabolitos: Durante el proceso metabólico de los microorganismos, se pueden producir polisacáridos, proteínas o lípidos. Estas sustancias tensioactivas tienen la función de estabilizar la espuma.
• Características de los propios microorganismos: Algunos microorganismos, como los actinomicetos, ciertas levaduras y hongos, son inherentemente propensos a secretar sustancias viscosas, lo que aumenta la viscosidad de la superficie del líquido y reduce la probabilidad de que la espuma explote.

III. La influencia de la espuma en el proceso de fermentación

1. Afecta la eficiencia del intercambio de gases.

La espuma puede impedir la disolución del oxígeno, reducir la tasa de transferencia de oxígeno (OTR), afectando así el metabolismo normal de los microorganismos y provocando una disminución del rendimiento.

2. Riesgo de desbordamiento y contaminación del medio de cultivo.

La espuma puede arrastrar el medio de cultivo fuera del tanque, provocando su desperdicio. Asimismo, puede transportar bacterias, aumentando el riesgo de contaminación externa, especialmente durante la fermentación aséptica, donde el riesgo es extremadamente alto.

3. Instrumentos de detección de interferencias

La espuma puede entrar en contacto con el pH, los electrodos, los sensores de espuma y otros dispositivos situados en la parte superior del tanque de fermentación, lo que puede provocar distorsión de los datos e incluso daños en los instrumentos.

4. Aumento del consumo de energía y de los costes de mantenimiento.

La formación frecuente de espuma aumentará la carga de agitación, elevará el consumo de energía y también requerirá la adición frecuente de antiespumantes y el mantenimiento del sistema, lo que incrementará los costos operativos.

IV. Estrategias antiespumantes y desespumantes de uso común

En respuesta al problema de la espuma, la fermentación industrial suele adoptar un enfoque de control de "prevención primero, eliminación después". Este enfoque incluye principalmente los siguientes tipos de estrategias:

1. Método mecánico antiespumante

• Rompeespuma: Instale un rompeespuma mecánico (como paletas agitadoras o malla de alambre metálico) en la parte superior del tanque de fermentación para eliminar la espuma por medios físicos.
• Rocíe agua para romper las burbujas: Rocíe agua estéril o agua condensada en la zona donde se produce la espuma para romper las burbujas mediante el impacto del agua. Sin embargo, controle la cantidad de agua rociada para evitar la dilución del medio de cultivo.

Sistema de fermentación con biorreactor tipo producción MIKEBIO 100T

2. Método químico antiespumante (adición de antiespumante)

• Tipos comunes de antiespumantes:
• Los antiespumantes organosilícicos, como el polidimetilsiloxano, tienen efectos antiespumantes notables y una gran estabilidad térmica, pero presentan problemas de residuos en algunos procesos de fermentación farmacéutica.
• Antiespumantes de poliéter: como el copolímero de bloque de polioxietileno-polioxipropileno (EO-PO), que tiene buena biocompatibilidad y se utiliza ampliamente en la fermentación de alimentos y medicamentos.
• Aceites vegetales: como el aceite de soja, el aceite de oliva, el aceite de colza y otros antiespumantes naturales, aptos para los requisitos de los procesos de fabricación de alimentos.
• Aceites minerales: Son baratos, pero no son fácilmente biodegradables y son adecuados para la fermentación química industrial.
• "Agregar método:"
• Adición manual: Se utiliza con frecuencia en fermentaciones a pequeña escala, pero no es adecuada para procesos que requieren un alto grado de automatización.
• Sistema de dosificación automática: Vinculado a sensores de espuma, permite un control cuantitativo para evitar que el uso excesivo inhiba el crecimiento de bacterias.

3. Estrategia de optimización de procesos

• Reduzca la velocidad de agitación o el caudal de aireación: Cuando se produce demasiada espuma, se puede reducir adecuadamente la intensidad de la agitación y el caudal de gas para ralentizar la formación de espuma.
• Alimentación por lotes y matriz de liberación lenta: Evite la adición única de fuentes de carbono o nitrógeno de alta concentración para reducir la carga de actividad superficial del sistema.
• Seleccionar formulaciones de medios de cultivo que generen poca espuma: por ejemplo, reduciendo adecuadamente la proporción de levadura en polvo o peptona, y utilizando fuentes de nitrógeno alternativas, etc.

4. Intervención mediante ingeniería microbiana y genética

• Selección de cepas con baja formación de espuma: Durante la etapa de selección y cría de cepas, se debe dar prioridad a aquellas que tengan menos probabilidades de secretar estabilizadores de espuma.
• Modificación mediante ingeniería genética: Regulación de la expresión de metabolitos tensioactivos mediante la inactivación o la regulación a la baja de genes, como por ejemplo el control de la síntesis de polisacáridos extracelulares.

5. Controlar el diseño estructural del tanque de fermentación.

• Espacio superior reservado: Generalmente, un tanque de fermentación reserva entre el 20% y el 30% de su capacidad como zona de amortiguación de espuma.
• Instale sondas de espuma: Supervise la altura de la espuma en tiempo real y controle la adición de aerosol o antiespumante de forma coordinada para mejorar el nivel de automatización.

V. Diferencias en el control de la espuma entre los distintos tipos de fermentación

• Fermentación aeróbica (como la penicilina y el ácido glutámico): Se produce mucha espuma, por lo que es necesario mejorar el control coordinado de la aireación, la agitación y los agentes antiespumantes.
• Fermentación anaeróbica (como la fermentación de etanol y butanol): Se produce menos espuma y el problema de la espuma es relativamente leve.
• Fermentación en estado sólido: El problema de la espuma prácticamente no existe.
• Fermentación de alta densidad: El problema de la espuma es más pronunciado y es necesario adoptar múltiples estrategias de forma integral para su control.

VI. Direcciones y desafíos del desarrollo futuro

1. Investigación y desarrollo de antiespumantes biodegradables

Actualmente, muchos antiespumantes del mercado presentan el problema de generar residuos biológicos, lo que afecta la purificación y la seguridad de los productos derivados. El desarrollo de nuevos tipos de antiespumantes naturales, ecológicos y biodegradables, representa la tendencia del futuro.

2. Sistema inteligente de monitorización de espuma

Mediante la integración de algoritmos de IA y tecnología de sensores, se predice la tendencia de formación de burbujas y se emiten alertas para lograr un control preciso.

3. El modelo de fermentación integra variables de espuma.

La incorporación del comportamiento de las burbujas en el sistema de modelado de procesos biológicos contribuye a la evaluación cuantitativa y la optimización del proceso de generación de burbujas.

VII. Conclusión

Si bien el problema de la espuma suele considerarse un subproducto del proceso de fermentación, tiene un impacto significativo en la eficiencia de la producción, la calidad del producto y el funcionamiento de los equipos. Al comprender a fondo el mecanismo esencial de la generación de espuma y formular estrategias integrales antiespumantes que combinen diversos métodos, como los mecánicos, químicos y biológicos, se puede mejorar eficazmente la estabilidad del proceso de fermentación y su nivel de industrialización. En el futuro, con el desarrollo inteligente y sostenible de la ingeniería de fermentación, el control de la espuma también avanzará hacia una dirección más precisa, respetuosa con el medio ambiente y eficiente.

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