MAXBLEND สำหรับกระบวนการหมักที่มีความหนืดสูง

จากความต้องการในการใช้ทรัพยากรธรรมชาติที่เพิ่มสูงขึ้น โดยคำนึงถึงประเด็นด้านสิ่งแวดล้อมในระดับโลก งานวิจัยและพัฒนาไบโอโพลิเมอร์และไบโอพลาสติกจึงได้รับการส่งเสริมอย่างต่อเนื่องในช่วงหลายปีที่ผ่านมา และมีการขยายการนำไปใช้เป็นวัสดุอุตสาหกรรมอย่างกว้างขวาง อย่างไรก็ตาม เมื่อพิจารณากระบวนการหมักของไบโอโพลิเมอร์ พบว่าความหนืดของของเหลวในถังหมัก (broth) เพิ่มสูงขึ้นอย่างมาก ส่งผลให้การผสมไม่สม่ำเสมอ และก่อให้เกิดการลดลงของประสิทธิภาพการผลิต ในทำนองเดียวกัน สำหรับกระบวนการหมักไบโอพลาสติก แม้ว่าความหนืดของของเหลวจะลดลงเมื่อการหมักดำเนินไป แต่ในระยะเริ่มต้น ความหนืดของของเหลวตั้งต้นจะอยู่ในระดับสูงมาก ทำให้การผสมเป็นไปได้ยากและส่งผลให้กระบวนการหมักดำเนินไปได้ไม่ดี ทั้งสองกรณีล้วนส่งผลให้ประสิทธิภาพการผลิตลดลง และเป็นหนึ่งในความท้าทายสำคัญในการขยายขนาดถังหมักเพื่อการใช้งานในระดับอุตสาหกรรม

ในอุตสาหกรรมการหมักแบบดั้งเดิม มักติดตั้งใบพัดชนิด Turbine ซึ่งอาจจะไม่เหมาะสมสำหรับกระบวนการหมักที่มีความหนืดสูง เนื่องจากมีประสิทธิภาพในการผสมต่ำ ดังนั้น การพัฒนาถังหมักที่เหมาะสมสำหรับของเหลวที่มีความหนืดสูงจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง เพื่อรองรับความต้องการของอุตสาหกรรมไบโอโพลิเมอร์และไบโอพลาสติก ซึ่งคาดว่าจะมีการเติบโตอย่างต่อเนื่องในอนาคต

บริษัท Sumitomo Heavy Industries Process Equipment ได้พัฒนาและจำหน่ายเครื่องปฏิกรณ์ผสม โดยใช้ใบพัดที่เรียกว่า “MAXBLEND” ซึ่งแสดงประสิทธิภาพการผสมที่ยอดเยี่ยมในช่วงความหนืดที่กว้าง รวมถึงช่วงความหนืดสูงอีกด้วย

การทดสอบ

สำหรับการทดสอบประสิทธิภาพภายการกวนผสม มีการใช้สารละลาย CMC (Carboxy Methyl Cellulose) จำลองแทนของเหลวในกระบวนการหมัก ตารางที่ 1 แสดงรายละเอียดคุณลักษณะของถังหมักที่ใช้ในการทดสอบ โดยถังหมักเป็นถังแก้วที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 130 มิลลิเมตร และมีปริมาตรของเหลวใช้งาน 2.8 ลิตร สำหรับระบบกวนผสม ได้ทดสอบใบพัดผสม 2 ชนิด พร้อมติดตั้งเครื่องตรวจวัดแรงบิดของเพลาเพื่อคำนวณกำลังการผสม ได้แก่ ใบพัด Turbineแบบสองชั้น ซึ่งใช้เป็นถังหมักแบบดั้งเดิม (เรียกว่า 6DT) และใบพัด MAXBLEND (เรียกว่า MBF)

ผลการทดสอบและการวิเคราะห์

ประสิทธิภาพการผสม

ทดสอบโดยใช้วิธีการเติมสารด่างลงในของเหลวจำลองที่มีความหนืดสูง และวัดค่าความเป็นกรด–ด่าง (pH) ณ สามตำแหน่ง ผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่า MBF มีประสิทธิภาพโดดเด่นในการผสมในแนวบน–ล่าง กล่าวคือ ใช้เวลาในการผสมให้สม่ำเสมอน้อยกว่า และให้สมรรถนะการผสมที่ดีกว่า 6DT ในสภาวะความหนืดสูง

การผสมภายใต้สภาวะการเติมอากาศ

รูปที่ 3 แสดงผลการทดสอบเปรียบเทียบประสิทธิภาพการผสมของ MBF ที่ใช้ Spiral Sparger และ 6DT ที่ใช้ Conventional Ring Sparger ภายใต้สภาวะการเติมอากาศ พบว่าไม่ว่าความหนืด (μ) ของสารละลาย CMC จะเป็น 1.0 Pa·s หรือ 4.6 Pa·s เวลาในการผสม (θm) ของ MBF สั้นกว่า 6DT ประมาณครึ่งหนึ่งภายใต้กำลังการผสมเท่ากัน แสดงให้เห็นว่า MBF มีประสิทธิภาพการผสมดีกว่า 6DT

ความสามารถในการถ่ายเทออกซิเจน (KLa)

รูปที่ 4 พบว่าค่า KLa ของ MBF สูงกว่า 6DT และยิ่งกำลังการผสม Pv (kW/m³) ต่ำ ความแตกต่างยิ่งชัดเจน นอกจากนี้ ค่า KLa ของ MBF ยังสูงแม้ในสารละลาย CMC ความหนืดสูง

การประเมินจากแรงเฉือน

จุลินทรีย์หลายชนิดสามารถถูกทำลายได้ง่ายจากแรงเฉือนที่เกิดจากการกวน หนึ่งในคุณสมบัติของ MBF คือสามารถให้ประสิทธิภาพการผสมเท่ากับ 6DT ได้แม้ในสภาวะการกวนที่อ่อนกว่า เพื่อประเมินคุณสมบัตินี้ ผลกระทบของแรงเฉือนจากใบพัดของ MBF และ 6DT ต่อการตัดของเส้นใย filamentous hyphae ถูกทดสอบโดยใช้สารแขวนลอย “Agnomycetes sp” และเปรียบเทียบอัตราการรั่วของกรดนิวคลีอิก (⊿E260) ความสัมพันธ์ระหว่าง ⊿E260และ KLa สำหรับ MBF และ 6DT สรุปไว้ในรูปที่ 5 ซึ่งแสดงว่า ภายใต้เงื่อนไขการผสมที่ให้ค่า KLa เท่ากัน MBF ทำลายจุลินทรีย์น้อยกว่า 6DT

การทดสอบการหมักไบโอโพลิเมอร์

ความแตกต่างของประสิทธิภาพการหมักระหว่าง 6DT และ MBF ในระบบหมักความหนืดสูงถูกศึกษาด้วยกรดไฮยาลูโรนิก ซึ่งเป็นไบโอโพลิเมอร์ที่ใช้ในอุตสาหกรรมเครื่องสำอาง และปัจจุบันผลิตโดยการหมักด้วยแบคทีเรียแลคติค อย่างไรก็ตาม ในกระบวนการนี้ ประสิทธิภาพการหมักมักลดลงเนื่องจากความหนืดของสารหมักสูงและควบคุมค่า pH ได้ยาก รูปที่ 6 แสดงการเปรียบเทียบการหมักของ 6DT และ MBF ภายใต้สภาวะการผสมที่รักษาค่า pH 6.8 และความเข้มข้นออกซิเจนละลาย (DO) ที่ 1 ppm ในกรณี MBF ปริมาณเซลล์ (OD 660) น้อยกว่า 6DT แต่ปริมาณกรดไฮยาลูโรนิกที่ผลิตได้สูงกว่าอย่างชัดเจน (สูงสุด 20%) สาเหตุที่เพิ่มผลผลิตของ MBF ส่วนใหญ่เนื่องจากค่า pH ในถังถูกควบคุมให้สม่ำเสมอกว่า 6DT”

บทสรุป

(1) MBF ให้ประสิทธิภาพการผสมสูงกว่า 6DT ภายใต้เงื่อนไขกำลังการผสมเท่ากัน

(2) ในด้านความสามารถในการดูดซับออกซิเจน (KLa) MBF สูงกว่า 6DT ทั้งในน้ำและของเหลวความหนืดสูง (สารละลาย CMC) โดยเฉพาะอย่างยิ่งในของเหลวความหนืดสูงแม้ใช้กำลังผสมน้อย

(3) MBF ทำลายจุลินทรีย์น้อยกว่า 6DT ภายใต้เงื่อนไข KLa เท่ากัน

(4) เมื่อใช้ MBF ในการหมักกรดไฮยาลูโรนิก ผลผลิตที่ได้สูงกว่า 6DT ประมาณ 20% แสดงให้เห็นว่า MBF เหมาะสมกับการหมักความหนืดสูง