La formation de mousse dans les cuves de fermentation et les stratégies anti-mousse

I. Introduction

Dans les procédés modernes de bio-ingénierie et de fermentation industrielle, le fermenteur est un équipement essentiel. Qu'il soit utilisé dans la production de produits pharmaceutiques microbiens, d'enzymes ou pour la fabrication de produits fermentés dans les industries agroalimentaires, le problème de la formation de mousse dans cuves de fermentation La formation excessive de mousse a toujours constitué un défi technique incontournable. Elle peut entraîner le débordement du milieu de culture, un risque accru de contamination, une baisse de l'efficacité de la fermentation, voire des interruptions de production et des pertes économiques. Par conséquent, une compréhension approfondie du mécanisme de formation de la mousse et la mise au point de stratégies anti-mousse efficaces sont des prérequis essentiels au bon déroulement du processus de fermentation.

II. Définition et mécanisme de formation des bulles

1. Définition de la mousse

La mousse désigne la structure en forme de bulles formée par la dispersion d'un gaz dans un liquide, généralement composée d'un film liquide enrobant le gaz. cuve de fermentationLa mousse est composée d'éléments tels que l'air, les nutriments, les produits métaboliques et les tensioactifs, et elle est un sous-produit du contact intense entre la phase liquide et la phase gazeuse.

2. Le mécanisme de formation des bulles

Le processus de fermentation est une réaction biologique aérobie typique, qui nécessite un apport important d'oxygène et une agitation constante. La formation de bulles est généralement due aux facteurs suivants :

• Ventilation et agitation à haute intensité : Afin de répondre aux besoins en oxygène pour la croissance et le métabolisme microbiens, la plupart des cuves de fermentation sont conçues avec des systèmes de ventilation et d’agitation très performants. Ces bulles entraînent continuellement le milieu de culture lors de la remontée, formant une interface gaz-liquide propice à la formation de mousse.
• Composition du milieu de culture : Certaines sources d'azote organique (comme l'extrait de levure, la peptone) et certains composants tensioactifs (comme les saponines, les protéines) sont susceptibles de former de la mousse.
• Influence des métabolites : lors du métabolisme des micro-organismes, des polysaccharides, des protéines ou des lipides peuvent être produits. Ces substances tensioactives ont pour fonction de stabiliser la mousse.
• Caractéristiques des micro-organismes eux-mêmes : Certains micro-organismes, tels que les actinomycètes, certaines levures et certains champignons, sont naturellement enclins à sécréter des substances visqueuses, augmentant ainsi la viscosité de la surface du liquide et réduisant la probabilité que la mousse éclate.

III. Influence de la mousse sur le processus de fermentation

1. Cela affecte l'efficacité des échanges gazeux

La mousse peut entraver la dissolution de l'oxygène, réduire le taux de transfert d'oxygène (OTR), affectant ainsi le métabolisme normal des micro-organismes et entraînant une diminution du rendement.

2. Risque de débordement et de contamination du milieu de culture

La mousse peut entraîner le milieu de culture hors de la cuve, provoquant ainsi un gaspillage. Elle peut également transporter des bactéries, augmentant le risque de contamination externe, particulièrement élevé lors de la fermentation aseptique.

3. Instruments de détection des interférences

De la mousse peut pénétrer dans les dispositifs de mesure du pH, les électrodes, les capteurs de mousse et autres appareils situés en haut de la cuve de fermentation, provoquant une distorsion des données et même des dommages aux instruments.

4. Augmenter la consommation d'énergie et les coûts d'entretien

La formation fréquente de mousse augmentera la charge de brassage, la consommation d'énergie et nécessitera également l'ajout fréquent d'antimousses et l'entretien du système, augmentant ainsi les coûts d'exploitation.

IV. Stratégies anti-mousse et anti-mousse couramment utilisées

Pour lutter contre le problème de la mousse, la fermentation industrielle adopte généralement une approche de contrôle fondée sur le principe « prévention d’abord, élimination ensuite ». Elle comprend principalement les stratégies suivantes :

1. Méthode mécanique anti-mousse

• Brise-mousse : Installez un brise-mousse mécanique (tel que des pales d'agitation ou un treillis métallique) sur le dessus de la cuve de fermentation pour couper la mousse par des moyens physiques.
• Pulvériser de l'eau pour faire éclater les bulles : Pulvériser de l'eau stérile ou de l'eau condensée dans la zone de formation de mousse afin de faire éclater les bulles par impact d'eau. Toutefois, la quantité de produit pulvérisé doit être contrôlée pour éviter la dilution du milieu de culture.

Système de fermentation par bioréacteur de production MIKEBIO 100T

2. Méthode chimique antimousse (ajout d'antimousse)

• Types courants d'antimousses :
• Les antimousses organosiliciés, tels que le polydiméthylsiloxane, ont des effets antimousses remarquables et une forte stabilité thermique, mais il existe des problèmes de résidus dans certains procédés de fermentation pharmaceutique.
• Antimousses polyéthers : tels que le copolymère séquencé polyoxyéthylène - polyoxypropylène (EO-PO), qui présentent une bonne biocompatibilité et sont largement utilisés dans la fermentation des aliments et des médicaments.
• Huiles végétales : telles que l'huile de soja, l'huile d'olive, l'huile de colza et autres antimousses naturels, convenant aux exigences des procédés de fabrication alimentaire.
• Huiles minérales : Elles sont bon marché mais difficilement biodégradables et conviennent à la fermentation chimique industrielle.
• "Ajouter une méthode :"
• Ajout manuel : Il est souvent utilisé dans la fermentation à petite échelle, mais il ne convient pas aux exigences d’automatisation élevées.
• Système de dosage automatique : Associé à des capteurs de mousse, il permet un contrôle quantitatif afin d’éviter qu’une utilisation excessive n’inhibe la croissance bactérienne.

3. Stratégie d'optimisation des processus

• Réduisez la vitesse d'agitation ou le débit d'aération : en cas de formation excessive de mousse, l'intensité de l'agitation et le débit de gaz peuvent être réduits de manière appropriée afin de ralentir la formation de mousse.
• Alimentation par lots et matrice à libération lente : éviter l’ajout unique de sources de carbone ou d’azote à forte concentration afin de réduire la charge d’activité de surface du système.
• Choisir des formulations de milieux peu moussants : par exemple, en réduisant de manière appropriée la proportion de poudre de levure ou de peptone, et en utilisant des sources d’azote alternatives, etc.

4. Intervention en génie microbien et génétique

• Sélection des souches à faible pouvoir moussant : lors de la sélection et de la reproduction des souches, il convient de privilégier celles qui sont moins susceptibles de sécréter des stabilisateurs de mousse.
• Modification par génie génétique : régulation de l’expression des métabolites tensioactifs par inactivation ou régulation négative de gènes, par exemple en contrôlant la synthèse des polysaccharides extracellulaires.

5. Contrôler la conception structurelle de la cuve de fermentation

• Espace supérieur réservé : Généralement, une cuve de fermentation réserve 20 % à 30 % de la cavité comme zone tampon pour la mousse.
• Installez des sondes à mousse : surveillez la hauteur de la mousse en temps réel et contrôlez l’ajout de produit pulvérisé ou d’antimousse de manière coordonnée afin d’améliorer le niveau d’automatisation.

V. Différences de contrôle de la mousse selon les différents types de fermentation

• Fermentation aérobie (comme la pénicilline, l'acide glutamique) : La mousse est produite intensément, et il est nécessaire d'améliorer le contrôle coordonné de l'aération, de l'agitation et des agents antimousse.
• Fermentation anaérobie (comme la fermentation de l'éthanol et du butanol) : On produit moins de mousse et le problème de la mousse est relativement mineur.
• Fermentation en milieu solide : Le problème de la mousse est pratiquement inexistant.
• Fermentation à haute densité : le problème de la mousse est plus marqué et de multiples stratégies doivent être adoptées de manière globale pour le contrôler.

VI. Orientations et défis futurs en matière de développement

1. Recherche et développement d'antimousses biodégradables

Actuellement, de nombreux antimousses disponibles sur le marché présentent le problème des résidus biologiques, ce qui affecte la purification et la sécurité des produits dérivés. Le développement de nouveaux types d'antimousses naturels, écologiques et biodégradables constitue la tendance future.

2. Système intelligent de surveillance de la mousse

En intégrant des algorithmes d'IA et la technologie des capteurs, la tendance à la formation des bulles est prédite et signalée afin d'obtenir un contrôle précis.

3. Le modèle de fermentation intègre les variables de la mousse

L'intégration du comportement des bulles dans le système de modélisation des processus biologiques favorise l'évaluation quantitative et l'optimisation du processus de génération de bulles.

VII. Conclusion

Bien que la formation de mousse soit souvent considérée comme un « sous-produit » de la fermentation, elle a un impact significatif sur l'efficacité de la production, la qualité du produit et le fonctionnement des équipements. Une compréhension approfondie du mécanisme de formation de la mousse et l'élaboration de stratégies anti-mousse complètes, combinant diverses méthodes mécaniques, chimiques et biologiques, permettent d'améliorer significativement la stabilité du processus de fermentation et son industrialisation. À l'avenir, grâce au développement intelligent et écologique de l'ingénierie de la fermentation, la maîtrise de la mousse évoluera vers une approche plus précise, respectueuse de l'environnement et efficace.

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