Schaum ist ein häufiges Problem bei der industriellen Fermentation und kann, wenn er nicht richtig kontrolliert wird, den gesamten Prozess stören. Für eine reibungslose und effiziente Fermentation ist es wichtig zu verstehen, wie Schaum entsteht, welche Probleme er verursachen kann und wie man ihn bekämpft.
Schaumarten bei der Fermentation
Während der Gärung treten im Allgemeinen zwei Arten von Schaum auf. Der erste bildet sich an der Oberfläche der Flüssigkeit. Dieser Oberflächenschaum ist leicht, gasgefüllt und deutlich von der darunterliegenden Flüssigkeit getrennt. Er tritt häufig in den frühen Stadien der Gärung oder in dünnen Saatkulturen auf.
Der zweite Typ ist komplexer und tritt in dickeren Fermentationsflüssigkeiten auf, insbesondere in solchen, die Myzel enthalten. Dieser Schaum ist fein verteilt, stabil und vermischt sich nahtlos mit der umgebenden Flüssigkeit. Vom Boden zum oberen Rand des Tanks steigt die Gaskonzentration in der Flüssigkeit allmählich an, wodurch der Schaum an der Oberfläche dichter wird.
Warum sich während der Gärung Schaum bildet
Schaum kann aus mehreren Gründen entstehen:
- Belüftung und Rühren: Hohe Luftmengen und hohe Rührgeschwindigkeiten können zu verstärkter Schaumbildung führen, insbesondere zu Beginn des Prozesses, wenn das Nährmedium noch reichhaltig und reaktiv ist. Eine frühzeitige Reduzierung des Luftstroms und der Rührgeschwindigkeit sowie eine anschließende schrittweise Erhöhung können zur Schaumminimierung beitragen. Bei Bedarf können in dieser Phase auch Entschäumer zugesetzt werden.
- Zusammensetzung und Viskosität des Mediums: Nährstoffreiche, dicke Nährmedien neigen eher zur Schaumbildung und sind schwerer zu rühren. Diese Bedingungen fördern stabilen, anhaltenden Schaum.
- Stammtyp und Impfvolumen: Schnell wachsende Stämme verbrauchen Nährstoffe schnell und produzieren weniger Schaum. Langsamer wachsende Stämme benötigen möglicherweise ein höheres Impfvolumen, um übermäßige Schaumbildung zu vermeiden.
- Sterilisationsqualität: Eine unzureichende Sterilisation kann Nährstoffe schädigen, mikrobielles Wachstum hemmen und zum Zellabbau führen, was wiederum die Schaumbildung fördert. In solchen Fällen hilft selbst die Zugabe von Entschäumern möglicherweise nicht.
Die Wirkung von Schaum
Unkontrollierter Schaum kann während der Gärung verschiedene Probleme verursachen:
- Reduziert das effektive Volumen des Tanks und verringert so die Geräteauslastung.
- Schafft eine ungleichmäßige mikrobielle Umgebung.
- Erhöht das Kontaminationsrisiko.
- Kann zu Produktverlust führen.
- Fängt Gase ein und beeinträchtigt so den Sauerstofftransport und Stoffwechselprozesse.
- Kann zu vorzeitigem Zellzerfall führen.
- Erschwert die nachfolgende Extraktion, wenn die Entschäumer nicht sorgfältig ausgewählt werden.
Erkennung und Kontrolle von Schaum
Schaum lässt sich am einfachsten durch Beobachtung des Schauglases im Gärtank erkennen. Steigt weiterhin Schaum auf, kann manuell Entschäumer zugegeben werden.
Für eine erweiterte Steuerung können Sensoren im oberen Tankbereich installiert werden. Erreicht Schaum den Sensor, sendet dieser ein Signal zur automatischen Entschäumerzugabe aus einem Vorratstank. Sobald der Schaumpegel sinkt, stoppt das Signal und die Entschäumerzugabe wird gestoppt.
Schaum kann durch physikalische oder chemische Methoden kontrolliert werden:
Physikalische Entschäumung
Bei dieser Methode wird Schaum durch mechanische Kraft zersetzt. Dies kann im Tank mithilfe von Geräten wie Schaumbrechern oder außerhalb des Tanks durch Entfernen des Schaums und Abtrennen der Flüssigkeit und anschließendes Zurückführen erfolgen.
Vorteile: Keine chemische Verunreinigung, umweltfreundlich, niedrige Kosten.
Nachteile: Bekämpft nicht die Grundursachen der Schaumbildung.
Chemische Entschäumung
Dabei werden Substanzen zugesetzt, die die Schaumstruktur destabilisieren. Diese Chemikalien können elektrische Ladungen neutralisieren oder die Oberflächenspannung des Schaums verringern, wodurch dieser kollabiert.
Vorteile: Hochwirksam und schnell wirkend.
Nachteile: Einige Entschäumer können den Sauerstofftransport beeinträchtigen oder die Weiterverarbeitung erschweren, wenn sie nicht sorgfältig ausgewählt werden.
Arten von Entschäumern
- Natürliche Öle: Wie Mais, Reiskleie, Sojabohnen, Baumwollsamen, Fischöl und Schmalz. Diese sind biologisch abbaubar und für die meisten Prozesse sicher.
- Auf Polyetherbasis: Häufig in der Produktion verwendet, einschließlich Polyoxypropylenglycerin und Polyoxyethylenpropylenglykol. Geeignet für bakterielle Fermentation.
- Höhere Alkohole: Wie Octadecanol, manchmal mit einem Trägerstoff verwendet. Kaltgepresstes Schmalz eignet sich gut für die Penicillinproduktion. Polyethylenglykol sorgt für langanhaltende Schaumkontrolle.
- Auf Silikonbasis: Wie Polydimethylsiloxan. Diese sind besonders bei bakteriellen Fermentationen mit geringer Alkalität sehr wirksam.
Den richtigen Entschäumer auswählen
Bei der Auswahl eines Entschäumers sollten mehrere Faktoren berücksichtigt werden:
- Es muss für den Fermentationsprozess und das Endprodukt sicher sein.
- Es sollte der Sterilisation standhalten, ohne dass die Ausrüstung kaputt geht oder korrodiert.
- Es darf keine Störungen bei Sensoren (z. B. pH- oder Sauerstoffsensoren) verursachen.
- Es sollte erschwinglich und leicht verfügbar sein.
- Es sollte schnell wirken und lange genug anhalten, um eine erneute Schaumbildung zu verhindern.
- Es sollte den Sauerstofftransfer nicht beeinträchtigen oder Probleme bei der Produktentnahme verursachen.
Schaum ist ein natürlicher Bestandteil der Gärung, kann aber zu einem ernsthaften Problem werden, wenn er nicht bekämpft wird. Durch das Verständnis der Ursachen und die richtige Kombination aus Überwachungstechniken, physikalischen Kontrollen und chemischen Entschäumern lässt sich Schaum unter Kontrolle halten und ein reibungsloser, effizienter Gärprozess gewährleisten.
